JP2006010309A - 熱交換法および熱交換器 - Google Patents
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Abstract
【課題】 金属粉化および応力腐食に対する改善された耐久性を示す熱交換器の提供。
【解決手段】 この課題は、第一の流動体を第二の流動体と間接的に熱交換することによって引き続いて冷却する熱交換法において、・ 第一の流動体を、少なくとも１つの第一の加熱領域と第二の加熱領域とをそれぞれ分ける少なくとも２つの同心Ｕ字管束中に引き続いて導入し、・ Ｕ字管束の胴側部に第二の流動体を導入し、各加熱領域が壁で互いに部分的に分離されており、その際に第一の加熱領域が比較的に冷たい領域でありそして第二の加熱領域が比較的に熱い領域であり、第一の比較的に冷たい加熱領域の管束が低合金鋼で作製されておりそして第二の比較的に熱い加熱領域の管束が耐熱性で耐食性の合金で作製されており、・ 第二の冷却された流動体および加熱された第一の流動体を引出す 各段階を含むことを特徴とする、上記方法によって解決される。
【選択図】図１
【解決手段】 この課題は、第一の流動体を第二の流動体と間接的に熱交換することによって引き続いて冷却する熱交換法において、・ 第一の流動体を、少なくとも１つの第一の加熱領域と第二の加熱領域とをそれぞれ分ける少なくとも２つの同心Ｕ字管束中に引き続いて導入し、・ Ｕ字管束の胴側部に第二の流動体を導入し、各加熱領域が壁で互いに部分的に分離されており、その際に第一の加熱領域が比較的に冷たい領域でありそして第二の加熱領域が比較的に熱い領域であり、第一の比較的に冷たい加熱領域の管束が低合金鋼で作製されておりそして第二の比較的に熱い加熱領域の管束が耐熱性で耐食性の合金で作製されており、・ 第二の冷却された流動体および加熱された第一の流動体を引出す 各段階を含むことを特徴とする、上記方法によって解決される。
【選択図】図１
Description
本発明は熱交換器および該熱交換器を使用できる熱交換法に関する。特に本発明は水蒸気過熱器として使用できそして金属粉化および応力腐食に対する改善された耐久性を有する熱交換器に関する。
水蒸気改質は非常にしばしば、一酸化炭素リッチの合成ガスを製造する重要な段階である。この反応においては、メタンおよび水蒸気は該水蒸気改質によって熱の供給下に、水素、二酸化炭素、一酸化炭素、水蒸気およびメタンよりなるガス組成物に転化される。改質後の合成ガスの温度は非常にしばしば７５０〜１０５０℃の間にある。この熱い合成ガスは次にボイラーにおいてまたはボイラーおよび過熱器において冷却される。
改質されたガスのための冷却器に関連する過酷な条件の一つは金属粉化(metal dusting)として知られる腐食である。金属粉化は鉄および／またはニッケルをベースとする合金に一酸化炭素リッチのガスの侵食による腐食劣化である。金属粉化による基本的反応は、還元反応またはボードアール反応での一酸化炭素の分解である。金属粉化は金属表面温度がこれらの反応の平衡温度より下にある時にだけ生じる。該平衡温度は一般に７５０〜８５０℃である。しかしながら温度が低い場合、代表的には４５０℃より下では反応は顕著な速度では行われない。これは、改質されたガス用の冷却器中でのガスとの接触を避けるべき中間の金属表面温度が存在することを意味する。これらの温度範囲はニッケルベースの高合金のためには４５０〜８００℃でありそして低合金鋼のためには４００〜８００℃である。
廃熱ボイラーの熱伝達表面は沸騰水への効果的な熱伝達によって冷却しそしてそれ故に一般に金属粉化の条件を避けるように設計することができる。しかしながら合成ガスのための冷却器として使用した時に、過熱器は金属粉化侵食を受け易いと考えるべきである。
過熱器の設計で考慮すべき他の厳しい条件は、過熱される湿った水蒸気で応力腐食される可能性があることである。ニッケルベース合金は応力腐食に対して非常に過敏であるが、低合金鋼はそうではない。それ故にニッケルベース合金は乾燥流とだけ接触させるべきである。
従って本発明の課題は、金属粉化および応力腐食に対する改善された耐久性を示す熱交換器を提供することである。
本発明は、第一の流動体を第二の流動体と間接的に熱交換することによって引き続いて冷却する熱交換法において、
・ 第一の流動体を、少なくとも１つの第一の加熱領域と第二の加熱領域とをそれぞれ分ける少なくとも２つの同心Ｕ字管束中に引き続いて導入し、
・ Ｕ字管束の胴側部に第二の流動体を導入し、各加熱領域が壁で互いに部分的に分離されており、その際に第一の加熱領域が比較的に冷たい領域でありそして第二の加熱領域が比較的に熱い領域であり、第一の比較的に冷たい加熱領域の管束が低合金鋼で作製されておりそして第二の比較的に熱い加熱領域の管束が耐熱性で耐食性の合金で作製されており、
・ 第二の冷却された流動体および加熱された第一の流動体を引出す
各段階を含むことを特徴とする、上記方法に関する。
・ 第一の流動体を、少なくとも１つの第一の加熱領域と第二の加熱領域とをそれぞれ分ける少なくとも２つの同心Ｕ字管束中に引き続いて導入し、
・ Ｕ字管束の胴側部に第二の流動体を導入し、各加熱領域が壁で互いに部分的に分離されており、その際に第一の加熱領域が比較的に冷たい領域でありそして第二の加熱領域が比較的に熱い領域であり、第一の比較的に冷たい加熱領域の管束が低合金鋼で作製されておりそして第二の比較的に熱い加熱領域の管束が耐熱性で耐食性の合金で作製されており、
・ 第二の冷却された流動体および加熱された第一の流動体を引出す
各段階を含むことを特徴とする、上記方法に関する。
また、本発明は、上記の方法で使用するための熱交換器において、該熱交換器が第一および第二の流動体の間での熱伝達を許容するための熱交換面を持つ複数のＵ字管、少なくとも２つの逐次同心管束中に配置された該Ｕ字管、少なくとも一つの第一および第二の加熱領域にそれぞれ分ける管束、壁によって他から部分的に分離された各加熱領域を含み、第一の加熱領域が比較的に冷たい領域でありそして第二の加熱領域が比較的に熱い領域であり、第一の比較的に冷たい加熱領域の管束が低合金鋼で作製されておりそして第二の比較的に熱い領域の管束が耐熱性で耐食性の合金で作製されていることを特徴とする、上記熱交換器に関する。
図１は二つの加熱領域を有する熱交換器を図示している。
図２は熱交換器の水平切断面を図示している。
図３は３つの加熱領域を有する熱交換器を図示している。
本発明は過熱器として有用であり、そして金属合金と、予め決められたパターンの熱交換管束を通るガス／水蒸気流とを組合せを適切に選択することによって金属粉化および応力腐食を避けるように設計されている熱交換器に関する。この熱交換器は第一の流動体と第二の流動体との間の熱交換に適している。かゝる流動体の例には水蒸気（第一の流動体）および合成ガス（第二の流動体）がある。水蒸気改質反応器からの熱い合成ガスをこの熱交換器中で水蒸気によって冷却する。
熱交換器は薄い管状板のＵ字管のタイプよりなる。第一の流動体を移送するための複数のＵ字管は平行に配列されておりそして第二の流動体のための中心入口および胴部出口と間隔をおいて配置されている。胴側部熱交換はディスク状およびドーナツ状のバッフルによって促進される。複数の管は管束中に配置されており、各管側は個々の加熱領域に相応している。
第一の流動体、例えば水蒸気は管中を流動しそして第二の流動体、例えば改質ガスはこれらの管の周り、即ち管の胴側部を流れ、それによって熱交換面が確保される。
本発明の本質原理は、少なくとも２つの管束が熱交換器中に存在しそしてそれらが同心環状態で一つの管状薄板に連結されている。各管束のための各隔室は中間または末端に開口を有する金属製壁によって分離されており、該開口を第二の流動体が通りそしてその第二の流動体は一つの隔室から他の隔室へ流れる時に幾つかの流れに分配される。
第二の流動体は、図１および３に矢印で示す様に、各管束隔室内で第一の流動体に対して向流および並流で流れる。
本発明の熱交換器を以下に更に詳細に説明する：
図１および３において第一の流動体と第二の流動体の流れ方向は曲がった矢印で示されている。
図１および３において第一の流動体と第二の流動体の流れ方向は曲がった矢印で示されている。
図１は壁によって分離された２つの加熱領域を持つ本発明の一つの実施態様に関する。第一の流動体、例えば水蒸気は入口１を通って熱交換器に入る。第一の流動体は次に第一の管束中のＵ字管を含みそして第一の加熱領域２を画する隔室に入る。第二の流動体との間接的熱交換において第一の加熱領域のＵ字管を通った後に、第一の流動体は第二の管束中のＵ字管を含みそして第二の加熱領域３を画する第二の隔室に入る。
第二の管束のＵ字管は第一の管束のＵ字管の後に続いて配置されている。図１においては第二の加熱領域３を画する管束は熱交換器中の最も内部に位置しているが、第一の加熱領域２を画する管束は最も内部に位置しておりそしてこれら二つの管束は壁１２によって分離されている。壁１２は金属よりなっていてもよく、そして第二の流動体の流れを、ある隔室から別のそれに流れる時に幾つかの流れに分割することを可能とする開口１５および１６を設けている構造を有している。第一の流動体は第二の流動体との間接熱交換において、第二の加熱領域３中のＵ字管を通過する。第二の加熱領域３を通過した後に、第一の流動体は今度は加熱されそして出口４を通って熱交換器を離れる。
第二の流動体、例えば合成ガス、または冷却を必要とする他の何らかの熱いガスは入口５を通って熱交換器に入る。入口５は最も内部の管束の中間に位置する中央の管１３に導かれる。中央の管１３は開口１４を有しており、該中央の管１３を第二の流動体が離れることを可能としておりそしてこの加熱領域を画する管束の胴側部の第二の加熱領域３に入る。並流および向流の両方を保証するために開口14が中央管１３の末端に位置していないことが有利である。
第二の流動体は開口１４を通って加熱領域３の中間に入りそして該流動体は次に管束の両末端に向って流れるように分けられる。第二の流動体はこのように外部表面、即ち最も内部の管束のＵ字管の胴側部と接触しそして第一の流動体との間接熱交換で冷却される。その後に第二の流動体は壁１２の末端開口１５および１６を通過して、第一および第二加熱領域２および３を画する２つの管束に分けられる。開口１５は壁１２の下方末端にありそして開口１６は壁１２の上方末端にある。第二の流動体は次に、第一の加熱領域２を画する管束の胴側部を横断する。該第一の加熱領域２は第二の加熱領域３を画する最も内部の管束を取り囲んでいる。次にガスは末端開口１５および１６から管束中を加熱領域２の中間に向って流れる。別の冷却された第二の流動体は次に第一の加熱領域２、および出口６を通って熱交換器を離れる。
図２は熱交換器中の互いに関連する管束の配置を示している。壁１２は加熱領域を二つの隔室に分けて加熱領域２および３としている。管束は最外部に位置する加熱領域２の管束および最内部に位置する加熱領域３の管束を有する熱交換器中に位置している。
本発明の一つの実施態様においては、熱交換器は図３に示す様に３つの加熱領域を有していてもよい。この場合には第二の管束の周りにＵ字管の第三の束が存在する。この第三の束は、第一の流動体と第二の流動体との更なる熱交換を可能とする加熱領域１１を画している。第二の流動体は、２つの内部管束から外部管束を分離する壁１８の中央開口１７を通してこの加熱領域の中間に入る。それによって壁１８は加熱領域２および３から加熱領域１１を分離している。次に流動体は管束の両末端の方向に流れる流れに分割される。
それ故に隔壁を分離する壁はその末端（１５および１６）にまたはその中間（１７）に開口を有していてもよい。それ故に、幾つかの加熱領域がある場合には、次の各壁の開口は壁の末端またはその中間のいずれかに存在することによって交互に変える。これは第二の流動体の流れが各加熱領域における第一の流動体の流れに対して並流および向流の両方であることを確実にする。効果的な熱交換はそれによって実現される。
第二の流動体は、２つまたは３つの管束を通る後続の流れによってこの様にして冷却される。２つの加熱領域が図１に示す様に存在する場合には、第一の流動体は管を通る後続の流れによって加熱される。即ち、最も低い温度を有する最も外側の束から出発しそして最も熱くそしてそれ故に最も高い温度を有する最も内側の束を流れた後に離れる。それ故に、加熱領域２を画する最も外側の管束は冷たい領域（低温域）に相当しそして加熱領域３を画する最も内側の管束は熱い領域（高温域）に相当する。
３つの加熱領域が図３に示す様に存在する場合には、加熱領域３と１１との間の中間の加熱領域２は最も熱い域（高温域）と最も冷たい域（低温域）との間の中間の温度を有している。
バッフルは熱の分布を改善するために加熱領域に位置することができる。熱交換器に特に適するバッフルはディスク状またはドーナツ状である。これらは、第二の流動体が加熱領域をジグザグ運動で移動することを可能とする効果を有しそして追加的にU字管を位置決めする時に役立つ。図1に示したバッフル７、８および９はロッドによって適所に保持されている。バッフル７は熱く、即ち高温を経験し、そしてバッフル８は冷たく、即ち低温を経験する。中央の管中のバッフル１０は熱いバッフルである。各バッフルは図３に示す実施態様においても配置されていてもよい。
加熱域３を画する熱い（高温の）管束は金属粉化に耐久性のある材料で作製されていなければならない。これは例えばオーステナイトのニッケル／クロム／鉄−合金の様な高合金、例えばインコネル（Inconel(R)）であってもよい。バッフル、ロッド、および管束が据えられているチャンネルを画する壁は金属粉化に対して耐久性がなければならない。加熱領域2を画する冷たい(低温の)管束は低合金鋼でよく、そして最も多い場合にはバッフルおよびロッドは低合金材料よりなるものでもよい。第三の管束が図3に示す様に存在する場合には、中間／中央の束の管は低合金鋼であるが、ロッド、バッフルおよび壁／チャンネルはインコネル（Inconel(R)）であってもよい。低合金鋼は例えばフェライト鉄、クロム、モリブデン、炭素鋼であってもよい。
本発明の熱交換器の特徴は、Ｕ字管が材料表面が金属粉化の危険を与えるのに十分に高温である場合にも金属粉化に対して耐久性のある材料である。Ｕ字管は、比較的低温の領域に配置した場合に、比較的安価な低合金鋼でもよい。低合金鋼はウエット応力腐食に過敏ではない。第一の流動体が水蒸気である場合には、それは低合金鋼のＵ字管に入り、そして水蒸気はそれが完全に乾燥する前に高合金のＵ字管と接触させない。
本発明の熱交換器は金属粉化および応力腐食に対しての耐久性が向上しているために、それの熱交換性能を向上させる。
熱交換器が有用である代表的な方法は以下に記載する水蒸気改質法である。
熱い流出物、例えば一酸化炭素含有改質ガス、例えば改質反応器からの合成ガスを廃熱ボイラーに通し、そこにおいて流出物の温度が、蒸気ドラムから供給される水蒸気を使用して例えば１０５０℃から４７５℃に低下される。次いで冷却された流出物を本発明の熱交換器に送り、そこにおいて温度を水蒸気との熱交換によって３６０℃に更に低下させる。この熱交換器は水蒸気過熱器として機能する。使用される水蒸気は蒸気ドラムから供給することができ、それによって例えば３２０〜４００℃の温度から加熱される。
１・・・第一の流動体の入口
２・・・第一の加熱領域
３・・・第二の加熱領域
４・・・第一の流動体の出口
５・・・第二の流動体の入口
６・・・第二の流動体の出口
７，８，９，１０・・・バッフル
１１・・・加熱領域
１２・・・壁
１３・・・管
１４，１５，１６、１７・・・開口
１８・・・壁
２・・・第一の加熱領域
３・・・第二の加熱領域
４・・・第一の流動体の出口
５・・・第二の流動体の入口
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１１・・・加熱領域
１２・・・壁
１３・・・管
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１８・・・壁
Claims (10)
- 第一の流動体を第二の流動体と間接的に熱交換することによって引き続いて冷却する熱交換法において、
・ 第一の流動体を、少なくとも１つの第一の加熱領域と第二の加熱領域とをそれぞれ分ける少なくとも２つの同心Ｕ字管束中に引き続いて導入し、
・ Ｕ字管束の胴側部に第二の流動体を導入し、各加熱領域が壁で互いに部分的に分離されており、その際に第一の加熱領域が比較的に冷たい領域でありそして第二の加熱領域が比較的に熱い領域であり、第一の比較的に冷たい加熱領域の管束が低合金鋼で作製されておりそして第二の比較的に熱い加熱領域の管束が耐熱性で耐食性の合金で作製されており、
・ 第二の冷却された流動体および加熱された第一の流動体を引出す
各段階を含むことを特徴とする、上記方法。 - 第一の流動体が水蒸気でありそして第二の流動体が改質されたガスである、請求項１に記載の熱交換方法。
- 耐熱性で耐食性の合金がオーステナイトのニッケル／クロム／鉄−合金である、請求項１に記載の熱交換法。
- 加熱された第一の流動体が過熱されたスチームである、請求項２に記載の熱交換法。
- 請求項１の方法で使用するための熱交換器において、第一および第二の流動体の間での熱移動を許容するための熱交換面を持つ複数のＵ字管、少なくとも２つの逐次同心管束中に配置された該Ｕ字管、少なくとも一つの第一および第二の加熱領域にそれぞれ分ける管束、壁によって他から部分的に分離された各加熱領域を含み、第一の加熱領域が比較的に冷たい領域でありそして第二の加熱領域が比較的に熱い領域であり、第一の比較的に冷たい加熱領域の管束が低合金鋼で作製されておりそして第二の比較的に熱い領域の管束が耐熱性で耐食性の合金で作製されていることを特徴とする、上記熱交換器。
- 熱交換器が三つの管束を有し、第三の束が第一の管束と第二の管束との間の中間に位置する、請求項５に記載の熱交換器。
- 耐熱性で耐食性の合金がオーステナイトのニッケル／クロム／鉄−合金である、請求項５に記載の熱交換器。
- 熱交換器がディスク状およびドーナツ状のバッフルを有する、請求項５に記載の熱交換器。
- 中間に位置する第三の束の管が低合金鋼よりなり、そしてバッフルおよび適所にバッフルを保持するロッドおよび中間の束の壁が耐熱性で耐食性の合金よりなる、請求項６に記載の熱交換器。
- 加熱領域を分離する壁が金属よりなり、そしてその壁が、第二の流動体の流れを該壁にある複数の開口を通すことによって幾つかの流れに分けるような位置にある、請求項５に記載の熱交換器。
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