JPH0640668U - 熱交換器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 伝熱材の腐食を防止するとともに、従来より
大量の熱量を熱交換して空気を高温に加熱することがで
きる熱交換器を提供する。 【構成】 腐食性成分及びダストを含む高温低圧の燃焼
排ガス３が流れる排ガス通路６と、この燃焼排ガスより
相対的に低温高圧の空気７が流れる空気通路８とを伝熱
壁１７により仕切って、上記燃焼排ガス３から上記空気
７に熱を伝える熱交換器において、上記伝熱壁１７は、
外周面２５が上記空気に接触するとともに、所定位置に
配列された複数の貫通孔２６を有する伝熱板２７と、こ
の伝熱板２７の内周面２８に取付けられ上記燃焼排ガス
３に接触するセラミック層２９とを備えている。

Description

【考案の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】

本考案は、燃焼装置に設置されて高温の燃焼排ガスにより空気を加熱する熱交 換器、例えば、都市ごみを焼却する焼却装置に設置される熱交換器に関する。

【０００２】

【従来の技術】

都市ごみ、各種産業廃棄物、汚泥等の廃棄物の排出量は年々増加傾向にあり、 その処理に関しては近年大きな社会問題となってきている。可燃性物質を含む上 記廃棄物の大半は、焼却装置により焼却処理が行われている。これは、他の処理 方法に比べて、焼却処理が最も衛生的であり、また廃棄物の体積を減少させて最 終処分が容易になるからである。

【０００３】 この焼却装置においては、高温の燃焼排ガスのエネルギを有効利用するために 、燃焼炉の出口に熱交換器を設置して、燃焼排ガスにより空気を加熱するととも に燃焼排ガスを冷却している。上記空気は燃焼や廃棄物の加熱等に用いられるも ので、熱交換器の燃焼排ガスの流路に多数配設された伝熱材としての伝熱管の内 部を空気が流れて熱交換されるようになっている。

【０００４】 ところで、上記都市ごみ等の被焼却物には、紙類、厨芥類、塩化ビニル等のプ ラスチック類、ゴム皮革類、金属類など種々のものが混在している。このため、 燃焼排ガスの中には、高濃度の煤塵や塩化水素（ＨＣｌ）また濃度的にはそれほ ど高くないが硫黄酸化物（ＳＯx ）や有機酸などの腐食性成分が含まれている。 この高温の燃焼排ガスが上記伝熱管に直接接触すると、排ガス中の腐食性成分が 伝熱管を激しく腐食させ、また高温で溶融しているダストが伝熱管に付着して腐 食をさらに促進させることとなる。

【０００５】 そこで、伝熱管が燃焼排ガスに直接接触することを避けて腐食の急激な進行を 抑えるために、伝熱管の燃焼排ガス側の表面に熱伝導性の良いセラミック層を所 定厚さ塗布して、伝熱管の代わりにこのセラミック層が燃焼排ガスに直接接触す るようにしていた。

【０００６】

【考案が解決しようとする課題】

しかしながら、上記セラミック層は多孔質であるので、燃焼排ガスがセラミッ ク層の表面から徐々に内部に浸入してやがて伝熱管に接することとなり、そのた め、このセラミック層では伝熱管を燃焼排ガスから完全に遮断することは困難で あった。

【０００７】 具体的には、塩化水素等の腐食性成分を含む燃焼排ガスがセラミック層の内部 を通って伝熱管表面に接し、且つ、この時の伝熱管表面の温度が３００乃至３５ ０℃以上の場合には、いわゆる高温ガス腐食が発生して伝熱管の腐食が急激に進 行することが知られている。

【０００８】 そのため、伝熱管を高温ガス腐食から保護するためには、熱交換器で加熱され る空気温度としては２５０乃至３００℃が出口空気温度の上限であり、これ以上 の高温度の加熱空気を得ることは従来は不可能であった。

【０００９】 本考案は、かかる課題を解決するためになされたもので、伝熱材の腐食を防止 するとともに、従来よりも大量の熱量を熱交換して空気を高温に加熱することが できる熱交換器を提供することを目的とする。

【００１０】

【課題を解決するための手段】

本考案に係る熱交換器は、腐食性成分及びダストを含む高温低圧の燃焼排ガス が流れる排ガス通路と、この燃焼排ガスより相対的に低温高圧の空気が流れる空 気通路とを伝熱壁により仕切って、上記燃焼排ガスから上記空気に熱を伝える熱 交換器において、上記伝熱壁は、一方の面が上記空気に接触するとともに、所定 位置に配列された複数の貫通孔を有する伝熱材と、この伝熱材の他方の面に取付 けられ上記燃焼排ガスに接触する多孔質材とを備えたものである。

【００１１】

【作用】

本考案においては、空気の圧力の方が燃焼排ガスの圧力よりも高いので、この 高圧の空気は該空気に接している伝熱材の貫通孔内に流れ込んだのち多孔質材内 に浸入する。そして、上記空気は多孔質材の内部の空洞を拡散しながら排ガス通 路方向に進行し、最終的には多孔質材の表面に到達したのち燃焼排ガスと混合さ れる。

【００１２】

【実施例】

以下、本考案の一実施例を図１乃至図９により説明する。 図４は、本考案に係る熱交換器が設置され、都市ごみ、各種産業廃棄物、シュ レッダーダスト、汚泥等の廃棄物を焼却処理するための焼却装置のプロセスを示 すブロック図である。このプロセスでは、燃焼溶融炉を用いて廃棄物を焼却処理 している。

【００１３】 都市ごみ等の廃棄物Ｂは、図示しない受入前処理設備により、受入れ、破砕、 貯蔵、混合等の各処理がなされたのち投入ホッパに供給され、この投入ホッパか ら供給装置により燃焼溶融工程の燃焼溶融炉１に送られ、高温の炉内温度で燃焼 される。

【００１４】 燃焼溶融炉１からは燃焼排ガス３が排出され、また溶融炉１内で溶融された溶 融灰４は炉底から系外に排出されて再利用可能な溶融スラグとして回収される。

【００１５】 燃焼溶融炉１の排ガス出口には、本実施例に係る熱交換器５が取付けられてい る。この熱交換器５は、塩化水素等の腐食性成分及びダストを含む高温低圧（ガ ス入口温度Ｔ₁ ＝約８００乃至１５００℃、ガス入口圧力Ｐ₁ ＝約−１０乃至− ４９０mmＨ₂Ｏ）の燃焼排ガス３が流れる排ガス通路６と、この燃焼排ガス３よ り相対的に低温高圧（空気入口温度Ｔ₃ ＝約０乃至３００℃、空気入口圧力Ｐ₃ ＝約＋１００乃至＋１０００mmＨ₂Ｏ）の空気７が流れる空気通路８とを伝熱壁 により仕切って、燃焼排ガス３から空気７に熱を伝えるようにしている。

【００１６】 この熱交換器５により温度Ｔ₂（約５００乃至１３００℃）まで冷却されたの ちの燃焼排ガス３ａは、廃熱ボイラ９によりさらに熱回収されたのち、吸引ブロ アを備える排ガス処理工程１０に送られ、この排ガス処理工程１０により、ダス トの捕集、有害物質の除去、白煙防止等の各種処理がなされたのち煙突１１から 大気中に排出される。

【００１７】 燃焼空気ブロア１２から吐出される温度Ｔ₃ 、圧力Ｐ₃ の上記空気７は、上記 熱交換器５により加熱されて、空気出口温度Ｔ₄ ＝約３００乃至６００℃、空気 出口圧力Ｐ₄ ＝約＋５０乃至＋９５０mmＨ₂Ｏの高温空気１３となって上記燃焼 溶融炉１の内部に流れ込んで燃焼用空気として利用される。

【００１８】 次に、本考案の第１実施例に係る熱交換器５についてさらに詳細に説明する。 図５，図６に示すように、熱交換器５の中央部には断面矩形の排ガス通路６が形 成され、この排ガス通路６の周囲には伝熱壁１７で仕切られた空気通路８が配設 されている。

【００１９】 伝熱壁１７は、一方の面（即ち外周面２５）が空気７に接触するとともに、所 定位置に配列された複数の貫通孔２６（後述する図１乃至図３参照）を有する熱 伝導率の良い伝熱材としての伝熱板２７と、この伝熱板２７の他方の面（即ち内 周面２８）の全体に取付けられ、燃焼排ガス３に接触する多孔質材としての多孔 性セラミック層２９とを備えている。このセラミック層２９を伝熱板２７の内周 面２８に固着することにより、腐食性成分を有する高温の燃焼排ガス３に伝熱板 ２７が直接触れないようにして、腐食の急激な進行を防止している。

【００２０】 上記空気通路８は、伝熱板２７と、この伝熱板２７に対して所定の間隔を有し て外方に配設された外壁板３０とにより形成されている。また、空気通路８の下 端部３１は、供給された空気７の圧力を均一にして空気通路８の全体に渡って空 気を均一に流すための下部空気室３２に連通し、一方、空気通路８の上端部３３ は、熱交換されて得られた高温空気１３の圧力を均一にして空気通路８の全体か ら空気を均一に排出させるための上部空気室３４に連通している。

【００２１】 セラミック層２９としては、熱伝導性の良い例えば炭化硅素（ＳｉＣ）のキャ スタブルを、伝熱板２７の内周面２８の全面に１０乃至５０mmの厚みに塗布する ことが好ましい。

【００２２】 図７は、伝熱板２７に貫通孔を穿設していない従来の熱交換器の構造を示して いる。この場合には、多孔質のセラミック層２９の内部に、塩化水素等の腐食性 成分を有する燃焼排ガス３が矢印Ｃのように次第に浸入して伝熱板２７の内周面 ２８に接してこの伝熱板２７を腐食させる。したがって、上述の高温ガス腐食の 発生を防止するためには、伝熱板２７の表面温度を３００乃至３５０℃未満にし なければならない。

【００２３】 さらに、燃焼溶融工程を有している本プロセスのような場合には、焼却炉の代 りの燃焼溶融炉１から熱交換器５に送られる燃焼排ガス３の温度Ｔ₁ は、例えば ８００乃至１５００℃の如く極めて高温である。この温度Ｔ₁ は、燃焼排ガス３ に含まれているダストの溶融温度（約１０００℃）よりも高いこともあるので、 ダスト自体も排ガス中で溶融しており、このダストがセラミック層２９の表面で 冷却されて該表面に付着する。こうしてダスト３５が付着すると、ダスト３５の 中に含まれているカリウム（Ｋ），カルシウム（Ｃａ），ナトリウム（Ｎａ）な どがアルカリ塩や硫化物となって熱交換器５を腐食させるいわゆる析出腐食を起 こし、また、伝熱効率を著しく低下させてしまう。

【００２４】 これに対して、本実施例装置においては、図１乃至図３に示すように、空気７ に接する伝熱板２７に複数の貫通孔２６を穿設し、この貫通孔２６を所定位置に 配列している。伝熱壁１７により仕切られた空気通路８を流れる空気７と、排ガ ス通路６を流れる燃焼排ガス３とを比べると、空気７の方が燃焼排ガス３より相 対的に圧力が高いので、空気通路８内の空気７は圧力差を推進力として貫通孔２ ６を通ってセラミック層２９内に浸入する。次いで上記空気７は、セラミック層 ２９内の空洞を矢印Ｄに示すように円錐状に拡散しながら排ガス通路６の方向に 進行し、やがて排ガス通路６内に流出する。このように、セラミック層２９内に は空気の流れがあるので、燃焼排ガス３がセラミック層２９内に浸入して伝熱板 ２７の方向（図７の矢印Ｃ方向）に流れることはなくなり、したがって、燃焼排 ガス３が含んでいる腐食性成分により伝熱板２７が腐食することはない。

【００２５】 また、本実施例においては、図７にみられるようなダスト３５がセラミック層 ２９の表面に付着することがなく常に該表面がクリーンな状態に保たれているの で、析出腐食が起こることはなく、しかも伝熱効率が低下する恐れもない。具体 的には、従来は、伝熱板２７やセラミック層２９は消耗品と考えられており、２ 乃至３年毎に取替えていたのであるが、本実施例によれば１０年以上の使用に十 分耐えることができ、熱交換器５の寿命を大幅に向上させることができる。

【００２６】 本実施例における熱交換器５に関する好ましい温度及び圧力の条件をまとめる と、下記のとおりである。 ・入口燃焼排ガス温度Ｔ₁ ：８００乃至１５００℃ ・入口燃焼排ガス圧力Ｐ₁ ：−１０乃至−４９０mmＨ₂Ｏ ・出口燃焼排ガス温度Ｔ₂ ：５００乃至１３００℃ ・出口燃焼排ガス圧力Ｐ₂ ：−２０乃至−５００mmＨ₂Ｏ ・入口空気温度Ｔ₃ ：０乃至３００℃ ・入口空気圧力Ｐ₃ ：＋１００乃至＋１０００mmＨ₂Ｏ ・出口空気温度Ｔ₄ ：３００乃至６００℃ ・出口空気圧力Ｐ₄ ：＋５０乃至＋９５０mmＨ₂Ｏ このように本実施例によれば、従来は２５０乃至３００℃が上限であった出口 空気温度Ｔ₄ を、３００乃至６００℃の如く大幅に高温にすることができ、燃焼 排ガスが有しているエネルギを有効に利用することができる。

【００２７】 図３は、伝熱板２７に穿設した複数の貫通孔２６の配列を示した立面図であり 、直径ｄの各貫通孔２６は、縦方向と横方向に所定のピッチｅ，ｆで形成されて いる。かかる孔径ｄとピッチｅ，ｆは、セラミック層２９の各種条件や下記に示 す諸条件によって定まる数値であり、好ましい一実施例を下記に示す。 ・セラミック層２９の材質と空隙率：ＳｉＣ耐火物 （ＳｉＣの割合（重量％）；５乃至８０％） ・セラミック層２９の厚さl ：５乃至１００〔mm〕 ・空気通路８と排ガス通路６の圧力差：１０乃至１０００mmＨ₂Ｏ ・燃焼排ガス中の有害物質の成分，濃度：ＳＯｘとＨＣｌのうち一方のガス 又は両方のガスを含んでおり、そ の濃度は例えば、下記の通り。 ＳＯｘ；１０乃至１０００ｐｐｍ ＨＣｌ；１０乃至５０００ｐｐｍ ・系の温度配置 ：上記温度Ｔ₁ 乃至Ｔ₄ として示した通りである。 ・孔 径 ｄ：１乃至５０〔mm〕 ・縦方向ピッチ ｅ：１０乃至５００〔mm〕 ・横方向ピッチ ｆ：１０乃至５００〔mm〕

【００２８】 ところで、図１において伝熱壁１７を介して燃焼排ガス３から空気７に移動す る熱量Ｑ₁ は下式で示される。 Ｑ₁ ＝ｋ×ΔＴ ｋ：熱貫流率 ΔＴ：排ガスと被加熱空気の温度差

【００２９】 一方、矢印Ｄに示すように空気が排ガス通路６の方向に拡散することにより戻 される熱量Ｑ₂ は下式で示される。 Ｑ₂ ＝ＧＣ_P ΔＴ Ｇ ：空気流量 Ｃ_P：空気の比熱 ここで、セラミック層２９を通して拡散する空気流量Ｇは非常に少ないので、 移動熱量Ｑ₁に対する戻される熱量Ｑ₂の割合を５％以下に押さえることは容易で ある。

【００３０】 図８，図９は本考案の第２実施例に係る熱交換器５ａを示す図で、図８は図６ 相当の横断面図、図９は図８の部分拡大断面図である。図８の縦断面構造は図５ と同様である。 図示するように本実施例では、一方の面（内面４０）が空気に接触する伝熱材 として、管状の伝熱管４１を使用している。また、この伝熱管４１の他方の面（ 外面４２）には多孔質材としてのセラミック層４３を固着している。伝熱管４１ は、熱交換器５ａの周囲に縦方向に向けて多数並設され、各伝熱管４１は接続板 ４４により相互に接続固定されている。各伝熱管４１には、所定位置に複数の貫 通孔４５，４６が穿設されており、伝熱管４１の内部８を流れる空気が貫通孔４ ５，４６を通ってセラミック層４３内を排ガス通路６の方向に流れるようにして いる。

【００３１】 本実施例では、伝熱管４１にアンカ４７を溶接固定しており、これにより、セ ラミック層４３が伝熱管４１に強固に固着するようにしている。なお、従来は上 記貫通孔４５，４６が形成されていなかったので燃焼排ガスによるアンカ４７の 腐食が激しかったことから、アンカ４７をキャスタブル４８により覆っていたが 、本実施例では上述のように空気がセラミック層４３内を流れるのでアンカ４７ は腐食せず、したがってこのキャスタブル４８はなくてもよい。

【００３２】 なお、上記各実施例では、熱交換器５，５ａにより、燃焼溶融炉１の燃焼用空 気７を加熱する場合を示したが、熱交換器により加熱される空気はこれに限られ ず、例えば熱分解ドラムの加熱用空気やその他の空気であってもよい。

【００３３】 また、貫通孔を有する伝熱材は、上記第１実施例のような板材でもよいが、貫 通孔と同等の開口を有するものであれば網目状の板材等であってもよい。 なお、各図中同一符号は同一又は相当部分を示す。

【００３４】

【考案の効果】

本考案は上記のように構成したので、伝熱材の腐食を防止して伝熱材の寿命を 大幅に延ばすことができる。また、伝熱材を高温にしても腐食しないので、従来 よりも大量の熱量を熱交換して空気を高温に加熱することができることとなり、 装置全体のエネルギ効率を向上させることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】図１乃至図７は本考案の第１実施例を説明する
ための図で、図１は本考案に係る熱交換器の部分拡大断
面図であり、伝熱板に貫通孔を穿設した場合を示してい
る。

【図２】図１のＩＩ−ＩＩ線による横断面図である。

【図３】図１の伝熱板の一部分を示す立面図である。

【図４】本考案に係る熱交換器が設置された焼却装置の
プロセスを示すブロック図である。

【図５】本考案に係る熱交換器の縦断面図である。

【図６】図５のＶＩ−ＶＩ線による横断面図である。

【図７】熱交換器の部分拡大断面図で、伝熱板に貫通孔
を穿設していない従来装置の場合を示しており、図１相
当図である。

【図８】図８，図９は本考案の第２実施例に係る熱交換
器を示す図で、図８は図６相当の横断面図である。

【図９】図８の部分拡大断面図である。

【符号の説明】

３ 燃焼排ガス ５，５ａ 熱交換器 ６ 排ガス通路 ７ 空気 ８ 空気通路 １７ 伝熱壁 ２５ 外周面（一方の面） ２６ 貫通孔 ２７ 伝熱板（伝熱材） ２８ 内周面（他方の面） ２９，４３ セラミック層（多孔質材） ４０ 内面（一方の面） ４１ 伝熱管（伝熱材） ４２ 外面（他方の面）

Claims (1)

【実用新案登録請求の範囲】
1. 【請求項１】 腐食性成分及びダストを含む高温低圧の
   燃焼排ガスが流れる排ガス通路と、この燃焼排ガスより
   相対的に低温高圧の空気が流れる空気通路とを伝熱壁に
   より仕切って、上記燃焼排ガスから上記空気に熱を伝え
   る熱交換器において、 上記伝熱壁は、 一方の面が上記空気に接触するとともに、所定位置に配
   列された複数の貫通孔を有する伝熱材と、 この伝熱材の他方の面に取付けられ上記燃焼排ガスに接
   触する多孔質材とを備えたことを特徴とする熱交換器。