JPH0387597A - 高温のガスシステムにおける管板の冷却構造および冷却方法 - 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】 ［産業上の利用分野］ 本発明はセラミックス管体を用いる高温の熱交換器や集
塵装置などの高温ガスシステムにおける管板の冷却構造
および冷却方法に関するものである。

［従来の技術］ 高温のガスシステムにセラミックスの耐熱性や耐腐食性
を利用する技術の開発は今迄に多くの努力が重ねられて
いるが、システム全体をセラミックスで構成すると、セ
ラミックスを使いこなす技術の開発が必要な他、セラミ
ックス特有の脆性のためシステム全体の信頼性が低下し
たり、加工が困難などの理由によりシステム全体のコス
トが余りに高価になったりするという問題がある。この
ため、従来の構造材料の代表である金属材料を出来る限
り利用し、セラミックスの特徴を生かすことが出来る部
分にだけセラミックスを用いてシステムを構築するのが
最も効果的なやり方である。

本発明はこのような一連の努力の途上必要な一つの技術
として開発されたものである。

本発明者らは今迄にこの分野において、熱交換器の他特
にセラミックスフィルタを用いる高温用の集塵装置の開
発を手がけ、特開昭５９−２０６０２８、特開昭５９−
２２５７２１および特開昭６０−１１８２１２において
上方からフィルタ管の内側に含塵ガスを通し、ダクトを
下方へ捕集し、清浄ガスフィルタ管の側面に取り出す構
成の集塵装置について提案している。

また、特開昭６２−５６７９２と特開昭６２−５６７９
３においては、冷却媒体で冷却された管板の連通孔にセ
ラミックス管を金属製のホルダーと金属製のベローズを
介して取り付ける構造を提案している。

また特願昭６３−２８８４７７と特願昭６４−１０９５
においては、セラミックス管体の端面に取り付ける金属
製のホルダーの構成とセラミックス管体を回動すること
により金属製のホルダーを管板に容易に係止出来る球面
ジヨイントを含むセラミックス管体の支持構造を提案し
ている。

セラミックスのフィルタ管を用いる集塵装置には、本発
明者等が提案している両端が開放しているフィルタ管を
利用する形状の集塵装置の他に、一端が閉じたセラミッ
クスの管状フィルタを用いる特開昭５０−８６７６２や
特開昭５５−１１９４１２等に提案されているキャンド
ルタイプのフィルタがある。

これ等のセラミックスフィルタ管を用いる集塵装置では
、用途によっては必ずしも管板の冷却を必要としないが
、発電用に開発が進められている加圧流動層燃焼装置（
ＰＦＢＣ）や石炭ガス化プラントなど処理ガスの温度が
４５０℃以上となる集塵装置では温度分布による熱歪の
問題の他、炭素鋼などの低置材を管板に使用する場合は
特に管板の耐熱性に限度があり、かつセラミックス管体
の接続部分に用いる金属製部品の耐熱性が充分でないな
どの理由により、管板や金属製部品を冷却する必要が生
じる。

管板の冷却に水を使用すると、水と管板内壁との間の熱
伝達が良好であり、冷却効果がよいが、いくつかの問題
点がある。即ち、管板の水側が徐々に腐食され長期的な
使用における信頼性の問題が生じる。また、ＰＦＢＣや
石炭ガス化などの高圧プロセスではガス中に含まれるＨ
２Ｓ、　Ｈ，ＳＯ，などの腐食性成分が結露して腐食す
ることのないように冷却水の温度を高くする必要が生じ
るが、水温を上げると局部的な水蒸気化によるベーパー
ロックが起きる危険性を生じる。

またフロンなどの熱媒体を用いる方法もあるが、価格が
高い他、局部加熱等により分解することがあり、腐食性
の物質を生じて管板の腐食を起す心配がある。

一方、空気を用いると、万一リークした場合高温の可燃
性ガスが空気と混合して爆発する危険性もあるが、窒素
や水蒸気などを冷却媒体として使用すれば、安全性の観
点から好ましい冷却が得られことなる。しかし、気体に
よる冷却は気体と固体壁との間の熱伝達が小さいため効
果的に冷却が出来ず、管板の冷却が不均一となって管板
中に温度差が生じ、これに伴う熱応力の繰返し発生によ
る熱疲労が無視出来ない。

管板の上下面については断熱層を施こすことにより、そ
れほど冷却を効かず必要はないが、セラミックス管体を
取り付ける連通孔の部分については断熱層を施こしても
厚くするのは無理があり、セラミックス管体の接続部分
に用いる金属製部材に冷却効果を及ぼす必要があり、こ
の部分の温度が高温となり易い。

［発明の解決しようとする問題点］ 本発明は、従来技術が有していた前述の欠点を解消し、
気体を冷却媒体として用いる管板を冷却するのに好適な
管板の冷却構造および冷却方法を提供することを目的と
する。

［発明の構成］ 本発明は、前述の問題点を解決すべくなされたものであ
り、本発明の高温のガスシステムにおける管板の冷却構
造では、断熱材を内張りした鋼製の缶体内に、互いに略
平行な鋼製の天板と底板とから構成され、上下面に断熱
材を施した管板を略水平に設け、該管板には、夫々天板
と底板を鋼製の中空筒体で連結して該管板の上下の空間
を連通ずる複数の連通孔を設け、該複数の連通孔の夫々
にセラミックス管体を略垂直に取付け、夫々の該管板の
天板と底板の間の隙間を仕切板によって仕切って冷却媒
体の流路とし、連通孔部分の冷却効果を向上せしめてい
る。本発明の他の高温のガスシステムにおける管板の冷
却構造では、断熱材を内張りした鋼製の缶体内に、互い
に略平行な鋼製の天板と底板とから構成され、上下面に
断熱材を施した管板を略水平に設け、該管板には、夫々
天板と底板を鋼製の中空筒体で連結して該管板の上下の
空間を連通ずる複数の連通孔を設け、該複数の連通孔の
夫々にセラミックス管体を略垂直に取付け、夫々の該管
板の天板と底板の間の隙間を冷却媒体の流路とし、連通
孔を構成する夫々の中空筒体の外周の冷却媒体流路側に
冷却フィンを設け、連通孔部分の冷却効果を向上せしめ
ていることを特徴とする。本発明の高温のガスシステム
における管板の冷却構造の好ましい態様では、流路な仕
切板によって仕切る他、更に連通孔を構成する夫々の中
空筒体の外周の冷却媒体流路側に冷却フィンを設けてい
る。本発明の高温のガスシステムにおける管板の冷却構
造の他の好ましい態様では、セラミックス管体と管板、
またはセラミックス管体とセラミックス管体との間の接
続が金属製のホルダーと金属製のベローズを介してなさ
れている。本発明の高温のガスシステムにおける管板の
冷却構造の他の好ましい態様では、セラミックス管体が
セラミックスフィルタであり、高温のガスシステムが集
塵装置である。

本発明の高温ガスシステムにおける管板の冷却方法では
、断熱材を内張りした鋼製の缶体内に、互いに略平行な
鋼製の天板と底板とから構成され、上下面に断熱材を施
した管板を略水平に設け、該管板には、夫々天板と底板
を鋼製の中空筒体で連結して該管板の上下の空間を連通
ずる複数の連通孔を設け、該複数の連通孔の夫々にセラ
ミックス管体を略垂直に取付け、夫々の該管板の天板と
底板の間の隙間を仕切板によって仕切って冷却媒体の流
路とし、冷却媒体として気体を用いることを特徴として
いる。

本発明の高温のガスシステムにおける管板の冷却方法の
好ましい態様では、連通孔を構成する夫々の中空筒体の
外周に冷却フィンを設けである。

本発明の高温のガスシステムにおける管板の冷却方法の
他の好ましい態様では、冷却媒体の気体とて水蒸気を用
いる。

本発明は、高温ガスシステムの管板の冷却に気体を利用
出来るようにしたことにより、従来の技術上の問題点の
解決に成功したものであり、これにより熱交換器の素子
やフィルタにセラミックス管を用い、缶体、管板および
管板とセラミックス管、セラミックス管とセラミックス
管の接続部分等多くの箇所に金属材料を用いて信頼性の
あるシステムの構築が可能となった。

即ち、気体と管板、特に気体と連通孔を構成する中空円
筒との間の熱伝達が充分でなかった問題点を仕切板を設
けることおよび／または中空円筒の外周に伝熱フィンを
設けることにより熱伝達を改善し、冷却媒体として空気
や窒素、水蒸気等の気体の利用を可能としたものであり
、このことにより、管板の水との接触による水側の腐食
の可能性が回避され、連通孔の壁面温度をＨ，Ｓ　　（
沸点６０．７５℃）やＨ，５Ｏ４（沸点は３３８℃）な
どの腐食性成分の露点以上に保持することにより、これ
等の成分による腐食がベーパーロックなどの問題を生ず
ることなく回避出来る。冷却媒体としても安価な気体が
利用出来、各種の気体のうちでも不燃性或いは非酸化性
のガスであって輻射能を有する水蒸気の利用は熱伝達を
向上出来、安全性も確保されるため特に好ましい。他に
もプロセス上または熱伝達向上の意味で好ましい気体と
して、窒素、空気、ＨｅやＧＯ□などがあり、用途によ
ってはこれ等の気体も好ましく利用出来る。

本発明の高温ガスシステムの管板の冷却構造の採用によ
り、気体を冷却媒体として用いても連通孔部分における
管板とセラミックス管体およびセラミックス管体とセラ
ミックス管体の間に用いる金属製の接続部材が十分熱輻
射と局部対流熱伝達によって冷却され、耐久性を維持出
来る温度レベルに保持出来る他、管板内部における温度
差が低減され、管板内部に生じる熱応力のレベルが耐久
性を確保できる程度に低減され、全体として高温ガスシ
ステムの信頼性を大幅に向上出来ることになった。

以下、本発明の実施例を示す図面に基いて本発明を更に
詳しく説明する。

［実施例］ 第１図は鉄皮の肉厚が実線のみで示されているセラミッ
クスのフィルタ管を用いた集塵装置の縦断面概要図であ
る。

第１図の集塵装置では含塵ガスが上部の入口Ｇから装置
内に導入されセラミックス管のフィルタ１の内側に入り
、ダストはフィルタｌの内壁に捕捉される。捕捉された
ダストは時には自重により、更には逆洗などの手段によ
りフィルタ壁から剥離せしめられ、下方のホッパーに集
められる。一方ダストを除いた清浄ガスはフィルタの側
方へ出て出口Ｇ′から系外へ取り出される。

第１図ではセラミックス管のフィルタ１は縦方向に５本
接続して使用されており、セラミックス管のフィルタ１
の端部はすべて管板４により把持されている。管板４に
は冷却媒体の入口４ａと出口４ｂが設けられており、内
部から冷却する構成となっている。図において、２は缶
体の鉄皮であり、３は断熱材、４は管板、７はホッパー
である。

第１図ではまた、仕切板が省略しであるので特開昭５９
−２２５７２１に提案したものと同じ構成となっている
。本願の第１の発明では第１図のＡ−Ａ断面を第２図に
示したように冷却媒体の流路に仕切板５が設けられてお
り、右側の入口４ａから入った冷却媒体がセラミックス
管体１の内挿された中空内筒８の周囲を順次巡って流れ
左側の出口４ｂから出る構成が示されている。仕切板の
取り付は方は必ずしも第２図に示した取り付は方でなく
ても曲面を有する仕切板や屈曲した仕切板などを用いれ
ば各種の取り付は方が可能である。また、仕切板を水平
に１段もしくは複数段設けて冷却媒体が管路内を上下に
廻流するようにしてもよい。

第３図は第２図におけるＢ−Ｂ断面を示す実施例であり
、管板の天板９と底板１０と中空円筒８で囲まれた冷却
媒体の流路中に仕切板５が設けられている。この図では
セラミックス管体ｌには金属製のホルダ１１．１１’が
取り付けられており、上方のセラミックス管体に取り付
けられたホルダ１１が管仮に取り付けられた球面ジヨイ
ント１２に把持されて管仮に係止されており、金属製の
ホルダ１１．１１’の間は金属製のベローズで接続され
ている。

これ等の金属製の接続部材は冷却媒体で冷却された中空
円筒８で構成される連通孔内にあって、主として連通孔
の壁面との間の輻射伝熱によって冷却され管内を流れる
ガス体より低い温度に維持されるようになっている。ま
た管板を構成する天板９の上側と底板１０の下側には断
熱材３が取り付けられている。

セラミックス管体と金属製のホルダーの間にはセラミッ
クファイバーやバーミキュライトなどのセラミックス粉
末を含む断熱性のあるクツション材が詰めてあり両者を
互いに固定する機能を果たしている。

第４図は第１図のＡ−Ａ断面を示すもう一つの発明の一
実施例であり、連通孔を構成する中空円筒の外周にリン
グ状の伝熱フィン６が取り付けられている。第５図は第
４図のＣ−Ｃ断面を示す拡大図であり、中空円筒８の外
周にリング状の伝熱フィン６が溶接により取り付けられ
ている。

第５図において１はセラミックス管体、９は天板、１０
は底板、３は断熱材であり、二本のセラミックス管ｌが
連通孔内において断熱性のあるクツション材１４を介し
て管板の連通孔に把持されており、接続用の金属製部材
が特に使用されていない単純な構成となっている。

第６図は第４図のＣ−Ｃ断面を示す他の実施例であり、
連通孔内の接続構造は第３図の場合と同じになっており
、中空円筒の外周の冷却媒体流路側にリング状の伝熱フ
ィン６が溶接されて取り付けられている。

伝熱フィンは本実施例ではリング状のものとしであるが
、形状はリブ状、リボン状、棒状、ビン状など各種の形
状が同様に利用出来る。

第７図は管板中の冷却媒体の流路を仕切板で仕切り、か
つ中空円筒の外周に伝熱フィンを設けたもので、両方の
効果により更に熱伝達の向上を達成出来る。

勿論この場合、前述したように管板内を水平仕切板によ
り上下に２室以上に仕切り、冷却媒体が順次上から下、
または下から上に廻流するようにすることも本発明の態
様の一つである。

さらに本発明は第１図に示すように多数の管板を設ける
ことがその条件となるものではなく、所謂キャンドルフ
ィルタのように管板な１段のみ設ける場合にも十分好ま
しく適用できる。しかし、本発明をセラミックフィルタ
に適用する場合には、引張りに弱いセラミックスの特徴
を考慮すると、管板を２段以上設け、チューブの両端を
支持することが好ましい。この場合、ガスの集塵は内面
濾過に限定されるものではなく、外面濾過としてもよい
。但しこの場合は最上段から２段目以下の管板には含塵
ガスの流通とダストの落下のため上下室を連通ずる孔を
別途設ける必要がある。

具体例として本発明の管板の冷却構造と冷却方法につい
て試験用の集塵装置で得られたデータを以下に示す。

試験用集塵装置仕様 缶　体：内径１２００ｍｍφ、高さ６０００ｍｍ、上方
に含塵ガス導入口と分配室、下方にダス ト捕集ホッパーおよびダスト取出口 付、側面に管板で区画された濾過室毎 に清浄化ガス出口付。

管　板；段数３段、管板内の天板と底板の間隔２１０ｍ
ｍ　、連通孔を構成する中空円筒の外径２８０ｍｍ、内
径２５０ｍｍ。

断熱材；缶体内長面および管板の上下面に厚さ１５０ｍ
ｍの無機質断熱材をライニング。

冷　却；上下段の管板は水で冷却、各段に水温８０℃の
冷却水を０．５ｍ”／ｈで供給。

フィルタ管：外径１７０ｍｍ、内径１４０＋Ｈｎ、長さ
２０００ｍｍのセラミックス製のものを二本中間の 管板の箇所で金属製ホルダーと金属製 ベローズを用いて縦方向に接続し、 二本継のものを合計　列並行に取付 け、フィルタ内面面積合計１８ｍ”とした。

フィルタ再生；清浄化ガスの各出口に上流に向けて取り
付けたエゼクタに圧縮空気を間欠 的に供給し、各濾過室毎に逆洗して捕 集されたダストをホッパーへ落す。

試験条件；中段の管板な各種仕様のものと交換して夫々
について１００時間の集塵試験を実施。

含塵ガス；　３　ｇ／Ｎｍ’の石炭灰を含む１６ａｔａ
、　８５０℃の石炭燃焼ガスを７８ＯＮｍ’／ｈｒ供給
。

実施例１ 第２図と第３図に示す構成の管仮に対し、冷却媒体とし
て１６ａｔａ、　２００℃の空気を７０ＯＮｍ”／ｈｒ
で供給。

実施例２ 第２図と第３図に示す構成の管仮に対し、第４図と第６
図に示すように中空円筒の外周に伝熱フィンを設け、冷
却媒体として１６ａｔａ、　３５０℃の空気を７０ＯＮ
ｍ”／ｈｒで供給。

実施例３ 実施例１と同じ構成の管板に対し、冷却媒体として１９
６℃の飽和水蒸気を５４１ｋｇ／ｈｒで供給。

実施例４ 実施例２と同じ構成の管仮に対し、冷却媒体として１９
６℃の飽和水蒸気を５４１ｋｇ／ｈｒで供給。

比較例 上下段の管板と同じ条件により水冷。

試験結果 以上の試験の結果から実施例１〜４において特に問題な
く集塵が行なわれ、連通孔の内壁温度も金属ホルダーや
ベローズなどの接続用金属部材を熱輻射効果により冷却
し、耐久性が維持出来る温度レベル以下に保持出来るこ
とを確認出来、試験後連通孔部分を解体して点検したが
全く異常は認められなかった。

また以上の結果から本発明の管板の冷却構造と冷却方法
により連通孔内壁の温度はＨ２ＳやＨ，Ｓ０４などの腐
食性物質が結露しない温度に保持可能であることが判明
した。

一方、比較例においては連通孔内壁の冷却水人口に近い
箇所では結露の痕跡が認められ、他に水温を上所有せし
めた試験を実施した場合には突沸現象も認められ、冷却
水の流路は鉄の赤さびで覆われていた。

以上の試験結果から本発明の管板の冷却構造および冷却
方法により、高温のガスシステムの耐久性、即ち信頼性
が向上することが明らかである。

［発明の効果］ 本発明の高温ガスシステムにおける管板の冷却構造およ
び冷却方法を用いることにより、従来の水冷による管板
の冷却と比べて、水と接触する部分での腐蝕が回避され
、缶体内の温度をＨ，ＳやＨ，ＳＯ，などの腐食性成分
が結露しない温度に保持することによ・りこれ等の腐食
性物質による腐食を回避出来、ベーパーロックのような
問題が生じないなどの利点があり、気体を用いて管板を
冷却する時の熱伝達不良を改善し、管板の必要十分な冷
却を気体の冷却媒体で行うことにより高温ガスシステム
の耐久性、即ち信頼性を大幅に向上出来るという効果が
得られる。

【図面の簡単な説明】

第１図は高温のガスシステムの一例であるセラミックス
のフィルタ管を用いた集塵装置の縦断面図概要図である
。 第２図は第１図のＡ−Ａの断面を示す本願発明の一実施
例であり、第３図は第２図におけるＢ−Ｂの断面図であ
る。 第４図は第１図のＡ−Ａの断面を示す本願発明の他の一
実施例であり、第５図は第４図のＣ−Ｃの断面図である
。また第６図と第７図は第４図のＣ−Ｃと同じ断面を示
す本発明の他の実施例である。 図において、１はセラミックス管体からなるフィルタで
あり、２は缶体の外皮、３は断熱材、４は管板、４ａと
４ｂは夫々冷却媒体の入口と出口、５は仕切板、６は冷
却フィン、７はホッパー　８は中空円筒、９．１０は夫
々管板の天板と底板、１１．１１’は金属製ホルダー、
１２は球面ジヨイント、１３はベローズ、１４は断熱性
のクツション材である。 括 ２ 図 第 う 図 第 聞 第 民 第 ７ 図

Claims (10)

【特許請求の範囲】
1. （１）断熱材を内張りした鋼製の缶体内に、互いに略平
   行な鋼製の天板と底板とから構成され、上下面に断熱材
   を施した管板を略水平に設け、該管板には、夫々天板と
   底板を鋼製の中空筒体で連結して該管板の上下の空間を
   連通する複数の連通孔を設け、該複数の連通孔の夫々に
   セラミックス管体を略垂直に取付け、夫々の該管板の天
   板と底板の間の隙間を仕切板によって仕切って冷却媒体
   の流路と し、連通孔部分の冷却効果を向上せしめたことを特徴と
   する高温のガスシステムにおける管板の冷却構造。
2. （２）断熱材を内張りした鋼製の缶体内に、互いに略平
   行な鋼製の天板と底板とから構成され、上下面に断熱材
   を施した管板を略水平に設け、該管板には、夫々天板と
   底板を鋼製の中空筒体で連結して該管板の上下の空間を
   連通する複数の連通孔を設け、該複数の連通孔の夫々に
   セラミックス管体を略垂直に取付け、夫々の該管板の天
   板と底板の間の隙間を冷却媒体の流路とし、連通孔を構
   成する夫々の中空筒体の外周に冷却フィンを設け、連通
   孔部分の冷却効果を向上せしめたことを特徴とする高温
   のガスシステムにおける管板の冷却構造。
3. （３）請求項１において、連通孔を構成する夫々の中空
   筒体の外周の冷却媒体流路側に冷却フィンを設けた高温
   のガスシステムにおける管板の冷却構造。
4. （４）請求項１又は３において、該管板が２段以上設け
   られ、上下に配置された管板の間に、上下に位置する複
   数の連通孔をつなぐように、複数のセラミックス管体を
   略垂直に取付けた高温のガスシステムにおける管板の冷
   却構造。
5. （５）請求項２において、該管板が２段以上設けられ、
   上下に配置された管板の間に、上下に位置する複数の連
   通孔をつなぐように、複数のセラミックス管体を略垂直
   に取付けた高温のガスシステムにおける管板の冷却構造
   。
6. （６）請求項１、３又は４のいずれか１つにおいて、セ
   ラミックス管体と管板、またはセラミックス管体とセラ
   ミックス管体との間の接続が金属製のホルダーと金属製
   のベローズを介してなされている高温のガスシステムに
   おける管板の冷却構造。
7. （７）請求項１、３、４又は６のいずれか１つにおいて
   、セラミックス管体がセラミックスフィルタであり、高
   温のガスシステムが集塵装置である高温のガスシステム
   における管板の冷却構造。
8. （８）断熱材を内張りした鋼製の缶体内に、互いに略平
   行な鋼製の天板と底板とから構成され、上下面に断熱材
   を施した管板を略水平に２段以上設け、該管板には、夫
   々天板と底板を鋼製の中空筒体で連結して該管板の上下
   の空間を連通する複数の連通孔を設け、該複数の連通孔
   の夫々にセラミックス管体を略垂直に取付け、夫々の該
   管板の天板と底板の間の隙間を仕切板によって仕切って
   冷却媒体の流路とし、冷却媒体として気体を用いること
   を特徴とする高温のガスシステムにおける管板の冷却方
   法。
9. （９）請求項８において、連通孔を構成する夫々の中空
   筒体の外周に冷却フィンを設けた高温のガスシステムに
   おける管板の冷却方法。
10. （１０）請求項８または９において、冷却媒体の気体と
    して水蒸気を用いる管板の冷却方法。