JPS61211607A - スチ−ム発生システムにおいて熱エネルギ−を回収する方法及び装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は特に熱パワーステーションにおける煙道ガスの
熱エネルギーの回収方法に関する。

本発明は本方法を実施するだめの装置、特に、熱パワー
ステーションの化石燃料（天然ブス、石炭、亜炭、・・
・）の燃焼から生じるガス、略して“煙道ガス”の顕熱
とも呼ばれる熱エネルギーを、蒸発させられるヒータ凝
縮物へのその移動により回収するための、以下に略して
“換熱器−族発器゛（ｒｅｃｕｐｅｒａｔｏｒ−ｖａｐ
ｏｒｉｚｅｒ）と呼ばれる新しい工業的装置も包含する
。

熱パワーステージタンとは、熱力学的サイクルを行う凝
縮可能な流体によって熱エネルギーを機械的エネルギー
に転換するための装置、特に化石燃料熱パワーステーシ
ョンを意味する。

公知の先行技術が添付図面の第１図及び第２図に示され
ている。

ｆＪＳ１図は、示されていない電気発生機を駆動するタ
ービンを有するパワーステーションの慣用の熱力学的サ
イクルの線図である。水サイクルはボイラ（Ｂ）に水を
通すことを含み、ボイラ（Ｂ）においては水は逐次に沸
騰まで加熱され、蒸発されそして過熱される。次いでそ
れは“高圧”タービン（ＨＰＴ）において膨張し、次ぎ
に再過熱される（Ｒ８）、次いで、それは“低圧”ター
ビン（ＬＰＴ）において膨張し、次ぎにコンデンサ（Ｃ
）において凝縮し、コンデンサ（Ｃ）から該コンデンサ
の水抜外出しポンプ（Ｅｌ））によって引き続く“低圧
°゛ヒータＨ］、Ｈ２、Ｈ３及びＨ４）に運ばれ、そこ
でタービン（ＬＰ’ｒ）から抜き出されたスチームによ
って加熱される。

次いで、水は脱ガス器（ＤＧ）に到達し、次ぎに供給タ
ンク（Ｆ　Ｔ　））こ到達し、その出口においで供給ポ
ンプ（ＦＰ）はそれをサイクルの高圧側に到らしめ、そ
して３つの引き続く“高Ｊ、Ｅ″ヒータ（■］６．１−
１７及び■］８）を通った後ボイラに再送給する。

本発明が包含するサイクルの部分は、本質的には“低圧
”ヒータである。ヨーロッパ特許００３２４６１号はサ
イクルのこのような部分を第１図及びｔＩＳ３図に示す
。

本発明は第２図により示された煙道ガスサイクルにも関
する。例えば２０℃の大気中の空気（Ａ）は空気予熱器
（ＡＰ）に入り、そこで煙道ガスによって例えば２５８
℃に予熱される。次いで空気はボイラ（Ｂ）に入り、そ
こで燃料を燃焼させそして例えば３３０℃の煙道ガス（
Ｆ’Ｇ）の形態で去って空気予熱器に入る。この煙道ガ
スはそれが加熱する大気中の空気（Ａ）により冷却され
、次いで大気に排出される。

例として与えられた前記温度に対応して、排出される煙
道ガスの温度は１２０℃である。実際には、大気に排出
される煙道ガスの温度は１１５℃乃至１８５°Ｃである
。煙道ガスの顕熱に対応して、ｔめうる量のエネルギー
がかくして失われる。

予熱器の出口における煙道ガスの温度は幾つかの７アク
ターによって決定される。空気予熱器はガス／ｉｆス交
換器であるので、流体が液体である交換器または流体が
状態を変化する交換器よりも不十分な交換係数を有して
いる。交換器を通り抜ける空気温度の１５０℃乃至２５
０℃のオーダーの大きい変動を考慮すると、空気予熱器
は、もしそれがエネルギー損失を減少させるために空気
流の温度をはるかに大きく更に修正（上昇及び降下）し
なければならないとするならば高価なコストの大きい装
置となる。

しかしながら、水は硫ｆ含有撚料のｍ焼から生じる硫黄
の酸化物によって酸性化されうるので、煙道ガスに対し
て最小の透過可能な温度を決定するのは、煙道ガスの中
の水凝縮現求について考慮することである。これは、腐
食の危険及び予熱器が硫酸に耐性の特殊な材料で製造さ
れなければならないとした場合の予熱器のコストの故に
、回避することが重要である。空気予熱器においては、
煙道ガスの露点よりかなり低い入ってくる周囲の空気の
低い温度によって低温の壁における凝縮現象は刺激され
る。露点は燃料の水素含有率に依存する煙道ガスの湿度
の関数である。多くの場合にそれは６０℃乃至７０℃で
ある。しかしながら、硫黄酸化物の存在はこの露点を上
昇させる。低温の壁におけるこの凝縮現象を考慮すると
、出ていく煙道が大の平均温度は理論的露、αよりずっ
と高くなければならない。

を排出する煙突のドラ７Ｆである。高い温度は煙突のド
ラ７Ｆに対して好ましく（空気吹き出し力の減少）そし
て大気中への煙道ガスの分散に対して好ましい。

他方、最近は、環境の保護に関する制限は煙道ガスを脱
硫（部分的に）して、本質的に雨の酸性度を減じるよう
に導く。

標準脱硫方法は煙道ガスを化学的溶液で洗浄することか
ら成る。煙道ガスが過度に高い温度（特に空気ヒータ出
口で）で説破装置に入らないことがこの操作にとって望
ましい。フランス特許第２５３４１５０号は、煙道ガス
が熱交換器において約８０℃に前以て冷却され、脱硫後
煙道ガスを再加熱して煙突に送るようになっている煙道
ガスの脱硫装置を開示している。しかし、脱硫された煙
道ガスの加熱は必ずしも必要ではない。何故ならば、煙
突及びそのプロワ−は相当低温のガスに対して合うよう
に設計ることができるからである。

パワーステージコンの慣用の煙突よりも環境の保故させ
ることができる自然通風冷却塔（ｎａｔｕｒａｌｄｒｉ
Ｂｈｔ　ｃｏｏｌｉｎｇ　ｔｏｗｅｒｓ）を通してこの
煙道ガスを排出することも出来る。西ドイツ特許ｔｌｆ
Ｊ２４５３４８８号は自然通風冷却塔によるきれいな煙
道ガスの排出に関する。

本発明は、煙道ガスの顕熱を回収することを目的とする
。

更に特定的には、本発明は、煙道ガスが空気予熱器及び
集塵器を去るところと親硫装置に入るところまたは煙突
に排出されるところとの間で、１１５℃乃至１８５℃の
煙道ガスの顕エネルギー（！Ｉｅｎｓｉｂｌｅ　ｅｎｅ
ｒｇｙ）を回収することを目的とする。

しかしながら、本発明はこの１つの特定の用途に限定は
されない。

空気予熱器の出口における煙道ガスの温度を制限するこ
とにより先行技術の装置の欠点を緩和すること及び低温
の壁における凝縮現象とガス／ガス交換器が必要とする
大きい交換面積の必要を防止することも又本発明の目的
である。

これらの目的は特許請求の範囲に記載された本発明によ
って達成される。

添付図面を参照して本発明を更に説明する。

第３図は、換熱器−蒸発器、この場合には３つの装置、
ＲＶＩ、Ｒ，Ｖ２、ＲＶ３が編入されている、“低圧”
ヒータ（Ｈｌ乃至１−１４）を具備する第１図のサイク
ルの一部を示す。これらの換熱器−蒸発器は−組みの（
ａ　ｎｅｓｔ　ｏｆ）管を含むスチールシリングである
。煙道ガスは管の内側に運ばれそしてそれが冷却される
につれて順次１こＲＶ３、ＲＶ２、ＲＶＩを通る。

ＲＶｓはヒータ（］−１１、Ｈ２、Ｉ（３）ノｌＪＪＩ
Ｍ物の一部も受は取り、煙道ガスを運ぶＲＶｌｌの管と
の接触により該凝縮物を蒸発させる。生成したスチーム
は凝縮物を送り出しなヒータに送り返される。

第３図に示された例においては、ＲＶ３はＨ３と関連し
てｔ（Ｑ、ＲＶ　２１．ｔ　Ｈ２ト、ＲＶｌはＨｌと関
連している。煙道ガスは１８０℃で空気予熱器（ＡＰ）
から米る。

故に、換熱器−蒸発器は本質的に蒸発潜熱の形態で熱エ
ネルギーをヒータに移動させる。煙道ガスによるエネル
ギーのこの寄与は、換熱器−蒸発器と関連したヒータに
対するタービンにおけるスチームの抜き出しの減少を伴
う。

そうすると、より大きい流量のスチームがタービンにお
いて利用ｏｆ能であり、タービンにおいて膨張してその
内部仕事エネルギーを機械的仕事に転換する。ｆｐＪ３
図に示されたヒータＨ１、Ｈ２、Ｈ３のために抜き出さ
れるスチームの呈は、第１図に示された場合の量より実
質的に少ない。

従って、熱力学的サイクルの効率は１％乃至１゜５％改
良される６ もし空気予熱器出口のガスが１２０℃しかないならば、
第１図のサイクルにおいて、Ｐｔ５４図に示された如く
２つの換熱器−蒸発器を配置することしか出来ないであ
ろう。

ヒータにおける凝縮温度及び煙道ガスの温度は、換熱器
−蒸発器と関連させることができるヒータの数の選択を
決定する。

好ましくは、サイクルの水への煙道ガスの残留段階的に
なされるであろう。エネルギー注入は煙道ガスの温度よ
り少し低い温度レベルでなされ、最も高温の煙道ガスは
最も高温の凝縮物と関連しており、最も低温の煙道ガス
は最も低温の凝縮物と関連している。

凝縮器からボイラまでの２ｖ慮下のヒータの系列におい
て、その凝縮物の温度が煙道ガスの温度に極めて近いか
または煙道ガスの温度より高くて、煙道ガスの熱エネル
ギーのヒータへの移動が不可能であるために、換熱器−
蒸発器と関連させることが最早不可能であるところのヒ
ータがある。

ヒータの系列において、１つのヒータは換熱器−蒸発器
と関連させないが、萌のヒータ及び後続のヒータは関連
させることが可能である。これは、基本的には、サイク
ルの熱力学的効率の改良に上るエネルギーの投資利得（
ｃａｐｉｔａｌｉｚｅｄ　ｇａｉｎ）が換熱器−蒸発器
の投資コストを相殺するにはこのヒータにおいて意図さ
れる熱交換は余りにも少なすぎる場合である。

最後に、コンデンサからの最初のまたは最初の少数のヒ
ータは、前記した如く熱交換が余りにも少ないであろう
故に、換熱器−蒸発器に結合させないことが可能である
。温度及び圧力が低くなるにつれて熱力学的利得はより
小さくなるので、換熱器−蒸発器の設置に関する経済的
利益はコンデンサに近付くにつれて減少し、そして換熱
器−無発器のこの設置を最早正当化することはできなく
なる。

他方、酸露点よりも低く煙道が大の温度を低下させるこ
とはよりコストのかかる材料を使用することになり、煙
道ガスの温度を露点より低くする換熱器−蒸発器による
サイクル効率の改良による発電コストの減少によっては
最早相殺されない投資コストを伴う。

本発明は、ヘッド損失を除いては、総てのヒータが水側
で同じ圧力である場合にも適用される。

これらの場合には、コンデンサ出口には１個のみのポン
プ［Ｅ　））が配置され、′低圧”ヒータと“高圧”ヒ
ータとの開には差がない。

ｆｊＳ５図及び第６図は、それぞれ長さ方向に平行な及
び長さ方向に垂直な断面図で換熱器−蒸発器を示す。

この装置は、ｉ部２及び３を有する容器１から成る。こ
れらの端部は管プレート４及び５と一緒になって“煙室
″６及び７を形成する。煙道ガス（ＦＧ）は６において
換熱器−蒸発器に入り、７においてそれを去る。

管プレート４及Ｖ５は“煙管”８によって接合されてい
て、煙室６から煙室７への煙′ＪｔＬｔＪ′スの密封さ
れた通過を許容する。管径は一般に２５ｍ１ｏ乃至１０
０ｍａ＋１例えば３８ｍｍである。

管は、ｊｌｌ’＄６図の断面図に従って長方形で措かれ
ている重なった層、例えば３５本の管の２５の層におい
て群になっている。

管８の平行六面体形状の組は側部で仕切り９及び１０に
よって取り囲まれている。その上には分配トレー１１が
載っており、その底部は多数の穴をあけられていて、オ
リフィス１２を通って入ってくるヒータの凝縮物の一部
、即ち水をＷ８に噴霧することを可能とする。

管８の上に噴ｎされた水は煙道ガス（１’Ｇ）を運ｊ：
管８に接触すると一部蒸発する。生成したスチームは、
弁１５によって調節することができる水レベル１４の上
に位置したオリフィス１Ｇ及１１７を通って逃げる。

十分な噴霧流を与えるように、ポンプ１３は換熱器−蒸
発器の底部において凝縮物を吸引しそしてそれを示され
た如く再循環する。

水（凝縮物及びスチーム）と接触する要素を形成する材
料、即ち、容器１、仕切９及１／１０、トレー１１、内
側構造要素（支持体、スペーサ等）は、ヒータに使用し
た材料と同様であり、例えばスチールである。

ｇ８及！Ｊ′管プレート４及び５は煙道ガスに１性でな
ければならない。それらは仕切と同じ材料で構成するこ
とかでべろが、もし煙道ガスが特に腐食性である場合１
こけ、それらはより高い銘柄の材料、例えばステンレス
鋼またはニッケル基体合金ｒ構成することが必要である
。

現象を示す場合には、管８はセラミック材料、または〃
ラス又は７ツ索化有磯重合体から構成することが出来る
。管８及びプレート４及び５の材料は複合材料、例えば
ポリテトラフルオロエチレンで被覆されたステンレス鋼
であることが出来る。

煙室壁は、煙道が大の腐食作用から保護するために適当
な重合体樹脂で被覆することが出来る。第９図に示され
た如く、煙管は絞り成型（ｓｗａｇｉＢ）によって管プ
レート４（又は５）に取り付けることができる。

煙道ガスの温度が露点より低く降下すると、換熱器−蒸
発器は煙道ガスを一部脱硫するという利点を有する。

管の外面は流体、即ち、強い相変化、この場合には沸騰
の形態にある蒸発を与える水と接触しているので、対応
する熱移動係数はガスと接触している場合及び液体と接
触している場合よりも優れている。熱交換のこの特性は
、特に空気予熱器の＆０きガス／ガス交換器と比較して
明らかに装置の寸ンＩ：Ａ≧偽Ｊ＋＋ノー 管の内面での熱伝達は、例えば、接触面積及びガスの乱
流を増加する内部フィンによって増加させることができ
る。

ＩＣ！壁を介して煙道ガスと間接に接触している流体は
周囲の空気の温度よりはるかに高いヒータ凝縮物の相当
高い温度であることに留意されたい。

故に、低温の壁における凝縮現象は、回避はされないと
しても、減少する。

第３図の場合には、パワー利得はタービンシャフトにお
いて１．５ＭＷであり、タービンシャフトは電気ネット
ワークに１２５ＭＷを送電する交流発電器を駆動する。

第４図の場合には、利得はタービンシャフトにおいて０
．３５ＭＷである。

かかる利得は、パワーステーションの寿命にわたって投
資された換熱器−蒸発器のコストより明らかに大きい。

他の態様として、２つ又は幾つかの引き続く換熱器−蒸
発器は、２つの換熱器−蒸発器に共通なそしてそれらの
間に位置した煙室１８によって１つの装置に統合するこ
とができる。第７図は、２つの換熱器−蒸発器を一体化
するこのような態様を示す。

２つの引き続く装置の一体化は、第８図に示された如く
、更に進めることすらできる。ｔｊｔＪＢ図においては
、中間の煙室は最早設けられていない。

このような二重の換熱器−蒸発器の管８は２つの措置の
全体に相当するｆｋさ、即ち、第７図の２つの換熱器−
蒸発器の管の長さの和に等しい長さを有しており、他の
ものは総て変わっていない。第８図の二重装置において
は、２つの換熱器−蒸発器は、空間２２と空間２３との
間の流体の通過を許容しないシールされた管プレート２
１によって分離されている。

本明細書においては、特定の態様の詳細について言及し
たが、本発明の必須とみなされる特徴を詳述する特許請
求の範囲を制限することを意図するものではない。

【図面の簡単な説明】

第１図は電気発生機を示していないパワーステージ３ン
の慣用の熱力学的サイクルの線図である。 第２図は、ｔｊＩＪ１図における如きパワーステーシラ
ンの慣用の熱力学的サイクルにおける煙道ガス回路の線
図である。 第３図は、本発明に従う換熱器−蒸発器を編入されてい
る第１図における如きサイクルの低圧ヒータの線図であ
る。 ｆｊ＆４図は、２つのみの換熱器−蒸発器が使用されて
いるＰｔ５３図に対応する図である。 第５図及び第６図は、換熱器−蒸発器の断面図である。 第７図及び第８図は、１つより多くの換熱器−蒸発器が
１つのユニットに統合されている換熱器−蒸発器を表す
図である。 第９図は、煙管と管プレートの構造的関係の詳細を示す
図である。 図において、Ｂ・・・ボイラ、）ＩＰＴ・・・高圧ター
ビン、ＬＰＴ・・・低圧タービン、Ｃ・・・コンデンサ
、ＥＰ・・・水抜き出しポンプ、ＤＧ・・・脱Ｉス器、
ＦＴ・・・／ｌＩ、４Ａａ’７／ｊｌ：’Ｄ−−、ノ４
ｈｔ−４Ｉｓ−−／ＬＪ１−ＬＩＡ−−−７Ｉｔ圧ヒー
タ、Ｈ６−Ｈ８・・・高圧ヒータ、Ａ・・・大気中の空
気、ＡＰ・・・空気予熱器、Ｆ′Ｇ・・・煙道ガス、Ｒ
Ｖ　１−ＲＶ　３・・・換熱器−族発器、１・・・容器
、４．５、・・・管プレート、６．７・・・煙室、８・
・・管、９．１０・・・仕切り、１１・・・分配トレー
、１３・・・ポンプ、１４・・・水レベル、１５・−・
弁、１２．１６．１７・・・オリフィス、である。 スチーム ＦＩＧ、７ ＦＩＧ、８

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、スチームの膨張からのスチーム膨張凝縮物を回収し
   そして、スチーム発生器に再循環する前に、スチーム膨
   張から取り出されたスチームで加熱するようになってい
   る水サイクルを含み、該スチーム発生器は煙道ガスを発
   生するようになっているスチーム発生システムにおいて
   、該煙道ガスを使用して該水サイクルにおけるスチーム
   膨張凝縮物を加熱することにより煙道ガスから熱エネル
   ギーを回収する方法であって、膨張したスチームによる
   スチーム膨張凝縮物の加熱から生じるスチームヒータ凝
   縮物との熱交換において煙道ガスを通すことにより煙道
   ガスからの熱を取り出し、生じるスチームは前記スチー
   ム膨張凝縮物を加熱するために再循環することを特徴と
   する方法。 ２、（１）スチームの膨張からのスチーム膨張凝縮物を
   回収しそして、スチーム発生器に再循環する前に、スチ
   ーム膨張から取り出されたスチームで加熱するようにな
   っている水サイクルと、（２）スチーム発生器からの煙
   道ガスを再循環して、スチーム発生器における燃焼を支
   持するために使用される空気を予熱する煙道ガスサイク
   ルを含むスチーム発生システムにおいて、空気予熱器か
   ら排出された煙道ガスを使用して水サイクルにおけるス
   チーム膨張凝縮物を加熱することにより煙道ガスサイク
   ルから追加の熱エネルギーを回収する方法であって、膨
   張したスチームによるスチーム膨張凝縮物の加熱から生
   じるスチームヒータ凝縮物との熱交換において煙道ガス
   を通すことにより煙道ガスからの熱を取り出し、生じる
   スチームは前記スチーム膨張凝縮物を加熱するために再
   循環することを特徴とする方法。 ３、スチーム膨張凝縮物の加熱及び煙道ガスからの熱の
   取り出しを漸進的温度段階において行う特許請求の範囲
   第１項または第２項記載の方法。 ４、いかなる温度段階においてもスチームヒータ凝縮物
   の温度は該段階における煙道ガスの温度より常に低く、
   そして最も高温の加熱段階からのスチームヒータ凝縮物
   は最も高温の取り出し段階における煙道ガスに対して使
   用されそして最も低温の加熱段階からのスチームヒータ
   凝縮物は最も低温の取り出し段階における煙道ガスに対
   して使用される特許請求の範囲第３項記載の方法。 ５、煙道ガス出口を有するスチーム発生器と、該スチー
   ムを膨張させる手段と、膨張したスチームによりスチー
   ム膨張凝縮物を加熱するための一連のヒータと、加熱さ
   れたスチーム膨張凝縮物をスチーム発生器に再循環する
   手段を具備するスチーム発生システムにおいて、該煙道
   ガスを使用して、該ヒータから回収されたスチームヒー
   タ凝縮物からスチームを発生させる手段と、該スチーム
   を該ヒータに再循環してスチーム膨張凝縮物を加熱する
   手段を具備することを特徴とする該煙道ガスからのエネ
   ルギーの取り出しが改良されているスチーム発生システ
   ム。 ６、スチーム発生器と、該スチーム発生器からの煙道ガ
   スにより燃焼空気を予熱するための手段と、該スチーム
   を膨張させる手段と、膨張したスチームによりスチーム
   膨張凝縮物を加熱するための一連のヒータと、加熱され
   たスチーム膨張凝縮物をスチーム発生器に再循環させる
   手段を具備するスチーム発生システムにおいて、該煙道
   ガスを使用して、該ヒータから回収されたスチームヒー
   タ凝縮物からスチームを発生させる手段と、該スチーム
   を該ヒータに再循環させて該スチーム膨張凝縮物を加熱
   する手段を具備することを特徴とする該煙道ガスからの
   エネルギーの取り出しが改良されているスチーム発生シ
   ステム。 ７、該取り出し手段が、各々ヒータに接続されている複
   数の熱交換器を具備し、該スチームヒータ凝縮物を該煙
   道ガスとの熱交換において通すことにより該スチームヒ
   ータ凝縮物からスチームが発生するようになっている特
   許請求の範囲第５項または第６項記載のスチーム発生シ
   ステム。 ８、最も高温のスチームヒータ凝縮物が最も高温の煙道
   ガスとの熱交換において通されるように熱交換器及びヒ
   ータが配列されている特許請求の範囲第７項記載のスチ
   ーム発生システム。 ９、熱交換器が、複数の管により接続された２つの煙室
   と、煙道ガスがそれから排出されるようになっている１
   つの煙室に煙道ガスを通すための手段と、スチームヒー
   タ凝縮物を該管の上を流れるように該熱交換器に導入す
   るための手段を具備する特許請求の範囲第５−８項のい
   ずれかに記載のスチーム発生システム。 １０、該熱交換器は、少なくとも２組の複数の管を具備
   し、該管は隣接した組の管端部の間の共通の煙室と端部
   突き合わせで位置付けられたする特許請求の範囲第９項
   記載のスチーム発生システム。 １１、熱交換器が密封管プレートによってほぼその中心
   で分割されており、該管は該プレートを通過している特
   許請求の範囲第９項記載のスチーム発生システム。