(57)【要約】  管状主要部分と管状上流部分とを有する管に高温ガスを通過させることにより高温ガスを冷却する方法であって、（ｉ）前記管の周りに自由に流れる蒸発する液体の冷却媒体により管状主要部分の外側を冷却し、（ｉｉ）新規の液体の冷却媒体と活動（ｉ）の液体の冷却媒体の一定部分とを該管の上流端部の外側に沿って通すことにより管状上流部分を冷却し、そして（ｉｉｉ）管状上流部分の冷却に用いた後の前記新規の冷却媒体と液体媒体の一定部分との混合物を、冷却媒体として活動（ｉ）で使用する方法。
2007501373.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
管状主要部分と管状上流部分とを有する管に高温ガスを通過させることにより高温ガスを冷却する方法であって、（ｉ）容器の内部で前記管の周りに自由に流れる蒸発する液体の冷却媒体により管状主要部分の外側を冷却し、（ｉｉ）新規の液体の冷却媒体と活動（ｉ）の液体の冷却媒体の一定部分とを管状上流部分の外側に沿って通すことにより管状上流部分を冷却し、そして（ｉｉｉ）管状上流部分の冷却に用いた後の前記新規の冷却媒体と液体媒体の一定部分との混合物を、冷却媒体として活動（ｉ）で使用する方法。
【請求項２】
新規の冷却媒体と活動（ｉ）から抽出される冷却媒体の一定部分との体積比が１：４〜４：１である請求項１に記載の方法。
【請求項３】
新規の液体の冷却媒体と活動（ｉ）の液体の冷却媒体の一定部分とを該管内を流れる前記ガスに対して並流にて該管の上流端部の外側に沿って通すことにより管状上流部分を冷却する請求項１又は２に記載の方法。
【請求項４】
前記高温ガスの温度が１３００〜１５００℃であり、本方法の実施後の温度が２４０〜４５０℃である請求項１〜３のいずれか一項に記載の方法。
【請求項５】
気体又は液体の炭化水素供給原料を部分酸化して主に水素と一酸化炭素を含む混合物とするガス化プロセスにおいて前記高温ガスを得る請求項１〜４のいずれか一項に記載の方法。
【請求項６】
高温ガスの冷却装置であって、
（ｉ）冷却媒体区画、新規の冷却媒体の供給入口及び使用した冷却媒体の排出出口を備えた容器を備え、該容器は高温ガスの入口と冷却したガスの出口とをさらに備え、少なくとも１つの熱交換管が前記高温ガスの入口と前記冷却媒体区画内に配置された前記冷却したガスの出口とを流動連結し、管プレート内で前記管は少なくともその上流端部にて又はその上流端部に隣接して取り付けられ、
（ｉｉ）一定容量の冷却媒体を前記冷却媒体区画から抽出する手段が設けられ、
（ｉｉｉ）抽出した冷却媒体と供給される新規の冷却媒体の一部又は全部との混合物を前記管の上流端部の外側に沿って前記容器に供給する手段を含んだ冷却手段が前記管の前記上流端部に設けられる、前記高温ガスの冷却装置。
【請求項７】
環状スリーブが熱交換管の上流端部の周りに配置され、この上流端部が管板中に取り付けられ、前記環状スリーブは、抽出した冷却媒体と新規の冷却媒体の一部又は全部との混合物が入ることのできる開口と、前記冷却媒体区画に流動連結された出口開口とを有する、請求項６に記載の装置。
【請求項８】
新規の冷却媒体の一部を前記容器内の高位置に供給する手段が存在する、請求項６又は７に記載の装置。
【請求項９】
水平ダクトにより下端部にて流動連結された部分酸化反応器と請求項６〜８のいずれか一項に記載の装置との構成であって、前記ダクト内に熱交換器管の上流端部とその冷却手段とが配置される前記構成。
【請求項１０】
請求項１〜５のいずれか一項に記載の方法における請求項６〜８のいずれか一項に記載の装置の使用。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高温ガスの冷却装置及び方法に関する。この冷却装置は、１以上の熱交換管を有する容器を備え、高温ガスが該管（１つ又は複数個）を流れ、冷却媒体（例えば水）が該管の周囲を流れ、該管は少なくとも管プレートの一方の端部に取り付けられる。
【背景技術】
【０００２】
このような熱交換デバイスは、水素添加分解装置及びオイルや石炭などの炭素（炭化水素）含有燃料の部分酸化用の反応器から得られる生成物を冷却するために多くの産業部門、例えば石油産業において大規模に使用されている。
【０００３】
冷却のために高温ガスが冷却媒体により外側が冷却されている管を通って送られるとき、これらの管の壁は高温ガスから管金属への熱伝達により高温になり、この熱はさらに冷却媒体に伝えられる。有利には、空間を節約するため、螺旋状コイル管が用いられる。
【０００４】
適用分野に依存して、様々な性質の技術的な問題が生じる。
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ることのできる高温ガスの冷却では、深刻な熱伝達の問題やエロージョン／腐食の問題を生じる。
【０００５】
例えば、一般に、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、ガス化装置に隣接して配置された熱交換器で冷却して高圧蒸気を生成する。重要な領域は、高温の合成ガスが熱交換領域に入る熱交換器のガス入口である。この入口領域の壁厚は最小化される一方で、圧力及び熱による負荷に基づいて機械的完全性を保証するのに十分な厚みを有しなければならない。入口領域でのガス速度は、詰まるのを防止すべく十分大きくなければならないが、一方で十分低いガス側熱伝達係数を保証すべく十分に小さくなければならない。特に、詰まりと速度との間の最適条件を得ることが望ましい。
【０００６】
ＥＰ−Ａ−７７４１０３には、新規の(fresh)冷却媒体、すなわち水を熱交換器管の上流端部の外側に沿って送ることにより入口区域を冷却する高温ガスの冷却装置が記載されている。この水の流れは、該管内の高温ガスの流れに対して向流である。
【０００７】
ＵＳ−Ａ−５６７１８０７には、新規の冷却媒体、すなわち水を熱交換器管の上流端部の外側に沿って送ることにより入口区域を冷却する高温ガスの冷却装置が記載されている。この水の流れは、該管内の高温ガスの流れに対して並流である。
【０００８】
ＥＰ−Ａ−７７４１０３及びＵＳ−Ａ−５６７１８０７によると、入口領域は、ボイラー給水（ＢＦＷ）とも称される新規の水を用いることにより冷却される。新規のＢＦＷを用いることにより、冷却媒体と高温ガスとの間の大きな温度差が達成でき、よって所望の低い金属温度が達成できる。しかしながら、入口区域に供給されるＢＦＷの量は、該装置の蒸気生成により定められる。熱伝達領域での十分な流速を得るためには、小さい流れ断面積、熱交換器管の上記上流部分の周りの環状間隙が必要とされる。このように小さい環状間隙は設計において特に難題である。加えて、冷却すべき多数の管入口に流れを均等に配分することを保証するのは難しい。
【０００９】
これらの構成の別の欠点は、例えば故障によりＢＦＷ流の突然の完全停止が生じる場合である。このような状況では、入口区域の冷却は十分でなくなり、損傷が発生し得る。別の状況では、ＢＦＷ制御弁を調節するボイラーレベル制御の結果としてＢＦＷ流が変わり得る。特に、熱交換器管を通る高温ガスの容量が増加する場合、ＢＦＷ制御弁は、蒸気生成の増加を補うために再度開放される前は、容器内の蒸気バブル容積の増加ゆえに最初は閉鎖されている。このような状況では、入口区域は一時的に十分には冷却されない。
【特許文献１】ＥＰ−Ａ−７７４１０３
【特許文献２】ＵＳ−Ａ−５６７１８０７
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
本発明の概要
したがって、本発明の目的は、上記従来技術の構成の欠点を有さず、冷却につきよりよく構成された特有の入口区域を有し、装置の寿命が改善され、信頼性も向上した熱交換器装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
よって、本発明は、管状主要部分と管状上流部分とを有する管に高温ガスを通過させることにより高温ガスを冷却する方法であって、（ｉ）容器の内部で前記管の周りに自由に流れる蒸発する液体の冷却媒体により管状主要部分の外側を冷却し、（ｉｉ）新規の液体の冷却媒体と活動（ｉ）の液体の冷却媒体の一定部分とを管状上流部分の外側に沿って通すことにより管状上流部分を冷却し、そして（ｉｉｉ）管状上流部分の冷却に用いた後の前記新規の冷却媒体と液体媒体の一定部分との混合物を、冷却媒体として活動（ｉ）で使用する方法を提供する。
【００１２】
本発明はまた、高温ガスの冷却装置であって、
（ｉ）冷却媒体区画、新規の冷却媒体の供給入口及び使用した冷却媒体の排出出口を備えた容器を備え、該容器は高温ガスの入口と冷却したガスの出口とをさらに備え、少なくとも１つの熱交換管が前記高温ガスの入口と前記冷却媒体区画内に配置された前記冷却したガスの出口とを流動連結し、管プレート内で前記管は少なくともその上流端部にて又はその上流端部に隣接して取り付けられ、
（ｉｉ）一定容量の冷却媒体を前記冷却媒体区画から抽出する手段が設けられ、
（ｉｉｉ）抽出した冷却媒体と供給される新規の冷却媒体の一部又は全部との混合物を前記管の上流端部の外側に沿って前記容器に供給する手段を含んだ冷却手段が前記管の前記上流端部に設けられる、前記高温ガスの冷却装置を提供する。
【００１３】
たとえ新規の冷却媒体が容器に供給されなくても、上述した方法及び装置により、冷却媒体区画から抽出された冷却媒体によって管状熱交換器管の入口区域又は上流端部が冷却されることが分かった。別の利点は、該管の上流端部を冷却するのに用いられる冷却媒体混合物の流れを制御できることである。よって、上流部分の冷却が、冷却装置に与えられる新規の冷却媒体の流れにあまり依存しない方法が提供される。さらに、より大きな容積の冷却媒体混合物が用いられるので、従来技術の構成について上述した環状間隙がより大きくなる。よって、より簡単な構成が可能となる。
【００１４】
以下、例として添付図面に関して詳細に本発明を説明する。 
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
図面の詳細な説明
図１には、例えば炭化水素含有燃料の部分酸化により製品ガスを製造する反応器１が示される。
【００１６】
この製品ガスは熱交換器２に供給され、熱交換後にいずれかの適切な方法でさらに処理される。このような部分酸化プロセスや妥当なプロセス条件は当業者に一般に知られているので、詳細な説明は行わない。
【００１７】
一般に、炭素（炭化水素）含有燃料Ａ’（随意にモデレーターと共に）と酸化剤Ｂ’（随意にモデレーターと共に）が反応器１に供給され、未処理の高温合成ガスが適当なプロセス条件下で製造される。
【００１８】
この未処理の高温合成ガスは、反応器１からダクト１ａを介して、反応器に隣接して配置された熱交換器容器２のガス入口９に供給される。
矢印Ａは合成ガスの流れの方向を表す。
【００１９】
一方の側における反応器とダクトとの機械的な連結、及びもう一方の側におけるダクトと熱交換器との機械的な連結は、その目的に適した任意の継手（例えばフランジ）（明確さのために図示せず）により行われる。ガス入口９には、熱交換器容器２の冷却媒体区画７を閉鎖する管プレート２ａが存在する。この構成では、該反応器と容器２とを連結するダクト１ａをさらに含む。容器２はさらに、ガス入口９とガス出口５を流動連結する少なくとも熱交換器管４を含む。この容器はまた、蒸気の出口６を備える。有利には、管プレート２ａは平坦で、４〜２４個のガス通路を備え、これらのガス通路はガス入口９を形成し、それぞれ２〜２４個の管４に対応する。この管プレートを、例えば高温ガスの入口中か、熱交換器の容器２内か、または反応器１と高温ガスの該入口との間に本目的に適した任意の方法にて配置できることは、当業者には理解されよう。
【００２０】
図２は本発明の装置の部分縦断面図を示す。図１と同じ参照番号を使用している。図２は、冷却媒体区画７と、新規の冷却媒体８を供給するための入口と、使用冷却媒体の排出用の出口６とを備えた容器２の一部を示す。容器２はさらに、高温ガスの入口９と、冷却されたガスの出口５と、高温ガスの入口９を冷却媒体区画７中に位置する冷却されたガスの出口５と流動連結する少なくとも１つの熱交換管４とを備える。適切には、１より多い管４が存在し、より適切には２〜２４個の平行に配列された管が１つの容器２内に存在する。管プレート２ａにおいて、管４は、少なくともその上流端部１０にて又はその上流端部１０の近くにて取り付けられる。管プレート２ａは、該容器２に入る高温ガスから該容器２の冷却媒体区画７を閉鎖する。好ましくは、この上流端部１０は、図１中の容器１と容器２を水平に連結するダクト中に位置する。
【００２１】
図２はまた、冷却媒体区画７から一定容積の冷却媒体１４を抽出するための手段１１を示す。図示した手段は、区画１５に流動連結された導管１１から成る。冷却媒体はポンプ１８により区画１５から抽出され、この抽出されたものが導管８により供給される新規の冷却媒体と混合される。混合した混合物は、導管１３を介して区画２０に供給される。区画２０は、管板２ａの前面を冷却する。区画２０は、環状スリーブ１２の入口開口２１と流動連通している。環状スリーブ１２は、管４の上流端部１０の周りに位置している。スリーブ１２と管４の上流端部１０の外側との間の環状空間を通って、区画２０から供給される混合物が、高温ガス２２の流れと並流にて流れる。冷却混合物の流れが高温ガスの流れに対して向流にて流れる実施態様も可能である。該ガスが最も高い温度を有する場所、すなわちガス入口９にて最高の冷却を行うためには、並流の流れが好ましい。
【００２２】
図２では、管４の先端が管プレート２ａを通って高温ガス流に向かっていくらか延びているのが示されている。この先端はまた、区画２０からの冷却混合物により冷却され、その際、この冷却混合物はまず、管板２ａと環状スリーブ１２との間の空間内で該管の先端に向かって高温ガスに対して向流にて流れ、該先端にて方向を変えた後、高温ガス流２２に対して並流にて該先端からスリーブ出口開口１９まで流れる。この構成により、壁面全体に沿った冷却媒体のこのような強制的な流れを有さない例えば上述のＵＳ−Ａ−５６７１８０７に開示された構成に比べて、より効率的な管壁の冷却が保証される。
【００２３】
区画１５は、区画２０と冷却媒体区画７の間に位置し、ガスバブルが導管１１及び／又はポンプ１８に入るのを防ぐために冷却媒体区画７から部分的に閉鎖されている。冷却媒体が水の場合、何らかの理由で新規の冷却媒体の供給がなくなったり不足したとき、又は環状スリーブ１２内での冷却媒体流が弱いことにより蒸気バブルが形成するかもしれない。冷却媒体が区画７から区画１５に流れることができるように、開口１７が設けられる。好ましくは、開口１７と開口１９は、このバブルが区画１５に入らないように十分に間隔をあける。
【００２４】
区画１５から導管１１を介して抽出される冷却媒体は、間接熱交換の手段により冷却できる。このような熱交換器は、ポンプ１８の上流又は下流に配置できる。このような追加の冷却工程は、管４の上流の管状端部の冷却をより改善するので有利である。この追加の冷却はまた、図３〜６に示す実施態様にも有利に適用できる。
【００２５】
図３は、好ましいインジェクター２３が存在しているのを除いて、図２のものに対応する実施態様を示す。このインジェクター２３は、区画１５を区画２０から分けている壁１６の中に配置される。インジェクター２３は、導管１３から放出するストリームによって冷却媒体を区画１５から区画２０に引き込む。よって、環状スリーブ１２を通る冷却媒体の流れは、かなり増加し得る。このことは、スリーブの断面積をより大きくでき、よって構造公差に関してあまり敏感にならなくてよいので、有利である。
【００２６】
図４は、スリーブ１２が管４の垂直部分まで延ばされている以外は、図３と同じ実施態様を示す。区画１５は除かれている。供給導管８を介した新規の冷却媒体の流れが止まると、スリーブ１２中で蒸気が発生し得る。よって、スリーブ１２の垂直に上昇した部分は自然対流を助け、インジェクター２３の開口と共に容器２の上流の管状部分を適切に冷却する。好ましい実施態様では、この自然の循環ゆえに循環ポンプ１８を省略できる。
【００２７】
図５は、容器１内のより高い位置２５に相対的に冷たい冷却媒体を供給できる導管２４をさらに備える以外は、図２と同じ実施態様を示す。容器２内では、垂直の冷却器部分（上記の図では図示せず）において冷却媒体の自然循環が生じる。水-蒸気混合物は螺旋状の管４を局所的に上昇する（図１参照）。蒸気バブルは蒸気空間中をさらに上昇し、より高密度の液体の水はいわゆる降下管を通って下向きに流れる。冷却媒体が降下管内を下向きに移動し始める位置にて相対的に冷たい冷却媒体を追加するのは、容器２内でのこの自然循環効果を高めるので有利である。スリーブ１２の出口１９は区画１５内に位置しているので、新規の冷却媒体が容器２に供給されないときに形成し得るガスバブルは、導管２４を介して容器２の上部に向けて排出できる。適切なバランシング開口１７により、蒸気流の排出に代わって沸騰水を入口ゾーンに再供給できる。
【００２８】
図６は、相対的に冷たい冷却媒体を容器１内のより高い位置２５に供給できる導管２４をさらに備える以外は、図３と同じ実施態様を示す。この追加の導管２４は、図５に関して説明したのと同じ機能を有する。さらに、三方弁２７と導管２６が存在する。この三方弁により、操作者は導管２６を介して新規の冷却媒体の一部を直接容器の上部にバイパスさせることができる。このことは、高温ガスの容量が変化した場合に入口ゾーンでの温度変動を最小化できるので有利である。
【００２９】
本発明はまた、高温ガスの冷却方法にも関する。好ましくは、この高温ガスは、部分酸化とも称されるガス化プロセスの流出物である。好ましくは、このガス化の供給原料は炭化水素含有燃料であり、気体燃料又は液体燃料とし得る。可能な供給原料の例としては、天然ガス及び中間留分などの製油所ストリームが挙げられ、さらに好ましくは、真空蒸留塔中で得られる留分などの３７０℃より高い沸点の留分が挙げられる。例として、真空留出物及び３７０℃の真空蒸留により得られる残留物、並びに原油供給原料を蒸留するとき得られる留分が挙げられる。ガス化プロセスで得られる高温ガスは、主に一酸化炭素と水素を含む。
【００３０】
高温ガスの温度は好ましくは１３００〜１５００℃である。本発明による方法で処理された後の冷却されたガスの温度は２４０〜４５０℃である。高温ガスの圧力は２０〜８０バールが適切である。
【００３１】
本装置は、上記刊行物ＥＰ−Ａ−７７４１０３及びＵＳ−Ａ−５６７１８０７に記載の一般的な構成を有することができる。装置における差異は、どのように管状部分の上流端部を冷却するかである。冷却媒体は水とするのが好ましい。
【００３２】
管状の主要部分の冷却（活動（ｉ）として定義）は、該管の周りを自由に流れる蒸発する液体の冷却媒体により実行される。蒸発した冷却媒体、例えば蒸気は、冷却装置の上端部にて収集されて排出される。このようなプロセスで得られた蒸気は、エネルギー回収などのために有利に使用できる。
【００３３】
活動（ｉｉ）では、新規の液体の冷却媒体と活動（ｉ）の液体の冷却媒体の一定部分とを該管の上流端部の外側に沿って送ることにより、上流の管状部分が冷却される。新規の冷却媒体と活動（ｉ）から抽出される冷却媒体の一定部分との体積比は、１：４〜４：１が適する。
【００３４】
そのようにして得られた冷却媒体の混合物は、上流の管状部分の外側に沿って任意の方法にて通すことができる。好ましくは、冷却媒体の混合物は、外面に沿って該管内を流れるガスに対して向流にて送られる。より好ましくは、該管内を流れるガスと並流にて冷却混合物が通される。この混合物を並流式に通すことにより、この液体を向流式に通す場合よりも低い最大壁温度が達成される。このより低い壁温度は、本方法とそのハードウエアの機械的完全性を考慮した場合、向流での運転で達成されるより高い熱交換効率よりも好ましい。
【００３５】
上流の管状部分の冷却で使用された後、冷却媒体の混合物はさらに活動（ｉ）で使用される。よって、このように、活動（ｉ）の冷却媒体の一部が連続的に活動（ｉｉ）において使用され、活動（ｉ）に再循環される。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】反応器に連結された本発明の熱交換器の断面図を概略的に示す。
【図２】１つの熱交換器管の上流端部を含んだ本発明による高温ガスの冷却用容器の一部を概略的に示す。
【図３】図２の容器の別の実施態様である。
【図４】図３の容器の別の実施態様である。
【図５】図２の容器の別の実施態様である。
【図６】図３の容器の別の実施態様である。
【符号の説明】
【００３７】
１    反応器
１ａ  ダクト
２    熱交換器の容器
２ａ  管プレート
４    熱交換器管
５    ガス出口
６    蒸気出口
７    冷却媒体区画
９    ガス入口
【図１】
2007501373.tif 000003
【図２】
2007501373.tif 000004
【図３】
2007501373.tif 000005
【図４】
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【図５】
2007501373.tif 000007
【図６】
2007501373.tif 000008
【国際調査報告】
2007501373.tif 000009
2007501373.tif 000010