JP2010091219A - 腐食性ガス用熱交換器 - Google Patents

Abstract

【課題】耐火壁と管体との熱膨張差による破損や剥離を防止できて、腐食性の高温ガスから効率よく熱回収する。
【解決手段】軸心部に高温ガス流路１０が形成されるとともに、高温ガス流路１０の外周部の耐火壁１４とケーシング１２との間の環状空間１３に、周方向に所定の熱膨張空間１７をあけて配置されて低温ガス流路を形成する複数の低温ガス管１６を設け、高温ガス流路１０内に軸心方向に沿って流される高温ガスＨＧと、低温ガス管１６内に流される低温ガスＬＧとの間で熱交換を行うように構成され、低温ガス管１６の内面に設置される耐火壁１４を、高温ガス流路１０の軸心方向および周方向にそれぞれ複数に分割された耐火ブロック１９により形成するとともに、これら耐火ブロック１９を低温ガス管１６の内面に植設したアンカー１８を介して取り付けた。
【選択図】図２

Description

本発明は、腐食性の高温ガスと低温ガスとの間で熱交換を行うための腐食性ガス用熱交換器に関するものである。

廃棄物の燃焼や溶融処理過程で発生した高温の腐食性排ガスから熱を回収し、熱エネルギーの有効利用を図るとともに排ガスを冷却し、さらにガス流路の路壁や部材を熱や腐食から保護するものがたとえば特許文献１に開示されている。

特許文献１の炉壁構造は、ガス流路の周囲の炉壁を、複数の水管と、水管の間を連結するフィンからなる水管壁により形成し、この水管壁の内周面に耐火壁を取り付けるとともに、水管壁の外周面を保温材で覆ったものである。水管壁に対する耐火壁の取付手段は開示されていないが、水管壁に取り付けられたアンカーなどを介して耐火壁が保持されていると考えられる。

また他の従来の排ガス用熱交換器は、図８および図９に示すように、排ガスの排出流路である煙道５０を形成する管体５１の外周に所定隙間をあけて外筒５２を配置することにより、管体５１と外筒５２との間に低温のエアを導き得る環状空間室５３を形成したものである。この管体５１の内面には、アンカー５４を介して耐火壁５５が取り付けられ、外筒５２の外面には断熱材５６が取り付けられている。
特開平１０−３２５５２７号公報

しかしながら、水管壁と耐火壁、管体と耐火壁とはそれぞれ熱膨張率に差が大きく、特に運転と停止の繰り返しにより、温度変動が繰り返されると、耐火壁が割れて剥離したり、アンカーが損傷して耐火壁が外れることがあり、また割れた耐火壁の隙間から浸入した高温の腐食性ガスにより、アンカーや水管壁が腐食されるという問題があった。

本発明は上記問題点を解決して、耐火壁と管体との熱膨張差による破損や剥離を防止でき、腐食性の高温排ガスによる腐食を防止することができる腐食性ガス用熱交換器を提供することを目的とする。

請求項１記載の発明は、軸心部に高温ガス流路を形成する耐火壁と、当該耐火壁の外周部に環状空間を形成する外筒とで二重筒構造にされ、前記高温ガス流路に軸心方向に沿って流される高温ガスと、前記環状空間に形成された低温ガス流路に流される低温ガスとの間で熱交換を行う腐食性ガス用熱交換器であって、前記環状空間に、周方向に所定の熱膨張空間をあけて配置されて低温ガス流路を形成する複数の低温ガス管を軸心方向に沿って配置し、前記耐火壁を、高温ガス流路の軸心方向および周方向にそれぞれ複数に分割された耐火ブロックにより形成するとともに、これら耐火ブロックを前記低温ガス管の内面に、固定部材を介して取り付けたものである。

請求項２記載の発明は、請求項１の構成において、耐火ブロックの周方向に隣接する周方向隣接面および軸心方向に隣接する軸心方向隣接面の少なくとも一方に、互いに係合する段部または凹凸部を形成したものである。

請求項３記載の発明は、請求項２記載の構成において、軸心方向に沿って配置されたブロック列の耐火ブロックを、それぞれ各低温ガス管に取り付けるとともに、これら耐火ブロックの軸心方向隣接面を、熱膨張空間に臨んで配置し、各熱膨張空間に、高温ガスよりも高圧の腐食防止ガスを供給する腐食防止ガス供給手段を設けたものである。

請求項１記載の発明によれば、外筒内の環状空間に、周方向に熱膨張空間をあけて複数の低温ガス管を配置し、この低温ガス管の内面に固定部材を介して耐火ブロックを設けたので、低温ガス管の周方向の熱膨張を熱膨張空間により吸収することができ、低温ガス管の内面に植設された固定部材の変位を少なくして、耐火ブロックの割れや欠け、固定部材の破損や剥離を防止することができる。

請求項２記載の発明によれば、耐火ブロックの軸心方向隣接面に設けられた段部や凹凸部により、低温ガス管の軸心方向の伸縮を吸収するとともに、高温ガス流路から環状空間への腐食性高温ガスの流入を防止して、外筒や低温ガス管の腐食を防止することができる。また周方向隣接面に設けられた段部や凹凸部により、低温ガス管の周方向の変位を吸収するとともに、高温ガス流路から環状空間への腐食性高温ガスの流入を防止して、外筒や低温ガス管の腐食を防止することができる。

請求項３記載の発明によれば、熱膨張空間に高温ガスより高圧の腐食防止ガスを供給したので、耐火ブロックに割れが生じたり、また欠けなどにより隣接面に隙間が生じても、熱膨張空間から内筒部内に腐食防止ガスが流入されることで、環状空間への高温ガスの流入を確実に防止することができる。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
［実施の形態１］
本発明の実施の形態１を図１〜図５に基づいて説明する。

この熱交換器は、図１〜図３に示すように、たとえば廃棄物のガス化溶融炉から腐食性の高温ガスＨＧを軸心方向に沿って上方に排出するガス排出ダクト１１の所定部位に設置されて、高温ガスＨＧから熱回収して冷却するとともに、高温ガスＨＧによる腐食を防止するものである。

円筒形のガス排出ダクト１１は、軸心部に高温ガス流路１０を形成する環状の耐火壁１４を備えた内筒部１５と、内筒部１５の外周部に環状空間１３を形成する耐熱鋼製のケーシング（外筒）１２とで二重筒構造にされ、ケーシング１２の外周面に断熱材１２ａが取り付けられている。そして、環状空間１３には、周方向に沿って円弧形断面に形成され低温ガス流路２０を形成する耐熱鋼製の複数の低温ガス管１６が、ガス排出ダクト１１の軸心方向（以下、軸心方向という）に沿って配置され、隣接する低温ガス管１６の間に、低温ガス管１６の熱膨張を吸収可能な所定幅の熱膨張空間１７が設けられている。そして、内筒部１５内に形成された高温ガス流路１０に、腐食性の高温ガスＨＧが軸心方向に沿って下から上に流され、低温ガス管１６内に熱媒体である低温エア（以下、低温ガスという）ＬＧが軸心方向に沿って下から上に（または上から下に）流されて、高温ガスＨＧと低温ガスＬＧとの間で熱交換を行うように構成されている。

前記耐火壁１４は、図３、図４に示すように、高温ガス流路１０の軸心方向に複数に分割されるとともに、各低温ガス管１６に対応してガス排出ダクト１１の周方向（以下、周方向という）に複数に分割されて、正面視が矩形で円弧形断面の複数の耐火ブロック１９および端部耐火ブロック１９Ａ，１９Ｂにより構成され、軸心方向に沿うブロック列が形成されている。

前記低温ガス管１６は、円弧状の内周板１６ａと、内周板１６ａに一定間隔をあけて外周位置に配置された円弧状の外周板１６ｂと、周方向の左右端面をそれぞれ閉鎖する半径方向の側端板１６ｃとで円弧状断面に形成されている。そして、低温ガス管１６の上流端（図３では下部）が端部耐火ブロック１９Ａ内で上流端板１６ｄにより閉鎖されるとともに、下流端（図３では上部）が端部耐火ブロック１９Ｂ内で下流端板１６ｅにより閉鎖されている。さらに、低温ガス管１６の内周板１６ａに耐火壁１４を保持する単数または複数のアンカー（固定部材）１８が植設されている。これらのアンカー１８は、たとえば基端部から先端側に所定角度で拡開されるＶ字形に形成され、低温ガス管１６が熱膨張しても変位の少ない周方向の中心位置に配置されている。

前記耐火ブロック１９は、軸心方向のブロック列の各耐火ブロック１９が各低温ガス管１６の内面にアンカー１８を介してそれぞれ取り付けられている。そして、耐火ブロック１９の周方向の幅は、低温ガス管１６＋熱膨張空間１７の周方向の幅に等しく形成され、耐火ブロック１９が低温ガス管１６の周端面から両側に熱膨張空間１７の幅の１／２の均等幅が突出するように低温ガス管１６に取り付けられており、これにより耐火ブロック１９の周方向の隣接面が熱膨張空間１７に臨んで配置される。

また図４に示すように、耐火ブロック１９の軸心方向に隣接する上下の軸心方向隣接面１９ａに、互いに係合する段部１９ｂ（または凹凸部）がそれぞれ形成されており、図５（ｂ）に示すように、軸心方向隣接面１９ａの横断面に沿う当接面間に軸心方向の許容隙間δ２が形成されることで、軸心方向隣接面１９ａに軸心方向の隙間が生じても段部１９ｂにより高温ガスＨＧの環状空間１３への流入を防止して、低温ガス管１６およびケーシング１２の腐食を防ぐことができる。また耐火ブロック１９の周方向に隣接する左右の周方向隣接面１９ｃに、互いに嵌合する凹凸部１９ｄ（または段部）がそれぞれ形成され、図５（ａ）に示すように、周方向隣接面１９ｃの縦断面に沿う当接面間に周方向の許容隙間δ１が形成されることで、周方向隣接面１９ｃに周方向の隙間が生じても凹凸部１９ｄにより高温ガスＨＧの環状空間１３への流入を防ぎ、低温ガス管１６およびケーシング１２の腐食を防ぐことができる。

なお、図６（ａ）（ｂ）に示すように、耐火ブロック１９の形状として、軸心方向隣接面１９ａを半径方向に沿う平坦面に形成することもでき、図６（ｃ）（ｄ）に示すように、周方向隣接面１９ｃを平坦面に形成することもできる。

図３に示すように、熱交換器１の上流側（または下流側でもよい）の外周部に、送風機２３からエア供給管２４を介して熱媒用の低温ガスＬＧが供給される環状の給気ヘッダ２１が配置され、給気ヘッダ２１と低温ガス管１６の上流端とが、ケーシング１２を貫通する複数の接続管２２を介して互いに接続されている。また熱交換器１の下流側の外周部に環状の排気ヘッダ２５が配置され、低温ガス管１６の下流端と排気ヘッダ２５とが、ケーシング１２を貫通する複数の接続管２６を介して接続されている。排気ヘッダ２５には、加熱された低温ガスＬＧを加熱器やタービンなどの使用機器に送るエア排出管２７が接続されている。

この実施の形態１では、熱膨張空間１７は、低温ガス管１６の熱膨張を吸収するために設けられているが、図７に示す他の実施の形態では、熱膨張空間１７に、エア供給管２４に分岐菅３１を介して接続された腐食防止エアヘッダ３２から、腐食防止エア供給管（腐食防止ガス供給手段）２８を接続し、高温ガスＨＧより高圧の腐食防止エア（以下、腐食防止ガスという）ＰＡを供給するようにしてもよい。また熱膨張空間１７の下流端に排気管３０が接続されている。もし、腐食防止ガスＰＡのガス圧が高温ガスＨＧより低い場合には、腐食防止エア供給管２８にエアコンプレッサ（腐食防止ガス供給手段）２９を介在させて加圧し高温ガスＨＧより高圧に昇圧する。これにより、耐火ブロック１９の隣接面に隙間や割れなどが生じた場合、腐食防止ガスＰＡが軸心方向、周方向隣接面１９ａ，１９ｃの隙間や割れ部分から高温ガス流路１０に漏出されて、腐食性の高温ガスＨＧが熱膨張空間１７内に流入することがない。したがって、高温ガスＨＧによる低温ガス管１６やケーシング１２の腐食を未然に防止することができる。

上記構成において、高温ガスＨＧが高温ガス流路１０に沿って上流側から下流側に軸心方向に沿って流送され、給気ヘッダ２１から低温ガス管１６に低温ガスＬＧが流送され、耐火壁１４および低温ガス管１６を介して低温ガスＬＧが加熱されて熱回収されるとともに、高温ガスＨＧが冷却される。耐火壁１４より熱膨張率の大きいケーシング１２や低温ガス管１６が加熱されて熱膨張すると、低温ガス管１６が熱膨張し、熱膨張空間１７側に拡張されて吸収される。また低温ガス管１６が熱膨張しても、アンカー１８が低温ガス管１６の熱膨張の中心位置に配置されることにより、アンカー１８から耐火ブロック１９に大きい負荷がかからず、耐火ブロック１９の割れや破損、アンカー１８の離脱といった事故を未然に防止することができる。またこの時、耐火ブロック１９の位置ずれにより、軸心方向、周方向隣接面１９ａ，１９ｃでずれることがあっても、互いに係合する段部１９ｂや互いに噛み合う凹凸部１９ｄで腐食性の高温ガスＨＧの流入が防止される。

また図７の他の実施の形態では、割れや欠けなどにより軸心方向、周方向隣接面１９ａ，１９ｃなどで隙間ができることがあっても、熱膨張空間１７に供給された腐食防止ガスＰＡが高温ガス流路１０に漏出することにより、高温ガスＨＧの流入が防止され、低温ガス管１６やケーシング１２が腐食されるのが防止される。

上記実施の形態によれば、ケーシング１２内の環状空間１３に、周方向に熱膨張空間１７をあけて複数の低温ガス管１６を配置し、この低温ガス管１６の内面にアンカー１８を介して耐火ブロック１９を取り付けたので、低温ガス管１６の周方向の熱膨張を熱膨張空間１７により吸収することができ、低温ガス管１６の内面に植設されたアンカー１８の変位を少なくして、耐火ブロック１９の割れや欠け、アンカー１８の破損や剥離を防止することができる。

また、耐火ブロック１９の軸心方向隣接面１９ａに設けられた段部１９ｂにより、低温ガス管１６の軸心方向の膨張や変位を吸収して高温ガス流路１０から環状空間１３への高温ガスの流入を防止することができ、また耐火ブロック１９の周方向隣接面１９ｃに設けられた凹凸部１９ｄにより、低温ガス管１６の周方向の膨張や変位を吸収して、高温ガス流路１０から環状空間１３への高温ガスの流入を防止することができる。

さらに、熱膨張空間１３に腐食防止ガスＰＡを供給することにより、耐火ブロックに割れが生じたり、また欠けなどにより隣接面に隙間が生じても、熱膨張空間１７から高温ガス流路１０内に腐食防止ガスＰＡが漏出されることで、高温ガス流路１０から環状空間１３内への高温ガスＨＧの流入を確実に防止することができて、ケーシング１２や低温ガス管１６の腐食を防止することができる。

本発明に係る熱交換器の実施の形態を示す横断面図である。 図１の部分拡大図である。 熱交換器の縦断面図である。 耐火ブロックを示し、（ａ）は低温ガス管の取付状態を示す部分斜視図、（ｂ）は低温ガス管の取付状態を示す側面図、（ｃ）（ｄ）はそれぞれ斜視図である。 耐火ブロックの隣接面に設けられた許容隙間を示し、（ａ）は周方向隣接面の許容隙間を示す平面視の断面図、（ｂ）は軸心方向隣接面の許容隙間を示す側面図である。 耐火ブロックの変形例１および２を示し、（ａ）（ｂ）はそれぞれ変形例１を示す斜視図、（ｃ）（ｄ）はそれぞれ変形例２を示す斜視図である。 他の実施の形態を示す熱交換器の縦断面図である。 従来の熱交換器を示す平面視の断面図である。 図８の部分拡大図である。

符号の説明

ＨＧ 高温ガス
ＬＧ 低温ガス（低温エア）
ＰＡ 腐食防止ガス（腐食防止エア）
δ１，δ２ 許容隙間
１０ 高温ガス流路
１１ ガス排出ダクト
１２ ケーシング（外筒）
１２ａ 断熱材
１３ 環状空間
１４ 耐火壁
１５ 内筒部
１６ 低温ガス管
１７ 熱膨張空間
１８ アンカー
１９ 耐火ブロック
１９ａ 軸心方向隣接面
１９ｂ 段部
１９ｃ 周方向隣接面
１９ｄ 凹凸部
２０ 低温ガス流路
２１ 給気ヘッダ
２２ 接続管
２３ 送風機
２５ 排気ヘッダ
２６ 接続管
２８ 腐食防止エア供給管
２９ エアコンプレッサ

Claims (3)

1. 軸心部に高温ガス流路を形成する耐火壁と、当該耐火壁の外周部に環状空間を形成する外筒とで二重筒構造にされ、前記高温ガス流路に軸心方向に沿って流される高温ガスと、前記環状空間に形成された低温ガス流路に流される低温ガスとの間で熱交換を行う腐食性ガス用熱交換器であって、
   前記環状空間に、周方向に所定の熱膨張空間をあけて配置されて低温ガス流路を形成する複数の低温ガス管を軸心方向に沿って配置し、
   前記耐火壁を、高温ガス流路の軸心方向および周方向にそれぞれ複数に分割された耐火ブロックにより形成するとともに、これら耐火ブロックを前記低温ガス管の内面に、固定部材を介して取り付けた
   ことを特徴とする腐食性ガス用熱交換器。
2. 耐火ブロックの周方向に隣接する周方向隣接面および軸心方向に隣接する軸心方向隣接面の少なくとも一方に、互いに係合する段部または凹凸部を形成した
   ことを特徴とする請求項１記載の腐食性ガス用熱交換器。
3. 軸心方向に沿って配置されたブロック列の耐火ブロックを、それぞれ各低温ガス管に取り付けるとともに、これら耐火ブロックの軸心方向隣接面を、熱膨張空間に臨んで配置し、
   各熱膨張空間に、高温ガスよりも高圧の腐食防止ガスを供給する腐食防止ガス供給手段を設けた
   ことを特徴とする請求項２記載の腐食性ガス用熱交換器。

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