JP2013028803A - ガス化反応炉を冷却するためのシステム及び方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ＩＧＣＣシステムのガス化反応炉又はガス化装置を冷却するシステム及び方法を提供する。
【解決手段】部分燃焼下で炭素含有燃料と酸素含有ガスとを内部に受けて合成ガスを生成するよう構成された反応室を定めるベッセル１２０を含む例示的なガス化反応炉が開示される。ベッセル１２０を冷却するために第１の冷却装置１４２及び第２の冷却装置１５２が設けられる。第１の冷却装置１４２は、ベッセル１２０の第１の上側領域１３２に取り付けられる。第２の冷却装置１５２は、ベッセル１２０の第２の中間領域１３４に取り付けられる。方法並びにＩＧＣＣ発電システムも開示される。
【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は、全体的に、統合型ガス化複合サイクル（ＩＧＣＣ）発電システムに関し、より詳細には、ＩＧＣＣシステムのガス化反応炉又はガス化装置を冷却するシステム及び方法に関する。

少なくとも一部の公知のＩＧＣＣシステムは、少なくとも１つの発電タービンシステムと統合されたガス化システムを含む。ガス化システムは、燃料、空気、又は酸素、蒸気、及び／又は石灰石又は他の溶剤などの固体物の混合物を、「シンガス」及びスラグとも呼ばれる部分燃焼ガスの生成物に変換するためのガス化装置を含むことができる。ガス化装置において生じる燃焼プロセスは、大量の熱を発生する可能性がある。燃焼プロセス柱の温度は、１６００〜１８００℃を上回る場合がある。ガス化装置の壁を高温から保護し、ガス化装置の寿命を延ばすために、内部ライナを用いることができる。

様々なタイプのライナが知られている。例えば、１つのタイプのライナは、ガス化装置の壁を高温から隔離する耐火ブロックが挙げられる。しかしながら、耐火ブロックを使用する１つの欠点は、ブロックは交換する必要があり、ガス化装置の運用コストが増大することである。加えて、耐火ブロックを利用するガス化装置の壁は、熱衝撃損傷を避けるために、ウォームアップ期間又はクールダウン期間を必要とする可能性がある。

従って、上述の欠点の少なくとも１つに対処するシステム及び方法を提供することが望ましい。

本明細書で開示される一実施形態によれば、ベッセル、第１の冷却装置、及び第２の冷却装置を含むガス化反応炉が提供される。ベッセルは、部分燃焼下で炭素含有燃料と酸素含有ガスとを受けて合成ガスを生成するよう構成された反応室を定める。ベッセルは、第１の上側領域と、第２の中間領域とを含む。第１の冷却装置は、第１の上側領域に取り付けられる。第２の冷却装置は、第２の中間領域に取り付けられる。

本明細書で開示される別の実施形態によれば、ガス化反応炉を冷却するのに使用することができる冷却システムが提供される。冷却システムは、第１の冷却装置と、第２の冷却装置とを含む。第１の冷却装置は、ガス化反応炉の第１の上側領域に取り付けられる。第２の冷却装置は、ガス化反応炉の第２の中間領域に取り付けられる。第１の冷却装置及び第２の冷却装置は、第１の上側領域及び第２の中間領域それぞれに一致する形状を有するように構成される。

本明細書で開示される別の実施形態によれば、ベッセル及び熱交換器を含むガス化反応炉が提供される。ベッセルは、炭素含有燃料及び酸素含有ガスが内部で部分燃焼する反応室を定める。ベッセルは、外側と内側とを有する。熱交換器は、ベッセルの外側の少なくとも一部に取り付けられる。熱交換器は、反応室からの熱を吸収するよう構成される。

本明細書で開示される別の実施形態によれば、ガス化反応炉のベッセルの温度を調節する方法が提供される。本方法は、ガス化反応炉の第１の領域の周りの第１の温度ゾーンと、ガス化反応炉のベッセル本体の周りの第２の温度ゾーンとを少なくとも含む、ガス化反応炉の温度プロファイルを取得するステップと、第１の冷却方式を利用して、第１の領域に関連付けられた第１の冷却装置を用いることにより、ガス化反応炉の第１の領域の周りの取得した第１の温度ゾーンに応じてガス化反応炉の第１の領域を冷却するステップと、第２の冷却方式を利用して、第２の領域に関連付けられた第２の冷却装置を用いることにより、ガス化反応炉の第２の領域の周りの取得した第２の温度ゾーンに応じてガス化反応炉の第２の領域を冷却するステップと、を含む。

本明細書で開示される別の実施形態によれば、統合型ガス化複合サイクル（ＩＧＣＣ）発電システムが提供される。ＩＧＣＣ発電システムは、ガス化装置と、ガスタービンとを含む。ガス化装置は、ベッセルと、冷却システムとを含む。ベッセルは、部分燃焼下で炭素含有燃料と酸素含有ガスとを内部に受けて合成ガスを生成するよう構成された反応室を定める。ベッセルは、第１の領域と、第２の領域とを含む。冷却システムは、第１の領域と関連付けられた第１の冷却装置と、第２の領域と関連付けられた第２の冷却装置と、を含む。ガスタービンは、ガス化装置に流れ連通して結合される。ガスタービンは、ガス化装置から受け取った合成ガスを燃焼するよう構成される。

本発明のこれら及び他の特徴、態様、並びに利点は、図面全体を通じて同様の参照符号が同様の要素を示す添付図面を参照しながら以下の詳細な説明を読むと更に理解できるであろう。

本開示の例示的な実施形態によるガス化反応炉の部分切り欠き斜視図。 本開示の別の例示的な実施形態によるガス化反応炉の部分切り欠き斜視図。 本開示の更に別の例示的な実施形態によるガス化反応炉の部分切り欠き斜視図。 本開示の例示的な実施形態によるガス化反応炉の部分切り欠き斜視図。 本開示の例示的な実施形態によるガス化反応炉の部分切り欠き斜視図。 本開示の例示的な実施形態による熱交換器に関連付けられたガス化反応炉の部分切り欠き斜視図。 本開示の別の例示的な実施形態による熱交換器に関連付けられたガス化反応炉の部分切り欠き斜視図。 本開示の更に別の例示的な実施形態による熱交換器に関連付けられたガス化反応炉の部分切り欠き斜視図。 本開示の更に別の例示的な実施形態による熱交換器に関連付けられたガス化反応炉の部分切り欠き斜視図。 本開示の例示的な実施形態による統合型ガス化複合サイクル（ＩＧＣＣ）発電システムの概略図。

本明細書で開示される実施形態は、ガス化装置のベッセルを冷却するため、ガス化反応炉又はガス化装置と関連して使用される冷却装置に関する。更に、一部の実施形態は、冷却装置を用いてガス化反応炉を冷却する方法に関する。更に、一部の実施形態では、能動的冷却装置を用いて、ガス化反応炉を冷却することができる。更に一部の実施形態では、熱交換器がガス化装置のベッセルの外側に装着され、ガス化反応炉のベッセルを冷却するか、又はベッセルに熱を供給する。

特に規定されない限り、本明細書において用いられる技術的及び科学的用語は、一般に本開示が帰属する技術の当業者によって理解される意味と同じ意味を有する。本明細書で使用される用語「第１」、「第２」及び同様のものは、順序、数量、又は重要度を示すものではなく、むしろある要素を別の用途と区別するために使用される。また、「１つの」といった用語は、本明細書においては数量の限定を表しておらず、言及された品目の少なくとも１つが存在することを表している。本明細書における「含む」、「備える」、又は「有する」及びこれらの変形形態の使用は、その後に記載される要素及びその均等物並びに追加の要素を包含することを意味している。用語「接続」及び「結合」は、物理的又は機械的接続又は結合に限定されるものではなく、直接か又は間接かにかかわらず、電気的接続又は結合を含むことができる。

図１は、本開示の例示的な実施形態によるガス化装置の部分切り取り斜視図である。例証の目的で、図１の実施形態では、ガス化装置５６は、噴流床ガス化装置として図示されている。しかしながら、ガス化装置５６は、以下でより詳細に検討する冷却装置及び方法の１つ又はそれ以上の態様を具現化することができる限り、限定ではないが、固定層式ガス化装置、又は流動層ガス化装置を含む、あらゆるタイプの他のガス化装置に適用することを企図することができる。

図１を参照すると、噴流床ガス化装置５６は、内部に反応室を定めるシェル又はベッセル１２０を含む。反応室１２２は、炭素含有燃料及び酸素含有ガスを内部で受けるよう定められる。炭素含有燃料及び酸素含有ガスは、ベッセル１２０の上部に配置されるインジェクタ（バーナーとも呼ばれる）１２４を介して反応室１２２に導入することができる。インジェクタ１２４は、種々の角度で及びベッセル１２０の種々の場所に配置できることは企図することができる。燃焼プロセスにおいて、インジェクタ１２４を介して反応室１２２に導入される炭素含有燃料及び酸素含有ガスは、利用されるガス化装置５６のタイプに応じて、例えば、約２０ｂａｒ〜約８５ｂａｒの高圧で、例えば、約７００℃〜約１８００℃の温度で燃焼することができ、次いで、合成ガスが生成される。

図１を更に参照すると、ベッセル１２０は、第１の上側領域１３２、第２の中間領域１３４、及び第３の下側領域１３６を含む。図１の実施形態では、第１の上側領域１３２は、ドーム形状を有するように形成され、第２の中間領域１３４は、円筒形状を有するように形成され、第３の下側領域１３６は、円錐形状を有するように形成される。図１の実施形態では、単に例証の目的で、第１の上側領域１３２、第２の中間領域１３４、及び第３の下側領域１３６は、一体的に形成されるように図示されている。別の実施形態では、３つの領域１３２、１３４、１３６は、別個に形成されて、溶接又は接着のような何らかの適切な手段で共に接合してもよい。

図１の一実施形態では、燃焼プロセス中にベッセル１２０を高温から保護する目的でベッセル１２０の壁の冷却を行うために、第１の冷却装置１４２及び第２の冷却装置１５２が設けられる。第１の冷却装置１４２は、第１の上側領域１３２と関連付けられ、第１の上側領域１３２の壁を冷却し保護するのに使用される。第２の冷却装置１５２は、第２の中間領域１３４と関連付けられ、第２の中間領域１３４の壁を冷却し保護するようにする。

より具体的には、第１の冷却装置１４２は、第１の上側領域１３２と一致する形状を有するよう構成される。例えば、第１の冷却装置１４２は、ドーム形状の第１の上側領域１３２と実質的に一致する円錐管体である。他の実施形態では、第１の冷却装置１４２は、第１の上側領域１３２と一致する他の形状で構成された管体を用いてもよい点は企図することができる。図１の実施形態では、第１の冷却装置１４２は、溶接又は接着などの何らかの適切な手段によって第１の上側領域１３２の内側に取り付けられる。他の実施形態では、第１の冷却装置１４２は、第１の上側領域１３２の外側に取り付けることができる。また、一部の実施形態では、第１の冷却装置１４２は、ベッセル１２０の第１の上側領域１３２の壁の内部に埋め込むことができる。更に一部の実施形態では、図１には図示されていないが、耐火ライナを更に設けることができ、耐火ライナと第１の上側領域１３２の内側との間に第１の冷却装置１４２を挟み込むことができる構成を有する。

一実施形態では、図１に示すように、第１の冷却装置１４２は、第２の冷却装置１５２とは独立して作動し、第１の上側領域１３２の局所的冷却を提供することができる。他の実施形態では、例えば、図３を参照して以下で説明するように、第１の冷却装置１４２を第２の冷却装置１５２と組み合わせて、第１の上側領域１３２及び第２の中間領域１３４の両方に冷却をもたらす単一の冷却システム１４０を形成することができる。図１の実施形態では、第１の冷却装置１４２は、能動的冷却装置であり、入口１４４と、出口１４６と、入口１４４及び出口１４６間に接続される増大する直径を有する中間管体１４８とを含む。

第１の冷却装置１４２の作動において、水又は蒸気のような冷却材は、入口１４４を通って導入され、中間管体１４８を通じて循環することができる。次いで、熱を運ぶ冷却材が出口１４６から引き出され、又は排出される。能動的な第１の冷却装置１４２を作動させることにより、熱、特にベッセル１２０の第１の上側領域１３２の壁に隣接して発生する熱は、管体１４８を通って循環する冷却材により伝達されることは理解することができる。従って、第１の上側領域１３２の壁の温度は、所望の温度に維持することができる。第１の上側領域１３２の所望の温度は、熱伝達プロセスに関連する種々のパラメータを変えることにより調整できる点に留意されたい。例えば、第１の上側領域１３２の壁の温度が閾値を上回ると判定された場合には、所与の時間期間でより多くの熱を伝達し、第１の上側領域１３２により多くの冷却をもたらすように、管体１４８を循環する冷却材の速度又は流量を増大させることができる。第１の上側領域１３２の温度は、例えば、第１の上側領域１３２に取り付けられる熱センサを用いることによりリアルタイムで検出することができ、次いで、検出された温度は、第１の上側領域１３２を加熱又は冷却する必要があるかどうかを判定するのに用いられる。本明細書で使用される用語「冷却方式」とは、ベッセルの壁の所望の温度を調整するため熱伝達プロセスに関連する種々のパラメータを変える手段を簡潔に示すために定義することができる。

図１を引き続き参照すると、図１の実施形態では、第２の冷却装置１５２はまた、円筒形状である第２の中間領域１３４と一致する全体形状を有するように構成される。第２の冷却装置１５２はまた、能動的冷却装置であり、入口１５４と、出口１５６と、入口１５４と出口１５６との間に接続された複数の垂直管体１５８とを一般に含む。図１の実施形態では、複数の管体１５８が、第２の中間領域１３４の長手方向軸線（又は上下方向）に沿って平行に延び、端部間が接続される。複数の管体１５８が円筒形の第２の中間領域１３４の内側に固定される。同様に、冷却材は、入口１５４を介して導入され、管体１５８を通って循環されて出口１５６から排出され、第２の中間領域１３４の壁が所望の温度に維持することができるようになる。

図１を引き続き参照すると、図１の実施形態では、冷却方式は、第２の中間領域１３４において熱伝達プロセスに関連した種々のパラメータを変えることにより、第２の中間領域１３４にて実施することができる。更に、第１の冷却装置１４２及び第２の冷却装置１５２にて実施された冷却方式は、第１の上側領域１３２及び第２の中間領域１３４の温度を調節する際に協働させることができる。燃焼プロセスにおいて、所与のガス化条件では、ガス化装置５６のベッセル１２０は、一般に、上下方向に沿った温度プロファイルを有する。例えば、ベッセル１２０の第１の上側領域１３２は、第２の中間領域１３４よりも低い温度を有することができる。この場合、一部の実施形態ではは、第１の冷却装置１４２の管体１４８を流れる冷却材は、第２の冷却装置１５２の管体１５８を流れる冷却材よりも小さい速度又は流量を有するように調整することができる。結果として、第１の上側領域１３２の壁及び第２の中間領域１３４の壁は、実質的に同じ温度に維持することができ、これにより２つの領域１３２及び１３４の壁の間の熱応力を低減し、ガス化装置５６のベッセル１２０の寿命を延ばすことができる。

図２は、本開示の別の例示的な実施形態によるガス化装置５６の部分切り欠き斜視図である。図２の実施形態は、図１を参照して説明された実施形態と同様である。相違点は、ベッセル１２０に冷却を更にもたらすために、第３の冷却装置１６２がベッセル１２０の第３の下側領域１３６と関連付けられている点である。

より具体的には、図２の実施形態では、第３の冷却装置１６２は、第３の下側領域１３６の内側に取り付けられ、円錐形状の第３の下側領域１３６と一致する円錐形状の管体を有するように構成される。第３の冷却装置１６２はまた、能動的冷却装置であり、入口１６４と、出口１６６と、入口１６４と出口１６６との間に相互接続された円錐管体１６８とを含む。円錐管体１６８は、単に例証に過ぎず、他の実施形態では、他の形状の管体を用いて第３の下側領域１３６と一致させることができる点は理解されたい。第３の冷却装置１６２の作動において、冷却材は、入口１６４を介して導入されて、管体１６８を循環して出口１６６から排出され、第３の下側領域１３６の壁を所望の温度に維持できるようにすることができる。

引き続き図２を参照して、図２の実施形態では、冷却方式は、第３の冷却装置１６２の作動により熱伝達プロセスに関連する種々のパラメータを変えることによって、第３の下側領域１３６にて実施することができる。更に、第３の冷却装置１６２を用いて実施された冷却方式は、第２の冷却装置１５２と協働させて、第２の中間領域１３４の壁及び第３の下側領域１３６の壁を同じ温度に維持することができ、これにより、２つの領域１３４及び１３６の壁の間の熱応力を低減し、ガス化装置５６のベッセル１２０の寿命を延ばすことができる。

図３は、本開示の別の例示的な実施形態によるガス化装置５６の部分切り欠き斜視図である。図３の実施形態では、第１の上側領域１３２及び第２の中間領域１３４を冷却するために図１及び図２に示すような独立した冷却装置１４２及び１５２を用いる代わりに、単一の冷却システム１４０が設けられる。図３の実施形態では、冷却システム１４０は、第１の冷却装置１４２と第２の冷却装置１５２を共に接続することにより形成される。図１及び図２を参照して説明したものと同様に、第１の冷却装置１４２は、第１の上側領域１３２と一致する円錐管体を有し、第２の冷却装置１５２は、第２の中間領域１３４と一致する垂直管体を有する。冷却システム１４０は、入口１４６、出口１５６、円錐管体１４８、及び垂直管体１５８を含む。

図３に示す冷却システム１４０の作動において、冷却材が入口１４６を介して導入され、順次的に円錐管体１４８及び垂直管体１５８を通って循環して出口１５６から排出され、第１の上側領域１３２及び第２の中間領域１３４の壁を所望の温度に維持できるようにする。

図４は、本開示の更に別の例示的な実施形態によるガス化装置５６の部分切り欠き斜視図である。図４の実施形態では、第２の中間領域１３４及び第３の下側領域１３６を冷却するために、図２に示すような独立した冷却装置１５２及び１６２を用いるのではなく、別の単一の冷却システム１５０が設けられる。図４の実施形態では、冷却システム１５０は、第２の冷却装置１５２と第３の冷却装置１６２を共に接続することにより形成される。図１及び図２に関して説明したものと同様に、第２の冷却装置１５２は、第２の中間領域１３４と一致する垂直管体を有し、第３の冷却装置１６２は、第３の下側領域１３６と一致する円錐管体を有する。冷却システム１５０は、入口１５４と、出口１６６と、垂直管体１５８と、及び円錐管体１６４とを含む。

図４に示す冷却システム１４０の作動において、冷却材が入口１５４を介して導入され、順次的に垂直管体１５８及び円錐管体１７４を通って循環して出口１６６から排出され、第２の中間領域１３４及び第３の下側領域１３６の壁を所望の温度に維持することができるようにする。

図５は、本開示の更に別の例示的な実施形態によるガス化装置５６の部分切り欠き斜視図である。図５の実施形態では、第１の冷却装置１４２、第２の冷却装置１５２、及び第３の冷却装置１６２が共に接続されて、別の冷却システム１６０を形成する。入口１４６を介して冷却材を導入し、円錐管体１４８、垂直管体１５８、及び円錐管体１６４を通って循環させて出口１６６から排出させることにより、第１の上側領域１３２、第２の中間領域１３４、及び第３の下側領域１３６の壁を所望の温度に維持することができる。

図６は、本開示の例示的な実施形態によるガス化装置５６の概略斜視図である。ガス化装置５６は、ベッセル２１０の外側に取り付けられた熱交換器２２０を含む。一般に、熱交換器２２０は、冷却モード及び加熱モードで作動するよう構成することができる。

冷却モードでは、熱交換器２２０は、ベッセル２１０により定められる反応室内の内部燃焼から生じる熱を運び出すことによってベッセル２１０の壁を冷却するよう作動することができる。ガス化装置５６のベッセル２１０の内側に耐火性ライニング（図示）を設けることができ、よって、熱交換器２２０を用いてベッセル２１０に冷却をもたらすことにより、ベッセル内部の耐火性の要件を軽減することができる。更に、熱交換器２２０を用いてベッセル２１０を冷却することにより、ベッセル２１０内部にスラグが蓄積するようになり、犠牲的且つ自己補修の耐火層として働くようにすることができる。以下で検討する一部の実施形態では、熱交換器２２０は、ベッセル２１０上のゾーンの位置に応じて冷却が異なることができるような、複数のゾーンを備えて設計することができる。

加熱モードでは、熱交換器２２０は、ガス化装置５６のベッセル２１０の壁に熱を供給するよう作動することができる。加熱モードにおいては、熱交換器２２０を作動させることが有用である。例えば、始動プロセスにおいて、熱交換器２２０は、ベッセル２１０の壁を暖めて熱衝撃損傷を避けるようにするため、ベッセル２１０を加熱するよう作動することができる。以下で検討する一部の実施形態では、熱交換器２２０は、ベッセル２１０上のゾーンの位置に応じて加熱を異なるようにすることができるような複数のゾーンを備えて設計することができる。

図６の実施形態では、熱交換器２２０は、ベッセル２１０の長手方向軸線（破線２３２で示される）に垂直に配列された複数の円形管体１２４を含む能動的冷却装置である。図６の実施形態では、複数の管体２１４は、長手方向軸線２３２に沿って均等に分散され、例えば、隣接する２つの管体が距離Ｄだけ間隔をおいて配置される。一実施形態では、複数の管体２１４の各々は、冷却材を導入し冷却材を排出するためのそれぞれ入口及び出口を備えることができ、よって、冷却装置２２０は、独立して冷却材を供給し冷却材を排出するための複数の入口及び複数の出口を備えて形成される。別の実施形態では、複数の管体２１４は、共に接続されて単一の入口と単一の出口を有し、それぞれ冷却材の導入と冷却材の排出を行うようにすることができる。管体２１４の寸法は例証の目的に過ぎず、特定の実施形態ではは、管体２１４の寸法は特定の用途に応じて変わる可能性がある点に留意されたい。

図７は、本開示の別の例示的な実施形態によるガス化装置５６の概略斜視図である。図７の実施形態では、ガス化装置５６は、ベッセル２１０の外側に同様に取り付けられる熱交換器２３０を備える。熱交換器２３０の機能は、図６を参照して説明された熱交換器２２０と同様である。相違点は、熱交換器２３０が冷却材を導入し冷却材を排出するために螺旋形の管体２３８を有している点である。

図８は、本開示の別の例示的な実施形態によるガス化装置５６の概略斜視図である。図８の実施形態では、ガス化装置５６は、ベッセル２１０の外側に同様に取り付けられる熱交換器２４０を備える。熱交換器２４０の機能は、図６を参照して説明された熱交換器２２０と同様である。図８の実施形態では、熱交換器２４０は、第１の円形管体２４２、第２の円形管体２４４、及び複数の垂直管体２４６を含む。第１の円形管体２４２及び第２の円形管体２４４は、ベッセル２１０の長手方向軸線２３２に垂直であるように配列される。複数の垂直管体２４６の各々は、第１の円形管体２４２に接続された一方の端部と、第２の円形管体２４４に接続された他方の端部とを有する。複数の垂直管体２４６は、互いから間隔をおいて配置される。図８の図示の実施形態では、複数の垂直管体２４６は、均等に分散されているが、これに限定されるべきではなく、当業者には不均一に分散された垂直管体２４６も企図することができる。

図９は、本開示の別の例示的な実施形態によるガス化装置５６の概略斜視図である。図８の実施形態では、ガス化装置５６は、ベッセル２１０の外側に同様に取り付けられる熱交換器２５０を備える。熱交換器２５０の機能は、図６を参照して説明された熱交換器２２０と同様である。図９の実施形態では、熱交換器２５０は、ベッセル２１０の異なるゾーンに配列された３つの管組立体２６２、２６４、２６６を有するように示されている。３つの管組立体２６２、２６４、２６６は、ベッセル２１０の異なるゾーンに異なる冷却をもたらすように独立して作動することができる。一部の実施形態では、３つの管組立体２６２、２６４、２６６は、ベッセル２１０の異なるゾーンを同じ温度に維持するように協働することができる。管組立体の数は実施可能な用途に応じて３よりも少ないか、３つよりも多く設定できる点は理解されたい。

より具体的には、図９の実施形態では、第１の管組立体２６２は、ベッセル２１０の上側領域に近接した第１のゾーン２７２に配列され、第２の管組立体２６４は、ベッセル２１０の中間領域に近接した第２のゾーン２７４に配列され、第３の管組立体２６６は、ベッセル２１０の下側領域に近接した第３のゾーン２７６に配列される。第１の管組立体２６２は、複数の円形管体２８２及び複数の垂直管体２８４を含み、これらはマトリックス又は網状の管体配列を形成するよう交差している。円形管体２８２は、ベッセル２１０の長手方向軸線２３２に垂直であるように配列される。同様に、第２の管組立体２６４は、マトリックス又は網状の管体配列を形成するよう交差した、複数の円形管体２６３及び複数の垂直管体２６５を含む。円形管体２６３は、ベッセル２１０の長手方向軸線２３２に垂直であるように配列される。第３の管組立体２６６は、マトリックス又は網状の管体配列を形成するよう交差した、複数の円形管体２６７及び複数の垂直管体２６９を含む。円形管体２６７は、ベッセル２１０の長手方向軸線２３２に垂直であるように配列される。

上述の種々の例示的なガス化装置の実施形態は、統合型ガス化複合サイクル（ＩＧＣＣ）発電システムにおいて統合することができる。図１０は、例示的なＩＧＣＣシステム５０の概略図である。ＩＧＣＣシステム５０は一般に、空気圧縮機５２と、該空気圧縮機５２に流れ連通して結合された空気分離ユニット５４と、該空気分離ユニット５４に流れ連通して結合されたガス化装置５６と、該ガス化装置５６に流れ連通して結合されたガスタービン１０と、蒸気タービン５８とを含む。

作動時には、空気圧縮機５２は、周囲空気を圧縮し、これが空気分離ユニット５４に送られる。一部の実施形態では、空気圧縮機５２に加えて、或いは代替として、ガスタービン圧縮機１２からの加圧空気が空気分離ユニット５４に供給される。空気分離ユニット５４は、加圧空気を用いてガス化装置５６が使用するための酸素を生成する。より具体的には、空気分離ユニット５４は、加圧空気を酸素（Ｏ２）とガス副生成物（「プロセスガス」と呼ばれることもある）との別個の流れに分離する。空気分離ユニット５４によって生成されたプロセスガスは、窒素を含み、本明細書では「窒素プロセスガス（ＮＰＧ）」と呼ばれる。ＮＰＧはまた、限定ではないが、酸素及び／又はアルゴンなどの田のガスを含むこともできる。例えば、一部の実施形態では、ＮＰＧは、約９５％〜約１００の窒素を含む。Ｏ２流は、ガス化装置５６に運ばれ、本明細書では「シンガス」と呼ばれる部分燃焼ガスを生成する際に使用され、該シンガスは、以下でより詳細に説明するようにガスタービン１０が燃料として使用する。一部のＩＧＣＣシステム５０において、ＮＧＰ流の少なくとも一部は、空気分離ユニット５４から大気に放出される。更に、一部のＩＧＣＣシステム５０において、ＮＰＧ流の一部は、ガスタービン燃焼器１４内の燃焼ゾーン（図示せず）に注入され、ガスタービン１０のエミッション制御を促進し、より具体的には燃焼温度の低減及びガスタービン１０からの窒素酸化物エミッションの低減を促進する。例示的な実施形態では、ＩＧＣＣシステム５０は、窒素プロセスガス流を燃焼ゾーンに注入される前に加圧するための圧縮機６０を含む。

ガス化装置５６は、燃料、空気分離ユニット５４により供給されるＯ２、蒸気、及び/又は溶剤の混合物をシンガスの生成物に変換し、ガスタービン１０が燃料として使用する。ガス化装置５６は、あらゆる燃料を用いることができるが、一部のＩＧＣＣシステム５０においては、ガス化装置５６は、石炭、石油コークス、残留オイル、オイルエマルジョン、タールサンド、及び/又は田の同様の燃料を用いる。一部のＩＧＣＣシステム５０においては、ガス化装置５６によって生成されるシンガスは二酸化炭素を含む。例示的な実施形態では、ガス化装置５６によって生成されるシンガスは、ガスタービン燃焼器１４に送られて燃焼する前に、浄化装置６２において清浄にされる。二酸化炭素（ＣＯ２）は、浄化中にシンガスから分離することができ、一部のＩＧＣＣシステム５０においては、大気に放出することができる。ガスタービン１０は、電力網（図示せず）に電力を供給する発電機６４を駆動する。ガスタービン１０からの排出ガスは、排熱回収ボイラ６６に送られ、これが蒸気を発生して蒸気タービン５８を駆動する。蒸気タービン５８によって生成される出力は、電力網に電力を供給する発電機６８を駆動する。一部のＩＧＣＣシステム５０においては、排熱回収ボイラ６６からの蒸気は、ガス化装置５６に供給されてシンガスを生成する。

更に、例示的な実施形態では、システム５０は、ボイラー給水７２を出力ブロックから、ガス化装置５６に接続された放射形シンガス冷却器（図示せず）に供給し、ガス化装置５６から流れるシンガスの冷却を促進するポンプ７０を含む。ボイラー給水７２は、放射形シンガス冷却器を通って送られ、ここでボイラー給水７２が蒸気に変換される。次いで、蒸気７４は、排熱回収ボイラ６６に戻され、ガス化装置５６又は蒸気タービン５８において使用する。

例示的な実施形態を参照しながら本発明を説明してきたが、本発明の範囲から逸脱することなく種々の変更を行うことができ且つ本発明の要素を均等物で置き換えることができる点は、当業者であれば理解されるであろう。加えて、本発明の本質的な範囲から逸脱することなく、特定の状況又は物的事項を本発明の教示に適合するように多くの修正を行うことができる。従って、本発明は、本発明を実施するために企図される最良の形態として開示した特定の実施形態に限定されるものではなく、また本発明は、添付の特許請求の範囲の技術的範囲内に属する全ての実施形態を包含することを意図している。

上記で説明した全てのこのような目的又は利点が特定の実施形態によって必ずしも達成できる訳ではない点を理解されたい。従って、例えば、本明細書で説明したシステム及び技法は、本明細書で教示又は提案することができる他の目的又は利点を必ずしも達成することなく、本明細書で教示された１つの利点又は利点のグループを達成又は最適化する様態で具現化又は実施できることは当業者には理解されるであろう。

更に、当業者であれば、様々な実施形態による種々の特徴部が互換性があるとは理解されるであろう。当業者には、説明した様々な特徴部並びに各特徴部における他の公知の均等物を組み合わせ且つ適合させて、本発明の原理に従った付加的なシステム及び方法を構成することができる。

５６ ガス化装置
１２０ ベッセル
１２２ 反応室
１２４ インジェクタ（バーナー）
１３２ 第１の上側領域
１３４ 第２の中間領域
１３６ 第３の下側領域
１４２ 第１の冷却装置
１４４ 入口
１４６ 出口
１４８ 中間管体
１５２ 第２の冷却装置
１５４ 入口
１５６ 出口
１５８ 垂直管体

Claims (19)

1. ガス化反応炉であって、
   部分燃焼下で炭素含有燃料と酸素含有ガスとを内部に受けて合成ガスを生成するよう構成された反応室を定めるベッセルを備え、
   該ベッセルが、
   第１の上側領域と、
   第２の中間領域と、
   を含み、前記ガス化反応炉が更に、
   前記第１の上側領域に取り付けられた第１の冷却装置と、
   前記第２の中間領域に取り付けられた第２の冷却装置と、
   を備える、ガス化反応炉。
2. 前記第１の上側領域がドーム形状であり、前記第１の冷却装置が、前記ドーム形状の第１の上側領域の内側に取り付けられた円錐管体を含み、該円錐管体が、冷却材を導入するための入口と、該冷却材を引き出すための出口とを含む、請求項１記載のガス化反応炉。
3. 前記第２の冷却装置が、前記第２の中間領域の内側に取り付けられ、該第２の冷却装置が、前記第２の中間領域の長手方向軸線に沿って実質的に平行に延びる複数の管体を含む、請求項１記載のガス化反応炉。
4. 前記複数の管体が、単一の管体を形成するよう順次的に接続され、該単一の管体が、冷却材を導入するための入口と、該冷却材を引き出すための出口とを含む、請求項３記載のガス化反応炉。
5. 前記ベッセルが更に第３の下側領域を含み、前記ガス化反応炉が更に、前記第３の下側領域に取り付けられた第３の冷却装置を備える、請求項１記載のガス化反応炉。
6. 前記第３の下側領域が円錐形状であり、前記第３の冷却装置が、前記円錐形状の第３の下側領域の内側表面に取り付けられた円錐管体を含み、該円錐管体が、冷却材を導入するための入口と、該冷却材を引き出すための出口とを含む、請求項５記載のガス化反応炉。
7. 前記ベッセルが更に、前記第２の中間領域に接続された第３の下側領域を含み、該第３の下側領域が、該第３の下側領域の内側に取り付けられた第３の冷却装置と共に配列され、前記第１の冷却装置、第２の冷却装置、及び第３の冷却装置が順次的に接続されて単一の管体を形成し、該単一の管体が、冷却材を導入するための入口と、該冷却材を引き出すための出口とを含む、請求項１記載のガス化反応炉。
8. 炭素含有燃料及び酸素含有ガスが内部で部分燃焼するための反応室を定め、外側と内側とを有するベッセルと、
   前記ベッセルの外側の少なくとも一部に取り付けられ、前記反応室から熱を吸収するよう構成された熱交換器と、
   を備えるガス化反応炉。
9. 前記熱交換器が更に、前記ベッセルの少なくともある領域に熱を供給するよう構成されている、請求項８記載のガス化反応炉。
10. 前記熱交換器が、前記ベッセルの外側の周りに円形パターンで延びる複数の管体を含む、請求項８記載のガス化反応炉。
11. 前記熱交換器が、実質的に螺旋パターンで前記ベッセルの外側の周りを延びる単一の管体を含む、請求項８記載のガス化反応炉。
12. 前記熱交換器が、
    第１の円形管体と、
    第２の円形管体と、
    前記第１の円形管体と前記第２の円形管体との間に結合された複数の垂直管体と、
    を含む、請求項８記載のガス化反応炉。
13. 前記熱交換器が、
    互いに相互接続された複数の円形管体及び複数の垂直管体を含む第１の管組立体と、
    互いに相互接続された複数の円形管体及び複数の垂直管体を含む第２の管組立体と、
    を含み、前記第１の管組立体及び前記第２の管組立体が所定距離だけ互いから離隔されている、請求項８記載のガス化反応炉。
14. ガス化反応炉のベッセルの第１の領域に関連付けられ且つ該第１の領域と少なくとも部分的に一致する形状を定める第１の冷却装置を用いて前記第１の領域を冷却するステップと、
    前記ガス化反応炉のベッセルの第２の領域に関連付けられ且つ該第２の領域と少なくとも部分的に一致する形状を定める第２の冷却装置を用いて前記第２の領域を冷却するステップと、
    を含む方法。
15. 前記ガス化反応炉のベッセルが更に第３の領域を含み、前記方法が更に、
    前記第３の領域に関連付けられ且つ該第３の領域と少なくとも部分的に一致する形状を定める第３の冷却装置を用いて、前記ガス化反応炉の第３の領域を冷却するステップを含む、請求項１４記載の方法。
16. ガス化反応炉の第１の上側領域に取り付けられた第１の冷却装置と、
    前記ガス化反応炉の第２の中間領域に取り付けられた第２の冷却装置と、
    を備え、前記第１の冷却装置及び前記第２の冷却装置が、前記第１の上側領域及び前記第２の中間領域にそれぞれ一致する形状を有する、冷却システム。
17. ガス化反応炉の壁の温度を調節する方法であって、
    前記壁の第１の領域の周りの第１の温度ゾーンと、前記壁の第２の領域の周りの第２の温度ゾーンとを少なくとも含む、前記ガス化反応炉の温度プロファイルを取得するステップと、
    第１の冷却方式を利用して、前記第１の領域に関連付けられた第１の冷却装置を用いることにより、前記第１の領域の周りの前記取得した第１の温度ゾーンに応じて前記ガス化反応炉の第１の領域を冷却するステップと、
    第２の冷却方式を利用して、前記第２の領域に関連付けられた第２の冷却装置を用いることにより、前記ガス化反応炉の前記第２の領域の周りの前記取得した第２の温度ゾーンに応じて前記ガス化反応炉の第２の領域を冷却するステップと、
    を含む、方法。
18. 第３の冷却方式を利用して、前記第３の領域に関連付けられた第３の冷却装置を用いることにより、前記壁の第３の領域の周りの前記取得した第３の温度ゾーンに応じて前記壁の第３の領域を冷却するステップと、
    を含む、請求項１７記載の方法。
19. 統合型ガス化複合サイクル発電システムであって、
    ガス化装置を備え、該ガス化装置が、
    部分燃焼下で炭素含有燃料と酸素含有ガスとを内部に受けて合成ガスを生成するよう構成された反応室を定めるベッセルを含み、
    該ベッセルが、第１の領域及び第２の領域を含み、
    前記ガス化装置が更に、
    前記第１の領域と関連付けられた第１の冷却装置と、前記第２の領域と関連付けられた第２の冷却装置と、を有する冷却システムを含み、
    前記統合型ガス化複合サイクル発電システムが更に、
    前記ガス化装置に流れ連通して結合されて、前記ガス化装置から受け取った合成ガスを燃焼するよう構成されたガスタービンを備える、統合型ガス化複合サイクル発電システム。