气化器格栅冷却安全系统和方法
【专利说明】气化器格栅冷却安全系统和方法
相关申请的交叉参考
[0001]本申请要求2013年3月19日提交的申请号为61/803439的美国临时专利申请的优先权，通过引用，该临时专利申请的全部内容并入本文。
技术领域
[0002]本发明涉及使用流化床反应器的煤的气化。更具体地说，本发明涉及一种气化器格栅冷却安全系统和方法以提供气化器格栅的安全。
【背景技术】
[0003]用于煤和其它含碳材料的流化床气化器由具有含氧气体穿过格栅进入流化固体的床来操作且所述气体与含有碳的固体反应以产生合成气。广泛使用的系统是在如美国专利申请号13/532769中描述的综合能源系统流化床气化器(“SES气化器”)。SES气化器的基本结构包括一容器，该容器容纳了在被气化的固体材料流化床上方的顶部空间，和在所述床下面的锥形格栅，通过该格栅气化介质以足够的速度引入以流化在气化器中的所述固体材料。通常为小颗粒的含碳进料只是在所述格栅上方输送。从所述格栅下面输送蒸汽和氧化剂(空气或氧气中任一)以流化和部分地氧化所述进料。紧接着在所述格栅下面和其他结构(通常是一个或多个用于灰冷却和处理等的额外容器)上方的是空的“增压(plenum) ” 空间。
[0004]这些气化器在900°C到1200°C的温度操作。为了保护所述格栅的机械完整性，只要所述床固体保持在温度高于格栅中的金属开始损失大量强度的温度，通过所述格栅的气流就必须被持续地保持。根据所述格栅的材料，该温度可以在从600至800°C的任何位置。对于SES U-气体技术，所述格栅温度通常需要保持在低于700-80(TC。如果所述气流损失，例如由于电源故障，则热的床材料将沉降在格栅上且格栅可能会被破坏或严重受损。
[0005]除了简单的电源故障，其他设备故障也可能会导致气化气流的损失。例如，蒸汽是通过所述格栅发出的最常用的气化气流，且该蒸汽系统可能故障，导致蒸汽压力的损失，从而弓I起所述格栅毁灭性的破坏。
[0006]因此，非常期望在所述流化气流损失的条件下保持通过所述格栅的冷却气流。
[0007]流化气体必须在略微高于所述气化器操作压力下开始可利用。然而保持这种冷却气流由于所需的气体体积和所需的压力而具有挑战性。此外，即使电力完全损失，流化气体必须是可用的。在那些情况下，在足够的压力下存放足够体积的气体用于冷却所述床固体到安全点是不切实际的。容易蒸发的液体(如液氮)的使用同样是不实际的。两者都极为昂贵和复杂，而且相当重要的原因还在于需要(I)用于栗送所述液体通过蒸发器的装置，和(2)用于栗的紧急发电机，或使用燃料的直接驱动栗。
[0008]还有一个复杂之处是，进行所述冷却和流化的方式必须不破坏格栅材料或通常用在所述格栅下面的腔室中的耐火衬套。例如，由于对格栅的热冲击和对格栅下的腔室的耐火衬套的水损坏，仅仅用柴油驱动栗喷洒过量的水到格栅的下侧上是不允许的。
[0009]因此，当流化气流损失时，需要解决上述问题的方案。
【发明内容】
[0010]如上所述，在某些情况下，当电源故障或其他设备故障发生时，保持气化气体而没有其他缺陷对所述气体分布格栅以及整个气化器系统的可靠性很重要。本发明提供了一种安全系统，该安全系统包括在增压空间中的液体喷洒机构。如果存在流化气流的损失，即当检测到气化气流故障事件时，该喷洒机构自动激活。喷洒成雾的液体材料(例如水)被立即转换为在所述增压空间中的蒸气，且产生正压力以使蒸汽流通过所述气体分布格栅。产生的蒸汽流可以冷却所述热床材料和防止所述热床材料沉降在所述气体分布格栅上。
[0011]根据一个方面，本发明提供了一种用于冷却流化床气化器的气体分布格栅的装置，其中，所述流化床气化器包括容器，该容器容纳了:顶部空间，所述顶部空间在被气化的固体材料的流化床的上方；气体分布格栅，该气体分布格栅在所述床的下方，通过该气体分布格栅引入气化气流以流化气化器中的固体材料；以及，在所述气体分布格栅下方的增压空间。所述装置包括气流故障事件检测器，用于检测气化气流故障事件；流动控制设备，用于当检测到气化气流故障事件时控制液体材料流(flow stream)引入到放置在所述增压空间中的喷洒设备内，其中，所述气流故障事件检测器与所述流动控制设备信号连接；以及，喷洒设备，用于将所述液体材料以雾喷洒到增压空间中，该雾蒸发并产生正压力以引起穿过所述气体分布格栅的流动，该流动防止热的床材料沉降在所述气体分布格栅上。
[0012]在一个实施方式中，当所述气化气流故障事件消失时，所述流动控制设备停止引入所述流进入所述增压空间。
[0013]在一个实施方式中，所述气流故障事件检测器确定(identify)所述气体分布格栅的温度，且如果所述温度处于或高于第一预先设定温度值，识别(recognize)气化气流故障事件。第一预先设定温度值是由离所述气体分布格栅的熔解温度的安全距离值来决定的。
[0014]在一个实施方式中，所述气流故障事件检测器确定在所述气体分布格栅上方的温度且如果所述温度处于或高于第二预先设定温度值，识别气化气流故障事件。所述第二预先设定温度值是由离比所述气体分布格栅的熔解温度更高的温度的安全距离值来决定。
[0015]在一个实施方式中，所述气流故障事件检测器确定在所述增压空间中和所述气体分布格栅上方的压力，且如果所述增压空间中的压力低于预先设定的压力值，识别气化气流故障事件。所述预先设定压力值是由高于所述气体分布格栅上方的压力的压力缓冲区来决定。
[0016]在一个实施方式中，所述气流故障事件检测器确定所述气体分布格栅的温度、所述增压空间中的压力和气体分布格栅上方的压力，且如果所述温度处于或高于第一预先设定温度值以及所述增压空间中的压力低于预先设定压力值，识别气化气流故障事件。所述第一预先设定温度值是由离所述气体分布格栅的熔解温度的安全距离值来决定，所述预先设定压力值是由高于所述气体分布格栅上方的压力的压力缓冲区来决定。
[0017]在一个实施方式中，所述流动控制设备控制所述液体材料流到这样的程度，S卩，由于液体材料的蒸发，所述增压空间中的压力保持高于所述气体分布格栅上方的压力。
[0018]在一个实施方式中，所述流动控制设备控制带有栗(如柴油驱动栗)的水存储槽，所述液体材料流从该水存储槽引入。
[0019]在一个实施方式中，所述流动控制设备控制带有气垫的压力容器，所述液体材料被保持在该压力容器中，所述气垫处于高于所述气化器压力的压力从而气垫中的膨胀气体将提供足够的压力来驱动所述液体材料。
[0020]在一个实施方式中，所述液体材料对所述气化器冶金无腐蚀性并且在所述气体格栅的最大容许温度具有高于所述气化器操作压力的蒸气压。
[0021 ] 在一个实施方式中，所述液体材料包括水、氮气、二氧化碳、丙烷。
[0022]根据本发明的另一个方面，一些实施方式还提供用于冷却流化床气化器的气体分布格栅的方法，其中，所述流化床气化器包括容器，该容器容纳了:顶部空间，所述顶部空间在被气化的固体材料的流化床的上方；气体分布格栅，该气体分布格栅在所述床的下方，通过该气体分布格栅引入气化气流以流化气化器中的固体材料；以及，在所述气体分布格栅下方的增压空间，所述方法包括检测气化气流故障事件，当检测到气化气流故障事件时，将液体材料流引入所述增压空间，将所述液体材料以雾喷洒入所述增压空间，该雾蒸发并产生正压力以引起通过所述气体分布格栅的流动，该流动防止热的床材