JP2012522961A - 空気予熱の経済的利用 - Google Patents

Abstract

ボイラー［２６］において使用するための経済的な熱回収システム［１００］は、高温の煙道ガス［ＦＧ１］と流入空気を受け取り、加熱空気［Ａ２］と漸増気流［Ａ２’］を生成する空気予熱器［１５０］を備えている。漸増気流［Ａ２’］は、空気予熱器［１５０］から漸増気流［Ａ２’］を受け取るよう配置された再生熱捕獲／伝達（ＲＨＣＴ）システム［３００］に供給される。ＲＨＣＴは、熱ボイラー［２６］のために給水［ＷＦ１］を予め加熱する熱交換器［３１０］を備えている。熱交換器［３１０］は、従来の熱交換器とは異なり、清浄な空気を受け取るため、閉塞の生じる恐れは少なく、より多くの熱交換部を互いに近接した位置に配置してさらなる効率化を図ることができる。本発明は、さらに、メンテナンスの軽減も図ることができる。

Description

関連出願の相互参照

本出願は、Kevin O’Boyleによる米国特許出願「過剰空気予熱による試薬の乾燥」に関し、この特許出願を、ここにその全体が示されているように、参照により本願に組み込む。O’Boyleの特許出願は、本特許出願と同日に出願されており、両出願は同一人により所有されている。

本発明は、ボイラーの煙道ガス出力からの廃熱を効率的に捕獲するためのシステムに関し、特に、ボイラーへの給水を予熱するため、ボイラーの煙道ガス出力からの廃熱を捕獲するためのシステムに関するものである。

発電システムの多くは、石炭又は石油燃料ボイラーにより生成された蒸気を原動力とする。これらの発電システムは、大抵、排気処理・熱回収（ＥＰＨＲＳ）システムを備えることで、煙道ガス排出の削減及び／又はボイラーから煙道ガス流を介して放出される熱エネルギーの回収を図っている。

典型的な発電システムの概要を図１に示す。図１は、蒸気発生システム２５と、排気処理・熱回収システム（ＥＰＨＲＳ）１５と、排気筒９０とを備える発電システム１０を示す。蒸気発生システム２５は、ボイラー２６を備える。

ＥＰＨＲＳ１５は、空気予熱器５０と、微粒子除去装置７０と、ここではウェットスクラバー装置８０として示される煙道ガススクラバー装置とを備えている。微粒子除去装置７０は、例えば、電気集塵装置（ＥＳＰ）やファブリックフィルター装置（バグハウス）などであってもよい。また、空気予熱器５０の低温側に空気を導入するために強制通風（ＦＤ）ファン６０が設けられている。

空気予熱器５０は、空気を、例えば、ボイラー２６の燃焼室における燃焼などの他のプロセスへの導入に先立ち加熱するための装置である。空気予熱器は、ボイラー２６からの煙道ガス流を介してボイラーから放出された熱を捕獲／回収しながら、ボイラーへの気流入力Ａ２を加熱する。ボイラー２６の燃焼室から排出された煙道ガス（ＦＧ１）から熱を回収することにより、ボイラー２６の熱効率を上げることができ、煙道ガスＦＧ４を介した排気筒９０からの熱損失量が軽減される。

一般的に、空気予熱器５０を出る煙道ガス（ＦＧ２）は、例えば、微粒子除去装置７０として使用される電気集塵装置（ＥＳＰ）などの処理装置に導入される前に、その温度を下げることが望ましい。空気予熱器５０へと流れる気流Ａ１を増加させることで、より多くの熱を煙道ガス流ＦＧ１から抽出することができ、それによりＥＳＰ７０に到達する煙道ガス流ＦＧ２の温度をさらに低下させることができる。

しかしながら、上記プロセスは、利用可能な加熱空気量の増大を招くことにもなる。大抵、一般的な発電システムでは、ボイラー２６の効率性に悪影響を与えることなく、全ての加熱空気をボイラー２６の燃焼室に流すことは不可能である。

ボイラー２６の効率を向上させるための代替手段として、「エコノマイザー」部５５をボイラー２６と空気予熱器５０との間に導入する方法がある。このエコノマイザー部５５は、気流から熱を捕獲し、その熱を、例えば、水などの液体流へと伝達する熱交換器の一種である。また、エコノマイザーは、一般的に、熱の伝達を向上させるフィン付きチューブを備えて構成される。ボイラーにおいて、エコノマイザーは、通常、水などの液体を、最大その液体の沸点まで、もしくは、それ以下まで加熱する熱交換装置である。エコノマイザーは、高温ではあるがボイラーでの使用に十分な程高温ではない液体流のエンタルピーを活用して、より有用なエンタルピーを回収し、ボイラーの効率を向上させることができるためそのように呼ばれている。エコノマイザーは、ボイラー２６に接続され、ボイラー２６からの排煙道ガスＦＧを利用することでエネルギーを節約し、給水装置６５からの給水ＷＦを予熱／加熱する装置である。

図１に示すように、エコノマイザー５５は、ボイラー２６から煙道ガス流ＦＧを受け取り、その煙道ガス流ＦＧ１を空気予熱器５０へと流すように構成されている。この例では、エコノマイザー５５は、煙道ガス流ＦＧから、ボイラー２６に供給される給水ＷＦへと熱を伝達するように作用する。これにより、「予め熱せられた」水をボイラー２５に導入することが可能となり、ボイラーの水を所望の温度に加熱するための付加的な熱エネルギーの必要性が減少する。

煙道ガス流ＦＧ／ＦＧ１は、通常、相当量の粒子状物質を含んでいる。この粒子状物質は、大抵、煙道ガス流ＦＧ２が微粒子除去装置７０を通過すると、煙道ガス流から取り除かれる。しかしながら、煙道ガス流に対して微粒子除去処理が行われるまで、煙道ガス流には大量の粒子状物質が存在することとなる。エコノマイザー５５は粉塵除去処理が行われる前に煙道ガス流を受け取るので、エコノマイザー５５の熱交換要素間の間隔が不十分だと、粒子状物質がその熱交換要素間に捕らえられる可能性がある。このように粒子が熱交換要素間に捕らわれてしまうことを防ぐため、エコノマイザーの熱交換要素間の間隔を、全てではなくとも大部分の粒子状物質がエコノマイザー５５を自由に通過することができる程度の大きさに設定することが重要である。しかしながら、このように間隔を大きく設定することは効率の低下を招くこととなる。

熱交換要素間の間隔が小さいと、大きすぎてエコノマイザーの熱交換要素間を通れない粒子状物質が捕らえられ、エコノマイザー５５内に蓄積し始めてしまう。多くの場合、この微粒子の蓄積は増大し続け、その蓄積を除去／解消する何らかの策を講じない限り最終的にはエコノマイザー５５を通る煙道ガス流の流れを妨げることとなる。煙道ガス流の流れが妨げられるとエコノマイザー５５の効率が低下する。さらに、適切な動作状態を保つためには、エコノマイザー５５から蓄積を除去する対策を講じる必要がある。これによりメンテナンスにかかる時間やコストが増大してしまう。

現在、廃熱を利用し、従来のシステムに比べて必要とするメンテナンスが軽減されたボイラーシステムにおける効率的な熱交換器に対する必要性がある。

本発明は、供給される給水装置［１２５］からの給水を沸騰させるボイラー［２６］と共に使用するための経済的な熱回収システム［１００］として具体化することができる。

本発明の熱回収システムは、ボイラー［２６］により生成された加熱煙道ガス［ＦＧ１］を受け取り、入力空気「Ａ１」を受け取り、漸増気流［Ａ２’］を生成する空気予熱器［１５０］を備えている。

また、本発明の熱回収システムは、漸増気流［Ａ２’］や給水［ＷＦ１］を受け、漸増気流［Ａ２’］から給水［ＷＦ１］へと熱を伝達して予熱給水［ＷＦ２］を生成し、予熱給水［ＷＦ２］をボイラー［２６］に供給するよう構成された再生熱捕獲／伝達（ＲＨＣＴ）システム［３００］も備えている。

上記ＲＨＣＴは、熱交換器［３１０］を用いて空気予熱器から漸増気流［Ａ２’］を受け、給水［ＷＦ１］を受け、漸増気流［Ａ２’］から給水［ＷＦ１］へと熱を伝達して予熱給水［ＷＦ２］を生成する。給水装置［１２５］及び熱交換器［３１０］に接続されたポンプ３３０は、熱交換器［３１０］を介して給水装置［１２５］から給水［ＷＦ１］をくみ上げ、予熱給水［ＷＦ２］をボイラー［２６］へと送り込む。

空気予熱器［１５０］の後にＲＨＣＴを配置することで、ＲＨＣＴをより効率的な構成とすることができ、メンテナンスの軽減を図ることができる。

添付の図面を参照することにより、当業者にとって、本発明がより良く理解できるものとなり、かつ、多数の特徴及び効果が明確なものになるであろう。

従来技術に係る発電システム１０の一部分を示すブロック図である。 再生熱捕獲／伝達システム（ＲＨＣＴ）３００を備えた本発明に係る発電システム１００の一実施形態を示す簡易ブロック図である。 本発明に係るＲＨＣＴシステム３００を備えた発電システム１００の別の実施形態を示す簡易ブロック図である。 図２及び図３に示すＲＨＣＴシステム３００の実施形態を示す拡大ブロック図である。 本発明に係るＲＨＣＴシステム３００を備えた発電システム１００の別の実施形態を示す簡易ブロック図である。 回転式の空気予熱器からの加熱漏気の捕獲を示す拡大概略ブロック図である。

図２は、再生熱捕獲／伝達システム（ＲＨＣＴ）３００を備えた本発明に係る発電システム１００の一実施形態を示す簡易ブロック図である。本実施形態では、発電システム１００は、蒸気発生システム２５と、排気処理・熱回収システム（ＥＰＨＲＳ）１１５と、再生熱捕獲／伝達システム（ＲＨＣＴ）３００と、給水器１２５と、排気筒９０とを備えて構成されている。

蒸気発生システム２５は、ボイラー２６を備えている。ＥＰＲＳ１５は、再生式空気予熱器１５０と、微粒子除去装置７０と、ウェットスクラバー装置８０とを備えている。また、空気予熱器１５０の低温側入力に気流Ａ１を導入するために強制通風（ＦＤ）ファン６０が設けられている。そして、空気予熱器１５０は、気流Ａ１を加熱し、それを加熱気流Ａ２として出力する。その加熱気流は、ボイラー２６の燃焼室（図示せず）の吸気口へと送られ、燃焼される。

ボイラー２６の燃焼室（図示せず）から放出された排ガスＦＧ１は、空気予熱器１５０の高温側入力へと入力される。これらの排ガスＦＧ１は、空気予熱器１５０によって冷却され、低温排ガス流ＦＧ２として出力される。従来では、空気予熱器１５０を出るガスは煙道ガス内での化合物の凝縮を防ぐのに十分高い温度に維持せねばならず、これにより空気予熱器１５０から下流の装置の腐食が軽減されていた。

一方、現在では、腐食を軽減するための装置や処理の出現により、腐食はさほど問題にならなくなっている。従って、より多くの熱を回収し、システムへ送り返すことが可能となり、ボイラー効率の向上へとつながっている。

その後、排ガス流ＦＧ２は処理され、微粒子除去装置７０によって粒子状物質が除去される。微粒子除去装置７０は、例えば、電気集塵装置（ＥＳＰ）やファブリックフィルター装置（バグハウス）などであってもよい。

処理済み排ガス流ＦＧ３は、例えば、酸化硫黄（ＳＯ_２）を除去するため、例えば、ウェットスクラバー８０によりさらに処理されてもよい。そして、この処理済みガス流ＦＧ４は出力され、排気筒９０へと導入される。

再生熱捕獲／伝達システム（ＲＨＣＴ）３００は、気流Ａ２’を受け取り、そこから熱エネルギーを抽出するよう構成されている。気流Ａ２’は、空気予熱器１５０から放出された気流Ａ２の一部分である。そして、気流Ａ２’から抽出された熱エネルギーは、給水ＷＦ１へと伝達され、加熱済み給水ＷＦ２として出力され、ボイラー２６へと導入される。ＲＨＣT３００は、汚染物を含めずに、入力された気流Ａ２’から給水ＷＦ１へと熱エネルギーを伝達するよう構成され配置されている。気流Ａ２／Ａ２’は、大量の粒子状物質を含む煙道ガス流とは混ざり合わない清浄な空気流である。さらに、ＲＨＣＴ３００は煙道ガスを使って給水ＷＦ１を加熱しないため、ＲＨＣＴ３００は、煙道ガス流ＦＧによく見かけられる粒子状物質にさらされることはない。

空気予熱器１５０は、より大量の熱を伝達する高効率空気予熱器として設計されていてもよい。また、空気予熱器１５０は、蒸気発生システム２５により効率的に利用される量よりも多くの加熱空気を出力し、過剰加熱空気を生成するよう設計されていてもよい。

図３は、本発明に係るＲＨＣＴシステム３００を備えた発電システム１００の別の実施形態を示す簡易ブロック図である。本実施形態において、空気予熱器１５０は、１本の煙道ガス管と、２本の加熱入力空気管とを有する。一方の加熱空気管の出力からは、加熱された気流Ａ２が放出され、ボイラー２６へと供給される。他方の加熱空気管は、ＲＨＣＴ３００へと流れる気流Ａ２’を段階的に供給する。

図３に示す残りの部分は、他の図面において同一の符号を付した部分と同一の機能を有する。

図４は、図２及び図３に示すＲＨＣＴシステム３００の実施形態を示す拡大ブロック図である。本実施形態において、ＲＨＣＴ３００は、熱交換器３１０とポンプ３３０を備えている。熱交換器３１０は、空気予熱器１５０からの加熱気流Ａ２の一部Ａ２’を受け取るよう構成されていることが好ましい。

ＲＨＣＴ３００は、煙道ガス流ＦＧによく見かけられる粒子状物質にさらされることはないため、エコノマイザーに用いられる熱交換要素（図示せず）を互いにより近い位置に配置することが可能であり、それにより気流Ａ２／Ａ２’と接触可能な表面積が増大する。このように、熱交換要素の表面積が大きくなればなるほど、ある一定の体積に対して捕獲可能な熱量は増えるため、熱交換器３１０の効率を大幅に向上させることが可能である。さらに熱交換要素は、大量の粒子状物質にさらされることはないため、エコノマイザーにおける粒子状物質の蓄積による閉塞の恐れは、完全に回避されるとは言わないまでも、大幅に軽減される。

特にこの場合、フィン付きチューブは石炭灰（予熱空気のみ）にさらされることはないので、飛散灰にさらされるよう設計された一般的なエコノマイザーチューブと比べて、フィン密度の間隔を大幅に縮小することが可能である。そのため、エコノマイザーはより効率的かつ小型となる。

ＲＨＣＴ３００を、ボイラーの煙道ガス出力ではなく、空気予熱器１５０と接続することで、熱を従来のシステムより効率的に排ガスＦＧ１から除去し、気流（Ａ２’）に伝達し、ボイラー２６に供給される給水［ＷＦ１／ＷＦ２］へと導入する。

図５は、本発明に係るＲＨＣＴシステム３００を備えた発電システム１００の別の実施形態を示すブロック図である。

ここでは、気流［Ａ２’］及び／又は漏出ガス３６０が少しずつ排ガス管３６１，３６３からＲＨＣＴに供給される。ファン３６７は、漏出ガス３６０の流れを円滑にする。

図６は、回転式の空気予熱器１５０からの加熱漏出ガス３６０の捕獲を示す拡大概略ブロック図である。

高温の煙道ガスＦＧ１は空気予熱器１５０の高温側へと流される。車輪１５１が車軸１５２を中心に回転する。モーターが車輪１５１を回転させる。

車輪１５１はそれを貫通する複数の空気管を有する。各空気管は、煙道ガスＦＧ１が管を通る際に熱を発する発熱体を有する。これらの発熱体は、流入空気Ａ１を受け取る車輪の低温側に回転する。流入空気は、高温の発熱体と接触し、加熱されて、予熱空気Ａ２となり空気予熱器１５０を出て行く。発熱体は、流入空気Ａ１がその上を通過することで冷却される。

車輪１５１は引き続き回転し続け、発熱体は再び高温の煙道ガスＦＧ１と接触し、熱を吸収する。以上の処理が継続して行われる。

また、高温の煙道ガスの車輪１５１の外縁を超えた漏出の大部分を食い止める外側シール部１５７,１５８が設けられている。

さらに、煙道ガスの車輪１５１の内部ハブ部に向かう漏出の大部分を食い止める内側シール部も設けられている。しかしながら、一部の煙道ガスは、それらシール部を超えて、車輪とハウジング１５４の間にある内部プレナムへと流れ込んでしまう。

本実施形態では、漏出口３２５が設けられている。この漏出口は、プレナム１５９へのアクセスを可能にするハウジング１５４の開口部として備えられていてもよい。内部プレナム１５９に蓄積し得るガス／空気を排出するために排ガス管３６１が設けられている。ファン装置３６７を設けて、漏出ガス３６０をもっと容易に内部プレナム１５９から排出できるようにしてもよい。

漏出口をさらにもう一つ設けて、内部プレナム３６５内に蓄積する漏出ガスを別の排ガス管３６１を介して容易に排出できるようにしてもよい。

ファン３６７も漏出ガス３６０を排ガス管３６３から引き出す。漏出ガス３６０及び／又は段階的な気流［Ａ２’］がＲＨＣＴ３００に供給され、給水［ＷＦ１］をさらに加熱する。この廃熱を利用することでボイラーの効率を向上させる。

また、必要に応じて別個のファンを各排ガス管に使用してもよい。

強調されるべきは、本発明の上記実施形態、特に、“好適な”実施形態は、単に発明の原理を明確に理解するために示された考え得る実施例にすぎないということである。よって、本発明の上記の実施形態には、本発明の精神と原理から実質的に逸脱することなく、多くの変更と改良を加えることが可能である。これらの変更と改良はすべて、本願と本発明の範囲内で本願に含まれ、以下の特許請求の範囲で保護されるものとする。

Claims (13)

1. ボイラー［２６］と共に使用するための経済的な煙道ガス熱回収システムであって、
   空気予熱器から加熱気流を受け、給水装置から給水［ＷＦ１］を受け、加熱気流から給水へと熱を伝達して加熱給水を生成し、加熱給水をボイラーに出力するよう構成された再生熱捕獲／伝達（ＲＨＣＴ）システム
   を包含する煙道ガス熱回収システム。
2. 前記ＲＨＣＴシステムは、前記給水と前記加熱気流を受け取るように構成された熱交換器を備える、請求項１に記載のシステム。
3. 前記熱交換器は、さらに、漸増気流から給水へと熱を伝達するように構成されている、請求項２に記載のシステム。
4. 漸増気流を前記ＲＨＣＴシステムに供給するように構成された空気予熱器［１５０］をさらに備えてなる、請求項２に記載のシステム。
5. 前記空気予熱器は、前記ボイラーから煙道ガスを受け取り、前記煙道ガスから気流入力へと熱を伝達するように構成されている、請求項４に記載のシステム。
6. 前記加熱気流は、実質的に燃焼後粒子状物質を含まない、請求項３に記載のシステム。
7. 前記ＲＨＣＴシステムは、前記空気予熱器から入力気流の一部を漸増空気として受け取り、前記漸増空気から前記ボイラーへの給水へ熱を伝達するように構成されている、請求項４に記載のシステム。
8. 前記熱交換器を介して給水を送り込むポンプをさらに備えてなる、請求項７に記載のシステム。
9. 供給される給水装置からの給水を沸騰させるボイラーと共に使用するための経済的な熱回収システムであって、
   ボイラーにより生成された加熱煙道ガスを受け取り、入力空気を受け取り、漸増空気を生成する空気予熱器と、
   前記漸増空気や前記給水を受け、当該漸増気流から給水へと熱を伝達して予熱給水を生成し、予熱給水をボイラーに供給するよう構成された再生熱捕獲／伝達（ＲＨＣＴ）システムと、
   を包含する熱回収システム。
10. 前記ＲＨＣＴシステムは、
    前記空気予熱器から前記漸増空気を受け、前記給水を受け、当該漸増空気から給水へと熱を伝達して予熱給水を生成する熱交換器と
    前記給水装置及び前記熱交換器に接続され、前記熱交換器を介して給水装置から給水をくみ上げ、予熱給水をボイラーへと送り込むポンプと、
    を備えている、請求項９に記載の経済的な熱回収システム。
11. 前記空気予熱器からの漸増空気の少なくとも一部は、前記ＲＨＣＴに供給される、請求項９に記載の経済的な熱回収システム。
12. 前記空気予熱器からの漏出ガスは、前記ＲＨＣＴに供給される、請求項９に記載の経済的な熱回収システム。
13. 前記熱交換器は、微粒子蓄積に対する追加的な内部スペースを含まない公差で設計されている、請求項１０に記載の経済的な熱回収システム。

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