JP6645938B2 - Exhaust gas heat recovery system - Google Patents
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Description
本発明は、排ガスのシステムに関し、特に、約４００℃を超える高温の排ガスを対象とする排ガスの熱回収システムにおいて有用である。 The present invention relates to an exhaust gas system, and is particularly useful in an exhaust gas heat recovery system for exhaust gas having a high temperature exceeding about 400 ° C.
加熱炉、熱処理炉、焼却炉等の工業用炉からは、数１００℃〜１０００℃を超える高温の排ガスが排出される。こうした排ガスは大きなエネルギー源であることから、如何に効率よく熱回収を行うかという課題と向き合いながら、温熱として熱回収され、具体的に、水蒸気を発生させて発電用に、あるいは燃焼用空気の加熱用等に利用されている。また、同時に、含有する酸成分や粉塵等を如何に処理して無害化をするかが大きな課題となっている。 From an industrial furnace such as a heating furnace, a heat treatment furnace, and an incinerator, high-temperature exhaust gas exceeding several hundreds to 1000 ° C. is discharged. Since such exhaust gas is a large energy source, it is recovered as warm heat while confronting the issue of how to efficiently recover heat.Specifically, it generates steam to generate power or to generate combustion air. It is used for heating. At the same time, how to treat the contained acid component, dust and the like to make them harmless has become a major issue.
例えば、メンテナンスを容易にし、その熱交換チューブの変形、破損を容易に防止できるようにすると共に、寿命を向上させることを目的として、図７のような工業用炉の排熱回収装置が提案されている（例えば特許文献１参照）。具体的には、煙道の途中に設けられる筒体１０１の上壁部にレキュペレータ１０２ａ，１０２ｂの上部ヘッダ１０４，１０５を支持し、該上部ヘッダから下部ヘッダ１０６に連なる複数本の熱交換チューブ１０７を筒体内に垂下し、該レキュペレータに燃焼用空気を循環させることにより該煙道を通って排出される排ガスの顕熱により該燃焼用空気が予熱されるようにした排熱回収装置において、筒体の下部側壁に扉１１２によって開閉可能なるダスト清掃口１１１を設け、該ダスト清掃口から該筒体の底面と下部ヘッダとの間隙１１０ａ，１１０ｂに溜まるダストを排出し得るようにする。ここで、１０８ａ，１０８ｂは開口、１０９ａ，１０９ｂはピット、１１０は支持縁、１１４ａ，１１４ｂはレンガを示す。 For example, an exhaust heat recovery device for an industrial furnace as shown in FIG. 7 has been proposed for the purpose of facilitating maintenance, easily preventing deformation and breakage of the heat exchange tube, and improving the life. (For example, see Patent Document 1). Specifically, upper headers 104 and 105 of the recuperators 102a and 102b are supported on an upper wall portion of a cylindrical body 101 provided in the middle of the flue, and a plurality of heat exchange tubes 107 connected from the upper header to a lower header 106 are provided. In an exhaust heat recovery device in which the combustion air is preheated by sensible heat of exhaust gas discharged through the flue by circulating combustion air through the recuperator. A dust cleaning port 111 that can be opened and closed by a door 112 is provided on a lower side wall of the body, and dust accumulated in gaps 110a and 110b between the bottom surface of the cylindrical body and the lower header can be discharged from the dust cleaning port. Here, 108a and 108b are openings, 109a and 109b are pits, 110 is a supporting edge, and 114a and 114b are bricks.
しかしながら、上記のような排熱回収装置等では、次のような問題が生じる。
（ｉ）上記のように非常に高温（約８００〜１５００℃）の排ガスは、電力用の蒸気発生用や燃焼用空気の加熱用の温熱として好適である。反面、例えば約２５０℃以下の低温の排ガスからの熱回収は、熱回収効率が悪いことから、そうした低温状態まで熱回収された排ガスは、そのまま排出されることが多かった。しかしながら、こうした熱回収装置を含む排ガス処理システムや工業用炉を含む製造プロセス全体のエネルギー効率の観点からは、未回収の温熱は無視できず、その効率的な熱回収が大きな課題となっていた。
（ii）特に、廃熱ボイラが備えられた排ガス処理装置における熱回収システムにあっては、廃熱ボイラの上流側での排ガス温度を適正温度約４００℃以下とする必要があるとともに、約４００℃を超える高温領域での効率的な熱回収、および約４００℃を超える高温領域から廃熱ボイラの下流側での約２５０℃以下の低温領域までの広い温度領域における効率的な熱回収が大きな課題となっていた。
（iii）工業用炉からの排ガスには硫黄化合物等酸成分が含まれており、腐食性がある。従って、熱交換器の直接排ガスが接する部分には耐腐食性の高い部材を用いる必要がある。特に、上記（ｉ）における低温状態は、排ガス中に発生する硫酸ミスト等凝縮性の酸成分の露点以下の温度条件に相当することから、通常の耐腐食性の素材では長期間の使用はできなかった。一方、熱交換器は、その熱交換効率の確保するために、排ガスの温熱を熱媒体に伝達し易い素材を用いる必要がある。また、熱交換効率を向上させるためには、接触表面積を大きくする等特有の構成を有することから加工性の高い素材が好ましい。こうした条件を確保するには、特殊な素材を用いることが要求され、特に酸成分の露点以下の条件での使用ができる素材の選択は、大きな課題であった。
（iｖ）また、排ガスの露点以下の低温条件においては、発生した水滴や硫酸ミスト等の酸ミストが粉塵と結合・凝集して成長した粒子等によって、接ガス部分の腐食や細部の閉塞等を生じることがある。低温条件での熱回収時においては、こうした状況を生じないような熱回収処理を行う必要があり、従前からの課題であった。
However, the following problems occur in the exhaust heat recovery device and the like as described above.
(I) As described above, the exhaust gas having a very high temperature (about 800 to 1500 ° C.) is suitable for generating steam for electric power and for heating combustion air. On the other hand, heat recovery from low-temperature exhaust gas of, for example, about 250 ° C. or less has poor heat recovery efficiency, and thus, exhaust gas recovered to such a low-temperature state is often discharged as it is. However, from the viewpoint of energy efficiency of the entire manufacturing process including the exhaust gas treatment system including such a heat recovery device and the industrial furnace, unrecovered heat cannot be ignored, and its efficient heat recovery has become a major issue. .
(Ii) In particular, in a heat recovery system in an exhaust gas treatment device provided with a waste heat boiler, the exhaust gas temperature on the upstream side of the waste heat boiler needs to be set to an appropriate temperature of about 400 ° C. or less and about 400 ° C. Efficient heat recovery in a high-temperature region exceeding 400 ° C. and efficient heat recovery in a wide temperature region from a high-temperature region exceeding approximately 400 ° C. to a low-temperature region of approximately 250 ° C. or less downstream of the waste heat boiler are large. Had been an issue.
(Iii) The exhaust gas from the industrial furnace contains an acid component such as a sulfur compound and is corrosive. Therefore, it is necessary to use a member having high corrosion resistance in a portion of the heat exchanger in direct contact with the exhaust gas. In particular, since the low temperature state in the above (i) corresponds to a temperature condition equal to or lower than the dew point of the condensable acid component such as sulfuric acid mist generated in the exhaust gas, it can be used for a long time with ordinary corrosion resistant materials. Did not. On the other hand, in order to ensure the heat exchange efficiency of the heat exchanger, it is necessary to use a material that easily transmits the heat of the exhaust gas to the heat medium. Further, in order to improve the heat exchange efficiency, a material having high workability is preferable because it has a specific structure such as increasing the contact surface area. In order to ensure these conditions, it is necessary to use a special material, and in particular, the selection of a material that can be used under the condition of the dew point of the acid component or less has been a major issue.
(Iv) Further, under low-temperature conditions below the dew point of the exhaust gas, corrosion of gas contact parts and blockage of details due to particles and the like that are generated by water droplets generated and acid mist such as sulfuric acid mist binding and aggregating with dust, etc. May occur. At the time of heat recovery under low-temperature conditions, it is necessary to perform a heat recovery process that does not cause such a situation, which has been a conventional problem.
本発明の目的は、上記従来技術の有する問題点に鑑みて、約４００℃を超える高温の排ガスからの熱回収を効率よく行い、排ガスの熱回収を高温領域から低温領域まで効率よく行うことができる熱回収システムを提供することである。また、長期使用が可能で安全性の高い熱回収システムであり、排ガスの露点に対応した排ガス処理を行うことができる熱回収システムを提供することである。 An object of the present invention is to efficiently recover heat from a high-temperature exhaust gas exceeding about 400 ° C. and efficiently perform heat recovery of an exhaust gas from a high-temperature region to a low-temperature region in view of the above-described problems of the related art. To provide a possible heat recovery system. Another object of the present invention is to provide a heat recovery system that can be used for a long time and has high safety, and that can perform exhaust gas treatment corresponding to the dew point of exhaust gas.
本発明者は、上記課題を解決するために鋭意研究を重ねた結果、以下に示す排ガスの熱回収システムによって上記目的を達成できることを見出し、本発明を完成するに到った。 The present inventors have conducted intensive studies to solve the above problems, and as a result, have found that the above object can be achieved by an exhaust gas heat recovery system described below, and have completed the present invention.
本発明は、廃熱ボイラが備えられた排ガスの流通路に設けられ、約４００℃を超え約１５００℃以下の高温の排ガスを対象とする熱回収システムであって、
外管としてセラミックス管Ｃａが用いられ、該セラミックス管を構成する全成分１００質量（重量）％に対してＳｉＣを９０質量（重量）％以上の主成分とするとともに、内管として一端が閉塞したシングルエンド型の２重管Ｄａが用いられ、前記セラミックス管Ｃａと前記２重管Ｄａの間隙に形成された緩衝部に空気層が最小となるように緩衝材が挿入された３重管を有し、該２重管Ｄａの内部に気体または液体の熱媒体Ｍａが流通可能な流路を有する第１熱交換部が、前記廃熱ボイラの上流側であって前記セラミックス管Ｃａの耐熱温度以下の前記排ガスの流通路に設けられ、該緩衝材が炭素材，グラファイト，炭化ケイ素あるいは金属酸化物を素材とする熱伝導率が高く耐熱性を有する素材を用い、
外管としてＳｉＣを主成分としたセラミックス管Ｃｂが用いられ、一端が閉塞したシングルエンド型の２重管を構成し、該２重管の内部に気体または液体の熱媒体Ｍｂが流通可能な流路を有する第２熱交換部が、前記廃熱ボイラの下流側の前記排ガスの流通路に設けられ、
前記第１熱交換部において、排ガスとの熱交換によって加熱された前記熱媒体Ｍａを介して高温領域の排ガスの温熱が回収され、前記廃熱ボイラの適正温度まで排ガスの温度を低下させ、
前記第２熱交換部において、排ガスとの熱交換によって加熱された前記熱媒体Ｍｂを介して低温領域の排ガスの温熱が回収されることを特徴とする。
The present invention is a heat recovery system provided in a flow path of exhaust gas provided with a waste heat boiler and intended for high-temperature exhaust gas of about 400 ° C. or more and about 1500 ° C. or less ,
A ceramic tube Ca was used as an outer tube, and 90% by mass or more of SiC was contained as a main component in 100% by mass of all components constituting the ceramic tube , and one end was closed as an inner tube. A single-ended double pipe Da is used, and a triple pipe in which a buffer material is inserted so as to minimize an air layer is provided in a buffer formed in a gap between the ceramic pipe Ca and the double pipe Da. A first heat exchange section having a flow path through which a gaseous or liquid heat medium Ma can flow inside the double pipe Da is provided at an upstream side of the waste heat boiler and at a temperature not higher than the heat resistant temperature of the ceramic pipe Ca. A material having high heat conductivity and high heat resistance using carbon material, graphite, silicon carbide or metal oxide as a material,
A ceramic tube Cb containing SiC as a main component is used as an outer tube, and constitutes a single-ended double tube having one end closed, and a gas or liquid heat medium Mb can flow inside the double tube. A second heat exchange section having a passage is provided in a flow passage of the exhaust gas downstream of the waste heat boiler,
In the first heat exchange section, the heat of the exhaust gas in the high temperature region is recovered via the heat medium Ma heated by heat exchange with the exhaust gas, and the temperature of the exhaust gas is reduced to an appropriate temperature of the waste heat boiler;
In the second heat exchange section, the heat of the exhaust gas in a low temperature region is recovered via the heat medium Mb heated by heat exchange with the exhaust gas.
従前、非常に高温（８００〜１５００℃）の排ガスからの熱回収処理は、熱回収効率の高い廃熱ボイラを用いてより熱回収率の向上を図ることが多く、廃熱ボイラの耐熱性やその処理能力範囲の限界から、約４００℃を超える高温領域あるいは約２５０℃以下の低温領域での排ガスの熱回収については、高い効率が望めなかった。本発明は、こうした課題に対して、約４００℃を超える高温領域について外管をセラミックス管とする３重管構造の熱交換部（第１熱交換部）を用い、約２５０℃以下の低温領域について外管をセラミックス管とする２重管構造の熱交換部（第２熱交換部）を用いることによって、高温領域から低温領域まで効率よく排ガスの熱回収を行うことができる熱回収システムを可能とした。具体的には、３重管構造の第１熱交換部の内部を流通する熱媒体Ｍａを介して約４００℃を超える高温領域の排ガスの温熱を回収して廃熱ボイラの適正温度約４００℃以下まで排ガスを低下させ、廃熱ボイラによって約２５０℃以下に低下した約２５０℃以下の低温領域の排ガスに対して２重管構造の第２熱交換部の内部を流通する熱媒体Ｍｂを介して温熱を回収する熱回収システムを構成することによって、排ガスの熱回収を高温領域から低温領域まで効率よく行うことを可能にした。 Conventionally, heat recovery from exhaust gas at a very high temperature (800 to 1500 ° C.) often uses a waste heat boiler having a high heat recovery efficiency to improve the heat recovery rate. Due to the limitation of the processing capacity range, high efficiency could not be expected for heat recovery of exhaust gas in a high temperature region exceeding about 400 ° C. or a low temperature region of about 250 ° C. or less. In order to solve such a problem, the present invention uses a triple-tube heat exchange section (first heat exchange section) having a ceramic tube as the outer tube for a high-temperature area exceeding about 400 ° C. and a low-temperature area of about 250 ° C. or less. The use of a double-tube heat exchange unit (second heat exchange unit) with a ceramic tube as the outer tube enables a heat recovery system that can efficiently recover exhaust gas heat from a high-temperature region to a low-temperature region. And Specifically, the heat of the exhaust gas in a high temperature region exceeding about 400 ° C. is recovered through a heat medium Ma flowing inside the first heat exchange section having a triple pipe structure, and the appropriate temperature of the waste heat boiler is about 400 ° C. The exhaust gas is reduced to below 250 ° C., and the exhaust gas in the low temperature region of about 250 ° C. or less, which has been reduced to about 250 ° C. or less by the waste heat boiler, through the heat medium Mb flowing inside the second heat exchange section having the double pipe structure. By constructing a heat recovery system that recovers heat by heating, it has become possible to efficiently perform heat recovery of exhaust gas from a high temperature region to a low temperature region.
本発明は、上記排ガスの熱回収システムであって、前記緩衝部に圧力センサまたは／および温度センサを設けることを特徴とする。
本発明に係る排ガスの熱回収システムにおいては、約４００℃を超える高温領域の排ガス流通路に設けられた第１熱交換部の適正な動作が、後段の廃熱ボイラおよび第２熱交換部の適正な機能を確保することができる。従って、第１熱交換部の、特に直接高温領域の排ガスに接触する外管の異常な状態（クラックあるいは外管外周表面への付着物の発生等）を検知し、その保守・点検を確実に行うことが要求される。本発明は、第１熱交換部の緩衝部に圧力センサまたは／および温度センサを設け、外管のクラック等に伴う緩衝部の圧力・温度の変化，外管外周表面への付着物の発生に伴う緩衝部と排ガスとの温度差の低下等を検知することによって外管の異常な状態を検出することができる。また、熱媒体の調整温度の異常に伴う緩衝部の温度変化は、熱回収効率の低下の原因となる。緩衝部の温度変化を検知することによって、外管の異常だけではなく、熱媒体の異常温度を検出することができる。
The present invention is the exhaust gas heat recovery system, wherein a pressure sensor and / or a temperature sensor is provided in the buffer section.
In the exhaust gas heat recovery system according to the present invention, the proper operation of the first heat exchange unit provided in the exhaust gas flow passage in the high temperature region exceeding about 400 ° C. is performed by the waste heat boiler and the second heat exchange unit in the subsequent stage. Appropriate functions can be secured. Therefore, an abnormal state of the outer heat pipe (especially, cracks or deposits on the outer surface of the outer heat pipe, etc.) in contact with the exhaust gas in the high-temperature region is detected, and the maintenance and inspection thereof are surely performed. Required to do so. The present invention provides a pressure sensor and / or a temperature sensor in a buffer section of a first heat exchange section to prevent a change in pressure / temperature of the buffer section due to a crack in an outer tube and the generation of deposits on an outer peripheral surface of the outer tube. An abnormal state of the outer pipe can be detected by detecting a decrease in the temperature difference between the buffer section and the exhaust gas. Further, a change in the temperature of the buffer due to an abnormality in the adjusted temperature of the heat medium causes a decrease in heat recovery efficiency. By detecting the temperature change of the buffer portion, not only the abnormality of the outer tube but also the abnormal temperature of the heat medium can be detected.
本発明は、上記排ガスの熱回収システムであって、前記第２熱交換部において、前記廃熱ボイラから供出される排ガス中の水分量または排ガス露点を基準に、前記セラミックス管Ｃｂ表面の一部分の温度が該排ガスの露点以下となる低温部分とこれに近接し露点以上となる高温部分が形成されるように前記熱媒体Ｍｂの温度および流量が設定され、かつ供出される排ガス温度が、該排ガスの露点以上とされることを特徴とする。
従前、工業用炉等からの排ガス処理プロセスにおいては、排ガス中に含まれるダストや硫黄化合物（特に硫酸ミスト）等の凝縮性の酸成分または／および水分の処理とともに、排ガスが有する温熱を低温領域（例えば２５０℃以下）まで効率よく熱回収することは非常に難しかった。本発明の検証過程における以下の知見（ａ）〜（ｅ）を基に、本発明の排ガスの熱回収システムにおいて、廃熱ボイラの下流側に第２熱交換部を配設することによって、排ガスからの熱回収を効率よく行うことができ、かつ排ガスの露点に対応した排ガス処理を行うことができることを見出した。
（ａ）排ガスの温度（露点）に対応した熱回収処理を行うことによって、低温領域まで効率よく熱回収することができる。つまり、熱回収用の低温熱媒体の温度制御が容易な特性およびセラミックス管表面温度を排ガスの露点近傍まで低下させた場合に熱回収効率が最大となるとの知見を利用して、排ガスの露点以下の低温領域まで熱回収部分（セラミックス管表面）を冷却し、その内部を流通する熱媒体を介して熱回収を行うことによって、効率よくかつ安定的に排ガスの温熱を回収することができる。
（ｂ）また、ＳｉＣを主成分としたセラミックス管を用いた熱交換器を適用することによって、酸ミスト等の発生があっても腐食されることなく、長期使用が可能で安全性の高い熱回収装置を構成することができる。従って、回収された熱媒体の温熱を、低温条件において精度の高い温度制御が要求される低温ボイラ用温水作製用等の温熱として利用することができる。
（ｃ）内部に熱媒体が流通可能な流路を有する熱交換部においては、内部の熱媒体は外部の排ガスの温熱と熱交換によって導入部から徐々に温度上昇が生じ、熱交換部表面に温度差（温度分布）が生じる。つまり、熱交換部表面の一部において排ガスの露点以下（最大量の温熱を吸収することができる）になるまで冷却することができる部分を形成するとともに、他の部分を露点以上にすることによって他の部分における酸成分の凝縮を防止し、もし凝縮が発生した場合にはこれを蒸散させることができる部分を形成することによって、供出される排ガス温度を露点以上に設定し、熱交換部表面における酸成分の凝集や酸成分と粉塵等の凝集の形成を防止することができる。
（ｄ）このとき、一端が閉塞したシングルエンド型の２重管型のセラミックス管を用い、２重管の内管または外管のいずれかを流通した最も低温の熱媒体と排ガスを熱交換させ、熱交換部表面の一部において排ガスの露点以下になるまで排ガスを低温化させることによって、最大量の温熱を回収することができる。
（ｅ）また、個々のセラミックス管における熱回収効率は、導入される熱媒体の流量の増加に伴い上昇するとともに、所定の流量以上において熱回収効率上昇速度の低下、さらに熱回収効率の低下を生じる（後述するように、その相関をグラフ化すると排ガスの露点近傍を最大とする熱回収効率の変曲点を生じる）。セラミックス管の表面における排ガス中の水分または酸成分の結露に伴う凝縮潜熱、比熱が大きい液滴の発生に伴う温熱吸収、およびセラミックス管の表面における液膜の発生に伴う熱伝達率の低下、によるものと推察させる。また、このとき、セラミックス管から導出される熱媒体の温度は、熱媒体の低流量域からの流量の増加に伴い、徐々に低下するとともに、上記変曲点に対応する流量以上の領域において、その低下勾配が大きくなる（後述するように、その相関をグラフ化すると、上記熱回収効率の変曲点近傍において熱媒体の温度の変曲点を生じる）との知見を得た。
The present invention is the exhaust gas heat recovery system, wherein, in the second heat exchange unit, a part of the surface of the ceramic pipe Cb based on a water content or an exhaust gas dew point in the exhaust gas supplied from the waste heat boiler. The temperature and the flow rate of the heat medium Mb are set so that a low-temperature portion whose temperature is equal to or lower than the dew point of the exhaust gas and a high-temperature portion which is close to the dew point and higher than the dew point are formed, and the temperature of the exhaust gas to be supplied is The dew point is higher than the dew point.
Conventionally, in the process of treating exhaust gas from an industrial furnace or the like, the heat of the exhaust gas is reduced to a low temperature range together with the treatment of condensable acid components such as dust and sulfur compounds (particularly sulfuric acid mist) and / or moisture contained in the exhaust gas. (For example, 250 ° C. or less), it was very difficult to efficiently recover heat. Based on the following findings (a) to (e) in the verification process of the present invention, in the exhaust gas heat recovery system of the present invention, by disposing the second heat exchange section downstream of the waste heat boiler, It has been found that heat can be efficiently recovered from wastewater and exhaust gas treatment corresponding to the dew point of exhaust gas can be performed.
(A) By performing the heat recovery processing corresponding to the temperature (dew point) of the exhaust gas, heat can be efficiently recovered up to a low temperature region. In other words, utilizing the knowledge that the temperature control of the low-temperature heat medium for heat recovery is easy and that the heat recovery efficiency is maximized when the surface temperature of the ceramic tube is reduced to near the dew point of the exhaust gas, By cooling the heat recovery portion (the surface of the ceramic tube) to a low temperature region and performing heat recovery through a heat medium flowing through the portion, the heat of the exhaust gas can be efficiently and stably recovered.
(B) Further, by applying a heat exchanger using a ceramic tube containing SiC as a main component, even if acid mist or the like is generated, the heat exchanger can be used for a long period of time and has high safety. A collection device can be configured. Therefore, the recovered heat of the heat medium can be used as heat for producing hot water for a low-temperature boiler, which requires high-precision temperature control under low-temperature conditions.
(C) In the heat exchange section having a flow path through which the heat medium can flow, the temperature of the heat medium inside the heat exchange section gradually increases from the introduction section due to the heat exchange with the heat of the external exhaust gas, and the heat exchange section A temperature difference (temperature distribution) occurs. In other words, by forming a part of the surface of the heat exchange part that can be cooled to a temperature below the dew point of the exhaust gas (capable of absorbing the maximum amount of heat), and by setting the other part to a temperature above the dew point Prevent condensation of acid components in other parts, and if condensation occurs, form a part that can evaporate this, so that the temperature of exhaust gas to be supplied is set above the dew point, and the surface of the heat exchange part Of the acid component and the formation of the coagulation of the acid component with dust or the like can be prevented.
(D) At this time, the exhaust gas is exchanged with the coldest heat medium flowing through either the inner tube or the outer tube of the double tube using a single-ended double-tube type ceramic tube having one end closed. The maximum amount of heat can be recovered by lowering the temperature of the exhaust gas at a part of the surface of the heat exchange section until the temperature becomes lower than the dew point of the exhaust gas.
(E) In addition, the heat recovery efficiency of each ceramic tube increases with an increase in the flow rate of the introduced heat medium, and at a predetermined flow rate or more, the heat recovery efficiency rise speed decreases, and further, the heat recovery efficiency decreases. (As will be described later, when the correlation is graphed, an inflection point of the heat recovery efficiency that maximizes the vicinity of the dew point of the exhaust gas occurs). Due to latent heat of condensation due to condensation of moisture or acid components in the exhaust gas on the surface of the ceramic tube, heat absorption due to the generation of droplets having a large specific heat, and a decrease in heat transfer coefficient due to the formation of a liquid film on the surface of the ceramic tube I guess. Also, at this time, the temperature of the heat medium led out of the ceramic tube gradually decreases with an increase in the flow rate of the heat medium from the low flow rate area, and in a region equal to or more than the flow rate corresponding to the inflection point, It has been found that the decrease gradient becomes large (as will be described later, when the correlation is graphed, an inflection point of the temperature of the heat medium occurs near the inflection point of the heat recovery efficiency).
本発明は、上記排ガスの熱回収システムであって、前記第２熱交換部から取り出され、加温された熱媒体Ｍｂの少なくとも一部を、前記第１熱交換部の２重管Ｄａに導入される熱媒体Ｍａおよび／または廃熱ボイラの熱媒体Ｍｃとして利用することを特徴とする。
本発明に係る排ガスの熱回収システムによって効率よく回収された排ガスの温熱は、第１熱交換部から取り出される非常に高温の気体または液体の熱媒体、廃熱ボイラから取り出される比較的高温の気体または液体の熱媒体、および第２熱交換部から取り出される低温の気体または液体の熱媒体を介して、発電エネルギーや温熱源等として利用される。しかしながら、第２熱交換部から大きな熱量を回収するには大量の熱媒体を供給する必要がある一方、取り出された熱媒体の温度は比較的低温を維持していることからバイナリ発電等に用いたとしても余剰の熱源となる可能性がある。本発明は、加温されつつも比較的低温の第２熱交換部から取り出された熱媒体Ｍｂの一部を、第１熱交換部の熱媒体Ｍａあるいは廃熱ボイラの熱媒体Ｍｃとして用いることによって、熱媒体自体を有効に活用することができ、不要な温熱の廃棄をなくした結果、高温領域から低温領域まで効率よく熱回収を行うことができる。
The present invention is the exhaust gas heat recovery system, wherein at least a part of the heat medium Mb taken out of the second heat exchange section and heated is introduced into the double pipe Da of the first heat exchange section. It is used as a heat medium Ma and / or a heat medium Mc of a waste heat boiler.
The heat of the exhaust gas efficiently recovered by the exhaust gas heat recovery system according to the present invention is a very high temperature gas or liquid heat medium extracted from the first heat exchange section, a relatively high temperature gas extracted from the waste heat boiler. Alternatively, it is used as power generation energy or a heat source through a liquid heat medium and a low-temperature gas or liquid heat medium taken out from the second heat exchange unit. However, in order to recover a large amount of heat from the second heat exchange section, it is necessary to supply a large amount of heat medium, while the temperature of the heat medium taken out is maintained at a relatively low temperature. Even if it does, it may be a surplus heat source. The present invention uses a part of the heat medium Mb taken out of the second heat exchange part which is heated but is relatively low in temperature as the heat medium Ma of the first heat exchange part or the heat medium Mc of the waste heat boiler. As a result, the heat medium itself can be effectively used, and unnecessary heat is discarded. As a result, heat can be efficiently recovered from a high-temperature region to a low-temperature region.
本発明に係る排ガスの熱回収システム（以下「本システム」という）は、廃熱ボイラが備えられた排ガスの流通路に設けられ、約４００℃を超える高温の排ガスを対象とし、
廃熱ボイラの上流側であってセラミックス管Ｃａの耐熱温度以下の排ガスの流通路に、３重管構造を有し熱媒体Ｍａを用いる第１熱交換部が設けられ、廃熱ボイラの下流側の排ガスの流通路に、２重管構造を有し熱媒体Ｍｂを用いる第２熱交換部が設けられ、
第１熱交換部において、熱媒体Ｍａを介して高温領域の排ガスの温熱が回収され、廃熱ボイラの適正温度まで排ガスの温度を低下させ、第２熱交換部において、熱媒体Ｍｂを介して低温領域の排ガスの温熱が回収されることを特徴とする。
こうした構成の排ガスの熱回収システムを用いることによって、排ガスの熱回収を高温領域から低温領域まで効率よく行うことができ、かつ排ガスの露点に対応した排ガス処理を行うことができる。以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。
An exhaust gas heat recovery system according to the present invention (hereinafter, referred to as “the present system”) is provided in an exhaust gas flow passage provided with a waste heat boiler, and targets high-temperature exhaust gas exceeding about 400 ° C.
A first heat exchange unit having a triple pipe structure and using a heat medium Ma is provided in a flow path of exhaust gas below the heat-resistant temperature of the ceramic pipe Ca on the upstream side of the waste heat boiler, and on the downstream side of the waste heat boiler. A second heat exchange unit having a double pipe structure and using a heat medium Mb is provided in the exhaust gas flow path of
In the first heat exchange section, the heat of the exhaust gas in the high-temperature region is recovered via the heat medium Ma, and the temperature of the exhaust gas is reduced to an appropriate temperature of the waste heat boiler. In the second heat exchange section, the heat is discharged via the heat medium Mb. It is characterized in that the heat of the exhaust gas in the low temperature range is recovered.
By using the exhaust gas heat recovery system having such a configuration, exhaust gas heat recovery can be efficiently performed from a high temperature region to a low temperature region, and an exhaust gas treatment corresponding to the dew point of the exhaust gas can be performed. Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
＜本発明に係る排ガスの熱回収システムの基本構成＞
図１は、本システム１の基本的な概略全体構成を例示する（第１構成例）。工業用炉等（図では溶解炉を例示する）から供出された排ガスＧが、冷却処理等の前置処理された後、高温領域（約４００〜８００℃）の排ガスとして、排ガス流通路に設けられた本システム１に対して供給される。本システム１は、排ガスの流通路の上流側から、第１熱交換部１０，廃熱ボイラ２０，第２熱交換部３０が設けられ、それぞれ排ガスとの熱交換によって加熱された熱媒体Ｍａ，熱媒体Ｍｃ，熱媒体Ｍｂを介して高温領域から低温領域の排ガスの温熱が回収される。本システム１で熱回収された排ガスＧは、脱硫処理，集塵処理され清浄化された後、煙突から排出される。また、熱媒体Ｍａ，熱媒体Ｍｃ，熱媒体Ｍｂは、タンク４０から、それぞれタンク４０ａ，タンク４０ｃ，タンク４０ｂを介して第１熱交換部１０，廃熱ボイラ２０，第２熱交換部３０に供給され、蒸気（液体を含む）として供出される。各熱媒体Ｍａ，Ｍｃ，Ｍｂとして水を用いた場合には、タンク４０から軟水器Ｗに供給され軟水化された水を用いることによって、流路における結晶物の発生を防止することができる。
<Basic configuration of exhaust gas heat recovery system according to the present invention>
FIG. 1 illustrates a basic schematic overall configuration of the present system 1 (first configuration example). Exhaust gas G supplied from an industrial furnace or the like (a melting furnace is illustrated in the figure) is provided in an exhaust gas passage as exhaust gas in a high temperature region (about 400 to 800 ° C.) after being subjected to pretreatment such as cooling treatment. Supplied to the present system 1. In the present system 1, a first heat exchange unit 10, a waste heat boiler 20, and a second heat exchange unit 30 are provided from the upstream side of an exhaust gas flow path, and a heat medium Ma heated by heat exchange with the exhaust gas, respectively. The heat of the exhaust gas from the high temperature region to the low temperature region is recovered via the heat medium Mc and the heat medium Mb. The exhaust gas G recovered by heat in the present system 1 is desulfurized, dust-collected and purified, and then discharged from the chimney. The heat medium Ma, the heat medium Mc, and the heat medium Mb are supplied from the tank 40 to the first heat exchange unit 10, the waste heat boiler 20, and the second heat exchange unit 30 via the tanks 40a, 40c, and 40b, respectively. It is supplied and delivered as vapor (including liquid). When water is used as each of the heat mediums Ma, Mc, and Mb, the use of water softened by being supplied to the water softener W from the tank 40 can prevent the generation of crystals in the flow path.
本システム１において処理対象となる排ガスＧは、高温領域（約４００〜８００℃）の排ガスであり、二酸化炭素や酸素および窒素等の安定なガス成分を含むとともに、凝縮性の酸成分または／および水分を含有する場合がある。具体的には、加熱炉や熱処理炉等の工業用炉からの凝縮性の酸成分ミスト（例えば硫酸ミストＳＯ３等の酸ミスト）または／水分を含有する排ガスＧが対象となる場合がある。こうした排ガスＧは、高エネルギーを有するとともに、多くの酸ミストまたは／および水分が含まれることから、効率よくかつ安定的に熱回収するには、その露点に対応した排ガス処理が必要となる場合がある。具体的には、脱硫処理によって酸成分の低減処理（酸成分の露点の低下）と同時に露点を下げ（除害処理）、かつ供出される排ガス温度が、該排ガスの露点以上とされることによって効率よくかつ安定的に熱回収することが好ましい。特に、後述するように、本システム１の第２熱交換部３０において、セラミックス管Ｃｂ表面温度を排ガスの露点近傍まで低下させた場合、熱回収効率が最大となるとの知見から、排ガス中の水分量または排ガス露点を基準に、セラミックス管Ｃｂ表面の一部分の温度がこうした条件となるように熱媒体の温度および流量が設定されることが好ましい。また、酸ミスト等の発生し易い温度以下に冷却処理する場合には、酸ミストによる腐食および酸ミストと粉塵との結合・凝集を防止するように、耐食性素材の利用および微細粒子までの除塵処理が好ましい。 The exhaust gas G to be treated in the present system 1 is an exhaust gas in a high-temperature region (about 400 to 800 ° C.), contains stable gas components such as carbon dioxide, oxygen, and nitrogen, and has a condensable acid component and / or May contain moisture. Specifically, the exhaust gas G containing condensable acid component mist (for example, acid mist such as sulfuric acid mist SO 3 ) or / water from an industrial furnace such as a heating furnace or a heat treatment furnace may be a target. Since such exhaust gas G has high energy and contains a lot of acid mist and / or moisture, exhaust gas treatment corresponding to the dew point may be required for efficient and stable heat recovery. is there. Specifically, the desulfurization treatment reduces the acid component (decreases the dew point of the acid component) and simultaneously lowers the dew point (detoxification treatment), and the supplied exhaust gas temperature is set to be equal to or higher than the dew point of the exhaust gas. It is preferable to efficiently and stably recover heat. In particular, as will be described later, in the second heat exchange section 30 of the present system 1, when the surface temperature of the ceramic tube Cb is reduced to near the dew point of the exhaust gas, the heat recovery efficiency is maximized. It is preferable that the temperature and the flow rate of the heat medium be set such that the temperature of a part of the surface of the ceramic tube Cb satisfies such a condition based on the amount or the dew point of the exhaust gas. When cooling to a temperature lower than the temperature at which acid mist is likely to be generated, use a corrosion-resistant material and remove dust to fine particles so as to prevent corrosion by acid mist and bonding / aggregation of acid mist and dust. Is preferred.
〔第１熱交換部〕
第１熱交換部１０は、図２（Ａ）に例示するように、外管としてＳｉＣを主成分としたセラミックス管Ｃａが用いられ、内管として一端が閉塞したシングルエンド型の２重管Ｄａが用いられ、セラミックス管Ｃａと２重管Ｄａの間隙に形成された緩衝部１１に熱伝導率が高く耐熱性の緩衝材が挿入された３重管構造を有し、該２重管Ｄａの内部に気体または液体の熱媒体Ｍａが流通可能な流路１２を有する。高温領域の排ガスＧとの接触は、耐熱性のみならず耐蝕性をも要求され、ステンレス鋼等金属材料では長期的に直接排ガスＧと接触する使用には耐えることができない。本システム１は、こうした課題を解消するために外管としてセラミックス管Ｃａを用い、熱伝導率が高く耐熱性の緩衝材を介して内管として熱媒体Ｍａが流通可能な流路１２を有するシングルエンド型の２重管Ｄａを用いることによって、効率よく熱回収を行うと同時に長期的な使用にも十分に耐えうる第１熱交換部１０を構成した。
[First heat exchange section]
As illustrated in FIG. 2A, the first heat exchange unit 10 uses a ceramic tube Ca containing SiC as a main component as an outer tube and a single-ended double tube Da having one end closed as an inner tube. Is used, and has a triple pipe structure in which a high thermal conductivity and heat resistant buffer material is inserted into the buffer section 11 formed in the gap between the ceramic pipe Ca and the double pipe Da. A flow path 12 through which a gaseous or liquid heat medium Ma can flow is provided inside. Contact with the exhaust gas G in the high-temperature region requires not only heat resistance but also corrosion resistance, and metal materials such as stainless steel cannot withstand long-term direct contact with the exhaust gas G. In order to solve such a problem, the present system 1 uses a ceramic tube Ca as an outer tube, and has a single channel having a flow path 12 through which a heat medium Ma can flow as an inner tube via a high heat conductivity buffer material having high heat conductivity. By using the end-type double pipe Da, the first heat exchange unit 10 capable of efficiently recovering heat and sufficiently withstanding long-term use was configured.
ここで、セラミックス管Ｃａは、ＳｉＣを主成分（ここでいう主成分とは、セラミックス管を構成する全成分１００質量（重量）％に対して、９０質量（重量）％以上占める成分であり、９５質量（重量）％以上であることが好適である。）としたセラミックス素材（例えばクアーズテック社製、商品名ＣＥＲＡＳＩＣ［登録商標］−Ｂ）を用い、例えば半球状の一端部を有し、他端部から２重管Ｄａを挿入し緩衝部１１の形成が可能な円筒形状とすることが好ましい。約４００℃を超える高温領域の排ガスＧと接触にも耐えうる耐熱性および熱伝導性に優れるとともに、本システム１の使用に必要な強度（耐熱衝撃性）を確保することができる。また、ＳｉＣを主成分としたセラミックス管Ｃａを用いることによって、酸ミスト等の発生があっても腐食されることない耐食性を有し、長期使用が可能で安定な熱交換効率を確保することができる熱回収システムを構成することができる。 Here, the ceramic tube Ca is composed mainly of SiC (the main component is a component occupying 90% by mass or more with respect to 100% by mass of all the components constituting the ceramic tube, 95 mass% (weight)% or more is preferable.) A ceramic material (e.g., manufactured by Coors Tech Co., Ltd., trade name: CERASIC [registered trademark] -B) is used. It is preferable to form a cylindrical shape into which the double tube Da can be inserted from the other end and the buffer portion 11 can be formed. It has excellent heat resistance and thermal conductivity that can withstand contact with exhaust gas G in a high temperature region exceeding about 400 ° C., and can secure the strength (thermal shock resistance) required for use of the present system 1. In addition, by using the ceramic tube Ca containing SiC as a main component, it is possible to have a corrosion resistance that does not corrode even when an acid mist or the like is generated, to ensure long-term use, and to secure a stable heat exchange efficiency. A heat recovery system that can be constructed can be configured.
緩衝部１１に充填される緩衝材は、熱伝導率が高く耐熱性を有する素材が好ましい。具体的には、炭素材，グラファイト，炭化ケイ素あるいは金属酸化物（例えば酸化マグネシウム等）などを用いることができる。また、粉末状または微粒子状の緩衝材が好ましく、緩衝部１１中の空気層を最小にすることによってより高い熱伝導率を確保し、セラミックス管Ｃａからの温熱を効率よく２重管Ｄａに伝達することができる。本システムにおける検証では、後述するように、特に、緩衝材として粉末状のグラファイトを充填した緩衝部１１が好ましいとの実証結果を得た。 The buffer material filled in the buffer portion 11 is preferably a material having high heat conductivity and heat resistance. Specifically, a carbon material, graphite, silicon carbide, a metal oxide (for example, magnesium oxide, or the like) can be used. Further, a powdery or particulate buffer material is preferable, and a higher thermal conductivity is ensured by minimizing an air layer in the buffer portion 11, and the heat from the ceramic pipe Ca is efficiently transmitted to the double pipe Da. can do. In the verification in this system, as described later, it was proved that the buffer section 11 filled with powdered graphite as a buffer material was particularly preferable.
ここで、緩衝部１１に圧力センサまたは／および温度センサ（図示せず）を設けることが好ましい。継続的あるいは断続的に約４００℃を超える高温領域の排ガスＧと接触するセラミックス管Ｃａには、熱応力だけではなく熱衝撃も加わる非常に過酷な条件で長期間使用されることがある。長期間のこうした条件での使用により蓄積された熱歪は、セラミックス管Ｃａのクラックを引き起こす可能性があり、発生した破れ目からは緩衝部１１への高温の排ガスＧの浸透が生じる可能性がある。従って、予め緩衝部１１に圧力センサ・温度センサを設けることによって、緩衝部１１の圧力・温度の変化を伴うセラミックス管Ｃａのクラック等を検知することができる。また、長期間の高温領域の腐食成分や凝集成分等を含む排ガスＧと接触するセラミックス管Ｃａの外周表面には、多様な付着物が蓄積され、こうした付着物の存在はセラミックス管Ｃａの熱伝達機能の低下を招く。緩衝部１１と排ガスＧとの温度差の低下を検知することによって、熱回収効率に大きく寄与するセラミックス管Ｃａの異常な状態を検出することができる。さらに、熱媒体Ｍａの流量や温度の調整異常は緩衝部１１の温度変化を招来し、熱回収効率の異常の原因となる。供給源での熱媒体Ｍａの流量や温度を検知するだけではなく、緩衝部１１の温度変化を検知することによって、セラミックス管Ｃａ内部を流通する熱媒体Ｍａの異常を検出することができる。 Here, it is preferable to provide a pressure sensor and / or a temperature sensor (not shown) in the buffer unit 11. The ceramic tube Ca that is continuously or intermittently contacted with the exhaust gas G in the high temperature region exceeding about 400 ° C. may be used for a long time under extremely severe conditions in which not only thermal stress but also thermal shock is applied. Thermal strain accumulated due to long-term use under such conditions may cause cracks in the ceramic tube Ca, and high temperature exhaust gas G may penetrate into the buffer 11 from the generated break. . Therefore, by providing a pressure sensor and a temperature sensor in the buffer section 11 in advance, it is possible to detect a crack or the like of the ceramic tube Ca accompanying a change in the pressure and temperature of the buffer section 11. In addition, various kinds of deposits are accumulated on the outer peripheral surface of the ceramic pipe Ca that comes into contact with the exhaust gas G containing a corrosive component, an agglutinated component, and the like in a long-term high-temperature region. This leads to reduced functionality. By detecting a decrease in the temperature difference between the buffer unit 11 and the exhaust gas G, it is possible to detect an abnormal state of the ceramic pipe Ca that greatly contributes to the heat recovery efficiency. Further, the abnormal adjustment of the flow rate or the temperature of the heat medium Ma causes a change in the temperature of the buffer section 11 and causes an abnormality in the heat recovery efficiency. By detecting not only the flow rate and the temperature of the heat medium Ma at the supply source, but also the temperature change of the buffer section 11, it is possible to detect the abnormality of the heat medium Ma flowing inside the ceramic tube Ca.
また、ここでいう「シングルエンド型の２重管」Ｄａとは、外管の一端が閉塞した構成で、外管および内管を例えば鉄やステンレス等の耐熱性材料で構成された２重管をいう。セラミックス管Ｃａ内部に設けられ直接排ガスＧと接触することがないことから、耐熱性材料であれば強い耐食性が要求されず、幅広く熱伝導性が高く、加工性のよい材料を選択することができる。内管内部から低温の熱媒体Ｍａを供給し、内管外周部と外管内部との中間を流通させて、あるいは逆に内管外周部と外管内部との中間から低温の熱媒体Ｍａを供給・流通させ、内管内部を流通させて、緩衝部１１からの温熱を効率よく回収することができる。熱媒体Ｍａとしては、熱容量の大きな液体の熱媒体が好ましく、例えば市水や井戸水等を用いることによって、低温条件において精度の高い温度制御を行うことができる。また、大きな蒸発潜熱（凝縮熱）を利用して効率の良い熱回収を行うことができる。 The “single-ended double pipe” Da is a double pipe in which one end of an outer pipe is closed and the outer pipe and the inner pipe are made of a heat-resistant material such as iron or stainless steel. Say. Since it is provided inside the ceramic pipe Ca and does not directly contact the exhaust gas G, strong corrosion resistance is not required as long as it is a heat-resistant material, and a material having a wide range of high thermal conductivity and good workability can be selected. . The low-temperature heat medium Ma is supplied from the inside of the inner tube, and flows through the middle between the outer periphery of the inner tube and the inside of the outer tube. By supplying and circulating, and circulating inside the inner tube, the heat from the buffer section 11 can be efficiently collected. As the heat medium Ma, a liquid heat medium having a large heat capacity is preferable. For example, by using city water or well water, highly accurate temperature control can be performed under low temperature conditions. In addition, efficient heat recovery can be performed using large latent heat of evaporation (condensation heat).
〔廃熱ボイラ〕
本システム１に用いる廃熱ボイラ２０は、図７に例示した熱回収装置同様、多数設けられた水管群を備えるとともに、高温の排ガスＧとの接触で発生した熱媒体Ｍｃの高圧の蒸気によってドラムやタービン等を回転させる機構を有する。水管群の構成等の制限から廃熱ボイラ２０としての耐熱温度は、約２５０〜４００℃となる。本システム１においては、第１熱交換部１０によって低温下された排ガスＧを供給することによって耐熱温度を確保するとともに、第１熱交換部１０の機能を調整し、廃熱ボイラ２０を最適条件の温度で動作させることによって、さらに高い熱回収効率をえることができる。熱媒体Ｍｃとしては、上記熱媒体Ｍａ同様、熱容量の大きな液体の熱媒体として例えば市水や井戸水等を用いることができる。
[Waste heat boiler]
The waste heat boiler 20 used in the present system 1 includes a large number of water pipe groups as in the case of the heat recovery apparatus illustrated in FIG. 7, and uses a high-pressure steam of the heat medium Mc generated by contact with the high-temperature exhaust gas G to form a drum. And a mechanism for rotating a turbine and the like. The heat-resistant temperature of the waste heat boiler 20 is about 250 to 400 ° C. due to restrictions on the configuration of the water tube group and the like. In the present system 1, the heat-resistant temperature is ensured by supplying the exhaust gas G lowered in temperature by the first heat exchange unit 10, the function of the first heat exchange unit 10 is adjusted, and the waste heat boiler 20 is adjusted to the optimum condition. By operating at this temperature, higher heat recovery efficiency can be obtained. As the heat medium Mc, as in the case of the heat medium Ma, for example, city water or well water can be used as a liquid heat medium having a large heat capacity.
〔第２熱交換部〕
第２熱交換部３０は、図２（Ｂ）に例示するように、外管としてＳｉＣを主成分としたセラミックス管Ｃｂが用いられ、一端が閉塞したシングルエンド型の２重管を構成し、該２重管の内部に気体または液体の熱媒体Ｍｂが流通可能な流路３１を有する。排ガスＧとの熱交換によって加熱された熱媒体Ｍｂを介して低温領域の排ガスＧの温熱が回収される。このとき、流通路に導入される排ガス中の水分量または排ガス露点を基準に、セラミックス管表面の一部分の温度が排ガスＧの露点以下となる低温部分とこれに近接し露点以上となる高温部分が形成されるように熱媒体Ｍの温度および流量が設定され、かつ本システム１から供出される排ガス温度が、排ガスＧの露点以上とされることによって、排ガスＧからの熱回収を効率よく行うことができ、かつ排ガスＧの露点に対応した排ガス処理を行うことができる。
[Second heat exchange section]
As illustrated in FIG. 2 (B), the second heat exchange unit 30 uses a ceramic tube Cb containing SiC as a main component as an outer tube and forms a single-ended double tube with one end closed. A flow path 31 through which a gaseous or liquid heat medium Mb can flow is provided inside the double pipe. The heat of the exhaust gas G in the low temperature region is recovered via the heat medium Mb heated by heat exchange with the exhaust gas G. At this time, based on the amount of water in the exhaust gas introduced into the flow passage or the dew point of the exhaust gas, a low-temperature portion in which the temperature of a part of the surface of the ceramic pipe is lower than the dew point of the exhaust gas G and a high-temperature portion in which the temperature is close to the dew point is higher than the dew point. The temperature and flow rate of the heat medium M are set so as to be formed, and the temperature of the exhaust gas supplied from the present system 1 is equal to or higher than the dew point of the exhaust gas G, so that heat can be efficiently recovered from the exhaust gas G. And an exhaust gas treatment corresponding to the dew point of the exhaust gas G can be performed.
セラミックス管Ｃｂは、上記セラミックス管Ｃａと同じ素材を用いることができる。耐熱性，耐食性および熱伝導性に優れるとともに、本システム１の使用に必要な強度を確保することができる。また、ＳｉＣを主成分としたセラミックス管Ｃａを用いることによって、低温領域において排ガスＧ中の酸ミスト等の発生があっても腐食されることなく、長期使用が可能で安定な熱交換効率を確保することができる熱回収システムを構成することができる。内管として上記２重管Ｄａ同様、例えば鉄やステンレス等の耐熱性材料を用いることができる。また、セラミックス管Ｃｂは、一端が閉塞したシングルエンド型の２重管を形成することが好ましい。例えば半球状の一端部を有し、他端部から内管を挿入し熱媒体Ｍｂの導入・流通が可能な円筒形状とすることが好ましい。内管内部から低温の熱媒体Ｍｂを供給し、内管外周部と外管内部との中間を流通させて、あるいは逆に内管外周部と外管内部との中間から低温の熱媒体Ｍｂを供給・流通させ、内管内部を流通させて、熱媒体Ｍｂを最も低温条件で排ガスＧと熱交換させることによって、低温領域の排ガスＧであっても、その温熱を最大量回収することができる。このとき、排ガスＧの温度が比較的高温の場合、熱媒体Ｍｂが排ガスＧの温熱を回収した後の内管または外管のいずれかにおいて気化するように設定することも可能である。熱媒体Ｍｂの気化熱として大きな温熱を回収することによって、排ガスＧからの熱回収をより効率よく行うことができる。熱媒体Ｍｂとしては、上記熱媒体Ｍａ同様、熱容量の大きな液体の熱媒体として例えば市水や井戸水等を用いることによって、低温条件において精度の高い温度制御を行うことができる。 The same material as the ceramic tube Ca can be used for the ceramic tube Cb. It is excellent in heat resistance, corrosion resistance and heat conductivity, and can secure the strength required for using the present system 1. In addition, by using the ceramic tube Ca containing SiC as a main component, even if acid mist or the like is generated in the exhaust gas G in a low temperature region, it can be used for a long time and stable heat exchange efficiency can be secured without being corroded. A heat recovery system that can perform the heat recovery. Similar to the double pipe Da, a heat-resistant material such as iron or stainless steel can be used as the inner pipe. Further, it is preferable that the ceramic tube Cb forms a single-ended double tube with one end closed. For example, it is preferable to have a cylindrical shape having a hemispherical one end and an inner tube inserted from the other end to allow introduction and distribution of the heat medium Mb. The low-temperature heat medium Mb is supplied from the inside of the inner tube, and flows through the middle between the outer periphery of the inner tube and the inside of the outer tube. By supplying and circulating, and circulating inside the inner tube, and exchanging heat medium Mb with exhaust gas G under the lowest temperature condition, even in the case of exhaust gas G in the low temperature region, the maximum amount of heat can be recovered. . At this time, when the temperature of the exhaust gas G is relatively high, it is possible to set so that the heat medium Mb is vaporized in either the inner pipe or the outer pipe after recovering the heat of the exhaust gas G. By collecting a large amount of heat as heat of vaporization of the heat medium Mb, heat recovery from the exhaust gas G can be performed more efficiently. As the heat medium Mb, similarly to the above-described heat medium Ma, by using city water, well water, or the like as a liquid heat medium having a large heat capacity, highly accurate temperature control can be performed under low-temperature conditions.
具体的には、図２（Ｂ）に例示するように、排ガスの流通路の上方からセラミックス管Ｃｂが挿入された場合において、内管３２から導入された熱媒体Ｍｂ（例えば１０〜２０℃）がセラミックス管Ｃｂの内部流路を流通して導出され、セラミックス管Ｃｂの管壁を介して所定温度（例えば２００〜３００℃）の排ガスＧが有する温熱が回収処理される。回収された温熱は、熱媒体Ｍｂまたは他の媒体を介して、温水作製用等の温熱として利用される。このとき、回収される熱量は、導入された熱媒体Ｍｂの所定の流量範囲において、熱媒体Ｍｂの流量によって制御することができる。具体的には、セラミックス管Ｃｂは、内管３２から内部流路下部に導出された低温の熱媒体Ｍｂによって冷却され、セラミックス管Ｃｂの表面の下部（以下「表面下部」という）３０ａが最も低温となり（例えば８０℃）、上方に従い、表面中央部３０ｂ（例えば９０℃）、表面上部３０ｃ（例えば１００℃）と順次温度が上昇する。ここで、熱媒体Ｍｂの流量を増加させ、表面下部３０ａの温度を排ガスＧの露点（例えば６０℃）以下とすることによって、排ガスＧの温熱を最大量吸収することができる。セラミックス管Ｃｂ外表面における凝縮水の発生・付着は、該外表面からの放熱・排ガスによる移送を阻害することから、熱媒体Ｍｂによる排ガスＧの温熱の回収効率は、セラミックス管外表面温度が排ガスＧの露点近傍のときに最大となると解され、後述する実機での検証において実証された。つまり、排ガスＧ中の水分量または排ガスＧの露点を基準に、熱媒体Ｍｂの温度・流量を制御することによって、排ガスＧの温熱の回収効率を最大とすることができる。また、表面下部３０ａ以外のセラミックス管Ｃｂの表面温度はこれよりも高く、そこでの酸成分の凝縮を防止し、また凝縮が発生した場合にはこれを蒸散させることによって、供出される排ガス温度を露点以上に設定し、酸成分の凝集や酸成分と粉塵等の凝集の形成を防止することができる。 Specifically, as illustrated in FIG. 2B, when the ceramic tube Cb is inserted from above the exhaust gas passage, the heating medium Mb (for example, 10 to 20 ° C.) introduced from the inner tube 32. Flows through the internal flow path of the ceramic pipe Cb, and is discharged through the pipe wall of the ceramic pipe Cb to recover the heat of the exhaust gas G at a predetermined temperature (for example, 200 to 300 ° C.). The recovered heat is used as heat for producing hot water or the like via the heat medium Mb or another medium. At this time, the amount of heat recovered can be controlled by the flow rate of the heating medium Mb within a predetermined flow rate range of the introduced heating medium Mb. Specifically, the ceramic tube Cb is cooled by a low-temperature heat medium Mb led out from the inner tube 32 to the lower portion of the internal flow path, and the lower portion (hereinafter referred to as “lower surface”) 30a of the surface of the ceramic tube Cb has the lowest temperature. (E.g., 80 [deg.] C.), and the temperature sequentially increases in the order of the center 30b (e.g., 90 [deg.] C.) and the upper surface 30c (e.g., 100 [deg.] C.). Here, the maximum amount of heat of the exhaust gas G can be absorbed by increasing the flow rate of the heat medium Mb and setting the temperature of the lower surface 30a to be equal to or lower than the dew point (for example, 60 ° C.) of the exhaust gas G. Since the generation and adhesion of condensed water on the outer surface of the ceramic tube Cb hinders the heat release from the outer surface and the transfer by the exhaust gas, the efficiency of recovering the heat of the exhaust gas G by the heat medium Mb is as follows. It was understood that the maximum value was obtained near the dew point of G, and this was proved in the verification with an actual device described later. That is, by controlling the temperature and the flow rate of the heat medium Mb based on the amount of water in the exhaust gas G or the dew point of the exhaust gas G, the efficiency of recovering the heat of the exhaust gas G can be maximized. In addition, the surface temperature of the ceramic tube Cb other than the lower surface 30a is higher than that, and the condensation of the acid component is prevented there. By setting the dew point or higher, it is possible to prevent the aggregation of the acid component and the formation of the aggregation of the acid component and dust.
一方、排ガスの流通路の下方からセラミックス管Ｃｂが挿入された場合（図示せず）においては、熱媒体Ｍｂが内管３２の外周部から導入され、セラミックス管Ｃｂの内部流路を流通して内管３２を介して導出されることによって、これと同等の効果を得ることができる。このとき、セラミックス管Ｃｂの表面下部に排ガスの露点以下の低温部分が形成され、セラミックス管Ｃｂの表面上部に排ガスの露点以上の温度となる高温部分が形成され、排ガスとの熱交換により高い温熱回収を行うことができる。 On the other hand, when the ceramic pipe Cb is inserted from below the exhaust gas flow path (not shown), the heat medium Mb is introduced from the outer peripheral portion of the inner pipe 32 and flows through the internal flow path of the ceramic pipe Cb. The same effect can be obtained by being led out through the inner tube 32. At this time, a low-temperature portion below the dew point of the exhaust gas is formed below the surface of the ceramic tube Cb, and a high-temperature portion having a temperature above the dew point of the exhaust gas is formed above the surface of the ceramic tube Cb. Recovery can be performed.
また、排ガスの流通路の上方からセラミックス管Ｃｂが挿入され、内管３２の外周部から導入された熱媒体Ｍｂがセラミックス管Ｃｂの内部流路を流通して内管３２を介して導出された場合（図示せず）においても同様に、排ガスＧが有する温熱が回収処理される。このとき、当初の熱媒体Ｍｂの流量条件において、セラミックス管Ｃｂは、セラミックス管Ｃｂ表面上部３０ｃが最も低温となり（例えば８０℃）、下方に従い、表面中央部３０ｂ（例えば９０℃）、表面下部３０ａ（例えば１００℃）と順次温度が上昇する。ここで、熱媒体Ｍｂの流量を増加させ、表面上部３０ｃの温度を排ガスＧの露点（例えば６０℃）以下とすることによって、排ガスの温熱を最大量吸収することができる。つまり、排ガスＧ中の水分量または排ガスＧの露点を基準に、熱媒体Ｍｂの温度・流量を制御することによって、排ガスＧの温熱の回収効率を最大とすることができる。また、表面上部３０ｃ以外のセラミックス管Ｃｂの表面温度はこれよりも高く、そこでの酸成分の凝縮は発生せず、また凝縮が発生した場合にはこれを蒸散させることによって、供出される排ガス温度を露点以上に設定し、酸成分の凝集や酸成分と粉塵等の凝集の形成を防止することができる。特に、排ガスの流通路の上方からセラミックス管Ｃｂを挿入した場合には、表面上部３０ｃにおいて凝縮した酸成分は自重による自然落下及び排ガスの流れによって、さらに温度が上昇した表面中央部３０ｂおよび表面下部３０ａに移動し、再び気化・蒸散し、酸成分の凝集や酸成分と粉塵等の凝集の形成を防止することができる。 Further, the ceramic pipe Cb is inserted from above the exhaust gas passage, and the heat medium Mb introduced from the outer peripheral portion of the inner pipe 32 flows through the internal flow path of the ceramic pipe Cb and is led out through the inner pipe 32. In the case (not shown), the heat of the exhaust gas G is similarly recovered. At this time, under the initial flow rate condition of the heat medium Mb, the ceramic tube Cb has the lowest temperature at the upper surface 30c of the ceramic tube Cb (for example, 80 ° C.), and the lower surface 30a at the central portion 30b (for example, 90 ° C.). (For example, 100 ° C.). Here, the maximum amount of heat of the exhaust gas can be absorbed by increasing the flow rate of the heat medium Mb and setting the temperature of the upper surface 30c to be equal to or lower than the dew point (for example, 60 ° C.) of the exhaust gas G. That is, by controlling the temperature and the flow rate of the heat medium Mb based on the amount of water in the exhaust gas G or the dew point of the exhaust gas G, the efficiency of recovering the heat of the exhaust gas G can be maximized. In addition, the surface temperature of the ceramic tube Cb other than the upper surface 30c is higher than this, and no condensation of the acid component occurs therein. Is set to be equal to or higher than the dew point, thereby preventing aggregation of the acid component and formation of aggregation of the acid component and dust. In particular, when the ceramic tube Cb is inserted from above the exhaust gas flow passage, the acid component condensed in the upper surface 30c is naturally dropped by its own weight and the temperature of the surface is increased further by the flow of the exhaust gas. It moves to 30a, vaporizes and evaporates again, and can prevent aggregation of the acid component and formation of the aggregation of the acid component and dust.
また、排ガスの流通路の下方からセラミックス管Ｃｂが挿入された場合（図示せず）において、熱媒体Ｍｂが内管３２から導入され、内管３２を介してセラミックス管Ｃｂの上方および内部流路を流通して内管３２外周部の下方から導出されることによって、これと同等の効果を得ることができる。このとき、内管３２から導入された低温の熱媒体Ｍｂが、セラミックス管Ｃｂの内部流路の上方から下方に流通されることによって、セラミックス管Ｃｂの表面上部に排ガスの露点以下の低温部分が形成され、セラミックス管Ｃｂの表面下部に排ガスの露点以上の温度となる高温部分が形成され、排ガスとの熱交換により高い温熱回収を行うことができる。 Further, when the ceramic pipe Cb is inserted from below the exhaust gas flow path (not shown), the heat medium Mb is introduced from the inner pipe 32, and the upper part of the ceramic pipe Cb and the internal flow path are passed through the inner pipe 32. And is led out from below the outer peripheral portion of the inner tube 32, whereby the same effect can be obtained. At this time, the low-temperature heat medium Mb introduced from the inner pipe 32 flows from above to below the internal flow path of the ceramic pipe Cb, so that a low-temperature portion below the dew point of the exhaust gas is formed on the upper surface of the ceramic pipe Cb. A high temperature portion having a temperature equal to or higher than the dew point of the exhaust gas is formed at the lower portion of the surface of the ceramic tube Cb, and high heat recovery can be performed by heat exchange with the exhaust gas.
こうした機能は、本発明における上記知見（ｃ）を基に、本システム１の構成において得られるものである。具体的には、排ガス流路に配設された第２熱交換部３０において、排ガスＧの露点を例えば５５〜６０℃とした場合のセラミックス管Ｃｂの表面温度と排ガスＧの露点との関係によって実証することができる。図３は、５５〜６０℃の飽和水分量を有する１９７℃の排ガスＧが流通する場合におけるセラミックス管Ｃｂの表面温度と排ガスＧの露点（水分濃度：ｋｇ／ｋｇ）との関係を例示する。セラミックス管Ｃｂの表面温度が６０℃以上の表面（Ｔｅ）には、水分（酸成分）の凝縮はなく、凝縮した成分が存在した場合には、気化・蒸散する。表面温度が５５〜６０℃近傍の表面（Ｔｄ）には、酸成分の凝縮が生じるが、凝縮した成分が凝集し拡大することはなく、気化・蒸散することもない。表面温度が５５℃以下の表面（Ｔｃ）には、酸成分の凝縮が生じ、凝縮した成分が存在した場合、凝集し拡大する。つまり、表面温度が５５℃近傍まで低下するように、セラミックス管Ｃｂ内部を流通する熱媒体Ｍｂによって熱回収を図ることによって、酸成分の凝縮を抑えながら最大量の温熱を回収することができる。また、図３（Ａ）に例示するように、セラミックス管Ｃｂの表面下部が５５〜６０℃近傍の表面（Ｔｄ）に対応するように設定することによって、凝縮した酸成分の凝集・拡大を防止することができる一方、図３（Ｂ）に例示するように、セラミックス管Ｃｂの表面上部が５５℃以下の表面（Ｔｃ）に対応するように設定することによって、表面中央部が５５〜６０℃近傍の表面（Ｔｄ）に対応し、表面下部が６０℃以上の表面（Ｔｅ）に対応することから、表面（Ｔｃ）において凝縮した酸成分は、表面（Ｔｄ）を介して表面（Ｔｅ）において気化・蒸散させることができる。つまり、後者の構成の方が、前者に比較してより表面温度を低く設定し、熱回収量を多くすることができる。 These functions are obtained in the configuration of the system 1 based on the above knowledge (c) in the present invention. Specifically, in the second heat exchange unit 30 disposed in the exhaust gas channel, the relationship between the surface temperature of the ceramic tube Cb and the dew point of the exhaust gas G when the dew point of the exhaust gas G is set to, for example, 55 to 60 ° C. Can be demonstrated. FIG. 3 illustrates the relationship between the surface temperature of the ceramic tube Cb and the dew point of the exhaust gas G (moisture concentration: kg / kg) when the exhaust gas G of 197 ° C. having a saturated water content of 55 to 60 ° C. flows. Water (acid component) is not condensed on the surface (Te) where the surface temperature of the ceramic tube Cb is 60 ° C. or higher, and if a condensed component exists, it is vaporized and evaporated. On the surface (Td) having a surface temperature of about 55 to 60 ° C., the acid component is condensed, but the condensed component does not agglomerate and expand, and does not vaporize or evaporate. On the surface (Tc) having a surface temperature of 55 ° C. or lower, the acid component is condensed, and when the condensed component is present, it is agglomerated and expanded. That is, by recovering heat by the heat medium Mb flowing inside the ceramic tube Cb so that the surface temperature decreases to around 55 ° C., it is possible to recover the maximum amount of heat while suppressing the condensation of the acid component. Further, as illustrated in FIG. 3A, by setting the lower surface of the ceramic tube Cb so as to correspond to the surface (Td) near 55 to 60 ° C., the aggregation and expansion of the condensed acid component can be prevented. On the other hand, as illustrated in FIG. 3B, by setting the upper surface of the ceramic tube Cb so as to correspond to the surface (Tc) of 55 ° C. or less, the center of the surface is 55 ° C. to 60 ° C. The acid component condensed on the surface (Tc) passes through the surface (Td) because the acid component condensed on the surface (Tc) passes through the surface (Te) because the lower surface corresponds to the surface (Te) having a temperature of 60 ° C. or higher. Can be vaporized and evaporated. That is, the latter configuration can set the surface temperature lower than the former and can increase the heat recovery amount.
〔本システムの特性の検証〕
（１）第１熱交換部および第２熱交換部の基本特性
上記図２（Ａ），（Ｂ）の構成を有する第１熱交換部１０，第２熱交換部３０について、所定温度の熱媒体Ｍａ，Ｍｂを導入した場合における「熱流量」，「熱流密度」および「熱伝達率」を検証した。
（ｉ）検証条件
排ガス流路（断面かまぼこ型：断面積２．９ｍ２）に、
（ｉ−１）排ガスＧ温度４６０〜４９５℃条件で、高温領域用第１熱交換部として、１つのセラミックス管Ｃａ（外径φ１１６ｍｍ×内径φ９６ｍｍ，有効長１１９８ｍｍ），内管Ｄａ（２重管構造のＳＵＳ管：外径φ９０ｍｍ×内径φ７３ｍｍ，有効長９００ｍｍ）および緩衝材としてグラファイトを配設し、熱媒体Ｍａとして水温１４℃の水を流量約２．５〜４．５Ｌ／ｍｉｎ供給し、
（ｉ−２）排ガスＧ温度１９０℃条件で、低温領域用第２熱交換部として、１０本のセラミックス管Ｃｂ（２重管の外径φ９０ｍｍ×内径φ７３ｍｍ，有効長９００ｍｍ）を配設し、熱媒体Ｍｂとして水温１４℃の水を流量約１．２Ｌ／ｍｉｎ（１本あたり）供給し、
熱流量（ｋＷ），熱流密度（ｋＷ／ｍ２）および熱伝達率（λ）を測定・演算した。
なお、
（ii）検証結果
検証結果を、下表１に例示する。緩衝部に充填されたセラミックス管Ｃａにおいて、予測通り良好な熱流量，熱流密度および熱伝達率の結果を得られ、高温領域での大きな回収熱量を得ることができた。特に充填無しの状態とは大きく相違した。一方、充填材料によって少しバラつきの発生が見られた。グラファイトが高い熱回収機能を有することが期待できる。また、セラミックス管Ｃｂにおいて、良好な熱流量，熱流密度および熱伝達率の結果を得られ、低温領域において大きな回収熱量を得ることが期待できる。
(1) Basic characteristics of the first heat exchange unit and the second heat exchange unit Regarding the first heat exchange unit 10 and the second heat exchange unit 30 having the configurations shown in FIGS. The “heat flow rate”, “heat flow density” and “heat transfer coefficient” when the media Ma and Mb were introduced were verified.
(I) Verification conditions In the exhaust gas channel (kamaboko cross section: 2.9 m 2 cross section),
(I-1) One ceramic pipe Ca (outer diameter φ116 mm × inner diameter φ96 mm, effective length 1198 mm), inner pipe Da (double pipe) as the first heat exchange section for the high temperature region under the condition of the exhaust gas G temperature of 460 to 495 ° C. SUS pipe having a structure: outer diameter φ90 mm × inner diameter φ73 mm, effective length 900 mm) and graphite as a buffer material, and water having a water temperature of 14 ° C. as a heat medium Ma is supplied at a flow rate of about 2.5 to 4.5 L / min.
(I-2) Ten ceramic tubes Cb (double tube outer diameter φ90 mm × inner diameter φ73 mm, effective length 900 mm) are disposed as the second heat exchange unit for the low temperature region under the condition of the exhaust gas G temperature of 190 ° C. Water having a water temperature of 14 ° C. is supplied as a heat medium Mb at a flow rate of about 1.2 L / min (per tube),
The heat flow rate (kW), the heat flow density (kW / m 2 ), and the heat transfer coefficient (λ) were measured and calculated.
In addition,
(Ii) Verification results The verification results are shown in Table 1 below. In the ceramic tube Ca filled in the buffer portion, as expected, a good heat flow rate, heat flow density, and heat transfer coefficient were obtained, and a large amount of recovered heat in a high temperature region was obtained. In particular, it was greatly different from the state without filling. On the other hand, slight variation was observed depending on the filling material. It can be expected that graphite has a high heat recovery function. In the ceramic tube Cb, good heat flow, heat flow density and heat transfer coefficient can be obtained, and a large amount of recovered heat can be expected in a low temperature region.
（２）第２熱交換部の特性
上記図２（Ｂ）の構成を有する第２熱交換部３０について、所定温度の熱媒体Ｍｂを導入した場合における「熱媒体Ｍｂの流量と回収熱量の相関」および「熱媒体Ｍｂの流量とセラミックス管Ｃｂ出口の熱媒体Ｍｂの温度の相関」を検証した。
（ｉ）検証条件
排ガス流路に１０本のセラミックス管Ｃｂを配設し、各セラミックス管Ｃｂに対して熱媒体Ｍｂを排ガスＧと並流または向流方向に流した場合を設定した。ここで、排ガス流路（断面積０．７２ｍ２：半径０．４８ｍの円筒）に、外径φ９０ｍｍ×内径φ７６ｍｍ，有効長９００ｍｍからなる２重管のセラミックス管Ｃｂを配設し、モル比「Ｏ２：Ｎ２：Ｈ２Ｏ＝１０：７０：２０」からなる排ガスＧ（露点約６０℃）を流量１５，０００Ｎｍ３／ｈ，温度１９７℃で導入し、熱媒体Ｍｂとして温度１８℃の水を流量約０．５〜１．４Ｌ／ｍｉｎで供給し、熱媒体Ｍｂの流量とセラミックス管Ｃｂ出口の熱媒体Ｍｂの温度を測定した。回収熱量は、セラミックス管Ｃｂ出入り口の熱媒体Ｍｂの温度差と熱媒体Ｍｂの流量から演算した。
（ii）検証結果
検証結果を、図４および図５に例示する。図４は「熱媒体Ｍｂの流量と回収熱量の相関」を示し、図５は「熱媒体Ｍｂの流量とセラミックス管Ｃｂ出口の熱媒体Ｍｂの温度の相関」を示す。領域ａおよびｂにおいて、セラミックス管Ｃｂ表面に凝縮物が発生していることが確認された。図４に例示するように、熱媒体Ｍｂの供給流量１．２Ｌ／ｍｉｎ近傍において、回収熱量が最大値を示す相関結果を得た。また、図５に例示するように、熱媒体Ｍｂの供給流量１．３Ｌ／ｍｉｎ近傍において、セラミックス管Ｃｂ出口の熱媒体Ｍｂの温度が急激に低下する相関結果を得るとともに、その変曲点近傍は、排ガスの露点約６０℃に対応する温度であるとの結果を得た。なお、本検証では、特定条件の排ガスＧ条件で実証結果を例示したが、いくつかの排ガスＧ条件において同様な実証結果を得ることができた。
(2) Characteristics of the Second Heat Exchange Unit The second heat exchange unit 30 having the configuration shown in FIG. 2 (B) shows a case where the heat medium Mb at a predetermined temperature is introduced. And "correlation between the flow rate of the heating medium Mb and the temperature of the heating medium Mb at the outlet of the ceramic tube Cb" were verified.
(I) Verification Conditions Ten ceramic pipes Cb were arranged in the exhaust gas flow path, and a case was set in which the heat medium Mb was flowed in each ceramic pipe Cb in a direction parallel or countercurrent to the exhaust gas G. Here, a double ceramic pipe Cb having an outer diameter of 90 mm, an inner diameter of 76 mm, and an effective length of 900 mm is provided in an exhaust gas flow path (a cylinder having a cross-sectional area of 0.72 m 2 and a radius of 0.48 m), and has a molar ratio of “ Exhaust gas G composed of O 2 : N 2 : H 2 O = 10: 70: 20 ”(dew point: about 60 ° C.) is introduced at a flow rate of 15,000 Nm 3 / h and a temperature of 197 ° C., and a heat medium Mb having a temperature of 18 ° C. Water was supplied at a flow rate of about 0.5 to 1.4 L / min, and the flow rate of the heat medium Mb and the temperature of the heat medium Mb at the outlet of the ceramic tube Cb were measured. The amount of heat recovered was calculated from the temperature difference of the heat medium Mb at the entrance and exit of the ceramic tube Cb and the flow rate of the heat medium Mb.
(Ii) Verification Result The verification results are illustrated in FIGS. 4 and 5. FIG. 4 shows “correlation between the flow rate of the heat medium Mb and the recovered heat amount”, and FIG. 5 shows “correlation between the flow rate of the heat medium Mb and the temperature of the heat medium Mb at the outlet of the ceramic tube Cb”. It was confirmed that condensate was generated on the surface of the ceramic tube Cb in the regions a and b. As illustrated in FIG. 4, a correlation result was obtained in which the amount of recovered heat showed the maximum value near the supply flow rate of the heat medium Mb of 1.2 L / min. In addition, as illustrated in FIG. 5, a correlation result that the temperature of the heating medium Mb at the outlet of the ceramic tube Cb sharply decreases is obtained near the supply flow rate of the heating medium Mb of 1.3 L / min. Was a temperature corresponding to a dew point of exhaust gas of about 60 ° C. In this verification, the verification results were illustrated under the exhaust gas G conditions of the specific conditions, but similar verification results could be obtained under some exhaust gas G conditions.
こうした検証結果から、既述のように、
（ａ）図４に例示する結果から、熱媒体Ｍｂの流量を増加させ、セラミックス管Ｃｂ表面温度を排ガスＧの露点（例えば５５〜６０℃）近傍まで低下させた場合に、熱回収効率が最大となるとの知見を得た。
これを利用して、熱媒体Ｍｂの流量を調整し、セラミックス管Ｃｂ表面の一部分において排ガスＧの露点以下の低温領域まで熱回収部分（セラミックス管Ｃｂ表面）を冷却し、その内部を流通する熱媒体Ｍｂを介して熱回収を行うことによって、効率よくかつ安定的に排ガスＧの温熱を回収することができる。排ガスＧの特性に対応して、セラミックス管Ｃｂを用いた熱交換器が有する機能を有効に活かることによって、非常に高い熱回収効率を確保することができる。
From these verification results, as described above,
(A) From the results illustrated in FIG. 4, when the flow rate of the heat medium Mb is increased and the surface temperature of the ceramic tube Cb is reduced to near the dew point (for example, 55 to 60 ° C.) of the exhaust gas G, the heat recovery efficiency is maximized. It was found that
By utilizing this, the flow rate of the heat medium Mb is adjusted, the heat recovery portion (the surface of the ceramic tube Cb) is cooled to a low temperature region below the dew point of the exhaust gas G on a part of the surface of the ceramic tube Cb, and the heat flowing through the inside thereof is cooled. By performing the heat recovery through the medium Mb, the heat of the exhaust gas G can be efficiently and stably recovered. Very high heat recovery efficiency can be ensured by effectively utilizing the function of the heat exchanger using the ceramic tube Cb in accordance with the characteristics of the exhaust gas G.
また、上記検証結果から、既述のように、
（ｅ）図５に例示する結果から、熱媒体Ｍｂの流量を増加させ、セラミックス管Ｃｂ表面温度を低下させた場合に、ほぼ一定の傾きを有していたセラミックス管Ｃｂ出口の熱媒体Ｍｂの温度変化が、排ガスＧの露点（例えば５５〜６０℃）近傍において急激に傾きが変化するとの知見を得た。
これを利用して、セラミックス管Ｃｂ出口の熱媒体Ｍｂの温度を監視し、熱媒体Ｍｂの流量を調整することによって、セラミックス管Ｃｂ表面の一部分において排ガスＧの露点以下の低温領域まで冷却できているかを推定することができ、その内部を流通する熱媒体Ｍｂを介して熱回収を行うことによって、効率よくかつ安定的に排ガスＧの温熱を回収することができる。また、熱媒体Ｍｂの流量に対するセラミックス管Ｃｂ出口の熱媒体Ｍｂの温度変化を監視することによって、排ガス中の水分量の変化に対応した最適な熱媒体Ｍｂの流量を調整することができる。熱交換器において熱媒体Ｍｂにより回収された温熱を監視することによって間接的に熱媒体Ｍｂの流量と熱回収効率の最適な相関条件を把握することができ、熱媒体Ｍｂの流量調整によって非常に高い熱回収効率を確保することができる。
Also, from the above verification results, as described above,
(E) From the results illustrated in FIG. 5, when the flow rate of the heat medium Mb is increased and the surface temperature of the ceramic tube Cb is decreased, the heat medium Mb at the outlet of the ceramic tube Cb having a substantially constant inclination is obtained. It has been found that the temperature change sharply changes in the vicinity of the dew point (for example, 55 to 60 ° C.) of the exhaust gas G.
By utilizing this, the temperature of the heat medium Mb at the outlet of the ceramic tube Cb is monitored, and by adjusting the flow rate of the heat medium Mb, a portion of the surface of the ceramic tube Cb can be cooled to a low temperature region below the dew point of the exhaust gas G. By performing heat recovery through the heat medium Mb flowing through the inside, it is possible to efficiently and stably recover the heat of the exhaust gas G. Further, by monitoring the temperature change of the heat medium Mb at the outlet of the ceramic tube Cb with respect to the flow rate of the heat medium Mb, it is possible to adjust the optimum flow rate of the heat medium Mb corresponding to the change of the amount of water in the exhaust gas. By monitoring the heat recovered by the heat medium Mb in the heat exchanger, the optimum correlation condition between the flow rate of the heat medium Mb and the heat recovery efficiency can be indirectly grasped. High heat recovery efficiency can be secured.
〔本システムの他の構成例〕
本システムにおいて、図６に例示するように、第２熱交換部３０から取り出され、加温された熱媒体Ｍｂの少なくとも一部を、第１熱交換部１０の２重管Ｄａに導入される熱媒体Ｍａおよび／または廃熱ボイラの熱媒体Ｍｃとして利用することを特徴とする（第２構成例）。第２熱交換部３０から取り出された熱媒体Ｍｂの温度は比較的低温を維持していること、および低温領域において大きな熱量を回収するには比較的大量の熱媒体Ｍｂを供給する必要があり、第２熱交換部３０から供出される熱媒体Ｍｂの量も大きいことから、高温の排ガスＧとの熱交換用熱媒体として使用することが可能である。加温されつつも比較的低温の第２熱交換部から取り出された熱媒体Ｍｂの一部を、第１熱交換部の熱媒体Ｍａあるいは廃熱ボイラの熱媒体Ｍｃとして用いることによって、熱媒体自体を有効に活用することができ、不要な温熱の廃棄をなくした結果、高温領域から低温領域まで効率よく熱回収を行うことができる。また、図においては、第１熱交換部１０から供出された高温の蒸気または液体は、蒸発缶に供給され、発電，プラント用蒸気または温水利用設備等に用いられ、第２熱交換部３０から供出された低温の蒸気または液体は、バイナリ発電に供給され照明や各種設備電源等に用いられる。
[Another configuration example of this system]
In the present system, as illustrated in FIG. 6, at least a part of the heat medium Mb taken out of the second heat exchange unit 30 and heated is introduced into the double pipe Da of the first heat exchange unit 10. It is characterized in that it is used as a heat medium Ma and / or a heat medium Mc of a waste heat boiler (second configuration example). The temperature of the heat medium Mb taken out of the second heat exchange unit 30 is maintained at a relatively low temperature, and a relatively large amount of heat medium Mb needs to be supplied in order to recover a large amount of heat in a low temperature region. Since the amount of the heat medium Mb supplied from the second heat exchange unit 30 is large, the heat medium Mb can be used as a heat medium for heat exchange with the high-temperature exhaust gas G. By using a part of the heat medium Mb taken out of the second heat exchange part which is heated but relatively low in temperature as the heat medium Ma of the first heat exchange part or the heat medium Mc of the waste heat boiler, As a result, unnecessary heat is discarded, and as a result, heat can be efficiently recovered from a high-temperature region to a low-temperature region. In the figure, high-temperature steam or liquid supplied from the first heat exchange unit 10 is supplied to an evaporator and used for power generation, plant steam or hot water utilization equipment, and the like. The supplied low-temperature steam or liquid is supplied to binary power generation and used for lighting, various equipment power supplies, and the like.
また、図６に例示するように、第２構成例に係る本システムと並行に、異なる熱媒体を用いて高温領域および低温領域において熱回収を行い、オペレーション用媒体として使用する熱回収システムを構成することができる。具体的には、空気等熱容量の小さな気体を、排気ガスＧの流路の高温領域および低温領域に設けられた熱交換部の熱媒体として導入し、迅速に加温された気体を取り出すことができる。図によれば、高温領域において熱交換された気体（空気）は、そのまま高温の燃焼用空気として利用され、低温領域において熱交換された気体（空気）は、そのまま集塵装置のエアヒータとして利用される構成を例示する。むろん、こうした構成に限定されず、熱媒体の種類や組み合わせを変えることによって、高温領域および低温領域に設けられた熱交換部から様々な仕様の熱媒体として取り出すことができ、様々な用途に利用することができる。本システム１は、排ガスＧが保有する熱エネルギーを効率よく取り出すことによって、より有用なエネルギーとすることができる。 In addition, as illustrated in FIG. 6, a heat recovery system that performs heat recovery in a high-temperature region and a low-temperature region using different heat media in parallel with the present system according to the second configuration example and uses the heat recovery system as an operation medium is configured. can do. Specifically, it is possible to introduce a gas having a small heat capacity, such as air, as a heat medium of a heat exchange unit provided in a high-temperature region and a low-temperature region of the flow path of the exhaust gas G, and quickly take out the heated gas. it can. According to the figure, the gas (air) heat-exchanged in the high-temperature region is used as it is as high-temperature combustion air, and the gas (air) exchanged in the low-temperature region is used as it is as an air heater of the dust collector. An example configuration will be described. Of course, it is not limited to such a configuration, and by changing the type and combination of the heat medium, the heat medium can be taken out from the heat exchange sections provided in the high-temperature area and the low-temperature area as heat medium of various specifications, and used for various purposes. can do. The present system 1 can make more useful energy by efficiently extracting the thermal energy held by the exhaust gas G.
１ 本発明に係る排ガスの熱回収システム（本システム）
１０ 第１熱交換部
１１ 緩衝部
１２ 流路
２０ 廃熱ボイラ
３０ 第２熱交換部
Ｃａ，Ｃｂ セラミックス管
Ｄａ ２重管
Ｇ 排ガス
Ｍａ，Ｍｂ，Ｍｃ 熱媒体
1 Exhaust gas heat recovery system according to the present invention (this system)
Reference Signs List 10 First heat exchange unit 11 Buffer unit 12 Flow path 20 Waste heat boiler 30 Second heat exchange unit Ca, Cb Ceramic tube Da Double tube G Exhaust gas Ma, Mb, Mc Heat medium
Claims (3)
外管としてセラミックス管Ｃａが用いられ、該セラミックス管を構成する全成分１００質量（重量）％に対してＳｉＣを９０質量（重量）％以上の主成分とするとともに、内管として一端が閉塞したシングルエンド型の２重管Ｄａが用いられ、前記セラミックス管Ｃａと前記２重管Ｄａの間隙に形成された緩衝部に空気層が最小となるように緩衝材が挿入された３重管を有し、該２重管Ｄａの内部に気体または液体の熱媒体Ｍａが流通可能な流路を有する第１熱交換部が、前記廃熱ボイラの上流側であって前記セラミックス管Ｃａの耐熱温度以下の前記排ガスの流通路に設けられ、該緩衝材が炭素材，グラファイト，炭化ケイ素あるいは金属酸化物を素材とする熱伝導率が高く耐熱性を有する素材を用い、
外管としてセラミックス管を構成する全成分１００質量（重量）％に対してＳｉＣを９０質量（重量）％以上含むセラミックス管Ｃｂが用いられ、一端が閉塞したシングルエンド型の２重管を構成し、該２重管の内部に気体または液体の熱媒体Ｍｂが流通可能な流路を有する第２熱交換部が、前記廃熱ボイラの下流側の前記排ガスの流通路に設けられ、
前記第１熱交換部において、排ガスとの熱交換によって加熱された前記熱媒体Ｍａを介して高温領域の排ガスの温熱が回収され、前記廃熱ボイラの適正温度まで排ガスの温度を低下させ、
前記第２熱交換部において、排ガスとの熱交換によって加熱された前記熱媒体Ｍｂを介して低温領域の排ガスの温熱が回収され、
前記第２熱交換部において、前記廃熱ボイラから供出される排ガス中の水分量と飽和水蒸気曲線から求まる排ガス露点または排ガスの排ガス露点を基準に、前記セラミックス管Ｃｂ表面の一部分の温度が該排ガスの露点以下となる低温領域まで冷却するとともに、他の部分に露点以上となる高温部分が形成されるようにして、該高温部分における酸成分の凝縮防止または凝縮が発生した場合にはこれを蒸散させることができる部分を形成するように前記熱媒体Ｍｂの温度および流量が設定され、かつ前記排ガスの熱回収システムから供出される排ガス温度が、該排ガスの露点以上とされる、ことを特徴とする排ガスの熱回収システム。 A heat recovery system provided in an exhaust gas flow passage provided with a waste heat boiler and intended for high-temperature exhaust gas having a temperature of more than 400 ° C and 1500 ° C or less,
A ceramic tube Ca was used as an outer tube, and 90% by mass or more of SiC was contained as a main component in 100% by mass of all components constituting the ceramic tube, and one end was closed as an inner tube. A single-ended double pipe Da is used, and a triple pipe in which a buffer material is inserted so as to minimize an air layer is provided in a buffer formed in a gap between the ceramic pipe Ca and the double pipe Da. A first heat exchange section having a flow path through which a gaseous or liquid heat medium Ma can flow inside the double pipe Da is provided at an upstream side of the waste heat boiler and at a temperature not higher than the heat resistant temperature of the ceramic pipe Ca. A material having high heat conductivity and high heat resistance using carbon material, graphite, silicon carbide or metal oxide as a material,
As the outer tube, a ceramic tube Cb containing 90% by mass or more of SiC with respect to 100% by mass of all components constituting the ceramic tube is used, and constitutes a single-ended double tube with one end closed. A second heat exchange unit having a flow path through which a gaseous or liquid heat medium Mb can flow inside the double pipe is provided in a flow path of the exhaust gas downstream of the waste heat boiler;
In the first heat exchange section, the heat of the exhaust gas in the high temperature region is recovered via the heat medium Ma heated by heat exchange with the exhaust gas, and the temperature of the exhaust gas is reduced to an appropriate temperature of the waste heat boiler;
In the second heat exchange section, the heat of the exhaust gas in the low temperature region is recovered via the heat medium Mb heated by heat exchange with the exhaust gas,
In the second heat exchange section, the temperature of a part of the surface of the ceramic pipe Cb is set to the temperature of the exhaust gas dew point or the exhaust gas dew point of the exhaust gas obtained from the saturated water vapor curve and the amount of water in the exhaust gas supplied from the waste heat boiler. In addition to cooling to a low-temperature region where the dew point is lower than or equal to the above, a high-temperature portion having a dew point or higher is formed in other portions, and when condensation of the acid component is prevented or condensed in the high-temperature portion, this is evaporated. The temperature and the flow rate of the heat medium Mb are set so as to form a portion that can be caused to occur, and the temperature of the exhaust gas supplied from the heat recovery system of the exhaust gas is set to be equal to or higher than the dew point of the exhaust gas. Exhaust gas heat recovery system.
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