专利名称：用于冷却合成气的设备及其组装方法
用于冷却合成气的设备及其组装方法技术领域
本申请一般涉及整体气化联合循环(IGCC)功率发生系统，且更具体而言涉及用 于冷却合成气的设备及其组装方法。
背景技术：
至少一些已知的气化器将燃料、空气或氧气、液体水和/或蒸汽以及/或者渣的混 合物转化成部分氧化的气体(有时被称为“合成气”)的输出。在整体气化联合循环(IGCC) 功率发生系统中，将合成气供应到燃气涡轮发动机的燃烧器，燃气涡轮发动机对发电机供 以动力，该发电机将电功率供应到电网。来自燃气涡轮发动机的排气可供应到热回收蒸汽 发生器，该热回收蒸汽发生器产生用于驱动蒸汽轮机的蒸汽。由蒸汽轮机产生的动力同样 驱动对电网提供电功率的发电机。
在一些已知的IGCC装置中，包括煤、石油焦及高灰分残油的碳氢化合物的供给与 高纯度的氧(典型地95%氧纯度)反应，以产生在2200° F至2700° F的温度范围中的合 成气。当将合成气从辐射式合成气冷却器(RSC)输送到对流式合成气冷却器(CSC)时，回 收在该合成气中的热量。将辐射用作主要的传热机制的已知的辐射式合成气冷却器一般将 合成气冷却到约1100° F至约1200° F的范围，且从其中产生高压蒸汽。
至少一些已知的辐射式合成气冷却器是在高度方面可延伸超过30米且重量大于 300公吨的非常大的压力容器。因为这种辐射式合成气冷却器的较大的尺寸和重量的原因， 不能以完全组装好的状态将冷却器运送到现场。相反，必须以分成几部分的方式来运输这 种冷却器，且在现场组装这种冷却器。已知的辐射式合成气冷却器使用多个凸缘来将辐射 式合成气冷却器的头部部分联接到壳体部分上。但是，尺寸和其它物流考虑可使将头部部 分联接到壳体部分上的过程耗时和/或昂贵。此外，因为使用了多个凸缘来连接头部部分， 所以随着时间的过去，壳体部分可形成通过相邻凸缘或构件的泄漏。此外，使用多个凸缘可 增大待添加到已经很重的辐射式合成气冷却器上的整体重量。发明内容
在一个实施例中，提供了 一种用于在气化系统中使用的合成气冷却器。该合成气 冷却器包括包含多个管道集管的头部部分和包含多个管道的环形壳体部分，其中，多个管 道构造成与多个管道集管以流连通的方式联接。合成气冷却器还包括构造成去除夹带在流 过合成气冷却器的合成气流中的微粒的致冷部分(quench portion)。头部部分和壳体部分 构造成利用周缘缝焊(circumferential seam weld)联接在一起。
在另一个实施例中，提供了一种包括气化器和合成气冷却器的气化系统。合成气 冷却器包括包含多个管道集管的头部部分和包含多个管道的环形壳体部分，其中，多个管 道构造成与多个管道集管以流连通的方式联接。合成气冷却器还包括构造成去除夹带在流 过合成气冷却器的合成气流中的微粒的致冷部分。头部部分和壳体部分构造成利用周缘缝 焊联接在一起。
在另一个实施例中，一种用于组装合成气冷却器的方法包括提供包括多个管道集 管的头部部分，提供包括多个管道的环形壳体部分，以及提供构造成去除夹带在流过合成 气冷却器的合成气流中的微粒的致冷部分。该方法还包括将致冷部分联接到壳体部分上， 使多个管道与多个管道集管以流连通的方式联接，以及利用周缘缝焊将头部部分联接到壳 体部分上。
参照附图对非限制性且非穷举性的实施例进行了描述，其中，除非另有规定，相同 参考标号在各视图中涉及相同部件。
图1是示例性整体气化联合循环(IGCC)功率发生系统的结构图。
图2是可与图1所示的IGCC系统一起使用的示例性辐射式合成气冷却器的透视 图。
图3是与图2中所示的辐射式合成气冷却器一起使用的示例性头部部分和壳体部 分的一部分的截面图。
部件列表
10 系统
12压缩机
14空气分离单元(ASU)
16气化器
17 高压(HP)鼓
18合成气冷却器
20燃气涡轮发动机
22蒸汽轮机
24燃气涡轮发动机压缩机
26燃气涡轮发动机燃烧器
28压缩机
30燃料供应
32清洁装置
34发电机
36蒸汽发生器
38发电机
40 泵
200头部部分
202壳体部分
204致冷部分
206 穹室(dome)
208 环件
210 环件开口
212 喉部
214凸缘
216上壳体
218下壳体
220裙形部
222头部联接件
224壳体联接件
226致冷联接件
2 纵向中心轴线
230顶部开口
232底部开口
234穹室开口
236穹室内表面
238穹室外表面
240顶端
302托架
304砖块
306穹室底板
308下降管
309上升管
314管道集管
316传热管道开口
318传热管道区段
320工人
322距离
324内周边
326部分
326径向向内部分
328向下部分
330部分具体实施方式
图1是根据本发明的一个实施例的示例性整体气化联合循环(IGCC)功率发生系 统10的示意图。在示例性实施例中，IGCC系统10包括主空气压缩机12、以流连通的方式联 接到压缩机12上的空气分离单元(ASU) 14、以流连通的方式联接到ASU14上的气化器16、 以流连通的方式联接到气化器16上的合成气冷却器18、以流连通的方式联接到合成气冷 却器18上的燃气涡轮发动机20，以及以流连通的方式联接到合成气冷却器18上的蒸汽轮 机22。
在操作中，压缩机12压缩环境空气，该环境空气然后被输送到ASU14。在示例性实 施例中，除了来自压缩机12的压缩空气之外，将来自燃气涡轮发动机压缩机M的压缩空气供应到ASU14。备选地，将来自燃气涡轮发动机压缩机M的压缩空气供应到ASU14，而不是 将来自压缩机12的压缩空气供应到ASU14。在示例性实施例中，ASU14使用压缩空气来产 生用于由气化器16使用的氧。更具体而言，ASU14将压缩空气分离成单独的氧(O2)流和气 体副产物流(有时被称为“过程气体”)。将A流输送到气化器16以便用来产生部分氧化 的气体，在本文中被称为用于由燃气涡轮发动机20用作燃料的“合成气”，如在下面更加详 细地描述的那样。
由ASU14产生的过程气体包括氮，且其在本文将被称为“氮过程气体”(NPG)。NPG 还可包括其它气体，例如但不限于氧气和/或氩气。例如，在示例性实施例中，NPG包括在约 95%和约100%之间的氮。在示例性实施例中，将至少一些NPG流从ASU14排到大气中，且 将至少一些NPG流喷射到限定在燃气涡轮发动机燃烧器沈内的燃烧区(未显示)中，以有 利于控制发动机20的排放，且更具体而言，有利于降低燃烧温度，以及降低从发动机20中 产生的氮氧化物排放。在示例性实施例中，IGCC系统10包括用于在氮过程气流被喷射到 燃气涡轮发动机燃烧器26的燃烧区中之前压缩该氮过程气流的压缩机观。
在示例性实施例中，气化器16将从燃料供应30供应的燃料、由ASU14供应的02、 蒸汽和/或石灰石的混合物转化成由燃气涡轮发动机20用作燃料的合成气的输出。虽然 气化器16可使用任何燃料，但是在示例性实施例中，气化器16使用了煤、石油焦、残油、乳 化油、浙青砂和/或其它类似的燃料。另外，在示例性实施例中，由气化器16产生的合成气 包括二氧化碳。
在示例性实施例中，将由气化器16产生的合成气输送到合成气冷却器18，以有利 于冷却合成气，如下面更加详细地描述的那样。在经冷却的合成气被输送到燃气涡轮发动 机燃烧器26以燃烧其之前，将经冷却的合成气从冷却器18输送到清洁装置32以用于净化 该合成气。二氧化碳(CO2)在清洁期间可与合成气分离，而且在示例性实施例中，可将0)2排 到大气中。燃气涡轮发动机20驱动将电功率供应到电网(未显示)的发电机34。将来自 燃气涡轮发动机20的排气输送到热回收蒸汽发生器36，该热回收蒸汽发生器36产生用于 驱动蒸汽轮机22的蒸汽。由蒸汽轮机22产生的动力驱动对电网提供电功率的发电机38。 在示例性实施例中，将来自热回收蒸汽发生器36的蒸汽供应到气化器16，以产生合成气。
另外，在示例性实施例中，系统10包括泵40，该泵40将沸水从蒸汽发生器36输送 到合成气冷却器18，以有利于冷却从气化器16中排出的合成气。将沸水输送通过合成气冷 却器18，在其中，水转变成蒸汽。将来自冷却器18的蒸汽输送到高压(HP)鼓17，然后该蒸 汽返回到蒸汽发生器36，以便于在气化器16、合成气冷却器18和/或蒸汽轮机22内使用。
图2是合成气冷却器18 (在图1中显示)的透视图。在示例性实施例中，合成气 冷却器18是辐射式合成气冷却器。合成气冷却器18包括头部部分200、壳体部分202及致 冷部分204。头部部分200、壳体部分202及致冷部分204绕着合成气冷却器18的纵向中 心轴线2 基本同心地联接在一起。如本文中所用的那样，“径向”方向是基本垂直于中心 线228的方向，“轴向”方向是基本平行于中心线228的方向，“向上”方向是大体朝向合成 气冷却器18的顶部开口 230的方向，而“向下”方向是大体朝向合成气冷却器18的底部开 口 232的方向。
头部部分200联接到气化器16上，联接到供给喷射器组件(未显示)上，以及联 接到壳体部分202上。头部部分200包括穹室206、环件208 (其包括限定在其中的多个轴向对准的开口 210)，以及包括凸缘214的喉部212，凸缘214自喉部212径向向外延伸。在 示例性实施例中，穹室206基本是半球形的，且穹室206的顶端240包括限定在其中的开口 234。喉部212向上延伸通过穹室开口 234，超过穹室206的内表面236(在图3中显示)和 外表面238。凸缘214基本限制(circumscribe)喉部212，且限定顶部开口 230的外周边。 环件208联接到穹室206上，且基本周向地绕着中心线2 和喉部212隔开。多个环件开 口 210大体沿轴向延伸通过环件208，且通过穹室内表面236和穹室外表面238。在示例性 实施例中，喉部212和凸缘214与气化器16以流连通的方式联接，且各自接收从气化器16 中排出的合成气。
在示例性实施例中，壳体部分202包括基本周向地绕着中心线2 隔开的上壳体 216和下壳体218。上壳体216和下壳体218以流连通的方式彼此联接在一起。在示例性 实施例中，壳体部分202由压力容器优质钢(pressure vessel quality steel)(例如但不 限于铬钼钢)制成。因而，促进壳体部分202经受流过合成气冷却器18的合成气的操作压 力。
在示例性实施例中，致冷部分204联接到壳体部分202上，从而使得致冷部分204 与下壳体218流连通。在示例性实施例中，致冷部分204包括装有水的致冷池(未显示)， 以用于使合成气饱和，保护构件不受致冷部分204内的高温的影响，以及收集夹带在流过 合成气冷却器18的合成气中的渣、未转化的炭(char)和/或其它固体颗粒。致冷部分204 限定合成气冷却器18的底部开口 232。在示例性实施例中，底部开口 232与渣收集单元(未 显示)以流连通的方式联接，以使得能够收集在气化和/或冷却期间形成的固体颗粒。裙 形部220从致冷部分204延伸，且至少部分地限制致冷部分204。
在示例性实施例中，在顾客现场处(例如公用电力公司)组装合成气冷却器18。 更具体而言，将头部部分200、上壳体216、下壳体218及致冷部分204制成单独的构件，且 将它们单独送到顾客现场。在示例性实施例中，致冷部分204通过联接件2 联接到下壳 体218上，且下壳体218通过联接件2M联接到上壳体216上。头部部分200通过联接件 222联接到上壳体216上。在示例性实施例中，头部联接件222、壳体联接件2M及致冷联 接件2 各自使用周缘缝焊。在一个备选实施例中，头部联接件222、壳体联接件2M和/ 或致冷联接件226中的一个使用周缘缝焊。
在示例性实施例中，周缘缝焊包括全熔透焊接(full penetration weld)，全熔透 焊接从合成气冷却器18的内部进行，对全熔透焊接进行测量以从合成气冷却器18的外部 探测金属(sound metal)，且从合成气冷却器18的外部进行全熔透焊接直到完全的熔透。 在一个备选实施例中，周缘缝焊包括使用焊接和测量技术(包括但不限于带有或不带有垫 板条或加强件的机器人焊接或实现基本完整和高效的焊透的任何适当的焊接和测量技术) 的组合来执行的全熔透焊接。头部联接件222(也已知为“黄金接头(golden joint)”)有 利于消除对头部部分200和上壳体216之间的凸缘连接的需要。
图3显示了合成气冷却器18的头部部分200和壳体部分202的一部分的截面图。 在示例性实施例中，头部部分200包括穹室206、环件208、喉部212及凸缘214。如以上更 加详细地描述的那样，喉部212从穹室206向上延伸到凸缘，且从穹室206向下延伸到穹室 底板306。穹室底板306包括绕着中心线2 沿周向隔开的多个传热管道开口 316。穹室 底板306与头部联接件222向下隔开距离322。在示例性实施例中，选择距离322，以使得工人320能够站在板306上，并且容易地接近头部联接件222。
耐火衬砌托架(refractory lining bracket) 302联接在喉部212的内周边324 的周围，从而使得托架302从穹室206延伸到穹室底板306。从气化器16中排出的合成气 流过喉部212和耐火衬砌托架302。因而，喉部212和耐火衬砌托架302暴露于合成气流的 高温。在一个备选实施例中，耐火衬砌托架302从喉部212向上且径向向内延伸，且包括多 个可堆叠的砖块304。在一个备选实施例中，耐火衬砌托架302是以适于通过开口 234的形 状形成的可铸造的耐火材料。
在示例性实施例中，穹室206包括多个下降管308和上升管309。上升管309大体 沿轴向延伸通过传热管道开口 316。各个下降管308和上升管309包括向上延伸通过对应 的环件开口 210的集管314。更具体而言，在示例性实施例中，下降管308、上升管309及集 管314基本限制喉部212和中心线228。
在示例性实施例中，除了下降管308和上升管309之外，壳体部分202还包括 传热壁(在本文中也称为“管壁”)(未显示)，以及多个传热板(在本文中也称为“台板 (platen)”)(未显示)。更具体而言，在示例性实施例中，下降管308定位在壳体部分202 的径向内侧，上升管309定位在下降管308的径向内侧，管壁定位在上升管309的径向内 侧，而台板则在管壁内隔开，从而使得管壁基本限制压板。在示例性实施例中，下降管308 将水从HP鼓17 (在图1中显示)和/或蒸汽发生器36 (在图1中显示)输送到管壁和压 板。上升管309将蒸汽输送到HP鼓17和/或蒸汽发生器36，以便于在气化器16、合成气 冷却器18和/或蒸汽轮机22 (在图1中显示)内使用。在一个备选实施例中，下降管308 和上升管309以自和到HP鼓17和/或蒸汽发生器36的方式输送交替的传热介质。
在示例性实施例中，为了有利于接近头部联接件222，各个下降管308和各个上升 管309在头部联接件222的附近沿径向向内成角度，从而使得基本为“C”形的区段318由 下降管308和上升管309限定。更具体而言，各个区段318包括从壳体部分202径向向内 成角度的部分326、从径向向内部分326向下延伸的部分328，以及从向下部分3 朝向壳 体部分202径向向外延伸的部分330。或者，各区段318以弓形形状径向向内弯曲，或者各 区段318形成为带有有利于接近头部联接件222的任何其它形状。因而，距离322 (即穹室 底板306和头部联接件222的相对位置)以及传热管道区段318的形状的组合使得头部部 分200能够在人机工程学友好的位置上焊接到壳体部分202上。
在合成气冷却器18的组装期间，下壳体218在在致冷联接件2 处联接到致冷部 分204上之前定位在致冷部分204之上。然后上壳体216定位在下壳体218之上，然后上 壳体216和下壳体218沿着壳体联接件2M联接在一起。在示例性实施例中，利用周缘缝 焊联接致冷联接件2 和壳体联接件224。然后诸如下降管308和上升管309的内部构件 联接在壳体部分202内。
在头部部分200的组装期间，头部部分200定位在上壳体216之上，而诸如传热管 道集管314的内部构件延伸穿过环件开口 210。管道集管314焊接到环件208和/或环件 开口 210上。在示例性实施例中，在头部联接件222处利用周缘缝焊将头部部分200联接 到上壳体216上。然后对冷却器18进行液压测试，以检验恰当的组装。
在操作期间，热的合成气流过喉部212且流过耐火衬砌托架302和/或砖块304。 合成气流入限定在壳体部分202内的冷却室(未显示)中，且合成气通过与下降管308进行的传热将热传递到下降管308中的水，以在上升管309中产生蒸汽。将蒸汽输送通过上 升管309到达HP鼓17且到达蒸汽发生器36。因而，合成气在流过壳体部分202时被冷却。 然后将合成气排出到致冷部分204中且使其通过致冷池(未显示)。在致冷池中去除夹带 在合成气中的渣、未转化的炭和/或其它固体颗粒。以重力的方式将在致冷池中收集到的 渣和其它固体供给到渣收集单元(未显示)中，且将基本冷却的合成气从合成气冷却器18 输送到合成气洗涤器(未显示)中，输送到燃气涡轮发动机20(在图1中显示)和/或输 送到另一个目的地。
上述实施例提供了高效且成本有效的合成气冷却器，以及用于组装用于在整体气 化联合循环(IGCC)功率发生系统中使用的合成气冷却器的相关联的方法。本文描述的方 法使得合成气冷却器构件能够以比就已知的合成气冷却器而言可能的方式更加高效且成 本有效的方式联接在一起。此外，该方法使得能够使用与已知的合成气冷却器相比数量减 少的焊接和/或其它联接机构来组装合成气冷却器。另外，与已知的合成气冷却器相比，有 利于减少机器举起和支承本文描述的合成气冷却器的构件所需的时间量。另外，本文描述 的方法和系统提供了用于由合成气冷却器使用的更加可靠的联接机构。
以上详细地描述了气化系统、合成气冷却器及用于组装合成气冷却器的方法的示 例性实施例。该方法、合成气冷却器及气化系统不限于本文描述的具体实施例，而是相反， 可独立地以及与本文描述的其它构件和/或步骤分开地使用气化系统的构件和/或方法的 步骤。例如，也可结合其它构件、系统和/或组装方法来使用本文描述的组装方法，且本文 描述的组装方法不限于仅与本文描述的气化系统一起实践。相反，可结合许多其它压力容 器应用来实现和使用示例性实施例。
虽然本发明的各种实施例的具体特征在一些图中有所显示而在另一些图中没有 显示，但是这仅仅是为了方便起见。根据本发明的原理，可结合任何其它图的任何特征来对 图的任何特征进行参照和/或要求保护图的任何特征。
本书面描述使用实例来公开本发明，包括最佳模式，且还使本领域技术人员能够 实践本发明，包括制造和使用任何装置或系统，以及执行任何结合的方法。本发明的可授予 专利的范围由权利要求书限定，且可包括本领域技术人员想到的其它实例。如果这种其它 实例具有不异于权利要求书的字面语言的结构元素，或者如果这种其它实例包括与权利要 求书的字面语言无实质性差异的等同结构元素，则这种其它实例意图处于权利要求书的范 围之内。
权利要求
1.一种用于在气化系统(10)中使用的合成气冷却器(18)，所述合成气冷却器包括 包括多个管道集管(314)的头部部分Q00)；包括多个管道的环形壳体部分，所述多个管道构造成与所述多个管道集管(314)以流 连通的方式联接；以及构造成去除夹带在流过所述合成气冷却器的合成气流中的微粒的致冷部分O04)，所 述头部部分(200)和所述壳体部分(20 构造成利用周缘缝焊联接在一起。
2.根据权利要求1所述的合成气冷却器(18)，其特征在于，所述多个管道绕着所述壳 体部分(202)在周向上隔开。
3.根据权利要求2所述的合成气冷却器(18)，其特征在于，所述多个管道集管(314) 中的至少一个和所述多个管道中的至少一个包括从所述壳体部分(20 径向向内成角度 的区段(318)。
4.根据权利要求3所述的合成气冷却器(18)，其特征在于，所述径向向内的区段定向 成有利于使所述头部部分(200)周向上焊接到所述壳体部分(20 上。
5.根据权利要求1所述的合成气冷却器(18)，其特征在于，所述壳体部分(20 和所 述致冷部分(204)构造成通过周缘缝焊联接在一起。
6.根据权利要求1所述的合成气冷却器(18)，其特征在于，所述头部部分(200)还包 括绕着所述头部部分O00)的中心轴线(228)延伸的环壁，所述多个管道集管(314)延伸 通过所述壁。
7.一种气化系统(10)，所述系统包括 气化器(16)；以及合成气冷却器(18)，包括包括多个管道集管(314)的头部部分Q00)；包括多个管道的环形壳体部分O02)，所述多个管道构造成与所述多个管道集管以流连通的方式联接；以及构造成去除夹带在流过所述合成气冷却器的合成气流中的微粒的致冷部分004)，所述头部部分和所述壳体部分(20 构造成利用周缘缝焊联接在一起。
8.根据权利要求7所述的气化系统(10)，其特征在于，所述多个管道绕着所述壳体部 分(202)在周向上隔开。
9.根据权利要求8所述的气化系统(10)，其特征在于，所述多个管道集管(314)中的 至少一个和所述多个管道中的至少一个包括从所述壳体部分(20 径向向内成角度的区 段(3⑶。
10.根据权利要求9所述的气化系统(10)，其特征在于，所述径向向内的区段定向成有 利于使所述头部部分(200)在周向上焊接到所述壳体部分(20 上。
全文摘要
本发明涉及用于冷却合成气的设备及其组装方法，具体而言，提供了一种用于在气化系统(10)中使用的合成气冷却器(18)。该合成气冷却器包括包括多个管道集管(314)的头部部分(200)；包括多个管道的环形壳体部分，该多个管道构造成与多个管道集管(314)以流连通的方式联接；以及构造成去除夹带在流过合成气冷却器的合成气流中的微粒的致冷部分(204)，头部部分(200)和壳体部分(202)构造成利用周缘缝焊联接在一起。
文档编号C10K1/04GK102031156SQ201010508049
公开日2011年4月27日 申请日期2010年9月28日 优先权日2009年9月28日
发明者G·多丹, J·M·斯托里, L-Y·陈, Y·H·阿巴西 申请人:通用电气公司