トップ :: F 機械工学 照明 加熱 武器 爆破 :: F28 熱交換一般




【発明の名称】 熱交換装置
【発明者】 【氏名】吉田 直美

【氏名】植田 昭雄

【氏名】山田 陸雄

【氏名】杉田 隆一

【氏名】吉田 邦勝

【氏名】竹田 誠

【氏名】山口 博嗣
【要約】 【課題】水平伝熱管に堆積した未燃分を、簡単な構造で除去できる。

【解決手段】階層的に配置された水平伝熱管１１を有する伝熱管１０と、この伝熱管１０を囲う冷却壁１２とを有する熱交換装置に設けられ、水平伝熱管１１に堆積した堆積未燃分３８にリサイクルガス４２を噴射する噴射口２０が冷却壁１２の内面１７に開口して設けられた未燃分除去手段を備える。噴射口２０は、水平伝熱管１１の間にリサイクルガス４２を噴射する位置に設けられる。
【特許請求の範囲】
【請求項１】 階層的に配置された水平伝熱管を有する伝熱管と、該伝熱管を囲う冷却壁とを有する熱交換装置に設けられ、前記水平伝熱管に堆積した未燃分に気体を噴射する噴射口が前記冷却壁の内面に開口して設けられた未燃分除去手段を備えてなる熱交換装置。
【請求項２】 請求項１において、前記噴射口は、前記水平伝熱管の間に前記気体を噴射する位置に設けられてなる熱交換装置。
【発明の詳細な説明】【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、伝熱管に堆積した未燃分を除去する未燃分除去手段を備えた熱交換装置に関するものである。本熱交換装置は、たとえば石炭ガス化炉で生成される生成ガスの熱を回収する熱回収ボイラとして好適に使用される。
【０００２】
【従来の技術】微粉の石炭（微粉炭）を原料とする石炭ガス化炉は、供給された微粉炭原料と、空気、酸素などの酸化剤とを、原料灰の融点以上の温度である約１，３００〜１，６００℃の炉内でガス化し生成ガスを生成する。石炭ガス化炉で生成された生成ガスは、熱回収ボイラなどの熱交換装置に送られ、その保有熱の一部が回収される。
【０００３】このような熱回収ボイラは、階層的に配置された水平伝熱管を有する伝熱管と、この伝熱管を囲う冷却壁とを有し、伝熱管の外側を通過する生成ガスと、伝熱管の内側を流通する熱媒体との間で熱交換される。熱回収ボイラへ送られる生成ガスは、数１００ｇ／Ｎｍ3の未燃分を含み、これは通常の石炭焚ボイラの数１００倍の濃度に相当する。この未燃分を含む生成ガスを熱回収ボイラに送り熱回収を行うと、生成ガス中の未燃分は比較的短時間のうちに伝熱管、特に水平部位である水平伝熱管に堆積する。因みに、未燃分は、未燃カーボンと灰分を含むものである。
【０００４】上記熱回収ボイラにおいて、未燃分が水平伝熱管に堆積すると、伝熱管の受熱面積が減少し、熱交換率の低下を起こす。したがって、熱交換率を上げるには、伝熱管上に堆積した未燃分を積極的に除去する必要がある。水平伝熱管に堆積した未燃分（以下「堆積未燃分」ともいう）を除去する装置としては、熱回収ボイラ内の水平伝熱管の上方に、窒素ガス（Ｎ2ガス）を供給するガス供給配管を配設し、このガス供給配管に設けられた噴射口から窒素ガスを噴射し、水平伝熱管上に堆積した未燃分を吹き飛ばすものが知られている（たとえば特開昭６１−２２１２９３号公報）。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】上記未燃分を除去する装置は、水平伝熱管の上方に窒素ガスを噴射するための噴射口を設けたガス供給配管を設ける必要がある。このため、内部を流れる高温ガスによってガス供給配管や、これに設けた噴射口が熱損傷を受ける。これを防止するため、ガス供給配管や噴射口に工夫をする必要がある。たとえばガス供給配管や噴射口を形成する材料に耐熱合金を使用したり、配管や部材の肉厚を厚くしたりする。
【０００６】また、ガス供給配管は、水平伝熱管に平行な方向やこれに直交する方向に設けられるが、水平伝熱管の全てにこのようなガス供給配管を設けると数が多くなり、構造が複雑になる。さらに、ガス供給配管の配設される数が多くなると経済的でないので、幾つかの水平伝熱管がまとまった伝熱管ごとに設けられる。しかし、この場合、ガス供給配管の噴射口から窒素ガスを噴射したときに、上に位置する水平伝熱管に対して下に位置する水平伝熱管、いわば影になる水平伝熱管に堆積した未燃分が除去されにくいという問題があった。
【０００７】本発明は、水平伝熱管に堆積した未燃分を簡単な構造で除去できることを課題とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため本発明は、水平伝熱管に堆積した未燃分に気体を噴射する噴射口が冷却壁の内面に開口して設けられた未燃分除去手段を備えてなることを特徴とする。
【０００９】このようにすることにより、水平伝熱管に堆積した未燃分は、冷却壁の噴射口から噴射される気体によって吹き飛ばされるので、熱交換に寄与できなかった伝熱面が回復し、熱交換率を維持できる。特に、噴射口を水平伝熱管の間に気体を噴射する位置に設けたものによれば、各階層ごとの水平伝熱管に堆積していた未燃分が除去され、他の水平伝熱管の影になって堆積していた未燃分も除去される。
【００１０】さらに、未燃分除去手段の噴射口は、冷却壁の内面に開口して設けられるので、熱交換装置の内部を流れる高温ガスに露出する面が少なく熱損傷を受けることが少ない。しかも、熱交換装置の内部に、先に記した気体を噴射するためのガス供給配管がないので、熱交換装置の内部における伝熱管の設計の自由度が増す。したがって、簡単な構造で水平伝熱管全体にわたって未燃分が除去される。
【００１１】上記未燃分除去手段の噴射口は、冷却壁の内面に開口するが、水平伝熱管の長手方向に気体を噴射する噴射口と、水平伝熱管の長手方向と直交する方向に気体を噴射する噴射口とを含むように形成すると良い。一方の噴射口では伝熱管の影になって除去できない未燃分を他方の噴射口によって除去することができる。
【００１２】噴射口の形状は、円形でもよいが、冷却壁の円周方向に長い長孔とすることにより、水平面内で広がる噴射流とすることができ、未燃分が堆積した水平伝熱管の広い範囲をカバーできる。
【００１３】また、未燃分を吹き飛ばすための気体は、冷却壁の外部から供給され、冷却壁の内部に設けられた気体の流路に流入し、この流路を流れて冷却壁の内面に開口した噴射口から噴射される。この場合、流路として冷却壁を貫通する貫通孔を設け、この貫通孔の気体流出口を先の噴射口とすると良い。このようにすることにより、冷却壁の外側を囲った囲い（これを「気体溜め部」ということにする）を設け、貫通孔の気体流入口を覆うことにより、冷却壁に設けた複数の貫通孔に簡単な構造で気体を供給することができる。この場合、熱交換装置の内部を流れる高温ガスの入口から出口に向かって、気体溜め部を分割すると良い。気体溜め部を分割することにより、分割された気体溜め部ごとに供給気体の圧力や流量を変えることが可能になり、水平伝熱管に堆積した未燃分の量に応じて供給する気体の圧力、流量、噴射時間、回数などを制御することが可能になる。
【００１４】
【発明の実施の形態】以下、本発明に係る熱交換装置の実施の形態を図面に基いて詳細に説明する。なお、図１〜９において、同一または同等部分には同一符号を付けて示す。
【００１５】図５は、本発明に係る熱交換装置を使用した石炭ガス化装置の一実施形態を示す系統図である。石炭などの固体炭素質原料をガス化するガス化装置として、固定層、流動層、気流層などの各型が従来より知られている。これらの中で気流層型の石炭ガス化装置は、合成ガス、複合ガス、複合発電、燃料電池などの燃料および原料製造に適し、ガス化効率が高い、適用炭種が広い、環境適合性に優れているなどの特徴を有している。
【００１６】図５に示した石炭ガス化装置は、微粉炭原料４４と酸化剤としての空気または酸素４６とを供給して反応させて生成ガス３６を生成する石炭ガス化炉３と、この石炭ガス化炉３で生成された生成ガス３６の熱を回収する熱回収ボイラ（熱交換装置）６とを備える。微粉炭中の灰分は溶融スラグ４８として排出される。
【００１７】熱回収ボイラ６は、生成ガス３６がライン４を介して供給される。熱回収ボイラ６の内部には伝熱管群９ａ、９ｂ、…が設けられ、伝熱管群９ａ、９ｂ、…は階層的に配置された水平伝熱管を有する伝熱管の集まりである。熱回収ボイラ６は、これらの伝熱管群９ａ、９ｂ、…と、伝熱管群９ａ、９ｂ、…を囲う冷却壁１２とを有し、伝熱管群の伝熱管外側を通過する生成ガス３６の熱を伝熱管の内側を流通する熱媒体に移動させて回収する。
【００１８】熱回収ボイラ６を通過した生成ガス３７は、ライン３５を介して未燃分回収装置３４に導かれ、ここで未燃分３９が回収される。未燃分３９が回収された生成ガスの一部はリサイクルガス４２として利用される。残りの生成ガス４１は、脱塵、ガス精製などの処理が行われ、ガスタービンに供給され燃焼される。
【００１９】さらに、熱回収ボイラ６は、冷却壁１２の外側背面に沿って設けられる複数に分割されたブロー用ユニット（気体溜め部）２３ａ、２３ｂ…を備える。後述のように、冷却壁に設けられる複数の貫通孔１９（図１に示す）に気体、たとえば生成ガスから未燃分を除去した上記リサイクルガス４２が供給される。なお、リサイクルガス４２の代わりに窒素ガスが使用される場合もある。
【００２０】図６は、水平伝熱管に堆積した未燃分を示す説明図である。上記熱回収ボイラ６において熱交換率に大きく影響するのは、図６に示す水平伝熱管１１上の堆積未燃分３８である。堆積未燃分３８は、伝熱管の受熱面積を低下させる。
【００２１】図１は、本発明に係る熱交換装置の第１実施形態を示す要部断面図である。図２は、図１の平面図である。第１実施形態の熱回収装置は、冷却壁１２を形成する冷却管１４（図２）およびこの冷却管１４の間を塞ぐ塞ぎ板１６と、この塞ぎ板１６を貫通する複数の貫通孔１９とを備える。貫通孔の噴射口２０は、塞ぎ板の内面１７に開口し、貫通孔１９に供給されるリサイクルガス４２が水平伝熱管１１の間に噴射される位置に設けられる。
【００２２】図３は、第１実施形態における冷却壁の内面側の斜視図である。塞ぎ板１６の内面には、複数の噴射口２０が形成され、その形状は円である。噴射口２０の高さ方向の位置は、図示していない水平伝熱管の間に対応させて設けられる。冷却管１４は、その長手方向を冷却壁１２の高さ方向に一致させ、かつ円周方向に、たとえば一定の間隔に設けられる。
【００２３】図４は、第１実施形態の別の噴射口を示す要部断面図である。噴射口２０は、図１、２に示したベンド部と異なる位置に設けられる。すなわち、水平伝熱管１１に直交する方向に開口し、かつ水平伝熱管１１の間にリサイクルガス４２を噴射する位置に設けられる。貫通孔１９には、ブロー用ユニット２３からリサイクルガス４２が供給される。
【００２４】次に、リサイクルガス４２を圧送する気体圧送装置およびこれを制御する制御装置について、先に示した図５によって説明する。
【００２５】図５に示すように、熱回収ボイラ６は、各分割されたブロー用ユニット２３ａ、２３ｂ…に独立に気体を圧送可能な圧送手段として気体圧送装置２５と、この気体圧送装置２５を独立に制御可能な制御装置３０とが設けられる。
【００２６】気体圧送装置２５は、未燃分を除去したリサイクルガス４２を導入するライン２６と、ライン２６がさらに分岐されたライン２６ａ、２６ｂ…と、ライン２６の途中に設けられる制御弁２７、ライン２６ａ、２６ｂ…の途中に設けられる制御弁２８ａ、２８ｂ…とを有する。そして、ライン２６ａ、２６ｂ…は、それぞれブロー用ユニット２３ａ、２３ｂ…に接続される。制御弁２７、２８ａ、２８ｂ…は、リサイクルガス４２の圧力または流量あるいは圧力と流量を制御するもので、配管設計時に適宜組み合わせる。図示していないが、ライン２６、２６ａ、２６ｂ…には遮断弁も適宜設けられると良い。
【００２７】制御装置３０は、制御弁２７、制御弁２８ａ、２８ｂ…をそれぞれ制御するコ．ントローラ３１と、コントローラ３１からの指令信号を制御弁２７、制御弁２８ａ、２８ｂ…に伝える信号ライン３２、３３ａ、３３ｂ…とを有する。
【００２８】以上の構造を有する第１実施形態の熱回収装置は、次のように作用する。すなわち、図１に示すように、塞ぎ板１６を貫通する複数の貫通孔１９に供給されるリサイクルガス４２は、貫通孔の噴射口２０から噴射される。噴射されたリサイクルガス４２は、水平伝熱管１１の間に噴射され、水平伝熱管１１上の堆積未燃分３８を吹き飛ばす。
【００２９】図４に示すように、リサイクルガス４２を熱回収ボイラの伝熱管のベンド部に当たらない水平伝熱管１１の間に噴射させることにより、リサイクルガス（スートブローガス）４２は確実に水平伝熱管１１の間を通り抜け、水平伝熱管上の堆積未燃分３８を吹き飛ばすことができ、低下した熱交換率を再び向上させることができる。
【００３０】さらに、それぞれの水平伝熱管１１の間に対応して複数の噴射口２０が塞ぎ板１６に設けられるので、それぞれの噴射口２０から噴射されるリサイクルガス４２は、それぞれの噴射口２０に対応する水平伝熱管１１の間の堆積未燃分３８に噴射され、堆積未燃分３８を吹き飛ばし、伝熱管全体にわたって除去する。また、貫通孔の噴射口２０は塞ぎ板の内面１７に開口し、突出していないので噴射口２０の露出面積が小さく、伝熱管外側を通過する高温の生成ガスによって熱的に損傷されることが少ない。
【００３１】さらに、ブロー用ユニット２３によって複数の貫通孔１９にリサイクルガス４２を供給するので、気体供給の構造が単純化され小型化される。すなわち、複数の貫通孔１９に冷却壁の背面に設けたブロー用ユニット２３からリサイクルガス４２を供給できるようにすることで、構造を簡易にして効果的に噴射することができる。
【００３２】そして、ブロー用ユニットを分割して独立に制御・運転することにより、効率的に熱交換率を向上させることができる。水平伝熱管上に堆積する未燃分の堆積量は、水平伝熱管の位置によって差がある。すなわち、生成ガスの流入する入口に近いところの水平伝熱管には多く堆積し、生成ガスの入口から離れたところに位置する水平伝熱管に堆積する堆積量は少ない。このような場合、生成ガスの入口に近いところに位置するブロー用ユニットには多くの気体量を供給し、生成ガスの入口から離れたブロー用ユニットには供給する気体量を少なくするなどの制御ができる。たとえば、リサイクルガスを間欠的に伝熱管に噴射する場合、熱回収ボイラの生成ガス入口の水平伝熱管には噴射回数を多くして集中的に噴射し、生成ガス出口付近の水平伝熱管には噴射回数を少なくして噴射する。このようにすることにより生成ガスの希釈を防止することができる。
【００３３】さらに、図１〜４に示す第１実施形態のように、噴射口２０を炉内に突き出すことなく、冷却壁に貫通孔１９を設け、その噴出口２０を冷却壁の内面１７に設けることにより、熱による未燃分除去装置の損傷を防止でき、高温の生成ガスが流れている場合でも用いることができる。
【００３４】図５に示すように、それぞれのブロー用ユニット２３ａ、２３ｂ…は気体圧送装置２５によってリサイクルガス４２が独立に圧送され、気体圧送装置２５は制御装置３０によって独立に制御される。ブロー用ユニット２３ａ、２３ｂ…に気体を圧送する気体圧送条件は、ブロー用ユニット２３ａ、２３ｂ…に対応する伝熱管上の未燃分の堆積量に応じて変えられる。気体圧送条件は、たとえば、気体の供給流量、圧送圧力などであるが、気体が間欠的に供給される場合は、その回数、時間となる。このように、熱回収ボイラ６は、水平伝熱管上の未燃分を吹き飛ばすことによって、伝熱管の減少した受熱面積が回復し、熱交換率を向上させる。
【００３５】比較例１として、最上段の伝熱管群９ａの真上に気体噴射部（スートブロー管）を設置した未燃分除去装置を挙げ、比較する。気体噴射部の構造は、円筒状の鋼管に水平伝熱管方向に噴射口として複数の孔を開けたものである。気体噴射部の噴射口より窒素ガスが水平伝熱管に向けて噴射される。
【００３６】第１実施形態の未燃分除去装置と比較例１の未燃分除去装置との熱交換効率の回復度を比較する。生成ガスの条件は、温度７００℃、圧力常圧、空塔速度２ｍ／ｓ、管間速度４．９ｍ／ｓ、未燃分濃度１５０ｇ／Ｎｍ3であり、伝熱管群の段数８、列数６の場合において、１時間運転した。両未燃分除去装置の水平伝熱管に未燃分が堆積した場合の熱伝達率は２０Ｗ／ｍ2・Ｋであった。
【００３７】次に、気体噴射部の噴射圧力を５ｋｇｆ／ｃｍ2、噴射口の直径を３ｍｍとした条件で３秒間噴射した。この場合の第１実施形態の未燃分除去装置の熱伝達率は４６Ｗ／ｍ2・Ｋであったのに対して、比較例１の未燃分除去装置の熱伝達率は３０Ｗ／ｍ2・Ｋで、第１実施形態の熱伝達率の値より１６Ｗ／ｍ2・Ｋ小さかった。
【００３８】気体噴射終了後、水平伝熱管上の堆積未燃分を観察すると、第１実施形態の場合は、全階層にわたって未燃分がほぼ吹き飛ばされていたのに対して、比較例１の場合は、階層の１、２層目はほぼ飛散していたが、その下流の層では気体噴射前後で大きな差はなかった。比較例１の場合、流速の速い上層の水平伝熱管は堆積未燃分の飛散が進むが、上層の水平伝熱管で遮られ影になる部分の層の水平伝熱管では、リサイクルガスの流速が遅くなり、堆積未燃分は除去されない傾向がある。
【００３９】これに対して、第１実施形態の場合は、全階層の水平伝熱管で全体に渡って堆積未燃分の除去が行われており、噴射気体が水平伝熱管上に十分な流速で流れたものと考えられる。噴射気体は確実に水平伝熱管の間を通り抜け、水平伝熱管上の堆積未燃分を吹き飛ばすことができる。石炭ガス化炉の炉内圧力は通常２．５ＭＰａ以上の高圧であるため、熱回収ボイラの水平方向の寸法は通常のボイラの１／５以下の数ｍ四方となる。したがって、第１実施形態の場合のように水平伝熱管の水平方向（横方向）から気体を噴射しても、水平伝熱管上を十分な流速の噴流ガスが通過することができる。堆積未燃分が除去されることにより受熱面積が大きくなり、低下した熱効率を、再び向上させることができる。
【００４０】図４に示すように、水平伝熱管に直角の方向から噴射する場合についても上記噴射条件と同様にして行ったところ、熱伝達率は４６Ｗ／ｍ2・Ｋであった。
【００４１】図７は、第２実施形態における冷却壁の内面側の斜視図である。第２実施形態の熱交換装置は、噴射気体の噴射口２０の形状が熱回収ボイラの冷却壁１２の周方向に長いものを用いる。窒素ガスは、ブロー用ユニット２３から供給され、平面方向への噴射気体の噴射量が多くなり、この噴射口２０に対応する水平伝熱管上の堆積未燃分を効率よく除去できる。
【００４２】噴射口２０の寸法が高さ（縦）１ｍｍ、巾（横）７ｍｍのものを用い、その他の条件を第１実施形態のものと同様にして行ったところ、熱伝達率は５０Ｗ／ｍ2・Ｋであり、第１実施形態の熱交換装置と同等か、これ以上の結果が得られた。このような噴射口とすることにより、水平方向への噴射気体量を大きくすることができ、伝熱管上の堆積未燃分を効率よく吹き飛ばすことができる。第２実施形態におけるその他の部分の構造と作用については第１実施形態のものと同じであるので、その説明を省略する。図８は、噴射口の形状を示し、（Ａ）は長方形状、（Ｂ）は長円形状の説明図である。噴射口２０は、（Ａ）に示す長方形状のものと、（Ｂ）に示す長円形状のものを示すが、本発明はこれに限定されるものではない。
【００４３】図９は、本発明に係る熱交換装置の第３実施形態を示す要部断面図である。第１、第２実施形態のブロー用ユニットは分割されていたが、第３実施形態の熱交換装置は、伝熱管群９ａ、９ｂ…に噴射する複数の噴射口に冷却壁の背面の共通の一つのブロー用ユニット２３を設けたものである。このような構造のブロー用ユニットであっても複数の噴射口にリサイクルガス４２を供給することができ、簡単な構造にして効果的に噴射することができる。第３実施形態におけるその他の部分の構造と作用については第１実施形態のものと同じであるので、その説明を省略する。
【００４４】以上この発明を図示の実施形態について詳しく説明したが、それを以ってこの発明をそれらの実施例のみに限定するものではなく、この発明の精神を逸脱せずして種々改変を加えて多種多様の変形をなし得ることは云うまでもない。
【００４５】
【発明の効果】本発明によれば、水平伝熱管に堆積した未燃分を、簡単な構造で除去できる。
【出願人】 【識別番号】０００００５４４１
【氏名又は名称】バブコック日立株式会社
【出願日】 平成１１年６月３０日（１９９９．６．３０）
【代理人】 【識別番号】１０００６６９７９
【弁理士】
【氏名又は名称】鵜沼 辰之
【公開番号】 特開２００１−１２８９５（Ｐ２００１−１２８９５Ａ）
【公開日】 平成１３年１月１９日（２００１．１．１９）
【出願番号】 特願平１１−１８４７１３