JP2019152357A - 排ガスクーラー - Google Patents

Abstract

【課題】エコノマイザにおいて排ガスの結露を抑制できる排ガスクーラーを提供する。【解決手段】排ガスクーラーは、排ガスと第１水とを熱交換するエコノマイザと、第１水よりも温度の低い第２水を第１水に供給するための給水管とを備え、第２水は、エコノマイザから流出する第１水と、エコノマイザに流入する第１水とのそれぞれに分割して供給される。【選択図】図１

Description

本開示は、排ガスを冷却するための排ガスクーラーに関する。

排ガスを冷却するための排ガスクーラーには、排ガスと給水とを熱交換するエコノマイザが設けられている。排ガスの露点温度が高いと、エコノマイザにおける熱交換によって排ガスの温度が露点温度を下回り、結露が生じるおそれがある。腐食性がある排ガスの場合、排ガスが結露すると、エコノマイザの腐食につながり得る。

特許文献１に記載のエコノマイザでは、気水ドラムへの給水は、気水ドラムへ流入する前に、その全量がエコノマイザに流入して排ガスと熱交換するが、給水がエコノマイザに流入する前に、気水ドラムからの温水を給水に混入して、エコノマイザに流入する給水の温度を設定温度に維持することで、排ガスの結露を防止している。

特開２０１５−１０７９８号公報

しかしながら、特許文献１に記載のエコノマイザでは、気水ドラムへの給水の全量がエコノマイザに流入するため、給水量が多くなると、給水への温水の混入では設定温度の維持が難しくなり、排ガスの結露が生じてしまう可能性がある。

上述の事情に鑑みて、本開示の少なくとも１つの実施形態は、エコノマイザにおいて排ガスの結露を抑制できる排ガスクーラーを提供することを目的とする。

本発明の少なくとも１つの実施形態に係る排ガスクーラーは、排ガスと第１水とを熱交換するエコノマイザと、第１水よりも温度の低い第２水を第１水に供給するための給水管とを備え、第２水は、エコノマイザから流出する第１水と、エコノマイザに流入する第１水とのそれぞれに分割して供給される。

この構成によると、エコノマイザに流入する第１水に第２水の少なくとも一部が供給されることにより、エコノマイザに流入する第１水に第２水の全量が供給される場合と比べて、エコノマイザに流入する第１水の温度が高くなる。このため、エコノマイザにおける排ガスと第１水との熱交換による排ガス温度の低下が低減されるので、エコノマイザにおいて排ガスの結露を抑制することができる。

いくつかの実施形態では、エコノマイザに流入する第１水の温度である入口温度を検出する温度検出部材と、エコノマイザに流入する第１水に供給される第２水の供給量である入口側供給量を調節するための入口側供給量調節部材とを備え、入口温度が予め設定された設定温度範囲内となるように、入口側供給量調節部材が入口側供給量を調節するように構成されてもよい。

この構成によると、適切な設定温度範囲を設定することにより、エコノマイザ内において、排ガスの温度を露点温度以上に維持できるとともに、第１水の沸騰のリスクを低減することができる。

いくつかの実施形態では、エコノマイザから流出する第１水が流入する蒸気ドラムをさらに備え、第２水の一部は、エコノマイザと蒸気ドラムとの間で、エコノマイザから流出する第１水に供給されてもよい。この場合、蒸気ドラムに流入した第１水を加熱して蒸気を生成する排熱ボイラをさらに備え、排ガスは、エコノマイザで第１水と熱交換する前に、排熱ボイラで第１水と熱交換してもよい。

エコノマイザに流入する第１水に第２水の少なくとも一部を供給することで、エコノマイザにおける排ガスと第１水との熱交換による排ガス温度の低下が低減されると、エコノマイザにおける排ガスの結露は抑制できるものの、排ガスの冷却効果は悪化する。しかし、この構成によると、排ガスはエコノマイザに流入する前に排熱ボイラで蒸気を生成することにより冷却されるので、排熱ボイラ及びエコノマイザそれぞれでの冷却によって排ガスの冷却効果の悪化を抑制することができる。

いくつかの実施形態では、排ガスは、石炭ガス化複合発電プラントにおける燃焼炉からの排ガスであってもよい。石炭ガス化複合発電プラントにおける燃焼炉からの排ガスには三酸化硫黄（ＳＯ_３）が含まれているため酸露点が高い。このため、エコノマイザにおいて排ガスが結露しやすい。ＳＯ_３を含む排ガスが結露すると硫酸が生成し、エコノマイザの腐食につながるので、石炭ガス化複合発電プラントの排ガスクーラーにおいて特に、エコノマイザにおける排ガスの結露を抑制する効果がある。

本開示の少なくとも１つの実施形態によれば、エコノマイザに流入する第１水に第２水の少なくとも一部が供給されることにより、エコノマイザに流入する第１水に第２水の全量が供給される場合と比べて、エコノマイザに流入する第１水の温度が高くなる。このため、エコノマイザにおける排ガスと第１水との熱交換による排ガス温度の低下が低減されるので、エコノマイザにおいて排ガスの結露を抑制することができる。

本開示の実施形態１に係る排ガスクーラーの構成模式図である。 本開示の実施形態２に係る排ガスクーラーの構成模式図である。 本開示の実施形態２に係る排ガスクーラーにおいて、エコノマイザに流入する循環水の温度の経時変化の例を示すグラフである。

以下、図面を参照して本発明のいくつかの実施形態について説明する。ただし、本発明の範囲は以下の実施形態に限定されるものではない。以下の実施形態に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対配置などは、本発明の範囲をそれにのみ限定する趣旨ではなく、単なる説明例に過ぎない。

（実施形態１）
本開示の排ガスクーラーを、石炭ガス化複合発電プラントにおける燃焼炉からの排ガスを冷却するための設備を例にして説明する。尚、本開示の排ガスクーラーは、このような設備に限定するものではなく、任意の設備から排出される排ガスを冷却するための設備に使用することができる。

図１に示されるように、本開示の実施形態１に係る排ガスクーラー１は、排ガスと循環水（第１水）とを熱交換するエコノマイザ２と、循環水に給水（第２水）を供給するための給水管３（第２水供給管）とを備えている。給水管３は、１本の本管３ａと、本管３ａから分岐するようにそれぞれの一端が本管３ａに接続される２つの分岐管、すなわち上流側分岐管３ｂ及び下流側分岐管３ｃとを含んでいる。上流側分岐管３ｂの他端は、循環水の流通方向においてエコノマイザ２の上流側の配管１１に接続されている。下流側分岐管３ｃの他端は、循環水の流通方向においてエコノマイザ２の下流側の配管１２に接続されている。

排ガスクーラー１が石炭ガス化複合発電プラントにおける燃焼炉からの排ガスを冷却するための設備である場合、排ガスクーラー１は、配管１２を介してエコノマイザ２に連通する蒸気ドラム４と、配管１２を介して蒸気ドラム４に流入した循環水を加熱して蒸気を生成する排熱ボイラ５と、蒸気ドラム４内の水を循環水として配管１１を介してエコノマイザ２に供給するポンプ６とをさらに備えている。排熱ボイラ５は、エコノマイザ２に流入する前の排ガスが、蒸気ドラム４に流入した循環水と熱交換することによって蒸気を生成するように構成されている。

次に、実施形態１に係る排ガスクーラー１の動作について説明する。
燃焼炉からの排ガスが排熱ボイラ５に流入し、排熱ボイラ５において排ガスと蒸気ドラム４内の水とが熱交換して水が加熱されることにより蒸気が生成し、蒸気ドラム４から蒸気が流出する。一方、ポンプ６によって蒸気ドラム４から水が流出し、循環水として配管１１を介してエコノマイザ２に流入する。排熱ボイラ５から流出した排ガスがエコノマイザ２に流入し、エコノマイザ２において排ガスと循環水とが熱交換して循環水が加熱される。エコノマイザ２において加熱された循環水は、配管１２を介して蒸気ドラム４に流入する。

蒸気ドラム４から蒸気が流出するので、流出した蒸気と同じ量の給水を蒸気ドラム４に供給する必要がある。給水は給水管３を介して、蒸気ドラム４から流出して再び蒸気ドラム４に戻るように循環中の循環水に供給される。一般に給水は循環水よりも温度が低いので、エコノマイザ２に流入する循環水に給水の全量を供給すると、エコノマイザ２に流入する循環水の温度低下が大きくなる。石炭ガス化複合発電プラントにおける燃焼炉からの排ガスにはＳＯ_３が含まれており酸露点が高いので、エコノマイザ２に流入する循環水の温度が低く、循環水との熱交換によって排ガスの温度が酸露点を下回ってしまうと、エコノマイザ２において排ガスが結露する。ＳＯ_３を含む排ガスが結露すると硫酸が生成するので、エコノマイザ２の腐食につながる。

一方、エコノマイザ２から流出する循環水に給水の全量を供給すると、エコノマイザ２には、蒸気ドラム４から流出した循環水がそのまま流入するようになる。石炭ガス化複合発電プラントの運転条件によっては、燃焼炉からの排ガスの温度及び流量並びに循環水の温度が変動する場合がある。比較的温度の高めの循環水がエコノマイザ２に流入したり、エコノマイザ２に流入する排ガスの温度が高かったり流量が多かったりすると、エコノマイザ２において循環水が加熱され過ぎて沸騰してしまう場合がある。エコノマイザ２は、循環水が沸騰することを前提としては設計されていないことが多いので、循環水が沸騰するとエコノマイザ２が破損するおそれもある。

このため、実施形態１では、給水は、給水管３内において本管３ａを流通した後、上流側分岐管３ｂ及び下流側分岐管３ｃのそれぞれを流通するように分割されて、配管１１及び１２のそれぞれに流入し、エコノマイザ２に流入する循環水及びエコノマイザ２から流出する循環水のそれぞれに供給される。ここで、石炭ガス化複合発電プラントの通常の運転条件を想定すれば、エコノマイザ２に流入する排ガスの温度及び流量並びに蒸気ドラム４から流出する循環水の温度のそれぞれについて、ある程度の範囲を推定することができる。それらの範囲に基づいて、上流側分岐管３ｂを流れる給水の流量、すなわちエコノマイザ２に流入する循環水に供給される給水の量を決定することにより、エコノマイザ２に流入する循環水を、エコノマイザ２において排ガスが結露せず、かつ、循環水が沸騰しないような適切な温度に調整することができる。

このように、エコノマイザ２に流入する循環水に給水の少なくとも一部が供給されることにより、エコノマイザ２に流入する循環水に給水の全量が供給される場合と比べて、エコノマイザ２に流入する循環水の温度が高くなる。このため、エコノマイザ２における排ガスと循環水との熱交換による排ガス温度の低下が低減されるので、エコノマイザ２において排ガスの結露を抑制することができる。

ただし、エコノマイザ２に流入する循環水に給水の少なくとも一部を供給することで、エコノマイザ２における排ガスと循環水との熱交換による排ガス温度の低下が低減されると、エコノマイザ２における排ガスの結露は抑制できるものの、排ガスの冷却効果は悪化する。しかし、実施形態１では、排ガスはエコノマイザ２に流入する前に排熱ボイラ５で蒸気を生成することにより冷却されるので、排熱ボイラ５及びエコノマイザ２それぞれでの冷却によって排ガスの冷却効果の悪化を抑制することができる。

（実施形態２）
次に、実施形態２に係る排ガスクーラーについて説明する。実施形態２に係る排ガスクーラーは、実施形態１に対して、エコノマイザに流入する循環水が適切な範囲の温度になるように、循環水に供給される給水の量を制御するように変更したものである。尚、実施形態２において、実施形態１の構成要件と同じものは同じ参照符号を付し、その詳細な説明は省略する。

図２に示されるように、配管１１には、上流側分岐管３ｂと配管１１との接続部１１ａよりも循環水の流通方向下流側に、エコノマイザ２に流入する循環水の温度である入口温度を検出する温度センサ２０（温度検出部材）が設けられている。上流側分岐管３ｂには、温度センサ２０による検出値に基づいて、エコノマイザ２に流入する循環水に供給される給水の供給量である入口側供給量を調節するための流量調節弁３０（入口側供給量調節部材）が設けられている。その他の構成は実施形態１と同じである。

次に、実施形態２に係る排ガスクーラー１の動作について説明する。
実施形態２においても、エコノマイザ２に流入する循環水に給水の少なくとも一部が供給されることにより、エコノマイザ２において排ガスの結露を抑制できることは実施形態１と同じである。実施形態２では、温度センサ２０による検出値に基づいて、エコノマイザ２に流入する循環水に供給される給水の供給量を調節する点が実施形態１と異なる。この実施形態１と異なる点を以下に説明する。

流量調節弁３０は、温度センサ２０による検出値が予め設定された設定温度範囲になるように開度が調節されることで、上流側分岐管３ｂを流通する給水の量、すなわち、エコノマイザ２に流入する循環水に供給される給水の量を調節するものである。設定温度範囲は上限値及び下限値を有している。温度センサ２０による検出値が上限値を上回ったら、流量調節弁３０の開度を大きくすることで、エコノマイザ２に流入する循環水に供給される給水の量が増加するので、エコノマイザ２に流入する循環水の温度が低下する。一方、温度センサ２０による検出値が下限値を下回ったら、流量調節弁３０の開度を小さくすることで、エコノマイザ２に流入する循環水に供給される給水の量が低下するので、エコノマイザ２に流入する循環水の温度が増加する。

図３に示されるように、このような動作によって、温度センサ２０による検出値、すなわちエコノマイザ２に流入する循環水の温度は、設定温度範囲の上限値と下限値との間に維持されるようになる。

ここで、設定温度範囲の上限値は、エコノマイザ２において循環水が排ガスとの熱交換によって沸騰しないようにするための最高温度である。一方、設定温度範囲の下限値は、エコノマイザ２において排ガスが循環水との熱交換によって結露しないようにするための最低温度である。設定温度範囲をこのように適切に設定することで、エコノマイザ２内において、排ガスの温度を露点温度以上に維持できるとともに、循環水の沸騰のリスクを低減することができる。

実施形態２では、流量調節弁３０は上流側分岐管３ｂに設けられているが、下流側分岐管３ｃに設けられてもよい。本管３ａを流通する給水は、上流側分岐管３ｂ及び下流側分岐管３ｃのそれぞれに分割されるので、上流側分岐管３ｂを流通する給水の量を調節することによって、下流側分岐管３ｃを流通する給水の量を調節することもできる。

実施形態２では、温度検出部材は温度センサ２０であったが、温度センサに限定するものではない。石炭ガス化複合発電プラントの運転状態等から、エコノマイザ２に流入する循環水の温度である入口温度を推定又は計算できるようであれば、そのような推定又は計算を行う推定部材又は計算部材を温度検出部材としてもよい。また、石炭ガス化複合発電プラントの通常の運転条件を想定すればエコノマイザ２の熱交換量が推定できるような場合、エコノマイザ２から流出する循環水の温度を検出することで、エコノマイザ２に流入する循環水の温度である入口温度を推定できる。このような場合、温度センサ２０が配管１２に設けられていても、温度センサ２０の検出値を補正することで、エコノマイザ２に流入する循環水の温度である入口温度を検出できると言えるので、温度センサ２０は、配管１２において上流側分岐管３ｂと配管１１との接続部１１ａよりも循環水の流通方向下流側に設けられてもよい。

１ 排ガスクーラー
２ エコノマイザ
３ 給水管
３ａ 本管
３ｂ 上流側分岐管
３ｃ 下流側分岐管
４ 蒸気ドラム
５ 排熱ボイラ
６ ポンプ
１１ 配管
１１ａ 接続部
１２ 配管
１２ａ 接続部
２０ 温度センサ（温度検出部材）
３０ 流量調節弁（入口側供給量調節部材）

Claims (5)

1. 排ガスと第１水とを熱交換するエコノマイザと、
   前記第１水よりも温度の低い第２水を前記第１水に供給するための給水管と
   を備え、
   前記第２水は、前記エコノマイザから流出する第１水と、前記エコノマイザに流入する第１水とのそれぞれに分割して供給される排ガスクーラー。
2. 前記エコノマイザに流入する前記第１水の温度である入口温度を検出する温度検出部材と、
   前記エコノマイザに流入する前記第１水に供給される前記第２水の供給量である入口側供給量を調節するための入口側供給量調節部材と
   を備え、
   前記入口温度が予め設定された設定温度範囲内となるように、前記入口側供給量調節部材が前記入口側供給量を調節するように構成されている、請求項１に記載の排ガスクーラー。
3. 前記エコノマイザから流出する前記第１水が流入する蒸気ドラムをさらに備え、前記第２水の一部は、前記エコノマイザと前記蒸気ドラムとの間で、前記エコノマイザから流出する第１水に供給される、請求項１または２に記載の排ガスクーラー。
4. 前記蒸気ドラムに流入した前記第１水を加熱して蒸気を生成する排熱ボイラをさらに備え、
   前記排ガスは、前記エコノマイザで前記第１水と熱交換する前に、前記排熱ボイラで前記第１水と熱交換する、請求項３に記載の排ガスクーラー。
5. 前記排ガスは、石炭ガス化複合発電プラントにおける燃焼炉からの排ガスである、請求項１〜４のいずれか一項に記載の排ガスクーラー。

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