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ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
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Gegenstand der hier beschriebenen Erfindung sind Kühlsysteme für Vergasungsanlagen, wie etwa Synthesegas-Strahlungskühler, welche Gas aus einem Vergaser kühlen.
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Gas- und Dampfkraftwerke mit integrierter Kohlevergasung (IGCC) sind in der Lage, auf relativ saubere und effiziente Weise Energie aus verschiedenen Kohlenwasserstoff-Rohstoffen, wie zum Beispiel aus Kohle, zu erzeugen. Mit der IGCC-Technologie kann der Kohlenwasserstoff-Rohstoff durch Reaktion mit dem Dampf in einem Vergaser in eine Gasmischung aus Kohlenmonoxid (CO) und Wasserstoff (H
2), z.B. Syngas, umgewandelt werden. Diese Gase können gekühlt, gereinigt und als Brennstoff in einem konventionellen Kombikraftwerk verwendet werden. Zum Beispiel kann ein Synthesegas-Strahlungskühler (RSC) Syngas stromaufwärts, von einem Wassergas-Shift-Reaktor und/oder von anderen Gasreinigungseinheiten aufnehmen und kühlen. Leider kann die hohe Temperatur des Syngases, das in ein Halsstück des RSC eindringt, die Leitungen des Wärmetauschers und/oder das Gehäuse des RSC möglicherweise beschädigen, wenn kein ausreichender thermischer Schutz vorhanden ist. Außerdem können thermische Veränderungen im RSC eine erhebliche thermische Expansion und Kontraktion verursachen, was die Konstruktion des thermischen Schutzes im Halsstück des RSC erschweren kann.
US 2008 / 0 041 572 A1 beschreibt einen Strahlungssynthesegaskühler (Synthesegaskühler), der verwendet wird, um das Synthesegas aufzunehmen und zu kühlen, das durch einen in einem IGCC-Kraftwerk verwendeten Kohlevergasungsprozess erzeugt wird. Der Strahlungssynthesegaskühler verwendet eine kompakte radiale Plattenanordnung, die weniger anfällig für Verschmutzungs- und / oder Verstopfungsprobleme ist.
US 4 875 712 A offenbart in einer Verbindungsstruktur für eine Rohrstützplatte und ein Rohr vorgesehenes Keramikrohr, das mit einem Halteloch einer durch Kühlmedium gekühlten Rohrstützplatte ausgerichtet ist, und ein Balg ist in oder nahe dem Halteloch angeordnet. Ein Ende des Balgs ist direkt oder indirekt an der Rohrstützplatte befestigt und das andere Ende davon ist mit dem Keramikrohr verbunden.
DE 33 16 562 A1 offenbart eine Abdichtungsvorrichtung für Kupplungen bei Gasleitungen, insbesondere zur vollständigen Erfassung heißer Abgase, die in einen Gasschacht geleitet werden, beispielsweise die Abgase eines Kohlevergasungsreaktors, wobei der Gasschacht gegenüber dem Reaktor mittels eines Dichtungsorgans abgeschlossen wird, das axial und/oder radial beweglich, vorzugsweise als Teleskopdichtung ausgebildet ist.
DE 27 57 378 A1 beschreibt eine Vorrichtung zur Vergasung feinverteilter Brennstoffe in Suspension mittels Reaktion mit sauerstoffhaltigen Gasen bei erhöhtem Druck. Die Vorrichtung umfasst eine Vergasungskammer, die von einer Druckhülle umgeben ist, einen röhrenförmigen Löschabschnitt, der über der Kammer angeordnet ist, und einen Kessel zur Rückgewinnung der überlagerten Abwärme. Zwischen den verschiedenen Elementen und in den Rohren sind Mittel zur Wärmeausdehnung vorgesehen. Insbesondere sind Wärmeausdehnungselemente vom Balgtyp zwischen dem Kessel und dem Löschabschnitt und zwischen diesem Abschnitt und der Vergasungskammer vorgesehen. Die Vorrichtung ist insbesondere auf einen Kohlevergasungsreaktor anwendbar.
EP 0 763 589 A1 offenbart eine feuerfeste Auskleidung in einem Vergaser-Verbindungsabschnitt, der zu einem Abhitzekessel führt und Halterungen zum Befestigen von feuerfesten Steinen hat: (a) Krallen, die an Haken im Verbindungsabschnitt am Einlass des Kessel aufgehängt sind; (b) Kühlschlangenrohre, die in einem abgedichteten Kasten unterhalb der Krallen angeordnet sind; (c) darüber liegende beabstandete Halterungen, die im Kühlrohrkäfig befestigt sind; und (d) feuerfeste Steine, die auf den Krallen (8) und den Halterungen gestapelt sind.
US 2003 / 0 167 985 A1 beschreibt ein feuerfestes Gefäß, welches eine im Allgemeinen zylindrische Metallhülle und eine obere torisphärische Kuppel hat. Ein feuerfester Liner säumt die Schale und die Kuppel. Eine Schicht von Schrägblöcken ist zwischen dem zylindrischen Schalenabschnitt der feuerfesten Auskleidung und dem Kuppelabschnitt positioniert. Ein Metallband ist außerhalb der Schicht aus Schrägblöcken angeordnet, um deren radiale Ausdehnung zu begrenzen.
US 4 637 823 A offenbart eine innere Struktur eines Hochtemperaturofens. Diese Struktur umfasst eine Kuppel aus feuerfesten Ziegeln, die der hohen Temperatur in einem Kohlevergasungsgenerator standhalten kann. Die Struktur enthält auch eine tragende Mauer unter der Kuppel und eine Innenwand aus feuerfesten Steinen. Letzteres befindet sich innerhalb der Stützwand. Die Innenwand schützt die Stützwand vor der höchsten Temperatur, während sie sich frei ausdehnen kann, ohne einer Druckbelastung durch die Kuppel ausgesetzt zu sein.
US 2008 / 0 222 955 A1 offenbart einen Vergasungsreaktorbehälter, umfassend eine Brennkammer in der oberen Hälfte des Behälters, versehen mit einem Produktgasauslass am unteren Ende der Brennkammer, wobei ein Brenner so positioniert ist, dass er im Gebrauch in die Brennkammer feuert, wobei der Brenner vorgesehen ist mit mindestens Versorgungsleitungen für ein Oxidationsgas und eine kohlenstoffhaltige Beschickung, wobei zwischen der Wand der Brennkammer und der Wand des Gefäßes ein Ringraum vorgesehen ist und wobei die Wand der Brennkammer eine Anordnung miteinander verbundener Rohre (vertikal angeordnet oder spiralförmig gewickelt) umfasst und wobei zwei Brenneröffnungen in der Wand der Brennkammer vorhanden sind, wobei sich die Brenneröffnungen auf derselben horizontalen Ebene befinden und diametral zueinander positioniert sind und wobei in der Brenneröffnung ein Brenner vorhanden ist.
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KURZBESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Bestimmte Ausführungen, welche in ihrem Umfang dem ursprünglichen Patentanspruch entsprechen, sind unten zusammen-gefasst. Diese Ausführungen sollen den Umfang des Patentanspruchs nicht beschränken, sondern diese Ausführungen dienen lediglich als kurze Zusammenfassung der möglichen Formen der Erfindung. Die Erfindung kann in der Tat verschiedene Formen umfassen, welche den unten stehenden Ausführungen ähneln oder sich von diesen unterscheiden können.
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Eine erste Ausführung umfasst ein System gemäß Patentanspruch 1.
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Eine zweite Ausführung umfasst ein System gemäß Anspruch 9.
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Eine dritte Ausführung umfasst ein System gemäß Anspruch 15.
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KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Diese und andere Merkmale, Aspekte und Vorteile der vorliegenden Erfindung sind besser verständlich, wenn die folgende detaillierte Beschreibung unter Bezugnahme auf die zugehörigen Zeichnungen gelesen wird. In allen Zeichnungen stehen gleiche Zeichen für gleiche Teile, wobei:
- 1 ist ein Blockdiagramm einer Ausführung eines Gas- und Dampfkraftwerks mit integrierter Kohlevergasung (IGCC) mit Synthesegas-Strahlungskühler (RSC);
- 2 ist die Seitenansicht eines Querschnitts einer Ausführung des RSC von 1;
- 3 ist ein Teil-Querschnitt des RSC von 2, der eine Ausführung eines feuerfesten Systems und einer ringförmigen Dichtung gemäß Linie 3-3 von 2 zeigt;
- 4 ist ein Querschnitt einer Ausführung einer ringförmigen Dichtung mit einem Balg mit nach außen ragenden ringförmigen Nuten;
- 5 ist ein Querschnitt einer Ausführung der ringförmigen Dichtung mit dem Balg mit nach außen ragenden ringförmigen Nuten;
- 6 ist ein Querschnitt einer Ausführung der ringförmigen Dichtung mit dem Balg mit nach innen und nach außen ragenden ringförmigen Nuten; und
- 7 ist ein Querschnitt einer Ausführung der ringförmigen Dichtung mit dem Balg mit nach innen ragenden ringförmigen Nuten.
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AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Bei der Einführung der einzelnen Elemente der verschiedenen Ausführungen der vorliegenden Erfindung bedeuten die Artikel „ein“, „eine“, „der“, „die“, „das“ sowie „sagte“, „sagten“, dass es ein oder mehrere Elemente gibt. Die Begriffe „umfassen“, „beinhalten“ und „besitzen“ sind nicht erschöpfend und bedeuten, dass es neben den aufgezählten Elementen noch weitere geben kann.
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Wie unten beschrieben, können die Ausführungen eine ringförmige Dichtung mit einem Balg beinhalten, welcher sich als Reaktion auf die Bewegung ausdehnt und zusammenzieht (z. B. thermische Expansion und Kontraktion). Der Balg kann in verschiedensten Anlagen und Geräten angebracht sein, wie zum Beispiel in Industrieausrüstung, Kraftwerken oder anderweitigen Anwendungen. Zum Beispiel kann die ringförmige Dichtung in einem Kühlsystem für Vergasungsanlagen, wie etwa einem Synthesegas-Strahlungskühler (RSC) montiert sein, der für die Kühlung von Syngas aus einem Vergaser in einem Gas- und Dampfkraftwerk mit integrierter Kohlevergasung (IGCC) konfiguriert ist. Bei bestimmten Ausführungen kann die ringförmige Dichtung innerhalb eines Halsstücks des RSC montiert sein, um ein Entweichen des Syngases in eine Kuppel oder anderswo innerhalb des RSC zu verhindern. Zum Beispiel kann die ringförmige Dichtung das Entweichen von Syngas in die Wärmetauscherrohre und/oder die Wände des RSC verhindern. Gegebenenfalls ist der RSC starken Temperaturschwankungen ausgesetzt, welche eine thermische Expansion und Kontraktion und damit die Bewegung von Komponenten innerhalb des RSC verursachen können. Als Reaktion auf diese Bewegungen dehnt sich der Balg der ringförmigen Dichtung aus und zieht sich zusammen. Dadurch erhält er eine konstante Abdichtung aufrecht, um das Entweichen des Syngases zu verhindern. Bei bestimmten Ausführungen besitzt der Balg der ringförmigen Dichtung einen veränderlichen Durchmesser, der sich radial in Strömungsrichtung des Syngases durch den RSC erhöht und verringert. Bei einer Ausführung erhöht und verringert sich der veränderliche Durchmesser des Balgs sowohl über als auch unter einen Basisdurchmesser. Bei anderen Ausführungen erfolgt die radiale Erhöhung oder Verringerung des veränderlichen Durchmessers des Balgs lediglich entweder unter oder über den Basisdurchmesser. Der Balg kann im Rahmen der in der Erfindung beschriebenen ringförmigen Dichtung jedoch noch weitere Konfigurationen besitzen.
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Bei bestimmten Ausführungen kann ein feuerfestes System zusammen mit der ringförmigen Dichtung im RSC verwendet werden, um zu gewährleisten, dass heißes Syngas, das in den RSC eindringt, die ringförmige Dichtung nicht thermisch beschädigt. Das feuerfeste System kann zum Beispiel verschiedene feuerfeste Materialien beinhalten, die in der Lage sind, ihre physikalischen und/oder chemischen Eigenschaften bei erheblich höheren Temperaturen als 810,93 K (1000°F) aufrechtzuerhalten. Das feuerfeste System kann zum Beispiel eine oder mehrere Gruppen feuerfester Ziegel beinhalten, welche ihre vorher festgelegte physikalische Form behalten, wenn sie hohen Temperaturen von rund 810,93 K (1000°F) bis 1922,04 K (3000°F) (z.B. 1644,26 K (2800°F)) ausgesetzt werden. Die hohen Temperaturen können zum Beispiel mindestens bis zu oder mehr als 810,93 K (1000°F), 1088,71 K (1500°F), 1366,48 K (2000°F), 1644,26 K (2500°F) oder 1922,04 K (3000°F) betragen. Diese feuerfesten Ziegel können innerhalb des RSC eine ringförmige Form bilden, z. B. durch eine axiale, radiale und/oder umlaufende Stapelung der Ziegel. Das feuerfeste System kann auch eine oder mehrere Schichten oder Abdichtungen aus thermisch isolierendem Material umfassen, z. B. in Ringform innerhalb des RSC. Das feuerfeste System kann bei bestimmten Ausführungen ein thermisch isolierendes Material beinhalten, das entlang der ringförmigen Dichtung angebracht ist, wobei eine thermisch isolierende Auskleidung radial innerhalb des thermisch isolierenden Materials angebracht ist, eine erste Gruppe thermisch isolierender Ziegel radial innerhalb der thermisch isolierenden Auskleidung angebracht ist und eine zweite Gruppe thermisch isolierender Ziegel radial innerhalb der ersten Gruppe thermisch isolierender Ziegel angebracht ist. Die Komponenten des feuerfesten Systems können zusammenwirken, um die Oberflächentemperatur der ringförmigen Dichtung während des Betriebs des RSC zu minimieren. Bei diesen Ausführungen kann das feuerfeste System die Wärmeübertragung an die ringförmige Dichtung erheblich einschränken, wodurch die ringförmige Dichtung auf einer ausreichend niedrigen Temperatur gehalten wird. In anderen Worten: Das feuerfeste System kann ohne aktives Kühlsystem, z.B. Wärmetauscherrohre, für die ringförmige Dichtung verwendet werden.
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1 ist ein Diagramm einer Ausführung einer kombinierten Anlage mit integrierter Vergasung 100 dar, welche durch synthetisches Gas, d.h. Syngas, betrieben werden kann. Die Elemente des IGCC-Systems 100 können eine Brennstoffquelle 102 wie beispielsweise einen festen Rohstoff umfassen, der als Energiequelle für das IGCC verwendet werden kann. Die Brennstoffquelle 102 kann Kohle, Erdölkoks, Biomasse, Materialien auf Holzbasis, landwirtschaftliche Abfälle, Teere, Koksofengas und Asphalt oder andere kohlenstoffhaltige Bestandteile enthalten.
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Der feste Brennstoff der Brennstoffquelle 102 kann eine Rohstoffaufbereitungseinheit 104 durchlaufen. Die Rohstoffaufbereitungseinheit 104 kann beispielsweise die Brennstoffquelle 102 in ihrer Größe oder Form verändern, indem sie die Brennstoffquelle 102 zur Erzeugung des Rohstoffs zerhackt, zermahlt, zerkleinert, pulverisiert, brikettiert oder palettiert. Zusätzlich können Wasser oder andere geeignete Flüssigkeiten zur Brennstoffquelle 102 in der Rohstoffaufbereitungseinheit 104 hinzugefügt werden, um wässrige Rohstoffe zu erzeugen. Bei anderen Ausführungen wird keine Flüssigkeit zur Brennstoffquelle hinzugefügt, damit-trockene Rohstoffe entstehen.
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Der Rohstoff kann von der Rohstoffaufbereitungseinheit 104 an einen Vergaser 106 weitergeleitet werden. Der Vergaser 106 kann den Rohstoff in ein Syngas umwandeln, z.B. in eine Kombination aus Kohlenmonoxid und Wasserstoff. Die Umwandlung kann durch Behandlung des Rohstoffs mit einer kontrollierten Menge von Dampf und Sauerstoff bei hohem Druck, z.B. von ca. 2 MPa (20 bar) bis 8.5 MPa (85 bar), und bei hohen Temperaturen, z.B. ca. 973,15 K (700 Grad Celsius) bis 1873,15 K (1600 Grad Celsius), erzielt werden - abhängig von der Art des verwendeten Vergasers 106. Der Vergasungsprozess kann einen Pyrolyseprozess des Rohstoffs beinhalten, bei dem der Rohstoff erhitzt wird. Die Temperaturen im Vergaser 106 können während des Pyrolyseprozesses in einem Bereich von ca. 423,15 K (150 Grad Celsius) bis 973,15 K (700 Grad Celsius) liegen - abhängig von der Brennstoffquelle 102, die für die Erzeugung des Rohstoffs verwendet wird. Die Erhitzung des Rohstoffs während des Pyrolyseprozesses kann einen Feststoff (z.B. Schwelrückstand) und Restgase (z.B. Kohlenmonoxid, Wasserstoff und Stickstoff) erzeugen. Das Gewicht des aus dem Pyrolyseprozess des Roh-stoffs zurückbleibenden Schwelrückstands darf nicht mehr als ca. 30% des Gewichts des ursprünglichen Rohstoffs betragen.
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Anschließend kann im Vergaser 106 ein Verbrennungsprozess stattfinden. Die Verbrennung kann die Einleitung von Sauerstoff in den Schwelrückstand und die Restgase beinhalten. Der Schwelrückstand und die Restgase können mit dem Sauerstoff reagieren, um Kohlendioxid und Kohlenmonoxid zu bilden, welche Wärme für die darauf folgenden Vergasungsreaktionen erzeugen. Die Temperaturen beim Verbrennungsprozess können in einem Bereich von ca. 973,15 K (700 Grad Celsius) bis 1873,15 K (1600 Grad Celsius) liegen. Daraufhin kann während eines Vergasungsschrittes Dampf in den Vergaser 106 eingeleitet werden. Der Schwelrückstand kann mit dem Kohlendioxid und dem Dampf reagieren, um bei Temperaturen von ca. 1073,15 K (800 Grad Celsius) bis 1373,15 K (1100 Grad Celsius) Kohlenmonoxid und Wasserstoff zu erzeugen. Im Wesentlichen verwendet der Vergaser Dampf und Sauerstoff, um eine teilweise „Verbrennung“ des Rohstoffs zu ermöglichen und so Kohlenmonoxid und Energie zu erzeugen, wodurch eine zweite Reaktion ausgelöst wird, bei der weitere Rohstoffmengen in Wasserstoff und zusätzliches Kohlendioxid umgewandelt werden.
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Auf diese Weise wird vom Vergaser 106 ein dadurch gewonnenes Gas erzeugt. Das gewonnene Gas kann zu ungefähr 85 % aus Kohlenmonoxid und Wasserstoff sowie aus CH4, HCl, HF, COS, NH3, HCN und H2S (auf Grundlage des Schwefelgehalts des Rohstoffs) bestehen. Das gewonnene Gas kann als unreines Syngas bezeichnet werden. Der Vergaser 106 kann außerdem Abfälle wie Schlacke 108 erzeugen, wobei es sich um nasses Aschematerial handeln kann. Diese Schlacke 108 kann vom Vergaser 106 entfernt und entsorgt werden, z. B. als Straßenbelag oder anderweitiges Baumaterial. Um das unreine Syngas zu reinigen, kann eine Gasreinigungseinheit 110 verwendet werden. Die Gasreinigungseinheit 110 kann das unreine Syngas reinigen, um das HCl, HF, COS, HCN und H2S vom unreinen Syngas zu entfernen, was eine Abscheidung von Schwefel 111 in einem Schwefelprozessor 112 zum Beispiel durch einen sauren Gasentfernungsprozess im Schwefelprozessor 112 beinhalten kann. Außerdem kann die Gasreinigungseinheit 110 über eine Wasseraufbereitungseinheit 114 Salze 113 vom unreinen Syngas abscheiden, wobei Wasserreinigungstechniken zur Erzeugung nutzbarer Salze 113 aus dem unreinen Syngas zum Einsatz kommen. Daraufhin kann das Gas aus der Gasreinigungseinheit 110 reines Syngas, z.B. NH3 (Ammoniak) und CH4 (Methan) enthalten.
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Ein Gasprozessor 116 kann verwendet werden, um Restgaskomponenten 117 vom reinen Syngas zu entfernen, wie beispielsweise Ammoniak und Methan sowie Methanol oder andere Reststoffe. Die Entfernung von Restgaskomponenten 117 vom reinen Syngas ist jedoch optional, da das reine Syngas auch dann als Brennstoff verwendet werden kann, wenn es Restgaskomponenten 117, wie z.B. Endgas, enthält. In dieser Phase kann das reine Syngas ca. 1-10 % CO (z.B. 3 % CO), ca. 3060 % H2 (z. B. 55 % H2) und ca. 30-60 % CO2 (z.B. 40 % CO2) enthalten und ist im Wesentlichen frei von H2S. Das reine Syngas kann als Brennstoff an einen Brenner 120 weitergeleitet werden, z. B. an eine Brennkammer einer Gasturbine 118.
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Das IGCC-System 100 kann ferner eine Luftabscheidungseinheit (ASU) 122 enthalten. Die ASU 122 kann die Luft in Komponentengase zerlegen, z.B. Destillierungstechniken. Die ASU 122 kann Sauerstoff aus der Luft abscheiden, die aus einem zusätzlichen Luftverdichter 123 eingeleitet wird, und die ASU 122 kann den abgeschiedenen Sauerstoff an den Vergaser 106 weiterleiten. Außerdem kann die ASU 122 abgeschiedenen Stickstoff an einen DGAN-Verdichter (Verdichter für verdünnten Stickstoff) 124 weiterleiten.
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Der DGAN-Verdichter 124 kann den Stickstoff von der ASU 122 auf Druckstufen komprimieren, die mindestens denjenigen im Brenner 120 entsprechen, damit keine Interferenz mit der Verbrennung des Syngases auftritt. Wenn der DGAN-Verdichter 124 den Stickstoff auf eine angemessene Stufe komprimiert hat, dann kann der DGAN-Verdichter 124 den komprimierten Stickstoff an den Brenner 120 der Gasturbine 118 weiterleiten.
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Wie oben beschrieben, kann der komprimierte Stickstoff vom DGAN-Verdichter 124 an den Brenner 120 der Gasturbine 118 übertragen werden. Die Gasturbine 118 kann eine Turbine 130, eine Antriebswelle 131 und einen Verdichter 132 sowie einen Brenner 120 besitzen. Der Brenner 120 kann Brennstoff, z.B. Syngas, aufnehmen, der unter Druck aus Brennstoffdüsen injiziert werden kann. Dieser Brennstoff kann mit komprimierter Luft sowie mit komprimiertem Stickstoff aus dem DGAN-Verdichter 124 vermischt und im Brenner 120 verbrannt werden. Bei dieser Verbrennung können heiße, unter Druck stehende Abgase entstehen.
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Der Brenner 120 kann die Abgase in einen Abgasauslass der Turbine 130 leiten. Da die Abgase aus dem Brenner 120 durch die Turbine 130 geleitet werden, können die Abgase die Turbinenblätter 130 zur Rotation der Antriebswelle 131 entlang einer Achse der Gasturbine 118 veranlassen. Wie abgebildet, ist die Antriebswelle 131 mit mehreren Komponenten der Gasturbine 118, einschließlich des Verdichters 132, verbunden.
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Die Antriebswelle 131 kann die Turbine 130 mit dem Verdichter 132 verbinden, um einen Rotor zu bilden. Der Verdichter 132 kann Schaufelblätter besitzen, die an die Antriebswelle 131 angeschlossen sind. Somit kann die Rotation der Turbinenblätter in der Turbine 130 die Antriebswelle 131, welche die Turbine 130 mit dem Verdichter 132 verbindet, zur Rotation der Schaufelblätter im Verdichter 132 veranlassen. Die Rotation der Schaufelblätter im Verdichter 132 veranlasst den Verdichter 132 zur Komprimierung von Luft, die über einen Lufteinlass im Verdichter 132 eingeleitet wird. Die komprimierte Luft kann anschließend in den Brenner 120 geleitet und mit Brennstoff und komprimierten Stickstoff vermischt werden, um eine effizientere Verbrennung zu ermöglichen. Die Antriebswelle 131 kann ebenfalls an die Last 134 angeschlossen werden, wobei es sich um eine stationäre Last, wie einen Stromgenerator zur Erzeugung von elektrischem Strom, zum Beispiel in einem Kraftwerk, handeln kann. Tatsächlich kann es sich bei der Last 134 um jedes geeignete Gerät handeln, welches durch die Rotationskraft der Gasturbine 118 angetrieben werden kann.
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Das IGCC-System 100 kann außerdem eine Dampfturbine 136 und einen Abhitzedampferzeuger (HRSG) 138 beinhalten. Die Dampfturbine 136 kann eine zweite Last 140 antreiben. Die zweite Last 140 kann ebenfalls ein Stromgenerator zur Erzeugung von elektrischem Strom sein. Sowohl die erste als auch die zweite Last 134, 140 können jedoch andere Arten von Lasten sein, die von der Gasturbine 118 und der Dampfturbine 136 an-getrieben werden können. Zusätzlich können die Gasturbine 118 und die Dampfturbine 136, obwohl die Gasturbine 118 und die Dampfturbine 136, wie in der dargestellten Ausführung gezeigt, separate Lasten 134 und 140 antreiben können, auch parallel verwendet werden, um eine einzige Last über eine einzige Welle anzutreiben. Die spezifische Konfiguration der Dampfturbine 136 sowie der Gasturbine 118 kann von der Implementierung abhängen und jede Kombination der einzelnen Abschnitte beinhalten.
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Das System 100 kann außerdem den HRSG 138 beinhalten. Erhitzte Abgase aus der Gasturbine 118 können in den HRSG 138 transportiert und zur Wassererwärmung und Dampferzeugung verwendet werden, um die Dampfturbine 136 anzutreiben. Abgase zum Beispiel aus dem Niedrigdruckabschnitt der Dampfturbine 136 können in einen Kondensator 142 geleitet werden. Der Kondensator 142 kann einen Kühlturm 128 zum Austausch von erhitztem Wasser durch gekühltes Wasser verwenden. Der Kühlturm 128 dient dazu, kühles Wasser an den Kondensator 142 zu liefern, um bei der Kondensierung des von der Dampfturbine 136 an den Kondensator 142 weitergeleiteten Dampfes zu helfen. Kondensat aus dem Kondensator 142 kann wiederum in den HRSG 138 geleitet werden. Abgase aus der Gasturbine 118 können außerdem in den HRSG 138 geleitetet werden, um das Wasser aus dem Kondensator 142 zu erhitzen und Dampf zu erzeugen.
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Bei kombinierten Systemen mit integrierter Vergasung, wie dem IGCC-System 100, können heiße Abgase aus der Gasturbine 118 zum HRSG 138 strömen, wo sie zur Erzeugung von heißem Hochdruckdampf verwendet werden können. Der vom HRSG 138 erzeugte Dampf kann anschließend zur Energieerzeugung durch die Dampfturbine 136 geleitet werden. Zusätzlich kann der erzeugte Dampf auch an andere Prozesse weitergeleitet werden, bei denen Dampf verwendet werden kann, zum Beispiel zum Vergaser 106. Der Erzeugungszyklus der Gasturbine 118 wird häufig als „Topping Cycle“ bezeichnet, während der Erzeugungszyklus der Dampfturbine 136 häufig als „Bottoming Cycle“ bezeichnet wird. Durch Kombination dieser beiden Zyklen, wie in 1 dargestellt, kann das IGCC-System 100 die Effizienz in beiden Zyklen erhöhen. Insbesondere kann Abgaswärme aus dem Topping Cycle abgeschieden und für die Erzeugung von Dampf zur Verwendung im Bottoming Cycle genutzt werden.
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2 ist eine Seitenansicht des Querschnitts einer Ausführung eines Synthesegas-Strahlungskühlers (RSC) 146 zur Verwendung mit dem IGCC-System 100 aus 1. Der RSC kann eine Axialachse 125, eine Radialachse 126 und eine Umlaufachse 127 besitzen. Der RSC 146 kann einen Behälter 148 besitzen, der aus einem geeigneten Material bestehen kann, wie zum Beispiel ASTM SA387, Grad 11, Klasse 2. Der Behälter 148 dient als Gehäuse oder äußere Hülle für den RSC 146 und umschließt sowohl einen oberen Bereich 147 des RSC 146 als auch einen unteren Bereich 149 des RSC 146. Der obere Bereich 147 des RSC 146 kann einen kuppelförmigen Teil 150 besitzen, der einen Einlass 152 aufweist, welcher sich in ein Halsstück 153 erstreckt. Der untere Bereich 149 umfasst einen Auslass 154. Ein innerer Bereich 156 wird durch den Zwischenraum zwischen dem Einlass 152 und dem Auslass 154 gebildet. Das Halsstück 153, das an den Einlass 152 angrenzt, erstreckt sich stromabwärts 155 vom Einlass 152 zum Auslass 154.
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Der Behälter 148 kann außerdem Leitungen 158 besitzen, welche sich im oberen Bereich 147 des RSC 146 befinden können. Die Leitungen 158 können eine Rohrgruppe entlang der Radialachse 126 des RSC 146 beinhalten und in Richtung des Behälters 148 parallel zur Axialachse 125 verlaufen. Gekühlte Flüssigkeit, wie beispielsweise Wasser, kann durch die Leitungen 158 fließen. Somit können die Leitungen 158 als Wärmetauscher in-nerhalb des RSC 146 fungieren und das Kühlmittel zur Wärmebe-seitigung an einen externen Wärmetauscher leiten. Demzufolge können die Leitungen 158 aus temperaturbeständigem Material bestehen, das für die Verwendung mit heißem Syngas geeignet ist, wie etwa ASTM SB407 UNS Nr. 8800 (Ausgabe 2004).
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Während des Betriebs kann das im Vergaser 106 erzeugte Syngas im Allgemeinen stromabwärts parallel zu den Leitungen 158 fließen, wie die Pfeile 160 zeigen. Das heißt, das Syngas fließt durch einen Gasdurchlauf des RSC 146, welcher sich in Strömungsrichtung 160 längs am Behälter 148 entlang erstreckt. Demzufolge tritt das Syngas durch den Einlass 152 in den RSC 146 ein, fließt längs durch den inneren Bereich 156 des RSC 146 und verlässt den RSC 146 dann durch den Auslass 154. Auf diese Weise kann das Syngas mit den Leitungen 158 des RSC 146 in Berührung kommen und die Flüssigkeit, die durch die Leitungen 158 fließt, kann das Syngas kühlen, während es durch den RSC 146 strömt. Ein Ergebnis dieses Kühlungsprozesses kann die Erzeugung von Dampf in den Leitungen 158 sein, welcher anschließend an die Hochdrucktrommel 145 (siehe 1) weitergeleitet wird, um dort gesammelt und zum Dampfgenerator der Wärmerückgewinnung 138 weitergeleitet zu werden.
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Der RSC 146 kann ebenfalls ein Rohr 162 im unteren Bereich 149 des RSC 146 besitzen, das den Abtransport des gekühlten Syngases und der Schlacke aus dem RSC 146 unterstützt. Zum Beispiel kann, wenn die Schlacke 108 (siehe 1) das Rohr 162 verlässt, die Schlacke 108 im Allgemeinen abwärts fließen 164, um den RSC 146 über einen Abfangtrichter 166 zu verlassen. Im Gegensatz dazu kann das gekühlte Syngas im Allgemeinen aufwärts 168 zu einer Transferleitung 170 fließen, wenn das Syngas die Leitung 162 verlässt. Die Transferleitung 170 kann dazu verwendet werden, das Syngas an die Gasreinigungseinheit 110 und/oder der Gasturbine118 weiterzuleiten. Das rohe Syngas kann Elemente des RSC 146 korrodieren, zum Beispiel die Leitungen 158 und/oder die Innenwand des Behälters 148, wenn diese Elemente mit dem Syngas in Berührung kommen. Demzufolge kann ein Gaseinlass 172 eine nicht-korrosive Flüssigkeit, wie zum Beispiel ein Schutzgas 180 (z.B. Stickstoff) an den RSC 146 weiterleiten. Diese nicht-korrosive Flüssigkeit kann im Allgemeinen abwärts zwischen dem Behälter 148 und den Leitungen 158 des RSC 146 fließen und bildet eine Schutzbarriere, zum Beispiel gegen die Migration von Syngas in den ringförmigen Zwischenraum zwischen den Rohren 158 und dem Behälter 148.
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Wie unten unter Bezugnahme auf 3-7 genauer beschrieben wird, umfasst der kuppelförmige Teil 150 des oberen Bereichs 147 des RSC 146 eine Kuppelkammer mit einem einzigartigen feuerfesten System und einer ringförmigen Dichtung. Die ringförmige Dichtung ist so konzipiert, dass sie ein Entweichen des heißen Syngases aus einer inneren Kammer in eine äußere Kammer verhindert. Bei bestimmten Ausführungen besitzt die ringförmige Dichtung einen Balg, der so konzipiert ist, dass er sich bei Bewegungen (z. B. thermische Expansion und Kontraktion) im RSC 146 ausdehnt und zusammenzieht und dadurch eine konstante Abdichtung aufrechterhält, um ein Entweichen des Syngases zu verhindern. Das feuerfeste System ist so konzipiert, dass es die Wärmeübertragung vom heißen Syngas zur ringförmigen Dichtung sowie zur äußeren Kammer verhindert. Bei bestimmten Ausführungen umfasst das feuerfeste System eine Gruppe feuerfester Ziegel und isolierender Schichten, die so konzipiert sind, dass sie die ringförmige Dichtung thermisch abschirmen.
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3 ist ein Teil-Querschnitt des RSC 146 innerhalb von Linie 3-3 aus 2, welcher die thermischen und mechanischen Steuermerkmale im kuppelförmigen Teil 150 des oberen Bereichs 147 des RSC 146 darstellt. Das Gehäuse des Behälters 148 trennt einen Außenbereich 180 des RSC 146 von einem Innenbereich 182 des RSC 146. Der Innenbereich 182 des RSC umfasst eine Kuppelkammer 184 (z. B. äußere ringförmige Kammer) und eine innere Kammer 186 (z. B. zentraler Raum oder Syngasdurchgang), welche durch eine ringförmige Innenwandgruppe 187 voneinander getrennt sind. Bei der dargestellten Ausführung umfasst die Wandgruppe 187 ein feuerfestes System 188, welches eine Gruppe thermisch isolierender Ziegel 189 besitzt. Die dargestellte Wandgruppe 187 ist so konzipiert, dass sie während des Betriebs des RSC 146 die Wärmeübertragung und das Austreten von Syngas von der inneren Kammer 186 in die Kuppelkammer 184 verhindert. Insbesondere das feuerfeste System 188 nutzt die thermisch isolierenden Ziegel 189 (unter anderen isolierenden Eigenschaften), um die Wärmeübertragung an die ringförmige Dichtung 190 zu reduzieren und dadurch eine ausreichend niedrige Temperatur der ringförmigen Dichtung 190 in der Kuppelkammer 184 aufrechtzuerhalten. Die ringförmige Dichtung 190 verhindert ein Entweichen von Syngas aus der inneren Kammer 186 in die Kuppelkammer 184. Somit wird die Wandgruppe 187 sowohl vom feuerfesten System 188 als auch von der ringförmigen Dichtung 190 unterstützt, um eine kombinierte Barriere gegen Gasstrom und Wärmeübertragung aufgrund des heißen Syngases im kuppelförmigen Teil 150 des oberen Bereichs 147 des RSC 146 zu bilden.
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Die ringförmige Dichtung 190 umgibt die innere Kammer 186, um während des Betriebs ein Entweichen von Syngas in die Kuppelkammer 184 zu verhindern. Die ringförmige Dichtung 190 kann an einer beliebigen Stelle im Halsstück 153 des kuppelförmigen Teils 150 des Gehäuses 148 angebracht sein. Die ringförmige Dichtung 190 kann beispielsweise vollständig innerhalb eines Teils 191 des kuppelförmigen Teils 150 liegen, wie der Pfeil 191 zeigt. Bei bestimmten Ausführungen kann der Teil 191 einem stromaufwärts liegenden Teil des kuppelförmigen Teils 150 entsprechend, der an den Gaseinlass 152 angrenzt. Der Teil 191 kann zum Beispiel ca. 10, 20, 30, 40 oder 50 Prozent des kuppelförmigen Teils 150 am stromaufwärts liegenden, angrenzenden Gaseinlass 152 betragen. Bestimmte Ausführungen der ringförmigen Dichtung 190 können jedoch an jeder geeigneten Stelle entlang der Axialachse 125 stromaufwärts der Leitungen 158 und stromabwärts des Einlasses 152 angebracht sein.
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Bei der dargestellten Ausführung kann das feuerfeste System 188 zusammen mit der ringförmigen Dichtung 190 dazu verwendet werden, um sicherzustellen, dass heißes Syngas, das aus dem Vergaser 106 in den RSC 146 eindringt, die ringförmige Dichtung 190 nicht thermisch beschädigt. Das feuerfeste System 188 kann verschiedene feuerfeste Materialen enthalten, die in der Lage sind, ihre physikalischen und/oder chemischen Eigenschaften bei erheblich höheren Temperaturen als 810,93 K (1000°F) zu bewahren. Das feuerfeste System 188 kann zum Beispiel einen oder mehrere vorgesinterte feuerfeste Ziegel 189 enthalten, welche ihre vorher festgelegte physikalische Form bei hohen Temperaturen beibehalten, etwa bei Temperaturen von mindestens bis zu oder mehr als 810,93 K (1000°F) bis 1922,04 K (3000°F) (z.B. 1810,93 K (2800°F)). Die hohen Temperaturen können zum Beispiel mindestens bis zu oder mehr als 810,93 K (1000°F), 1088,71 K (1500°F), 1366,48 K (2000°F), 1644,26 K (2500°F) oder 1922,04 K (3000°F) betragen. Zu den für die Verwendung im feuerfesten System 188 geeigneten feuerfesten Materialien zählen Keramik (z.B. Ton oder Mineralien), Metalle (z. B. Titan, Wolfram), Cermet (d.h. Keramik- und Metallkomponenten) oder feuerfeste Materialien (z.B. Silica, Aluminiumoxid).
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Die thermisch isolierenden Ziegel 189 des feuerfesten Systems 188 können eine beliebige Anzahl und Anordnung der Ziegel in axialer, radialer und/oder umlaufender Richtung beinhalten. Diese Ziegel 189 können ineinandergreifen, um den Gasstrom und die Wärmeübertragung aus der inneren Kammer 186 in die Kuppelkammer 184 zu verhindern. Bei der dargestellten Ausführung umfassen die Ziegel 189 eine erste Gruppe thermisch isolierender Ziegel 192 und eine zweite Gruppe thermisch isolierender Ziegel 194 in einer konzentrischen Anordnung zueinander. In anderen Worten: Die erste Ziegelgruppe 192 bildet eine erste ringförmige Wand durch axial und umlaufend gestapelte Ziegel um die innere Kammer 186 herum. Ebenso bildet die zweite Ziegelgruppe 194 eine zweite ringförmige Wand durch axial und umlaufend gestapelte Ziegel um die erste Ziegelgruppe 192 herum. Die erste und die zweite ringförmige Wand (welche durch die Ziegel 192 und 194 gebildet wird) sind mit unterschiedlichen Durchmessern angeordnet, sodass sich die Ziegel 192 radial innerhalb der Ziegel 194 befinden. Zusammen bilden die erste und zweite Ziegelgruppe 192 und 194 eine radiale Stapelung (z.B. zwei konzentrische Ziegelwände).
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Die Ziegel 189 können verschiedene ineinandergreifende Eigenschaften für die Zurückhaltung von und den verbesserten Widerstand gegen Gasstrom und Wärmeübertragung besitzen. Wie dargestellt, ist die erste Ziegelgruppe 192 axial zur zweiten Ziegelgruppe 194 gestapelt, wie durch die axiale Versetzung oder Stapelung 193 gezeigt wird. Zum Beispiel grenzt ein unterer Rand 200 eines Ziegels 202 an einen Ziegel 204 an einem Schnittpunkt 206 an. Bei anderen Ausführungen können die erste Ziegelgruppe 192 und die zweite Ziegelgruppe 194 jedoch axial zueinander angeordnet sein. Zusätzlich können die Ziegel 192 und 194 in umlaufender Richtung um die innere Kammer 186 angeordnet sein. Diese Stapelung unterstützt die Blockierung der Wärmeübertragung und des Gasstroms. Wie weiter unten beschrieben, können die Ziegel 192 und 194 jede geeignete ähnliche oder unterschiedliche Form haben. Wie dargestellt, besitzen die Ziegel 194 ineinandergreifende Schnittstellen 195, die so konzipiert sind, dass sie die Wärmeübertragung und den Gasstrom in radialer Richtung verhindern und eine zusätzliche Zurückhaltung der Ziegel 194 in radialer Richtung bewirken.
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Die Ziegel 189 können aus einem geeigneten feuerfesten Material bestehen, z. B. aus Chrom oder Aluminium. Die erste und zweite Ziegelgruppe 192 und 194 können aus demselben oder aus unterschiedlichen feuerfesten Materialien bestehen. Zum Beispiel kann die erste Ziegelgruppe 192 aus einem feuerfesten Material bestehen, das einer ersten Temperatur standhält, während die zweite Ziegelgruppe aus einem feuerfesten Material besteht, das einer zweiten Temperatur standhält. Die erste und die zweite Temperatur können gleich oder unterschiedlich sein. Zum Beispiel kann die zweite Temperatur wesentlich niedriger als die erste Temperatur sein. Bei bestimmten Ausführungen kann die erste Ziegelgruppe 192 aus einem feuerfesten Material mit ungefähr 90 % Chrom der ungefähr 90 % Aluminium bestehen. Ähnlich kann die zweite Ziegelgruppe 194 aus einem feuerfesten Material mit ungefähr 10 % Chrom oder ungefähr 90 % Aluminium bestehen.
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Das feuerfeste System 188 kann außerdem eine oder mehr thermisch isolierende Schichten, Auskleidungen oder ringförmige Barrieren besitzen, die zwischen der inneren Kammer 186 und der ringförmigen Dichtung 190 angebracht sind. Zum Beispiel umfasst das dargestellte System 188 eine thermisch isolierende Auskleidung 196 (z.B. ringförmige Auskleidung), welche konzentrisch um die zweite Gruppe thermisch isolierender Ziegel 194 und einen Wärmschutz 198 angeordnet ist (z.B. ringförmiger Schutz), der um die thermisch isolierende Auskleidung 196 angebracht ist. Die thermisch isolierende Auskleidung 196 kann für Temperaturen von ca. 1533,15-1922,04 K (2300-3000°F) konzipiert sein, eine Stärke von ungefähr 5,42-10,85 Nm (4-8 Pfund/Fuß3) und eine thermische Leitfähigkeit von weniger als ca. 1,0 W/mK besitzen. Der Wärmeschutz 198 kann aus einem geeigneten temperaturbeständigen Material wie ASTM SB 443 UNS 625 bestehen. Wie weiter unten genauer beschrieben, können der Wärmeschutz 198 und die thermisch isolierende Auskleidung 196 mit einem thermisch isolierenden Material 208 (z.B. ringförmige Schicht) zusammenwirken, um Komponenten der ringförmigen Dichtung 190, wie etwa einen Balg 210, thermisch zu schützen. Bei einer Ausführung kann das feuerfeste System 188 zum Beispiel die Wahrscheinlichkeit verringern, dass die ringförmige Dichtung 190 während des Betriebs höhere Oberflächentemperaturen als rund 800°F erreicht. Bei einer solchen Ausführung kann das thermisch isolierende Material 208 ein geeignetes Material sein, das Temperaturen von bis zu ca. 1533,15-1922,04 K (2300-3000°F) standhält und eine thermische Leitfähigkeit von weniger als ca. 1,0 W/mk besitzen.
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4 ist ein Teilquerschnitt des kuppelförmigen Teils 150 aus 3, welcher die Eigenschaften des feuerfesten Systems 188 und die ringförmige Dichtung 190 genauer darstellt. Wie oben erwähnt, umfasst die zweite Ziegelgruppe 194 ineinandergreifende Schnittstellen 195, welche so konfiguriert sind, dass sie die Wärmeübertragung mechanisch zurückhalten und diese verhindern sowie den Gasstrom blockieren. Bei der dargestellten Ausführung besitzt jeder Ziegel 194 einen ringförmigen Vorsprung 220, eine ringförmige Nut 222 und eine radiale Auflagefläche 224 zwischen dem ringförmigen Vorsprung 220 und der ringförmigen Nut 222. Der ringförmige Vorsprung 220 und die ringförmige Nut 222 können als scheibenförmige Flächen mit verschiedenen axialen Positionen beschrieben wer-den, wobei die radiale Auflagefläche 224 als zylinderförmige Fläche definiert wird. Auf diese Weise wird die ineinandergreifende Schnittstelle 195 zwischen angrenzenden Ziegeln der zweiten Ziegelgruppe 194 gebildet. Die ineinandergreifende Schnittstelle 195 kann durch konzentrisch zylindrische Teile mit verschiedenen Durchmessern beschrieben werden. Zum Bei-spiel kann jede ineinandergreifende Schnittstelle 195 eine erste ineinandergreifende Schnittstelle 225 eines oberen Ziegels 194 und eine zweite ineinandergreifende Schnittstelle 226 eines unteren Ziegels 194 umfassen, wobei die Schnittstellen 225 und 226 Gegenstücke (z.B. männliche und weibliche Elemente) zueinander sind.
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Bei der dargestellten Ausführung sind die radialen Abmessungen des ringförmigen Vorsprungs 220 und der ringförmigen Nut 222 im Wesentlichen identisch. In anderen Worten: Die radiale Auflagefläche 224 liegt im Allgemeinen an einem radialen Mittelpunkt zwischen einem Innendurchmesser und einem Außendurchmesser der zweiten ringförmigen Wand, welche durch die Ziegel 194 gebildet wird. Wie dargestellt, ist jeder Ziegel 194 gegenüber dem Vorsprung 220 und der Nut 222 auf den oberen und unteren Axialflächen angeordnet. In anderen Worten: Eine obere Axialfläche jedes Ziegels 194 besitzt eine ringförmige Nut 222 mit einem kleineren Durchmesser als der ringförmige Vorsprung 220, während eine untere Axialfläche jedes Ziegels 194 eine ringförmige Nut 222 mit einem größeren Durchmesser als der ringförmige Vorsprung 220 besitzt. Somit sind die Ziegel 194 auf modulare Weise axial übereinander gestapelt, um eine thermische Barriere zu bilden, d.h. eine zweite ringförmige Wand. Andere Ausführungen können jedoch jede geeignete ineinandergreifende Schnittstelle 195 zwischen angrenzenden Ziegel 194 und den Ziegeln 192 umfassen.
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Während des Betriebs können die ineinandergreifenden Schnittstellen 195 der Ziegel 194 die radiale Expansion aufgrund von thermischen Veränderungen im RSC 146 erheblich verringern oder eliminieren. Auf diese Weise verringern oder eliminieren die Ziegel 194 die radiale Beanspruchung der ringförmigen Dichtung 190 sowie des Balgs 210. Das heißt, die ineinandergreifenden Schnittstellen 195 können die zweite Ziegelgruppe 194 sicher zurückhalten sowie die erste Ziegelgruppe 192 und andere Schichten in einer radialen Position halten, um die Möglichkeit einer Verbiegung oder Beugung des Balgs 210 aus der normalen ringförmigen Geometrie heraus zu verringern oder zu verhindern. Auf diese Weise schützen die ineinandergreifenden Schnittstellen 195 die ringförmige Dichtung 190 und insbesondere den Balg 210 vor mechanischer Beschädigung.
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In der in 4 dargestellten Ausführung passt die ringförmige Dichtung 190 das thermisch isolierende Material 208 an die variierende Form des Balgs 210 an, sodass das thermisch isolierende Material 208 direkt in axialer, radialer und umlaufender Richtung mit dem Balg in Berührung kommt. Wie weiter unten dargelegt, umfasst der Balg 210 eine ringförmige Wand mit einem veränderlichen Durchmesser, welcher sich radial in alternierender Weise in Strömungsrichtung des Gases 160 erhöht und verringert und das thermisch isolierende Material 208 passt sich dem veränderlichen Durchmesser an, um den Kontakt und die Isolierung des Balgs 210 aufrechtzuerhalten. Der dargestellte Balg 210 umfasst drei radiale Vorsprünge nach außen, welche sich in die Kuppelkammer 184 erstrecken. Bei bestimmten Ausführungen kann der Balg 210 mehr oder weniger radiale Vorsprünge nach außen besitzen, beispielsweise 1 bis 20, 1 bis 10 oder 1 bis 5 oder jede andere geeignete Anzahl. Bei einer Ausführung kann der Balg 210 aus Metall bestehen, z. B. aus ASTM SB407 UNS Nr. 8800 (Ausgabe 2004), welches für die Expansion und Kontraktion in Strömungsrichtung 160 geeignet ist. In anderen Worten: Der Balg 210 ermöglicht eine Bewegung der ringförmigen Dichtung 190 in Strömungsrichtung 160, ohne die luftdichte Abdichtung im Halsstück 153 zu beeinträchtigen, wodurch ein Entweichen des Syngases in die Kuppelkammer 184 bei dynamischen Betriebsbedingungen verhindert wird.
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Es sei darauf hingewiesen, dass der Balg 210 aufgrund des thermischen Schutzes oder der isolierenden Wirkung des feuerfesten Systems 188 bei der dargestellten Ausführung nicht an ein aktives Kühlsystem (z. B. Kühlrohre) angeschlossen werden muss, um die Temperatur zu senken. Das heißt, das feuerfeste System 188 in den derzeit betrachteten Ausführungen ist in der Lage, eine Oberflächentemperatur des Balgs von weniger als rund 699,82 K (800°F) aufrechtzuerhalten, ohne dass ein Kühlmittel (z.B. Wasser) durch einen Durchlauf fließt, der an die ringförmige Dichtung 190 angrenzt. Bei der dargestellten Ausführung unterstützen zum Beispiel die Eigenschaften des isolierenden Materials 208 (z.B. Konzipierung für ca. 1533,15 K (2300°F) bis 1922,04 K (3000°F) und thermische Leitfähigkeit von weniger als ca. 1,0 W/mK) den Schutz des Balgs 210 vor thermischen Schäden.
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5, 6 und 7 sind Teil-Querschnitte der ringförmigen Dichtung 190 aus 3 und 4, welche alternative Ausführungen des Balgs 210 zeigen. Bei der Ausführung von 5 besitzt der Balg 210 eine ringförmige Wand 238 mit einem veränderlichen Durchmesser, der sich radial auf alternierende Weise in Strömungsrichtung 160 erhöht und verringert. In anderen Worten: Ein Querschnitt der ringförmigen Wand 238 kann als Zickzackform oder Vorwärts- und Rückwärtskurve beschrieben werden, z. B. um eine Gruppe veränderlicher V-Formen, U-Formen oder Ähnliches zu bilden. Bei der dargestellten Ausführung bildet die ringförmige Wand 238 veränderliche ringförmige Rippen 237 und ringförmige Nuten 239, welche in der Kuppelkammer 184 angeordnet sind und die ringförmige Dichtung 190 beinhaltet das thermisch isolierende Material 208, das sich an die veränderlichen ringförmigen Rippen 237 und die ringförmigen Nuten 239 anpasst. Die ringförmigen Rippen 237 können als U-Formen beschrieben werden, welche radial nach außen in die Kuppelkammer 184 ragen, während die ringförmigen Nuten 239 als U-Formen beschrieben werden können, welche radial nach innen in das thermisch isolierende Material 208 ragen. Der Balg 210 besitzt außerdem einen Basisdurchmesser, der durch die Linie 240 definiert ist. In der dargestellten Ausführung erhöht und verringert sich der Durchmesser der ringförmigen Wand 238 radial lediglich über dem Basisdurchmesser 240. Das heißt, bei dieser Ausführung sind sowohl die ringförmigen Rippen 237 als auch die ringförmigen Nuten 239 größer als der Basisdurchmesser 240, sodass die Rippen 237 und Nuten 239 in Bezug auf die Basisdurchmesserlinie 240 nur radial nach außen ragen. Wie oben beschrieben, kann sich der Balg 210 bei dieser Konfiguration während des Betriebs in Abhängigkeit von den Systembedingungen in Strömungsrichtung 160 ausdehnen und zusammenziehen.
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Ähnlich wie in 5 besitzt der Balg 210 der Ausführung von 6 eine ringförmige Wand 250 mit einem veränderlichen Durchmesser, der sich auf alternierende Weise radial in Strömungsrichtung 160 erhöht und verringert. Wie zuvor umfasst die ringförmige Wand 250 veränderliche ringförmige Rippen 251 und ringförmige Nuten 252, welche in der Kuppelkammer 184 angebracht sind. Im Gegensatz zur Ausführung von 5 erhöht und verringert sich der Durchmesser der ringförmigen Wand 250 jedoch radial über und unter dem Basisdurchmesser 240. Das heißt, bei dieser Ausführung ragen die ringförmigen Rippen 251 radial über den Basisdurchmesser 240 hinaus und erreichen in der Kuppelkammer 194 einen größeren Durchmesser, während die ringförmigen Nuten 252 radial nach innen vom Basisdurchmesser 240 auf einen kleineren Durchmesser zurückweichen. Wie dargestellt, ist das thermisch isolierende Material 208 entlang der ringförmigen Wand 250 unter Anpassung an die ringförmigen Rippen 251 und die ringförmigen Nuten 252 angebracht. Dadurch füllt das thermisch isolierende Material 208 den Zwischenraum zwischen den ringförmigen Rippen 251, während die ringförmigen Nuten 252 radial in das thermisch isolierende Material 208 zurückweichen. Bei der in 6 dargestellten Ausführung umfasst der Balg 210 zwei ringförmige Rippen 251 und eine ringförmige Nut 252. Bei manchen Ausführungen kann der Balg 210 jedoch mehr oder weniger ringförmige Rippen 251 und ringförmige Nuten 252 besitzen. Zum Beispiel kann der Balg 210 1 bis 20 oder 1 bis 10 oder 1 bis 5 ringförmige Rippen 251 und ringförmige Nuten 252 oder jede andere geeignete Anzahl umfassen.
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Ähnlich wie in 5 und 6 besitzt der Balg 210 der Ausführung von 7 eine ringförmige Wand 260, welche einen veränderlichen Durchmesser besitzt, der sich auf alternierende Weise radial in Strömungsrichtung 160 erhöht und verringert. Im Gegensatz zu den Ausführungen von 5 und 6 umfasst die ringförmige Wand 260 veränderliche ringförmige Rippen 261 und ringförmige Nuten 262, welche radial in das thermisch isolierende Material 208 zurückweichen. Das heißt, der veränderliche Durchmesser der ringförmigen Wand 260 erhöht und verringert sich radial nur weniger als der Basisdurchmesser 240. Wie zuvor kann sich der Balg 210 in dieser Konfiguration in Strömungsrichtung 160 ausdehnen und zusammenziehen, während eine luftdichte Abdichtung zwischen der inneren Kammer 186 und der Kuppelkammer 184 aufrechterhalten wird. Die Konfiguration des Balgs 210 in 7 kann demzufolge ein Entweichen von Syngas in die Kuppelkammer 184 verhindern.
