JP4346738B2 - 熱交換器及び該熱交換器を用いた石炭ガス化装置 - Google Patents
熱交換器及び該熱交換器を用いた石炭ガス化装置 Download PDFInfo
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は熱交換器及び該熱交換器を用いた石炭ガス化装置に係り、特に石炭をガス化してメタンを主成分とする都市ガスを製造する石炭ガス化装置及び該装置に使用される熱交換器に関する。
【０００２】
【従来の技術】
石炭を、ガス化炉においてガス化して、メタンを主成分とする都市ガスを生成する石炭ガス化設備においては、石炭ガス化炉から導出される生成ガスが約８００℃と高温なため、かかる高温生成ガス熱交換器に導き、該熱交換器にて冷媒と熱交換を行なって所定の低温まで冷却している。
【０００３】
かかる石炭ガス化炉による高温ガス生成システムの１例を図７に示す。
図７において、０１は石炭ガス化炉で、原料の石炭及び燃焼用の酸素を投入して高温ガスを生成するものであり、従来種々の装置が提供されている。
該石炭ガス化炉０１において生成された高温生成ガスは約８００℃程度の高温となっており、高温生成ガス管４を通って熱交換器０２に導かれ、該熱交換器０２において、次のような熱交換を行ない、所定の低温まで冷却され、生成ガス送出管５から使用先に送られる。
【０００４】
即ち、前記熱交換器０２には、前記高温生成ガスの冷却媒体として水（Ｈ2Ｏ）が導入され、該高温生成ガスは、熱交換器０２において、この水と熱交換を行なう。
該熱交換器０２において、前記熱交換を行なった水は蒸発して蒸気となり、出口管０４を通って凝縮器０３に導入される。
該凝縮器０３においては、前記蒸気を冷却流体によって冷却して液化して低温水とし、この低温水は再び熱交換器０２に導かれる。
【０００５】
前記高温生成ガスを冷却するための熱交換器としては、通常、いわゆるシェル・アンド・チューブ式熱交換器が用いられている。
この熱交換器は、筒内にその軸方向に沿って多数の伝熱管を配し、該伝熱管の両端を平板状の管板に固定し、該管板を前記筒体の端部フランジ、及び前記各伝熱管の出入口が開口する入口チャンバ及び出口チャンバのフランジと共締めにて固定している。
【０００６】
そして、かかる熱交換器は、前記入口チャンバ内に導入した高温流体は、各伝熱管内に流れて出口チャンバに至る間に、前記筒体の一端側に導入されて、該筒内を前記高温流体と対向する方向に流動する低温流体と熱交換することによって冷却されるように構成されている。
【０００７】
また、前記高温ガスと低温ガス（空気）との熱交換としては、排ガスによって空気を加熱する熱交換器が特開平１０−１７０１７３号にて提案されている。
この発明においては、伝熱外管と該伝熱外管内に同軸上に配置された伝熱内管とよりなる伝熱管を高温ガス流路内であって、かつ高温ガス流の流れ方向に延在すよう懸吊して配置した高温空気加熱器において、前記高温空気加熱器を前記高温ガス流路の上流側に配置された第１の空気加熱器と後流側に配置された第２の空気加熱器とより構成し、前記第２の空気加熱器により加熱された被加熱空気を前記第１の空気加熱器に供給して加熱するように構成されるとともに、伝熱内管が伝熱外管内を降下して設けられ、空気が伝熱外管を降下して、対向流となっている外側の排ガスによって加熱された後、下端で上方に変向し伝熱内管内を上方に流れるようになっている。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
図７に示される従来技術に係る石炭ガス化装置にあっては、高温生成ガスは、熱交換器０２において、該熱交換器０２と凝縮器０３との間を循環する水と熱交換することによって所定の低温まで冷却されている。
【０００９】
そして前記熱交換器０２においては、前記のように約８００℃の高温の生成ガスを所定の低温まで冷却することから、水は前記高温生成ガスとの熱交換時に蒸発、気化し、この際の潜熱及び顕熱が温度レベルの低い大きな熱量となる。そしてかかる従来技術においては、前記のような大熱量を凝縮器０３において、冷却媒体中に放出することとなることから、熱エネルギの損失による熱効率の低下が避けられない。
【００１０】
また、かかる石炭ガス化システムにおいては、熱交換器０２の高温側に導入される高温生成ガスは、温度が７００℃〜８００℃、圧力が７０〜８０ｋｇｆ／ｃｍ2と、高温高圧で、かつＨ2Ｓ（硫化水素）、メタン、Ｈ2Ｏ（水）、ＣＯ等を含み、強い腐食性を有する。
【００１１】
このため、前記のようなシェル・アンド・チューブ式熱交換器や特開平１０−１７０１３３号にて提供されている熱交換器をかかる石炭ガス化システムに用いる場合には、前記腐食性ガスに対処するため、該熱交換器の伝熱管、管板、筒体やヘッドカバーの内面等の構成部材は前記腐食性ガスに対して高い耐食性を有する材料を用いることを要するとともに、前記のような高温、高圧ガスによる熱応力及び機械的応力を低く抑えて、耐久性を増大させることを要する。
【００１２】
しかしながら、前記従来技術に係る熱交換器にあっては、高温生成ガスの入口側の管板近傍は前記のように７００℃〜８００℃レベルの高温となり、出口側の低温部との温度差が大きくなって、高温ガスが流れる伝熱管の熱膨張量は極めて大きくなり、かかる熱膨張を管板によって拘束することにより、伝熱管の管板への接続部近傍に高い熱応力が発生するとともに、高温となるガス入口側の管板自体にも高い熱応力の発生をみる。
【００１３】
本発明はかかる従来技術の課題に鑑み、石炭ガス化装置において、石炭ガス化炉から送出される高温生成ガスの顕熱を有効に回収することにより、該石炭ガス化装置の熱効率を向上せしめるとともに、該高温生成ガスを冷却するための熱交換器の熱膨張に伴なう熱応力を低減して高温高圧の腐食性ガスに対して高い耐久性を有する熱交換器を得ることを目的とする。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
本発明はかかる課題を解決するため、請求項１及び２記載の発明として、筒状の本体内に、一端が管板に固着されて該本体の軸方向に伸び、内部を高温流体が流れる多数の伝熱管を設けるとともに、
該伝熱管の外側には冷却流体が流れる冷却流体通路を設け、前記管板上面の伝熱管開口部が臨む入口チャンバに導入された高温流体を前記伝熱管内に流して前記冷却流体通路を流動する冷却流体と熱交換するように構成された熱交換器であって、
前記筒状本体の上部に、前記管板の下面が臨むとともに、内部を前記伝熱管が貫通する冷却室を設けて、該冷却室に前記冷却流体の入口管に接続される冷却流体入口を設け、該冷却室から前記筒状本体内の下部に垂下して該冷却室内の低温流体を筒状本体内下部に搬送する降下管を設け、該冷却流体が前記冷却室から降下管を下降した後、前記筒状本体内下部にて流れ方向を反転し、前記筒状本体内を直状に貫通される前記伝熱管内の高温ガスと対向流を形成して上昇するように構成されてなることを要旨とし、
請求項１記載の発明は前記要旨に加えて、前記冷却室は前記筒状本体内部と仕切板により区切って形成され、該仕切板の上面に筒体を固着するとともに、該筒体の上端面及び下方を、前記伝熱管貫通用の透孔がそれぞれ穿設された管板及び前記仕切板により覆蓋して、内部に前記冷却室を形成してなる冷却室ユニットを、前記筒状本体の上部に着脱可能に設けたことを特徴とする熱交換器にある。
請求項２記載の発明は前記要旨に加えて、前記冷却室は前記筒状本体内部と仕切板により区切って形成され、該仕切板の上面に筒体を固着するとともに、該筒体の上端面が管板の下面と一定間隔を存して冷却流体の通路を形成し、前記仕切板の上面と筒体の内面と管板の下面とにより冷却室を形成し、さらに、前記筒体の外周面と外筒の内周面との間には冷却流体入口に連通される冷却流体通路を形成されてなることを特徴とする熱交換器にある。
【００１５】
また、請求項７記載の発明は、石炭をガス化する石炭ガス化炉で発生した高温生成ガスを熱交換器に導き、該熱交換器において所定の低温に冷却した後、使用先に送給するようにした石炭ガス化装置において、
水素ガスを生成し、これを所定の低温に冷却して前記熱交換器に供給する水素ガス供給手段を設け、
請求項１若しくは２の構成にした前記熱交換器を、該水素ガス供給手段から供給される低温の冷却水素ガスと前記高温生成ガスとを熱交換して該高温生成ガスを冷却するように構成し、さらに、前記熱交換器の冷却水素出口から高温に加熱された冷却水素ガス出口を前記石炭ガス化炉に導く水素ガス管路を設けてなることを特徴とする石炭ガス化装置を提案する。
【００１６】
かかる発明によれば、水素ガス供給手段において生成され、２０℃〜３０℃程度の低温にて供給される水素ガスは、熱交換器に導入されて、石炭ガス化炉にて生成された温度７００℃〜８００℃、圧力７０〜８０ｋｇｆ／ｃｍ2程度の高温、高圧の高温生成ガスと熱交換してこれを冷却することによって、該高温生成ガスから奪熱し、自らは７００℃程度に昇温されて石炭ガス化炉に送られ、石炭のガス化に供される。
【００１７】
従って、かかる発明によれば、熱交換器において石炭ガス化炉から供給される高温生成ガスと低温の冷水素とを熱交換することにより、高温生成ガスを所定の低温に冷却するとともに、該生成ガスの顕熱を奪って高温になった冷却水素ガスを石炭ガス化炉に供給することによって、該生成ガスの冷却とともに冷却水素ガスを介しての熱回収を行なうことができ、石炭ガス化装置の熱効率を向上させることができる。
【００２０】
前記水素ガスを供給する石炭ガス化炉においては、該ガス化炉から送出される高温生成ガスは、前記のように８００℃程度の高温のガスであることから、該高温生成ガスの熱交換器入口部にある管板の温度も高温となる。
然るに、本発明においては、低温の冷却水素を先ず冷却室に導入して管板を直接冷却することにより、管板の温度が大きく降下せしめられ、高温生成ガスの流入による管板の熱衝撃が緩和されるとともに、該管板の温度上昇による熱応力が低減される。
また、前記冷却室を通った冷却水素は降下管を下方に流れた後、上昇に転じ、伝熱管を下方に流れる高温生成ガスと対向流となるので、伝熱管内を下方に流れる高温生成ガスと冷却流体通路を上方に流れる冷却水素との間の熱伝達率が上昇し、高温生成ガスは効率的に冷却される。
【００２１】
また、高温生成ガスを直管からなる伝熱管内を通すので、熱交換器の内部が該高温生成ガスに混入されるチャーやタール等によって汚染されるのが回避されるとともに、直管であるので、高温生成ガス中の異物による伝熱管の詰まりの発生も抑制される。
【００２２】
請求項３記載の発明は、請求項１若しくは２記載の熱交換器において、前記管板に上端が固着された前記各伝熱管の下端を、前記冷却流体通路の下壁を形成する下部管板に固着し、該下部管板の外周面を前記筒状本体の内面にスライド可能に嵌合させてなる。
【００２３】
また、請求項４記載の発明は、請求項１若しくは２記載の熱交換器において、前記仕切板は前記複数の伝熱管が貫通されるとともに、その外周面を前記筒状本体の内面にスライド可能に嵌合させてなる。
【００２４】
前記のように、かかる熱交換器においては、８００℃程度の高温生成ガスを伝熱管内に上部の管板側から下方に通流させ、これを冷却するのに２０℃〜３０℃の低温の冷却水素を下方から上方へ対向流を形成して流動させつつ両流体の熱交換を行なうので、伝熱管の温度レベル自体が高温となるとともに、上部側と下部側との温度差も大きくなり、軸方向に大きな熱膨張を生ずる。
【００２５】
然るに、請求項３、４記載の発明にあっては、伝熱管の上部管板側を固定し、下部管板及び仕切板を含む伝熱管の支持部材を筒状本体にスライド可能に嵌合しているので、伝熱管の熱膨張とともに、これらの支持部材もスライド部を介して下方に移動することとなる。このため、従来のもののように、伝熱管の熱膨張が下部管板等の低温側で拘束されることはなく、かかる熱膨張の拘束による伝熱管及びこれの支持部の熱応力が大幅に低減される。
【００２６】
また、請求項１、２記載の発明において、冷却室を設けることにより、管板側の温度自体が降温されているため、かかる作用に、請求項３、４記載の発明における前記のような熱膨張の拘束の解除作用が重畳されて伝熱管及びこれの支持部の熱応力はさらに低減される。
【００２７】
請求項５記載の発明は、請求項１〜３の何れかにおいて、前記管板に固着される前記伝熱管の上部内周にスライド自在に嵌合される内管を設け、該内管は、上端を前記入口チャンバに開口され、下端を前記伝熱管内に開口されてなる。
【００２８】
本発明にかかる熱交換器においては、前記のように、腐食性を有する８００℃程度の高温生成ガスが管板の伝熱管接合部から多数の伝熱管内に一挙に流入するため、伝熱管の管板への接続部近傍には大きな熱衝撃が加わる。
然るに、請求項５記載の発明においては、前記伝熱管内にスライド可能に内管を設けて、伝熱管の管板接続部近傍を２重管とし、入口チャンバからの高温生成ガスを先ず内管に導入した後、これと相対摺動可能に嵌挿されている伝熱管内へと流動させる。
【００２９】
これによって伝熱管の管板への接続部近傍は腐食性を有する高温生成ガスの直接流入が無いため、該高温生成ガスによる熱衝撃が緩和されるとともに、伝熱管が高温下において、腐食性ガスとの直接接触するのが抑制され、該熱衝撃に伴なう過大応力及び高温腐食による伝熱管と管板との溶接部等の破損の発生が回避される。
【００３１】
また、請求項６記載の発明は、請求項１において、一端が前記冷却室ユニットの冷却流体入口にスライド可能にかつ流体密に嵌合された筒状体からなる接続筒を設け、該接続筒の他端に前記冷却流体入口管を接続してなる。
【００３２】
かかる発明によれば、筒体の上、下端面を管板及び仕切板で覆蓋してその内側に冷却室を形成してなる冷却室ユニットを筒状本体の上部に組み込み、冷却流体の入口側には接続筒をシール状態で設けて該接続筒の入口端を入口管に固定することにより、低温の冷却流体が収容される冷却室をユニット化することができ、これによって筒状本体内部との間の仕切板は不要となってシール性が向上するとともに、組立が容易化され、交換性も向上する。
【００３４】
尚、前記請求項２記載の発明によれば、筒体の外側の冷却流体通路を通った冷却流体を管板の下面に向けて噴出させるので、管板の冷却効果が向上するとともに、仕切板の上面にこれよりも小径の筒体を固着し、その上部に一定間隔を存して管板を設置するという極めて簡単な構造で以って、前記のような冷却効果を得ることができる。
【００３５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を図に示した実施例を用いて詳細に説明する。但し、この実施例に記載される構成部品の寸法、材質、形状、その相対配置などは特に特定的な記載が無い限り、この発明の範囲をそれのみに限定する趣旨ではなく単なる説明例に過ぎない。
【００３６】
図１は本発明の実施形態に係る石炭ガス化装置の全体構成図、図２は熱交換器の第１実施例の縦断面図、図３は図２のＺ部拡大断面図である。また図４は前記熱交換器の第２実施例における冷却室ユニットの分解斜視図、図５は図４のＹ部拡大断面図である。
【００３７】
図１において、１は石炭水素添加ガス化炉であり、石炭（微紛炭）を酸素及び後述する水素ガス製造設備３にて生成された水素によりガス化するガス化炉である。
３は水素ガス製造設備であり、該水素ガス製造設備３にて生成された水素ガスは、冷却器７において２０℃〜３０℃程度に冷却される。
２は熱交換器であり、低温側には前記水素ガス製造設備３で生成され冷却器７にて２０℃〜３０℃程度に冷却された低温の冷却水素が冷却水素ガス管６を通って導入されるとともに、高温側には前記石炭水素添加ガス化炉１にて生成された８００℃程度の高温生成ガスが高温生成ガス管４を通って導入されるようになっている。
【００３８】
そして、前記熱交換器２は、前記高温生成ガスと低温の冷却水素とを熱交換して該高温生成ガスを所定の低温まで冷却し、高温生成ガス送出管５から使用先に送出するとともに、該高温となった冷却水素を冷却水素ガス管６ａを通して前記石炭水素添加ガス化炉１に送入し、石炭のガス化に供せしめている。
８は、前記高温生成ガス管４から分岐されたチャー排出管で、前記高温生成ガス中のチャーを排出する。
【００３９】
前記熱交換器２の第１実施例を示す図２において、２１は鋼材からなる筒状本体即ち外筒であり、該外筒の内面には断熱材４８が一定厚さで以って貼設されている。
２３は高温生成ガスの入口部を構成するヘッドカバーであり、耐熱性を有する鋼材からなる。２４は後述する多数の伝熱管２５の上端部が固着されてこれを支持する管板であり、耐熱性、耐食性を有する鋼板からなる。
前記外筒２１の上部フランジ０２１及びヘッドカバー２３の下部フランジ２３ａ及び管板２４は、該管板２４を両フランジ０２１、２３ａで挟み込み、複数のボルト（図示省略）で締着されている。
【００４０】
前記ヘッドカバー２３の上部には、前記石炭水素添加ガス化炉１からの高温生成ガス管４に接続される高温生成ガス入口２８が設けられている。２７はヘッドカバー２３の内面に貼設された断熱材であり、該断熱材２７の内部には入口チャンバ４４が形成されている。
【００４１】
前記管板２４には、多数の伝熱管２５の上端部が後述する手段によって固着されている。該伝熱管２５は、耐熱、耐食性を有する鋼管からなり、前記外筒２１の内部をその軸方向に下方に垂下され、下端部を下部管板５３にろう付け（あるいは溶接）により固着されている。
該伝熱管２５の上端部は前記管板２４を介して前記ヘッドカバー２３内に形成された入口チャンバ４４に開口され、下端部は前記下部管板５３の内部に形成された出口チャンバ５４に開口されている。
【００４２】
該下部管板５３の内部には、前記のように、出口チャンバ５４が形成されるとともに、下部には該出口チャンバ５４に連通される高温生成ガス出口３１が形成されている。該高温生成ガス出口３１は、降温された高温生成ガスの使用先に接続されている。
また、該下部管板５３は、その外周にはスライド部０４６が形成されており、前記外筒２１の内面（つまり断熱材４８の内面）に対して往復摺動自在に嵌合されるとともに、下部の前記高温生成ガス出口３１の外周にもスライド部３２が形成されて外筒２１下端の出口筒５４に往復摺動自在に嵌合されている。
従って前記伝熱管２５の外筒２１の軸方向への熱膨張とともに、前記下部管板５３もスライド部０４６及び３２を介して外筒２１の内面を摺動可能となる。
【００４３】
４３は前記外筒２１内の上部に形成された冷却室である。該冷却室４３は前記管板２４の下面が臨むように形成され、下部の仕切板４２により後述する水素ガス通路４５と仕切られている。
２４ａは該冷却室４３に冷却水素を導入するための冷却水素入口であり、前記水素ガス製造設備３からの冷却水素ガス管６に接続されている。
【００４４】
前記仕切板４２には、前記多数の伝熱管２５が挿通、固着されるとともに、その中心部には降下管２６の上端部が固着されている。
また、該仕切板４２は、その外周部が前記外筒２１の内面（つまり該外筒２１に貼着された断熱材４８の内面）に摺動自在に嵌合されるスライド部４７を形成しており、前記伝熱管２５の伸縮とともに前記スライド部４７を介して上下動可能となっている。
【００４５】
４５は前記外筒２１の内部に形成された水素ガス通路である。該水素ガス通路４５は上部が前記冷却室４３と前記仕切板４２によって仕切られ、下部が前記下部管板５３により出口チャンバ５４と仕切られている。そして、該水素ガス通路４５の中心部には前記降下管２６が軸方向に垂下され、その下部空間に該降下管２６の下端部が開口している。
【００４６】
３３，４０は前記伝熱管２５が挿通、固着された管支持板である。該管支持板３３と４０とは、前記伝熱管２５を支持するとともに水素ガス通路４５内における冷却水素の上昇流の案内をなすもので、図２中破線矢印にて示すように、双方の支持板３３と４０とは千鳥状に配置されて冷却水素が該管支持板３３及び４０に案内されて曲流しながら上昇するようになっている。
３０は、前記外筒２１の、前記水素ガス通路４５の上部位置に設けられた冷却水素ガス出口で、前記石炭水素添加ガス化炉１への冷却水素ガス管６ａに接続されている。
４１は前記外筒２１の外周の適所に固着された熱交換器取付用の支持脚である。
【００４７】
図３は前記伝熱管２５の管板２４への取付部の詳細を示し、該管板２４の下面には前記伝熱管２５の上端部がろう付けあるいは溶接により固着されている。２４ｂはその固着部である。
４６は耐熱、耐食性を有する鋼管からなる内管である。該内管４６は、上端を前記入口チャンバ４４に開口するとともに、その外縁部４６ａを断熱材２７に固着されている。
【００４８】
さらに、該内管４６は、前記伝熱管２５内に嵌合されて下方に伸び、少なくとも伝熱管２５の前記冷却室４３よりも下方位置において、下端開口部４６ｂが形成されるようになっており、該嵌合区間においては伝熱管２５は実質的に２重管を構成している。
４６ｃは前記内管４６の下端のスライド部で、内管４６は該スライド部４６ｃを介して前記伝熱管２５の内周を往復摺動可能となっている。
【００４９】
かかる構成からなる石炭ガス化装置において、図１に示すように、水素ガス製造設備３にて生成された水素ガスは、冷却器７にて２０℃〜３０℃程度の低温に冷却されて冷却水素となり、冷却水素ガス管６を通って熱交換器２の冷却水素入口２４ａに導入される。
【００５０】
また、石炭水素添加ガス化炉１においては、石炭（微紛炭）を酸素及び前記熱交換器２において加熱された水素を用いてガス化する。そして、この高温生成ガスは温度７００℃〜８００℃、圧力７０〜８０ｋｇｆ／ｃｍ2程度に保持され高温生成ガス管４を通って前記熱交換器２の高温生成ガス入口２８に導かれる。
【００５１】
該熱交換器２においては後述するような過程で高温生成ガスと冷却水素とを熱交換して、高温生成ガスを所定の低温まで降温せしめる。
一方、冷却水素は前記熱交換によって７００℃程度まで昇温され、冷却水素ガス管６ａを通って前記石炭水素添加ガス化炉１に送られ、石炭のガス化に使用される。
【００５２】
従って、かかる実施形態によれば、熱交換器２において、高温生成ガスを冷却して該高温生成ガスの顕熱を奪った冷却水素を石炭水素添加ガス化炉１に供給することによって、該生成ガスの冷却により水素ガスが得た熱を前記ガス化炉１において回収することができ、装置の熱効率が向上する。
【００５３】
次に、前記熱交換器２の動作を説明する。
該熱交換器２の冷却水素入口２４ａに導かれた冷却水素は冷却室４３に流入する。
一方、前記高温生成ガス管４を経て該熱交換器２の高温生成ガス入口２８に導かれた高温生成ガスは断熱材２７によって保温された入口チャンバ４４に流入した後、図２の実線矢印のように流れて、伝熱管２５に流入する。
【００５４】
かかる伝熱管２５への高温生成ガスの流入時において、図３に示すように、管板２４の下部に固着された伝熱管２５の内周に相対摺動可能に嵌合された内管４６を設けて２重管とし、該内管４６の上端部を入口チャンバ４４に開口しているので、高温生成ガスは先ず内管４６に導入された後、該内管４６内を通って前記冷却室４３の下側対応部近傍から伝熱管２５内に流出し、該伝熱管２５内を下方に流れる。
【００５５】
従って、伝熱管２５の管板２４への接続部近傍は腐食性を有する高温生成ガスの直接流入が無いため、該高温生成ガスによる伝熱管２５への熱衝撃が緩和されるとともに、伝熱管２５の腐食性ガスとの高温下における直接接触が回避される。
【００５６】
一方、前記冷却室４３内に流入した２０℃〜３０℃の低温冷却水素は該冷却室４３に臨んでいる管板２４を冷却する。
前記管板２４は、前記冷却室を設置しない場合には、前記高温生成ガスに直撃されることによって高温に加熱されるが、前記冷却水素によって冷却されることにより、その温度は大きく降下せしめられる。これによって前記高温生成ガスの流入による管板２４への熱衝撃が緩和され、該管板２４の温度上昇による熱応力が低減される。
【００５７】
また、前記冷却室４３内の冷却水素は該冷却室４３に臨んでいる伝熱管２５を外部より冷却し、その内部を流れている高温生成ガスと熱交換した後、図２の破線矢印に示すように降下管２６内に流入する。
そして、該降下管２６内を下降した冷却水素は、その下端開口部から水素ガス通路４５内に流出して上方に転向し、図２の破線矢印に示すように、管支持板３３あるいは４０に案内されながら上昇して、伝熱管２５内を下方に通流している高温生成ガスと熱交換を行ない、これを冷却する。
【００５８】
かかる冷却時において、伝熱管２５内を下方に流れる高温生成ガスに対して、冷却水素は下方から上方へ流れる対向流となるので、高温生成ガスと冷却水素との間の熱通過率が上昇し、高温生成ガスの冷却度が向上する。
また、高温生成ガスを直管からなる伝熱管２５内を通すので、熱交換器２の内部が該高温生成ガスに混入されているチャーやタール等によって汚染されるのが回避されるとともに、伝熱管２５が直管であるので、高温生成ガス中の異物による伝熱管２５の詰まりの発生も防止される。
【００５９】
また、前記のように伝熱管２５内には８００℃程度の高温生成ガスを流して、これを２０℃〜３０℃の冷却水素で冷却しているため、該伝熱管２５の温度レベルが高く、かつ高温側である管板２４近傍と低温側である下部管板５３近傍との温度差が大きくなって伝熱管２５は軸方向に熱膨張を生ずる。
【００６０】
しかしながら、かかる実施形態においては、該伝熱管２５の前記管板２４への固定端以外の部位では、仕切板４２をスライド部４７で、また下部管板５３をスライド部０４６及び３２で、外筒２１の内面に対して往復摺動可能に嵌合しているので、伝熱管２５の熱膨張とともに、これらの仕切板４２、下部管板５３等の全ての支持部材も移動可能となる。このため、伝熱管２５の熱膨張が下部管板５３等の低温側で拘束されることは無く、かかる熱膨張の拘束による伝熱管２５及びこれの支持部の熱応力が大幅に低減される。
【００６１】
図４〜図５は本発明の第２実施例を示す。
この実施例においては、冷却室４３をユニット化して構成している。
【００６２】
即ち、図４〜図５において、５１は冷却室ユニットであり、５１ｂは薄肉円筒からなる筒体、２４及び４２は図２に示す第１実施例と同様な管板及び仕切板であり、該筒体５１ｂの上端面に前記管板２４を、下端面に前記仕切板４２を溶接等によりそれぞれ固着することにより、その内部に冷却室４３を形成している。前記管板２４に設けられた多数の透孔５１ｅ及び仕切板４２に設けられた多数の透孔５１ｆには伝熱管２５が挿通される。
また、前記仕切板４２の中央部下面には降下管２６が固着されている。
【００６３】
５１ｇは円筒状に形成された接続筒である。図５に示すように、該接続筒５１ｇは前記外筒２１の冷却水素入口２４ａ内に挿通され、その先端部を前記筒体５１ｂの側部の孔にボルト５１ｈにより取付けられたシールリング５１ｊの内周に往復摺動自在に嵌合している。
また、該接続筒５１ｇの端部のフランジ５１ｉは、前記冷却水素入口２４ａのフランジ２１ａと冷却水素ガス管６との間に挟持し、締め付けるようになっている。
【００６４】
かかる冷却室ユニット５１を熱交換器２に組み付けるに当たっては、筒体５１ｂに、管板２４及び仕切板４２を、伝熱管２５を挿通させた後に固着して冷却室４３を形成し、図５に示すように、該筒体５１ｂの側部の孔にボルト５１ｈによってシールリング５１ｊを組み付ける。
そして、接続筒５１ｇを、冷却水素入口２４ａ内を通し、これの先端部を前記シールリング５１ｊの内周に嵌合させた後、そのフランジ５１ｉを冷却水素入口２４ａのフランジ０２１と冷却水素ガス管６との間に挟み込み、ボルトによって締め付ける。
これにより、接続筒５１ｇはシールリング５１ｊによって確実にシールされ、冷却水素ガス管６からの冷却水素は漏洩を生ずること無く、接続筒５１ｇを通って冷却室４３内に導入される。
尚、前記管板２４と筒体５１ｂとはボルトによって締着してもよい。
その他の構成は、図２に示す第１実施例と同様である。
【００６５】
図６は本発明の第３実施例を示す。
この実施例においては、第２実施例に示すような冷却室ユニット５１の構造を簡単化するとともに、管板２４の冷却効果を向上させている。
即ち図６において、５１は冷却室ユニットであり、薄肉円板状の仕切板４２の上面に該仕切板４２の外径よりも小径の筒体５１ｂを固着し、該筒体５１ｂの上端面５１ｋと一定の間隔Ｓを存して円板状の管板２４を設けて、該仕切板４２の上面と筒体５１ｂの内面と管板２４の下面とにより、冷却室４３を区画形成している。
【００６６】
また、外筒２１の内周に固着されている断熱材４８の内周面と前記筒体５１ｂの外周面との間には環状の冷却水素通路５１ｍが形成され、該冷却水素通路５１ｍの入口側は前記外筒２１の冷却水素入口に連通されるとともに、出口側には冷却水素を管板２４の下面に向けて送出するためのノズル部５１ｌが形成されている。
５１ｅ，５１ｆは前記第２実施例と同様な伝熱管挿通用の穴、２６は前記降下管で、仕切板４２の中央部に固着されている。
【００６７】
かかる第３実施例においては、冷却水素入口２４ａから冷却水素通路５１ｍ内に導入された冷却水素は、図６の矢印のように流れて、ノズル部５１ｌから管板２４の下面に向けて送出（噴出）せしめられるので、管板２４の冷却が促進され、冷却効果が向上する。
また、この実施例においては、仕切板４２の上面に該仕切板４２よりも外径が小さい筒体５１ｂを固着し、その上部に一定間隔を存して管板２４を設置するという、極めて簡単な構造で以って管板２４の冷却効果を向上させることができる。
その他の構造は図２に示す第１実施例と同様である。
【００６８】
【発明の効果】
以上記載の如く、本発明によれば、低温の冷却水素を先ず冷却室に導入して管板を直接冷却することにより、管板の温度は大きく降下せしめられ、高温生成ガスの流入による管板の熱衝撃が緩和されるとともに、該管板の温度上昇による熱応力を低減することができる。
【００６９】
また、前記冷却室を通った冷却水素は降下管を下方に流れた後、上昇に転じ、伝熱管を下方に流れる高温生成ガスと対向流となるので、伝熱管内を下方に流れる高温生成ガスと冷却流体通路を上方に流れる冷却水素との間の熱伝達率が上昇し、高温生成ガスを効率的に冷却することができる。
【００７０】
請求項３及び４記載の発明によれば、伝熱管の上部管板側を固定し、下部管板及び仕切板を含む伝熱管の支持部材を筒状本体にスライド可能に嵌合しているので、伝熱管の熱膨張とともに、これらの支持部材もスライド部を介して下方に移動することとなる。このため、従来のもののように伝熱管の熱膨張が下部管板等の低温側で拘束されることは無く、かかる熱膨張の拘束による伝熱管及びこれの支持部の熱応力が大幅に低減することができる。
【００７１】
請求項５記載の発明によれば、伝熱管内にスライド可能に内管を設けて、伝熱管の管板接続部近傍を２重管とし、入口チャンバからの高温生成ガスを先ず内管に導入した後、伝熱管内へと流動させることができ、これによって伝熱管の管板への接続部近傍は腐食性を有する高温生成ガスの直接流入が無くなり、該高温生成ガスによる熱衝撃が緩和されるとともに、腐食性ガスが高温下において直接伝熱管に接触するのが抑制され、該熱衝撃に伴なう過大応力及び高温腐食による伝熱管と管板との接続部近傍の破損の発生を防止することができる。
【００７２】
さらに請求項１、２記載の発明によれば、低温の冷却流体が収容される冷却室をユニット化することができ、これによって筒状本体内部との間の仕切板は不要となってシール性が向上するとともに、組立が容易化され、交換性も向上する。
【００７３】
また、請求項７記載の発明によれば、熱交換器において、石炭ガス化炉から供給される高温生成ガスと、低温の冷却水素とを熱交換することにより、高温生成ガスを所定の低温に冷却するとともに、該生成ガスの顕熱を奪った冷却水素ガスを石炭ガス化炉に供給することによって、該生成ガスの冷却とともに冷却水素ガスを介しての熱回収を行なうことができ、石炭ガス化装置の熱効率を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の実施形態に係る石炭ガス化装置の全体構成図である。
【図２】 本発明の熱交換器の第１実施例の縦断面図である。
【図３】 図２のＺ部拡大断面図である。
【図４】 本発明の熱交換器の第２実施例における冷却室ユニットの分解斜視図である。
【図５】 図４のＹ部拡大断面図である。
【図６】 本発明の第３実施例における冷却室ユニットの構成図である。
【図７】 従来の石炭ガス化炉による高温ガス生成システム構成図である。
【符号の説明】
１ 石炭水素添加ガス化炉
２ 熱交換器
３ 水素ガス製造設備
４ 高温生成ガス管
５ 生成ガス送出管
６、６ａ 冷却水素ガス管
７ 冷却器
２１ 外筒
２４ 管板
２５ 伝熱管
２６ 降下管
２８ 高温生成ガス入口
３１ 高温生成ガス出口
３２，０４６，４７ スライド部
３３，４０ 管支持板
４２ 仕切板
４３ 冷却室
４４ 入口チャンバ
４５ 水素ガス通路
５１ 冷却室ユニット
５１ｂ 筒体
５１ｇ 接続筒
５１ｊ シールリング
５１ｍ 冷却水素通路
５１ｌ ノズル部
５４ 出口チャンバ
【発明の属する技術分野】
本発明は熱交換器及び該熱交換器を用いた石炭ガス化装置に係り、特に石炭をガス化してメタンを主成分とする都市ガスを製造する石炭ガス化装置及び該装置に使用される熱交換器に関する。
【０００２】
【従来の技術】
石炭を、ガス化炉においてガス化して、メタンを主成分とする都市ガスを生成する石炭ガス化設備においては、石炭ガス化炉から導出される生成ガスが約８００℃と高温なため、かかる高温生成ガス熱交換器に導き、該熱交換器にて冷媒と熱交換を行なって所定の低温まで冷却している。
【０００３】
かかる石炭ガス化炉による高温ガス生成システムの１例を図７に示す。
図７において、０１は石炭ガス化炉で、原料の石炭及び燃焼用の酸素を投入して高温ガスを生成するものであり、従来種々の装置が提供されている。
該石炭ガス化炉０１において生成された高温生成ガスは約８００℃程度の高温となっており、高温生成ガス管４を通って熱交換器０２に導かれ、該熱交換器０２において、次のような熱交換を行ない、所定の低温まで冷却され、生成ガス送出管５から使用先に送られる。
【０００４】
即ち、前記熱交換器０２には、前記高温生成ガスの冷却媒体として水（Ｈ2Ｏ）が導入され、該高温生成ガスは、熱交換器０２において、この水と熱交換を行なう。
該熱交換器０２において、前記熱交換を行なった水は蒸発して蒸気となり、出口管０４を通って凝縮器０３に導入される。
該凝縮器０３においては、前記蒸気を冷却流体によって冷却して液化して低温水とし、この低温水は再び熱交換器０２に導かれる。
【０００５】
前記高温生成ガスを冷却するための熱交換器としては、通常、いわゆるシェル・アンド・チューブ式熱交換器が用いられている。
この熱交換器は、筒内にその軸方向に沿って多数の伝熱管を配し、該伝熱管の両端を平板状の管板に固定し、該管板を前記筒体の端部フランジ、及び前記各伝熱管の出入口が開口する入口チャンバ及び出口チャンバのフランジと共締めにて固定している。
【０００６】
そして、かかる熱交換器は、前記入口チャンバ内に導入した高温流体は、各伝熱管内に流れて出口チャンバに至る間に、前記筒体の一端側に導入されて、該筒内を前記高温流体と対向する方向に流動する低温流体と熱交換することによって冷却されるように構成されている。
【０００７】
また、前記高温ガスと低温ガス（空気）との熱交換としては、排ガスによって空気を加熱する熱交換器が特開平１０−１７０１７３号にて提案されている。
この発明においては、伝熱外管と該伝熱外管内に同軸上に配置された伝熱内管とよりなる伝熱管を高温ガス流路内であって、かつ高温ガス流の流れ方向に延在すよう懸吊して配置した高温空気加熱器において、前記高温空気加熱器を前記高温ガス流路の上流側に配置された第１の空気加熱器と後流側に配置された第２の空気加熱器とより構成し、前記第２の空気加熱器により加熱された被加熱空気を前記第１の空気加熱器に供給して加熱するように構成されるとともに、伝熱内管が伝熱外管内を降下して設けられ、空気が伝熱外管を降下して、対向流となっている外側の排ガスによって加熱された後、下端で上方に変向し伝熱内管内を上方に流れるようになっている。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
図７に示される従来技術に係る石炭ガス化装置にあっては、高温生成ガスは、熱交換器０２において、該熱交換器０２と凝縮器０３との間を循環する水と熱交換することによって所定の低温まで冷却されている。
【０００９】
そして前記熱交換器０２においては、前記のように約８００℃の高温の生成ガスを所定の低温まで冷却することから、水は前記高温生成ガスとの熱交換時に蒸発、気化し、この際の潜熱及び顕熱が温度レベルの低い大きな熱量となる。そしてかかる従来技術においては、前記のような大熱量を凝縮器０３において、冷却媒体中に放出することとなることから、熱エネルギの損失による熱効率の低下が避けられない。
【００１０】
また、かかる石炭ガス化システムにおいては、熱交換器０２の高温側に導入される高温生成ガスは、温度が７００℃〜８００℃、圧力が７０〜８０ｋｇｆ／ｃｍ2と、高温高圧で、かつＨ2Ｓ（硫化水素）、メタン、Ｈ2Ｏ（水）、ＣＯ等を含み、強い腐食性を有する。
【００１１】
このため、前記のようなシェル・アンド・チューブ式熱交換器や特開平１０−１７０１３３号にて提供されている熱交換器をかかる石炭ガス化システムに用いる場合には、前記腐食性ガスに対処するため、該熱交換器の伝熱管、管板、筒体やヘッドカバーの内面等の構成部材は前記腐食性ガスに対して高い耐食性を有する材料を用いることを要するとともに、前記のような高温、高圧ガスによる熱応力及び機械的応力を低く抑えて、耐久性を増大させることを要する。
【００１２】
しかしながら、前記従来技術に係る熱交換器にあっては、高温生成ガスの入口側の管板近傍は前記のように７００℃〜８００℃レベルの高温となり、出口側の低温部との温度差が大きくなって、高温ガスが流れる伝熱管の熱膨張量は極めて大きくなり、かかる熱膨張を管板によって拘束することにより、伝熱管の管板への接続部近傍に高い熱応力が発生するとともに、高温となるガス入口側の管板自体にも高い熱応力の発生をみる。
【００１３】
本発明はかかる従来技術の課題に鑑み、石炭ガス化装置において、石炭ガス化炉から送出される高温生成ガスの顕熱を有効に回収することにより、該石炭ガス化装置の熱効率を向上せしめるとともに、該高温生成ガスを冷却するための熱交換器の熱膨張に伴なう熱応力を低減して高温高圧の腐食性ガスに対して高い耐久性を有する熱交換器を得ることを目的とする。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
本発明はかかる課題を解決するため、請求項１及び２記載の発明として、筒状の本体内に、一端が管板に固着されて該本体の軸方向に伸び、内部を高温流体が流れる多数の伝熱管を設けるとともに、
該伝熱管の外側には冷却流体が流れる冷却流体通路を設け、前記管板上面の伝熱管開口部が臨む入口チャンバに導入された高温流体を前記伝熱管内に流して前記冷却流体通路を流動する冷却流体と熱交換するように構成された熱交換器であって、
前記筒状本体の上部に、前記管板の下面が臨むとともに、内部を前記伝熱管が貫通する冷却室を設けて、該冷却室に前記冷却流体の入口管に接続される冷却流体入口を設け、該冷却室から前記筒状本体内の下部に垂下して該冷却室内の低温流体を筒状本体内下部に搬送する降下管を設け、該冷却流体が前記冷却室から降下管を下降した後、前記筒状本体内下部にて流れ方向を反転し、前記筒状本体内を直状に貫通される前記伝熱管内の高温ガスと対向流を形成して上昇するように構成されてなることを要旨とし、
請求項１記載の発明は前記要旨に加えて、前記冷却室は前記筒状本体内部と仕切板により区切って形成され、該仕切板の上面に筒体を固着するとともに、該筒体の上端面及び下方を、前記伝熱管貫通用の透孔がそれぞれ穿設された管板及び前記仕切板により覆蓋して、内部に前記冷却室を形成してなる冷却室ユニットを、前記筒状本体の上部に着脱可能に設けたことを特徴とする熱交換器にある。
請求項２記載の発明は前記要旨に加えて、前記冷却室は前記筒状本体内部と仕切板により区切って形成され、該仕切板の上面に筒体を固着するとともに、該筒体の上端面が管板の下面と一定間隔を存して冷却流体の通路を形成し、前記仕切板の上面と筒体の内面と管板の下面とにより冷却室を形成し、さらに、前記筒体の外周面と外筒の内周面との間には冷却流体入口に連通される冷却流体通路を形成されてなることを特徴とする熱交換器にある。
【００１５】
また、請求項７記載の発明は、石炭をガス化する石炭ガス化炉で発生した高温生成ガスを熱交換器に導き、該熱交換器において所定の低温に冷却した後、使用先に送給するようにした石炭ガス化装置において、
水素ガスを生成し、これを所定の低温に冷却して前記熱交換器に供給する水素ガス供給手段を設け、
請求項１若しくは２の構成にした前記熱交換器を、該水素ガス供給手段から供給される低温の冷却水素ガスと前記高温生成ガスとを熱交換して該高温生成ガスを冷却するように構成し、さらに、前記熱交換器の冷却水素出口から高温に加熱された冷却水素ガス出口を前記石炭ガス化炉に導く水素ガス管路を設けてなることを特徴とする石炭ガス化装置を提案する。
【００１６】
かかる発明によれば、水素ガス供給手段において生成され、２０℃〜３０℃程度の低温にて供給される水素ガスは、熱交換器に導入されて、石炭ガス化炉にて生成された温度７００℃〜８００℃、圧力７０〜８０ｋｇｆ／ｃｍ2程度の高温、高圧の高温生成ガスと熱交換してこれを冷却することによって、該高温生成ガスから奪熱し、自らは７００℃程度に昇温されて石炭ガス化炉に送られ、石炭のガス化に供される。
【００１７】
従って、かかる発明によれば、熱交換器において石炭ガス化炉から供給される高温生成ガスと低温の冷水素とを熱交換することにより、高温生成ガスを所定の低温に冷却するとともに、該生成ガスの顕熱を奪って高温になった冷却水素ガスを石炭ガス化炉に供給することによって、該生成ガスの冷却とともに冷却水素ガスを介しての熱回収を行なうことができ、石炭ガス化装置の熱効率を向上させることができる。
【００２０】
前記水素ガスを供給する石炭ガス化炉においては、該ガス化炉から送出される高温生成ガスは、前記のように８００℃程度の高温のガスであることから、該高温生成ガスの熱交換器入口部にある管板の温度も高温となる。
然るに、本発明においては、低温の冷却水素を先ず冷却室に導入して管板を直接冷却することにより、管板の温度が大きく降下せしめられ、高温生成ガスの流入による管板の熱衝撃が緩和されるとともに、該管板の温度上昇による熱応力が低減される。
また、前記冷却室を通った冷却水素は降下管を下方に流れた後、上昇に転じ、伝熱管を下方に流れる高温生成ガスと対向流となるので、伝熱管内を下方に流れる高温生成ガスと冷却流体通路を上方に流れる冷却水素との間の熱伝達率が上昇し、高温生成ガスは効率的に冷却される。
【００２１】
また、高温生成ガスを直管からなる伝熱管内を通すので、熱交換器の内部が該高温生成ガスに混入されるチャーやタール等によって汚染されるのが回避されるとともに、直管であるので、高温生成ガス中の異物による伝熱管の詰まりの発生も抑制される。
【００２２】
請求項３記載の発明は、請求項１若しくは２記載の熱交換器において、前記管板に上端が固着された前記各伝熱管の下端を、前記冷却流体通路の下壁を形成する下部管板に固着し、該下部管板の外周面を前記筒状本体の内面にスライド可能に嵌合させてなる。
【００２３】
また、請求項４記載の発明は、請求項１若しくは２記載の熱交換器において、前記仕切板は前記複数の伝熱管が貫通されるとともに、その外周面を前記筒状本体の内面にスライド可能に嵌合させてなる。
【００２４】
前記のように、かかる熱交換器においては、８００℃程度の高温生成ガスを伝熱管内に上部の管板側から下方に通流させ、これを冷却するのに２０℃〜３０℃の低温の冷却水素を下方から上方へ対向流を形成して流動させつつ両流体の熱交換を行なうので、伝熱管の温度レベル自体が高温となるとともに、上部側と下部側との温度差も大きくなり、軸方向に大きな熱膨張を生ずる。
【００２５】
然るに、請求項３、４記載の発明にあっては、伝熱管の上部管板側を固定し、下部管板及び仕切板を含む伝熱管の支持部材を筒状本体にスライド可能に嵌合しているので、伝熱管の熱膨張とともに、これらの支持部材もスライド部を介して下方に移動することとなる。このため、従来のもののように、伝熱管の熱膨張が下部管板等の低温側で拘束されることはなく、かかる熱膨張の拘束による伝熱管及びこれの支持部の熱応力が大幅に低減される。
【００２６】
また、請求項１、２記載の発明において、冷却室を設けることにより、管板側の温度自体が降温されているため、かかる作用に、請求項３、４記載の発明における前記のような熱膨張の拘束の解除作用が重畳されて伝熱管及びこれの支持部の熱応力はさらに低減される。
【００２７】
請求項５記載の発明は、請求項１〜３の何れかにおいて、前記管板に固着される前記伝熱管の上部内周にスライド自在に嵌合される内管を設け、該内管は、上端を前記入口チャンバに開口され、下端を前記伝熱管内に開口されてなる。
【００２８】
本発明にかかる熱交換器においては、前記のように、腐食性を有する８００℃程度の高温生成ガスが管板の伝熱管接合部から多数の伝熱管内に一挙に流入するため、伝熱管の管板への接続部近傍には大きな熱衝撃が加わる。
然るに、請求項５記載の発明においては、前記伝熱管内にスライド可能に内管を設けて、伝熱管の管板接続部近傍を２重管とし、入口チャンバからの高温生成ガスを先ず内管に導入した後、これと相対摺動可能に嵌挿されている伝熱管内へと流動させる。
【００２９】
これによって伝熱管の管板への接続部近傍は腐食性を有する高温生成ガスの直接流入が無いため、該高温生成ガスによる熱衝撃が緩和されるとともに、伝熱管が高温下において、腐食性ガスとの直接接触するのが抑制され、該熱衝撃に伴なう過大応力及び高温腐食による伝熱管と管板との溶接部等の破損の発生が回避される。
【００３１】
また、請求項６記載の発明は、請求項１において、一端が前記冷却室ユニットの冷却流体入口にスライド可能にかつ流体密に嵌合された筒状体からなる接続筒を設け、該接続筒の他端に前記冷却流体入口管を接続してなる。
【００３２】
かかる発明によれば、筒体の上、下端面を管板及び仕切板で覆蓋してその内側に冷却室を形成してなる冷却室ユニットを筒状本体の上部に組み込み、冷却流体の入口側には接続筒をシール状態で設けて該接続筒の入口端を入口管に固定することにより、低温の冷却流体が収容される冷却室をユニット化することができ、これによって筒状本体内部との間の仕切板は不要となってシール性が向上するとともに、組立が容易化され、交換性も向上する。
【００３４】
尚、前記請求項２記載の発明によれば、筒体の外側の冷却流体通路を通った冷却流体を管板の下面に向けて噴出させるので、管板の冷却効果が向上するとともに、仕切板の上面にこれよりも小径の筒体を固着し、その上部に一定間隔を存して管板を設置するという極めて簡単な構造で以って、前記のような冷却効果を得ることができる。
【００３５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を図に示した実施例を用いて詳細に説明する。但し、この実施例に記載される構成部品の寸法、材質、形状、その相対配置などは特に特定的な記載が無い限り、この発明の範囲をそれのみに限定する趣旨ではなく単なる説明例に過ぎない。
【００３６】
図１は本発明の実施形態に係る石炭ガス化装置の全体構成図、図２は熱交換器の第１実施例の縦断面図、図３は図２のＺ部拡大断面図である。また図４は前記熱交換器の第２実施例における冷却室ユニットの分解斜視図、図５は図４のＹ部拡大断面図である。
【００３７】
図１において、１は石炭水素添加ガス化炉であり、石炭（微紛炭）を酸素及び後述する水素ガス製造設備３にて生成された水素によりガス化するガス化炉である。
３は水素ガス製造設備であり、該水素ガス製造設備３にて生成された水素ガスは、冷却器７において２０℃〜３０℃程度に冷却される。
２は熱交換器であり、低温側には前記水素ガス製造設備３で生成され冷却器７にて２０℃〜３０℃程度に冷却された低温の冷却水素が冷却水素ガス管６を通って導入されるとともに、高温側には前記石炭水素添加ガス化炉１にて生成された８００℃程度の高温生成ガスが高温生成ガス管４を通って導入されるようになっている。
【００３８】
そして、前記熱交換器２は、前記高温生成ガスと低温の冷却水素とを熱交換して該高温生成ガスを所定の低温まで冷却し、高温生成ガス送出管５から使用先に送出するとともに、該高温となった冷却水素を冷却水素ガス管６ａを通して前記石炭水素添加ガス化炉１に送入し、石炭のガス化に供せしめている。
８は、前記高温生成ガス管４から分岐されたチャー排出管で、前記高温生成ガス中のチャーを排出する。
【００３９】
前記熱交換器２の第１実施例を示す図２において、２１は鋼材からなる筒状本体即ち外筒であり、該外筒の内面には断熱材４８が一定厚さで以って貼設されている。
２３は高温生成ガスの入口部を構成するヘッドカバーであり、耐熱性を有する鋼材からなる。２４は後述する多数の伝熱管２５の上端部が固着されてこれを支持する管板であり、耐熱性、耐食性を有する鋼板からなる。
前記外筒２１の上部フランジ０２１及びヘッドカバー２３の下部フランジ２３ａ及び管板２４は、該管板２４を両フランジ０２１、２３ａで挟み込み、複数のボルト（図示省略）で締着されている。
【００４０】
前記ヘッドカバー２３の上部には、前記石炭水素添加ガス化炉１からの高温生成ガス管４に接続される高温生成ガス入口２８が設けられている。２７はヘッドカバー２３の内面に貼設された断熱材であり、該断熱材２７の内部には入口チャンバ４４が形成されている。
【００４１】
前記管板２４には、多数の伝熱管２５の上端部が後述する手段によって固着されている。該伝熱管２５は、耐熱、耐食性を有する鋼管からなり、前記外筒２１の内部をその軸方向に下方に垂下され、下端部を下部管板５３にろう付け（あるいは溶接）により固着されている。
該伝熱管２５の上端部は前記管板２４を介して前記ヘッドカバー２３内に形成された入口チャンバ４４に開口され、下端部は前記下部管板５３の内部に形成された出口チャンバ５４に開口されている。
【００４２】
該下部管板５３の内部には、前記のように、出口チャンバ５４が形成されるとともに、下部には該出口チャンバ５４に連通される高温生成ガス出口３１が形成されている。該高温生成ガス出口３１は、降温された高温生成ガスの使用先に接続されている。
また、該下部管板５３は、その外周にはスライド部０４６が形成されており、前記外筒２１の内面（つまり断熱材４８の内面）に対して往復摺動自在に嵌合されるとともに、下部の前記高温生成ガス出口３１の外周にもスライド部３２が形成されて外筒２１下端の出口筒５４に往復摺動自在に嵌合されている。
従って前記伝熱管２５の外筒２１の軸方向への熱膨張とともに、前記下部管板５３もスライド部０４６及び３２を介して外筒２１の内面を摺動可能となる。
【００４３】
４３は前記外筒２１内の上部に形成された冷却室である。該冷却室４３は前記管板２４の下面が臨むように形成され、下部の仕切板４２により後述する水素ガス通路４５と仕切られている。
２４ａは該冷却室４３に冷却水素を導入するための冷却水素入口であり、前記水素ガス製造設備３からの冷却水素ガス管６に接続されている。
【００４４】
前記仕切板４２には、前記多数の伝熱管２５が挿通、固着されるとともに、その中心部には降下管２６の上端部が固着されている。
また、該仕切板４２は、その外周部が前記外筒２１の内面（つまり該外筒２１に貼着された断熱材４８の内面）に摺動自在に嵌合されるスライド部４７を形成しており、前記伝熱管２５の伸縮とともに前記スライド部４７を介して上下動可能となっている。
【００４５】
４５は前記外筒２１の内部に形成された水素ガス通路である。該水素ガス通路４５は上部が前記冷却室４３と前記仕切板４２によって仕切られ、下部が前記下部管板５３により出口チャンバ５４と仕切られている。そして、該水素ガス通路４５の中心部には前記降下管２６が軸方向に垂下され、その下部空間に該降下管２６の下端部が開口している。
【００４６】
３３，４０は前記伝熱管２５が挿通、固着された管支持板である。該管支持板３３と４０とは、前記伝熱管２５を支持するとともに水素ガス通路４５内における冷却水素の上昇流の案内をなすもので、図２中破線矢印にて示すように、双方の支持板３３と４０とは千鳥状に配置されて冷却水素が該管支持板３３及び４０に案内されて曲流しながら上昇するようになっている。
３０は、前記外筒２１の、前記水素ガス通路４５の上部位置に設けられた冷却水素ガス出口で、前記石炭水素添加ガス化炉１への冷却水素ガス管６ａに接続されている。
４１は前記外筒２１の外周の適所に固着された熱交換器取付用の支持脚である。
【００４７】
図３は前記伝熱管２５の管板２４への取付部の詳細を示し、該管板２４の下面には前記伝熱管２５の上端部がろう付けあるいは溶接により固着されている。２４ｂはその固着部である。
４６は耐熱、耐食性を有する鋼管からなる内管である。該内管４６は、上端を前記入口チャンバ４４に開口するとともに、その外縁部４６ａを断熱材２７に固着されている。
【００４８】
さらに、該内管４６は、前記伝熱管２５内に嵌合されて下方に伸び、少なくとも伝熱管２５の前記冷却室４３よりも下方位置において、下端開口部４６ｂが形成されるようになっており、該嵌合区間においては伝熱管２５は実質的に２重管を構成している。
４６ｃは前記内管４６の下端のスライド部で、内管４６は該スライド部４６ｃを介して前記伝熱管２５の内周を往復摺動可能となっている。
【００４９】
かかる構成からなる石炭ガス化装置において、図１に示すように、水素ガス製造設備３にて生成された水素ガスは、冷却器７にて２０℃〜３０℃程度の低温に冷却されて冷却水素となり、冷却水素ガス管６を通って熱交換器２の冷却水素入口２４ａに導入される。
【００５０】
また、石炭水素添加ガス化炉１においては、石炭（微紛炭）を酸素及び前記熱交換器２において加熱された水素を用いてガス化する。そして、この高温生成ガスは温度７００℃〜８００℃、圧力７０〜８０ｋｇｆ／ｃｍ2程度に保持され高温生成ガス管４を通って前記熱交換器２の高温生成ガス入口２８に導かれる。
【００５１】
該熱交換器２においては後述するような過程で高温生成ガスと冷却水素とを熱交換して、高温生成ガスを所定の低温まで降温せしめる。
一方、冷却水素は前記熱交換によって７００℃程度まで昇温され、冷却水素ガス管６ａを通って前記石炭水素添加ガス化炉１に送られ、石炭のガス化に使用される。
【００５２】
従って、かかる実施形態によれば、熱交換器２において、高温生成ガスを冷却して該高温生成ガスの顕熱を奪った冷却水素を石炭水素添加ガス化炉１に供給することによって、該生成ガスの冷却により水素ガスが得た熱を前記ガス化炉１において回収することができ、装置の熱効率が向上する。
【００５３】
次に、前記熱交換器２の動作を説明する。
該熱交換器２の冷却水素入口２４ａに導かれた冷却水素は冷却室４３に流入する。
一方、前記高温生成ガス管４を経て該熱交換器２の高温生成ガス入口２８に導かれた高温生成ガスは断熱材２７によって保温された入口チャンバ４４に流入した後、図２の実線矢印のように流れて、伝熱管２５に流入する。
【００５４】
かかる伝熱管２５への高温生成ガスの流入時において、図３に示すように、管板２４の下部に固着された伝熱管２５の内周に相対摺動可能に嵌合された内管４６を設けて２重管とし、該内管４６の上端部を入口チャンバ４４に開口しているので、高温生成ガスは先ず内管４６に導入された後、該内管４６内を通って前記冷却室４３の下側対応部近傍から伝熱管２５内に流出し、該伝熱管２５内を下方に流れる。
【００５５】
従って、伝熱管２５の管板２４への接続部近傍は腐食性を有する高温生成ガスの直接流入が無いため、該高温生成ガスによる伝熱管２５への熱衝撃が緩和されるとともに、伝熱管２５の腐食性ガスとの高温下における直接接触が回避される。
【００５６】
一方、前記冷却室４３内に流入した２０℃〜３０℃の低温冷却水素は該冷却室４３に臨んでいる管板２４を冷却する。
前記管板２４は、前記冷却室を設置しない場合には、前記高温生成ガスに直撃されることによって高温に加熱されるが、前記冷却水素によって冷却されることにより、その温度は大きく降下せしめられる。これによって前記高温生成ガスの流入による管板２４への熱衝撃が緩和され、該管板２４の温度上昇による熱応力が低減される。
【００５７】
また、前記冷却室４３内の冷却水素は該冷却室４３に臨んでいる伝熱管２５を外部より冷却し、その内部を流れている高温生成ガスと熱交換した後、図２の破線矢印に示すように降下管２６内に流入する。
そして、該降下管２６内を下降した冷却水素は、その下端開口部から水素ガス通路４５内に流出して上方に転向し、図２の破線矢印に示すように、管支持板３３あるいは４０に案内されながら上昇して、伝熱管２５内を下方に通流している高温生成ガスと熱交換を行ない、これを冷却する。
【００５８】
かかる冷却時において、伝熱管２５内を下方に流れる高温生成ガスに対して、冷却水素は下方から上方へ流れる対向流となるので、高温生成ガスと冷却水素との間の熱通過率が上昇し、高温生成ガスの冷却度が向上する。
また、高温生成ガスを直管からなる伝熱管２５内を通すので、熱交換器２の内部が該高温生成ガスに混入されているチャーやタール等によって汚染されるのが回避されるとともに、伝熱管２５が直管であるので、高温生成ガス中の異物による伝熱管２５の詰まりの発生も防止される。
【００５９】
また、前記のように伝熱管２５内には８００℃程度の高温生成ガスを流して、これを２０℃〜３０℃の冷却水素で冷却しているため、該伝熱管２５の温度レベルが高く、かつ高温側である管板２４近傍と低温側である下部管板５３近傍との温度差が大きくなって伝熱管２５は軸方向に熱膨張を生ずる。
【００６０】
しかしながら、かかる実施形態においては、該伝熱管２５の前記管板２４への固定端以外の部位では、仕切板４２をスライド部４７で、また下部管板５３をスライド部０４６及び３２で、外筒２１の内面に対して往復摺動可能に嵌合しているので、伝熱管２５の熱膨張とともに、これらの仕切板４２、下部管板５３等の全ての支持部材も移動可能となる。このため、伝熱管２５の熱膨張が下部管板５３等の低温側で拘束されることは無く、かかる熱膨張の拘束による伝熱管２５及びこれの支持部の熱応力が大幅に低減される。
【００６１】
図４〜図５は本発明の第２実施例を示す。
この実施例においては、冷却室４３をユニット化して構成している。
【００６２】
即ち、図４〜図５において、５１は冷却室ユニットであり、５１ｂは薄肉円筒からなる筒体、２４及び４２は図２に示す第１実施例と同様な管板及び仕切板であり、該筒体５１ｂの上端面に前記管板２４を、下端面に前記仕切板４２を溶接等によりそれぞれ固着することにより、その内部に冷却室４３を形成している。前記管板２４に設けられた多数の透孔５１ｅ及び仕切板４２に設けられた多数の透孔５１ｆには伝熱管２５が挿通される。
また、前記仕切板４２の中央部下面には降下管２６が固着されている。
【００６３】
５１ｇは円筒状に形成された接続筒である。図５に示すように、該接続筒５１ｇは前記外筒２１の冷却水素入口２４ａ内に挿通され、その先端部を前記筒体５１ｂの側部の孔にボルト５１ｈにより取付けられたシールリング５１ｊの内周に往復摺動自在に嵌合している。
また、該接続筒５１ｇの端部のフランジ５１ｉは、前記冷却水素入口２４ａのフランジ２１ａと冷却水素ガス管６との間に挟持し、締め付けるようになっている。
【００６４】
かかる冷却室ユニット５１を熱交換器２に組み付けるに当たっては、筒体５１ｂに、管板２４及び仕切板４２を、伝熱管２５を挿通させた後に固着して冷却室４３を形成し、図５に示すように、該筒体５１ｂの側部の孔にボルト５１ｈによってシールリング５１ｊを組み付ける。
そして、接続筒５１ｇを、冷却水素入口２４ａ内を通し、これの先端部を前記シールリング５１ｊの内周に嵌合させた後、そのフランジ５１ｉを冷却水素入口２４ａのフランジ０２１と冷却水素ガス管６との間に挟み込み、ボルトによって締め付ける。
これにより、接続筒５１ｇはシールリング５１ｊによって確実にシールされ、冷却水素ガス管６からの冷却水素は漏洩を生ずること無く、接続筒５１ｇを通って冷却室４３内に導入される。
尚、前記管板２４と筒体５１ｂとはボルトによって締着してもよい。
その他の構成は、図２に示す第１実施例と同様である。
【００６５】
図６は本発明の第３実施例を示す。
この実施例においては、第２実施例に示すような冷却室ユニット５１の構造を簡単化するとともに、管板２４の冷却効果を向上させている。
即ち図６において、５１は冷却室ユニットであり、薄肉円板状の仕切板４２の上面に該仕切板４２の外径よりも小径の筒体５１ｂを固着し、該筒体５１ｂの上端面５１ｋと一定の間隔Ｓを存して円板状の管板２４を設けて、該仕切板４２の上面と筒体５１ｂの内面と管板２４の下面とにより、冷却室４３を区画形成している。
【００６６】
また、外筒２１の内周に固着されている断熱材４８の内周面と前記筒体５１ｂの外周面との間には環状の冷却水素通路５１ｍが形成され、該冷却水素通路５１ｍの入口側は前記外筒２１の冷却水素入口に連通されるとともに、出口側には冷却水素を管板２４の下面に向けて送出するためのノズル部５１ｌが形成されている。
５１ｅ，５１ｆは前記第２実施例と同様な伝熱管挿通用の穴、２６は前記降下管で、仕切板４２の中央部に固着されている。
【００６７】
かかる第３実施例においては、冷却水素入口２４ａから冷却水素通路５１ｍ内に導入された冷却水素は、図６の矢印のように流れて、ノズル部５１ｌから管板２４の下面に向けて送出（噴出）せしめられるので、管板２４の冷却が促進され、冷却効果が向上する。
また、この実施例においては、仕切板４２の上面に該仕切板４２よりも外径が小さい筒体５１ｂを固着し、その上部に一定間隔を存して管板２４を設置するという、極めて簡単な構造で以って管板２４の冷却効果を向上させることができる。
その他の構造は図２に示す第１実施例と同様である。
【００６８】
【発明の効果】
以上記載の如く、本発明によれば、低温の冷却水素を先ず冷却室に導入して管板を直接冷却することにより、管板の温度は大きく降下せしめられ、高温生成ガスの流入による管板の熱衝撃が緩和されるとともに、該管板の温度上昇による熱応力を低減することができる。
【００６９】
また、前記冷却室を通った冷却水素は降下管を下方に流れた後、上昇に転じ、伝熱管を下方に流れる高温生成ガスと対向流となるので、伝熱管内を下方に流れる高温生成ガスと冷却流体通路を上方に流れる冷却水素との間の熱伝達率が上昇し、高温生成ガスを効率的に冷却することができる。
【００７０】
請求項３及び４記載の発明によれば、伝熱管の上部管板側を固定し、下部管板及び仕切板を含む伝熱管の支持部材を筒状本体にスライド可能に嵌合しているので、伝熱管の熱膨張とともに、これらの支持部材もスライド部を介して下方に移動することとなる。このため、従来のもののように伝熱管の熱膨張が下部管板等の低温側で拘束されることは無く、かかる熱膨張の拘束による伝熱管及びこれの支持部の熱応力が大幅に低減することができる。
【００７１】
請求項５記載の発明によれば、伝熱管内にスライド可能に内管を設けて、伝熱管の管板接続部近傍を２重管とし、入口チャンバからの高温生成ガスを先ず内管に導入した後、伝熱管内へと流動させることができ、これによって伝熱管の管板への接続部近傍は腐食性を有する高温生成ガスの直接流入が無くなり、該高温生成ガスによる熱衝撃が緩和されるとともに、腐食性ガスが高温下において直接伝熱管に接触するのが抑制され、該熱衝撃に伴なう過大応力及び高温腐食による伝熱管と管板との接続部近傍の破損の発生を防止することができる。
【００７２】
さらに請求項１、２記載の発明によれば、低温の冷却流体が収容される冷却室をユニット化することができ、これによって筒状本体内部との間の仕切板は不要となってシール性が向上するとともに、組立が容易化され、交換性も向上する。
【００７３】
また、請求項７記載の発明によれば、熱交換器において、石炭ガス化炉から供給される高温生成ガスと、低温の冷却水素とを熱交換することにより、高温生成ガスを所定の低温に冷却するとともに、該生成ガスの顕熱を奪った冷却水素ガスを石炭ガス化炉に供給することによって、該生成ガスの冷却とともに冷却水素ガスを介しての熱回収を行なうことができ、石炭ガス化装置の熱効率を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の実施形態に係る石炭ガス化装置の全体構成図である。
【図２】 本発明の熱交換器の第１実施例の縦断面図である。
【図３】 図２のＺ部拡大断面図である。
【図４】 本発明の熱交換器の第２実施例における冷却室ユニットの分解斜視図である。
【図５】 図４のＹ部拡大断面図である。
【図６】 本発明の第３実施例における冷却室ユニットの構成図である。
【図７】 従来の石炭ガス化炉による高温ガス生成システム構成図である。
【符号の説明】
１ 石炭水素添加ガス化炉
２ 熱交換器
３ 水素ガス製造設備
４ 高温生成ガス管
５ 生成ガス送出管
６、６ａ 冷却水素ガス管
７ 冷却器
２１ 外筒
２４ 管板
２５ 伝熱管
２６ 降下管
２８ 高温生成ガス入口
３１ 高温生成ガス出口
３２，０４６，４７ スライド部
３３，４０ 管支持板
４２ 仕切板
４３ 冷却室
４４ 入口チャンバ
４５ 水素ガス通路
５１ 冷却室ユニット
５１ｂ 筒体
５１ｇ 接続筒
５１ｊ シールリング
５１ｍ 冷却水素通路
５１ｌ ノズル部
５４ 出口チャンバ
Claims (7)
- 筒状の本体内に、一端が管板に固着されて該本体の軸方向に伸び、内部を高温流体が流れる多数の伝熱管を設けるとともに、
該伝熱管の外側には冷却流体が流れる冷却流体通路を設け、前記管板上面の伝熱管開口部が臨む入口チャンバに導入された高温流体を前記伝熱管内に流して前記冷却流体通路を流動する冷却流体と熱交換するように構成された熱交換器において、
前記筒状本体の上部に、前記管板の下面が臨むとともに、内部を前記伝熱管が貫通する冷却室を設けて、該冷却室に前記冷却流体の入口管に接続される冷却流体入口を設け、該冷却室から前記筒状本体内の下部に垂下して該冷却室内の低温流体を筒状本体内下部に搬送する降下管を設け、該冷却流体が前記冷却室から降下管を下降したのち、前記筒状本体内下部にて流れ方向を反転し、前記筒状本体内を直状に貫通する前記伝熱管内の高温ガスと対向流を形成して上昇するように構成されてなり、前記冷却室は前記筒状本体内部と仕切板により区切って形成され、該仕切板の上面に筒体を固着するとともに、該筒体の上端面及び下方を、前記伝熱管貫通用の透孔がそれぞれ穿設された管板及び前記仕切板により覆蓋して、内部に前記冷却室を形成してなる冷却室ユニットを、前記筒状本体の上部に着脱可能に設けたことを特徴とする熱交換器。 - 筒状の本体内に、一端が管板に固着されて該本体の軸方向に伸び、内部を高温流体が流れる多数の伝熱管を設けるとともに、
該伝熱管の外側には冷却流体が流れる冷却流体通路を設け、前記管板上面の伝熱管開口部が臨む入口チャンバに導入された高温流体を前記伝熱管内に流して前記冷却流体通路を流動する冷却流体と熱交換するように構成された熱交換器において、
前記筒状本体の上部に、前記管板の下面が臨むとともに、内部を前記伝熱管が貫通する冷却室を設けて、該冷却室に前記冷却流体の入口管に接続される冷却流体入口を設け、該冷却室から前記筒状本体内の下部に垂下して該冷却室内の低温流体を筒状本体内下部に搬送する降下管を設け、該冷却流体が前記冷却室から降下管を下降したのち、前記筒状本体内下部にて流れ方向を反転し、前記筒状本体内を直状に貫通する前記伝熱管内の高温ガスと対向流を形成して上昇するように構成され、更に前記冷却室は前記筒状本体内部と仕切板により区切って形成され、該仕切板の上面に筒体を固着するとともに、該筒体の上端面が管板の下面と一定間隔を存して冷却流体の通路を形成し、前記仕切板の上面と筒体の内面と管板の下面とにより冷却室を形成し、さらに、前記筒体の外周面と外筒の内周面との間には冷却流体入口に連通される冷却流体通路を形成されてなることを特徴とする熱交換器。 - 前記管板に上端が固着された前記各伝熱管の下端を、前記冷却流体通路の下壁を形成する下部管板に固着し、該下部管板の外周面を前記筒状本体の内面にスライド可能に嵌合されてなる請求項１若しくは２記載の熱交換器。
- 前記仕切板は前記複数の伝熱管が貫通されるとともに、その外周面を前記筒状本体の内面にスライド可能に嵌合させてなる請求項１若しくは２記載の熱交換器。
- 前記管板に固着される前記伝熱管の上部内周にスライド自在に嵌合される内管を設け、該内管は、上端を前記入口チャンバに開口され、下端を前記伝熱管内に開口されてなる請求項１ないし３の何れか１つに記載の熱交換器。
- 一端が前記冷却室ユニットの冷却流体入口にスライド可能にかつ流体密に嵌合された筒状体からなる接続筒を設け、該接続筒の他端に前記冷却流体入口管を接続してなる請求項１記載の熱交換器。
- 石炭をガス化する石炭ガス化炉で発生した高温生成ガスを熱交換器に導き、該熱交換器において所定の低温に冷却した後、使用先に送給するようにした石炭ガス化装置において、
水素ガスを生成し、これを所定の低温に冷却して前記熱交換器に供給する水素ガス供給手段を設け、
請求項１若しくは２の構成にした前記熱交換器を、該水素ガス供給手段から供給される低温の冷却水素ガスと前記高温生成ガスとを熱交換して該高温生成ガスを冷却するように構成し、さらに、前記熱交換器の冷却水素出口から高温に加熱された冷却水素ガス出口を前記石炭ガス化炉に導く水素ガス管路を設けてなることを特徴とする石炭ガス化装置。
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