JP4599291B2 - 加圧高温ガス冷却器 - Google Patents
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Description
この石炭ガス化炉設備は、石炭供給設備100、ガス化炉200、加圧高温ガス冷却器(熱交換器)300及びチャー回収設備400等を主要な構成要素としている。
なお、加圧流動床ボイラの構造として、従来より特許文献1,2,3に示すものが知られている。
また、上述した従来技術においては、図10(a)に示すように、圧力容器350の断面が円形であるのに対し、圧力容器350内に収納設置されて熱交換器を構成する煙道301の断面形状が四角形(正方形)のため、断面効率(熱交換器の断面積/圧力容器の断面積)が低いという問題もある。
本発明は、上記の事情に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、良好な熱交換性能を備えたコンパクトで経済性にも優れた加圧高温ガス冷却器を提供することにある。
本発明に係る加圧高温ガス冷却器は、圧力容器内に高温ガスを流す煙道を形成し、該煙道内に熱交換器を設置するとともに、前記煙道の内部断面を分割する隔壁を設けて前記圧力容器の頂部で導入した高温ガスが前記圧力容器の底部で折り返して流れるリターンフロー型構造とした加圧高温ガス冷却器であって、前記高温ガスが上から下向きに流れるガス下向流れの第1煙道の断面積と、前記高温ガスが下から上向きに流れるガス上向き流れの第2煙道の断面積の分割割合を2:1とし、前記第2煙道に前記熱交換器のパネルを配設し、前記パネルと同一のパネルを2枚組み合わせて前記第1煙道に配置したことを特徴とするものである。
また、リターンフロー型構造は、導入した高温ガスを上から下向きに流す下降部分(第1煙道)の断面積分割割合が、圧力容器の底部で折り返した高温ガスを下から上向きに流す上昇部分(第2煙道)の断面積割合より大きい(断面積の分割割合が2:1)ため、相対的に温度の高い高温ガスが流れる下降部分の断面積分割割合を、温度低下した高温ガスが流れる上昇部分より大きくして、相互に逆向きの流れとなる高温ガスの流速を略一致させることができる。
また、冷却した高温ガスを次工程へ供給する高温ガス出口を、加圧高温ガス冷却器の上方に配置することができる。
また、請求項4記載の加圧高温ガス冷却器において、前記チャー分離手段は、前記折り返し部の断面積拡大部であることが好ましく、これにより、高温ガスの流速を低下させてチャーを粗分離させることができる。
また、請求項4又は5記載の加圧高温ガス冷却器において、前記チャー分離手段は、前記折り返し部に設けた慣性分離機構であることが好ましく、これにより、高温ガスの流れに慣性力を発生させてチャーを粗分離させることができる。
また、請求項4又は5記載の加圧高温ガス冷却器において、前記折り返し部に、サイクロンを形成することが望ましい。
また、請求項5記載の断面積拡大部は、前記折り返し部の断面積を、前記第1煙道の開口部断面積と前記第2煙道の開口部断面積の合計よりも大きくした断面積拡大部であることが望ましい。
また、請求項6記載の慣性分離機構は、前記隔壁の下端部に取り付けられ、前記第1煙道を流れてきた高温ガスの流路断面積を除々に減少させ、前記折り返し部の壁面側へ高温ガスの流れを導く傾斜板と、折り返した高温ガスの流れを上向きに導く導風板を設けた慣性分離機構であることが望ましい。
すなわち、本発明の加圧高温冷却器は、伝熱効率が高く、必要な伝熱面積が少なくてすみ、コストダウンを図れる利点がある。
また、加圧高温冷却器のガス出口を上部に配設したリターンフロー型構造は、このガス出口から、加圧高温ガス冷却器の上部にガス入口が設けられているチャー回収系まで、高温ガスを導くために必要な生成ガス配管の長さを最短化して短くできるというメリットがある。
また、煙道及び熱交換器を断面六角形とすれば、圧力容器の断面積に対する熱交換器の断面積の割合(断面効率)が矩形の場合に比較して向上する。
加圧高温ガス冷却器10は、円形断面とした圧力容器1内に断面六角形の煙道2を形成し、この煙道2の内部断面を隔壁3により分割したリターンフロー型構造とされる。このリターンフロー型構造は、煙道2を隔壁3で分割して形成された第1煙道2a及び第2煙道2bを備え、圧力容器1の底部または頂部において、圧力容器1の反対側(頂部または底部)から導入した高温ガス(生成ガス)が折り返して逆向きに流れるものであるから、圧力容器1の高さを低くすることができる。すなわち、圧力容器1の高さを低くするリターンフロー型構造は、高温ガス導入が圧力容器1の頂部または底部のいずれでもよい。
なお、従来のリターンフロー型熱交換器では、高温ガスの上昇部分及び下降部分の断面積が同じ値に設計されていたため、ガス低温部ではガス流速が低下し、伝熱効率が低下する問題を有している。
第2煙道2bは、たとえば断面積分割割合が1/3に設定されており、煙道2の中心に対する角度が120°となるように隔壁3で分割され、隔壁3を2辺とし、煙道2の六角形周壁を2辺とする平行四辺形の4面に囲まれた部分である。
すなわち、第1煙道2a及び第2煙道2bは、煙道2の内部断面を隔壁3で2:1に分割して形成したものであるが、この断面積分割割合は、たとえば高温ガスの温度条件等の諸条件に応じて適宜変更可能である。
もちろん、煙道2の断面形状が圧力容器1の円形断面に近づくように、より多角形とすれば断面効率はさらに向上するが、六角形を超えた多角形とすると、煙道2内に収容される熱交換器のパネル(伝熱面)を複雑な構造とする必要があり、製造コストの面から不利になる。
つまり、製造コストを抑えつつ、断面効率を向上させるためには、煙道2の断面を六角形とすることが最適である。しかし、煙道2は断面六角形に限定されることはなく、諸条件に応じて矩形や多角形としてもよい。
本発明の第1実施例に係る加圧高温ガス冷却器を図2及び図3に示す。本実施例は、石炭ガス化複合発電システム用の石炭ガス化炉設備に適用したものである。
ここで、加圧高温ガス冷却器10は、ガス化炉200で生成されたチャーを含有する約1100℃の高温ガスを導入し、この高温ガスを後工程の精製に適するガス温度である450℃程度まで冷却するとともに、高温ガスが保有する熱エネルギーを回収するための装置である。圧力容器11の内周面には断熱材12が取り付けられ、断面形状を六角形とした煙道20が圧力容器11の内部空間に形成されている。この煙道20は高温ガスを流す流路となり、隔壁30により断面積分割割合が2:1となるように二分割されている。すなわち、六角断面形状の煙道20は、断面積分割割合の大きい第1煙道21と、断面積分割割合の小さい第2煙道22とに二分割されたリターンフロー型構造とされる。
また、第1煙道21及び第2煙道22には、それぞれ冷媒を流すパネル50が配設されて熱交換器40を構成している。
ここで、上述した熱交換器40のパネル50は、たとえば冷媒を流す銅管等の冷媒配管51が略平面上で規則正しく往復するよう略U字状に成形されて多数配列されたものであり、各冷媒配管51の両端部は、管寄せ52の冷媒入口部及び冷媒出口部にそれぞれ接続されている。従って、このパネル50を煙道20内の適所に収納設置することにより、冷媒配管51の表面が伝熱面となり、煙道20内を流れる高温ガスから冷媒配管51内を循環する冷媒が吸熱するので、高温ガスの冷却及び高温ガスから熱回収を行う熱交換器40が構成される。
一方、第2煙道22の断面積分割割合は、1/3に設定されている。この第2煙道22は、隔壁30により煙道20の中心に対する角度が120°となるように分割され、隔壁40の2辺と、煙道20を形成する六角形周壁23の2辺とを有し、これらの4辺が形成する平行四辺形の4面により囲まれている。
また、本実施例においては、第1煙道21の上部より入った高温ガスが下向きに流れ、底部で折り返した後、第2煙道22を上向きに流れて冷却されるリターンフロー型構造であるため、図8に示す直列配置の従来構造と比較して、圧力容器の高さを低くするコンパクト化が可能となり、この点でもコストダウンに有利である。
また、加圧高温ガス冷却器10のガス出口が上部に設けられているので、加圧高温ガス冷却器10の上部に存在するチャー回収設備のガス入口まで高温ガスを導く生成ガス配管は、特に上下方向の管路長を短くすることができる。
このように、本実施例は、熱交換器40を断面六角形とし、さらに、六角形断面の断面積分割割合を2:1に分割するように隔壁30を設けたので、断面効率を向上させることができた。また、高温ガスは加圧高温ガス冷却器10の上部より導入され、断面積分割割合が2/3の第1煙道21側を下向きに流れ、底部で折り返した後、断面積分割割合が1/3の第2煙道22側を上向きに流れて冷却されるリターンフロー型構造としたので、圧力容器の高さを抑えつつ、流速を高めて、伝熱効率を向上させることができた。
本発明の第2実施例に係る加圧高温ガス冷却器10Aを図4に示す。本実施例は、石炭ガス化複合発電システム用の石炭ガス化炉設備に適用したものであり、上述した第1実施例と同様の部材には同じ符号を付し、その詳細な説明は省略する。
この実施例では、六角断面形状の煙道20に代えて、矩形断面の煙道25が採用されている。図示の例では、煙道25を二分割する隔壁35が設けられ、断面積分割割合が2:1の第1煙道26及び第2煙道27が形成されたリターンフロー型とされる。なお、この場合の第1煙道26及び第2煙道27は、矩形の一辺を2:1に分割したものである。
なお、図示の例では、第1煙道26と第2煙道27とで大きさの異なるパネル50を使用しているが、この場合も、第2煙道27内に設置するパネル50を基本形とし、第1煙道26側で基本形のパネル50を2枚使用して全てを共通化することも可能である。
本発明の第3実施例に係る加圧高温ガス冷却器について、要部(底部)を図5ないし図7に示して説明する。本実施例は、石炭ガス化複合発電システム用の石炭ガス化炉設備に適用したものであり、上述した第1及び第2実施例と同様の部材には同じ符号を付し、その詳細な説明は省略する。
この実施例では、隔壁30で二分割された煙道20の下部で連通する折り返し部に、高温ガス中のチャーを粗分離させるチャー分離手段を設けてある。
この結果、高温ガスの流速が一時的に増すため、下向き流れから上向き流れに変わる時点で外向きの大きな慣性力が作用し、質量の大きいチャーが分離して壁面側へ集まるとともに、下方へ落下して回収される。
なお、図示の例では、折り返し部24に断面積拡大部28を形成して傾斜板60を取り付けてあるが、断面積拡大部28を設けることなく傾斜板60を取り付けてもよい。
なお、図示の例では、折り返し部24にサイクロン70設けてあるが、断面積拡大部28を設けることなくサイクロン70を設置してもより。
また、上記実施例では、石炭ガス化複合発電システムに適用したものであるが、これに限定されることはなく、たとえば石炭ガス化炉、油ガス化炉及びバイオマスガス化炉等のように、圧力容器の内部に形成した煙道内に設置される高温ガス冷却器(熱交換器)に適用することが可能である。
なお、本発明は上述した実施形態及び実施例に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において適宜変更することができる。
2,20,25 煙道
3,30,35 隔壁
10,10A 加圧高温ガス冷却器
21,26 第1煙道
22,27 第2煙道
24 折り返し部
28 断面積拡大部
40 熱交換器
50 パネル
51 冷媒配管
60 傾斜板
61 導風板
70 サイクロン
71 ガス流路
72 入口開口
Claims (9)
- 圧力容器内に高温ガスを流す煙道を形成し、該煙道内に熱交換器を設置するとともに、前記煙道の内部断面を分割する隔壁を設けて前記圧力容器の頂部で導入した高温ガスが前記圧力容器の底部で折り返して流れるリターンフロー型構造とした加圧高温ガス冷却器であって、
前記高温ガスが上から下向きに流れるガス下向流れの第1煙道の断面積と、前記高温ガスが下から上向きに流れるガス上向き流れの第2煙道の断面積の分割割合を2:1とし、
前記第2煙道に前記熱交換器のパネルを配設し、
前記パネルと同一のパネルを2枚組み合わせて前記第1煙道に配置したことを特徴とする加圧高温ガス冷却器。 - 請求項1記載の加圧高温ガス冷却器において、
前記煙道を断面六角形とし、
前記第2煙道を、前記煙道の六角形周壁の2辺及び前記隔壁からなる平行四辺形形状とすることを特徴とする加圧高温ガス冷却器。 - 請求項1記載の加圧高温ガス冷却器において、
前記煙道を矩形断面とすることを特徴とする加圧高温ガス冷却器。 - 請求項1乃至請求項3のいずれかに記載の加圧高温ガス冷却器において、
前記高温ガスが上から下向きに流れるガス下向流れの前記第1煙道の開口部及び前記高温ガスが下から上向きに流れるガス上向き流れの前記第2煙道の開口部の下部に設けられた高温ガス折り返し部に、高温ガス中のチャーを粗分離させるチャー分離手段を設けたことを特徴とする加圧高温ガス冷却器。 - 請求項4記載の加圧高温ガス冷却器において、
前記チャー分離手段が、前記折り返し部の断面積拡大部であることを特徴とする加圧高温ガス冷却器。 - 請求項4又は5記載の加圧高温ガス冷却器において、
前記チャー分離手段が、前記折り返し部に設けた慣性分離機構であることを特徴とする加圧高温ガス冷却器。 - 請求項4又は5記載の加圧高温ガス冷却器において、
前記折り返し部に、サイクロンを形成したことを特徴とする加圧高温ガス冷却器。 - 請求項5記載の断面積拡大部は、
前記折り返し部の断面積を、前記第1煙道の開口部断面積と前記第2煙道の開口部断面積の合計よりも大きくした断面積拡大部であることを特徴とする加圧高温ガス冷却器。 - 請求項6記載の慣性分離機構が、
前記隔壁の下端部に取り付けられ、前記第1煙道を流れてきた高温ガスの流路断面積を除々に減少させ、前記折り返し部の壁面側へ高温ガスの流れを導く傾斜板と、
折り返した高温ガスの流れを上向きに導く導風板を設けた慣性分離機構であることを特徴とする加圧高温ガス冷却器。
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