JP2005221133A - 熱交換器およびこれを用いる燃焼炉装置 - Google Patents

Abstract

【課題】比較的高温である燃焼済みの排気ガスなどに含まれる熱を長期間にわたり安定して熱交換可能とする熱交換器、および係る熱交換器を用いる燃焼効率の良い燃焼炉装置を提供する。
【解決手段】ステンレス鋼などの金属からなり互いに平行に配置され且つ内部を熱交換する一方の流体であるエアが流れる複数のパイプ２６，２８と、係る複数のパイプ２６，２８の外側をこれらの軸方向と直交する方向に沿って熱交換する排気ガスである他方の流体が流れる排気ガス流路１０と、を含み、上記複数のパイプ２６，２８の表面全体にはアルミニウムなどの拡散浸透層（２９）が１００μｍ以上の厚みで形成されている、熱交換器２０。
【選択図】 図２

Description

本発明は、例えば燃焼済みの排気ガスに含まれる熱を利用して燃焼用ガスを予熱する熱交換器およびこれを用いる燃焼炉装置に関する。

熱エネルギを効率良く活用するため、バーナ燃焼方式の加熱炉などでは、燃焼済みの排気ガスを直交流式の熱交換器に流し、係る排気ガスに含まれる熱によりエアなどの燃焼用ガスを予熱することで、重油などの燃料を節約している。
上記直交流式の熱交換器において、排気ガスは、複数の金属パイプの外側をそれらの径方向に沿って流され、各パイプの内側を分流する燃焼用ガスを約４００℃に予熱している。係る予熱された燃焼用ガスは、加熱炉などのバーナに送給され、重油などと混合された後、１２００℃以上の温度で燃焼される。

燃焼済みとなり且つ前記熱交換器に送給された約８００℃の排気ガスは、新たな燃焼用ガスの予熱に活用された後、無害化処理されて外部に排出されている。尚、前記熱交換器における複数の金属パイプは、例えばＳＵＳ４３０などのフェライト系やＳＵＳ４１０などのマルテンサイト系ステンレス鋼からなる。
ところで、上記金属パイプの外側を流れる高温の排気ガスは、酸化物や硫化物を含むため、当該パイプに腐食による孔明きが発生するおそれがある。しかしながら、上記ステンレス鋼は、溶接が難しいため、補修が困難であった。

一方では、高温高圧流体の熱交換に適した対向流式のプレートフィン式熱交換器が提案されている（例えば、特許文献１参照）。この熱交換器は、平行に配置した複数のプレート同士の間ごとに、表面および裏面が交互に凹凸断面となる伝熱フィンと、その周辺にシーリングバーとを配置している。更に、ＳＵＳ３０４からなる上記伝熱フィンの表面および裏面に当該フィンよりも熱伝導度が高い銅、銀、Ａｌ、Ｍｏ、Ｗ、Ｎｉ、またはＣｒを、クラッド、メッキ、または気相蒸着により数μｍ〜数１０μｍの厚みで被覆している。
上記プレートフィン熱交換器では、例えば３００℃の温かい窒素ガスと熱交換することにより、２０℃の冷たい窒素ガスを２８０℃に加熱している。
しかし、酸化物や硫化物を含む約８００℃の前記排気ガスを上記熱交換器に適用した場合、やはり腐食による孔明きを生じるおそれがあり、且つプレートフィン式のため、大量の燃焼済みの排気ガスを処理できない、という問題があった。

特開平２−８５６９４号公報（第１〜５頁、第１図）

本発明は、前述した背景技術の問題点を解決し、例えば約８００℃の比較的高温である燃焼済みの排気ガスなどに含まれる熱を長期間にわたり安定して熱交換可能とする熱交換器、および係る熱交換器を用いる燃焼効率の良い燃焼炉装置を提供する、ことを課題とする。

課題を解決するための手段および発明の効果

本発明は、上記課題を解決するため、発明者の鋭意研究および調査の結果、直交流式の熱交換器において、燃焼済みの排気ガスが接触する複数の金属パイプの表面にアルミニウムなどの拡散浸透による合金層を形成する、ことに着想して成されたものである。
即ち、本発明の熱交換器（請求項１）は、金属からなり互いに平行に配置され且つ内部を熱交換する一方の流体が流れる複数のパイプと、係る複数のパイプの外側を各パイプの軸方向と直交する方向に沿って流れる熱交換する他方の流体の流路と、を含む熱交換器において、上記複数のパイプの表面全体にアルミニウム、クロム、または亜鉛の何れかからなる拡散浸透層が形成されている、ことを特徴とする。

これによれば、熱交換する一方の流体が内部を流れる上記複数のパイプの表面全体に、アルミニウム、クロム、または亜鉛からなる拡散浸透層（合金層）が形成されている。このため、上記複数のパイプの外側をこれらと直交する方向に沿って流れる熱交換する他方の流体を、前記酸化物や硫化物を含む比較的高温の前記排気ガスとしても、上記拡散浸透層によって上記パイプの腐食を防止または抑制することができる。従って、直交流式で且つ複数の平行なパイプを含む熱交換器の性能を安定させ且つその寿命を長くすることができる。
尚、直交流（クロスフロー）式で且つ複数の平行な金属パイプを含む前記熱交換器には、複数のパイプのみを平行に配置した多管型の他、シェル・アンド・チューブ型、クロスフィン式フィン・アンド・チューブ型などが含まれる。

また、本発明には、前記複数のパイプを形成する金属は、ステンレス鋼、耐熱鋼、またはＮｉ基耐熱合金の何れかである、熱交換器（請求項２）も含まれる。
これによれば、Ｆｅ−Ｃｒ系またはＦｅ−Ｎｉ−Ｃｒ系などのステンレス鋼（例えば、ＳＵＳ３１０Ｓ：２５wt％Ｎｉ−２０wt％Ｃｒ）、Ｆｅ−Ｃｒ−Ｎｉ系またはＦｅ−Ｃｒ−Ｍｏ系などの耐熱鋼（ＳＵＨ鋼種）、あるいは、Ｎｉ−Ｃｒ系などのＮｉ基耐熱合金からなるパイプの表層部に、アルミニウム、クロム、または亜鉛の原子や分子が進入した拡散浸透層（合金層）が形成される。この結果、前記複数のパイプの外側に、前記酸化物や硫化物を含む比較的高温の前記排気ガスを流しても、上記パイプの腐食を確実に防ぐことができる。

更に、本発明には、前記アルミニウム、クロム、または亜鉛の拡散浸透層の厚みは、１００μｍ以上で且つ５００μｍ以下である、熱交換器（請求項３）も含まれる。これによれば、前記他方の流体に、前記酸化物や硫化物を含む比較的高温の前記排気ガスを用いても、前記複数のパイプの腐食を一層確実に阻止することが可能となる。
尚、拡散浸透層の厚みが１００μｍ未満では、腐食の抑制が不十分となってパイプの寿命を長期化できず、一方、上記厚みが５００μｍを越えると、拡散浸透層自体が形成されにくくなるため、上記厚みの範囲とした。また、拡散浸透層は、前記パイプの表面から内部に向かって当該パイプを形成する金属との合金層であって、アルミニウムなどの濃度（含有量）が表面寄りでは高く且つ内部に向かうに連れて低下する傾斜濃度の合金層である。

一方、本発明の燃焼炉装置（請求項４）は、前記何れか１つの熱交換器と、燃焼用ガスと燃料との混合ガスを燃焼させるバーナを有する燃焼炉と、係る燃焼炉において燃焼済みとなった排気ガスを、上記熱交換器における前記他方の流体の流路である排気ガス流路に送給する排気管と、上記熱交換器の複数のパイプ内を通過し且つ上記排気ガスにより加熱された燃焼用ガスを、上記燃焼炉の上記バーナに供給する給気管と、を含む、ことを特徴とする。

これによれば、燃焼炉のバーナで重油などの燃料と共に燃焼された比較的高温の排気ガスは、熱交換器における複数のパイプ間を直交（ほぼ径方向）方向に流され、この間に、複数のパイプ内を通過するエアなどの燃焼用ガスと熱交換してこれを加熱（予熱）することができる。このため、加熱された燃焼用ガスを上記バーナに送給することにより、熱エネルギを有効に利用でき且つ燃料を節約できるため、燃焼効率が向上する。しかも、前記のように、熱交換器の各パイプは、腐食に十分耐え得るため、燃焼炉の稼働も安定して行うことが可能となる。
尚、前記燃焼炉には、予熱炉、加熱炉、均熱炉、熱処理炉などが含まれる。

また、本発明には、前記熱交換器における複数のパイプの少なくとも同じ端部にヘッダーが配置され、または前記複数のパイプにおける一端部または両端部にＵ形部が形成され、上記複数のパイプ間に、係る複数のパイプの軸方向と直交する燃焼済みの排気ガス流路が形成されていると共に、上記複数のパイプは、上記排気ガスと熱交換して加熱される燃焼用ガスの流路を内設している、燃焼炉装置（請求項５）も含まれる。
これによれば、エアなどの燃焼用ガスは、各パイプ内を分流し、上記ヘッダー内で一旦合流してから別のパイプに分流するか、あるいは上記Ｕ形部でＵターンした後、係るＵ形部に連通する別のパイプに分流する。係る長い送給経路を経る間に、複数のパイプの外側を直交方向に沿って高温の排気ガスが流れるため、上記エアと熱交換して係るエアを加熱（予熱）することができる。

図１は、本発明の熱交換器２０とこれを用いた燃焼炉装置１とを示す概略図、図２は、上記熱交換器２０の詳細を示す一部に透視部を含む斜視図である。
燃焼炉装置（燃焼設備）１は、図１に示すように、加熱炉である燃焼炉２、係る燃焼炉２のバーナ８に連通する給気管１８と炉内５に連通する排気管９とにそれぞれ接続される熱交換器２０、および排気ガス流路（他方の流体の流路）１０などを備えている。
燃焼炉２は、図１中の左側に示すように、直方体を呈する耐火性の炉体４と、その開口部を閉じる耐火性の蓋３と、炉体４の側壁に明けたテーパ孔６に配設したバーナ８と、上記排気管９を炉内５に連通させる排気口７とを備えている。

熱交換器２０は、図１中の右側と図２とに示すように、互いに平行に配置され内部（燃焼用ガスである一方の流体の流路・中空部）をエア（一方の流体・燃焼用ガス）が流れる複数のパイプ２６，２８と、係るパイプ２６，２８の外側で且つこれらの軸方向と直交する方向に沿って燃焼済みの排気ガス（他方の流体）が流れる排気ガス流路１０と、を含む。
複数のパイプ２６，２８は、例えばＳＵＳ３１０Ｓ（２５wt％Ｎｉ−２０wt％Ｃｒ）などの耐熱性ステンレス鋼からなり、外径：約４２．５ｍｍ×内径：約３６．５ｍｍ×長さ：約１５００ｍｍのサイズである。係るパイプ２６，２８の外側の表面全体には、後述するアルミニウムの拡散浸透層２９が形成されている。

図１，２で上方のパイプ２６は、一端部が分流用のヘッダー２１に、他端部が迂回流用のヘッダー２４に接続され、図１，２で下方のパイプ２８は、一端部が合流用のヘッダー２２に、他端部が迂回流用のヘッダー２４に接続されている。
図１に示すように、熱交換器２０における分流用の上記ヘッダー２１には、外気を取り入れるラッパ状の開口部１５を有する導入管１６が連通し、係る導入管１６の途中には、給気ブロア１７が配設されている。係る熱交換器２０における合流用の前記ヘッダー２２は、給気管１８を介して、前記燃焼炉２のバーナ８に連通している。
図１，２に示すように、ヘッダー２１，２２とヘッダー２４との間に、複数のパイプ２６，２８の外側で且つこれらの軸方向と直交する方向に沿って、バーナ８で燃焼され且つ排気管９を経た燃焼済みの排気ガスが流れる排気ガス流路１０を形成している。係る流路１０の下流側１１には、排出管１２が接続され、その途中に設けた排気ブロア１３により、排出口１４から排気ガスを外部に排出する。

図３に示すように、円筒形状を呈する前記パイプ２６（２８）の外側の表面全体には、図３中の一点鎖線部分Ｘを拡大した図４の断面図で示すように、アルミニウムの拡散浸透層２９が、１００μｍ〜５００μｍの厚みで形成されている。
上記拡散浸透層２９は、耐熱性ステンレス鋼（母材）ｍからなるパイプ２６（２８）を、Ｆｅ−Ａｌ系合金粉末およびＮＨ_４Ｃｌ粉末からなる調合剤と共に鋼製の容器中で埋設して密閉し、９００〜１０００℃に所要時間にわたり加熱する、いわゆるカロライジング処理を施すことにより、生成される。上記Ｆｅ−Ａｌ系合金粉末中のＡｌは、ＨＣｌと反応してＡｌＣｌ_２（蒸気）となり、これがパイプ２６（２８）の表面付近において上記母材ｍ中の被処理物成分と置換反応するため、当該Ａｌは母材ｍ中に拡散浸透（セメンテーション）して行く。

上記Ａｌの母材ｍ中への拡散浸透は、図５のグラフで例示するように、パイプ２６（２８）の表面から母材ｍの内部に向かって、浸透したＡｌの濃度（wt％）が傾斜して低くなり、パイプ２６（２８）の表面からの距離が５００μｍを越えると極く微量になる。即ち、アルミニウムの拡散浸透層２９は、母材ｍである前記耐熱性ステンレス鋼とＡｌとからなる合金層であるが、拡散浸透したＡｌの濃度は均一ではなく、パイプ２６（２８）の表面付近では３０wt％と高く、係る表面から内部に向かう連れて徐々に低下し、深さが５００μｍを越えると極少となる。
上記拡散浸透層２９が密着性をもって表面全体に形成されることにより、前記複数のパイプ２６，２８は、前記耐熱性ステンレス鋼の機械的性質を損なうことなく、耐高温酸化性、耐高温食性、および耐磨耗性を顕著に高められる。

ここで、前記熱交換器２０およびこれを用いた燃焼炉装置１の使用方法について説明する。図１において、予め加熱すべき鋼材などを燃焼炉２の炉内５に装入し、蓋３で炉体４の開口部を閉じておくと共に、前記排気ブロア１３および給気ブロア１７を稼働させる。
図１，２中の実線の矢印で示すように、外気のエア（燃焼用ガス・一方の流体）は、導入管１６内に取り込まれ、入口２１ａを経て熱交換器２０における分流用のヘッダー２１の中空部２３に導入される。係るエアは、図１，２で上方に位置する複数のパイプ２６の内部を分流し、迂回流用のヘッダー２４の中空部２７で下方に迂回した後、図１，２で下方に位置する複数のパイプ２８の内部を分流する。各パイプ２８を通過したエアは、合流用のヘッダー２２の中空部２５で合流した後、係るヘッダー２２の出口２２ａから送り出され、図１中の実線の矢印で示すように、給気管１８を介して燃焼炉２のバーナ８に送られる。

前記エアが複数のパイプ２６，２８内を通過する間において、図１，２中の破線の矢印で示すように、先にバーナ８にて約１２００℃で燃焼された比較的高温の排気ガスは、排気管９を経て複数のパイプ２６，２８と直交する排気ガス流路１０に約８００℃となって送られ、係るパイプ２６，２８間を通過してこれらを加熱する。
この結果、前記エアは、複数のパイプ２６，２８を介して排ガスの熱と熱交換して加熱され、約４００℃に予熱される。係る熱交換に際して、複数のパイプ２６，２８は、それらの表面全体に形成された前記アルミニウムの拡散浸透層２９によって、排気ガス中に含まれる酸化物や硫化物による腐食を防止ないし抑制される。

図１中の実線の矢印で示すように、バーナ８に送給された予熱済みのエアは、当該バーナ８で重油などの燃料と混合されると、容易に棒状の火炎Ｆとなって、炉内５の鋼材などを加熱する。係る火炎Ｆにおける約１２００℃の燃焼により生成した高温の排気ガスは、前記のように排気管９を経て複数のパイプ２６，２８と直交する排気ガス流路１０に送られ、係るパイプ２６，２８内を通過する新たなエアと熱交換してこれらを加熱した後、上記排気ガス流路１０の下流１１側から排出管１２を経て外部に排出される。
尚、上記排気ガスは、予め排出管１２の途中に設けた図示しない公知のフィルタや脱硫手段などにより、無害化された状態で外部に排出される。
以上のような熱交換器２０およびこれを用いた燃焼炉装置１によれば、前者における複数のパイプ２６，２８の表面に前記拡散浸透層２９が形成されているため、高温で且つ硫化物や酸化物を含む排気ガスによる腐食を生じることなく、当該排気ガスの熱をエアの予熱に有効に活用することができる。従って、熱エネルギと燃料とを有効活用できると共に、熱交換器２０自体の寿命も長期化できる。

図６は、異なる形態の熱交換器３０を示す概略図である。尚、以下において、前記形態と同じ要素や部分には、同じ符号または矢印を用いる。
熱交換器３０は、図６に示すように、一端部に大小２種類のＵ形部３５を個別に有する上下一対の中空管３３，３４からなり且つ側面視がほぼＵ字形を呈する複数のパイプ３２を用いる。係る複数のパイプ３２は、図６の前後方向に沿っても互いに平行にして配管されている。
図６に示すように、複数のパイプ３２における上方の中空管３３の他端部は、前記分流用のヘッダー２１に連通され、下方の中空管３４の他端部は、前記合流用のヘッダー２２に接続されている。複数のパイプ３２において少なくとも中空管３３，３４の表面には、前記と同様にアルミニウムの拡散浸透層（２９）が前記同様の厚みで形成されている。
尚、複数のパイプ３２は、同じサイズのＵ形部３５とし、図６の前後方向に沿って上下方向に交互にずれた千鳥状に配置したり、同じ高さで配置しても良い。

更に、図６に示すように、複数のパイプ３２における各Ｕ形部３５寄りには、それらの中空管３３，３４と直交する隔壁３６が形成され、係る隔壁３６とヘッダー２１，２２との間には、複数のパイプ３２の中空管３３，３４の外側をそれらの軸方向と直交する方向に沿った排気ガス流路（他方の流体の流路）３８が形成されている。
図６中の実線の矢印で示すように、導入管１６から分流用のヘッダー２１を経て、複数のパイプ３２の内部を分流するエアは、図６中の破線の矢印で示すように、排気ガス流路３８を流れる前記高温の排気ガスにより、加熱され約４００℃に予熱される。このため、係る予熱されたエアは、合流用のヘッダー２２および給気管１８を経て、前記バーナ８に送給され容易に火炎Ｆとなって、前記炉内５の被処理物を加熱する。更に、燃焼済みの排気ガスは、前記排気管９を経て上記排気ガス流路３８に送られ、複数のパイプ３２内を通過する新たなエアの予熱に活用される。
従って、以上のような熱交換器３０を前記燃焼炉装置１に適用しても、前記熱交換器２０を用いた図１の形態と同様の作用を生じ且つ効果が得られる。

図７は、前記熱交換器２０の変形形態である熱交換器４０の概略を示す。
熱交換器４０は、図７に示すように、前記同様のステンレス鋼からなる複数のパイプ４４が分流用のヘッダー４１と合流用のヘッダー４２との間に平行に配置されている。各パイプ４４の表面にも、前記と同様にアルミニウムの拡散浸透層（２９）が所要の厚みで形成されている。
また、上記ヘッダー４１，４２間には、複数のパイプ４４の外側をそれらの軸方向と直交する方向に沿った排気ガス流路（他方の流体の流路）４９が形成されると共に、係る流路４９は、前記燃焼炉２から延出する前記排気管９に連通している。更に、図７に示すように、分流用のヘッダー４１には、前記同様の導入管４６が接続され、合流用ヘッダー４２には、前記燃焼炉２のバーナ８に連通する給気管４８が接続されている。

図７中の実線の矢印で示すように、導入管４６から分流用のヘッダー４１の中空部４３を経て、複数のパイプ４４の内側を分流するエアは、図７中の破線の矢印で示すように、排気ガス流路４９を流れる前記高温の排気ガスにより、加熱され約４００℃に予熱される。このため、係る予熱されたエアは、合流用のヘッダー４２の中空部４５および給気管４８を経て、前記燃焼炉２のバーナ８に送給されて容易に火炎Ｆとなり、前記炉内５の被処理物を加熱する。更に、燃焼済みの排気ガスは、前記排気管９を経て、図７中の破線の矢印で示すように、前記排気ガス流路４９に送給され、複数のパイプ４４内を通過する新たなエアの予熱に活用される。
従って、以上のような熱交換器４０を前記燃焼炉装置１に適用しても、前記熱交換器２０を用いた図１の形態と同様の作用を生じ且つ効果が得られる。

本発明は、以上において説明した各形態に限定されるものではない。
例えば、熱交換器に用いる複数のパイプの材質は、前記ステンレス鋼に限らず、耐熱鋼やＮｉ基耐熱合金としても良い。
また、複数のパイプの断面は、円形に限らず、楕円形、長円形、正方形、長方形、または六角形以上の正多角形としても良く、更に断面の外側に一対以上のフィンを突設させた形状としても良い。但し、以上の非円形断面のパイプを用いる際には、前記他方の流体（排気ガス）の流路１０などの方向性に考慮を要する。
更に、複数のパイプは、図６で示したほぼＵ字形の複数のパイプ３２にて、Ｕ形部３５を両端部に交互に配置するように接続し、ジグザク形状としても良い。

加えて、前記拡散浸透層２９は、前記アルミニウムを拡散浸透させるカロライジングに限らず、クロム（Ｃｒ）を拡散浸透させる公知のクロマイジング、あるいは亜鉛を拡散浸透させる公知のシェラダイジングにより、クロムまたは亜鉛を含む合金層である拡散浸透層としても良い。
尚、前記熱交換器２０，３０，４０は、前記燃焼炉装置１以外の設備にも使用することができる。例えば、ゴミなどの焼却炉を含む焼却設備において、燃焼済みの排気ガスによりエアなどの燃焼用ガスを予熱することに活用したり、係る排気ガスにより水を湯に温めて温水にすることにも使用できる。

本発明の熱交換器とこれを用いた燃焼炉装置１とを示す概略図。 上記熱交換器の詳細を示す一部に透視部を含む斜視図。 上記熱交換器に用いるパイプの側面図。 図３中の一点鎖線部分Ｘを拡大した断面図。 前記パイプの表面付近における拡散浸透層のＡｌの濃度を示すグラフ。 異なる形態の熱交換器を示す概略図。 図２の熱交換器の変形形態を示す概略図。

符号の説明

１………………………………燃焼炉装置
２………………………………燃焼炉
８………………………………バーナ
９………………………………排気管
１０,３８,４９………………他方の流体の流路（排気ガス流路）
１８，４８……………………給気管
２０,３０,４０………………熱交換器
２１,２２,２４,４１,４２…ヘッダー
２６,２８，３２,４４………複数のパイプ
２９……………………………拡散浸透層
３５……………………………Ｕ形部

Claims (5)

1. 金属からなり互いに平行に配置され且つ内部を熱交換する一方の流体が流れる複数のパイプと、係る複数のパイプの外側を各パイプの軸方向と直交する方向に沿って流れる熱交換する他方の流体の流路と、を含む熱交換器において、
   上記複数のパイプの表面全体にアルミニウム、クロム、または亜鉛の何れかからなる拡散浸透層が形成されている、
   ことを特徴とする熱交換器。
2. 前記複数のパイプを形成する金属は、ステンレス鋼、耐熱鋼、またはＮｉ基耐熱合金の何れかである、
   ことを特徴とする請求項１に記載の熱交換器。
3. 前記アルミニウム、クロム、または亜鉛の拡散浸透層の厚みは、１００μｍ以上で且つ５００μｍ以下である、
   ことを特徴とする請求項１または２に記載の熱交換器。
4. 請求項１乃至３の何れかの熱交換器と、
   燃焼用ガスと燃料との混合ガスを燃焼させるバーナを有する燃焼炉と、
   上記燃焼炉において燃焼済みとなった排気ガスを、上記熱交換器における前記他方の流体の流路である排気ガス流路に送給する排気管と、
   上記熱交換器の複数のパイプ内を通過し且つ上記排気ガスにより加熱された燃焼用ガスを、上記燃焼炉の上記バーナに供給する給気管と、を含む、
   ことを特徴とする燃焼炉装置。
5. 前記熱交換器における複数のパイプの少なくとも同じ端部にヘッダーが配置され、または前記複数のパイプにおける一端部または両端部にＵ形部が形成され、
   上記複数のパイプ間に、係る複数のパイプの軸方向と直交する燃焼済みの排気ガス流路が形成されていると共に、上記複数のパイプは、上記排気ガスと熱交換して加熱される燃焼用ガスの流路を内設している、
   ことを特徴とする請求項４に記載の燃焼炉装置。
   

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