特開 2023-175102 排ガスボイラシステム

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2023175102

(43)【公開日】2023-12-12

(54)【発明の名称】排ガスボイラシステム

(51)【国際特許分類】

   F22B 1/18 20060101AFI20231205BHJP

【ＦＩ】

F22B1/18 D

【審査請求】未請求

【請求項の数】3

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022087380

(22)【出願日】2022-05-30

(71)【出願人】

【識別番号】000175272

【氏名又は名称】三浦工業株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100126000

【弁理士】

【氏名又は名称】岩池 満

(74)【代理人】

【識別番号】100145713

【弁理士】

【氏名又は名称】加藤 竜太

(72)【発明者】

【氏名】福田 尚史

(72)【発明者】

【氏名】石崎 信行

(57)【要約】

【課題】比較的低温の排ガスから熱回収できる排ガスボイラシステムを提供すること。
【解決手段】本発明の一態様に係る排ガスボイラシステム１は、排ガスと熱交換して補給水を蒸発させる第１蒸発器２０と、前記第１蒸発器２０を通過した前記排ガスと熱交換して補給水を蒸発させる第２蒸発器３０と、前記第２蒸発器３０を通過した排ガスと熱交換して前記第１蒸発器２０及び前記第２蒸発器３０に供給される補給水を加熱するエコノマイザ４０と、前記第２蒸発器３０で発生した蒸気を圧縮する蒸気圧縮機５０と、前記第１蒸発器２０で発生した蒸気及び前記蒸気圧縮機５０で圧縮された蒸気が導入される蒸気ヘッダ６０と、を備える。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

排ガスと熱交換して補給水を蒸発させる第１蒸発器と、
第１蒸発器を通過した排ガスと熱交換して補給水を蒸発させる第２蒸発器と、
第２蒸発器を通過した排ガスと熱交換して第１蒸発器及び第２蒸発器に供給される補給水を加熱するエコノマイザと、
第２蒸発器で発生した蒸気を圧縮する蒸気圧縮機と、
第１蒸発器で発生した蒸気及び蒸気圧縮機で圧縮された蒸気が導入される蒸気ヘッダと、
を備える、排ガスボイラシステム。

【請求項2】

排ガスの温度は２５０℃以上３２０℃以下であり、
第１蒸発器の蒸気圧は０．５ＭＰａ以上１．０ＭＰａ以下であり、
第２蒸発器の蒸気圧は０．０５ＭＰａ以上０．２０ＭＰａ以下である、
請求項１に記載の排ガスボイラシステム。

【請求項3】

蒸気圧縮機は、蒸気を圧縮する空間内に水を噴射する給水手段を備える水噴射式蒸気圧縮機である、請求項１又は２に記載の排ガスボイラシステム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、排ガスボイラシステムに関する。

【背景技術】

【0002】

例えば、発電機を駆動するガスエンジン等からは高温の排ガスが排出されるため、排ガスから熱回収して蒸気を生成する排ガスボイラが利用される。排ガスから回収できる熱量を増大するために、排ガスの流路の上流側から下流側に並んで配設される複数の蒸発器（缶体）を備える排ガスボイラも知られている。このような排ガスボイラでは、上流側ほど高圧の蒸気を得ることができる。蒸気の圧力が低すぎると発生した蒸気を有効に利用することができないため、排ガスボイラにおいても一定以上の圧力を有する蒸気を生成する必要がある。

【0003】

例えば、特許文献１には、上流側の蒸発器で発生する高圧の蒸気と下流側の蒸発器で発生する低圧の蒸気とをエゼクタを用いて混合することで、利用可能な圧力の蒸気を得ることが提案されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特許第５３５９５４０号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

近年、二酸化炭素排出を削減は喫緊となっており、ガスエンジン等では熱効率の向上に伴って排ガスの温度が低下している。単段の蒸発器を有する排ガスボイラでは蒸気の発生量が少なくなり、給水加熱器の通水量が減少することで沸騰が生じる場合がある。一方、多段の蒸発器を有する排ガスボイラを使用して低温の排ガスから熱回収すると、高圧の蒸気の発生量が相対的に少なくなる。このため、特許文献１のようにエゼクタを利用するシステムでは、混合後の蒸気を利用可能な圧力まで昇圧することができない場合がある。

【0006】

このため、本発明は、比較的低温の排ガスから効果的かつ安定的に熱回収量を増やすことができる排ガスボイラシステムを提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0007】

本発明の一態様に係る排ガスボイラシステムは、排ガスと熱交換して補給水を蒸発させる第１蒸発器と、前記第１蒸発器を通過した前記排ガスと熱交換して補給水を蒸発させる第２蒸発器と、前記第２蒸発器を通過した排ガスと熱交換して前記第１蒸発器及び前記第２蒸発器に供給される補給水を加熱するエコノマイザと、前記第２蒸発器で発生した蒸気を圧縮する蒸気圧縮機と、前記第１蒸発器で発生した蒸気及び前記蒸気圧縮機で圧縮された蒸気が導入される蒸気ヘッダと、を備える。

【0008】

上述の排ガスボイラシステムにおいて、前記排ガスの温度は２５０℃以上３２０℃以下であり、前記第１蒸発器の蒸気圧は０．５ＭＰａ以上１．０ＭＰａ以下であり、前記第２蒸発器の蒸気圧は０．０５ＭＰａ以上０．２ＭＰａ以下であってもよい。

【0009】

上述の排ガスボイラシステムにおいて、前記蒸気圧縮機は、前記蒸気を圧縮する空間内に水を噴射する給水手段を備える水噴射式蒸気圧縮機であってもよい。

【発明の効果】

【0010】

本発明によれば、比較的低温の排ガスから効果的かつ安定的に熱回収量を増やすことができる。

【図面の簡単な説明】

【0011】

【図1】本発明の一実施形態に係る排ガスボイラシステムの構成を示す模式図である。

【発明を実施するための形態】

【0012】

以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら説明をする。図１は、本発明の一実施形態に係る排ガスボイラシステム１の構成を示す模式図である。

【0013】

排ガスボイラシステム１は、不図示のガスエンジン等が排出する排ガスから熱回収して蒸気を発生させる。排ガスボイラシステム１は、排ガスを案内する排ガスチャンバ１０と、排ガスチャンバ１０の中に上流側から順番に配設される第１蒸発器２０、第２蒸発器３０及びエコノマイザ４０と、第２蒸発器３０で発生した蒸気を圧縮する蒸気圧縮機５０と、第１蒸発器２０で発生した蒸気及び蒸気圧縮機５０で圧縮された蒸気が導入される蒸気ヘッダ６０と、を備える。

【0014】

排ガスチャンバ１０は、排ガスが第１蒸発器２０、第２蒸発器３０及びエコノマイザ４０をこの順番に通過してから、不図示の煙突などを通して外部に排出されるよう、排ガスを案内する。

【0015】

排ガスチャンバ１０に導入される排ガスの温度の下限としては、２５０℃が好ましく、２７０℃がより好ましい。一方、排ガスチャンバ１０に導入される排ガスの温度の上限としては、３２０℃が好ましく、３００℃がより好ましい。排ガスチャンバ１０に導入される排ガスの温度が前記下限以上であれば、排ガスにより蒸気を発生させることで効果的に熱回収を行うことができる。また、排ガスチャンバ１０に導入される排ガスの温度が前記上限以下であれば、排ガス温度の低下に伴って熱回収率の低下が顕著となる従来の単段の排ガスボイラに比べて高い熱回収率を達成できる。つまり、前記温度範囲は、排ガスボイラシステム１が従来の排ガスボイラに比べて特に有利となる範囲である。

【0016】

第１蒸発器２０は、排ガスと熱交換して補給水を蒸発させる。第１蒸発器２０は、補給水を貯留する下部ヘッダ２１と、下部ヘッダ２１から延出し、排ガスによって加熱され、内部の補給水を蒸発させる複数の水管２２と、水管２２で発生した蒸気を集める上部ヘッダ２３と、上部ヘッダ２３から流出する蒸気中に含まれる水滴を分離する気水分離器２４と、水管２２における水面高さを一定範囲内に保持するよう、下部ヘッダ２１に供給される補給水の水量を調節する給水弁２５と、を有する貫流ボイラとすることができる。

【0017】

第１蒸発器２０の蒸気圧（ゲージ圧）の下限としては、０．５ＭＰａが好ましく、０．６ＭＰａがより好ましい。一方、第１蒸発器２０の蒸気圧の上限としては、１．０ＭＰａが好ましく、０．９ＭＰａがより好ましい。第１蒸発器２０の蒸気圧を前記下限以上とすることによって、第１蒸発器２０で発生した蒸気を一般的な需要設備において利用できる。加えて、第１蒸発器２０の蒸気圧を前記下限以上とすることによって、第１蒸発器２０において排ガスの温度が低くなり過ぎることを防止して、第２蒸発器３０において効率的に熱回収し、排ガスボイラシステム１全体としての熱効率を向上できる。また、第１蒸発器２０の蒸気圧を前記上限以下とすることにより、第１蒸発器２０における回収熱量を確保するとともに、設備コストが不必要に上昇することを防止できる。

【0018】

第２蒸発器３０は、第１蒸発器２０を通過した排ガスと熱交換して補給水を蒸発させる。第２蒸発器３０は、補給水を貯留する下部ヘッダ３１と、下部ヘッダ３１から延出し、排ガスによって加熱され、内部の補給水を蒸発させる複数の水管３２と、水管３２で発生した蒸気を集める上部ヘッダ３３と、上部ヘッダ３３から流出する蒸気中に含まれる水滴を分離する気水分離器３４と、水管３２における水面高さを一定範囲内に保持するよう、下部ヘッダ３１に供給される補給水の水量を調節する給水弁３５と、を有する貫流ボイラとすることができる。

【0019】

第２蒸発器３０の蒸気圧の下限としては、０．０５ＭＰａが好ましく、０．０６ＭＰａがより好ましい。一方、第２蒸発器３０の蒸気圧の上限としては、０．２０ＭＰａが好ましく、０．１５ＭＰａがより好ましい。第２蒸発器３０の蒸気圧を前記下限以上とすることによって、蒸気圧縮機５０の負荷つまり電力消費及びそれに伴う二酸化炭素排出を抑制し効果的かつ安定的に熱回収量を増やすことができるとともに蒸気圧縮機５０の大型化により設備コストが不必要に上昇することを防止できる。また、第２蒸発器３０の蒸気圧を前記上限以下とすることにより、排ガスから回収できる熱量を十分に増やすことができる。

【0020】

エコノマイザ４０は、第２蒸発器３０を通過した排ガスと熱交換して第１蒸発器２０及び第２蒸発器３０に供給される補給水を加熱する。つまり、エコノマイザ４０で加熱された補給水は、第１蒸発器２０と第２蒸発器３０に分配され、エコノマイザ４０には、給水ポンプ４１によって第１蒸発器２０の蒸気圧以上の圧力で補給水が供給される。例えば、第１蒸発器の蒸気圧が０．８ＭＰａの場合、エコノマイザには０．８ＭＰａ以上が加圧されており、一方、第２蒸発器を通過してエコノマイザに流入する排ガス温度は１３５℃に低下する。このため、エコノマイザの水温は飽和温度を超えることが無く、スティーミング発生がない安定的な熱回収を行うことができる。

【0021】

蒸気圧縮機５０は、第２蒸発器３０で発生した蒸気を第１蒸発器２０で発生した蒸気と等しい圧力になるまで圧縮する。蒸気圧縮機５０としては、例えばスクリュ式圧縮機を用いることができる。また、蒸気圧縮機５０は、例えばポンプ等を含み、蒸気を圧縮する空間内に水を噴射する給水手段５１を備える水噴射式蒸気圧縮機であることが好ましい。蒸気圧縮機５０の蒸気を圧縮する空間内に水を噴射することによって、蒸気が過熱蒸気になることを防止するとともに、噴射した水を蒸発させることで吐出する蒸気量を増大できる。また、給水手段５１を有する蒸気圧縮機５０は、排ガス温度の変動により第２蒸発器３０における蒸気発生量が変動しても安定して運転することができるので、常に最大限の熱回収を行うことができる。

【0022】

蒸気ヘッダ６０は、第１蒸発器２０で発生した蒸気及び蒸気圧縮機５０で圧縮された蒸気を一次的に貯留し、需要設備に蒸気を安定供給するためのバッファである。蒸気ヘッダ６０の容量は、排ガスボイラシステム１に供給される排ガスの風量及び温度の変動、需要設備の負荷変動等を考慮して適宜設定される。蒸気ヘッダ６０には、例えば燃料焚きボイラ等の通常のボイラからも蒸気が供給されてもよい。これにより、排ガスボイラシステム１に供給される排ガスの量と需要設備の蒸気使用量とが連動しない場合であっても、需要設備が必要とする量の蒸気を安定して供給できる。

【0023】

上述のように、排ガスボイラシステム１は、第１蒸発器２０で排ガスから熱回収を行って所望の圧力の蒸気を生成した後、さらに第２蒸発器３０で排ガスから熱回収を行って低圧の蒸気を生成し、この低圧の蒸気を蒸気圧縮機５０で所望の圧力まで昇圧する。このため、排ガスボイラシステム１は、より多くの熱エネルギを利用可能な蒸気エネルギとして回収できるので、排ガスの温度が低く、従来の排ガスボイラシステムでは回収できる熱量が小さい場合であっても、排ガスから効果的かつ安定的に熱回収できる。

【0024】

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上述した実施形態に限定されることなく、種々の変更及び変形が可能である。例として、本発明に係る排ガスボイラシステムにおいて、第１蒸発器及び第２蒸発器は貫流ボイラに限られず、例えば蒸気ドラム内で水を蒸発させる水管ボイラ等の構成を有してもよい。

【実施例0025】

以下、実施例に基づいて本発明を具体的に説明するが、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。

【0026】

図１の構成を有する排ガスボイラシステムの実施例と、単段の蒸発器及びエコノマイザを有する従来の排ガスボイラシステムと、について発生する蒸気量についてのシミュレーションを行った。排ガスボイラシステムに供給される排ガスの温度は３００℃、排ガスの流量は３７０００Ｎｍ３／ｈ、補給水の水温を２５℃とした。

【0027】

実施例の排ガスボイラシステムでは、第１蒸発器の蒸気圧及び蒸気圧縮機の吐出圧力を０．７８ＭＰａ、第２蒸発器の蒸気圧を０．１０ＭＰａに設定した場合、第１蒸発器の蒸気発生量は２３９７ｋｇ／ｈ、第２蒸発器の蒸気発生量は１１８２ｋｇ／ｈ、蒸気圧縮機の消費電力は１７０ｋＷ、蒸気圧縮機における水噴射量は１１７ｋｇ／ｈ（蒸気圧縮機の吐出蒸気量は１３００ｋｇ／ｈ）となり、蒸気ヘッダにおいて合計３６９８ｋｇ／ｈの蒸気を得られた。なお、実施例の排ガスボイラシステムを通過した排ガスの温度は１０９℃となった、一方、比較例の排ガスボイラシステムでは、蒸気発生量は２３６３ｋｇ／ｈ、排ガスボイラシステムを通過した排ガスの温度は１６８℃となった。

【0028】

実施例の排ガスシステムと比較例の蒸気発生量の差は１３３５ｋｇ／ｈであるが、この蒸気量を都市ガス（１３Ａ）を燃料とするボイラによって得る場合、５７ｍ３Ｎ／ｈの燃料が必要であり、二酸化炭素排出量は１７２ｋｇ／ｈとなる。これに対し、実施例の排ガスシステムにおいて蒸気圧縮機が消費する電力に電力会社の二酸化炭素排出係数を乗じて算出される蒸気圧縮機の二酸化炭素排出量は８３ｋｇ／ｈとなる。したがって、実施例の排ガスシステムでは、比較例に対して二酸化炭素排出量を５２％削減できる。

【0029】

実施例の排ガスボイラシステムにおいて、第２蒸発器の蒸気圧を変更した場合のシミュレーションを行った結果を、次の表１に示す。表には、第２蒸発器の出口排ガス温度、エコノマイザ出口の排ガス温度、全体蒸気量（第１蒸発器蒸発量と蒸気圧縮機吐出蒸気量の合計）及び蒸気圧縮機消費電力を、それぞれ第２蒸発器の蒸気圧が０．１０ＭＰａである場合に対する百分率で示す。また、第１蒸発器蒸発量及び蒸気圧縮機吐出蒸気量は、全体蒸気量（百分率）の内訳を示す。

【0030】

【表1】

【0031】

第２蒸発器の蒸気圧を低くすると、第２蒸発器の蒸気圧が低下することで、第２蒸発器の出口排ガス温度、エコノマイザの出口水温、さらに第１蒸発器の蒸発量が低下する。一方、第２蒸発器では、蒸気圧の低下と共に入口と出口の排ガス温度差は大きくなり、第２蒸発器の蒸気量は増加する。したがって、第２蒸発器の蒸気圧を低くすると、第２蒸発器の蒸発量増加が大きくなるため、システム全体の蒸発量は増加する。このため、第２蒸発器の蒸気圧は、第２蒸発器の熱回収量を十分に確保できる０．２ＭＰａ以下が好ましい。このとき、第２蒸発器出口の排ガス温度は１５０℃以下となりエコマイザの通水が停止した場合でも給水温度は飽和蒸気圧を超えることがなく、沸騰が起きないため、安定的して蒸気を供給できる。また、沸騰の考慮が不要であるため、管内圧損の上昇、エロ－ジョンなどが発生せず、エコノマイザの伝熱面の設計に余裕ができる。また、第２蒸発器の蒸気圧の下限は、蒸気圧縮機の負荷を過度に大きくしないことで、蒸気圧縮機の電力消費に伴う二酸化炭素発生及び設備コストを過度に増大させない０．０５ＭＰａが好ましい。

【符号の説明】

【0032】

１ 排ガスボイラシステム
１０ 排ガスチャンバ
２０ 第１蒸発器
３０ 第２蒸発器
４０ エコノマイザ
５０ 蒸気圧縮機
６０ 蒸気ヘッダ
２１ 下部ヘッダ
２２ 水管
２３ 上部ヘッダ
２４ 気水分離器
２５ 給水弁
３１ 下部ヘッダ
３２ 水管
３３ 上部ヘッダ
３４ 気水分離器
３５ 給水弁
４１ 給水ポンプ
５１ 給水手段

【図1】