JP5331282B2 - サファイア強化熱電対保護管 - Google Patents

Description

本願は、１９９９年１０月１３日出願の「Sapphire Reinforced Thermocouple Protection Tube」と題する米国仮出願第６０／１５９３４６号に基づく優先権を主張する。

【技術分野】
本発明は、一般にガス化プロセスで使用される熱電対に関し、より詳細には、ガス化プロセスに使用される熱電対の有効寿命を延ばすための新規なサファイア強化外側保護管の使用に関する。

【背景技術】
高温ガス化プロセスでは、高温部分酸化ガスを炭化水素質燃料（例えば石炭）から合成する。かかるプロセスでは、ガス化炉内で炭化水素質燃料を空気や酸素のような反応性酸素含有ガスと反応させて、高温部分酸化ガスを得る。

典型的なガス化プロセスでは、高温部分酸化ガスは、実質的に、Ｈ ₂ と、ＣＯと、Ｈ ₂ Ｏ、ＣＯ ₂ 、Ｈ ₂ Ｓ、ＣＯＳ、ＮＨ ₃ 、Ｎ ₂ 及びＡｒからなる群の１種以上のガスとからなり、粒状炭素、灰及び／又は溶融スラグ（通例、ＳｉＯ ₂ 、Ａｌ ₂ Ｏ ₃ のような化学種を含む）、鉄やカルシウムのような金属の酸化物及びオキシ硫化物を含んでいる。

ガス化炉内の高温部分酸化ガスは、一般に１７００°〜３０００°Ｆ、より典型的には約２０００°〜２８００°Ｆの範囲の温度、及び約１〜約２５０気圧、より典型的には約１５〜１５０気圧の範囲にある。

熱電対は、一般にかかる高温プロセスの温度測定に使用される。熱電対は、ガス化炉での温度測定に使用できる。熱電対はまた、流出液を冷却して粒子及びガス状汚染物質を除去する下流処理段階での温度測定にも使用できる。

熱電対は、一対の異種金属の素線を両端で接続したものである。素線の金属含有量はそれらの間に電位差が生じるほど十分に異なっていなければならない。２本の素線は、両端を除いて、互いに電気的に絶縁される。電気的絶縁は、通常、管を長さ方向に貫通する２つの交差しない穴を有する絶縁材の管によってもたらされる。典型的な絶縁材としては、アルミナのような高温高純度セラミックスが挙げられる。

素線の２箇所の接合部が異なる温度にあると、それらの間に電位差が存在する。電位差、したがって温度差は、熱電対回路に設けられた電圧計測器、或いは熱電対回路に設けられた発信機で送られた信号を受信する電圧計測器によって測定することができる。

熱電対に使用される異種金属の選択は、特に、測定すべき予想温度範囲に応じて異なる。例えば、ガス化炉に存在する条件下で通常用いられる熱電対の典型例は、白金と約３０％のロジウムを含む１本の素線と、白金と約６％のロジウムを含む第二の素線を有する。異なる温度範囲にはその他の金属対が使用される。

ガス化プロセスに存在する環境、特にガス化炉内の環境での熱電対の使用に伴う問題の一つは、熱電対の耐用年数が比較的短いことである。ガス化炉の運転時の極めて高い温度と腐食性雰囲気にある程度起因する。この環境下で保護されないまま残された熱電対は、すぐに攻撃され、使い物にならなくなる。かかる攻撃は、熱電対が炉内に存在する溶融スラグと接触したときに最も深刻なものとなる。

この問題を軽減するために、熱電対は、通常、ガス化炉の外壁その他の外部処理面に沿って配設される耐火性サーモウェル内に一般に挿入される。耐火性サーモウェルは、クロム−マグネシア及び高クロムなどの耐スラグ性材料の障壁を含を含んでおり、Ａｌ₂Ｏ₃、ＭｇＯ及びステンレス鋼のような他の耐火性及び非耐火材料が組み込まれていてもよい。

ガス化炉で使用する場合、サーモウェルは、炉圧力容器の外壁の開口部に通すことによって導入できる。サーモウェルを、次いで、炉圧力容器のの内面の裏打ちに常用される１種類又は一群の耐火材料の対応開口部に通せばよい。サーモウェルは、炉のオープンスペース内に延在していてもよいし、炉の内部から僅かな距離だけ後退していてもよい。

残念なことに、サーモウェル内部に熱電対を配置しても、完全な解決には至らない。時間が経過すると、溶融スラグがサーモウェルを破壊してしまう。この破壊は、通常、熱応力及び／又は機械的衝撃・応力だけでなくエロージョン及び腐食の作用に起因する。ただし、破壊が、完全に又は部分的に、サーモウェルに固有の欠陥に起因することもある。破壊は通例最初は小さいが、溶融スラグが熱電対内部に侵入できるようになり、熱電対と接触して、熱電対を使い物にならなくしてしまう。

そこで、ガス化プロセス用の熱電対の耐用年数を増大させる手段があれば有益である。

係属中の米国特許出願番号第０９／１０６１３３号（その開示内容は援用によって本明細書の内容の一部をなす。）に記載されているようなガス化プロセスでは、熱電対の少なくとも一部分を囲繞するサファイアエンベロープの使用は熱電対の寿命を増大させると記載されている。上記米国特許出願において、サファイアエンベロープは熱電対の先端を覆ように密着したサファイアシースの形態にある。その装置は、さらに、サーモウェルを備えてもよく、サファイアエンベロープはサーモウェルの内部に設けられる。

本発明のある実施形態では、サーモウェルを必要とせずにガス化プロセス用の運転期間を延すために、サファイアその他のコランダムを外側保護管に加えてもよいと思料される。

【発明の概要】
本発明の一実施形態では、ガス化プロセスで温度を測定するための熱電対を備える装置であって、熱電対の周囲にサファイア強化外側保護管を配置して熱電対の少なくとも一部分を囲繞することを改良点とする装置について開示する。本実施形態は、さらに、外側保護管の内部に、熱電対を収容できる内側保護管を含んでいてもよい。内側保護管は、アルミナ又はサファイアを含んでいてもよい。外側保護管用のサファイアは構造グレードの非光学用繊維であってもよく、該繊維で複合材が強化され、複合材とサファイア強化材で外側保護管が画成される。

ある実施形態では、外側保護管を支持管に取り付けてもよい。かかる実施形態では、外側保護管は、支持管の遠位端の内部に密着するように先細にしてもよい。外側保護管及び支持管は、熱電対を完全に囲繞していてもよい。

ある実施形態では、外側保護管は、サーモウェルなしで、ガス化流に直接挿入される。

外側保護管は内側保護管の周囲で成形してもよく、内側保護管は熱電対を収容できる。内側保護管は、アルミナ又は純粋（合成）サファイアを含んでいてもよい。

ある実施形態は、熱電対の遠位端の周囲に着脱自在に配設されたサファイアシースを含んでおり、該サファイアは合成サファイアを含む。サファイアシースは開口端部及び閉塞部を含んでいてもよく、開口端部及び閉塞部は共に合成サファイアを含む。かかる実施形態では、一対の熱電対素線の遠位端は、サファイアシースと熱電対との密着を促進するため、半径方向外側に偏向した形態で屈曲していてもよい。かかる実施形態は、さらに、外側保護管の内側に内部保護管を含んでいてもよく、内部保護管は熱電対とサファイアシースとを収容できる。内側保護管は、アルミナ又は合成サファイアを含んでいてもよい。この実施形態の変形では、サファイアシースと熱電対とを密着させるために、白金箔で熱電対を包む。

ガス化システムで使用するための熱電対システムについてもさらに開示するが、本熱電対システムは、一端が温接点で接続し、他端が冷接点で接続し、その他の部分は絶縁管で電気的に絶縁された異種金属の素線の対を含む熱電対と、上記素線の対と絶縁管とを収容できる熱電対内側保護管と、サファイアを含む熱電対外側保護管とを含んでいる。かかる実施形態では、外側保護管は内側保護管の周囲で一体に成形されたサファイア強化セラミックスをさらに含んでいてもよい。内側保護管は、サファイアを含んでいてもよい。ガス化炉に延在する支持管を外側保護管と接続してもよい。測定温度範囲は約１３００°Ｆ〜３０００°Ｆである。

ガス化プロセスの温度測定の方法についてもさらに開示するが、本方法は、一端が温接点で接続し、他端が冷接点で接続し、その他の部分は絶縁管で電気的に絶縁された異種金属の素線の対からなる熱電対を準備する段階と、サファイアを含む外側保護管を準備して、支持管と接続する段階と、上記外側保護管及び支持管をガス化炉に挿入する段階と、上記熱電対を外側保護管に挿入する段階とを含む。

サファイア強化外側保護管の製造方法についてもさらに開示するが、本方法は、型を準備する段階と、内側保護管を準備する段階と、型に内側保護管を挿入する段階と、複合材にサファイア繊維を添加してサファイア強化複合材を作る段階と、型にサファイア強化複合材を注入して内側保護管の少なくとも一部分をサファイア強化複合材で囲繞する段階と、複合材を硬化する段階とを含む。

本発明の上記その他の特徴及び態様は、図面と併せて以下の詳細な説明を参照することによって一段と明らかになろう。

【発明を実施するための形態】
以下、本発明の例示的な実施形態を示す。簡潔のため、現実の実施に際してのあらゆる特徴について本明細書に記載しないこともある。実施化に向けての開発に際して、実施毎に異なる開発者の特定の目標（システム及び業務に関連した制約に従うことなど）を達成すべく、実施に特有の多くの決定を行う必要があることは明らかであろう。さらに、かかる開発努力は複雑で時間を要することもあるが、本明細書の開示内容に接した当業者にとってはルーチンワークにすぎないことも明らかである。

実質的に、Ｈ ₂ と、ＣＯと、Ｈ ₂ Ｏ、ＣＯ ₂ 、Ｈ ₂ Ｓ、ＣＯＳ、ＮＨ ₃ 、Ｎ ₂ 及びＡｒからなる群の１種以上のガスとからになり、粒状炭素、灰及び／又は溶融スラグ（通例、ＳｉＯ ₂ 、Ａｌ ₂ Ｏ ₃ のような化学種を含む）、鉄やカルシウムのような金属の酸化物及びオキシ硫化物を含むガス混合物は、自由流動・ダウンフロー式鉛直耐火材裏打鋼製圧力容器内の反応域における周知の部分酸化プロセスで生成する。かかるプロセス及び圧力容器の一例が米国特許第２８１８３２６号に記載されており、その開示内容は援用によって本明細書の内容の一部をなす。かかるプロセスでは、部分酸化ガスは、通例、冷却及び追加の精製段階に付され、粒状夾雑物、ガス状夾雑物及び水蒸気が除去される。

かかるプロセスで生成した部分酸化ガスは、化学成分及び所期の最終用途に応じて、一般に合成ガス、燃料ガス又は還元ガスと呼ばれる。本明細書では、部分酸化ガスとはこれらのあらゆる選択肢を包含する上位概念を意味する。

部分酸化ガスの製造に使用される供給原料は炭化水素質燃料を含む。本明細書で各種の適切な供給原料を表すのに用いる「炭化水素系」という用語は、ガス状、液状及び固形炭化水素、炭素系材料及びそれらの混合物を包含する。実際、実質上あらゆる可燃性炭素含有有機材料及びそれらのスラリーが「炭化水素系」という用語の定義に包含される。例えば、（１）粒状炭素を気化性液体キャリア（例えば、水、液体炭化水素燃料及びそれらの混液など）に分散させたものなどの、固形炭素系燃料のポンプ送液可能なスラリー、及び（２）アトマイズド液体炭化水素燃料及び粒状炭素を温度緩和ガス中に分散させたものなどのガス−液体−固体分散体がある。

本明細書で適切な液体供給原料を表すのに用いる「液体炭化水素」という用語には、液化石油ガス、石油留出物及び残油、ガソリン、ナフサ、ケロシン、原油、アスファルト、ガス油、残油、タールサンド油、シェール油、石炭液化油、芳香族系炭化水素（ベンゼン、トルエン、キシレン留分）、コールタール、流動接触分解プロセスによるサイクルガス油、コーカーガス油からのフルフラール抽出物、及びそれらの混合物のような様々な材料が包含される。

本明細書で適切な気体供給原料を表すのに用いる「気体炭化水素」という用語には、メタン、エタン、プロパン、ブタン、ペンタン、天然ガス、コークス炉ガス、製油所ガス、アセチレンテイルガス、エチレンオフガス、及びそれらの混合物が包含される。

本明細書で適切な固形供給原料を表すのに用いる「固形炭化水素」には、無煙炭、瀝青炭、亜瀝青炭の形態の炭、亜炭、コークス、石炭液化で得られる残渣、泥炭、オイルシェール、タールサンド、石油コークス、ピッチ、粒状炭素（すす、灰）、汚水及びそれらの混合物のような固体炭素含有廃棄物が包含される。

固体、気体及び液体供給原料を混合して同時に使用してもよく、パラフィン、オレフィン、アセチレン、ナフタレン及び芳香系化合物を任意に比率で含んでいてもよい。さらに、「炭化水素系」という用語の定義には、炭水化物、セルロース系材料、アルデヒド、有機酸、アルコール、ケトン、酸素化燃料油、廃液を始めとする酸素化炭化水素系有機物、酸素化炭化水素系有機物を含む化学プロセスの副生物、及びこれらの混合物も包含される。

ガス化炉の反応域において、任意の温度減速材の存在下で、炭化水素質燃料はガスを含むフリーな酸素と接触している。反応時間は、典型的には約１〜１０秒の範囲内で、好ましくは２〜６秒間である。反応域では、内容物は一般に約１７００°〜３０００°Ｆの範囲、より典型的には約２０００°〜２８００°Ｆの範囲の温度に達する。圧力は、典型的には約１〜約２５０気圧の範囲、より典型的には約１５〜１５０気圧の範囲である。部分酸化ガスが下流に進むと、該ガスは様々な冷却、洗浄その他の工程に付されるので、流れの温度は下がる。

本発明では、温度は、サファイアその他のコランダム強化外側保護管を備える熱電対によって、ガス化プロセスの様々な位置で測定される。本発明の各種実施形態に係るサファイア強化外側保護管を用いると、特に、従来の熱電対よりも熱電対の寿命が増大するという利点をもつ。様々な実施形態では、サファイア強化外側保護管は、熱電対の少なくとも一部分を囲繞する。サファイア強化外側保護管の使用は、ガス化炉内部の温度を測定するために配置された熱電対と共に用いる場合に特に有用であるが、これは、高温、溶融スラグ及び腐食剤の有害な影響がガス化炉内で最も顕著だからである。サファイア強化外側保護管のもう一つの顕著な利点は、サーモウェルを使用せずに、熱電対の寿命を引き延ばすことができることである。

熱電対のような温度装置は、好適には、高いガス化温度及び激しい化学環境に耐える十分に強固な物質から構成する必要がある。特に、熱電対とその保護被覆は、（１）ガス化炉内部の流体による化学作用に耐え、（２）生成ガスに同伴した粒子のエロージョン作用に耐え、（３）運転開始と運転停止に伴う熱衝撃に耐え、（４）加熱・冷却時のガス化炉の層の膨張・収縮に起因する機械的な力に耐え、（５）酸化性及び還元性条件の両方に耐えることができるものでなければならない。固形原料系では、熱電対の寿命はスラグの存在によっても短くなる。

図１Ａに示す本発明の一実施形態では、サファイア繊維を複合材に添加して熱電対の外側保護管２４を製造する。サファイア構造繊維は、高強度・高温複合材に用いられるような非光学グレードのものであってもよい。サファイア繊維同士を複合材混合物中で重ねて外側保護管を強化してもよい。サファイア強化外側保護管２４は、熱衝撃時の剪断、破壊及び割れに抵抗する。サファイアは赤くない種類のコランダムであり、硬さの尺度で非常に高い位置にある（９モース、人類に知られている２番目に硬い天然鉱物）。外側保護管複合材にサファイア繊維を追加すると、外側保護管２４の寿命及び熱電対の運転期間が増大する。

本発明の一実施形態では、サファイア強化外側保護管２４は、図１Ａに示す保護管の全長に沿って複合材中のファイア繊維を含んでいる。或いは、繊維の品質に応じて、外側保護管は、図１Ｂに示す複合材保護管の長さの一部のみにサファイア強化繊維を含んでいてもよい。図１Ｂにおいて、強化サファイア繊維は、外側保護管２４の末端側１２〜１５インチに導入されるだけである。外側保護管２４をなす複合材の強化に使用されるサファイアは非光学グレードの構造用繊維である。

図１Ａに示す本発明の実施形態では、サファイア強化外側保護管２４は、熱電対内側保護管３０の少なくとも一部分を囲繞する。かかる好ましい実施形態では、内側保護管３０は高温高純度セラミック管からなる。例えば、かかるセラミック管はアルミナからなる。別の実施形態では、内側保護管３０はサファイアからなる。熱電対１０は、図に示すように、内側保護管３０の内側に配置される。熱電対１０は、素線１２及び１４の対から構成される。これらの素線は、熱電対が熱源に露出されたときにそれらの間に電位差が生じるように異なる金属含有量を有する。例示的な実施形態では、素線１２及び１４は共に白金とロジウムを含んでいるが、それらの主な相違点は、２本の素線で白金とロジウムの量が異なることである。好ましくは、素線の一方は約３０％のロジウムを含有し、他方の素線は約６％のロジウムを含有する。両素線共に、残部は主に白金である。

素線は、温接点１６と冷接点１８で互いに接続されている。ガス化炉の温度測定に使用する場合、温接点１６が熱源近傍に配置されるので、「温」及び「冷」という用語が用いられる。高温側端部の温度を示す２本の素線の電位差が測定される。電位差をどのように測定するかは重要でない。実際、電位差を測定するための様々な手段が当業者に公知である。これらの方法のいずれかを本発明で使用すればよい。例えば、熱電対回路に電圧計を設けてもよい。好ましい別法では、冷接点１８温度送信器に設けてもよい。温度送信器で生成した信号を、信号伝送手段２０によって制御室その他の場所へ中継すればよい。

温接点と冷接点を除いて、それ以外の部分では、２本の素線１２及び１４は、互いに電気的に絶縁される。どのように絶縁するかは重要でないが、開示した実施形態では、電気的絶縁２２は、高温高純度セラミック管によってもたらされる。かかるセラミック管は、例えば、アルミナからなる。

前段落に記載したような熱電対１０を単独で又はガス化炉の温度測定に常用されるサーモウェルとの組合せで使用する（つまり、外側保護管２４が存在しない）場合、熱電対は、スラグその他炉内に存在する有害物質に素早く屈服する。そのため、本実施形態では、サファイア強化外側保護管２４を、内側保護管３０の少なくとも一部分の周囲、好ましくはスラグに露出される内側管部分全体を覆うように配設する。サファイア強化外側保護管２４は、ガス化プロセスのスラグその他の物質に耐性である。サファイア強化材は、外側保護管を大幅に強化し、好適なことに熱衝撃及びエロージョンに耐性になる。ガス化プロセスで一般的な始動、停止その他の事象は、劇的な温度変化をもたらしかねない。かかる事象に付随する熱衝撃は、材料の能力を大きく超える応力を熱電対にもたらして、破損及び故障を招くことが多々ある。外側保護管２４にサファイアを導入すると、保護管に著しい強度及びエロージョン耐性を与えて、その内部に収容された熱電対の有効寿命を増大させる。

一実施形態では、完成した熱電対及びサファイア強化外側保護管２４は、遠位端つまり温接点１６近傍の第１の端部２６を有する。

好ましい実施形態では、熱電対１０は保護シースも備えており、例えば、図１Ａ、図１Ｂ、図２及び図３に示すようなサファイアシース２５を備える。サファイアシース２５は、合成サファイア（純粋コランダム）からなる。サファイアシース２５は、開口端部２７と一体の閉塞部２９とを含む。開口端部２７と一体の閉塞部２９の各々は、合成サファイアからなるものでよい。好ましい実施形態では、サファイアシース２５は、長さ約１０インチであるが、用途に応じてその他の長さにすることもできる。サファイアシース２５は、ガス化炉内部の過酷な状況から熱電対１０をさらに保護する。図４に示す別の実施形態では、サファイアシース２５は使用しない。サファイアシース２５内の熱電対１０の配置は、図２に示すように、熱電対素線１２及び１４の遠位端に形成された「ピグテール」８２によって促進することができる。ピグテール８２は、熱電対１０とサファイアシース２５とを密着させる。ピグテール８２を形成するには、熱電対素線１２及び１４を接合点８０で一緒に捩り、余った素線を、サファイアシース２５に熱電対を挿入したときにピグテール８２がサファイアシース２５の内壁に密着するように、構成する。ピグテール８２（半径方向外側に偏向している）とサファイアシース２５の内壁との間の抵抗によって密着性が生じ、熱電対とサファイアシースとの相対運動が妨げられる。別の実施形態では、熱電対１０とサファイアシース２５とを密着させるため、白金箔その他の材料で電気絶縁管２２の周囲及び／又はサファイアシース２５の内面の周囲を包んでもよい。

ある実施形態では、サファイア強化外側保護管２４は既存の熱電対の全体又は大部分を覆うように延在していてもよい。

好ましい実施形態では、外側保護管２４は、成形プロセスを用いて、内側保護管３０の周囲に形成される。内側保護管３０を型（図示せず）内に、例えばスペーサーを用いて中心に配置する。次いで、サファイア強化セラミックを型に流し込んで、内側保護管３０の少なくとも一部分の周囲で外側保護管２４を一体に形成する。セラミックが硬化すると、外側保護管２４は、内側保護管３０の少なくとも一部分を囲繞する強固なサファイア強化部材となる。或いは、外側保護管２４を別個に形成してから、内側保護管３０を外側保護管２４に挿入してもよい。

外部セラミック管２４は幾分多孔質で、用途によってはスラグ及びガスの移動に鋭敏であることがある。スラグ及び／又はガスが外側保護管２４を通して移動する場合、純粋サファイアシース２５が、内側保護管３０、熱電対素線１２及び１４への移動を防ぐ。好ましい実施形態では、サファイアシース２５は長さ約１０インチしか延在しない。当業者には自明であろうが、スラグ及び／又はガスが炉の壁の近くで移動すると、温度が低下する。かかる冷却の結果、遠位端２６から１０インチ以上の距離で外側保護管２４を通して移動するスラグ及び／又はガスは通例ほとんど或いは全く存在しない。典型的には、スラグは、遠位端２６から５インチ以内で凝固する。しかし、応用としてのインアズマッチ（inasmuch）は、外側保護管２４の遠位端２６から１０インチ以上の距離でスラグ及び／又はガスの移動が起こるようとでは、必要に応じて、サファイアシース２５の長さを長くしてもよい。

次に図３〜図４を参照すると、外側保護管２４は、支持管１と外側保護管２４の第１の端部２８で嵌合していてもよい。図３に示す好ましい実施形態では、外側保護管２４は、支持管１の遠位端内側に密着する第２の端部２８で先細になっている（テーパが付けられている）。高温セメントを用いて支持管１と外側保護管２４の第２の端部との間の環状部をシールしてもよい。或いは、外側保護管２４は、特に限定されないが、遠位端が先細の支持管と（支持管とぴったり嵌合するように）開口端部が広がった外側保護管との嵌合を始めとする、任意の別の簡便な手段で支持管１に取り付けてもよい。支持管１は、ステンレス鋼その他のエロージョン耐性材料を含んでいてもよいし、圧力容器ガス化炉の外側鋼壁４０を貫通する着脱自在なフランジ７４から延在する。図３〜図４に示す実施形態では、支持管１は、外側保護管２４の先細の第２の端部２８と嵌合する近位端よりも遠位端の径が大きい入れ子式管である。或いは、支持管１は入れ子式でなくてもよい。

サファイア強化外側保護管２４は少なくとも温接点１６を囲繞する。こうすれば、精密な温度測定には、オペレーターは外側保護管（したがって熱電対温接点）をガス化流に挿入すればよい。

一実施形態では、サファイア強化外側保護管２４は、内側保護管３０の少なくとも一部分の周囲で成形される。サファイアシース２５を含めた熱電対１０は、内側保護管３０内に摺動自在であり、閉塞部２９が図１で示すように内側保護管の遠位端に当接するまで入り込む。閉塞部２９と内側保護管３０との接触によって正確な炉温度測定が図られる。

ある実施形態では、サファイア強化外側保護管の厚さは、約１インチである。他の実施形態は、サファイア強化外側保護管２４の厚さ及び長さは種々変更できる。

図３〜図４に示す実施形態では、熱電対１０はガス化炉４０に、遠位端２６から挿入される。熱電対１０は、フランジ付レジューサー７６を通して、外部管２４と支持管１の組合せに挿入される。支持管１はボールスイベル及び支持体８４で支持され、支持体８４はフランジ付レジューサー７６と接触して嵌合する。熱電対１０の遠位端１６は、外側保護管２４の遠位端２６の近傍に配置される。好ましくは外側保護管２４の内面と熱電対の遠位端１６との間には約０．１２５〜約０．２５インチの間隔が維持される。熱電対１０の遠位端１６は、好ましくは、前述のサファイアシース２５を備えていてもよい。熱電対１０は、外側保護管２４で囲繞されていれば、サーモウェルを必要とせずにガス化流に直接挿入することができる。

熱電対１０の素線１２及び１４の近位端は、電気絶縁体２２の近位端、及び／又はサファイア強化外側保護管２４及び支持管１（図３に示すように、支持管が電気絶縁体２２と境界が一致する場合）を通過して延在する。素線は圧力シール取付け具７０を貫通する。圧力シール取付け具７０は、着脱自在なフランジ７４に嵌合するブッシング７２に隣接して配置される。着脱自在なフランジ７４は、圧力容器ガス化炉の外側鋼壁４０と嵌合するフランジ付レジューサー７６と嵌合する。

２つの別個の接続具（７４及び７６）の使用は、外側管２４と支持管１の組合せを取外さずに、熱電対１０を交換することができるので、効率的である。或いは、フランジ７４及び７６に代えて、ネジ付きキャップ及びノズルその他の接続手段を用いてもよい。

外側保護管アセンブリ２４を備える熱電対１０は、ガス化反応でのスラグ耐性が増大する。開示された実施形態では、スラグは外側保護管２４の周囲を直接通過し、移動するスラグからの外側保護管を遮蔽するサーモウェルは存在しない。サファイア強化外側保護管２４には最終的には破損が生じるおそれがある。しかし、サファイア強化外側保護管によって熱電対の耐用年数が延びる。サファイア強化外側保護管２４が最終的に破損すると、サファイアシース２５及び／又は内側保護管３０は、エロージョン及び腐食の作用を受ける。内側保護管３０及びサファイアシース２５が破損すると、素線１２及び１４と温接点１６が保護されずに残り、熱電対１０も破損する。サファイア強化外側保護管２４の適切な長さの選択は、温度及びガス組成を始めとするプロセスの特徴について熟知し、本願の教示内容に接した当業者が容易になし得る事項である。

図５〜図６に示す実施形態のような別の実施形態では、２本以上の保護管、例えば、内側保護管１３０及び１３１を型内に一緒に配置してから、内側保護管の周囲でサファイア強化外側保護管１２４を形成する。好ましい実施形態では、２本以上の内側保護管の各遠位端は、外側保護管１２４に沿って異なる長さで互い違いに配置する。２本以上の内側保護管は、２以上の熱電対の導入を容易にする。このように複数の内側保護管を互い違いに並べた配置は、熱電対の交換を要するまでの供用時間が増大する。例えば、２本の内側保護管１３０及び１３１を示す図５の実施形態では、外側保護管１２４の破損又はそれを通してのスラグ及び／又はガス移動は、内側保護管１３０に挿入された熱電対の最終的破損を招くことがある。しかし、内側保護管１３１に収容された熱電対の破損はある程度遅くなる。外側保護管１２４が内側保護管１３０及び１３１の周囲に設けられるので、外側保護管１２４の破損は、内側保護管１３１への直接的径路を有さないことがある。結局は外側保護管１２４がさらに破損して、内側保護管１３１に達するかもしれないが、炉内の温度は炉壁に近づくほど低下するので、内側保護管１３０及び１３１が破損するまでの時間は通常さらにずれる。本明細書の教示内容に接した当業者には自明であろうが、外側保護管１２４の破損は、まず、反応チャンバーの最も高温の部分である遠位端１２６で起こる可能性が高く、それ以上の破損は通常は外側保護管の近位端１２８に向かって遅れて起こる。外側保護管１２４に沿って互い違いにずらした長さで各々熱電対を収容する２本以上の内側保護管を用いると、最も遠位端側に位置する熱電対の破壊後も、炉の運転を中断せずに継続することができる。本明細書の教示内容に接した当業者には自明であろうが、２本以上の内側保護管を使用してもよいが、図５〜図６に示す実施形態は、サファイア強化外側保護管１２４で可能な複数の熱電対の例示にすぎない。第２の（又はさらに追加の）熱電対で得られる精度は、炉の最も高温部分に関しては第１の熱電対ほど高くないかもしれないが、第１の熱電対の破損までに収集されたデータに基づいて、第２の（又はさらに追加の）熱電対のための読取り値を較正及び補正することができるので、その差はプロセス制御者に問題を提起しない。

本発明が、発明の特別の例示的な実施形態に関して特に示され記述されている一方、形式と詳細の様々な変更が、発明の精神及び範囲から外れずに行なわれるかもしれないことは当業者によって理解されるだろう。上記の記述された実施形態は例示にすぎず、本発明の範囲の限定と見なされてはならない。
【図面の簡単な説明】
【図１Ａ】
本発明の一実施形態に係る熱電対及び外側保護管の断面図。
【図１Ｂ】
本発明の別の実施形態に係る熱電対及び外側保護管の断面図。
【図２】
図１の熱電対及びシースの断面図。
【図３】
本発明の一実施形態に係るガス化炉壁及び熱電対の一部分の断面図。
【図４】
本発明の別の実施形態に係るガス化炉壁及び熱電対の一部分の断面図。
【図５】
本発明の別の実施形態に係る外側保護管の長手方向断面図。
【図６】
図５の保護管の水平断面図。

Claims (23)

1. ガス化プロセスにおける温度測定用の熱電対を備える装置であって、構造グレードの非光学用サファイア繊維で強化したサファイア強化複合材からなる外側保護管を上記熱電対の周囲に配置して熱電対の少なくとも一部分を囲繞してなり、前記熱電対の遠位端の周囲に着脱自在に配設されたサファイアシースをさらに備える、装置。
   
2. 前記外側保護管の内側の内側保護管であって、前記熱電対を収容できる内側保護管をさらに備える、請求項１記載の装置。
   
3. 前記内側保護管がアルミナからなる、請求項２記載の装置。
   
4. 前記内側保護管がサファイアからなる、請求項２記載の装置。
   
5. 前記外側保護管が支持管に取り付けられている、請求項１乃至請求項４のいずれか１項記載の装置。
   
6. 前記外側保護管が前記支持管の遠位端内部に密着するように先細になっている、請求項５記載の装置。
   
7. 前記外側保護管及び支持管が前記熱電対を完全に囲繞する、請求項５又は請求項６記載の装置。
   
8. 前記外側保護管が、サーモウェルなしでガス化流に直接挿入される、請求項１乃至請求項７のいずれか１項載の装置。
   
9. 前記外側保護管が内側保護管の周囲で成形される、請求項１乃至請求項８のいずれか１項載の装置。
   
10. 前記サファイアシースが合成サファイアからなる、請求項１乃至請求項９のいずれか１項記載の装置。
    
11. 前記サファイアシースが開口端部と閉塞部とを有する、請求項１乃至請求項１０のいずれか１項記載の装置。
    
12. 前記開口端部及び閉塞部が合成サファイアからなる、請求項１１記載の装置。
    
13. 前記サファイアシースと熱電対との密着を促進するために、熱電対の素線の対の遠位端が半径方向外側に偏向した形態で屈曲している、請求項１乃至請求項１２のいずれか１項記載の装置。
    
14. 前記サファイアシースと前記熱電対とを密着させるために熱電対が白金箔で包まれる、請求項１乃至請求項１３のいずれか１項記載の装置。
    
15. ガス化システムで使用するための熱電対システムであって、
    一端が温接点で接続し、他端が冷接点で接続し、その他の部分は絶縁管で電気的に絶縁された異種金属の素線の対からなる熱電対と、
    前記素線の対と前記絶縁管とを収容できる熱電対内側保護管と、
    構造グレードの非光学用サファイア繊維で強化したサファイア強化複合材からなる熱電対外側保護管と、
    前記熱電対の遠位端を収容できるサファイアシースと
    を備える熱電対システム。
    
16. 前記外側保護管が内側保護管の周囲で一体に成形される、請求項１５記載の熱電対システム。
    
17. 前記内側保護管がアルミナからなる、請求項１５又は請求項１６記載の熱電対システム。
    
18. 前記内側保護管がサファイアからなる、請求項１５又は請求項１６記載の熱電対システム。
    
19. 前記絶縁管がアルミナからなる、請求項１５乃至請求項１８のいずれか１項記載の熱電対システム。
    
20. 前記外側保護管に接続した支持管であって、ガス化炉内に延在する支持管をさらに備える、請求項１５乃至請求項１９のいずれか１項記載の熱電対システム。
    
21. １３００°Ｆ〜３０００°Ｆ（７００℃〜１６５０℃）の範囲の温度を測定するための、請求項１５乃至請求項２０のいずれか１項記載の熱電対システム。
    
22. 前記素線の対が、白金、ロジウム又はそれらの混合物からなる、請求項１５乃至請求項２１のいずれか１項記載の熱電対システム。
    
23. ガス化プロセスにおける温度を測定する方法であって、
    一端が温接点で接続し、他端が冷接点で接続し、その他の部分は絶縁管で電気的に絶縁された異種金属の素線の対からなる熱電対を準備する段階と、
    構造グレードの非光学用サファイア繊維で強化したサファイア強化複合材からなる外側保護管を準備して、支持管と接続する段階と、
    サファイアシースを準備して前記熱電対の温接点側の端部を収容する段階と、
    前記外側保護管及び支持管をガス化炉に挿入する段階と、
    前記熱電対を前記外側保護管に挿入する段階と
    を含む方法。
    

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