(57)【要約】【課題】排ガス熱回収システムにおいて、高温の排ガスを大気に放出せずに熱回収することでエネルギ損失を低減すると共に、環境の悪化を防止し、また、排気ガスによる低温腐食を防止する。【解決手段】ボイラ１１の給水管１４にボイラ排ガスとの間で熱交換を行う熱回収用排ガスクーラ１９を設けると共に、熱回収用排ガスクーラ１９をバイパスする給水バイパス管２１を設けて給水流量調整弁２２を装着し、制御装置２４は、熱回収用排ガスクーラ１９に装着した圧力検出器２３が検出した蒸気圧力に基づいて給水流量調整弁２２の開度を調整し、蒸気圧力を適正領域に維持する。【選択図】　　　　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ボイラの給水経路に設けられて該ボイラの排ガスとの間で熱交換を行う熱交換器と、前記ボイラの給水経路に設けられて該熱交換器をバイパスする給水バイパス通路と、前記熱交換器と前記給水バイパス通路との各給水流量を調整する給水流量調整手段と、前記熱交換器の出口排ガス温度あるいは該出口排ガス温度の相関値を検出する排ガス温度相関値検出手段と、該排ガス温度相関値検出手段の検出結果に基づいて前記給水流量調整手段を制御する制御手段とを具えたことを特徴とする排ガス熱回収システム。
【請求項２】
請求項１において、前記排ガス温度相関値検出手段は、前記熱交換器の蒸気圧力を検出する圧力検出器であり、前記制御手段は該圧力検出器の計測値が適正領域となるように前記給水流量調整手段を制御することを特徴とする排ガス熱回収システム。
【請求項３】
請求項２において、前記制御手段は、前記出口排ガス温度が低温腐食を発生する腐食温度領域とならないように、前記給水流量調整手段を制御して前記蒸気圧力を前記適正領域となるように調整することを特徴とする排ガス熱回収システム。
【請求項４】
請求項１において、前記熱交換器は、前記給水経路に設けられたドラムと、該ドラムから前記ボイラの排ガス経路に延設された循環通路とを有することを特徴とする排ガス熱回収システム。
【請求項５】
請求項１において、前記給水流量調整手段は、前記給水バイパス通路に設けられた流量調整弁であり、該流量調整弁の開度により前記熱交換器と前記給水バイパス通路との各給水流量を調整することを特徴とする排ガス熱回収システム。
【請求項６】
請求項１において、前記ボイラの排ガス経路に前記熱交換器が延設され、該排ガス経路に該熱交換器をバイパスする排ガスバイパス通路が設けられると共に、排ガスを前記熱交換器と前記排ガスバイパス通路に切り換える排ガス切換手段が設けられ、前記制御手段は、前記熱交換器の入口排ガス温度が低温腐食を発生する腐食温度領域とならないように、前記排ガス切換手段を制御することを特徴とする排ガス熱回収システム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、中小型ボイラなどに適用される排ガス熱回収システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
図２に従来のボイラシステムの概略を示す。図２に示すように、ボイラ１０１は高温ガスの顕熱を水に伝えて蒸気を発生させる設備であり、空気供給管１０２と排ガス排出管１０３が連結されると共に、給水管１０４と蒸気排出管１０５が連結されている。そして、排ガス排出管１０３の下流端部に煙突１０６に連結される一方、給水管１０４に給水ポンプ１０７が装着されると共に、上流端部に給水タンク１０８が連結されている。
【０００３】
従って、ボイラ１０１では、空気供給管１０２を通して空気が供給されると共に、燃料が供給されて燃焼する一方、給水ポンプ１０７を駆動することで、給水タンク１０８から給水管１０４を通して吸水されており、燃焼した高温ガスの顕熱が水に伝わって蒸気が発生し、この蒸気は蒸気排出管１０５から排出され、排ガスは排ガス排出管１０３を通して煙突１０６から大気に放出される。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
上述したように、従来のボイラシステムでは、ボイラ１０１で燃焼して蒸気を生成した排ガスは、排ガス排出管１０３を通して煙突１０６に至り、ここで大気に放出されることとなる。一般に、大気に放出される排ガスの温度は２２０〜２８０℃であり、高温の排ガスを大気に放出することは環境の面で好ましくなく、且つ、エネルギ損失も大きい。
【０００５】
また、ボイラ１０１から排出された２２０〜２８０℃の排ガスの熱を回収して利用することも考えられるが、ボイラ１０１で使用する燃料（例えば、重油）によっては、排気ガスに硫黄分が含有するものがあり、排ガス温度が約１４０℃以下になると、この硫黄分により低温腐食が発生する虞があり、排ガス熱回収システムには困難性が伴う。
【０００６】
本発明はこのような問題を解決するものであり、高温の排ガスを大気に放出せずに熱回収することでエネルギ損失を低減すると共に、環境の悪化を防止し、また、排気ガスによる低温腐食を防止した排ガス熱回収システムを提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上述の目的を達成するための請求項１の発明の排ガス熱回収システムは、ボイラの給水経路に設けられて該ボイラの排ガスとの間で熱交換を行う熱交換器と、前記ボイラの給水経路に設けられて該熱交換器をバイパスする給水バイパス通路と、前記熱交換器と前記給水バイパス通路との各給水流量を調整する給水流量調整手段と、前記熱交換器の出口排ガス温度あるいは該出口排ガス温度の相関値を検出する排ガス温度相関値検出手段と、該排ガス温度相関値検出手段の検出結果に基づいて前記給水流量調整手段を制御する制御手段とを具えたことを特徴とするものである。
【０００８】
請求項２の発明の排ガス熱回収システムでは、前記排ガス温度相関値検出手段は、前記熱交換器の蒸気圧力を検出する圧力検出器であり、前記制御手段は該圧力検出器の計測値が適正領域となるように前記給水流量調整手段を制御することを特徴としている。
【０００９】
請求項３の発明の排ガス熱回収システムでは、前記制御手段は、前記出口排ガス温度が低温腐食を発生する腐食温度領域とならないように、前記給水流量調整手段を制御して前記蒸気圧力を前記適正領域となるように調整することを特徴としている。
【００１０】
請求項４の発明の排ガス熱回収システムでは、前記熱交換器は、前記給水経路に設けられたドラムと、該ドラムから前記ボイラの排ガス経路に延設された循環通路とを有することを特徴としている。
【００１１】
請求項５の発明の排ガス熱回収システムでは、前記給水流量調整手段は、前記給水バイパス通路に設けられた流量調整弁であり、該流量調整弁の開度により前記熱交換器と前記給水バイパス通路との各給水流量を調整することを特徴としている。
【００１２】
請求項６の発明の排ガス熱回収システムでは、前記ボイラの排ガス経路に前記熱交換器が延設され、該排ガス経路に該熱交換器をバイパスする排ガスバイパス通路が設けられると共に、排ガスを前記熱交換器と前記排ガスバイパス通路に切り換える排ガス切換手段が設けられ、前記制御手段は、前記熱交換器の入口排ガス温度が低温腐食を発生する腐食温度領域とならないように、前記排ガス切換手段を制御することを特徴としている。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、図面に基づいて本発明の実施の形態を詳細に説明する。
【００１４】
図１に本発明の一実施形態に係る排ガス熱回収システムの概略構成を示す。
【００１５】
本実施形態の排ガス熱回収システムにおいて、図１に示すように、ボイラ１１は高温ガスの顕熱を水に伝えて蒸気を発生させる設備であり、空気供給管１２と排ガス排出管（排ガス経路）１３が連結されると共に、給水管（給水経路）１４と蒸気排出管１５が連結されている。そして、排ガス排出管１３の下流端部に煙突１６に連結される一方、給水管１４に給水ポンプ１７が装着されると共に、上流端部に給水タンク１８が連結されている。
【００１６】
また、給水管１４にて、給水ポンプ１７より上流側には熱交換器としての熱回収用排ガスクーラ１９が装着されると共に、この熱回収用排ガスクーラ１９より上流側に排ガスクーラ用給水ポンプ２０が装着されている。そして、給水管１４にはこの熱回収用排ガスクーラ１９をバイパスする給水バイパス管２１が連結され、この給水バイパス管２１に熱回収用排ガスクーラ１９と給水バイパス管２１との各給水流量を調整する給水流量調整手段としての給水流量調整弁２２が装着されている。
【００１７】
この熱回収用排ガスクーラ１９は、給水管１４に接続する円筒形をなすドラム１９ａと、このドラム１９ａから排ガス排出管１５に延設されたＵ字形状をなす循環通路１９ｂとから構成されている。そして、熱回収用排ガスクーラ１９のドラム１９ａには、排ガス温度相関値検出手段として蒸気圧力を検出する圧力検出器２３が装着されている。制御装置２４は、この圧力検出器２３が検出した蒸気圧力が入力され、この蒸気圧力に基づいて前述した給水流量調整弁２２の開度を調整可能となっている。
【００１８】
即ち、本実施形態では、ボイラ１１から排出される排ガスによりボイラ１１に供給する給水を予熱可能となっている。ところが、ボイラ１１から排ガス排出管１３に排出される排ガス温度は２２０〜２８０℃であるものの、給水を予熱した後の排ガスは２００℃以下まで低下する。この場合、排ガスには硫黄分が含まれることもあり、排ガスは１４０℃程度まで低下すると、排ガスにより熱回収用排ガスクーラ１９が低温腐食してしまう虞がある。
【００１９】
そこで、熱回収用排ガスクーラ１９の出口排ガス温度が低温腐食を発生する腐食温度領域（例えば、１４０℃以下）とならないように、給水流量調整弁２２の開度を調整制御し、ドラム１９ａの蒸気圧力が適正領域と維持している。この場合、熱回収用排ガスクーラ１９の出口排ガス温度は排ガス排出管１３における径方向流動位置によりばらつきがあるため、この出口排ガス温度と相関関係にあるドラム１９ａの蒸気圧力を検出し、この蒸気圧力に基づいて給水流量調整弁２２の開度を調整制御している。
【００２０】
また、排ガス排出管１３には、熱回収用排ガスクーラ１９の循環通路１９ｂの上流側及び下流側に位置して入口ダンパ２５、出口ダンパ２６が設けられると共に、循環通路１９ｂ、入口ダンパ２５、出口ダンパ２６をバイパスする排ガスバイパス管２７が設けられ、この排ガスバイパス管２７にバイパスダンパ２８が設けられている。制御装置２４は、この排ガス切換手段としての入口ダンパ２５、出口ダンパ２６、バイパスダンパ２８を開閉操作することで、排ガスを排ガス排出管１３と排ガスバイパス管２７との間で切換可能となっている。
【００２１】
即ち、本実施形態では、ボイラ１１から排出される排ガスによりボイラ１１への給水を予熱可能であるが、ボイラ１１の起動時には排ガス温度が低いため、前述したように、排ガスに含まれる硫黄分により熱回収用排ガスクーラ１９が低温腐食してしまう虞がある。そこで、熱回収用排ガスクーラ１９の出口排ガス温度が低温腐食を発生する腐食温度領域となるボイラ１１の起動時には、入口ダンパ２５及び出口ダンパ２６を閉止する一方、バイパスダンパ２８を開放し、低温の排ガスが熱回収用排ガスクーラ１９に流動しないようにしている。
【００２２】
ここで、本実施形態の排ガス熱回収システムによるボイラ１１からの排ガスの熱回収方法について説明する。
【００２３】
排ガス熱回収システムにて、空気供給管１２を通して空気がボイラ１１に供給されると共に、燃料が供給されて燃焼する。一方、給水ポンプ１７，２０を駆動することで、給水タンク１８の水が給水管１４を通してボイラ１１に吸水される。すると、ボイラ１１では、燃焼した高温ガスの顕熱が水に伝わって蒸気が発生し、この蒸気は蒸気排出管１５から排出される一方、排ガスは排ガス排出管１３に流出し、熱回収用排ガスクーラ１９の水を予熱した後、煙突１６から大気に放出される。
【００２４】
なお、ボイラ１１の起動時には排ガス温度が低いため、排ガスに含まれる硫黄分により熱回収用排ガスクーラ１９が低温腐食する虞がある。そのため、排ガス温度が、例えば、約２００℃以上となる所定時間の間、制御装置２４は、入口ダンパ２５及び出口ダンパ２６を閉止する一方、バイパスダンパ２８を開放することで、低温の排ガスを熱回収用排ガスクーラ１９に流動せずに、排ガスバイパス管２７を通して直接煙突１６に流し、熱回収用排ガスクーラ１９の低温腐食を防止している。
【００２５】
そして、ボイラ１１が起動して所定時間が経過し、排ガス温度が約２００℃以上になったら、制御装置２４は、入口ダンパ２５及び出口ダンパ２６を開放する一方、バイパスダンパ２８を閉止することで、高温の排ガスを熱回収用排ガスクーラ１９に流動して水を予熱する。即ち、熱回収用排ガスクーラ１９では、排ガスクーラ用給水ポンプ２０による給水がドラム１９ａから循環通路に流れ、排気ガスの熱を回収して再びドラム１９ａに戻る作用を繰り返し、ドラム１９ａ内で水蒸気が生成されて蒸気圧力が上昇し、温度も上昇する。
【００２６】
従って、ボイラ１１への給水が排ガスの熱回収により１００℃以上に上昇することとなり、ボイラ１１での蒸気発生効率が向上し、供給燃料の減少などの低コスト化を可能とすることができ、その結果、排ガス温度は、１００〜１８０℃程度まで低下させて大気に放出されることとなり、適正な熱回収を実施することでエネルギ損失を低減し、且つ、環境の悪化を防止できる。
【００２７】
ところで、ボイラ１１に供給される燃料が重油等であった場合、排ガス中に硫黄分が含まれ、熱回収用排ガスクーラ１９の出口排ガス温度が１４０℃以下まで低下すると、熱回収用排ガスクーラ１９の伝熱面が低温腐食することから、この出口排ガス温度を１６０℃程度に維持する必要がある。そのため、熱回収用排ガスクーラ１９の出口排ガス温度と相関関係にある熱回収用排ガスクーラ１９の蒸気圧力を、低温腐食しない適正領域に維持する必要がある。
【００２８】
そこで、圧力検出器２３が熱回収用排ガスクーラ１９の蒸気圧力を常時検出して制御装置２４に出力しており、制御装置２４は熱回収用排ガスクーラ１９の蒸気圧力に基づいて給水流量調整弁２２の開度を調整することで、熱回収用排ガスクーラ１９の蒸気圧力を適正圧力に維持している。即ち、熱回収用排ガスクーラ１９の蒸気圧力が適正圧力から上昇した場合、給水流量調整弁２２の開度を減少し、熱回収用排ガスクーラ１９に流れる給水流量を増加させると、ドラム１９ａでの給水温度及び蒸気圧力を低下させることができる。一方、熱回収用排ガスクーラ１９の蒸気圧力が適正圧力から下降した場合、給水流量調整弁２２の開度を増加し、熱回収用排ガスクーラ１９に流れる給水流量を減少させると、ドラム１９ａでの給水温度及び蒸気圧力を上昇させることができる。
【００２９】
そこで、予め、熱回収用排ガスクーラ１９の出口排ガス温度が１６０℃のときの熱回収用排ガスクーラ１９の適正な蒸気圧力を、給水流量調整弁２２の開度を調整して確認しておく。そして、熱回収用排ガスクーラ１９の出口排ガス温度が１６０℃より下降していくと、ドラム１９ａの蒸気圧力が低下するため、前述したように、給水流量調整弁２２の開度を大きくし、給水バイパス管２１に流れ込む給水流量を増加する一方、熱回収用排ガスクーラ１９に流れ込む給水流量を減少することで、ドラム１９ａでの給水温度及び蒸気圧力が上昇し、適正な蒸気圧力にする。従って、熱回収用排ガスクーラ１９の蒸気圧力を適正圧力に維持することで、出口排ガス温度を常時１６０℃以上に維持することとなり、熱回収用排ガスクーラ１９の伝熱面の低温腐食を防止することができる。
【００３０】
なお、ボイラ１１に供給される燃料が天然ガス等であった場合、排ガス中に硫黄分が含まれていないため、熱回収用排ガスクーラ１９からの出口排ガス温度を１００℃程度に維持すればよく、前述と同様に、熱回収用排ガスクーラ１９の蒸気圧力を低温腐食しない適正圧力に維持する。
【００３１】
このように本実施形態の排ガス熱回収システムにあっては、ボイラ１１の給水管１４にボイラ排ガスとの間で熱交換を行う熱回収用排ガスクーラ１９を設けると共に、この熱回収用排ガスクーラ１９をバイパスする給水バイパス管２１を設けて給水流量調整弁２２を装着し、制御装置２４は、熱回収用排ガスクーラ１９に装着した圧力検出器２３が検出した蒸気圧力に基づいて給水流量調整弁２２の開度を調整することで、この蒸気圧力を適正領域に維持する。
【００３２】
従って、熱回収用排ガスクーラ１９の出口排ガス温度と相対関係にある熱回収用排ガスクーラ１９の蒸気圧力を適正領域に維持することで、熱回収用排ガスクーラ１９の出口排ガス温度を常時１６０℃以上に維持することができ、この熱回収用排ガスクーラ１９における伝熱面の低温腐食を防止することができる。
【００３３】
この場合、熱回収用排ガスクーラ１９の出口排ガス温度は排ガス排出管１３における径方向流動位置によりばらつきがあり、この出口排ガス温度を直接測定して給水流量調整弁２２の開度を調整しても、熱回収用排ガスクーラ１９の出口排ガス温度を適正温度に維持することは困難となる。そこで、熱回収用排ガスクーラ１９の出口排ガス温度と相関関係にある蒸気圧力を検出し、この蒸気圧力に基づいて給水流量調整弁２２の開度を調整することで、熱回収用排ガスクーラ１９の出口排ガス温度を適正温度に確実に維持することができる。
【００３４】
また、排ガス排出管１３に熱回収用排ガスクーラ１９の上流側及び下流側に入口ダンパ２５、出口ダンパ２６を設けると共に、これらをバイパスする排ガスバイパス管２７を設けてバイパスダンパ２８を装着し、ボイラ１１の起動時に、制御装置２４は入口ダンパ２５及び出口ダンパ２６を閉止する一方、バイパスダンパ２８を開放している。従って、排ガス温度が低いため、ボイラ１１の起動時には、この低温排ガスが熱回収用排ガスクーラ１９に流動せず、熱回収用排ガスクーラ１９の低温腐食を確実に防止することができる。
【００３５】
なお、上述した実施形態では、熱回収用排ガスクーラ１９の出口排ガス温度は流動位置によりばらつきがあるため、この出口排ガス温度と相関関係にあるドラム１９ａの蒸気圧力を検出し、この蒸気圧力に基づいて給水流量調整弁２２の開度を調整するようにしたが、排ガス排出管１３に複数の温度検出器を設けて排ガスの平均温度を求め、この排ガス平均温度に基づいて給水流量調整弁２２の開度を調整するようにしてもよい。
【００３６】
【発明の効果】
以上、実施形態において詳細に説明したように請求項１の発明の排ガス熱回収システムによれば、ボイラの給水経路にボイラ排ガスとの間で熱交換を行う熱交換器を設けると共に、熱交換器をバイパスする給水バイパス通路を設け、熱交換器と給水バイパス通路との各給水流量を調整する給水流量調整手段を設け、熱交換器の出口排ガス温度あるいは出口排ガス温度の相関値を検出する排ガス温度相関値検出手段を設け、制御手段は排ガス温度相関値検出手段の検出結果に基づいて給水流量調整手段を制御するので、熱交換器の出口排ガス温度あるいは出口排ガス温度の相関値を適正領域に維持することで、熱交換器の出口排ガス温度を常時適正温度に維持することができ、高温の排ガスを大気に放出せずに熱回収することでエネルギ損失を低減すると共に、環境の悪化を防止し、また、排気ガスによる熱交換器の低温腐食を防止することができる。
【００３７】
請求項２の発明の排ガス熱回収システムによれば、排ガス温度相関値検出手段を熱交換器の蒸気圧力を検出する圧力検出器とし、制御手段は圧力検出器の計測値が適正領域となるように給水流量調整手段を制御するので、熱交換器の出口排ガス温度のばらつきを考慮してこの出口排ガス温度と相関関係にある蒸気圧力をもちいることで、熱交換器の出口排ガス温度を確実に適正温度に維持することができる。
【００３８】
請求項３の発明の排ガス熱回収システムによれば、制御手段は、出口排ガス温度が低温腐食を発生する腐食温度領域とならないように、給水流量調整手段を制御して蒸気圧力を適正領域となるように調整するので、出口排ガス温度を常時低温腐食の発生領域外に維持することができる。
【００３９】
請求項４の発明の排ガス熱回収システムによれば、熱交換器を、給水経路に設けられたドラムと、このドラムからボイラの排ガス経路に延設された循環通路とで構成したので、排ガスにより給水を確実に予熱することができ、熱回収効率を向上することができる。
【００４０】
請求項５の発明の排ガス熱回収システムによれば、給水流量調整手段を給水バイパス通路に設けられた流量調整弁とし、流量調整弁の開度により熱交換器と給水バイパス通路との各給水流量を調整するので、簡単な構成で容易に熱交換器と給水流量を調整し、蒸気圧力を適正領域に維持することができる。
【００４１】
請求項６の発明の排ガス熱回収システムによれば、ボイラの排ガス経路に熱交換器を延設し、排ガス経路に熱交換器をバイパスする排ガスバイパス通路を設けると共に、排ガスを熱交換器と排ガスバイパス通路に切り換える排ガス切換手段を設け、制御手段は、熱交換器の入口排ガス温度が低温腐食を発生する腐食温度領域とならないように排ガス切換手段を制御するので、ボイラの起動時など、ボイラからの排ガスが熱交換器に低温腐食を発生させる腐食温度領域にあるとき、低温の排ガスは排ガスバイパス通路を通って熱交換器を通過しないため、排気ガスによる熱交換器の低温腐食を防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態に係る排ガス熱回収システムの概略構成図である。
【図２】従来のボイラシステムの概略図である。
【符号の説明】
１１　ボイラ
１３　排ガス排出管（排ガス経路）
１４　給水管（給水経路）
１７　給水ポンプ
１９　熱回収用排ガスクーラ（熱交換器）
２０　排ガスクーラ用給水ポンプ
２１　給水バイパス管
２２　給水流量調整弁（給水流量調整手段）
２３　圧力検出器（排ガス温度相関値検出手段）
２４　制御装置
２５　入口ダンパ（排ガス切換手段）
２６　出口ダンパ（排ガス切換手段）
２７　排ガスバイパス管
２８　バイパスダンパ（排ガス切換手段）
【図１】
2004061008.tif 000003
【図２】
2004061008.tif 000004