JP3994547B2 - 排熱回収システム - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、排ガス発生源からの排ガスから熱を回収する排熱回収システムに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
たとえば、コージェネレーションシステムは、原動機によって発電を行い、この原動機の排ガスを熱源として給湯や空調を行うものである。原動機の排ガスから熱を回収する手段としては、所謂排ガスボイラが利用されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
このようなコージェネレーションシステムにおいて、原動機は所定の負荷範囲で運転するように設定され、また排ガスボイラもこの原動機の負荷範囲に対応する所定の排ガス温度範囲でもって効率的な運転が行えるように設定される。しかし、原動機の負荷状況や不具合により、前述の温度範囲よりも高温の排ガスが排ガスボイラに流入する場合がある。通常、排ガスボイラは、流入する排ガスの温度が前述の温度範囲以上となると、排ガスボイラにおける断熱構造部分が劣化したり、焼損する場合もある。また、排ガスボイラが貫流ボイラの場合には、前述の温度範囲以上の高温の排ガスが流入すると、水管に過熱が生じやすい。
【０００４】
また、このようなコージェネレーションシステムにおいて、排ガスボイラの下流側に接続される出口側ダクトやそれに連なる煙突などの熱対策は、一般に、排ガスボイラの通常運転時における排ガス温度に基づいて施される。そうした場合、点検や修理などのために排ガスボイラを停止すると、原動機からの高温の排ガスは、ほとんど温度が低下しないまま排ガスボイラから出口側ダクトに流入することになるため、出口側ダクトにおける熱対策上、原動機も停止させる必要がある。その結果、原動機の稼働率が低下し、また原動機を停止させた場合、電力の供給が止まるという問題もある。
【０００５】
また、排ガスボイラの点検や修理の際にも原動機の運転を継続するために、排ガスボイラの入口側ダクトと出口側ダクトとの間にバイパスダクトを接続し、このバイパスダクトによって排ガスを入口側ダクトから出口側ダクトへ流入させるようにしたものもある。この場合の出口側ダクトには、高温の排ガスが流入することを考慮して過剰な熱対策を施す必要があり、この熱対策に要するイニシャルコストは非常に高いものとなっている。
【０００６】
そこで、この発明が解決しようとする課題は、排熱回収システムにおいて、排ガスボイラや排ガスラインの熱対策の簡略化を達成した排熱回収システムを提供することである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
この発明は、上述の課題を解決するためになされたもので、請求項１に記載の発明は、前記排ガスボイラをバイパスするバイパスラインと前記バイパスラインに排ガスを流すかどうかを選択する流路切換手段とを備えてなる排熱回収システムにおいて、前記排ガスボイラの上流側の前記排ガスラインに排ガス冷却手段を設け、前記バイパスラインに排ガスを流さない状態では、排ガス温度が第一設定温度以上となると前記冷却手段を作動させ、前記バイパスラインに排ガスを流す状態では、排ガス温度が第二設定温度以上となると前記冷却手段を作動させることを特徴としている。
【００１０】
【発明の実施の形態】
この発明は、排ガスラインの途中に排ガスボイラを設けてなる排熱回収システムにおいて実現される。
【００１１】
この排ガスラインは、排ガス発生源から延び、煙突などのような最終的な排気手段までの経路である。また、この排ガスラインは、排ガスラインにおける排ガスボイラの上流側と下流側との間をバイパスダクトで接続してある場合には、このバイパスダクトを含む。
【００１２】
この排ガスラインには、排ガス冷却手段を設けてある。この排ガス冷却手段は、冷却液を排ガスライン内に噴霧することにより、排ガスを所定温度以下に冷却するものである。この冷却液は、排ガスとともに煙突から排出されることを考慮すると、水が安全性の高さ、入手の容易さの点で好ましい。
【００１３】
この排ガス冷却手段は、一つの実施の形態においては、排ガスボイラの上流側に設ける。この場合、排ガス冷却手段は、排ガスボイラに流入する排ガスを冷却することができる。また、排ガスラインがバイパスダクトを備えている場合、この排ガス冷却手段を排ガスラインにおけるバイパスダクトへの分岐部分よりも上流側に設けると、バイパスダクトに流入する排ガスを冷却することができる。
【００１４】
この排ガス冷却手段は、排ガスボイラの運転中、排ガスボイラの上流側の排ガスラインを流れる排ガスが所定温度以上の場合に、この排ガスをこの所定温度以下に冷却する。ここで、排ガスの温度検出手段は、排ガスボイラの上流側に設けるが、より好ましくは排ガス冷却手段よりも下流側とする。
【００１５】
この場合の所定温度（以下、「第一設定温度Ｔ１」という）は、缶体の過熱や断熱材の劣化や焼損を防止でき、安定した運転が可能とするために、排ガスボイラに流入する排ガス温度の設定範囲の上限温度以下に設定する。
【００１６】
また、排ガス冷却手段は、排ガスボイラの停止中に、バイパスラインまたは排ガスボイラの下流側の排ガスラインを流れる排ガスを所定温度以下に冷却する。この場合の所定温度（以下、「第二設定温度Ｔ２」という）は、通常運転時の排ガスボイラから排出される排ガス温度以下に設定するか、またはバイパスラインや排ガスボイラ下流側の排ガスラインにおける耐熱温度以下に設定する。
【００１７】
この場合、バイパスダクトや排ガスボイラ下流側の排ガスラインには、第二設定温度Ｔ２以下の排ガスが流入するため、これらの排ガスラインに過剰な熱対策を施す必要が無くなる。さらに、この場合には、前述のバイパスダクトを備えていなくても、排ガスボイラの故障時や熱回収が不要な場合において、排ガス発生源の運転を継続したままで、排ガスボイラのみを停止することができるため、排ガス発生源の稼働率の低下を防止することができる。ここで、排ガスボイラの停止とは、ボイラとして機能していない状態である。すなわち、排ガスボイラへの排ガスの流入を行っていない状態や、排ガスボイラへの給水を行っていない状態や、その両方の状態を含む。
【００１８】
前述の温度検出手段は、排ガスボイラの下流側に設けることもできる。この場合には、排ガスボイラまたはバイパスダクトから、排ガスボイラの下流側に流入する排ガスの温度が、第二設定温度Ｔ２以上の場合に、排ガス冷却手段を作動させるように構成する。
【００１９】
また、他の実施の形態においては、排ガス冷却手段を、バイパスダクト内や排ガスボイラの下流側に設ける。この場合には、温度検出手段も排ガスボイラの下流側に設け、前述の第二設定温度Ｔ２に基づいて排ガス冷却手段の制御を行うことにより、バイパスダクトや排ガスボイラ下流側の排ガスラインを冷却する。
【００２０】
ここで、この発明は、コージェネレーションシステムにおける排熱回収システムや、加熱炉，溶解炉，乾燥炉などの排ガス発生源からの排ガスを熱源とする排熱回収システムにおいて適用することができる。また、排ガスボイラとしては、貫流ボイラ，強制循環式水管ボイラ，自然循環式水管ボイラ，炉筒ボイラ，炉筒煙管ボイラなどを用いることができるものである。
【００２１】
【実施例】
以下、この発明に係る排熱回収システムの具体的な実施例について説明する。図１は、この発明に係る排熱回収システムの第一実施例の説明図である。ここで、この第一実施例における排熱回収システムは、コージェネレーションシステムにおける排熱回収システムとしてある。
【００２２】
図１において、排熱回収システムは、排ガス発生源である原動機１と、この原動機１から延びる排ガスライン２と、この排ガスライン２の途中に設けた排ガスボイラ３とを備えている。
【００２３】
前記排ガスライン２は、前記原動機１と前記排ガスボイラ３との間を接続する入口側ダクト４と、前記排ガスボイラ３から煙突（図示省略）へ向けて延びる出口側ダクト５とを備えている。そして、前記入口側ダクト４と前記出口側ダクト５との間には、前記排ガスボイラ３をバイパスするためのバイパスダクト６を設けてある。
【００２４】
前記原動機１は、ガスエンジン，ディーゼルエンジンなどの内燃機関やガスタービンエンジンなどの外燃機関であって、このようなコージェネレーションシステムにおいては、主に発電用途に用いられるものである。また、前記排ガスボイラ３は、この第一実施例では、貫流ボイラであり、前記原動機１の排ガスを熱源として給湯や空調を行う。
【００２５】
前記バイパスダクト６の途中には、第一流路切換手段７を設けている。また、前記入口側ダクト４における前記バイパスダクト６への分岐部分よりも下流側には、第二流路切換手段８を設けてあり、前記出口側ダクト５における前記バイパスダクト６との合流部分よりも上流側には、第三流路切換手段９を設けてある。これらの各流路切換手段７〜９は、それぞれが対応する各ダクト４〜６を閉鎖、または流通可能な状態に切り替えるものである。
【００２６】
前記入口側ダクト４には、排ガス冷却手段１０を設けてある。詳細には、この排ガス冷却手段１０は、前記入口側ダクト４における前記バイパスダクト６との分岐部分よりも上流側に設けている。この排ガス冷却手段１０は、前記入口側ダクト４内に冷却液を噴霧することによって排ガスを冷却するもので、冷却液の噴霧ノズル１１と、この噴霧ノズル１１に接続した冷却液供給ライン１２と、この冷却液供給ライン１２に設けた流量制御弁１３とを備えている。
【００２７】
前記噴霧ノズル１１は、この第一実施例においては、二流体式の噴霧ノズルを用いている。この二流体式噴霧ノズルは、空気や蒸気などの流体の圧力を借りて、所定の冷却液を噴霧するもので、そのために前記噴霧ノズル１１には、噴霧用の空気を供給する噴霧用流体供給ライン１４とこの噴霧用流体供給ライン１４に設けた供給制御弁１５とを備えている。そして、前記排ガス冷却手段１０による冷却液の噴霧量は、前記流量制御弁１３によって前記冷却液供給ライン１２から前記噴霧ノズル１１への冷却液の流量を調整することによって行われる。
【００２８】
ここで、前記排ガス冷却手段１０に用いる冷却液としては、水を使用する。その理由は、この冷却液は、前記原動機１からの排ガスとともに、前記排ガスボイラ３や前記バイパスダクト６を通過した後、煙突から大気中に排出されるからである。そこで、安全性が高く、入手が容易であり、また蒸発熱が大きい点から、冷却液として水を用いる。そして、この場合、前記冷却液供給ライン１２は、前記排ガスボイラ３への給水を停止した場合においても作動可能なように、前記冷却液供給ライン１２は、前記排ガスボイラ３の給水系統とは別個に設ける。
【００２９】
また、前記噴霧ノズル１１を二流体式の噴霧ノズルとしたのは、つぎの理由による。すなわち、前記排ガス冷却手段１０は、排熱回収システムの運転中に常時使用するものではないが、前記噴霧ノズル１１は、前記原動機１からの高温の排ガスに常時晒されるため、冷却液に含まれる不純物が析出して付着したり、また排ガス中の未燃物が付着して、前記噴霧ノズル１１の噴射孔を塞ぐ可能性がある。そこで、前記噴霧ノズル１１として二流体式の噴霧ノズルを用いると、前記排ガス冷却手段１０の非作動時（冷却時以外のとき）にも、空気のみを供給しておくことでノズルの閉塞を防止できるからである。もちろん、前記噴霧ノズル１１として所謂圧力噴霧ノズルを使用することもできる。この場合に、前述のノズルの閉塞を防止する場合には、冷却時以外のときには、冷却液に代えて空気や蒸気を供給することにより前述の閉塞を防止できる。
【００３０】
さらに、前記入口側ダクト４には、前記入口側ダクト４内の排ガス温度に基づいて前記排ガス冷却手段１０を制御するための第一温度検出手段１６を設けてある。この第一温度検出手段１６の取り付け位置は、前記排ガス冷却手段１０よりも下流側としている。
【００３１】
前記第一温度検出手段１６は、制御装置１７に接続されている。この制御装置１７は、前記第一温度検出手段１６からの信号に基づいて前記排ガス冷却手段１０、具体的には前記流量制御弁１３および前記供給制御弁１５を制御する。さらに、前記制御装置１７は、前記第一流路切換手段７〜第三流路切換手段９を制御する。そして、前記制御装置１７は、前記第一温度検出手段１６によって前記入口側ダクト４内の排ガスが第一設定温度Ｔ１以上であること検出した場合、または前記バイパスダクト６を使用中において前記入口側ダクト４内の排ガスが第二設定温度Ｔ２以上であることを検出した場合に、前記排ガス冷却手段１０を作動させる。
【００３２】
ここで、前述の第一設定温度Ｔ１および第二設定温度Ｔ２は、つぎのように設定する。まず、第一設定温度Ｔ１は、前記排ガスボイラ３への排ガス温度の設定範囲の上限に設定する。すなわち、前記排ガスボイラ３は、所定の温度範囲（たとえば、３００〜５００℃）内において所定の性能（蒸気圧力，蒸発量）が得られるように設定されている。したがって、前記原動機１の異常時などに、この所定の温度範囲を超える高温の排ガスが前記排ガスボイラ３に流入すると、前記排ガスボイラ３の缶体が過熱したり、断熱材が劣化する。とくに、この第一実施例のように、排ガスボイラ３として貫流ボイラを用いる場合には、流入する排ガスが所定の温度範囲以上となると缶体の過熱が生じ易く、安定した性能を継続できない。そこで、この第一設定温度は、たとえば、５００℃に設定する。また、第二設定温度Ｔ２は、前記出口側ダクト５における耐熱温度以下、または前記排ガスボイラ３の通常運転時において前記排ガスボイラ３から排出される排ガス温度の最高温度以下である。前記排ガスボイラ３を通過した後の排ガス温度が、たとえば、１５０〜２００℃の場合には、第二設定温度Ｔ２を２００℃とする。
【００３３】
以下に、この排熱回収システムにおける制御について説明する。まず、排ガスボイラ３の通常運転時において、原動機１の負荷変動やこの原動機１の異常などにより、入口側ダクト４内の排ガス温度が上昇したとする。前記入口側ダクト４内の排ガス温度は、第一温度検出手段１６により制御装置１７によって監視されており、この排ガス温度が第一設定温度Ｔ１以上となると前記制御装置１７は、排ガス冷却手段１０を作動させる。すると、前記排ガス冷却手段１０は冷却液の噴霧を開始し、排ガスを第一設定温度Ｔ１以下に冷却する。したがって、前記排ガスボイラ３に流入する排ガスの温度は、前記排ガスボイラ３への排ガス温度の設定範囲内とすることができる。
【００３４】
つぎに、排ガスボイラ３を修理や点検のために停止させる場合について説明する。まず、この第一実施例では、バイパスダクト６を備えているため、入口側ダクト４から前記バイパスダクト６を介して出口側ダクト５に排ガスが流れるように、第一流路切換手段７〜第三流路切換手段９を操作する。すなわち、前記第一流路切換手段７を開くとととも、前記第二流路切換手段８および前記第三流路切換手段９を閉鎖状態とする。そして、前記第一流路切換手段７〜前記第三流路切換手段９の切換操作とともに、第一温度検出手段１６からの検出温度に基づいて排ガス冷却手段１０を作動させ、前記入口側ダクト４内の排ガス温度を第二設定温度Ｔ２以下に冷却する。したがって、前記入口側ダクト４から前記バイパスダクト６や前記出口側ダクト５に流入する排ガス温度を第二設定温度Ｔ２以下に冷却することができるため、前記バイパスダクト６，前記出口側ダクト５やこれらよりも下流側の排ガスライン２の熱対策を簡略化できる。
【００３５】
ここで、前記排ガス冷却手段１０の作動は、好ましくは前述のダクトの切換操作に先だって行うのが好ましい。すなわち、流路の切換操作に先立って冷却液を噴霧することにより、冷却後の排ガスを前記バイパスダクト６内に流入させることができるためである。さらに、冷却液の噴霧を前述のダクトの切り替えに先立って行う場合、冷却液をわずかな量を噴霧した状態で、前記ダクトの切り替え操作を開始し、前記バイパスダクト６を通過する高温の排ガスの流量の増加に応じて、冷却液の噴霧量を増加させるのが好ましい。
【００３６】
以上の説明では、前記排ガス冷却手段１０を、前記入口側ダクト４内の排ガス温度に基づいて制御するものであるが、前記出口側ダクト５内の排ガス温度のみを冷却する場合には、前記出口側ダクト５内の排ガス温度に基づいて制御することもできる。この場合には、前記出口側ダクト５に、その内部の排ガス温度を検出する第二温度検出手段１８を設ける。そして、前記制御装置１７は、この第二温度検出手段１８による検出温度が第二設定温度Ｔ２以上の場合に、前記排ガス冷却手段１０を作動させる。前記第二温度検出手段１８を設ける場合には、前記排ガスボイラ３への排ガス温度の冷却は前記第一温度検出手段１６の検出温度に基づいて行い、前記出口側ダクト５への排ガス温度の冷却は前記第二温度検出手段１８にの検出温度に基づいて行うようにする。また、前記原動機１からの排ガスが運転状態によっても設定範囲以上に上昇しない場合には、前記第一温度検出手段１６を省略し、前記第二温度検出手段１８のみで前記排ガス冷却手段１０を制御することもできる。
【００３７】
ここで、実際のコージェネレーションシステムにおいては、排ガスボイラ３による蒸気が過剰な場合には、従来は、前記排ガスボイラ３を運転状態としたまま、発生した蒸気を大気に放出していた。しかし、この排熱回収システムでは、排ガス冷却手段１０によって排ガス温度を所定の温度以下に冷却できるから、蒸気を無駄に放出するのを防止できる。たとえば、排ガスボイラ３の蒸気出口部１９、または缶体のヘッダ部に蒸気圧力検出器２０を設け、制御装置１７によって、この蒸気圧力検出器２０による検出圧力が所望の圧力となるように、第一流路切替手段７の開度を調整する。すなわち、前記第一流路切替手段７の開度を調整し、入口側ダクト４内の排ガスの一部をバイパスダクト６を介して出口側ダクト５内に流入させることで、前記排ガスボイラ３における蒸気圧力を調整できる。そして、この場合には、原動機１から前記バイパスダクト６を介して前記出口側ダクト５内に流入する高温の排ガスを、第二温度検出手段１８の検出温度に基づいて排ガス冷却手段１０を作動させることによって冷却する。この場合にも、前述同様に、前記排ガス冷却手段１０の作動は、ダクトの切換操作に先だって行うのが好ましい。
【００３８】
つぎに、この発明の第二実施例を、図２を参照しながら説明する。この第二実施例は、バイパスダクトを備えていない排熱回収システムに、この発明を適用したものである。ここで、図２において、図１に示す第一実施例と対応する部分には同一参照番号を附して詳細説明を省略する。
【００３９】
この第二実施例において、原動機１からの排ガス温度が第一設定温度Ｔ１を超える場合については、第一実施例と同様である。この第二実施例において、前記原動機１の運転を継続したまま前記排ガスボイラ３を停止する場合には、前記第一温度検出手段１６の検出温度に基づいて前記排ガス冷却手段１０を作動させ、前記排ガスボイラ３に流入する排ガスを第二設定温度Ｔ２以下に冷却する。
【００４０】
この第二実施例のように、バイパスダクト６を備えていない排熱回収システムにおいては、出口側ダクト５以降の熱対策は、通常運転時の排ガスボイラからの排ガス温度に基づいて施されている場合が多く、従来は、排ガスボイラを故障などの原因により停止させる場合には、原動機も停止させる必要があった。しかし、この第二実施例においては、排ガス冷却手段１０により、排ガスボイラ３に流入する排ガス温度を低下させることができるため、原動機１の運転を継続したまま、排ガスボイラ３のみを停止させることができる。すなわち、排ガスボイラ３を、排ガスボイラとしては機能させない状態として、排ガスを流通させるダクトとして機能させることができる。そのため、排ガスボイラ３の故障時に必要な、故障箇所に関する点検のための時間，修理部品の発注から到着までの時間，実際の修理の時間などのうち、少なくとも修理部品の発注から到着までの時間は、原動機１を運転することができ、原動機の稼働率の低下を防止することができる。
【００４１】
以上の第二実施例の説明では、前記排ガス冷却手段１０を前記入口側ダクト４に設けているが、図２に二点鎖線で示すように、前記出口側ダクト５に設けることもできる。この排ガス冷却手段１０の設置例は、前記原動機１からの排ガスの温度が前述のように所定の温度範囲以上に上昇しない場合に好適である。そして、この場合には、前記排ガス冷却手段１０は、前記出口側ダクト５における前記排ガスボイラ３になるべく近い位置に設ける。この構成によるときは、前記排ガス冷却手段１０によって前記出口側ダクト５以降の排ガスの冷却を行うことができるため、前記排ガス冷却手段１０以降の前記出口側ダクト５やこれらよりも下流側の排ガスライン２の熱対策を簡略化できる。
【００４２】
【発明の効果】
以上説明したように、この発明によれば、排熱回収システムにおいて、排ガスボイラに流入する排ガス温度を前記第一設定温度以下とすることができるとともに、前記バイパスラインおよび前記排ガスボイラの下流側の排ガスラインを流れる排ガスを前記第二設定温度以下に冷却することができ、排ガスボイラや排ガスラインの熱対策の簡略化を達成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明に係る排熱回収システムの第一実施例の説明図である。
【図２】この発明に係る排熱回収システムの第二実施例の説明図である。
【符号の説明】
１ 原動機（排ガス発生源）
２ 排ガスライン
３ 排熱ボイラ
４ 入口側ダクト
５ 出口側ダクト
６ バイパスダクト
１０ 排ガス冷却手段
１６ 第一温度検出手段
１７ 制御装置
１８ 第二温度検出手段

Claims (1)

1. 排ガスライン２の途中に排ガスボイラ３を備え、前記排ガスボイラ３をバイパスするバイパスライン６と前記バイパスライン６に排ガスを流すかどうかを選択する流路切換手段７，８，９とを備えてなる排熱回収システムにおいて、前記排ガスボイラ３の上流側の前記排ガスライン２に排ガス冷却手段１０を設け、前記バイパスライン６に排ガスを流さない状態では、排ガス温度が第一設定温度以上となると前記冷却手段１０を作動させ、前記バイパスライン６に排ガスを流す状態では、排ガス温度が第二設定温度以上となると前記冷却手段１０を作動させることを特徴する排熱回収システム。

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