| 【発明の名称】 |
高温用熱交換器 |
| 【発明者】 |
【氏名】酒井 幸文
【氏名】太田 一雄
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| 【要約】 |
【課題】高温で燃焼する廃棄物燃焼炉から発生する高温の燃焼ガスから、熱を回収できる熱交換器において、外管が高温によって損傷することを防ぐことを目的とする。
【解決手段】１３００℃以上の温度で燃焼する燃焼炉から排出する燃焼ガスから熱を回収する熱交換器において、シングルエンド型熱交換器外管内に、２重管からなる内管を配置し、２重管の間隙に熱交換用流体を通過させるとともに、２重管の中心部に冷却用流体を通過させて、熱交換を行うと同時に外管の所要部分を冷却する。 |
【特許請求の範囲】
【請求項１】高温燃焼炉の排気ダクトから排出される高温燃焼ガスから熱を回収するためのシングルエンド型熱交換器において、一端が閉塞されて閉塞端部を形成し、他端が開口し前記排気ダクトに取り付けるための取付基部を形成している円筒状体からなる外管と、前記外管内に同軸的にかつ間隙を設けて挿入され、開口している一端が前記外管の閉塞端部に近接して位置し、同じく開口している他端が前記外管取付基部に近接して位置するよう配置され、前記外管内に熱交換用流体を給送するための内管と、前記内管内に同軸的にかつ間隙を設けて挿入され、開口している一端が前記外管閉塞端部に前記内管よりさらに近接して位置し、同じく開口している他端が前記外管取付基部に近接して位置するよう配置され、前記内管に給送される流体より高圧の流体を給送するための冷却管とを備えたことを特徴とする高温用熱交換器。
【請求項２】高温燃焼炉の排気ダクトから放出される高温燃焼ガスから熱を回収するためのシングルエンド型熱交換器において、一端が閉塞されて閉塞端部を形成し、他端が開口し前記排気ダクトに取り付けるための取付基部を形成している円筒状体からなる外管と、前記外管内に同軸的にかつ間隙を設けて挿入され、開口している一端が前記外管の閉塞部に近接して位置し、同じく開口している他端が前記外管開口部に近接して位置するよう配置され、前記外管内に熱交換用流体を給送するための内管と、前記内管内に同軸的にかつ間隙を設けて挿入され、開口している一端が前記外管閉塞部に前記内管よりさらに近接して位置し、同じく開口している他端が前記内管中央部に位置するよう配置されている冷却管を備えたことを特徴とする高温用熱交換器。
【請求項３】前記冷却管の流路断面積と前記内管の流路断面積との比を１／４〜３／５の範囲としたことを特徴とする請求項１もしくは請求項２に記載の高温用熱交換器。
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【発明の詳細な説明】【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、都市ごみ等の廃棄物燃焼炉から発生する高温の燃焼ガスから、熱を回収するための熱交換器に関する。
【０００２】
【従来の技術】従来、都市ごみや産業廃棄物は焼却炉で焼却処理されていたが、近年燃焼後の焼却灰や排煙からダイオキシン等の有害物質が検出され、問題となっている。このダイオキシンの発生を防止するためには、より高温で燃焼すればよいことがわかっており、燃焼温度を上げるための炉が開発され使用されてきている。すなわちダイオキシン等の物質は、１２００℃以上で燃焼させれば発生しないと考えられ、燃焼炉もこのような高温で運転されている。
【０００３】ところで、このような高温の燃焼ガスはそのまま大気中に放出することはエネルギーの多大な損失につながるため、これを回収することが試みられている。例えば、特開平８−９４０５１号公報に見られるように、２重に配置した金属製伝熱管の外側を耐火性保護管で覆った空気加熱器を燃焼ガスダクト中に配置し、空気加熱器中に空気を流通させ、燃焼ガスから熱を回収することが知られている。ところでこの方法によれば、腐食性ガスが流通する高温ガス中から腐食性ガスによる金属伝熱管の腐食作用を受けることなく、熱回収が可能であるが、装置が複雑でコストアップの要因となるばかりでなく、メインテナンスが困難であるという欠点がある。
【０００４】また、特開平１１−２１１３７５号公報に見られるように、燃焼炉の燃焼ガス排気ダクトに熱交換用の有底円筒状伝熱管を挿入し燃焼ガスから熱を回収することが知られている。この装置は構造も簡単であり、比較的安価に装置を実現できると考えられるが、この伝熱管を多数並列して排気ダクト中に配置した場合、伝熱管の直胴部より先端部がより高温にさらされるため、この部分において損傷を受けることとなってしまう。すなわち、図１に記載したように、このような有底円筒状伝熱管を多数並列して排気ダクトに配置した場合、伝熱管の直胴部分は通気抵抗が大きいため、高温の排気ガスは排気ダクト壁面と伝熱管との間隙を通過するため、先端の部分が特に高温にさらされることになる。この従来の伝熱管では、冷却流体は、内管によって伝熱管内に給送される。しかしながら、冷却空気は、内管によって最高温部に向かって噴射されるものの、外管内部壁面から反射してくる流体が乱流となり抵抗が増加するため、比較的低温の冷却流体は最高温部に到達することができず、所望の冷却効果を期待することは困難であった。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】本発明は、高温燃焼炉の排気ダクトから熱を回収する際の上記問題点を解決するためになされたもので、熱交換器外管の損傷を防止し、効率的に熱を回収できる熱交換器を提供するものである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】本発明者らは、上記従来の熱交換器の問題点の解消すべく鋭意検討した結果、熱交換器の特に高温にさらされる部分を効果的に冷却する構造にした結果なされたものである。
【０００７】第１の本発明は、シングルエンド型熱交換器において、高温用熱交換器の最外部を構成する外管内部に２重の管を配置して熱交換用流体を流通させるようにし、また、前記外管先端の内側を冷却するために、最内部の管内に中間部より高圧の冷却用流体を圧入するものである。
【０００８】すなわち、第１の本発明は、高温燃焼炉の排気ダクトから排出される高温燃焼ガスから熱を回収するためのシングルエンド型熱交換器において、一端が閉塞されて閉塞端部を形成し、他端が開口し前記排気ダクトに取り付けるための取付基部を形成している円筒状体からなる外管と、前記外管内に同軸的にかつ間隙を設けて挿入され、開口している一端が前記外管の閉塞端部に近接して位置し、同じく開口している他端が前記外管取付基部に近接して位置するよう配置され、前記外管内に熱交換用流体を給送するための内管と、前記内管内に同軸的にかつ間隙を設けて挿入され、開口している一端が前記外管閉塞部に前記内管よりさらに近接して配置され、同じく開口している他端が前記外管取付基部に近接して位置するよう配置され、前記内管に給送される流体より高圧の流体を給送するための冷却管を備えたことを特徴とする高温用熱交換器である。
【０００９】また、第２の本発明は、シングルエンド型熱交換器において、外管内部に内管を配置して熱交換用流体を流通させるようにし、さらに該内管内部に内管より短尺の冷却管を、その先端が内管先端より外管の閉塞端部近くまで近接して配置させることにより、外管先端の内側の冷却を効果的に行おうとするものである。
【００１０】すなわち、第２の本発明は、高温燃焼炉の排気ダクトから放出される高温燃焼ガスから熱を回収するためのシングルエンド型熱交換器において、一端が閉塞され、他端が開口しかつフランジが形成されている円筒状体からなる外管と、前記外管内に同軸的にかつ間隙を設けて挿入され、開口している一端が前記外管の閉塞部に近接して配置され、同じく開口している他端が前記外管開口部に近接して配置され、前記外管内に熱交換用流体を給送するための内管と、前記内管内に同軸的にかつ間隙を設けて挿入され、開口している一端が前記外管閉塞部に前記内管よりさらに近接して配置され、同じく開口している他端が前記内管中央部に配置されている冷却管を備えたことを特徴とする高温用熱交換器である。
【００１１】
【発明の実施の形態】以下、図を用いて第１の本発明の実施の形態について説明する。図１が本発明の高温用熱交換器の断面図である。図中１０は、シングルエンド型熱交換器の円筒状体の外管であり、その一端は閉塞端部１６により閉塞されている。一方の他端は、開放されており、円筒状態の端部はフランジ状の段差部となって取付基部１７を形成していて、このフランジ状段差を介して回収高温流体導出路１５に接続されている。また、本発明の高温用熱交換器は、この取付基部によって図示していない排気ダクト壁面に取り付けられるようになっている。外管１０の材料は、この外管が高温雰囲気下に曝されることから、高温強度の高い炭化珪素系セラミックで作成することが望ましい。
【００１２】この熱交換器外管１０の取付基部側端部から熱交換器内管１１が内部に挿入され、同軸的、かつ間隙を設けて固定されている。この内管１１は両端部共に開放されている円筒状体であり、取付基部側の端部は熱交換用流体流入路１３を介して図示していないが熱交換用流体給送用ポンプに接続される。内管１１の材料は、炭化珪素質焼結体でもよいが、金属管でもよい。セラミック材料を用いた方が、高温強度は高いものの、所望形状への加工が難しく、コストアップにつながりやすい。
【００１３】内管の流路断面積は、外管の流路断面積の３／１０〜７／１０の範囲で選択される。上記範囲を下回った場合、十分量の冷却空気を流すことができず、熱回収効率が低下する。一方、上記範囲を上回った場合、冷却空気が外管閉塞端部１６で急激に膨張し、圧損が大きくなることから空気を吹き込むことができない。この内管の流路断面積と外管の流路断面積の比は、約１／２が特に好ましい。
【００１４】上記内管１１の取付基部側端部から冷却管１２が内部に挿入され、同軸的かつ間隙を設けて固定されている。冷却管１２の全長は、内管１１より長く、閉塞側端部は、内管１１の閉塞側端部より、外管１０の閉塞端部方向に突出している。冷却管１２の取付基部側端部は冷却流体圧入路１４を介して、図示していないが流体圧入ポンプに接続され、冷却用流体が高圧で給送される。
【００１５】冷却管１２の流路断面積と、内管１１の流路断面積との比は、１／４〜３／５の範囲が望ましい。この比が上記範囲を下回ると、強制冷却の効果がなく、またこの範囲を上回るように設定することは、装置が大がかりになるため実用的ではない。この比は、望ましくは、１／２である。さらに、冷却管１２内を流れる流体の圧力は、内管１１内を流れる流体の圧力の１．１倍〜５倍の範囲とすることが望ましい。流体圧力がこの範囲を下回ると、強制冷却の効果がなく、また５倍を上回ることは、圧力維持のための構造上の制約が大きく、実用的でない。
【００１６】上記構造の熱交換器によれば、熱交換用流体流入路１３から給送された流体は、内管１１と冷却管１２との間隙を通って外管閉塞端部側に到達し、次いで外管１０と内管１１との間隙を通って外管の壁面で加熱され回収高温流体導出路から取り出され、図示していないが発電機等に給送され排熱が有効利用される。また、冷却流体圧入路１４から圧送された冷却用流体は、冷却管内を通過して外管閉塞端部１６に到達し、この閉塞端部を集中的に冷却した後、熱交換用流体と合流して回収高温流体導出路１５から取り出される。
【００１７】次に、上記第１の本発明の変形例について、図２を用いて説明する。本変形例は、第１の本発明における冷却管の閉塞側端部を屈曲させ、直接外管の高温部に冷却用流体を噴射させるものである。これによって、特に高温となる部分において冷却効果が改善されるため、外管の損傷が低減される。
【００１８】すなわち、本変形例の高温用熱交換器は、燃焼炉の排気ダクト内に挿設されており、燃焼炉から排出される高温の燃焼ガスは、排気ダクトに流入し熱交換器部で熱交換用流体に熱を伝達して排出されるが、熱交換器外管の上流側側面においては、直接高温の燃焼ガスが熱交換器と接触するため特に高温となり、損傷も他の部分より進行が速いという問題がある。このような局所的な高温加熱部は必ずしも熱交換器外管最先端部ばかりではなく排気ダクト上流側に面している外管側面においても局所的に発生する可能性がある。そのような現象の発生する熱交換器において局所的な高温部を図２に示す冷却管を用いて効果的に冷却を行うものである。
【００１９】次に、第２の本発明について説明する。図３が第２の本発明の高温用熱交換器の断面図である。図中３０は、シングルエンド型熱交換器の外管であり、円筒状体の一端は閉塞端部３６により閉塞されている。一方の他端は、開放されており円筒状体の端部はフランジ状の段差部となって取付基部３７を形成しており、このフランジ状段差を介して回収高温流体導出路３５に接続されている。また、本発明の高温用熱交換器は、この取付基部によって図示していない排気ダクト壁面に取り付けられるようになっている。外管３０の材料は、この外管が高温雰囲気下に曝されることから、高温強度の高い炭化珪素系セラミックで作成することが望ましい。
【００２０】この熱交換器外管３０の取付基部側端部から熱交換器内管３１が内部に挿入され、同軸的、かつ間隙を設けて固定されている。この内管３１は両端部共に開放されている円筒状体であり、取付基部側の端部は熱交換用流体流入路３３を介して図示していないが熱交換用流体給送用ポンプに接続される。内管３１の材料は、炭化珪素質焼結体でもよいが、金属管でもよい。セラミック材料を用いた方が、高温強度は高いものの、所望形状への加工が難しく、コストアップにつながりやすい。
【００２１】内管の流路断面積と外管の流路断面積との比は、３／１０〜７／１０の範囲で選択可能であり、上記範囲を下回った場合、十分量の冷却空気を流すことができず、熱回収効率が低下する。一方、上記範囲を上回った場合、冷却空気が外管閉塞端部３６で急激に膨張し、圧損が大きくなることから空気を吹き込むことができない。この比は、約１／２が特に好ましい。
【００２２】上記内管３１に冷却管３２が内部に挿入され、同軸的かつ間隙を設けて固定されている。冷却管３２の全長は、内管３１より短く約１／２以下の長さが望ましい。冷却管の閉塞側端部は、内管３１の閉塞側端部より、外管３０の閉塞端部方向に突出している。冷却管３２の取付基部側端部は内管に供給される熱交換用流体の一部が冷却管を経由して熱交換器外管の高温部に供給されることになる。
【００２３】ところで、第１の本発明においては、外管、内管、及び冷却管は、取付基部において相互に固定されているが、第２の本発明においては、冷却管は図４に示すように冷却管４２の外表面に形成されるフィン状突起４３によって、内管内部に挿設される。このフィン状突起は冷却管外表面長手方向全長に渡って形成されていてもよいし、冷却管の長手方向の一部にのみ形成されていてもよい。
【００２４】第２の本発明の高温用熱交換器において、冷却管３２の流路断面積は、内管３１の流路断面積の１／４〜３／５の範囲であることが望ましい。冷却管の流路断面積と内管の流路断面積の比がこの範囲を下回ると、冷却管に十分量の流体が流れないため冷却の効果がなく、またこの範囲を上回るように設定することは、冷却管を設ける意味がなくなり、現実的ではない。最も望ましくは１／２である。
【００２５】上記構造の熱交換器によれば、熱交換用流体流入路３３から給送された流体は、内管３１と冷却管３２との間隙を経由する流れと、冷却管３２中を経由する流れに分断される。内管と冷却管との間隙を経由する流れは、冷却管中を経由する流れよりも外管に近い経路を通過するため、比較的温度上昇が速く、外管閉塞端部側に到達する時点では、閉塞端部を冷却する効果は薄い。一方、冷却管内を通過する流れは、前記流れよりも外管温度上昇が遅いため、外管閉塞端部に到達する時点では、十分冷却能力を有している。このようにして外管閉塞端部に到達した熱交換用流体は、合流して外管３０と内管３１との間隙を通って外管の壁面で加熱され回収高温流体導出路から取り出され、図示していないが発電機等に給送され排熱の有効利用が図られる。
【００２６】次に、本発明の高温用熱交換器を燃焼炉に取り付ける構造について図５を用いて説明する。図５が、焼却炉排気ダクトに本発明の高温用熱交換器を取り付けた概略を示すブロック図である。実際の取付においては、複数本の熱交換器を並列にまとめて排気ダクトに取り付けることが多いが、本図では、理解を容易にするために１本の高温用熱交換器のみ取り付けた例を図示している。
【００２７】図中５１が焼却炉本体である。前述したように燃焼により有害物質を発生しないようにに燃焼炉中では、１０００℃を越える高温で燃焼される。高温の燃焼ガスは、排気ダクト５３で燃焼炉外に排出されるが、排気ダクトの中間部壁面に孔があけられており、そこに本発明の熱交換器が挿入される。本発明の高温用熱交換器の取付は、排気ダクトの上部壁面にあけられた孔から下方へ向けて挿設することが望ましい。これによって熱交換器の設置固定が容易になるからである。そして、該高温用熱交換器には、図示していないが熱交換用流体を給送するためのポンプが接続されており、該高温用熱交換器の熱交換用流体導入路から流体が熱交換器に給送される。そして、該高温用熱交換器の外管５４で排気ダクト５３を通過してくる燃焼ガスにより加熱された熱交換用流体は、回収高温流体導出路５６から取り出され利用される。また、高温用熱交換器として第１の本発明の高温用熱交換器を使用した場合には、上記熱交換用流体以外に、さらに高圧の冷却用流体を給送する必要がある。そのために前記ポンプの外にさらに高圧の流体を給送できるポンプを設置し、高温用熱交換器の冷却管に供給するよう、配置される。
【００２８】本発明で用いることのできる熱交換用流体としては、１３００℃程度の温度で安定な気体もしくは液体を採用できるが、特に空気、窒素ガスなどがコストから見て好ましい。
【００２９】
【実施例】本発明の高温用熱交換器の実施例及び比較例について説明する。外管寸法がφ１００ｘ１６００ｍｍであって、外管と冷却管の断面積比を２とし、冷却管と内管の断面積比を１／２とした図１の高温用熱交換器を準備した。これを、冷却管と内管の圧力比が２．５、流体流量が４０Ｎｍ３／ｈとなるように、熱交換用流体及び冷却用流体を給送するポンプを設定し、炉内温度が１３００℃の燃焼炉から排出される排気ダクトに本発明の高温用熱交換器を設置した。回収高温流体導出路における燃焼ガスの温度は８００℃であった。また、比較のため、図１における冷却管１２を省略したこと以外はこれと異ならない熱交換器を準備した。
【００３０】本発明の高温用熱交換器及び比較例の熱交換器を用いて、稼働試験を行い、外管先端部の温度を測定した。その結果、冷却管を挿入しない場合の温度が１１００℃であったのに対して、冷却管を挿入した場合の温度は、１０４０℃となっており、冷却管使用によって６０℃の温度差が現れた。
【００３１】ところで、ＳｉＣセラミックは、その表面温度が１１００℃を越えると急激にアルカリあるいはハロゲンとの反応が著しく進行し、強度低下をもたらすことが判明している。本実施例では、温度が１０４０℃に低下し、その結果、１００日間運転後も、何ら損傷は見られなかった。
【００３２】続いて、実施例１の熱交換器を用いて、冷却管と内管の圧力比を２とした熱交換器を準備した。実施例１と同様に外管先端部の温度を測定した結果、１０３０℃に低下し、その効果は顕著であることが判明した。
【００３３】
【発明の効果】本発明によれば、従来公知の熱交換器と比較してシングルエンド型熱交換器の閉塞先端部における温度が格段に低下したことにより、廃棄物燃焼ガス中に含まれる可能性が大きいアルカリやハロゲンなどの物質と、熱交換器外管を構成するセラミック材料との反応が抑制されることから、熱交換器外管の損耗が抑制され、その耐用寿命が著しく改善される。
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| 【出願人】 |
【識別番号】０００２２１１２２
【氏名又は名称】東芝セラミックス株式会社
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| 【出願日】 |
平成１１年１２月２１日（１９９９．１２．２１） |
| 【代理人】 |
【識別番号】１０００８８４８７
【弁理士】
【氏名又は名称】松山 允之
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| 【公開番号】 |
特開２００１−１７４１７０（Ｐ２００１−１７４１７０Ａ） |
| 【公開日】 |
平成１３年６月２９日（２００１．６．２９） |
| 【出願番号】 |
特願平１１−３６３４９６ |
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