特許 6071330 熱回収用熱交換器、熱回収ユニットおよび燃焼プラント

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6071330

(24)【登録日】2017年1月13日

(45)【発行日】2017年2月1日

(54)【発明の名称】熱回収用熱交換器、熱回収ユニットおよび燃焼プラント

(51)【国際特許分類】

   F28D 7/16 20060101AFI20170123BHJP

   F23G 5/46 20060101ALI20170123BHJP

   F28F 21/04 20060101ALI20170123BHJP

【ＦＩ】

   F28D7/16 D

   F23G5/46 AZAB

   F28F21/04

【請求項の数】10

【全頁数】15

(21)【出願番号】特願2012-186263(P2012-186263)

(22)【出願日】2012年8月27日

(65)【公開番号】特開2014-43994(P2014-43994A)

(43)【公開日】2014年3月13日

【審査請求日】2015年7月3日

(73)【特許権者】

【識別番号】000000974

【氏名又は名称】川崎重工業株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110000556

【氏名又は名称】特許業務法人 有古特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】井原 崇之

(72)【発明者】

【氏名】片畑 正

(72)【発明者】

【氏名】臼井 勝久

(72)【発明者】

【氏名】戸田 信一

【審査官】 関口 勇

(56)【参考文献】

【文献】 特開２００１−２８０８６３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００３−２８７３９５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００５−３００４９８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 実開昭６３−１６５４４３（ＪＰ，Ｕ）

【文献】 特開２０１１−１８５５００（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１２−０４９４７１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特表２０１３−５４０２４９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０９−１１５４７０（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｆ２８Ｄ ７／１６

Ｆ２３Ｇ ５／４６

Ｆ２８Ｆ ２１／０４

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

腐食性ガスを含む燃焼排ガスから流体に熱を回収する熱交換器であって、
内部に前記流体が流れる流路部材と、
前記流路部材を当該流路部材との間に隙間空間が形成されるように覆う、前記燃焼排ガスに曝されるセラミックスケースと、を備え、
前記隙間空間には、前記燃焼排ガスの圧力よりも高い圧力の気体が封入されており、
前記隙間空間内の気体の圧力を測定する圧力センサをさらに備える、熱回収用熱交換器。

【請求項2】

前記隙間空間に前記気体を供給するための供給路と、
前記供給路に設けられた開閉弁であって閉じられたときに前記隙間空間に気体を封入し、開かれたときに前記隙間空間に気体を補給する開閉弁と、をさらに備える、請求項１に記載の熱回収用熱交換器。

【請求項3】

前記流路部材は、入口から出口に向かってＵ字状に折れ曲がる形状、または入口と出口との間で蛇行する形状を有する、請求項１または２に記載の熱回収用熱交換器。

【請求項4】

前記流路部材は、断面Ｕ字状の外管とこの外管内に挿入された内管の二重管であり、前記内管の一端が入口を形成し、前記外管に設けられた開口が出口を形成する、請求項１〜３の何れか一項に記載の熱回収用熱交換器。

【請求項5】

前記流路部材における前記セラミックスケース内に収まる部分のうちの少なくとも一部には、その表面に輻射吸収率を高めるための表面処理層が形成されている、請求項３または４に記載の熱回収用熱交換器。

【請求項6】

請求項２に記載の熱回収用熱交換器と、
前記供給路に設けられた前記開閉弁を、前記圧力センサにより測定される圧力が前記燃焼排ガスの圧力よりも高い第１設定値以下に低下したときに開き、前記圧力センサにより測定される圧力が前記第１設定値よりも高い２設定値に到達したときに閉じる制御装置と、を備える、熱回収ユニット。

【請求項7】

前記制御装置は、前記開閉弁が閉じられてから開かれるまでにかかる封止時間および／または前記開閉弁が開かれてから閉じられるまでにかかる補給時間を計るタイマを有する、請求項６に記載の熱回収ユニット。

【請求項8】

前記熱回収用熱交換器の前記流路部材に前記流体を導く上流路と、
前記上流路を通じた前記流体の流通を遮断可能な遮断機構と、をさらに備え、
前記制御装置は、前記封止時間が所定値未満または前記補給時間が所定値以上であれば前記遮断機構により前記上流路を通じた前記流体の流通を遮断する、請求項７に記載の熱回収ユニット。

【請求項9】

前記熱回収用熱交換器、および前記遮断機構が設けられた前記上流路のセットが複数並列に配置された、請求項８に記載の熱回収ユニット。

【請求項10】

燃料を燃焼させる燃焼炉と、
前記燃焼炉から排出される燃焼排ガスによって水蒸気を生成するボイラと、
前記燃焼排ガスが通る排ガス経路中に配置され、前記ボイラで生成された水蒸気を過熱する過熱器と、
前記過熱器で過熱された水蒸気に前記燃焼排ガスから熱を回収することにより当該水蒸気をさらに過熱する、請求項１〜５の何れか一項に記載の熱回収用熱交換器と、
を備える、燃焼プラント。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、腐食性ガスを含む燃焼排ガスから流体に熱を回収する熱交換器に関する。また、本発明は、その熱回収用熱交換器を用いた熱回収ユニットおよび燃焼プラントに関する。

【背景技術】

【0002】

燃焼プラントでは、一般的に燃焼炉とボイラとが併設されている。燃焼炉では燃料が燃焼され、ボイラでは燃焼炉から排出される燃焼排ガスの熱を利用して水蒸気が生成される。生成された水蒸気は、例えばタービンに送られて発電に利用される。燃料には様々なものがあり、例えば、石炭、石油、一般ごみ、バイオマス、アスファルト、製紙工程で発生する黒液などが挙げられる。

【0003】

例えば特許文献１に開示されたごみ焼却プラントでは、ボイラが、燃焼排ガスが通る排ガス経路を区画する壁上に設けられた水管と、水管内に水を供給するとともに水管内で発生した水蒸気を収集するボイラドラムを備えている。また、ボイラドラムは、生成された水蒸気が過熱されるように、排ガス経路中に配置された過熱器と接続されている。これらの水管および過熱器は、燃焼排ガスから流体に熱を回収する熱交換器の一例である。

【0004】

ところで、発電の効率を高めるためには水蒸気を高温高圧にする必要があるが、燃焼排ガスは、燃料の種類によっては塩素や硫黄などの、金属を腐食させる腐食成分を多く含むことがある。水蒸気の温度が概ね４００℃を超える場合にはそのような腐食性ガスによるボイラ過熱器の腐食が促進されるため、熱回収用熱交換器を腐食性ガスを含む燃焼排ガスから保護することが求められる。これを実現するには、熱交換器の構成材料として一般的な金属に比較して耐腐食性の高いセラミックスを利用して熱交換器を構築することが考えられる。

【0005】

セラミックスを利用した熱交換器としては、例えば特許文献２に、金属溶湯中に浸漬されるチューブヒータが開示されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0006】

【特許文献1】特開２００２−１０６８２２号公報

【特許文献2】特開２００２−２２１０９号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0007】

特許文献２に開示されたチューブヒータでは、内部で空気と燃料ガスの混合気体を燃焼させる燃焼器がセラミックスケースで覆われ、セラミックスケースと燃焼器の間に金属製の熱伝導物体が充填されている。

【0008】

上記のチューブヒータと同様にセラミックスケースを用いるという観点からは、燃焼排ガスから流体に熱を回収する熱交換器においても、内部に流体が流れる流路部材をセラミックスケースで覆い、それらの間に金属製の熱伝導物体を充填することが考えられる。しかしながら、セラミックスは熱的衝撃および物理的衝撃に弱いため、燃焼排ガスの急激な温度変化などにより流路部材を覆うセラミックスケースが破損する可能性が高い。セラミックスケースが破損すると、たとえセラミックスケースと流路部材との間に金属製の熱伝導物体が充填されていたとしても、セラミックスケースと流路部材との間の隙間を完全に埋めることは困難であるために、流路部材が燃焼排ガスに接触して腐食するおそれがある。このため、セラミックスケースの破損を検知できるようにすることが望まれる。また、その破損が軽度な場合には、セラミックスケースが破損した後もしばらくはセラミックスケースと流路部材との間の隙間への燃焼排ガスの侵入を防ぎ、運転を継続できるようにすることが望まれる。

【0009】

そこで、本発明は、セラミックスケースを用いた熱回収用熱交換器において、熱伝達を損なわずに高い収熱効率を保ち、なおかつセラミックスケースの破損を検知できるようにするとともに、その破損が軽度な場合にはしばらく運転を継続できるようにすることを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0010】

前記課題を解決するために、本発明の発明者らは、燃焼排ガスが比較的高い温度を有する条件において、燃焼排ガスに曝されるセラミックスケースとこれに覆われる流路部材との間に熱伝導物体を充填しなくても、セラミックスケースから流路部材への輻射により、熱交換器として機能するのに十分な熱伝達が行われる構成を実現し、セラミックスケースの破損を検知できる機構と制御方法を考案した。

【0011】

すなわち、本発明は、腐食性ガスを含む燃焼排ガスから流体に熱を回収する熱交換器であって、内部に前記流体が流れる流路部材と、前記流路部材を当該流路部材との間に隙間空間が形成されるように覆う、前記燃焼排ガスに曝されるセラミックスケースとを備え、前記隙間空間は、前記燃焼排ガスの圧力よりも高い圧力の気体で満たされている、熱回収用熱交換器を提供する。

【0012】

上記の構成によれば、セラミックスケースが破損したときはその破損部分からセラミックスケースと流路部材の間の隙間空間内の気体が漏れ出すため、セラミックスケースの破損の検知が可能になる。また、その破損が軽度な場合には、隙間空間を満たす気体によって隙間空間への燃焼排ガスの侵入が防がれるために、セラミックスケースが破損した後もしばらくは運転を継続できる。

【0013】

前記隙間空間には前記気体が封入されており、前記熱回収用熱交換器は、前記隙間空間内の気体の圧力を測定する圧力センサをさらに備えてもよい。この構成によれば、隙間空間に気体が封入されているために、セラミックスケースが破損したときには隙間空間内の気体の圧力が低下する。そこで、隙間空間内の気体の圧力を測定することによりセラミックスケースの破損を検知することができる。ここで、「封入」とは、隙間空間、あるいは隙間空間およびこれと連続する空間がほぼ完全に密閉されることをいう。なお、「ほぼ完全に」とは、長時間に亘っての僅かな気体の漏れを許容する概念である。

【0014】

前記熱回収用熱交換器は、前記隙間空間に前記気体を供給するための供給路と、前記供給路に設けられた開閉弁であって閉じられたときに前記隙間空間に気体を封入し、開かれたときに前記隙間空間に気体を補給する開閉弁と、をさらに備えてもよい。この構成によれば、隙間空間内の気体の圧力が低下したときには開閉弁を開いて隙間空間に気体を補給することができるため、熱回収用熱交換器を継続的に使用することができる。

【0015】

前記圧力センサを含む構成の代替案として、前記熱回収用熱交換器は、前記隙間空間に前記気体を供給するための供給路と、前記供給路に設けられた流量計と、をさらに備えてもよい。この構成によれば、セラミックスケースが破損したときには供給路に気体が流れるため、その流量に基づいてセラミックスケースの破損を検知することができる。

【0016】

前記流路部材は、入口から出口に向かってＵ字状に折れ曲がる形状、または入口と出口との間で蛇行する形状を有してもよい。この構成によれば、流路部材を製造が容易な形状とすることができる。

【0017】

あるいは、前記流路部材は、断面Ｕ字状の外管とこの外管内に挿入された内管の二重管であり、前記内管の一端が入口を形成し、前記外管に設けられた開口が出口を形成してもよい。この構成によれば、隙間空間を簡易で輻射に好適な形状とすることができる。

【0018】

前記流路部材における前記セラミックスケース内に収まる部分のうちの少なくとも一部には、その表面に輻射吸収率を高めるための表面処理層が形成されていてもよい。この構成によれば、セラミックスケースから流路部材への熱伝達効率を高めることができる。

【0019】

また、本発明は、上記の熱回収用熱交換器と、前記供給路に設けられた前記開閉弁を、前記圧力センサにより測定される圧力が前記燃焼排ガスの圧力よりも高い第１設定値以下に低下したときに開き、前記圧力センサにより測定される圧力が前記第１設定値よりも高い第２設定値に到達したときに閉じる制御装置と、を備える、熱回収ユニットを提供する。この構成によれば、隙間空間内の気体の圧力を、第１設定値と第２設定値の間に保ち、常に燃焼排ガスの圧力よりも高い状態に維持することができる。

【0020】

前記制御装置は、前記開閉弁が閉じられてから開かれるまでにかかる封止時間および／または前記開閉弁が開かれてから閉じられるまでにかかる補給時間を計るタイマを有してもよい。この構成によれば、セラミックスケースに破損が生じたか否か検知することができるだけでなく、その破損の程度を推測することができる。

【0021】

前記熱回収ユニットは、前記熱回収用熱交換器の前記流路部材に前記流体を導く上流路と、前記上流路を通じた前記流体の流通を遮断可能な遮断機構と、をさらに備え、前記制御装置は、前記封止時間が所定値未満または前記補給時間が所定値以上であれば前記遮断機構により前記上流路を通じた前記流体の流通を遮断してもよい。この構成によれば、流路部材が腐食して流体が燃焼排ガス中に漏れ出すことを未然に防ぐことができる。

【0022】

前記熱回収用熱交換器、および前記遮断機構が設けられた前記上流路のセットが複数並列に配置されてもよい。この構成によれば、１つの熱回収用熱交換器が使用不能になっても、他の熱回収用熱交換器を使用して燃焼排ガスからの熱回収を継続して実行することができる。

【0023】

さらに、本発明は、燃料を燃焼させる燃焼炉と、前記燃焼炉から排出される燃焼排ガスによって水蒸気を生成するボイラと、前記燃焼排ガスが通る排ガス経路中に配置され、前記ボイラで生成された水蒸気を過熱する過熱器と、前記過熱器で過熱された水蒸気に前記燃焼排ガスから熱を回収することにより当該水蒸気をさらに過熱する、上記の熱回収用熱交換器と、を備える、燃焼プラントを提供する。この構成によれば、蒸気配管の腐食の問題を回避しつつボイラで生成された水蒸気を非常に高い温度まで過熱することができる。

【発明の効果】

【0024】

本発明によれば、セラミックスケースを用いた熱回収用熱交換器において、熱伝達を損なわずに高い収熱効率を保ちつつ、セラミックスケースの破損の検知が可能になる。また、その破損が軽度な場合には、セラミックスケースが破損した後もしばらくは運転を継続できる。

【図面の簡単な説明】

【0025】

【図1】本発明の一実施形態に係る熱回収用熱交換器を用いた燃焼プラントの概略構成を示す図

【図2】前記熱回収用熱交換器を含む熱回収ユニットの構成を示す図

【図3】前記熱回収用熱交換器の構成を示す図

【図4】セラミックスケースに破損がない場合の、セラミックスケースと流路部材の間の隙間空間における気体の圧力の経時的変化を示すグラフ

【図5】（ａ）および（ｂ）はセラミックスケースが破損したときの、セラミックスケースと流路部材の間の隙間空間における気体の圧力の経時的変化を示すグラフ

【図6】別の熱回収ユニットの構成を示す図

【図7】（ａ）〜（ｃ）は変形例の熱回収用熱交換器の断面図

【発明を実施するための形態】

【0026】

以下、図面を参照して、本発明の実施形態を説明する。

【0027】

図１に、本発明の一実施形態に係る熱回収用熱交換器３を用いた燃焼プラント１を示す。この燃焼プラント１は、一般ごみを燃料とするごみ焼却プラントである。ただし、本発明の熱回収用熱交換器は、ごみ焼却プラントに限らず種々の燃焼プラントに用いることができる。

【0028】

具体的に、燃焼プラント１は、燃料を燃焼させる燃焼炉１３と、燃焼炉１３から排出される燃焼排ガスによって水蒸気を生成するボイラ２を備える。また、燃焼プラント１は、燃焼炉１３にごみを供給する給じん装置１２と、給じん装置１２にごみを搬送する、ホッパー付の搬送装置１１を備える。

【0029】

本実施形態では、燃焼炉１３として流動床式焼却炉が用いられている。すなわち、燃焼炉１３内では、燃焼炉１３の下部から送り込まれる空気により流動状態となった砂がバーナーやごみ自体の燃焼熱などによって加熱され、この砂の中に給じん装置１２からごみが投入されて燃焼される。ごみの中に含まれる石や金属などの不燃物は砂と共に燃焼炉１３の下部から排出され、不燃物から分離された砂が再び燃焼炉１３に戻される。一方、燃焼炉１３の上部からは、腐食性ガスを含む燃焼排ガスが排出される。ただし、燃焼炉１３は、必ずしも流動床式焼却炉である必要はなく、例えばストーカ式焼却炉であってもよい。

【0030】

ボイラ２は、燃焼炉１３の上方に配置された放射室２５と、放射室２５の側方に配置された第１煙道２６および第２煙道２７を含む。第１煙道２６および第２煙道２７は共に上下に延びており、その下部同士がつながっている。これらの放射室２５、第１煙道２６および第２煙道２７は、燃焼排ガスが通る排ガス経路を構成する。

【0031】

放射室２５は燃焼炉１３と連通しており、図中に矢印Ａで示すように、燃焼炉１３から排出された燃焼排ガスは放射室２５に流入する。燃焼排ガスは、放射室２５である程度熱を放出した後に、図中に矢印Ｂで示すように第１煙道２６の上部に流入し、第１煙道２６を下向きに流れる。第１煙道２６を通過した燃焼排ガスは、図中に矢印Ｃで示すように第２煙道２７の下部に流入し、第２煙道２７を上向きに流れた後に、第２煙道２７の上部に接続された排出路２８に流入する。排出路２８には、図示は省略するが、減温塔やバグフィルタなどを含む排ガス処理設備、誘引式送風機および煙突などが設けられており、排ガス処理設備によって無害化処理された燃焼排ガスが煙突から大気中へ放出される。

【0032】

例えば、燃焼炉１３から放射室２５に流入する燃焼排ガスの温度は９００〜１１００℃であり、放射室２５から第１煙道２６に流入する燃焼排ガスの温度は７００〜１０００℃であり、第１煙道２６から第２煙道２７に流入する燃焼排ガスの温度は５００〜８００℃である。

【0033】

さらに、ボイラ２は、放射室２５、第１煙道２６および第２煙道２７で構成される排ガス経路を区画する壁上に設けられた水管２２と、水管２２内に水を供給するとともに水管２２内で発生した水蒸気を収集するボイラドラム２１を備えている。また、排ガス経路（正確には、第２煙道２７）中には、直列に接続された複数の過熱器２３が配置されている。過熱器２３は上下に並んでおり、その１つの（本実施形態では最も上に位置する）過熱器２３はボイラドラム２１と接続されている。すなわち、ボイラドラム２１に収集された水蒸気は、過熱器２３を順に通過する。これにより、水蒸気が過熱される。ただし、過熱器２３は、必ずしも複数設けられている必要はなく、１つだけ設けられていてもよい。

【0034】

過熱された蒸気が最後に通過する（本実施形態では最も下に位置する）過熱器２３は、複数の熱回収用熱交換器３（以下、単に熱交換器３という。）を含む熱回収ユニット９を介してタービン１４と接続されている。本実施形態では、熱交換器３が、ボイラ２のうちで最も温度の高い放射室２５に設けられている。放射室２５は燃焼炉１３の上方に位置するため、放射室２５に設けられた熱交換器３は燃焼火炎からの輻射を受け得る。

【0035】

本実施形態では、熱交換器３が互いに並列に並んでおり、各熱交換器３は、過熱器２３で過熱された水蒸気に燃焼排ガスから熱を回収することにより、当該水蒸気をさらに過熱する。過熱器２３および熱交換器３で過熱された水蒸気は、発電機１５と連結されたタービン１４を駆動する。

【0036】

ただし、熱交換器３は必ずしも複数設けられている必要はなく、１つだけ設けられていてもよい。また、熱交換器３は、第１煙道２６に設けられていてもよいし、第２煙道２７の過熱器２３よりも下方に設けられていてもよい。

【0037】

図２に示すように、熱回収ユニット９は、熱交換器３と制御装置８を含む。また、熱回収ユニット９は、各熱交換器３に水蒸気を分配するための第１共通路９５と、各熱交換器３から水蒸気を収集するための第２共通路９６とを含む。

【0038】

各熱交換器３は、燃焼排ガスに曝されるセラミックスケース５と、このセラミックスケース５に覆われた、内部に水蒸気が流れる流路部材４を含む。流路部材４の入口４ａは上流路９１により第１共通路９５と接続されており、流路部材４の出口４ｂは下流路９２により第２共通路９６と接続されている。すなわち、上流路９１は第１共通路９５から流路部材４に水蒸気を導き、下流路９２は流路部材４から第２共通路９６に水蒸気を導く。

【0039】

上流路９１および下流路９２には、それぞれ開閉弁９３，９４が設けられている。開閉弁９３は、上流路９１を通じた水蒸気の流通を遮断可能なものであり、本発明の遮断機構に相当する。一方、開閉弁９４は、下流路９２を通じた水蒸気の流通を遮断可能なものであり、腐食によって流路部材４に穴が開いたときに水蒸気の第２共通路９６からの逆流を防ぐ役割を果たす。

【0040】

流路部材４は、本実施形態では、入口４ａから出口４ｂに向かってＵ字状に折れ曲がる形状を有している。セラミックスケース５は、流路部材４よりも大きな断面Ｕ字状の（一端封じの）管であり、流路部材４の全周に亘って流路部材４との間に隙間空間６が形成されるように流路部材４を覆っている。なお、本明細書では以降説明の便宜のために、セラミックスケース５の軸方向のうち開口側を上方、その反対側を下方という。

【0041】

図３に示すように、放射室２５に面する壁２５ａには開口２５ｂが設けられており、セラミックスケース５は開口２５ｂを通じて放射室２５内に差し込まれている。セラミックスケース５の上端である開口の周縁にはフランジ５１が設けられている一方、壁２５ａには開口２５ｂを縁取る断面Ｌ字状のリム２５ｃが設けられている。そして、フランジ５１がリム２５ｃにそれらが面接触した状態で固定されている。

【0042】

セラミックスケース５のフランジ５１には、蓋プレート５５が乗せられている。流路部材４の両端部は蓋プレート５５を貫通している。すなわち、蓋プレート５５は、セラミックスケース５と流路部材４の間の隙間空間６を上方から塞いでいる。これにより、隙間空間６は密閉空間となっている。なお、図示は省略するが、蓋プレート５５とフランジ５１の間には環状のシール部材が配置される。蓋プレート５５とリム２５ｃは、それらの間にフランジ５１が挟まれた状態でボルトおよびナットにより互いに締結されてもよい。

【0043】

上述したように、本実施形態では流路部材４がＵ字状に折れ曲がる形状を有しているため、流路部材４におけるセラミックスケース５内に収まる部分は、入口４ａ側の蓋プレート５５より下側の第１直線部４Ａ、出口４ｂ側の蓋プレート５５より下側の第２直線部４Ｃ、およびそれらの間の屈曲部４Ｂである。流路部材４におけるセラミックスケース５内に収まる部分のうちの少なくとも下流側の一部（すなわち、第２直線部４Ｃの一部）には、その表面に輻射吸収率を高めるための表面処理層４５が形成されていることが望ましい。これは、水蒸気が流路部材４内を流れる間に水蒸気の温度が上昇するが、温度がある程度上昇した後でも効率的な収熱を行うためである。本実施形態では、第２直線部４Ｃの出口４ｂ側の僅かな領域を除いたほぼ全域、屈曲部４Ｂ、および第１直線部４Ａの屈曲部４Ｂ側の端部に、表面処理層４５が形成されている。ただし、表面処理層４５は、流路部材４におけるセラミックスケース５内に収まる部分の全体に形成されていてもよい。

【0044】

表面処理層４５を形成するには、流路部材４を構成する配管の表面に吸収率の高い物質を付着させてもよいし、前記配管の表面に吸収率の高い物質をコーティングしたり酸化被膜を形成させたりしてもよい。吸収率の高い物質としては、流路部材４を構成する材料よりも輻射吸収率の高いものであれば種々のものが採用可能であり、例えばクロムカーバイドやカーボンブラックを用いることができる。あるいは、流路部材４を構成する配管の表面を輻射吸収率の高い色でホーロー加工することにより、表面処理層４５を形成することも可能である。

【0045】

各熱交換器３の隙間空間６は、熱交換器３が配置された位置での燃焼排ガスの圧力Ｐ１よりも高い圧力Ｐ２の気体で満たされている。本実施形態では、隙間空間６に気体が封入されている。具体的に、隙間空間６は、供給路７を介して、圧力Ｐ２またはそれ以上の圧力の気体を供給可能な図略の圧力源と接続されている。また、供給路７には開閉弁７１が設けられている。すなわち、開閉弁７１が閉じられたときには隙間空間６に気体が封入され（正確には、隙間空間６および供給路７における開閉弁７１よりも下流側に気体が閉じ込められ）、開閉弁７１が開かれたときには隙間空間６に気体が補給される。

【0046】

隙間空間６に満たされる気体は、腐食性および可燃性でない限り、特に限定されるものではない。例えば、気体としては、熱伝導率の高いヘリウムなどを用いることもできるが、本実施形態ではセラミックスケース５から流路部材４への輻射による熱伝達が支配的であるために、安価な空気などを用いることが望ましい。

【0047】

さらに、各熱交換器３は、隙間空間６内の気体の圧力を測定する圧力センサ６１を有する。圧力センサ６１は、例えば蓋プレート５５に設けられる。なお、圧力センサ６１は、必ずしも隙間空間６内の気体の圧力を直接的に測定する必要はなく、供給路７における開閉弁７１よりも下流側に設けられて、供給路７内の気体の圧力を隙間空間６内の気体の圧力として測定してもよい。

【0048】

上述した制御装置８は、各熱交換器３ごとに、圧力センサ６１により測定される圧力に基づいて開閉弁７１を制御する。制御装置８には、燃焼排ガスの圧力Ｐ１よりも高い第１設定圧力ＰＬと、第１設定圧力よりもさらに高い第２設定圧力ＰＭとが予め格納されている（図４参照）。

【0049】

セラミックスケース５に破損がない場合でも、フランジ５１と蓋プレート５５の間などから微量の気体が漏れるため、図４に示すように、隙間空間６内の気体の圧力は十分に長い時間Ｔｃをかけて低下する。そこで、制御装置８は、圧力センサ６１により測定される圧力が第１設定値ＰＬ以下に低下したときに開閉弁７１を開いて隙間空間６への気体の補給を開始し、圧力センサ６１により測定される圧力が第２設定値ＰＭに到達したときに開閉弁７１を閉じて隙間空間６への気体の補給を停止する。これにより、隙間空間６内の気体の圧力を、第１設定値ＰＬと第２設定値ＰＭの間に保ち、常に燃焼排ガスの圧力Ｐ１よりも高い状態に維持することができる。

【0050】

一方で、セラミックスケース５に穴あきや亀裂などの破損が生じた場合には、図５（ａ）に示すように、開閉弁７１が閉じられてから開かれるまでにかかる封止時間Ｔｃが短くなるとともに、気体の供給流量が一定とすると、開閉弁７１が開かれてから閉じられるまでにかかる補給時間Ｔｏが長くなる。破損の状態が進展すると、図５（ｂ）に示すように、封止時間Ｔｃがより短く、補給時間Ｔｏがより長くなる。

【0051】

制御装置８は、封止時間Ｔｃまたは補給時間Ｔｏあるいはそれらの双方を計るタイマを有している。そして、制御装置８は、封止時間Ｔｃが計られる場合は封止時間Ｔｃを予め定められた所定値ＴＬと比較し、補給時間Ｔｏが計られる場合は補給時間Ｔｏを予め定められた所定値ＴＨと比較する。封止時間Ｔｃが所定値ＴＬ以上または補給時間Ｔｏが所定値ＴＨ未満であれば、セラミックスケース５の破損の状態は軽度であると考えられるため、制御装置８は、開閉弁９３を開いて上流路９１を通じた水蒸気の流通を許容する。一方、封止時間Ｔｃが所定値ＴＬ未満または補給時間Ｔｏが所定値ＴＨ以上であれば、セラミックスケース５の破損の状態はかなりひどいと考えられるため、制御装置８は、開閉弁９３を閉じて上流路９１を通じた水蒸気の流通を遮断する。これにより、流路部材４が腐食して水蒸気が燃焼排ガス中に漏れ出すことを未然に防ぐことができる。なお、上流路９１に設けられた開閉弁９３が閉じられるときは、下流路９２に設けられた開閉弁９４も閉じられる。

【0052】

以上説明した本実施形態の熱交換器３では、セラミックスケース５と流路部材４の間の隙間空間６が燃焼排ガスの圧力Ｐ１よりも高い圧力Ｐ２の気体で満たされているために、セラミックスケース５が破損したときはその破損部分から隙間空間６内の気体が漏れ出す。このため、セラミックスケース５の破損の検知が可能になる。また、その破損が軽度な場合には、隙間空間６を満たす気体によって隙間空間６への燃焼排ガスの侵入が防がれるために、セラミックスケース５が破損した後もしばらくは運転を継続できる。

【0053】

特に本実施形態では、隙間空間６に気体が封入されているために、セラミックスケース５が破損したときには隙間空間６内の気体の圧力が低下する。そこで、隙間空間６内の気体の圧力を測定することによりセラミックスケース５の破損を検知することができる。

【0054】

さらに、本実施形態では、制御装置８のタイマによって封止時間Ｔｃまたは補給時間Ｔｏあるいはそれらの双方が計られるため、セラミックスケース５に破損が生じたか否か検知することができるだけでなく、その破損の程度を推測することができる。

【0055】

ところで、セラミックスケースを有しない、金属材料で構成された熱交換器は、腐食性の環境下では水蒸気の温度がおよそ４００℃を超えると腐食しやすくなる。このため、通常の熱交換器は、過熱器２３で過熱される水蒸気の温度が４００℃を超えない場所に設置される。これに対し、本実施形態の熱交換器３を用いれば、水蒸気の温度が４００℃を超える場所でも燃焼排ガスからの熱の回収を行うことができる。それ故に、蒸気配管の腐食の問題を回避しつつボイラ２で生成された水蒸気を非常に高い温度まで過熱することができる。

【0056】

さらに、本実施形態では、熱回収ユニット９が複数の熱交換器３を含んでいて、熱交換器３、上流路９１および下流路９２のセットが複数並列に配置されるため、１つの熱交換器３が使用不能になっても、他の熱交換器３を使用して燃焼排ガスからの熱回収を継続して実行することができる。

【0057】

さらに、本実施形態では、流路部材４におけるセラミックスケース５内に収まる部分の表面に輻射吸収率を高めるための表面処理層４５が形成されているため、セラミックスケース５から流路部材４への熱伝達効率を高めることができる。特に、本実施形態のように、入口４ａ側の直線部４Ａの大部分（場合によっては全体）に表面処理層４５を形成しないようにすれば、表面処理層４５の形成に必要な高価な材料の使用量を抑えつつ、十分な効果を得ることができる。

【0058】

（変形例）
本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の変形が可能である。

【0059】

例えば、熱回収ユニット９が複数の熱交換器３を含んでいる場合は、必ずしも各熱交換器３が圧力センサ６１および／または供給路７を備えている必要はない。例えば、複数の熱交換器３の隙間空間６を連通管でつないで一つの連続空間を形成し、この連続空間に対して１つの供給路および／または１つの圧力センサを設けてもよい。

【0060】

また、前記実施形態では、隙間空間６に気体が封入されていたが、隙間空間６には必ずしも気体が封入されている必要はなく、隙間空間６が燃焼排ガスの圧力Ｐ１よりも高い圧力Ｐ２の気体で満たされていればよい。例えば、供給路７には開閉弁７１が設けらずに、供給路７が気体供給用配管に直接接続されていてもよい。この場合、セラミックスケース５が破損したときには供給路７に気体が流れる。そこで、圧力センサ６１の代わりに、供給路７に流量計を設けておけば、流量計で測定される流量に基づいてセラミックスケース５の破損を検知することができる。

【0061】

供給路７に流量計を設けた場合は、測定される流量に基づいてセラミックスケース５の破損の程度を推測することができる。そこで、流量が小さい場合は、破損した部分から気体が漏れ出ることを許容してもよい。このようにしても、隙間空間６内の気体によって流路部材４を燃焼排ガスから保護できるからである。

【0062】

さらに、熱交換器３は必ずしも供給路７を有している必要はなく、隙間空間６に圧力Ｐ２の気体が満たされた状態で隙間空間６が完全に密閉されていてもよい。この構成であっても、圧力センサ６１で測定される圧力に基づいてセラミックスケース５の破損を検知することができる。ただし、この場合には、隙間空間６内の気体の圧力が低下すると、もはや熱交換器３が使用できなくなる。これに対し、前記実施形態のように開閉弁７１付の供給路７が設けられていれば、隙間空間６内の気体の圧力が低下したときには開閉弁７１を開いて隙間空間６に気体を補給することができるため、熱交換器３を継続的に使用することができる。

【0063】

前記実施形態では、供給路７に開閉弁７１が設けられていたが、開閉弁７１の代わりに流量調整弁を用いてより複雑な制御を行うことも可能である。

【0064】

さらには、供給路７の上流側を二つに分岐させ、その一方を別の気体を供給可能な加圧源に接続し、隙間空間６に供給される気体を切り換え可能にしてもよい。例えば、セラミックスケース５に破損がない場合には熱伝導率の高い気体を隙間空間６に供給し、セラミックスケース５の破損の程度が軽度である場合には安価な気体を隙間空間６に供給してもよい。

【0065】

また、熱交換器３は、必ずしも並列に並んでいる必要はなく、直列に並んでいてもよい。さらには、例えば図６に示すように、熱交換器３が並列に並んだ２つの熱交換器群が中継路９７により直列に接続されていて、水蒸気が二段で加熱されてもよい。下流側の熱交換器群は燃焼排ガスの流れの高温側に設置し、この熱交換器群を構成する熱交換器３のそれぞれに対し、流路部材４におけるセラミックスケース５内に収まる部分のほぼ全域に表面処理層４５を形成してもよい。この構成であれば、流路部材４のほぼ半分に対して表面処理層４５を形成する場合に比べて、表面処理層４５を容易に形成することができる。

【0066】

さらに、流路部材４の構成も種々のものが採用可能であり、例えば図７（ａ）〜（ｃ）に示すような熱交換器３Ａ〜３Ｃも考えられる。

【0067】

図７（ａ）に示す熱交換器３Ａでは、流路部材４が、入口４ａと出口４ｂとの間で蛇行する形状を有している。すなわち、流路部材４は、セラミックスケース５内で互いに平行に配列された複数の直線部と、これらの直線部の端部同士をつなぐ屈曲部を含む。そして、最も外側の直線部から蓋プレート５５を貫通して外に延びる一対の貫通部が入口４ａおよび出口４ｂを形成している。図例では、最も出口４ｂに近い直線部における蓋プレート５５の近傍から、屈曲部および隣接する直線部の終端までのＵ字状の領域に、表面処理層４５が形成されている。これにより、蒸気温度をより高温にすることができる。

【0068】

図７（ｂ）に示す熱交換器３Ｂでは、２つの流路部材４が１つのセラミックスケース５で覆われている。各流路部材４は、前記実施形態で説明したのと同様に、入口４ａから出口４ｂに向かってＵ字状に折れ曲がっている。このようにセラミックスケース５の外で流路部材４が互いに分岐していれば、図７（ａ）に示す構成と比べてより多くの蒸気を加熱することができる。

【0069】

図７（ｃ）に示す熱交換器３Ｃでは、流路部材４が断面Ｕ字状の外管４２と、この外管４２内に挿入された内管４１の二重管である。このような構成であれば、隙間空間６を簡易で輻射に好適な形状とすることができる。

【0070】

具体的に、外管４２の上部はセラミックスケース５の上端から露出しており、内管４１の上部は外管４２の上端から露出している。内管４１の上側の開口は流路部材４の入口４ａを構成する。なお、内管４１は、外管４２の外側で直角に折れ曲がっていてもよい。外管４２の上端と内管４１の外周面との間は端部材４３によりシールされている。端部材４３は、外管４２と一体に形成されていてもよい。セラミックスケース５から露出する外管４２の上部の外周面には横穴（開口）が形成されており、この横穴（開口）が流路部材４の出口４ｂを構成する。すなわち、入口４ａを通じて上流路９１から流路部材４の内部に流入した水蒸気は、内管４１の中を下向きに進んで外管４２の底に衝突した後に、外管４２と内管４１の間の筒状の隙間を通って上向きに流れ、出口４ｂを通じて下流路９２に流出する。

【0071】

図７（ｃ）に示す熱交換器３Ｃでは、外管４２における蓋プレート５５よりも下側の部分が、セラミックスケース５内に収まる、出口４ｂに最も近い直線部であり、この部分の一部または全部（図例では蓋プレート５５に近い側の約半分）の表面には、輻射吸収率を高めるための表面処理層４５が形成されていることが望ましい。

【0072】

（その他の実施形態）
本発明の熱回収用熱交換器は、燃焼プラント１における過熱器２３や水管２２として用いることも可能である。さらに、本発明の熱回収用熱交換器では、流路部材の内部を流れる流体は必ずしも水蒸気である必要はなく、他の気体または液体であってもよい。

【符号の説明】

【0073】

１ 燃焼プラント
１３ 燃焼炉
２ ボイラ
２３ 過熱器
３，３Ａ〜３Ｃ 熱回収用熱交換器
４ 流路部材
４ａ 入口
４ｂ 出口
４Ａ，４Ｃ 直線部
４１ 内管
４２ 外管
４５ 表面処理層
５ セラミックスケース
６ 隙間空間
６１ 圧力センサ
７ 供給路
７１ 開閉弁
８ 制御装置
９ 熱回収ユニット
９１ 上流路
９２ 下流路
９３ 開閉弁（遮断機構）

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】