JP5781620B2 - 肉厚が変化する改質管装置及びその製造方法 - Google Patents
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Description
本発明は、例えば直接還元（ＤＲ）プロセスにおいてガスを改質するために使用される改質炉に関する。特に、本発明は、肉厚が変化する改質管装置に関する。改質管装置は、任意に、新規の冶金合金により製造される。
様々な種類の改質ガスを作成するプロセスは、世界中で広く用いられており、直接還元鉄（ＤＲＩ）プラントに関連して特定の用途を有する。ＤＲプロセスにおいて、改質炉は、例えば、シャフト炉とも呼ばれる還元炉から得られた再生プロセスガスに由来する酸化剤ＣＯ２及びＨ２Ｏにより、天然ガス（ＣＨ４）を改質するために使用される。改質反応により還元剤ＣＯ及びＨ２が形成され、それらは、その後、還元炉において、酸化鉄（Ｆｅ２０３）、即ち、鉄鉱を、金属鉄（Ｆｅ）に還元するために高温で使用される。金属鉄は、その後、様々な鋼種へと処理され、最終製品が製造される。
ＤＲプロセスは、図１に概略を図示しており、還元、改質、及び熱回収の３つの主要ステップを含む。還元ステップでは、酸化鉄を、ペレット又は塊の形状で、還元炉１０の炉頂において配合ホッパ１２を通して導入する。酸化鉄は、重力流により還元炉１０内を下降する際に加熱され、高含量の還元剤ＣＯ及びＨ２を含む向流ガスにより、鉄から酸素が除去される、即ち、酸化鉄の還元が行われる。こうしたガスは、鉄鉱中のＦｅ２０３と反応して、鉄鉱を金属鉄へ転換させ、酸化剤ＣＯ２及びＨ２Ｏを残す。そのため、還元炉１０は、還元領域、移行領域、及び冷却領域という、ＤＲプロセスが実行される３つの別個の領域を有する。冷却ＤＲＩの製造では、還元炉１０の下部において、金属鉄を向流冷却ガスにより冷却及び浸炭する。ＤＲＩは、高温で排出し、ブリケット機へ供給してホットブリケットアイアン（ＨＢＩ）を生産してもよく、或いは、高温直接還元鉄（ＨＤＲＩ）として、高温のまま電気アーク炉（ＥＡＦ）等へ供給してもよい。
改質ステップでは、改質効率を最大にするために、還元炉１０からの再生プロセスガスを、新鮮な天然ガスと混合し、改質炉１４、即ち、ニッケル又はニッケルアルミナ等の触媒を充填した１つ以上の冶金合金改質管装置１６を含む、耐火材を内張りした炉へ供給することが行われる。ガスは、改質管装置１６を通過する際に加熱及び改質される。ＣＯ及びＨ２を９０乃至９２％含む新たな改質ガスは、高温のまま還元ガスとして還元炉１０へ供給される。
熱回収ステップでは、改質炉１４の熱効率を最大化する。改質炉の排ガスから熱を回収してそれを、改質炉の供給ガス混合物、バーナの燃焼用空気、及び供給天然ガスを予熱するために使用することが行われる。任意に、改質炉の燃料ガスも予熱する。
改質ガス中に酸化剤が存在すると、還元反応が妨げられることから、改質炉の供給ガス混合物は、天然ガスと反応する十分な酸化剤に加え、触媒を保護する十分な過剰の酸化剤を含有している必要がある。これは化学量論的改質と呼ばれる。改質ガスにおける還元剤対酸化剤の比は、一般に約１１対１である。改質反応は、吸熱性である。そのため、反応には熱の投入が必要となる。改質反応は、反応速度を高めるために触媒の存在下で起こすようにする。酸化剤の１つはＣＯ２であるため、改質炉１４は、従来の水蒸気改質炉よりも高温で運転する必要がある。
従来の改質管装置１６は、様々な冶金合金から製造され、制御運転温度において７乃至１０年の寿命となる仕様に設計される。一組の交換用の管１６は、１０，０００，０００．００ドル以上する場合があり、例えばＤＲＩプラントの管理者にとっては多大なコストを意味する。したがって、現在の温度レベルで、より長期間に亘って管１６が使用可能であれば有利である。同様に、より高い温度レベルで、同じ期間だけ管１６が使用可能であれば有利となる。どちらの状態も改質炉１４の生産量を増加させることにより、ＤＲＩプラントの生産量の増加をもたらし、最終的には利益を高める。
最も一般的な管１６では、最終的には改質炉の天井部に近い頂部に欠陥が生じる。この局所的部分では、徐々にクリープが生じ、直径が増して「バルジ」が形成される。この部分は、不要な変形及び肉厚低下が生じる領域である。この問題を解決する従来の手法には、管１６全体の肉厚を増加させることが含まれるが、そのことは結果的に、全体重量の増加、熱伝導の効率低下、支持の問題、及び付随的な管の伸長を生じさせ、これら全てが大幅な追加コストを発生させる。この問題の解決策が必要だが、未だに当業者により開発されていない。
様々な実施形態例において、本発明は、肉厚が変化すると共に新規の冶金合金から製造された改質管装置を提供する。この設計及び材料の組み合わせは、現在の温度要件でのより長い動作、又は高い温度要件での同等の動作をもたらす。肉厚は、変形に対する抵抗力が必要な、改質管装置の局所的部分のみで増加させる。従来の肉厚へと変化させる部分を設け、その部分では変化が緩やかとなるようにして、溶接継手と比較して応力が最小となるようにする。管寿命を４乃至６年延長し得るか、或いは、管の温度、ひいては全体的なＤＲ生産量を相応に増加し得ると予想される。
一実施形態例において、本発明は、耐火材を内張した炉内に配置され、軸方向に整列させた管状構造を備え、前記軸方向に整列させた管状構造が、第１の肉厚を有する上方の第１の部分と、第２の肉厚を有する下方の第２の部分と、前記上方の第１の部分を前記下方の第２の部分に接続する、肉厚が変化する中間の第３の部分と、を含み、前記中間の第３の部分の肉厚が前記第１の肉厚から前記第２の肉厚へと漸減し、前記軸方向に整列させた管状構造の内径は、前記上方の第１の部分、前記下方の第２の部分、及び前記中間の第３の部分において一定である、改質管装置を提供する。軸方向に整列させた管状構造は、更に１次フランジ部を備え、１次フランジ部は、その最上部の周囲に配置され、かつ前記管状構造から垂直方向に外側に突き出た１次同心フランジを含む。軸方向に整列させた管状構造は、更に頂部を有し、軸方向に整列させた管状構造の上方の第１の部分及び中間の第３の部分は、頂部の一部となる。軸方向に整列させた管状構造は、更に、前記頂部の下方に配置された中間部を有する。軸方向に整列させた管状構造は、更に、前記中間部の下方に配置された底部を有する。管状構造の底部は、その内側の周囲に配置された複数の同心ウェッジ構造を有する。管状構造の底部は、更にその外側の周囲に配置された凹部を有する。軸方向に整列させた管状構造は、更に２次フランジ部を有し、２次フランジ部は、その最上部の周囲に配置された２次同心フランジを含む。任意に、改質管装置は、直接還元プロセスにおいて使用される改質炉内に配置される。
他の実施形態例において、本発明は、１次フランジ部と、頂部と、前記頂部の下方に配置された中間部と、前記中間部の下方に配置された底部とを有し、耐火材を内張した炉内に配置され、軸方向に整列させた管状構造を備え、前記軸方向に整列させた管状構造の前記頂部が、第１の肉厚を有する上方の第１の部分と、第２の肉厚を有する下方の第２の部分と、前記上方の第１の部分を前記下方の第２の部分に接続する、肉厚が変化する中間の第３の部分と、を含み、前記中間の第３の部分の肉厚が前記第１の肉厚から前記第２の肉厚へと漸減し、前記軸方向に整列させた管状構造の内径は、前記上方の第１の部分、前記下方の第２の部分、及び前記中間の第３の部分において一定である、改質管装置を提供する。１次フランジ部は、その最上部の周囲に配置され、かつ前記管状構造から垂直方向に外側に突き出た１次同心フランジを含む。任意に、第１の肉厚は、第２の肉厚より大きい。管状構造の底部は、その内側の周囲に配置された複数の同心ウェッジ構造を有する。管状構造の底部は、更にその外側の周囲に配置された凹部を有する。軸方向に整列させた管状構造は、更に、１次フランジ部に結合された２次フランジ部を有し、２次フランジ部は、その最上部の周囲に配置された２次同心フランジを含む。任意に、改質管装置は、直接還元プロセスにおいて使用される改質炉内に配置される。
他の実施形態例において、本発明は、１次フランジ部と、頂部と、前記頂部の下方に配置された中間部と、前記中間部の下方に配置された底部とを含み、耐火材を内張した炉内に配置され、軸方向に整列させた管状構造を提供することを含む、改質管装置を製造提供する方法であって、前記軸方向に整列させた管状構造の前記頂部は、第１の肉厚を有する上方の第１の部分と、第２の肉厚を有する下方の第２の部分と、前記上方の第１の部分を前記下方の第２の部分に接続する、肉厚が変化する中間の第３の部分と、を含み、前記中間の第３の部分の肉厚が前記第１の肉厚から前記第２の肉厚へと漸減し、前記軸方向に整列させた管状構造の内径は、前記上方の第１の部分、前記下方の第２の部分、及び前記中間の第３の部分において一定である方法を提供する。１次フランジ部は、その最上部の周囲に配置され、かつ前記管状構造から垂直方向に外側に突き出た１次同心フランジを含む。任意に、第１の肉厚は、第２の肉厚より大きい。管状構造の底部は、その内側の周囲に配置された複数の同心ウェッジ構造を有する。管状構造の底部は、更に、その外側の周囲に配置された凹部を有する。軸方向に整列させた管状構造は、更に、１次フランジ部に結合された２次フランジ部を有し、２次フランジ部は、その最上部の周囲に配置された２次同心フランジを含む。
本発明を、必要に応じて、同様の参照符号を用いて同様の装置構成要素／方法ステップを示す以下の様々な図面を参照して、例示及び説明する。
図２を参照すると、改質炉１４において、改質効率を最大にするために、還元炉１０（図１）からの再生プロセスガスを新鮮な天然ガスと混合し、改質炉供給ガス１８として改質炉１４に供給することが行われる。改質炉１４は、触媒２２を充填した１本以上の冶金合金改質管装置１６を含む、耐火材を内張りした炉２０を備える。耐火材２４は、例えば、セラミック繊維ブランケットを含む。図示した実施形態では、２本の改質管装置１６を示しているが、しかしながら、任意の数の改質管装置１６を利用し得ることは当業者には容易に明らかであろう。改質炉１４において、改質炉供給ガス１８は、改質管装置１６を通過する際に加熱及び改質される。ＣＯ及びＨ２を９０乃至９２％含む新たな改質ガスは、高温のまま還元ガス２６として還元炉１０へ供給される。
上述したように、還元ステップでは、酸化鉄を、ペレット又は塊の形状で還元炉１０の炉頂において配合ホッパ１２を通して導入する（図１）。酸化鉄は、重力による流れにより還元炉１０内を下降する際に加熱され、高含量の還元剤ＣＯ及びＨ２を含む向流ガスにより、鉄からの酸素の除去が行われる、即ち、酸化鉄の還元が行われる。こうしたガスは、鉄鉱中のＦｅ２０３と反応して、鉄鉱を金属鉄へ転換させ、酸化剤ＣＯ２及びＨ２Ｏを残す。そのため、還元炉１０は、還元領域、移行領域、及び冷却領域という、ＤＲプロセスが実行される３つの別個の領域を有する。冷却ＤＲＩの製造では、還元炉１０の下部において、金属鉄を向流冷却ガスにより冷却及び浸炭することが行われる。ＤＲＩはまた、高温で排出し、ブリケット機へ供給してＨＢＩを生産するようにしてもよく、或いは、ＨＤＲＩとして高温のままＥＡＦ等へ供給してもよい。
特に図３を参照すると、本発明の一実施形態例において、各改質管装置１６は、複数の構成要素を含む、全体として軸方向に整列させた管状構造２８を備える。これらの構成要素には、フランジ部３０、頂部３２、中間部３４、及び底部３６が含まれる。フランジ部３０には、２次フランジ部３８が結合される。以下、それぞれの構成要素を、更に詳細に説明する。本明細書において、「管状」とは、全体的に円形の横断面形状を示すが、他の横断面形状も考えられる。
フランジ部３０は、内径約２６０乃至３００ｍｍ、外径約２９０乃至３３０ｍｍ、肉厚約１２乃至１５ｍｍ、及び全長約９０ｍｍの管状構造４０を含むが、他の適切な寸法を利用してもよい。フランジ部３０は、ＨＰ−ＭＡ合金、Ｃｒ、Ｎｉ、及びＦｅを他の元素と共に含み、超合金群に含まれるものとして特徴付けられた耐熱合金、もしくは他の新規の材料から製造し得るものであり、その表面は、ショットブラスト等により異物を除去することが好ましい。外側に突き出た同心フランジ４２は、フランジ部３０の最上部の周囲に配置され、約４３２ｍｍの外径、及び約１６ｍｍの厚さを有する。
頂部３２は、約２６０乃至３００ｍｍの内径と、変化する外径と、約３５００ｍｍの全長とを有する管状構造４４を含んでいるが、他の適切な寸法を利用してもよい。具体的には、頂部３２の管状構造４４は、外径約２９０乃至３３０ｍｍ、肉厚約１２乃至１５ｍｍ、及び全長約２０００ｍｍの連続厚部分４６を含むが、他の適切な寸法を利用してもよい。頂部３２の管状構造４４は、更に、約２９０乃至３３０ｍｍから約２８０乃至３２０ｍｍへ上方から下方へ向けて減少する外径と、約１５ｍｍから約１０ｍｍへ上方から下方へ向けて減少する肉厚と、約１５００ｍｍの全長とを有する肉厚変化部分４８を有するが、他の適切な寸法を利用してもよい。頂部３２は、ＨＶ合金、Ｃｒ、Ｎｉ、及びＦｅを他の元素と共に含み、超合金群に含まれるものとして特徴付けられた耐熱合金、もしくは他の新規の材料から製造し得るものであり、その表面は、ショットブラスト等により異物を除去することが好ましい。任意の適切なテーパ部を（任意の適切な数で）、頂部３２、又は改質管装置１６の他の任意の部分に組み込んでよいが、材料の応力を最小にするため、直径（外径又は内径あるいはそれら両方）を滑らかに変化させるのが好ましいことに留意されたい。頂部３２は、溶接５０又は他の適切な取り付けの仕組みにより、フランジ部３０に接合される。
中間部３４は、内径約２６０乃至３００ｍｍ、外径約２８０乃至３２０ｍｍ、肉厚約８乃至１０ｍｍ、及び全長約４９００ｍｍの管状構造５２を含んでいるが、他の適切な寸法を利用してもよい。中間部３４は、ＨＰ−ＭＡ合金、Ｃｒ、Ｎｉ、及びＦｅを他の元素と共に含み、超合金群に含まれるものとして特徴付けられた耐熱合金、もしくは他の新規の材料から製造し得るものであり、その表面は、ショットブラスト等により異物を除去することが好ましい。中間部３４は、溶接５０により頂部３２に接合され、こうした溶接５０は、適切な「Ｊ形」溶接開先設計により設計されると共に適合する合金の溶接充填材料を用いて実施されるか、或いは、他の適切な取り付けの仕組みとする。
底部３６は、約２６０乃至３００ｍｍの内径と、約２８０乃至３２０ｍｍの（変化あるいは漸減し得る）外径と、約８乃至１０ｍｍの（変化あるいは漸減し得る）肉厚と、約１０６０ｍｍの全長とを有する管状構造５４を含むが、他の適切な寸法を利用してもよい。底部３６は、ＨＫ−ＭＡ合金、Ｃｒ、Ｎｉ、及びＦｅを他の元素と共に含み、超合金群に含まれるものとして特徴付けられた耐熱合金、もしくは他の新規の材料から製造し得るものであり、その表面は、ショットブラスト等により異物を除去することが好ましい。底部３６は、溶接５０により中間部３４に接合され、こうした溶接５０は、適切な「Ｊ形」溶接開先設計又は直線「Ｖ形」溶接開先設計により設計されると共に適合する合金の溶接充填材料を用いて実施されるか、或いは、他の適切な取り付けの仕組みとする。加えて、複数のニッケル合金ウェッジ構造５６等が、底部３６の管状構造５４の内側の周囲に同心に配置及び溶接され、内部触媒支持板（図示せず）を支持する。同様に、チャネル５８等が、底部３６の管状構造５４の外側の周囲に同心に配置及び加工され、底部気密フランジ（図示せず）が取り付けられる。
最後に、２次フランジ部３８は、内径約３９４ｍｍ、外径約４０６ｍｍ、肉厚約６ｍｍ、及び全長約７１ｍｍの管状構造６０を含むが、他の適切な寸法を利用してもよい。２次フランジ部３８は、炭素鋼又は他の適切な合金、もしくは他の新規の材料から製造し得るものであり、その表面は、ショットブラスト等により異物を除去することが好ましい。外側に突き出た同心２次フランジ６２は、２次フランジ部３８の最上部の周囲に配置され、約４８５ｍｍの外径、及び約６ｍｍの厚さを有する。２次フランジ部３８は、溶接５０によりフランジ部３０に接合され、こうした溶接５０は、適切な「Ｊ形」溶接開先設計又は直線「Ｖ形」溶接開先設計により設計されると共に適合する合金の溶接充填材料を用いて実施されるか、或いは、他の適切な取り付けの仕組みとする。２次フランジ部３８は、改質管組立体を、例えば溶接により改質ガスヘッダ（図示せず）に接合するために利用される。改質管組立体１６の全ての構成要素は、当然ながら一体的に形成してもよい。管状構成要素及び耐熱合金製フランジは、遠心鋳造プロセスを用いて製造することが好ましい。
上述したように、様々な実施形態例において、本発明は、肉厚が変化すると共に新規の冶金合金から製造された改質管装置１６を提供する。この設計及び材料の組み合わせは、現在の温度要件でのより長い動作、又はより高い温度要件での同等の動作をもたらす。肉厚は、変形に対する抵抗力が必要な、改質管装置１６の局所的部分のみで増加させる。従来の肉厚へ変化させる部分は、溶接継手と比較して応力が最小となるように、緩やかに設ける。管寿命を４乃至６年延長し得るか、或いは、管の温度及び全体的なＤＲプロセス生産を相応に増加し得ると予想される。
好適な実施形態及び具体例を参照して本発明を例示及び説明してきたが、他の実施形態及び例が、類似する機能を発揮し得ること、及び／又は同様の結果を達成し得ることは、当業者には容易に明らかとなろう。こうした等価の実施形態及び例は、全て本発明の趣旨及び範囲に含まれ、本発明に意図されると共に、以下の特許請求の範囲の対象となるものである。この点において、本明細書は、限定的ではなく包括的なものと見做されるべきである。
Claims (24)
- 耐火材を内張した炉内に配置され、軸方向に整列させた管状構造を備え、前記軸方向に整列させた管状構造が、
第１の肉厚を有する上方の第１の部分と、
第２の肉厚を有する下方の第２の部分と、
前記上方の第１の部分を前記下方の第２の部分に接続する、肉厚が変化する中間の第３の部分と、を含み、前記中間の第３の部分の肉厚が前記第１の肉厚から前記第２の肉厚へと漸減し、
前記軸方向に整列させた管状構造の内径は、前記上方の第１の部分、前記下方の第２の部分、及び前記中間の第３の部分において一定である、改質管装置。 - Ｃｒ、Ｎｉ、及びＦｅを、他の元素と共に含み、超合金群に含まれるものとして特徴付けられた耐熱合金により製造される、請求項１に記載の改質管装置。
- 前記軸方向に整列させた管状構造は、更に１次フランジ部を備え、前記１次フランジ部は、その最上部の周囲に配置され、かつ前記管状構造から垂直方向に外側に突き出た１次同心フランジを含む、請求項１に記載の改質管装置。
- 前記軸方向に整列させた管状構造は、更に頂部を有し、前記軸方向に整列させた管状構造の前記上方の第１の部分及び前記中間の第３の部分が、前記頂部の一部である、請求項１に記載の改質管装置。
- 前記軸方向に整列させた管状構造は、更に、前記頂部の下方に配置された中間部を有する、請求項４に記載の改質管装置。
- 前記軸方向に整列させた管状構造は、更に、前記中間部の下方に配置された底部を有する、請求項５に記載の改質管装置。
- 前記管状構造の前記底部は、その内側の周囲に配置された複数の同心ウェッジ構造を有する、請求項６に記載の改質管装置。
- 前記管状構造の前記底部は、その外側の周囲に配置された凹部を有する、請求項６に記載の改質管装置。
- 前記軸方向に整列させた管状構造は、更に２次フランジ部を有し、前記２次フランジ部は、その最上部の周囲に配置された２次同心フランジを含む、請求項１に記載の改質管装置。
- 直接還元プロセスにおいて使用される改質炉内に配置される、請求項１に記載の改質管装置。
- １次フランジ部と、頂部と、前記頂部の下方に配置された中間部と、前記中間部の下方に配置された底部とを有し、耐火材を内張した炉内に配置され、軸方向に整列させた管状構造を備え、前記軸方向に整列させた管状構造の前記頂部が、
第１の肉厚を有する上方の第１の部分と、
第２の肉厚を有する下方の第２の部分と、
前記上方の第１の部分を前記下方の第２の部分に接続する、肉厚が変化する中間の第３の部分と、を含み、前記中間の第３の部分の肉厚が前記第１の肉厚から前記第２の肉厚へと漸減し、
前記軸方向に整列させた管状構造の内径は、前記上方の第１の部分、前記下方の第２の部分、及び前記中間の第３の部分において一定である、改質管装置。 - Ｃｒ、Ｎｉ、及びＦｅを、他の元素と共に含み、超合金群に含まれるものとして特徴付けられた耐熱合金により製造される、請求項１１に記載の改質管装置。
- 前記１次フランジ部は、その最上部の周囲に配置され、かつ前記管状構造から垂直方向に外側に突き出た１次同心フランジを含む、請求項１１に記載の改質管装置。
- 前記第１の肉厚は、前記第２の肉厚より大きい、請求項１１に記載の改質管装置。
- 前記管状構造の前記底部は、その内側の周囲に配置された複数の同心ウェッジ構造を有する、請求項１１に記載の改質管装置。
- 前記管状構造の前記底部は、その外側の周囲に配置された凹部を有する、請求項１１に記載の改質管装置。
- 前記軸方向に整列させた管状構造は、更に前記１次フランジ部に結合された２次フランジ部を有し、前記２次フランジ部は、その最上部の周囲に配置された２次同心フランジを含む、請求項１１に記載の改質管装置。
- 直接還元プロセスにおいて使用される改質炉内に配置される、請求項１１に記載の改質管装置。
- １次フランジ部と、頂部と、前記頂部の下方に配置された中間部と、前記中間部の下方に配置された底部とを含み、耐火材を内張した炉内に配置され、軸方向に整列させた管状構造を提供することを含む、改質管装置を製造提供する方法であって、
前記軸方向に整列させた管状構造の前記頂部は、
第１の肉厚を有する上方の第１の部分と、
第２の肉厚を有する下方の第２の部分と、
前記上方の第１の部分を前記下方の第２の部分に接続する、肉厚が変化する中間の第３の部分と、を含み、前記中間の第３の部分の肉厚が前記第１の肉厚から前記第２の肉厚へと漸減し、
前記軸方向に整列させた管状構造の内径は、前記上方の第１の部分、前記下方の第２の部分、及び前記中間の第３の部分において一定である、改質管装置を提供する方法。 - 前記１次フランジ部は、その最上部の周囲に配置され、かつ前記管状構造から垂直方向に外側に突き出た１次同心フランジを含む、請求項１９に記載の改質管装置を提供する方法。
- 前記第１の肉厚は、前記第２の肉厚より大きい、請求項１９に記載の改質管装置を提供する方法。
- 前記管状構造の前記底部は、その内側の周囲に配置された複数の同心ウェッジ構造を有する、請求項１９に記載の改質管装置を提供する方法。
- 前記管状構造の前記底部は、その外側の周囲に配置された凹部を有する、請求項１９に記載の改質管装置を提供する方法。
- 前記軸方向に整列させた管状構造は、更に前記１次フランジ部に結合された２次フランジ部を有し、前記２次フランジ部は、その最上部の周囲に配置された２次同心フランジを含む、請求項１９に記載の改質管装置を提供する方法。
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