JP2015175535A - 廃棄物焼却処理施設の熱回収装置及び熱回収調節方法 - Google Patents

Abstract

【課題】高温かつ高圧の燃焼空気による熱回収を目的とした使用に十分耐える、耐熱耐圧に優れた熱交換器を提供するとともに、廃棄物焼却施設の廃棄物処理量に応じて負荷変動が生じた際にも、加熱空気の高温を維持し、しかも熱交換器の耐熱温度を超えないような温度調節を行う装置及びその方法を提供すること【解決手段】伝熱前の空気を分配する分配器と伝熱後の高温空気を集合排出する集合器とを筒状ケーシングの外側に併設し、当該筒状ケーシング内に多数本のＵ字状伝熱管を放射状に配置して各Ｕ字状伝熱管の一端を前記分配器に接続し他端を前記集合器に接続させ、前記集合器を断面円形とした熱回収用輻射式熱交換器を２塔直列に接続し、第１塔の分配器に接続する空気供給管と第２塔の分配器とを接続するバイパス管を設ける【選択図】図３

Description

本発明は、廃棄物焼却処理施設における廃熱によって高圧空気を高温に加熱するための熱回収装置及びその方法に関する。

廃棄物焼却処理で発生する廃熱（燃焼排ガス）を有効利用するため、焼却炉の燃焼空気を加温するための廃熱回収用熱交換器が設置され、加温後の燃焼空気温度は650℃〜700℃程度となる。

常圧流動炉においては、燃焼排ガスおよび燃焼空気共に低圧（-1〜30kPa-G程度）であり、伝熱管にかかる圧力は小さく、高い強度を有しない熱交換器構造でも対応可能であり、上記熱交換器の型式として、シェルアンドチューブ式や輻射式熱交換器（特許文献１）が主に用いられている。

近年、燃焼排ガスおよび燃焼空気共に高圧（100〜300kPa-G）である(特許文献２〜４)が、開発および実機導入されている。この場合、燃焼排ガスおよび燃焼空気共に高圧であるため、シェル自体、及び伝熱管に接続する空気管には耐圧性が求められるが、シェルへの外圧が加わらないこと、及びシェル内の伝熱管にかかる内外の圧力差は小さいことが特徴である。

また、常圧流動焼却炉で過給器あるいはガスタービンを用い廃熱（燃焼排ガス）を動力変換あるいは発電して空気を生成し、燃焼空気としたり煙突に送風する技術が開発されているが（特許文献５）、この場合、燃焼排ガスは低圧、燃焼空気は高圧であることから、熱交換器のシェルには圧力が加わらないが、伝熱管にかかる内外の圧力差は大きく、伝熱管に接続する空気管など、十分な強度を有する熱交換器の構造が必要となり、同時に、動力および電力回収するため、燃焼空気などは650〜750℃程度の高温まで定常的に加温する必要がある。

しかし、熱回収され従来以上に高温化した空気によって、材料の許容応力・強度は低下するとともに高圧化であるため伝熱管へ与える応力が増加するため、熱交換器の損傷に至る可能性がある。
さらに廃棄物焼却施設は、廃棄物量に応じて負荷変動を伴うため、負荷変動した際にも高温を維持するとともに、熱交換器の損傷抑制の観点より耐熱限界を超えないような温度調節が求められる。

実開昭58-7067号公報 特許第4991986号 特許第4771309号 特許第4714912号 特許第4831309号

本発明は、上記従来技術の課題を解決するため、耐熱耐圧に優れた熱交換器を提供するとともに、廃棄物焼却施設の廃棄物処理量に応じて負荷変動が生じた際にも、加熱空気の高温を維持し、しかも熱交換器の耐熱温度を超えないような温度調節を行う装置及びその方法を提供することを目的とする。

廃棄物処理施設の焼却炉からの燃焼排ガスのようにダストを含む排ガスから熱回収する場合、一般的なシェルアンドチューブ式熱交換器と比べ、ガスの流通面積を広くすることができる輻射式熱交換器が広く利用されている。

図１は、従来の輻射式熱交換器の断面図である。この熱交換器は、伝熱前の空気を分配する分配器３と伝熱後の高温空気を集合排出する集合器４とを筒状ケーシング１の外側に併設し、該筒状ケーシング内に多数本のＵ字状伝熱管２を放射状に配置して各Ｕ字状伝熱管の一端を前記分配器３に接続し他端を前記集合器４に接続させたものである。

また、上記輻射式熱交換器では、伝熱管としてＵ字状のものを使用しているため、伝熱管の熱による膨張伸縮が長手方向で吸収され、伝熱管の取り付け部に熱による膨張伸縮に起因する応力がほとんど加わらない。

廃棄物焼却処理施設の焼却炉からの排ガスは、矢印のように筒状ケーシング１内に流入し通過する。一方、高圧空気は供給口５より分配器３内に流入し、該分配器３に接続された多数のＵ字状伝熱管２内を通過し、伝熱管２の外側を通過する高温の燃焼排ガスと熱交換し、昇温されて、伝熱管２の他端より集合器４内に流出し、他の伝熱管からの高温空気とともに流出口６より流出し次工程に送られる。なお、筒状ケーシング内の排ガスの流れ方向、及び伝熱管内の空気の流れ方向（すなわち分配器、集合器の取り付け位置）は、逆にすることもできる。

上記従来の輻射式熱交換器では、筒状ケーシングの外側に筒状の環状空間を形成して分配器及び集合器が形成されるので、伝熱管は、前記筒状ケーシングを貫通させ、その端部を前記分配器又は集合器内に開口させることにより前記分配器又は集合器と接続される。

しかし、低圧の燃焼排ガスと高圧の燃焼空気を熱交換し廃熱利用する廃棄物焼却設備においては、従来の輻射式熱交換器では、燃焼排ガスは伝熱管の外側を通過し、燃焼空気は伝熱管の内側を通過する構造であり、燃焼空気が通過するＵ字状伝熱管部は管内が高圧となるため必要強度は確保されるが、分配器および集合器は筒状で両端面が平板で構成されるため、当該部材の材質や厚みを増すなどし、必要な耐圧性を確保する必要がある。さらに、高温対策として集合器では環状壁の熱の伸長を吸収するための伸縮継手が必要であった。

本発明者は、輻射式熱交換器において、高温且つ高圧に晒される分配器および集合器の形状を筒形状から従来輻射式熱交換器では採用されていなかった管形状とし、高温・高圧化における必要強度を満足する形状にした。これにより、構成部材の板厚を厚くせずに耐圧性が確保することができ、集合器の伸縮継手が不要となるほか、伝熱管と接続するための工数が増えるものの、伝熱管の取付け部が目視可能となるため保守が容易となるというメリットが生じる。
なお、分配器は熱交換器に供給する空気の分配が目的となるため、集合器に比較し低温である。対照的に、集合器は熱交換器により加温された空気の集合が目的となるため、分配器に比較し高温である。従って、分配器については、高圧条件であるが低温条件となるため、強度を満足する場合は従来通りの筒形状とし、集合器のみ管形状へ変更することも可能である。

また、廃棄物焼却施設は、廃棄物量に応じて負荷変動を伴うため、負荷変動した際にも加熱された空気の温度を維持するとともに、熱交換器の耐熱限界を超えないような温度調節をする必要があるが、本発明では、熱交換器に入口から出口への空気のバイパスを設け、バイパス空気流量を測定し調節弁により風量調節することで、加温される空気の温度を調節することとした。

本発明の熱交換器では、予め必要面積以上の伝熱面積を準備する。廃棄物を定格処理する場合は、空気の一部は熱交換器をバイパスさせ、規定の温度（例えば750℃）まで加温する。処理量が減少した負荷変動時は、空気のバイパス量を減少させ熱交換器へ供給する風量を増加することで空気の交換熱量を増加させ規定の温度まで加温する。処理量が増加した場合は、対照的に熱交換器のバイパス風量を増加させることで空気が規定の温度以上に過加熱されないように温度調節する。前記の通り廃棄物の処理量負荷変動時は、規定の温度まで加温あるいは過加熱されない様にするために空気バイパス量を調節し温度を維持する。

上記のようにバイパスを設けることにより、廃棄物焼却施設の負荷変動時にも高圧空気を所定の温度に加熱させることができるが、定格処理時には集合器内の高圧空気の温度は規定温度以上となる。
そこで本発明の第２の態様では、熱交換器に過度の高温域が生じることなくバイパス制御による温度調節を実施するために、熱交換器を直列２塔式とし、１塔目熱交換器をバイパスすることで回収温度の調節を実施する。なお、熱交換器は２塔以上でも可能であり、複数の熱交換器のシェルを共用とし、単一のシェル内に複数の伝熱管束を直列に配置してもよい。

本発明の実施態様は以下のとおりである。
（１）伝熱前の空気を分配する分配器と伝熱後の高温空気を集合排出する集合器とを筒状ケーシングの外側に併設し、該筒状ケーシング内に多数本のＵ字状伝熱管を放射状に配置して各Ｕ字状伝熱管の一端を前記分配器に接続し他端を前記集合器に接続させた輻射式熱交換器において、前記集合器を断面円形としたことを特徴とする熱回収用輻射式熱交換器。
（２）前記分配器も断面円形したことを特徴とする（１）の熱回収用輻射式熱交換器。
（３）分配器又はこの分配器に接続する空気供給管と集合器又はこの集合器からの空気流出管とを接続するバイパス管を設けたことを特徴とする請求項１又は２記載の熱回収用輻射式熱交換器。
（４）接続した熱交換器の少なくとも高温流体の流れ方向の最上流側の熱交換器を（１）又は（２）の輻射式熱交換器とし、前記高温流体の流れ方向の最下流側の熱交換器の分配器若しくはこの分配器に接続する空気供給管と直列に接続された複数の熱交換器のいずれかの集合器若しくはこの集合器からの空気流出管とを接続するバイパス管、又は、前記最下流側の熱交換器の分配器若しくはこの分配器に接続する空気供給管と直列に接続された複数の熱交換器のうち最下流側のもの以外の熱交換器の分配器とを接続するバイパス管、を設けたことを特徴とする熱回収用熱交換器。
（５）（１）又は（２）の輻射式熱交換器に廃棄物焼却処理施設からの高温排ガスを供給し、熱交換器内の前記Ｕ字状伝熱管の外側を通過させ、分配器から高圧空気を供給し、前記Ｕ字状伝熱管内を通過させ、前記高温排ガスから廃熱を回収する方法において、前記高圧空気の一部を、バイパス管を通して集合器又はこの集合器からの空気流出管にも供給し、その際、前記バイパス管のバイパス供給量を調節することにより、前記集合器から排出される前記高圧空気の温度を調節することを特徴とする廃棄物焼却処理施設の熱回収調節方法。
（６）複数塔直列に接続した熱交換器の少なくとも高温排ガスの流れ方向の最上流側の熱交換器を（１）又は（２）の輻射式熱交換器とし、当該熱交換器に廃棄物焼却処理施設からの高温排ガスを供給し、前記複数塔内の前記Ｕ字状伝熱管の外側を通過させ、前記高温流体の流れ方向の最下流側の熱交換器の分配器から高圧空気を供給し、前記複数塔内の前記Ｕ字状伝熱管内を通過させ、前記高温排ガスから廃熱を回収する方法において、前記高温流体の流れ方向の最下流側の熱交換器に供給される前記高圧空気の一部をバイパス管を通して前記直列に接続された複数の熱交換器のいずれかの集合器若しくはこの集合器からの空気流出管にも供給し、又は、前記高温流体の流れ方向の最下流側の熱交換器に供給される前記高圧空気の一部をバイパス管を通して前記直列に接続された複数の熱交換器のうちこの最下流側のもの以外の熱交換器の分配器にも供給し、その際、前記バイパス管のバイパス量を調節することにより、直列に接続した熱交換器から排出される前記高圧空気の温度を調節することを特徴とする廃棄物焼却処理施設の熱回収調節方法。

本発明における廃棄物焼却処理施設とは、下水処理場から排出される汚泥や都市廃棄物などを焼却する施設であり、特に、加圧流動焼却炉や常圧流動焼却炉で過給器あるいはガスタービンを用い廃熱を動力変換あるいは発電して燃焼空気とする施設における空気加熱用熱交換器として好適に使用させる。

本発明の効果は以下の通り。
（１）輻射式熱交換器の集合器を断面筒形状から管形状にすることで、許容される強度の増加が図られるため仕様温度域の高温化および高圧化が可能となる。
（２）高圧燃焼空気／低圧燃焼排ガスの条件に適用する廃熱回収用熱交換器が提供される。
（３）空気温度の過昇温を防止し、熱交換器の損傷の抑制が図られる。
（４）廃棄物処理量の負荷変動が生じた場合においても、必要となる加温温度の確保が図られる。

図１は、従来の輻射式熱交換器の図面。 図２は、本発明の輻射式熱交換器の集合器の図面。 図３は、バイパス管を設けた本発明の輻射式熱交換器。 図４は、バイパス管を設けた本発明の第２の実施態様。 図５は、本発明の温度制御を説明するためのフロー図。

図２は、本発明の熱交換器を示し、図１と同じ部材には同じ図番が付与されている。本発明の熱交換器では、集合器４の耐圧性を増すため、集合器４の断面円形の管状としている。この図では、分配器３については、高圧条件であるが低温条件となるため、従来通りの筒形状とし、集合器４のみ管状へ変更させているが、当然、分配器３についても管状とすることができる。
また、筒状ケーシング１も円筒状でも、角筒状でもよいが、加圧流動焼却炉からの排ガスの熱交換に使用する場合は、ケーシングにも圧力差が生じるので、円筒状とすることが好ましい。

次に、本件発明の温度制御方法について説明する。
図３に示すように、分配器３に空気を供給する空気供給管１２と集合器４から加熱された空気を流出させる空気流出管１４とをバイパス管１３で接続し、前記空気供給管１２より供給される高圧空気の一部をバイパスさせる。
温度計２２で、集合器４からの流出空気温度を測定し、設定温度より低い場合は、バイパス管１３に設けたダンパ２０の開度を絞り、空気のバイパス量を減少させ熱交換器へ供給する風量を増加することで空気の交換熱量を増加させ規定の温度まで加温させる。集合器４からの流出空気温度が設定値以上となった場合は、逆に前記ダンパ２０の開度を開き、熱交換器のバイパス風量を増加させることで空気が規定の温度以上に過加熱されないように温度調節する。
なお、空気供給管１２と空気流出管１４とをバイパス管１３で接続するとは、バイパス管を、空気供給管１２又は空気流出管１４と直接接続するほか、前記空気供給管１２と連通する分配器３、あるいは空気流出管１４と連通する集合器４と接続することも含む。

図４は、第１塔の熱交換器１ａと第２塔の熱交換器１ｂを直列に接続して温度調節する実施態様を示す。高温排ガスは第２塔の熱交換器１ｂから第１塔の熱交換器１ａの筒状ケーシング１内を通過し、加熱すべき高圧空気は空気供給管１２から第１塔に熱交換器１ａの分配器３に供給され、第１塔の熱交換器１ａの集合器４と第２塔の熱交換器１ｂの分配器３を接続する接続管１８を通り、第２塔の熱交換器１ｂの集合器４から空気流出管１４を通り流出する。この実施態様では、バイパス管１３は、空気供給管１２と接続管１８の間を接続している。図４では、第１塔及び第２塔の熱交換器は本発明の熱交換器を使用しているが、第１塔の熱交換器１ａにおける空気温度がそれほど高温にならなければ、通常の熱交換器を使用することができる。
本実施例でも、空気供給管１２と接続管１８とをバイパス管１３で接続するとは、バイパス管を、空気供給管１２又は接続管１８と直接接続するほか、前記空気供給管１２と連通する分配器３、又は接続管１８と連通する分配器あるいは集合器４と接続することも含む。

図５で、本発明の第２の実施態様の具体例で、熱交換器を２塔直列に接続し、第１塔の熱交換器１ａに導入する高圧空気の一部を第２塔の熱交換器１ｂにバイパスするよう構成されている。
焼却炉７からの約８５０℃の燃焼排ガスは、煙道１６より第２塔の熱交換器のシェル、第１塔の熱交換器のシェル内を通過し、煙道１７より流出し、排ガス処理装置（図示せず）に送られる。
一方、燃焼空気は空気供給管１１よりガスタービン８の圧縮部９に導入し、昇圧され、空気供給管１２より第１塔の熱交換器１ａの分配器に流入する。空気供給管１２の途中でバイパス管１３が分岐し、第２塔の熱交換器の分配器に接続している。

前記２塔の熱交換器において、前記高圧空気は焼却炉７からの燃焼排ガスと熱交換し、加熱された高温高圧空気は、空気排出管１４よりガスタービン８の膨張部１０に流入し、前記圧縮部９を駆動し、空気を圧縮して前記高圧空気を生成後、燃焼空気供給管１５より焼却炉７に送られ、燃焼空気として利用される。

図３の実施例では、排ガスから回収された廃熱を利用し、ガスタービン８で、空気の圧縮を行っているが、発電機付加し駆動させることで電力として回収してもよい。
また、昇温された高圧空気は、燃焼空気のほか焼却炉７の流動用空気として利用することもできる。

＜定格運転＞
焼却炉における処理量がほぼ一定で、焼却炉からの排ガス量及び排ガス温度が一定である場合、例えば供給空気量の約２０％を、バイパス管１３を通した場合に第２塔の熱交換器からの加熱空気の温度が設定温度となるよう、熱交換器の伝熱面積、及び供給空気量を設定する。

＜空気の回収温度が低下した場合＞
空気排出管１４に設けられた温度計２２が、空気温度が所定値よりも低いことを検知した場合、温度調節計２３からの信号により、バイパス管１３に設けられたダンパ２０を絞り、バイパス量を減少させ熱交換器への送風量を増加させると、高圧空気の回収熱量が増加し空気排出管１４の空気温度が上昇する。

＜空気の回収温度が増加した場合＞
空気排出管１４に設けられた温度計２２が、空気温度が所定値よりも高いことを検知した場合、温度調節計２３からの信号により、バイパス管１３に設けられたダンパ２０を開き、バイパス量を増加させ熱交換器への送風量を減少させると、高圧空気の回収熱量が減少し空気排出管１４の空気温度が低下する。

＜廃棄物処理量が減少した場合＞
廃棄物処理量が減少すると、排ガスの保有熱量が減少し、その結果、熱交換器へ与える熱量も減少する。この場合は、空気の回収温度が低下した場合と同様な操作、すなわちバイパス量を減少させることにより、空気温度を上昇させることができる。

＜廃棄物処理量が増加した場合＞
廃棄物処理量が増加すると、排ガスの保有熱量も増加し、その結果、熱交換器へ与える熱量も増加する。この場合は、空気の回収温度が増加した場合と同様な操作、すなわちバイパス量を増加させることにより、空気温度を減少させることができる。

本発明の方法によれば、焼却炉の負荷変動が生じても熱交換器１からの高圧空気温度を所定値に制御することができ、熱交換器１を複数段構成としたことにより熱交換器１における空気温度の過上昇を回避することができ、過度の耐熱耐圧構造の採用が不要となる。

１ 筒状ケーシング
２ 伝熱管
３ 分配器
４ 集合器
５ 供給口
６ 流出口
７ 焼却炉
８ ガスタービン
９ 圧縮機
１０ 膨張機
１１、１２ 空気供給管
１４ 空気排出管
１５ 燃焼空気供給管
１３ バイパス管
１６、１７ 煙道
１８ 接続管
２０ ダンパ
２１ 流量計
２２ 温度計
２３ 温度調節器

Claims (6)

1. 伝熱前の空気を分配する分配器と伝熱後の高温空気を集合排出する集合器とを筒状ケーシングの外側に併設し、該筒状ケーシング内に多数本のＵ字状伝熱管を放射状に配置して各Ｕ字状伝熱管の一端を前記分配器に接続し他端を前記集合器に接続させた輻射式熱交換器において、前記集合器を断面円形としたことを特徴とする熱回収用輻射式熱交換器。
2. 前記分配器も断面円形したことを特徴とする請求項１記載の熱回収用輻射式熱交換器。
3. 分配器又はこの分配器に接続する空気供給管と集合器又はこの集合器からの空気流出管とを接続するバイパス管を設けたことを特徴とする請求項１又は２記載の熱回収用輻射式熱交換器。
4. 複数塔直列に接続した熱交換器の少なくとも高温流体の流れ方向の最上流側の熱交換器を請求項１又は２記載の輻射式熱交換器とし、前記高温流体の流れ方向の最下流側の熱交換器の分配器若しくはこの分配器に接続する空気供給管と直列に接続された複数の熱交換器のいずれかの集合器若しくはこの集合器からの空気流出管とを接続するバイパス管、又は、前記最下流側の熱交換器の分配器若しくはこの分配器に接続する空気供給管と直列に接続された複数の熱交換器のうち最下流側のもの以外の熱交換器の分配器とを接続するバイパス管、を設けたことを特徴とする熱回収用熱交換器。
5. 請求項１又は２記載の輻射式熱交換器に廃棄物焼却処理施設からの高温排ガスを供給し、熱交換器内の前記Ｕ字状伝熱管の外側を通過させ、分配器から高圧空気を供給し、前記Ｕ字状伝熱管内を通過させ、前記高温排ガスから廃熱を回収する方法において、前記高圧空気の一部を、バイパス管を通して集合器又はこの集合器からの空気流出管にも供給し、その際、前記バイパス管のバイパス供給量を調節することにより、前記集合器から排出される前記高圧空気の温度を調節することを特徴とする廃棄物焼却処理施設の熱回収調節方法。
6. 複数塔直列に接続した熱交換器の少なくとも高温排ガスの流れ方向の最上流側の熱交換器を請求項１又は２記載の輻射式熱交換器とし、当該熱交換器に廃棄物焼却処理施設からの高温排ガスを供給し、前記複数塔内の前記Ｕ字状伝熱管の外側を通過させ、前記高温流体の流れ方向の最下流側の熱交換器の分配器から高圧空気を供給し、前記複数塔内の前記Ｕ字状伝熱管内を通過させ、前記高温排ガスから廃熱を回収する方法において、前記高温流体の流れ方向の最下流側の熱交換器に供給される前記高圧空気の一部をバイパス管を通して前記直列に接続された複数の熱交換器のいずれかの集合器若しくはこの集合器からの空気流出管にも供給し、又は、前記高温流体の流れ方向の最下流側の熱交換器に供給される前記高圧空気の一部をバイパス管を通して前記直列に接続された複数の熱交換器のうちこの最下流側のもの以外の熱交換器の分配器にも供給し、その際、前記バイパス管のバイパス量を調節することにより、直列に接続した熱交換器から排出される前記高圧空気の温度を調節することを特徴とする廃棄物焼却処理施設の熱回収調節方法。

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