JP2013517365A - 熱交換器および熱交換器を操作する方法 - Google Patents

Abstract

合成ガスを生成するための炭素質原料の部分燃焼用のガス化炉の下流の熱交換装置を操作する方法。生成された合成ガスは、合成ガスにより運ばれるファウリング成分、具体的にはフライアッシュの組成および／または粒子サイズに応じて調整される流速で熱交換装置を通って流れる。１つまたは複数の熱交換表面を取り囲み、調整可能な通過容量を有する流路を含む熱交換装置。熱交換表面は、例えば、円筒形、および同軸状の入子とすることができ、内側熱交換表面は、閉鎖位置と開放位置との間を動くことができる、１つまたは複数の閉鎖用部材と共に内側流路を画定する。
【選択図】図１

Description

本発明は、合成ガスを生成するための炭素質原料の部分燃焼用のガス化炉の下流の熱交換装置を操作する方法に関する。本発明は、そのような熱交換器にも関する。

合成ガスを生成するためのガス化プロセスでは、ガス化炉内で、炭素質原料が部分的に酸化される。最初に、生成された合成ガスは、通常、１３００〜１６００℃の温度を有する。合成ガスが炉を出るとき、高温合成ガスは、１０００〜７００℃の間の温度まで急冷され、次いで、１つまたは複数の熱交換装置を備える冷却器部分に給送される。

米国特許第５，４８２，１１０号は、流路内の支持部により担持される入子式熱交換表面を備える、部分燃焼炉からの合成ガスを冷却するための熱交換器を開示する。熱交換表面は、気密壁を形成するために相互接続された、蛇行管、螺旋巻管、または垂直管により形成される。熱交換表面に沿って可能な限り多量の高温ガスを導くために、中央熱交換表面を通る中央通路は、１つまたは複数のプレートにより閉鎖される。高温ガスは、通常、約４〜１２ｍ／ｓの速度で熱交換表面に沿って通過する。高温ガスがガス化ユニットを出るとき、高温合成ガスは、通常、ガス化プロセス中に副生物として生成されるフライアッシュ（fly ash）を含む。フライアッシュのタイプ、そのファウリング（fouling; 換言すれば、汚れ）挙動、および熱交換器材料の浸食に関するその影響は、使用される炭素質原料のタイプおよび組成により変化する。ガス化炉は、通常、特定の生成速度およびプロセス流体速度用に設計されるが、熱交換器の許容できないファウリングを防ぐために、限られた範囲の原料タイプにのみ、ガス化炉を使用することができる。

一方ではファウリングの影響を、他方では浸食の影響を許容できるレベルに保ちながら、広範囲の炭素質原料タイプから生成される合成ガスを冷却するために使用することができる熱交換器を提供することが、本発明の目的である。

本発明の目的は、合成ガスを生成するための炭素質原料の部分燃焼用のガス化炉の下流の熱交換装置を操作する方法により達成され、生成された合成ガスは、合成ガスにより運ばれるファウリング成分の組成および／または粒子サイズに応じて調整される流速で熱交換装置を通って流れる。低流速は、通常、ファウリングの増大をもたらすが、他方、高流速は、熱交換器材料の浸食の増大をもたらす。本発明による方法を用いれば、流速を炭素質原料のタイプにより変化する可能性がある最適レベルまで調整することにより、浸食およびファウリングの影響のバランスをとることができる。

ガス化ユニット内の炭素質原料の部分燃焼により、合成ガスが生成されるとき、流速は、例えば、炭素質原料の組成、および／または合成ガスにより生じるフライアッシュの組成に応じて調整することができる。それに代わり、またはそれに加えて、流速は、平均フライアッシュ粒子サイズに応じて調整することができる。これらのパラメータは、合成ガスのファウリング挙動および浸食の影響に関して、強い影響を及ぼすことが見出された。流速は、例えば、フライアッシュの平均粒子サイズの減少と比例して加速される可能性がある。その代わりに、ある塊または産地からの石炭などの、あるタイプの炭素質原料が使用される場合、流速は、同じ特定のタイプまたは産地の石炭についての以前の経験に基づいて選択することができる。

本発明による方法は、例えば、内部側管などを有する煙管ボイラなどの、任意の適当なタイプの熱交換器を用いて実施することができる。本方法は、具体的には、１つまたは複数の熱交換表面を取り囲み、調整可能な通過容量を有する流路を含む熱交換装置を用いて実施することができる。浸食およびファウリングの影響のバランスをとるために、通過容量を調整することにより、合成ガスの流速を効果的に制御し、それを調整することができる。

熱交換装置の流路は、例えば、閉じた幾何学形状のいくつかの同軸状入子式熱交換表面を取り囲むことができ、内側熱交換表面は、１つまたは複数の閉鎖用部材と共に内側流路を画定し、１つまたは複数の閉鎖用部材は、閉鎖用部材が内側流路を遮断する第１の位置と、内側流路が少なくとも部分的に開放される第２の位置との間を動くことができる。閉じた幾何学形状または管形状は、例えば、円筒形とすることができるが、その代わりに、矩形、多角形、または楕円形平面図形を示す形状などの、他の任意のタイプの管形状とすることもできる。熱交換表面は、例えば支柱管またはフィン付管構造体として、気密壁を形成するために溶接されるなど、相互接続された、垂直管路、または螺旋巻管路などの並列管路から作成することができる。管路は、冷却材供給部および冷却材放出部に接続することができる。

適宜、入子式熱交換表面を取り囲む流路壁は、冷却材供給部および冷却材放出部に接続することもできる、気密接続された螺旋巻並列管路または垂直並列管路により形成することもできる。そうした流路壁は、例えば、圧力容器壁により取り囲むことができる。

入子式熱交換表面の内側表面により閉じ込められる内側流路を開放することにより、流路の通路断面積は、大幅に増加し、高温ガス生成物の流速は、減少する。閉鎖用部材が通路を閉鎖すれば、流路の通路断面積は、減少し、したがって、高温ガス生成物の流速を増加させる。

閉鎖用部材が、内側流路を部分的に遮断するための、第１の位置と第２の位置との間の少なくとも１つの中間位置まで動くことができれば、流速の調整機能は、さらに増大する。閉鎖用部材は、緩やかに開放または閉鎖することができるのが好ましい。

特定の実施形態では、１つまたは複数の閉鎖用部材は、入子式熱交換表面の長手方向軸に垂直な軸の周りに回転可能である。閉鎖用部材は、制御機構部として、例えば、外側流路壁を通って延びる軸に結合することができる。軸は、例えば、必要に応じて、流速および／またはガス温度の測定値に応答して、手動または自動で制御することができる。必要に応じて、制御機構部と交差する様々な部品により、熱膨張の差を克服する、柔軟性のある駆動変速装置を使用することができる。

加熱による破損の危険を低減するために、閉鎖用部材は、例えば、冷却材供給部および冷却材放出部にそれぞれ動作可能に接続する、１つまたは複数の冷却用流路を備える。水冷制御部材の適当な例は、ドイツ特許出願ＤＥ３９１３４２２に開示され、水冷制御部材は、最終生成物の温度制御のための側管路内で使用される。

熱交換装置は、特に、炭素質原料の部分燃焼により合成ガスを生成するためのガス化炉の一部分として有用である。
本発明は、図を参照して説明される。

本発明による熱交換装置を概略的に示す図である。 本発明による熱交換装置の別の実施形態を示す図である。 本発明による熱交換装置用の別の熱交換表面を示す図である。 本発明による熱交換装置用のさらに別の熱交換表面を示す図である。 図１または２の装置用の制御部材を示す図である。

図１は、微粉炭などの炭素質原料の部分燃焼により合成ガスを生成するためのガス化炉（図示せず）の冷却器部分の熱交換装置１を長手方向断面で概略的に示す。熱交換装置１は、いくつかの入子式同軸状配置円筒熱交換表面３を取り囲む外側円筒流路壁２を備える。外側流路壁２は、入子式表面２と同軸状に配置され、同軸状圧力容器壁４により取り囲まれる。外側流路壁２および熱交換表面３は、気密構造を形成するために相互接続された、螺旋巻管路または垂直管路などの並列管路５により形成され、その結果、２つの熱交換表面３間を流れるガスは、他の２つの熱交換表面３間の空間に逃げることはできない。内側熱交換表面６は、内側流路７を画定する。閉鎖用部材８は、入子式熱交換表面３の長手方向軸に垂直な半径方向に延びる軸１０に接続される回転可能な円形フラップ９を備える。軸１０は、入子式熱交換表面３、外側流路壁２、および圧力容器壁４を通って延び、軸１０は、制御機構部２２を使用して手動で動かすことができる。

ガスは、図１の矢印Ａにより示す方向に熱交換表面３を通って流れる。軸１０を回転させることにより、円形体９は、内側流路７を遮断する第１の水平位置と、内側流路７を開放し、それを遮断しない第２の位置との間を緩やかに動くことができる。内側流路７が遮断されるとき、ガスは、熱交換表面３間のみを流れることができる。内側流路７を開放することにより、流路断面積は、増加し、流速は、比例的に減少する。

図２は、本発明による熱交換装置の別の実施形態を示す。部品は、図１の実施形態と同じである場合、同じ参照番号が使用される。ここで、軸１０は、圧力容器壁４を通って延びないが、滑車２３は、圧力容器壁４を通って制御機構部２２まで延びる、反対の軸２４に軸１０を接続する。構造体の様々な部品の熱膨張により誘発される機械的応力を防ぐために、そうした変速装置を使用することができる。

図１および２の実施形態の同軸状入子式熱交換表面３は、円筒形である。しかし、必要に応じて、他の任意のタイプの閉じた幾何学形状を使用することができる。図３Ａでは、入子式熱交換表面３Ａは、矩形断面を有し、気密壁を形成するために相互接続された垂直並列管５Ａにより形成される。熱交換表面３Ａは、その下側で、隣接する外側熱交換表面３Ａの下端部を超える距離にわたって延びる。このことは、ラッパー装置などによる、熱交換表面のそれぞれの洗浄を可能とする。

図３Ｂは、熱交換表面３Ｂが多角形である、別の代替例を示す。熱交換表面３Ｂは、気密構造体を形成するために相互接続された蛇行管路５Ｂから構築される。
図４は、冷却システムを有する閉鎖用部材８をより詳細に示す。他の可能な実施形態では、必要に応じて、非冷却閉鎖用部材を使用することができることに留意されたい。軸１０は、内側管路１１および同軸状配置外側管路１２を備える。円形体９は、軸１０の長手方向軸に垂直な軸の周りに整列する３つの同心円筒壁１３、１４、１５を備える。同心壁１３、１４、１５間の空間１６、１７、１８は、２つの横方向円形平面端部壁（図示せず）により閉鎖される。軸１０の内側管１１は、内側同心壁１５により取り囲まれる空間内まで延びる。同心壁１３、１４、１５内の開口部１９、２０、２１は、冷却材、具体的には外側管路１２を介して供給される水用の蛇行流路を画定するように配置される。水は、軸１０の内側管路１１内の側面開口部２５を介して内側同心壁１５により取り囲まれる空間を出る。管路１１は、使用される冷却材を放出する。

Claims (15)

1. 合成ガスを生成するための炭素質原料の部分燃焼用のガス化炉の下流の熱交換装置（１）を操作する方法であって、生成された合成ガスは、前記合成ガスにより運ばれるファウリング成分の組成および／または粒子サイズに応じて調整される流速で前記熱交換装置（１）を通って流れる、方法。
2. 前記ファウリング成分は、フライアッシュを含み、前記流速は、前記フライアッシュの組成および／または粒子サイズに応じて調整される、請求項１に記載の方法。
3. 高温ガスが、１つまたは複数の同軸状入子式熱交換表面（３）に沿って流れ、前記流速は、前記熱交換表面の１つまたは複数により取り囲まれる通路開口部（７）を調整することにより調整される、請求項１または２のいずれかに記載の方法。
4. 前記流速は、中央熱交換表面（６）により取り囲まれる前記通路開口部（７）を調整することにより調整される、請求項３に記載の方法。
5. 前記通路開口部（７）は、フラップ（９）がガス流方向に平行な第１の位置と、前記フラップが前記通路開口部を閉鎖する第２の位置との間で前記フラップを回転させることにより調整される、請求項３または４に記載の方法。
6. 前記フラップ（９）は、冷却材により冷却される、請求項５に記載の方法。
7. １つまたは複数の熱交換表面（３）を取り囲む流路壁（２）を含み、前記流路は、調整可能な通過容量を有する、熱交換装置。
8. 前記流路壁（２）は、閉じた幾何学形状のいくつかの同軸状入子式熱交換表面（３）を取り囲み、内側熱交換表面は、１つまたは複数の閉鎖用部材（８）と共に内側流路を画定し、前記１つまたは複数の部材は、前記閉鎖用部材が前記内側流路を遮断する第１の位置と、前記内側流路が少なくとも部分的に開放される第２の位置との間を動くことができる、請求項７に記載の熱交換装置。
9. 前記閉鎖用部材（８）は、前記内側流路（７）を部分的に遮断するための、前記第１の位置と第２の位置との間の少なくとも１つの位置まで動くことができる、請求項８に記載の熱交換装置。
10. 前記１つまたは複数の閉鎖用部材（８）は、前記入子式熱交換表面の長手方向軸に垂直な軸の周りに回転可能である、請求項８または９に記載の熱交換装置。
11. 前記１つまたは複数の閉鎖用部材（８）は、前記流路壁（２）を通って延びる軸（１０）に結合する、請求項８から１０のいずれか１項に記載の熱交換装置。
12. 前記１つまたは複数の閉鎖用部材は、冷却材供給部および冷却材放出部にそれぞれ動作可能に接続する、１つまたは複数の冷却用流路を備える、請求項８から１１のいずれか１項に記載の熱交換装置。
13. 前記閉じた幾何学形状は、円筒形である、請求項８から１２のいずれか１項に記載の熱交換装置。
14. 前記入子式熱交換表面は、気密壁構造体を形成するために相互接続された、蛇行管、螺旋巻管、または垂直管により形成される、請求項８から１３のいずれか１項に記載の熱交換装置。
15. 請求項８から１３のいずれか１項に記載の１つまたは複数の熱交換装置を有する冷却器部分を備える、炭素質原料の部分燃焼により合成ガスを生成するためのガス化炉。

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