JP2009537778A - 過熱蒸気を作るための蒸気発生器及びその使用法 - Google Patents

Abstract

高温ガスに対する水の間接熱交換により過熱蒸気を作るためのボイラーであって、前記ボイラーは、容器１の縦軸３の周りに螺旋状に形成された導管２を備えた縦向きの容器１であり、前記容器１は、前記螺旋状に形成された導管２を通して高温ガスを上向きに送るために導管２の下端部に流体連結された高温ガスの入口４と、導管２の上端部に流体連結された冷却されたガスの出口５と、新たな水の入口６と、過熱蒸気の容器出口７とを備え、前記容器１は、容器１の下端部に水槽空間８と、前記水槽空間８の上に飽和蒸気収集空間９とを更に備え、前記螺旋状に形成された導管２は、水槽空間８内に設けられた螺旋状に形成された蒸発領域１０と、容器１の上端部にて螺旋状に形成された過熱領域１１とを有し、過熱領域１１の導管２は第２の導管１２により包囲されて、前記過熱導管２と前記第２の導管１２との間に環状空間１３を形成し、前記環状空間１３は、飽和蒸気収集空間９に流体連結された飽和蒸気の入口１４と、前記環状空間１３の反対端部に設けられ且つ過熱蒸気の容器出口７に流体連結された過熱蒸気の出口１５とを備え、前記出口１５又は入口１４が水槽空間８内に配置される、前記ボイラー。
【選択図】図１

Description

本発明は、高温ガスに対する水の間接熱交換により過熱蒸気を作るためのボイラー、該ボイラーを含んだ構成、及び過熱蒸気を製造する方法に関する。

このようなボイラーはＵＳ-Ａ-３８６７９０７に記載されている。この装置では、縦向きの容器の下端部に配置された水槽内に設けられた管状パイプを高温の合成ガスが流れる。この下端部において飽和蒸気を発生させる。容器の上端部では、管状パイプより大きな直径を有する導管が、上記管状パイプを包囲することで、上記管状パイプの周りに環状空間を形成する。上記環状空間の下端部は飽和蒸気を受け入れるために開放し、この飽和蒸気は、高温合成ガスと並流にて容器の上端部に流れる。上記上端部にて過熱蒸気と冷却された合成ガスとが別々に上記容器から放出される。この刊行物は、特に環状空間の飽和蒸気のための入口開口部の周りの保護カップに向けられたものである。
ＵＳ-Ａ-３８６７９０７

上記構成の欠点は、液体の水が環状空間に入ることで、過熱蒸気の生成に悪影響を与え得ることである。別の欠点は、環状空間の入口にて局所的な過熱が生じることで、パイプの機械的な故障が引き起こされ得ることである。この種のボイラーは何年間も故障なく動作するよう構成されるので、構成に起因して生じ得る過熱は防がねばならない。

本発明は、ＵＳ-Ａ-３８６７９０７のボイラーの環状空間構成から得られる効率的な熱伝達を利用するけれども、同時に上記構成の欠点のいくつかは回避するようなボイラーを提供する。

以下のボイラーがこの解決策を与える。高温ガスに対する水の間接熱交換により過熱蒸気を作るためのボイラーであって、
前記ボイラーは、容器１の縦軸３の周りに螺旋状に形成された導管２を備えた縦向きの容器１であり、前記容器１は、前記螺旋状に形成された導管２を通して高温ガスを上向きに送るために導管２の下端部に流体連結された高温ガスの入口４と、導管２の上端部に流体連結された冷却されたガスの出口５と、新たな水の入口６と、過熱蒸気の容器出口７とを備え、
前記容器１は、容器１の下端部に水槽空間８と、前記水槽空間８の上に飽和蒸気収集空間９とを更に備え、
前記螺旋状に形成された導管２は、水槽空間８内に設けられた螺旋状に形成された蒸発領域１０と、容器１の上端部にて螺旋状に形成された過熱領域１１とを有し、過熱領域１１の導管２は第２の導管１２により包囲されて、前記過熱導管２と前記第２の導管１２との間に環状空間１３を形成し、前記環状空間１３は、飽和蒸気収集空間９に流体連結された飽和蒸気の入口１４と、前記環状空間１３の反対端部に設けられ且つ過熱蒸気の容器出口７に流体連結された過熱蒸気の出口１５とを備え、前記出口１５又は入口１４が水槽空間８内に配置される、前記ボイラー。

本発明のボイラーにおいて、飽和蒸気は高温ガスと並流にて、又は高温ガスと向流にて環状空間を流れてもよい。並流の実施態様では、入口１４が水槽空間中に配置される。向流の実施態様では、出口１５が水槽空間中に配置される。これら夫々の入口及び出口を水槽空間中に配置することにより、螺旋状導管２の壁における局所的な過熱が避けられる。

並流の実施態様の場合、飽和蒸気を飽和蒸気収集空間から入口１４に供給するための別個の供給導管を設けるのが好ましい。
図１〜３を用いて本発明を説明する。

図１は縦軸３の周りに螺旋状に形成された導管２を備えた縦向きの容器１を示す。容器１は導管２の下端部に流体連結された高温ガスの入口４を備え、この導管２は、高温ガスを螺旋状に形成された導管２を通して上向きに通過させる。図面では、螺旋状に形成された導管２がただ１つだけ示されている。一般に２〜２４個の導管２を容器１内で平行に設けてもよい。十分なスペースが利用できるならば、それよりさらに多い個数の導管２を容器１内に平行に設けてもよい。

容器１はさらに、容器１の下端部に水槽空間８を備え、前記水槽空間８の上に飽和蒸気収集空間９を備える。

図１はまた、導管２の上端部に流体連結された、冷却されたガス用の出口５を示す。図１では、水槽空間８を通過する際に更にいくらか冷却されるように、出口５が容器１の下端部に配置されている。明らかに、この出口５は容器の上端部に配置してもよい。新たな水のための入口６も図示されている。好ましくは、容器１に入る流れの方向が、好適な下降管１６を通る下向きの方向への水の循環を促進するように、この入口６が配置される。好ましくは、下降管１６は図示されたような開放端の管状部分である。その結果、下降管１６と容器１の外壁との間の環状空間１７を通る水の上向き方向が得られる。

螺旋状に形成された導管２は、螺旋状に形成された蒸発領域１０を水槽空間８内に備え、螺旋状に形成された過熱領域１１を容器１の上端部に備える。ここで、螺旋状に形成されたとは、直線部分（例えば、飽和蒸気の入口１４が配置されたところだけでなく下端部と上端部の連結部分などの垂直な直線部分）を含んでもよい、実質的に螺旋状に形成された導管を意味する。過熱領域１１の導管２は第２の導管１２により包囲され、前記過熱導管２と前記第２の導管１２との間に環状空間１３を形成する。環状空間１３は、飽和蒸気収集空間９に流体連結された飽和蒸気の入口１４と、前記環状空間１３の反対端部に位置する過熱蒸気の出口１５とを備える。出口１５は過熱蒸気の容器出口７に流体連結される。図１に示された本発明のボイラーの好ましい実施態様では、飽和蒸気の入口１４と飽和蒸気収集空間９との間にデミスタ２２が設けられている。デミスタ手段２２は当該技術において周知であり、飽和蒸気が環状空間１３に入る前に液状の水滴を飽和蒸気から分離するのに使用される。好ましくは、デミスタ２２は、図１に示されるように容器１の上端部に配置されたデミスト済み蒸気収集空間１９から飽和蒸気収集空間９を分離する。デミスタ２２は、概略的に示されたようなデミスタメッシュ、べーンパック、又は渦巻管サイクロンデッキとし得る。輸送導管２０が、水槽空間８内に位置する飽和蒸気の入口１４と前記空間１９を流体連結する。入口１４の位置が水位１８より下にあるので、導管２の壁の過熱ができる限り避けられる。また、これら２つのガスが並流にて流れるので、起こり得る最大壁温度を更に低減できる。

好ましくは、螺旋状に形成された過熱領域が実質的に飽和蒸気収集空間内に配置され、より好ましくは、第２の導管１２の長さの９０％超が水位１８より上に配置される。

合成ガス、すなわち一酸化炭素と水素の混合物を冷却するのにこのボイラーが用いられる場合にメタルダスティングを防ぐために、導管２は、クロム?モリブデン鋼から作られるのが好ましく、より好ましくはニッケル合金から作られる。適するニッケル合金の例は、Ｓｐｅｃｉａｌ Ｍｅｔａｌｓ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ（米国）から入手可能なＡｌｌｏｙ ６９３である。

図２は向流の実施態様における本発明のボイラーである。この実施態様は、過熱蒸気の最も効率的な生成と共に、高温ガスの最も効率的な冷却を実現するので好ましい。参照番号の大部分は図１と同じであるから、これについては新たに説明しない。図２のボイラーは、入口１４と出口１５の位置が図１のものとは異なる。図２では、使用時に飽和蒸気が過熱導管領域１１の螺旋状に形成された導管２中の高温ガスに対して向流にて環状空間１３内を流れるように、環状空間１３への飽和ガスの入口が、高温ガスの方向から見て過熱導管領域１１の下流端部に設けられる。また、図２は、どのように過熱ガスの出口１５が水槽空間８内に位置する過熱ガス７の容器出口に連結されているかを示す。出口１５の位置が水位１８より下にあるので、導管２の壁の過熱ができる限り避けられる。

図２は、どのように導管２が容器１中を螺旋状に通っているかを破線で示す。

図３ａは、導管２の過熱領域１１、及び飽和蒸気の入口１４を示し、３つの導管２が共通のヘッダー２１を介して垂直方向に通っている。この共通のヘッダー２１は、これら３つの導管２を包囲する環状空間１３に出口開口部１５を介して流体連通している。共通のヘッダー２１は、壁の一部が図示されている容器１から過熱蒸気を放出するための容器出口７に流体連結されている。好ましくは、容器１内を平行に通る多くの導管２を効率的に収容するために、共通のヘッダー２１は水平面内で円形である。

図３ｂは図３ａのＡＡ’断面図である。図３ｂには、導管２、環状空間１３及び第２の導管１２が示されている。さらに、環状空間が確実に設けられるように、好ましい空間要素２０が示されている。

好ましくは本発明のボイラーは、高温ガスを用いて過熱蒸気を製造するプロセスに使用される。好ましくは導管２に入る高温ガスの温度は７００〜１６００℃、より好ましくは１０００℃〜１６００℃である。高温ガスの圧力は２〜１１ＭＰａが適切である。容器１を出て行く際の冷却されたガスの温度は好ましくは６００℃未満であり、より好ましくは２００〜４５０℃である。

好ましくは、入口６を介して提供される新たな水の温度は、ボイラーの動作圧力での水の飽和温度より５〜１００℃低い。ボイラーの動作圧力とは、飽和蒸気収集空間９における飽和蒸気の圧力を意味する。好ましくは、製造される過熱蒸気の圧力は２〜１５ＭＰａであり、より好ましくは４〜１５Ｍｐａである。

高温ガスは任意の高温ガスとし得る。出願人は、一酸化炭素と水素とを含んだ高温ガスを冷却すると共に、導管２の表面の表面温度を５００℃未満の値に維持するのに本装置及び方法が非常に適していることが分かった。このことは、外来の材料を避けることができ且つ／又は硫黄をほとんど含んでいない高温ガスを用いて本方法を実行できるので、有利である。出願人は、一酸化炭素と水素と０〜３体積％の硫黄、より好ましくは０〜１００ｐｐｍｖの硫黄、一層好ましくは０〜５０ｐｐｍｖの硫黄とを含んだ高温ガスを用いて本方法を実行できることが分かった。

本発明はまた、炭化水素原料の触媒部分酸化又は好ましくは非触媒部分酸化（ＰＯＸ）によるか、又は天然ガスの自動熱改質工程（ＡＴＲ）によって一酸化炭素と水素との混合物を製造する方法に関するものであり、製造される一酸化炭素と水素の温度を、本発明のボイラーを用いて下げる。

ＰＯＸの炭化水素原料はガス燃料又は液体燃料とし得る。可能な供給原料の例として、天然ガス、（水素処理された）タールサンド源から得られる留分、及び製油所ストリーム、例えば中間留分、より好ましくは沸点が３７０℃より高い留分、例えば減圧蒸留塔で得られるものが挙げられる。例として、真空留出物や、３７０℃の減圧蒸留により得られた残留物に、原油原料を蒸留したとき又は製油所で実行される炭素除去プロセスの流出物を蒸留したとき得られる留分を加えたものが挙げられる。炭素除去プロセスの例としては、周知の流動接触分解（ＦＣＣ）法、熱分解及びビスブレーキング法が挙げられる。ガス化法で得られる高温ガスは、主に一酸化炭素と水素を含む。

ＰＯＸの好ましい供給原料は、ガス状の炭化水素、適切にはメタン、天然ガス、随伴ガス又はＣ_１−４炭化水素の混合物である。ガス状の炭化水素の例としては、天然ガス、製油所ガス、随伴ガス又は（炭層）メタンなどが挙げられる。適切には、ガス状の炭化水素は主に、すなわち９０ｖ／ｖ％より多くの、特に９４ｖ／ｖ％より多くのＣ_１−４炭化水素を含み、特に少なくとも６０ｖ／ｖ％のメタン、好ましくは少なくとも７５ｖ／ｖ％、より好ましくは９０ｖ／ｖ％のメタンを含む。好ましくは天然ガス又は随伴ガスが使用される。

ＰＯＸは例えばＳｈｅｌｌ Ｇａｓｉｆｉｃａｔｉｏｎ Ｐｒｏｃｅｓｓ，Ｏｉｌ ａｎｄ Ｇａｓ Ｊｏｕｒｎａｌ，１９７１年９月６日，ｐｐ８５−９０に記載された周知の原理に従って実行できる。部分酸化方法の例を記載した刊行物としては、ＥＰ−Ａ−２９１１１１、ＷＯ−Ａ−９７２２５４７、ＷＯ−Ａ−９６３９３５４及びＷＯ−Ａ−９６０３３４５がある。これらの方法では、部分酸化条件下で好ましくは触媒の不在下で供給原料を酸素含有ガスと接触させる。

酸素含有ガスは（約２１％の酸素を含む）空気としてもよく、好ましくは酸素に富んだ空気、適切には１００％の酸素、好ましくは少なくとも６０体積％の酸素、より好ましくは少なくとも８０体積％、より好ましくは少なくとも９８体積％の酸素を含んだ空気とし得る。酸素に富んだ空気は、低温技術により製造できるが、好ましくは膜に基づいた方法、例えばＷＯ９３／０６０４１に記載の方法により製造される。

供給原料と酸素含有ガスとの接触は、反応容器内に配置されたバーナー中で実行するのが好ましい。部分酸化反応で得られるガス状生成物におけるＨ_２／ＣＯ比を調節するために、二酸化炭素及び／又は水蒸気を供給原料に導入してもよい。好ましくは部分酸化反応のガス状生成物におけるＨ_２／ＣＯモル比は１．５〜２．６、より好ましくは１．６〜２．２である。

本発明はまた、部分酸化反応器と上記のボイラーとからなる構成であって、前記反応器がバーナーと、炭化水素原料と酸化ガスとを前記バーナーに供給する供給導管とを備え、前記反応器が、部分酸化されたガスの出口を更に備え、前記出口がボイラーの高温ガスの入口に流体連結されている前記構成に関する。

上記の方法により得られる一酸化炭素と水素の混合物は、発電、水素の製造、フィッシャー・トロプシュ合成法、メタノール合成法、ジメチルエーテル合成法、酢酸合成法、アンモニア合成法、又は合成ガス混合物を供給原料として用いる他の方法（例えばカルボニル化及びヒドロホルミル化の反応を伴う方法など）に供給原料として有利に使用できる。

好ましくは、過熱蒸気は、例えば蒸気タービンにおいて発電するため、又は例えばポンプ、圧縮機、及びボイラーの近くに設けられる他のユーティリティにおける機械的な動力源として使用される。

本発明の並流の実施態様におけるボイラーである。 本発明の向流の実施態様におけるボイラーである 図３ａは図２のボイラーの過熱領域を示す。図３ｂは図２のボイラーの過熱領域を示す。

符号の説明

１ 容器
２ 導管
３ 縦軸
４ 高温ガスの入口
５ 冷却されたガスの出口
６ 新たな水の入口
７ 容器出口
８ 水槽空間
９ 飽和蒸気収集空間
１０ 蒸発領域
１１ 過熱領域
１２ 第２の導管
１３ 環状空間
１４ 飽和蒸気の入口
１５ 過熱蒸気の出口
１６ 下降管
１７ 環状空間
１８ 水位
１９ デミスト済み蒸気収集空間
２１ ヘッダー
２２ デミスタ

Claims (10)

1. 高温ガスに対する水の間接熱交換により過熱蒸気を作るためのボイラーであって、
   前記ボイラーは、容器１の縦軸３の周りに螺旋状に形成された導管２を備えた縦向きの容器１であり、前記容器１は、前記螺旋状に形成された導管２を通して高温ガスを上向きに送るために導管２の下端部に流体連結された高温ガスの入口４と、導管２の上端部に流体連結された冷却されたガスの出口５と、新たな水の入口６と、過熱蒸気の容器出口７とを備え、
   前記容器１は、容器１の下端部に水槽空間８と、前記水槽空間８の上に飽和蒸気収集空間９とを更に備え、
   前記螺旋状に形成された導管２は、水槽空間８内に設けられた螺旋状に形成された蒸発領域１０と、容器１の上端部にて螺旋状に形成された過熱領域１１とを有し、過熱領域１１の導管２は第２の導管１２により包囲されて、前記過熱導管２と前記第２の導管１２との間に環状空間１３を形成し、前記環状空間１３は、飽和蒸気収集空間９に流体連結された飽和蒸気の入口１４と、前記環状空間１３の反対端部に設けられ且つ過熱蒸気の容器出口７に流体連結された過熱蒸気の出口１５とを備え、前記出口１５又は入口１４が水槽空間８内に配置される、前記ボイラー。
2. 前記飽和蒸気の入口１４と前記飽和蒸気収集空間９との間にデミスタ２２が設けられる、請求項１に記載のボイラー。
3. 前記螺旋状に形成された過熱領域が前記飽和蒸気収集空間内に設けられる、請求項１又は２に記載のボイラー。
4. 使用時に飽和蒸気が前記螺旋状に形成された導管中の高温ガスに対して並流にて環状空間内を流れるように、前記飽和蒸気の入口が、高温ガスの方向から見て前記過熱導管領域の上流端部に設けられる、請求項１〜３のいずれか一項に記載のボイラー。
5. 使用時に飽和蒸気が前記螺旋状に形成された導管中の高温ガスに対して向流にて環状空間内を流れるように、前記飽和蒸気の入口が高温ガスの方向から見て前記過熱導管領域の下流端部に設けられる、請求項１〜３のいずれか一項に記載のボイラー。
6. 前記螺旋状に形成された過熱領域が、互いに平行に延びた少なくとも２本の螺旋状に形成された導管を備え、各導管の環状空間の前記出口が共通のヘッダーに流体連結され、前記共通のヘッダーが水平リング状であり、該水平リングを通って前記導管が垂直方向に延びることにより、過熱蒸気を共通のヘッダーに入れるための環状の出口開口部が形成され、前記共通のヘッダーが前記過熱蒸気の容器出口に流体連通している、請求項５に記載のボイラー。
7. 前記螺旋状に形成された過熱領域が前記飽和蒸気収集空間内に設けられ、前記飽和蒸気領域の上端部にデミスタが設けられ、前記デミスタが、飽和蒸気収集空間内の容器の上端部と、デミストされた飽和蒸気収集空間とを分離し、飽和蒸気の前記入口が前記デミストされた飽和蒸気収集空間内に設けられる、請求項１に記載のボイラー。
8. 部分酸化反応器と請求項１〜７のいずれか一項に記載のボイラーとからなる構成であって、前記反応器がバーナーと、炭化水素原料と酸化ガスとを前記バーナーに供給する供給導管とを備え、前記反応器が、部分酸化されたガスの出口を更に備え、前記出口がボイラーの高温ガスの入口に流体連結されている前記構成。
9. 請求項１〜７のいずれか一項に記載のボイラーにおいて過熱蒸気を製造する方法であって、高温ガスが入口４にて７００〜１６００℃の温度と２〜１１ＭＰａの圧力を有し、出口５での冷却されたガスが２００〜４５０℃の温度を有し、出口７での過熱蒸気の圧力が２〜１５ＭＰａである前記方法。
10. 高温ガスが一酸化炭素と水素と０〜３体積％の硫黄とを含む、請求項９に記載の方法。