JP2005513394A - 非円形管で形成した蒸気過熱器 - Google Patents

Abstract

本発明は、煙道ガスが管にそって導かれ、その管内を加熱蒸気生成のため蒸気を通す、特に廃棄物焼却設備に使用される熱交換器に関する。熱交換器はシールド管８とその直後に設けた過熱器管１５で構成される。また本発明は、煙道ガスが管にそって導かれ、その管内を加熱蒸気生成のため蒸気を通し、さらに熱交換器は煙道ガスの流れの方向に最大直径を有する非円形の過熱器管で構成された熱交換器に関する。

Description

本発明は請求項１の前提部に記載された熱交換器に関する。この種の熱交換器は特に廃棄物焼却設備の煙道ガスから熱エネルギーを回収するのに非常に役立つが、しかし専用ではない。主として廃棄物焼却設備における熱交換器の使用について以下に言及するが、その他の熱風ガスの場合に、特に、例えばバイオマスを焼却するときにも発生するようなダストで汚染されるとしても、使用することも可能である。また本発明は請求項６に記載の熱交換器管をクリーニングする方法に関する。

廃棄物焼却設備においては、蒸気を生成するために廃棄物焼却中に排出される熱風の煙道ガスが通常、使用される。このため廃棄物燃料発電設備（ＷＦＰＰ）には、加熱蒸気を得るために煙道ガスによってさらに加熱される蒸気が導かれる管群で構成された熱交換器が設けられる、このため前もって作られた蒸気が公知の蒸気ドラムを介して過熱用の熱交換器に導かれる。この熱交換器は一般に蒸気過熱器として知られる。それは一般に複数のセクションで構成され、各セクションは複数のフレームで、さらに各フレームは２つの管寄せで構成され、管寄せの間には複数の平行接続管が取り付けられる。前記管の内側は蒸気あるいは水が流れ、管の外側は煙道ガスが流れる。

廃棄物についての一般的な問題点は汚染物質が多く含まれるということであり、そのため焼却中は煙道ガスが多くの飛灰（煙道ガスとともに運ばれるダスト）および腐食性化学成分（特にＨｃｌ，ＳＯ_２および大量の塩類）を伴って排出される。この煙道ガスによって熱交換器の管上に飛灰の堆積物が急速に成長する。この堆積物を取り除くいくつかの技術が従来知られている。例えば、管のすす吹き払い（スーツブロー）やショットピーニングやハンマリングがこの関係で記載されている。化学成分は深刻な腐食を引き起こし、高温ＨＣｌ腐食は初期の管磨耗の主な原因となる。成長する飛灰堆積物の層には腐食機構を促進する共昌を形成する塩類（例えば金属塩化物）が多く含まれるので、このことで特に悪化する。

本発明においては、熱交換器はボイラの対流部分に配置され、煙道ガスが直角に接近するので熱は管に直接移動する。したがって煙道ガス中のダストは堆積物、腐食および侵食の形成に重要な役割を演じる。ダスト粒体はこれを運んでくる煙道ガスの速度でもって管表面に当たる。高温のため多少粘着性を帯びた粒体は粘着し堆積して大きな塊を形成する。これらの塊をクリーニング（例えばハンマリング）で除去して再び管をむき出しにすると、ダスト粒体は堆積物に成長する前に金属面に直接損傷を与える。特に、腐食保護機能を極めて薄い酸化膜にもたせているニッケルクロム合金の管では、この保護層はクリーニング方法によって、または清浄になった表面の侵食によって損傷を受ける。このことで、酸化膜が再生するまでは腐食が加速される。この点、影響について言及したいのは、管は一様に腐食しないことが多く、煙道ガスの接近する流れの左右に対し４５度の角度で最も速く磨耗するということである。

ＮＬ−１０１５４３８：「アムステルダム ゲム ディーンスト：ホークレンデメンツ−ＡＶＩ」（アムステルダム市サービス：高効率−ＷＦＰＰ）には、最も重要な対策としてダスト粒体の衝撃を制限する方法として煙道ガスを低速に維持し、さらに新しく酸化膜を形成して材料を保護できるようにするため低温に維持することが記載されている。また、この文献には、大きな負荷を受けた、セクションの最初の管を保護するため水冷却の使用が記載されている。

煙道ガスを低速にする別の利点は、より小さな粒体は管のまわりに流れやすいという点である。これは多少、より大きい粒体は特に衝突することを意味する。これらの粒体はその寸法のため、他の粒体と容易に溶融することはないので、その結果、成長する塊には多くの孔が生じてもろくなる。成長する塊は管からより簡単に剥がれるので、これは大きな利点となる。実際には、例えば直径８０ｍｍの管では堆積物は煙道ガスの方向に突出して成長し、通常、容易に長さ３００ｍｍにまで達する。より完全にクリーニングするときの停止間のボイラ運転期間を延長させるように、前述のクリーニング方法ではボイラのこの堆積物を運転中に除去するようにしている。このクリーニングには、堆積物の塊を剥がすためにそこに加える機械力が基本的に含まれるので、脆性であることは非常に有利となる。特にハンマリングの場合は、ハンマリング機構を利用し管寄せの１つを打つことによってフレームの管に振動が発生する。クリーニング作用においては、管が振動しているとき堆積した塊の質量に生じる慣性力で大きな断片を剥がすことに特に焦点が注がれる。
ＮＬ１０１５４３８

発明の目的は堆積物および磨耗についての上述の問題点を少なくするために改良された方法および装置を提供することである。発明の目的は特に廃棄物焼却設備に使用する方法および装置を提供することである。

本発明では管の磨耗および管をクリーニングする際の効率の両方を大幅に改良する実施形態を提案する。このため、加熱蒸気生成用に蒸気を供給する管にそって煙道ガスが導かれる熱交換器の特徴は熱交換器が全体的または部分的に非円形断面を有する過熱器管から構成されることにある。これは、管のまわりに煙道ガスを流し、かつ管の剛性に影響を与えるという二重の目的をもつ。

すでに述べたように、管は通常、一様には磨耗せず、接近する煙道ガスの左右４５度において最も速く磨耗する。過熱器管の間隔に対する直径比の正しい選択は正確な解析に基づく必要があり、速度と相互間の距離は重要な役割を演じる。「フォン・カルマン渦」（図参照）によって流れ速度および／または管の伴流部（ウエーク部）に配置された過熱器管表面の前方のダスト量が局部的に増加しないように前記直径を選択する。これは、熱移動を増加させるため局部的乱流の利用を目的とする従来の設計方法とは対照的である。

非円形にするための簡単な形状は円管を多少平たくすることで得られる。その他の最適な形状おして楕円形状、雫形状やその他流体力学的に最適な形状が含まれる。
ハインリヒ・ランツ・アクト・ゲスによるドイツ特許出願ＤＥ−４４４５８８「ダンプユーバヒッツアー」（蒸気過熱器）にも非円形管が記載されている。しかし、この実施形態では、エネルギー吸収により蒸気の温度と容積が増加するが、管内流速を一定に保ちながら管の長さに渡って管の断面が変化する。これはボイラー内をジグザグに走る長い管の場合に特に関係する。管を何度も平たくロールして管の断面を単純に変化させる提案された方法の結果で非円形が形成される。本発明では煙道ガス側の流れを最適化する明白な目的が非円形である。これは２つの管寄せ間に取り付けられた比較的短い直管にも（これだけではないが）適用できる。

また、ドイツ特許ＤＥ１７６７３９（ダブリュ フィッツナーの名前で、１９０６年）に非円形管を使用した熱交換器が記載されている。しかし、この熱交換器は蒸気によって熱を供給するのに使用され、したがって蒸気は冷却する。断面を減少させるように管の非円形度を増加し、蒸気の処理量をほとんど一定にする。

また好ましい実施形態によると、発明は、熱交換器はいくつかのセクションで構成され、各セクションは非円形管の最大直径が煙道ガスの流れの方向となる過熱器管で構成される熱交換器に関する。

非円形のため、２つの主方向における管の剛性は明らかに異なり、その結果、異なった方向で管が有する固有振動数も異なる。ハンマリング装置でフレームが叩かれる方向の固有振動数がそれに直角に発生する固有振動数と異なるということは特に重要である。これで、加えたハンマリング・エネルギーが様々な方向に分布して非効率的になることが防止できる。

好ましい実施形態によると、発明は、管寄せを作動させることで管が異なる振動数で共振できるよう、管の縦方向に垂直で異なる方向に非円形過熱器管の固有振動数が選択される熱交換器に関する。

付着物を決定するために、クリーニングする管を振動させる前に、または振動中に、管の固有振動に関する特性を決定することが可能である。このため、管群に衝撃を与え、その結果発生する振動像を振動測定計器を使用して記録することができる。この計器（７３）で３主方向の運動および／または力を記録するのが好ましい。３つの信号の解析で、例えばフーリエ解析によって、発生する固有振動数が決定できる。付着物の存在により、振動する管の質量は、したがって固有振動数も影響を受ける。付着物の様々な条件でこれを比較することによって、存在する付着物および管への付着物の分布状態を正確に算出することが可能となる。この結果はクリーニング操作中またはその後でモニターすることができる。

付着物に関する解析の基礎として利用できるデータは、必要なクリーニングを続ける期間の長さを決定するのに使用できる。このデータに基づき、管寄せや管を必要以上の機械的衝撃に曝すことなく最適のクリーニングを実施するために、フレームの管寄せをクリーニングのために叩く衝撃力を増減させることも可能となる。

ハンマリング装置の衝撃を使用する可能性に加えて、管寄せを特別の振動数で振動させることも可能である。広い範囲にわたって特別の振動数を変化させることで、測定記録器を使用して固有振動数のパターンを決定することができ、そのパターンから付着物の量が導き出せる。

この情報は、様々な管を連続して振動させるために、解析に基づき変更できる特別の振動数でクリーニングする目的にも使用できる。
非円形管による管群で剛性を異ならせる別の方法として、目的に応じて特別に設計した剛性付与および補強によって管の固有振動数に影響を与えることも可能である。

さらに発明は、管を共振させて管上に存在する付着物を取り除くために、予め定めた振動数で管を作動させることから構成される熱交換器管の熱交換器管のクリーニング方法を提供する。

予め定めた振動数は管の固有振動数である方法を使用するのが好ましい。
また、管を非円形とし、固有振動数を作動方向に依存させ、選択された作動方向は管の縦方向に垂直な方向とする方法も好ましいものである。

また発明は熱交換器管上の付着物を決定する方法にも関し、この方法では、管を予め決定した振動数で作動させ、管の振動パターンを測定して解析する。このパターンは管の付着の程度に依存し、付着の程度の決定は測定された振幅に基づく。

クリーニング効果を最大にするため付着の程度に応じるように作動振動数を選択する方法が好ましい。
また、好ましい実施形態によれば、発明は少なくとも２つのセクションの前方にシールド管または蒸発管が配置された熱交換器に関係する。

また、好ましい実施形態によれば、発明の熱交換器は、互いに平行で煙道ガスの移動方向に垂直な少なくとも２列の追加の蒸発管を備え、かつそれぞれの列の管は少なくとも煙道ガスの流路の主用部に配設される。

また好ましい実施形態によれば、発明の熱交換器においては、追加の蒸発管列の後に煙道ガスを平準化する、熱交換器管の列の間隔よりも広い空所が続く。

図面を参照して発明をさらに説明する。
図１に廃棄物焼却設備の概略図を示す。煙道ガスは第１室に導かれて垂直に上昇し、次に第２室に移り煙道ガスは下方に導かれ、さらに第３室に移る。第１室は公知の（図示しない）板状溶接壁でもっぱら作られる。

第３室から出た煙道ガスは引続き蒸気過熱器形式５の熱交換器４（オランダでは一般にＯＶＯと呼ばれる）に導かれる。図示した形では、このＯＶＯは異なる４つの一連の熱交換器管１５−１８で構成される。熱交換器４の最初に、いわゆる蒸発部壁６が設けられる。この蒸発部壁６は熱交換器５に接近する煙道ガスの流れを平準化するのに役立つ。このために、蒸発部壁６は図２に示すように２列の蒸発管で構成するのが好ましい。図２で分かるように、好ましくはこの２列の蒸発管の後に小空所７を設け、この空所の後に続く１列の蒸発管８を設け、この後に、第１列の蒸発管を順次設け、それぞれの蒸発管は図２に示すように互いに前列の管に揃える。空所７の長さは煙道ガスの速度がこの間隙７内の煙道ガス流のすべての面に渡って平準化され、その流速がどこでも実質的に同一になるようにするのに十分な長さとするのが好ましい。

この方法では蒸発部壁６は飛灰の堆積物に曝される場所であり、煙道ガスの急速冷却は煙道ガスに含まれる飛灰粒体の芯に対しては一定の時間遅れでしか作用しないので、ときには飛灰粒体の内部温度Ｔが８００℃を超えることもあり、その結果、依然、いわゆる「粘着相」の状態のままである。したがって、この粒体が次の蒸発部壁の管に衝突すると、その表面に付着する。この粒体は熱交換器管にもかなりの程度付着する。温度低下に加えて煙道ガス速度を下げるとこの影響は減少する。また、この結果、熱交換器管上の付着物である堆積物は減少する。この飛灰堆積物は公知の方法により管から除去される。

実際、速度が局部的に高くなることを避けるために蒸発部壁６で流れを平準化することが好ましい。煙道ガスの速度は３から４ｍ／ｓまたはそれ以下にすることが好ましく、この結果、管の表面温度は煙道ガスの温度以下に維持される。蒸発部セクション６は熱交換器４でガスが処理される部分の全幅に渡って設けるのが好ましい。しかし、蒸発部セクション６におけるフレーム当たりの管の全本数を減少させ、管間の距離を２０−５０ｃｍとすることも可能である。複数列の蒸発部壁６が使用されるときは、それぞれの列の管は互いに千鳥状になるように熱交換器内に配置するのが好ましい。すべての管は互いに等間隔にするのが好ましい。この方法で、煙道ガスがＯＶＯ１５に入る前に、煙道ガスの高さおよび幅に渡って流れが平準化される。第１のＯＶＯ１５の第１列の管に自由に接近するので、これを蒸発管８とするのが好ましい。第１のＯＶＯ１５の残りの管は蒸発管８の後に順次配列する。

蒸発管によるＯＶＯ管の保護は、蒸発管の直径が（煙道ガスの流れの方向に見て）引続くＯＶＯ管の直径よりも多少大きいと、特に効果が大きくなる。
さらに好ましい変形として、図３，４および５に示すように、ＯＶＯ管４１，３０は多少楕円形状にし、その短径は煙道ガスの流れＳの方向に直角に向ける。これで、煙道ガスに含まれる飛灰によって起こされる侵食に基づく管４１の磨耗が減少する。ＯＶＯ管を振動させることによって（例えば、管端部が取り付けられて機械式あるいは空気式ハンマ６９を有する管寄せ６１，６２，６３（図５参照）を打つことで）図４に示すＯＶＯの管３０上の飛灰の堆積物３４を除去する従来技術の方法は、ＯＶＯ管の特別の固有振動数を与えることでかなり改善できる。なお、管３０の非円形に起因する剛性の違いに基づき、異なる方向７１，７２においてこの固有振動数は異なる。管寄せ６１をこの固有振動数で振動させて、堆積した飛灰３４は制御された方法で除去することができる。管の固有振動数を互いに（すべて同一に）適切に調節することによって、限定されたエネルギー入力で最大の結果が得られる。飛灰堆積物の付着量が違いすぎるためにこれが困難なときは、すべてのＯＶＯ管に異なる振動数（振動の異なる方向７１，７２でさらに異なる）を与えて、個々の管３０が共振状態となることを可能とする。したがって、非円形管が管を共振状態にもっていける特別に選択された固有振動数を有するシステムが好ましい。さらに、振動パターンを決定するため測定計器７３を備えることが好ましい。

熱交換器の第２のセクション１６すなわち第２のＯＶＯ１６では、煙道ガスはすでに一様に分布しており、かなりの量のダストはすでに分離されており、さらに煙道ガスの温度は低下している。第１のＯＶＯの後では、ボイラを段階的にあるいは徐々に狭めるか、または単位面積当たりの管数を増加させるかによって煙道ガスの速度を増加させることができる。また２つの実施形態を組み合わせることもできる。熱交換器４に連続して配置されたＯＶＯ１５−１８の数に基づき、煙道ガスの速度が熱交換器によるさらなる工程の間に増加するように設計することができる。本発明をヨーロッパ特許出願ＥＰ−１，１６４，３３０，発明の名称「高効率の廃棄物焼却設備」に記載の方法と組み合わせることが特に好ましく、煙道ガスの全処理個所における煙道ガスの速度は４ｍ／ｓ未満に、好ましくは２から３ｍ／ｓに減少させ、熱交換器入口における煙道ガスの速度は、熱交換器を対向流に操作することで、４ｍ／ｓ以下にし、熱交換器の入口における煙道ガスの温度は７００℃未満、好ましくは６３０℃未満とすることと組み合わせることが可能である。

同様に、同一発明者により同時に出願された特許出願に記載され、連続する管で直径が異なる実施形態と組み合わせがさらに有利である。
本願で使用する用語「非円形」は、少なくとも管の長さの一部に渡って、非円形管のように見える補強管である実質的な円形管にも同様に、また限定することなく適用される。

以上に記載して図面に示した発明は発明の好ましい実施形態を表す。本発明は特許請求の範囲にのみ限定されるものである。

煙道ガスが火格子部から第１、第２および第３室を経て導かれ、その後で熱交換器を経て出口に導かれる廃棄物焼却設備の概略図を示す。 図１による装置の概略的上面図を示す。 本発明による熱交換器の管断面の変形を上面図で示す。 本発明による熱交換器の管断面の変形を上面図で示す。 本発明による熱交換器の管断面の変形を上面図で示す。

Claims (14)

1. 加熱蒸気を生成するため管に沿って導かれた煙道ガスが蒸気を供給する熱交換器において
   熱交換器（５）が全体的または部分的に非円形断面を有する過熱器管から構成されたことを特徴とする。
2. 非円形管は煙道ガスの流れの方向に最大直径を有することを特徴とする請求項１に記載の熱交換器。
3. 管の縦方向に垂直で異なる方向における非円形の過熱器管の固有振動数は、管寄せを作動させることで管が異なる振動数で共振できるように選択されることを特徴とする請求項１に記載の熱交換器。
4. 過熱器管の前方に１つまたは複数のシールド管または蒸発管（８）が配置されたことを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項に記載の熱交換器。
5. 過熱器管の前方に非円形のシールド管または蒸発管（８）が配置されたことを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１項に記載の熱交換器。
6. 管を共振させて管上に存在する付着物を取り除くために、予め定めた振動数で管を作動させる工程から構成される熱交換器管のクリーニング方法。
7. 予め定めた振動数は管の固有振動数であることを特徴とする請求項６に記載の方法。
8. 管を非円形とし、固有振動数を作動方向に依存させ、選択された作動方向は管の縦方向に垂直な方向、例えば煙道ガスの方向またはそれに垂直な方向とすることを特徴とする請求項６または７に記載の方法。
9. 管を振動させて管に発生する振動パターンを測定し、かつ測定した振動パターンに基づき付着の程度を決定する工程から構成されることを特徴とする熱交換器管の付着物を決定する方法。
10. 例えばハンマー機構を使用した衝撃によって振動させることを特徴とする請求項９に記載の方法。
11. 特定の振動数で振動させることを特徴とする請求項９または１０に記載の方法。
12. クリーニングのために起こす振動は測定した振動パターンに基づくことを特徴とする請求項９ないし１１のいずれか１項に記載の方法。
13. クリーニングのために管を振動させる作動振動数は振動パターンの解析によって定めた付着物および固有振動数に基づいて選択することを特徴とする請求項１２に記載の方法。
14. 管の固有振動数は補強または結合によって調節されることを特徴とする請求項１ないし５のいずれか１項に記載の熱交換器。

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