KR20010088830A - 벽돌뒤에 위치한 열전쌍 장치 - Google Patents

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KR20010088830A
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Abstract

본 발명은 열전쌍이 기화 반응로내의 온도를 측정하는 열전쌍 장치에 관한 것이다. 열전쌍은 측정 요소가 고온의 내화성 외장 벽돌의 연속적인 층 뒤에 있도록 기화 반응로의 벽을 통하여 설치된다. 열전쌍 어셈블리는 기화기 벽, 절연 벽돌, 및 선택적으로 고온 외장 벽돌을 통하는 통로의 일부를 관통하여 만들어진 개구부에 설치된다.

Description

벽돌뒤에 위치한 열전쌍 장치{Behind the brick thermocouple}
고온의 기화 공정에서, 고온의 부분적인 산화 기체가 탄화수소 연료, 예를 들면 석탄, 오일, 탄화수소 폐기물 등으로부터 발생된다. 이러한 공정에서, 탄화수소 연료는 기화 반응로에서 공기나 산소와 같은 반응성 산소-함유 기체와 반응하여 고온의 부분적인 산화 기체를 얻는다.
다양한 적당한 공급재료를 기술하기 위하여 여기에서 사용되는 "탄화수소"라는 용어는 기체, 액체, 및 고체 탄화수소, 탄소질 물질 및 그들의 혼합물을 포함하도록 의도되었다. 사실, 실질적으로 연소 가능한 탄소-함유 유기물질, 혹은 그들의 슬러리는 상기 용어 탄화수소의 정의 내에 포함될 수 있다. 고체, 기체, 및 액체 원료는 혼합되고 동시에 사용될 수 있다; 그리고 이러한 것들은 파라핀, 올레핀, 아세틸렌, 나프텐, 및 방향족 화합물을 임의의 비율로 포함할 수 있다. 또한, 상기 용어 "탄화수소"의 정의에 포함되는 것은 탄수화물, 셀룰로오스 물질, 알데히드, 유기산, 알코올, 케톤, 산화된 연료 오일, 산화된 탄화수소 유기물질을 함유하는화학공정의 폐액 및 부산물, 그리고 그들의 혼합물을 포함하는 산화된 탄화수소 유기물질이다.
적당한 액체 원료를 기술하기 위하여 여기에서 사용되는 "액체 탄화수소"라는 용어는 액화 석유 기체, 석유 증류액 및 잔류물, 가솔린, 나프타, 키로신, 원유, 아스팔트, 기체 오일, 잔류 오일, 타르-샌드 오일 및 혈암유, 석탄에서 유래된 오일, 방향족 탄화수소(벤젠, 톨루엔, 자일렌 분획과 같은), 코울 타르, 액체-촉매-분해 증류 공정으로부터 나온 사이클 기체 오일, 코우커(coker) 기체 오일의 푸르푸랄 추출물, 및 그들의 혼합물과 같은 다양한 물질들을 포함하도록 의도되었다.
적당한 기체 공급 원료를 기술하기 위하여 여기에 사용되는 "기체 탄화수소"는 메탄, 에탄, 프로판, 부탄, 펜탄, 천연 가스, 코크스(coke)-오븐 가스, 정제 가스, 아세틸렌 테일(tail) 가스, 에틸렌 오프-가스(off-gas), 및 그들의 혼합물을 포함한다.
적당한 고체 공급 원료를 기술하기 위하여 여기에 사용되는 "고체 탄화수소 연료"는 안트라사이트, 역청질, 아역청질 형태의 석탄; 갈탄; 코크스; 석탄 액화로부터 유래된 잔류물; 이탄; 오일 혈암; 타르 샌드; 석유 코크스; 피치; 입자성 탄소(검댕 혹은 재); 오물과 같은 고체-함유 폐기물; 및 그들의 혼합물을 포함한다. 소정 형태의 탄화수소 연료, 특히 석탄 및 석유 코크스는 다량의 재와 용융 슬래그를 발생한다.
기화 반응로의 반응 지역에서, 탄화수소 연료는 선택적으로 온도 조절기의존재 하에서, 자유 산소를 함유하는 기체와 접촉한다. 반응 지역에서, 내용물은 보통 약 1,700℉(930℃) 내지 3,000℉(1650℃)의 온도 범위, 더 전형적으로 2,000℉(1100℃) 내지 2,800℉(1540℃)의 범위에 도달한다. 압력은 전형적으로 약 1 기압(100 KPa) 내지 약 250 기압(25,000 KPa), 더 전형적으로 약 15 기압(1500 KPa) 내지 150 기압(1500 KPa)의 범위에 있을 것이다.
전형적인 기화 공정에서, 고온의 부분적인 산화 기체는 실질적으로 H2, CO, 및 H2O, CO2, H2S, COS, NH3, N2, 및 Ar로 구성된 군에서 선택되는 적어도 하나의 기체를 포함한다. 분진 탄소, 재, 및/또는 SiO2, Al2O3, 및 Fe 및 Ca와 같은 금속의 산화물 및 산황화물을 전형적으로 함유하는 용융 슬래그는 자유-흐름의(free-flow) 아래로 흐르는(down-flowing) 수직 내화성 라이닝을 구비한 강철 압력 용기의 반응 지역에서 잘 알려져 있는 부분적인 산화 공정에 의하여 보통 발생된다. 그러한 공정과 압력 용기의 예는 인용에 의하여 여기에 통합된 미국특허 제2,818,326호에 보여지고 기술되어 있다.
열전쌍은 기화 반응로내의 온도를 포함한 이러한 고온의 공정에서 온도를 측정하는 데 보통 사용된다. 열전쌍은 양쪽 단부에서 연결된 서로 다른 금속 와이어 쌍이다. 와이어의 함량은 그들 사이에 전위차가 있도록 있게 하도록 충분히 달라야 한다. 열전쌍의 단부에서 연결되는 것을 제외하고는, 상기 두 와이어는 보호 외장으로 싸여 있어서 서로로부터 전기적으로 절연되어 있다. 전기적 절연은 외장의 길이 부분을 통하여 축상으로 연장되는 두 개의 교차하지 않는 개구부들을 갖춘 내열성 전기적 절연 물질로 구성된 보호 외장에 의하여 보통 제공되며, 열전쌍 와이어는 개구부를 관통하고 상기 개구부들은 오직 한 점에서 교차한다. 전형적인 보호 외장 물질은 알루미나와 같은 고온, 고순도 세라믹을 포함한다. 개구부들은 열전쌍 와이어 및 센서 주위에 내화성 물질을 캐스팅하여 형성될 수 있다.
열전쌍 작동 원리는 연결 금속 사이에 존재하는 전위차가 온도에 따라 변화한다는 것이다. 전위는 표준 온도에서 같은 물질을 나타내는 실제 혹은 인공적인 표준 전위와 비교되고, 온도 차이는 열전쌍 회로에 위치하는 전압 측정 기구 혹은 선택적으로 열전쌍 회로에 위치한 송신기에 의하여 신호를 송신하는 전압 측정 기구에 의하여 측정된다. 열전쌍에 사용되는 다른 금속의 선택은 무엇보다도 측정하고자 하는 예상 온도 범위에 따라 변할 것이다. 예를 들면, 기화 반응로에 존재하는 조건에 따라 보통 사용되는 열전쌍의 한 형태는 플라티늄과 약 30%의 로듐을 함유하는 제1 와이어 및 플라티늄과 약 6%의 로듐을 함유하는 제2 와이어를 구비한다. 기화 반응로의 경우, B, R, 및 S 형태의 플라티늄/로듐 열전쌍이 유용하다.
열전쌍은 기화 공정에 존재하는 환경에서, 특히 기화 반응로에 존재하는 환경에서 대단히 짧은 수명을 가진다. 상대적으로 짧은 수명은 기화 반응로의 작동 중 널리 퍼져있는 부식성 환경에 일부 기인한다. 이러한 환경에 노출되어 있는 보호되지 않는 열전쌍은 빨리 손상되고 쓸모없게 된다. 그러한 손상은 열전쌍이 반응로에 존재하는 용융 슬래그와 접촉할 때, 가장 심할 수 있다. 그러한 열전쌍은 몇분 내에 작동하지 않게 될 수 있다.
이러한 문제를 완화시키기 위하여, 열전쌍은 기화 반응로의 외부 벽을 따라서 설치된 내화성 써모웰(thermowell) 내에 보통 삽입된다. 내화성 써모웰은 크로미아-마그네시아, 크로미아, 혹은 유사한 내슬래그 물질의 장벽을 포함할 수 있고, Al2O3, MgO, 사파이어, 몰리브덴, 및 스테인레스 스틸과 같은 다른 내화성 및 비내화성 물질을 포함할 수 있다. 이러한 내화성 써모웰은 기화기 내부의 대기에 대한 완전한 장벽을 만들지 못한다. 내화성 써모웰은 압력과 장력에 견디지 못한다. 써모웰을 슬래그, 직접적인 화염, 및 몇몇 고온 기체들로부터 보호하는 것은 간단히 반투과성 물질 이동 장벽이다.
기화 반응로에 사용될 때, 써모웰은 반응로 압력 용기의 외부 벽에 있는 개구부를 통하여 통과함으로써 도입될 수 있다. 그 후, 써모웰은 반응로 압력 용기의 내부 벽을 라이닝하는 데 보통 사용되는 내화성 물질 혹은 내화성 물질의 시리즈 내의 상응하는 개구부를 관통할 수 있다. 써모웰은 반응로의 개방된 공간 속으로 연장될 수 있고, 혹은 더 일반적으로 반응로의 내부로부터 약간 거리를 두고 물러난 곳에 설치될 수 있다.
불행하게도, 열전쌍을 써모웰의 내부에 위치시키는 것이 완전한 해답을 제공하지 못하고 있다. 시간이 지나면, 용융 슬래그는 써모웰을 파괴할 것이다. 상기 파괴는 열적 및/또는 기계적 장력 뿐 아니라 부식의 영향에 보통 기인한다. 상기 파괴는 일반적으로 초기에는 작지만 용융 슬래그가 써모웰로 들어가서, 써모웰에서 그것은 열전쌍과 접촉할 수 있게 하여, 열전쌍을 쓸모없게 할 수 있다.
따라서, 기화 공정에서 사용되는 열전쌍의 수명을 증대시키는 수단을 갖추는 것이 유용할 것이다.
본 발명은 일반적으로 기화 공정에 사용되는 열전쌍의 보호에 관한 것으로, 보다 상세하게는 기화 공정에 사용되는 열전쌍의 수명을 연장시키는 내화 벽돌의 용도에 관한 것이다.
도 1은 금속 기화기 쉘(shell)의 외부에 설치되고, 기화기 쉘, 절연 벽돌 층 또는 층들을 통과하고, 고온 외장 벽돌을 일부 통과하여 뻗어있는 열전쌍을 구비하는 본 발명의 실시예를 보여주는 기화기 벽의 부분 단면도이다.
본 발명은 기화 반응로에서 온도를 측정하는 열전쌍 장치에 관한 것이다. 열전쌍은 측정 요소가 내화성 고온 외장 벽돌의 연속적인 층뒤에 있도록 기화 반응로의 벽을 통하여 설치된다. 열전쌍 어셈블리는 기화기 벽, 절연 벽돌, 및 선택적으로 고온 외장 벽돌을 통하는 통로의 일부를 통하여 만들어진 개구부에 설치된다.
여기에서 사용되는 바와 같이, "열전쌍"이라는 용어는 열전쌍 센서 및 와이어, 그리고 열전쌍 및 와이어에 부대적인 지지물, 절연체, 보호물, 혹은 장착 수단을 포함하는 온도 감지 장치이다.
여기에서 사용되는 바와 같이, "고온 외장 벽돌"이라는 용어는 기화기의 내부에 인접하는 내화성 물질 혹은 물질들의 층 또는 층들이다.
여기에서 사용되는 바와 같이, "열전쌍 센서"라는 용어는 보통 열전쌍의 원단부에 있고, 서로 다른 금속이 부착되어 전위차가 발생되는 지점을 기술한다.
여기에서 사용되는 바와 같이, "써모웰"은 기체 흐름에 대한 실질적인 장벽를 제공하고 압력을 견디고 밀봉할 수 있는 보호 외장이다.
여기에서 사용되는 바와 같이, "외장" 및 "보호 외장"이라는 용어는 적어도하나의 열전쌍 와이어에 대한지지, 보호, 및 전기적 절연을 제공하는 물체를 기술하기 위하여 번갈아 가며 사용된다.
여기에서 사용되는 바와 같이, "용융 슬래그"라는 용어는 반응 조건에서 유체일 수 있는 슬래그, 재, 금속, 실리카, 및 다른 오염물을 포함한다.
고온의 기화 공정에서, 고온의 부분적인 산화 기체는 탄화수소 연료 예를 들면 석탄, 오일, 탄화수소 폐기물 등으로부터 발생된다. 이러한 공정에서, 탄화수소 연료는 기화 반응로에서 공기나 산소와 같은 반응성 산소를 함유하는 기체와 반응하여 고온의 부분적인 산화 기체를 얻는다. 따라서, 기화기 반응로는 특별히 디자인된 부분적인 연소기이다. 기화기 반응로의 반응 지역에서, 탄화수소 연료는 선택적으로 온도 조절기의 존재 하에서 자유 산소를 함유하는 기체와 접촉한다. 반응 지역에서, 내용물은 보통 약 1,700℉(930℃) 내지 약 3,000℉(1650℃)의 온도 범위, 더 전형적으로 약 2,000℉(1100℃) 내지 약 2,800℉(1540℃)의 범위에 도달할 것이다. 압력은 전형적으로 약 1 기압(100 KPa) 내지 약 250 기압(25,000 KPa)의 범위, 더 전형적으로 약 15 기압(1500 KPa) 내지 약 150 기압(1500 KPa)의 범위에 있을 것이다.
많은 적용예에서 연료는 상당한 양의 재를 포함한다. 기화 온도에서 재는 부분적으로 혹은 완전히 용융될 수 있다. 일반적으로 재가 기화 반응로를 떠날 때까지 재를 용융 상태로 유지시키는 것이 바람직하다. 그렇게 하지 않으면 입자상 물질이 축적되어 반응기가 막힐 수 있다. 그러나, 이 용융된 재, 혹은 슬래그는 그것이 접촉하는 표면에 대단히 거슬리는 것이다. 용융 재는 내화성 벽돌을 공격하고,이 벽돌이 주기적으로 교체될 것을 필요로 한다.
기화기는 기화기 내부의 압력을 견디도록 디자인되어야 한다. 일반적으로 이것은 도 1에 도시된 금속 쉘(10)을 필요로 한다. 상기 쉘은 강철, 몰리브덴, 혹은 다른 적당한 물질일 수 있다. 이 쉘은 작동시 상기 쉘이 도달하는 가장 높은 온도에서 기화기에서 발생하는 압력을 견딜 수 있어야 한다. 기화기의 내부에서 전형적인 약 2000℉(1100℃)의 온도에서 강철의 강도는 심하게 위험에 노출되게 된다.
따라서, 기화 지역과 상기 쉘 사이에는 절연 벽돌(22)의 층 또는 층들이 있다. 이 절연 벽돌은 약 6 인치(15 cm) 두께 내지 10 인치(25 cm) 두께를 훨씬 상회하는 범위에 있을 수 있다. 상기 벽돌은 다수의 중복 층으로 보통 존재한다. 상기 벽돌은 어느 것이든 적당한 내화성 물질로 제조된다. 그것은 가끔 알루미나, 크로미아, 마그네시아, 혹은 그들의 혼합물이다. 절연 벽돌은 가끔 고온 외장 벽돌보다 밀도가 낮든 물질로 주조된다.
열전쌍 설치대는 기화기 쉘에 있는 개구부(32) 및 절연 벽돌을 통하여 연장되어야 한다. 금속 쉘과 절연 벽돌의 열팽창계수는 다르다. 따라서, 반응로가 가열되고 냉각됨에 따라, 쉘과 절연 벽돌은 보통 서로에 대하여 상대적으로 움직인다. 열전쌍이 통과하는, 상기 쉘과 절연 벽돌을 통하는 개구부(32)는 상기 쉘, 절연 벽돌, 및 선택적으로 고온 외장 벽돌이 열전쌍을 전단하지 않으면서 서로에 대하여 상대적 움직임을 허용하기에 충분한 크기의 직경을 가지고 있어야 한다. 본 발명의 한 실시예에서, 상기 개구부는 직경이 바람직하게는 약 0.5 인치(1.3 cm) 및 약 6 인치(15 cm) 사이에 있다. 상기 개구부는 바람직하게는 직경이 약 1 인치(2.5 cm)내지 약 4 인치(10 cm) 사이에 있고, 더 바람직하게는 1.5 인치(3.8 cm) 및 약 2.5 인치(6.4 cm) 사이에 있다.
절연 벽돌의 내면에 고온 외장 벽돌(24)의 하나 이상의 층이 있다. 이 고온 외장 벽돌은 가끔 절연 벽돌과 조성에서 유사하다. 그러나 그 외장 벽돌은 밀도가 일반적으로 절연 벽돌보다 높다. 이 고온 외장 벽돌은 절연 벽돌보다 더 열적으로 전도성이 높다. 이 고온 외장 벽돌은 적당한 내화성 물질, 즉 알루미나, 크로미아, 마그네시아, 혹은 그들의 혼합물로 제조된다. 이 고온 외장 벽돌은 기화 지역에 노출된다. 상당한 양의 슬래그, 즉 전체 공급재료의 약 0.1 중량%를 초과하는 공급재료를 위하여, 고온 외장 벽돌은 바람직하게는 높은 크로미아, 마그네시아, 혹은 그들의 혼합물과 같은 내슬래그성이 보다 큰 내화성 물질로 제조된다.
고온 외장 벽돌 층 혹은 층들(24)은 그 두께가 약 4 인치(10 cm) 내지 약 14 인치(36 cm)의 범위에 있다. 바람직한 고온 의 외장 벽돌의 두께는 6 인치(15 cm) 내지 약 12 인치(31 cm)의 범위, 더 바람직하게는 약 8 인치(20 cm) 내지 약 10 인치(25 cm)의 범위에 있다.
열전쌍은 기화 공정에 존재하는 환경, 특히 기화 반응로에 존재하는 환경에서 대단히 짧은 수명을 가진다. 상대적으로 짧은 수명은 일부 기화 반응로의 작동시 널리 퍼져 있는 부식성 분위기에 기인한다. 이러한 환경에 노출된 보호되지 않는 열전쌍은 재빨리 손상받고 쓸모가 없게 된다. 그러한 손상은 열전쌍이 반응로에 존재하는 용융 슬래그와 접촉할 때 가장 심할 수 있다. 그러한 열전쌍은 수분 내에 작동하지 않게 될 수 있다.
본 발명의 열전쌍 센서(30)는 고온 외장 벽돌(24)의 층 뒤에 설치된다. 써모웰을 가지거나 가지지 않는 열전쌍(26)은 연속하여 강철 기화 쉘(10)에 있는 개구부를 통과하고, 그 후 내화성 절연 벽돌(22)의 정렬된 개구부(32)를 통과하고, 그런 후 선택적으로 고온 외장 벽돌(24)의 일부를 통과한다.
온도 감응, 즉 기화기 온도의 변화가 열전쌍의 감응에 반영되는 시간은 열전쌍과 기화 지역 사이의 고온 외장 벽돌 층의 두께에 일부 의존한다. 게다가, 상기 고온 외장 벽돌의 미약한 절연 효과는 고온 외장 벽돌 뒤에 설치되어 있는 열전쌍의 눈금이 낮아지게 하는 결과를 유발한다. 시간 지연과 온도 차이는 열전쌍 센서(30)와 기화기 내부 사이의 고온 외장 벽돌의 층이 두꺼울수록 두드러진다. 열전쌍 센서와 기화기 내부 사이의 고온 외장 벽돌의 층의 두께는 약 12 인치(31 cm)이하, 바람직하게는 9 인치(23 cm)이하, 더 바람직하게는 6 인치(15 cm)이하 및 가장 바람직하게는 약 4.5 인치(12 cm)이하이어야 한다. 동시에, 고온 외장 벽돌은 용융 슬래그 및 기화기 내부의 분위기에 의하여 공격받고, 고온 외장 벽돌은 작동하지 않을 수도 있다. 이 작동의 정지는 열전쌍의 전면에 있는 고온 외장 벽돌의 감소된 두께에 의하여 야기된 장력에 의해 가속화 될 수 있다. 그러므로, 고온 외장 벽돌의 두께는 바람직하게는 약 2 인치(5 cm)보다 크고, 더 바람직하게는 약 3.5 인치(8.9 cm)보다 크다. 더 많은 양의 용융 슬래그, 즉 슬래그의 0.1 중량%보다 많은 양의 용융 슬래그를 발생하는 탄화수소 공급재료의 경우, 고온 외장 벽돌의 두께는 바람직하게는 약 3.5 인치(8.9 cm), 더 바람직하게는 약 4 인치(10 cm)보다 크다.
이러한 크기들은 다양한 공급재료의 경우 달라질 수 있다. 열전쌍을 포함하는 개구부와 기화기 내부 사이의 고온 외장 벽돌의 두께는 고온 외장 벽돌의 두께의 약 20% 내지 약 100%의 범위, 바람직하게는 약 30% 내지 66%, 및 가장 바람직하게는 약 40% 내지 약 60% 에 있을 수 있다. 상기 개구부와 기화기 내부 사이의 두께가 100%이하인 정도로, 상기 개구부가 절연 벽돌에 있는 개구부로부터 연속적으로 연장되는 것이 바람직하다. 기화기의 내부로부터 본 고온 외장 벽돌은 제거된 물질의 양이 실질적으로 많지 않은 것이 유리할 것이다.
본 발명의 특히 바람직한 실시예는 평균 두께가 약 8 인치(20 cm) 내지 약 10 인치(25 cm)인 고온 외장 벽돌, 열전쌍의 전면에서 두께가 약 3.5 인치(8.9 cm) 내지 약 4.5 인치(11.4 cm)인 고온 외장 벽돌, 및 고온 외장 벽돌을 일부 통과하여 연장되는 개구부 혹은 개구부들을 구비한다. 이 개구부는 쉘과 절연 벽돌을 통과하여 연장되는 개구부와 연속적일 것이다. 이 개구부는 절연 벽돌 및 고온 외장 벽돌 속으로 주조될 수 있거나 설치된 벽돌 속으로 기계로 가공될 수 있다. 그 개구부의 크기와 내화성 물질의 장착은 열전쌍이 반응로의 가열 및 냉각 도중 열팽창과 움직임으로 인해 전단되지 않도록 이루어 져야 한다.
도 1에 도시된 바와 같이 절연 벽돌, 외부 쉘, 및 플랜지 어셈블리와 함께 열전쌍의 전면에서 고온 외장 벽돌이 4 인치의 두께를 가지는 경우, 열전쌍이 반응로 내부의 온도 변화에 감응하는 데 20 내지 30 초가 지연된다. 열전쌍은 또한 통상적으로 설치된 열전쌍보다 약 100℉(55℃) 내지 약 300℉(170℃) 낮은 온도를 나타낼 것이다. 그러나, 일단 알려지고 보정되면, 반응로의 작동 및 조절시 양 인자들은 고려되어 질 수 있다.
열전쌍은 열전쌍 센서(30)가 내화성 벽돌들 (22 및 24)에 닿지 않도록 설치되어야 한다. 열전쌍 센서는 열전쌍 센서와 기화기 내부 사이에서 고온 외장 벽돌의 뒷면으로부터 바람직하게는 약 0.25 인치(0.6 cm) 및 약 3 인치(8 cm) 사이, 더 바람직하게는 약 0.5 인치(1.2 cm) 및 약 1 인치(2.5 cm) 사이에 있어야 한다.
열전쌍(26)은 한 쌍의 와이어(18)를 포함한다. 상기 와이어는 열전쌍이 열원에 노출될 때 전압의 차이가 발생할 수 있도록 다른 금속으로 제조된다. 예를 들면, 상기 와이어는 두 와이어에서 플라티늄 및 로듐의 함량이 다른 플라티늄과 로듐을 일차적인 치환체로서 함유할 수 있다. 예를 들면, 한 와이어는 약 30%의 로듐을 함유하고 반면에 다른 와이어는 약 6%의 로듐을 함유할 수 있다. 다른 방법으로, 한 와이어는 순수한 플라티늄이고 다른 와이어는 10% 혹은 13%의 로듐을 함유할 수 있다. 두 와이어 모두의 경우, 나머지는 주로 플라티늄이다. 일반적으로 보호 외장의 단부에 열전쌍 센서를 설치하는 것이 바람직하다. 상기 와이어는 고온의 접합부(30)와 저온의 접합부(미도시)에서 서로 연결된다. 상기 용어 "고온" 및 "저온"들은 기화 반응로의 온도를 측정하려고 할 때 사용되며, 고온의 접합부(30)가 열원에 가까이 위치한다. 상기 두 와이어의 전위차를 측정한다. 전위차를 어떻게 측정하는가는 중요하지 않다. 사실, 전위차를 측정하는 방법에 대하여는 다양한 방법이 당업자들에게 알려져 있다. 이러한 방법들의 어느 것도 본 발명에 사용될 수 있다. 예를 들면, 전압계를 열전쌍 회로에 설치할 수 있다. 다른 방법으로, 및 바람직하게는, 저온의 접합부가 온도 전달기(미도시)에 제공될 수 있다. 그 후, 온도전달기에 의하여 발생한 신호는 신호 전달 수단(미도시)에 의하여 제어실 혹은 다른 곳으로 연계될 수 있다.
고온 및 저온의 접합부를 제외하고, 상기 두 개의 열전쌍은 다른 방법으로는 서로 전기적으로 절연되어 있다. 어떻게 절연되는가는 중요하지 않지만, 이 실시예에서, 전기적 절연은 보호 외장(28)내부에 있는 분리된 개구부에 삽입되거나 캐스트된 고온, 고순도의 세라믹에 의하여 제공된다.
본 발명의 두가지 실시예가 있다. 그 첫 번째는 써모웰을 사용하여 열전쌍에 부가적인 보호를 제공한다. 열전쌍은 플랜지로부터 연장되는 써모웰내에 둘러싸인다. 상기 써모웰은 몇몇 상황 하에서 열전쌍이 기화기 작동과 함께 사용될 수 있게 하는 압력(기체) 장벽을 생성할 것이다. 이 기체 장벽은 절대적이 아닐 수 있다. 예를 들면, 인용에 의하여 본 발명에 통합된 미국특허 제5,005,986호에 기술된 팔라듐/은 써모웰은 수소를 통과시킨다. 그럼에도 불구하고 써모웰은 몇몇 조건 하에서 열전쌍이 근본적으로 대기압 상태에 있게 한다. 그러나, 써모웰이 반응로로 연장된다는 것이 결점이고, 고온 외장 벽돌에 있는 파손은 부식성 용융 슬래그가 직접 압력 장벽을 공격하게 한다. 그러므로, 이것은 본 발명의 바람직한 실시예가 아니다.
열전쌍과 써모웰 어셈블리는 써모웰을 열전쌍 플랜지(14)에 스크류되거나, 볼트로 죄거나, 클램핑됨으로써 제 자리에 고정된다. 두 개의 분리된 연결 수단을 사용하여 열전쌍(26)이 써모웰을 제거하지 않고 교체될 수 있다는 점에서 증가된 효율을 제공한다.
다른 방법으로, 보호 외장(28)은 압력 씰(seal)을 형성하지 않고 열전쌍을 보호하는 데 사용될 수 있다. 어느 지점에서든 열전쌍 와이어는 압력 용기 밖으로 나가야 한다. 상기 와이어는 제거 가능한 플랜지(14)에 꼭 맞는 부싱(bushing)과 접촉하는 압력 씰 피팅(fitting)을 통과한다. 플랜지(14)는 압력 용기 기화 반응로의 외부 강철 벽(10)과 짝을 이루는 이음쇠(reducer) 플랜지(12)와 짝을 이룬다.
열전쌍 주위의 압력 씰은 온도가 기화 온도로부터 상당히 감소되는, 즉 1000℉(540℃) 이하, 바람직하게는 600℉(320℃) 미만, 더 바람직하게는 약400℉(200℃) 미만으로 감소되는 위치에 만들어지는 것이 바람직하다. 그러므로, 압력 씰은 고온 외장 벽돌이 파손되는 경우 용융 슬래그에 의하여 공격을 받지 않게 될 것이다. 슬래그는 고화될 것이고 압력 씰에 도달하지 않을 것이다. 게다가, 고무나 다른 압력 씰 연결체는 일반적으로 기화기에 존재하는 온도에 노출되지 않으면 더 긴 수명을 가진다. 압력 씰은 일반적으로 열전쌍 플랜지(14) 가까이 혹은 내부에 만들어진다.
보호 외장은 일반적으로 적당한 내화성 물질, 즉 알루미나, 크로미아, 마그네시아, 혹은 그들의 혼합물로 만들어진다. 그러나, 보호 외장은 용융 슬래그에 노출되지 않을 것이고, 따라서 반응로가 용융 슬래그를 포함한다고 하더라도 덜 비싼 알루미나로 만들어 질 수 있다. 보호 외장은 일반적으로 두 개의 전기 연결부 사이에 있는 절연체를 포함한다. 바람직한 실시예에서, 보호 외장은 열전쌍 와이어가 개구부들을 통과하고 개구부들이 와이어가 연결되는 점을 제외하고 서로 교차하지 않는 보호 외장의 길이를 통하는 개구부를 구비한다.
상기 보호 외장외에도, 당업자에 의하여 사용되거나 개발된 다른 보호 외장도 사용될 수 있다. 열전쌍 및 보호 외장을 둘러싸는 부가적인 보호 외장도 바람직할 수 있다. 그러한 외장들은 Al2O3, MgO, 크롬-마그네시아, 고순도 크롬, 몰리브덴, 스텐레스강, 혹은 그들의 혼합물 또는 조합물과 같은 내화성 및/또는 비내화성 물질의 장벽을 포함할 수 있다. 조합물이란 같은 외장에 다른 두 개 이상의 물질을 의미한다.
본 발명의 실시예에서, 보호 외장은 내부 보호 외장 및 외부 보호 외장으로 구성된다. 내부 보호 외장은 알루미나 혹은 마그네시아와 같은 낮은 공극율의 고밀도 내화물질로부터 형성될 수 있다. 전형적으로 낮은 공극율의 고밀도 내화성인 주조 가능한 내화성 물질은, 내부 보호 외장 주위에 부어지고 내부 보호 외장의 개구부이외의 모든 것 주위에 외부 보호 외장을 형성하도록 하게 한다. 바람직하게는 이 주조 가능한 낮은 공극율의 고밀도 내화 물질은 크롬 산화물 혹은 크롬-마그네시아를 포함한다.
고온 외장 벽돌은 압력 씰을 형성하지 않는다. 따라서, 플랜지 혹은 플랜지들(12 및 14) 혹은 압력을 밀봉하기 위한 다른 적당한 어셈블리가 있어야 한다. 열전쌍이 필요에 따라 사용될 수 있도록 이 어셈블리는 제거 가능한 것이 유익할 것이다. 적어도 하나의 플랜지는 기화기 쉘에 있는 개구부를 밀봉하여 기화기를 기체가 새지 않게 하는 바람직한 수단이고, 동시에 열전쌍을 수리를 위하여 제거하는 수단을 제공한다. 짝을 이루는 플랜지 대신에, 나사진 캡(cap) 및 노즐 혹은 다른 연결 수단이 사용될 수 있다.
플랜지는 유익하게 고온 외장 벽돌 및 절연 벽돌로부터 방사되는 복사열로부터 보호된다. 그렇지 않다면 플랜지는 과도하게 뜨거워 질 수 있다. 한 보호 방법은 열전쌍이 플랜지를 통하여 연장되게 하는, 기화기 쉘 및 대향하는 플랜지로부터 바깥쪽으로 플랜지를 부착되도록 하고, 상기 보호 외장을 둘러싸는 플랜지 본체 내에 적어도 하나의 혹은 바람직하게는 복수의 와셔 장치(20)를 구비하게 하는 것이다. 도넛(donuts) 모양을 할 수 있은 이러한 와셔 장치는 보호 외장을 둘러싼다. 이러한 와셔 혹은 도넛은 유연한 절연 물질로 제조되는 것이 바람직하다. 카오울(kaowool)로 만들어진 도넛이 특히 바람직하다. 이러한 도넛들 혹은 와셔들 사이에 위치한 얇은 유연한 장벽(32)도 또한 유익하다.
이러한 도넛, 와셔, 및 얇고 유연한 장벽들은 고온 외장 벽돌로부터 발생되는 복사열로부터 개구부를 밀봉한다. 이 고온 외장 벽돌은 흑체처럼 작용하여 보호 외장이 움직이는 경로를 따라서 열을 방사할 수 있다. 보호 외장은 일반적으로 직선형이다. 이 복사열을 차폐하여, 보호 외장이 압력 씰의 밖으로 나가고 더 일반적인 와이어에 연결되는 지점을 약 1000℉(540℃) 이하, 바람직하게는 400℉(200℃) 이하로 유지시킬 수 있다. 이러한 도넛, 와셔, 얇은 유연한 장벽들은 또한 대류성 열 흐름에 대한 부분적인 장벽을 형성한다.
이음쇠 플랜지(12)를 사용하면 열전쌍이 이러한 도넛, 와셔, 및 얇은 유연한 장벽을 최소로 방해하면서 제거되고 사용되게 한다. 이 실시예에서 열전쌍 자체는 열전쌍 플랜지(14)상에 설치된다. 이 열전쌍 플랜지의 외부에서, 예를 들면 도관 내부의 말단 블록(16)에 의하여 열전쌍 리드선은 일반적인 고온의 와이어에 연결될수 있도록 온도는 충분히 감소될 수 있다. 이 도관은 가스가 예를 들면 제어실로 방해 없이 이동하는 것을 방지하는 가스 씰(seal)을 구비한다. 가압 기화 반응로 및 대기상의 도관 사이의 압력 씰은 바람직하게는 열전쌍 플랜지(14) 내부에 혹은 인접하게 만들어진다.
본 발명의 다양한 실시예에 따라 고온 외장 벽돌 뒤에 열전쌍을 위치시키면, 다른 이점들 중, 내슬래그성 보호 외장에 집어넣은 일반적인 열전쌍에 비하여 열전쌍의 유용한 수명을 증가시킨다.
다른 실시예에서, 하나 이상의 열전쌍을 적어도 해당하는 수의 내부 보호 외장을 구비하는, 고온 외장 벽돌 뒤의 공간(32)속에 삽입한다. 그러한 실시예에서, 하나 이상의 열전쌍의 원단부(30)는 보호 외장의 길이를 따라서 다른 지점에 유리하게 위치하고, 혹은 보호 외장은 상기 공간 속으로 다른 깊이로 연장된다. 열전쌍이 위치하는 깊이는 고온 외장 벽돌의 전면으로부터 2 인치(5 cm)만큼 다르다는 것이 바람직하다. 예를 들면, 두 개의 열전쌍이 사용되는 실시예에서, 보호 외장을 최종적으로 통과하는 슬래그는 일반적으로 그 끝에 가장 가깝게 위치한 열전쌍에 먼저 도달할 것이다. 이 열전쌍은 이어서 작동하지 않게 될 것이다. 그 후 슬래그가 제 2열전쌍에 도달하여 작동하지 못하게 하는 데는 부가적인 시간을 요구한다. 따라서, 그 공정은 더 오랫동안 수행될 수 있고, 기화기를 끄고 다시 재개하는 것을 비상 폐쇄할 필요성 없이 미리 계획할 수 있다. 제 2열전쌍이 제공하는 정확도는 제 1열전쌍만큼 양호하지는 않더라도, 제 2열전쌍의 눈금판독은 제 1열전쌍의 실패 전에 모아진 데이터에 근거하여 수정될 수 있기 때문에 그 차이는 공정 제어에 문제점을 제시하지 않는다.
본 발명의 다른 실시예에서, 보호 외장 및 선택적으로 고온 외장 벽돌을 통하여 연장되는 개구부들에 위치한 써모웰내의 일반적인 열전쌍을 포함하지만 그들에 한정되지 않는 기화기 온도를 측정하는 하나 이상의 다른 수단이 있을 수 있고, 상기 외장은 언급한 내화성 물질 혹은 후에 적당하다고 발견된 물질로 이루어진다. 열전쌍의 온도는 기화기 환경에 더 직접적으로 노출되는 고온 외장 벽돌 뒤에 위치한 열전쌍에 의하여 기록되는 온도의 수렴도를 이용하여 고온 외장 벽돌의 조건을 평가할 수 있다. 예를 들면, 기화기 내부에 더 완전히 노출된 열전쌍보다 보통 200℉(110℃) 낮은 온도를 나타내는 고온 외장 벽돌 뒤의 열전쌍이 예를 들면 기화기 내부에 더 완전히 노출된 열전쌍보다 100℉(55℃) 낮은 눈금에 가까워지면, 이것은 고온 외장 벽돌의 층이 얇아지는 증거이다. 만약 두 개의 측정이 같은 값을 가지면, 이것은 고온 외장 벽돌이 실질적으로 파손되었다는 증거이다. 최종적으로, 열전쌍이 슬래그 공격에 기인한 작동을 멈추면, 이것은 적어도 열전쌍과 기화기 내부 사이의 고온 외장 벽돌의 깊이까지, 슬래그에 의하여 고온 외장 벽돌이 파손되었다는 증거이다. 문제가 심각해지기 전에 고온 외장 벽돌이 실패하고 있다는 것에 다한 정보는 보다 질서 정연한 방식으로 시스템의 작동을 멈출 수 있고 작동 정지시 수리할 시간을 벌 수 있다.

Claims (20)

  1. 탄화수소 물질을 기화시키고 용융 슬래그를 포함하며 쉘, 절연 벽돌, 및 고온 외장 벽돌을 구비하는 반응로에 장착되는 열전쌍 장치로서, 기화기 쉘 및 절연 벽돌에 위치하며 고온 외장 벽돌을 완전히 통과하여 연장되지 않는 개구부를 통하여 연장되는 보호 외장에 싸여진 열전쌍 센서 및 와이어를 구비하는 열전쌍 장치.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 외장은 알루미나, 크로미아, 마그네시아 혹은 그들의 혼합물을 포함하는 것을 특징으로 하는 보호 외장.
  3. 제 1항에 있어서, 상기 외장이 알루미나를 포함하는 것을 특징으로 하는 보호 외장.
  4. 제 1항에 있어서, 상기 외장이 외장의 길이의 일부분을 통하여 축상으로 연장되는 개구부들을 포함하고, 열전쌍 와이어가 상기 개구부들을 통과하고 상기 개구부들은 한 지점에서만 서로 교차하는 것을 특징으로 하는 보호 외장.
  5. 제 1항에 있어서, 상기 열전쌍 센서는 열전쌍 센서와 기화기 내부 사이의 고온 외장 벽돌의 뒷면으로부터 약 0.25 내지 약 3 인치 사이에 위치한 것을 특징으로 하는 열전쌍 장치.
  6. 제 1항에 있어서, 상기 열전쌍 센서는 열전쌍 센서와 기화기 내부 사이의 고온 외장 벽돌의 뒷면으로부터 약 0.5 내지 약 1 인치 사이에 위치한 것을 특징으로 하는 열전쌍 장치.
  7. 제 1항에 있어서, 상기 개구부의 직경이 약 1 내지 약 4 인치인 것을 특징으로 하는 열전쌍 장치.
  8. 제 1항에 있어서, 상기 개구부의 직경이 약 1.5 내지 약 2.5 인치인 것을 특징으로 하는 열전쌍 장치.
  9. 제 1항에 있어서, 상기 열전쌍 센서와 기화기 내부 사이의 고온 외장 벽돌 층의 두께가 약 2 인치 내지 약 9 인치 사이인 것을 특징으로 하는 열전쌍 장치.
  10. 제 1항에 있어서, 상기 열전쌍 센서와 기화기 내부 사이의 고온 외장 벽돌 층의 두께가 약 3.5 인치 내지 약 6 인치 사이인 것을 특징으로 하는 열전쌍 장치.
  11. 제 1항에 있어서, 상기 생성된 용융 슬래그는 약 0.1 중량% 이상의 탄화수소 물질이고, 상기 개구부와 기화기 내부 사이의 고온 외장 벽돌 층의 두께가 약 3.5 인치 내지 약 4.5 인치 사이인 것을 특징으로 하는 열전쌍 장치.
  12. 제 1항에 있어서, 상기 개구부는 고온 외장 벽돌을 일부 관통하여 연장되고, 상기 개구부와 기화기 내부 사이의 고온 외장 벽돌 층의 두께가 약 3.5 인치 내지 약 6 인치 사이이고, 고온 외장 벽돌의 두께가 달리 약 8인치 내지 약 10 인치인 것을 특징으로 하는 열전쌍 장치.
  13. 제 1항에 있어서, 복수의 보호 외장에 열전쌍 와이어와 센서를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 열전쌍 장치.
  14. 제 14항에 있어서, 상기 최내부의 보호 외장이 알루미나, 마그네시아, 크롬-마그네시아, 고순도 크롬, 혹은 그들의 혼합물을 포함하고, 상기 최외부의 보호 외장이 알루미나, 마그네시아, 크롬-마그네시아, 고순도 크롬, 몰리브덴, 스텐레스강, 혹은 그들의 혼합물 또는 조합물을 포함하는 것을 특징으로 하는 열전쌍 장치.
  15. 제 14항에 있어서, 상기 내부의 보호 외장이 알루미나 혹은 마그네시아 혹은 그들의 혼합물로 형성되고, 상기 외부 보호 외장이 상기 내부 보호 외장 주위에 주조된 크롬 산화물 혹은 크로미아-마그네시아를 포함하는 것을 특징으로 하는 열전쌍 장치.
  16. 제 1항에 있어서, 열전쌍을 써모웰에 집어넣는 것을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 열전쌍 장치.
  17. 제 1항에 있어서, 상기 기화기 쉘로부터 밖으로 부착된 플랜지 및 대향하는 플랜지를 더 포함하고, 상기 열전쌍은 상기 플랜지를 통하여 연장되고, 보호 외장을 둘러싸는 것내에 적어도 하나의 와셔 장치를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 열전쌍 장치.
  18. 제 18항에 있어서, 상기 와셔 장치는 카오울을 포함하는 것을 특징으로 하는 열전쌍 장치.
  19. 제 1항에 있어서, 하나 이상의 보호 외장으로 싸여 있는 복수의 열전쌍 센서 및 와이어를 더 포함하고, 상기 열전쌍 센서는 고온 외장 벽돌의 전면으로부터 소정의 거리에 있고, 상기 거리는 다른 것과 적어도 2 인치 만큼 다른 것을 특징으로 하는 열전쌍 장치.
  20. 탄화수소 물질을 기화시키고 용융 슬래그를 포함하며, 쉘, 절연 벽돌, 및 고온 외장 벽돌을 구비하는 반응로에 장착되는 열전쌍 장치로서, 상기 열전쌍 장치는 기화기 쉘 및 절연 벽돌에 있는 개구부를 통하여 연장되는 보호 외장으로 싸여 있는 열전쌍 센서 및 와이어를 구비하며, 열전쌍 센서를 함유하는 개구부와 기화기 내부 사이의 고온 외장 벽돌의 두께가, 열전쌍 센서를 함유하는 개구부와 기화기내부 사이의 고온 외장 벽돌에 인접하는 고온 외장 벽돌의 두께의 약 20% 내지 약 100%의 범위에 있는 것을 특징으로 하는 열전쌍 장치.
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