JP3896898B2

JP3896898B2 - 蒸発器を利用した熱回収装置の改良

Info

Publication number: JP3896898B2
Application number: JP2002151686A
Authority: JP
Inventors: 三郎丸子
Original assignee: 株式会社日本ケミカル・プラント・コンサルタント
Priority date: 2002-05-27
Filing date: 2002-05-27
Publication date: 2007-03-22
Anticipated expiration: 2022-05-27
Also published as: JP2003343803A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、水が蒸発する際に、吸収する気化熱によって熱エネルギーを回収する蒸発器に関する。
【０００２】
【従来の技術】
水の蒸発を利用して、熱エネルギーを回収する蒸発器は従来より種々のものが知られている。蒸発器の形式としては大別して、排ガス等を装置の内部で燃焼させて熱を得る内熱式のものと、装置をユニット化して高温の燃焼ガス中等に配して熱を得る外熱式のものがある。
ここで内熱式のものの一例を本出願人の提案に係わる特公平５−６０２号を利用して説明する。
この公報の蒸発器は、図１に示すように外側にジャケット５０を有する有底の外筒５１内に下部の入口５２より燃焼ガスを導入し、燃焼ガスが複数のバッフル板５３により複雑な径路をたどって、上部の出口５４より排出される通路に、有底の外管５５と無底の内管５６とからなる二重管を適宜数立設し、内管５６内に供給される水が熱せられて、外管５５内のかつ内管５６の外側の空間を蒸気混りの熱水として上昇したものを気水分離器５７で、熱水と蒸気に分離して蒸気は蓋の回収口５７から回収する一方、熱水は再降下させ、あわせて、ジャケット５０内で熱せられた気水も利用できる構成となっている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
このような蒸発器は、熱回収の効率の観点では全く問題ないが、実際の製作及び／又はメンテナンス上では問題が生じてくる。これは例えば下方アセンブリの上部フランジ５８と上方アセンブリの下部フランジ５９とを必要に応じて脱着しうる結合部とすることが必要である。しかしながら、図１に見られるようにこの結合部は、燃焼ガスによって高熱を受けるため熱膨張及び収縮を受け易い。そのため結合の安全性から、両フランジ部の厚さを大きくしたり、フランジ外径を大きくしたりして、ボルト等の結合手段による結合への影響をできるだけ少なくする必要がある。しかしながら、このような大きなフランジ部では、装置全体の高さや、外径が大きくならざるを得ない。
【０００４】
一方、外熱式の蒸発器にあっても、例えば図２に示すように、煙道６０中を左右方向に流れる高温の燃焼ガス中に上下方向に長い構造の蒸発器６１を多数本を配置して熱エネルギーを回収する場合、図３の平面断面図に示されるように、煙道６０中を燃焼ガスの流れ方向に平行な複数の耐火壁６２で仕切り（図３では５つの耐火壁６２の例が示されている）、細分化された各煙道中にそれぞれ複数の蒸発器６１を配置するが、各蒸発器６１の取付載置フランジ６３は平面的に重複してはいけないから、多くの蒸発器を平面的にできるだけ密に配置しうるためには、このフランジ６３はできる限り小さい方が望ましい。
しかしながら、従来の蒸発器では、前記のフランジの部分が高温となる構造であったため、このフランジはできるだけ厚くかつ半径が大きくせざるを得ず、従って、多くの蒸発器を平面的に密に配置するには限界があった。
本発明は上記のような従来例の蒸発器の問題点を解消しようとするもので、蒸発器本体の外周にあって、実際の製作上あるいは設置上不可避的に必要とされる例えばフランジ等の構造部分が高温に加熱されない構造とすることによって、平面視的な面積等を縮小しえるコンパクトな構造であって、伴わせて熱交換効率の良い蒸発器を提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段及び作用】
請求項１記載の発明によれば、下方部の燃焼器で燃焼させたガスの燃焼熱で、上方部の、二重管構造内及び外周ジャケット内の水を加熱蒸発させて熱エネルギーを回収する蒸発器において、二重管構造における内管を支持する内筒の管板と外管を支持する外筒の管板とを上下方向に空間を有するよう配置すると共に、外筒の下方部に外周ジャケットを配し、前記空間経由で二重管構造の気水混合物を上方に導き、上方でジャケットからの気水混合物を合流させる一方、外管を支持する管板の上面部にジャケットの給水系を開口させ、外管を支持する管板の直下部に燃焼ガスの出口を設けたことを特徴とする蒸発器が提供される。
【０００６】
これによって、蒸発器のフランジ部等の構造部に高熱が加わらないことに加え、ジャケットの給水系等が合理的に構成されているので、蒸発器全体の構成をコンパクトにすることができる。
【０００７】
請求項２記載の発明によれば、燃焼器を内筒と外筒で囲み燃焼室を画成し、燃焼ガスを外筒でいったん下降させ内筒の外周を経由した後上方へ指向させる一方、上記燃焼室内の材質を放射率の高いものとすることを特徴とする請求項１記載の蒸発器が提供される。
【０００８】
これによって、バーナによって燃焼したガスは、いったん外筒と内筒間のドーナツ状の空間を通ってから上方の二重管方向へ向うことになり、内筒の外面を経由する際内筒を加熱するので燃焼室の温度が維持され易くなり、低温のジャケットに燃焼熱が吸熱されて、好適な燃焼状態を阻害されるようなことはない。
【０００９】
【発明の実施の形態】
第１実施例（図４、図５参照）
本実施例は、高濃度高温の水素ガスの流れから、熱エネルギーを回収する実施例に係わる。これは例えば、製鉄系で使用されるコークスの作成時に発生するコークス炉ガスに対し酸素を吹込み、従来では冷却除去していたタール分も全て改質した場合、約６０％の水素を含む１５００℃程度の熱ガスが得られるが、このようなガスから熱エネルギーを回収するのに適しているものである。
このような場合に使用される蒸発器は外形的なコンパクトさという初期の課題のみならず次のような問題も解決されねばならない。即ち、高温、高濃度の水素ガスに接するための材質は、本来９９％程度のアルミナ又はジルコニア等の耐火物しか耐え得ないから、できる限り簡単な構造が必要とされる一方、高温ガスに直接接する熱交換管の温度は均一で低温であることが望まれるので、熱交換効率を考えると、高圧の水蒸気で熱回収を行う必要がある。以下に、これらの要求を満たしうる本発明の実施例について説明する。
【００１０】
図４において、上方耐火材１及び下方耐火材２の間を手前から図の背面側に流れる水素ガスから熱エネルギーを回収するため、左右の垂直耐火材３及び底部耐火材４によって、水素ガスの流れる方向に細分化された通路が画成される。このような通路は、図３のように左右方向に複数並設することができるが、図４では一つの通路のみの例を示している。このような通路内に上方から、外管５及び内管６よりなる二重管構造による熱交換構造が吊下される。
【００１１】
外管５は、外側に上部フランジ７、下方に載置フランジ８をそれぞれ備えた円筒形の外筒９の下部に固定された管板１０にそれぞれ固定されて吊下されている。
内管６は、外筒９の内部に間隔を有して配置される内筒１１の、下部に固定された管板１２に支持され、下方に吊下されている。なお、この内筒１１は、その管板１２の下部に設けられたスペーサ１３が外筒９の管板１０の上面に載置されることによって外筒９の管板１０と内筒１１の管板１２との間に空間を画成している。外筒９の上部フランジ７を利用して蓋１４が、そのフランジ１５によって固定される。蓋１４は、最上部に蒸気出口１６を有すると共に、上面に給水部１７、液面計配置部１８を適宜備えている。蓋１４の内側には外筒９及び内筒１１の側壁と同心円をなしつつ、かつ内筒１１の内側壁と一定の間隔を持つように気液分離筒１９が全周的に固着垂下されている。
【００１２】
この実施例においては、外筒９の外側の載置フランジ８は、外筒９底部の管板１０より高いレベルにあって、そのため、この載置フランジ８部の外筒９の内側は気水混合物の上方への通路の一部をなしている。又、この載置フランジ８は上方耐火材１の上部金属被覆２０のチャンネル状上部折り返し部２１の水平面上にパッキンのみを介して載置されている。
【００１３】
以上のような第１実施例において、蓋１４の吸水部１７より供給された水は、内筒１１内を経由して内管６を降下して内管６と外管５間の空間（以下、単に外管５内と云う）へ至り、高温のガスで外側を熱せられるため、熱水と水蒸気の混合物である気水となって外管５内を上昇した後、外筒９の管板１０の上方空間から外筒５の内側部、即ち、外筒５の外側の載置フランジ８の内側部、を通り外筒５の側壁と内筒１１の側壁間の空間を上昇し、気水分離筒１９の水平面に衝突した後、熱水と水蒸気に分離され、熱水は内筒１１内へ落下し、再度内管６を下降する一方、水蒸気は、蓋１４の蒸気出口１６に至る。
このような実施例１においては、外筒９の載置フランジ８の内側部を気水の通り道としたので、載置フランジ８は高温になる恐れがないので、フランジの径や厚さを大きくする必要はなく、又、ボルトによる固定自体も省略し、パッキンのみを介在するようにすることができる。
【００１４】
第２実施例（図６、図７参照）
この実施例は外筒９の外側載置フランジ８の内側部が、熱水と水蒸気からなる気水の通路とされている技術的思想の点では、図４及び図５に示された第１実施例の蒸発器と同じであるが、その下方の、外管５及び内管６よりなる熱交換部としての二重管構造が一組しか有しない点で大きく異なっている。
二重管構造を単一にした理由は、図７に一例が示されているが、垂直耐火材３を多数の単位ブロック２２から形成し（各ブロックは図７の表裏方向に長く伸びている）、これらブロック２２の内、所定のものは中央に内孔２３を有するものとし、この内孔２３内に前記単一の二重管構造を配置することによって、垂直耐火材３からも熱エネルギーを回収しようとするものである。なおこの例においては二重管部の下部を安定させるため、図６の下方に示すように、下部耐火材２に用意された開口部に、外管５の下端を摺動自在に案内しうる摺動受筒２４が設けられている。このような構成は逆に云えば垂直耐火材３の転倒防止にも資するものである。
【００１５】
第３実施例（図８参照）
この実施例は、例えば家庭用の高分子型燃料電池システム（ＰＥＦＣ）用の蒸発器に関する。このような蒸発器では先述の外側構造部ができる限り小さいものであることに加えて、圧力を有する容積をできる限り小さくすること、又、燃料電池システムのスタート時間を短かくする必要があること、スタート時は炭化水素を燃焼し定常状態では燃料電池の排水素を燃焼するので、残留する炭化水素、又は脂肪族アルコールを完全に燃焼し、しかもＮｏｘの発生を全んどゼロにすることが必要であることが望まれる。このため、第３実施例では次のような構造が採用される。
【００１６】
この実施例は、基本的には第１実施例及び第２実施例の蒸発器の構造を、内熱式の蒸発器に応用したものと云える。この実施例では高温ガスの通路中に載置するための外筒外側の載置フランジはもはや有さず、かわりに、外管５及び内管６の組よりなる二重管構造部の外側をジャケット２５を備えた下部外筒２６で覆っている。ジャケット２５を備えたこの下部外筒２６は、前記外管５を支持するための管板１０を底部に備えた外筒９と一体のものとして構成されることによって、蒸散器の圧力を有する容積を軽減している。
この下部外筒２６内の下方には、バーナ２７を配し、下方から供給される燃焼ガスを着火器２８で点火し、燃焼室形成用内筒２９と燃焼室形成用外筒３０で形成された空間で燃焼させる。
【００１７】
燃焼室をこのように形成するのは次のような理由に基づく。
燃焼部は低温のジャケット部に周囲をかこまれることになるが、本願発明では、蒸発器全体をコンパクトにすることも一つの目的であるから、このようにするとジャケットが余計燃焼部に近づくことから、ジャケットに熱を吸収されてしまって高温状態の空間を維持する事が出来ない。つまり、燃料と燃焼用空気を完全に混合して着火しても周囲のジャケット部に直ちに熱を吸収されて燃焼状態を維持出来ない。連続的にスパークを飛ばしても未燃物が残る燃焼となり不具合となる。
それ故、周囲の低温のジャケット部への熱放射で燃焼室式の温度が下る事を防ぐ手段を設け燃焼室の内壁面を出来る限り高温に保つ事が必要となるのであるが前記の構成はそのためのものである。
又、燃焼室の大きさも滞留時間が下記の実験式により計算される時間が必要である（実験式は発明者が実験より確立したものである）。
Ｔ＝（８／１０００）×（１６７３／Ｔ_Ｆ）^３
Ｔ＝滞留時間秒
Ｔ_Ｆ＝理論燃焼温度゜Ｋ
燃焼室は内部燃焼室と外部ドーナツリング状の全容積である。なお、外部に設けられた混合器で燃料と燃焼用空気は予混合されるものとする。
【００１８】
内筒燃焼室の材質は放射率が８０％以上のものが良く炭化硅素、窒化硅素等が最も適するがコージエライト、ムライト等のセラミックに放射塗料を塗布したものでも良い。
炭化硅素、窒化硅素等は６３５℃以上で酸化触媒としての機能を有していて燃焼に適する。又放射率の高いものは燃料分子を励起させて燃焼を促進させる効果がある遠赤外線の領域の波長のエネルギーを多く放射するので燃焼が早く完了する。
【００１９】
このような燃焼器によって内筒内に下部から燃焼用混合気を吹出しスパーク等で着火し内筒燃焼室内でほとんど燃焼し蓋体のカバーの外筒と内筒の間で形成されるドーナツリング状の空間を流れ内筒の外面を加熱した後、上方に指向し、二重管構造の外部に適宜用意されたバッフル板３１で迂回を繰り返す過程で、二重管構造とジャケット２５内の水を加熱した後、外管５を支持する管板１０の直下部の出口３２から外部に排出される。
【００２０】
ジャケット２５に対する水の供給及びジャケット２５で発生した水蒸気の回収は次の通りである。まず水の供給系３３は図８の右側に示されるように、ジャケット２５の下方からなされるが、本実施例ではこの水の供給系３３は外筒９の管板１０と内筒１１の管板１２にはさまれた広い空間に連通されている。この空間には二重管構造で加熱された気水混合物が上昇してくるが二重管部のドーナツリング状の断面積よりもはるかに広い面積となるので上昇した気水混合物の内の、熱水の大部分は管板１０上に残ることになるのでこれをジャケット２５に供給するものである。
【００２１】
ジャケット２５の熱水と蒸気とを上方に送る蒸気回収系３４は図８の左側に示され、これは当然ジャケット２５上部に接続されていて、上方に導びかれ、外筒９と内筒１１で囲まれた空間、即ち、二重管構造で発生した熱水と水蒸気の気水混合物の上方通路へ合流する。
なお、二重管からの蒸発量とジャケット２５からの蒸発量と比較してジャケット２５からの蒸発量が大きい場合にはジャケット２５の上部の気水取出口３５に気液分離能力を有する蒸発物取出用パイプ（３４の位置）と液下降用パイプ３６を有する物を取付け、この下降用パイプ３６はジャケット２５下部に接続する。
このように構成することの目的は燃焼温度が高い場合とか燃焼量が多い場合に、ジャケットの空隙が小さい場合には特に蒸発量が一定とならない事があるためである。
【００２２】
以上のようにして、二重管構造及びジャケット２５が産した水蒸気と熱水の混合物である気水混合物の分離回収については、実施例１と同様に行われる。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来例の蒸散器の縦断面図である。
【図２】一部を破断図で示す、従来例の蒸発器の模式的正面図である。
【図３】一部を破断図で示す、従来例の蒸発器の模式的平面図である。
【図４】本発明の第１実施例の縦断面図である。
【図５】図４の要部のみの水平断面図である。
【図６】本発明の第２実施例の縦断面図である。
【図７】図６の要部のみの水平断面図である。
【図８】本発明の第３実施例の縦断面図である。
【符号の説明】
１…上方耐火材、２…下方耐火材、３…垂直耐火材、４…底部耐火材、５…外管、６…内管、７…上部フランジ、８…載置フランジ、９…外筒、１０…管板、１１…内筒、１２…管板、１３…スペーサ、１４…蓋、１５…フランジ、１６…蒸気出口、１７…給水部、２０…上部金属被覆、２２…単位ブロック、２３…内孔、２５…ジャケット、２６…下部外筒、２９…燃焼室形成用内筒、３０…燃焼室形成用外筒、３２…出口（排ガスの）。

Claims

下方部の燃焼器で燃焼させたガスの燃焼熱で、上方部の、二重管構造内及び外周ジャケット内の水を加熱蒸発させて熱エネルギーを回収する蒸発器において、二重管構造における内管を支持する内筒の管板と外管を支持する外筒の管板とを上下方向に空間を有するよう配置すると共に、外筒の下方部に外周ジャケットを配し、前記空間経由で二重管構造の気水混合物を上方に導き、上方でジャケットからの気水混合物と合流させる一方、外管を支持する管板の上面部にジャケットの給水系を開口させ、外管を支持する管板の直下部に燃焼ガスの出口を設けたことを特徴とする蒸発器。
燃焼器を内筒と外筒で囲み燃焼室を画成し、燃焼ガスを外筒でいったん下降させ内筒の外周を経由した後上方へ指向させる一方、上記燃焼室内の材質を放射率の高いものとすることを特徴とする請求項１記載の蒸発器。