JP2005069575A - 熱交換器 - Google Patents

Abstract

【課題】 鋼製の伝熱板を保護する耐火物にクラックが発生しても、伝熱板に腐食が発生し難く、又、たとえ伝熱板に腐食が発生しても、腐食が拡大するのを防止できると共に、耐火物の脱落等の異常を早期に発見することができるようにする。
【解決手段】 ケーシング３内に伝熱面となる鋼製の伝熱板４を配設して腐食性成分及びダストを含む高温ガスＧが流れる高温ガス通路５と高温ガスＧより低温高圧の空気Ａが流れる空気通路６とを夫々形成すると共に、前記伝熱板４の高温ガスＧに接触する面に熱伝導率の高い耐火物７をライニングして成る熱交換器１に於いて、前記伝熱板４に複数の開口４ａを形成し、当該開口４ａから空気通路６内を流れている空気Ａの圧力が耐火物７側へ掛かるようにする。
【選択図】 図１

Description

本発明は、都市ごみや産業廃棄物等を処理する廃棄物処理設備に設置したごみ焼却炉や溶融炉、熱分解ガス化炉等の各種炉から排出される高温ガス（以下燃焼排ガスと云う）より熱を回収し、ごみ焼却炉等へ供給される燃焼用の空気や熱分解ドラム等へ供給される加熱用の空気を加熱するようにした熱交換器に関するものである。

一般に、廃物処理設備に於いては、ごみ焼却炉や溶融炉等の各種炉から排出される高温の燃焼排ガスの熱エネルギーを有効利用するため、炉の燃焼排ガス出口側に熱交換器を設置して燃焼排ガスによりごみ焼却炉等へ供給される燃焼用の空気や熱分解ドラムへ供給される加熱用の空気を加熱するようにしている。

ところで、ごみ焼却炉等の燃焼排ガス出口側に設置される熱交換器に於いては、ごみ焼却炉等から排出される燃焼排ガス中にＨＣｌやＳＯｘ等の腐食性成分や多量のダストが含まれているため、この燃焼排ガスが熱交換器の鋼製の伝熱プレートや伝熱管に直接接触すると、燃焼排ガス中の腐食性成分が伝熱プレートや伝熱管を激しく腐食させ、又、燃焼排ガス中の溶融しているダストが伝熱プレートや伝熱管に付着して溶融塩腐食を引き起こすと云う問題が発生している。
従って、燃焼排ガスから熱回収する熱交換器では、伝熱プレートや伝熱管の燃焼排ガスに接触する面に熱伝導率の高い耐火物をライニングし、伝熱プレートや伝熱管を燃焼排ガス中の腐食性成分やダストから保護することが行われている。

従来、この種の熱交換器としては、焼却残渣や飛灰等を溶融処理する溶融炉から排出された高温の燃焼排ガスから熱を回収し、溶融炉のバーナへ供給される燃焼用の空気を加熱するようにした輻射式の熱交換器（輻射式の空気予熱器）が知られている（例えば、特許文献１参照）。この熱交換器は、直径の異なる内筒及び外筒を同心円上に配置して成る二重円筒構造となっており、内筒内を高温の燃焼排ガスが流れると共に、内筒と外筒の間を燃焼用の空気が流れるようになっている。

即ち、前記熱交換器２０は、図５に示すごとく、鋼板材により形成した円筒状の伝熱板２１の内周面に熱伝導率の高い耐火物２２をライニングして成る内筒２０′と、内筒２０′の外周面に同心円上で且つ内筒２０′との間に一定の間隙を空けて配置され、鋼板材により形成した円筒状のケーシング２３の外周面に保温材２４を取り付けた外筒２０″とから構成されており、内筒２０′内の空間が溶融炉から排出された燃焼排ガスＧが通過する高温ガス通路２５となっていると共に、内筒２０′と外筒２０″の間に形成された環状の空間が溶融炉のバーナへ供給される燃焼用の空気Ａが通過する空気通路２６となっている。
尚、図５に於いて、２７は外筒２０″の下端部に形成されて空気通路２６に連通する空気Ａの入口、２８は外筒２０″の上端部に形成されて空気通路２６に連通する空気Ａの出口、２９は外筒２０″の下端部側に設けられ、温度上昇によって生じる内筒２０′と外筒２０″との間に生じる熱膨張を吸収する伸縮継手である。

而して、前記熱交換器によれば、溶融炉から排出された高温の燃焼排ガスＧは、内筒２０′の一端部（下端部）から高温ガス通路２５内に入り、高温ガス通路２５を通過する間に空気通路２６内を流れている空気Ａにより冷却されて内筒２０′の他端部（上端部）から排出される。
又、バーナへ供給される燃焼用の空気Ａは、外筒２０″の入口２７から環状の空気通路２６内に入って空気通路２６内を螺旋状に通過し、その間に高温ガス通路２５内を流れている燃焼排ガスＧにより加熱され、高温の空気Ａとなって外筒２０″の出口２８から排出される。
この熱交換器は、内筒２０′の燃焼排ガスＧと接触する面が耐火物２２によりライニングされているため、高温ガス通路２５を流れる燃焼排ガスＧ中の腐食性成分やダストが鋼製の伝熱板２１に直接接触すると云うことがなく、伝熱板２１の早期の腐食を防止することができる等の利点を有している。

然し乍ら、上述した構造の熱交換器２０に於いては、時間の経過（炉の立ち上げや立ち下げの回数も影響する）に伴い鋼製の伝熱板２１を保護している耐火物２２にクラック２２ａが入り、このクラック２２ａから腐食性成分やダストを含む燃焼排ガスＧが進入して直接鋼製の伝熱板２１に接触することになる。その結果、鋼製の伝熱板２１が溶融塩腐食し、伝熱板２１に腐食開口３０が発生することになる（図６参照）。
ところで、前記熱交換器２０に於いては、耐火物２２にクラック２２ａが発生して鋼製の伝熱板２１に腐食開口３０が発生しても、耐火物２２は大抵そのままの形状に保たれており、然も、クラック２２ａが極めて小さいために正圧の空気Ａが負圧の燃焼排ガスＧ側へ漏れることがない。そのため、熱交換器２０の点検の際に鋼製の伝熱板２１の腐食開口３０を発見することができず、炉の運転中に腐食開口３０が更に大きくなって被害が大きくなると云う問題が発生している。従って、鋼製の伝熱板２１の腐食を発見したときには、耐火物２２の脱落と鋼製の伝熱板２１に広範囲の腐食が発生していることになる。
特開２００１−３０４５２４号公報

本発明は、このような問題点に鑑みて為されたものであり、その目的は鋼製の伝熱板を保護する耐火物にクラックが発生しても、伝熱板に腐食が発生し難く、又、たとえ伝熱板に腐食が発生しても、腐食が拡大するのを防止することができると共に、耐火物の脱落等の異常を早期に発見することができる熱交換器を提供することにある。

上記目的を達成する為に、本発明の請求項１の発明は、ケーシング内に伝熱面となる鋼製の伝熱板を配設して腐食性成分及びダストを含む高温ガスが流れる高温ガス通路と高温ガスより低温高圧の空気が流れる空気通路とを夫々形成すると共に、前記伝熱板の高温ガスに接触する面に熱伝導率の高い耐火物をライニングして成る熱交換器に於いて、前記伝熱板に複数の開口を形成し、当該開口から空気通路内を流れている空気の圧力が耐火物側へ掛かるようにしたことに特徴がある。

本発明の請求項２の発明は、伝熱板に形成する開口の総面積を大きくし、伝熱板にライニングした耐火物を伝熱面とするようにしたことに特徴がある。

本発明の熱交換器は、ケーシング内に伝熱面となる鋼製の伝熱板を配設して燃焼排ガスが流れる高温ガス通路と空気が流れる空気通路とを夫々形成し、前記伝熱板の燃焼排ガスに接触する面に耐火物をライニングすると共に、伝熱板に複数の開口を形成してこれらの開口から空気通路内を流れている空気の圧力が耐火物側へ掛かるようにしている。
その結果、本発明の熱交換器は、耐火物の伝熱板の開口に対向する部分にクラックが発生した場合、空気通路内を流れている正圧の空気が開口からクラックを通って高温ガス通路内に流れ込むことになり、腐食性成分やダストを含む負圧の燃焼排ガスがクラックから伝熱板側へ進入するのを阻止することができ、燃焼排ガスによる伝熱板の腐食を防止することができる。
又、本発明の熱交換器は、耐火物の伝熱板に対向する部分にクラックが発生した場合、高温ガス通路内の燃焼排ガスがクラックから侵入して伝熱板を徐々に腐食させるが、この腐食が進行して近傍の開口に至ると、空気通路内を流れている正圧の空気が開口から腐食部分に流れ込み、クラックに進入する燃焼排ガスの流れを止めることになり、伝熱板の腐食が拡大するのを防止することができる。
更に、本発明の熱交換器は、耐火物が劣化した場合、耐火物の背面側（耐火物の伝熱板に接触している面側）に空気通路内を流れている空気の圧力が常時掛かっているために耐火物が早期に脱落し、熱交換器の異常を早期に発見することができる。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。
図１は本発明の実施の形態に係る輻射式の熱交換器１を示し、当該熱交換器１は、都市ごみや産業廃棄物等を処理する廃棄物処理設備に設置した各種炉（ごみ焼却炉や溶融炉、熱分解ガス化炉等）から排出される高温の燃焼排ガスＧ（高温ガス）から熱回収し、廃棄物の燃焼用や加熱用に使用される空気Ａを加熱するものであり、炉の燃焼排ガスＧの出口に接続されたガスダクト２に介設されている。

前記熱交換器１は、鋼製のケーシング３内に伝熱面となる鋼製の伝熱板４を配設し、前記ケーシング３内に腐食性成分及びダストを含む燃焼排ガスＧ（高温ガス）が流れる高温ガス通路５と燃焼排ガスＧより低温高圧の空気Ａ（燃焼用の空気Ａや加熱用の空気Ａ）が流れる空気通路６とを夫々形成すると共に、前記伝熱板４の燃焼排ガスＧに接触する面に熱伝導率の高い耐火物７をライニングした輻射式の熱交換器１（輻射式の空気予熱器）となっている。この実施の形態に於いては、熱交換器１は、直径の異なる内筒１′及び外筒１″を同心円上に配置して成る二重円筒構造を呈しており、内筒１′内を燃焼排ガスＧが流れると共に、内筒１′と外筒１″の間を燃焼用や加熱用の空気Ａが流れるようになっている。

即ち、熱交換器１は、ガスダクト２を通って来た高温の燃焼排ガスＧが通過する高温ガス通路５を形成する横断面形状が円形の内筒１′と、内筒１′の周囲に配置され、内筒１′の外周面との間に燃焼用や加熱用の空気Ａが通過する環状の空気通路６を形成する外筒１″とから成り、空気通路６内を流れている空気Ａと高温ガス通路５内を流れている燃焼排ガスＧとを内筒１′を介して熱交換し、空気通路６内の空気Ａを高温ガス通路５内の燃焼排ガスＧにより加熱するようにしたものである。

具体的には、内筒１′は、鋼板材により形成した円筒状の伝熱板４の内周面に熱伝導性及び耐食性に優れた耐火物７をライニングすることにより形成されており、耐火物７で囲まれた空間が燃焼排ガスＧの通過する高温ガス通路５となっている。この耐火物７には、ＨＣｌ等の腐食性ガスやＮａＣｌ、ＫＣｌ等の溶融塩を主とした付着ダストに対して耐食性を有し、且つ熱伝導性に優れたキャスタブル耐火物等の不定形耐火物や耐火煉瓦等の定形耐火物が使用されている。
又、内筒１′は、図２及び図３に示す如く、伝熱面となる鋼製の伝熱板４に複数の円形の開口４ａが一定のピッチで形成されており、当該開口４ａから空気通路６内を流れている燃焼用や加熱用の空気Ａの圧力が耐火物７側へ掛かるように工夫されている。高温ガス通路５を流れる燃焼排ガスＧと空気通路６を流れる空気Ａとでは、空気Ａの方が燃焼排ガスＧよりも圧力が高いので、耐火物７の背面側（耐火物７の伝熱板４に接触している面側）には空気通路６内を流れている空気Ａの圧力が常時掛かることになる。

一方、外筒１″は、鋼板材により形成した円筒状のケーシング３の外周面に保温材８を取り付けることにより形成されており、内筒１′の周囲に内筒１′と同心円上で且つ内筒１′との間に一定の間隙を空けて配置されている。従って、内筒１′と外筒１″との間には、環状の空間が形成されることになり、この空間が燃焼用や加熱用の空気Ａの空気通路６となっている。
又、外筒１″の下端部には空気通路６へ空気Ａを供給する入口９が形成されており、当該入口９は空気供給管（図示省略）を介して押込み送風機（図示省略）に接続されている。
更に、外筒１″の上端部には空気通路６内で加熱された空気Ａが流出する出口１０が形成されており、当該出口１０は空気供給管（図示省略）を介して溶融炉（図示省略）のバーナ等に接続されている。
尚、外筒１″の入口９及び出口１０には空気Ａの量を測定する流量計（図示省略）が配設されており、流量計によって空気通路６から高温ガス通路５への空気Ａの洩れを確認できるようになっている。このように、空気Ａの洩れを確認することによって、耐火物７の補修等を行う時期を決めることができる。

そして、前記内筒１′及び外筒１″は、その上端部同士及び下端部同士が気密状に接続されており、温度上昇によって生じる内筒１′と外筒１″との間に生じる熱膨張を外筒１″の下端部側に設けた伸縮継手１１により吸収する構造となっている。

上述した構造の熱交換器１によれば、溶融炉等から排出された高温（約８００℃）の燃焼排ガスＧは、ガスダクト２を通って熱交換器１へ送られ、熱交換器１の内筒１′の一端部（下端部）から高温ガス通路５内に入り、高温ガス通路５を通過する間に空気通路６内を流れている燃焼用や加熱用の空気Ａにより冷却されて内筒１′の他端部（上端部）から排出される。
又、押込み送風機及び空気供給管により送られて来た低温（約２０℃）の空気Ａは、外筒１″の入口９から環状の空気通路６内に入った後、空気通路６内を螺旋状に通過し、その間に高温ガス通路５内を流れている高温の燃焼排ガスＧにより加熱され、高温（約３５０℃）の空気Ａとなって外筒１″の出口１０から排出される。

前記熱交換器１に於いては、時間の経過により内筒１′の鋼製の伝熱板４を保護する耐火物７にクラック７ａが発生する。
耐火物７の伝熱板４の開口４ａに対向する部分にクラック７ａ（図２に示す上側のクラック７ａ）が発生した場合、空気通路６内を流れている正圧の空気Ａが開口４ａからクラック７ａを通って高温ガス通路５内に流れ込むことになる。その結果、高温ガス通路５内を流れている負圧の燃焼排ガスＧがクラック７ａから伝熱板４側へ進入すると云うことがなく、腐食性成分やダストを含む燃焼排ガスＧによる鋼製の伝熱板４の腐食を防止することができる。
又、耐火物７の伝熱板４に対向する部分にクラック７ａ（図２に示す下側のクラック７ａ）が発生した場合、高温ガス通路５内の燃焼排ガスＧがクラック７ａから侵入して伝熱板４を徐々に腐食１２させるが、この腐食１２が進行して近傍の開口４ａに至ると、空気通路６内を流れている正圧の空気Ａが開口４ａから腐食１２部分に流れ込み、クラック７ａに進入する燃焼排ガスＧの流れを止めることになる。その結果、伝熱板４の腐食１２が拡大するのを防止することができる。
更に、耐火物７が劣化した場合、耐火物７の背面側（耐火物７の伝熱板４に接触している面側）に空気通路６内を流れている空気Ａの圧力が常時掛かっているため、耐火物７が早期に脱落することになり、熱交換器１の異常を早期に発見することができる。

尚、伝熱板４に形成した開口４ａのピッチ、開口４ａの数、開口４ａの大きさ及び開口４ａの総面積等は、鋼製の伝熱板４に腐食が発生しても、この腐食があまり拡大せず、又、耐火物７が劣化した場合に空気Ａの圧力により早期に脱落するように夫々設定されている。

上記実施の形態（図１乃至図３に示す熱交換器１）に於いては、伝熱板４に小さめの開口４ａを多数形成し、開口４ａの総面積を伝熱板４の面積に対して比較的小さくするようにしたが、他の実施の形態に於いては、伝熱板４に形成する開口４ａの総面積を大きくし、伝熱板４にライニングした耐火物７を伝熱面とすると共に、伝熱板４を耐火物７の支持材として使用するようにしても良い。この場合には、伝熱板４が腐食すると云うことが殆どなくなるうえ、伝熱板４を構成する部材も必要最小限で済む。

又、上記実施の形態（図１乃至図３に示す熱交換器１）に於いては、伝熱板４に円形の開口４ａを並列状に形成するようにしたが、他の実施の形態に於いては、図４に示す如く、伝熱板４に円形の開口４ａを千鳥状に形成するようにしても良く、或いは図示していないが、伝熱板４に四角形や長方形、六角形等の所望の形の開口４ａを形成するようにしても良い。

更に、上記実施の形態（図１乃至図４に示す熱交換器１）に於いては、伝熱板４にパンチングメタル構造の鋼板を使用するようにしたが、他の実施の形態に於いては、伝熱板４に金網構造の鋼板や多数の小孔（開口４ａ）を有するポーラス構造の鋼板を使用するようにしても良い。特に、金網構造の伝熱板４に不定形の耐火物７をライニングした場合には、内筒１′自体の軽量化を図れると共に、安価に製造することができる。

本発明の実施の形態に係る熱交換器の概略縦断面図である。 図１に示す熱交換器の部分拡大断面図である。 図２のＩ−Ｉ線断面図である。 伝熱板に千鳥状の開口を形成した熱交換器の要部の一部切欠斜視図である。 従来の熱交換器の概略縦断面図である。 従来の熱交換器の部分拡大断面図である。

符号の説明

１は熱交換器、３はケーシング、４は伝熱板、４ａは伝熱板の開口、５は高温ガス通路、６は空気通路、７は耐火物、Ａは空気、Ｇは高温ガス。

Claims (2)

1. ケーシング内に伝熱面となる鋼製の伝熱板を配設して腐食性成分及びダストを含む高温ガスが流れる高温ガス通路と高温ガスより低温高圧の空気が流れる空気通路とを夫々形成すると共に、前記伝熱板の高温ガスに接触する面に熱伝導率の高い耐火物をライニングして成る熱交換器に於いて、前記伝熱板に複数の開口を形成し、当該開口から空気通路内を流れている空気の圧力が耐火物側へ掛かるようにしたことを特徴とする熱交換器。
2. 伝熱板に形成する開口の総面積を大きくし、伝熱板にライニングした耐火物を伝熱面とするようにしたことを特徴とする請求項１に記載の熱交換器。

Images