JP2017150745A - 熱交換装置及び発電システム - Google Patents

Abstract

【課題】 外部への放熱量を可能な限り少なくして粒体との熱交換効率の向上を図る。
【解決手段】 塔体１内で供給口３から排出口４へ向けて流下する粒体Ｒと給気口６からの空気との熱交換を行なってこの空気を排気口７から排気するもので、塔体１内に、その内部空間を複数の小空間Ｅに区画し、粒体Ｒが流下可能に傾斜形成された上面１１を有した複数の仕切り壁Ｈを設けるとともに、各仕切り壁Ｈを、その上面の傾斜方向が上から順に交互に逆方向になるように、且つ、先端部の先端縁１４が塔体１の内壁面から所定間隔離間して内壁面との間に粒体Ｒの通過口１０を形成するように設け、排気口７より下位にあり給気口６より上位にあって且つ下面で小空間Ｅを区画する仕切り壁Ｈの当該下面に、仕切り壁Ｈの基端部側に空気が流入する流入口３１を有するとともに通過口１０に流入口３１から流入した空気を噴射する噴射口３２を有した空気ダクト３０を設けた。
【選択図】図３

Description

本発明は、例えば、スラグ粒等の加熱された粒体と空気との熱交換を行なう熱交換装置及びこれを利用した発電システムに関する。

従来、熱交換装置としては、例えば、本願出願人が先に提案したものが知られている（特許第４５５８８３８号公報に掲載）。図１０に示すように、この熱交換装置Ｋａは、上側に加熱された粒体Ｒを供給する供給口１０１が設けられ、下側に供給口１０１から供給されて流下した粒体Ｒを排出する排出口１０２が設けられるとともに、下側にブロア１０３からの空気を吹き込む給気口１０４が設けられ上側に給気口１０４から吹き込まれて上昇した空気を排気する排気口１０５が設けられた本体１００を備え、この本体１００内で供給口１０１から供給されて流下する粒体Ｒと給気口１０４から吹き込まれる空気との熱交換を行なって、空気を排気口１０５から排気する。そして、この熱交換装置Ｋａの本体１００は、粒体Ｒが通過する通過口１０６を粒体Ｒの流下方向上流側及び下流側に夫々有した熱交換室１０７を、粒体Ｒの流下方向に沿って斜めに複数連設して構成されている。

各熱交換室１０７の底壁には、通過口１０６の手前で各熱交換室１０７内に空気を噴射する噴射口１０８を有した空気室１１０が形成されている。この空気室１１０には、空気が流入する流入口１１１が設けられるとともに、各熱交換室１０７の上壁に、噴射口１０８から噴射された空気が流出する流出口１１２が設けられており、本体１００の外部には、流出口１１２から流出した空気を上位の流入口１１１に送給する空気送給管１１３（本体の外部に空気の流路として図示）が接続されている。そして、最下位の熱交換室１０７の流入口１１１が給気口１０４として構成され、最上位の熱交換室１０７の流出口１１２が排気口１０５として構成され、最上位の熱交換室１０７の上流側通過口１０６が供給口１０１として構成され、最下位の熱交換室１０７の下流側通過口１０６が排出口１０２として構成されている。

これにより、加熱された粒体Ｒが供給口１０１から供給されると、最上位の熱交換室１０７から最下位の熱交換室１０７へ向けて流下し、排出口１０２から排出される。この状態で、ブロア１０３から空気を供給して給気口１０４から空気室１１０内に空気を給気すると、最下位の空気室１１０の噴射口１０８から空気が噴射されて粒体Ｒを吹き上げ、これにより粒体Ｒと空気との間で熱交換が行われ、粒体Ｒが冷却されるとともに空気が加熱される。最下位の熱交換室１０７内の粒体Ｒを吹き上げて通過した空気は、流出口１１２から流出して空気送給管１１３を通って隣接する上位の熱交換室１０７の流入口１１１から上位の熱交換室１０７の空気室内に流入し、同様に熱交換室１０７を通過して順次上位の熱交換室１０７に吹き込まれ、高温の空気となって最上位の熱交換室１０７の排気口１０５から排気される。

特許第４５５８８３８号公報

ところで、この従来の熱交換装置Ｋａにおいては、空気室１１０の噴射口１０８から噴射されて粒体Ｒを吹き上げた空気は、流出口１１２から流出して空気送給管１１３を通って隣接する上位の熱交換室１０７の流入口１１１からこの上位の熱交換室１０７の空気室１１０内に流入するが、空気送給管１１３は、本体１００の外部に露出しているので、放熱量が多くなり、それだけ、熱交換効率に劣っているという問題があった。また、本体１００は、熱交換室１０７を粒体Ｒの流下方向に沿って斜めに複数連設して構成されているので、その表面積が大きく、それだけ、放熱面積が大きくなっていることから、この点でも熱交換効率に劣っているという問題があった。

本発明は、このような問題点に鑑みてなされたもので、外部への放熱量を可能な限り少なくして粒体との熱交換効率の向上を図った熱交換装置及び発電システムを提供することを目的とする。

このような目的を達成するため、本発明の熱交換装置は、上側に加熱された粒体を供給する供給口が設けられ下側に該供給口から供給されて流下した粒体を排出する排出口が設けられるとともに、下側に空気を吹き込む給気口が設けられ上側に該給気口から吹き込まれて上昇した空気を排気する排気口が設けられた塔体を備え、該塔体内で上記供給口から供給されて流下する粒体と上記給気口から吹き込まれる空気との熱交換を行なって、該空気を排気口から排気する熱交換装置であって、
上記塔体内に、その内部空間を上記供給口側から上記排出口側に亘って上記粒体が通過する通過口を上下に有した複数の小空間に区画し、上記粒体が流下可能に傾斜形成された上面を有した複数の仕切り壁を設けるとともに、該各仕切り壁を、その上面の傾斜方向が上から順に交互に逆方向になるように、且つ、該各仕切り壁の上面の傾斜方向の先端部が、平面から見て隣接する仕切り壁の上面の傾斜方向の基端部に重なる位置にあって、該先端部の先端縁が上記塔体の内壁面から所定間隔離間して該内壁面との間に上記通過口を形成するように設け、
上記排気口より下位にあり上記給気口より上位にあって且つ下面で小空間を区画する仕切り壁の当該下面に、該仕切り壁の基端部側に該仕切り壁の下面で区画される小空間内の空気が流入する流入口を有するとともに該仕切り壁で形成される通過口に上記流入口から流入した空気を噴射する噴射口を有した空気ダクトを設けた構成としている。

これにより、加熱された粒体を供給口から塔体に供給すると、上位の小空間において、粒体が仕切り壁の上面を流下して仕切り壁の先端縁の通過口から流下し、この通過口の下方にある下位の小空間を構成する仕切り壁の上面で受けられてその上面をスライドして流下していく。この粒体は、同様に流下して排出口のある小空間に至り、排出口から排出されて行く。これによって、各小空間の仕切り壁の上面に粒体層が形成されるようになる。

この状態で、給気口から空気を供給すると、空気ダクトのある仕切り壁においては、この仕切り壁の下面で区画される小空間内の空気が空気ダクトの流入口に流入し、噴射口から通過口へ噴射され、通過口に至った粒体を吹き上げる。この吹き上げにより粒体と空気との間で熱交換が行われ、粒体が冷却されるとともに空気が加熱される。このとき、粒体の吹き上げにより、吹き上げられた粒体層部分よりも上流側の粒体層の粒体が下流側に順次下降してくる。そして、粒体を吹き上げて通過口を通過した空気は、この通過口の上にある小空間に流入しこの小空間を形成する上側の仕切り壁の下面にある空気ダクトの流入口に流入し、同様に、この空気ダクトの噴射口から通過口へ噴射され、通過口に至った粒体を吹き上げる。このようにして、空気が空気ダクトを通して下位の小空間から排気口のある上位の小空間に向けて順次に吹き込まれ、高温の空気となって排気口から排気される。

この場合、空気は、塔体内の内部空間のみを通って排気口に至るので、従来のように塔体外部にある空気送給管を通ることがなく、そのため、外部への放熱量が可能な限り少なくなることから、粒体との熱交換効率の向上を図ることができる。また、塔体なので、従来の熱交換室を斜めに複数連設した本体に比較して、その表面積が小さくなり、それだけ、放熱面積が小さくなることから、この点でも熱交換効率の向上を図ることができる。

更に、空気が仕切り壁の先端縁から吹き出すようになるので、この先端縁を覆いながら粒体層を横切って吹き上がるようになり、そのため、先端縁の摩耗を抑制することができ、装置の摩耗耐久性を向上させることができる。即ち、仕切り壁の先端縁には空気の気流の層が生じ、この空気層により粒体が仕切り壁の先端縁に接触しにくくなるので、この先端縁が確実に保護されて摩耗が防止される。その結果、仕切り壁の寿命が長くなることから、交換時期が長くなり、それだけ、装置の管理が容易になる。また、空気が通過口に至った粒体は層状なので、空気流が横切りやすく、そのため、空気流が安定し、空気を粒体に均一に吹き込むことができ、それだけ、粒体と空気との熱交換効率を向上させることができる。即ち、装置全体の圧力損失が小さくなるので、粒体の排出調整、空気吹き込み量の調整といった運転管理が極めて容易になる。

そして、必要に応じ、最下位の仕切り壁で形成される通過口を上記排出口として構成し、該最下位の仕切り壁の下面に、上記給気口に連通するとともに該仕切り壁で形成される通過口に上記給気口から流入した空気を噴射する噴射口を有した給気用空気ダクトを設けた構成としている。最下位の仕切り壁によっても、給気用空気ダクトの噴射口から空気を通過口（排出口）へ噴射して、上記と同様に粒体を吹き上げることができるので、最下位の小空間においても、この吹き上げにより粒体と空気との間の熱交換を行うことができ、そのため、より一層熱交換効率を向上させることができる。

また、必要に応じ、上記空気ダクトを設けた仕切り壁の先端部の上方に、該先端部の先端縁が対向する塔体の内壁面に対面し上記通過口を通過して上昇する空気をガイドする空気ガイド通路を形成する空気ガイド板を設け、該空気ガイド板の下縁と該空気ガイド板の下縁が対向する上記仕切り壁の先端部とで該仕切り壁の上面上の粒体層の厚さを規制する下側規制口を形成した構成としている。

これにより、粒体を吹き上げた空気が、空気ガイド板にガイドされて空気ガイド通路を通るので、指向性が付与されることから、空気ガイド板の上にある空気ダクトの流入口へ流入し易くすることができる。また、上位の通過口を通過して流下してきた粒体は、空気ガイド板で堰き止められ、下側規制口を通るので、この空気ガイド板の下の通過口に粒体が大量に流下して堆積しにくくなり粒体が詰まる事態を防止でき、それだけ、粒体の流動状態を安定させることができる。更に、粒体は、下側規制口を通るので、粒体層の厚さを一定に保持することができ、この厚さが一定な粒体層に噴射口からの空気を吹き込むことができる。そのため、空気をより一層確実に均一に吹き込むことができ、それだけ、粒体と空気との間の熱交換効率をより一層向上させることができるとともに、噴出した空気の圧力損失を低減させて確実に粒体を吹き上げることができる。

更に、必要に応じ、上記流入口のある空気ダクトの流入口側の下側に、上記塔体の内壁面に対面し上記空気ガイド通路を通過して上昇する空気を上記空気ダクトの流入口に導入する導入路を形成する導入板を垂設した構成としている。これにより、空気ガイド通路を出た空気が、導入板にガイドされて導入路を通るので、空気ダクトの流入口へより一層流入し易くすることができる。

更にまた、必要に応じ、下面で小空間を区画する仕切り壁の先端部の下側に、該先端部の先端縁が対向する塔体の内壁面に対面し上記通過口を通過して流下する粒体を該内壁面に接触させてガイドして該通過口の下方にある仕切り壁の基端部に流下させる粒体ガイド通路を形成する粒体ガイド板を設け、該粒体ガイド板の下縁と該粒体ガイド板の下縁が対向する仕切り壁の基端部とで該仕切り壁の上面上の粒体層の厚さを規制する上側規制口を形成した構成としている。

これにより、通過口を通過して流下する粒体は、粒体ガイド板にガイドされて粒体ガイド通路を通り、この通過口の下方にある仕切り壁の基端部に流下させられるので、小空間内に分散しにくくなり、仕切り壁上を流下する粒体層に不均一に堆積することがなく、また、粒体は、上側規制口を通るので、粒体層の厚さを一定に保持することができ、粒体の流動状態を安定させることができる。そのため、この厚さが一定な粒体層に噴射口からの空気を吹き込むことができるので、空気をより一層確実に均一に吹き込むことができ、それだけ、粒体と空気との間の熱交換効率をより一層向上させることができるとともに、噴出した空気の圧力損失を低減させて確実に粒体を吹き上げることができる。

また、必要に応じ、上記流入口のある空気ダクトが設けられる仕切り壁において、上記粒体ガイド板を、上記空気ダクトの噴射口側の下側に垂設した構成としている。通過口の下方にある仕切り壁の基端部に確実に流下させることができる。

更に、必要に応じ、上記噴射口を、上記仕切り壁の先端部を含んで構成し、該仕切り壁の幅方向に沿う偏平状に形成した構成としている。ここで、仕切り壁の幅方向とは、粒体の流下方向に直交する左右方向のことをいう。これにより、噴射口が偏平状に形成されているので、空気ダクトの流入口から流入した空気は、その流速が増して噴射口から噴射されるとともに、噴射口の幅方向に沿って均一に噴射されるようになる。そのため、より一層空気流が安定し、空気を一層均一に粒体に吹き込むことができ、それだけ、粒体と空気との間の熱交換効率をより一層向上させることができる。

この場合、上記噴射口を、幅方向に列設される複数のノズルの集合を備えて構成したことが有効である。これにより、空気ダクトの流入口から流入した空気は、複数のノズルごとに噴射されるので、噴射口の幅方向に沿ってより一層均一に噴射されるようになる。そのため、より一層空気流が安定し、空気を粒体により一層均一に吹き込むことができ、それだけ、粒体と空気との間の熱交換効率をより一層向上させることができる。

そしてまた、必要に応じ、上記塔体内に、熱交換媒体を流通させる熱伝導パイプを備え該熱交換媒体と上記塔体内の粒体及び空気との間で熱交換を行う集熱器を設けた構成としている。集熱器によっても粒体の熱を回収することができるので、熱回収効率を向上させることができる。

また、必要に応じ、上記集熱器を、中空で盤状の外郭と、該外郭内部に挿通され熱交換媒体が流通する熱伝導パイプと、上記外郭の空間に充填され上記粒体の熱によって溶融可能な熱媒体とを備えて構成し、上記仕切り壁の全部若しくは一部を、上記集熱器を備えて構成し、該集熱器の外郭の一側面を、上記粒体が流下可能な上面として構成している。集熱器は、流下する粒体との間で熱交換を行うので、粒体との接触効率が良く、それだけ、熱交換効率を向上させることができる。この集熱器においては、熱交換媒体を熱伝導パイプ中に流して粒体と間接的に接触させて熱交換を行なっているので、熱交換媒体が汚れることがなくなり、装置環境を長期間維持することが可能になる。また、集熱器の外郭に粒体の熱によって溶融可能な熱媒体を充填したので、溶融した熱媒体が外郭内部を対流し、粒体の熱を効率良く熱伝導パイプの熱交換媒体に伝達することができることから、熱交換効率を向上させることができる。

この場合、上記外郭の一側面に、上記粒体の流下方向に直交する方向に延びる突条を所定間隔で複数列設したことが有効である。外郭の表面積が増すので、それだけ、熱交換効率を向上させることができる。また、外郭表面と流下する粒体との摩擦が少なくなり、外郭の摩耗を抑制することができ、この点でも、装置環境を長期間維持することが可能になる。

また、本発明の発電システムは、蒸気タービンと該蒸気タービンの動力により発電を行う発電機とを備えた発電システムにおいて、上記の熱交換装置を用い、該熱交換装置の排気口から排気される空気の熱を用いて上記蒸気タービンに供給する蒸気を生成する構成としている。上述したように、本熱交換装置は、粒体との熱交換効率が極めて良いので、本発電システムにおいても、エネルギー効率を向上させることができる。

より具体的には、蒸気タービンと該蒸気タービンの動力により発電を行う発電機とを備えた発電システムにおいて、上記の集熱器を設けた熱交換装置を用い、上記集熱器の熱交換媒体を水で構成し、該集熱器の熱交換媒体を集約して上記蒸気タービンに供給する供給管路及び該蒸気タービンから熱交換媒体を復水器を介して回収し上記集熱器に戻す回収管路を備え、
上記熱交換装置の外部に上記排気口から空気を取り出し上記給気口へ空気を戻す循環管路を設け、
上記供給管路の熱交換媒体と上記循環管路の空気との熱交換を行って該供給管路の熱交換媒体を加熱する加熱部を設け、
上記回収管路の熱交換媒体と上記加熱部の後流側の循環管路の空気との熱交換を行って熱交換媒体を加温する加温部を設けた構成としている。

これにより、蒸気タービンに供給する蒸気源を集熱器の熱交換媒体で構成し、これを、加熱部において、本熱交換装置の排気口から取出した空気で更に加熱するので、高温の蒸気を生成することができるようになり、エネルギー効率を向上させることができる。また、加熱部で熱交換に供した空気を利用して、蒸気タービンから回収した熱交換媒体を加温するので、より一層エネルギー効率を向上させることができる。

また、必要に応じ、上記加熱部は、上記供給管路の熱交換媒体を補助的に加熱するための燃焼ガスを生成する加熱炉を備えた構成としている。本熱交換装置の空気の熱量が不足しても対応することができる。

本発明によれば、空気は、塔体内の内部空間のみを通って排気口に至るので、従来のように塔体外部にある空気送給管を通ることがなく、そのため、外部への放熱量が可能な限り少なくなることから、粒体との熱交換効率の向上を図ることができる。また、塔体なので、従来の熱交換室を斜めに複数連設した本体に比較して、その表面積が小さくなり、それだけ、放熱面積が小さくなることから、この点でも熱交換効率の向上を図ることができる。

本発明の実施の形態に係る熱交換装置を示す断面図である。 本発明の実施の形態に係る熱交換装置を粒体の流下状態とともに示す断面図である。 本発明の実施の形態に係る熱交換装置の要部を示す拡大断面図である。 本発明の実施の形態に係る熱交換装置を示す図１中Ａ−Ａ線断面図である。 本発明の実施の形態に係る熱交換装置の仕切り壁に用いる第１集熱器を示し、（ａ）は平面図、（ｂ）は側面図、（ｃ）は平面断面図である。 本発明の実施の形態に係る熱交換装置の塔体の内壁に用いる別の第２集熱器を示し、（ａ）は正面図、（ｂ）は側面図である。 本発明の実施の形態に係る熱交換装置において、仕切り壁の先端縁の形態例（Ａ）〜（Ｄ）を示す図である。 本発明の実施の形態に係る熱交換装置において、空気ダクトの噴射口の形態例（Ａ）〜（Ｃ）を示す図である。 本発明の実施の形態に係る発電システムを示す図である。 従来の熱交換装置の一例を示す図である。

以下、添付図面に基づいて本発明の実施の形態に係る熱交換装置及びこれを用いた発電システムについて詳細に説明する。
図１乃至図４に示すように、本発明の実施の形態に係る熱交換装置Ｋは、加熱された粒体Ｒと空気との熱交換を行う断熱部材で形成された塔体１を備えている。粒体Ｒとしては、例えば、金属精錬所などから排出される８００℃〜１０００℃の高温に加熱されたスラグ粒が用いられる。

塔体１には、上側にホッパ２から加熱された粒体Ｒを供給する供給口３が設けられ、下側に供給口３から供給されて流下した粒体Ｒを排出する排出口４が設けられている。供給口３はシャッタ３ａで開閉可能になっており、開時に粒体Ｒを供給する。また、塔体１には、下側にブロア５からの空気を吹き込む給気口６が設けられ、上側に給気口６から吹き込まれて上昇した空気を排気する排気口７が設けられている。本熱交換装置Ｋは、塔体１内で供給口３から供給されて流下する粒体Ｒと給気口６から吹き込まれる空気との熱交換を行なって、この空気を排気口７から排気する。また、塔体１内には、水からなる熱交換媒体と塔体１内の粒体Ｒ及び空気との熱交換を行う第１集熱器２０（図５）及び第２集熱器６０（図６）が夫々１若しくは２以上（実施の形態では２以上）設けられている。第１集熱器２０及び第２集熱器６０については後述する。

塔体１内には、その内部空間を供給口３側から排出口４側に亘って粒体Ｒが通過する通過口１０を上下に有した複数の小空間Ｅに区画し、粒体Ｒが流下可能に傾斜形成された上面を有した複数の仕切り壁Ｈが設けられている。即ち、小空間Ｅは、上下に隣接する上側の仕切り壁Ｈとこれに対向する下側の仕切り壁Ｈの一対の仕切り壁Ｈにより区画される。各仕切り壁Ｈは、その上面１１の傾斜方向が上から順に交互に逆方向になるように、且つ、各仕切り壁Ｈの上面１１の傾斜方向の先端部１２が、平面から見て隣接する仕切り壁Ｈの上面１１の傾斜方向の基端部１３に重なる位置にあって、先端部１２の先端縁１４が塔体１の内壁面から所定間隔離間して内壁面との間に通過口１０を形成するように設けられている。

また、図１及び図２に示すように、塔体１において、最上位の仕切り壁Ｈと塔体１の上壁１ａとの間は、供給口３からの粒体Ｒを導く通路を構成している。更に、最下位の仕切り壁Ｈで形成される通過口１０は、排出口４として構成されており、この最下位の仕切り壁Ｈと塔体１の下壁１ｂとの間は、給気口６を有した後述の給気用空気ダクト３４として構成される。排出口４の下側にはフィーダ１６によって粒体Ｒを外部に送り出す排出管１５が接続されている。更にまた、排気口７は、最上位の小空間Ｅより２つ下位にある小空間Ｅに設けられている。排気口７は、小空間Ｅを形成する上側の仕切り壁Ｈの基端部１３側において、塔体１の壁部に設けられている。

各仕切り壁Ｈは、第１集熱器２０を備えて構成されている。第１集熱器２０は、図５に示すように、中空で矩形盤状に形成された外郭２１と、この外郭２１内部に蛇行させられて挿通され水からなる熱交換媒体が流通する熱伝導パイプ２２と、外郭２１の空間に充填され粒体Ｒの熱によって溶融可能な熱媒体２３とを備えて構成されている。熱媒体２３としては、粒体Ｒの熱によって溶融可能な、例えば、ビスマス，錫をベースとした低融点合金が用いられている。外郭２１及び熱伝導パイプ２２の材質は、熱媒体２３により腐食され難く、熱媒体２３より融点が高く、熱伝導性に優れたものであればよい。熱伝導パイプ２２の入口管部２４及び出口管部２５は長手方向一端部に突設され、この入口管部２４及び出口管部２５のある一端部側が基端部１３として塔体１の壁部に取付けられている。そして、第１集熱器２０の外郭２１の一側面は、粒体Ｒが流下可能な上面１１として構成されている。更に、外郭２１の一側面には、粒体Ｒの流下方向に直交する方向に延びる突条２６が所定間隔で複数列設されている。

また、第１集熱器２０の他端部側には、図７に示すように、先端縁１４を有した先端部材２７が設けられている。先端部材２７は、図７（Ａ）に示すように、断面三角形状にして先端縁１４を鋭角に形成している。また、先端部材２７は、これに限定されるものではなく、適宜変更して差支えない。例えば、図７（Ｂ）に示すように、先端縁１４側を断面半円弧状にして先端縁１４の上下面を弧状にしたもの、図７（Ｃ）に示すように、断面矩形の上側の直角な角部を先端縁１４とし下面側を弧状に膨出させたもの、図７（Ｄ）に示すように、断面矩形の上側を鈍角の角部とし、下側を鋭角の角部として突出させて先端縁１４としたもの等が挙げられる。

また、図１乃至図３に示すように、排気口７より下位にあり給気口６より上位にあって且つ下面１７で小空間Ｅを区画する仕切り壁Ｈの当該下面１７には、仕切り壁Ｈの基端部１３側にこの仕切り壁Ｈの下面１７で区画される小空間Ｅ内の空気が流入する流入口３１を有するとともに、この仕切り壁Ｈで形成される通過口１０に上記流入口３１から流入した空気を噴射する噴射口３２を有した空気ダクト３０が設けられている。空気ダクト３０の流路は、第１集熱器２０の下面１７と、この第１集熱器２０の下面１７に間隔を隔てて対面する覆い板３３とで形成されている。

また、最下位の仕切り壁Ｈの下面１７には、給気口６を有するとともにこの仕切り壁Ｈで形成される通過口１０に給気口６から流入した空気を噴射する噴射口３２を有した給気用空気ダクト３４が設けられている。給気用空気ダクト３４の流路は、第１集熱器２０の下面１７と、この第１集熱器２０の下面１７に間隔を隔てて対面する塔体１の下壁１ｂとで形成されている。

また、空気ダクト３０及び給気用空気ダクト３４の噴射口３２は、仕切り壁Ｈの先端部１２を含んで構成されており、仕切り壁Ｈの幅方向に沿う偏平状に形成されている。また、図８に示すように、噴射口３２は、幅方向に列設される複数のノズル３５の集合を備えて構成されている。ノズル３５は、その形状が、例えば、図８（Ａ）に示すように矩形状に形成されたもの、図８（Ｂ）に示すように三角形状に形成されたもの、図８（Ｃ）に示すように円形状に形成されたものが挙げられる。

更に、図１乃至図４に示すように、空気ダクト３０及び給気用空気ダクト３４を設けた仕切り壁Ｈの先端部１２の上方には、先端部１２の先端縁１４が対向する塔体１の内壁面に対面し、通過口１０を通過して上昇する空気をガイドする空気ガイド通路４１を形成する空気ガイド板４０が設けられている。この空気ガイド板４０の下縁と空気ガイド板４０の下縁が対向する仕切り壁Ｈの先端部１２とで、仕切り壁Ｈの上面１１上の粒体層の厚さを規制する下側規制口４２が形成される。空気ダクト３０及び給気用空気ダクト３４が設けられない仕切り壁Ｈであって、最上位の仕切り壁Ｈの下位の２つの仕切り壁Ｈの上方にも、空気は通過しないが空気ガイド板４０と同様に下側規制口４２を形成する調整板４３が設けられている。

更にまた、流入口３１のある空気ダクト３０の流入口３１側の下側であって、覆い板３３には、塔体１の内壁面に対面し空気ガイド通路４１を通過して上昇する空気を空気ダクト３０の流入口３１に導入する導入路４４を形成する導入板４５が垂設されている。

また、下面１７で小空間Ｅを区画する仕切り壁Ｈの先端部１２の下側には、先端部１２の先端縁１４が対向する塔体１の内壁面に対面し、通過口１０を通過して流下する粒体Ｒを内壁面に接触させてガイドして、通過口１０の下方にある仕切り壁Ｈの基端部１３に流下させる粒体ガイド通路５１を形成する粒体ガイド板５０が設けられている。この粒体ガイド板５０の下縁と粒体ガイド板５０の下縁が対向する仕切り壁Ｈの基端部１３とで、仕切り壁Ｈの上面１１上の粒体層の厚さを規制する上側規制口５２が形成される。流入口３１のある空気ダクト３０が設けられる仕切り壁Ｈにおいては、粒体ガイド板５０は、空気ダクト３０を構成する覆い板３３の噴射口３２側の下側に垂設されている。

また、各小空間Ｅには、仕切り壁Ｈに用いた第１集熱器２０とは別の第２集熱器６０が設けられている。この第２集熱器６０は、図６に示すように、水からなる熱交換媒体を流通させる複数の熱伝導パイプ６１を、取付板６２に複数並設し、各熱伝導パイプ６１の一端を集約して入口管部６３に接続し、他端を集約して出口管部６４に接続して構成されている。そして、この第２集熱器６０は、小空間Ｅの通過口１０の上側において、熱伝導パイプ６１を小空間Ｅ内に露出させて、塔体１の壁部に取付けられている。

次に、本発明の実施の形態に係る発電システムＳについて説明する。この発電システムＳは、図９に示すように、蒸気タービン７０と蒸気タービン７０の動力により発電を行う発電機７１とを備え、本発明の実施の形態に係る熱交換装置Ｋを用い、熱交換装置Ｋの排気口７から排気される空気の熱を用い、第１集熱器２０及び第２集熱器６０からの水を蒸気にして蒸気タービン７０に供給するものである。

詳しくは、この発電システムＳは、第１集熱器２０及び第２集熱器６０の水からなる熱交換媒体を集約して蒸気タービン７０に供給する供給管路７２と、蒸気タービン７０から熱交換媒体を復水器７３を介して回収し第１集熱器２０及び第２集熱器６０に戻す回収管路７４とを備えている。また、熱交換装置Ｋの外部に排気口７から空気を取り出し給気口６へ空気を戻す循環管路７５（図９中点線で図示）が設けられている。ブロア５は給気口６の手前にあってこの循環管路７５に介装され、空気を循環させる。そして、供給管路７２の熱交換媒体と循環管路７５の空気との熱交換を行って供給管路７２の熱交換媒体を加熱する加熱部７６が設けられ、回収管路７４の熱交換媒体と加熱部７６の後流側の循環管路７５の空気との熱交換を行って熱交換媒体を加温する加温部７７が設けられている。加熱部７６は、供給管路７２の熱交換媒体を補助的に加熱するための燃焼ガスを生成する加熱炉（図示せず）を備えている。加熱炉では、例えば、天然ガスや重油を燃焼し、その燃焼ガスを熱源としている。７８は加熱炉からの燃焼ガスの排気経路に設けられた集塵機、７９は集塵機７８から排ガスファン７８ａにより吸引された排ガスを排気する煙突である。

従って、この実施の形態に係る発電システムＳによれば、以下のようにして発電が行われる。先ず、実施の形態に係る熱交換装置Ｋにおいて、高温に加熱したスラグ粒からなる粒体Ｒがホッパ２から塔体１の供給口３に供給されると、粒体Ｒが上位の仕切り壁Ｈの上面１１を流下して仕切り壁Ｈの先端縁１４の通過口１０から流下し、この通過口１０の下方にある上位の小空間Ｅを構成する仕切り壁Ｈの上面１１で受けられてその上面１１をスライドして流下していく。上位の小空間Ｅにおいては、粒体Ｒは仕切り壁Ｈの上面１１を流下して仕切り壁Ｈの先端縁１４の通過口１０から流下し、この通過口１０の下方にある下位の小空間Ｅを構成する仕切り壁Ｈの上面１１で受けられてその上面１１をスライドして流下していく。この粒体Ｒは、同様に流下して排出口４のある小空間Ｅに至り、排出口４から排出されて行く。これによって、各小空間Ｅの仕切り壁Ｈの上面１１に粒体層が形成されるようになる。

この状態で、ブロア５を作動して給気口６から空気を供給すると、給気用空気ダクト３４の噴射口３２から空気が通過口１０（排出口４）へ噴射され、通過口１０に至った粒体Ｒを吹き上げる。この吹き上げにより粒体Ｒと空気との間で熱交換が行われ、粒体Ｒが冷却されるとともに空気が加熱される。このとき、粒体Ｒの吹き上げにより、吹き上げられた粒体層部分よりも上流側の粒体層の粒体Ｒが下流側に順次下降してくる。そして、粒体Ｒを吹き上げて通過口１０を通過した空気は、この通過口１０の上にある小空間Ｅに流入しこの小空間Ｅを形成する上側の仕切り壁Ｈの下面１７にある空気ダクト３０の流入口３１に流入する。そして、この空気ダクト３０の噴射口３２から通過口１０へ噴射され、通過口１０に至った粒体Ｒを吹き上げる。この吹き上げにより粒体Ｒと空気との間で熱交換が行われ、粒体Ｒが冷却されるとともに空気が加熱される。粒体Ｒを吹き上げて通過口１０を通過した空気は、この通過口１０の上にある小空間Ｅに流入しこの小空間Ｅを形成する上側の仕切り壁Ｈの下面１７にある空気ダクト３０の流入口３１に流入する。このようにして、空気が空気ダクト３０を通して下位の小空間Ｅから排気口７のある上位の小空間Ｅに向けて順次に吹き込まれ、高温の空気となって排気口７から排気される。

この場合、空気は、塔体１内の内部空間のみを通って排気口７に至るので、従来のように塔体１外部にある空気送給管を通ることがなく、そのため、外部への放熱量が可能な限り少なくなることから、粒体Ｒとの熱交換効率の向上を図ることができる。また、塔体１なので、従来の熱交換室を斜めに複数連設した本体に比較して、その表面積が小さくなり、それだけ、放熱面積が小さくなることから、この点でも熱交換効率の向上を図ることができる。

更に、空気が仕切り壁Ｈの先端縁１４から吹き出すようになるので、この先端縁１４を覆いながら粒体層を横切って吹き上がるようになり、そのため、先端縁１４の摩耗を抑制することができ、装置の摩耗耐久性を向上させることができる。即ち、仕切り壁Ｈの先端縁１４には空気の気流の層が生じ、この空気層により粒体Ｒが仕切り壁Ｈの先端縁１４に接触しにくくなるので、この先端縁１４が確実に保護されて摩耗が防止される。その結果、仕切り壁Ｈの寿命が長くなることから、交換時期が長くなり、それだけ、装置の管理が容易になる。また、空気が通過口１０に至った粒体Ｒは層状なので、空気流が横切りやすく、そのため、空気流が安定し、空気を粒体Ｒに均一に吹き込むことができ、それだけ、粒体Ｒと空気との熱交換効率を向上させることができる。即ち、装置全体の圧力損失が小さくなるので、粒体Ｒの排出調整、空気吹き込み量の調整といった運転管理が極めて容易になる。

また、通過口１０を通過して粒体Ｒを吹き上げた空気は、空気ガイド板４０にガイドされて空気ガイド通路４１を通る。そのため、指向性が付与されることから、空気ガイド板４０の上にある空気ダクト３０の流入口３１へ流入し易くすることができる。また、上位の通過口１０を通過して流下してきた粒体Ｒは、空気ガイド板４０で堰き止められ、下側規制口４２を通るので、この空気ガイド板４０の下の通過口１０に粒体Ｒが大量に流下して堆積しにくくなり粒体Ｒが詰まる事態を防止でき、それだけ、粒体Ｒの流動状態を安定させることができる。更に、粒体Ｒは、下側規制口４２を通るので、粒体層の厚さを一定に保持することができ、この厚さが一定な粒体層に噴射口３２からの空気を吹き込むことができる。そのため、空気をより一層確実に均一に吹き込むことができ、それだけ、粒体Ｒと空気との間の熱交換効率をより一層向上させることができるとともに、噴出した空気の圧力損失を低減させて確実に粒体Ｒを吹き上げることができる。また、上位にある調整板４３においても、粒体層の厚さを一定に保持することができ、粒体Ｒの流動状態を安定させることができる。

また、流入口３１のある空気ダクト３０の流入口３１側の下側には、導入板４５が垂設されているので、空気ガイド通路４１を出た空気は、導入板４５にガイドされて導入路４４を通ることから、空気ダクト３０の流入口３１へより一層流入し易くすることができる。

更に、噴射口３２が仕切り壁Ｈの幅方向に沿う偏平状に形成されているので、空気ダクト３０の流入口３１から流入した空気は、その流速が増して噴射口３２から噴射されるとともに、噴射口３２の幅方向に沿って均一に噴射されるようになる。そのため、より一層空気流が安定し、空気を一層均一に粒体Ｒに吹き込むことができ、それだけ、粒体Ｒと空気との間の熱交換効率をより一層向上させることができる。

更にまた、噴射口３２は、幅方向に列設される複数のノズル３５の集合を備えているので、空気ダクト３０の流入口３１から流入した空気は、複数のノズル３５ごとに噴射されることから、噴射口３２の幅方向に沿ってより一層均一に噴射されるようになる。そのため、より一層空気流が安定し、空気を粒体Ｒにより一層均一に吹き込むことができ、それだけ、粒体Ｒと空気との間の熱交換効率をより一層向上させることができる。

また、通過口１０を通過して流下する粒体Ｒは、粒体ガイド板５０にガイドされて粒体ガイド通路５１を通り、この通過口１０の下方にある仕切り壁Ｈの基端部１３に流下させられる。そのため、小空間Ｅ内に分散しにくくなり、仕切り壁Ｈ上を流下する粒体層に不均一に堆積することがなく、また、粒体Ｒは、上側規制口５２を通るので、粒体層の厚さを一定に保持することができ、粒体Ｒの流動状態を安定させることができる。このため、この厚さが一定な粒体層に噴射口３２からの空気を吹き込むことができるので、空気をより一層確実に均一に吹き込むことができ、それだけ、粒体Ｒと空気との間の熱交換効率をより一層向上させることができるとともに、噴出した空気の圧力損失を低減させて確実に粒体Ｒを吹き上げることができる。

そしてまた、仕切り壁Ｈを構成する第１集熱器２０及び小空間Ｅの壁部に設けた第２集熱器６０によっても粒体Ｒの熱が回収される。仕切り壁Ｈを構成する第１集熱器２０においては、流下する粒体Ｒとの間で熱交換を行うので、粒体Ｒとの接触効率が良く、それだけ、熱交換効率を向上させることができる。この場合、外郭２１の一側面に、粒体Ｒの流下方向に直交する方向に延びる突条２６が所定間隔で複数列設されているので、外郭２１の表面積が増すことになり、それだけ、熱交換効率を向上させることができる。また、外郭２１表面と流下する粒体Ｒとの摩擦が少なくなり、外郭２１の摩耗を抑制することができ、装置環境を長期間維持することが可能になる。

この第１集熱器２０においては、熱交換媒体を熱伝導パイプ２２中に流して粒体Ｒと間接的に接触させて熱交換を行なっているので、熱交換媒体が汚れることがなくなり、装置環境を長期間維持することが可能になる。また、第１集熱器２０の外郭２１に粒体Ｒの熱によって溶融可能な熱媒体２３を充填したので、溶融した熱媒体２３が外郭２１内部を対流し、粒体Ｒの熱を効率良く熱伝導パイプ２２の熱交換媒体に伝達することができることから、熱交換効率を向上させることができる。

図９に示すように、本発電システムＳにおいては、上記の熱交換装置Ｋにおいて、排気口７から高温の空気が排気されると、この高温の空気は循環管路７５を通して加熱部７６及び加温部７７に送給され、その後ブロア５により再び給気口６に送給され、空気は循環管路７５を循環させられる。また、第１集熱器２０及び第２集熱器６０の熱交換媒体も加熱されて集約され、供給管路７２を通して蒸気タービン７０へ供給される。この供給管路７２の途中において、加熱部７６により、供給管路７２の熱交換媒体と循環管路７５の空気との間の熱交換が行われ、熱交換媒体は更に加熱されて高温の蒸気となる。この場合、加熱部７６において、本熱交換装置Ｋの排気口７から取出した空気で熱交換媒体を更に加熱して高温の蒸気を生成するので、エネルギー効率を向上させることができる。そして、この高温の蒸気により蒸気タービン７０が駆動され、発電機７１による発電が行われる。加熱部７６での循環管路７５の空気の熱量が不足している場合には、加熱部７６の加熱炉において、例えば、天然ガスや重油を燃焼し、その燃焼ガスを熱源として、供給管路７２の熱交換媒体を加熱する。

蒸気タービン７０の駆動に供された熱交換媒体は、復水器７３を介して回収管路７４に流入し、再び、第１集熱器２０及び第２集熱器６０に戻される。この回収管路７４の途中においては、加温部７７により、回収管路７４の熱交換媒体と加熱部７６の後流側の循環管路７５の空気との間の熱交換が行われ、熱交換媒体が加温される。この場合、加熱部７６で熱交換に供した空気を利用して、蒸気タービン７０から回収した熱交換媒体を加温するので、より一層エネルギー効率を向上させることができる。

尚、上記実施の形態において、小空間Ｅの数は図示したものに限定されるものではなく、小空間Ｅを幾つ連設しても良く、適宜変更して差支えない。また、上記実施の形態において、排気口７を最上位の小空間Ｅより２つ下位にある小空間Ｅに設けたが、必ずしもこれに限定されるものではなく、例えば、これより上位の小空間Ｅあるいは塔体１の上壁１ａに設けるなど適宜変更して差支えない。尚また、上記実施の形態において、粒体Ｒをスラグ粒で構成したが、必ずしもこれに限定されるものではないことは勿論である。

Ｓ 発電システム
Ｋ 熱交換装置
Ｒ 粒体
１ 塔体
１ａ 上壁
１ｂ 下壁
３ 供給口
４ 排出口
５ ブロア
６ 給気口
７ 排気口
Ｈ 仕切り壁
Ｅ 小空間
１０ 通過口
１１ 上面
１２ 先端部
１３ 基端部
１４ 先端縁
１７ 下面
２０ 第１集熱器
２１ 外郭
２２ 熱伝導パイプ
２３ 熱媒体
２４ 突条
２７ 先端部材
３０ 空気ダクト
３１ 流入口
３２ 噴射口
３３ 覆い板
３４ 給気用空気ダクト
３５ ノズル
４０ 空気ガイド板
４１ 空気ガイド通路
４２ 下側規制口
４３ 調整板
４４ 導入路
４５ 導入板
５０ 粒体ガイド板
５１ 粒体ガイド通路
５２ 上側規制口
５３ 覆い板
６０ 第２集熱器
６１ 熱伝導パイプ
７０ 蒸気タービン
７１ 発電機
７２ 供給管路
７３ 復水器
７４ 回収管路
７５ 循環管路
７６ 加熱部
７７ 加温部

Claims (14)

1. 上側に加熱された粒体を供給する供給口が設けられ下側に該供給口から供給されて流下した粒体を排出する排出口が設けられるとともに、下側に空気を吹き込む給気口が設けられ上側に該給気口から吹き込まれて上昇した空気を排気する排気口が設けられた塔体を備え、該塔体内で上記供給口から供給されて流下する粒体と上記給気口から吹き込まれる空気との熱交換を行なって、該空気を排気口から排気する熱交換装置であって、
   上記塔体内に、その内部空間を上記供給口側から上記排出口側に亘って上記粒体が通過する通過口を上下に有した複数の小空間に区画し、上記粒体が流下可能に傾斜形成された上面を有した複数の仕切り壁を設けるとともに、該各仕切り壁を、その上面の傾斜方向が上から順に交互に逆方向になるように、且つ、該各仕切り壁の上面の傾斜方向の先端部が、平面から見て隣接する仕切り壁の上面の傾斜方向の基端部に重なる位置にあって、該先端部の先端縁が上記塔体の内壁面から所定間隔離間して該内壁面との間に上記通過口を形成するように設け、
   上記排気口より下位にあり上記給気口より上位にあって且つ上下の仕切り壁で小空間を形成する当該上側の仕切り壁の下面に、該仕切り壁の基端部側に該仕切り壁の下面で区画される小空間内の空気が流入する流入口を有するとともに該仕切り壁で形成される通過口に上記流入口から流入した空気を噴射する噴射口を有した空気ダクトを設けたことを特徴とする熱交換装置。
2. 最下位の仕切り壁で形成される通過口を上記排出口として構成し、該最下位の仕切り壁の下面に、上記給気口を有するとともに該仕切り壁で形成される通過口に上記給気口から流入した空気を噴射する噴射口を有した給気用空気ダクトを設けたことを特徴とする請求項１記載の熱交換装置。
3. 上記空気ダクトを設けた仕切り壁の先端部の上方に、該先端部の先端縁が対向する塔体の内壁面に対面し上記通過口を通過して上昇する空気をガイドする空気ガイド通路を形成する空気ガイド板を設け、該空気ガイド板の下縁と該空気ガイド板の下縁が対向する上記仕切り壁の先端部とで該仕切り壁の上面上の粒体層の厚さを規制する下側規制口を形成したことを特徴とする請求項１または２記載の熱交換装置。
4. 上記流入口のある空気ダクトの当該流入口側の下側に、上記塔体の内壁面に対面し上記空気ガイド通路を通過して上昇する空気を上記空気ダクトの流入口に導入する導入路を形成する導入板を垂設したことを特徴とする請求項３記載の熱交換装置。
5. 下面で小空間を区画する仕切り壁の先端部の下側に、該先端部の先端縁が対向する塔体の内壁面に対面し上記通過口を通過して流下する粒体を該内壁面に接触させてガイドして該通過口の下方にある仕切り壁の基端部に流下させる粒体ガイド通路を形成する粒体ガイド板を設け、該粒体ガイド板の下縁と該粒体ガイド板の下縁が対向する仕切り壁の基端部とで該仕切り壁の上面上の粒体層の厚さを規制する上側規制口を形成したことを特徴とする請求項１乃至４何れかに記載の熱交換装置。
6. 上記流入口のある空気ダクトが設けられる仕切り壁において、上記粒体ガイド板を、上記空気ダクトの噴射口側の下側に垂設したことを特徴とする請求項５記載の熱交換装置。
7. 上記噴射口を、上記仕切り壁の先端部を含んで構成し、該仕切り壁の幅方向に沿う偏平状に形成したことを特徴とする請求項１乃至６何れかに記載の熱交換装置。
8. 上記噴射口を、幅方向に列設される複数のノズルの集合を備えて構成したことを特徴とする請求項７記載の熱交換装置。
9. 上記塔体内に、熱交換媒体を流通させる熱伝導パイプを備え該熱交換媒体と上記塔体内の粒体及び空気との間で熱交換を行う集熱器を設けたことを特徴とする請求項１乃至８何れかに記載の熱交換装置。
10. 上記集熱器を、中空で盤状の外郭と、該外郭内部に挿通され熱交換媒体が流通する熱伝導パイプと、上記外郭の空間に充填され上記粒体の熱によって溶融可能な熱媒体とを備えて構成し、上記仕切り壁の全部若しくは一部を、上記集熱器を備えて構成し、該集熱器の外郭の一側面を、上記粒体が流下可能な上面として構成したことを特徴とする請求項９記載の熱交換装置。
11. 上記外郭の一側面に、上記粒体の流下方向に直交する方向に延びる突条を所定間隔で複数列設したことを特徴とする請求項１０記載の熱交換装置。
12. 蒸気タービンと該蒸気タービンの動力により発電を行う発電機とを備えた発電システムにおいて、
    上記請求項１乃至１１何れかに記載の熱交換装置を用い、該熱交換装置の排気口から排気される空気の熱を用いて上記蒸気タービンに供給する蒸気を生成することを特徴とする発電システム。
13. 蒸気タービンと該蒸気タービンの動力により発電を行う発電機とを備えた発電システムにおいて、
    上記請求項９乃至１１何れかに記載の熱交換装置を用い、上記集熱器の熱交換媒体を水で構成し、該集熱器の熱交換媒体を集約して上記蒸気タービンに供給する供給管路及び該蒸気タービンから熱交換媒体を復水器を介して回収し上記集熱器に戻す回収管路を備え、
    上記熱交換装置の外部に上記排気口から空気を取り出し上記給気口へ空気を戻す循環管路を設け、
    上記供給管路の熱交換媒体と上記循環管路の空気との熱交換を行って該供給管路の熱交換媒体を加熱する加熱部を設け、
    上記回収管路の熱交換媒体と上記加熱部の後流側の循環管路の空気との熱交換を行って熱交換媒体を加温する加温部を設けたことを特徴とする発電システム。
14. 上記加熱部は、上記供給管路の熱交換媒体を補助的に加熱するための燃焼ガスを生成する加熱炉を備えたことを特徴とする請求項１３記載の発電システム。

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