多埠噴射器系統及方法
2023-05-05 03:03:11 3
專利名稱：多埠噴射器系統及方法
技術領域：
本發明的領域大體涉及噴射器，並且更特別地，涉及氣化系統中的噴射器。
背景技術：
在氣化系統中，燃料混合物在氣化器(或「反應區域」)中轉化成部分地氧化的氣體(合成氣)。接著，部分地氧化的氣體可用於生產化學產品，或者在整體煤氣化聯合循環(IGCC)發電系統的情況下，可供應到燃氣渦輪的燃燒器，用於產生用於供應到例如電網的電功率。來自燃氣渦輪發動機的排出氣可供應到熱回收蒸汽發生器，其產生用於驅動蒸汽渦輪的蒸汽。由蒸汽渦輪產生的功率也可提供到電網。燃料以及待混合的其他材料(諸如，空氣、氧氣、液體、水、蒸汽、爐渣添加劑，漿體添加劑，或它們的組合)典型地通過使供給源聯接於供給噴嘴的供給噴射器噴射到氣化器或反應區域中。供給源中的至少一些分開地穿過供給噴射器，並且在噴嘴下遊的反應區域中接合在一起。所有源的迅速混合對於在短暫時間內完成反應而言是重要的，源駐留於反應區域中。一些已知氣化供給噴射器設計用於以高速噴灑供給成分以促進霧化，然而，這種方法減少可用的反應時間，並且傾向於抑制完全反應。其他乾式供給噴射器系統可包含用於結合氧化劑埠噴射固體燃料的多個埠。噴射器未端與噴頭的未端相似，並且固體燃料和氣體燃料混合物沿著噴射器內的各個流動路徑分成少量。由於固體分成多個脈流，故用於較少量的燃料的混合時間是非常短的，有時導致不充分混合。因此，合乎需要的是具有噴射器系統，其允許流供給的最佳混合，用於提高的氣化器效率。
發明內容
根據本發明的實施例，提供一種供給噴射器系統。供給噴射器系統包含包括第一噴射器埠組件的噴射器噴嘴，該第一噴射器埠組件包括第一噴射器埠，其位於噴射器噴嘴的縱向軸線中心處，並且限定用於將第一供給流從相應源指引到反應區域中的流動路徑。供給噴射器系統還包含第二噴射器埠組件，其包括繞著第一噴射器埠的第一圓周布置的多個第二噴射器埠，其中，多個第二噴射器埠構造成接收和噴射第二供給流。此外，供給噴射器系統包含第三噴射器埠組件，其包括繞著第一噴射器埠的第二圓周布置的多個第三埠，其中，多個第三埠連通地聯接於多個環狀流動路徑，並且構造成接收和噴射第三供給流。根據本發明的另一個實施例，提供一種供給噴射器系統。供給噴射器系統包含包括第一噴射器埠 組件的噴射器噴嘴，該第一噴射器埠組件包括第一噴射器埠，其位於噴射器噴嘴的縱向軸線的中心處，並且限定用於將第一供給流從相應源指引到反應區域中的流動路徑。供給噴射器系統還包含第二噴射器埠組件和第三噴射器埠組件，該第二噴射器埠組件包括繞著第一噴射器埠同心地布置的一個或更多個環形通道，其中，一個或更多個環形通道構造成將第二供給流從相應源指引到反應區域中，該第三噴射器埠組件包括繞著第一噴射器埠的第二圓周布置的多個第三埠，其中，多個第三埠連通地聯接於多個環狀流動路徑，並且構造成接收和噴射第三供給流。根據本發明的實施例，提供一種將燃料供給到反應區域中的方法。該方法包含通過居中地定位在噴射器噴嘴的末端中的第一噴射器埠將燃料和載氣或氧化劑中的至少一個的單獨脈流噴射到反應區域中。該方法還包含通過繞著第一噴射器埠的縱向軸線同心地布置的一個或更多個第二噴射器埠將燃料、漿體、氧化劑或它們的組合的脈流噴射到反應區域中。此外，該方法包含通過繞著第一噴射器埠的第一圓周布置的多個第三埠將氧氣脈流噴射到反應區域中。
當參照附圖閱讀下列詳細描述時，本發明的這些和其他的特徵、方面和優點將變得更好理解，其中，同樣的標記在所有附圖中表示同樣的部件，其中:
圖1是根據本發明的實施例的多埠供給噴射器系統的側視立面圖。圖2示出圖1中示出的多埠供給噴射器系統的面的軸向視圖。圖3是根據本發明的另一個實施例的多埠供給噴射器系統的側視立面圖。
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圖4示出圖3中示出的多埠供給噴射器系統的面的軸向視圖。圖5是根據本發明的又一個實施例的多埠供給噴射器系統的側視立面圖。圖6示出圖5中示出的多埠供給噴射器系統的面的軸向視圖。圖7是根據本發明的示例性實施例的整體煤氣化聯合循環(IGCC)發電系統的示意圖。
具體實施例方式當介紹本發明的各種實施例的元件時，冠詞「一」、「一個」、「該」和「所述」意圖表示存在元件中的一個或更多個。術語「包括」、「包含」和「具有」意圖是包含的，並且表示可存在除了列出的元件之外的附加元件。此外，術語「氣化器」和「反應區域」能夠互換地使用。操作參數的任何實例不排除公開的實施例的其他參數。圖1是根據本發明的實施例的多埠供給噴射器系統10的側視立面圖。在示例性實施例中，多埠供給噴射器系統10包含噴射器噴嘴12，其包含第一噴射器埠組件14。第一噴射器埠組件14包含第一噴射器埠 16,其位於噴射器噴嘴12的縱向軸線18的中心處，並且限定用於將第一供給流19從相應源指引到反應區域中的流動路徑。在一個實施例中，第一供給流19可包含包括固體燃料的供給流，該固體燃料諸如煤、載氣、漿體、氧氣或慢化劑氣體或液體，或它們的組合。在優選實施例中，第一供給流19包括煤和載氣或氧氣。噴射器噴嘴12還包含第二噴射器埠組件20，其包括用於噴射第二供給流24的一個或更多個第二噴射器埠 22。在一個實施例中，第二供給流24可包含包括固體燃料的供給流，該固體燃料諸如煤、載氣、漿體、氧氣或慢化劑氣體或液體，或它們的組合。在優選實施例中，第二供給流24包括漿體或氧氣，其中，漿體包括從反應區域的底部收集的水和未燃燒的煤的混合物。噴射器噴嘴12進一步包含第三噴射器埠組件26，其包括用於噴射第三供給流30的多個第三埠 28。在一個實施例中，第三供給流30可包含包括固體燃料的供給流，該固體燃料諸如煤、載氣、漿體、氧氣或慢化劑氣體或液體，或它們的組合。在優選實施例中，第三供給流30包括氧氣。圖2示出圖1中示出的多埠供給噴射器系統10的面的軸向視圖。如示出的，具有第一噴射器埠組件14的噴射器噴嘴12包含位於縱向軸線18的中心處的第一噴射器埠 16。第二噴射器埠組件20包含繞著第一噴射器埠 16的第一圓周23布置的一個或更多個第二噴射器埠 22。在該實施例中，如示出的，一個或更多個噴射器埠 22是繞著第一噴射器埠 16的第一圓周23布置的多個分開埠。在另一個實施例中，一個或更多個噴射器埠 22包含圖3-6中示出的一個或更多個環形通道或環埠。穿過第二噴射器埠組件20的多個分開埠的第二供給流24可被控制閥(未示出)控制。在更特定的實施例中，閥以如下方式打開和關閉，使得供給流率交替地變化，用於增強在噴射到氣化器中期間的供給的混合。例如，在一個實施例中，在操作時，每隔一個埠 22(或非相鄰埠)處的閥在第一時間段內打開，並且接著在第二時間段內關閉，在該第二時間段期間，剩餘閥打開。該方法與用於燃氣渦輪中的燃料噴嘴的調節的方法類似。噴射器噴嘴12還包含第三噴射器埠組件26，其包括繞著第一噴射器埠 16的第二圓周27布置的多個第三埠 28。多個第三埠 28連通地聯接於多個環狀流動路徑，並且構造成接收和噴射第三供給流30 (如圖1所示)。在一個特定實施例中，第三供給流30包括氧氣流。在該 實施例中，多個環狀流動路徑可進一步構造成引導氧氣流穿過多個第三埠 28，使得氧氣流從多個第三埠 28排放，該氧氣流具有軸向流成分、徑向向內流成分和周向流成分。在一個實施例中，多個第三埠 28處的出口噴射角確定氧氣流的徑向流成分和軸向流成分。改變挑選出的孔之間的出口噴射角便於混合性能的寬泛控制。通過改變相鄰孔(交錯孔)之間的出口噴射角，從每個孔流出的氧氣可被迫在不同的時間間隔內到達特定的軸向位置，這可建設性地用於增強混合。特別地，在一個實施例中，所有孔分成三個區段，使得相同角度的孔彼此不相鄰，以提供用於改變離開噴射器的流型的大範圍。在另一個實施例中，多個第三流埠 28控制成以各種角度噴射氧氣。此外，第三供給流30可以以與關於第二噴射器埠 22在上面討論的方式相似的方式由控制閥(未示出)控制。將注意，噴射器噴嘴12典型地在形狀上為柱形的，並且第一噴射器埠 16中的每一個或一個或更多個第二噴射器埠 22或多個第三埠 28可在形狀上為圓形或非圓形的。圖3是根據本發明的另一個實施例的多埠供給噴射器系統50的側視立面圖。多埠供給噴射器系統50包含噴射器噴嘴52，其包含如圖1和圖2所示的第一噴射器埠組件14。噴射器噴嘴52進一步包含第二噴射器埠組件54，其包括繞著第一噴射器埠 16同心地布置的一個環形通道56，其中，一個環形通道56將第二供給流58從相應源指引到反應區域中。在一個實施例中，第二供給流58可包含包括固體燃料的供給流，該固體燃料諸如煤、載氣、漿體、氧氣或慢化劑氣體或液體，或它們的組合。在優選實施例中，第二流58包括漿體或煤或氧氣，其中，漿體包括煤、從反應區域的底部收集的未燃燒的煤、爐渣添加劑和/或純淨水的混合物。噴射器噴嘴52進一步包含如圖1和圖2所示的第三噴射器埠組件26。在該實施例中，一個環形通道56包含第一管道，其柱形地成形成位於縱向軸線18周圍。環形通道56包含徑向外表面60和徑向內表面62。此外，環形通道56包括供應端部(未不出)、排放埠端部64和在其間延伸的長度。在一個實施例中，如不出的,排放埠端部64包含倒角的排放端部。
圖4示出如圖3所示的多埠供給噴射器系統50的面的軸向視圖。示出環形通道56的排放埠端部64。環形通道56的管道可包含用於運送漿體或煤或氧氣的槽或管子。
圖5是根據本發明的又一個實施例的多埠供給噴射器系統70的側視立面圖。多埠供給噴射器系統70包含噴射器噴嘴72，其包含如圖1和圖2所示的第一噴射器埠組件14。多埠供給噴射器系統70包含第二噴射器埠組件74。第二噴射器埠組件74包含如圖1和圖2所示地繞著第一噴射器埠 16同心地布置的第一環形通道76和第二環形通道78。第二噴射器埠組件74構造成將第二供給流從相應源噴射到反應區域中。在一個實施例中，第二供給流79可包含包括固體燃料的供給流，該固體燃料諸如煤、載氣、漿體、氧氣或慢化劑氣體或液體，或它們的組合。在優選實施例中，第二流79包括漿體或煤或氧氣，其中，漿體包括煤、從反應區域的底部收集的未燃燒的煤、爐渣添加劑和/或純淨水。第一環形通道76與如圖3和圖4所示的具有第一管道的環形通道56相似。此外，第二環形通道78可包含第二管道，其至少部分地圍繞第一管道，並且與第一管道大致同心地對齊。第二環形通道78柱形地成形成在縱向軸線18周圍，並且進一步包含徑向向外表面82和徑向向內表面84。第二環形通道78進一步包括供應端部(未示出)、排放埠端部80和在其間延伸的長度。在圖5中示出的實施例中，排放埠端部80在第一噴射器埠 16處向內成角度成形成徑向地會聚的排放端部。第一環形通道76和第二環形通道78 二者可利用多個閥(未示出)控制。噴射器噴嘴72進一步包含如圖1和圖2所示的第三噴射器埠組件26。圖6示出具有第二噴射器埠組件74的、圖5中示出的多埠供給噴射器系統70的面的軸向視圖。此外，第一噴射器埠 16可與第二噴射器埠組件74齊平，或者它可縮回在排放埠端部80內。圖6示出圖5中示出的多埠供給噴射器系統70的面的軸向視圖。示出環形通道74的排放埠端部64和60。環形通道74的管道可包含用於運送漿體或煤或氧氣的槽或管子。圖7是根據本發明的示例性實施例的整體煤氣化聯合循環(IGCC)發電系統82的示意圖。在示例性實施例中，IGCC系統82包含主空氣壓縮機83、聯接成與主空氣壓縮機83流動連通的空氣分離單元84、聯接成與空氣分離單元84流動連通的反應區域86、聯接成與反應區域86流動連通的燃氣渦輪發動機87以及蒸汽渦輪88。在操作中，壓縮機83壓縮周圍空氣。壓縮空氣引導到空氣分離單元84。在一些實施例中，除了壓縮機83之外或作為壓縮機83的替代性方案，來自燃氣渦輪發動機壓縮機89的壓縮空氣供應到空氣分離單元84。空氣分離單元84使用壓縮空氣以產生用於使用在反應區域86內的氣化反應中的氧氣。更特別地，空氣分離單元84將壓縮空氣分離成分開的氧氣流和氣體副產物，其有時被稱為「過程氣體」。氧氣流引導到反應區域86，用於在產生部分地燃燒的氣體(在本文中被稱為用於被燃氣渦輪發動機87用作燃料的「合成氣」)時使用，如在下面更詳細地描述的。反應區域86將燃料、由空氣分離單元84供應的氧氣、蒸汽和/或石灰石、載氣、慢化劑氣體的混合物轉化成合成氣的輸出，該合成氣用於被燃氣渦輪發動機87用作燃料。雖然反應區域86可使用任何燃料，但在一些已知IGCC系統82中，反應區域86使用煤、石油焦、洛油、油乳劑、浙青砂和/或來自原料85的其他相似燃料。在一些已知IGCC系統82中，由反應區域86產生的合成氣包含二氧化碳。由反應區域86產生的合成氣可在淨化裝置90中被清潔，之後引導到燃氣渦輪發動機燃燒器92，用於其燃燒。二氧化碳可在淨化期間與合成氣分離，並且在一些已知IGCC系統82中，排出到大氣。來自燃氣渦輪發動機87的功率輸出驅動發電機93，其將電功率供應到電網(未示出)。來自燃氣渦輪發動機87的排出氣供應到熱回收蒸汽發生器94，其產生蒸汽用於驅動蒸汽渦輪88。由蒸汽渦輪88產生的功率驅動發電機96，其為電網提供電功率。在一些已知IGCC系統82中，來自熱回收蒸汽發生器94的蒸汽供應到反應區域86，用於產生合成氣。在其他已知IGCC系統82中，由合成氣的產生而生產的熱能用於產生用於驅動蒸汽渦輪88的附加蒸汽。在示例性實施例中，反應區域86包含延伸穿過反應區域86的噴射噴嘴98(其與圖1，圖2的噴射噴嘴12或圖3，圖4的噴射噴嘴52或圖5，圖6的噴射噴嘴72相似)。噴射噴嘴98包含噴射噴嘴98的遠端102處的噴嘴未端100。例如，噴射噴嘴98可接收來自單元85的原料、來自單元84的氧氣和來自單元103的漿體。漿體單元103 (—個更特定的實施例)通過混合燃料、從反應區域86接收的未燃燒的碳、爐渣添加劑和/或來自水源的純淨水而製備漿體。在一個實施例中，噴射器噴嘴98還可接收來自熱回收蒸汽發生器94或其他源的蒸汽。在另一個實施例中，噴射器噴嘴98可接收慢化劑氣體(諸如二氧化碳、氮氣或蒸汽)或載氣以及來自原料85或其他源(未示出)的燃料。在一個實施例中，IGCC系統82還包含用於控制多個閥104的控制器106，多個閥104操作多個埠，其包含在圖1至圖6中討論的第一噴射器埠、一個或更多個第二噴射器通路和多個第三噴射器埠。有利地，將燃料供給到氣化器噴射器中的本方法和系統提供用於便於相對高的碳轉化的最佳混合的成本有效且可靠的手段，其隨後提高總氣化器效率，並且可便於提高整個IGCC設備效率。更特別地，本文中描述的方法和系統便於控制各種燃料和氧化劑流，以有助於利用由噴射器提供的多個按鈕在流動狀態的寬範圍內優化混合。另外，以上描述的方法和系統由於在多個位置處的噴射而便於提供更廣泛且更均勻的混合分布。因此，本文中描述的方法和系統便於以成本有效且可靠的方式混合燃料和氧化劑並且將燃料和氧化劑供給到氣化器中。此外，技術人員將認識來自不同實施例的各種特徵的可互換性。相似地，描述的各個方法步驟和特徵以及用 於每個這種方法和特徵的其他已知等同物可由本領域技術人員根據本公開的原理混合和匹配成構造附加的組件和技術。當然，將理解，可不一定根據任何特別實施例實現以上描述的所有這種目的或優點。因此，例如，本領域技術人員將認識，本文中描述的組件和技術可以以如下方式實施或執行，該方式實現或者優化本文中教導的一個優點或成組的優點，而不一定實現可在本文中教導或建議的其他目的或優點。雖然僅在本文中示出和描述本發明的某些特徵，但是本領域技術人員將想到許多修改和變化。因此，將理解，所附權利要求意圖涵蓋落入在本發明的真實精神內的所有這種修改和變化。
權利要求
1.一種供給噴射器系統,其包括: 噴射器噴嘴，其包括: 第一噴射器埠組件，其包括第一噴射器埠，所述第一噴射器埠位於所述噴射器噴嘴的縱向軸線的中心處，並且限定用於將第一供給流從相應源指引到反應區域中的流動路徑； 第二噴射器埠組件，其包括繞著所述第一噴射器埠的第一圓周布置的多個第二噴射器埠，其中，所述多個第二噴射器埠構造成接收和噴射第二供給流；和 第三噴射器埠組件，其包括繞著所述第一噴射器埠的第二圓周布置的多個第三埠，其中，所述多個第三埠連通地聯接於多個環狀流動路徑，並且構造成接收和噴射第三供給流。
2.如權利要求1所述的系統，其特徵在於，進一步包括控制閥和控制器，所述控制器用於將信號發送到所述控制閥，用於交替地操作兩組所述多個第二噴射器埠，用於混合所述第一供給流、所述第二供給流和所述第三供給流。
3.如權利要求2所述的系統，其特徵在於，所述控制器構造用於將信號發送到所述控制閥，用於交替地操作兩組所述多個第三埠，用於使所述第三供給流與所述第一供給流和所述第二供給流混合。
4.如權利要求1所述的系統，其特徵在於，所述第一供給流、所述第二供給流和所述第三供給流獨立地包括燃料、載氣、漿體、水、氧氣或慢化劑氣體或液體，或它們的組合，其中，所述燃料包括煤、石油焦、渣油、油乳劑、浙青砂、生物燃料或它們的組合。
5.如權利要求4所述的系統，其特徵在於，所述第一供給流包括煤和載氣或氧氣。
6.如權利要求4所述的系統，其特徵在於，所述第二供給流包括漿體或氧氣，其中，所述漿體包括煤、從所述反應區域的底部收集的未燃燒的煤、爐渣添加劑和/或純淨水的混合物。
7.如權利要求1所述的系統，其特徵在於，所述多個環狀流動路徑進一步構造成引導氧氣流穿過所述多個第三埠，使得所述氧氣流從所述多個第三埠排放，所述氧氣流具有軸向流成分、徑向向內流成分和周向流成分。
8.—種供給噴射器系統,其包括: 噴射器噴嘴，其包括第一噴射器埠組件，所述第一噴射器埠組件包括第一噴射器埠，其位於所述噴射器噴嘴的縱向軸線的中心處，並且限定用於將第一供給流從相應源指引到反應區域中的流動路徑； 第二噴射器埠組件，其包括繞著所述第一噴射器埠同心地布置的一個或更多個環形通道，其中，所述一個或更多個環形通道構造成將第二供給流從所述相應源指引到所述反應區域中；和 第三噴射器埠組件，其包括繞著所述第一噴射器埠的第二圓周布置的多個第三埠，其中，所述多個第三埠連通地聯接於多個環狀流動路徑，並且構造成接收和噴射第三供給流。
9.如權利要求8所述的系統，其特徵在於，進一步包括控制器，其用於控制穿過所述第二噴射器埠組件和所述第三噴射器埠組件的供給流的流動。
10.如權利要求8所述的系統，其特徵在於，所述一個或更多個環形通道包括:大致柱形地成形並位於所述縱向軸線周圍的第一管道，所述第一管道包括供應端部、排放端部和在其間延伸的長度。
11.如權利要求10所述的系統，其特徵在於，所述排放端部包括倒角的排放端部。
12.如權利要求10所述的系統，其特徵在於，所述一個或更多個環形通道包括:第二管道，其至少部分地圍繞所述第一管道並且與所述第一管道同心地對齊。
13.如權利要求12所述的系統，其特徵在於，所述第二管道包括徑向地會聚的排放端部。
14.如權利要求12所述的系統，其特徵在於，所述第一管道和所述第二管道包括不在同一平面上的排放端部。
15.—種將燃料供給到反應區域中的方法，所述方法包括: 通過居中地定位在噴射器噴嘴的末端中的第一噴射器埠將燃料和載氣、漿體或氧化劑中的至少一個的單獨脈流噴射到所述反應區域中； 通過繞著所述第一噴射器埠的縱向軸線同心地布置在第一圓周中的一個或更多個第二噴射器通路將燃料或漿體或氧化劑或它們的組合的脈流噴射到所述反應區域中；和 通過繞著所述第一噴射器埠的第二圓周布置的多個第三埠將氧氣脈流噴射到所述反應區域中。
16.如權利要求15所述的方法，其特徵在於，所述噴射氧氣脈流包括引導氧化劑脈流穿過多個環狀噴射器通路，其聯接成與所述多個第三埠流動連通。
17.如權利要求15 所述的方法，其特徵在於，所述一個或更多個第二噴射器通路聯接成與繞著所述第一噴射器埠的第二圓周布置的多個分開埠流動連通。
18.如權利要求17所述的方法，其特徵在於，進一步包括控制多個第一控制閥，其用於交替地操作兩組所述多個分開埠，用於混合所述第一供給流、所述第二供給流和所述第三供給流。
19.如權利要求15所述的方法，其特徵在於，所述一個或更多個第二噴射器通路聯接成與繞著主噴射器埠的縱向軸線同心地布置的一個或更多個環形通道流動連通。
20.如權利要求15所述的方法，其特徵在於，進一步包括控制多個第二控制閥，其用於交替地操作兩組所述多個第三埠，用於使所述第三供給流與所述第一供給流和所述第二供給流混合。
全文摘要
本發明涉及一種多埠噴射器系統和方法。供給噴射器系統包含噴射器噴嘴。噴射器噴嘴包含第一噴射器埠組件，該第一噴射器埠組件具有第一噴射器埠，其位於噴射器噴嘴的縱向軸線的中心處，並且限定用於將第一供給流從相應源指引到反應區域中的流動路徑。供給噴射器系統還包含第二噴射器埠組件，其具有繞著第一噴射器埠的第一圓周布置的一個或更多個第二噴射器通路，用於接收和噴射第二供給流。此外，供給噴射器系統包含第三噴射器埠組件，其具有繞著第一噴射器埠的第二圓周布置的多個第三埠。第三埠連通地聯接於多個環狀流動路徑，並且構造成接收和噴射第三供給流。
文檔編號C10J3/48GK103173248SQ20121055768
公開日2013年6月26日 申請日期2012年12月20日 優先權日2011年12月22日
發明者K.文卡特桑, A.埃爾古特, E.伊爾馬斯 申請人:通用電氣公司