KR20010071587A - 가스화공정에 사용되는 열전쌍 - Google Patents
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Abstract
본 발명에 따른 개선된 장치는 가스화공정에서 온도를 측정하는 열전쌍을 구비하는 바, 이 장치는 상기 열전쌍의 적어도 일부를 둘러싸는 사파이어 덮개를 구비하되, 이 사파이어 덮개는 열전쌍에 끼워지는 사파이어 외피의 형태로 될 수 있으며, 상기 장치는 열통로에 의해 형성되는 사파이어 덮개도 포함할 수 있다.
Description
고온의 가스화공정에서, 고온의 불완전 산화가스는 예컨대 석탄과 같은 탄화수소계연료로부터 발생된다. 이러한 공정에서, 탄화수소계연료는 고온의 불완전 산화가스를 얻기 위해 가스화 반응기에서 공기나 산소와 같이 산소를 함유한 반응성가스와 반응된다.
전형적인 가스화공정에서, 고온의 불완전 산화가스는 대체로 수소(H2)와 일산화탄소(CO), 그리고 탄소미립자, 재와 함께 수증기(H2O), 이산화탄소(CO2), 황화수소(H2S), 씨오에스(COS), 암모니아(NH3), 질소(N2), 아르곤(Ar)의 그룹 중 적어도 하나의 가스, 및/또는 전형적으로 산화규소(SiO2), 산화알루미늄(Al2O3)과 같은 종류를 포함하는 용융상태의 용재(molten slag), 및 철(Fe)과 칼슘(Ca) 같은 금속의 산화물과 산황화물로 이루어질 것이다.
가스화 반응기내의 고온의 불완전 산화가스는 일반적으로 1,700℉(927℃)에서 3,000℉(1649℃)에 이르는 온도에, 더 전형적으로는 약 2,000℉(1093℃)에서 2,800℉(1538℃)의 범위에 있게 될 것이고, 일반적으로 약 1기압(98kPa)에서 약 250기압(24,500kPa) 범위의 압력에, 더 전형적으로는 약 15기압(1,470kPa)에서 150기압(14,700kPa) 범위의 압력에 있게 될 것이다.
일반적으로 열전쌍(thermocouples)은 이러한 고온의 공정에서 온도를 측정하는 데에 사용되고, 가스화 반응기내의 온도를 측정하는 데에 사용될 수 있다. 또한, 열전쌍은 유출물이 냉각되고, 미립자와 가스성 오염물질이 제거되는 공정단계에서 온도를 측정하는 데에 사용될 수 있다.
열전쌍은 양단부에 연결되는 서로 다른 금속와이어의 쌍으로 이루어진다. 와이어의 재료는 이들 사이에 전위차가 충분히 발생할 정도로 서로 다른 것이어야 한다. 양단부를 제외하고, 2개의 와이어는 서로 전기적으로 절연되어 있다. 전기절연은 일반적으로 관을 길이방향으로 통과하는 2개의 교차하지 않는 구멍을 구비하는 절연재로 된 관에 의해 제공된다. 전형적인 절연재는 산화알루미늄 같은 고온과 고순도의 세라믹을 포함한다.
와이어의 두 접촉점이 다른 온도에 있을 때, 이들 사이에 전위차가 발생한다. 전위차와 이에 따른 온도차는 열전쌍 회로에 위치된 전압측정기로 측정될 수 있거나, 열전쌍 회로에 위치된 전송기에 의해 신호가 보내지는 다른 전압측정기로측정될 수 있다.
열전쌍에 사용되는 다른 금속의 선택은 무엇보다도 측정될 예상 온도범위에 따라 변경될 것이다. 예컨대, 가스화 반응기의 조건에서 일반적으로 사용되는 열전쌍의 일예는 백금과 약 30%의 로듐을 함유한 제 1와이어와, 백금과 약 6%의 로듐을 함유한 제 2와이어를 구비하며, 다른 금속쌍은 다른 온도범위에서 사용된다.
가스화공정의 환경에서, 특히 가스화 반응기의 환경에서 열전쌍의 사용으로 나타나는 문제점 하나는 열전쌍의 비교적 짧은 수명으로서, 이는 부분적으로는 극도의 고온과, 가스화 반응기가 작동되는 동안 널리 퍼져있는 부식성 분위기 때문이다. 이러한 환경에 있는 보호되지 않은 열전쌍은 급속히 부식되어 쓸모 없게 된다. 이러한 부식은 열전쌍이 반응기에 있는 용융상태의 용재와 접촉하게 될 때 가장 심각해질 수 있다.
이런 문제점을 경감시키기 위해서, 열전쌍은 일반적으로 가스화 반응기의 외벽 또는 외부의 다른 공정표면을 따라 배치된 내열성의 열통로(thermowell)에 삽입된다. 이 내열성의 열통로는 크롬-산화마그네슘, 고순도의 크롬, 또는 이와 유사한 용재 저항물질의 방벽을 포함하고, 다른 내열성물질과, 산화알루미늄, 산화마그네슘(MgO) 같은 비내열성물질, 및 스테인리스강을 포함할 수 있다.
가스화 반응기에 사용될 때, 열통로는 반응기의 압력용기 외벽에 있는 개구부를 통과하여 삽입될 수 있다. 그 다음, 열통로는 내열성물질 또는 일반적으로 반응기의 압력용기 내면을 채우는 데에 사용된 연속된 내열성물질의 대응되는 개구부를 통과할 수 있다. 열통로는 반응기의 개구공간으로 뻗을 수 있거나, 반응기의 내부로부터 떨어진 거리에 물러나게 될 수 있다.
하지만, 열전쌍을 열통로의 내부에 위치시키는 것은 완전한 해결책을 제공하지는 못하며, 시간이 경과함에 따라 용융상태의 용재는 열통로를 균열시킬 것이다. 갈라진 틈(breach)은 일반적으로 침식과 부식 뿐만 아니라 열응력 및/또는 기계응력의 영향 때문이다. 하지만, 갈라진 틈은 완전히 또는 부분적으로는 열통로의 고유결함 때문일 수도 있다. 갈라진 틈은, 전형적으로 크기가 작은 초기에 용융상태의 용재를 열전쌍과 접촉할 수 있는 열통로에 침입시켜 쓸모없게 되고 만다.
따라서, 가스화공정에 사용된 열전쌍의 수명을 증가시키기 위한 수단을 구비하는 것이 바람직할 것이다.
본 발명은 일반적으로 가스화공정에 사용되는 열전쌍에 관한 것으로, 특히 가스화공정에 사용되는 열전쌍의 유효수명을 연장시키기 위해 사파이어(sapphire)를 사용하는 열전쌍에 관한 것이다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 열전쌍을 나타낸 도면이고,
도 2는 본 발명의 실시예에 따라 열전쌍과 열원이 내부에 설치되는 가스화 반응기의 일부를 도시한 단면도이다.
본 발명의 실시예에 따르면, 개선된 장치는 가스화공정에서 온도를 측정하는 열전쌍을 구비하고, 열전쌍의 적어도 일부를 둘러싸는 사파이어 덮개를 구비한다. 이 사파이어 덮개는 열전쌍에 끼워지는 사파이어 외피의 형태로 될 수 있다. 또한, 이 장치는 열통로와, 이 열통로에 의해 구비되는 사파이어 덮개를 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 가스화공정에서 온도를 측정하는 개선된 장치는 열원과 하나 이상의 열전쌍을 구비한다. 이 개선된 장치는 적어도 하나의 열전쌍의 적어도 일부를 둘러싸는 사파이어 덮개를 구비하는 바, 이 사파이어 덮개는 열전쌍에 끼워지는 사파이어 외피의 형태로 될 수 있다. 이 열원은 사파이어로 이루어진 적어도 하나의 방벽층과, 사파이어로 이루어진 방벽층과 동등한 사파이어 덮개를포함할 수 있다.
대체로 수소와 일산화탄소, 그리고 탄소미립자, 재와 함께 수증기, 이산화탄소, 황화수소, 씨오에스, 암모니아, 질소, 아르곤의 그룹 중 적어도 하나의 가스, 및/또는 전형적으로 산화규소, 산화알루미늄과 같은 종류를 포함하는 용융상태의 용재, 및 철과 칼슘 같은 금속의 산화물과 산황화물로 이루어진 가스혼합물은, 일반적으로 자유유동되고 강철 압력용기를 채우는 수직한 내열재의 반응구역에서 잘 공지된 불완전 산화공정에 의해 발생된다. 이러한 공정과 압력용기의 예는 참조번호로 구체화되는 공동양도된 미국특허 제 2,818,326호에 도시되고 설명되어 있다. 이러한 공정에서, 불완전 산화가스는 전형적으로 냉각되며, 미립오염물질과 가스성 오염물질, 및 수증기는 다른 정화단계에서 제거된다.
이러한 공정에서 발생된 불완전 산화가스는, 일반적으로 화학적 합성과 의도된 최종용도에 따라 합성가스, 연료가스, 또는 환원가스(reducing gas)라 불릴 것이다. 여기서, 일반적인 불완전 산화가스는 이들 모든 잠재성을 포함하게 될 것이다.
불완전 산화가스를 발생시키는 데에 사용된 원료는 탄화수소계연료로 이루어지는 바, 다양하고 적절한 공급연료를 설명하기 위해 여기 사용된 "탄화수소계(hydrocarbonaceous)"라는 단어는 가스, 액체, 그리고 고체의 탄화수소, 탄소계물질, 및 그 혼합물들을 포함함을 나타낸다. 실제로는, 대체로 연소가능한 소정의 탄소를 함유하는 유기물질이나 그 슬러리(slurry)는 "탄화수소계"라는 단어의 정의에 포함될 수 있다. 예컨대, (1) 물, 액체 탄화수소연료, 및 그 혼합물과 같은 기화액체의 운반장치내에 분산된 탄소미립자와 같은 고체 탄소계연료의 주입가능한 슬러리와; (2) 적당한 온도의 가스에서 분산된 원자화된 액체 탄화수소연료와 탄소미립자와 같은 가스-액체-고체의 분산이 있다.
적절한 액체 공급연료를 설명하기 위해 여기서 사용된 "액체 탄화수소"라는 단어는 액화석유가스, 석유추출물과 석유잔류물, 가솔린, 나프타, 등유, 원유, 아스팔트, 가스오일, 잔류오일, 타르-샌드 오일과 혈암유(shale oil), 오일로부터 얻은 석탄, (소량의 벤젠, 톨루엔, 크실렌과 같은) 방향족 탄화수소, 콜타르, 액체접촉분해 공정으로부터의 순환가스오일, 코커가스오일의 퍼퍼 추출물(furfural extract of coker gas oil), 및 그 혼합물과 같은 다양한 물질을 포함할 수 있다.
적절한 가스 공급연료를 설명하기 위해 여기서 사용된 "가스 탄화수소"는 메탄, 에탄, 프로판, 부탄, 펜탄, 천연가스, 코크스로(coke-oven)가스, 정제가스, 아세틸렌탈가스, 에틸렌제거가스, 및 그 혼합물을 포함한다.
적절한 고체 공급연료를 설명하기 위해 여기서 사용된 "고체 탄화수소연료"는 무연탄, 역청탄, 역청탄염류의 석탄과; 갈탄; 코크스; 석탄액화로부터 얻은 잔여물; 이탄; 혈암유; 타르샌드; 석유코크스; 피치(pitch); 탄소미립자(검댕 또는 재); 하수와 같은 탄소를 함유하는 고체 폐기물; 및, 그 혼합물을 포함한다.
고체, 가스, 및 액체연료는 동시에 혼합되어 사용될 수 있고; 이들은 파라핀, 올레핀, 아세틸렌, 나프타, 및 소정의 비로 된 방향족혼합물을 포함할 수 있다. 또한, "탄화수소계"라는 단어의 정의내에 포함되는 것은 탄수화물, 셀룰로오스물질, 알데히드, 유기산, 알코올, 케톤, 산화된 연료오일, 산화된 탄화수소계 유기물질을 함유하는 화학공정으로부터의 폐기액체와 부산물, 및 그 혼합물을 포함하는 산화된 탄화수소계 유기물이다.
가스화 반응기의 반응구역에서, 탄화수소계연료는 선택적으로는 온도조절기가 있는 경우에 자유산소를 함유하는 가스와 접촉된다. 반응시간은 전형적으로 약 1초에서 10초의 범위내에, 바람직하게는 약 2초에서 6초내에 있을 것이다. 반응구역에서, 내용물은 일반적으로 약 1,700℉(927℃)에서 3,000℉(1649℃) 범위내의 온도에, 더 전형적으로는 약 2,000℉(1093℃)에서 2,800℉(1538℃) 범위내의 온도에 이를 것이다. 압력은 전형적으로 약 1기압(98kPa)에서 약 250기압(24,500kPa) 범위내에, 그리고 더 전형적으로는 약 15기압(1,470kPa)에서 약 150기압(14,700kPa) 범위내에 있게 될 것이다. 불완전 산화가스가 흐름에 따라, 유동온도는 가스가 다양한 냉각과, 세척, 및 다른 단계에 있을 때 떨어질 것이다.
본 발명에 따르면, 온도는 사파이어 덮개와 함께 사용되는 열전쌍에 의해 가스화공정내의 다양한 위치에서 측정될 수 있다. 본 발명의 다양한 실시예에 따른사파이어 덮개의 사용은, 다른 장점들 중 무엇보다도 종래의 열전쌍에 비해 본 발명의 열전쌍의 유효수명을 증가시킨다. 다양한 실시예에서, 사파이어 덮개는 함께 사용되는 열전쌍의 적어도 일부를 둘러쌀 것이다. 사파이어 덮개의 사용은 고온과, 용융상태의 용재, 및 부식제의 해로운 영향이 반응기내에 가장 널리 퍼져 있을 때, 가스화 반응기내의 온도를 측정하도록 위치된 열전쌍과 연결되어 사용된다면 특히 바람직하다.
본 발명의 실시예에서, 사파이어 덮개는 열전쌍의 적어도 일부에 끼워지는 사파이어 외피(24)의 형태로 나타내어진다. 도 1에 도시된 실시예에 열전쌍(10)이 제공되는 바, 이 열전쌍(10)은 한 쌍의 와이어(12,14)로 이루어진다. 이 와이어는 열전쌍이 열원(heat source)에 노출될 때 이들 사이에서 전위차가 발생할 수 있도록 서로 다른 금속물질로 이루어진다. 예컨대, 와이어는 다량의 백금 및 로듐과 함께 주요 치환물이 2개의 와이어에서 다르므로 백금과 로듐 모두를 함유할 수 있다. 바람직하게는, 와이어 중 하나는 약 30%의 로듐을 갖는 반면, 다른 와이어는 약 6%의 로듐을 가지며, 양 와이어에 대해 잔여물은 주로 백금이다.
와이어는 고온의 접촉부(16)와 저온의 접촉부(18)에서 서로 이어진다. "고온의(hot)"와 "저온의(cold)"라는 단어는 가스화 반응기의 온도를 측정하는 데에 사용될 때, 고온의 접촉부(16)가 열원에 더 가깝게 위치되기 때문에 사용된다. 고온의 단부에서 온도의 대표값이 되는 두 와이어 사이의 전위차가 측정되고, 전위차가 어떻게 측정되는지는 중요하지 않다. 실제로, 다양한 수단이 전위차를 측정하는 데에 있어 당해분야의 기술자들에게 공지되어 있고, 이들 방법 중 임의의 방법이 본발명에서 사용될 수 있다. 예컨대, 전압계량기가 열전쌍 회로에 위치될 수 있으며, 바람직하게는 저온의 접촉부(18)가 온도전송기에 위치된다. 온도전송기에 의해 생성된 신호는 신호전달수단(20)에 의해 제어실 또는 다른 위치에 보내어질 수 있다.
고온의 접촉부와 저온의 접촉부를 제외하고, 2개의 와이어(12,14)는 서로 전기적으로 절연된다. 본 실시예에서 어떻게 절연되는가는 중요하지 않지만, 전기절연부(22)는 고온과 고순도의 세라믹관으로 제공되는 바, 이러한 세라믹관은 예컨대 산화알루미늄으로 이루어질 수 있다.
여기 소개된 열전쌍이 가스화 반응기의 온도를 측정하기 위해 단독 또는 전형적인 열통로와 결합하여 사용되었다면, 설명된 것과 같이 열전쌍은 반응기내의 용재와 다른 해로운 물질에 비교적 급속히 해를 입을 것이다. 이러한 이유로 본 실시예에서 사파이어 외피(24)는 열전쌍의 적어도 일부에 끼워지게 된다. 사파이어 외피(24)는 대체로 가스화공정의 용재와 다른 생성물로부터의 부식에 저항한다. 따라서, 개선된 사파이어 외피(24)로 이루어진 완전한 열전쌍은, 고온의 접촉부(16)에 인접한 말단부(26)를 구비함을 볼 수 있다.
사파이어 외피(24)는 적어도 고온의 접촉부(16)를 둘러쌀 필요가 있다. 바람직하게는 그리고 이에 따라 상세하게는, 사파이어 외피(24)는 용융상태의 용재가 사파이어 외피(24)의 윗부분에 도달하기 전에 용융상태의 용재는 냉각되고, 아주 적거나 제로의 유동상태에 도달하도록, 또는 갈라진 틈이 사파이어 외피상의 다른 지점에서 형성되도록 충분한 길이를 가질 것이다.
본 실시예에서, 사파이어 외피(24)는 열전쌍의 말단부(26)와 대등한 덮여진단부와, 개구부가 2개의 와이어(12,14)로 이루어진 열전쌍에 끼워지고 수용될 수 있는 개구단부(28), 및 상기 와이어들을 둘러싸고 절연하는 전기절연부(22)를 구비하는 대체로 관형상이다. 본 실시예의 변경예에서, 사파이어의 확장플러그(30)는 사파이어 외피(24)의 덮여진 단부에 구비되고, 이 확장플러그(30)는 용재가 사파이어 외피(24)를 관통하는 시간을 증가시킨다. 가장 간단한 형태로 된 확장플러그(30)는, 외피가 본질적으로 그 측면보다 덮여진 단부에서 더 두꺼워질 수 있는 사실 때문일 수 있다.
본 실시예에서, 사파이어 외피(24)는 단지 열전쌍의 일부에 끼워져 이를 덮으며, 바람직하게는 개구단부(28)가 전기절연부(22)에 단단히 끼워진다. 전기절연부(22) 둘레에 씌워지거나 외피(24)의 내주면 둘레에 씌워진 백금포일은 바람직하게는 사파이어 외피(24)에 잘 끼워지도록 하는 데에 사용될 수 있다. 다른 실시예에서, 사파이어 외피(24)는 대체로 열전쌍 모두를 덮는 것이 아니라면 더 큰 일부에 연장되고 이를 덮을 수 있다. 또 다른 실시예에서, 사파이어는 2개의 와이어를 전기절연할 뿐만 아니라 이 와이어들을 덮도록 하는 데에 사용될 수 있다. 이러한 실시예에서, 사파이어 외피(24)와 전기절연부(22) 모두는 사파이어로 이루어질 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에서, 사파이어 외피(24)를 구비하는 상기 열전쌍 중 임의의 하나는 바람직하게는 열통로와 결합된다. 결합된 장치는 바람직하게는 가스화공정에서, 특히 가스화 반응기내의 온도를 측정하는 데에 사용되고, 당해분야의 기술자에 의해 일반적으로 사용되거나 이에 따라 개발된 임의의 열통로가 사용될수 있다. 이러한 열통로는 크롬-산화마그네슘, 고순도의 크롬, 또는 이와 유사한 용재 저항물질로 된 방벽을 포함하고, 다른 내열성물질과, 산화알루미늄, 산화마그네슘과 같은 비내열성물질, 및 스테인리스강을 포함할 수 있다.
도 2에 도시된 본 발명의 열전쌍과 결합된 바람직한 열통로에 있어서, 이 열통로는 내측 보호관(62)과 외측 보호관(64)으로 이루어진다. 내측 보호관(62)은 산화알루미늄이나 산화마그네슘과 같은 고밀도 저다공성 내열재로 형성될 수 있다. 전형적으로 고밀도 저다공성 내열재인 주조가능한 내열재는, 내측 보호관(62) 둘레에 부어지고, 내측 보호관(62)의 개구부를 제외하고 모든 둘레에 외측 보호관(64)을 형성하도록 배치된다. 바람직하게는, 이 주조가능한 고밀도 저다공성의 내열재는 크롬산화물 또는 크롬-산화마그네슘으로 이루어진다.
이 실시예에서, 열전쌍(10)은 먼저 열통로의 말단부(26)에 삽입되고, 지름감소형 플랜지(76)를 통과하며, 열통로에서 지름감소형 플랜지(76)와 접촉하여 끼워진다. 열전쌍(10)의 말단부(26)는 열통로의 선단(66)에 인접하게 위치된다. 약 0.125인치(3.18×10-3m)에서 약 0.25인치(6.35×10-3m) 까지의 틈은 바람직하게는 열통로의 선단(66) 내면과 열전쌍의 말단부(26) 사이에서 유지된다.
열전쌍(10)의 와이어(12,14)들의 앞단부들은 만일 외피가 전기절연부(22)와 인접하게 된다면, 전기절연부(22)의 뒷단부 및/또는 사파이어 외피(24)를 지나 뻗고, 와이어들은 압력밀봉부재(70)를 통과하는 바, 이 압력밀봉부재(70)는 분리가능한 플랜지(74)에 끼워지는 부쉬(72)와 접촉한다. 플랜지(74)는 가스화 반응기내 압력용기의 외측 강철벽(40)에 결합되는 지름감소형 플랜지(76)와 결합된다.
열전쌍(10)과 열통로 조립체는 플랜지(74)를 지름감소형 플랜지(76)에 함께 볼트조임하거나 클램프고정함으로써, 그리고 이와 유사하게 지름감소형 플랜지(76)를 가스화 반응기내 압력용기의 외측 강철벽(40)에 함께 볼트조임하거나 클램프고정함으로써 적소에 고정된다. 2개의 별개의 연결부 사용은 열전쌍(10)이 열통로를 분리하지 않고 대체될 수 있도록 증가된 효율을 제공한다. 결합되는 플랜지 대신에, 나사산이 형성된 캡과 노즐, 또는 다른 연결수단이 사용될 수 있다.
체결된 열전쌍(10)이 있거나 없는 열통로는 가스화 반응기내 압력용기의 강철벽(40)에 형성된 구멍을 연속하여 일직선으로 통과한 다음, 압력용기 내면의 벽을 채우는 내열재(42)의 정렬된 구멍을 통과한다. 열통로의 선단(66)은 반응기내 압력용기의 내측 강철벽을 채우는 내열재(42)의 면으로부터, 약 0.25인치에서 약 0.75인치(0.019m)로, 바람직하게는 0.5인치(0.0127m)로 오므라들도록 위치된다. 이러한 방법에서, 침식률은 열통로의 선단(66)이 내열재(42)의 면과 동일하게 위치되거나 내열재(42)의 면 아래에 위치될 때와는 반대로 감소된다.
가스화 반응기내에 위치된 열전쌍(10)과 열통로 조립체는 용재에 대해 증가된 저항을 나타낸다. 가스화 반응기에서, 용융상태의 용재(50)는 반응기내 압력용기의 내측 강철벽을 채우는 내열재(42)의 내벽에서 바깥으로 놓이며, 열통로쪽으로 이동할 것이다. 설명된 것과 같이, 시간이 경과되면 침식과 부식 뿐만 열응력 및/또는 기계응력의 영향은 열통로의 선단(66)에 작은 틈을 발생시킬 수 있다. 이러한 현상이 발생할 때, 저온의 지점으로 이동하는 용융상태의 용재(50)는 갈라진 틈을관통하여 내측 보호관(62)에 들어가며, 이에 의해 사파이어로 보호된 열전쌍과 접촉하게 된다. 바람직하게는, 사파이어 외피(24)와 함께 와이어(12,14)들과 고온의 접촉부(16)는 용융상태의 용재(50)와 그 파괴영향으로부터 보호된다. 용융상태의 용재(50)는 제로나 아주 적은 유동상태를 성취하는 지점에서 냉각될 때까지 내측 보호관(62)의 내부를 계속 이동할 것이다. 이 때문에, 사파이어 외피(24)는 용재가 사파이어 외피(24)의 개구단부(28)에 도달하기 전에 제로나 아주 적은 유동상태를 성취하는 일이 발생하도록 충분한 길이로 형성되어야 하고; 용융상태의 용재(50)는 열적평형과 냉각을 성취하며, 아주 적거나 제로의 유동상태를 성취하며; 또는 갈라진 틈은 사파이어 외피의 동일한 다른 지점에 형성될 것이다. 이러한 다른 가능성은 침식과 부식 뿐만 아니라 열응력 및/또는 기계응력의 영향이 열통로의 전체 선단(66)을 분리시킬 때 처음 발생할 것이다. 이러한 현상이 발생할 때, 사파이어 외피(24)는 가스화 반응기에서 침식과 부식의 완전한 효과에 의해 개시된다. 결국, 갈라진 틈이 사파이어 외피(24)에 형성되며, 와이어(12,14)들과 보호되지 않은 고온의 접촉부(16)와 함께, 열전쌍(10)은 끊어진다. 사파이어 외피(24)에 대한 적당한 길이선택은 온도와 가스혼합을 포함하는 특정한 공정의 특성에 대한 지식을 갖고 있고, 이 설명의 이점을 갖는 당해업계의 기술자에 의해 행해진다.
하나 이상의 바람직하게는 3개의 다른 실시예에서, 열전쌍은 적어도 대응되는 갯수의 내측 보호관(62)을 구비하는 열통로내에 삽입된다. 이러한 바람직한 실시예에서, 하나 이상의 열전쌍의 말단부는 바람직하게는 열통로의 길이를 따라 다른 지점에 위치된다. 이러한 배치는 열전쌍과 열통로의 재배치 사이에 시간을 더소요시킨다. 예컨대, 모두 3개의 열전쌍이 사용되는 실시예에서, 결국 열통로를 통과하는 용재는 우선 선단(66)에 가장 가깝게 위치된 열전쌍에 도달할 것이고, 이에 따라 이 열전쌍은 끊어질 것이다. 이어서, 용재를 도달시키고, 제 2, 제 3 열전쌍들의 단락을 발생시키는 데에 추가 시간이 소요된다. 따라서, 공정은 전원을 끌 필요 없이 더 오래 소요될 수 있다. 제 2열전쌍과 제 3열전쌍에 의한 정확성이 제 1열전쌍 만큼 우수하지 않은 반면, 그 차는 제 2, 제 3열전쌍에 대한 값이 제 1열전쌍의 단락 이전에 수집된 데이터에 기초하여 정정될 수 있을 때 공정제어에 대한 문제는 일으키지 않는다.
다른 실시예에서, 사파이어 덮개는 전체적으로 또는 부분적으로 사파이어로 가공된 열통로를 이용하여 형성될 수 있다. 이러한 열통로는 열통로 전체에 서로 섞인 사파이어를 구비할 수 있는데, 바람직하게는 사파이어섬유의 형태로 될 수 있다. 또한, 이러한 열통로는 사파이어로 이루어진 대체로 연속적인 적어도 하나의 방벽층을 구비할 수 있으며, 별개의 사파이어 외피를 구비하지 않은 열전쌍과 사용될 수 있다. 또한, 이러한 열통로는 사파이어로 보호된 열전쌍과 함께 사용될 수 있다. 사파이어로 이루어진 대체로 연속적인 적어도 하나의 방벽층을 구비하는 열통로의 실시예에서, 열통로의 내측 보호관(62)은 사파이어로 형성될 수 있다.
또 다른 실시예에서, 사파이어 외피를 구비하는 열전쌍은 가스화공정에서 열통로 없이 온도를 측정하는 데에 사용될 수 있지만, 이는 열전쌍이 용융상태의 용재에 노출되는 경우에는 바람직하지 않다. 사파이어로 보호되는 열전쌍이 사파이어 외피를 구비하지 않는 열전쌍보다 더 오랫동안 가스화 반응기에서 침식과 부식의완전한 영향에 저항하는 반면, 열통로와 결합되는 사파이어 외피를 구비하는 열전쌍의 사용은 열전쌍의 수명을 효과적으로 증가시킨다.
Claims (28)
- 가스화공정에서 온도를 측정하는 열전쌍을 구비하는 장치에 있어서, 상기 열전쌍의 적어도 일부를 둘러싸는 사파이어 덮개를 포함하여 이루어지는 가스화공정에서 온도를 측정하는 열전쌍을 구비하는 장치.
- 제 1항에 있어서, 상기 열전쌍은 고온의 접촉부에 의한 하나의 단부와 저온의 접촉부에 의한 다른 단부에서 함께 연결되는 한쌍의 다른 금속으로 된 와이어로 이루어지고, 서로 절연관에 의해 전기절연되되, 상기 사파이어 덮개는 밀폐된 말단부와 개구단부를 구비하는 사파이어 외피의 형상으로 되어 있고, 상기 개구단부는 상기 고온의 접촉부와, 상기 절연관의 적어도 일부에 끼워지는 것을 특징으로 하는 가스화공정에서 온도를 측정하는 열전쌍을 구비하는 장치.
- 제 1항에 있어서, 상기 장치는 상기 열전쌍을 둘러싸고 사파이어로 이루어진 적어도 하나의 방벽층을 구비하는 열통로를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 가스화공정에서 온도를 측정하는 열전쌍을 구비하는 장치.
- 제 1항에 있어서, 상기 장치는 상기 열전쌍을 둘러싸고 내측 보호관과 외측 보호관을 구비하는 열통로를 더 포함하되, 상기 내측 보호관은 사파이어로 이루어지고, 상기 사파이어 덮개는 상기 내측 보호관을 구비하는 것을 특징으로 하는 가스화공정에서 온도를 측정하는 열전쌍을 구비하는 장치.
- 제 2항에 있어서, 상기 장치는 열통로를 더 포함하되, 가스화공정은 원통형의 강철 압력용기를 채운 수직한 자유유동 내열재의 반응기를 사용하고, 상기 사파이어 외피에 끼워진 상기 열전쌍은 지름감소형 플랜지를 연속하여 일직선으로 통과하고 상기 지름감소형 플랜지에 연결된 열통로에 넣어짐으로써 상기 가스화 반응기내에 설치되며, 상기 열통로는 상기 압력용기의 강철벽에 형성된 구멍을 통과한 다음 상기 압력용기의 내면의 벽을 채우는 내열재의 정렬된 구멍을 통과함으로써 가스화 반응기내에 설치되는 것을 특징으로 하는 가스화공정에서 온도를 측정하는 열전쌍을 구비하는 장치.
- 제 2항에 있어서, 상기 장치는 열통로를 더 포함하되, 상기 열통로가 열전쌍을 둘러싸고, 내측 보호관과 외측 보호관을 구비하는 것을 특징으로 하는 가스화공정에서 온도를 측정하는 열전쌍을 구비하는 장치.
- 제 6항에 있어서, 상기 내측 보호관은 알루미늄으로 이루어진 것을 특징으로 하는 가스화공정에서 온도를 측정하는 열전쌍을 구비하는 장치.
- 제 6항에 있어서, 상기 내측 보호관은 사파이어로 이루어진 것을 특징으로 하는 가스화공정에서 온도를 측정하는 열전쌍을 구비하는 장치.
- 제 1항에 있어서, 상기 열전쌍은 가스화공정의 주위압력하에 놓이는 것을 특징으로 하는 가스화공정에서 온도를 측정하는 열전쌍을 구비하는 장치.
- 제 1항에 있어서, 측정될 온도가 1,700℉(927℃)에서 3,000℉(1649℃)의 범위에 있는 것을 특징으로 하는 가스화공정에서 온도를 측정하는 열전쌍을 구비하는 장치.
- 제 2항에 있어서, 상기 와이어의 쌍은 백금, 로듐, 및 이들의 혼합물로 이루어진 것을 특징으로 하는 가스화공정에서 온도를 측정하는 열전쌍을 구비하는 장치.
- 제 2항에 있어서, 상기 절연관은 산화알루미늄으로 이루어진 것을 특징으로 하는 가스화공정에서 온도를 측정하는 열전쌍을 구비하는 장치.
- 제 2항에 있어서, 상기 절연관은 사파이어로 이루어진 것을 특징으로 하는 가스화공정에서 온도를 측정하는 열전쌍을 구비하는 장치.
- 가스화공정은 압력용기를 채운 수직한 자유유동 내열재로 이루어진 반응기를 사용하고, 열통로와 하나 이상의 열전쌍을 구비하되, 상기 하나 이상의 열전쌍은 독립적으로 고온의 접촉부에 의한 하나의 단부와 저온의 접촉부에 의한 다른 단부에서 함께 연결되는 한쌍의 다른 금속으로 된 와이어로 이루어지고, 서로 절연관에 의해 전기절연되며; 적어도 하나의 열전쌍의 적어도 일부를 둘러싸는 사파이어 덮개를 구비하는 가스화공정에서 온도를 측정하는 장치.
- 제 14항에 있어서, 상기 사파이어 덮개는 밀폐된 말단부와 개구단부를 구비하는 사파이어 외피의 형태로 되어 있고, 상기 개구단부는 열전쌍의 고온 접촉부와 절연관의 적어도 일부에 끼워지는 것을 특징으로 하는 가스화공정에서 온도를 측정하는 장치.
- 제 14항에 있어서, 상기 열통로는 사파이어로 이루어진 적어도 하나의 방벽층을 구비하고, 상기 사파이어 덮개는 사파이어로 이루어진 적어도 하나의 방벽층을 구비하는 것을 특징으로 하는 가스화공정에서 온도를 측정하는 장치.
- 제 14항에 있어서, 상기 열통로는 내측 보호관과 외측 보호관을 구비하되, 상기 내측 보호관은 사파이어로 이루어지고, 상기 사파이어 덮개는 상기 내측 보호관을 구비하는 것을 특징으로 하는 가스화공정에서 온도를 측정하는 장치.
- 제 14항에 있어서, 상기 열통로는 압력용기의 강철벽에 형성된 구멍을 통과한 다음 상기 압력용기의 내면의 벽을 채우는 내열재의 정렬된 구멍을 통과함으로써 반응기내에 설치되고, 하나 이상의 열전쌍이 지름감소형 플랜지를 연속하여 일직선으로 통과하고 상기 지름감소형 플랜지에 연결된 열통로에 넣어지는 것을 특징으로 하는 가스화공정에서 온도를 측정하는 장치.
- 제 15항에 있어서, 상기 열통로는 상기 열전쌍을 둘러싸면서 내측 보호관과 외측 보호관을 구비하는 것을 특징으로 하는 가스화공정에서 온도를 측정하는 장치.
- 제 19항에 있어서, 상기 내측 보호관은 산화알루미늄으로 이루어진 것을 특징으로 하는 가스화공정에서 온도를 측정하는 장치.
- 제 19항에 있어서, 상기 내측 보호관은 사파이어로 이루어진 것을 특징으로 하는 가스화공정에서 온도를 측정하는 장치.
- 제 14항에 있어서, 상기 열통로는 하나 이상의 내측 보호관을 갖추되, 상기 내측 보호관의 갯수는 적어도 열전쌍의 갯수와 같고, 하나 이상의 보호관의 말단부는 열통로의 길이를 따라 다른 지점에 위치되는 것을 특징으로 하는 가스화공정에서 온도를 측정하는 장치.
- 제 14항에 있어서, 상기 하나 이상의 열전쌍은 가스화공정의 주위압력하에 놓이는 것을 특징으로 하는 가스화공정에서 온도를 측정하는 장치.
- 제 14항에 있어서, 측정될 온도가 1,700℉(927℃)에서 3,000℉(1649℃)의 범위에 있는 것을 특징으로 하는 가스화공정에서 온도를 측정하는 장치.
- 제 14항에 있어서, 상기 와이어쌍은 백금, 로듐, 및 이들의 혼합물로 이루어진 것을 특징으로 하는 가스화공정에서 온도를 측정하는 장치.
- 제 14항에 있어서, 상기 절연관은 산화알루미늄으로 이루어진 것을 특징으로 하는 가스화공정에서 온도를 측정하는 장치.
- 제 14항에 있어서, 상기 절연관은 사파이어로 이루어진 것을 특징으로 하는 가스화공정에서 온도를 측정하는 장치.
- 고온의 접촉부에 의한 하나의 단부와 저온의 접촉부에 의한 다른 단부에서 함께 연결되는 한쌍의 다른 금속으로 된 와이어로 이루어지고, 서로 절연관에 의해 전기절연되되, 밀폐된 말단부와 개구단부를 구비하는 사파이어 외피를 더 포함하여 이루어지고, 상기 개구단이 상기 고온의 접촉부와, 절연관의 적어도 일부에 끼워지도록 된 열전쌍.
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