JP2004225951A

JP2004225951A - 排ガスの廃熱回収装置及びその運転方法

Info

Publication number: JP2004225951A
Application number: JP2003011899A
Authority: JP
Inventors: Toshimitsu Kamiya; 敏光神谷; Yukinori Matsuura; 幸宣松浦
Original assignee: JFE Engineering Corp
Current assignee: JFE Engineering Corp
Priority date: 2003-01-21
Filing date: 2003-01-21
Publication date: 2004-08-12

Abstract

【課題】別系統の熱源を使用することなく、熱交換器の伝熱管の長寿命化を図ることができ、廃棄物焼却設備の排ガスの熱回収においても設備の保守管理コストの上昇が抑えられる、排ガスの廃熱回収装置及びその運転方法を提供すること。
【解決手段】廃熱回収装置はボイラにより熱回収された排ガスの保有熱を熱交換器により回収する装置であって、熱交換器１２の熱媒排出ライン２２に、熱交換器の熱媒供給ライン２１へ熱媒を循環する循環ライン２３を設けるとともに、熱交換器１２により熱交換された排ガスの温度測定手段３０と、排ガスの温度測定手段３０による測定値に基づき熱交換器１２への熱媒供給量を制御する熱媒供給量制御手段２９と、熱交換器１２に供給される熱媒の温度測定手段２６と、熱媒の温度測定手段２６による測定値に基づき循環ライン２３を経由して熱交換器１２へ循環する熱媒循環量を制御する熱媒循環量制御手段２５とを備えている。
【選択図】図２

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ボイラにより熱回収された排ガスの保有熱を回収するための廃熱回収装置及びその運転方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ガス燃料や液体燃料を燃焼させて発生させた高温の燃焼ガスをボイラへ導入して熱回収した後、その排ガスの保有熱を回収する技術がある。しかし、この技術においては、熱回収される排ガスの温度が低いため、熱回収後の排ガスの温度が低温腐食領域になる場合がある。例えば、いわゆる重油焚きボイラプラントの排ガスの熱回収においては、重油に含まれている硫黄の燃焼によって腐食性の硫黄酸化物のガスが発生するため、熱交換器の伝熱管が酸露点以下の温度の排ガスと接触するようになる条件で熱回収すると、伝熱管が著しく腐食される。
【０００３】
上記重油焚きボイラプラントの排ガスからの熱回収においては、伝熱管の腐食を抑制するために、排ガスが酸露点以下にならないようにする手段が講じられた提案がある（例えば、特許文献１、特許文献２）。特許文献１においては、熱交換器の入側配管と出側配管の間にバイパス配管を設け、入側配管の給水の一部を熱交換器へ通水しないでバイパス配管を経由して出側配管へ流して排出するようになっている。これにより、熱交換器へ通水する給水量が多過ぎて排ガスが過度に冷却されることがなくなるので、熱交換された後の排ガスの温度が酸露点以下にならないように維持される。
【０００４】
又、特許文献２においては、熱交換器の伝熱管内の流体温度を高めて伝熱管の表面温度を酸露点以上にするために、熱交換器の入口へ高温水を導入する高温循環系統が設けられている。高温循環系統を循環しながら熱交換器の入口へ導入される高温水は低圧給水加熱器で加熱されてから脱気されたものである。
【０００５】
なお、高温の燃焼排ガスをボイラへ導入して熱回収する設備としては、重油焚きボイラプラントの他に、都市ごみ等の廃棄物を焼却する廃棄物焼却設備があるが、廃棄物焼却設備においては、空気予熱器などが設けられている一部の設備を除き、ボイラにより熱回収された排ガスからの保有熱の回収は行われていない。
【０００６】
【特許文献１】
特開２０００−３３７６０３号公報
【０００７】
【特許文献２】
特開平１０−５４５０１号公報
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
特許文献１に記載されている保有熱の回収においては、熱回収後の排ガスの温度が酸露点以下にならないようにする操作が行われるが、伝熱管の腐食は、排ガスの平均温度が酸露点以下になった場合に起こるのではなく、伝熱管の表面に接した排ガスの温度が限度以下に低下した場合に発生する。このため、熱回収後の排ガスの温度を基準にした運転を行っても、必ずしも伝熱管表面の排ガス温度が腐食が抑制される温度域になっているとは限らない。
【０００９】
又、特許文献２に記載されている保有熱の回収においては、熱交換器の入口へ循環させる高温水が低圧給水加熱器で加熱されたものであり、廃熱回収装置以外の別系統の熱源が使用されている。
【００１０】
そして、前述のように、廃棄物焼却設備においては、一部の設備を除き、ボイラにより熱回収された排ガスの熱回収が行われておらず、本来、回収可能な熱が廃棄されている。これは、廃棄物焼却排ガス、特に、都市ごみ焼却排ガス中には腐食性の強い塩化水素が含まれているので、ボイラにより熱回収されて温度が低下した排ガス中においては、通常のボイラ・熱交換器用の炭素鋼鋼管などの材質からなる伝熱管では、激しく腐食され、実用に供することはできない。伝熱管の材質をハステロイやインコネルなどの高耐食性合金鋼にすれば、実用化が可能になるが、耐用期間が非常に短く、設備の保守管理コストが非常に高くなる。
【００１１】
本発明は、上記の問題を解決し、廃熱回収装置以外の別系統の熱源を使用することなく、熱交換器の伝熱管の長寿命化を図ることができ、さらに廃棄物焼却設備における排ガスの保有熱回収に際しても設備の保守管理コストの上昇が抑えられる、排ガスの廃熱回収装置及びその運転方法を提供することを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決するために、請求項１の発明に係る排ガスの廃熱回収装置は、ボイラにより熱回収された排ガスの保有熱を熱交換器により回収する廃熱回収装置であって、前記熱交換器の熱媒排出ラインに、前記熱交換器の熱媒供給ラインへ熱媒を循環する循環ラインを設けるとともに、前記熱交換器により熱交換された排ガスの温度測定手段と、前記排ガスの温度測定手段による測定値に基づき前記熱交換器への熱媒供給量を制御する熱媒供給量制御手段と、前記熱交換器に供給される熱媒の温度測定手段と、前記熱媒の温度測定手段による測定値に基づき前記循環ラインを経由して前記熱交換器へ循環する熱媒循環量を制御する熱媒循環量制御手段とを備えたことを特徴としている。
【００１３】
請求項２の発明に係る排ガスの廃熱回収装置の運転方法は、熱媒排出ラインに熱媒供給ラインへ熱媒を循環する循環ラインを設けた熱交換器を用いて、ボイラにより熱回収された排ガスの保有熱を回収する廃熱回収装置の運転方法であって、前記熱交換器により熱交換された排ガスの温度を測定し、該測定値に基づき前記熱交換器への熱媒供給量を制御するとともに、前記熱交換器に供給される熱媒の温度を測定し、該測定値に基づき前記循環ラインを経由して前記熱交換器へ循環する熱媒循環量を制御することを特徴としている。
【００１４】
伝熱管の低温腐食は、主として伝熱管との界面における排ガスの温度が酸露点以下になった場合に管表面に酸が結露することにより始まる。しかし、伝熱管表面の排ガス温度の低下がある限度までにとどまっていれば、著しい腐食は回避される。伝熱管表面の排ガス温度は、主に熱交換器へ導入される排ガスの温度、伝熱管へ導入する熱媒の温度、熱媒の流量などが変化することにより変動する。このため、排ガス側の条件が変わった場合、熱媒の温度又は流量、又はその双方を調整することにより、伝熱管表面の排ガス温度を変えることができる。
【００１５】
なお、伝熱管との界面における排ガスの温度は伝熱管の表面温度に近似しているものとみることができるので、導入する熱媒の温度と伝熱管の表面温度との関係を調べることにより、その運転条件における熱媒温度に対する伝熱管の表面温度を推定することができる。このため、導入する熱媒の温度を所定値に制御することにより、伝熱管の表面温度を目標値付近に維持することができ、従って、伝熱管表面の排ガス温度を目標値付近に維持することができる。
【００１６】
本発明においては、伝熱管表面の排ガス温度を所定の温度範囲内に維持することができるようにする手段が設けられている。すなわち、本発明においては、熱交換器の熱媒排出ラインから熱交換器の熱媒供給ラインへ熱媒を返送して循環させる循環ラインが設けられており、熱交換器から排出された熱媒が循環ラインを経由して再び熱交換器へ送られるようになっている。そして、循環ラインを流れて返送される熱媒の流量を制御する熱媒循環量制御手段が設けられているので、加熱された適量の熱媒を混合することにより、熱交換器へ導入する熱媒の温度を所定温度まで昇温することができ、これにより、伝熱管表面の排ガス温度は所定の温度範囲内に維持される。
【００１７】
又、熱交換器により熱回収された後の排ガスの温度測定値に基づいて、加熱されて排出される熱媒の流量（復水器から熱交換器へ供給される熱媒の流量に相当）を制御する手段が設けられているので、熱交換器による熱回収量に応じて復水器から熱交換器へ導入される熱媒の流量が調節され、排ガスの熱回収量が適度の範囲に調整される。このため、熱回収後の排ガスの温度を低温腐食が緩和される領域に維持することができる。これにより、排ガスの熱回収が最大限に行われる。又、熱回収後の排ガスの温度が過度に低下することがないので、熱交換器より下流の装置の腐食が防止される。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、図面に基づいて本発明を具体的に説明する。図１は本発明の廃熱回収装置が設けられた廃棄物焼却設備の一例を示す図である。図１において、１０は都市ごみなどの廃棄物を焼却する廃棄物焼却炉、１１はボイラ、１２は廃熱回収装置の熱交換器、１３は集塵機、１４は送風機、１５は煙突である。排ガスの保有熱を回収する熱交換器１２はボイラ１１の出側ダクトに接続されている。熱交換器１２には、ボイラ１１により熱回収された２８０℃〜３００℃程度の排ガスが導入され、その伝熱管２０にボイラの復水器から送られてくる熱媒が導入される。伝熱管２０で加熱された熱媒はボイラの脱気器へ送られる。
【００１９】
図２は本発明の廃熱回収装置に係る構成の一例を示す図である。図２において、１２は熱交換器、２０は伝熱管を示す。２１は熱交換器１２の入口に接続され、ボイラの復水器から送られてくる熱媒を熱交換器１２へ供給する熱媒供給ライン、２２は熱交換器１２の出口に接続され、加熱された熱媒をボイラの脱気器へ送る熱媒排出ラインである。図中、３３は復水器から直接に脱気器へ送られる熱媒の配管である。
【００２０】
熱媒排出ライン２２には分岐されて熱媒供給ライン２１に接続された熱媒循環ライン２３が設けられている。この熱媒循環ライン２３には、ポンプ２４が配置されており、熱媒排出ライン２２を流通する熱媒の一部を熱媒供給ライン２１へへ戻して循環させることができるようになっている。この熱媒循環ライン２３を設けたことにより、ボイラの復水器から送られてくる熱媒に熱交換器１２で加熱された熱媒を加えることができるので、熱交換器１２へ導入する熱媒の温度を高めることが可能になっている。
【００２１】
そして、熱媒供給ライン２１には熱交換器１２へ供給される熱媒の温度を測定する熱媒温度測定手段２６が設けられており、又、熱媒循環ライン２３を流れる熱媒の流量を制御する熱媒循環量制御手段２５が設けられている。熱媒循環量制御手段２５は熱媒循環ライン２３に設けられた流量調節弁２８と、熱媒温度測定手段２６による温度測定値に基づいて流量調節弁２８へ流量変更の指示信号を発信する制御器２７からなる。このように、熱媒循環量が調節されるようになっているので、熱交換器１２へ導入する熱媒の温度を適度の範囲に調節することができる。
【００２２】
又、熱交換器１２には熱交換された後の排ガスの温度を測定する温度測定手段３０が設けられており、又、熱交換器１２へ供給する熱媒の流量を制御する熱媒供給量制御手段２９が設けられている。熱媒供給量制御手段２９は熱媒排出ライン２２に設けられた流量調節弁３２と、温度測定手段３０による温度測定値に基づいて流量調節弁３２へ流量変更の指示信号を発信する制御器３１からなる。熱媒供給量制御手段２９によって、熱媒排出ライン２２から排出される熱媒の流量を制御することにより、復水器から熱交換器１２へ供給される熱媒の流量が制御されるので、熱交換後の排ガス温度に応じた熱回収が行われる。このため、熱交換された排ガスの温度が低温腐食領域にならない範囲で熱回収を行うことができる。
【００２３】
上記の構成による廃熱回収装置の運転は次のように行われる。温度測定手段３０によって熱交換器１２により熱交換された排ガスの温度が連続的に測定され、この排ガスの温度測定値に基づいて、流量調節弁３２が調節され、復水器から熱交換器１２へ供給される熱媒の供給量が制御される。この熱媒の供給量制御により、熱交換された排ガスの温度が所定範囲内になるように維持される。又、温度測定手段２６によって熱交換器１２へ供給される熱媒の温度が連続的に測定され、この熱媒の温度測定値に基づいて流量調節弁２８が調節され、循環ライン２３を経由して熱交換器１２へ循環する熱媒循環量が制御される。この熱媒循環量の制御により、熱交換器１２へ供給される熱媒の温度が所定範囲内に維持される。
【００２４】
そして、上記廃熱回収装置の運転管理は次のように行われる。熱交換器入口の熱媒温度は、伝熱管表面温度の目標値に対応する温度を管理値とする。この熱媒温度の管理値は、後述のように、伝熱管２０の腐食速度を考慮すると、７０℃以上にするのがよい。又、熱交換後の排ガスの温度は、下流側の装置の腐食を考慮して決定する。ごみ焼却設備に廃熱回収設備を設置した場合には、熱交換後の排ガスの温度は、通常、１５０℃〜１６０℃程度の範囲で管理される。
【００２５】
【実施例】
ある地方自治体のごみ焼却設備から排出される排ガス中に、保有熱を回収するための熱交換器を設置し、伝熱管の腐食状況を調べる試験を行った。この試験においては、ごみ焼却設備のボイラ出口のダクトに分岐を設け、その分岐ラインに熱交換器を設置した。熱交換器の伝熱管の材質はインコネル６８６にした。そして、入口熱媒温度と伝熱管の表面温度を測定しながら、６０４０時間の運転を行った。上記の温度測定結果によると、伝熱管の表面温度と入口熱媒温度の差は約１０〜２０℃であった。
【００２６】
伝熱管の腐食量を測定した結果は図３に示す。図中、●は試験前と試験後の管径測定値の差から求めた減肉量を示し、○は試験前と試験後の管径測定値の差から求めた減肉量に局部腐食量を加えた値（最大腐食量）を示す。この図によれば、管表面温度７０℃〜１０５℃の範囲におけるインコネル６８６の伝熱管腐食量は、温度が上昇するにしたがって減少する傾向にある。最大腐食量の変化をみると、伝熱管の表面温度が８５℃の場合の腐食量は７０〜７５℃の場合の腐食量ｄに比べて半分（０．５ｄ）を下回る値になっている。従って、本発明の方法により廃熱回収を行う場合、伝熱管の表面温度が８５℃以上になるように熱交換器へ供給する給水温度を調節すれば、伝熱管の減肉速度を半分以下に小さくすることができ、伝熱管寿命を２倍以上にに伸ばすことができる。
【００２７】
【発明の効果】
以上述べた本発明によれば、廃熱回収装置以外の別系統の熱源を使用することなく、熱交換器の伝熱管の長寿命化を図ることができ、さらに廃棄物焼却設備における排ガスの保有熱回収に際しても設備の保守管理コストの上昇が抑えられる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の廃熱回収装置が設けられた廃棄物焼却設備の一例を示す図である。
【図２】本発明の廃熱回収装置に係る構成の一例を示す図である。
【図３】伝熱管の腐食量を測定した結果を示す図である。
【符号の説明】
１０廃棄物焼却炉
１１ボイラ
１２廃熱回収装置の熱交換器
２０伝熱管
２１熱媒供給ライン
２２熱媒排出ライン
２３熱媒循環ライン
２４ポンプ
２５熱媒循環量制御手段
２６熱媒温度測定手段
２７制御器
２８流量調節弁
２９熱媒供給量制御手段
３０排ガスの温度測定手段
３１制御器
３２流量調節弁

Claims

ボイラにより熱回収された排ガスの保有熱を熱交換器により回収する廃熱回収装置であって、前記熱交換器の熱媒排出ラインに、前記熱交換器の熱媒供給ラインへ熱媒を循環する循環ラインを設けるとともに、前記熱交換器により熱交換された排ガスの温度測定手段と、前記排ガスの温度測定手段による測定値に基づき前記熱交換器への熱媒供給量を制御する熱媒供給量制御手段と、前記熱交換器に供給される熱媒の温度測定手段と、前記熱媒の温度測定手段による測定値に基づき前記循環ラインを経由して前記熱交換器へ循環する熱媒循環量を制御する熱媒循環量制御手段とを備えたことを特徴とする排ガスの廃熱回収装置。
熱媒排出ラインに熱媒供給ラインへ熱媒を循環する循環ラインを設けた熱交換器を用いて、ボイラにより熱回収された排ガスの保有熱を回収する廃熱回収装置の運転方法であって、前記熱交換器により熱交換された排ガスの温度を測定し、該測定値に基づき前記熱交換器への熱媒供給量を制御するとともに、前記熱交換器に供給される熱媒の温度を測定し、該測定値に基づき前記循環ラインを経由して前記熱交換器へ循環する熱媒循環量を制御することを特徴とする排ガスの廃熱回収装置の運転方法。