JP3986101B2 - 固形物負荷ホットガスの冷却装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は固形物負荷ホットガスの冷却装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
たとえば固形物負荷ガスは、石炭ガス化法から得られる合成ガスである。石炭ガス化法は微細固体の炭素質燃料を部分酸化するための周知方法であり、酸化剤として用いられる酸素含有ガスと微細固体の炭素質燃料とをガス化帯域に供給し、ほぼ自熱的に適する温度および圧力の条件下で合成ガス含有のガス流（これは実質的に水素と一酸化炭素とのガス混合物である）を生成させる。さらに、たとえばフライアッシュ粒子のような固体不純物が一般に合成ガス中に存在する。この種の粒子は粘着性である。酸化剤として用いられる酸素含有ガスは一般に空気もしくは（純粋）酸素または水蒸気、或いはその混合物である。
上記部分酸化反応は一般にガス化反応器内で生ずる。反応器内の温度を制御するには、調節ガス（たとえば水蒸気、水もしくは二酸化炭素またはその組合せ物）を前記反応器に供給することができる。
当業者には、反応器に酸化剤および調節剤を供給する条件が知られている。
【０００３】
有利には、前記炭素質燃料（必要に応じ、調節ガスを含む）と酸化剤（必要に応じ調節ガスを含む）として用いられる前記酸素含有ガスとは少なくともバーナーを介し反応器に供給される。反応器から一般にその頂部もしくは頂部近くで流出する熱い粗流出ガス流は必要に応じ急冷され、一般にたとえば対流冷却器のような間接的熱交換器にて冷却される。
従来、粗ガス流はガス化反応器に隣接位置してダクトを介し前記反応器に接続されたガス冷却器内に配置した対流伝熱面によって冷却される。
ガスは固形物負荷されており、したがって伝熱面の腐食（ガス速度が高過ぎる場合）に関し或いは伝熱面間のガス通路の汚染／閉塞（ガス速度が低過ぎる場合）に関し諸問題が生ずる。
一般に、冷却過程に際しガス速度は一定の処理量および圧力にて操作する場合には装置の汚染／閉塞（たとえば粘着性粒子による）が生ずる程度まで低下し、汚染／閉塞を回避するため高価なハンマリング装置が必要とされる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
したがって、固形物負荷ガスの自浄作用を使用し、汚染／閉塞も腐食もなく、しかも通常の操作条件下で（複雑）ハンマリング装置の使用なしに操作しうるような自浄性冷却器が必要である。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
したがって本発明は、ガス入口およびガス出口を有する容器と、この容器内で前記入口と前記出口との間に長手方向に延びると共に複数のガス通路を伝熱構造体内に形成する複数の伝熱面からなる伝熱構造体とを備え、前記複数の伝熱面は前記伝熱構造体における前記ガス通路の全断面入口領域が前記ガス通路の間の全断面出口領域よりも大となるよう配置されると共に、前記ガス通路は操作に際し前記ガス通路を流過するガスの速度が前記ガス通路の断面入口領域と断面出口領域との間で実質的に一定に保たれるよう配置されたことを特徴とする固形物負荷ホットガスを冷却するための自浄性装置を提供する。
【０００６】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面を参照して本発明を実施例により一層詳細に説明する。
図１を参照して、目的に適する任意の材料で作成された容器１を示す。この容器１は容器壁部１ａを備え、その上流側には反応器（明瞭にする理由で図示しない）からの固形物負荷ガスＡの入口２を設けると共に、その下流側には冷却ガスＢの出口３を設け、冷却ガスは任意適する方法で任意適する他のガス処理装置（明瞭にする理由で図示しない）に供給される。有利には、入口２は容器１の頂部または頂部近くに位置し、出口３は容器１の底部もしくは底部近くに位置する。一般にガス冷却器は実質的に円筒であってほぼ垂直に配置されるが、目的に適する任意の配置を用いうることが当業者には了解されよう。冷却器１は内部に任意適する方法で伝熱構造体が設けられ、この伝熱構造体は前記入口から前記出口まで下流方向（すなわち処理温度が低下する方向）に延びる複数のガス通路１３が設けられるよう配置された（対流）伝熱面の複数のパネル４を備える。特に伝熱面の配置は、ガス通路１３の全断面入口領域がガス通路１３の全断面出口領域よりも大となるようにする。明瞭にする理由で９枚のパネル４のみを図１に示したが、目的に適する任意の個数のパネルを用いうることが了解されよう。伝熱構造体の高さはＭであるのに対し、前記構造体の外側伝熱面の間の距離はそれぞれＷ１（入口）およびＷ２（出口）である。
【０００７】
有利には、ガス冷却器内に配置された伝熱面の各パネル４は、たとえばウェビングのような任意適する手段により相互機械接続にて複数の冷却管（明瞭にする理由で図１には図示せず）を備え、これら冷却管を任意適する冷却流体（たとえば、有利にはガスに対し向流としての水または水蒸気）が流過し、これらパネルは伝熱面間の通路の断面領域がガス速度を実質的に一定、有利には６〜１２ｍ／ｓの範囲に保つことを目的とした傾斜配置となるよう設計される。有利には、冷却管にはフィンを設ける。
前記伝熱面間のガス通路の全断面積縮小は、ガス流Ａが前記伝熱面に円滑に指向すると共に矢印Ｃにより示される伝熱面に対するガス流衝突が小角度αとなってガス流が腐食の観点から前記伝熱面に対しほぼ平行となるようにする。角度αは次のように規定される：
【０００８】
【数１】

【０００９】
有利なガス流の衝突角度αは２．５°である。
ガス冷却器には、その１端部に複数の入口ヘッダーを設けて冷却管のパネルに任意適する冷媒を供給する。
ガス冷却器には、その他端部に複数の出口ヘッダーを設ける。明瞭にする理由から入口ヘッダー、出口ヘッダー冷却管とこれらヘッダーとの機械的接続部については図１に示さない。
パネルにおける冷却管の各端部をそれぞれ出口ヘッダー６および入口ヘッダー５に接続し、これにつき図２ａおよび２ｂを参照して以下詳細に説明する。
さらに実際にはパネルとチューブとの配置はいわゆる膜パイプ壁が形成されるような配置であって、その（リング状）入口および（リング状）出口をそれぞれ参照符号８および９により図１に図示する。膜パイプ壁は容器１ａ内に前記パネルを包囲する「ケージ」を形成し、これについては図３ａおよび３ｂを参照して以下詳細に示す。
【００１０】
図２ａは、図１に示した本発明のガス冷却器に用いられる入口ヘッダー配置の部分側面図である。明瞭にする理由から７本のみのチューブを示す。入口ヘッダー５は任意適する方法でパネル４の各冷却管１０に接続される。参照符号１ａは容器壁部を示す。
パネル４のチューブ１０はウェビング１０ａを介し機械接続される（たとえば溶接による）。
さらに、パネル４の端部もしくは外側チューブ１０′は膜パイプ壁により形成された「ケージ」の部分であって入口８に流体接続する（図１）。膜パイプ壁チューブは入口ヘッダー５に接続されない。必要に応じ膜パイプ壁のチューブを好適に屈曲させて、パネル４と入口ヘッダー５との間に接続管のための空間を設ける。
図２ｂは、図１に示した本発明のガス冷却器に用いられる出口ヘッター６のための同様な配置の部分側面図である。明瞭にする理由から７本のみのチューブを示す。図２ａにおけると同じ参照符号を用い、必要に応じ膜パイプ壁のチューブを屈曲させるのが適している。端部もしくは外側チューブ１０′は「ケージ」の部分であって出口９と流体接続する（図１）。
【００１１】
図３ａは図１の伝熱面の配置のＩ−Ｉ線断面図である。この場合は１３個のパネル４が示され、各パネル４は複数の冷却管１０と端部もしくは外側チューブ１０′とを備える。
各パネルのチューブ１０をウェビング１０ａを介して接続する。
各パネル４の端部もしくは外側チューブ１０′を隣接バネル４の端部もしくは外側チューブ１０′にチューブ７を介して接続する。外側チューブ７および１０′は「ケージ」１１を形成する。
チューブ７（配置の対称面に配置された２本を除く）は頂部から底部まで直径が減少して、対称面の両側でパネル４の傾斜配置および傾斜位置が得られるようにする。明瞭にする理由から、各パネル４には限られた個数のみのチューブ１０を示す。
参照符号１３は伝熱面の間のガス通路を示す。
パネルの入口側におけるパネル間隔Ｃ₁ は、各パネル４の外側チューブ１０′の間に配置された傾斜チューブ７の配置により、出口側におけるパネル間隔（Ｃ₂ ）よりも大である。
したがって、ケージの全寸法はＶ×Ｗ１（入口）およびＶ×Ｗ２（出口）であり、ここでＷ１＞Ｗ２であってＶは一定である。
図３ｂは図１の出口ヘッダー配置の平面図である。先の図面におけると同じ参照符号を用いた。
【００１２】
図４は、各パネル４の外側チューブ１０′間に配置された「ケージ」の傾斜チューブ７の有利な実施例（部分的に示す）を示す（図３ａおよび３ｂ参照）。Ｚは傾斜したウェビングを示す。
チューブ７の直径は入口端部から出口端部まで、このチューブの複数の傾斜部分につき適する傾斜角度β（たとえば２．５°）にて徐々に減少する。本発明の有利な実施例において、チューブの直径は下流方向に６０ｍｍから３０ｍｍまで徐々に減少し、長さＭは２５〜３５ｍである。
この目的に適する任意の個数のヘッダーを用いうることが当業者には了解されよう。たとえばチューブのパネル１個当り２個のヘッダーを用いることができる。
さらに本発明は処理ガスに対し向流の冷却流体のみに限定されないことが当業者には了解されよう。
本発明の有利な実施例において、チューブ間のウェビングには開口部を設ける。一層有利には、ウェッピングは２５〜９０％開口である。
【００１３】
以上、本発明を実施例につき説明したが、本発明の範囲内で各種の改変をなしうることが当業者には了解されよう。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明によるガス冷却器の縦断面図。
【図２ａ】 図１のガス冷却器に用いられるヘッダー配置の略部分側面図。
【図２ｂ】 図１のガス冷却器に用いられるヘッダー配置の略部分側面図。
【図３ａ】 図１のガス冷却器に用いる伝熱構造体のＩ−Ｉ線断面図。
【図３ｂ】 図１のガス冷却器に用いる伝熱構造体のＩＩ−ＩＩ線断面図。
【図４】 図３ａおよび３ｂの詳細を示す有利な実施例の部分側面図。
【符号の説明】
１ 容器
２ 入口
３ 出口
４ パネル
５ 入口ヘッダー
６ 出口ヘッダー
７ チューブ

Claims (13)

1. ガス入口（２）およびガス出口（３）を有する容器（１）と、この容器（１）内で前記入口（２）と前記出口（３）との間に長手方向に延びると共に複数のガス通路（１３）を伝熱構造体内に形成する複数の伝熱面（４）からなる伝熱構造体（７、１０′）とを備え、前記複数の伝熱面は前記伝熱構造体における前記ガス通路（１３）の全断面入口領域が前記ガス通路（１３）の間の全断面出口面積よりも大となるよう配置されると共に、前記ガス通路は操作に際し前記ガス通路を流過するガスの速度が前記ガス通路の断面入口領域と断面出口領域との間で実質的に一定に保たれるよう配置されることを特徴とする固形物負荷ホットガスを冷却するための自浄性装置。
2. 容器（１）が実質的に円筒状である請求項１に記載の装置。
3. 容器（１）が実質的に垂直に配置される請求項１または２に記載の装置。
4. ガス入口（２）が容器（１）の頂部またはその近くに位置し、ガス出口（３）が容器（１）の底部またはその近くに位置する請求項１〜３のいずれか一項に記載の装置。
5. 伝熱構造体（７、１０′）が膜パイプ壁もしくは「ケージ」である請求項１〜４のいずれか一項に記載の装置。
6. 伝熱面（４）が対流伝熱面である請求項１〜５のいずれか一項に記載の装置。
7. 各伝熱面（４）が冷却管（１０）のパネルからなり、操作に際し前記管を冷媒が流過する請求項１〜６のいずれか一項に記載の装置。
8. 冷媒がガスに対し向流である請求項６または７に記載の装置。
9. 冷媒が水または水蒸気である請求項６〜８のいずれか一項に記載の装置。
10. 伝熱面（４）の間のガス通路（１３）の全断面入口領域が下流方向に徐々に減少して、伝熱面の傾斜配置を形成する請求項１〜９のいずれか一項に記載の装置。
11. ガス速度が６〜１２ｍ／ｓの範囲である請求項１〜１０のいずれか一項に記載の装置。
12. 前記伝熱面（４）が角度αにて配置され、ここでα＝ｔａｎ １／２（Ｗ１−Ｗ２）／Ｍ［式中、Ｍは伝熱構造体の高さであり、Ｗ１およびＷ２はそれぞれ前記構造体の入口および出口における外側伝熱面の間の距離を示す］である請求項１０または１１に記載の装置。
13. αが２．５°以下である請求項１２に記載の装置。

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