JP2010249355A - 冷却装置 - Google Patents

Abstract

【課題】吹き込み口が存在しない隙間領域等を含め、内壁に排ガス中に含まれるスケールバインダーが接触することによるハードスケールの成長を防止でき、排ガス流が内壁近傍に偏在する場合であっても、ハードスケールの成長を防止でき、必要以上に大型化することもなく、簡便な構造の冷却装置を提供する。
【解決手段】焼却炉または溶融炉で発生した高温の排ガスをダクト（１）内にて流通させつつ冷却する冷却装置において、上記ダクトに、冷却空気を当該ダクトの周方向に内壁に沿って吹き込むことにより中心軸回りに当該冷却空気の旋回流を生じさせる旋回ノズル（１１）と、当該旋回ノズルよりも上記排ガスの流通方向の下流側に、上記排ガスの流通方向に対して冷却空気を直交方向に吹き込む直交ノズル（１２）とを設けた。
【選択図】図１

Description

本発明は、特に、バイオマス燃料を用いた焼却炉や焼却灰を溶融処理する溶融炉にて発生する高温の排ガスを冷却する冷却装置に関するものである。

焼却炉から排出される排ガスは、冷却装置にて冷却されて、焼却灰やスケールバインダーを分離回収した上で外部に排出される。その際、冷却装置では、排ガス中に含まれる硫酸塩や塩化物からなる微小な液滴状の化合物であるスケールバインダーを冷却固化するとともに、ダイオキシン合成温度領域でのガス滞留を防ぐことで、それぞれ灰の付着性の低減による灰ハンドリング性の向上ならびにダイオキシンなどの発生を抑制している。

特に、焼却炉の燃料としてバイオマス燃料を用いると、図６に示すように、排ガスに含まれるスケールバインダーとダストとが結合して排ガスを後段の装置に導く煙道内壁あるいは冷却装置の内壁に付着し、冷却・固化されることにより蓄積してハードスケールが急速に成長してしまう。従って、排ガスは、上記煙道内壁や冷却装置の内壁にて冷却されると、煙道内壁や冷却装置の内壁の閉塞を引き起こして焼却炉全体の操業を不安定にし、焼却炉の長期連続運転をも困難にし、ハードスケールの除去作業も頻繁に行わなければならないなど利便性をも悪化させる。

また、焼却炉から分離回収された焼却灰を溶融処理する溶融炉から排出される排ガスも、同様に上記煙道内壁や冷却装置の内壁において冷却されるため、内壁に成長するハードスケールによって冷却装置の閉塞を引き起こしうる。

これに対して、図７に示すように、焼却炉から排ガスダクト６０を通じて導入される排ガスを、ダクト６０の周りに外管６１を配置することにより形成される外環部の冷却空気導入口６２から流入した冷却空気の旋回流によって、ガス混合室６５にて瞬時に冷却する冷却装置が提案されている（特許文献１参照）。この冷却装置によって、冷却された排ガスがガス混合室６５の排出口６６から下流側の装置へと排出されるため、上述のハードスケールの成長を抑制することができる。

しかしながら、この冷却装置は、排ガスと冷却空気の旋回流とが混合されるガス混合室６５を有する必要があって装置全体が大型化するだけでなく、混合室６５内に冷却空気の旋回流によって排ガス中のスケールバインダー等が飛散した場合にハードスケールの成長を防止することができない。さらには、ダクト６０の周りに外管６１を配置する二重管構造を有し、ダクト６０内の排ガスとダクト６０外方の冷却空気とによってダクト６０が熱歪みによる劣化を生じやすく、メンテナンスなども煩雑であり、実用的でない。

そこで、ダクト７に、図８に示すように排ガスに対して冷却空気を直交方向に吹き込む直交ノズル８１と、その下流側に冷却空気をダクト７の周方向に吹き込みダクト７の中心軸周りに冷却空気の旋回流を生じさせる旋回ノズル８２とを設けた冷却装置も提案されている（特許文献２参照）。この冷却装置８によれば、必要以上に装置全体が大型化することもなく、直交ノズル８１や旋回ノズル８２から吹きこまれる冷却空気により排ガスが冷却されるため、上述のハードスケールの成長の抑制効果を期待できる。

ところが、旋回ノズル８２の設置場所やその下流側のダクト７の内壁においては、低温空気層が形成されてハードスケールの成長が防止されるものの、直交ノズル８１の設置場所やその上流側のダクト７の内壁においては、ノズル８１の吹き込み口が存在しない隙間領域８０に排ガスが流れ込んで、スケールバインダーとダストとの結合によるハードスケールｂが成長しうる。さらに、隙間領域８０以外にも、ノズル８１から供給される冷却空気により排ガスが攪拌されて、排ガス流が乱れることによってスケールバインダーが飛散し、ハードスケールｂが成長しうる。
これに加え、排ガスが旋回流としてダクト７を流れる場合や、ダクト７の内壁近傍に偏在して流れる場合を考慮すると、排ガスの大半がダクト７の内壁に接触しながら流れるため、直交ノズル８１の設置場所やその上流側のダクト７の内壁に成長するハードスケールｂを防止することは、非常に困難となる。

特開２００４−１０５８６６号公報 特開２００２−２７６９２４号公報

そこで、吹き込み口が存在しない隙間領域等を含め、内壁に排ガス中に含まれるスケールバインダーが接触することによるハードスケールの成長を防止でき、特に、排ガス流が内壁近傍に偏在する場合であっても、ハードスケールの成長を防止でき、必要以上に大型化することもなく、簡便な構造の冷却装置を提供することを課題とする。

すなわち、請求項１に記載の発明に係る冷却装置は、焼却炉または溶融炉で発生した高温の排ガスをダクト内にて流通させつつ冷却する冷却装置において、上記ダクトには、冷却空気を当該ダクトの周方向に内壁に沿って吹き込むことにより中心軸回りに当該冷却空気の旋回流を生じさせる旋回ノズルと、当該旋回ノズルよりも上記排ガスの流通方向の下流側に、上記排ガスの流通方向に対して冷却空気を直交方向に吹き込む直交ノズルとが設けられていることを特徴としている。

また、請求項２に記載の発明、請求項１に記載の冷却装置において、上記ダクトには、さらに上記直交ノズルの上記排ガスの流通方向の下流側に上記旋回ノズルが設けられていることを特徴としている。

また、請求項３に記載の発明は、請求項１または２に記載の冷却装置において、上記ダクトが略円筒状に構成され、上記旋回ノズルが上記冷却空気を当該ダクトの接線方向に吹き込むことを特徴としている。

また、請求項４に記載の発明は、請求項３に記載の冷却装置において、上記旋回ノズルが上記周方向に均等間隔で複数設置されていることを特徴としている。

請求項５に記載の発明は、請求項３または４に記載の冷却装置において、上記直交ノズルが上記周方向に均等間隔で複数設置されていることを特徴としている。

請求項６に記載の発明は、請求項１ないし５のいずれか１項に記載の冷却装置において、上記ダクトは、その上流側に接続される接続配管よりも口径が大きいことを特徴としている。

請求項１に記載の冷却装置によれば、ダクトには旋回ノズルの下流側に直交ノズルが設けられているため、旋回ノズルによって、内壁周りの外周部にダクトの中心軸を回転軸とした旋回流を生じさせて、排ガスをダクトの中央部にて下流側へと流通させつつ、直交ノズルによって、排ガスを急速に冷却することができる。
従って、直交ノズルの下流側に旋回ノズルを設けた場合と異なり、排ガスが冷却装置に流入した段階で直交ノズルの吹き込み口が存在しない隙間領域に流れ込むことにより、あるいは直交ノズルからの冷却空気が排ガスを攪拌して排ガス流が乱れることによるスケールバインダーの飛散により、スケールバインダーとダストとの結合によってハードスケールが成長してしまうことを防止できる。さらには、排ガスが冷却装置内壁近傍に、はじめから偏在して流れる場合であっても、直交ノズルの設置場所やその上流側の冷却装置内壁にハードスケールが成長することを防止できる。

請求項２に記載の冷却装置によれば、直交ノズルの下流側にさらに旋回ノズルを設けたため、排ガスを冷却装置の流入部から流出部の全長に亘ってダクトの中央部にて流通させることができ、よって冷却装置の内壁全長にてハードスケールの成長を防止できる。さらには、冷却装置の全長に亘って排ガスを冷却してスケールバインダーを全て冷却・固化させることができるため、冷却装置の下流側の接続配管内や装置内におけるハードスケールの成長を防止できる。

その際、上述の旋回ノズルは、請求項３に記載の発明のように、ダクトの接線方向に吹き込むように設置することによって、効果的に冷却空気による旋回流を生じさせることができ、請求項４に記載の発明のように、周方向に均等間隔で複数設置することによって、より効果的に冷却空気による旋回流を生じさせることができるとともに、より確実に排ガスをダクトの中央部にて流通させることができる。

他方、直交ノズルは、請求項５に記載の発明のように、周方向に均等間隔で複数設置することによって、排ガスを均等に冷却することができるとともに、必要以上に排ガス流が乱れることによるスケールバインダーの飛散を防止できる。

また、請求項６に記載の冷却装置によれば、ダクトの口径をその上流側に接続される接続配管よりも大きくすることによって、旋回ノズルから吹きこまれる冷却空気によりダクトの内壁周りに旋回流が生じやすくなり、確実にハードスケールの成長を防止できる

本発明に係る冷却装置の縦断面模式図である。 図１におけるＩＩ−ＩＩ線矢視図である。 図１におけるＩＩＩ−ＩＩＩ線矢視図である。 図１におけるＩＶ−ＩＶ線矢視図である。 冷却装置内の温度分布図であって、（ａ）は全体図、（ｂ）は要部拡大図である。 内壁にハードスケールが成長して閉塞を起こしてしまった冷却装置の写真である。 冷却装置の従来例の模式図であって、（ａ）は縦断面模式図、（ｂ）はＩ−Ｉ線矢視図である。 冷却装置の従来例の模式図であって、（ａ）は縦断面模式図、（ｂ）はＩＩ−ＩＩ線矢視図、（ｃ）はＩＩＩ−ＩＩＩ線矢視図である。

以下、本発明に係る冷却装置について、図１〜図４を用いて説明する。

本実施形態に係る冷却装置は、焼却炉の下流の接続配管２に連結されたダクト１によって構成されている。このダクト１は、接続配管２よりも大きい口径の円筒状に形成されて接続配管２との間に口径ギャップａを有し、接続配管２側の流入部から流出部に向けて排ガスを流通可能に設けられている。

そして、ダクト１の接続配管２との接続部には、冷却空気をダクト１の接線方向に内壁に沿って吹き込むことにより、ダクト１の中心軸回りに冷却空気の旋回流を生じさせる旋回ノズル１１が同軸円内に均等間隔に複数本（本実施形態では４本）設けられている。また、このダクト１の旋回ノズル１１の下流側には、排ガス流に対して冷却空気を直交方向に吹き込む直交ノズル１２が同軸円内に均等間隔に複数本（本実施形態では８本）設けられ、この直交ノズル１２の下流側にも、冷却空気をダクト１の接線方向に内壁に沿って吹き込むことにより、ダクト１の中心軸回りに冷却空気の旋回流を生じさせる旋回ノズル１３が同軸円内に均等間隔に複数本（本実施形態では４本）設けられている。

そこで、これら複数本の旋回ノズル１１を第１旋回ノズル段、複数本の直交ノズル１２を第２直交ノズル段、複数本の旋回ノズル１３を第３旋回ノズル段とすると、第１旋回ノズル段、第２直交ノズル段、第３旋回ノズル段は、すべてダクト１の流入部に設置されている。また、第１旋回ノズル段の旋回ノズル１１と第３旋回ノズル段の旋回ノズル１３とは、すべて平面視において重なる位置に設置されており、第２直交ノズル段の複数本の直交ノズル１２は、平面視において第１旋回ノズル段の旋回ノズル１１と重なる位置および旋回ノズル１１間に位置するように設置されている。

そして、ダクト１によって構成される冷却装置は、出口配管５３を通じて下流側の装置に接続されている。

次いで、上述の冷却装置の作用について説明する。
バイオマス燃料を用いた燃焼炉の起動とともに、冷却装置内に第１旋回ノズル段の各旋回ノズル１１、第２直交ノズル段の各直交ノズル１２、第３旋回ノズル段の各旋回ノズル１３から冷却空気を吹き込む。その際、各ノズル１１、１２、１３の空塔速度を、少なくとも出口配管５３の排ガス温度がスケールバインダーの凝固温度以下になるように、かつ下流側の装置の受入温度が過度に低下することがないように調整する。
すると、燃焼炉から生じた排ガスは、接続配管２を通じてダクト１によって構成される冷却装置の流入部から出口配管３に向けて流通しつつ冷却され、下流側の装置に供給される。

その際、冷却装置の流入部では、第２直交ノズル段の各直交ノズル１２から冷却空気が排ガス流に対して直交方向に吹き込むとともに、第１旋回ノズル段の各旋回ノズル１１、第３旋回ノズル段の各旋回ノズル１３からの冷却空気による旋回流がダクト１の外周部にダクト１の中心軸回りに生じている。特に、ダクト１が接続配管２との間に口径ギャップａを有するため、排ガス流によって、第１旋回ノズル段の各旋回ノズル１１から吹き込む冷却空気の旋回流が乱されることなく、安定的な冷却空気の旋回流が生じる。さらに、第３旋回ノズル段の各旋回ノズル１３から吹き込む冷却空気によって冷却装置の流入部だけでなく、出口配管３に向けて全長に亘って旋回流が生じる。

これにより、第２直交ノズル段の各直交ノズル１２からの冷却空気によって排ガスの流れが乱され、スケールバインダーが飛散しつつも直接的に冷却され、かつ第１旋回ノズル段の各旋回ノズル１１、第３旋回ノズル段の各旋回ノズル１３からの冷却空気による旋回流によって冷却装置の内壁への飛散が防御されつつスケールバインダーが冷却・固化される。

従って、排ガスは、図５に示すように、第１旋回ノズル段の各旋回ノズル１１からの冷却空気によって、冷却装置の内壁から離間して中央部を流れ、次いで、第２直交ノズル段の各直交ノズル１２からの冷却空気によって、急速に冷却されつつ冷却装置の中心部に絞られて流通する。また、第２直交ノズル段の各直交ノズル１２からの冷却空気によって、一部冷却装置の中心部から外方へと飛散してしまったスケールバインダーも、第３旋回ノズル段の各旋回ノズル１３からの冷却空気によって冷却装置の内壁から離間した位置で冷却・固化される。
よって、出口配管３や冷却装置の下流側の装置でのハードスケールの成長も防止される。
なお、図５は、冷却装置内の温度分布図であって、赤から青に変色するにつれて高温から低温になっていることを意味する。

本実施形態の冷却装置によれば、第２直交ノズル段のノズル１２を第１旋回ノズル段の旋回ノズル１１と第３旋回ノズル段の旋回ノズル１３との間に設置したため、直交ノズル１２からの冷却空気によって、排ガスを急速に冷却して、排ガス中のスケールバインダーを冷却・固化でき、旋回ノズル１１、１３からの冷却空気によって、スケールバインダーが冷却装置の内壁に飛散することを防止できる。

特に、第１旋回ノズル段の下流側に第２直交ノズル段を設置したため、第１旋回ノズル段のノズル１１からの冷却空気によって排ガス流が形成されたところに第２直交ノズル段のノズル１２からの冷却空気が吹き込まれるため、排ガスは冷却装置の内壁から離間して中央部を流れ、仮に排ガスが接続配管２の内壁近傍に、はじめから偏在して流れる場合であっても、第２直交ノズル段のノズル１２の設置場所やその上流側の冷却装置内壁にハードスケールが成長することを防止できる。
さらに、第２直交ノズル段のノズル１２の冷却空気によって飛散してしまったスケールバインダーも、第３旋回ノズル段の旋回ノズル１３からの冷却空気によって、冷却装置の内壁から離間した位置で冷却される。このため、排ガスが冷却装置の全長に亘って冷却装置の内壁に接触することを防止でき、スケールバインダーをすべて冷却・固化させてハードスケールの成長を防止できる。

さらに、冷却装置は、接続配管２よりも大口径で口径ギャップａを有するため、排ガス流により第１旋回ノズル段のノズル１１による冷却空気の旋回流が乱されることもなく、安定的な旋回流が生じるため、確実にハードスケールの成長を防止できる。
また、第２直交ノズル段の直交ノズル１２を、第１旋回ノズル段、第３旋回ノズル段の旋回ノズル１１、１３の倍数となる本数だけ設置して、旋回ノズル１１、１３に重なる位置および同ノズル間に位置するように設置したため、排ガスを効果的かつ均等に冷却できる。

なお、本発明は、上述の実施形態に何ら限定されるものでなく、例えば、ダクト１は、矩形筒状であってもよく、焼却炉または溶融炉で発生した高温の排ガスが流通可能であれば足りる。

バイオマス燃料を用いた焼却炉や焼却灰を溶融処理する溶融炉にて発生する高温の排ガスを冷却する冷却装置として利用できる。

１ ダクト
２ 接続配管
３ 出口配管
１１、１３ 旋回ノズル
１２ 直交ノズル
ａ 口径ギャップ

Claims (6)

1. 焼却炉または溶融炉で発生した高温の排ガスをダクト内にて流通させつつ冷却する冷却装置において、
   上記ダクトには、冷却空気を当該ダクトの周方向に内壁に沿って吹き込むことにより中心軸回りに当該冷却空気の旋回流を生じさせる旋回ノズルと、当該旋回ノズルよりも上記排ガスの流通方向の下流側に、上記排ガスの流通方向に対して冷却空気を直交方向に吹き込む直交ノズルとが設けられていることを特徴とする冷却装置。
2. 上記ダクトには、さらに上記直交ノズルの上記排ガスの流通方向の下流側に上記旋回ノズルが設けられていることを特徴とする請求項１に記載の冷却装置。
3. 上記ダクトは、略円筒状に構成され、上記旋回ノズルは、上記冷却空気を当該ダクトの接線方向に吹き込むことを特徴とする請求項１または２に記載の冷却装置。
4. 上記旋回ノズルは、上記周方向に均等間隔で複数設置されていることを特徴とする請求項３に記載の冷却装置。
5. 上記直交ノズルは、上記周方向に均等間隔で複数設置されていることを特徴とする請求項３または４に記載の冷却装置。
6. 上記ダクトは、その上流側に接続される接続配管よりも口径が大きいことを特徴とする請求項１ないし５のいずれか１項に記載の冷却装置。