(57)【要約】  高温ガスを冷却するための装置であって、（ｉ）第１の冷却媒体の入口（３）及び出口（４）と、ガスの入口（５）及びガスの出口（６）と、入口（５）と出口（６）を流体連結する熱交換管（７）とを有する縦長の容器（１）を備え、（ｉｉ）開放端を有し中央に配置された縦型の下降管（８）を備え、前記熱交換管（７）が下降管（８）と容器壁（１０）との間の空間（９）に配置され、（ｉｉｉ）熱交換管（７）がその上流端部（１１）にて管板（１２）に取り付けられ、管板（１２）が、熱交換管（７）の上流端部（１１）に第２の冷却媒体を供給するための手段（１３）、使用済みの第２の冷却媒体を放出するための手段（１４）、使用済みの第２の冷却媒体の温度を下げるための手段（１５）、及び第２の冷却媒体を再循環させるための手段を備える、前記高温ガスを冷却するための装置。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
高温ガスを冷却するための装置であって、
（ｉ）使用時に第１の冷却媒体を含む冷却媒体区画（２）と、新たな第１の冷却媒体を供給するための入口（３）と、使用済みの第１の冷却媒体を放出するための出口（４）とを有する縦長の容器（１）を備え、前記容器（１）が、高温ガスの入口（５）と、冷却されたガスの出口（６）と、少なくとも１つの熱交換管（７）とを更に備え、前記熱交換管（７）が、冷却媒体区画（２）内に配置されると共に高温ガスの入口（５）と冷却されたガスの出口（６）とを流体連結し、
（ｉｉ）前記冷却媒体区画（２）が、開放端を有し中央に配置された縦型の下降管（８）を更に備え、前記熱交換管（７）が下降管（８）と容器壁（１０）との間の空間（９）内に配置され、
（ｉｉｉ）熱交換管（７）がその上流端部（１１）にて管板（１２）に取り付けられ、管板（１２）が、熱交換管（７）の上流端部（１１）の外側に第２の冷却媒体を供給するための供給手段（１３）、使用済みの第２の冷却媒体を放出するための手段（１４）、使用済みの第２の冷却媒体の温度を下げるための手段（１５）、及び前記供給手段（１３）を介して第２の冷却媒体を熱交換管（７）の上流端部（１１）の外側に再循環させるための手段を備える、
前記高温ガスを冷却するための装置。
【請求項２】
使用時に新たな第１の冷却媒体の入口の流れの方向が下降管（８）の内側を通る第１の冷却媒体の下向きの流れを強めるように、新たな第１の冷却媒体を供給するための前記入口（３）が配置される請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記入口（３）が下方に向けられ且つ下降管（８）の上半分に配置される請求項２に記載の装置。
【請求項４】
高温ガスと水との間接熱交換により水蒸気を製造する方法であって、以下の工程：
（ｉ）水槽中に配置された管を通って流れる高温ガスとの間接熱交換により水蒸気を生成する工程、
（ｉｉ）新たな水を前記水槽に供給する工程、及び
（ｉｉｉ）冷却媒体と前記管の上流端部を流れる高温ガスとの間接熱交換により前記管の上流端部を別途冷却し、該冷却媒体より高い温度の使用済み冷却媒体を得る工程、及び
（ｉｖ）工程（ｉｉｉ）の使用済み冷却媒体の温度を下げ、工程（ｉｉｉ）に再循環させる工程、ただし工程（ｉｉｉ）で使用される冷却媒体の温度は工程（ｉｉ）で供給される新たな水の温度より低い、
を実行する、前記高温ガスと水との間接熱交換により水蒸気を製造する方法。
【請求項５】
前記管に入る高温ガスの温度が７００〜１６００℃であり、工程（ｉｉｉ）における冷却媒体の温度が５０〜２００℃である請求項４に記載の方法。
【請求項６】
工程（ｉｉ）において供給される新たな水の温度が工程（ｉｉ）の動作圧力での水の飽和温度より５〜１００℃低い請求項４又は５に記載の方法。
【請求項７】
製造された水蒸気の圧力が２〜１５ＭＰａである請求項４〜６のいずれか一項に記載の方法。
【請求項８】
前記高温ガスが一酸化炭素、水素、及び０〜３体積％の硫黄を含み、工程（ｉｉｉ）において前記管の上流端部の壁を５００℃未満の温度に維持する請求項４〜７のいずれか一項に記載の方法。
【請求項９】
高温ガス媒体を冷却するための装置であって、容器（１）を備え、前記容器（１）内で複数の管（７）からなる管束（２９）が冷却媒体区画（２）内に配置され、使用時に冷却液媒体が管束（２９）の周りに流れ；
（ｉ）前記管（７）がそれらの上流端部（１１）にて熱遮蔽体（３０）に取り付けられ、
（ｉｉ）前記管（７）は熱遮蔽体（３０）から間隔を置いて取り付けられた支持板（３１）を通って更に延び、熱遮蔽体（３０）は該熱遮蔽体（３０）と支持板（３１）との間に前方空間（３２）を形成し、
（ｉｉｉ）冷却液を前方空間（３２）に供給する供給手段（１３）を備え、
（ｉｖ）支持板（３１）の開口部（３３）が前記管（７）よりも大きく、前記管（７）と支持板（３１）との間に環状空間（３４）を形成し、環状空間（３４）は、使用時に冷却液が前記管（７）内の高温ガス媒体と並流にて前方空間（３２）から前記使用済み冷却媒体区画（３５）に流れることができるように、前方空間（３２）と使用済み冷却媒体区画（３５）とを流体連結し、
（ｖ）冷却媒体を使用済み冷却媒体区画（３５）から容器（１）の外部に配置された熱交換器（３６）に放出するための手段（１４）を備え、熱交換器（３６）は使用時に使用済み冷却媒体の温度を下げ、また熱交換器（３６）は、使用時に冷却媒体が熱交換器（３６）と前方空間（３２）との間で循環できるように、前記供給手段（１３）に流体連結されて冷却液を前方空間（３２）に再循環させる、前記高温ガス媒体を冷却するための装置。
【請求項１０】
前方空間（３２）に入口開口部を有する緊急ベント導管（３７）が設けられ、緊急の場合に気化した冷却媒体を前記緊急ベント導管（３７）を介して前方空間（３２）から放出でき、また、緊急の場合に冷却媒体を使用済み冷却媒体区画（３５）に供給できる緊急冷却媒体供給導管（３８）が設けられる請求項９に記載の装置。
【請求項１１】
緊急ベント導管（３７）が冷却媒体区画（２）に流体連結されている請求項１０に記載の装置。
【請求項１２】
緊急冷却媒体供給導管（３８）が冷却媒体区画（２）に流体連結されている請求項１０又は１１に記載の装置。
【請求項１３】
請求項１０〜１２のいずれか一項に記載の装置の熱交換管（７）の上流端部（１１）の過熱を防止する方法であって、熱交換器（３６）と前方空間（３２）との間で循環する冷却媒体の流量を測定し、測定した流量が循環する冷却媒体の所定の最小許容流量より小さい場合、緊急ベント導管（３７）及び緊急冷却媒体供給導管（３８）に夫々設けられた閉じたバルブ（３９、４０）を開くことで、冷却媒体が熱交換管（７）内に存在する高温ガスに対して向流にて環状空間（３４）を通って流れるように、気化した冷却媒体が前方空間（３２）から緊急ベント導管（３７）を介して出ていけると共に、冷却媒体が緊急冷却媒体供給導管（３８）を介して使用済み冷却媒体空間（３５）に入っていける前記方法。
【請求項１４】
圧力が８ＭＰａより大きく、好ましくは９〜１５ＭＰａで温度が１０００℃より高く、より好ましくは１０００℃〜１６００℃の合成ガスを以下の工程：
（ａ）炭素（炭化水素）含有燃料を部分酸化し、前記圧力及び温度の合成ガスを得る工程、
（ｂ）水槽中に設けられた導管に高温ガスを通すことにより水を気化させて冷却を行い、また、温度が好ましくは１００℃未満の水との間接熱交換による水冷閉回路によって前記導管の上流端部を冷却し、また、温度が好ましくは２００℃より高い補給水を前記水槽に別途加える工程、
を実行することにより製造する方法。
【請求項１５】
請求項９〜１３のいずれか一項に記載の装置において工程（ｂ）を実行するか、又は請求項４〜８のいずれか一項に記載の方法により工程（ｂ）を実行する、請求項１４に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は高温ガスを冷却するための装置及び方法に関するものであり、該装置は１以上の熱交換管を備えた容器を含み、高温ガスがその熱交換管を通って流れ、冷却媒体（例えば水）がその熱交換管の周りを流れ、熱交換管は少なくともその一端が管板に取り付けられる。
【背景技術】
【０００２】
このような熱交換装置は、多くの産業部門、例えば石油産業において水素化分解装置や石油、石炭などの炭素（炭化水素）含有燃料の部分酸化用の反応器などから得られる生成物を冷却するために大規模に使用されている。
【０００３】
冷却目的のため、冷却媒体により外面が冷却された管に高温ガスが通されると、高温ガスから熱が管に伝達し、その熱がさらに冷却媒体に伝えられることにより、管の壁が高温になる。有利には、スペースを節約するため、螺旋コイル状の管が用いられる。
【０００４】
適用分野に依存して異なる種類の技術的な問題が起こる。
【０００５】
例えば、小さい固体粒子の存在が避けられない炭素（炭化水素）含有燃料のガス化から得られる高温ガスを冷却する場合には、深刻な熱伝達の問題や浸食／腐食の問題が生じる。
【０００６】
例えば炭素（炭化水素）含有燃料の部分酸化により生成された高温の合成ガスは、一般にガス化装置の隣に配置された熱交換器において冷却されるので、高圧の水蒸気が生成される。重要な領域は、高温の合成ガスが熱交換領域に入ってくる熱交換器のガス入口である。入口領域の壁厚はできるだけ小さくされるが、圧力負荷及び熱負荷を踏まえて機械的な完全性を確保するのに十分な厚さにすべきである。入口領域でのガス速度は、ファウリングを防ぐために十分高くしなければならない一方、ガス側の熱伝達率を確保するために十分に低くしなければならない。特にファウリングと速度との最適条件を得るのが望ましい。
【０００７】
ＵＳ−Ａ−４０２９０５４及びＵＳ−Ａ−３６１０３２９は、ガス管の上流部分が耐火材料中に配置されている高温ガスの冷却装置を開示する。各ガス管の上流部分は、専用の供給導管で水が供給されて別途冷却される。使用済みの冷却水は、耐火物質とガス管との間の環状部を通って主冷却区画に放出される。
【０００８】
ＦＲ−Ａ−２２８４８５１はガス管の上流部分が主冷却区画内に配置された高温ガスの冷却装置を記載する。このガス管は環状空間により包囲されていない。ガス入口板が壁から間隔をおいて離してあり、この壁が同じ凸形状を有することで冷却区画が形成され、そこから使用済みの冷却媒体が別個の導管を介して放出される。
【０００９】
引用した従来技術の欠点は、多数の別個の供給導管や放出導管が存在することにより装置が複雑なことである。
【００１０】
ＥＰ−Ａ−７７４１０３は、新たな冷却媒体、すなわち水を熱交換管の上流端部の外面に沿って送ることにより入口領域が冷却される高温ガスの冷却装置を記載する。水の流れは、管内の高温ガスの流れに対して向流である。
【００１１】
ＷＯ−Ａ−２００５１１６５６０は、新たな冷却媒体、すなわち水を熱交換管の上流端部の外面に沿って送ることにより入口領域が冷却される高温ガスの冷却装置を記載する。水の流れは管内の高温ガスの流れに対して並流である。
【００１２】
ＵＳ−Ａ−５６７１８０７は新たな冷却媒体、すなわち水を熱交換管の上流端部の外面に沿って送ることにより入口領域が冷却される高温ガスの冷却装置を記載する。水の流れは管内の高温ガスの流れに対して並流である。
【特許文献１】ＵＳ−Ａ−４０２９０５４
【特許文献２】ＵＳ−Ａ−３６１０３２９
【特許文献３】ＦＲ−Ａ−２２８４８５１
【特許文献４】ＥＰ−Ａ−７７４１０３
【特許文献５】ＷＯ−Ａ−２００５１１６５６０
【特許文献６】ＵＳ−Ａ−５６７１８０７
【特許文献７】ＷＯ−Ａ−２００５０１５１０５
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
ＷＯ−Ａ−２００５０１５１０５は、新たな冷却液媒体と主冷却区画内に存在する冷却液媒体の限定的な一部とを用いることにより入口領域が冷却される装置を記載する。この従来技術の装置の特徴は、水蒸気の生成量は大きいが、冷却される高温ガスの高い熱容量を考慮すれば改善の余地がある。さらに、各ガス管に冷却媒体を供給及び／又は放出するために別個の導管が用いられるので構成が複雑になり、故障して交換する場合に管を位置調整するのが厄介であり、提案された構成は高圧、特に９ＭＰａを超える圧力下での動作を保証しない。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
発明の概要
以下の装置及び方法がこの問題の解決策を与える。
【００１５】
本発明は以下の装置に関する。高温ガスを冷却するための装置であって、
（ｉ）使用時に第１の冷却媒体を含む冷却媒体区画（２）と、新たな第１の冷却媒体を供給するための入口（３）と、使用済みの第１の冷却媒体を放出するための出口（４）とを有する縦長の容器（１）を備え、前記容器（１）が、高温ガスの入口（５）と、冷却されたガスの出口（６）と、少なくとも１つの熱交換管（７）とを更に備え、前記熱交換管（７）が、冷却媒体区画（２）内に配置されると共に高温ガスの入口（５）と冷却されたガスの出口（６）とを流体連結し、
（ｉｉ）前記冷却媒体区画（２）が、開放端を有し中央に配置された縦型の下降管（８）を更に備え、前記熱交換管（７）が下降管（８）と容器壁（１０）との間の空間（９）内に配置され、
（ｉｉｉ）熱交換管（７）がその上流端部（１１）にて管板（１２）に取り付けられ、管板（１２）が、熱交換管（７）の上流端部（１１）の外側に第２の冷却媒体を供給するための供給手段（１３）、使用済みの第２の冷却媒体を放出するための手段（１４）、使用済みの第２の冷却媒体の温度を下げるための手段（１５）、及び前記供給手段（１３）を介して第２の冷却媒体を熱交換管（７）の上流端部（１１）の外側に再循環させるための手段を備える、
前記高温ガスを冷却するための装置。
【００１６】
本発明は以下の方法にも関する。高温ガスと水との間接熱交換により水蒸気を製造する方法であって、以下の工程：
（ｉ）水槽中に配置された導管を通って流れる高温ガスとの間接熱交換により水蒸気を生成する工程、
（ｉｉ）新たな水を前記水槽に供給する工程、及び
（ｉｉｉ）冷却媒体と前記導管の上流端部を流れる高温ガスとの間接熱交換により前記導管の上流端部を別途冷却し、該冷却媒体より高い温度の使用済み冷却媒体を得る工程、及び
（ｉｖ）工程（ｉｉｉ）の使用済み冷却媒体の温度を下げ、工程（ｉｉｉ）に再循環させる工程、ただし工程（ｉｉｉ）で使用される冷却媒体の温度は工程（ｉｉ）で供給される新たな水の温度より低い、
を実行する、前記高温ガスと水との間接熱交換により水蒸気を製造する方法。
【００１７】
出願人は、新たな冷却媒体によるのではなく、導管の上流端部、すなわち入口領域を独立に冷却することにより、更に効率的な装置及び冷却方法が得られることが分かった。この装置及び方法により、新たな冷却媒体を冷却媒体区画に直接供給することが可能となる。このことは、相対的により暖かい新たな冷却媒体を供給できることで本装置及び方法の水蒸気の生成量が改善されるので、好都合である。従来技術の方法では、新たな冷却媒体はまず入口領域を冷却するために使用される。この新たな冷却媒体に要求される温度は、入口領域を十分に冷却するために相対的に低くしなければならなかったので、水蒸気の容量がより低くなっていた。
【００１８】
従来技術の方法及び装置では、入口領域を冷却するのに使用できる冷却媒体の量が、水蒸気の生成量により制限される。本願発明の方法及び装置はこの欠点をもたない。以下の好ましい実施態様の記載から他の利点も明らかとなる。
以下、例として添付の図面を参照して本発明を詳細に説明する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
図面の詳細な説明
図１は非触媒部分酸化反応器（１７）と組み合わされた本発明の装置を示す。反応器（１７）はバーナー（１８）と炭化水素原料の供給導管（１９）とオキシジェネートの供給導管（２０）とを備える。非触媒部分酸化反応器（１７）の代わりに、自動熱改質反応器（ＡＴＲ）を高温ガス源として本発明の装置と組み合わせてもよい。図１では、２つの装置（１、２１）が１つの反応器（１７）と組み合わされて示されている。これは、反応器の容量が大きい場合に多量の高温ガスを冷却するために本発明の装置を拡大するのが一層困難なときに有利である。本装置は冷却媒体区画（２）を備えた縦長の容器（１）からなり、この冷却媒体区画（２）は、使用時に第１の冷却媒体を含む。また、新たな第１の冷却媒体を供給するための入口（３）と、使用済みの第１の冷却媒体を放出するための出口（４）も示されている。第１の冷却媒体が水の場合は、使用済みの冷却媒体は水蒸気である。上記の容器（１）は、高温ガスの入口（５）と冷却されたガスの出口（６）とを更に備える。入口（５）と出口（６）は少なくとも１つの熱交換管（７）に流動連結されている。好ましくは１より多い管（７）が入口（５）と出口（６）との間で平行に通っている。一般に２〜２４個の管（７）が区画（２）内で平行に設けられているが、この個数はそれより多くしてもよい。好ましくは、これらの管（７）は螺旋状に上方に延びる構成にて配置される。出口（６）は容器（１）の上部、又は図１に示されるように底部に配置してもよい。
【００２０】
また、随意に過熱器モジュール（図示せず）が容器（１）内に配置される。このモジュールにおいて、装置内で生成される飽和水蒸気の温度が高温ガスとの間接熱交換によって更に高められる。適当な過熱器モジュールがＥＰ−Ａ−２５７７１９、ＵＳ−Ｂ−６７６６７７２、ＵＳ−Ｂ−６８８６５０１及びＥＰ−Ａ−１２１９８９２に記載されている。
【００２１】
図１はまた、中央に位置した垂直な開放端の下降管（８）が冷却媒体区画（２）内に配置されていることを示す。使用時には、温度が相対的に低く、よって密度が高い冷却媒体が、この下降管中を下向きに流れる。その下端部にて、冷却媒体は下降管（８）と容器壁（１０）との間の空間（９）を通って上向きに再度流れる。好ましくはこの環状の空間（９）内において、冷却媒体が該空間（９）内に配置された熱交換管（７）と接触して温度が上昇する。このように加熱された冷却媒体（熱媒体が水の場合には水蒸気の泡も含む）は、密度が相対的に低いので、上向きに流れる。よって、冷却媒体の循環が作られて下降管（８）により循環が促進される。冷却区画（２）への新たな第１の冷却媒体は本発明の装置における入口（３）を介して独立に加えられるので、新たな第１の冷却媒体の入口の流れの方向が使用時に下降管（８）の内側を通る第１の冷却媒体の下向きの流れを強めるように、前記入口（３）を配置するのが好ましい。入口（３）は下方に向けられ且つ下降管（８）の上半分に配置されるのが、更に好ましい。
【００２２】
図１はまた、管板（１２）において熱交換管（７）がその上流端部（１１）にてどのように取り付けられているかを示す。熱交換管（７）に入る高温ガスの高い温度に対して管板（１２）を保護するために、管板（１２）を冷却しなければならない。この冷却は、熱交換管（７）の上流端部（１１）の外側に第２の冷却媒体を循環させることによって実現される。図１は、どのようにこの第２の冷却媒体が導管（１３）を介して管板（１２）に供給されるか、及びどのように使用済みの冷却媒体が管板（１２）から導管（１４）を介して放出されるかを示す。使用済みの第２の冷却媒体は、この冷却プロセスにおいて再使用するのに適したものとすべく冷却される。第２の冷却媒体の冷却は、装置（１５）において間接熱交換によって行われる。装置（１５）における冷却は、図示されたように空冷で、又は別の冷却媒体、例えば冷却水により行うことができる。図１はポンプ（２３）とバルブ（２５）及び（２６）を制御する温度コントローラ（２７）とを示す。幾分かの第２の冷却媒体をバイパス導管（２４）を介して循環させることにより、管板（１２）に供給される第２の冷却媒体の温度を制御して所望のレベルに保つことができる。
【００２３】
第１の冷却媒体が水の場合、本装置は、水蒸気収集空間（１６）における水位（２２）より上に配置されたミストマット（２８）を更に備える。
【００２４】
図２は図１の装置の好ましい実施態様を示す。本発明はまた、独立して冷却される改良された管板（１２）領域を単独で有する以下の装置にも関する。高温のガス状媒体を冷却するための本装置が容器（１）を備え、容器（１）内で、複数の管（７）からなる管束（２９）が第１の冷却媒体区画（２）内に配置され、使用時には第１の液体冷却媒体が管束（２９）の周りを流れる。管（７）はそれらの上流端部（１１）にて熱遮蔽体（３０）に取り付けられ、熱遮蔽体（３０）から少し離して取り付けられた支持板（３１）を通って更に延びる。図２に示されるように、熱遮蔽体（３０）と支持板（３１）との間に共通の前方空間（３２）が規定され、冷却液が共通の前方空間（３２）から管（７）の各環状空間（３４）に流れる。共通の空間とは、すべての環状空間（３４）が１つの共通の前方空間（３４）に流体連通していることを意味する。冷却液を前方空間（３２）に加えるための手段（１３）、好ましくは導管が存在する。支持板（３１）の開口部（３３）は管（７）より大きく、管（７）と支持板（３１）との間に環状空間（３４）を形成する。図２に示されるように、半分離板（３５’）が支持板（３１）から間隔を置いて配置され、共通の使用済み冷却媒体区画（３５）を形成する。共通の使用済み冷却媒体区画（３５）とは、すべての環状空間（３４）が１つの使用済み冷却媒体区画（３５）に流体連通していることを意味する。使用時に冷却液が管（７）中の高温のガス状媒体と並流にて前方空間（３２）から使用済み冷却媒体区画（３５）に流れることができるように、環状空間（３４）が前方空間（３２）と使用済み冷却媒体区画（３５）とを流体連結する。冷却媒体区画（３５）は、小さな開口部（３５”）を備えた半分離板（３５’）によって第１の冷却媒体から分離される。これらの開口部を通る冷却媒体の流れは、２つの冷却媒体区画（３５）及び（２）の間で生じ得る変動する圧力差に起因した小さな流れを除いて、大きなものは生じない。冷却媒体を使用済み冷却媒体区画（３５）から容器（１）外に配置された熱交換器（３６）に放出するための手段（１４）、好ましくは導管もまた存在する。熱交換器（３６）は使用時に使用済み冷却媒体の温度を下げる。使用時に冷却媒体が熱交換器（３６）と前方空間（３２）との間で循環できるように、熱交換器（３６）は冷却液を前方空間（３２）に循環させる手段（１３）に流体連結される。上流端部（１１）と熱遮蔽体（３０）の構成は、参考としてここに組み入れられる刊行物ＷＯ−Ａ−２００５１１６５６０の図２に記載のようにし得る。
【００２５】
図３は図２に示される装置の好ましい実施態様を示す。第２の冷却媒体が管板を十分に冷却できない場合には高温ガスの高い温度によって損傷が生じ得ると考えられる。十分に冷却できないとは、例えばポンプ（２３）の故障が考えられる。図３は前方空間（３２）に入口開口部を有する緊急ベント導管（３７）を示し、緊急の場合に気化した冷却媒体をこの緊急ベント導管（３７）を介して前方空間（３２）から放出することができる。また、緊急冷却媒体供給導管（３８）が設けられ、緊急の場合に冷却媒体をこの緊急冷却媒体供給導管（３８）を介して使用済み冷却媒体区画（３５）に供給することができる。更に好ましい実施態様では、緊急ベント導管（３７）が冷却媒体区画（２）に流体連結される。好ましくは緊急冷却媒体供給導管（３８）は冷却媒体区画（２）に流体連結される。
【００２６】
本発明はまた、図３に記載の装置の熱交換管（７）の上流端部（１１）の過熱を防止する方法であって、熱交換器（３６）と前方空間（３２）との間で循環する冷却媒体の流量を測定し、測定した流量が循環する冷却媒体の所定の最小許容流量より小さい場合、緊急ベント導管（３７）及び緊急冷却媒体供給導管（３８）に夫々設けられた閉じたバルブ（３９、４０）を開くことで、冷却媒体が管（７）内に存在する高温ガスに対して向流にて環状空間（３４）を通って流れるように、気化した冷却媒体が前方空間（３２）からベント導管（３７）を介して出ていけると共に、冷却媒体が緊急冷却媒体供給導管（３８）を介して使用済み冷却媒体空間（３５）に入っていける前記方法に関する。
【００２７】
図４は図３に示された断面ＣＣ’から見た図１及び３の装置の一部を示す。図４は気化した冷却媒体を容易に放出できる上向きのベント導管（３７）を示す。導管（３７）及び（３８）はより高い位置にて図３に示される区画（２）と流体連通している。
【００２８】
本発明はまた、高温ガスと水との間接熱交換により水蒸気を製造する方法であって、以下の工程：
（ｉ）水槽中に配置された管を通って流れる高温ガスとの間接熱交換により水蒸気を生成する工程、
（ｉｉ）新たな水を前記水槽に供給する工程、及び
（ｉｉｉ）冷却媒体と前記管の上流端部を流れる高温ガスとの間接熱交換により前記管の上流端部を別途冷却し、該冷却媒体より高い温度の使用済み冷却媒体を得る工程、及び
（ｉｖ）工程（ｉｉｉ）の使用済み冷却媒体の温度を下げ、工程（ｉｉｉ）に再循環させる工程、ただし工程（ｉｉｉ）で使用される冷却媒体の温度は工程（ｉｉ）で供給される新たな水の温度より低い、
を実行する、前記高温ガスと水との間接熱交換により水蒸気を製造する方法にも関する。
【００２９】
好ましくは本発明の装置は、水蒸気を製造するプロセスに使用され、このプロセスで用いられる冷却媒体は本装置の説明における第２の冷却媒体である。好ましくは管に入る高温ガスの温度は７００〜１６００℃、より好ましくは１０００℃〜１６００℃である。高温ガスの圧力は２〜１５ＭＰａが適切であり、好ましくは９〜１１ＭＰａである。冷却されたガスの温度は好ましくは６００℃未満であり、より好ましくは２００〜４５０℃である。
【００３０】
工程（ｉｉｉ）における冷却媒体の温度は５０〜２００℃である。好ましくは工程（ｉｉｉ）における冷却媒体は水である。好ましくは工程（ｉｉ）で加えられる新たな水の温度は、工程（ｉｉ）の動作圧力での水の飽和温度より５〜１００℃低い。好ましくは製造される水蒸気の圧力は２〜１５ＭＰａであり、より好ましくは４〜１５ＭＰａである。工程（ｉｉｉ）において相対的に冷たい冷却媒体を使用できることにより、管板（１２）の効率的な冷却を行うことができる。相対的に熱い新たな水を工程（ｉｉ）に加えることができることにより、同じ冷却容量にてより多くの水蒸気が製造される。
【００３１】
高温ガスは任意の高温ガスとし得る。出願人は、一酸化炭素と水素とを含んだ高温ガスを冷却すると共に、高温ガスに接触する装置表面の表面温度を５００℃未満の値に維持するのに本装置及び方法が非常に適していることが分かった。このことは、外来の材料を避けることができ且つ／又は硫黄をほとんど含んでいない高温ガスを用いて本方法を実行できるので、有利である。出願人は、一酸化炭素と水素と０〜３体積％、より好ましくは０〜１００ｐｐｍｖの硫黄、一層好ましくは０〜５０ｐｐｍｖの硫黄とを含んだ高温ガスを用いて本方法を実行できることが分かった。
【００３２】
本発明はまた、炭化水素原料の触媒部分酸化又は好ましくは非触媒部分酸化（ＰＯＸ）によるか、又は天然ガスの自動熱改質工程（ＡＴＲ）によって一酸化炭素と水素との混合物を製造する方法に関する。このような方法で製造された高温ガスは、次に上記の方法に従って好ましくは上記の装置で冷却される。
【００３３】
ＰＯＸの炭化水素原料はガス燃料又は液体燃料とし得る。可能な供給原料の例として、天然ガス、（水素処理された）タールサンド源から得られる留分、及び製油所ストリーム、例えば中間留分、より好ましくは沸点が３７０℃より高い留分、例えば減圧蒸留塔で得られるものが挙げられる。例として、真空留出物や、３７０℃の減圧蒸留により得られた残留物に、原油原料を蒸留したとき又は製油所で実行される炭素除去プロセスの流出物を蒸留したとき得られる留分を加えたものが挙げられる。炭素除去プロセスの例としては、周知の流動接触分解（ＦＣＣ）法、熱分解及びビスブレーキング法が挙げられる。ガス化法で得られる高温ガスは、主に一酸化炭素と水素を含む。
【００３４】
ＰＯＸの好ましい供給原料は、ガス状の炭化水素、適切にはメタン、天然ガス、随伴ガス又はＣ１−４炭化水素の混合物である。ガス状の炭化水素の例としては、天然ガス、製油所ガス、随伴ガス又は（炭層）メタンなどが挙げられる。適切には、ガス状の炭化水素は主に、すなわち９０ｖ／ｖ％より多くの、特に９４ｖ／ｖ％より多くのＣ１−４炭化水素を含み、特に少なくとも６０ｖ／ｖ％のメタン、好ましくは少なくとも７５ｖ／ｖ％、より好ましくは９０ｖ／ｖ％のメタンを含む。好ましくは天然ガス又は随伴ガスが使用される。
【００３５】
ＰＯＸは例えばＳｈｅｌｌ Ｇａｓｉｆｉｃａｔｉｏｎ Ｐｒｏｃｅｓｓ，Ｏｉｌ ａｎｄ Ｇａｓ Ｊｏｕｒｎａｌ，１９７１年９月６日，ｐｐ８５−９０に記載された周知の原理に従って実行できる。部分酸化方法の例を記載した刊行物としては、ＥＰ−Ａ−２９１１１１、ＷＯ−Ａ−９７２２５４７、ＷＯ−Ａ−９６３９３５４及びＷＯ−Ａ−９６０３３４５がある。これらの方法では、部分酸化条件下で好ましくは触媒の不在下で供給原料を酸素含有ガスと接触させる。
【００３６】
酸素含有ガスは（約２１％の酸素を含む）空気としてもよく、好ましくは酸素に富んだ空気、適切には１００％の酸素、好ましくは少なくとも６０体積％の酸素、より好ましくは少なくとも８０体積％、より好ましくは少なくとも９８体積％の酸素を含んだ空気とし得る。酸素に富んだ空気は、低温技術により製造できるが、好ましくは膜に基づいた方法、例えばＷＯ９３／０６０４１に記載の方法により製造される。
【００３７】
供給原料と酸素含有ガスとの接触は、反応容器内に配置されたバーナー中で実行するのが好ましい。部分酸化反応で得られるガス状生成物におけるＨ２／ＣＯ比を調節するために、二酸化炭素及び／又は水蒸気を供給原料に導入してもよい。好ましくは部分酸化反応のガス状生成物におけるＨ２／ＣＯモル比は１．５〜２．６、より好ましくは１．６〜２．２である。
【００３８】
上記の方法により得られる一酸化炭素と水素の混合物は、発電、水素の製造、フィッシャー・トロプシュ合成法、メタノール合成法、ジメチルエーテル合成法、酢酸合成法、アンモニア合成法、又は合成ガス混合物を供給原料として用いる他の方法（例えばカルボニル化及びヒドロホルミル化の反応を伴う方法など）に供給原料として有利に使用できる。
【００３９】
出願人は、９ＭＰａより高い圧力、特に９〜１５ＭＰａの圧力を有する合成ガスを製造する場合に本発明を有利に適用できることが分かった。このような高圧では、高温ガスと水蒸気との圧力差が大きくなることを避けるために、水蒸気の圧力も高める必要がある。より高い水蒸気の圧力を実現するために、より高い温度の新たなボイラー水を別途水槽に加え、相対的に冷たい水を用いて管の上流端部を別途冷却するのが有利であると分かった。一方、従来技術の特定の装置のように使用済みの冷却水を新たなボイラー供給水として使用しても、十分な冷却は実現されず、十分な水蒸気圧力も得られなかった。
【００４０】
よって、本発明は圧力が８ＭＰａより大きく、好ましくは９〜１５ＭＰａで温度が１０００℃より高く、より好ましくは１０００℃〜１６００℃の合成ガスを以下の工程：
（ａ）炭素（炭化水素）含有燃料を部分酸化し、前記圧力及び温度の合成ガスを得る工程、
（ｂ）水槽中に設けられた導管に高温ガスを通すことにより水を気化させて冷却を行い、また、温度が好ましくは１００℃未満の水との間接熱交換による水冷閉回路によって前記導管の上流端部を冷却し、また、温度が好ましくは２００℃より高い補給水を前記水槽に別途加える工程、
を実行することにより製造する方法にも関する。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】１つの非触媒部分酸化反応器と組み合わされた本発明の２つの装置を示す。
【図２】本発明の装置の入口領域の好ましい実施態様を示す。
【図３】本発明の装置の入口領域の別の好ましい実施態様を示す。図３は図４のＢＢ’ 断面図である。
【図４】図３のＣＣ’ 断面図であり、図３の入口領域の正面図を示す。
【符号の説明】
【００４２】
１    容器
２    冷却媒体区画
３    第１の冷却媒体の入口
４    第１の冷却媒体の出口
５    高温ガスの入口
６    冷却されたガスの出口
７    熱交換管
８    下降管
９    環状空間
１０  容器壁
１１  熱交換管の上流端部
１２  管板
１３  導管
１４  導管
１５  冷却装置
１６  水蒸気収集空間
１７  非接触部分酸化反応器
１８  バーナー
２２  水位
２３  ポンプ
２４  バイパス導管
２５  バルブ
２６  バルブ
２７  温度コントローラ
２９  管束
３０  熱遮蔽体
３２  前方空間
３４  環状空間
３５  使用済み冷却媒体区画
３６  熱交換器
【図１】
2009533643.tif 000003
【図２】
2009533643.tif 000004
【図３】
2009533643.tif 000005
【図４】
2009533643.tif 000006
【手続補正書】
【提出日】平成20年2月12日(2008.2.12)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
高温ガス媒体を冷却するための装置であって、容器（１）を備え、前記容器（１）内で複数の管（７）からなる管束（２９）が第１の冷却媒体区画（２）内に配置され、使用時に冷却液媒体が管束（２９）の周りに流れ；
（ｉ）前記管（７）がそれらの上流端部（１１）にて熱遮蔽体（３０）に取り付けられ、
（ｉｉ）前記管（７）は熱遮蔽体（３０）から間隔を置いて取り付けられた支持板（３１）を通って更に延び、熱遮蔽体（３０）は該熱遮蔽体（３０）と支持板（３１）との間に共通の前方空間（３２）を形成し、
（ｉｉｉ）冷却液を前方空間（３２）に供給する供給手段（１３）を備え、
（ｉｖ）支持板（３１）の開口部（３３）が前記管（７）よりも大きく、前記管（７）と支持板（３１）との間に環状空間（３４）を形成し、環状空間（３４）は、使用時に冷却液が前記管（７）内の高温ガス媒体と並流にて前方空間（３２）から前記使用済み冷却媒体区画（３５）に流れることができるように、前方空間（３２）と使用済み冷却媒体区画（３５）とを流体連結し、
（ｖ）冷却媒体を使用済み冷却媒体区画（３５）から容器（１）の外部に配置された熱交換器（３６）に放出するための手段（１４）を備え、熱交換器（３６）は使用時に使用済み冷却媒体の温度を下げ、また熱交換器（３６）は、使用時に冷却媒体が熱交換器（３６）と前方空間（３２）との間で循環できるように、前記供給手段（１３）に流体連結されて冷却液を前方空間（３２）に再循環させる、前記高温ガス媒体を冷却するための装置。
【請求項２】
使用済み冷却媒体区画（３５）が、小開口部（３５”）を備えた半分離板（３５’）により第１の冷却媒体区画（２）から分離される、請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前方空間（３２）に入口開口部を有する緊急ベント導管（３７）が設けられ、緊急の場合に気化した冷却媒体を前記緊急ベント導管（３７）を介して前方空間（３２）から放出でき、
また、緊急の場合に冷却媒体を使用済み冷却媒体区画（３５）に供給できる緊急冷却媒体供給導管（３８）が設けられる請求項１又は２に記載の装置。
【請求項４】
緊急ベント導管（３７）が冷却媒体区画（２）に流体連結されている請求項３に記載の装置。
【請求項５】
緊急冷却媒体供給導管（３８）が冷却媒体区画（２）に流体連結されている請求項３又は４に記載の装置。
【請求項６】
前記装置が、
新たな第１の冷却媒体を供給するための入口（３）と、使用済みの第１の冷却媒体を放出するための出口（４）と、前記管（７）により流体連結された高温ガスの入口（５）とを更に備え、
前記冷却媒体区画（２）が、開放端を有し中央に配置された縦型の下降管（８）を更に備え、前記熱交換管（７）が下降管（８）と容器壁（１０）との間の空間（９）内に配置される、請求項１〜５のいずれか一項に記載の装置。
【請求項７】
使用時に新たな第１の冷却媒体の入口の流れの方向が下降管（８）の内側を通る第１の冷却媒体の下向きの流れを強めるように、新たな第１の冷却媒体を供給するための前記入口（３）が配置される請求項６に記載の装置。
【請求項８】
前記入口（３）が下方に向けられ且つ下降管（８）の上半分に配置される請求項７に記載の装置。
【請求項９】
高温ガスと水との間接熱交換により水蒸気を製造する方法であって、以下の工程：
（ｉ）水槽中に配置された管を通って流れる高温ガスとの間接熱交換により水蒸気を生成する工程、
（ｉｉ）新たな水を前記水槽に供給する工程、及び
（ｉｉｉ）冷却媒体と請求項６〜８のいずれか一項に記載の装置における前記管の上流端部を流れる高温ガスとの間接熱交換により前記管の上流端部を別途冷却し、該冷却媒体より高い温度の使用済み冷却媒体を得る工程、及び
（ｉｖ）工程（ｉｉｉ）の使用済み冷却媒体の温度を下げ、工程（ｉｉｉ）に再循環させる工程、ただし工程（ｉｉｉ）で使用される冷却媒体の温度は工程（ｉｉ）で供給される新たな水の温度より低い、
を実行する、前記高温ガスと水との間接熱交換により水蒸気を製造する方法。
【請求項１０】
前記管に入る高温ガスの温度が７００〜１６００℃であり、工程（ｉｉｉ）における冷却媒体の温度が５０〜２００℃である請求項９に記載の方法。
【請求項１１】
工程（ｉｉ）において供給される新たな水の温度が工程（ｉｉ）の動作圧力での水の飽和温度より５〜１００℃低い請求項９又は１０に記載の方法。
【請求項１２】
製造された水蒸気の圧力が２〜１５ＭＰａである請求項９〜１１のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１３】
前記高温ガスが一酸化炭素、水素、及び０〜３体積％の硫黄を含み、工程（ｉｉｉ）において前記管の上流端部の壁を５００℃未満の温度に維持する請求項９〜１２のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１４】
請求項１〜８のいずれか一項に記載の装置の熱交換管（７）の上流端部（１１）の過熱を防止する方法であって、熱交換器（３６）と前方空間（３２）との間で循環する冷却媒体の流量を測定し、測定した流量が循環する冷却媒体の所定の最小許容流量より小さい場合、緊急ベント導管（３７）及び緊急冷却媒体供給導管（３８）に夫々設けられた閉じたバルブ（３９、４０）を開くことで、冷却媒体が熱交換管（７）内に存在する高温ガスに対して向流にて環状空間（３４）を通って流れるように、気化した冷却媒体が前方空間（３２）から緊急ベント導管（３７）を介して出ていけると共に、冷却媒体が緊急冷却媒体供給導管（３８）を介して使用済み冷却媒体空間（３５）に入っていける前記方法。
【請求項１５】
圧力が８ＭＰａより大きく、好ましくは９〜１５ＭＰａで温度が１０００℃より高く、より好ましくは１０００℃〜１６００℃の合成ガスを以下の工程：
（ａ）炭素（炭化水素）含有燃料を部分酸化し、前記圧力及び温度の合成ガスを得る工程、
（ｂ）請求項６〜８のいずれか一項に記載の装置において水を気化させて冷却を行い、また、前記供給手段（１３）を介して供給される冷却液が１００℃未満の温度の水であり、また、前記入口（３）を介して供給される新たな冷却媒体が２００℃より高い温度を有する工程、
を実行することにより製造する方法。
【国際調査報告】
2009533643.tif 000007
2009533643.tif 000008
2009533643.tif 000009
2009533643.tif 000010