氣化爐冷卻結構、氣化爐及氣化爐的環形部擴大方法
【專利摘要】本發明提供一種氣化爐冷卻結構，其能夠將爐壁結構的復雜化抑制在最小限度，且盡可能維持生成氣體的冷卻性能的同時提高集流管及聯絡管的配置性，還能夠實現壓力容器形狀的最佳化。所述氣化爐冷卻結構中，將碳質固體燃料進行氣化的生成氣體通過形成于圓形截面的壓力容器內的爐壁(22)內而流動，通過與在設置于爐壁(22)內的多個熱交換器(30)的傳熱管內流動的流體進行熱交換來冷卻生成氣體，爐壁(22)為通過傾斜面(23)連結相互正交的面與面之間的多邊形結構，且為傾斜面(23)的邊比相互正交的各自的邊短的截面形狀。
【專利說明】
氣化爐冷卻結構、氣化爐及氣化爐的環形部擴大方法
技術領域
[0001]本發明涉及一種在將碳質固體燃料進行氣化的氣化爐中，冷卻生成氣體的氣化爐冷卻結構、氣化爐及氣化爐的環形部擴大方法。
【背景技術】
[0002]在加壓環境下將煤炭等碳質固體燃料進行氣化的氣化爐需要配置在壓力容器內。這種氣化爐中，為了將在氣化爐中生成的氣體的溫度降低至一般的鋼管的耐熱溫度，而具備設置于氣化爐下游的熱交換器。
[0003]該熱交換器由被稱為SynGas Cooler(SGC)的傳熱管形成，為爐壁(SGC周壁)與設置于內部的傳熱管(SGC)的集合體(傳熱管組)，且構成為在氣化爐的爐壁內下游部中，在傳熱管內部流動的水等的流體從在爐壁內部流動的高溫的生成氣體吸熱而使氣體溫度下降。
[0004]熱交換器的傳熱管組為元件結構，將I個元件的集合體稱為元件組。并且，該元件組根據在傳熱管內流動的流體(水、蒸汽等)的溫度帶而分為多種規格。構成元件的傳熱管組在形成于爐壁外周面與壓力容器內周面之間的被稱為環形部的空間內，通過與被稱為集流管的鋼管連結而歸并于元件組。
[0005]并且，規格不同的各元件組間，各自的集流管通過被稱為聯絡管的鋼管連結，最終穿過壓力容器連接于氣化爐外。
[0006]另外，設置于氣化爐內的熱交換器，通常為例如將元件組配置于矩形截面的爐壁內的結構，但是，例如下述專利文獻I中公開的那樣，也有配置于六邊形的煙道內的結構。
[0007]在先技術文獻
[0008]專利文獻
[0009]專利文獻1:日本特開2008-145061號公報
[0010]專利文獻2:日本實開平5-71602號公報
【發明內容】
[0011]發明要解決的課題
[0012]然而，為了保持壓力，優選將壓力容器的截面形狀設為圓形。但是，由于在內部配設熱交換器的元件，因此從配置/成本最少的觀點考慮，上述爐壁(SGC周壁)的截面形狀優選為正四邊形。另外，壓力容器及爐壁的截面形狀為與生成氣體的流動方向正交的截面形狀，因此，生成氣體向鉛垂方向流動時的截面形狀成為水平截面。
[0013]并且，環形部中需要配置集流管及聯絡管。但是，環形部中，形成于圓形截面的壓力容器與正四邊形截面的爐壁角部之間的間隙(空間寬度)變得最窄。這種最小間隙的存在成為在環形部配置集流管及聯絡管時限制空間確保等的制約。
[0014]通常，耐壓性能相同的壓力容器的直徑越小周長越短，因此成為壁厚較薄的低重量的容器。但是，在氣化爐中，由于存在上述集流管及聯絡管的配置限制，因此很難使環形部變得足夠小。即，在氣化爐中存在如下問題:由于需要確保在環形部配置集流管及聯絡管的空間，尤其為了確保能夠配置集流管及聯絡管的最小間隙，很難將壓力容器的直徑最佳化。
[0015]另外，為了盡可能使環形部變少，通過將爐壁截面形狀設為接近圓形的多邊形的結構來進行緩解，但上述專利文獻I中，由于集流管配置于3處等，爐壁結構、元件、集流管及聯絡管的結構變得復雜，而成為制作成本增加的原因，因此不優選。
[0016]這種背景下，期望一種在氣化爐中，能夠將在氣化爐中生成的氣體的冷卻性能的下降抑制在最小限度，而且將爐壁結構的復雜化也抑制在最小限度，并提高集流管及聯絡管的配置性，并且，實現壓力容器形狀的最佳化的氣化爐冷卻結構、氣化爐及氣化爐的環形部擴大方法。
[0017]本發明是為了解決上述課題而完成的，其目的在于提供一種能夠將爐壁結構的復雜化抑制在最小限度，且盡可能維持生成氣體的冷卻性能的同時提高集流管及聯絡管的配置性，還能夠實現壓力容器形狀的最佳化的氣化爐冷卻結構、及氣化爐的環形部擴大方法。
[0018]用于解決課題的手段
[0019 ]本發明為了解決上述課題，采用了下述方法。
[0020]本發明的第I方式所涉及的氣化爐冷卻結構為如下:將碳質固體燃料進行氣化的生成氣體通過形成于圓形截面的壓力容器內的爐壁內而流動，通過與在設置于所述爐壁內的多個傳熱管組的管內流動的流體進行熱交換來冷卻所述生成氣體，所述氣化爐冷卻結構中，所述爐壁為通過傾斜面連結相互正交的面與面之間的多邊形結構，且為所述傾斜面的邊比相互正交的所述面各自的邊短的截面形狀，所述傾斜面設置成，將切斷正方形截面形狀的角部之前的邊的長度設為La，將切斷所述角部之后的長度設為Lb，由“(La_Lb)/LaX100”定義的“I邊削減率”為11.1 %至33.3%的范圍內，所述邊的長度La為2?5m的范圍內。
[0021]根據上述方式，形成于圓形截面的壓力容器內的爐壁為由傾斜面連結相互正交的面與面之間的多邊形結構，傾斜面的邊為比相互正交的面的各自的邊短的截面形狀，傾斜面設置成，將切斷正方形截面形狀的角部之前的邊的長度設為La，將切斷角部之后的長度設為Lb，由“(1^-1^)/1^\100”定義的“1邊削減率”為11.1%至33.3%的范圍內，由于邊的長度La為2?5m的范圍內，換言之，設為以斜切矩形截面角部的方式切斷的形狀，因此，不會使爐壁結構復雜化便能夠擴大環形部。這種環形部的擴大對于兼顧壓力容器形狀的最佳化和提高集流管及聯絡管的配置性是有效的。
[0022]上述方式中，所述傳熱管組的集流管及連結所述傳熱管組間的聯絡管配置在形成于所述壓力容器與所述爐壁之間的空間的環形部，優選在所述傾斜面的區域進行俯視觀察所述聯絡管時大致90度的方向轉換，由此，能夠減小壓力容器的直徑。
[0023]并且，本發明的第2方式所涉及的氣化爐具備:氣體冷卻部，具備上述方式的氣化爐冷卻結構;及氣體生成部，在所述氣體冷卻部的上游側對碳質固體燃料進行氣化。
[0024]本發明的第3方式所涉及的氣化爐的環形部擴大方法為如下:將碳質固體燃料進行氣化的生成氣體通過形成于圓形截面的壓力容器內的爐壁內而流動，通過與在設置于所述爐壁內的多個傳熱管組的管內流動的流體進行熱交換來冷卻所述生成氣體，且所述傳熱管組的集流管及連結所述傳熱管組間的聯絡管配置在形成于所述壓力容器與所述爐壁之間的空間的環形部，所述環形部擴大方法中，所述爐壁為通過傾斜面連結相互正交的面與面之間的多邊形結構，且為所述傾斜面的邊比相互正交的所述面各自的邊短的截面形狀，所述傾斜面設置成，將切斷正方形截面形狀的角部之前的邊的長度設為La，將切斷所述角部之后的長度設為讓，由“(1^-1^)/1^\100”定義的“1邊削減率”為11.1%至33.3%的范圍內，所述邊的長度La為2?5m的范圍內。
[0025]根據上述方式，形成于圓形截面的壓力容器內的爐壁為由傾斜面連結相互正交的面與面之間的多邊形結構，傾斜面的邊為比相互正交的面的各自的邊短的截面形狀，傾斜面設置成，將切斷正方形截面形狀的角部之前的邊的長度設為La，將切斷角部之后的長度設為Lb，由“(1^-1^)/1^\100”定義的“1邊削減率”為11.1%至33.3%的范圍內，由于邊的長度La為2?5m的范圍內，換言之，設為以斜切爐壁的矩形截面角部的方式切斷的截面形狀，因此，不會使爐壁結構復雜化便能夠輕松擴大環形部。這種環形部的擴大對于兼顧壓力容器形狀的最佳化和提高集流管及聯絡管的配置性是有效的方法。
[0026]發明效果
[0027]根據上述本發明，通過以僅斜切爐壁的矩形截面角部的方式進行切斷來設為設有傾斜面的多邊形的截面結構，能夠使氣化爐的環形部最小化并提高集流管及聯絡管的配置性，其結果，能夠使壓力容器形狀最佳化。并且，由于以僅斜切爐壁的矩形截面角部的方式進行切斷，因此能夠將制作爐壁所需的作業工作量的增加和傳熱面的減少抑制在最小限度。因此，能夠大致維持由氣化爐生成的氣體的冷卻性能的同時使壓力容器形狀最佳化，能夠兼顧確保氣化爐的生成氣體的冷卻性能及減少制造成本。
【附圖說明】
[0028]圖1是表示本發明所涉及的氣化爐冷卻結構及氣化爐的環形部擴大方法的一實施方式的水平剖視圖。
[0029]圖2是表示I邊削減率(％)的定義的說明圖。
[0030]圖3是表示與I邊削減率有關的估算結果的圖表。
[0031]圖4是將I邊削減率的估算結果繪制成曲線圖的圖。
[0032]圖5是表示本發明的壓力容器直徑的減小效果的比較圖，圖5(a)是未對
[0033]爐壁的角部進行斜切的情況，圖5(b)是適用本發明來對爐壁的角部進行斜切并設置傾斜面的情況。
[0034]圖6是表示配置有冷卻所生成的氣體的熱交換器的氣化爐的壓力容器內部結構的剖視圖，圖6(a)是水平剖視圖(圖6(b)的A-A剖視圖)，圖6(b)是縱剖視圖。
[0035]圖7是表示氣化爐的概略結構例的縱剖視圖。
【具體實施方式】
[0036]以下，根據附圖對本發明所涉及的氣化爐冷卻結構、氣化爐及氣化爐的環形部擴大方法的一實施方式進行說明。
[0037]氣化爐為在加壓環境下將煤炭等碳質固體燃料進行氣化后，冷卻至一般鋼管的耐熱溫度，并將溫度下降的生成氣體供給至爐外的裝置，以下的說明中為將煤炭進行氣化的裝置，但并不限定于此。另外，作為煤炭以外的碳質固體燃料，除了石油焦之外，還能夠例示出間伐材、廢材木料、漂流木、草類、廢棄物、污泥、輪胎等的生物質燃料。
[0038]圖6及圖7所示的氣化爐I例如為整體煤氣化聯合循環發電系統(IGCC)中使用的煤炭(粉煤)的氣化裝置，氣體生成部2及氣體冷卻部10為主要的組成部分。
[0039]在氣化爐I的氣體生成部2中氣化粉煤而得到的生成氣體被導入設置于氣體生成部2的下游側的氣體冷卻部10，并通過構成氣體冷卻部10的多個熱交換器30后被冷卻。在氣體冷卻部10冷卻的生成氣體通過設置于氣化爐I的外部的未圖示的各種裝置而被施加所需的精制處理后成為燃氣輪機運行的燃料氣體。
[0040]另外，例如從氣化爐I的氣體生成部2供給含有煤焦的約100tC的生成氣體至圖示的氣體冷卻部10。因此，氣體冷卻部10具有將生成氣體冷卻至適合氣化爐下游側設備(使用于各種機器類或配管的鋼管等)的溫度，并且，回收生成氣體中的熱能的功能。
[0041]并且，氣體冷卻部10構成為，形成于圓形截面的壓力容器Pv內并在成為生成氣體流路的煙道20內配置多個熱交換器30。
[0042]相對于由這些多個熱交換器30構成的氣體冷卻部10，生成氣體在煙道20內流動并依次進行熱交換。因此，生成氣體的溫度從上游側向下游側依次下降，因此多個熱交換器30中各自的溫度規格等不同。
[0043]另外，圖6中，圖中的符號22為煙道20的爐壁、31為構成熱交換器30的傳熱管、32為連結傳熱管31的集流管、33為連結集流管32的聯絡管、40為形成于壓力容器Pv的內面與爐壁22的外面之間的被稱為環形部的空間。
[0044]例如圖1所示，本實施方式的煙道20為，正方形截面(矩形截面)的4面由使用多個被稱為SGC的傳熱管21而形成的壁面結構的爐壁(SGC周壁)22包圍的氣體流路。另外，煙道20的爐壁22中，相鄰的傳熱管21由散熱片22a連結并形成壁面，使水等流體在傳熱管21內流通，從而管理壁面溫度。
[0045]并且，熱交換器30也稱為元件組，為由與爐壁22相同的被稱為SGC的傳熱管31構成的元件結構的傳熱管集合體(傳熱管組)。這種熱交換器30中，在傳熱管31的內部流動的水等流體從在爐壁22的內部流動的高溫的生成氣體吸熱，由此降低生成氣體的氣體溫度。另夕卜，通過有效利用流體從生成氣體吸熱的熱，能夠回收生成氣體中的熱能。
[0046]上述熱交換器30中，多個傳熱管31在爐壁22的外部與集流管32連結。并且，各熱交換器30的集流管32通過聯絡管33連結，該聯絡管33與氣體冷卻部10的外部連結。
[0047]因此，上述集流管32及聯絡管33配設在形成于壓力容器Pv的內面與爐壁22的外面之間的空間即環形部40。
[0048]即，本實施方式的氣體冷卻部10成為如下氣化爐冷卻結構:高溫的生成氣體通過由圓形截面的壓力容器Pv內的爐壁22包圍形成的煙道20內而流動，通過與在設置于爐壁22內的多個熱交換器30的傳熱管31內流動的流體進行熱交換來冷卻該生成氣體。
[0049]這種氣化爐冷卻結構中，本實施方式中，爐壁22的截面形狀設為以斜切正方形的矩形截面角部的方式切斷的形狀，即，在矩形截面角部C設置傾斜面23而設為多邊形的截面形狀。具體而言為如下結構:去除圖1中用虛線表示的4處角部C，通過實線表示的傾斜面23連結相鄰的爐壁22之間。另外，傾斜面23也與爐壁22同樣地成為使用多個傳熱管21的爐壁結構。
[0050]上述傾斜面23為邊比其他面短很多的八邊形。換言之，正四邊形截面的煙道20為如角部C被斜切的截面形狀，因此，能夠將因制造作業的復雜化和部件數量的增加等導致成本方面不理想的長度不同的傳熱管31的個數抑制在最小限度。
[0051]其結果，不會像多邊形截面形狀使爐壁結構復雜化，便能夠擴大與去除角部C相應量的環形部40的空間，因此集流管32和聯絡管33的配置性得到提高。即，即使不擴大壓力容器Pv的截面形狀也能夠減少與集流管32和聯絡管33的配管路徑相關的制約，因此這種環形部40的擴大對于兼顧壓力容器Pv的截面形狀的最佳化和提高集流管32及聯絡管33的配置性是有效的。
[0052]本發明并不限定于上述實施方式，根據聯絡管的配置并非限定于多邊形。例如斜切長方形的角部等，在不脫離本發明的宗旨的范圍內能夠施加各種變形及變更。
[0053]然而，針對上述角部C的切斷，優選將圖2所示的I邊削減率(％)設定為如下所示。
[0054]針對設為正方形截面形狀的煙道20的爐壁22，若將切斷角部C之前的邊的長度設為La，將切斷角部C之后的邊的長度設為Lb，則圖2所示的I邊削減率由下述數學式被定義。
[0055]I 邊削減率(% ) = (La-Lb)/La X 100
[0056]切斷之前的邊的長度La為2?5m，根據設計值來確定設計尺寸、間距。
[0057]根據圖3及圖4所示的估算結果，上述I邊削減率優選設定為下述范圍內。另外，以下說明中，成本削減率表示制造壓力容器及熱交換器所需的工作量及物料重量的削減率。
[0058]如圖3所示的情況A?情況D，能夠有效地削減成本的I邊削減率為11.1%至33.3 %的范圍內。并且，更優選為14.0%?28.0%的范圍。
[0059]并且，能夠削減成本的傳熱面積削減率為0.0?10.0 %的范圍內。更優選范圍為可削減范圍的80%左右即1.0?8.0%，進而，最優選范圍為可削減范圍的30%左右即2.0?5.5%的范圍。
[0060]并且，能夠削減成本的環形部寬度的最大/最小比例為1.35?1.95的范圍內。更優選范圍為可削減范圍的80 %左右即1.40?1.90，進而，最優選范圍為可削減范圍的30 %左右即1.50?1.70的范圍。
[0061]如此，本實施方式中，將爐壁22的截面形狀設為以斜切正方形的矩形截面角部C的方式切斷的形狀，因此，不會使爐壁結構復雜化便能夠擴大環形部40。這種環形部40的擴大對于兼顧壓力容器Pv的形狀最佳化和提高集流管32及聯絡管33的配置性是有效的氣化爐I的環形部擴大方法。
[0062]S卩，通過僅切斷爐壁22的矩形截面角部C，能夠將氣化爐I的環形部40最小化且提高集流管32及聯絡管33的配置性，其結果，能夠使壓力容器Pv的形狀最佳化并且小徑化。
[0063]并且，以僅斜切爐壁22的矩形截面角部C的方式進行切斷，因此能夠將制作爐壁22所需的作業工作量的增加和熱交換器30的傳熱面減少抑制在最小限度。
[0064]以下，根據圖5的比較圖對上述壓力容器Pv的小徑化進行具體說明。
[0065]如圖5所示，連結集流管32與其他熱交換器之間的連結管33優選在環形部40進行俯視觀察時大致90度的方向轉換。因此，未在爐壁22設置傾斜面23的圖5(a)的煙道20中，在聯絡管33的彎曲部33a與集流管32之間為了避開角部C而進行方向轉換，需要直管部33b。即，該直管部33b通過將彎曲部33a的彎曲起點向角部C的方向移動，使彎曲部33a的彎曲中心大致位于煙道20的對角線延長的線上，來回避聯絡管33與角部C的干涉。另外，此時的壓力容器Pv的直徑為D’。
[0066]相對于此，若俯視觀察聯絡管33時大致90度的方向轉換在傾斜面23的區域進行，則在爐壁22設置傾斜面23的圖5(b)的煙道20中，在聯絡管33的彎曲部33a與集流管32之間不需要為了避開角部C而進行方向轉換的直管部33b。即，若以斜切角部C的方式進行切斷而形成傾斜面23，則彎曲部33a的彎曲起點及彎曲終點位于傾斜面23的范圍內，而且，即使不設置直管部33b，彎曲部33a的彎曲中心也能夠大致位于煙道20的對角線延長的線上。
[0067]如此，若不需要直管部33b，則聯絡管33中，即便為將壓力容器Pv的直徑D設為小于D’的環形部40，也能夠保持同樣的曲率進行俯視觀察時大致90度的方向轉換，聯絡管33也不會與煙道20的爐壁22發生干涉。這種壓力容器Pv的小徑化具有能夠使其小型輕量化等眾多好處。
[0068]因此，能夠大致維持在氣化爐I中生成的氣體的冷卻性能的同時使壓力容器Pv的形狀最佳化，能夠兼顧確保氣化爐I的生成氣體的冷卻性能及減少制造成本。
[0069]另外，本發明并不限定于上述實施方式，能夠在不脫離其宗旨的范圍內適當變更。
[0070]符號說明
[0071 ] 1-氣化爐，2-氣體生成部，10-氣體冷卻部，20-煙道，21、31-傳熱管(SGC)，22-爐壁(SGC周壁)，23-傾斜面，30-熱交換器(傳熱管組)，32-集流管，33-聯絡管，33a_彎曲部，33b-直管部，40-環形部，C-角部。
【主權項】
1.一種氣化爐冷卻結構，將碳質固體燃料進行氣化的生成氣體通過形成于圓形截面的壓力容器內的爐壁內而流動，通過與在設置于所述爐壁內的多個熱交換器的傳熱管組的管內流動的流體進行熱交換來冷卻所述生成氣體，所述氣化爐冷卻結構中， 所述爐壁為通過傾斜面連結相互正交的面與面之間的多邊形結構，且為所述傾斜面的邊比相互正交的所述面各自的邊短的截面形狀。 所述傾斜面設置成，將切斷正方形截面形狀的角部之前的邊的長度設為La，將切斷所述角部之后的長度設為03，由“(1^-1^)/1^\100”定義的“1邊削減率”為11.1%至33.3%的范圍內，所述邊的長度La為2?5m的范圍內。2.根據權利要求1所述的氣化爐冷卻結構，其中， 所述傳熱管組的集流管及連結所述傳熱管組間的聯絡管配置在形成于所述壓力容器與所述爐壁之間的空間的環形部，在所述傾斜面的區域進行俯視觀察所述聯絡管時大致90度的方向轉換。3.一種氣化爐，具備: 氣體冷卻部，具有權利要求1或2所述的氣化爐冷卻結構;及 氣體生成部，在所述氣體冷卻部的上游側對碳質固體燃料進行氣化。4.一種環形部擴大方法，將碳質固體燃料進行氣化的生成氣體通過形成于圓形截面的壓力容器內的爐壁內而流動，通過與在設置于所述爐壁內的多個傳熱管組的管內流動的流體進行熱交換來冷卻所述生成氣體，且所述傳熱管組的集流管及連結所述傳熱管組間的聯絡管配置在形成于所述壓力容器與所述爐壁之間的空間的環形部，所述環形部擴大方法中， 所述爐壁為通過傾斜面連結相互正交的面與面之間的多邊形結構，且為所述傾斜面的邊比相互正交的所述面各自的邊短的截面形狀， 所述傾斜面設置成，將切斷正方形截面形狀的角部之前的邊的長度設為La，將切斷所述角部之后的長度設為03，由“(1^-1^)/1^\100”定義的“1邊削減率”為11.1%至33.3%的范圍內，所述邊的長度La為2?5m的范圍內。
【文檔編號】C10J3/46GK105934500SQ201480074130
【公開日】2016年9月7日
【申請日】2014年12月24日
【發明人】木津哲也, 品田治, 北田昌司
【申請人】三菱日立電力系統株式會社