JP5656805B2 - 水蒸気潜熱回収装置 - Google Patents

Description

本発明は、例えば産業用ボイラに用いて好適な、燃焼排ガス中に含まれる水蒸気の潜熱を回収する水蒸気潜熱回収装置に関するものである。

ボイラや給湯器において燃焼排ガスから排熱を回収する熱交換器は、伝熱面で水分を凝縮させることなく、顕熱のみを回収する乾式の装置が一般的であった。
これは、水分が凝縮するまで熱回収を行うと腐食等の問題からコストアップとなり経済性の問題が残るためである。しかし、近年、コストの視点に加え環境問題の視点から、熱回収効率のよい潜熱回収装置が注目されている。
潜熱回収装置は、多段の管群で構成され、管外に燃焼排ガス、管内に給水が供給され、排ガスからの顕熱（対流伝熱）と伝熱管表面での水分凝縮に伴う潜熱を回収するものである。

特許文献１には、排ガス熱回収器内に、排ガスの熱回収器内部の伝熱管表面に付着、堆積するダストの洗浄を可能とし、伝熱管の洗い残し部分のない排ガス熱回収器の洗浄装置が示されている。

特許文献２には、排ガスボイラの蒸発管その他の表面に付着する煤の除去およびその際の酸の発生要因を排除することによって効率的な洗浄と酸による腐食の生成を軽減することのできる洗浄・腐食軽減装置が示されている。

特開２０１０−２５５９２５号公報 特開平７−２３９１９８号公報

上記特許文献１及び特許文献２に記載された発明は、いずれも、伝熱管外表面に付着した煤や酸の洗浄を目的としているため、伝熱管外表面全体を洗浄液で濡らす必要がある。
そのため、伝熱管外表面には洗浄液による厚い水膜ができてしまう。これでは、水膜による熱抵抗が増大して熱交換性能が悪化するおそれがある。

一方、水蒸気潜熱回収装置として用いる場合、伝熱管外表面温度が、水露点以下になると凝縮が生じるが、ボイラの運転変動に伴い凝縮発生位置の変動が生じ、変動点においては乾湿交番が生じることから腐食を加速させるという問題がある。

腐食の要因となる乾湿交番対策として、図４に示すように、熱交換器上部で凝縮を発生させ、滴下した凝縮液により管全体を湿潤させる構造が考えられる。しかし、熱交換器下部では、上部から降下した凝縮水が累積するため管表面を厚い水膜が覆う事になり、熱抵抗となる。

また、水膜を薄くするために管を傾斜させると、下方に位置する管の一方の端にのみ凝縮水が降下するため、管全体の表面を湿潤させることができず、乾湿交番が生じ、腐食の発生につながるおそれがある。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、熱交換性能の向上と腐食対策を同時に解決する水蒸気潜熱回収装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明の水蒸気潜熱回収装置は以下の手段を採用する。
すなわち、本発明の水蒸気潜熱回収装置は、燃焼排ガスが下方から上方へと流通する流路に設けられるとともに、内部に給水が供給される伝熱管を備え、前記燃焼排ガス中の水蒸気を伝熱管外表面にて凝縮させることによって得られる潜熱を前記給水にて回収する水蒸気潜熱回収装置であって、前記伝熱管は、横方向に延在するとともに高さ方向に複数段並列に設けられるとともに、水平に対して傾斜した状態で配置され、前記伝熱管の最上段よりも下方段でかつ傾斜した上方側位置に対して散水するスプレーを備えている。

燃焼ガスが下方から上方へと流通するので、高さ方向に複数段設けられた伝熱管のうち燃焼ガスの下流側位置である上方段の伝熱管にて主として凝縮が進行する。凝縮水は、上方段の伝熱管から下方段の伝熱管へ滴下し、順次さらに下方段の伝熱管へと導かれる。そして、伝熱管は、水平に対して傾斜した状態で配置されているので、凝縮水は伝熱管を伝って傾斜した下方側へと流れる。したがって、このように傾斜配置された伝熱管では、伝熱管の下方段へと凝縮水が滴下するものの、伝熱管が傾斜しているため、伝熱管の下方段でかつ傾斜した上方側位置にて伝熱管が乾く可能性が高くなる。このため、伝熱管の下方段でかつ傾斜した上方側位置は、例えばボイラの負荷変動に応じた燃焼排ガスの流量変動によって乾湿交番が起こりやすい領域となる。

これに対して、本発明では、伝熱管の最上段よりも下方段でかつ傾斜した上方側位置に対して水を散布するスプレーを設けることとした。これにより、スプレーによって散布された水が、乾湿交番が発生しやすい伝熱管の下方段でかつ傾斜した上方側位置に供給されることとなり、伝熱管外表面を強制的に湿潤させることができる。このように、乾湿交番を防ぐことができるので、伝熱管の腐食を防止することができる。
なお、スプレーによって水を散布する位置は、乾湿交番が発生しやすい伝熱管の下方段でかつ傾斜した上方側位置に水を供給できる位置で有れば、伝熱管の最上段よりも下方段であれば良いが、より好ましくは、伝熱管の最下段を０％、最上段を１００％と規定した場合、８０％〜３０％の位置であれば良い。

また、本発明にかかる水蒸気潜熱回収装置では、前記スプレーは、前記伝熱管から滴下して回収されたドレン水を用いることが好ましい。

伝熱管から滴下して回収したドレン水を用いることとしたので、新たに水を供給する設備が不要となる。
なお、ドレン水をスプレーに供給する前に、中和処理部によって酸性のドレン水を中和することが好ましい。これにより、伝熱管の腐食を防止することができる。

また、本発明にかかる水蒸気潜熱回収装置では、前記伝熱管の下部に、下方へと延在するリブが設けられていることが好ましい。

前記伝熱管の下部に下方へと延在するリブを取り付けることとし、凝縮水を下方へと導くようにした。これにより、伝熱管の水はけを向上させ、水膜を薄くする事により、熱抵抗を小さくする事ができる。

また、本発明にかかる水蒸気潜熱回収装置では、前記スプレーは、前記伝熱管の高さ方向に複数段設けられ、下方段ほど散水量が多くされていることが好ましい。

伝熱管の下方段ほど、排ガス温度が高い状態で接触する事になる為、伝熱管表面が乾燥する可能性が高く、乾湿交番を発生させやすい状態となる。この状態を防ぐ為に、高温の排ガスとの接触となる下方段ほど、散水量を増加させる事により、下方段に位置する伝熱管外表面を湿潤状態に維持する事ができる。

本発明によれば、伝熱管表面が常に湿潤状態で保持される為、前記伝熱管表面の乾湿交番を防ぎ、腐食の発生を防止する事が可能であり、また、伝熱管の表面の水膜が薄く保持される為、熱抵抗を小さくする事が可能となっている。したがって、熱交換性能の向上と腐食対策を同時に満足させる、熱回収効率のよい水蒸気潜熱回収装置を提供することができる。

本発明に係る潜熱回収装置の一実施形態を示した側面図である。 図１の伝熱管の管群の要部を示した斜視図である。 図２の伝熱管の１つを部分的に拡大して示した斜視図である。 水平に配置した伝熱管群における燃焼排ガス中の水分が凝縮する状態を示した斜視図である。 傾斜させて配置した伝熱管群において燃焼排ガス中の水分が凝縮する状態を示した斜視図である。 中和工程を示したブロック図である。

以下、本発明の水蒸気潜熱回収装置（以下、単に「潜熱回収装置」という。）の一実施形態について、図１〜図６を用いて説明する。
図１には、潜熱回収装置１の概略構成が示されている。
潜熱回収装置１は、燃焼排ガスに含まれる水蒸気の凝縮潜熱を回収するため、ボイラの排ガス流路の最終段に設けられている。潜熱回収装置１は、燃焼排ガスが流通するダクト２の内部に複数の伝熱管３を備えている。伝熱管３は、燃焼排ガスの流れに対して交差するように設けられており、同図において左右の両端部で折り返されて延在する蛇行形状とされている。伝熱管３は、傾斜した状態で設けられており、例えば水平に対して２°以上５°以下、好ましくは、３°とした傾斜角を有するように設けられている。

伝熱管３の内部には、図示しない給水ポンプから給水が供給されるようになっている。同図に示されているように、伝熱管３の上部から下部へと給水が流れるように構成されている。ダクト１内を流れる燃焼排ガスは、伝熱管３の下部から上部へと流れるようになっている。
伝熱管３内を流れる給水は、燃焼排ガスからの顕熱（対流伝熱）と、伝熱管３の外表面での水分凝縮に伴う潜熱を回収する。燃焼排ガスの温度は、燃焼排ガス上流側が８０〜１００℃、燃焼排ガス下流側が５０〜６０℃の範囲内で推移している。したがって、図５に示すように、伝熱管３の下方段は、燃焼排ガスの上流側なので温度が高く、凝縮が進行しない非凝縮部となるので、伝熱管が乾燥しやすい状態となる。一方、伝熱管３の上方段は、凝縮が進行する凝縮部となり湿潤状態が維持される領域となる。

伝熱管３の下部には、図２及び図３に示されているように、下方に延在するリブ７が設けられている。このリブ７は、図３に示すように、伝熱管３外表面にて凝縮した凝縮水を集め、下方に傾斜した方向へと導くことによって水はけ性を向上させるものである。なお、リブ７の形状は、水はけ性が良くなるのであれば、三角形のような他の形状でもよい。また、図２に示したように、全数の伝熱管３の下部にリブ７を取り付けて使用することが好ましい。

ダクト２の側方には、伝熱管３に対して凝縮水を散布するスプレー６が設けられている。スプレー６は、傾斜した伝熱管３の上方端側（上方側位置）に設けられ、かつ、複数段ある伝熱管３の管群の中段から下方段にかけて複数段設けられている。このスプレー６によって、凝縮水を散布することにより伝熱管３の外表面を強制的に湿潤させるようになっている。
伝熱管３の管群中段へのスプレー６による散布位置は、管群の最下部を０％、最上部を１００％と規定した場合、８０％〜３０％の位置が好ましい。より好ましくは５０％、さらに好ましくは３０％の位置からスプレーするものとし、スプレー量を流量調整する事が出来、管群下部ほどスプレーの流量を多めに設定しておく。また、８０％〜１００％の管群上段へは、スプレーしないものとする。

潜熱回収装置１は、図１に示されているように、ドレン回収部４からスプレー６へ供給する凝縮水を中和する中和処理部５を備えている。図６には、この中和処理部５にて行われる中和工程が示されている。

中和処理部５は、ボイラ給水の水処理方法では一般的なイオン交換処理法を採用する。中和処理部５は、砂ろ過塔、活性炭吸着塔、陽イオン交換塔、脱炭酸塔、陰イオン交換塔、混床式交換塔の順から構成されている。

ドレン回収部４に溜まった酸性の凝縮水（ｐｈ４〜５）を、中性（ｐｈ７）とする中和処理部５は、ボイラ給水の水処理方法で一般的に用いられる図６に記載のイオン交換処理法を採用している。イオン交換処理装置は、前処理部、脱炭酸部、イオン交換部の３部から構成されている。例えば、前処理部では、水中の懸濁物質（ＳＳ）の除去を行う砂ろ過塔と、水中の残留塩素分を除去する活性炭吸着塔を備えており、脱炭酸部は、水中の炭酸ガス成分の除去を行う脱炭酸塔を備えている。イオン交換部はイオン交換樹脂を用いて、イオン交換を行う構成としている。中和処理部５は、ドレン水の性状に応じて構成され、例えば図６に示す中和工程は、脱炭酸塔を省略する場合なども考えられる。

次に、上記構成の潜熱回収装置１の動作について説明する。
図示しない給水ポンプによって給水が伝熱管３の管群最上段から伝熱管３の管内に導かれ、管群の最下段へと向けて伝熱管３の管内を流れる。燃焼排ガスからの顕熱（対流伝熱）と伝熱管表面での水分凝縮に伴う潜熱が回収される。

また、伝熱管３の管群下方段は、燃焼排ガスの上流側に位置して非表縮部となるため、乾湿交番が発生しやすい状態となる。この乾湿交番を防止する為に、ドレン回収部４で回収した凝縮水が中和工程を介してスプレー６へと導かれ、伝熱管３の管群中段へと散布される。これにより、乾湿交番が発生しやすい傾斜上方端側でかつ管群中段および管群下方段における伝熱管３の表面を湿潤状態としている。伝熱管３の管群中段へのスプレー流量は、乾燥しやすい管群の下部ほど、多くスプレーできるように、流量制御されている。

以上の通り、本実施形態にかかる潜熱回収装置１によれば、以下の作用効果を奏する。
伝熱管３に対して傾斜角度（２°〜５°）を付けることとしたので（図５参照）、図４に示したように水平に伝熱管３を配置した場合のように凝縮水の滴下が下方段の伝熱管３に集中する事なく、管群下方段の伝熱管３の表面の水膜を薄くする事ができる。

一方で、管群下方段は、燃焼排ガスの上流側に位置する為、高温の排ガスと接触する事から、乾湿交番が発生して、腐食しやすい状態となる。しかも、傾斜した上方端側では凝縮水が下方へと流れるので更に乾燥しやすい。この乾湿交番を防止する為に、本実施形態では、熱交換器下部で回収した凝縮水を管群の中段でかつ傾斜上方端側からスプレーさせて、伝熱管３の表面を強制的に湿潤させることとした。これにより、乾湿交番の発生を抑えることで腐食を防止することができる。
また、伝熱管３の管群中段へのスプレー流量を、管群の下部ほど多くスプレーできるように流量制御することとしたので、より乾燥しやすい領域を重点的に湿潤させることができる。
以上により、伝熱管３の防錆コーティングが不要となり、コストを下げる事ができる。

図３に示したように、伝熱管３の下部にリブ７を取り付けることとしたので、伝熱管３の表面の凝縮水を滴下させ易くする事ができる。これにより、伝熱管３の表面の水膜を薄くして、熱抵抗を小さくする事ができる。さらに、伝熱管３の管群に傾斜角度を付ける事により、滴下する凝縮水が管群下部の伝熱管３に集中しないので、熱抵抗を小さくする事ができる。

なお、運転当初のように、ドレン回収部４にドレン水がない場合は、水道水を用いても良い。具体的には、運転開始前にドレン回収部４に水道水を溜めて使用する。

１ 水蒸気潜熱回収装置
２ ダクト
３ 伝熱管
４ ドレン回収部
５ 中和処理部
６ スプレー
７ リブ

Claims (4)

1. 燃焼排ガスが下方から上方へと流通する流路に設けられるとともに、内部に給水が供給される伝熱管を備え、前記燃焼排ガス中の水蒸気を伝熱管外表面にて凝縮させることによって得られる潜熱を前記給水にて回収する水蒸気潜熱回収装置であって、
   前記伝熱管は、横方向に延在するとともに高さ方向に複数段並列に設けられるとともに、水平に対して傾斜した状態で配置され、
   前記伝熱管の最上段よりも下方段でかつ傾斜した上方側位置から、該伝熱管に対して散水するスプレーを備えている水蒸気潜熱回収装置。
2. 前記スプレーは、前記伝熱管から滴下して回収されたドレン水を用いる請求項１に記載の水蒸気潜熱回収装置。
3. 前記伝熱管の下部には、下方へと延在するリブが設けられている、請求項１又は２に記載の水蒸気潜熱回収装置。
4. 前記スプレーは、前記伝熱管の高さ方向に複数段設けられ、下方段ほど散水量が多くされている請求項１から３のいずれかに記載の水蒸気潜熱回収装置。

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