(57)【要約】【課題】廃棄物等の燃焼排ガス流路において耐熱性および耐食性に優れて耐久性があり、熱交換率の向上を可能とする熱交換器を提供する。【解決手段】セラミック伝熱管２は、上部伝熱管２ａと下部伝熱管２ｂとが非金属の耐火性材料のカップリング４で連結されて構成され、上端部のフランジｆ１が燃焼排ガスＥＧが流通する燃焼排ガス流路の上壁７ａに係止して貫通して吊設され、金属内管５は、セラミック伝熱管２の内壁とすき間を有して配置されて、一方の気体配管６ａから低温の気体Ｌａが供給されてセラミック伝熱管２の内壁と金属内管５とのすき間を通じてセラミック伝熱管２の先端部まで達し、先端部で金属内管５に流入して熱交換によって高温の気体Ｈａが気体配管６ｂに流出する。【選択図】    図８
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
先端部を閉口したセラミックスで形成された伝熱管と、該伝熱管に挿入され、この伝熱管の内壁とすき間を設けて配置される内管とを備え、前記すき間と前記内管とを連通して熱交換によって加熱される被加熱気体を流通可能として、燃焼炉からの燃焼排ガス流路に設置される熱交換器において、前記伝熱管は複数の接続伝熱管どうしが気密性を保って連結されて構成されているとともに、上端部に半径方向外側に突出する係止部を有し、該係止部が前記燃焼排ガス流路上壁の上面に気密性を保って係止して前記燃焼排ガス流路の上壁を貫通して吊設されていることを特徴とする熱交換器。
【請求項２】
前記複数の接続伝熱管どうしの連結が、非金属製の耐火性材料で形成されたカップリングを介するものである請求項１に記載の熱交換器。
【請求項３】
前記カップリングと前記カップリングで連結される接続伝熱管の少なくとも一方に前記伝熱管の長手方向を回転軸方向とする相互間の回転を規制する回転規制係合部を設けた請求項２に記載の熱交換器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、熱交換器に関し、さらに詳しくは廃棄物等の燃焼排ガス流路において耐熱性および耐食性に優れて耐久性があり、熱交換率の向上を可能とする熱交換器に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
今日、一般ごみや産業廃棄物等を焼却する焼却炉やガス化溶融炉においては、焼却によって発生する高温の燃焼排ガスの熱エネルギーを低温の気体と熱交換して回収し、回収したエネルギーを廃棄物の熱分解、発電等に有効利用するシステムが採用されるようになった。
【０００３】
この熱交換に用いる熱交換器としては、例えば、燃焼排ガス流路に先端を閉じた伝熱管を突出させ、この伝熱管の内部に同軸状に金属内管を設けた二重管構造のバヨネット式熱交換器が用いられている。
【０００４】
この熱交換器では、燃焼排ガスによって加熱される伝熱管内部に金属内管によって低温の気体を流入させて熱交換し、加熱された高温の気体を伝熱管の内壁と金属内管とのすき間を通じて回収するようにしている。もしくは、伝熱管の内壁と金属内管とのすき間から低温の気体を流入させて、熱交換した高温の気体を金属内管を通じて回収するようにしている。
【０００５】
ところで、燃焼排ガスには、塩素、酸素、水蒸気、硫黄やアルカリ元素などの腐食性の高いガスが含まれており、伝熱管はこれらのガスに晒されるために、優れた耐食性が求められる。そのため、従来の熱交換器においては、伝熱管に耐熱金属の他に、セラミックス等を用いるようにしている（例えば、特許文献１、２参照）。
【０００６】
一方で、熱交換率を向上させるには、燃焼排ガス流路への突出長さを大きくして燃焼排ガスとの接触面積を増加させる必要がある。しかしながら、現在の製造技術で一体物のセラミックス製の伝熱管を製造するには長さの制約があり、熱交換率を上げるために必要な長さの伝熱管を製造しようとすると、製造困難性に加えて莫大な設備投資が必要となるという問題があった。
【０００７】
また、複数の伝熱管を金属部材等を用いて連結すると、金属部材の腐食や連結部分で熱膨張の差異による熱応力でクラックが発生して、連結部分や伝熱管の局部的な破損や脱落が生じる等の問題が起こる。
【０００８】
さらに、燃焼排ガス流路に伝熱管を横方向に突き出していると、伝熱管を長くした際に作用する曲げ応力が大きく、強度的に不利になるとともに、曲げたわみによって伝熱管と燃焼排ガス流路との気密性を保ちにくくなるという問題がある。
【特許文献１】特開２０００―２９７６１３号公報
【特許文献２】特開２００１―１０８３８１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明の目的は、廃棄物等の燃焼排ガス流路において耐熱性および耐食性に優れて耐久性があり、熱交換率の向上を可能とする熱交換器を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記目的を達成するため本発明の熱交換器は、先端部を閉口したセラミックスで形成された伝熱管と、該伝熱管に挿入され、この伝熱管の内壁とすき間を設けて配置される内管とを備え、前記すき間と前記内管とを連通して熱交換によって加熱される被加熱気体を流通可能として、燃焼炉からの燃焼排ガス流路に設置される熱交換器において、前記伝熱管は複数の接続伝熱管どうしが気密性を保って連結されて構成されているとともに、上端部に半径方向外側に突出する係止部を有し、該係止部が前記燃焼排ガス流路上壁の上面に気密性を保って係止して前記燃焼排ガス流路の上壁を貫通して吊設されていることを特徴とするものである。
【００１１】
ここで燃焼炉とは、一般ごみや産業廃棄物を燃焼する燃焼炉だけでなくガス化溶融炉も含むものである。
【発明の効果】
【００１２】
本発明の熱交換器によれば、先端部を閉口したセラミックスで形成された伝熱管と、この伝熱管に挿入され、伝熱管の内壁とすき間を設けて配置される内管とを備え、このすき間と内管とを連通して熱交換によって加熱される被加熱気体を流通可能として、燃焼炉からの燃焼排ガス流路に設置される熱交換器において、伝熱管は複数の接続伝熱管どうしが気密性を保って連結されて構成されているので、耐熱性および耐食性に優れたセラミックスによって、高温で高腐食性ガスに晒される伝熱管の耐久性を高めた熱交換器とすることができるとともに、従来では製造およびコストの観点から一体物で製造可能な長さに制約があったセラミックス製の伝熱管を、複数の接続伝熱管どうしを気密性を保って連結することによって、熱交換率が最適になる長さに設定することが可能となる。
【００１３】
また、セラミックス製の接続伝熱管どうしを連結しているので熱膨張率の違いによる熱応力の発生を抑制することができ、熱応力に起因するクラック等による破損、脱落を防ぐことが可能となる。
【００１４】
さらに、伝熱管は上端部に半径方向外側に突出する係止部を有し、この係止部が燃焼排ガス流路上壁の上面に気密性を保って係止して燃焼排ガス流路の上壁を貫通して吊設されているので、伝熱管を長くしても曲げ応力が作用せずに強度不足となることがなく、伝熱管の自重によって燃焼排ガス流路上壁の上面との気密性を保つことも容易となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下、本発明の熱交換器を図に示した実施形態に基づいて説明する。図８に本発明の熱交換器１の概要を例示する。この熱交換器１は、焼却炉や溶融炉等からの燃焼排ガスＥＧが流通する燃焼排ガス流路の上壁７ａを貫通し、突出して吊り下げられた状態で設置されている。熱交換器１は、先端部を閉口したセラミック伝熱管２と、セラミック伝熱管２に挿入される金属内管５を備えている。
【００１６】
セラミック伝熱管２は、接続伝熱管となる上部伝熱管２ａと下部伝熱管２ｂとが、非金属の耐火性材料からなるカップリング４で連結されて構成されている。金属内管５は、セラミック伝熱管２の内壁とすき間を有して配置されており、このすき間と金属内管５の内部は連通している。
【００１７】
上部伝熱管２ａと金属内管５の上端部はそれぞれ気体配管６ａ、６ｂに接続し、一方の気体配管６ａからは、低温の気体Ｌａが供給されてセラミック伝熱管２の内壁と金属内管５とのすき間を通じてセラミック伝熱管２の先端部まで達し、先端部で金属内管５に流入して気体配管６ｂに流出するようになっている。
【００１８】
セラミック伝熱管２は、燃焼排ガス流路７を流通する燃焼排ガスＥＧによって加熱されており、流入した低温の気体Ｌａは、熱交換によって高温の気体Ｈａとなって気体配管６ｂに流出する。
【００１９】
尚、図８では１本のセラミック伝熱管２のみを示しているが、燃焼排ガス流路７には複数のセラミック伝熱管２が設置され、各セラミック伝熱管２で熱交換された高温の気体Ｈａが気体配管６ｂに流出する構造となっている。
【００２０】
気体配管６ｂに流出した高温の気体Ｈａは、廃棄物の熱分解や発電タービンを駆動するための過熱蒸気生成のためのエネルギー等として有効利用される。
【００２１】
低温の気体Ｌａを気体配管６ｂから金属内管５を介して供給して、金属内管５とセラミック伝熱管２の内壁とのすき間を通じて、熱交換した高温の気体Ｈａを気体配管６ａに流出させるようにしてもよい。
【００２２】
燃焼排ガスＥＧは、塩素、酸素、水蒸気、硫黄やアルカリ元素などの非常に強い腐食性物質を含んでいるが、セラミック伝熱管２を焼却灰の成分と反応しにくく耐食性に優れ、耐熱性のある炭化珪素、炭化チタン、炭化ジルコニウム等のセラミックスから形成することによって、高温下でこのような高腐食性のガスおよび付着灰に晒されても、腐食されにくく長期間使用することができる。
【００２３】
また、これらのセラミックスは、熱伝導性にも優れ、熱交換率を向上させることが可能となる。
【００２４】
金属内管５は、高腐食性ガスに晒されることはないが、耐食性および耐熱性に優れたＳＵＳ３１０Ｓ、Ｎｉ基合金等を用いる。
【００２５】
さらに、熱交換率を向上させるには、燃焼排ガスＥＧと接触するセラミック伝熱管２の面積を増加させることが有効である。しかしながら、現在の製造技術、設備では一体物としては長さを３〜４ｍ以上にするには、製造が難しいことに加えて莫大な設備投資が必要となる。
【００２６】
そこで、本発明では２本のセラミック伝熱管２ａ、２ｂどうしを連結して熱交換率の向上を図っている。この連結には非金属の耐火性材料で一体的に形成されたカップリング４を使用している。材質としては、セラミック伝熱管２と同様に炭化珪素、炭化チタン、炭化ジルコニウム等のセラミックスの耐火性材料を使用して、セラミック伝熱管２を形成するセラミックスと熱膨張率が同じ、または近い材質を使用して熱応力の発生を抑制し、熱応力によって生じるセラミック伝熱管２およびカップリング４のクラックによる破損や脱落を防止している。
【００２７】
セラミック伝熱管２のフランジの構造を図１〜３に例示する。図１はカップリング４で連結されて構成されているセラミック伝熱管２の半縦断面図であり、図中の線分ＣＬは中心軸を示している。図２は図１において、中心軸ＣＬまわりに９０°回転した半縦断面図である。図３（ａ）は、図１におけるＡ−Ａ断面図であり、上部伝熱管２ａの上端のフランジｆ１の平面形状を示してる。図３（ｂ）は、図１におけるＢ−Ｂ断面図であり、上部伝熱管２ａの下端のフランジｆ２の平面形状を、図３（ｃ）は、図１におけるＣ−Ｃ断面図であり、下部伝熱管２ｂの上端のフランジｆ３の平面形状を示している。
【００２８】
上部伝熱管２ａの上端のフランジｆ１は、半径方向に突出した均等幅の周縁が設けられた一般的なフランジであり、下端のフランジｆ２は、対向する２ヶ所の周縁の一部を切落とす直線部Ｌが設けられている。下部伝熱管２ｂの上端のフランジｆ３は、上記したフランジｆ２と同様の形状をしている。
【００２９】
カップリング４は、図１〜２、図４に示すような形状をしており、図４（ａ）は図１のＢ−Ｂ断面における形状で、上部伝熱管２ａの下端のフランジｆ２との連結部の平面形状を示している。図４（ｂ）は図１のＤ−Ｄ断面における形状で下部伝熱管２ｂの上端のフランジｆ３との連結部の平面形状を示している。これら両連結部は、周縁幅を拡大するように内周側に突出した直線部からなる係合部４ａ、４ａａを有し、それぞれの伝熱管２ａ、２ｂのフランジｆ２、ｆ３と略相似形をして、フランジｆ２、ｆ３が挿通可能となっている。
【００３０】
カップリング４の高さ方向中途には、内周側に突出する環状の端部当接部４ｂが設けられ、上部伝熱管２ａの下端のフランジｆ２、下部伝熱管２ｂの上端のフランジｆ３のそれぞれが端部当接部４ｂにシール材Ｓを介して当接する。
【００３１】
このカップリング４を用いて各伝熱管２ａ、２ｂを連結するには、各伝熱管２ａ、２ｂのフランジｆ２、ｆ３の直線部Ｌを、カップリング４のそれぞれの係合部４ａ、４ａａと形状位置を一致させてから挿入し、挿入後に回転させて伝熱管２ａ、２ｂのフランジｆ２、ｆ３とカップリング４のそれぞれの係合部４ａ、４ａａとを係合させる。
【００３２】
カップリング４とそれぞれの伝熱管２ａ、２ｂとの当接する部分にはシール材ＳまたはガスケットＧが介在して気密性が保たれて連結される。上部伝熱管２ａの下端のフランジｆ２の上面とカップリング４の当接する部分、下部伝熱管２ｂの上端のフランジｆ３の下面とカップリング４の当接する部分は、セラミック伝熱管２の吊り下げ構造によって、圧縮応力が生じるので耐圧性のあるガスケットＧを用いている。
【００３３】
シール材ＳおよびガスケットＧを形成する材質としては、アルミナ、ムライト、アルミナ−シリカ等を例示できる。
【００３４】
下部伝熱管２ｂの外周には、半径方向外側に突出する周突起３が設けられており、シール材Ｓが下方に移動して落下することを防止している。
【００３５】
図５に例示するように図４（ａ）、（ｂ）で示した係合部４ａ、４ａａにくぼみＦを設けるとともに、連結する各伝熱管２ａ、２ｂのフランジｆ２、ｆ３に凸部を設けて、このくぼみＦに嵌まり込む構造としてもよい。
【００３６】
このくぼみＦによって、各伝熱管２ａ、２ｂ、カップリング４が、微振動等によって長手方向を回転軸方向として回転しようとしても回転が規制され、カップリング４からの連結外れを防ぐことが可能となる。
【００３７】
このような回転を規制する係合構造は、図示した例に限定されず、カップリング４と、連結される伝熱管２ａ、２ｂとの少なくとも一方に相互の回転を規制する係合部を設ければよい。
【００３８】
図４（ａ）に示す、カップリング４の上部伝熱管２ａとの連結部と、図４（ｂ）に示す、カップリング４の下部伝熱管２ｂとの連結部の形状は中心軸ＣＬまわりに９０°回転してずらされた配置となっているが、これに限定されず任意の回転ずれ角度でよく、回転ずれ角度がなくてもよい。
【００３９】
図９に、上部および下部伝熱管２ａ、２ｂどうしを連結する他の構造を例示する。上部伝熱管２ａの下端部は、縮径するテーパ部Ｔａを有し、下部伝熱管２ｂの上端部は、拡径するテーパ部Ｔｂを有しており、互いのテーパ角度は、ほぼ同一となっている。
【００４０】
テーパ部Ｔａを除く上部伝熱管２ａの内径は、下部伝熱管２ｂのテーパ部Ｔｂの外径よりも大きく、下部伝熱管２ｂを上部伝熱管２ａの上端部から挿入して互いのテーパ部Ｔａ、Ｔｂを係止させている。両テーパ部Ｔａ、Ｔｂの間にはシール材Ｓが介在し、下部伝熱管２ｂの自重によって気密性を保って両伝熱管２ａ、２ｂが連結される。
【００４１】
この構造であると、同材質による連結となるので、熱応力の発生を抑制することができる。また、伝熱管２ａ、２ｂの外周において、より上方の外周に対して半径方向外側に突出する部分がないので、焼却灰の堆積を防止することができ、カップリング４が不要となり構造の簡素化を図ることが可能となる。
【００４２】
上部および下部伝熱管２ａ、２ｂどうしを連結するさらに別の構造を、図１０に示す。上部伝熱管２ａの下端部は、内側に突出したフランジ部ｆ２を有し、下部伝熱管２ｂの上端部は、外側に突出したフランジ部ｆ３を有しており、互いの突出角度は直角である。両フランジ部ｆ２、ｆ３の間にはシール材Ｓが介在し、下部伝熱管２ｂの自重によって気密性を保って両伝熱管２ａ、２ｂが連結される。
【００４３】
この構造においても、同材質による連結になるので、熱応力の発生を抑制することができる。また、カップリング４が不要となり、構造の簡素化を図ることができる。
【００４４】
セラミック伝熱管２の上壁７ａに対する支持構造を図６〜７に例示する。図６では、図３（ａ）に示したようなセラミック伝熱管２の上端に設けられた半径方向外側に突出する均等幅の周縁からなる一般的なフランジｆ１の下面と、燃焼排ガス流路上壁７ａの上面に設けられた相似形のフランジｆ４とが、シール材Ｓを介して対向する。セラミック伝熱管２の上端のフランジｆ１の上面と、気体配管６のフランジｆ５とが、シール材Ｓを介して対向し、例えば、気体配管６のフランジｆ５と上壁７ａのフランジｆ４が図示しない締結ボルトとナットで締結されて、気体配管６とセラミック伝熱管２、セラミック伝熱管２と上壁７ａが気密性を保って接続される。セラミック伝熱管２の上端のフランジｆ１が係止部となって、燃焼排ガス流路上壁７ａの上面に係止して、セラミック伝熱管２が吊り下げられることになる。
【００４５】
図７では、セラミック伝熱管２の上端のフランジｆ１の下面が外周側に広がるテーパ部を有し、燃焼排ガス流路上壁７ａのフランジｆ４にも、このテーパ部を受けるほぼ同角度のテーパ部が設けられて、シール材Ｓを介して対向する。この状態で、図６と同様に気体配管６のフランジｆ５と上壁７ａのフランジｆ４とが図示しない締結ボルトとナットで締結されて気密性を保って接続される。
【００４６】
図６、図７に示すような支持構造では、セラミック伝熱管２を自重によって安定的に燃焼排ガス流路上壁７ａから吊設することができる。また、締結部材を高温下で腐食性の強いガスに晒される場所に位置させずに締結することができるので、一般的な金属製の締結部材を用いることができる。
【００４７】
また、セラミック伝熱管２を燃焼排ガス流路の上壁７ａからほぼ垂直に吊り下げ設置することで、上記した上壁７ａに対する支持構造が可能となるとともに、セラミック伝熱管２が長くなっても曲げ応力が作用せずに強度的に有利になる。また、セラミック伝熱管２に堆積する燃焼排ガスＥＧに含有されている燃焼灰の量を最小限にすることができ、熱伝達係数の低下、不均一を防止して、さらなる熱交換率の向上が可能となり、メンテナンス性も改善される。
【００４８】
セラミック伝熱管２の先端部を燃焼排ガス流路７の下壁と当接させずに吊り下げていることで、セラミック伝熱管２の長手方向の熱応力の発生を防ぐことができ、構造の簡素化が可能となっている。
【００４９】
尚、燃焼灰の堆積量を抑制するには、カップリング４のセラミック伝熱管２からの半径方向の突出量を最小限とすることが好ましく、カップリング４の上端部を面取りしてテーパ状にすることによって燃焼灰の堆積量を抑制してもよい。
【図面の簡単な説明】
【００５０】
【図１】本発明に係るセラミック伝熱管を例示する半縦断面図である。
【図２】図１において中心軸ＣＬまわりに９０°回転した半縦断面図である。
【図３】本発明に係るセラミック伝熱管のフランジ全体を例示する説明図である。（ａ）は図１におけるＡ−Ａ断面図、（ｂ）は図１におけるＢ−Ｂ断面図、（ｃ）は図１におけるＣ−Ｃ断面図である。
【図４】本発明に係るカップリングの連結部全体を例示する説明図である。（ａ）は図１におけるＢ−Ｂ断面図、（ｂ）は図１におけるＤ−Ｄ断面図である。
【図５】図４（ａ）、（ｂ）で示したカップリングの連結部の他の例を示す説明図である。
【図６】本発明の熱交換器の吊り下げ構造の一例を示す縦断面図である。
【図７】本発明の熱交換器の吊り下げ構造の他の例を示す縦断面図である。
【図８】本発明の熱交換器の概要を示す説明図である。
【図９】本発明に係るセラミック伝熱管の他の例を示す半縦断面図である。
【図１０】本発明に係るセラミック伝熱管のさらに他の例を示す半縦断面図である。
【符号の説明】
【００５１】
１  熱交換器
２  セラミック伝熱管  
２ａ  （セラミック）上部伝熱管    
２ｂ  （セラミック）下部伝熱管      
３  周突起
４  カップリング      ４ａ、４ａａ  係合部    ４ｂ  端部当接部
５  金属内管
６、６ａ、６ｂ  気体配管        
７  燃焼排ガス流路    ７ａ  上壁      
Ｆ  カップリングのくぼみ  
Ｇ  ガスケット
Ｓ  シール材
【図１】
2006162103.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
2006162103.tif 000009
【図８】
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【図９】
2006162103.tif 000011
【図１０】
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