JP2024114111A

JP2024114111A - ボイラ

Info

Publication number: JP2024114111A
Application number: JP2023019552A
Authority: JP
Inventors: 卓資久保; Takatoshi Kubo; 良知田中; Yoshitomo Tanaka
Original assignee: Kawasaki Thermal Engineering Co Ltd
Current assignee: Kawasaki Thermal Engineering Co Ltd
Priority date: 2023-02-11
Filing date: 2023-02-11
Publication date: 2024-08-23

Abstract

【課題】エコノマイザの伝熱面積を大きくすることなく、エコノマイザでの排熱回収量を増加させる。【解決手段】ヒートポンプ２０とエコノマイザ１０を用いてボイラの排ガスから熱を回収し、ボイラへの給水の加熱を図る装置において、エコノマイザ１０に中間ヘッダー１６、１８を追設し、ヒートポンプ２０の熱源用の循環水回路（循環水ライン）２２を追加することで、エコノマイザ１０の中段部での給水量を増大させ、エコノマイザ管内流速を増大することで、エコノマイザ１０の伝熱面積を大きくすることなく、エコノマイザ１０での排熱回収量を増加させる。【選択図】図１

Description

本発明は、エコノマイザの伝熱面積を大きくすることなく、エコノマイザでの排熱回収量を増加させることができるボイラシステムに関する。

ボイラ排ガスから排熱回収する手段として、エコノマイザを用いた排熱回収に加え、排ガスからさらに熱回収するヒートポンプを組み合わせることやボイラの放熱損失を回収するためにボイラ室の温かい空気からの熱回収するヒートポンプと組み合わせて、エコノマイザに供給する給水を加温するハイブリッドボイラシステム技術が知られている。この場合、エコノマイザ入口給水温度が上がりエコノマイザでの収熱量が低下する。エコノマイザでの収熱量低下を改善するためには、エコノマイザの伝熱面積を大きくしなければならないという課題がある。また、エコノマイザの排ガス下流側に排ガス熱回収タイプのヒートポンプを追加し、エコノマイザの伝熱面積を大きくすることなく、ボイラ排ガスからの排熱回収を行う形態（特許文献１）も知られているが、排ガス熱回収タイプのヒートポンプ熱源用の排ガス熱交換器を追加する必要があり、排ガス系統の圧力損失の増加に加え、排ガスダクトの形状が複雑になるという課題がある。

また、特許文献２には、エコノマイザ（熱交換器）に中間ヘッダーを設けることで、エコノマイザの分割を容易とし、メンテナンス性を向上させることが開示されている。この技術は、分割構造によって、エコノマイザを独立して機能させることができ、伝熱管の漏洩補修時の犠牲管を減らすと共に、補修作業の作業性向上を実現するものである。ここで特徴となっている中間ヘッダーは、単純にエコノマイザを分割することを目的としており、収熱アップを図るものではなく、そのようなシステム構成とはなっていない。

さらに、特許文献３には、排ガス系統を分割することで、複数の熱源を一つのエコノマイザ（熱交換器）で収熱可能とすることが開示されている。ここで特徴となっているエコノマイザは、ダクト分割及び共通ヘッダーによって構成されるため、中間ヘッダーを活用する技術とは構造及び機能が異なっている。

特開２０１２－２４７１６７号公報特開２０１７－８９９０９号公報特開２０１４－２５３７２号公報

上述したように、エコノマイザでの収熱量低下を改善するためには、エコノマイザの伝熱面積を大きくしなければならないという課題がある。そして、特許文献１に開示された技術では、エコノマイザの伝熱面積を大きくすることなく、ボイラ排ガスからの排熱回収を行うことが可能であるが、排ガス熱回収タイプのヒートポンプ熱源用の排ガス熱交換器を追加する必要があり、排ガス系統の圧力損失の増加に加え、排ガスダクトの形状が複雑になるという課題がある。また、従来技術の排ガスからのヒートポンプによる排熱回収では、排ガスは気体でありエネルギー密度が低いため、ヒートポンプの排ガス熱交換器が大きくなるという課題もある。

また、上述したように、特許文献２に開示された技術では、中間ヘッダーは単純にエコノマイザを分割することを目的としているため、本発明で提案するような中間ヘッダーとは目的（収熱アップ）及びシステム構成が異なっている。さらに、特許文献３に開示された技術では、エコノマイザはダクト分割及び共通ヘッダーによって構成されるため、本発明で提案するような中間ヘッダーの活用とは構造及び機能が異なっている。

本発明は、上記の問題点を解決するためになされたものであり、従来のエコノマイザに中間ヘッダーを追設し、ヒートポンプ熱源用の循環水ラインを追加することで、エコノマイザ中段部での給水量を増大させ、エコノマイザ管内流速を増大することで、エコノマイザの伝熱面積を大きくすることなく、エコノマイザでの排熱回収量を増加させることができるボイラシステムを提供することを目的とする。また、エコノマイザ上部ヘッダーには、低い温度の給水が供給されるため、エコノマイザ中段部での廃熱回収量の増加に加え、エコノマイザ下段部で低い温度の給水による効率的な熱回収が可能となる。

通常は、エコノマイザに通水する給水量は、ボイラ蒸発量と一致するため、エコノマイザにボイラ蒸発量以上の給水量を通過させることはできない。このため、エコノマイザで排ガスから回収できる熱量はボイラ蒸発量と同じ給水量で回収可能な排熱回収量に制限される。そこで、従来のエコノマイザに中間ヘッダーを追設し、ヒートポンプ熱源用の循環水ラインを追加することで、エコノマイザ中段部での給水量を増大させ、エコノマイザ管内流速を増大することで、エコノマイザの伝熱面積を大きくすることなく、エコノマイザでの排熱回収量を増加させる。循環水は、ヒートポンプの熱源とすることで、回収した熱量をボイラ給水熱源として有効利用することが可能となり、またエコノマイザ給水入口温度が上昇することもないため、上部ヘッダーに供給される低い温度の給水によりエコノマイザ下段部で効率的な熱回収が可能となり、エコノマイザの伝熱面積を増やすことも不要となる。また、排ガスダクト側は従来から変更なく、またエコノマイザの伝熱面積も従来相当としたまま、エコノマイザの通水量をボイラ蒸発量以上とでき、ヒートポンプ熱源用の排ガス熱交換器を追加も不要であり、排ガス系統の圧力損失の増加もないことに加え、排ガスダクトの形状は複雑となることなく、より多くの排ガスからの熱回収を可能とする。また、ヒートポンプの熱源がエネルギー密度の高い液体（給水）となることで、ヒートポンプの熱交換器も小さくすることが可能となる。

本発明のボイラは、ヒートポンプとエコノマイザを用いてボイラの排ガスから熱を回収し、ボイラへの給水の加熱を図る装置において、エコノマイザ内の給水を流す配管が接続される上部ヘッダーと下部ヘッダーとの間に少なくとも一つの中間ヘッダーを設けて、ヒートポンプ熱源用の給水の循環経路（循環水ライン）を追加するようにしたことを特徴とする。

上記のボイラにおいて、前記循環経路を流れる給水の一部をヒートポンプの加熱側の被加熱流体として抜き出してフラッシュタンクに導入し、ヒートポンプで回収した熱量を付加して昇温した給水から蒸気を取り出すようにすることもできる。

また、本発明のボイラは、エコノマイザを用いてボイラの排ガスから熱を回収し、ボイラへの給水の加熱を図る装置において、エコノマイザ内の給水を流す配管が接続される上部ヘッダーと下部ヘッダーとの間に少なくとも一つの中間ヘッダーを設けて、ボイラへの給水の循環経路を追加するようにしたことを特徴とする。

上記のボイラにおいて、前記循環経路を流れる給水の一部を抜き出してフラッシュタンクに導入し、給水から蒸気を取り出すようにすることもできる。

また、本発明のボイラは、エコノマイザを用いてボイラの排ガスから熱を回収し、ボイラへの給水の加熱を図る装置において、エコノマイザ内の給水を流す配管が接続される上部ヘッダーと下部ヘッダーとの間に少なくとも一つの中間ヘッダーを設けて、エコノマイザ下段側へは常温の給水を供給することを維持し、排ガスからの熱回収量を増加することを可能とした循環経路を追加するようにしたことを特徴とする。

本発明では、エコノマイザに中間ヘッダーを追設し、ヒートポンプ熱源用の循環水ラインを追加することで、エコノマイザの伝熱面積を大きくすることなく、エコノマイザでの排熱回収量を増加させることができる。循環水は、ヒートポンプの熱源とすることで、回収した熱量をボイラ給水熱源として有効利用することが可能となり、またエコノマイザ給水入口温度が上昇することもないため、上部ヘッダーに供給される低い温度の給水によりエコノマイザ下段部で効率的な熱回収が可能となり、エコノマイザの伝熱面積を増やすことも不要となる。また、排ガスダクト側は従来から変更なく、またエコノマイザの伝熱面積も従来相当としたまま、エコノマイザの通水量をボイラ蒸発量以上とでき、ヒートポンプ熱源用の排ガス熱交換器を追加も不要であり、排ガス系統の圧力損失の増加もないことに加え、排ガスダクトの形状は複雑となることなく、より多くの排ガスからの熱回収を可能とする。また、ヒートポンプの熱源がエネルギー密度の高い液体（給水）となることで、ヒートポンプの熱交換器も小さくすることが可能となる。

エコノマイザ上段に給水し、エコノマイザ中段から排熱回収ヒートポンプ熱源用に給水を抜き出し、排熱回収ヒートポンプで熱交換後に排ガス下流側に位置するもうひとつの中段に戻す循環水回路を追加することで、エコノマイザ中段部分での給水量を増加させ、ボイラ排ガスからの熱回収量を増加させることができる。また、循環水の一部をヒートポンプの加熱側の被加熱流体として抜き出し、ヒートポンプで回収した熱量を付加し昇温した給水をボイラ給水としてエコノマイザ下段をでた給水と合流させることで、排ガスから排熱回収した熱量をボイラ給水として供給することができ、ボイラ効率の向上を実現することができる。

また、循環水の一部をヒートポンプの加熱側の被加熱流体として抜き出し、ヒートポンプで回収した熱量を付加し100℃以上に昇温した給水をフラッシュタンクに導入、分離する場合は、低圧の蒸気を取り出すことができる。さらに、ヒートポンプを追加せずに循環ポンプを追加する場合は、循環量を増加させて排ガス上流段で熱回収量を増加させることができる。

図１は本発明のボイラの実施の第１形態の概略構成の要部を示す概念説明図である。図２は本発明のボイラの実施の第２形態の概略構成の要部を示す概念説明図である。図３は本発明のボイラの実施の第３形態の概略構成の要部を示す概念説明図である。図４は本発明のボイラの実施の第４形態の概略構成の要部を示す概念説明図である。図５は本発明のボイラの実施の第５形態の概略構成の要部を示す概念説明図である。

以下、本発明の実施の形態について図面に基づいて説明するが、本発明は下記の実施の形態に何ら限定されるものではなく、適宜変更して実施できるものである。
図１は、本発明のボイラの実施の第１形態の概略構成の要部を示す。図１に示すように、温水等を取り出すボイラ（図示略）の排ガスから熱を回収してボイラへの給水を加熱するエコノマイザ１０において、上段（排ガス下流側）の上部ヘッダー１２と下段（排ガス上流側）の下部ヘッダー１４との間に中間ヘッダー１６、１８を設ける。各ヘッダーにはエコノマイザ内に給水を流す複数の配管（図示略）が接続され、ボイラ排ガスによって給水が加熱される構造である。そして、中間ヘッダー１６、１８を介してヒートポンプ２０を経由する循環水回路（循環水ライン）２２が形成される。ヒートポンプ１０の熱源温水をボイラのエコノマイザ１０中段を循環させる構成である。ヒートポンプ２０としては、一例として、電気式ヒートポンプが用いられるが、これに限定されるものではない。

図１に示す実施形態では、エコノマイザ１０への給水入口温度は常温とし、エコノマイザ１０上段（上部ヘッダー１２）に給水し、エコノマイザ１０中段（中間ヘッダー１８）から排熱回収ヒートポンプ２０の熱源用に給水を抜き出し、排熱回収ヒートポンプ２０で熱交換後に排ガス下流側に位置するもうひとつの中段（中間ヘッダー１６）に戻す循環水回路２２を追加することで、エコノマイザ１０中段部分での給水量を増加させ、ボイラ排ガスからの熱回収量を増加させる。また、循環水の一部をヒートポンプ２０の加熱側の被加熱流体として抜き出し、ヒートポンプ２０で回収した熱量を付加し昇温した給水をボイラ給水としてエコノマイザ１０下段（下部ヘッダー１４）をでた給水と合流させることで、排ガスから排熱回収した熱量をボイラ給水として供給することで、ボイラ効率の向上を実現する。

エコノマイザ１０に中間ヘッダー１６、１８を設けることで、エコノマイザ全体構成の一部分である伝熱中央部のみの通水量を増加させて熱交換量を増大させることができる。このように、一体構造の熱交換器で、伝熱部を中間ヘッダーにより分割することで、部分的に流量を増加させて、伝熱面積を増大させずに熱交換量を増やすことができる。従来の熱交換器設計で、伝熱面積の増加により熱交換量を増加させる場合には、ベース設計の熱交換器の上流段か下流段に熱交換器を組合すことが通常であり、ベース熱交換器の伝熱面積の構成を変更せずに、伝熱部の一部の流量を変更することで熱交換量増大に活用することは新しい技術である。図１に示す実施形態では、ヒートポンプとの組合せで、加熱側流体の熱交換後の一部（少量）を抜き出して、被加熱側流体とし、大きな温度上昇を達成することができる。

図２は、本発明のボイラの実施の第２形態の概略構成の要部を示す。図２に示す実施形態では、循環水の一部をヒートポンプ２０の加熱側の被加熱流体として抜き出し、ヒートポンプ２０で回収した熱量を付加し100℃以上に昇温した給水をフラッシュタンク２４に導入、分離することで、低圧の蒸気を取り出す。
他の構成及び作用等は、実施の第１形態の場合と同様である。

図３は、本発明のボイラの実施の第３形態の概略構成の要部を示す。図３に示す実施形態は、ヒートポンプを追加しない、単純な部分的循環量増加パターンである。図３に示すように、エコノマイザ１０への給水入口温度は常温とし、エコノマイザ１０上段（上部ヘッダー１２）に給水し、エコノマイザ１０中段（中間ヘッダー１８）から給水を抜き出し、循環ポンプ２６を経由して排ガス下流側に位置するもうひとつの中段（中間ヘッダー１６）に戻す循環水回路（循環水ライン）２８を追加することで、エコノマイザ１０中段部分での給水量を増加させ、ボイラ排ガスからの熱回収量を増加させる。このように、ヒートポンプを追加せずに循環ポンプを追加することで、循環量を増加させて排ガス上流段で熱回収量を増加させることができる。
他の構成及び作用等は、実施の第１形態の場合と同様である。

図４は、本発明のボイラの実施の第４形態の概略構成の要部を示す。図４に示す実施形態は、ヒートポンプを追加しない、単純な部分的循環量増加パターンである。図４に示すように、エコノマイザ３０への給水入口温度は常温とし、エコノマイザ３０上段（上部ヘッダー１２）に給水し、エコノマイザ３０下段（下部ヘッダー１４）から給水を抜き出し、循環ポンプ２６を経由してエコノマイザ３０中段（中間ヘッダー３２）に戻す循環水回路（循環水ライン）３４を追加することで、エコノマイザ３０中段部分での給水量を増加させ、ボイラ排ガスからの熱回収量を増加させる。
他の構成及び作用等は、実施の第１、第３形態の場合と同様である。

図５は、本発明のボイラの実施の第５形態の概略構成の要部を示す。図５に示す実施形態は、第４形態の発展パターンである。図５に示すように、エコノマイザ３０下段（下部ヘッダー１４）から給水を抜き出し、循環水回路（循環水ライン）３４から昇温した給水をフラッシュタンク２４に分岐するラインを追加することで低圧の蒸気を取り出すことができる。
他の構成及び作用等は、実施の第４形態の場合と同様である。

１０、３０エコノマイザ
１２上部ヘッダー
１４下部ヘッダー
１６、１８、３２中間ヘッダー
２０ヒートポンプ
２２、２８、３４循環水回路（循環水ライン）
２４フラッシュタンク
２６循環ポンプ

Claims

ヒートポンプとエコノマイザを用いてボイラの排ガスから熱を回収し、ボイラへの給水の加熱を図る装置において、エコノマイザ内の給水を流す配管が接続される上部ヘッダーと下部ヘッダーとの間に少なくとも一つの中間ヘッダーを設けて、ヒートポンプ熱源用の給水の循環経路を追加するようにしたことを特徴とするボイラ。
前記循環経路を流れる給水の一部をヒートポンプの加熱側の被加熱流体として抜き出してフラッシュタンクに導入し、ヒートポンプで回収した熱量を付加して昇温した給水から蒸気を取り出すようにした請求項１に記載のボイラ。
エコノマイザを用いてボイラの排ガスから熱を回収し、ボイラへの給水の加熱を図る装置において、エコノマイザ内の給水を流す配管が接続される上部ヘッダーと下部ヘッダーとの間に少なくとも一つの中間ヘッダーを設けて、ボイラへの給水の循環経路を追加するようにしたことを特徴とするボイラ。
前記循環経路を流れる給水の一部を抜き出してフラッシュタンクに導入し、給水から蒸気を取り出すようにした請求項３に記載のボイラ。
エコノマイザを用いてボイラの排ガスから熱を回収し、ボイラへの給水の加熱を図る装置において、エコノマイザ内の給水を流す配管が接続される上部ヘッダーと下部ヘッダーとの間に少なくとも一つの中間ヘッダーを設けて、エコノマイザ下段側へは常温の給水を供給することを維持し、排ガスからの熱回収量を増加することを可能とした循環経路を追加するようにしたことを特徴とするボイラ。