JPH10503834A - 高温ガスの冷却装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 高温ガス用の注入口（１Ａ）と冷却後のガス用の排出口（５）、熱交換チューブ（４）を備えた容器（２）からなる高温ガスを冷却する装置であって、前記熱交換チューブ（４）は少なくとも、該容器内に配置された冷媒室を通るガス通路を形成し、かつ少なくともその上流端部または上流端部近傍にて該容器の該冷媒室を封鎖するチューブプレート（２Ａ）に固定されている。チューブプレート（２Ａ）は、その上流端部にチューブ注入領域を冷却するための手段（７）を備えている。ガス通路の外壁に沿って流れる冷媒流は、該ガス通路（３）を通るガス流に対して向流となっている。

Description

【発明の詳細な説明】 高温ガスの冷却装置 本発明は、１個以上の熱交換チューブを備えた容器からなる高温ガスの冷却装 置に関するものであり、高温ガスを該熱交換チューブに通し、冷媒（例えば、水 ）を該熱交換チューブの周囲に流し、該熱交換チューブは少なくとも一方の端部 にてチューブプレートに固定されている。 この種の熱交換装置は、工業の多くの分野で大規模に使用されており、例えば 、石油工業における水素化分解生成物の冷却、油や石炭といった（ハイドロ）カ ーボン含有燃料の部分酸化用反応器等に利用されている。 冷媒で外側から冷却したチューブに高温ガスを通して冷却を行う場合には、高 温ガスからの熱がチューブ金属へ伝導するため管壁は高温になり、該熱はさらに 冷媒に伝導する。スペースを節約するため、螺旋状蛇管を用いるのが有利である 。 利用分野に応じて、様々な技術上の問題点が挙げられる。 例えば、（ハイドロ）カーボン含有燃料のガス化により得られる高温ガスの冷 却では、少量の固体粒子がどうしても存在するため、熱交換及び浸食／腐食に深 刻な問題が起きている。 例えば、（ハイドロ）カーボン含有燃料の部分酸化により生成した高温合成ガ スは、通常、ガス化装置に併設された熱交換器にて冷却され、高圧蒸気を生成す る。高温合成ガスを熱交換領域に導入する熱交換器のガス注入口が、重要な領域 である。注入領域の壁厚は最小にすべきであるが、圧力や熱負荷に対し機械的に 充分安定な厚さでなければならない。注入領域におけるガス速度は、堆積を防ぐ のに充分高速(例えば１２m/s)でなければならない一方、熱交換係数を低レベル に維持できるよう低速でなければならない。特に、堆積−速度間で最適値を得る のが望ましい。 熱交換注入領域は過熱され（高熱フラックス）、高温腐食現象に曝される。 高温腐食現象（例えば、メタルダスティングや硫化）は当業者には公知である ため、詳述はしない。通常、メタルダスティングは、５００〜９００℃の温度に おける低Ｈ₂Ｓ濃度の炭素質雰囲気下での腐食現象であると言える。 さらに、高硫黄含量の炭素質雰囲気下では硫化現象も起こることが判明してい る。特に、メタルダスティングや硫化等の腐食現象により、装置の寿命が限られ ることが判明している。 従って、本発明の目的は、冷却効率が良く、装置の寿命が改善され、かつ信頼 性の高い特定の注入領域を有する熱交換器を提供することである。 従って、本発明は、高温ガス用の注入口と冷却後のガス用の排出口、熱交換チ ューブを備えた容器からなる高温ガスを冷却する装置であって、前記熱交換チュ ーブは少なくとも、該容器内に配置された冷媒室を通るガス通路を形成し、かつ 少なくともその上流端部または上流端部近傍にて該容器の該冷媒室を封鎖するチ ューブプレートに固定されてチューブ注入領域を形成するものであり、ガス通路 の外壁に沿って流れる冷媒流が該ガス通路を通るガス流に対して向流となるよう に、チューブプレートがその上流端部にチューブ注入領域を冷却するための手段 を備えている上記冷却装置を提供するものである。 有利には、チューブ注入領域を冷却する手段は冷媒注入口と冷媒排出口を有し 、該冷媒注入口と該冷媒排出口との間の封鎖空間をチューブプレートの上流端部 に形成し、さらに該冷媒注入口からの冷媒流を該ガス通路の外壁に沿うように誘 導する手段を備えている。 本発明によれば、冷却された注入領域では上記浸食／腐食現象が低減する。特 に、硫化とメタルダスティングは注入領域の金属温度を充分に低く（例えば４０ ０℃未満に）保つことにより低減される。 以下、添付の図面を参照して例を挙げながら本発明をさらに詳細に記載する。 図１に、反応器に接続した本発明の熱交換器の断面図を模式的に示す。 図２に、反応器に接続した本発明の熱交換器の部分縦断面図を模式的に示す。 図３に、図２の断面図を詳しく示す。 図１には、例えば炭化水素含有燃料の部分酸化により生成ガスを製造する反応 器１を示してある。 生成ガスは熱交換器２へ供給され、熱交換後にさらに適切な処理を受ける。こ のような部分酸化工程や適切な工程条件は、通常当業者には公知であるため、詳 述はしない。 通常、（ハイドロ）カーボン含有燃料Ａ'(任意に調整剤を伴う)と酸化剤Ｂ'( 任意に調整剤を伴う)を反応器１へ供給し、適切な工程条件下にて粗製高温合成 ガスを調製する。 粗製高温合成ガスを反応器１からダクト１ａを介して反応器に併設された熱交 換器２のガス注入口へ供給する。 矢印Ａは合成ガスの流動方向を表す。 反応器とダクトの機械的結合及びダクトと熱交換器の機械的結合は、目的に適 っていればどのようなものでもよく、例えばフランジが挙げられる（理解を明確 にするため図示せず）。該ガス注入口の上流端部に位置するチューブプレート２ ａは、熱交換器の冷媒室を封鎖するものであり、ダクト１ａから少なくとも熱交 換器２のコイル４へ達する少なくとも１個のガス通路３を形成するチューブを少 なくとも有する。該熱交換器２は、さらにガス排出口５と蒸気用の排出口６を備 える。有利には、チューブプレートは平板であり、４〜１０本のガス通路を有す る。チューブプレートが目的に適う任意の方法で、例えば高温ガスの注入口、熱 交換器の容器内、または反応器と該高温ガス用注入口との間に配置されることは 当業者には明らかであろう。 図２には、本発明の装置の部分縦断面図を示してある。表中の数字は図１と同 様である。２本のガス通路３が示されている。ガス通路を形成するチューブは、 適切にはその上流端部を、熱交換器２の容器の冷媒室を封鎖するチューブプレー ト２ａに固定されている。 チューブ２ａは、その上流端部に少なくとも冷却室７を備えている。前記冷却 室７は冷媒用排出口８と冷媒用注入口９を備えている。注入口９は供給ライン１ ０から冷媒Ｂを受け取る。各冷却室７は、注入領域を充分冷却することで注入領 域の温度を低下させるよう、冷媒流を注入口９からガス通路３の外壁に沿って誘 導するための適切な厚さ（例えば５〜４５mm）を有する手段１１を備えている。 該手段１１は回転対称（例えば、スリーブ）であるのが有利である。 図３には、図２のガス通路３の注入領域断面図（回転対称）を詳細に示してあ る。 矢印Ａは、熱交換器（理解を明確にするため図示せず）のコイルへと向かう合 成ガスの流動方向を示す。 注入領域は、ガス通路３を取り囲む管状空間７ａを備えている。（理解を明確 にするため、注入領域のみ図示してある。） 管状空間７ａは、目的に適った方法（例えば蒸発器手段、理解を明確にするた め図示せず）で、その一端にて冷媒注入口９と接続し、他端にて冷却室７を通っ て冷媒排出口８へ続いている。 管状空間７ａは、一定の幅を有する管状スリットを形成して冷却領域を提供す る流れ誘導手段１１（例えば、スリーブあるいはバッフル）を備えている。任意 の適切な冷媒（例えば供給水）を用いることができる。 矢印Ｃは、該流れ誘導手段１１内を流れる冷媒の方向を表す。 冷媒流の流動方向は、ガス通路３を通るガス流に対して向流であり、そのため 冷媒は特にナックル１２にて充分に熱交換器注入領域と接触するようになる。ガ ス通路は円錐状の端部を有するように示してあるが、本発明がこれに限定される ものではないことは当業者には明らかであろう。 さらに、注入領域の残りの部分に耐熱性あるいは耐浸食性バリア１３を設けて 、注入チューブに隣接する金属部を高温ガス流から遮蔽するのが有利である。こ のようなバリア１３が目的に適った任意の形状（例えば、ライニングあるいはイ ンサート等）をとることは、当業者には明らかであろう。 以下、実施例により本発明をさらに詳細に記載する。実施例 使用方法及び使用燃料： 液体または固体及び／または気体炭化水素含有燃料の部分酸化 部分酸化圧力：０．１〜１２MPa 温度：１０００℃〜１５００℃ 典型的粗製合成ガス組成（％乾燥体積）： ＣＯ₂＝１．５〜９ Ｈ₂Ｓ＝０．０〜１．０ Ｏ₂ ＝０．０〜０．１ Ｈ₂ ＝４５〜５６ Ｎ₂ ＝０．０〜０．５ ＣＯ ＝３０〜４９ ＣＨ₄＝０．０５〜０．３ 容量：粗製合成ガス流３００，０００〜４，０００，０００Nm³/日 蒸気圧：０．１〜１２MPa 冷却水圧：０．１〜１２MPa 冷却水温度：２０〜２５０℃ 供給水流（冷却注入領域に使用）：１２，０００〜１８０，０００kg/h 管状空間における水速度： 適切な冷媒熱交換係数を充分維持できる程度に高速 管状スリット幅：１〜６mm 当業者であれば、上記記載より本発明の様々な態様が明らかなものと思料する 。このような様々な態様は請求の範囲の範囲内に含まれるものである。

【手続補正書】特許法第１８４条の８ 【提出日】１９９６年７月２３日 【補正内容】 補正明細書 高温ガスの冷却装置 本発明は、１個以上の熱交換チューブを備えた容器からなる高温ガスの冷却装 置に関するものであり、高温ガスを該熱交換チューブに通し、冷媒（例えば、水 ）を該熱交換チューブの周囲に流し、該熱交換チューブは少なくとも一方の端部 にてチューブプレートに固定されている。 この種の熱交換装置は、工業の多くの分野で大規模に使用されており、例えば 、石油工業における水素化分解生成物の冷却、油や石炭といった（ハイドロ）カ ーボン含有燃料の部分酸化用反応器等に利用されている。 フランス特許出願公開明細書第２４２４５００号には、高温ガスを冷却する装 置が開示されており、冷媒流と高温ガス流とは向流である。フランス特許出願公 開明細書第２００５１５６号には、高温ガスを冷却するためのチューブプレート が開示されており、冷媒を向流として外側に流すものである。 冷媒で外側から冷却したチューブに高温ガスを通して冷却を行う場合には、高 温ガスからの熱がチューブ金属へ伝導するため管壁は高温になり、該熱はさらに 冷媒に伝導する。スペースを節約するため、螺旋状蛇管を用いるのが有利である 。 利用分野に応じて、様々な技術上の問題点が挙げられる。 例えば、（ハイドロ）カーボン含有燃料のガス化により得られる高温ガスの冷 却では、少量の固体粒子がどうしても存在するため、熱交換及び浸食／腐食に深 刻な問題が起きている。 例えば、（ハイドロ）カーボン含有燃料の部分酸化により生成した高温合成ガ スは、通常、ガス化装置に併設された熱交換器にて冷却され、高圧蒸気を生成す る。高温合成ガスを熱交換領域に導入する熱交換器のガス注入口が、重要な領域 である。注入領域の壁厚は最小にすべきであるが、圧力や熱負荷に対し機械的に 充分安定な厚さでなければならない。注入領域におけるガス速度は、堆積を防ぐ のに充分高速(例えば１２m/s)でなければならない一方、熱交換係数を低レベル に維持できるよう低速でなければならない。 補正請求の範囲 １．高温ガス用の注入口（１ａ）と冷却後のガス用の排出口（５）、熱交換チ ューブ（４）を備えた容器（２）からなる高温ガスを冷却する装置であって、前 記熱交換チューブ（４）は少なくとも、該容器内に配置された冷媒室を通るガス 通路（３）を形成し、かつ少なくともその上流端部または上流端部近傍にて該容 器の該冷媒室を封鎖するチューブプレート（２ａ）に固定されてチューブ注入領 域を形成するものであり、チューブプレートはその上流端部にチューブ注入領域 を冷却するための手段（７）を備えており、ガス通路の外壁に沿って流れる冷媒 流が該ガス通路を通るガス流に対して向流であることを特徴とする上記冷却装置 。 ２．該チューブ注入領域を冷却する手段が、冷媒注入口（９）と冷媒排出口（ ８）を有し、該冷媒注入口と該冷媒排出口との間の封鎖空間をチューブプレート の上流端部に形成し、さらに該冷媒注入口からの冷媒流を該ガス通路の外壁に沿 うように誘導する手段（１１）を備えている請求の範囲第１項に記載の装置。 ３．該流れを誘導する手段がバッフルまたはスリーブである請求の範囲第２項 に記載の装置。 ４．チューブ注入領域の上流端部に耐熱性あるいは耐浸食性バリア（１３）が 設けられている請求の範囲第１項〜第３項のいずれか一項に記載の装置。 ５．チューブプレートが、該チューブ注入領域を冷却する手段の冷媒排出口と 冷媒注入口を備えている請求の範囲第１項〜第４項のいずれか一項に記載の装置 。 ６．該流れを誘導する手段が、該ガス通路の外壁周囲を取り囲む管状空間（７ ａ）を形成する請求の範囲第２項〜第５項のいずれか一項に記載の装置。 ７．チューブプレートが平板である請求の範囲第１項〜第６項のいずれか一項 に記載の装置。 ８．チューブプレートが、反応器と該容器に接続するダクト（１ａ）に配置さ れている請求の範囲第１項〜第７項のいずれか一項に記載の装置。 ９．チューブプレートが、該容器の高温ガス用注入口に配置されている請求の 範囲第１項〜第７項のいずれか一項に記載の装置。 １０．チューブプレートが該容器内に配置されている請求の範囲第１項〜第７ 項のいずれか一項に記載の装置。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国 ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＤＥ， ＤＫ，ＥＳ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，ＩＴ，ＬＵ，Ｍ Ｃ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＯＡ(ＢＦ，ＢＪ，ＣＦ，ＣＧ ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＭＬ，ＭＲ，ＮＥ，ＳＮ， ＴＤ，ＴＧ)，ＡＰ(ＫＥ，ＭＷ，ＳＤ，ＳＺ，ＵＧ)， ＡＭ，ＡＴ，ＡＵ，ＢＢ，ＢＧ，ＢＲ，ＢＹ，ＣＡ，Ｃ Ｈ，ＣＮ，ＣＺ，ＤＥ，ＤＫ，ＥＥ，ＥＳ，ＦＩ，ＧＢ ，ＧＥ，ＨＵ，ＩＳ，ＪＰ，ＫＥ，ＫＧ，ＫＰ，ＫＲ， ＫＺ，ＬＫ，ＬＲ，ＬＴ，ＬＵ，ＬＶ，ＭＤ，ＭＧ，Ｍ Ｎ，ＭＷ，ＭＸ，ＮＯ，ＮＺ，ＰＬ，ＰＴ，ＲＯ，ＲＵ ，ＳＤ，ＳＥ，ＳＧ，ＳＩ，ＳＫ，ＴＪ，ＴＭ，ＴＴ， ＵＡ，ＵＧ，ＵＺ，ＶＮ (72)発明者 パーウヴ，テオドール・テウニス・アブラ ハム オランダ国エヌエル−2596 エイチ・アー ル ザ・ハーグ、カレル・ウアン・ビラン トラーン 30 (72)発明者 ヴアン・ポツペーレ，エデユアルド・ゲラ ルダス・ロデヴイヤク オランダ国エヌエル−2596 エイチ・アー ル ザ・ハーグ、カレル・ウアン・ビラン トラーン 30

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．高温ガス用の注入口と冷却後のガス用の排出口、熱交換チューブを備えた 容器からなる高温ガスを冷却する装置であって、前記熱交換チューブは少なくと も、該容器内に配置された冷媒室を通るガス通路を形成し、かつ少なくともその 上流端部または上流端部近傍にて該容器の該冷媒室を封鎖するチューブプレート に固定されてチューブ注入領域を形成するものであり、ガス通路の外壁に沿って 流れる冷媒流が該ガス通路を通るガス流に対して向流となるように、チューブプ レートがその上流端部にチューブ注入領域を冷却するための手段を備えている上 記冷却装置。 ２．該チューブ注入領域を冷却する手段が、冷媒注入口と冷媒排出口を有し、 該冷媒注入口と該冷媒排出口との間の封鎖空間をチューブプレートの上流端部に 形成し、さらに該冷媒注入口からの冷媒流を該ガス通路の外壁に沿うように誘導 する手段を備えている請求の範囲第１項に記載の装置。 ３．該流れを誘導する手段がバッフルまたはスリーブである請求の範囲第１項 または第２項に記載の装置。 ４．チューブ注入領域の上流端部に耐熱性あるいは耐浸食性バリアが設けられ ている請求の範囲第１項〜第３項のいずれか一項に記載の装置。 ５．チューブプレートが、該チューブ注入領域を冷却する手段の冷媒排出口と 冷媒注入口を備えている請求の範囲第１項〜第４項のいずれか一項に記載の装置 。 ６．該流れを誘導する手段が、該ガス通路の外壁周囲を取り囲む管状空間を形 成する請求の範囲第２項〜第５項のいずれか一項に記載の装置。 ７．チューブプレートが平板である請求の範囲第１項〜第６項のいずれか一項 に記載の装置。 ８．チューブプレートが、反応器と該容器に接続するダクトに配置されている 請求の範囲第１項〜第７項のいずれか一項に記載の装置。 ９．チューブプレートが、該容器の高温ガス用注入口に配置されている請求の 範囲第１項〜第７項のいずれか一項に記載の装置。 １０．チューブプレートが該容器内に配置されている請求の範囲第１項〜第７ 項のいずれか一項に記載の装置。