(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
比較的低温の空気及び水蒸気を混合し、空気及び水蒸気の混合気を加熱し、高温混合気を導入すべき外部機器に対して高温混合気を供給する混合加熱装置において、
燃焼反応による燃焼排ガスを生成する燃焼域と、
低温空気及び燃焼排ガスを交互に流通可能な流路を備えた蓄熱型熱交換器とを有し、
該熱交換器は、空気予熱部と、混合気加熱部とに分割され、水蒸気を導入可能な水蒸気混合室が前記空気予熱部と前記混合気加熱部との間に画成され、前記空気予熱部は、前記低温空気を前記水蒸気の温度以上の温度に加熱することを特徴とする混合加熱装置。
【請求項２】
前記熱交換器は、多数の狭小流路を備えたハニカム構造の蓄熱体を有することを特徴とする請求項１に記載の混合加熱装置。
【請求項３】
少なくとも１対の前記熱交換器と、
前記燃焼域と前記熱交換器との間に配置された給排流路と、
該給排流路に接続され且つ前記外部機器に高温給気流を供給する高温給気流路と、
前記給排流路に配置された流路切換弁とを有し、
前記流路切換弁は、第１の前記熱交換器と前記燃焼域との連通を遮断し且つ第２の前記熱交換器と前記燃焼域とを連通させる第１位置と、前記第２熱交換器と前記燃焼域との連通を遮断し且つ前記第１熱交換器と前記燃焼域とを連通させる第２位置とに交互に切換えられ、
前記第１位置では、前記第１熱交換器により加熱された高温混合気流は、前記給排流路から前記高温給気流路に送出され、前記燃焼域の燃焼排ガスは、前記給排流路及び第２熱交換器を介して排気され、前記第２位置では、前記第２熱交換器により加熱された給気流は、前記給排流路から前記高温給気流路に送出され、前記燃焼域の燃焼排ガスは、前記給排流路及び第１熱交換器を介して排気されることを特徴とする請求項１又は２に記載の混合加熱装置。
【請求項４】
前記燃焼域は、連続運転可能な単一のバーナー設備を備え、前記高温給気流路は、該給気流路を開閉制御する開閉制御弁を備えることを特徴とする請求項３に記載の混合加熱装置。
【請求項５】
一対の前記熱交換器と、一対の前記燃焼域と、単一の分流域とを備え、
前記分流域は、第１及び第２燃焼域の間に配置され、第１燃焼域は、前記分流域と第１熱交換器との間に配置され、第２燃焼域は、前記分流域と第２熱交換器との間に配置され、前記外部機器に高温混合気を供給する高温給気流路が、前記分流域に接続され、
第１加熱工程において第１熱交換器によって加熱された混合気は、前記分流域において外部機器供給流と機内燃焼用気流とに分流し、外部機器供給流は、前記高温給気流路によって外部機器に供給され、前記機内燃焼用気流は、第２燃焼域に導入され、燃焼した後、第２熱交換器を介して排気され、
第２加熱工程において第２熱交換器によって加熱された混合気は、前記分流域において外部機器供給流と機内燃焼用気流とに分流し、外部機器供給流は、前記高温給気流路によって外部機器に供給され、前記機内燃焼用気流は、第１燃焼域に導入され、燃焼した後、第１熱交換器を介して排気され、
前記第１加熱工程及び第２加熱工程は交互に実行されることを特徴とする請求項１又は２に記載の混合加熱装置。
【請求項６】
請求項３乃至５のいずれか１項に記載の混合加熱装置の高温給気流路を固体又は液体燃料のガス化炉に接続したことを特徴とする固体又は液体燃料のガス化装置。
【請求項７】
固体又は液体燃料のガス化炉が生成した熱分解ガスを改質する改質炉に対して、請求項３乃至５のいずれか１項に記載の混合加熱装置の高温給気流路を接続したことを特徴とする固体又は液体燃料のガス化装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、混合加熱装置に関するものであり、より詳細には、比較的低温の空気及び水蒸気を混合し且つ加熱し、ガス化炉、改質炉等の外部機器に対して高温混合気を連続供給する混合加熱装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
加熱炉、焼却炉等の燃焼炉、微粉端ボイラー又は重油ボイラー等のボイラー、石炭ガス化炉、廃棄物ガス化炉等のガス化炉、固形物又は半固形物を還元雰囲気で熱分解する熱分解炉、更には、熱分解ガスを改質する改質炉等の反応炉が知られている。この種の炉又は燃焼機器に対して、比較的高温の予熱空気を供給し、燃焼反応又はガス化作用を促進する技術が、近年殊に注目されている。燃焼用空気を高温に加熱する技術として、ハニカム型又はペレット型蓄熱体等を用いた蓄熱型熱交換装置が、本願出願人による特願平５─６９１１号（特開平６−２１３５８５号公報）等に開示されている。蓄熱型熱交換装置は、一対の蓄熱体を利用して空気を高温に予熱する燃焼用空気供給システムを構成し、蓄熱体は、大気温相当の低温空気と、燃焼域の燃焼排ガスとに交互に接触する。燃焼排ガスに接触して受熱した蓄熱体は、燃焼ガス温相当の温度に加熱され、低温空気は、加熱後の蓄熱体に伝熱接触して受熱し、８００℃を超える高温に予熱される。
【０００３】
本発明者等は、このような蓄熱体の構成を応用し、高温空気、高温水蒸気又は高温不活性ガス等の高温気流を燃焼炉等に連続供給することができる給気流加熱装置を開発し、特願平１０−１８９号（特開平１０−２４６４２８号公報）等において提案している。この形式の加熱装置は、８００℃を超える高温空気及び高温水蒸気を石炭又は廃棄物ガス化装置等に連続供給可能な高温空気等発生装置として既に実用化されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
上記高温空気等発生装置は、一対の蓄熱型熱交換器、一対の燃焼域及び単一の分流域から構成され、第１工程と第２工程とを交互に反復する。第１工程では、低温空気又は水蒸気は、第１蓄熱体で加熱し、加熱後の高温気流は、外部機器供給流と機内燃焼用気流とに分流する。外部機器供給流は、機外のガス化炉等に供給され、他方、機内燃焼用気流は、第２燃焼域に導入され、第２燃焼域で燃焼する。第２燃焼域に生成した高温の燃焼排ガスは、第２蓄熱体を高温に加熱した後、排気される。第２工程では、低温空気又は水蒸気は、第２蓄熱体で加熱された後、外部機器供給流と機内燃焼用気流とに分流する。第１工程と同様、外部機器供給流は、機外のガス化炉等に供給され、機内燃焼用気流は、第１燃焼域に導入され、第１燃焼域で燃焼して高温の燃焼排ガスを生成する。燃焼排ガスは、第１蓄熱体を通して排気される。高温空気等発生装置は、第１及び第２工程を交互に反復することにより、ガス化炉等に高温空気又は高温水蒸気を連続的に供給する。
【０００５】
このような構成の高温空気等発生装置は、高温の空気流又は水蒸気流をガス化炉等に連続的に供給するという所期の目的を達成したばかりでなく、連続供給される空気及び水蒸気の温度及び流量が極めて安定することが本発明者等の実験で判明したことから、７００℃を超える高温給気流を安定的に外部機器に供給可能な画期的な高温空気又は高温水蒸気発生装置として、高い評価を受けるに至った。
【０００６】
近年、廃棄物ガス化装置に関し、高温水蒸気及び高温空気の混合気をガス化炉及び改質炉に導入するシステム構成が提案され、本願発明者等は、その実用化研究に既に着手し、実用化実験を実施している。この種のシステムでは、大気温相当温度の常温空気を水蒸気と混合した後、空気及び水蒸気の混合気をハニカム構造の蓄熱体に導入し、蓄熱体の放熱により混合気を加熱する。ここに、一般的な水蒸気発生装置、例えば、石油又は石炭燃焼ボイラー、或いは、廃ガスボイラー等で生成した水蒸気は、約１５０℃程度の温度を保有するにすぎず、このため、水蒸気を常温空気に直に混合した際に水蒸気が凝集ないし凝縮し、再液化する現象が観られる。従って、低温空気を水蒸気温度以上の温度に予熱すべく、電気加熱器等の空気加熱器を蓄熱体上流の空気供給路に配設し、空気加熱器で予熱した空気を水蒸気と混合する方式が採用されている。
【０００７】
しかしながら、このような空気加熱器を給気流加熱装置の空気供給路に付加的に設けた場合、システム全体の初期設備費が高額化するばかりでなく、空気加熱器を運転するための動力又は燃料の供給、更には、空気加熱器の維持管理が必要となるので、エネルギー効率が悪化し、ランニングコストが増大するという課題が生じた。
【０００８】
本発明は、かかる課題に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、比較的低温の空気及び水蒸気を混合し且つ加熱し、外部機器に対して高温混合気を連続供給する混合加熱装置において、水蒸気と混合する空気を加熱する空気加熱器を付加的に設けず、しかも、水蒸気の凝集又は凝縮を生じさせることなく、空気及び水蒸気を良好に混合することができる混合加熱装置を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段及び作用】
上記目的を達成すべく、本発明の混合加熱装置は、燃焼反応による燃焼排ガスを生成する燃焼域(6) と、低温空気及び燃焼排ガスを交互に流通可能な流路を備えた蓄熱型熱交換器(11:12) とを有し、熱交換器は、低温空気を加熱する空気予熱部(11A:12A) と、空気及び水蒸気の混合気を加熱する混合気加熱部(11B:12B) とに分割される。水蒸気を導入可能な水蒸気混合室(11C:12C) が空気予熱部と混合気加熱部との間に形成され、空気予熱部は、低温空気を水蒸気の温度以上の温度に加熱して水蒸気混合室に通す。
本発明の上記構成によれば、水蒸気混合室に導入された低温水蒸気は、空気予熱部を通過した空気と混合する。空気予熱部を通過した空気は、空気予熱部によって既に加熱され、水蒸気温度よりも高い温度を有する。従って、低温水蒸気の凝集又は凝縮は、発生しない。
【００１０】
【発明の実施の形態】
本発明の好適な実施形態によれば、上記熱交換器は、多数の狭小流路を備えたハニカム構造の蓄熱体により構成される。更に好ましくは、蓄熱体の各部寸法及び材質は、０．８以上の温度効率を発揮するように設定される。
本発明の実施形態において、混合加熱装置は、少なくとも１対の上記熱交換器、給排流路(13-17) 、高温給気流路(H1:H2:HA:HB:HG)及び流路切換弁(30)を有する。給排流路は、燃焼域と熱交換器との間に配置され、高温給気流路は、給排流路に接続され、外部機器に高温給気流を供給する。流路切換弁は、給排流路に配置され、第１の熱交換器と燃焼域との連通を遮断し且つ第２熱交換器と燃焼域とを連通させる第１位置と、第２熱交換器と燃焼域との連通を遮断し且つ第１熱交換器と燃焼域とを連通させる第２位置とに交互に切換えられる。第１位置では、第１熱交換器により加熱された高温混合気流は、給排流路から高温給気流路に送出され、燃焼域の燃焼排ガスは、給排流路及び第２熱交換器を介して排気される。第２位置では、第２熱交換器により加熱された給気流は、給排流路から高温給気流路に送出され、燃焼域の燃焼排ガスは、給排流路及び第１熱交換器を介して排気される。
【００１１】
好ましくは、燃焼域は、連続運転可能な単一のバーナー設備を備え、高温給気流路は、該給気流路を開閉制御する開閉制御弁を備える。
本発明の他の実施形態では、特願平１０−１８９号（特開平１０−２４６４２８号公報）等に開示された形式の装置、即ち、一対の蓄熱型熱交換器(11:12) 、一対の燃焼域(13:14) 及び単一の分流域(9) を備えた構成の給気流加熱装置において、熱交換器は、低温空気を加熱する空気予熱部(11A:12A) と、空気及び水蒸気の混合気を加熱する混合気加熱部(11B:12B) とに分割され、水蒸気を導入可能な水蒸気混合室(11C:12C) が空気予熱部と混合気加熱部との間に形成される。
本発明の好ましい実施形態によれば、複数の上記混合加熱装置を備えた混合加熱システムが提供され、各混合加熱装置は、単一の燃焼域を共用する。
【００１２】
本発明の他の好ましい実施形態では、上記混合加熱装置は、固体又は液体燃料ガス化装置の熱源設備を構成し、高温給気流路は、固体又は液体燃料ガス化炉及び／又は熱分解ガス改質炉に接続される。
図１は、本発明の好適な実施形態を概念的に示す混合加熱装置の概略断面図である。本実施形態において、混合加熱装置は、高温空気を連続的に外部機器に供給する高温空気発生装置を構成する。高温空気の温度は、８００℃以上の温度に設定される。
【００１３】
混合加熱装置１は、給気給送路ＬＡを介して導入した大気温相当温度の低温空気（常温空気）を高温に加熱する第１及び第２の蓄熱型熱交換器１１、１２を備える。熱交換器１１、１２は、多数の狭小流路を備えたハニカム構造のセラミックス製蓄熱体からなる。給気給送路ＬＡには、強制給気ファン２が介装される。給気給送路ＬＡは、熱交換器１１、１２と交互に連通し、低温空気を熱交換器１１、１２に交互に供給する。強制排気ファン３を備えた排気導出路ＥＸが、熱交換器１１、１２と交互に連通し、給気給送路ＬＡと連通していない側の熱交換器１１、１２から燃焼排ガスを機外に誘引し、排気する。
【００１４】
第１及び第２の直線流路１３、１４が、熱交換器１１、１２の前方に延び、直線流路１３、１４は、傾斜流路１５、１６に連続する。傾斜流路１５、１６は、混合加熱装置１の中心軸線に対して所定角度をなして屈曲し、接続部１７に連続する。接続部１７には、流路切換弁３０が配設され、流路切換弁３０は、弁軸３２及び可動弁体３１を備える。可動弁体３１は、弁軸３２を中心に第１位置（図１Ａ）及び第２位置（図１Ｂ）に交互に切り替えられる。弁軸３２及び可動弁体３１は、１０００℃を超える高温雰囲気で作動可能な耐熱材料、例えば、アルミナ、ジルコニア等のセラミックスの成形部材からなり、好ましくは、冷却水流路が弁軸３２の軸芯部に形成される。
【００１５】
混合加熱装置１は、熱風炉７を有し、熱風炉７は、連続運転する単一のバーナー設備５を備えた単一の燃焼域６を備える。燃焼域６は、接続部１７の前方に配設される。流路１５、１６は、流路切換弁３０の切換制御により、燃焼域６と交互に連通する。
【００１６】
燃焼用空気（常温空気）を供給する空気供給路ＣＡが、バーナー設備５に接続される。空気供給ファン４が、空気供給路ＣＡに介装され、燃焼用空気をバーナー設備５に連続供給する。ＬＰＧ、軽油、重油、石炭ガス化ガス、廃棄物ガス化ガス等の炭化水素系燃料を常時供給可能な燃料供給路Ｆが、バーナー設備５に接続され、バーナー設備５に燃焼用燃料を供給する。なお、各バーナー設備５は、単数又は複数のバーナーユニットにより構成される。また、バーナー設備５には、パイロットバーナ及び点火用トランスなどの付帯設備が一般に設けられるが、これらの付帯設備については、図を簡略化するために図示を省略されている。
【００１７】
高温混合気流出口１８、１９が、流路１３、１４に夫々開口し、高温空気流路Ｈ１、Ｈ２が、流出口１８、１９に夫々接続される。流路Ｈ１、Ｈ２には、開閉制御弁４１、４２が介装され、開閉制御弁４１、４２は、制御装置４０により開閉制御される。流路Ｈ１、Ｈ２は、合流部４３において合流し、高温空気給送路ＨＧが、合流部４３から外部機器、例えば、ガス化設備のガス化炉及び改質炉等（図示せず）に延びる。
【００１８】
第１及び第２熱交換装置１１：１２は、空気予熱部１１Ａ：１２Ａと、混合気加熱部１１Ｂ：１２Ｂとに分割され、混合域１１Ｃ：１２Ｃが、空気予熱部１１Ａ：１２Ａ及び混合気加熱部１１Ｂ：１２Ｂの間に形成される。水蒸気供給路ＬＳ１：ＬＳ２が、混合域１１Ｃ：１２Ｃに接続され、廃ガスボイラー等の水蒸気発生装置で生成した温度１００℃〜２００℃程度の水蒸気（以下、低温水蒸気という）が、水蒸気供給路ＬＳ１：ＬＳ２を介して混合域１１Ｃ：１２Ｃに導入される。制御装置４０により開閉制御可能な水蒸気供給制御弁４６：４７が、水蒸気供給路ＬＳ１：ＬＳ２に介装される。
【００１９】
図１（Ａ）には、混合加熱装置１の第１位置（第１加熱工程）が示され、図１（Ｂ）には、混合加熱装置１の第２位置（第２加熱工程）が示されている。
【００２０】
第１加熱工程（図１Ａ）において、流路切換弁３０は、流路１３、１５と燃焼域６とを隔絶し且つ流路１４、１６を燃焼域６と連通させる第１位置に位置する。第１位置（図１Ａ）では、制御弁４１、４６は開放し、制御弁４２、４７は閉鎖する。
【００２１】
給気給送路ＬＡは、外気温相当の低温空気を第１熱交換器１１に供給する。低温空気は、空気予熱部１１Ａに伝熱接触して受熱し、約２００℃〜３００℃の温度、即ち、水蒸気の温度よりも高温に加熱される。加熱後の空気は、混合域１１Ｃで水蒸気供給路ＬＳの低温水蒸気と混合する。空気及び水蒸気の混合気は、高温の混合気加熱部１１Ｂに供給され、混合気加熱部１１Ｂに伝熱接触して受熱し、８００℃以上、好ましくは、１０００℃〜１１００℃の高温に加熱される。高温に加熱された混合気Ｈは、流路１３から高温混合気流路Ｈ１に流入し、開閉制御弁４１を介して高温混合気給送路ＨＧに給送され、外部機器に供給される。
【００２２】
空気供給路ＣＡ及び燃料供給路Ｆは、燃焼用空気及び炭化水素系燃料をバーナー設備５に連続供給し、バーナー設備５は、連続的に燃焼作動する。燃焼域６に生成した高温の燃焼排ガスＥは、流路１６、１４から第２熱交換器１２に導入され、第２熱交換器１２のハニカム型蓄熱体（空気予熱部１２Ａ及び混合気加熱部１２Ｂ）を流通した後、排気導出路ＥＸから機外に排気される。
【００２３】
これに対し、第２加熱工程（図１Ｂ）では、流路切換弁３０は、流路１４、１６と燃焼域６とを隔絶し且つ流路１３、１５を燃焼域６と連通させる第２位置に位置する。第２位置（図１Ｂ）では、制御弁４２、４７は開放し、制御弁４１、４６は閉鎖する。
【００２４】
給気給送路ＬＡは、外気温相当の低温空気を第２熱交換器１２に供給する。低温空気は、上述の第１加熱工程において加熱された高温の空気予熱部１２Ａに伝熱接触して受熱し、約２００℃〜３００℃の温度に加熱される。加熱後の空気は、混合域１２Ｃで水蒸気供給路ＬＳの低温水蒸気と混合する。空気及び水蒸気の混合気は、高温の混合気加熱部１２Ｂに供給され、混合気加熱部１２Ｂに伝熱接触して受熱し、８００℃以上、好ましくは、１０００℃〜１１００℃の高温に加熱される。高温に加熱された混合気Ｈは、流路１４から高温混合気流路Ｈ２に流入し、開閉制御弁４１を介して高温混合気給送路ＨＧに給送され、外部機器に供給される。
【００２５】
燃焼域６に生成した高温の燃焼排ガスＥは、流路１５、１３から第１熱交換器１１に導入され、第１熱交換器１１のハニカム型蓄熱体（空気予熱部１１Ａ及び混合気加熱部１１Ｂ）を流通した後、排気導出路ＥＸから機外に排気される。
【００２６】
制御装置４０を構成する電子制御機器は、給気ファン２、排気ファン３、空気供給ファン４及びバーナー設備５の作動を制御する運転制御手段を備えるとともに、流路切換弁３０及び制御弁４１、４２、４６、４７の位置を制御する切換制御手段を備える。切換制御手段は、流路切換弁３０及び制御弁４１、４２、４６、４７を同期切換制御し、混合加熱装置１を所定時間間隔、例えば、６０秒以下に設定された切換時間毎に第１位置又は第２位置に交互に切換える。
【００２７】
熱交換器１１：１２は、空気予熱部１１Ａ：１１Ｂ及び混合気加熱部１２Ａ：１２Ｂの各ハニカム型蓄熱体を複合した熱交換器全体として、０．７以上、更に好ましくは、０．９以上の温度効率を発揮するように設計される。給気給送路ＬＡの低温空気（温度Tci)は、蓄熱体のハニカム流路を通過し、ハニカム構造体のセル壁の伝熱面と伝熱接触してセル壁と熱交換し、高温混合気Ｈ（温度Tco)に加熱される。蓄熱体は、低温空気との熱交換により冷却する。燃焼域６の燃焼排ガス（温度Thi)は、冷却した蓄熱体のハニカム流路を通過し、セル壁の伝熱面と伝熱接触してセル壁と熱交換し、蓄熱体を高温に加熱する。燃焼排ガスは、蓄熱体との熱交換により、比較的低温の燃焼排ガス（温度Tho)として排気される。例えば、空気及び燃焼排ガスの温度は、以下の如く設定される。
低温空気温度Tci ＝約２０℃
燃焼排ガス温度Thi ＝約１２００℃
【００２８】
高温空気温度Tco ＝約１１００℃
低温排ガス温度Tho ＝約１５０℃
図２は、熱交換器１１、１２の蓄熱体の構造を示す斜視図である。
空気予熱部１１Ａ：１２Ａ及び混合気加熱部１１Ｂ：１２Ｂを分割する位置は、空気予熱部１１Ａ：１２Ａによる低温空気の予熱温度と、空気及び水蒸気の混合比とによって実質的に決定される。混合気加熱部１１Ｂ：１２Ｂの全長Ｄ２は、空気予熱部１１Ａ：１２Ａの全長Ｄ１よりも大きく、長さＤ１／Ｄ２の比率は、例えば、１／３〜２／３の範囲内に設定される。また、空気及び水蒸気の混合比は、例えば、３／１〜１／３の範囲内の比率に設定される。空気予熱部１１Ａ：１２Ａは、低温水蒸気の温度よりも高温に空気を加熱すれば良く、空気の予熱温度は、２００℃〜３００℃の範囲内の温度に設定される。混合域１１Ｃ：１２Ｃには、加熱後の空気が導入されるので、混合域１１Ｃ：１２Ｃに導入された低温水蒸気の凝集又は凝縮は、発生しない。
【００２９】
このような混合加熱装置１によれば、低温水蒸気を低温空気に混合した場合に生じる問題、即ち、水蒸気中の水分の凝集ないし凝縮は、空気予熱部１１Ａ：１２Ａによる低温空気の予熱により防止されるので、低温空気を予め電気加熱器等で予熱する従来の予熱工程を省略することができる。
【００３０】
図３は、本発明の他の好適な実施形態を概念的に示す混合加熱装置の概略断面図である。図３において、図１に示す各構成要素と実質的に同一又は同等の構成要素については、同一の参照符号が付されている。
【００３１】
図３に示す実施形態では、複数の混合加熱装置１が、単一の熱風炉７を共有する。熱風炉７は、複数の混合加熱装置１に隣接して配置され、各々の混合加熱装置１は、熱風炉７の燃焼域６と連通する連結部８を備える。熱風炉７は、連続的に燃焼作動するバーナー設備５を備え、燃焼域６は、連結部８を介して各混合加熱装置１の接続部１７と連通する。なお、各バーナー設備５は、単数又は複数のバーナーユニットにより構成される。
接続部１７には、上述の流路切換弁３０が夫々配設され、開閉制御弁４１、４２が、各混合加熱装置１の流路Ｈ１、Ｈ２に夫々介装される。混合加熱装置１は、上述の第１加熱工程及び第２加熱工程を交互に反復するように構成され、制御装置４０は、流路切換弁３０を第１又は第２位置に交互に切換えるとともに、流路切換弁３０の切換制御と連動して、制御弁４１：４２、４６：４７を交互に開閉作動させる。各々の混合加熱装置１の流路Ｈ１、Ｈ２から交互に導出される高温混合気は、合流部４３において合流し、高温混合気給送路Ｇから外部機器に供給される。なお、各混合加熱装置１の高温混合気は、異なる外部機器に対して夫々供給しても良い。
【００３２】
図４は、本発明の更に他の実施形態を概念的に示す混合加熱装置の概略断面図である。
図４に示す混合加熱装置１は、一対の蓄熱型熱交換器１１：１２、一対の流路１３：１４及び単一の分流域９を備える。流路１３：１４は、バーナー設備５ａ：５ｂを備えた燃焼域を構成する。熱交換器１１：１２は、低温空気を加熱する空気予熱部１１Ａ：１２Ａと、空気及び水蒸気の混合気を加熱する混合気加熱部１１Ｂ：１２Ｂとに分割される。水蒸気を導入可能な水蒸気混合室１１Ｃ：１２Ｃが空気予熱部１１Ａ：１２Ａと混合気加熱部１１Ｂ：１２Ｂとの間に形成される。
【００３３】
第１加熱工程（図４Ａ）において、第１熱交換器１１によって加熱された混合気Ｈは、分流域９において機内燃焼用気流ｈ１と外部機器供給流ｈ２とに分流し、外部機器供給流ｈ２は、高温混合気給送路ＨＧによって外部機器に供給され、機内燃焼用気流ｈ１は、流路１４に導入され、バーナー設備５ｂの作動により燃焼した後、第２熱交換器１２を介して排気される。他方、第２加熱工程（図４Ｂ）において、第２熱交換器１２によって加熱された混合気Ｈは、分流域９において機内燃焼用気流ｈ１と外部機器供給流ｈ２とに分流し、外部機器供給流ｈ２は、高温混合気給送路ＨＧによって外部機器に供給され、機内燃焼用気流ｈ１は、流路１３に導入され、バーナー設備５ａの作動により燃焼した後、第１熱交換器１１を介して排気される。混合加熱装置は、所定の切換時間毎に第１加熱工程及び第２加熱工程を交互に実行する。
【００３４】
図１に示す実施形態と同様、図３及び図４に示す実施形態においても、水蒸気は、水蒸気混合室１１Ｃ：１２Ｃに導入され、水蒸気の温度以上の温度を有する空気と混合する。従って、水蒸気中の水分の凝集ないし凝縮を防止することができる。
【００３５】
【実施例】
以下、添付図面を参照して、本発明に係る混合加熱装置の実施例について、詳細に説明する。
図５は、本発明の第１実施例に係る混合加熱装置を使用した廃棄物ガス化装置のシステム構成を示すシステムフロー図である。
【００３６】
廃棄物ガス化装置は、廃棄物を熱分解するガス化炉と、ガス化炉の熱分解ガスを粗燃料ガスに改質する改質炉とを備える。ガス化炉は、高温混合気給送路ＨＡを介して第１混合加熱装置１Ａに接続され、改質炉は、高温混合気給送路ＨＢを介して第２混合加熱装置１Ｂに接続される。第１混合加熱装置１Ａは、空気の比率が高い混合気、例えば、空気及び水蒸気の混合比が１：０〜５：２の範囲の混合気を８００℃以上、好ましくは、約１０００℃に加熱し、ガス化炉に連続供給する。第２混合加熱装置１Ｂは、空気の比率が低い混合気、例えば、空気及び水蒸気の混合比が１：５〜１：１の範囲の混合気を８００℃以上、好ましくは、約１０００℃に加熱し、改質炉に連続供給する。
【００３７】
廃棄物が、廃棄物導入手段ＷＴによってガス化炉内に装入され、高温混合気給送路ＨＡの高温空気がガス化炉内に導入される。ガス化炉内の廃棄物は、高温混合気により加熱され、ガス及び残渣に熱分解し、熱分解ガスがガス化炉内に生成する。熱分解ガスは、熱分解ガス給送路ＰＧを介して、改質炉に導入される。高温混合気給送路ＨＢの高温混合気が、改質炉に供給され、熱分解ガスと混合する。熱分解ガス中の炭化水素は、高温水蒸気と水蒸気改質反応し、この結果、熱分解ガスは、炭化水素、一酸化炭素及び水素を含む改質ガス（高温粗ガス）に改質される。炭化水素及び高温水蒸気の吸熱改質反応（ＣｘＨｘ＋Ｈ2 Ｏ→ＣＯ  ＋Ｈ2 ＋Ｈ2 Ｏ）に要する反応熱は、水蒸気自体が保有する顕熱により供給されるばかりでなく、炭化水素及び高温空気の発熱反応（ＣｘＨｘ＋Ｏ2 ＋Ｎ2 →ＣＯ＋ＣＯ2 ＋Ｈ2 ＋Ｈ2 Ｏ＋Ｎ2 ）により発生した熱により供給される。
【００３８】
改質炉の改質ガスは、改質ガス給送路ＲＧ１によって廃ガスボイラに導入される。廃ガスボイラの気─液熱交換器には、温水供給管ＨＷが接続される。温水供給管ＨＷの上流端は、混合加熱装置１Ａ：１Ｂの流路切換弁３０に接続され、給水供給管が、流路切換弁３０の弁軸３２に接続される。冷却水として弁軸３２の冷却水流路を流通する給水は、弁軸３２を冷却して受熱し、温水として温水供給管ＨＷに供給される。温水供給管ＨＷの温水は、廃ガスボイラ内の熱交換器により改質ガスと熱交換して気化し、低温水蒸気として低温水蒸気供給路ＬＳに送出される。供給路ＬＳの水蒸気は、工場又は建築物の暖房・給湯設備に対して、熱媒体流体として供給される。所望により、水蒸気を発電設備の蒸気タービン等に供給しても良い。低温水蒸気供給路ＬＳは又、水蒸気供給路ＬＳ１：ＬＳ２に接続され、混合加熱装置１Ａ：１Ｂに低温水蒸気を供給する。
【００３９】
廃ガスボイラを通過した改質ガスは、改質ガス給送路ＲＧ２からバクフィルター等の除塵装置に導入され、除塵装置にて浄化された後、ブースターファンＢＦの圧力下に改質ガス給送路ＲＧ３に送出され、熱風炉７の燃料ガスとして混合加熱装置１Ａ：１Ｂの各バーナー設備５に供給される。所望により、改質ガスの一部は、ガスタービン発電装置等の内燃機関に燃料ガスとして供給しても良い。空気供給ファン４が、空気供給路ＣＡを介してバーナー設備５に接続され、大気温相当の外気（常温空気）が、バーナー設備５に供給される。なお、混合加熱装置１のバーナー設備には、スタートアップ用燃料（ＬＰＧ等）の供給手段や、パイロットバーナ及び点火用トランスなどの付帯設備（図示せず）が設けられる。
【００４０】
混合加熱装置１Ａ：１Ｂは、給気給送路ＬＡ、排気導出路ＥＸ及び熱交換器１１、１２の連通を制御する流路切換装置２０を備える。流路切換装置２０は、一対の給気開閉弁２１、２２と、一対の排気開閉弁２３、２４とから構成される。給気開閉弁２１、２２は、給気給送路ＬＡを熱交換器１１、１２と交互に連通させ、排気開閉弁２３、２４は、排気導出路ＥＸを熱交換器１１、１２と交互に連通させる。制御装置４０は、第１工程において、開閉弁２１、２４を開放し且つ開閉弁２２、２３を閉塞し、第２工程では、開閉弁２１、２４を閉鎖し且つ開閉弁２２、２３を開放する。
【００４１】
図６は、混合加熱装置１（１Ａ：１Ｂ）の構造を示す横断面図及び縦断面図である。
混合加熱装置１は、上下に整列配置した第１加熱ユニット５１及び第２加熱ユニット５２に分割される。第１加熱ユニット５１は、第１熱交換器１１を収容し且つ流路１３、１５を形成し、第２加熱ユニット５２は、第２熱交換器１２を収容し且つ流路１４、１６を形成する。第１及び第２加熱ユニット５１：５２は、混合加熱装置１の中心軸線に関して上下対称の構造を有する。
【００４２】
熱風炉７は、加熱ユニット５１：５２の前方に配置され、燃焼域６は、接続部１７を介して加熱ユニット５１：５２と交互に連通する。加熱ユニット５１：５２、接続部１７及び熱風炉７は、耐熱性キャスタブル・ライニング材料、耐熱レンガ、耐火・断熱レンガ又は耐熱性セラミックス材料等の各種耐火・耐熱性材料により一体的に形成される。
【００４３】
流路切換弁３０の弁軸３２は、左右の側壁５９を貫通し、左右一対の軸受３３に支承される。流体シリンダ装置等の駆動装置３４が、弁軸３２の一端に作動的に連結される。流路切換弁３０は、駆動装置３４の作動により、実線で示す第１位置と、仮想線で示す第２位置とに交互に切換えられる。弁軸３２の一端には、給水供給管ＳＷが連結され、弁軸３２の他端には、温水供給管ＨＷが連結される。
【００４４】
加熱ユニット５１：５２の後端部には、低温空気室５３：５４が形成され、低温空気室５３は、給気給送路ＬＡと連通する。混合域１１Ｃ：１２Ｃを形成する水蒸気混合室５５：５６が、空気予熱部１１Ａ：１２Ａを介して低温空気室５３と連通する。直線流路１３、１４は、混合気加熱部１１Ｂ：１２Ｂを介して混合室５５、５６と連通する。高温混合気の流路Ｈ１：Ｈ２：ＨＡ：ＨＢを形成する垂直ダクト５７が、流出口１８、１９に隣接して配置される。直線流路１３、流出口１８及び高温混合気流路Ｈ１は相互連通し、直線流路１４、流出口１９及び高温混合気流路Ｈ２は相互連通する。
【００４５】
次に、混合加熱装置１の作動について説明する。
図６に示す第１加熱工程において、低温空気が給気給送路ＬＡから低温空気室５３に導入され、低温水蒸気が低温水蒸気供給路ＬＳ１から水蒸気混合室５５に導入される。低温空気は、空気予熱部１１Ａによって２００〜３００℃程度の温度に加熱された後、供給路ＬＳ１の低温水蒸気と混合する。空気及び水蒸気の混合気は、混合気加熱部１１Ｂによって約１０００℃の温度に加熱される。高温混合気Ｈは、直線流路１３から流出口１８に流出し、開閉制御弁４１、高温混合気流路Ｈ１：ＨＡ：ＨＢを介してガス化炉又は改質炉（図５）に供給される。
【００４６】
バーナー設備５は、常時運転し、熱風炉６の燃焼排ガスＥは、流路１６、１４、混合気加熱部１１Ｂ、水蒸気混合室５６及び空気予熱部１１Ａを流通して排気導出路ＥＸに導出される。燃焼排ガスＥは、混合気加熱部１１Ｂ及び空気予熱部１１Ａのハニカム型蓄熱体を加熱し、自らは１５０℃程度の温度に冷却し、排気される。
【００４７】
６０秒以下に設定された切換時間が経過した時、制御装置４０は、駆動装置３４を作動し、弁軸３２を回転して弁体３１を第２位置（仮想線で示す）に切換える。同時に、制御装置４０は、流路切換装置２０及び制御弁４１、４２、４６、４７を第２位置に切換え、第２加熱工程を実行する。
【００４８】
第２加熱工程では、低温空気は、給気給送路ＬＡから低温空気室５４に導入され、低温水蒸気は、低温水蒸気供給路ＬＳ２から水蒸気混合室５６に導入される。低温空気は、空気予熱部１２Ａによって２００〜３００℃程度の温度に加熱された後、低温水蒸気と混合し、空気及び水蒸気の混合気は、混合気加熱部１２Ｂによって約１０００℃の温度に加熱される。高温混合気Ｈは、直線流路１４から流出口１９に流出し、開閉制御弁４２、流路Ｈ２、給送路ＨＡ：ＨＢを介してガス化炉又は改質炉（図５）に供給される。熱風炉６の燃焼排ガスＥは、流路１５、１３、混合気加熱部１１Ｂ、水蒸気混合室５５及び空気予熱部１１Ａを流通して排気導出路ＥＸに導出される。燃焼排ガスＥは、混合気加熱部１１Ｂ及び空気予熱部１１Ａのハニカム型蓄熱体を加熱し、１５０℃程度の温度に冷却した低温の排気ガスとして系外に排気される。
【００４９】
かくして、混合加熱装置１は、空気予熱部１１Ａ：１２Ａにより低温空気を水蒸気の温度以上の温度に予熱した後、水蒸気混合室５５、５６で低温水蒸気と混合するように構成されているので、水蒸気及び空気の混合時に水蒸気の凝集又は凝縮が生じるのを確実に防止することができる。
【００５０】
また、混合加熱装置１は、バーナー設備５の連続運転により、空気及び水蒸気の高温混合気をガス化炉及び改質炉等の外部機器に連続供給する。制御装置４０は、混合加熱装置１の切換時間を設定変更する際、流路切換弁３０、流路切換装置２０及び制御弁４１、４２、４６、４７を切換時期を設定変更すれば良く、従って、確実且つ簡便に混合加熱装置１を制御することができる。
【００５１】
更に、上記構成の廃棄物ガス化装置では、混合加熱装置１自体がスタートアップ用の加熱手段を備えるので、改質炉及びガス化炉のスタートアップ用加熱手段を省略することができる。加えて、ガス化炉の熱分解ガスは、最終的に混合加熱装置１の燃焼域６で完全燃焼した後、熱交換器１１、１２により急冷されるので、ダイオキシンの発生又は再合成等の問題を未然に回避し得る。
【００５２】
図７は、本発明の第２実施例に係る混合加熱装置を使用した廃棄物ガス化装置のシステム構成を示すシステムフロー図である。
図７に示す混合加熱装置１Ａは、約１０００℃の高温混合気をガス化炉に供給し、混合加熱装置１Ｂは、約１０００℃の高温混合気を改質炉に供給する。廃棄物ガス化装置の全体構成は、上記第１実施例の廃棄物ガス化装置と実質的に同一である。
【００５３】
本実施例では、混合加熱装置１Ａ：１Ｂは、単一の熱風炉７を共用する。熱風炉７のバーナー設備５は、連続燃焼し、燃焼域６は、高温雰囲気を常時維持する。
【００５４】
図８は、図７に示す混合加熱装置１Ａ：１Ｂの全体構造を示す縦断面図及び横断面図である。
混合加熱装置１Ａ：１Ｂは、単一の熱風炉７に対して並列に配置され、連結部８によって熱風炉７の炉壁に夫々連結される。各々の混合加熱装置１Ａ：１Ｂは、上下に整列配置した第１加熱ユニット５１及び第２加熱ユニット５２に分割され、各加熱ユニット５１：５２は、接続部１７において接合する。流路Ｈ１：Ｈ２：ＨＡ：ＨＢを形成する垂直ダクト５７が、流出口１８、１９に隣接して配置される。前述の実施例における混合加熱装置１Ａ：１Ｂと同様、混合加熱装置１Ａ：１Ｂは、空気予熱部１１Ａ：１２Ａ及び混合気加熱部１１Ｂ：１２Ｂに分割された熱交換器１１：１２を備えており、混合域１１Ｃ：１２Ｃを形成する水蒸気混合室５５：５６が、空気予熱部１１Ａ：１２Ａと混合気加熱部１１Ｂ：１２Ｂとの間に画成される。
【００５５】
混合加熱装置１は、空気予熱部１１Ａ：１２Ａにより低温空気を水蒸気の温度以上の温度（約１００℃〜２００℃）に予熱した後、水蒸気混合室５５、５６で低温水蒸気と混合するように構成され、混合時に生じ得る水蒸気の凝集又は凝縮を確実に防止する。
【００５６】
また、本例の混合加熱装置１は、単独の熱風炉７及びバーナー設備５の連続運転により、複数の混合加熱装置１Ａ：１Ｂを運転する。各混合加熱装置１Ａ：１Ｂは、低温空気及び低温水蒸気を混合し且つ高温加熱し、ガス化炉又は改質炉に高温混合気を連続供給する。従って、熱風炉７及びバーナー設備５の設置台数は削減し、廃棄物ガス化システム全体の運転効率は改善するので、初期設備投資費用は軽減し、システムの運転及び維持・管理は省力化される。
【００５７】
図９は、図８に示す混合加熱装置の変形例を示す横断面図であり、図１０は、図９に示す混合加熱装置のＩ−Ｉ線断面図及びII−II線断面図である。
図９及び図１０に示す混合加熱装置１は、左右対称且つ上下対称に配置された４体の加熱ユニット６０Ａ：６０Ｂ：６０Ｃ：６０Ｄを備える。各加熱ユニット６０は、後端部から低温空気室５３、第１蓄熱体１１Ａ、水蒸気混合室５５、第２蓄熱体１１Ｂ、直線流路１３、流路切換弁３０及び傾斜流路１５を直列に配列した構成を有し、傾斜流路１５は、連結部８において相互連通する。各流路切換弁３０は、弁体３１、弁軸３２、軸受３３及び駆動装置３４を備え、弁体３１は、流路１３、１５の間に形成された切換弁収容域３５に配置される。弁軸３２の一端には、給水供給管ＳＷが連結され、弁軸３２の他端には、温水供給管ＨＷが連結される。
【００５８】
各加熱ユニット６０の側壁５９には、流出口１８が開口し、流出口１８は、開閉制御弁４１を介して垂直ダクト５７の高温給気流路５８に連通する。開閉制御弁４１は、流路切換弁３０と同様の構造を有し、弁体４５、弁軸４９、軸受（図示せず）及び駆動装置（図示せず）を備える。開閉制御弁４１は、制御装置４０の制御下に流路切換弁３０と同期作動し、流路１３を高温給気流路５８に選択的に連通させる。所望により、給水供給管ＳＷは弁軸４９の一端に連結され、温水供給管ＨＷは弁軸４９の他端に連結される。
【００５９】
混合加熱装置１は、４体の加熱ユニット６０を２体毎に任意に組合わせ、２組の混合加熱装置１Ａ：１Ｂとして使用することができる。例えば、上下に整列した加熱ユニット６０Ａ：６０Ｃを混合加熱装置１Ａ（図７）として使用し、同様に上下整列した加熱ユニット６０Ｂ：６０Ｄを混合加熱装置１Ｂ（図７）として使用し得る。
【００６０】
図１１は、図６に示す混合加熱装置を使用した他の形式の廃棄物ガス化装置に関し、そのシステム構成を示すシステムフロー図である。
図１１に示す廃棄物ガス化装置は、高温混合気発生装置を構成する混合加熱装置１を備える。混合加熱装置１には、低温水蒸気供給路ＬＳ１：ＬＳ２が接続される。混合加熱装置１は、前述の第１加熱工程及び第２加熱工程を反復し、水蒸気混合室５５：５６に供給された低温水蒸気は、空気予熱部１１Ａ：１２Ａによって２００〜３００℃程度の温度に加熱された予熱空気と混合する。空気及び水蒸気の混合気は、混合気加熱部１１Ｂ：１２Ｂによって約１０００℃の温度に加熱され、高温混合気流路ＨＧに給送される。高温混合気流路ＨＧは、分配流路ＭＧ１：ＭＧ２に分岐し、各流路ＭＧ１：ＭＧ２に介装された流量制御弁７１：７２の制御下に廃棄物ガス化炉及び改質炉に分配される。
【００６１】
なお、本例の廃棄物ガス化装置では、空気供給路ＣＡは、給気給送路ＬＡから分岐し、除塵装置の下流側に配置された熱交換器を介してバーナー設備５に供給される。熱交換器は、汎用のレキュペレータ型熱交換器からなり、空気供給路ＣＡの燃焼用空気は、改質ガスと熱交換し、予熱される。熱交換器の改質ガスは、ブースターファンＢＦの圧力下に改質ガス給送路ＲＧ４に送出され、バーナー設備５に供給される。
【００６２】
また、流路切換弁３０の弁軸４９に供給された冷却水（給水）は、弁軸３２の冷却水流路を流通する間に気化し、低温水蒸気として低温水蒸気供給路ＬＳに導入される。
【００６３】
以上、本発明の好適な実施例について詳細に説明したが、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の範囲内で種々の変形又は変更が可能であり、該変形例又は変更例も又、本発明の範囲内に含まれるものであることは、いうまでもない。
【００６４】
例えば、単一の熱風炉に接続可能な混合加熱装置の台数は、２機に制限されるものではなく、３機以上の混合加熱装置を単一の熱風炉に連結しても良い。
【００６５】
また、蓄熱型熱交換器及び流路切換弁の構造は、上記実施例の構造に限定されるものではなく、例えば、熱交換器としてペレット型蓄熱体を使用し、流路切換弁の駆動装置として、電動モータ等を用いた機械的駆動機構を使用しても良い。
【００６６】
更に、混合加熱装置を使用可能なシステムは、上述の廃棄物ガス化システムに限定されるものではなく、例えば、上記混合加熱装置を微粉炭ボイラー等の給気系に使用しても良い。
【００６７】
【発明の効果】
以上説明した如く、本発明の混合加熱装置によれば、低温空気は、混合加熱装置の熱交換器を構成する空気予熱部によって加熱され、低温水蒸気は、加熱後の空気と混合する。従って、本発明の混合加熱装置は、付加的な空気加熱器を備えず、しかも、水蒸気の凝集又は凝縮を生じさせることなく、空気及び水蒸気を良好に混合することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の好適な実施形態を概念的に示す混合加熱装置の概略断面図である。
【図２】熱交換器を構成する蓄熱体の構造を示す斜視図である。
【図３】本発明の他の好適な実施形態を概念的に示す混合加熱装置の概略断面図である。
【図４】本発明の更に他の実施形態を概念的に示す混合加熱装置の概略断面図である。
【図５】本発明の第１実施例に係る混合加熱装置を使用した廃棄物ガス化装置のシステム構成を示すシステムフロー図である。
【図６】混合加熱装置の構造を示す横断面図及び縦断面図である。
【図７】本発明の第２実施例に係る混合加熱装置を使用した廃棄物ガス化装置のシステム構成を示すシステムフロー図である。
【図８】図７に示す混合加熱装置の全体構造を示す縦断面図及び横断面図である。
【図９】図８に示す混合加熱装置の変形例を示す横断面図である。
【図１０】図９に示す混合加熱装置のＩ−Ｉ線断面図（図１０Ａ）及びII−II線断面図（図１０Ｂ）である。
【図１１】図６に示す混合加熱装置を使用した他の形式の廃棄物ガス化装置に関し、そのシステム構成を示すシステムフロー図である。
【符号の説明】
１  混合加熱装置
２  給気ファン
３  排気ファン
５  バーナー設備
６  燃焼域
７  熱風炉
８  連結部
１１：１２  蓄熱型熱交換器
１１Ａ：１２Ａ  空気予熱部
１１Ｂ：１２Ｂ  混合気加熱部
１１Ｃ：１２Ｃ  混合域
１３、１４  直線流路
１５、１６  傾斜流路
１７  接続部
１８：１９  高温混合気流出口
３０  流路切換弁
４０  制御装置
４１：４２  開閉制御弁
４６：４７  水蒸気供給制御弁
５３：５４  低温空気室
５５：５６  水蒸気混合室
５７  垂直ダクト
ＣＡ  空気供給路
ＬＡ  給気給送路
ＬＳ：ＬＳ１：ＬＳ２、低温水蒸気供給路
ＥＸ  排気導出路
Ｈ１：Ｈ２  高温混合気流路
ＨＡ：ＨＢ：ＨＧ  高温混合気給送路
Ｈ  高温気流
Ｅ  燃焼排ガス
【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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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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