JP2009216279A - ガスガス熱交換装置及びその熱交換方法 - Google Patents

Abstract

【課題】コストの増加や構造の複雑化を招くことなく、再加熱後の排ガス温度を抑制させることができ、煙突等の熱的損傷を防止するガスガス熱交換装置及びその熱交換方法を提供すること。
【解決手段】バイパス制御部(52)が、熱回収器(10)により熱回収された排ガス温度が所定温度Tr1未満である場合や、再加熱器(18)により加熱された排ガス温度が所定温度Th2より大である場合に、バイパスバルブ(34)を開き、熱回収器入口バルブ(36)を閉じるよう制御する。
【選択図】図２

Description

本発明は、ガスガス熱交換装置及び熱交換方法に係り、詳しくは熱回収用熱交換器及び再加熱用熱交換器の間を循環する熱媒の流れを制御するものである。

近年、ボイラ等の燃料装置の排気通路には排ガス処理設備として、燃焼により生じた排ガス中の煤塵を除去する電気集塵器や排ガス中の硫黄酸化物を除去する脱硫装置等が設けられている。さらに、当該排気通路には、脱硫装置へ流入する前の排ガス温度を低下させるとともに、煙突からの排ガス拡散性の向上、白煙化の防止等の目的から脱硫装置通過後の排ガスを再加熱させるガスガス熱交換装置（以下、ガスガスヒータともいう）が設けられている。

当該ガスガスヒータは、脱硫装置流入前の高温な排ガスから熱を回収する熱回収用熱交換器（以下、熱回収器とも言う）及び脱硫装置通過後の冷却された排ガスを再加熱する再加熱用熱交換器（以下、再加熱器とも言う）とが連絡管により連結され、当該連絡管内を介して熱交換器間を水等の熱媒が循環する構成をなしている。
また、当該ガスガスヒータの連絡管には、熱媒の温度を下限温度以上に保つため、及び再加熱用熱交換器において十分に排ガス温度を上昇させるために、蒸気を利用して熱媒を加熱する熱媒加熱ヒータ等が設けられている。

一方、熱回収用熱交換器通過後の排ガス温度が低くなりすぎると、排ガス中の煤塵や硫黄分が固着し、排気通路を形成する配管等を腐食させるおそれがある。このため、熱回収器を迂回可能に低温側連絡管と高温側連絡管とを連結するバイパス管を設け、熱回収後の排ガス温度が低いときには、熱回収器への熱媒の一部を迂回させることで熱回収を抑制させる構成がある。

一方、電気集塵機は排ガス温度が低いほど集塵効率が向上するものであり、高温な排ガスが熱回収器に流入するような場合にも確実に排ガス温度が特定の温度以下となるのが好ましい。そこで、熱回収器における熱回収を向上させるため再加熱器による熱媒温度の低下を促進させるべく、熱媒が再加熱器において通常時に通過するフィン付管に加えて裸管を通過するようにした技術が公開されている（特許文献１参照）。
特開２００４−３３３０３３号公報

しかしながら、上記特許文献１に開示された技術のように、フィン付管に加えて裸管を設ける構成は、製造のコストが増加する上、再加熱器の構造も複雑化するという問題がある。
また、上記特許文献１を含む従来の構成では、熱媒の温度を低下させる手段がなく、熱回収用熱交換器において熱媒が過剰に加熱された場合、再加熱器における排ガスへの加熱量が増加し排ガス温度が過度に高温になるおそれがある。そして、加熱後の排ガス温度が過度に高温となると、特に鋼板製に比べて耐熱温後が低いＦＲＰ製の煙突等においては熱的損傷が生じるという問題がある。

本発明はこのような問題を解決するためになされたもので、その目的とするところは、コストの増加や構造の複雑化を招くことなく、再加熱後の排ガス温度を抑制させることができ、煙突等の熱的損傷を防止するガスガス熱交換装置及びその熱交換方法を提供することにある。

上記した目的を達成するために、請求項１のガスガス熱交換装置の熱交換方法では、燃焼機関の排ガス通路上流側に設けられ、熱媒の流通により該排ガスから熱を回収する伝熱管からなる熱回収用熱交換器と、前記排ガス通路下流側に設けられ、熱媒が流通により該排ガスを加熱する伝熱管からなる再加熱用熱交換器と、前記熱回収用熱交換器から前記再加熱用熱交換器への熱媒が流通する高温側連絡管と、前記再加熱用熱交換器から前記熱回収用熱交換器への熱媒が流通する低温側連絡管と、前記熱媒が前記熱回収用熱交換器を迂回するよう前記高温側連絡管及び低温側連絡管を連結するバイパス管とを備え、前記再加熱用熱交換器を通過した後の排ガス温度が所定温度以上であるとき、前記バイパス管を通る熱媒流量を増加させることを特徴とを備えたことを特徴としている。

請求項２のガスガス熱交換装置の熱交換方法では、請求項１において、前記熱回収用熱交換器を通過した後の排ガス温度が第２の所定温度以下であるときも、前記バイパス管を通る熱媒流量を増加させることを特徴としている。
請求項３のガスガス熱交換装置では、燃焼機関の排ガス通路上流側に設けられ、熱媒の流通する伝熱管を有し排ガスから熱を回収する熱回収用熱交換器と、前記排ガス通路下流側に設けられ、熱媒の流通する伝熱管を有し排ガスを加熱する再加熱用熱交換器と、前記熱回収用熱交換器から前記再加熱用熱交換器への熱媒が流通する高温側連絡管と、前記再加熱用熱交換器から前記熱回収用熱交換器への熱媒が流通する低温側連絡管と、前記熱媒が前記熱回収用熱交換器を迂回するよう前記高温側連絡管及び低温側連絡管を連結するバイパス管と、前記バイパス管を通る熱媒流量を可変する熱媒バイパス量可変手段と、前記再加熱用熱交換器を通過した後の排ガス温度を検出する再加熱後排ガス温度検出手段と、前記再加熱後排ガス温度検出手段により検出された再加熱後排ガス温度が所定温度以上であるときに前記バイパス管を通る熱媒流量を増加させるよう前記熱媒バイパス量可変手段を制御する熱媒バイパス量制御手段と、を備えたことを特徴としている。

請求項４のガスガス熱交換装置では、請求項３において、前記熱回収用熱交換器を通過した後の排ガス温度を検出する熱回収後排ガス温度検出手段を備え、前記熱媒バイパス量制御手段は、前記熱回収後排ガス温度検出手段により検出された熱回収後排ガス温度が第２の所定温度未満であるときに前記バイパス管を通る熱媒流量を増加させるよう前記熱媒バイパス量可変手段を制御することを特徴としている。

上記手段を用いる本発明の請求項１及び３のガスガス熱交換装置及びその熱交換方法によれば、燃焼機関の排ガス通路に設けられる熱回収用熱交換器及び再加熱用熱交換器が高温側連絡管及び低温側連絡管により連結され、当該高温側連絡管及び低温側連絡管がバイパス管により連結されたガスガス熱交換装置において、再加熱後排ガス温度が所定温度以上であるときに、バイパス管を通る熱媒流量を増加させる。

つまり、再加熱用熱交換器における排ガスの加熱が過剰である場合には、バイパス管の熱媒流量を増加させることで、熱回収用熱交換器への熱媒の一部を迂回させ、熱媒温度を低下させる。
これにより、再加熱用熱交換器における排ガスの加熱が抑制され、再加熱後の排ガス温度の上昇を抑制させることができ、煙突等の熱的損傷を防止することができる。

請求項２及び４のガスガス熱交換装置及びその熱交換方法によれば、熱回収後排ガス温度が第２の所定温度未満であるときに、バイパス管を通る熱媒流量を増加させる。
つまり、熱回収用熱交換器における排ガスの熱回収が過剰である場合には、バイパス管の熱媒流量を増加させることで、熱回収用熱交換器への熱媒の一部を迂回させ、当該熱回収用熱交換器の伝熱管を通る熱媒量を低下させる。

これにより、熱回収用熱交換器における排ガスからの熱回収が抑制され、熱回収による排ガス温度の低下を抑制させることができ、排気通路を形成する配管等の腐食等を防止することができる。
このように、熱媒バイパス量を可変させることで、熱回収器における過剰な熱回収の抑制及び再加熱器による排ガスの過剰な加熱の抑制を両立して行うことができる。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づき説明する。
図１には本発明に係るガスガス熱交換装置を備えた排ガス処理装置の概略構成図が示されており、図２には、本発明に係るガスガス熱交換装置の要部概略構成図が示されている。
同図に示すように、燃焼装置であるボイラ１には、燃焼により生じた排ガスが通る排ガス通路２に各種排ガス処理装置が設けられている。

当該排ガス処理装置は排ガスの流れ順に、脱硝装置４、空気予熱器６、ガスガスヒータ８（ガスガス熱交換装置）の熱回収用熱交換器（以下、熱回収器という）１０、電気集塵器１２、誘因ファン１４、湿式脱硫装置１６、ガスガスヒータ８の再加熱用熱交換器（以下、再加熱器という）１８、脱硫ファン２０、煙突２２が設けられている。
詳しくは、脱硝装置４は排ガス中の窒素酸化物を除去するものであり、空気予熱器６は高温な排気との熱交換によりボイラ１へ供給される空気を昇温させるものである。

また、電気集塵器１２は排ガス中の煤塵を除去するものであり、誘因ファン１４は当該電気集塵器１２通過後の排ガスを昇圧して湿式脱硫装置１６へと送るものである。
さらに、湿式脱硫装置１６は気液接触により排ガス中のＳＯｘを除去するものであり、脱硫ファン２０は当該湿式脱硫装置１６を通過した排気を昇圧し煙突２２へと送るものである。なお、当該煙突２２はＦＲＰ製の煙突である。

また、ガスガスヒータ８の熱回収器１０及び再加熱器１８はそれぞれ伝熱管１０ａ、１８ａを有しており、それぞれの伝熱管１０ａ、１８ａが低温側連絡管２４及び高温側連絡管２６により連結されている。つまり、当該伝熱管１０ａ、１８ａ、低温側連絡管２４、及び高温側連絡管２６により熱媒の循環する熱媒経路が形成されている。
当該低温側連絡管２４の途中には、熱媒を供給する熱媒貯留タンク２８、及び熱媒を循環させる循環ポンプ３０が設けられている。

さらに、詳しくは図２に示すように、熱回収器１０の伝熱管１０ａを迂回する熱媒経路を形成するように、低温側連絡管２４及び高温側連絡管２６とを連結するバイパス管３２が設けられている。当該バイパス管３２の途中にはバイパスバルブ３４が設けられており、低温側連絡管２４においてバイパス管３２との接続位置より熱媒流れの下流側位置には熱回収器入口バルブ３６が設けられている。

また、高温側連絡管２６の途中には、熱媒加熱ヒータ３８が設けられている。当該熱媒加熱ヒータ３８は蒸気管４０の途中に設けられており、当該蒸気管４０を介してボイラ１からの蒸気が流通し、当該蒸気と熱媒との熱交換により、熱媒を加熱する機能を有している。また、当該蒸気管４０には、熱媒加熱ヒータ３８の蒸気入口部分に蒸気バルブ４２が設けられている。

さらに、排ガス通路２の熱回収器１０出口部分には熱回収器出口排ガス温度センサ４４が、再加熱器１８の出口部分には再加熱器出口排ガス温度センサ４６が、高温側連絡管２４の再加熱器１８出口部分には熱媒温度センサ４８がそれぞれ設けられており、当該各温度センサ４４、４６、４８は各位置における排ガス温度または熱媒温度を検出する。
そして、蒸気バルブ４２、再加熱器出口温度センサ４６、及び熱媒温度センサ４８は蒸気制御部５０に電気的に接続されている。当該蒸気制御部５０は、再加熱器出口排ガス温度センサ４６により検出される再加熱器１８出口部分の排ガス温度Ｔｈ、及び熱媒温度センサ４８により検出される熱媒温度Ｔｃに基づき蒸気バルブ４２のバルブ開度を制御する機能を有している。

また、バイパスバルブ３４、熱回収器入口バルブ３６、熱回収器出口温度センサ４４、及び再加熱器出口温度センサ４６は熱媒制御部５２に電気的に接続されている。当該熱媒制御部５２は熱回収器出口排ガス温度センサ４４により検出される熱回収器１０出口部分の排ガス温度Ｔｒ、及び上記再加熱器出口排ガス温度センサ４６により検出される再加熱器出口排ガス温度Ｔｈに基づき、バイパスバルブ３４及び熱回収器入口バルブ３６のバルブ開度を制御する機能を有している。

以下、本発明に係るガスガス熱交換装置の熱交換方法について説明する。
まず、蒸気制御部５０は、通常時においては蒸気バルブ４２を閉弁するよう制御する。そして、再加熱器出口排ガス温度センサ４６により検出される再加熱器出口ガス温度Ｔｈが第１所定再加熱器出口温度Ｔｈ１（例えば８０〜１００℃）未満であるとき、または熱媒温度Ｔｃが所定熱媒温度Ｔｃ１（例えば７０〜８０℃）未満であるときに、蒸気バルブ４２を開弁する。

このように蒸気制御部５０では、再加熱器１８により排ガスが十分に加熱されない場合や、熱媒が下限温度未満となるような場合には、蒸気バルブ４２を開くよう制御する。
これにより、熱媒ヒータ３８により熱媒の加熱が行われ、再加熱器１８において排ガスを十分に加熱し、白煙防止や拡散性向上を図ることができるとともに、熱媒の温度を下限温度以上に保ち熱媒機能を確保することができる。

一方、バイパス制御部５２における制御について、図３を参照すると、バイパス制御部５２において行われるバルブ制御ルーチンのフローチャートが示されており、以下当該フローチャートに基づき説明する。
バイパス制御部５２は、通常時においては、バイパスバルブ３４を閉弁し、熱回収器入口バルブ３６を開弁するよう制御する。

そして、図３に示すように、バイパス制御部５２におけるバルブ制御では、ステップ１として、熱回収器出口温度センサ４４により検出される熱回収器出口排ガス温度Ｔｒを取得する。
続くステップＳ２では、当該熱回収器出口排ガス温度Ｔｒが予め設定されている所定熱回収器出口温度Ｔｒ１（例えば８０〜９０℃）（第２の所定温度）より大であるか否かを判別する。

当該判別結果が真（Ｙｅｓ）である場合は次のステップＳ３に進む。
ステップＳ３では、再加熱器出口温度センサ４６により検出される再加熱器出口排ガス温度Ｔｈを取得する。
続く、ステップＳ４では、当該再加熱器出口排ガス温度Ｔｈが、予め設定されている第２所定再加熱器出口温度Ｔｈ２（例えば１００〜１２０℃）（所定温度）より大であるか否かを判定する。

当該判別結果が真（Ｙｅｓ）である場合は、ステップＳ５に進む。
ステップＳ５では、通常時におけるバルブ制御を維持、即ちバイパスバルブ３４を閉弁するとともに、熱回収器入口バルブ３６を開弁し、当該ルーチンをリターンする。
一方、上記ステップＳ２またはステップＳ４の判別結果が偽（Ｎｏ）である場合、即ち、熱回収器出口排ガス温度Ｔｒが所定熱回収器出口排ガス温度Ｔｒ１未満、または再加熱器出口排ガス温度Ｔｈが第２所定再加熱器出口排ガス温度Ｔｈ２より大である場合には、ステップＳ６に進む。

ステップＳ６では、バイパスバルブ３４を開弁するとともに、熱回収器入口バルブ３６を閉弁し、当該ルーチンをリターンする。
このようにバイパス制御部５２では、熱回収器１０により熱回収された排ガス温度が低くなりすぎた場合や、再加熱器１８により加熱された排ガス温度が過度に高温である場合には、バイパスバルブ３４を開き、熱回収器入口バルブ３６を閉じるよう制御する。

つまり、熱回収器１０における排ガスの熱回収が過剰である場合、または、再加熱器１８による排ガスの加熱が過剰である場合に、バイパス管３２の熱媒流量を増加させることで、熱回収器１０への向かう熱媒の一部を迂回させる。
これにより、当該熱回収器１０の伝熱管１０ａを通る熱媒量は低下することで熱回収が抑制されるとともに、熱媒温度が低下するため再加熱器における排ガスの加熱も抑制される。

このことから、排気通路を形成する配管等の腐食等を防止することができるとともに、煙突等の熱的損傷を防止することができる。
以上のように本発明に係るガスガス熱交換装置及びその熱交換方法では、熱媒バイパス量を可変するバイパスバルブ３４及び熱回収器入口バルブ３６を用いることでコストの増加や構造の複雑化を招くことなく、熱回収器１０における過剰な熱回収の抑制及び再加熱器１８による排ガスの過剰な加熱の抑制を両立して行うことができる。

以上で本発明に係るガスガス熱交換装置及びその熱交換方法の実施形態についての説明を終えるが、実施形態は上記実施形態に限られるものではない。
上記実施形態ではバイパスバルブ３４及び熱回収器入口バルブ３６の２つのバルブを用いてバイパス管３２を通る熱媒量を可変させているが、熱媒バイパス量可変手段はこれに限られるものではない。例えば、低温側連絡管２４とバイパス管３２との連結部分に熱媒バイパス量可変手段として三方弁を設けてもよい。

また、上記実施形態における第１所定再加熱器出口温度Ｔｈ１、第２所定再加熱器出口温度Ｔｈ２、所定熱媒温度Ｔｃ１、所定熱回収器出口温度Ｔｒ１の具体的な数値は上記記載の値に限られない。

本発明に係るガスガス熱交換装置を備えた排ガス処理装置の概略構成図である。 本発明に係るガスガス熱交換装置の要部概略構成図である。 バイパス制御部において行われるバルブ制御ルーチンを示すフローチャートである。

符号の説明

１ ボイラ
２ 排ガス通路
８ ガスガスヒータ（ガスガス熱交換装置）
１０ 熱回収用熱交換器（熱回収器）
１８ 再加熱用熱交換器（再加熱器）
２４ 低温側連絡管
２６ 高温側連絡管
３２ バイパス管
３４ バイパスバルブ（熱媒バイパス量可変手段）
３６ 熱回収器入口バルブ（熱媒バイパス量可変手段）
４４ 熱回収器出口排ガス温度センサ（熱回収後排ガス温度検出手段）
４６ 再加熱器出口排ガス温度センサ（再加熱後排ガス温度検出手段）
５２ バイパス制御部（熱媒バイパス量制御手段）

Claims (4)

1. 燃焼機関の排ガス通路上流側に設けられ、熱媒の流通により該排ガスから熱を回収する伝熱管からなる熱回収用熱交換器と、
   前記排ガス通路下流側に設けられ、熱媒が流通により該排ガスを加熱する伝熱管からなる再加熱用熱交換器と、
   前記熱回収用熱交換器から前記再加熱用熱交換器への熱媒が流通する高温側連絡管と、
   前記再加熱用熱交換器から前記熱回収用熱交換器への熱媒が流通する低温側連絡管と、
   前記熱媒が前記熱回収用熱交換器を迂回するよう前記高温側連絡管及び低温側連絡管を連結するバイパス管とを備え、
   前記再加熱用熱交換器を通過した後の排ガス温度が所定温度以上であるとき、前記バイパス管を通る熱媒流量を増加させることを特徴とするガスガス熱交換装置の熱交換方法。
2. 前記熱回収用熱交換器を通過した後の排ガス温度が第２の所定温度以下であるときも、前記バイパス管を通る熱媒流量を増加させることを特徴とする請求項１記載のガスガス熱交換装置の熱交換方法。
3. 燃焼機関の排ガス通路上流側に設けられ、熱媒の流通する伝熱管を有し排ガスから熱を回収する熱回収用熱交換器と、
   前記排ガス通路下流側に設けられ、熱媒の流通する伝熱管を有し排ガスを加熱する再加熱用熱交換器と、
   前記熱回収用熱交換器から前記再加熱用熱交換器への熱媒が流通する高温側連絡管と、
   前記再加熱用熱交換器から前記熱回収用熱交換器への熱媒が流通する低温側連絡管と、
   前記熱媒が前記熱回収用熱交換器を迂回するよう前記高温側連絡管及び低温側連絡管を連結するバイパス管と、
   前記バイパス管を通る熱媒流量を可変する熱媒バイパス量可変手段と、
   前記再加熱用熱交換器を通過した後の排ガス温度を検出する再加熱後排ガス温度検出手段と、
   前記再加熱後排ガス温度検出手段により検出された再加熱後排ガス温度が所定温度以上であるときに前記バイパス管を通る熱媒流量を増加させるよう前記熱媒バイパス量可変手段を制御する熱媒バイパス量制御手段と、
   を備えたことを特徴とするガスガス熱交換装置。
4. 前記熱回収用熱交換器を通過した後の排ガス温度を検出する熱回収後排ガス温度検出手段を備え、
   前記熱媒バイパス量制御手段は、前記熱回収後排ガス温度検出手段により検出された熱回収後排ガス温度が第２の所定温度未満であるときに前記バイパス管を通る熱媒流量を増加させるよう前記熱媒バイパス量可変手段を制御することを特徴とする請求項３記載のガスガス熱交換装置。

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