МАЛОГАБАРИТНЫЙ ВЫСОКОЭФФЕКТИВНЫЙ ГАЗОГЕНЕРАТОР Российский патент 2010 года по МПК C10J3/48 

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ

Настоящее изобретение относится в основном к газогенераторам для преобразования продукта, предшествующего углю, такого как каменный уголь или топливный мазут, в синтез-газ. Более конкретно, настоящее изобретение относится к компактному высокоэффективному одноступенчатому газогенератору.

ПРЕДШЕСТВУЮЩИЙ УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Электрические системы и системы с электроприводом появляются повсеместно, и все больше возрастает потребность поиска источников энергии. Например, различные системы могут преобразовывать различные нефтехимические соединения, такие как каменный уголь и топливный мазут, в электрическую энергию. Кроме того, такие нефтехимические соединения используются для создания различных других материалов, таких как пар, которые используются для приведения в действие паровых турбин.

Газификация угля и топливного мазута в синтез-газ, например, т.е. смеси водорода и оксида углерода, является хорошо известным промышленным процессом, используемым в нефтехимической и газотурбинной промышленности. За последние 20 лет использование газогенераторов с газификацией угля в потоке стало общепринятым способом получения синтез-газа. Однако эти газогенераторы с газификацией в потоке не позволяют использовать технологию инжектора быстрого смешивания с регенеративно охлаждаемым оборудованием. Невозможность использовать такие технологии приводит к необходимости использовать газогенераторы большого объема, к капитальным вложениям, гораздо большим, чем это нужно, и к гораздо более низкому термическому КПД газогенератора, т.е. КПД по холодному газу (КПДхг), чем это возможно теоретически. Таким образом, крайне необходимо добиться снижения общих капитальных затрат на газификацию и повышение КПДхг систем газификации.

КРАТКОЕ РАСКРЫТИЕ СУЩНОСТИ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Согласно одному из предпочтительных вариантов осуществления настоящего изобретения представлена система малогабаритного высокоэффективного газогенератора для преобразования углеродсодержащего материала в газообразный продукт. Система газогенератора содержит трубный узел камеры газификации, который имеет вкладыш на основе керамических матричных композитных материалов (КМКМ), который "свободно плавает" внутри трубного узла камеры газификации. КМКМ вкладыш приспособлен для создания защитного слоя из затвердевшего шлака на внутренней поверхности вкладыша, протекающего через трубный узел камеры газификации. Кроме того, система газогенератора содержит суживающийся трубный узел, соединенный с трубным узлом камеры газификации, который также содержит КМКМ вкладыш, приспособленный для создания защитного слоя из отвердевшего шлака на внутренней поверхности вкладыша из расплавленного шлака, протекающего через суживающийся трубный узел.

Кроме того, газогенераторная система содержит теплообменный трубный узел охлаждения (ТТУО), соединенный с суживающимся трубным узлом, который также содержит КМКМ вкладыш, приспособленный для создания защитного слоя из отвердевшего шлака на внутренней поверхности вкладыша из расплавленного шлака, протекающего через теплообменный трубный узел охлаждения (ТТУО). Кроме того, теплообменный трубный узел охлаждения (ТТУО) содержит сердечник ТТУО с параллельными пластинами, содержащий множество КМКМ панелей. КМКМ панели приспособлены для создания защитного слоя из отвердевшего шлака на внешних поверхностях каждой соответствующей КМКМ панели из расплавленного шлака, протекающего через теплообменный трубный узел охлаждения (ТТУО). Кроме того, каждая КМКМ панель содержит множество внутренних охлаждающих каналов, приспособленных для передачи сбросного тепла от горячего продукта, протекающего через теплообменный трубный узел охлаждения (ТТУО) с охладителем, протекающим через внутренние охлаждающие каналы. Сбросное тепло, поглощенное охладителем, восстанавливается газогенераторной системой посредством использования нагретого охладителя на различных этапах эксплуатации газогенераторной системы.

Отличительные особенности, назначение и преимущества настоящего изобретения могут быть достигнуты независимо в различных вариантах осуществления настоящего изобретения или могут быть скомбинированы в другие варианты осуществления.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Настоящее изобретение становится более понятным по подробному описанию и сопроводительным чертежам, на которых:

на Фиг.1 показана газогенераторная система по одному из предпочтительных вариантов осуществления настоящего изобретения;

на Фиг.2 показана таблица соотношения между массой и энергией для газогенераторной системы, показанной на Фиг.1;

на Фиг.3 показан частичный разрез трубного узла камеры газификации, включенной в газогенераторную систему, показанную на Фиг.1, по одному из вариантов осуществления настоящего изобретения;

на Фиг.4 показан частичный разрез трубного узла камеры газификации, включенной в газогенераторную систему, показанную на Фиг.1, по другому варианту осуществления настоящего изобретения;

на Фиг.5А приведен график, показывающий температурную кривую синтез-газа, создаваемого внутри трубного узла камеры газификации в течение времени пребывания синтез-газа внутри трубного узла камеры газификации, равном приблизительно 0,02 сек, по одному примеру варианта осуществления настоящего изобретения, показанному на Фиг.2;

на Фиг.5В приведен график, показывающий температурную кривую синтез-газа, создаваемого внутри трубного узла камеры газификации в течение времени пребывания синтез-газа внутри трубного узла камеры газификации, равном приблизительно 0,5 сек, по одному примеру варианта осуществления настоящего изобретения, показанному на Фиг.2;

на Фиг.5С приведен график, показывающий зависимость превращения углерода углеродсодержащего материала, инжектированного в трубный узел камеры газификации, от времени пребывания углеродсодержащего материала внутри трубного узла камеры газификации, по одному из вариантов осуществления настоящего изобретения, показанному на Фиг.2;

на Фиг.6 показан разрез теплообменного трубного узла охлаждения, включенного в газогенераторную систему, показанную на Фиг.1, иллюстрирующий сердечник теплообменника с параллельными пластинами, по предпочтительному варианту осуществления настоящего изобретения;

на Фиг.7 показано поперечное сечение вдоль линии 7-7 сердечника теплообменника, показанного на Фиг.6; и

на Фиг.8 показано частичное сечение одной из множества КМКМ панелей, содержащихся в сердечнике теплообменника, показанного на Фиг.7.

Соответствующие номера выносок указывают соответствующие части по всем видам на чертежах.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Нижеследующее описание предпочтительных вариантов осуществления изобретения является просто примером сущности изобретения и никоим образом не предназначено для какого-либо ограничения настоящего изобретения, его применения или использования. Кроме этого, преимущества, обеспечиваемые предпочтительными вариантами осуществления, как это будет описано ниже, по существу, являются примерами, и не все предпочтительные варианты осуществления обеспечивают одни и те же преимущества или одну и ту же степень преимуществ.

На Фиг.1 показана система 10 малогабаритного высокоэффективного одноступенчатого газогенератора, позволяющая получать синтез-газ из углеродсодержащего материала, такого как уголь или топливный мазут, с КПД по холодному газу (КПДхг) больше 80%, по одному из предпочтительных вариантов осуществления настоящего изобретения. Газогенераторная система 10 содержит инжекторный трубный узел 14, соединенный с трубным узлом 18 камеры газификации, которая соединена с суживающимся трубным узлом 22. Суживающийся трубный узел 22 соединен с теплообменным трубным узлом 26 охлаждения. В одном из предпочтительных вариантов осуществления теплообменный трубный узел 26 охлаждения соединен с погружаемым трубным узлом 30 охлаждения. Инжекторный трубный узел 14 может быть любым пригодным инжектором, приспособленным для смешивания углеродсодержащего материала, такого как уголь или топливный мазут, с сухой суспензионной средой, такой как диоксид углерода CO₂ или синтез-газ, например смесь водорода и СО, для получения по существу сухой или не содержащей воды суспензии, которую инжектируют в трубный узел 18 камеры газификации. Инжекторный трубный узел 14 также инжектирует другие реагенты, такие как кислород и пар, в трубный узел 18 камеры газификации, так что другие реагенты наталкиваются на сухую суспензию, вызывая реакцию, при которой образуется синтез-газ с высоким содержанием энергии, например водород и оксид углерода.

Конструкция газогенераторной системы 10, описанная в настоящей патентной заявке, обеспечивает гораздо более высокую эффективность по сравнению с иными газогенераторными системами, известными специалистам в данной области техники. Более конкретно, малогабаритная конструкция, использование суспензионной среды, например СО₂, и использование керамических матричных композитных материалов (КМКМ) газогенераторной системы 10, например КМКМ вкладышей и теплообменного сердечника с КМКМ параллельными пластинами, газифицирует сухую суспензию с потреблением значительно меньшего количества кислорода со значительным снижением тепловых потерь, т.е. более высокой эффективностью химической энергии (ЭХЭ), чем у известных газогенераторным систем. Следовательно, потребляя меньшее количество кислорода и имея более высокую ЭХЭ, газогенераторная система 10 генерирует синтез-газ с гораздо более высоким КПДхг, чем у известных газогенераторных систем. Например, система газогенераторная 10 имеет КПДхг больше 80%, например от 83 до 90% или даже выше. КМКМ, используемые для создания вкладышей, теплообменный сердечник и другие структуры газогенераторной системы 10 описаны в патенте США No. 6,418,973, выдан 16 июля 2002 г, озаглавлен "INTEGRALLY WOVEN CERAMIC COMPOSITES" («ИНТЕГРАЛЬНО ВПЛЕТЕННЫЕ КЕРАМИЧЕСКИЕ КОМПОЗИТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ»), переуступлен компании The Boeing Company (Дзе Боинг Компани).

В патенте США No. 6,418,973 описана интегрально вплетенная трехмерная керамическая структура из композитного материала с внутренними каналами, выровненными в направлении плетения основы. Композит содержит многослойную ткань, сплетенную из пучков волокон, изготовленных из углерода, карбида кремния, нитрида кремния, оксида алюминия, маллита, стекла, иттрийалюминиевого граната, полиэтилена и других волокнистых материалов. По меньшей мере, верхний и нижний слои (или оболочки) композита содержат сплетенные пучки волокон основы и уточной пряжи. Эти слои могут образовывать плоскости или искривленные поверхности или трубчатые структуры, которые могут быть плотно сплетены для удержания внутреннего давления жидкости. Эти слои сращены или соединены интегрально сплетенными пучками волокон основы и уточной пряжи, формирующими стенки или ряды соединительных столбиков, с образованием внутренних каналов в соединении с оболочками.

Процессы плетения и конструкции выбраны таким образом, чтобы достигать гораздо более высокой плотности упаковки волокон по периметру каждого канала для улучшения способности каналов удерживать давление без чрезмерного увеличения толщины либо оболочек, либо стенок, либо столбиков, которые образуют структуру канала.

Сплетенные пучки волокон композитного материала пропитаны или введены в поток вулканизирующего средства, которое может быть в форме волокон, частиц, порошков, паров или жидкостей. Вулканизирующее средство содержит материал, такой как отверждаемый полимер в неотвержденной форме или предшественник керамики, например, который может быть отвержден посредством воздействия тепла или света (такого как инфракрасное или ультрафиолетовое излучение), например, чтобы образовывать жесткую матрицу для пропитанных пучков волокон. Полимер необязательно может содержать частицы керамики, чтобы обработка при более высоких температурах позволила спекать частицы керамики в керамической матрице вокруг сплетенных пучков волокон и устранить полимер или превратить его в керамику. Материал керамической матрицы также может быть добавлен либо после отверждения, либо после исходной тепловой обработки посредством пропитки парами химических веществ (CVI) или пропитки жидким предшественником с последующей тепловой обработкой. Результирующая структура обычно содержит два или больше слоев (оболочек), соединенных стенками или связями, в которых каждая из оболочек и стенок или связей содержит упрочняющие керамику волокна в керамической матрице. Полости в открытой решетчатой структуре могут быть использованы, например, для циркуляции активных охлаждающих флюидов (жидкостей или газов).

Главным объектом патента США No. 6,418,973 является конструкционный керамический композит, который применяется как высокотемпературный термический барьерный материал. Особенностью этого изобретения является многослойная интегрально сплетенная керамическая композитная структура с внутренними каналами, выровненными в направлении плетения основы, которая может содержать охлаждающие жидкости и может быть эффективно связана с опорной структурой. Преимуществом этого изобретения является высокая плотность упаковки упрочняющих волокон, выровненных вдоль окружности вокруг каналов, что позволяет удерживать жидкость под высоким давлением и использовать его в средах с высокой плотностью теплового потока. Другим преимуществом является то, что высокая плотность упаковки упрочняющих волокон уменьшает зазоры и способствует герметичному удержанию охлаждающих жидкостей под давлением. Другим преимуществом этого изобретения является то, что нет ограничения по длине каналов, которые могут быть сплетены удобным образом. Другим преимуществом является то, что высокоотверждаемые соединительные частицы или гребенка могут быть встроены в тканый материал на концах каналов или в любом другом месте.

Вышеупомянутые преимущества, раскрытые в патенте США No. 6,418,973, могут быть достигнуты путем использования активной или пассивной изоляции из керамического композита или комбинации и того, и другого. Активная изоляция из керамического композита содержит системы, в которых жидкость направлена через каналы в изоляции. Пассивная изоляция из керамического композита содержит системы, в которых каналы в изоляции заполнены произвольно упакованными керамическими волокнами с низкой плотностью.

Кроме этого, малогабаритная конструкция, использование инжекторного трубного узла 14 быстрого смешивания, использование сухой суспензионной среды и использование керамических матричных композитных структур (КМКМ) газогенераторной системы 10 позволяют получить синтез-газ со временем пребывания сухой суспензии и реагентов внутри трубного узла 18 камеры газификации приблизительно 0,50 секунд или менее, например приблизительно 0,20 секунд.

На Фиг.2 представлена Таблица значений соотношения между массой и энергией материала, введенного в газогенераторную систему 10, и охарактеризованы материалы и их физические свойства, создаваемые посредством газогенераторной системы 10, в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения, приведенном в качестве примера. В варианте осуществления настоящего изобретения, приведенным в качестве примера, инжекторный трубный узел 14 способен принимать 33,4 кг/сек CO₂/уголь суспензии через приемный фланец 6 дюймовой трубы сортамент-40. На Фиг.2 в качестве примера показано, что подающий поток суспензии, инжектируемый при температуре 91°С в трубный узел 18 камеры газификации, содержит 5,57 весовых % газа диоксида углерода в качестве текучей среды, переносящей суспензию. Этот подающий поток поступает от системы накачки суспензии высокого давления, описанной в патентной заявке США No. 10/271,950, поданной 15 октября 2002 г.под названием "METHOD AND APPARATUS FOR CONTINUOUSLY FEEDING AND PRESSURIZING A SOLID MATERIAL INTO A HIGH PRESSURE SYSTEM" («СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ НЕПРЕРЫВНОЙ ПОДАЧИ И НАГНЕТАНИЯ ТВЕРДОГО МАТЕРИАЛА В СИСТЕМУ ВЫСОКОГО ДАВЛЕНИЯ»), включена в настоящую патентную заявку посредством ссылки. В соответствии с одним из вариантов осуществления изобретения, приведенным в качестве примера и показанным на Фиг.2, в дополнение к сухой угольной суспензии, инжекторный трубный узел 14 также получает смесь 24,3 кг/сек кислорода и 6,3 кг/сек пара при абсолютном давлении 8.3Е+06 Па и температуре 371°С. В соответствии с одним из вариантов осуществления изобретения внутренний диаметр X, показанный на Фиг.4, инжекторного трубного узла 14 на стыке, где инжекторный трубный узел 14 соединяется с трубным узлом камеры газификации, составляет приблизительно от 35 до 45 дюймов, например приблизительно 39 дюймов.

Со ссылкой на Фиг.1 и 3 трубный узел 18 камеры газификации состыкован с и подсоединен своим верхним концевым фланцем 38 к нижнему концевому фланцу 36 инжекторного трубного узла 14 и своим нижним концевым фланцем 42 с верхним концевым фланцем 40 суживающегося трубного узла 22. Трубный узел 18 камеры газификации имеет внутренний диаметр, который эффективно подходит под внутренний диаметр Х инжекторного трубного узла 14. Например, в одном из вариантов осуществления изобретения внутренний диаметр трубного узла 18 камеры газификации составляет приблизительно от 25 дюймов до 45 дюймов, например приблизительно 39 дюймов, и длина Y трубного узла 18 камеры газификации составляет приблизительно от 10 футов до 20 футов, например приблизительно 15 футов.

Трубный узел 18 камеры газогенератора содержит вкладыш 46. В одном из предпочтительных вариантов осуществления изобретения вкладыш 46 является регенеративно охлаждаемым КМКМ вкладышем, содержащим охлаждающие каналы, так как это описано в патентной заявке США No. 10/677817, поданной 2 октября 2003 г., озаглавленной "REGENERATIVELY COOLED SYNTHESIS GAS GENERATOR" («РЕГЕНЕРАТИВНО ОХЛАЖДАЕМЫЙ ГЕНЕРАТОР СИНТЕ3-ГАЗА») и в которой описан охладительный вкладыш для резервуара газификации углеродсодержащего топлива (каменный уголь или топливный мазут), содержащий панель из керамического композита, и способ охлаждения резервуара. Панель может содержать по меньшей мере два слоя сплетенных пучков волокон волокнистого материала и стенки, проходящие между этими слоями. Соответственно, слои и стенки образуют охлаждающие каналы, которые проходят в направлении волокон основы. Кроме того, один из слоев может быть менее примерно 0,2 см в толщину. Материалы, используемые для создания композитной панели, могут содержать оксид алюминия, хром, карбид кремния и углерод. Кроме того, вкладыши могут быть в форме арки или иметь охлаждающие каналы, которые различны по диаметру в направлении волокон основы. Кроме того, вкладыш может примыкать к структурной оконечности резервуара. Охлаждающий вкладыш обеспечивает значительно более долговечный компонент, чем используемые ранее вкладыши, и особенно хорошо подходит для жестких условий эксплуатации.

В предпочтительном варианте осуществления изобретения КМКМ вкладыш 46 имеет двухканальную охлаждающую конструкцию с впускной кольцевой системой 50 трубок охлаждения и выпускной кольцевой системой 52 труб охлаждения, показанной на Фиг.3, включенной в верхний концевой фланец 38 трубного узла 18 камеры газификации, который подает и отводит охладитель в и от охлаждающих каналов КМКМ вкладыша 46. В другом варианте осуществления изобретения КМКМ вкладыш 46 имеет охлаждающую конструкцию с одним проходящим вверх каналом и с впускной кольцевой системой 50 труб охлаждения, заключенной в верхнем концевом фланце 38 трубного узла 18 камеры газификации, которая подает охладитель на охлаждающие каналы КМКМ вкладыша 46, и выпускной кольцевой системой 52 труб охлаждения, включенной в нижний концевой фланец 42 трубного узла 18 камеры газификации.

Со ссылкой на Фиг.3 охладитель подается во впускную кольцевую систему 50 труб и протекает радиально вовнутрь к внутренней кольцевой части 50А впускной кольцевой системы 50 труб. Внутренняя кольцевая часть 52А содержит множество ниппелей 53 из нитрида кремния (Si₃N₄), которые подсоединены к охладителю и позволяют ему протекать в одну половину охлаждающих каналов КМКМ вкладыша 46. Охладитель возвращается через одну половину охлаждающего канала к внутренней кольцевой части 52А выпускной кольцевой системы 52 труб через множество ниппелей 53А, выполненных из нитрида кремния. Охладитель затем протекает радиально наружу и выходит из верхнего концевого фланца 30 трубного узла камеры газогенератора через выпускную кольцевую систему 52 труб. Ниппели из нитрида кремния и их применение для обеспечения подачи охладителя к КМКМ вкладышу 46 описаны подробно в патенте США No. 6,758,386, выданном 6 июля 2004 г., под названием "Method of joining ceramic matrix composites and metals" («Способ соединения керамическим матричных композитных материалов и металлов»), переуступленном компании The Boeing Company (Дзе Боинг Компани).

В предпочтительном варианте изобретения по патенту США No. 6,758,386 раскрыт способ присоединения трубы из керамического матричного композитного материала с трубой из металла с использованием вставки, расположенной внутри, и трубы из керамического матричного композитного материала и металлической трубы. В одном из вариантов труба из керамического матричного композитного материала представляет собой ракетное сопло, далее упоминаемое как ракетное сопло из керамического матричного композитного материала, и металлическая труба представляет собой систему металлических труб специального применения для ракетного двигателя. Следует понимать, однако, что настоящий патент особенно ценен для других приложений, чем ракетные двигатели, и данная ссылка на ракетные двигатели не должна рассматриваться как ограничивающая объем настоящего патента.

Вставка предпочтительно обработана совместно с трубой из композита на основе керамической матрицы, причем вставка помещена внутрь волоконной заготовки, и волоконная заготовка пропитывается керамической матрицей и после этого обрабатывается тепловым воздействием. Соответственно, керамическая матрица связывает вставку с внутренней частью трубы из композита на основе керамической матрицы во время процесса пропитки.

Кроме того, вставка, которая соединяет трубу из керамического матричного композитного материала, предпочтительно изготовлена из нитрида кремния или другого материала, который имеет приблизительно тот же или меньший коэффициент теплового расширения, что и труба из керамического матричного композитного материала. В основном этот коэффициент теплового расширения приблизительно равен или меньше, чем у трубы из керамического матричного композитного материала, чтобы минимизировать нагрузки на растяжение, которые будут возникать между вставкой и трубой из керамического матричного композитного материала при охлаждении после обработки пропиткой.

После обработки трубы из керамического матричного композитного материала металлическую трубу затем помещают поверх вставки и закрепляют на ней предпочтительно с помощью припаивания. Благодаря большему коэффициенту теплового расширения металлической трубы, чем у вставки, на вставку действуют нагрузки на сжатие, в то время как металлическая труба испытывает нагрузку на растяжение. Такое состояние нагрузки рассчитано на особые свойства керамики и металлов, когда керамические материалы проявляют высокую прочность при сжатии и низкую прочность при растяжении, в то время как металлы проявляют высокую прочность при растяжении. Кроме того, монолитная керамическая вставка расположена предпочтительно поверх вставки из композита, так как прочность на сжатие керамических композитов ниже, чем у монолитной керамики. В результате этого обеспечивается соединение, которое является эффективным по затратам и массе и которое содержит относительно гладкую наружную поверхность обвода корпуса для аэрокосмических приложений.

Множественные места соединений в верхнем концевом фланце 38 трубного узла 18 камеры газификации защищены наружной поверхностью 54 инжекторного трубного узла 14, что наилучшим образом показано на Фиг.4, которая выступает ниже места соединения между концевым фланцем 36 инжекторного трубного узла и верхним концевым фланцем 38 трубного узла камеры газификации. Это защитит верхнюю систему (системы) труб, например впускную систему 50 труб, от горячей окружающей среды газификации около наружной поверхности 54 инжекторного трубного узла 14, который может иметь температуру, превышающую 2204°С. Таблица соотношения массы/энергии, приведенная на Фиг.2, показывает, что согласно одному из вариантов осуществления изобретения, приведенному в качестве примера, требуемый охладитель для КМКМ вкладыша 46, который протекает через охладительные каналы КМКМ вкладыша, представляет собой насыщенный пар. Насыщенный пар подается через впускную систему 50 труб при температуре приблизительно 316°С, при высоком давлении приблизительно 8,3Е+06 Па со скоростью расхода приблизительно 2,9 кг/сек. По мере протекания насыщенного пара через КМКМ вкладыш 46, абсорбирующего тепло, генерированное посредством реакции газификации и появившееся внутри трубного узла 18 камеры газификации, насыщенный пар становится перегретым примерно до 649°С. Перегретый пар, который покидает трубный узел 18 камеры газификации, через выпускную систему 52 труб может впоследствии смешиваться со следующими реагентами: 6,3 кг/сек пара и 24,3 кг/сек кислорода для получения температуры смеси в 371°С, который затем вводится в поток сухой суспензии, инжектируемой в трубный узел 18 камеры газификации. Было бы предпочтительно, чтобы слой 58 изоляции, такой как воздух, был бы расположен между КМКМ вкладышем 46 трубного узла 18 камеры газификации и наружным кожухом 62 трубного узла 18 камеры газификации. На основе температуры перегретого пара, равной приблизительно 649°С, изоляция 58 будет поддерживать кожух 62 при температуре ниже приблизительно 538°С при эксплуатации газогенераторной системы 10.

Горячий продукт, т.е. шлак и синтез-газ, созданные посредством газификации сухой суспензии, могут достигать температур между приблизительно 1149°С и 1593°С. Насыщенный пар, протекающий через КМКМ вкладыш 46, будет поддерживать КМКМ вкладыш 46 при температуре приблизительно 927°С. Поэтому любой расплавленный шлак, протекающий через трубный узел 18 камеры газификации при температуре приблизительно между 1149°С и 1593°С, который ударяется о внутреннюю поверхность 64 КМКМ вкладыша 46, будет отвердевать и прилипать к внутренней поверхности 64 КМКМ вкладыша 46 при температуре приблизительно 927°С для создания защитного слоя на КМКМ вкладыше 46. Защитный отвердевший слой шлака предотвращает повреждение КМКМ вкладыша 46 другими отвердевшими частицами шлака. Защитный отвердевший слой шлака будет иметь температуру примерно 1316°С у поверхности слоя шлака, на которую воздействует горячий продукт, и примерно 927°С у поверхности слоя шлака, прилипшего к КМКМ вкладышу 46. По мере соударения отвержденных частиц шлака с защитным слоем шлака слой шлака будет разрушаться, но другой расплавленный шлак будет быстро отвердевать на защитном слое шлака для восстановления любого такого повреждения.

В альтернативном варианте осуществления изобретения вкладыш 46 представляет собой металлический вкладыш, имеющий металлические охладительные трубки или каналы. Для предотвращения значительной химической коррозии металлического вкладыша 46 охладитель, протекающий через охлаждающие трубки или каналы, должен поддерживаться при температуре ниже 371°С. Поэтому охладитель, например вода, подаваемый на охлаждающие трубки металлического вкладыша, может быть только водой или насыщенным паром при температуре примерно 204°С и не может становиться перегретым паром по мере его протекания через охлаждающие трубки или каналы.

Со ссылкой на Фиг.4 в альтернативном предпочтительном варианте осуществления изобретения трубный узел 18 камеры газификации содержит вкладыш 66 без охлаждающих каналов. В одном варианте осуществления изобретения вкладыш 66 представляет собой волокнистый КМКМ вкладыш 66. Предпочтительно КМКМ вкладыш 66 представляет собой одиночный КМКМ цилиндр, который имеет толщину примерно от 1/8 дюйма до 1/2 дюйма, например 1/4 дюйма, который присоединен к верхнему концевому фланцу 38 и нижнему концевому фланцу 42, так чтобы КМКМ вкладыш 66 эффективно "свободно плавал бы" внутри кожуха трубного узла 18 камеры газификации. Кроме этого, в этом варианте осуществления изобретения трубный узел 18 камеры газификации содержит вторичный вкладыш 70, который содержит множество охлаждающих каналов 74. Вторичный вкладыш 70 может быть сконструирован из любого пригодного для этого металла, материала или сплава, композитного материала, который не ржавеет и может выдерживать повышенные температуры, например, это может быть нержавеющая сталь. Предусмотрено, что вторичный вкладыш 70 имеет толщину примерно от 1/16 до 1/4 дюйма, например 1/8 дюйма. Вторичный вкладыш 70 присоединен или припаян к кожуху, и предусмотрен изоляционный барьер 78 между КМКМ вкладышем 66 и вторичным вкладышем 70.

Изоляционный барьер 78 может быть изготовлен из любого пригодного вещества, материала или композиционного материала, который обеспечивает достаточную температурную разницу между КМКМ вкладышем 66 и вторичным вкладышем 70, так что КМКМ вкладыш 66 и вторичный вкладыш 70 поддерживаются соответственно при надлежащих температурах. То есть изоляционный барьер должен быть пригоден для поддержания КМКМ вкладыша 66 при температуре, соответствующей отверждению расплавленного шлака, протекающего внутри трубного узла 18 камеры газификации, и должен позволять охладителю, протекающему через охлаждающие каналы 74, поддерживать вторичный вкладыш 70 при температуре, которая не вызывает повреждения вторичного вкладыша 70. Например, изоляционный барьер 78 может быть воздушным зазором с шириной приблизительно от 1/16 до 1/2 дюйма между КМКМ вкладышем 66 и вторичным вкладышем 70. В этом предпочтительном варианте осуществления изобретения трубный узел 18 камеры газификации, кроме того, содержит защитный лист 80 между вторичным вкладышем 70 и кожухом 62 трубного узла камеры газификации. Защитный лист 80 присоединен или припаян к кожуху 18 и вторичному вкладышу 70.

Защитный лист 80 может быть изготовлен из любого металла, материала или композита, пригодного для дополнительной защиты кожуха 18 от повреждения из-за высоких температур, создаваемых внутри трубного узла 18 камеры газификации, например, он может быть изготовлен из нержавеющей стали. Было бы предпочтительно, чтобы ограничивающий лист имел бы толщину приблизительно от 0,125 дюймов до 0,350 дюймов.

В одном из вариантов осуществления изобретения, показанном на Фиг.2, газификация сухой суспензии приводит к достижению КМКМ вкладышем температуры примерно в 927°С.Таким образом, если бы не было изоляционного барьера 78 и КМКМ вкладыш 66 контактировал бы со вторичным вкладышем 70, то охладитель, протекающий через охлаждающие каналы 74, например вода (Н₂О), проводил бы слишком много тепла, что вызвало бы достижение вторичным вкладышем 70 температур выше 427°С с возникновением вредных реакций коррозии, таких как сульфитация. В одном варианте осуществления изобретения изоляционный барьер 78 обеспечивает большую разность температур, чем 538°С, между КМКМ вкладышем 66 и вторичным вкладышем 70.

Например, если охладитель, протекающий через охлаждающие каналы 74, например вода, подается при температуре приблизительно 204°С, так что температура вторичного вкладыша 70 поддерживается на уровне приблизительно 316°С и КСКМ вкладыш 66 поддерживается при температуре приблизительно 927°С, как это показано в Таблице на Фиг.2, то изоляционный барьер 78 обеспечивает разность температур в 593°F между стороной КМКМ вкладыша и стороной вторичного вкладыша изоляционного барьера 78.

Горячий продукт, т.е. шлак и синтез-газ, создаваемые посредством газификации сухой суспензии, может достигать температур, находящихся между приблизительно от 1149°С до 1593°С. Изоляционный барьер 78 и вторичный вкладыш 70 с охладителем, протекающим при температуре 204°С через охлаждающие каналы 74, будет поддерживать КМКМ вкладыш 66 при температуре приблизительно 927°С. Поэтому любой расплавленный шлак, протекающий через трубный узел 18 камеры газификации при температуре приблизительно между 1149°С и 1593°С, который ударяется о внутреннюю поверхность 76 КМКМ вкладыша 66, будет отвердевать и прилипать к внутренней поверхности 76 КМКМ вкладыша 66 при температуре приблизительно 927°С для создания защитного слоя на КМКМ вкладыше 66. Защитный отвердевший слой шлака предотвращает повреждение КМКМ вкладыша 66 другими отвержденными частицами шлака. Защитный отвердевший слой шлака будет иметь температуру примерно 1316°С у поверхности слоя шлака, на который воздействует горячий продукт, и примерно 927°С у поверхности слоя шлака, прилипшего к КМКМ вкладышу 66. По мере ударения отвержденных частиц шлака об защитный слой шлака слой шлака будет разрушаться, но другой расплавленный шлак будет быстро отвердевать на защитном слое шлака для восстановления такого повреждения.

В альтернативном варианте осуществления изобретения вкладыш 66 представляет собой металлический вкладыш, имеющий металлические охладительные трубки или каналы. Для предотвращения значительной химической коррозии металлического вкладыша 66 охладитель, протекающий через охлаждающие трубки или каналы, должен поддерживаться при температуре ниже 371°С. Поэтому охладитель, например вода, подаваемый на охлаждающие трубки металлического вкладыша, может быть только водой или насыщенным паром при температуре примерно 204°С и не может становиться перегретым паром по мере его протекания через охлаждающие трубки или каналы.

Со ссылкой на Фиг.5А, 5В и 5С, как это описано в настоящей патентной заявке, малогабаритная газогенераторная система 10 использует сухую среду в виде суспензии, например CO₂, для получения сухой суспензии, которая инжектируется в трубный узел 18 камеры газификации посредством инжекторного трубного узла 14 быстрого смешивания. Кроме этого, инжекторный трубный узел 14 имеет низкое соотношение пара - сухого углеродсодержащего материала, например приблизительно 0,2 Ibm/Ibm. Поэтому вкладыш 46 и 66 трубного узла камеры газификации должен быть способен выдерживать относительно высокие температуры газа у переднего конца при давлении в камере, равном 6,9 Е+06 Па. На Фиг.5А-5С показаны температурные кривые синтез-газа/частиц вместе с превращением частиц и углерода в трубном узле 18 камеры газификации в зависимости от времени пролета синтез-газа/частиц от инжекторного трубного узла 14, т.е. времени пребывания внутри трубного узла 18 камеры газификации. Следует отметить, что время пребывания в 0,5 секунды соответствует длине Y трубного узла 18 камеры газификации, равной 15 футам, как использовано в варианте осуществления изобретения, приведенном в качестве примера, показанном в Таблице на Фиг.2. На Фиг.5А показано, что температура газа у переднего конца может, например, достигать приблизительно 3204°С. Преимущество от того, что существуют высокие температуры газа у переднего конца, состоит в том, что быстрые времена реакции, создаваемые трубным узлом 18 камеры газификации, ниже общего времени пребывания полученного синтез-газа/частиц на по меньшей мере порядок, чем это имеет место у известных газогенераторных систем, при этом достигается 100% суммарная эффективность превращения углерода.

Более конкретно, как это показано в качестве примера на Фиг.2, кислород и пар инжектируются в трубный узел 18 камеры газификации и вводятся в поток сухой суспензии при температуре примерно 371°С. При введении в поток сухой суспензии результирующая химическая реакция приводит к образованию температур приблизительно в 2760°С или выше. Температура образующегося синтез-газа/частиц, упоминаемых как горячий продукт, например водород (Н₂), оксид углерода (СО), и другие вещества, показанные на Фиг.2, начинает падать по мере перемещения горячего продукта вдоль длины Y трубной части 18 камеры газификации. Как это показано на Фиг.5 В, температуры горячего продукта достигают величин приблизительно от 1427°С до 1482°С к моменту, когда горячий продукт покидает газогенератор через приблизительно 14 секунд резонансного времени. Со ссылкой на Фиг.2 24,3 кг/сек кислорода и 6,3 кг/сек пара смешиваются и вводятся в 33,4 кг/сек сухой суспензии, инжектированной в трубный узел 18 камеры газификации. Результирующая химическая реакция создает горячий продукт с расходом примерно 64,0 кг/сек при давлении в 6,9Е+06 Па, имея температурные кривые, показанные на Фиг.5А и 5 В. В примере, показанном на Фиг.2, 5,3% потока горячего продукта представляют собой расплавленный шлак; и другие 94,7% представляют собой синтез-газ, содержащий вещества, показанные на Фиг.2, например метан, оксид углерода, аммиак, азот и т.д.

Также со ссылкой на Фиг.1 верхний концевой фланец 40 суживающегося трубного узла 22 соединен с нижним концевым фланцем 42 трубного узла камеры газификации. Нижний концевой фланец 82 суживающегося трубного узла соединен с верхним концевым фланцем 86 теплообменного трубного узла 26 охлаждения. Суживающийся трубный узел 22 сходит на конус от верхнего концевого фланца 40 до нижнего концевого фланца 82 для ускорения и повышения концентрации горячего продукта, получаемого от трубного узла 18 камеры газификации. Например, горячий продукт ускоряется от приблизительно 25 ft/sec до приблизительно 125 ft/sec, а расход по массе горячего продукта возрастает с коэффициентом пять перед выгрузкой горячего продукта в теплообменный трубный узел 26 охлаждения. В предпочтительном варианте осуществления суживающийся трубный узел имеет длину Z между приблизительно 8 футов до 16 футов, например приблизительно 12 футов. Предпочтительно, чтобы суживающийся трубный узел 22 содержал бы вкладыш 44, предпочтительно регенеративно охлаждаемый КМКМ вкладыш, по существу, такой же, что и вкладыш 46 или 66 трубного узла камеры газификации, описанный выше, только он должен быть подогнан под сходящуюся на конус геометрию суживающегося трубного узла 22. Как это было описано выше, с учетом Фиг.3 и Фиг.4, КМКМ вкладыш 46 суживающегося трубного узла сконструирован для затвердевания защитного слоя твердого шлака на ее внутренней поверхности для защиты от эрозии с высокой скоростью. Любой твердый шлак, удаленный с внутренней поверхности вследствие эрозии, быстро восполняется свежим расплавленным шлаком, который затвердевает, когда удален старый твердый шлак.

Теперь со ссылкой на Фиг.1, 6 и 7, как описано это выше, верхний концевой фланец 86 теплообменного трубного узла 26 охлаждения соединен с нижним концевым фланцем 82 суживающегося трубного узла 22. В одном из предпочтительных вариантов осуществления изобретения теплообменный трубный узел 26 охлаждения содержит теплообменный сердечник 90 с параллельными пластинами, наилучшим образом показанный на Фиг.6, предназначенный для отвода избыточного тепла от горячего продукта под высоким давлением, равным, например, 8,3Е+06 Па, водой для питания котла и текучими средами в виде пара. Вид в поперечном сечении этого теплообменного сердечника 90 с параллельными пластинами по линии 7-7 показан на Фиг.7.

Со ссылкой на Фиг.7 теплообменный сердечник 90 с параллельными пластинами содержит множество КМКМ панелей 94, каждая из которых содержит множество внутренних охлаждающих каналов 98. Поперечное сечение каждого охлаждающего канала 98 может иметь любую пригодную геометрическую форму, например может быть квадратной, круглой или треугольной. В теплообменном сердечнике 90 используется геометрия перекрестного потока, за счет которой горячий продукт, например синтез-газ и шлак при температуре приблизительно в 1482°С, протекают между КМКМ панелями 94. Охладитель, например вода, протекает через охлаждающие каналы 98 для охлаждения горячего продукта по мере его прохождения через теплообменный сердечник 90 вдоль длины М теплообменного трубного узла 26 охлаждения. Предпочтительно, чтобы длина М составляла бы приблизительно от 7 футов до 20 футов, например приблизительно 12 футов. Теплообменный трубный узел 26 охлаждения содержит множество секций 102. Каждая секция 102 имеет впуск 106 охладителя и выпуск 110 охладителя, так что каждая секция обеспечивается охладителем. Поэтому температура горячего продукта постепенно снижается по мере прохождения горячего продукта между КМКМ панелями 94 каждой последующей секции 102. В примере, приведенном в таблице на Фиг.2, вода при температуре приблизительно 38°С подается на впуск 106 расположенной вниз по потоку секции 102 теплообменного сердечника, например впуск 106, ближайший к нижнему концевому фланцу 122 теплообменного трубного узла охлаждения, при расходе примерно в 22,9 кг/сек и давлении в 6,9Е+06 Па. Охладитель, протекающий через по меньшей мере одну из расположенных выше по потоку секций 102 теплообменного сердечника, например секция (секции) 102, ближайшая к верхнему концевому фланцу 86 теплообменного трубного узла охлаждения, будет нагрет протекающим между КМКМ панелями 94 горячим продуктом приблизительно до температуры перегретого пара в 649°С. Перегретый пар выходит из секции (секций) 102 теплообменного сердечника через соответствующий выпуск (выпуски) 110 с расходом примерно 16,6 кг/сек и при давлении 8,3Е+06 Па. Охладитель, протекающий через остальные секции 102 теплообменного сердечника, нагревается приблизительно до температуры в 371°С насыщенного пара, который выходит через каждое соответствующее выпускное отверстие 110 с расходом примерно 6,3 кг/сек и при давлении 8,3Е+06 Па. Предпочтительно, чтобы КМКМ панели 94 в основном были бы плоскими по форме для минимизации высокой скорости падения давления внутри потока горячего продукта и для уменьшения эрозии КМКМ панелей 94.

В одном из вариантов осуществления изобретения перегретый пар, выходящий из секции (секций) 102 вверх по потоку теплообменного сердечника, подается на паротурбогенератор. Кроме этого, часть потока насыщенного пара, выходящего из каждого теплообменного сердечника 102, подается на инжекторный трубный узел 14 и используется в качестве пара, введенного в поток сухой суспензии, инжектируемой в трубный узел камеры газификации, как это было описано выше. Другая часть насыщенного пара подается в трубный узел 18 камеры газификации и используется для охлаждения вкладыша 46 трубного узла 18 камеры газификации, как это было описано выше. Аналогично, другая часть насыщенного пара от теплообменного трубного узла 26 охлаждения может подаваться на суживающийся трубный узел 22 для охлаждения вкладыша суживающегося трубного узла 22, как это было описано выше.

В основном поверх большой части длины М теплообменного трубного узла 26 охлаждения температура горячего продукта уменьшилась до уровня ниже температуры перехода шлака в жидкое состояние, т.е. ниже приблизительно 1093°С. Поэтому нет расплавленного шлака, доступного для образования защитного слоя из отвердевшего шлака, по меньшей мере, на части внешних поверхностей 104 КМКМ панелей 94, как это было описано выше со ссылкой на вкладыш 46 или 66 трубного узла 18 камеры газификации. Более конкретно, шлак в горячем продукте, входящий в теплообменный трубный узел 26 охлаждения, находится в расплавленном состоянии при температуре приблизительно в 1427°С. По мере протекания горячего продукта через сердечник 94 с параллельными пластинами теплообменного трубного узла 26 охлаждения температура горячего продукта, включая расплавленный шлак, постепенно снижается до температуры, при которой расплавленный шлак будет отвердевать. Температура синтез-газа и отвердевшего шлака, выходящего из теплообменного трубного узла охлаждения, составляет приблизительно 538°С. Благодаря малогабаритному размеру газогенераторной системы 10 горячий продукт должен протекать через теплообменный трубный узел 26 охлаждения на высокой скорости, например приблизительно 150 ft/sec. Отвердевший шлак, проходящий через теплообменный трубный узел охлаждения на таких высоких скоростях, будет вызывать эрозию и оказывать абразивное воздействие на теплообменный сердечник 94 и 10 КМСМ вкладыш 114 (показаны на Фиг.6) теплообменного трубного узла 26 охлаждения.

В одном варианте осуществления для создания такого защитного слоя из отвердевшего шлака на КМКМ панелях 94 и вкладыше 114 сердечника 90 теплообменного трубного узла охлаждения различные охлаждающие каналы 98 внутри каждой КМКМ панели 94, указанные на Фиг.7, такие как CO₂/O₂ каналы 98А, сконструированы для протекания смеси диоксида углерода (СО₂) и кислорода (O₂). CO₂/O₂ каналы 98А расположены в стратегических положениях вдоль длины каждой КМКМ панели 94, где ожидается протекание твердого шлака. Кроме того, CO₂/O₂ каналы 98А расположены непосредственно вверх по потоку, т.е. около верхнего фланца 86 теплообменного трубного узла охлаждения, положения внутри теплообменного трубного узла 26 охлаждения, где перешедший в жидкое состояние шлак, покидающий суживающийся трубный узел 22, переходит в отвердевший шлак.

Теперь со ссылкой на Фиг.7 и 8 в основном по время эксплуатации газогенераторной системы 10 CO₂/O₂ каналы 98А содержат только газ, а именно диоксид углерода (CO₂), который протекает через диафрагмы 112, заключенные в стенке КМКМ панели 94, отделяющей горячий продукт от CO₂. Давление в CO₂/O₂ каналах 98А поддерживается таким образом, что потоком CO₂ управляют, как прочисткой тонкой струей, для предотвращения закупоривания отверстий 112. С периодическими интервалами газ, а именно кислород (О₂), также направляется на отдельные CO₂/O₂ каналы 98А для инжектирования в поперечный поток горячего продукта. O₂, инжектированный в поперечный поток горячего продукта, быстро горит с выделением синтез-газа для повышения температуры синтез-газа и отвердевшего шлака в горячем продукте до уровня, значительно превышающего температуру перехода шлака в жидкое состояние, например выше 1093°С. Таким образом, отвердевший шлак возвращается обратно в жидкое состояние и будет постепенно прилипать к и покрывать КМКМ панели 94 теплообменного сердечника и КМКМ вкладыш 114, тем самым обеспечивая защитный слой из отвердевшего шлака на каждой КМКМ панели 94 и КМКМ вкладыше 114. Каждый CO₂/O₂ канал 98А отдельно сконструирован для протекания кислорода для создания и восполнения защитного слоя из отвердевшего шлака с минимальным воздействием на производство синтез-газа.

В альтернативном варианте осуществления изобретения отвердевший слой шлака на КМКМ панелях 94 сердечника 90 и КМКМ вкладыша 114 теплообменного трубного узла 26 охлаждения, охладитель, например H₂O, протекающий через охлаждающие каналы 98, может быть перекрыт на короткие периоды времени. Перекрытие потока охладителя позволит горячему продукту протекать через теплообменный трубный узел 26 охлаждения и приблизительно при той же температуре, при которой горячий продукт покидает суживающийся трубный узел 22, например приблизительно при 1427°С. Поэтому шлак в горячем продукте будет оставаться в расплавленном состоянии и прилипать и покрывать КМКС панели 94 теплообменного сердечника и КМКМ вкладыша 114. Поток охладителя, протекающий через охлаждающие каналы 98, можно затем периодически перекрывать на короткое время, чтобы повторно покрыть или восполнить защитный слой из отвердевшего шлака на КМКМ панелях 94 теплообменного сердечника и на КМКМ вкладыше 114.

Со ссылкой снова на Фиг.1 в одном из предпочтительных вариантов осуществления изобретения газогенераторная система 10 содержит погружаемый трубный узел 30 охлаждения. Верхний концевой фланец 118 погружаемого трубного узла 30 охлаждения соединен с нижним концевым фланцем 122 теплообменного трубного узла 26 охлаждения. По мере того, как отвердевший шлак и синтез-газ покидают теплообменный трубный узел 26 охлаждения и протекают через погружаемый трубный узел 30 охлаждения, погружаемый трубный узел 30 охлаждения распыляет значительное количество рециркулированной кислой воды в отвержденный шлак и синтез-газ для вычищения всехтвердых частиц, например частиц зольной пыли, из потока. Диаметр распыляемых капель рассчитан относительно большим, он подобран таким образом, чтобы обеспечить надежное воздействие на твердые частицы и последующее отделение вниз по потоку в соответствующем циклонном сепараторе (не показан).

Газогенерирующая система 10 является малогабаритной газогенерирующей системой, которая использует сухую суспензию для получения синтез-газа при КПДхг больше приблизительно 80%, например 83% или более. В частности, синтез-газ, полученный газогенераторной системой 10, имеет более 80%, например 83% или более, химической энергии углеродсодержащего материала, например каменного угля или топливного мазута, используемого для создания сухой суспензии, инжектируемой в трубный узел 18 камеры газификации.

Кроме того, теплообменный трубный узел 26 охлаждения газогенерирующей системы 10 будет восстанавливать большую часть тепловых потерь при получении результирующего синтез-газа. То есть, например, газогенерирующая система 10 имеет КПДхг больше 83%, поэтому приблизительно 17% химической энергии углеродсодержащего материала потенциально теряется. Однако, как это было описано выше, газогенерирующая система 10 будет восстанавливать теплоту в виде перегретого пара под высоким давлением и насыщенного пара в секциях 102 теплообменного сердечника. Восстановленный перегретый пар подается на паротурбогенератор; часть насыщенного пара подается на инжекторный трубный узел 14 инжектора и используется в качестве пара, введенного в поток сухой суспензии, инжектируемой в трубный узел камеры газификации; другая часть насыщенного пара подается в трубный узел 18 камеры газификации и используется для охлаждения вкладыша 46 или 66 трубного узла 18 камеры газификации; а еще другая часть насыщенного пара от теплообменного трубного узла 26 охлаждения подается на суживающийся трубный узел 22 для охлаждения вкладыша суживающегося трубного узла 22. Таким образом, в предпочтительном варианте осуществления изобретения газогенераторная система 10 восстанавливает более 75% теплоты. Например, данной системой 10 восстанавливается 90% теплоты.

Кроме того, газогенераторная система 10 является малогабаритной, так что внутренний объем газогенераторной системы 10 приблизительно меньше на порядок, например, с коэффициентом 10, чем у всех известных газогенераторных систем. В частности, газогенераторная система 10 имеет конфигурацию трубы, в которой различные компоненты, например трубный узел 18 камеры газификации, суживающийся трубный узел 22 и теплообменный трубный узел 26 охлаждения могут быть изготовлены заранее, доставлены, а затем собраны на рабочем месте. Поэтому капитальные затраты, эксплуатационные расходы, расходы на обслуживание, связанные с данной газогенераторной системой 10 по настоящему изобретению, значительно ниже, чем такие расходы для известных газогенераторных систем. Кроме этого, использование КМКМ структур в различных компонентах газогенераторной системы 10, т.е. вкладыши в трубный узел 18 камеры газификации и в суживающийся трубный узел 22 и вкладыш и панели сердечника теплообменного трубного узла 26 охлаждения значительно повышают срок службы каждой такой структуры, поэтому значительно повышают срок службы газогенераторной системы 10, если сравнивать с известными газогенераторными системами. Например, предусматривается, что КМКМ вкладыши и панели теплообменного сердечника, на которых нарастает, или наслаивается, защитный слой из отвердевшего шлака, будут иметь срок службы приблизительно от 3 до 10 лет, тем самым значительно повышая срок службы газогенераторной системы 10 и значительно снижая расходы на обслуживание.

Специалистам в этой области техники понятно из настоящего описания, что возможны различные варианты осуществления изобретения. Поэтому, хотя настоящее изобретение описано со ссылкой на его конкретные примеры, это никоим образом не ограничивает объема изобретения, поскольку другие варианты осуществления очевидны специалистам по приведенным чертежам, описанию и следующей формуле изобретения.

Изобретение может быть использовано для переработки каменного угля или топливного мазута в синтез-газ. Малогабаритная высокоэффективная газогенераторная система 10 содержит инжекторный трубный узел 14, трубный узел камеры газификации 18, суживающийся трубный узел 22 и теплообменный трубный узел охлаждения 26. Инжекторный трубный узел 14 предназначен для инжектирования потока сухой суспензии в трубный узел камеры газификации 18 и введения в поток реагента для осуществления химической реакции, при которой образуется газообразный продукт и расплавленный шлак. Трубный узел камеры газификации 18, суживающийся трубный узел 22 и теплообменный трубный узел охлаждения 26 содержат вкладыши из керамического матричного композитного материала (КМКМ), на внутренних поверхностях которых образуется защитный слой из отвердевшего шлака. Изобретение позволяет снизить общие капитальные затраты на газификацию и повысить КПД систем газификации. 3 н. и 8 з.п. ф-лы, 10 ил.

1. Способ преобразования углеродсодержащего материала в газообразный продукт, при этом упомянутый способ предусматривает
инжектирование потока сухой суспензии в трубный узел камеры газификации, использующий инжекторный трубный узел;
введение в поток сухой суспензии, по меньшей мере, одного реагента, с использованием инжекторного трубного узла, для осуществления химической реакции внутри трубного узла камеры газификации, которая образует горячий продукт, содержащий газообразный продукт и расплавленный шлак;
образование защитного слоя из отвердевшего шлака на внутренней поверхности вкладыша, выполненного из керамического матричного композитного материала (КМКМ), трубного узла камеры газификации из расплавленного шлака, протекающего через трубный узел камеры газификации;
образование защитного слоя из отвердевшего шлака на внутренней поверхности КМКМ вкладыша суживающегося трубного узла, подсоединенного к трубному узлу камеры газификации, из расплавленного шлака, протекающего от трубного узла камеры газификации через суживающийся трубный узел;
образование защитного слоя из отвердевшего шлака на внутренней поверхности КМКМ вкладыша теплообменного трубного узла охлаждения, подсоединенного к суживающемуся трубному узлу, из расплавленного шлака, протекающего через теплообменный трубный узел охлаждения;
образование защитного слоя из отвердевшего шлака на внешней поверхности каждой из множества КМКМ панелей теплообменного сердечника внутри теплообменного трубного узла охлаждения, из расплавленного шлака, протекающего через теплообменный трубный узел охлаждения; и
отвод значительного количества сбросного тепла от горячего продукта, протекающего через теплообменный трубный узел охлаждения с охладителем, протекающим через множество внутренних охлаждающих каналов теплообменного сердечника.

2. Способ по п.1, согласно которому образование защитного слоя из отвердевшего шлака на внутренней поверхности КМКМ вкладыша трубного узла камеры газификации предусматривает протекание охладителя через множество охлаждающих каналов вторичного вкладыша трубного узла камеры газификации для поддержания КМКМ вкладыша трубного узла камеры газификации при температуре, достаточной для формирования защитного слоя из отвердевшего шлака.

3. Способ по п.1, согласно которому отвод значительного количества сбросного тепла предусматривает протекание воды через внутренние охлаждающие каналы, получение перегретого пара из воды, протекающей через внутренние охлаждающие каналы, путем поглощения тепла из горячего продукта, протекающего через теплообменный сердечник в водный охладитель для формирования перегретого пара; и доставку перегретого пара в инжекторный трубный узел.

4. Способ по п.1, согласно которому образование защитного слоя из отвердевшего шлака на внешней поверхности каждой КМКМ панели теплообменного сердечника предусматривает протекание кислорода через множество отверстий, включенных в по меньшей мере один из внутренних охлаждающих каналов каждой КМКМ панели, которые проходят через внешние поверхности соответствующей КМКМ панели, для того, чтобы кислород вступил в реакцию с газообразным продуктом, протекающим через теплообменный трубный узел охлаждения, и сформировал защитный слой из отвердевшего шлака на внешних поверхностях каждой соответствующей КМКМ панели.

5. Малогабаритная высокоэффективная газогенераторная система для преобразования углеродсодержащего материала в газообразный продукт, содержащая
трубный узел камеры газификации, содержащий вкладыш из керамического матричного композитного материала (КМКМ), приспособленный для образования защитного слоя из отвердевшего шлака на внутренней поверхности вкладыша из расплавленного шлака, протекающего через трубный узел камеры газификации;
инжекторный трубный узел, приспособленный для инжектирования потока сухой суспензии в трубный узел камеры газификации и введения в поток, по меньшей мере, одного реагента на сухую суспензию для осуществления химической реакции, при которой образуется газообразный продукт и расплавленный шлак;
суживающийся трубный узел, соединенный с трубным узлом камеры газификации и содержащий КМКМ вкладыш, приспособленный для образования защитного слоя из отвердевшего шлака на внутренней поверхности вкладыша из расплавленного шлака, протекающего через суживающийся трубный узел; и
теплообменный трубный узел охлаждения, соединенный с суживающимся трубным узлом, при этом теплообменный трубный узел охлаждения содержит
КМКМ вкладыш, приспособленный для образования защитного слоя из отвердевшего шлака на внутренней поверхности вкладыша из расплавленного шлака, протекающего через теплообменный трубный узел охлаждения; и
сердечник теплообменного трубного узла охлаждения с параллельными пластинами, содержащий множество КМКМ панелей, приспособленных для образования защитного слоя из отвердевшего шлака на внешних поверхностях каждой соответствующей КМКМ панели из расплавленного шлака, протекающего через теплообменный трубный узел охлаждения, в которой каждая КМКМ панель содержит множество внутренних охлаждающих каналов, приспособленных для отвода сбросного тепла от горячего продукта, протекающего через теплообменный трубный узел охлаждения, с охладителем, протекающим через внутренние охлаждающие каналы КМКМ панелей.

6. Система для преобразования углеродсодержащего материала в газообразный продукт, при этом упомянутая система содержит
трубный узел камеры газификации, включающий вкладыш из керамического матричного композитного материала (КМКМ), приспособленный для образования защитного слоя из отвердевшего шлака на внутренней поверхности вкладыша из расплавленного шлака, протекающего через трубный узел камеры газификации;
инжекторный трубный узел, приспособленный для инжектирования потока сухой суспензии в трубный узел камеры газификации и введения по меньшей мере одного реагента в поток сухой суспензии для создания химической реакции, при которой образуется газообразный продукт и расплавленный шлак; и
теплообменный трубный узел охлаждения, приспособленный для приема горячего продукта, создаваемого трубным узлом камеры газификации и содержащий КМКМ вкладыш, приспособленный для образования защитного слоя из отвердевшего шлака на внутренней поверхности вкладыша из расплавленного шлака, протекающего через теплообменный трубный узел охлаждения.

7. Система по п.6, в которой трубный узел камеры газификации содержит вторичный вкладыш с множеством охлаждающих каналов, приспособленных для протекания через них охладителя, для поддержания КМКМ вкладыша трубного узла камеры газификации при температуре, достаточной для образования на нем защитного слоя из отвердевшего шлака.

8. Система по п.6, в которой теплообменный трубный узел охлаждения содержит теплообменный сердечник с параллельными пластинами, содержащими множество КМКМ панелей, приспособленных для образования защитного слоя из отвердевшего шлака на внешних поверхностях каждой соответствующей КМКМ панели из расплавленного шлака, протекающего через теплообменный трубный узел охлаждения.

9. Система по п.8, в которой каждая КМКМ панель содержит множество внутренних охлаждающих каналов, приспособленных для отвода сбросного тепла от горячего продукта, протекающего через теплообменный трубный узел охлаждения, с охладителем, протекающим через внутренние охлаждающие каналы.

10. Система по п.9, в которой по меньшей мере один из множества внутренних охлаждающих каналов каждой КМКМ панели содержит диоксид углерода/кислород канал, который содержит множество отверстий, проходящих через внешние поверхности соответствующей КМКМ панели и приспособлен для протекания через него кислорода для реакции с газообразным продуктом, протекающим через теплообменный трубный узел охлаждения, и, таким образом, образования защитного слоя из отвердевшего шлака на внешних поверхностях каждой соответствующей КМКМ панели.

11. Система по п.6, содержащая суживающийся трубный узел, соединенный с трубным узлом камеры газификации, для повышения скорости потока и массовой скорости горячего продукта перед попаданием горячего продукта в теплообменный трубный узел охлаждения и содержащий КМКМ вкладыш, приспособленный для образования защитного слоя из отвердевшего шлака на внутренней поверхности вкладыша из расплавленного шлака, протекающего через суживающийся трубный узел.