JP2019533056A - コークス炉ライザー管の粗ガス余熱回収・熱取得装置用の直線フィン及び熱取得装置 - Google Patents

コークス炉ライザー管の粗ガス余熱回収・熱取得装置用の直線フィン及び熱取得装置 Download PDF

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Abstract

直線フィン本体（１）と、直線フィン本体（１）に設けられたＶ字状の切欠き（２）の組とを含み、Ｖ字状の切欠き（２）の深さｈは直線フィン本体（１）の幅Ｈより小さく、直線フィン本体（１）の縦方向において、隣接するＶ字状の切欠き（２）同士の間隔が下から上へ増大するコークス炉ライザー管の粗ガス余熱回収・熱取得装置用の直線フィン。直線フィンを含む熱取得装置及び発電装置をさらに提供する。直線フィンは構造が簡単で、コストが低く、使用しやすいものであり、粗ガス側の伝熱性能が大きく向上し、壁面温度が向上した。それとともに、Ｖ字状の切欠き（２）の直線フィンの先端での幅、角度、及び縦方向での間隔は、使用時の温度場の分布に応じて決定されるものである。【選択図】図１

Description

本発明はボイラ設備の技術分野に属し、特にコークス炉ライザー管の粗ガス余熱回収・熱取得装置用の直線フィンに関し、また、上記直線フィンを含むコークス炉ライザー管の粗ガス余熱回収・熱取得装置に関し、さらには、上記直線フィンを含むコークス炉ライザー管余熱ボイラ発電装置に関する。
フィンはプレートフィン型熱交換器の基本素子であり、プレートフィン型熱交換器は主として、フィンによる熱伝達及びフィンと流体との間の熱対流による熱交換によって伝熱を行うものである。フィンは二次熱交換子とされており、伝熱面積を広げ、熱交換器のコンパクト性や伝熱効率を高め得るだけでなく、コアを支持し、熱交換器の強度や耐圧力を高めることもできる。
プレートフィン型熱交換器は高効率かつコンパクトで軽量な熱交換設備として石油化学工業、航空宇宙産業、電子、冶金及び機械等の分野で広く応用されて来ており、また熱エネルギの利用、余熱の回収、原料の節約、コスト低減及びいくつかの特殊用途において顕著な経済的利益をもたらしている。プレートフィン型熱交換器は高効率かつコンパクトな熱交換設備の一つであり、その主な伝熱素子はプレート間のフィンであり、直線フィン、千鳥状フィン、波形フィン、ルーバ状フィン、すり割り付きフィン等がよく用いられている。熱交換器全体における流体の流れや伝熱の特性はフィンの表面特性で決められ、プレートフィン型熱交換器の応用範囲の拡大につれて、フィンの性能に対する要求がより高くなり、新規フィンの開発が切望されている。
コークス炉は、石炭に対して高温乾留処理を行ってコークス、コークス炉ガス、コールタール、粗ベンゾール等の生成物を効率よく得ることができ、効率の高いエネルギ変換炉となっている。コークス炉からの消費熱としては、６５０℃−７００℃の粗ガスにより持ち出された熱が約３６％を占め、再利用の価値が非常に高いものである。
コークス炉ライザー管の粗ガス余熱回収装置においてプレート型熱交換器を採用すると、熱回収効率を大きく向上させることができるが、使用において、粗ガスが筒内を下から上へ流れ、熱取得媒体も筒外を下から上へ流れる同方向の流れとなっている。粗ガスが流れる筒壁は、下部が炉腹からの放射伝熱をさらに受けているため、その温度が上部よりも顕著に高く、直線フィンも同様に、下部の温度が上部よりも顕著に高く、また、同一の高さでも、直線フィンの先端の温度がその根元の温度よりも高い。一般的な長方形薄板構造である直線フィンをそのまま粗ガス通路の筒壁に溶接すれば、各々の直線フィンは下部の熱膨張率が上部より大きくなるとともに、同一の高さでも、フィンの先端の熱膨張率が根元より大きくなるため、直線フィン全体において複雑且つどこでも異なる膨張が発生してしまう上、筒壁とも不一致となり、最終的に直線フィンと筒壁との継ぎ目は引き裂かれて直線フィンの伝熱面積が無効なものになる。
従来技術の欠陥を解決するために、本発明は、コークス炉ライザー管の粗ガス余熱回収・熱取得装置用の直線フィンを提供し、さらにはこの直線フィンの応用を提供する。
本発明によるコークス炉ライザー管の粗ガス余熱回収・熱取得装置用の直線フィンは、直線フィン本体（１）と、直線フィン本体（１）に設けられたＶ字状の切欠き（２）の組とを含み、前記Ｖ字状の切欠き（２）の深さｈは直線フィン本体（１）の幅Ｈより小さく、直線フィン本体（１）の縦方向において、隣接するＶ字状の切欠き（２）同士の間隔が下から上へ増大している。Ｖ字状の切欠きの直線フィンの先端での幅、角度、及び縦方向での間隔は、装置使用時のフィンの先端の縦方向での膨張量が切欠きの幅より小さい、又はそれと等しくなり、縦方向での全体の膨張を合計しても直線フィンが平らな矩形を呈し、内筒壁から離脱しないように、装置使用時の温度場の分布に応じて決定される。
改良としては、直線フィン本体（１）の縦方向において、前記Ｖ字状の切欠き（２）の組に対して下から上へＱ１からＱｎ−１の順に番号を付け、Ｑ１から直線フィン本体（１）の底端までの間隔はＬ１とされ、隣接するＶ字状の切欠き（２）同士の間隔は下から上へＬ２からＬｎ−１とされ、Ｑｎ−１から頂端までの間隔はＬｎとされ、Ｌ１からＬｎへ数値が増大している。
さらなる改良としては、Ｌ１からＬｎにより基本的に等差数列が形成される。
他の改良としては、前記Ｖ字状の切欠き（２）の組の開口の角度θは等しく、前記Ｖ字状の切欠き（２）の組の深さｈは等しい。
本発明は、上記直線フィンを含むコークス炉ライザー管の粗ガス余熱回収・熱取得装置をさらに提供する。
改良としては、前記コークス炉ライザー管の粗ガス余熱回収・熱取得装置は、粗ガス管路（１１）と、粗ガス管路（１１）の外壁に設けられた熱交換管（１２）と、粗ガス管路（１１）の内壁に設けられた請求項１から４のいずれかに記載の直線フィン（１３）の組とを含み、前記粗ガス管路（１１）の粗ガス入口に下フランジ（１４）が設けられ、粗ガス出口に上フランジ（１５）が設けられ、前記粗ガス管路（１１）の上部に膨張継手（１６）が設けられ、前記熱交換管（１２）の下部に熱取得媒体入口（１７）が設けられ、上部に熱取得媒体出口（１８）が設けられている。
改良としては、前記直線フィン（１３）の組は粗ガス管路（１１）の内壁に沿って同一間隔を置いて設けられながら、粗ガス管路（１１）の内壁に沿って垂直に設けられている。
本発明は、上記の直線フィンを含むコークス炉ライザー管余熱ボイラ発電装置をさらに提供する。
改良としては、余熱ボイラ（２２）と、熱媒体ポンプ（２３）と、蒸気タービン（２４）と、水ポンプ（２５）と、発電機（２６）と、請求項５に記載のコークス炉ライザー管の粗ガス余熱回収・熱取得装置（２１）の組とを含み、余熱ボイラ（２２）は熱煤管路と蒸気水循環管路とを含み、前記コークス炉ライザー管の粗ガス余熱回収・熱取得装置（２１）の熱取得媒体出口（１８）は順に余熱ボイラ（２２）の熱煤管路と熱媒体ポンプ（２３）に接続され、熱媒体ポンプ（２３）はコークス炉ライザー管の粗ガス余熱回収・熱取得装置（２１）のそれぞれの熱取得媒体入口（１７）に接続され、前記余熱ボイラ（２２）の蒸気水循環管路、蒸気タービン（２４）及び水ポンプ（２５）は順に環状に接続され、前記発電機（２６）は蒸気タービン（２４）に接続されている。
他の改良としては、分散式ライザー管粗ガス蒸発器グループ（３１）と、分散式ライザー管粗ガス過熱器グループ（３２）と、ドラム（３４）と、循環ポンプ（３５）と、蒸気タービン（３６）と、給水ポンプ（３７）と、発電機（３８）とを含み、前記分散式ライザー管粗ガス蒸発器グループ（３１）と分散式ライザー管粗ガス過熱器グループ（３２）はそれぞれ独立して並列に設けられたコークス炉ライザー管の粗ガス余熱回収・熱取得装置（３３）の組を含み、前記ドラム（３４）に蒸気水混合物入口、飽和蒸気排出管路、給水口及び排水口が設けられ、前記分散式ライザー管粗ガス蒸発器グループ（３１）はドラム（３４）の蒸気水混合物入口に接続され、前記ドラム（３４）の飽和蒸気排出管路、分散式ライザー管粗ガス過熱器グループ（３２）、蒸気タービン（３６）、給水ポンプ（３７）及びドラム（３４）の給水口は順に接続され、前記ドラム（３４）の排水口は循環ポンプ（３５）に接続され、前記循環ポンプ（３５）は分散式ライザー管粗ガス蒸発器グループ（３１）に接続され、前記発電機（３８）は蒸気タービン（３６）に接続されている。
本発明による直線フィンは構造が簡単で、コストが低く、使用しやすいものであり、粗ガス側の伝熱性能が大きく向上し、壁面温度が向上したとともに、Ｖ字状の切欠きの直線フィンの先端での幅、角度、及び縦方向での間隔により、装置使用時に、フィンの先端の縦方向での膨張量が切欠きの幅より小さい、又はそれと等しくなり、縦方向での全体の膨張の合計でも直線フィンが平らな矩形を呈し、内筒壁から離脱することなく、耐用年数が大きく伸びている。
本発明による直線フィンは一般的な長方形薄板構造ではなく、伝熱計算と材料力学計算に基づく特殊構造となっている。
（１）直線フィン上にいくつかのＶ字状の切欠きが開口され、その開口端は直線フィンの先端にあり、即ち、粗ガス通路に曝されており、同一の高さでは直線フィンの先端の温度がその根元の温度より高いため、先端の開口での膨張率が根元より大きくなって、先端の開口が徐々に閉じるようになり、また、直線フィンの完全性、継続性及び平坦さを保つために、Ｖ字状の切欠きの先端は直線フィンの根元（即ち、粗ガス通路と溶接される直線フィンの縁）からある程度離れており、各Ｖ字状の切欠きの角度θ及び先端の直線フィンの根元からの距離ｈは等しく、Ｖ字状の切欠きの直線フィンの先端での幅、角度、及び縦方向での間隔により、装置使用時に、フィンの先端の膨張量が切欠きの幅より小さい、又はそれと等しくなり、縦方向での全体の膨張の合計でも直線フィンが平らな矩形を呈し、内筒壁から離脱することがない。
（２）縦方向においては、下端の温度が比較的高く、上端の温度が比較的低いため、本発明によるＶ字状の切欠きは位置が均一ではなく、下端では密で上端では疎らになり、隣接するＶ字状の切欠き同士のクリア間隔はある規則（例えば基本的な等差級数）に従って配列されている。
本発明による直線フィンの構造模式図である。 本発明によるコークス炉ライザー管の粗ガス余熱回収・熱取得装置の構造模式図である。 直線フィンの設置方法の構造模式図である。 実施例３に係るコークス炉ライザー管余熱ボイラ発電装置の構造模式図である。 実施例４に係るコークス炉ライザー管余熱ボイラ発電装置の構造模式図である。
以下、本発明についてさらに説明する。
コークス炉ライザー管の粗ガス余熱回収・熱取得装置用の直線フィンは、図１に示されるように、直線フィン本体（１）と、直線フィン本体（１）に設けられたＶ字状の切欠き（２）の組とを含み、前記Ｖ字状の切欠き（２）の深さｈは直線フィン本体（１）の幅Ｈより小さく、直線フィン本体（１）の縦方向において、隣接するＶ字状の切欠き（２）同士の間隔が下から上へ増大している。
直線フィン本体（１）の縦方向において、前記Ｖ字状の切欠き（２）の組に対して下から上へＱ１からＱｎ−１の順に番号を付け、Ｑ１から直線フィン本体（１）の底端までの間隔はＬ１とされ、隣接するＶ字状の切欠き（２）同士の間隔は下から上へＬ２からＬｎ−１とされ、Ｑｎ−１から頂端までの間隔はＬｎとされ、Ｌ１からＬｎにより等差数列が形成され、任意には、Ｌ１からＬｎへ数値が増大する場合のいずれによっても、本発明の目的は実現可能である。
前記Ｖ字状の切欠き（２）の組の開口の角度θは等しく、前記Ｖ字状の切欠き（２）の組の深さｈは等しい。
いくつかの直線フィンを作製するが、パラメータが表１に示されている。
コークス炉ライザー管の粗ガス余熱回収・熱取得装置は、図２に示されるように、粗ガス管路（１１）と、粗ガス管路（１１）の外壁に設けられた熱交換管（１２）と、粗ガス管路（１１）の内壁に設けられた実施例１に係る直線フィン（１３）の組とを含み、前記粗ガス管路（１１）の粗ガス入口に下フランジ（１４）が設けられ、粗ガス出口に上フランジ（１５）が設けられ、前記粗ガス管路（１１）の上部に膨張継手（１６）が設けられ、前記熱交換管（１２）の下部に熱取得媒体入口（１７）が設けられ、上部に熱取得媒体出口（１８）が設けられている。
本発明では、図３に示されるように、前記直線フィン（１３）の組は粗ガス管路（１１）の内壁に沿って同一間隔を置いて垂直に設けられ、任意には、前記直線フィン（１３）の組は粗ガス管路（１１）の内壁に沿って同一間隔を置いて設けられているか否か、又は垂直に設けられているか否かによっても、本発明の目的が実現可能である。
実施例１に係る直線フィン１〜１０をそれぞれコークス炉ライザー管粗ガス余熱回収・熱取得装置に取り付け、同一温度の粗ガスを導入し、粗ガス管路（１１）の入口温度Ｔ１、粗ガス管路（１１）の出口温度Ｔ２、直線フィンの異なる高さ（Ｈ１）における幅方向での先端温度Ｔ３、直線フィンの異なる高さ（Ｈ１）における幅方向での底端温度Ｔ４を測定し、結果を表２に示す。
コークス炉ライザー管余熱ボイラ発電装置は、図４に示されるように、余熱ボイラ（２２）と、熱媒体ポンプ（２３）と、蒸気タービン（２４）と、水ポンプ（２５）と、発電機（２６）と、実施例２に係るコークス炉ライザー管の粗ガス余熱回収・熱取得装置（２１）の組とを含み、余熱ボイラ（２２）は熱煤管路と蒸気水循環管路とを含み、前記コークス炉ライザー管の粗ガス余熱回収・熱取得装置（２１）の熱取得媒体出口（１８）は順に余熱ボイラ（２２）の熱煤管路と熱媒体ポンプ（２３）に接続され、熱媒体ポンプ（２３）はコークス炉ライザー管の粗ガス余熱回収・熱取得装置（２１）のそれぞれの熱取得媒体入口（１７）に接続され、前記余熱ボイラ（２２）の蒸気水循環管路、蒸気タービン（２４）及び水ポンプ（２５）は順に環状に接続され、前記発電機（２６）は蒸気タービン（２４）に接続されている。
１３０万トン／年のコークス化を例にすると、粗ガス温度が８００℃であり、現在アンモニア水をスプレーすることで、温度が７０℃に下がる。
その改造のために本熱媒体循環式コークス炉ライザー管余熱ボイラ発電装置（直線フィン１を含む）を用いれば、粗ガス余熱を回収し、２．０ＭＰａで２５０℃の過熱蒸気を１２．３万トン／年発生させることができ、この蒸気を発電システムに導入すると、２０００万ｋＷＨの年間発電量を達成でき、顕著な経済的利益をもたらしている。
コークス炉ライザー管余熱ボイラ発電装置は、図５に示されるように、分散式ライザー管粗ガス蒸発器グループ（３１）と、分散式ライザー管粗ガス過熱器グループ（３２）と、ドラム（３４）と、循環ポンプ（３５）と、蒸気タービン（３６）と、給水ポンプ（３７）と、発電機（３８）とを含み、前記分散式ライザー管粗ガス蒸発器グループ（３１）と分散式ライザー管粗ガス過熱器グループ（３２）はそれぞれ独立して並列に設けられた実施例２に係るコークス炉ライザー管の粗ガス余熱回収・熱取得装置（３３）の組を含み、前記ドラム（３４）に蒸気水混合物入口、飽和蒸気排出管路、給水口及び排水口が設けられ、前記分散式ライザー管粗ガス蒸発器グループ（３１）はドラム（３４）の蒸気水混合物入口に接続され、前記ドラム（３４）の飽和蒸気排出管路、分散式ライザー管粗ガス過熱器グループ（３２）、蒸気タービン（３６）、給水ポンプ（３７）及びドラム（３４）の給水口は順に接続され、前記ドラム（３４）の排水口は循環ポンプ（３５）に接続され、前記循環ポンプ（３５）は分散式ライザー管粗ガス蒸発器グループ（３１）に接続され、前記発電機（３８）は蒸気タービン（３６）に接続されている。蒸気タービン（３６）と給水ポンプ（３７）との間に接続された補水管路（３９）をさらに含む。
１００万トン／年のコークス化を例にすると、粗ガス温度が７５０℃であり、現在アンモニア水をスプレーすることで、温度が７０℃に下がる。
さらなる改良のために本直流式コークス炉ライザー管余熱ボイラ発電装置（直線フィン１を含む）を用いれば、粗ガス余熱を回収し、０．８ＭＰａである飽和蒸気を９〜１２万トン／年又は３．８２ＭＰａで３００℃の過熱蒸気を８〜１０万トン／年発生させることができ、この蒸気を発電システムに導入すると、１５００万ｋＷＨの年間発電量を達成でき、顕著な経済的利益をもたらす。
上記した本発明による望ましい実施例を示唆として、上記の説明内容によれば、当業者は本発明の技術的思想から逸脱しない範囲において多様な変更や改良を行うことができるのは勿論である。本発明の技術的範囲は明細書の内容に限られず、特許請求の範囲により決定されているものである。

Claims (10)

  1. 直線フィン本体（１）と、直線フィン本体（１）に設けられたＶ字状の切欠き（２）の組とを含み、前記Ｖ字状の切欠き（２）の深さｈは直線フィン本体（１）の幅Ｈより小さく、直線フィン本体（１）の縦方向において、隣接するＶ字状の切欠き（２）同士の間隔が下から上へ増大していることを特徴とするコークス炉ライザー管の粗ガス余熱回収・熱取得装置用の直線フィン。
  2. 直線フィン本体（１）の縦方向において、前記Ｖ字状の切欠き（２）の組に対して下から上へＱ１からＱｎ−１の順に番号を付け、Ｑ１から直線フィン本体（１）の底端までの間隔はＬ１とされ、隣接するＶ字状の切欠き（２）同士の間隔は下から上へＬ２からＬｎ−１とされ、Ｑｎ−１から頂端までの間隔はＬｎとされ、Ｌ１からＬｎへ数値が増大していることを特徴とする、請求項１に記載のコークス炉ライザー管の粗ガス余熱回収・熱取得装置用の直線フィン。
  3. Ｌ１からＬｎにより基本的に等差数列が形成されることを特徴とする、請求項２に記載のコークス炉ライザー管の粗ガス余熱回収・熱取得装置用の直線フィン。
  4. 前記Ｖ字状の切欠き（２）の組の開口の角度θは等しく、前記Ｖ字状の切欠き（２）の組の深さｈは等しいことを特徴とする、請求項１に記載のコークス炉ライザー管の粗ガス余熱回収・熱取得装置用の直線フィン。
  5. 請求項１から４のいずれかに記載の直線フィンを含むことを特徴とするコークス炉ライザー管の粗ガス余熱回収・熱取得装置。
  6. 粗ガス管路（１１）と、粗ガス管路（１１）の外壁に設けられた熱交換管（１２）と、粗ガス管路（１１）の内壁に設けられた請求項１から４のいずれかに記載の直線フィン（１３）の組とを含み、前記粗ガス管路（１１）の粗ガス入口に下フランジ（１４）が設けられ、粗ガス出口に上フランジ（１５）が設けられ、前記粗ガス管路（１１）の上部に膨張継手（１６）が設けられ、前記熱交換管（１２）の下部に熱取得媒体入口（１７）が設けられ、上部に熱取得媒体出口（１８）が設けられていることを特徴とする、請求項５に記載のコークス炉ライザー管の粗ガス余熱回収・熱取得装置。
  7. 前記直線フィン（１３）の組は粗ガス管路（１１）の内壁に沿って同一間隔を置いて設けられながら、粗ガス管路（１１）の内壁に沿って垂直に設けられていることを特徴とする、請求項６に記載のコークス炉ライザー管の粗ガス余熱回収・熱取得装置。
  8. 請求項１から４のいずれかに記載の直線フィンを含むことを特徴とするコークス炉ライザー管余熱ボイラ発電装置。
  9. 余熱ボイラ（２２）と、熱媒体ポンプ（２３）と、蒸気タービン（２４）と、水ポンプ（２５）と、発電機（２６）と、請求項５に記載のコークス炉ライザー管の粗ガス余熱回収・熱取得装置（２１）の組とを含み、余熱ボイラ（２２）は熱煤管路と蒸気水循環管路とを含み、前記コークス炉ライザー管の粗ガス余熱回収・熱取得装置（２１）の熱取得媒体出口（１８）は順に余熱ボイラ（２２）の熱煤管路と熱媒体ポンプ（２３）に接続され、熱媒体ポンプ（２３）はコークス炉ライザー管の粗ガス余熱回収・熱取得装置（２１）のそれぞれの熱取得媒体入口（１７）に接続され、前記余熱ボイラ（２２）の蒸気水循環管路、蒸気タービン（２４）及び水ポンプ（２５）は順に環状に接続され、前記発電機（２６）は蒸気タービン（２４）に接続されていることを特徴とする、請求項８に記載のコークス炉ライザー管余熱ボイラ発電装置。
  10. 分散式ライザー管粗ガス蒸発器グループ（３１）と、分散式ライザー管粗ガス過熱器グループ（３２）と、ドラム（３４）と、循環ポンプ（３５）と、蒸気タービン（３６）と、給水ポンプ（３７）と、発電機（３８）とを含み、前記分散式ライザー管粗ガス蒸発器グループ（３１）と分散式ライザー管粗ガス過熱器グループ（３２）はそれぞれ独立して並列に設けられたコークス炉ライザー管の粗ガス余熱回収・熱取得装置（３３）の組を含み、前記ドラム（３４）に蒸気水混合物入口、飽和蒸気排出管路、給水口及び排水口が設けられ、前記分散式ライザー管粗ガス蒸発器グループ（３１）はドラム（３４）の蒸気水混合物入口に接続され、前記ドラム（３４）の飽和蒸気排出管路、分散式ライザー管粗ガス過熱器グループ（３２）、蒸気タービン（３６）、給水ポンプ（３７）及びドラム（３４）の給水口は順に接続され、前記ドラム（３４）の排水口は循環ポンプ（３５）に接続され、前記循環ポンプ（３５）は分散式ライザー管粗ガス蒸発器グループ（３１）に接続され、前記発電機（３８）は蒸気タービン（３６）に接続されていることを特徴とする、請求項８に記載のコークス炉ライザー管余熱ボイラ発電装置。
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