辐射式合成气体冷却器的制作方法

专利名称：辐射式合成气体冷却器的制作方法
辐射式合成气体冷却器
本发明的领域和背景
本发明总地涉及煤气化领域，具体地说，涉及用于集成气化联合循环
(Integrated Gasification Combined Cycle) (IGCC)发电厂的一种辐射式合成 气体冷却器。这种辐射式合成气体冷却器可用于容纳和冷却由IGCC发电厂中 的煤气化过程生产的合成气体。
与具有竞争力的固体燃料技术诸如粉煤燃烧兰金循环相比，烧固体燃料的 IGCC发电厂历来需要较高的初始投资并具有较低的运行有效性和可靠性。要 想使IGCC更有竞争力，需要改进的主要部件包括其非冷却的气化器以及辐射 式和对流式合成气体冷却器。由于压力容器容积的经济性和大多数发电厂安装 场所的运输尺寸限制，辐射式合成气体冷却器的设计受到总外径的实际限制。 在对容器直径的这些限制范围内，需要将用于冷却气体的辐射传热蒸汽产生表 面的紧凑性最大化，以使辐射式合成气体冷却器的总高度为最小。
Ziegler的美国专利No.4,768，470采用用蒸汽发生壁表面构造的同轴气道 来降低冷却器的总高度。这种设计给各个气道设置独立的水回路，以便于内部 和外部气道的单独吊运、拆装和检查。由巴布考克及威尔考克斯公司(The Babcock &Wilcox Company) 1992年研发的另一设计方法采用一个单一的蒸 汽发生壁表面的气道，其带有悬挂在气道内的附加蒸汽发生表面("翼壁")， 以使表面面积为最大并降低冷却器高度。其它的公司诸如GHHMann采用类似
的设计。
现有的技术方案还没有把该设备的成本降低到有竞争力的水平。用于冷却 供装有工业上最大的燃气轮机的发电厂耗用的合成气体的单个辐射式冷却器 的高度可超过150英尺。某些发电厂的设计采用两个冷却器来降低总高度，但 却进一步增加了成本。此外，为了提高发电厂的运行有效性，发电厂的设计中 还包括冗余的气化器、辐射式冷却器和对流式冷却器，这使得成本更是大大增 加了。
用于对流式合成气体冷却器的现有技术方案需要一个来自辐射式冷却器 的单独的设备，带有连接这两个设备的被冷却气道。对流式冷却器的设计包括
水和蒸汽管子设计(水或蒸汽在管子内，燃气在管子外)(Shell Oil Company) 以及火管设计(燃气在管子内，水在管子外)(Steinmueller以及其它)。这 两种设计都需要用独立于辐射式冷却器的压力容器外壳和水/蒸汽系统。燃气气 道的拐弯处和对流式冷却器的进口处产生的紊流历来构成燃料煤灰脏污的根 源，而这可能是难以对付的。
气化器的现有技术方案包括非冷却的和冷却的耐火材料外壳。非冷却的外 壳(General Electric, Cpnoco以及其它)已经经历了过早失效和频繁更换。要 使这些设计有高的有效性通常需要有备用的气化器系列，和/或在气化器的修理 期间让燃气轮机以更高的成本烧油或气体。厚的耐火材料的非冷却设计的缓慢 加热升温和冷却降温时间会延长停机修理或更换耐火材料的时间。现有冷却的 气化器设计(壳牌石油公司(Shell Oil Company)，未来能源(Future Energy)) 采用单独的水或蒸汽发生回路，并用耐火材料涂层封闭和容纳气化器气体。某 些这类系统采用低压强制循环冷却水系统，这样的系统将把热量排出到发电厂 的蒸汽/水系统之外而降低效率。与采用蒸汽发生表面集成于下游的冷却回路的 这种环境相类似，用于在燃烧环境中容纳带有熔化的炉渣的炽热固体燃料气 体的已有技术包括Cyclone 火烧锅炉(巴布考克及威尔考克斯公司(The Babcock &Wilcox Company))。
因此，很明显，对于IGCC系统的商业规模的前景，经济的、紧凑的、可 靠性高和耐用性好的合成气体冷却器的研发是关键。

发明内容
本发明的一个方面是提供一种用于吸取由气化过程生产的合成气体的热 量的合成气体冷却器。该合成气体冷却器包括 一个壳体，其有合成气体进口 和合成气体出口；流体冷却的气道，其装在壳体内用于接收合成气体；流体冷 却的辐射传热表面，其部分地延伸于气道内用于冷却合成气体；以及用于把合 成气体从外部气道输送到合成气体出口的装置。
本发明的特征、特点和新颖性都明细地指出于所附的并构成本发明的一部
分的权利要求书中。为了更好地理解本发明、它的工作优点、以及从其应用中 可得到的具体效益，下面参照附图并以几个优选实施例图解地说明本发明。
附图简要说明 各附图中


图1是根据本发明的第一实施例的辐射式合成气体冷却器和选择的辅助 设备的外部立体图2是图1的辐射式合成气体冷却器的上部的外部立体图3是图1的辐射式合成气体冷却器的部分剖视立体图4是图3的辐射式合成气体冷却器的上部的部分剖视立体图5是图3的辐射式合成气体冷却器的下部的部分剖视立体图6是根据本发明的辐射式合成气体冷却器的第一实施例的侧视剖视图7是沿着图6中的箭头7 — 7的方向观看的剖面图8是沿着图6中的箭头8 — 8的方向观看的剖面图； 图9是沿着图6中的箭头9一9的方向观看的剖面图； 图IO是辐射式合成气体冷却器的第二实施例的部分侧视剖视图，表示出
对流传热表面在根据本发明的辐射式合成气体冷却器的下部的安放；
图11是卸压装置的第一实施例的示意图，其包括可与根据本发明的辐射
式合成气体冷却器结合使用的卸压风门组件；
图12是卸压装置的第二实施例的示意图，其包括可与根据本发明的辐射 式合成气体冷却器结合使用的卸压风门组件；
图13是辐射式合成气体冷却器的上部的部分侧视剖视图，其采用根据本 发明的合成气体进口的替代性实施例；以及
图14是辐射式合成气体冷却器的上部的部分侧视剖视图，其采用可与本 发明的辐射式合成气体冷却器结合使用的的辐射传热表面的替代性实施例。
具体实施例方式
在对本发明的优选实施例进行说明之前，先对辐射式合成气体冷却器的正 确设计的各种因数和设计准则作一个简要的讨论。
辐射式合成气体冷却器的主要功用是冷却由气化过程产生的热的合成气 体。结实耐用的、有经济效益的设计是必要的。因此，恰当地确定传热表面的 大小是重要的第一步，因为它是整个生产布局的初始驱动者。由于合成气体是 在极高的温度下进入合成气体冷却器，对大部分合成气体冷却器而言，辐射传 热起主导作用，但也不可忽视对流传热作用，特别是在合成气体被冷却到低温 时。
传热方法——确定蒸汽一水压力部分的热吸收对成功的运行是唯一最重 要的准则。跨越合成气体冷却器的气体温度降直接与蒸汽流动相关。热吸收与 合成气体在高压下的性质(特别是辐射率)、挟带的固定颗粒物、以及表面布 置和清洁度有关。
气众器^成气沐游教存錄丝~~气化系统中的燃烧产物大大地不同于工 作在大气压力下以空气作为氧化剂的一般锅炉的燃烧产物。之所以有诸多不同 是因为
燃烧非常不完全，约为化学当量配比的0.4; 将挟带有大量的固体颗粒物(煤灰，焦炭)； 炉子工作压力高；以及 燃料氧化剂是纯氧相对于空气。
这样形成的合成气体与一般锅炉的烟气在性质上有很大的不同。合成气体 中， 一氧化碳、氢和挟带固体颗粒物的含量高，而氮和氧的含量低。还有不可 忽视的硫化氢含量，其对考虑腐蚀是重要的。由于气体侧的工作压力高，合成 气体的密度相对较大。由于氢含量高，合成气体的分子量相对较小。综合起来 考虑，最终的影响是，这样生产的合成气体有明显地不同于一般锅炉烟气的流 体性质(比热、焓、热传导率、密度、以及辐射率)。
由于这些不同的流体性质，合成气体的热性能计算程序在以下四个主要方 面有别于大气压力锅炉
1. 对流传热率增大40 70% 。
2. 辐射传热率增大
3. 气体侧的压头损失不同。
4. 对传热的BTU的温度响应较小。比热和热容量增大，特别是由于氢含
量高(在1000F下氢的比热约为3.54BTU/lb-F)。
在这四个方面中，对设定辐射式合成气体冷却器内的表面，辐射传热和挟 带的固体颗粒物的影响是最重要的。此外，与氧化燃烧相比，高度的还原性环 境可降低煤灰的熔化点温度，而这可能影响炉渣覆盖围壁的程度。
;^^欽一气沐潔^懲^游^^丝^1~—颗粒物和气体混合物的辐射性质的 预估是复杂的但却是辐射式合成气体冷却器设计中的重要步骤。需要有专有的
计算机程序。这些程序包括诸如Iowa大学的基于指数宽带模型的预估气体性 质的RPGT计算机程序以及IBM公司的基于Mie理论的MIE计算机程序之类 的程序，它们都可用于预估颗粒的频谱性质。被称为颗粒物一气体混合物的辐 射性质(RPPGM)程序的另一个专有计算机程序允许快速地有效地得出辐射 性气体的性质并给出颗粒物性质的M正计算机程序的计算结果。
可将RPPGM程序与另一个传热程序并用来预估炉子或冷却器的总吸收 量。RPPGM程序可预估给定的颗粒物和气体混合物的辐射性质。在传统上， 当一种介质部分地分散时辐射率的定义不适用。沿着一个路径的辐射强度不再 是长度的函数，而且还取决于从该路径分散出来的和进入该路径的辐射。但是， 对于理想的状态，有效的(被调整了的)辐射率已被定义并用在RPPGM中， 其试图包括颗粒物的分散。对于适中地浓厚(PL二1)到光学上稀薄(PL—0) 的介质，对于辐射平衡或对于分散为很小的情况，用于评估有效的辐射率的假 设是正确的。这里e是消光系数，而L是光束长度。
对于在气化器的应用中典型地遇到的光学上浓厚的介质(0=5到7)， 用辐射率来计算辐射传热的区段式方法不适用于计算颗粒物分散的影响。于是 需要用通量式方法或射线跟踪方法来精确地定量分析辐射传热。离散坐标方法 是一种这样的方法，其被用在巴布考克及威尔考克斯公司(The Babcock & Wilcox Company) (B&W)的专有的计算流体动力学(CFD)计算机程序 COMOtm中。这种方法对气体一固体辐射传热利用辐射吸收量和分散系数替代 辐射率。对光学上浓厚的介质，这些系数也可用RPPGM程序来计算且更为可 罪。
所需传热表面大小的初始估算和传热表面性能的预估可以用一个经过调 整的辐射率方法近似地做出。但是，最终的传热表面需要量应该是基于CFD 模型技术和诸如COMOTM的计算机程序。
薪浙式合成气沐冷欲器游CFD漠星^^CFD模型通常是基于紊流流动、 化学反应、以及传热的各种相互作用过程的基本描述。B&W的COMOTM计算 机程序是专为各种燃烧系统(锅炉、炉子、以及燃烧器)的设计和评估而研发 的，并至今一直被用在高压吹氧或吹空气的挟带流气化器的设计中。COMO 的模型可用于预估辐射式合成气体冷却器的气体侧的传热性能。用先进的煤成 脱挥发分作用和焦炭氧化和气化模型模拟煤的燃烧。采用用于预估颗粒物气体 动力学特性、紊流扩散、以及热交换表面上的沉积的各数值方法(Lagrangian 方法用于大的颗粒物，Eulerian方法用于小的颗粒物)的组合预估颗粒物流动。 把紊流流动、能量和燃烧组合起来求解辐射传热。可把这样得到的气体一颗粒 物流、温度和热通量的预估数值用于辐射式合成气体冷却器的设计。
数值模型是用于预估在浓密的吸收和分散介质中的辐射传热的最精确的 方法，而这种介质在煤燃烧和气化系统中是无处不在的。COMOTM模型将离散 坐标方法用于燃烧系统中的辐射的数值分析，并包括燃烧器(冷却器围壁和分 支壁)的复杂的几何描述。离散坐标是由B&W的开拓性工作为多维几何体内 的热辐射而研发和优化的。从那时起，其日益得到普及，现已被用在许多其它 的商业CFD编码中。辐射的数值解法对于一个给定的温度场可给出辐射强度 和辐射热通量的分布。可将这种解法与能量守恒方程，以及气体和颗粒物的温 度和热动力学性质的关系结合。壁的温度可从对表面的对流和辐射传热的能量 平衡、质量传递、以及通过沉积物覆盖的水冷表面的热传导来确定。用于辐射、 气体和颗粒物的能量、气体和颗粒物的温度、以及壁温度的数值解法将最终给 出一个收敛、达到总的能量平衡的解。
燃烧气体和挟带的颗粒物，由于它们吸收、发射和分散辐射，在辐射传热 中起很大的作用。可基于气体辐射谱的基本模型精确地预估气体的辐射性质。 指数宽带模型可用于计算有H20、 C02、 CO、 CH4、 NO和S02的以及单质的 气体N2、 02、 H2的气体混合物的吸收和辐射性质谱。Mie理论是用于计算球 形颗粒物的辐射性质作为其成分、浓度、直径和波长的函数的一般方法。这些 方法要求对进入反应器的挟带颗粒物(焦炭、煤灰和烟灰)的成分、浓度以及 颗粒尺度分布有可靠的估算或测量。气体和颗粒物的辐射性质可被组合并方便
地表示为总的辐射、吸收和分散效率，这些效率取决于气体一颗粒物的成分、 温度和压力的局部变化。这些性质可被应用到辐射传热的数值方法中。在颗粒 物不是烟灰时，特别是对于预料进入辐射式合成气体冷却器的浓密颗粒物，分 散作用的影响不可忽略。那些求解辐射性输送方程的一般形式的数值方法包括 分散和吸收的影响。
煤灰沉积物的辐射率和热性质对传热也有很大影响。其辐射率取决于沉积 物层的温度、化学成分、结构和孔性、以及沉积物是否被部分地熔融或熔化了。 可基于实验测量值和锅炉传热性能方面的经验的组合把煤灰沉积物的热效应 和辐射效应包括在COMOTM模型中。由于用于预估炉渣累积对传热表面的影响
的方法是部分地经验的，所以应该用在工作的辐射式合成气体冷却器装置上的 其性能的现场测量值对那些方法进行校准。
传热表面设定——如上所述，可以用一个经过调整的辐射率方法来确定气 体的各辐射传热系数和经验的各表面脏污因数，以计算所需要的表面大小。在 确定被吸收的热量方面，表面清洁度起极其重要的作用，并且其可能难以预估。 各脏污系数通常是根据从燃料、运行条件和表面布置方面的经验确定的一些经 验值。表面可设定为能够吸收由将被在常态运行条件下供给到辐射式合成气体 冷却器的合成气体提供的规定的热输入。传热介质是水。水接收来自合成气体 的热，并将根据假定的给水温度和给定的热输入，按照已知的热动力学原理， 产生蒸汽流。
传热表面设计应该是在达到所要求的吸收的基础上不用吹灰机来清除在 运行过程中可能累积在传热表面上的沉积物。根据在现有气化装置上的经验， 经过长时间的运行，可能达到一个平衡的脏污和吸收率。本发明的发明人已经 注意到，在燃烧类似的燃料的工业和电站锅炉里也能达到这样的平衡状态，并 且这类锅炉的性能是非常容易管理的。经验表明，由于使用中炉渣在吹灰机上 的累积、腐蚀性气体的渗透、以及气体流密封系统的损坏，从实际的维护和有 效性观点来看，可拆装的吹灰机是不可取的。不伸入气体流中的壁面吹风机对 壁面是有效的，但通常不用于向外吹到分支壁那样的表面上，然而那里是炉渣 积累最多的。用这种型式的吹风机，不必接近容器壁面，就有助于解决某些问 题。但是，需要在难以接近的环形空间里设置很长的管系，并且这些管系仍将
容易受到腐蚀性产物的浸蚀。
为了确定可信的脏污系数，可以从现有辐射式合成气体冷却器性能的公共 可用信息进行原始资料计算。众所周知，这些现有的辐射式合成气体冷却器的 传热性能一直是比预料的好得多，这大部分是由于表面脏污程度比预料的低。 可建立表面构造的模型以及各表面脏污系数支持其计算值与性能匹配；但是， 对于满负荷烧煤状态，与本发明人在工业和电站锅炉方面的经验相比，相对较 低的辐射式冷却器出口温度已经给出了相对"清洁的"脏污系数。在这些装置 上在烧煤和石油焦混合物方面的近期经验表明，脏污系数比"只烧煤"过程中 达到的"更脏"。因此应能理解，必须根据要烧的燃料，如果有，以及实际的 现场数据，选择适当的各脏污系数。
由于辐射式合成气体冷却器容器的制造通常是不在安装现场进行，容器的 外径通常是设定为能够适应最大运输物件限制。通过向外扩胀管子外壳而靠近 压力容器的外壁并使内部分支壁表面的利用最大化，可以得到有效的设计。然 后辐射式合成气体冷却器的高度可以这样来设定，就是利用合适的表面脏污系 数(如上所述的)并求解方程来确定将能吸收达到所希望的合成气体出口温度 所需要的热量的传热表面的大小。合成气体的温度是以非线性的方式随着逐渐 远离辐射式合成气体冷却器进口而降低。可以预料在冷却器的出口处出现下降 的辐射传热驱动力，在那里将需要能起作用的附加辐射式合成气体冷却器高度 以使合成气体的温度有极其适中的下降(例如，对于给定的布置，辐射式合成 气体冷却器的10英尺附加高度仅能使合成气体温度附加地降低50F)。表面 脏污系数的增大将更进一步地改变这一关系，因而关于脏污的一个更保守的假 设要求大大地增加高度和成本。可以采取措施来现场增加应急表面，但由于高 度方面的逐渐下降的有效性，其只能产生有限的作用。很明显，只有安装更有 效的表面才能使容器按比例地减短。
总地参照各附图，其中类似的标号标示几幅附图中相同的或功能上相似的 构成要素，特别参照图1和2，它们表示出总地以标号IO标示的本发明的辐射
式合成气体冷却器(RSC)的第一实施例的立体图。RSC 10通常是圆筒形容器， 其有竖立定向的纵向轴线。RSC10以其顶部的合成气体进口 14接收来自气化 器(图l中以虚线表示，而图2中为了清晰将其省略了)的热的合成气体12。
RSC10设有支架5，其可把RSC10的载荷传递到邻接的钢铁支架(未示)。 以下将说明，RSC IO通过布置在其内的流体冷却表面从合成气体12吸取热量。 这些流体冷却的表面由许多管子构成，管子内的工作流体可以是水、蒸汽或它 们的混合物。 一个蒸汽鼓筒16设置成邻近RSC 10的上部并与RSC 10内部的 流体冷却表面流体连通。更具体地说，被称为下降管18的大管子流体地连接 于蒸汽鼓筒16的底部并把浅度冷却的水从蒸汽鼓筒16输送到RSC 10内部的 流体冷却表面。从合成气体12吸取的热使流体冷却表面内的水变成蒸汽。由 于流体密度的不同，流体在下降管18和被加热的流体冷却表面之间形成循环 流动，从而引发熟悉本技术领域的人皆知的自然循环过程。换言之，RSC 10 内的流体冷却的气道和辐射传热表面是设计成使得在合成气体冷却器10的常 态运行过程中从合成气体12吸取的热量足以引发流过流体冷却的气道和辐射 传热表面的自然循环。
较低密度的水/蒸汽混合物被输送而流过流体冷却表面并随后经由上升管 20流出RSC IO而回到蒸汽鼓筒16。蒸汽鼓筒16内的常规的汽/水分离装置(未 示)用于将水与蒸汽分离。饱和蒸汽从蒸汽鼓筒16顶部的饱和蒸汽出口连接 件22流出。被分离出来的水与通过给水进口 24供给的给水相混合并且重复该 过程。
关于蒸汽鼓筒的专门的全面描述和锅炉的一般描述见Steam / its generation and use, 41st Ed., Kitto & Stultz, Eds., 2005巴布考克及威尔考克斯 公司(The Babcock& Wilcox Company)，其内容以参见的方式纳入本文，就 像在本文中完全阐述了一样。
参照图3、 4和5，它们是图1的RSC 10的部分剖视立体图。气体12进 入设置在RSC 10内部的气道或围闭区域26。气道26由围壁28限定，优选的 是大致圆筒形的，并且通常是由流体冷却的管子构成，这些管子输送可以是水、 蒸汽或它们的混合物的工作流体，如前所述。除形成围壁28的流体冷却的管 子之外，气道26还设有多个辐射的流体冷却的分支壁表面30，它们是悬挂在 RSC 10内，并且其一个很大的部分暴露于进来的合成气体12，借以加热被输 送流过分支壁30的工作流体(水、蒸汽或它们的混合物)。
分支壁30通常是构造成平面的管排，各管子互相毗邻，可设置进口和出 口总管或联箱32，其可分布或汇集通过分支壁30输送的工作流体。所设置的 分支壁30的数目和布置应根据以上所述的传热和冷却要求来确定。因此，尽 管图3、 4和5表示出围绕RSC 10的竖直的纵向轴线布置了 12个分支壁30， 但是为了适应具体的传热和冷却要求，可以设置或多或少数目的分支壁30。
随着合成气体12向下流过气道26，它被围壁28和分支壁30冷却，并且 在RSC 10的下部52，合成气体12被送到水浴区域34，然后向上转大致180 度的弯而被输送到合成气体出口区域36，然后通过合成气体出口 38输送出 RSC 10。
现在参照图6、 7、 8和9，它们表示出根据本发明的RSC IO的第一实施 例。如图所示，热的合成气体12经由位于RSC IO顶部的合成气体进口 14进 入。热的合成气体12被向下输送通过气道26，在其内，气道围壁28和辐射传 热表面(分支壁)30从合成气体12吸取热量，使合成气体12的温度降低。气 道26的底部设有漏斗装置46，其优选的是截头圆锥形的并有喉口48。漏斗装 置46可汇集炉渣颗粒物并引导热的合成气体12向下流向在RSC 10的下部52 的水浴区域34。水浴区域34在运行过程中通常是充满水，并用来骤冷和湿润 热的合成气体12，此后，合成气体12经由合成气体出口38流出RSC 10。水 浴区域34也用于接收和冷却合成气体12中挟带的固态颗粒物并设有用于从 RSC 10除去固态颗粒物的颗粒物出口 54。
还设有用于从漏斗装置46向水浴区域34输送合成气体12的装置，其有 利地呈浸水管装置56的形式，该装置从漏斗装置46的喉口 48延伸到水浴区 域34。浸水管装置56的下端或称出口端58定位成接近水浴区域34并优选地 低于在RSC IO运行过程中水浴区域34内建立起来的水位表面。
合成气体12的骤冷是仿造传统的全骤冷系统设置的。因此还设置了形成 从浸水管装置56的出口端58向合成气体出口 38输送合成气体12通路60的 装置。有利的是，这个结构包括定位成围绕浸水管装置56的引流管装置62， 并且由于这两个结构通常都是圆筒形的(但不总是)，所以通路60通常是环 形的通路60。浸水管装置56和引流管装置62在运行过程中是浸在水位受控的 水浴内，水浴使在RSC IO底部的原始合成气体12冷却并饱和以水汽以及为炉 渣冷却和保存提供水浴。此外，与现有的装置相比， 一个内部的浸没的水浴骤
冷方法可产生独特的新的气体密封要求，以减轻容器壳体的腐蚀和保持围壁28 在压力瞬变中的完整性。
为了防止热的腐蚀性合成气体12跑到气道围壁28的"背后"去，在RSC 10内设置了密封板装置64，用以防止合成气体12进入容器壁44和气道围壁 28之间的环形区域42。密封板装置64通常在容器壁44和用于将合成气体12 从漏斗装置46输送到水浴区域34的装置之间(亦即容器壁44和浸水管装置 56之间)延伸。容器壁44和密封板装置64 —起部分地限定了合成气体出口区 域36。如前所述，合成气体出口区域36把合成气体12从水浴区域34输送到 合成气体出口 38。
设置有膨胀接头装置66，用以提供密封板装置64和漏斗装置46之间的 相对运动。还设置了用以适应容器壁44与流体冷却的气道围壁28和流体冷却 的辐射传热表面30两者中的至少一个之间的相对运动的膨胀接头装置50。
热的合成气体在流出漏斗装置46的喉口区域48时仍然具有很高的温度， 典型地是在1250F左右。为了冷却和湿润热的合成气体12，设置了骤冷装置 68，其有利地呈至少一个单体骤冷环68的形式，用于向合成气体12内喷射流 体(例如水)。在RSC 10的运行过程中，热的合成气体12进入浸水管装置 56，在其内合成气体12被部分地骤冷，温度从典型的1250F降低到950F左右 的较低温度。可以采用单个或多个骤冷喷射位置高度68。
如图10所示，其表示出本发明的RSC10的第二实施例，该例中，毗邻于 浸水管装置56，设置了对流传热表面70，以便在输送合成气体12通过合成气 体出口 38之前从合成气体12吸取附加热量。有利的是，对流传热表面70包 括一个或多个管排，它们布置成合成气体12流过管子的外壁。该对流传热表 面70可以是水或蒸汽冷却的。该对流传热表面70的管排可以设置在浸水管装 置56周围的任何地方并且各管子可处于任何方位。对流传热表面70可以和包 括围壁28和辐射传热表面30的蒸汽发生表面采用同一个流体回路(集成的冷 却方法)，这样就不必设置单独的冷却系统。或者，可以为对流传热表面70 采用单独的流体回路。主要目的是从合成气体12传出热量，以降低煤灰粘着 于管子并引起沉积和堵塞的倾向。由于有在浸水管装置56上游的直接喷射骤 冷系统68，在RSC 10的底部合成气体12的温度可降低到使对流式冷却器进
口通常发生堵塞问题的程度以下。还可将骤冷系统68设计成能够促使固体颗 粒物下落。在这一区域设置能满足规定的热量吸收的表面可降低传热表面的成
本和危险。取代规定的辐射传热负荷的15%—20%就可降低辐射表面和容器高 度达40%。对流传热表面70应是蒸汽一水冷却的，并且在要求的约为700F 到1000F的温度范围内是紧凑的和成本有效的。超过通常认为在辐射式冷却器 中可达到的的附加热吸收可以是可行的，可增大整个装置的效率。对流传热表 面70还可对RSC 10的合成气体12出口温度的不稳定起缓冲器的作用，从而 可降低设计对RSC 10内的表面脏污的敏感性。
管壁构造和金属温度一在优选实施例中，构成围壁28的管子是用外径2 英寸的管子构成的膜壁构造，管子壁厚相对较薄，管子间距很窄。管子直径和 间距是基于可避免高铬/镍合金材料的腐蚀的最高金属温度设定的，这种材料的 导热率约为碳钢的1/3。大大降低的导热率需要用大的管子外径和高的膜壁温 度。基于在最高温度区域的平均预料吸收率是68,000 BTU/ft2hr，到顶的现场吸 收率是设定为100，000BTU/ft2hr。对于工作在相对较高蒸汽压力下的2英寸直 径的管子，管子外和膜壁的最高温度接近800F。所选择的膜壁宽度是用常规 的膜壁焊接技术可制造的最小值。希望现有的装置相比，管子内径能更大以及 水的饱和温度更高，以提高蒸汽循环的效率。从现有装置的蒸汽工作压力按比 例增大可基于使管子温度为最低来收紧腐蚀保护裕度。
分支壁30的设计，较佳地采用较松的管子构造，每个管板约为3英尺宽， 用2英寸外径的管子。管子围壁28和分支壁30之间有小的空隙。分支壁30 的两侧都接收热量，因此吸收能力是管子围壁28的两倍。管子外壁的最高温 度不受较高的吸收的明显影响并且类似于围壁28的管子。在最小的膜壁宽度 下，由于两侧接收热量，膜壁温度高得不可接受。也可以考虑切向的管子构造 和管子与管子之间全焊接以形成切向的管板，还可考虑把分支壁30的全长焊 接到围壁28。
循环系统设计一循环系统必须适应起动过程中的热输入的快速上升斜率。 蒸汽鼓筒16的直径和长度是基于蒸汽流量和鼓筒膨胀要求确定的。 一旦气道 26的管子围壁28和分支壁30的管子尺寸和数量通过表面布置设定了 ，就可计 算水流面积，确定一个循环比，以及设定连接尺寸，以提供所有回路中的可接
受的水流速度、饱和水头的百分比、最好的蒸汽质量和稳定性。自然循环是优 选的，因为它有自调节能力，并且因不必用泵来运行和保持而降低运行成本。 但是，在图2中可以看到，可考虑采用循环泵40的可能性。此外，在某些情 况下，可能需要一个较小的循环泵来进行起动，当热输入稳定时可将这个泵关 掉并隔离。在起动过程中，可将来自一个外部汽源的蒸汽引入蒸汽鼓筒16，以 便在气化器温度升高过程中提高各压力部分的压力和温度。 一旦气化器的温度 升高到足以点燃煤，就需要由循环的水均匀地加热各压力部分。由于用以提高 压力的热量是在循环回路的顶部导入，没有使水循环的驱动力，因此，可能需 要在循环回路的底部导入蒸汽，或者增设小的循环泵来强制循环。 一旦循环建 立起来了，就可安全地进行煤在高热输入下的瞬间点燃，并可将起动循环泵关 掉和隔离。
蒸汽鼓筒16的定位和连接设计可选定为适应该设备在围绕着RSC 10的 钢铁构件中的循环和合理安放。在RSC 10的顶部，下降管18从蒸汽鼓筒16 进入RSC 10容器的顶部并穿过容器壁44和管子围壁28之间形成的环形空间 42延伸到RSC 10的底部。该布置可简化容器的连接和供给线路。
此外，蒸汽鼓筒16内可以设置蒸汽升温系统，用以在气化器点火之前用 循环泵40加热该设备而预热整个蒸汽一水系统。
合成气体的密封——为保护RSC 10容器壁44和不直接接触初始合成气 体12的各压力部分所要求的主要气体密封是在气体进口 14处，在围壁28的 顶板处，以及在骤冷系统68下游的合成气体出口 38处。在气体进口14处， 必须防止热的气体从耐火材料的背后流过以及防止在该高应力区域的容器壁 44的过热。这可以这样来做到，就是用气密的金属膨胀接头50包住各压力部 分以上的耐火材料颈部78并用氮气和/或清洁的回收合成气体加压其内部。在 顶板处,可采用一个穿过直接压力部分罩壳的气密构造和/或使各压力部分以上 的罩壳板远离炉子的辐射。在合成气体出口38处，可设置从容器壁44到浸水 管装置56的密封罩壳板，用金属膨胀接头66适应围壁28和容器壁44之间的 相对运动。紧密的密封可防止饱和的合成气体12接触包覆区域之上的压力部 分和容器。
在RSC 10的合成气体出口 38区域最好是有紧密的合成气体密封，以防
止初始的合成气体12接触该压力容器的和传热压力部分的设计为不采用耐腐
蚀材料的区域。气道围壁28和容器壁44之间有敞开空间，在常态运行条件下 用氮气或清洁的再循环(非腐蚀性)合成气体吹扫这些空间，以将初始的合成 气体据之其外。在失调状态，气化过程可能引起很大的压力瞬变，其将使密封 件承受极大的压力差并可能造成密封件的损坏，甚至会使各压力部分处于最坏 的情况中。上述密封措施还必须允许合成气体12在其正的或负的瞬变中的卸 压，以防止损坏气道围壁28。因此，以及如图11和12中所示，本发明的另 一方面包括提供卸压装置或称安全风门组件，其总的以标号72标示，装在合 成气体出口区域，作为环形空间42和下部的气道围壁28的通气口。卸压装置 72可设置在密封板装置64上，以降低损坏密封板装置64的可能性，而这种损 坏可能因密封板装置64 —侧的压力高于其另一侧的压力而发生。
优选的是，卸压装置72包括至少一个在密封板装置64上的通气孔74以 及用于遮断流过通气孔74的流动的装置76，诸如一个圆盘，这个遮断装置， 在密封板装置64的一侧或另一侧的压力未超过一个压力设定值时，遮断通过 通气孔74的流动，而在压力达到设定值时，流动遮断装置76将允许通过通气 孔74的流动,直到压力不再超过设定值为止。卸压装置72也可以有一个平衡重 块，用以在规定的压差下提升风门。在该位置，合成气体12的温度是很低的， 足以允许在该风门的密封表面周围采用非金属材料来建立紧密的密封以及允 许风门表面在长期使用中可能出现的某种不均匀性。
降低制造成本/改善管板焊接~~在制作和焊接昂贵且难以加工的高络镍 合金管子时，高度关注焊接质量是很关键的。可以设想，按照Harth,III的美国 专利No.6,852，945中所述的方法在RSC 10中采用锅炉管子壁板的激光焊接， 有可能大大降低制造成本，其内容以参见的方式纳入本文，就如在此完全阐述 了一样。这种技术可将对昂贵的合金焊丝的需要减少到进行常规的手工管板焊 接所需要的程度，并可在管板的制作中减少劳动工时。激光焊接还可给出较强 度较高、热输入较低的管板焊缝，特别是在膜壁对管子的焊缝制作中有明显的 优点。对辐射式合成气体冷却器的垂向骨架管板段以及对分支壁的管板，可采 用自动化的管板焊接。激光焊接可将基金属的敏感化降低到采用埋弧焊不能达 到的程度。用3到5千焦耳每厘米的热输入，热影响区域将小得多并且其不大
会穿透管壁。
传热表面的优化-~~在包括原材料、制作、运输和现场组装的整个工程项 目成本中，容器的直径、高度和重量是影响成本的主要因素。减轻表面脏污的 危险要求使表面清洁度为最佳以及在给定的容积内安装更大的表面。
表^■淳^^r^f着佳众一优化表面效率的关键是使熔化的炉渣在RSC 10 的上部区域内的分支壁30上的累积为最小。在顶部温度驱使力为最大，但熔 化的煤灰会明显地降低传热，并且在平衡状态直到气体向下流到冷却器的近乎 一半高度时气体温度才安全地处于煤灰的熔化点以下。
因此，本发明的另一实施例包括在合成气体进口 14处采用适当的耐火材 料轮廓来控制流出气体进口 14的气体膨胀。具体地说，在RSC10的顶部设置 一个抛物面(或其它较佳的)的圆锥形进口，用以使合成气体12能够进入RSC 10，使得使其内携带的固体颗粒物优先地直接向下去，从而降低携带的颗粒物 对流体冷却的辐射传热表面30的直接冲撞。这允许带有颗粒物的合成气体12 在圆锥形容积内膨胀并降低出现流动诱发涡流的可能性。这将使熔化的煤灰颗 粒物的向外散流为最小并能保持分支壁30更清洁。
本发明的另一实施例包括用于降低炉渣沉积的装置，它是通过把分支壁 30的前边缘较远地离开RSC 10的竖直的纵向中心线来降低炉渣沉积的可能 性。在大多数情况中，这将需要更多数量的深度降低的分支壁30。离开中心线 最远的辐射传热表面30是最清洁的，把分支壁表面30向气道壁28移动得越 多，将可使这一表面越清洁越有效。这一概念等于说使熔化的煤灰更为轴向地 流动以及把分支壁30向外移得更远。与现有的装置相比，这一组合措施可使 表面更为清洁，即使在炉渣区域也能如此。这样，部分地延伸于气道26内用 于冷却合成气体12的流体冷却辐射传热表面30是定位成能够降低合成气体12 和其中携带的固体颗粒物对流体冷却的辐射传热表面30的直接冲撞。
碧庸表厫资率/吝茨效率^通过拆除环形空间42内的下降供应管将能提 供增大表面的机会。该先进的设计概念将要求把在容器的顶部进入的下降管18 恰在围壁28圆周之上连接到环形联箱。各管壁28的一部分应连接到该环形联 箱，让水流过壁管28的一部分而在壁管28的底部进入汇集联箱，作为被加热 的下降管系统18。其余的壁管28和分支壁管子30应把低处的供给环形联箱连
接于向上流回一个上升管20的联箱的水流，并连接到蒸汽鼓筒16上。该构造
还可在简化围壁28和分支壁30组件的顶部支架方面给出优点。这样，另一实 施例可釆用被加热的下降管装置18并且其将构成流体冷却的管壁28的一部 分，而下降管装置18从安装在RSC 10的上部的公共环形联箱得到供给和支承。 经验已经表明，在流出下降管回路的水被充分地低温冷却而能够提供在该进 口联箱以上10英尺或更高的水沸腾点时，被加热的下降管回路是安全而有效 的。该设计的成功是由循环比和被低温冷却到饱和温度以下的进入给水的量的 组合促成的。
本发明的另一实施例包括使分支壁30的型面轮廓从顶部到底部匹配于被 降低的炉渣是沉积流态。通过扩大每个管子之间的膜壁宽度，把每个分支壁30 做成为从冷却器的中点开始加深约17%。这一区域是被冷却的而不大容易有炉 渣，并且可以以较大的宽度控制膜壁的最高温度。用递增加宽的膜壁，将每个 分支壁30进一步扩大约17%，超过高度的最后四分之一。这样， 一个或多个 平的分支壁表面30就具有变化的形状，而能够减少炉渣在其上是沉积。各分 支壁表面30的接近合成气体进口 14的部分被径向地进一步离开RSC 10的纵 向轴线，而各分支壁表面30的接近漏斗装置46的部分被径向地靠近RSC 10 的纵向轴线。或者，给各分支壁表面30设置膜壁结构，并且通过改变形成分 支壁30的各相邻管子之间的膜壁宽度来使分支壁表面30有变化的形状。
由于采用增大的气道26直径和特定轮廓的分支壁30的组合，安装的传热 表面的大小可增大约40%。面积的增大是用平的膜壁棒到达的，棒比管子便宜 得多。从气体进口 14到24英寸深分支壁30的前边缘管子的距离约为38英寸。 即使不归功于炉渣覆盖区域的更清洁的表面，也可明显地降低总高度需求。
用复合材料的管子替代坚固的高铬镍合金管子可以给出成本和危险方面 的几个优点。复合材料的管子的外层是高铬镍合金而内部的基本管子是Croloy 材料的。就用在本文中而言，Croloy是金属管子的一个注册商标，熟悉本技术 领域的人都知道，它是代表铬钼钢。它们归属于ASTM名称A213/A213M或 ASME名称SA213，并且有各种等级，诸如T2 (Croloy 1/2) 、 T5、 T9、 Tll (Croloy 1 — 1/4) 、 T12、以及T22 (Croloy 2 —1/4)。设想在该应用中的复合 材料管子的外径可能是2'/2英寸，比坚固的高铬镍合金管子的2英寸外径大。
包覆在导热性好的基本材料外面的较薄的高铬镍合金材料可降低管子和膜壁 的最高温度，允许在围壁上用较宽的膜壁，以及允许分支壁的膜壁构造用在高 热通量区域。较大的管子外径和膜壁宽度需要较少的管子数量。较高的导热性 将能提供在最高允许金属温度以下的更大的工作温度裕度。管子内壁具有
Croloy材料还可降低给水质量要求以及降低给水处理的投资和运行费用。
尽管己经详细地图示和描述了本发明的几个具体实施例，借以说明了本发 明的各基本原则的应用，但是熟悉本技术领域的人将能理解，可对由权利要求 书涵盖的本发明的形式做出各种改变，而不背离这些原则。在本发明的某些实 施例中，本发明的一些结构特点有时可以充分利用，而不必相应地利用其它结 构特点。因此，所有这类改变和实施方式都将属于权利要求书的范围之内。
权利要求
1.一种用于从由气化过程产生的合成气体吸取热量的合成气体冷却器，所述合成气体冷却器包括壳体，所述壳体具有合成气体进口和合成气体出口；流体冷却的气道，所述流体冷却的气道容纳在所述壳体内用于接收合成气体；流体冷却的辐射传热表面，所述传热表面部分地延伸于所述气道内用于冷却所述合成气体；以及用于把所述合成气体从所述气道输送到所述合成气体出口的装置。
2. 如权利要求1所述的合成气体冷却器，其特征在于，包括在所述 合成气体冷却器的下部的水浴区域，用于接收和冷却所述合成气体中携带的固 体颗粒物；以及固体颗粒物出口，用于从所述合成气体冷却器去除所述固体颗 粒物。
3. 如权利要求1所述的合成气体冷却器，其特征在于，所述流体冷却 的气道包括多个流体冷却的管子制成的围壁。
4. 如权利要求1所述的合成气体冷却器，其特征在于，所述流体冷却 的辐射传热表面包括一个或多个流体冷却的分支壁表面，所述分支壁表面悬挂 在所述合成气体冷却器内，从而使所述分支壁表面的很大一部分暴露于进来的 所述合成气体。
5. 如权利要求4所述的合成气体冷却器，其特征在于，所述一个或多 个分支壁表面中的每个都包括设置成互相邻接的平的管排。
6. 如权利要求1所述的合成气体冷却器，其特征在于，所述气道的底 部包括漏斗装置。
7. 如权利要求6所述的合成气体冷却器，其特征在于，还包括用于把 所述合成气体从所述漏斗装置输送到所述水浴区域的装置。
8. 如权利要求7所述的合成气体冷却器，其特征在于，所述用于把所 述合成气体从所述漏斗装置输送到所述水浴区域的装置包括浸水管装置，所述 浸水管装置具有靠近所述水浴区域的出口 。
9. 如权利要求8所述的合成气体冷却器，其特征在于，还包括用于形 成用于从所述浸水管装置的所述出口向所述合成气体出口输送所述合成气体 的通路的装置。
10. 如权利要求9所述的合成气体冷却器，其特征在于，所述用于形成用于从所述浸水管装置的所述出口向所述合成气体出口输送所述合成气体的 通路的装置包括围绕所述浸水管装置的引流管装置。
11. 如权利要求1所述的合成气体冷却器，其特征在于，包括在所述合 成气体冷却器内的密封板装置，用于阻止合成气体进入所述壳体和所述气道之 间的区域。
12. 如权利要求11所述的合成气体冷却器，其特征在于，所述密封板 装置在所述壳体和所述用于从所述漏斗装置向所述水浴区域输送所述合成气 体的装置之间延伸。
13. 如权利要求11所述的合成气体冷却器，其特征在于，所述壳体和 所述密封板装置部分地限定合成气体出口区域。
14. 如权利要求13所述的合成气体冷却器，其特征在于，所述合成气 体出口区域把合成气体从所述水浴区域输送到所述合成气体出口 。
15. 如权利要求12所述的合成气体冷却器，其特征在于，包括用于提 供所述密封板装置和所述漏斗装置之间的相对运动的膨胀接头装置。
16. 如权利要求1所述的合成气体冷却器，其特征在于，还包括用于把 流体喷射到所述合成气体内的骤冷装置。
17. 如权利要求7所述的合成气体冷却器，其特征在于，所述漏斗装置 有截头圆锥的形状和喉口区域，所述喉口区域与所述用于向所述水浴区域输送 所述合成气体的装置相邻。
18. 如权利要求1所述的合成气体冷却器，其特征在于，包括用于向所 述流体冷却的气道和辐射传热表面供给流体的下降管装置以及用于从所述流 体冷却的气道和辐射传热表面输送出流体的上升管装置。
19. 如权利要求1所述的合成气体冷却器，其特征在于，包括用于提供 所述壳体与所述流体冷却的气道围壁和流体冷却的辐射传热表面两者中的至 少一个之间的相对运动的膨胀接头装置。
20. 如权利要求1所述的合成气体冷却器，其特征在于，所述流体冷却 的气道和辐射传热表面是设计成在所述合成气体冷却器的常态运行中从所述 合成气体吸取的热量足以诱发流过所述流体冷却的气道和辐射传热表面的自 然循环。
21. 如权利要求11所述的合成气体冷却器，其特征在于，包括设置在 所述密封板装置内的卸压装置，用于降低可能因所述密封板装置一侧的压力大 于所述密封板装置相反侧的压力而发生的损坏所述密封板装置的可能性。
22. 如权利要求21所述的合成气体冷却器，其特征在于，所述卸压装 置包括在所述密封板装置上的至少一个通孔和用于遮断通过所述通孔的流动 的装置，所述遮断装置在所述密封板装置的一侧或另一侧的压力未超过压力设 定值时遮断通过所述通孔的流动，在所述压力设定值时所述遮断装置允许通过 所述通孔的流动，直到压力不再超出所述压力设定值。
23. 如权利要求1所述的合成气体冷却器，其特征在于，包括在所述合 成气体冷却器的顶部的抛物面圆锥形进口，用于使所述合成气体能够进入所述 合成气体冷却器，使得所述合成气体中挟带的固体颗粒物被优先地向下引导而 降低所述固体颗粒物对流体冷却的辐射传热表面的直接冲撞。
24. 如权利要求1所述的合成气体冷却器，其特征在于，部分地延伸于 所述气道内用于冷却所述合成气体的所述流体冷却的辐射传热表面定位成能 够降低所述合成气体和其中挟带的固体颗粒物对所述流体冷却的辐射传热表 面的直接冲撞。
25. 如权利要求5所述的合成气体冷却器，其特征在于，所述气道的底 部包括漏斗装置，以及所述一个或多个平面的分支壁表面有变化的形状以减少 炉渣在分支壁表面上的沉积，所述各分支壁表面的接近所述合成气体进口的各 部分是径向地更远离所述合成气体冷却器的纵向轴线，而所述各分支壁表面的 接近所述漏斗装置的各部分是径向地更靠近所述纵向轴线。
26. 如权利要求25所述的合成气体冷却器，其特征在于，所述各分支 壁表面设有膜壁构造，以及所述分支壁表面的所述变化的形状是通过改变相邻 的管子之间所述膜壁的宽度来形成的。
27. 如权利要求8所述的合成气体冷却器，其特征在于，还包括安装成 与所述浸水管装置相邻的对流传热表面，所述对流传热表面用于在所述合成气 体输送通过所述合成气体出口之前从合成气体吸取附加热量。
28. 如权利要求27所述的合成气体冷却器，其特征在于，所述对流传 热表面包括一个或多个管排，所述管排布置成所述合成气体流过所述管子外
29. 如权利要求16所述的合成气体冷却器，其特征在于，所述骤冷装 置是安装在所述浸水管装置内。
30. 如权利要求18所述的合成气体冷却器，其特征在于，所述下降管 装置中的一部分被加热，而构成所述流体冷却的气道壁的一部分，所述下降管 装置由位于所述合成气体冷却器的上部的公共环形联箱供给和支承。
31. 如权利要求1所述的合成气体冷却器，其特征在于，所述流体冷却 的气道和辐射传热表面包括复合材料的管子。
32. 如权利要求31所述的合成气体冷却器，其特征在于，所述复合材 料的管子的外层材料是高铬镍合金，所述外层材料在Croloy材料的基本管子之上。
33. —种基本上如所图示和所描述的用于从合成气体吸取热量的合成 气体冷却器。
34. 基本上如所图示和所描述的用于从合成气体吸取热量的合成气体 冷却器的运行方法。
全文摘要
一种用于容纳和冷却由煤的气化过程生产的合成气体的辐射式合成气体冷却器，其采用特殊布置的辐射和对流传热表面，从而实现一种成本有效的、结构尺寸紧凑的设计。
文档编号F01K23/10GK101351622SQ200680050250
公开日2009年1月21日 申请日期2006年10月27日 优先权日2005年11月3日
发明者D·L·克拉夫特, K·C·亚力山大, M·J·阿尔布雷克特, S·R·弗莱伊, T·E·多伊尔 申请人:巴布考克及威尔考克斯公司