JP5738867B2 - シールを有するガス化冷却システム - Google Patents

Description

本明細書で開示される主題は、ガス化装置からのガスを冷却する放射形シンガス冷却器のようなガス化冷却システムに関する。

統合型ガス化複合サイクル（ＩＧＣＣ）発電プラントは、石炭のような種々の炭化水素原料から比較的清浄且つ効率的にエネルギーを発生することができる。ＩＧＣＣ技術は、炭化水素原料をガス化装置内で蒸気と反応させることにより、一酸化炭素（ＣＯ）及び水素（Ｈ₂）を含むガス状混合物に転化することができる。これらのガスは、冷却され、清浄化されて、従来の複合サイクル発電プラントにおける燃料として利用することができる。例えば、放射形シンガス冷却器（ＲＳＣ）は、水性ガスシフト反応器及び／又はガス清浄化ユニットから上流側でシンガスを受け取って冷却することができる。残念ながら、ＲＳＣのスロート部に流入する高温のシンガスにより、十分な熱的保護のない熱交換器管体及び／又はＲＳＣの本体に損傷を及ぼす可能性がある。更に、ＲＳＣの熱変化により、大きな熱膨張及び収縮を引き起こす可能性があり、ＲＳＣのスロート部における熱保護の設計が複雑なものになる。

本願出願当初の特許請求の範囲に記載された発明の幾つかの実施形態について要約する。これらの実施形態は、特許請求の範囲に記載された発明の技術的範囲を限定するものではなく、本発明の可能な形態を簡単にまとめたものである。実際、本発明は、以下に記載する実施形態と同様のものだけでなく、異なる様々な実施形態を包含する。

第１の実施形態において、システムは、入口と、出口と、該入口と出口との間に内部とを備えたハウジングを有するガス化冷却システムを含む。内部は、入口に隣接したスロート部を有し、該スロート部は、入口から出口に向かって流れ方向に延びる。ガス化冷却システムはまた、ハウジングのスロート部に配置された環状シールを有し、該環状シールがベローズを有する。

第２の実施形態において、システムは、それに沿って縦の流れ方向に延びるガス通路を有するハウジングと、ガス通路の周りに配置された第１の複数の断熱煉瓦と、第１の複数の断熱煉瓦の周りに配置されたベローズシールと、ベローズシールから下流側に配置された複数の熱交換器管体とを有するガス化冷却システムを含む。ベローズシールは、複数の熱交換器管体の熱収縮又は熱膨張に応答して膨張及び収縮するよう構成されている
第３の実施形態において、システムは、そこに沿って縦の流れ方向に延びるガス通路を有するハウジングと、ガス通路の周りに配置された第１の複数の断熱煉瓦とを有するガス化冷却システムを含む。ガス化冷却システムはまた、第１の複数の断熱煉瓦の周りに配置された第２の複数の断熱煉瓦を含み、第２の複数の断熱煉瓦は、第１の複数の断熱煉瓦に対して軸方向に互い違いにされ、該第２の複数の断熱煉瓦は、隣接する煉瓦間に連結接合部を含む。ガス化冷却システムはまた、第２の複数の断熱煉瓦の周りに配置された断熱ライナと、断熱ライナの周りに配置されたベローズシールと、断熱ライナとベローズシールとの間に配置された断熱材料と、を含む。ガス化冷却システムは更に、ベローズシールの下流側にある複数の熱交換器管体を含み、ベローズシールは、流れ方向で膨張及び収縮するよう構成されている。

本発明の上記その他の特徴、態様及び利点については、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理解を深めることができるであろう。図面を通して、同様の部材には同様の符号を付した。

放射形シンガス冷却器（ＲＳＣ）を含む統合型ガス化複合サイクル（ＩＧＣＣ）発電プラントの１つの実施形態のブロック図。 図１のＲＳＣの１つの実施形態の側断面図。 図２の線３−３内に示される耐火システム及び環状シールの１つの実施形態を示す、図２のＲＳＣの部分断面図。 外向きに突出する環状溝を備えたベローズを含む環状シールの１つの実施形態の断面図。 外向きに突出する環状溝を備えたベローズを有する環状シールの１つの実施形態の断面図。 内向き及び外向きに突出する環状溝を備えたベローズを有する環状シールの１つの実施形態の断面図。 内向きに突出する環状溝を備えたベローズを有する環状シールの１つの実施形態の断面図。

以下、本発明の１以上の特定の実施形態について説明する。これらの実施形態を簡潔に説明するため、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、あらゆるエンジニアリング又は設計プロジェクトの場合と同様に、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日常的な設計、組立及び製造にすぎないことも明らかである。

本発明の様々な実施形態の構成要素について紹介する際、単数形で記載したものは、その構成要素が１以上存在することを意味する。「含む」、「備える」及び「有する」という用語は内包的なものであり、記載した構成要素以外の追加の要素が存在していてもよいことを意味する。

以下で説明するように、開示される実施形態は、移動（例えば、熱膨張及び収縮）に応答して膨張及び収縮するベローズを有する環状シールを含むことができる。ベローズは、工業設備、発電プラント、又は他の応用において見られるもののような、様々なシステム及び装置内に配置することができる。例えば、環状シールは、統合型ガス化複合サイクル（ＩＧＣＣ）発電プラントにおけるガス化装置から生じるシンガスを冷却するように構成された、放射形シンガス冷却器などのガス化冷却システム内に取り付けることができる。特定の実施形態において、環状シールは、シンガスがドーム型チャンバ及びＲＳＣ内部の他の場所に漏洩するのを阻止するために、ＲＳＣのスロート領域内に取り付けることができる。例えば、環状シールは、シンガスの漏洩が熱交換器管体及び／又はＲＳＣの壁部に到達するのを阻止することができる。理解されるように、ＲＳＣは、相当な温度変動の影響を受けやすく、熱膨張及び熱収縮を生じ、その結果、ＲＳＣ内部で構成要素の移動を生じる可能性がある。環状シールのベローズは、これらの移動に応答して膨張及び収縮し、これによりシンガスの漏洩を阻止するよう持続シールを維持する。特定の実施形態において、環状シールのベローズは、ＲＳＣを通過するシンガス流の方向で半径方向に増減する交互する直径を含む。１つの実施形態において、ベローズの交互直径は、ベース直径よりも大きく及び小さく半径方向に増減する。他の実施形態では、ベローズの交互直径は、ベース直径よりも小さいだけか、又は大きいだけの何れか一方で半径方向に増減する。しかしながら、ベローズは、開示される環状シールの範囲内の他の構造を有することができる。

特定の実施形態において、ＲＳＣにおいて環状シールと併せて耐火システムを用いて、ＲＳＣに流入する高温シンガスが環状シールを確実に熱的に損傷しないようにすることができる。例えば、耐火システムは、約１０００°Ｆを実質的に上回る温度で物理的及び／又は化学的特性を維持することができる様々な耐火材料を含むことができる。例えば、耐火システムは、約１０００°Ｆ〜３０００°Ｆ（例えば、２８００°Ｆ）のような高温に曝されたときに所定の物理的形状を維持する耐火煉瓦の１つ又はそれ以上のセットを含むことができる。例えば、高温は、少なくとも約１０００°Ｆ、１５００°Ｆ、２０００°Ｆ、２５００°Ｆ、又は３０００°Ｆまで又はそれよりも高温とすることができる。これらの耐火煉瓦は、例えば、煉瓦を軸方向、半径方向、及び／又は円周方向に積み重ねることにより、ＲＳＣの内部で環状形状を定めることができる。耐火システムはまた、例えば、ＲＳＣ内部で環状形状の断熱材料の１つ又はそれ以上の層又はライナを含むことができる。耐火システムは、特定の実施形態において、環状シールに沿って配置された断熱材料、断熱材料の半径方向内部に配置される断熱ライナ、断熱ライナの半径方向内部に配置される第１の複数の断熱煉瓦、及び第１の複数の断熱煉瓦の半径方向内部に配置される第２の複数の断熱煉瓦を含むことができる。耐火システムの構成要素は、ＲＳＣの作動中に環状シールの表面温度を最低にするよう協働することができる。これらの実施形態において、耐火システムは、環状シールへの熱伝達を実質的に阻止し、これにより十分に低い温度で環状シールを維持することができる。換言すると、耐火システムは、例えば熱交換器管体などの能動的冷却システムを環状シールのために用いることなく使用することができる。

図１は、合成ガス、すなわちシンガスにより駆動することができる統合型ガス化複合サイクル（ＩＧＣＣ）システム１００の１つの実施形態の概略図である。ＩＧＣＣシステム１００の要素は、ＩＧＣＣのエネルギー源として利用できる固体原料のような燃料源１０２を含むことができる。燃料源１０２は、石炭、石油コークス、バイオマス、木質系材料、農業廃棄物、タール、コークス炉ガス及びアスファルト、又は他の炭素含有物を含むことができる。

燃料源１０２の固体燃料は、原材料調製ユニット１０４に送ることができる。原材料調製ユニット１０４は、例えば、燃料源１０２を細断、ミル加工、破砕、微粉砕、ブリケット、又はパレタイジングして原材料を生成することにより、該燃料源１０２のサイズ変更及び形状変更をすることができる。加えて、水又は他の好適な液体を原材料調製ユニット１０４において燃料源１０２に添加し、スラリー状原材料を生成することができる。他の実施形態では、燃料源に液体が添加されず、すなわち乾燥原材料を生じさせる。

原材料は、原材料調製ユニット１０４からガス化装置１０６に送ることができる。ガス化装置１０６は、原材料をシンガス（例えば、一酸化炭素と水素の組み合わせ）に転化することができる。この転化は、利用されるガス化装置１０６のタイプに応じて、例えば、約２０ｂａｒ〜８５ｂａｒの高圧及び例えば約７００℃〜１６００℃の温度で蒸気及び酸素の制御された量に原材料を曝すことにより達成することができる。ガス化プロセスは、原材料が熱分解プロセスを受けるステップを含むことができ、これにより原材料が加熱されるようになる。ガス化装置１０６の内部の温度は、原材料を生成するのに利用される燃料源１０２に応じて、熱分解プロセス中に約１５０℃〜約７００℃の範囲にわたることができる。熱分解プロセス中の原材料の加熱は、固体物（例えば、チャー）と、残留ガス（例えば、一酸化炭素、水素、及び窒素）とを生成する可能性がある。熱分解プロセスによる原材料からの残留チャーは、元の原材料の重量の最大約３０％の重さしかない可能性がある。

次いで、燃焼プロセスは、ガス化装置１０６において行うことができる。燃焼は、酸素をチャー及び残留ガスに導入するステップを含むことができる。チャー及び残留ガスは、酸素と反応して二酸化炭素と一酸化炭素を形成することができ、後続のガス化反応に熱を提供する。燃焼プロセス中の温度は、約７００℃〜１６００℃の範囲にわたることができる。次に、ガス化ステップ中にガス化装置１０６に蒸気を導入することができる。チャーは、二酸化炭素及び蒸気と反応し、約８００℃〜１１００℃の範囲の温度で二酸化炭素と水素を生成することができる。本質的には、ガス化装置は、蒸気及び酸素を利用して原材料の一部を「燃焼」させて、二酸化炭素とエネルギーを生成し、該エネルギーが、更なる原材料を水素及び追加の二酸化炭素に転化する２次反応を促進することができる。

このようにして結果として得られるガスは、ガス化装置１０６により製造される。この結果として得られるガスは、約８５％の一酸化炭素及び水素と、ＣＨ₄、ＨＣＬ、ＨＦ、ＣＯＳ、ＮＨ₃、ＨＣＮ、及びＨ₂Ｓ（原材料の硫黄含有量に基づく）を含むことができる。この結果として得られるガスは、ダーティシンガスと呼ぶことができる。ガス化装置１０６はまた、湿灰材料である可能性があるスラグ１０８のような廃棄物を生成する場合がある。このスラグ１０８は、ガス化装置１０６から除去して、例えば、道路基盤材料又は別の建築材料として処理することができる。ダーティシンガスを清浄化するために、ガス清浄化ユニット１１０を利用することができる。ガス清浄化ユニット１１０は、ダーティシンガスをスクラビング処理して、該ダーティシンガスからＨＣｌ、ＨＦ、ＣＯＳ、ＨＣＮ及びＨ₂Ｓを除去することができ、このガス清浄化ユニット１１０は、例えば、硫黄処理装置１１２における酸性ガス除去プロセスによる該硫黄処理装置１１２内での硫黄１１１の分離を含むことができる。更に、ガス清浄化ユニット１１０は、水処理ユニット１１４によってダーティシンガスから塩類１１３を分離することができ、この水処理ユニット１１４は、水清浄化技術を利用してダーティシンガスから有用な塩類１１３を生成することができる。その後、ガス清浄化ユニット１１０からのガスは、例えば、ＮＨ₃（アンモニア）及びＣＨ₄（メタン）などの清浄（クリーン）なシンガスを含むことができる。

ガス処理装置１１６を利用して、アンモニア及びメタン並びにメタノール又はあらゆる残留化学物質のような残留ガス成分１１７をクリーンシンガスから除去することができる。しかしながら、クリーンシンガスは、例えば、排ガスのような残留ガス成分１１７を含有している場合であっても燃料として利用することができるので、クリーンシンガスからの残留ガス成分１１７の除去は、任意選択的なものである。この時点では、クリーンシンガスは、１〜１０％のＣＯ（例えば、約３％のＣＯ）、約３０〜６０％のＨ₂（例えば、約５５％のＨ₂）、及び約３０〜６０％のＣＯ₂（例えば、約４０％のＣＯ₂）を含むことができ、Ｈ₂Ｓが実質的に取除かれている。このクリーンシンガスは、燃焼可能燃料としてガスタービンエンジン１１８の燃焼器１２０、例えば燃焼室に送ることができる。

ＩＧＣＣシステム１００は更に、空気分離ユニット（ＡＳＵ）１２２を含むことができる。ＡＳＵ１２２は、例えば、蒸留技術により空気を成分ガスに分離するよう作動することができる。ＡＳＵ１２２は、補助空気圧縮機１２３から該ＡＳＵ１２２に供給された空気から酸素を分離することができ、また、分離した酸素をガス化装置１０６に移送することができる。加えて、ＡＳＵ１２２は、分離した窒素を希釈窒素（ＤＧＡＮ）圧縮機１２４に送ることができる。

ＤＧＡＮ圧縮機１２４は、ＡＳＵ１２２から受け取った窒素を少なくとも燃焼器１２０内の圧力に等しい圧力レベルまで加圧して、シンガスの適正な燃焼を妨げないようにすることができる。従って、ＤＧＡＮ圧縮機１２４は、窒素を適正レベルまで十分に加圧すると、この加圧窒素をガスタービンエンジン１１８の燃焼器１２０に送ることができる。

前述したように、加圧窒素は、ＤＧＡＮ圧縮機１２４からガスタービンエンジン１１８の燃焼器１２０に送ることができる。ガスタービンエンジン１１８は、タービン１３０、駆動シャフト１３１及び圧縮機１３２、並びに燃焼器１２０を含むことができる。燃焼器１２０は、シンガスのような燃料を受けることができ、この燃料は、加圧下で燃料ノズルから噴射することができる。この燃料は、加圧空気並びにＤＧＡＮ圧縮機１２４からの加圧窒素と混合され、燃焼器１２０内で燃焼することができる。この燃焼により、高温の加圧排気ガスを生成することができる。

燃焼器１２０は、タービン１３０の排気出口に向けて排気ガスを導くことができる。燃焼器１２０からの排気ガスがタービン１３０を通って流れると、排気ガスがタービン１３０内のタービンブレードに強制的に送り込まれ、ガスタービンエンジン１１８の軸線に沿って駆動シャフト１３１を回転させることができる。図示するように、駆動シャフト１３１は、圧縮機１３２を含むガスタービンエンジン１１８の種々の構成要素に接続される。

駆動シャフト１３１は、タービン１３０を圧縮機１３２に接続してロータを形成することができる。圧縮機１３２は、駆動シャフト１３１に結合されたブレードを含むことができる。従って、タービン１３０内でのタービンブレードの回転は、タービン１３０を圧縮機１３２に接続している駆動シャフト１３１により圧縮機１３２内のブレードを回転させることができる。この圧縮機１３２内のブレードの回転により、圧縮機１３２は、その吸気口を介して該圧縮機１３２内で受けた空気を加圧するようにする。次に、この加圧空気は燃焼器１２０に送給されて燃料及び加圧窒素と混合し、より高効率の燃焼を可能にすることができる。駆動シャフト１３１はまた、負荷１３４に接続することができ、この負荷１３４は、例えば発電プラントにおいて電力を発生するための発電機のような定置型負荷とすることができる。実際には、負荷１３４は、ガスタービンエンジン１１８の回転出力によって駆動されるあらゆる好適な装置とすることができる。

ＩＧＣＣシステム１００はまた、蒸気タービンエンジン１３６及び熱回収蒸気発生（ＨＲＳＧ）システム１３８を含むことができる。蒸気タービンエンジン１３６は、第２の負荷１４０を駆動することができる。第２の負荷１４０もまた、電力を発生するための発電機とすることができる。しかしながら、第１及び第２の負荷１３４、１４０の両方は、ガスタービンエンジン１１８及び蒸気タービンエンジン１３６によって駆動可能である他のタイプの負荷であってもよい。加えて、ガスタービンエンジン１１８及び蒸気タービンエンジン１３６は、図示の実施形態に示すように別個の負荷１３４及び１４０を駆動することができるが、ガスタービンエンジン１１８及び蒸気タービンエンジン１３６はまた、単一のシャフトを介して縦一列の形態で単一の負荷を駆動するように利用することができる。蒸気タービンエンジン１３６並びにガスタービンエンジン１１８の具体的な構成は、実装時固有のものとすることができ、またあらゆるセクションの組合せを含むことができる。

システム１００はまた、ＨＲＳＧ１３８をも含むことができる。ガスタービンエンジン１１８からの加熱した排気ガスは、ＨＲＳＧ１３８内に送り、水を加熱するのに使用し、且つ蒸気タービンエンジン１３６を駆動するために使用する蒸気を発生させるのに使用することができる。例えば、蒸気タービンエンジン１３６の低圧セクションからの排気は、復水器１４２内に導くことができる。復水器１４２は、冷却塔１２８を利用して加熱水を冷却水に換えることができる。冷却塔１２８は、復水器１４２に低温水を供給して、蒸気タービンエンジン１３６から復水器１４２に送られた蒸気を凝縮するのを助けるように機能する。次いで、復水器１４２からの復水は、ＨＲＳＧ１３８内に導くことができる。ここでも同様に、ガスタービンエンジン１１８からの排気はまた、ＨＲＳＧ１３８内に導かれ、復水器１４２からの水を加熱して蒸気を発生させることができる。

ＩＧＣＣシステム１００のような複合サイクルシステムでは、高温排気は、ガスタービンエンジン１１８から流れてＨＲＳＧ１３８に送ることができ、ＨＲＳＧ１３８において、高温排気を使用して高圧高温蒸気を発生させることができる。ＨＲＳＧ１３８によって発生した蒸気は次に、蒸気タービンエンジン１３６に送り、電力を発生させることができる。加えて、発生した蒸気はまた、ガス化装置１０６のような蒸気を使用することができるあらゆる他のプロセスに供給することができる。ガスタービンエンジン１１８の発電サイクルは、多くの場合、「トッピングサイクル」と呼ばれ、他方、蒸気タービンエンジン１３６の発電サイクルは、「ボトミングサイクル」と呼ばれることが多い。これら２つのサイクルを図１に示すように組合せることによって、ＩＧＣＣシステム１００は、両サイクルにおいてより高効率のものにすることができる。具体的には、トッピングサイクルからの排気熱を捕捉して、ボトミングサイクルにおいて使用するための蒸気を発生させるのに使用することができる。

図２は、図１のＩＧＣＣシステム１００と共に使用される放射形シンガス冷却器（ＲＳＣ）１４６の１つの実施形態の側断面図である。ＲＳＣは、軸方向軸１２５、半径方向軸１２６、及び円周方向軸１２７を有することができる。ＲＳＣ１４６は、ＡＳＴＭ ＳＡ３８７（グレード１１ クラス２）のような好適な材料で作ることができるベッセル１４８を含むことができる。ベッセル１４８は、ＲＳＣ１４６のためのハウジング又は外側ケーシングとして機能し、ＲＳＣ１４６の上側領域１４７並びにＲＳＣ１４６の下側領域１４９の両方を密閉する。ＲＳＣ１４６の上側領域１４７は、スロート部１５３に延びる入口１５２を有するドーム型部分１５０を含むことができる。下側領域１４９は出口１５４を含む。内部領域１５６は、入口１５２と出口１５４との間のスペースにより定められる。入口１５２に隣接するスロート１５３は、入口１５２から出口１５４に向かって下流側方向１５５に延びる。

ベッセル１４８はまた、ＲＳＣ１４６の上側領域１４７に存在することができる管体１５８を含むことができる。管体１５８は、ＲＳＣ１４６の半径方向軸１２６に沿った複数の導管を含むことができ、軸方向軸１２５に対してベッセル１４８と平行方向に延びることができる。水などの冷却液体が管体１５８を通って流れることができる。従って、管体１５８は、ＲＳＣ１４６内で熱交換器として機能することができ、熱を除去するために冷却媒体を外部熱交換器に循環させることができる。従って、管体１５８は、ＡＳＴＭ ＳＢ４０７ ＵＮＳ＃８８００（Ｅｄ２００４）などの高温シンガスと共に用いるのに好適な耐熱材料で作ることができる。

作動中、ガス化装置１０６において生成されたシンガスは、一般に、矢印１６０で示すように管体１５８に平行な下向きに流れることができる。すなわち、シンガスは、ベッセル１４８に沿って縦の流れ方向１６０に延びるＲＳＣ１４６のガス通路を通って流れる。従って、シンガスは、入口１５２を通ってＲＳＣ１４６に流入し、ＲＳＣ１４６の内部領域１５６を縦方向に流れ、次いで、出口１５４を通ってＲＳＣ１４６から流出する。このようにして、シンガスは、ＲＳＣ１４６の管体１５８と接触状態になることができ、管体１５８を流れる流体は、ＲＳＣ１４６を通って移動するときにシンガスを冷却するよう機能することができる。この結果、冷却プロセスは、管体１５８内の蒸気の生成とすることができ、次いで、この蒸気は、収集して熱回収蒸気発生器１３８に伝送するために高圧ドラム１４５（図１を参照）に送ることができる。

ＲＳＣ１４６はまた、ＲＳＣ１４６の下側領域１４９に導管１６２を含むことができ、冷却シンガス及びスラグをＲＳＣ１４６の外部に導くのを助けることができる。例えば、スラグ１０８（図１を参照）が導管１６２から出ると、該スラグ１０８はほぼ下向き方向１６４に流れ、クエンチコーン部１６６を介してＲＳＣ１４６から流出することができる。対照的に、冷却シンガスは、シンガスが導管１６２から出ると、移送ライン１７０に向かってほぼ上向き方向１６８に流れることができる。移送ライン１７０は、シンガスをガス清浄化ユニット１１０及び／又はガスタービンエンジン１１８に送るのに用いることができる。管体１５８及び／又はベッセル１４８の内壁のようなＲＳＣ１４６の要素が未処理のシンガスと接触状態にある場合には、未処理のシンガスは、これらの要素を腐食させる可能性がある。従って、ガス入口１７２は、シールドガス１８０（例えば、窒素）などの非腐食性の流体をＲＳＣ１４６に送ることができる。この非腐食性の流体は、ベッセル１４８とＲＳＣ１４６の管体１５８との間でほぼ下向きに流れ、例えば、シンガスが管体１５８とベッセル１４８との間の環状スペースを移動しないように保護障壁を形成することができる。

図３〜７に関して以下で更に詳細に説明するように、ＲＳＣ１４６の上側領域１４７のドーム型部分１５０は、固有の耐火システム及び環状シールを有するドーム型チャンバを内包する。環状シールは、高温のシンガスが内部チャンバから外側チャンバに漏洩するのを阻止するよう構成される。特定の実施形態において、環状シールは、ＲＳＣ１４６内での移動（例えば、熱膨張及び収縮）に伴って膨張及び収縮（例えば、熱膨張及び収縮）し、これによりシンガスの漏洩を阻止するために持続シールを維持するよう構成されたベローズを含む。耐火システムは、高温シンガスから環状シール並びに外側チャンバへの熱伝達を熱的に阻止するよう構成される。特定の実施形態において、耐火システムは、複数の耐火煉瓦と、環状シールを熱的にシールドするよう構成された断熱層とを含む。

図３は、図２の線３−３から見たＲＳＣ１４６の部分断面図であり、ＲＳＣ１４６の上側領域１４７のドーム型部分１５０内に位置する熱的及び機械的な制御特徴要素を示している。ベッセルハウジング１４８は、ＲＳＣ１４６の外部１８０とＲＳＣ１４６の内部１８２とを分離している。ＲＳＣ１４６の内部１８２は、ドーム型チャンバ１８４（例えば、外側環状チャンバ）と、内部環状壁組立体１８７により分離される内部チャンバ１８６（例えば、中央容積又はシンガス通路）とを含む。図示の実施形態において、壁組立体１８７は、複数の断熱煉瓦１８９を有する耐火システム１８８を含む。図示の壁組立体１８７はまた、環状シール１９０を含む。以下で詳細に検討するように、壁組立体１８７は、ＲＳＣ１４６の作動中に内部チャンバ１８６からドーム型チャンバ１８４への熱伝達並びにシンガスの漏洩を阻止するよう構成される。詳細には、耐火システム１８８は、断熱煉瓦１８９（他の断熱特徴要素の中でも特に）を利用して環状シール１９０への熱伝達を低減し、これによりドーム型チャンバ１８４において環状シール１９０を十分に低い温度に維持している。環状シール１９０は、シンガスの内部チャンバ１８６からドーム型チャンバ１８４への漏洩を阻止する。従って、壁組立体１８７は、ＲＳＣ１４６の上側領域１４７のドーム型部分１５０において高温シンガスに関連するガス流及び熱伝達を妨げる組み合わせ障壁を提供するために、耐火システム１８８及び環状シール１９０の両方に依存している。

環状シール１９０は、作動中にシンガスがドーム型チャンバ１８４内に漏洩するのを阻止するために内部チャンバ１８６の周囲付近に配置される。環状シール１９０は、ハウジング１４８のドーム型部分１５０のスロート部１５３の何れかの位置に配置することができる。例えば、環状シール１９０は、矢印１９１で示すように、ドーム型部分１５０の一部分１９１内に完全に位置付けることができる。特定の実施形態において、この一部分１９１は、ドーム型部分１５０のガス入口１５２に隣接した上流側部分に相当することができる。例えば、一部分１９１は、ガス入口１５２に隣接した上流側端部においてドーム型部分１５０の約１０、２０、３０、４０、又は５０％よりも小さいか、又は等しいとすることができる。しかしながら、環状シール１９０の特定の実施形態は、管体１５８の上流側で且つ入口１５２の下流側の軸方向軸１２５に沿った何れかの好適な位置に配置することができる。

図示の実施形態において、耐火システム１８８は、環状シール１９０と併せて用いて、ＲＳＣ１４６に流入する高温シンガスが環状シール１９０を熱的に確実に損傷しないようにすることができる。耐火システム１８８は、約１０００°Ｆを実質的に上回る温度で物理的及び／又は化学的特性を維持することができる様々な耐火材料を含むことができる。例えば、耐火システム１８８は、少なくとも約１０００°Ｆ〜３０００°Ｆ（例えば、２８００°Ｆ）まで又はそれ以上のような高温に曝されたときに所定の物理的形状を維持する、予備焼結された耐火煉瓦１８９の１つ又はそれ以上のセットを含むことができる。例えば、高温は、少なくとも約１０００°Ｆ、１５００°Ｆ、２０００°Ｆ、２５００°Ｆ、又は３０００°Ｆまで又はそれよりも高温とすることができる。耐火システム１８８において使用するのに好適な耐火材料は、セラミック（例えば、粘土又は鉱物）、金属（例えば、チタン、タングステン）、サーメット（すなわち、セラミックと金属の複合材）、又は他の耐火材料（例えば、シリカ、酸化アルミニウム）を含む。

耐火システム１８８の断熱煉瓦１８９は、軸方向、半径方向、及び／又は円周方向における煉瓦のあらゆる数及び配列を含むことができる。これらの煉瓦１８９は、互いに連結されて内部チャンバ１８６からドーム型チャンバ１８４に向かうガス流及び熱伝達を抑制することができる。図示の実施形態において、煉瓦１８９は、互いに同心配列で第１の複数の断熱煉瓦１９２及び第２の複数の断熱煉瓦１９４を含む。換言すると、第１の複数の煉瓦１９２は、内部チャンバ１８６の周りで軸方向及び円周方向に積み重ねられる煉瓦により定められた第１の環状壁を定める。同様に、第２の複数の煉瓦１９４は、第１の複数の煉瓦１９２の周りで軸方向及び円周方向に積み重ねられる煉瓦により定められた第２の環状壁を定める。第１及び第２の環状壁（すなわち、煉瓦１９２及び１９４により定められる）は、煉瓦１９２が煉瓦１９４の半径方向内部にあるように、異なる直径で配置される。全体として、第１及び第２の複数の煉瓦１９２及び１９４は、半径方向の積み重ね（例えば、煉瓦の２つの同心状の壁）を形成する。

煉瓦１８９は、保持並びにガス流及び熱伝達に対する抑制を改善するために様々な連結特徴要素を含むことができる。図示のように、第１の複数の煉瓦１９２は、軸方向オフセット又は互い違い配置１９３により示されるように、第２の複数の煉瓦１９４に対して軸方向に互い違いにされる。例えば、煉瓦２０２の下縁２００は、交点２０６において煉瓦２０４に当接する。しかしながら、他の実施形態では、第１の複数の煉瓦１９２及び第２の複数の煉瓦１９４は、互いに軸方向に整列してもよい。加えて、煉瓦１９２及び１９４は、内部チャンバ１８６付近で円周方向に互い違いにすることができる。この互い違いは、熱伝達及びガス流の阻止を助ける。以下で更に検討するように、煉瓦１９２及び１９４は、あらゆる好適な類似の形状又は異なる形状を有することができる。図示のように、連結接合部１９５を含む煉瓦１９４は、半径方向での熱伝達及びガス流を阻止するよう構成されると共に、半径方向での煉瓦１９４の追加の保持を提供する。

煉瓦１８９は、クロミア又はアルミナなどの好適な耐火材料で作ることができる。第１及び第２の複数の煉瓦１９２及び１９４は、同じ又は異なる耐火材料で作ることができる。例えば、第１の複数の煉瓦１９２は、最大で第１の温度に耐える耐火材料で作ることができ、他方、第２の複数の煉瓦１９４は、最大で第２の温度に耐える耐火材料で作ることができる。第１及び第２の温度は同じか又は異なることができる。例えば、第２の温度は、第１の温度よりも実質的に低くすることができる。特定の実施形態において、第１の複数の煉瓦１９２は、約９０％のクロミア又は約９０％のアルミナを含む耐火材料で作ることができる。同様に、第２の複数の煉瓦１９４は、約１０％のクロミア又は約９０％のアルミナを含む耐火材料で作ることができる。

耐火システム１８８はまた、内部チャンバ１８６と環状シール１９０との間に配置された１つ又はそれ以上の断熱層ライナ又は環状障壁を含むことができる。例えば、図示のシステム１８８は、第２の複数の断熱煉瓦１９４の周りに同心状に配置された断熱ライナ１９６（例えば、環状ライナ）と、断熱ライナ１９６の周りに配置された熱シールド１９８（例えば、環状シールド）とを含む。断熱ライナ１９６は、約２３００〜３０００°Ｆの温度に耐え、約４〜８ｌｂｓ／ｆｔ³の密度を有し、更にほぼ１．０Ｗ／ｍＫよりも小さい熱伝導率を有するような定格にすることができる。熱シールド１９８は、ＡＳＴＭ ＳＢ４４３ ＵＮＳ６２５のような好適な耐熱材料で作ることができる。以下で更に詳細に検討するように、熱シールド１９８及び断熱ライナ１９６は、断熱材料２０８（例えば、環状層）と協働し、ベローズ２１０のような環状シール１９０の構成要素を熱的に保護することができる。例えば、１つの実施形態において、耐火システム１８８は、作動中に環状シール１９０が約８００°Ｆよりも高い表面温度に達する可能性を低減することができる。このような実施形態において、断熱材料２０８は、最大で約２３００〜３０００°Ｆの温度に耐えるような定格にされた好適な材料とすることができ、ほぼ１．０Ｗ／ｍＫよりも小さい熱伝導率を有することができる。

図４は、耐火システム１８８及び環状シール１９０の特徴要素を更に示す、図３のドーム型部分１５０の部分断面図である。上述のように、第２の複数の煉瓦１９４は、機械的保持、熱伝達の阻止、及びガス流の阻止を提供するよう構成された連結接合部１９５を含む。図示の実施形態において、各煉瓦１９４は、環状突出部２２０、環状溝２２２、及び環状突出部２２０と環状溝２２２との間の半径方向当接部２２４を含む。環状突出部２２０及び環状溝２２２は、異なる軸方向位置におけるディスク形表面として説明され、これにより半径方向当接部２２４を円筒形表面として定めることができる。このようにして、連結接合部１９５は、第２の複数の煉瓦１９４の隣接する煉瓦間に形成される。連結接合部１９５は、異なる直径における同心状円筒部として説明することができる。例えば、各連結接合部１９５は、上側煉瓦１９４の第１の連結接合部２２５と、下側煉瓦１９４の第２の連結接合部２２６を含むことができ、接合部２２５及び２２６は、互いの反転像（例えば、雄及び雌像）である。

図示の実施形態において、環状突出部２２０及び環状溝２２２の半径方向寸法は、互いにほぼ同一である。換言すると、半径方向当接部２２４は、煉瓦１９４により定められる第２の環状壁の内側直径と外側直径との間のほぼ半径方向中間点に位置付けられる。図示のように、各煉瓦１９４は、上側及び下側軸面上に突出部２２０と溝２２２の対向配置を有する。換言すると、各煉瓦１９４の上側軸面は、環状突出部２２０よりも小さな直径にて環状溝２２２を有し、他方、各煉瓦１９４の下側軸面は、環状突出部２２０よりも大きな直径にて環状溝２２２を有する。従って、煉瓦１９４は、モジュール方式で軸方向に重ねて配置され、熱障壁すなわち第２の環状壁を構築する。しかしながら、他の実施形態は、隣接する煉瓦１９４並びに煉瓦１９２間にあらゆる好適な連結接合部１９５を含むことができる。

作動中、煉瓦１９４の連結接合部１９５は、ＲＳＣ１４６の熱変化に起因する半径方向の膨張を実質的に低減又は排除することができる。このようにして、連結接合部１９５は、第２の複数の煉瓦１９４、並びに第１の複数の煉瓦１９２及び他の層を半径方向位置で堅固に保持し、ベローズ２１０が通常の環状形幾何形状から屈曲又は湾曲する可能性を低減又は排除することができる。このようにして、連結接合部１９５は、環状シール１９０、及び特にベローズ２１０を機械的損傷から保護する。

図４の図示の実施形態において、環状シール１９０は、ベローズ２１０の様々な形状に共形の断熱材料２０８を有して、断熱材料２０８が軸方向、半径方向、及び円周方向でベローズ２１０と直接接触するようになる。以下で更に検討するように、ベローズ２１０は、ガス流方向１６０に沿って半径方向で交互に増減する交互直径を有する環状壁を含み断熱材料２０８は、ベローズ２１０の接触及び断熱を維持するために交互直径に共形になっている。図示のベローズ２１０は、ドーム型チャンバ１８４に延びる３つの外向きの半径方向突出部を含む。特定の実施形態において、ベローズ２１０は、１〜２０、１〜１０、又は１〜５、もしくは他の何れかの好適な数のようなより多くの又はより少ない外向き半径方向突出部を有することができる。１つの実施形態において、ベローズ２１０は、流れ方向１６０で膨張及び収縮するのに好適である、ＡＳＴＭ ＳＢ４０７ ＵＮＳ＃８８００（Ｅｄ ２００４）のような金属材料で作ることができる。換言すると、ベローズ２１０は、スロート部１５３に気密シールを備えることなく、流れ方向１６０で環状シール１９０の移動を許容し、これにより動的作動状態中にシンガスがドーム型チャンバ１８４内に漏洩するのを阻止する。

耐火システム１８８の熱シールド又は断熱作用に起因して、図示の実施形態のベローズ２１０は、温度を低減する目的で能動的冷却システム（例えば、冷却管体）に結合される必要は無い点に留意されたい。すなわち、本発明で企図される実施形態の耐火システム１８８は、環状シール１９０に隣接した通路を通して冷媒（例えば、水）を循環させることなくベローズの表面温度を約８００°Ｆ未満に維持することができる。例えば、図示の実施形態において、断熱材料２０８（例えば、約２３００°Ｆ〜３０００°Ｆ定格及び１．０Ｗ／ｍＫよりも小さい熱伝導率）の特性は、ベローズ２１０の熱損傷を保護するのを助ける。

図５、６、及び７は、ベローズ２１０の代替の実施形態を示す、図３及び４に示された環状シール１９０の部分断面図である。図５の実施形態において、ベローズ２１０は、流れ方向１６０に沿って半径方向に交互して増減する交互直径を有する環状壁２３８を含む。換言すると、環状壁２３８の断面は、例えば、複数の交互するＶ字形、Ｕ字形、又は同様のものを定めるように、前後にジグザグ状又はカーブ状として説明することができる。図示の実施形態において、環状壁２３８は、ドーム型チャンバ１８４内に配置された交互する環状リブ２３７及び環状溝２３９を定め、環状シール１９０は、交互する環状リブ２３７及び環状溝２３９と共形の断熱材料２０８を有する。環状リブ２３７は、ドーム型チャンバ１８４内に半径方向外向きに突出するＵ字形状として説明することができ、他方、環状溝２３９は、断熱材料２０８内に半径方向内向きに凹型にされたＵ字形状として説明することができる。ベローズ２１０はまた、ライン２４０で定められるベース直径を含む。図示の実施形態において、環状壁２３８の交互直径は、ベース直径２４０よりも大きいだけの半径方向の増減をする。すなわち、この実施形態において、環状リブ２３７及び環状溝２３９は両方ともベース直径２４０よりも大きなサイズにされ、リブ２３７及び溝２３９がベース直径ライン２４０に対して半径方向外向きに突出するだけであるようになる。上記で検討したように、この構成におけるベローズ２１０は、システム状態に応じて動作中に流れ方向１６０で膨張及び収縮することができる。

図５と同様に、図６のベローズ２１０は、流れ方向１６０に沿って半径方向に交互して増減する交互直径を有する環状壁２５０を含む。前述と同様に、環状壁２５０は、ドーム型チャンバ１８４内に配置された交互する環状リブ２５１及び環状溝２５２を含む。しかしながら、図５の実施形態とは対照的に、環状壁２５０の交互直径は、ベース直径２４０よりも大きく及び小さく半径方向に増減する。すなわち、この実施形態では、環状リブ２５１は、ベース直径２４０からドーム型チャンバ１９４内のより大きな直径まで半径方向外向きに突出し、他方、環状溝２５２は、ベース直径２４０からより小さな直径まで半径方向内向きに凹型になっている。図示のように、断熱材料２０８は、環状リブ２５１及び環状溝２５２と共形の関係で環状壁２５０に沿って配置される。すなわち、断熱材料２０８は、環状リブ２５１内のスペースを塞ぎ、他方、環状溝２５２は、断熱材料２０８内に半径方向に凹型にされている。図６の図示の実施形態において、ベローズ２１０は、２つの環状リブ２５１と、１つの環状溝２５２とを含む。しかしながら、一部の実施形態において、ベローズ２１０は、より多くの又はより少ない環状リブ２５１及び環状溝２５２を有することができる。例えば、ベローズ２１０は、１〜２０、１〜１０、又は１〜５の環状リブ２５１及び環状溝２５２を含み、或いは、他の何れかの好適な数を含むことができる。

図５及び６と同様に、図７の実施形態のベローズ２１０は、流れ方向１６０に沿って半径方向に交互して増減する交互直径を有する環状壁２６０を含む。図５及び６の実施形態とは対照的に、環状壁２６０は、交互する環状リブ２６１及び環状溝２６２を含み、断熱材料２０８内に半径方向で凹型にされる。すなわち、環状壁２６０の交互直径は、ベース直径２４０よりも小さいだけの半径方向の増減をする。前述と同様に、この構成におけるベローズ２１０は、流れ方向１６０で膨張及び収縮することができると同時に、内部チャンバ１８６とドーム型チャンバ１８４との間で気密シールを維持することができる。従って、図７のベローズ２１０の構成は、シンガスがドーム型チャンバ１８４内に漏洩するのを阻止する作用を有することができる。

本明細書では、本発明を最良の形態を含めて開示するとともに、装置又はシステムの製造・使用及び方法の実施を始め、本発明を当業者が実施できるようにするため、例を用いて説明してきた。本発明の特許性を有する範囲は、特許請求の範囲によって規定され、当業者に自明な他の例も包含する。かかる他の例は、特許請求の範囲の文言上の差のない構成要素を有しているか、或いは特許請求の範囲の文言と実質的な差のない均等な構成要素を有していれば、特許請求の範囲に記載された技術的範囲に属する。

１０６：ガス化装置
１４６：放射形シンガス冷却器（ＲＳＣ）
１４７：上側領域
１４８：ベッセル
１４９：下側領域
１５０：ドーム型部分
１５２：入口
１５３：スロート部
１５４：出口
１５５：下流側方向
１５６：内部領域
１５８：管体
１６０：縦の流れ方向
１６２：導管
１６４：下向き方向
１６６：クエンチコーン部
１６８：上向き方向
１７０：移送ライン
１７２：ガス入口
１８０：外部

Claims (11)

1. ガス化冷却システムを備えるシステムであって、該ガス化冷却システムが、
   入口と、出口と、該入口と出口との間で前記入口に隣接したスロート部であって前記入口から前記出口に向かって流れ方向に延びてガス通路を画成するスロート部を含む内部とを有するハウジングと、
   前記ガス通路の周りに配置された第１の複数の断熱煉瓦と、
   第１の複数の断熱煉瓦の周りに配置された第２の複数の断熱煉瓦と、
   前記ハウジングのスロート部で第２の複数の断熱煉瓦の周りに配置されたシールであって、交互するリブ及び溝を有するベローズ並びに前記ベローズのリブ及び溝と共形の断熱材料を含む環状シールと、
   第２の複数の断熱煉瓦とシールとの間に配置された断熱ライナと、
   耐熱材料を含む熱シールドであって、前記断熱ライナと前記断熱材料との間に配置された熱シールドと
   を含む、システム。
2. 前記ベローズが、前記流れ方向に沿って半径方向に交互して増減して前記交互するリブ及び溝を画成する交互直径を有する環状壁を含む、請求項１記載のシステム。
3. 前記断熱材料が前記リブの壁に沿って直接延在してリブ内のスペースを塞ぐ、請求項１又は請求項２記載のシステム。
4. 第２の複数の断熱煉瓦の各々の煉瓦の軸方向上面及び下面が、環状突出部と、環状溝と、環状突出部と環状溝との間の半径方向当接部とを含む、請求項１乃至請求項３のいずれか１項記載のシステム。
5. 隣接する煉瓦の環状突出部と環状溝とを互いに重ねたときに、隣接する煉瓦の軸方向端部間に連結接合部が形成される、請求項４記載のシステム。
6. 前記ベローズがベース直径を含み、前記交互直径が、該ベース直径よりも大きく及び小さく半径方向に増減する、請求項２記載のシステム。
7. 前記ベローズがベース直径を含み、前記交互直径が、該ベース直径よりも大きいだけの半径方向の増減をする、請求項２記載のシステム。
8. 前記ベローズがベース直径を含み、前記交互直径が、該ベース直径よりも小さいだけの半径方向の増減をする、請求項２記載のシステム。
9. 前記ベローズが金属であり、該ベローズが流れ方向に沿って膨張及び縮小するよう構成されている、請求項１乃至請求項８のいずれか１項記載のシステム。
10. 前記ガス化冷却システムが、前記ハウジング内部の環状シールから流れ方向で下流側に配置された熱交換器管体を含む、請求項１乃至請求項９のいずれか１項記載のシステム。
11. 第２の複数の断熱煉瓦が、第１の複数の断熱煉瓦に対して軸方向に互いに違いに配置される、請求項１乃至請求項１０のいずれか１項記載のシステム。