(57)【要約】      （修正有）【課題】ガス化反応器を用いた石炭および／または石油コークスなどの炭素質供給原料を、水素などのガス状生成物にガス化する方法および装置を提供する。【解決手段】供給原料１２を部分的にガス化するよう動作可能なガス化反応器システム１０は、二段式の配置を持つ第一段反応器部分１４、および第二段反応器部分１６が含まれる。第一段反応器部分１４は本体２２、および供給原料１２を第一の反応ゾーンに放出するよう動作可能な少なくとも２つの入口突出物２４から構成される。第二段反応器部分１６は、第一段反応器部分１４の上に位置し、第二の反応ゾーン３２を定義する。【選択図】図１
2014132082.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
供給原料をガス化するための二段式（two-stage）のガス化反応器システムで、前記反応器システムが以下から構成されるもの：
以下から構成される第一段反応器部分：
第一の反応ゾーンを協調的に定義する複数の内面で、ここで前記内面の合計面積のうち少なくとも約75パーセントが実質的に垂直の方向を持つもの、
前記内面の全面積の約10％より少ない部分が水平線から45度より大きい角度で延在する法線ベクトルを有し、もって、前記第一の反応ゾーン内でスラグ及びその他のガス化副産物を除去するもの、
前記内面の本体部分を持つ本体、
前記本体の概して対向する両側から外方向に延びた一対の入口突出物で、ここで前記入口突出物が前記内面の入口部分を持つもの、および
前記入口突出物のそれぞれに位置する少なくとも1つの入口で、ここでそれぞれの入口が前記供給原料を前記第一の反応ゾーンに放出するために動作可能で、
ここで前記第一の反応ゾーンの合計容積の約50パーセント未満が、前記入口突出物内で定義され、
ここで、前記本体の最大外径は、前記入口突出物の最大外径よりも少なくとも約25パーセント大きいもの、
概して前記第一段反応器部分の上部に位置し、第二の反応ゾーンを定義する第二段反応器部分、および
前記第一および第二の反応器部分間の液体連通を提供するスロート部分で、ここで前記スロート部分が第一および第二の反応ゾーンの最大の上方向の流れの開口部よりも少なくとも約50パーセント小さい上方向の流れの開口部を持つ上方向の流れ経路を定義するもの。
【請求項２】
請求項１の反応器システムで、ここで前記入口突出物のそれぞれが、前記本体に接続された近位端および前記本体から外側方向に離れた遠位端を持ち、ここで前記入口の1つが前記入口突出物のそれぞれの前記遠位端に近接した位置にあるもの。
【請求項３】
請求項２の反応器システムで、ここで前記本体の最大内径が、前記入口突出物のそれぞれの前記遠位端に近接した位置にある前記入口間の水平距離の少なくとも約30パーセントであるもの。
【請求項４】
請求項１の反応器システムで、ここで前記第一の反応ゾーンの最大高さの前記第一の反応ゾーンの最大幅に対する比率が1:1〜約5:1の範囲であるもの。
【請求項５】
請求項１の反応器システムで、ここで前記反応器システムが一体構造のガス化反応器で構成されるもの。
【請求項６】
炭素質供給原料をガス化する方法であって、前記方法が以下を有する方法：
(a) 前記供給原料を第一の反応ゾーン内で少なくとも部分的に燃焼させて、それによって第一の反応生成物を生成する手順で、ここで前記第一の反応ゾーンが複数の内面を協調的に定義され、ここで前記内面の合計面積の少なくとも約50パーセントが直立方向を持ち、 前記内面の全面積の約10％より少ない部分が水平線から45度より大きい角度で延在する法線ベクトルを有し、もって、前記第一の反応ゾーン内でスラグ及びその他のガス化副産物を除去し、
前記第一段反応器部分が本体及び少なくとも2つの入口突出物を有し、
該本体と入口突出物は協働して前記第一の反応ゾーンを定義し、前記第一段反応器部分の全体積の約５０％より少ない部分が前記入口突出物内に定義され、
ここで前記本体の最大外径が前記入口突出物の最大外径よりも少なくとも約25パーセント大きく、もって、反応器システムが耐え得る最大内部圧力を増加し、
(b) 前記第一の燃焼生成物の少なくとも一部分を、概して前記第一の反応ゾーンの上に位置する第二の反応ゾーン内でさらに反応させ、それによって第二の反応生成物を生成する手順。
【請求項７】
請求項６の方法で、ここで前記内面の合計面積の約10パーセント未満が、下方に面した向きを持つもの。
【請求項８】
請求項６の方法で、ここで 前記第一の反応ゾーンが本体および前記本体から外側方向に延びた少なくとも2つの入口突出物から構成される第一段反応セクション内で定義され、ここで前記供給原料が、前記第一の反応ゾーンに前記入口突出物のそれぞれの外側端に近接した位置にある入口を経由して導入されるもの。
【請求項９】
請求項８の方法で、本体の最大外径が前記入口突出物の最大外径よりも少なくとも約25パーセント大きいもの。
【請求項１０】
請求項８の方法で、ここで前記第一段反応セクションが概して前記本体の対向する両側から延びた一対の前記入口突出物で構成され、ここで前記本体の最大内径が前記対の入口突出物の前記入口間の水平距離の少なくとも約30パーセントであるもの。
【請求項１１】
請求項６の方法で、ここで前記の手順（a）の燃焼が少なくとも約2,000°Fの最大温度で実施されるもの。
【請求項１２】
請求項１１の方法で、ここで前記の手順（b）の反応が、前記燃焼の前記最大温度よりも少なくとも約200°F低い平均温度で実施されるもの。
【請求項１３】
請求項６の方法で、ここで前記第一および第二の反応ゾーンが、少なくとも約250 psigの圧力で維持されるもの。
【請求項１４】
請求項６の方法で、ここで前記の手順（b）の反応が、吸熱反応であるもの。
【請求項１５】
請求項６の方法で、ここで前記供給原料が石炭および／または石油コークスから構成されるもの。
【請求項１６】
請求項15の方法で、ここで前記供給原料がさらに水で構成されるもの。
【請求項１７】
請求項６の方法で、さらに追加量の前記供給原料を前記第二の反応ゾーンに導入する手順から構成されるもの。
【請求項１８】
請求項６の方法で、さらに前記供給原料を一対の概して対向する入口を経由して前記第一の反応ゾーンに導入することから構成されるもの。
【請求項１９】
請求項６の方法で、ここで前記第一の反応生成物が蒸気、炭、およびガス状の燃焼生成物から構成されるもの。
【請求項２０】
請求項31の方法で、ここで前記ガス状の燃焼生成物が、水素、一酸化炭素、および二酸化炭素から構成されるもの。
【請求項２１】
請求項６の方法で、ここで前記第一の反応生成物がオーバーヘッド部分およびアンダーフロー部分から構成され、ここで前記オーバーヘッド部分が前記第二の反応ゾーンに導入され、ここで前記アンダーフロー部分が前記第一の反応ゾーンの底から除去されるもの。
【請求項２２】
請求項２１の方法で、さらに前記オーバーヘッド部分を前記第一および第二の反応ゾーン間に位置するスロート部に通すことで構成され、ここで前記スロート部内での前記オーバーヘッド部分の最大表面速度が少なくとも毎秒約30フィートであるもの。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
１．発明の分野
本発明は概して、供給原料のガス化のための方法および装置に関する。特に、本発明の様々な実施態様では、一般に直立の配置を呈するガス化反応器を提供している。
【背景技術】
【０００２】
２．関連技術の説明
ガス化反応器は、一般に固体供給原料をガス状生成物に変換するためにしばしば使用される。例えば、ガス化反応器は、石炭および／または石油コークスなどの炭素質供給原料を、水素などの望ましいガス状生成物にガス化することができる。ガス化反応器は、固体供給原料のガス化に必要な非常に高い圧力および温度に耐えるよう構成する必要がある。残念ながら、ガス化反応器は、複雑な幾何学的配置が利用されることが多く、また過度のメンテナンスを必要とすることがよくある。
【発明の概要】
【０００３】
発明の要約
本発明の一実施態様において、供給原料をガス化するための二段式ガス化反応器システムが提供されている。一般に、反応器システムは、第一段反応器部分および第二段反応器部分で構成される。一般に、第一段反応器部分は本体、および供給原料を第一の反応ゾーンに放出するよう動作可能な少なくとも2つの入口から構成される。第一段反応器部分には、第一の反応ゾーンを協調的に定義する複数の内面があり、その内面の合計面積のうち少なくとも約50パーセントは直立方向を持つ。第二段反応器部分は、概して第一段反応器部分の上に位置し、第二の反応ゾーンを定義する。
【０００４】
本発明の別の実施態様において、供給原料をガス化するための反応器システムが提供されている。一般に、反応器システムには、垂直方向に延びた本体、本体の概して対向する両側から外側方向に延びた一対の入口突出物が含まれる。本体および入口突出物は、協調的に反応ゾーンを定義する。少なくとも1つの入口は、それぞれの入口突出物上に位置する。それぞれの入口は、供給原料を反応ゾーンに放出するように動作可能である。本体の最大外径は、入口突出物の最大外径よりも少なくとも約25パーセント大きい。
【０００５】
本発明の別の実施態様において、供給原料をガス化するための二段式ガス化反応器システムが提供されている。一般に、反応器システムは、第一段反応器部分、第二段反応器部分、およびスロート部分から構成される。第一段反応器部分には、第一の反応ゾーンを協調的に定義する複数の内面があり、その内面の合計面積のうち少なくとも約50パーセントは実質的に垂直の方向を持つ。第一反応器システムにはさらに、内面の本体部分を呈する本体、本体の概して対向する両側から外側方向に延びた一対の入口突出物が含まれる。入口突出物は、内面の入口部分を呈する。少なくとも1つの入口は、それぞれの入口突出物上に位置する。それぞれの入口は、供給原料を第一の反応ゾーンに放出するように動作可能である。第一の反応ゾーンの合計容積のうち、約50パーセント未満は入口突出物内で定義され、また本体の最大外径は、入口突出物の最大外径よりも少なくとも約25パーセント大きい。第二段反応器部分は、概して第一段反応器部分の上に位置し、第二の反応ゾーンを定義する。スロート部分は、第一および第二の反応器部分間での液体連通を提供し、また、第一および第二の反応ゾーンの最大の上方向の流れの開口部の少なくとも約50パーセント未満である上方向の流れの開口部を持つ上方向の流れ経路が定義される。
【０００６】
本発明の別の実施態様において、供給原料をガス化するための方法が提供されている。この方法は一般に、（a）供給原料を第一の反応ゾーン内で少なくとも部分的に燃焼させ、それによって第一の反応生成物を生成する手順で、ここで第一の反応ゾーンが複数の内面により協調的に定義され、ここで内面の合計面積のうち少なくとも約50パーセントが直立方向を持つもの、および（b）さらに第一の燃焼生成物の少なくとも一部が概して第一の反応ゾーンの上に位置する第二の反応ゾーン内で反応し、それにより第二の反応生成物を生成する手順で構成される。
【０００７】
本発明の別の実施態様において、供給原料をガス化するための方法が提供されている。この方法は概して、供給原料をガス化反応器の反応ゾーン内で少なくとも部分的に燃焼させ、それによって反応生成物を生成する手順で構成される。反応器は、本体、および本体の概して対向する両側から外側方向に延びた一対の入口突出物で構成される。反応器はさらに、入口突出物の外端の近接部に位置する、概して対向する一対の入口から構成される。本体の最大外径は、前記入口突出物の最大外径よりも少なくとも約25パーセント大きい。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
本発明の実施態様は、添付した図面を参照しながら、下記に詳しく説明するが、図面は以下のとおりである。
【図１】図1は、本発明の様々な実施態様に従い配置した二段式のガス化反応器の周囲を表す図である。
【図２】図2は、図1のガス化反応器の第一段反応器部分の断面図である。
【図３】図3は、図2の第一段反応器部分の各部をさらに詳細に示す拡大断面図である。
【図４】図4は、図1の基準線4-4に沿ったガス化反応器の断面図である。
【図５】図5は、3つの入口突出物を使用した別のガス化反応器の断面図である。
【図６】図6は、4つの入口突出物を使用した別のガス化反応器の断面図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
詳細な説明
本発明の様々な実施態様についての下記の詳細な説明では、発明を実施しうる具体的な実施態様を図示した添付図面を参照する。実施態様は、当業者が発明を実施できるように、発明の側面を十分に詳しく説明することを意図したものである。その他の実施態様を利用することができ、また本発明の範囲から逸脱することなく変更することができる。よって下記の詳細な説明は、本発明の範囲を制限するものではない。本発明の範囲は、添付した請求項によってのみ定義されるが、かかる請求項に対して権利が与えられる同等物の全範囲におよぶ。
【００１０】
まず図1を参照するが、本発明の様々な実施態様では、供給原料12（例：石炭または石油コークス）を少なくとも部分的にガス化するよう動作可能なガス化反応器システム10が提供されている。一部の実施態様において、図1に図示したとおり、反応器システム10には、二段式の配置を持つための第一段反応器部分14、および第二段反応器部分16が含まれうる。ただし、反応器システム10は、一部の実施態様で、第一段反応器部分14のみを含む一段式の配置を持ちうる。
【００１１】
おそらく図2で最もよく図示されているとおり、第一段反応器部分14は、供給原料12を少なくとも部分的にガス化させることができる第一の反応ゾーン20を協調的に定義する複数の第一の内面18を持ちうる。第一段反応器部分14には、第一の内面18の本体部分18aを持つ本体22、および第一の内面18の入口部分18bを持つ一対の入口突出物24が含まれうる。少なくとも1つの入口26は、それぞれの入口突出物24上に配置することができ、それぞれの入口26は、供給原料12を第一の反応ゾーン20に放出するよう動作可能である。一実施態様において、入口突出物24は、実質的に同一の高さに位置する。
【００１２】
第一の内面18は、第一の反応ゾーン20を構成する任意の配置での向きにすることができる。ただし、様々な実施態様において、第一の内面18の合計面積のうち少なくとも約50パーセント、少なくとも約75パーセント、少なくとも約90パーセント、または少なくとも95パーセントは、直立方向または実質的に垂直の方向を持つ。本書で使用するとき、「直立方向」（「upright orientation」）は垂直に対して45度未満の傾きを持つ表面の向きを意味する。一部の実施態様において、第一の内面18の合計面積のうち約10パーセント未満、約4パーセント未満、または2パーセント未満が、下方に面した向きおよび／または上方に面した向きを持つ。本書で使用するとき、「下方に面した向き」（「downwardly facing orientation」）とは、水平に対して45度を超える角度で下に延びた法線ベクトルを持つ表面を意味する。本書で使用するとき、「上方に面した向き」（「upwardly facing orientation」）とは、水平に対して45度を超える角度で上に延びた法線ベクトルを持つ表面を意味する。
【００１３】
下記にさらに詳しく考察するとおり、第一の内面18のうち少なくともいくつかの直立方向によって、反応器システム10で必要とされるメンテナンスを低減しうる。例えば、下方に面した向きを持つ表面を最小化することで、様々な反応器システム10の構成材の据付コストを低減することができ、また上方に面した向きを持つ表面を最小化することで、第一段反応器部分14内でのスラグおよびその他のガス化副産物の蓄積を低減しうる。
【００１４】
第一段反応器部分14の全体的な形状によっても、反応器システム10のより効率的な動作が促進され、またメンテナンスおよび修理を低減しうる。例えば、図2に示すとおり、一部の実施態様において、本体22の最大外径（Db,o）は、入口突出物24の最大外径（Dp,o）よりも少なくとも約25パーセント、少なくとも約50パーセント、または少なくとも75パーセント大きくすることができる。こうした配置により、本体22および入口突出物24が溶接または締付け部品により連結される長さを制限することができ、それによって反応器システム10が抵抗しうる内部圧力が増大する。
【００１５】
図2に示すとおり、一部の実施態様において、本体22の最大内径（Db,i）（第一の内面18の本体部分18a間の最大水平距離として測定）は、入口突出物24の概して対向する入口26間の水平距離よりも、少なくとも約30パーセント、約40〜約80パーセントの範囲、または45〜70パーセントの範囲だけ長くすることができる。一部の実施態様において、本体22は、第一の反応ゾーン20の最大高さ（Hr）の第一の反応ゾーン20最大幅に対する比率（一般に、対向する入口26間の水平距離として測定）が、1:1〜約5:1、約1.25:1〜約4:1、または1.5:1〜3:1の範囲となるように配置される。一定の実施態様において、本体22の最大外径（Db,o）および／または本体22の最大内径（Db,i）は、約4〜約40フィート、約8〜約30フィート、または10〜25フィートの範囲とすることができる。さらに、第一の反応ゾーン20の最大高さ（Hr）は、約10〜約100フィート、約20〜約80フィート、または40〜60フィートの範囲とすることができる。
【００１６】
入口突出物24は、本体22から外側方向に延ばして、供給原料12が第一の反応ゾーン20へ入口26によって提供できるようにすることができる。一部の実施態様において、入口突出物24は、図1、図2、および図4に示すとおり、概して互いに対向させることができる。こうして、入口突出物24は、本体22の概して対向する両側から外側方向に延ばすことができる。
【００１７】
入口突出物24は、入口26のうち少なくとも1つを保持し、また供給原料12を第一の反応ゾーン20に配向するよう動作可能な任意の形状または形態をとることができる。一部の実施態様において、入口突出物24のそれぞれは、概して類似した寸法を持つことができ、それぞれが本体22に結合された近位端24a、および本体22から外側方向に間隔をおいた遠位端24bを持つ。入口26の1つは、それぞれの入口突出物24の遠位端24bに近接して配置することができる。一部の実施態様において、それぞれの入口突出物24は、概して錐台の形状で配置できる。一部の実施態様において、それぞれの入口突出物24には、約2〜約25フィート、約4〜約15フィート、または6〜12フィートの範囲の最大外径（Dp,o）および／または最大内径（Dp,i）を持たせることができる。一部の実施態様において、向かい合って延びた突出物24の入口26間の水平距離は、約10〜約100フィート、約15〜約75フィート、または20〜45フィートの範囲である。
【００１８】
一部の実施態様において、第一の反応ゾーン20の合計容積のうち約50パーセント未満、約25パーセント未満、または10パーセント未満は、入口突出物24内に定義でき、第一の反応ゾーン20の合計容積のうち約50パーセント、約75パーセント、または90パーセントを超える容積は、本体22内に定義できる。
【００１９】
ここで図2〜4を参照するが、入口26により、外部の供給源から反応器システム10に、さらに具体的には、第一の反応ゾーン20に供給原料12が提供される。入口26は、入口26の最小量が、第一段反応器部分14内部に配置されるように位置づけることができる（例：耐火性ライナーが新品であるとき、または新しく修理調整されるときに、入口26のわずか1〜2インチが、第一の反応ゾーン20内に延びるようにすることができる）。こうした配置は、第一の反応ゾーン20の潜在的に有害な状態に暴露される入口26の量を減少させうる。入口26は、それぞれ、第一の反応ゾーン20への供給原料12の通過を許容するよう動作可能な、チューブおよび開口部などの任意の部品または部品の組合せで構成しうる。ところが、図3に示すとおり、一部の実施態様において、それぞれの入口26には、少なくとも部分的に供給原料12をオキシダントと混合するよう動作可能なノズル28が含まれうる。例えば、それぞれのノズル28は、供給原料12が第一の反応ゾーン20に供給されたときに少なくとも部分的に供給原料12を酸素と混合するよう動作可能にしうる。さらに、それぞれのノズル28は、供給原料12の、第一の反応ゾーン20内での1つ以上のガス状生成物への急速な変換が可能となるよう、供給原料12を少なくとも部分的に微粒化して、微粒化した供給原料12を酸素と混合するよう動作可能にしうる。
【００２０】
ある実施態様において、入口26は、供給原料12を第一の反応ゾーン20の中心に向けて放出するよう配置され、ここで第一の反応ゾーン20の中心は、概して対向する入口26間に延びた直線の中点である。その他の実施態様において、入口26のうち一方または両方は、供給原料12が第一の反応ゾーン20の中心から水平方向および／または垂直方向にオフセットされた点に向かって放出するように、向きが斜めになっている。概して対向する入口26のこの斜めの向きによって、第一の反応ゾーン20の渦巻き運動が促進されうる。入口26が第一の反応ゾーン20の中心から斜めになっているとき、供給原料12が第一の反応ゾーン20に放出される角度は、概して約1度〜約7度の範囲で中心からずらすことができる。
【００２１】
再び、図2〜4を参照するが、一部の実施態様において、反応器システム10には、上述の入口26に加えて第二の入口56が含まれうる。第二の入口56には、反応器システム10に導入し、反応器システム10の温度および／または圧力を制御するために、メタンおよび酸素を混合するために動作可能なメタンバーナー56aが含まれうる。メタンバーナー56aは、均等な混合および加熱を確保するために、入口26および入口突出物24から離れた位置（本体22上など）に配置することができる。メタンバーナー56aは、第一の反応ゾーン20でのガスの渦巻き運動を促進してガスの流れの経路を効果的に伸ばし、ガスの滞留時間を増やし、ガスから第一の内面18への概して均一な熱の移動を提供するように方向付けできる。一部の実施態様において、反応器システム10が直立の配置であることから、反応器システム10には、第一の反応ゾーン20を希望の温度に加熱するよう動作可能な単一のメタンバーナー56aが含まれうる。
【００２２】
第二の入口56には、下記に詳細に考察するとおり、乾燥炭を第一の反応ゾーン20に導入して、供給原料12の反応が促進されるよう動作可能な炭挿入機56bが含まれうる。炭挿入機56bは、乾燥炭を概して第一の反応ゾーン20の中心に向けて導入し、それによって炭素の変換を増加させるために動作可能にしうる。少なくとも一部の炭挿入機56bは、炭素の変換をさらに増加させるために、第一段反応器部分14の上部に向けて配置しうる。また、炭挿入機56bは、炭を第一の反応ゾーン20に導入して炭素の変換を増加させる際に炭の渦巻き運動を作り出して、第一の反応ゾーン20内にさらに均一な温度分布が提供されるような向きにすることができる。
【００２３】
再び図1を参照するが、第二段反応器部分16は、概して第一段反応器部分14の上に配置され、第二の反応ゾーン32を定義する複数の第二の内面30を持ち、その内部で、第一の反応ゾーン20内で生成された生成物がさらに反応しうる。第二段反応器部分16には、供給原料12を第二の反応ゾーン32に、その内部での反応のために供給するよう動作可能な第二の供給原料入口62が含まれうる。後述するとおり、第二段反応器部分16は、第一段反応器部分14と一体にすることも、分離することもできる。
【００２４】
一部の実施態様において、反応器システム10には、追加的に、第一段反応器部分14および第二段反応器部分16の間の液体連通を提供して、流体が第一の反応ゾーン20から第二の反応ゾーン32に流れるようにするスロート部分34が含まれうる。スロート部分34は、その内部を流体が通過しうる上方向の流れ経路36を定義する。一部の実施態様において、スロート部分の上方向の流れの開口部は、第一の反応ゾーン20および第二の反応ゾーン32を供給する最大の上方向の流れの開口部の約50パーセント未満、約40パーセント未満、または30パーセント未満としうる。本書で使用するとき、「上方向の流れの開口部」（「open upward flow area」）は、その内部の上方向への流体の流れの方向に垂直にとった断面の開口部を意味する。
【００２５】
再び図2〜4を参照するが、反応器システム10は、下記にさらに詳しく考察するとおり、供給原料12のガス化の際に遭遇する様々な温度および圧力に少なくとも一時的に耐える任意の材料で構成しうる。一部の実施態様において、反応器システム10は、金属容器40、および金属容器40の内側を少なくとも部分的に裏張りする耐熱材料42で構成されうる。こうして、耐熱材料42は第一の内面18の少なくとも一部分となりうる。
【００２６】
耐熱材料42は、供給原料12のガス化に利用される熱から少なくとも部分的に金属容器40を保護するよう動作可能な任意の材料または材料の組合せで構成されうる。一部の実施態様において、耐熱材料42は、図2〜4に図示したとおり、少なくとも部分的に金属容器40の内部を裏張りする複数の煉瓦44で構成されうる。金属容器40を保護するために、耐熱材料42は、実質的な変形や劣化なしに少なくとも30日間、2000°Fを超える温度に耐えるように適応させることができる。
【００２７】
図3に示すとおり、耐熱材料42にはさらに、煉瓦44の少なくとも一部分および金属容器40の間に配置され、煉瓦44の完全性が損なわれる場合に、金属容器40に対して追加的な保護を提供するセラミックファイバーシート46が含まれうる。ただし、反応器システム10が直立に配置されているために耐熱材料42は簡単にかつ部分的に交換できるため、一部の実施態様では、設計の複雑さを低減し、また第一の反応ゾーン20の容積を最大化するよう、セラミックファイバーシート46およびその他の補助的ライナーを反応器システム10から除外することもできる。
【００２８】
一部の実施態様において、反応器システム10には、耐熱材料42および金属容器40の間に水冷式メンブレンウォールパネルを追加的に含めることもできる。メンブレンウォールパネルには、水が反応器システム10の一部を冷却するためにメンブレンウォールパネルを通過して再循環できるように様々な水の入口および出口ラインを含めることができる。それに加えて、またはその代わりに、反応器システム10には、セラミックファイバーシート46などの補助用材料の必要性をなくすために、またそうして第一の反応ゾーン20の容積を増やすために、第一段反応器部分14の中心に近く、かつ耐熱材料42の裏の位置に、複数の水冷式ステーブを含めることができる。水冷式のメンブレンおよび／またはステーブの利用は、耐熱材料42を貫く熱の勾配を増大させ、また溶融スラグの貫通の深さおよびそれに関連する耐熱材料42の剥離を制限することにより、耐熱材料42の寿命を改善しうる。
【００２９】
図2に示すとおり、第一段反応器部分14は、反応済みおよび未反応の供給原料12（スラグなど）が、第一段反応器部分14から急冷部分52などの格納部分に流れるように、床48およびその内部に配置されたドレインまたは蛇口穴50を持ちうる。急冷部分52には、ドレイン50から落ちる溶融スラグを急冷し凝固させるために、部分的に水を満たしうる。スラグのドレイン50への流れを促進するために、床48はドレイン50に向けて傾けることができる。入口突出物24の下部表面も、スラグの床48への流れを促進させるために傾けることができる。反応器システム10の概して直立の配置により、ドレイン50を、第一段反応器部分14の床48上に、かつ耐熱材料42および／または入口突出物24の支柱から離れて位置付けることができる。こうした配置により、急冷部分52からドレイン50を通過して溜まることがある急冷用水による損傷から支柱が保護される。
【００３０】
図2に示すとおり、反応器システム10には、反応器システム10内部および周辺の状態を感知する様々なセンサー54も含めることもできる。例えば、反応器システム10には、本体22、入口突出物24、および／または入口26の上およびその内部に配置した格納式熱電対、差圧伝送器、光高温計伝送器、その組合せ、およびそれに類するものなど、様々な温度および圧力センサー54を含めて、反応器システム10およびガス化プロセスに関するデータを取得することができる。様々なセンサー54には、技術者が反応器システム10の機能中に反応器システム10の内側の画像を取得することができるようにテレビ送信機を含めることもできる。センサー54は、第一の反応ゾーン20の中心からセンサー54を離し、センサー54の寿命を延ばし機能性を増大させるよう、入口突出物24上に設置することができる。
【００３１】
図3に示すとおり、反応器システム10には、操作者が反応器システム10内部の状態を観察、監視、および／または感知できるよう、様々な点検用通路58も含めることができる。例えば、図3に図示したとおり、一部の点検用通路58では、操作者がボロスコープまたはその他の類似した設備を利用して、入口26および耐熱材料42の状態を観察できるようにすることができる。また、反応器システム10に、1つ以上の出入用通路60を含めて、ドレイン50および耐熱材料42など、反応器システム10の内側部分に操作者が簡単にアクセスできるようにすることもできる。反応器システム10が概して直立の配置であることで、メンテナンスおよび修理を容易にするために、通路60を、ドレイン50、第二の入口56、およびそれに類するものの近くにある重要な反応器システム10の位置に比較的簡単に配置できる。
【００３２】
一部の実施態様において、反応器システム10は、第一段反応器部分14および第二段反応器部分16の両方が1つの一体構造的な構成を持つ、一体構造のガス化反応器で構成されうる。こうして、第一段反応器部分14および第二段反応器部分16は、様々な流体用導管で接続された複数の容器により形成されるのではなく、上述の金属容器40および耐熱材料42など、同一の材料で一体的に構成しうる。
【００３３】
運転中、供給原料12は、第一の反応ゾーン20へ入口26によって供給され、その内部で少なくとも部分的に燃焼する。第一の反応ゾーン20内での供給原料12の燃焼により、第一の反応生成物が生成される。反応器システム10に第二段反応器部分16が含まれる実施態様で、第一の反応生成物は、第二の反応ゾーン32内でさらに反応して第二の反応生成物を提供するために、第一の反応ゾーン20から第二の反応ゾーン32に通過しうる。第一の反応生成物は、スロート部分34を通過して、第一の反応ゾーン20から第二の反応ゾーン32へと流れることができる。追加量の供給原料12を、そこでの少なくとも部分的な燃焼用に第二の反応ゾーン32に導入することができる。
【００３４】
一部の実施態様において、供給原料12は、石炭および／または石油コークスから構成されうる。供給原料12は、より容易な流れおよび燃焼のために石炭および／または石油コークススラリーを生成するよう、水およびその他の流体でさらに構成されうる。供給原料12が石炭および／または石油コークスから構成される場合、第一の反応生成物は、蒸気、炭、および水素、一酸化炭素、および二酸化炭素などのガス状の燃焼生成物で構成されうる。第二の反応生成物は、供給原料12が石炭および／または石油コークスから構成されるとき、同様に蒸気、炭、および水素、一酸化炭素、および二酸化炭素などのガス状の燃焼生成物から構成されうる。また、様々な反応生成物には、下記にさらに詳しく考察するスラグも含まれうる。
【００３５】
第一の反応生成物は、オーバーヘッド部分およびアンダーフロー部分で構成されうる。例えば、第一の反応生成物が蒸気、炭、およびガス状の燃焼生成物で構成される場合、第一の反応生成物のオーバーヘッド部分は、蒸気およびガス状の燃焼生成物で構成され、また第一の反応生成物のアンダーフロー部分は、スラグで構成されうる。本書で使用するとき、「スラグ」（「slag」）は、供給原料12に含まれる鉱物質が、第一の反応ゾーン20および／または第二の反応ゾーン32内で発生するガス化反応後に残る何らかの追加的残留流動物質と混ざったものを意味する。
【００３６】
第一の反応生成物のオーバーヘッド部分は、スロート部分34を通過することなどで、第二の反応ゾーン32に導入されることができ、また第一の反応生成物のアンダーフロー部分は、第一の反応ゾーン20の底部から除去されるか、またはその他の方法で通過させることができる。例えば、スラグを含めたアンダーフロー部分は、ドレイン50を通って急冷部分52に入ることができる。
【００３７】
スロート部分34における第一の反応生成物のオーバーヘッド部分最大表面速度は、少なくとも毎秒約30フィート、毎秒約35〜約75フィート、または毎秒40〜50フィートの範囲としうる。第二の反応ゾーン32のオーバーヘッド部分の最大速度は、毎秒約10〜約20フィートの範囲としうる。ただし、理解されるとおり、オーバーヘッド部分の表面速度は、第一の反応ゾーン20および第二の反応ゾーン32内部の条件に応じて変化しうる。
【００３８】
第一の反応ゾーン20および／または第二の反応ゾーン32内部での供給原料12の反応により、炭も生成しうる。本書で使用するとき、「炭」（「char」）は、様々な反応生成物の生成後に第一の反応ゾーン20および／または第二の反応ゾーン32内部に残る未燃の炭素および灰の粒子を意味する。供給原料12の反応により生成される炭は、除去することも、再生利用して炭素変換を増加させることもできる。例えば、炭は、上述のとおり第一の反応ゾーン20に注入するために、第二の入口56bを通過させて再生利用することができる。
【００３９】
第一の反応ゾーン20内部での供給原料12の燃焼は、供給原料12から第一の反応生成物を生成するために適切な任意の温度で実施しうる。例えば、供給原料12が石炭および／または石油コークスで構成される実施態様では、第一の反応ゾーン20内での供給原料12の燃焼は、少なくとも約2,000°F、約2,200〜約3,500°Fの範囲、または2,400〜3,000°Fの最大温度で実施できる。反応器システム10に第二段反応器部分16が含まれる実施態様では、第二の反応ゾーン32内で実施される反応は、第一の反応ゾーン20で実施された燃焼の最大温度よりも少なくとも約200°F、約400〜約1,500°Fの範囲、または500〜1,000°Fだけ低い平均温度で実施される吸熱反応としうる。吸熱反応の平均温度は、第二の反応ゾーン32の中央縦軸に沿った平均温度で定義される。反応および反応生成物の生成を促進させるため、第一の反応ゾーン20および第二の反応ゾーン32は、少なくとも約350 psig、約350〜約1,400 psigの範囲のまたは400〜800 psigの圧力でそれぞれ維持されうる。
【００４０】
供給原料12のガス化によるスラグおよびその他の副産物の除去は、反応器システム10の直立の配置により促進されうる。例えば、上方に面した向きを持つ第一の内面18の使用を制限することで、床48の傾きにより、落下するスラグを容易にドレイン50に向かわせることができる。スラグおよび望ましくないその他のガス化副産物を反応器システム10から簡単に除去できることで、スラグの蓄積が防止され、反応ゾーン20、32の容積、および関連する質量処理能力が増大しうる。
【００４１】
第一および第二の反応生成物は、様々な反応ゾーン20、32から回収して、従来型システムによってさらに使用および／または処理することができるが、これには米国特許第4,872,886号に開示されているシステムなどがあり、これを上記で参照することにより組み込む。供給原料12が石炭から構成される一部の実施態様において、反応器システム10は、1立方フィート当たり毎時約25〜約200ポンドの範囲で石炭ガス化能力を持ちうる。
【００４２】
反応器システム10の模範的な一実施態様の様々な寸法および特性は、下記の表1のとおりである。
【表１】
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【００４３】
反応器システム10の配置により、反応器システム10をさらに簡単に組立および据付することを可能にしうる。例えば、金属容器40の壁は、反応器システム10が直立に配置されているために、従来型のガス化反応器の壁よりも薄くすることができる。薄めの容器壁を使用することで、金属容器40を組立てるために購入する材料を削減でき、また金属容器40を組立てるために必要な人時を少なくすることができる。薄めの容器壁を使用することで、金属容器40を支持するために必要な杭打ち、支持用鋼鉄、およびコンクリートも少なくなりうる。反応器システム10の配置が簡略化されていることによっても、容器の内部応力もより均等に金属容器40全体に分布され、また金属容器40上に形成されうるホットスポットの数も減少しうる。
【００４４】
さらに、耐熱材料42の実施態様により提示された様々な寸法により、金属容器40との結合のための形状を少なくすることができる。こうして、煉瓦44を利用する実施態様において、煉瓦44は、夥しい数のオーバーヘッド耐火アーチを必要とすることなく、金属容器40の様々な部分の裏打ちをするためにさらに簡単に配列できる。耐熱材料42は、反応器システム10の配置の簡略化により、金属容器40内でより簡単に支持されうる。例えば、耐熱材料40の各部分が選択的に交換できるように、耐火支柱を簡単に追加したり、再配置することができる。さらに、反応器システム10が直立に配置されているために、耐熱材料42は、従来型の設計よりも第一の反応ゾーン20の中心からさらに離して配置でき、それによって耐熱材料42の寿命がさらに延びる。反応器システム10の形状が簡略化されていることで、さらに、従来型設計に比べて、赤外線熱走査などの非破壊検査装置により、反応器システム10をより簡単に検査できるようになる。
【００４５】
図5および図6は、本発明の別の実施態様によって配置された2つの反応器システム100および200の第一段反応器部分を図解的に示したものである。図5に示すとおり、反応器システム100の第一段反応器部分は、概して本体102および3つの入口突出物104で構成され、それぞれの入口突出物104は、その遠位端に位置する入口106を持つ。図6に示すとおり、反応器システム200の第一段反応器部分は、概して本体202および4つの入口突出物204で構成され、それぞれの入口突出物204は、その遠位端に位置する入口206を持つ。
【００４６】
一実施態様において、反応器システム100および200の入口106および206は、第一段反応ゾーンの中心に向けて供給原料を放出する向きにすることができる。別の方法として、反応器システム100および200の入口106および206は、第一段反応ゾーンの中心から水平方向および／または垂直方向にオフセットされた場所に向けて供給原料が放出され、それによって第一段反応ゾーン内での渦巻き運動が促進されるように、向きを斜めにすることができる。
【００４７】
2つを超える入口突出物を持つ以外には、図5および図6の反応器システム100および200はそれぞれ、反応器システム10と実質的に同じ方法で配置させ機能させることができ、これについては、上記で図2〜4を参照しながら詳しく説明している。
【００４８】
本書で使用するとき、原文で「a」、「an」、「the」、および「前記」（「said」）という用語は、1つあるいは複数を意味する。
【００４９】
本書で使用するとき、「および／または」（「and/or」）という用語は、2つ以上の項目のリストで用いられるとき、リストされた項目のどれか1つがそれ自体で使用できるか、またはリストされた項目の2つ以上の任意の組合せで使用できることを意味する。例えば、ある組成が、構成要素A、B、および／またはCを含むものとして記述された場合、その組成には、Aのみ、Bのみ、Cのみ、AおよびBの組合せ、AおよびCの組合せ、BおよびCの組合せ、またはA、B、およびCの組合せが含まれうる。
【００５０】
本書で使用するとき、「炭」（「char」）は、様々な反応生成物の生成後にガス化反応内に残る未燃の炭素および灰の粒子を意味する。
【００５１】
本書で使用するとき、「構成される」（「comprising」、「comprises」、および「comprise」）という用語は、その用語の前に列挙した主題からその用語の後に列挙された単数または複数の要素に接続するために使用される非限定的な接続用語で、ここで移行用語の後に列挙された単数または複数の要素だけが、必ずしもその主題を構成する要素とは限らない。
【００５２】
本書で使用するとき、「含む」（「containing」、「contains」、および「contain」）という用語は、上記の「構成される」（「comprising」、「comprises」、および「comprise」）と同じ非限定的な意味を持つ。
【００５３】
本書で使用するとき、「下方に面した向き」（「downwardly  facing orientation」）という用語は、水平に対して45度を超える角度で下に延びた法線ベクトルを持つ表面を意味する。
【００５４】
本書で使用するとき、「持つ」（「having」、「has」、および「have」）という用語は、上記の「構成される」（「comprising」、「comprises」、および「comprise」）と同一の非限定的な意味を持つ。
【００５５】
本書で使用するとき、「含む」（「including」、「includes」、および「include」）という用語は、上記の「構成される」（「comprising」、「comprises」、および「comprise」）と同一の非限定的な意味を持つ。
【００５６】
本書で使用するとき、「上方向の流れの開口部」（「open  upward  flow  area」）という用語は、それを通した流体の流れの上方向に対して直角にとった断面の領域を意味する。
【００５７】
本書で使用するとき、「スラグ」（「slag」）という用語は、ガス化供給原料に含まれる鉱物質が、ガス化反応ゾーン内で発生するガス化反応後に残る何らかの追加的残留流動物質と混ざったものを意味する。
【００５８】
本書で使用するとき、「直立方向」（「upright  orientation」）という用語は、垂直に対して45度未満の傾きを持つ表面の向きを意味する。
【００５９】
本書で使用するとき、「上方に面した向き」（「upwardly  facing  orientation」）という用語は、水平に対して45度を超える角度で上に延びた法線ベクトルを持つ表面を意味する。
【００６０】
本書で使用するとき、「垂直方向に延びた」（「vertically  elongated」）という用語は、垂直方向の最大寸法が、水平方向の最大寸法より大きいような配置を意味する。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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