JPH027352B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は輻射伝熱を主に利用した管式加熱炉に
関する。

この種の加熱炉として、例えば石炭液化プロセ
スにおけるコールスラリーの予熱工程に用いられ
るコールスラリー加熱炉が知られている。

一般的な石炭液化プロセスは第１図に示す通り
で、水素を添加、硫黄分、窒素分、灰分など不純
物を取り除くのが主なプロセスである。かかるプ
ロセスにおいて、コールスラリーは粉砕した石炭
に芳香属系化合物を多量に含む溶剤を混合し、さ
らに主に水素ガス及び軽質炭化水素ガスを添加し
て予熱工程において加熱されるわけであり、この
予熱工程で用いられるコールスラリーを加熱する
管式加熱炉は石炭液化プロセスにおいて必要不可
欠のものであり、輻射熱伝達を利用した管式加熱
炉が用いられる。

この管式加熱炉は、バーナを備えた燃焼室と、
該燃焼室内に配設された11／2^B〜6^B程度の伝熱管
を主要部として構成され、火炎を輻射熱源又は燃
焼による高温ガスを熱源として、該伝熱管内を循
環する被加熱流体を加熱するものであり、コール
スラリーを加熱する管式加熱炉として用いる場合
には次のような仕様が要求される。

(1) コールスラリーは気体（主に水素ガス及び軽
質炭化水素ガス），液体（溶剤），固体（石炭）
の３相の流体であり、該水素ガスとの反応を行
なわせるため高い圧力（50〜300Kg／１cm²Ｇ）
に加圧されるが、流体流速が速いと伝熱管に
180゜uベンドを使用した場合曲げ部分に遠心力
が働いて固体分が液体分から分離し易くなり、
該ベンド内壁がエロージヨンにより削り取られ
該ベンドに穴があく等破損の恐れがある。逆
に、流体流速が遅いと液体中に浮遊している固
体（石炭）が沈澱し、伝熱管が詰る恐れがあり
これは前記180゜uベンドにおいて顕著である。

従つて、伝熱管においては、適当な流体流速
に保持すると共に分離，沈澱等を起こし易い
180゜uベンドの使用を避けることが望ましい。

(2) 溶剤には一般に分子量の大きい芳香属系化合
物を多量に含むものが用いられるため加熱が均
一に行われず局部的過熱があつた場合コールス
ラリーが分解してコーキング（炭化）し、この
生成物が伝熱管内壁に付着して、該伝熱管の詰
りを生じて、流体流れが阻止され更に極部的過
熱が生じる恐れがある。従つて、伝熱管の加熱
はできるだけ均一に行う必要がある。

(3) 伝熱管内のコールスラリーは、気体、液体、
固体の３相であるため上昇流から下降流に移る
流れ、又逆に下降流から上昇流に移る部分があ
つた場合、管が振動を引き起こす恐れがある。

従つて、伝熱管はなるべく流体が上昇流又は下
降流のいずれか一方に保たれることが望ましい。

ここで、従来用いられている加熱炉の構造を第
２図及び第３図に示す。

第２図Ａ，Ｂに示したものは、断熱材をライニ
ングした円筒形の燃焼室１の内側に、その内壁に
沿うように鉛直軸を含むように巻かれた即ち、略
縦方向の円形スパイラル状伝熱管２を配設し、炉
床の中央に設置されたバーナ３により、該炉の中
央部より伝熱管２の加熱を行うようにしたもので
ある。

このタイプの加熱炉は流体によるエロージヨン
を起したり、詰まりの原因となる180゜uベンドが
存在しないことと、スラリーの流れ方向が上部か
ら下部への一定方向であるため管の振動を起こし
にくい等の利点がある反面、円形スパイラル状伝
熱管の構造上の制約から大形の加熱炉が作りにく
い。即ち該伝熱管の巻直径が約8mを越え高さが
12mを越えるとバーナからの熱が均一に行き亘ら
ず局部的な過熱の原因となるし、炉体の構造から
みても制作するのが困難である。又、伝熱管は中
央のバーナのみによる片面加熱となるため輻射熱
が均一に行き亘らず、バーナの火炎に面した側の
みが強く加熱され、スラリーが分解してコーキン
グ（炭化）起こし、これが伝熱管内壁に付着し
て、流路が狭められ、管表面温度が極度に高くな
る危険を生じる。

第３図Ａ，Ｂに示したものは、箱形の燃焼室
１′内の相対向する側壁に沿つて、横方向に延び
る蛇行状伝熱管２′が配設され、この伝熱管２′
を、炉床中央に１列に配設されたバーナ３′によ
り加熱するようにしたものである。

このタイプの加熱炉の場合、伝熱管２′が比較
的構造上の制約を受けないことから、炉の大型化
を容易に図れる反面次のような欠点がある。

即ち、伝熱管は直線部分相互の連結に、管内直
径の２倍以下の短い曲率半径を有する180゜uベン
ドを用いているためエロージヨンによる該ベンド
の損傷を起こし易く、又、このベンド部分で詰り
を生じ易い欠点があると共に、第２図に示した加
熱炉と同様に、伝熱管は片面加熱となり、スラリ
ーがコーキングを起こし、局部過熱、詰まりを生
じ易い欠点がある。

更に、第３図における伝熱管を縦方向に延びる
蛇行状に形成したものでは、該管における流体の
流れが、上昇流から下降流又この逆に流れて流れ
方向が一方向に保持出来ないため伝熱管が振動を
起こす欠点がある。

なお、第２図Ａ，Ｂおよび第３図Ａ，Ｂの問題
は、なにも固体、液体、気体からなる三相の被加
熱流体を加熱する場合に限つたものではない。

例えば、石油精製の減圧蒸留塔のフイード（常
圧残査油）を加熱する加熱炉においては、液相で
供給されても加熱により気液混合となり、音速に
近いスピードで伝熱管内を流れるために、同伴す
る液によりエロージヨンが生ずる。また、混相に
よる振動は、固体、液体、気体からなる三相とは
限らず、気液混相でも当然起きる。さらに、石油
類等の炭化水素は、当然コーキングが生ずる。

そこで、本発明は、以上の加熱炉における問題
点を一挙に解決すると共に、化学分野では日常茶
飯事に行われている上記有機炭化水素等の液相と
触媒等の固相とを加熱することを、さらには固
体、液体、気体からなる三相の被加熱流体をも加
熱炉で加熱することを可能とした管式加熱炉を提
供するものである。

すなわち、本願発明の管式加熱炉は、伝熱管と
して直線部分と管内直径の５倍以上の中心曲率半
径部分とから成るスパイラル状のものを用いかか
るスパイラル状伝熱管を両面加熱する構成にする
ことにより、前記加熱炉として望まれる仕様をす
べて満足し、被加熱流体を効率良く加熱できると
共に安全度が高く、しかも耐久性に優れ、大型化
も容易に行えるようにしたものである。

以下、本発明の実施例を第４図〜第６図に基づ
いて説明する。

第４図Ａ，Ｂにおいて、１０は基礎１１上に構
築された加熱炉本体ケーシング、１２は耐熱れん
がキヤスタブル耐火物或いはモルタル等からなる
炉壁で、内部に燃焼室１３を形成する。本体ケー
シング１０は横断面が一方向に長い八角形状の箱
形で、炉壁１２もこの形状に形成されている。１
４は燃焼室１３内中央位置に配設され、鉛直軸を
含むように巻かれた（略縦方向の）長円スパイラ
ル状伝熱管で、直線部分１４Ａと、管内直径ｈの
５倍以上好ましくは7.5倍以上の中心曲率半径ｒ
を有する曲部分１４Ｂとからなる。尚、ここで用
いる中心曲率半径とは、伝熱管１４の中心を基準
とした曲率半径で、伝熱管１４の外側のカーブや
内側のカーブを基準としたものではない。

かかる長円スパイラル状伝熱管１４は、被加熱
流体の流れが２パスとなるように管が２条に巻か
れた構成であり、流れが１パスの時は１条に、３
パスの時は３条に、必要なパス数に応じて条数が
決められる。また長円スパイラル状伝熱管１４相
互の配列間隔は、伝熱管１４の管外直径の1.2〜
３倍ピツチが好ましく、さらに好ましくは２倍ピ
ツチである。

伝熱管１４の上・下両端部は夫々被加熱流体の
入口部１４ａと出口部１４ｂとになつており、入
口部１４ａは一側部の炉壁１２を貫通して本ケー
シング１０外に導出され、出口部１４ｂは炉床１
２Ａから導出されている。１５は伝熱管１４を炉
内に支持する耐熱鋳鋼製のチユーブサポートで第
５図に示す如く伝熱管１４内周の複数位置におい
て上・下方向に延びる支柱部１５ａと、該支柱部
１５ａから外向きに多数段状に張り出す支承爪１
５ｂとからなり、多段をなして配列された伝熱管
１４の各管部下端を支承爪１５ｂ上に刀掛け式に
支承する。

このチユーブサポート１５は、下端部が炉床１
２Ａに固定支持されると共に上端部が天井部の炉
壁１２の貫通孔１２ａを突き抜けた状態で支持さ
れ炉内で高温にさらされた時の熱膨張分をこの貫
通孔１２ａで逃すようにしている。

１６は伝熱管１４内周外側面を加熱する第１の
熱源となるフロアバーナで配列された伝熱管１４
内側面と対面して炉床１２Ａの中央位置に複数一
定間隔で離間して列状に配設され、上方向に火炎
を生じしめるようになつている。１７は伝熱管１
４外周外側面を加熱する第２の熱源となる線形の
ウオールバーナで、炉壁１２内周部の最下端位置
において周方向に一定の間隔で離間して複数備え
られている。

このウオールバーナ１７は、炉壁１２から上方
向に屈折されたバーナ部１７ａと同方向に屈折さ
れたバーナタイルのブロツク部１７ｂとからな
り、炉壁１２内面に沿つて上方向に偏平な形状の
火炎を形成して該炉壁１２を加熱する構成であ
り、炉壁１２からの幅射熱で伝熱管１４外周外側
面を加熱する。１８及び１９はそれぞれ前記２種
のフロアバーナ１６とウオールバーナ１７用のウ
インドボツクスで、各バーナ１６，１７から発生
する騒音を低減する消音器としての役目を行う。

尚、本実施例においては上記のフロアバーナ１
６を４基、ウオールバーナ１７を12基備えてある
が炉の大きさに応じてその数を自由に設定するこ
とができる。この場合、フロアバーナ１６相互の
最短バーナ中心間距離ｃ及びウオールバーナ１７
相互の最短バーナ中心間距離ｄは、個々のバーナ
の火炎どうしの干渉によつて不完全燃焼の原因と
なるのを防ぐために、次式を満足するのが好し
い。

ｃ≧ｋ＋0.1 〔ｍ〕 ｄ≧ｆ＋0.1 〔ｍ〕 但し、ｋはフロアバーナ１６の火炎の最大直径
〔ｍ〕で、ｆはウオールバーナ１７のブロツク
部１７ｂ最大巾〔ｍ〕を示す。

一方、30は天井部の炉壁１２に燃焼室１３内と
連通して設けられた燃焼排ガス排出用の煙突で、
断熱材３０ａが内張りされている。３１は煙突３
０内に配設された燃焼排ガスドラフト調整用ダン
パで、適宜手動で制御してセツトしておく。

かかる構成の加熱炉において、被加熱流体は伝
熱管１４の入口部１４ａから導入され、該伝熱管
１４内を上方から下方に降下しながら流動して出
口部１４ｂに至る間に、内・外周両外側面から輻
射伝熱を受けて加熱される。

尚、伝熱管１４は、両バーナ１６，１７による
燃焼排ガスの燃焼室１３内流動に伴い若干の対流
熱伝達が付与されることは勿論である。

前記スパイラル状伝熱管１４の曲部分１４Ｂの
中心曲率半径ｒは管内直径ｈの５倍以上好ましく
は7.5倍以上あれば、曲部分１４Ｂでの摩耗等の
損傷やスラリー中の固体が沈澱して伝熱管１４が
詰まる虞はない。これを、コールスラリーを被加
熱流体とした内径４インチの加熱炉に関してスタ
デーした結果を交え、更に詳しく述べる。

スラリーの流速が1.2〜3.2m／sec.の範囲では、
伝熱管の曲部分のエロージヨンによる減肉量と伝
熱管の直線部分のエロージヨンによる減肉量との
割合ηは、第７図の如き状態となる。尚、第７図
中のｒ／ｈ，ηは次に示されるものである。

ｒ／ｈ＝伝熱管の中心曲率半径〔ｍ〕／伝熱管の内径
〔ｍ〕 η＝伝熱管の曲部分の減肉量〔mm／日〕／伝熱管の直
線部分の減肉量〔mm／日〕 一方、コールスラリーの如きスラリーの場合、
伝熱管の入口近傍では、流体中に含まれる石炭粒
の溶解が始まつていないため、特に石炭粒である
固相が多い。スラリーを被加熱流体とする伝熱管
の曲部分（ベント）の曲率半径が適当でないと、
この曲部分で詰まり（plugging）を起こすことに
なる。４インチの管を用いたスタデーによると、
この曲部分で詰まりを起こす速度は第８図で示さ
れる。尚、第８図中のμ，v_cは次に示されるもの
である。

μ：石炭のの平均粒度〔MESH〕 v_c：詰まりを起こさない最低流速〔ｍ／Ｓ〕 又、ｒ／ｈは第７図と同じものである。この第
７図と第８図から明らかなように、ｒ／ｈ≧５好
ましくはｒ／ｈ≧7.5の範囲においては、特に伝
熱管の曲部分における悪影響は少なく、直線部分
と略同等に設計できることが判る。

更に、伝熱管１４のスパイラル形状の上下方向
における局部的加熱を防止するためには、上記中
心曲率半径ｒや炉壁１２表面から伝熱管１４の中
心までの間隔ａが下記の式を更に満足するのが好
ましい。

即ち、中心曲率半径ｒにおいては、下記三式を
同時に満足する中心曲率半径ｒ〔単位：ｍ〕であ
ることが好しい。

ｒ≧５×ｈ（好しくはｒ≧7.5×ｈ） ……(1) ｒ≧0.28×ｇ＋0.20 ……(2) ｒ≧0.13×ｂ ……(3) 但し、 ｇ：フロアバーナ１６の１基当たりの熱量〔×
10⁶Kcal／Hr〕 ｈ：伝熱管１４の管直径〔ｍ〕 ｂ：伝熱管１４のスパイラル形状の縦長さ、即
ち最上段と最下段の伝熱管１４のセンター
間距離〔ｍ〕 上記(2)式は、伝熱管１４をフロアバーナ１６か
らはなさなければならない最低の距離を意味し、
上記(3)式はフロアバーナー１６によるスパイラル
状伝熱管１４の上下方向への吸熱分布を一様にす
るために守る必要のある最低値を意味する。

炉壁１２表面から伝熱管１４の中心までの間隔
ａ〔単位：ｍ〕においては、下記式を満足する値
であることが好しい。

上記伝熱管１４のスパイラル形状の縦長さｂ
が11.2m未満の場合、 0.848≦ａ ……(4) さらに好ましくは、 0.848≦ａ＜1.272 ……(4)′ 伝熱管１４のスパイラル形状の縦長さｂが
11.2m以上の場合、 0.0757×ｂ≦ａ ……(5) さらに好ましくは、 0.0757×ｂ≦ａ＜0.1135×ｂ ……(5)′ 上記(4)，(5)式はウオールバーナ１７による伝熱
管１４のスパイラル形状の上下方向への吸熱分布
を一様にするために守る必要のある最低値を意味
する。

そして、上記実施例の加熱炉を例えば石炭液化
プラントにおけるコールスラリー加熱炉として使
用した場合、縦方向の中心曲率半径が伝熱管内直
径の５倍以上の曲部分１４Ｂを有する長円スパイ
ラル状伝熱管１４を設けた点と、該伝熱管１４を
フロアバーナ１６とウオールバーナ１７とによる
両面加熱，構造にした点と、により次のような利
点を有する。

(1) 管内直径の２倍以下の短い直径の180゜uベン
ドは使用せず、管内直径の５倍以上の中心曲率
半径を有した長円スパイラル状伝熱管を設けた
から、曲部分で流体のエロージヨンが生じず、
管部の摩耗等の損傷が発生しにくい。又、スラ
リー中の固体（石炭）が沈澱して伝熱管が詰る
恐れがない。

(2) 伝熱管がループ状配管列の内周外側面及び外
周外側面より均一に加熱さ、局部的な過熱部分
が生じにくく、流体がコーキングしにくいた
め、管の詰り等を引き起すことがない。

例えば、伝熱管の管外直径の２倍のピツチで
伝熱管を配列した場合、同一のヒートフラツク
ス（伝熱管の単位表面積当りの熱吸収量）とす
れば、両面加熱の場合は従来の片面加熱の場合
に比較して火炎に面した側に発生する最大ヒー
トフラツクスは1.5分の１となる。

(3) 流体は常に下降流となり流れが一方向に保持
されるため、伝熱管が振動を起こしにくい。

(4) 伝熱管は直線部分を長く形成して長径部分の
長い構成にすれば容易に大型化でき、従来の単
なる円形スパイラル状伝熱管のように構造上の
制約を受けることがなく、大型化しても両面加
熱構造によつて均一な加熱状態を維持できる。

従つて、大型炉を何ら制限を受けずに制作する
ことができる。

次に、本発明の他の実施例を第６図Ａ，Ｂに基
づいて説明する。

このものは第５図に示した加熱炉構造を大型設
備に適用した例を示すもので、加熱炉本体ケーシ
ング２０には、第４図の炉内構造と同じく、鉛直
軸を含むように巻かれた長円スパイラル状伝熱管
２４と、フロアバーナ２６びウオールバーナ２７
と、が夫々配設された２つの輻射室２３と、これ
ら輻射室２３間中央に縦方向に延びた構造で燃焼
排ガスから主として対流伝熱により熱回収を行な
う熱回収部２０Ａが設けられた構造である。そし
て、前記伝熱管２４は夫々直線部分を長く形成し
て長径方向に長く形成することにより大型化さ
れ、この大型化に伴つてフロアバーナ２６及びウ
オールバーナ２７数が増加されている。尚、ウオ
ールバーナ２７は伝熱管２４スパイラル形状の高
さ方向を長く形成した場合には、第４図に示すよ
うに、炉壁下部外周部分に配設しただけでは均一
な加熱を行えないため、鉛直軸を含むように巻か
れたに示すように炉壁内周に横列２段に配設す
る。この場合、前記伝熱管２４のスパイラル形状
の縦長さｂがｂ≦5.6mのときは、ウオールバー
ナ２７の横列段数は１段とし、ｂ＞5.6mのとき
は横列段数を２段とするのが好しい。勿論、伝熱
管２４の大きさに応じ、横列多段に配設すること
が出来る。又、前記熱回収部２０Ａを設けた効果
は、高温の燃焼排ガスを用いて、他の加熱を必要
とするプロセス流体を加熱したり、又は適当なプ
ロセス流体がない時には廃熱ボイラを設置して蒸
気を発生させることにより熱回収を行ない、加熱
炉全体の熱効率向上が図れるものである。

更に複数の輻射室２３即ち炉を設けた効果は次
のようである。

コールスラリー加熱炉においては、どのように
設計しても多かれ少なかれ伝熱管内でコールスラ
リーがコーキングを起こす。

従つて、蒸気と空気とを伝熱管内に送り込み管
内壁に付着しているコークを取り去る運転即ちデ
コーキングオペレーシヨンを定期的に行うのが通
例であるが、本実施例のように複数設けた場合に
は、炉の一基を予備炉として順に前記デコーキン
グオペレーシヨンを行えば、加熱炉自体の稼動を
停止させずに済み、運転効率の低下を招くのを阻
止できるという効果がある。

以上説明したように本発明の管式加熱炉は、伝
熱管として、直線部分と管内直径の５倍以上の中
心曲率半径を有する曲部分とからなる縦方向のス
パイラル状のものを用いると共に、この伝熱管を
内・外周の両面加熱構造としたことにより、被加
熱流体をおだやかに均一加熱することができ、伝
熱管に局部的な過熱部分が生じるのを極力防止す
ることができると共に180゜uベンドの使用を廃止
した構造であるから曲部分の内壁がエロージヨン
により摩耗して損傷を受けたり、流体中の固体分
が沈澱して管の詰りを生じるのを極力防止でき
る。

又、流体の流れ方向を下降流或いは上昇流の一
方向に保持でき伝熱管の振動発生を抑えることが
できる。更に伝熱管の構造上大型に設計すること
ができ、加熱炉の大型化を容易に図れる利点があ
る。

本発明の管式加熱炉は、各種加熱流体を問題な
く加熱することができるものであるが、特に、本
発明に係る加熱炉を石炭液化プラントにおいてコ
ールスラリーの予熱工程で用いられるコールスラ
リーを加熱する管式加熱炉として使用すれば、気
体（主に水素ガス），液体（溶剤），固体（石炭）
の３相のコールスラリーの加熱に際してエロージ
ヨン，コーキング等に対する耐久性，寿命の問題
などを技術的に解決できる多大なる効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は、石炭液化プロセスを示すブロツク
図、第２図及び第３図は従来の管式加熱炉の構造
を示す図で、第２図Ａ及び第３図Ａは夫々正面縦
断面図、第２図Ｂは平面横断面図、第３図Ｂは側
面縦断面図、第４図は本発明に係る管式加熱炉の
構造を示す図で、Ａは正面縦断面図、ＢはＡのＡ
―A′矢視断面図、第５図は同上の炉における伝
熱管支持構造を示す部分図、第６図は本発明の他
の実施例を示す図で、Ａは正面縦断面図、Ｂは平
面横断面図、第７図は伝熱管の曲部分のエロージ
ヨンによる減肉量と伝熱管の直線部分のエロージ
ヨンによる減肉量との割合を示すグラフ、第８図
は伝熱管の曲部分で詰まりを起こすスラリーの速
度を説明するグラフである。 １０，２０……本体ケーシング、１２……炉
壁、１３，２３……燃焼室、１４，２４……伝熱
管、１４Ａ……直線部分、１４Ｂ……曲部分、１
６，２６……フロアバーナ（第１の熱源）、１７，
２７……ウオールバーナ（第２の熱源）。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 伝熱管を加熱することにより該管内の被加熱
   流体を加熱する管式加熱炉内に、直線部分と管内
   直径の５倍以上の中心曲率半径を有する曲部分と
   からなり鉛直軸を含むように巻かれたスパイラル
   状伝熱管を備えると共に、該炉内に前記スパイラ
   ル状伝熱管の内周外側面を加熱する第１の熱源
   と、外周外側面を加熱する第２の熱源と、を備え
   たことを特徴とする管式加熱炉。 ２ スパイラル状伝熱管は、管内直径の7.5倍以
   上の中心曲率半径を有する曲部分を有してなる特
   許請求の範囲第１項記載の管式加熱炉。 ３ 加熱炉は、伝熱管とバーナからなる熱源とを
   それぞれ備えた複数の輻射室と、該輻射室間に設
   けられ該室内の燃焼排ガスの熱を回収する熱回収
   部とを有することを特徴とする特許請求の範囲第
   １項又は第２項記載の管式加熱炉。 ４ スパイラル状伝熱管は、炉壁に支持されたチ
   ユーブサポートに支えられ、該炉壁にはそのチユ
   ーブサポートの熱膨張時の逃げ部が設けられたこ
   とを特徴とする特許請求の範囲第１項〜第３項の
   うちいずれか１つに記載の管式加熱炉。 ５ 第１の熱源が、炉内下部の中央位置に列状に
   複数配設され、第２の熱源が炉内周壁に沿つて横
   列多段に複数配列されていることを特徴とする特
   許請求の範囲第１項〜第４項のうちいずれか１つ
   に記載の管式加熱炉。