JP2007263475A

JP2007263475A - ガスクーラー

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Publication number: JP2007263475A
Application number: JP2006089673A
Authority: JP
Inventors: Tomoaki Fukaya; 智章深谷; Kazuyuki Morokoshi; 和幸諸越; Satoshi Kumagai; 聡熊谷
Original assignee: IHI Corp
Current assignee: IHI Corp
Priority date: 2006-03-29
Filing date: 2006-03-29
Publication date: 2007-10-11
Anticipated expiration: 2026-03-29
Also published as: JP5109275B2

Abstract

【課題】簡単な構造により伝熱面積を可変として、高温ガスを所定の温度に制御することができるガスクーラーを提案する。
【解決手段】ガスクーラー１００は、上下方向に立設するガス管１１０と、ガス管１１０の一部を収容する容器１２０と、容器１２０内に冷媒Ｃを供給する供給部１３０と、容器１２０内に収容された冷媒Ｃを容器１２０外に送り出す排水部１４０とを備え、供給部１３０及び／又は排水部１４０における冷媒Ｃの流量を調整することにより、容器１２０内に収容される冷媒Ｃの水位を昇降させて、ガスＧの温度を制御する。
【選択図】図２

Description

本発明は、各種炉等から排出される高温の排ガスを所定の温度に冷却するガスクーラーに関する。

鋼材等に各種処理を施す熱処理炉や廃棄物等を焼却する焼却炉、或いはボイラ等では、炉から排出される高温ガスを外部に放出或いは次工程に送る前に冷却するガスクーラーが付設されている。このようなガスクーラーでは、炉から排出された高温ガスを流すガス管の周囲に冷媒を流して、冷媒との熱交換により高温ガスを冷却している。
ところで、各種炉等から排出される排ガスに二酸化硫黄ガスＳＯ_２が含まれる場合には、その一部が水蒸気と結合して硫酸蒸気Ｈ_２ＳＯ_３に変化する。そして、この硫酸蒸気が凝縮すると、硫酸水溶液になって強い腐食環境を作り、ガス管や後工程の設備を腐食させてしまう。このため、ガスクーラーを通過した排ガスの温度を酸露点（硫酸蒸気の露点）以下に下げないことが必要となる。
このため、特開平５−２７１６７０号公報等に開示されるように、ガスクーラーにより冷却された排ガスの温度は、排ガスの流量或いは冷媒の流量を調整することにより、制御している。
特開平５−２７１６７０号公報（第３頁、第１図）

ところで、均熱炉の排ガス用バイパスライン等のように、排ガスの流量調整がほとんどできない場合には、冷媒の流量調整のみにより排ガスの温度制御を行う必要がある。
しかしながら、上述したガスクーラー等では、伝熱面積が一定であるため、調整できる排ガスの温度幅は、ポンプや冷却装置等の能力に依存してしまう。このため、冷媒の流量調整のみにより排ガスの温度制御を行うためには、高性能のポンプや冷却装置を必要とし、設備コストが上昇してしまうという問題がある。

本発明は、上述した事情に鑑みてなされたもので、高性能のポンプや冷却装置を必要とせずに、簡単な構造により伝熱面積を可変として、高温ガスを所定の温度に制御することができるガスクーラーを提案することを目的とする。

本発明に係るガスクーラーでは、上記課題を解決するために以下の手段を採用した。
第１の発明は、上下方向に立設するガス管と、ガス管の一部を収容する容器と、容器内に冷媒を供給する供給部と、容器内に収容された冷媒を容器外に送り出す排水部とを備えるガスクーラーにおいて、供給部及び／又は排水部における冷媒の流量を調整することにより、容器内に収容される冷媒の水位を昇降させて、ガスの温度を制御するようにした。この発明によれば、冷媒とガスとの間で熱交換が行われる伝熱面積を増減できるので、効率的にガスの冷却を行うことができるとともに、簡単な構造であるため設備コストを抑えることができる。

また、冷媒の潜熱を利用してガスの温度を制御するものでは、簡単に、かつ、より効率的にガスの冷却を行うことができる。
また、ガスの温度を検出するガス温度センサと、供給部及び／又は排水部に設けられて冷媒の流量を調整する流調弁とを更に備え、温度センサの計測情報に基づいて、流調弁のいずれか一方或いは両方の開放角を制御するようにしたものでは、流量計や水位計等の高価なセンサ類を必要とせずに、簡単な制御システムを構築できるので、設備コストを抑えることができる。
また、ガスクーラーが均熱炉から排出される排ガスを冷却するガスクーラーであるものでは、均熱炉から排出される高温ガスを効率的に冷却することができる。
また、ガスの温度をガスの酸露点以上に維持するものでは、排ガスが硫酸水溶液に変化することによる設備の腐食を防止することができる。
また、ガスの温度を２００℃以上に維持するものでは、均熱炉から排出される排ガスのように、三酸化硫黄ＳＯ_３の濃度が高い場合であっても、排ガスは酸露点以上の２００℃に維持されるので、排ガスが硫酸水溶液に変化することを防止して、設備の腐食を回避することができる。

本発明によれば以下の効果を得ることができる。
上下方向に立設するガス管と、ガス管の一部を収容する容器と、容器に冷媒を供給する供給部と、容器内に収容された冷媒を容器外に送り出す排水部とを備えるガスクーラーにおいて、供給部及び／又は排水部における冷媒の流量を調整することにより、容器内に収容される冷媒の水位を昇降させて、ガスの温度を制御するようにした。これにより、冷媒とガスとの間で熱交換が行われる伝熱面積を増減できるので、効率的にガスの冷却を行うことができるとともに、簡単な構造であるため設備コストを抑えることができる。

また、冷媒の潜熱を利用してガスの温度を制御するものでは、冷媒の蒸発潜熱を熱交換に利用することもできるので、効率的にガスの冷却を行うことが可能となると共に、特別な設備を必要としないので設備コストを抑えることができる。
また、冷媒の潜熱を利用してガスの温度を制御するようにしたので、新たな設備を必要とせずに、効率的なガス冷却を行うことができる。
また、ガスの温度を検出するガス温度センサと、供給部及び／又は排水部に設けられて冷媒の流量を調整する流調弁とを更に備え、温度センサの計測情報に基づいて、流調弁のいずれか一方或いは両方の開放角を制御するようにしたので、流量計や水位計等の高価なセンサ類を必要とせずに、簡単な制御システムを構築できるので、設備コストを抑えることができる。
また、ガスクーラーが均熱炉から排出される排ガスを冷却するガスクーラーであるので、均熱炉から排出される高温ガスを効率的に冷却することができる。
また、ガスの温度をガスの酸露点以上に維持するようにしたので、排ガスが硫酸水溶液に変化することによる設備の腐食を防止することができる。
また、ガスの温度を２００℃以上に維持するようにしたので、均熱炉から排出される排ガスのように、三酸化硫黄ＳＯ_３の濃度が高い場合であっても、排ガスは酸露点以上の２００℃に維持されるので、排ガスが硫酸水溶液に変化することを防止して、設備の腐食を回避することができる。

以下、本発明のガスクーラーの実施形態について図面を参照して説明する。図１は、ガスクーラーを備える均熱炉のシステム構成を示す概念図である。
均熱炉１０の炉壁１２には、一対のバーナー４０Ａ，４０Ｂからなるリジェネレイティブバーナー４０が備えられる。各バーナー４０Ａ，４０Ｂの内部には、蓄熱体４２Ａ，４２Ｂが設けられる。そして、各バーナー４０Ａ，４０Ｂには、燃料ガスを供給するガス供給ライン５０、及び給気ファン６４から燃焼空気を供給する燃焼空気ライン６０が連結される。なお、燃焼空気は、蓄熱体４２Ａ，４２Ｂを介して各バーナー４０Ａ，４０Ｂに供給されように配管される。そして、供給された燃焼ガスと燃焼空気とを混合して燃焼するようになっており、ガス供給ライン５０に設けられた燃料ガス用流調弁５２（５２Ａ，５２Ｂ）及び燃焼空気ライン６０に設けられた燃焼空気用流調弁６２（６２Ａ，６２Ｂ）の流量調整によって炉内温度を制御する。
また、各バーナー４０Ａ，４０Ｂには、炉内で発生した排ガスを排気する排気ライン７０が連結され、炉内の排ガスが蓄熱体４２Ａ，４２Ｂを介して排気ファン７４に吸引されて、外部に放出される。なお、排気ライン７０には、排ガス用流調弁７２（７２Ａ，７２Ｂ）が設けられる。
また、均熱炉１０には、炉内の排ガスを蓄熱体４２Ａ，４２Ｂを介さずに、外部に排気する排気バイパス８０が設けられ、排気ファン７４の直前で排気ライン７０に連結される。そして、排気バイパス８０には、排ガスを冷却するガスクーラー１００及びバイパス流調弁８４が設けられる。
そして、均熱炉１０を駆動させるために、不図示の制御部から、各ファン６４，７４、各流調弁５２，６２，７２、及び各バーナー４０Ａ，４０Ｂに指令を送り、均熱炉１０の稼働プロセスが制御される。

図２は、ガスクーラー１００の構成を示す断面図である。
ガスクーラー１００は、均熱炉１０から排出される高熱の排ガスＧを通すガス管１１０と、そのガス管を収容するガスクーラー本体１２０とを備える。
ガスクーラー本体１２０は、例えば、円柱形等に形成された容器である。そして、ガスクーラー本体１２０の内部には、複数のガス管１１０が、ガスクーラー本体１２０の底面から上面に向けて上下方向に複数本に分岐して立設する。
また、ガスクーラー本体１２０の下方には、ガスクーラー本体１２０内部に冷媒Ｃを供給する冷媒供給管１３０と、ガスクーラー本体１２０内部の冷媒Ｃを外部に排出する冷媒排出管１４０が接続される。そして、冷媒供給管１３０及び冷媒排出管１４０には、それぞれ流調弁１３２，１４２が設けられる。
また、ガスクーラー本体１２０の上方には、ガスクーラー本体１２０内部と外部との間で空気若しくは冷媒Ｃの気化ガスを流通させる通気孔１２２が設けられる。
そして、複数本に分岐して延設されたガス管１１０は、ガスクーラー本体１２０の上方で連結されて、後工程に排ガスＧを送るガス管に連結される。また、その連結部分には、ガスクーラー１００を経て冷却された排ガスＧの温度を測定する温度センサ１５０が設けられ、その計測情報は、ガス温度制御部１５２に送られる。
なお、ガス温度制御部１５２は、温度センサ１５０からの計測情報に基づいて流入管用流調弁１３２及び排出管用流調弁１４２に指令して、開放角を制御することができる。

以上のような構成を備えるガスクーラー１００及び均熱炉１０は、以下のように作用する。
まず、均熱炉１０では、制御部からの指令に基づいて、燃料ガス用流調弁５２Ａ及び燃焼空気用流調弁６２Ａが開放されて、バーナー４０Ａを燃焼させる。この時、燃料ガス用流調弁５２Ｂ及び燃焼空気用流調弁６２Ｂは、閉鎖されている。
バーナー４０Ａを燃焼させることにより、炉内は、約１３００℃に加熱され、その排ガスは、バーナー４０Ｂに吸引されて、蓄熱体４２Ｂが加熱される。そして、排ガスは、蓄熱体４２Ｂにより熱を奪われて、約２００℃程度まで冷やされて、外部に放出される。この際、排ガス流調弁７２Ｂは開放され、一方、排ガス流調弁７２Ａ及びバイパス流調弁８４は封鎖されている。
そして、設定時間（例えば、１５秒〜６０秒）が経過すると、バーナー４０Ａからバーナー４０Ｂに燃焼を切り換えられる。すなわち、燃料ガス用流調弁５２Ａ及び燃焼空気用流調弁６２Ａを封鎖し、一方、燃料ガス用流調弁５２Ｂ及び燃焼空気用流調弁６２Ｂを開放する。また、排ガス流調弁７２Ａを開放し、排ガス流調弁７２Ｂを封鎖する。そして、バーナー４０Ｂに供給される燃焼用空気は、蓄熱体４２Ｂを通過する際に余熱されて、炉温に近い温度まで上昇させられる。
このようにして、廃熱が利用されて、ガス使用量が削減される。一方、バーナー４０Ａは、排ガスを吸引し、蓄熱体４２Ａを過熱する。
以上の動作を繰り返して、燃焼を継続することにより、均熱処理が行われる。

上述したように均熱炉１０が稼働すると、炉内温度は、約１３００℃になる。そのため、排気バイパス８０に流入される排ガスの温度も約１３００℃となり、その高温の排ガスＧは、ガスクーラー１００の下方に送り込まれる。そして、ガスクーラー１００に送り込まれた排ガスＧは、分岐したガス管１１０に流入する。
一方、ガスクーラー本体１２０内部には、冷媒供給管１３０から冷媒Ｃが供給されるとともに、冷媒排出管１４０からは冷媒Ｃが排出されている。また、供給される冷媒Ｃの流量と排出される冷媒Ｃの流量が略同一に調整されるため、ガスクーラー本体１２０内の冷媒の水位は、一定に保たれつつ、常にガスクーラー本体１２０内部には冷媒Ｃが流通している。
なお、冷媒Ｃがガスクーラー本体１２０内で沸騰して蒸発するように、冷媒Ｃの供給量と排出量を調整して、ガスクーラー本体１２０内の冷媒水位を調整してもよい。特に、冷媒Ｃが水のように蒸発潜熱が大きいものである場合には、この潜熱が熱交換に使用できるので、冷却効率が向上する。したがって、ガスクーラー本体１２０のコンパクト化を図ることが可能となる。
したがって、排ガスＧは、ガス管１１０を通過する際に、ガス管１１０に接触する冷媒Ｃとの間で熱交換が行われて冷却される。
そして、冷却された排ガスＧは、ガスクーラー本体１２０の上方で集約されて、温度センサ１５０により温度が測定された後に、次工程に送られる。

ガスクーラー１００により冷却された排ガスＧの温度は、約２００℃程度になるように設定される。その理由は、以下の通りである。すなわち、均熱炉１０から排出される排ガスＧに含まれる二酸化硫黄ガスＳＯ_２の一部が、排ガスＧ中の酸素で更に酸化されて三酸化硫黄ＳＯ_３となり、水蒸気と結合して硫酸蒸気Ｈ_２ＳＯ_３に変化する。そして、硫酸蒸気が冷やされて硫酸水溶液になると、強い腐食環境を作り、ガス管１１０や後工程の設備を腐食させてしまう。このため、排ガスＧの温度を酸露点（硫酸蒸気の露点）以上に維持して、設備の腐食を防止しようとするものである。
酸露点は、排ガス中のＳＯ_３濃度と水分量により変化し、例えば、ＳＯ_３濃度が１００ｐｐｍ、水分１５パーセントの場合では、１６０℃程度である。したがって、排ガスの温度を約２００℃程度に維持することにより、硫酸水溶液の発生を防止することができ、硫酸による設備の腐食を回避することができる。

そして、ガス管１１０の上方（下流）に設けた温度センサ１５０は、冷却された排ガスＧの温度を測定し、その温度情報をガス温度制御部１５２に送る。そして、ガス温度制御部１５２は、温度情報に基づいて流入管用流調弁１３２及び排出管用流調弁１４２の開放角を制御する。
例えば、排ガスＧの温度が設定温度（約２００℃）よりも高い場合には、ガスクーラー本体１２０内部に流れ込む冷媒Ｃの流量を排出される冷媒Ｃの流量よりも多くして、ガスクーラー本体１２０内部に収容される冷媒Ｃの水位を上昇させる。これにより、排ガスＧと熱交換を行う伝熱面積（すなわち、冷媒と排ガスとの接触面積）が大きくなり、排ガスＧを更に冷やすことができる。
一方、排ガスＧの温度が設定温度よりも低い場合には、ガスクーラー本体１２０内部に流れ込む冷媒Ｃの流量を排出される流量よりも少なくして、ガスクーラー本体１２０内部の冷媒Ｃの水位を下降させる。これにより、排ガスＧと熱交換を行う伝熱面積が小さくなり、排ガスＧの冷やし過ぎを防止することができる。
なお、ガスクーラー本体１２０上部に通気孔１２２を設けているため、ガスクーラー本体１２０内部の冷媒Ｃの水位を円滑に昇降させることができるし、冷媒Ｃの蒸発潜熱を熱交換に利用する運用をする場合には、冷媒Ｃの蒸発ガスは、通気孔１２２を通過して、ガスクーラー１２０の外部に放出される。したがって、ガスクーラー１２０内の蒸発ガスによる圧力変動が冷媒水位の調整を阻害することがない。
また、流れ込む冷媒Ｃの流量を排出される流量よりも少なくしたり或いは多くしたりする方法としては、排出管用流調弁１３２或いは排出管用流調弁１４２のいずれか一方、若しくは両方を調整してもよい。いずれにしても、排出管用流調弁１３２と排出管用流調弁１４２の開放角に差が生じればよい。
そして、排出管用流調弁１３２或いは排出管用流調弁１４２の開放角及びその制御時間の間隔は、任意に定めることができる。すなわち、排ガスＧの温度の変化が急激な場合には、制御のサンプリング時間や流調弁１３２，１４２の開放角を細かく制御する。一方、排ガスＧの温度の変化が緩やかな場合には、制御のサンプリング時間や流調弁１３２，１４２の開放角は大まかに制御すればよい。
このように、流入管用流調弁１３２及び排出管用流調弁１４２の開放角の調整を行うことにより、ガスクーラー本体１２０内部に収容される冷媒Ｃの水位を間接的に制御して、排ガスＧの温度を設定温度（約２００℃）に維持（制御）することができる。

排ガスＧの温度を制御する方法としては、例えば、冷媒供給管１３０及び冷媒排出管１４０に流量計を設けたり、或いはガスクーラー本体１２０内部に水位計を設けたりして、ガスクーラー本体１２０内部の冷媒Ｃの水位を計測し、排ガスＧの温度と冷媒Ｃの水位との関係に基づいて、流入管用流調弁１３２及び排出管用流調弁１４２の開放角を調整するようにしてもよい。

本発明に係るガスクーラー１００が付設される装置としては、均熱炉に限らず、高温の排ガスが排出される炉等であればよい。例えは、鋼材等に無酸化加熱処理、光輝加熱処理、浸炭処理、ろう付け、焼結などの雰囲気熱処理を施す熱処理炉、廃棄物等を焼却する焼却炉、或いはボイラ等であってもよい。したがって、ガスクーラーに流入する排ガスの温度及び冷却後の排ガスの温度は、上述した温度に限らない。また、ガスクーラーに流入する排ガスの温度が変動する場合であってもよく、冷却後の排ガスの温度を必要に応じて変動させてもよい。
また、ガスクーラー１００内に収容されるガス管１１０は、上下方向に直線的に立設する場合に限らず、波形、螺旋形に形成して伝熱面積を増してもよい。また、ガス管にフィン状のヒートシンクを取り付けてもよい。
また、排ガスＧは、ガス管１１０内を下方から上方に流れる場合に限らず、上方から下方に流れるように変更してもよい。
更に、上述した実施形態では、冷媒供給管１３０及び冷媒排出管１４０の両方に流調弁１３２，１４２を設けたが、これに限らない。例えは、冷媒供給管１３０には、流調弁を設けずに、常に一定の冷媒をガスクーラー本体１２０内部に供給するようにし、冷媒排出管１４０から排出される冷媒Ｃの流量を制御して、冷媒Ｃの水位を調整してもよい。逆に、冷媒排出管１４０には、流調弁を設けずに、常に一定の冷媒Ｃがガスクーラー本体１２０から外部に排出されるようにし、冷媒供給管１３０から供給される冷媒Ｃの流量を制御して、冷媒Ｃの水位を調整してもよい。

ガスクーラーを備える均熱炉のシステム構成を示す概念図ガスクーラーの構成を示す断面図

符号の説明

１０…均熱炉
１００…均熱炉
１１０…ガス管
１２０…本体（容器）
１３０…冷媒供給管（供給部）
１３２…管用流調弁（流調弁）
１４０…排出管（排水部）
１４２…排出管用流調弁（流調弁）
１５０…温度センサ
Ｃ…冷媒
Ｇ…排ガス

Claims

上下方向に立設するガス管と、該ガス管の一部を収容する容器と、該容器内に冷媒を供給する供給部と、前記容器内に収容された前記冷媒を前記容器外に送り出す排水部と、を備え、
前記供給部及び／又は前記排水部における冷媒の流量を調整することにより、前記容器内に収容される前記冷媒の水位を昇降させて、前記ガスの温度を制御することを特徴とするガスクーラー。
前記冷媒の潜熱を利用して前記ガスの温度を制御することを特徴とする請求項１に記載のガスクーラー。
ガスの温度を検出するガス温度センサと、供給部及び／又は排水部に設けられて前記冷媒の流量を調整する流調弁とを更に備え、
前記温度センサの計測情報に基づいて、前記流調弁のいずれか一方或いは両方の開放角を制御することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のガスクーラー。
前記ガスクーラーは、均熱炉から排出される排ガスを冷却するガスクーラーであることを特徴とする請求項１から請求項３のうちいずれか一項に記載のガスクーラー。
前記ガスの温度を、前記ガスの酸露点以上に維持することを特徴とする請求項１から請求項４のうちいずれか一項に記載のガスクーラー。
前記ガスの温度を、２００℃以上に維持することを特徴とする請求項５に記載のガスクーラー。