ES2625929T3 - Refrigerador de gas de síntesis radiante - Google Patents

Abstract

Un refrigerador de gas de síntesis (10) para extraer calor del gas de síntesis (12) producido por un proceso de gasificación, que comprende: una carcasa (44) que tiene una entrada de gas de síntesis (14) y una salida de gas de síntesis (38); un conducto refrigerado por fluido (26) contenido dentro de la carcasa para recibir el gas de síntesis; un medio de placa de sello (64) dentro del refrigerador de gas de síntesis para evitar que el gas de síntesis entre en una región entre la carcasa y el conducto, comprendiendo el medio de placa de sello un medio de alivio de presión (72) proporcionado en el medio de placa de sello para reducir la posibilidad de daño al medio de placa de sello que podría producirse debido a una presión en un lado del medio de placa de sello que es mayor que una presión en un lado opuesto del medio de placa de sello; una superficie de transferencia de calor radiante de fluido refrigerado (30) que se extiende parcialmente dentro del conducto para refrigerar el gas de síntesis; y un medio (56, 60) para transportar el gas de síntesis desde el conducto a la salida de gas de síntesis.

Description

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DESCRIPCION

Refrigerador de gas de smtesis radiante Campo y antecedentes de la invencion

La presente invencion se refiere, en general, al campo de la gasificacion del carbon y, en particular, a un refrigerador de gas de smtesis radiante (syngas) para una planta de energfa de ciclo combinado de gasificacion integrada (IGCC). El refrigerador de gas de smtesis radiante se usa para contener y refrigerar el gas de smtesis producido por un proceso de gasificacion de carbon usado en una planta de energfa de IGCC.

Las plantas de energfa de IGCC alimentadas por combustibles solidos han tenido tradicionalmente unos costes de capital muy altos y han tenido una menor disponibilidad y fiabilidad de funcionamiento que las tecnologfas de combustibles solidos con las que compiten, tales como los ciclos de Rankine de combustion de carbon pulverizado. Los componentes primarios que se deben mejorar para hacer el IGCC mas competitivo incluyen gasificadores sin refrigerar y refrigeradores de gas de smtesis radiantes y convectivos. Los disenos de los refrigeradores de gas de smtesis radiantes tienen una limitacion practica del diametro exterior total debido a la econoirna de la contencion de recipientes a presion y las limitaciones de tamano de envm a la mayona de las ubicaciones de las plantas de energfa. Dentro de estos lfmites para el diametro de recipiente, existe la necesidad de maximizar la compacidad de la superficie generadora de vapor de transferencia de calor radiante usada para refrigerar el gas para minimizar la altura total del refrigerador de gas de smtesis radiante.

La patente de Estados Unidos N°. 4.768.470 de Ziegler utiliza unos conductos de combustion coaxiales construidos de una superficie de pared generadora de vapor para acortar la altura de refrigerador total. Este diseno proporciona unos conductos separados con circuitos de agua independientes para proporcionar el levantamiento individual, la retirada y la inspeccion de los conductos internos y externos. Otro enfoque de diseno desarrollado por The Babcock & Wilcox Company ca. 1992, utiliza un unico conducto de vapor que genera la superficie de pared con superficies de generacion de vapor adicionales (“paredes de ala”) suspendidas en el interior del conducto para maximizar el area de superficie y acortar la altura del refrigerador. Otras empresas, tal como GHH Mann emplean disenos similares.

Las soluciones existentes todavfa no han reducido el coste de este componente a un nivel competitivo. Las alturas de refrigerador radiante unico para refrigerar el gas de smtesis para las plantas de energfa que usan las turbinas de gas comercial mas grandes pueden superar los 46 m (150 pies) de altura. Algunos disenos de planta han usado dos refrigeradores, reduciendo la altura total pero aumentando aun mas los costes. Adicionalmente, se han incluido en los disenos de planta los gasificadores redundantes, los radiadores radiantes y los refrigeradores convectivos para mejorar la disponibilidad operativa de la planta, a un coste sustancialmente mas alto.

Las soluciones existentes para los refrigeradores de gas de smtesis convectivos requieren un componente separado del refrigerador radiante, con un conducto de refrigerado que conecta los dos componentes. Los disenos de refrigeradores convectivos incluyen disenos tanto de tubos de agua como de vapor (agua o vapor en el interior de los tubos, gas en el exterior) (Shell Oil Company) y disenos de tubos de fuego (gas en el interior de los tubos, agua en el exterior) (Steinmueller, otros). Ambos disenos requieren un cerramiento de recipiente a presion y un sistema de agua/vapor separados del refrigerador radiante. La turbulencia creada de manera alterna en el conducto de gas y en la entrada al refrigerador convectivo ha creado una fuente de ensuciamiento de ceniza de combustible que puede ser diffcil de manejar.

Las soluciones existentes para los gasificadores incluyen unos cerramientos refractarios no refrigerados y refrigerados. Los cerramientos no refrigerados (General Electric, Conoco, otros) han experimentado fallos prematuros y reemplazos frecuentes. La alta disponibilidad con estos disenos requiere normalmente un tren de gasificador de repuesto, y/o encender la turbina de gas con petroleo o gas a un coste mas alto durante el tiempo de reparacion del gasificador. Los tiempos lentos de calentamiento y refrigerado para los disenos no refrigerados refractarios espesos prolongan el tiempo durante las interrupciones para reparar o reemplazar los refractarios. Los disenos de gasificador refrigerado existentes (Shell Oil Company, Future Energy) utilizan circuitos de generacion de agua o vapor separados con un recubrimiento refractario para encerrar y contener los gases del gasificador. Algunos de estos sistemas usan sistemas de agua de refrigerado de baja presion y circulacion forzada que rechazan el calor fuera del sistema de vapor/agua de la planta de energfa, reduciendo la eficacia. La tecnica anterior para contener gases de combustibles solidos calientes con escoria fundida en un entorno de combustion similar a este entorno usando una superficie de generacion de vapor integral con el circuito de refrigeracion corriente abajo incluye las calderas Cyclone™ (The Babcock & Wilcox Company).

Por lo tanto, es claro que el desarrollo de un refrigerador de gas de smtesis economico, compacto, fiable y robusto es cntico para el futuro de los sistemas de IGCC a una escala comercial.

El documento US 4.513.694 describe un tanque de radiacion vertical para obtener calor a partir de los gases de proceso. Se ha elegido un comportamiento especial de las paredes de tubena de diafragma con el fin de evitar que a

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lo largo se solidifique la ceniza barrida. Este documento no ensena ni sugiere, al menos, un medio de placa de sellado dentro de un refrigerador de gas de smtesis para evitar que el gas de smtesis entre en una region entre una carcasa y un conducto del refrigerador de gas de smtesis, comprendiendo el medio de placa de sellado un medio de alivio de presion proporcionado en el medio de placa de sellado para reducir la posibilidad de dano al medio de placa de sellado que podna producirse debido a que una presion en un lado del medio de placa de sellado sea mayor que una presion en un lado opuesto del medio de placa de sellado.

El documento DE 87 08 850 describe un intercambiador de calor para un gas que contiene un solido y que emite calor, por ejemplo, un gas de smtesis.

Sumario de la invencion

Los aspectos espedficos y las realizaciones de la invencion se exponen en las reivindicaciones independientes y dependientes adjuntas.

Un ejemplo de acuerdo con las presentes ensenanzas se dibuja para un refrigerador de gas de smtesis para extraer calor a partir del gas de smtesis producido por un proceso de gasificacion. El refrigerador de gas de smtesis comprende una carcasa que tiene una entrada de gas de smtesis y una salida de gas de smtesis; un conducto refrigerado por fluido contenido dentro de la carcasa para recibir el gas de smtesis; una superficie de transferencia de calor radiante refrigerada por fluido que se extiende parcialmente dentro del conducto para refrigerar el gas de smtesis; y un medio para transportar el gas de smtesis desde el conducto exterior hacia la salida.

Las diversas funciones novedosas que caracterizan la invencion se senalan con particularidad en las reivindicaciones anexas y forman una parte de esta descripcion. Para una mejor comprension de la invencion, sus ventajas operativas y los beneficios espedficos obtenidos por sus usos, se hace referencia a los dibujos adjuntos y a la materia descriptiva en los que se ilustran las realizaciones preferidas de la invencion.

Breve descripcion de los dibujos

En las figuras:

la figura 1 es una vista en perspectiva exterior de un refrigerador de gas de smtesis radiante y un equipo auxiliar seleccionado de acuerdo con una primera realizacion de la presente invencion;

la figura 2 es una vista en perspectiva exterior de una parte superior del refrigerador de gas de smtesis radiante de la figura 1;

la figura 3 es una vista en perspectiva, parcialmente en seccion, del refrigerador de gas de smtesis radiante de la figura 1;

la figura 4 es una vista en perspectiva, parcialmente en seccion, de una parte superior del refrigerador de gas de smtesis radiante de la figura 3;

la figura 5 es una vista en perspectiva, parcialmente en seccion, de una parte inferior del refrigerador de gas de smtesis radiante de la figura 3;

la figura 6 es una vista lateral en seccion de una primera realizacion del refrigerador de gas de smtesis radiante de acuerdo con la presente invencion;

la figura 7 es una vista en seccion de la figura 6 vista en la direccion de las flechas 7 - 7 de la figura 6;

la figura 8 es una vista en seccion de la figura 6 vista en la direccion de las flechas 8 - 8 de la figura 6;

la figura 9 es una vista en seccion de la figura 6 vista en la direccion de las flechas 9 - 9 de la figura 6;

la figura 10 es una vista lateral en seccion parcial de una segunda realizacion de un refrigerador de gas de

smtesis radiante que ilustra la colocacion de la superficie de transferencia de calor por conveccion en una parte inferior del refrigerador de gas de smtesis radiante de acuerdo con la presente invencion;

la figura 11 es una ilustracion de una primera realizacion de un medio de alivio de presion que comprende un conjunto de amortiguador de alivio utilizable en conexion con el refrigerador de gas de smtesis radiante de acuerdo con la presente invencion;

la figura 12 es una ilustracion de una segunda realizacion de un medio de alivio de presion que comprende un conjunto de amortiguador de alivio utilizable en conexion con el refrigerador de gas de smtesis radiante de acuerdo con la presente invencion;

la figura 13 es una vista lateral en seccion parcial de una parte superior de un refrigerador de gas de smtesis radiante que emplea una realizacion alternativa para la entrada de gas de smtesis de acuerdo con la presente invencion; y

la figura 14 es una vista lateral en seccion parcial de una parte superior de un refrigerador de gas de smtesis radiante que emplea una realizacion alternativa para la superficie de transferencia de calor radiante utilizable en conexion con el refrigerador de gas de smtesis radiante de acuerdo con la presente invencion.

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Descripcion de las realizaciones preferidas

Antes de proporcionar una descripcion de las realizaciones preferidas de la presente invencion, se proporcionara una breve exposicion de los diversos factores y criterios de diseno del refrigerador de gas de smtesis radiante adecuado.

La funcion principal de un refrigerador de gas de smtesis radiante es refrigerar el gas de smtesis caliente producido por un proceso de gasificacion. Un diseno robusto y rentable es necesario. Determinar la cantidad apropiada de superficie de transferencia de calor es, por lo tanto, una primera etapa importante debido a que es el principal impulsor para toda la configuracion del producto. Dado que el gas de smtesis suministrado al refrigerador de gas de smtesis esta a temperaturas extremadamente altas, los fenomenos de transferencia de calor de radiacion predominan para una parte significativa del refrigerador de gas de smtesis, pero los efectos de transferencia de calor convectivo no pueden ser ignorados, especialmente a medida que el gas de smtesis se refrigera a temperaturas mas bajas.

Metodos de transferencia de calor - Determinar la absorcion de calor por las partes de presion vapor - agua es el unico criterio mas importante para el exito operativo. La cafda de temperatura del gas a traves del refrigerador de gas de smtesis esta directamente relacionada con el flujo de vapor. La absorcion de calor esta relacionada con las propiedades del gas de smtesis a alta presion (con la emisividad, en particular), los solidos arrastrados y la disposicion y la limpieza de la superficie.

Caracteristicas unicas del de gas de smtesis del gasificador - Los productos de la combustion en un sistema de gasificacion son significativamente diferentes de los producidos por las calderas normales que funcionan a presion atmosferica y que usan el aire como oxidante. Estas diferencias se producen debido a que:

la combustion es gravemente incompleta; aproximadamente un 0,4 de estequiometria; se arrastraran grandes cantidades de solidos (ceniza, carbon); la presion de funcionamiento del horno es alta; y el combustible oxidante es oxfgeno puro frente al aire.

Por lo tanto, los gases de smtesis formados tienen en gran medida unas propiedades diferentes de los gases de conducto de caldera normales. Los gases de smtesis tienen altos contenidos en monoxido de carbono, hidrogeno y solidos arrastrados, y bajos contenidos en nitrogeno y oxfgeno. Estan presentes cantidades no despreciables de sulfuro de hidrogeno, lo que es importante para consideraciones de corrosion. La densidad de gas de smtesis es relativamente alta debido a la elevada presion de funcionamiento del lado del gas. El peso molecular del gas de smtesis es relativamente bajo debido al alto contenido de hidrogeno. Tomado en conjunto, el efecto neto es que los gases de smtesis producidos tienen unas propiedades de fluido (calor espedfico, entalpfa, conductividad termica, densidad y emisividad) que difieren notablemente del gas de conducto de caldera normal.

Como resultado de estas propiedades de fluido diferentes, el procedimiento de calculo de rendimiento termico para los gases de smtesis se desvfa de una caldera de presion atmosferica en cuatro areas principales, de la siguiente manera:

1. La tasa de transferencia de calor convectivo aumenta de un 40 a un 70 %.

2. La tasa de transferencia de calor de radiacion aumenta.

3. La perdida de aspiracion del lado del gas es diferente.

4. La respuesta de temperatura a una BTU de transferencia de calor es menor.

El calor espedfico y el contenido de calor aumenta, espedficamente debido al gran contenido de hidrogeno (el hidrogeno tiene un calor espedfico de aproximadamente 8,23 kJ/kg (3,54 BTU/lb -F) a 538 °C (1000 F)).

De estas cuatro areas, la transferencia de calor radiante y los efectos de los solidos arrastrados son los mas significativos en la superficie de fijacion en el refrigerador de gas de smtesis radiante. Ademas, el entorno altamente reductor reduce las temperaturas del punto de fusion de las cenizas en comparacion con la combustion oxidada y esto puede afectar a la extension de la escoria que cubre las paredes del cerramiento.

Propiedades radiativas de las mezclas partmulas-gas - La prediccion de las propiedades radiativas de las mezclas de partmulas y de gas es un etapa compleja pero esencial en el diseno de un refrigerador de gas de smtesis radiante. Se requieren unos programas informaticos propietarios. Estos incluyen programas tales como el programa informatico RPGT para predecir las propiedades del gas basandose en el modelo de banda ancha exponencial de la Universidad de Iowa y el programa informatico MIE de 1MB Corporacion que se basa en la Teona de Mie y que puede usarse para predecir las propiedades de partmulas espectrales. Otro programa informatico propietario denominado programa Radiative Properties of Part-Gas Mixtures (RPPGM) permite un acceso rapido y eficiente a las propiedades de los gases radiativos e implementa los resultados del programa informatico MIE para las propiedades de las partmulas.

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El programa RPPGM puede usarse junto con otro programa de transferencia de calor para predecir la absorcion total del horno o del refrigerador. El RPPGM predice las propiedades de radiacion para mezclas determinadas de partmulas y gases. Tradicionalmente, no se aplica la definicion de emisividad cuando un medio se dispersa parcialmente. La intensidad radiativa a lo largo de una trayectoria ya no es una funcion de la longitud, sino que tambien depende de la radiacion dispersada desde y hacia la direccion de la trayectoria. Sin embargo, para condiciones ideales, se ha definido una emisividad efectiva (ajustada) y se usa en el RPPGM, que intenta incluir la dispersion de partmulas. La suposicion usada para evaluar la emisividad efectiva es valida para un medio de moderadamente espeso (PL = 1) a opticamente delgado (PL ^ 0), para el equilibrio radiativo o para los casos en los que la dispersion es pequena. En este caso, P es el coeficiente de extincion y L es la longitud del haz.

Para el medio opticamente espeso normalmente encontrado en aplicaciones de gasificador (P = 5 a 70), los metodos de tipo zona, que usan la emisividad para calcular la transferencia de calor por radiacion, no son adecuados para calcular los efectos de la dispersion de partmulas. Los metodos de tipo flujo o los metodos de trazado de rayos son entonces necesarios para cuantificar con exactitud la transferencia radiativa. El metodo de ordenadas discretas es uno de tales enfoques, que se usa en el programa informatico propietario Computational fluid dynamics (CFO) de la comparna The Babcock & Wilcox (B&W's), COMO™. Este metodo usa la absorcion radiativa y los coeficientes de dispersion en lugar de la emisividad para la transferencia radiativa gas-solido. Estos coeficientes se calculan tambien por el programa RPPGM y son mas confiables para el medio opticamente espeso.

Las estimaciones iniciales de la cantidad necesaria de superficie de transferencia de calor y las predicciones del rendimiento de la superficie de transferencia de calor pueden aproximarse usando un metodo de emisividad ajustada. Sin embargo, los requisitos finales de superficie de transferencia de calor debenan basarse en tecnicas de modelado de CFD y en programas tales como el COMO™.

Modelado de CFD del refrigerador de gas de smtesis radiante - Los modelos de CFD se basan normalmente en una descripcion fundamental de diversos procesos de interaccion de un flujo turbulento, una reaccion qmmica, y una transferencia de calor. El programa informatico COMO™ de B&W fue desarrollado espedficamente para el diseno y la evaluacion de los sistemas de combustion (calderas, hornos y quemadores), y se ha usado anteriormente en el diseno de gasificadores de flujo arrastrado de alta presion, oxigenados y aireados. El modelo COMO™ se usa para predecir el rendimiento de transferencia de calor del lado del gas del refrigerador de gas de smtesis radiante. La combustion del carbon se simula con modelos avanzados para la desvolatilizacion del carbon y la oxidacion y la gasificacion del carbon. El flujo de partmulas se predice usando una combinacion de metodos numericos (Lagrangian para partmulas grandes, Eulerian para partmulas pequenas) para predecir la aerodinamica de las partmulas, la dispersion turbulenta y la deposicion en las superficies del intercambiador de calor. La transferencia de calor por radiacion se resuelve en combinacion con el flujo turbulento, la energfa y la combustion. Por lo tanto, las predicciones del flujo de partmulas-gas, la temperatura y el flujo de calor estan disponibles para el diseno del refrigerador de gas de smtesis radiante.

La modelizacion numerica es el enfoque mas preciso para predecir la transferencia de radiacion en un medio densamente absorbente y dispersante que es ubicua en los sistemas de combustion y gasificacion del carbon. El modelo COMO™ usa el metodo de ordenadas discretas para el analisis numerico de la radiacion en los sistemas de combustion, e incorpora la descripcion geometrica compleja del combustor (cerramiento de refrigeracion y paredes de division). Las ordenadas discretas fueron desarrolladas y optimizadas para la radiacion termica en geometnas multidimensionales por el trabajo pionero en B&W. Desde entonces, ha ganado en popularidad, y ahora se usan en muchos otros codigos CFD comerciales. La solucion numerica para la radiacion conduce a la distribucion de la intensidad radiante y del flujo de calor radiante para un campo de temperatura dado. La solucion esta acoplada a ecuaciones para la conservacion de energfa, y las relaciones de temperatura y las propiedades termodinamicas de los gases y las partmulas. Las temperaturas de la pared se determinan a partir de un equilibrio energetico para la transferencia de calor por conveccion y radiacion a la superficie, la transferencia de masa y la conduccion de calor a traves de las superficies refrigeradas por agua cubiertas por depositos. Una solucion numerica para la radiacion, la energfa del gas y las partmulas, las temperaturas del gas y las partmulas, y la temperatura de la pared, producira finalmente una solucion convergente en la que se consigue un equilibrio energetico global.

Los gases de combustion y partmulas arrastradas tienen un papel importante en la transferencia de calor de radiacion, ya que absorben, emiten, y dispersan la radiacion. Las propiedades de radiacion de los gases se predicen con precision basandose en los modelos fundamentales para la radiacion de gas espectral. El modelo de banda ancha exponencial se usa para calcular las propiedades de absorcion y de emision espectrales de mezclas de gases con H2O, CO2, CO, CH4, NO y SO2, y los gases no participates N2, O2 y H2. La teona de Mie es un metodo general para calcular las propiedades de radiacion de partmulas esfericas como una funcion de la composicion, la concentracion, el diametro y la longitud de onda de las partmulas. Estos metodos requieren estimaciones o mediciones confiables de la composicion, la concentracion y la distribucion del tamano de partmulas de las partmulas arrastradas (carbonilla, ceniza y hollm) que entran en el reactor. Las propiedades de radiacion de los gases y las partmulas se combinan y se expresan convenientemente como eficacias totales de emision, absorcion y dispersion que dependen de las variaciones locales en la composicion de gas-partmula, la temperatura y la presion. Estas propiedades se incorporan al metodo numerico para la transferencia de calor por radiacion. Cuando estan

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implicadas otras partmulas distintas del hollm, espedficamente para la carga de partmulas densas que se espera en el refrigerador de gas de smtesis radiante, los efectos de la dispersion no pueden descuidarse. Los metodos numericos que resuelven la forma general de la ecuacion de transporte radiativo incluyen los efectos tanto de la dispersion como de la absorcion.

La emisividad y las propiedades termicas de los depositos de ceniza tambien tienen un gran efecto sobre la transferencia de calor. La emisividad depende de la temperatura, la composicion qmmica, la estructura y la porosidad de la capa de deposito, y si los depositos estan parcialmente fusionados o fundidos. Los efectos termicos y radiativos de los depositos de ceniza-carbon pueden incluirse en el modelo COMO™ basandose en una combinacion de mediciones experimentales y experiencias con el rendimiento de transferencia de calor de la caldera. Debido a que los metodos para predecir los efectos de la escoria que se acumula en las superficies de transferencia de calor son parcialmente empmcos, debenan calibrarse con mediciones de campo del rendimiento del refrigerador de gas de smtesis radiante en las unidades de refrigerador de gas de smtesis radiante.

Configuracion de la superficie de transferencia de calor - Como se ha descrito anteriormente, puede usarse un metodo de emisividad ajustada para determinar los coeficientes de transferencia de calor de radiacion de gas y los factores de ensuciamiento de la superficie empmca para calcular la cantidad necesaria de superficie. La limpieza de la superficie juega un papel extremadamente importante en la determinacion del calor absorbido, y puede ser diffcil de predecir. Los factores de ensuciamiento se basan normalmente en valores empmcos determinados a partir de la experiencia con combustibles, condiciones de funcionamiento y disposicion superficial. La superficie se ajusta para absorber la entrada de calor especificada proporcionada por el gas de smtesis que se suministra al refrigerador de gas de smtesis radiante en condiciones normales de funcionamiento. El medio de transferencia de calor es el agua. El agua recibe el calor del gas de smtesis y, basandose en una temperatura de agua de alimentacion asumida y en una entrada de calor dada, generara un flujo de vapor de acuerdo con los principios termodinamicos conocidos.

El diseno de la superficie de transferencia de calor debena basarse en conseguir la absorcion necesaria sin el uso de sopladores de hollm para limpiar la superficie de transferencia de calor de los depositos que se acumulan durante el funcionamiento. Basandose en la experiencia con las unidades de gasificacion actuales, se consigue una tasa de equilibrio de ensuciamiento y absorcion a lo largo del tiempo. Los presentes inventores han observado que tales condiciones de equilibrio tambien se consiguen en calderas industriales y de uso general que consumen combustibles similares, y el rendimiento de tales calderas es bastante manejable. La experiencia indica que debido a la acumulacion de escoria en los sopladores de hollm durante el servicio, la penetracion de gases corrosivos, y la descomposicion de los sistemas de sellado en la corriente de gas, los sopladores de hollm desmontables son inaceptables desde un punto de vista practico de mantenimiento y de disponibilidad. Los sopladores de pared que no sobresalen en la corriente de gas son eficaces para las paredes pero no se usan normalmente para soplar hacia fuera sobre una superficie como las paredes de division, donde se produce la mayor parte de la escoria. El uso de este tipo de soplador sin acceso a traves de la pared del recipiente ayudana a resolver algunos problemas. Sin embargo, se requerina una tubena extensa en la corona circular inaccesible y esta tubena seguina siendo propensa al ataque de productos corrosivos.

Para establecer unos factores de ensuciamiento crefbles, pueden realizarse unos calculos de referencia a partir de la informacion a disposicion del publico en el rendimiento de los refrigeradores de gas de smtesis radiantes actuales. Es bien sabido, que el rendimiento de transferencia de calor de estos refrigeradores de gas de smtesis radiantes existentes ha sido mucho mejor de lo esperado, debido en gran parte a un ensuciamiento superficial inferior al esperado. La configuracion de la superficie puede modelarse y los factores de ensuciamiento de la superficie se calculan de nuevo para que coincidan con el rendimiento; sin embargo, para las condiciones de combustion de carbon a plena carga, las temperaturas de salida del refrigerador radiante relativamente bajas han dado como resultado unos factores de ensuciamiento relativamente “limpios” cuando se comparan con la experiencia de los presentes inventores con calderas industriales y de uso general. La experiencia reciente con las mezclas de carbon y de coque de petroleo en estas unidades, indica unos factores de ensuciamiento “mas sucios” que los alcanzados durante la combustion de “solo carbon”. Por lo tanto, se apreciara que la seleccion de los factores de ensuciamiento apropiados debe realizarse basandose en los combustibles que se van a quemar y, si estan disponibles, datos de campo reales.

Ya que la fabricacion del recipiente de refrigerador de gas de smtesis radiante se producira normalmente fuera de las instalaciones, el diametro exterior del recipiente se establece normalmente para adaptarse a un maximo de limitaciones de envfo. Al expandir el cerramiento del tubo cerca de la pared exterior del recipiente a presion y maximizar el uso de la superficie de pared de division interna, puede obtenerse un diseno eficiente. A continuacion, se establece la altura del refrigerador de gas de smtesis radiante usando los factores de ensuciamiento de superficie apropiados (como se ha descrito anteriormente) y a continuacion se resuelven las ecuaciones para determinar la cantidad de superficie de transferencia de calor que absorbera la cantidad de calor necesaria para alcanzar una temperatura de gas de smtesis de salida deseada. La temperatura del gas de smtesis disminuye de manera no lineal con la distancia desde la entrada del refrigerador de gas de smtesis radiante. Puede esperarse una fuerza motriz de transferencia de calor de radiacion decreciente en la salida del refrigerador, donde se necesitana una altura adicional del refrigerador de gas de smtesis radiante para lograr solo unas reducciones extremadamente modestas

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en la temperatura del gas de smtesis (por ejemplo, para una disposicion dada, una altura del refrigerador de gas de smtesis radiante adicional de 3,04 metros (diez pies) puede ser capaz de lograr solo una reduccion adicional de 10 °C (50 F) de la temperatura del gas de smtesis). Unos aumentos en los factores de ensuciamiento de la superficie cambianan esta relacion aun mas, y por lo tanto una suposicion mas conservadora sobre el ensuciamiento requiere la adicion de altura y costes sustanciales. Puede hacerse un suministro para la adicion de campo de la superficie de contingencia, pero esto proporciona una cobertura limitada debido a la disminucion de la efectividad con la altura. Es evidente que la instalacion de una superficie mas eficaz puede conseguir un recipiente proporcionalmente mas corto.

Haciendo referencia a los dibujos en general, en los que los numeros de referencia similares designan los mismos o funcionalmente similares elementos en los diferentes dibujos, y a las figuras 1 y 2 en particular, se muestran unas vistas en perspectiva de una primera realizacion de un refrigerador de gas de smtesis radiante (RSC), designado en general como 10, de acuerdo con la presente invencion. El RSC 10 es normalmente un recipiente cilmdrico que tiene su eje longitudinal orientado verticalmente. El RSC 10 esta provisto de un gas de smtesis caliente 12 procedente de un gasificador (mostrado en lmea de trazos en la figura 1 y omitido para mayor claridad en la figura 2) en una entrada de gas de smtesis 14 proporcionada en la parte superior del RSC 10. El RSC 10 esta provisto de unos soportes S que transmiten la carga del RSC 10 al acero de soporte adyacente (no mostrado). Como se describe mas adelante, el RSC 10 extrae el calor del gas de smtesis 12 por medio de unas superficies refrigeradas por fluido localizadas dentro del RSC 10. Estas superficies refrigeradas por fluido estan constituidas por tubos y el fluido de trabajo dentro de los tubos puede ser agua, vapor o una mezcla de los mismos. Un colector de vapor 16 se proporciona adyacente a la parte superior del RSC 10 y esta en comunicacion flmdica con las superficies refrigeradas por fluido dentro del RSC 10. Mas espedficamente, las tubenas grandes conocidas como bajantes 18 estan conectadas de manera fluida a la parte inferior del colector 16 y transportan agua subrefrigerada desde el colector 16 a las superficies refrigeradas por fluido dentro del RSC 10. El calor extrafdo del gas de smtesis 12 hace que el agua en las superficies refrigeradas por fluido se convierta en vapor. La circulacion se establece a traves de la diferencia de densidad del fluido entre las bajantes 18 y las superficies calentadas refrigeradas por fluido, induciendo de este modo el proceso de circulacion natural bien conocido por los expertos en la materia. En otras palabras, el conducto refrigerado por fluido y las superficies de transferencia de calor radiante dentro del RSC 10 estan disenados de tal manera que el calor extrafdo del gas de smtesis 12 durante el funcionamiento normal del refrigerador de gas de smtesis 10 es suficiente para inducir la circulacion natural a traves del conducto refrigerado por fluido y las superficies de transferencia de calor radiante.

La mezcla de agua/vapor de menor densidad se transporta a traves de las superficies refrigeradas por fluido y a continuacion fuera del RSC 10 a traves de unos tubos verticales 20 de nuevo al colector de vapor 16. Los dispositivos de separacion de vapor/agua convencionales (no mostrados) dentro del colector de vapor 16 se usan para separar el agua del vapor. El vapor saturado sale de las conexiones de salida de vapor saturadas 22 en la parte superior del colector 16. El agua separada se mezcla con el agua de alimentacion entrante suministrado a traves de una conexion de agua de alimentacion 24 y se repite el proceso.

Una divulgacion completa de los colectores de vapor espedficamente y de las calderas en general, puede encontrarse en “Steam /its generation and use”, 41a Ed., Kitto y Stultz, Eds., © 2005 The Babcock & Wilcox Company, cuyo texto pueden ser de interes para el lector experto.

Haciendo referencia a las figuras 3, 4 y 5, se muestran unas vistas en perspectiva, parcialmente en seccion, del RSC 10 de la figura 1. El gas 12 entra en un conducto o region de cerramiento 26 proporcionada dentro del RSC 10. El conducto 26 esta definido por una pared de cerramiento 28, preferentemente aproximadamente de forma cilmdrica, y comprende normalmente unos tubos refrigerados por fluido que transportan un fluido de trabajo que puede ser agua, vapor o una mezcla de los mismos como se ha indicado anteriormente, ademas de los tubos refrigerados por fluido que forman la pared de cerramiento 28, el conducto 26 esta provisto tambien de una pluralidad de superficies de pared de division radiantes y refrigeradas por fluido 30 que estan suspendidas internamente dentro del RSC 10 de tal manera que una parte significativa de las superficies de pared de division 30 estan expuestas al gas de smtesis entrante 12, calentando de este modo el fluido de trabajo (de nuevo, agua, vapor o una mezcla de los mismos) transportado a traves de las paredes de division 30.

Las paredes de division 30 se construyen, en general, como un banco plano de tubos proporcionados adyacentes uno junto a otro, y puede estar provisto de colectores o cabezales de entrada y de salida 32 que distribuyen o recogen el fluido de trabajo transportado a traves de las paredes de division 30. El numero y la disposicion de las paredes de division 30 proporcionadas estanan determinados por los requisitos de transferencia de calor y refrigeracion como se ha descrito anteriormente. Por lo tanto, mientras que las figuras 3, 4 y 5 pueden sugerir una disposicion de 12 paredes de division 30, dispuestas alrededor del eje longitudinal vertical del RSC 10, puede proporcionarse un numero mayor o menor de paredes de division 30 para adaptarse a los requisitos espedficos de transferencia de calor y de refrigeracion.

A medida que el gas de smtesis caliente 12 fluye hacia abajo a traves del conducto 26, se refrigera por la pared de cerramiento 28 y las paredes de division 30, y en una parte inferior 52 del RSC 10 se proporciona el gas de smtesis 12 a una region de bano de agua 34 y a continuacion gira hacia arriba sustancialmente 180 grados y se transporta a

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una region de salida de gas de smtesis 36 antes de que se transporte fuera del RSC 10 a traves de la salida de gas de smtesis 38.

Haciendo referencia ahora a las figuras 6, 7, 8 y 9 se muestra una primera realizacion del RSC 10 de acuerdo con la presente invencion. Como se muestra, el gas de smtesis caliente 12 entra a traves de la entrada de gas de smtesis 14 localizada en una parte superior del RSC 10. El gas de smtesis caliente 12 se transporta hacia abajo a traves del conducto 26 donde las paredes de encerramiento de conducto 28 y las paredes de superficie (division) de transferencia de calor 30 extraen el calor del gas 12, reduciendo la temperatura de este ultimo. La parte inferior del conducto 26 esta provista de un medio de tolva 46, preferentemente de seccion transversal troncoconica y que tiene una garganta 48. El medio de tolva 46 recoge las partmulas de escoria y dirige el gas de smtesis caliente 12 hacia abajo hacia la region de bano de agua 34 en la parte inferior 52 del RSC 10. La region de bano de agua 34 se llena normalmente de agua durante el funcionamiento y sirve para templar y humidificar el gas de smtesis caliente 12 antes de que salga del RSC 10 a traves de la salida de gas de smtesis 38. La region de bano de agua 34 es tambien para recibir y refrigerar los solidos arrastrados en el gas de smtesis 12 y esta provista de una salida de solidos 54 para retirar los solidos del RSC 10.

Tambien se proporciona un medio para transportar el gas de smtesis 12 desde el medio de tolva 46 a la region de bano de agua 34, de manera ventajosa en la forma de un medio de tubo de inmersion 56 que se extiende desde la garganta 48 del medio de tolva 46 a la region de bano de agua 34. El extremo inferior o de salida 58 del medio de tubo de inmersion 56 esta localizado proximo a la region de bano de agua 34 y esta preferentemente por debajo de la superficie de un nivel de agua establecido en la region de bano de agua 34 durante el funcionamiento del RSC10.

Se proporciona el templado del gas de smtesis 12, modelado en los sistemas tradicionales de templado completo. De este modo, se proporciona un medio para crear un pasadizo 60 para transportar el gas de smtesis 12 desde el extremo de salida 58 del medio de tubo de inmersion 56 hacia la salida de gas de smtesis 38. Ventajosamente, la estructura comprende un medio de tubo de aspiracion 62 localizado alrededor del medio de tubo de inmersion 56 y ya que ambas estructuras son normalmente (aunque no siempre) cilmdricas, el pasadizo 60 es normalmente un pasadizo anular 60. El medio de tubo de inmersion 56 y el medio de tubo de aspiracion 62 estan sumergidos en un bano de agua de nivel controlado durante el funcionamiento que enfna y satura el gas de smtesis en bruto 12 en la parte inferior del RSC 10 y proporciona un bano de agua para refrigerar y retener la escoria. Ademas, un enfoque templado de bano sumergido e interno crea un nuevo requisito de sellado de gas unico en comparacion con las unidades existentes para mitigar la corrosion de la carcasa de recipiente y para mantener la integridad de la pared de cerramiento de conducto 28 durante los transitorios de presion.

Con el fin de evitar que el gas de smtesis caliente y corrosivo 12 llegue “detras” de las paredes de cerramiento de conducto 28, se proporciona el medio de placa de sello 64 dentro del RSC 10 para evitar que el gas de smtesis 12 entre en una corona circular 42 entre la carcasa de recipiente 44 y las paredes de cerramiento de conducto 28. El medio de placa de sello 64 se extiende normalmente entre la carcasa 44 y el medio para transportar el gas de smtesis 12 desde el medio de tolva 46 hasta la region de bano de agua 34 (es decir, entre la carcasa 44 y el medio de tubo de inmersion 56). Juntos, la carcasa 44 y el medio de placa de sello 64 definen parcialmente la region de salida de gas de smtesis 36. Como se ha descrito anteriormente, la region de salida de gas de smtesis 36 transporta el gas de smtesis 12 desde la region de bano de agua 34 hasta la salida de gas de smtesis 38.

El medio de junta de expansion 66 se proporciona para adaptar el movimiento relativo entre el medio de placa de sello 64 y el medio de tolva 46. Tambien se proporcionan el medio de junta de expansion 50 para adaptar el movimiento relativo entre la carcasa 44 y al menos una de las paredes de cerramiento de conducto de fluido refrigerado 28 y la superficie de transferencia de calor radiante de fluido refrigerado 30.

El gas de smtesis caliente esta todavfa a una temperatura elevada tras salir de la region de garganta 48 del medio de tolva 46, normalmente en el intervalo de 680 °C (1250 F). Con el fin de refrigerar y humidificar el gas de smtesis caliente 12, se proporciona el medio de templado 68, ventajosamente en la forma de al menos un unico anillo de templado 68, para inyectar un fluido (por ejemplo, agua) en el gas de smtesis 12. Durante el funcionamiento del RSC 10, el gas de smtesis caliente 12 entra en el tubo de inmersion 56 donde se templa parcialmente y la temperatura se reduce desde una temperatura tfpica de 680 °C (1250 F) a una temperatura inferior en el intervalo de aproximadamente 510 °C (950 F). Pueden emplearse elevaciones de nivel de rociado de templado individuales o multiples 68.

Como se muestra en la figura 10, se divulga una segunda realizacion del RSC 10 de acuerdo con la presente invencion, y que consiste en la colocacion de la superficie de transferencia de calor por conveccion 70 adyacente al medio de tubo de inmersion 56 con el fin de extraer el calor adicional del gas de smtesis 12 antes de transportar el gas de smtesis 12 a traves de la salida de gas de smtesis 38. Ventajosamente, la superficie de transferencia de calor por conveccion 70 comprende uno o mas bancos de tubos dispuestos de tal manera que el gas de smtesis 12 fluye sobre el exterior de los tubos. Esta superficie de calentamiento por conveccion 70 puede ser agua o vapor refrigerado. Los bancos de la superficie de calentamiento por conveccion 70 pueden proporcionarse en cualquier lugar alrededor del penmetro del medio de tubo de inmersion 56 y los tubos pueden estar en cualquier orientacion.

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La superficie de calentamiento por conveccion 70 puede emplear el mismo circuito flmdico (un enfoque de refrigeracion integrada) como se emplea en la superficie de generacion de vapor que comprende las paredes de conducto 28 y las superficies de transferencia de calor radiante 30, eliminando de este modo la necesidad de un sistema de refrigeracion independiente. Como alternativa, puede emplearse un circuito de fluido independiente para la superficie de calentamiento por conveccion 70. El objetivo principal es transferir calor desde el gas de smtesis 12, de tal manera que la ceniza tenga una tendencia reducida a pegarse en los tubos y provocar su deposicion y taponamiento. Con un sistema de templado de pulverizacion directa 68 corriente arriba en el medio de tubo de inmersion 56, la temperatura del gas de smtesis 12 puede reducirse en la parte inferior del RSC 10 por debajo de los niveles donde el taponamiento de la entrada de refrigerador por conveccion ha sido tradicionalmente problematico. El sistema de templado 68 tambien puede disenarse para promover la expulsion de solidos. La colocacion de la superficie en esta region para satisfacer la absorcion del calor especificado reduce el coste y el riesgo de la superficie de transferencia de calor. El desplazamiento de un 15 % - 20 % del deber de transferencia de calor radiante especificada podna reducir la superficie radiante y la altura del recipiente tanto como un 40 %. La superficie convectiva 70 sena refrigerada por vapor-agua, y compacta y rentable en el intervalo de temperatura requerido de aproximadamente 370 °C (700 F) a 540 °C (1000 F). Una absorcion de calor adicional mas alla de la que normalmente se considera alcanzable en un refrigerador radiante puede ser factible, mejorando la eficacia global de la planta. La superficie convectiva 70 tambien actua como un amortiguador frente a oscilaciones en la temperatura del gas de salida 12 del RSC 10, reduciendo la sensibilidad del diseno para el ensuciamiento de superficie en el RSC 10.

Construccion de la pared del tubo y temperaturas del metal - En una realizacion preferida, los tubos que forman la pared de cerramiento 28 son de una construccion de membrana con tubos de OD de 5 cm (2”) de espesor de pared relativamente delgada y separacion estrecha. El diametro del tubo y la separacion se establecen basandose en las temperaturas maximas del metal para evitar la corrosion de un material de alto contenido de aleacion de cromo/mquel, que tiene una conductividad termica de aproximadamente un tercio que la del acero al carbono. La conductividad muy reducida da lugar a altas temperaturas de los tubos de OD y de la membrana. La tasa de absorcion de punto de desajuste se establece en 31700 W/m2 (100000 BTU/ft2hr) basandose en una tasa de absorcion esperada media en la zona de temperatura mas alta de 21600 W/m2 (68000 BTU/ft2hr). Para un tubo de 5 cm (2”) de diametro que funciona a una presion de vapor relativamente alta, las temperaturas maximas de tubo y de membrana exterior se aproximan a 430 °C (800 F). La anchura de la membrana elegida es un mmimo que puede fabricarse con una tecnica de soldadura de membranas convencional. Se desea que las temperaturas del tubo de ID y de saturacion de agua sean mayores que las de las unidades existentes para mejorar la eficacia del ciclo de vapor. Ampliando la escala de presion de funcionamiento del vapor de la unidad existente se aumenta el margen de proteccion contra la corrosion basado en la minimizacion de la temperatura del tubo.

El diseno de las paredes de division 30 incorpora preferentemente una construccion de tubo suelto con cada panel de aproximadamente 0,91 m (3 pies) de ancho usando tubos de OD de 5 cm (2”). Hay un pequeno espacio entre la pared de cerramiento de tubo 28 y las paredes de division 30. Las paredes de division 30 reciben calor en dos lados y la absorcion es por lo tanto el doble que la de la pared de cerramiento de tubo 28. La temperatura maxima del tubo de OD no se ve afectada significativamente por la absorcion mas alta y es similar a los tubos de la pared de cerramiento 28. En anchuras de membrana mmimas, la temperatura de membrana es inaceptablemente alta al recibir calor en los dos lados. Tambien puede considerarse una construccion de tubo tangente y una soldadura completa entre los tubos para formar un panel de tubos tangente, asf como una soldadura de longitud completa de la pared de division 30 con la pared de cerramiento 28.

Diseno del sistema de circulacion - El sistema de circulacion debe adaptarse a las tasas de rampa rapida de entrada de calor durante el arranque. El diametro y la longitud del colector de vapor 16 se establecen basandose en los requisitos de flujo de vapor y de hinchado de colector. Una vez que se ajustan los tamanos y las cantidades de tubos de la pared de cerramiento de tubo 28 de conducto 26 y de la pared de division 30 por la disposicion de la superficie, se calculan las zonas de flujo de agua, se establece una relacion de circulacion y se ajustan los tamanos de conexion para proporcionar la velocidad del agua aceptable, el porcentaje de cabezal de agua saturada, el tope de calidad y la estabilidad del vapor en todos los circuitos. Se prefiere la circulacion natural debido a su capacidad de auto-regulacion y sus costes de funcionamiento reducidos ya que no hay bombas que operar y mantener. Sin embargo, como se observara en la figura 2, se considera la posibilidad de emplear unas bombas de circulacion 40. Ademas, en determinadas circunstancias, puede haber una necesidad de una bomba de circulacion mas pequena para la puesta en marcha cuando esta apagado y aislado y cuando la entrada de calor es constante. Durante la puesta en marcha, se introduce el vapor desde una fuente externa en el colector de vapor para elevar la presion y la temperatura de las partes de presion durante el aumento de temperatura del gasificador. Una vez que la temperatura del gasificador es suficiente para encender el carbon, es necesario que las partes de presion se calienten uniformemente a partir del agua puesta en circulacion. Debido a que el calor para elevar la presion se introduce en la parte superior del circuito de circulacion, no hay fuerza motriz para que el agua circule, por lo tanto, es posible necesitar o introducir el vapor en la parte inferior del circuito de circulacion o anadir unas pequenas bombas de circulacion para forzar la circulacion. Una vez establecida la circulacion, puede adaptarse de manera segura el encendido instantaneo del carbon en una entrada de alto calentamiento y la parada de la bomba de circulacion de puesta en marcha y aislarse.

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El diseno de la localizacion y la conexion del colector 16 se establecen para adaptar la circulacion y una colocacion razonable de este equipo en el acero que rodea al RSC 10. En la parte superior del RSC 10, las tubenas bajantes 18 desde el colector 16 entran en la parte superior del recipiente del RSC 10 y se extienden a la parte inferior del RSC 10 a traves de la corona circular 42 creada entre la pared de recipiente 44 y la pared de cerramiento de tubo 28. Esta disposicion simplifica las conexiones del recipiente y el enrutamiento del suministro.

Ademas, puede proporcionarse un sistema de calentamiento de vapor en el colector de vapor 16 (no mostrado) para precalentar la totalidad del sistema de vapor-agua antes de apagar el gasificador, usando las bombas de circulacion 40 para calentar la configuracion.

Sellado del gas de sintesis - Los sellos de gas primarios necesarios para proteger la pared de recipiente 44 del RSC 10 y las partes de presion no en contacto directo con el gas de sintesis en bruto 12 estan en la entrada de gas 14, en el techo de la pared de cerramiento 28 y en la salida de gas 38 corriente abajo del sistema de templado 68. En la entrada de gas 14, debe evitarse la derivacion de gas caliente detras del refractario y el sobrecalentamiento del recipiente 44 en esta area altamente estresada. Esto se logra encerrando el cuello refractario 78 encima de las partes de presion con una junta de expansion metalica hermetica al gas 50 y presurizando el interior con nitrogeno y/o gas de sintesis de reciclaje limpio. En el techo, se emplea una construccion hermetica al gas a traves del cierre de partes de presion directa y/o el uso de placas de cierre por encima de las partes de presion lejos de la radiacion del horno. En la salida de gas 38, se proporciona una placa de cierre hermetico desde la pared de recipiente 44 al medio de tubo de inmersion 56, con una junta de expansion metalica 66 para adaptar el movimiento relativo entre las paredes 28 y la pared de recipiente 44. Un sello hermetico evita que el gas de sintesis saturado 12 contacte con las partes de presion y el recipiente por encima del area revestida.

Los sellos de gas de sintesis hermeticos se prefieren en la region de la salida 38 del RSC 10 para evitar que el gas de sintesis en bruto 12 entre en contacto con las zonas del recipiente de presion y las partes de presion de transferencia de calor que no estan disenadas con materiales para resistir la corrosion. Hay espacios abiertos entre la pared de cierre de conducto 28 y la pared de recipiente 44 que se purga con nitrogeno o con un gas de sintesis limpio, reciclado (no corrosivo) en condiciones normales de funcionamiento para mantener el gas de sintesis en bruto alejado. El proceso de gasificacion introduce transitorios significativos de presion durante condiciones anormales que sometenan a la junta a diferencias de presion extremas y provocanan el fallo de la junta, o incluso de las partes de presion en el peor de los casos. El enfoque de sellado descrito anteriormente tambien debe permitir el alivio de presion del gas de sintesis en bruto 12 durante transitorios positivos o negativos del gas de sintesis 12 para evitar danos a la pared de cerramiento de conducto 28. Por consiguiente, y como se muestra en las figuras 11 y 12, otro aspecto de la presente invencion implica el suministro de dispositivos de alivio de presion o conjuntos amortiguadores de alivio, en general, designados por 72, en la region de salida de gas de sintesis para ventilar tanto la corona circular 42 como la pared de cerramiento de conducto inferior 28. El medio de alivio de presion 72 se proporciona en el medio de placa de sello 64 para reducir la posibilidad de danos al medio de placa de sello 64 que podna producirse debido a que una presion en un lado del medio de placa de sello 64 sea mayor que una presion en un lado opuesto del medio de placa de sello 64.

Preferentemente, el medio de alivio de presion 72 comprende al menos un agujero o abertura de ventilacion 74 en el medio de placa de sello 64 y un medio para obstruir el flujo 76, tal como un disco, a traves de la abertura 74 hasta que la presion en uno u otro lado del medio de placa de sello 64 supera un valor de punto de ajuste de presion, en cuyo punto el medio de obstruccion de flujo 76 permitira que el flujo vaya a traves de la abertura 74 hasta que la presion ya no supere el valor de punto de ajuste de presion. El conjunto amortiguador 72 tambien podna tener un peso contraequilibrado para proporcionar una elevacion de amortiguador a una diferencia de presion especificada. En esta localizacion, la temperatura del gas de sintesis 12 es lo suficientemente baja para permitir el uso de materiales no metalicos alrededor de la superficie de sellado del amortiguador para proporcionar un sello hermetico y permitir cierta falta de uniformidad en la superficie amortiguadora que puede producirse durante un penodo de tiempo de servicio.

Reducir el coste de fabricacion/Mejorar la soldadura del panel - Una atencion significativa a la calidad de la soldadura es cntica cuando se fabrica y se suelda con aleaciones de tubo de alto contenido en cromo/mquel caras y diffciles de trabajar. Se preve que la soldadura por laser de los paneles de pared de tubos de caldera empleada en el RSC 10, de acuerdo con los metodos como se describe en la patente de Estados Unidos N.° 6.852.945 de Harth, III, pueda proporcionar una potencial reduccion de costes significativa, pudiendo ser su texto de interes para el lector experto. Esta tecnica reduce la necesidad de un alambre de aleacion de soldadura caro que solo sea necesario para hacer soldaduras de panel manuales convencionales, y reduce las horas de trabajo hombre en la fabricacion del panel. Tambien ofrece una soldadura del panel de entrada de calor mas fuerte y mas baja, con ventajas evidentes, especialmente en la fabricacion de la membrana para las soldaduras de tubo. Puede usarse una soldadura de panel automatica para las secciones de panel de tubo de jaula verticales del refrigerador de gas de sintesis radiante, y potencialmente para los paneles de pared de division. La sensibilizacion del metal base se minimiza mediante una soldadura por laser en un grado que es inalcanzable con la soldadura por arco sumergido. Con entradas de calor de 3 a 5 kilojulios por centimetro, la zona afectada por el calor es mucho menor y penetra menos en la pared de tubo.

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Optimizar la superficie de transferencia de calor - El diametro, la altura y el peso del recipiente son factores de coste primarios a traves de todos los costes del proyecto: materia prima, fabricacion, transporte y montaje. La mitigacion del riesgo de ensuciamiento de la superficie requiere maximizar la limpieza de la superficie e instalar mas superficie en un volumen dado.

Maximizar la limpieza de la superficie - La clave para optimizar la eficacia de la superficie es minimizar la acumulacion de escoria fundida en las paredes de division 30 en la region superior del RSC 10. La fuerza impulsora de temperatura es mayor en la parte superior pero la ceniza fundida reduce significativamente la transferencia de calor, y la temperatura del gas no esta segura por debajo del punto de fusion de la ceniza en equilibrio hasta casi la mitad de la altura del refrigerador.

Por consiguiente, otra realizacion de la presente invencion implica el uso de un contorno apropiado del refractario en la entrada de gas de smtesis 14 para controlar la expansion de gas que sale de la entrada 14. En particular, una entrada en forma de cono parabolico (u otra favorable) se proporciona en una parte superior del RSC 10 para admitir el gas de smtesis 12 en el RSC 10 de tal manera que los solidos arrastrados dentro del gas de smtesis 12 se dirigen preferentemente hacia abajo con el fin de reducir el impacto directo de los solidos arrastrados en la superficie de transferencia de calor radiante de fluido refrigerado 30. Esto permite que la partmula cargada de gas de smtesis 12 se expanda dentro del cono y se reduzca el potencial para vortices inducidos por flujo. Esto debena minimizar el flujo de salida de las partmulas de ceniza fundidas y mantener limpias las paredes de division 30.

Otra realizacion de la presente invencion implica un medio para reducir el potencial de formacion de escoria moviendo el borde de ataque de las paredes de division 30 mas lejos de la lmea central vertical longitudinal del RSC 10. Esto requerira, en la mayona de los casos, una mayor cantidad de paredes de division de profundidad reducida 30. La superficie de transferencia de calor radiante 30 mas alejada de la lmea central es la mas limpia; por lo tanto moviendo mas la superficie de la pared de division 30 hacia las paredes de conducto 28 debena hacer esta superficie mas limpia y mas eficaz. El concepto es contener el flujo de ceniza fundida mas axialmente y mover adicionalmente las paredes de division 30 hacia el exterior. Esta combinacion aumenta el potencial de las superficies limpias en comparacion con las unidades existentes, incluso en la zona de escoria. Por lo tanto, la superficie de transferencia de calor radiante de fluido refrigerado 30 que se extiende parcialmente dentro del conducto 26 para refrigerar el gas de smtesis 12 se localiza, con el fin de reducir el impacto directo del gas de smtesis 12 y los solidos arrastrados en el mismo, sobre la superficie de transferencia de calor radiante de fluido refrigerado 30.

Mejorar la eficacia de la superficie/volumen - La ampliacion del diametro del conducto 26 retirando las tubenas de suministro bajantes en la corona circular 42 proporcionana una oportunidad de aumentar en superficie. Este concepto de diseno avanzado requerina conectar las tubenas bajantes 18 que entran en la parte superior del recipiente a un cabezal de anillo justo por encima del penmetro de la pared de tubo 28. Una parte de los tubos 28 estana conectada al cabezal de anillo, con el flujo de agua por una parte de los tubos de pared 28 en un cabezal de recogida en la parte inferior de los tubos de pared 28 como un sistema de bajante calentado 18. Los tubos de pared restantes 28 y los tubos de pared de division 30 se conectanan a un cabezal de anillo de suministro inferior con el flujo de agua de nuevo hasta un cabezal de elevador 20 y al colector de vapor 16. Esta construccion tambien puede ofrecer ventajas en la simplificacion del soporte superior de los conjuntos de la pared 28 y de la pared de division 30. Por lo tanto, otra realizacion puede emplear un medio de bajante calentado 18 y que forme parte de las paredes de fluido refrigerado 28, el medio de bajante 18 que se suministra desde y que se soporta por un cabezal de anillo comun localizado en una parte superior del rSc 10. La experiencia ha demostrado que los circuitos de bajantes calentados son seguros y eficaces cuando el agua que sale del circuito esta suficientemente sub-refrigerado para proporcionar un punto de ebullicion de agua a 3 metros (10 pies) o mas por encima del cabezal de entrada. El exito con este diseno se impulsa por la combinacion de la relacion de circulacion y la cantidad por la que el agua de alimentacion entrante se sub-refrigera por debajo de la temperatura de saturacion.

Otra realizacion de la presente invencion implica contornear el perfil de la pared de division para que coincida con el patron de la escoria reducida de arriba a abajo. Cada pared de division se fabrica aproximadamente el 17 % mas profunda empezando en el punto medio del refrigerador expandiendo la anchura de membrana entre cada tubo. Esta region es mas fna y menos propensa a la escoria, y las temperaturas de membrana maximas pueden controlarse con anchuras mas grandes. Cada pared de division 30 se expande aun mas alrededor del 17 % en el ultimo cuarto de la altura usando una membrana incrementalmente mas amplia. Por lo tanto, las una o mas superficies de pared de division planas 30 tienen una forma que vana con el fin de reducir la deposicion de la escoria sobre las mismas. Las partes de las superficies de pared de division 30 que estan mas cerca de la entrada de gas de smtesis 14 estan radialmente mas lejos de un eje longitudinal del RSC 10, y las partes de las superficies de pared de division 30 que estan mas cerca del medio de tolva 46 estan radialmente mas cerca del eje longitudinal del RSC 10. Como alternativa, las superficies de pared de division 30 estan provistas de una construccion de pared de membrana y la forma variable de las superficies de pared de division 30 se proporciona variando la anchura de la membrana entre los tubos adyacentes que forman las paredes de division 30.

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Con esta combinacion de diametro de conducto aumentado 26 y las paredes de division contorneadas 30, se aumenta la cantidad de superficie de transferencia de calor instalada aproximadamente un 40 %. El aumento de la superficie se consigue usando la barra de membrana plana, que es mucho menos cara que los tubos. La distancia desde la entrada de gas al tubo de borde de ataque es de 60 cm (24 pulgadas). En las paredes de division profunda 30 sera de aproximadamente 97 cm (38 pulgadas). Incluso sin tomar credito para las superficies limpias en el area cubierta de escoria, puede disminuirse significativamente el requisito de altura total.

El uso de tubos de material compuesto en lugar de los tubos de aleacion solida de alto contenido de cromo/mquel podna ofrecer varias ventajas de coste y riesgo. Los tubos de material compuesto se fabricanan de una capa exterior de aleacion de alto contenido de cromo/mquel sobre un tubo base de material Croloy. Como se usa en el presente documento, Croloy es una marca comercial para tubos metalicos, espedficamente los que en general se hace referencia por los expertos en la materia como los aceros al cromo y molibdeno. Caen bajo la designacion A.S.T.M. A 213/A 213 M, o la designacion A.S.M.E. SA 213, y vienen en diversos grados tal como T2 (Croloy 1^), T5, T9, T11 (Croloy 1-1/4), T12, y T22 (Croloy 2-1/4). Los tubos de material compuesto previstos en esta solicitud senan probablemente de 6,4 cm (2-1^ pulgadas) de OD, mas grande que el de 5 cm (2 pulgadas) de OD con una aleacion solida de alto contenido de cromo/mquel. Un material de aleacion mas delgada de alto contenido de cromo/mquel sobre un material base conductor bajana las temperaturas maximas del tubo y de la membrana, lo que permitina una membrana mas ancha en el cerramiento y permitina la construccion de membrana de las paredes de division en la zona de alto flujo de calor. El OD del tubo y las anchuras de membrana mas grandes requerinan menos tubos en general. La mayor conductividad proporcionana mas margen de temperatura de funcionamiento por debajo de las temperaturas de metal maximas admisibles. Teniendo el material Croloy en el ID de tubo tambien reducina los requisitos de calidad del agua de alimentacion y un menor coste de capital y de funcionamiento del tratamiento del agua de alimentacion.

Aunque las realizaciones espedficas de la invencion se han mostrado y descrito en detalle para ilustrar la aplicacion de los principios de la invencion, los expertos en la materia apreciaran que pueden hacerse cambios en la forma de la invencion cubiertos por las reivindicaciones siguientes sin alejarse de tales principios. En algunas realizaciones de la invencion, ciertas funciones de la invencion pueden usarse a veces de manera ventajosa sin un uso correspondiente de las otras funciones. En consecuencia, todos estos cambios y realizaciones caen correctamente dentro del alcance de las siguientes reivindicaciones.

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   REIVINDICACIONES

   1. Un refrigerador de gas de smtesis (10) para extraer calor del gas de smtesis (12) producido por un proceso de gasificacion, que comprende:

   una carcasa (44) que tiene una entrada de gas de smtesis (14) y una salida de gas de smtesis (38); un conducto refrigerado por fluido (26) contenido dentro de la carcasa para recibir el gas de smtesis; un medio de placa de sello (64) dentro del refrigerador de gas de smtesis para evitar que el gas de smtesis entre en una region entre la carcasa y el conducto, comprendiendo el medio de placa de sello un medio de alivio de presion (72) proporcionado en el medio de placa de sello para reducir la posibilidad de dano al medio de placa de sello que podna producirse debido a una presion en un lado del medio de placa de sello que es mayor que una presion en un lado opuesto del medio de placa de sello;

   una superficie de transferencia de calor radiante de fluido refrigerado (30) que se extiende parcialmente dentro del conducto para refrigerar el gas de smtesis; y

   un medio (56, 60) para transportar el gas de smtesis desde el conducto a la salida de gas de smtesis.
2. 2. El refrigerador de gas de smtesis de acuerdo con la reivindicacion 1, que comprende una region de bano de agua (34) en una parte inferior del refrigerador de gas de smtesis para recibir y refrigerar los solidos arrastrados en el gas de smtesis y una salida de solidos (54) para retirar los solidos del refrigerador de gas de smtesis.
3. 3. El refrigerador de gas de smtesis de acuerdo con la reivindicacion 1, en el que el conducto refrigerado por fluido esta compuesto de una pared de cerramiento (28) fabricada de tubos de fluido refrigerado.
4. 4. El refrigerador de gas de smtesis de acuerdo con la reivindicacion 1, en el que la superficie de transferencia de calor radiante de fluido refrigerado esta compuesta de una o mas superficies de pared de division de fluido refrigerado internamente suspendidas dentro del refrigerador de gas de smtesis de tal manera que una parte significativa de las superficies de pared de division estan expuestas al gas de smtesis entrante.
5. 5. El refrigerador de gas de smtesis de acuerdo con la reivindicacion 4, en el que cada una de las una o mas superficies de pared de division estan compuestas de un banco plano de tubos proporcionados adyacentes entre sf
6. 6. El refrigerador de gas de smtesis de acuerdo con la reivindicacion 1, en el que una parte inferior del conducto comprende un medio de tolva (46).
7. 7. El refrigerador de gas de smtesis de acuerdo con la reivindicacion 6, que comprende ademas un medio para transportar el gas de smtesis desde el medio de tolva a la region de bano de agua.
8. 8. El refrigerador de gas de smtesis de acuerdo con la reivindicacion 7, en el que el medio para transportar el gas de smtesis desde el medio de tolva a la region de bano de agua comprende un medio de tubo de inmersion (56) que tiene una salida proxima a la region de bano de agua.
9. 9. El refrigerador de gas de smtesis de acuerdo con la reivindicacion 8, que comprende ademas un medio (60) para crear un pasadizo para transportar el gas de smtesis desde la salida del medio de tubo de inmersion hacia la salida de gas de smtesis.
10. 10. El refrigerador de gas de smtesis de acuerdo con la reivindicacion 9, en el que el medio para crear un pasadizo para transportar el gas de smtesis desde la salida del medio de tubo de inmersion hacia la salida de gas de smtesis comprende un medio de tubo de aspiracion alrededor del medio de tubo de inmersion.
11. 11. El refrigerador de gas de smtesis de acuerdo con la reivindicacion 1 y la reivindicacion 6, en el que el medio de placa de sello se extienden entre la carcasa y el medio para transportar el gas de smtesis desde el medio de tolva a la region de bano de agua.
12. 12. El refrigerador de gas de smtesis de acuerdo con la reivindicacion 1, en el que la carcasa y el medio de placa de sello definen parcialmente una region de salida de gas de smtesis (36).
13. 13. El refrigerador de gas de smtesis de acuerdo con la reivindicacion 12, en el que la region de salida de gas de smtesis transporta el gas de smtesis desde la region de bano de agua a la salida de gas de smtesis.
14. 14. El refrigerador de gas de smtesis de acuerdo con la reivindicacion 11, que comprende un medio de junta de expansion (66) para adaptar el movimiento relativo entre el medio de placa de sello y el medio de tolva.

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15. 15. El refrigerador de gas de smtesis de acuerdo con la reivindicacion 1, que comprende ademas un medio de templado (68) para inyectar un fluido en el gas de smtesis.
16. 16. El refrigerador de gas de smtesis de acuerdo con la reivindicacion 7, en el que el medio de tolva tiene una forma troncoconica y una region de garganta (48) adyacente al medio para transportar el gas de smtesis hacia la region de bano de agua.
17. 17. El refrigerador de gas de smtesis de acuerdo con la reivindicacion 1, que comprende un medio de bajante (18) para suministrar un fluido al conducto refrigerado por fluido y a la superficie de transferencia de calor radiante, y un medio elevador (20) para transportar el fluido desde la misma.
18. 18. El refrigerador de gas de smtesis de acuerdo con la reivindicacion 1, que comprende un medio de junta de expansion para adaptar el movimiento relativo entre la carcasa y al menos una de las paredes de cerramiento de conducto refrigerado por fluido y la superficie de transferencia de calor radiante de fluido refrigerado.
19. 19. El refrigerador de gas de smtesis de acuerdo con la reivindicacion 1, en el que el conducto refrigerado por fluido y las superficies de transferencia de calor radiante estan configurados para extraer suficiente calor del gas de smtesis durante el funcionamiento normal del refrigerador de gas de smtesis para inducir una circulacion natural a traves del conducto refrigerado por fluido y las superficies de transferencia de calor radiante.
20. 20. El refrigerador de gas de smtesis de acuerdo con la reivindicacion 1, en el que el medio de alivio de presion comprende al menos una abertura (74) en el medio de placa de sello y un medio (76) para obstruir el flujo a traves de la abertura hasta que la presion en uno u otro lado del medio de placa de sello supera un valor de punto de ajuste de presion en cuyo punto el medio de obstruccion de flujo permitira el flujo a traves de la abertura hasta que la presion ya no supere el valor de punto de ajuste de presion.
21. 21. El refrigerador de gas de smtesis de acuerdo con la reivindicacion 1, que comprende una entrada en forma de cono parabolico en una parte superior del refrigerador de gas de smtesis para admitir el gas de smtesis en el refrigerador de gas de smtesis de tal manera que los solidos arrastrados dentro del gas de smtesis se dirigen preferentemente hacia abajo con el fin de reducir el impacto directo de los solidos arrastrados en la superficie de transferencia de calor radiante de fluido refrigerado.
22. 22. El refrigerador de gas de smtesis de acuerdo con la reivindicacion 1, en el que la superficie de transferencia de calor radiante de fluido refrigerado que se extiende parcialmente dentro del conducto para refrigerar el gas de smtesis se localiza con el fin de reducir el impacto directo del gas de smtesis y los solidos arrastrados en el mismo sobre la superficie de transferencia de calor radiante de fluido refrigerado.
23. 23. El refrigerador de gas de smtesis de acuerdo con la reivindicacion 5, en el que una parte inferior del conducto comprende un medio de tolva (46) y las una o mas superficies de pared de division planas tienen una forma que vana con el fin de reducir la deposicion de escoria sobre las mismas, estando unas partes de las superficies de pared de division que estan mas cerca de la entrada de gas de smtesis radialmente mas lejos de un eje longitudinal del refrigerador de gas de smtesis, y estando unas partes de las superficies de pared de division que estan mas cerca del medio de tolva radialmente mas cerca del eje longitudinal.
24. 24. El refrigerador de gas de smtesis de acuerdo con la reivindicacion 23, en el que las superficies de pared de division estan provistas de una construccion de pared de membrana y la forma variable de la forma de pared de division se proporciona variando la anchura de la membrana entre los tubos adyacentes.
25. 25. El refrigerador de gas de smtesis de acuerdo con la reivindicacion 8, que comprende ademas una superficie de transferencia de calor por conveccion (70) localizada adyacente al medio de tubo de inmersion que extrae calor adicional del gas de smtesis antes de transportar el gas de smtesis a traves de la salida de gas de smtesis.
26. 26. El refrigerador de gas de smtesis de acuerdo con la reivindicacion 25, en el que la superficie de transferencia de calor por conveccion comprende uno o mas bancos de tubos dispuestos de tal manera que el gas de smtesis fluye a lo largo del exterior de los tubos.
27. 27. El refrigerador de gas de smtesis de acuerdo con las reivindicaciones 8 y 15, en el que el medio de templado se localiza dentro del medio de tubo de inmersion.
28. 28. El refrigerador de gas de smtesis de acuerdo con la reivindicacion 17, en el que se calienta alguno de los medios de bajante, que forman parte de las paredes de conducto refrigerado por fluido, suministrandose los medios de bajante desde y soportandose por un cabezal de anillo comun localizado en una parte superior del refrigerador de gas de smtesis.
29. 29. El refrigerador de gas de smtesis de acuerdo con la reivindicacion 1, en el que el conducto refrigerado por fluido y las superficies de transferencia de calor radiante estan compuestos de tubos de material compuesto.
30. 30. El refrigerador de gas de smtesis de acuerdo con la reivindicacion 29, en el que los tubos de material compuesto 5 tienen una capa exterior de una aleacion de alto contenido de cromo/mquel a lo largo de un tubo base de un material

    de Croloy.