JP4792982B2 - 廃熱回収システム - Google Patents

Description

本発明は、熱源装置から発生する燃焼排ガスの熱を回収する廃熱回収システムに関するものである。

従来より、燃焼排ガス中の熱を回収して省エネ化を図るための廃熱回収システムは、工場やプラント等において広く適用されている。

例えば特許文献１には、ごみ焼却プラントのごみ焼却炉から発生する燃焼排ガスの熱を回収する廃熱回収システムが開示されている。この廃熱回収システムは、水冷壁、廃熱ボイラ、エコノマイザ等の熱交換器を備えている。ごみ焼却炉内で生じた高温の燃焼排ガスは、水冷壁で冷却された後、廃熱ボイラやエコノマイザを流れる。その結果、燃焼排ガスの熱は、廃熱ボイラやエコノマイザに回収される。

また、特許文献１の廃熱回収システムでは、エコノマイザの下流側に更に脱気ヒータから成る熱交換器が設けられている。エコノマイザを通過して比較的低温となった燃焼排ガスの熱は、脱気ヒータにより更に回収される。脱気ヒータで回収された熱は、廃熱ボイラ用の脱気器の加熱用熱源として利用される。

以上のように、特許文献１に開示の廃熱回収システムでは、比較的低温となった燃焼排ガスからも熱を回収することで、燃焼排ガスの熱を極力捨てないようにして、ごみ焼却プラントの総合的な熱効率を高めるようにしている。
特開２００２−５４０２号公報

ところで、特許文献１に開示の廃熱回収システムのように、燃焼排ガスの熱を積極的に回収しようとすると、熱交換器の近傍では、燃焼排ガス温度の低下に伴い多量の凝縮水が生成することがある。ここで、燃焼排ガス中には、窒素酸化物（いわゆるＮＯｘ）や硫黄酸化物（いわゆるＳＯｘ）が含まれるので、これらのＮＯｘやＳＯｘが凝縮水に溶け込んで硫酸や硝酸が生成すると、凝縮水が酸性化してしまう。従来の廃熱回収システムでは、このように酸性化した凝縮水の取り扱いについては何ら考慮されていなかった。

本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、その目的は、燃焼排ガスの熱を回収する際、熱交換器の近傍で生じる凝縮水を有効利用できる廃熱回収システムを提供することである。

第１の発明は、熱源装置（20）の燃焼排ガスの熱を回収する熱交換器（32）を備えた廃熱回収システムを前提としている。そして、この廃熱回収システムは、上記熱交換器（32）で加熱された熱媒体が循環するとともに、嫌気槽（51）に浸漬する伝熱管（52）を有する熱媒体流路（14,15）と、上記熱交換器（32）を通過する燃焼排ガス中から生成した凝縮水が貯留される貯留タンク（40）と、上記貯留タンク（40）内の凝縮水をｐＨ調整液として上記嫌気槽（51）へ供給する液供給管（41）とを備えていることを特徴とする。

第１の発明では、熱源装置（20）から発生した燃焼排ガスの熱が熱交換器（32）によって回収される。一方、燃焼排ガスの熱が奪われて燃焼排ガス中の水蒸気が凝縮すると、熱交換器（32）の近傍では、凝縮水が生成する。ここで、燃焼排ガス中には、燃料の燃焼に伴って生成したＮＯｘやＳＯｘが含まれるため、ＮＯｘやＳＯｘが凝縮水に溶け込むことで凝縮水が酸性化する。ここで、本発明では、このようにして酸性化した凝縮水をｐＨ調整液として所定のｐＨ調整対象へ供給する。その結果、この凝縮水によってｐＨ調整対象のｐＨを低下させることができ、ｐＨ調整対象のｐＨを最適なものとすることができる。

第１の発明では、ｐＨ調整液としての凝縮水が嫌気槽（51）へ送られるとともに、熱交換器（32）で回収した熱も嫌気槽（51）へ供給される。従って、嫌気槽（51）内の処理水のｐＨと温度を最適な状態に調整することができる。なお、ここでいう「嫌気槽」は、無酸素条件下で生息する嫌気性細菌の生物分解能を利用して排水を浄化するものであって、いわゆるメタン発酵等の嫌気性消化処理や、生物学的硝化脱窒素処理における脱窒素処理をも含む処理槽を意味するものである。

第１の発明では、ｐＨ調整液としての凝縮水が嫌気槽（51）に供給される。ここで、嫌気槽（51）による生物処理では、低級脂肪酸等の有機物のガス化、あるいは硝酸イオンの脱窒素化に伴い処理水のｐＨが上昇することがある。一方、嫌気性細菌は、細菌の増殖速度が比較的遅く、最適な生育ｐＨの範囲も狭いことが知られている。このため、このようにして処理水のｐＨが上昇すると、嫌気性細菌の活性が阻害され、処理水の浄化効率が著しく損なわれることがある。本発明では、このような嫌気槽（51）に酸性化した凝縮水を供給するので、嫌気槽（51）の処理水ｐＨの上昇を未然に回避することができる。

第１の発明では、燃焼排ガス中から生成した酸性の凝縮水が貯留槽（40）内にｐＨ調整液として貯留される。従って、凝縮水を確実にストックしながら、この凝縮水を必要に応じてｐＨ調整対象に供給することができる。

第１の発明では、燃焼排ガスの熱を回収する際に生じた凝縮水をｐＨ調整液として所定のｐＨ調整対象に供給するようにしている。従って、従来であれば酸性化した凝縮水について何らかの中和処理を行う必要があったのに対し、本発明によれば、このような酸性の凝縮水をｐＨ調整液として有効利用することができる。

上記第１の発明によれば、凝縮水を嫌気槽（51）のｐＨ調整液として有効利用できる。更に、上記第１の発明によれば、熱交換器（32）で回収した熱を嫌気槽（51）の熱源として利用できるので、嫌気槽（51）の処理水のｐＨ管理と温度管理とを同時に行うことができる。

更に、第１の発明では、燃焼排ガスの熱を回収する際に生じた凝縮水をｐＨ調整液として貯留槽（40）内に貯留するようにしている。このため、必要な時に必要な量だけ、貯留槽（40）内に溜めた凝縮水をｐＨ調整対象に供給することができる。また、貯留槽（40）とともにｐＨ調整液を搬送することもできる。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。

《発明の実施形態１》
図１に示すように、実施形態１に係る廃熱回収システム（10）は、食品工場等のプラントに適用されるものである。なお、このプラントには、工場排水を浄化するための排水処理施設（50）が設けられている。

廃熱回収システム（10）は、蒸気ボイラ（20）、潜熱回収装置（30）、及び貯留タンク（40）を備えている。

蒸気ボイラ（20）は、プラントの所定箇所に温熱を供給する熱源装置を構成している。この蒸気ボイラ（20）は、所定の水管内を流れる循環水を蒸発させて蒸気を生成する、いわゆる貫流式ボイラで構成されている。また、蒸気ボイラ（20）には、燃焼室から生成する燃焼排ガスを排出するための排ガス口（21）と、濃縮した循環水をブロー水として適宜外部へ排出するためのブロー水排出管（22）とが設けられている。ブロー水排出管（22）には、該ブロー水排出管（22）を開閉自在な第１開閉弁（23）が設けられている。

潜熱回収装置（30）は、中空密閉状のケーシング（31）と、該ケーシング（31）内に収納される潜熱回収用熱交換器（32）とを備えている。

ケーシング（31）には、その上部に排ガス流入口（33）が形成され、その下部に排ガス流出口（34）が形成されている。ケーシング（31）の内部では、排ガス流入口（33）から排ガス流出口（34）までの間に排ガス流通空間（Ｓ）が形成されている。排ガス流入口（33）は、第１排ガス流路（11）を介して蒸気ボイラ（20）の排ガス口（21）と接続されている。排ガス流出口（34）は、第２排ガス流路（12）を介してプラントの煙突（60）に接続されている。第２排ガス流路（12）には、燃焼排ガスを圧送するための排気ブロワ（13）が設けられている。

また、ケーシング（31）の最下端部には、ケーシング（31）内の下部に溜まった凝縮水を外部へ排出するためのドレン水排出管（36）が接続されている。ドレン水排出管（36）には、該ドレン水排出管（36）を開閉自在な第２開閉弁（37）が設けられている。

潜熱回収用熱交換器（32）は、排ガス流通空間（Ｓ）の横断面全域に跨るように設けられている。この潜熱回収用熱交換器（32）の内部には水等の熱媒体が流通可能となっている。つまり、潜熱回収用熱交換器（32）は、蒸気ボイラ（20）の燃焼排ガスの熱を熱媒体を介して回収する熱交換器を構成している。また、潜熱回収用熱交換器（32）には、熱媒体流出口（38）及び熱媒体流入口（39）が形成されている。熱媒体流出口（38）は第１熱媒体流路（14）を介して排水処理施設（50）側に、熱媒体流入口（39）は第２熱媒体流路（15）を介して排水処理施設（50）側にそれぞれ接続している。また、第１熱媒体流路（14）には、熱媒体を移送するための熱媒体ポンプ（16）が設けられている。

貯留タンク（40）は、円筒開放型の容器で構成されている。貯留タンク（40）の頂部には、上記ドレン水排出管（36）の流出端が接続されている。つまり、貯留タンク（40）は、潜熱回収装置（30）で発生した凝縮水を貯留する貯留槽を構成している。また、貯留タンク（40）の胴部には、液供給管（41）の一端が接続されている。この液供給管（41）の他端は、排水処理施設（50）側に接続されている。また、液供給管（41）には、貯留タンク（40）に貯留された凝縮水を移送するための液ポンプ（42）が設けられている。

上記排水処理施設（50）には、所定の前処理設備及び後処理設備の中間行程に排水処理槽としての嫌気槽（51）が設けられている。嫌気槽（51）は、無酸素条件下において、嫌気性細菌を用いて排水を浄化するものである。この嫌気槽（51）は、処理水中の有機物を発酵して分解する、いわゆる嫌気性消化槽であり、より厳密には、メタン細菌によって有機物をメタンまで分解するメタン発酵槽を構成している。なお、この嫌気槽（51）では、いわゆる中温メタン菌によって中温メタン発酵が行われており、槽内の処理水の最適温度は約３５℃前後、最適ｐＨは約６．５から約７．５の範囲となっている。また、嫌気槽（51）で生成したメタンガスは、図外のガスフォルダ等に貯留され、発電機やボイラ等の燃料として利用される。

嫌気槽（51）には、上述した第１熱媒体流路（14）と第２熱媒体流路（15）とが接続されている。嫌気槽（51）内の処理水中には、第１熱媒体流路（14）と第２熱媒体流路（15）との間に介在する伝熱管（52）が浸積している。また、嫌気槽（51）には、上述した液供給管（41）の流出端が臨んでいる。つまり、嫌気槽（51）の槽内には、貯留タンク（40）内に貯留された凝縮水が供給可能となっている。

−運転動作−
次に、実施形態１の廃熱回収システム（10）の運転動作について説明する。

廃熱回収システム（10）の動作時には、蒸気ボイラ（20）、排気ブロワ（13）、及び熱媒体ポンプ（16）が運転状態となる。

蒸気ボイラ（20）の排ガス口（21）からは、高温（約１８０℃）の燃焼排ガスが排出される。この燃焼排ガスは、第１排ガス流路（11）を経由して排ガス流入口（33）から潜熱回収装置（30）のケーシング（31）内へ流入する。ケーシング（31）内の排ガス流通空間（35）を流れる燃焼排ガスは、潜熱回収用熱交換器（32）を通過する。

潜熱回収用熱交換器（32）の内部には、液ポンプ（16）によって移送された熱媒体が流れている。従って、潜熱回収用熱交換器（32）では、燃焼排ガスの熱が熱媒体に付与されて、燃焼排ガスの温度が低下していく。この潜熱回収用熱交換器（32）では、燃焼排ガスの温度が低温（約４０℃）になるように熱交換が行われる。

潜熱回収用熱交換器（32）に熱を付与した燃焼排ガスは、排ガス流出口（34）よりケーシング（31）外へ排出される。その後、燃焼排ガスは、第２排ガス流路（12）を経由して煙突（60）から大気中へ放出される。

一方、潜熱回収用熱交換器（32）で燃焼排ガスの熱を回収した熱媒体は、第１熱媒体流路（14）を経由して嫌気槽（51）側へ送られる。そして、この熱媒体は、嫌気槽（51）内の処理水中に浸積された伝熱管（52）を流通する。伝熱管（52）では、熱媒体の熱が嫌気槽（51）内の処理水へ付与される。つまり、潜熱回収用熱交換器（32）で回収された燃焼排ガスの熱は、嫌気槽（51）内の処理水の温熱源として利用される。

伝熱管（52）を流出した熱媒体は、第２熱媒体流路（15）を経由して再び潜熱回収用熱交換器（32）へ送られる。潜熱回収用熱交換器（32）では、燃焼排ガスの熱が再び熱媒体に付与される。

ところで、上述のようにして潜熱回収装置（30）で燃焼排ガスの熱を積極的に回収するようにすると、潜熱回収用熱交換器（32）の近傍では、燃焼排ガス中に含まれる水蒸気が凝縮して凝縮水となる。一方、燃焼排ガス中には、蒸気ボイラ（20）の燃料の燃焼に伴い生成した窒素酸化物（ＮＯｘ）や硫黄酸化物（ＳＯｘ）が含まれている。従って、このようにして凝縮水が生成すると、ＮＯｘやＳＯｘが凝縮水に溶け込み、硝酸や硫酸が生成してしまう。従って、ケーシング（31）内の底部には、酸性化した凝縮水が徐々に溜まり込んでいくことになる。実施形態１の廃熱回収システム（10）では、このようにして酸性化した凝縮水をｐＨ調整液として利用するようにしている。

具体的には、ケーシング（31）内の底部に凝縮水が溜まり込んでいくと、ドレン水排出管（36）の第２開閉弁（37）が適宜開放される。その結果、潜熱回収装置（30）内の凝縮水は、ドレン水排出管（36）を経由して貯留タンク（40）内に供給される。そして、貯留タンク（40）には、この凝縮水が次第に溜まり込んでいく。

貯留タンク（40）内に貯留された凝縮水は、嫌気槽（51）内の処理水のｐＨ管理に利用される。即ち、嫌気槽（51）では、メタン発酵に伴い嫌気槽（51）内の低級脂肪酸等の有機物がメタンや炭酸ガスにまで分解される。このため、嫌気槽（51）では、このような有機物のガス化に伴い、処理水のｐＨが次第に上昇していくことがある。一方、上述したように、中温メタン細菌の最適生育ｐＨは約６．５から約７．５の範囲である。従って、処理水のｐＨが７．５を上回ると、中温メタン細菌の活性が阻害され、良好なメタン発酵処理を行うことができなくなる。このため、例えばｐＨ電極等によって嫌気槽（51）内の処理水のｐＨの上昇が検知されると、液ポンプ（42）が起動し、貯留タンク（40）内の凝縮水が液供給管（41）を介して嫌気槽（51）へ供給される。その結果、酸性の凝縮水によって嫌気槽（51）内の処理水のｐＨが低減されるので、処理水のｐＨが７．５を上回ることが未然に回避される。

−実施形態１の効果−
上記実施形態１によれば、ボイラ（20）から生成した燃焼排ガスの熱を積極的に回収することで、この廃熱回収システム（10）の熱回収効率の向上を図ることができる。一方、このように燃焼排ガスの熱を積極的に回収すると、燃焼排ガス中の水蒸気が凝縮して酸性の凝縮水が生成する。実施形態１では、この凝縮水をｐＨ調整液として貯留タンク（40）に貯め込み、嫌気槽（51）のｐＨ管理に利用している。従って、従来であれば取り扱いが難しかった凝縮水を、上記実施形態１によれば、嫌気槽（51）のｐＨ調整液として有効利用することができる。

また、上記実施形態１では、潜熱回収用熱交換器（32）で回収した熱を嫌気槽（51）の処理水の温熱源として利用している。従って、本実施形態１の廃熱回収システム（10）によれば、嫌気槽（51）の処理水のｐＨ管理と温度管理との双方を行うことできる。

<実施形態１の変形例>
上記実施形態１の嫌気槽（51）は、酸発酵、メタン発酵、水素発酵や、生物学的硝化脱窒素処理の脱窒素処理を行う嫌気槽であってもよい。このような場合にも、潜熱回収装置（30）で生成した凝縮水を嫌気槽（51）のｐＨ調整液として利用することができる。

《参考形態》
図２に示すように、参考形態に係る廃熱回収システム（10）は、上記実施形態１と一部の構成が異なるものである。以下には、上記実施形態１と異なる点について説明する。

参考形態の廃熱回収システム（10）では、蒸気ボイラ（20）のブロー水排出管（22）の流出端が、貯留タンク（40）内に臨んでいる。つまり、参考形態では、ブロー水排出管（22）及び第１開閉弁（23）から成るブロー水の移送手段によって、蒸気ボイラ（20）のブロー水を貯留タンク（40）内に供給可能となっている。また、参考形態では、第１熱媒体流路（14）及び第２熱媒体流路（15）に接続される伝熱管（52）が温水タンク（70）内に設けられている。つまり、参考形態では、潜熱回収装置（30）で回収された燃焼排ガスの熱を温水の生成に利用している。

参考形態の廃熱回収システム（10）の動作時には、実施形態１と同様にして、潜熱回収装置（30）による廃熱回収が行われる。また、潜熱回収装置（30）からは、貯留タンク（40）へ酸性化した凝縮水が供給される。

一方、参考形態の貯留タンク（40）では、蒸気ボイラ（20）のブロー水によって凝縮水の中和処理が行われる。即ち、蒸気ボイラ（20）では、配管系統の腐食防止のため、循環水のｐＨが約９．０以上に管理されるので、ブロー水排出管（22）から適宜排出されるブロー水は弱アルカリとなっている。このため、第１開閉弁（23）が開放されてブロー水が貯留タンク（40）内に供給されると、貯留タンク（40）内の凝縮水が中和される。以上のようにして中和処理された凝縮水は、洗浄水や雑用水として所定箇所に供給される。

−参考形態の効果−
上記参考形態では、潜熱回収装置（30）から発生した酸性の凝縮水と、蒸気ボイラ（20）から発生したアルカリ性のブロー水とを貯留タンク（40）内で混合させることで、凝縮水の中和処理を行うようにしている。従って、凝縮水の取り扱いが簡便となり、この凝縮水を中水として再利用することができる。

<参考形態の変形例>
上記参考形態では、貯留タンク（40）内で凝縮水とブロー水とを混合させて凝縮水を中和するようにしている。しかしながら、貯留タンク（40）内に供給する凝縮水量とブロー水量とを適宜調節することで、貯留タンク（40）内の凝縮水のｐＨを所望のｐＨに調節するようにしても良い。そして、所定のｐＨに調節した凝縮水を排水処理槽や他のｐＨ調整対象にｐＨ調整液として送るようにしても良い。

《その他の実施形態》
上記実施形態については、以下のような構成としてもよい。

上記実施形態の蒸気ボイラ（20）に代えて他の熱源装置を用いても良い。つまり、熱源装置（20）は、温水ボイラ、ガスエンジン、マイクロガスタービン、燃料電池等、燃料を必要とするものであれば如何なるものであっても良い。

また、上記実施形態では、蒸気ボイラ（20）から発生した燃焼排ガスの全量を第１排ガス流路（11）を介して潜熱回収装置（30）へ送るようにしている。しかしながら、例えば第１排ガス流路（11）と第２排ガス流路（12）とをバイパスさせるバイパス流路を設け、蒸気ボイラ（20）から発生した燃焼排ガスの一部をバイパスさせる一方、残りを潜熱回収装置（30）へ送るようにしてもよい。また、これらの各排ガス流路にダンパを設けることで、潜熱回収装置（30）へ送る燃焼排ガス流量を適宜調節するようにしても良い。

更に、潜熱回収装置（30）で熱を回収した熱媒体を温熱源としての利用だけでなく、冷熱源として利用することもできる。即ち、潜熱回収装置（30）で熱を回収した温熱を吸収式冷凍機等に供給し、吸収式冷凍機から取り出した冷水を冷熱対象に供給することもできる。この場合には、夏期における排水処理槽の処理水を冷却し、排水処理槽の温度調整を行うこともできる。

なお、以上の実施形態は、本質的に好ましい例示であって、本発明、その適用物、あるいはその用途の範囲を制限することを意図するものではない。

以上説明したように、本発明は、熱源装置から発生する燃焼排ガスの熱を回収する廃熱回収システムについて有用である。

実施形態１に係る廃熱回収システムの全体構成図である。 参考形態に係る廃熱回収システムの全体構成図である。

10 廃熱回収システム
20 蒸気ボイラ（ボイラ）
32 潜熱回収用熱交換器（熱交換器）
40 貯留タンク
51 嫌気槽

Claims (1)

1. 熱源装置（20）の燃焼排ガスの熱を回収する熱交換器（32）を備えた廃熱回収システムであって、
   上記熱交換器（32）で加熱された熱媒体が循環するとともに、嫌気槽（51）に浸漬する伝熱管（52）を有する熱媒体流路（14,15）と、
   上記熱交換器（32）を通過する燃焼排ガス中から生成した凝縮水が貯留される貯留タンク（40）と、
   上記貯留タンク（40）内の凝縮水をｐＨ調整液として上記嫌気槽（51）へ供給する液供給管（41）とを備えていることを特徴とする廃熱回収システム。

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