JP6126607B2 - ガス化反応器 - Google Patents

Description

本発明は、蒸気を生成する熱交換部材を含むガス化反応器に関する。本発明はまた、かかるガス化反応器内における蒸気流を制御する方法にも関する。

ガス化反応器は、例えば、粉炭、石油、バイオマス、ガス、又は任意の他のタイプの炭素質供給材料のような炭素質供給材料の部分燃焼によって合成ガスを製造するために用いることができる。合成ガスは、通常は、高い温度、例えば１３００℃又は更に高い温度においてガス化反応器から排出される。ガスを冷却するために、熱交換部材に沿ってガスを誘導する。冷却媒体として水を用いる場合には、熱交換器を用いて蒸気を生成させることができる。このようにして、ガス化プロセスから生成する廃熱を経済的に用いることができ、プロセスの全体的効率が実質的に向上する。

廃熱回収熱交換器から生成する蒸気は、一般に蒸気ドラム内で水と蒸気の混合物として再回収される。蒸気ドラムからの水は、次に熱交換器に再循環する。蒸気ドラム内の蒸気は、蒸気ヘッダーに放出することができる。蒸気が飽和蒸気である場合には、過熱蒸気を形成する過熱器を通じてそれを蒸気ヘッダーに送ることができる。

熱負荷から生じる関連装置の腐食及び損傷を減少又は回避するためには、回収される過熱蒸気の温度は過度に高くあるべきではない。

本発明の目的は、プロセスの経済効率を全体として向上させ、熱負荷から生じる損傷を減少させることである。

本発明の目的は、反応器チャンバー、蒸気を生成する１以上の熱交換ユニット、生成した蒸気を再回収するための少なくとも１つの蒸気ドラム、及び熱交換ユニットの１以上と蒸気ドラムとの間で水及び蒸気を循環させるための再循環ラインを含むガス化反応器によって達成される。蒸気ドラムは、過熱器を通じて飽和蒸気を送るための蒸気供給ライン、及び過熱蒸気ヘッダーへの過熱蒸気ラインを更に含み、過熱蒸気ラインは、蒸気ドラムを通る熱交換ラインに至る戻りライン、及びヘッダー供給ラインに分割されている。戻りライン又はヘッダー供給ラインを選択的に開放又は閉止するために１以上のバルブが与えられている。

これによって、蒸気を、例えばそれが過度に高温である場合に、蒸気ドラムを通る熱交換ラインに再循環することができ、そこで熱を蒸気ドラム内で水に移動させることができる。このようにして、更なる蒸気を生成させることができ、過熱器の下流の装置が過熱される危険性を実質的に減少させることができる。

蒸気ドラムを通る熱交換ラインは、例えば、過熱蒸気ヘッダーに至る第２の過熱蒸気供給ラインに接続することができる。

第２の過熱蒸気供給ラインは、例えば、過熱蒸気供給ヘッダー中への開口の前にヘッダー供給ラインに接続して、第２のラインからのより低温の過熱蒸気を、それがヘッダーに導入される前にヘッダー供給ラインからの過熱蒸気と予め混合することができる。

戻りラインの上流において、過熱蒸気供給ラインに１以上の温度センサーを備えることができ、測定される温度の関数として戻りライン及びヘッダー供給ラインを通る流れを制御するように１以上のバルブ制御ユニットを構成する。

場合によっては、蒸気ドラムを通る熱交換ラインは、蒸気を凝縮させながら酸素を予備加熱するためのクロスフロー型熱交換器へのラインに接続することができる。クロスフロー型熱交換器は、予備加熱した酸素を反応器チャンバーに供給する酸素供給ラインに接続することができる。予備加熱した酸素を用いることによって、反応器の燃焼効率が向上する。酸素を予備加熱するために蒸気を用いるので、酸素を予備加熱するために外部エネルギーの投入は必要ない。

更なる改良形においては、戻りラインによって、クロスフロー型熱交換器からの蒸気凝縮物を、例えば廃熱回収回路において再使用するために加圧器を通して蒸気ドラムに戻す。

特定の態様においては、蒸気ドラムと過熱蒸気ヘッダーとの間の熱交換ユニットは、反応器チャンバーの下流の廃熱回収ユニットを含む。この廃熱回収ユニットは、例えば、特にシンガスからの熱を蒸気に移動させるための一連の下流廃熱回収ユニットの１番目のものであってよい。

熱交換ユニットに、例えば、気密壁を形成するように相互接続されている平行の冷却ラインで構成されている水冷膜壁を含ませることができる。同様に、反応器チャンバーに、気密壁を形成するように相互接続されている平行の冷却ラインで構成されている膜壁を含ませることができる。これにより、過熱に対して有効に保護され、蒸気を生成させるためにも用いることができる膜壁が得られる。

本発明はまた、蒸気ドラムからの飽和蒸気を過熱器中に供給し、次に供給ラインを通して過熱蒸気ヘッダーに供給し、上限を超える温度の過熱蒸気を、蒸気ドラムを通る熱交換ラインに迂回させる、過熱蒸気ヘッダーへの過熱蒸気の流れを制御する方法にも関する。

次に、蒸気ドラムを通る熱交換ラインを通過した後、蒸気は過熱蒸気ヘッダー中に供給することができ、及び／又はそれはクロスフロー型加熱器に通して酸素の向流を交差させることができ、ここで酸素は次に反応器チャンバー内のバーナーに供給する。
クロスフロー型熱交換器を通過した後、蒸気は次に加圧器を通して蒸気ドラム中に戻すことができる。

ここで、添付の図面を参照して本発明の代表的な態様を示す。

図１は、ガス化反応器の代表的な態様を図示する。 図２は、ガス化反応器の第２の代表的な態様を図示する。

図１は、炭素質供給材料を部分燃焼させて合成ガスを生成させるためのガス化反応器１を示す。反応器１は、気密壁構造を形成するように相互接続されている平行の冷却ライン（図示せず）によって形成されている膜壁３を有する反応器チャンバー２を含む。冷却ラインは、例えば垂直のライン又は螺旋巻きの平行なラインであってよい。燃焼プロセス中に冷却ラインを通して水を流して、膜壁３に対する熱負荷を減少させる。水は、蒸気としてか、又は蒸気と水の混合物として冷却ラインから排出される。反応器チャンバー２の下端部は、スラグ回収浴４中に開口している。反応器チャンバー２の上端部は、排出路５中に開口している。反応器チャンバー２、スラグ回収浴４、及び排出路５は、圧力容器８内に収容されている。

排出路５の上端部は、円筒形の圧力容器１１内の冷却路１０の上端中に開口している。圧力容器１１は、閉止されている上端１２、及びシンガス排出ライン１４に接続されている下端１３を含む。冷却路１０は、閉止されている圧力容器の上端１２からシンガス排出ライン１４に伸びており、過熱器１５、及び直列の下部熱交換器１６を含む。過熱器１５及び熱交換ユニット１６は、気密壁構造を形成するように相互接続されている平行の冷却ライン（図示せず）で構成されている。

直列の下部熱交換ユニット１６のそれぞれは、少なくとも１つの入口１７及び少なくとも１つの出口１８を有する。入口１７は、ライン２１を通して蒸気ドラム２０に接続されている。蒸気ドラム内において、水を蒸気から分離する。蒸気ドラム２０はまた、ライン１９を通して出口１８のそれぞれ、及びボイラー供給蒸気供給ユニット２２にも接続されている。蒸気ドラム２０は、水２３と蒸気２４の混合物を含む。水は、蒸気ドラム２０からライン２１を通って熱交換ユニット１６の入口１７に流れる。熱交換ユニット１６を通過したシンガスからの熱は、冷却ライン内で水に移動されて、蒸気が生成する。蒸気はライン１９を通して蒸気ドラム２０に戻す。

同様に、水は、蒸気ドラム２０から水供給ライン２５を通して膜壁３の冷却ラインに送られる。示されている態様においては、ライン２５はライン２１から分岐している。或いは、ライン２５は、蒸気ドラム２０を膜壁３の冷却ラインと直接接続する別のラインであってよい。水によって膜壁３が冷却され、蒸気が生成し、これは戻りライン２６を通して蒸気ドラム２０に戻す。

蒸気ライン２８は、蒸気ドラム２０から過熱器１５の入口２９へ伸びる。過熱蒸気ライン３０は、過熱器１５の出口３１から過熱蒸気ヘッダー３２へ伸びる。

過熱蒸気供給ライン３０は、戻りライン３３及びヘッダー供給ライン３４に分割されている。戻りライン３３は、蒸気ドラム２０を通る熱交換ライン３５に至る。蒸気ドラム２０を通る熱交換ライン３５は、過熱蒸気ヘッダー３２に至る第２の過熱蒸気供給ライン３６に接続されている。第２の過熱蒸気供給ライン３６は、供給ライン３４が過熱蒸気ヘッダー３２中に開口している地点の前でヘッダー供給ライン３４と接続されている。

戻りライン３３又はヘッダー供給ライン３４を選択的に開放又は閉止するようにバルブ３７、３８が構成されている。

戻りライン３３の上流において、過熱蒸気供給ライン３０に１以上の温度センサー（図示せず）が備えられている。戻りライン３３及びヘッダー供給ライン３４を通る流れを供給される過熱蒸気の測定された温度の関数として制御するようにバルブ制御ユニット（図示せず）が構成されている。過熱蒸気供給ライン３０内の過熱蒸気の測定された温度が規定されている上限を超える場合には、バルブ３７を開放し、一方でバルブ３８を閉止する。過熱蒸気は、戻りライン３３、及び蒸気ドラム２０を通る熱交換ライン３５を通って迂回し、ここで過熱蒸気を許容しうる温度レベルに冷却する。次に、過熱蒸気は、第２の過熱蒸気供給ライン３４を通して過熱蒸気ヘッダー３２に送る。このようにして、過剰の熱を用いて蒸気ドラム内で更なる蒸気を生成させる。この更に生成した蒸気は、過熱器に対するより良好な冷却を与え、したがってライン３０内の過熱器蒸気出口温度を低下させる。このようにして、過熱蒸気の温度を、装置の過熱を回避するのに十分に低く有効に維持することができ、反応器部品の増加した寿命が得られる。

図２は、ガス化反応器４０の別の態様を示す。図２においては、図１の態様におけるものと同じ部品に関しては同じ参照番号を用いる。図１の態様と同様に、図２のガス化反応器４０は、気密壁構造を形成するように相互接続されている平行の冷却ライン（図示せず）によって形成されている膜壁３を有する反応器チャンバー２を含む。冷却路１０は過熱器１５及び直列の下部熱交換ユニット１６を含み、これらは水供給ライン２１及び蒸気戻りライン１９によって蒸気ドラム２０に接続されている。同様に、水は蒸気ドラム２０から膜壁３の冷却ラインに流れて、蒸気戻りライン２６を通して蒸気ドラム２０に蒸気として戻される。

蒸気ライン２８は、蒸気ドラム２０から過熱器１５に伸びる。過熱蒸気ライン３０は、過熱器１５から過熱蒸気ヘッダー３２に伸びる。

過熱蒸気供給ライン３０は、戻りライン３３及びヘッダー供給ライン３４に分割されている。戻りライン３３は、蒸気ドラム２０を通る熱交換ライン３５に至る。蒸気ドラム２０を通る熱交換ライン３５は、クロスフロー型熱交換ユニット４２へ向かうライン４１に接続されている。クロスフロー型熱交換ユニット４２においては、熱が蒸気から酸素の向流に移動する。蒸気が凝縮され、凝縮された蒸気は次に戻りライン４３を通り、クロスフロー型熱交換ユニット４２の通過中の蒸気の圧力損失を補償する加圧器４６を通って蒸気ドラム２０に戻される。酸素流は、空気分離器のような酸素供給源４４から供給される。クロスフロー型熱交換ユニット４２を通過した後、加熱された酸素は、酸素ライン４５を通して反応器チャンバー２に送る。

更なる可能な別の態様においては、クロスフロー型熱交換ユニット４２からの蒸気を蒸気ドラム２０に戻さずに、凝縮物回収ユニット（図示せず）に送る。この場合には、加圧器４６は必要ない。

ライン３０内において低い過熱蒸気温度を有する運転条件においては、ライン３３及び４１からの過熱蒸気に代えて、又はそれに加えて、酸素予備加熱器に関して用いるためにバルブ３９を通して飽和蒸気を供給することができる。

Claims (11)

1. ・反応器チャンバー（２）；
   ・前記反応チャンバーのシンガス出口に接続された冷却路、前記冷却路は一連の蒸気を生成する熱交換ユニット（３、１５、１６）を含み、前記熱交換ユニットの少なくとも１つは過熱器であり；
   ・少なくとも１つの蒸気ドラム（２０）；
   ・熱交換ユニット（３、１５、１６）の１以上と蒸気ドラム（２０）との間で水及び蒸気を循環させるための再循環ライン；
   過熱蒸気ヘッダー；
   前記蒸気ドラムから前記過熱器へ蒸気を移送するために構成された蒸気供給ライン；
   前記過熱器から前記過熱蒸気ヘッダーへ過熱蒸気を移送するために構成された過熱蒸気ライン（３０）；
   前記過熱蒸気ライン（３０）は、蒸気ドラム（２０）を通る熱交換ライン（３５）へ至る戻りライン（３３）、及び前記過熱蒸気ヘッダーへ至るヘッダー供給ライン（３４）に分割されており；
   前記戻りラインを選択的に開放または閉止するために構成された第１のバルブ；
   前記ヘッダー供給ラインを選択的に開放または閉止するために構成された第２のバルブ；および
   前記蒸気ドラムを通る前記熱交換ラインの出口に接続され前記過熱蒸気ヘッダーへ至る第２の過熱蒸気供給ライン（３６）、前記第２の過熱蒸気供給ライン（３６）は前記第２のバルブと前記過熱蒸気ヘッダーとの間のヘッダー供給ライン（３４）に接続されている；
   を含む
   ガス化反応器（１）。
2. 戻りライン（３３）の上流の過熱蒸気供給ライン（３０）に１以上の温度センサーが備えられており、１以上のバルブ制御ユニットが、測定された温度に応答してそれぞれ戻りライン及びヘッダー供給ラインを開放又は閉止するように構成されている、請求項１に記載のガス化反応器。
3. 蒸気ドラム（２０）を通る熱交換ライン（３５）が、酸素を予備加熱するためのクロスフロー型熱交換器（４２）へのラインに接続されており、クロスフロー型熱交換器が、予備加熱した酸素を反応器チャンバー（２）内の１以上のバーナーに供給する酸素供給ライン（４５）に接続されている、請求項１又は２のいずれか一項に記載のガス化反応器。
4. 戻りライン（４３）によって、クロスフロー型熱交換器（４２）からの凝縮蒸気を、加圧器（４６）を通して蒸気ドラム（２０）に戻す、請求項３に記載のガス化反応器。
5. 蒸気ドラム（２０）と過熱蒸気ヘッダー（３２）との間の熱交換ユニット（１５）が、反応器チャンバー（２）の下流の廃熱回収ユニット（１５）である、請求項１〜４のいずれか一項に記載のガス化反応器。
6. 廃熱回収ユニット（１５）が一連の下流廃熱回収ユニット（１６）における１番目である、請求項５に記載のガス化反応器。
7. 熱交換ユニット（１５、１６）の少なくとも１つが、気密壁を形成するように相互接続されている平行の冷却ラインで構成されている水冷膜壁である、請求項１〜６のいずれか一項に記載のガス化反応器。
8. 蒸気ドラム（２０）からの飽和蒸気を、過熱器（１５）中に、続いて供給ライン（３０）を通して過熱蒸気ヘッダーに供給し、上限を超える温度の過熱蒸気を、蒸気ドラムを通る熱交換ライン（３５）に迂回させて、蒸気ドラム（２０）内で更なる蒸気を生成させる、請求項１に記載のガス化反応器内の過熱蒸気ヘッダー（３２）への過熱蒸気流の温度を低下させる方法。
9. 蒸気ドラムを通る熱交換ライン（３５）を通過した後の蒸気を、次に過熱蒸気ヘッダー（３２）中に供給する、請求項８に記載の方法。
10. 蒸気ドラムを通る熱交換ライン（３５）を通過した後の蒸気を、次に、酸素の向流が交差するクロスフロー型ヒーター（４２）に通し、酸素を、次に、反応器チャンバー内の１以上のバーナーに供給する、請求項８又は９に記載の方法。
11. クロスフロー型熱交換器（４２）を通過した後の蒸気を、次に加圧器（４６）を通して蒸気ドラム中に戻す、請求項１０に記載の方法。

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