(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、高効率に熱交換を行える熱交換器を提供する。【解決手段】この熱交換器１は、後端部が開口すると共に、先端部が閉口したセラミックスからなる伝熱管２と、前記伝熱管の内壁に対して所定の隙間を介して配置されており、前記隙間と連通する金属内管３とを備え、前記伝熱管の先端部が、燃焼排ガスの下流側に傾倒した状態になるよう燃焼排ガス流路内に配置され、前記伝熱管後端部から伝熱管内部に導入された液体が、伝熱管２の内壁と金属内管３とのすき間を通じて伝熱管の先端部まで達し、先端部で金属内管３内部に流入して、前記金属内管３の他端部から外部に導出するように構成されている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
垂直方向に延設され、燃焼排ガスが上方から下方に垂直に流下するように構成された燃焼排ガス流路の壁に設置される熱交換器であって、
前記熱交換器は、後端部が開口すると共に、先端部が閉口したセラミックスからなる伝熱管と、前記伝熱管の内壁に対して所定の隙間を介して配置されており、前記隙間と連通する金属内管とを備え、前記伝熱管の先端部が、燃焼排ガスの下流側に傾倒した状態になるよう燃焼排ガス流路内に配置され、
前記伝熱管後端部から伝熱管内部に導入された液体が、伝熱管の内壁と金属内管とのすき間を通じて伝熱管の先端部まで達し、先端部で金属内管内部に流入して、前記金属内管の他端部から外部に導出するように構成されていることを特徴とする熱交換器。
【請求項２】
前記燃焼排ガス流路の壁に、この壁に対する垂線と平行に貫通孔が形成され、この貫通孔に、燃焼排ガス流路の内壁面に相当する位置において屈曲する形状に形成された伝熱管が設置されていることを特徴とする請求項１記載の熱交換器。
【請求項３】
前記燃焼排ガス流路の壁に、この壁に対する垂線から燃焼排ガス流路の下流側に、所定角度傾斜した貫通孔を形成し、この貫通孔に直線状の伝熱管が設置されていることを特徴とする請求項１記載の熱交換器。
【請求項４】
前記伝熱管が、燃焼排ガス流路の壁に相対向して、高さ方向において交互に配置されていることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれかに記載された熱交換器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は熱交換器に関し、例えば、廃棄物等を焼却する焼却炉等の燃焼排ガス流路に設置され、燃焼排ガスとの間で熱交換を行う熱交換器に関する。
【背景技術】
【０００２】
産業廃棄物等を焼却する焼却炉等においては、焼却によって発生する燃焼排ガスの熱エネルギーを、低温の気体あるいは液体と熱交換して回収し、回収したエネルギーを有効利用することが行われている。
【０００３】
この種の熱交換器としては、例えば特許文献１に示された熱交換器が提案されている。この熱交換器について図６に基づいて説明する。
図６に示すように、熱交換器３０は、セラミックス製の伝熱管３１と、前記伝熱管３１の内部に、伝熱管３１の内壁と所定の隙間を介して配置された金属内管３２を備えている。また、前記伝熱管３１には気体配管３３が接続され、金属内管３２には気体配管３４が接続されている。
【０００４】
また、前記伝熱管３１は、上部伝熱管３１ａと下部伝熱管３１ｂとが非金属の耐火性材料のカップリング３１ｃで連結されて一体的に形成されている。また、前記伝熱管３１の上端部にはフランジ３１ｄが形成されている。
このフランジ３１ｄが、水平方向に延設された燃焼排ガス流路４０の上壁４０ａに係止、吊設されることにより、伝熱管３１（熱交換器３０）が燃焼排ガス流路４０の壁面に固定される。
【０００５】
そして、燃焼排ガス流路４０内を流れる燃焼排ガスＧが熱交換器３０に当たると、伝熱管３１を介して、気体配管３３から供給される低温の気体Ｌａと燃焼排ガスＧとの間で熱交換が行われる。
前記気体Ｌａは、熱交換がなされながら伝熱管３１の内壁と金属内管３２とのすき間を通じて伝熱管３１の先端部まで達する。その後、熱交換によって高温になされた気体Ｈａは、伝熱管３１の先端部で金属内管３２に流入し、気体配管３４から外部に導出される。
【０００６】
この熱交換器３０にあっては、燃焼排ガスＧと接する伝熱管３１がセラミックスで構成されているため、優れた耐食性を有し、燃焼排ガスＧ中に、ＮＯｘ、ＳＯｘの他に、塩素、フッ素、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いる場合にも、好適に用いることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００６−１６２１０３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
ところで、上記した熱交換器は、燃焼排ガスと気体との間で熱交換がなされるものであり、高効率に熱交換を行うことができないという課題があった。即ち、本発明者は、高効率に熱交換を行うため、燃焼ガスと水などの液体との間で熱交換を行う熱交換器であって、しかも廃棄物等を焼却する焼却炉等の燃焼排ガス流路において好適に用いることができる熱交換器を鋭意検討し、本発明を想到するに至った。
【０００９】
本発明の目的は、廃棄物等を焼却する焼却炉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、高効率に熱交換を行え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、垂直方向に延設され、燃焼排ガスが上方から下方に垂直に流下するように構成された燃焼排ガス流路の壁に設置される熱交換器であって、前記熱交換器は、後端部が開口すると共に、先端部が閉口したセラミックスからなる伝熱管と、前記伝熱管の内壁に対して所定の隙間を介して配置されており、前記隙間と連通する金属内管とを備え、前記伝熱管の先端部が、燃焼排ガスの下流側に傾倒した状態になるよう燃焼排ガス流路内に配置され、前記伝熱管後端部から伝熱管内部に導入された液体が、伝熱管の内壁と金属内管とのすき間を通じて伝熱管の先端部まで達し、先端部で金属内管内部に流入して、前記金属内管の他端部から外部に導出するように構成されていることを特徴としている。
【００１１】
このように、前記伝熱管を燃焼排ガス流路内において、燃焼排ガスの下流側に傾倒した状態に配置することによって、従来例で示したような燃焼排ガスの流れに伝熱管を垂直あるいは水平に比べ、熱伝達率が大きくなり、熱交換を高効率に行うことができる。
特に、前記伝熱管に流入した液体は、伝熱管の内壁と金属内管とのすき間で沸騰し、沸騰によって生じる気泡は伝熱管の開口端側（後端側）に移動し、伝熱管の開口端側から供給される液体と衝突し撹拌され、最終的に高温になった液体が伝熱管の先端部で金属内管内部に流入して、前記金属内管の他端部から外部に流出するため、十分な熱交換がなされる。
更に、前記伝熱管の外表面に結露が生じた際にも、前記結露による、硫酸、硝酸等の成分を含む水滴が、燃焼排ガス流路の壁側（内表面側）に流れないため、伝熱管を取付けるための部材等の腐食を抑制することができる。
【００１２】
ここで、前記燃焼排ガス流路の壁に、この壁に対する垂線と平行に貫通孔が形成され、この貫通孔に、燃焼排ガス流路の内壁面に相当する位置において屈曲する形状に形成された伝熱管が設置されていることが望ましい。
【００１３】
また、前記燃焼排ガス流路の壁に、この壁に対する垂線から燃焼排ガス流路の下流側に、所定角度傾斜した貫通孔を形成し、この貫通孔に直線状の伝熱管が設置されることが望ましい。
更に、前記伝熱管が、燃焼排ガス流路の壁に相対向して、高さ方向において交互に配置されていることが望ましい。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、廃棄物等を焼却する焼却炉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、高効率に熱交換を行える熱交換器を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の一実施形態にかかる熱交換器を示す断面図である。
【図２】図１に示された一つの熱交換器を示す断面図である。
【図３】図２に示された熱交換器の要部拡大図である。
【図４】図３のＩ−Ｉ断面図である。
【図５】本発明にかかる熱交換器の変形例を示す断面図である。
【図６】従来の熱交換器を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、本発明の熱交換器にかかる実施形態を図１乃至図４基づいて説明する。
この熱交換器１は、図１に示すように、焼却炉や溶融炉等３０と、脱硫、脱硝装置等の浄化装置２０との間の燃焼排ガス流路１０の壁１０ａに設置される。
この熱交換器１が設置される燃焼排ガス流路１０は垂直方向に延設され、燃焼排ガスＧが燃焼排ガス流路１０の上方から下方に位置する浄化装置２０に向けて垂直に流下するように構成されている。
熱交換器１は、図２に示すように、燃焼排ガス流路１０の壁１０ａの内壁面側を不定形耐火物１１により固定され、壁１０ａの外壁面側を固定部材１２（例えば、ゴムなどの弾性体）により固定されている。固定部材１２により固定することで、伝熱管２にかかる応力を緩和し、伝熱管２の破損を防止することができる。
【００１７】
前記熱交換器１は、後端部が開口すると共に、先端部が閉口したセラミックスからなる伝熱管２と、前記伝熱管２の内部に挿入、配置される金属内管３を備えている。この金属内管３は、図２，３に示すように前記伝熱管２の内壁に対して所定の隙間を介して配置されており、前記隙間と金属内管３の内部とは連通している。
【００１８】
前記伝熱管２の後端部には、図２，３に示すようにフランジ２ａが形成され、このフランジ部２ａには、液体ＬＬの導入口４ａが形成された、ステンレスあるいはフッ素樹脂コートされたステンレス製の導入板４が取り付けられている。
そして、この導入板４の中心部分には、図４に示すように、前記金属内管３が挿通しており、前記導入口４ａは金属内管３の周囲に４個の貫通孔として形成されている。尚、この導入口４ａの数は、特に限定されるものではなく、必要に応じて増減することができる。
【００１９】
更に、図２，３に示すように、前記の外側に、液体ＬＬを貯留する、ステンレスあるいはフッ素樹脂コートされたステンレス製の貯留部５が形成されている。この貯留部５には、液体ＬＬを貯留部５に導入するための導入管５ａが取り付けられている。
このように、導入板４の外側に液体ＬＬを貯留する貯留部５が形成されているため、導入管５ａが導入された液体ＬＬは、貯留部５を介して導入板４の導入口４ａから伝熱管２の内部に供給される。尚、前記貯留部５及び前記導入板４は、一体的な一つの部材として構成されているのが、熱交換器１を組立てる上からも好ましい。
【００２０】
前記伝熱管２の内部に供給される液体は、水、工業用水、純水等を用いることができる。特に、伝熱管２および金属内管３への付着・沈着物による閉塞防止の観点から純水を用いるのが好ましい。
【００２１】
また、図中の符号６は，伝熱管２のフランジ２ａと燃焼排ガス流路１０の壁１０ａとの間に配置されたシール部材であって、材質としてはゴム等が用いられる。このシール部材６は、炉壁１０ａから燃焼排ガスが漏れないようになすこと、及び伝熱管２を固定するために用いられる。尚、前記した固定部材１２とこのシール部材６とを一体として形成し、一つの部材とするのが、熱交換器１の組立て上、好ましい。
また、図２，３において、符号１３は、前記伝熱管２、導入板４、貯留部５等を燃焼排ガス流路１０の壁１０ａに取り付けるためのボルトであって、導入板４、受けフランジ１４を挿通し、シール部材６に螺合するように構成され、前記伝熱管２のフランジ２ａは、導入板４と受けフランジ１４によって固定される。尚、図中、符号１５はＯリングである。
【００２２】
更に、前記伝熱管２の構成について詳述する。この伝熱管２は、直線状の管（直管）として形成されている。
図２に示すように、燃焼排ガス流路１０の壁１０ａに前記伝熱管２を挿通する貫通孔１０ｃを、壁１０ａに対する垂線Ｙから燃焼排ガスＧの下流側に、角度θｈ傾斜して形成する。また、焼排ガス流路１０の外表面１０ｄと伝熱管２のフランジ２ａの間に、所定の角度で傾斜した傾斜面を有するシール部材６を介して、前記伝熱管が２が取り付けられている。尚、金属内管４２についても直線状の管（直管）として形成されている。
具体的には、図２，３に示すように、燃焼排ガス流路１０内の伝熱管２は、燃焼排ガス流路１０の壁１０ａの垂線Ｙに対して燃焼排ガスＧの下流側に、角度θ傾倒した状態に配置される。
【００２３】
この角度が２０度未満の場合には、前記伝熱管２の炉内長を十分に確保できず熱交換を高効率に行うことができない。また前記伝熱管２の表面で結露した腐食性を有する液体が燃焼排ガスＧの流れによって燃焼排ガス流路壁１０ａに接触する虞れがあり好ましくない。一方、この角度が６５度超える場合には、前記伝熱管２と前記シール部材６ａとの間のシール性が低下する虞れがある。また隣り合う導入板４、貯留部５、伝熱管２等が近接し、距離が狭くなり設置のためのスペースを確保できない虞があり、または交換作業効率が低下する虞れがあるため好ましくない。したがって、前記角度θは、２０〜６５度の範囲が好ましい。
【００２４】
このように、前記伝熱管２が燃焼排ガスＧの下流側に傾倒した状態に配置されることにより、従来例で示したような燃焼排ガスＧの流れに垂直に配置した場合よりも、前記伝熱管２における燃焼排ガスＧとの接触面積を大きくなすことができ、熱交換を高効率に行うことができる。
【００２５】
また、燃焼排ガス流路１０中を流れる燃焼排ガスＧが伝熱管２と接触した際、硫酸、硝酸等の成分を含む結露が生じることがある。この際、前記伝熱管２は燃焼排ガスＧの下流側に傾倒した状態に配置されているため、硫酸、硝酸等の成分を含む水滴は、伝熱管２の先端部側に流れ落ちる。
このように、前記結露による、硫酸、硝酸等の成分を含む水滴が、燃焼排ガス流路１０の内表面１０ｂ側に流れないため、燃焼排ガス流路壁１０ａ、不定形耐火物１１、シール部材６などの腐食を抑制することができる。またこの結露による水滴は、前記伝熱管２の先端部側から下方向に位置する浄化装置２０に落下し、処理される。
【００２６】
また、図１に示すように、前記伝熱管２が燃焼排ガス流路の壁に相対向して、高さ方向において交互に配置されている。具体的には、左右に夫々３本の伝熱管２を設けているが、これに限定されることなく、数多くの伝熱管２を設置することにより、高効率な熱交換をなすことができる。
また、燃焼排ガスＧには、ＮＯｘ、ＳＯｘの他に、塩素、フッ素、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ため、前記伝熱管２は、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を用いることが好ましい。尚、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。
【００２７】
また、伝熱管２の長さＡは、図１、図２に示すように、燃焼排ガス流路１０の断面が円形状の場合には、燃焼排ガス流路１０の直径Ｂの１／２〜３／２が好ましい。このときの前記伝熱管２の外径Ｄは、熱媒体の流量により適宜選択できるがφ４０〜φ２８０ｍｍ、肉厚が５〜１５ｍｍであることが好ましい。
【００２８】
また、伝熱管の内表面の表面粗さＲａは０．３μｍ〜２００μｍが好ましい。より好ましくは表面粗さＲａは５０μｍ〜１００μｍである。上記範囲とすることにより、熱媒体の核沸騰において適度な大きさの気泡が発生して効率良く熱交換することができる。
【００２９】
また、金属内管３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ステンレス、Ｎｉ基合金等を用いるのが好ましい。
この金属内管３は、伝熱管の長さよりも短く、伝熱管２の先端部において隙間Ｓが伝熱管２の内径ｄの１／２から内径相当に形成されるのが好ましい。伝熱管２の先端部内表面と、金属内管３の先端部の隙間Ｓが伝熱管２の内径ｄの１／２未満の場合には、隙間Ｓ部の内圧が高くなり、伝熱管２の内径ｄ相当以上の場合には先端まで熱媒体（液体）が流れないため好ましくない。
【００３０】
また、金属内管３の内側断面積は、伝熱管２の内側断面積（金属内管３の断面積を除く）の１００％〜１３０％で形成されるのが好ましい。
金属内管３の内側断面積が伝熱管２の内側断面積より小さい場合には、加熱された熱媒体（液体）の体積膨張により内圧が上昇し、熱媒体の流量が低下してしまうため好ましくない。一方、金属内管３の内側断面積が伝熱管２の内側断面積の１３０％より大きい場合には、伝熱管２内を流れる熱媒体（液体）の流量が減少し熱交換を高効率におこなうことができないため好ましくない。
【００３１】
また、金属内管５の外周面表面粗さは圧力損失を低くするため滑らかな方が好ましい。管長手方向でＲａ≦１μｍであることが好ましい。
【００３２】
次に、本発明にかかる熱交換器１の動作、作用について説明する。まず、液体導入管５ａから貯留部５に導入された液体ＬＬ（例えば、水）は、導入板４の導入口４ａから伝熱管２の内部に導出される。そして、この液体はＬＬ伝熱管２の内壁と金属内管３とのすき間を通じて伝熱管２の先端部まで達し、先端部で金属内管３内部に流入して、前記金属内管３の他端部から外部に流出する。
【００３３】
このとき、前記伝熱管２は、燃焼排ガス流路１０を流通する燃焼排ガスＧによって加熱されており、前記伝熱管２に流入した液体は、熱交換によって高温の液体ＬＨとなって前記金属内管３の他端部から外部に導出される。
【００３４】
このとき、燃焼排ガスＧの温度は一般的に１００〜３００℃であるため、前記伝熱管２の温度も前記温度に加熱される。
その結果、前記伝熱管２に流入した液体は、伝熱管２の内壁と金属内管３とのすき間で沸騰する。図２に示すように、この沸騰によって生じる気泡Ｆは伝熱管２の開口端側に移動し、伝熱管２の開口端側から供給される液体と衝突し、十分な熱交換がなされる。
そして、最終的に高温になった液体ＬＨが伝熱管２の先端部で金属内管３内部に流入して、前記金属内管３の他端部から外部に流出する。
【００３５】
次に、本発明にかかる熱交換器の変形例を図５に示す。この熱交換器４０は、前記した実施形態における伝熱管２のように直線状の形状ではなく、燃焼排ガス流路１０の内壁面１０ｂに相当する位置において屈曲した形状に形成された、屈曲管が用いられている点に特徴がある。即ち、この伝熱管４１は、図５に示すように、燃焼排ガス流路壁１０ａの内表面１０ｂの位置する箇所で屈曲し、前記伝熱管２の先端部が燃焼排ガスＧの下流側に傾倒した状態になるように配置されている。
【００３６】
具体的には、図５に示すように、燃焼排ガス流路１０内の伝熱管４１は、燃焼排ガス流路１０の壁１０ａの垂線Ｙに対して燃焼排ガスＧの下流側に、角度θ傾倒した状態に配置される。また、金属内管４２についても、燃焼排ガス流路壁１０ａの内表面１０ｂの位置する箇所で屈曲し、前記金属内管４２の先端部が燃焼排ガスＧの下流側に傾倒した状態になるように配置されている。尚、屈曲した伝熱管４１が用いられるため、シール部材４３は、前記した傾斜面を有するシール部材６と異なり、傾斜面を有しないものを用いることができる。
【符号の説明】
【００３７】
１      熱交換器
２      伝熱管 
２ａ    フランジ 
３      金属内管
４      導入板
５      貯留部
６      シール部材
１０    燃焼排ガス流路
１０ａ  壁
１０ｂ  内表面
１０ｃ  貫通孔
１０ｄ  外表面
２０    浄化装置
４０    熱交換器
４１    伝熱管
４２    金属内管
４３    シール部材
θ      燃焼排ガス流路の壁面に対する垂線と、伝熱管とのなす角度
θｈ    燃焼排ガス流路の壁面に対する垂線と、伝熱管を挿通する貫通孔がなす角度
【図１】
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【図２】
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【図３】
2012097991.tif 000005
【図４】
2012097991.tif 000006
【図５】
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【図６】
2012097991.tif 000008