(57)【要約】【課題】硫化物を含む排気と熱交換できるようにするとともに、その硫化物を最適に除去できるようにした熱交換器に関するものである。【解決手段】第一流体を通す導通管２を備え、当該導通管２の外部に硫化物を含むボイラーからの排気である第二流体を通すことで、導通管２に通された第一流体との間で熱交換をする熱交換器１において、第二流体に含まれる硫化物と還元反応する炭素繊維などの触媒を、導通管２もしくは当該導通管２に交叉するように設けられたフィン３に設けるようにする。そして、その炭素繊維を有する樹脂を導通管２に塗布する場合、炭素繊維が１〜１０００μｍ程度突出するようにしておき、第一流体の温度を設定することで、炭素繊維の触媒としての酸化還元反応を起こしやすい温度にする。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第一流体を通す導通管を備え、当該導通管の外部に第二流体を通すことで、導通管に通された第一流体との間で熱交換をする熱交換器において、
第二流体に含まれる硫化物、窒素酸化物と還元反応する触媒を、導通管もしくは当該導通管に交叉するように設けられたフィンに設けるようにした熱交換器。
【請求項２】
前記触媒が、導通管もしくはフィンの表面に樹脂を介して設けられるものである請求項１に記載の熱交換器。
【請求項３】
前記触媒を、導通管もしくはフィンの表面に樹脂を介して設ける際、その触媒を樹脂から露出可能に設けるようにした請求項１に記載の熱交換器。
【請求項４】
前記触媒が、針状粒子で構成されるものである請求項１に記載の熱交換器。
【請求項５】
前記触媒が、針状の炭素繊維である請求項１に記載の熱交換器。
【請求項６】
導通管に通された第一流体と、当該導通管の外部に通された第二流体との間で熱交換をする熱交換器に塗布される樹脂において、
塗布膜の表面から炭素繊維が露出可能に設けられた樹脂。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、熱交換器に関するものであり、より詳しくは、熱交換器に通される流体から硫化物などの公害物質を除去できるようにしたものに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、燃料に含まれる硫化物を触媒で除去するようにした装置が種々提案されている。
【０００３】
例えば、下記の特許文献１には、ボイラーから排出される気体を、活性炭素である触媒に接触させ、この気体を硫酸にして取り除けるようにした装置が提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００４―３３７７７６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、このようは触媒を用いて硫化物を硫酸に変える場合、反応温度によって反応の活性化が変わってしまう。このため、単に触媒に硫化物を接触させただけでは反応を生じず、硫化物が待機中に放出されてしまうといった問題を生じていた。
【０００６】
一方、ボイラーなどで用いられる熱交換器は、ボイラーの熱を用いて加熱対象である水などを加熱させるようにしている。
【０００７】
そこで、本発明は上記課題に着目してならせたもので、排気に含まれる熱を用いて熱交換できるようにするとともに、その排気に含まれる硫化物を最適に除去できるようにした熱交換器に関するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
すなわち、本発明は上記課題を解決するために、第一流体を通す導通管を備え、当該導通管の外部に第二流体を通すことで、導通管に通された第一流体との間で熱交換をする熱交換器において、第二流体に含まれる硫化物、窒素酸化物と還元反応する触媒を、導通管もしくは当該導通管に交叉するように設けられたフィンに設けるようにしたものである。
【０００９】
このように構成すれば、導通管もしくはフィンに触媒を塗布しているため、その触媒を介して硫化物を硫酸に変えて除去することができるようになる。また、その際に、導通管に流れる第一流体の温度を変えることで、触媒が最も酸化還元反応しやすい温度にすることができる。
【００１０】
また、このような発明において、前記触媒を、導通管もしくはフィンの表面に樹脂を介して設けるようにする。
【００１１】
このように構成すれば、樹脂を介して触媒を導通管やフィンに塗布しているため、硫化物によって金属の腐食を防止することができるようになる。
【００１２】
さらに、その触媒を、導通管もしくはフィンの表面に樹脂を介して設ける際、その触媒を樹脂から露出可能に設けるようにする。
【００１３】
このように構成すれば、その触媒と第二流体とを接触させて硫化物を硫酸に変えて除去することができるようになる。
【００１４】
また、このような触媒として針状粒子を用いる。
【００１５】
このように構成すれば、針状粒子を樹脂から突出させることができ、導通管などとの間で熱交換することができるようになる。
【００１６】
そして、このような触媒として、針状の炭素繊維を用いる。
【００１７】
このような素材を用いれば、熱伝導性によって熱交換の効率を高めることができるようになる。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、第一流体を通す導通管を備え、当該導通管の外部に第二流体を通すことで、導通管に通された第一流体との間で熱交換をする熱交換器において、第二流体に含まれる硫化物、窒素酸化物と還元反応する触媒を、導通管もしくは当該導通管に交叉するように設けられたフィンに設けるようにしたので、その触媒を介して硫化物を硫酸に変えて除去することができるようになる。また、その際に、導通管に流れる第一流体の温度を変えることで、触媒が最も酸化還元反応しやすい温度にすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明における一実施の形態である熱交換器を示した図
【図２】同形態における塗膜と熱交換および酸化還元反応の状態を示す図
【図３】他の実施の形態における熱交換器を示す図
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
以下、本発明の一実施の形態を図面を参照しながら説明する。
【００２１】
この実施の形態における熱交換器１は、図１に示すように、第一流体を内部に通す導通管２を備えてなるものであって、この導通管２の隙間に第二流体を流すことで、この第二流体と第一流体との間で熱交換を行えるようにしたものである。そして、特徴的に、この導通管２などに、触媒を含有する樹脂を塗布し、これによって第二流体に含まれる硫化物や窒素酸化物などから公害の原因となる成分を触媒の作用によって除去できるようにしたものである。また、このように触媒の作用によって公害物質を除去する際、触媒の温度によって効果が異なるため、導通管２内の第一流体の温度に変化をもたせられるようにすることで、触媒の温度を変えて酸化還元反応を促進できるようにするとともに、触媒を含有する樹脂のコーティングによって、導通管２やフィン３の腐食を防止できるようにしたものである。以下に、本実施の形態について詳細に説明する。
【００２２】
この熱交換器１における導通管２は、内部に液体や気体などの第一流体を通して加熱（もしくは冷却）できるようにしたものであって、熱交換時における熱伝導性がよく、また、腐食の生じにくい素材が用いられる。このような素材としては、例えば、ステンレスや銅などの金属が用いられる。この導通管２は、この実施の形態では、扁平状の部材で構成されており、これ自体がフィン３としての役割を果たすが、図３に示すように、円形断面を有する導通管２を設ける構成としてもよく、これを蛇行させて第一流体を左右両方向に交互に行き来させるようにしてもよい。このように円形断面を有する導通管２を用いる場合は、第二流体との間における熱交換効率を向上させるために、導通管２と直交する薄い金属製のフィン３を平行に並べ、これによって第二流体との接触面積を大きくするようにするとよい。
【００２３】
このような熱交換器１に外部から通される第二流体は、例えば、ボイラーからの燃焼気体や、エンジンからの排気などが考えられる。しかしながら、化石燃料を燃やした気体には、硫化物や窒素酸化物などが含まれることになり、これがSOxもしくはNOxなどとなって大気に放出されてしまう。また、このような大気への汚染物質の放出を防止するために、別途気体を放出する直前に除去処理を行うようにしたとしても、硫化物などによって金属が腐食してしまい、フィン３に穴が空いたり、導通管２に亀裂を生じさせたりする可能性がある。これに対して、導通管２などに樹脂などのコーティングを設けるようにすることも可能であるが、このように樹脂だけでコーティングすると、熱伝導性が悪くなり、熱交換効率が低下してしまう。そこで、この実施の形態では、触媒を含有する樹脂を熱交換器１の導通管２やフィン３などに薄く塗布して、触媒による大気汚染物質の除去や熱交換器１の腐食防止などを図るとともに、その触媒が作用しうる最適温度に設定できるようにしたものである。
【００２４】
このような触媒としては、種々のものが用いられ、例えば、硫化物を硫酸にして除去する場合の触媒としては、酸化バナジウムや炭素繊維などを用いることができ、また、窒素酸化物に対しては、バナジウム、モリブデン、タングステン、炭素繊維などを用いることができる。これらの触媒は、第二流体との接触面積が大きければ大きいほど酸化還元反応が促進される。そこで、この触媒を粉体にして樹脂中に混合させ、その樹脂を導通管２やフィン３に塗布してコーティングするようにしている。このとき、その樹脂の表面から触媒を露出させて第二流体と接触させるようにする。しかしながら、このような触媒の粉体を露出させる場合、球状の粉体を露出させたのでは、第二流体との接触が効率的に行われず、また、導通管２と外部との間で上手く熱交換を行うことができない。そこで、この実施の形態では、触媒として、炭素繊維の針状粉体を用いるようにする。この針状粉体としては、平均長さ約１μｍ〜１０００μｍ程度の炭素繊維を用い、これを樹脂の表面から起立させるように突出させる。すると、炭素繊維の基端側が導通管２やフィン３などに近づき、先端側の露出した部分から熱を伝導させて外部との間で熱交換をすることができるようになる。
【００２５】
このような樹脂として熱硬化性樹脂を用いることができ、例えば、エポキシ樹脂、シリコーン、不飽和ポリエステル樹脂、ビニルエステル樹脂、ベンゾオキサジン樹脂、フェノール樹脂、尿素樹脂、メラミン樹脂およびポリイミド樹脂などが用いられる。このとき、熱交換器１の金属との付着性の高い樹脂を用いるとよい。
【００２６】
この樹脂に炭素繊維などの触媒粒子を入れる際に、分散剤が用いられる。分散剤としては、種々のものが用いられ、例えば、高分子型分散剤や、界面活性剤型分散剤、無機型分散剤などが用いられる。このうち、高分子型分散剤を用いた場合、少量で効果的な分散効果を得ることができ、分散剤分子の立体障害による反発効果で長期間分散を維持させることができるというメリットがある。一方、界面活性型分散剤を用いた場合は、炭素繊維の粒子表面に吸着して湿潤作用を持たせることができるというメリットがある。また、無機型分散剤を用いた場合は、水系での粒子表面への吸着を強くして、静電反発による安定作用を得ることができるメリットがある。ここで、高分子型分散剤を用いる場合、アニオン系分散剤として、ポリカルボン酸系、ナフタレンスルホン酸ホルマリン縮合系、ポリカルボン酸部分アルキルエステル系などを用いることができ、非イオン系の分散剤として、ポリエチレングリコール、ポリエーテル系の分散剤を用いることができ、また、カチオン系の分散剤として、ポリアルキレンポリアミン系などの分散剤を用いることができる。また、界面活性剤型分散剤を用いる場合は、アニオン系の分散剤として、アルキルスルホン酸系などを用いることができ、カチオン系の分散剤として、アンモニウム系、アルキルポリアミン系の分散剤を用いることができ、非イオン系の分散剤として、高級アルコールアルキレンオキサイド系、多価アルコールエステル系などの分散剤を用いることができる。また、無機型分散剤を用いる場合は、アニオン系の分散剤としてポリリン酸塩系の分散剤などを用いることができる。
【００２７】
そして、炭素繊維の針状粉体や分散剤を樹脂に入れて撹拌混合させ、炭素繊維を樹脂中に均一に分散させる。このときの炭素繊維の含有量としては、樹脂に対して３０重量％〜８０重量％程度としておく。
【００２８】
次に、このように構成された樹脂を熱交換器１に塗布する場合の方法および作用について説明する。
【００２９】
まず、熱交換器１に樹脂を塗布する場合、熱交換器１の表面をきれいに洗浄し、乾燥させた後、炭素繊維を分散させた樹脂にドッピングする。また、すでに現場に設置されている熱交換器１に対しては、樹脂を塗布する場合、噴霧器や刷毛塗りなどによって樹脂を導通管２やフィン３に塗布していく。そして、所定時間乾燥させて液垂れなどを生じないようにする。このとき、塗布厚については、炭素繊維が表面から突出できるような厚みとし、１００μｍ〜５００μｍ程度としておき、炭素繊維の突出量は、１μｍ〜１０００μｍ程度としておく。
【００３０】
次に、このように樹脂を塗布した熱交換器１を用いる場合の作用について説明する。
【００３１】
まず、ボイラーやエンジンからの排気ガスを第二流体として熱交換器１を用いる場合、その第二流体を導通管２の間を通すとともに、第二流体の温度を低下させるための第一流体を導通管２の中に通す。すると、導通管２の内部に通された第一流体は、導通管２の表面に塗布された樹脂中の針状粉体によって外部との間で熱交換を行い、上流側から低温状態で通され、下流側が第二流体との熱交換によって高温となっていく。すなわち、導通管２は第一流体の流れ方向によって温度勾配を生ずるようになる。一方、針状粉体である触媒については、第一流体の温度によってその温度が変わることになる。このため、その触媒が酸化還元反応を起こす最適な温度となるように第一流体の温度を調整し、これによって酸化還元反応を促進させる。なお、低温で水さえあればSO2を析出させることができるが、そこからの酸化還元反応については、温度に幅があるため、第一流体の上流から下流に向かう温度変化によって、この触媒に温度勾配を持たせ、いずれかの領域で好適に酸化還元反応を起こさせるようにする。
【００３２】
この第二流体が硫化物を含んでいる場合において、燃焼によって硫黄が二酸化硫黄に変化し、それが酸素や触媒に触れて三酸化硫黄に変化する。そして、その三酸化硫黄が触媒や空気中の水分と反応して高熱状態で硫酸になる。このとき、その高温の発熱によって第一流体を加熱することが可能になる。また、このように硫酸に変化した場合であっても、樹脂で導通管２やフィン３をコーティングしているため、導通管２などの腐食を防止することができるようになる。
【００３３】
このように上記実施の形態によれば、第一流体を通す導通管２を備え、当該導通管２の外部に第二流体を通すことで、導通管２に通された第一流体との間で熱交換をする熱交換器１において、第二流体に含まれる硫化物、窒素酸化物と還元反応する触媒を、導通管２もしくは当該導通管２に交叉するように設けられたフィン３に設けるようにしたので、その触媒を介して硫化物を硫酸に変えて除去することができるようになる。また、その際に、導通管２に流れる第一流体の温度を変えることで、触媒が作用する最適温度にすることができる。
【００３４】
また、その触媒として、炭素繊維の針状粉体を用い、これを樹脂から先端部分が突出可能に設けるようにしたので、炭素繊維の基端部と先端部との間で熱交換を行うことができるようになるとともに、突出した先端部分で第二流体との接触面積を増やすことができ、より触媒の作用効果を高めることができるようになる。
【００３５】
なお、本発明は上記実施の形態に限定されることなく、種々の態様で実施することができる。
【００３６】
例えば、上記実施の形態では、扁平状の導通管２を有する熱交換器１を例に挙げて説明したが、これに限らず、蛇行式の導通管２を有する熱交換器１に用いるようにしてもよい。
【００３７】
また、上記実施の形態では、炭素繊維を含有する樹脂を導通管２やフィン３などに塗布するようにしたが、金属表面に樹脂が付着しない可能性がある。このため、金属表面に非常に薄く他の塗布層を形成し、金属層と樹脂層とを挟んで密着性を高めるようにしてもよい。
【００３８】
また、上記実施の形態では、炭素繊維の平均繊維長として約１μｍ〜１０００μｍの長さの繊維を用いるようにしたが、これに平均繊維長がナノレベルの炭素繊維の粉体を入れるようにしてもよい。このように構成すれば、長い繊維長の炭素繊維の間を短い繊維長の炭素繊維で埋めることができ、より熱伝導性の効果を上げることができるとともに、樹脂が摩耗してきた場合であっても、ナノレベルの炭素繊維で導通管２の表面を覆って腐食を防ぐことができるようになる。
【符号の説明】
【００３９】
１・・・熱交換器
２・・・導通管
３・・・フィン
【図１】
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【図２】
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【図３】
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