JP4016311B2

JP4016311B2 - 高温ガスからの熱回収方法

Info

Publication number: JP4016311B2
Application number: JP22859299A
Authority: JP
Inventors: 隆能登; 浩明西尾
Original assignee: JFE Engineering Corp
Current assignee: JFE Engineering Corp
Priority date: 1999-08-12
Filing date: 1999-08-12
Publication date: 2007-12-05
Anticipated expiration: 2019-08-12
Also published as: JP2001056196A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、都市ごみ、石炭、下水汚泥、製紙スラッジ、その他の産業廃棄物の高温燃焼排ガスと、内部を通過する蒸気や空気等の被加熱流体との間で熱交換を行わせて熱エネルギを回収するための高温ガスからの熱回収方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
都市ごみや産業廃棄物を焼却した時に発生する排ガスには、塩化水素ガスやナトリウム、カリウム等を含むＮaＣl，ＫＣlやＮa₂ＳＯ₄他の塩基性塩が含まれている。塩化水素や塩基性塩の腐食性は、その温度が高温になればなるほど大きくなる。そのため、都市ごみや産業廃棄物の燃焼排ガスから熱回収を行う廃熱ボイラにおいては、その熱交換チューブ内を流れる蒸気の温度が、塩化水素や塩基性塩による腐食損傷の被害を少なく抑えるために、一般に３００℃以下に抑えられている。
【０００３】
そこで、この腐食環境から、より高温の熱エネルギを回収するため、例えば特開平5-332508号公報に示されているように、廃棄物焼却炉の排ガス煙道の高温度域にセラミック製の熱交換器を設けて高温空気を作り、この高温空気を用いて加熱器に導入される飽和蒸気を過熱することで、高温の過熱蒸気を得ることができるようにしたものが提案されている。そして、このようにして得た過熱蒸気によって発電用のタービンを回すことで、ごみ焼却炉からの発電効率を向上させることができるとしている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前述のようにセラミック製の熱交換器を用いて、単に耐熱性や耐腐食性を向上させても、長時間、高温腐食雰囲気下に曝されると、高温腐食性ガスに接するセラミック製熱交換器外表面に塩基性塩を含む飛灰が付着し、その堆積層によって熱交換率が低下する。
【０００５】
また、飛灰がセラミック製熱交換器の外表面に固着すると、その飛灰付着部位で、飛灰とセラミックとの間で熱膨張差が生じ、セラミックに亀裂が生じ易くなる。
【０００６】
更にまた、セラミック製熱交換器外表面に付着してある程度時間が経過した飛灰は、スートブロアによっても除去しにくくなり、飛灰の堆積層が増加し、その結果、セラミック製熱交換器の熱伝達率が低下する。そのため、単にセラミック製熱交換器を使っても、高効率な熱回収を長期間に渡って維持することはできない。
【０００７】
本発明の技術的課題は、飛灰の堆積を無くし、熱伝導率を低下させることなく高温腐食雰囲気下から高効率で熱回収できるようにすることにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る高温ガスからの熱回収方法は、高温ガスからこの高温ガス雰囲気中に配置した伝熱管内の被加熱流体に熱回収する際に、気孔を有する焼結体から形成した伝熱管を用い、この伝熱管内の被加熱流体の圧力を、前記高温ガスが存在する伝熱管外側雰囲気の圧力より高くして、該伝熱管内の被加熱流体の一部を伝熱管壁を通じて伝熱管外表面より噴き出させ、伝熱管外表面への飛灰の付着を防止し、該高温ガスと前記伝熱管内の被加熱流体との間で熱交換することを特徴としている。
【００１１】
また、本発明に係る高温ガスからの熱回収方法は、気孔を有する焼結体からなる伝熱管として、気孔率２〜６０％の、酸化物、炭化物、窒化物、硼化物、珪化物、炭素等、又はそれらの混在物からなるセラミック合金複合材料を用いたことを特徴としている。
【００１２】
【発明の実施の形態】
まず、実施形態の説明の前に本発明に係る高温ガスからの熱回収方法の基本原理について説明する。伝熱管内からその管壁を通じて伝熱管外表面より流体を噴き出させるようにすれば、伝熱管外表面への塩基性塩を含む飛灰の付着、堆積を防止することができる。伝熱管外表面より流体を噴き出させるためには、伝熱管を気孔の形成し易い焼結体から構成し、伝熱管内の被加熱流体の圧力を、伝熱管が設置される高温ガスが存在する伝熱管外側雰囲気の圧力よりも高くして、被加熱流体の一部が伝熱管外表面より噴き出すようにすればよい。しかし、伝熱管外表面より噴き出す被加熱流体の量が多すぎれば、伝熱管外表面全域が被加熱流体によりシールドされた状態となり、高温ガスと伝熱管との接触が難しくなり、熱交換率が低下してしまう。このような問題は、伝熱管を構成する焼結体の気孔率を調整することで解決し得る。そして焼結体の気孔率は、焼結時の圧力や温度により調整できることは周知である。これにより、気孔を通して、常時、ある程度の量の被加熱流体が伝熱管から高温ガス側に漏れ出し、伝熱管外表面に飛灰が堆積することを防ぎ、かつ熱伝達率を低下させること無く、長期間の安定運転が可能となる。
【００１３】
次に、本発明に係る高温ガスからの熱回収方法がどのように具体化されるかについて図１の実施形態に基づき説明する。図１は本実施形態に係る熱交換用伝熱管を示す模式図である。
【００１４】
本実施形態の伝熱管は、気孔を有する焼結体からなる伝熱管１として、気孔率２〜６０％の、酸化物、炭化物、窒化物、硼化物、珪化物、炭素等、又はそれらの混在物からなるセラミック合金複合材料を用いたものである。
【００１５】
ここで、気孔率２〜６０％のセラミック合金複合材料として使用可能な酸化物としてはＡl₂Ｏ₃やサイアロン（ＳiＡlＮＯ）、炭化物としてはＳiＣやＢ₄Ｃ、窒化物としてはＡlＮ，Ｓi₃Ｎ₄、硼化物としてはＴiＢ₂、珪化物としてはＭoＳi等を例に挙げることができる。伝熱管外表面の外側を流れる廃棄物燃焼排ガスや石炭燃焼排ガス等の高温ガスの温度は４００〜１２００℃であり、ガス雰囲気条件によってセラミック合金複合材料が選択される。高湿排ガス中には、ＨＣlあるいはＳＯx、又はそれらの双方が含まれている。排ガス処理ラインに排ガス温度３００℃以上の高温集塵装置が設置されているとき、除塵後の高温排ガスにも本発明は適用可能である。
【００１６】
伝熱管１内を流れる被加熱流体としては、空気、水蒸気、ＣＯ₂を２〜２５vol％（湿ベース）含む燃焼排ガス等、利用可能であり、空気と燃焼排ガスは最高８００℃、水蒸気は約５５０℃まで加熱することができる。
【００１７】
伝熱管１の肉厚は、３〜１２mmが好ましい。肉厚が３mm未満であると、被加熱流体の圧力に対して強度面で問題が生じ、肉厚が１２mmより大きくなると、熱交換中に、厚み方向において熱勾配が生じ、セラミック合金複合材料に割れが生じ易くなる。
【００１８】
セラミック合金複合材料からなる伝熱管１は、既述したように２％以上６０％以下の気孔率に設定されている。この気孔を通して、伝熱管外側より圧力が高い被加熱流体は、伝熱管外側に漏れる。気孔は単純な円孔では無く、いびつな形をしており、気孔の大きさは線間距離でサブミクロン以下のオーダーから、中には数百ミクロンオーダーまである。気孔から噴き出す被加熱流体の流速を噴き出し流量と気孔面積から求めたところ、その流速が数ｍ／ｓ以上であれば、高温排ガス中に含まれる飛灰の堆積を防げることがわかった。
【００１９】
気孔率は原理的に１％以下でも飛灰堆積防止に効果があるが、セラミック合金複合材料の伝熱管を製造する過程で、気孔率を２％未満に抑えた伝熱管を作るためには、高温高圧の雰囲気が必要になり、その製造コストが急激に上がる。したがって、実現可能な気孔率の下限値として２％以上とした。
【００２０】
また、高温ガス中の腐食性物質は、ＨＣlやＳＯxのガス体とＮaＣlやＫＣl等の塩基性塩からなり、小さいものでサブミクロンオーダー、大きいもので２０ミクロン程度の凝集体がある。これらを含む高温ガスが、気孔率６０％より大きい伝熱管に接触すると、凝集体を介して腐食性ガス体が伝熱管の断面方向に侵食し、局所的な伝熱管のセラミック成分が変質し、熱衝撃に対する強度が低下して割れ易くなる。したがって、気孔率の上限は６０％以下とした。
【００２１】
また、伝熱管１の長さは、６ｍ以下が好ましい。伝熱管１が長くなると、セラミック合金複合材料が割れ易くなる。
【００２２】
更に、伝熱管１の外径は、φ２０〜２００mm以下が好ましい。外径が２０mmより小さくなると、伝熱管としての機能が小さくなり、また外径が２００mmより大きくなると、セラミック合金複合材料が割れ易くなる。
【００２３】
次に、このような気孔率２〜６０％のセラミック合金複合材料からなる伝熱管１を用いて、高温ガスから熱を回収する方法について図１に基づき説明する。まず気孔率２〜６０％のセラミック合金複合材料で作られた伝熱管１を、廃棄物燃焼排ガスや石炭燃焼排ガス等の高温ガス（温度４００〜１２００℃）の雰囲気中に配置し、伝熱管１内に被加熱流体を流す。この時、伝熱管１内の被加熱流体の圧力を、高温ガスが存在する伝熱管外側雰囲気の圧力より高く設定する。
【００２４】
これにより、セラミック合金複合材料の気孔を通して、常時、ある程度の量の被加熱流体が、伝熱管１から高温ガス側に漏れ出し、伝熱管外表面に飛灰が堆積することを防ぎ、かつ熱伝達率を低下させること無く、長期間の安定運転が可能となる。
【００２５】
なお、セラミック合金複合材料からなる伝熱管の断面形状は如何様なものでもよく、例えば真円、変心した円、楕円、角形、又はいびつな形状等、いずれも採用可能である。
【００２６】
以下に、セラミック合金複合材料材質と気孔率を異ならせた本発明に係る３種類の熱交換用伝熱管を、都市ゴミ焼却パイロットプラントの排ガス温度約９５０℃〜７５０℃の高温排ガス中に挿入し、被加熱流体として、入口温度１５０〜４００℃の水蒸気と、１２０〜３００℃の空気と廃棄物燃焼排ガスを用いた試験例を示す。
試験例１．
Ａl主体セラミック合金（Ａl＋ＡＬＮ-９０wt％以上）、外径４０mm、肉厚４mm、気孔率２０％とした。
試験例２．
ＳiＣセラミックス、外径６０mm、肉厚７mm、気孔率１０％とした。
試験例３．
Ａl主体セラミック合金（Ａl＋ＡＬＮ-９０wt％以上）、外径４０mm、肉厚６mm、気孔率６０％とした。
【００２７】
暴露試験の結果、いずれの試験例においても、セラミック合金複合材料で作られた伝熱管には亀裂が発生しなかった。また被加熱流体として入口温度１５０℃から４００℃の水蒸気を用いた場合、伝熱管群の出口で５００℃への加熱が実現可能であることが確認された。また１２０〜３００℃の空気と廃棄物燃焼排ガスを披加熱流体に用いた場合、１０００〜５０００mmＡｑの空気および１００〜４００mmＡｑの廃棄物燃焼排ガスを約８００℃まで加熱可能なことが確認された。なお、試験中の排ガスの主成分は、Ｎ₂以外に、Ｏ₂は２〜１６％、ＨＣl は１００〜５００ppm、ＳＯxはmax３００ppm、ＣＯ₂は５〜１８％であった。
【００２８】
また、気孔率６０％の伝熱管（試験例３）において、被加熱流体の圧力を５０００mmＡｑ以上にすると、伝熱管内面より外面に噴き出す被加熱流体によって、伝熱管外表面部の温度が、高温排ガス温度より１００℃以上低くなることが確認された。したがって、高効率熱回収の観点から、被加熱流体の圧力は、高くても概ね４０００mmＡｑ程度が好ましいことが分かった。
【００２９】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明によれば、高温ガスからこの高温ガス雰囲気中に配置した伝熱管内の被加熱流体に熱回収する際に、気孔を有する焼結体から形成した伝熱管を用い、この伝熱管内の被加熱流体の圧力を、前記高温ガスが存在する伝熱管外側雰囲気の圧力より高くして、該伝熱管内の被加熱流体の一部を伝熱管壁を通じて伝熱管外表面より噴き出させ、伝熱管外表面への飛灰の付着を防止し、該高温ガスと前記伝熱管内の被加熱流体との間で熱交換するようにしたので、気孔を通して、常時、ある程度の量の被加熱流体が伝熱管から高温ガス側に漏れ出し、伝熱管外表面に飛灰が堆積することを防ぐことができた。この結果、熱伝達率を低下させること無く、長期間の安定運転が可能となり、かつ高温腐食雰囲気下から熱回収することができた。このため、廃棄物燃焼排ガス、石炭燃焼排ガス、下水汚泥燃焼排ガス、その他の産業廃棄物燃焼排ガス中の高温腐食環境から、これまで未利用であった高温の熱を回収することができた。
【００３０】
また、気孔を有する焼結体からなる伝熱管として、気孔率２〜６０％の、酸化物、炭化物、窒化物、硼化物、珪化物、炭素等、又はそれらの混在物からなるセラミック合金複合材料を用いたので、熱伝導率を低下させることなく高温腐食雰囲気下から高効率で熱回収することができた。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態に係る熱交換用伝熱管を示す模式図である。
【符号の説明】
１伝熱管

Claims

高温ガスから該高温ガス雰囲気中に配置した伝熱管内の被加熱流体に熱回収する方法において、
気孔を有する焼結体から形成した伝熱管を用い、
該伝熱管内の被加熱流体の圧力を、前記高温ガスが存在する伝熱管外側雰囲気の圧力より高くして、該伝熱管内の被加熱流体の一部を伝熱管壁を通じて伝熱管外表面より噴き出させ、伝熱管外表面への飛灰の付着を防止し、該高温ガスと前記伝熱管内の被加熱流体との間で熱交換することを特徴とする高温ガスからの熱回収方法。
気孔を有する焼結体からなる伝熱管として、気孔率２〜６０％の、酸化物、炭化物、窒化物、硼化物、珪化物、炭素等、又はそれらの混在物からなるセラミック合金複合材料を用いたことを特徴とする請求項１記載の高温ガスからの熱回収方法。