JP2011220545A

JP2011220545A - Ｓｏｘ含有燃焼排ガスの熱交換方法、及びｓｏｘ含有燃焼排ガスの熱交換装置

Info

Publication number: JP2011220545A
Application number: JP2010086928A
Authority: JP
Inventors: Takeki Endo; 雄樹遠藤; Hiroshi Onuki; 博大貫; Toshiki Shimizu; 俊樹清水
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Environmental and Chemical Engineering Co Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Environmental and Chemical Engineering Co Ltd
Priority date: 2010-04-05
Filing date: 2010-04-05
Publication date: 2011-11-04

Abstract

【課題】ＳＯ_Ｘ含有の燃焼排ガスによる熱交換（燃焼空気予熱）を行うにあたり、熱交換器中の燃焼排ガスが硫酸露点温度以下となることを回避しつつ、燃費を改善したＳＯ_Ｘ含有燃焼排ガスの熱交換方法、及びＳＯ_Ｘ含有燃焼排ガスの熱交換装置を提供する。
【解決手段】燃焼空気予熱用の熱交換器（空気予熱器）に供給する燃焼空気を昇温し、上記熱交換器からの燃焼排ガスの出口ガス温度を、昇温を行わない場合よりも低下させることとした。
【選択図】図１

Description

本発明は、ＳＯ_Ｘ含有燃焼排ガスの熱交換方法、及びＳＯ_Ｘ含有燃焼排ガスの熱交換装置に関する。

下水汚泥の焼却システム、下水汚泥の炭化システム、バイオマスの熱分解（炭化）システムといった燃焼システムでは、共通して燃焼排ガスの処理が行われている。また、下水汚泥の炭化システム、バイオマスの熱分解（炭化）システムでは、炭化（熱分解）後、熱分解ガスを燃焼することとしている。
そして、燃焼排ガスには、硫黄分が原因となるＳＯ_Ｘが含まれていることが多い。

以上のような燃焼システムにおける燃焼排ガスの処理方法を、図６に示す。
この処理方法では、１次熱交換された後の燃焼排ガス（４００〜５００℃）を、熱交換器（空気予熱器）６１で、燃焼空気（約２０℃）６２の予熱に利用している。
これによって熱回収を進め、燃費低減（熱効率の改善）を図っている。

そして、スクラバー（湿式洗浄塔）６３においてＳＯ_Ｘ除去（脱硫）等を行う。その際、使用した冷却水（スクラバー噴霧水）は一部減温減湿に使用し、一部はＳＯ_Ｘ吸収に使用する。スクラバー上部が減温減湿部、下部がＳＯ_Ｘ吸収部になる。
減温減湿部排水６４は、通常クーリングタワーに循環使用されたり、また、比較的高温（４０〜７０℃）となるため、プラント場内管理棟などの冷暖房熱源として利用されたりしている。しかし、熱源レベルが低いため用途が限定されプラントの燃費改善には寄与しない。

熱交換器６１には、燃焼排ガスの流れるチューブが設けられている。ＳＯ_Ｘを含有する燃焼排ガスの熱交換において、熱交換器６１のチューブ表面温度を１４０〜１７０℃以下にすると、燃焼排ガスが硫酸露点以下となってしまう。その結果、ＳＯ_Ｘが硫酸化し、チューブの腐食が起き易くなる。そこで、チューブ表面温度を２００℃程度に維持して硫酸露点を回避した設計を行っている。

このため、必然的に熱交換器出口６５の排ガス温度が３００℃程度と高くなり、余熱の大半を有効に利用できずに系外に排出し熱効率を高くできず燃費がかさむことになっている。
特に、下水汚泥の炭化システムでは熱分解生成物である炭化物として系外に熱量が排出されるため、焼却と比較して燃費が悪いという基本的課題を抱えており燃費改善のニーズはとりわけ高い。

また、下水汚泥の焼却システムについても日本国内では脱水性能の向上による含水率低下で自燃、又はそれと同等の燃費性能を有している。しかし、近年の地球温暖化ガスＮ_２Ｏ削減の観点から高温燃焼のニーズが高まっており、燃費悪化の傾向にある。
そして、中国等では本質的に汚泥性状が燃焼には不利（高含水率、低カロリー）となっており、その普及のために燃費改善が強く望まれている。
なお、関連する先行技術としては、特開２００５−４２９６９（特許文献１）に係るものが知られている。しかし、上述した要請に応えるものではなかった。

特開２００５−４２９６９

本発明は、上記事情に対して、ＳＯ_Ｘ含有の燃焼排ガスによる熱交換（燃焼空気予熱）を行うにあたり、熱交換器中の燃焼排ガスが硫酸露点温度以下となることを回避しつつ、燃費を改善したＳＯ_Ｘ含有燃焼排ガスの熱交換方法、及びＳＯ_Ｘ含有燃焼排ガスの熱交換装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明は、ＳＯ_Ｘ含有燃焼排ガスの熱交換方法であって、燃焼空気予熱用の熱交換器（空気予熱器）に供給する燃焼空気を昇温し、上記熱交換器からの燃焼排ガスの出口ガス温度を、昇温を行わない場合よりも低下させることを特徴とする。

本発明に係るＳＯ_Ｘ含有燃焼排ガスの熱交換方法は、その一実施の形態で、上記燃焼空気予熱用の熱交換器に供給する燃焼空気を、スクラバーの減温減湿部からの排水を熱源として昇温することができる。この場合、燃焼空気予熱用の熱交換器に供給する燃焼空気を昇温する前に、上記スクラバーからの減温減湿部排水のｐＨ調整を実施することができる。

本発明に係るＳＯ_Ｘ含有燃焼排ガスの熱交換方法は、他の実施の形態で、
燃焼空気予熱用の熱交換器（空気予熱器）で予熱した燃焼空気の一部を、熱交換器に供給する燃焼空気に予め混合することによって、予熱前の燃焼空気を昇温し、上記熱交換器からの燃焼排ガスの出口ガス温度を、昇温を行わない場合よりも低下させることを特徴とする。

本発明は、他の側面で、ＳＯ_Ｘ含有燃焼排ガスの熱交換装置であって、燃焼空気予熱用の熱交換器（空気予熱器）に供給する燃焼空気を昇温するための昇温手段を備え、上記熱交換器からの燃焼排ガスの出口ガス温度を、昇温を行わない場合よりも低下させることを特徴とする。

本発明に係るＳＯ_Ｘ含有燃焼排ガスの熱交換装置は、その一実施の形態で、上記昇温手段として、上記燃焼空気予熱用の熱交換器に供給する燃焼空気を、スクラバーの減温減湿部からの排水を熱源として昇温する温水熱交換器を備える。この場合、燃焼空気予熱用の熱交換器に供給する燃焼空気を昇温する前段に、上記スクラバーからの減温減湿部排水のｐＨ調整を実施するためのアルカリ剤投入手段を設けることができる。

本発明に係るＳＯ_Ｘ含有燃焼排ガスの熱交換装置は、他の実施の形態で、燃焼空気予熱用の熱交換器（空気予熱器）で予熱した燃焼空気の一部を、熱交換器に供給する燃焼空気に予め混合するラインを設け、上記熱交換器からの燃焼排ガスの出口ガス温度を、昇温を行わない場合よりも低下させることを特徴とする。

本発明によれば、ＳＯ_Ｘ含有の燃焼排ガスによる熱交換（燃焼空気予熱）を行うにあたり、熱交換器中の燃焼排ガスが硫酸露点温度以下となることを回避しつつ、燃費を改善したＳＯ_Ｘ含有燃焼排ガスの熱交換方法、及びＳＯ_Ｘ含有燃焼排ガスの熱交換装置が提供される。

本発明に係るＳＯ_Ｘ含有燃焼排ガスの熱交換装置について、その一実施の形態を説明する概念図である。本発明に係るＳＯ_Ｘ含有燃焼排ガスの熱交換装置に採用することができる熱交換器の一実施の形態について、その内部構造を説明する模式断面図である。本発明に係るＳＯ_Ｘ含有燃焼排ガスの熱交換装置に採用することができるスクラバーの一実施の形態について、その内部構造を説明する模式断面図である。本発明に係るＳＯ_Ｘ含有燃焼排ガスの熱交換装置について、他の実施の形態を説明する概念図である。本発明に係るＳＯ_Ｘ含有燃焼排ガスの熱交換装置について、他の実施の形態を説明する概念図である。従来のＳＯ_Ｘ含有燃焼排ガスの熱交換装置を説明する概念図である。

以下、添付図面に示した実施の形態を参照しながら、本発明に係るＳＯ_Ｘ含有燃焼排ガスの熱交換方法、及びＳＯ_Ｘ含有燃焼排ガスの熱交換装置を説明する。

図１は、本発明に係るＳＯ_Ｘ含有燃焼排ガスの熱交換方法を実施する熱交換装置について、その一実施の形態を示す。
本実施の形態に係る熱交換装置１は、熱交換器２、スクラバー３、温水熱交換器４を主な構成要素としている。

本実施の形態では、熱交換器２を、いわゆるシェル・アンド・チューブ型の熱交換器として構成している。
熱交換器２の構成を、図２に示す。熱交換器２は、上部ヘッダ５、シェル部６、及び下部ヘッダ７から構成されている。上側チューブシート８と、下側チューブシート９との間に亘って、複数の伝熱チューブ１０が延設されている。上部ヘッダ空間５Ａから伝熱チューブ１０内を通して下部ヘッダ空間７Ａに至る連続した空間が形成されている。そして、この空間は、伝熱チューブ１０を取り囲むシェル内空間６Ａとは、流体的に隔絶されている。

さらに、複数枚のバッフルプレート１１が伝熱チューブ１０を支持すると共に、シェル内空間６Ａ内に燃焼空気の蛇行流路を形成している。

この構成の熱交換器２では、入口空気ダクト１２から流入した燃焼空気が、シェル内空間６Ａ内を、バッフルプレート１１によって形成される蛇行流路に沿って、上昇流として流れ、出口空気ダクト１３から排出される。

一方、燃焼排ガスが、燃焼排ガス入口ダクト１４から流入し、伝熱チューブ１０を下降流として流れ、燃焼排ガス出口ダクト１５から排出される。

このように流れる燃焼空気及び燃焼排ガスの間で熱交換が行われる。すなわち、燃焼排ガスによって燃焼空気が予熱される。

次に、スクラバー３の構成の一実施の形態を図３に示す。
このスクラバー３は、吸収部１６と、減温減湿部１７とを備え、これらは、図示のように上下方向に連続している。
このスクラバー３では、排ガス入口１８から流入した燃焼排ガスが、吸収部１６から減温減湿部１７へ上昇し、排ガス出口１９から排出される。

吸収部１６では、スプレーノズル２０からアルカリ水溶液が噴霧され、燃焼排ガス中のＳＯ_ｘ、Ｃｌといった成分を吸収する。
吸収部１６の底部２１は、アルカリ水溶液槽としての役割を果たす。底部２１には、アルカリ（水酸化ナトリウム）２２が供給され、ポンプ２３によってスプレーノズル２０にアルカリ水溶液が送出される。アルカリ水溶液のｐＨは常時監視され（図中ＰＨ）、アルカリ２２の投入量が制御される。燃焼排ガス中のＳＯ_ｘ、Ｃｌ等を吸収したアルカリ水溶液は、排出口２４から排出される。

減温減湿部１７では、冷却水がスプレーノズル２５から噴霧される。
これによって、燃焼排ガスが冷却され、燃焼排ガス中の水分が凝縮し、除去される。すなわち、燃焼排ガスが減温減湿される。
凝縮した水分は、邪魔板２６に導かれて樋部２７に集められ、減温減湿部排水２８として排出される。

図１〜図３の機器構成を備えた熱交換装置１を用い、燃焼空気を予熱するＳＯ_Ｘ含有燃焼排ガスの熱交換方法について、次に全体的な流れを説明する。
図３の減温減湿部排水２８は、図１の温水熱交換器４に導かれる。ここで、ブロワ２９によって供給される燃焼空気と、減温減湿部排水２８との間で熱交換が行われる。減温減湿部排水２８は、例えば約７０℃又はその前後である。燃焼空気は、室温、すなわち、設計上２０℃であり、減温減湿部排水２８によって、例えば約５０℃に昇温する。

このように昇温した燃焼空気は、熱交換器２に送られる。そして、図２について説明したところに従って、燃焼空気と燃焼排ガスとの熱交換が行われ、燃焼空気が予熱される。
ここで、燃焼空気は、約５０℃まで昇温されている。このため、燃焼排ガスの出口ガス温度を２７０℃まで降下させても、伝熱チューブ内で硫酸露点以下の箇所が生ずることはない。

この理由として、以下のことが考えられる。
まず、伝熱チューブの内部には、ダスト層が形成され、燃焼排ガス（気体）、ダスト層（固体）、燃焼空気（気体）の三層から成る熱流束モデルが形成される。ここで、内部を通過する燃焼排ガスのダスト層近傍における温度低下の度合いは、燃焼空気の温度が昇温していると、チューブ表面の温度が嵩上げされ、低減される。

この結果、燃焼排ガスの出口ガス温度を２７０℃又はその前後まで降下させても、伝熱チューブ内で硫酸露点以下の箇所が生ずることはない。
前述したように、従来は、硫酸露点以下となることを回避するために、燃焼排ガスの出口ガス温度を３００℃程度までしか降下させることができなかった。

本実施の形態では、燃焼空気を予め例えば約５０℃まで昇温させ、それによって、燃焼排ガスの出口ガス温度を２７０℃又はその前後まで降下させることができる。すなわち、燃焼排ガスの持つ、３０℃に相当する熱量を燃焼空気に移行させることができる。

前述のように、燃焼排ガスとの熱交換を終えた燃焼空気は、出口空気ダクト１３から排出される。
燃焼排ガスは、排ガス入口１８からスクラバー３に導入された後、図３について説明したところに従って処理され、ブロワ３０によって排出される。

図１〜図３について説明した実施の形態によれば、ＳＯ_Ｘ含有の燃焼排ガスによる熱交換（燃焼空気予熱）を行うにあたり、熱交換器中の燃焼排ガスが硫酸露点温度以下となることを回避しつつ、燃費を改善し、同時に燃焼排ガスに含まれるＳＯ_Ｘを除去するためのスクラバーから排出される減温減湿排水について、それからの熱回収を有効に行うことができる。

図４に、本発明に係るＳＯ_Ｘ含有燃焼排ガスの熱交換方法を実施する熱交換装置について、他の実施の形態を示す。
この実施の形態では、スクラバー３の減温減湿部１７（図３）からの排水を熱源として、燃焼空気予熱用の熱交換器２に供給する空気を昇温する前に、この排水のｐＨ調整を実施することとしている。
ｐＨ調整は、アルカリ投入装置３１内で、一般的には水酸化ナトリウムを減温減湿部排水２８に投入することにより行う。
スクラバー３への燃焼排ガスＳＯ_Ｘ濃度が大きく変動し、吸収部１６（図３）でＳＯ_Ｘ除去が完結せず、減温減湿部１７でＳＯ_Ｘ吸収が一部生じ、これによって減温減湿部１７からの排水のｐＨが低下する場合がある。そこで、アルカリを添加することによってｐＨ調整を行う。
この図について、図１と同一の符号を付した構成要素は、図１におけるものと実質的に同一の機能を果たし、その説明を省略する。

図５に、本発明に係るＳＯ_Ｘ含有燃焼排ガスの熱交換方法を実施する熱交換装置について、さらに、他の実施の形態を示す。
この実施の形態では、燃焼空気予熱用の熱交換器２で予熱した燃焼空気３２の一部３３をあらかじめ熱交換器２に供給する燃焼空気３４に混合している。

これによって、図１〜図３について説明した実施の形態と同様に、熱交換器２の出口ダクト１５から排出される燃焼排ガスの出口排ガス温度を２７０℃まで低く設定することができる。
これによって余熱回収を進め、燃費を低減している。
なお、図５において、ブロワ３５は、燃焼空気を熱交換器２に送り込むための送風手段である。制御弁３６、３７は、燃焼空気の流れを制御するためのものである。

試算例１
図１〜図３について説明した実施の形態について、熱効率を計算した結果を表１に示す。

燃焼空気の流量を５，０００ｍ^３Ｎ／ｈとし、熱交換器２の入口温度を２０℃から５０℃に昇温させ、出口温度を３９８℃から４６７℃に上昇させることができることが了解される。燃焼排ガスの出口温度は、２９３℃から２６８℃に減少し、回収される熱量も９％強増大する。

１熱交換装置
２熱交換器
３スクラバー
４温水熱交換器
５上部ヘッダ
６シェル部
７下部ヘッダ
１０伝熱チューブ
１６吸収部
１７減温減湿部
２９、３０ブロワ
３１アルカリ投入装置
３３、３４燃焼空気
３５ブロワ
６１熱交換器
６２燃焼空気
６３スクラバー
６４減温減湿部排水

Claims

燃焼空気予熱用の熱交換器に供給する空気を昇温し、上記熱交換器からの燃焼排ガスの出口ガス温度を、昇温を行わない場合よりも低下させるようにしたことを特徴とするＳＯ_Ｘ含有燃焼排ガスの熱交換方法。
上記燃焼空気予熱用の熱交換器に供給する空気を、スクラバーの減温減湿部からの排水を熱源として昇温するようにした請求項１に記載のＳＯ_Ｘ含有燃焼排ガスの熱交換方法。
燃焼空気予熱用の熱交換器に供給する空気を昇温する前に、上記スクラバーからの減温減湿部排水のｐＨ調整を実施するようにした請求項２に記載のＳＯ_Ｘ含有燃焼排ガスの熱交換方法。
燃焼空気予熱用の熱交換器で予熱した燃焼空気の一部を、熱交換器に供給する燃焼空気に予め混合することによって、予熱前の燃焼空気を昇温し、上記熱交換器からの燃焼排ガスの出口ガス温度を、昇温を行わない場合よりも低下させるようにした請求項１に記載のＳＯ_Ｘ含有燃焼排ガスの熱交換方法。
燃焼空気予熱用の熱交換器に供給する燃焼空気を昇温するための昇温手段を備え、上記熱交換器からの燃焼排ガスの出口ガス温度を、昇温を行わない場合よりも低下させることを特徴とするＳＯ_Ｘ含有燃焼排ガスの熱交換装置。
上記昇温手段として、上記燃焼空気予熱用の熱交換器に供給する燃焼空気を、スクラバーの減温減湿部からの排水を熱源として昇温する温水熱交換器を備える請求項５に記載のＳＯ_Ｘ含有燃焼排ガスの熱交換装置。
燃焼空気予熱用の熱交換器に供給する燃焼空気を昇温する前段に、上記スクラバーからの減温減湿部排水のｐＨ調整を実施するためのアルカリ剤投入手段を設けた請求項６に記載のＳＯ_Ｘ含有燃焼排ガスの熱交換装置。
燃焼空気予熱用の熱交換器で予熱した燃焼空気の一部を、熱交換器に供給する燃焼空気に予め混合するラインを設け、上記熱交換器からの燃焼排ガスの出口ガス温度を、昇温を行わない場合よりも低下させることとした請求項５に記載のＳＯ_Ｘ含有燃焼排ガスの熱交換装置。