JP5575342B1 - ガス化炉冷却構造、ガス化炉及びガス化炉のアニュラス部拡大方法 - Google Patents

Abstract

【課題】炉壁構造の複雑化を最小限に抑え、生成ガスの冷却性能を極力維持しながら管寄せ及び連絡管の配置性を向上させることができ、しかも圧力容器形状の最適化も実現できるガス化炉冷却構造を提供する。
【解決手段】炭素質固体燃料をガス化した生成ガスが円形断面の圧力容器内に形成された矩形断面の炉壁２２内を通過して流れ、生成ガスを炉壁２２内に複数設置された熱交換器３０の伝熱管内を流れる流体との熱交換により冷却するガス化炉冷却構造であって、炉壁２２の断面形状が、矩形断面角部Ｃに傾斜面２３を設けて多角形構造とした形状とされる。
【選択図】図１

Description

本発明は、炭素質固体燃料をガス化するガス化炉で生成ガスを冷却するガス化炉冷却構造、ガス化炉及びガス化炉のアニュラス部拡大方法に関する。

石炭等の炭素質固体燃料を加圧環境下でガス化するガス化炉は、圧力容器内に配置する必要がある。このようなガス化炉では、ガス化炉で生成されるガスの温度を一般的な鋼管の耐熱温度まで下げるため、ガス化炉下流に設置した熱交換器を備えている。
この熱交換器は、Syn Gas Cooler (SGC) と呼ばれる伝熱管により形成され、炉壁（ＳＧＣ周壁）と、内部に設置された伝熱管（ＳＧＣ）との集合体（伝熱管群）であり、ガス化炉の炉壁内後流部において、炉壁内部を流れる高温の生成ガスから伝熱管内部を流れる水等の流体が吸熱してガス温度を低下させるように構成されている。

熱交換器の伝熱管群はエレメント構造となっており、１つのエレメントの集合体をバンクと呼んでいる。また、このバンクは、伝熱管内を流れる流体（水・蒸気等）の温度帯に応じて、数種類の仕様に分類されている。エレメントを構成している伝熱管群は、炉壁外周面と圧力容器内周面との間に形成されるアニュラス部と呼ばれる空間内において、管寄せと呼ばれる鋼管に連結されることで、バンクにまとめられる。

さらに、仕様の異なる各バンク間は、それぞれの管寄せが連絡管と呼ばれる鋼管によって連結され、最終的には圧力容器を通り抜けてガス化炉外へ接続される。
なお、ガス化炉内に設置される熱交換器は、例えば矩形断面の炉壁内にバンクを配置する構造が一般的であるが、例えば下記の特許文献１に開示されているように、六角形の煙道内に配置した構造もある。

特開２００８−１４５０６１号公報 実開平５−７１６０２号公報

ところで、圧力容器は、圧力を保つためにその断面形状を円形とすることが望ましい。しかし、上述した炉壁（ＳＧＣ周壁）の断面形状は、内部に熱交換器のエレメントを配設することから、配置／コスト最少の観点から正四角形が好ましい。なお、圧力容器及び炉壁の断面形状は、生成ガスの流れ方向と直交する断面形状であり、従って、生成ガスが鉛直方向に流れる場合の断面形状は水平断面となる。
また、アニュラス部には、管寄せ及び連絡管を配置する必要がある。しかし、アニュラス部は、図２（ｃ）に示すように、円形断面の圧力容器と正四角形断面の炉壁角部との間に形成される隙間（空間幅）ｙが最も狭くなる。このような最小隙間の存在は、アニュラス部に管寄せ及び連絡管を配置する際にスペース確保等を制限する制約になっている。

一般に耐圧性能が同じ圧力容器は、小径のものほど周長が短くなるので、肉厚の薄い低重量の容器となる。しかし、ガス化炉においては、上述した管寄せ及び連絡管の配置制限があるため、アニュラス部を十分に小さくできない状況にある。すなわち、ガス化炉においては、アニュラス部に管寄せ及び連絡管の配置スペースを確保する必要があるため、特に、管寄せ及び連絡管の配置を可能にする最小隙間を確保するために、圧力容器の径を最適化できないという問題があった。
なお、アニュラス部を極力少なくするためには、炉壁断面形状を円形に近づける多角形の構造にすることで緩和されるが、上記の特許文献１では、管寄せが３ヶ所に配置されるなど、炉壁構造、エレメント、管寄せ及び連絡管の構造が複雑になることから、制作コスト増加の原因になって好ましくない。

このような背景から、ガス化炉においては、ガス化炉で生成されたガスの冷却性能低下を最小限に抑え、しかも、炉壁構造の複雑化も最小限に抑えて管寄せ及び連絡管の配置性を向上させるとともに、圧力容器形状の最適化を可能にするガス化炉冷却構造及びガス化炉のアニュラス部拡大方法が望まれる。
本発明は、上記の課題を解決するためになされたもので、その目的とするところは、炉壁構造の複雑化を最小限に抑え、生成ガスの冷却性能を極力維持しながら管寄せ及び連絡管の配置性を向上させることができ、しかも圧力容器形状の最適化も実現できるガス化炉冷却構造、ガス化炉及びガス化炉のアニュラス部拡大方法を提供することにある。

本発明は、上記の課題を解決するため、下記の手段を採用した。
本発明に係るガス化炉冷却構造は、炭素質固体燃料をガス化した生成ガスが円形断面の圧力容器内に形成された炉壁内を通過して流れ、前記生成ガスを前記炉壁内に複数設置された伝熱管群の管内を流れる流体との熱交換により冷却するガス化炉冷却構造であって、前記炉壁は、互いに直交する面と面の間を傾斜面で連結した多角形構造とされ、前記傾斜面の辺が互いに直交する前記面のそれぞれの辺よりも短い断面形状とされ、前記傾斜面は、正方形断面形状の角部をカットする前の辺の長さをＬａとし、前部角部をカットした後の長さをＬｂとして、「（Ｌａ−Ｌｂ)／Ｌａ×１００」で定義される「１辺削減率」が１１．１％から３３．３％の範囲内となるように設けられ、前記辺の長さＬａが２〜５ｍの範囲内であることを特徴とするものである。

このような本発明によれば、円形断面の圧力容器内に形成された炉壁は、互いに直交する面と面の間を傾斜面で連結した多角形構造とされ、傾斜面の辺が互いに直交する面のそれぞれの辺よりも短い断面形状とされ、傾斜面は、正方形断面形状の角部をカットする前の辺の長さをＬａとし、角部をカットした後の長さをＬｂとして、「（Ｌａ−Ｌｂ)／Ｌａ×１００」で定義される「１辺削減率」が１１．１％から３３．３％の範囲内となるように設けられ、辺の長さＬａが２〜５ｍの範囲内であるから、換言すれば、矩形断面角部を面取りするようにカットした形状とされるので、炉壁構造を複雑化することなくアニュラス部を拡大できる。このようなアニュラス部の拡大は、圧力容器形状の最適化や管寄せ及び連絡管の配置性向上を両立するために有効である。

上記の発明において、前記伝熱管群の管寄せ及び前記伝熱管群間を連結する連絡管が前記圧力容器と前記炉壁との間に形成される空間のアニュラス部に配置され、前記連絡管の平面視における略９０度の方向転換を前記傾斜面の領域で行うことが好ましく、これにより、圧力容器の径を小さくすることが可能になる。
また、本発明に係るガス化炉は、上記発明のガス化炉冷却構造を備えているガス冷却部と、前記ガス冷却部の上流側に前記炭素質固体燃料をガス化するガス生成部を備えていることを特徴とするものである。

本発明に係るガス化炉のアニュラス部拡大方法は、炭素質固体燃料をガス化した生成ガスが円形断面の圧力容器内に形成された炉壁内を通過して流れ、前記生成ガスが前記炉壁内に複数設置された伝熱管群の管内を流れる流体との熱交換により冷却され、かつ、前記伝熱管群の管寄せ及び前記伝熱管群間を連結する連絡管が前記圧力容器と前記炉壁との間に形成される空間のアニュラス部に配置されているガス化炉のアニュラス部拡大方法であって、前記炉壁は、互いに直交する面と面の間を傾斜面で連結した多角形構造とされ、前記傾斜面の辺が互いに直交する前記面のそれぞれの辺よりも短い断面形状とされ、前記傾斜面は、正方形断面形状の角部をカットする前の辺の長さをＬａとし、前部角部をカットした後の長さをＬｂとして、「（Ｌａ−Ｌｂ)／Ｌａ×１００」で定義される「１辺削減率」が１１．１％から３３．３％の範囲内となるように設けられ、前記辺の長さＬａが２〜５ｍの範囲内であることを特徴とするものである。

このような本発明によれば、円形断面の圧力容器内に形成された炉壁は、互いに直交する面と面の間を傾斜面で連結した多角形構造とされ、傾斜面の辺が互いに直交する面のそれぞれの辺よりも短い断面形状とされ、傾斜面は、正方形断面形状の角部をカットする前の辺の長さをＬａとし、角部をカットした後の長さをＬｂとして、「（Ｌａ−Ｌｂ)／Ｌａ×１００」で定義される「１辺削減率」が１１．１％から３３．３％の範囲内となるように設けられ、辺の長さＬａが２〜５ｍの範囲内であるから、換言すれば、炉壁の矩形断面角部を面取りするようにカットした断面形状としたので、炉壁構造を複雑化することなくアニュラス部を容易に拡大できる。このようなアニュラス部の拡大は、圧力容器形状の最適化や管寄せ及び連絡管の配置性向上を両立するために有効な方法となる。

上述した本発明によれば、炉壁の矩形断面角部のみを面取りするようにカットして傾斜面を設けた多角形の断面構造とすることにより、ガス化炉のアニュラス部を最小にして管寄せ及び連絡管の配置性を向上させることができ、この結果、圧力容器形状を最適化することが可能になる。また、炉壁の矩形断面角部のみを面取りするようにカットするので、炉壁製作に要する作業工数の増加や、伝熱面の減少を最小限に抑えることができる。従って、ガス化炉で生成されたガスの冷却性能を略維持しながら圧力容器形状を最適化できるようになり、ガス化炉における生成ガスの冷却性能確保及び製造コストの低減を両立することができる。

本発明に係るガス化炉冷却構造及びガス化炉のアニュラス部拡大方法の一実施形態を示す水平断面図である。 １辺削減率（％）の定義を示す説明図である。 １辺削減率に関する試算結果を示す図表である。 １辺削減率の試算結果をグラフにした図である。 本発明による圧力容器径の低減効果を示す比較図であり、（ａ）が炉壁の角部を面取りしない場合、（ｂ）が本発明を適用して炉壁の角部を面取りして傾斜面を設けた場合である。 生成されたガスを冷却する熱交換器が配置されるガス化炉の圧力容器内部構造を示す断面図であり、（ａ）は水平断面図（図６（ｂ）のＡ−Ａ断面図）、（ｂ）は縦断面図である。 ガス化炉の概略構成例を示す縦断面図である。

以下、本発明に係るガス化炉冷却構造、ガス化炉及びガス化炉のアニュラス部拡大方法について、その一実施形態を図面に基づいて説明する。
ガス化炉は、石炭等の炭素質固体燃料を加圧環境下でガス化した後、一般的な鋼管の耐熱温度まで冷却して温度低下させた生成ガスを炉外へ供給するもので、以下の説明では石炭をガス化するものとするが、特に限定されることはない。なお、石炭以外の炭素質固体燃料としては、石油コークスの他、間伐材、廃材木、流木、草類、廃棄物、汚泥、タイヤ等のバイオマス燃料を例示できる。

図６及び図７に示すガス化炉１は、例えば石炭ガス化複合発電システム（ＩＧＣＣ）に用いられる石炭（微粉炭）のガス化装置であり、ガス生成部２及びガス冷却部１０が主な構成要素となる。
ガス化炉１のガス生成部２で微粉炭をガス化して得られる生成ガスは、ガス生成部２の下流側に設けたガス冷却部１０に導かれ、ガス冷却部１０を構成する複数の熱交換器３０を通過して冷却される。ガス冷却部１０で冷却された生成ガスは、ガス化炉１の外部に設けた不図示の各種装置により必要な精製処理が施された後にガスタービン運転の燃料ガスとなる。

さて、図示のガス冷却部１０には、例えばガス化炉１のガス生成部２からチャーを含有する約１０００℃の生成ガスが供給される。このため、ガス冷却部１０は、生成ガスをガス化炉後流側設備（各種機器類や配管に使用する鋼管等）に適合する温度まで冷却するとともに、生成ガス中の熱エネルギーを回収する機能を有している。
また、ガス冷却部１０は、円形断面の圧力容器Ｐｖ内に形成されて生成ガス流路となる煙道２０内に、複数の熱交換器３０を配置した構成となっている。

これら複数の熱交換器３０で構成されるガス冷却部１０に対し、生成ガスが煙道２０内を流れて順次熱交換する。このため、生成ガスの温度は、上流側から下流側へ順次低下するので、複数の熱交換器３０は、それぞれ温度仕様等が異なったものとなる。
なお、図６において、図中の符号２２は煙道２０の炉壁、３１は熱交換器３０を構成する伝熱管、３２は伝熱管３１を連結する管寄せ、３３は管寄せ３２を連結する連絡管、４０は圧力容器Ｐｖの内面と炉壁２２の外面との間に形成されるアニュラス部と呼ばれる空間である。

本実施形態の煙道２０は、例えば図１に示すように、ＳＧＣと呼ばれる伝熱管２１を多数用いて形成された壁面構造の炉壁（ＳＧＣ周壁）２２により、正方形断面（矩形断面）の４面が囲まれたガス流路である。なお、煙道２０の炉壁２２は、隣接する伝熱管２１がフィン２２ａにより連結されて壁面を形成し、伝熱管２１内に水等の流体を流通させて壁面温度が管理されている。
また、熱交換器３０はバンクとも呼ばれ、炉壁２２と同様のＳＧＣと呼ばれる伝熱管３１により構成されるエレメント構造の伝熱管集合体（伝熱管群）である。このような熱交換器３０は、炉壁２２の内部を流れる高温の生成ガスから伝熱管３１の内部を流れる水等の流体が吸熱することにより、生成ガスのガス温度を低下させる。なお、流体が生成ガスから吸熱した熱を有効利用することで、生成ガス中の熱エネルギーを回収できる。

上述した熱交換器３０は、多数の伝熱管３１が炉壁２２の外部で管寄せ３２に連結されている。さらに、各熱交換器３０の管寄せ３２は、連絡管３３により連結されており、この連絡管３３がガス冷却部１０の外部と連結されている。
従って、上述した管寄せ３２及び連絡管３３は、圧力容器Ｐｖの内面と炉壁２２の外面との間に形成される空間であるアニュラス部４０に配設されている。

すなわち、本実施形態のガス冷却部１０は、高温の生成ガスが円形断面の圧力容器Ｐｖ内の炉壁２２に囲まれて形成される煙道２０内を通過して流れ、この生成ガスが炉壁２１内に複数設置された熱交換器３０の伝熱管３１内を流れる流体との熱交換により冷却されるガス化炉冷却構造となる。
このようなガス化炉冷却構造において、本実施形態では、炉壁２２の断面形状が、正方形の矩形断面角部を面取りするようにカットした形状、すなわち、矩形断面角部Ｃに傾斜面２３を設けて多角形の断面形状とされる。具体的には、図１に想像線で示す４カ所の角部Ｃを除去し、実線表示の傾斜面２３により隣接する炉壁２２間を連結した構造となっている。なお、傾斜面２３についても、炉壁２２と同様に、複数の伝熱管２１を用いた炉壁構造となっている。

上述した傾斜面２３は、辺が他の面よりかなり短い八角形となる。換言すれば、正四角形断面の煙道２０は、角部Ｃが面取りされたような断面形状となるので、製造作業の煩雑化や部品点数の増加等によりコスト面で不利な長さの異なる伝熱管３１の本数を最小限に抑えることが可能になる。

この結果、多角形断面形状のように炉壁構造を複雑化することなく、角部Ｃがなくなった分だけアニュラス部４０の空間を拡大できるので、管寄せ３２や連絡管３３の配置性が向上する。すなわち、このようなアニュラス部４０の拡大は、圧力容器Ｐｖの断面形状を拡大しなくても管寄せ３２や連絡管３３の配管経路に関する制約を低減でき、従って、圧力容器Ｐｖの断面形状最適化や、管寄せ３２及び連絡管３３の配置性向上を両立するために有効である。
本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、連絡管の配置によって必ずしも多角形に限定されるものではない。例えば長方形の角部を面取りするなど、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々の変形及び変更を加え得るものである。

ところで、上述した角部Ｃのカットについては、図２に示す１辺削減率（％）を下記のように設定することが望ましい。
図２に示す１辺削減率は、正方形断面形状とした煙道２０の炉壁２２について、角部Ｃをカットする前の辺の長さをＬａとし、角部Ｃをカットした後の辺の長さをＬｂとすれば、下記の数式により定義される。
１辺削減率（％）＝（Ｌａ-Ｌｂ）／Ｌａ×１００
カットする前の辺の長さＬａは２〜５ｍとし、設計値により、設計寸法、ピッチは決定されるものとする。

上述した１辺削減率は、図３及び図４に示す試算結果より、下記の範囲内に設定することが望ましい。なお、以下の説明において、コスト削減率は、圧力容器及び熱交換器の製造に要する工数及び素材重量の削減率を意味している。
実効的にコスト削減が可能な１辺削減率は、図３に示すケースＡ〜ケースＤのように、１１．１％から３３．３％の範囲内である。また、より好ましい範囲は、１４．０〜２８．０％の範囲である。

このように、本実施形態では、炉壁２２の断面形状を、正方形の矩形断面角部Ｃを面取りするようにカットした形状にしたので、炉壁構造を複雑化することなくアニュラス部４０を拡大できる。このようなアニュラス部４０の拡大は、圧力容器Ｐｖの形状最適化や、管寄せ３２及び連絡管３３の配置性向上を両立するために有効なガス化炉１のアニュラス部拡大方法となる。

すなわち、炉壁２２の矩形断面角部Ｃのみをカットすることにより、ガス化炉１のアニュラス部４０を最小にして管寄せ３２及び連絡管４０の配置性を向上させることができ、この結果、圧力容器Ｐｖの形状を最適化して小径化することができる。
また、炉壁２２の矩形断面角部Ｃのみを面取りするようにカットするので、炉壁２２の製作に要する作業工数の増加や、熱交換器３０の伝熱面減少を最小限に抑えることができる。

以下では、上述した圧力容器Ｐｖの小径化について、図５の比較図に基づいて具体的に説明する。
図５に示すように、管寄せ３２と他の熱交換器との間を連結する連絡管３３は、平面視で略９０度の方向転換をアニュラス部４０で行うことが望ましい。このため、炉壁２２に傾斜面２３を設けない（ａ）の煙道２０では、連絡管３３の湾曲部３３ａと管寄せ３２との間に、角部Ｃを避けて方向転換するため直管部３３ｂが必要となる。すなわち、この直管部３３ｂは、湾曲部３３ａの湾曲始点を角部Ｃの方向へ移動させることにより、湾曲部３３ａの湾曲中心が煙道２０の対角線を延長した線上に略位置するようにして、連絡管３３と角部Ｃとの干渉を回避している。なお、この場合の圧力容器Ｐｖは、その直径がＤ´である。

これに対し、連絡管３３の平面視における略９０度の方向転換が、傾斜面２３の領域で行われるようにすると、炉壁２２に傾斜面２３を設けた（ｂ）の煙道２０では、連絡管３３の湾曲部３３ａと管寄せ３２との間に、角部Ｃを避けて方向転換するための直管部３３ｂが不要となる。すなわち、角部Ｃを面取りするようにカットして傾斜面２３を形成すると、湾曲部３３ａの湾曲始点及び湾曲終点が傾斜面２３の範囲内に位置し、さらに、湾曲部３３ａの湾曲中心は、直管部３３ｂを設けなくても煙道２０の対角線を延長した線上に略位置することができる。
こうして直管部３３ｂが不要になると、連絡管３３は、圧力容器Ｐｖの直径ＤをＤ´より小さくしたアニュラス部４０であっても、同様の曲率のまま平面視で略９０度の方向転換を行うことが可能になり、連絡管３３が煙道２０の炉壁２３と干渉することもない。このような圧力容器Ｐｖの小径化は、小型軽量化が可能になるなど利点が多い。

従って、ガス化炉１で生成されたガスの冷却性能を略維持しながら、圧力容器Ｐｖの形状を最適化できるようになり、ガス化炉１における生成ガスの冷却性能確保及び製造コストの低減を両立することができる。
なお、本発明は上述した実施形態に限定されることはなく、そ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。

１ ガス化炉
２ ガス生成部
１０ ガス化冷却部
２０ 煙道
２１，３１ 伝熱管（ＳＧＣ）
２２ 炉壁（ＳＧＣ周壁）
２３ 傾斜面
３０ 熱交換器（伝熱管群）
３２ 管寄せ
３３ 連絡管
３３ａ 湾曲部
３３ｂ 直管部
４０ アニュラス部
Ｃ 角部

Claims (4)

1. 炭素質固体燃料をガス化した生成ガスが円形断面の圧力容器内に形成された炉壁内を通過して流れ、前記生成ガスを前記炉壁内に複数設置された伝熱管群の管内を流れる流体との熱交換により冷却するガス化炉冷却構造であって、
   前記炉壁は、互いに直交する面と面の間を傾斜面で連結した多角形構造とされ、前記傾斜面の辺が互いに直交する前記面のそれぞれの辺よりも短い断面形状とされ、
   前記傾斜面は、正方形断面形状の角部をカットする前の辺の長さをＬａとし、前部角部をカットした後の長さをＬｂとして、「（Ｌａ−Ｌｂ)／Ｌａ×１００」で定義される「１辺削減率」が１１．１％から３３．３％の範囲内となるように設けられ、前記辺の長さＬａが２〜５ｍの範囲内であることを特徴とするガス化炉冷却構造。
2. 前記伝熱管群の管寄せ及び前記伝熱管群間を連結する連絡管が前記圧力容器と前記炉壁との間に形成される空間のアニュラス部に配置され、前記連絡管の平面視における略９０度の方向転換が前記傾斜面の領域で行われることを特徴とする請求項１に記載のガス化炉冷却構造。
3. 請求項１または２に記載のガス化炉冷却構造を有するガス冷却部と、
   前記ガス冷却部の上流側に前記炭素質固体燃料をガス化するガス生成部を備えていることを特徴とするガス化炉。
4. 炭素質固体燃料をガス化した生成ガスが円形断面の圧力容器内に形成された炉壁内を通過して流れ、前記生成ガスが前記炉壁内に複数設置された伝熱管群の管内を流れる流体との熱交換により冷却され、かつ、前記伝熱管群の管寄せ及び前記伝熱管群間を連結する連絡管が前記圧力容器と前記炉壁との間に形成される空間のアニュラス部に配置されているガス化炉のアニュラス部拡大方法であって、
   前記炉壁は、互いに直交する面と面の間を傾斜面で連結した多角形構造とされ、前記傾斜面の辺が互いに直交する前記面のそれぞれの辺よりも短い断面形状とされ、
   前記傾斜面は、正方形断面形状の角部をカットする前の辺の長さをＬａとし、前部角部をカットした後の長さをＬｂとして、「（Ｌａ−Ｌｂ)／Ｌａ×１００」で定義される「１辺削減率」が１１．１％から３３．３％の範囲内となるように設けられ、前記辺の長さＬａが２〜５ｍの範囲内であることを特徴とするガス化炉のアニュラス部拡大方法。

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