(57)【要約】【課題】経済的で、小型で、信頼性が高く、かつ頑強な合成ガス冷却器を提供する。【解決手段】本発明の石炭のガス化処理によって生成された合成ガスを収容及び冷却するために使用される蒸気発生装置であって、放射性表面及び対流式表面、及び（特定の構成において）一体型ガス化装置を備えた蒸気発生装置を提供することによって上述の課題を解決する。【選択図】図１
2008056808.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガス化処理によって生成された合成ガスから熱を引き出すための合成ガス冷却器であって：
吸入口及び排出口を有するシェル；
合成ガスを受容するために前記シェル内に収容された流体冷却式内側送気管；
前記内側送気管から合成ガスを受容するために前記シェル内に収容された流体冷却式外側送気管；
合成ガスを冷却するために前記内側送気管内に配置された放射性熱伝導表面；及び、
合成ガスを前記外側送気管から排出口に伝達するための手段を備える合成ガス冷却器。
【請求項２】
合成ガス内に同伴する固体を受容及び冷却するために合成ガス冷却器の底部に配置された水浴、及び合成ガス冷却器から前記固体を除去するための固体排出口を備える、請求項１に記載の合成ガス冷却器。
【請求項３】
前記流体冷却式内側送気管が流体冷却式管から作製された封入壁で構成されている、請求項１に記載の合成ガス冷却器。
【請求項４】
前記流体冷却式外側送気管が流体冷却式管から作製された封入壁で構成されている、請求項１に記載の合成ガス冷却器。
【請求項５】
前記放射性熱伝導表面が、それの表面の大部分が吸入される合成ガスに露出されるように合成ガス冷却器の内部に吊下げられた流体冷却式袖壁の表面から構成されている、請求項１に記載の合成ガス冷却器。
【請求項６】
前記袖壁表面が互いに隣接した複数の管の平らな列から構成されている、請求項５に記載の合成ガス冷却器。
【請求項７】
合成ガスが前記内側送気管から外側送気管に伝達されるときに、合成ガスが合成ガス冷却器の底部領域で約１８０度の方向転換をする、請求項１に記載の合成ガス冷却器。
【請求項８】
前記合成ガスが前記内側送気管を形成している封入壁の１つまたは複数の開口を通して伝達される、請求項７に記載の合成ガス冷却器。
【請求項９】
前記内側送気管を形成している封入壁の前記１つまたは複数の開口に隣接して備えられた煤吹き手段を備える、請求項８に記載の合成ガス冷却器。
【請求項１０】
合成ガスを前記外側送気管から排出口に伝達するための前記手段が前記外側送気管を形成している封入壁の１つまたは複数の開口を備える、請求項４に記載の合成ガス冷却器。
【請求項１１】
前記外側送気管が前記内側送気管を実質的に囲んでいる、請求項１に記載の合成ガス冷却器。
【請求項１２】
合成ガスを冷却するために前記外側送気管内に配置された対流性加熱表面を備える、請求項１に記載の合成ガス冷却器。
【請求項１３】
前記対流性加熱表面が、合成ガスがそれの外側を流れるように配置された１つまたは複数の管の列を備える、請求項１２に記載の合成ガス冷却器。
【請求項１４】
前記対流性加熱表面を掃除するために前記対流性加熱表面に隣接して備えられた煤吹き手段を備える、請求項１２に記載の合成ガス冷却器。
【請求項１５】
合成ガスを生成するために前記シェル内に収容された流体冷却式一体型ガス化装置であって、合成ガスを前記内側送気管に供給する一体型ガス化装置を備える、請求項１に記載の合成ガス冷却器。
【請求項１６】
前記一体型ガス化装置が合成ガス冷却の上部領域に配置されており、流体冷却式管から作製された封入壁から構成されている、請求項１５に記載の合成ガス冷却器。
【請求項１７】
前記流体冷却式内側送気管が流体冷却式管から作製された封入壁から構成されており、前記流体冷却式管が前記一体型ガス化装置の前記封入壁を形成するために上方に拡張する前記内側送気管を形成する、請求項１６に記載の合成ガス冷却器。
【請求項１８】
前記一体型ガス化装置を形成している前記封入壁の前記流体冷却式管が耐火材料でコーティングされている、請求項１６に記載の合成ガス冷却器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は概略的に石炭のガス化に関し、特に、石炭のガス化によって発生する合成ガスを収容（または、封入）及び冷却するために使用される蒸気発生装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
固体燃料を燃焼する統合型ガス化複合サイクル(ＩＧＣＣ)発電所は通常、微粉炭燃焼ランキンサイクル等の、競合する固体燃料技術に比べて高い資本コストを必要とし、低い可用性及び信頼性を有する。ＩＧＣＣの競争力を高めるために改善されるべき主要な構成要素は非冷却ガス化装置、並びに放射性及び対流式合成ガス冷却器を含む。放射性合成ガス冷却器のデザインは圧力容器の格納に対する経済的な事情及び発電所への搬送に対する寸法制限の理由により、全体的な外部寸法に対する実質的な制限を有する。これらの容器寸法の制限の範囲内で、放射性合成ガス冷却器の全体の高さを最小にするために、ガスを冷却するために使用される放射性熱伝導蒸気発生表面の小型化を最大にする必要がある。
【０００３】
例えば、特許文献１は冷却器の全高を縮小するために蒸気発生壁表面で構成された同軸送気管を利用している。このデザインは個々の内側及び外側送気管の持ち上げ、除去、及び検査を可能にするための独立した水循環路を備えた別個の送気管を与える。The Babcock & Wilcox Company（１９９２年）によって開発されたもう１つのデザイン手法は表面領域を最大にし、冷却器の高さを縮小するために送気管の内側に吊下げられた付加的な蒸気発生表面（「袖壁」）を備えた蒸気発生壁表面を有する単一の送気管を利用している。GHH Mann等の他の会社も同様なデザインを利用している。
【０００４】
しかしながら、これらの従来の解決法はこれらの構成要素のコストを競争可能なレベルまで引き下げていない。最大級の商業的ガスタービンを使用する発電所のために合成ガスを冷却するために必要な、単一の放射性冷却器の高さは４５メートルを超えてしまう。いくつかの発電所のデザインは２つの冷却器を利用して全体の高さを減少させているが、これらはコストを増大させてしまう。付加的に、発電所の可用性を改善するために発電所のデザインに冗長的なガス化装置、放射性冷却器、及び対流式冷却器を含めることもあるが、これらはコストを大幅に増大させる。
【０００５】
対流式合成ガス冷却器のための従来の解決法は放射性冷却器とは別個の構成要素、及びこれら２つの構成要素を接続する冷却された送気管を必要とする。対流式冷却器のデザインは水及び蒸気管デザイン（内部に水及び蒸気、外部にガス）（Shell Oil Company）、及び煙管デザイン（内部にガス、外部に水）（Steinmueller、及びその他）の両方を含む。これらのデザインは両方とも放射性冷却器とは別個の、圧力容器封入及び水／蒸気システムを必要とする。また、ガス送気管の方向転換部及び対流式冷却器の吸入口に発生する乱流は除去するのが困難な燃料灰付着物源を発生する。
【０００６】
ガス化装置に対する従来の解決法は非冷却耐火性封入及び冷却耐火性封入を含む。非冷却封入（General Electric、Conoco、及びその他）は初期故障を起こしやすく、頻繁な交換を必要とする。これらのデザインに対する高い可用性は通常、一連のスペア部品を必要とし、及び（または）、ガス化装置の修理中にガスタービンを油またはガスで高いコストで燃焼させることを必要とする。また、厚い耐火材料の非冷却デザインに対する緩慢な加熱及び冷却は耐火物の修理または交換のための長い休止期間を必要とする。従来の冷却ガス化装置のデザイン（Shell Oil Company, Future Energy）はガス化装置のガスを密閉及び収容するための耐火コーティングを有する別個の水または蒸気発生循環路を利用する。これらのシステムのいくつかは、発電所の蒸気／水システムの外部の熱を拒絶し、効率を低下させてしまう低圧力強制循環冷却水システムを使用する。下流の冷却循環路に統合された蒸気発生表面を使用する、この環境に類似の燃焼環境で溶融スラグを含む高温の固体燃料ガスを収容するための従来技術はサイクロン燃焼ボイラー（The Babcock & Wilcox Company）を含む。
【０００７】
【特許文献１】米国特許第４７６８４７０号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
したがって、商業規模のＩＧＣＣ（統合型ガス化複合サイクル）システムの発展のために、経済的で、小型で、信頼性が高く、かつ頑強な合成ガス冷却器の開発が重要であることは明白である。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
したがって、本発明の１つの特徴はガス化処理によって発生した合成ガスから熱を引き出すための合成ガス冷却器である。本発明の合成ガス冷却器は：吸入口及び排出口を有するシェル；合成ガスを受容するための前記シェル内に収容された流体冷却式内側送気管；前記内側送気管から合成ガスを受容するための前記シェル内に収容された流体冷却式外側送気管；合成ガスを冷却するために前記内側送気管内に配置された放射性熱伝導表面；及び、合成ガスを外側送気管から前記排出口に伝達するための手段を備える。
【００１０】
本発明のもう１つの特徴は合成ガスをさらに冷却するために前記外側送気管内に配置された対流性加熱表面の配置を利用する、上述の合成ガス冷却器である。
【００１１】
本発明のもう１つの特徴は同一のシェル内の放射性及び対流性加熱表面を利用するだけではなく、一体化されたガス化装置を組み込んだ合成ガス冷却器である。
【００１２】
本発明を特徴付ける新規性の多様な特徴は付随する請求の範囲によって規定される。本発明、本発明の機能的な長所、及びそれの使用によって得られる効果の理解のために、付随する図面とともに本発明の好まれる実施例を以下に説明する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
図面において、同様な構成要素または機能要素には同様な参照番号が付けられている。図１を参照すると、本発明の第１の実施例である、放射性合成ガス冷却器１０の概略的な側面断面図が示されている。合成ガス冷却器１０は通常、垂直方向を向いている縦軸線を有する円筒形の容器である。この実施例において、合成ガス冷却器１０には、ガス化装置（図示せず）から冷却器１０の上部に備えられた吸入口１４に高温の合成ガス１２が供給される。ガス１２は冷却器１０内に備えられた内側送気管または封入領域１６に入る。内側送気管は内側封入壁１８によって画定され、好まれるものとして円筒形の形状であり、通常、流体冷却式管によって構成されている。管内の動作流体は水、蒸気、またはそれらの混合物であってもよい。内側送気管１６は内側封入壁１８を形成する流体冷却式管に加え、複数の流体冷却式袖壁表面２０を備えている。袖壁表面２０はそれの大部分が吸入される合成ガス１２に露出されるように冷却器１０内で浮遊した状態（または、吊下げられた状態）にされており、それによって袖壁２０を通って伝達される動作流体（水、蒸気、またはそれらの混合物）を加熱する。袖壁２０は概略的に、互いに隣接して備えられた複数の管の平らな列として構成され、袖壁２０を通って伝達する動作流体を分配または収集する吸入口及び排出口マニホールドまたはヘッダー２２を備えている。備えられる袖壁２０の数及び配置は熱伝導及び他の要件によって決定されてもよい。すなわち、図２は冷却器１０の垂直方向の縦軸線の周りに配置された６つの袖壁２０を図示しているが、特定の熱伝導及び冷却要件に応じて６個以上または６個以下の袖壁２０が備えられてもよい。
【００１４】
高温の合成ガス１２が内側送気管１６を通って流れるとき、それは内側封入壁１８及び袖壁２０によって冷却され、そして、内側送気管１６の底部領域２４において、合成ガス１２は内側封入壁１８に備えられた１つまたは複数の開口２６を通って実質的に１８０度方向転換して上方に向かい、さらに、内側封入壁１８及び同様な構成の外側封入壁３０によって画定されている外側送気管または封入領域２８内に入る。したがって、外側送気管２８は実質的に環状の形状を有する。必要であれば、これらの開口２６の形成を容易にするためにマニホールドまたはヘッダー３２がそなえられてもよい。次に、合成ガス１２は外側送気管２８を通って上方に伝達され、１つまたは複数の開口３４を通り、合成ガス排出口３６を介して冷却器１０の外部に排出される。内側封入壁１８と外側封入壁３０の間の距離、及び外側封入壁３０及び冷却器１０を形成しているシェル３８の間の距離は冷却器１０が休止状態のときに接近（または、アクセス）及び検査するために十分な寸法にされてもよい。内側及び外側送気管１６、２８を形成している封入壁１８、３０は好まれるものとして、独立した持ち上げ、除去、及び検査を行うために独立した流体循環路として備えられる。全ての水／蒸気発生表面は自然な循環を可能にするように配置され、循環ポンプを備えた強制循環システムの必要性を排除するように構成されてもよい。内側送気管１６を通って下方に流れる高温合成ガス１２内の同伴固体は、合成ガス１２が外側送気管２８への、約１８０度の上方への方向転換をする底部領域２４において合成ガス１２から離脱するだろう。固体は冷却器１０の底部に備えられた水浴３８内に落下し、水浴によって冷却され、固体排出口４０を介して除去される。蓄積する固体による目詰まりを防止することが必要な場合、合成ガス１２が外側送気管２８への約１８０度の上方への方向転換をする底部領域２４に備えられた開口２６に煤吹き４２が備えられてもよい。
【００１５】
内側及び外側送気管１６、２８と内側送気管１６内に配置された袖壁２０の組合せは、どちらかの構成を個別に備えた冷却器に比べて大幅に小さい全高を有する冷却器１０の結果となる。持ち上げ及び除去のための空間とともに内側及び外側送気管１６、２８を備えるとともに、内側送気管１６の内部の袖壁２０及びそれへの接続（図示せず）を収容することは内側送気管１６、特に内側送気管１６の底部の新規なデザインを必要とする。
【００１６】
冷却器１０に供給される合成ガス１２内の熱の量に依存して、付加的な加熱表面が必要とされてもよい。図３の本発明の第２の実施例はこのような状況に対処する。当業者にとっては明白であるだろうが、本発明の第２の実施例は図１の第１の実施例と共通のデザイン構成を有するとともに、示されているように、外側送気管２８内に配置された対流性加熱表面（または、伝導性加熱表面）５０の配列を備えている。対流性加熱表面５０は水冷式または蒸気冷却式のものであってもよく、合成ガス１２が管の外側を沿って流れるように配置された１つまたは複数の管の列から構成されてもよい。対流性加熱表面５０の列は外側送気管２８内の、冷却器１０の周辺部のいずれの場所に備えられてもよい。この実施例の１つの特徴として、対流性加熱表面５０は内側及び外側封入壁１８、３０を備えている蒸気発生表面で利用されている流体循環路と同じ流体循環路を利用してもよく（一体型冷却手法）、それによって別個の冷却システムの必要性を排除してもよい。あるいは、対流性加熱表面５０のために別個の流体循環路が利用されてもよい。合成ガス１２は、対流性加熱表面５０に沿って流れた後、開口３４を介して外側送気管２８から排出され、そして、ガス排出口３６を介して排出されてもよい。また、対流性加熱表面５０を掃除し、目詰まりを防止するために煤吹き５２が備えられてもよい。
【００１７】
対流性加熱表面５０は放射性冷却器１０とは別個の分離した対流式冷却器、並びに該対流式冷却器に付随する方向転換部を有する接続用送気管、該対流式冷却器のための圧力容器格納部、及び（上述の一体型冷却手法の場合の）別個の冷却システムの必要性を排除する。放射性冷却部分（内側送気管１６）から外側送気管２８内に配置された対流性加熱表面５０を上方に向かって流れる合成ガス１２は実質的に直線状に進み、外側送気管２８の吸入口における乱流を最小にする。これは制御不可能な灰による目詰まりの潜在性を最小にするとともに、灰を掃除するために対流性加熱表面に隣接して煤吹き５２を備える能力を可能にする。このデザインは、通常、吸入口チューブシートにおける管への急峻な吸入で発生することが多い乱流及びそれに付随する制御不可能な目詰まりの問題を起こす煙管冷却器のデザインに比べて特に有利である。
【００１８】
必要であれば、図４に図示されているように、本発明の第３の実施例の手段によってガス化システムで使用される構造及び装備をさらに簡略化することができる。図に示されているように、この構成においては、冷却器１０の上部領域に一体式の流体冷却式ガス化装置封入領域６０を形成するために、内側送気管１６を画定している封入壁１８を構成している管が上方に延長している。すなわち、一体式ガス化装置６０は内側送気管１６に合成ガス１２を供給するために冷却器１０内に配置されている。ガス化装置封入領域６０の封入壁６２を形成している管は管の表面を溶融スラグから保護し、ガス化装置封入領域６０の環境を適当なガス化反応が起こるために十分な温度に維持するための耐火性コーティング６４を有してもよい。
【００１９】
本発明に従ったこのガス化装置封入領域６０は非冷却耐火性ガス化装置及び冷却ガス化装置のための従来技術に関連する問題に対処することができる。本発明は、ガス化装置封入領域６０のための冷却循環路を放射性冷却器１０のために備えられた流体冷却式循環路に一体化することによって従来の冷却ガス化装置のデザインを改善し、別個の冷却システムの必要性を排除する。このデザインはまた、ガス化装置封入領域６０から排除された熱を回収し、それをガス化設備の蒸気／水システムに伝達し、それによって装置の効率を改善し、装置の寿命にわたって燃料のコストの適度な節約を与える。
【００２０】
上述の３つのデザインの実施例に対する上述の説明は従来技術に対する各々のデザインの技術的な長所を示したものである。商業的な面から見ると、内側／外側送気管と袖壁との組合せの設計思想は放射性合成ガス冷却器の全体の高さを大幅に減少させることによってコストを大幅に下げることができる。これらのコストの削減は外側の容器のコストの減少だけから得られえるものではなく、移送コスト、燃料配管コスト、鋼鉄構造コスト、及び構成要素を発電所で建設するためのコスト等によって得られるものも含む。また、別個の内側及び外側送気管を備えることによってメンテナンスコストが最小にされる。これは厳しい腐食環境の影響を受け、通常の微粉炭発電所で使用される燃焼ガス冷却器よりも頻繁にメンテナンスを必要とするガス化処理冷却器に対し特に重要である。
【００２１】
また、対流性加熱表面を放射性冷却器封入物内に一体的に組み込むことにより別個の構成要素のために必要なコストを排除することできる。この構成は余分な圧力容器に対する節約に加え、ガス送気管及び蒸気／水配管コスト、鋼鉄構造コスト、及び建設コストも節約することができるので、コストの削減額は相当なものとなる。対流式冷却器の目詰まりの減少または排除による、固体燃料の高い可用性による装置の寿命にわたる節約は対流式冷却器の全資本コスト以上のものとなるだろう。
【００２２】
一体式の冷却されたガス化装置の組み込みは別個の圧力容器及びいくつかの冷却循環路の排除によって、別個の冷却されたガス化装置に対するコストの適度な節約を与える。資本コストは非冷却ガス化装置に比べて幾分高くなるかもしれないが、固体燃料を使用することによる高い可用性は相当なものとなり、資本コストの差を遥かに越えるものとなるだろう。
【００２３】
一連のスペア部品の排除を可能にするための本発明の３つの設計思想のいくつかまたは全てを組み合わせることによって得られるコストの節約は相当なものとなる。上述したように、これらの節約は余分な部品に対するものではなく、全ての支持用の装備、部品を収容する鋼鉄構造、及びそれらの建設に関連する建設コストを含む。本発明によって与えられる重要で基本的な改善が装置を小型化、低コスト、高信頼性、及び保守可能なものとするために個々の構成要素を１つの一体化された構成要素に統合することを含むことは理解されなければならない。
【００２４】
ここまで本発明の原理の適用を説明するために本発明の特定の実施例が図面で示され、詳細に説明されてきたが、本発明の原理から外れることなく付随する請求の範囲によって規定される本発明の形式に多様な変更を実施することができることは当業者にとって明白であるだろう。例えば、本発明のいくつかの実施例において、本発明の他の特徴を使用することなく、本発明の長所を得るために本発明の特定の特徴が使用されてもよい。したがって、本発明のそのような変更も付随する請求の範囲によって規定される本発明の範囲に含まれる。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】本発明に従った放射性合成ガス冷却器の第１の実施例の概略的な側面断面図である。
【図２】図１の矢印２−２の方向で見たときの、図１の実施例の断面図である。
【図３】本発明に従った対流性加熱表面の配置を図示している、放射性合成ガス冷却器の第２の実施例の概略的な側面断面図である。
【図４】本発明に従った一体型ガス化装置の配置を図示している、放射性合成ガス冷却器の第３の実施例の概略的な側面断面図である。
【符号の説明】
【００２６】
１０    合成ガス冷却器
１２    合成ガス
１４    合成ガス吸入口
１６    内側送気管
１８    内側封入壁
２０    袖壁
２２    袖壁のヘッダー
２４    底部領域
２６    開口
２８    外側送気管
３０    外側封入壁
３２    ヘッダー
３４    開口
３６    合成ガス排出口
３８    水浴
４０    固体排出口
４２    煤吹き
５０    対流性加熱表面
５２    煤吹き
６０    ガス化装置封入領域
６２    ガス化装置の封入壁
【図１】
2008056808.tif 000003
【図２】
2008056808.tif 000004
【図３】
2008056808.tif 000005
【図４】
2008056808.tif 000006
【外国語明細書】
2008056808000001.pdf