JP3572139B2 - 熱交換器及びこれを備えた排煙処理装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、フィン付き管を有する熱交換器、並びにこの種熱交換器を備えてＳＯ_３ を含む排ガスから熱を回収する排煙処理装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図３には、石炭燃焼ボイラからの排ガスのようなダスト、窒素酸化物（ＮＯ_Ｘ ）、硫黄酸化物（ＳＯ_Ｘ ）のような大気汚染物質を含む燃焼排ガスの処理システムのブロック図が示されている。
【０００３】
図３において、ボイラ１より排出された燃焼排ガスは、触媒が充填された脱硝装置２に導入され、還元剤として注入されるアンモニア（ＮＨ_３ ）１０により、排ガス中のＮＯ_Ｘ が水と窒素とに還元され無害化される。次いで、この燃焼排ガスは空気予熱器３に導入され、一般的に１２０〜１５０℃まで空気を加熱することにより熱回収される。熱回収された排ガスは、電気集塵器４に導入され、ダストが除去された後、さらに熱回収のため熱交換器１１の熱回収部５に導入され、一般的に１２０〜１５０℃から８０〜１００℃まで熱回収される。上記熱交換器１１の熱回収部５は、フィン付き管群で構成されており、フィン付き管群の外側を排ガスが流れ、また管内を温水、油、スチームなどの熱媒が流れるようになっており、排ガスと熱媒とが直接的に熱交換されることによって、排ガスの熱が回収される。
【０００４】
上記熱交換器１１の熱回収部５で熱が回収された排ガスは、湿式脱硫装置６に導入され、ここで冷却されると共に石灰石を吸収剤として湿式処理される。これにより、排ガス中のＳＯ_Ｘ が吸収除去され、副生物として石膏が生成される。この湿式脱硫装置６の出口の排ガスは一般的に４５〜５５℃に低下している。従って、この排ガスをこのまま大気に放出すると、低温のため拡散しにくく、白煙になるなどの問題が生じるため、この排ガスを熱交換器１１の再加熱部７に導入して加熱し、熱回収部５でその熱を回収し、温度が上昇した熱媒９を循環せしめることにより、排ガスを再加熱し、煙突８から排出される排ガス温度を所定温度以上に上げる。
【０００５】
上記熱交換器１１としては、ユングストローム型の熱交換器の如く、蓄熱体が回転することにより、熱回収して温度が上昇したエレメントと湿式脱硫装置６からの排ガスとを接触させて熱交換する、いわゆる蓄熱体方式の熱交換器が提供されている。しかしながらこの蓄熱体方式では、熱回収部５でエレメントに付着したダストが、再加熱時に再飛散し、これによって、煙突でのダスト濃度が上昇する。また、かかる方式では、ＳＯ_Ｘ が再加熱部にリークするなどの問題点があることから最近ではフィン付き管を備えた熱交換器が実用化されている。
【０００６】
上記のようなフィン付き管を備えた熱交換器の熱回収部５の詳細が図１及び図２に示されている。図１〜図２において、５１はハウジング、１０１は内部を熱媒が通流するフィン付き管であり、同管１０１の外周には伝熱面積を増加させるためのフィン１０２が固着されている。１０３は排ガス入口、１０４は排ガス出口、１０５は熱媒入口、１０６は熱媒出口であり、排ガスはフィン１０２の間を流れてフィン付き管１０１内を流れる熱媒と熱交換しこれを加熱する。
【０００７】
即ち、図１〜図２において、上記熱回収部５においては、内部を熱媒が通流するフィン付管１０１のフィン間通路１０７を排ガスが通過することにより熱交換される。このフィン１０２のピッチｅは、初期の通気圧損や熱効率等を考慮して８〜１０ｍｍ程度、またフィン付き管１０１が配設された熱回収部５の有効高さは、３〜５ｍでありこの範囲においてはフィン付き管１０１を２０〜５０段程度配置している。
【０００８】
図１〜図３において、高温の排ガスは熱交換器１１の熱回収部５に導入され、フィン１０２付きの管１０１内を流れる熱媒と熱交換され、温度の低い排ガスとなって排ガス出口１０４から排出され、後流の湿式脱硫装置６に導入される。また、上記熱媒は熱媒入口１０５より導入され、排ガスと熱交換し、熱媒出口１０６から流出し、再加熱部７に循環され排ガスの昇温に利用される。
【０００９】
このフィン付き管１０１のフィンピッチｅを狭くし、フィン１０２の数を増すほど、排ガスとの接触面積が増加し装置全体をコンパクトにできるが、一方、上記フィンピッチｅを狭くしすぎると、通気圧損が増大し、動力費がかさむ、またダストが詰まりやすくなり経済的でない。従って通常は上記フィンピッチｅを８〜１０ｍｍ程度としている。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
上記従来の熱交換器１１の熱回収部５は、フィン１０２のピッチｅを、熱回収部５内の全域に渡って一定値（１０ｍｍ程度）に設定しているが、排ガス中のＳＯ_３ が熱回収部５のフィン１０２に凝縮付着して固着ダストを生成し、通気圧損が短期間で上昇する現象が起こり易かったため、例えば頻繁に上記回収部５を水洗し、固く付着したダストを除去するという不経済で面倒な作業が必要になることがあった。
【００１１】
上記ＳＯ_３ ガスは、石炭焚きボイラ１からの排ガス中にダストと共に含有されている。このＳＯ_３ ガスは、燃料中に含まれる硫黄の一部が燃焼の際酸化されて生成され、さらに最近のように脱硝装置が設置されるものにあっては、脱硝反応に付随して二酸化硫黄（ＳＯ_２ ）ガスの０．５〜２％が酸化されてＳＯ_３ を生成し、燃焼の際発生した上記ＳＯ_３ ガスに上乗せされて排ガス中に含有される。従って上記空気予熱器３の入口に到達するＳＯ_３ 濃度は、燃料中の硫黄分によって変動するが、概ね５〜５０ｐｐｍ 程度となる。
【００１２】
そして、上記ＳＯ_３ は、空気予熱器３を通過するとき、排ガス温度が下がり酸露点以下となるため、その一部は下記（１）式に示す凝縮反応により硫黄ミスト（Ｈ_２ ＳＯ_４ ）に転化し、同伴されるダストに付着して後流の電気集塵器４でダストと共に捕集される。
【００１３】
ＳＯ_３ ＋Ｈ_２ Ｏ←／→Ｈ_２ ＳＯ_４ ……………………………………（１）
一般に空気予熱器３の温度が１２０〜１４０℃であると、ＳＯ_３ ガスは１０〜２０％空気予熱器３を通過すると言われており、空気予熱器３出口のＳＯ_３ ガス濃度は１〜１０ｐｐｍ の範囲にある。また、上記ダスト濃度は燃料中の灰分によっても異なるが、通常石炭焚きボイラの排ガスの場合には、ボイラ出口で数ｇ／ｍ^３Ｎ〜数１０ｇ／ｍ^３Ｎであり、電気集塵器４でダストが捕集され３００ｍｇ／ｍ^３Ｎ以下となるのが一般的である。
【００１４】
従って、上記熱交換器１１の熱回収部５入口での排ガス中には通常ＳＯ_３ ガスが１〜１０ｐｐｍ 、ダストが概ね３００ｍｇ／ｍ^３Ｎ含有されている。このＳＯ_３ が熱交換器１１の熱回収部５で排ガスの温度が下がって（１）式に示す凝縮反応がなされると、これにより硫酸ミスト（Ｈ_２ ＳＯ_４ ）に転化し、同伴されるダストと共に熱回収部５のフィン１０２に付着する。凝縮した硫酸ミスト（Ｈ_２ ＳＯ_４ ）は熱交換器１１構成材料中の鉄分や、ダスト中の鉄分と反応し硫酸鉄の結晶が生成される。これがバインダとなって固着ダストとなり、フィン１０２に固着堆積する。
【００１５】
通常のダスト（軟着ダスト）は、熱交換器１１の熱回収部５の上部から鋼球（通常４〜５ｍｍφ）を散布し、その衝撃により付着ダストを除去するいわゆる鋼球散布によるダスト除去装置を付設することにより容易に除去可能であるが、硫酸鉄が生成され、これがバインダとなって固着したダストは除去が極めて困難である。このため、かかる固着ダストが経時的にフィン１０２の表面に厚く付着し、これによって通気圧損が上昇する。さらに、上記鋼球が詰まり落下不能となる現象も併発され、その際には通気圧損が急上昇し、遂には熱交換器１１の水洗を要することとなる。また、スーツブロワ除去装置においても、上記ダストの付着により通気圧損が増大するため、水洗が必要となる。
【００１６】
一方、上記熱回収部５のフィン１０２のピッチｅを大きくすれば、上記のようなダストの固着が発生しても急激な通気圧損の増大は回避されるが、上記フィンピッチｅを大きくすれば、所要の熱交換性能を得るためには熱回収部５の大型化は避けられず、装置の設置スペースの増大が高コスト化を招く。
【００１７】
本発明の目的は、熱交換器の熱回収部を必要最低限の小型のものに保持しつつ、同熱回収部のフィンへのダスト固着を抑制し、これによる通気圧損の上昇を抑制し得る排煙処理装置及び同処理装置用熱交換器を提供することにある。
【００１８】
【課題を解決するための手段】
本発明は上記問題点を解決するもので、その要旨とする手段は、ＳＯ_３ を含む排ガスを、熱媒体が通流するフィン付き管が多段に配設された熱交換器の熱回収部に導き、上記熱媒体と熱交換することにより排ガス熱を回収するものにおいて、上記熱回収部が、上記ＳＯ_３ の凝縮付着量の多い特定領域に位置する上記フィン付き管のフィンピッチを他の領域のそれよりも大きく設定されてなることを特徴とする熱交換器、並びにこの熱交換器及び空気予熱器を備えた排煙処理装置にある。
【００１９】
上記手段によれば、上記熱回収部においては、排ガスの通流方向において、他の領域よりもＳＯ_３ に起因する固着ダストの多い特定領域が存在するので、この特定領域のフィンピッチを他の領域よりも大きく構成することにより、同領域におけるＳＯ_３ 凝縮ダストの固着が他の領域よりも低く抑制される。これによって上記特定領域における通気圧損の上昇が抑制され、他の熱回収部の他の領域のフィンピッチを狭めることも可能となり、熱回収部の小型化が実現できる。
【００２０】
従って、通気圧損が長期にわたって低減され、かつ小形化された熱交換器及びこれを使用した排煙処理装置が得られる。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下図１〜図９を参照して本発明の実施形態を詳細に説明する。図１には本発明が通用される熱交換器の熱回収部の構成図が、図２には同熱回収部のフィン付き管の要部拡大断面図が、図３には上記熱回収部を有する熱交換器が装備される排煙処理装置のブロック図が夫々示されている。
【００２２】
図３に示される排煙処理装置は前述の従来のものと同一構成であり、１はボイラ、２は脱硝装置、３は空気予熱器、４は電気集塵器、６は湿式脱硫装置、８は煙突である。１１は熱交換器であり、本発明が適用される熱回収部５及び再加熱部７から構成される。上記排煙処理装置の動作については、前記従来のものと同様であるので、ここでは説明を省略する。
【００２３】
図１〜図２に示される熱回収部５において、５１はハウジングであり、一端側に上記電気集塵器４を経た排ガスが導入される排ガス入口１０３、他端側に排ガス出口１０４が設けられる。１０１は上記ハウジング５１内に蛇行状に設けられたフィン付き管であり、外周に所定のピッチｅにて多数のフィン１０２が固着され、内部を水等の熱媒が通流するようになっている。１０５は上記熱媒の入口、１０６は熱媒の出口である。
【００２４】
本発明の実施形態に係る熱回収部５においては、上記フィン付き管１０１用のフィン１０２のピッチｅを、ＳＯ_３ 凝縮ダストが付着し易い凝縮付着の特定領域Ｍ（長さＺ）のピッチｅが他の領域（長さＺ_１ 及びＺ_２ ）よりも大きくなるように構成している。
【００２５】
以下、その詳細及び設定根拠について説明する。上記熱回収部５において、ＳＯ_３ の凝縮付着領域は、実験によって求めることもできるが、この実施形態においては、通常運転の条件下で、ＳＯ_３ ガスの凝縮速度から熱回収部５のガス流通方向におけるＳＯ_３ 付着量分布を推算し、この推算結果においてＳＯ_３ 凝縮付着量の多い範囲を上記凝縮付着領域即ち指定領域Ｍに設定する。具体的にはＳＯ_３ 凝縮付着量分布の推算結果からガス通流方向におけるＳＯ_３ 凝縮付着量の平均値を求め、例えばこの平均値よりもＳＯ_３ 凝縮付着量が多い範囲を上記特定領域Ｍとして、この領域Ｍ内におけるフィン１０２のピッチｅを他の領域よりも大きく設定する。
【００２６】
然るに、上記ＳＯ_３ ガスの凝縮速度は次の（２）式により求められる。
【００２７】
−Ｇ_Ｍ ・ｄｙ／ｄＺ＝ｋｇ・ａ・ｐ・（ｙ−ｙ_１ ）…………………（２）
ここで
Ｇ_Ｍ ：ガスモル流量〔ｋｇｍｏｌ ／ｈ〕
ｙ ：ガス中ＳＯ_３ 分率〔−〕
ｙ_１ ：ＳＯ_３ 平衡分率〔−〕
Ｚ ：熱回収部の有効長さ〔ｍ〕
ｋｇ：気相の物質移動係数〔ｋｇｍｏｌ ／ｍ^２・ｈ・ａｔｍ 〕
ａ ：単位高さ当りの伝熱面積〔ｍ^２／ｍ〕
ｐ ：全圧〔ａｔｍ 〕
また上記、ｙ_１ （ＳＯ_３ 平衡分率）は、通常熱交換器で計算される周知の方法にて各部のチューブ表面温度を求め、それを露点として図８に示されるＳＯ_３ 濃度と露点との関係より求めればよい。また、上記ｋｇ（気相の物質移動係数）は、５ｋｇｍｏｌ ／ｍ^２・ｈ・ａｔｍ の値を採る。
【００２８】
上記のようにして、特定領域Ｍのフィンピッチｅを他の領域よりも大きなピッチに設定することにより、上記ダスト固着が効率良く抑制され、熱回収部５の小型コンパクトさを保持しつつ、通気圧損を長期間低く維持できる。すなわち、前述したように、発明者らの研究によれば、図４の断面図に示されるとおり、フィン付き管１０１への固着ダストの付着域は、同フィン付き管１０１の全般に均一に付着しているのではなく、ある特定領域Ｍのフィン付き管１０１に固着ダストの付着が多く、他の領域は固着ダストの付着が少ない。つまり、通気圧損が急速に上昇する原因は、ある領域のフィン付き管１０１部に極部的に固着ダストが付着するためである。
【００２９】
従って、上記固着ダストが付着する特定領域Ｍのフィンピッチｅを拡げることにより、急激な通気圧損の上昇を回避でき、しかも熱回収部５の全域にわたって一様にフィンピッチｅを拡大する場合に較べて、熱回収部５の大きさを格段に小さく構成できる。また逆にいえば、上記特定領域Ｍ以外の部位のフィンピッチｅは、従来のものよりも狭くしても、急激な通気圧損の上昇は起こり難く、この点で熱回収部５の小型化が図れる。そして、上記固着ダストの生成が抑制されれば、ボイラ１の定期検査時に合わせて、水洗等のダスト除去操作を実施すればよく、排煙処理システム全体の長期安定運転が、容易なメンテナンス作業で以って可能となる。
【００３０】
また、既存の熱交換器１１の仕様に対して、上記特定領域Ｍのフィンピッチｅを単に拡げる設計変更や改造をしようとすると、一定の伝熱面積を確保するため、熱回収部５の寸法が若干増えることになる。しかしながら、この場合には、固着ダストの生成が少ない領域（上記特定領域Ｍ以外の範囲）のフィンピッチｅをも仕様変更することにより、熱回収部５の寸法増加を回避しつつ、しかも全体として急激な通気圧損の増加を招く固着ダストの生成を防止できる。すなわち、固着ダストの生成が少ない領域のフィンピッチｅを現行の仕様よりも若干小さくすればよい。このように上記特定領域Ｍとそれ以外の領域とで相対的にフィン１０２のピッチｅを異ならしめることにより、システムの長期安定運転と小型化という、従来は同時に達成できなかった課題が解決される。
【００３１】
なお、以上説明した思想、すなわち実験または凝縮からの推算により、固着ダスト生成が極端に多い領域Ｍを特定し、この特定領域Ｍのフィンピッチｅを相対的に大きくするという上記技術思想は、ＳＯ_３ と同様に凝縮して固着ダストまたは固着スケールなどを生成するＳＯ_３ 以外の成分を含む他の高温流体から熱回収する場合にも、同様に適用して効果がある。
〔実施例〕
以下、本発明の上記実施形態における実施例を図５〜図７に基づいて説明する。
【００３２】
先ず、図３に示されるブロック図で構成される排煙処理装置と同一構成の試験装置に石炭焚きボイラ排ガス２００ｍ^３Ｎ／ｈを供給し、熱交換器１１の熱回収部５（全長５ｍ）への固着ダストの付着試験を図７に示される条件で実施した。試験後、熱交換器１１の熱回収部５を開放点検し、各フィン部１０２に付着した固着ダストをサンプリングし、そのダスト中の可溶性ＳＯ_４ をイオンクロマト方法で分析し、各部のＳＯ_３ 付着量を求めた。図５は、その分析結果をもとに、ＳＯ_３ 付着量の平均値を１としてＳＯ_３ 付着量分布を表したものである。図５より明らかなように、ＳＯ_３ の付着は、伝熱面全体に均一に付着しているのではなく、ある範囲にＳＯ_３ の付着が多く、ＳＯ_３ 付着に分布が見られる。
【００３３】
例えばＲｕｎ Ｎｏ．３のＳＯ_３ 濃度１０．３ｐｐｍ においては、熱交換器１１の熱回収部５のガス入口側から１〜２．５ｍの範囲にＳＯ_３ 付着量が多い。従ってこの部位のフィンピッチｅを拡げることにより、通気圧損の上昇を低く抑えることができ、排煙処理装置の全体システムの長期安定運転につながる。また、図中の実線は本発明の発明者らが前述の方法でＳＯ_３ 付着量分布を推算した結果であるが、ＳＯ_３ 付着量分布の実測値と推算値とがよく一致している。従って、前述の推算のみによっても、フィンピッチｅを相対的に大きくすべき特定領域Ｍが設定できることとなる。
【００３４】
次に、図７におけるＲｕｎ Ｎｏ．２の条件で全段のフィンピッチｅ＝１０．１６ｍｍにした熱回収部５（Ａ）と熱回収部５入口側から１．２５〜２．４５ｍの範囲にあるフィン１０２のみをフィンピッチｅ＝１２．７０ｍｍにした熱回収部（Ｂ）を使用して通気圧損の経時変化を調査した。その結果を図６に示す。図に示すように固着ダストが付着しやすい領域のフィンピッチｅを１２．７０ｍｍにした熱回収部（Ｂ）の通気圧損の上昇は極めて少なくなり、長期安定運転を行うことができた。なお、熱回収部（Ｂ）は熱回収部（Ａ）に較べて若干熱交換率が低下するが、問題になるほどではなく、実機においては若干装置寸法を大きくするか、または固着ダストの付着が少ない領域のフィンピッチｅを若干狭くすることで解決できる値であった。
【００３５】
なお、本発明は、図３に示されるシステムのみに適用が限定されるものではなく、図９に示されるシステムにも適用可能である。すなわち、図９は空気予熱器３の後流側に熱交換器１１の熱回収部５が配置され、次いで電気集塵器４が配置されたシステムを示す。このシステムにおいては、熱交換器１１の熱回収部５で排ガスが冷却されて降温し、電気集塵器４に流入する温度が８０〜１００℃と低いため、集塵効率が向上する。上記電気集塵器４での温度低下は少ないため、熱回収部５の温度は殆ど変わらない。
【００３６】
ただし、この場合はダスト濃度が若干多くなるが、熱回収部５への固着ダストの付着については、これが低減される方向にある。すなわち排ガス中のＳＯ_３ が凝縮して硫酸ミスト（Ｈ_２ ＳＯ_４ ）となっても、ダスト濃度が高いと、多量のダストに硫酸ミストが付着するために粘着性があまり強くならず、同ダストが後流側へと飛散していく割合が多くなり、フィン１０２表面への固着ダストの付着はむしろ少なくなる。そしてこの場合も、熱回収部５においてＳＯ_３ の凝縮速度に分布があることは明らかであり、本発明の適用は有効である。また前述のように、本発明は、ＳＯ_３ 以外の固着成分を含む他の高温流体から熱回収する熱交換器１１に適用することもできる。
【００３７】
【発明の効果】
本発明は以上のように構成されており、本発明によれば、熱回収部におけるＳＯ_３ 凝縮ダストの固着が多い特定領域のみについてフィンピッチを大きく構成するという簡単な手段で以って熱回収部全体の通気圧損を低減することができ、通気圧損が抑制された熱交換器及びこれを使用した排煙処理装置を得ることができる。
【００３８】
また、上記通気圧損を通常レベルに抑えれば他の部位におけるフィンピッチの縮小が可能となり、熱回収部の小型化がなされた熱交換器が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態に係る排煙処理システム用熱交換器の熱回収部の構成図。
【図２】上記熱回収部のフィン付き管の部分断面図。
【図３】上記実施形態における排煙処理装置のブロック図。
【図４】上記排煙処理システムにおける熱回収部の固着ダストの分布を示す説明図。
【図５】本発明の実施例におけるＳＯ_３ 付着量分布を示す線図。
【図６】上記実施例における通気圧損の経時変化を示す線図。
【図７】上記実施例における試験条件を示す図。
【図８】硫酸（Ｈ_２ ＳＯ_４ ）の露点を示す線図。
【図９】本発明の他の実施形態に係る排煙処理装置のブロック図。
【符号の説明】
１ ボイラ
５ 熱回収部
６ 湿式脱硫装置
７ 再加熱部
１１ 熱交換器
１０１ フィン付き管
１０２ フィン

Claims (2)

1. ＳＯ_３ を含む排ガスを、熱媒体が通流するフィン付き管が多段に配設された熱交換器の熱回収部に導き、上記熱媒体と熱交換することにより排ガス熱を回収するものにおいて、上記熱回収部が、上記ＳＯ_３ の凝縮付着量の多い特定領域に位置する上記フィン付き管のフィンピッチを他の領域のそれよりも大きく設定されてなることを特徴とする熱交換器。
2. 請求項１に記載の熱交換器と、同熱交換器の上流に排ガスにより空気を加熱する空気予熱器とを備えた排煙処理装置。

Images