(57)【要約】  ガス流れチャネル（７）と、ガス流れチャネル内に配置された１つまたは複数の熱交換器（９）とを含む熱交換ユニット（４）を有するガス化炉（１）であって、熱交換器は、１つまたは複数の熱交換面（１０）と、支持構造物や反らせ板などの１つまたは複数の関連構造物（６、１１、１２、１３）とを含む。関連構造物には、噴射装置や流れ誘導面などの、ファウリング防止装置（１９、２０、３１、３６、４０）が設けられる。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガス流れチャネル（７）と、前記ガス流れチャネル内に配置された１つまたは複数の熱交換器（９）とを含む熱交換ユニット（４）を有するガス化炉（１）であって、前記熱交換器が、１つまたは複数の熱交換面（１０）と、少なくとも１つの熱交換器（９）およびガス流を前記熱交換面（１０）に向けて誘導するための少なくとも１つの反らせ板を支持する、１つまたは複数の支持構造物（１２）とを含み、前記支持構造物（１２）に、前記支持構造物（１２）の上流面上で噴射するように向けられた１つまたは複数の噴射装置（２０）が設けられ、前記反らせ板が、噴射装置（３１）が設けられた上流面を有する蓋板（１３）を含み、前記噴射装置（３１）が、前記上流面に平行な方向に噴射するように向けられた１つまたは複数のノズル（３２）を有する、ガス化炉（１）。
【請求項２】
前記支持構造物が、中心点（１６）から延在する複数の径方向アーム（１５）を含み、前記アームの少なくとも一部が、前記１つまたは複数の噴射装置（２０）の範囲内にある、請求項１に記載のガス化炉。
【請求項３】
前記支持構造物の前記アーム（１５）のうちの１つまたは複数が、前記アームの上流面にわたって延在する噴射ガス供給路（２１）を含む噴射装置（２０）を支持し、前記噴射ガス供給路における、長手方向の一方の側が、前記アームに接続されており、前記一方の側に対向する長手方向側には、前記アームに対して平行な方向に向けられた複数のノズル（２３、２４）が設けられている、請求項２に記載のガス化炉。
【請求項４】
前記アーム上の前記ノズル（２４）が、少なくとも一部は、互いに反対方向に向けられたノズルの対をなして配置された、請求項３に記載のガス化炉。
【請求項５】
前記ノズル（３２）が、中央の供給導管（３１）から直角に分岐する、請求項１から４のいずれか一項に記載のガス化炉。
【請求項６】
前記蓋板（１３）が、管状の熱交換面（１０）を通る中央通路（１４）を塞いでおり、前記蓋板の前記上流面を覆う、上流方向を向いた円錐形流れ誘導部（４１）が設けられている、請求項１から５のいずれか一項に記載のガス化炉。
【請求項７】
前記円錐形流れ誘導部（４１）が、１つまたは複数の円錐形の渦巻き型冷却媒体導管（４２）で形成された、請求項６に記載のガス化炉。
【請求項８】
前記関連構造物が、外壁（５）によって同軸上に取り囲まれた、前記ガス流れチャネル（７）を画定する管状内壁（６）を含み、前記内壁が、気密膜を形成するように相互接続された冷却媒体導管によって形成されており、１つまたは複数の径方向に延在する噴射装置（３６）が、前記ガス流れチャネル（７）内にノズル（３７）を有するように前記膜を貫通して延在する、請求項１から７のいずれか一項に記載のガス化炉。
【請求項９】
前記噴射装置（３６）のうちの１つまたは複数が、前記内壁（５）と前記外壁（６）の間で、１つまたは複数の共通噴射ガス供給路（３８）によって相互接続されている、請求項８に記載のガス化炉。
【請求項１０】
ガス化ユニット（２）の高温ガス排出部（３）が、前記ガス流れチャネル（７）の入口領域（８）に偏心して開口し、前記内壁（６）と交差する前記１つまたは複数の噴射装置（３６）が、前記高温ガス排出部（３）より下方の領域内に配置される、請求項９に記載のガス化炉。
【請求項１１】
前記噴射装置（３６）によって占められた前記領域が、前記ガス流れチャネルの断面積のうちの半円形の部分に広がる、請求項１０に記載のガス化炉。
【請求項１２】
前記ガス流れチャネル（７）が鉛直下方に延び、ファウリング防止装置（１９）の少なくとも一部が、水平に向けられたノズルを有する噴射装置（２０、３１、３６）を含む、請求項１から１１のいずれか一項に記載のガス化炉。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、入口領域から出口領域まで延びるガス流れチャネルと、ガス流れチャネル内に配置された１つまたは複数の熱交換器とを含む熱交換ユニットを有するガス化炉であって、熱交換器が、熱交換面と、支持構造物や、ガス流を熱交換面の方へ誘導するための反らせ板または蓋板などの関連構造物とを含む、ガス化炉に関する。
【背景技術】
【０００２】
そのようなガス化炉は、合成のガス、すなわち合成ガスの生産に使用されうる。そのような過程では、石炭、バイオマス、または油などの炭素質原料が、ガス化炉のガス化ユニット内で部分的に酸化される。続いて、合成ガスが熱交換ユニットへ流れて、冷却される。
【０００３】
米国特許第５，４８２，１１０号は、外側チャネル壁によって画定されたチャネル内に、重ね合わされた熱交換面および関連構造物を備える、部分燃焼炉からの合成ガスを冷却する熱交換器を開示している。熱交換面は、気密壁を形成するように相互接続された、蛇行した管、らせん状に巻かれた管、または垂直な管によって、形成される。関連構造物は、熱交換面を担持する支持構造物、および中央熱交換面を通る中央通路を遮って高温ガスをできる限り多く熱交換面に沿って誘導する板を含む。
【０００４】
高温合成ガスは、ガス化ユニットから出て行く際に、ガス化過程中に副産物として生成された飛散灰（換言すれば、フライアッシュ）を運ぶ。飛散灰は、ファウリングおよびスラグ堆積をもたらす傾向があり、飛散灰がまだ高温で粘つくときには、特にそうである。熱交換面上のファウリングおよびスラグ堆積は、熱交換面の冷却効率を下げる。一般に、ファウリングおよび飛散灰堆積を除去するために、熱交換面に断続的に衝撃を与えるラッパー（ｒａｐｐｅｒ）が使用される。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明の一目的は、飛散灰ファウリングおよびスラグ堆積によるガス化炉の熱交換区間での熱交換器の効率低下を、より一層抑えることである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の目的は、熱交換面および関連構造物を含む熱交換ユニットを有するガス化炉であって、関連構造物に１つまたは複数のファウリング防止装置が設けられているガス化炉を提供することによって、達成される。
【０００７】
ガスの冷却に対する関連構造物の寄与は限られたものであるが、それらの部品上でのスラグの蓄積を防止することが全体として熱交換器の総合効率に大きく寄与することが、意外にも分かった。
【０００８】
１つまたは複数のファウリング防止装置は、例えば、１つまたは複数の煤吹き器（ｂｌｏｗｅｒ）または噴射ランスを含むことができ、これらは作動すると積極的にスラグを除去する。噴射装置が主ガス流に対して垂直な径方向に噴射することにより、良好な結果が得られる。噴射装置は、例えば、上部入口および下部出口を有する垂直なガス流れチャネル内に、水平に向けられたノズルを有することができる。
【０００９】
さらに、１つまたは複数のファウリング防止装置は、流れ誘導面を含むことができ、この流れ誘導面は、飛散灰を運ぶガス流を、保護すべき部品から離れるように誘導する。そのような誘導面は、例えば、冷却されてもよい。例えば、そのような誘導面は、１つまたは複数の相互接続された冷却媒体導管、例えば相互接続された、平行な、またはらせん状に巻かれた導管によって形成されてもよく、または、一方の側が誘導面を形成し、冷却媒体チャネルに熱伝導的に（ｔｈｅｒｍｏｃｏｎｄｕｃｔｉｖｅｌｙ）接続された反対側を任意で有するように成形された板で形成された面によって、形成されてもよい。
【００１０】
ＷＯ２０１０／０２３３０６が、自己洗浄装置が設けられた噴霧導管を使用することにより高温合成ガスを冷却する急冷容器を開示していることに留意されたい。関連構造物を有する熱交換面は使用されていない。
【００１１】
熱交換器は、熱交換面および関連構造物を含む。熱交換面は、例えば、垂直な、蛇行した、またはらせん状に巻かれた冷却媒体導管で作られてもよく、この冷却媒体導管は、例えば、気密壁を形成するように相互接続されていてもよい。熱交換面は、例えば、同軸上に重ね合わされた管状面とすることができる。
【００１２】
熱交換器の関連構造物は、例えば、１つまたは複数の熱交換器を支持する、１つまたは複数の支持構造物を含むことができる。そのような支持構造物は、例えば、熱交換チャネルの入口側に、例えば支持される熱交換面を支持構造物から垂下させた状態で、配置されてもよい。支持構造物には、支持構造物の上流面（換言すれば、上流側の面）に噴射するように向けられた１つまたは複数の噴射装置などの、ファウリング防止装置を設けることができる。ガス化炉の熱交換区間におけるガス流が典型的には垂直下降流である場合、支持構造物の上流面は、通常、支持構造物の上面とされる。そのような支持構造物は、例えば、複数の径方向アームを含むことができ、これらは例えば中心点から延在し、アームの少なくとも一部分が、１つまたは複数の噴射装置の範囲内にある。噴射装置は、例えば、アームの上流面にわたって延在する、噴射ガス供給路を含むことができる。噴射ガス供給路の１つの長手方向側は、アームに接続されており、反対の長手方向側には、噴射ガス供給路の長手方向と平行な方向に配向された少なくとも１つのノズルが設けられる。噴射装置は、任意選択で、１つまたは複数の、反対方向に向けられたノズルの対を有することができる。
【００１３】
関連構造物はまた、ガス流を熱交換面の方へ誘導するための、１つまたは複数の反らせ板を含むことができる。例えば、熱交換面が、同軸上に重ね合わされた一組の管状面から成る場合、中央通路を遮るために蓋板が使用され、それにより、ガスが熱交換面から、通過するガスを効果的に冷却するには大きすぎる距離を置いて流れることが防止される。そのような構造に適したファウリング防止装置は、例えば、蓋板の上流面を覆って、接近するガスを蓋板に沿って誘導する、流れ誘導面とすることができる。そのような流れ誘導面は、例えば、上流方向に向いた円錐体すなわち円錐形の流れ誘導部とすることができる。そのような円錐形流れ誘導部は、例えば、冷却媒体供給手段に動作的に接続された、１つまたは複数の円錐形に巻かれた冷却媒体導管によって形成することができる。
【００１４】
別法として、またはさらに、蓋板は、１つまたは複数の噴射装置の噴射範囲内に配置することができる。噴射装置は、例えば、蓋板の上流面と平行な方向に噴射するように向けられた、１つまたは複数のノズルを有することができる。そのようにすると、１つまたは複数の噴射装置は、蓋板の上流面上に送風して、蓋板の上流面を効果的に清潔に保つ。１つまたは複数の噴射装置は、例えば、ランスまたは中央の噴射ガス供給導管から直角に分岐している、１つまたは複数の、径方向に延在するノズルを有することができる。導管またはランスは、蓋板の上流面に対して直角に位置決めすることができる。
【００１５】
任意選択として、関連構造物はまた、熱交換面の周囲にチャネルを画定する、管状内壁を含むことができ、この内壁は外壁で囲まれている。そのような内壁は、例えば、気密な壁構造または膜を形成するように相互接続された、１つまたは複数の、垂直なもしくはらせん状に巻かれた冷却媒体導管によって、形成することができる。この管状内壁は通常、円筒形の壁とされるが、異なる種類の管状構造を有することもできる。内壁と外壁の間の環状空間は、内壁の両側の圧力をほぼ等しくするために、内壁で囲まれた流れチャネルの下端部と開口接続していてもよい。そのようにすると、内壁は熱応力を主に受け、外壁はガス圧力によって生じる応力を主に受ける。熱および圧力によって生じる負荷をこのように分けることにより、内側および外側のチャネル壁を、より経済的な方法で構成することができる。
【００１６】
そのような内壁または膜には、好ましくはガス流れチャネルの入口領域に、ファウリング防止装置を設けることができる。例えば、１つまたは複数の径方向に延在する噴射ランスは、内壁を貫通してガス流れチャネル内にノズルを有することができる。ノズルは、例えば、内壁と外壁の間に位置決めされた、１つまたは複数の共通の噴射ガス供給路によって相互接続されてもよい。一般に、高温ガス入口は、熱交換チャネルの中心線とは一致しない。噴射ランスは、高温ガス入口より下方の断面積において、例えば、その断面積のうちの１８０度の半円形部分だけに設けられていれば十分であることが分かった。例えば、９０度にわたって延在する２つの共通供給路を使用して、高温ガス入口より下方の管状内壁の断面積のうちの、１８０度の半円形部分にわたって配置された噴射ランスに供給することができる。所望されるならば、他の構成、例えば２７０度、３００度、もしくは３６０度、または任意の他の角度にまたがる構成も、使用することができる。スラグ形成を特に被る部分のみ噴射することにより、噴射ガスの消費量を抑えることができる。
【００１７】
通常、使用される冷却媒体は、水である。そのようにすると、熱交換器を蒸気発生器として使用することができる。発生した蒸気は他の有益な目的に使用することができ、それにより、全体としてガス化過程の経済性に寄与する。
【００１８】
噴射ガスは、例えば、窒素とすることができる。別法として、またはさらに、所望されるならば、他の種類の噴射ガスも使用することができる。
次に、例として添付の図面を参照しながら、本発明の一実施形態をより詳細に説明する。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明によるガス化炉の、例示的な実施形態の断面図である。
【図２】図１の実施形態の関連構造物を、噴射装置の構造とともに詳細に示す図である。
【図３Ａ】図１の実施形態の噴射装置のノズルの、縦断面図である。
【図３Ｂ】図３Ａのノズルの断面図である。
【図４】図１の実施形態における内側管状壁のための噴射装置の構造の、平面図である。
【図５】図１の炉における噴射装置の構造を、炉の残りの部分を除いて示す図である。
【図６】本発明による炉の代替実施形態のための、流れ反らせ板のためのファウリング防止装置の、概略図である。
【図７】本発明によるガス化炉の熱交換区間のさらなる例示的実施形態の、概略的な断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
図１は、炭素質原料を部分燃焼させて合成ガスを形成するガス化炉１の上部区間を、断面図で示す。炉１は、上向きに傾斜した排出区間３を有するガス化ユニット２を備え、この排出区間３は、生成された合成ガスが冷却される、熱交換ユニット４の上部区間に開口している。熱交換ユニット４は、圧力容器を形成しかつ円筒形の内壁６を包み込んでいる、閉じられた外壁５を含む。内壁６は、図面中に一点短鎖線によって概略的に示されている。内壁６は、ガス流れチャネル７を閉じ込める気密管状膜を形成するように相互接続された、平行する垂直な冷却液導管によって、形成される。ガス化ユニット２の排出部３は、チャネル７の入口領域８に開口している。合成ガスは、矢印Ａの方向に、ガス化ユニット２の排出部３から上方へ行き、熱交換ユニット４へ入り、チャネル７を通過して、下部出口領域（図示せず）へと流れる。
【００２１】
熱交換器９が、チャネル７内に配置される。熱交換器９は、一組の、例えば６つの、重ね合わされた円筒状の熱交換面１０を含み、これらは図面中に一点短鎖線により概略的に示されている。代替実施形態では、所望されるならば、熱交換面の数は６つより少なく、または６つよりも多くされうる。熱交換面１０は、気密構造を形成するように相互接続された、らせん状に巻かれた冷却媒体導管によって形成される。重ね合わされた熱交換面１０は、内壁６および外壁５と同軸である。熱交換器９は、関連構造物１１をさらに備え、この関連構造物１１は、支持構造物１２と、内側の熱交換面１０を通る中央通路１４を遮る、蓋板１３とを含む。熱交換面１０は支持構造物１２から垂下しており、支持構造物１２は内壁６によって支持されている。
【００２２】
支持構造物１２および蓋板１３を含む関連構造物１１が、図２により詳細に示されている。支持構造物１２は、中心点１６から延在する４つの径方向アーム１５を有する、対称な支持十字である。
【００２３】
関連構造物６、１２、１３には、ファウリング防止装置１９が設けられる。これらのファウリング防止装置１９は、支持構造物１２のアーム１５のそれぞれの上端上の、噴射装置２０を含む。各噴射装置２０は、閉端部２２を有する導管２１を含み、また、その下面は、対応するアーム１５に接続されているが、反対側の上面は、導管２１に平行な方向に配向されたノズル２３、２４を有する。内壁６に最も近いノズル２３は、内壁６から離れる方向に向けられた単一の穴を有するノズルである。他のノズル２４は、図３Ａおよび図３Ｂにより詳細に示されているように、反対方向に向けられた２つの穴２５を有する。ノズル２４は、中央内腔２７を含む円筒形の本体２６を有し、この中央内腔２７は、その外端部においてベンチュリ絞りのように狭まり、穴２５を形成している。中央内腔２７は、チャネル２９を介して、導管２１の内側空間２８と開口接続（換言すれば、連通）している。
【００２４】
図２に示されるように、支持構造物１２のアーム１５のうちの１つのアーム１５上の噴射装置２１の導管２０から、窒素供給路３０が分岐している。この供給路３０は、内側の熱交換面１０を通る中央通路１４内で中心に配置された、噴射ランス３１に通じる。噴射ランス３１は蓋板１３まで延在し、そこでは図４に平面図で示されているように、径方向に向けられた複数のノズル３２が、ランス３１から分岐している。そのようにすると、ノズル３２は、蓋板１３を噴射してスラグ堆積をなくすことができる。
【００２５】
さらなる噴射ガス供給路３５が、図４に平面図で示されているように内壁６を横切って径方向に延在する、水平噴射ランス３６に通じている。噴射ランス３６は、ガス流れチャネル７内にノズル３７を有する。噴射ランス３６は、内壁６と外壁５の間に位置決めされた２つの噴射ガス供給路３８によって相互接続されている。２つの供給路３８は、９０度の部分円弧形であり、また、ガス流れチャネル７の断面積のうちの１８０度の半円形部分にわたって配置された噴射ランスに供給する。そのようにすると、最もファウリングが生じる場所である、高温ガス入口領域８（図１参照）より下方のガス流れチャネル７の半分だけが、噴射される。スラグ形成を特に被る部分のみ噴射することにより、窒素の消費量を抑えることができる。
【００２６】
図５は、全噴射装置の完全な構成の斜視図であり、ガス化炉１の熱交換領域の残りの部分は示されていない。
図６は、本発明によるガス化炉の熱交換ユニットの蓋板１３のための、別のファウリング防止装置４０を示す。ファウリング防止装置４０は、その上端を蓋板１３から離れるように上流方向に向けている、蓋板１３を覆う円錐形誘導面４１を含む。円錐形誘導面４１は、冷却媒体供給路４３および冷却媒体排出路４４に動作的に接続された、らせん状に巻かれた冷却媒体導管４２で作られている。円錐形面４１は、蓋板１３周辺の高温ガス流を熱交換面１０に沿った流路へと誘導して、蓋板１３上でのスラグ堆積を防止するかまたは少なくとも減少させる。
【００２７】
図７は、図６に示される実施形態に類似した一代替実施形態を示す。同じ参照番号が同じ部品に使用されている。この実施形態は、誘導面４１の他に、噴射ガス供給路４８を含むさらなるファウリング防止装置４６を備え、この噴射ガス供給路４８は、支持十字１２の中心点１６に近い位置まで達し、その位置で円錐形面４１によって囲まれた空間４９内へと下方に曲がり、空間４９内で環状路５０に開口している。複数の噴射装置５１が、環状路５０から分岐して、垂直方向から径方向へと曲がっている。噴射装置５１の端部は、内側の熱交換面１０の方へと水平に向けられた、ノズル５２を備える。
【図１】
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【図２】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
2013536931.tif 000009
【図７】
2013536931.tif 000010
【国際調査報告】
2013536931.tif 000011
2013536931.tif 000012
2013536931.tif 000013