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在高温高压下燃烧燃料的设备和方法及相关系统和装置
    技术领域 本发明涉及用于在高温高压下将碳质燃料和氧气一起燃烧， 以产生燃烧产物的设 备和方法， 该燃烧产物或者用过量的氧气被氧化， 或者其包含还原的组份并具有零氧含量。 一种特定的应用是， 通过使用工作流体使通过高效燃烧燃料生成的能量转化， 用于生成诸 如电的能量。尤其是， 这样的设备和方法可使用二氧化碳或蒸汽作为工作流体。另一方面， 这些设备和方法可用于生成包含氢气和 / 或一氧化碳的气体。
     背景技术
     据估计， 化石燃料还能继续提供全世界大部分的电力需求一百年， 同时无碳能源 被开发出来并被采用。但是， 已知的通过对化石燃料和 / 或适宜的生物体 (biomass) 进行 燃烧产生能源的方法受到能源成本的上升以及产生的二氧化碳 (CO2) 和其它排放物的增加 的困扰。全球变暖日益被视为潜在的灾害， 这是由于发达国家和发展中国家碳排放的增加 导致的。太阳能和风能看来不能在近期替代化石燃料， 而核能具有与扩散和核废料处理相 关的危险性。 从化石燃料或适宜的生物燃料产生能量的常规布置现在日益为在高压下捕获 CO2 以便运送到隔离场的需求所累。但是， 满足这种需求较困难， 因为即使对于捕获 CO2 的最佳 设计， 现有技术也仅提供了很低的热效率。而且， 实现捕获 CO2 的投资成本很高， 并且可因 此导致与将 CO2 排放到大气中的系统相比高很多的电力成本。据此， 在本领域中对于能减 少 CO2 排放和 / 或改进捕捉难度以及所产生的 CO2 的隔离的高效能量产生的设备和方法具 有日益增长的需求。
     对碳质燃料的氧燃料燃烧包括从空气中分离出足够纯的氧 ( 或以其他方式提供 用于燃烧处理的这样足够纯的氧 )， 并且使用这种氧作为燃烧介质， 以产生燃烧产物， 该燃 烧产物基本上不含氮， 而包括二氧化碳和水蒸气。当前的技术中， 空气和氧燃料燃烧器在 有限的温度和压力下工作， 以防止过高的温度损害燃烧器的壁和 / 或其它系统部件， 例如 涡轮机叶片。限制工作温度和 / 或压力， 在某些情况下， 不合乎要求地延长了燃烧处理和 / 或需要相对大的燃烧体积。此外， 燃烧处理、 燃烧设计和 / 或下游排出的气体的处理规定还 可能不期望地取决于为该处理所利用的燃料类型。而且， 由于在当前的工艺中应用于常规 锅炉系统的燃烧气体的体积较大， 并且这些气体被排到大气中， 当前从排气烟囱气体去除 污染物质的方法和所推荐的氧燃料燃烧系统高度取决于反应炉 (plant) 的具体设计和在 该反应炉内燃烧的燃料的确切类型。每种燃料都具有对比化合物 (contrasting chemical composition) 和大量污染物。因此， 当前工艺不期望地需要每个反应炉的排出气体涤气 (scrubber) 系统或者氧燃料燃烧变形， 均为客户特别设计以适应具有特定化合物的特定类 型的燃料。
     例如， 用于煤的当前技术通常应用了装备有垂直的管壁或成螺旋形配置的管壁的 单个非常大的燃烧器， 其中在高压下生成蒸汽， 并将蒸汽在分离的过热器部分中过度加热。 大尺寸的燃烧器可遭受明显的热损失， 并且通常会受到损坏， 还会由于煤灰、 熔渣和诸如取
     决于所使用的特定的煤的燃烧气体中的 SOX、 HCL、 NOX 等腐蚀性成分， 使燃烧炉、 发热和对流 换热表面和其它部件积灰、 结渣。
     这样的示例性的缺陷可能需要周期性地关闭整个反应炉， 以维修或者更换受损的 或者被腐蚀的部件和 / 或其它组件， 并且可因此导致反应炉的可利用率较低， 并且很难补 偿反应炉在停机期间所损失的产出， 这是不期望的。 发明内容 通过本申请的各方面解决了以上的和其它的需求， 依据一个特定的方面， 本申请 提供了包括被配置成将碳质燃料与富氧和工作流体进行混合以形成燃料混合物的混合装 置的燃烧设备。燃烧室至少部分地由蒸发构件定义出， 其中蒸发构件至少部分地由耐压构 件包围。蒸发构件具有入口部和相对的出口部， 其中燃烧室的入口部被配置成接收燃料混 合物， 用于使燃料混合物在燃烧室中以燃烧温度燃烧， 以形成燃烧产物。 该燃烧室进一步被 配置成将燃烧产物引导向出口部。 该蒸发构件被配置成朝向燃烧室引导蒸发物质从其中穿 过， 用于缓冲燃烧产物和蒸发构件之间的相互作用。 此外， 蒸发物质可被引导进入燃烧室以 获得燃烧产物的期望的出口温度。
     另一方面， 本申请提供了一种燃烧方法， 初始包括使用混合装置使碳质燃料与富 氧和工作流体混合， 以形成燃料混合物。该燃料混合物被接收在由蒸发构件定义出的燃烧 室的入口部中， 其中蒸发构件至少部分地由耐压构件包围。燃料混合物在燃烧室内以燃烧 温度燃烧形成燃烧产物， 并且燃烧产物然后被引向燃烧室的出口部。蒸发物质被朝向燃烧 室引导通过蒸发构件， 使得蒸发物质对燃烧产物和蒸发构件之间的相互作用进行缓冲。蒸 发物质可被引入燃烧室以获得燃烧产物的期望出口温度。
     在又另一方面， 本申请提供了能量生成系统。 这样的系统包括燃烧设备， 其包括混 合装置， 该混合装置被配置成将碳质燃料与富氧和工作流体进行混合， 以形成燃料混合物。 燃烧室至少部分地由蒸发构件定义出， 其中蒸发构件至少部分地被耐压构件包围。该燃烧 室具有入口部和相对的出口部。燃烧室的入口部被配置成接收燃料混合物， 使该燃料混合 物在燃烧室中以燃烧温度燃烧而形成燃烧产物。 该燃烧室进一步被配置成将燃烧产物引向 出口部。蒸发构件被配置成朝向燃烧室引导蒸发物质从蒸发构件中经过， 以便对燃烧产物 和蒸发构件之间的相互作用进行缓冲。 此外， 蒸发物质可被引入燃烧室， 以获得燃烧产物的 期望出口温度。 变换设备被配置成接收燃烧产物， 其中该变换设备响应于燃烧产物， 而将与 其相关联的热能转换成动能。
     在再另一方面， 本申请提供了分离设备， 其适用于使用燃烧设备实现， 燃烧设备被 配置成燃烧固体碳质燃料以形成燃烧产物， 使得在固体碳质燃料中的任何非易燃成分在燃 烧产物中液化。这样的分离设备包括多个串行布置的离心分离装置， 其包括入口离心分离 装置和出口离心分离装置， 入口离心分离装置被配置成接收燃烧产物和与其相关的液化非 易燃成分， 而出口离心分离装置被配置成排出其中的液化非易燃成分已基本被去除的燃烧 产物。每个离心分离装置具有多个以并行的方式可操作地布置的离心分离元件， 其中每个 离心分离元件被配置成从燃烧产物中去除被液化的非易燃成分的至少一部分， 并将被液化 的非易燃成分的至少一部分引导到积垢器 (sump)。 耐压外壳被配置成容纳离心分离装置和 积垢器。
     另一方面， 碳质燃料的氧燃料燃烧 ( 和 / 或碳氢质燃料 ) 还可涉及将足够纯的氧 从空气中分离出来 ( 或以其他方式提供这样充分纯的氧气 )， 以及在燃烧处理中应用该氧 气以产生燃烧产物， 该燃烧产物基本不含氮， 而包括二氧化碳和水蒸气。 富含二氧化碳的燃 烧产物 ( 随后冷却并且水分冷凝 ) 则可能可在后续的商业应用中利用， 诸如用于提高油的 还原或者提高天然气产量或者在合适的地质收集场中处理 ( 后续压缩和提纯 )。氧燃料动 力生成系统的在高压下的操作还可允许从燃料中产生的二氧化碳处于高压下， 导致通过减 少或者消除对二氧化碳增压的需要而节省动力。而且， 高压操作可允许被提纯的燃烧产物 被直接用于动力循环， 当与诸如 CO2 或者流束的适当的加热工作流体混合时。动力系统的 在高压下的操作还可导致在动力循环中流体流通率体积的减少， 导致装备更小且投资成本 更低。具有温度控制装置的高压氧燃料燃烧器是另一个重要方面。诸如燃烧产生的气体 或二氧化碳或液体水或流束 ( 诸如来自循环流束 ) 的适宜流体的通过蒸发冷却和燃烧室 / 空间的保护壁的循环， 还可起到控制燃烧温度的作用。通过燃烧室壁的蒸发流体的流通还 可起到消除由于热量， 或灰分或液体熔渣冲击的影响在燃烧室壁上产生和 / 或对室壁的损 坏。 因此， 提供了高效的高压、 高温燃烧器， 其可适用于燃烧不同气体、 液体或者固体燃料或 者燃料混合物以满足作为动力系统的部件的不同需求， 该动力系统可以比现有技术高很多 的效率且低很多的投资成本来操作。在某些情况下， 可对燃烧器进行操作以产生除动力产 物以外的包括氢和一氧化碳的燃烧产物， 以便能够适应下游的要求。
     在再进一步的方面， 本申请大体上提供了与高压、 高温、 高效、 蒸发流体保护的氧 燃料燃烧器相关联的方法和设备， 用于在例如动力发生中应用， 诸如与使用将 CO2 和 / 或 H2O 作为工作流体的动力循环相结合。 在这样的应用中， 燃烧器可在氧化的模式下操作， 从而所 产生的燃烧产物因此包含在大约 500ppm 和大约 3％摩尔之间范围内的氧聚集物， 以及在大 约 50ppm 以下， 优选地在 10ppm 摩尔以下的一氧化碳聚集物。另一方面， 燃烧器可在还原模 式下操作， 从而所产生的燃烧产物因此具有接近零的氧聚集物， 并且该燃烧产物包括 CO 和 H2 的聚集物。以还原模式操作可被配置成使 H2 和 CO 的产物最大化， 并且可使 O2 燃烧最小 化。操作的还原模式不仅对动力产生有益， 而且对于 H2 或者 H2+CO 合成气体的产物是有益 的。在特定的方面， 操作压力可在大约 40 巴 (bar) 和大约 500 巴之间的范围内， 且优选地 至少为 80 巴， 并且燃烧产物温度大体上可在约 1300℃到约 3500℃之间的范围内。
     在涉及动力产生的方面， 工作流体的一部分与燃料和氧化剂 ( 即， 富氧 ) 一起被 引入燃烧器用于燃烧， 使得产生为包括工作流体和燃烧产物的高压、 高温流体束 ( 燃烧产 品 )。 工作流体可被引入通过燃烧室的蒸发保护壁和 / 或通过该燃烧室附件的附加注入点。 在燃烧处理之后和通过蒸发与燃烧产物混合的工作流体可具有在适于直接引入诸如涡轮 机的动力生成装置的范围内 ( 即， 足够低 ) 的温度。在这样的情况下， 被引入燃烧器的工作 流体的总量， 例如对燃烧产物的稀释， 可被调整成提供用于离开适宜于动力涡轮机的操作 入口温度和压力的燃烧器的总工作流体束的离开温度。 有利地， 在涡轮机中的膨胀过程中， 流体束可被维持在相对高的压力下， 使得纵贯涡轮机的压力比 ( 即， 涡轮机入口处的压力 与出口处的压力的比率 ) 小于约 12。流体束还可进一步被处理以分离流体束的组份， 其中 这样的处理可包括使流体束经过热交换器。尤其是， 膨胀的工作流体 ( 其至少一部分可回 收自流体束 ) 可经过相同的热交换器以在工作流体被引入燃烧器之前加热高压工作流体。 在某些方面， 本申请提供了高压氧燃料燃烧器， 用于动力产生系统， 其可用较低投资成本产生动力， 并可在管线压力下产生足够纯的 CO2， 以便用于商用或收集。该 CO2 还可被回收进 入动力产生系统。
     在其它方面， 所揭示的燃烧系统和方法可被配置成使用广泛不同的燃料源。 例如， 依据本申请的高效燃烧器可使用气体 ( 例如， 天然气或者煤的衍生气体 )、 液体 ( 例如， 碳氢 化合物、 沥青 ) 和 / 或固体 ( 例如， 煤、 褐煤 (lignite)、 石油焦 (pet-coke)) 燃料。正如在 此另外描述的， 甚至可使用诸如藻类、 生物体， 或者任何其它适宜的可燃烧有机材料的其它 燃料。
     在其它方面， 当与使用在管线压力下捕捉的 CO2 的动力系统合并时， 本申请的燃烧 的方法和系统可能是有用的， 因为该合并系统可超过不提供对 CO2 进行捕捉的燃煤蒸汽循 环动力站的当前最佳效率。 这样的当前动力站可使用含沥青的煤在最佳状态下提供例如具 有 1.7 英寸汞柱 (mercury) 冷凝压力的大约 45％的效率 (L.H.V)。本系统的各方面可超越 例如这样的效率， 同时以 200 巴的压力运送 CO2。
     在再另一方面， 本申请可使用类似的燃料提供与现有技术相比减少动力生成系统 的物理尺寸和投资成本的能力。因此， 本申请的方法和系统可贡献于或以其他方式有利于 降低与动力产生系统相关的建造成本， 并且一定系统的相对高效的燃烧可导致降低电力成 本或能量产生， 并减少矿石燃料的应用。 在一个特定的方面， 本申请涉及动力生成的方法， 其结合了对诸如 CO2 和 / 或 H2O 的工作流体的应用。 在某些方面， 本方法可包括将加热的压缩 CO2 和 / 或过热的蒸汽引入燃 料燃烧器。优选地， 该 CO2 和 / 或蒸汽可被引入以至少大约 80 巴的压力操作的燃烧器中。 CO2 和 / 或 H2O 可在两个或更多分离的位置处被引入燃烧器。CO2 和 / 或 H2O 的一部分可与 O2 和固体、 液体、 气体或超临界燃料混合， 使得可基于燃烧室的期望设计值确定燃烧室内的 燃烧温度。剩余的经加热的 CO2 和 / 或过热蒸汽然后被引入燃烧室以通过与燃烧产物直接 混合来冷却燃烧产物， 以实现大约 500℃的期望总输出流体束温度， 这可能是动力产生系统 所需要的。在这样的条件下， CO2 和 / 或 H2O 可与由燃料燃烧产生的燃烧气体、 与诸如纯度 高于 85％摩尔的氧的氧化剂混合， 以产生包括 CO2 和 / 或 H2O 的期望温度的流体束。在特 定的方面， 输出流体束温度可在大约 1000℃到大约 1600℃之间的范围内。在其它方面， 输 出流体束可在涡轮机中膨胀以生成动力 ( 即， 经由与该涡轮机撞击的能量生成电 )。
     在一定的方面， 在工作流体被引入燃烧器之前将其加热到甚至更高的温度可能是 有用的。例如， 在 CO2 和 / 或 H2O 被引入燃烧器中之前可被加热到至少大约 700℃的温度。 在其它方面， 在 CO2 和 / 或 H2O 被引入燃烧器中之前可被加热到大约 700℃到大约 1000℃之 间的温度。在某些方面， 这样的加热可使用热交换器装置进行。正如在此进一步揭示的， 相 同的热交换器可被用于冷却离开动力生成涡轮机的流体束。
     类似地， 燃烧器可在较高的压力下有效地操作以产生能够在动力产生循环中实现 非常高的效率的工作流体。例如， 燃烧器和工作流体 CO2 和 / 或 H2O 的引入部分可压缩到至 少 200 巴。在其它方面， 压力可在大约 200 巴到大约 500 巴之间。
     在一定的方面， 被引入燃烧器的工作流体的一部分可以是足够纯的 CO2 的循环流 束， 使得在工作流体中的任何水含量均来自燃料。当然， 来自外部源的 CO2 可被用作工作流 体。
     从燃烧器离开的流体束可包括 CO2 和 / 或 H2O 工作流体， 以及一种或更多种其它组
     分， 诸如由燃料或者燃烧处理衍生出的燃烧产物。离开的流体束可包含在大约 300ppm 和大 约 3％摩尔之间的范围内的诸如 H2O、 SO2、 SO3、 NO、 NO2、 Hg、 HCL 的组分加上过量的氧。在其 它方面， 输出流体束可至少包含不同比例的 H2 和 CO， 并且 O2 含量基本上为零。
     燃烧器可包括入口喷嘴装置， 燃料加氧加一部分工作流体通过该入口喷嘴装置被 引入燃烧器， 并在此处燃烧被发起并在氧化或还原模式下， 在设计容量典型地在大约 50％ 到大约 100％之间的期望的燃料流通量范围上， 以稳定方式进行。在一定的方面， 操作压 力可在大约 150 巴以上， 且在这个压力下， 氧可与 CO2 和诸如天然气的燃料的混合物， 或者 诸如碳氢蒸馏物的液体一起作为单相混合物被引入， 以获得需要的隔热阻燃 (flame) 温 度。如果在此高压下的 CO2 为低于约 100 ℃的温度， 则 CO2 的密度高到足以支持充足份额 的粉状煤以形成浆料， 其中浆料可通过高压泵被抽吸形成管内所需的燃料压力和流， 并 达到混合点， 在此处添加 CO2 和氧的超临界混合物以在燃烧器中获得所需的隔热阻燃温 度。预混合的燃料、 稀释 CO2 和氧应该可期望地处于合成温度下， 该温度在系统的自动点火 (auto-ignition) 温度以下。 CO2 流束的温度可被调整成符合这个标准。 入口喷嘴可包括在 注入器板上的孔阵列， 该孔阵列中的每一个孔将产生微小的流体喷口， 这些微小的流体喷 口导致迅速的热传递和燃烧， 从而产生稳定的燃烧区。孔的大小可为直径在大约 0.5mm 到 大约 3mm 之间的范围内。 燃烧室的壁可与多孔材料层排列成一排， CO2 和 / 或 H2O 稀释流束的第二部分被引 导并流经多孔材料层。通过该多孔蒸腾层， 并视情况通过附加装置的流体流被配置以获得 所需的总输出流体束出口温度， 该温度在大约 500℃到大约 2000℃之间。该流还可起到将 蒸发构件冷却到形成该蒸发构件材料的最大可允许操作温度以下的温度。诸如 CO2 和 / 或 H2O 稀释流束的蒸发物质还可起到阻止可能腐蚀、 淤塞或以其他方式损坏壁的燃料中的任 意液体或固体灰分材料或其它致污物的侵害。在这样的情况下， 可期望为蒸发构件使用具 有合理 ( 较低 ) 的热传导性的材料， 使得易于产生的辐射热可径向向外传导， 通过多孔蒸发 构件， 并然后被从多孔层结构的表面到径向向内通过蒸发层的流体的对流热传递所截断。 这样的配置可允许被引导穿过蒸发构件的稀释流束的后续部分被加热成在大约 500℃到大 约 1000℃之间的范围内的温度， 同时将多孔蒸发构件的温度维持在为其所使用的材料的设 计范围之内。 用于多孔蒸发构件的适宜材料可包括， 例如， 多孔陶瓷、 难溶金属纤维垫， 钻孔 圆柱体部， 和 / 或烧结 (sintered) 的金属层或烧结的金属粉末。蒸发构件的第二个功能是 可确保稀释的蒸发流体径向向内， 且纵向沿着燃烧器基本均匀地流动， 以获得稀释流体的 第二部分与燃烧产物之间良好的混合， 同时引起沿着燃烧室的长度的均匀轴向流量。蒸发 构件的第三个功能是达到稀释流体径向向内的速率以便提供缓冲， 或以其他方式中途截流 在燃烧产物中的灰分或其它致污物的固体和 / 或液体颗粒， 以免冲击蒸发层表面， 和引起 阻塞或其它损害。 这样的因素可能仅在例如燃烧诸如煤的具有残留惰性非易燃残留物的燃 料时很重要。环绕蒸发构件的燃烧器压力容器内壁也可被绝热， 以隔离在燃烧器内的高温 的第二稀释流束。
     具有非易燃残留物的煤或其它燃料可作为水中的浆料或优选地作为液体 CO2 中的 浆料被引入燃烧器。 浆料的液体部分以接近环境的温度并在动力循环中的最低压力下离开 动力系统。在这样的情况下， 在浆料入口条件和气体出口条件之间每摩尔的焓 (enthalpy) 差异对于 H2O 可为大约 10kcal/gm-mol， 对于 CO2 大约为 2.78kcal/gm-mol， 假设 CO2 浆料流
     的效率明显更高。在使用 CO2 作为工作流体的较高压力动力循环中， 需要较少的附加能量， 以产生在大约 -30℃到大约 10℃之间的范围内的温度的液体 CO2。
     产生非易燃残留物的诸如煤的通常为固体的燃料的燃烧温度优选地在大约 1800℃到大约 3000℃之间的范围内。在这样的条件下， 灰分或其它致污物将是在浆料燃料 进给中的从燃料颗粒衍生的液体熔渣小滴的形式。这些液体熔渣小滴必须被有效地去除， 以便抵御动力涡轮机或其它下游处理的污染。去除可通过使用例如旋流分离器、 冲击分离 器， 或以环形配置布置的梯度耐火颗粒过滤器的底板或它们的组合来完成。 在特定的方面， 可通过一系列旋流分离器来从高温工作流体束中去除小滴。为实现高效的去除， 在系列中 优选地具有至少两个旋流分离器， 并且优选地具有 3 个旋流分离器。可通过许多因素增强 去除效率。 例如， 可调整去除温度， 以确保熔渣粘稠度低到足以从分离器去除自流排出液体 小滴。有时可能必须在燃烧温度和最终的输出流体束温度之间的中间温度下执行熔渣去 除。在这样的情况下， 最终的输出流体束排出温度可通过使回收工作流体 ( 蒸发物质 ) 的 一部分直接与离开熔渣去除系统的流体束混合来实现。 期望旋流分离器的直径应该相对较 低 ( 即， 直径在大约 20cm 和大约 50cm 之间的范围内 )， 同时熔渣小滴的直径应该足够高以 提供良好的分离效果。这样的条件可通过例如研磨煤燃料达到， 以获得＞ 50 微米颗粒直径 的高份额来实现。 优选地， 煤形成平均颗粒直径在大约 50 微米到大约 100 微米之间的颗粒， 这可导致在输出工作流体流中存在的直径为 10 微米以下的熔渣颗粒的份额最小化。在某 些情况下， 在旋流分离器之后可跟随有直接部署在涡轮机上游的环形过滤器。 在特定的方面， 在系统中燃烧产物的滞留时间为， 对于天然气在 0.2 秒到 2 秒的范 围内， 而对于含沥青的煤在 0.4 秒到 4 秒的范围内。
     离开燃烧器的流体束可展现出各种不同的特征， 例如， 流体束可包括氧化流体。 这 样， 流体束可包括可迅速地被附加氧化剂 ( 例如， 氧气 ) 氧化 ( 例如， 燃烧 ) 的一种或更多 种组分。在某些方面， 流体束可以是包括选自于包括 H2、 CO、 CH4、 H2S 和其组合物的组中的 一种或更多种组分的还原流体。除次级稀释的比例将逐渐减小而转变成 H2+CO 的燃料份额 增加外， 在还原模式下系统的操作将大体上与氧化模式类似。还可能需要将燃烧产物的平 均滞留时间逐渐增加， 对于天然气来说， 随着转变成的 H2+CO 增加到最大， 平均滞留时间增 加到大约 2.5 秒到大约 4.5 秒之间， 而对于含沥青的煤来说增加到大约 6 秒到大约 10 秒之 间。
     以上所述的和其它的方面因此解决了所指出的需求， 并且提供了有益效果， 正如 在此详细说明的那样。
     附图说明
     已经概括地描述了申请后， 现在可参考附图， 这些附图并不需要依比例描绘， 并且其中 ： 图 1 是依据本申请的一定方面对蒸发冷却燃烧设备的示意性说明 ；
     图 2 是依据本申请的一定方面对燃烧设备中的蒸发构件壁的示范性横截面的示 意性说明 ；
     图 3A 和图 3B 依据本申请的一定方面示意性地说明了用于燃烧设备的蒸发构件组 装的热装配处理 ；
     图 4 依据本申请的一定方面示意性地说明了燃烧产生的致污物的消除设备 ；
     图 5 是依据本申请的一定方面， 示出了灰分颗粒作为平均颗粒尺寸和蒸发流体流 动率的函数的轨迹示意图 ； 以及
     图 6 是依据本申请的一定方面的可用的动力发生系统的示意图。具体实施方式
     此后将参考附图更完整地描述本申请， 其中示出了其中的一些方面， 但并非所有 的方面。 实际上， 本申请可以许多不同的形式实现， 而不应被解释成被限制于在此所阐述的 各方面 ； 而是， 提供这些方面是为了使本申请满足可适用的法律要求。在全文中， 相同的数 字指示相同的元件。
     在图 1 中示范性地说明了依据本申请， 能够使用固体燃料工作的燃烧设备的一个 方面， 该燃烧设备总体用数字 220。在该示例中， 燃烧设备 220 可被配置成燃烧诸如煤的特 定固体， 以形成燃烧产物， 但是如在此所揭示的任意其它适宜的可燃有机材料也可用作燃 料。 燃烧室 222 可由蒸发构件 230 限定出， 该蒸发构件 230 被配置成引导蒸发流体从此通过 进入燃烧室 222( 即促进蒸发冷却和 / 或缓冲燃烧产物与蒸发构件 230 之间的相互作用 )。 本领域技术人员将体会到， 蒸发构件 230 可基本为圆柱形， 以便限定出基本成圆柱形的燃 烧室 222， 该燃烧室 222 具有入口部 222A 和对面的出口部 222B。该蒸发构件 230 可至少部 分地被耐压构件 338 包围。 燃烧室 222 的入口部 222A 可被配置成从总体由数字 250 指示的 混合装置接收燃料混合物。依据特定的方面， 所述燃料混合物在燃烧室 222 内以特定的燃 烧温度燃烧， 以形成燃烧产物， 其中燃烧室 222 被进一步配置成将燃烧产物向出口部 222B 引导。 热排除装置 350( 见例如图 2) 可与耐压构件 338 相关联， 并被配置成控制其温度。 在 特定的情况下， 热排除装置 350 可包括至少部分由在耐压构件 338 对面的壁 336 限定的传 热套件 (jacket)， 其中液体可在其间定义的水循环套件 337 中循环。 在一方面， 循环的液体 可为水。
     混合装置 250 被配置成将具有富氧 (enriched oxygen)242 的碳质燃料 254 和工 作流体 236 混合， 以形成燃料混合物 200。碳质燃料 254 可以固体碳质燃料、 液体碳质燃料 和 / 或气体碳质燃料的形式提供。富氧 242 可以是摩尔纯度大于约 85％的氧。富氧 242 可 通过例如本领域已知的任意的空气分离系统 / 技术供应， 例如， 可实施低温空气分离处理， 或高温离子运转薄膜氧分离处理 ( 从空气 )。工作流体 236 可以是二氧化碳和 / 或水。在 碳质燃料 254 为微粒固体， 诸如粉状煤 254A 的情况下， 混合装置 250 可被进一步布置成将 微粒固体碳质燃料 254A 与流态物质 255 混合。依据一方面， 微粒固体碳质燃料 254A 的平 均颗粒尺寸可在约 50 微米与约 200 微米之间。依据再另一方面， 流态物质 255 可包括水和 3 3 / 或密度在约 450kg/m 与约 100kg/w 之间的液态 CO2。更具体地， 流态物质 255 可与微粒 固体碳质燃料 254A 共同形成微粒固体碳质燃料 254A 例如占重量的约 25％至约 55％之间 的浆料 250A。虽然在图 2 中氧 242 被示出为在被引入燃烧室 222 之前与燃料 254 和工作流 体 236 混合， 本领域技术人员将体会到， 在某些情况下， 氧 242 可被单独地引入燃烧室 222， 正如所需要的或者期望的。
     在某些方面， 混合装置 250 可包括， 例如， 被布置成在蒸发构件 230 的端壁 223 周 围的间隔开的喷嘴阵列 ( 未示出 )， 该喷嘴阵列与圆柱形燃烧室 222 的入口部 222A 相关联。以这种方式将燃料 / 燃料混合物注入燃烧室 222 可提供例如所注入燃料混合物入口流束的 较大的表面面积， 这继而可以促进通过辐射将热量快速传递给注入燃料混合物入口流束。 注入燃料混合物的温度可因此迅速升高到燃料 ( 即， 煤颗粒 ) 的燃点温度， 并且可因此导致 压缩燃烧。燃料混合物的注入速度可以在例如约 10m/sec 与约 40m/sec 之间的范围内， 但 是这些值可取决于许多因素， 诸如特定喷嘴的配置。这样的注入装置可采用许多不同的形 式。例如， 注入装置可包括直径在例如约 0.5mm 到约 3mm 之间的孔阵列， 其中所注入的燃料 将以在约 10m/s 到约 40m/s 之间的速度从此通过而被注入。
     正如在图 2 中更详细地示出的， 燃烧室 222 由蒸发构件 230 定义， 该蒸发构件可至 少部分被耐压构件 338 包围。 在某些情况下， 耐压构件 338 可进一步至少部分地被传热套件 336 包围， 其中传热套件 336 与耐压构件 338 共同在它们之间限定出一个或多个通道 337， 较低压力的水流束可通过该通道 337 循环。通过挥发 (evaporation) 机构， 循环的水可因 此被用于控制和 / 或保持所选择的耐压构件 338 的温度 ( 例如， 在约 100℃到约 250℃范围 内 )。在某些方面， 保温层 339 可被设置在蒸发构件 230 与耐压构件 338 之间。
     在某些情况下， 蒸发构件 230 可包括， 例如， 外蒸发构件 331 和内蒸发构件 332， 内 蒸发构件 332 被设置在与耐压构件 338 相反的外蒸发构件 331 侧面， 并且限定出了燃烧室 222。外蒸发构件 331 可包括诸如钢和钢合金， 包括不锈钢和镍合金的任意适宜的耐高温材 料。 在某些情况下， 外蒸发构件 331 可被配置成定义出了第一蒸发流体供应通路 333A， 该第 一蒸发流体供应通路 333A 从外蒸发构件 331 与绝缘层 339 相邻的表面延伸穿过外蒸发构 件 331 到达外蒸发构件 331 与内蒸发构件 332 相邻的表面。在某些情况下， 该第一蒸发流 体供应通路 333A 可对应于由耐压构件 338、 传热套件 336 和 / 或绝缘层 339 定义的第二蒸 发流体供应通路 333B。 该第一和第二蒸发流体供应通路 333A、 333B 可因此被配置成协同引 导蒸发流体 210 从此穿过到达内蒸发构件 332。在某些情况下， 正如例如在图 1 中所示出 的， 蒸发流体 210 可包括工作流体 236， 并可从与其相关联的相同的源获得。 如果需要， 该第 一和第二蒸发流体供应通路 333A、 333B 可以是保温的， 以便以足够的供给量和以足够的压 力输送蒸发流体 210( 即 CO2)， 使得蒸发流体 210 被引导穿过内蒸发构件 332， 进入燃烧室 222。如在此揭示的这样的措施涉及蒸发构件 230 和相关的蒸发流体 210， 可允许燃烧设备 220 在相对高的压力和相对高的温度下操作， 如本文其他部分所揭示的。
     出于这种考虑， 内蒸发构件 332 可包括例如多孔陶瓷材料、 穿孔材料、 层压材料、 包括二维随机定向且第三维规则排列的纤维的多孔衬垫， 或者任意其它的适宜材料或其组 合， 其展示出在此所揭示的需要的特征， 即， 多个流通通路或小孔， 或其它适宜的开口 335， 用于接收和引导蒸发流体穿过内蒸发构件 332。多孔陶瓷和适宜用于这种蒸发冷却系统 的其它材料的非限制性示例包括氧化铝、 氧化锆、 相变增韧锆 (transformation-toughened zirconium)、 铜、 钼、 钨、 渗铜的钨 (copper-infiltrated tungsten)、 钨敷涂钼、 钨敷涂铜、 各种高温镍合金， 以及包裹或敷涂铼的材料。适宜的材料来源包括例如 CoorsTek， Inc.， (Golden， CO)( 锆 ) ； UltraMet Advanced Materials Solutions(Pacoima、 CA)( 难熔金属涂 层) ； Orsam Sylvania(Danvers， MA)( 钨 / 铜 ) ； 以及 MarkeTech International， Inc.(Port Townsend， WA)( 钨 )。适宜用于这种蒸发冷却系统的穿孔材料的示例包括以上所有材料和 供应商 ( 在此可通过例如对初始未穿孔的结构使用本制造领域内已知的方法进行穿孔， 以 获得穿孔的端部结构 )。适宜的层压材料的示例包括以上所有材料和供应商 ( 此处可通过例如以使用本制造领域内已知的方法获得期望的端部多孔性这样的方式对非多孔或部分 多孔的结构进行层压获得层压端部结构 )。
     图 3A 和图 3B 说明了在燃烧设备 220 的一方面， 定义燃烧室 222 的结构可通过在 蒸发构件 230 和包围结构 ( 诸如耐压构件 338 或者布置在蒸发构件 230 和耐压构件 338 之 间的绝缘层 339) 之间的 “热” 干涉配合 (interference fit) 形成。例如， 当相对较 “冷” 时， 可使蒸发构件 230 维度在相对于周围的耐压构件 338 的辐射和 / 或轴向方向上较小。 同样地， 当被插入耐压构件 338 中时， 在其之间可能出现放射状和 / 或轴向空隙 ( 见， 例如 图 3A)。当然， 这样的尺度差异可便于将蒸发构件 230 插入耐压构件 338 中。但是， 当被加 热以例如期望达到操作温度时， 蒸发构件 230 可被配置成放射状和 / 或轴向扩展， 以减少或 者消除可注意到的空隙 ( 见例如图 3B)。这样， 干涉轴和 / 或放射状配合可在蒸发构件 230 和耐压构件 338 之间形成。在涉及具有外蒸发构件 331 和内蒸发构件 332 的蒸发构件 230 的示例中， 这样的干涉配合可将内蒸发构件 332 置于压缩状态下。这样， 适宜的耐高温的易 碎材料， 诸如多孔陶瓷， 可被用于形成内蒸发构件 332。
     对于这样配置的内蒸发构件 332， 蒸发物质 210 可包括， 例如， 二氧化碳 ( 即， 来自 和工作流体 236 相同的源 )， 其被引导穿过内蒸发构件 332 使得该蒸发物质 210 形成缓冲 层 231( 即， “蒸汽壁” )， 在燃烧室 222 中该缓冲层与内蒸发构件 332 直接相邻， 其中缓冲层 231 可被配置成缓冲在内蒸发构件 332 和液化的非易燃成分以及与燃烧产物相关联的热量 之间的相互作用。也就是说， 在某些情况下， 蒸发流体 210 可例如至少在燃烧室 222 内的压 力下， 被运送穿过内蒸发构件 332， 其中蒸发流体 210( 即， CO2 流束 ) 进入燃烧室 222 的流 速足以用于使蒸发流体 210 与燃烧产物混合并使燃烧产物冷却， 以在满足后续下游处理的 入口要求的适当温度 ( 即， 涡轮机可能需要例如约 1225℃的入口温度 ) 下形成输出流体混 合物， 但是其中， 输出流体混合物保持足够高的温度， 以将燃料中的熔渣滴或其它致污物维 持成流态或液态。燃料的非易燃成分的液体状态可促进， 例如， 这样的致污物以液体形式， 优选地以自由流通、 低粘稠度的形式， 从燃烧产物中分离出来， 这很有可能减少了对用于实 施这种分离的任意的可去除系统的阻塞或其他方式的损坏。实践中， 这样的要求可取决于 各种因素， 诸如所采用的固体含碳燃料 ( 即， 煤 ) 的类型以及在燃烧处理中形成的熔渣的具 体特征。也就是说， 在燃料室 222 内的燃烧温度优选地使得在该含碳燃料中的任何非易燃 成分在燃烧产物中被液化。
     在特定的方面， 多孔的内蒸发构件 332 因此被配置成引导蒸发流体以径向向内的 方式进入燃烧室 222， 以便在定义出燃烧室 222 的内蒸发构件 332 的表面周围形成流体障壁 (barrier wall) 或者缓冲层 231( 例如见图 2)。 内蒸发构件 332 的表面也被燃烧产物加热。 这样， 多孔内蒸发构件 332 可被配置成具有适宜的热传导性， 使得经过内蒸发构件 332 的蒸 发流体 210 被加热， 同时多孔内蒸发构件 332 被同步冷却， 导致定义出燃烧室 222 的内蒸发 构件 332 的表面温度为在最高燃烧温度范围内例如约 1000℃。 因此通过蒸发流体 210 形成 的流体障壁或缓冲层 231 与内蒸发构件 332 共同对内蒸发构件 332 与高温燃烧产物以及熔 渣或其它致污物颗粒之间的相互作用进行缓冲， 并且这样， 缓冲了内蒸发构件 332 的触碰、 污损或其它损坏。进一步地， 蒸发流体 210 经由内蒸发构件 332 被引入燃烧室 222， 以这样 一种方式以便在约 500℃到约 2000℃之间的温度下在燃烧室 222 的出口部 222B 附近调节 所述蒸发流体 210 和燃烧产物的输出混合物。依据某些方面， 正如在此所揭示的适宜在燃烧设备 220 中应用的蒸发流体 210 可 包括任何适当的流体， 其应被提供成能够以充足的量和压力流过内蒸发构件 332， 以形成流 体障壁 / 缓冲层 231， 并能够稀释燃烧产物以产生工作流体 / 燃烧产物输出流体束的适宜 的最终出口温度。在某些方面， CO2 可以是适宜的蒸发流体 210， 因为由此形成的流体障壁 / 缓冲层可显示出良好的绝热性质和可期望的可见光和 UV 光线吸收的性质。如果被应用， CO2 被用作超临界流体。适宜的蒸发流体的其它示例包括例如 H2O 或从下游处理回收到的 经冷却的燃烧产物气体。一些燃料可在燃烧设备启动过程中被用作蒸发流体， 以在注入操 作过程中使用的燃料源之前， 在燃烧室 222 中获得， 例如， 适当的操作温度和压力。一些燃 料还可被用作蒸发流体以在燃料源之间的转换过程中 ( 诸如， 当从煤转换到作为燃料源的 生物体时 ) 调整或维持所述燃烧设备 220 的操作温度和压力。在某些方面， 可使用两种或 更多种蒸发流体。蒸发流体 210 可针对的温度和压力条件被优化， 在燃烧室 222 处蒸发流 体 210 形成了流体障壁 / 缓冲层 231。
     本申请的各方面因此提供了用于通过应用高效燃料燃烧设备 220 和相关联的工 作流体 236， 产生动力 ( 诸如电动力 ) 的设备和方法。工作流体 236 与适当的燃料 254 和氧 化剂 242， 以及也可用于有效燃烧的任意的相关材料一起被引入燃烧设备 220。在特定的方 面， 实现被配置成以相对高的温度 ( 例如， 在约 1300℃到约 3500℃之间的范围内 ) 操作的 燃烧设备 220， 工作流体 236 可促进对离开燃烧设备 220 的流体束的温度的调整， 使得流体 束可被用于从中提取能量， 以便达到产生动力的目的。 在一定的方面， 蒸发冷却燃烧设备 220 可使用循环工作流体 236， 在动力发生系统 中实现， 循环工作流体 236 包括例如占主要部分的 CO2 和 / 或 H2O。 在一个特定的方面， 进入 燃烧设备 220 的工作流体 236 优选地基本上仅包括 CO2。在燃烧设备 220 中， 在氧化条件下 操作， CO2 工作流体 236 可混同燃料 254、 氧化剂 242， 和燃料燃烧处理的任意产物中的一种 或更多种组分。 因此， 正如图 1 所示， 被引导向出口部 222B 并离开燃烧设备 220 的工作流体 236( 在此也可被称为输出流体束 ) 可包括占主要部分的 CO2( 在工作流体的主要部分为 CO2 的情况下 )， 以及较小量的其它材料， 诸如 H2O、 O2、 N2、 氩、 SO2、 SO3、 NO、 NO2、 HCL、 Hg 和可能是 燃烧处理的产物的微量的其它成分 ( 例如， 颗粒或致污物， 诸如灰分或者液化的灰分 )。见 图 1 中的成分 150。在还原条件下燃烧设备 220 的操作可导致输出流体束具有不同的可能 的成分列表， 包括 CO2、 H2O、 H2、 CO、 NH3、 H2S、 COS、 HCL、 N 2， 和氩， 正如在图 1 中成分 175 所示 出的。正如在此进一步详细讨论的， 与燃烧设备 220 相关联的燃烧处理可受到控制， 使得排 除流体束的属性可以是还原的或者氧化的， 其中每种情况可提供特定的优点。
     在特定的方面， 燃烧设备 220 可被配置成高效、 蒸发冷却的燃烧设备， 其能够在相 对高的操作温度下 ( 例如， 在约 1300℃到约 3500℃之间的范围内 ) 提供对燃料 254 相对完 全的燃烧。在某些情况下， 这样的燃烧设备 220 可应用一种或者更多种的冷却流体， 和/或 一种或更多种蒸发流体 210。与蒸发设备 220 相关联， 也可应用额外的部件。例如， 可提供 空气分离单元， 用于分离 N2 和 O2， 并且可提供燃料注入装置， 用于从空气分离单元接收 O2， 并将这些 O2 与 CO2 和 / 或 H2O， 以及包括气体、 液体、 超临界流体， 或者在高密度 CO2 流体中 浆料化的固体颗粒燃料的燃料流束相结合。
     在另一方面， 蒸发冷却燃烧设备 220 可包括燃料注入器， 用于将加压的燃料流束 注入燃烧设备 220 的燃烧室 222， 其中该燃料流束可包括经处理的含碳燃料 254、 流体化的
     介质 255( 其可包括工作流体 236， 正如在此所讨论的 )， 以及氧 242。( 富 ) 氧 242 和 CO2 工 作流体 236 可被组合成匀相的邻界混合物。存在的氧含量可足以燃烧燃料并产生具有期望 成分的燃烧产物。燃烧设备 220 还可包括被配置成高压、 高温燃烧容积的燃烧室 222， 用于 接收燃料流束， 以及穿过定义出燃烧室 222 的多孔蒸发构件 230 的壁进入该燃烧体积的蒸 发流体 210。蒸发流体 210 的进给率可被用于将燃烧设备出口部 / 涡轮机入口部温度控制 到期望的值和 / 或将蒸发构件 230 冷却到可与形成蒸发构件 230 的材料相适宜的温度。被 引导穿过蒸发构件 230 的蒸发流体 210 在定义出燃烧室 222 的蒸发构件 230 的表面上提供 了流体 / 缓冲层， 其中流体 / 缓冲层可防止由一定的燃料燃烧导致的灰分颗粒或者液体熔 渣与蒸发构件 230 的暴露出来的壁相互作用。
     高效燃烧设备的方面还可被配置成使用各种燃料源进行操作， 这些燃料源包括 例如各种等级和类型的煤、 木头、 油、 燃油、 天然气、 基于煤的燃气、 焦油或者焦油砂 (tar sands)、 沥青、 生物燃油、 生物体、 藻类 (algae)， 以及劣化的易燃固体垃圾废料。尤其可使 用煤粉或颗粒固体。虽然在此揭示了示范性的燃煤燃烧设备 220， 但是本领域技术人员将 体会到在燃烧设备 220 中使用的燃料并不限于具体的煤的等级。此外， 由于在此揭示的通 过含氧燃料的燃烧设备维持了高压和高温， 可实现燃料类型的广泛多样性， 包括煤、 沥青 ( 包括从焦油砂衍生出的沥青 )、 焦油、 柏油 (asphalt)、 旧轮胎、 燃油、 柴油、 汽油、 喷气燃料 (JP-5、 JP-4)、 天然气、 由碳氢化材料汽化或高温分解衍生的气体、 乙醇、 固体和液体生物燃 料、 生物体、 藻类， 以及经处理的固体垃圾和废料。所有这样的燃料被适当地处理以允许用 于以充足的速率和以高于燃烧室 222 内压力的压力下注入燃烧室 222。这样的燃料可以在 环境温度或提高的温度下 ( 例如， 在约 38℃到约 425℃之间 ) 呈液态、 浆料状、 凝胶状， 或具 有适当的流动性和粘性的糊状形式。任意固体燃料被渣滓化或切碎， 或以其他方式处理将 颗粒尺寸减小成适宜的那样。如果需要， 可添加流体化或浆料介质以获得适宜的形式并满 足高压抽吸的流通需求。 当然， 依据燃料的形式 ( 即， 液体或气体 ) 可能不需要流体化介质。 同样地， 在某些方面， 循环的工作流体可被用作流体化介质。
     在某些方面， 燃烧室 222 被配置成维持在约 1300℃到约 3500℃之间的燃烧温度。 燃烧室 222 可进一步被配置成使得燃料流束 ( 以及工作流体 236) 在比燃烧产生的压力更 高的压力下可被喷注或以其他方式被引导进入燃料室 222。此处煤颗粒为碳质燃料， 煤颗 粒可被浆料化成临界 CO2 流体， 由混合的液体 CO2 或者水与渣滓化固体燃油形成可抽吸的浆 料。在这种情况下， 液体 CO2 可具有在大约 450kg/m3 到大约 100kg/m3 范围内的密度， 并且 固体燃料的质量百分比可以在约 25％到约 55％的范围内。视情况， O2 的量可与煤 /CO2 浆 料混合， 足以燃烧煤以产生期望的燃烧产物组分。视情况， O2 可被单独地注入燃烧室 222。 燃烧设备 220 可包括耐压构件 338， 其至少部分地包围定义出燃烧室 230 的蒸发构件 230， 其中保温构件 339 可被布置在耐压构件 338 和蒸发构件 230 之间。在某些情况下， 热排除 装置 350， 诸如定义出水循环套件 337 的套件水冷却系统， 可与耐压构件 338 接合 ( 即， 在耐 压构件 338 外部形成燃烧设备 220 的 “壳” )。关联燃烧设备 220 的蒸发构件 230 实现的蒸 发流体 210 可以是， 例如， 与较少量的 H 2O 和 / 或诸如 N2 或氩的惰性气体混合的 CO2。蒸发 构件 230 可包括， 例如， 多孔材料、 陶瓷、 复合机体、 层状歧管 (layered manifold)， 任意其 它适宜的结构， 或者其组合物。在某些方面在燃烧室 222 内的燃烧可产生高压、 高温输出流 体束， 其可足以被引导到诸如涡轮机的动力产生设备， 用于相关膨胀。关于在图 1 中说明的设备方面， 燃烧设备 220 可被配置成在大约 355 巴 (bar) 的 压力下接收氧 242。而且， 颗粒状固体燃料 ( 例如粉状煤 )254， 以及流态化流体 ( 例如， 液 体 CO2)255 也可在约 355 巴的压强下被接收。类似地， 工作流体 ( 例如， 加热的、 高压、 能够 回收的、 CO2 流体 )236 可在约 355 巴的压力以及约 835℃的温度下被提供。依据本申请的 方面， 然而， 燃料混合物 ( 燃料、 流态化的流体、 氧， 和工作流体 ) 可在约 40 巴到约 500 巴之 间的压力下在燃烧室 222 的入口部 222A 处被接收。正如在此揭示的， 通过燃烧设备 220 的 方面实施的相对高的压力可起到将其产生的能量在最小化的体积中集中成相对高的密度 的作用， 这基本上导致了相对高的能量密度。相对高的能量密度允许对该能量的下游处理 以比在较低压力下更高效的方式执行， 并且因此提供了技术上的可用因素。本申请的方面 可因此提供了比现有动力反应炉更大的数量级的能量密度 ( 即， 10-100 fold)。较高的能 量密度提高了处理效率， 但是也减少了实现从热能到电能的能量变换的装备需要的成本， 通过减少装备的尺寸和质量， 因此减少装备的成本。
     当被实现时， CO2 流态化流体 255( 其在 CO2 三相点压力和 CO2 临界压力之间的任意 压力下为液态 ) 与粉状煤燃料 254 相混合以形成质量百分比为约 55％的 CO2 和约 45％或者 其它质量比例的粉状煤混合物， 使得所得到的浆料可通过适宜的泵 ( 作为流体浆料 ) 在已 知为约 355 巴的压力下被抽吸到燃烧室 222。在某些方面， CO2 和粉状的煤可在进行抽吸之 前以约 13 巴的压力被混合。O2 流束 242 与循环 CO2 工作流体束 236 混合， 且组合物然后与 粉状煤 /CO2 浆料混合以形成一种流体混合物。可将 O2 与煤的比例选择成足以使煤与额外 1％的过量 O2 完全燃烧。另一方面， 可对 O2 量进行选择以便允许煤的一部分充分地完全氧 化， 同时另一部分仅部分氧化， 导致流体混合物减少， 并且其包括一些 H2+CO+CH4。以这样的 方式， 可实现燃烧产物的两个阶段的膨胀， 正如所需要的或者所期望的， 使用一些 O2 注入并 在第一和第二阶段之间再加热。在进一步的方面， 经由燃料混合在燃烧室 222 中存在的 CO2 的量被选择成足以实现燃烧温度 ( 隔热或以其他方式 ) 约在 2400℃， 但是燃烧温度也可在 大约 1300℃到大约 3500℃之间的范围内。在一方面以在燃料混合物的自动点火温度以下 的最终温度提供 O2+ 煤浆 + 加热的回收 CO2 的燃料混合物。为了获得所指定的条件， 通过例 如在煤辊压机中将固体煤磨碎， 固体碳质燃料 ( 例如， 煤 ) 优选地以在大约 50 微米到大约 200 微米之间的平均颗粒尺寸被提供。 这样的磨碎处理可在配置成提供颗粒在约 50 微米以 下的最小化质量比例的辊磨机中执行。以这种方式， 其中在燃烧处理中被液化成液体熔渣 小滴的任意非易燃的成分， 其直径可以大于约 10 微米。在某些方面， 包括 CO2+O2+ 粉状煤浆 料的燃料混合物可在大约 400℃的温度下以大约 355 巴的压力被引导进入燃烧室 222， 其中 在燃烧室 222 内燃烧时纯压力可为大约 354 巴。该燃烧室 222 内的温度可在从大约 1300℃ 到大约 3500℃之间的范围内， 并且在一些优选的方面， 仅实现了一个燃烧阶段。
     在燃烧设备 220 的一个示例中， 正如在此所揭示的， 500MW 纯电力系统可被配置成 使用 CH4 燃料以大约 58％的效率 ( 较低的加热值基准 ) 在以下条件下工作 ：
     燃烧压力 ： 350atm ；
     燃料输入 ： 862MW ；
     燃料流 ： 17.2kg/ 秒 ；
     氧气流 ： 69.5kg/ 秒 ；
     CH4 和 O2 可与 155kg/ 秒的 CO2 工作流体混合并燃烧以在 2400℃的绝热温度下产生包括 CO2、 H2O 和一些过量的 O2 输出流体束。燃烧室可具有大约 1m 的内直径和大约 5m 的 长度。395kg/ 秒的 CO2 流以大约 600℃的温度被引导向大约 2.5cm 厚的蒸发构件， 并且被 引导穿过该蒸发构件。这些 CO2 由通过蒸发构件传导的热量以对流的方式被加热， 该热量 源于燃烧室内的燃烧发热到达蒸发构件。
     定义出燃烧室的内表面周围， 蒸发构件表面温度可为大约 1000℃， 而 636.7 公斤 / 秒的输出流体束可处于大约 1350℃的温度下。在某些情况下， 燃烧和稀释燃烧产物的平均 滞留时间为大约 1.25 秒。而且， 通过蒸发构件进入燃烧室的蒸发流体平均径向向内速率为 大致 0.15m/s。
     对煤燃料燃烧设备的示例进行修改， 导致在燃烧室中用于燃烧和对燃烧产物进行 稀释的平均滞留时间的配置为大约 2.0 秒， 并且燃烧室长度约 8m， 具有大约 1m 的内直径。 使用 CO2 作为稀释 ( 蒸发 ) 流体的系统的净效率因此大约 54％ ( 较低加热值基准 )。在这 样的情况下， 蒸发流体径向向内速率可为大约 0.07m/s。在这样的条件下， 图 5 示出了以大 约 50m/s 的速度从距蒸发构件 1mm 的距离处径向向外投射向蒸发构件的直径为 50 微米的 液体熔渣颗粒的假想轨迹。正如所示出的， 在通过流经蒸发构件的蒸发流体被承载返回输 出流体束之前， 颗粒将达到距蒸发构件最小 0.19mm。在某些情况下， 蒸发流体流经蒸发构 件， 有效缓冲了蒸发构件和由燃烧处理产生的液体熔渣颗粒之间的相互作用。
     正如本领域技术人员所能体会到的， 所揭示的燃烧设备的各方面可使用适当的方 法实现成适宜的动力产生系统。 例如， 这样的动力产生系统可包括一个或更多个注入器， 用 于提供燃料 ( 并视情况提供流态化介质 )、 氧化剂， 和 CO2 工作流体 ； 正如在此所揭示的， 蒸 发冷却燃烧设备具有至少一个用于燃烧燃料混合物的燃烧阶段， 并提供了输出流体束。变 换设备 ( 见， 例如， 图 6 中的元件 500) 可被配置成接收输出流体束 ( 燃烧产物和工作流体 )， 并响应于输出流体束将与其相关的能量转换成动能， 其中转换设备可以是例如具有入口和 出口的动力产生涡轮机， 并且其中由于输出流体束膨胀而产生动力。 更特定地， 涡轮机可被 配置成在入口与出口之间将输出流体束维持成期望的压力比。还可提供发电装置 ( 见， 例 如， 在图 6 中的元件 550) 以将涡轮机的动能变换成电能。也就是说， 输出流体束可由高压 膨胀到低压， 以产生轴动力， 然后该轴动力能够转变成电力。可提供热交换器， 用于冷却来 自涡轮机出口的输出流体束， 和用于加热进入燃烧设备的 CO2 工作流体。还可被提供一个 或更多个装置， 用于将离开热交换器的输出流体束分离成纯 CO2， 以及一种或更多种其他组 分， 用于回收或丢弃。 这样的系统还可包括一个或更多个装置， 这些装置用于压缩经提纯的 CO2， 并用于将从输出流体束分离的 CO2 的至少一部分运送进入加压管道， 同时剩余部分作 为通过热交换器加热的工作流体被回收。 但是， 本领域技术人员将体会到， 虽然本申请涉及 对输出流体束的直接应用， 但是在某些情况下， 也可间接地应用相对高温的输出流体束。 也 就是说， 输出流体束可被引导到热交换器， 其中与输出流体束关联的热能被用于加热第二 工作流体束， 且然后将经加热的第二流体工作束引导到变换装置 ( 例如， 涡轮机 ) 以生成动 力。而且， 本领域技术人员将体会到许多其它这样的装置也可落入本申请的范围内。
     在本申请的特定的方面， 碳质燃料的组份使得在其内可包括不可燃成分 ( 即， 致 污物 )， 并保持存在于燃烧处理后的燃烧产物 / 输出流体束中。 在碳质燃料为例如煤的固体 的情况下可以这样做。 在那些方面， 如果输出流体束被直接引导到转换设备， 对输出流体束 的直接应用可导致这样的非易燃的成分堵塞， 或其它的对随后的变换设备 ( 涡轮机 ) 的损坏。本领域技术人员还将能够体会到， 当应用诸如液体或气体 ( 即， 天然气 ) 的其它形式的 含碳燃料时， 这样的非易燃成分可能不需要存在。 因此， 在实现固体碳质燃料源和在输出流 体束与转换设备之间的直接相互作用的各方面， 动力系统 ( 燃烧设备和变换设备 ) 可进一 步包括被布置在燃烧设备和变换设备之间的分离设备。在某些情况下， 分离设备可被配置 成在燃烧产物 / 输出流体束被引导到变换设备之前， 从燃烧产物 / 由此接收的输出流体束 中基本上去除液化的非易燃成分。 此外， 在实现分离设备的各方面， 所揭示的蒸发物质可被 引入分离设备的上游或者下游。 更特定地， 蒸发物质可被首先引入燃烧室， 经由蒸发构件和 分离设备上游， 以便将蒸发物质以及进入分离设备的燃烧产物的混合物调节到非易燃成分 的液化温度以上。在分离设备之后， 蒸发物质运送装置 ( 见例如， 图 6 中的元件 475) 可被 配置成将蒸发物质运送到离开分离设备的燃烧产物中， 并将液化的非易燃成分从燃烧产物 中基本上清除， 以便将蒸发物质和进入变换设备的燃烧产物的混合物调节在大约 500℃到 大约 2000℃之间的温度。
     正如前面所述， 燃烧设备的各方面可包括能够实现燃烧温度的能力， 该燃烧温度 导致在固体碳质燃料中的非易燃成分在燃烧处理过程中被液化。在这样的情况下， 可使 用用于去除液化的非易燃成分的装置， 例如， 在图 4 中示出的诸如气旋分离器的分离设备 340。 通常， 通过本申请实现的这样的气旋分离器的各方面可包括多个串行布置的离心分离 装置 100， 包括被配置成接收燃烧产物 / 输出流体束和与其相关联的液化非易燃成分的入 口离心分离装置 100A， 和被配置成排出燃烧产物 / 输出流体束的出口离心分离装置 100B， 该输出流体束的液化的非易燃的成分被基本从中去除。每个离心分离装置 100 包括多个离 心分离元件或旋流器 (cyclone)1， 其并行地可操作地布置在中心收集管 2 附近， 其中每个 离心分离元件 / 旋流器 2 被配置成从燃烧产物 / 输出流体束中去除液化的非易燃成分的至 少一部分， 并将所去除的液化非易燃成分的部分引导到积垢器 20。这样的分离设备 340 可 被配置成以被提高的压力进行操作， 并且诸如可进一步包括被配置成容纳离心分离装置和 积垢器的耐压外壳 125。 依据这样的方面， 耐压外壳 125 可以是还包围燃烧设备 220 的耐压 构件 338 的延伸部， 或者耐压外壳 125 可以是能够接合与燃烧装置 220 相关联的耐压构件 338 的分离构件。在任一种情况下， 由于分离设备 340 经由输出流体束经历的被提高的温 度， 耐压外壳 125 还可包括散热系统， 诸如具有在其中循环的液体 ( 未示出 ) 的传热套件， 可操作地与其接合用于从其上去除热量。在某些方面， 热量回收装置 ( 未示出 ) 可操作地 与传热套件接合， 其中热量回收装置可被配置成接收在传热套件中循环的液体并从该液体 中回收热能。
     更特定地， 在图 4 中示出的 ( 熔渣去除 ) 分离设备 340 被配置成关于出口部 222B 与燃烧设备 220 串行部署， 用于从其中接收输出流体束 / 燃烧产物。来自燃烧设备 220 的 蒸发冷却输出流体束， 其中具有液体熔渣 ( 非易燃成分 ) 小滴， 被引导以经由锥形减压器 10 进入入口离心分离装置 100A 的中心收集装置 2A。一方面， 分离装置 340 可包括三个离心 分离装置 100A、 100B、 100C( 但是本领域技术人员将体会到这样的分离设备可包括一个、 两 个、 三个或更多个离心分离装置， 正如所需要或期望的 )。在这样的情况下， 以串行的方式 可操作地布置的三个离心分离装置 110A、 100B、 100C， 提供了 3 阶段旋流分离单元。每个离 心分离装置包括， 例如， 布置在相应的中心收集管 2 的周边附近的多个离心分离器元件 ( 旋 流器 1)。入口离心分离装置 100A 的中心收集装置 2A 和中心收集管 2， 以及中间的离心分离装置 100C 各自在其出口端部被密封起来。在那些情况下， 输出流体束被引导进入与相应 的离心分离装置 100 的离心分离器元件 ( 旋流器 1) 中的每一个相对应的支路通道 11。这 些支路通道 11 被配置成接合各自的旋流器 1 的入口端部， 以因此形成切向入口 ( 这导致了 例如进入旋流器 1 的输出流体束与旋流器 1 的壁相互作用形成螺旋流 )。于是来自旋流器 1 的出口通道 3 形成进入相应的离心分离装置 100 的中心收集管 2 入口部的路线。在出口 离心分离装置 100B， 输出流体束 ( 非易燃的成分已基本从其中分离 ) 从出口离心分离装置 100B 的中心收集管引导并经由收集管 12 和出口喷嘴 5， 使得 “干净的” 输出流体束可于是 被引导到诸如与变换设备相关联的后续处理中。 示范性的三阶段旋流分离装置因此允许输 出流体束中的熔渣质量被去除到例如 5ppm 以下。
     在分离设备 340 的每个阶段， 分离的液体熔渣从每一个旋流器 1 被引导通过向积 垢器 20 延伸的出口管 4。分离的液体熔渣然后被引导进入由积垢器 20 延伸出的出口喷嘴 或管道 14， 以及耐压外壳 125， 以便去除和 / 或回收其中的组分。在完成去除熔渣的过程 中， 液体熔渣可被指引通过水冷却部分 6 或以其他方式通过具有高压、 冷水连接的部分， 其 中与水的相互作用导致液体熔渣固化和 / 或成为粒状。固化熔渣和水的混合物然后可在容 器 ( 收集装置 )7 中被分离成熔渣 / 水流体混合物， 其可通过适宜的阀门 9 被去除， 同时任 何残留气体可经由分离线路 8 去除。
     由于分离设备 340 与相对高温的输出流体束 ( 即， 在足以将非易燃成分保持为具 有相对低的粘稠度的液体形式的温度下 ) 一起实现， 在某些情况下， 分离设备 340 的暴露于 燃烧产品 / 输出流体束和与其相关联的液化非易燃成分中的一种的表面由被配置成具备 耐高温、 耐高腐蚀， 和低热传导性中至少一种的材料构成。 这样的材料的示例可包括氧化锆 和氧化铝， 但是这样的示例并不意图被限制在任何的方式下。这样做， 在一定的方面， 分离 设备 340 被配置成基本上将液化非易燃成分从燃烧产物 / 排出流体束中去除， 并将非易燃 成分维持在低粘稠度液体形式， 至少直到将其从积垢器 20 中去除。
     正如在此所揭示的， 因为这样做， 在固体碳质燃料的情况下， 熔渣分离可在单个单 元 ( 分离设备 340) 中完成， 在某些情况下， 该单元可以很容易地从系统中取出， 以便于维护 和检查。但是， 这样的方面可提供进一步的优点， 正如在图 6 中所示出的， 从而该系统可易 于被配置成实现 “挠性燃料” ， 获得关于颗粒燃料源的有效操作。例如， 当燃烧设备 220 将 固体碳质燃料用作燃料源时， 单个单元分离设备 340 可被安装在该系统中， 在燃烧设备 220 与变换设备 ( 涡轮机 )500 之间。可期望的是将其改变为液体或气体碳质燃料源， 分离单元 340 可从该系统中被移除 ( 即， 正如前面所讨论的， 并非必须 ) 使得来自燃烧设备 220 的输 出流体束可直接被引导到变换设备 500。该系统可因此易于变回应用分离器单元 340， 使燃 料可用性在以后可包括固体碳质燃料源。
     本领域技术人员可想到在此阐述的本申请的许多的变形和其它方面， 对于这些， 本申请在前面的说明书和附图中存在启示。 因此， 应该理解， 本申请并不被限制在所揭示的 具体的方面中， 而变形和其他方面也意图被包括在随附的权利要求书的范围中。虽然在此 采用了具体的术语， 但是它们仅被用作一般性和描述性的意义， 而并不是为了限制的目的。