高温和高压环境中冷却灰粉和固体颗粒制造技术

在此披露了对来自高温和高压下运行的煤气化器的固体粒子进行冷却的冷却及降压系统设备、安排和方法。必须从循环流化床气化器中将来自煤的灰粉连续取出，以维持气化器中固体颗粒存量。披露的系统能够使常规材料用于构造热传递表面。用于这些冷却表面的支架位于初级冷却器的较低温度上部区段上。这些冷却的固体颗粒连同流化气体一起离开该初级冷却器到达次级接收容器，在该次级接收容器中这些固体颗粒可以通过常规手段被进一步冷却。进入次级容器中的流化的及带走的气体经过通风压力控制阀被过滤和排出。次级容器中的冷却的固体颗粒吸附塔是由连续降压系统被降压至低压力，这些低压力足够用于运送这些固体颗粒到用于处置的筒仓。所建议的系统和方法同样适用于要求对处理固体颗粒进行冷却和降压的许多高温、高压处理。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】局温和局压环境中冷却灰粉和固体颗粒相关申请的交叉引用本申请要求于2010年8月9日提交的第61/372，008号美国临时申请的权益，该申请的全部内容和实质通过引用结合在此。专利技术背景1、专利
本专利技术总体上涉及对来自相对高的温度和压力下运行的应用中的固体粒子的冷却。具体涉及对来自在约1500° F至2200° F的温度范围、以及约30至1000磅/平方英寸绝对压力(psia)的压力范围内运行的煤气化器中的高温灰粉的冷却。2、相关技术的说明在约1500° F至2200° F的温度范围、以及约30至IOOOpsia的压力范围内运行的气化器或反应器中的热固体颗粒的冷却呈现多种挑战，通过常规系统还不能完全克服它们中的任何一个。第一个挑战是对将热量从固体颗粒交换到冷却介质的多个热交换器管道进行支撑。此问题中的难点是必须将支架锚定到外壁上，从而需要贯通穿过耐火材料层，而该耐火材料层对于反抗由于固体粒子(从约50微米至400微米尺寸范围的质量平均直径)运动而引起的侵蚀、以及对外壁进行隔离而防止其过热而言是必要的。用来协助热粒子运动以及粒子在冷却表面上的流动的通风气体在冷却管道和支架中会引起振动。支架的这种振动会损害耐火材料并使容器壁局部过热。经过该支架的热传导还会使容器壁过热，从而使容器损坏和变形。这在容器形成压力边界时是一个重大的隐患。在高压、高温热交换器的发展中的第二个挑战是实现到热交换器的固体颗粒流的适当控制而不会干扰气化器或反应器的操作，而固体颗粒则正是从气化器或反应器中被取出和/或冷却后的固体颗粒正是会被送回到气化器或反应器中。同样，对于该循环流化床气化器而言，当这些固体颗粒从竖管中被取出时，吹风气体由于受压力限制而不会返回到储水塔或气化器中。吹风气体经过该移送点的返回防碍了固体颗粒流动到冷却器。由于气体在高的加工温度下会带走微粒，处理排气是困难的。在这些情况下，挑战变成如何将吹风气体以及被这些固体颗粒所带走的气体的一部分排出。第三个挑战是优化冷却器的设计，以使得当冷却器中的固体颗粒与这些热传导表面接触时，具有从约800° F至1000° F的温度范围。这样的考虑改善了冷却器的热传导表面的可靠性和耐久性，并且便于将低成本的钢用于该冷却表面。尽管在该冷却器的入口处的固体颗粒从气化器中被取出时，这些固体颗粒具有从约1500° F至2200° F的温度范围，坚固耐用的冷却器设计迫使与热传导区域接触的这些固体颗粒具有约于小1000° F的温度。已知的交换器设计具有支持这些热交换器管道的一个或两个管板。管板直径在商业冷却器中倾向于大直径。明智的是将该冷却器设计为不会使管板暴露给热固体颗粒。冷却器设备设计中的第四个挑战涉及适当处理起源于或者穿过气化器的外来材料和无关材料。该过程中的外来及无关材料可以例如是由:被污染的送料、碎裂的耐火材料、断裂的气化器内部零件及渣块，以及在加工过程中由于送入燃料(例如，煤)中的变异性或非法操作而形成的炉渣所导致的。这些材料通常是尺寸过大并且需要在达到这些热交换器表面之前将其从过程中去除以便限制或防止热的固体颗粒的流动路径被堵塞。对来自反应器的热的固体颗粒进行冷却的常规系统主要分成两个应用领域:对来自流体催化裂化(FCC)过程的、以及对来自循环流化床(CFB燃烧室)锅炉的热固体颗粒(催化粒子)进行冷却。在FCC领域中，实例包括授予洛马斯(Lomas)等人的美国第4，424，192号专利、授予维克(Vickers)等人的美国第4，425，301号专利、授予沃而特(Walters)等人的美国第4，822，761号专利、以及授予詹森(Johnson)等人的美国第5，209，287号专利。这些教导可适用于相对低的压力过程，如通常在约50磅/平方英寸(psi)以下操作的FCC过程。在这些实例中，詹森(Johnson)等人披露了使用一种屏蔽件来防止无关材料进入和干扰冷却器操作。然而，如本领域技术人员可以领会的是，通过气化器操作，高度渴望的是可将无关材料从气化器中排出，因为积聚在气化器中的无关材料可以引起各种各样的运行问题，包括在气化器中形成洛块。FCC设计包括:热固体颗粒从顶部进入冷却器以及冷却的固体颗粒从底部或者从容器在底部附近的一侧离开。因而，这些参考披露了多种系统，这些系统要求气体速度足够高以便使床上粒子完全流化以便保证该床达到均匀温度。这在FCC过程中不是问题，因为催化剂粒子的大小是相对均匀的，并且在气体速度的窄的范围内实现均匀流化是相对容易的。如本领域技术人员认识到，该情形在气化和燃烧过程中是相当不同的，其中粒子大小可以在近似30微米至10，000微米的范围内，并且在冷却器中的完全流化速度必须接近冷却器中的最大粒子尺寸的最小流化速度。对于10，000微米粒子而言，最小流化速度可以高至约10ft/s，并且在这种高速度下的操作要求大量气流经过冷却器。困难的是将这样的大量的气体流动经过冷却器返回气化器或燃烧室而不干扰其正常的操作。具有FCC参考的另一个问题是如果在气化和燃烧过程中常见的无关材料穿过该冷却束，则它们会分离并且积聚在冷却器底部，由于FCC设计是使固体颗粒向下流动并且在底部附近侧面取出的，这些物管材料最终会干扰该冷却器的正常运行。困难的是应用这些教导内容来冷却具有宽大粒子尺寸分布的气化器固体颗粒，例如来自流化床或循环流化床气化器的固体颗粒。在CFB领域中，实例包括授予阿伯达利(Abdulally)的美国专利号5，510,085和5，463, 968、授予艾利森(Allison)等人的美国专利号5，184, 671、以及授予科库(Kokko)的美国专利号7，194，983。在这些教导内容中，固体颗粒和流化气体均返回燃烧室以维持燃烧温度。当这些参考披露了进行中的冷却器时，这些冷却管道的外部表面实质上与这些固体颗粒接触，固体颗粒具有的温度接近约1600° F的燃烧室运行温度。尽管这样的运行温度使之必需为热交换器使用昂贵的合金材料，总体环境对于大多数合金工程材料是可容许的。然而，本领域技术人员应该认识到，对于气化器操作，其运行温度可以高达约2000° F，从而，当热的固体颗粒在这样的高温下直接接触该热传导表面时，材料选择会是一种挑战或者材料成本会很高。此外，除了科库(Kokko)，所引用的其他CFB实例忽视了进入热交换器中的无关材料的有害作用。科库(Kokko)认识到，避免固体颗粒通过热传导表面某些部分的重要性，并且设计了一种确保固体颗粒流动经过整个热传导表面的方式。然而，在科库(Kokko)的设计中，必须使固体颗粒在三个室中转弯，这自然使固体颗粒的流动更加复杂并且更难于处理无关材料。授予Maryamchik等人的美国专利号7，464, 669披露了一种灰粉冷却器,该冷却器具有两个室，一个用于粗灰粉的排放而另一个用于精细粒子的排放。然而，大粒子的灰粉室不具有冷却表面，并且因此从该室被取出的灰粉实质上与燃烧室中的灰粉具有相同的温度。同样困难的是在流化床中实现粗糙粒子与精细粒子的良好分离。在Maryamchik等人的专利中，流化气体会返回到燃烧室，这种实践对于某些应用可能是不适宜的。此外，Maryamchik等人披露了用于冷却这些固体颗粒的管道束贯穿耐火材料壁。对于CFB锅炉而言，这本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2010.08.09 US 61/372,0081.一种冷却系统用于对进入该冷却系统中的约1500° F以上平均温度的固体颗粒进行冷却，该冷却系统包括: 冷却器，该冷却器具有在底部用于接受约1500° F以上平均温度的固体颗粒的入口，该冷却器具有在上部区段中用于使约600° F以下平均温度的固体颗粒的至少一部分离开的出口 ； 该冷却器中的热传递系统；以及 该冷却器中的流化床回流冷却材料； 其中，这些固体颗粒经过该入口以约1500° F以上的平均温度进入该冷却器； 其中，这些固体颗粒中的至少一部分在该冷却器的下部分区段中与流化床回流冷却材料的至少一部分混合，直到这些固体颗粒的至少一部分的平均温度被冷却至小于约1000。F ； 其中，这些固体颗粒的小于约1000° F平均温度的至少一部分接触该冷却器中的热传递系统，该热传递系统使这些固体颗粒的至少一部分进一步冷却到小于约600° F平均温度；并且 其中，这些固体颗粒的小于约600° F平均温度的至少一部分经过该出口离开该冷却器。2.根据权利要求1所述的冷却系统，其中这些固体颗粒经过该入口以约30pisa以上的平均压力进入该冷却器。3.根据权利要求1所述的冷却系统，其中固体颗粒具有在约50微米至400微米范围之内的质量平均直径。4.根据权利要求1所述的冷却系统，进一步包括: 下导管，该下导管将约1500° F以上平均温度的这些固体颗粒引入到该冷却器底部； 接近该冷却器顶部用于支持该热传递系统的支架； 第二冷却器；以及 气体-固体颗粒分离系统； 其中，这些固体颗粒的约600° F以下平均温度的至少一部分经过该出口离开该冷却器并且进入该气体-固体颗粒分离系统中并且然后进入该第二冷却器，以进一步冷却这些固体颗粒。5.根据权利要求4所述的冷却系统，进一步包括: 在该第二冷却器顶部用来限制超过预定大小的固体颗粒进入通风管线的通风过滤器 区段；以及 用来调节该冷却器与该气化器之间压力差的压力控制系统。6.根据权利要求5所述的冷却系统，进一步包括连续压力减低系统，其中这些冷却的固体颗粒经过该连续压力减低系统而从该第二冷却器中被取出，该连续压力减低系统使固体颗粒流的压力减小到用于从该第二冷却器运送的希望水平。7.根据权利要求1所述的冷却系统，其中这些固体颗粒经过该入口以在约1500°F与2200° F之间的平均温度进入该冷却器； 其中这些固体颗粒经过该入口以在约30psia与IOOOpsia之间的平均压力进入该冷却器；并且其中这些固体颗粒具有在约50微米与400微米之间的质量平均直径。8.根据权利要求7所述的冷却系统，进一步包括下导管，其中该冷却器是竖直容器，其中该冷却器底部是锥状的并且并入该入口，并且其中该下导管将这些固体颗粒提供到该冷却器底部中的入口。9.根据权利要求7所述的冷却系统，进一步包括: 第二冷却器；以及 气体-固体颗粒分离系统； 其中，这些固体颗粒的约600° F以下平均温度的至少一部分经过该出口离开该冷却器并且进入该气体-固体颗粒分离系统并且然后进入该第二冷却器，以进一步冷却这些固体颗粒。10.根据权利要求7所述的冷却系统，进一步包括用来调节该冷却器与该气化器之间压力差的压力控制系统。11.一种对来自高温和高压的煤气化环境的灰粉和固体颗粒进行冷却的系统，该冷却系统包括: 气化器； 初级固体颗粒冷却器； 下导管，该下导管连接该气化器以及该初级固体颗粒冷却器，并将这些固体颗粒引入到该初级固体颗粒冷却器底部； 该初级固体颗粒冷却器中的热传递系统，该热传递系统用来在这些固体颗粒与冷却介质之间交换热量； 在该冷却器顶部附近用于支持该热传递系统的支架； 在该初级固体颗粒冷却器顶 部附近的固体颗粒出口； 次级冷却器； 在该次级冷却器入口处的气体-固体颗粒分离系统； 在该次级冷却器顶部附近用来限制超过预定大小的固体颗粒进入通风管线的通风过滤器区段； 用来控制该初级固体颗粒冷却器与该气化器之间压力差的压力控制通风阀；以及连续压力减低系统，其中这些...

【专利技术属性】
技术研发人员：帕纳拉尔·维摩乾德，刘国海，彭万旺，
申请(专利权)人：南方公司，
类型：
国别省市：