JPS6050391A - 熱交換方法および熱交換器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、タール分を含む高温ガスの熱交換方法および
熱交８Ｉ！器に関する。

石炭ガス化プラント、石炭倍化プラント、コークス炉お
よび重質残渣油焼却プラント等においては、発生する高
温のガスに大量のガス化した凝縮温度の高いタール分等
の重質炭化水素が含まれている。かかる高温カスをより
温度の低い空気等の低温流体と熱交換させようとすると
、高温ガスと低温流体とを仕切る伝熱体の高温ガス側表
面に凝縮したタール分が付着し、高温ガスの流通性が悪
くなるとともに、熱伝達率が低下し、ついには運転不可
能となる。このため、かかる高温ガスの有する熱を有効
に熱回収することは極めて困難であり、実際には熱回収
されていないのが現状である。わずかに、コークス炉に
おいては、生成したコークス炉ガスの出口管である、い
わゆる上Ｅ管の外側にチューブを巻き付け、これに熱媒
体を通して熱回収を行っている例があるが、熱媒体を通
したチューブが直接高温ガス中にさらされているわけで
はないので、十分な効果は期待できない。

したがって、本発明の目的は、上記従来技術の問題点に
鑑み、タール分を含む高温ガスから有効に熱回収するこ
とができるようにした熱回収方法およびその方法に使用
する熱交換器を提供するどとにある。

すなわち、本発明の第一は、タール分を含む高温ガスと
、該高温ガスよりも温度の低い含酸素気体とを伝熱体を
介して熱交換する熱交換方法において、前記含酸素気体
の少量を前記伝熱体を通して前記高温ガス側に流出させ
、前記高温ガス成分の一部を燃焼させることを特徴とす
る熱交換方法である。

また、本発明の第二は、タール分を含む高温ガスの流路
と、該高温ガスより温度の低い含酸素気体の流路と、該
高温ガスの流路と該含酸素気体の流路とを仕切る伝熱体
とを備えた熱交換器において、前記伝熱体が多孔体で形
成されていることを特徴とする熱交換器である。

したがって、本発明においては、少量の空気などの含酸
素気体が高温ガス側に流出し、その含酸素気体によって
高温ガスの成分の一部が燃焼し、その燃焼熱によって伝
熱体に０着したタール分を滴下、蒸発もしくは燃焼させ
、もって、タール分の付着量を一定以下に維持し、工業
的な連続運転を可能にするものである。

本発明においては、含酸素気体である空気の流量の４９
６以下を高温ガス側に流出させることが好ましい、４％
を超えると、熱バランスがくずれ、高温ガスの可燃性成
分の損失が増大し、高温ガスを冷却する効果も減殺され
る。

また、高温ガスと含酸素気体とを向流に流すことが好ま
しい、含酸素気体の流路の下流においては、含酸素気体
の圧力が低くなるので、高温ガス側への含酸素気体の流
出量が少なくなる。この場合、向流にすれば、含酸素気
体の流路の下流、すなわち高温ガスの流路の上流では、
高温ガスが未だ充分に冷却されていないので凝縮するタ
ール分も少ない、したがって、含酸素気体の流出量が少
なくても、伝熱体に付着したタール分を除去することが
できる。

さらに、伝熱体は複数の管状に形成され、その伝熱管の
内側に含酸素気体の流路が設けられ、伝熱管の外側に高
温ガスの流路が設けられていることが好ましい。これに
よって、熱伝達率を高めることができ、また、伝熱管よ
り滴下するタール分を回収しやすくすることができる。

さらにまた、伝熱体の少なくとも高温ガス側に酸化触媒
層が形成されていることが好ましい。

これによって、高温ガス側Ｃ流出する空気による高温ガ
ス成分の燃焼もしくは酸化を促進することができる。

以下、図面を参照して本発明の詳細な説明する。

第１図に示すように１本発明を実施した熱交換器Ａは、
伝熱体としてコージライト質、炭化ケイ素質、窒化ケイ
素質、ジルコニア賀、ムライト賀等のセラミックスで構
成された複数の多孔質伝熱管１と、これらの伝熱管ｌを
収容する熱交換器罐体２とを備えている。伝熱管１は所
定間隔をおいてそれぞれ平行に配列され、それらの両端
部をセラミックスファイバー、カーボンファイバー等か
らなるシール材３を介して、キャスタブル耐火物等から
なる一対の竹板２ａによって支持されている。したがっ
て、各管板２ａは伝熱管１が貫通する孔を有し、伝熱管
１は各管板２ａの外側に開口している。また、熱交換器
罐体２の各管板２ａの周縁には、含酸素気体入口フラン
ジ２ｂと含酸素気体出口フランジ２ｃとが形成されてい
る。そして、含酸素気体入口フランジ２ｂには含酸素気
体入口ダクト４が取イづけられ。

含酸素気体出口フランジ２Ｃには含酸素気体出ロダクト
５が取付けられている。したがって、含酸素気体は含酸
素気体入口ダクト４の含酸素気体入口４ａから入り、含
酸素気体出口ダクト５の含酸素気体出口５ａから流出す
るようになっている。一方、熱交換器線体２の上部には
高温ガス入口２ｄが形成され、熱交換器２の下部には高
温ガス出口２ｅが形成されている。なお、図中Ｔは伝熱
管１に付着したタール層である。

第２図にはこの熱交換器Ａを二段に適用したプラントが
示されている。すなわち、一対の熱交換器Ａが上下に配
穀され、下方の熱交換器Ａの含酸素気体入口ダクト４に
含酸素気体入口管１０が接続され、下方の熱交換器Ａの
含酸素気体出口ダクト５と上方の熱交換器Ａの含酸素気
体出口管クｌ−４とを含酸素気体連結管！２が連結し。

さらに、上方の熱交換器Ａの含酸素気体出口ダクト５に
含酸素気体出口管１１が接続されている。

また、上方の熱交換器Ａの上部には高温カス入口？＃１
３がｔｌｉ続され、下方の熱交換器Ａの下部には高温ガ
ス出口ホッパ−１４が接続されている。

さらに、高温ガス出口ホッパー】４の下端にはタール取
出し弁１５が設けられ、高温ガス出口ホンパー１４の側
壁上部には高温ガス出口管１θが接続されている。

次に、上記のプラントを利用した本発明の熱交換方法の
一実施例を説明する。

まず、タール分を含む高温ガスを高温ガス入口管１３内
に流入させる。高温ガスは高温ガス入口管１３より上方
の熱交換器パＡ、下方の熱交換器Ａを通って、高温カス
出口ホッパ−１４に集められ、最終的に高温ガス出口管
１６より流出する。

第１図および第２図において破線の矢印は高温ガスの流
れ方向を示す、一方、高温カスよりも温度の低い含酸素
気体を含酸素気体入口管！０に流入させる。含酸素気体
は、含酸素気体入口管１０より下方の熱交ｔ＃器Ａの各
伝８管１を通り含酸素気体連結管１２に一旦篩出する。

そして、含酸素気体連結管１２より上方の熱交換器への
各伝熱管ｌを通り最終的に含酸素気体出口管１１より流
出する。第１図およびｆ５２図において実線の矢印は含
酸素気体の流れ方向を示す、なお、含酸素気体の流入圧
は、各熱交換器Ａ内において、高温ガスの圧力よりも多
少高くなるように調整する。

高温ガスは、各熱交換器Ａを通る際に、複数の伝熱管１
に接触し、伝熱管１内を通る含酸素気体と熱交換される
ゆ高温ガスの冷却される過程において、例えば８００〜
１２００℃の温度を有する高温カスが例えば表面温度３
５０　”０以下の伝熱管ｌど接触すると、高温ガス中に
含まれるガス化したタール分が凝縮を始め、伝熱ｙｉの
外表面にイリ着する。ところで、本発明においては、伝
熱／ｌｔｌを通気性を有する多孔体で形成してあり、伝
熱管ｌ内を通る含酸素気体の圧力を高温ガスの圧力より
も多少高くなるように調整したので、含酸素気体が伝熱
’ｌ？１を通して高温カス側に少量流出する。この状態
を第３図に示す。

すなわち、伝熱管ｌを通して少量の含酸素気体がしみ出
すようにして高温ガス側に流出する。

この４酸素気体は、伝熱管１の外表面に付着したタール
層Ｔに気泡となって出現し、包数の気孔Ｈを形成する。

さらに、流出した少量の含酸素気体によって、タール分
あるいは他の高温ガス成分が燃焼し、燃焼ガスＧを生じ
る。このときの燃焼熱により、伝熱管ｌの外表面は部分
的に加熱され、タールの粘度が低下して下方に滴下し、
あるいはタールが蒸発して流出し、あるいはタール自身
が燃焼する。このようにして、伝熱管１に４１着したタ
ールＪｉＴは、常にタール分を除去されるようになって
おり、タールＭＴが一定の厚さ以上に堆積することはな
い。したがって、タールＲＴが厚く堆積して高温カスの
流通を妨げたり、あるいは伝熱効率を悪くしたりするこ
とを防止できる。

含酸素気体としては酸素カス、空気、酸素濃縮空気など
が好ましく採用でき、不活性カスなど酸素以外の気体と
酸素との混合物はいずれも採用できる。これらの含酸素
気体のうちでも空気を採用することが最も好ましく、こ
れは熱交換による被加熱ガスとして汎用されていること
および高温ガス成分の一部を伝熱体の高温ガス側表面近
傍で燃焼させるにあたり、支燃性が中庸を得ていること
などによる。

ところで、伝熱体を通して高温カス側に流出させる含酸
素気体の量は、実際には熱バランスを考慮して決定する
。流出する含酸素気体の渚があまり多すぎると、必要以
上に高温ガス中に含まれる成分が燃焼してしまい、この
高温ガスなん却した後に燃料ガスとして利用する際に。

可燃性成分の損失量が大きくなり、かつ高温ガスを冷却
する効果も失われてしまう。

今、含酸素気体として空気を、高温ガスとしてコークス
炉ガスを利用した例について、タール分の燃焼を無視し
、他のコークス炉ガス成分が燃焼したとして、熱的に検
討してみる。コークス炉ガスの組成は代表的には水素６
ｏ、メタン３０．−酸化炭素１ｏの容量比になっている
。

しタカって、このコークス炉ガス！容を燃焼させるには
、　０．８５容の酸素、すなわち４．７５容の空気を要
し、５．４容の燃焼カスを生成する。そしてコークス炉
ガス全流量、空気全流量をそれぞれ　１０ＯＮｎ＋”／
ｈとし、伝熱体を通してコークス炉ガス側に流出させる
空気量をＩＮ＋ｎ’／ｈとする。流出した空気Ｉ　Ｎ　
ｍ’／ｈによって燃焼するコークス炉ガス量は Ｌ　／　４．？５＝　０．２１Ｎ　ｍ’　／　ｈとなり
、コークス炉ガス・全流量の有する発熱量の０．２１％
を損失する。またコークス炉カスの発熱量、比熱は代表
的には、それぞれ５０００ｋｃａｌ／Ｎ　ｍ’　、　０
．３３ｋｃａｌ／　Ｎ　ｒｎ’　／　Ｋとされるので、
このコークス炉ガス０．２１Ｎ　ｍ’　／　ｈの燃焼に
よるコークス炉ガス全体の温度上昇は近似的に ０．２１Ｘ５０００１０．３３／　（１００＋４．４　
Ｘｏ、２＋）＝３１℃ となる。

このように、空気の１％をコークス炉カス側に流出させ
た場合のコークス炉ガスのエネルギー損失および温度上
昇は実際上無視できる程度に小さなものであり、しかも
充分なタール除去効果が得られる０以上の理由、および
高温ガスと空気との流量比は上側のごと＜１：１に限定
されるものではないことから、高温ガス側に流出させる
空気の量は空気流入量の４％以下が好ましく、さらには
１％以下が好ましい、なｉ高温ガス側に流出させる含酸
素気体量の調整は。

伝熱体の気孔サイズ、気孔率、肉厚、伝熱面積や、流入
させる含酸素気体の圧力を適宜調整することによって行
うことができる。

また本発明において、熱交換器内の含酸素気体流路に流
入した含酸素気体はその流路内を進んでいくにつれて、
一つは流路抵抗により、もう一つは伝熱体を通して少し
ずつ含酸素気体が高温ガス側に流出することにより、含
酸素気体の圧力が低下していく、また高温ガスもその流
路内を進んでいくにつれて、その圧力が低下していく、
このとき高温ガスと含酸素気体とを自流に流すようにし
であると、高温ガスと含酸素気体との圧力差は高温ガス
入口部で最も小さく、したがって高温ガス側に流出する
含酸素気体量も相対的に最も少なくなり、一方、この圧
力差は高温ガス出口部で最も大きく、したがって高温カ
ス側に流出する含酸素気体量も相対的に最も多くなる。

高温ガス入口部では高温ガスが未だ充分に冷却されてお
らず、凝縮するタール分も少ない。したがって少ない含
酸素気体流出量であっても伝熱体に付着したタール分を
充分に除去できる。逆に高温ガス出口部では高温ガスが
かなり冷却されて凝縮するタール分も多い。

したがって相対的に流出量の多い含酸素気体によって伝
熱体に付着したタール分を充分に除去できる。このよう
な理由により、高温ガスと含酸素気体との流れは向流型
にして行うのが好ましい。ここで向流型とは、熱交換器
ユニット内で高温ガスと含酸素気体とが向流に流される
こと、および／または複数の熱交換器ユニットの組合せ
において高温ガスと含酸素気体とが向流に流されること
を指す、しかし本発明において高温ガスと含酸素気体と
の流れは、向流型に限られず、直交流型、直交向流型、
並流型のいずれも採用することが可能である。

さらに、上記実施例において、伝熱管ｌに一酸化炭素、
水素、炭化水素などの酸化を促進する触媒層が形成され
ていてもよい、これによって、伝熱管１を通して流出す
る含酸素気体による高温ガス成分の酸化反応を促進する
ことができ、特に高温ガス流の下流において高温ガスの
温度が低下した場・合に有効である。かかる酸化触媒層
としては、例えば白金、パラジウムなどの貴金属粒子が
分散されたもの、または酸化ニッケル、五酸化バナジウ
ムなどの酸化物粒子が分散されたものなどを採用するこ
とができる。

これらの触媒層は、伝熱管ｌの高温ガス側の表層に形成
されていてもよく、あるいは、伝熱管１の厚み方向に均
一に形成されていてもよい。

なお、上記実施例においては耐熱性、耐食性にすぐれ、
かつ、多孔体を製造しやすいなどの理由により伝ａ’ｌ
ｔｌをセラミック材質としたが、伝熱管１を金属１例え
ば炭素鋼、ステンレス鋼で１例えば粉末焼結法などによ
って形成してもよい。その場合には、金ＩＩＭの伝熱管
は、熱交換器鎖体２に設けた適宜な材質からなる管板に
溶接イｌけ、拡管加工付けなどの手段によって数句（プ
られる。

また、上記実施例では、高温ガスを上方から下方に流す
ようにしたが、高温ガスを下方から上方に流すようにし
てもよい、ただし、その場合には、高温ガス流によって
タールの滴下が妨げられないように高温ガスの流速を充
分に低くすることが望ましい。

さらに、上記実施例では、含酸素気体を伝熱’ｌ’ｌ内
に通し、高温ガスを伝熱管１の外側に通すようにしたが
、これらを反対にすることもできる。

さらにまた、上記実施例では、熱交換器Ａを二段にして
プラントを製造したが、熱交換器Ａの数は任意に設定す
ることができる。

加えて木発ＩＪ１は、上記実施例のごとくチュープラー
型の熱交換器に限らず、プレート型の熱交換器にも適用
できる。

以上説明したように、本発明によれば、多孔性の伝熱体
を使用し、その伝熱体を通して少量の含酸素気体を高温
ガス側に流出させるようにしたので、伝熱体の高温ガス
側表面において高温ガスのタール分等の成分が燃焼し、
さらにはその燃焼熱によって伝熱体に付着したタール分
を滴下させ、あるいは、蒸発させることができ、もって
タール分を含む高温ガスの工業的な熱交換を可能にする
。

なお上記説明においては伝熱体に付着したタール分を除
去する場合について説明したが、本発明においては伝熱
体に未だ付着していないタール分が伝熱体に４＝Ｊ着し
ないようにする目的にも同様の理由により適用でき、か
つ優れた効果を有するものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例を示す熱交換器の断面図、！
！Ｓ２図は同熱交換器を適用したプラントの正面図、ｔ
！Ｓ３図は伝熱体表面の状態を示す部分拡大断面図であ
る。 １：多孔質伝熱管、２：熱交換器鎖体。 ２ｄ：高温ガス入口、２ｅ：高温ガス出口、４ａ：含酸
素気体出口、５ａ：含酸素気体出口、へ二熱交換器、Ｔ
：タール層。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 （１）タール分を含む高温ガスと、該高温ガスよりも温
   度の低い含酸素気体とを伝熱体を介して熱交換する熱交
   換方法において、前記含酸素気体の少量を前記伝熱体を
   通して前記高温ガス側に流出させ、前記高温ガス成分の
   一部を燃焼させることを０徴とする熱交換方法、負　。 （２、特許請求の範囲第１項において、前記含酸素気体
   は空気とされ、該空気の流量の４％以下を前記高温ガス
   側に流出させる熱交換方法。 （３）特許請求の範囲第１項または第２項において、前
   記高温ガスと前記含酸素気体とを向流に流す熱交換方法
   。 （４）タール分を含む高温ガスの流路と、該高温ガスよ
   り温度の低い含酸素気体の流路と、該高温ガスの流路と
   該含酸素気体の流路とを仕切る伝熱体とを備えた熱交換
   器において、前記伝熱体が多孔体で形成されていること
   を特徴とする熱交換器。 （５）特許請求の範囲第４項において、前記伝熱体は＃
   １１ｅＩの管状に形成され、該伝熱管の内側に含酸素気
   体の流路が設けられ、該伝熱管の外側に高温ガスの流路
   が設けられた熱交換器。 （６）特許請求のｍ列ｌ１Ｓ４項または第５項において
   、前記伝熱体の少なくとも前記高温ガス側に酸化触媒層
   が形成されている熱交換器。