JP2022117579A - 熱交換器および排煙処理システム - Google Patents

Abstract

【課題】石炭灰の堆積による伝熱管への悪影響を抑制すること。【解決手段】複数の伝熱管（４５）を有し、伝熱管（４５）とガスとの接触で熱交換を行う熱交換器の本体（１４）と、熱交換器の本体（１４）が収容され、ガスが内部を流れる熱交換室（１２）と、熱交換室（１２）の床面（１２ａ）と熱交換器の本体（１４）の底部との間に配置され、熱交換器の本体（１４）の底部を床面（１２ａ）から離間した状態で保持する保持部材（５１）と、を備えた熱交換器（４）。【選択図】図２

Description

本発明は、熱交換器および熱交換器を備えた排煙処理システムに関し、特に、複数の伝熱管を有する熱交換器および排煙処理システムに関する。

火力発電用のボイラにおいて、ボイラ内の排ガスから熱を回収したり、排ガスを加熱するための熱交換器として、ガスガスヒータ（Gas Gas Heater：ＧＧＨ）が知られている。ガスガスヒータに関する技術として、特許文献１に記載の技術が知られている。

特許文献１（国際公開第２０１８／１３９６６９号公報：ＷＯ２０１８／１３９６６９Ａ１）には、複数の伝熱管（１１，１２）を有する熱交換バンドル（４１）が、伝熱管（１１，１２）が接続された上下に延びる柱状のヘッダ（４２，４３）で積み上げられた構成が記載されている。特許文献１に記載の構成では、ヘッダ（４２，４３）で３段に積み上げられた熱交換バンドル（４１）は、底板（３２）、背面板（３３）、天板（３４）で、上下および背面が囲まれて、内部に排ガスの流路が形成されている。

国際公開第２０１８／１３９６６９号公報（ＷＯ２０１８／１３９６６９Ａ１、「００２２」－「００２９」、図３、図４）

図６は従来のＧＧＨ熱交換器の説明図である。
図６において、特許文献１に記載のＧＧＨ熱回収器やＧＧＨ再加熱器のような熱交換器０１は、排ガスの流路中に設置されている。図６において、熱交換器０１の入口側のダクト０２や出口側のダクト０３に対して、ＧＧＨ本体０４が設置されている熱交換室０６は流路断面積が広くなっていて、流速を低下させて、熱交換を効率的に行っている。図６に示すように、従来の構成では、熱交換室０６の床面にＧＧＨ本体０４の底板（３２）が設置されていた。

しかしながら、熱交換器０１を通過する排ガスには、石炭灰が含まれており、流速が低下すると、石炭灰が熱交換室０６の床面に落下、堆積しやすい。したがって、ＧＧＨ本体０４の最下段のバンドルの伝熱管が、石炭灰に埋もれてしまう恐れがあった。伝熱管が石炭灰に埋もれると、伝熱管の腐食により熱媒が漏洩する問題がある。また、メンテナンス等で休止後の再起動時に排ガスが流れ始めると、石炭灰が吹き上げられて、石炭灰で伝熱管が摩耗する問題もある。

本発明は、石炭灰の堆積による伝熱管への悪影響を抑制することを技術的課題とする。

上記本発明の課題は、下記の構成を採用することにより達成できる。
請求項１に記載の発明の熱交換器は、
複数の伝熱管を有し、伝熱管とガスとの接触で熱交換を行う熱交換器の本体と、
前記熱交換器の本体が収容され、ガスが内部を流れる熱交換室と、
前記熱交換室の床面と前記熱交換器の本体の底部との間に配置され、前記熱交換器の本体の底部を床面から離間した状態で保持する保持部材と、
を備えたことを特徴とする。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の熱交換器において、
ガスの流れ方向に対して、前記保持部材の上流側に配置され、前記保持部材に向けてガスが流れることを妨げるガス抑制部材、
を備えたことを特徴とする。

請求項３に記載の発明は、請求項２に記載の熱交換器において、
前記ガス抑制部材の位置に対応して配置され、ガスを前記熱交換器の本体に向けて案内する案内部材、
を備えたことを特徴とする。

請求項４に記載の発明は、請求項１ないし３のいずれかに記載の熱交換器において、
前記伝熱管を流れる熱交換用の熱媒が内部を流れ且つ複数の伝熱管の端部が接続され、重力方向に延びる柱状のヘッダと、
前記ヘッダの重力方向の下端に対応する位置に配置された前記保持部材と、
を備えたことを特徴とする。

請求項５に記載の発明は、請求項１ないし４のいずれかに記載の熱交換器において、
複数の伝熱管の端部どうしの間の途中部を支持し、重力方向に延びるサポート部材と、
前記サポート部材の重力方向の下端に対応する位置に配置された前記保持部材と、
を備えたことを特徴とする。

請求項６に記載の発明の排煙処理システムは、
燃料を燃焼されるボイラと、
燃料が燃焼して発生したガスの流路中に配置され、ガスとの間で熱交換を行う請求項１ないし５のいずれかに記載の熱交換器と、
を備えたことを特徴とする。

請求項１，６に記載の発明によれば、石炭灰の堆積による伝熱管への悪影響を抑制することができる。
請求項２に記載の発明によれば、請求項１に記載の発明の効果に加えて、ガス抑制部材を有しない場合に比べて、保持部材の位置をガスがすり抜けることが抑制され、熱交換の効率を向上させることができる。
請求項３に記載の発明によれば、請求項２に記載の発明の効果に加えて、案内部材を有しない場合に比べて、ガスが淀むことを抑制でき、熱交換の効率を向上させることができる。
請求項４に記載の発明によれば、請求項１ないし３のいずれかに記載の発明の効果に加えて、ヘッダの下端からずれた位置に保持部材が配置される場合に比べて、熱交換器の本体を安定して支持することができる。
請求項５に記載の発明によれば、請求項１ないし４のいずれかに記載の発明の効果に加えて、サポート部材の位置からずれた位置に保持部材が配置される場合に比べて、熱交換器の本体を安定して支持することができる。

図１は本発明の熱交換器を含む排煙処理システムの説明図である。 図２は実施例１のＧＧＨ熱回収器の概略説明図である。 図３は本発明の実施例１の熱交換器の本体の説明図である。 図４は図３の熱交換器の本体の分解図である。 図５は実施例１の保持部材とガス案内部材の説明図である。 図６は従来のＧＧＨ熱交換器の説明図である。

次に図面を参照しながら、本発明の実施の形態の具体例としての実施例を説明するが、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。
なお、以下の図面を使用した説明において、理解の容易のために説明に必要な部材以外の図示は適宜省略されている。

図１は本発明の熱交換器を含む排煙処理システムの説明図である。
図１において、実施例１の熱交換器が適用された排煙処理システム（プラント）Ｓでは、ボイラ１からの排ガスが脱硝装置２に導入され、排ガス中の窒素酸化物が除去された後、空気予熱器（Ａ／Ｈ）３においてボイラ１への燃焼用空気と熱交換される。次に、排ガスは、ガスガス熱交換器の一例としてのＧＧＨ熱回収器４に導入されて熱交換（熱回収）が行われる。ＧＧＨ熱回収器４を通過してガス温度が低下した排ガスは、ガス中の煤塵の電気抵抗値が低下した状態で集塵装置（ＥＰ：Electrostatic Precipitator）５に導入され、排ガス中の煤塵の大半が除去される。その後、排ガスはファン６により昇圧されて、湿式排煙脱硫装置（ＦＧＤ：Flue Gas Desulfurization）７に導入され、気液接触により排ガス中の硫黄酸化物および煤塵の一部が除去される。湿式排煙脱硫装置７において、飽和ガス温度まで冷却された排ガスは、ＧＧＨ熱回収器４で回収された熱を利用して、ガスガス熱交換器の一例としてのＧＧＨ再加熱器８により昇温（熱交換、再加熱）される。ＧＧＨ再加熱器８を通過した排ガスは煙突９より排出される。

図２は実施例１のＧＧＨ熱回収器の概略説明図である。
図２において、実施例１のＧＧＨ熱回収器４は、排ガスの入口部の一例としての入口ダクト１１と、熱交換室の一例としての熱回収室１２と、排ガスの出口部の一例としての出口ダクト１３とを有する。熱回収室１２には、熱交換器の本体の一例としてのＧＧＨ本体１４が設置されている。
熱回収室１２は、高さが、入口ダクト１１や出口ダクト１３の内径よりも高く形成されている。なお、熱回収室１２の天井の高さは、ＧＧＨ本体１４の上端の高さに対応する高さとなっている。また、熱回収室１２の奥行き（図２の紙面に垂直な方向の長さ）は、ＧＧＨ本体１４の奥行きに対応する奥行きに形成されており、入口ダクト１１や出口ダクト１３の内径よりも大きくなっている。結果として、排ガスの流路断面積は、入口ダクト１１や出口ダクト１３よりも熱回収室１２の方が大きくなっている。

図３は本発明の実施例１の熱交換器の本体の説明図である。
図４は図３の熱交換器の本体の分解図である。
図３、図４において、ＧＧＨ本体１４は、筐体の一例としてのハウジング３１を有する。ハウジング３１は、背面カバーの一例としての板状の背面板３３と、上カバーの一例としての板状の天板３４とを有する。ハウジング３１の前部には、上下方向に延びるバンドル間カバー３５が支持されている。バンドル間カバー３５は、上下方向（重力方向）に延びており、左右方向（排ガス（排煙）の流れる方向）に予め設定された間隔をあけて複数配置されている。ハウジング３１の内部には、熱交換バンドル４１が複数収容される。

図４において、各熱交換バンドル４１は、第１の取付部の一例としての第１のヘッダ４２と、第２の取付部の一例としての第２のヘッダ４３とを有する。実施例１の第１のヘッダ４２および第２のヘッダ４３は、上下方向に延びる柱状に形成されている。各ヘッダ４２，４３は、内部が中空且つ上端および下端が閉塞された形状に形成されており、内部に流動可能な空間が形成されている。また、各ヘッダ４２，４３には、左右方向に張り出す取付プレート４４が支持されている。

各ヘッダ４２，４３の後面には、後方に延びる伝熱管４５が支持されている。伝熱管４５は、ハウジング３１の内部で後端または前端で湾曲して複数回前後方向に往復するように構成されている。なお、各ヘッダ４２，４３には、上下方向に間隔をあけて複数の伝熱管４５が支持されている。各伝熱管４５の両端は、ヘッダ４２，４３に支持されており、ヘッダ４２，４３から各伝熱管４５に熱媒が入出可能に構成されている。
各伝熱管４５は、前後方向の中央部において、サポート部材４７で支持されている。サポート部材４７は、板に、伝熱管４５が通過する穴が複数形成された形状に形成されている。したがって、伝熱管４５が、ヘッダ４２，４３のみで片持ち状態で支持されておらず、ヘッダ４２，４３とサポート部材４７で保持されている。なお、サポート部材４７は、前後方向および左右方向に１つを図示しているが、伝熱管４５の長さに応じて、前後方向に複数枚設けたり、左右方向に複数枚設けたりすることも可能である。

また、各ヘッダ４２，４３には、伝熱管４５に対応する位置にプラグ孔４８が形成されている。プラグ孔４８の前端は、通常の使用時には図示しない栓で塞がれている。伝熱管４５のいずれかが故障して熱媒が漏れ出す場合には、プラグ孔４８の栓を外し、プラグ孔４８を通じて伝熱管４５の入口または出口を図示しない閉止栓で塞ぐことで熱媒の漏出を止めることが可能である。
各ヘッダ４２，４３の間には、接続部材の一例としてのケーシング板４９が着脱可能に支持されている。ケーシング板４９は、ヘッダ４２，４３の上下方向の高さに対応する高さを有する。ケーシング板４９は、取付プレート４４に図示しないボルトにより着脱可能に支持されている。ケーシング板４９が装着された場合には、ヘッダ４２，４３が接続される。よって、ケーシング板４９が装着された場合は、ヘッダ４２，４３、伝熱管４５が高い剛性を有する状態で一体化されると共に、ヘッダ４２，４３の間から排ガスが漏出することも抑制される。

前記符号４２～４９を付した部材により、実施例１の熱交換バンドル４１が構成されている。熱交換バンドル４１は、いわば一つのユニットとして、ハウジング３１に収納可能に構成されている。そして、熱交換バンドル４１がハウジング３１に収納された状態では、背面板３３、天板３４、バンドル間カバー３５、ヘッダ４２，４３，ケーシング板４９で囲まれた内側に、排ガスが流れる排ガス路が構成される。そして、排ガス路内に伝熱管４５が配置されており、排ガス路を流れる排ガスとの間で熱交換が可能に構成されている。

図３において、実施例１のＧＧＨ熱回収器４では、排ガスの流れる方向に対して、上流、中流、下流に並んで３列配置されると共に、上流、中流、下流の各列には、上下方向に３段の熱交換バンドル４１が積み重ねられている。なお、中段の熱交換バンドル４１は、ヘッダ４２，４３の下端が、下段の熱交換バンドル４１のヘッダ４２，４３の上端に積み上げられている。同様に、上段の熱交換バンドル４１は、ヘッダ４２，４３の下端が、中段の熱交換バンドル４１のヘッダ４２，４３の上端に積み上げられている。
なお、このようなＧＧＨ本体１４自体は、従来公知であり、特許文献１等に記載されているので、詳細な説明は省略する。

図５は実施例１の保持部材とガス案内部材の説明図である。
図２、図５において、熱回収室１２の床面１２ａと、ＧＧＨ本体１４の底部との間には、保持部材の一例としての底部サポート５１が配置されている。実施例１の底部サポート５１は、ＧＧＨ本体１４のヘッダ４２，４３やサポート部材４７の底面に対応する位置に配置されている。したがって、底部サポート５１は、熱回収室１２の奥行き方向に沿って間隔をあけて複数配置されている。
実施例１の底部サポート５１の形状は、いわゆるＨ鋼で構成されているが、形状はＨ鋼に限定されず、ヘッダ４２，４３やサポート部材４７の底面を支持可能な任意の形態とすることが可能である。
したがって、ＧＧＨ本体１４は、底部サポート５１で、床面１２ａから離間した状態で保持されており、いわば、底上げがされている。

排ガスの流れ方向５２に対して、底部サポート５１の上流側には、ガス抑制部材の一例としてのすり抜け防止部材５３が配置されている。すり抜け防止部材５３は、熱回収室１２の奥行き方向に向けて延び且つ重力方向に沿って延びる板状に形成されている。
すり抜け防止部材５３の上面には、案内部材の一例としてのガイド板５４が配置されている。ガイド板５４は、排ガスの流れ方向５２の上流側に配置された上流部５４ａと、上流部５４ａの下流側に配置された下流部５４ｂとを有する。上流部５４ａは、排ガスの流れ方向５２の上流端が熱回収室１２の床面１２ａに近接し、且つ、下流側にいくにつれてＧＧＨ本体１４の底の高さに向けて傾斜する斜面状に形成されている。下流部５４ｂは、排ガスの流れ方向５２に沿った板状に形成されている。

実施例１のガイド板５４は、熱回収室１２の奥行き方向に対して、複数に分割された形状、いわば短冊状に形成されている。また、実施例１のガイド板５４は、すり抜け防止部材５３に対して着脱可能に構成されている。したがって、ガイド板５４は、ＧＧＨ熱回収器４のメンテナンスで足場を組む時や作業者が作業を行う際に取り外すことが可能になっている。図２において、すり抜け防止部材５３およびガイド板５４は、排ガスの流れ方向５２に対して、ＧＧＨ本体１４の下流側にも配置されている。
なお、ＧＧＨ再加熱器８は、ＧＧＨ熱回収器４と同様に構成されているので、図示および詳細な説明は省略する。

（実施例１の作用）
前記構成を備えた実施例１の排煙処理システムＳでは、熱回収室１２の排ガス流路断面積がダクト１１，１３よりも大きくなっている。したがって、熱回収室１２では排ガスの流速が、ダクト１１，１３よりも低下する。よって、排ガス中の燃焼灰が熱回収室１２で床面１２ａに堆積しやすい。これに対応して、実施例１のＧＧＨ本体１４は、底部サポート５１で底上げされており、ＧＧＨ本体１４と床面１２ａとの間に隙間６１が形成されている。したがって、底部サポート５１を有しない従来の構成に比べて、床面１２ａに燃焼灰が堆積してもＧＧＨ本体１４の伝熱管４５の高さまで達しにくくなり、伝熱管４５が埋まりにくい。よって、燃焼灰の堆積により、伝熱管４５が腐食して熱媒が漏洩する問題や再起動時に燃焼灰が吹き上げられて伝熱管４５が摩耗する問題といった伝熱管４５への悪影響を抑制することが可能である。

なお、底部サポート５１で底上げされた隙間に堆積した燃焼灰は、定期的に清掃することで除去することが可能である。従来の底部サポート５１を有しない構成では、伝熱管が燃焼灰に埋まった状態で清掃作業を行うこととなり、伝熱管を傷つけないように清掃作業を慎重に行う必要があったが、実施例１では、伝熱管が燃焼灰に埋まっていないので、清掃作業が容易である。

また、実施例１では、底部サポート５１で底上げされた隙間６１に対応して、すり抜け防止部材５３が配置されている。すり抜け防止部材５３が配置されていない構成では、隙間６１を排ガスが通過することが可能となる。この隙間６１を通過する排ガスは、伝熱管４５に接触しないため、熱交換が行われず、いわば、熱交換器をすり抜けることとなる。これに対して、実施例１では、すり抜け防止部材５３で、底部サポート５１に向けて排ガスが流れることが妨げられており、隙間６１を排ガスがすり抜けることが抑制されている。よって、底部サポート５１を有しない構成に比べて、ＧＧＨ熱回収器４での熱交換の効率が向上する。

さらに、実施例１では、すり抜け防止部材５３に対応して、ガイド板５４が配置されている。ガイド板５４は、排ガスを上流部５４ａでＧＧＨ本体１４に向けてガイドし、下流部５４ｂでガス流れ方向に案内している。ガイド板５４が設けられない構成では、すり抜け防止部材５３に排ガスが衝突した後、排ガスの流れに淀みや渦が発生する恐れがある。これに対して、ガイド板５４を有する実施例１のＧＧＨ熱回収器４では、排ガスの淀み等が抑制され、熱交換の効率の低下が抑制される。

また、実施例１では、底部サポート５１は、ヘッダ４２，４３やサポート部材４７の底部に対応して配置されている。熱交換バンドル４１の全体としての強度は、ヘッダ４２，４３やサポート部材４７が主として負担しており、特に、ヘッダ４２，４３は熱交換バンドル４１の自重を主として支えている。よって、実施例１では、荷重がかかる位置や強度を負担する位置に底部サポート５１を配置することで、底部サポート５１の数が過剰に必要なくなり、熱交換バンドル４１を安定して支持することが可能である。

（変更例）
以上、本発明の実施例および変更例を詳述したが、本発明は、前記実施例および変更例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲で、種々の変更を行うことが可能である。本発明のその他の変更例（Ｈ01）～（Ｈ06）を下記に例示する。
（Ｈ01）前記実施例において、熱交換器としてＧＧＨ熱回収器４やＧＧＨ再加熱器８を例示したがこれに限定されない。例えば、過熱器等の熱交換器にも適用可能である。

（Ｈ02）前記実施例において、すり抜け防止部材５３の形状は例示した形状に限定されない。例えば、ガイド板５４の上流部５４ａと同様に傾斜面状にすることも可能である。また、ガイド板５４と同様に短冊状にすることも可能である。さらに、すり抜け防止部材５３は１枚設置する構成を例示したが、排ガスの流れ方向５２に沿って２枚以上設置することも可能である。すり抜け防止部材５３の枚数を増やすことで、ガスのすり抜けがさらに抑制されるとともに、ガイド板５４を安定して支持することも可能である。
（Ｈ03）前記実施例において、ガイド板５４の上流部５４ａは、平板状の傾斜面状のものを例示したがこれに限定されない。例えば、上に凸または下に凸状の板とすることも可能である。また、板状に限定されず、ブロック状とすることも可能である。

（Ｈ04）前記実施例において、ガイド板５４は、着脱可能な構成とすることが望ましいが、着脱不能な構成とすることも可能である。
（Ｈ05）前記実施例において、底部サポート５１は、ヘッダ４２，４３やサポート部材４７の位置に配置することが望ましいが、熱交換バンドル４１に底板等を設けて、ヘッダ４２，４３とはズレた位置に配置することも可能である。
（Ｈ06）前記実施例において、ハウジング３１が背面板３３、天板３４を有する構成を例示したがこれに限定されない。熱回収室１２の側壁や天井を背面板３３、天板３４の代わりに利用することも可能である。また、ハウジング３１に底板を設けることも可能である。なお、底板を設けた場合、底板の上に燃焼灰がたまりやすく、隙間６１に燃焼灰が堆積しにくくなるため、底板に燃焼灰が通過可能な孔を形成することが望ましい。すなわち、底板として、複数の貫通孔が形成された板材、いわゆるパンチングメタルを使用することが可能である。

１…ボイラ、
４，８…熱交換器、
１２…熱交換室、
１２ａ…床面、
１４…熱交換器の本体、
４２，４３…ヘッダ、
４５…伝熱管、
４７…サポート部材、
５１…保持部材、
５２…ガスの流れ方向、
５３…ガス抑制部材、
５４…案内部材、
Ｓ…排煙処理システム。

Claims (6)

1. 複数の伝熱管を有し、伝熱管とガスとの接触で熱交換を行う熱交換器の本体と、
   前記熱交換器の本体が収容され、ガスが内部を流れる熱交換室と、
   前記熱交換室の床面と前記熱交換器の本体の底部との間に配置され、前記熱交換器の本体の底部を床面から離間した状態で保持する保持部材と、
   を備えたことを特徴とする熱交換器。
2. ガスの流れ方向に対して、前記保持部材の上流側に配置され、前記保持部材に向けてガスが流れることを妨げるガス抑制部材、
   を備えたことを特徴とする請求項１に記載の熱交換器。
3. 前記ガス抑制部材の位置に対応して配置され、ガスを前記熱交換器の本体に向けて案内する案内部材、
   を備えたことを特徴とする請求項２に記載の熱交換器。
4. 前記伝熱管を流れる熱交換用の熱媒が内部を流れ且つ複数の伝熱管の端部が接続され、重力方向に延びる柱状のヘッダと、
   前記ヘッダの重力方向の下端に対応する位置に配置された前記保持部材と、
   を備えたことを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の熱交換器。
5. 複数の伝熱管の端部どうしの間の途中部を支持し、重力方向に延びるサポート部材と、
   前記サポート部材の重力方向の下端に対応する位置に配置された前記保持部材と、
   を備えたことを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載の熱交換器。
6. 燃料を燃焼されるボイラと、
   燃料が燃焼して発生したガスの流路中に配置され、ガスとの間で熱交換を行う請求項１ないし５のいずれかに記載の熱交換器と、
   を備えたことを特徴とする排煙処理システム。

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