
空気予熱器とは、他のプロセス(例えば、 ボイラーでの燃焼)の前に空気を加熱するように設計された装置で、主な目的はプロセスの熱効率を高めることです。単独で使用することも、熱回収システムや蒸気コイルの代替として使用することもできます。
特に、この記事では、化石燃料、バイオマス、廃棄物などから電力を生成する火力発電所の大型ボイラーで使用される燃焼空気予熱器について説明します。[ 1 ] [ 2 ] [ 3 ] [ 4 ] [ 5 ]例えば、リュングストローム空気予熱器は世界中で49億6000万トンの石油の節約に貢献したと推定されており、「リュングストローム空気予熱器ほど燃料節約に成功した発明はほとんどない」とされ、米国機械学会によって第44回国際歴史的機械工学ランドマークに指定されています。[ 6 ]
空気予熱器の目的は、ボイラー排ガスから熱を回収し、排ガス中の有効熱損失を低減することでボイラーの熱効率を高めることです。その結果、排ガスはより低い温度で排ガス筒(または煙突)に送られるため、搬送システムと排ガス筒の設計を簡素化できます。また、排ガス筒から排出されるガスの温度を制御することも可能になります(例えば、排出規制を満たすため)。空気予熱器は、エコノマイザーと煙突の間に設置されます。
火力発電所の蒸気発生器で使用される空気予熱器には 2 種類あります。1 つはボイラーの排ガスダクトに組み込まれた管状タイプで、もう 1 つは再生式空気予熱器です。[ 1 ] [ 2 ] [ 7 ]これらは、ガスが回転軸に対して水平または垂直に流れるように配置できます。
もう一つのタイプの空気予熱器は、鉄やガラスの製造に使用される再生器である。
管状予熱器は、ボイラーの排気ダクトを貫通し、両端がダクトの外側に開口する直線状の管束で構成されています。ダクト内部では、高温の炉ガスが予熱器の管の周囲を流れ、排気ガスから予熱器内部の空気へ熱を伝達します。外気はファンによって予熱器管の一端にあるダクトを通して送り込まれ、もう一方の端では管内部で加熱された空気が別のダクトに排出され、燃焼のためにボイラー炉へと運ばれます。
冷気および温風用の管状予熱ダクトは、回転式予熱器に比べてより多くのスペースと構造支持を必要とします。さらに、粉塵を含んだ研磨性の排ガスのため、ダクト外側の管はガス流に面した側で摩耗が速くなります。この問題を解消するために、セラミックや硬化鋼の使用など、多くの改良が加えられてきました。
現在、多くの新型循環流動床(CFB)および気泡流動床(BFB)蒸気発生器には管状空気加熱器が組み込まれており、回転式に比べて可動部品が少ないという利点がある。
露点腐食はさまざまな理由で発生します。[ 8 ] [ 9 ]使用する燃料の種類、硫黄含有量、水分含有量などが要因となります。しかし、露点腐食において最も重要な要因は、チューブの金属温度です。チューブ内の金属温度が酸飽和温度(通常は190 °F(88 °C)~230 °F(110 °C)ですが、場合によっては260 °F(127 °C) にも達します)を下回ると、露点腐食による損傷のリスクが著しく高まります。
再生式空気予熱器には、回転プレート式再生式空気予熱器(RAPH)と固定プレート式再生式空気予熱器(Rothemuhle)の2種類があります。 [ 1 ] [ 2 ] [ 3 ] [ 10 ]

回転プレート設計(RAPH)[ 2 ]は、ケーシング内に中央の回転プレート要素が設置され、そのケーシングは要素の周囲にシールを備えた2つ(2セクタータイプ)、3つ(3セクタータイプ)、または4つ(4セクタータイプ)のセクターに分割されています。シールにより、要素はすべてのセクターを回転できますが、セクター間のガス漏れを最小限に抑えつつ、各セクターに独立したガス、空気、および排気ガスの経路を提供します。
現代の発電施設では、3 セクター型が最も一般的です。[ 12 ] 3 セクター設計では、最大のセクター (通常、ケーシングの断面の約半分を占める) がボイラーの高温ガス出口に接続されています。高温の排ガスは中央のエレメントの上を流れ、その熱の一部をエレメントに伝え、その後、ダクトを通って集塵機やその他の機器でさらに処理されてから、煙突から排出されます。2 番目の小さなセクターには、ファンによって外気が供給され、加熱されたエレメントがセクター内で回転しながら通過し、加熱されてからボイラー炉に運ばれて燃焼されます。3 番目のセクターは最も小さく、空気を加熱して粉砕機に送り込み、石炭と空気の混合物を石炭ボイラーのバーナーに運ぶために使用されます。したがって、RAPHで加熱される空気の総量は、微粉炭粉塵から水分を除去するための加熱空気、微粉炭をボイラーバーナーに輸送するための搬送空気、および燃焼のための一次空気を提供する。
このシステムでは、ローター自体が熱伝達媒体であり、通常は鋼鉄やセラミックなどの構造体で構成されています。ローターは非常にゆっくりと回転し(毎分1~2回転程度)、まず高温の排気ガスから発熱体へ、そして回転しながら発熱体から他のセクターの低温の空気へと最適な熱伝達が行われるように設計されています。
この設計では、空気予熱器のケーシング全体がボイラー支持構造自体に支持され、ダクトには必要な伸縮継手が設けられています。
垂直ローターは下端がスラストベアリングで支持され、オイルバス潤滑方式を採用しており、オイルバス内部のコイルを循環する水によって冷却されます。この構造は、垂直ローターの下端がダクトの高温側に位置するため、下端を冷却するためのものです。ローターの上端には、シャフトを垂直位置に保持するためのシンプルなローラーベアリングが備えられています。
ローターは垂直軸上に、バスケットを所定の位置に保持するための放射状支持部とケージを備えて構築されている。回転中にセクター間、あるいはダクトとケーシング間のガスや空気の漏れを防ぐため、放射状および円周方向のシールプレートも設けられている。
バスケットに付着した堆積物をオンラインで洗浄するために、蒸気噴射口が設けられており、吹き飛ばされた粉塵や灰は空気予熱器の底部灰ホッパーに集められる。このダストホッパーは、集塵機の主ダストホッパーと接続され、排出されるようになっている。
ローターは空気圧モーターとギアによって回転し、ボイラーの始動前に始動させる必要があり、ボイラー停止後もローターの不均一な膨張と収縮による歪みや亀裂を防ぐため、一定時間回転させ続ける必要があります。発電所の空気は一般的に完全に乾燥しているため(計装には乾燥空気が必要)、ローターを駆動する空気には、空気圧モーターを潤滑するためのオイルが注入されます。
安全保護された点検窓が設けられており、あらゆる運転条件下で予熱器の内部動作を確認することができます。
バスケットはローターに設けられたセクターハウジング内に設置されており、交換可能です。バスケットの寿命は、ボイラー出口ガスの灰の摩耗性および腐食性によって異なります。
ボイラーの排ガスには、灰分含有量が高いため燃焼に寄与しないシリカなどの粉塵粒子が多く含まれており、これがバスケットの摩耗を引き起こします。また、燃料の組成によっては腐食性ガスが含まれる場合もあります。例えば、インド産の石炭は一般的に排ガス中の灰分とシリカの含有量が高く、そのためバスケットの摩耗は、他のよりクリーンに燃焼する燃料に比べて大きくなります。
このRAPHでは、粉塵を含んだ腐食性のボイラーガスが、空気予熱器バスケットのエレメント間を通過する必要があります。エレメントは、鋼製バスケットにジグザグ状の波形プレートをプレスして作られており、ガスが通過するのに十分な環状空間が確保されています。これらのプレートは、熱を吸収するための表面積を増やし、バスケットに積み重ねるための剛性を持たせるために波形になっています。そのため、頻繁な交換が必要となり、新しいバスケットは常に用意されています。初期の頃は、エレメントにコルテン鋼が使用されていました。今日では、技術の進歩により、多くのメーカーが独自の特許技術を使用しています。一部のメーカーは、バスケットの寿命を延ばすために、エレメントに使用するさまざまな材料を提供しています。
場合によっては、未燃焼の堆積物が空気予熱器の発熱体に付着し、ボイラーの通常運転中に発火して空気予熱器内部で爆発を引き起こすことがあります。制御室では、燃焼用空気の入口温度と出口温度の変化によって、軽微な爆発を検知できる場合もあります。

このタイプの再生式空気予熱器の加熱プレート要素もケーシング内に設置されていますが、加熱プレート要素は回転するのではなく固定されています。代わりに、予熱器内の空気ダクトが回転し、加熱プレート要素のセクションが交互に上昇する冷気にさらされるようになっています。[ 1 ] [ 2 ] [ 3 ]
隣の図に示すように、固定板の下部には回転式吸気ダクトがあり、固定板の上部には回転式排気ダクトがある。[ 13 ]
固定プレート式再生空気予熱器は、ローテミューレ予熱器とも呼ばれ、ドイツのラティンゲンにあるバルケ・デュール社によって25年以上にわたり製造されている。
再生器は、レンガの格子状の構造物で構成されています。レンガは、レンガの幅に相当する間隔で並べられており、格子状の構造物を空気が比較的容易に通過できるようになっています。高温の排ガスが格子状の構造物を通過する際に、レンガに熱を放出します。その後、空気の流れが逆転し、高温のレンガが流入する燃焼用空気と燃料を加熱します。ガラス溶解炉の場合、再生器は炉の両側に設置され、多くの場合、一体構造となっています。高炉の場合、再生器(一般にカウパーストーブと呼ばれる)は炉とは別に設置されます。高炉には少なくとも2基のストーブが必要ですが、3基設置される場合もあります。1基のストーブは「ガス作動」で、炉の上部から高温のガスを受け取り、内部の格子状の構造物を加熱します。もう1基のストーブは「送風作動」で、送風機から冷たい空気を受け取り、加熱して高炉に送ります。