JP5777370B2 - リボイラ - Google Patents

Description

本発明は、大型リボイラ（熱交換器）に関する。

近年、地球の温暖化現象の原因の一つとして二酸化炭素による温室効果が指摘され、地球環境を守る上で二酸化炭素の排出抑制への要求が一層強まる傾向にある。大量の化石燃料を使用する火力発電所などの動力発生設備を対象に、ボイラの燃焼排ガスをアミン系二酸化炭素吸収液と接触させ、燃焼排ガス中の二酸化炭素を除去、回収する方法が提案されている（特許文献１）。
二酸化炭素吸収液を用い、燃焼排ガスから二酸化炭素を除去・回収する工程としては、吸収塔において燃焼排ガスと二酸化炭素吸収液とを接触させる工程、二酸化炭素を吸収した吸収液を再生塔において加熱し、二酸化炭素を遊離させると共に吸収液を再生して再び吸収塔に循環して再使用する二酸化炭素の回収システムが採用されている。この二酸化炭素の回収システムは、吸収塔においてガス中に存在する二酸化炭素を吸収液に吸収させ、その後再生塔で加熱することで吸収液から二酸化炭素を分離し、分離した二酸化炭素は別途回収すると共に、再生された吸収液は再度吸収塔で循環利用するものである。リボイラは、再生塔にて吸収液を加熱して二酸化炭素を分離、回収するために用いられる。
また、リボイラは、液状冷媒と冷水との間で熱交換を行わせ、冷媒を気化させ、冷却された冷水を建物内に循環させる冷房に利用されている（特許文献２）。

特開２０１１−０２００９０号公報 特開２００２−３４９９９９号公報

本発明者は、小型リボイラ複数機分を１機に大型化することで省スペース化及びプラントコストの低減を図った。しかし、液体が下部から供給され、蒸発したガスが上部から排出されるリボイラでは、蒸発したガスの重力が無視できず、ガスが容器内上部近くに滞留し、ガス状の蓋となってガスの回収を妨げることを見出した。本発明は、蒸発したガスの滞留を防止し、省スペース化及びプラントコストの低減を達成できる大型リボイラを提供する。

本発明は、液体が下部から供給されると共に蒸発したガスが上部から排出される容器と、上記容器内に上下方向に貫通する空隙を形成するように配置された伝熱管群とを備える、上記液体の流路断面形状の最大長さが２ｍを超える大型リボイラであって、上記空隙が、上記流路断面形状の面積のうち５〜１０％の面積を占める大型リボイラを提供する。

本発明によれば、リボイラを大型化したにもかかわらず蒸発したガスの滞留を防止でき、省スペース化及びプラントコストの低減を達成できる。

液体（例えば二酸化炭素含有吸収液）から気体（例えば二酸化炭素）を回収するリボイラを示す。 図１のタイプの大型リボイラのＡ−Ａ断面であり、伝熱管群の配置を小型リボイラの配置と同様とした例を示す。 図１のタイプの大型リボイラのＡ−Ａ断面であり、リボイラの容器の上下方向の内壁の周囲と伝熱管群との間に空隙を形成するように伝熱管群を配置した一例を示す。 図１のタイプの大型リボイラのＡ−Ａ断面であり、伝熱管群の内部に上下方向に貫通する空隙を形成する一例を示す。 図１のタイプの大型リボイラのＡ−Ａ断面を示し、図５（ｂ）はリボイラの容器の上下方向の内壁の周囲と伝熱管群との間に空隙を形成した配置を示し、図５（ａ）は当該配置における伝熱管群の蒸気クオリティが０．１以下の領域を黒（塗りつぶし）で示す。 図１のタイプの大型リボイラのＡ−Ａ断面を示し、図６（ｂ）は伝熱管群の内部に上下方向に貫通する空隙を形成した配置を示し、図６（ａ）は当該配置における伝熱管群の蒸気クオリティが０．１以下の領域を黒（塗りつぶし）で示す。 図１のタイプの大型リボイラのＡ−Ａ断面を示し、図７（ｂ）は伝熱管群の配置を小型リボイラの配置と同様とした配置を示し、図７（ａ）は当該配置における伝熱管群の蒸気クオリティが０．１以下の領域を黒（塗りつぶし）で示す。

液体（例えば二酸化炭素含有吸収液）から気体（例えば二酸化炭素）を回収するリボイラ１を図１に示す。リボイラ１は、液体が下部入口６から供給される円筒形の容器２の中に、加熱流体Ｈを流通する多数の伝熱管が束になって伝熱管群３を形成し、容器２の長手方向に配管された構造となっている。伝熱管群３は、加熱流体入口４に連通する往路側の伝熱管群３ａと、加熱流体出口５に連通する復路側の伝熱管群３ｂとに分かれており、加熱流体入口４から流入した加熱流体Ｈは容器２内を横切って折り返し、再び容器２内を通って加熱流体出口５から流出する。この過程で、加熱流体Ｈは容器２に導入された液体との間で熱交換を行って冷却され、液体は加熱流体Ｈに加熱されて気体（例えば二酸化炭素ガス）と処理済み液体（例えばアミン溶液）の混合物として容器の上部出口７から排出される。

図２は、図１のタイプの大型リボイラのＡ−Ａ断面であり、伝熱管群の配置を小型リボイラの配置と同様とした大型リボイラの例を示す。この大型リボイラでは処理する液体が大量となり、液体が下部から供給され、蒸発したガスが上部から排出される際、蒸発したガスが重力により、ガスが容器内上部近くに滞留し、滞留蒸気の領域Ｒを形成する。滞留する蒸気が蓋となり、液体がその下で循環することとなり（図２中に矢印で示す）、蒸気の回収効率を下げる。

図３は、図１のタイプの大型リボイラのＡ−Ａ断面であり、リボイラの容器の上下方向に貫通する空隙を形成するように伝熱管群を配置した例である。図３では、リボイラの容器の上下方向の内壁の周囲と伝熱管群との間に空隙を形成するように伝熱管群を配置する態様の一例を示す。すなわち、伝熱管群とシェルの間に環状の空隙であるダウンカマを設け、蒸気と液体を分離させるとともに、液体の流量を高める態様である。伝熱管群を循環する液体の流量が増加することで、伝熱管群と液体が接触する面積が増加して、熱交換性能が高まる。また、蒸気の滞留を回避できるため液体が流れ易くなり、液体と加熱流体との熱交換が促進されて熱伝達率の向上を図ることができる。上下方向に垂直な長手方向の沸騰状況の偏りをなくして、蒸発器の平均伝熱性能を向上させることができる。伝熱管と気泡の間の熱伝導率は、伝熱管と液体との間の熱伝導率よりも悪いが、気泡の発生が抑制されるため熱伝達率の低下が抑えられる。

図４は、図１のタイプの大型リボイラのＡ−Ａ断面であり、リボイラの容器の上下方向に貫通する空隙を形成するように伝熱管群を配置した例である。図４は、伝熱管群の内部に上下方向に貫通する空隙を形成する態様の一例を示す。すなわち、伝熱管群の内部に柱状の空隙を設けるため、伝熱管群内部に蒸気が滞留せずに上部に抜けやすくなる。蒸気と液体を分離しやくすることで伝熱管群と液体が接触しやすくなり、熱交換性能が高くなる。伝熱管群のうち上部に位置する伝熱管にまで液体を十分に供給することができ、上部の伝熱管での伝熱性能が向上し、沸騰性能が向上する。伝熱管と気泡の間の熱伝導率は、伝熱管と液体との間の熱伝導率よりも悪いが、気泡の発生が抑制されるため熱伝達率の低下が抑えられる。

図示していないが、図３と図４の態様を組合せた態様も可能である。液体が下部から供給されると共に蒸発したガスが上部から排出される容器内に形成される空隙が、容器の上下方向の内壁の周囲と上記伝熱管群との間、及び伝熱管群の内部を上下方向に貫通する態様を用いてもよい。

本明細書に記載の大型ボイラは、液体の流路断面積、すなわち通常上下方向に垂直な長手方向の断面積の最大の長さが２ｍを超えるものであり、好ましくは３ｍ以上、より好ましくは４ｍ以上である。長手方向の最大の断面積の長さの上限は、特に限定されず、リボイラで処理される液体の量や、回収されるガスやガス除去済みの液体のその後の処理の内容や効率を考慮して決定される。また、長さ、胴径が大きい場合は、縦型にするなどの方法もあるため、上限は特に限定されない。
長手方向の流路断面形状の最大の長さは、例えば、流路断面形状が円の場合は直径、楕円形の場合は長径、三角形、四角形、八角形等の多角形の場合は最も長い対角線である。

下部から供給されて蒸発したガスが上部から排出される容器の流路断面形状の面積、すなわち通常上下方向に垂直な長手方向の流路断面形状の面積において、上下方向に貫通する空隙は好ましくは５〜１０％の面積を占め、伝熱管群は、復路側の管群と往路側の管群の間の長手方向の空間を無視すると好ましくは９０〜９５％の空間を占める。これにより、図３と図４に関して上述したように、伝熱管群の上部に蒸気が滞留せずに上部に抜けやすくなり、蒸気と液体を分離しやくすることで伝熱管群と液体が接触しやすくなり、熱交換性能が高くできる。空隙が、流路断面積の５％未満だと蒸気の滞留が発生し、１０％を超えると伝熱効率の低下を招く。

リボイラで処理される液体は、加熱により気体を発生するのであれば特に限定されるものでなく、例えば、二酸化炭素を吸収したアミン溶液や、液状冷媒が挙げられる。二酸化ス炭素を吸収したアミン溶液をリボイラで加熱処理し、二酸化炭素を発生させてアミン溶液を再生することができる。また、液状冷媒をリボイラで処理し、リボイラの容器中の液状冷媒と伝熱管に流した水との間で熱交換を行わせて、液状冷媒を蒸発させるとともに、冷却された水を構造物内に敷設した配管を通じて循環させ、各スペースの空気と熱交換させて冷却を行う。

リボイラで処理される液体の循環比は、３以上でないと気体の発生が不安定となり、好ましくは１０以上である。循環比は、（Ｇ_ｆ＋Ｇ_ｇ）／Ｇ_ｆ（式中、Ｇ_ｆは循環する液体の流量（質量）であり、Ｇ_ｇは発生する気体の流量（質量）である。）で表される。
リボイラでの液体の処理量は、後続する工程での処理の性質や処理能力を考慮して決定される。

実施例１〜２、比較例１
図５〜７は、液体の流路断面積が２ｍ×３ｍの長方形で、その最大長さである対角線が３．６ｍである、図１のタイプの大型ボイラを用い、液体の流量５０ｋｇ／ｍ^２ｓ（伝熱管群出口）で１１８℃の液体を熱交換により１２３℃に加熱する場合の伝熱管群の配置を変化させたときの解析データを示す。図５〜７は、図１のＡ−Ａ断面に相当し、各（ａ）〜（ｃ）は、液体とその蒸気の混合物における蒸気の質量割合である蒸気クオリティが０．１以下の領域を塗りつぶして黒色で示し、各（ｂ）は、図１のＡ−Ａ断面の半分を記載して伝熱管群の配置を示す。

図５に示す実施例１は、リボイラの容器の上下方向の内壁の周囲と伝熱管群との間に空隙を形成するように伝熱管群を配置した例であり、図５（ａ）に示すように、ごく一部を除いて蒸気クオリティが０．１以下であり、高い伝熱効率を示す。蒸気クオリティｘが高い領域（大気圧でｘが０．１を超える）が低減されて伝熱管がドライアウトする可能性が低くなる。
図６に示す実施例２は、伝熱管群の内部に上下方向に貫通する空隙を形成した例を示し、図６（ａ）に示すように、容器上部では蒸気クオリティが０．１を超える領域の割合が増加しているが、許容できる伝熱効率を示す。
図７に示す比較例１は、伝熱管群の配置を小型リボイラの配置と同様とした例を示し、図７（ａ）に示すように、容器上部では蒸気クオリティが０．１を超える領域の割合が大きく、低い伝熱効率を示す。

１ 大型リボイラ
２ 容器
３ 伝熱管群
３ａ 往路側の伝熱管群
３ｂ 復路側の伝熱管群
４ 加熱流体入口
５ 加熱流体出口
６ 下部入口
７ 上部出口
Ｈ 加熱流体
Ｒ 滞留蒸気の領域

Claims (2)

1. 液体が下部から供給されると共に蒸発したガスが上部から排出される容器と、上記容器内に上下方向に貫通する空隙を形成するように配置された伝熱管群とを備える、上記液体の流路断面形状の最大長さが２ｍを超える大型リボイラであって、上記空隙が、上記流路断面形状の面積のうち５〜１０％の面積を占め、上記容器の上下方向の内壁の周囲と上記伝熱管群との間に環状に存在する大型リボイラ。
2. 上記空隙が、上記伝熱管群の内部を上下方向に貫通する請求項１に記載の大型リボイラ。