(57)【要約】【課題】  塵埃を含む燃焼炉の廃ガスから熱エネルギーを回収する熱交換器を提供する。【解決手段】  熱交換器２１は、液中燃焼炉１０の廃ガスが内部に導入される本体容器２３と、本体容器２３内に配設され廃ガスと内部流体との間で熱交換をする熱交換チューブ２４と、本体容器２３内で熱交換チューブを囲むように配設される粉粒流動層２５とを有する。粉粒流動層２５は、導入される廃ガスによって流動し、熱交換チューブ２４の表面に付着したスケールを除去して、熱交換チューブ２４の伝熱効率の低下を防ぐ。蒸気発生器２２は、熱交換器２１で回収された熱エネルギーによって蒸気を発生する。【選択図】    図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃焼炉の廃ガスから熱エネルギーを回収する熱交換器であって、
燃焼炉の燃焼後の廃ガスが内部に導入される熱交換器本体と、
前記熱交換器本体内に配設され、前記廃ガスと内部を流れる流体との間で熱交換が行われる熱交換チューブと、
前記熱交換器本体内に配設され、前記熱交換チューブを囲む粉粒流動層とを備えることを特徴とする熱交換器。
【請求項２】
前記粉粒流動層の流動エネルギーは、前記廃ガスによって与えられることを特徴とする、請求項１に記載の熱交換器。
【請求項３】
前記廃ガス中に含まれる粉末粒子の径が０．５〜３０μｍの範囲にあり、前記粉粒流動層の媒体粒子の径が２００〜５０００μｍの範囲にあることを特徴とする、請求項１又は２に記載の熱交換器。
【請求項４】
前記粉末粒子がアルカリ性であり、前記粉粒流動層の媒体粒子が酸性であることを特徴とする、請求項１〜３の何れかに記載の熱交換器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、熱交換器に関し、特に、燃焼炉の燃焼後の廃ガスから熱エネルギーを回収することを可能にする熱交換器に関する。
【背景技術】
【０００２】
液中燃焼炉は、燃焼炉の下部に配設されてスラッジを回収するプールを有し、例えばプラントから発生する様々な有機物を含む廃液を燃焼させるために利用される。液中燃焼炉では、例えば９５％の水分を含み、残余が有機化合物等である廃液を、粒径が１００μｍ以下の液滴となるように燃焼炉内に噴霧し、プロパンガス等の可燃ガスと混合して燃焼させる。燃焼炉内で燃焼する混合ガスの滞留時間は、約１秒程度の極めて短時間である。燃焼炉内での燃焼温度は、最高温度で約９５０℃にも達し、燃焼後の廃ガス温度も例えば８５０℃以上の高温である。ガスの燃焼により発生したスラッジは、燃焼炉下部のプール中に落下して回収される。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
燃焼炉内の混合ガスは、前述のように燃焼後でも８５０℃以上の高温を有する。従って、この燃焼後の高温廃ガスから、熱交換器を利用して、その熱エネルギーを回収できれば、プラント全体のエネルギー効率の向上が期待できる。しかし、燃焼後の廃ガス中には、多くの塵埃が含まれ、その塵埃が熱交換器内の熱交換チューブにスケールとして付着するため、熱交換チューブの伝熱効率を低下させるという問題がある。
【０００４】
特に、有機化合物を含む酸性の廃液を中和させると、その廃液中には、中和目的で使用したアルカリ金属（Ｎａ）成分が多く含まれる。このため、液中燃焼炉内で燃焼した後の廃ガス中にはＮａを含む有機化合物の塵埃が多く含まれ、そのような有機化合物の付着は、特に熱交換チューブの伝熱性能を大きく低下させる。従って、従来は、特にＮａ等の有機化合物を塵埃として含む液中燃焼炉の高温廃ガスから、熱エネルギーを効果的に回収する実用的な装置は知られていなかった。
【０００５】
本発明は、上記に鑑み、Ｎａ及び有機化合物を含む廃液を燃焼させる燃焼炉の廃ガスからも、実用的に熱エネルギーの回収が可能な熱交換器を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記目的を達成するために、本発明の熱交換器は、燃焼炉の廃ガスから熱エネルギーを回収する熱交換器であって、
燃焼炉の燃焼後の廃ガスが内部に導入される熱交換器本体と、
前記熱交換器本体内に配設され、前記廃ガスと内部を流れる流体との間で熱交換が行われる熱交換チューブと、
前記熱交換器本体内に配設され、前記熱交換チューブを囲む粉粒流動層とを備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００７】
本発明の熱交換器によると、熱交換チューブの表面に付着したスケールは、熱交換チューブを囲み且つ熱交換器本体内で流動する粉粒流動層の媒体粒子の流動によって運動エネルギーが与えられ、熱交換チューブの表面から剥離される。このようなスケールの除去によって、熱交換チューブの伝熱性能の低下が防止でき、熱交換器による実用的な熱エネルギーの回収が可能になる。このため、燃焼炉から廃熱を回収してプラントの熱効率を向上させる廃熱回収装置の実現が可能である。
【０００８】
本発明の熱交換器では、熱交換器本体内に導入される廃ガスは、熱交換器を使用してこの廃ガスから実用的に熱エネルギーの回収が可能な温度を有する必要がある。この廃ガスは、特定の温度を有することまでは要しないが、例えば８５０℃以上の高温であることが、熱エネルギーの有効な回収の観点からは好ましい。
【０００９】
ここで、本発明の好ましい態様の熱交換器では、前記粉粒流動層の流動エネルギーが、前記廃ガスによって与えられる。流動層の媒体粒子の流動エネルギーを廃ガスから与えることで、エネルギー効率が向上すると共に、熱交換器内での廃ガスの量の増大が防止できる。
【００１０】
本発明の熱交換器は、燃焼後にＮａ、Ｃｕ及び有機化合物を含む廃液を燃焼させる液中燃焼炉に好適に適用することが出来る。本発明の熱交換器は、このような化合物を含む塵埃がスケールとして熱交換チューブに付着することで、実用的な熱交換性能が得られないと従来は考えられた熱交換器を用いて熱エネルギーの回収を行うことが出来る。
【００１１】
本発明の熱交換器では、熱交換チューブに付着するスケールの粒子の径が０．５〜３０μｍの範囲にある場合には、前記粉粒流動層の媒体粒子の径を２００〜５０００μｍの範囲に選定することが好ましく、特に好ましいのは、５００〜３０００μｍの範囲である。このような範囲の粒径を持つ媒体粒子を有する粉粒流動層によって、熱交換チューブの表面に付着したスケールの除去が効果的に行われる。
【００１２】
また、廃ガス中に含まれる塵埃がアルカリ性の場合には、前記粉粒流動層の媒体粒子が酸性であることも本発明の好ましい態様である。この場合、粉粒流動層の媒体粒子と塵埃とが、酸−アルカリ反応によって一時的に結合して、剥離することから、特に効果的にスケールを除去できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
図１は、本発明の一実施形態例に係る熱交換器を有する廃熱回収装置を付属した液中燃焼炉システムの系統図である。液中燃焼炉システム１００は、廃水を助燃料及び可燃ガスと共に燃焼させる燃焼炉本体１１、及び、燃焼炉本体１１の下部に配設され燃焼炉本体１１から落下するスラッジを回収するプール１２を含む液中燃焼炉１０と、燃焼炉本体１１から燃焼後の高温廃ガスを取り出しこれから熱エネルギーを回収して蒸気を発生させる廃熱回収装置２０と、廃熱回収装置２０の熱交換器２１を出た廃ガスからＮａ、Ｃａ、Ｃｕ等の不純物を含むスラッジを回収するベンチュリースクラバー１３と、スラッジを回収した後の廃ガスを大気中に放出するスタック１４とを備える。
【００１４】
燃焼炉本体１１には、有機化合物、Ｎａ化合物及びＣａ化合物を含み、予め蒸気が混入されて温度が高められたプラント廃水と、Ｃｕ成分を含むエステル類等の助燃料（ＨＥ）及びプロパンガス等の可燃ガス（ＦＧ）が混入された蒸気と、大気中から取り入れた空気とがその上部から導入される。プラント廃水は、噴霧器１５で噴霧されて燃焼炉本体１１内に導入され、空気、助燃料及び可燃ガスと共に混合されて、最高温度約９５０℃で燃焼する。燃焼後の高温廃ガスは、廃ガス取出し管１６を経由して、廃熱回収装置２０の熱交換器２１に導入される。
【００１５】
廃熱回収装置２０は、高温廃ガスと水との間で熱交換をさせる熱交換器２１と、熱交換器２１で熱交換した水の熱エネルギーによって蒸気を発生させる蒸気発生器２２とを備える。熱交換器２１は、熱交換器本体容器２３と、本体容器２３内に張り巡らされた熱交換チューブ（熱交チューブ）２４と、本体容器２３内の多孔板１７上に配設され、熱交換チューブ２４を囲む粉粒流動層２５とを備える。粉粒流動層２５は、廃ガスの運動エネルギーによって流動し、熱交換チューブの表面に付着したＮａ化合物、Ｃａ化合物及びＣｕ化合物を含むスケールに衝突し、これに運動エネルギーを与え、チューブ２４の表面から剥離させて、廃ガスと共に熱交換器２１から送り出す。粉粒流動層２５は、例えば粒径が２００〜５０００μｍの範囲、例えば１０００μｍ程度のアルミナ媒体粒子で構成される。粉粒流動層２５が酸性を有することで、アルカリ性のスケールを除く効率が向上する。
【００１６】
熱交換器２１を出た廃ガスは、集塵機（サイクロン）２６で比較的大きな塵埃が除去され、更に、ベンチュリースクラバー１３によって水と混合されて微細な塵埃が捕捉され、除去される。その後、清浄ガスとなりスタック１４を経由して大気中に排出される。ベンチュリースクラバー１３で捕捉された塵埃は、ＮａＯＨ水溶液を利用して中和し、液中燃焼炉本体１１下部のプール１２に送られ、そこでスラッジとして回収される。
【００１７】
燃焼の対象となるプラント廃水は、例えば９５ｗｔ％の水と５ｗｔ％程度の有機化合物、アルカリ金属化合物、及び、アルカリ土類金属化合物を含み、毎時６００〜７００ｋｇの量が導入される。有機化合物としては、酢酸、アクリル酸、ＰＴＳＡ等が含まれる。アルカリ金属化合物はアルカリ金属の有機塩を含み、アルカリ土類金属化合物は、アルカリ土類金属の有機塩を含む。蒸気は毎時７００〜８００ｋｇ、助燃料（ＨＥ）は毎時５００〜８００ｋｇ、可燃ガス（ＦＧ）としてのプロパンガスは毎時１００Ｎｍ3が導入される。助燃料は、通常Ｃｕ系の重合禁止剤を含有する数種類の有機酸溶液から成り、プラントの副生成物がこの目的で利用されることがある。
【００１８】
廃水は、粒径が１００μｍ以下の霧状の液滴となるように、噴霧器１５で噴霧されて燃焼炉１１内に導入される。炉内での混合ガスの滞留時間は約１秒程度、炉内の最高温度は約９５０℃であり、熱交換器に送られる廃ガスの温度は、約９３０℃である。混合ガスの燃焼熱エネルギーは、毎時４５０×１０4Ｋｃａｌ程度である
【００１９】
粉粒流動層２５の媒体粒子としては、α−Ａｌ2Ｏ3、γ−Ａｌ2Ｏ3、ＳｉＯ2を約１０％含むＳｉＯ2・Ａｌ2Ｏ3混合物、ＳｉＯ2を約６０％含むＳｉＯ2・Ａｌ2Ｏ3混合物、又は、石英（ＳｉＯ2）等の酸性材料から成る粒子を使用する。酸性度が強いほど、アルカリ度が強いスケールの除去に適している。媒体粒子の粒径としては、２００〜５０００μｍの範囲が好ましく、更に好ましいのは、スケール粒子の１００倍以上の粒径、例えば５００〜２０００μｍの範囲である。熱交換チューブの材質に特に限定はないが、酸及びアルカリや熱によって腐食しない材料が好ましく、例えば、ＳＵＳ３０４、ＳＵＳ３１６、ＳＵＳ３１６Ｌ等が好適に使用される。
【００２０】
プラント廃水が中和処理に起因するＮａ化合物を含み、スケールがＣｕＯ、ＮａＯ、Ｎａ2Ｏ等の混合物である場合には、Ａｌ2Ｏ3とＮａとが、また、Ａｌ2Ｏ3とＣｕとがそれぞれ反応するので、Ｎａ成分とＣｕ成分から成るスケールの分離が容易である。
【００２１】
熱交換チューブ２４に付着するスラッジの粒子の径が１０μｍ程度の場合には、粉粒流動層２５の媒体粒子の径は、１０００μｍ程度が好ましい。例えば、熱交換器本体容器の内径を１８００ｍｍとし、熱交換器本体容器２３内のガス流速（空筒ガス速度）として、１．５ｍ／ｓｅｃを採用する。この場合、流動層内部の温度は約２５０℃、流動層を通過するガス流量は３．８５ｍ3／ｈｒ、粉粒流動層２５の静止時の厚みは１．８ｍ程度である。廃ガス取り出し管１６には、例えば内径が０．４７５ｍの配管を使用し、その配管内のガス流速を４０ｍ／ｓｅｃ程度とする。
【００２２】
図２及び図３はそれぞれ、上記実施形態例の液中燃焼炉システムの変形例の熱交換器の近傍を示している。上記実施形態例では、粉粒流動層を載置するために多孔板１７を配設している。しかし、図２の変形例では、多孔板が廃ガス中の塵埃によって閉塞を起こすことを防止するために、この多孔板を除いている。廃ガス取り出し管１６Ａは、燃焼炉本体１１から廃ガスを取り出す水平部分と、これからほぼ直角に曲がった垂直部分とからなるＬ字構造に形成し、液中燃焼炉１１の停止時には、粉粒流動層２５をその水平部部分に載置する例である。液中燃焼炉１１の運転が始まり、高温廃ガスが流れれば、その運動エネルギーによって、粉粒流動層２５は先の実施形態例と同様に流動する。
【００２３】
図３の変形例では、廃ガス取り出し管１６Ｂを水平の直管に形成し、熱交換器２１Ｂの底部を廃ガス取り出し管１６Ｂの底部よりも低い位置とする。多孔板１７は、熱交換器２１Ｂの底部に配設し、その上に粉粒流動層２５を載置し、これによって、廃ガスが直接に多孔板１７を通過しない構造を採用する。本変形例では、熱交換器２１Ｂの底部から清浄な流動化ガスを吹き込む流動化ガス管１８を配設する。粉粒流動層２５は、液中燃焼炉１１の運転に先立ち、流動化ガスの運動エネルギーによって予め流動化させる。
【実施例】
【００２４】
図１の液中燃焼炉システム１００について、シミュレーションによって、各部の温度分布、及び、熱エネルギー回収量を計算した。液中燃焼炉１０としては、日鉄化工機（株）製の高さ７ｍ、内径２．４ｍのもの、熱交換器２１は、容器本体２３の大きさが、直径１．８ｍ、高さ２．０ｍで、除熱量が６００×１０4ｋｃａｌ／ｈｒのもの、熱交換チューブ２４は、内径が１〜１．５Ｂ（１Ｂ＝２５．４ｍｍ）で、材質がＳＵＳ３０４のもの、粉粒流動層２５としては、海砂（ＳｉＯ2）で平均粒径が５００μｍのものを３００ｋｇ使用するものとそれぞれ想定した。また、蒸気発生器は、６トン／ｈｒで１．５ｍ3のもの、燃焼炉からの廃ガス取り出し管は、内径が０．５ｍφのものを想定した。
【００２５】
図４は、上記シミュレーションの結果を示す。燃焼炉本体１１内の燃焼ガスの最高温度を９５０℃、熱交換器２１に導入される廃ガスの入口温度は９３３℃、その出口温度は２２７℃である。この場合、発生する蒸気の温度は１９４℃で、蒸気圧力は１４ｋｇ／ｃｍ2と見込まれた。また、供給可能な蒸気量は、５．６トン／ｈｒとなり、廃熱回収装置２０の設置に必要なコストに対して、経済的に充分に見合う量の蒸気量が得られることが確認できた。
【００２６】
熱交換器内の状態を模擬する実験を下記のように行った。実験に使用した熱交換器のモデルには、高さが８６０ｍｍ、内径が２６ｍｍの石英管を用いた。
実験１
燃焼対象となる実廃液を乾燥して、燃焼後の塵埃を模擬する微粒子を含むガスを生成した。微粒子は、主としてＮａ2ＣＯ3、ＣｕＯ、ＮａＯ、Ｎａ2Ｏから成り、その粒径は平均で１７．４μｍであった。供給した微粒子の供給速度は６ｇ／ｈｒ、供給時間は約２時間、総供給量は１２．０７ｇであった。粉粒流動層の媒体粒子には、粒径が４００μｍのシリカサンドを使用し、また、流動層の静止時の高さを１０ｃｍとした。空筒基準ガス速度を０．５ｍ／ｓｅｃとして、微粒子を粉粒流動層内に導入した。
【００２７】
実験の結果、層外（熱交換器外）で回収された微粒子の量は９．５１ｇであった。また、層内に蓄積された微粒子は１．０７ｇで、その媒体粒子量と微粒子量の合計に対する比率は１．６％に過ぎなかった。これによって、微粒子の収率は８７％と計算でき、粉粒流動層によって効果的に微粒子が除去できる旨が確認できた。また、実験中では、粉粒流動層は安定に流動し、媒体粒子が系外に流出することはなかった。
【００２８】
実験２
実験１の微粒子に代えて、すりつぶしたスラッジを微粒子として使用した。微粒子の粒径は平均で１０μｍであった。微粒子の供給速度を６ｇ／ｈｒ、供給時間を約１．１時間、総供給量を６．７３ｇとした。実験１と同様の媒体粒子を含む粉粒流動層に、この微粒子を含むガスを導入して、その結果を観察した。その結果、流動層の層外で回収できた微粒子は５．５７ｇで、その比率は９１％であった。また、流動層内に蓄積された微粒子は０．５３ｇで、その媒体粒子量と微粒子量の合計に対する比率は、０．８％に過ぎなかった。また、実験中では、粉粒流動層は安定に流動し、媒体粒子が系外に流出することはなかった。
【００２９】
上記実験結果から、粉粒流動層によって、廃ガス中の塵埃成分の有効な除去が確認された。従って、本発明の熱交換器を使用して、液中燃焼炉の廃ガスから有効に熱エネルギーを回収できる旨が確認できた。
【００３０】
以上、本発明をその好適な実施形態例に基づいて説明したが、本発明の熱交換器は、上記実施形態例の構成にのみ限定されるものではなく、上記実施形態例の構成から種々の修正及び変更を施したものも、本発明の範囲に含まれる。例えば、本発明における燃焼炉は、液中燃焼炉に限定されない。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】本発明の一実施形態例に係る熱交換器を有する液中燃焼炉システムの構成を示す系統図。
【図２】図１の実施形態例の変形例における熱交換器の近傍を示す模式的系統図。
【図３】図１の実施形態例の別の変形例における熱交換器の近傍を示す模式的系統図。
【図４】図１で示した液中燃焼炉システムにおける熱効率を計算した結果を示す系統図。
【符号の説明】
【００３２】
１００  液中燃焼炉システム
１０  液中燃焼炉
１１  燃焼炉本体
１２  プール
１３  ベンチュリースクラバー
１４  スタック
１５  噴霧器
１６、１６Ａ、１６Ｂ  廃ガス取り出し管
１７  多孔板
１８  流動化ガス管
２０  廃熱回収装置
２１、２１Ａ、２１Ｂ  熱交換器
２２  蒸気発生器
２３  熱交換器本体容器
２４  熱交換チューブ
２５  粉粒流動層
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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