JP2008145061A - Heat exchanger - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、加圧高温ガスの冷却等に用いられている熱交換器に関するものであり、例えば、石炭ガス化炉・油ガス化炉・バイオマスガス化炉など、圧力容器内に設置される加圧高温ガスのガス化冷却器または熱回収器に適用することが可能である。 The present invention relates to a heat exchanger used for cooling a pressurized high-temperature gas or the like. For example, a heat exchanger used in a pressure vessel such as a coal gasification furnace, an oil gasification furnace, or a biomass gasification furnace is provided. The present invention can be applied to a gasification cooler or a heat recovery device for pressurized hot gas.
従来、石炭ガス化複合発電システム(IGCC)においては、石炭等の燃料をガス化炉でガス化して高温のガスを発生させる石炭ガス化炉設備が知られている。
しかし、石炭ガス化炉の生成ガスには多量のチャーやスラグなどのダストが含まれているため、このダストが伝熱管に付着して熱回収効率を低下させるという問題がある。
2. Description of the Related Art Conventionally, in a coal gasification combined power generation system (IGCC), a coal gasification furnace facility that gasifies fuel such as coal in a gasification furnace to generate a high-temperature gas is known.
However, since the produced gas of the coal gasification furnace contains a large amount of dust such as char and slag, there is a problem that this dust adheres to the heat transfer tube and reduces the heat recovery efficiency.
伝熱管へのダスト付着を抑制する手法として、生成ガスの流速を増加させることが有効である。これを実現する従来技術として、下記の公知技術がある。
第1の公知技術として、生成ガスの流路中に仕切板を設置する方法が提案されている。(例えば、特許文献1参照)
第2の公知技術として、伝熱管にフィンを設置することにより、伝熱管の有効面積を拡大する方法が提案されている。(例えば、特許文献2参照)
Increasing the flow rate of the product gas is effective as a technique for suppressing dust adhesion to the heat transfer tubes. There are the following known techniques as conventional techniques for realizing this.
As a first known technique, a method of installing a partition plate in a product gas flow path has been proposed. (For example, see Patent Document 1)
As a second known technique, there has been proposed a method of expanding the effective area of the heat transfer tube by installing fins on the heat transfer tube. (For example, see Patent Document 2)
第3の公知技術として、生成ガスの流れ方向をリターンフロー型として、上下方向のダクト面積を過剰に大きくしないことで、冷却器のコンパクト化と伝熱管へのダスト堆積の抑制効果を得る方法が提案されている。(例えば、特許文献3参照)
しかしながら、上記の公知技術については、次のような技術課題が指摘されている。
第1の公知技術は、ガス化炉の上部に生成ガス冷却装置を配置する構成のため、装置の高さが非常に大きくなるという技術課題を有している。
一般に圧力損失が低い部分でガス流速は高くなるが、伝熱管群の間に仕切板を設置する上記公知技術では、伝熱管がない仕切板近くで生成ガス流量は高くなる。
そのため、熱交換する部分における生成ガスの流速は仕切板設置前より低下し、管群内にはダストが堆積しやすい。加えて、生成ガスは伝熱管と平行に流れるため、重力により管群の下側ほどダストは堆積しやすい。
また、仕切板の上側は、入口側ほど二次流れの影響で板の近くによどみ域が生じる。このため、入口側の仕切板上側では仕切板へのダクトの堆積が生じる可能性がある。
このように、閉塞していない伝熱管ほど高熱負荷となり、閉塞した伝熱管ほど低負荷となるため、管群における熱負荷分布の不均一性が著しい。製品の寿命は高負荷側で決まるため、熱負荷の不均一性が著しい第一の公知技術は製品としての十分な寿命を有しないと考えられる。
However, the following technical problems have been pointed out with respect to the above known technique.
The first known technique has a technical problem that the height of the apparatus becomes very large due to the configuration in which the product gas cooling apparatus is arranged in the upper part of the gasification furnace.
In general, the gas flow rate increases at a portion where the pressure loss is low, but in the above-described known technique in which a partition plate is installed between the heat transfer tube groups, the generated gas flow rate increases near the partition plate without the heat transfer tube.
For this reason, the flow rate of the product gas in the heat exchange portion is lower than before the partition plate is installed, and dust is likely to accumulate in the tube group. In addition, since the generated gas flows in parallel with the heat transfer tubes, dust tends to accumulate toward the lower side of the tube group due to gravity.
Further, on the upper side of the partition plate, a stagnation region is generated near the plate due to the influence of the secondary flow toward the inlet side. For this reason, ducts may accumulate on the partition plate above the partition plate on the inlet side.
As described above, the heat transfer tube that is not closed has a higher heat load, and the closed heat transfer tube has a lower load, so the non-uniformity of the heat load distribution in the tube group is remarkable. Since the life of the product is determined on the high load side, it is considered that the first known technology with remarkable non-uniformity of the heat load does not have a sufficient life as a product.
第2の公知技術は、伝熱管にフィンを設置することにより、伝熱面積を拡大し熱回収効率を向上させるものである。フィンの設置によりフィン間の流路面積が減少するため、この部分のガス流速は高いと考えられる。フィン間の狭い部分を通過後に流路面積は急拡大するため、フィンに向かう二次流れの逆流が生じ、よどみ域を形成する。このよどみ域でダストが堆積しやすく、フィンの設置によりかえって、管群の閉塞を助長する問題が指摘されている。
第3の公知技術は、生成ガスの流れ方向をリターンフロー型として、上下方向のダクト面積を過剰に大きくせず、ガス流速を高くすることで、冷却器のコンパクト化と伝熱管へのダスト堆積の抑制効果を得るものである。
しかし、リターンフロー型とするため、ダウンフローとアップフローの各入口部にはダクトのエルボが存在し、エルボの内側には、生成ガスの二次流れによりよどみ域を形成する。そのため、各入口側の熱交管群において、エルボ内側の伝熱管ほど低負荷かつダストが堆積しやすく、エルボ外側の伝熱管ほど高負荷かつダストが堆積しにくい。
In the second known technique, by installing fins in the heat transfer tube, the heat transfer area is expanded and the heat recovery efficiency is improved. Since the flow path area between the fins is reduced by the installation of the fins, the gas flow velocity in this portion is considered to be high. After passing through a narrow portion between the fins, the flow path area suddenly expands, so that a back flow of the secondary flow toward the fins occurs and forms a stagnation region. Dust tends to accumulate in this stagnation area, and the problem of promoting blockage of the tube group has been pointed out by installing fins.
The third known technique is that the flow direction of the product gas is a return flow type, the duct area in the vertical direction is not excessively increased, and the gas flow rate is increased, so that the cooler is made compact and the dust is deposited on the heat transfer tubes. It is possible to obtain the suppression effect.
However, because of the return flow type, there is a duct elbow at each of the downflow and upflow inlets, and a stagnation region is formed inside the elbow due to the secondary flow of the product gas. For this reason, in the heat exchanger tube group on each inlet side, the heat transfer tubes on the inner side of the elbow are more likely to accumulate dust and the load is less likely to accumulate on the heat transfer tubes on the outer side of the elbow.
このように、例えば石炭ガス化炉で発生させた生成ガスのように、ガス中に多量のチャーやスラグなどのダストが含まれている生成ガスを冷却するガス化冷却器等の熱交換器においては、ダストの堆積による管群閉塞を防止するとともに、伝熱管の耐久性を低下させる熱負荷の不均一性を解消することが望まれる。
本発明は、上記の事情に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、ダストの堆積による管群閉塞を防止するとともに、伝熱管の耐久性を低下させる熱負荷の不均一性を解消した熱交換器を提供することにある。
Thus, in a heat exchanger such as a gasification cooler that cools a generated gas containing a large amount of dust such as char or slag in the gas, such as a generated gas generated in a coal gasification furnace, for example. It is desired to prevent the tube group from being blocked due to dust accumulation and to eliminate the non-uniformity of the heat load that reduces the durability of the heat transfer tube.
The present invention has been made in view of the above circumstances, and the object of the present invention is to prevent non-uniformity of the heat load that reduces tube group blockage due to dust accumulation and reduces the durability of the heat transfer tube. It is to provide a heat exchanger that has been eliminated.
本発明は、上記の課題を解決するため、下記の手段を採用した。
本発明に係る熱交換器は、ガス化炉から導入した生成ガスを流す煙道が圧力容器内に形成され、前記煙道内に設置した伝熱管の内部を流す流体と前記生成ガスとの間で熱交換させる熱交換器であって、前記伝熱管の上流側突起部を備えていることを特徴とするものである。
In order to solve the above problems, the present invention employs the following means.
In the heat exchanger according to the present invention, a flue for flowing a product gas introduced from a gasification furnace is formed in a pressure vessel, and a fluid flowing inside a heat transfer tube installed in the flue and the product gas A heat exchanger for exchanging heat, characterized in that it comprises an upstream projection of the heat transfer tube.
このような熱交換器によれば、熱交換器を形成する伝熱管の上流側に突起部を備えているので、生成ガス中に含まれるダストが伝熱管に堆積することを防止または抑制することができる。
また、突起部の材質を伝熱管より伝熱性が良い、もしくは同等の伝熱性を有する材質とすることによって、生成ガスと伝熱管内の流体との熱抵抗を小さくすることができ、熱回収効率を向上させることができる。
伝熱管上流側の突起部としては、例えば逆V字型とした頂点の角度をダスト堆積時の安息角より小さな角度にすることにより、効果的にダストの堆積を抑制することができる。但し、突起部頂点の角度は、ダスト堆積時の安息角より大きくても生成ガスと伝熱管との間の熱抵抗を小さくすることができるので、熱回収効率を向上させることができる。
このような突起部は、全ての伝熱管に設置することが望ましいが、一部への設置に限定する場合は、高ダスト濃度側の伝熱管に設けることが望ましい。
According to such a heat exchanger, since the protrusion is provided on the upstream side of the heat transfer tube forming the heat exchanger, the dust contained in the generated gas is prevented or suppressed from accumulating on the heat transfer tube. Can do.
In addition, by making the material of the protrusions better heat transfer tube material or equivalent heat transfer material, the thermal resistance between the product gas and the fluid in the heat transfer tube can be reduced, and the heat recovery efficiency Can be improved.
As the protrusion on the upstream side of the heat transfer tube, for example, by setting the angle of the apex in an inverted V shape to be smaller than the angle of repose during dust accumulation, dust accumulation can be effectively suppressed. However, since the thermal resistance between the generated gas and the heat transfer tube can be reduced even if the angle of the protrusion vertex is larger than the angle of repose at the time of dust accumulation, the heat recovery efficiency can be improved.
Such protrusions are desirably installed on all the heat transfer tubes, but when limited to a part of the projecting portions, it is desirable to provide the heat transfer tubes on the high dust concentration side.
本発明に係る熱交換器は、ガス化炉から導入した生成ガスを流す煙道が圧力容器内に形成され、前記煙道内に設置した伝熱管の内部を流す流体と前記生成ガスとの間で熱交換させる熱交換器であって、前記伝熱管の後流側に二次流れ抑制手段を備えていることを特徴とするものである。 In the heat exchanger according to the present invention, a flue for flowing a product gas introduced from a gasification furnace is formed in a pressure vessel, and a fluid flowing inside a heat transfer tube installed in the flue and the product gas A heat exchanger for exchanging heat, wherein a secondary flow suppression means is provided on the downstream side of the heat transfer tube.
このような熱交換器によれば、熱交換器を形成する伝熱管の後流側に二次流れ抑制手段を備えているので、伝熱管の後流側に二次流れを生じにくい。このため、伝熱管の後流側で負圧域を形成しないので、伝熱管後流域にダストが堆積しにくく、熱回収性能が低下しない。また、より下流側に位置する伝熱管との間にダストのブリッジを形成しないので、下流側の伝熱管でも熱回収性能が低下せず、高い熱回収性能を維持できる。 According to such a heat exchanger, since the secondary flow suppressing means is provided on the downstream side of the heat transfer tube forming the heat exchanger, a secondary flow is hardly generated on the downstream side of the heat transfer tube. For this reason, since a negative pressure region is not formed on the downstream side of the heat transfer tube, dust does not easily accumulate in the downstream region of the heat transfer tube, and the heat recovery performance does not deteriorate. Moreover, since a dust bridge is not formed between the heat transfer tube located on the downstream side, the heat recovery performance is not lowered even in the downstream heat transfer tube, and high heat recovery performance can be maintained.
本発明に係る熱交換器は、ガス化炉から導入した生成ガスを流す煙道が圧力容器内に形成され、前記煙道内に設置した伝熱管の内部を流す流体と前記生成ガスとの間で熱交換させる熱交換器であって、前記煙道内に高温ガスを導入する導入流路コーナ部、前記煙道内から高温ガスを排出する排出流路コーナ部、及び前記煙道内でダウンフローとアップフローの流れ方向転換部のうち少なくともひとつをR形状に丸みを持たせた生成ガス流路を備えていることを特徴とするものである。 In the heat exchanger according to the present invention, a flue for flowing a product gas introduced from a gasification furnace is formed in a pressure vessel, and a fluid flowing inside a heat transfer tube installed in the flue and the product gas A heat exchanger for exchanging heat, wherein an introduction flow path corner portion for introducing a high temperature gas into the flue, a discharge flow path corner portion for discharging the high temperature gas from the flue, and a down flow and an up flow in the flue At least one of the flow direction changing portions is provided with a product gas flow path having a rounded R shape.
このような熱交換器によれば、煙道内に高温ガスを導入する導入流路コーナ部、煙道内から高温ガスを排出する排出流路コーナ部、及び煙道内でダウンフローとアップフローの流れ方向転換部のうち少なくともひとつをR形状の丸みを持たせた生成ガス流路を備えているので、煙道内に生じる高温ガスの二次流れの形成もしくはよどみ域の形成を防止または抑制することができる。
なお、このコーナの曲率半径は、流路の内径Dを基準にして1/10D〜2D程度とすることが好ましい。
According to such a heat exchanger, the introduction flow path corner portion for introducing the high temperature gas into the flue, the discharge flow path corner portion for discharging the high temperature gas from the flue, and the flow direction of the down flow and the up flow in the flue Since at least one of the conversion parts is provided with a product gas flow path having an R-shaped round shape, it is possible to prevent or suppress the formation of a secondary flow of hot gas or a stagnation zone generated in the flue. .
The radius of curvature of the corner is preferably about 1 / 10D to 2D based on the inner diameter D of the flow path.
本発明に係る熱交換器は、ガス化炉から導入した生成ガスを流す煙道が圧力容器内に形成され、前記煙道内に設置した伝熱管の内部を流す流体と前記生成ガスとの間で熱交換させる熱交換器であって、前記煙道内を流れる生成ガスの高流速部に前記伝熱管の管群を配置したことを特徴とするものである。 In the heat exchanger according to the present invention, a flue for flowing a product gas introduced from a gasification furnace is formed in a pressure vessel, and a fluid flowing inside a heat transfer tube installed in the flue and the product gas A heat exchanger for exchanging heat, wherein the tube group of the heat transfer tubes is arranged at a high flow velocity portion of the product gas flowing in the flue.
このような熱交換器によれば、煙道内を流れる生成ガスの高流速部に伝熱管の管群を配置したので、この管群を流れの圧損抵抗体として用いることができ、管群の熱負荷を均一にし、不均一な熱負荷に起因する製品の計画寿命からの短縮を抑制することができる。 According to such a heat exchanger, since the tube group of the heat transfer tubes is arranged at the high flow velocity portion of the product gas flowing in the flue, the tube group can be used as a flow pressure drop resistor, and the heat of the tube group can be used. The load can be made uniform, and the shortening of the product from the planned life due to the uneven heat load can be suppressed.
上述した本発明によれば、熱交換器を形成する伝熱管にダストが堆積することを防止または抑制できるので、ダストによる管群閉塞を防止して熱交換器の良好な熱回収効率を維持することが可能になる。
また、熱交換器を形成する伝熱管の耐久性を低下させる熱負荷の不均一性を解消することができるので、熱交換器の計画寿命が不均一な熱負荷に起因して短縮されることを抑制できる。
According to the present invention described above, dust can be prevented or suppressed from accumulating on the heat transfer tubes forming the heat exchanger, so that tube group blockage due to dust is prevented and good heat recovery efficiency of the heat exchanger is maintained. It becomes possible.
In addition, since the non-uniformity of the heat load that reduces the durability of the heat transfer tubes forming the heat exchanger can be eliminated, the planned life of the heat exchanger is shortened due to the non-uniform heat load Can be suppressed.
以下、本発明に係る熱交換器の一実施形態を図面に基づいて説明する。
図5は、石炭ガス化複合発電システム(IGCC)に用いられる石炭ガス化設備の概略構成図であり、石炭等の燃料をガス化炉でガス化して高温のガスを発生させる石炭ガス化炉設備が知られている。
この石炭ガス化炉設備は、石炭供給設備100、ガス化炉200、本発明の対象となるガス化冷却器のガス化冷却器(熱交換器)300、及びチャー回収設備400等を主要な構成要素としている。
Hereinafter, one embodiment of a heat exchanger concerning the present invention is described based on a drawing.
FIG. 5 is a schematic configuration diagram of a coal gasification facility used in an integrated coal gasification combined power generation system (IGCC), in which a coal gasification facility that gasifies fuel such as coal in a gasification furnace and generates high-temperature gas is shown. It has been known.
This coal gasification furnace equipment mainly comprises a
ここで、ガス化冷却器300は、例えば図6に示すように、ガス化炉200からチャーを含有する約1100℃の生成ガスの供給を受け、この生成ガスをガス化炉設備の後流側に設置された図示しないガス精製設備に適した温度である約450℃まで冷却するとともに、生成ガスから熱エネルギーを回収する熱交換器である。
また、このガス化冷却器300は、圧力容器350の内部に形成されて生成ガスの流路となる煙道301内に、蒸発器(EVA)310、2次過熱器(2SH)320、1次過熱器(1SH)330及び節炭器(ECO:エコノマイザー)340の各熱交換器を上から順に配置し、煙道301内を上から下向きに流れる生成ガスから吸熱して冷却するように構成されている。
Here, as shown in FIG. 6, for example, the
In addition, the
このようなガス化冷却器には、リターンフロー型と呼ばれるものがある。
図7及び図8に示すリターンフロー型のガス化冷却器10は、円形断面とした圧力容器11内に周壁23により煙道20を形成し、煙道20の内部断面を隔壁30により分割したものである。このリターンフロー型構造は、煙道20を隔壁30で分割して形成された第1煙道(図7の構成ではダウンフロー)21及び第2煙道(図7の構成ではアップフロー)22を備え、圧力容器10の頂部からガス化炉設備で生成された生成ガスを導入し、圧力容器10の底部で導入した生成ガスが折り返して逆向きに流れるものであるから、圧力容器10の高さを低くすることができ、装置をコンパクト化することができる。また、折り返し部24にチャー回収機構を備えてもよい。なお、生成ガスの導入及び折り返しについては、頂部及び底部が逆の構成としてもよい。
Such gasification coolers include what is called a return flow type.
The return flow
図8の例では、圧力容器11の内周面には断熱材12が取り付けられ、煙道20が圧力容器11の内部空間に形成されている。この煙道20を第1煙道21及び第2煙道22に分割している断面積分割割合は、相互に逆向きの流れとなる高温ガスの流速が略一致するように設定されている。この断面積分割割合は、導入した生成ガスをダウンフローに流す下降部分である第1煙道21の断面積割合が、圧力容器10の底部で折り返した生成ガスをアップフローに流す上昇部分である第2煙道22の断面積割合より大きな値(例えば2:1)とされる。
また、第1煙道21及び第2煙道22には、それぞれ冷媒を流すパネル50が配設されて熱交換器40を構成している。
In the example of FIG. 8, the
In addition, the
生成ガスをダウンフローに流す下降部分の第1煙道21内には、熱交換器40として機能する蒸発器(EVA;エバポレイター)41、2次過熱器(2SH;二次スーパーヒータ)42、1次過熱器(1SH;一次スーパーヒータ)43が上から順に配置される。また、底面で折り返した生成ガスを下から上向きに流す上昇部分の第2煙道22内には、熱交換器40として機能する節炭器(ECO;エコノマイザー)44が配置される。
In the
ここで、上述した熱交換器40のパネル50は、例えば冷媒(流体)を流すボイラ熱交換器用炭素鋼鋼管、合金鋼管、ステンレス鋼管等の伝熱管51が生成ガスと熱交換する伝熱管となり、この伝熱管が略U字状に成形されて多数配列され、パネル50を形成するものである。各伝熱管51の両端部は、管寄せ52の冷媒入口部及び冷媒出口部にそれぞれ接続されている。従って、このパネル50を煙道20内に配置することにより、伝熱管51の表面が伝熱面となり、煙道20内を流れる生成ガスから伝熱管51内を循環する間に冷媒が吸熱するので、生成ガスの冷却及び生成ガスから熱回収を行う熱交換器40が構成される。
なお、図6に示したガス化冷却器300内に設置される各熱交換器の構成も、リターンフロー型のガス冷却器10内に設置される熱交換器40と実質的に同じである。
Here, the
The configuration of each heat exchanger installed in the
<第1の実施形態>
上述した熱交換器40の伝熱管51には、例えば図1に示すように、管表面の生成ガス流れ方向上流側に突起部60が設けられている。
この突起部60の材質を伝熱管51より伝熱性がよい、もしくは同等の伝熱性を有する材質とすることによって、生成ガスと伝熱管51内の流体との熱抵抗を小さくすることができ、熱回収効率を向上させることができる。
突起部60は、上端部の角度θが粉体であるダストの安息角より小さな角度に設定した三角形またはその類似形状とすることが望ましい。即ち、突起部60は、粉体であるダストが突起部60の表面に滞留することなく滑落する角度の傾斜面を有していれば、先端角部にR(丸み)が形成されていてもよいし、あるいは、曲面や複数段に角度変化するような傾斜面としてもよい。但し、上端部の角度θが粉体であるダストの安息角より大きな角度の場合であっても、生成ガスと伝熱管51内を流れる冷媒との間の熱抵抗は低減するので、熱回収効率を向上させることは可能である。
なお、このような突起部60は、全ての伝熱管51に設けてもよいが、その作用効果及び経済性を考慮した場合、生成ガスの流れ方向において高ダスト濃度側となる伝熱管51に設けることが好ましい。
<First Embodiment>
For example, as shown in FIG. 1, the
By making the material of the
It is preferable that the
In addition, although such a
また、突起部60は、中実または中空(例えば逆V字状に板を取り付け)のいずれでもよいが、中空の場合は堆積物により熱抵抗が増大するため、中実とすることが好ましい。なお、中実の突起部60は、引き抜きや押し出しにより伝熱管51と一体に成形したものでもよいし、あるいは、溶接等により別体の部材を後付けしたものでもよい。
Further, the
上述した伝熱管51の後流側には、生成ガスの流れ方向において管の後流側で負圧の領域が形成される。このため、伝熱管51の後流側に形成された負圧領域に向けて、生成ガスの主流から二次流れを生じ、よどみ域を形成するためダストが管の後流側に堆積しやすい管の後流側でのダストの堆積を抑制するための二次流れ抑制手段として、管表面の後流側を覆うようにして略矩形断面形状とした中実の被覆部70を設けてある。この被覆部70は、伝熱管51の最大幅である外径Dに沿って、生成ガスの流れ方向と略一致する鉛直方向へ垂下する壁面を形成するものである。
On the downstream side of the
この場合の被覆部70としては、例えば図1に示すように、伝熱管51と一体化した中実の部材がある。また、二次流れ抑制手段となる被覆部70の変形例として、例えば図2(a)に示す第1変形例のように、伝熱管51の最大幅である外径Dに沿って垂下した左右一対の板材71や、あるいは、図2(b)に示す第2変形例のように、下端を鋭角とした略三角形断面形状の中実被覆部72など、生成ガスの流れが伝熱管51の後流域で二次流れを生じ、よどみ域を形成しないような壁面を形成するものであればよい。
As the covering
上述した突起部60及び被覆部70は、伝熱管51に対していずれか一方が単独で設けられてもよいし、あるいは、両方がともに設けられたものでもよい。
そして、このような突起部60及び被覆部70の少なくとも一方を設けた伝熱管51は、図3(a)に示した碁盤目配置としてもよいし、あるいは、図3(b)に示した千鳥配列としてもよい。
Either one of the
The
このように、熱交換器40が突起部60を備えた伝熱管51により構成されているガス化冷却器300(図6)またはリターンフロー型のガス化冷却器10(図7または図9)においては、伝熱管51にダストが堆積することによる熱抵抗を低減できるので、良好な熱交換効率を維持することが可能になる。
即ち、伝熱管51の周囲にダストが付着した状態では、ダストが熱伝達を妨げる熱抵抗体となるため、生成ガスの温度と伝熱管51内の冷媒との温度差は増大する。このため、伝熱管51内を流れる冷媒で生成ガスを冷却する熱交換器の熱回収効率はダスト付着により低下するが、上述した突起部60や被覆部70等を設けることにより、熱抵抗の増大を防止または抑制して良好な熱回収効率を維持できる。
As described above, in the gasification cooler 300 (FIG. 6) or the return flow type gasification cooler 10 (FIG. 7 or FIG. 9) in which the
That is, in the state where dust adheres around the
ダスト付着による熱抵抗の増大について、以下説明する。総括熱抵抗は式(1)で示される。
Aout:管外伝熱面積 [m2] (=0.0785m2)
Ain:管内伝熱面積 [m2] (=0.0628m2)
di:伝熱管の内径 [m] (=0.020m)
do:伝熱管の外径 [m] (=0.025m)
R:熱抵抗 [K/W]
αin:管内熱伝達率 [W/m2K] (=3000W/m2K)
αout:管外熱伝達率 [W/m2K] (=100W/m2K)
δ:ダストの厚み [m] (=0.010m)
λd:ダストの熱伝導率 [W/mK] (=0.1W/mK)
λs:伝熱管の熱伝導率 [W/mK] (=40W/mK)
上の値を式(1)に代入して各熱抵抗を求めると、管内の対流による熱抵抗R1 =0.0053K/W、管の熱伝導による熱抵抗R2 =0.0056K/W、管外の対流による熱抵抗R3 =0.127K/W、ダストによる熱抵抗R4 =1.274K/Wである。このように、総括熱抵抗1.412W/mKのうち約88%がダストによる熱抵抗であり、ダストの堆積を抑制することが熱回収効率の向上ため有効であることが分かる。
The increase in thermal resistance due to dust adhesion will be described below. The overall thermal resistance is given by equation (1).
A out : Heat transfer area outside the tube [m 2 ] (= 0.0785m 2 )
A in : Heat transfer area in the pipe [m 2 ] (= 0.0628m 2 )
d i : Inner diameter of heat transfer tube [m] (= 0.020m)
d o: outer diameter of the heat transfer tube [m] (= 0.025m)
R: Thermal resistance [K / W]
α in : Heat transfer coefficient in the tube [W / m 2 K] (= 3000 W / m 2 K)
α out : Heat transfer coefficient outside the tube [W / m 2 K] (= 100 W / m 2 K)
δ: Dust thickness [m] (= 0.010m)
λ d : Thermal conductivity of dust [W / mK] (= 0.1 W / mK)
λ s : thermal conductivity of heat transfer tube [W / mK] (= 40W / mK)
Substituting the above value into the equation (1) to obtain each thermal resistance, thermal resistance R 1 = 0.0053 K / W due to convection in the pipe, thermal resistance R 2 = 0.0056 K / W due to thermal conduction in the pipe, Thermal resistance R 3 due to convection outside the tube = 0.127 K / W, and thermal resistance R 4 due to dust = 1.274 K / W. Thus, it can be seen that about 88% of the overall thermal resistance of 1.412 W / mK is the thermal resistance due to dust, and it is effective to suppress the accumulation of dust to improve the heat recovery efficiency.
本発明者等は、ガス化試験を行った結果、レイノルズ数(Re)と汚れ係数(R4 )との関係は、一般的な伝熱特性と類似した形で整理できるとの知見を得た。
ここで、レイノルズ数Reは、式(2)のように慣性力と粘性力の比で定義される。
汚れ係数R4 は、式(1)の右辺第四項であり、式(3)で定義される。
Here, the Reynolds number Re is defined by the ratio between the inertial force and the viscous force as shown in Equation (2).
The contamination coefficient R 4 is the fourth term on the right side of the equation (1) and is defined by the equation (3).
しかし、上述した生成ガス流速には摩耗による上限があり、従って、汚れ係数の低減にも限界がある。即ち、汚れ係数の低減を可能にする生成ガスの流速UCR は、図4に示すレイノルズ数ReCR に相当する流速が限界となり、これ以上の高速で生成ガスを流すと、ダストの衝突により伝熱管51の摩耗が促進されるため好ましくない。
ここで、限界レイノルズ数ReCR は、式(4)で定義される。
Here, the critical Reynolds number Re CR is defined by equation (4).
<第2の実施形態>
続いて、本発明の第2の実施形態を図9に基づいて説明する。なお、上述した実施形態と同様の部分には同じ符号を付し、その詳細な説明は省略する。
図9に示すガス化冷却器10Aは、図7に示したガス化冷却器10と同様のリターンフロー型である。このガス化冷却器10Aは、煙道20A内に生成ガスを導入する導入流路コーナ部、煙道20A内から生成ガスを排出する排出流路コーナ部、及び煙道20A内で流れを仕切る隔壁30Aの流れ方向転換部のうち少なくともひとつのコーナ部に丸みを持たせた生成ガス流路を備えている。
<Second Embodiment>
Subsequently, a second embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. In addition, the same code | symbol is attached | subjected to the part similar to embodiment mentioned above, and the detailed description is abbreviate | omitted.
The gasification cooler 10A shown in FIG. 9 is a return flow type similar to the
具体的に説明すると、図示しないガス化炉から生成ガスを第1煙道21Aに導入する第1煙道入口25となる導入ダクト流路コーナ部をR形状の丸みを持たせ、二次流れによるよどみ域を形成しないようにする。即ち、生成ガスの流れが第1煙道入口25付近のコーナ部で流れが曲がると、二次流れによるよどみ域を形成して、流れが変化する曲率半径の小さいコーナ部下流側の壁面付近によどみ域S1を生じることとなる。この結果、第1煙道入口25の周辺には、図中に示す速度分布Vdのように、よどみ域S1から離れた位置に平均流速より高流速の領域が形成される。高流速の領域では伝熱管51に衝突するダストの運動量も大きく、衝突時の摩耗量も大きいので、ダストの速度分布Vdに応じて摩耗速度は不均一となり、設計された熱交換器40の寿命が得られなくなる。
More specifically, the introduction duct flow path corner portion serving as the
しかし、第1煙道入口25に適度な丸みを持たせることにより、上述した二次流れによるよどみ域の形成が防止または抑制されるので、速度分布Vdの速度差を均一化することができる。従って、伝熱管51に衝突するダストの速度分布が均一化するので、速度分布Vdに応じた摩耗進行の不均一を解消して設計された熱交換器40の寿命を得ることができる。
このように、生成ガス流路ダクトにR形状の丸みを設けて、二次流れによるよどみ領域の形成を防止または抑制することは、上述した第1煙道入口25の他にも、第2煙道22Aからチャー回収設備へ向けて生成ガスを排出する排出流路出口26付近の流路コーナ部、あるいは、煙道20A内で流れを仕切る隔壁30Aの流れ方向転換部となるためよどみ域S2を生じる折り返し部24Aにも同様に適用可能である。
However, since the formation of the stagnation region due to the secondary flow described above is prevented or suppressed by giving the
In this way, the R-shaped roundness is provided in the product gas passage duct to prevent or suppress the formation of the stagnation region due to the secondary flow, in addition to the
このようなR形状の丸みは、第1煙道入口25付近の流路コーナ部、第2煙道出口26付近の流路コーナ部、及びダウンフローに流れる第1煙道21Aからアップフローに流れる第2煙道22Aに流れ方向を転換させる折り返し部24A付近の全てに採用することが好ましいのであるが、いずれか一箇所のみに適用してもよい。なお、折り返し部24AのR形状の丸みは、隔壁30Aの下端部31に適度な丸み加工を施せばよい。
ところで、上述したR形状の丸みの曲率半径は、流路の内径Dを基準にすると、概ね1/10D〜2D程度とすることが好ましい。
なお、このようなR形状の丸みは、折り返し部24Aがないガス化冷却器300において、煙道入口近及び煙道出口付近に流路コーナ部がある場合も適用可能である。
Such R-shaped roundness flows up-flow from the flow path corner near the
By the way, it is preferable that the radius of curvature of the rounded R-shape described above is approximately 1 / 10D to 2D, based on the inner diameter D of the flow path.
Such rounded R shape is also applicable in the
また、上述した二次流れによるよどみ領域の形成の影響により、第1煙道21Aに近い高ダスト濃度側の熱交換器(図9の例では蒸発器41A)ほどよどみ域の形成により低流速となる炉壁27側にダストが堆積しやすくなるので、ダスト堆積による熱抵抗の増加のため、計画された熱回収効率を得ることができない。
そこで、ダウンフローの流れとなる第1煙道21A側及びアップフローの流れとなる第2煙道22A側ともに、それぞれの煙道内の高流速部に熱交換器を配置することにより、熱交換器を圧損抵抗体として用いる。
Further, due to the influence of the formation of the stagnation region due to the secondary flow described above, the heat flow on the high dust concentration side closer to the
Therefore, by arranging the heat exchangers at the high flow velocity portions in the respective flues on both the
図9に示す例では、生成ガスのダスト濃度が最も高い第1煙道の入口にある蒸発器41Aを、速度分布Vdが平均流速より大きい場所に設置している。即ち、二次流れによるよどみ域の形成により速度分布Vdが小さい炉壁27付近のよどみ領域S1には蒸発器41Aを配置せず、炉壁27から適当な間隔Lを設けてこれを配置している。この結果、蒸発器41Aが圧損抵抗体として働き、下流側の二次スーパヒータ、一次スーパヒータでは均一な速度分布、即ち均一な熱負荷分布が得られ、計画された寿命を得ることができる。但し、圧損抵抗体として蒸発器41Aを用いる場合、ガス流速が局所的に高くなり、他の熱交換器より摩耗速度が高いことを考慮して、伝熱管の仕様を決める必要がある。
In the example shown in FIG. 9, the
上述した本発明によれば、蒸発器41等の熱交換器を形成する伝熱管51にダストが堆積することを防止または抑制できるので、ダストによる管群閉塞を防止してガス化冷却器10,10A,300の良好な熱回収効率を維持することができる。
また、蒸発器41等の熱交換器を形成する伝熱管51の耐久性を低下させる熱負荷の不均一性を解消することができるので、熱交換器及びこの熱交換器を構成要素とするガス化冷却器10,10a,300の耐久性を向上させることができる。
According to the above-described present invention, dust can be prevented or suppressed from accumulating on the
Moreover, since the nonuniformity of the heat load that reduces the durability of the
さらに、上述した第1の実施形態及び第2の実施形態は、相互の組み合わせにより熱回収効率の維持性能や耐久性向上の作用効果がより一層顕著になる。
なお、本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において適宜変更することができる。
Furthermore, in the first embodiment and the second embodiment described above, the effect of maintaining the heat recovery efficiency and improving the durability become even more remarkable by mutual combination.
In addition, this invention is not limited to embodiment mentioned above, In the range which does not deviate from the summary of this invention, it can change suitably.
10,10A,300 ガス化冷却器
51 伝熱管
60 突起部
70 被覆部(二次流れ抑制手段)
71 板材(二次流れ抑制手段)
72 中実被覆部(二次流れ抑制手段)
20,20A,301 煙道
24,24A 折り返し部
25 第1煙道入口
26 第2煙道出口
10, 10A, 300 Gasification cooler 51
71 Plate material (secondary flow suppression means)
72 Solid coating part (secondary flow control means)
20, 20A, 301
Claims (4)
前記伝熱管の上流側に突起部を備えていることを特徴とする熱交換器。 A heat exchanger in which a flue through which a product gas introduced from a gasification furnace flows is formed in a pressure vessel, and heat is exchanged between the fluid flowing through a heat transfer pipe installed in the flue and the product gas. ,
A heat exchanger comprising a protrusion on the upstream side of the heat transfer tube.
前記伝熱管の後流側に二次流れ抑制手段を備えていることを特徴とする熱交換器。 A heat exchanger in which a flue through which a product gas introduced from a gasification furnace flows is formed in a pressure vessel, and heat is exchanged between the fluid flowing through a heat transfer pipe installed in the flue and the product gas. ,
A heat exchanger comprising a secondary flow suppressing means on the downstream side of the heat transfer tube.
前記煙道内に高温ガスを導入する導入流路コーナ部、前記煙道内から生成ガスを排出する排出流路コーナ部、及び前記煙道内で上下方向の流れを仕切る隔壁の流れ方向転換部のうち少なくともひとつをR形状に丸みを持たせた生成ガス流路を備えていることを特徴とする熱交換器。 A heat exchanger in which a flue through which a product gas introduced from a gasification furnace flows is formed in a pressure vessel, and heat is exchanged between the fluid flowing through a heat transfer pipe installed in the flue and the product gas. ,
At least one of an introduction flow path corner portion for introducing a high temperature gas into the flue, a discharge flow passage corner portion for discharging a generated gas from the flue, and a flow direction changing portion of a partition wall that partitions a vertical flow in the flue. A heat exchanger characterized by comprising a product gas passage, one of which is rounded in an R shape.
前記煙道内を流れる生成ガスの高流速部に前記伝熱管の管群を配置したことを特徴とする熱交換器。 A heat exchanger in which a flue through which a product gas introduced from a gasification furnace flows is formed in a pressure vessel, and heat is exchanged between the fluid flowing through a heat transfer pipe installed in the flue and the product gas. ,
A heat exchanger characterized in that a tube group of the heat transfer tubes is arranged at a high flow velocity portion of the product gas flowing in the flue.
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