CN108317874B - 合成气冷却器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种合成气冷却器，用于冷却合成气。所述合成气冷却器包括过热器热交换器，所述过热器热交换器进一步包括：第一集管，其被配置成接收饱和蒸汽；第二集管，其被配置成排出过热蒸汽；以及第一管群组，其直接连接到所述第一集管和所述第二集管且在所述第一集管与所述第二集管之间竖直延伸。所述第一管群组中的每个管包括与所述合成气介接的外表面和在所述第一集管与所述第二集管之间的相应长度，且所述第一管群组中的每个管不接触沿着所述相应长度的另一管，以使得所述合成气能够围绕每个管的外表面沿着其相应长度且在每个管之间流动。

Description

合成气冷却器
技术领域
本说明书公开的主题涉及气化系统内的合成气冷却器，且更确切地说，涉及合成气冷却器内的热交换表面。
背景技术
气化器将含碳材料转化为一氧化碳与氢气的混合物，所述混合物称为合成气体或合成气。举例来说，气化系统包括一个或多个气化器，所述气化器使原料在高温下与氧气和/或蒸汽反应以产生合成气。合成气可用于发电、化学生产或任何其它合适的应用。在使用之前，合成气可经由热交换系统在合成气冷却器中冷却且在气体处理系统中处理。热交换系统在冷却合成气时可能会产生饱和蒸汽和/或过热蒸汽。
发明内容
在范围方面与初始要求保护的发明相一致的某些实施例总结如下。这些实施例不希望限制要求保护的发明的范围，相反，这些实施例希望仅提供本发明的可能形式的简要总结。实际上，本发明可涵盖可类似于或不同于下文阐述的实施例的多种形式。
在一个实施例中，一种合成气冷却器被配置成冷却合成气。所述合成气冷却器包括过热器热交换器，所述过热器热交换器进一步包括：第一集管(header)，其被配置成接收饱和蒸汽；第二集管，其被配置成排出过热蒸汽；以及第一管群组，其直接连接到所述第一集管和所述第二集管、且在所述第一集管与所述第二集管之间竖直延伸。所述第一管群组中的每个管包括与所述合成气交界的外表面和在所述第一集管与所述第二集管之间的相应长度，且所述第一管群组中的每个管不接触沿着所述相应长度的另一管，以使得所述合成气能够围绕每个管的外表面沿着其相应长度且在每个管之间流动。
所述合成气冷却器包括饱和热交换器，所述饱和热交换器包括：第三集管，其被配置成接收水；第四集管，其被配置成排出饱和蒸汽；及第二多个管，其直接连接到所述第三集管和所述第四集管且在所述第三集管与所述第四集管之间竖直延伸，其中每个管与所述合成气交界。
其中，所述过热器热交换器与所述饱和热交换器相对于所述合成气冷却器的纵向轴线位于相同轴向位置处；其中，所述合成气冷却器包括多个过热器热交换器和多个饱和热交换器，且所述多个过热热交换器中的每个过热热交换器相对于所述纵向轴线沿圆周设置于所述多个饱和热交换器中的一对饱和热交换器之间。
其中，所述过热器热交换器与所述饱和热交换器相对于所述纵向轴线彼此邻近地径向设置，且所述过热器热交换器中的多数相对于所述纵向轴线在所述饱和热交换器径向向外处。
其中，所述合成气冷却器包括具有顶端和底端的实质上圆筒形容器，且所述过热器热交换器从邻近于所述顶端竖直延伸到邻近于所述底端。
其中，所述第一多个管以交错布置直接连接到所述第一集管和所述第二集管。
其中，所述合成气冷却器包括辐射合成气冷却器。
其中，包括连接到所述合成气冷却器的气化炉。
其中，包括集成式气化组合循环系统，所述集成式气化组合循环系统包括所述合成气冷却器。
在第二实施例中，一种合成气冷却器被配置成冷却合成气。所述合成气冷却器包括过热器热交换器群组。每个过热器热交换器进一步包括：第一集管，其被配置成接收饱和蒸汽；第二集管，其被配置成排出过热蒸汽；以及第一管群组，其直接连接到所述第一集管和所述第二集管、且在所述第一集管与所述第二集管之间竖直延伸。所述第一管群组中的每个管包括与所述合成气交界的外表面且具有在所述第一集管与所述第二集管之间的相应长度。所述第一管群组中的每个管不接触沿着所述相应长度的另一管，以使得所述合成气能够围绕每个管的外表面沿着其相应长度且在每个管之间流动。所述过热器热交换器群组亦包括饱和热交换器群组。每个饱和热交换器包括：第三集管，其被配置成接收水；第四集管，其被配置成排出饱和蒸汽；第二管群组，其直接连接到所述第三集管和所述第四集管、且在所述第三集管与所述第四集管之间竖直延伸。所述第二管群组中的每个管与所述合成气交界。此外，所述过热器热交换器群组与所述饱和热交换器群组相对于所述合成气冷却器的纵向轴线位于相同轴向位置处。
其中，所述多个过热热交换器中的每个过热热交换器相对于所述纵向轴线沿圆周设置在所述多个饱和热交换器中的一对饱和热交换器之间。
其中，所述合成气冷却器包括具有顶端和底端的实质上圆筒形容器，且所述多个过热器热交换器和所述多个饱和热交换器两者皆从邻近于所述顶端竖直延伸到邻近于所述底端。
在第三实施例中，一种合成气冷却器被配置成冷却合成气。所述合成气冷却器包括过热器热交换器群组。每个过热器热交换器包括：第一集管，其被配置成接收饱和蒸汽；第二集管，其被配置成排出过热蒸汽；以及第一管群组，其直接连接到所述第一集管和所述第二集管、且在所述第一集管与所述第二集管之间竖直延伸。所述第一管群组中的每个管包括与所述合成气交界的外表面和在所述第一集管与所述第二集管之间的相应长度，且所述第一管群组中的每个管不接触沿着所述相应长度的另一管，以使得所述合成气能够围绕每个管的外表面沿着其相应长度且在每个管之间流动。所述合成气冷却器还包括饱和热交换器群组。每个饱和热交换器包括：第三集管，其被配置成接收水；第四集管，且被配置成排出饱和蒸汽；以及第二管群组，其直接连接到所述第三集管和所述第四集管、且在所述第三集管与所述第四集管之间竖直延伸。所述第二管群组中的每个管与所述合成气交界。此外，所述过热器热交换器群组与所述饱和热交换器群组相对于所述合成气冷却器的纵向轴线位于不同轴向位置处。
附图说明
当参考附图阅读以下详细描述时，将会更好地理解本发明的这些和其它特征、方面和优点，其中在整个附图中，相同的字符表示相同的部分，在附图中：
图1为包括合成气冷却器的气化系统的实施例的示意性框图；
图2为图1的合成气冷却器的实施例的横截面侧视图；
图3为图2的合成气冷却器内的过热器热交换器和饱和热交换器的实施例的横截面示意图；
图4为图3的饱和热交换器的管的实施例的示意性顶视图；
图5为图3的过热器热交换器的管的实施例的示意性顶视图；
图6为图3的过热器热交换器和饱和热交换器两者的集管的实施例的顶视图；
图7为图3的过热器热交换器和饱和热交换器两者的顶部部分的实施例的透视图；
图8为图3的过热器热交换器和饱和热交换器两者的底部部分的实施例的透视图；
图9为图3的过热器热交换器和饱和热交换器两者的底部部分的实施例的不同透视图；
图10为图2的合成气冷却器内的过热器热交换器和饱和热交换器的实施例的横截面示意图；
图11为图10的饱和热交换器的管的实施例的示意性横截面俯视图；
图12为图10的过热器热交换器的管的实施例的示意性横截面俯视图；
图13为图10的过热器热交换器和/或饱和热交换器的集管的实施例的顶视图；
图14为示出图10的饱和热交换器的顶部集管的实施例的透视图；
图15为示出图10的过热器热交换器的顶部集管的实施例的透视图；
图16为示出图10的过热器热交换器的底部集管的实施例的透视图；
图17为图2的合成气冷却器内的过热器加热器热交换器和饱和热交换器的实施例的横截面示意图；
图18为图17的过热器热交换器和饱和热交换器两者的管的实施例的示意性横截面俯视图；
图19为图17的过热器热交换器和饱和热交换器两者的管的实施例的示意性顶视图；
图20为图17的过热器热交换器和饱和热交换器两者的管的实施例的示意性顶视图；及
图21为图2的过热器热交换器和饱和热交换器两者的一部分的实施例的透视图。
具体实施方式
将在下文描述本发明的一个或多个具体实施例。为了提供这些实施例的简要描述，可能无法在本说明书中描述实际实施方案的所有特征。应了解，在任何此类实际实施方案的开发中，如在任何工程或设计项目中，必须做出众多特定于实施方案的决定以实现开发者的特定目标，例如遵守与系统有关和与商业有关的约束，所述约束可能在不同实施方案之间有所不同。此外，应了解，此类开发工作可能是复杂且耗时的，然而对于受益于本发明的所属领域的技术人员来说，这些都是设计、构造和制造中的常规任务。
当介绍本发明的各种实施例的元件时，用词“一”和“所述”旨在表示存在一个或多个所述元件。术语“包括(comprising)”、“包括(including)”和“具有”希望是包括性的且意味着可能存在除了所列元素之外的额外元素。
如下文所详细论述，所公开的实施例包括气化系统，所述气化系统包括合成气冷却器，例如辐射合成气冷却器(radiant syngas cooler，RSC)，所述合成气冷却器具有被配置成使蒸汽和水饱和且使蒸汽过热的(一个或多个)热交换器(例如，热交换器系统)。饱和热交换器可自蒸汽包(steam drum)接收水，且经由合成气冷却器内部的管引导所述水。合成气可在其与管且与所述管内的水(例如，冷却流体)交换热时与这些管交界(interface)。在水被加热时，可以实现成泡核沸腾(nucleate boiling)(例如，饱和蒸汽与饱和水的两相(two-phase)混合物)。饱和蒸汽与水混合物可接着被引导回到蒸汽包以待分离成饱和蒸汽与饱和水组分。饱和水可随补给水(make-up water)被引导回到合成气冷却器内的饱和热交换器，或可被引导到系统内的其它应用。饱和蒸汽被引导到合成气冷却器内的过热器热交换器。过热器热交换器可经由合成气冷却器内部的管引导饱和蒸汽。这些管可彼此不接触，以使得合成气可沿着其长度且在相邻管之间流动。在合成气接触这些管的外表面时，合成气可将热传递到管的表面和饱和蒸汽(例如，冷却流体)。在热传送到饱和蒸汽时，饱和蒸汽可能会变得过热。过热蒸汽接着被引导到系统内的其它下游应用。与外部过热器相比时，上文所描述的热交换器系统节约成本且设计简单，且可导致气化系统的饱和蒸汽回路的输送损失降低。
现在转向各图，图1为示出气化系统10的实施例的框图，所述气化系统例如但不限于集成式气化组合循环(IGCC)系统、甲醇转烯烃化学设备(methanol-to-olefin chemicalplant，MTO)、和/或合成天然气化学设备(synthetic natural gas chemical plant，SNG)。气化系统10包括：气化炉，其可产生合成气；及合成气冷却器，例如，辐射合成气冷却器(RSC)，其可冷却合成气。气化系统10的元件可包括燃料源12，例如固体馈料13，其可用作气化系统10的能量源。燃料源12可包括煤、石油焦炭、生物质、基于木材的材料、农业废弃物、焦油、焦炉气、沥青、来自精炼厂的重质残余物或其它含碳物料。
燃料源12的燃料可传递到原料准备单元14。原料准备单元14可例如通过切碎、碾磨、撕碎、粉碎、压块或粒化燃料源12来调整燃料源12的大小或形状以产生原料15。因此，原料准备系统14可包括可在操作期间从燃料源12的大颗粒产生较小颗粒的一个或多个研磨机、磨机或任何类似单元。此外，水或其它合适液体可添加到原料准备单元14中的燃料源12以产生浆液原料。在其它实施例中，不将液体添加到燃料源，因此产生干燥原料。在另外的实施例中，如果燃料源12为液体，则可省略原料准备单元14。
气化系统10(例如，IGCC、MTO或SNG)可进一步包括空气分离单元(ASU)16。ASU 16可操作以通过例如蒸馏技术来将空气分离成组分气体。ASU 16可从从补充空气压缩机供应到它的空气分离出氧气17，且ASU 16可将分离出的氧气17传递到气化炉18。
原料15，且在某些实施例中，来自ASU 16的氧气17，可从原料准备单元14传递到气化炉18(例如，部分氧化容器)。气化炉18包括设置于气化容器中以实现气化从而产生合成气20的反应器或反应腔室。气化炉18可将原料15转化成合成气，例如，一氧化碳(CO)与氢气的组合。此转化可通过使原料15在例如从大致20巴到85巴的高压和例如大致700摄氏度(℃)到1600℃(1292华氏度[℉]到2912℉)的温度下经受控制量的蒸汽和氧化剂17(例如，纯氧、空气，或其混合物)，这取决于所利用的气化炉18的类型。气化炉18为流化床气化炉。在气化处理期间，原料可经受热解处理，由此原料被加热。气化炉18的气化腔室内部的温度范围可在热解处理期间大致在150℃到700℃(302℉到1292℉)，这取决于用来产生原料15的燃料源12。
在也称为去挥发(devolatilization)的热解处理期间产生的挥发物可通过将氧化剂17引入到气化炉18而部分燃烧。挥发物可与氧化剂17反应以在燃烧反应中形成CO2和CO，所述燃烧反应提供用于后续气化反应的热。由部分燃烧反应产生的温度范围可在大致700℃到1600℃(1292℉到2912℉)。接下来，蒸汽可在气化步骤期间导入到气化炉18中。炭(char)可在范围在大致800℃到1100℃(1472℉到2012℉)的温度下与CO2和蒸汽反应以产生CO和氢气。本质上，气化炉18利用蒸汽和氧气17以允许原料15中的一些部分氧化以产生CO且释放能量，所述能量驱动将进一步原料转化为氢气和额外CO2的第二反应。
以此方式，气化炉18制得所得气体(例如，合成气20)。此所得气体可包括相等比例的大致85％的CO和氢气，以及CH4、HCl、HF、COS、NH3、HCN和H2S(基于原料的硫含量)。此所得气体可被称为未处理合成气，因为其包括例如H2S。气化炉18还可产生废弃物，例如矿渣(slag)24，其可为湿灰渣材料(wet ash material)。此矿渣24可在于例如辐射合成气冷却器(RSC)26的合成气冷却器内冷却未处理合成气之后经由骤冷/闭锁料斗系统移除。RSC 26可包括用以在合成气20在RSC 26内流动时促进合成气的冷却且增大冷却效率的特征。这些冷却特征可包括热交换器。如在下文详细描述，热交换器可包括饱和热交换器27(例如，饱和器)和过热器热交换器28(例如，过热器)。饱和器27可从蒸汽包29接收锅炉水(例如，馈料水)。在热从合成气交换到饱和器28中的锅炉水时，成核沸腾(nucleate boiling)随之发生，且饱和蒸汽与水的所得两相(two-phase)混合物重新引入回到蒸汽包29中。在蒸汽包内，饱和蒸汽与水的混合物分离成饱和蒸汽和水。饱和水可随补给水再循环回到RSC 26中，所述补给水可经由饱和器28再循环，如上文所描述。饱和蒸汽经由管道离开蒸汽包29，且被引导到过热器28。在热进一步在合成气20与饱和蒸汽之间交换时，饱和蒸汽可变为过热蒸汽。如下文所描述，过热蒸汽可用于下游应用中。气体处理单元或气体纯化器30可用来清洁离开RSC 26的未处理合成气32。在一个实施例中，气体纯化器30可包括水煤气变换反应器。气体纯化器30可洗涤未处理合成气32以从未处理合成气32中移除HCl、HF、COS、HCN和H2S，其可包括在硫处理器36中分离硫34。此外，气体纯化器30可经由水处理单元42从未处理合成气32分离出盐40，所述水处理单元可利用水净化技术来从未处理合成气32中产生可用盐40。随后，来自气体纯化器30的气体可包括经处理合成气46(例如，硫34已从合成气移除)以及痕量(trace amounts)的其它化学品，例如NH3(氨气)和CH4(甲烷)。
在一些实施例中，残余气体处理器可用来从经处理合成气移除例如氨气(ammonia)和甲烷(methane)的额外残余气体组分以及甲醇(methanol)或任何残余化学品。然而，从经处理合成气46移除残余气体组分是任选的，因为经处理合成气46可用作燃料，甚至在其包括例如尾气的残余气体组分时也是这样。
已被移除其含硫组分和大部分的它的二氧化碳的经处理合成气46可被输送到动力块50。举例来说，动力块50可包括燃气涡轮发动机的燃烧器，其可利用合成气46作为可燃燃料。燃气涡轮发动机可驱动负载，例如用于产生电力的发电机。在某些实施例中，动力块50还可包括热回收蒸汽发生器。热回收蒸汽发生器可利用由RSC 26产生的蒸汽52。在一些实施例中，蒸汽52可为过热蒸汽，如上文所描述。在某些实施例中，热回收蒸汽发生器可将蒸汽54提供到可在气化处理期间利用的气化炉18。此外，热回收蒸汽发生器可将蒸汽提供到用于发电的汽轮机发动机，例如由汽轮机驱动的发电机。
图2为供用于气化系统中的辐射合成气冷却器(RSC)26的实施例的横截面侧视图。可参考轴向方向或轴线80、径向方向或轴线82和周向方向84来描述RSC 26的各种方面。举例来说，轴线80对应于纵向中心线或长度方向，且轴线82对应于相对于纵向中心线的横向或径向方向。RSC 26的元件还可相对于上游方向83和下游方向85加以描述。另外，RSC 26具有平行于轴向轴线80延行的中心轴线86(例如，纵向轴线)。
RSC 26接收在气化炉18中产生的合成气。在当前实施例中，气化炉18与RSC 26集成。然而，在一些实施例中，气化炉18可为与RSC 26分离的单元。RSC 26冷却合成气，随后输送到气化系统10(例如，IGCC、MTO或SNG)内的其它处。冷却可在围封RSC 26的内部组件的容器88内开始。容器88可收容与容器88的定向平行延伸的管90(例如，冷却管道、管道、细管)，所述管在合成气冷却器的情况下可竖直定向、或在对流冷却器的情况下可垂直定向(相对于轴向轴线80)。在一些实施例中，管90可为大致20米长。管90可包括热交换器(例如，饱和热交换器27和过热器热交换器28)以及管笼(tube cage)92(例如，管壁)。管笼92可帮助保护容器88的壁免受RSC 26经历的高温影响。在一些实施例中，管笼92可充当类似于饱和器27(例如，饱和热交换器27)的热交换器。如上文所描述，例如水和/或蒸汽的流体可流过管90且充当冷却剂(例如，冷却流体)。因此，管90可促进RSC 26内在管90中的冷却剂与进入容器88的合成气之间的热交换过程。在气化炉18中产生的合成气可大体在容器88的腔体中在下游方向85上平行于管90而流动。以此方式，合成气可接触RSC 26内的管道20的外部表面，且流过管90的流体可在合成气行进经过RSC 26时从合成气移除热。
在合成气从气化炉18进入RSC 26时，合成气可达到高达2800℉(1,538℃)的温度。一旦合成气已行进容器88的长度且经由与管内部的流体的热交换而被冷却，合成气可大致为1300℉(704℃)。在此处理期间，固体块体(例如，矿渣，或气化废弃物副产物)可落到在RSC 26的底部部分94处的水池(例如，聚水坑)中。RSC26的底部部分94可具有内部骤冷系统，所述内部骤冷系统可支撑浸入式导流管(dip and draft tube)或使合成气骤冷的类似方法。在通过底部部分94之后，合成气可骤冷到大致450℉(232℃)。接着，合成气可在固体经由骤冷锥98离开时经由传递管线96离开。如上文所描述，一旦合成气离开RSC 26，合成气就可用作下游处理中的燃料。在热合成气与管90相互作用时，其可将热传递到管道20内部的流体，因此冷却合成气。如上文所描述且在下文进一步详细描述，热合成气可经由饱和器27和过热器28加以冷却。饱和器27可位于比过热器28更接近于热合成气的路径(例如，更接近于中心轴线86)处。进行此操作以降低管90的热传递表面的总体金属温度，且由此延长管90的寿命。举例来说，饱和器27可使流体(例如，水-蒸汽混合物)在比流过过热器28的流体(例如，蒸汽)低的温度下流动。此外，过热器28的管90彼此分离，且不彼此直接接触。过热器28的管90的分离确保均一的金属温度，且最小化热应力和灰渣积垢。归因于过热器28经历的高温，过热器28的管90可相对于饱和器27的管90具有较大直径和厚度。此外，在一些实施例中，饱和器27中的冷却流体可在上游方向83上流动(例如，作为逆流式热交换器)。在一些实施例中，过热器28中的冷却流体可在下游方向85上流动(例如，作为平行热交换器)，且在一些实施例中，过热器28中的冷却流体可在上游方向83上流动(例如，作为逆流式热交换器)。
图3为图2的RSC 26内的过热器28和饱和器27的实施例的横截面示意图。如上文提到，饱和器27可通常比过热器28在径向82放置得较接近于中心轴线86。如图所示，饱和器27与过热器28在径向方向82上分离。
相对于过热器28的轴向方向80的长度可横跨容器88的长度的一部分。过热器28的长度可取决于系统10的过热蒸汽量要求和/或过热蒸汽要求的温度。举例来说，过热蒸汽的温度和/或量要求越大，过热器28的长度越大。过热器28的管90的数目也可以类似方式取决于过热蒸汽的温度和/或量要求。举例来说，过热蒸汽的温度和/或量要求越大，过热器28的管90的数目越大。
在当前实施例中，饱和器27中的冷却流体在上游方向83上流动。类似地，在当前实施例中，过热器28中的冷却流体在下游方向85上流动。在一些实施例中，过热器28中的冷却流体在上游方向83上流动。
图4为饱和器管100的实施例的示意性顶视图。在一些实施例中，饱和器管100可彼此直接接触。在一些实施例中，饱和器管100可简单地彼此邻近，利用织带(例如，鳍板、焊接件)将饱和器管100连接在一起。在当前实施例中，饱和器管100成直线配置。在一些实施例中，饱和器管100可连接成具有弯曲或倾斜配置。
图5为可如上文所描述隔开的过热器管102的实施例的示意性顶视图。在当前实施例中，过热器管102成交错(例如，偏移)形式。在一些实施例中，过热器管102可全部相等/等距地隔开，以使得径向距离104对于所有邻近过热器管102是相同的。在一些实施例中，径向距离104可对于一个过热器管102与下一过热器管102不同。此外，过热器管102的分离可使得合成气能够在每个过热器管102之间围绕每个过热器管102 360°地且沿着每个过热器管102的长度流动。
图6为图3的过热器28(例如，过热器热交换器28)和饱和器27(例如，饱和热交换器27)两者的集管110的实施例的俯视图。集管110可包括内部集管112和外部集管114。如上文所描述，饱和器27可位于比过热器更接近于RSC的中心轴线86处。由此，内部集管112可为饱和器27的一部分，且外部集管114可为过热器28的部分。通常应注意，饱和器27和过热器28各自包括位于RSC的相反长度处的集管。举例来说，饱和器27可包括邻近RSC 26的下游端116(例如，底端)的集管和邻近RSC 26的上游端118(例如，顶端)的集管。因此，内部集管112可被配置成接收水(例如，馈料水(feed water))，且排出饱和蒸汽和饱和水。类似地，外部集管114可被配置成接收饱和蒸汽且排出过热器蒸汽。个别集管110通常成“J”形，且绕着中心轴线86沿圆周84布置。换句话说，外部集管114(例如，过热器28)和内部集管112(例如，饱和器27)相对于中心轴线86在径向82上设置得彼此邻近，且多数外部集管114在内部集管112的径向82向外处。此外，在一些实施例中，可能存在14个集管110、9个集管110、多于14个集管110或少于14个集管110。集管110的数目可取决于系统10的过热蒸汽和/或饱和蒸汽和水要求。
图7为图3的过热器28(例如，过热器热交换器28)和饱和器27(例如，饱和热交换器27)两者的顶部部分的实施例的透视图。如图6所示，饱和器27可包括内部集管112和饱和器管100，且过热器28可包括外部集管114和过热器管102。饱和器管100可直接连接(例如，焊接)到位置接近于上游端118的内部集管112中的一个，且在轴向方向80上朝向接近下游端116的内部集管112延伸。过热器管100可直接连接(例如，焊接)到位置接近于上游端118的外部集管114中的一个，且在轴向方向80上朝向接近下游端116的内部集管112延伸。过热器28和饱和器27可沿着RSC 26的长度在轴向方向80上平行延伸。
图8和9为图3的过热器28(例如，过热器热交换器28)和饱和器27(例如，饱和热交换器27)两者的底部部分的实施例的透视图。饱和器27可包括内部集管112和饱和器管100，且过热器28可包括外部集管114和过热器管102。饱和器管100可直接连接(例如，焊接)到位置接近于下游端116的内部集管112中的一个，且在轴向方向80上朝向接近下游端116的内部集管112延伸。过热器管100可直接连接(例如，焊接)到位置接近于下游端116的外部集管114中的一个，且在轴向方向80上朝向接近上游端118的内部集管112延伸。过热器28和饱和器27可沿着RSC 26的长度在轴向方向80上平行延伸。
如上文所描述，冷却流体可在上游方向83上流过饱和器27，而过热器28可在上游方向83或下游方向85上流动。由此，图8中所示的邻近于下游端116的内部集管112可接收水，且在上游端118排出饱和蒸汽和水。图7中所示的邻近于上游端118的外部集管114可接收饱和蒸汽或排出过热蒸汽，这取决于过热器28是相应地充当平行热交换器还是逆流式热交换器。
此外，每个过热器管102不接触沿着过热器管102的相应长度的另一管。这使得合成气能够围绕每个过热器管102的外表面360°地沿着其长度且在每个过热器管102之间流动。为有助于合成气围绕每个过热器管102流动，过热器管102可在外部集管114上成交错布置，如可在图5中看出。在一些实施例中，过热器管102可沿着外部集管114的长度对称地布置。在一些实施例中，可能存在从邻近上游端118的每个外部集管114延伸到邻近下游端116的对应外部集管114的8个过热器管102。每个饱和器管100可接触邻近的饱和器管100。在一些实施例中，饱和器管100可经由管到管焊接件或织带连接至彼此。每个饱和器管100可与流过RSC 26的合成气交界。每个饱和器27和过热器28可相对于RSC 26的中心轴线位于相同轴向80位置处。此外，管笼92可相对于RSC 26的中心轴线86设置在过热器28和饱和器27两者的径向方向82向外处。
图10为图2的RSC 26内的过热器28(例如，过热器热交换器28)和饱和器27(例如，饱和热交换器28)的实施例的横截面示意图。如可在图10中看出，饱和器27与过热器28相对于RSC 26的中心轴线86位于轴向方向80上的不同位置处。更具体来说，饱和器27可位于朝向上游端118处，且过热器28可位于朝向下游端116处。饱和器27的位置可比过热器28更接近于上游端118，因为从气化炉18进入的合成气将在下游方向85上行进时冷却下来，且与热交换器27、28内部的冷却流体交换热。换句话说，位于朝向上游端118处的管90可经历比位于朝向下游端116处的管90高的温度。类似地，相对于中心轴线86位于更为径向82向内处(即，较接近于合成气流动路径)的管90可经历比相对于中心轴线86位于更为径向82向外处的管90高的温度。因此，在一些实施例中，饱和器27还可相对于中心轴线86位于比过热器28更为径向82向内处。在一些实施例中，饱和器27与过热器28可相对于中心轴线86位于径向方向82上的相同位置处。在所描绘的实施例中，过热器28可放置得接近于中心轴线86(例如，在合成气的流动路径附近)，因为当合成气在下游方向85上行进时，合成气可减小速度且降低温度。
此外，管笼(tube cage)92可相对于中心轴线86设置在过热器28和饱和器27两者的径向82向外处。管笼92可经成形以具有相对于中心轴线86在饱和器27与过热器28之间轴向80设置的锥形部分120。锥形部分120可绕着中心轴线86沿圆周84设置。在一些实施例中，管笼92的锥形部分120可具有耐火衬里或某一其它保护形式以免受合成气的高温影响。在一些实施例中，管笼92的关于过热器28设置于RSC 26的下部部分中的下部部分可充当类似于上文所描述的饱和器27的功能的饱和器。在一些实施例中，密封气体可注入管笼92与容器88的壁之间。密封气体的目的是保持热合成气接触容器88的壁。
图11为图10的饱和器27的管90(例如，饱和器管122)的实施例的示意性横截面顶视图。饱和器管122可以设置在两个直线区段(例如，压板)中。在一些实施例中，所述区段可通过更多饱和器管122连接。区段之间的角度124可大致为120度和/或141度。在一些实施例中，角度124可大于120度、小于120度、在0度与100度之间、在100度与200度之间、在50度与150度之间、在100度与150度之间，或其任何组合。在一些实施例中，在一区段中可能存在4个饱和器管122、一区段中10个饱和器管122、一区段中12个饱和器管122、一区段中多于10个饱和器管122、或一区段中少于10个饱和器管122。在一些实施例中，一区段可具有与其它区段不同数目的饱和器管122。
图12为图10的过热器28的管90(例如，过热器管126)的实施例的示意性横截面顶视图。在当前实施例中，过热器管126成交错形式。然而，在一些实施例中，过热器管126可成不同形式，因为对过热器管126的形式或过热器管126的数目不存在特定约束。过热器管126的长度和数目可取决于系统10的过热蒸汽要求。在一些实施例中，每过热器集管可能存在22个过热器管126、多于22个过热器管126或少于22个过热器管126。在一些实施例中，用于过热器管126的材料可比用于饱和器管122的材料价格低廉，因为过热器管126可接触温度相对于接触饱和器管122的合成气较低的合成气。在一些实施例中，过热器管126可全部相等/等距地隔开，以使得径向距离104对于所有邻近过热器管126是相同的。在一些实施例中，径向距离104可对于一个过热器管126与下一过热器管126不同。
图13为图10的过热器28和/或饱和器27的集管110的实施例的俯视图。换句话说，图中所描绘的集管110的配置为饱和器集管130和过热器集管132两者的一般配置(即，饱和器27和过热器28的集管110可大体为“J”形，且绕着中心轴线86沿圆周84设置)。然而，在一些实施例中，饱和器集管130的数目可不同于过热器集管132的数目。在一些实施例中，可能存在14个集管130、132，少于14个集管130、132，多于14个集管130、132，9个集管130、132，或其任何组合。集管的数目可取决于系统10的过热蒸汽以及饱和蒸汽和水要求。另外，在一些实施例中，饱和器集管130可比过热器集管132更远离中心轴线86。在一些实施例中，饱和器集管130可比过热器集管132更接近于中心轴线86。
图14为图10的饱和器27的实施例的透视图。饱和器管122可在位于邻近上游端118处的饱和器集管130(例如，上游83饱和器集管130)与位于较接近于下游端116处的饱和器集管130(例如，下游85饱和器集管130)之间延伸。在一些实施例中，饱和器管122可经由管到管焊接件或织带连接至一起(例如，彼此接触)。在一些实施例中，饱和器管122可相对于轴向方向80在饱和器27的整个长度上彼此接触。在一些实施例中，饱和器管122可相对于轴向轴线80在其大部分长度上彼此接触。饱和器管的邻近于相应邻近集管的部分可不彼此接触，而改为可向外展开。饱和器管122可接着以如图中示出的偏移(例如，交错)布置连接到饱和器集管130。在一些实施例中，下游85饱和器集管130可接收水，且上游83饱和器集管130可排出饱和蒸汽和水。每个饱和器管122可与流过RSC 26的合成气交界。
图15和16为图10的过热器28的实施例的透视图。过热器管126可在位于邻近下游端116处的过热器集管132(例如，下游85过热器集管132)与位于较接近于上游端118处的过热器集管132(例如，上游83过热器集管132)之间延伸。过热器管126可以交错(例如，偏移)布置焊接到过热器集管132，且从其延伸。在一些实施例中，过热器管126可以对称布置(例如，不交错)焊接到过热器集管132，且从其延伸。每个过热器管126的外表面与合成气交界。此外，每个过热器管126不接触沿着相应长度的另一过热器管126，以使得合成气能够围绕每个过热器管126的外表面沿着其相应长度且在每个过热器管126之间流动。
在一些实施例中，下游85过热器集管132可接收饱和蒸汽，且上游85过热器集管132可排出过热蒸汽。在一些实施例中，上游83过热器集管132可接收饱和蒸汽，且下游85过热器集管132可排出过热蒸汽。
图17为图2的RSC 26内的过热器28(例如，过热器热交换器28)和饱和器27(例如，饱和热交换器27)的实施例的横截面示意图。在当前实施例中，过热器28可相对于中心轴线86在周向方向84上设置在一对饱和器27(参见图18和19)之间。管笼92可相对于中心轴线86设置在过热器28和饱和器27两者的径向82向外处。RSC 26可实质上为圆筒形，且饱和器27可具有邻近于上游端118的集管110(未示出)和邻近于下游端116的集管110(未示出)。饱和器27可比过热器设置得在径向82上更接近于RSC 26的中心轴线86(例如，合成气路径)。
图18为图17的饱和器27的饱和器管140和过热器28的过热器管142两者的实施例的示意性横截面俯视图。如在下文详细描述，每个过热器28相对于中心轴线86沿圆周84设置在一对饱和器27之间。在一些实施例中，每个饱和器27可包括类似于图14的集管130的集管110的两个部分。换句话说，每个饱和器27可包括饱和器管140的两个直线区段(例如，压板)。在一些实施例中，压板可成弯曲形状。两个区段可偏移角度144。在一些实施例中，角度144可大致为141度。在一些实施例中，角度144可大于141度或小于141度。此外，在一些实施例中，过热器管142可平行于相对于中心轴线86更为径向82向外的饱和器管140的区段而设置。在一些实施例中，过热器管142可设置于从一个区段到下一区段的过渡处附近。在一些实施例中，每集管可存在3个过热器管142。如下文将更详细地论述，，在一些实施例中，可存在沿圆周84设置在邻近饱和器管140之间的单个过热器管142。
图19为图17的饱和器27的饱和器管140和过热器28的过热器管142两者的实施例的示意性顶视图。在一些实施例中，可存在14个饱和器27，其中过热器28相对于中心轴线86沿圆周设置在其间。然而，饱和器27和过热器28的数目可基于系统10的过热蒸汽以及饱和蒸汽和水要求而改变。饱和器管140可接触邻近的饱和器管140。在一些实施例中，饱和器管140可经由管到管焊接件或织带连接在一起。在当前实施例中，在饱和器27的径向82内部区段(例如，内部压板)上存在12个饱和器管140，且在饱和器27的径向82外部区段(例如，外部压板)上存在10个饱和器管140。如上文所描述，每区段饱和器管140的数目可基于系统10的饱和蒸汽和水要求而改变。管笼92还可充当饱和器。在一些实施例中，过热器管142可设置在比大部分饱和器管140更为径向82向外处。在一些实施例中，可存在3个过热器管142沿圆周84设置在饱和器管140之间。在一些实施例中，可存在多于3个或少于3个过热器管142相对于中心轴线86沿圆周84设置在饱和器管140之间。尽管未示出，但应注意，设置在邻近饱和器管140之间的过热器管142的群组可经由集管连接，且可经由连接到集管的管接收饱和蒸汽和/或排出过热蒸汽。管入口/出口可延伸超出管笼92。
图20中所描绘的实施例可与图19中所描绘的实施例相同，只是在此实施例中，存在单个过热器管142相对于中心轴线86沿圆周84设置在饱和器管140之间。单个过热器管142可比图19的实施例中所描绘的过热器管142厚和/或具有较大直径。然而，在一些实施例中，图20的过热器管142可与图19中所描绘的过热器管142具有相同的厚度和直径。过热器管142的直径可大致为3英寸到4英寸。在一些实施例中，过热器管142可放置在从一个区段(例如，压板)到邻近区段(例如，压板)的过渡处附近。尽管未示出，但过热器管142可经由延伸超出管笼92的入口/出口接收饱和蒸汽和/或排出过热蒸汽。
过热器与饱和器管142、140连接到邻近于上游端118与下游端116的集管且在所述集管之间在轴向80上延伸。过热器管142可不接触沿着相应长度的另一过热器或饱和器管142、140，以使得合成气能够围绕每个管的外表面沿着其相应长度且在每个过热器管142之间流动。此外，饱和器管140可各自与合成气交界。
在本说明书中论述的实施例中，每个过热器集管(例如，集管114、132，或过热器管142)可各自从入口接收冷却流体，且经由出口排出过热蒸汽。入口/出口可各自相对于中心轴线86在径向方向82上延伸超出管笼92和容器88。如果连接到入口/出口的集管邻近于下游端116，则入口/出口可放置于在轴向80上高于(例如，上游83)管笼底部集管(例如，管笼底部压板集管)处。如果连接到入口/出口的集管邻近于上游端118，则入口/出口可放置于在轴向80上低于(例如，下游85)管笼顶部集管(例如，管笼顶部压板集管)处。每个过热器入口/出口可经由栓接凸缘连接、焊接接头、用以吸收任何不同热膨胀的箱密封件、或其任何组合支撑于RSC 26上。因此，每个过热器28的重量可由容器88单独地承载。还可存在用以收集离开出口过热蒸汽以用于下游应用的集管(例如，歧管)。此外，过热器管(例如，过热器管102、126、142)可使用耐高温和耐腐蚀材料。
图21为图2的热交换器(例如，饱和热交换器27和过热器热交换器28)的一部分的实施例的透视图。如上文所论述，饱和器27和过热器28可包括被配置成接收或排出冷却流体的入口/出口。如在此透视图中所示，集管110可连接到入口/出口管。在一些实施例中，饱和热交换器出口管150(例如，饱和器入口/出口管150)可从集管110接收饱和蒸汽和水，且充当用于饱和蒸汽和水的出口。如上文所示出和描述，饱和器出口管150可在竖直方向80上延伸出RSC 26。在一些实施例中，过热器热交换器入口/出口管152(例如，过热器入口/出口管152)可从集管110接收过热蒸汽，且充当用于过热蒸汽的出口。在一些实施例中，过热器入口/出口管152可充当用于饱和蒸汽的入口，且将饱和蒸汽排出到集管110。如上文所示出和论述，过热器入口/出口管152可实质上在径向方向82上延伸出RSC 26。
本发明的技术效果包括提供用于经由过热器热交换器使合成气冷却器内的饱和蒸汽过热的构件。合成气冷却器可为气化系统(例如，集成式气化组合循环)的组件。饱和蒸汽可能已经由也在合成气冷却器内的饱和热交换器产生。热经由来自流过合成气冷却器的热合成气的热而与过热器热交换器和饱和热交换器交换。在合成气冷却器内可存在多个过热器热交换器和多个饱和热交换器。然而，每个过热器热交换器可独立地使蒸汽过热。更具体来说，过热器热交换器可包括管，蒸汽流过所述管且被过热，且每个管不附接到另一管以确保均一金属温度和减小的热应力。另外，过热器热交换器的重量可由合成气冷却器自身承载。鉴于过热器热交换器的元件设计相当简单(例如，凸缘和管)，此过热方法在与外部过热器相比时非常节约成本。又另外，上文所论述的系统可导致气化系统的饱和蒸汽回路中的输送损失降低。
本说明书用实例来公开包括最佳模式的本发明，并且还使本领域技术人员能实施本发明，包括制造和使用任何装置或系统以及执行任何包括在内的方法。本发明的可获专利的范围由权利要求书所限定，且可包括所属领域的技术人员想到的其它实例。如果此类其它实例具有与所附权利要求的字面语言没有不同的结构元件，或者如果它们包括与所附权利要求的字面语言无实质差别的等同结构元件，则此类其它实例希望在所附权利要求的范围内。

Claims (15)

1.一种被配置成冷却合成气的系统，包括：
合成气冷却器，其被配置成冷却所述合成气，其中所述合成气冷却器包括：
过热器热交换器，其包括：
第一集管，其被配置成接收饱和蒸汽；
第二集管，其被配置成排出过热蒸汽；及
第一多个管，其直接连接到所述第一集管和所述第二集管且在所述第一集管与所述第二集管之间竖直延伸，其中所述第一多个管中的每个管包括与所述合成气交界的外表面和在所述第一集管与所述第二集管之间的相应长度，且所述第一多个管中的每个管不接触沿着所述相应长度的另一管，以使得所述合成气能够围绕每个管的外表面沿着其相应长度且在每个管之间流动；
饱和热交换器，其包括：
第三集管，其被配置成接收水；
第四集管，其被配置成排出饱和蒸汽；及
第二多个管，其直接连接到所述第三集管和所述第四集管且在所述第三集管与所述第四集管之间竖直延伸，其中每个管与所述合成气交界，其中所述过热器热交换器与所述饱和热交换器相对于所述合成气冷却器的纵向轴线位于相同轴向位置处。
2.根据权利要求1所述的系统，其中，所述合成气冷却器包括多个过热器热交换器和多个饱和热交换器，且所述多个过热器热交换器中的每个过热器热交换器相对于所述纵向轴线沿圆周设置于所述多个饱和热交换器中的一对饱和热交换器之间。
3.根据权利要求1所述的系统，其中，所述过热器热交换器与所述饱和热交换器相对于所述纵向轴线彼此邻近地径向设置，且所述过热器热交换器中的多数相对于所述纵向轴线在所述饱和热交换器径向向外处。
4.根据权利要求1所述的系统，其中，所述合成气冷却器包括具有顶端和底端的实质上圆筒形容器，且所述过热器热交换器从邻近于所述顶端竖直延伸到邻近于所述底端。
5.根据权利要求1所述的系统，其中，所述合成气冷却器包括相对于所述合成气冷却器的纵向轴线设置在所述过热器热交换器和所述饱和热交换器两者的径向向外处的管笼。
6.根据权利要求1所述的系统，其中，所述第一多个管以交错布置直接连接到所述第一集管和所述第二集管。
7.根据权利要求1所述的系统，其中，所述合成气冷却器包括辐射合成气冷却器。
8.根据权利要求1所述的系统，其中，包括连接到所述合成气冷却器的气化炉。
9.根据权利要求1所述的系统，其中，包括集成式气化组合循环系统，所述集成式气化组合循环系统包括所述合成气冷却器。
10.一种被配置成冷却合成气的合成气冷却器，其中所述合成气冷却器包括：
多个过热器热交换器，其中每个过热器热交换器包括：
第一集管，其被配置成接收饱和蒸汽；
第二集管，其被配置成排出过热蒸汽；及
第一多个管，其直接连接到所述第一集管和所述第二集管且在所述第一集管与所述第二集管之间竖直延伸，其中所述第一多个管中的每个管包括与所述合成气交界的外表面且具有在所述第一集管与所述第二集管之间的相应长度，且所述第一多个管中的每个管不接触沿着所述相应长度的另一管，以使得所述合成气能够围绕每个管的外表面沿着其相应长度且在每个管之间流动；及
多个饱和热交换器，其中每个饱和热交换器包括：
第三集管，其被配置成接收水；
第四集管，其被配置成排出饱和蒸汽；及
第二多个管，其直接连接到所述第三集管和所述第四集管且在所述第三集管与所述第四集管之间竖直延伸，其中所述第二多个管中的每个管与所述合成气交界；
其中所述多个过热器热交换器与所述多个饱和热交换器相对于所述合成气冷却器的纵向轴线位于相同轴向位置处。
11.根据权利要求10所述的合成气冷却器，其中，所述多个过热器热交换器中的每个过热器热交换器相对于所述纵向轴线沿圆周设置在所述多个饱和热交换器中的一对饱和热交换器之间。
12.根据权利要求10所述的合成气冷却器，其中，所述多个过热器热交换器中的至少一个过热器热交换器与所述多个饱和热交换器中的至少一个饱和热交换器相对于所述纵向轴线彼此邻近地径向设置，且所述至少一个过热器热交换器中的多数相对于所述纵向轴线设置在所述至少一个饱和热交换器的径向向外处。
13.根据权利要求10所述的合成气冷却器，其中，所述合成气冷却器包括具有顶端和底端的实质上圆筒形容器，且所述多个过热器热交换器和所述多个饱和热交换器两者皆从邻近于所述顶端竖直延伸到邻近于所述底端。
14.一种被配置成冷却合成气的合成气冷却器，其中所述合成气冷却器包括：
多个过热器热交换器，其中每个过热器热交换器包括：
第一集管，其被配置成接收饱和蒸汽；
第二集管，其被配置成排出过热蒸汽；及
第一多个管，其直接连接到所述第一集管和所述第二集管且在所述第一集管与所述第二集管之间竖直延伸，其中所述第一多个管中的每个管包括与所述合成气交界的外表面和在所述第一集管与所述第二集管之间的相应长度，且所述第一多个管中的每个管不接触沿着所述相应长度的另一管，以使得所述合成气能够围绕每个管的外表面沿着其相应长度且在每个管之间流动；
多个饱和热交换器，其中每个饱和热交换器包括：
第三集管，其被配置成接收水；
第四集管，其被配置成排出饱和蒸汽；及
第二多个管，其直接连接到所述第三集管和所述第四集管且在所述第三集管与所述第四集管之间竖直延伸，其中所述第二多个管中的每个管与所述合成气交界；
其中所述多个过热器热交换器与所述多个饱和热交换器相对于所述合成气冷却器的纵向轴线位于不同轴向位置处；及
管笼，其相对于所述纵向轴线设置在所述多个过热器热交换器和所述多个饱和热交换器两者的径向向外处。
15.根据权利要求14所述的合成气冷却器，其中，所述管笼包括相对于所述纵向轴线轴向设置在所述多个过热器热交换器与所述多个饱和热交换器之间的锥形部分。
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