(57)【要約】【課題】  約４００℃を超える高温の排ガスからの熱回収を効率よく行い、排ガスの熱回収を高温領域から低温領域まで効率よく行うことができる熱回収システムを提供すること。【解決手段】  廃熱ボイラ２０の上流側であってセラミックス管Ｃａの耐熱温度以下の排ガスＧの流通路に、３重管構造を有し熱媒体Ｍａを用いる第１熱交換部１０が設けられ、廃熱ボイラ２０の下流側の排ガスＧの流通路に、２重管構造を有し熱媒体Ｍｂを用いる第２熱交換部３０が設けられ、第１熱交換部１０において、熱媒体Ｍａを介して高温領域の排ガスＧの温熱が回収され、廃熱ボイラ２０の適正温度まで排ガスの温度を低下させ、第２熱交換部３０において、熱媒体Ｍｂを介して低温領域の排ガスＧの温熱が回収されることを特徴とする。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
廃熱ボイラが備えられた排ガスの流通路に設けられ、約４００℃を超える高温の排ガスを対象とする熱回収システムであって、
外管としてＳｉＣを主成分としたセラミックス管Ｃａが用いられ、内管として一端が閉塞したシングルエンド型の２重管Ｄａが用いられ、前記セラミックス管Ｃａと前記２重管Ｄａの間隙に形成された緩衝部に熱伝導率が高く耐熱性の緩衝材が挿入された３重管を有し、該２重管Ｄａの内部に気体または液体の熱媒体Ｍａが流通可能な流路を有する第１熱交換部が、前記廃熱ボイラの上流側であって前記セラミックス管Ｃａの耐熱温度以下の前記排ガスの流通路に設けられ、
外管としてＳｉＣを主成分としたセラミックス管Ｃｂが用いられ、一端が閉塞したシングルエンド型の２重管を構成し、該２重管の内部に気体または液体の熱媒体Ｍｂが流通可能な流路を有する第２熱交換部が、前記廃熱ボイラの下流側の前記排ガスの流通路に設けられ、
前記第１熱交換部において、排ガスとの熱交換によって加熱された前記熱媒体Ｍａを介して高温領域の排ガスの温熱が回収され、前記廃熱ボイラの適正温度まで排ガスの温度を低下させ、
前記第２熱交換部において、排ガスとの熱交換によって加熱された前記熱媒体Ｍｂを介して低温領域の排ガスの温熱が回収されることを特徴とする排ガスの熱回収システム。
【請求項２】
前記緩衝部に圧力センサまたは／および温度センサを設けることを特徴とする請求項１記載の排ガスの熱回収システム。
【請求項３】
前記第２熱交換部において、前記廃熱ボイラから供出される排ガス中の水分量または排ガス露点を基準に、前記セラミックス管Ｃｂ表面の一部分の温度が該排ガスの露点以下となる低温部分とこれに近接し露点以上となる高温部分が形成されるように前記熱媒体Ｍｂの温度および流量が設定され、かつ供出される排ガス温度が、該排ガスの露点以上とされることを特徴とする請求項１または２に記載の排ガスの熱回収システム。
【請求項４】
前記第２熱交換部から取り出され、加温された熱媒体Ｍｂの少なくとも一部を、前記第１熱交換部の２重管Ｄａに導入される熱媒体Ｍａおよび／または廃熱ボイラの熱媒体Ｍｃとして利用することを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の排ガスの熱回収システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、排ガスのシステムに関し、特に、約４００℃を超える高温の排ガスを対象とする排ガスの熱回収システムにおいて有用である。
【背景技術】
【０００２】
加熱炉、熱処理炉、焼却炉等の工業用炉からは、数１００℃〜１０００℃を超える高温の排ガスが排出される。こうした排ガスは大きなエネルギー源であることから、如何に効率よく熱回収を行うかという課題と向き合いながら、温熱として熱回収され、具体的に、水蒸気を発生させて発電用に、あるいは燃焼用空気の加熱用等に利用されている。また、同時に、含有する酸成分や粉塵等を如何に処理して無害化をするかが大きな課題となっている。
【０００３】
例えば、メンテナンスを容易にし、その熱交換チューブの変形、破損を容易に防止できるようにすると共に、寿命を向上させることを目的として、図７のような工業用炉の排熱回収装置が提案されている（例えば特許文献１参照）。具体的には、煙道の途中に設けられる筒体１０１の上壁部にレキュペレータ１０２ａ，１０２ｂの上部ヘッダ１０４，１０５を支持し、該上部ヘッダから下部ヘッダ１０６に連なる複数本の熱交換チューブ１０７を筒体内に垂下し、該レキュペレータに燃焼用空気を循環させることにより該煙道を通って排出される排ガスの顕熱により該燃焼用空気が予熱されるようにした排熱回収装置において、筒体の下部側壁に扉１１２によって開閉可能なるダスト清掃口１１１を設け、該ダスト清掃口から該筒体の底面と下部ヘッダとの間隙１１０ａ，１１０ｂに溜まるダストを排出し得るようにする。ここで、１０８ａ，１０８ｂは開口、１０９ａ，１０９ｂはピット、１１０は支持縁、１１４ａ，１１４ｂはレンガを示す。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００７−０１７０２９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、上記のような排熱回収装置等では、次のような問題が生じる。
（ｉ）上記のように非常に高温（約８００〜１５００℃）の排ガスは、電力用の蒸気発生用や燃焼用空気の加熱用の温熱として好適である。反面、例えば約２５０℃以下の低温の排ガスからの熱回収は、熱回収効率が悪いことから、そうした低温状態まで熱回収された排ガスは、そのまま排出されることが多かった。しかしながら、こうした熱回収装置を含む排ガス処理システムや工業用炉を含む製造プロセス全体のエネルギー効率の観点からは、未回収の温熱は無視できず、その効率的な熱回収が大きな課題となっていた。
（ii）特に、廃熱ボイラが備えられた排ガス処理装置における熱回収システムにあっては、廃熱ボイラの上流側での排ガス温度を適正温度約４００℃以下とする必要があるとともに、約４００℃を超える高温領域での効率的な熱回収、および約４００℃を超える高温領域から廃熱ボイラの下流側での約２５０℃以下の低温領域までの広い温度領域における効率的な熱回収が大きな課題となっていた。
（iii）工業用炉からの排ガスには硫黄化合物等酸成分が含まれており、腐食性がある。従って、熱交換器の直接排ガスが接する部分には耐腐食性の高い部材を用いる必要がある。特に、上記（ｉ）における低温状態は、排ガス中に発生する硫酸ミスト等凝縮性の酸成分の露点以下の温度条件に相当することから、通常の耐腐食性の素材では長期間の使用はできなかった。一方、熱交換器は、その熱交換効率の確保するために、排ガスの温熱を熱媒体に伝達し易い素材を用いる必要がある。また、熱交換効率を向上させるためには、接触表面積を大きくする等特有の構成を有することから加工性の高い素材が好ましい。こうした条件を確保するには、特殊な素材を用いることが要求され、特に酸成分の露点以下の条件での使用ができる素材の選択は、大きな課題であった。
（iｖ）また、排ガスの露点以下の低温条件においては、発生した水滴や硫酸ミスト等の酸ミストが粉塵と結合・凝集して成長した粒子等によって、接ガス部分の腐食や細部の閉塞等を生じることがある。低温条件での熱回収時においては、こうした状況を生じないような熱回収処理を行う必要があり、従前からの課題であった。
【０００６】
本発明の目的は、上記従来技術の有する問題点に鑑みて、約４００℃を超える高温の排ガスからの熱回収を効率よく行い、排ガスの熱回収を高温領域から低温領域まで効率よく行うことができる熱回収システムを提供することである。また、長期使用が可能で安全性の高い熱回収システムであり、排ガスの露点に対応した排ガス処理を行うことができる熱回収システムを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明者は、上記課題を解決するために鋭意研究を重ねた結果、以下に示す排ガスの熱回収システムによって上記目的を達成できることを見出し、本発明を完成するに到った。
【０００８】
本発明は、廃熱ボイラが備えられた排ガスの流通路に設けられ、約４００℃を超える高温の排ガスを対象とする熱回収システムであって、
外管としてＳｉＣを主成分としたセラミックス管Ｃａが用いられ、内管として一端が閉塞したシングルエンド型の２重管Ｄａが用いられ、前記セラミックス管Ｃａと前記２重管Ｄａの間隙に形成された緩衝部に熱伝導率が高く耐熱性の緩衝材が挿入された３重管を有し、該２重管Ｄａの内部に気体または液体の熱媒体Ｍａが流通可能な流路を有する第１熱交換部が、前記廃熱ボイラの上流側であって前記セラミックス管Ｃａの耐熱温度以下の前記排ガスの流通路に設けられ、
外管としてＳｉＣを主成分としたセラミックス管Ｃｂが用いられ、一端が閉塞したシングルエンド型の２重管を構成し、該２重管の内部に気体または液体の熱媒体Ｍｂが流通可能な流路を有する第２熱交換部が、前記廃熱ボイラの下流側の前記排ガスの流通路に設けられ、
前記第１熱交換部において、排ガスとの熱交換によって加熱された前記熱媒体Ｍａを介して高温領域の排ガスの温熱が回収され、前記廃熱ボイラの適正温度まで排ガスの温度を低下させ、
前記第２熱交換部において、排ガスとの熱交換によって加熱された前記熱媒体Ｍｂを介して低温領域の排ガスの温熱が回収されることを特徴とする。
【０００９】
従前、非常に高温（８００〜１５００℃）の排ガスからの熱回収処理は、熱回収効率の高い廃熱ボイラを用いてより熱回収率の向上を図ることが多く、廃熱ボイラの耐熱性やその処理能力範囲の限界から、約４００℃を超える高温領域あるいは約２５０℃以下の低温領域での排ガスの熱回収については、高い効率が望めなかった。本発明は、こうした課題に対して、約４００℃を超える高温領域について外管をセラミックス管とする３重管構造の熱交換部（第１熱交換部）を用い、約２５０℃以下の低温領域について外管をセラミックス管とする２重管構造の熱交換部（第２熱交換部）を用いることによって、高温領域から低温領域まで効率よく排ガスの熱回収を行うことができる熱回収システムを可能とした。具体的には、３重管構造の第１熱交換部の内部を流通する熱媒体Ｍａを介して約４００℃を超える高温領域の排ガスの温熱を回収して廃熱ボイラの適正温度約４００℃以下まで排ガスを低下させ、廃熱ボイラによって約２５０℃以下に低下した約２５０℃以下の低温領域の排ガスに対して２重管構造の第２熱交換部の内部を流通する熱媒体Ｍｂを介して温熱を回収する熱回収システムを構成することによって、排ガスの熱回収を高温領域から低温領域まで効率よく行うことを可能にした。
【００１０】
本発明は、上記排ガスの熱回収システムであって、前記緩衝部に圧力センサまたは／および温度センサを設けることを特徴とする。
本発明に係る排ガスの熱回収システムにおいては、約４００℃を超える高温領域の排ガス流通路に設けられた第１熱交換部の適正な動作が、後段の廃熱ボイラおよび第２熱交換部の適正な機能を確保することができる。従って、第１熱交換部の、特に直接高温領域の排ガスに接触する外管の異常な状態（クラックあるいは外管外周表面への付着物の発生等）を検知し、その保守・点検を確実に行うことが要求される。本発明は、第１熱交換部の緩衝部に圧力センサまたは／および温度センサを設け、外管のクラック等に伴う緩衝部の圧力・温度の変化，外管外周表面への付着物の発生に伴う緩衝部と排ガスとの温度差の低下等を検知することによって外管の異常な状態を検出することができる。また、熱媒体の調整温度の異常に伴う緩衝部の温度変化は、熱回収効率の低下の原因となる。緩衝部の温度変化を検知することによって、外管の異常だけではなく、熱媒体の異常温度を検出することができる。
【００１１】
本発明は、上記排ガスの熱回収システムであって、前記第２熱交換部において、前記廃熱ボイラから供出される排ガス中の水分量または排ガス露点を基準に、前記セラミックス管Ｃｂ表面の一部分の温度が該排ガスの露点以下となる低温部分とこれに近接し露点以上となる高温部分が形成されるように前記熱媒体Ｍｂの温度および流量が設定され、かつ供出される排ガス温度が、該排ガスの露点以上とされることを特徴とする。
従前、工業用炉等からの排ガス処理プロセスにおいては、排ガス中に含まれるダストや硫黄化合物（特に硫酸ミスト）等の凝縮性の酸成分または／および水分の処理とともに、排ガスが有する温熱を低温領域（例えば２５０℃以下）まで効率よく熱回収することは非常に難しかった。本発明の検証過程における以下の知見（ａ）〜（ｅ）を基に、本発明の排ガスの熱回収システムにおいて、廃熱ボイラの下流側に第２熱交換部を配設することによって、排ガスからの熱回収を効率よく行うことができ、かつ排ガスの露点に対応した排ガス処理を行うことができることを見出した。
（ａ）排ガスの温度（露点）に対応した熱回収処理を行うことによって、低温領域まで効率よく熱回収することができる。つまり、熱回収用の低温熱媒体の温度制御が容易な特性およびセラミックス管表面温度を排ガスの露点近傍まで低下させた場合に熱回収効率が最大となるとの知見を利用して、排ガスの露点以下の低温領域まで熱回収部分（セラミックス管表面）を冷却し、その内部を流通する熱媒体を介して熱回収を行うことによって、効率よくかつ安定的に排ガスの温熱を回収することができる。
（ｂ）また、ＳｉＣを主成分としたセラミックス管を用いた熱交換器を適用することによって、酸ミスト等の発生があっても腐食されることなく、長期使用が可能で安全性の高い熱回収装置を構成することができる。従って、回収された熱媒体の温熱を、低温条件において精度の高い温度制御が要求される低温ボイラ用温水作製用等の温熱として利用することができる。
（ｃ）内部に熱媒体が流通可能な流路を有する熱交換部においては、内部の熱媒体は外部の排ガスの温熱と熱交換によって導入部から徐々に温度上昇が生じ、熱交換部表面に温度差（温度分布）が生じる。つまり、熱交換部表面の一部において排ガスの露点以下（最大量の温熱を吸収することができる）になるまで冷却することができる部分を形成するとともに、他の部分を露点以上にすることによって他の部分における酸成分の凝縮を防止し、もし凝縮が発生した場合にはこれを蒸散させることができる部分を形成することによって、供出される排ガス温度を露点以上に設定し、熱交換部表面における酸成分の凝集や酸成分と粉塵等の凝集の形成を防止することができる。
（ｄ）このとき、一端が閉塞したシングルエンド型の２重管型のセラミックス管を用い、２重管の内管または外管のいずれかを流通した最も低温の熱媒体と排ガスを熱交換させ、熱交換部表面の一部において排ガスの露点以下になるまで排ガスを低温化させることによって、最大量の温熱を回収することができる。
（ｅ）また、個々のセラミックス管における熱回収効率は、導入される熱媒体の流量の増加に伴い上昇するとともに、所定の流量以上において熱回収効率上昇速度の低下、さらに熱回収効率の低下を生じる（後述するように、その相関をグラフ化すると排ガスの露点近傍を最大とする熱回収効率の変曲点を生じる）。セラミックス管の表面における排ガス中の水分または酸成分の結露に伴う凝縮潜熱、比熱が大きい液滴の発生に伴う温熱吸収、およびセラミックス管の表面における液膜の発生に伴う熱伝達率の低下、によるものと推察させる。また、このとき、セラミックス管から導出される熱媒体の温度は、熱媒体の低流量域からの流量の増加に伴い、徐々に低下するとともに、上記変曲点に対応する流量以上の領域において、その低下勾配が大きくなる（後述するように、その相関をグラフ化すると、上記熱回収効率の変曲点近傍において熱媒体の温度の変曲点を生じる）との知見を得た。
【００１２】
本発明は、上記排ガスの熱回収システムであって、前記第２熱交換部から取り出され、加温された熱媒体Ｍｂの少なくとも一部を、前記第１熱交換部の２重管Ｄａに導入される熱媒体Ｍａおよび／または廃熱ボイラの熱媒体Ｍｃとして利用することを特徴とする。
本発明に係る排ガスの熱回収システムによって効率よく回収された排ガスの温熱は、第１熱交換部から取り出される非常に高温の気体または液体の熱媒体、廃熱ボイラから取り出される比較的高温の気体または液体の熱媒体、および第２熱交換部から取り出される低温の気体または液体の熱媒体を介して、発電エネルギーや温熱源等として利用される。しかしながら、第２熱交換部から大きな熱量を回収するには大量の熱媒体を供給する必要がある一方、取り出された熱媒体の温度は比較的低温を維持していることからバイナリ発電等に用いたとしても余剰の熱源となる可能性がある。本発明は、加温されつつも比較的低温の第２熱交換部から取り出された熱媒体Ｍｂの一部を、第１熱交換部の熱媒体Ｍａあるいは廃熱ボイラの熱媒体Ｍｃとして用いることによって、熱媒体自体を有効に活用することができ、不要な温熱の廃棄をなくした結果、高温領域から低温領域まで効率よく熱回収を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明に係る排ガスの熱回収システムの基本的な構成を例示する概略図
【図２】本発明に係る排ガスの熱回収システムを構成する第１，第２熱交換部を例示する概略図
【図３】排ガス流路に挿入されたセラミックス管の表面温度と排ガス露点との関係を例示する概略図
【図４】本発明に係る排ガス熱回収システムの検証結果を例示する概略図
【図５】本発明に係る排ガス熱回収システムの基本構成例の実施形態を例示する概略図
【図６】本発明に係る排ガス熱回収システムの他の構成例を示す概略図
【図７】従来技術に係る工業用炉の排熱回収装置を例示する概略図
【発明を実施するための形態】
【００１４】
本発明に係る排ガスの熱回収システム（以下「本システム」という）は、廃熱ボイラが備えられた排ガスの流通路に設けられ、約４００℃を超える高温の排ガスを対象とし、
廃熱ボイラの上流側であってセラミックス管Ｃａの耐熱温度以下の排ガスの流通路に、３重管構造を有し熱媒体Ｍａを用いる第１熱交換部が設けられ、廃熱ボイラの下流側の排ガスの流通路に、２重管構造を有し熱媒体Ｍｂを用いる第２熱交換部が設けられ、
第１熱交換部において、熱媒体Ｍａを介して高温領域の排ガスの温熱が回収され、廃熱ボイラの適正温度まで排ガスの温度を低下させ、第２熱交換部において、熱媒体Ｍｂを介して低温領域の排ガスの温熱が回収されることを特徴とする。
こうした構成の排ガスの熱回収システムを用いることによって、排ガスの熱回収を高温領域から低温領域まで効率よく行うことができ、かつ排ガスの露点に対応した排ガス処理を行うことができる。以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。
【００１５】
＜本発明に係る排ガスの熱回収システムの基本構成＞
図１は、本システム１の基本的な概略全体構成を例示する（第１構成例）。工業用炉等（図では溶解炉を例示する）から供出された排ガスＧが、冷却処理等の前置処理された後、高温領域（約４００〜８００℃）の排ガスとして、排ガス流通路に設けられた本システム１に対して供給される。本システム１は、排ガスの流通路の上流側から、第１熱交換部１０，廃熱ボイラ２０，第２熱交換部３０が設けられ、それぞれ排ガスとの熱交換によって加熱された熱媒体Ｍａ，熱媒体Ｍｃ，熱媒体Ｍｂを介して高温領域から低温領域の排ガスの温熱が回収される。本システム１で熱回収された排ガスＧは、脱硫処理，集塵処理され清浄化された後、煙突から排出される。また、熱媒体Ｍａ，熱媒体Ｍｃ，熱媒体Ｍｂは、タンク４０から、それぞれタンク４０ａ，タンク４０ｃ，タンク４０ｂを介して第１熱交換部１０，廃熱ボイラ２０，第２熱交換部３０に供給され、蒸気（液体を含む）として供出される。各熱媒体Ｍａ，Ｍｃ，Ｍｂとして水を用いた場合には、タンク４０から軟水器Ｗに供給され軟水化された水を用いることによって、流路における結晶物の発生を防止することができる。
【００１６】
本システム１において処理対象となる排ガスＧは、高温領域（約４００〜８００℃）の排ガスであり、二酸化炭素や酸素および窒素等の安定なガス成分を含むとともに、凝縮性の酸成分または／および水分を含有する場合がある。具体的には、加熱炉や熱処理炉等の工業用炉からの凝縮性の酸成分ミスト（例えば硫酸ミストＳＯ３等の酸ミスト）または／水分を含有する排ガスＧが対象となる場合がある。こうした排ガスＧは、高エネルギーを有するとともに、多くの酸ミストまたは／および水分が含まれることから、効率よくかつ安定的に熱回収するには、その露点に対応した排ガス処理が必要となる場合がある。具体的には、脱硫処理によって酸成分の低減処理（酸成分の露点の低下）と同時に露点を下げ（除害処理）、かつ供出される排ガス温度が、該排ガスの露点以上とされることによって効率よくかつ安定的に熱回収することが好ましい。特に、後述するように、本システム１の第２熱交換部３０において、セラミックス管Ｃｂ表面温度を排ガスの露点近傍まで低下させた場合、熱回収効率が最大となるとの知見から、排ガス中の水分量または排ガス露点を基準に、セラミックス管Ｃｂ表面の一部分の温度がこうした条件となるように熱媒体の温度および流量が設定されることが好ましい。また、酸ミスト等の発生し易い温度以下に冷却処理する場合には、酸ミストによる腐食および酸ミストと粉塵との結合・凝集を防止するように、耐食性素材の利用および微細粒子までの除塵処理が好ましい。
【００１７】
〔第１熱交換部〕
第１熱交換部１０は、図２（Ａ）に例示するように、外管としてＳｉＣを主成分としたセラミックス管Ｃａが用いられ、内管として一端が閉塞したシングルエンド型の２重管Ｄａが用いられ、セラミックス管Ｃａと２重管Ｄａの間隙に形成された緩衝部１１に熱伝導率が高く耐熱性の緩衝材が挿入された３重管構造を有し、該２重管Ｄａの内部に気体または液体の熱媒体Ｍａが流通可能な流路１２を有する。高温領域の排ガスＧとの接触は、耐熱性のみならず耐蝕性をも要求され、ステンレス鋼等金属材料では長期的に直接排ガスＧと接触する使用には耐えることができない。本システム１は、こうした課題を解消するために外管としてセラミックス管Ｃａを用い、熱伝導率が高く耐熱性の緩衝材を介して内管として熱媒体Ｍａが流通可能な流路１２を有するシングルエンド型の２重管Ｄａを用いることによって、効率よく熱回収を行うと同時に長期的な使用にも十分に耐えうる第１熱交換部１０を構成した。
【００１８】
ここで、セラミックス管Ｃａは、ＳｉＣを主成分（ここでいう主成分とは、セラミックス管を構成する全成分１００質量（重量）％に対して、９０質量（重量）％以上占める成分であり、９５質量（重量）％以上であることが好適である。）としたセラミックス素材（例えばクアーズテック社製、商品名ＣＥＲＡＳＩＣ［登録商標］−Ｂ）を用い、例えば半球状の一端部を有し、他端部から２重管Ｄａを挿入し緩衝部１１の形成が可能な円筒形状とすることが好ましい。約４００℃を超える高温領域の排ガスＧと接触にも耐えうる耐熱性および熱伝導性に優れるとともに、本システム１の使用に必要な強度（耐熱衝撃性）を確保することができる。また、ＳｉＣを主成分としたセラミックス管Ｃａを用いることによって、酸ミスト等の発生があっても腐食されることない耐食性を有し、長期使用が可能で安定な熱交換効率を確保することができる熱回収システムを構成することができる。
【００１９】
緩衝部１１に充填される緩衝材は、熱伝導率が高く耐熱性を有する素材が好ましい。具体的には、炭素材，グラファイト，炭化ケイ素あるいは金属酸化物（例えば酸化マグネシウム等）などを用いることができる。また、粉末状または微粒子状の緩衝材が好ましく、緩衝部１１中の空気層を最小にすることによってより高い熱伝導率を確保し、セラミックス管Ｃａからの温熱を効率よく２重管Ｄａに伝達することができる。本システムにおける検証では、後述するように、特に、緩衝材として粉末状のグラファイトを充填した緩衝部１１が好ましいとの実証結果を得た。
【００２０】
ここで、緩衝部１１に圧力センサまたは／および温度センサ（図示せず）を設けることが好ましい。継続的あるいは断続的に約４００℃を超える高温領域の排ガスＧと接触するセラミックス管Ｃａには、熱応力だけではなく熱衝撃も加わる非常に過酷な条件で長期間使用されることがある。長期間のこうした条件での使用により蓄積された熱歪は、セラミックス管Ｃａのクラックを引き起こす可能性があり、発生した破れ目からは緩衝部１１への高温の排ガスＧの浸透が生じる可能性がある。従って、予め緩衝部１１に圧力センサ・温度センサを設けることによって、緩衝部１１の圧力・温度の変化を伴うセラミックス管Ｃａのクラック等を検知することができる。また、長期間の高温領域の腐食成分や凝集成分等を含む排ガスＧと接触するセラミックス管Ｃａの外周表面には、多様な付着物が蓄積され、こうした付着物の存在はセラミックス管Ｃａの熱伝達機能の低下を招く。緩衝部１１と排ガスＧとの温度差の低下を検知することによって、熱回収効率に大きく寄与するセラミックス管Ｃａの異常な状態を検出することができる。さらに、熱媒体Ｍａの流量や温度の調整異常は緩衝部１１の温度変化を招来し、熱回収効率の異常の原因となる。供給源での熱媒体Ｍａの流量や温度を検知するだけではなく、緩衝部１１の温度変化を検知することによって、セラミックス管Ｃａ内部を流通する熱媒体Ｍａの異常を検出することができる。
【００２１】
また、ここでいう「シングルエンド型の２重管」Ｄａとは、外管の一端が閉塞した構成で、外管および内管を例えば鉄やステンレス等の耐熱性材料で構成された２重管をいう。セラミックス管Ｃａ内部に設けられ直接排ガスＧと接触することがないことから、耐熱性材料であれば強い耐食性が要求されず、幅広く熱伝導性が高く、加工性のよい材料を選択することができる。内管内部から低温の熱媒体Ｍａを供給し、内管外周部と外管内部との中間を流通させて、あるいは逆に内管外周部と外管内部との中間から低温の熱媒体Ｍａを供給・流通させ、内管内部を流通させて、緩衝部１１からの温熱を効率よく回収することができる。熱媒体Ｍａとしては、熱容量の大きな液体の熱媒体が好ましく、例えば市水や井戸水等を用いることによって、低温条件において精度の高い温度制御を行うことができる。また、大きな蒸発潜熱（凝縮熱）を利用して効率の良い熱回収を行うことができる。
【００２２】
〔廃熱ボイラ〕
本システム１に用いる廃熱ボイラ２０は、図７に例示した熱回収装置同様、多数設けられた水管群を備えるとともに、高温の排ガスＧとの接触で発生した熱媒体Ｍｃの高圧の蒸気によってドラムやタービン等を回転させる機構を有する。水管群の構成等の制限から廃熱ボイラ２０としての耐熱温度は、約２５０〜４００℃となる。本システム１においては、第１熱交換部１０によって低温下された排ガスＧを供給することによって耐熱温度を確保するとともに、第１熱交換部１０の機能を調整し、廃熱ボイラ２０を最適条件の温度で動作させることによって、さらに高い熱回収効率をえることができる。熱媒体Ｍｃとしては、上記熱媒体Ｍａ同様、熱容量の大きな液体の熱媒体として例えば市水や井戸水等を用いることができる。
【００２３】
〔第２熱交換部〕
第２熱交換部３０は、図２（Ｂ）に例示するように、外管としてＳｉＣを主成分としたセラミックス管Ｃｂが用いられ、一端が閉塞したシングルエンド型の２重管を構成し、該２重管の内部に気体または液体の熱媒体Ｍｂが流通可能な流路３１を有する。排ガスＧとの熱交換によって加熱された熱媒体Ｍｂを介して低温領域の排ガスＧの温熱が回収される。このとき、流通路に導入される排ガス中の水分量または排ガス露点を基準に、セラミックス管表面の一部分の温度が排ガスＧの露点以下となる低温部分とこれに近接し露点以上となる高温部分が形成されるように熱媒体Ｍの温度および流量が設定され、かつ本システム１から供出される排ガス温度が、排ガスＧの露点以上とされることによって、排ガスＧからの熱回収を効率よく行うことができ、かつ排ガスＧの露点に対応した排ガス処理を行うことができる。
【００２４】
セラミックス管Ｃｂは、上記セラミックス管Ｃａと同じ素材を用いることができる。耐熱性，耐食性および熱伝導性に優れるとともに、本システム１の使用に必要な強度を確保することができる。また、ＳｉＣを主成分としたセラミックス管Ｃａを用いることによって、低温領域において排ガスＧ中の酸ミスト等の発生があっても腐食されることなく、長期使用が可能で安定な熱交換効率を確保することができる熱回収システムを構成することができる。内管として上記２重管Ｄａ同様、例えば鉄やステンレス等の耐熱性材料を用いることができる。また、セラミックス管Ｃｂは、一端が閉塞したシングルエンド型の２重管を形成することが好ましい。例えば半球状の一端部を有し、他端部から内管を挿入し熱媒体Ｍｂの導入・流通が可能な円筒形状とすることが好ましい。内管内部から低温の熱媒体Ｍｂを供給し、内管外周部と外管内部との中間を流通させて、あるいは逆に内管外周部と外管内部との中間から低温の熱媒体Ｍｂを供給・流通させ、内管内部を流通させて、熱媒体Ｍｂを最も低温条件で排ガスＧと熱交換させることによって、低温領域の排ガスＧであっても、その温熱を最大量回収することができる。このとき、排ガスＧの温度が比較的高温の場合、熱媒体Ｍｂが排ガスＧの温熱を回収した後の内管または外管のいずれかにおいて気化するように設定することも可能である。熱媒体Ｍｂの気化熱として大きな温熱を回収することによって、排ガスＧからの熱回収をより効率よく行うことができる。熱媒体Ｍｂとしては、上記熱媒体Ｍａ同様、熱容量の大きな液体の熱媒体として例えば市水や井戸水等を用いることによって、低温条件において精度の高い温度制御を行うことができる。
【００２５】
具体的には、図２（Ｂ）に例示するように、排ガスの流通路の上方からセラミックス管Ｃｂが挿入された場合において、内管３２から導入された熱媒体Ｍｂ（例えば１０〜２０℃）がセラミックス管Ｃｂの内部流路を流通して導出され、セラミックス管Ｃｂの管壁を介して所定温度（例えば２００〜３００℃）の排ガスＧが有する温熱が回収処理される。回収された温熱は、熱媒体Ｍｂまたは他の媒体を介して、温水作製用等の温熱として利用される。このとき、回収される熱量は、導入された熱媒体Ｍｂの所定の流量範囲において、熱媒体Ｍｂの流量によって制御することができる。具体的には、セラミックス管Ｃｂは、内管３２から内部流路下部に導出された低温の熱媒体Ｍｂによって冷却され、セラミックス管Ｃｂの表面の下部（以下「表面下部」という）３０ａが最も低温となり（例えば８０℃）、上方に従い、表面中央部３０ｂ（例えば９０℃）、表面上部３０ｃ（例えば１００℃）と順次温度が上昇する。ここで、熱媒体Ｍｂの流量を増加させ、表面下部３０ａの温度を排ガスＧの露点（例えば６０℃）以下とすることによって、排ガスＧの温熱を最大量吸収することができる。セラミックス管Ｃｂ外表面における凝縮水の発生・付着は、該外表面からの放熱・排ガスによる移送を阻害することから、熱媒体Ｍｂによる排ガスＧの温熱の回収効率は、セラミックス管外表面温度が排ガスＧの露点近傍のときに最大となると解され、後述する実機での検証において実証された。つまり、排ガスＧ中の水分量または排ガスＧの露点を基準に、熱媒体Ｍｂの温度・流量を制御することによって、排ガスＧの温熱の回収効率を最大とすることができる。また、表面下部３０ａ以外のセラミックス管Ｃｂの表面温度はこれよりも高く、そこでの酸成分の凝縮を防止し、また凝縮が発生した場合にはこれを蒸散させることによって、供出される排ガス温度を露点以上に設定し、酸成分の凝集や酸成分と粉塵等の凝集の形成を防止することができる。
【００２６】
一方、排ガスの流通路の下方からセラミックス管Ｃｂが挿入された場合（図示せず）においては、熱媒体Ｍｂが内管３２の外周部から導入され、セラミックス管Ｃｂの内部流路を流通して内管３２を介して導出されることによって、これと同等の効果を得ることができる。このとき、セラミックス管Ｃｂの表面下部に排ガスの露点以下の低温部分が形成され、セラミックス管Ｃｂの表面上部に排ガスの露点以上の温度となる高温部分が形成され、排ガスとの熱交換により高い温熱回収を行うことができる。
【００２７】
また、排ガスの流通路の上方からセラミックス管Ｃｂが挿入され、内管３２の外周部から導入された熱媒体Ｍｂがセラミックス管Ｃｂの内部流路を流通して内管３２を介して導出された場合（図示せず）においても同様に、排ガスＧが有する温熱が回収処理される。このとき、当初の熱媒体Ｍｂの流量条件において、セラミックス管Ｃｂは、セラミックス管Ｃｂ表面上部３０ｃが最も低温となり（例えば８０℃）、下方に従い、表面中央部３０ｂ（例えば９０℃）、表面下部３０ａ（例えば１００℃）と順次温度が上昇する。ここで、熱媒体Ｍｂの流量を増加させ、表面上部３０ｃの温度を排ガスＧの露点（例えば６０℃）以下とすることによって、排ガスの温熱を最大量吸収することができる。つまり、排ガスＧ中の水分量または排ガスＧの露点を基準に、熱媒体Ｍｂの温度・流量を制御することによって、排ガスＧの温熱の回収効率を最大とすることができる。また、表面上部３０ｃ以外のセラミックス管Ｃｂの表面温度はこれよりも高く、そこでの酸成分の凝縮は発生せず、また凝縮が発生した場合にはこれを蒸散させることによって、供出される排ガス温度を露点以上に設定し、酸成分の凝集や酸成分と粉塵等の凝集の形成を防止することができる。特に、排ガスの流通路の上方からセラミックス管Ｃｂを挿入した場合には、表面上部３０ｃにおいて凝縮した酸成分は自重による自然落下及び排ガスの流れによって、さらに温度が上昇した表面中央部３０ｂおよび表面下部３０ａに移動し、再び気化・蒸散し、酸成分の凝集や酸成分と粉塵等の凝集の形成を防止することができる。
【００２８】
また、排ガスの流通路の下方からセラミックス管Ｃｂが挿入された場合（図示せず）において、熱媒体Ｍｂが内管３２から導入され、内管３２を介してセラミックス管Ｃｂの上方および内部流路を流通して内管３２外周部の下方から導出されることによって、これと同等の効果を得ることができる。このとき、内管３２から導入された低温の熱媒体Ｍｂが、セラミックス管Ｃｂの内部流路の上方から下方に流通されることによって、セラミックス管Ｃｂの表面上部に排ガスの露点以下の低温部分が形成され、セラミックス管Ｃｂの表面下部に排ガスの露点以上の温度となる高温部分が形成され、排ガスとの熱交換により高い温熱回収を行うことができる。
【００２９】
こうした機能は、本発明における上記知見（ｃ）を基に、本システム１の構成において得られるものである。具体的には、排ガス流路に配設された第２熱交換部３０において、排ガスＧの露点を例えば５５〜６０℃とした場合のセラミックス管Ｃｂの表面温度と排ガスＧの露点との関係によって実証することができる。図３は、５５〜６０℃の飽和水分量を有する１９７℃の排ガスＧが流通する場合におけるセラミックス管Ｃｂの表面温度と排ガスＧの露点（水分濃度：ｋｇ／ｋｇ）との関係を例示する。セラミックス管Ｃｂの表面温度が６０℃以上の表面（Ｔｅ）には、水分（酸成分）の凝縮はなく、凝縮した成分が存在した場合には、気化・蒸散する。表面温度が５５〜６０℃近傍の表面（Ｔｄ）には、酸成分の凝縮が生じるが、凝縮した成分が凝集し拡大することはなく、気化・蒸散することもない。表面温度が５５℃以下の表面（Ｔｃ）には、酸成分の凝縮が生じ、凝縮した成分が存在した場合、凝集し拡大する。つまり、表面温度が５５℃近傍まで低下するように、セラミックス管Ｃｂ内部を流通する熱媒体Ｍｂによって熱回収を図ることによって、酸成分の凝縮を抑えながら最大量の温熱を回収することができる。また、図３（Ａ）に例示するように、セラミックス管Ｃｂの表面下部が５５〜６０℃近傍の表面（Ｔｄ）に対応するように設定することによって、凝縮した酸成分の凝集・拡大を防止することができる一方、図３（Ｂ）に例示するように、セラミックス管Ｃｂの表面上部が５５℃以下の表面（Ｔｃ）に対応するように設定することによって、表面中央部が５５〜６０℃近傍の表面（Ｔｄ）に対応し、表面下部が６０℃以上の表面（Ｔｅ）に対応することから、表面（Ｔｃ）において凝縮した酸成分は、表面（Ｔｄ）を介して表面（Ｔｅ）において気化・蒸散させることができる。つまり、後者の構成の方が、前者に比較してより表面温度を低く設定し、熱回収量を多くすることができる。
【００３０】
〔本システムの特性の検証〕
（１）第１熱交換部および第２熱交換部の基本特性
上記図２（Ａ），（Ｂ）の構成を有する第１熱交換部１０，第２熱交換部３０について、所定温度の熱媒体Ｍａ，Ｍｂを導入した場合における「熱流量」，「熱流密度」および「熱伝達率」を検証した。
（ｉ）検証条件
排ガス流路（断面かまぼこ型：断面積２．９ｍ２）に、
（ｉ−１）排ガスＧ温度４６０〜４９５℃条件で、高温領域用第１熱交換部として、１つのセラミックス管Ｃａ（外径φ１１６ｍｍ×内径φ９６ｍｍ，有効長１１９８ｍｍ），内管Ｄａ（２重管構造のＳＵＳ管：外径φ９０ｍｍ×内径φ７３ｍｍ，有効長９００ｍｍ）および緩衝材としてグラファイトを配設し、熱媒体Ｍａとして水温１４℃の水を流量約２．５〜４．５Ｌ／ｍｉｎ供給し、
（ｉ−２）排ガスＧ温度１９０℃条件で、低温領域用第２熱交換部として、１０本のセラミックス管Ｃｂ（２重管の外径φ９０ｍｍ×内径φ７３ｍｍ，有効長９００ｍｍ）を配設し、熱媒体Ｍｂとして水温１４℃の水を流量約１．２Ｌ／ｍｉｎ（１本あたり）供給し、
熱流量（ｋＷ），熱流密度（ｋＷ／ｍ２）および熱伝達率（λ）を測定・演算した。
なお、
（ii）検証結果
検証結果を、下表１に例示する。緩衝部に充填されたセラミックス管Ｃａにおいて、予測通り良好な熱流量，熱流密度および熱伝達率の結果を得られ、高温領域での大きな回収熱量を得ることができた。特に充填無しの状態とは大きく相違した。一方、充填材料によって少しバラつきの発生が見られた。グラファイトが高い熱回収機能を有することが期待できる。また、セラミックス管Ｃｂにおいて、良好な熱流量，熱流密度および熱伝達率の結果を得られ、低温領域において大きな回収熱量を得ることが期待できる。
【表１】
2018044728.tif 000003
【００３１】
（２）第２熱交換部の特性
上記図２（Ｂ）の構成を有する第２熱交換部３０について、所定温度の熱媒体Ｍｂを導入した場合における「熱媒体Ｍｂの流量と回収熱量の相関」および「熱媒体Ｍｂの流量とセラミックス管Ｃｂ出口の熱媒体Ｍｂの温度の相関」を検証した。
（ｉ）検証条件
排ガス流路に１０本のセラミックス管Ｃｂを配設し、各セラミックス管Ｃｂに対して熱媒体Ｍｂを排ガスＧと並流または向流方向に流した場合を設定した。ここで、排ガス流路（断面積０．７２ｍ２：半径０．４８ｍの円筒）に、外径φ９０ｍｍ×内径φ７６ｍｍ，有効長９００ｍｍからなる２重管のセラミックス管Ｃｂを配設し、モル比「Ｏ２：Ｎ２：Ｈ２Ｏ＝１０：７０：２０」からなる排ガスＧ（露点約６０℃）を流量１５，０００Ｎｍ３／ｈ，温度１９７℃で導入し、熱媒体Ｍｂとして温度１８℃の水を流量約０．５〜１．４Ｌ／ｍｉｎで供給し、熱媒体Ｍｂの流量とセラミックス管Ｃｂ出口の熱媒体Ｍｂの温度を測定した。回収熱量は、セラミックス管Ｃｂ出入り口の熱媒体Ｍｂの温度差と熱媒体Ｍｂの流量から演算した。
（ii）検証結果
検証結果を、図４および図５に例示する。図４は「熱媒体Ｍｂの流量と回収熱量の相関」を示し、図５は「熱媒体Ｍｂの流量とセラミックス管Ｃｂ出口の熱媒体Ｍｂの温度の相関」を示す。領域ａおよびｂにおいて、セラミックス管Ｃｂ表面に凝縮物が発生していることが確認された。図４に例示するように、熱媒体Ｍｂの供給流量１．２Ｌ／ｍｉｎ近傍において、回収熱量が最大値を示す相関結果を得た。また、図５に例示するように、熱媒体Ｍｂの供給流量１．３Ｌ／ｍｉｎ近傍において、セラミックス管Ｃｂ出口の熱媒体Ｍｂの温度が急激に低下する相関結果を得るとともに、その変曲点近傍は、排ガスの露点約６０℃に対応する温度であるとの結果を得た。なお、本検証では、特定条件の排ガスＧ条件で実証結果を例示したが、いくつかの排ガスＧ条件において同様な実証結果を得ることができた。
【００３２】
こうした検証結果から、既述のように、
（ａ）図４に例示する結果から、熱媒体Ｍｂの流量を増加させ、セラミックス管Ｃｂ表面温度を排ガスＧの露点（例えば５５〜６０℃）近傍まで低下させた場合に、熱回収効率が最大となるとの知見を得た。
これを利用して、熱媒体Ｍｂの流量を調整し、セラミックス管Ｃｂ表面の一部分において排ガスＧの露点以下の低温領域まで熱回収部分（セラミックス管Ｃｂ表面）を冷却し、その内部を流通する熱媒体Ｍｂを介して熱回収を行うことによって、効率よくかつ安定的に排ガスＧの温熱を回収することができる。排ガスＧの特性に対応して、セラミックス管Ｃｂを用いた熱交換器が有する機能を有効に活かることによって、非常に高い熱回収効率を確保することができる。
【００３３】
また、上記検証結果から、既述のように、
（ｅ）図５に例示する結果から、熱媒体Ｍｂの流量を増加させ、セラミックス管Ｃｂ表面温度を低下させた場合に、ほぼ一定の傾きを有していたセラミックス管Ｃｂ出口の熱媒体Ｍｂの温度変化が、排ガスＧの露点（例えば５５〜６０℃）近傍において急激に傾きが変化するとの知見を得た。
これを利用して、セラミックス管Ｃｂ出口の熱媒体Ｍｂの温度を監視し、熱媒体Ｍｂの流量を調整することによって、セラミックス管Ｃｂ表面の一部分において排ガスＧの露点以下の低温領域まで冷却できているかを推定することができ、その内部を流通する熱媒体Ｍｂを介して熱回収を行うことによって、効率よくかつ安定的に排ガスＧの温熱を回収することができる。また、熱媒体Ｍｂの流量に対するセラミックス管Ｃｂ出口の熱媒体Ｍｂの温度変化を監視することによって、排ガス中の水分量の変化に対応した最適な熱媒体Ｍｂの流量を調整することができる。熱交換器において熱媒体Ｍｂにより回収された温熱を監視することによって間接的に熱媒体Ｍｂの流量と熱回収効率の最適な相関条件を把握することができ、熱媒体Ｍｂの流量調整によって非常に高い熱回収効率を確保することができる。
【００３４】
〔本システムの他の構成例〕
本システムにおいて、図６に例示するように、第２熱交換部３０から取り出され、加温された熱媒体Ｍｂの少なくとも一部を、第１熱交換部１０の２重管Ｄａに導入される熱媒体Ｍａおよび／または廃熱ボイラの熱媒体Ｍｃとして利用することを特徴とする（第２構成例）。第２熱交換部３０から取り出された熱媒体Ｍｂの温度は比較的低温を維持していること、および低温領域において大きな熱量を回収するには比較的大量の熱媒体Ｍｂを供給する必要があり、第２熱交換部３０から供出される熱媒体Ｍｂの量も大きいことから、高温の排ガスＧとの熱交換用熱媒体として使用することが可能である。加温されつつも比較的低温の第２熱交換部から取り出された熱媒体Ｍｂの一部を、第１熱交換部の熱媒体Ｍａあるいは廃熱ボイラの熱媒体Ｍｃとして用いることによって、熱媒体自体を有効に活用することができ、不要な温熱の廃棄をなくした結果、高温領域から低温領域まで効率よく熱回収を行うことができる。また、図においては、第１熱交換部１０から供出された高温の蒸気または液体は、蒸発缶に供給され、発電，プラント用蒸気または温水利用設備等に用いられ、第２熱交換部３０から供出された低温の蒸気または液体は、バイナリ発電に供給され照明や各種設備電源等に用いられる。
【００３５】
また、図６に例示するように、第２構成例に係る本システムと並行に、異なる熱媒体を用いて高温領域および低温領域において熱回収を行い、オペレーション用媒体として使用する熱回収システムを構成することができる。具体的には、空気等熱容量の小さな気体を、排気ガスＧの流路の高温領域および低温領域に設けられた熱交換部の熱媒体として導入し、迅速に加温された気体を取り出すことができる。図によれば、高温領域において熱交換された気体（空気）は、そのまま高温の燃焼用空気として利用され、低温領域において熱交換された気体（空気）は、そのまま集塵装置のエアヒータとして利用される構成を例示する。むろん、こうした構成に限定されず、熱媒体の種類や組み合わせを変えることによって、高温領域および低温領域に設けられた熱交換部から様々な仕様の熱媒体として取り出すことができ、様々な用途に利用することができる。本システム１は、排ガスＧが保有する熱エネルギーを効率よく取り出すことによって、より有用なエネルギーとすることができる。
【符号の説明】
【００３６】
１    本発明に係る排ガスの熱回収システム（本システム）
１０  第１熱交換部
１１  緩衝部
１２  流路
２０  廃熱ボイラ
３０  第２熱交換部
Ｃａ，Ｃｂ  セラミックス管
Ｄａ  ２重管
Ｇ    排ガス
Ｍａ，Ｍｂ，Ｍｃ  熱媒体
【図１】
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【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】
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