JP5639796B2 - ガス化システム流動減衰 - Google Patents

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Description

本明細書に開示する主題は、ガス化システム構成要素に関し、より詳細には、急冷ユニットやスクラバ等のガス化システム構成要素内部の、流動減衰機構に関する。
石炭又は石油等の化石燃料は、電気、化学薬品、合成燃料の製造、又はその他様々な応用例に使用するためにガス化することができる。ガス化には、炭素質燃料及び酸素を非常に高い温度で反応させて合成ガス、即ち一酸化炭素及び水素を含む燃料、を生成することを要し、この合成ガスは、元の状態の燃料より効率的且つクリーンに燃焼する。
ガス化を行うと、結果として得られる合成ガスは、灰等の望ましくない成分を含むことがある。従って、合成ガスは、合成ガスを飽和温度まで冷却して望ましくない成分をスラグとして除去するために、急冷ユニットを通るように誘導してもよい。しかしながら、急冷ユニットの効率を低下させる可能性のある流動変動が、急冷ユニット内部に存在することがある。合成ガスは、急冷ユニットから、合成ガスから水及び/又は任意の残留微粒子を除去することのできるスクラバを通して誘導してもよい。しかしながら、スクラバの効率を低下させる可能性のある流動変動が、スクラバ内部に存在することがある。
米国特許第7090707号公報
一実施形態において、ガス化システム構成要素は、冷却流体のプールを保持するように構成された容器と、容器内に配置されて、もう一方の流体をプールの方に誘導する浸漬管と、ドラフト管であって、浸漬管を包囲して、浸漬管とドラフト管の間の内部チャンバ及びドラフト管と容器壁の間の外部チャンバを形成する、ドラフト管と、内部チャンバ、外部チャンバ、又は両者の中間の内の1箇所又は複数個所に配置されて、急冷ユニット内部で、冷却流体、又はもう一方の流体、又はその両方の流れを減衰させるように構成された、1つ又は複数の流動減衰機構とを含む。
別の実施形態においては、ガス化システム構成要素は、容器の下部の内部に冷却流体のプールを保持するように構成された容器と、容器内部に環状に配置されて、容器内部でもう一方の流体をプールの方に誘導するように構成された浸漬管と、ドラフト管であって、容器の内部に環状に配置されて、ドラフト管と容器壁の間に外部環状チャンバを形成し、容器内部でもう一方の流体をプールから離れるように誘導するドラフト管と、外部チャンバ内に配置されて、外部チャンバを通る流れ面積を少なくとも約50%低減する、流動減衰機構とを含む。
さらに別の実施形態においては、ガス化システム構成要素は、冷却流体のプールを保持するように構成された容器と、容器内に配置されて、もう一方の流体をプールの方に誘導し、浸漬管と容器の壁との間に環状チャンバを作成する浸漬管と、環状チャンバ内に配置されて、ガス化システム構成要素の内部で冷却流体、もう一方の流体、又は両方の流れを減衰させるように構成された、1つ又は複数の流動減衰機構とを含む。
本発明の、これら並びにその他の特徴、態様及び利点は、以下の詳細な説明を添付の図面を参照して読めば、より良く理解されるであろう。なお、図面においては、同一の記号は、全図面を通して同一の部品を表している。
急冷ユニット及びスクラバを使用することのできる、ガス化複合(IGCC)発電システムの一実施形態のブロック図である。 減衰プレートを使用する、図1のガス化システム構成要素の一実施形態の前方横断面図である。 図2の減衰プレートの上面図である。 減衰プレートを使用する、図1のガス化システム構成要素の別の実施形態の前方横断面図である。 図4の減衰プレートの上面図である。 減衰リングを使用する、図1のガス化システム構成要素の一実施形態の前方横断面図である。 減衰バーを使用する、図1のガス化システム構成要素の一実施形態の前方横断面図である。 図7のガス化システム構成要素の上面図である。 図8の減衰バーの1つの一実施形態の横断面図である。 浮動ブロックを使用する、図1のガス化システム構成要素の一実施形態の前方横断面図である。 熱交換器を使用する、図1のガス化システム構成要素の一実施形態の前方横断面図である。 穿孔ドラフト管延長部を使用する、図1のガス化システム構成要素の一実施形態の前方横断面図である。 環状チャンバ内で減衰リングを使用する、図1のガス化システム構成要素の一実施形態の前方横断面図である。 図13のガス化システム構成要素の一部分の上面図である。 穿孔浸漬管を使用する、図1のガス化システム構成要素の一実施形態の前方横断面図である。 ドラフト管なしで減衰プレートを使用する、図1のガス化システム構成要素の一実施形態の前方横断面図である。 図18の減衰プレートの上面図である。 ドラフト管なしで減衰リングを使用する、図1のガス化システム構成要素の一実施形態の前方横断面図である。
本発明の1つ又は複数の具体的な実施形態を以下に説明する。これらの実施形態を簡潔に説明するために、実際の実施形態のすべての特徴をこの明細書に記述することはできない。いずれの工業的プロジェクト又はデザインプロジェクトにおいても同様であるように、そのような実際の実施形態の開発においては、開発者に特有の目標を達成するために、システム関係及びビジネス関係の制約との整合性等の、多数の実装特有の決定を行わなくてはならず、それらの制約は実装毎に変化する可能性があることを理解されたい。さらに、そのような開発の試みは、複雑で時間を要する可能性があるが、それでもこの開示の便益を有する当業者にとっては、設計、製作及び製造の定型的業務であることを理解されたい。
本発明の様々な実施形態の要素を提示するときに、数詞がないことは、1つ又は複数の要素があることを意味することを意図している。「備える」、「含む」及び「有する」の用語は、包含的であり、列挙された要素以外にも追加の要素が存在する可能性があることを意味する。
本開示は、急冷ユニット及び/又はスクラバ等の、ガス化システム構成要素内部の流動力学を制御するための技法を対象とする。一般に、急冷ユニットは、ガス化チャンバから合成ガス等の高温流出液を受け入れることができる。この高温流出液は、急冷ユニット内部の冷却流体のプールを通るように誘導して、より温度の低い、飽和(又は部分的に飽和した)合成ガスを生成することができる。冷却時には、灰等の成分は、その後に急冷ユニットから除去するために、液体のプール内部で固体化させることができる。急冷ユニットから、より温度の低い合成ガスを、スクラバに誘導してもよい。一般に、合成ガスは、合成ガスから残留する微粒子及び/又は連行される水を除去するスクラバ内部の冷却流体のプールを通って流れてもよい。動作中に、急冷ユニット及び/又はスクラバは、冷却プール液面、ガス流量、及び/又は圧力レベルの変動等の、流動変動を生じる可能性があり、このような流動変動によって、結果として急冷ユニット及び/又はスクラバから出る合成ガス内部での、非効率的な冷却流体の冷却又は連行が発生する可能性がある。
従って、本開示は、急冷ユニット及び/又はスクラバ等のガス化システム構成要素内部の流動変動を最小化するように設計された流動減衰機構を含む、ガス化システム構成要素について記述する。本明細書において使用する場合には、「減衰」の用語は、全般的に、流れにおける変動又は振動を低減すること、及び/又は流動振動の強度を低減することを意味することがある。例えば、流動減衰機構は、急冷ユニット内部で、流動変動からエネルギーを放散させるように、且つ/又は不均一な流れの方向を変えるように設計してもよい。いくつかの実施形態においては、流動減衰機構を液体冷却剤のプール内部に配置して、プールの液面の変動を減衰させて、それが結果として圧力の変動及び/又はガス流量の変動を低減するようにしてもよい。例えば、減衰バッフルは、液体のプール内部に配置して、プールを通る流れ面積を制限してもよい。いくつかの実施形態においては、減衰バッフルは、液体の流路面積を少なくとも約50%低減するように設計してもよい。また、この流動減衰機構を、ガス流路内部に配置して、圧力低下を制御してもよく、これによって、その結果として液体プール液面及び/又はガス流量の変動を低減することができる。
図1は、ガス化複合(IGCC)発電システム8の一実施形態を示す。発電システム内部で、合成ガス等のガスを燃焼させて、「トッピング」サイクル、又はブレイトン(Brayton)サイクル内で、動力を生成することができる。「トッピング」サイクルからの排出ガスは、次いで、「ボトミング」サイクル、又はランキン(Rankine)サイクル内で蒸気を生成するのに使用することができる。
合成ガスを生成するために、コークス及び褐炭等の炭素質燃料を、供給原料準備/輸送システム9を介して、システム8に導入することができる。供給システム9は、燃料スラリー10をガス化装置11に供給し、そこで燃料が酸素(O)及び蒸気(HO)と混合される。この酸素は、空気分離装置12から供給することができる。ガス化装置11は、燃料スラリー中の揮発性成分を燃焼させ合成ガス13等の高温流出液を生成するために、約700℃を超えるまで反応物を加熱する。酸素と蒸気と炭素(C)との間の化学反応によって、合成ガス13は、水素(H)、一酸化炭素(CO)、及び二酸化炭素(CO)、並びに炭素質燃料内に存在する灰、硫黄、窒素、及び塩素等のその他の望ましくない成分を含むことがある。
ガス化装置11から、合成ガス13は急冷ユニット14に入ることができる。いくつかの実施形態においては、急冷ユニット14は、ガス化装置11と一体化してもよい。しかしながら、その他の実施形態においては、急冷ユニット14は、別々のユニットとしてもよい。急冷ユニット14は、水等の冷却流体の蒸発によって、合成ガス13を飽和温度又はその付近まで冷却することができる。冷却工程の間、灰等の望ましくない成分は、固体化して、急冷ユニット14からスラグ16として除去することができる。合成ガス13が急冷ユニット14を通って流れるときに、合成ガス13が冷却されて、急冷ユニット14を出てガス冷却・処理システム18に入る、冷却合成ガス17を生成することができる。
ガス冷却・処理システム18には、スクラバ19及び酸性ガス除去システム20、並びにその他の構成要素を含めることができる。ガス冷却・処理システム18内部で、急冷ユニット14からの合成ガス17は、スクラバ19に入り、そこで合成ガス17は、さらに冷却されて、連行される水及び/又は残留微粒子を除去することができる。洗浄合成ガス21は、スクラバ19を出て、酸性ガス除去システム20に入り、ここで、二酸化炭素及び硫化水素等の酸性ガスが除去される。ガス冷却・処理システム18内部で、硫黄成分18を除去し、清浄化のために硫黄製造システム23に送ることができる。水も、蒸気24及び液体25として除去することができる。蒸気24は、ガス化装置11に再循環させ、且つ/又は熱回収蒸気発生装置(HRSG)システム26に送ることができる。液状の水25は、水処理システム27に送ることができる。
ガス冷却・処理システム18は、スイートニングされた(sweetend)合成ガス28を生成することができ、この合成ガス28を燃焼器29に誘導して、そこで合成ガス28を燃焼させて「トッピング」サイクル中に動力を生成することができる。空気30を圧縮機31から燃焼器29に供給し、燃焼のための燃料/空気比で合成ガス28と混合することができる。さらに、燃焼器29は、希釈窒素圧縮機33を介して空気分離装置12からの窒素32を受け入れて、燃焼反応を冷却することができる。
燃焼器29からの排気34は、タービン35を通過して流れることができ、このタービンは、圧縮機31及び/又は発電装置36を駆動して、排気37を生成することができる。次いで、排気37はHRSGシステム26に誘導されて、HRSGシステム26は、排気37、及びガス冷却・処理システム18から供給された蒸気24から、熱を回収することができる。回収された熱は、蒸気タービン38を駆動して、「ボトミング」サイクル中に動力を生成するのに使用することができる。例えば、蒸気タービン38は、発電装置39を駆動して電気を生成することができる。次いで、蒸気タービン38からの蒸気40は、凝縮機41に誘導してもよく、ここで、冷却塔43からの冷却流体42によって、蒸気を冷却することができる。次いで、凝縮機41からの凝縮蒸気44を、HRSGシステム26に再循環させることができる。
分かるように、発電システム8は、例として与えられているにすぎず、限定するものではない。本明細書に記述する流動減衰機構は、急冷ユニット14及び/又はスクラバ19内部で、流動変動を減衰するのに使用することができる。しかしながら、他の実施形態においては、流動減衰機構は、任意の種類のガス化急冷ユニット及び/又はスクラバ内部で使用することができる。例えば、流動減衰機構は、HRSGシステムなしで、ガスタービンに合成ガスを供給するように設計された急冷ユニット又はスクラバの内部で使用することができる。別の例においては、流動減衰機構は、別個のガス化システムの一部である急冷ユニット又はスクラバの内部で使用することができる。
図2〜18は、ガス化システム構成要素46の実施形態を示す。ガス化システム構成要素46は、図1に示された急冷ユニット14又はスクラバ19、並びにその他の種類のガス化急冷ユニット及び/又はスクラバを表すことができる。さらに、図2〜17は、全体を通して急冷ユニットの文脈において説明されているが、これらの図に示されている流動減衰機構は、ガス化スクラバ内部に同様に応用できる。さらに、図18〜20は、全体を通してスクラバの文脈で説明されているが、これらの図に示されている流動減衰機構は、ガス化急冷ユニット内部に同様に応用できる。
図2は、ガス化システム構成要素46の一実施形態の横断面図である。上記のように、ガス化システム構成要素46は、急冷ユニット14又はスクラバ19のような、急冷ユニット又はスクラバとすることができる。ガス化システム構成要素46は、水等の冷却流体52のプールを保持する容器50を含む。ガス化システム構成要素46は、ガス化システム8(図1)内部の上流構成要素から、開口53を介して合成ガス47を受け入れることができる。例えば、ガス化システム構成要素46が急冷ユニット14(図1)を表す場合には、合成ガス47は、ガス化装置11(図1)から受け入れた、合成ガス13(図1)を表すことができる。別の例においては、ガス化システム構成要素46がスクラバ19(図1)を表す場合には、合成ガス47は、急冷ユニット14(図1)を出る合成ガス17(図1)を表すことができる。合成ガス47は、容器50の上部及び/又は側部にある入口(図示せず)を介して、ガス化システム構成要素46内部の開口53に流入することができる。
冷却流体52は、水供給源(図示せず)から容器50に供給すると共に、容器50内部で冷却のために十分な液面を維持するために、必要なだけ補給することができる。図示のように、容器50はまた、2つの環状の管54、56を含む。いくつかの実施形態においては、管56は、管54の回りに同心で配置してもよい。浸漬管54は、容器50の中心部内に配置され、合成ガス47を誘導してガス化システム構成要素46を通過させる。ドラフト管56は、浸漬管54を包囲して、内部チャンバ58を形成する。全体を通して矢印で示すように、合成ガス47は、浸漬管54を通って、容器50の下部及び/又は円錐部59に収納されている冷却流体52のプールの方に流れることができる。合成ガス47は、冷却流体52と接触して、冷却流体の一部を蒸発させ、それによって合成ガス47を冷却することができる。
浸漬管54から、合成ガスは、内部チャンバ58を通って外部チャンバ60へと上に流れることができる。外部チャンバ60は、一般的に、ドラフト管56と容器50の壁の間の環状スペース内に形成することができる。しかしながら、その他の実施形態においては、ドラフト管56は、図16及び18について、以下に図示して説明するように、省略してもよい。これらの実施形態においては、合成ガスは、これらの実施形態においては浸漬管54と容器50の壁の間の環状スペース内に延びる外部チャンバ60を通って上に流れることができる。言い換えると、これらの実施形態においては、内部チャンバ58と外部チャンバ60を結合して、浸漬管54から容器50の壁に延びる、1つの連続的な外部チャンバ60とすることができる。
合成ガス47が浸漬管54、内部チャンバ58、及び外部チャンバ60を通って流れるときに、合成ガスは、冷却流体52によって冷却されて、合成ガスの温度と圧力を低減することができる。合成ガスが冷却されるのに伴い、スラグ16等の微粒子61が、容器50の底部分の内側に集まり、実施形態によってはロックホッパーにつなぐことのできる排出口62を通って排出することができる。さらに、連行された液体は、合成ガス47から除去されて、冷却流体52のプール内部に集めることができる。
チャンバ60の上方部分には、ドラフト管56の回りに配置される、任意選択の環状のバッフル64を含めてもよい。いくつかの実施形態によれば、バッフル64は、チャンバ60を通るように合成ガスの流れを誘導するように設計することができ、これによって、いくつかの実施形態においては、合成ガスの流路が増大し、それによって合成ガスの冷却が容易となる。バッフル64はまた、合成ガスに連行された液体を合体させるための表面となり、それによって出口66を通ってチャンバ60から出る合成ガス内の冷却液体の連行を低減する。任意選択の急冷リング68は、浸漬管54の回りに環状に配置されて、冷却液体を浸漬管54の内表面に向う冷却流体を誘導して、浸漬管内表面を高温合成ガス47から保護することができる。急冷リング68は、また、冷却流体を、バッフル64の方に、且つ/又は冷却流体52のプールの方に誘導することができる。しかしながら、例えば、ガス化システム構成要素46がスクラバ19を表す、いくつかの実施形態では、バッフル64及び急冷リング68を省略してもよい。
ガス化システム構成要素46内部での流動変動を低減するために、環状減衰プレート70が、容器50の壁とドラフト管56の間の外部チャンバ60内部に延びている。合成ガスがガス化システム構成要素46内部で流れるときに、急冷リング68からの水が、ガス化システム構成要素46を通って流れて、液体プール52内に集まることができる。減衰プレート70は、冷却液体52のプール内部での流動変動からエネルギーを放散させるように設計することができる。減衰プレート70は、ドラフト管56の外径と概して一致する内径72を有してもよい。減衰プレート70は、容器50の内径と概して一致する外径74を有してもよい。従って、減衰プレート70を、容器50の壁及びドラフト管56と隣接して配置して、外部チャンバ60を通る冷却液体52の流れを制限することができる。減衰プレート70は、容器50の壁及び/又はドラフト管56に、溶接、ボルト止め、又はその他好適な手段で取り付けることができる。
減衰プレート内の穴75によって、冷却流体52が減衰プレート70を通って流れることができる。しかしながら、チャンバ60を通る穴75により得られる流れ面積は、減衰プレート70によって制限されない、チャンバ60の断面内の流れ面積よりも大幅に小さい。いくつかの実施形態によれば、減衰プレート70は、外部チャンバ60の減衰プレート部分を通る、流れ面積を少なくとも約50〜100%(その間の全部分範囲を含む)低減する、流動制限機構として作用することができる。より詳細には、減衰プレート70は、外部チャンバの減衰プレート部分を通る流れ面積を、少なくとも約80〜100%(その間の全部分範囲を含む)低減する、流動制限機構として作用することができる。
減衰プレート70は、一般的に、減衰プレート70が冷却流体52のプール内部に沈むように、外部チャンバ60内部に配置してもよい。例えば、減衰プレート70は、外部チャンバ60内部の冷却流体プール52の液面76より低く配置してもよい。いくつかの実施形態においては、減衰プレート70は、ドラフト管56内部で、冷却流体プール52の液面78より上に配置してもよい。しかしながら、他の実施形態においては、減衰プレート70は、ドラフト管56内部の冷却流体プール52の液面78より下に配置してもよい。さらに、減衰プレート70は、一般に、減衰プレートの穴の内部でのスラグの蓄積を妨げるために、容器50の円錐部59より上の十分な高さで配置される。
プール52内部の冷却流体の液面76及び78は、ガス化システム構成要素46の運転中に変化する可能性がある。いくつかの実施形態においては、ガス化システム構成要素46を通る合成ガス47の流量は変化し、液面76及び78の変動を生じさせる。さらに、いくつかの実施形態においては、合成ガス47はプール52に流入し、冷却流体を攪拌し、それによって液面76及び78の変動を引き起こす可能性がある。さらに、急冷リング68から出る冷却流体の流量は、変化する可能性がある。減衰プレート70は、液面76及び/又は液面78の変動を低減するように設計してもよい。詳細には、減衰プレート70は、冷却流体プール52内部の流動運動からエネルギーを放散する役割を果たす流動制限を行ってもよい。
図3は、減衰プレート70の上面図である。この減衰プレートは、外径74と内径72との差で概して決まる、表面領域80を含む。穴75は、表面領域80の周囲に沿って間隔を空けて配置してもよい。上記のように、表面領域80と穴75の領域は、容器50内部で水が外部チャンバ60を垂直に通過するのに利用可能な合計環状流れ面積と概して対応させることができる。図2について上記したように、減衰プレート70は、流れ面積を、表面領域80内に配置された穴75によって与えられる面積に制限するように設計してもよい。いくつかの実施形態によれば、穴75の面積は、表面領域80及び穴75によって決まる、利用可能な合計環状流れ面積の約1〜50%としてもよい。減衰プレート70内で、穴75の数、間隔、寸法、及び形状は変わってもよい。例えば、穴75は、他にもある中で円形、長円形、楕円形、長方形、正方形、又は六角形の横断面を有してもよい。さらに、任意の数の様々な形状及び寸法の穴を、減衰プレートに含めることができる。例えば、穴75の寸法及び数を、目詰まり(plugging)を起こさないために十分な大きさの穴としながら、流れ面積の所望の低減をもたらすように調整してもよい。
図4は、ガス化システム構成要素46内部に配置することのできる、別のタイプの減衰プレート88を示す。減衰プレート70と同様に、減衰プレート88は、容器50の壁とドラフト管56の間に環状に配置することができる。しかしながら、この実施形態においては、減衰プレート88は、表面領域内部に配置された穴を含まない連続的部品とすることができる。さらに、その他の実施形態においては、ドラフト管56を省略してもよく、減衰プレート88は、容器50の壁と浸漬管54の間に配置される、連続的な環状部品とすることができる。
バイパスライン90及び92を、容器50内部に含めて、冷却流体が減衰プレート88を回り込んで通過できるようにしてもよい。管90及び92の直径及び/又は数は、減衰プレート88の回りの所望の流れ面積量に応じて変えることができる。例えば、複数の管90及び92を、容器50の周囲に沿って間隔を空けて配置してもよい。いくつかの実施形態において、バイパス管92には、バイパス管92を通過する流れを変化させるように調節が可能なソレノイドバルブ、ボールバルブ、ゲートバルブなど、バルブ94を含めてもよい。しかしながら、その他の実施形態においては、バルブ94を含まない管だけを使用することができる。さらに、いくつかの実施形態においては、バルブ94は、バイパス管90及び92のそれぞれの内部に含めることができる。バルブ位置は、例えば、コントローラによって、バイパス管92を通過する冷却流体の量を変化させるように、調整してもよい。
図5は、減衰プレート88の上面図である。減衰プレート70と同様に、外周82を、容器50の壁の回りに隣接して配置すると共に、内周84を、ドラフト管56の回りに隣接して配置してもよい。減衰プレート88は、容器50の壁及び/又はドラフト管56に溶接するか、ボルト止めするか、又はその他の方法で取り付けることができる。上記のように、減衰プレート88は、穴のない連続的な表面領域96を含む。従って、冷却流体は、減衰プレート88を通るのではなく、バイパス管90及び/又は92を通って誘導される。
図6は、ガス化システム構成要素46内部に使用することのできる、別のタイプの減衰機構、減衰リング98、を示す。減衰リング98には、外部チャンバ60全体を通って円周方向に延びる環状リングを含めるか、又は減衰リング98には、外部チャンバ60のいくつかの部分を通って延びる曲線セグメントを含めることができる。しかしながら、いくつかの実施形態によると、減衰リング98は、負荷分布を均衡させるために、チャンバ60内部に対称的に配置してもよい。減衰リング98は、容器壁50及び/又はドラフト管56に接して配置してもよい。さらに、図18について以下で考察するように、いくつかの実施形態においては、減衰リング98は浸漬管54に接して配置してもよい。
各減衰リング98は、容器壁50とドラフト管56の間で、部分的にだけ延びていてもよい。図示のように、2つの減衰リング98が、容器50の壁と隣接して配置され、1つの減衰リングが、ドラフト管56と隣接して配置されている。いくつかの実施形態においては、減衰リング98同士を、相互に連係して外部チャンバ60を通る冷却流体52のための蛇行流路を形成するように、設計することができる。この蛇行流路は、流動変動を低減するように設計してもよい。さらに、減衰リング98は、円錐部59に向って角度をつけて、減衰リング98上に堆積物が集まるのを防止してもよい。
その他の実施形態においては、減衰リング98の数及び/又は相対的場所を変えてもよい。例えば、1、2、3、又は4つ以上の減衰リング98を、容器50の壁、ドラフト管56、又はその両方に取り付けてもよい。さらに、減衰リング98の角度が変わってもよい。例えば、減衰リング98は、容器50の壁から直角に延びるか、又は減衰リング98は、容器50の円錐部59に向って様々な角度で傾いていてもよい。いくつかの実施形態においては、減衰リング98は、減衰リングから容器50及びドラフト管56に向って延びる支持物100によって支持されてもよい。減衰リング98及び/又は支持物100は、容器50の壁及び/又はドラフト管56に対して溶接するか、ボルト止めするか、又はその他の方法で取り付けることができる。
図7は、ガス化システム構成要素46内部で使用される、別のタイプの流動減衰機構を示す。具体的には、ガス化システム構成要素46は、容器50の壁及び/又はドラフト管56に取り付けられた減衰バー102を含む。この減衰バー102は、概して、容器50及びドラフト管56に直角に、相互に向って延びて、外部チャンバ60内部を流れる水に対する蛇行経路を形成することができる。減衰バー102は、容器50及び/又はドラフト管56に溶接するか、ボルト止めするか、又はその他の方法で取り付けることができる。さらに、支持物100を、減衰バー102の上方及び/又は下方に設けて、機械的な支持を行い、減衰バー102を容器50の壁及び/又はドラフト管56にさらに固定してもよい。しかしながら、その他の実施形態においては、支持物100を省略してもよい。さらに、任意の数の減衰バー102を使用して、容器50及び/又はドラフト管56の周囲に沿って配置してもよい。さらに、ドラフト管56が省略された実施形態においては、減衰バー102の一部又は全部を、浸漬管54に取り付けてもよい。
図8は、ガス化システム構成要素46及び減衰バー102の上面図である。減衰バー102は、容器50の周囲に沿って間隔を空けて配置されて、ドラフト管56に向って内側に突出している。減衰バー102はまた、ドラフト管56の周囲に沿って間隔を空けて配置されて、容器50の壁に向って外側に延びている。図示のように、容器50上の減衰バー102は、ドラフト管56から延びる減衰バー102の間に配置されている。即ち、減衰バー102は、容器50の壁とドラフト管56とに交互に結合されている。しかしながら、その他の実施形態においては、減衰バー102は円周方向に整列させてもよい。さらに、容器50及びドラフト管の上に位置する減衰バー102の数は変わってもよい。
図9は、減衰バー102の1つの例示的な横断面を示すために、減衰バー102の1つを通る断面図である。図示のように、減衰バー102は、横断面が、概して円形とすることができる。しかしながら、その他の実施形態においては、横断面を変えることができる。例えば、減衰バー102は、長方形、三角形、台形、六角形、又は正方形の横断面を有してもよい。さらに、様々な横断面を使用して、堆積を最少化し、且つ/又は減衰バー102がもたらす流動抵抗を調節してもよい。
図10は、流動減衰機構として浮動ブロック104を使用するガス化システム構成要素46の別の実施形態を示す。浮動ブロック104は、外部チャンバ50内に配置して、冷却流体プール52の表面に浮動するように設計することができる。浮動ブロック104は、外部チャンバ60内部での慣性力及び摩擦力を増大させ、それによって、流動変動を低減するように概して設計してもよい。いくつかの実施形態においては、浮動ブロック104は、容器50内部を支配する圧力及び温度に耐えるように設計された、鋼又はその他の安定な材料で構築することができる。さらに、浮動ブロック104には、ブロック104の浮動を助長するように設計された中空部分を含めてもよい。図示のように、ブロックは、概して台形形状を有するが、その他の実施形態においては、様々な形状、寸法、及び構造を使用することができる。さらに、任意の数の浮動ブロック104を、外部チャンバ60内部に含めてもよい。さらに、いくつかの実施形態においては、急冷ユニット内部に含まれる浮動ブロックの数を、急冷ユニット内部で受ける動作条件に応じて、変えることができる。例えば、より大きい流動減衰が望ましい場合には、追加の浮動ブロック104を追加することができる。一方で、より小さい流動減衰が望ましい場合には、一部の浮動ブロック104を除去してもよい。
図11は、流動減衰を得るために、熱交換コイル106が外部チャンバ60に配置された、ガス化システム構成要素46の一実施形態を示す。熱交換コイル106は、ドラフト管56及び/又は浸漬管54の回りに螺旋状に配置して、冷却流体プール52内部の流動変動に対する抵抗を与えてもよい。詳細には、熱交換コイル106の外部形状を、減衰装置として機能するように設計することができる。減衰を与えることに加えて、熱交換コイル106は、冷却流体プール52から熱を抽出するのにも使用することができる。詳細には、熱交換コイル106は、入口108を介して冷却流体の流れを受け入れて、コイル106を介して出口110に流体を循環させることができる。他にもある中で冷媒、水、グリコール、又はブライン等の任意好適な熱伝達流体を利用することができる。冷却流体がコイル106を通って流れるときに、流体は、冷却流体プール52から熱を吸収することができる。次いで、コイル106からの加熱された冷却流体は、IGCCシステム8の別の部分に熱を供給するのに使用することができる。例えば、熱交換コイル106は、低温熱を利用する工業プロセス又は応用に熱を供給する廃熱回収工程の一部として使用することができる。一例においては、この熱は、図1に示す、蒸気タービン38及び/又はHRSGシステム26に対して予備加熱を行うのに使用することができる。
図12は、内部チャンバ58と外部チャンバ60の間に配置された流動減衰機構を示す。詳細には、ドラフト管56に、円錐部59の内部及び/又は直上の内部チャンバ58と外部チャンバ60の間に、流動制限を与える延長部112を含めることができる。この延長部112は、ドラフト管56を容器50の円錐部59に接続する。延長部112は、ドラフト管56の直径に対応する直径を有する、環状構造とすることができる。穴114を、延長部112内部に含めることによって、内部チャンバ58と外部チャンバ60の間を冷却流体が通過することを可能にしてもよい。これらの穴114は、内部チャンバ58と外部チャンバ60の間の流体の流れを制限する役割をする。穴114は、容器50の底部及び排出口62の内部に集まる可能性のあるスラグ16による、穴114の目詰まりを抑制するのに十分な寸法のものとすることができる。さらに、穴114の数及び/又は寸法は、延長部112によって得られる減衰量を調整するために変えることができる。
要約すると、図2〜12は、外部チャンバ60内及び/又は内部チャンバ58と外部チャンバ60の間の冷却流体プール52内部に配置される流動減衰機構を全体を通して示している。これらの流動減衰機構は、容器50内部の冷却流体52の流れを制限することによって、流動変動を低減するように設計することができる。しかしながら、その他の実施形態においては、流動減衰機構は、内部チャンバ58内部に配置して、合成ガス47の流れ及び/又は内部チャンバ58を通って流れる冷却流体52に影響を与えることができる。特に、図13〜17に示す流動制限は、内部チャンバ58の両端で生じる圧力低下を増大又は減少させるように設計することができる。いくつかの実施形態においては、流動減衰機構は、圧力低下を増大させるように設計して、それによって流動変動を限定することができる。しかしながら、その他の実施形態においては、流動減衰機構は、圧力低下を低減するように設計することができる。
図13は、内部チャンバ58内部に配置された、減衰リング118を示す。リング118には、ドラフト管56と浸漬管54の間のスペースに同心で配置された環状構造を含めることができる。図示のように、リング118は、ドラフト管56の内表面に装着するか、又はその他の方法で取り付けられている。しかしながら、その他の実施形態においては、リング118は浸漬管54の外表面に取り付けてもよい。リング118は、内部チャンバ58内部における合成ガス47又は冷却流体52等の流体の流れに対する抵抗を追加するように設計してもよく、これによって、内部チャンバ58の両端間の圧力低下を増大させて、流動変動を低減することができる。
図14は、内部チャンバ58内部に配置されたリング118を示す、ガス化システム構成要素46の上面図である。詳細には、リング118は、環状内部チャンバ58を通る流れ面積を低減するために、ドラフト管56の内表面の範囲で環状に溶接されるか、ボルト止めされるか、又はその他の方法で取り付けられている。
図15は、穿孔部120を含む浸漬管54を備える、ガス化システム構成要素46の別の実施形態を示す。詳細には、穿孔部120には、浸漬管54の周囲に沿って1列又は複数列に配置された、一連の穴121を含めることができる。穴121によって、合成ガスが、浸漬管内の穿孔を通過して流れることが可能となり、これによって、内部チャンバ58を通るガスの流動プロフィールを変更することができる。詳細には、合成ガス47の一部分が、冷却流体52のプールを含む内部チャンバ58の下部部分をバイパスして、浸漬管54の壁を直接、通過して内部チャンバ58に流れることができる。穿孔は、合成ガスを浸漬管54の底部環状周囲に沿って誘導するのではなく、浸漬管54の長さに沿った合成ガスの複数の流路を可能にする。穴121は、灰堆積の目詰まりを抑制するのに十分な寸法のものとすることができる。さらに、冷却流体プール液面78が上昇するときに、穴121によって、冷却流体52が穴121を通って内部チャンバ58に流入することが可能になる。言い換えると、冷却流体52の液面78が上昇して、浸漬管54を包含するときに、合成ガス47は、上方の列の穴121を通って内部チャンバ58に流入するのに対して、水は下方の列の穴121を通って流れることができる。任意の列数の穴121を含めることができる。さらに、穴の直径及び数を変えることができる。
図16〜18は、ドラフト管56を省略したガス化システム構成要素46の実施形態を示す。これらの実施形態においては、図1に示すスクラバ19のようなスクラバを概して示すために、バッフル64及び急冷リング68も省略されている。しかしながら、他の実施形態においては、図16〜18に示した流動減衰機構も、図1に示す急冷ユニット14のような急冷ユニット内部で使用することができる。
図16に示すように、合成ガス47は、全体を通して矢印で示すように、容器50内部の浸漬管54を通って流れることができる。次いで、合成ガス47は、浸漬管54を出て、容器50の円錐部59内部に収納されている冷却流体52のプールを通って流れることができる。合成ガス47は、冷却流体52と接触して、冷却流体の一部を蒸発させて、それによって合成ガス47が冷却されて、連行された微粒子及び/又は水を、合成ガス47から除去することができる。
浸漬管54から、合成ガスは、外部チャンバ60を通過して上に流れることができる。外部チャンバ60は、一般に、浸漬管54と容器50の壁の間の環状スペースに形成することができる。ガス化システム構成要素46内部での流動変動を低減するために、環状の減衰プレート130が、容器50の壁と浸漬管54の間の、外部チャンバ60内部で延びている。図2に示す減衰プレート70と同様に、減衰プレート130は、冷却液体52のプール内部の流動変動からエネルギーを放散させるように設計することができる。減衰プレート130は、浸漬管54の外径に概して対応する内径126を有してもよい。減衰プレート130は、容器50の内径に概して対応する外径74を有してもよい。従って、減衰プレート70は、容器50の壁及び浸漬管54と隣接して配置して、外部チャンバ60を通る冷却流体52の流れを制限することができる。減衰プレート130は、容器50の壁及び/又は浸漬管54に、溶接、ボルト止め、又はその他の好適な手段で取り付けることができる。
減衰プレート130内の穴75によって、冷却流体52が、減衰プレート130を通って流れることが可能になる。しかしながら、チャンバ60を通る、穴75によって与えられる流れ面積は、減衰プレート130によって制限されていないチャンバ60の断面内での流れ面積よりも大幅に少ない。いくつかの実施形態によれば、減衰プレート130は、外部チャンバ60の減衰プレート部分を通る流れ面積を、少なくとも50〜100%(その間の全部分範囲を含む)低減する、流動制限機構として作用することができる。より詳細には、減衰プレート130は、外部チャンバの減衰プレート部分を通る流れ面積を、少なくとも約80〜100%(その間の全部分範囲を含む)低減する、流動制限機構として作用することができる。
減衰プレート130は、一般に、減衰プレート130が冷却流体52のプール内部に沈むように、外部チャンバ60内部に配置することができる。例えば、減衰プレート130は、外部チャンバ60内部で冷却流体プール52の液面76より下に配置してもよい。いくつかの実施形態においては、減衰プレート70は、浸漬管54内部の冷却流体プール52の液面78より上に配置してもよい。しかしながら、その他の実施形態においては、減衰プレート130は、浸漬管54内部の冷却流体プール52の液面78より下に配置してもよい。さらに、減衰プレート130は、一般に、容器50の円錐部59より上の十分な高さに配置して、減衰プレートの穴の内部に微粒子が蓄積するのを妨げることができる。
図17は、減衰プレート130の上面図である。この減衰プレートは、外径74と内径126の差によって概して決まる、表面領域80を含む。穴75は、表面領域80の周囲に沿って間隔を空けて配置してもよい。上記のように、表面領域80及び穴75の領域は、容器50内部で水が外部チャンバ60を垂直に通過するのに利用可能な合計環状流れ面積に、概して対応させることができる。図16について上記したように、減衰プレート130は、流れ面積を、表面領域80内部に配置された穴75によって与えられる面積に制限するように設計してもよい。いくつかの実施形態によれば、穴75の面積は、表面領域80及び穴75によって決まる、利用可能な合計環状流れ面積の約1〜50%としてもよい。減衰プレート130内において、穴75の数、間隔、寸法、及び形状は変わってもよい。例えば、穴75は、他にもある中で、円形、長円形、楕円形、長方形、正方形、又は六角形の横断面を有してもよい。さらに、任意の数の様々な形状及び寸法の穴を、減衰プレートに含めることができる。例えば、穴75の寸法及び数を、目詰まりを起こさないために十分な大きさの穴としながら、流れ面積の所望の低減をもたらすように調整してもよい。
図18は、ドラフト管56が省略された、ガス化システム構成要素46内部に使用される減衰リング98を示す。この減衰リング98は、容器壁50及び/又は浸漬管54に接触して配置することができる。各減衰リング98は、容器壁50と浸漬管54の間で部分的にだけ延びていてもよい。図示のように、2つの減衰リング98が、容器50の壁と隣接して配置され、1つの減衰リングが浸漬管54に隣接して配置されている。いくつかの実施形態においては、減衰リング98同士を、相互に連係して外部チャンバ60を通る冷却流体52のための蛇行流路を形成するように、設計することができる。この蛇行流路は、流動変動を低減するように設計してもよい。さらに、減衰リング98は、円錐部59に向って角度をつけて、減衰リング98上に堆積物が集まるのを防止してもよい。
その他の実施形態においては、減衰リング98の数及び/相対的場所を変えてもよい。例えば、1、2、3、又は4つ以上の減衰リング98を、容器50の壁、浸漬管54、又はその両方に取り付けてもよい。さらに、減衰リング98の角度が変わってもよい。例えば、減衰リング98は、容器50の壁から直角に延びるか、又は減衰リング98は、容器50の円錐部59に向って様々な角度で傾いていてもよい。いくつかの実施形態においては、減衰リング98は、減衰リングから容器50及び浸漬管54に向って延びる支持物100によって支持されてもよい。減衰リング98及び/又は支持物100は、容器50の壁及び/又は浸漬管54に対して溶接するか、ボルト止めするか、又はその他の方法で取り付けることができる。
図2〜18に示す流動減衰機構は、別個に使用してもよく、又は互いに組み合わせて使用してもよい。さらに、分かるように、流動減衰機構の相対的寸法、形状、及び幾何学的形態は変えることができる。さらに、ドラフト管56及び/又は急冷リング68等の、いくつかの構成要素は省略することができる。流動減衰機構は、初期製造中にガス化システム構成要素46内に使用してもよく、又は流動減衰機構は、既存のガス化システム構成要素46に後付けしてもよい。さらに、流動減衰機構は、所望の流動減衰量を達成するために、他にもある中で炭素質燃料のタイプ、システム効率、システム負荷、又は環境条件等の、動作パラメータに基づいて調整してもよい。
本明細書は、最良の形態を含めて本発明を開示するために、またいずれかの装置又はシステムを製作して使用すること、及び任意の組み入れられた方法を実行することを含み、当業者が本発明を実施することを可能にするために、実施例を用いる。特許性のある本発明の範囲は、特許請求の範囲によって定義されており、当業者が思い付くその他の実施例も含めることができる。そのような他の実施例は、それらが特許請求の範囲の文字通りの文言と差異のない構造要素を有する場合、又はそれらが特許請求の範囲の文字通りの文言と本質的に差異のない均等な構造要素を含む場合には、特許請求の範囲の範囲内であることを意図するものである。
8 IGCCシステム
9 供給原料準備/輸送システム
10 燃料スラリー
11 ガス化装置
12 空気分離装置
13 高温合成ガス
14 急冷ユニット
16 スラグ
17 冷却合成ガス
18 ガス冷却・処理システム
19 スクラバ
20 酸性ガス除去システム
21 洗浄合成ガス
22 硫黄成分
23 硫黄製造システム
24 蒸気
25 液体(水)
26 熱回収蒸気発生装置(HRSG)システム
27 水処理システム
28 合成ガス
29 燃焼器
30 空気
31 圧縮機
32 窒素
33 希釈窒素圧縮機
34 排気
35 タービン
36 発電装置
37 排気
38 蒸気タービン
39 発電装置
40 蒸気
41 凝縮機
42 冷却流体
43 冷却塔
44 凝縮蒸気
46 ガス化システム構成要素
47 合成ガス
50 容器
52 冷却流体/冷却流体のプール
53 開口
54 浸漬管
56 ドラフト管
58 内部チャンバ
59 円錐部
60 外部チャンバ
61 微粒子
62 排出口
64 バッフル
66 出口
68 急冷リング
70 減衰プレート
72 内径
74 外径
75 穴
76 液面
78 液面
80 表面領域
82 外周
84 内周
88 減衰プレート
90 バイパス管
92 バイパス管
94 バルブ
96 表面領域
98 減衰リング
100 支持物
102 減衰バー
104 浮動ブロック
106 熱交換コイル
108 入口
110 出口
112 延長部/環状延長部
114 穴
118 リング/環状リング
120 穿孔部/環状延長部
121 穴
126 内径
130 減衰プレート

Claims (9)

  1. 冷却流体(52)のプールを保持するように構成された容器(50)と、
    前記容器(50)内に配置されて、もう一方の流体(47)を前記プールの方に誘導する浸漬管(54)と、
    前記浸漬管(54)を包囲して、前記浸漬管(54)とドラフト管(56)の間の内部チャンバ(58)及びドラフト管(56)と前記容器壁の間の外部チャンバ(60)を形成するドラフト管(56)と、
    前記内部チャンバ(58)、前記外部チャンバ(60)、又は両者の中間の内の1箇所又は複数個所に配置されて、ガス化システム構成要素内部で、前記冷却流体(52)、又は前記もう一方の流体(47)、又はその両方の流れを減衰させるように構成された、1つ又は複数の流動減衰機構(70、88、98、100、102、104、106、112、118、120、130)と
    を含み、
    前記減衰機構が、前記プール内で浮動するように構成された浮動ブロック(104)を備える、ガス化システム構成要素。
  2. 冷却流体(52)のプールを保持するように構成された容器(50)と、
    前記容器(50)内に配置されて、もう一方の流体(47)を前記プールの方に誘導する浸漬管(54)と、
    前記浸漬管(54)を包囲して、前記浸漬管(54)とドラフト管(56)の間の内部チャンバ(58)及びドラフト管(56)と前記容器壁の間の外部チャンバ(60)を形成するドラフト管(56)と、
    前記内部チャンバ(58)、前記外部チャンバ(60)、又は両者の中間の内の1箇所又は複数個所に配置されて、ガス化システム構成要素内部で、前記冷却流体(52)、又は前記もう一方の流体(47)、又はその両方の流れを減衰させるように構成された、1つ又は複数の流動減衰機構(70、88、98、100、102、104、106、112、118、120、130)と
    を含み、
    前記容器(50)が、流体を前記外部チャンバ(60)の一部分の回りに誘導するように構成されたバイパス管(90)を備え、前記減衰機構が、前記外部チャンバ(60)の前記一部分を通る前記冷却流体(52)の流れを妨害すると共に、前記冷却流体(52)の流れを前記バイパス管(90)を通るように誘導するように構成された、環状プレート(88)を備える、ガス化システム構成要素。
  3. 前記減衰機構が、前記ドラフト管(56)の回りに同心で配置されて、前記外部チャンバ(60)を通る流れ面積を少なくとも約80%低減する、1つ又は複数の環状リング(70、88、98、130)を備える、請求項1又は2に記載のガス化システム構成要素。
  4. 前記減衰機構が、前記容器(50)に隣接して配置された第1の環状リング(98)と、前記ドラフト管(56)に隣接して配置されて、前記第1の環状リング(98)と連係して、前記外部チャンバ(60)を通る前記冷却流体(52)用の蛇行流路を形成するように構成された第2の環状リング(98)とを備える、請求項1乃至3のいずれか1項に記載のガス化システム構成要素。
  5. 前記減衰機構が、前記容器(50)に隣接して配置された外周と、前記ドラフト管(56)に隣接して配置された内周(84)と、前記プレート(70)を通って前記冷却流体(52)が通過することを可能にするように構成された複数の穴(75)とを有する、環状プレート(98)を備える、請求項1乃至のいずれか1項に記載のガス化システム構成要素。
  6. 前記減衰機構が、前記ドラフト管(56)の回りに螺旋状に配置された管状の熱交換器(106)を備える、請求項1乃至のいずれか1項に記載のガス化システム構成要素。
  7. 前記減衰機構が、前記プールを保持するように構成された前記容器(50)の円錐部分(59)に結合された前記ドラフト管の環状延長部(112)を備え、前記環状延長部(112)が、前記内部チャンバ(58)と前記外部チャンバ(60)の間を前記冷却流体(52)が通過することを可能にするように構成された貫通穴(114)を備える、請求項1乃至のいずれか1項に記載のガス化システム構成要素。
  8. 前記減衰機構が、前記内部チャンバ(58)内部に配置された環状リング(118)を備える、請求項1乃至のいずれか1項に記載のガス化システム構成要素。
  9. 前記減衰機構が、前記プールに向って延びるように構成された、前記浸漬管(54)の環状延長部(120)を備え、前記環状延長部(120)が、前記冷却流体(52)、又は前記もう一方の流体(47)、又は両方が前記浸漬管(54)の壁を通って通過することを可能にするように構成された貫通穴(121)を備える、請求項1乃至のいずれか1項に記載のガス化システム構成要素。
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