JP5010635B2

JP5010635B2 - 熱交換器

Info

Publication number: JP5010635B2
Application number: JP2009065610A
Authority: JP
Inventors: 晴治香川; 盛紀村上; 祐一郎里; 直行神山; 剛之宮地
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 2009-03-18
Filing date: 2009-03-18
Publication date: 2012-08-29
Anticipated expiration: 2029-03-18
Also published as: WO2010106699A1; JP2010216749A; US20110139426A1; EP2410241A1; US9400102B2; TW201035494A; KR101277001B1; TWI372843B; EP2410241A4; KR20110043698A

Description

本発明は、熱回収器等の熱交換器において、熱交換器内を流れるガス流を均一にする熱交換器に関する。

従来、燃焼排ガスの通路中にベンド部を形成してジグザグ状に配置された伝熱管において、偏流が発生する炉壁近傍のベンド部の摩耗が大きいため、隣り合うベンド部どうしの間に、炉壁にバッフルプレートを配置して偏流を防止したものが開示されている（例えば、特許文献１。）。

また、火炉の後側に副側壁を介して接続され且つ内部に複数のループ管からなる再熱器及び過熱器が配置される後部伝熱部を備えた石炭焚ボイラの後部伝熱部のループ管摩耗防止装置であって、後部伝熱部を構成する伝熱管壁における再熱器及び過熱器のループ管の折曲がり端部の上側位置に、略水平方向に所要幅を有して流路内に張り出すエロージョンバッフルを取り付け、該エロージョンバッフルの全面に石炭灰流通孔を穿設したものが開示されている（例えば、特許文献２。）。

また、ボイラ側壁の熱交換チューブの上部に偏流防止板を設けたものが開示されている（例えば、特許文献３。）。

また、石炭焚ボイラの横置型熱交換器に関し、石炭灰による伝熱管チューブの摩耗、損傷を防止すべく、横置エレメントは上から２段目がベアチューブ、３段目以下がスパイラルフィンチューブからなり、その端部と側壁管との間のスペースにはガスが多く流入し、この近辺のチューブが損傷するので偏流防止板を設けたものが開示されている（例えば、特許文献４。）。

また、ガスタービンの排ガス等より熱を回収する排熱回収装置に関し、前面、後面及び側面ダクトケーシングにより４面が形成され内部を排ガスが通過するダクトと、ダクト内に設けられ排ガスの流れ方向と直交するように配設され側面ダクトケーシングとその管軸長手方向が平行な複数本のフィン付伝熱管により形成されたフィン付伝熱管群を備えた排熱回収装置において、フィン付伝熱管群の排ガス上流側と後流側の両側面ダクトケーシングの内面にそれぞれ固定され上記管軸長手方向に沿ったフィン付伝熱管群の端部を覆うように形成されたバッフルを備えたものが開示されている（例えば、特許文献５。）。

このように、従来から、熱交換器（伝熱管、再熱器、加熱器、熱交換チューブ、伝熱管チューブ、或いは排熱回収装置）において、熱交換器内を流れるガス流を均一にすべく、各種の整流板（バッフルプレート、エロージョンバッフル、偏流防止板、或いはバッフル）が提案されている。
しかしながら、特許文献１〜５に記載のものは、いずれも熱交換器の近傍にしか整流板が設けられておらず、十分な整流（偏流の軽減）効果が得られないという問題がある。

実開昭６０−１２８０１７公報（実願昭５９−１２６７１号）特開平１１−１１０００７号公報特開平１１−７２２０２号公報特開平１１−１１８１０１号公報特開平９−１３７９０６号公報

本発明は上記のような問題点を解消するためになされたもので、大幅に偏流を軽減することができる熱交換器を提供することを目的とする。

上記の問題点に対し本発明は、以下の各手段を以って課題の解決を図る。

第１の手段の熱交換器は、
ダクト拡張部と伝熱管バンドル収納ダクトと前記伝熱管バンドル収納ダクト内に排ガスに流れ方向に間隔を明けて複数段設けられた伝熱管バンドルとを有する熱交換器において、前記各伝熱管バンドルのベアチューブ部の上流側及び後流側に各々設けられた着脱可能であるベアチューブ部上流側整流板及びベアチューブ部後流側整流板と、
前記ダクト拡張部内に設けられた複数段の導入部整流板と、
を備え、
複数段の前記導入部整流板は、上流側の前記導入部整流板の開口の上下左右方向の位置と下流側の前記導入部整流板の開口の上下左右方向の位置とが一致しないように、各導入部整流板を構成することを特徴とする。

第２の手段の熱交換器は、第１の手段において、
前記各ベアチューブ部上流側整流板又は前記各ベアチューブ部後流側整流板は、平板であることを特徴とする。

第３の手段の熱交換器は、第１の手段において、
前記各ベアチューブ部上流側整流板は、多数の孔を有するものであることを特徴とする。

第４の手段の熱交換器は、第３の手段において、
前記各ベアチューブ部上流側整流板の多数の孔の開口率は、２０〜５０％であることを特徴とする。

第５の手段の熱交換器は、第３又は４の手段において、
前記各ベアチューブ部上流側整流板と前記各伝熱管バンドルの最も上流側の熱媒体チューブとの間の距離は、前記孔の直径Ｄの１０倍以上であることを特徴とする。

第６の手段の熱交換器は、第１の手段において、
前記各導入部整流板には、圧損係数が１〜３の範囲内となるように複数の開口が形成されていることを特徴とする。

第７の手段の熱交換器は、第１の手段において、
前記複数段の導入部整流板は、帯状の平板を井桁状に組み合わせたものであることを特徴とする。

第８の手段の熱交換器は、第１乃至７のいずれかの手段において、
後流側の前記各導入部整流板に形成された複数の開口は、その総面積が上流側の前記導入部整流板に形成された複数の開口の総面積と同等もしくはより大きくなるように形成されていることを特徴とする。

特許請求の範囲に記載の各請求項に係る発明は、上記の各手段を採用しており、熱交換器に流入する排ガスは、ダクト拡張部内及び又は前記伝熱管バンドルより上流側の前記伝熱管バンドル収納ダクト内に設けられた複数段の導入部整流板により、その流れが整流され、整流された排ガスが各伝熱管バンドルに流れ込むので、各伝熱管バンドルのベアチューブ部の上流側及び後流側に各々設けられたベアチューブ部上流側整流板及びベアチューブ部後流側整流板により偏流を大幅に抑制することができる。

本発明の実施の形態に係る熱交換器を採用した火力プラントの全体構成図である。図１における熱交換器の拡大平面図である。図２における導入部整流板の構成図であり、（ａ）は側面図、（ｂ）は正面図である。図２におけるフィンチューブ部のベアチューブ部近傍の拡大図である。

＜＜火力プラントの概要＞＞
先ず、図１に基づき、本発明の実施の形態に係る熱交換器を採用した火力プラントの全体の構成につき説明する。
なお、ボイラ１の燃料としては石炭、石油等が使用されており、ボイラ１からの排ガス中には、窒素酸化物（ＮＯ_Ｘ）、硫黄酸化物（ＳＯ_Ｘ）、ダスト等の大気汚染物質が含まれている。

図１に図示のように、ボイラ１から排出された燃焼排ガスは、触媒が充填された脱硝装置２に導入される。
脱硝装置２において、還元剤として注入されるアンモニア（ＮＨ_３）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。
脱硝装置２から排出された高温の排ガスの温度は、エアヒータ（Ａ／Ｈ）を経由し、一般的に１２０〜１５０℃となっている。

この高温の排ガスは、熱交換器としての熱回収装置３に導入され、熱媒体（水等）と熱交換を行うことにより、熱回収される。
熱回収装置３から排出された排ガス温度は、８０〜１１０℃となる。
なお、熱回収装置３において加熱された熱媒体は、熱媒体循環配管８を介して、後述する再加熱装置６に送付される。
この熱回収装置３の側部には、スーツブロア装置９が設けられている。

熱回収装置３から排出された低温の排ガスは、合流し電気集塵装置４に導入されて、低温の排ガスからダストが除去される。
ダストが除去された排ガスは、電動機により駆動される送風機（ＩＤファン）１０により加圧される。
なお、送風機１０は設けられないこともある。

その後、脱硫装置５に導入される。
脱硫装置５において、石灰石により、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。
このとき、脱硫装置５から排出される排ガスは、一般的に４５〜５５℃に低下している。
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。
そこで、この排ガスを、再加熱装置６に導入し、熱回収装置３から熱媒体循環配管８を介して送られてきた熱媒体により所定温度以上に加熱して、煙突７から排出している。

なお、図１にはボイラ１の例が示されているが、これに限定されるものではなく、内燃機関、ガスタービン、焼却炉等の各種の排ガス発生源が採用可能である。
また、火力プラントとしては、火力発電プラント、ゴミ等焼却プラントが採用可能である。

＜＜熱交換器の構成＞＞
次に、図２に基づき、熱交換器としての熱回収装置３の詳細につき説明する。
なお、熱交換器としては、図２に図示の熱回収装置３以外に、伝熱管、再熱器、過熱器、熱交換チューブ、伝熱管チューブ等がある。
図２に図示のように、脱硝装置２の後流側の排ガスダクト２０には、断面が四角のダクト状の熱回収装置３が接続されている、
図１に図示の脱硝装置２から排出された排ガスは、熱回収装置３に導入されるようになっている。

熱回収装置３は、排ガスダクト２０の後流側に接続されたダクト拡張部２１と、ダクト拡張部２１の後流側に接続された伝熱管バンドル収納ダクト２２とにより構成されている。

そして、ダクト拡張部２１内及び又は伝熱管バンドル収納ダクト２２内には、以下のごとく、複数枚の整流板２３〜２７が取り付けられている。

＜ダクト内の整流板＞
図２に図示のように、ダクト拡張部２１内には、３枚の導入部整流板（多孔板）２３、２４、２５が取り付けられている。
なお、３枚の導入部整流板（多孔板）２３、２４、２５の内の一枚或いは全部を、伝熱管バンドル収納ダクト２２内（フィンチューブ部１５より上流側）に取り付けても良い。
各導入部整流板２３、２４、２５は、図３（ａ）の側面図、図３（ｂ）の正面図に図示のように、複数本の帯状の横平板Ｐｘと複数本の帯状の縦平板Ｐｙとを縦横に井桁状に組み合わせて構成されている。
この場合、各導入部整流板２３、２４、２５の開口は、３枚の合計圧損係数（導入部整流板２３・・・が２枚しかない場合は２枚の合計圧損係数）が１〜３の範囲内、好ましくは２となるようにする。

そして、排ガスダクト２０の断面積をＳｏ、１段目の導入部整流板２３の多数（複数）の開口の総断面積をＳ１、２段目の導入部整流板２４の多数（複数）の開口の総断面積をＳ２、３段目の導入部整流板２５の多数（複数）の開口の総断面積をＳ３、伝熱管バンドル収納ダクト２２の断面積Ｓｄとすると、
Ｓ１＜Ｓ２＜Ｓ３＜Ｓｄ、
となるように、各導入部整流板２３、２４、２５に、多数（複数）の開口が形成されている。

なお、少なくとも３段目（最も後流側）の導入部整流板２５の開口の総断面積Ｓ３は、排ガスダクト２０の断面積Ｓｏより大きくなるようにする。
このように、各導入部整流板２３、２４、２５を、多数（複数）の開口の総断面積が後流に行くに従って次第に大きくなるように構成することにより、熱回収装置３ａ、３ｂの入口付近のアッシュエロージョンを防止することができる。

例えば、断面積Ｓｏ＜総断面積Ｓ１＜総断面積Ｓ２＜総断面積Ｓ３＜断面積Ｓｄ、
或いは、総断面積Ｓ１＜断面積Ｓｏ＜総断面積Ｓ２＜総断面積Ｓ３＜断面積Ｓｄ、
又は、総断面積Ｓ１＜総断面積Ｓ２＜断面積Ｓｏ＜総断面積Ｓ３＜断面積Ｓｄ、
となるようにする。

この場合、図３に図示の井桁の形状のものでは、横平板Ｐｘ及び縦平板Ｐｙの本数を同じにして、各横平板Ｐｘ及び又は縦平板Ｐｙの取り付け間隔を、後流側の導入部整流板２３、２４、２５に行くに従って同等もしくは広くすることにより、多数（複数）の開口の総断面積Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３が後流に行くに従って次第に大きくなるように構成しても良い。
或いは、多数（複数）の開口の大きさは同じにして、横平板Ｐｘ及び縦平板Ｐｙの本数を後流側の導入部整流板２３、２４、２５に行くに従って増加さるように構成しても良い。

また、導入部整流板は、２枚或いは４枚以上（複数枚）としても良い。
また、各導入部整流板２３、２４、２５の形状としては、図３に図示のものに限定されるものではなく、平板に多数の円状の孔を開けた形状のものでも良い。
また、最も後流側の導入部整流板２５は、伝熱管バンドル収納ダクト２２内に取り付けても良い。

また、１段目の導入部整流板２３の開口の上下左右方向の位置と２段目の導入部整流板２４の開口の上下左右方向の位置、或いは、２段目の導入部整流板２４の開口の上下左右方向の位置と３段目の導入部整流板２５の開口の上下左右方向の位置とが一致しないように、各導入部整流板２３、２４、２５を構成することにより、排ガスの流れをより均一化することができる。
例えば、図３に図示の構造のものでは、後流側の横平板Ｐｘと縦平板Ｐｙとが交差する箇所の上下左右方向の位置が、その上流側の開口Ｓｉの上下左右方向の位置に位置するようにする。

＜伝熱管バンドル収納ダクト内の整流板＞
図２に図示のように、熱回収装置３の伝熱管バンドル収納ダクト２２内には、排ガスの流れ方向に高温伝熱管バンドル１１、中温伝熱管バンドル１２、及び低温伝熱管バンドル１３からなる３段（複数段）の伝熱管バンドルが、間隔を明けて取り付けられている。
伝熱管バンドル１１〜１３は、各々、複数列、多数段のフィンチューブ部（伝熱部）１５と、隣接するフィンチューブ部（伝熱部）１５の端部を接続するベアチューブ部（Ｕ字管部）１８とにより構成されている。
各伝熱管バンドル１１〜１３の上流端及び後流端は、熱回収装置３の壁面に取り付けられたヘッダ１４に接続されている。

各ヘッダ１４には、図１に図示の熱媒体循環配管８が接続されている。
そして、各フィンチューブ部１５の両端のベアチューブ部１８の上流側及び後流側には、ベアチューブ部１８を覆うように、ベアチューブ部上流側整流板２６及びベアチューブ部後流側整流板２７が取り付けられている。

次に、図４に基づき、フィンチューブ部１５の両端部に取り付けられたベアチューブ部上流側整流板２６及びベアチューブ部後流側整流板２７の詳細な構造につき説明する。
フィンチューブ部１５は、複数条の直管の熱媒体チューブ１６と、各熱媒体チューブ１６の外周面に取り付けられた螺旋状の伝熱フィン１７と、隣接する熱媒体チューブ１６の端部同士を接続するベアチューブ部１８とから構成されている。

このベアチューブ部１８には伝熱フィン１７が取付けられておらず、しかも、ベアチューブ部１８は伝熱管バンドル収納ダクト２２内に納まる構造となっているため、ベアチューブ部１８ではガスショートパスを生じる可能性がある。
そこで、ガスショートパスを防止すべく、ベアチューブ部１８の上流側及び後流側の伝熱管バンドル収納ダクト２２内の側壁に、ベアチューブ部上流側整流板２６及びベアチューブ部後流側整流板２７が取り付けられている。

このベアチューブ部上流側整流板２６には、直径Ｄの多数の孔が明けられている。
この多数の孔による開口率は、２０〜５０％とする。
また、熱媒体チューブ１６（ベアチューブ部１８の上流端）とベアチューブ部上流側整流板２６との距離Ｌが、孔の直径Ｄの１０倍以上となる位置に、熱媒体チューブ１６を配置する。
なお、距離Ｌ／孔の直径Ｄの比の上限は、隣接するフィンチューブ部１５、１５間の距離、伝熱管バンドル収納ダクト２２の大きさ等により必然的に決定される。
一方、ベアチューブ部後流側整流板２７は、ソリッドのものを配置する。

このような構造とすることにより、熱媒体チューブ１６の部分における排ガスの流れの圧損と、ベアチューブ部１８部分における排ガスの流れの圧損を、ほぼ同じにすることができるため、排ガスを整流（偏流の軽減）することができる。

なお、ベアチューブ部上流側整流板２６及びベアチューブ部後流側整流板２７の双方共、ソリッドのものにしても良く、或いは、双方共に多数の孔を明けたものとしても良い。
また、ベアチューブ部上流側整流板２６及びベアチューブ部後流側整流板２７は、メインテナンスを考慮して、着脱可能なものとする。

＜＜その他の実施の形態＞＞
以上、本発明の各実施の形態について説明したが、本発明は上記の各実施の形態に限定されず、本発明の範囲内で種々の変更を加えてよいことは言うまでもない。

１ボイラ
２脱硝装置
３熱回収装置（熱交換器）
４電気集塵装置
５脱硫装置
６再加熱装置
７煙突
８熱媒体循環配管
９スーツブロア装置
１０送風機
１１高温伝熱管バンドル
１２中温伝熱管バンドル
１３低温伝熱管バンドル
１４ヘッダ
１５フィンチューブ部（伝熱部）
１６熱媒体チューブ
１７伝熱フィン
１８ベアチューブ部（Ｕ字管部）
２０排ガスダクト
２１ダクト拡張部
２２伝熱管バンドル収納ダクト
２３１段目の導入部整流板
２４２段目の導入部整流板
２５３段目の導入部整流板
２６ベアチューブ部上流側整流板
２７ベアチューブ部後流側整流板
Ｓｏ排ガスダクト断面積
Ｓ１１段目の導入部整流板の開口の総断面積
Ｓ２２段目の導入部整流板の開口の総断面積
Ｓ３３段目の導入部整流板の開口の総断面積
Ｓｄ伝熱管バンドル収納ダクト断面積
Ｓｉ導入部整流板の各開口
Ｄ孔の直径
Ｌ距離
Ｐｘ横平板
Ｐｙ縦平板

Claims

ダクト拡張部と伝熱管バンドル収納ダクトと前記伝熱管バンドル収納ダクト内に排ガスに流れ方向に間隔を明けて複数段設けられた伝熱管バンドルとを有する熱交換器において、前記各伝熱管バンドルのベアチューブ部の上流側及び後流側に各々設けられた着脱可能であるベアチューブ部上流側整流板及びベアチューブ部後流側整流板と、
前記ダクト拡張部内に設けられた複数段の導入部整流板と、
を備え、
複数段の前記導入部整流板は、上流側の前記導入部整流板の開口の上下左右方向の位置と下流側の前記導入部整流板の開口の上下左右方向の位置とが一致しないように、各導入部整流板を構成することを特徴とする熱交換器。
前記各ベアチューブ部上流側整流板又は前記各ベアチューブ部後流側整流板は、平板であることを特徴とする請求項１に記載の熱交換器。
前記各ベアチューブ部上流側整流板は、多数の孔を有するものであることを特徴とする請求項１に記載の熱交換器。
前記各ベアチューブ部上流側整流板の多数の孔の開口率は、２０〜５０％であることを特徴とする請求項３に記載の熱交換器。
前記各ベアチューブ部上流側整流板と前記各伝熱管バンドルの最も上流側の熱媒体チューブとの間の距離は、前記孔の直径Ｄの１０倍以上であることを特徴とする請求項３又は４に記載の熱交換器。
前記各導入部整流板には、圧損係数が１〜３の範囲内となるように複数の開口が形成されていることを特徴とする請求項１に記載の熱交換器。
前記複数段の導入部整流板は、帯状の平板を井桁状に組み合わせたものであることを特徴とする請求項１に記載の熱交換器。
後流側の前記各導入部整流板に形成された複数の開口は、その総面積が上流側の前記導入部整流板に明けられた複数の開口の総面積と同等もしくはより大きくなるように形成されていることを特徴とする請求項１乃至７のいずれかに記載の熱交換器。