JP2024090092A - アンモニア気化器 - Google Patents

Abstract

【課題】アンモニアの気化によって水分濃度が高くなる液体アンモニアをシェル内で効率よく気化できるアンモニア気化器を提供する。【解決手段】アンモニア気化器１は、液体アンモニア１００が導入されるシェル２０と、シェル２０の内部に設置され、熱媒体が流通する複数の伝熱管２３と、シェル２０の下部から上部に向かって、シェル２０の内部に液体アンモニア１００を導入する液体アンモニア導入部４０と、を備える。【選択図】図２

Description

本発明は、アンモニア気化器に関するものである。

下記特許文献１には、主成分であるアンモニアと、主成分の沸点よりも高い沸点を有する高沸点成分である水とが含まれる液化アンモニアを気化させる気化器が開示されている。この気化器は、シェルと、シェル内に液化ガスを供給する供給部と、シェル内に配置され、液化ガスの主成分を気化させる温度を有する第１加熱流体が導入される複数の伝熱管と、シェル内で気化した主成分をシェルから導出させる導出部と、シェルの底部に配置され、シェル内に溜まった液化ガスをシェルから流出させる液流出部と、液流出部を通してシェルから導出された液化ガスに含まれる主成分を、第２加熱流体との熱交換により気化させる加熱器と、を備えている。

特開２０２２－６１５２号公報

ところで、アンモニア（主成分，低沸点成分）の気化によって、水（高沸点成分）の濃度が高くなった液体アンモニアは、沸点が高くなるため、温度が高くなると、液相上部に滞留し易くなる。このため、上記従来技術のように、シェルの底部からシェル内に溜まった液体アンモニアを排出させても、水分濃度が高い液体アンモニアをシェル内から効率よく排出できないおそれがあった。

本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、アンモニアの気化によって水分濃度が高くなる液体アンモニアをシェル内で効率よく気化できるアンモニア気化器を提供する。

本発明の第１の態様に係るアンモニア気化器は、液体アンモニアが導入されるシェルと、前記シェルの内部に設置され、熱媒体が流通する複数の伝熱管と、前記シェルの下部から上部に向かって、前記シェルの内部に前記液体アンモニアを導入する液体アンモニア導入部と、を備える。

また、本発明の第２の態様では、第１の態様のアンモニア気化器において、前記液体アンモニア導入部から前記シェルの内部に導入された前記液体アンモニアは、前記シェルの内部の前記液体アンモニアの液相上部に向う上昇流を形成してもよい。

また、本発明の第３の態様では、第１または第２の態様のアンモニア気化器において、前記液体アンモニア導入部は、前記シェルの長手方向の中間部に設けられてもよい。

また、本発明の第４の態様では、第１から第３態様のいずれか一つのアンモニア気化器において、前記液体アンモニア導入部に連通する流路を開閉する開閉装置を備えてもよい。

また、本発明の第５の態様では、第１から第４態様のいずれか一つのアンモニア気化器において、前記熱媒体は、海水であってもよい。

上記本発明の一態様によれば、アンモニアの気化によって水分濃度が高くなる液体アンモニアをシェル内で効率よく気化させることができる。

一実施形態に係るアンモニア気化器の全体構成図である。 一実施形態に係る気化器本体の内部構成図である。 液体アンモニアの沸点／露点と圧力との関係を示すグラフである。

以下、本発明の一実施形態について図面を参照して説明する。

図１は、一実施形態に係るアンモニア気化器１の全体構成図である。
アンモニア気化器１は、低温貯蔵タンク２から供給された液体アンモニア１００を気化させ、そのアンモニアガスを供給先（例えば、火力発電所のボイラ）に供給する。低温貯蔵タンク２には、例えば、水（高沸点成分）を０．５ｗｔ％程度含む液体アンモニア１００が貯蔵されている。

低温貯蔵タンク２は、例えば、全高が５０メートル程ある大型の二重殻地上低温タンクであって、図示しない内槽と外槽との間に粒状のパーライト等の保冷材が充填されている。なお、低温貯蔵タンク２は、地下式低温タンクであっても構わない。低温貯蔵タンク２は、アンモニアタンカーから受け入れ配管（図示省略）を介して移送された液体アンモニア１００を貯蔵する。液体アンモニア１００の貯蔵温度は、例えば、－３３℃～－３４℃程である。

アンモニア気化器１は、気化器本体１０と、加熱器１１と、を備えている。気化器本体１０は、液体アンモニア供給流路３を介して低温貯蔵タンク２と接続されている。液体アンモニア供給流路３は、低温貯蔵タンク２の液体アンモニア１００を気化器本体１０に供給する。液体アンモニア供給流路３には、流路を開閉するバルブ３ａや、図示しないポンプ等が設けられている。

液体アンモニア供給流路３は、その下流側で、第１供給流路４と、第２供給流路５とに分岐している。第１供給流路４は、気化器本体１０の上部に接続されている。第１供給流路４には、流路を開閉するバルブ４ａ等が設けられている。一方、第２供給流路５は、気化器本体１０の下部に接続されている。第２供給流路５には、流路を開閉するバルブ５ａ等が設けられている。

加熱器１１は、アンモニアガス導出流路１２を介して気化器本体１０と接続されている。アンモニアガス導出流路１２は、気化器本体１０で気化したアンモニアガスを加熱器１１に供給する。また、加熱器１１は、アンモニアガス供給流路１３を介して図示しない供給先と接続されている。アンモニアガス供給流路１３は、加熱器１１で所定温度まで昇温したアンモニアガスを供給先に供給する。

気化器本体１０には、第１熱媒体供給流路１４と、第１熱媒体排出流路１５とが接続されている。第１熱媒体供給流路１４は、液体アンモニア１００を気化させる第１熱媒体を気化器本体１０に供給する。本実施形態の第１熱媒体は、海水２００である。第１熱媒体供給流路１４には、海水２００を汲み上げるポンプ１４ａや、図示しないバルブ等が設けられている。

第１熱媒体排出流路１５は、気化器本体１０内で液体アンモニア１００との熱交換によって低温となった海水２００を海に放出する。第１熱媒体排出流路１５には、図示しないバルブやポンプ等が設けられている。なお、第１熱媒体は、海水２００に限定されず、アンモニア気化器１の設置場所によっては、海水２００の代わりに河川や湖等の水を使用する場合もある。

加熱器１１には、第２熱媒体供給流路１６と、第２熱媒体排出流路１７とが接続されている。第２熱媒体供給流路１６は、アンモニアガスを昇温させる第２熱媒体を加熱器１１に供給する。本実施形態の第２熱媒体は、例えば、供給先のボイラで生成した水蒸気である。第２熱媒体供給流路１６には、図示しないバルブ等が設けられている。

第２熱媒体排出流路１７は、加熱器１１内でアンモニアガスとの熱交換によって凝縮した凝縮液を排出する。第２熱媒体排出流路１７には、図示しないバルブ等が設けられている。第２熱媒体排出流路１７は、図示しない冷却器と接続されている。冷却器は、アンモニアガスと熱交換した凝縮液から熱回収すると共に冷却し、その凝縮液を所定の場所に移送する。

気化器本体１０には、底部抜出流路１８が接続されている。底部抜出流路１８は、気化器本体１０の底部から液体アンモニア１００を抜き出す。底部抜出流路１８には、流路を開閉するバルブ１８ａと、図示しないポンプ等が設けられている。

図２は、一実施形態に係る気化器本体１０の内部構成図である。
図２に示すように、気化器本体１０は、シェル２０と、管板２１，２２と、複数の伝熱管２３と、を備えている。シェル２０は、水平方向に延びる円筒状に形成されている。管板２１，２２は、複数の伝熱管２３を支持すると共に、シェル２０内を３つの空間に仕切っている。なお、管板２１，２２の間には、図示しない複数のバッフルプレートが設けられていてもよいが、当該バッフルプレートはシェル２０内の空間を仕切らない。

シェル２０内には、第１熱媒体入口部１０Ａと、第１熱媒体出口部１０Ｂと、液体アンモニア気化室１０Ｃと、が形成されている。第１熱媒体入口部１０Ａと液体アンモニア気化室１０Ｃとの間は、管板２１によって空間が仕切られている。液体アンモニア気化室１０Ｃと第１熱媒体出口部１０Ｂとの間は、管板２２によって空間が仕切られている。

管板２１は、伝熱管２３の一端部を支持している。伝熱管２３の一端部の開口は、第１熱媒体入口部１０Ａに連通している。管板２２は、伝熱管２３の他端部を支持している。伝熱管２３の他端部の開口は、第１熱媒体出口部１０Ｂに連通している。複数の伝熱管２３は、管板２１，２２及び図示しないバッフルプレートによって水平方向に平行に支持されている。

シェル２０には、第１熱媒体入口部１０Ａに連通する第１熱媒体供給口２４が形成されている。第１熱媒体供給口２４には、上述した第１熱媒体供給流路１４が接続されている。また、シェル２０には、第１熱媒体出口部１０Ｂに連通する第１熱媒体排出口２５が形成されている。第１熱媒体排出口２５には、上述した第１熱媒体排出流路１５が接続されている。

第１熱媒体供給口２４から第１熱媒体入口部１０Ａに供給された第１熱媒体（海水２００）は、複数の伝熱管２３を通る過程で、液体アンモニア気化室１０Ｃ内の液体アンモニア１００と熱交換し、第１熱媒体出口部１０Ｂに流出する。第１熱媒体出口部１０Ｂに流出した第１熱媒体は、第１熱媒体排出口２５から第１熱媒体排出流路１５を介して、シェル２０外に排出される。なお、第１熱媒体供給口２４及び第１熱媒体排出口２５は、第１熱媒体を供給及び排出する機能を確保できれば、シェル２０の側壁部に設けられてもよいし、シェル２０の底部または上部に設けられてもよい。

シェル２０の上部には、アンモニアガス導出口２６と、液体アンモニア供給口２７と、が設けられている。アンモニアガス導出口２６及び液体アンモニア供給口２７は、液体アンモニア気化室１０Ｃに連通する。液体アンモニア供給口２７には、上述した液体アンモニア供給流路３の第１供給流路４が接続されている。液体アンモニア供給口２７は、シェル２０の長手方向の中央部に配置されている。液体アンモニア供給口２７は、シェル２０の内部に配置されたディストリビューター３０と接続されている。

ディストリビューター３０は、複数の伝熱管２３の上方に位置すると共に、複数の伝熱管２３と平行に延び、液体アンモニア供給口２７から供給される液体アンモニア１００をシェル２０の長手方向に分配する。ディストリビューター３０としては、例えば、多数の孔や切り欠きが形成された配管またはトレイ等を例示できる。アンモニアガス導出口２６は、液体アンモニア供給口２７の両側であって、ディストリビューター３０と平面視で重ならない位置に一対で設けられている。

一対のアンモニアガス導出口２６のうち、第１熱媒体入口部１０Ａ（管板２１）側に配置されたアンモニアガス導出口２６ａには、アンモニアガス導出流路１２の第１枝管１２ａが接続されている。また、第１熱媒体出口部１０Ｂ（管板２２）側に配置されたアンモニアガス導出口２６ｂには、アンモニアガス導出流路１２の第２枝管１２ｂが接続されている。なお、第１枝管１２ａ及び第２枝管１２ｂは、その下流側（少なくとも図１に示す加熱器１１の手前側）で合流している。

シェル２０の底部には、ドレン回収部２８が下方に突設されている。ドレン回収部２８は、液体アンモニア気化室１０Ｃに連通している。ドレン回収部２８には、上述した底部抜出流路１８が接続されている。

シェル２０の下部には、シェル２０の内部に液体アンモニア１００を導入する液体アンモニア導入部４０が設けられている。なお、シェル２０の下部とは、シェル２０の底部を含む。つまり、シェル２０の下部とは、シェル２０を高さ方向で３等分したときの、最も下の部分をいい、シェル２０の底部だけでなく、当該底部と連なるシェル２０の側壁部の一部（下部分）を含む。なお、シェル２０の下部とは、実質的には、シェル２０内部の液体アンモニア１００の液相中に位置する部分であって、伝熱管２３より下方が好ましい。

本実施形態の液体アンモニア導入部４０は、シェル２０の底部に設けられている。液体アンモニア導入部４０は、鉛直上方に向かって開口しており、シェル２０の下部から上部に向かって、液体アンモニア１００を導入する。液体アンモニア導入部４０には、上述した液体アンモニア供給流路３の第２供給流路５が接続されている。第２供給流路５には、流路を開閉するバルブ５ａが設けられている。

バルブ５ａは、アンモニア気化器１の運転中、開放されている。液体アンモニア導入部４０からシェル２０の内部に導入された液体アンモニア１００は、シェル２０の内部の液体アンモニア１００の液相上部に向う上昇流１０１を形成する。なお、所定時間毎に間欠的にバルブ５ａを開閉して、シェル２０の内部の液体アンモニア１００に間欠的に上昇流１０１を形成してもよい。

液体アンモニア導入部４０は、シェル２０の長手方向の中間部に設けられている。シェル２０の長手方向の中間部とは、管板２１の長手方向の位置を０％、管板２２の長手方向の位置を１００％としたときに、２０％～８０％の範囲であって、好ましくは３０％～７０％の範囲であり、より好ましくは４０％～６０％の範囲を言う。

なお、液体アンモニア導入部４０は、シェル２０の長手方向に間隔をあけて複数設けられていてもよい。また、液体アンモニア導入部４０は、鉛直上方に開口するが、鉛直方向に対し斜め上方に開口しても構わない。つまり、液体アンモニア１００は、シェル２０の側壁部から斜め上方に上昇流１０１を形成してもよい。さらに、シェル２０の内部には、液体アンモニア１００の攪拌を促進する構造（突起や攪拌羽根等）が設けられていてもよく、液体アンモニア導入部４０は、それらを利用して攪拌流を形成してもよい。

図３は、液体アンモニア１００の沸点／露点と圧力との関係を示すグラフである。なお、図３において縦軸は、沸点／露点であり、単位は［℃］である。また、図３において横軸は、圧力であり、単位は大気圧基準の［ｋＰａＧ］である。
図３に示すように、海水２００の温度は、例えば、冬季で１７［℃］～夏季で３５［℃］の間で変化する。

仮に、気化器本体１０の入口圧力を４００［ｋＰａＧ］とし、ボイラとの取合圧力を３５０［ｋＰａＧ］とした場合、冬季及び夏季のいずれも、液体アンモニア１００の温度は、沸点曲線と露点曲線の間になり、液体アンモニア１００は気液混相状態となる。つまり、海水２００を第１熱媒体とした場合、気化器本体１０内では、液体アンモニア１００の一部が気化せず、アンモニア（主成分，低沸点成分）の気化によって、水（高沸点成分）の濃度が徐々に高くなっていく。

水（高沸点成分）の濃度が高くなった液体アンモニア１００は、沸点が高くなるため、気化し難くなる。この水分濃度が高くなった液体アンモニア１００は、沸点が高くなり、温度が高くなると、図２に示す液相上部（液面付近）に滞留し易くなる。したがって、本実施形態では、シェル２０の下部に液体アンモニア導入部４０を設け、シェル２０の下部から上部に向かって、シェル２０の内部に液体アンモニア１００を導入する。

液体アンモニア導入部４０からシェル２０の内部に導入された液体アンモニア１００は、シェル２０の内部の液体アンモニア１００の液相上部に向う上昇流１０１を形成する。これにより、液相上部に滞留する水分濃度が高くなった液体アンモニア１００を攪拌できる。また、上昇流１０１の形成によって、シェル２０の内部の所定の場所では下降流１０２が形成され、シェル２０の内部の液体アンモニア１００が均一に混ざり合う。これにより、シェル２０の内部の液体アンモニア１００の水分濃度を均一化して、沸点を低くし、気化させ易くすることができる。

上述したように、本実施形態に係るアンモニア気化器１は、液体アンモニア１００が導入されるシェル２０と、シェル２０の内部に設置され、熱媒体が流通する複数の伝熱管２３と、シェル２０の下部から上部に向かって、シェル２０の内部に液体アンモニア１００を導入する液体アンモニア導入部４０と、を備える。この構成によれば、アンモニアの気化によって水分濃度が高くなった液体アンモニア１００をシェル２０内で効率よく気化させることができる。

また、本実施形態では、液体アンモニア導入部４０からシェル２０の内部に導入された液体アンモニア１００は、シェル２０の内部の液体アンモニア１００の液相上部に向う上昇流１０１を形成する。この構成によれば、液相上部（液面付近）に滞留する水分濃度が高くなった液体アンモニア１００を攪拌できる。

また、本実施形態では、液体アンモニア導入部４０は、シェル２０の長手方向の中間部に設けられている。この構成によれば、一つの液体アンモニア導入部４０で、シェル２０の内部全体の液体アンモニア１００を効率よく攪拌できる。なお、必要に応じて、液体アンモニア導入部４０を複数設けても構わない。

また、本実施形態では、液体アンモニア導入部４０に連通する第２供給流路５（流路）を開閉するバルブ５ａ（開閉装置）を備える。この構成によれば、液体アンモニア１００を攪拌する流れに変化を与えて、液体アンモニア１００の攪拌を促進できる。

また、本実施形態では、第１熱媒体（熱媒体）は、海水２００である。この構成によれば、液体アンモニア１００を気化する第１熱媒体を、低廉で大量に確保できる。

以上、本発明の好ましい実施形態を記載し説明してきたが、これらは本発明の例示的なものであり、限定するものとして考慮されるべきではないことを理解すべきである。追加、省略、置換、およびその他の変更は、本発明の範囲から逸脱することなく行うことができる。従って、本発明は、前述の説明によって限定されていると見なされるべきではなく、特許請求の範囲によって制限されている。

１…アンモニア気化器、２…低温貯蔵タンク、３…液体アンモニア供給流路、３ａ…バルブ、４…第１供給流路、４ａ…バルブ、５…第２供給流路（流路）、５ａ…バルブ（開閉装置）、１０…気化器本体、１０Ａ…第１熱媒体入口部、１０Ｂ…第１熱媒体出口部、１０Ｃ…液体アンモニア気化室、１１…加熱器、１２…アンモニアガス導出流路、１２ａ…第１枝管、１２ｂ…第２枝管、１３…アンモニアガス供給流路、１４…第１熱媒体供給流路、１４ａ…ポンプ、１５…第１熱媒体排出流路、１６…第２熱媒体供給流路、１７…第２熱媒体排出流路、１８…底部抜出流路、１８ａ…バルブ、２０…シェル、２１…管板、２２…管板、２３…伝熱管、２４…第１熱媒体供給口、２５…第１熱媒体排出口、２６…アンモニアガス導出口、２６ａ…アンモニアガス導出口、２６ｂ…アンモニアガス導出口、２７…液体アンモニア供給口、２８…ドレン回収部、３０…ディストリビューター、４０…液体アンモニア導入部、１００…液体アンモニア、１０１…上昇流、１０２…下降流、２００…海水

Claims (5)

1. 液体アンモニアが導入されるシェルと、
   前記シェルの内部に設置され、熱媒体が流通する複数の伝熱管と、
   前記シェルの下部から上部に向かって、前記シェルの内部に前記液体アンモニアを導入する液体アンモニア導入部と、を備える、
   アンモニア気化器。
2. 前記液体アンモニア導入部から前記シェルの内部に導入された前記液体アンモニアは、前記シェルの内部の前記液体アンモニアの液相上部に向う上昇流を形成する、
   請求項１に記載のアンモニア気化器。
3. 前記液体アンモニア導入部は、前記シェルの長手方向の中間部に設けられている、
   請求項１に記載のアンモニア気化器。
4. 前記液体アンモニア導入部に連通する流路を開閉する開閉装置を備える、
   請求項１に記載のアンモニア気化器。
5. 前記熱媒体は、海水である、
   請求項１～４のいずれか一項に記載のアンモニア気化器。

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