專利名稱：輻射式合成氣體冷卻器的制作方法
輻射式合成氣體冷卻器
本發(fā)明的領(lǐng)域和背景
本發(fā)明總地涉及煤氣化領(lǐng)域，具體地說(shuō)，涉及用于集成氣化聯(lián)合循環(huán)
(Integrated Gasification Combined Cycle) (IGCC)發(fā)電廠的一種輻射式合成 氣體冷卻器。這種輻射式合成氣體冷卻器可用于容納和冷卻由IGCC發(fā)電廠中 的煤氣化過程生產(chǎn)的合成氣體。
與具有競(jìng)爭(zhēng)力的固體燃料技術(shù)諸如粉煤燃燒蘭金循環(huán)相比，燒固體燃料的 IGCC發(fā)電廠歷來(lái)需要較高的初始投資并具有較低的運(yùn)行有效性和可靠性。要 想使IGCC更有競(jìng)爭(zhēng)力，需要改進(jìn)的主要部件包括其非冷卻的氣化器以及輻射 式和對(duì)流式合成氣體冷卻器。由于壓力容器容積的經(jīng)濟(jì)性和大多數(shù)發(fā)電廠安裝 場(chǎng)所的運(yùn)輸尺寸限制，輻射式合成氣體冷卻器的設(shè)計(jì)受到總外徑的實(shí)際限制。 在對(duì)容器直徑的這些限制范圍內(nèi)，需要將用于冷卻氣體的輻射傳熱蒸汽產(chǎn)生表 面的緊湊性最大化，以使輻射式合成氣體冷卻器的總高度為最小。
Ziegler的美國(guó)專利No.4,768，470采用用蒸汽發(fā)生壁表面構(gòu)造的同軸氣道 來(lái)降低冷卻器的總高度。這種設(shè)計(jì)給各個(gè)氣道設(shè)置獨(dú)立的水回路，以便于內(nèi)部 和外部氣道的單獨(dú)吊運(yùn)、拆裝和檢查。由巴布考克及威爾考克斯公司(The Babcock &Wilcox Company) 1992年研發(fā)的另一設(shè)計(jì)方法采用一個(gè)單一的蒸 汽發(fā)生壁表面的氣道，其帶有懸掛在氣道內(nèi)的附加蒸汽發(fā)生表面("翼壁")， 以使表面面積為最大并降低冷卻器高度。其它的公司諸如GHHMann采用類似
的設(shè)計(jì)。
現(xiàn)有的技術(shù)方案還沒有把該設(shè)備的成本降低到有競(jìng)爭(zhēng)力的水平。用于冷卻 供裝有工業(yè)上最大的燃?xì)廨啓C(jī)的發(fā)電廠耗用的合成氣體的單個(gè)輻射式冷卻器 的高度可超過150英尺。某些發(fā)電廠的設(shè)計(jì)采用兩個(gè)冷卻器來(lái)降低總高度，但 卻進(jìn)一步增加了成本。此外，為了提高發(fā)電廠的運(yùn)行有效性，發(fā)電廠的設(shè)計(jì)中 還包括冗余的氣化器、輻射式冷卻器和對(duì)流式冷卻器，這使得成本更是大大增 加了。
用于對(duì)流式合成氣體冷卻器的現(xiàn)有技術(shù)方案需要一個(gè)來(lái)自輻射式冷卻器 的單獨(dú)的設(shè)備，帶有連接這兩個(gè)設(shè)備的被冷卻氣道。對(duì)流式冷卻器的設(shè)計(jì)包括
水和蒸汽管子設(shè)計(jì)(水或蒸汽在管子內(nèi)，燃?xì)庠诠茏油?(Shell Oil Company) 以及火管設(shè)計(jì)(燃?xì)庠诠茏觾?nèi)，水在管子外)(Steinmueller以及其它)。這 兩種設(shè)計(jì)都需要用獨(dú)立于輻射式冷卻器的壓力容器外殼和水/蒸汽系統(tǒng)。燃?xì)鈿?道的拐彎處和對(duì)流式冷卻器的進(jìn)口處產(chǎn)生的紊流歷來(lái)構(gòu)成燃料煤灰臟污的根 源，而這可能是難以對(duì)付的。
氣化器的現(xiàn)有技術(shù)方案包括非冷卻的和冷卻的耐火材料外殼。非冷卻的外 殼(General Electric, Cpnoco以及其它)已經(jīng)經(jīng)歷了過早失效和頻繁更換。要 使這些設(shè)計(jì)有高的有效性通常需要有備用的氣化器系列，和/或在氣化器的修理 期間讓燃?xì)廨啓C(jī)以更高的成本燒油或氣體。厚的耐火材料的非冷卻設(shè)計(jì)的緩慢 加熱升溫和冷卻降溫時(shí)間會(huì)延長(zhǎng)停機(jī)修理或更換耐火材料的時(shí)間?，F(xiàn)有冷卻的 氣化器設(shè)計(jì)(殼牌石油公司(Shell Oil Company)，未來(lái)能源(Future Energy)) 采用單獨(dú)的水或蒸汽發(fā)生回路，并用耐火材料涂層封閉和容納氣化器氣體。某 些這類系統(tǒng)采用低壓強(qiáng)制循環(huán)冷卻水系統(tǒng)，這樣的系統(tǒng)將把熱量排出到發(fā)電廠 的蒸汽/水系統(tǒng)之外而降低效率。與采用蒸汽發(fā)生表面集成于下游的冷卻回路的 這種環(huán)境相類似，用于在燃燒環(huán)境中容納帶有熔化的爐渣的熾熱固體燃料氣 體的已有技術(shù)包括Cyclone 火燒鍋爐(巴布考克及威爾考克斯公司(The Babcock &Wilcox Company))。
因此，很明顯，對(duì)于IGCC系統(tǒng)的商業(yè)規(guī)模的前景，經(jīng)濟(jì)的、緊湊的、可 靠性高和耐用性好的合成氣體冷卻器的研發(fā)是關(guān)鍵。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的一個(gè)方面是提供一種用于吸取由氣化過程生產(chǎn)的合成氣體的熱 量的合成氣體冷卻器。該合成氣體冷卻器包括 一個(gè)殼體，其有合成氣體進(jìn)口 和合成氣體出口；流體冷卻的氣道，其裝在殼體內(nèi)用于接收合成氣體；流體冷 卻的輻射傳熱表面，其部分地延伸于氣道內(nèi)用于冷卻合成氣體；以及用于把合 成氣體從外部氣道輸送到合成氣體出口的裝置。
本發(fā)明的特征、特點(diǎn)和新穎性都明細(xì)地指出于所附的并構(gòu)成本發(fā)明的一部
分的權(quán)利要求書中。為了更好地理解本發(fā)明、它的工作優(yōu)點(diǎn)、以及從其應(yīng)用中 可得到的具體效益，下面參照附圖并以幾個(gè)優(yōu)選實(shí)施例圖解地說(shuō)明本發(fā)明。
附圖簡(jiǎn)要說(shuō)明 各附圖中


圖1是根據(jù)本發(fā)明的第一實(shí)施例的輻射式合成氣體冷卻器和選擇的輔助 設(shè)備的外部立體圖2是圖1的輻射式合成氣體冷卻器的上部的外部立體圖3是圖1的輻射式合成氣體冷卻器的部分剖視立體圖4是圖3的輻射式合成氣體冷卻器的上部的部分剖視立體圖5是圖3的輻射式合成氣體冷卻器的下部的部分剖視立體圖6是根據(jù)本發(fā)明的輻射式合成氣體冷卻器的第一實(shí)施例的側(cè)視剖視圖7是沿著圖6中的箭頭7 — 7的方向觀看的剖面圖8是沿著圖6中的箭頭8 — 8的方向觀看的剖面圖； 圖9是沿著圖6中的箭頭9一9的方向觀看的剖面圖； 圖IO是輻射式合成氣體冷卻器的第二實(shí)施例的部分側(cè)視剖視圖，表示出
對(duì)流傳熱表面在根據(jù)本發(fā)明的輻射式合成氣體冷卻器的下部的安放；
圖11是卸壓裝置的第一實(shí)施例的示意圖，其包括可與根據(jù)本發(fā)明的輻射
式合成氣體冷卻器結(jié)合使用的卸壓風(fēng)門組件；
圖12是卸壓裝置的第二實(shí)施例的示意圖，其包括可與根據(jù)本發(fā)明的輻射 式合成氣體冷卻器結(jié)合使用的卸壓風(fēng)門組件；
圖13是輻射式合成氣體冷卻器的上部的部分側(cè)視剖視圖，其采用根據(jù)本 發(fā)明的合成氣體進(jìn)口的替代性實(shí)施例；以及
圖14是輻射式合成氣體冷卻器的上部的部分側(cè)視剖視圖，其采用可與本 發(fā)明的輻射式合成氣體冷卻器結(jié)合使用的的輻射傳熱表面的替代性實(shí)施例。
具體實(shí)施例方式
在對(duì)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例進(jìn)行說(shuō)明之前，先對(duì)輻射式合成氣體冷卻器的正 確設(shè)計(jì)的各種因數(shù)和設(shè)計(jì)準(zhǔn)則作一個(gè)簡(jiǎn)要的討論。
輻射式合成氣體冷卻器的主要功用是冷卻由氣化過程產(chǎn)生的熱的合成氣 體。結(jié)實(shí)耐用的、有經(jīng)濟(jì)效益的設(shè)計(jì)是必要的。因此，恰當(dāng)?shù)卮_定傳熱表面的 大小是重要的第一步，因?yàn)樗钦麄€(gè)生產(chǎn)布局的初始驅(qū)動(dòng)者。由于合成氣體是 在極高的溫度下進(jìn)入合成氣體冷卻器，對(duì)大部分合成氣體冷卻器而言，輻射傳 熱起主導(dǎo)作用，但也不可忽視對(duì)流傳熱作用，特別是在合成氣體被冷卻到低溫 時(shí)。
傳熱方法——確定蒸汽一水壓力部分的熱吸收對(duì)成功的運(yùn)行是唯一最重 要的準(zhǔn)則?？缭胶铣蓺怏w冷卻器的氣體溫度降直接與蒸汽流動(dòng)相關(guān)。熱吸收與 合成氣體在高壓下的性質(zhì)(特別是輻射率)、挾帶的固定顆粒物、以及表面布 置和清潔度有關(guān)。
氣眾器^成氣沐游教存錄絲~~氣化系統(tǒng)中的燃燒產(chǎn)物大大地不同于工 作在大氣壓力下以空氣作為氧化劑的一般鍋爐的燃燒產(chǎn)物。之所以有諸多不同 是因?yàn)?br> 燃燒非常不完全，約為化學(xué)當(dāng)量配比的0.4; 將挾帶有大量的固體顆粒物(煤灰，焦炭)； 爐子工作壓力高；以及 燃料氧化劑是純氧相對(duì)于空氣。
這樣形成的合成氣體與一般鍋爐的煙氣在性質(zhì)上有很大的不同。合成氣體 中， 一氧化碳、氫和挾帶固體顆粒物的含量高，而氮和氧的含量低。還有不可 忽視的硫化氫含量，其對(duì)考慮腐蝕是重要的。由于氣體側(cè)的工作壓力高，合成 氣體的密度相對(duì)較大。由于氫含量高，合成氣體的分子量相對(duì)較小。綜合起來(lái) 考慮，最終的影響是，這樣生產(chǎn)的合成氣體有明顯地不同于一般鍋爐煙氣的流 體性質(zhì)(比熱、焓、熱傳導(dǎo)率、密度、以及輻射率)。
由于這些不同的流體性質(zhì)，合成氣體的熱性能計(jì)算程序在以下四個(gè)主要方 面有別于大氣壓力鍋爐
1. 對(duì)流傳熱率增大40 70% 。
2. 輻射傳熱率增大
3. 氣體側(cè)的壓頭損失不同。
4. 對(duì)傳熱的BTU的溫度響應(yīng)較小。比熱和熱容量增大，特別是由于氫含
量高(在1000F下氫的比熱約為3.54BTU/lb-F)。
在這四個(gè)方面中，對(duì)設(shè)定輻射式合成氣體冷卻器內(nèi)的表面，輻射傳熱和挾 帶的固體顆粒物的影響是最重要的。此外，與氧化燃燒相比，高度的還原性環(huán) 境可降低煤灰的熔化點(diǎn)溫度，而這可能影響爐渣覆蓋圍壁的程度。
;^^欽一氣沐潔^懲^游^^絲^1~—顆粒物和氣體混合物的輻射性質(zhì)的 預(yù)估是復(fù)雜的但卻是輻射式合成氣體冷卻器設(shè)計(jì)中的重要步驟。需要有專有的
計(jì)算機(jī)程序。這些程序包括諸如Iowa大學(xué)的基于指數(shù)寬帶模型的預(yù)估氣體性 質(zhì)的RPGT計(jì)算機(jī)程序以及IBM公司的基于Mie理論的MIE計(jì)算機(jī)程序之類 的程序，它們都可用于預(yù)估顆粒的頻譜性質(zhì)。被稱為顆粒物一氣體混合物的輻 射性質(zhì)(RPPGM)程序的另一個(gè)專有計(jì)算機(jī)程序允許快速地有效地得出輻射 性氣體的性質(zhì)并給出顆粒物性質(zhì)的M正計(jì)算機(jī)程序的計(jì)算結(jié)果。
可將RPPGM程序與另一個(gè)傳熱程序并用來(lái)預(yù)估爐子或冷卻器的總吸收 量。RPPGM程序可預(yù)估給定的顆粒物和氣體混合物的輻射性質(zhì)。在傳統(tǒng)上， 當(dāng)一種介質(zhì)部分地分散時(shí)輻射率的定義不適用。沿著一個(gè)路徑的輻射強(qiáng)度不再 是長(zhǎng)度的函數(shù)，而且還取決于從該路徑分散出來(lái)的和進(jìn)入該路徑的輻射。但是， 對(duì)于理想的狀態(tài)，有效的(被調(diào)整了的)輻射率已被定義并用在RPPGM中， 其試圖包括顆粒物的分散。對(duì)于適中地濃厚(PL二1)到光學(xué)上稀薄(PL—0) 的介質(zhì)，對(duì)于輻射平衡或?qū)τ诜稚楹苄〉那闆r，用于評(píng)估有效的輻射率的假 設(shè)是正確的。這里e是消光系數(shù)，而L是光束長(zhǎng)度。
對(duì)于在氣化器的應(yīng)用中典型地遇到的光學(xué)上濃厚的介質(zhì)(0=5到7)， 用輻射率來(lái)計(jì)算輻射傳熱的區(qū)段式方法不適用于計(jì)算顆粒物分散的影響。于是 需要用通量式方法或射線跟蹤方法來(lái)精確地定量分析輻射傳熱。離散坐標(biāo)方法 是一種這樣的方法，其被用在巴布考克及威爾考克斯公司(The Babcock & Wilcox Company) (B&W)的專有的計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(CFD)計(jì)算機(jī)程序 COMOtm中。這種方法對(duì)氣體一固體輻射傳熱利用輻射吸收量和分散系數(shù)替代 輻射率。對(duì)光學(xué)上濃厚的介質(zhì)，這些系數(shù)也可用RPPGM程序來(lái)計(jì)算且更為可 罪。
所需傳熱表面大小的初始估算和傳熱表面性能的預(yù)估可以用一個(gè)經(jīng)過調(diào) 整的輻射率方法近似地做出。但是，最終的傳熱表面需要量應(yīng)該是基于CFD 模型技術(shù)和諸如COMOTM的計(jì)算機(jī)程序。
薪浙式合成氣沐冷欲器游CFD漠星^^CFD模型通常是基于紊流流動(dòng)、 化學(xué)反應(yīng)、以及傳熱的各種相互作用過程的基本描述。B&W的COMOTM計(jì)算 機(jī)程序是專為各種燃燒系統(tǒng)(鍋爐、爐子、以及燃燒器)的設(shè)計(jì)和評(píng)估而研發(fā) 的，并至今一直被用在高壓吹氧或吹空氣的挾帶流氣化器的設(shè)計(jì)中。COMO 的模型可用于預(yù)估輻射式合成氣體冷卻器的氣體側(cè)的傳熱性能。用先進(jìn)的煤成 脫揮發(fā)分作用和焦炭氧化和氣化模型模擬煤的燃燒。采用用于預(yù)估顆粒物氣體 動(dòng)力學(xué)特性、紊流擴(kuò)散、以及熱交換表面上的沉積的各數(shù)值方法(Lagrangian 方法用于大的顆粒物，Eulerian方法用于小的顆粒物)的組合預(yù)估顆粒物流動(dòng)。 把紊流流動(dòng)、能量和燃燒組合起來(lái)求解輻射傳熱?？砂堰@樣得到的氣體一顆粒 物流、溫度和熱通量的預(yù)估數(shù)值用于輻射式合成氣體冷卻器的設(shè)計(jì)。
數(shù)值模型是用于預(yù)估在濃密的吸收和分散介質(zhì)中的輻射傳熱的最精確的 方法，而這種介質(zhì)在煤燃燒和氣化系統(tǒng)中是無(wú)處不在的。COMOTM模型將離散 坐標(biāo)方法用于燃燒系統(tǒng)中的輻射的數(shù)值分析，并包括燃燒器(冷卻器圍壁和分 支壁)的復(fù)雜的幾何描述。離散坐標(biāo)是由B&W的開拓性工作為多維幾何體內(nèi) 的熱輻射而研發(fā)和優(yōu)化的。從那時(shí)起，其日益得到普及，現(xiàn)已被用在許多其它 的商業(yè)CFD編碼中。輻射的數(shù)值解法對(duì)于一個(gè)給定的溫度場(chǎng)可給出輻射強(qiáng)度 和輻射熱通量的分布?？蓪⑦@種解法與能量守恒方程，以及氣體和顆粒物的溫 度和熱動(dòng)力學(xué)性質(zhì)的關(guān)系結(jié)合。壁的溫度可從對(duì)表面的對(duì)流和輻射傳熱的能量 平衡、質(zhì)量傳遞、以及通過沉積物覆蓋的水冷表面的熱傳導(dǎo)來(lái)確定。用于輻射、 氣體和顆粒物的能量、氣體和顆粒物的溫度、以及壁溫度的數(shù)值解法將最終給 出一個(gè)收斂、達(dá)到總的能量平衡的解。
燃燒氣體和挾帶的顆粒物，由于它們吸收、發(fā)射和分散輻射，在輻射傳熱 中起很大的作用?？苫跉怏w輻射譜的基本模型精確地預(yù)估氣體的輻射性質(zhì)。 指數(shù)寬帶模型可用于計(jì)算有H20、 C02、 CO、 CH4、 NO和S02的以及單質(zhì)的 氣體N2、 02、 H2的氣體混合物的吸收和輻射性質(zhì)譜。Mie理論是用于計(jì)算球 形顆粒物的輻射性質(zhì)作為其成分、濃度、直徑和波長(zhǎng)的函數(shù)的一般方法。這些 方法要求對(duì)進(jìn)入反應(yīng)器的挾帶顆粒物(焦炭、煤灰和煙灰)的成分、濃度以及 顆粒尺度分布有可靠的估算或測(cè)量。氣體和顆粒物的輻射性質(zhì)可被組合并方便
地表示為總的輻射、吸收和分散效率，這些效率取決于氣體一顆粒物的成分、 溫度和壓力的局部變化。這些性質(zhì)可被應(yīng)用到輻射傳熱的數(shù)值方法中。在顆粒 物不是煙灰時(shí)，特別是對(duì)于預(yù)料進(jìn)入輻射式合成氣體冷卻器的濃密顆粒物，分 散作用的影響不可忽略。那些求解輻射性輸送方程的一般形式的數(shù)值方法包括 分散和吸收的影響。
煤灰沉積物的輻射率和熱性質(zhì)對(duì)傳熱也有很大影響。其輻射率取決于沉積 物層的溫度、化學(xué)成分、結(jié)構(gòu)和孔性、以及沉積物是否被部分地熔融或熔化了。 可基于實(shí)驗(yàn)測(cè)量值和鍋爐傳熱性能方面的經(jīng)驗(yàn)的組合把煤灰沉積物的熱效應(yīng) 和輻射效應(yīng)包括在COMOTM模型中。由于用于預(yù)估爐渣累積對(duì)傳熱表面的影響
的方法是部分地經(jīng)驗(yàn)的，所以應(yīng)該用在工作的輻射式合成氣體冷卻器裝置上的 其性能的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量值對(duì)那些方法進(jìn)行校準(zhǔn)。
傳熱表面設(shè)定——如上所述，可以用一個(gè)經(jīng)過調(diào)整的輻射率方法來(lái)確定氣 體的各輻射傳熱系數(shù)和經(jīng)驗(yàn)的各表面臟污因數(shù)，以計(jì)算所需要的表面大小。在 確定被吸收的熱量方面，表面清潔度起極其重要的作用，并且其可能難以預(yù)估。 各臟污系數(shù)通常是根據(jù)從燃料、運(yùn)行條件和表面布置方面的經(jīng)驗(yàn)確定的一些經(jīng) 驗(yàn)值。表面可設(shè)定為能夠吸收由將被在常態(tài)運(yùn)行條件下供給到輻射式合成氣體 冷卻器的合成氣體提供的規(guī)定的熱輸入。傳熱介質(zhì)是水。水接收來(lái)自合成氣體 的熱，并將根據(jù)假定的給水溫度和給定的熱輸入，按照已知的熱動(dòng)力學(xué)原理， 產(chǎn)生蒸汽流。
傳熱表面設(shè)計(jì)應(yīng)該是在達(dá)到所要求的吸收的基礎(chǔ)上不用吹灰機(jī)來(lái)清除在 運(yùn)行過程中可能累積在傳熱表面上的沉積物。根據(jù)在現(xiàn)有氣化裝置上的經(jīng)驗(yàn)， 經(jīng)過長(zhǎng)時(shí)間的運(yùn)行，可能達(dá)到一個(gè)平衡的臟污和吸收率。本發(fā)明的發(fā)明人已經(jīng) 注意到，在燃燒類似的燃料的工業(yè)和電站鍋爐里也能達(dá)到這樣的平衡狀態(tài)，并 且這類鍋爐的性能是非常容易管理的。經(jīng)驗(yàn)表明，由于使用中爐渣在吹灰機(jī)上 的累積、腐蝕性氣體的滲透、以及氣體流密封系統(tǒng)的損壞，從實(shí)際的維護(hù)和有 效性觀點(diǎn)來(lái)看，可拆裝的吹灰機(jī)是不可取的。不伸入氣體流中的壁面吹風(fēng)機(jī)對(duì) 壁面是有效的，但通常不用于向外吹到分支壁那樣的表面上，然而那里是爐渣 積累最多的。用這種型式的吹風(fēng)機(jī)，不必接近容器壁面，就有助于解決某些問 題。但是，需要在難以接近的環(huán)形空間里設(shè)置很長(zhǎng)的管系，并且這些管系仍將
容易受到腐蝕性產(chǎn)物的浸蝕。
為了確定可信的臟污系數(shù)，可以從現(xiàn)有輻射式合成氣體冷卻器性能的公共 可用信息進(jìn)行原始資料計(jì)算。眾所周知，這些現(xiàn)有的輻射式合成氣體冷卻器的 傳熱性能一直是比預(yù)料的好得多，這大部分是由于表面臟污程度比預(yù)料的低。 可建立表面構(gòu)造的模型以及各表面臟污系數(shù)支持其計(jì)算值與性能匹配；但是， 對(duì)于滿負(fù)荷燒煤狀態(tài)，與本發(fā)明人在工業(yè)和電站鍋爐方面的經(jīng)驗(yàn)相比，相對(duì)較 低的輻射式冷卻器出口溫度已經(jīng)給出了相對(duì)"清潔的"臟污系數(shù)。在這些裝置 上在燒煤和石油焦混合物方面的近期經(jīng)驗(yàn)表明，臟污系數(shù)比"只燒煤"過程中 達(dá)到的"更臟"。因此應(yīng)能理解，必須根據(jù)要燒的燃料，如果有，以及實(shí)際的 現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)，選擇適當(dāng)?shù)母髋K污系數(shù)。
由于輻射式合成氣體冷卻器容器的制造通常是不在安裝現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行，容器的 外徑通常是設(shè)定為能夠適應(yīng)最大運(yùn)輸物件限制。通過向外擴(kuò)脹管子外殼而靠近 壓力容器的外壁并使內(nèi)部分支壁表面的利用最大化，可以得到有效的設(shè)計(jì)。然 后輻射式合成氣體冷卻器的高度可以這樣來(lái)設(shè)定，就是利用合適的表面臟污系 數(shù)(如上所述的)并求解方程來(lái)確定將能吸收達(dá)到所希望的合成氣體出口溫度 所需要的熱量的傳熱表面的大小。合成氣體的溫度是以非線性的方式隨著逐漸 遠(yuǎn)離輻射式合成氣體冷卻器進(jìn)口而降低?？梢灶A(yù)料在冷卻器的出口處出現(xiàn)下降 的輻射傳熱驅(qū)動(dòng)力，在那里將需要能起作用的附加輻射式合成氣體冷卻器高度 以使合成氣體的溫度有極其適中的下降(例如，對(duì)于給定的布置，輻射式合成 氣體冷卻器的10英尺附加高度僅能使合成氣體溫度附加地降低50F)。表面 臟污系數(shù)的增大將更進(jìn)一步地改變這一關(guān)系，因而關(guān)于臟污的一個(gè)更保守的假 設(shè)要求大大地增加高度和成本?？梢圆扇〈胧﹣?lái)現(xiàn)場(chǎng)增加應(yīng)急表面，但由于高 度方面的逐漸下降的有效性，其只能產(chǎn)生有限的作用。很明顯，只有安裝更有 效的表面才能使容器按比例地減短。
總地參照各附圖，其中類似的標(biāo)號(hào)標(biāo)示幾幅附圖中相同的或功能上相似的 構(gòu)成要素，特別參照?qǐng)D1和2，它們表示出總地以標(biāo)號(hào)IO標(biāo)示的本發(fā)明的輻射
式合成氣體冷卻器(RSC)的第一實(shí)施例的立體圖。RSC 10通常是圓筒形容器， 其有豎立定向的縱向軸線。RSC10以其頂部的合成氣體進(jìn)口 14接收來(lái)自氣化 器(圖l中以虛線表示，而圖2中為了清晰將其省略了)的熱的合成氣體12。
RSC10設(shè)有支架5，其可把RSC10的載荷傳遞到鄰接的鋼鐵支架(未示)。 以下將說(shuō)明，RSC IO通過布置在其內(nèi)的流體冷卻表面從合成氣體12吸取熱量。 這些流體冷卻的表面由許多管子構(gòu)成，管子內(nèi)的工作流體可以是水、蒸汽或它 們的混合物。 一個(gè)蒸汽鼓筒16設(shè)置成鄰近RSC 10的上部并與RSC 10內(nèi)部的 流體冷卻表面流體連通。更具體地說(shuō)，被稱為下降管18的大管子流體地連接 于蒸汽鼓筒16的底部并把淺度冷卻的水從蒸汽鼓筒16輸送到RSC 10內(nèi)部的 流體冷卻表面。從合成氣體12吸取的熱使流體冷卻表面內(nèi)的水變成蒸汽。由 于流體密度的不同，流體在下降管18和被加熱的流體冷卻表面之間形成循環(huán) 流動(dòng)，從而引發(fā)熟悉本技術(shù)領(lǐng)域的人皆知的自然循環(huán)過程。換言之，RSC 10 內(nèi)的流體冷卻的氣道和輻射傳熱表面是設(shè)計(jì)成使得在合成氣體冷卻器10的常 態(tài)運(yùn)行過程中從合成氣體12吸取的熱量足以引發(fā)流過流體冷卻的氣道和輻射 傳熱表面的自然循環(huán)。
較低密度的水/蒸汽混合物被輸送而流過流體冷卻表面并隨后經(jīng)由上升管 20流出RSC IO而回到蒸汽鼓筒16。蒸汽鼓筒16內(nèi)的常規(guī)的汽/水分離裝置(未 示)用于將水與蒸汽分離。飽和蒸汽從蒸汽鼓筒16頂部的飽和蒸汽出口連接 件22流出。被分離出來(lái)的水與通過給水進(jìn)口 24供給的給水相混合并且重復(fù)該 過程。
關(guān)于蒸汽鼓筒的專門的全面描述和鍋爐的一般描述見Steam / its generation and use, 41st Ed., Kitto & Stultz, Eds., 2005巴布考克及威爾考克斯 公司(The Babcock& Wilcox Company)，其內(nèi)容以參見的方式納入本文，就 像在本文中完全闡述了一樣。
參照?qǐng)D3、 4和5，它們是圖1的RSC 10的部分剖視立體圖。氣體12進(jìn) 入設(shè)置在RSC 10內(nèi)部的氣道或圍閉區(qū)域26。氣道26由圍壁28限定，優(yōu)選的 是大致圓筒形的，并且通常是由流體冷卻的管子構(gòu)成，這些管子輸送可以是水、 蒸汽或它們的混合物的工作流體，如前所述。除形成圍壁28的流體冷卻的管 子之外，氣道26還設(shè)有多個(gè)輻射的流體冷卻的分支壁表面30，它們是懸掛在 RSC 10內(nèi)，并且其一個(gè)很大的部分暴露于進(jìn)來(lái)的合成氣體12，借以加熱被輸 送流過分支壁30的工作流體(水、蒸汽或它們的混合物)。
分支壁30通常是構(gòu)造成平面的管排，各管子互相毗鄰，可設(shè)置進(jìn)口和出 口總管或聯(lián)箱32，其可分布或匯集通過分支壁30輸送的工作流體。所設(shè)置的 分支壁30的數(shù)目和布置應(yīng)根據(jù)以上所述的傳熱和冷卻要求來(lái)確定。因此，盡 管圖3、 4和5表示出圍繞RSC 10的豎直的縱向軸線布置了 12個(gè)分支壁30， 但是為了適應(yīng)具體的傳熱和冷卻要求，可以設(shè)置或多或少數(shù)目的分支壁30。
隨著合成氣體12向下流過氣道26，它被圍壁28和分支壁30冷卻，并且 在RSC 10的下部52，合成氣體12被送到水浴區(qū)域34，然后向上轉(zhuǎn)大致180 度的彎而被輸送到合成氣體出口區(qū)域36，然后通過合成氣體出口 38輸送出 RSC 10。
現(xiàn)在參照?qǐng)D6、 7、 8和9，它們表示出根據(jù)本發(fā)明的RSC IO的第一實(shí)施 例。如圖所示，熱的合成氣體12經(jīng)由位于RSC IO頂部的合成氣體進(jìn)口 14進(jìn) 入。熱的合成氣體12被向下輸送通過氣道26，在其內(nèi)，氣道圍壁28和輻射傳 熱表面(分支壁)30從合成氣體12吸取熱量，使合成氣體12的溫度降低。氣 道26的底部設(shè)有漏斗裝置46，其優(yōu)選的是截頭圓錐形的并有喉口48。漏斗裝 置46可匯集爐渣顆粒物并引導(dǎo)熱的合成氣體12向下流向在RSC 10的下部52 的水浴區(qū)域34。水浴區(qū)域34在運(yùn)行過程中通常是充滿水，并用來(lái)驟冷和濕潤(rùn) 熱的合成氣體12，此后，合成氣體12經(jīng)由合成氣體出口38流出RSC 10。水 浴區(qū)域34也用于接收和冷卻合成氣體12中挾帶的固態(tài)顆粒物并設(shè)有用于從 RSC 10除去固態(tài)顆粒物的顆粒物出口 54。
還設(shè)有用于從漏斗裝置46向水浴區(qū)域34輸送合成氣體12的裝置，其有 利地呈浸水管裝置56的形式，該裝置從漏斗裝置46的喉口 48延伸到水浴區(qū) 域34。浸水管裝置56的下端或稱出口端58定位成接近水浴區(qū)域34并優(yōu)選地 低于在RSC IO運(yùn)行過程中水浴區(qū)域34內(nèi)建立起來(lái)的水位表面。
合成氣體12的驟冷是仿造傳統(tǒng)的全驟冷系統(tǒng)設(shè)置的。因此還設(shè)置了形成 從浸水管裝置56的出口端58向合成氣體出口 38輸送合成氣體12通路60的 裝置。有利的是，這個(gè)結(jié)構(gòu)包括定位成圍繞浸水管裝置56的引流管裝置62， 并且由于這兩個(gè)結(jié)構(gòu)通常都是圓筒形的(但不總是)，所以通路60通常是環(huán) 形的通路60。浸水管裝置56和引流管裝置62在運(yùn)行過程中是浸在水位受控的 水浴內(nèi)，水浴使在RSC IO底部的原始合成氣體12冷卻并飽和以水汽以及為爐 渣冷卻和保存提供水浴。此外，與現(xiàn)有的裝置相比， 一個(gè)內(nèi)部的浸沒的水浴驟
冷方法可產(chǎn)生獨(dú)特的新的氣體密封要求，以減輕容器殼體的腐蝕和保持圍壁28 在壓力瞬變中的完整性。
為了防止熱的腐蝕性合成氣體12跑到氣道圍壁28的"背后"去，在RSC 10內(nèi)設(shè)置了密封板裝置64，用以防止合成氣體12進(jìn)入容器壁44和氣道圍壁 28之間的環(huán)形區(qū)域42。密封板裝置64通常在容器壁44和用于將合成氣體12 從漏斗裝置46輸送到水浴區(qū)域34的裝置之間(亦即容器壁44和浸水管裝置 56之間)延伸。容器壁44和密封板裝置64 —起部分地限定了合成氣體出口區(qū) 域36。如前所述，合成氣體出口區(qū)域36把合成氣體12從水浴區(qū)域34輸送到 合成氣體出口 38。
設(shè)置有膨脹接頭裝置66，用以提供密封板裝置64和漏斗裝置46之間的 相對(duì)運(yùn)動(dòng)。還設(shè)置了用以適應(yīng)容器壁44與流體冷卻的氣道圍壁28和流體冷卻 的輻射傳熱表面30兩者中的至少一個(gè)之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)的膨脹接頭裝置50。
熱的合成氣體在流出漏斗裝置46的喉口區(qū)域48時(shí)仍然具有很高的溫度， 典型地是在1250F左右。為了冷卻和濕潤(rùn)熱的合成氣體12，設(shè)置了驟冷裝置 68，其有利地呈至少一個(gè)單體驟冷環(huán)68的形式，用于向合成氣體12內(nèi)噴射流 體(例如水)。在RSC 10的運(yùn)行過程中，熱的合成氣體12進(jìn)入浸水管裝置 56，在其內(nèi)合成氣體12被部分地驟冷，溫度從典型的1250F降低到950F左右 的較低溫度。可以采用單個(gè)或多個(gè)驟冷噴射位置高度68。
如圖10所示，其表示出本發(fā)明的RSC10的第二實(shí)施例，該例中，毗鄰于 浸水管裝置56，設(shè)置了對(duì)流傳熱表面70，以便在輸送合成氣體12通過合成氣 體出口 38之前從合成氣體12吸取附加熱量。有利的是，對(duì)流傳熱表面70包 括一個(gè)或多個(gè)管排，它們布置成合成氣體12流過管子的外壁。該對(duì)流傳熱表 面70可以是水或蒸汽冷卻的。該對(duì)流傳熱表面70的管排可以設(shè)置在浸水管裝 置56周圍的任何地方并且各管子可處于任何方位。對(duì)流傳熱表面70可以和包 括圍壁28和輻射傳熱表面30的蒸汽發(fā)生表面采用同一個(gè)流體回路(集成的冷 卻方法)，這樣就不必設(shè)置單獨(dú)的冷卻系統(tǒng)?；蛘撸梢詾閷?duì)流傳熱表面70 采用單獨(dú)的流體回路。主要目的是從合成氣體12傳出熱量，以降低煤灰粘著 于管子并引起沉積和堵塞的傾向。由于有在浸水管裝置56上游的直接噴射驟 冷系統(tǒng)68，在RSC 10的底部合成氣體12的溫度可降低到使對(duì)流式冷卻器進(jìn)
口通常發(fā)生堵塞問題的程度以下。還可將驟冷系統(tǒng)68設(shè)計(jì)成能夠促使固體顆 粒物下落。在這一區(qū)域設(shè)置能滿足規(guī)定的熱量吸收的表面可降低傳熱表面的成
本和危險(xiǎn)。取代規(guī)定的輻射傳熱負(fù)荷的15%—20%就可降低輻射表面和容器高 度達(dá)40%。對(duì)流傳熱表面70應(yīng)是蒸汽一水冷卻的，并且在要求的約為700F 到1000F的溫度范圍內(nèi)是緊湊的和成本有效的。超過通常認(rèn)為在輻射式冷卻器 中可達(dá)到的的附加熱吸收可以是可行的，可增大整個(gè)裝置的效率。對(duì)流傳熱表 面70還可對(duì)RSC 10的合成氣體12出口溫度的不穩(wěn)定起緩沖器的作用，從而 可降低設(shè)計(jì)對(duì)RSC 10內(nèi)的表面臟污的敏感性。
管壁構(gòu)造和金屬溫度一在優(yōu)選實(shí)施例中，構(gòu)成圍壁28的管子是用外徑2 英寸的管子構(gòu)成的膜壁構(gòu)造，管子壁厚相對(duì)較薄，管子間距很窄。管子直徑和 間距是基于可避免高鉻/鎳合金材料的腐蝕的最高金屬溫度設(shè)定的，這種材料的 導(dǎo)熱率約為碳鋼的1/3。大大降低的導(dǎo)熱率需要用大的管子外徑和高的膜壁溫 度?；谠谧罡邷囟葏^(qū)域的平均預(yù)料吸收率是68,000 BTU/ft2hr，到頂?shù)默F(xiàn)場(chǎng)吸 收率是設(shè)定為100，000BTU/ft2hr。對(duì)于工作在相對(duì)較高蒸汽壓力下的2英寸直 徑的管子，管子外和膜壁的最高溫度接近800F。所選擇的膜壁寬度是用常規(guī) 的膜壁焊接技術(shù)可制造的最小值。希望現(xiàn)有的裝置相比，管子內(nèi)徑能更大以及 水的飽和溫度更高，以提高蒸汽循環(huán)的效率。從現(xiàn)有裝置的蒸汽工作壓力按比 例增大可基于使管子溫度為最低來(lái)收緊腐蝕保護(hù)裕度。
分支壁30的設(shè)計(jì)，較佳地采用較松的管子構(gòu)造，每個(gè)管板約為3英尺寬， 用2英寸外徑的管子。管子圍壁28和分支壁30之間有小的空隙。分支壁30 的兩側(cè)都接收熱量，因此吸收能力是管子圍壁28的兩倍。管子外壁的最高溫 度不受較高的吸收的明顯影響并且類似于圍壁28的管子。在最小的膜壁寬度 下，由于兩側(cè)接收熱量，膜壁溫度高得不可接受。也可以考慮切向的管子構(gòu)造 和管子與管子之間全焊接以形成切向的管板，還可考慮把分支壁30的全長(zhǎng)焊 接到圍壁28。
循環(huán)系統(tǒng)設(shè)計(jì)一循環(huán)系統(tǒng)必須適應(yīng)起動(dòng)過程中的熱輸入的快速上升斜率。 蒸汽鼓筒16的直徑和長(zhǎng)度是基于蒸汽流量和鼓筒膨脹要求確定的。 一旦氣道 26的管子圍壁28和分支壁30的管子尺寸和數(shù)量通過表面布置設(shè)定了 ，就可計(jì) 算水流面積，確定一個(gè)循環(huán)比，以及設(shè)定連接尺寸，以提供所有回路中的可接
受的水流速度、飽和水頭的百分比、最好的蒸汽質(zhì)量和穩(wěn)定性。自然循環(huán)是優(yōu) 選的，因?yàn)樗凶哉{(diào)節(jié)能力，并且因不必用泵來(lái)運(yùn)行和保持而降低運(yùn)行成本。 但是，在圖2中可以看到，可考慮采用循環(huán)泵40的可能性。此外，在某些情 況下，可能需要一個(gè)較小的循環(huán)泵來(lái)進(jìn)行起動(dòng)，當(dāng)熱輸入穩(wěn)定時(shí)可將這個(gè)泵關(guān) 掉并隔離。在起動(dòng)過程中，可將來(lái)自一個(gè)外部汽源的蒸汽引入蒸汽鼓筒16，以 便在氣化器溫度升高過程中提高各壓力部分的壓力和溫度。 一旦氣化器的溫度 升高到足以點(diǎn)燃煤，就需要由循環(huán)的水均勻地加熱各壓力部分。由于用以提高 壓力的熱量是在循環(huán)回路的頂部導(dǎo)入，沒有使水循環(huán)的驅(qū)動(dòng)力，因此，可能需 要在循環(huán)回路的底部導(dǎo)入蒸汽，或者增設(shè)小的循環(huán)泵來(lái)強(qiáng)制循環(huán)。 一旦循環(huán)建 立起來(lái)了，就可安全地進(jìn)行煤在高熱輸入下的瞬間點(diǎn)燃，并可將起動(dòng)循環(huán)泵關(guān) 掉和隔離。
蒸汽鼓筒16的定位和連接設(shè)計(jì)可選定為適應(yīng)該設(shè)備在圍繞著RSC 10的 鋼鐵構(gòu)件中的循環(huán)和合理安放。在RSC 10的頂部，下降管18從蒸汽鼓筒16 進(jìn)入RSC 10容器的頂部并穿過容器壁44和管子圍壁28之間形成的環(huán)形空間 42延伸到RSC 10的底部。該布置可簡(jiǎn)化容器的連接和供給線路。
此外，蒸汽鼓筒16內(nèi)可以設(shè)置蒸汽升溫系統(tǒng)，用以在氣化器點(diǎn)火之前用 循環(huán)泵40加熱該設(shè)備而預(yù)熱整個(gè)蒸汽一水系統(tǒng)。
合成氣體的密封——為保護(hù)RSC 10容器壁44和不直接接觸初始合成氣 體12的各壓力部分所要求的主要?dú)怏w密封是在氣體進(jìn)口 14處，在圍壁28的 頂板處，以及在驟冷系統(tǒng)68下游的合成氣體出口 38處。在氣體進(jìn)口14處， 必須防止熱的氣體從耐火材料的背后流過以及防止在該高應(yīng)力區(qū)域的容器壁 44的過熱。這可以這樣來(lái)做到，就是用氣密的金屬膨脹接頭50包住各壓力部 分以上的耐火材料頸部78并用氮?dú)夂?或清潔的回收合成氣體加壓其內(nèi)部。在 頂板處,可采用一個(gè)穿過直接壓力部分罩殼的氣密構(gòu)造和/或使各壓力部分以上 的罩殼板遠(yuǎn)離爐子的輻射。在合成氣體出口38處，可設(shè)置從容器壁44到浸水 管裝置56的密封罩殼板，用金屬膨脹接頭66適應(yīng)圍壁28和容器壁44之間的 相對(duì)運(yùn)動(dòng)。緊密的密封可防止飽和的合成氣體12接觸包覆區(qū)域之上的壓力部 分和容器。
在RSC 10的合成氣體出口 38區(qū)域最好是有緊密的合成氣體密封，以防
止初始的合成氣體12接觸該壓力容器的和傳熱壓力部分的設(shè)計(jì)為不采用耐腐
蝕材料的區(qū)域。氣道圍壁28和容器壁44之間有敞開空間，在常態(tài)運(yùn)行條件下 用氮?dú)饣蚯鍧嵉脑傺h(huán)(非腐蝕性)合成氣體吹掃這些空間，以將初始的合成 氣體據(jù)之其外。在失調(diào)狀態(tài)，氣化過程可能引起很大的壓力瞬變，其將使密封 件承受極大的壓力差并可能造成密封件的損壞，甚至?xí)垢鲏毫Σ糠痔幱谧顗?的情況中。上述密封措施還必須允許合成氣體12在其正的或負(fù)的瞬變中的卸 壓，以防止損壞氣道圍壁28。因此，以及如圖11和12中所示，本發(fā)明的另 一方面包括提供卸壓裝置或稱安全風(fēng)門組件，其總的以標(biāo)號(hào)72標(biāo)示，裝在合 成氣體出口區(qū)域，作為環(huán)形空間42和下部的氣道圍壁28的通氣口。卸壓裝置 72可設(shè)置在密封板裝置64上，以降低損壞密封板裝置64的可能性，而這種損 壞可能因密封板裝置64 —側(cè)的壓力高于其另一側(cè)的壓力而發(fā)生。
優(yōu)選的是，卸壓裝置72包括至少一個(gè)在密封板裝置64上的通氣孔74以 及用于遮斷流過通氣孔74的流動(dòng)的裝置76，諸如一個(gè)圓盤，這個(gè)遮斷裝置， 在密封板裝置64的一側(cè)或另一側(cè)的壓力未超過一個(gè)壓力設(shè)定值時(shí)，遮斷通過 通氣孔74的流動(dòng)，而在壓力達(dá)到設(shè)定值時(shí)，流動(dòng)遮斷裝置76將允許通過通氣 孔74的流動(dòng),直到壓力不再超過設(shè)定值為止。卸壓裝置72也可以有一個(gè)平衡重 塊，用以在規(guī)定的壓差下提升風(fēng)門。在該位置，合成氣體12的溫度是很低的， 足以允許在該風(fēng)門的密封表面周圍采用非金屬材料來(lái)建立緊密的密封以及允 許風(fēng)門表面在長(zhǎng)期使用中可能出現(xiàn)的某種不均勻性。
降低制造成本/改善管板焊接~~在制作和焊接昂貴且難以加工的高絡(luò)鎳 合金管子時(shí)，高度關(guān)注焊接質(zhì)量是很關(guān)鍵的?？梢栽O(shè)想，按照Harth,III的美國(guó) 專利No.6,852，945中所述的方法在RSC 10中采用鍋爐管子壁板的激光焊接， 有可能大大降低制造成本，其內(nèi)容以參見的方式納入本文，就如在此完全闡述 了一樣。這種技術(shù)可將對(duì)昂貴的合金焊絲的需要減少到進(jìn)行常規(guī)的手工管板焊 接所需要的程度，并可在管板的制作中減少勞動(dòng)工時(shí)。激光焊接還可給出較強(qiáng) 度較高、熱輸入較低的管板焊縫，特別是在膜壁對(duì)管子的焊縫制作中有明顯的 優(yōu)點(diǎn)。對(duì)輻射式合成氣體冷卻器的垂向骨架管板段以及對(duì)分支壁的管板，可采 用自動(dòng)化的管板焊接。激光焊接可將基金屬的敏感化降低到采用埋弧焊不能達(dá) 到的程度。用3到5千焦耳每厘米的熱輸入，熱影響區(qū)域?qū)⑿〉枚嗖⑶移洳淮?br> 會(huì)穿透管壁。
傳熱表面的優(yōu)化-~~在包括原材料、制作、運(yùn)輸和現(xiàn)場(chǎng)組裝的整個(gè)工程項(xiàng) 目成本中，容器的直徑、高度和重量是影響成本的主要因素。減輕表面臟污的 危險(xiǎn)要求使表面清潔度為最佳以及在給定的容積內(nèi)安裝更大的表面。
表^■淳^^r^f著佳眾一優(yōu)化表面效率的關(guān)鍵是使熔化的爐渣在RSC 10 的上部區(qū)域內(nèi)的分支壁30上的累積為最小。在頂部溫度驅(qū)使力為最大，但熔 化的煤灰會(huì)明顯地降低傳熱，并且在平衡狀態(tài)直到氣體向下流到冷卻器的近乎 一半高度時(shí)氣體溫度才安全地處于煤灰的熔化點(diǎn)以下。
因此，本發(fā)明的另一實(shí)施例包括在合成氣體進(jìn)口 14處采用適當(dāng)?shù)哪突鸩?料輪廓來(lái)控制流出氣體進(jìn)口 14的氣體膨脹。具體地說(shuō)，在RSC10的頂部設(shè)置 一個(gè)拋物面(或其它較佳的)的圓錐形進(jìn)口，用以使合成氣體12能夠進(jìn)入RSC 10，使得使其內(nèi)攜帶的固體顆粒物優(yōu)先地直接向下去，從而降低攜帶的顆粒物 對(duì)流體冷卻的輻射傳熱表面30的直接沖撞。這允許帶有顆粒物的合成氣體12 在圓錐形容積內(nèi)膨脹并降低出現(xiàn)流動(dòng)誘發(fā)渦流的可能性。這將使熔化的煤灰顆 粒物的向外散流為最小并能保持分支壁30更清潔。
本發(fā)明的另一實(shí)施例包括用于降低爐渣沉積的裝置，它是通過把分支壁 30的前邊緣較遠(yuǎn)地離開RSC 10的豎直的縱向中心線來(lái)降低爐渣沉積的可能 性。在大多數(shù)情況中，這將需要更多數(shù)量的深度降低的分支壁30。離開中心線 最遠(yuǎn)的輻射傳熱表面30是最清潔的，把分支壁表面30向氣道壁28移動(dòng)得越 多，將可使這一表面越清潔越有效。這一概念等于說(shuō)使熔化的煤灰更為軸向地 流動(dòng)以及把分支壁30向外移得更遠(yuǎn)。與現(xiàn)有的裝置相比，這一組合措施可使 表面更為清潔，即使在爐渣區(qū)域也能如此。這樣，部分地延伸于氣道26內(nèi)用 于冷卻合成氣體12的流體冷卻輻射傳熱表面30是定位成能夠降低合成氣體12 和其中攜帶的固體顆粒物對(duì)流體冷卻的輻射傳熱表面30的直接沖撞。
碧庸表厫資率/吝茨效率^通過拆除環(huán)形空間42內(nèi)的下降供應(yīng)管將能提 供增大表面的機(jī)會(huì)。該先進(jìn)的設(shè)計(jì)概念將要求把在容器的頂部進(jìn)入的下降管18 恰在圍壁28圓周之上連接到環(huán)形聯(lián)箱。各管壁28的一部分應(yīng)連接到該環(huán)形聯(lián) 箱，讓水流過壁管28的一部分而在壁管28的底部進(jìn)入?yún)R集聯(lián)箱，作為被加熱 的下降管系統(tǒng)18。其余的壁管28和分支壁管子30應(yīng)把低處的供給環(huán)形聯(lián)箱連
接于向上流回一個(gè)上升管20的聯(lián)箱的水流，并連接到蒸汽鼓筒16上。該構(gòu)造
還可在簡(jiǎn)化圍壁28和分支壁30組件的頂部支架方面給出優(yōu)點(diǎn)。這樣，另一實(shí) 施例可釆用被加熱的下降管裝置18并且其將構(gòu)成流體冷卻的管壁28的一部 分，而下降管裝置18從安裝在RSC 10的上部的公共環(huán)形聯(lián)箱得到供給和支承。 經(jīng)驗(yàn)已經(jīng)表明，在流出下降管回路的水被充分地低溫冷卻而能夠提供在該進(jìn) 口聯(lián)箱以上10英尺或更高的水沸騰點(diǎn)時(shí)，被加熱的下降管回路是安全而有效 的。該設(shè)計(jì)的成功是由循環(huán)比和被低溫冷卻到飽和溫度以下的進(jìn)入給水的量的 組合促成的。
本發(fā)明的另一實(shí)施例包括使分支壁30的型面輪廓從頂部到底部匹配于被 降低的爐渣是沉積流態(tài)。通過擴(kuò)大每個(gè)管子之間的膜壁寬度，把每個(gè)分支壁30 做成為從冷卻器的中點(diǎn)開始加深約17%。這一區(qū)域是被冷卻的而不大容易有爐 渣，并且可以以較大的寬度控制膜壁的最高溫度。用遞增加寬的膜壁，將每個(gè) 分支壁30進(jìn)一步擴(kuò)大約17%，超過高度的最后四分之一。這樣， 一個(gè)或多個(gè) 平的分支壁表面30就具有變化的形狀，而能夠減少爐渣在其上是沉積。各分 支壁表面30的接近合成氣體進(jìn)口 14的部分被徑向地進(jìn)一步離開RSC 10的縱 向軸線，而各分支壁表面30的接近漏斗裝置46的部分被徑向地靠近RSC 10 的縱向軸線?；蛘?，給各分支壁表面30設(shè)置膜壁結(jié)構(gòu)，并且通過改變形成分 支壁30的各相鄰管子之間的膜壁寬度來(lái)使分支壁表面30有變化的形狀。
由于采用增大的氣道26直徑和特定輪廓的分支壁30的組合，安裝的傳熱 表面的大小可增大約40%。面積的增大是用平的膜壁棒到達(dá)的，棒比管子便宜 得多。從氣體進(jìn)口 14到24英寸深分支壁30的前邊緣管子的距離約為38英寸。 即使不歸功于爐渣覆蓋區(qū)域的更清潔的表面，也可明顯地降低總高度需求。
用復(fù)合材料的管子替代堅(jiān)固的高鉻鎳合金管子可以給出成本和危險(xiǎn)方面 的幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)。復(fù)合材料的管子的外層是高鉻鎳合金而內(nèi)部的基本管子是Croloy 材料的。就用在本文中而言，Croloy是金屬管子的一個(gè)注冊(cè)商標(biāo)，熟悉本技術(shù) 領(lǐng)域的人都知道，它是代表鉻鉬鋼。它們歸屬于ASTM名稱A213/A213M或 ASME名稱SA213，并且有各種等級(jí)，諸如T2 (Croloy 1/2) 、 T5、 T9、 Tll (Croloy 1 — 1/4) 、 T12、以及T22 (Croloy 2 —1/4)。設(shè)想在該應(yīng)用中的復(fù)合 材料管子的外徑可能是2'/2英寸，比堅(jiān)固的高鉻鎳合金管子的2英寸外徑大。
包覆在導(dǎo)熱性好的基本材料外面的較薄的高鉻鎳合金材料可降低管子和膜壁 的最高溫度，允許在圍壁上用較寬的膜壁，以及允許分支壁的膜壁構(gòu)造用在高 熱通量區(qū)域。較大的管子外徑和膜壁寬度需要較少的管子數(shù)量。較高的導(dǎo)熱性 將能提供在最高允許金屬溫度以下的更大的工作溫度裕度。管子內(nèi)壁具有
Croloy材料還可降低給水質(zhì)量要求以及降低給水處理的投資和運(yùn)行費(fèi)用。
盡管己經(jīng)詳細(xì)地圖示和描述了本發(fā)明的幾個(gè)具體實(shí)施例，借以說(shuō)明了本發(fā) 明的各基本原則的應(yīng)用，但是熟悉本技術(shù)領(lǐng)域的人將能理解，可對(duì)由權(quán)利要求 書涵蓋的本發(fā)明的形式做出各種改變，而不背離這些原則。在本發(fā)明的某些實(shí) 施例中，本發(fā)明的一些結(jié)構(gòu)特點(diǎn)有時(shí)可以充分利用，而不必相應(yīng)地利用其它結(jié) 構(gòu)特點(diǎn)。因此，所有這類改變和實(shí)施方式都將屬于權(quán)利要求書的范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種用于從由氣化過程產(chǎn)生的合成氣體吸取熱量的合成氣體冷卻器，所述合成氣體冷卻器包括殼體，所述殼體具有合成氣體進(jìn)口和合成氣體出口；流體冷卻的氣道，所述流體冷卻的氣道容納在所述殼體內(nèi)用于接收合成氣體；流體冷卻的輻射傳熱表面，所述傳熱表面部分地延伸于所述氣道內(nèi)用于冷卻所述合成氣體；以及用于把所述合成氣體從所述氣道輸送到所述合成氣體出口的裝置。
2. 如權(quán)利要求1所述的合成氣體冷卻器，其特征在于，包括在所述 合成氣體冷卻器的下部的水浴區(qū)域，用于接收和冷卻所述合成氣體中攜帶的固 體顆粒物；以及固體顆粒物出口，用于從所述合成氣體冷卻器去除所述固體顆 粒物。
3. 如權(quán)利要求1所述的合成氣體冷卻器，其特征在于，所述流體冷卻 的氣道包括多個(gè)流體冷卻的管子制成的圍壁。
4. 如權(quán)利要求1所述的合成氣體冷卻器，其特征在于，所述流體冷卻 的輻射傳熱表面包括一個(gè)或多個(gè)流體冷卻的分支壁表面，所述分支壁表面懸掛 在所述合成氣體冷卻器內(nèi)，從而使所述分支壁表面的很大一部分暴露于進(jìn)來(lái)的 所述合成氣體。
5. 如權(quán)利要求4所述的合成氣體冷卻器，其特征在于，所述一個(gè)或多 個(gè)分支壁表面中的每個(gè)都包括設(shè)置成互相鄰接的平的管排。
6. 如權(quán)利要求1所述的合成氣體冷卻器，其特征在于，所述氣道的底 部包括漏斗裝置。
7. 如權(quán)利要求6所述的合成氣體冷卻器，其特征在于，還包括用于把 所述合成氣體從所述漏斗裝置輸送到所述水浴區(qū)域的裝置。
8. 如權(quán)利要求7所述的合成氣體冷卻器，其特征在于，所述用于把所 述合成氣體從所述漏斗裝置輸送到所述水浴區(qū)域的裝置包括浸水管裝置，所述 浸水管裝置具有靠近所述水浴區(qū)域的出口 。
9. 如權(quán)利要求8所述的合成氣體冷卻器，其特征在于，還包括用于形 成用于從所述浸水管裝置的所述出口向所述合成氣體出口輸送所述合成氣體 的通路的裝置。
10. 如權(quán)利要求9所述的合成氣體冷卻器，其特征在于，所述用于形成用于從所述浸水管裝置的所述出口向所述合成氣體出口輸送所述合成氣體的 通路的裝置包括圍繞所述浸水管裝置的引流管裝置。
11. 如權(quán)利要求1所述的合成氣體冷卻器，其特征在于，包括在所述合 成氣體冷卻器內(nèi)的密封板裝置，用于阻止合成氣體進(jìn)入所述殼體和所述氣道之 間的區(qū)域。
12. 如權(quán)利要求11所述的合成氣體冷卻器，其特征在于，所述密封板 裝置在所述殼體和所述用于從所述漏斗裝置向所述水浴區(qū)域輸送所述合成氣 體的裝置之間延伸。
13. 如權(quán)利要求11所述的合成氣體冷卻器，其特征在于，所述殼體和 所述密封板裝置部分地限定合成氣體出口區(qū)域。
14. 如權(quán)利要求13所述的合成氣體冷卻器，其特征在于，所述合成氣 體出口區(qū)域把合成氣體從所述水浴區(qū)域輸送到所述合成氣體出口 。
15. 如權(quán)利要求12所述的合成氣體冷卻器，其特征在于，包括用于提 供所述密封板裝置和所述漏斗裝置之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)的膨脹接頭裝置。
16. 如權(quán)利要求1所述的合成氣體冷卻器，其特征在于，還包括用于把 流體噴射到所述合成氣體內(nèi)的驟冷裝置。
17. 如權(quán)利要求7所述的合成氣體冷卻器，其特征在于，所述漏斗裝置 有截頭圓錐的形狀和喉口區(qū)域，所述喉口區(qū)域與所述用于向所述水浴區(qū)域輸送 所述合成氣體的裝置相鄰。
18. 如權(quán)利要求1所述的合成氣體冷卻器，其特征在于，包括用于向所 述流體冷卻的氣道和輻射傳熱表面供給流體的下降管裝置以及用于從所述流 體冷卻的氣道和輻射傳熱表面輸送出流體的上升管裝置。
19. 如權(quán)利要求1所述的合成氣體冷卻器，其特征在于，包括用于提供 所述殼體與所述流體冷卻的氣道圍壁和流體冷卻的輻射傳熱表面兩者中的至 少一個(gè)之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)的膨脹接頭裝置。
20. 如權(quán)利要求1所述的合成氣體冷卻器，其特征在于，所述流體冷卻 的氣道和輻射傳熱表面是設(shè)計(jì)成在所述合成氣體冷卻器的常態(tài)運(yùn)行中從所述 合成氣體吸取的熱量足以誘發(fā)流過所述流體冷卻的氣道和輻射傳熱表面的自 然循環(huán)。
21. 如權(quán)利要求11所述的合成氣體冷卻器，其特征在于，包括設(shè)置在 所述密封板裝置內(nèi)的卸壓裝置，用于降低可能因所述密封板裝置一側(cè)的壓力大 于所述密封板裝置相反側(cè)的壓力而發(fā)生的損壞所述密封板裝置的可能性。
22. 如權(quán)利要求21所述的合成氣體冷卻器，其特征在于，所述卸壓裝 置包括在所述密封板裝置上的至少一個(gè)通孔和用于遮斷通過所述通孔的流動(dòng) 的裝置，所述遮斷裝置在所述密封板裝置的一側(cè)或另一側(cè)的壓力未超過壓力設(shè) 定值時(shí)遮斷通過所述通孔的流動(dòng)，在所述壓力設(shè)定值時(shí)所述遮斷裝置允許通過 所述通孔的流動(dòng)，直到壓力不再超出所述壓力設(shè)定值。
23. 如權(quán)利要求1所述的合成氣體冷卻器，其特征在于，包括在所述合 成氣體冷卻器的頂部的拋物面圓錐形進(jìn)口，用于使所述合成氣體能夠進(jìn)入所述 合成氣體冷卻器，使得所述合成氣體中挾帶的固體顆粒物被優(yōu)先地向下引導(dǎo)而 降低所述固體顆粒物對(duì)流體冷卻的輻射傳熱表面的直接沖撞。
24. 如權(quán)利要求1所述的合成氣體冷卻器，其特征在于，部分地延伸于 所述氣道內(nèi)用于冷卻所述合成氣體的所述流體冷卻的輻射傳熱表面定位成能 夠降低所述合成氣體和其中挾帶的固體顆粒物對(duì)所述流體冷卻的輻射傳熱表 面的直接沖撞。
25. 如權(quán)利要求5所述的合成氣體冷卻器，其特征在于，所述氣道的底 部包括漏斗裝置，以及所述一個(gè)或多個(gè)平面的分支壁表面有變化的形狀以減少 爐渣在分支壁表面上的沉積，所述各分支壁表面的接近所述合成氣體進(jìn)口的各 部分是徑向地更遠(yuǎn)離所述合成氣體冷卻器的縱向軸線，而所述各分支壁表面的 接近所述漏斗裝置的各部分是徑向地更靠近所述縱向軸線。
26. 如權(quán)利要求25所述的合成氣體冷卻器，其特征在于，所述各分支 壁表面設(shè)有膜壁構(gòu)造，以及所述分支壁表面的所述變化的形狀是通過改變相鄰 的管子之間所述膜壁的寬度來(lái)形成的。
27. 如權(quán)利要求8所述的合成氣體冷卻器，其特征在于，還包括安裝成 與所述浸水管裝置相鄰的對(duì)流傳熱表面，所述對(duì)流傳熱表面用于在所述合成氣 體輸送通過所述合成氣體出口之前從合成氣體吸取附加熱量。
28. 如權(quán)利要求27所述的合成氣體冷卻器，其特征在于，所述對(duì)流傳 熱表面包括一個(gè)或多個(gè)管排，所述管排布置成所述合成氣體流過所述管子外
29. 如權(quán)利要求16所述的合成氣體冷卻器，其特征在于，所述驟冷裝 置是安裝在所述浸水管裝置內(nèi)。
30. 如權(quán)利要求18所述的合成氣體冷卻器，其特征在于，所述下降管 裝置中的一部分被加熱，而構(gòu)成所述流體冷卻的氣道壁的一部分，所述下降管 裝置由位于所述合成氣體冷卻器的上部的公共環(huán)形聯(lián)箱供給和支承。
31. 如權(quán)利要求1所述的合成氣體冷卻器，其特征在于，所述流體冷卻 的氣道和輻射傳熱表面包括復(fù)合材料的管子。
32. 如權(quán)利要求31所述的合成氣體冷卻器，其特征在于，所述復(fù)合材 料的管子的外層材料是高鉻鎳合金，所述外層材料在Croloy材料的基本管子之上。
33. —種基本上如所圖示和所描述的用于從合成氣體吸取熱量的合成 氣體冷卻器。
34. 基本上如所圖示和所描述的用于從合成氣體吸取熱量的合成氣體 冷卻器的運(yùn)行方法。
全文摘要
一種用于容納和冷卻由煤的氣化過程生產(chǎn)的合成氣體的輻射式合成氣體冷卻器，其采用特殊布置的輻射和對(duì)流傳熱表面，從而實(shí)現(xiàn)一種成本有效的、結(jié)構(gòu)尺寸緊湊的設(shè)計(jì)。
文檔編號(hào)F01K23/10GK101351622SQ200680050250
公開日2009年1月21日 申請(qǐng)日期2006年10月27日 優(yōu)先權(quán)日2005年11月3日
發(fā)明者D·L·克拉夫特, K·C·亞力山大, M·J·阿爾布雷克特, S·R·弗萊伊, T·E·多伊爾 申請(qǐng)人:巴布考克及威爾考克斯公司