KR101659706B1 - 용기 내의 온도 제어 방법 및 시스템 - Google Patents

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스티븐 크래이그 러셀
로버트 헨리 가우디어
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Abstract

용기를 예열하기 위한 시스템 및 방법이 제공된다. 이 시스템은 잉여 열 영역 및 결여 열 영역을 포함하는 압력 용기와, 상기 잉여 열 영역과 상기 결여 열 영역 사이에 형성된 플리넘과, 용기의 외부로부터 상기 플리넘 내로 퍼지 유체의 유동을 결합시키도록 구성된 도관을 포함한다. 상기 잉여 열 영역으로부터의 열은 상기 플리넘 내의 퍼지 유체의 유동으로 전달되고, 퍼지 유체의 유동이 상기 결여 열 영역을 퍼지하도록 상기 열이 퍼지 유체의 유동에 의하여 상기 결여 열 영역 내로 전달된다.

Description

용기 내의 온도 제어 방법 및 시스템{METHODS AND SYSTEMS FOR CONTROLLING TEMPERATURE IN A VESSEL}
본 발명은 처리 시스템에 관한 것으로, 특히 가스화 시스템에 사용되는 압력 용기의 동작을 개선하기 위한 방법 및 시스템에 관한 것이다.
적어도 일부의 공지된 압력 용기는 용기의 수직의 상측 반구형 헤드 근방에 위치된 환상 공간을 구비한다. 이 환상 공간은 배관 단부를 헤더 내로 합체시키기 위하여 사용될 수도 있는데, 헤더는 배관 내의 유체 유동을 외부로 그리고 외부로부터 용기로 인도한다. 그 결과, 그러한 배관은 파이프 경로가 복잡해져서, 용기를 효율적으로 유지하는 능력이 감소된다. 특히, 고온의 유체를 예를 들면 가스화기로부터 용기 내로 운반하는 내화성 라인 스로트(refractory lined throat)는 헤드 내에 위치된 배관으로 인해 유지하는데에 어려움이 있을 수도 있다.
더구나, 고온 유체가 스로트 내측으로부터 환상 공간 내로 누설될 수도 있다. 누설되는 유체는 시간이 경과함에 따라 헤드 내의 구성요소 수명을 단축시킬 수도 있는 부식성 기체를 구비하고 있을 수도 있다.
또한 용기, 헤드, 및/또는 용기 및 헤드 내의 구성요소를 제조하기 위하여 다양한 재료 및 다양한 두께의 재료가 사용될 수도 있다. 그러한 재료 및 두께의 재료는 용기 내의 변하는 온도에 노출될 때 상이한 속도로 팽창 및 수축할 수도 있다. 용기, 헤드 및/또는 구성요소의 강도 및/또는 사이클 피로 레이팅(cycle fatigue rating)을 초과하는 열 응력이 발생될 수도 있다.
일 실시예에 따르면, 용기를 예열하기 위한 시스템에 있어서, 잉여 열 영역 및 결여 열 영역을 포함하는 압력 용기와; 상기 잉여 열 영역과 상기 결여 열 영역 사이에 형성된 플리넘과; 용기의 외부로부터 상기 플리넘 내로 퍼지 유체의 유동을 결합시키도록 구성된 도관을 포함하며; 상기 잉여 열 영역으로부터의 열은 상기 플리넘 내의 퍼지 유체의 유동으로 전달되고, 퍼지 유체의 유동이 상기 결여 열 영역을 퍼지하도록 상기 열이 퍼지 유체의 유동에 의하여 상기 결여 열 영역 내로 운반되는, 용기의 예열 시스템이 제공된다.
다른 실시예에 따르면, 비교적 고온 유체를 용기 내로 인도하도록 구성된 스로트를 포함하는 용기 내의 온도 제어방법으로서, 상기 스로트는 용기 개구로부터 상기 용기 내부로 연장되는 도관을 구비한다. 상기 스로트는 비교적 고온 유체의 일부가 상기 도관을 통하여 누설되도록 추가로 구성된다. 이 방법은 퍼지 가스의 유동을 상기 스로트에 인접한 플리넘으로 인도하는 단계와; 상기 스로트로부터의 열을 이용하여 상기 플리넘 내의 퍼지 가스의 온도를 상승시키는 단계와; 비교적 차가운 소정 용적의 상기 용기 내로 퍼지 가스를 방출시켜서, 상기 용적을 상기 방출된 퍼지 가스에 의해 퍼지 및 가열하는 단계를 포함한다.
또다른 실시예에 따르면, 합성가스 냉각기 시스템은 관통부가 형성되어 있는 외부 쉘을 구비하는 압력 용기와; 상기 관통부와 실질적으로 축방향으로 정렬되어 있는 도관과; 상기 도관을 통하여 상기 관통부와 유동 연통상태에 있는 제 1 격실과, 상기 도관을 둘러싸고 있는 제 2 격실로 상기 용기를 분리시키는 편평한 플로어(planar floor)를 포함한다. 상기 플로어는 상기 도관과 실질적으로 수직으로 정렬되며, 상기 도관과 동심형으로 정렬되어 있는 구멍을 포함한다. 상기 시스템은 또한 상기 도관으로부터의 유체의 유동이 상기 제 2 격실로 진입하는 것을 실질적으로 방지하도록, 상기 도관을 둘러싸서 상기 플로어로부터 상기 쉘까지 연장하는 시일 조립체를 추가로 포함한다.
일 실시예에 따르면, 용기 내의 온도 제어 방법에 있어서, 상기 용기는 유체를 용기 내로 인도하도록 구성된 스로트 및 상기 스로트에 인접한 돔을 포함하고, 상기 스로트는 용기 개구로부터 용기 내부로 연장되는 도관을 구비하고, 상기 스로트는 상기 유체의 일부가 상기 도관을 통하여 누설되도록 구성된, 용기 내의 온도 제어 방법에 있어서, 상기 도관을 통하여 상기 용기 내로 제 1 온도에서 상기 유체를 인도하는 단계와, 상기 돔 내에 봉입된 환상체로 상기 제 1 온도보다 낮은 제 2 온도에서 퍼지 가스의 유동을 인도하는 단계로서, 상기 환상체는 상시 스로트와 상기 돔 내에 봉입되며 상기 스로트를 둘러싸는 스커트에 의해 규정되며, 상기 스커트는 상기 용기 개구에 근접한 상기 돔으로부터 상기 돔의 플로어를 향해 연장하며, 상기 돔의 상기 플로어는 상기 스로트에 수직한, 퍼지 가스의 유동 인도 단계와, 상기 제 1 온도에서 상기 스로트를 통해 유동하는 유체에 의해 전달된 열을 이용하여 상기 환상체 내의 상기 퍼지 가스의 상기 제 2 온도를 제 3 온도까지 상승시키는 단계로서, 상기 제 3 온도는 상기 제 1 온도와 상기 제 2 온도 사이인, 퍼지 가스의 온도 상승 단계와, 상기 스커트와 상기 돔의 상기 플로어 사이에서 규정된 갭을 통해 상기 용기의 상기 돔 내에 규정된 용적 내로 상기 환상체로부터 상기 제 3 온도에서 상기 퍼지 가스를 인도하는 단계로서, 상기 퍼지 가스의 상기 제 3 온도는 상기 용기의 상기 돔 내의 온도차 응력을 촉진시키는, 퍼지 가스의 인도 단계를 포함한다.
일 실시예에 따르면, 용기 내의 온도 제어 방법은, 상기 퍼지 가스의 유동 인도 단계가 보조 열원과 열 연통 관계로 결합된 보조 열교환기를 통하여 상기 퍼지 가스의 유동을 인도하는 단계를 포함한다.
일 실시예에 따르면, 용기 내의 온도 제어 방법은, 상기 용적을 가로지르는 온도차에 의하여 팽창 및 수축하도록 구성된 시일 조립체를 이용하여 상기 용적으로부터 상기 도관을 밀봉하는 단계를 더 포함한다.
일 실시예에 따르면, 용기 내의 온도 제어 방법은, 플리넘을 상기 시일 조립체로부터 반경방향 외측에 형성하는 단계를 더 포함한다.
일 실시예에 따르면, 용기 내의 온도 제어 방법은, 상기 유체가 부분 산화 생성물을 포함하고, 상기 제 3 온도에서의 상기 퍼지 가스 인도 단계가 상기 용적 내의 부분 산화 생성물의 농도를 희석시키는 단계를 구비한다.
일 실시예에 따르면, 용기 내의 온도 제어 방법은, 상기 제 3 온도에서의 상기 퍼지 가스 인도 단계가 상기 용적이 상기 방출된 퍼지 가스에 의하여 실질적으로 동시에 퍼지 및 가열되도록 상기 퍼지 가스를 상기 용적 내로 방출시키는 단계를 구비한다.
도 1은 본 발명에 따른 예시적인 석탄 가스화 복합-사이클 (IGCC) 동력 발전 시스템(integrated gasification combined-cycle power generation system)의 개략도,
도 2는 도 1에 도시된 합성 가스 냉각기의 개략적인 단면도,
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 합성 가스 냉각기의 일부의 도면,
도 4는 본 발명의 추가의 실시예에 따른 합성 가스 냉각기의 일부의 도면,
도 5는 도 1에 도시된 가스화기에 사용될 수도 있는 예시적인 돔형 퍼지 예열 시스템의 개략적인 다이아그램,
도 6은 도 1에 도시된 가스화기에 사용될 수도 있는 다른 예시적인 돔형 퍼지 예열 시스템의 개략적인 다이아그램,
도 7은 도 1에 도시된 가스화기에 사용될 수도 있는 또 다른 예시적인 돔형 퍼지 예열 시스템의 개략적인 다이아그램.
하기의 상세한 설명은 제한의 목적이 없이 실시예에 의하여 본 발명을 개시한다. 이 설명은 당업자가, 이 개시설명을 만들고 이용하며, 또한 이 개시내용을 수행하기 위한 최선의 예라고 현재 여겨지는 것을 포함해서, 여러가지 실시예, 변경예, 변형예, 대안예 및 개시설명의 용도를 명확하게 기술할 수 있도록 한다. 이 개시설명은 압력 용기 공간을 예열 및 퍼지하기 위한 바람직한 실시예, 즉 시스템 및 방법에 적용하는 것을 기술하고 있다. 그러나, 이러한 개시설명은 상업 및 공업적인 공간에서 온도를 제어하는 일반적인 응용예에도 적합할 수 있다고 생각된다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 예시적인 석탄 가스화 복합-사이클 (IGCC) 동력 발전 시스템(integrated gasification combined-cycle power generation system)(10)의 개략적인 다이아그램이다. 예시적인 실시예에 있어서, IGCC 시스템(10)은 주 공기 압축기(12), 압축기(12)와 유체 연통 상태로 결합된 공기 분리 유닛(air separation unit)(ASU)(14), ASU(14)와 유체 연통 상태로 결합된 가스화기(16), 가스화기(16)에 유체 연통 상태로 결합된 합성 가스 냉각기(18), 합성 가스 냉각기(18)에 유체 연통 상태로 결합된 가스 터빈 엔진(20), 및 합성 가스 냉각기(18)에 유체 연통 상태로 결합된 증기 터빈(22)을 구비한다.
작동시, 압축기(12)는 주변 공기를 압축하며, 이 압축된 공기는 ASU(14)로 유동한다. 예시적인 실시예에 있어서는, 압축기(12)로부터의 압축된 공기에 추가로, 가스 터빈 엔진 압축기(24)로부터의 압축 공기가 ASU(14)로 공급된다. 변형예로서는, 압축기(12)로부터의 압축 공기가 ASU(14)에 공급되지 않고, 가스 터빈 엔진 압축기(24)로부터의 압축 공기가 ASU(14)에 공급된다. 예시적인 실시예에 있어서, ASU(14)는 압축 공기를 이용하여, 가스화기(16)에서의 사용을 위한 산소를 생성한다. 특히, ASU(14)는 압축 공기를 산소(O2)와 가스 부산물(때로 "처리 가스"라 함)의 분리된 유동으로 분리한다. O2 유동은 하기에 더욱 상세하게 기술하는 바와 같이, 가스 터빈 엔진(20)에서 연료로서 사용할 수 있도록 부분적으로 산화된 가스(이하에 "합성 가스"라 함)를 생성하는데 사용하기 위하여 가스화기(16)로 유동한다.
ASU(14)에 의해 생성된 처리 가스는 질소를 구비하며, 본원에서 "질소 처리 가스(nitrogen process gas: NPG)라 할 것이다. 이 NPG는 산소 및/또는 아르곤과 같은 다른 가스를 구비할 수도 있으며, NPG에 포함될 수 있는 가스가 상기 산소 및또는 아르곤에만 제한되는 것은 아니다. 예를 들면, 예시적인 실시예에 있어서, NPG는 약 95% 내지 약 100%의 질소를 구비한다. 예시적인 실시예에 있어서, NPG 유동의 적어도 일부는 ASU(14)로부터 대기로 배출되며, NPG 유동의 적어도 일부는 가스 터빈 엔진 연소기(26) 내의 연소 구역(도시하지 않음)으로 주입되어 엔진(20)의 방출 제어를 촉진하고, 특히 연소 온도의 감소 및 엔진(20)으로부터 질소 산화물 방출의 감소를 촉진한다. 예시적인 실시예에 있어서, IGCC 시스템(10)은 가스 터빈 엔진 연소기(26)의 압축 구역으로의 주입 전에 질소 처리 가스 유동을 압축하기 위한 압축기(28)를 구비한다.
예시적인 실시예에 있어서, 가스화기(16)는 연료 공급부(30)로부터 공급된 연료, ASU(14)에 의해 공급된 O2, 증기, 및/또는 석회석의 혼합물을 가스 터빈 엔진(20)에 연료로서 사용하기 위한 합성 가스의 출력으로 전환한다. 가스화기(16)가 임의의 연료를 사용할 수도 있지만, 가스화기(16)는 예시적인 실시예에 있어서, 석탄, 석유 코크스, 잔류 오일, 기름 유제(oil emulsions), 타르 샌드(tar sands) 및/또는 다른 유사 연료를 이용한다. 추가로, 예시적인 실시예에 있어서, 가스화기(16)에 의해 생성된 합성 가스는 이산화탄소를 구비한다.
예시적인 실시예에 있어서, 가스화기(16)에 의해 생성된 합성 가스는 합성 가스 냉각기(18)로 유동하여, 후술하는 바와 같이 합성 가스의 냉각을 촉진한다. 냉각된 합성 가스는 연소를 위하여 가스 터빈 엔진 연소기(26)로 유동하기 전에, 합성 가스 냉각기(18)로부터 합성 가스를 세정하기 위한 세정 장치(32)로 유동한다. 이산화탄소(CO2)가 세정 중 합성 가스로부터 분리될 수도 있는데, 예시적인 실시예에 있어서는 대기로 배출될 수도 있다. 가스 터빈 엔진(20)은 전력을 파워 그리드(power grid)(도시하지 않음)로 공급하는 제네레이터(generator)(34)를 구비한다. 가스 터빈 엔진(20)으로부터의 배출 가스는 증기 터빈(22)을 구동하기 위한 증기를 발생시키는 열회수 증기 발생기(36)로 유동된다. 증기 터빈에 의해 발생된 동력은 발전기(electrical generator)(38)를 구동하며, 이 발전기는 파워 그리드에 전력을 제공한다. 예시적인 실시예에 있어서, 열회수 증기 발생기(36)로부터의 증기는 합성 가스를 생성하기 위하여 가스화기(16)로 공급된다.
추가로, 예시적인 실시예에 있어서, 시스템(10)은 끓인 물을 증기 발생기(36)로부터 합성 가스 냉각기(18)로 공급하는 펌프(40)를 구비하여, 가스화기(16)로부터 유동하는 합성 가스의 냉각을 촉진한다. 끓인 물은 합성 가스 냉각기(18)를 통하여 유동하며, 이 합성 가스 냉각기(18)에서 물이 증기로 전환된다. 합성 가스 냉각기(18)로부터의 증기는 그 다음에 가스화기(16), 합성 가스 냉각기(18), 및/또는 증기 터빈(22) 내에서의 사용을 위하여 증기 발생기(36)로 복귀된다.
도 2는 합성 가스 냉각기(18)(도 1에 도시함)의 개략적인 단면도를 도시한다. 예시적인 실시예에 있어서, 합성 가스 냉각기(18)는 방사 합성 가스 냉각기(radiant syngas cooler)이다. 이 합성 가스 냉각기(18)는 합성 가스 냉각기(18)의 중앙선(206)을 따라 서로 대체로 동심형으로 정렬된 상부 개구(204) 및 하부 개구(도시하지 않음)를 갖는 압력 용기 쉘(202)을 구비한다. 본 명세서에 언급되는 바와 같이, "축" 방향은 중앙선(206)에 실질적으로 평행한 방향이며, "상측" 방향은 상부 개구(204)를 대체로 향하는 방향이고, "하측" 방향은 하부 개구를 대체로 향하는 방향이다. 합성 가스 냉각기(18)는 중앙선(206)으로부터 쉘(202)의 외면(208)까지 측정된 반경(R)을 구비한다. 추가로, 예시적인 실시예에 있어서는, 합성 가스 냉각기(18)의 돔(dome)(210)이 돔 플로어(211)를 구비하는데, 이 돔 플로어는 복수의 다운코머 개구(downcomer openings)(213)와, 상부 개구를 둘러싸는 복수의 라이저 개구(riser openings)(도시하지 않음)를 갖는다. 예시적인 실시예에 있어서, 쉘(202)은 크롬 몰리브덴 스틸(그러나 이것에 제한되지는 않음)과 같은 압력 용기 보장 스틸로부터 제조된다. 그렇기 때문에, 쉘(202)은 합성 가스 냉각기(18)를 통하여 흐르는 합성 가스의 작동 압력을 견딜 수 있도록 제조된다. 게다가, 예시적인 실시예에 있어서, 쉘 상부 개구는 가스화기(16)로부터 배출된 합성 가스를 수용하기 위하여 가스화기(16)와 유체 연통 상태로 결합된다. 쉘(202)의 하부 개구는 예시적인 실시예에 있어서, 슬래그 수집 유닛(도시하지 않음)과 유체 연통 상태로 결합되어서, 가스화 및/또는 냉각중 형성된 고체 입자의 수집을 허용한다.
예시적인 실시예에 있어서, 쉘(202) 내에는 복수의 열전달 매체 공급 라인(본원에서 "다운코머(downcomers)"라고도 함)(212), 열전달 벽(본원에서 "튜브 벽"이라고도 함)(214), 및 복수의 열전달 패널(본원에서 "플래튼(platens)"이라고도 함)(216)이 있다. 특히, 예시적인 실시예에 있어서, 다운코머(212)는 쉘(202)의 반경방향 내측에 위치되며, 튜브 쉘(214)는 다운코머(212)의 반경방향 내측에 위치하고, 튜브 벽(214)이 플래튼(216)을 실질적으로 둘러싸도록 플래튼(216)은 튜브 벽(214) 내에 배열된다.
예시적인 실시예에 있어서, 다운코머(212)는 본 명세서에 기술된 바와 같이, 예를 들면 물과 같은 열전달 매체(218)를 증기 발생기(36)로부터 합성 가스 냉각기(18)로 공급한다. 다운코머(212)는 열 전달 매체(218)를 하측 매니폴드(220)를 거쳐서 튜브 벽(214) 및 플래튼(216)으로 공급한다. 예시적인 실시예에 있어서, 하측 매니폴드(220)는 냉각기 하부 개구에 인접하여 결합되며, 그렇기 때문에 합성가스가 합성 가스 냉각기(18)내로 진입할 수 있게 하는 냉각기 상부 개구(204)의 하류에 위치한다. 예시적인 실시예에 있어서, 다운코머(212)는 합성 가스 냉각기(18) 및/또는 시스템(10)이 본 명세서에 기술한 바와 같이 기능하게 하는 재료로부터 제조된 튜브(222)를 구비한다. 게다가 예시적인 실시예에 있어서, 쉘(202)과 튜브 벽(214) 사이에 규정된 갭(224)이 압축되어서, 튜브 벽(214)에 유도되는 응력의 감소를 촉진할 수도 있다.
쉘(202)은 합성 가스 냉각기(18)를 가스화기(16)(도 1에 도시됨)에 결합시키기 위하여 사용될 수도 있는 플랜지(226)와, 쉘(202)로부터 플랜지(226)까지 수직 상향으로 연장하는 스로트(throat)(228)를 구비한다. 내화 라이닝(230)이 스로트(228)를 쉘(202)로부터 돔 플로어(211)까지 연장시킨다. 가스화기(16)로부터 수용된 합성 가스가 스로트(228) 및 내화 라이닝(230)을 통과한다. 따라서 스로트(228) 및 내화 라이닝(230)은 합성 가스 유동의 고온을 받는다. 변형적인 실시예에 있어서는, 내화 라이닝(230)이 스로트(228)로부터 수직 샹향 및 반경방향 내향으로 연장한다. 예시적인 실시예에 있어서, 내화 라이닝(230)은 내화성 재료로 이루어진 복수의 적층가능한 벽돌(bricks)을 포함한다. 변형적인 실시예에 있어서, 내화 라이닝은 개구(204)를 통하여 끼워맞춤되도록 형성된 주조가능한 내화 재료를 포함한다.
동작중, 스로트(228)를 통하여 유동하는 합성 가스의 일부는 내화 라이닝(230)의 개별적인 벽돌들(234) 사이의 갭(232)을 통과할 수도 있고, 또 벽돌(234) 내에 또는 주조가능한 내화 라이닝(230) 내에 전개될 수도 있는 균열(236)을 통과할 수도 있다. 스로트(228)로부터 돔(210)으로 누설된 합성가스는 쉘(202) 또는 돔(210) 내에 위치된 요소(명료함을 위하여 도시하지 않음)의 부식 또는 고온 열화를 야기할 수도 있다. 예시적인 실시예에 있어서는, 돔(210)이 질소와 같은 가스(238)의 유동에 의하여 퍼지 및/또는 압축될 수도 있다. 가스 유동물(238)이 쉘(202) 또는 돔(210) 내의 요소보다 낮은 온도로 공급될 수도 있다. 그러한 온도차가 유동물(238)에 노출된 쉘(202) 또는 요소들에 대해 온도 변형을 야기할 수도 있다. 시스템(10)의 다른 부분으로부터 귀중한 열을 이용함이 없이 유동물(238)을 예열시키기 위해서, 스로트(228)를 둘러싸도록 스커트(240)가 사용될 수도 있다. 유동물(238)이 내화 라이닝(230)과 스커트(240) 사이에 형성된 환상체(242)로 공급될 수도 있다. 스커트(240)는 쉘 근접 개구(204)로부터 돔 플로어(211)를 향하여 수직 하향으로 연장된다. 갭(244)은 유동물(238)이 환상체(242)로부터 배출되어 돔(210) 내로 진입할 수 있게 한다. 유동물(238)이 내화 라이닝(230)을 통과함에 따라, 유동물(238)이 스로트(228)를 통하여 유동하는 고온 합성가스로부터 내화 라이닝(230)을 통하여 전달된 열을 흡수한다. 돔(210) 내로의 진입시, 유동물(238)이 돔의 요소들 및 쉘(202) 내의 온도차 변형의 감소를 촉진하는 온도에 놓일 수 있도록, 유동물(238)에 의하여 흡수된 열이 유동물(238)의 온도를 증가시킨다. 유동물(238)이 갭(224)을 통하여 돔(210)으로부터 배출된다. 예시적인 실시예에 있어서, 유동물(238)은 사전결정된 유량에 기초하여 수동으로 설정될 수도 있고 또는 제어 시스템(도시하지 않음)에 의해 조절될 수도 있는 밸브(239)에 의해 제어된다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 합성 가스 냉각기(18)의 일부에 대한 도면을 도시한다. 예시적인 실시예에 있어서는, 스로트 시일(300)이 내화 라이닝(230)을 둘러싸고 있는 실린더(302)를 포함한다. 스로트 시일(300)은 열팽창 변위를 받아들이기 위해서 돔(210)을 향하여 오목한 곡선 크라운부(304)를 구비한다. 크라운부(304)는 그 사이에 시일을 제공하도록 실린더(302)에 용접될 수도 있다. 크라운부(304)의 상측 에지(305)는 쉘(202)에 용접되거나 기타 다른 방법으로 결합될 수도 있으며, 또 내화 라이닝(230)의 일부에 마찰 결합해서 시일(seal)을 제공하거나 또는 갭(306)을 구성해서, 사전 결정된 유량의 냉각 매체가 내화 라이닝(230)과 실린더(302) 사이에 형성된 환상체(308)로부터 배출될 수 있도록 한다. 실린더(302)의 하부 에지(310)는 상측 수벽(307)과 결합되어, 돔(210)과 환상체(308) 사이의 지지 및 밀봉을 제공한다. 특히, 실린더(302)는 하부 에지(310)의 원주 둘레에서 상측 수벽(307)에 연속적으로 용접될 수도 있고, 또 하부 에지(310)와 상측 수벽(307) 사이에 갭(312)이 형성되도록 간헐적으로 용접될 수도 있다. 갭(312) 및/또는 갭(306)은 사전결정된 유량의 냉각 매체가 내화 라이닝(230)을 냉각할 수 있게 하는 한편, 냉각 매체를 예열하여 돔(210) 내에서의 온도 관련 피로 및/또는 부식의 감소를 촉진할 수 있는 크기로 만들어질 수도 있다. 예를 들면 질소와 같은 (그러나 질소에 제한되지는 않음) 소정 분량의 냉각 매체가 합성 가스 냉각기(18) 외부의 공급원(314)으로부터 도관(316)을 통하여 제공될 수도 있다. 이 도관(316)은 쉘(202) 및 시일(300)을 관통하고 냉각 매체의 유동을 환상체(308)로 인도한다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 합성 가스 냉각기(18)의 일부의 도면이다. 예시적인 실시예에 있어서는, 스로트 시일(400)이 가요성 벨로우즈(402)를 포함하는데, 이 가요성 벨로우즈(402)는 내화 라이닝(230)을 둘러싸는 반경방향 내측부(404), 절연부(406), 및 반경방향 외측부(408)를 구비한다. 반경방향 내측부(404) 및 반경방향 외측부(408)의 각각은 상측 에지(410, 412) 및 하측 에지(414, 416)를 구비하며, 그들 사이에 주름진 본체(corrugated body)(418, 420)가 연장된다. 예시적인 실시예에 있어서, 쉘(202)에 용접에 의하여 결합되며, 하측 에지(414, 416)는 상측 수벽(307)에 용접에 의하여 결합된다. 변형예에 있어서, 에지(410, 412)는 링(도시하지 않음)에 용접되어, 밀봉 소조립체를 형성함으로써 예를 들면 플랜지 시일을 이용하여, 소조립체를 쉘(202) 및 상측 수벽(307)에 볼트조립하는 설치 및 제거를 촉진한다. 절연부(406)는 보이드(422)를 실질적으로 채울 수도 있고, 내측부(404)와 절연부(406) 사이의 갭(424) 및/또는 절연부(406)와 외측부(408) 사이의 갭(426)을 규정할 수 있도록 충분히 얇게 되어 있다. 변형 실시예에 있어서는, 스로트 시일(400)이 교호형의 주름진 벨로우즈부와 절연부의 추가 층을 포함할 수도 있다. 추가로, 복수의 벨로우즈부 및/또는 절연부가 인접하게 이격될 수도 있다. 스로트 시일(400)은 가요성 벨로우즈(402)를 둘러싸고 쉘(202)로부터 상향으로 연장하는 상측 드럼(428)을 추가로 구비한다. 스로트 시일(400)은, 또한 가요성 벨로우즈(402)를 둘러싸고 쉘(202)로부터 하향으로 연장하는 상측 드럼(428)을 추가로 구비한다. 스로트 시일(400)은 또한 상측 수벽(307)으로부터 상향으로 연장하고 상측 드럼(428)을 둘러싸는 하측 드럼(430)을 구비하여, 가요성 벨로우즈(402)의 근방에서 소정의 체류 시간을 제공하는 환상 경로를 통한 냉각 매체(432)의 유동에 대한 인도를 촉진할 수도 있다. 작동중에는, 냉각 매체(432)의 유동이 가요성 벨로우즈(402)와 상측 드럼(428)의 사이에 형성된 제 1 통로(434)를 통하여, 그리고 상측 드럼(428)과 하측 드럼(430)의 사이에 규정된 제 2 통로(436)을 통하여 인도된다. 냉각 매체(432)의 유동은 하측 드럼(430)의 상부 에지(440)와 쉘(202) 사이에 형성된 갭(438)을 통하여 제 2 통로(438)로부터 배출된다.
본 명세서에서 기술하는 층상 구조(layered configuration)는 가요성 벨로우즈(402) 근방의 온도가 합성 가스의 이슬점 위에 머무름과 동시에 돔(210)의 환상 퍼지를 위하여 질소를 가열할 수 있게 하는 단차형 온도 구배를 제공한다. 제 1 층은 냉각 매체(432)의 유동물에 대한 가열을 허용하여, 반경방향 내측부(404)를 고온으로 유지할 수 있게 한다. 제 2 층은 냉각 매체(432) 유동의 가열을 제공하는데, 여기에서는 제 2 층 근방의 비교적 차가운 금속이 합성 가스에 노출되지 않는다. 최종 층은 냉각 매체(432)의 가열된 유동을 돔(210) 내로 주입하기 위하여 사용된다.
도 5는 가스화기(16)(도 1에 도시됨)와 함께 사용될 수도 있는 예시적인 돔 퍼지 예열 시스템(500)의 개략적인 다이아그램이다. 시스템(10)의 가열 중, 합성 가스 냉각기(18)는 보조 공급원으로부터의 증기 순환에 의하여 예열될 수도 있다. 플래튼을 통하여 유동하는 증기/물 혼합물은 방사, 전도 및 대류에 의하여 플래튼 튜브 및 합성 가스 냉각기(18) 내의 다른 구성요소들을 가열한다. 그러나, 용기 쉘 온도는 증기 튜브에 비교하여 뒤떨어진다. 이러한 온도차는 합성가스 냉각기 튜브와 용기 쉘의 경계면에 열적 변형을 만든다.
추가로, 대략 655 psig의 증가된 압력에서의 질소 주입이 작동중 합성 가스 냉각기(18)에 사용된다. 고압의 질소가 대략 100℉의 비교적 저온에서 가스화 플랜트의 공기 분리 장치(ASU)에 의해 공급된다. 그러나, 합성 가스 냉각기 내측의 금속 표면은 작동중 대략 700-1200℉ 정도의 비교적 고온에 있다. 금속 쉘의 내부 상에서 금속 표면보다 훨씬 낮은 온도에서 합성 가스 냉각기(18) 내로 비교적 차가운 질소가 주입되면, 수명 제한적인 열적 변형이 발생할 수도 있다.
돔 퍼지 예열 시스템(500)은 합성 가스 냉각기(18)의 내부를 가열하기 위해서 추가의 열 공급원을 제공하며, 작동 중에 돔(210) 내로 주입되는 퍼지 질소를 예열하고, 가열 공정 중에 합성 가스 냉각기 튜브와 용기 쉘 사이의 온도차를 감소시킨다.
예시적인 실시예에 있어서, 돔 퍼지 예열 시스템(500)은 냉각 매체(502), 전형적으로는 ASU(14)로부터 공급된 질소의 유동을 구비하지만, 변형예에 있어서는 냉각 매체(502)의 유동이 임의의 편리한 공급원으로부터 공급되어서 본 명세서에 기술된 기능을 수행할 수도 있다. 가열중에는, 냉각 매체(502)의 유동이 열교환기(504)을 통하여 인도되며, 열교환기(504)에서는 블로다운 워터(506)로부터 또는 증기 발생기(36)와 관련된 주 증기 드럼(508)으로부터 다른 연속적인 가열된 물 공급원으로부터 열을 받는다. 냉각 매체(502)의 유동은 내화 라이닝(230)과 열 전달 연통 상태로 플리넘(plenum)(510)으로 추가로 인도된다. 냉각 매체(502)의 유동은 블로다운 워터(506) 또는 다른 연속적으로 가열된 물 공급원에 의해서 가열된 돔(210) 내로 배출되어서, 돔(210)에 열을 부가하여, 가열 공정을 촉진한다. 작동중, 가스화기(16)로부터의 합성 가스(512)의 유동은 그 열중 일부를 포기하면서 내화 라이닝(230)을 통과하며, 이 합성 가스의 유동은 그 후 플리넘(510)으로 인도되고 열중 일부는 냉각 매체(502)의 유동으로 전달된다. 가열된 냉각 매체(502)는 돔(210) 내로 방출되어, 돔부(210)의 퍼지 및 가열을 촉진한다. 냉각 매체(502)의 유동 중 일부는 바이패스 라인(516) 내에 위치된 바이패스 밸브(514)를 이용하여 바이패스될 수도 있다. 바이패스 냉각 매체(518)의 유동은 조절되어서, 냉각 매체(502)의 유동 온도의 제어를 촉진하는 것에 의해서, 정밀한 냉각 매체(502)의 온도를 유지시킨다. 블로다운 워터(506)에 제공된 적어도 일부의 열은 합성 가스 냉각기(18)로부터 라이저(riser)(508) 및 도관(522)을 통하여 수신된다. 상기 라이저(520)는 쉘(202)을 관통하며, 도관(522)은 증기/물 혼합물을 드럼(508)으로 인도한다. 물 및 증기는 드럼(508) 내에서 분리되는데, 증기는 주 스팀 헤더(524)를 통하여 드럼(508)으로부터 배출되고, 물은 드럼(508)으로부터 배출되어 쉘(202)을 관통하는 다운코머 관통부(526)를 통해 합성 가스 냉각기(508)로 복귀된다.
도 6은 가스화기(16)(도 1에 도시함)와 함께 사용될 수도 있는 다른 예시적인 돔 퍼지 예열 시스템(600)의 개략적인 다이아그램이다. 예시적인 실시예에 있어서, 냉각 매체(502)의 유동을 예열하기 위한 열은 드럼 블로우다운 섬프(602)로부터 수용된다.
도 7은 가스화기(16)(도 1에 도시함)와 함께 사용될 수도 있는 다른 예시적인 돔 퍼지 예열 시스템(700)의 개략적인 다이아그램이다. 예시적인 실시예에 있어서, 냉각 매체(502)의 유동을 예열하기 위한 열은 드럼(508) 내에 위치된 열교환기 코일(702)로부터 수용된다.
압력 용기 공간을 예열 및 퍼지하기 위한 장치 및 방법의 예시적인 실시예가 상세히 기술된다. 이 시스템 및 방법은 본 명세서에 특정 실시예에 제한되지 않으며, 오히려 시스템의 구성요소들은 본 명세서에 기재된 다른 구성요소로부터 분리하여 독립적으로 이용될 수도 있다. 추가로, 본 방법에 기재된 단계들은 본 원에 기재된 다른 단계로부터 분리하여 독립적으로 이용될 수도 있다.
개시된 실시예들은 각종 특정 실시예의 면에서 기술되었지만, 이 개시한 실시예들은 특허청구범위의 정신 및 범위 내에서 변경하여 실시할 수 있을 것이라고 인식된다.

Claims (6)

  1. 용기 내의 온도 제어 방법으로서, 상기 용기는 유체를 용기 내로 인도하도록 구성된 스로트 및 상기 스로트에 인접한 돔을 포함하고, 상기 스로트는 용기 개구로부터 용기 내부로 연장되는 도관을 구비하고, 상기 스로트는 상기 유체의 일부가 상기 도관을 통하여 누설되도록 구성된, 용기 내의 온도 제어 방법에 있어서,
    상기 도관을 통하여 상기 용기 내로 제 1 온도에서 상기 유체를 인도하는 단계와,
    상기 돔 내에 봉입된 환상체로 상기 제 1 온도보다 낮은 제 2 온도에서 퍼지 가스의 유동을 인도하는 단계로서, 상기 환상체는 상기 스로트와 상기 돔 내에 봉입되며 상기 스로트를 둘러싸는 스커트에 의해 규정되며, 상기 스커트는 상기 용기 개구에 근접한 상기 돔으로부터 상기 돔의 플로어를 향해 연장하며, 상기 돔의 상기 플로어는 상기 스로트에 수직한, 퍼지 가스의 유동 인도 단계와,
    상기 제 1 온도에서 상기 스로트를 통해 유동하는 유체에 의해 전달된 열을 이용하여 상기 환상체 내의 상기 퍼지 가스의 상기 제 2 온도를 제 3 온도까지 상승시키는 단계로서, 상기 제 3 온도는 상기 제 1 온도와 상기 제 2 온도 사이인, 퍼지 가스의 온도 상승 단계와,
    상기 스커트와 상기 돔의 상기 플로어 사이에서 규정된 갭을 통해 상기 용기의 상기 돔 내에 규정된 용적 내로 상기 환상체로부터 상기 제 3 온도에서 상기 퍼지 가스를 인도하는 단계로서, 상기 퍼지 가스의 상기 제 3 온도는 상기 용기의 상기 돔 내의 온도차 응력을 촉진시키는, 퍼지 가스의 인도 단계를 포함하는
    용기 내의 온도 제어 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 퍼지 가스의 유동 인도 단계는 보조 열원과 열 연통 관계로 결합된 보조 열교환기를 통하여 상기 퍼지 가스의 유동을 인도하는 단계를 포함하는
    용기 내의 온도 제어 방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 용적을 가로지르는 온도차에 의하여 팽창 및 수축하도록 구성된 시일 조립체를 이용하여 상기 용적으로부터 상기 도관을 밀봉하는 단계를 더 포함하는
    용기 내의 온도 제어 방법.
  4. 제 3 항에 있어서,
    플리넘을 상기 시일 조립체로부터 반경방향 외측에 형성하는 단계를 더 포함하는
    용기 내의 온도 제어 방법.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 유체는 부분 산화 생성물을 포함하고, 상기 제 3 온도에서의 상기 퍼지 가스 인도 단계는 상기 용적 내의 부분 산화 생성물의 농도를 희석시키는 단계를 구비하는
    용기 내의 온도 제어 방법.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 3 온도에서의 상기 퍼지 가스 인도 단계는 상기 용적이 방출된 퍼지 가스에 의하여 실질적으로 동시에 퍼지 및 가열되도록 상기 퍼지 가스를 상기 용적 내로 방출시키는 단계를 구비하는
    용기 내의 온도 제어 방법.
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