特許 7118967 熱交換器およびそれを使用する熱交換方法

(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】

(24)【登録日】2022-08-05

(45)【発行日】2022-08-16

(54)【発明の名称】熱交換器およびそれを使用する熱交換方法

(51)【国際特許分類】

   F28D 20/00 20060101AFI20220808BHJP

【ＦＩ】

F28D20/00 A

【請求項の数】 15

(21)【出願番号】P 2019531437

(86)(22)【出願日】2017-12-19

(65)【公表番号】

(43)【公表日】2020-02-06

(86)【国際出願番号】 EP2017083616

(87)【国際公開番号】W WO2018114993

(87)【国際公開日】2018-06-28

【審査請求日】2020-12-14

(31)【優先権主張番号】16306762.2

(32)【優先日】2016-12-21

(33)【優先権主張国・地域又は機関】EP

(73)【特許権者】

【識別番号】591036572

【氏名又は名称】レール・リキード－ソシエテ・アノニム・プール・レテュード・エ・レクスプロワタシオン・デ・プロセデ・ジョルジュ・クロード

(74)【代理人】

【識別番号】100108855

【弁理士】

【氏名又は名称】蔵田 昌俊

(74)【代理人】

【識別番号】100103034

【弁理士】

【氏名又は名称】野河 信久

(74)【代理人】

【識別番号】100179062

【弁理士】

【氏名又は名称】井上 正

(74)【代理人】

【識別番号】100199565

【弁理士】

【氏名又は名称】飯野 茂

(74)【代理人】

【識別番号】100153051

【弁理士】

【氏名又は名称】河野 直樹

(74)【代理人】

【識別番号】100162570

【弁理士】

【氏名又は名称】金子 早苗

(72)【発明者】

【氏名】ブノワ・グランド

(72)【発明者】

【氏名】パトリック・レクート

(72)【発明者】

【氏名】レミ・ツィーアヴァ

【審査官】古川 峻弘

(56)【参考文献】

【文献】実開昭５７－０７７６８０（ＪＰ，Ｕ）

【文献】米国特許出願公開第２０１０／００８１１０３（ＵＳ，Ａ１）

【文献】特開昭５９－１４５４９０（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｆ２８Ｄ ２０／００

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

第１の熱交換器（１００）、第２の熱交換器（２００）、第１のガス制御システム（３００）、及び第２のガス制御システム（４００）を備えた熱交換器システムであって、
前記第１の熱交換器（１００）は、
・第１のガス入口（１１１）、第１のガス出口（１１２）、および前記第１のガス入口（１１１）から前記第１のガス出口（１１２）まで延びる第１のガス流路（１１０）、
・第２のガス入口（１２１）、第２のガス出口（１２２）、および前記第２のガス入口（１２１）から前記第２のガス出口（１２２）まで延びる第２のガス流路（１２０）を提供し、
前記第１のガス流路（１１０）はガス不透過性熱伝導障壁（１３０）によって前記第２のガス流路（１２０）と熱的に接触するが物理的に分離され、
・前記第１のガス流路（１１０）が、前記ガス不透過性熱伝導障壁（１３０）と物理的かつ熱伝導式に接触する第１の蓄熱充填物（１１５）を含み、
・前記第２のガス流路（１２０）が、前記ガス不透過性熱伝導障壁（１３０）と物理的かつ熱伝導式に接触する第２の熱伝導性充填物（１２５）を含むものであり、
前記第２の熱交換器（２００）は、
・第１のガス入口（２１１）、第１のガス出口（２１２）、および前記第１のガス入口（２１１）から前記第１のガス出口（２１２）まで延びる第１のガス流路（２１０）、
・第２のガス入口（２２１）、第２のガス出口（２２２）、および前記第２のガス入口（２２１）から前記第２のガス出口（２２２）まで延びる第２のガス流路（２２０）を提供し、
前記第１のガス流路（２１０）はガス不透過性熱伝導障壁（２３０）によって前記第２のガス流路（２２０）と熱的に接触するが物理的に分離され、
・前記第１のガス流路（２１０）が、前記ガス不透過性熱伝導障壁（２３０）と物理的かつ熱伝導式に接触する第１の蓄熱充填物（２１５）を含み、
・前記第２のガス流路（２２０）が、前記ガス不透過性熱伝導障壁（２３０）と物理的かつ熱伝導式に接触する第２の熱伝導性充填物（２２５）を含むものであり、
前記第１のガス制御システム（３００）は、前記第１の熱交換器（１００）の前記第１のガス入口（１１１）および前記第２の熱交換器（２００）の前記第１のガス入口（２１１）へのガスの供給を制御するとともに、前記第１の熱交換器（１００）の前記第２のガス入口（１２１）及び前記第２の熱交換器（２００）の前記第２のガス入口（２２１）へのガスの供給を制御するか、または、前記第１の熱交換器（１００）の前記第２のガス出口（１２２）および前記第２の熱交換器（２００）の前記第２のガス出口（２２２）からのガスの排出を制御し、
前記第２のガス制御システム（４００）は、前記第１の熱交換器（１００）の前記第１のガス出口（１１２）および前記第２の熱交換器（２００）の前記第１のガス出口（２１２）からのガスの排出を制御するとともに、前記第１の熱交換器（１００）の前記第２のガス出口（１２２）および前記第２の熱交換器（２００）の前記第２のガス出口（２２２）からのガスの排出を制御するか、または、前記第１の熱交換器（１００）の前記第２のガス入口（１２１）および前記第２の熱交換器（２００）の前記第２のガス入口（２２１）へのガスの供給を制御すること、を特徴とする熱交換器システム。

【請求項2】

前記第１の蓄熱充填物が少なくとも４００Ｊ／（Ｋ^＊ｋｇ）、好ましくは少なくとも６００Ｊ／（Ｋ^＊ｋｇ）の比熱容量を示す、請求項１に記載の熱交換器システム。

【請求項3】

前記第２の熱伝導性充填物が１．０Ｗ／（ｍ^＊Ｋ）超、好ましくは少なくとも４．０Ｗ／（ｍ^＊Ｋ）、より好ましくは少なくとも１０．０Ｗ／（ｍ^＊Ｋ）の熱伝導率を示す、請求項１または２に記載の熱交換器システム。

【請求項4】

前記第１のガス流路が前記第２のガス流路を取り囲むか、前記第２のガス流路が前記第１のガス流路を取り囲むか、または前記第１および第２のガス流路がサンドイッチ構造で配置されている、請求項１～３のいずれか一項に記載の熱交換器システム。

【請求項5】

前記第１のガス入口（１１１、２１１）が燃焼室（１０）の排気ガス出口に接続されている、請求項１～４のいずれか一項に記載の熱交換器システム。

【請求項6】

前記第２のガス入口（１２１、２２１）が気体燃料の供給源に接続され、前記第２のガス出口（１２２、２２２）が前記燃焼室（１０）の燃料入口に接続される、請求項５に記載の熱交換器システム。

【請求項7】

前記第２のガス入口（１２１、２２１）が気体燃焼酸化剤の供給源に接続され、前記第２のガス出口（１２２、２２２）が前記燃焼室（１０）の酸化剤入口に接続されている、請求項５に記載の熱交換器システム。

【請求項8】

前記気体燃焼酸化剤の供給源が、少なくとも８０体積％、好ましくは少なくとも９０体積％、より好ましくは少なくとも９５体積％の酸素含有量を有する燃焼酸化剤の供給源である、請求項７に記載の熱交換器システム。

【請求項9】

熱交換器（１００、２００）の運転方法であって、前記熱交換器（１００、２００）が、
・第１のガス入口（１１１、２１１）、第１のガス出口（１１２、２１２）、および前記第１のガス入口（１１１、２１１）から前記第１のガス出口（１１２、２１２）まで延びる第１のガス流路（１１０、２１０）、
・第２のガス入口（１２１、２２１）、第２のガス出口（１２２、２２２）、および前記第２のガス入口（１２１、２２１）から前記第２のガス出口（１２２、２２２）まで延びる第２のガス流路（１２０、２２０）を提供し、
前記第１のガス流路（１１０、２１０）はガス不透過性熱伝導障壁（１３０、２３０）によって前記第２のガス流路（１２０、２２０）と熱的に接触するが物理的に分離され、
前記第１のガス流路（１１０、２１０）は、前記障壁（１３０、２３０）と物理的かつ熱伝導式に接触する第１の蓄熱充填物（１１５、２１５）を含み、
前記第２のガス流路（１２０、２２０）は、前記障壁（１３０、２３０）と物理的かつ熱伝導式に接触する第２の熱伝導性充填物（１２５、２２５）を含む、方法において、前記熱交換器（１００、２００）が、
・高温ガス（１１）が前記第１のガス入口（１１１、２１１）から前記第１のガス出口（１１２、２１２）まで前記第１のガス流路（１１０、２１０）に沿って流れ、それによって前記第１の蓄熱充填物（１１５、２１５）と接触してそれを加熱し、その間、ガスは前記第２のガス流路（１２０、２２０）に沿って流れない第１の運転段階と、
・加熱されるべきガス（３１）が、前記第２のガス入口（１２１、２２１）から前記第２のガス出口（１２２、２２２）まで前記第２のガス流路（１２０、２２０）に沿って流れ、それによって前記第２の熱伝導性充填物（１２５、２２５）と接触してそれによって加熱され、その間、ガスは前記第１のガス流路（１１０、２１０）に沿って流れない第２の運転段階と、
の間で交互になる、運転方法。

【請求項10】

第１および第２の熱交換器（１００、２００）によって、加熱されるべきガスを加熱する方法であって、各熱交換器（１００、２００）が、
・第１のガス入口（１１１、２１１）、第１のガス出口（１１２、２１２）、および前記第１のガス入口（１１１、２１１）から前記第１のガス出口（１１２、２１２）まで延びる第１のガス流路（１１０、２１０）、
・第２のガス入口（１２１、２２１）、第２のガス出口（１２２、２２２）、および前記第２のガス入口（１２１、２２１）から前記第２のガス出口（１２２、２２２）まで延びる第２のガス流路（１２０、２２０）を提供し、
前記第１のガス流路（１１０、２１０）はガス不透過性熱伝導障壁（１３０、２３０）によって前記第２のガス流路（１２０、２２０）と熱的に接触するが物理的に分離され、
前記第１のガス流路（１１０、２１０）は、前記障壁（１３０、２３０）と物理的かつ熱伝導式に接触する第１の蓄熱充填物（１１５、２１５）を含み、
前記第２のガス流路（１２０、２２０）は、前記障壁（１３０、２３０）と物理的かつ熱伝導式に接触する第２の熱伝導性充填物（１２５、２２５）を含む、方法において、
前記方法が第１および第２の運転段階の間で交互になり、ここで、
・前記第１の運転段階の間：
ｉ．高温ガス（１１）が前記第１の熱交換器（１００）の前記第１のガス流路（１１０）に沿って前記第１のガス入口（１１１）から前記第１のガス出口（１１２）に流れ、それによって前記第１の熱交換器（１００）の前記第１の蓄熱充填物（１１５）と接触してそれを加熱し、その間、ガスは前記第１の熱交換器（１００）の前記第２のガス流路（１２０）に沿って流れず、
ｉｉ．加熱されるべきガス（３１）が、前記第２の熱交換器（２００）の前記第２のガス流路（２２０）に沿って前記第２のガス入口（２２１）から前記第２のガス出口（２２２）へ流れ、それによって前記第２の熱交換器（２００）の前記第２の熱伝導性充填物（２２５）と接触してそれによって加熱され、その間、ガスは前記第２の熱交換器（２００）の前記第１のガス流路（２１０）に沿って流れず、
・前記第２の運転段階の間：
ｉ．前記高温ガス（１１）は、前記第２の熱交換器（２００）の前記第１のガス流路（２１０）に沿って前記第１のガス入口（２１１）から前記第１のガス出口（２１２）に流れ、それによって前記第２の熱交換器（２００）の前記第１の蓄熱充填物（２１５）と接触してそれを加熱し、その間、ガスは前記第２の熱交換器（２００）の前記第２のガス流路（２２０）に沿って流れず、
ｉｉ．前記加熱されるべきガス（３１）は、前記第１の熱交換器（１００）の前記第２のガス流路（１２０）に沿って前記第２のガス入口（１２１）から前記第２のガス出口（１２２）に流れ、それによって前記第１の熱交換器（１００）の前記第２の熱伝導性充填物（１２５）と接触しそれによって加熱され、その間、ガスは前記第１の熱交換器（１００）の前記第１のガス流路（１１０）に沿って流れない、方法。

【請求項11】

前記第１および第２の熱交換器（１００、２００）が並流式熱交換器である、請求項１０に記載の方法。

【請求項12】

前記第１および第２の熱交換器（１００、２００）が向流式熱交換器である、請求項１０に記載の方法。

【請求項13】

前記高温ガス（１１）が燃焼室（１０）からの排気ガスである、請求項１０～１２のいずれか一項に記載の方法。

【請求項14】

前記加熱されるべきガス（３１）が燃料または燃焼酸化剤であり、それらの第２のガス出口（１２２、２２２）を介して前記第１および第２の熱交換器（１００、２００）を出る前記加熱されたガスは前記燃焼室（１０）に供給される、請求項１３に記載の方法。

【請求項15】

前記燃焼室（１０）が炉の燃焼室であり、前記炉は溶融炉、精製炉、複合溶融／精製炉、ボイラおよび焼却炉を含む群から好ましくは選択される、請求項１３または１４に記載の方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は２つの流体間の熱交換に関する。

【背景技術】

【0002】

一般に工業用燃焼プロセスの分野において、そして特に燃焼により加熱されるガラス溶融炉の分野において、燃焼排気ガス（ヒューム）から熱を回収することによってエネルギーを節約し、そして前記回収された熱を燃焼プロセスで使用される燃料および／または酸化剤ガスに移すことが知られている。

【0003】

第１の既知のエネルギー節約方法は、２段階式サイクル運転モードに従って直列に機能する一対の再生器の使用を意味する。各再生器は再生器チャンバを画定する。サイクルの第１段階の間、高温の排気ガスが再生器チャンバを通って流れ、その際に再生器チャンバを加熱する。サイクルの第２段階では、加熱されるべきガスが先に加熱された再生器チャンバを通って流れ、そのプロセスで加熱される。燃焼プロセスを通して、常に一方の再生器がサイクルの第２段階にありそして加熱されるべきガスを加熱し、そして他方が第１段階にありそして加熱されるように、一対の再生器の各再生器は交互になる。

【0004】

十分な熱回収能力を達成するために、再生器チャンバは再生器チャンバ内でガス通路または煙道を形成するように配置された充填物（例えば、レンガまたは小石の充填物）を含み、（ａ）第１段階では充填物とガス通路に沿って流れる高温排気ガスとの間の熱交換に、および（ｂ）第２段階では充填物とガス通路に沿って流れる加熱されるべきガスとの間の熱交換に、最大限の充填物表面を利用できるようにする。

【0005】

再生器の重要な利点は、それらが燃焼ガスを非常に高い温度に加熱できることである。

【0006】

再生器の主な欠点は、排気ガスとも排気ガス中に存在しかつ充填物上に堆積する汚染物質とも接触してはならないガスの加熱にそれらが適していないことである。これは例えば、排気ガスが可燃性物質を含み、そして加熱されるべきガスが酸素に富む酸化剤である場合である。

【0007】

この問題は、一対の再生器の代わりにレキュペレータを使用することによって克服することができる。レキュペレータでは、高温の排気ガスは第１の流路に沿って連続的に流れ、加熱されるべきガスは第２の流路に沿って連続的に流れる。

【0008】

第１および第２の流路は、熱が高温排気ガスから加熱されるべきガスに伝達されるガス不透過性障壁によって物理的に分離されている。

【0009】

レキュペレータによる連続熱交換プロセスは一般に定常状態動作であり、それによって（ａ）第１の経路に沿って流れる高温排気ガスから抽出された熱と、（ｂ）第２の流路に沿って流れる加熱されるべきガスによって吸収された熱と、の間で平衡が確立される。

【0010】

結果として、工業設備におけるレキュペレータによる熱回収の１つの大きな不都合は、ガスを加熱できる温度が、再生熱交換の場合よりも著しく低いことである。

【発明の概要】

【課題を解決するための手段】

【0011】

本発明の目的は、再生および回復熱回収の上述の利点を組み合わせた熱交換システムを提供することである。

【0012】

本発明の特定の目的は、高温排気ガスともそれに由来する堆積物とも接触してはならない燃焼ガス（すなわち燃料および／または酸化剤）を、前記高温排気ガスおよびこれから回収された熱によって、これまで工業レベルで可能であった温度よりも高い温度まで加熱することを可能にすることである。

【0013】

それに対して、本発明は、第１の流路と別個の第２の流路とを提供する熱交換器を提案する。熱交換器は、熱交換器への第１のガス入口と、熱交換器からの第１のガス出口とを提供し、第１のガス流路は、第１のガス入口から第１のガス出口まで延びる。熱交換器は、同様に、熱交換器への第２のガス入口と、熱交換器からの第２のガス出口とを提供し、第２のガス流路は、第２のガス入口から第２のガス出口まで延びる。第１の流路は、ガス不透過性の熱伝導性障壁によって第２の流路から物理的に分離されている。前記ガス不透過性熱伝導性障壁は、熱が第１の流路から第２の流路に伝達されることを可能にしながら、第１の流路に沿って流れるガスが第２の流路に浸透できないことを保証し、およびその逆もまた同様である。

【0014】

上述のように、第２の流路は第２の流路から分離している。したがって、熱交換器の第１のガス入口、第２のガス入口、第１のガス出口および第２のガス出口もまた互いに異なる。

【0015】

本発明によれば、第１の流路は、障壁と物理的に接触する第１の充填物を含み、前記第１の充填物は、熱貯め充填物または熱溜め充填物としても知られる蓄熱充填物である。

【0016】

第２の流路は、障壁と物理的に接触する第２の充填物を含み、前記第２の充填物は熱伝導性充填物である。

【0017】

熱を効果的に吸収して蓄えるために、第１の熱回復充填物は十分な熱容量を示さなければならない。第１の充填物は、より特に有利には少なくとも４００Ｊ／（Ｋ^＊ｋｇ）、好ましくは少なくとも６００Ｊ／（Ｋ^＊ｋｇ）、より好ましくは少なくとも８００Ｊ／（Ｋ^＊ｋｇ）、通常は１２５０Ｊ／（Ｋ^＊ｋｇ）以下の比熱容量を示す。第１の充填物のための適切な材料は、以下の材料：アルミナ（ＡＬ_２Ｏ_３）、炭化ケイ素（ＳｉＣ）およびコーディエライトのうちの１つまたは複数を含む電鋳セラミックおよびセラミックを含む。

【0018】

加熱されるべきガスを効果的に加熱するために、第２の熱伝導性充填物は十分な熱伝導率を有さなければならない。第２の充填物は、より特に有利には２０℃で１．０Ｗ／（ｍ^＊Ｋ）超、好ましくは少なくとも４．０Ｗ／（ｍ^＊Ｋ）、より好ましくは少なくとも１０．０Ｗ／（ｍ^＊Ｋ）、さらにより好ましくは少なくとも１５．０Ｗ／（ｍ^＊Ｋ）の熱伝導率を示す。第２の充填物の材料の２０℃での熱伝導率は、例えば３０Ｗ／（ｍ^＊Ｋ）以下であり得る。第２の充填物のための適切な材料は、炭化ケイ素、アルミナ、コーディエライトおよび前記材料の組み合わせを含むセラミックを含む。

【0019】

第１および第２の充填物に使用される材料はさらに、第１および第２の流路に沿って流れるガスの性質（特に化学組成および汚染物質）、使用中に材料がさらされる温度および温度変動、材料の熱膨張等に応じて選択される。

【0020】

高い熱容量を有する材料はしばしば限られた熱伝導率を有することがあり、その逆もまた同様であることが理解されるであろう。しかしながら、高い熱容量は高い熱伝導率を排除するものではない。結果、第１の充填物の材料は第２の充填物の材料と異なり得るが、高熱容量で高熱伝導率の材料を選択することによって、同じ材料を第１の充填物および第２の充填物に使用することができる。

【0021】

一実施形態によれば、第１の充填物はルーズな充填物、すなわち第１の流路を画定する熱交換器の１つまたは複数の壁に取り付けられていない充填物である。あるいは、第１の充填物の全部または一部を、第１の流路を第２の流路から分離する熱伝導性障壁に取り付けることができる。

【0022】

第１の充填物の一部のみが障壁に取り付けられている場合、第１の充填物の残りの部分はルーズな充填物の形態である。

【0023】

同様に、第２の充填物はルーズな充填物、すなわち第２の流路を画定する熱交換器の１つまたは複数の壁に取り付けられていない充填物であり得る。あるいは、第２の充填物の全部または一部を、第２の流路を第１の流路から分離する熱伝導性障壁に取り付けることができる。第２の充填物の一部のみが障壁に取り付けられているとき、第２の充填物の残りの部分はルーズな充填物の形態である。

【0024】

充填物は、例えば、充填物を障壁にセメントで接合することによって障壁に取り付けることができる。しかしながら、本文脈において、「障壁に取り付けられた充填物」は、例えば鋳造または三次元印刷によって、「障壁と一体的に形成された充填物」を含む。

【0025】

非常に広範囲の充填物形状および充填物要素の互いに対する位置決め（例えば積み重ね）が当該技術分野において知られている。

【0026】

実際には、充填物の形状およびサイズ、互いに対するおよび流路の境界に対する流路内の充填物要素の位置などは、要求されるガス／充填物の熱交換面、材料の熱膨張、最大圧力降下、充填物のガス連行を回避する必要性、充填物の詰まりを回避する必要性などに基づいて選択される。

【0027】

第１の流路から第２の流路への効率的な熱伝達を提供するために、特に第２の流路の流れ断面と比較して、および好ましくは第１の流路の流れ断面に対しても、比較的大きな表面積を有する２つの流路間の熱伝導障壁を有することが有利である。いくつかの構成が可能である。第１の流路は、第２の流路を有利に囲むことができる。あるいは、第２の流路が第１の流路を囲んでもよい。別の可能性は、第１および第２の流路をサンドイッチ構造に配置することである。その場合、第１の流路が第２の流路の２つの分岐路の間に挟まれてもよく、第１の流路はガス不透過性熱伝導障壁によって第２の流路の２つの分岐路のそれぞれから分離される。あるいは、第２の流路が第１の流路の２つの分岐路の間に挟まれてもよく、第２の流路はガス不透過性熱伝導障壁によって第１の流路の２つの分岐路のそれぞれから分離される。そのようなサンドイッチ構造は、熱交換器内で繰り返されてもよく、その場合、熱交換器は、典型的には、交互になった第１の流路の分岐路と第２の流路の分岐路の連続を含み、ガス不透過性熱伝導膜が２つの連続する分岐路を分離する。

【0028】

本発明による熱交換器は、燃焼室からの排気ガスから熱を回収するために特に興味深い。その場合、第１のガス入口は燃焼室の排気ガス出口に接続されているので、燃焼室からの排気ガスは第１のガス入口を介して熱交換器に入り、第１の充填物を加熱しながら第１の流路に沿って流れ、その後、第１のガス出口を介して熱交換器を出ることができる。次に第１のガス出口は直接または間接的に煙道ガス煙突または排気筒に接続することができる。

【0029】

上述のように熱交換器が燃焼室からの排気ガスから熱を回収するために使用される場合、第２のガス入口は有利には気体燃料の供給源に接続され、第２のガス出口は燃焼室の燃料入口に接続され、その結果、燃料供給源からの気体燃料は、第２のガス入口を介して熱交換器に入り、第２の充填物と熱接触しながら第２の流路に沿って流れ、その後、第２のガス出口を介して熱交換器を出て、第２のガス出口から燃焼室の燃料入口へ流れ、燃焼室に噴射されるようにすることができる。燃料入口は、燃焼室の燃料ランスまたはバーナの燃料入口であり得る。燃焼室が複数の燃料入口を有する場合、第２のガス出口は燃焼室のいくつかの燃料入口に接続されてもよい。

【0030】

第２のガス入口は有利には気体燃焼酸化剤の供給源に接続され、第２のガス出口は燃焼室の酸化剤入口に接続され、その結果、酸化剤供給源からの気体酸化剤は第２のガス入口を介して熱交換器に入り、第２の充填物と熱接触しながら第２の流路に沿って流れ、その後、第２のガス出口を介して熱交換器を出て、第２のガス出口から燃焼室の酸化剤入口に流れ、燃焼室に噴射されるようにすることができる。酸化剤入口は、燃焼室の酸化剤ランスまたはバーナの酸化剤入口であり得る。

【0031】

燃焼室が複数の酸化剤入口を有する場合、第２のガス出口は燃焼室のいくつかの酸化剤入口に接続されてもよい。

【0032】

燃料供給源は、天然ガス、合成ガス、バイオガス、石油ガス、メタンまたは別の可燃性ガスの供給源とすることができる。本発明は、気体燃料が高炉ガスなどの低発熱量気体燃料であるときに特に有用である。本文脈において、「低発熱量気体燃料」は、１５ＭＪ／ｍ^３未満、典型的には１０ＭＪ／ｍ^３未満の発熱量を有する気体燃料である。

【0033】

酸化剤供給源は、送風機または空気圧縮機などの空気供給源とすることができる。好ましくは、酸化剤供給源は、８０体積％～１００体積％、好ましくは少なくとも９０体積％、より好ましくは少なくとも９５体積％の酸素含有量を有する燃焼酸化剤の供給源である。そのような酸化剤供給源の例は、空気分離装置（ＡＳＵ）および液体酸素貯蔵器またはパイプラインである。

【0034】

有利な実施形態によれば、熱交換器は、２つの第２のガス入口と２つの第２のガス出口と、それぞれが第２の熱伝導性充填物を含む２つの第２のガス流路とを有する。２つの第２のガス流路のうちの一方は、２つの第２のガス入口のうちの一方から第２のガス出口のうちの一方に延び、２つの第２のガス流路のうちの他方は、２つの第２のガス入口のうちの他方から２つの第２のガス出口のうちの他方まで延びる。２つの第２のガス流路は互いに物理的に気密式に分離されている。両方の第２のガス流路はまた、ガス不透過性熱伝導障壁によって第１の流路から分離されている。次に、２つの第２の流路のうちの第１の流路に通じる第２のガス入口を気体燃料の供給源に接続できる一方で、前記第２の流路の端部の第２のガス出口が燃焼室の燃料入口に接続され、次に、他方の第２の流路に通じる第２のガス入口を気体酸化剤の供給源に接続できる一方で、前記「他方の第２の流路」の端部の第２のガス出口が燃焼室の酸化剤入口に接続される。

【0035】

運転中、本発明の熱交換器は第１および第２の運転段階の間で交互になる。第１の運転段階の間、高温ガスが第１のガス入口から第１のガス出口まで第１のガス流路に沿って流れ、それによって第１の蓄熱充填物と接触してこれを加熱し、この間、ガスは第２のガス流路に沿って流れない。第２の運転段階の間、加熱されるべきガスが第２のガス入口から第２のガス流路に沿って流れ、それによって第２の熱伝導性充填物と接触しそれによって加熱され、その後、加熱されたガスとして熱交換器の第２のガス出口を介して熱交換器を出て、この間、ガスは第１のガス流路に沿って流れない。

【0036】

本発明の熱交換器は、並流式熱交換器または向流式熱交換器であり得る。

【0037】

本発明の熱交換器は典型的には対になって運転される。

【0038】

したがって、本発明は、上述した本発明の実施形態のうちのいずれか１つによる第１および第２の熱交換器によって加熱されるべきガスを加熱する方法を含む。前記方法は、第１および第２の運転段階の間で交互になる。

【0039】

第１の運転段階の間：
・高温ガスが第１の熱交換器の第１のガス流路に沿って第１のガス入口から第１のガス出口に流れ、それによって第１の熱交換器の第１の蓄熱充填物と接触してそれを加熱し、その間、ガスは第１の熱交換器の第２のガス流路に沿って流れず、
・加熱されるべきガスが、第２の熱交換器の第２のガス流路に沿って第２のガス入口から流れ、それによって第２の熱交換器の第２の熱伝導性充填物と接触してそれによって加熱され、その後、加熱されたガスとして第２の熱交換器の第２の出口を介して第２の熱交換器を出て、その間、ガスは第２の熱交換器の第１のガス流路に沿って流れない。

【0040】

第２の運転段階の間：
・高温ガスは、第２の熱交換器の第１のガス流路に沿って第１のガス入口から第１のガス出口に流れ、それによって第２の熱交換器の第１の蓄熱充填物と接触してそれを加熱し、その間、ガスは第２の熱交換器の第２のガス流路に沿って流れず、
・加熱されるべきガスは、第１の熱交換器の第２のガス流路に沿って第２のガス入口から第２のガス出口に流れ、それによって第１の熱交換器の第２の熱伝導性充填物と接触しそれによって加熱され、その後、加熱されたガスとして第１の熱交換器の第２のガス出口を介して第１の熱交換器を出て、その間、ガスは第１の熱交換器の第１のガス流路に沿って流れない。

【0041】

既に上で説明したように、加熱されるべきガスは気体燃料または気体燃焼酸化剤であり得、加熱されたガスは燃焼室のガス入口を介して燃焼室に供給される。

【0042】

このような場合、高温ガスは燃焼室からの高温排気ガスであることが有利であるが、燃焼室からの排気ガスを用いて燃焼室内で使用される酸化剤の燃料以外のガスを加熱することもできる。

【0043】

燃焼室は、炉、特に溶融炉、精製炉、複合溶融／精製炉、ボイラおよび廃棄物焼却炉などの焼却炉の中から選択される炉の燃焼室であり得る。溶融、精製または溶融／精製炉は金属またはガラス炉であり得る。

【0044】

先に示したように、加熱されるべきガスは気体燃料、好ましくは天然ガス、合成ガス、バイオガス、石油ガス、メタン、低発熱量気体燃料または別の可燃性ガスを含む群から選択される気体燃料であり得る。

【0045】

同じく先に示したように、加熱されるべきガスは、８０体積％～１００体積％、好ましくは少なくとも９０体積％、より好ましくは少なくとも９５体積％の酸素含有量を有する気体燃焼酸化剤でもあり得る。

【0046】

本発明およびその利点は、図１～４を参照して以下の実施例においてさらに詳細に明らかになるであろう。

【図面の簡単な説明】

【0047】

【図1】本発明による並流式熱交換器の対の２つの運転段階を概略的に示す。

【図2】本発明による並流式熱交換器の対の２つの運転段階を概略的に示す。

【図3】本発明による向流式熱交換器の対の２つの運転段階を概略的に示す。

【図4】本発明による向流式熱交換器の対の２つの運転段階を概略的に示す。

【発明を実施するための形態】

【0048】

対は、第１の熱交換器１００と第２の熱交換器２００とを含む。

【0049】

各熱交換器１００、２００は、それぞれ、第１のガス入口１１１と第１のガス出口１１２との間の延びる第１のガス流路１１０、および第１のガス入口２１１と第１のガス出口２１２との間に延びる第１のガス流路２１０を提供する。

【0050】

各熱交換器１００、２００はまた、それぞれ、第２のガス入口１２１と第２のガス出口１２２との間に延びる第２の流路１２０、および第２のガス入口２２１と第２のガス出口２２２との間に延びる第２の流路２２０を提供する。

【0051】

第１の流路１１０、２１０はそれぞれ第２の流路１２０、２２０を囲み、２つの流路はそれぞれガス不透過性の熱伝導壁または障壁１３０、２３０によって物理的に分離されている。

【0052】

第１の流路１１０、２１０はそれぞれ第１の蓄熱充填物１１５、２１５を含み、これらはそれぞれ障壁１３０、２３０と物理的かつ熱伝導的に接触している。

【0053】

第２の流路１２０、２２０はそれぞれ第２の熱伝導性充填物１２５、２２５を含む。それらはそれぞれ障壁１３０、２３０と物理的かつ熱伝導的に接触している。

【0054】

２つのガス制御システム３００、４００は、ガス入口１１１、１２１、２１１、２２１へのガスの供給、および第１および第２の熱交換器１００、２００のガス出口１１２、１２２、２１２、２２２からのガスの排出を制御する。

【0055】

前述のように、図１および２は、本発明の一対の並流式熱交換器の機能を示す。

【0056】

図１に示す第１の運転段階中、ガス弁３１１ａおよび４１２ａは開放されているので、高温ガス１１、例えば燃焼室１０からの高温排気ガスの流れが、第１のガス入口１１１を経由して第１の熱交換器１００に入り、第１のガス入口１１１から、第１のガス流路１１０に沿って第１の熱交換器１００の第１のガス出口１１２まで（図１の下から上へ）流れることができる。第１の流路１１０に沿って、高温排気ガス１１は、アルミナなどの蓄熱材料から作られる第１の充填物１１５と物理的かつ熱的に接触する。高温排気ガス１１中に存在する熱の一部は、第１の充填物１１５によって吸収され、保持され、そして蓄積される。したがって、第１の充填物１１５は、排気ガス１１が第１のガス流路１１０に沿って流れるときに排気ガス１１によって加熱される。弁４１２ａの下流で、冷却された排気ガスは煙道ガス排気筒２０に送られる。第１の充填物１１５と障壁１３０との間および障壁１３０と第２の充填物１２５との間の物理的および熱的接触のために、障壁１３０および第２の充填物１２５の温度もまた上昇する。第１の運転段階の間、弁３２１ａおよび４２２ａは閉鎖されているので、この段階では第２のガス流路１２０に沿ってガスは流れず、したがって第２の充填物１２５の冷却は行われない。

【0057】

同時に、前記第１の運転段階の間、ガス弁３１１ｂおよび４１２ｂは閉鎖されているので、第２の熱交換器２００の第１のガス流路２１０に沿ってガスは流れない。しかしながら、弁３２１ｂおよび４２２ｂは開放されているので、燃焼酸化剤の供給源３０、例えば液体酸素の貯蔵部によって供給される加熱されるべきガス３１、例えば燃焼酸化剤は、その第２のガス入口２２１を介して第２の熱交換器２００に入り、第２の流路２２０に沿って第２のガス出口２２２へと流れる（図１の下から上へ）。第２の運転段階の間の第１の熱交換器１００に関して以下に説明されるように、加熱されるべきガス３１が第２の流路２２０に沿って流れるにつれて、それは第２の充填物２２５と接触し、それによって加熱される。加熱されたガスは、その第２のガス出口２２２を介して第２の熱交換器２００を出る。

【0058】

図示の実施形態では、加熱された酸化剤は、次いで、高温排気ガスを発生させる燃焼室１０の燃焼酸化剤入口、例えば前記燃焼室１０のバーナ（図示せず）の酸化剤入口に供給される。

【0059】

図２に示される第２の運転段階の間、ガス弁３１１ａおよび４１２ａは閉鎖されているので、第１の熱交換器１００の第１のガス流路１１０に沿ってガスは流れない。したがって、前記第２の段階の間、燃焼室１０からの高温排気ガス１１は第１の熱交換器１００の第１のガス入口１１１には送られず、代わりに開放弁３１１ｂを介して第２の熱交換器２００の第１のガス入口２１１に送られ、そこから第１のガス流路２１０に沿って（図２の下から上へ）流れ、第１のガス出口２１２を経由して第２の熱交換器２００を出る。その間、高温排気ガス１１は、第２の熱交換器２００の第１の充填物２１５を加熱する。開放弁４１２ｂの下流で、冷却された排気ガスが煙道ガス排気筒２０に送られる。同時に、第１の段階の間に第２の熱交換器２００の第２の流路２２０に送られた加熱されるべきガス３１は、第１の熱交換器１００の第２のガス入口１２１に送られる。それに対し、弁３２１ｂおよび４２２ｂは閉鎖され、弁３２１ａおよび４２２ａは開放される。このようにして、加熱されるべきガスは、第２のガス入口１２１から第２のガス流路１２０に沿って第１の熱交換器１００の第２のガス出口１２２に流れる（図２の下から上へ）。第２のガス流路１２０に沿って、加熱されるべきガスは、障壁１３０と物理的および熱的に接触し、かつアルミナでもあり得る熱伝導性材料からなる第２の充填物１２５と接触する。このプロセス中、第１の段階の間に第１の充填物１１５によって吸収された熱は、第１の充填物１１５から障壁１３０を横切って第２の充填物１２５へ、そして第２の充填物１２５および障壁１３０から、第２の充填物１２５および障壁１３０と接触する加熱されるべきガス３１へと移動する。このように加熱された後、ガスは、その第２のガス出口１２２を通って第１の熱交換器１００を離れた後、燃焼酸化剤として燃焼室１０に送られる。その間、第１の充填物１１５は徐々に冷却される。

【0060】

したがって、第２の段階の間、第１の熱交換器１００は第２の熱交換器が第１の段階の間に運転するように運転し、第２の熱交換器２００は第１の熱交換器１００が第１の段階の間に運転するように第２の段階で運転する。

【0061】

第２の段階の終了時に、設備は第１の段階の運転に戻る。

【0062】

図３および４は、第１および第２の熱交換器１００、２００が向流式熱交換器である本発明の代替実施形態を示す。

【0063】

図３に示す第１の運転段階の間、ガス弁３１１ａおよび４１２ａは開放されているので、高温ガス１１、例えば燃焼室１０からの高温排気ガスの流れは、第１のガス入口１１１を介して第１の熱交換器１００に入り、次いで第１のガス流路１１０に沿って第１の熱交換器１００の第１のガス出口１１２へ、図１に関して既に記載したように流れることができる。弁４２１ａおよび３２２ａは閉鎖されているので、この段階でガスは第１の熱交換器１００の第２のガス流路１２０に沿って流れない。ガス弁３１１ｂおよび４１２ｂは閉鎖されているので、ガスは第２の熱交換器２００の第１のガス流路２１０に沿って流れない。しかしながら弁４２１ｂおよび３２２ｂは開放されているので、加熱されるべきガス３１、この場合供給源３０によって供給される燃焼酸化剤は、その第２のガス入口２２１を介して第２の熱交換器２００に入り、第２の流路２２０に沿って第２のガス出口２２２へと流れる（図３の上から下へ）。

【0064】

図４に示す第２の運転段階の間、ガス弁３１１ａおよび４１２ａは閉鎖されているので、第１の熱交換器１００の第１のガス流路１１０に沿ってガスは流れず、弁４２１ａおよび３２２ａは開放されているので、加熱されるべきガスは第１の熱交換器１００の第２の流路１２０に沿って（図４の上から下へ）流れる間に加熱される。その間、弁３１１ｂおよび４１２ｂは開放され、弁４２１ｂおよび３２２ｂは閉鎖されるので、高温排気ガス１１は第２の熱交換器２００の第１の流路２１０に沿って流れ、一方でガスは前記第２の熱交換器２００の第２の流路２２０に沿って流れない。

【0065】

図１および２に示す実施形態と図３および４に示す実施形態との間の本質的な違いは、第１の実施形態によれば、高温ガス１１および加熱されるべきガス３１は、第１および第２の熱交換器１００、２００を、同じ流れ方向において、それぞれ第１の流路１１０、２１０および第２の流路１２０、２２０に沿って横切る一方、第２の実施形態によれば、高温ガス１１および加熱されるべきガス３１は、第１および第２の熱交換器１００、２００を、対向する流れ方向において、それぞれ第１の流路１１０、２１０および第２の流路１２０、２２０に沿って横切ることである。

【0066】

したがって、本発明は、再生および回復熱交換の前述の利点、すなわち、高温ガスからの高レベルの熱エネルギーの回収と、回収された熱エネルギーによる加熱されるべきガスの高温への加熱とを組み合わせ、この間、高温ガスと加熱されるべきガスとの間のすべての接触を回避することを可能にする。
以下に、出願当初の特許請求の範囲に記載の事項を、そのまま、付記しておく。
［１］ ・第１のガス入口（１１１、２１１）、第１のガス出口（１２１、２２１）、および前記第１のガス入口（１１１、２１１）から前記第１のガス出口（１１２、２１２）まで延びる第１のガス流路（１１０、２１０）、
・第２のガス入口（１２１、２２１）、第２のガス出口（１２２、２２２）、および前記第２のガス入口（１２１、２２１）から前記第２のガス出口（１２２、２２２）まで延びる第２のガス流路（１２０、２２０）を提供し、
前記第１の流路（１１０、２１０）はガス不透過性熱伝導障壁（１３０、２３０）によって前記第２のガス流路（１２０、２２０）と熱的に接触するが物理的に分離される、熱交換器（１００、２００）において、
・前記第１の流路（１１０、２１０）が、前記障壁（１３０、２３０）と物理的かつ熱伝導式に接触する第１の蓄熱充填物（１１５、２１５）を含むこと、および
・前記第２のガス流路（１２０、２２０）が、前記障壁（１３０、２３０）と物理的かつ熱伝導式に接触する第２の熱伝導性充填物（１２５、２２５）を含むこと
を特徴とする熱交換器（１００、２００）。
［２］ 前記第１の充填物が少なくとも４００Ｊ／（Ｋ ^＊ ｋｇ）、好ましくは少なくとも６００Ｊ／（Ｋ ^＊ ｋｇ）の比熱容量を示す、［１］に記載の熱交換器（１００、２００）。
［３］ 前記第２の充填物が１．０Ｗ／（ｍ ^＊ Ｋ）超、好ましくは少なくとも４．０Ｗ／（ｍ ^＊ Ｋ）、より好ましくは少なくとも１０．０Ｗ／（ｍ ^＊ Ｋ）の熱伝導率を示す、［１］または［２］に記載の熱交換器（１００、２００）。
［４］ 前記第１の流路が前記第２の流路を取り囲む、前記第２の流路が前記第１の流路を取り囲む、または前記第１および第２の流路がサンドイッチ構造で配置される、［１］～［３］のいずれか一項に記載の熱交換器（１００、２００）。
［５］ 前記第１のガス入口（１１１、２１１）が燃焼室（１０）の排気ガス出口に接続される、［１］～［４］のいずれか一項に記載の熱交換器（１００、２００）。
［６］ 前記第２のガス入口（１２１、２２１）が気体燃料の供給源に接続され、前記第２のガス出口（１２２、２２２）が前記燃焼室（１０）の燃料入口に接続される、［５］に記載の熱交換器（１００、２００）。
［７］ 前記第２のガス入口（１２１、２２１）が気体燃焼酸化剤の供給源に接続され、前記第２のガス出口（１２２、２２２）が前記燃焼室（１０）の酸化剤入口に接続される、［５］に記載の熱交換器（１００、２００）。
［８］ 前記気体燃焼酸化剤の供給源が、少なくとも８０体積％、好ましくは少なくとも９０体積％、より好ましくは少なくとも９５体積％の酸素含有量を有する燃焼酸化剤の供給源である、［７］に記載の熱交換器（１００、２００）。
［９］ ［１］～［４］のいずれか一項に記載の熱交換器（１００、２００）の運転方法であって、前記熱交換器（１００、２００）が、
・高温ガス（１１）が前記第１のガス入口（１１１、２１１）から前記第１のガス出口（１１２、２１２）まで前記第１のガス流路（１１０、２１０）に沿って流れ、それによって前記第１の蓄熱充填物（１１５、２１５）と接触してそれを加熱し、その間、ガスは前記第２のガス流路（１２０、２２０）に沿って流れない第１の運転段階と、
・加熱されるべきガス（３１）が、前記第２のガス入口（１２１、２２１）から前記第２の出口（１２２、２２２）まで前記第２のガス流路（１２０、２２０）に沿って流れ、それによって前記第２の熱伝導性充填物（１２５、２２５）と接触してそれによって加熱され、その間、ガスは前記第１のガス流路（１１０、２１０）に沿って流れない第２の運転段階と
の間で交互になる、方法。
［１０］ ［１］～［４］のいずれか一項に記載の第１および第２の熱交換器（１００、２００）によって、加熱されるべきガスを加熱する方法であって、前記方法は、第１および第２の運転段階の間で交互になり、それによって、
・前記第１の運転段階の間：
ｉ．高温ガス（１１）が前記第１の熱交換器（１００）の前記第１のガス流路（１１０）に沿って前記第１のガス入口（１１１）から前記第１のガス出口（１１２）に流れ、それによって前記第１の熱交換器（１００）の前記第１の蓄熱充填物（１１５）と接触してそれを加熱し、その間、ガスは前記第１の熱交換器（１００）の前記第２のガス流路（１２０）に沿って流れず、
ｉｉ．加熱されるべきガス（３１）が、前記第２の熱交換器（２００）の前記第２のガス流路（２２０）に沿って前記第２のガス入口（２２１）から前記第２のガス出口（２２２）へ流れ、それによって前記第２の熱交換器（２００）の前記第２の熱伝導性充填物（２２５）と接触してそれによって加熱され、その間、ガスは前記第２の熱交換器（２００）の前記第１のガス流路（２１０）に沿って流れず、
・前記第２の運転段階の間：
ｉ．前記高温ガス（１１）は、前記第２の熱交換器（２００）の前記第１のガス流路（２１０）に沿って前記第１のガス入口（２１１）から前記第１のガス出口（２１２）に流れ、それによって前記第２の熱交換器（２００）の前記第１の蓄熱充填物（２１５）と接触してそれを加熱し、その間、ガスは前記第２の熱交換器（２００）の前記第２のガス流路（２２０）に沿って流れず、
ｉｉ．前記加熱されるべきガス（３１）は、前記第１の熱交換器（１００）の前記第２のガス流路（１２０）に沿って前記第２のガス入口（１２１）から前記第２のガス出口（１２２）に流れ、それによって前記第１の熱交換器（１００）の前記第２の熱伝導性充填物（１２５）と接触しそれによって加熱され、その間、ガスは前記第１の熱交換器（１００）の前記第１のガス流路（１１０）に沿って流れない、方法。
［１１］ 前記第１および第２の熱交換器（１００、２００）が並流式熱交換器である、［１０］に記載の方法。
［１２］ 前記第１および第２の熱交換器（１００、２００）が向流式熱交換器である、［１０］に記載の方法。
［１３］ 前記高温ガス（１１）が燃焼室（１０）からの排気ガスである、［１０］～［１２］のいずれか一項に記載の方法。
［１４］ 前記加熱されるべきガス（３１）が燃料または燃焼酸化剤であり、それらの第２のガス出口（１２２、２２２）を介して前記第１および第２の熱交換器（１００、２００）を出る前記加熱されたガスは前記燃焼室（１０）に供給される、［１３］に記載の方法。
［１５］ 前記燃焼室（１０）が炉の燃焼室であり、前記炉は溶融炉、精製炉、複合溶融／精製炉、ボイラおよび焼却炉を含む群から好ましくは選択される、［１３］または［１４］に記載の方法。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】