CN104726138A - 合成气冷却器 - Google Patents

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Abstract

一种系统包括气化器和合成气冷却器，该气化器可使原料气化以产生合成气，并且该合成气冷却器包括具有锥形构造的冷却室。该冷却室包括第一区段，该第一区段可从合成气中分离出颗粒并包括第一开口和第二开口。该第一开口具有比第二开口小的宽度。该系统还包括与第一区段流体连通的第二区段，该第二区段包括环绕该第一区段的多个管道。多个管道的第一部分平行于冷却室的纵向轴线设置，并且多个管道的第二部分是成角度的，使得多个管道的该第二部分形成锥形构造。该系统还包括通道以使密封气体在辐射式合成气冷却器的壳体与第二区段之间流动。该壳体围住该冷却室。

Description

合成气冷却器
技术领域本文中公开的主题涉及气化系统并且更具体地涉及用于冷却合成气的系统。
背景技术
气化器将含碳物质转化成一氧化碳和氢气的混合物，该混合物被称之为合成气体或合成气。例如，气化系统包括一个或多个气化器，该气化器使原料在高温下与氧气和/或蒸汽起反应以产生合成气。该合成气可被用于发电、化工生产、或任何其它适当的应用。在使用前，合成气可被在合成气冷却器中冷却并在气体处理系统中进行处理。
发明内容
在下文中概括了在范围上与原先要求保护的发明相当的特定实施例。这些实施例并非意在限制所要求保护的发明的范围，而是这些实施例旨在仅提供对于本发明的可能形式的简要概括。实际上，本发明可包含可与下文中所阐述的实施例相似或不同的多种形式。
在一个实施例中，一种系统包括气化器和合成气冷却器，该气化器可使原料气化以产生合成气，该合成气冷却器包括具有锥形构造的冷却室。该冷却室包括第一区段，该第一区段可从合成气中分离出颗粒并包括第一开口和第二开口。该第一开口具有比第二开口小的宽度。该系统还包括与第一区段流体连通的第二区段，该第二区段包括环绕第一区段的多个管道。多个管道的第一部分平行于冷却室的纵向轴线设置，并且多个管道的第二部分是成角度的，使得多个管道的第二部分形成该锥形构造。该系统还包括通道以使密封气体在合成气冷却器的壳体与第二区段之间流动。该壳体围住该冷却室。
在另一实施例中，一种系统包括具有第一区段的冷却室，该第一区段包括第一开口和第二开口。该第一开口可从气化器接收合成气并具有比第二开口小的宽度。该系统还包括与第一区段流体连通的第二区段并包括多个管道。多个管道的第一部分平行于容器的纵向轴线设置，并且多个管道的第二部分是成角度的，使得多个管道的第二部分形成锥形构造。该系统还包括可将第一区段与第二区段分离开的壁。该壁可阻挡合成气流进入第二区段中。
在再一实施例中，一种方法包括使合成气从气化器流到合成气冷却器中，该合成气冷却器包括具有第一开口和第二开口的第一区段。该第一开口具有比第二开口小的宽度。合成气冷却器还包括第二区段，该第二区段包括环绕第一区段的多个管道。多个管道的一部分与合成气冷却器的内壁一致，并且该内壁从第一开口至第二开口是成角度的以限定锥形构造。该方法还包括降低合成气在第一区段内的速度。该速度经由合成气在第一锥形构造中的扩散而降低。该方法还包括经由第二开口将合成气引导至第二区段。合成气在第二区段中的第二流动方向与合成气在第一区段中的第一流动方向大致相反。
附图说明
当参照附图阅读下列详细说明时，本发明的这些和其它特征、方面、和优点将得到更好的理解，在附图中，相似的附图标记在整个附图中表示相同的元件，其中：
图1是包括合成气冷却器的气化系统的实施例的示意性方框图；
图2是图1的合成气冷却器的实施例的侧视截面图；
图3是图2的合成气冷却器内的冷却室的实施例的侧视截面图；
图4是沿图2的线4-4获得的合成气冷却器的实施例的径向截面图；
图5是图3的冷却室的顶部部分的实施例的侧视截面图；
图6是图3的冷却室的顶部部分的实施例的侧视截面图；和
图7是图3的冷却室的顶部部分的实施例的侧视截面图。
具体实施方式
下面将描述本发明的一个或多个具体实施例。在试图提供对于这些实施方式作出的简要说明的过程中，实际实施方案的所有特征可能不在说明书中进行描述。应该了解的是，在任一这种实际实施方案的研发过程中，如在任一工程或设计方案中，必须作出多种为实施方案所特有的决定以实现研发者的具体目的，例如服从与系统相关并与商业相关的约束条件，这在实施方案之间可能是不同的。此外，应该了解的是，这种研发努力可能是复杂而耗时的，尽管如此，它对于受益于本公开的本领域技术人员而言会是一种设计、加工、和制造的常规任务。
当介绍本公开的多种实施例的元件时，冠词“一”、“一个”、“该”和“所述”意欲意指存在一个或多个元件。术语“包括”、“包含”和“具有”被规定成是包括在内的并且意指可能存在除所列元件之外的附加元件。
如在下文中详细讨论的那样，所公开的实施例包括一种气化系统，该气化系统包括合成气冷却器，例如辐射式合成气冷却器(RSC)，该合成气冷却器被设计成减少传热表面的结垢并提高冷却效率。通常来说，在气化期间，燃料源在气化器中经历部分氧化以产生合成气。最终得到的合成气离开该气化器并在高温和高压下进入该RSC。因此，在进一步处理(例如，移除气化副产品)之前，合成气可被冷却至所需温度。RSC的冷却性能可取决于合成气与传热表面的自然对流和辐射传热。然而，传热表面的结垢会降低RSC的整体性能。例如，最终得到的合成气可包括可能在RSC的传热表面上形成沉积物的副产品(例如，炉渣、飞尘、硫化物等)。同样，包含副产品沉积物的传热表面可不参与传热，从而降低RSC的整体效率。传热表面的结垢可通过改变在冷却期间RSC内的合成气的流型(flow pattern)和/或降低该合成气的速度而得到最小化。合成气流型会受到RSC的构造的影响。因此，本文中所提供的是具有下列构造的RSC，该构造调整合成气流型并增强合成气的冷却。
通过将锥形构造结合到RSC中，可提高RSC的整体冷却效率。例如，该锥形构造可致使合成气在RSC内散开(例如，远离中央轴线发散)，使得合成气充满该锥形构造。当合成气扩散时，合成气的速度降低并且合成气在RSC内的滞留时间会被增大，从而导致更为有效的冷却。此外，合成气的对流传热通过扩散而得到促进，从而进一步提高了RSC的冷却效率。此外，因合成气的较低冲击速度，RSC的该锥形构造可减少RSC内的传热表面的结垢。
图1是示出了气化系统100的实施例的方框图，该气化系统100为例如但不限于整体气化联合循环(IGCC)系统、甲醇制低碳烯烃化工厂(MTO)、和/或合成天然气化工厂(SNG)。该气化系统100包括气化器和诸如辐射式合成气冷却器(RSC)之类的合成气冷却器，该气化器可产生合成气，该合成气冷却器可冷却该合成气。气化系统100的元件可包括诸如固体加料器103之类的燃料源102，该燃料源102可被用作用于气化系统100的能量源。该燃料源102可包括煤、石油焦炭、生物质、木基物质、农业废弃物、焦油、焦炉气、沥青、来自精炼厂的重质残渣、或其它含碳产品。
燃料源102的燃料可被转到原料制备单元104。该原料制备单元104可例如通过对该燃料源102进行截断、磨碎、粉碎、压碎、压块、制丸来为该燃料源102重新确定尺寸或重新成形以产生原料105。因此，原料制备系统104可包括一个或多个研磨机、碾磨机或可在运转期间利用燃料源102的大颗粒产生小颗粒的任何相似的单元。此外，水、或其它适当的液体可在原料制备单元104中被添加至燃料源102以形成浆状原料。在其它实施例中，并未向燃料源添加液体，由此产生干原料。在其它实施例中，如果燃料源102是液体，则可省略掉该原料制备单元104。
气化系统100(例如，IGCC、MTO或SNG)可还包括空气分离单元(ASU)106。该ASU 106可起作用以通过例如蒸馏技术将空气分离成组分气体。该ASU 106可从辅助空气压缩机供给至该ASU106的空气中分离出氧气107，并且该ASU 106可将分离出的氧气107传递至气化器108。
原料105以及在特定实施例中来自ASU 106的氧气107可从原料制备单元104被转至气化器108(例如，部分氧化容器)。如将在下文中更为详细描述的那样，气化器108包括设置在气化容器中的反应器或反应室以使气化能够产生合成气110。该气化器108可将原料105转换成合成气110，例如，一氧化碳(CO)与氢气的组合物。根据所利用的气化器108的类型，该转换可通过使原料105在诸如从约20巴(bar)至85bar之类的升高压力和诸如约700℃至1600℃之类的温度下经受受控量的蒸汽112和氧化剂107(例如，纯氧、空气、或其混合物)来实现。该气化器108可以是上吸式或下吸式固定床气化器、诸如鼓泡流动床气化器或循环流动床气化器之类的流动床气化器、或移动床气化器。在气化过程期间，原料可经历热解过程，借此，对原料进行加热。根据用于产生原料105的燃料源102，气化器108的气化室内的温度可在热解过程期间在从约150℃至约700℃的范围内。
在还称之为脱挥发份作用的该热解过程期间产生的挥发物可通过将氧化剂107引至气化器108而被部分燃烧掉。该挥发物可与氧化剂107起反应以便在燃烧反应中形成二氧化碳(CO2)和CO，这提供了用于接着发生的气化反应的热量。由部分燃烧反应产生的温度可在从约700℃至1600℃的范围内。接着，可在气化步骤期间将蒸汽112引入到气化器108中。木炭可在从约800℃至1100℃范围的温度下与CO2和蒸汽起反应以产生CO和氢气。本质上，气化器108利用蒸汽112和氧气107以使得一些原料105能够被部分氧化以产生CO并释放能量，该能量驱动了将更多的原料转换成氢气和附加CO2的第二反应。
这样一来，气化器108制造最终获得的气体(例如，合成气110)。该最终获得的气体可包括约85％的等比例的CO和氢气，以及甲烷(CH4)、氯化氢(HCl)、氟化氢(HF)、羰基硫(COS)、氨气(NH3)、氰化氢(HCN)和硫化氢(H2S)(基于原料的硫含量)。该最终获得的气体可被称之为未处理的合成气，这是因为它包括例如H2S。该气化器108可还产生诸如炉渣114之类的废弃物，该废弃物可以是湿的灰渣物质。该炉渣114可在于诸如辐射式合成气冷却器(RSC)116之类的合成气冷却器中对未处理的合成气进行冷却期间被移除。该RSC 116可包括下列特征，该特征在合成气110在RSC 116内流动时有助于对其进行冷却并提高冷却效率。例如，当在RSC 116中时，合成气110的流型可有助于RSC 116的整体冷却效率。合成气的流型可受到RSC 116的构造的影响。因此，在特定实施例中，RSC 116可包括下列结构特征，这些结构特征可改变RSC 116内的合成气110的流型，如将在下文中参照图3所讨论的那样。合成气110的流型可增强RSC 116内的合成气110的对流和辐射传热。在其它实施例中，RSC 116可包括冷却管，该冷却管可经由与流经冷却管的冷却剂进行的间接传热来冷却该合成气110。气体处理单元或气体净化器120可被用于清洁离开RSC 116的未处理的合成气122。在一个实施例中，气体净化器120可包括水气体变换反应器。气体净化器120可对未处理的合成气122进行洗涤以便从未处理的合成气122中移除HCl、HF、COS、HCN和H2S，这可包括在硫处理器126中将硫124分离出来。此外，气体净化器120可经由水处理单元132从未处理的合成气122中分离出盐130，该水处理单元132可利用水净化技术以便从未处理的合成气122中产生可用的盐130。随后，来自气体净化器120的气体可包括处理过的合成气136(例如，已将硫124从合成气中移除)，伴有微量的其它化学制品，例如，NH3(氨气)和CH4(甲烷)。
在一些实施例中，残余气体处理器可被用于从处理过的合成气中移除附加残余气体组分，例如氨气和甲烷以及甲醇或任何残余化学制品。然而，从处理过的合成气136中移除残余气体组分是可选的，这是因为处理过的合成气136甚至是在它包括诸如尾气之类的残余气体组分时也可被用作燃料。
已经经历了移除其含硫组分及其大部分二氧化碳的处理过的合成气136可被传送至动力块(power block)140。例如，该动力块140可包括燃气涡轮发动机的燃烧器，其可将合成气136用作可燃燃料。该燃气涡轮发动机可驱动负载，例如用于发电的发电机。在特定实施例中，该动力块140可还包括热回收蒸汽发生器。该热回收蒸汽发生器可利用由RSC 116产生的蒸汽142。在特定实施例中，该热回收蒸汽发生器可向气化器108提供蒸汽144，该蒸汽144可被用在气化过程期间。此外，该热回收蒸汽发生器可向蒸汽涡轮发动机提供蒸汽，用于诸如由蒸汽涡轮机驱动的发电机发电。
如上所讨论的那样，离开气化器108的合成气可在RSC 116内被冷却。因此，本实施例包括RSC，该RSC被构造成改变合成气的流型以有助于对合成气进行冷却并从合成气中移除颗粒，从而改善RSC的整体冷却效率。图2是用于与图1的气化系统100(例如，IGCC、MTO或SNG)一起使用的RSC 116的实施例的侧视截面图。RSC 116的多个方面均可参照轴向方向或轴线200、径向方向或轴线202、以及圆周方向或轴线204进行描述。例如，轴线200对应于纵向中心线201或长度方向，轴线202对应于相对于纵向中心线201的横向或径向方向，并且轴线204对应于围绕该纵向中心线201的圆周方向。在气化期间，在气化器108中产生的合成气可与诸如炉渣114之类的颗粒混合，这些颗粒可在将合成气传送至动力块140之前被移除。RSC 116对于从合成气(例如，合成气110)中分离出颗粒而言会是有用的。此外，在经由RSC 116传送之前，对合成气进行冷却会是有益的。
RSC 116可包括可充当用于RSC 116的罩壳的容器206(例如，环形容器)。该容器206包括喉部207和壳体208(例如，环形壳体)，该喉部207构造成联接至气化器108，该壳体208起到用于容器206的外壳或外部壳体的作用。此外，壳体208围住RSC 116的上部区域210(例如，上部环形壳体部分)和下部区域212(例如，下部环形壳体部分)。该壳体208包括用于在容器206内由箭头218所示的那样循环密封气体的入口214(例如，径向端口)和出口216(例如，径向端口)。密封气体218流过位于容器208内的壳体208的内壁224(例如，环形壁)与冷却室228的外壁226(例如，环形壁)之间的通道220(例如，环形通道或通道的圆周阵列)。此外，流经通道220的密封气体218可保护冷却室228不会因进入RSC 116的合成气的高温和高压而导致变形(例如，翘曲)。冷却室228可包括第一区段230和第二区段232。该第二区段232沿轴线204行进并环绕该第一区段230。例如，第一区段230和第二区段232可以是同心的环形区段。冷却室228还包括第一开口234(例如，中央轴线开口)和第二开口236(例如，中央轴线开口)，这两个开口提供了用于使合成气(例如，合成气110)循环通过RSC 116的通道。在特定实施例中，第一开口234可具有比第二开口236小的宽度，使得冷却室228具有锥形结构(例如，圆锥结构或弯曲的环形结构)。例如，第一开口234可具有第一宽度，该第一宽度约为第二开口236的第二宽度的约10％至90％、20％至80％、30％至70％、或40％至60％。例如，锥形结构228可具有相对于中心线201的圆锥角231，其中，该圆锥角231可以是1度至60度、1度至45度、1度至30度、或5度至15度。第一开口234可从气化器108接收合成气，如由箭头110所示。当合成气110流经冷却室228时，诸如炉渣114之类的颗粒可从合成气110中分离出来并且经过第二开口236落入到连接在该开口240的下方的贮槽238或闭锁式料斗中。在特定实施例中，贮槽238可充满水或一种或多种化学制品以有助于对颗粒(例如，炉渣114)进行冷却以便经过固体出口240较容易地移除。
如上所讨论的那样，高温高压的合成气110经过第一开口234进入RSC 116。因此，为了使在RSC 116中的传热期间由高温高压的合成气110所导致的不良效果最小化，第一区段230的一部分可包括防护屏障242以减轻会由进入RSC 116的高温高压的合成气110所导致的不良效果。例如，防护屏障242有助于保护RSC 116对抗高温高压的合成气110导致临界热通量(CHF)的任何可能、即出现相变(例如，液体的蒸发或膜状沸腾)的表面的传热效率突然降低的任何可能性。当合成气110流到冷却室228中时，防护屏障242有助于保护RSC 116使其不受到导致冷却室228内的传热表面局部过热的合成气110的高温的影响，同时还有助于提高传热效率。通过将防护屏障242结合在第一区段230的一部分上，可减少传热表面的局部加热。防护屏障242可充当物理屏障、热屏障、化学屏障、或其任何组合。在一个实施例中，防护屏障242可覆盖住第一区段230的高达约50％或更多。例如，该防护屏障242可覆盖第一区段230的约1％、5％、10％、15％、20％、25％、30％、35％、40％或更多。在其它实施例中，防护屏障242可仅覆盖住冷却室228的第一开口234。防护屏障242可包括诸如但不限于耐火材料、耐火金属、非金属材料、粘土、陶瓷、水泥、以及铬、铝、硅、镁和钙的氧化物之类的材料。此外，用于该防护屏障242的材料可包括砖、铸块、覆层、或其任何组合。此外，在特定实施例中，防护屏障242可包括用于附加防护的表面润湿膜或冷却壁。
当在RSC 116中时，合成气110可被在冷却室228中经由与冷却剂(例如，气态和/或液态冷却剂，例如水)进行热交换而被冷却。因此，在特定实施例中，RSC 116可充当热交换器，例如壳管式热交换器。作为选择，合成气110可流经壳体或位于管道之间的通道，并且冷却剂可流过一个或多个管道。除了冷却合成气110之外，RSC 116可还从合成气移除不受欢迎的颗粒(例如，炉渣114)。如此，在本实施例中，冷却室228可包括冷却管以便在合成气110流经该RSC 116时有助于经由与冷却剂进行的热交换而对合成气110进行冷却。冷却管可包括第二区段232内的沿RSC 116的径向轴线202和圆周轴线204的多个管道244(例如，轴向管道)。换言之，多个管道244可在第二区段232的外壁226与内壁246之间在径向上(例如，沿轴线202)并在圆周上(例如，沿轴线204)间隔开。多个管道244可在冷却室228内形成笼状结构，如将在下文中参照图4更为详细地描述的那样。在一个实施例中，多个管道244可与容器206一起在方向上平行于轴向轴线200(例如，中心线201)行进。在其它实施例中，多个管道244可具有相对于中心线201的平行结构和倾斜结构的组合。例如，在所示实施例中，与冷却室228的内壁246(例如，内部环形壁)的至少一部分一致(coincide)的多个管道244(例如，邻近于第一区段230的多个管道244)可沿合成气110经过第一区段230的流动方向径向地发散远离该轴向轴线200(例如，中心线201)。因此，多个管道244可限定冷却室228的锥形构造229(例如，圆锥结构)。
如在图2中所示，多个管道244可经过一个或多个入口254(例如，径向端口)接收冷却剂并且可将冷却剂经过多个管道244中的一个或多个引导至一个或多个出口256(例如，径向端口)。例如，冷却剂可进入入口254并流进邻近于冷却室224的第二开口236的第一槽道258(例如，环形槽道)中。第一槽道258可与多个管道244中的一个或多个流体连通。同样，冷却剂可通过出口256经由邻近于冷却室228的第一开口234的第二槽道260(例如，环形槽道)离开多个管道244。冷却剂可以是用于冷却合成气的任何适当的流体，例如锅炉给水或来自蒸汽鼓的水。在特定实施例中，由多个管道244形成的笼状结构包括处于多个管道244中的每一个之间的通道264，该通道264在已沿向上方向重新引导该合成气之后接收该合成气。如在下文中所讨论的那样，合成气(例如，第一轴向方向至相反的第二轴向方向)的逆流可有助于减缓合成气的流动，同时还有助于使颗粒在到达多个管道244之前从该气流中掉出。合成气可随后经过第二区段232如箭头266所示被朝向出口268引导，在该出口268处，合成气可离开RSC 116用于进行进一步的处理。经过通道264的合成气可经由与流经多个管道244的冷却剂进行间接换热而得到冷却。在特定实施例中，冷却剂的流动可关于第一区段230中的合成气的流动并行(例如，沿相同的方向)。在其它实施例中，在合成气朝向第二开口236流动时，合成气可由于第一区段230内的对流再循环而导致与冷却剂的流动逆流流动。在合成气朝向第二开口236流动时，冷却剂的逆流流动可有助于从合成气(例如，合成气110)中分离出颗粒(例如，炉渣)。
在对通道264内的合成气进行冷却期间，来自合成气的热量会导致流经多个管道244的冷却剂汽化，从而产生蒸汽，例如高温蒸汽(例如，蒸汽142)。经由出口256离开的蒸汽可在汽化系统100(例如，IGCC)和/或化工厂(例如，MTO和/或SNG)中的其它位置处用作热源，如上参照图1所述。例如，蒸汽可用作热回收蒸汽发生器(HRSG)、气体净化器系统120、多联产(polygen)系统、碳捕获系统、甲烷化系统、蒸汽吸收系统、过程热交换器、反应器、温度控制器、或其任何组合的输入。因此，RSC 116有利地冷却合成气并产生大量的高压蒸汽，该蒸汽可具有用于发电的多个应用。除了冷却合成气之外，RSC 116可还构造成调节该合成气。例如，如上所讨论的那样，合成气的冷却可导致将合成气内的颗粒(例如，炉渣114)分离出来，从而使颗粒落入到贮槽238中，如由箭头270所示。
如上所讨论的那样，冷却室228可被设置成使得多个管道244(例如，与内壁246一致的多个管道244)中的一部分从轴向轴线200径向地发散以形成锥形构造229。通过设置与内壁246一致的多个管道244以形成锥形构造229，冷却室228可具有每单位体积增大的表面积。例如，当在冷却室228中时，合成气110扩散以充满该锥形构造229，并且该扩散可冷却合成气110并致使气化副产品(例如，炉渣)在合成气110到达多个管道244之前从合成气110中分离出来。此外，合成气110(例如，从第一轴向方向至相对的第二轴向方向)的倒流可有助于减缓合成气110的流动，并由此使得颗粒在合成气110到达多个管道244之前从该流动中掉出。因此，传热表面(例如，多个管道244的表面)的结垢的量可在锥形构造229内并在倒流的情况下被减少，这是因为少量的气化副产品撞击在多个管道244上。因此，在少量结垢的情况下，多个管道244可具有更好的传热效率。此外，合成气110的扩散会诱发合成气110的紊流，这会提高循环并进一步有助于对合成气110的冷却。因此，RSC 116的冷却效率可由于该锥形构造229和到达多个管道244之前的合成气110的倒流而得到提高。此外，该锥形构造229可由于扩散而降低合成气110的速度，如在下文中参照图3详细描述的那样，并由此增大合成气110在冷却室228内的滞留时间。
图3示出了冷却室228的一部分。在所示实施例中，合成气(箭头110)经过第一开口234以速度v0和动量p0进入第一区段230。当合成气110流经该第一区段230时，合成气在锥形构造229中扩散(例如，膨胀)，如由箭头300和302所示，以填充第一区段230的更宽部分。因此，当合成气径向地扩散以充满该第一区段230时，合成气的流型从关于轴向轴线200(例如，中心线201)大致平行的流动变化至平行和径向流动的组合。即，合成气110的流动在它朝向第二开口236向下流动时朝向内壁246远离中心线201发散。合成气在冷却室228内的扩散会导致合成气110的速度和动量(例如，v0和p0)降低。因此，合成气110在第一区段230内的滞留时间可增大并且可在锥形构造229中实现更为有效的冷却。此外，合成气110通过第一区段230的锥形构造229的扩散可改善合成气的循环并有助于合成气110的辐射式和混合式对流传热。在特定实施例中，孔板可放置于第一开口234处以限制该流动并在合成气110进入该第一区段230时进一步降低合成气110的速度和动量，如将在下文中参照图5更为详细地讨论的那样。
第一区段230内的合成气110的降低的速度和动量可还使得传热表面(例如，多个管道244的表面)上的合成气110的撞击速度最小化。例如，合成气110内的结垢组分(例如颗粒或炉渣114)可较为不可能地沉积在传热表面上，这是因为合成气110的降低了的撞击速度会降低颗粒粘附于传热表面(例如，多个管道244)的能力。因此，传热表面的结垢可利用锥形构造229而得到降低。此外，当合成气110在内第一区段230内冷却时，存在于合成气中的任何颗粒均可在达到多个管道244的传热表面之前(例如，通过重力)落入到贮槽238中。如上所讨论的那样，合成气110在它充满第一区段230时的扩散导致了合成气110的冷却。该冷却会导致合成气组分(例如，CO、H2、H2S、炉渣等)的密度改变。因此，具有高密度的至少一部分组分(例如颗粒或炉渣114)可在达到多个管道244的传热表面之前开始落入到贮槽238中，并且密度较低的组分(例如，CO、H2、H2S等)可流到第二区段232中。合成气110的倒流还有助于降低速度并致使颗粒在达到多个管道244之前从合成气110的流动中掉出。因此，利用锥形构造229和在使合成气100的流动反向，到达多个管道244的传热表面的颗粒的数量被减少并且可发生较少的传热表面结垢。
此外，更大的每单位体积传热表面积的可用性可使得RSC 116的整个高度能够被降低。在特定实施例中，与在具有圆柱形构造和单程流动而非锥形构造229的RSC中使用的管道的高度相比，多个管道244的高度可被降低高达50％。与具有不带有锥形构造229的RSC的系统相比，冷却室228的该锥形构造229可还降低建设成本和调试成本。例如，由于RSC 116的高度降低，因此可更易于将RSC 116安装和集成到气化系统100(例如，IGCC、MTO或SNG)中。此外，由于冷却室228的高度降低，因此RSC 116可利用少量的材料。此外，RSC 116的冷却室228、多个通道244、和其它部件可由廉价材料构建而成，这是因为传热表面会不易于结垢。例如，材料可包括但不限于诸如SS310和SS316L之类的不锈钢，诸如镍洛合金625、镍洛合金800LC和镍洛合金825之类的镍洛合金，或者任何其它适当的材料及其组合。
一旦合成气已扩散遍及冷却室228(例如，经过向下扩展的锥形结构229沿向下的轴向方向扩展)，合成气就可经过第二开口236流出并向上流到第二区段232中的通道264中，如由箭头310所示。合成气110可流经位于多个管道244之间的通道264。当在通道264中时，合成气110可通过与流经多个管道244的冷却剂间接换热而得到冷却。与合成气110在第一区段230内的滞留时间相似，由于第二区段232的锥形构造231(例如，合成气沿向上的轴向方向经过向上扩展的锥形结构231扩展)，第二区段232内的合成气110也具有增大的滞留时间。如所示，锥形构造229和231是同心的、反向取向扩展的环形室，使得合成气110既沿向下的方向又沿向上的方向扩展。因此，与其它构造(例如，圆柱形构造)相比，可实现更为有效的传热，这是因为合成气可处于第二区段232中持续较长的时期。在特定实施例中，合成气可经过形成在冷却室228的内壁246上的旁通通道312(例如，径向开口)流到通道264中，如由箭头314所示。旁通通道312可由在与RSC 116的内壁246一致的多个管道244之间的间隙形成。
为了提高RSC 116的冷却效率，多个管道244可围绕第一区段230径向地且圆周地放置于离散位置处。现在转向图4，示出了沿图2的线4-4获取的RSC 116的径向截面。如上所讨论的那样，多个管道244可形成笼状结构，处于多个管道244中的每一个之间的通道264提供了用于合成气的通道以使其流经第二区段232。在所示实施例中，第一壁402可在与冷却室228的外壁226一致的多个管道244和通道220之间形成屏障。在特定实施例中，第一壁402可沿外壁226形成一层，使得第一壁402围住与外壁226一致的多个管道244之间的间隙并阻止密封气体218流入到第二区段232中。在其它实施例中，第一壁402可仅放置在与外壁226一致的多个管道244之间的间隙内。在再一实施例中，第一壁402可以是并不与邻近于通道220的多个管道244接触的单独的结构。如此，通道264可还处于邻近于通道220的多个管道244与第一壁402之间。第一壁402可包括防渗材料以使得进入第二区段232的密封气体218的流动最小化。例如，第一壁402可包括诸如但不限于镍洛合金之类的材料或者任何其它适当的材料或其组合，该镍洛合金例如为镍洛合金625、镍洛合金800LC和镍洛合金825。
除了第一壁402之外，第二区段232可还包括位于冷却室228的内壁246上的第二壁406(例如，带有诸如旁通通道312之类的一个或多个开口的膜式壁)。与膜式壁402相似，第二壁406可密封位于多个管道244之间的间隙以阻止第一区段230内的合成气过早地流入到第二区段232中。即，第二壁406可在已将合成气的不合乎要求的组分(例如，颗粒或炉渣114)移除之前阻止合成气进入第二区段232。在特定实施例中，第二壁406可包括旁通通道312以使得合成气的局部流能够在到达第二开口236之前进入第二区段232中。例如，旁通通道312可设置在第二开口236的附近，如图3中所示。这使得一部分合成气能够扩展到第二区段232中，从而进一步冷却合成气且降低合成气的速度并增大合成气在第二区段232内的滞留时间。尽管旁通通道312可具有任何适当的尺寸，但在特定实施例中，旁通通道312可处于冷却室228的整个高度的约1％至30％、2％至20％、3％至15％或4％至10％之间。
如上所讨论的那样，冷却室228的锥形构造229可增大合成气110的滞留时间，这可导致RSC 116的改进的冷却效率。此外，第二区段232中的多个管道244的锥形构造231、管道直径、和间距可还影响合成气在第二区段232内的滞留时间和第二区段232内的传热表面的冷却效率。例如，与流经第一区段230中的锥形构造229的合成气流的扩散相似，第二区段232中的锥形构造231使得合成气流扩散，这增大了合成气在多个管道244周围的滞留时间。通过进一步结合具有大直径的管道可提供更大的每单位体积传热表面积，然而大直径管道会占据更大的空间并可减少第二区段232内用于合成气扩散的可用空间的大小。同样，具有较小直径的管道可有助于合成气在第二区段232内的扩散。然而，传热表面积会较小并且冷却效率会被降低。因此，需要对管径与间距之间的平衡进行选择以获得所需的冷却效率和合成气在第二区段232内的增大的滞留时间。例如，在特定实施例中，多个管道244可具有处于约2厘米至16厘米之间的外径和处于约1厘米至12厘米之间的内径。这种管径可提供所需的传热表面积和增大的用于有效冷却合成气的滞留时间。
此外，在特定实施例中，多个管道244可设置成使得每一个管道之间的从每个管道的中心到中心测量到的距离d可处于多个管道244的外径的约1至4倍之间。多个管道244可围绕轴线200沿圆周轴线204成排设置(例如，多个管道244的环形排)，例如同心的环形排的多个管道244。在一个实施例中，成排的多个管道244可沿径向轴线202彼此径向地对齐。在其它实施例中，成排的多个管道244可沿径向轴线202是交错的以提供更为紧密的结构并在多个管道244之间提供用于合成气的所需扩散间距。多个管道244的交错的成排结构可使得第二区段232内的合成气能够在成排的多个管道244之间流动并有助于合成气的扩展。在所示实施例中，与外壁226一致的多个管道244是更为紧凑的并且与膜式壁402一起可形成屏障以阻止合成气流入到通道220中。如应当了解到的那样，由于第二区段232的锥形构造231，位于槽道260附近的多个管道244的一部分之间的距离d可比位于槽道258附近的多个管道244之间的距离d宽。
如上所讨论的那样，参照图2，RSC 116可包括孔板以在合成气从气化器108流入到RSC 116中时限制并降低合成气(例如，合成气110)的动量。现在转向图5，示出了RSC 116的包括孔板500的一部分。在所示实施例中，孔板500设置在RSC 116的喉部207的远端上。在特定实施例中，孔板500内衬有防护屏障242。然而，可使用没有防护屏障242的孔板500。当合成气流出气化器108并流入到喉部207中时，如由箭头110所示，孔板500可致使合成气会聚，如由箭头506所示。在合成气流经孔板500时，合成气的会聚致使合成气的速度和压力改变。此外，一旦合成气流过孔板500，合成气就扩展以充满冷却室228，如由箭头510所示。合成气的扩展进一步降低了速度。因此，内壁246上的撞击速度会被降低并且合成气在冷却室228内的滞留时间会被增大。此外，合成气的由孔板500所导致的速度和流型(例如，扩散)的改变经由焦耳—汤姆逊效应而利于对流传热。一般来说，该焦耳—汤姆逊效应表明了气体的势能由于扩展所造成的增大使得气体的动能减少，并且因此在不与周围表面进行换热的情况下冷却该气体。因此，以上述方式(例如，通过结合孔板500)冷却合成气可作为由扩展而导致的合成气的温度降低的结果降低第一区段230中的传热表面的热应力。此外，由于传热表面上的热应力降低，因此可将比较便宜的材料用在构造这些表面中，如上所述。孔板500可具有任何所需的构造，该所需构造有助于将从气化器108流动的合成气会聚到RSC 116中。例如，图6和图7示出了孔板500的其它可能的构造，其可在合成气流到RSC 116中时提供合成气的预期会聚和冷却。例如，在图6中，孔板500可仅附接于喉部207的特定部分，从而在孔板500与喉部207的一部分之间形成通道600。在其它实施例中，如在图7中所示，槽道260的一部分可延伸到喉部207中以形成孔板并缩小第一开口234，从而使会聚的合成气流到第一区段230中。
如上所述，辐射式合成气冷却器116的特定实施例可包括成角度地设置多个管道244中的环绕第一区段230的一部分以形成锥形构造229和231。RSC 116的该锥形构造229和231可降低合成气110的速度，并由此增大合成气110在RSC 116内的滞留时间。此外，RSC116的该锥形构造229和231可通过有助于在达到传热表面(例如，多个管道244)之前移除气化副产品来减少传热表面的结垢。由此，该锥形构造229和231可提高RSC 116的整体冷却效率。此外，RSC116可包括其它特征(例如，孔板500)以限制合成气110从气化器108到RSC 116中的流动，并且进一步降低合成气110在RSC 116内的速度。
本书面描述使用示例来公开包括最佳模式的本发明，并且也使本领域技术人员能够实施本发明，包括制造和使用任何装置或系统以及执行任何所包含的方法。本发明的可专利范围由权利要求限定，并且可包括本领域技术人员想到的其它示例。这种其它示例旨在处于权利要求的范围内，只要它们具有与该权利要求的文字语言没有区别的结构元件，或者只要它们包括与该权利要求的文字语言无实质区别的等效结构元件。

Claims (20)

1.一种系统，包括：
气化器，所述气化器构造成使原料气化以产生合成气；和
合成气冷却器，所述合成气冷却器包括具有锥形构造的冷却室，其中，所述冷却室包括：
第一区段，所述第一区段构造成从所述合成气中分离出颗粒并包括第一开口和第二开口，其中，所述第一开口具有比所述第二开口小的宽度；
第二区段，所述第二区段与所述第一区段流体连通，所述第二区段包括环绕所述第一区段的多个管道，其中，所述多个管道的第一部分平行于所述冷却室的纵向轴线设置，并且其中，所述多个管道的第二部分是成角度的，使得所述多个管道的所述第二部分形成所述锥形构造；和
通道，所述通道构造成使密封气体在所述辐射式合成气冷却器的壳体与所述第二区段之间流动，其中，所述壳体围住所述冷却室。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述多个管道的所述第二部分至少部分地限定所述冷却室的内壁。
3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述系统包括邻近于所述多个管道的壁并且所述壁构造成将所述第一区段与所述第二区段分离开或者将所述第二区段与所述通道分离开。
4.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，所述壁构造成阻止所述合成气流、所述密封气体流或其组合进入所述第二区段中。
5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述第一区段包括具有一个或多个旁通通道的壁，所述旁通通道构造成使所述合成气流的一部分能够从所述第一区段进入所述第二区段中。
6.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，所述一个或多个旁通通道包括处于所述多个管道的所述第二部分之间的间隙。
7.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述第一区段的一部分包括防护屏障。
8.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述第二开口与所述第二区段流体连通。
9.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述合成气冷却器构造成使冷却剂流经所述多个管道。
10.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述第一开口包括孔板，所述孔板构造成限制所述合成气流进入所述第一区段中。
11.一种系统，包括：
容器，包括：
冷却室，所述冷却室包括：
第一区段，所述第一区段包括第一开口和第二开口，其中，所述第一开口构造成从气化器接收合成气并具有比所述第二开口小的宽度；
第二区段，所述第二区段与所述第一区段流体连通并包括多个管道，其中，所述多个管道的第一部分平行于所述容器的纵向轴线设置，并且其中，所述多个管道的第二部分是成角度的，使得所述多个管道的所述第二部分形成锥形构造；和
壁，所述壁构造成将所述第一区段与所述第二区段分离开，其中，膜式壁阻止所述合成气流进入所述第二区段中。
12.根据权利要求11所述的系统，其特征在于，所述多个管道的第一部分至少部分地限定所述冷却室的外壁。
13.根据权利要求11所述的系统，其特征在于，所述多个管道的第二部分至少部分地限定所述冷却室的内壁。
14.根据权利要求11所述的系统，其特征在于，所述第一开口包括孔板，所述孔板构造成限制所述合成气流进入所述第一区段中。
15.根据权利要求11所述的系统，其特征在于，所述壁包括一个或多个旁通通道，所述旁通通道构造成使得所述合成气流的一部分能够从所述第一区段进入所述第二区段中。
16.根据权利要求11所述的系统，其特征在于，所述第一区段内的所述合成气流与所述第二区段中的所述合成气流是逆流的。
17.根据权利要求11所述的系统，其特征在于，所述第一区段的一部分包括耐火材料。
18.一种方法，包括：
使合成气从气化器流到合成气冷却器中，所述合成气冷却器包括：
第一区段，所述第一区段具有第一开口和第二开口，其中，所述第一开口具有比所述第二开口小的宽度；和
第二区段，所述第二区段包括环绕所述第一区段的多个管道，其中，所述多个管道的一部分与所述合成气冷却器的内壁一致，并且所述内壁从所述第一开口至所述第二开口是成角度的以限定锥形构造；
降低所述合成气在所述第一区段内的速度，其中，所述速度通过所述合成气在第一锥形构造中的扩散而降低；以及
经由所述第二开口将所述合成气引导至所述第二区段，其中，所述合成气在所述第二区段中的第二流动方向与所述合成气在所述第一区段中的第一流动方向大致相反。
19.根据权利要求18所述的方法，其特征在于，所述方法包括使所述第一区段内的所述合成气的一部分沿所述内壁经过一个或多个旁通通道流到所述第二区段中，所述一个或多个旁通通道包括处于所述多个管道的所述部分之间的间隙。
20.根据权利要求18所述的方法，其特征在于，所述第一锥形构造使所述合成气在所述第一区段中的所述第一流动方向扩展，并且所述第二区段具有沿所述合成气的所述第二流动方向扩展的第二锥形构造。
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