JP2004092400A

JP2004092400A - 排熱回収気体予熱装置

Info

Publication number: JP2004092400A
Application number: JP2002250625A
Authority: JP
Inventors: Genichiro Nagahara; 永原　元一郎; Moichi Uji; 宇治　茂一
Original assignee: IHI Corp
Current assignee: IHI Corp
Priority date: 2002-08-29
Filing date: 2002-08-29
Publication date: 2004-03-25

Abstract

【課題】ガスタービン発電装置の高温の排気ガスを用いて、常温の気体を加熱して、約３００℃前後の清浄な加熱気体を製造し、これを乾燥装置などに供給してエネルギーロスを低減し、熱効率を高め、省エネルギー化を図ることができる排熱回収気体予熱装置を提供する。
【解決手段】ガスタービン発電装置１２と、ガスタービン発電装置の排気ガスで水蒸気を生成する排熱回収ボイラ１４と、水蒸気で気体を予熱する熱交換器１６とを備える。
【選択図】　　　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ガスタービンの排熱を利用した排熱回収気体予熱装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
食品や薬品の製造工程において、図６に示すように、燃料（例えばＬＮＧ）を空気加熱炉１で燃焼させて空気を加熱し、約３００℃前後の比較的低温の清浄な加熱空気を製造し、これを乾燥装置２に供給して湿った粉体等を乾燥させることが行われる。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
このような空気加熱炉１は、常温（２０℃前後）の空気を約３００℃まで加熱するため、加熱炉用の燃料を大量に必要とし、有効エネルギーロスが大きい問題点があった。
【０００４】
そこで、製造工程で必要となるガスタービン発電装置の高温（例えば約５２０℃）の排気ガスを用いて、空気又はガスと熱交換することが考えられるが、熱交換すべき空気又はガスとガスタービン発電装置との距離が離れている場合、ガスタービン排ガスの圧力損失が大きくなり、ガスタービンの効率を低下させる問題点がある。
【０００５】
またこの場合、清浄な加熱空気又はガスを製造するために、空気加熱炉は、ガス／ガスの間接熱交換器とならざるをえず、よく知られているように熱伝達率が非常に低く、そのため、巨大な熱交換器が必要となり、設備費用と効果の比（費用対効果）が小さく、現実的でない。
【０００６】
本発明は上述した問題点を解決するために創案されたものである。すなわち本発明の目的は、ガスタービン発電装置の高温の排気ガスを用いて、常温の気体を加熱して、約３００℃前後の清浄な加熱気体を製造し、これを乾燥装置などに供給してエネルギーロスを低減し、熱効率を高め、省エネルギー化を図ることができる排熱回収気体予熱装置を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、ガスタービン発電装置（１２）と、ガスタービン発電装置の排気ガスで水蒸気を生成する排熱回収ボイラ（１４）と、前記水蒸気で気体を予熱する熱交換器（１６）とを備える、ことを特徴とする排熱回収気体予熱装置が提供される。本発明の好ましい実施形態によれば、予熱された気体を更に加熱する気体加熱炉（１８）を備え、加熱気体を乾燥装置に供給する。
【０００８】
本発明の構成によれば、熱交換器（１６）において、水蒸気で気体を予熱するので、乾燥装置に供給する気体の温度を高め、気体加熱炉（１８）において予熱のための燃料が削減できる。また、熱交換器（１６）は、水蒸気と気体の間接熱交換器であり、水蒸気の凝縮を伴う水／蒸気二相流凝縮式熱交換器を使用することができ、高い熱伝達率が得られ、伝熱面積を小さくでき、ガスタービン熱交換器に比べコンパクトにできる。
【０００９】
さらに、熱交換器（１６）に供給する水蒸気は、排熱回収ボイラ（１４）により、ガスタービン発電装置（１２）の排気ガスの保有する熱エネルギーを回収して水蒸気を生成するので、余分な燃料を必要とせず、エネルギーロスを低減し、熱効率を高め、省エネルギー化を図ることができる。
【００１０】
また水蒸気を加熱媒体として使用するため、大きなガスタービン排ガスダクトを引き回す必要がなく、ガスタービンと乾燥装置の配置上の自由度を大きくとれる。
【００１１】
本発明の好ましい第１の実施形態によれば、前記熱交換器（１６）で生成された凝縮水をフラッシュさせるフラッシャー（２０）と、該フラッシャーで発生した飽和蒸気をプロセスに送出するライン（２２）と、温水をタンクに戻すライン（２３）とを備える。
【００１２】
この構成により、凝縮水の保有エネルギーを更に有効利用でき、エネルギーロスを更に低減し、熱効率を更に高め、省エネルギー化を更に図ることができる。
【００１３】
本発明の好ましい第２の実施形態によれば、前記熱交換器（１６）は、排熱回収ボイラ（１４）で生成された過熱蒸気を凝縮させる高温熱交換器（１６ａ）からなる。また、別の実施形態によれば、前記熱交換器（１６）は、排熱回収ボイラ（１４）で生成された過熱蒸気を凝縮させる高温熱交換器（１６ａ）と、該凝縮水で気体を予熱する低温熱交換器（１６ｂ）とからなる。
【００１４】
この構成により、高温熱交換器（１６ａ）により、過熱蒸気で気体を予熱するので、乾燥装置に供給する気体の温度を更に高め、気体加熱炉（１８）において予熱のための燃料を更に削減できる。また、高温熱交換器（１６ａ）は、過熱蒸気の凝縮を伴う水／蒸気二相流凝縮式熱交換器を使用することができ、高い熱伝達率が得られ、伝熱面積を小さくでき、ガスタービン熱交換器に比べコンパクトにできる。さらに、低温熱交換器（１６ｂ）は、凝縮した高温水と気体との液／ガスの熱交換器であり、ガス／ガスの間接熱交換器に比べて小さくでき、かつ凝縮水の保有熱を十分に回収して、熱効率を更に高めることができると共に、ボイラ水の循環使用ができ、給水の必要量を大幅に低減することができる。
【００１５】
また本発明によれば、ガスタービン発電装置（１２）と、ガスタービン発電装置の排気ガスで熱媒体（２５）を加熱する熱媒体加熱用熱交換器（２６）と、前記熱媒体で気体を予熱する空気予熱用熱交換器（２８）とを備える、ことを特徴とする排熱回収気体予熱装置が提供される。本発明の好ましい実施形態によれば、予熱された気体を更に加熱する気体加熱炉（１８）を備え、加熱気体を乾燥装置に供給する。
【００１６】
本発明の構成によれば、空気予熱用熱交換器（２８）において、熱媒体（２５）で気体を予熱するので、乾燥装置に供給する気体の温度を高め、気体加熱炉（１８）において予熱のための燃料が削減できる。また、空気予熱用熱交換器（２８）は、熱媒体（例えばＨｏｔ　Ｏｉｌ）と気体の間接熱交換器であるので、高い熱伝達率が得られ、伝熱面積を小さくでき、ガスタービン熱交換器に比べコンパクトにできる。
【００１７】
さらに、空気予熱用熱交換器（２８）に供給する熱媒体は、熱媒体加熱用熱交換器（２６）により、ガスタービン発電装置（１２）の排気ガスの保有する熱エネルギーを回収して熱媒体を高温にするので、余分な燃料を必要とせず、エネルギーロスを低減し、熱効率を高め、省エネルギー化を図ることができる。
【００１８】
また熱媒体（例えばＨｏｔ　Ｏｉｌ）を加熱媒体として使用するため、大きなガスタービン排ガスダクトを引き回す必要がなく、ガスタービンと乾燥装置の配置上の自由度を大きくとれる。
【００１９】
【発明の実施の態様】
以下、本発明の好ましい実施形態を図面を参照しつつ説明する。なお、共通する部分には同一の符号を付し、重複した説明を省略する。
【００２０】
図１は、本発明の排熱回収気体予熱装置の第１実施形態図である。本実施例では、気体として空気を用いた場合について説明する。
図１に示すように、本発明の排熱回収気体予熱装置１０（この例では排熱回収空気予熱装置）は、ガスタービン発電装置１２、排熱回収ボイラ１４、熱交換器１６、気体加熱炉１８、フラッシャー２０、プロセス蒸気送出ライン２２および温水をタンクに戻すライン２３を備える。
【００２１】
ガスタービン発電装置１２は、空気圧縮機１２ａ、タービン１２ｂ、燃焼器１２ｃ、減速機１２ｄ、及び発電機１２ｅを備える。空気圧縮機１２ａで空気を吸気して圧縮し、燃焼器１２ｃで燃料（例えばＬＮＧ）を燃焼させ、タービン１２ｂで動力を回収して、圧縮機１２ａ、減速機１２ｄ、及び発電機１２ｅを駆動して発電する。タービン１２ｂを出た高温（約５２０℃）の燃焼排ガスは、排熱回収ボイラ１４に供給される。
【００２２】
排熱回収ボイラ１４は、ガスタービン発電装置１２の下流側に設けられる。排熱回収ボイラ１４は、この例では、飽和蒸気ボイラ１４ａとエコノマイザ１４ｂからなり、ガスタービン発電装置１２の排気ガスで水蒸気（飽和蒸気）を生成すると共に、給水を予熱し、低温となった排気ガスは図示しない煙突等から外部に排気される。また、発生した飽和蒸気は水蒸気ライン１５を介して、熱交換器１６の蒸気側に供給される。
排熱回収ボイラ１４の運転圧力が２０ｋｇ／ｃｍ^２Ａの場合、飽和蒸気温度は約２１１℃である。
【００２３】
熱交換器１６は、この例では、飽和蒸気の凝縮を伴う水／蒸気二相流凝縮式熱交換器であり、例えば約２１１℃の飽和蒸気で常温空気（約２０℃）を約１９０℃まで予熱し、飽和蒸気は約２１１℃の飽和水となる。飽和水は、後述するフラッシャー２０に供給される。
また、熱交換器１６で約１９０℃まで予熱された予熱空気は、空気加熱炉１８に供給され、ここで燃料を燃焼させて更に加熱して、約３００℃前後の清浄な加熱空気を製造し、これを乾燥装置２に供給して湿った粉体等を乾燥させる。
【００２４】
フラッシャー２０は、膨張弁２０ａと気水分離器２０ｂからなり、凝縮水をフラッシュ（断熱膨張）して、低圧（例えば１１〜１２ｋｇ／ｃｍ^２Ａ）の飽和蒸気と飽和水（温水）となる。温水はこの例では、吸収式冷凍機に供給され、エネルギー回収される。
【００２５】
温水回収ライン２３は、排熱回収ボイラに水を供給するタンクに連結されており、フラッシャー２０で発生した温水を回収している。またこの例では、残りの水蒸気はプロセス蒸気ライン２２を通して外部に供給される。
【００２６】
図２は、図１の装置における熱交換説明図である。この図において、横軸は交換熱量、縦軸は温度であり、図中の各線は、排気ガス、水蒸気、空気を示している。
図２からわかるように、図１の装置では、熱交換器１６において、約２１１℃の飽和蒸気で空気を約１９０℃まで予熱できるので、乾燥装置２に供給する空気の温度が高くなり、空気加熱炉１８において常温から約１９０℃まで予熱する分の燃料が削減できる。
【００２７】
また、熱交換器１６は、水蒸気と空気の間接熱交換器であり、水蒸気の凝縮を伴う水／蒸気二相流凝縮式熱交換器を使用することができ、高い熱伝達率が得られ、伝熱面積を小さくでき、ガスタービン熱交換器に比べコンパクトにできる。
【００２８】
さらに、熱交換器１６に供給する水蒸気は、排熱回収ボイラ１４により、ガスタービン発電装置１２の排気ガスの保有する熱エネルギーを回収して水蒸気を生成するので、余分な燃料を必要とせず、エネルギーロスを低減し、熱効率を高め、省エネルギー化を図ることができる。
【００２９】
また水蒸気を加熱媒体として使用するため、大きなガスタービン排ガスダクトを引き回す必要がなく、ガスタービンと乾燥装置の配置上の自由度を大きくとれる。
【００３０】
更に、図１の第１の実施形態によれば、飽和蒸気及び温水を別々に送出するラインにより、凝縮水の保有エネルギーを更に有効利用でき、エネルギーロスを更に低減し、熱効率を更に高め、省エネルギー化を更に図ることができる。
【００３１】
図３は、本発明の排熱回収気体予熱装置の第２実施形態図である。この図において、本発明の排熱回収気体予熱装置１０は、ガスタービン発電装置１２、排熱回収ボイラ１４、および熱交換器１６を備える。この例では更に空気加熱炉１８を備える。
ガスタービン発電装置１２は、図１の第１実施形態と同様であるが、蒸気噴射をしないようになっている。しかし、蒸気ラインを分岐して蒸気噴射ラインを設け、蒸気噴射をするようにしてもよい。
【００３２】
排熱回収ボイラ１４は、この例では、飽和蒸気ボイラ１４ａ、エコノマイザ１４ｂ及び過熱管１４ｃからなり、ガスタービン発電装置１２の排気ガスで水蒸気（過熱蒸気）を生成する。発生した過熱蒸気は水蒸気ライン１５を介して、高温熱交換器１６ａの蒸気側に供給される。
排熱回収ボイラ１４の運転圧力が２０ｋｇ／ｃｍ^２Ａの場合、過熱蒸気温度は約４７０℃である。
【００３３】
熱交換器１６は、この例では、高温熱交換器１６ａと低温熱交換器１６ｂからなる。高温熱交換器１６ａは、過熱蒸気の凝縮を伴う水／蒸気二相流凝縮式熱交換器であり、例えば約４７０℃の過熱蒸気で常温空気（約２０℃）を約２３０℃まで予熱し、飽和蒸気は約２１１℃の飽和水となる。飽和水は、低温熱交換器１６ｂに供給される。
また、高温熱交換器１６ａで約２３０℃まで予熱された予熱空気は、空気加熱炉１８に供給され、ここで燃料を燃焼させて更に加熱して、約３００℃前後の清浄な加熱空気を製造し、これを乾燥装置２に供給して湿った粉体等を乾燥させる。
【００３４】
低温熱交換器１６ｂは、凝縮した高温水（約２１１℃）と空気との液／ガスの熱交換器である。低温熱交換器１６ｂで約７８℃まで熱回収された温水は、給水循環ライン２４を介してエコノマイザ１４ｂに供給され、給水の必要量を低減するようになっている。その他の構成は図１の第１実施形態と同様である。
【００３５】
図４は、図３の装置における熱交換説明図である。この図において、横軸は交換熱量、縦軸は温度であり、図中の各線は、排気ガス、水蒸気、空気を示している。
図４からわかるように、図３の装置では、高温熱交換器１６ａにおいて、約４７０℃の過熱蒸気で空気を約２３０℃まで予熱できるので、乾燥装置２に供給する空気の温度が更に高くなり、空気加熱炉１８において常温から約２３０℃まで予熱する分の燃料が削減できる。
【００３６】
また、高温熱交換器１６ａは、過熱蒸気の凝縮を伴う水／蒸気二相流凝縮式熱交換器を使用することができ、高い熱伝達率が得られ、伝熱面積を小さくでき、ガスタービン熱交換器に比べコンパクトにできる。さらに、低温熱交換器１６ｂは、凝縮した高温水と空気との液／ガスの熱交換器であり、ガス／ガスの間接熱交換器に比べて小さくでき、かつ凝縮水の保有熱を十分に回収して、熱効率を更に高めることができると共に、ボイラ水の循環使用ができ、給水の必要量を大幅に低減することができる。
【００３７】
図５は、本発明の排熱回収気体予熱装置の第３実施形態図である。この例において、本発明の排熱回収気体予熱装置１０は、ガスタービン発電装置１２と、ガスタービン発電装置の排気ガスで熱媒体２５（例えばＨｏｔ　Ｏｉｌ）を加熱する熱媒体加熱用熱交換器２６と、熱媒体２５で空気を予熱する空気予熱用熱交換器２８とを備え、加熱空気を乾燥装置に供給する。この例では更に、燃料を燃焼させて予熱された空気を間接加熱する空気加熱炉１８を備える。
【００３８】
図５の構成によれば、空気予熱用熱交換器２８において、熱媒体２５で空気を予熱するので、乾燥装置に供給する空気の温度を高め、空気加熱炉１８において予熱のための燃料が削減できる。また、空気予熱用熱交換器２８は、熱媒体（例えばＨｏｔ　Ｏｉｌ）と空気の間接熱交換器であるので、高い熱伝達率が得られ、伝熱面積を小さくでき、ガスタービン熱交換器に比べコンパクトにできる。
【００３９】
さらに、空気予熱用熱交換器２８に供給する熱媒体は、熱媒体加熱用熱交換器２６により、ガスタービン発電装置１２の排気ガスの保有する熱エネルギーを回収して熱媒体を高温にするので、余分な燃料を必要とせず、エネルギーロスを低減し、熱効率を高め、省エネルギー化を図ることができる。
【００４０】
また熱媒体（例えばＨｏｔ　Ｏｉｌ）を加熱媒体として使用するため、大きなガスタービン排ガスダクトを引き回す必要がなく、ガスタービンと乾燥装置の配置上の自由度を大きくとれる。
【００４１】
なお、本発明は上述した実施形態に限られるものではなく、発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能である。
【００４２】
【発明の効果】
上述したように、本発明の排熱回収気体予熱装置は、以下の特徴を有する。
（１）予熱のための燃料が削減でき、エネルギー消費の更なる改善が実現できる。
（２）水／蒸気二相流凝縮式熱交換器を使用するため、ガスタービン熱交換器に比べコンパクトとなる。
（３）水蒸気又はＨｏｔ　Ｏｉｌを加熱媒体として使用するため、大きなガスタービン排ガスダクトを引き回す必要がなく、ガスタービンと乾燥装置の配置上の自由度を大きくとれる。
【００４３】
従って、本発明の排熱回収気体予熱装置は、ガスタービン発電装置の高温の排気ガスを用いて、常温の空気を加熱して、約３００℃前後の清浄な加熱空気を製造し、これを乾燥装置に供給して湿った粉体等を乾燥させることができ、かつ、エネルギーロスを低減し、熱効率を高め、省エネルギー化を図ることができる、等の優れた効果を有する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の排熱回収気体予熱装置の第１実施形態図である。
【図２】図１の装置における熱交換説明図である。
【図３】本発明の排熱回収気体予熱装置の第２実施形態図である。
【図４】図３の装置における熱交換説明図である。
【図５】本発明の排熱回収気体予熱装置の第３実施形態図である。
【図６】従来の空気予熱装置の構成図である。
【符号の説明】
１　空気加熱炉、２　乾燥装置、
１２　ガスタービン発電装置、１２ａ　空気圧縮機、
１２ｂ　タービン、１２ｃ　燃焼器、
１２ｄ　減速機、１２ｅ　発電機、
１４　排熱回収ボイラ、１４ａ　飽和蒸気ボイラ、
１４ｂ　エコノマイザ、１４ｃ　過熱管、
１５　水蒸気ライン、
１６　熱交換器、１６ａ　高温熱交換器、１６ｂ　低温熱交換器、
１８　気体加熱炉、２０　フラッシャー、
２２　蒸気噴射ライン、２４　給水循環ライン、
２５　熱媒体、２６　熱媒体加熱用熱交換器、
２８　空気予熱用熱交換器

Claims

ガスタービン発電装置（１２）と、ガスタービン発電装置の排気ガスで水蒸気を生成する排熱回収ボイラ（１４）と、前記水蒸気で気体を予熱する熱交換器（１６）とを備える、ことを特徴とする排熱回収気体予熱装置。
予熱された気体を更に加熱する気体加熱炉（１８）を備え、加熱気体を乾燥装置に供給する、ことを特徴とする請求項１に記載の排熱回収気体予熱装置。
前記熱交換器（１６）で生成された凝縮水をフラッシュさせるフラッシャー（２０）と、該フラッシャーで発生した飽和蒸気をプロセスに送出するライン（２２）と、温水をタンクに戻すライン（２３）とを備える、ことを特徴とする請求項１に記載の排熱回収気体予熱装置。
前記熱交換器（１６）は、排熱回収ボイラ（１４）で生成された過熱蒸気を凝縮させる高温熱交換器（１６ａ）からなる、ことを特徴とする請求項１に記載の排熱回収気体予熱装置。
前記熱交換器（１６）は、排熱回収ボイラ（１４）で生成された過熱蒸気を凝縮させる高温熱交換器（１６ａ）と、該凝縮水で気体を予熱する低温熱交換器（１６ｂ）とからなる、ことを特徴とする請求項１に記載の排熱回収気体予熱装置。
ガスタービン発電装置（１２）と、ガスタービン発電装置の排気ガスで熱媒体（２５）を加熱する熱媒体加熱用熱交換器（２６）と、前記熱媒体で気体を予熱する空気予熱用熱交換器（２８）とを備える、ことを特徴とする排熱回収気体予熱装置。
予熱された気体を更に加熱する気体加熱炉（１８）を備え、加熱気体を乾燥装置に供給する、ことを特徴とする請求項６に記載の排熱回収気体予熱装置。