專利名稱：用于保護輻射式合成氣冷卻器中的冷卻管的方法和設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本文公開的主題涉及用于與輻射式合成氣冷卻器一起使用的隔熱屏。
背景技術(shù)：
一般而言，整體氣化聯(lián)合循環(huán)(IGCC)動力裝置能夠相對清潔和高效地從各種碳 氫化合物給料(例如煤)中產(chǎn)生能量。IGCC技術(shù)可通過與氣化器中的蒸汽反應(yīng)將碳?xì)浠?物給料轉(zhuǎn)化成一氧化碳(CO)和氫氣(H2)的氣體混合物，即合成氣。在傳統(tǒng)的聯(lián)合循環(huán)動 力裝置中，可對這些氣體進行清潔、處理，且將其用作燃料。例如，合成氣可供給到IGCC動 力裝置的燃?xì)鉁u輪的燃燒器中，且被點燃以對用于發(fā)電的燃?xì)鉁u輪供以動力。煤氣化過程 可使用壓縮空氣或氧氣來與煤反應(yīng)，以形成CO和H2。這些過程可在相對高的壓力和溫度處 發(fā)生，且在設(shè)計點狀態(tài)下可能更加高效。冷卻熱合成氣對于(例如)在將合成氣從氣化器 傳輸?shù)絀GCC的燃?xì)鉁u輪期間協(xié)助保持該合成氣的穩(wěn)定性可能是有益的。但是，暴露于熱合 成氣的熱交換器可能會受損，且甚至?xí)驗楸┞队跓岷铣蓺舛粴摹?br>
發(fā)明內(nèi)容
下面對在范圍方面與初始要求保護的發(fā)明相當(dāng)?shù)哪承嵤├M行概述。這些實施 例不意圖限制要求保護的發(fā)明的范圍，而是相反，這些實施例僅意圖提供本發(fā)明的可行形 式的簡要概述。實際上，本發(fā)明可包括可能類似于或異于下面所論述的實施例的各種形式。在第一個實施例中，一種系統(tǒng)包括氣化冷卻系統(tǒng)，該氣化冷卻系統(tǒng)包括熱交換 器，熱交換器包括冷卻劑回路和氣體通道，其中，氣體通道包括入口、出口和在入口與出口 之間的擴張部分，且冷卻劑回路包括在入口和出口之間沿著氣體通道設(shè)置的冷卻劑管；以 及隔熱屏，隔熱屏設(shè)置氣體通道中、中心氣流區(qū)域和容納冷卻劑回路的冷卻劑管的內(nèi)壁之 間。在第二個實施例中，一種系統(tǒng)包括隔熱屏，該隔熱屏構(gòu)造成以便隔離合成氣冷卻 器中的一個或多個冷卻管，使之免于直接暴露于來自氣化器的加熱了的合成氣流。在第三個實施例中，一種方法包括使給料氣化以產(chǎn)生加熱了的流體，將該加熱了 的流體傳輸?shù)胶铣蓺饫鋮s器，使該加熱了的流體暴露于具有冷卻回路的熱交換器，以及在 熱方面隔離冷卻回路，使之免于直接暴露于加熱了的流體。


當(dāng)參照附圖閱讀以下詳細(xì)描述時，本發(fā)明的這些和其它特征、方面和優(yōu)點將變得 更好理解，在附圖中相同字符在所有的圖中表示相同部件，其中圖1是整體氣化聯(lián)合循環(huán)(IGCC)動力裝置的一個實施例的示意性簡圖；圖2是圖1的輻射式合成氣冷卻器的一個實施例的截面?zhèn)纫晥D；圖3是如圖2的線3-3內(nèi)所顯示的圖2的輻射式合成氣冷卻器的最上部部分的剖 面透視3
圖4是圖2的輻射式合成氣冷卻器的最上部部分的另一個剖面透視圖；圖5是用于與圖2的輻射式合成氣冷卻器一起使用的J型集管的一個實施例的剖 面透視圖；以及圖6是包括多個隔熱屏的圖2的輻射式合成氣冷卻器的一個實施例的截面?zhèn)纫?圖。部件列表100整體氣化聯(lián)合循環(huán)(IGCC)102燃料源104給料制備單元106氣化器108■110氣體清潔單元111硫112硫處理器113鹽114水處理單元116氣體處理器117殘余氣體成分118燃?xì)鉁u輪發(fā)動機120燃燒器122空氣分離單元(ASU)123補充空氣壓縮機124稀釋氮氣壓縮機125軸向軸126徑向軸127周向軸128冷卻塔130排氣出口131驅(qū)動軸132壓縮機134負(fù)載136蒸汽渦輪發(fā)動機138熱回收蒸汽發(fā)生(HRSG)系統(tǒng)140負(fù)載142冷凝器146輻射式合成氣冷卻器(RSC)147RSC的上部區(qū)域148容器149RSC的下部區(qū)域
150管道
151向下箭頭
152導(dǎo)管
153向下方向
154急冷錐
155向上方向
156傳送管線
158喉部
160出口
162J型集管
164冷卻劑進口
165中心線
166隔熱屏
167直徑Dl
168通路
169直徑D2
170內(nèi)部部分
172徑向部分
174軸向部分
176徑向端部
178徑向端部
180軸向端部
182距離
184冷卻管
186間隔件
188長度L
具體實施例方式以下將對本發(fā)明的一個或多個具體實施例進行描述。為了致力于提供這些實施例 的簡要描述，可能不會在說明書中對實際實現(xiàn)的所有特征進行描述。應(yīng)當(dāng)理解，在例如在任 何工程或設(shè)計項目中的任何這種實際實現(xiàn)的開發(fā)中，必須作出許多對于實現(xiàn)而言專有的決 定來實現(xiàn)開發(fā)者的具體目標(biāo)，例如符合與系統(tǒng)有關(guān)及與商業(yè)有關(guān)的約束，開發(fā)人員的具體 目標(biāo)可根據(jù)不同的實現(xiàn)而彼此有所改變。此外，應(yīng)當(dāng)理解，這種開發(fā)工作可能是復(fù)雜和耗時 的，但盡管如此，對具有本公開的益處的普通技術(shù)人員來說，這種開發(fā)工作將是設(shè)計、生產(chǎn) 和制造的例行任務(wù)。當(dāng)介紹本發(fā)明的各實施例的元件時，冠詞“一個”、“一種”、“該”和“所述”意圖表 示存在一個或多個元件。用語“包括”、“包含”和“具有”意圖為包括性的，且表示除了列出 的元件之外，可存在另外的元件。所公開的實施例涉及隔離輻射式合成氣冷卻器中的冷卻管。冷卻管可遇到加熱了的合成氣，加熱了的合成氣可損壞該冷卻管。隨著時間的過去，沉積物可積聚在管道上以使 該管道與合成氣的有害溫度隔離，但是在這些沉積物積聚期間，管道可能會受損。因此，可 使用一個或多個隔熱屏來保護管道不受與加熱了的合成氣相關(guān)聯(lián)的高熱通量的影響。例 如，隔熱屏可包括設(shè)置在冷卻管和熱合成氣的主流徑之間的環(huán)形護罩。隔熱屏可保護管道 直到沉積物可形成于管道上為止，此時，隔熱屏可能完全被腐蝕。作為另一個實例。隔熱屏 可包括直接應(yīng)用到冷卻管上的隔熱屏涂層。圖1是可由合成氣體(即合成氣)供以動力的整體氣化聯(lián)合循環(huán)(IGCC)系統(tǒng)100 的一個實施例的簡圖。該IGCC系統(tǒng)100的元件可包括可用作IGCC的能量源的燃料源102， 例如固體供給料。燃料源102可包括煤、石油焦、生物量、基于木頭的材料、農(nóng)業(yè)廢物、焦油、 焦?fàn)t氣和浙青，或其它含碳物品?？蓪⑷剂显?02的固體燃料傳送到給料制備單元104。給料制備單元104可通過 砍、磨、切、粉碎、壓塊或碼垛堆積燃料源102以產(chǎn)生給料來(例如)重新確定燃料源102的 大小或重新確定燃料源102的形狀。另外，可將水或其它適當(dāng)?shù)囊后w添加到給料制備單元 104中的燃料源102中，以產(chǎn)生漿料給料。在其它實施例中，沒有將液體添加到燃料源中，從 而產(chǎn)生干的給料。可將給料從給料制備單元104傳送到氣化器106。氣化器106可將給料轉(zhuǎn)化成合 成氣，例如一氧化碳和氫氣的組合物。取決于所使用的氣化器106的類型，可通過以升高的 壓力(例如從約20巴至85巴)和溫度(例如約700攝氏度至1600攝氏度)使給料經(jīng)受 受控制的量的蒸汽和氧氣來實現(xiàn)此轉(zhuǎn)化。氣化過程可包括使給料經(jīng)受熱解過程，給料借此 被加熱。在熱解過程期間，取決于用來產(chǎn)生給料的燃料源102，氣化器106內(nèi)部的溫度的范 圍可為從約150攝氏度至700攝氏度。在熱解過程期間加熱給料可產(chǎn)生固體(例如炭)和 殘余氣體(例如一氧化碳、氫氣和氮氣)。經(jīng)由熱解過程從給料剩余的炭可以僅重達原給料 的重量的約30%。然后氣化器106中可發(fā)生燃燒過程。燃燒可包括將氧氣引到炭和殘余氣體中。炭 和殘余氣體可與氧氣起反應(yīng)，形成二氧化碳和一氧化碳，這對隨后的氣化反應(yīng)提供熱。在燃 燒過程期間的溫度的范圍可為從約700攝氏度至1600攝氏度。接下來，蒸汽可在氣化步 驟期間被引導(dǎo)到氣化器106中。炭可與二氧化碳和蒸汽起反應(yīng)，以便以從約800攝氏度至 1100攝氏度的范圍中的溫度產(chǎn)生一氧化碳和氫氣。實質(zhì)上，氣化器使用蒸汽和氧氣來允許 一些給料“燃燒”，以產(chǎn)生驅(qū)動第二反應(yīng)的一氧化碳和能量，該第二反應(yīng)將另外的給料轉(zhuǎn)化 成氫氣和另外的二氧化碳。這樣，所產(chǎn)生的氣體就由氣化器106制造出來。該所產(chǎn)生的氣體可包括約85%的 一氧化碳和氫氣，以及CH4、HC1、HF、C0S、NH3、HCN和H2S (基于給料的硫含量)。該所產(chǎn)生的 氣體可稱為臟合成氣。氣化器106也可產(chǎn)生廢物，例如渣108，渣108可為濕的灰燼物質(zhì)。 可從氣化器106中去除這個渣108，且可將渣108處理成例如路基或另外的建筑材料。為 了清潔臟合成氣，可使用氣體清潔單元110。氣體清潔單元110可洗滌臟合成氣，以從臟合 成氣中去除HC1、HF、COS、HCN和H2S,這可包括在硫處理器112中例如通過該硫處理器112 中的酸性氣體去除過程來分離硫111。另外，氣體清潔單元110可通過水處理單元114從臟 合成氣中分離出鹽113，水處理單元114可使用水凈化技術(shù)來從臟合成氣中產(chǎn)生可使用的 鹽113。此后，來自氣體清潔單元110的氣體可包括潔凈的合成氣，例如NH3 (氨)和CH4 (甲烷)?？墒褂脷怏w處理器116來從潔凈的合成氣中去除殘余氣體成分117，例如氨和甲 烷，以及甲醇或任何殘余化學(xué)物質(zhì)。但是，從潔凈的合成氣中去除殘余氣體成分117是可選 的，因為即便是在包括殘余氣體成分117 (例如尾氣)時，也可將潔凈的合成氣用作燃料。就 此而言，潔凈的合成氣可包括約3%的CO、約55%的H2,以及約40%的CO2,且基本沒有H2S。 可將此潔凈的合成氣作為可燃的燃料傳輸?shù)饺細(xì)鉁u輪發(fā)動機118的燃燒器120，例如燃燒 室。IGCC系統(tǒng)100還可包括空氣分離單元(ASU) 122。ASU122可起作用，以通過例如蒸 餾技術(shù)將空氣分離成組分氣體。ASU122可從自補充空氣壓縮機123供應(yīng)到其中的空氣中分 離出氧氣，且ASU122可將分離出的氧氣傳送到氣化器106。另外，ASU122可將分離出的氮 氣傳輸?shù)较♂尩獨?DGAN)壓縮機124。DGAN壓縮機124可將從ASU122接收到的氮氣至少壓縮到等于燃燒器120中的壓 力水平的壓力水平，以便不干涉合成氣的適當(dāng)燃燒。因此，一旦DGAN壓縮機124已將氮氣 充分壓縮到適當(dāng)水平，DGAN壓縮機124就可將該壓縮氮氣傳輸?shù)饺細(xì)鉁u輪發(fā)動機118的燃 燒器120。如之前所描述，可將壓縮氮氣從DGAN壓縮機124傳輸?shù)饺細(xì)鉁u輪發(fā)動機118的燃 燒器120。燃?xì)鉁u輪發(fā)動機118可包括渦輪130、驅(qū)動軸131和壓縮機132，以及燃燒器120。 燃燒器120可接收燃料，例如合成氣，該燃料可從燃料噴嘴中在壓力下噴出。此燃料可與壓 縮空氣以及來自DGAN壓縮機124的壓縮氮氣混合，且在燃燒器120內(nèi)燃燒。此燃燒可產(chǎn)生 熱的加壓排氣。燃燒器120可朝渦輪130的排氣出口引導(dǎo)排氣。當(dāng)來自燃燒器120的排氣穿過渦 輪130時，該排氣可強制渦輪130中的渦輪葉片使驅(qū)動軸131沿著燃?xì)鉁u輪發(fā)動機118的軸 線旋轉(zhuǎn)。如圖所示，驅(qū)動軸131連接到燃?xì)鉁u輪發(fā)動機118的各種構(gòu)件上，包括壓縮機132。驅(qū)動軸131可將渦輪130連接到壓縮機132上，以形成轉(zhuǎn)子。壓縮機132可包括 聯(lián)接到驅(qū)動軸131上的葉片。因此，渦輪130中的渦輪葉片的旋轉(zhuǎn)可導(dǎo)致將渦輪130連接 到壓縮機132上的驅(qū)動軸131使壓縮機132內(nèi)的葉片旋轉(zhuǎn)。壓縮機132中的葉片的這個旋 轉(zhuǎn)會使壓縮機132壓縮通過壓縮機132中的進氣口接收到的空氣。然后可將壓縮空氣供給 到燃燒器120，且該壓縮空氣與燃料和壓縮氮氣混合，以允許進行較高效率的燃燒。驅(qū)動軸 131還可連接到負(fù)載134上，負(fù)載134可為固定負(fù)載，例如用于在例如動力裝置中產(chǎn)生電功 率的發(fā)電機。實際上，負(fù)載134可為由燃?xì)鉁u輪發(fā)動機118的旋轉(zhuǎn)輸出供以動力的任何適 當(dāng)?shù)难b置。IGCC系統(tǒng)100還可包括蒸汽渦輪發(fā)動機136和熱回收蒸汽發(fā)生(HRSG)系統(tǒng)138。 蒸汽渦輪發(fā)動機136可驅(qū)動第二負(fù)載140。第二負(fù)載140也可為用于產(chǎn)生電功率的發(fā)電機。 但是，第一負(fù)載134和第二負(fù)載140兩者均可為能夠由燃?xì)鉁u輪發(fā)動機118和蒸汽渦輪發(fā) 動機136驅(qū)動的其它類型的負(fù)載。另外，雖然燃?xì)鉁u輪發(fā)動機118和蒸汽渦輪發(fā)動機136 可驅(qū)動單獨的負(fù)載134和140，如所示實施例中顯示，但也可一前一后地使用燃?xì)鉁u輪發(fā)動 機118和蒸汽渦輪發(fā)動機136，以通過單個軸來驅(qū)動單個負(fù)載。蒸汽渦輪發(fā)動機136以及燃 氣渦輪發(fā)動機118的具體構(gòu)造可為對于實現(xiàn)專有的，且可包括段的任何組合。系統(tǒng)100還可包括HRSG138。來自燃?xì)鉁u輪發(fā)動機118的加熱了的排氣可被輸送到HRSG138中，且可用于加熱水以及產(chǎn)生用于對蒸汽渦輪發(fā)動機136供以動力的蒸汽。可將 來自例如蒸汽渦輪發(fā)動機136的低壓段的排氣引導(dǎo)到冷凝器142中。冷凝器142可使用冷 卻塔128來將加熱了的水交換成冷卻水。冷卻塔128起對冷凝器142提供冷卻水的作用， 以協(xié)助冷凝從蒸汽渦輪發(fā)動機136傳輸?shù)嚼淠?42的蒸汽。繼而，可將來自冷凝器142 的冷凝物引導(dǎo)到HRSG138中。再次，也可將來自燃?xì)鉁u輪發(fā)動機118的排氣引導(dǎo)到HRSG138 中，以加熱來自冷凝器142的水，且產(chǎn)生蒸汽。在諸如IGCC系統(tǒng)100的聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)中，熱排氣可從燃?xì)鉁u輪發(fā)動機118中流 出，且通到HRSG138，其中，可使用熱排氣來產(chǎn)生高壓高溫蒸汽。然后由HRSG138產(chǎn)生的蒸汽 可穿過蒸汽渦輪發(fā)動機136，以產(chǎn)生動力。另外，所產(chǎn)生的蒸汽也可供應(yīng)到其中可使用蒸汽 的任何其它過程，例如氣化器106。燃?xì)鉁u輪發(fā)動機118發(fā)生循環(huán)通常稱為“頂層循環(huán)”，而 蒸汽渦輪發(fā)動機136發(fā)生循環(huán)則通常稱為“底層循環(huán)”。通過如圖1所示結(jié)合這兩個循環(huán)， IGCC系統(tǒng)100可在兩個循環(huán)中產(chǎn)生較高的效率。特別地，可捕捉來自頂層循環(huán)的廢熱，且可 使用該廢熱來產(chǎn)生蒸汽，以便在底層循環(huán)中使用。圖2是可受益于使用以下關(guān)于圖3-5描述的隔熱技術(shù)的、用于與圖1的IGCC系統(tǒng) 100 一起使用的輻射式合成氣冷卻器(RSC) 146的一個實施例的截面?zhèn)纫晥D?？蓞⒄蛰S向方 向或軸向軸125、徑向方向或徑向軸126以及周向方向或周向軸127來對RSC146的各方面 進行描述。例如，軸125對應(yīng)于縱向中心線或縱長方向，軸126對應(yīng)于相對于縱向中心線的 橫向或徑向方向，而軸127對應(yīng)于圍繞縱向中心線的周向方向。在氣化器106中產(chǎn)生的合 成氣可能混有渣，可在將合成氣傳輸?shù)饺細(xì)鉁u輪發(fā)動機118之前去除該渣。RSC146對于從 合成氣中分離出渣可能是有用的。而且，可能有益的是在通過RSC146傳輸合成氣之前冷卻 合成氣。RSC146還可包括容器148。容器148可充當(dāng)用于RSC146的封罩，從而將RSC146 的上部區(qū)域147以及RSC146的下部區(qū)域149兩者封閉起來。容器148還可容納冷卻管道 150，冷卻管道150可在RSC146的上部區(qū)域147中。冷卻管道150可沿著RSC146的徑向軸 126包括多個導(dǎo)管，而且還可沿相對于軸向軸125與容器148平行的方向延伸。諸如水的液 體可流過管道150。因此，管道150可充當(dāng)RSC146內(nèi)的熱交換器，且可使冷卻劑流通到外 部熱交換器，以去除熱。在氣化器106中產(chǎn)生的合成氣可以大體以平行于管道150的向下 方式流動，如由箭頭151表明。這樣，合成氣就可與RSC146的管道150發(fā)生接觸，且流過管 道150的流體可在合成氣行進穿過RSC146時起冷卻該合成氣的作用。此冷卻過程的一個 結(jié)果是可在管道150中產(chǎn)生蒸汽，然后可將該蒸汽傳輸?shù)綗峄厥照羝l(fā)生器138。RSC146還可包括RSC146的下部區(qū)域149中的導(dǎo)管152，導(dǎo)管152可協(xié)助將經(jīng)冷卻 的合成氣和渣引導(dǎo)出RSC146。例如，當(dāng)渣108離開導(dǎo)管152時，渣108可沿大體向下的方向 153流動，以通過急冷錐154離開RSC146。相反，當(dāng)合成氣離開導(dǎo)管152時，經(jīng)冷卻的合成 氣可朝向傳送管線156沿大體向上的方向155流動?？墒褂脗魉凸芫€156來將合成氣傳輸 到燃?xì)鉁u輪發(fā)動機118。將在下面描述關(guān)于冷卻RSC146中的合成氣的進一步描述。圖3是如圖2的線3-3內(nèi)所顯示的RSC146的最上部部分147的一個實施例的剖 面透視圖，其可包括冷卻管150的隔熱部。如之前所顯示的，RSC146可包括容器148以及 冷卻管150。另外，RSC146可結(jié)合對喉部158的使用。可使用喉部158來接收熱合成氣以 及渣。熱合成氣和渣可通過喉部158沿軸向125向下151從RSC146的上部區(qū)域147流到
8RSC146的下部區(qū)域149。RSC146還可包括出口 160，出口 160各自可聯(lián)接到集管上，例如J 型集管162，其可定義為若干冷卻管通到其中的導(dǎo)管。如可在圖3中看到的，集管162可附 連到冷卻管150上。另外，RSC146可包括冷卻劑進口 164以及一個或多個隔熱屏166，以及 用于通過RSC146傳送合成氣和渣的通路或煙道168。如之前所描述，熱合成氣和渣可從喉部158流動通過RSC146的通路168。當(dāng)熱合 成氣和渣向下移動通過RSC146時，渣可以以相當(dāng)均勻的方式(例如通過煙道168沿軸向 125向下151)下落。相反，因為合成氣處于氣態(tài)，該合成氣可開始沿軸向125流動通過通路 168，但是，該合成氣可沿徑向126分散在容器148各處，以及沿軸向125向下151流動通過 RSC146。這樣，當(dāng)合成氣流動通過RSC146時，該合成氣就可與冷卻管150相互作用。如上所述，冷卻管150可包括可與容器148平行而沿軸向125延伸的多個導(dǎo)管。諸 如水的液體可流過冷卻管150。例如可由冷卻劑進口 164供應(yīng)此水。流體可向下151穿過 冷卻劑進口 164，進入鄰近容器的管道(未示出)，到達RSC146的底部，且然后沿軸向125 向上155穿過RSC146的冷卻管150。流體可從冷卻管150流入J型集管162中，如上所述， J型集管162可操作為流體收集裝置。然后可通過出口 160將J型集管162中的流體傳輸 出 RSC146。穿過冷卻管150的流體可為例如水。該流體可為例如約630°華氏度(F)。在另一 個實施例中，如加工工業(yè)需要規(guī)定的，水的范圍可為從約450°至670° F、400°至750° F、 500°至650° F，或者更高。與此對比，穿過煙道168的合成氣的范圍可為從約800°至 2800°華氏度。例如，當(dāng)啟動了 RSC146時，穿過喉部158到達煙道168的合成氣可處于約 800°華氏度的溫度。但是，當(dāng)RSC繼續(xù)起作用時，例如，在初始啟動時間之后，合成氣可被 加熱到直至約2000至2800°華氏度。當(dāng)加熱了的合成氣與冷卻管150相互作用時，加熱了 的合成氣可將熱傳遞到冷卻管150內(nèi)部的流體以及冷卻管150本身兩者，從而冷卻合成氣， 同時產(chǎn)生可由例如蒸汽渦輪發(fā)動機136使用的蒸汽源。另外，當(dāng)合成氣穿過RSC146的容器148時，該合成氣可能攜帶來自氣化過程的殘 余物，例如灰燼。此殘余物可隨著時間的過去沉積在冷卻管150上。冷卻管150上的這些 沉積物可隨著時間的過去使冷卻管150 “積垢”。也就是說，沉積在冷卻管150上的物質(zhì)可 導(dǎo)致在該冷卻管150的外表面上產(chǎn)生膜。此膜可起作用，以使冷卻管150與合成氣的一些 溫度隔離。此隔離可為有益的，因為直接暴露于合成氣的溫度可使冷卻流體(例如)沸騰 或者以別的方式分解，從而使冷卻管150不能有效地傳輸流體來冷卻合成氣。因此，冷卻管 150的這個積垢可起作用，以保護冷卻管150，且延長其使用壽命。但是，當(dāng)一開始操作時，RSC146的冷卻管150可能不具有對暴露于合成氣的高溫 的隔離，因為冷卻管150還沒有與合成氣接觸足夠長的時間段來在冷卻管的外部上產(chǎn)生沉 積物層。因此，為了允許冷卻管150經(jīng)由沉積物產(chǎn)生適當(dāng)?shù)哪?，氣化過程可能會直到已經(jīng)過 適量的時間(到此時，可能已經(jīng)在冷卻管150上充分聚積了沉積物層)才斜坡上升到全容 量。但是，這種延遲可使合成氣的整體生成減慢。因此，可在RSC146中使用隔熱屏166，使 得啟動過程可通過在沒有沉積物層的情況下暴露于合成氣來加速而不損害冷卻管150。隔熱屏166可例如從J型集管162的一個邊緣懸垂下來。各個隔熱屏166可由陶 瓷基復(fù)合物(CMC)構(gòu)成，陶瓷基復(fù)合物可為包括陶瓷材料和非陶瓷材料兩者的合成物。CMC 可包括任何適當(dāng)類型的纖維增強的陶瓷材料。例如，CMC材料可包括纖維增強的非氧化物陶瓷，例如碳化硅、氮化硅、碳化硼和氮化鋁。CMC材料還可包括纖維增強的氧化物基質(zhì)陶 瓷，例如氧化鋁、硅石、富鋁紅柱石、鋇鋁硅酸鹽、鋰鋁硅酸鹽或鈣鋁硅酸鹽。另外，CMC材料 可包括氧化物陶瓷和非氧化物陶瓷的組合，以及其它適當(dāng)?shù)腃MC材料。例如，氧化物陶瓷可 用于某些構(gòu)件，而非氧化物陶瓷則用于其它構(gòu)件。CMC材料可包括任何適當(dāng)類型的氧化物或 非氧化物增強纖維，例如碳化硅、碳、玻璃、富鋁紅柱石和氧化鋁。或者，可使用諸如碳化硅 的陶瓷或者諸如鐵基或鎳基材料的金屬或金屬合金來代替CMC。也可使用金屬陶瓷(例如 由陶瓷和金屬材料構(gòu)成的復(fù)合材料，其中諸如鎳、鉬和鈷的金屬用作氧化物、硼化物、碳化 物或氧化鋁的粘合劑)來代替CMC。不管所使用的材料如何，隔熱屏166都可起作用，以在可能出現(xiàn)積垢以協(xié)助保護 冷卻管150之前，提供使冷卻管150在啟動之后不直接暴露于熱合成氣的保護。也就是說， 一個或多個隔熱屏166可充當(dāng)屏障，以便在合成氣直接剛一經(jīng)過RSC146的喉部158時阻止 合成氣直接接觸冷卻管150。隔熱屏166可附連到J型集管162的一端上?？赏ㄟ^粘附、通過焊接、通過緊固 件，或通過任何其它適當(dāng)?shù)陌惭b件，以及通過鉤子、通過鉸鏈或任何其它適當(dāng)?shù)膽覓彀惭b件 來完成附連。另外，可將J型集管162對準(zhǔn)為使得該J型集管162的一端鄰近容器148，同 時J型集管162的另一端可向內(nèi)指向RSC146的軸向125中心線165。另外，可使用不止一 個J型集管162，且可在RSC146的周圍沿周向127使用各個J型集管162。這樣，J型集管 162就形成直徑DJ67，該直徑DJ67約為煙道168的直徑的大小，且大小小于RSC146的直徑 D2169。隔熱屏166可沿著各個J型集管162的內(nèi)部部分170附連到各個J型集管162上， 以便通過阻止合成氣直接流到冷卻管150來保護RSC146中的沿徑向126最靠近直徑DJ67 的一個或多個冷卻管150。另外，多個隔熱屏166可附連到各個J型集管162上，以保護附 連到各個J型集管162上的多個冷卻管150或多組冷卻管150。隔熱屏166的形狀可為例如部分圓柱形的。隔熱屏166可圍繞最靠近中心線165 的各個J型集管162的冷卻管150沿周向127彎曲。因此，隔熱屏166可大小設(shè)置成使得 隔熱屏166覆蓋各個J型集管162的最靠近中心線165的冷卻管150。隔熱屏166也可大 小設(shè)置成使其可以可操作地附連到J型集管162的邊緣上。隔熱屏166的形狀也可為環(huán)形 的，且可包括可沿著所有J型集管162的內(nèi)部部分170沿周向127附連的單個隔熱屏166。在一個實施例中，隔熱屏166可構(gòu)造成以便在氣化的初始階段期間由RSC146 “用 完”。也就是說，可選擇用來制造隔熱屏166的一種或多種材料，使得隔熱屏被合成氣持續(xù) 地腐蝕，特別是(例如)被合成氣的熱和/或被存在于合成氣中的硫和氯化物成分持續(xù)地 腐蝕。因此，基于用來形成隔熱屏166的材料和用于生產(chǎn)隔熱屏166的材料的量，隔熱屏 166可設(shè)計成以便經(jīng)過一段設(shè)定的時間段來腐蝕，例如一個小時、一天、一周、一個月、一年、 五年、十年或其之間的任何時間。在腐蝕隔熱屏166期間，冷卻管150可積垢，如之前在上 文中所論述的，使得在隔熱屏166被完全腐蝕時，可通過積垢充分地保護冷卻管150不受合 成氣的熱的影響，以便防止通過在合成氣進入煙道168時與該合成氣直接接觸而造成的對 冷卻管150的損害。在被完全腐蝕之前，隔熱屏166可阻擋(例如使加熱了的合成氣與最里面的冷卻 管150隔開)處于直至約2800°華氏度的溫度的合成氣直接接觸冷卻管150 —段短的時 間段，例如，直至約1至30分鐘?；蛘?，隔熱屏166可阻擋合成氣的其它溫度，例如直至約1000°華氏度、1200°華氏度、1400°華氏度、1600°華氏溫度、1800°華氏度、2000°華氏 度、2200°華氏度、2400°華氏度或2600°華氏度。例如，隔熱屏166可阻擋直至約2000° 華氏度的溫度直接接觸冷卻管150持續(xù)一段較長的時間段，例如直至約1至24小時。隔熱 屏166可阻止合成氣的溫度的至少約5%、10%、15%、20%、25%、30%、35%、40%、45%、 50%、55%、60%、65%、70%、75%或80%直接接觸冷卻管150。在另一個實例中，隔熱屏 可提供從隔熱屏166的一側(cè)到該隔熱屏166的另一側(cè)的大約100°、200°、300°、400°或 500°華氏度的溫度降。隔熱屏166可設(shè)計成以便在例如裝置停歇期或在冷卻管150已經(jīng)適當(dāng)?shù)胤e垢之后 從RSC146中移除?；蛘?，隔熱屏166可由這樣的材料構(gòu)成該材料允許隔熱屏166保持在 RSC146中，直到諸如RSC146的剩余構(gòu)件已經(jīng)準(zhǔn)備好更換的時間。應(yīng)當(dāng)注意，雖然上面描述 的隔熱屏是結(jié)合RSC146來進行描述的，但構(gòu)想了隔熱屏166可應(yīng)用于包括高的進入氣體溫 度和/或其它熱交換器的其它實施例。圖4是RSC146的第二個實施例的剖面透視圖。如上所述，RSC146可包括喉部158、 出口 160、冷卻劑進口 164、容器148、J型集管162和隔熱屏166。如可在圖4中看到的，多 個J型集管162可與RSC146結(jié)合起來使用。另外，如圖4所示，各個J型集管162的內(nèi)部 部分170可形成直徑為DJ67的環(huán)。如可在圖4中看到的，單個隔熱屏166可固定到J型 集管162的內(nèi)部部分170上，以隔離最靠近RSC146的軸向125中心線165的各個J型集管 的冷卻管150。此外，J型集管162可以以相對于容器148的外周邊介于約0°和180°之 間的角度沿周向127設(shè)置在RSC146周圍。在一個實施例中，J型集管162可以相對于容器 148的外周邊以直角沿周向127設(shè)置在RSC146周圍?；蛘?，J型集管162可以以相對于容器 148 的外周邊約 10°、20°、30°、40°、50°、60°、70° 或 80° 沿周向 127 設(shè)置在 RSC146 周圍。不管J型集管162的布置如何，隔熱屏166都可固定到各個J型集管162的內(nèi)部部 分170上。構(gòu)想了這些隔熱屏166可按以上關(guān)于圖3描述的那樣操作。圖5示出了包括冷卻管150、隔熱屏166和間隔件186的單個J型集管162。如可 在圖5中看到的，J型集管162可包括沿軸向125和沿徑向126兩者延伸的管道。J型集管 162的徑向126部分172可例如為J型集管162的軸向125部分174的長度的約四倍。另 外，J型集管162的徑向126部分172可為彎曲的。在一個實施例中，J型集管162可彎曲 約15°的角度。但是，構(gòu)想了對于J型集管162的徑向126部分172具有更多或更少的彎 曲部(包括沒有彎曲部)的其它實施例。J型集管162可在各個徑向126端部176和178 處閉合，且在軸向125端部180處打開。另外，J型集管162可為空心的。此構(gòu)造可允許液 體和蒸汽的流體混合物從冷卻管150穿過J型集管162，同時在豎直端部處離開J型集管 162。如可在圖5中看到的，隔熱屏166可固定到J型集管162的一個徑向126端部178 上。另外，如可在圖5中看到的，隔熱屏166可為半圓柱形的，(例如從圓柱的1°至10° )， 且可懸掛在距最接近J型集管162的徑向126端部178的單個冷卻管184距離182處。距 離182可大約等于單個冷卻管184的直徑。但是，在其它實施例中，隔熱屏166可位于離冷 卻管150大于或小于單個冷卻管184的直徑的距離處，如上所述。或者，隔熱屏166可懸掛 在RSC146的煙道168中，以便在RSC146的初始和/或后續(xù)啟動期間防止熱合成氣和冷卻 管150之間的直接接觸。因此，僅最靠近RSC146的軸向125中心線165的J型集管162的徑向126端部178可附連到隔熱屏166上。如上所述，隔熱屏166可懸掛在距單個冷卻管184距離182處，該單個冷卻管184 可為最靠近RSC146的軸向125中心線165的冷卻管150。圖5還示出了間隔件186。此間 隔件186可起作用，以阻止隔熱屏166相對于冷卻管150進行過度的振動和/或移動。另 外，雖然示出了一個間隔件186，但是可結(jié)合冷卻管150和隔熱屏166使用不止一個間隔件 186。間隔件186可固定到單個冷卻管184、隔熱屏166中的任何一個上，以及/或者固定到 兩者上。例如，間隔件186可焊接、栓接、粘附或用任何其它方法固定到單個冷卻管184和/ 或隔熱屏166中的任何一個或兩者上。間隔件186可由陶瓷基復(fù)合物、金屬或任何其它耐 熱物質(zhì)構(gòu)成。在一個實施例中，間隔件186可由與冷卻管150中使用的材料類似的材料構(gòu) 成。在另一個實施例中，間隔件186可由用于隔熱屏166使用的材料構(gòu)成。間隔件186可 與隔熱屏166同軸或同心。應(yīng)當(dāng)注意，可基于隔熱屏166的整體長度來確定一個或多個間 隔件186的布置，如下面所描述。圖6是RSC146的一個實施例的截面?zhèn)纫晥D。如可在圖6中看到的，RSC146的隔 熱屏166可大小設(shè)置成使得隔熱屏166不可延伸通過RSC146的長度L188。也就是說，隔 熱屏166的長度可延伸為介于部分覆蓋(例如小于整個長度)沿著氣體通道設(shè)置的長度為 L188的冷卻劑管150至完全覆蓋(例如整個長度)該冷卻劑管150之間。實際上，隔熱屏166可僅延伸RSC146中使用的冷卻管150的長度L188的約1/4。 在其它實施例中，隔熱屏166可延伸介于從J型集管162懸垂下來的冷卻管150的長度L188 的約和100%之間。在另一個實施例中，隔熱屏166可延伸介于冷卻管150的長度L188 的約10%和70%之間，或備選地延伸介于冷卻管150的長度L188的約20%和50%之間 或30%和40%之間。在又一個實施例中，隔熱屏166可延伸冷卻管150的長度L188的約 10%、20%、30%、40%、50%、60%、70%、80%或90%，以便在熱方面隔離在加熱了的合成 氣流體流的上游區(qū)域中的冷卻管150。如上所述，隔熱屏166的長度可能不需要完全延伸到冷卻管150的長度L188，因為 處于其最高溫度的合成氣可在RSC146的上部區(qū)域147中遇到冷卻管150。這可能是因為 當(dāng)合成氣在容器148各處擴散時該合成氣會接觸攜帶冷卻流體的冷卻管150。當(dāng)合成氣散 開時，合成氣會被冷卻，從而導(dǎo)致熱合成氣通過過度的溫度損害冷卻管150的風(fēng)險降低。因 此，當(dāng)氣體繼續(xù)其向下路徑151時，該氣體通過冷卻管150被冷卻，而且因此，減小了對隔熱 屏166的需要。因此，可在合成氣的溫度的最高強度點(即冷卻管150開始從RSC146的上 部區(qū)域147的J型集管162懸垂下來的點)處使用隔熱屏166。另外，隔熱屏166的所示構(gòu) 造可起作用，使輻射式合成氣的溫度散布在冷卻管150各處，而非集中在最靠近RSC146的 最靠近J型集管162的軸向125中心線165的冷卻管150上。在第二個實施例中，如圖6所示，隔熱屏166可以不固定到各個J型集管162上。 相反，用于隔熱屏166的構(gòu)造的之前論述的材料可作為涂層直接應(yīng)用于冷卻管150。例如， 可通過噴涂、浸漬、刷拭等來應(yīng)用隔熱屏166。在一個實施例中，隔熱材料可應(yīng)用于例如各個 J型集管162的沿徑向126最靠近RSC146的軸向125中心線165的冷卻管150?；蛘?，所 應(yīng)用的涂層可應(yīng)用于RSC146的所有冷卻管150，其中沿徑向126最靠近RSC146的軸向125 中心線165的冷卻管150可接收比沿徑向126離RSC146的軸向125中心線165更遠(yuǎn)的冷 卻管150更厚的涂層。也就是說，涂層的長度可以以例如變化的厚度延伸為介于部分覆蓋(例如小于整個長度)沿著氣體通道設(shè)置的長度為L188的冷卻劑管150至完全覆蓋(例如 整個長度)該冷卻劑管150之間。此外，所應(yīng)用的材料可(例如)在沿軸向125較接近J型集管162處具有較大的 厚度，且該材料可應(yīng)用于冷卻管150上而使得隨著離J型集管162的軸向125距離的增大， 厚度減小。在一個實施例中，涂層可以冷卻管150的整個長度L188的約1/4的長度應(yīng)用于 冷卻管150。但是，構(gòu)想了涂層材料可以冷卻管150的長度L188的約至100%應(yīng)用于冷 卻管150。在另一個實施例中，涂層可延伸介于冷卻管150的長度L188的約10%和70% 之間，或者備選地延伸介于冷卻管150的長度L188的約20%和50%之間或30%和40%之 間。在又一個實施例中，涂層可延伸冷卻管150的長度L188的約10%、20%、30%、40%、 50%、60%、70%、80%或90%。另外，涂層可包括單種材料，例如CMC、陶瓷或金屬?；蛘?， 涂層可包括兩種或更多種耐熱材料的復(fù)合物。涂層材料可與以上關(guān)于用于隔熱屏166中的 材料所描述的相同。如上所述，耐熱涂層或耐熱層可直接應(yīng)用于冷卻管150。通過在冷卻管150上使用 這種涂層，可最大程度地減小可能影響未經(jīng)處理的冷卻管150的關(guān)鍵熱通量。另外，冷卻管 150的這種涂層可由于與合成氣接觸而隨著時間的過去以與以上關(guān)于隔熱屏166所描述的 方式類似的方式被腐蝕。另外，當(dāng)涂層被腐蝕時，可在涂層層的位置上出現(xiàn)積垢，以保護冷 卻管150不受可由于直接暴露于合成氣而引起的關(guān)鍵熱通量的影響。這樣，通過使用隔熱 屏166和/或通過冷卻管150的涂層，氣化系統(tǒng)可在啟動之后更加迅速地斜坡上升到全負(fù) 載，因為由于如上所述使冷卻管150與可對冷卻管150造成損害的高的熱通量隔離，可能不 必在啟動之后發(fā)生冷卻管150的積垢。本書面描述使用實例來公開本發(fā)明，包括最佳模式，且還使本領(lǐng)域技術(shù)人員能夠 實踐本發(fā)明，包括制造和使用任何裝置或系統(tǒng)以及執(zhí)行任何結(jié)合的方法。本發(fā)明的可授予 專利的范圍由權(quán)利要求書限定，且可包括本領(lǐng)域技術(shù)人員想到的其它實例。如果這種其它 實例具有不異于權(quán)利要求書的字面語言的結(jié)構(gòu)元素，或者如果這種其它實例包括與權(quán)利要 求書的字面語言無實質(zhì)性差異的等效結(jié)構(gòu)元素，則這種其它實例意圖處于權(quán)利要求書的范 圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
一種系統(tǒng)，包括氣化冷卻系統(tǒng)(146)，包括包括冷卻劑回路和氣體通道(168)的熱交換器(147)，其中，所述氣體通道(168)包括入口(158)、出口(156)和在所述入口(158)與所述出口(156)之間的擴張部分(169)，且所述冷卻劑回路包括在所述入口(158)與所述出口(156)之間沿著所述氣體通道(168)設(shè)置的冷卻劑管(150)；以及設(shè)置在所述氣體通道(168)中、中心氣流區(qū)域(165)與容納所述冷卻劑回路的冷卻劑管(150)的內(nèi)壁(170)之間的隔熱屏(166)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述隔熱屏(166)包括直接在所述冷卻劑 管(150)上的保護性涂層。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述保護性涂層包含陶瓷材料或陶瓷基 復(fù)合材料。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述保護性涂層具有沿從所述入口(158) 朝向所述出口(156)的下游方向(153)減小的厚度。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述隔熱屏(166)包括與所述管(150)分 開的環(huán)形套筒。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述環(huán)形套筒從所述入口(158)與所述擴 張部分(169)之間的集管(162)懸垂下來。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述環(huán)形套筒包含陶瓷、陶瓷基復(fù)合物、 金屬、金屬陶瓷或它們的組合。
8.根據(jù)權(quán)利要求5所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述環(huán)形套筒具有介于部分覆蓋至完全 覆蓋沿著所述氣化冷卻系統(tǒng)(146)的所述氣體通道(168)設(shè)置的冷卻劑管(150)之間的套 筒長度。
9.根據(jù)權(quán)利要求5所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述系統(tǒng)包括在所述環(huán)形套筒和所述冷 卻管(184)之間的間隔件(186)。
10.根據(jù)權(quán)利要求5所述的系統(tǒng)，其特征在于，當(dāng)暴露于所述熱交換器(147)中的加熱 了的流時，所述隔熱屏(166)至少部分地基于腐蝕率具有有限的壽命，且所述隔熱屏(166) 構(gòu)造成以便由由于所述氣化冷卻系統(tǒng)(146)的運行而被沉積到所述冷卻管(150)上的沉積 物代替或補充。全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于保護輻射式合成氣冷卻器中的冷卻管的方法和設(shè)備。一種用于保護輻射式合成氣冷卻器(146)中的冷卻管(150)的方法和系統(tǒng)。隔熱屏(166)可防止加熱了的合成氣和冷卻管(150)之間的直接接觸。隔熱屏(166)可安裝到集管(162)上，集管(162)也附連到冷卻管(150)上。隔熱屏(166)還可與冷卻管(150)分開，或者備選地隔熱屏(166)可涂覆到冷卻管(150)上。另外，長時期暴露于加熱了的合成氣可腐蝕隔熱屏(166)。
文檔編號C10K1/00GK101921628SQ20101016782
公開日2010年12月22日 申請日期2010年4月16日 優(yōu)先權(quán)日2009年4月16日
發(fā)明者J·B·科里, J·M·斯托里 申請人:通用電氣公司