JP6754832B2 - 工業製造プラントのための熱交換器の配置 - Google Patents
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Description
本発明は、燃焼ガスを製造するための少なくとも１つの反応装置を備え、熱交換システムを更に備えているカーボンブラック製造プラントに関する。
ファーネスブラックとも称されるカーボンブラックは、世界的に最も製造される50の化学製品の１つとみなされる。通常、カーボンブラックを個々の製造プラントで製造する。カーボンブラック製造プラントは、天然ガス又はオイルを不完全に燃焼する一方、その後に生じる燃焼ガスをカーボンブラックの分離のために濾過する反応装置を備えている。ほとんどの場合、燃焼のために使用する反応空気を、反応装置に供給する前に予熱する。主にこのため、燃焼ガスを濾過の前に、反応空気を予熱する熱交換器を通して導く。反応空気を予熱することによって、カーボンブラック製造プラントの熱効率が高められ得る。
カーボンブラックを製造する際、ほとんどの場合、燃焼ガスを注入水によって、つまり、いわゆる焼入れによって急冷する。そのため、反応プロセスを停止させることにより、燃焼ガスに含まれるカーボンブラックが所望の品質を有することが保証される。
近年、カーボンブラックの製造を終了する際の燃焼ガスの冷却が、最終生成物の品質低下を引き起こすことなく他の方法で、例えば熱交換によって更に行われ得ることが分かっている。この認識から、本発明は、高い熱効率を有して、更に簡単な構成のカーボンブラック製造プラントを提供することを目的とする。
本発明のカーボンブラック製造プラントは請求項１の特徴によって定められている。
本発明のカーボンブラック製造プラントは、燃焼ガスを製造するための反応装置と、燃焼ガスと流体との熱交換のための第１の熱交換部、及び燃焼ガスと反応装置のための反応空気との熱交換のための第２の熱交換部を有する熱交換システムとを備えている。第２の熱交換部によって反応空気を予熱することができる。第１の熱交換部は、夫々の第１のケーシング管内に単一の通路の構成で夫々配置されている第１の管を有する二重管式熱交換器として構成されており、第２の熱交換部は、第２のケーシング管内に配置されている管束であって、第２のケーシング管内に単一の通路の構成で夫々配置されている第２の管を含む管束を有する管束式熱交換器として構成されている。前記第１の管及び前記第２の管は、燃焼ガスが第１の管及び第２の管を通って流れるように構成されている。前記二重管式熱交換器及び前記管束式熱交換器は垂直に配置されており、第１の管及び第２の管の夫々の上端部が導管を介して互いに連結されている。燃焼ガスが二重管式熱交換器を通って流れる方向は上昇方向であり、燃焼ガスが管束式熱交換器を通って流れる方向は下降方向である。
このような熱交換システムをカーボンブラック製造プラントに設けることが特に有利であることが分かっている。燃焼ガスの熱エネルギーが有利に利用可能であるように、第１の熱交換部を通して流体が加熱され得る。例えば、第１の熱交換部は、水の形態の流体を蒸発させる蒸発器として構成され得る。第１の熱交換部は、カーボンブラックを製造する際の反応プロセスの結果を高める、燃焼ガスのための冷却機能を更に有し得る。そのため、反応装置の冷却装置の内の一部、例えばいわゆる焼入れのための注入ノズルを省略することができる。廃熱を利用することによって、更にカーボンブラック製造プラントの熱効率が上昇する。反応空気を予熱するための管束式熱交換器を垂直に配置することによって、第２のケーシング管内での管束の膨張が有利なように生じ得ることが達成される。燃焼ガスから空気への熱伝達は、管束式熱交換器では比較的温かいガス状媒体に行われるため、前記第２の管の温度は高くなり、必然的に第２の管の材料は相対的に柔らかくなる。管束式熱交換器の水平配置は第２の管のたるみによる問題の原因となることが避けられない。垂直配置によってこのような状態を防止し、加えて、第２のケーシング管及び第２の管の垂直方向への熱膨張が支障なく可能になる。更に垂直に配置された二重管式熱交換器は同様の利点を有する。第１の管及び第２の管の夫々の上端部を相互に連結する導管を設けることにより、第１の熱交換部及び第２の熱交換部の連結部分が比較的短く維持され得ることが更に達成される。燃焼ガスは、第１の熱交換部を通って流れた後、依然として比較的高い温度を有するため、第１の熱交換部及び第２の熱交換部の連結部分に高品質な導管を使用する必要がある。従って、本発明によって可能とされる第１の熱交換部と第２の熱交換部との間の短い導管の連結部分はコストの面で有利である。更に、本発明によって提供されているような二重管式熱交換器及び管束式熱交換器の配置は、二重管式熱交換器及び管束式熱交換器を互いに比較的近くに配置することを可能にするため、カーボンブラック製造プラントの熱交換システムのための空間要件が比較的緩やかになる。
二重管式熱交換器は自然循環蒸気発生器として構成されていることが好ましい。従って、使用される流体は水である。燃焼ガスは、二重管式熱交換器内の水を加熱するため、水を蒸発させる。第１のケーシング管内に夫々配置されている第１の管の本発明に係る配置によって、水が比較的薄い層で第１の管の周りに流れるため、高いエネルギー入力によって水は有利な方法で蒸発し得ることが達成される。水は並流で導かれるため、二重管式熱交換器内の自然循環が有利に可能になる。このため、水をポンプで送り出すための複雑な装置、例えば循環ポンプが必要になって、エネルギーのためにより高い経費が必要になることを未然に防ぐ。
二重管式熱交換器は、従来のように水及び蒸気の貯蔵部、分配部及び分離部として機能する蒸気ドラムを有することができる。言い換えれば、蒸気ドラムに供給水を均一に供給し、蒸気ドラムは、二重管式熱交換器で生成される蒸気を更に受ける。好ましくは、蒸気ドラムは二重管式熱交換器より上に配置されているため、蒸気ドラムから第１のケーシング管に供給される水が、蒸発が生じる部分まで第１のケーシング管内で上昇するために十分な圧力を受け、自然循環が有利な方法で高められる。
二重管式熱交換器は、燃焼ガスのための垂直に設けられた第１の入口チャンバを有しており、第１の入口チャンバは第１の管に連結され、第１の管を受けている第１の下側管板によって画定されていることが可能である。垂直に設けられた前記第１の入口チャンバによって、燃焼ガスは個々の第１の管に有利な方法で分配され得る。
第１のケーシング管に連結されている流体のための少なくとも１つの入口チャンバが、第１の下側管板に隣り合って配置され得る。少なくとも１つの前記入口チャンバによって、流体が第１のケーシング管に有利に分配されることが可能になる。
二重管式熱交換器は、第１のケーシング管が挿入される少なくとも１つの出口チャンバを第１のケーシング管の上端部に有することができる。少なくとも１つの前記出口チャンバは、第１のケーシング管内で加熱されて蒸発した流体を集めて、この流体を、例えば蒸気ドラムに導く。更に、第１の管を受けるための第１の上側管板が、少なくとも１つの出口チャンバに隣り合って設けられ得る。燃焼ガスのためのコレクタ管が、前記第１の上側管板に隣接して配置されることができ、前記コレクタ管は導管と一体化している。コレクタ管は、例えば漏斗管として形成され得る。
第１のケーシング管は、第１のケーシング管の下端部で流体のための夫々の入口チャンバに広がっていることが更に可能である。この場合、これらの入口チャンバが互いに連結され、第１の下側管板を形成していることが好ましい。加えて又は代わりに、第１のケーシング管が、第１のケーシング管の上端部で流体のための夫々の出口チャンバに広がっており、これらの出口チャンバは好ましくは互いに連結されて第１の上側管板を形成していることが可能である。
管束式熱交換器は向流式熱交換器として構成されていることが好ましい。言い換えれば、これは、燃焼ガスが第２の管を通って下向きの方向に流れている一方、反応空気が第２のケーシング管を通って上向きの方向に流れていることを意味する。このような向流配置は、反応空気の予熱のために特に有利であることが分かっている。
管束式熱交換器は吊るされるように配置されていることが好ましい。この場合、管束式熱交換器は第２のケーシング管を介して吊るされていることが好ましい。管束式熱交換器、特に第２のケーシング管の熱膨張が下向きの方向に生じるため、管束式熱交換器の上端部が実質的に同一の位置に留まるので、このような配置は特に有利である。従って、第１の熱交換部及び第２の熱交換部の異なる膨張によって生じ得る問題が回避される。
管束式熱交換器を吊るすように配置するため、第２のケーシング管で係合する取付構造体が設けられ得る。前記取付構造体はバネ式取付構造体として構成されることができ、管束式熱交換器の重量は、バネ式取付構造体のバネ装置によって少なくとも部分的に受けられる。
取付構造体をバネ式取付構造体として構成することにより、第１の熱交換部で生じる熱膨張は、熱膨張中に第２の熱交換部全体が連動するため補償され得る。バネ式取付構造体では垂直移動が所定の範囲内で可能になるため、このような補償が可能になる。
加えて又は代わりに、第１の熱交換部及び第２の熱交換部を連結する導管が、第１の熱交換部で生じる熱膨張のみを、例えば対応する補償器を用いて補償するように構成され得る。
好ましくは、管束式熱交換器は燃焼ガスのための垂直に設けられた第２の入口チャンバを有しており、前記第２の入口チャンバは、管束式熱交換器の上端部に配置されて第２の管に連結されており、第２の管を受けている第２の上側管板によって画定されている。第２の入口チャンバによって、燃焼ガスは管束式熱交換器の第２の管に有利な方法で分配され得る。
第２の管は第２の上側管板に吊るされて固定されていることが好ましい。そのため、第２の管の熱膨張も下向きの方向に生じることが達成される。例えば、第２の管は夫々懸吊装置を有することが可能であり、懸吊装置によって、第２の管は夫々第２の上側管板に固定されている。
この場合、特に第２の下側管板が第２の管の下端部を受けており、第２の管は夫々、第２の下側管板と連結するために個々の管補償器を有している。このため、第２の管の望ましくない変形無しで熱膨張を補うことが有利な方法で可能になる。
第２の上側管板は冷却され得る。例えば、第２の上側管板は二重底として構成されることができ、第２の上側管板の内部に形成された冷却チャンバが第２の上側管板と接している。第２のケーシング管内で加熱された反応空気は、例えば800 ℃の非常に高い温度に達し得るので、燃焼ガス及び予熱した反応空気の両方に曝される第２の上側管板を冷却することが有利である。第２の上側管板を前記冷却チャンバと共に設けることにより、この冷却効果は有利な方法で達成され得る。冷却チャンバは、少なくとも１つの冷却流体入口、好ましくは複数の冷却流体入口と、少なくとも１つの冷却流体出口とを有することができる。冷却流体として、例えば冷却流体出口を通って反応空気に供給される空気が使用され得る。
第２の管が二重底として構成された第２の上側管板に吊るされるように取り付けられている場合、懸吊装置は二重底に固定されている管スリーブとして夫々構成され得る。第２の管はこれらの管スリーブに簡単な方法で吊るされ得る。第２の管は冷却チャンバを通って延びている。大幅に加熱された第２の管が冷却流体に直接曝されることを回避するため、又は急な温度勾配が生成されることを回避するため、前記管スリーブは冷却チャンバの領域で第２の管を囲み、絶縁機能を実行することが可能である。従って、管スリーブとして形成された懸吊装置、及び二重底としての第２の上側管板の構成によって、管束式熱交換器の熱い端部で第２の管を吊るすことが有利な方法で可能になる。
更に第２の下側管板は、燃焼ガスのための出口チャンバを画定し得る。前記出口チャンバでは、第２の管から流出する燃焼ガスが集められて更なる処理のために導き出される。例えば、分離装置、例えばセパレータ装置が、燃焼ガスからカーボンブラックを分離するために第２の熱交換部の後方に設けられ得る。
本発明は、反応空気のための入口が第２の下側管板に隣り合って配置されていること、及び／又は、反応空気のための出口が第２の上側管板に隣り合って配置されていることを更に有利に提供し得る。
二重管式熱交換器及び管束式熱交換器を連結している導管は、例えば管の湾曲部として構成され得る。
更に、燃焼ガスが管束式熱交換器を通って下向きの方向に流れるように、管束式熱交換器を垂直の向きに配置することにより、燃焼ガスが、管束式熱交換器を通過した後、管束式熱交換器の下端部で横方向に導き出され得るという利点がある。燃焼ガスが管束式熱交換器を通って上昇方向に流れる、空気を予熱するための従来の管束式熱交換器では、管束式熱交換器の上端部で下向きに導かれなければならない複雑な導管が必要である。
本発明を、添付図面を参照して以下により詳細に説明する。
図１は、本発明に係るカーボンブラック製造プラント100 の主な構成を示す。カーボンブラック製造プラントは、実質的に反応装置102 、熱交換システム1 及び分離装置104 を備えている。
前記反応装置102 では不完全な燃焼が行われ、その結果、燃焼ガスが生成される。燃焼ガスは、導管システム106 を介して熱交換システム1 に供給される。熱交換システム1 で冷却された燃焼ガスは、カーボンブラック及びガスを分離する分離装置104 に第２の導管システム106 を介して供給される。
反応空気が熱交換システム1 に更に供給される。反応空気を熱交換システム1 によって予熱し、次に予熱した反応空気を反応装置102 に供給する。図１には、反応空気の流れ方向が対応する矢印によって表されており、矢印Ａは反応空気の流入を示し、矢印Ｂは反応空気の流出を示す。更に、第２の流体を熱交換システム1 に供給する。更に、この第２の流体を熱交換システム1 で予熱して、加熱した流体として導き出す。第２の流体は、例えば水とすることができ、加熱した水は、熱交換システム1 から蒸気の状態で導き出される。熱交換システム1 によって燃焼ガスが冷却されるため、反応の完了を向上させる。第２の流体の流入は矢印Ｃによって表わされている。第２の流体の流出は矢印Ｄによって表わされている。
従って、本発明に係るカーボンブラック製造プラント100 は、一方では予熱した反応空気の供給により、反応装置102 内の反応の熱効率が高められ得るという利点を有する。他方では、生成される燃焼ガスに含まれる熱エネルギーが、流体を加熱するため、例えば水を蒸発させるために更に使用され得る。生成される蒸気は、例えば個々の過熱器に供給され、従って電力を生成するために従来の水蒸気サイクルに使用され得る。生成される蒸気は他の目的に更に使用され得る。
図２には、図１のカーボンブラック製造プラント100 の熱交換システム1 が概略的により詳細に示されている。
熱交換システム1 は、第１の熱交換部3 及び第２の熱交換部4 を備えている。前記第１の熱交換部3 内で流体を加熱する。前記第２の熱交換部4 内で反応空気を予熱する。
このために、第１の熱交換部3 は二重管式熱交換器5 として構成されている。二重管式熱交換器5 は、図2aの詳細図に最も明瞭に示されているように複数の第１の管7 を有している。前記第１の管7 は夫々、第１のケーシング管9 内に単一の通路の構成で配置されている。
二重管式熱交換器は垂直の向きに配置されており、燃焼ガスは二重管式熱交換器に二重管式熱交換器の下端部で供給される。このため、二重管式熱交換器5 は第１の入口チャンバ11を有している。第１の管7 は第１の入口チャンバ11に連結されている。第１の下側管板13が前記第１の入口チャンバ11を画定しており、この第１の下側管板13は第１の管7 を受けている。
第１の上側管板15が第１の管7 の上端部に配置されている。第１の上側管板15は第１の管7 の上端部を受けている。燃焼ガスのためのコレクタ管17が、第１の上側管板15に隣接して配置されている。
第１の入口チャンバ11に入る燃焼ガスは第１の管7 に分配されて第１の管7 を通って流れる。流体は第１のケーシング管9 に導かれて、第１の管7 と第１のケーシング管9 との間に形成された隙間9aに流入する。
第１の熱交換部3 は、水及び蒸気の貯蔵部、分配部及び分離部として機能する蒸気ドラム19を更に有し得る。供給水が、矢印Ｃによって示されているように蒸気ドラム19に供給される。供給水は、第１の下側管板13に隣り合って配置されている不図示の少なくとも１つの入口チャンバに導かれる。前記入口チャンバは供給水を第１のケーシング管9 に分配する。第１のケーシング管9 の上端部の各々に、蒸発した流体のための出口チャンバ21が形成されており、蒸発した流体を集めて蒸気ドラム19に戻す。蒸発した流体は、矢印Ｄによって示されているように蒸気ドラム19から導き出される。二重管式熱交換器5 は並流で作動する。そのため、流れを生成するための追加の装置、例えば循環ポンプが必要ではないように、流体を蒸発させるプロセスで自然循環を使用することができる。
出口チャンバ21の壁が互いに連結されて第１の上側管板を形成することが更に可能であるため、個々の管板を省略することが可能になる。
一般に、入口チャンバが第１の下側管板13を更に形成可能であるように、出口チャンバ21及び入口チャンバの構成はミラー反転され得る。
コレクタ管17に集められた燃焼ガスは、湾曲部として形成された導管23を介して第２の熱交換部4 に供給される。第２の熱交換部4 は管束式熱交換器25として構成されている。管束式熱交換器25は、ここでも垂直に配置され、向流式熱交換器として構成されている。従って、導管23を介して供給される燃焼ガスは、管束式熱交換器25を通って下向きの方向に流れる。加熱される反応空気は、矢印Ａ及び矢印Ｂによって示されているように管束式熱交換器25の下部分に供給されて上部分から導き出される。
図3aには、管束式熱交換器25の上部分が詳細に示されている。管束式熱交換器25は、第２のケーシング管29内で単一の通路の構成で延びている複数の第２の管27を有している。従って、第２のケーシング管29は、第２の管27によって横断されるチャンバ31を形成している。
管束式熱交換器25は吊るされるように配置されている。このため、管束式熱交換器25は第２のケーシング管29と係合する保持構造体33を有している。管束式熱交換器を吊るすように配置することにより、管束式熱交換器25、特に第２のケーシング管29の熱膨張が下向きの方向に生じるという利点がある。そのため、二重管式熱交換器及び管束式熱交換器の異なる熱膨張によって起こり得る問題は低減され、従って、導管23での複雑な補償器の必要性をほとんどなくす。導管23が燃焼ガスを高温で導くので、導管は高品質な材料から形成されるべきである。従って、更なる装置を省略することによって、構造上の複雑さ及びコストを明らかに低下させることができる。
複数の平行な第２の管27が第２の上側管板35によって吊るされるように保持されている。このために、第２の管は夫々懸吊装置37を有している。前記第２の上側管板35は、管束式熱交換器25の上端部に配置されている燃焼ガスのための第２の入口チャンバ39を画定している。前記第２の入口チャンバ39から、燃焼ガスは第２の管27に分配される。
第２の入口チャンバ39内の燃焼ガスの温度が比較的高いため、第２の上側管板35を冷却する。このため、第２の上側管板35は内部の冷却チャンバ41を有する二重底として形成されている。冷却流体、例えば冷気が複数の冷却流体入口45を介して冷却チャンバ41に供給される。冷却流体は、冷却チャンバ41から冷却流体出口43を介して流出し得る。冷却流体は、例えば前記冷却流体出口43を介して反応空気と混じる空気とすることができる。
第２の管27を第２の上側管板35に吊るすように配置することにより、第２の管27の膨張が下向きの方向に生じ得ることが更に達成される。
第２の管27の熱膨張を補うために、第２の管27は夫々、個々の管補償器46を有している。管束式熱交換器25の下部分の詳細図である図3bに管補償器46を見ることができる。第２の下側管板47が第２の管27の下端部を受けており、個々の管補償器46は、第２の管27と第２の下側管板47との間の連結部分を形成している。
反応空気は、第２のケーシング管29によって囲まれた空間31に入口49を介して供給される。反応空気は、管束式熱交換器25を通過した後、出口51を介して導き出される。第２の下側管板47は、燃焼ガスのための更なるコレクタチャンバ53を画定している。前記更なるコレクタチャンバ53を画定している壁55が主補償器57を有しており、主補償器57は、一又は複数の第２の管27の著しい膨張の場合、又は個々の管補償器46の故障の場合に、第２の管27と第２のケーシング管29との長さ補償が行われ得ることを保証する。このような状況では、一又は複数の第２の管27が第２の下側管板47を下向きに押し付けることができ、この移動は主補償器57によって吸収される。
第１の熱交換部3 及び第２の熱交換部4 を垂直に配置して、二重管式熱交換器5 を管束に夫々の上端部で更に連結することにより、カーボンブラック製造プラント100 の熱交換システム1 の空間要件が比較的低いように、第１の熱交換部3 及び第２の熱交換部4 は互いに非常に近くに配置され得る。
Claims (10)
- 燃焼ガスを生成するための少なくとも１つの反応装置(102) と、
燃焼ガスと流体との熱交換のための第１の熱交換部(3) 、及び燃焼ガスと前記反応装置(102) のための反応空気との熱交換のための第２の熱交換部(4) を有する熱交換システム(1) と
を備えており、
前記第２の熱交換部(4) によって反応空気を予熱することができ、
前記第１の熱交換部(3) は、夫々の第１のケーシング管(9) 内に単一の通路の構成で夫々配置されている第１の管(7) を有する二重管式熱交換器(5) として構成されており、
前記第２の熱交換部(4) は、第２のケーシング管(29)内に配置されている管束であって、前記第２のケーシング管(29)内に単一の通路の構成で夫々配置されている第２の管(27)を含む前記管束を有する管束式熱交換器(25)として構成されており、
前記第１の管(7) 及び前記第２の管(27)は、燃焼ガスが前記第１の管(7) 及び前記第２の管(27)を通って流れるように構成されており、
前記二重管式熱交換器(5) 及び前記管束式熱交換器(25)は垂直に配置されており、
前記第１の管(7) 及び前記第２の管(27)の夫々の上端部が導管(23)を介して互いに連結されており、
燃焼ガスが前記二重管式熱交換器(5) を通って流れる方向は上昇方向であり、燃焼ガスが前記管束式熱交換器(25)を通って流れる方向は下降方向であることを特徴とするカーボンブラック製造プラント(100) 。 - 前記二重管式熱交換器(5) は自然循環蒸気発生器として構成されていることを特徴とする請求項１に記載のカーボンブラック製造プラント。
- 前記二重管式熱交換器(5) は、燃焼ガスのための垂直に設けられた第１の入口チャンバ(11)を有しており、前記第１の入口チャンバ(11)は前記第１の管(7) に連結されており、前記第１の管(7) を受けている第１の下側管板(13)によって画定されていることを特徴とする請求項２に記載のカーボンブラック製造プラント。
- 前記第１のケーシング管(9) に連結されている流体のための少なくとも１つの入口チャンバが、前記第１の下側管板(13)に隣り合って配置されていることを特徴とする請求項３に記載のカーボンブラック製造プラント。
- 前記管束式熱交換器(25)は向流式熱交換器として構成されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載のカーボンブラック製造プラント。
- 前記管束式熱交換器(25)は吊るされるように配置されていることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載のカーボンブラック製造プラント。
- 前記管束式熱交換器(25)は、垂直に配置された燃焼ガスのための第２の入口チャンバ(39)を有しており、前記第２の入口チャンバ(39)は、前記管束式熱交換器(25)の上端部に配置されて前記第２の管(27)に連結されており、前記第２の管(27)を受けている第２の上側管板(35)によって画定されていることを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記載のカーボンブラック製造プラント。
- 前記第２の管(27)は、前記第２の上側管板(35)に吊るされて固定されていることを特徴とする請求項７に記載のカーボンブラック製造プラント。
- 第２の下側管板(47)が前記第２の管(27)の下端部を受けており、前記第２の管(27)は夫々、前記第２の下側管板(47)と連結するために個々の管補償器(46)を有していることを特徴とする請求項８に記載のカーボンブラック製造プラント。
- 反応空気のための入口(49)が前記第２の下側管板(47)に隣り合って配置されている、及び／又は反応空気のための出口(51)が前記第２の上側管板(35)に隣り合って配置されていることを特徴とする請求項９に記載のカーボンブラック製造プラント。
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