(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
中空の箱型形状をなす一つの水室と、
前記一つの水室の一方に設けられる排ガス導入室と、
前記一つの水室の他方に設けられる排ガス排出室と、
前記排ガス導入室と前記排ガス排出室とを前記一つの水室を貫通して連通する複数の煙管からなる排ガス用煙管群と、
を備え、
前記排ガス導入室は、前記一つの水室に固定されると共に互いに所定距離だけ離間して設けられる複数の分割排ガス導入室から構成される、
ことを特徴とする煙管式ボイラ。
【請求項２】
前記分割排ガス導入室は、一端部が前記一つの水室に固定され、他端部に排ガス導入部が設けられ、隣接する前記分割排ガス導入室の間の隙間が設けられることを特徴とする請求項１に記載の煙管式ボイラ。
【請求項３】
前記分割排ガス導入室は、中空の箱型形状をなし、一端部が前記一つの水室に固定されることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の煙管式ボイラ。
【請求項４】
前記一つの水室の一方に設けられる火炉と、前記一つの水室の他方に設けられる燃焼ガス排出室と、前記火炉と前記燃焼ガス排出室とを前記一つの水室を貫通して連通する複数の煙管からなる燃焼ガス用排ガス用煙管群とが設けられることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の煙管式ボイラ。
【請求項５】
請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の煙管式ボイラと、
複数の前記分割排ガス導入室に排ガスを供給する複数の燃焼器と、
を備えることを特徴とする排熱回収システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、船舶などに搭載されて排ガスの熱により水を加熱する煙管式ボイラ、並びに、この煙管式ボイラが適用される排熱回収システムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
煙管式コンポジットボイラは、水室にディーゼルエンジンの排ガスが流れる複数の煙管群が設けられると共に、油炊きボイラの燃焼ガスが流れる複数の煙管が設けられて構成されている。そのため、複数の煙管に排ガスが流れることで、水により排ガスの熱を回収することができ、また、ディーゼルエンジンが停止しているとき、油炊きボイラを作動し、複数の煙管に燃焼ガスが流れることで、水により燃焼ガスの熱を回収することができる。
【０００３】
このような煙管式ボイラとしては、例えば、下記特許文献に記載されたものがある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平０９−３２９３０１号公報
【特許文献２】国際公開第２０１３／１２８４８４号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上述した煙管式コンポジットボイラは、水室の下部に排ガス導入室が設けられる一方、上部に排ガス排出室が設けられ、排ガス導入室と排ガス排出室とが水室を貫通する複数の煙管により連結されて構成されている。この場合、排ガス導入室は、内部に複数のディーゼルエンジンから排ガスが導入されることから、隔壁により複数に分割されている。このように構成された煙管式コンポジットボイラは、起動時に、排ガス導入室の下部から排ガスが導入されると、この排ガス導入室は、下部から順に温度が上昇する。排ガス導入室は、下部の温度が上昇すると熱膨張するため、上部に対して下部が外側に広がるように変形する。しかし、排ガス導入室は、内部に隔壁が固定されて複数に分割されていることから、一様に熱変形することができず、隔壁の上端部（水室下部との連結部）に応力が作用し、破損してしまうおそれがある。
【０００６】
本発明は上述した課題を解決するものであり、ボイラ起動時に排ガス導入室に対する局所的に熱応力の発生を抑制する煙管式ボイラ及び排熱回収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】
上記の目的を達成するための本発明の煙管式ボイラは、前記水室の一方に設けられる排ガス導入室と、前記水室の他方に設けられる排ガス排出室と、前記排ガス導入室と前記排ガス排出室とを前記水室を貫通して連通する複数の煙管からなる排ガス用煙管群と、を備え、前記排ガス導入室は、互いに所定距離だけ離間して設けられる複数の分割排ガス導入室から構成される、ことを特徴とするものである。
【０００８】
従って、水室の一方に設けられる排ガス導入室が所定距離だけ離間する複数の分割排ガス導入室から構成されることで、起動時に、排ガスが各分割排ガス導入室にその下部から導入されると、この分割排ガス導入室は、下部から順に温度が上昇する。そして、各分割排ガス導入室は、下部の温度が上昇すると熱膨張するため、上部に対して下部が外側に広がるように変形する。このとき、各分割排ガス導入室が個別に構成されていることから、下部が一様に熱変形することとなり、水室との連結部側の側隔の上端部に応力が集中することはない。その結果、ボイラ起動時に排ガス導入室に対する局所的に熱応力の発生を抑制することができる。
【０００９】
本発明の煙管式ボイラでは、前記分割排ガス導入室は、一端部が前記水室に固定され、他端部に排ガス導入部が設けられ、隣接する前記分割排ガス導入室の間の隙間が設けられることを特徴としている。
【００１０】
従って、分割排ガス導入室の一端部が水室に固定され、排ガス導入部が設けられる他端部が隣接する分割排ガス導入室との間に隙間を有することで、分割排ガス導入室は、排ガスが導入される側の端部がフリーとなることから、起動時に、分割排ガス導入室は、下部が拘束されることなく自由に外側に広がるように変形することができる。
【００１１】
本発明の煙管式ボイラでは、前記分割排ガス導入室は、中空の箱型形状をなし、一端部が前記水室に固定されることを特徴としている。
【００１２】
従って、分割排ガス導入室が中空の箱型形状をなすことから、分割排ガス導入室は、下部が外側に広がるように一様に変形することができる。
【００１３】
本発明の煙管式ボイラでは、前記水室の一方に設けられる火炉と、前記水室の他方に設けられる燃焼ガス排出室と、前記火炉と前記燃焼ガス排出室とを前記水室を貫通して連通する複数の煙管からなる燃焼ガス用排ガス用煙管群とが設けられることを特徴としている。
【００１４】
従って、火炉と燃焼ガス排出室と燃焼ガス用排ガス用煙管群を設けることで、コンポジットボイラとして適用することができ、汎用性を向上することができる。
【００１５】
また、本発明の排熱回収システムは、前記煙管式ボイラと、複数の前記分割排ガス導入室に排ガスを供給する複数の燃焼器と、を備えることを特徴とするものである。
【００１６】
従って、ボイラ起動時に排ガス導入室に対する局所的に熱応力の発生を抑制して長寿命化を図ることができ、ボイラ稼働率を向上することができる。
【発明の効果】
【００１７】
本発明の煙管式ボイラ及び排熱回収システムによれば、ボイラ起動時に排ガス導入室に対する局所的に熱応力の発生を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】図１は、第１実施形態の煙管式ボイラが適用される排熱回収システムを表す概略構成図である。
【図２】図２は、煙管式ボイラの排ガス導入室を表す概略平面図である。
【図３】図３は、煙管式ボイラの排ガス導入室の変形例を表す概略平面図である。
【図４】図４は、煙管式ボイラの排ガス導入室の変形例を表す概略平面図である。
【図５】図５は、第２実施形態の煙管式ボイラが適用される排熱回収システムを表す概略構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下に添付図面を参照して、本発明に係る煙管式ボイラ及び排熱回収システムの好適な実施形態を詳細に説明する。なお、この実施形態により本発明が限定されるものではなく、また、実施形態が複数ある場合には、各実施形態を組み合わせて構成するものも含むものである。
【００２０】
［第１実施形態］
図１は、第１実施形態の煙管式ボイラが適用される排熱回収システムを表す概略構成図、図２は、煙管式ボイラの排ガス導入室を表す概略平面図である。
【００２１】
第１実施形態において、図１に示すように、排熱回収システム１０は、船舶などに搭載されて使用されるものであり、複数（本実施形態では、３個）のディーゼルエンジン（燃焼器）１１，１２，１３と、煙管式ボイラ２１と、ディーゼルエンジン１１，１２，１３の排ガスを煙管式ボイラ２１に供給する排ガス導入管３１，３２，３３と、排ガス導入管３１，３２，３３に設けられる脱硝触媒４１，４２，４３と、煙管式ボイラ２１から排ガスを排出する排ガス排出管５１，５２，５３と、排ガス排出管５１，５２，５３に設けられる消音器（サイレンサ）６１，６２，６３とから構成されている。
【００２２】
そして、煙管式ボイラ２１は、図１及び図２に示すように、水室１０１と、排ガス導入室１０２と、排ガス排出室１０３と、排ガス用煙管群１０４とを有している。
【００２３】
水室１０１は、中空の箱型の円柱形状をなし、内部に水が充填されている。水室１０１は、外周部の下部に給水部１１１が設けられると共に、外周部の上部に排水部（蒸気排出部）１１２が設けられている。
【００２４】
排ガス導入室１０２は、水室１０１の下部（一方）に設けられている。この排ガス導入室１０２は、複数（本実施形態では、３個）の分割排ガス導入室１２１，１２２，１２３から構成されており、分割排ガス導入室１２１，１２２，１２３は、互いに所定距離だけ離間して設けられている。
【００２５】
この分割排ガス導入室１２１，１２２，１２３は、中空の箱型の円柱形状をなし、上部（一端部）が水室１０１の下部に固定され、下部（他端部）に排ガス導入部１２１ａ，１２２ａ，１２３ａが設けられている。３個の分割排ガス導入室１２１，１２２，１２３は、ほぼ同形状で、且つ、ほぼ同寸法に形成されている。また、分割排ガス導入室１２１，１２２，１２３は、水室１０１の下部に正三角形をなすようにほぼ均等間隔で配置され、隣接する分割排ガス導入室１２１，１２２，１２３同士の間に隙間Ｓが設けられている。なお、図１における分割排ガス導入室１２１，１２２，１２３の配置は、模式的に記載している。
【００２６】
排ガス排出室１０３は、水室１０１の上部（他方）に設けられている。この排ガス排出室１０３は、複数（本実施形態では、３個）の分割排ガス導入室１３１，１３２，１３３から構成されている。
【００２７】
この分割排ガス排出室１３１，１３２，１３３は、仕切壁１３４，１３５により中空の箱型形状に区画され、下部（一端部）が水室１０１の上部に固定され、上部（他端部）に排ガス排出部１３１ａ，１３２ａ，１３３ａが設けられている。この場合、例えば、中空の箱型の円柱形状をなす排ガス排出室１０３内に２個の仕切壁１３４，１３５を所定間隔で平行をなして配置することで、直列に並んだ分割排ガス排出室１３１，１３２，１３３を形成する。また、中空の箱型の円柱形状をなす排ガス排出室１０３内に仕切壁を放射状に配置することで、扇形状をなす分割排ガス排出室１３１，１３２，１３３を形成してもよい。また、排ガス導入室１０２と同様に、複数の分割排ガス排出室１３１，１３２，１３３が相互に離間して設けられてもよい。この場合、分割排ガス排出室１３１，１３２，１３３同士の隙間は、分割排ガス導入室１２１，１２２，１２３同士の隙間Ｓよりも小さく形成される。
【００２８】
排ガス用煙管群１０４は、分割排ガス導入室１２１，１２２，１２３及び分割排ガス排出室１３１，１３２，１３３に対応して３つの分割排ガス用煙管群１４１，１４２，１４３から構成されている。この分割排ガス用煙管群１４１，１４２，１４３は、排ガス導入室１０２の分割排ガス導入室１２１，１２２，１２３と排ガス排出室１０３の分割排ガス排出室１３１，１３２，１３３とを水室１０１内を貫通して連通する複数の煙管１４１ａ，１４２ａ，１４３ａから構成される。
【００２９】
ここで、第１実施形態の排熱回収システム１０の作動について説明する。
【００３０】
第１実施形態の排熱回収システム１０において、図１に示すように、各ディーゼルエンジン１１，１２，１３から排出される排ガスは、それぞれ、排ガス導入管３１，３２，３３を通り、脱硝触媒４１，４２，４３により脱硝処理がなされてから煙管式ボイラ２１に導入される。煙管式ボイラ２１は、排ガスが各分割排ガス導入室１２１，１２２，１２３に個別に導入され、排ガス用煙管群１０４を通って分割排ガス排出室１３１，１３２，１３３に流れ、排ガス排出管５１，５２，５３から排出される。
【００３１】
一方、水は、給水部１１１から水室１０１内に供給され、排ガス用煙管群１０４を構成する複数の煙管１４１ａ，１４２ａ，１４３ａ内を流れる排ガスとの間で熱交換する。即ち、水が排ガスにより加熱されて蒸気が生成される。この場合、水室１０１は、内部の上部に空間部を設けると、排水部１１２から生成した蒸気だけを排出することができ、内部の上部まで水を充填すると、排水部１１２から水と蒸気の二相流を排出し、図示しない気水分離器により蒸気を分離する。
【００３２】
このとき、分割排ガス導入室１２１，１２２，１２３は、下部から排ガスが導入されることで、下部から上部に向けて順に温度が上昇し、上部に対して下部が外側に広がるように熱変形する。しかし、各分割排ガス導入室１２１，１２２，１２３が個別に構成されていることから、下部が外側に一様に熱変形することとなり、水室１０１との連結部側の側隔の上端部に局所的な応力が集中することはなく、破損が防止される。また、分割排ガス導入室１２１，１２２，１２３は、個別に独立して構成されていることから、複数のディーゼルエンジン１１，１２，１３のうち、１台のディーゼルエンジンを使用しない場合においても、各分割排ガス導入室１２１，１２２，１２３が個別に熱変形することとから、局所的な応力が集中することはなく、破損が防止される。
【００３３】
なお、本実施形態の煙管式ボイラ２１は、上述した構成に限定されるものではない。図３及び図４は、煙管式ボイラの排ガス導入室の変形例を表す概略平面図である。
【００３４】
図３に示すように、排ガス導入室２０１は、水室１０１の下部に設けられている。この排ガス導入室２０１は、互いに所定距離だけ離間して設けられる複数（本実施形態では、３個）の分割排ガス導入室２０２，２０３，２０４から構成されている。この分割排ガス導入室２０２，２０３，２０４は、中空の箱型の四角柱形状をなし、上部が水室１０１の下部に固定されている。そして、隣接する分割排ガス導入室２０２，２０３，２０４同士は、その間の隙間Ｓが設けられている。なお、３個の分割排ガス導入室２０２，２０３，２０４は、ディーゼルエンジン１１，１２，１３の排気量に合わせた異なる寸法に形成されている。そのため、分割排ガス導入室２０２，２０３，２０４を四角筒形状とすることで、互いに接近して配置することができ、分割排ガス導入室２０２，２０３，２０４を
効率的に配置することができる。
【００３５】
また、図４に示すように、排ガス導入室２１１は、水室１０１の下部に設けられている。この排ガス導入室２１１は、互いに所定距離だけ離間して設けられる複数（本実施形態では、３個）の分割排ガス導入室２１２，２１３，２１４から構成されている。この分割排ガス導入室２１２，２１３，２１４は、中空の円柱を直列に３分割した箱型形状をなし、上部が水室１０１の下部に固定されている。そして、隣接する分割排ガス導入室２１２，２１３，２１４同士は、その間の隙間Ｓが設けられている。そのため、円筒形状をなす水室１０１に対して複数の分割排ガス導入室２１２，２１３，２１４を効率的に配置することができる。
【００３６】
このように第１実施形態の煙管式ボイラにあっては、水室１０１と、水室１０１の一方に設けられる排ガス導入室１０２と、水室１０１の他方に設けられる排ガス排出室１０３と、排ガス導入室１０２と排ガス排出室１０３とを水室１０１を貫通して連通する複数の煙管１４１ａ，１４２ａ，１４３ａからなる排ガス用煙管群１０４とを設け、排ガス導入室１０２として、互いに所定距離だけ離間して設けられる複数の分割排ガス導入室１２１，１２２，１２３を設けている。
【００３７】
従って、ボイラ起動時に、排ガスが各分割排ガス導入室１２１，１２２，１２３にその下部から導入されると、この分割排ガス導入室１２１，１２２，１２３は、下部から順に温度が上昇する。そして、各分割排ガス導入室１２１，１２２，１２３は、下部の温度が上昇すると熱膨張するため、上部に対して下部が外側に広がるように変形する。このとき、各分割排ガス導入室１２１，１２２，１２３が個別に構成されていることから、下部が一様に熱変形することとなり、水室１０１との連結部に応力が集中することはない。その結果、ボイラ起動時に排ガス導入室１０２に対する局所的な熱応力の発生を抑制することができる。
【００３８】
また、排気系統などのトラブルにより、複数のディーゼルエンジン１１，１２，１３のうち、一部のディーゼルエンジン１１，１２，１３を停止した場合、停止したディーゼルエンジン１１，１２，１３に対応する分割排ガス導入室１２１，１２２，１２３に排ガスが導入されない。このとき、排ガスが導入された分割排ガス導入室１２１，１２２，１２３だけが熱変形することとから、局所的な応力が集中することはなく、破損が防止される。そして、トラブルのない排気系統の使用時に、トラブルが発生した排気系統の補修作業を実施することができ、作業性を向上することができる。
【００３９】
第１実施形態の煙管式ボイラでは、分割排ガス導入室１２１，１２２，１２３は、一端部が水室１０１に固定され、他端部に排ガス導入部１２１ａ，１２２ａ，１２３ａが設けられ、隣接する分割排ガス導入室１２１，１２２，１２３の間の隙間Ｓが設けられる。従って、分割排ガス導入室１２１，１２２，１２３は、排ガスが導入される側の端部がフリーとなることから、起動時に、分割排ガス導入室１２１，１２２，１２３は、下部が拘束されることなく自由に外側に広がるように変形することができる。
【００４０】
第１実施形態の煙管式ボイラでは、分割排ガス導入室１２１，１２２，１２３は、中空の箱型形状をなし、一端部が水室１０１に固定されている。従って、分割排ガス導入室１２１，１２２，１２３は、下部が外側に広がるように一様に変形することができる。
【００４１】
また、第１実施形態の排熱回収システムにあっては、煙管式ボイラ２１と、複数の分割排ガス導入室１２１，１２２，１２３に排ガスを供給する複数のディーゼルエンジン１１，１２，１３と設けている。従って、ボイラ起動時に排ガス導入室１２１，１２２，１２３に対する局所的な熱応力の発生を抑制することができ、ボイラ稼働率を向上することができる。
【００４２】
［第２実施形態］
図５は、第２実施形態の煙管式ボイラが適用される排熱回収システムを表す概略構成図である。なお、上述した実施形態と同様の機能を有する部材には、同一の符号を付して詳細な説明は省略する。
【００４３】
第２実施形態において、図５に示すように、排熱回収システム３００は、複数のディーゼルエンジン１１，１２，１３と、煙管式コンポジットボイラ３０１と、排ガス導入管３１，３２，３３と、脱硝触媒４１，４２，４３と、排ガス排出管５１，５２，５３，５４と、消音器（サイレンサ）６１，６２，６３，６４とから構成されている。
【００４４】
そして、煙管式コンポジットボイラ３０１は、水室１０１と、排ガス導入室１０２と、排ガス排出室１０３と、排ガス用煙管群１０４と、火炉３１１と、燃焼ガス排出室３１２と、燃焼ガス用煙管群３１３とを有している。ここで、水室１０１と排ガス導入室１０２と排ガス排出室１０３と排ガス用煙管群１０４は、第１実施形態と同様の構成であることから、説明は省略する。
【００４５】
火炉３１１は、水室１０１の下部に設けられており、バーナ３１４が装備されている。燃焼ガス排出室３１２は、水室１０１の上部に設けられており、燃焼ガス排出部３１２ａが設けられている。燃焼ガス用煙管群３１３は、火炉３１１と燃焼ガス排出室３１２とを水室１０１内を貫通して連通する複数の煙管３１３ａから構成される。
【００４６】
そのため、バーナ３１４が作動すると、火炉３１１内に燃焼ガスが充填され、この燃焼ガスは、燃焼ガス用煙管群３１３を通って燃焼ガス排出室３１２に流れ、排ガス排出管５４から外部に排出される。一方、水は、給水部１１１から水室１０１内に供給され、排ガス用煙管群１０４を構成する複数の煙管１４１ａ，１４２ａ，１４３ａ内を流れる排ガス、または、燃焼ガス用煙管群３１３を構成する複数の煙管３１３ａ内を流れる燃焼ガスとの間で熱交換する。即ち、水が排ガスまたは燃焼ガスにより加熱されて蒸気が生成される。この場合、ディーゼルエンジン１１，１２，１３の駆動中は、バーナ３１４を停止し、ディーゼルエンジン１１，１２，１３の停止中は、バーナ３１４を作動する。
【００４７】
このように第２実施形態の煙管式ボイラにあっては、水室１０１と、排ガス導入室１０２と、排ガス排出室１０３と、排ガス用煙管群１０４に加えて、水室１０１の一方に設けられる火炉３１１と、水室１０１の他方に設けられる燃焼ガス排出室３１２と、火炉３１１と燃焼ガス排出室３１２とを水室１０１を貫通して連通する複数の煙管３１３ａからなる燃焼ガス用排ガス用煙管群３１３とが設けられている。
【００４８】
従って、火炉３１１と燃焼ガス排出３１２室と燃焼ガス用排ガス用煙管群３１３を設けることで、コンポジットボイラとして適用することができ、汎用性を向上することができる。
【００４９】
なお、上述した実施形態では、排ガス導入室１０２を３個の分割排ガス導入室１２１，１２２，１２３に分割したが、その数は、実施形態に限定されるものではない。また、分割排ガス導入室１２１，１２２，１２３の形状、配置、個数も適宜設定すればよいものである。
【００５０】
また、上述した実施形態では、ボイラ２１，３０１を鉛直方向に立設して配置したが、水平方向に倒して配置してもよい。
【００５１】
また、上述した実施形態では、本発明の燃焼器をディーゼルエンジン１１，１３，１３としたが、この構成に限定されるものではなく、ガスタービン燃焼器としてもよい。
【符号の説明】
【００５２】
１０，３００  排熱回収システム
１１，１２，１３  ディーゼルエンジン
２１  煙管式ボイラ
３１，３２，３３  排ガス導入管
４１，４２，４３  脱硝触媒
５１，５２，５３  排ガス排出管
６１，６２，６３  消音器（サイレンサ）
１０１  水室
１０２，２０１，２１１  排ガス導入室
１０３  排ガス排出室
１０４  排ガス用煙管群
１２１，１２２，１２３，２０２，２０３，２０４，２１２，２１３，２１４  分割排ガス導入室
１３１，１３２，１３３  分割排ガス排出室
１４１，１４２，１４３  分割排ガス用煙管群
３０１  煙管式コンポジットボイラ
３１１  火炉
３１２  燃焼ガス排出室
３１３  燃焼ガス用煙管群
３１４  バーナ
Ｓ  隙間
【図１】
0006479434.tif 000002
【図２】
0006479434.tif 000003
【図３】
0006479434.tif 000004
【図４】
0006479434.tif 000005
【図５】
0006479434.tif 000006