CN102776032B - 用于冷却气化产物的系统和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于冷却气化产物的系统和方法。本文提供的气化冷却系统(146)可以包括外罩(148)和环形壁(186)，外罩(148)具有在流动方向(160)上沿着该外罩(148)纵向地延伸的流体通路，环形壁(186)围绕流体通路设置并具有一个或更多环形台阶(190)。这种系统还可以包括多个热交换器管道(158)，其位于一个或更多环形台阶(190)的下游，并且适于当合成气沿着流动方向(160)流动时冷却气体通路中的合成气(208)。

Description

用于冷却气化产物的系统和方法
技术领域
本文中公开的主题涉及冷却来自气化器的气体的气化冷却系统，例如辐射合成气冷却器。
背景技术
整体气化联合循环(IGCC)发电设备能够相对清洁且高效地从诸如煤的各种碳氢化合物给料产生能量。IGCC技术可以通过与气化器中的蒸汽反应将碳氢化合物给料转化成包括一氧化碳(CO)和氢气(H2)的气体混合物，例如合成气。这些气体可以在常规的联合循环发电设备中被冷却、清洁并用作燃料。例如，辐射合成气冷却器(RSC)可以在水气体变换反应器和/或其它气体清洁单元上游接收并冷却合成气。不幸的是，没有熔渣从合成气的充分分离，进入RSC的喉部的合成气中的熔渣的掺入能够潜在地损坏热交换器管道。此外，用于在合成气到达热交换器管道之前从合成气分离熔渣的当前方法，例如通过限制喉部的直径，可能增加流过RSC的合成气的速度，这使通过RSC中的热交换进行最佳的合成气冷却的设计变复杂。
发明内容
在一个实施例中，气化冷却系统包括具有入口、出口以及设置在入口和出口之间的内部区域的外罩。该气化冷却系统还包括喉部，该喉部设置在内部区域中，与入口相邻，并且具有环形壁。环形壁包括环形台阶、直径恒定的区域以及在流动方向上从与入口相邻的喉部的部分向着出口延伸的直径增加的区域。
在另一实施例中，气化冷却系统包括外罩和环形壁，外罩包括在纵向地沿着外罩的流动方向上延伸的流体通路，环形壁围绕流体通路设置并具有一个或更多环形台阶。该气化冷却系统还包括位于一个或更多环形台阶的下游的多个热交换器管道，并且适于当合成气沿着流动方向流动时冷却气体通路中的合成气。
在另一实施例中，气化冷却系统包括具有入口、出口以及设置在入口和出口之间的流体通路的外罩。该气化冷却系统还包括与入口相邻并具有围绕流体通路设置的环形壁的喉部。此外，该系统还包括在周向上围绕环形壁设置并且适于从沿着从入口朝向出口的流动方向流动的混合密度流体流分离高密度流的一个或更多冷凝点。
附图说明
当参照附图阅读下述详细的描述时，本发明的这些和其它的特征、方面以及优点将变得更好理解，在附图中，相似的符号始终代表相似的部分，其中：
图1是包括辐射合成气冷却器(RSC)的整体气化联合循环(IGCC)发电设备的实施例的框图；
图2是图1的RSC的实施例的横截面侧视图；
图3是图2的RSC的部分横截面图，显示了如在图2的线3-3内所示的RSC的喉部区域的实施例；
图4是图3的RSC的部分横截面图，显示了如在图3的线4-4内所示的RSC喉部的环形台阶的实施例；
图5是具有弓形部分的环形台阶的实施例的横截面图；
图6是具有多角形部分的环形台阶的实施例的横截面图；
图7是图2的RSC的横截面顶视图，显示了纵向通过RSC建立的高密度流体路径的实施例；以及
图8显示了根据本发明的实施例的使用图2的RSC的方法。
元件列表：
100 整体气化联合循环(IGCC)系统
102 燃料源
104 给料准备单元
106 气化器
108 熔渣
110 气体清洁单元
111 硫
112 硫处理器
113 盐
114 水处理单元
116 气体处理器
117 残余气体成分
118 燃气涡轮发动机
120 燃烧器
122 空气分离单元(ASU)
123 辅助空气压缩机
124 氮气至稀释氮气(DGAN)压缩机
125 轴向轴线
126 径向轴线
127 周向轴线
128 冷却塔
130 涡轮
131 驱动轴
132 压缩机
134 负载
136 蒸汽涡轮发动机
138 热回收蒸汽发生(HRSG)系统
140 第二负载
142 冷凝器
146 辐射合成气冷却器(RSC)
147 上区域
148 容器
149 下区域
150 圆顶形部分
152 入口
153 喉部
154 出口
155 下游方向
156 内部区域
158 热交换器管道
160 流动方向
162 导管
164 向下方向
166 急冷锥体
168 向上方向
170 传递管线
172 气体入口
180 外部环境
182 圆顶腔室
184 内部腔室
186 内部环形壁组件
188 顶部
190 环形台阶
192 直径基本恒定的区域
194 直径增加的区域
196 第一直径
198 第二直径
200 第三直径
202 混合物
204 冷凝点
206 高密度部分
208 合成气流动路径
210 扩散的合成气
212 壁部
214 第一角
216 壁部
218 第二角
220 壁部
222 备选的环形台阶
224 弓形壁
226 环形台阶
228 第一壁部
230 第二壁部
232 环形环
234 区域
236 热交换器区域
238 方法
240 方法步骤
242 方法步骤
244 方法步骤
246 方法步骤
248 方法步骤
250 方法步骤
具体实施方式
如下所述，本文提供了包括使高密度流动路径(例如，熔渣流动路径)能够从混合密度流动路径(例如，熔渣和合成气混合物)分离和/或便于热交换器管道的上游的合成气流动路径扩散的一个或更多特征的气化冷却系统的实施例。例如，这种特征可以包括构造成作为从熔渣和合成气的混合物分离熔渣流的冷凝点起作用的环形台阶。进而例如，一些实施例可以包括环形台阶和直径恒定的环形区域，它们合作而从混合物分离熔渣流，同时便于在流沿着流动方向通过冷却装置被分离之后使边界层重新附于合成气。另外，一些实施例可以包括直径沿流动方向扩大的直径增加的环形区域。该特征可能使得分离的合成气流能够沿着流动方向向着配置成冷却扩散的合成气流的热交换器管道扩散。前述特征可便于合成气流从熔渣流的分离，从而当合成气流动通过冷却装置时，能够实现从合成气到热交换器管道的改善的热传递。
前述特征可以设置在各种系统和装置中，例如存在于工业设备、发电设备或者其它应用中的那些。在本文描述的实施例中，前述特征位于配置成冷却源自整体气化联合循环(IGCC)发电设备中的气化器的合成气的辐射合成气冷却器(RSC)的喉部区域中。然而，在其它实施例中，这种特征可以位于各种气化冷却系统的任何合适的区域中。所示的RSC的特征可能易受基于诸如在整个过程中使用的气化器的类型的尺寸、形状以及放置的极大变化的影响。这样，诸如环形台阶的特征可以具有在所公开的环形台阶的范围内除了显示的那些构造以外的构造。
现在转到图，图1是可以由合成的气体(即合成气)驱动的整体气化联合循环(IGCC)系统100的实施例的图解。IGCC系统100的元件可以包括可以用作用于IGCC的能量源的燃料源102，例如固体供料。燃料源102可以包括煤、石油焦、生物质、木基材料、农业废物、焦油、焦炉煤气和沥青、或者其它含碳的物品。
燃料源102的固体燃料可以被传送至给料准备单元104。给料准备单元104例如可以通过切断、碾磨、撕碎、粉碎、压块或者堆积燃料源102而将燃料源102改变尺寸或改变形状，以产生给料。另外，可以将水或其它合适的液体添加至给料准备单元104中的燃料源102，以形成浆状给料。在其它实施例中，没有液体被添加至燃料源，从而产生了干的给料。
给料可以被从给料准备单元104传送至气化器106。气化器106可以将给料转换成合成气，例如一氧化碳和氢气的组合。该转换可以通过使给料受处于升高的压力和温度下的受控量的蒸汽和氧气作用而实现，压力例如为从大约20bar到85bar，温度例如为从大约700℃到1600℃，取决于所利用的气化器106的类型。气化过程可以包括给料经历热解过程，由此，给料被加热。气化器106内的温度在热解过程期间可以从大约150℃到700℃而变化，取决于用于产生给料的燃料源102。给料在热解过程期间的加热可以产生固体(例如熔渣)和残余气体(例如一氧化碳、氢气以及氮气)。由热解过程从给料剩余的烧焦物(char)的重量可直至初始给料的重量的大约30％。
燃烧过程然后可以发生在气化器106中。燃烧可以包括将氧气引至烧焦物和残余气体。烧焦物和残余气体可以与氧气反应而形成二氧化碳和一氧化碳，这提供了用于后续的气化反应的热。燃烧过程期间的温度可以从大约700℃到1600℃而变化。接着，在气化步骤期间，蒸汽可能被引入气化器106中。烧焦物可以与二氧化碳和蒸汽反应而产生处于范围从大约800℃到1100℃的温度的一氧化碳和氢气。实质上，气化器利用蒸汽和氧气，以允许其中一些给料“燃烧”而产生一氧化碳和能量，其驱动将更多给料转换成氢气和另外的二氧化碳的第二反应。
以这种方式，由气化器106制得结果气体。该结果气体可以包括大约85％的一氧化碳和氢气，以及CH4、HCl、HF、COS、NH3、HCN和H2S(基于给料的硫含量)。该结果气体可以称为脏合成气，并且，在离开气化器106之后，脏合成气典型地与诸如熔渣108的废物混合，废物可以是湿的灰分材料。离开气化器106的脏合成气和熔渣108处于升高的温度下，并且，为了分离并冷却合成气和熔渣混合物，采用了辐射合成气冷却器(RSC)。熔渣和脏合成气混合物进入RSC 146，如图1所示，在RSC 146，熔渣108与脏合成气分离。熔渣108然后可以被从气化器106移除并且例如被处置为路基或另一建筑材料。另一方面，脏合成气向着RSC 146的热交换器管道前进，并且流动通过热交换器管道的流体可以起作用，以当脏合成气行进通过RSC 146时冷却脏合成气。因此，流动通过RSC 146的管道的流体可能处于大大地低于流动通过RSC的脏合成气的温度。
本文中公开的辐射合成气冷却器的实施例可以包括使得能够在脏合成气被导向用于冷却的热交换器管道之前将熔渣108从脏合成气分离的一个或更多特征，例如环形台阶。此外，诸如沿着合成气流的方向直径增加的RSC的喉部区域的一部分的特征可以使合成气围绕热交换器管道扩散，以使热交换器的高效运转成为可能。关于图2中所示的RSC，在下面更加详细地讨论了本发明的某些实施例的这些和其它的特征。然而，应当注意到，这些特征可以包括在任何气化冷却系统中，并且不限于辐射合成气冷却器。
在脏合成气被冷却并与熔渣108分离之后，可以利用气体清洁单元110来清洁脏合成气。气体清洁单元110可以洗涤脏合成气而从脏合成气除去HCl、HF、COS、HCN以及H2S，这可以包括例如通过硫处理器112中的酸性气体移除过程而在硫处理器112中进行硫111的分离。此外，气体清洁单元110可以利用水处理单元114从脏合成气分离盐113，水处理单元114可以利用水净化技术从脏合成气产生可用的盐113。随后，来自气体清洁单元110的气体可以包括清洁的合成气。
如果期望的话，可以利用气体处理器116从清洁的合成气移除残余气体成分117。然而，从清洁的合成气移除残余气体成分117是可选的，因为甚至当包含残余气体成分117(例如尾气)时，清洁的合成气也可以用作燃料。此时，清洁的合成气可以包括大约1-10％CO(例如，3％CO)、大约30-60％H2(例如，55％H2)以及大约30-60％CO2(例如，40％CO2)，并且基本上不含H2S。这种清洁的合成气可以作为可燃的燃料被传输至燃气涡轮发动机118的燃烧器120，例如燃烧腔室。
IGCC系统100还可以包括空气分离单元(ASU)122。ASU 122可以运转而例如通过蒸馏技术将空气分离为成分气体。ASU 122可以从自辅助空气压缩机123供应至它的空气分离氧气，并且ASU 122可以将分离的氧气传递至气化器106。另外，ASU 122可以将分离的氮气传输至稀释氮气(DGAN)压缩机124。
DGAN压缩机124可以将从ASU 122接收的氮气至少压缩到与燃烧器120中的压力相等的压力水平，以便不干扰合成气的恰当的燃烧。因此，一旦DGAN压缩机124已经充分地将氮气压缩至恰当的水平，那么DGAN压缩机124就可以将压缩的氮气传输至燃气涡轮发动机118的燃烧器120。
压缩的氮气可以从DGAN压缩机124被传输至燃气涡轮发动机118的燃烧器120。燃气涡轮发动机118可以包括涡轮130、驱动轴131和压缩机132，以及燃烧器120。燃烧器120可以接收可以在压力下从燃料喷嘴注入的燃料，例如合成气。该燃料可以与压缩空气以及来自DGAN压缩机124的压缩氮气混合，并且在燃烧器120内燃烧。该燃烧可以形成热的加压的排出气体。
燃烧器120可以将排出气体导向涡轮130的排出出口。当来自压缩机120的排出气体经过涡轮130时，排出气体可以迫使涡轮130中的涡轮叶片使驱动轴131沿着燃气涡轮发动机118的轴线旋转。如所显示的，驱动轴131被连接至燃气涡轮发动机118的各种构件，包括压缩机132。
驱动轴131可以将涡轮130连接至压缩机132而形成转子。压缩机132可以包括联接至驱动轴131的叶片。因此，涡轮130中的涡轮叶片的旋转可以导致将涡轮130连接至压缩机132的驱动轴131使压缩机132内的叶片旋转。这种压缩机132中的叶片的旋转导致压缩机132压缩经由压缩机132中的空气吸入而接收的空气。压缩空气然后可以被供给至燃烧器120并与燃料和压缩氮气混合，以允许效率更高的燃烧。驱动轴131也可以连接至负载134，负载134可以是静态负载，例如用于例如在发电设备中产生电力的发电机。实际上，负载134可以是由燃气涡轮发动机118的旋转输出提供动力的任何合适的装置。
IGCC系统100还可以包括蒸汽涡轮发动机136和热回收蒸汽发生(HRSG)系统138。来自燃气涡轮发动机118的受热的排出气体可以被传输至HRSG 138中并且被用于加热水并产生用于向蒸汽涡轮发动机136提供动力的蒸汽。蒸汽涡轮发动机136可以驱动第二负载140。第二负载140也可以是用于产生电力的发电机。然而，第一和第二负载134、140两者均可以是能够被燃气涡轮发动机118和蒸汽涡轮发动机136驱动的其它类型的负载。另外，虽然燃气涡轮发动机118和蒸汽涡轮发动机136可以驱动单独的负载134和140，如所示的实施例所示，但是也可以串联地利用燃气涡轮发动机118和蒸汽涡轮发动机136，以经由单个轴驱动单个负载。蒸汽涡轮发动机136以及燃气涡轮发动机118的具体构造可以是实施方式特定的，并且可以包括区段的任何组合。
例如来自蒸汽涡轮发动机136的低压区段的排出物可以被引导至冷凝器142中。冷凝器142可以利用冷却塔128来以冷却水交换受热水。冷却塔128起作用而向冷凝器142提供冷却水，以帮助冷凝从蒸汽涡轮发动机136传输到冷凝器142的蒸汽。来自冷凝器142的冷凝物继而可以被引入HRSG 138中。同样，来自燃气涡轮发动机118的排出物也可以被引入HRSG 138中，以加热来自冷凝器142的水并产生蒸汽。
在诸如IGCC系统100的联合循环系统中，热的排出物可以从燃气涡轮发动机118流动并传递至HRSG 138，在此，它可以用于产生高压、高温蒸汽。由HRSG 138产生的蒸汽然后可以经过蒸汽涡轮发动机136，以产生动力。另外，所产生的蒸汽也可以被供应至可以使用蒸汽的任何其它过程，例如供应至气化器106。燃气涡轮发动机118产生循环常常被称为“至顶循环”(topping cycle)，而蒸汽涡轮发动机136产生循环常常被称为“及底循环”(bottoming cycle)。通过如图1所示结合这两个循环，IGCC系统100可以导致两个循环中更高的效率。特别地，来自至顶循环的排出热可以被捕获并被用以产生用于在及底循环中使用的蒸汽。
图2是在图1的IGCC系统100中利用的辐射合成气冷却器146的实施例的横截面侧视图。RSC 146具有轴向轴线125、径向轴线126以及周向轴线127。RSC 146可以包括可以由合适的材料制成的容器148，例如ASTMSA387，grade 11，class 2。容器148作为用于RSC 146的外罩或外壳起作用，封入RSC 146的上区域147以及RSC 146的下区域149。RSC 146的上区域147可以包括圆顶形部分150，其包括延伸至喉部153中的入口152。下区域149包括出口154。内部区域156由入口152和出口154之间的空间限定。与入口152相邻的喉部153沿着下游方向155从入口152向着出口154扩大。
所示的容器148还包括热交换器管道158，其可以位于RSC 146的上区域147中。管道158可以包括沿着RSC 146的径向轴线126设置并在相对于轴向轴线125与容器148平行的方向上延伸的多个导管。诸如水的冷却液体可以流动通过管道158。因此，在使用期间，管道158可以担当RSC 146内的热交换器，并且可以使冷却剂循环至用于除去热的外部热交换器。即，当热的合成气接触热交换器管道158的外表面时，冷却液体可以循环通过管道158并变热。这样，流动通过热交换器管道158的液体可以以比离开管道158的液体更低的温度进入管道。因此，管道158可以由适于与热的合成气一起使用的抗热材料制成。
在运转期间，在气化器106中产生的合成气作为合成气和熔渣的混合物进入RSC 146。如下面关于图3更加详细地描述的，熔渣108和合成气与RSC 146的喉部区域153中的合成气和熔渣混合物分离，并且在分离之后，顺着不同的流动路径通过RSC 146的长度的剩余部分。合成气，在与熔渣流动流分离之后，通常如由箭头160所示以向下的方式平行于管道158而流动。即，合成气流动通过沿着在纵向上沿着容器148的流动方向160延伸的RSC 146的气体通路。因此，合成气以与熔渣组成的混合物的方式通过入口152进入RSC 146，与熔渣分离，在纵向上流动通过RSC 146的内部区域156，并且然后通过出口154离开RSC 146。以这种方式，合成气可以与RSC 146的管道158接触，并且流动通过管道158的流体可以起作用，以当合成气行进通过RSC 146时冷却合成气。该冷却过程的一个结果可能是管道158中蒸汽的产生，例如，其可以被传输至用于收集并传输至热回收蒸汽发生器138的高压鼓145(见图1)。
RSC 146还可以在RSC 146的下区域149中包括导管162，其可以帮助将冷却的合成气和分离的熔渣引导到RSC 146之外。例如，当熔渣108离开导管162时，熔渣108可以沿着总体向下的方向164流动而经由急冷锥体166离开RSC 146。相反，当合成气离开导管162时，冷却的合成气可以沿着总体向上方向168向着传递管线170流动。传递管线170可以用于将合成气传递至气体清洁单元110和/或燃气涡轮发动机118(见图1)。原质合成气可能腐蚀RSC 146的元件，例如管道158和/或容器148的内壁，如果这些元件与合成气接触的话。因此，在某些实施例中，气体入口172可以将诸如屏蔽气体180(例如，氮气)的非腐蚀性流体传输至RSC 146。此非腐蚀性流体可以在RSC 146的容器148和管道158之间总体向下流动而形成保护性屏障，例如抵抗到管道158和容器148之间的环形空间中的合成气迁移。
如将在下面关于图3-6更加详细地描述的，RSC 146的上区域147的圆顶形部分150包围喉部区域153，该喉部区域153具有一个或更多独特的特征和/或区域，例如环形台阶、直径恒定的区域以及直径增加的区域。某些实施例的环形台阶配置成从进入RSC的熔渣和合成气混合物分离熔渣。直径恒定的区域，当在流体流动方向上直接位于环形台阶之下时，配置成使得在移除熔渣之后，合成气的边界层能够重新附于合成气流动流。再者，直径增加的区域，当在流动方向上设置在位于直径恒定的区域之下的喉部区域中时，使合成气流动路径围绕下游热交换器管道扩散，以便于合成气的高效冷却。合成气的这种扩散可以降低合成气到达热交换器管道之前的合成气流在下游方向上的速度，从而增加合成气沿着热交换器的长度的行进时间，并使改善的热传递成为可能。
图3是在图2的线3-3内所取的RSC 146的部分横截面图，显示了位于RSC 146的上区域147的圆顶形部分150中的热特征和机械特征。容器外罩148将外部环境180与RSC 146的内部分离。RSC 146的内部的所示部分包括具有由内部环形壁组件186分开的圆顶腔室182和内部腔室184(例如，中心体积或合成气通路)的喉部区域153。在某些实施例中，环形壁组件186可以由配置成热学地阻止热传递以防热的合成气通过内部腔室184流向外部腔室182的合适的耐火系统制成。为此，一些实施例可以包括多个耐火砖和/或带有诸如热屏蔽能力、密封功能(例如，以阻止热的合成气从内部腔室184泄漏至圆顶腔室182)等的合适特性的隔离层。
在所示的实施例中，环形壁组件186包括顶部分188、环形台阶190、直径基本恒定的区域192以及直径增加的区域194。如所显示的，环形台阶190设置在直径恒定的区域192的上游，直径恒定的区域192设置在渐缩的区域194的上游。环形台阶190相对于区域192和194的此类放置可以使得能够从熔渣和合成气混合物分离熔渣，并且随后，当合成气在由箭头160指示的流动方向上通过RSC 146行进时，使合成气的扩散成为可能。
如所显示的，环形壁186的顶部分188由沿着顶部分188的轴向长度基本恒定的第一直径196限定。第一直径196限定了环形壁186的周边，直至环形台阶190上升，从而将壁直径增加到比第一直径196更大的第二直径198。此直径恒定的区域192逐渐向外张开，从第二直径198到喉部区域153的底部的第三直径200。这样，区域194形成环形壁组件186的张开部分。在RSC 146的喉部区域153的张开部分194的下游，布置了多个热交换器管道158。在所示的实施例中，靠近容器周界，显示了两个热交换器管道158。然而，这些热交换器管道的数量和放置被选择为用于说明性的目的，并不意图将本发明限制为此配置或数量。实际上，在当前考虑的实施例中，很多热交换器管道被布置在RSC 146的容器的整个周边周围。
在运转期间，高密度流体(例如熔渣)和低密度流体(例如脏合成气)的混合物202进入RSC 146的入口152并在由箭头160指示的流动方向上向下游流动。混合物202顺着由环形壁组件186的直径恒定的区域188限定的路径。当混合物202到达环形壁组件186的环形台阶190部分的冷凝点204时，混合物202的高密度部分206与混合物202的低密度部分分离。例如，在一个实施例中，环形台阶190的冷凝点204可以从熔渣和合成气混合物分离熔渣。这样，向下游流动的高密度材料的高密度流动路径建立在基本上由直径196限定的柱状路径中。因此，在一些实施例中，直径196的尺寸可设置成优化或最小化高密度材料(例如熔渣)的下降柱(falling column)的直径，如对于指定的应用所期望的那样。例如，可以选择直径196，使得由熔渣柱占据的容器146的体积减小或最小化，从而使得能够将内部184的更多体积献给热交换器管道。因为更大体积的热交换器管道可能便于高效的热传递，所以前述特征可以提供明显的优势。
当高密度流动路径206与混合物202分离时，低密度成分(例如合成气)就建立了通过喉部153的区域192的单独的流动路径，如由箭头208所示。在一些实施例中，在从混合物202分离高密度成分206期间，合成气的边界层(即，低密度成分)也可能与混合物分离，从而产生熔渣流动路径、边界层以及合成气流动路径。在这样的实施例中，直径恒定的区域192可以在通过渐缩区域194使合成气扩散之前使边界层能够重新附于合成气，如由箭头210所示。扩散的合成气210向下游朝着热交换器管道158流动。当合成气通过RSC 146行进时，热在热的合成气和通过热交换器管道行进的冷却的冷却剂之间交换，从而冷却合成气，如上面关于图2详细地描述的。
图4-6显示了图3中所示的环形台阶和冷凝点的当前考虑的实施例，但是所示的实施例并不意图将本发明限制为所示的配置。实际上，在某些实施例中，可以采用带有具有各种尺寸和形状的一个或更多冷凝点的任何合适的环形台阶。具体而言，图4是在图3的线4-4内所取的RSC的局部横截面图，显示了环形台阶190的一个实施例。在该实施例中，环形壁186在冷凝点204处上升，使得壁部212设置成与壁部216呈第一角214且与壁部220呈第二角218。角214和218的大小可以设置为适合于指定的应用，以从混合密度流动流分离高密度流动流。例如，在一些实施例中，角214可以处于大约5°和大约45°之间，尽管也可以采用其它角。还例如，角214可以处于大约5°和大约70°之间。
图5是显示备选的环形台阶222的实施例的示意图。在该实施例中，壁部216终止于冷凝点204，其上升至设置在壁部216和壁部220之间的弯曲的或弓形的壁224。图6是显示环形台阶222的又一实施例的另一示意图。在该实施例中，冷凝点204上升至第一壁部228，第一壁部228进而在终止于壁部220之前上升至第二壁部230。应当注意到，图4-6中所示的环形台阶的实施例仅仅是示例，并不意图约束或限制上升和/或冷凝点可能采取的形式。特别地，在其它实施例中，可以采用带有各种尺寸和形状的多种环形台阶中的任何台阶，以提供能够从混合密度流动路径分离高密度流动路径的冷凝点。
图7是图2的RSC 146的横截面顶视图，显示了纵向通过RSC 146建立的高密度流体路径的实施例。如所显示的，高密度流体流在通过RSC 146的纵向流的中心部分中建立在基本环形的环232中。在所示的实施例中，空洞空间的区域234建立在流232的环形环和环形的热交换器区域236之间。即，在一些实施例中，热交换器管道所处的热交换器区域236可以通过区域234离开熔渣流的环形环232。以这种方式，在合成气和熔渣通过RSC 146的纵向流动期间，熔渣流可以与热交换器管道隔离开。隔离区域234的尺寸可以设置成适用于给定的应用。
图8显示了使用图2的RSC 146来冷却气化器的合成气产物的方法238的实施例。方法238包括将熔渣和合成气的混合物注入冷却容器(方框240)中，以及将熔渣和合成气混合物应用至熔渣分离步骤(方框242)。熔渣分离步骤配置成产生分离的熔渣和合成气流动路径的冷凝点(方框244)。在熔渣分离步骤的下游，通过增加容器的直径，使分离的合成气流动路径向着下游的热交换器管道朝外扩散(方框246)。方法238还包括利用辐射和/或对流来冷却扩散的合成气(方框248)，例如，利用处于升高的温度的合成气和处于较低温度的流动通过热交换器管道的冷却剂之间的热交换。在合成气的冷却之后，分离的熔渣和冷却合成气各自被从RSC 146收集(方框250)并被从RSC 146引至恰当的第二容器。
本发明的实施例的技术效果包括使得能够在气化冷却系统中从混合密度流动路径(例如，熔渣和合成气混合物)分离高密度流动路径(例如，熔渣流动路径)。某些实施例的另一技术效果可以是合成气流动路径在气化冷却系统中的热交换器管道的上游的扩散。例如，本发明的一些实施例可以包括配置成作为从熔渣和合成气的混合物分离熔渣流的冷凝点起作用的环形台阶。前述特征可能便于合成气流与熔渣流的分离，从而当合成气流动通过冷却装置时，使得从合成气到热交换器管道的改善的热传递成为可能。
该书面描述使用示例来公开本发明，包括最佳模式，并且还使本领域的任何技术人员能够实践本发明，包括制造和使用任何装置或系统，以及执行任何结合的方法。本发明的可专利性范围由权利要求限定，并且可以包括本领域技术人员想到的其它示例。如果这种其它示例具有与权利要求的字面语言并无不同的结构要素，或者如果它们包括与权利要求的字面语言有非实质性差异的等同结构要素，那么这种其它示例意图落在权利要求的范围内。

Claims (14)

1.一种气化冷却系统(146)，包括：
外罩(148)，其具有入口(152)、出口(154)以及设置在所述入口(152)和所述出口(154)之间的内部区域(156)；以及
喉部(153)，其设置在所述内部区域(156)中，与所述入口(152)相邻，并且包括环形壁(186)，其中，所述环形壁(186)包括环形台阶(190)、设置在所述环形台阶(190)下游的直径恒定的区域(192)，以及直径增加的区域(194)，该直径增加的区域(194)在流动方向(160)上从与所述入口(152)相邻的所述喉部(153)的部分向着所述出口(154)延伸并且设置在所述直径恒定的区域(192)的下游。
2.根据权利要求1所述的气化冷却系统(146)，其特征在于，还包括在所述外罩(148)内沿着所述流动方向(160)设置在所述喉部(153)下游的热交换器管道(158)。
3.根据权利要求1所述的气化冷却系统(146)，其特征在于，所述环形台阶(190)包括配置成在所述流动方向(160)上从熔渣和合成气的混合物(202)分离熔渣流(206)的冷凝点(204)。
4.根据权利要求1所述的气化冷却系统(146)，其特征在于，所述直径恒定的区域(192)配置成使得合成气的边界层能够在所述流动方向(160)上重新附于分离的合成气流(210)。
5.根据权利要求1所述的气化冷却系统(146)，其特征在于，所述直径增加的区域(194)配置成使合成气流动流(210)沿着所述流动方向(160)扩散。
6.根据权利要求1所述的气化冷却系统(146)，其特征在于，所述环形台阶(190)包括围绕所述环形壁(186)的周边设置的一个或更多离散的冷凝点(204)，其中，熔渣(206)配置成向着所述离散的冷凝点(204)中的每一个流动并从所述离散的冷凝点(204)中的每一个滴落。
7.根据权利要求1所述的气化冷却系统(146)，其特征在于，所述环形壁(186)包括配置成热隔离所述内部区域(156)的一层或更多层耐火砖。
8.一种气化冷却系统(146)，包括：
外罩(148)，其包括在流动方向(160)上沿着所述外罩(148)纵向地延伸的流体通路；
环形壁(186)，其围绕所述流体通路设置，并且包括一个或更多环形台阶(190)；以及
多个热交换器管道(158)，位于所述一个或更多环形台阶(190)的下游，并且配置成当所述合成气(210)沿着所述流动方向(160)流动时冷却所述气体通路中的合成气(210)，
其中，所述环形壁(186)还包括在所述流动方向(160)上设置在所述一个或更多环形台阶(190)的下游且在所述热交换器管道(158)的上游的直径增加的区域(194)。
9.根据权利要求8所述的气化冷却系统(146)，其特征在于，所述一个或更多环形台阶(190)在所述环形壁(186)中包括成角的上升。
10.根据权利要求9所述的气化冷却系统(146)，其特征在于，所述成角的上升距所述环形壁(186)在大约5°到大约70°之间。
11.根据权利要求8所述的气化冷却系统(146)，其特征在于，所述一个或更多环形台阶(190)被配置为一个或更多冷凝点(204)，从所述一个或更多冷凝点(204)，熔渣流(206)与熔渣和合成气的混合物(202)分离。
12.根据权利要求8所述的气化冷却系统(146)，其特征在于，所述一个或更多环形台阶(190)配置成接收熔渣和合成气的混合物(202)并且引导来自所述混合物(202)的所述熔渣(206)沿着所述流动方向(160)落入设置在所述流体通路的中心部分中的基本环形的环(232)中。
13.根据权利要求8所述的气化冷却系统(146)，其特征在于，所述环形壁(186)还包括位于所述一个或更多环形台阶(190)下游的直径恒定的区域(192)。
14.根据权利要求8所述的气化系统(146)，其特征在于，所述直径增加的区域(194)配置成使合成气流动路径(208)基本均匀地围绕所述热交换器管道(158)扩散。
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