CN103153450B - 高温和高压环境中冷却灰粉和固体颗粒 - Google Patents

Abstract

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。

Description

高温和高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。

发明背景

1、发明领域

本发明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1000psia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渣块。

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，这种实践不是主要问题，因为燃烧室实质上是接近大气压运行的。由于这种低压力运行，即使存在对于耐火材料的损害，也不会而使容器壁发生灾难性失效。然而，本领域技术人员应该认识到，对于高压下的气化器操作，贯通该壁的冷却表面会变成严重的安全问题，并且除了完全避免这种设置之外，不存在其他任何已知方案。此外，热交换器中的冷却表面将仍与实质上与燃烧室相同的约1600°F的高温的精细粒子相接触，从而不得不为热传导表面使用昂贵的工程合金材料用。

刘（Liu）等人发明的美国专利公布第2009/0300986号披露了对来自流化床气化器的气化灰粉进行冷却。在刘（Liu）的披露中，无关材料在冷却器的入口处被屏蔽出并且被收集在一个分离的容器中。在这种配置中，必须使用实质性的再循环气体将小粒子吹离无关材料。必须使用实质性再循环气体来防止小粒子进入固体颗粒冷却器，并且还用于连续地吹扫该屏蔽件以便确保它保持没有堵塞物。这种大量吹扫气体流与处理高温粒子的结合增加了材料成本、制造成本和操作成本。

在刘（Liu）的披露中，所有吹扫及流化气体流动返回该气化器，如果这种流动过度则防碍运行。此外，刘（Liu）的冷却表面贯通冷却器的耐火材料及容器壁，这使得冷却壁设计具有潜在的困难。即便气化器的操作压力小于50磅/平方英寸。在运行过程中，该冷却表面接触固体粒子，其中固体粒子接近气化器的运行温度，这导致挑战性及昂贵的设计。

所需要的是对于冷却来自气化器的高温、高压灰粉、以及其他类似应用是成本有效的且可靠的方案。本发明即主要指向这类系统和方法。本发明克服了先前所讨论的各种挑战，并且提供了用于对来自一运行在约1500°F至2200°F的温度范围内、以及约30至1000pisa的压力范围内的煤气化器的高温灰粉进行冷却的系统。

发明简要概述

本发明通过优选的形式简要描述了对于之前所讨论的从高压运行的气化器中取出和冷却高温灰粉的多种问题的有效方案。描述了本发明对于气化处理的适用性，但本领域普通技术人员应该认识到本发明的对于需要冷却和取出或返回该处理的高温、高压固体颗粒的许多处理的总体适用性。

在本发明的示例性实施方案中，出于过程和安全性二者的原因，在灰粉冷却器中使用的流化气体不会返回气化器。并且，在本发明中，这些固体颗粒从气化器被取出进入衬有耐火材料的且在管道底部具有U形形状的溢流管中。在这种构形中，这些固体颗粒从底部中心进入初级冷却器并且向上流动进入流化床中。流化气体与这些固体颗粒向上流动并且从冷却器顶部离开。

在本发明的一个实施方案中，由于冷却器的物理布置，流化床中的较凉的固体颗粒将旨在沿该壁向下流动并且与正在从气化器进入的新的热固体颗粒混合，从而在这些固体颗粒达到冷却表面之前降低这些固体颗粒温度。在流化床内的这些固体颗粒逆向混合并且在内部整体循环，从而产生竖直流。如Zenz,F.A以及Othmer,D.F.等人的文献（1960，流化和流体粒子系统，290-300页）教导了如何计算以及呈现流化床内的内部固体颗粒循环速率的实验数据。

在流化床内部的内循环的较凉的固体颗粒与来自气化器的热固体颗粒混合，并且混合物温度将低于1000°F。在流化床中的内部固体颗粒循环速率以及来自混合的热和冷固体颗粒导致的混合物温度取决于在冷却器中用来流化这些固体颗粒的表面气体速度、床密度、固体粒子特性以及其他因素。通过将表面气体速度调节至0.1与3ft/s之间，可以在混合物的固体颗粒接触这些热传递管道之前将内部较凉的固体颗粒循环速率以及固体颗粒混合物温度控制到所希望的温度。

在优选的实施方案中，冷却器底部的形状是锥形。沿着该锥形部的边缘，安装了多个喷嘴以便将吹风气体喷射到冷却器中以便使这些固体粒子流化。流化速度主要是由这些固体粒子的大小和大小分布以及来自气化器的这些固体颗粒的温度确定的。所要求的最小气体速度与由气体-固体颗粒流化现象领域中的技术人员可以通过实验计算或确定的最小流化速度相比大了约0.1ft/s。

在优选的实施方案中，用于热固体颗粒的在冷却器底部的入口与流化床内的这些冷却管道底部尖端之间的空间或容积应为能够使得进入冷却器的这些热固体颗粒具有足够的时间与来自上方的相对较凉的回流（内部循环的）固体颗粒相混合。正常地，对于在0.1至10mm范围内的固体粒子大小而言，这些固体粒子在这个优选空间中的驻留时间应是在10至200秒的范围之内。

热传递表面可以是许多种管道束。在优选的实施方案中，这种管道布置是刺刀管道（bayonet tube）形式。在这种类型的热传递表面中，每个热传递管道布置实际上包括两个同心管，即内部管和外部管。内部管被用作导管，该导管用于在重力下来自汽鼓的水的流动。水在内部管与外部管之间的环形区域中被升温。汽和水的两相混合物通过浮力流动经过该环形空间并且在流回汽鼓之前在冷却器顶部附近聚集在管板上方空间。

在优选的实施方案中，在400至600°F温度范围内的较凉的固体颗粒经过位于管板正下方的出口喷嘴溢出。在这个布置中，较凉的固体颗粒很少与位于冷却器顶部附近的管板接触。管板需要仅被设计用于这些较凉的固体颗粒的离开温度，该离开温度将在600°F以下。并且，这些外部卡口管道仅接触1000°F以下的固体颗粒。因此不要求昂贵的合金用于管和管板的构造材料。与这些冷却管道接触的这些固体颗粒被进一步冷却，并且当该床被流化时，冷却器上部部分中的这些固体颗粒典型地被冷却到400至600°F范围之内的离开温度。由于这些管是通过冷却器管板支持，所以消除了与支持冷却管相关联的问题。

在固体颗粒冷却器中还可以使用其他类型的管道束。当冷却器处理高温固体颗粒时，其实质上是衬有耐火材料的容器。优选的是可被预想到的不同形式的管道束被固定在冷却器顶部附近从而使得管束的固定或支持不会经受高温。由于冷却器顶部是在低温区域中，在干舷区域（freeboard region）中使用耐火衬层来保护容器壁就不必要了。在这样的优选实施方案中，管道支架对耐火材料的潜在损害可以通过在干舷区域中完全消除用于其他类型管束和支架的耐火材料来防止。

为了进一步减少容器尺寸和冷却费用，冷却表面处理正常的固体颗粒流速。在热固体颗粒最高流速在短时间段大大高于正常速率的应用中，在本实施方案中所做的布置是通过在容器的锥形部中喷射雾化水滴以及吹风气体来提供额外的冷却。

具有热固体颗粒和冷固体颗粒混合物的流化床与管道束接触并且被冷却到所希望的设计温度。这些固体颗粒具有总体向上的流动方向并且经过冷却器容器上部部分中的一个喷嘴或多个喷嘴被取出。如果安装了刺刀管道，则如图1所示，这些固体颗粒从容器的侧壁并且在管板正下方被取出。侧向取出保持了管板的强度和完整性。如果使用其他类型的管道束，不论是从侧壁或者从冷却器容器顶部将这些固体颗粒取出都是无关紧要的。

在优选的实施方案中，从高温初级固体颗粒冷却器中取出的固体颗粒流动进入次级冷却器中以便用于进一步冷却。次级冷却器提供额外的冷却表面以便将这些固体颗粒冷却到所希望的离开温度。来自气化器的灰粉在次级冷却器中典型地被冷却到200至350°F范围之内的离开温度。由于次级冷却器接收了典型地在400至600°F范围之内用于进一步冷却的低温固体颗粒，该次级冷却器是衬有便宜的非耐火材料具有常规冷却表面的容器，并且本领域技术人员可以推测适当低温的冷却设计。

用于第一冷却器的流化的气体从次级冷却器顶部经过防止夹带的精细粒子释放进入吹风气体流中的过滤器区段而被排出。无尘通风气体的流动是通过通风管线中的压力调节器来调节的，该压力调节器使次级冷却器以及初级冷却器的干舷区域维持在所希望的压力。通过这个实施方案中的对气化器与次级冷却器之间的压力差的调节，可以控制从气化器到初级固体颗粒冷却器底部入口的热固体颗粒的流速。

这些冷却的固体颗粒从次级冷却器底部被取出。连续降压系统使这些固体颗粒压力从30至1000psi范围之内的操作压力减小到离开压力，该离开压力足够将这些固体颗粒运送到筒仓用于处置或其他下游处理。通过引起被并入本文的美国专利公布第2010/0266460号描述了具有压力减低装置的连续降压系统，这些压力减低装置便于这些固体颗粒流压力从操作系统压力减低至下游处理需要的压力。

在本发明的另一个实施方案中，当这些管道束不是刺刀型时，可将过滤器区段安装在初级固体颗粒冷却器的顶部。如果在满足处理需要的初级冷却器中可以实现充分的冷却，可以将这些固体颗粒直接排放到连续降压系统。在这样的实施方案中，次级冷却器变得不必要。

在本发明的示例性实施方案中，在此提供了对来自高温和高压煤气化环境的灰粉和固体颗粒进行冷却的系统，该系统包括：下导管，该下导管连接该气化器和初级固体颗粒冷却器并将这些固体颗粒引导到锥形冷却器容器底部；在初级固体颗粒冷却容器内部用来在固体颗粒与冷却介质之间交换热量的冷却表面；在容器顶部附近用于冷却表面或冷却束的支架；在初级固体颗粒冷却器容器的顶部区段附近的固体颗粒出口；在次级冷却器入口处的气体-固体颗粒分离系统；在次级冷却器顶部附近用来防止夹带的精细固体颗粒进入通风管线的通风过滤器区段；用来控制固体颗粒冷却器与气化器之间压力差的压力控制通风阀；用来进一步冷却这些固体颗粒或者用作连续降压系统的缓冲罐的次级冷却器（或接纳容器）；以及用来将运行固体颗粒压力减小到用于排放所要求的水平的连接压力减低系统。

该系统能够对来自约1500°F至2200°F温度范围、以及约30至1000psia的压力范围内运行的气化器或反应器的灰粉或固体颗粒进行冷却和降压。相连接的下导管和初级固体颗粒冷却器可以衬有耐火材料以便耐受腐蚀和高温。

在冷却表面之下的锥形区域和容积可以被设计成足够大从而回流的冷的固体颗粒具有充分的时间与正在进入的热固体颗粒混合。初级冷却器的冷却表面可以是刺刀式冷却管道，其外部管道暴露给流化床的约1000°F以下的固体颗粒。Ω形的弹簧可以附接到这些内部刺刀管上以便使管的振动最小化。

冷却表面的支架可以位于冷却器上部部分的低温区段中，在此支持材料所经受的最大温度低于600°F。

离开气化器的热固体颗粒相对于离开初级冷却器的较凉的固体颗粒而言可以处于更高的高度。由于高度差异所引起的流体静压头，来自气化器的过量的热固体颗粒可以被取出、冷却和降压以便于处置。

可以对该连接下导管的管道增加吹风以便控制由于高度差异产生的流体静压头引起的固体颗粒流动。吹风速率可以被调节成使吹风气体连同这些固体颗粒一起向下流动从而避免干扰气化器或反应器的运行。固体颗粒流动的控制还可以通过通风压力控制阀对气化器与冷却器容器之间的压力差进行平衡来调节。

通过在初级固体颗粒冷却器的底部锥形部分中的充分的通风，可以使来自气化器的无关材料与热固体粒子分离。

在这些固体颗粒混合物接触该冷却表面之前，正在进入的热固体颗粒可以在初级冷却器内部与来自上面的冷的回流固体颗粒混合，以便使这些固体颗粒混合物温度维持低于约1000°F。

可以对与这些冷却的固体颗粒一起从初级冷却器容器中离开的流化气体进行过滤，并且洁净的气体被排到下游处理。

次级容器可以接纳来自初级冷却器的固体颗粒以作进一步的冷却，并且这些固体颗粒可以通过重力而向下流动并且经过容器底部离开。

冷却的固体颗粒可以经过将固体颗粒流压力减小至用于运送的希望水平的连续降压系统而从次级容器中被取出。

在本发明的另一个示例性实施方案中，用于对以约1500°F以上平均温度进入该冷却系统的固体颗粒进行冷却的冷却系统包括：冷却器，该冷却器具有用于接受约1500°F以上平均温度的固体颗粒的入口；该冷却器具有用于使这些固体颗粒的约600°F以下平均温度的至少一部分离开的出口；该冷却器中的热传递系统；以及冷却器中的流化床回流冷却材料（接近离开温度的较凉的固体颗粒），其中这些约1500°F以上平均温度的固体颗粒经过该入口进入该冷却器，其中这些固体颗粒的至少一部分在该冷却器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到小于约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与冷却器中的热传递系统接触，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的平均温度，并且其中这些固体颗粒的约600°F以下的平均温度的至少一部分经过该出口离开。

固体颗粒可以以约30psia以上的平均压力经过冷却器底部的入口进入该冷却器。这些固体颗粒可以具有约50微米至400微米范围之内的质量平均直径。

该冷却器可以是具有底部和顶部的垂直容器，并且该冷却器的入口可以位于该冷却器的底部。

该冷却系统可以进一步包括：将固体颗粒在约1500°F以上平均温度下引导至冷却器底部的下导管、在冷却器顶部附近在低温区段中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在约600°F以下的平均温度的至少一部分经过该出口离开冷却器并且进入气体固体颗粒分离系统并且然后再进入第二冷却器，以对这些固体颗粒作进一步冷却。

下导管和初级固体颗粒冷却器可以衬有耐火材料。

该冷却系统可以进一步包括：在第二冷却器顶部的限制夹带的微粒进入这些通风管线的通风过滤器区段，以及用来调节冷却器与气化器之间压力差的压力控制系统。

该冷却系统可以进一步包括连续压力减低系统，其中冷却的固体颗粒经过使固体颗粒流压力减小至用于从第二冷却器运送的希望的压力的连接压力减低系统而从第二冷却器中被取出。

初级冷却器的底部可以是锥形的从而提供锥形区段并结合该入口，并且下导管可以将这些固体颗粒提供到冷却器底部中的入口。初级固体颗粒冷却器在热传递系统之下的锥形区域和容积的大小可以被确定为使得回流的冷的固体颗粒有充分的时间与来自下导管的正在进入的热固体颗粒混合。

该冷却系统可以进一步包括用来调节冷却器与气化器之间压力差的压力控制系统。

在本发明的另一个示例性实施方案中，将约1500°F以上平均温度的固体颗粒冷却到小于约600°F平均温度的冷却方法包括：提供月1500°F以上平均温度的固体颗粒，将这些固体颗粒与流化床回流冷却材料混合以便形成具有小于约1000°F平均温度的一部分固体颗粒，并且使具有小于约1000°F平均温度的一部分固体颗粒与热传递系统相接触以便形成具有小于约600°F平均温度的一部分固体颗粒。

这种冷却方法可以进一步包括提供处于约1500°F以上平均温度且约30psia以上平均压力的固体颗粒。

该冷却方法可以进一步包括提供约1500°F以上平均温度且约50微米至400微米范围内的质量平均直径的固体颗粒。

该冷却方法可以进一步包括提供其中发生这些冷却步骤的初级冷却器，在冷却器顶部附近支持热传递系统，提供次级冷却器，其中这些固体颗粒的约600°F以下平均温度的至少一部分离开该初级冷却器，在气体和固体颗粒进入次级冷却器之前将它们分离，并且在次级冷却器中进一步冷却这些固体颗粒。

该冷却方法可以进一步包括：进行过滤以便用来限制超过预定尺寸的精细固体颗粒进入通风管线，并且对在初级冷却器以及在约1500°F以上平均温度操作的气化器之间的压力差进行控制。

该冷却方法可以进一步包括连续降低从次级冷却器取出的冷却的固体颗粒的压力，以便将固体颗粒流压力减小至用于从次级冷却器运送的希望的水平。

该冷却方法可以进一步包括对来自气化器的约1500°F以上平均温度的过量固体颗粒进行取出、冷却和降压操作，以便于对它们的处置。

该冷却方法可以进一步包括调节下导管中这些固体颗粒的吹风速率，以便控制由高度差所产生的流体静压头引起的固体颗粒流动。

该冷却方法可以进一步包括通过通风压力控制器来调节气化器与冷却器之间的压力差以便进一步控制热固体颗粒向冷却器入口的流动。

本发明的这些和其他目的、特征和优点当通过结合附图并阅读以下说明书而变得更加清楚。

附图简要说明

通过参见以下详细说明并结合附图可以更易于理解本发明的不同特征和优点，其中相似的参考号指示相似的结构元件，并且在附图中：

图1展示了根据本发明示例性实施方案用来处理来自高温、高压源的热固体颗粒的固体颗粒热交换器。

图2展示了根据本发明示例性实施方案初级固体颗粒冷却器的底部锥形区段。

图3展示了根据本发明示例性实施方案卡口式热交换器管道的夹具布置。

发明详细说明

为便于理解本发明不同实施方案的原理和特征，以下解释了不同的说明性实施方案。尽管详细解释了本发明多个示例性实施方案，应该理解可以考虑其他实施方案。因此，并非旨在将本发明的范围限制成通过以下说明所阐述或通过附图所展示的部件结构及布置的细节。本发明能够用于其他实施方案并且能够以不同方式来实践或执行。同样，在描述这些示例性实施方案中，为了简明起见将求助特殊术语。

还必须指出，除非上下文清楚地另有说明，如在说明书和所附权利要求中使用时，单数形式“一个”、“一种”以及“该”包括复数个参考物。例如，参考部件还旨在包括多个部件的组合物。参考包含“一种”成分的组合物旨在包括除了所命名的一种组合物之外的其他组合物。

同样，在描述这些示例性实施方案中，为简明起见将求助术语。旨在每个术语考虑了其如本领域普通技术人员所理解的最广泛的意义并且包括以类似的方式操作来完成类似目的的所有技术等效物。

范围在此可以表述为从“大约”或“约”或“实质上”一个特殊值和/或到“大约”或“约”或“实质上”另一个特殊值。当表述这样的范围时，其他示例性实施方案包括从该一个特殊值和/或到该另一个特殊值。

类似的，如在此使用的，“基本上没有”某物、或者“基本上纯的”、以及相似的特征描述可以包括：是“至少基本上没有”某物或“至少基本上纯的”、以及是“完全没有”某物或者“完全纯的”二者。

“包括”或“含有”或“包含”意味着在该组合物或物品或方法中存在至少这种命名的组合物、元素、物品或者方法步骤，但不排除存在其他组合物、材料、物品、方法步骤，即使其他这样的组合物、材料、物品、方法步骤与所命名的具有相同的功能。

还应该理解，提及的一个或多个方法步骤不排除存在额外的方法步骤或者介于那些确切鉴定的步骤之间的方法步骤。类似地，还应该理解，在组合物中提及的一种或多种成分不排除存在着那些明确鉴定的以外的额外成分。

如在制作本发明不同元件所描述的这些材料旨在是说明性的而非限制性的。将与在此描述的这些材料执行相同或类似功能的许多适合材料旨在包含于本发明范围之内。例如未在此描述的其他这样的材料可以包括但不限于在发展本发明的时间之后所开发的材料。

本发明具有冷却和处理热固体粒子的广阔应用，如来自不同化学反应器的催化剂和产物，以及来自燃烧室的灰粉和耗用的吸着剂粒子以及来自气化器的非利用的炭混合物。本发明的详细说明是针对来自加压气化器的热固体颗粒进行冷却然后降压的具体实例提供的，但同样可应用于需要对来自高温和高压环境的固体粒子进行冷却的其他情形。

如图1展示的，在反应器、燃烧室或气化器100中产生的固体颗粒（术语“固体颗粒”在此通常用来描述具有在50至400微米范围内的质量平均直径的分布颗粒，常见地是来自煤气化器的主要包括具有极少炭的灰粉的固体颗粒）经过喷嘴110经过连接的下导管管道200被取出。连接的下导管管道以及初级冷却器容器被衬有耐火材料以保护其免受腐蚀和高压环境。流化床气化器的操作温度通常是在约1700°F至2000°F的范围之内并且操作压力是在约30至1000psia的范围之内。在优选的实施方案中，固体颗粒流动方向在喷嘴110处是总体向下的。为了便于设备布局和管道布置连接，可以使喷嘴与水平面所成角度在约10与90度之间，具有总体向下方向的流动。如果管道长度大于管道直径的20倍则增加多个吹风喷嘴250。吹风气体流动可以被调节为与热固体颗粒一起流动到固体颗粒冷却器。

如图1所展示的，来自气化器的固体颗粒在底部中心开口260处进入初级冷却器300。在一个实施方案中，连接初级冷却器300的管道200可以具有进入初级冷却器空间300中的延伸部分210。衬有耐火材料的初级冷却器容器300的锥形区段320以及入口的延伸部分210形成了环形腔310，该环形腔实质上是具有最小吹风的不流动带。这个不流动带的目的是充分的收集进入初级冷却器的大片无关材料和外来材料并使冷却器的这些材料安全排出（通过排出喷嘴330）以便限制或防止它们干扰固体颗粒的冷却操作。该管道的延伸部分和不流动带对于进入冷却器的固体颗粒免于无关材料的应用是不必要的。

通过最小吹风，环形腔310可以被流化以便使无关材料与标准灰粉粒子分离。这种构形的一个优点是通过调节延长的中心管道以及锥形部的大小、形状和角度可以按需要来设计环形腔310的截面面积，从而可使流化这些小粒子以及使这些较大粒子与这些较小粒子分离的吹风气体的消耗量最小。本领域普通技术人员可以设计基于尺寸分离的不同方式来使无关材料与正常运行的固体粒子，如来自气化器的灰粉与炭的混合物分离。

图2展示了用来使无关材料与标准灰粉混合物分离的锥形区段和延长中心管道的设计实例。中心管道210可以具有另一个锥形区段215，可以调节该锥形区的角度以便在该容器与锥形部215之间实现所希望的截面面积以便使对于流化气的需求最小。吹风气体335被加到锥形部周围的不同喷嘴。吹风气体使初级冷却器上部区段中的固体颗粒流化用于较好的热传递。通常是大片的碎裂耐火材料和渣块的无关材料下沉到初级冷却器底部并且通过排放管330被排出。根据该过程，在中心管215与容器锥形部360之间形成的环形腔空间340可以用来在正常运行过程中存储无关材料并且在此处理结束时被去除。

参见图2中的实施方案，在大片无关材料已经与标准灰粉分离之后，进入初级冷却器的热的灰粉流260与具有约400°F至600°F范围之内的温度的内部循环冷却器灰粉流345相混合。由于这两个流的混合，这些固体颗粒的混合物温度是在约800°F至1000°F的范围之内。因此，与流化的固体粒子接触的冷却表面（例如，图1中的刺刀管布置的外部管道400）的温度是远远低于来自气化器的的入口的约1500°F至2200°F的温度。与灰粉冷却表面接触的约800°F至1000°F的低温固体颗粒使对于作为用于构造该冷却表面材料的昂贵合金材料的需要最小化，即便不是完全消除的话。在第一阶段中初级冷却器中的整个冷却表面可以通过使用普通的碳钢来构造。

固体颗粒混合物由于气体拖动以及由于冷却固体颗粒入口260与固体颗粒出口370之间的压力差而在初级冷却器中向上流动。气体-固体颗粒混合物接触初级冷却器中的冷却表面400。在该优选实施方案中，这个冷却表面是由刺刀式冷却管道制成，这些冷却管道包括两个同心管：如图1展示的外管400和内管410。

冷却剂流体（水）优选在重力下而向下流动而从汽鼓500进入由初级冷却器的容器壁380和管板430形成的空间420中。水被分配进入附接于管板430上的复数个管道（内管410）之中。如图3展示的，水在内管410中向下流动，当它吸收热量时形成水-蒸汽混合物，然后两相的蒸汽泡和饱和的水在由内管410和外管400形成的环形空间中向上流动。用于在环形空间中的部分水蒸发成蒸汽泡的热源是围绕外管的具有约800°F至1000°F的热灰粉的流化床。蒸汽泡与汽鼓中的水分离并且通过鼓室压力控制阀对蒸汽进行通风，使汽鼓压力典型地维持在约50psi。

初级固体颗粒冷却器的尺寸大小以及所需要的热传递区域的范围取决于这些固体颗粒的令人希望的离开温度。从性能和经济学观点二者出发，可取的是使灰粉冷却到约400°F至600°F的初级冷却器离开温度。令更低温度的冷却水流过冷却管道束900的可在次级冷却器700（图1）中完成更低温度的进一步冷却。

如图1展示的，冷却到约400°F至600°F的灰粉经过出口370从初级固体颗粒冷却器顶部附近溢出。流化气体也与这些固体颗粒一起离开初级冷却器并且经过导管600流动进入嵌在次级冷却器700中的气体-固体颗粒分离系统800。气体-固体颗粒分离系统一般包括旋流器，该旋流器具有浸入管和用于浸入管的密封件（例如，环式密封件800）。气体-固体颗粒分离器的目的是防止气体将大量的固体粒子携带到隔板式过滤器710。在这些固体颗粒的大部分与流入旋流器中的气体-固体颗粒流发生分离之后，离开旋流器的夹带着精细粒子的气体经过分配导管810向上流动。

810出口处的分配器将气体平均分配到这些隔板式过滤器710。这些隔板式过滤器一般由复数的烧结金属过滤器制成以阻止精细粒子并允许更洁净的气体渗透穿过过滤器。经过滤的气体流经压力控制阀750并且被排放到适合位置，优选到处于较低压力的处理流的下游。来自初级固体颗粒冷却器的流化气体因此被清洁并且不是被排回气化器，而是被排到下游处理。这样，可以优化初级冷却器中的流化气体的数量以便实现所希望的内部固体颗粒循环并使来自流化床的热传递最大化。

来自次级冷却器旋流器以及环式密封件800的释放的固体颗粒与来自这些隔板式过滤器710的精细固体颗粒一起流经一组冷却表面900的而被冷却到希望的离开温度。来自次级冷却器的吹风气体335也被过滤并且经过压力控制阀750排出。冷却的固体颗粒于是经过次级冷却器底部的离开喷嘴950被排放。离开950的冷却的固体颗粒仍处于高的气化器运行压力。优选的是灰粉经过连续灰粉减压系统被减压，例如在美国专利公布号2010/0266460中披露的，其传授内容通过应用被并入本文。2010/0266460披露了具有压力下降装置的连续减压系统，这些压力下降装置便于来自高操作系统压力的固体颗粒流的压力下降至下游处理所需要的较低压力。

图3提供了限制或防止刺刀管布置的内管410振动的方法。Ω形夹具440在该Ω件的一个腿上被焊接到内管410上。该Ω件的顶部与外管400相接触。该Ω夹具典型地是以三英尺间隔以及120度取向来定位的。通过这个实施方案，该内管是由Ω夹具约束的。本领域技术人员可以设计用来抑制外部管道振动效应而同时允许轴向膨胀的几种方法。关键是自初级冷却器的上部区段支持该约束机构，例如取决于这些管道长度的一个或多个约束栅，该上部区段温度通常在600°F以下。

来自鼓室流经内管410的水以约5至15ft/s范围内的速度经过限定区段450离开内管。这种速度限制或者防止污物积聚在水系统中或附着在刺刀管中的低点处。外部管道的较低部分包覆有厚的金属帽460以限制或防止腐蚀。

在气化器操作过程中，煤灰积聚在气化器中。气化器中的循环固体颗粒存量是经过固体颗粒冷却器系统将积聚的煤灰取出而维持的。高温灰粉被冷却和减压以便运送到用于处置的灰粉筒中。如图1展示的，在气化器上的固体颗粒移送喷嘴110位于初级冷却器溢流出口喷嘴370上方大约五英尺处。每当该连接的J形下导管管道被流化时，这种布置产生了流体静压头以便用于固体颗粒自然地从气化器流动到初级固体颗粒冷却器而被流化。除流体静压头外，还通过排压控制阀750来控制固体颗粒流动。在运行中，在移送点与由750引起的排压之间的压力差用于粗糙控制，在连接的J形下导管管道中的流化气体的流动被用于到初级固体颗粒冷却器的热固体颗粒的精细控制。

在以上说明中与结构和功能的细节一起阐述了大量特征和优点。虽然本发明已经通过几种形式进行了披露，对于本领域普通技术人员清楚的是尤其是与零件的形状、大小和布置相关可以做出许多修改、增加、和删除，而无需脱离如在以下权利要求中阐述的本发明及其等效物的精神和范围。因此，当可以通过在此的传授内容建议的其他改变或实施方案落入在此所附权利要求的宽度和范围之内时，可以特别予以保留。

Claims (26)

1.一种冷却系统，用于对进入该冷却系统中的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1000°F； 

其中，这些固体颗粒的小于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600°F平均温度；并且 

其中，这些固体颗粒的小于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同下导管连接的气化器之间的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30psia与1000psia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与冷却器连接的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，其中这些冷却的固体颗粒经过该连续压力减低系统从该次级冷却器中被取出，该连续压力减低系统使固体颗粒流的压力减小至用于从该次级冷却器运送的希望水平。 

12.根据权利要求11所述的系统，其中该系统对来自在1500°F与2200°F之间平均温度以及在30psia与1000psia之间平均压力运行的气化器的灰粉或固体颗粒进行冷却和降压； 

其中，该灰粉和固体颗粒具有在50微米与400微米之间的质量平均直径； 

其中，在该初级固体颗粒冷却器顶部附近的固体颗粒出口提供了用于这些固体颗粒的600°F以下平均温度的至少一部分的出口； 

其中，这些固体颗粒的至少一部分在该初级固体颗粒冷却器中与流化床回流冷却材料相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1000°F； 

其中，这些固体颗粒的小于1000°F的平均温度的至少一部分与该初级固体颗粒冷却器中的热传递系统相接触，这个热传递系统使这些固体颗粒的至少一部分进一步冷却至小于600°F的平均温度；并且 

其中，这些固体颗粒的600°F以下平均温度的至少一部分经过固体颗粒出口离开该初级固体颗粒冷却器。 

13.根据权利要求11所述的系统，其中该次级冷却器包括衬有非耐火材料的容器。 

14.根据权利要求11所述的系统，其中该初级固体颗粒冷却器的底部是锥形的从而提供锥形区域，并有其中该初级固体颗粒冷却器在该热传递系统下方的锥形区域和容积被确定大小为使得回流的冷固体颗粒具有足够的时间与来自该下导管的这些正在进入的固体颗粒混合。 

15.根据权利要求11所述的系统，其中该热传递系统包括多个刺刀式冷却管道。 

16.根据权利要求15所述的系统，进一步包括附接到这些刺刀式冷却管道上的以减小振动的多个Ω形弹簧。 

17.根据权利要求11所述的系统，其中这些固体颗粒离开该气化器的位置高于在该初级固体颗粒冷却器顶部附近的固体颗粒出口的位置。 

18.一种基于权利要求1的冷却系统对1500°F以上平均温度固体颗粒冷却至小于600°F平均温度的方法。

19.根据权利要求18所述的冷却的方法，进一步包括提供1500°F以上平均温度、30psia以上平均压力的这些固体颗粒。 

20.根据权利要求18所述的冷却的方法，进一步包括提供1500°F以上平均温度、50微米至400微米范围之内的质量平均直径的这些固体颗粒。 

21.根据权利要求18所述的冷却的方法，进一步包括： 

提供其中发生这些冷却步骤的初级冷却器； 

在该冷却器顶部附近将该热传递系统支持在较低温度区段中； 

提供次级冷却器，其中这些固体颗粒的600°F以下平均温度的至少一部分离开该初级冷却器； 

在该气体和固体颗粒进入该次级冷却器中之前将两者分离；并且 

在该次级冷却器中对这些固体颗粒进行冷却。 

22.根据权利要求21所述的冷却的方法，进一步包括： 

进行过滤以便限制超过预定大小的固体颗粒进入通风管线；并且 

对提供1500°F以上平均温度的这些固体颗粒的气化器与该初级冷却器之间的压力差进行控制。 

23.根据权利要求21所述的冷却的方法，进一步包括连续降低从该次级冷却器中取出的这些冷却的固体颗粒的压力，以便将固体颗粒流的压力减小到用于从该次级冷却器运送的希望水平。 

24.根据权利要求22所述的冷却的方法，进一步包括对来自该气化器的1500°F以上平均温度的过量固体颗粒进行取出、冷却和降压，以便于它们的处置。 

25.根据权利要求18所述的冷却的方法，进一步包括在将这些固体颗粒与该流化床回流冷却材料混合之前在下导管中对这些固体颗粒进行吹风，并且调节该吹风速度以便控制由高度差产生的流体静压头所引起的这些固体颗粒的流动。 

26.根据权利要求22所述的冷却的方法，进一步包括调节该气化器与初级冷却器之间的压力差，以便控制热固体颗粒至初级冷却器的流动。