JP2011002159A

JP2011002159A - 熱交換器

Info

Publication number: JP2011002159A
Application number: JP2009145504A
Authority: JP
Inventors: Kenji Fujita; 健司藤田; Toshihiro Yamaoka; 敏浩山岡
Original assignee: Sumitomo Heavy Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Heavy Industries Ltd
Priority date: 2009-06-18
Filing date: 2009-06-18
Publication date: 2011-01-06

Abstract

【課題】伝熱管における低温腐食を効果的に防止できる熱交換器を提供すること。
【解決手段】最下段の伝熱管ユニット５の空気流入部に流入した燃焼用空気Ａａは、第１流路１４と第２流路１６とに分かれて流れ、第２流路１６を流れる燃焼用空気Ａｃの流量は、伝熱管全体を流れる燃焼用空気Ａａの流量に比べて低流量である。そのため、第２流路１６を流れる燃焼用空気Ａｃは、排ガスＧの余熱によって速やかに暖気される。また、第２流路１６にて暖められた燃焼用空気Ａｃは、内挿管１０の流出側の端部１０ａを抜けると、第１流路１４を流れてきた比較的低温の燃焼用空気Ａｂと混合され、この比較的低温の燃焼用空気Ａｂを速やかに暖気する。そのため、伝熱管の管路長全体にわたって管壁の温度低下を防止でき、伝熱管における低温腐食を効果的に防止できる。
【選択図】図４

Description

本発明は、熱交換器に関する。

従来、発電ボイラや焼却炉において排出される高温の排ガスによって燃焼用空気を予熱するための熱交換器が知られている。このような熱交換器では、排ガス中に配置された伝熱管の内部に燃焼用空気を流すことにより、排ガスの余熱を伝熱管を介して燃焼用空気に伝達するようにしている。

通常、排ガスは、硫黄酸化物や窒素酸化物を含む酸性ガスである。また、燃焼用空気は、大気温度に近い状態で伝熱管に流入する。そのため、伝熱管の管壁が燃焼用空気によって冷却されると、排ガス中の水蒸気が硫黄酸化物等を含んだ状態で凝縮し、強酸性の液体となって伝熱管の外表面に付着する。こうして、伝熱管におけるいわゆる低温腐食が発生することとなる。

このような低温腐食を防止する技術として、例えば特許文献１に記載された伝熱管構造がある。この伝熱管構造では、低温腐食が発生しうる伝熱管の空気入口部分を二重管構造とした上で、二重管構造部分に空気流量を減少させるための絞り手段を設けている。そして、空気流量を減少させることにより、空気温度を上昇させるとともに管壁温度を上昇させ、二重管構造の出口付近での低温腐食の発生を抑制するようにしている。

特開平１１−２５７８７８号公報

しかしながら、特許文献１に記載の伝熱管構造では、排ガス流量に対する空気流量を相対的に低減することを前提としているため、所望の空気流量を確保するために空気流量を増加させると、必然的に二重管構造の出口付近において温度低下が生じ、結果として二重管構造の出口付近での低温腐食を防止することはできなかった。

そこで、本発明の目的は、伝熱管における低温腐食を効果的に防止できる熱交換器を提供することにある。

すなわち、本発明の熱交換器は、燃焼後の排ガスの流路内に配置された伝熱管を有し、伝熱管の内部を流れる気体に排ガスの余熱を伝達することにより排ガスと気体との熱交換を行う熱交換器であって、伝熱管に設けられた気体の流入部と、伝熱管の内側に配置され、流入部を含む伝熱管の管路長の一部分に設けられると共に、伝熱管の内壁面から離間することにより伝熱管との間に気体の流路を形成する内挿管と、を備えることを特徴とする。

本発明の熱交換器によれば、伝熱管の内側において、流入部を含む伝熱管の管路長の一部分に内挿管が設けられ、この内挿管と伝熱管との間には気体の流路が形成される。そのため、流入部に流入する気体は、内挿管の内側と、内挿管の外側すなわち内挿管と伝熱管との間に形成された流路とに分かれて流れる。この内挿管の外側の流路を流れる気体の流量は、伝熱管全体を流れる気体の流量の一部であり、全体の流量に比べて低流量である。そのため、内挿管の外側の流路を流れる気体は、排ガスの余熱によって速やかに暖められる。よって、内挿管が設けられた部分において、管壁の温度低下を抑止できる。さらに、内挿管の外側の流路にて暖められた気体は、内挿管の流出側の端部を抜けると、内挿管の内側の流路を流れてきた比較的低温の気体と混合され、この比較的低温の気体を速やかに暖める。よって、内挿管の流出側の端部より下流側においても、管壁の温度低下を抑止できる。その結果として、伝熱管の管路長全体にわたって管壁の温度低下を防止できるため、伝熱管における低温腐食を効果的に防止できる。

また、本発明の熱交換器において、内挿管は、伝熱管に対して同心状に配置されていることが好ましい。この構成によれば、内挿管の外側に形成された流路の断面形状は、伝熱管の長手方向において一定となる。そのため、内挿管の外側の流路にて暖められた気体は、内挿管の流出側の端部から、伝熱管の長手方向に略並行な方向に、すなわち伝熱管の内壁面に沿う方向に流出する。これにより、内挿管の流出側の端部よりも下流側における管壁の温度低下がより好適に抑止される。

また、本発明の熱交換器において、伝熱管と内挿管との間には、伝熱管の内壁面からの離間状態を維持するためのスペーサが取り付けられていることが好ましい。この構成によれば、内挿管を伝熱管の内側に配置するように取り付ける際に、スペーサによって伝熱管の内壁面と内挿管との離間状態を簡単に確保できるため、伝熱管に対する内挿管の取り付け作業が容易になる。

また、本発明の熱交換器において、スペーサは、内挿管の両端部に設けられていることが好ましい。この構成によれば、内挿管の外側に形成される気体の流路の、入口部と出口部とを確実に形成することができる。

本発明の熱交換器によれば、伝熱管における低温腐食を効果的に防止できる。

本発明の実施形態に係る熱交換器が設けられた発電ボイラの概略構成を示す断面図である。本発明の実施形態に係る熱交換器の斜視図である。図２の熱交換器の一部を拡大して示す斜視図である。熱交換器の伝熱管に設けられる内挿管の側面図である。図４のＶ−Ｖ線断面図である。他の実施形態に係る熱交換器の伝熱管に設けられる内挿管を示す図である。

以下、本発明の好適な実施形態に係る熱交換器について説明する。図１に示されるように、この発電ボイラＢは、低品位炭やバイオマス等の燃料を燃焼することにより高温の蒸気を発生させ、その蒸気を後段の蒸気タービン発電機（図示せず）に供給することにより発電を行う設備である。発電ボイラＢは、水を蒸気化する燃焼室１、燃焼室１に燃焼用空気Ａａを供給する空気供給部、燃焼室１で生成した蒸気を蒸気タービン発電機に送り出す蒸気移送部（図示せず）、燃焼室１から排出される燃焼後の排ガスＧを処理する排ガス処理部等を備えている。

排ガス処理部には、高温状態で排出される排ガスＧの温度を低下させると同時に排ガスＧの余熱を有効利用する余熱利用設備２１が設けられる。余熱利用設備２１は、燃焼室１の上部に連通して排ガスＧの流路となる排ガスダクトＤと、排ガスダクトＤ内に設けられ、蒸気化前の水を加温するための節炭器２と、燃焼用空気Ａａを予熱するための熱交換器３とが設けられている。これらはいずれも、排ガスＧとの熱交換を行うことにより発電ボイラＢにおける燃料の使用量を節減するためのものである。

熱交換器３は、空気供給部及び排ガス処理部の一部を構成しており、内部を流れる燃焼用空気Ａａと排ガスＧとの熱交換を行うことにより燃焼用空気Ａａを予熱するものである。熱交換器３は、節炭器２の後段において、排ガスダクトＤに組み込まれるようにして設けられている。熱交換器３における燃焼用空気Ａａの予熱は、排ガスダクトＤ内の排ガス流路４を複数回にわたって燃焼用空気Ａａが横切り、燃焼用空気Ａａが排ガス流路４を横切るたびに排ガスＧの余熱を回収することで行われる。なお、図１では、燃焼用空気Ａａは、排ガスダクトＤ内を下流側（低温側）から上流側（高温側）にかけて、４回ほど横切っている。また、熱交換器３を経て加温された燃焼用空気Ａａは、燃焼室１の下部または側部に設けられた燃焼用空気導入部２２から燃焼室１内に供給される。

図２及び図３は、本実施形態に係る熱交換器３の斜視図である。熱交換器３は、チューブ状の伝熱管を用いたいわゆるベアチューブ式の熱交換器である。図２に示す熱交換器３には、その上面から下面に向けて排ガスＧを流通させるための排ガス流路４が形成されている。排ガス流路４は、伝熱管ユニット５（図３参照）が上下に段積みされることにより形成される。すなわち、各伝熱管ユニット５は直方体形状をなしており、その上面及び下面には、排ガスダクトＤの断面と同一形状の開口部を有している。

伝熱管ユニット５の内部には、燃焼用空気Ａａを流すための多数の伝熱管６が、排ガス流路４となる間隙（すき間）を保った状態にて水平方向に配置されている。この伝熱管６は、炭素鋼からなる直管である。また、伝熱管ユニット５における燃焼用空気Ａａの出入口となる左右の端面には、封止板７が設けられている。封止板７には、燃焼用空気Ａａの流路、すなわち伝熱管６の内部に連通する多数の孔が形成されており、封止板７によって伝熱管６の内部は排ガス流路４から遮閉されている。さらに、上下に段積みされた伝熱管ユニット５は、伝熱管ユニット５の端面同士がコ字状の空気ダクト９によって各々接続されている。この接続により、下段の伝熱管ユニット５から上段の伝熱管ユニット５にかけて、排ガス流路４を左右方向に横断する直列の空気流路が形成される（図２参照）。

このように構成された熱交換器３が排ガスダクトＤ内に接続されることにより、排ガス流路４内に、排ガスＧの流れに直交して伝熱管６が配置された状態を形成できる。そして、図示しない送風機によって燃焼用空気Ａａが熱交換器３に送られると、熱交換器３内に配置された伝熱管６の内部を流れる燃焼用空気Ａａに、伝熱管６を介して排ガスＧの余熱が伝達される。なお、熱交換器３による熱交換を経て温度が低下した排ガスＧは、後段の図示しない集塵機において除塵処理される。

最下段に配置された伝熱管ユニット５、すなわち燃焼用空気Ａａの流れを基準とした場合に上流側となる伝熱管ユニット５には、各伝熱管６の内側に内挿管１０が設けられている（図４参照）。内挿管１０は、燃焼用空気Ａａの流入部である空気流入部６ａを含む伝熱管６の管路長Ｌの一部分において、伝熱管６と重なるように配置されている。すなわち、伝熱管６は、空気流入部６ａから一定長さにおいて、二重管構造２３とされている。

内挿管１０は、伝熱管６と同様、炭素鋼管により形成されている。また、内挿管１０の厚みは、伝熱管６の厚みよりも薄くされている。さらに、この内挿管１０には、その両端部において、板状のスペーサ１２が３枚ずつ取り付けられている。このスペーサ１２は、同一の長さ、幅、及び厚みを有しており、内挿管１０の外周面に１２０°の間隔（等間隔）をもって溶接されることにより内挿管１０に取り付けられている（図５参照）。

スペーサ１２が取り付けられた内挿管１０が伝熱管６内に配置された状態では、スペーサ１２は、伝熱管６の内壁面６ｂに当接することによって、内挿管１０を伝熱管６の内壁面６ｂから離間させている。言い換えれば、スペーサ１２は、内挿管１０と伝熱管６の内壁面６ｂとの離間状態を維持する役割を果たしている。また、各スペーサ１２は厚みが同一であるため、内挿管１０は、伝熱管６に対して同心状に配置されている。

このような離間状態を保った二重管構造２３により、伝熱管６の内部には、内挿管１０によって隔てられた２つの流路が形成される。以下の説明において、内挿管１０の内側の流路を第１流路１４、内挿管１０と伝熱管６との間に形成された流路を第２流路１６という。上記のとおり、内挿管１０は伝熱管６に対して同心状に配置されるため、第２流路１６の断面形状は、伝熱管６の長手方向にて一定となる。

続いて、上記構成を有する熱交換器３が設けられた排ガスダクトＤにおける、排ガスＧと燃焼用空気Ａａとの熱交換について説明する。燃焼室１における燃焼後の排ガスＧは、排ガスダクトＤ内の前段に設置された節炭器２を経て、１５０℃〜２００℃の温度にて熱交換器３に流入する。この排ガスＧは、通常、硫黄酸化物や窒素酸化物を含んだ酸性ガスである。

図２に示されるように、熱交換器３の上部から排ガスＧが流入すると、排ガスＧは、各伝熱管ユニット５内に配置された多数の伝熱管６の間隙を通りつつ、伝熱管６の管壁を加温する。一方、伝熱管６内には、送風機から供給された熱交換前の燃焼用空気Ａａが、熱交換器３の下部、すなわち最下段の伝熱管ユニット５の空気流入口６ａから流入し、排ガス流路４を左右方向に横断しながら上段の伝熱管ユニット５へと流れつつ、伝熱管６の管壁を冷却する。ここで、送風機によって供給される燃焼用空気Ａａは、大気中の空気であるため、概ね２０℃前後の温度である。

このような温度差をもった排ガスＧと燃焼用空気Ａａとにおいて、伝熱管６を介した熱交換が行われることにより、排ガスＧは、上段から下段へ流れるに従い冷却されて温度が低下し、燃焼用空気Ａａは、逆に加温されて温度が上昇する。従来、伝熱管の空気流入部が低温の燃焼用空気によって冷却されることにより、高温の排ガスに晒された状態においても、伝熱管の管壁が１２０℃付近よりも低温となった場合、排ガス中の硫黄酸化物や窒素酸化物が水分とともに凝縮し、硫酸や硝酸となって低温腐食（酸露点腐食）が発生していた。

本実施形態に係る熱交換器３では、最下段の伝熱管ユニット５の空気流入部６ａに流入した燃焼用空気Ａａは、図４に示されるように第１流路１４と第２流路１６とに分かれて流れ、第２流路１６を流れる燃焼用空気Ａｃの流量は、伝熱管６全体を流れる燃焼用空気Ａａの流量に比べて低流量である。そのため、第２流路１６を流れる燃焼用空気Ａｃは、排ガスＧの余熱によって速やかに暖気される。また、第２流路１６にて暖められた燃焼用空気Ａｃは、内挿管１０の流出側の端部１０ａを抜けると、第１流路１４を流れてきた比較的低温の燃焼用空気Ａｂと混合され、この比較的低温の燃焼用空気Ａｂを速やかに暖気する。そのため、内挿管１０が設けられた部分と、内挿管１０の流出側の端部１０ａより下流側とにおいて、管壁の温度低下が抑止される。その結果として、伝熱管６の管路長Ｌ全体にわたって管壁の温度低下を防止できるため、伝熱管６における低温腐食を効果的に防止できる。

また、第２流路１６の断面形状は、伝熱管６の長手方向において一定であるため、第２流路１６にて暖められた燃焼用空気Ａｃは、内挿管１０の流出側の端部１０ａから、伝熱管６の長手方向に略並行な方向に、すなわち伝熱管６の内壁面６ｂに沿う方向に流出する。これにより、内挿管１０の流出側の端部１０ａよりも下流側における管壁の温度低下がより好適に抑止される。

また、内挿管１０を伝熱管６の内側に配置するように取り付ける際に、スペーサ１２によって伝熱管６の内壁面６ｂと内挿管１０との離間状態を簡単に確保できるため、伝熱管６に対する内挿管１０の取り付け作業が容易になる。

また、内挿管１０は伝熱管６よりも薄くされているため、燃焼用空気Ａｂ，Ａｃの流れに対して大きな抵抗とはならず、従来と同様の送風機動力にて、熱交換器３における所望の空気流量が確保できる。

さらには、スペーサ１２は、内挿管１０の両端部、すなわち流出側の端部１０ａ及び流入側の端部１０ｂに取り付けられているため、第２流路１６の入口部と出口部とを確実に形成することができる。

以上、本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限られるものではない。例えば、上記実施形態では内挿管１０の外周面に板状のスペーサ１２を設ける場合について説明したが、図６に示されるように、内挿管１０の両端部１０ａ，１０ｂにおいて、１２０℃の間隔をもって３箇所に２本ずつの切り込みを入れ、切り込みの中間部を外側に広げるように折り曲げることによってスペーサ１０ｄを形成してもよい。このようにすれば、板状の部材を用いることなく内挿管１０を有効利用してスペーサ１０ｄを形成することができ、第２流路１６が確実に形成される。

また、上記実施形態では、各スペーサ１２，１０ｄの厚みが同一である場合について説明したが、例えば、流入側の端部と流出側の端部とにおいて設けられるスペーサの厚みを変化させ、内挿管をテーパー管とすることにより伝熱管と内挿管との間の気体の流路の断面積を変化させるようにしてもよい。この流路の断面積を空気流入部から流出側の端部にかけて拡大または縮小させることにより、内挿管が設けられた範囲内の各部において燃焼用空気の流速を変化させることができる。

本発明は、発電ボイラに限らず、他のあらゆる焼却炉における排ガスと気体との熱交換に適用可能であることは言うまでもない。

３…熱交換器、４…排ガス流路（排ガスの流路）、６…伝熱管、６ａ…空気流入部（流入部）、６ｂ…内壁面、１０…内挿管、１０ｄ，１２…スペーサ、１６…第２流路（流路）、Ａａ，Ａｂ，Ａｃ…燃焼用空気（気体）、Ｇ…排ガス、Ｌ…管路長。

Claims

燃焼後の排ガスの流路内に配置された伝熱管を有し、前記伝熱管の内部を流れる気体に前記排ガスの余熱を伝達することにより前記排ガスと前記気体との熱交換を行う熱交換器であって、
前記伝熱管に設けられた前記気体の流入部と、
前記伝熱管の内側に配置され、前記流入部を含む前記伝熱管の管路長の一部分に設けられると共に、前記伝熱管の内壁面から離間することにより前記伝熱管との間に前記気体の流路を形成する内挿管と、
を備えることを特徴とする、熱交換器。
前記内挿管は、前記伝熱管に対して同心状に配置されていることを特徴とする、請求項１記載の熱交換器。
前記伝熱管と前記内挿管との間には、前記伝熱管の内壁面からの離間状態を維持するためのスペーサが取り付けられていることを特徴とする、請求項１又は２記載の熱交換器。
前記スペーサは、前記内挿管の両端部に設けられていることを特徴とする、請求項３記載の熱交換器。