JP5645534B2 - 腐食性高温ガス用熱交換器 - Google Patents

Description

本発明は、焼却炉等から排出される腐食性の高温ガスにより、空気などの低温ガスを加熱して熱回収する熱交換器に関する。

本出願人は、焼却炉等から排出される腐食性物質を多く含む高温排ガスから熱回収する熱交換器において、本出願人は、腐食性の高温排ガスから効率よく熱回収することができる特許文献１を提案している。

この特許文献１は、図８に示すように、排ガス流路５０を形成するケーシング５１の内面に、ガス流送方向（ダクト軸心）に沿う円弧状断面の複数の低温ガスダクト５２を、熱膨張空間５３をあけて周方向に配置し、低温ダクト５２の内面に、隣接面が凹凸部に形成された耐火ブロック５４を、それぞれの隣接面が熱膨張空間５３に対応する位置となるように、アンカー５５を介して取り付けたものである。

特開２０１０−９１２１９号公報（図２）

上記従来構成において、２５０℃未満の低温域や２５０〜４００℃前後の中温域での熱回収では、耐火ブロック５４の欠落はほとんどなく、長期間の使用に耐えるものの、特に低温ガスを４００〜５００℃前後以上の高温域まで加熱して熱回収する場合、低温ガスダクト５２やアンカー５５、耐火ブロック５４の熱膨張差により、長期間の使用に耐えられないという問題があった。
本発明は上記問題点を解決して、低温ガスを高温域まで加熱し熱回収する場合であっても、熱膨張差による欠陥を防ぎ長期間の使用に耐えられる熱交換器を提供することを目的とする。

請求項１記載の発明は、
高温ガス流路を形成する外筒ケーシングの内面に、全周にわたって配置された断熱材と、当該断熱材の内周部で周方向に所定ピッチで配置されて外筒ケーシングの軸心方向に沿う複数の伝熱管と、これら伝熱管の内周側で全周にわたって配置され高温ガス流路を囲む耐火材とを具備し、
伝熱管の外周部に、当該伝熱管の熱膨張を許容して前記耐火材および前記断熱材との接触を防ぐ隙間をそれぞれ形成し、
前記断熱材および前記耐火材を固定する固定金物を、前記外筒ケーシングの内面に植設し、
前記断熱材により、前記耐火材と前記外筒ケーシングとの熱膨張が略同一となるように構成されたものである。

請求項２記載の発明は、請求項１記載の構成において、
断熱材と耐火材との界面は、隣接する伝熱管の軸心に対応する位置と、伝熱管の外筒ケーシング側の外周縁に対応する位置との間に形成されたものである。

請求項１記載の発明によれば、外筒ケーシングの内面に断熱材を介して伝熱管を配置するとともに、伝熱管を高温ガス流路から耐火材により遮蔽し、伝熱管の周囲に、耐火材および断熱材との接触を防止し、熱膨張を許容する隙間を形成したので、腐食性の高温ガスにより耐火材よりも熱膨張される伝熱管が、耐火材や断熱材に拘束されることがなく、特に５００℃を超える高温域での熱回収であっても、耐火材の破損や欠落を未然に防止することができる。

また、断熱材により耐火材と外筒ケーシングとの熱膨張を略同一にするとともに、外筒ケーシングに植設されたアンカーで断熱材と耐火材とを保持するので、伝熱管と耐火材の熱膨張差による耐火材の破損や欠落を未然に防止することができる。これにより、腐食性の高温ガスから長期間にわたって熱回収することができて、腐食性の高温ガスから伝熱管を効果的に保護することができ、長期間の連続運転が可能となる。また伝熱管の保護性能が高まることで、伝熱面の腐食減肉が抑制されて、加熱空気温度（伝熱面温度）を高く設計することができ、熱回収効率を向上させることができる。

請求項２記載の発明によれば、伝熱管周囲で耐火材に囲まれる範囲を広く確保することにより、高温ガスから伝熱管への伝熱性能を向上させることができる。

本発明に係る熱交換器の実施例１を示す縦断面図である。 （ａ）および（ｂ）は、熱交換器の部分拡大図で、（ａ）は伝熱管を示す横断面図、（ｂ）は図１に示すＣ部の拡大図である。 図１に示すＡ−Ａ断面図である。 熱交換器の伝熱管の配置を示す斜視図である。 熱交換器の実施例２を示す縦断面図である。 図５に示すＢ−Ｂ断面図である。 熱交換器の変形例を示し、伝熱管の拡大横断面図である。 従来の熱交換器における伝熱管を示す拡大横断面図である。

以下、本発明に係る熱交換器の基本構造と実施例を図１〜図４に基づいて説明する。
［基本構造］
この熱交換器１１は、都市ごみ焼却炉や産業廃棄物焼却炉、灰溶融炉など、腐食性物質を多く含む高温排ガスＨＧから高効率で熱回収を行うためのもので、排ガス流路１２を形成する耐熱耐食鋼製の外筒ケーシング１３の内周部に、周方向に所定ピッチで複数本の独立したたとえばステンレス鋼、ステンレス合金鋼製の伝熱管１４を高温排ガスＨＧの流送方向（ケーシング軸心Ｏ）に沿って配置し、高温排ガスＨＧからの輻射熱により、伝熱管１４に流送される低温ガスＬＧ（たとえば常温空気）を高温域（４００℃〜５００℃前後）まで加熱するもので、図面では、高温排ガスＨＧと低温ガスＬＧが同一方向に流れる並流タイプであるが、高温排ガスＨＧと低温ガスＬＧが逆方向に流れる向流タイプとすることもできる。

また高温排ガスＨＧに晒される伝熱管１４の内周側（排ガス流路１２側）は、高温排ガスＨＧに含まれる腐食性物質から保護する目的で、たとえば炭化珪素系（含有率２０〜８５％）の耐食性耐火材１５が排ガス流路１２を囲んでライニングされている。また、伝熱管１４と外筒ケーシング１３の間に、高温排ガスＨＧ耐火材１５の熱膨張と外筒ケーシング１３の熱膨張とをほぼ同一にすることを目的として、たとえば珪酸シカルシウム保温材からなる断熱材１７がライニングされている。そして、これら耐火材１５および断熱材１７は、外筒ケーシング１３の内面に植設された耐熱、耐食金属製の固定金物である複数のアンカー１６により保持されている。また、図２（ａ）に示すように、耐火材１５と断熱材１７とは、その界面Ｓが隣接する伝熱管１４の軸心に対応する位置、すなわち隣接する伝熱管１４の軸心同士を、外筒ケーシング１３の軸心Ｏを中心として円弧方向に結んだ円弧線上に形成されている。

図７に示すように、耐火材１５と断熱材１７との界面Ｓが、隣接する伝熱管１４の外筒ケーシング側の外周縁に対応する位置、すなわち隣接する伝熱管１４の外周縁を、外筒ケーシング１３の軸心Ｏを中心として円弧方向に結んだ円弧線上形成されていてもよい。このように、界面Ｓは、図２（ａ）と図７に示す界面範囲β内で選択されている。これは、図２（ａ）に示す構造では、製造が容易で、界面Ｓがこれ以上内周側にあると、高温排ガスＨＧからの伝熱効率が低下するためであり、図７に示す構造では、伝熱管１４を囲んで配置される耐火材１５の部分が大きく、高温排ガスＨＧからの伝熱効率を高くできるが、界面Ｓがこれ以上外周側にあると、製造が難しくなり製造コストが嵩むためである。

またここで、耐火材１５および断熱材１７が、伝熱管１４に保持されるのではなく、外筒ケーシング１３に植設されたアンカー１６を介して保持されるとともに、断熱材１７の材質と厚みなどを選択することにより、耐火材１５と、外筒ケーシング１３およびアンカー１６の熱膨張がほぼ同一になるように構成されており、これによりアンカー１６による耐火材１５の保持力が向上されている。

さらに伝熱管１４の外周部（後述のガス導入管２４およびガス導出管２６の外周部も含む）全体で耐火材１５、断熱材１７の間には、熱膨張による伝熱管１４と耐火材１５および断熱材１７の接触、拘束による破損を防止するために、熱膨張を許容する隙間δが形成されている。

前記伝熱管１４周囲に形成されるこの隙間δは、たとえば伝熱管１４の熱膨張率が約１７（×１０^−６／℃）、耐火材の熱膨張率が約３〜５（×１０^−６／℃）であることから、外径４８．６ｍｍの伝熱管１４では、０．５ｍｍ〜１０ｍｍの範囲で形成される。これは、伝熱管１４の外径を１とすると、０．０１以上で、０．２０以下の範囲となる。これは０．０１未満では伝熱管１４と耐火材１５の接触により、耐火材１５が損傷して割れや欠けが生じやすくなるからであり、０．２０を超えると、伝熱性能の低下が生じるからである。

上記構成より、低温ガスＬＧである常温空気を高温域まで加熱しても、耐火材１５による伝熱管１４の保護機能が継続されて伝熱管１４を長期間にわたって使用することができる。また伝熱管１４はそれぞれ独立した構成のために、万一腐食しても、個々の伝熱管１４のみの交換ですみ、メンテナンスコストを削減することができる。

［実施例１］
図１，図３，図４は、実験プラントの基本構造を示すもので、高温排ガスＨＧの入口側に配置される下フランジ板２１と、高温排ガスＨＧの出口側に外嵌配置される上フランジ板２２との間に耐熱鋼製の外筒ケーシング１３が取り付けられ、この外筒ケーシング１３の内周部に、断熱材１７と伝熱管１４と耐火材１５が内周側に順次配置されている。この下フランジ板２１の外周部近傍に、低温ガスＬＧがヘッダガス供給ノズル２７から供給される環状の入口ヘッダ２３が配置され、この入口ヘッダ２３と各伝熱管１４の下端部とが、エルボ管部と直管部からなり直管部が外筒ケーシング１３を貫通するガス導入管２４を介して接続されている。また上フランジ板２２の外周部に、熱回収ガスがヘッダガス排出ノズル２８から排出される環状の出口ヘッダ２５が外嵌配置され、各伝熱管１４の上端部と出口ヘッダ２５とが、エルボ管部と直管部からなり直管部が外筒ケーシング１３を貫通するガス導出管２６を介して接続されている。２８は、出口ヘッダ２５から熱回収した低温ガスＬＧを排出するヘッダガス排出ノズル、２４ａ，２６ａは、ガス導入管２４およびガス導出管２６の露出部分をそれぞれ覆う断熱材である。

この隙間δは、熱交換器１１の製造に際して、伝熱管１４に耐火材１５および断熱材１７を取り付ける前に、常温で固体でかつ１００℃以下の低融点で気化しやすい隙間形成材（例えばロウなど）を溶融させて、伝熱管１４の表面に隙間δに相当する厚み分を塗布し固化させる。その後、耐火材１５および断熱材１７を施工した後、乾燥焚きの過程で、隙間形成材を加熱気化させて所定の隙間δを形成することができる。

上記構成において、高温排ガスＨＧが排ガス流路１２に沿って下部から上部に流送されると、ヘッダガス供給ノズル２７から入口ヘッダ２３に供給された低温ガスＬＧが、ガス導入管２４を介して伝熱管１４にそれぞれ供給されて、高温排ガスＨＧにより耐火材１５および伝熱管１４を介して加熱される。そして、熱回収した低温ガスＬＧが出口ヘッダ２５からヘッダガス排出ノズル２８を介して排出される。

この時、耐火材１５がアンカー１６を介して外筒ケーシング１３に保持されるとともに、断熱材１７により、耐火材１５とアンカー１６を含む外筒ケーシング１３との熱膨張がほぼ同一になるように構成されているので、伝熱管１４と耐火材１５の熱膨張率に差があっても、高温排ガスＨＧにより加熱された耐火材１５を良好に保持することができ、長期間にわたって運転されても、耐火材１５の破損や欠落を未然に防止することができる。

また伝熱管１４の周囲に隙間δが形成されているので、熱膨張率が大きい伝熱管１４が熱膨張しても、排ガス流路１２の軸方向、周方向および半径方向の熱膨張を十分に許容することができ、耐火材１５および断熱材１７が拘束することがないので、耐火材１５が剥離したり、欠落することがない。

上記構成により、低温ガスＬＧを、約５００℃前後の高温域まで加熱して熱回収する場合であっても、伝熱管１４の周囲に隙間δが形成されるとともに、耐火材１５がアンカー１６を介して外筒ケーシング１３に保持され、かつ断熱材１７により、耐火材１５と、アンカー１６を含む外筒ケーシング１３との熱膨張が略同一になるように構成されているので、腐食性の高温排ガスＨＧから長期間にわたって伝熱管１４を良好に保護することができて、耐火材１５が剥離したり、割れて欠落することがなく、耐火材１５の耐久性を向上させ、腐食性物質を多く含む高温排ガスＨＧから長期間にわたって熱回収することができる。また伝熱管１４の保護性能が高まることで、伝熱面の腐食減肉が抑制されて、加熱空気温度（伝熱面温度）を高く設計することができ、熱回収効率を向上させることができる。

［実施例２］
本発明に係る熱交換器を具備した実施例２を、図５および図６を参照して説明する。
この熱交換器３１は、入口側熱交換部３２と本発明に係る出口側熱交換部４１から構成され、低温ガスＬＧと高温排ガスＨＧと同一方向に流送する並流タイプを図示しているが、高温排ガスＨＧを逆方向に流送する向流タイプでもよい。また実施例１と同一部材には同一符号を付して説明を省略する。

（入口側熱交換部）
入口側熱交換部３２は、外筒ケーシング１３の内周部に所定の伝熱空間をあけて同一軸心上に伝熱内筒３３が配置されるとともに、リング状の仕切り板３４により上中下段に区画された環状の伝熱室３５Ａ〜３５Ｃを具備した多段型に構成されている。さらに各伝熱室３５Ａ〜３５Ｃの伝熱内筒３３の内周面（排ガス流路１２側）に、取付金物（図示せず）を介して耐火材３６がそれぞれ取り付けられている。

上下段の伝熱室３５Ａ，３５Ｃの外周で一端部にガス供給口３７Ａ〜３７Ｃが形成されるとともに、中段の伝熱室３５Ｂの外周で他端側にガス供給口３７Ｂが形成されている。また上下段の伝熱室３５Ａ，３５Ｃの外周で他端部にガス排出口３８Ａ，３８Ｃが形成されるとともに、中段の伝熱室３５Ｂの外周で一端側にガス排出口３８Ｂが形成されている。そして、下段伝熱室３５Ａの空気排出口３８Ａと中段伝熱室３５Ｂの空気供給口３７Ｂとが第１連通管３９Ａを介して接続され、中段伝熱室３５Ｂの空気排出口３８Ｂと上段伝熱室３５Ｃの空気供給口３７Ｃとが第２連通管３９Ｂを介して接続されており、下段の伝熱室３５Ａから中段の伝熱室３５Ｂ、上段の伝熱室３５Ｃの順に低温ガスＬＧが送られて熱回収される。

（出口側熱交換部）
出口側熱交換部４１は、先の実施例とほぼ同一の構成で、常温（２０℃）の低温ガスＬＧ（空気）が入口側熱交換器３２で加熱された後、さらにこの出口側熱交換部４１の出口ヘッダ４３で約５００℃前後の高温域まで加熱するものである。この出口側熱交換器４１と実施例１の熱交換器１１とは、入口ヘッダ４２と出口ヘッダ４３とが外筒ケーシング１３内に収容されている点で相違している。

すなわち、外筒ケーシング１３内で下フランジ板２１の上部に、第３連通管３９Ｃを介して空気排出口３８Ｃが接続されるヘッダガス供給ノズル４４を有する環状の入口ヘッダ４２が収容され、また上フランジ板２２の下部に、ヘッダガス排出ノズル４５を有する環状の出口ヘッダ４３が収容されている。そしてこれら入口、出口ヘッダ４２，４３間に複数の伝熱管１４が周方向に所定ピッチで連結されている。伝熱管１４の周囲に設けられる耐火材１５、断熱材１７、アンカー１６、隙間δおよび界面範囲βは、先の実施例と同一に構成されており、また耐火材１５は、入口、出口ヘッダ４２，４３の内周部にも取り付けられている。

上記構成によれば、複数段の伝熱室３５Ａ〜３５Ｃを有する入口側熱交換器３２を排ガス流路１２の上流側に配置し、先の実施例とほぼ同一に形成された出口側熱交換器４１を排ガス流路１２の下流側に配置し、入口側熱交換器３２と出口側熱交換器４１を組み合わせて配置することにより、約１０００℃の高温排ガスＨＧから、常温の低温ガスＬＧを約５００℃の高温域まで加熱して効果的に熱回収することができる。また出口側熱交換器４１により、先の実施例と同じ作用効果を奏することができる。

なお、出口側熱交換部４１に替えて、実施例１の熱交換器１１を使用することもできる。

δ 隙間
Ｓ 界面
ＨＧ 高温排ガス
ＬＧ 低温ガス
１１ 熱交換器
１２ 排ガス流路
１３ 外筒ケーシング
１４ 伝熱管
１５ 耐火材
１６ アンカー（固定金物）
１７ 断熱材
２１ 下フランジ板
２２ 上フランジ板
２３ 入口ヘッダ
２４ ガス導入管
２５ 出口ヘッダ
２６ ガス導出管
３１ 熱交換器
３２ 入口側熱交換部
３３ 伝熱内筒
３４ 仕切り板
３５Ａ 下段伝熱室
３５Ｂ 中段伝熱室
３５Ｃ 上段伝熱室
３６ 耐火材
４１ 出口側熱交換部
４２ 入口ヘッダ
４３ 出口ヘッダ
４４ ヘッダガス供給ノズル
４５ ヘッダガス排出ノズル

Claims (2)

1. 高温ガス流路を形成する外筒ケーシングの内面に、全周にわたって配置された断熱材と、当該断熱材の内周部で周方向に所定ピッチで配置されて外筒ケーシングの軸心方向に沿う複数の伝熱管と、これら伝熱管の内周側で全周にわたって配置され高温ガス流路を囲む耐火材とを具備し、
   伝熱管の外周部に、当該伝熱管の熱膨張を許容して前記耐火材および前記断熱材との接触を防ぐ隙間をそれぞれ形成し、
   前記断熱材および前記耐火材を固定する固定金物を、前記外筒ケーシングの内面に植設し、
   前記断熱材により、前記耐火材と前記外筒ケーシングとの熱膨張が略同一となるように構成された
   ことを特徴とする腐食性高温ガス用熱交換器。
2. 断熱材と耐火材との界面は、隣接する伝熱管の軸心に対応する位置と、伝熱管の外筒ケーシング側の外周縁に対応する位置との間に形成された
   ことを特徴とする請求項１記載の腐食性高温ガス用熱交換器。

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