JP7368999B2

JP7368999B2 - 排ガス熱回収装置、及び排ガス熱回収システム

Info

Publication number: JP7368999B2
Application number: JP2019183894A
Authority: JP
Inventors: 克明弘中; 慶之宮▲崎▼; 慎強菊竹; 孝志西村; 雅弓石田
Original assignee: Junkosha Co Ltd; Bridgestone Corp
Current assignee: Junkosha Co Ltd; Bridgestone Corp
Priority date: 2019-10-04
Filing date: 2019-10-04
Publication date: 2023-10-25
Anticipated expiration: 2039-10-04
Also published as: JP2021060000A

Description

本発明は、ボイラなどの排ガスからその熱エネルギーを回収する排ガス熱回収装置、及び排ガス熱回収システムに関する。

従来、ボイラからの排ガスの熱エネルギーの回収はエコノマイザ（節炭器）などにより実施されているが、ボイラの燃料として硫黄成分を含むものが使用されているため、その排ガス中には燃焼により生じたＳＯｘが含まれ、そのまま排気すると大気汚染や酸性雨などの原因となる。

そこで、排ガスからＳＯｘを除去することが行われるが、排ガスから熱を回収する際に、熱回収により排ガスの温度を下げ過ぎるとガス中の水が凝集され、凝集された水とＳＯｘとの反応により生成される硫酸が設備を腐食する。そのため、排ガスから熱を回収する際に、その回収温度を高く（約１５０℃以上）設定しなければならず、熱エネルギーの回収に制限がある。また、排ガス中のＳＯｘの処理には添加物（消石灰など）が必要となるため、その経費や装置のメンテナンス費用などが掛かり、装置の維持管理のコストが高いという問題もある（例えば特許文献１）。

つまり、ボイラ（特に石炭炊き・重油炊きボイラ、一般ごみの焼却ボイラ）では、約１５０℃以下の低温度域では、排ガス中に含まれるＮＯｘ（窒素酸化物）成分やＳＯｘ（硫黄酸化物）成分が結露した水と反応して、腐食性を有する硝酸や硫酸として抽出され、エコノマイザ以降の煙道設備などを腐食させる低温腐食が発生することで、設備の寿命を短縮させるため、熱回収は十分でなくまた、別途排ガス中のＳＯｘを処理するためのコストが掛かっている。

特開２００４－３０９０７９号公報

本発明は、このような状況に鑑みてなされたものであり、その目的は、ボイラから排出され、エコノマイザで熱エネルギーが回収された排ガスに対する更なる熱エネルギーの回収及び添加剤の不要な脱硫・脱硝を可能にすることである。

本発明に係る排ガス熱回収装置は、ボイラから排出され、エコノマイザで熱エネルギーが回収されたＮＯｘ成分及び／又はＳＯｘ成分を含む排ガスから熱エネルギーを回収するとともに、ＮＯｘ成分及び／又はＳＯｘ成分を除去する排ガス熱回収装置であって、耐腐食性を有する素材の管体からなる排ガス流路と、排ガス流路の内部に配置された、耐腐食性を有する素材の管体からなる冷却媒体流路と、冷却媒体流路内を流れる冷却媒体と排ガス流路内を流れる排ガスとの間の熱交換で冷却媒体により冷却されて結露した排ガス流路内の排ガス中の水蒸気と当該排ガス中のＮＯｘ成分及び／又はＳＯｘ成分との反応で生成された硝酸及び／又は硫酸の出口と、を有し、排ガス流路が円筒状のシェルからなり、当該シェル内に冷却媒体流路としてのチューブが配置されており、チューブ内を流れる冷水と、シェル内を流れる排ガスとの間で熱交換を行い、シェルの外周面における長手方向の複数の位置に排ガス入口が設けられており、使用する排ガス入口を変えることで、排ガス流路長の変更が可能な排ガス熱回収装置である。
また、本発明に係る排ガス熱回収システムは、ボイラから排出されたＮＯｘ成分及び／又はＳＯｘ成分を含む排ガスの熱交換を行うエコノマイザと、本発明に係る排ガス熱回収装置と、を有する排ガス熱回収システムである。

本発明によれば、ボイラから排出され、エコノマイザで熱エネルギーが回収された排ガスに対する更なる熱エネルギーの回収及び添加剤の不要な脱硫・脱硝が可能になる。

本発明の実施形態に係る排ガス熱回収システムを示す図である。本発明の実施形態に係る排ガス熱回収装置の概略構成を示す正面図である。本発明の実施形態に係る排ガス熱回収装置におけるチューブの構成を示す図である。

以下、本発明の実施形態について図面を参照して詳細に説明する。
〈排ガス熱回収システムの構成〉
図１は、本発明の実施形態に係る排ガス熱回収システムを示す図である。この排ガス熱回収システムは、ボイラ１から排出されたＳＯｘ成分を含む排ガスから熱エネルギーを回収するとともに、従来のように添加剤などを必要とせずに脱硫（ＳＯｘ成分を除去）する機能を有するものであり、エコノマイザ２、排ガス熱回収装置３、給水タンク４、及び脱気器５を備えている。

ボイラ１では、硫黄成分を含む廃棄物を燃焼することで、ＳＯｘ成分を含む所定の温度（ここでは４５０℃）の排ガスが発生する。なお、排ガスの温度は、ボイラ１の燃焼状態などによって変化しており、上記の温度は例えば定常運転における温度である。また、温度値は一例である。

エコノマイザ２は、ボイラ１から排出された排ガスを後述する脱気器５からの所定の温度（ここでは１５５℃）の熱湯と熱交換することで、より低温（ここでは１５０℃）の排ガスに変換する。

従来の排ガス熱回収システムでは、この１５０℃の排ガスを脱硫装置に供給し、添加剤を使用して脱硫し、脱硫後の１５０℃の排ガスを大気中に放出している。これに対して、本発明の実施形態に係る排ガス熱回収システムでは、この１５０℃の排ガスに対して、排ガス熱回収装置３において所定の温度（ここでは２０℃）の冷却媒体としての冷水と熱交換することで、より低温（ここでは１００℃未満）の排ガスに変換するとともに、添加剤を使用せずに脱流した後、煙突６から大気中に放出する。なお、排ガス熱回収装置３で脱硫する仕組みについては後述する。

排ガス熱回収装置３は、後に図２及び図３を参照して詳述するように、円筒状のシェル３１内にチューブ３９を設け、チューブ３９内を流れる冷水と、シェル３１内を流れる排ガスとの間で熱交換を行う、所謂シェルアンドチューブ型熱交換器を基本構成とするものである。

給水タンク４は、排ガス熱回収装置３での排ガスとの熱交換（熱エネルギー回収）により、所定の温度（ここでは３５℃）に上昇した温水が排ガス熱回収装置３から供給される。給水タンク４に供給された温水は、図示されていない蒸気発生源から蒸気ドレンが供給されることで、より高温（ここでは６５℃）に温度上昇する。

給水タンク４内で温度上昇した水は脱気器５に供給される。脱気器５では、蒸気発生源から蒸気を噴射することで、給水タンク４から供給された水に溶存している酸素などの気体成分を分離、除去するとともに水温を上昇させる。

脱気器５にて気体成分が除去され、かつ温度上昇した水は、エコノマイザ２に供給され、ボイラ１からの排ガスと熱交換されることで、１５５℃から２１５℃に温度上昇し、ボイラ１に供給される。

〈排ガス熱回収装置の概略構成〉
図２は、本発明の実施形態に係る排ガス熱回収装置の概略構成を示す正面図である。排ガス熱回収装置３は、所謂シェルアンドチューブ型熱交換器を基本構成とするものであり、排ガス流路としての円筒状のシェル（管胴）３１内に冷水流路としてのチューブ３９を同心状に設け、チューブ３９内を流れる冷水（例えば２０℃）と、シェル内３１内を流れる排ガス（例えば１５０℃）との間で熱交換を行う。

より詳しくは、排ガス熱回収装置３は、シェル３１、シェル３１の両端部に設けられた管板３２、シェル３１の一端（図では右端）に設けられた水（冷水）の入口３３、シェル３１の他端（図では左端）に設けられた水（温水）の出口３４を備えている。

また、シェル３１の一側（ここでは上側）外周面には複数（ここでは３個）の排ガス入口３６が設けられており、シェル３１の他側（ここでは下側）の外周面には１個の排ガス出口３７が設けられている。水（冷水）の入口３３と水（温水）の出口３４とにチューブ３９の両端が接続され、シェル３１の内部のシェル空間３５にチューブ３９が同心状に配置される。ここでは、シェル３１の左端付近、すなわち水（温水）の出口３４の付近の排ガス入口３６を使用しているが、使用する排ガス入口３６を変更することで、排ガスのシェル３１内における流路長を変更し、熱交換の度合を変更することができる。チューブ３９は、耐腐食性、１５０℃以上の耐熱性、及び柔軟性を有する素材（例えばフッ素樹脂）で形成されている。

また、シェル３１の左端付近の下側の外周面に硫酸の出口３８が設けられている。ここで、排ガス熱回収装置３内でＳＯｘ成分が硫酸になる仕組みを説明する。水（冷水）の入口３３から水（温水）の出口３４に向けてチューブ３９内に水（冷水）を供給するとともに、排ガス入口３６から排ガス出口３７に向けてシェル３１内に冷水と逆方向に流れる排ガスを供給すると、チューブ３９の表面が露点以下に低下することで、排ガス中の水蒸気が結露し、結露した水とＳＯｘ（ＳＯ_３、ＳＯ_２）成分とが反応することで、硫酸（亜硫酸を含む）が生成される。この硫酸は、シェル３１の内壁、チューブ３９の外表面を伝って最終的に硫酸の出口３８から取り出される。なお、ここでは便宜上、シェル３１内に供給された排ガスはチューブ３９の外周面に沿って流れるように記載したが、図３を参照して後述するように、シェル３１内に供給された排ガスの一部はチューブ３９内をジグザグ４０に流れる。

〈チューブの構成〉
図３は、本発明の実施形態に係る排ガス熱回収装置におけるチューブ３９の構成を示す。ここで、図３Ａはチューブ全体の正面図、図３Ｂは第１の保持板（エンドプレート）、図３Ｃは第２の保持板（バッフルプレート）、図３Ｄは第３の保持板（バッフルプレート）を示す正面図である。

チューブ３９は、長手方向の一端（図では左端）に設けられた第１の接続部３９ａ、長手方向の他端に設けられた第２の接続部３９ｂ、外周部に設けられた芯棒３９ｃ、長手方向に延びる冷水流路を構成する複数の冷水管３９ｄ、長手方向の両端に配置された第１の保持板（仕切板）３９ｅ、両端の第１の保持板３９ｅ間に所定間隔で交互に配置された第２の保持板３９ｆ及び第３の保持板３９ｇを複数対備えている。

第１の接続部３９ａ、第２の接続部３９ｂは、それぞれ水（冷水）の入口３３、水（温水）の出口３４に接続される。第１の保持板３９ｅ、第２の保持板３９ｆ、第３の保持板３９ｇのそれぞれの挿入孔３９ｅ１、３９ｆ１、３９ｇ１に芯棒３９ｃを通すことで、各保持板が保持される。

冷水管３９ｄは、フッ素樹脂からなる細管であり、その両端は第１の接続部３９ａ、第２の接続部３９ｂで束ねられており、両端の間の部分は各保持板に設けられた冷水管挿入孔に通されている。ただし、第２の保持板３９ｆの外周部には切欠３９ｆ２が形成されており、第３の保持板３９ｇの中心部には切欠３９ｇ２が形成されているので、冷水管３９ｄのうち、第１の保持板３９ｅの外周部を通る冷水管は第２の保持板３９ｆの切欠３９ｆ２を通り、第１の保持板３９ｅの中心部を通る冷水管は第３の保持板３９ｇの切欠３９ｇ２を通る。このため、切欠３９ｆ２，３９ｇ２における多数の冷水管３９ｄの間には排ガスが流れる隙間が出来る。

以上の構成を有するシェル３１において、排ガスは排ガス入口３６からシェル３１内に供給され、シェル３１内を流れる。このとき、排ガスはシェル３１の長手方向に第２の保持板３９ｆの外周部と第３の保持板３９ｇの中心部を通ってジグザグ４０に流れる。このため、シェル３１内を直線的に流れる場合と比べると、排ガスの流れる距離が長くなるため、結露した水分との接触域を広げることができるので、ＳＯｘ成分との反応を促進させることができる。また、ここでは、第２の保持板３９ｆの数が１５、第３の保持板３９ｇの数が１４であるが、これらの保持板は着脱可能であり、それぞれの数を増減することで、排ガスの流れる距離を増減することができる。また、第２の保持板３９ｆ及び第３の保持板３９ｇの形状変更（例えば切欠の位置の変更、排気管の挿通位置の変更など）、位置変更、間隔変更、枚数調整でチューブパスや排ガス流路の変更が可能である。

次に本発明の実施例について説明する。
実施例の構成は下記のとおりである。
システム構成：図１と同じ
シェル３１の素材：ステンレススチールＳＵＳ３０４
シェル３１の外径：２５０ｍｍ
シェル３１の長さ：４１９７ｍｍ
チューブ３９の構成：図３と同じ
運転条件：図１に示されている温度に設定

以上の実施例における排ガス熱回収装置３の熱交換能力及び脱硫能力の測定値を下記の表１に示す。

ここで、熱交換能力は、シェル３１における水の入口３３における水温の測定値、水の出口３４における水温の測定値、シェル３１における排ガス入口３６における排ガスの温度の測定値、排ガス出口３７における排ガス温度の測定値、一定時間あたりの水の流量及び排ガスの流量から所定の計算式に基づいて算出したものである。また、ＳＯ_２成分の脱硫能力はシェル３１における排ガス出口３７の付近におけるＳＯ_２成分の濃度の測定値である。また、ドレンの脱硫能力は硫酸の出口３８から取り出した硫酸のｐＨの測定値である。

この表より、熱交換能力は目標値を超えていることが分かる。また、ＳＯ_２成分の脱硫能力については、目標値に達していないものの装置導入前よりは良好な値が得られることが分かる。

以上詳細に説明したように、本発明の実施形態に係る排ガス熱回収装置３によれば、下記（１）～（８）の効果が得られる。
（１）耐腐食性及び約１５０℃以上の耐熱性を有する素材により排ガスの流路を構成することにより、約１５０℃以下の温度域で抽出される硫酸に対して耐性を持たせることができ、約１５０℃以下の温度域での熱エネルギーの回収が可能である。
（２）耐腐食性及び約１５０℃以上の耐熱性を有する素材をフッ素樹脂などの柔軟性を有する素材とすることで、既存設備に追加設置する場合など、装置の形状設計の汎用性が高まる。
（３）装置内に排ガス中に含まれる水分を積極的に結露させるための冷却媒体を通すことにより、水分の結露量を増加させ、ＳＯｘ成分との反応を促進させることができる。
（４）排ガスの流路であるチューブ３９内に仕切版（バッフルプレート）を設けることで、排ガスの流路長を増加させ、結露した水分との接触域を広げることができるので、ＳＯｘ成分との反応を促進させることができる。
（５）排ガス入口を複数設け、使用する排ガス入口を選択することで、排ガスの流路長を変化させ、結露した水分との接触域を調整することができるので、ＳＯｘ成分との反応を加減することができる。
（６）結露の促進に使用した冷却媒体としての水は排ガス中の熱エネルギーが転嫁された状態で排出されるので、この熱エネルギーを再利用することができる。
（７）１５０℃以下の温度域で抽出される硫酸を装置内で回収する機能を付加することで、後段の設備を従来の仕様のままにすることができる。
（８）排ガスに含まれる水分とＳＯｘ成分との反応により脱硫を行うので、添加剤が不要である。

以上、本発明の実施形態として、ＳＯｘ成分を含む排ガスを処理する排ガス熱回収システムを例にして説明したが、本発明はＮＯｘ成分を含む排ガスを処理するシステムにも適用することができる。

１…ボイラ、２…エコノマイザ、３…排ガス熱回収装置、３１…シェル、３３…水（冷水）の入口、３４…水（温水）の出口、３５…シェル空間、３６…排ガス入口、３７…排ガス出口、３８…硫酸の出口、３９…チューブ、３９ｄ…冷水管、３９ｅ…第１の保持板、３９ｆ…第２の保持板、３９ｇ…第３の保持板。

Claims

ボイラから排出され、エコノマイザで熱エネルギーが回収されたＮＯｘ成分及び／又はＳＯｘ成分を含む排ガスから熱エネルギーを回収するとともに、ＮＯｘ成分及び／又はＳＯｘ成分を除去する排ガス熱回収装置であって、
耐腐食性を有する素材の管体からなる排ガス流路と、
排ガス流路の内部に配置された、耐腐食性を有する素材の管体からなる冷却媒体流路と、
冷却媒体流路内を流れる冷却媒体と排ガス流路内を流れる排ガスとの間の熱交換で冷却媒体により冷却されて結露した排ガス流路内の排ガス中の水蒸気と当該排ガス中のＮＯｘ成分及び／又はＳＯｘ成分との反応で生成された硝酸及び／又は硫酸の出口と、
を有し、
排ガス流路が円筒状のシェルからなり、当該シェル内に冷却媒体流路としてのチューブが配置されており、チューブ内を流れる冷水と、シェル内を流れる排ガスとの間で熱交換を行い、
シェルの外周面における長手方向の複数の位置に排ガス入口が設けられており、使用する排ガス入口を変えることで、排ガス流路長の変更が可能な排ガス熱回収装置。
請求項１に記載された排ガス熱回収装置において、
チューブは、両端に配置された第１の保持板と、当該第１の保持板間に所定間隔で交互に配置された着脱可能な第２の保持板及び第３の保持板を複数対備えており、
第２の保持板及び第３の保持板の数又は形状又はチューブの長手方向における位置の変更により、排ガス流路の変更が可能な排ガス熱回収装置。
請求項１に記載された排ガス熱回収装置において、
前記素材がフッ素樹脂からなる排ガス熱回収装置。
ボイラから排出されたＮＯｘ成分及び／又はＳＯｘ成分を含む排ガスの熱交換を行うエコノマイザと、請求項１乃至３のいずれかに記載された排ガス熱回収装置と、を有する排ガス熱回収システム。