JP5441767B2 - 一体型の、分離流れ型の水コイル式エアヒーター及びエコノマイザ（ｉｗｅ） - Google Patents

Description

本出願は、ここに引用することによりその全てを本明細書の一部とする、２００９年３月１０日付で提出された、“ＩＷＥ”と題する米国仮特許出願第６１／１５８，７７４号の利益を主張するものである。
本発明は、一般にボイラ及び蒸気発生器に関し、詳しくは燃焼空気加熱用のエアヒーターに関する。

チューブ状のエアヒーターは空気加熱機構のメインヒーターであり、一般に、代替ヒーターとして水コイル式エアヒーター（ＷＣＡＨ）が使用される。現在、チューブ状のエアヒーターまたはＷＣＡＨは燃焼空気を所定運転温度に加熱するために使われている。ＷＣＡＨを熱源として使用する場合、ボイラ給水の全流れを伝熱媒体として用いる。空気が加熱されるに従い、給水温度は低下する。給水はＷＣＡＨからエコノマイザに送られ、ボイラの煙道ガス温度を低下させるために使用される。あるケースでは、チューブ状のエアヒーター（ＴＡＨ）とＷＣＡＨとを組み併せて使用することで排出ガスの最終出口温度を低下させる。煙道ガス温度が低い程、ＴＡＨ及びＷＣＡＨは大型化する。エアヒーターは、ガス温度が約１６２．８℃（３２５°Ｆ）以下になると実質的に大型化する。最新テクノロジーには給水温度、煙道ガス温度、要求燃焼空気温度、による限界がある。

米国特許第３，８１８，８７２号には、流入する給水流れの幾分かをエコノマイザの周囲にバイパスさせることで、再循環ループを持つ直管貫流式蒸気発生器の炉壁を低負荷時に保護する構成が記載される。

米国特許第４，１６０，００９号には、触媒利用型の脱硝装置を内蔵したボイラ装置が記載される。脱硝装置は触媒の最適反応温度領域に配置される。最適反応温度領域内の燃焼ガス温度をコントロールするために、当該領域は制御弁を介して高温ガス源または低温ガス源と連通するようにしている。

米国特許第５，５５５，８４９号には、窒素酸化物放出量を触媒で低下させるガス温度制御システムが記載される。当該システムでは、給水流れの幾分かを、触媒リアクタに対する所望の煙道ガス温度を維持するバイパスラインに供給してシステムのエコノマイザをバイパスさせ、かくして低負荷運転中の煙道ガス温度をＮＯｘ触媒リアクタでの必要温度までに維持している。

ここに引用することによりその全てを本明細書の一部とする米国特許出願公開第２００７／０２６１６４６及び同第２００７／０２６１６４７には、あるボイラ負荷範囲におけるエコノマイザ出口ガス温度を維持する、ＳＣＲ（選択触媒還元）温度制御用の多重パス型エコノマイザ及び方法が記載され、煙道ガスと接触する表面を有する複数のチューブ状構造を含んでいる。各チューブ状構造はエコノマイザ内で水平または垂直方向に前後して配列した複数の蛇行管またはストリンガを含み得、各チューブ状構造は別個の給水入口を有する。
最新テクノロジーでは煙道ガスは、約１４８．９℃（３００°Ｆ）を十分に上回る温度下にボイラシステムの煙道位置またはその付近に供給される。当該煙道ガスの出口温度を経済的に低下させ得るシステムは有益であると考えられる。

米国仮特許出願第６１／１５８７７４号明細書 米国特許第３８１８８７２号明細書 米国特許第４１６０００９号明細書 米国特許第５５５５８４９号明細書 米国特許出願公開第２００７／０２６１６４６号明細書 米国特許出願公開第２００７／０２６１６４７号明細書

最終出口ガス温度を、最新技法を使用して経済的に可能とされるそれよりもずっと低温化させることである。本発明によれば、給水と煙道ガスとの間の駆動力が増大される。増大された当該駆動力により、水と煙道ガスとの間の伝熱性が改善される結果、伝熱領域は伝統的手段を使用する場合に必要とされるそれよりも遙かに小さくなる。
エコノマイザ以内の駆動力を増大させるため、水と煙道ガスとの間の対数平均温度差（ＬＭＴＤ）が、最新技術を使用して可能とされるそれ以上に高められる。最新技法を使用した場合は、ある条件下では伝熱を生じさせ得るに十分にＬＭＴＤを高め得ない。本発明は、エコノマイザを貫流する水の一部のみにおけるＬＭＴＤを高め、他方、エコノマイザの残余の貫流水に生じる伝熱を最小化することで当該問題を解決する。

本発明によれば、一体型の、水コイル式エアヒーター（ＷＣＡＨ）及びエコノマイザ（以下、併せてＩＷＥと称する）が、ＷＣＡＨ及びエコノマイザ内の多重水路を提供する。給水は単一または多重流れとしてその全てがＩＷＥに流入する。給水は、ＷＣＡＨの外側で、またはＩＷＥのＷＣＡＨセクション内で一度、２つ以上の流れ（分離流れ型ＷＣＡＨ）に分割される。流れは所望の運転条件に基づき各分離流れ間で偏倚される。

最終出口ガス温度を、最新技法を使用して経済的に可能とされるそれよりもずっと低温化させる一体型の、分流水コイル式エアヒーター及びエコノマイザ（ＩＷＥ）が提供される。

図１は、本発明のＩＷＥの１実施例の概略ダイヤグラム図である。 図２は、本発明のＩＷＥの他の実施例の概略ダイヤグラム図である。 図３は、本発明のＩＷＥの、多重分離型のエコノマイザバンクを有する更に他の実施例の概略ダイヤグラム図である。 図４は、本発明のＩＷＥの更に他の実施例の概略ダイヤグラム図である。 図５は、図１に従う本発明のＩＷＥを収納するボイラの炉セクションの概略ダイヤグラム図である。 図６は、図５と類似の、しかし本発明の更に他の実施例におけるＩＷＥを収納するボイラの炉セクションの概略ダイヤグラム図である。 図７は、図５と類似の、しかし本発明の更に他の実施例におけるＩＷＥを収納するボイラの炉セクションの概略ダイヤグラム図である。

同じ番号は同じまたは機能的に類似する各要素を示す図面を参照するに、図１には、併せて本発明のＩＷＥ１０を構成するところの、一体型の、水コイル式エアヒーターまたはＷＣＡＨ１２及びエコノマイザまたはＥＣＯＮ１４が示される。ＩＷＥは、米国特許出願公開第２００７／０２６１６４６及び同第２００７／０２６１６４７に記載する形式の、ＩＷＥ１０のエコノマイザ１４を出る水を受ける多重パス型エコノマイザ１６と共に使用することも可能である。

[装置の説明]
給水２０の入口位置での給水の流入全量は導管及び１つ以上の弁の如き分割手段により、高温且つ低質量の第１流れ部分２２と、第１流れ部分よりも高温且つ高質量の第２流れ部分２４とに分割される。第１流れ部分２２は、ＷＣＡＨ１２の伝熱面の主要部分を含むところの、ＷＣＡＨ１２内の少なくとも１つの伝熱ループを通して送られ、水とエコノマイザガスとの間のＬＭＴＤを高める。ＬＭＴＤは、ＷＣＡＨ１２を通過する空気を水流れ全体の一部のみを使用して加熱することで高められる。かくしてエコノマイザ１４に入る水温はずっと低くなる。第２流れ部分２４は、最小伝熱面を有し且つ水の大半を移動させる導管に沿って移動する。第１及び第２の各流れ部分２２及び２４は共に、構造簡略化のためにエコノマイザ１４を通して送られ、流れを偏倚させ得る幾分かの伝熱効果を生じさせ、かくして、各流れの再合流時の熱衝撃が良好にコントロールされ、最小化される。各流れ部分の流量は弁２６の設定位置で決まる。

各流れ部分の水はＷＣＡＨ１２全体を通して分離状態に維持され、２つの別個の流れ（分離流れ）としてエコノマイザ１４に入る。水は、低温（第２流れ部分よりも（以下同））且つ（第２流れ部分よりも（以下同））低質量の第１流れ部分２２及び（第１流れ部分よりも（以下同））高温且つ（第１流れ部分よりも（以下同））高質量の第２流れ部分２４としてＩＷＥ１０のエコノマイザに入る。各流れ部分はエコノマイザ１４全体を通して分離状態に維持される（分離流れ）。低温低質量の第１流れ部分２２は煙道ガスと共に主たる伝熱媒体として使用される。第１流れ部分２２はＷＣＡＨ１２及びＥＣＯＮ１４双方の伝熱面の大半を通して移動する。高温且つ高質量の第２流れ部分２４の伝熱面通過量は最小であり、煙道ガスとの伝熱量が少ない。

第１及び第２の各流れ部分２２及び２４は、エコノマイザ１４を完全またはその大半を通過した後、ＩＷＥ１０の混合セクション２８で合流される。混合セクションはエコノマイザ１４の内側かまたは外側であるがしかし、少なくともエコノマイザ１４の下流側端部付近に位置付けられる。合流流れはＩＷＥを出ると、爾後の伝熱作用のために番号３０の位置でボイラ（図示せず）の流れドラムを貫いて、またはエコノマイザ１４の出口３６から非分離流れ型エコノマイザまたは多重パス型エコノマイザ１６を通して送られる。
第１及び第２の流れ部分２２及び２４の各上流側端部及び弁２６とを囲む点線３２で示すように、給水は水コイルエアヒーター包囲体またはＷＣＡＨ１２内で生じ得る。

図２にはＩＷＥの他の実施例が示され、第１及び第２の各分離流れ２２及び２４と、弁２６と、混合セクション２８とは、その全てがＷＣＡＨ１２よりも上流側に、または点線３４で示すように何れもＷＣＡＨ１２よりも上流側で且つエコノマイザ１４の内側に配置され得る。
図４にはＩＷＥの更に他の実施例が示され、低温且つ低質量の第１流れ部分２２が先ず、ＷＣＡＨ１２における、燃焼空気を上方に供給する熱交換ループ２２ａに通されて冷却される。第１流れ部分２２は次いでエコノマイザ１４の第２熱交換ループ２２ｂに入り、エコノマイザ内を下方に通過する沿道ガスにより加熱された後、ＷＣＡＨ１２に戻されて第３熱交換ループ２２ｃに入り、空気に伝熱して略空気温度となり、第４熱交換ループ２２ｄを通過して煙道ガスにより再加熱された後、混合セクション２８で高温且つ高質量の第２流れ部分２４と合流される。
図４では、上流側での給水２０の第１及び第２の各分離流れ２２及び２４への分割位置及び弁２６はＷＣＡＨ１２の外側に示したが、ＷＣＡＨ１２の内側としても良い。

図３は本発明の他の実施例のブロックダイヤグラム図であり、流量及び温度の各例示数値のみならず、本発明における窒素酸化物の選択触媒還元ユニットまたはＳＣＲ４０の組み合わせ状況が例示される。本発明のＩＷＥのエコノマイザ１４は、４バンク型エコノマイザであり得るが、ＳＣＲ４０よりも下流側に配置され、ＷＣＡＨ１２から低温且つ低質量の流れ２２ｅを受ける。あるいは、ＷＣＡＨ１２からの低温且つ低質量の流れ２２ｆの一部または全てが、３バンク型の第２エコノマイザ４２に送られる。第２エコノマイザ４２は、エコノマイザ１４を出る流れ２２ｅと混合セクション２８位置で合流した高温且つ高質量の第２流れ部分２４の全てをも受ける。弁２６、４６及び４８は、第１及び第２の各流れ部分２２及び２４及びこれら流れのエコノマイザ１４及び４２への配分量を制御するように設定する。給水の幾分かは番号５０の位置でも捕捉され得、減温器（図示せず）に送られる。第２エコノマイザ４２からの合流された給水は、番号３６の位置の蒸気ドラムに送られるに先立ち、ＳＣＲより、上流側の１バンク型のエコノマイザ４４に送られる。

図３には、約３４３．３℃（６５０°Ｆ）の温度下に先ずエコノマイザ４４に流入し、ＳＣＲ４０を通過してエコノマイザ４２に入り、約４０３．４トン／時（８８９，３００ｌｂ／時）の流量及び約２５６．７℃（４９４°Ｆ）の温度下にＩＷＥのエコノマイザ１４に入り、最後に、受け入れ可能な煙道ガス温度である約１４８．９℃（３００°Ｆ）の温度下にその全てが排出される向流煙道ガス流れも例示される。約２８０トン／時（６１７，３１５ｌｂ／時）の流量及び約２７．２℃（８１°Ｆ）の温度下にＷＣＡＨ１２に入る燃焼空気が約２１４．４℃（４１８°Ｆ）に加熱され排出される。先に銘記したように、給水流れの温度及び流量は図３に示されている。

図５、６、７にはボイラの炉セクションにおける本発明のＩＷＥの実施例が例示され、本発明の例示的運転条件も示される。
図５ではＷＣＡＨ１２及びＥＣＯＮ１４を備えるＩＷＥ１０が、弁２６により分割された、給水入口からの給水２０の第１及び第２の各流れ部分２２及び２４を受け、各流れ部分は番号２８に示す位置で合流及び混合された後に第２エコノマイザ５２に送られ、当該第２エコノマイザで、炉の上方セクション位置の煙道ガス入口６４からの煙道ガスの約３４３．３℃（６５０°Ｆ）の熱により追加的に加熱される。給水の合流流れは第３エコノマイザ５４及び第４エコノマイザ５６に連続的に送られた後、番号３６の位置で約２８５℃（５４５°Ｆ）の温度下に放出され、ボイラの他のセクションに戻される。
今や約１４８．９℃（３００°Ｆ）に冷却された煙道ガスは出口６６位置で炉の煙道（図示せず）に入る。

燃焼空気は、ブロワ６０により約２７．２℃（８１°Ｆ）の温度下にＷＣＡＨ１２に送られる間に、給水入口位置から送られる約２４０℃（４６４°Ｆ）の給水２０により約２１４．４℃（４１８°Ｆ）に加熱され、次いで番号６２で示す二次空気として送られる。
図５に示すそれと類似の装置が図６に示される。しかしながら図６の装置では給水２０は、第１分離流れ２２がＷＣＡＨ１２を貫き、ＷＣＡＨ１２を出てエコノマイザ１４に送られて弁２６からの第２流れ部分２４と合流し、かくして全ての給水が、エコノマイザ１４を通して送られる煙道ガスにより加熱される。

図７の実施例は、給水の第１流れ部分２２のみがエコノマイザ１４を通して送られ、全流入給水２０から分割させた第２流れ部分２４が、エコノマイザ１４の外側の番号２８の位置で第１流れ部分２２と合流する点を除き、図６のそれと類似のものである。このように給水の一部分、即ち、第１流れ部分２２のみがＷＣＡＨ１２内で冷却される。

[方法の説明]
給水の流れ：
１．給水２０がその全流量及び温度下にボイラ区分に入る。
２．給水が分離流れ型ＷＣＡＨ１２の偏倚セクション内のＩＷＥに入り、２つの流れ（２２、２４）に分割される。２つの流れはＩＷＥ１０を通して分離状態に維持される。
３．第１流れ部分２２がＷＣＡＨのチューブ（加熱面）の大半を貫流する。
４．第２流れ部分２４が単一流れ状態下に最小加熱面を通して送られる。
５．第１流れ部分における大半の伝熱が生じ、第１流れ部分の水温が低下する。ＷＣＡＨセクションを通過する際に第２流れ部分における最小の伝熱が生じる。
６．２つの流れ部分がＷＣＡＨセクションを出、分離流れ型エコノマイザセクションに入る。
７．第１流れ部分がエコノマイザチューブ（加熱面）の大半を貫流する。当該流れがガス冷却の大半を行う。
８．第２流れ部分が最小伝熱面を持つ状態下に単一の大型チューブを貫流する。
９．ＩＷＥのエコノマイザセクションを通して送られた２つの流れ部分が混合セクション２８に入る。
１０．混合セクション内で２つの流れが相互に混合され、次いでＩＷＥ１０から排出される。
１１．ＩＷＥを出た水が単一流れとしてドラムあるいはその他の単数あるいは複数のエコノマイザセクションに送られる。

煙道ガスの流れ：
１．煙道ガスがボイラから排出され、別の伝熱面を通して送られる。
２．当該煙道ガスがＩＷＥのエコノマイザセクションに入る。
３．当該ガスを２つの流れ部分上に通過させて低温且つ低流量流れ用の加熱面での大半の伝熱を生じさせる。
４．煙道ガスがＩＷＥから排出される。

給水分割の制御：
弁２６の設定に関する制御方法、従って、第１及び第２の各流れ部分２２及び２４における相対給水量は、米国特許出願公開第２００７／０２６１６４６及び同第２００７／０２６１６４７のそれと類似のものである。当該方法では、質量流量を入力量として用いる理論的定常状態条件を定量化するアルゴリズムが開発された。当該アルゴリズムは、定常状態に至るまでには１時間もしくはそれ以上を要し得、従って、エコノマイザ下流側でのリアルタイムでの温度測定には、定常状態未到達時に誤認を生ずる恐れがあるために必要である。定常状態に入ると当該アルゴリズムは、実際及び理論上の各運転上の差異を埋めるべく“調整”（即ち、比例的に調節）され得る。使用アルゴリズムは設備の実際のサイズや入手し得る質量流量に依存するものとなる。

以上、本発明を実施例を参照して説明したが、本発明の内で種々の変更をなし得ることを理解されたい。例えば、本発明を、ボイラまたは蒸気発生器を含む新機構造または、既存のボイラまたは蒸気発生器の交換、補修、または改変、に対して適用し得る。本発明のある実施例において、発明の特定の機能特徴構造は、その他の機能特徴構造を対応使用することなくしばしば有益に使用され得る。従って、そうした変更及び実施例の全て（同等物の任意及び全てを含む）は、付随する請求項の範囲に適正に含まれるものとする。

１４ エコノマイザ
１６ 多重パスエコノマイザ
２０ 給水
２２ａ 熱交換ループ
２２ｂ 第２熱交換ループ
２２ｃ 第３熱交換ループ
２２ｄ 第４熱交換ループ
２６ 弁
２８ 混合セクション
３６ 出口
４２ 第２エコノマイザ
４４ エコノマイザ
５２ 第２エコノマイザ
５４ 第３エコノマイザ
５６ 第４エコノマイザ
６０ ブロワ
６４ 煙道ガス入口

Claims (2)

1. ボイラの対数平均温度差を改善するための一体型の、分流水コイル式エアヒーター及びエコノマイザ構成であって、
   ボイラに給水を供給する給水入口と、
   給水入口からの給水を、高温且つ低質量流れの第１流れ部分と、該第１流れ部分よりも高温且つ高質量流れの第２流れ部分とに分割する分割手段と、
   ボイラ用の被加熱空気を通す水コイル式エアヒーターにして、空気との伝熱関係に有る少なくとも１つの伝熱ループを含み、該伝熱ループが分割手段に連結されて第１流れ部分を受け水コイル式エアヒーターと、
   ボイラ用の被冷却煙道ガスを通すエコノマイザにして、煙道ガスとの伝熱関係にある少なくとも１つの伝熱ループを含み、該伝熱ループが、水コイル式エアヒーターの伝熱ループに連結されて水コイル式エアヒーターから第１流れ部分を受けるエコノマイザと、
   第１流れ部分及び第２流れ部分を受けるための、エコノマイザの下流側端部付近の混合手段と、
   第２流れ部分を混合手段に送るための、分割手段と混合手段との間に連結した導管と、
   を含む、ボイラの対数平均温度差を改善するための一体型の、分流水コイル式エアヒーター及びエコノマイザ構成。
2. ボイラのエコノマイザのための対数平均温度差を改善するための方法であって、
   給水流れをボイラに供給すること、
   給水流れを、高温且つ低質量流れの第１流れ部分と、該第１流れ部分よりも高温且つ高質量流れの第２流れ部分とに分割すること、
   第１流れ部分を、ボイラ用の被加熱空気を通す水コイル式エアヒーターにして、空気との伝熱関係に有る少なくとも１つの伝熱ループを含む水コイル式エアヒーターに供給し、前記伝熱ループを通して送ること、
   水コイル式エアヒーターを通して送られた第１流れ部分を、ボイラ用の被冷却煙道ガスを通すエコノマイザにして、煙道ガスとの伝熱関係に有る少なくとも１つの伝熱ループを含むエコノマイザの前記伝熱ループを通して送ること、
   第２流れ部分をエコノマイザの下流側端部に送ること、
   エコノマイザの下流側端部付近で第１流れ部分及び第２流れ部分を合流させること、
   を含む方法。

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