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CN102344834A - 气化方法和气化器 - Google Patents

气化方法和气化器 Download PDF

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CN102344834A
CN102344834A CN2011102157225A CN201110215722A CN102344834A CN 102344834 A CN102344834 A CN 102344834A CN 2011102157225 A CN2011102157225 A CN 2011102157225A CN 201110215722 A CN201110215722 A CN 201110215722A CN 102344834 A CN102344834 A CN 102344834A
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CN
China
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fuel
chamber
injector
gasifier
section
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CN2011102157225A
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M.D.德阿戈斯蒂尼
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Air Products and Chemicals Inc
Original Assignee
Air Products and Chemicals Inc
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Abstract

本发明公开了气化方法和气化器。本发明公开了一种气旋气化器和气旋气化方法。该气旋气化器和气旋气化方法涉及腔室，其具有靠近第一端的第一部分和靠近第二端的第二部分；将第一燃料引入到该腔室的第一部分；将第二燃料引入到腔室；以及，引入第一氧化剂，其使得第一燃料的速度加速且使得第一燃料从第一部分向第二部分旋动。

Description

气化方法和气化器
技术领域
本发明针对于一种气化方法和气化器。更具体而言，本发明涉及包含气旋气化的气化方法和气化器。 
背景技术
一般而言，已知气旋反应器的操作会产生缺陷。由于在气旋反应器内的温度梯度，存在炉渣在反应器内固化的趋势，特别地大部分在靠近炉渣离开反应器的地方的区域。举例而言，在已知气旋反应器中，炉渣行进穿过放渣口且炉渣通过辐射向诸如骤冷槽的更冷环境传热。由于在反应器与骤冷槽之间的大热梯度，在放渣口附近从炉渣的热损失可相对较高。高热损失急剧地增加炉渣的黏度，从而降低炉渣的流率且常常导致炉渣固化。炉渣冷却、黏度增加和固化的这个过程会导致反应器热效率降低，微粒排放增加和/或操作停机。 
已知气旋反应器可由高速的充满粒子的流动(例如，超过大约200ft/s的速度)侵蚀反应器壁。一般而言，当反应器壁包括耐火材料作为壁绝热材料时，耐火材料的被侵蚀部分必须被定期替换以避免容器损坏或损毁。耐火壁的这些部分的替换导致替换材料的材料成本，处理耐火材料替换的操作成本，以及在替换耐火材料期间不能使用反应器。 
某些过程的效果和能进行化学相互作用的范围受到反应器体积限制。一般而言，气旋反应器涉及高速喷射且也采用相对较高的每单位体积放热比率(例如，每立方米超过大约10MW热)。为了使固体燃料焚烧，固体燃料必须首先经历加热，之后挥发，然后氧化。每个过程具有时间依赖性且反应器的体积影响该过程的持续时间(即，对于给定放热，更大体积允许该过程更长持续时间)。已知的反应器受到可存在于气旋反应器中相对较短的气体驻留时间(例如大约一秒)的约束。因此，缓慢焚烧的燃料给料，诸如那些具有高水分含量(例如，超过大约15%重量)或大粒度(例如具有大约 英寸的尺寸)的给料，可能不被氧化到所需程度，导致减小的燃料利用率和/或降低的燃烧和/或气化效率。 
WO 2005/106327以引用的方式全文结合到本文中，其公开了一种气旋等离子体热解/玻璃化系统，其使用等离子体炬将废料热解且玻璃化为排气和炉渣。该系统减少了毒性材料，诸如重金属。在由等离子体炬形成的离心力下，在飞灰在反应器的内壁处被吸收之后，此系统熔化飞灰。在此系统中，等离子体炬相对于反应器的内底部表面以预定角度倾斜。此系统包括辅助反应器用于从主反应器接收排气。此辅助反应器位于主反应器的一侧上。此系统需要后焚烧器来增加排气温度。此外，此系统需要分离器壁在两侧上向相对较高温度(例如，高于大约1400℃)暴露且无热沉，由此使得此元件有高温损毁的风险。此系统也可导致反应器壁侵蚀，由冲击表面平面上方大约20度与40度之间引导的高功率/速度等离子体射流造成侵蚀。 
美国专利No.6,910,432以引用的方式全文结合到本文中，其公开了在具有焚烧器和管筒的造渣气旋反应器中燃烧固体燃料的方法。该方法涉及喷射两种氧化剂流，第一种氧化剂流具有大约21%体积的氧气浓度且第二氧化剂流具有大于第一流氧气浓度的氧气浓度。两个流选择性地喷射到气旋燃烧器内，由此混合两种氧化剂流使得第一氧化剂流的一部分在燃烧器的管筒中保持其原始浓度不变。该方法并不包括在气旋反应器中的补充燃料且由于高速喷射而会导致反应器壁侵蚀。 
美国专利No.6,968,791以引用的方式全文结合到本文中，其公开了一种操作气旋反应器的方法。该气旋反应器包括：管筒，其具有焚烧器端(前端或入口端)和喉部(后端或排气端)；两个焚烧器，其与管筒连通；初级燃料和初级氧化剂流；以及，补充燃料流和补充氧化剂流，其中第一氧化剂的氧气浓度为大约21%体积且第二浓度氧气大于大约21%体积。补充燃料和氧化剂在焚烧器端引入。补充燃料和氧化剂燃烧产物在喉部端离开，且由补充燃料和氧化剂生成的补充火焰在气旋内生成补充辐射热。此外，这种方法也可易于造成耐火材料侵蚀。 
美国专利No.7,621,154以引用的方式全文结合到本文中，其公开了用于供热到熔炉以形成熔融产物的方法。具有灰分组分的第一燃料和第一氧化剂与第二燃料和第二氧化剂一起被引入于造渣腔室内，第二氧化剂具有在大约22%体积与大约100%体积之间的氧气浓度。第一燃料和第二燃料的至少一部分在造渣腔室内燃烧，而灰分组分作为熔渣层收集且从造渣腔室提取。造渣燃烧器气体流出物在大约1000℃与大约2500℃之间的温度从造渣腔室传递到熔炉的燃烧空间内以供热从而形成熔渣。 
所需要的是一种气化方法和气旋气化器，其中维持气化器内炉渣的温度和黏度，气化器基本上受到保护避免侵蚀，氧化剂使用很少或不使用惰性气体，维持用于气化的气体动量，紧凑的布置提供高放热体积比，固体燃料粒子能被迅速地加热和/或点燃，和/或能够延长驻留时间和提高温度分布均匀性。 
发明内容
本公开的一方面包括一种气旋气化器。气旋气化器包括腔室、第一燃料喷射器、焚烧器和氧化剂喷射器。该腔室具有靠近第一端的第一部分和靠近第二端的第二部分。第一燃料喷射器被定位成将第一燃料引入到腔室的第一部分。焚烧器包括第二燃料喷射器，第二燃料喷射器被定位成将第二燃料引入到该腔室的第二部分且被配置成将火焰从第二部分向第一部分引导。第一氧化剂喷射器被配置成使得第一燃料的速度加速且使得第一燃料从第一部分向第二部分旋动。第二部分包括用于通过第一燃料、第二燃料或其组合气化所形成的产物气体的流动路径。第一燃料包括固体燃料。 
本公开的另一个方面包括一种气旋气化器。该气旋气化器包括：腔室，其具有靠近第一端的第一部分和靠近第二端的第二部分；第一燃料喷射器，其被定位成将第一燃料引入到腔室的第一部分；焚烧器，其包括第二燃料喷射器，其被定位成将第二燃料引入到腔室；加速氧化剂喷射器，其被配置成使得第一燃料的速度加速且使得第一燃料从第一部分向第二部分旋动；以及，环形氧化剂喷射器。第二部分包括用于通过第一燃料、第二燃料或其组合气化所形成的产物气体的流动路径。该环形氧化剂喷射器布置于第一燃料喷射器周围以促进至少第一燃料的气化。第一燃料包括固体燃料。 
本公开的另一个方面包括一种气旋气化方法。该方法包括：提供腔室，其具有靠近第一端的第一部分和靠近第二端的第二部分；将第一燃料引入到该腔室的第一部分；将第二燃料引入到该腔室并用氧气来氧化该第二燃料；引入加速氧化剂，其使得第一燃料的速度加速且使得第一燃料从第一部分向第二部分旋动；以及下列操作中的一个或多个：将火焰从第二部分向第一部分引导，该火焰由第二燃料氧化形成；以及，通过利用环形氧化剂喷射器绕第一燃料引入环形氧化剂而促进至少第一燃料的气化。第二燃料在成分上不同于第一燃料。第一燃料包括固体燃料。 
本公开的优点包括控制炉渣温度和黏度，其能够降低或排除由于炉渣冷却和增厚所致的操作停机。 
本公开的另一优点包括以相对于反应器壁的低攻角（迎角）引入固体燃料，从而减轻壁耐火材料侵蚀且延长耐火材料的寿命。 
本公开的另一优点包括在使用具有较低惰性气体浓度的氧化剂的同时维持气旋作用，从而降低了惰性气体对于气化过程的不利影响。 
结合附图，通过下文优选实施例的更详细描述，本发明的其它特征和优点将会很明显，附图以举例说明的方式说明本发明的原理。 
附图说明
图1示出根据实施例包括示范性气旋气化器的系统的示意图。 
图2示出根据实施例包括示范性气旋气化器的系统的示意图。 
图3示出根据实施例包括示范性气旋气化器的系统的示意图。 
图4示出根据实施例的示范性气旋气化器。 
图5示出根据实施例沿着图4中的线5-5所截取的示范性气旋气化器的剖视图。 
图6示出根据实施例的示范性气旋气化器的剖视图。 
图7示出根据实施例的示范性气旋气化器的剖视图。 
图8示出根据实施例的示范性气旋气化器的腔室的第一部分。 
图9示出根据实施例的示范性气旋气化器的腔室的第一部分。 
图10示出根据实施例沿着图4中的线10-10所截取的示范性气旋气化器的剖视图。 
图11示出根据实施例的示范性气旋气化器的腔室的第一部分。 
图12示出根据实施例沿着图4中的线12-12所截取的示范性气旋气化器的剖视图。 
图13示出根据实施例的示范性气旋气化器的腔室的第二部分。 
图14示出脆性材料和韧性材料的侵蚀率数据对接触角的示范性曲线（图1脆性材料和韧性材料的侵蚀响应（3））。 
具体实施方式
本发明提供一种涉及气旋气化的气化方法和气化器。实施例维持气化器内炉渣的温度和黏度，基本上保护气化器避免侵蚀，利用具有很少或无惰性气体的氧化剂（一种或多种），保持用于气化的气体动量，包括紧凑的布置和高放热体积比，迅速加热并点燃固体燃料粒子，和/或延长驻留时间和温度分布的均匀性。 
图1、图2和图3示出包括示范性气旋气化器300的示范性系统。图4至图13示出气化器300的各种视图和/或实施例。合适系统包括(但不限于)能量密集型系统(例如纸浆和纸，玻璃、钢、有色金属、公用事业、生物精炼)和保持俘获生物质给料或有机副产物的系统(诸如林业、纸浆与纸，食品加工-动物和植物，农业和生物精炼)或寻求利用在热和电产生中用可再生燃料代替化石燃料的其它合适系统。 
参看图1，气化器300可包括于系统100中，系统100可适合于组合热和/或电力应用。该系统100供应合成产物气体到工业加热或熔炉102，诸如钢再热炉或工艺锅炉(其通常可烧天然气)。自气化器300输出的合成产物气体被递送到热交换器104(例如，在工业加热或熔炉102中所用的燃烧空气的预热器)，之后进入到燃料递送集管108且供应焚烧器106，焚烧器106向炉102提供热。取决于炉要求，在喷射于炉102中之前，可包括额外合成产物气体预处理。焚烧器106可为低NOx焚烧器(例如，在工业炉中产生低于20ppmv NOx排放的焚烧器)。焚烧器106的控制可通过促动阀130来实现，促动阀130与炉102的控制系统110链接。该系统100对炉需求中波动的适应性可通过将产物气体的一部分用作气化器300中的补充燃料再循环而增强。离开炉102的烟气温度可(例如)从大约500℉变化至1500℉(260℃至816℃)，取决于具体工业过程。烟气被递送到调温器112，在调温器112中，温度被降低且稳定，例如经由再循环风扇132来再循环冷气体的一部分，然后到蒸发器114，在蒸发器114中，与诸如水的工作流体或诸如丁烷或氨的有机流体交换热，且利用郎肯（Rankine）循环发电机116来发电。工作流体的选择可被配置根据系统100的大小和/或离开炉102的烟气的温度。自蒸发器114的被冷却的气体再循环到调温器112，或递送到燃料干燥器118，因此进一步提高系统100的效率。系统100可包括任何其它合适过程元件。举例而言，系统100可包括微粒/酸移除系统120，生物质供应系统122、烟囱124、氧气源126和/或添加剂喷射器128。 
参看图2，气化器300可包括在烧粉煤的电力锅炉系统200中。该系统200可从生物质或其它可再生的燃料产生合成气体且利用该合成气体部分地或完全地替换锅炉中的煤。在一个实施例中，该系统200可被配置成粉碎煤且也气化生物质，其中生物质衍生的合成气体供应到锅炉的能量大于总能量的大约10%至20%。高水平的生物质混烧(例如，生物质混烧产生超过递送给锅炉的能量的大约50%)可通过在气化器300中气化生物质，通过使用单个生物质进给202和/或通过分配且喷射产物气体到焚烧器204内而实现。在一个实施例中，该系统200可基本上无硫洗涤器或选择性催化还原单元。 
气化器300被配置成从合成产物气体燃料流俘获和移除固体粒子，从而减少或排除潜在污染源和下游污垢。此外，气化器300可将无机材料转变成炉渣，这种炉渣是对环境无害的材料。气化器300可用于处理自微粒收集装置206的飞灰，其可提供环境优选的选项来将飞灰填地，具有在商业上销售炉渣的可能性(例如，作为爆炸或沙砾磨料、屋顶瓦颗粒和/或沥青摊铺中的集料)。其它合适的处理元件可包括在系统200中。举例而言，系统200可包括煤源208，用于向炉102提供煤。 
系统100和/或系统200的部分可用于其它过程或系统。举例而言，热交换器用于加热在系统100和/或系统200中不用的流体。此外，取决于过程加热和/或电力要求可组合多个合适的系统。而且，应了解，气化器300可用于具有合适炉的任何合适系统中。举例而言，气化器300可用于图3所示的系统303中，系统303具有气化器300和受控制器305控制的炉102。 
参看图4，气化器300包括：第一燃料喷射器302，其用于引入第一燃料(未图示)；第二燃料喷射器304，其用于引入第二燃料(未图示)；以及，氧化剂喷射器(例如，加速氧化剂喷射器306)，其用于加速气化器300内的第一燃料的切向速度。在一个实施例中，由第二燃料喷射器304提供给补充焚烧器414(图5中示出)的燃料可小于到气化器300的总能量输入的大约25%(且由第一燃料喷射器302提供的燃料大于气化器300的总能量输入的大约75%)。在另一实施例中，由第二燃料喷射器304提供给补充焚烧器414的燃料可小于到气化器300的能量输入的大约10%(且由第一燃料喷射器302提供的燃料大于气化器300的总能量输入的大约90%)。在再一实施例中，由第二燃料喷射器304提供给补充焚烧器414的燃料可小于到气化器300的能量输入的大约5%(且由第一燃料喷射器302提供的燃料大于气化器300的总能量输入的大约95%)。 
第一燃料以低速度(例如低于大约60ft/s)经由第一燃料喷射器302引入到气化器的腔室400(在下文中参看图5所述)内且由高速氧化剂流(例如，具有大约200ft/s与400ft/s之间的速度的流)扫掠到切线轨迹内。作用于第一燃料粒子上的离心力使得粒子朝向腔室400的壁402加速，其中粒子基本上俘获于熔融渣层中。通过连续沉积且融化固体燃料粒子来形成熔融渣层。在熔融相中俘获并保持的固体燃料粒子增加了在气化器300内的驻留时间。举例而言，熔融相粒子可具有比大约1分钟更长的驻留时间，与可具有大约1秒的驻留时间的气相粒子相比。熔融相粒子的延长的驻留时间便于固体燃料中固态碳(例如，纯固体燃料，包括固体燃料的浆或包含固体燃料的任何其它合适燃料)的高度气化。由高气体速度形成的湍流混合和由切向流动造成的径向压力梯度增强了气相反应，切向流动具有引起三维补充流动的第一燃料喷射器302与第二燃料喷射器304(如在下文中进一步描述)之间的逆流关系。在重力和气体驱动剪切的组合作用下，炉渣从第一端408(例如，入口端)流到第二端412(例如，出口端)。炉渣通过炉渣排放端口802(例如，放渣口)离开到合适收集装置。气体也通常从第一端408流到第二端412。大部分固体残留物/微粒与气体分离且气体通过出口404排放(例如，排气端口)。 
在一个实施例中，在图5中示出，补充焚烧器414定位于腔室400的第二部分410中或与腔室400的第二部分410连通且被配置成将补充火焰416向第一部分406引导。这种配置可被称作具有逆流焚烧器。在逆流焚烧器配置中的补充火焰416基于氧化剂中高氧气浓度形成很高温度的火焰(例如，高于大约5000℉)。如本文所用(除了有相反规定之外)的术语“氧气”指至少大约30%体积的O2含量。从补充火焰416放热维持炉渣温度高于预定温度，对于通过炉渣排放端口802离开腔室400的炉渣，该温度形成稳定的炉渣流动条件。预定温度可为T250，其为黏度是250泊的温度。 
逆流焚烧器配置允许补充火焰416夹带气体和微粒且重新引导气体和微粒向第一部分406，从而延长驻留时间且改进气化器300效率。对于离开气化器300的合成产物气体，补充火焰416可充当后焚烧器。当合成产物气体离开气化器300时，合成产物气体穿过路径500，路径500维持靠近补充火焰416，升高合成产物气体的温度且使合成产物气体与化学活性物种相互混合。温度升高和相互混合通过气化合成产物气体中的细微粒固体碳而改进了气化效率且在分子上减小(或裂解)合成产物气体中的焦油(若存在)。如本文所用的术语“焦油”是指在反应早期阶段，特别地在缺氧环境下形成的高分子量有机组分。焦油倾向于在高温凝结，形成粘性物质，且已知沾污下游过程设备，诸如阀和热交换器。 
在一个实施例中，补充燃料和氧化剂以与腔室400内的切向流动基本上相同的取向旋动。旋动可造成补充火焰416径向扩展，而这进而遏制火焰的前向动量。旋流可减轻或排除腔室400前壁409上的补充火焰冲击。补充火焰冲击可导致壁402损毁。加宽火焰可增加火焰表面积。增加的火焰表面积增加在整个气化器300中来自补充火焰416的加热。特别地，利用旋动逆流补充火焰416，通过增加火焰的前区，从而增加在火焰的前表面与腔室400的第一端408之间的辐射视角系数(在图6中示出)，来改进腔室400第一端408的加热。靠近第一端408改进的加热允许固体燃料和炉渣的早期加热，增加的反应器放热且增加的炉渣流动稳定性。旋动的补充火焰416维持切向流场且通过迫使固体粒子朝向壁402而更高效地俘获炉渣中的固体粒子。 
在一个实施例中，烧补充燃料与氧化剂的补充焚烧器414形成补充火焰416，其从第二端412进入腔室400且被引导向第一端408。补充焚烧器414提供分配式补充加热源以加速气化反应，稳定炉渣流动，减少微粒到产物流内的携带，且增强反应器内的气旋动作。补充焚烧器414便于腔室400内补充燃料的至少部分氧化。补充燃料可为固体、液体和/或气体。补充燃料的该至少部分氧化形成火焰416。火焰416沿着腔室400的中心轴线301被引导。在一个实施例中，火焰416在炉渣排放端口802的长度上延伸，提供热辐射，其维持第二部分410中的温度高于预定温度(例如，高于炉渣熔点)。在一个实施例中，补充焚烧器414以小于氧气的化学计量来操作，以减轻或排除周围产物气体的氧化。如果补充燃料为气态，此亚化学计量操作可增加补充火焰辐射，其可改进来自腔室400内的补充火焰416的加热效率。 
气化器300的外部可包括任何合适材料。举例而言，该外部可包括钢，任何其它合适材料或其组合。气化器300的外部可为任何合适几何形状以容纳该腔室400。该腔室400包括靠近第一端408的第一部分406和靠近第二端412的第二部分410。整个腔室400或腔室400的一部分可包括耐火材料。耐火材料可包括硅石、氧化铝、铁、铬、锆和/或其它高温材料的合金。在一个实施例中，腔室400(或腔室400的壁（一个或多个）402可包括热电偶，其用于监视第一部分406、第二部分410和/或腔室400的任何其它合适部分的温度。作为补充或作为替代，整个腔室400或腔室400的一部分可由通过水套422(参看图5)流通的水来进行水冷。 
在一个实施例中，腔室400为圆柱形且可被称作管筒。在示范性腔室400中，腔室依靠离心力和“管筒”形状来从炉渣分离产物气体。具有灰组分的燃料可以预定速度引入。在一个实施例中，预定速度低于大约60ft/s。在另一实施例中，第一燃料基本上无运输气体(非气动地)地被引入。 
在第一燃料接触腔室400的壁402之前，低速第一燃料与高速氧化剂接触。在第一燃料接触壁402之前在第一燃料与氧化剂之间的接触防止反应器内粒子沉降和/或堆积，且由于第一氧化剂流更高的速度而能迅速地夹带燃料粒子。粒子沉降和/或粒子堆积的减轻或排除允许燃料粒子在腔室400中更均匀地沉积。一般而言，拾取已沉积的粒子的速度(拾取速度)显著高于保持粒子悬浮的速度(即，跳跃速度)。举例而言，拾取速度可以是跳跃速度的高达2.5倍。因此，通过减轻或排除初始粒子沉降和/或粒子堆积，燃料粒子更均匀地沉积于腔室400内。这种更均匀的分配可增加化学反应速率和/或通过使得更多的微粒表面积向高温和反应物气体暴露，对于给定腔室400的体积，允许更高放热率。氧化剂的速度可在大约200ft/s与400ft/s之间。这个范围可(取决于燃料粒子的大小和/或形状)提供足够动量来维持迅速粒子夹带和离心作用。此外，这个范围可(取决于燃料粒子的大小和/或形状)避免过于高的供应压力和/或避免通过对流冷却而使得炉渣层固化的趋势。 
腔室400允许气化器300气化燃料(例如固体燃料)与一种或多种氧化剂(例如，含氧气的气体)。该腔室400被配置成从腔室400第一端408附近的腔室400的第一部分406中的第一燃料喷射器302接收燃料。由加速氧化剂喷射器306喷射的氧化剂使得通过第一燃料喷射器302引入的燃料速度在切向加速。图8示出在喷射到腔室400内时第一燃料粒子的初始路径。第一组箭头602示出第一燃料粒子的路径。第二组箭头604示出氧化剂的路径。在每组箭头602、604中，由箭头长度示出比较速度。举例而言，更长的箭头代表相应路径内的粒子/氧化剂的更高速度。在每组箭头602、604中，由箭头取向示出粒子的相对方向/轨迹。举例而言，竖直取向的箭头代表向下方向/轨迹。在一个实施例中，氧化剂可包括超过大约28%体积的O2浓度。在另一实施例中，氧化剂可包括超过大约50%体积的O2浓度。在另一实施例中，氧化剂可包括超过大约85%体积的O2浓度。 
由与氧化剂相互作用造成的第一燃料的加速使得离心力和线性剪切力作用于燃料粒子上。线性力通过使粒子切向速度迅速增加而维持粒子悬浮，从而在整个反应器体积中分配粒子，而离心力(由切向流场造成)使得粒子在径向向外移动，允许它们沉积于腔室400的壁（一个或多个）402上。但是，如图9所示，由于高氧化剂速度和低燃料速度，将燃料粒子同时夹带到加速氧化剂喷射器306内维持初始燃料冲击时燃料粒子与壁402之间的接触角510在预定值，该预定值足够低以减轻或排除壁（一个或多个）402的侵蚀。在一个实施例中，腔室400从第一部分406向第二部分410成角度，从而使用重力来进一步便于炉渣朝向炉渣排放端口802流动。在另一实施例中，腔室400的中心轴线301(在图5和图7中示出)在水平上方高于大约10度的角度(例如，从垂直于重力成10度)。 
再次参看图4，多个分级氧化剂喷射器308可被配置成便于分级氧化剂喷射。分级氧化剂喷射器308在沿着腔室400内气体的流动路径418(参看图5)的多个预定位置在切向引入氧化剂。分级氧化剂喷射可在腔室400内形成速度和温度分布。举例而言，切向流场与壁402之间的黏性阻力降低了流动速度且逐渐地减小运输燃料粒子和灰粒子的力。在一个实施例中，额外高速氧化剂(例如，在大约200ft/s与400ft/s之间速度引入的氧化剂)被分级为该分级氧化剂喷射器308中的一个或多个内以使得切向流动再加速，从而促进固体粒子的持续运输。同时，分级氧化剂喷射器308添加额外氧化物，通过燃料氧化释放更多的化学能，这升高了局部温度。局部温度升高增加了腔室400第一部分406附近的反应动力学。在另一实施例中，速度分布包括通过分级氧化剂喷射器308的分级氧化剂的低速(例如，以小于大约200ft/s引入的氧化剂)，其可添加氧化剂而不会使切向流场显著加速。 
可通过温度测量来确定分级氧化剂速度和喷射位置的所需组合(例如，通过经由嵌入于壁402中的多个热电偶来监视腔室400内的温度或者经由位于排气流中的热电偶来监视排气温度)。作为补充或作为替代，可通过测量排气组成来确定最佳反应器操作条件。举例而言，可使用气相色谱仪、质谱仪、拉曼光谱仪或其它合适的分析或光谱仪器通过提取采样来确定组成。作为补充或作为替代，可使用诸如非色散红外分析仪这样的光学器件来原位测量气体组成。在一个实施例中，通过确定炉渣的一致性和碳含量来确定最佳反应器操作条件。在此实施例中，分析离开炉渣排放端口802的固体材料。监视腔室400内条件允许做出调整以实现所需结果。所需结果可包括在耐火材料内温度的大致均匀性(例如，耐火材料的温度维持在大约50℃的范围或大约1300℃与大约1350℃之间)，实现预定排气温度(例如，大约1400℃)，实现预定排气一氧化碳浓度(例如，50%体积)，实现预定排气微粒含量(例如，小于第一燃料的总灰含量的大约10%)，和/或实现炉渣中预定碳含量(例如，小于大约10%重量)。 
分级氧化剂喷射器308位于距出口404预定距离处(例如，气体流动路径418长度的大约1/3或大约2/3处)。气体流动路径418为在第一燃料喷射器302的中心线与气体出口404的中心线之间的距离，其沿着腔室400的中心轴线301被测量。 
第一燃料喷射器302的燃料喷射发生在低速度(例如小于大约60ft/s)，并且较少或不利用运输气体(例如小于每磅固体燃料大约0.5lb运输气体或在重力进给中无运输气体)。利用较少或不利用运输气体(诸如包括空气或氮气的常规运输气体)可防止反应器温度和合成气体热值由于惰性稀释剂而降低。 
图10示出图4所示的气化器300的示范性实施例沿着10-10所截取的截面图。图10具体地示出腔室400的第一部分406。如图10所示，初步氧化剂喷射器309向腔室400提供初步氧化剂流。初步氧化剂喷射器309位于从第一燃料喷射器302进入腔室400的燃料流附近。在一个实施例中，第一燃料喷射器302可被定位成在由加速氧化剂喷射器306提供的氧化剂流与由初步氧化剂喷射器309提供的第二氧化剂流之间提供燃料流。在两个氧化剂流之间引入燃料流可增加氧化剂-燃料界面面积，改进点燃，加速燃料焚烧，和/或减轻/排除对腔室400的壁（一个或多个）402的侵蚀。 
在一个实施例中，由初步氧化剂喷射器309提供的氧化剂流的速度预选低于预定速度，其将增加接触角510超过预定角且不当地侵蚀腔室400的壁（一个或多个）402。这种氧化剂流的速度也可高于预定速度，其可向离心运动添加黏性阻力且将迟缓由第一氧化剂夹带的燃料粒子的动量。在一个实施例中，此氧化剂流的速度是大约30ft/s与大约60ft/s之间。 
另一实施例包括第一燃料喷射器302，其通过环形氧化剂喷射器702提供由氧化剂抽吸的燃料。如本文所用的术语“环形氧化剂喷射器”和其语法变型指被配置成形成氧化剂环(连续或非连续)的氧化剂喷射器。图11示出气化器300的此实施例的截面图。图11具体地示出腔室400的第一部分406的替代实施例。环形氧化剂喷射器702定位成环绕(或基本上环绕)第一燃料喷射器302而不是只邻近第一燃料喷射器302引入氧化剂。将环形氧化剂喷射器702定位于第一燃料喷射器302周围增加了燃料-氧化剂界面且减轻或排除了由周围气体所致的燃料-氧化剂反应的稀释。 
在一个实施例中，环形氧化剂喷射器702被定位成在这些流接触腔室400壁（一个或多个）402之前混合氧化剂与燃料。举例而言，环形氧化剂喷射器702的燃料喷嘴可从腔室400壁（一个或多个）402收回预定距离X。可选择预定距离X高于一距离以在预选持续时间开始点燃和/或可选择预定距离X形成高于预选程度的燃料反应。增加预定距离X增加在燃料和氧化剂进入气化器300之前燃料与气化器的混合程度且提供燃料点燃更早的开始和进入气化器300之前更大程度的燃料反应。作为补充或作为替代，可选择预定距离X低于对应于向环形氧化剂喷射器702和/或壁（一个或多个）402造成损坏量的距离。减小该预定距离X减轻或排除对环形氧化剂喷射器702和腔室400壁（一个或多个）402的损坏。在一个实施例中，预定距离X小于燃料喷嘴液压直径的大约两倍(液压直径等于4乘以截面积除以周长)。在一个实施例中，预定距离X小于燃料喷嘴液压直径的大约五倍。 
图12示出沿着12-12所截取的图4所示的示范性气化器300的截面图。图12具体地示出腔室400的第二部分410。在此实施例中，通过在壁402的上部区域804与气体出口404之间形成锐角520而实现产物气体与固体微粒的进一步分离。锐角520造成离开气体流动的尖锐曲率。固体粒子/微粒基本上通过尖锐曲率防止进入气体出口404且遵循固体粒子路径806。具体而言，在锐角520上游的固体粒子的惯性迫使固体粒子超过出口404(与产物气体路径808相反)且使得固体粒子夹带于腔室400的离心场内。在另一实施例中，通过在壁402的上部区域804与气体出口404之间定位突伸构件810而产生类似效果(参看图13)。锐角520、突伸构件810和/或其它合适特征可形成由气化所形成的产物气体的弯曲路径。弯曲路径可从产物气体分离微粒。 
在替代实施例中，在图7中示出，补充焚烧器414定位于腔室400的第一部分406中且被配置成将补充火焰416向第二部分410引导。这种配置可被称作具有同流焚烧器。在同流焚烧器配置中的补充火焰416形成一定温度分布，且最高温度在腔室的第一部分406中，且因此形成炉渣黏度分布，且炉渣在第一部分406中具有更低黏度且在第二部分410中具有更高黏度。 
在一个实施例中，选择接触角510的预定值来减轻腔室400壁（一个或多个）402中的材料侵蚀。壁（一个或多个）402的侵蚀取决于燃料粒子的速度和轨迹、燃料粒子的大小、燃料粒子的形状、燃料粒子的硬度和/或形成壁402的材料的相对韧性。在一个实施例中，燃料粒子的速度和轨迹响应于燃料粒子的大小、燃料粒子的形状、燃料粒子的硬度和/或形成壁（一个或多个）402的材料的相对韧性而受到控制。 
图14示出关于脆性材料和韧性材料的侵蚀率数据对接触角的示范性曲线。脆性材料包括陶瓷。韧性材料包括退火钢。耐火材料的相对韧性可基于耐火材料的温度而不同。一般而言，韧性随着温度升高而增加。在腔室400中，在第一部分406中的壁402温度比腔室400其它部分更冷。第一部分406的更冷的温度导致第一部分406中壁402的材料比腔室400的其它部分更脆。脆性材料的侵蚀率随着攻角增加到90度而持续地增加。韧性材料的侵蚀率在大约20度至大约30度的接触角为峰值。在一个实施例中，通过维持接触角低于大约20度而减小侵蚀率。在一个实施例中，通过维持燃料喷射速度低于大约60ft/s且第一氧化剂速度在大约200ft/s与大约400ft/s之间而实现维持攻角低于大约20度。在另一实施例中，维持接触角低于大约10度且维持燃料喷射速度低于大约30ft/s。 
在一个实施例中，初步氧化剂喷射器309和/或分级氧化剂喷射器（一个或多个）308通过调整补充焚烧器414的空气动力性(例如，反应物的速度和轨迹)来调整火焰特征。举例而言，可通过来自补充焚烧器414的燃料旋动(其可或可不在方向上对应于燃料旋动)、使来自初步氧化剂喷射器309的氧化剂旋动、和/或使来自分级氧化剂喷射器（一个或多个）308的氧化剂旋动而调整在腔室400内的温度、在腔室400内的化学动力性和在腔室400中的炉渣流动。这种调整可加宽和/或缩短补充火焰416。这可增加补充火焰416的面积，导致在整个腔室400上自补充火焰416增加的辐射投射。 
腔室400可被配置成促进涡旋以支持离心力，迫使气体流动路径418沿着腔室400的壁402旋动。可由腔室400的几何形状(例如圆柱形)，加速氧化剂喷射器306的定位，初步氧化剂喷射器309的定位，分级氧化剂喷射器（一个或多个）308，补充焚烧器414的位置、设计和操作条件以及燃料和第一氧化剂的速度来实现漩涡的促进(整体地或部分地)。 
本公开的实施例可气化固体燃料以产生具有很少或无惰性组分的合成气体。举例而言，在反应器中一种或多种氧化剂可相对于空气富含氧气浓度。这可允许减小或排除惰性气体(例如，氮气)的体积。但是，减小惰性气体的体积可减小驱动气旋作用的气体动量。反应器的大小可足够紧凑以允许反应器以高放热(Q)体积(V)比来操作(例如，Q/V高于或等于大约10MW/m3)，且放热(Q)是第一燃料和第二燃料的更高热值且体积(V)为总反应器体积。因此，反应器可被配置成通过增加表面积、增加固体燃料粒子的加热和/或点燃、延长的驻留时间和/或温度分布增加的均匀性来增加反应器体积的利用。 
虽然参考优选实施例描述了本发明，本领域技术人员应了解在不偏离本发明的范围的情况下可做出各种变化且等同物可用于替代本发明的元件。此外，可做出许多修改以在不偏离本发明的本质范围的情况下使特定情形或材料适应本发明的教导内容。因此，预期本发明并不限于所公开的具体实施例，该具体实施例作为所设想的执行本发明的最佳实施方式，而是本发明将包括落入所附权利要求的范围内的所有实施例。 

Claims (20)

1.一种气旋气化器，包括：
腔室，其具有靠近第一端的第一部分和靠近第二端的第二部分；
第一燃料喷射器，其被定位成将第一燃料引入到所述腔室的第一部分；
焚烧器，其被定位成将第二燃料引入到所述腔室的第二部分；以及，
加速氧化剂喷射器，其被配置成使得所述第一燃料的速度加速且使得所述第一燃料从第一部分向第二部分旋动；
其中所述焚烧器被配置成将火焰从所述第二部分向所述第一部分引导；
其中所述第二部分包括用于由至少所述第一燃料气化所形成的产物气体的流动路径；以及，
其中所述第一燃料包括固体燃料。
2.根据权利要求1所述的气化器，其特征在于，所述第一燃料喷射器是非气动燃料喷射器。
3.根据权利要求2所述的气化器，其特征在于，所述第一燃料喷射器是低速燃料喷射器，其被配置成以小于大约60ft/s喷射所述第一燃料。
4.根据权利要求1所述的气化器，其特征在于还包括一个或多个分级氧化剂喷射器，其被配置成维持所述第一燃料从所述第一部分向所述第二部分的旋动。
5.根据权利要求1所述的气化器，其特征在于，所述焚烧器被配置成旋动所述火焰，所述火焰的旋动对应于所述第一燃料的旋动。
6.根据权利要求1所述的气化器，其特征在于，所述焚烧器包括第二燃料喷射器和氧气喷射器。
7.根据权利要求1所述的气化器，其特征在于，所述第一燃料和第二燃料成分不同。
8.根据权利要求1所述的气化器，其特征在于，所述流动路径是弯曲流动路径。
9.根据权利要求1所述的气化器，其特征在于还包括环形氧化剂喷射器，其布置于所述第一燃料喷射器周围以促进至少所述第一燃料的气化。
10.一种气旋气化器，包括：
腔室，其具有靠近第一端的第一部分和靠近第二端的第二部分；
第一燃料喷射器，其被定位成将第一燃料引入到所述腔室的第一部分；
焚烧器，其包括第二燃料喷射器，所述第二燃料喷射器被定位成将第二燃料引入到所述腔室；以及
加速氧化剂喷射器，其被配置成使得第一燃料的速度加速且使得第一燃料从第一部分向第二部分旋动；
环形氧化剂喷射器；以及
其中所述第二部分包括用于第一燃料、第二燃料或其组合气化所形成的产物气体的流动路径；
其中所述环形氧化剂喷射器布置于所述第一燃料喷射器周围以促进至少所述第一燃料的气化；以及
其中所述第一燃料包括固体燃料。
11.一种气旋气化方法，所述方法包括：
提供腔室，其具有靠近第一端的第一部分和靠近第二端的第二部分；
将第一燃料引入到所述腔室的第一部分，其中所述第一燃料包括固体燃料；
将第二燃料引入到所述腔室并用氧气来氧化所述第二燃料，第二燃料在成分上不同于所述第一燃料；
引入加速氧化剂，其使得所述第一燃料的速度加速且使得所述第一燃料从所述第一部分向所述第二部分旋动；
以及下列操作中的一个或多个：
       将火焰从所述第二部分向所述第一部分引导，所述火焰通过所述第二燃料氧化形成，以及
       通过利用环形氧化剂喷射器绕所述第一燃料引入环形氧化剂而促进至少所述第一燃料的气化。
12.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，所述第二部分包括用于由所述第一燃料气化所形成的产物气体的弯曲流动路径。
13.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，所述弯曲流动路径从所述产物气体分离微粒。
14.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，所述第一燃料以小于大约60ft/s的速度引入。
15.根据权利要求14所述的方法，其特征在于，所述加速氧化剂以大约200ft/s至大约400ft/s的速度引入。
16.根据权利要求11所述的方法，其特征在于还包括由分级氧化剂喷射维持所述第一燃料从所述第一部分向所述第二部分的旋动。
17.根据权利要求16所述的方法，其特征在于，所述分级氧化剂以大约200ft/s至大约400ft/s的速度喷射。
18.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，所述加速氧化剂是氧气。
19.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，所述环形氧化剂是氧气。
20.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，所述第一燃料维持与所述腔室的小于大约20度的接触角。
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