气化炉冷却结构、气化炉及气化炉的环形部扩大方法
【专利摘要】本发明提供一种气化炉冷却结构，其能够将炉壁结构的复杂化抑制在最小限度，且尽可能维持生成气体的冷却性能的同时提高集流管及联络管的配置性，还能够实现压力容器形状的最佳化。所述气化炉冷却结构中，将碳质固体燃料进行气化的生成气体通过形成于圆形截面的压力容器内的炉壁(22)内而流动，通过与在设置于炉壁(22)内的多个热交换器(30)的传热管内流动的流体进行热交换来冷却生成气体，炉壁(22)为通过倾斜面(23)连结相互正交的面与面之间的多边形结构，且为倾斜面(23)的边比相互正交的各自的边短的截面形状。
【专利说明】
气化炉冷却结构、气化炉及气化炉的环形部扩大方法
技术领域
[0001]本发明涉及一种在将碳质固体燃料进行气化的气化炉中，冷却生成气体的气化炉冷却结构、气化炉及气化炉的环形部扩大方法。
【背景技术】
[0002]在加压环境下将煤炭等碳质固体燃料进行气化的气化炉需要配置在压力容器内。这种气化炉中，为了将在气化炉中生成的气体的温度降低至一般的钢管的耐热温度，而具备设置于气化炉下游的热交换器。
[0003]该热交换器由被称为SynGas Cooler(SGC)的传热管形成，为炉壁(SGC周壁)与设置于内部的传热管(SGC)的集合体(传热管组)，且构成为在气化炉的炉壁内下游部中，在传热管内部流动的水等的流体从在炉壁内部流动的高温的生成气体吸热而使气体温度下降。
[0004]热交换器的传热管组为元件结构，将I个元件的集合体称为元件组。并且，该元件组根据在传热管内流动的流体(水、蒸汽等)的温度带而分为多种规格。构成元件的传热管组在形成于炉壁外周面与压力容器内周面之间的被称为环形部的空间内，通过与被称为集流管的钢管连结而归并于元件组。
[0005]并且，规格不同的各元件组间，各自的集流管通过被称为联络管的钢管连结，最终穿过压力容器连接于气化炉外。
[0006]另外，设置于气化炉内的热交换器，通常为例如将元件组配置于矩形截面的炉壁内的结构，但是，例如下述专利文献I中公开的那样，也有配置于六边形的烟道内的结构。
[0007]在先技术文献
[0008]专利文献
[0009]专利文献1:日本特开2008-145061号公报
[0010]专利文献2:日本实开平5-71602号公报
【发明内容】
[0011]发明要解决的课题
[0012]然而，为了保持压力，优选将压力容器的截面形状设为圆形。但是，由于在内部配设热交换器的元件，因此从配置/成本最少的观点考虑，上述炉壁(SGC周壁)的截面形状优选为正四边形。另外，压力容器及炉壁的截面形状为与生成气体的流动方向正交的截面形状，因此，生成气体向铅垂方向流动时的截面形状成为水平截面。
[0013]并且，环形部中需要配置集流管及联络管。但是，环形部中，形成于圆形截面的压力容器与正四边形截面的炉壁角部之间的间隙(空间宽度)变得最窄。这种最小间隙的存在成为在环形部配置集流管及联络管时限制空间确保等的制约。
[0014]通常，耐压性能相同的压力容器的直径越小周长越短，因此成为壁厚较薄的低重量的容器。但是，在气化炉中，由于存在上述集流管及联络管的配置限制，因此很难使环形部变得足够小。即，在气化炉中存在如下问题:由于需要确保在环形部配置集流管及联络管的空间，尤其为了确保能够配置集流管及联络管的最小间隙，很难将压力容器的直径最佳化。
[0015]另外，为了尽可能使环形部变少，通过将炉壁截面形状设为接近圆形的多边形的结构来进行缓解，但上述专利文献I中，由于集流管配置于3处等，炉壁结构、元件、集流管及联络管的结构变得复杂，而成为制作成本增加的原因，因此不优选。
[0016]这种背景下，期望一种在气化炉中，能够将在气化炉中生成的气体的冷却性能的下降抑制在最小限度，而且将炉壁结构的复杂化也抑制在最小限度，并提高集流管及联络管的配置性，并且，实现压力容器形状的最佳化的气化炉冷却结构、气化炉及气化炉的环形部扩大方法。
[0017]本发明是为了解决上述课题而完成的，其目的在于提供一种能够将炉壁结构的复杂化抑制在最小限度，且尽可能维持生成气体的冷却性能的同时提高集流管及联络管的配置性，还能够实现压力容器形状的最佳化的气化炉冷却结构、及气化炉的环形部扩大方法。
[0018]用于解决课题的手段
[0019 ]本发明为了解决上述课题，采用了下述方法。
[0020]本发明的第I方式所涉及的气化炉冷却结构为如下:将碳质固体燃料进行气化的生成气体通过形成于圆形截面的压力容器内的炉壁内而流动，通过与在设置于所述炉壁内的多个传热管组的管内流动的流体进行热交换来冷却所述生成气体，所述气化炉冷却结构中，所述炉壁为通过倾斜面连结相互正交的面与面之间的多边形结构，且为所述倾斜面的边比相互正交的所述面各自的边短的截面形状，所述倾斜面设置成，将切断正方形截面形状的角部之前的边的长度设为La，将切断所述角部之后的长度设为Lb，由“(La_Lb)/LaX100”定义的“I边削减率”为11.1 %至33.3%的范围内，所述边的长度La为2?5m的范围内。
[0021]根据上述方式，形成于圆形截面的压力容器内的炉壁为由倾斜面连结相互正交的面与面之间的多边形结构，倾斜面的边为比相互正交的面的各自的边短的截面形状，倾斜面设置成，将切断正方形截面形状的角部之前的边的长度设为La，将切断角部之后的长度设为Lb，由“(1^-1^)/1^\100”定义的“1边削减率”为11.1%至33.3%的范围内，由于边的长度La为2?5m的范围内，换言之，设为以斜切矩形截面角部的方式切断的形状，因此，不会使炉壁结构复杂化便能够扩大环形部。这种环形部的扩大对于兼顾压力容器形状的最佳化和提高集流管及联络管的配置性是有效的。
[0022]上述方式中，所述传热管组的集流管及连结所述传热管组间的联络管配置在形成于所述压力容器与所述炉壁之间的空间的环形部，优选在所述倾斜面的区域进行俯视观察所述联络管时大致90度的方向转换，由此，能够减小压力容器的直径。
[0023]并且，本发明的第2方式所涉及的气化炉具备:气体冷却部，具备上述方式的气化炉冷却结构;及气体生成部，在所述气体冷却部的上游侧对碳质固体燃料进行气化。
[0024]本发明的第3方式所涉及的气化炉的环形部扩大方法为如下:将碳质固体燃料进行气化的生成气体通过形成于圆形截面的压力容器内的炉壁内而流动，通过与在设置于所述炉壁内的多个传热管组的管内流动的流体进行热交换来冷却所述生成气体，且所述传热管组的集流管及连结所述传热管组间的联络管配置在形成于所述压力容器与所述炉壁之间的空间的环形部，所述环形部扩大方法中，所述炉壁为通过倾斜面连结相互正交的面与面之间的多边形结构，且为所述倾斜面的边比相互正交的所述面各自的边短的截面形状，所述倾斜面设置成，将切断正方形截面形状的角部之前的边的长度设为La，将切断所述角部之后的长度设为让，由“(1^-1^)/1^\100”定义的“1边削减率”为11.1%至33.3%的范围内，所述边的长度La为2?5m的范围内。
[0025]根据上述方式，形成于圆形截面的压力容器内的炉壁为由倾斜面连结相互正交的面与面之间的多边形结构，倾斜面的边为比相互正交的面的各自的边短的截面形状，倾斜面设置成，将切断正方形截面形状的角部之前的边的长度设为La，将切断角部之后的长度设为Lb，由“(1^-1^)/1^\100”定义的“1边削减率”为11.1%至33.3%的范围内，由于边的长度La为2?5m的范围内，换言之，设为以斜切炉壁的矩形截面角部的方式切断的截面形状，因此，不会使炉壁结构复杂化便能够轻松扩大环形部。这种环形部的扩大对于兼顾压力容器形状的最佳化和提高集流管及联络管的配置性是有效的方法。
[0026]发明效果
[0027]根据上述本发明，通过以仅斜切炉壁的矩形截面角部的方式进行切断来设为设有倾斜面的多边形的截面结构，能够使气化炉的环形部最小化并提高集流管及联络管的配置性，其结果，能够使压力容器形状最佳化。并且，由于以仅斜切炉壁的矩形截面角部的方式进行切断，因此能够将制作炉壁所需的作业工作量的增加和传热面的减少抑制在最小限度。因此，能够大致维持由气化炉生成的气体的冷却性能的同时使压力容器形状最佳化，能够兼顾确保气化炉的生成气体的冷却性能及减少制造成本。
【附图说明】
[0028]图1是表示本发明所涉及的气化炉冷却结构及气化炉的环形部扩大方法的一实施方式的水平剖视图。
[0029]图2是表示I边削减率(％)的定义的说明图。
[0030]图3是表示与I边削减率有关的估算结果的图表。
[0031]图4是将I边削减率的估算结果绘制成曲线图的图。
[0032]图5是表示本发明的压力容器直径的减小效果的比较图，图5(a)是未对
[0033]炉壁的角部进行斜切的情况，图5(b)是适用本发明来对炉壁的角部进行斜切并设置倾斜面的情况。
[0034]图6是表示配置有冷却所生成的气体的热交换器的气化炉的压力容器内部结构的剖视图，图6(a)是水平剖视图(图6(b)的A-A剖视图)，图6(b)是纵剖视图。
[0035]图7是表示气化炉的概略结构例的纵剖视图。
【具体实施方式】
[0036]以下，根据附图对本发明所涉及的气化炉冷却结构、气化炉及气化炉的环形部扩大方法的一实施方式进行说明。
[0037]气化炉为在加压环境下将煤炭等碳质固体燃料进行气化后，冷却至一般钢管的耐热温度，并将温度下降的生成气体供给至炉外的装置，以下的说明中为将煤炭进行气化的装置，但并不限定于此。另外，作为煤炭以外的碳质固体燃料，除了石油焦之外，还能够例示出间伐材、废材木料、漂流木、草类、废弃物、污泥、轮胎等的生物质燃料。
[0038]图6及图7所示的气化炉I例如为整体煤气化联合循环发电系统(IGCC)中使用的煤炭(粉煤)的气化装置，气体生成部2及气体冷却部10为主要的组成部分。
[0039]在气化炉I的气体生成部2中气化粉煤而得到的生成气体被导入设置于气体生成部2的下游侧的气体冷却部10，并通过构成气体冷却部10的多个热交换器30后被冷却。在气体冷却部10冷却的生成气体通过设置于气化炉I的外部的未图示的各种装置而被施加所需的精制处理后成为燃气轮机运行的燃料气体。
[0040]另外，例如从气化炉I的气体生成部2供给含有煤焦的约100tC的生成气体至图示的气体冷却部10。因此，气体冷却部10具有将生成气体冷却至适合气化炉下游侧设备(使用于各种机器类或配管的钢管等)的温度，并且，回收生成气体中的热能的功能。
[0041]并且，气体冷却部10构成为，形成于圆形截面的压力容器Pv内并在成为生成气体流路的烟道20内配置多个热交换器30。
[0042]相对于由这些多个热交换器30构成的气体冷却部10，生成气体在烟道20内流动并依次进行热交换。因此，生成气体的温度从上游侧向下游侧依次下降，因此多个热交换器30中各自的温度规格等不同。
[0043]另外，图6中，图中的符号22为烟道20的炉壁、31为构成热交换器30的传热管、32为连结传热管31的集流管、33为连结集流管32的联络管、40为形成于压力容器Pv的内面与炉壁22的外面之间的被称为环形部的空间。
[0044]例如图1所示，本实施方式的烟道20为，正方形截面(矩形截面)的4面由使用多个被称为SGC的传热管21而形成的壁面结构的炉壁(SGC周壁)22包围的气体流路。另外，烟道20的炉壁22中，相邻的传热管21由散热片22a连结并形成壁面，使水等流体在传热管21内流通，从而管理壁面温度。
[0045]并且，热交换器30也称为元件组，为由与炉壁22相同的被称为SGC的传热管31构成的元件结构的传热管集合体(传热管组)。这种热交换器30中，在传热管31的内部流动的水等流体从在炉壁22的内部流动的高温的生成气体吸热，由此降低生成气体的气体温度。另夕卜，通过有效利用流体从生成气体吸热的热，能够回收生成气体中的热能。
[0046]上述热交换器30中，多个传热管31在炉壁22的外部与集流管32连结。并且，各热交换器30的集流管32通过联络管33连结，该联络管33与气体冷却部10的外部连结。
[0047]因此，上述集流管32及联络管33配设在形成于压力容器Pv的内面与炉壁22的外面之间的空间即环形部40。
[0048]即，本实施方式的气体冷却部10成为如下气化炉冷却结构:高温的生成气体通过由圆形截面的压力容器Pv内的炉壁22包围形成的烟道20内而流动，通过与在设置于炉壁22内的多个热交换器30的传热管31内流动的流体进行热交换来冷却该生成气体。
[0049]这种气化炉冷却结构中，本实施方式中，炉壁22的截面形状设为以斜切正方形的矩形截面角部的方式切断的形状，即，在矩形截面角部C设置倾斜面23而设为多边形的截面形状。具体而言为如下结构:去除图1中用虚线表示的4处角部C，通过实线表示的倾斜面23连结相邻的炉壁22之间。另外，倾斜面23也与炉壁22同样地成为使用多个传热管21的炉壁结构。
[0050]上述倾斜面23为边比其他面短很多的八边形。换言之，正四边形截面的烟道20为如角部C被斜切的截面形状，因此，能够将因制造作业的复杂化和部件数量的增加等导致成本方面不理想的长度不同的传热管31的个数抑制在最小限度。
[0051]其结果，不会像多边形截面形状使炉壁结构复杂化，便能够扩大与去除角部C相应量的环形部40的空间，因此集流管32和联络管33的配置性得到提高。即，即使不扩大压力容器Pv的截面形状也能够减少与集流管32和联络管33的配管路径相关的制约，因此这种环形部40的扩大对于兼顾压力容器Pv的截面形状的最佳化和提高集流管32及联络管33的配置性是有效的。
[0052]本发明并不限定于上述实施方式，根据联络管的配置并非限定于多边形。例如斜切长方形的角部等，在不脱离本发明的宗旨的范围内能够施加各种变形及变更。
[0053]然而，针对上述角部C的切断，优选将图2所示的I边削减率(％)设定为如下所示。
[0054]针对设为正方形截面形状的烟道20的炉壁22，若将切断角部C之前的边的长度设为La，将切断角部C之后的边的长度设为Lb，则图2所示的I边削减率由下述数学式被定义。
[0055]I 边削减率(% ) = (La-Lb)/La X 100
[0056]切断之前的边的长度La为2?5m，根据设计值来确定设计尺寸、间距。
[0057]根据图3及图4所示的估算结果，上述I边削减率优选设定为下述范围内。另外，以下说明中，成本削减率表示制造压力容器及热交换器所需的工作量及物料重量的削减率。
[0058]如图3所示的情况A?情况D，能够有效地削减成本的I边削减率为11.1%至33.3 %的范围内。并且，更优选为14.0%?28.0%的范围。
[0059]并且，能够削减成本的传热面积削减率为0.0?10.0 %的范围内。更优选范围为可削减范围的80%左右即1.0?8.0%，进而，最优选范围为可削减范围的30%左右即2.0?5.5%的范围。
[0060]并且，能够削减成本的环形部宽度的最大/最小比例为1.35?1.95的范围内。更优选范围为可削减范围的80 %左右即1.40?1.90，进而，最优选范围为可削减范围的30 %左右即1.50?1.70的范围。
[0061]如此，本实施方式中，将炉壁22的截面形状设为以斜切正方形的矩形截面角部C的方式切断的形状，因此，不会使炉壁结构复杂化便能够扩大环形部40。这种环形部40的扩大对于兼顾压力容器Pv的形状最佳化和提高集流管32及联络管33的配置性是有效的气化炉I的环形部扩大方法。
[0062]S卩，通过仅切断炉壁22的矩形截面角部C，能够将气化炉I的环形部40最小化且提高集流管32及联络管33的配置性，其结果，能够使压力容器Pv的形状最佳化并且小径化。
[0063]并且，以仅斜切炉壁22的矩形截面角部C的方式进行切断，因此能够将制作炉壁22所需的作业工作量的增加和热交换器30的传热面减少抑制在最小限度。
[0064]以下，根据图5的比较图对上述压力容器Pv的小径化进行具体说明。
[0065]如图5所示，连结集流管32与其他热交换器之间的连结管33优选在环形部40进行俯视观察时大致90度的方向转换。因此，未在炉壁22设置倾斜面23的图5(a)的烟道20中，在联络管33的弯曲部33a与集流管32之间为了避开角部C而进行方向转换，需要直管部33b。即，该直管部33b通过将弯曲部33a的弯曲起点向角部C的方向移动，使弯曲部33a的弯曲中心大致位于烟道20的对角线延长的线上，来回避联络管33与角部C的干涉。另外，此时的压力容器Pv的直径为D’。
[0066]相对于此，若俯视观察联络管33时大致90度的方向转换在倾斜面23的区域进行，则在炉壁22设置倾斜面23的图5(b)的烟道20中，在联络管33的弯曲部33a与集流管32之间不需要为了避开角部C而进行方向转换的直管部33b。即，若以斜切角部C的方式进行切断而形成倾斜面23，则弯曲部33a的弯曲起点及弯曲终点位于倾斜面23的范围内，而且，即使不设置直管部33b，弯曲部33a的弯曲中心也能够大致位于烟道20的对角线延长的线上。
[0067]如此，若不需要直管部33b，则联络管33中，即便为将压力容器Pv的直径D设为小于D’的环形部40，也能够保持同样的曲率进行俯视观察时大致90度的方向转换，联络管33也不会与烟道20的炉壁22发生干涉。这种压力容器Pv的小径化具有能够使其小型轻量化等众多好处。
[0068]因此，能够大致维持在气化炉I中生成的气体的冷却性能的同时使压力容器Pv的形状最佳化，能够兼顾确保气化炉I的生成气体的冷却性能及减少制造成本。
[0069]另外，本发明并不限定于上述实施方式，能够在不脱离其宗旨的范围内适当变更。
[0070]符号说明
[0071 ] 1-气化炉，2-气体生成部，10-气体冷却部，20-烟道，21、31-传热管(SGC)，22-炉壁(SGC周壁)，23-倾斜面，30-热交换器(传热管组)，32-集流管，33-联络管，33a_弯曲部，33b-直管部，40-环形部，C-角部。
【主权项】
1.一种气化炉冷却结构，将碳质固体燃料进行气化的生成气体通过形成于圆形截面的压力容器内的炉壁内而流动，通过与在设置于所述炉壁内的多个热交换器的传热管组的管内流动的流体进行热交换来冷却所述生成气体，所述气化炉冷却结构中， 所述炉壁为通过倾斜面连结相互正交的面与面之间的多边形结构，且为所述倾斜面的边比相互正交的所述面各自的边短的截面形状。 所述倾斜面设置成，将切断正方形截面形状的角部之前的边的长度设为La，将切断所述角部之后的长度设为03，由“(1^-1^)/1^\100”定义的“1边削减率”为11.1%至33.3%的范围内，所述边的长度La为2?5m的范围内。2.根据权利要求1所述的气化炉冷却结构，其中， 所述传热管组的集流管及连结所述传热管组间的联络管配置在形成于所述压力容器与所述炉壁之间的空间的环形部，在所述倾斜面的区域进行俯视观察所述联络管时大致90度的方向转换。3.一种气化炉，具备: 气体冷却部，具有权利要求1或2所述的气化炉冷却结构;及 气体生成部，在所述气体冷却部的上游侧对碳质固体燃料进行气化。4.一种环形部扩大方法，将碳质固体燃料进行气化的生成气体通过形成于圆形截面的压力容器内的炉壁内而流动，通过与在设置于所述炉壁内的多个传热管组的管内流动的流体进行热交换来冷却所述生成气体，且所述传热管组的集流管及连结所述传热管组间的联络管配置在形成于所述压力容器与所述炉壁之间的空间的环形部，所述环形部扩大方法中， 所述炉壁为通过倾斜面连结相互正交的面与面之间的多边形结构，且为所述倾斜面的边比相互正交的所述面各自的边短的截面形状， 所述倾斜面设置成，将切断正方形截面形状的角部之前的边的长度设为La，将切断所述角部之后的长度设为03，由“(1^-1^)/1^\100”定义的“1边削减率”为11.1%至33.3%的范围内，所述边的长度La为2?5m的范围内。
【文档编号】C10J3/46GK105934500SQ201480074130
【公开日】2016年9月7日
【申请日】2014年12月24日
【发明人】木津哲也, 品田治, 北田昌司
【申请人】三菱日立电力系统株式会社