JP4851879B2 - ガス冷却室内蔵ボイラ - Google Patents

Description

本発明は、廃棄物処理設備においてごみの燃焼により発生した高温の排ガスに対し熱回収及び冷却を行うボイラ内にガス冷却室を内蔵させたガス冷却室内蔵ボイラに関する。

都市ごみや産業廃棄物を燃焼処理する廃棄物処理施設において、燃焼後の高温ガスを冷却しかつ熱回収する目的でボイラが設置される例があり、さらにボイラによって冷却されたガス（２００〜２５０℃）は後段の排ガス処理設備においてさらに冷却され、有害物質が除去され、大気へ排出される（特許文献１参照）。

図４は廃棄物のガス化溶融処理施設における処理プロセスの一例を示す図である。

図４において、ごみを受入貯留するごみピット内のごみ１１はごみクレーン１０によりガス化溶融炉１の上部より投入され、熱分解ガス化された発生ガスは発生ガス管２を経由して燃焼室３にて燃焼される。

燃焼室３で燃焼後の高温ガス（８５０℃〜１０５０℃）は、ボイラ４に導入されて蒸気エネルギーとして回収され、ガスはボイラ蒸発水管４ｃの出口側で３００〜３５０℃程度に冷却される。さらにボイラ熱回収効率を高めるとともに、排ガス温度を下げるためにボイラ給水の予熱用として節炭器４ｂがガス出口側に設置される。この節炭器４ｂを通して通常１１０℃〜１４０℃のボイラ水温度が１５０〜２００℃に高められ、気水胴４ａに給水される。節炭器４ｂを通過後のガス温度は２００〜２５０℃となる。

節炭器４ｂを出た排ガスは、水噴霧式ガス冷却塔５に送られ、水噴霧ノズル５ａからの噴霧水の蒸発冷却により、さらに冷却され、通常１５０℃〜２００℃に冷却される。この場合、節炭器４ｂにて、この温度まで冷却することも考えられるが、節炭器４ｂへの給水温度が前述の如く１１０〜１４０℃あり、温度差が少ないため、実用的な限度をはるかにこえた伝熱面積が必要である。節炭器４ｂの給水温度はボイラ水の脱気処理のためや伝熱管の低温腐食防止のため、少なくとも１１０℃以上の温度が必要とされる。したがって、通常は、節炭器４ｂを出た排ガスは水噴霧式ガス冷却塔５により、さらに冷却することが行われている。

ガス冷却塔５で冷却する目的は、後流のバグフィルタ６のろ布の耐熱性が通常２００℃前後が限界とされることにある。またさらにバグフィルタで排ガス中の塩化水素ガスを除去することが行われており、及び冷却塔５からバグフィルタ６へ通じる配管中に消石灰吹込装置８により吹き込まれた消石灰によりバグフィルタ６のろ布表面で反応し除去される。この除去効率を高めるため、バグに入るガス温度はできる限り低いことが求められる。但しガス冷却室５及びバグフィルタ６等のガスによるケーシングの低温腐食防止のため１５０℃が限度である。バグフィルタ６を出た排ガスは、誘引送風機７を経て煙突より大気へ放出される。
特開２０００−２８８５０６号公報

ボイラから出た排ガスを冷却するガス冷却塔は、以下の課題を有している。

（１）ガス冷却塔は、噴霧水の蒸発熱を利用しているため、噴霧水滴の蒸発時間を確保するのに十分な容積を必要とするので、高さを高くするだけでなく通過断面積を確保する必要がある。このため、ボイラの出口管から、拡大管により径拡大を行って通過断面積を拡大し、通常２〜３ｍ／ｓの平均通過速度としている。

しかしながら、拡大管の影響でガス冷却塔内のガス流は一様な流れでなく、図５に示すように、著しい偏流が発生し、部分的に反転流を形成していることが流体解析及び実機での実測結果より判明した。このガスの乱れが、噴霧水のガス中における不均一を招き排ガス中のダストを湿らせ側壁に付着成長して閉塞の原因となる（特開２００５−２２６８７６号公報参照）。

これを解消するための手段として、図６に示すように、ガス冷却塔５の上部に節炭器４ｂを搭載し、ガス冷却塔５へ流入する排ガスの整流を狙った方式を採用することもある。この場合には、改善傾向は見られるものの、節炭器４ｂは構造上の理由から通常方形のケーシングに納められ、この出口では伝熱管群を通過した均一流となっているが、一方、ガス冷却塔は耐圧設計上円筒形となっているため断面形状が異なっており完全な均一流は得にくいという問題がある。

また、図７に示す例のように、ガス冷却塔５の上部の内部に整流案内羽根を設けた整流器５ｂを搭載した例もある（特許第３１７６８６４号参照）。この例についても図５に比べ改善効果は認められているが、整流化のための特別な装置を設置するためコスト上の問題がある。

（２）一方、ガス冷却塔の別問題として、ケーシングの低温腐食の問題もある。ケーシングは図８に示すように通常鋼板製で、外部を断熱材で保温している。通常、水分２０％の高水分の排ガスの結露が発生した場合、主に排ガス中の塩化水素ガスが溶け込んで高い酸性を示す結露水となり、酸腐食も発生する。このため、鉄皮外面は保温を行っているが、保温のみではガス冷却塔５の排出管へ向かう流れによってガス冷却塔下部は不均一流となり、ガスの滞留によりガスからの加熱がなくなり、ケーシング鉄皮５ｃが低温となり、ガス中の水分が結露し、塔下部の腐食が起こる。このため、ガス冷却塔下部はヒーター５ｄで加熱することが行われている。したがって、そのための熱源（電力や蒸気）が必要となるという問題がある。

そこで、本発明は、以上述べた、ガス冷却塔が有する技術的な課題や設備コスト上の課題、かつ、ガス冷却塔装置のための大きなスペースを必要とするという問題を解決することができる、ボイラ内にガス冷却室を内蔵させたガス冷却室内蔵ボイラを提供するものである。

本発明は、ガス冷却のためのガス冷却塔を単独に設けるのでなく、水冷壁で囲まれたボイラ本体中にガス冷却室を設けることで上記の課題を解決しようとするもので、廃棄物の燃焼により発生した高温の排ガスを熱回収し、冷却を行うボイラにおいて、ボイラ水冷壁で囲まれたボイラ内部に、排ガスの下流側部分にボイラによって熱回収された排ガスを噴射水による蒸発冷却を行うガス冷却室を設け、該冷却室の上流側に排ガスを整流して流入させる伝熱管群を配置したことを特徴とする。また、自然循環型ボイラの場合には同室外周の水冷壁には、ガスからの加熱による循環水流が形成されないため、気水胴から下部管寄せへの給水ライン中に同室外周の水冷壁を経由することで、同壁への循環水流を形成させる構造とした。

（１）ボイラにガス冷却室を内蔵することにより、別置のガス冷却塔が不要となり、省スペース化が図れる。

（２）ボイラに内臓されるガス冷却室は、耐火物を内張したボイラ水冷壁で囲まれているため、別置のガス冷却塔の場合に必要なヒーターや熱源が不要となる。また、ガス冷却室では、上流側にある伝熱管群により整流されたガス流れになっているため整流器等の特別な手段を必要とすることなく均一流が得られる。

（３）ガス冷却室を囲む水冷壁部分で内部隔壁を除く部分におけるボイラ水の滞留による水冷壁の冷却が防止でき、水冷壁の低温腐食やボイラケーシングの熱変形等につながるトラブルが防止できる。

図１（ａ）は本発明の水噴霧式ガス冷却装置を内蔵したボイラの構造例を示す図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ矢視の水平断面図である。

本発明は、図１に示すように、節炭器４ｂの直下にガス冷却室４ｉを設け、ガス冷却室４ｉの上部に噴霧水ノズル４ｊを設け、同室４ｉにて蒸発冷却を行って排出するため、従来の別置のガス冷却室は不要となる。

ガス冷却室４ｉは、水冷壁４ｄで囲まれ、水冷壁４ｄは高温のボイラ水（２２５℃〜２５０℃）が流れているため、低温腐食の問題はない。またガス冷却室４ｉの真上には、ガス冷却室４ｉの全断面をカバーする節炭器４ｂが存在することにより、完全な整流効果が得られ、特別な整流器を必要としない。

図１において、ボイラ入口より入る高温ガス（８５０〜１０５０℃）は、２室に区分けされたボイラに入り、水冷壁４ｄ、内部隔壁４ｌや、蒸発水管４ｃにより冷却され、さらに節炭器４ｂにより冷却されて約２００〜２５０℃の温度となり、節炭器４ｂの直下に設置されたガス冷却室４ｉに導入される。この場合、ガス流は、節炭器４ｂの管壁の整流効果により均一な流れとなって流入する。ガス冷却室４ｉの上部には水噴霧ノズル４ｊが複数設置されており、水噴霧ノズル４ｊの数はガス冷却室４ｉの断面形状や噴霧性能によって決定される。

気水胴４ａから各蒸発管部分給水系については、降水管４ｇを経由して、まず、ガス冷却室４ｉの上部に設けられたガス冷却室上部管寄せ４ｋに流入し、本管寄せ４ｋから水冷壁部分を下降して下部管寄せ４ｈに入る。なお、ガス冷却室上部管寄せ４ｋからは、節炭器部分４ｂ以上の水冷壁の管寄せも兼ねており、この部分ではガスからの加熱により、気水胴４ａへの循環水流が形成されている。

図２は図１（ａ）のａ部を示し、（ａ）は詳細断面図、（ｂ）は（ａ）の水平断面図である。

図２において、水冷壁４ｄからのガスへの熱伝達により、ガス冷却室４ｉでの冷却効果を阻害するのを防止するためにガス冷却室内部には耐火材４ｆを内張している。即ちガス冷却室のガスは水冷壁温度より低いため水冷壁からガスを加熱する作用により冷却効果を減らせることが考えられるため、キャスタブル耐火物４ｆを内張りしている。さらに外面には水冷壁保温材４ｅをボイラ水冷壁全面に設けて放熱の防止を図る構造としている。

図３は本発明におけるボイラ水のフロー図である。

本発明を実施するにあたり、ボイラケーシングの役目をする水冷壁４ｄにおいて、ガス冷却室４ｉの部分では、自然循環ボイラの場合、ガスからの加熱が行われないため、この部分の循環流が形成されず、水が滞留するという問題がある。

図９は従来のガス冷却室４ｉを内蔵しないボイラの循環水フローを示したもので、気水胴４ａから降水管４ｇを経由して下部管寄せ４ｈに給水し、蒸気水管群４ｃや水冷壁４ｄでガスにより加熱され、気液混合状態となったボイラ水の浮力により気水胴４ａに流入し蒸気が取り出される。一方、気水胴４ａへの給水は、ボイラ給水ポンプ９より節炭器４ｂにより予熱され気水胴４ａに流入する。なお、気水胴４ａから取り出された蒸気は飽和蒸気であるため、再びボイラ内に設置した伝熱管（過熱蒸気管）を経由して過熱蒸気として取り出される場合もある。したがって、自然循環ボイラの場合、ガスからの加熱により循環流を形成するもので、本発明のガス冷却室４ｉの周囲の水冷壁４ｄは、ガスからの加熱を受けず、循環流が形成されないため、この部分の水冷壁４ｄの温度が低下し、水冷壁の低温腐食やボイラケージングの熱変形等の問題が予測される。

この問題に対し、本発明では、図３の本発明のボイラ水のフロー図に示すように、ガス冷却室の内部隔壁を除くケージング水冷壁部分４ｄ‘を分割するガス冷却室上部管寄せ４ｋを設ける。気水胴４ａからのボイラ水の降水管４ｇは、ガス冷却室上部管寄せ４ｋに接続し、下部管寄せ４ｈに連絡するように通水経路を形成することにより、ガス冷却室側壁水冷壁のボイラ水の滞留を防止することができる。

なお、ガス冷却室上部管寄せ４ｋからはその上部に配置される節炭管４ｂの水冷壁の給水管としても作用し、この部分ではガスからの加熱作用により、気水胴４ａへの上昇循環流が形成される。

（ａ）本発明の水噴霧式ガス冷却装置を内蔵したボイラの構造例を示す縦断面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ矢視の水平断面図である。 （ａ）は図１（ａ）のａ部の詳細断面図、（ｂ）は（ａ）の水平断面図である。 本発明のボイラ水のフロー図である。 廃棄物のガス化溶融処理施設における処理プロセスの一例を示す図である。 水噴霧式ガス冷却塔の従来例を示す図である。 水噴霧式ガス冷却塔の従来の改善事例を示す図である。 水噴霧式ガス冷却塔の別の従来の改善事例を示す図である。 水噴霧式ガス冷却塔のケーシング腐食防止対策事例を示す図である。 自然循環型ボイラの水の流れを示すフロー図である。

符号の説明

１ 廃棄物ガス化溶融炉
２ 発生ガス管
３ 燃焼炉
４ ボイラ
４ａ ボイラ気水胴
４ｂ 節炭器
４ｃ 蒸発水器
４ｄ 水冷壁
４ｅ 水冷壁保温材
４ｆ キャスタブル耐火物
４ｇ 降水管
４ｈ 下部管寄せ
４ｄ´水噴霧冷却室の水冷壁
４ｉ ガス冷却室
４ｊ 噴霧水ノズル
４ｋ ガス冷却室上部管寄せ
４ｌ 内部隔壁
５ 水噴霧式ガス冷却塔
５ａ 水噴霧ノズル
５ｂ ガス整流器
５ｃ 水噴霧式ガス冷却塔保温材
５ｄ ヒーター
６ バグフィルタ
７ 誘引送風機
８ 消石灰吹込装置
９ ボイラ給水ポンプ
１０ ごみクレーン
１１ ごみ

Claims (3)

1. 廃棄物の燃焼により発生した高温の排ガスを熱回収し、冷却を行うボイラにおいて、
   ボイラ水冷壁で囲まれたボイラ内部に、排ガスの下流側部分にボイラによって熱回収された排ガスを噴射水による蒸発冷却を行うガス冷却室を設け、該冷却室の上流側に排ガスを整流して流入させる伝熱管群を配置したことを特徴とするガス冷却室内蔵ボイラ。
2. ガス冷却室の水冷壁面にキャスタブル耐火物を内張りしたことを特徴とする請求項１記
   載のガス冷却室内蔵ボイラ。
3. 自然循環型のボイラの場合に、気水胴からのボイラ水をガス冷却室の外周の水冷壁部分
   を経由して下部管寄せに流入する通水経路にしたことを特徴とする請求項１又は２記載の
   ガス冷却室内蔵ボイラ。

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