氣化器格柵冷卻安全系統和方法
【專利說明】氣化器格柵冷卻安全系統和方法
相關申請的交叉參考
[0001]本申請要求2013年3月19日提交的申請號為61/803439的美國臨時專利申請的優先權，通過引用，該臨時專利申請的全部內容并入本文。
技術領域
[0002]本發明涉及使用流化床反應器的煤的氣化。更具體地說，本發明涉及一種氣化器格柵冷卻安全系統和方法以提供氣化器格柵的安全。
【背景技術】
[0003]用于煤和其它含碳材料的流化床氣化器由具有含氧氣體穿過格柵進入流化固體的床來操作且所述氣體與含有碳的固體反應以產生合成氣。廣泛使用的系統是在如美國專利申請號13/532769中描述的綜合能源系統流化床氣化器(“SES氣化器”)。SES氣化器的基本結構包括一容器，該容器容納了在被氣化的固體材料流化床上方的頂部空間，和在所述床下面的錐形格柵，通過該格柵氣化介質以足夠的速度引入以流化在氣化器中的所述固體材料。通常為小顆粒的含碳進料只是在所述格柵上方輸送。從所述格柵下面輸送蒸汽和氧化劑(空氣或氧氣中任一)以流化和部分地氧化所述進料。緊接著在所述格柵下面和其他結構(通常是一個或多個用于灰冷卻和處理等的額外容器)上方的是空的“增壓(plenum) ” 空間。
[0004]這些氣化器在900°C到1200°C的溫度操作。為了保護所述格柵的機械完整性，只要所述床固體保持在溫度高于格柵中的金屬開始損失大量強度的溫度，通過所述格柵的氣流就必須被持續地保持。根據所述格柵的材料，該溫度可以在從600至800°C的任何位置。對于SES U-氣體技術，所述格柵溫度通常需要保持在低于700-80(TC。如果所述氣流損失，例如由于電源故障，則熱的床材料將沉降在格柵上且格柵可能會被破壞或嚴重受損。
[0005]除了簡單的電源故障，其他設備故障也可能會導致氣化氣流的損失。例如，蒸汽是通過所述格柵發出的最常用的氣化氣流，且該蒸汽系統可能故障，導致蒸汽壓力的損失，從而弓I起所述格柵毀滅性的破壞。
[0006]因此，非常期望在所述流化氣流損失的條件下保持通過所述格柵的冷卻氣流。
[0007]流化氣體必須在略微高于所述氣化器操作壓力下開始可利用。然而保持這種冷卻氣流由于所需的氣體體積和所需的壓力而具有挑戰性。此外，即使電力完全損失，流化氣體必須是可用的。在那些情況下，在足夠的壓力下存放足夠體積的氣體用于冷卻所述床固體到安全點是不切實際的。容易蒸發的液體(如液氮)的使用同樣是不實際的。兩者都極為昂貴和復雜，而且相當重要的原因還在于需要(I)用于栗送所述液體通過蒸發器的裝置，和(2)用于栗的緊急發電機，或使用燃料的直接驅動栗。
[0008]還有一個復雜之處是，進行所述冷卻和流化的方式必須不破壞格柵材料或通常用在所述格柵下面的腔室中的耐火襯套。例如，由于對格柵的熱沖擊和對格柵下的腔室的耐火襯套的水損壞，僅僅用柴油驅動栗噴灑過量的水到格柵的下側上是不允許的。
[0009]因此，當流化氣流損失時，需要解決上述問題的方案。
【發明內容】
[0010]如上所述，在某些情況下，當電源故障或其他設備故障發生時，保持氣化氣體而沒有其他缺陷對所述氣體分布格柵以及整個氣化器系統的可靠性很重要。本發明提供了一種安全系統，該安全系統包括在增壓空間中的液體噴灑機構。如果存在流化氣流的損失，即當檢測到氣化氣流故障事件時，該噴灑機構自動激活。噴灑成霧的液體材料(例如水)被立即轉換為在所述增壓空間中的蒸氣，且產生正壓力以使蒸汽流通過所述氣體分布格柵。產生的蒸汽流可以冷卻所述熱床材料和防止所述熱床材料沉降在所述氣體分布格柵上。
[0011]根據一個方面，本發明提供了一種用于冷卻流化床氣化器的氣體分布格柵的裝置，其中，所述流化床氣化器包括容器，該容器容納了:頂部空間，所述頂部空間在被氣化的固體材料的流化床的上方；氣體分布格柵，該氣體分布格柵在所述床的下方，通過該氣體分布格柵引入氣化氣流以流化氣化器中的固體材料；以及，在所述氣體分布格柵下方的增壓空間。所述裝置包括氣流故障事件檢測器，用于檢測氣化氣流故障事件；流動控制設備，用于當檢測到氣化氣流故障事件時控制液體材料流(flow stream)引入到放置在所述增壓空間中的噴灑設備內，其中，所述氣流故障事件檢測器與所述流動控制設備信號連接；以及，噴灑設備，用于將所述液體材料以霧噴灑到增壓空間中，該霧蒸發并產生正壓力以引起穿過所述氣體分布格柵的流動，該流動防止熱的床材料沉降在所述氣體分布格柵上。
[0012]在一個實施方式中，當所述氣化氣流故障事件消失時，所述流動控制設備停止引入所述流進入所述增壓空間。
[0013]在一個實施方式中，所述氣流故障事件檢測器確定(identify)所述氣體分布格柵的溫度，且如果所述溫度處于或高于第一預先設定溫度值，識別(recognize)氣化氣流故障事件。第一預先設定溫度值是由離所述氣體分布格柵的熔解溫度的安全距離值來決定的。
[0014]在一個實施方式中，所述氣流故障事件檢測器確定在所述氣體分布格柵上方的溫度且如果所述溫度處于或高于第二預先設定溫度值，識別氣化氣流故障事件。所述第二預先設定溫度值是由離比所述氣體分布格柵的熔解溫度更高的溫度的安全距離值來決定。
[0015]在一個實施方式中，所述氣流故障事件檢測器確定在所述增壓空間中和所述氣體分布格柵上方的壓力，且如果所述增壓空間中的壓力低于預先設定的壓力值，識別氣化氣流故障事件。所述預先設定壓力值是由高于所述氣體分布格柵上方的壓力的壓力緩沖區來決定。
[0016]在一個實施方式中，所述氣流故障事件檢測器確定所述氣體分布格柵的溫度、所述增壓空間中的壓力和氣體分布格柵上方的壓力，且如果所述溫度處于或高于第一預先設定溫度值以及所述增壓空間中的壓力低于預先設定壓力值，識別氣化氣流故障事件。所述第一預先設定溫度值是由離所述氣體分布格柵的熔解溫度的安全距離值來決定，所述預先設定壓力值是由高于所述氣體分布格柵上方的壓力的壓力緩沖區來決定。
[0017]在一個實施方式中，所述流動控制設備控制所述液體材料流到這樣的程度，S卩，由于液體材料的蒸發，所述增壓空間中的壓力保持高于所述氣體分布格柵上方的壓力。
[0018]在一個實施方式中，所述流動控制設備控制帶有栗(如柴油驅動栗)的水存儲槽，所述液體材料流從該水存儲槽引入。
[0019]在一個實施方式中，所述流動控制設備控制帶有氣墊的壓力容器，所述液體材料被保持在該壓力容器中，所述氣墊處于高于所述氣化器壓力的壓力從而氣墊中的膨脹氣體將提供足夠的壓力來驅動所述液體材料。
[0020]在一個實施方式中，所述液體材料對所述氣化器冶金無腐蝕性并且在所述氣體格柵的最大容許溫度具有高于所述氣化器操作壓力的蒸氣壓。
[0021 ] 在一個實施方式中，所述液體材料包括水、氮氣、二氧化碳、丙烷。
[0022]根據本發明的另一個方面，一些實施方式還提供用于冷卻流化床氣化器的氣體分布格柵的方法，其中，所述流化床氣化器包括容器，該容器容納了:頂部空間，所述頂部空間在被氣化的固體材料的流化床的上方；氣體分布格柵，該氣體分布格柵在所述床的下方，通過該氣體分布格柵引入氣化氣流以流化氣化器中的固體材料；以及，在所述氣體分布格柵下方的增壓空間，所述方法包括檢測氣化氣流故障事件，當檢測到氣化氣流故障事件時，將液體材料流引入所述增壓空間，將所述液體材料以霧噴灑入所述增壓空間，該霧蒸發并產生正壓力以引起通過所述氣體分布格柵的流動，該流動防止熱的床材