(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
上昇する高温腐食性ガスの雰囲気中に伝熱管が設けられ、前記伝熱管を介して前記高温ガスとの間で熱交換を行って、前記伝熱管内を流れる被加熱空気を加熱する高温空気加熱器において、
前記伝熱管は、先端が封止されたセラミックス製の伝熱外管と、前記伝熱外管内に挿着され該伝熱外管との間に空隙を有して配置された内管とを備え、
前記伝熱外管は、耐火壁に形成された取付孔に支持部材を介在させて前記高温腐食性ガスの流れ方向に対し直交する方向に挿通され、前記内管は先端部が開放され、かつ金属より熱伝導率の低い断熱構造に形成されて、前記被加熱空気は前記空隙を通過する間に前記伝熱外管を介して前記高温ガスにより加熱され、加熱後は前記開放先端部から前記内管内へと流れることを特徴とする高温空気加熱器。
【請求項２】
請求項１記載の高温空気加熱器において、
前記内管は金属以外の熱伝導率の低い断熱材で形成されていることを特徴とする高温空気加熱器。
【請求項３】
請求項１記載の高温空気加熱器において、
前記内管は金属製の二重管で形成され、その二重管の外側の管と内側の管との間に断熱材が充填されていることを特徴とする高温空気加熱器。
【請求項４】
請求項１記載の高温空気加熱器において、
前記内管は金属製の二重管で形成され、その二重管の外側の管と内側の管との間が真空であることを特徴とする高温空気加熱器。
【請求項５】
請求項２又は３記載の高温空気加熱器において、
前記断熱材はセラミックスであることを特徴とする高温空気加熱器。
【請求項６】
廃棄物を熱分解し、熱分解ガスと主として不揮発性成分から成る熱分解残留物とを生成する熱分解反応器と、該熱分解反応器で生成された熱分解ガスと熱分解残留物とを分解して排出する排出装置と、該排出装置から排出された前記熱分解残留物を燃焼性成分と不燃焼性成分とに分離する分離装置と、前記熱分解ガス及び前記燃焼性成分を移送し燃焼させる燃焼溶融炉と、燃焼溶融炉で生じた高温排ガスの熱を空気に吸収させて回収する高温空気加熱器とを備えた廃棄物処理装置において、
前記高温空気加熱器として、請求項１〜５のいずれかに記載の高温空気加熱器を設置したことを特徴とする廃棄物処理装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は高温ガスの熱回収に係り、特に、都市ごみ焼却炉や産業廃棄物焼却炉における廃棄物（家庭やオフィスなどから出される都市ごみなどの一般廃棄物、廃プラスチック、カーシュレッダー・ダスト、廃オフィス機器、電子機器、化粧品などの産業廃棄物など、可燃物を含むもの）の焼却処理で発生する高温の燃焼ガスの熱エネルギを空気と熱交換することにより回収し、熱エネルギの有効利用を図る高温空気加熱器に関する。
【０００２】
【従来の技術】
都市ごみ焼却炉や産業廃棄物焼却炉では、廃棄物の焼却処理で発生する高温の燃焼ガスの熱エネルギを回収して有効利用するため、高温空気加熱器が設けられている。高温空気加熱器は、金属製の伝熱管内に空気を流通させて、高温の燃焼ガスとの熱交換により空気を高温に加熱して熱回収するものであって、高効率のエネルギ資源回収システムである。そして、回収された熱エネルギは、廃棄物の熱分解、発電及びその他の施設に熱源として有効利用されている。なお、高温空気加熱器の伝熱管は、焼却炉内に直接挿入配置されている。
【０００３】
ところで、都市ごみ焼却炉や産業廃棄物焼却炉で発生する高温排ガスは、廃棄物の種類に起因する塩素や塩化水素などの、高温における金属との反応で生成した生成物が短時間で蒸発消失してしまうような、著しく腐食性の高い腐食性物質を含む高腐食性のガスである。そのため、これらの焼却炉内に設置され、高温、高腐食性ガス雰囲気にさらされる空気加熱器の伝熱管は、その材質の面からも、構造の面からも、このような高温の腐食性ガスに対して十分な耐食性を有することが要求されている。
【０００４】
従来より、各種耐高温腐食用合金の開発が進められているが、このような焼却炉の高温、高腐食性ガスに対して十分な耐食性を有する耐食性合金はまだ見出されていない。そのため、伝熱管の耐食性を向上させる方法として、▲１▼金属製伝熱管にスタッドピンを溶接し、その周囲に不定形耐火材を設置することや、▲２▼金属製伝熱管に直方形を基本とする耐火材れんがを縦横の目地で繋いで設置することなどが提案されている。これらの方法は、耐火材が腐食性ガス相における対流や相互拡散の物理的な障壁として働き、酸素、塩素等の腐食性ガスの伝熱管表面への到達や反応生成物のガス相内での輸送を抑止するといった作用で、伝熱管の腐食をある程度は抑止している。
【０００５】
また、耐火材を使用せず、セラミックスを用いて伝熱管を形成し、伝熱管の耐食性を向上させる方法も考えられている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来技術のうち耐火材を用いた▲１▼の方法では、伝熱管端部や管寄部において、スタッドピンの損傷、不定形耐火材の割れや局所的な剥離・脱落の恐れがある。さらに、▲２▼の方法でも、耐火材れんがの局所的な剥離・脱落の恐れがある。いずれの場合においても、耐火材と金属製の伝熱管との熱膨張差により、耐火材にクラックを生じ、そのために耐火材の固定金具が腐食損傷したり、耐火材自身の損傷剥離が起こり、金属製の伝熱管の損傷などの深刻な腐食現象があり、空気加熱器の寿命が短くなることが予想される。耐火材の割れや局所的な剥離・脱落を防止するには厚肉の耐火材を使用する方法もあるが、この場合は高温空気加熱器の占有体積及び重量の増加が余儀なくされる。
【０００７】
また、セラミックスを用いて伝熱管を形成する方法では、緻密なセラミックス材料を用いれば伝熱管を薄肉化できるので、コンパクトな高温空気加熱器を得ることができるが、高温空気加熱器を炉壁に支持する際に問題が生じる。すなわち、セラミックスを用いて伝熱管を形成した場合、炉内では伝熱管の温度レベルは高くなるので、高温空気加熱器を炉壁に支持する部位の温度レベルも高くなって、当該部位の腐食反応が無視できなくなり、耐久性に問題が生じる恐れがある。
【０００８】
本発明の目的は、伝熱管をセラミックスで構成した場合でも、耐久性に優れ、更には伝熱特性にも優れた高温空気加熱器を提供することである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明は、上昇する高温腐食性ガスの雰囲気中に伝熱管が設けられ、前記伝熱管を介して前記高温ガスとの間で熱交換を行って、前記伝熱管内を流れる被加熱空気を加熱する高温空気加熱器において、前記伝熱管は、先端が封止されたセラミックス製の伝熱外管と、前記伝熱外管内に挿着され該伝熱外管との間に空隙を有して配置された内管とを備え、前記伝熱外管は、耐火壁に形成された取付孔に支持部材を介在させて前記高温腐食性ガスの流れ方向に対し直交する方向に挿通され、前記内管は先端部が開放され、かつ金属より熱伝導率の低い断熱構造に形成されて、前記被加熱空気は前記空隙を通過する間に前記伝熱外管を介して前記高温ガスにより加熱され、加熱後は前記開放先端部から前記内管内へと流れることを特徴としている。
【００１０】
上記構成によれば、被加熱空気は伝熱外管と内管との間の空隙を流れ、開放先端部から内管に流入して該内管を流れる。そして、伝熱外管と内管との間の空隙を通過するときのみ被加熱空気は加熱される。すなわち、内管は金属より熱伝導率の低い断熱構造に形成されているので、内管内外での熱交換量は低く抑制される。その結果、内管内での被加熱空気の温度変化は許容できる程度に小さく抑えられ、高い伝熱性能を得ることができる。また、一般に伝熱管は炉壁に支持されるが、伝熱管を支持する支持部付近では、伝熱外管と内管との間の空隙を流れる被加熱空気は加熱前であるから、前記支持部の温度レベルは低く抑えられ、当該支持部での高温ガスとの腐食反応を防ぐことができる。これにより、熱的及び機械的応力に起因する損傷等が防止される。
【００１１】
上記高温空気加熱器を構成するに際しては、以下の要素を付加することができる。
（１）前記内管は金属以外の熱伝導率の低い断熱材で形成されている。
（２）前記内管は金属製の二重管で形成され、その二重管の外側の管と内側の管との間に断熱材が充填されている。
（３）前記内管は金属製の二重管で形成され、その二重管の外側の管と内側の管との間が真空である。
（４）前記断熱材はセラミックスである。
【００１２】
また、本発明は、廃棄物を熱分解し、熱分解ガスと主として不揮発性成分から成る熱分解残留物とを生成する熱分解反応器と、該熱分解反応器で生成された熱分解ガスと熱分解残留物とを分解して排出する排出装置と、該排出装置から排出された前記熱分解残留物を燃焼性成分と不燃焼性成分とに分離する分離装置と、前記熱分解ガス及び前記燃焼性成分を移送し燃焼させる燃焼溶融炉と、燃焼溶融炉で生じた高温排ガスの熱を空気に吸収させて回収する高温空気加熱器とを備えた廃棄物処理装置において、前記高温空気加熱器として上記高温空気加熱器を設置したことを特徴としている。
【００１３】
上記構成によれば、高温空気加熱器の伝熱性能及び耐久性能が向上するため、そこで得た加熱空気の利用先、例えば熱分解反応器等において、熱媒体温度の変動が小さくなり、そこでの熱分解性能の向上及び長期の安定運転を実現できる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面に従って説明する。
図１は本発明の高温空気加熱器の断面構造を示している。図１に示すように、本発明の高温空気加熱器の伝熱管１は、先端が封止されたセラミックス製の伝熱外管２と、伝熱外管２内に挿着され伝熱外管２との間に空隙３を有して配置された内管４とを備えている。伝熱外管２は、熱伝導性の高いＳiＣまたはＳiＣ−Ｓi複合材で形成されている。内管４の先端は開放されており、開放先端部４Ａが形成されている。内管４は金属より熱伝導率の低い断熱構造に形成されている。すなわち、内管４は金属製の二重管で形成され、その二重管の外側の管と内側の管との間に断熱材５が充填されている。
【００１５】
上記伝熱管１は燃焼炉内の高温・高腐食性ガス流６内に配置され、伝熱外管２と内管４との間の空隙３内を図の矢印のように流れる被加熱空気７が、高温・高腐食性ガス流６により加熱される。加熱された被加熱空気７は、開放先端部４Ａから内管４内に入り、内管４内を図の矢印のように流れる。内管４の二重管には断熱材５が充填されているので、内管内外での熱交換量は低く抑制される。その結果、内管４内での被加熱空気７の温度変化は許容できる程度に小さく抑えることができ、高い伝熱特性を得ることができる。断熱材５としては、アルミナ、シリカ等の単独酸化物、またはそれらを含むムライト、スピネル等の複合酸化物が使用できる。
【００１６】
なお、内管４の二重管の内部は、断熱材５を充填しないで、真空にしておいても、上記と同様な作用効果を得ることができる。
【００１７】
また、図２に示すように、内管４全体をセラミックスで形成しても、同様な作用効果を得ることができる。この場合も、内管４の先端は開放されており、開放先端部４Ａが形成されている。
【００１８】
図３は、上記高温空気加熱器の伝熱管１を炉壁に取り付けた様子を示している。図３に示すように、炉の耐火壁１０には取付孔１１が形成され、この取付孔１１内に高温空気加熱器の伝熱管１が挿通されている。耐火壁１０の外面は補強部材１２で覆われ、この補強部材１２の一部は取付孔１１内にも設けられている。取付孔１１内では、補強部材１２の表面がテーパ状に形成されている。また、取付孔１１の内面には支持部材１３が設けられている。
【００１９】
一方、伝熱外管２の基部には外周がテーパ状の端面フランジ２Ａが形成されており、伝熱外管２は、取付孔１１内に挿通したとき、端面フランジ２Ａが補強部材１２のテーパ面に、基部側の管状側面２Ｂが支持部材１３にそれぞれ当接して、耐火壁１０に支持される。
【００２０】
伝熱外管２の端面フランジ２Ａには取付金具１４が設けられ、この取付金具１３は、補強部材１２に突設された取付金具１５にボルトとナットで固定される。また、耐火壁面１０の外側には被加熱空気７が流れるダクト１６が設けられている。
【００２１】
上記構成において、被加熱空気７はダクト１６から、伝熱外管２と内管４との間の空隙３内へ図の矢印のように流入し、この空隙３内で加熱され、加熱された被加熱空気７は内管４内から、矢印のように外部へ流れて回収される。そして、図３においては、被加熱空気７は伝熱外管２の基部（耐火壁１０への支持部）付近を流れるときは加熱前であるので、基部付近での温度レベルは低く抑えられ、当該基部での高温ガスとの腐食反応を防ぐことができる。その結果、熱的及び機械的応力に起因する損傷等を防止することができる。
【００２２】
なお、図示しないが、伝熱管１に被加熱空気７を導入する導入手段と、加熱空気を取り出して回収する取出手段とが設けられており、回収された熱エネルギの有効利用を図るように構成されている。
【００２３】
次に、図４は、本発明に係る高温空気加熱器を用いた廃棄物処理装置の一実施の形態を示す系統図である。本実施の形態の廃棄物処理装置において、都市ごみ等の廃棄物ａは、例えば二軸剪断式等の破砕機で、１５０ｍｍ角以下に破砕され、コンベア等により投入部５０内に投入される。投入部５０に投入された廃棄物ａはスクリューフィーダ５１を経て熱分解反応器５２内に供給される。熱分解反応器５２のドラム本体部分は回転する。廃棄物ａは熱分解反応器５２内で、焼却炉、例えば熱分解残留物等を燃焼させ溶融させる燃焼溶融炉５３の後流側に配置された熱交換器である高温空気加熱器５４により加熱され、加熱空気ラインＬ１を介して供給される加熱空気ｇ（熱媒体）により３００〜６００℃に、通常は４５０℃程度に加熱される。
【００２４】
さらに、加熱空気ｇにより加熱された廃棄物ａは、熱分解して熱分解ガスＧ１と、主として不揮発性成分からなる熱分解残留物ｂとになり、排出装置５５に送られて分離される。排出装置５５で分離された熱分解ガスＧ１は、排出装置５５の上部から熱分解ガスラインＬ２を経て燃焼溶融炉５３のバーナ５６に供給される。排出装置５５から排出された熱分解残留物ｂは、４５０℃程度の比較的高温であるため、冷却装置５７により８０℃程度に冷却され、例えば磁選式、うず電流式、遠心式又は風力選別式等の公知の単独又は組み合わされた分離装置５８に供給され、ここで細粒の燃焼性成分ｃ（灰分を含む）と粗粒の不燃焼性成分ｄとに分離され、不燃焼性成分ｄはコンテナ５９に回収され再利用される。
【００２５】
さらに、燃焼性成分ｃは、粉砕機６０により、例えば１ｍｍ以下に微粉砕され、燃焼性成分ラインＬ３を経て燃焼溶融炉５３のバーナ５６に供給され、熱分解ガスラインＬ２から供給された熱分解ガスＧ１と、送風機６１により燃焼用空気ラインＬ４から供給された燃焼用空気ｅと共に１３００℃程度の高温域で燃焼され、このとき発生した灰分はその燃焼熱により溶融スラグｆとなって、この燃焼溶融炉５３の内壁に付着し、さらに、内壁を流下し底部排出口６２から水層６３に落下し冷却固化される。
【００２６】
燃焼溶融炉５３で生じた高温排ガスＧ２は、図１及び図２に示した上記本発明に係る高温空気加熱器５４を経て煙道ガスラインＬ５を介して廃熱ボイラ６４で熱回収され、集塵器６５で除塵され、更に排ガス浄化装置６６で有害成分が除去された後、低温のクリーンな排ガスＧ３となって誘引送風機６７を介して煙突６８から大気へ放出される。廃熱ボイラ６４で生成した蒸気は、蒸気タービンを有する発電機６９で発電に利用される。クリーンな排ガスＧ３の一部はファン７０を介して冷却ガスラインＬ６により冷却装置５７に供給される。
【００２７】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、内管は金属より熱伝導率の低い断熱構造に形成され、被加熱空気は伝熱外管と内管との間の空隙を通過するときのみ加熱され、内管内では被加熱空気は熱的に孤立しているので、内管内での被加熱空気の温度変化は許容できる程度に小さく抑えられ、高い伝熱特性を得ることができる。
【００２８】
また、伝熱管を支持する支持部付近では、伝熱外管と内管との間の空隙を流れる被加熱空気は加熱前であるから、支持部の温度レベルは低く抑えられ、当該支持部での高温ガスとの腐食反応を防ぐことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の高温空気加熱器の要部断面図である。
【図２】本発明の変形例による高温空気加熱器の要部断面図である。
【図３】本発明の高温空気加熱器の耐火壁への支持構造を示した断面図である。
【図４】本発明の高温空気加熱器を設置した廃棄物処理装置の系統図である。
【符号の説明】
１  伝熱管
２  伝熱外管
２Ａ  端面フランジ
２Ｂ  管状側面
３  空隙
４  内管
４Ａ  開放先端部
５  断熱材
６  高温・高腐食性ガス流
７  被加熱空気
１０  耐火壁
１１  取付孔
１２  補強部材
１３  支持部材
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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