JP2013083384A - 流動焼却炉システムにおける多管式熱交換器の運転方法および装置 - Google Patents

Abstract

【課題】流動焼却炉システムにおける多管式熱交換器の運転方法および装置を提供する。
【解決手段】高温の排ガスにより、焼却炉に供給される空気を予熱する多管式熱交換器を備えたシステムにおいて、多管式熱交換器６が、排ガス導入室６ａと、予熱空気導入室６ｄと、排ガスと空気を熱交換して、排ガスを冷却すると同時に予熱空気を加熱する熱交換室６ｃと、冷却された排ガスを排出する排ガス排出室６ｅと、加熱された予熱空気を排出する予熱空気排出室６ｂから構成され、予熱空気導入室６ｄに空気を供給する予熱空気送風機７と、予熱空気排出室６ｂから加熱された予熱空気を焼却炉に供給する予熱空気供給ライン１０と、予熱空気送風機７から多管式熱交換器６に供給される予熱空気の一部を、予熱空気供給ライン１０を流れる予熱空気に合流せしめるバイパスライン９と、バイパスライン９を流れる予熱空気の流量を制御する流量調整バルブ９ａと、から構成される。
【選択図】図１

Description

本発明は、流動焼却炉システムにおける多管式熱交換器の運転方法および装置に関する。

近年、下水汚泥などの汚泥を焼却する焼却炉などには、流動焼却炉システムが広く使用されている。この流動焼却炉システムにおいて、焼却炉からの排熱を回収する装置として使用される機器の一つに多管式熱交換器がある。
この種の多管式熱交換器は、焼却炉からの８５０℃〜９００℃の排ガスを利用して、該焼却炉用の予熱空気を６５０℃〜７００℃に予熱するようになっている。このような８５０℃を超えるような環境で使用される多管式熱交換器には、特開２００５−１１４２１８公報（特許文献１）に記載されているように、管板の高温化に伴う材料強度の低下による損傷や、熱疲労による割れ等が発生し易い。
このような条件下で使用される場合には、多管式熱交換器を保護するために、前段に輻射型等の熱交換器や水冷ノズル等を設け、流入する排ガスの入口温度を下げて設計されることが多い。

しかしながら、実際の運転においては、負荷変動等によって排ガスの入口温度が設計値（８５０℃）以上の高温状態で多管式熱交換器に投入されることもあり、この時には、多管式熱交換器の入口の排ガス温度を強制的に下げる処置が行われるが、その場合、多管式熱交換器の伝熱面積（熱回収性能）は一定であるため、排ガス温度の変化により予熱空気温度が変動してしまう等の問題点があった。
また、多管式熱交換器は、排ガス温度が設計値もしくは最高許容温度を超えた条件だけでなく、空気側の温度が設計値温度（例えば７００℃）を超えた場合も同様に損傷が発生し易い。
何らかの要因、例えば焼却炉に投入される汚泥ケーキの成分が計画時と異なる場合など、予熱空気と排ガスの流量バランスが計画値と異なった場合にも、多管式熱交換器の空気出口温度は、その時の運転条件に成り行きの形でしか確保できず、条件によっては、計画された回収温度（例えば７００℃）を確保できないことや、逆に、計画値を超えた回収温度となることもあり、多管式熱交換器の耐久性にも大きな影響を与えてしまう。

これらの問題を解決するために、特開２００８−２２４１７３号公報（特許文献２）に記載されているように、多管式熱交換器の後段に空気冷却器を設置する方式や、多管式熱交換器を一部バイパスして予熱空気出口温度を制御する方式が開発されているが、これらの方式の場合、複数の熱交換器を要し、また、前段の熱交換器が輻射型であるため、輻射型熱交換器の付近における排ガス側の温度条件と空気側の温度条件が拮抗し、望ましい平均温度差を得られないことから、輻射型熱交換器が大型化してしまい、設備費が嵩むという副作用が発生する。

図３は、下水汚泥の流動焼却炉システムの従来例を示すものであり、１は焼却炉および２は多管式熱交換器である。該多管式熱交換器２は、主として、上記焼却炉１の高温排ガスＦ１（例えば、８５０〜９００℃）を導入する排ガス導入室２ａと、予熱空気送風機３から予熱空気Ｐ１を導入される予熱空気導入室２ｂと、高温排ガスＦ１を予熱空気Ｐ１により冷却する排ガス冷却器２ｃと、高温排ガスＦ１を冷却した予熱空気Ｐ２を排気する排気室２ｄと、高温排ガスＦ１と予熱空気Ｐ２を熱交換する熱交換室２ｅと、該熱交換室２ｅに予熱空気Ｐ２を再び導入する予熱空気導入室２ｆと、上記熱交換された予熱空気Ｐ３を排出する予熱空気排出室２ｇと、熱交換された低温排ガスＦ２を排出する排ガス排出室２ｈと、から構成される。

４は空気冷却器であって、上記低温空気排出室２ｇから排出される予熱空気Ｐ３を、冷却空気送風機５から導入される冷却空気により冷却して、焼却炉１に導入するようになっている。４ａは冷却空気導入室、４ｂは熱交換室、４ｃは冷却空気排出室である。
上記空気冷却器４は、上記多管式熱交換器２により一度昇温して焼却炉１に導入する予熱空気Ｐ４を冷却するもので、上記焼却炉１内に必要な熱量が必要以上に大きくなることを防止するようになっている。

上記空気冷却器４は、上記焼却炉１内の燃焼温度が正常である場合には、予熱空気Ｐ４を冷却する必要がないため、通常は上記冷却空気を通風せずに、６５０〜７００℃の予熱空気Ｐ３のみが通過することになる。従って、上記空気冷却器４に使用される金属材料は、高価な耐熱鋼を使用せざるを得なかった。

一方、予熱空気を予熱する熱交換器は、８５０〜９００℃の排ガスを利用し、予熱空気送風機３から導入される予熱空気を６５０〜７００℃に予熱する必要があるため、近年の排熱の高回収化による雰囲気温度の上昇や、運転方法等により管板の熱疲労による割れ等が発生し易く、焼却炉の運転に支障を来す場合もある。この対策として排ガス冷却器が取り付けられ、排ガスの入口温度を低く抑えて耐久性を維持している。

特開２００５−１１４２１８公報 特開２００８−２２４１７３号公報

本発明は、上記従来の問題点を解決して、安定した予熱空気温度の供給と、システム全体の熱効率の向上が可能な流動焼却炉システムにおける多管式熱交換器の運転方法および装置を提供することを課題とする。

本発明の流動焼却炉システムにおける多管式熱交換器の運転方法は、焼却炉から排出される高温の排ガスにより、該焼却炉に供給される予熱空気を予熱して排熱回収する多管式熱交換器を備えた流動焼却炉システムにおいて、該多管式熱交換器から排出されて上記焼却炉に燃焼空気として供給される予熱空気に、上記多管式熱交換器に導入される予熱空気の一部をバイパスさせると共に、その流量（ゼロを含む）制御を行いながら合流せしめることを特徴とする。
また、本発明の流動焼却炉システムにおける多管式熱交換器の運転装置は、焼却炉から排出される高温の排ガスにより、該焼却炉に供給される予熱空気を予熱して排熱回収する多管式熱交換器を備えた流動焼却炉システムにおいて、上記多管式熱交換器が、上記排ガスを導入する排ガス導入室と、予熱空気を導入する予熱空気導入室と、上記排ガスと上記予熱空気を熱交換して、該排ガスを冷却すると同時に該予熱空気を加熱する熱交換室と、冷却された排ガスを排出する排ガス排出室と、加熱された予熱空気を排出する予熱空気排出室から構成され、上記予熱空気導入室に予熱空気を供給する予熱空気送風機と、上記予熱空気排出室から加熱された予熱空気を上記焼却炉に燃焼空気として供給する予熱空気供給ラインと、上記予熱空気送風機から多管式熱交換器に供給される予熱空気の一部を、上記予熱空気供給ラインを流れる予熱空気に合流せしめるバイパスラインと、該バイパスラインを流れる予熱空気の流量を制御する流量調整バルブと、を設けたことを特徴とする。

本発明の流動焼却炉システムにおける多管式熱交換器の運転方法および装置は、下記の効果を奏する。
１）管板冷却装置を備えた多管式熱交換器のみを使用するだけで、焼却炉の運転時に発生する排ガスおよび予熱空気のいずれの温度振幅に対しても安定かつ安全な運転を確保することができる。
２）従来、多管式熱交換器の保護装置として設置されていた輻射型熱交換器や排ガス冷却器の設置が不要となり、経済性が向上する。
３）熱交換器の予熱空気の供給ラインにバイパス配管と制御弁を設けることで、空気予熱器単独での予熱空気の出口温度の制御が可能となり、空気冷却器が設置不要となる。
４）本発明の運転方法および装置は、多管式熱交換器を通過する予熱空気の流量が変動する循環流動焼却炉や多層式流動焼却炉などの焼却炉においても、有効である。

本発明の流動焼却炉システムにおける多管式熱交換器の運転装置の一実施例を示す全体構成図である。 図１の多管式熱交換器の断面図である。 従来の流動焼却炉システムにおける多管式熱交換器の運転装置の全体構成図である。

以下、本発明の多管式熱交換器の一実施例について、図面を参照しながら説明する。
図１および図２において、１は焼却炉であって、上記従来の焼却炉１と同じである。６は多管式熱交換器であって、主として、排ガス導入室６ａと、予熱空気排出室６ｂと、熱交換室６ｃと、予熱空気導入室６ｄと、排ガス排出室６ｅから構成されている。

図２から明らかなように、上記熱交換室６ｃ内には、多数本（２本のみ表示）の伝熱管６ｆが配管されている。該伝熱管６ｆの上端は、上記排ガス導入室６ａに開口していて、焼却炉１からの排ガスＦ１を導入すると共に、その下端は、上記排ガス排出室６ｅに開口していて、上記排ガスＦ１を排出するようになっている。

一方、上記予熱空気導入室６ｄには予熱空気Ｐ５が導入され、上記熱交換室６ｃ内を上昇して上記予熱空気排出室６ｂから予熱空気Ｐ７として排出される。上記熱交換室６ｃ内に導入された予熱空気Ｐ５は、バッフルプレート６ｊにより撹乱されながら上昇する。

また、上記熱交換室６ｃ内の中心部には、リターンパイプ６ｈが配置されていて、その上端は、上部の副室６ｇに開口すると共に、その下端は熱交換室６ｃの下部に開口している。上記副室６ｇには、予熱空気Ｐ６が導入されて、上記多管式熱交換器６の上部管板６ｋ等の過熱を防止するようになっている。上記副室６ｇに導入される予熱空気Ｐ６は、上記リターンパイプ６ｈ中を流下して、上記熱交換室６ｃの下部に排出され、上記予熱空気Ｐ５と合流する。

再び、図１において、７は予熱空気送風機であって、上記予熱空気Ｐ５を上記熱交換室６ｃ内に供給する。７ａは、上記予熱空気Ｐ５の流入量を調節する流量調整バルブである。上記予熱空気送風機７から吐出される予熱空気の一部は、上記冷却空気ライン８により分岐されて、上記予熱空気Ｐ６として副室６ｇに供給される。上記冷却空気ライン８の途中には、昇圧器８ａが設置されていて、予熱空気Ｐ６の供給量を調整する。

９はバイパスラインであって、上記予熱空気送風機７から吐出される予熱空気Ｐ５の一部を予熱空気Ｐ５′として、予熱空気供給ライン１０を流れる上記予熱空気Ｐ７に合流せしめ、これを冷却するようになっている。９ａは流量調整バルブである。

本実施例の流動焼却炉システムにおいて、上記焼却炉１の燃焼空気として上記予熱空気供給ライン１０を通じて供給される予熱空気Ｐ７の温度は、上記バイパスライン９を通じて合流される予熱空気Ｐ５′の流量を調整することにより、調整される。すなわち、焼却炉１に供給される燃焼空気の温度を高温状態に保ちたい場合には、バイパスライン９を通じて合流される予熱空気Ｐ５′の流量をゼロもしくは少なくし、逆に、燃焼空気の温度を抑えたい場合には、バイパスライン９を通じて合流される予熱空気Ｐ５′の流量を増やす。

上記予熱空気Ｐ５′の流量を増やすと、上記多管式熱交換器６に入る予熱空気Ｐ５の流量が少なくなり、該多管式熱交換器６から排出される予熱空気Ｐ７の温度が高温となってしまう。この問題に対しては、上記管板６ｋ部分に形成した副室６ｇ内に予熱空気Ｐ６を導入して管板６ｋを冷却・保護する構造を採用すると共に、管板６ｋの表面に１本もしくは複数の熱電対を取り付けて、連続計測しながら管理することにより、管板６ｋの耐久性を確保し、設計値以上、例えば、７００℃の設計値に対して５０〜１００℃程度高い高温回収が可能な熱交換器として予め設計しておくことによって、バイパス制御時に予熱空気出口温度が高温となった状態でも安定した予熱空気出口温度の確保が可能となると共に、焼却される汚泥ケーキの性状や、運転条件に応じて必要となる適切な予熱空気温度の確保ができる。

表１は、実際にバイパス制御を行った時の熱交換器の性能と熱交換器出口における合流後の温度を記した表である。

表の通り、熱交換器の性能は、熱交換器への通風量を１００％とした時に、６５０℃の出口温度を確保できるように設定されている。この条件において、熱交換器の通風量を９０〜５０％まで調整すると、バイパスした空気と熱交換器を通過した空気との合流後の温度は、約４０２〜６５０℃の間で調整できる。なお、設計基準とする熱交換器の通風量が１００％の時の回収温度を７００℃以上に設定することも可能である。

本発明における多管式熱交換器は、上記実施例における多管式熱交換器６の構成に限定するものではなく、これと同様の機能を有する公知の多管式熱交換器のいずれの構造でもよい。

１ 焼却炉
２ 多管式熱交換器
２ａ 排ガス導入室
２ｂ 予熱空気導入室
２ｃ 排ガス冷却器
２ｄ 排気室
２ｅ 熱交換室
２ｆ 予熱空気導入室
２ｇ 予熱空気排出室
２ｈ 排ガス排出室
３ 予熱空気送風機
４ 空気冷却器
４ａ 冷却空気導入室
４ｂ 熱交換室
４ｃ 冷却空気排出室
５ 冷却空気送風機
６ 多管式熱交換器
６ａ 排ガス導入室
６ｂ 予熱空気排出室
６ｃ 熱交換室
６ｄ 予熱空気導入室
６ｅ 排ガス排出室
６ｆ 伝熱管
６ｇ 副室
６ｈ リターンパイプ
６ｊ バッフルプレート
６ｋ 上部管板
７ 予熱空気送風機
７ａ 流量調整バルブ
８ 冷却空気ライン
８ａ 昇圧器
９ バイパスライン
９ａ 流量調整バルブ
１０ 予熱空気供給ライン
Ｆ１ 高温排ガス
Ｆ２ 低温排ガス
Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３、Ｐ４、Ｐ５，Ｐ５′、Ｐ６、Ｐ７ 予熱空気

Claims (4)

1. 焼却炉から排出される高温の排ガスにより、該焼却炉に供給される予熱空気を予熱して排熱回収する多管式熱交換器を備えた流動焼却炉システムにおいて、該多管式熱交換器から排出されて上記焼却炉に燃焼空気として供給される予熱空気に、上記多管式熱交換器に導入される予熱空気の一部をバイパスさせると共に、その流量（ゼロを含む）制御を行いながら合流せしめることを特徴とする流動焼却炉システムにおける多管式熱交換器の運転方法。
2. 上記多管式熱交換器の管板を、該多管式熱交換器に供給される上記予熱空気の一部により冷却することを特徴とする請求項１に記載の流動焼却炉システムにおける多管式熱交換器の運転方法。
3. 焼却炉から排出される高温の排ガスにより、該焼却炉に供給される予熱空気を予熱して排熱回収する多管式熱交換器を備えた流動焼却炉システムにおいて、上記多管式熱交換器（６）が、上記排ガスを導入する排ガス導入室（６ａ）と、予熱空気を導入する予熱空気導入室（６ｄ）と、上記排ガスと上記予熱空気を熱交換して、該排ガスを冷却すると同時に該予熱空気を加熱する熱交換室（６ｃ）と、冷却された排ガスを排出する排ガス排出室（６ｅ）と、加熱された予熱空気を排出する予熱空気排出室（６ｂ）から構成され、上記予熱空気導入室（６ｄ）に予熱空気を供給する予熱空気送風機（７）と、上記予熱空気排出室（６ｂ）から加熱された予熱空気を上記焼却炉に燃焼空気として供給する予熱空気供給ライン（１０）と、上記予熱空気送風機（７）から多管式熱交換器（６）に供給される予熱空気の一部を、上記予熱空気供給ライン（１０）を流れる予熱空気に合流せしめるバイパスライン（９）と、該バイパスライン（９）を流れる予熱空気の流量を制御する流量調整バルブ（９ａ）と、を設けたことを特徴とする流動焼却炉システムにおける多管式熱交換器の運転装置。
4. 上記多管式熱交換器（６）の上部管板（６ｋ）に副室（６ｇ）を形成して、上記予熱空気送風機（７）から多管式熱交換器（６）に供給される予熱空気の一部を上記副室（６ｇ）に供給する冷却空気ライン（８）を設けたことを特徴とする請求項３に記載の流動焼却炉システムにおける多管式熱交換器の運転装置。