JP5468201B2 - ダンプ冷却型ガス化装置、およびダンプ冷却ライナ - Google Patents

Description

本発明は、ダンプ冷却型ガス化装置（ｄｕｍｐ ｃｏｏｌｅｄ ｇａｓｉｆｉｅｒ）に関する。

ガス化プロセスは、石炭または他の炭素含有材料を合成ガスに変えることを含む。石炭は、天然ガスや石油よりも低価格なので、ガス化技術の開発には大きな経済的インセンティブがある。既存のガス化技術の問題は、概して、資本コストが高い、稼働率が比較的低い、または、その両方である、ということである。稼働率は、装置が稼働して生産している時間の長さを表す。稼働率が低い原因の１つは、複雑で寿命が短いガス化装置のライナの設計である。ガス化装置に現在使用されているライナの例は、耐火ライナ、膜ライナ（ｍｅｍｂｒａｎｅ ｌｉｎｅｒｓ）および再生冷却ライナ（ｒｅｇｅｎｅｒａｔｉｖｅｌｙ ｃｏｏｌｅｄ ｌｉｎｅｒｓ）である。耐火ライナは、毎年、耐火物を交換する必要があり、約９０％の稼働率である。膜ライナは、耐火ライナよりも寿命が長いが、ライナが複雑なので、ガス化装置の価格を２倍〜３倍に上昇させる可能性がある。

再生冷却ライナも、ガス化プロセスに使われており、耐火ライナや膜ライナと違い、一般に、低価格で寿命が長い。これらの恩恵は、再生冷却ライナの壁のスラグ層を凍らせることから生まれる。耐火ライナや膜ライナを用いるガス化プラントと比較すると、再生冷却ライナは、電気の費用、水素の費用、およびガス化プラントによって生産される合成ガスの費用を大幅に低減することができる。再生冷却ライナの例は、米国特許第６，９２０，８３６号明細書（Ｓｐｒｏｕｓｅ）に開示されており、これは本願の参照となる。

再生冷却ライナは、耐火ライナや膜ライナに比べてガス化技術に大きな利益をもたらす一方で、ライナの熱膨張を管理することが、再生冷却ライナを用いることの技術的な課題の１つである。ライナは、セラミックで形成され得るものであり、通常、ガス化装置の金属裏打ち構造に取り付けられる。従って、ガス化装置内の温度が上昇するとき、セラミックライナの熱膨張と金属裏打ち構造の熱膨張とが整合していない。

再生冷却ライナに関するもう１つの課題は、閉ループの（再生）冷却回路を構築するために必要な金属／セラミック接合の特定の実装である。

ダンプ冷却型ガス化装置は、容器と、ライナと、冷却剤と、を含む。ライナは、先端と、後端と、容器の長さに沿って延在する複数の流路と、を有する。ライナの後端は、ライナの先端に対して軸方向および径方向に膨張することができる。冷却剤は、ライナの先端で入り、ライナ内を流れ、ライナの後端から容器に直接、吐出される。

図１は、ダンプ冷却型ガス化装置１０の断面図を示す。ダンプ冷却型ガス化装置１０は、通常、ライナ１２、金属製圧力容器１４、断熱材１６、インジェクタ１８、マニホルド２０、クエンチ部２２および反応チャンバ２４を含む。他のライナに代えてガス化装置１０にライナ１２を用いると、ガス化装置１０の寿命が延び、しかも低コストである。熱膨張の不整合の問題とともに、金属／セラミック接合の問題も低減または排除することによって、ガス化プロセスの様々な技術的リスクも低減される。ダンプ冷却型ガス化装置１０のライナ１２の構成によって、ライナ１２の温度を直接、制御することができる。

容器１４は、クエンチ部２２より上方に位置づけられ、反応チャンバ２４を含む。容器１４は、ガス化装置のライナ１２と断熱材１６とを収容する。ライナ１２は、容器１４の長さに沿って延在し、先端２６と、後端２８と、内径３０と、を含んでいる。ライナ１２の先端２６は、少なくとも容器１４とインジェクタ１８とマニホルド２０とに、ライナ１２の内径３０で、メカニカルシール３２によって接続されている。図１に見られるように、ライナ１２は、その後端２８が、ガス化装置１０の容器１４や他の要素に取り付けられずに、容器１４に吊り下げられている。従って、ライナ１２の後端２８は、容器１４内の熱変化に応じて、軸方向および径方向に、自由に膨張および収縮することができる。例示的な実施形態において、ライナ１２は、約１０フィート（３．０ｍ）〜約３０フィート（９．１ｍ）の長さを有する。

反応チャンバ２４内の温度が、約２０００°Ｆ（１０９３℃）〜約６０００°Ｆ（３３１６℃）に達すると、ライナ１２を流れる冷却剤で、ライナ１２に沿った温度を継続的に制御しなければならない。ライナ１２と容器１４との間に断熱材１６が配置され、ライナ１２と容器１４との温度を動作限界内に維持する助けをする。ライナ１２の適切な温度範囲は、約１０００°Ｆ（５３８℃）〜約２０００°Ｆ（１０９３℃）である。ライナ１２の特に適切な温度範囲は、約１２００°Ｆ（６４９℃）〜約１８００°Ｆ（９８２℃）である。図１に示されている断熱材１６は、ライナ１２に直接取り付けられているが、代替例において、断熱材１６は、ライナ１２に直接取り付けられていなくてもよい。

マニホルド２０は、インジェクタ１８とライナ１２の先端２６との間に収容されている。マニホルド２０からライナ１２に流れる冷却剤の容器１４への漏れ、または容器１４から大気中への漏れを防ぐために、ライナ１２は、少なくともライナ１２の内径３０でシールされており、ライナ１２は、インジェクタ１８に対してシールし、かつ、ライナ１２は、容器１４に対してシールし、容器１４は、インジェクタ１８に対してシールする。金属／セラミック接合の問題は、ライナ１２を金属製圧力容器１４に直接シールせずに、インジェクタ１８にシールすることによって排除される。金属で形成された容器１４と、セラミック、セラミック複合材または異種金属で形成されたライナ１２と、の間の熱膨張の不整合の問題も、ライナ１２の後端２８が自由に膨張および収縮できるようにすることで、防止される。ライナ１２の後端２８は容器１４に取り付けられていないので、熱膨張の不整合は、全てライナ１２の先端２６に限られる。ライナ１２の先端２６は、容器１４とインジェクタ１８との間でメカニカルシール３２によって挟まれて固定されている。ライナ１２の先端２６は、インジェクタ１８に、わずか数インチに亘って取り付けられ、インジェクタ１８とライナ１２との間に管理しやすい荷重を生じさせる。金属ライナの熱膨張は、約５．５×１０^-6インチ／インチ・華氏温度（ｉｎ／ｉｎ・°Ｆ）〜約８．０×１０^-6ｉｎ／ｉｎ・°Ｆである。これに比べ、セラミックマトリクス複合ライナの熱膨張は、約１．７×１０^-6ｉｎ／ｉｎ・°Ｆ〜約３．３×１０^-6ｉｎ／ｉｎ・°Ｆである。例示の実施形態においては、ライナ１２を形成する材料は、セラミック、セラミックマトリクス複合材および耐食性金属を含むが、これらに限定されない。市販の耐食性金属の例は、インコネル（Ｉｎｃｏｎｅｌ）６２５と、インディアナ州ココモ所在のＨａｙｎｅｓ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ，Ｉｎｃ．，社製のヘインズ（Ｈａｙｎｅｓ）１８８およびＨＲ−１６０と、を含むが、これらに限定されない。ガス化装置１０は、マニホルド２０を含むとして論じられるが、ガス化装置１０は、本発明の範囲を逸脱することなく、マニホルドなしで構成することもでき、異なる配置のマニホルドと共に構成することもできる。

運転時、マニホルド２０に冷却剤が流れ、ライナ１２の先端２６に導入される。ライナ１２とインジェクタ１８との接続箇所、および、ライナ１２と容器１４との接続箇所で、冷却剤がわずかに漏れる場合があるが、冷却剤は最終的に容器１４に抜け出るので、その漏れは許容することができる。冷却剤はライナ１２を流れながら、反応チャンバ２４から熱を奪い、ライナ１２を冷却する。ライナ１２の後端２８は、容器１４内に吊り下げられるので、冷却剤は、最終的に、クエンチ部２２のすぐ上流で容器１４の中へダンプする。適切な冷却剤の例は、蒸気、窒素、二酸化炭素および合成ガスを含むが、これらに限定されない。冷却剤の適切な温度範囲は、約１００°Ｆ（３８℃）〜約１２００°Ｆ（６４９℃）である。冷却剤の特に適切な温度範囲は、約６００°Ｆ（３１６℃）〜約１０００°Ｆ（７６０℃）である。

冷却剤は、ライナ１２の外面３６に沿ったスラグ層３４を凍らせるのに十分な流量でライナ１２を流れる。スラグ層３４は、反応チャンバ２４を流れる炭素リッチ燃料の灰分から形成される。ガス化装置１０が作動する高温では、灰はスラグになる。ライナ１２を通る冷却剤の温度は十分に低いので、ライナ１２の温度を、スラグ層３４を外面３６上に凍らせる温度に保つ。スラグ層３４は、ライナ１２が高速の粒子によって削られることから保護し、ライナ１２が反応チャンバ２４にある気相の反応種によって化学的侵食されないように保護する。あるいは、スラグ層３４がライナ１２の外面３６に沿って堆積されていない場合、ライナ１２を、磨耗に耐えるように硬化またはコーティングされ、かつ化学的侵食に耐える表面温度に冷却された地金で形成してもよい。

ライナ１２からの冷却剤の出口速度は、ライナ１２の後端２８にスラグ落下リップ３８も作る。スラグ落下リップ３８は、ライナ１２の後端２８を出る冷却剤が高温であるために生じ、ライナ１２の後端２８にスラグが積み重なることを防ぐ。従って、スラグ落下リップ３８があることで、ライナ１２の後端２８からスラグを取り除くために必要な保守時間および費用を低減し、かつ、ライナ１２からクエンチ部２２に入る冷却剤をスラグが妨げないようにする。

図２は、ライナ１２の例示的な実施形態の斜視図を示す。ライナ１２は、複数の管４０で組み立てられた管壁ライナであり、冷却剤は、管４０の円形断面またはほぼ円形の断面を流れる。管４０は、一体型としても非一体型としてもよい。管４０の各々は、先端４２と、後端４４と、先端４２と後端４４との間の本体４６と、を有する。管４０は、全ての管４０の先端４２と後端４４との各々が、円形の断面を形成するように互いに並べられている。管４０の先端４２が協力してライナ１２の先端２６を形成し、管４０の後端４４が協力してライナ１２の後端２８を形成する。このように、管４０の先端４２は、円形の取付けフランジ４８に取り付けられる。例示的な実施形態において、管４０の各々は、約０．３インチ（０．８ｃｍ）〜約１．５インチ（３．８ｃｍ）の内径を有する。

前述のように、冷却剤は、ライナ１２の先端２６を通って容器１４に入る。管４０の先端４２が冷却剤を受け入れ、冷却剤は、その後、管４０の本体４６を通って管４０の後端４４に流れる。冷却剤は、ライナ２２を通った後、容器１４に直接ダンプする（図１に示す）。ライナ１２の温度は、管４０を通る冷却剤の流量を調節することによって、直接、制御することができる。管４０を通る冷却剤の流量が増えると、ライナ１２の温度が低下する。管４０を通る冷却剤の流量が減ると、ライナ１２の温度は上昇する。非限定的な例において、冷却剤がライナ１２に入るときの流量が、反応チャンバ２４にさらされるライナの表面積１平方フィート（０．０９３平方メートル）あたり、毎秒約０．２ポンド（ｌｂｓ／ｓｅｃ）（０．０９１キログラム／秒）〜約１０ｌｂｓ／ｓｅｃ（４．５４キログラム／秒）のとき、ライナ１２の外面３６は、約１２００°Ｆ（６４９℃）〜約１８００°Ｆ（９８２℃）の温度を有する。

図３は、取付けフランジ４８に接続されたライナ１２の先端２６の部分的な拡大図である。取付けフランジ４８は、内側端５０と、外側端５２と、複数の開口５４と、を有する。複数の開口５４は、内側端５０と外側端５２との間に取付けフランジ４８を貫通し、互いに隣接するように配列されている。図３に見られるように、管４０の先端４２は、取付けフランジ４８の開口５４からわずかに突き出るように、開口５４を通り抜ける。開口５４の位置によって、管４０の各々は、取付けフランジ４８の内側端５０の近くに位置づけられている。図３の管４０は円形断面を有するが、管４０は、楕円形、長楕円形を含む他の断面を有してもよく、しかもこれらに限定されない。

図４は、ライナ５６の実施例の部分的な拡大図である。図３に示すライナ１２と同様に、ライナ５６の先端５８は、取付けフランジ４８内に位置づけられている。しかし、ライナ５６は、管壁ライナではなく流路壁ライナであり、冷却剤は、長方形またはほぼ長方形の断面を通って流れる。ライナ５６の複数の流路６０は、内壁６２と、外壁６４と、シート６６と、によって形成されている。シート６６は、内壁６２と外壁６４との間に配置され、蛇行形状に曲げられている。または、多くの個々のシート６６を利用して、蛇行形状以外の流路６０を作ってもよい。内壁６２と外壁６４との間に作られたシート６６の形状が、流路６０を画定する。冷却剤は、内壁６２と外壁６４との間を通ってライナ５６を流れるが、同時に、流路６０によって分割される。

図５は、ライナ６８の実施例の部分的な拡大図である。ライナ５６と同様に、ライナ６８も流路壁ライナであり、流路７０は、ほぼ長方形の断面を有する。ライナ６８の流路７０は、第１のカバーシート７２と、第２のカバーシート７４と、中壁７６と、を用いて、形成されている。第１のカバーシート７２と第２のカバーシート７４とは、互いにほぼ平行に位置づけられ、中壁７６は、第１のシート７２と第２のシート７４との間に、これらのシートに対してほぼ垂直に位置づけられている。従って、流路７０は、第１のシート７２と、第２のシート７４と、中壁７６とが交差する間に形成される。一実施例において、ライナ６８の流路７０は、第１のシート７２に適用されるサブトラクティブ法によって形成されている。例えば、第１のシート７２に第２のシート７４をレーザ溶接することにより、流路７０が画定され得る。

ダンプ冷却型ガス化装置は、ダンプ冷却ライナを用いることによって、金属／セラミック接合の問題だけでなく、熱膨張の不整合の問題も低減または排除することができる。ライナは、金属、セラミックまたはセラミックマトリクス複合材から形成される。ライナは、先端がガス化装置のインジェクタによって囲まれ、後端が自由端となるように吊り下げられている。ライナは、後端で吊り下げられているので、ライナの熱膨張がガス化装置の性能や安定性に影響しないように、自由に膨張および収縮することができる。冷却剤は、マニホルドによってライナに導入され、ライナを形成する複数の管つまり流路を通ってライナを通る。従って、ライナの温度は、ライナの管つまり流路を通る冷却剤の流量を制御することによって、直接、制御することができる。冷却剤はライナを通った後、ガス化装置の容器にダンプされる。

本発明を好ましい実施形態を参照して記述したが、当業者であれば、本発明の趣旨および範囲を逸脱することなく、形態および細部に変更がなされ得ることを理解されよう。

ダンプ冷却型ガス化装置の断面図。 ダンプ冷却型ガス化装置のライナの斜視図。 ダンプ冷却型ガス化装置の管壁ライナの例示の実施形態の部分拡大図。 ダンプ冷却型ガス化装置の流路壁ライナの例示の実施形態の部分拡大図。 ダンプ冷却型ガス化装置の流路壁ライナの例示の実施形態の部分拡大図。

Claims (11)

1. 反応チャンバを含む容器と、
   先端と、後端と、前記反応チャンバを前記容器の壁に接触させないように前記容器の壁と前記反応チャンバとの間で前記容器の長さに沿って延在する複数の流路と、を有する、前記先端から自由に吊り下げられたライナであって、このライナの前記後端が該ライナの前記先端に対して軸方向および径方向に膨張することができるように、前記先端が前記容器に接続される、ライナと、
   前記ライナの前記先端で入り、前記ライナの前記後端で前記容器に直接吐出されるように前記ライナ内を流れる冷却剤であって、前記ライナは、第１のシートと、前記第１のシートから半径方向に離間した第２のシートとを有してなる流路壁ライナであり、前記流路は、前記第１のシートと前記第２のシートとの間に配置される、冷却剤と、
   を備えたガス化装置。
2. 前記ライナの外面に沿って延在するスラグ層をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載のガス化装置。
3. 前記複数の流路が、一体化して接続されていることを特徴とする請求項１に記載のガス化装置。
4. 前記ライナが、セラミックおよびセラミックマトリクス複合材からなる群のうち少なくとも１つで形成されていることを特徴とする請求項１に記載のガス化装置。
5. 前記ライナが、耐食性金属で形成されていることを特徴とする請求項１に記載のガス化装置。
6. 前記ライナおよびインジェクタが、メカニカルシールによって接続されていることを特徴とする請求項１に記載のガス化装置。
7. クエンチ部と、
   前記クエンチ部より上方に位置づけられる、反応チャンバを有した容器と、
   複数の細長い一体型の流路と、前記容器に接続された先端と、後端と、を有するライナであって、前記容器の壁と前記反応チャンバとを分離するように前記先端から前記容器に自由に吊り下げられたライナと、
   前記ライナに冷却剤を導入する開口であって、前記冷却剤が、前記ライナの前記後端から、前記クエンチ部の直ぐ上流の前記容器の前記反応チャンバに吐出され、前記ライナは、第１のシートと、前記第１のシートから半径方向に離間した第２のシートとを有してなる流路壁ライナであり、前記流路は、前記第１のシートと前記第２のシートとの間に配置される、開口と、
   を備えたガス化装置。
8. 前記ライナの外面に沿って延在するスラグ層をさらに備えることを特徴とする請求項７に記載のガス化装置。
9. 前記ライナが、セラミックおよびセラミックマトリクス複合材からなる群のうち少なくとも１つで形成されていることを特徴とする請求項７に記載のガス化装置。
10. 前記ライナが、耐食性金属で形成されていることを特徴とする請求項７に記載のガス化装置。
11. 前記ライナとインジェクタとが、メカニカルシールによって接続されていることを特徴とする請求項７に記載のガス化装置。

Images