JP5366851B2 - 熱交換装置 - Google Patents
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Description
本発明は、ゴミ焼却炉等の燃焼炉から排出される高温の腐食性排ガスから熱エネルギーを回収し、クリーンな被加熱水蒸気や被加熱空気を作るのに適したシングルエンド型熱交換器を挿入した熱交換装置の改良に関する。
近年の都市ゴミ焼却炉や産業廃棄物焼却炉では、エネルギーの有効利用の観点から焼却時の排ガスのもつ熱エネルギーを回収し、発電、燃焼用空気の予熱、地域冷暖房等に利用している。一方、高温の腐食性成分を含有する排ガスから熱エネルギーを回収するためには、高い熱回収効率で、しかも長寿命である熱交換器によりクリーンな熱を回収することが重要である。
このような熱交換器は、焼却炉または煙道内に水平方向に直接挿入し配設されており、鉛直方向上向きに通流する燃焼排ガスの雰囲気中に先端が封止された伝熱管を有するシングルエンド型熱交換器が一般的に用いられている。（特許文献１参照）
ところで、先端が封止された伝熱管を有するシングルエンド型熱交換器が配設される場合、従来は鉛直方向上向きに通流する排ガスに対し伝熱管は水平方向に延在し配設されているから、排ガス中に含まれる浮遊粉塵、飛灰等が伝熱外管の上面側に堆積しやすい。
そこで伝熱外管の上面側に飛灰等が堆積すると、その部分における伝熱性が阻害され熱効率が低下する。また、伝熱外管の上面側と下面側との周方向において温度差が生じ、その温度差に起因して伝熱外管に熱応力、例えば引張応力が加わることから、伝熱外管が亀裂等の損傷を受け易くなる。
そこで伝熱外管の上面側に飛灰等が堆積すると、その部分における伝熱性が阻害され熱効率が低下する。また、伝熱外管の上面側と下面側との周方向において温度差が生じ、その温度差に起因して伝熱外管に熱応力、例えば引張応力が加わることから、伝熱外管が亀裂等の損傷を受け易くなる。
この問題に対する対処法の一つとして、前記特許文献１では、セラミック製伝熱外管の外表面の排ガスの上流側に断熱性を有するコーティング材を塗布することによって、該伝熱外管の外表面の排ガスの下流側（伝熱管の上面側）に飛灰が堆積して伝熱性が阻害されても、該伝熱外管の上面側と下面側との間といった周方向に生じる温度差を低減することができ、伝熱外管の損傷を緩和できることが提案されている。
しかしながら、この提案の伝熱外管でも伝熱内管より寿命が短く、セラミック製伝熱外管に亀裂が生じると、高温の腐食性ガスが金属製伝熱内管を腐食させ、炉外に漏れたら環境を損なう恐れがあるので、定期的に伝熱外管を交換しなければならない。該伝熱外管の長さは約φ165×φ150×2000mmで重さは約25kgと重く、交換作業が困難であるといった問題があった。
そこで本発明は、セラミック製伝熱外管の熱効率を向上させながら長寿命にし、かつ、交換作業も容易に行えるシングルエンド型熱交換器を挿入した熱交換装置を提供することを目的とする。
本発明は、このようなシングルエンド型熱交換器の課題を解決するためになされたもので、高温ガスに接触する一端封じのセラミック製伝熱外管と該外管の内部に配置され被加熱流体が流通する金属製伝熱内管とを備えるシングルエンド型熱交換器を高温ガスが流通する炉体内の炉壁から炉体内側に向け斜め上方に配設した熱交換装置に特徴を有する。
更に好ましくは、前記炉壁は鉄皮及び内張り耐火物からなり、該炉壁の一部には開口部を設け、金属製フランジによる傾斜面部と少なくとも前記耐火物の開口部上部が傾斜面を有し、前記伝熱内管が炉壁から内部に向けて斜め上方に配設されおり、かつ、一端封じの前記伝熱外管において、一方の他端の開口部にはフランジ部を有し、該フランジ部と前記鉄皮による傾斜面部とを当接させ、更に、前記伝熱外管の外側からセラミック製リングが挿入され前記フランジ部に当接され固定されている構成にしたことを特徴とする。
このような本発明は、先端が封止された金属製伝熱内管と該伝熱内管の外部に装着される一端封じのセラミック製伝熱外管とを炉壁から内部に向けて斜め上方に配設したため、飛灰が堆積し難く伝熱性が阻害されることはない。更に、該伝熱内管が炉壁から内部に向けて斜め上方に配設されているため、該セラミック製伝熱外管をクレーンで煙道の中に入れる際に、斜めに上向いている該伝熱内管に挿入し易く、かつ、好ましくは、該伝熱外管に重りとしてセラミック製リングを挿入するだけで施工が完了できる。なお、内管と外管の角度が２０°以下だと飛灰が堆積し易く、角度が４０°以上だと熱効率が悪くなる。
このような本発明によれば、伝熱内管が斜め上方に配設してあるから、重い伝熱外管を挿入する際の施工性に優れ、かつ、浮遊粉塵や飛灰が伝熱外管に堆積するのを防止でき、その耐用寿命が大幅に改善されるという効果を発揮する。
以下図面に基づき、本発明を更に詳細に説明する。図１は、炉壁に形成された本発明のシングルエンド型熱交換器の一例を示す断面図である。伝熱外管と伝熱内管は長いので省略線で直線部を省略してある。
図１に示すように、廃棄物を処理した燃焼排ガス１０が鉛直方向上向きに通流する煙道の側壁は、鉄皮１を熱から保護するために断熱材の内張り耐火物２で内張りされている。該炉壁の一部には開口部を設け、少なくとも前記耐火物２の開口部上部が傾斜面を有し、前記金属製伝熱内管３の一端には金属製フランジ７が溶接されており、鉄皮１の貫通口に該伝熱内管３を斜め上方になるように挿入し、鉄皮１と該フランジ部７をネジ等で接合（図示を省略）されている。該伝熱内管３には被加熱流体の導入パイプと排出パイプが配設されており、空気または劣化水蒸気等の被加熱流体を通過させることによって、クリーンな高熱を回収できる。なお、伝熱内管はＵ字パイプで被加熱流体を通過させる方式や従来の二重管方式でも良い。
前記セラミック製伝熱外管５を該伝熱内管３に挿入し、燃焼排ガスからの高熱が伝熱外管に伝達し更に伝熱内管に伝達する。なお、該伝熱外管５の開口側にはフランジ６が設けられており、金属製フランジ７に接触させ固定するのに用いられる。該伝熱外管５をクレーンで煙道や排気設備の中に入れ、斜めに上向いている該伝熱内管３に挿入し、該伝熱外管に重りとしてセラミック製リング４を挿入してある。なお、金属製フランジ７の一部にスリットを開口しておけば、そこから該伝熱外管５を回転して堆積した粉塵や飛灰を落下させることができる。一方、伝熱内管３の外表面に突起をスパイラル状に複数設けることによって伝熱外管５と伝熱内管３の間隔が均等に配置される。
このセラミック製伝熱外管５は、高温の腐食性ガスと直接接触するため被加熱物とは化学的に不活性な材料である必要がある。また、熱伝導率及び高温機械強度が高いことが望ましく、このような材料として、ＳｉＣ質焼結体が適しており、焼結助剤としてボロンを添加したＳｉＣ焼結体が特に好ましい材料である。
従来の如く水平に配置されている伝熱外管は、排ガス中に含まれる飛灰等が伝熱外管の上面側に堆積し易いのに比べ、本発明で用いる伝熱外管５は、斜めに上向いているので、飛灰等が断熱材の内張り耐火物２側に滑りながら堆積することとなり、熱交換の行われる伝熱外管５の上面と下面は、常時均等な熱分配となり、セラミック製伝熱外管５は従来よりも長寿命となる。
具体例として劣化水蒸気の再生について説明する。焼結助剤としてＢを５％以下含有するＳｉＣ質焼結体で作成した一端封じの伝熱外管と先端が封止された金属製伝熱内管とは、炉壁から３０°の角度で斜め上方に配設してある。８００〜１０００℃の燃焼排ガスに曝された伝熱外管は熱伝導率が高いため効率的に内側面に伝導伝熱し、内側面からの輻射熱によって伝熱内管を加熱し、内管の導入口から３００℃以下に劣化された水蒸気が供給され、内管の排出口からは４００℃以上の再生水蒸気を得ることができた。なお、金属製伝熱内管は、１０気圧以上の高圧空気や水蒸気の流れに耐える耐圧構造の配管にしてある。
１ 鉄皮
２ 内張り耐火物
３ 金属製伝熱内管
５ セラミック製伝熱外管
２ 内張り耐火物
３ 金属製伝熱内管
５ セラミック製伝熱外管
Claims (3)
- 高温ガスに接触する一端封じのセラミック製伝熱外管と該外管の内部に配置され被加熱流体が流通する金属製伝熱内管とを備えるシングルエンド型熱交換器を高温ガスが流通する炉体内に挿入した熱交換装置において、前記熱交換器を該炉体の炉壁から炉体内側に向け斜め上方に配設したことを特徴とする熱交換装置。
- 前記熱交換器は、炉壁から炉体内側に向けて２０°〜４０°の角度で斜め上方に配設したことを特徴とする請求項１に記載された熱交換装置。
- 前記炉壁は、鉄皮及び内張り耐火物からなり、該炉壁の一部には開口部を設け、金属製フランジによる傾斜面部と少なくとも前記耐火物の開口部上部が傾斜面を有し、前記伝熱内管が炉壁から内部に向けて斜め上方に配設されおり、かつ、一端封じの前記伝熱外管において、一方の他端の開口部にはフランジ部を有し、該フランジ部と前記鉄皮による傾斜面部とを当接させ、更に、前記伝熱外管の外側からセラミック製リングが挿入され前記フランジ部に当接され固定したことを特徴とする請求項１又は２に記載された熱交換装置。
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