(57)【要約】【課題】  伝熱管の熱膨張を胴部内で吸収できるようにして配管のサポート設計を容易にする。【解決手段】  胴部２８の内側を耐火材２８ｂで覆って胴部２８を耐火構造とする。ＡＴＲ４で生成された生成ガス８を胴部２８内へ合成ガス流入口３１より導入させるようにする。胴部２８の内部には、Ｕ字状の伝熱管２９を配置して、セラミックス製のバッフルプレート４０で移動可能に支持させる。伝熱管２９内にはボイラ水３０を流通させるようにし、伝熱管２９内でボイラ水３０を高温、高圧の蒸気として排出させることにより、合成ガス８を冷却させるようにする。胴部２８内は高圧になることがないので、壁部の板厚を小さくすることができる。又、胴部２８は伝熱管２９の熱膨張で伸縮させる必要がないので、胴部２８に接続する配管のサポート設計が容易となる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＡＴＲで生成された高温の合成ガスを耐火構造とした胴部内を通して胴部外へ取り出すようにし、且つ上記胴部内に、冷却媒体を流通させる伝熱管を配置し、胴部内に設けた耐熱性を有するバッフルプレートに上記伝熱管を軸心方向へ移動可能に支持させた構成を有することを特徴とする合成ガス冷却用クェンチャー。
【請求項２】
ＡＴＲの合成ガス出口に、耐火構造として合成ガス流入口と合成ガス流出口を有する胴部の該合成ガス流入口を接続して、ＡＴＲからの合成ガスが胴部内に流入するようにし、且つ上記胴部内に、冷却媒体を流通させる伝熱管を配置し、胴部内に設けた耐熱性を有するバッフルプレートに上記伝熱管を軸心方向へ移動可能に支持させた構成を有することを特徴とする合成ガス冷却用クェンチャー。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、天然ガスを液体燃料に化学的に変換するときの化学反応の供給原料として用いる合成ガスを冷却するためのクェンチャーに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
常温では気体である天然ガスを液体にする技術として、天然ガスをそのまま−１６０℃という極低温に冷却して低温液体（液化天然ガス）とするＬＮＧ技術と、天然ガスをガソリン、灯油、軽油の如き常温で輸送可能な液体燃料に化学的に変換するＧＴＬ（Gas To Liquids）技術がある。
【０００３】
上記ＧＴＬ技術では、化学反応の供給原料として合成ガス（Syngas）を用いるため、該合成ガスの生成プラントが設けられている。
【０００４】
合成ガスの生成プラントでは、天然ガスと水蒸気とを反応させて高温の合成ガス（水素と一酸化炭素の混合ガス）を生成させているため、ＡＴＲ（Auto Thermal Reformer）（部分酸化改質炉）が用いられている。このＡＴＲは、天然ガスと水蒸気に酸素を加えて天然ガスを部分酸化させて燃焼させ、この燃焼熱を吸熱させることにより天然ガスを水蒸気改質させるようにするもので、自己熱改質をさせるものである。
【０００５】
従来、天然ガスを液体燃料に化学的に変換させるＧＴＬ技術の過程で用いられている合成ガス生成プラントでは、図２に概略を示す如く、天然ガス１に水蒸気２を加えたものを予熱器３で予熱した後、ＡＴＲ４へ天然ガス・水蒸気供給ライン５より供給するようにすると共に、該ＡＴＲ４に酸素６を酸素供給ライン７により供給するようにしてあり、ＡＴＲ４において酸素６による部分酸化により天然ガス１と水蒸気２が反応することにより天然ガス１が改質されて、高温（１０００℃〜１２００℃）の合成ガス（水素と一酸化炭素の混合ガス）８が生成されるようにしてある。更に、ＡＴＲ４で生成された合成ガス８は高温であるため、ＧＴＬの次工程での化学反応の原料とするため、上記高温の合成ガス８を冷却するようにしてあり、その冷却手段として、ボイラ水１１を胴部内に供給して蒸気を発生するようにしたボイラとしてのクェンチャー９が用いられており、該クェンチャー９が、ＡＴＲ４の合成ガス出口４ａに接続された合成ガス配管１０に設けられて、合成ガス８がクェンチャー９内の伝熱管９ａ内を流通させられるようにしてある（たとえば、非特許文献１参照）。
【０００６】
一方、天然ガスを燃料とする合成ガスの生成ではないが、石炭スラリー等の燃料に酸素を加えて部分酸化させつつ水蒸気と反応させて合成ガスとしてのガス化ガスＨ２、ＣＯ２を生成するガス化炉の出口側に、該ガス化炉で生成された高温の粗ガスを冷却して該粗ガスの顕熱を回収するための粗ガスクーラを設置した構成のものがある（たとえば、特許文献１参照）。
【０００７】
又、上記特許文献１と同様に、石炭水スラリを酸素で部分酸化させながら水蒸気の存在下で反応させて高温の合成ガスとしての粗ガスを生成するガス化炉の出口側に、該ガス化炉で生成された高温の粗ガスを冷却するための粗ガス冷却器を設けた構成のものもある（たとえば、特許文献２参照）。
【０００８】
更に、熱交換器として、伝熱管を用いたもの、特に、Ｕ字状に屈曲形成させた伝熱管を用いて熱交換を行わせるようにしたものとしては、図３に示すようなものがある。すなわち、流体入口１３と流体出口１４を有する胴部１２内に、複数本のＵ字状伝熱管１５を配置して、該各Ｕ字状伝熱管１５の一端部と他端部を、胴部１２の開口側端部１２ａを閉塞するように配置した管板１６に貫通させて支持させると共に、胴部１２の内側に取り付けたバッフルプレート１７にて支持させた構成としてある。又、上記管板１６の反対側には、上記Ｕ字状伝熱管１５の入口側と出口側とを仕切る仕切板１８を取り付け、更に、該仕切板１８により入口室１９と出口室２０を形成するように流体入口２２と流体出口２３を有するケーシング２１を取り付けた構成のものがある（たとえば、特許文献３、４参照）。
【０００９】
【特許文献１】特開２０００−３０９７８３号公報
【特許文献２】特開２００１−１３１５６４号公報
【特許文献３】実開昭６３−１７９４６１号公報
【特許文献４】実開昭６３−１９７９８８号公報
【非特許文献１】五十嵐、「天然ガスからの合成ガス製造プロセスの進歩と現状」、日本エネルギー学会誌、社団法人日本エネルギー学会、２００２年、第８１巻、第１１号、ｐ．９６８−９７２
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
ところが、非特許文献１に記載されている天然ガスからの合成ガスの生成をＡＴＲ４で行って、生成された合成ガス８の冷却をボイラとしてのクェンチャー９で行うようにしてある図２に示す如き構成のものでは、ＡＴＲ４の合成ガス出口４ａから排出された高温の合成ガス８を、クェンチャー９内部の伝熱管９ａ内を流通させられて合成ガス配管１０に導かれ、その間に、クェンチャー９の胴部内に流入されるボイラ水１１により熱交換して合成ガス８を冷却するようにしてあるため、クェンチャー９内の伝熱管９ａには高温の合成ガス８を通すことにより熱応力が作用し、この熱応力を緩和するために上記伝熱管９ａを熱膨張できるようにする必要がある。一方、クェンチャー９内に供給されるボイラ水１１は、クェンチャー９内で３５０℃〜４００℃の高温になると共に高圧（約１０〜１２ＭＰａ）の蒸気となるため、クェンチャー９の胴部は耐圧構造とすることが必要である。このように合成ガス８を通す伝熱管９ａが熱膨張できるようにしながら、クェンチャー９の胴部を耐圧構造とするためには、耐圧構造とした胴部が一部で伸縮できる構造とせざるを得ないのが実状である。そのため、クェンチャー９の上記の如き熱応力対策のために、合成ガス配管１０等のサポート方法に苦慮するという問題がある。
【００１１】
又、特許文献１に記載されている粗ガスクーラは、ガス化炉で生成された高温の粗ガスをシエルとしての胴部内に流入させ、胴部内の伝熱管にボイラ水を循環供給するようにしてあるが、特許文献１では、伝熱管に付着する灰分や未燃炭素の払い落しに着目されているもので、粗ガスクーラの熱応力対策については言及されていない。
【００１２】
特許文献２に記載されている粗ガス冷却器も、ガス化炉で生成された高温の粗ガスを胴部内に流入させて、胴部内の対流伝熱管群を流通させられる冷媒との熱交換で粗ガスを冷却するようにしてあるが、粗ガスを冷却するときの熱応力対策については言及されていない。
【００１３】
更に、特許文献３、４に記載されている熱交換器は、ともに、Ｕ字状伝熱管１５を用いたものであるが、いずれも１０００℃〜１２００℃の高温の合成ガスの冷却に用いるようにしても、耐熱、耐圧構造について示唆するものではない。
【００１４】
そこで、本発明は、天然ガスからの合成ガスの冷却において、伝熱管の熱膨張を胴部内で吸収できるようにして配管等のサポート設計を容易にすると共に、胴部内の圧力を低くするようにして胴部の設計が容易となるようにする合成ガス冷却用クェンチャーを提供しようとするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
本発明は、上記課題を解決するため、ＡＴＲで生成された高温の合成ガスを耐火構造とした胴部内を通して胴部外へ取り出すようにし、且つ上記胴部内に、冷却媒体を流通させる伝熱管を配置し、胴部内に設けた耐熱性を有するバッフルプレートに上記伝熱管を軸心方向へ移動可能に支持させた構成とする。
【００１６】
又、ＡＴＲの合成ガス出口に、耐火構造として合成ガス流入口と合成ガス流出口を有する胴部の該合成ガス流入口を接続して、ＡＴＲからの合成ガスが胴部内に流入するようにし、且つ上記胴部内に、冷却媒体を流通させる伝熱管を配置し、胴部内に設けた耐熱性を有するバッフルプレートに上記伝熱管を軸心方向へ移動可能に支持させた構成とする。
【発明の効果】
【００１７】
本発明の合成ガス冷却用クェンチャーによれば、ＡＴＲで生成された高温の合成ガスを耐火構造とした胴部内を通して胴部外へ取り出すようにし、且つ上記胴部内に、冷却媒体を流通させる伝熱管を配置し、胴部内に設けた耐熱性を有するバッフルプレートに上記伝熱管を軸心方向へ移動可能に支持させた構成としてあり、又、ＡＴＲの合成ガス出口に、耐火構造として合成ガス流入口と合成ガス流出口を有する胴部の該合成ガス流入口を接続して、ＡＴＲからの合成ガスが胴部内に流入するようにし、且つ上記胴部内に、冷却媒体を流通させる伝熱管を配置し、胴部内に設けた耐熱性を有するバッフルプレートに上記伝熱管を軸心方向へ移動可能に支持させた構成としてあるので、次の如き優れた効果を奏し得る。  
（１）耐火構造とした胴部内に高温の合成ガスを流し、伝熱管内にはボイラ水の如き冷却媒体を流通させるようにしてあるため、伝熱管に耐圧性を持たせるだけでよく、胴部壁の設定圧を小さくできることから板厚を小さくでき、製作費を低減できる。  
（２）伝熱管の熱膨張を胴部内で吸収させることができて胴部を伸縮させる設計とする必要がなく、胴部に接続する配管のサポートが容易となる。  
（３）ＡＴＲと一体構造とすることにより設置場所を不要とすることができる。  
（４）ＡＴＲの出口側に設置しても、上記（２）によりＡＴＲ周りの設計が容易となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下、本発明を実施するための最良の形態を図面を参照して説明する。
【００１９】
図１（イ）（ロ）は本発明の実施の一形態を示すもので、炉壁２４の内側を全面にわたり耐火煉瓦の如き耐火材２５で覆って耐火構造としてあるＡＴＲ４の頂部に、天然ガス１と水蒸気２の供給口２６と、酸素６の供給口２７を設け、上記天然ガス１と水蒸気２の供給口２６には、図２に示す如く予熱器で予熱された天然ガス１と水蒸気２の供給ライン５を接続する。又、上記酸素６の供給口２７には、図示しない酸素発生装置に接続されている酸素供給ライン７を接続し、ＡＴＲ４の内部で酸素をバーナ（図示せず）により燃焼させることにより発生する熱を吸熱して天然ガス１と水蒸気２を反応させて水素と一酸化炭素の混合ガスとする合成ガス８を生成するようにした構成において、上記ＡＴＲ４で生成された高温の合成ガス８を胴部２８内に導入し、伝熱管２９内を流れるボイラ水（冷却媒体）３０と熱交換させて合成ガス８を冷却させるようにする。
【００２０】
詳述すると、本発明のクェンチャーＩの胴部２８は、外壁２８ａの内面を全面にわたって耐火煉瓦の如き耐火材２８ｂで覆って耐火構造としてある。該胴部２８の所要個所に、上記ＡＴＲ４の合成ガス出口４ａと接続する合成ガス流入口３１を設けると共に、胴部２８の一端部に冷却された合成ガス流出口３２を設ける。
【００２１】
上記胴部２８の他端側、すなわち、合成ガス流出口３２とは反対側の端部には、仕切板３３により上下の仕切室３４，３５に仕切られたケーシング３６を、管板３７を介して取り付ける。上記ケーシング３６の下側の入口側仕切室３４と上側の出口側仕切室３５には、上記胴部２８内に配した多数（図１では説明上１本の場合を示している）のＵ字状伝熱管２９の一端側と他端側を開口させて、入口側仕切室３４の入口３８から供給したボイラ水３０をＵ字状伝熱管２９へ入口側２９ａから流入させて他端の出口側２９ｂから出口側仕切室３５に流出させた後、出口３９より流出させるようにしてある。
【００２２】
上記胴部２８内に水平に配置される多数本のＵ字状の伝熱管２９は、胴部２８内の適宜個所に取り付けたセラミックス製のバッフルプレート４０にて図１（ロ）の如く遊嵌状態で支持させ、伝熱管２９の熱膨張、収縮が支障なく行えるようにする。
【００２３】
４１はクェンチャーＩの胴部２８に設けた合成ガス流入口３１をＡＴＲ４の合成ガス出口４ａに接続する接続部、４２は蒸気ドラムで、給水口４３と飽和蒸気出口４４を有する。４５は蒸気ドラム４２と入口側仕切室３４の入口３８とを連通させる給水管、４６は蒸気ドラム４２と出口側仕切室３５の出口３９とを連通させる飽和蒸気管である。
【００２４】
ＡＴＲ４で生成された合成ガス８は、１０００℃〜１２００℃という高温であり、この高温の合成ガス８は、ＡＴＲ４の合成ガス出口４ａから本発明のクェンチャーＩの胴部２８内に直接流入する。胴部２８の合成ガス流入口３１から胴部２８内に入った合成ガス８により該胴部２８内は高温に曝されるが、胴部２８は内周面が耐火材２８ｂで覆われた耐火構造としてあるため、胴部２８が高温で損傷を受けることはない。
【００２５】
一方、胴部２８内に配置されている伝熱管２９にボイラ水３０を流すようにすることから、耐圧性を持たせるのは伝熱管２９のみでよい。すなわち、入口側仕切室３４に供給された多量の水は、各伝熱管２９内を通って出口側仕切室３５へ導かれる間に、胴部２８に合成ガス流入口３１から流入された合成ガス８と各伝熱管２９の管壁を介して熱交換が行われ、合成ガス８は流出口３２へ達するまでに１０００℃〜１２００℃から３５０℃〜４００℃程度にまで冷却される。
【００２６】
かかる熱交換のため、各伝熱管２９内には大量の水を流してやる必要があると共に、大量の水は熱交換により加熱されて高圧（たとえば、１０ＭＰａ程度）の蒸気となって出口側仕切室３５を経て蒸気ドラム４２に入る。そのため、各伝熱管２９は耐圧性を持たせるだけでよい。又、伝熱管２９は、バッフルプレート４０に移動可能に支持されていて、自由に伸縮したり、振動する場合にも支えることができるようにしてあるので、二点鎖線で示す位置へ自在に熱膨張で変形することができて、胴部２８の内部で伝熱管２９の熱膨張を容易に吸収させることができる。これにより胴部２８にエキスパンジョンを設ける等して伸縮させるようにする必要はない。この際、バッフルプレート４０は、セラミックス製としてあるので、普通の金属では耐えられない胴部２８内の高温雰囲気でも使用することができる。
【００２７】
本発明のクェンチャーＩで伝熱管２９に通されるボイラ水との熱交換で３５０℃〜４００℃程度に冷却された合成ガス８は、合成ガス流出口３２より取り出され、更に必要に応じて熱交換器で冷却された後、昇圧されて反応炉へ送られ、液体燃料に化学的に変換させられることになる。本発明のクェンチャーＩから排出される合成ガス８は、４００℃以下となっているので、合成ガス搬送ラインに普通の金属を使用することができる。
【００２８】
なお、本発明のクェンチャーＩは上記実施の形態のみに限定されるものではなく、たとえば、上記実施の形態では、ＡＴＲ４の下流側となる合成ガス出口４ａ側にクェンチャーＩを設置した場合を示したが、本発明のクェンチャーＩの耐火構造とした胴部のみをＡＴＲ４内部の合成ガス出口４ａ寄りの位置に挿入して、ＡＴＲ４と一体の構成とすることもできる。この場合には、ＡＴＲ４の内部で胴部を耐熱性を有する部材で支持させるようにすればよいこと、その他本発明の要旨を逸脱しない範囲内で種々変更を加え得ることは勿論である。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】本発明の実施の一形態を示すもので、（イ）は切断側面図、（ロ）は（イ）のＡ部拡大図である。
【図２】天然ガスから合成ガスを生成するプラントの一例を示す系統図である。
【図３】従来のＵ字状伝熱管を用いている熱交換器の一例を示す切断側面図である。
【符号の説明】
【００３０】
４  ＡＴＲ
４ａ  合成ガス出口
８  合成ガス
２８  胴部
２９  伝熱管
３０  ボイラ水（冷却媒体）
３１  合成ガス流入口
３２  合成ガス流出口
４０  バッフルプレート
【図１】
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【図２】
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【図３】
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