(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
熱利用装置からの二酸化硫黄およびダストを含む排ガスが有する余熱を、ケーシング内部に配置される水管群の各水管内で、水蒸気発生のための加熱に利用する廃熱ボイラにおいて、
ケーシングの側壁の下部に配置され、水管群の下部を支持し、排ガスを封止する耐火物ブロックであって、水管群の下部を支持する部分の表面が鉛直方向に対して予め定める角度よりも小さな角度で傾斜している耐火物ブロックと、
耐火物ブロックのうち水管群の下部を支持する部分において、耐火物ブロックに付着する、酸化鉄を含むダストを吹き飛ばすノズルであって、先端が下方に向けられ、加圧された気体を先端から噴出させるノズルとを含むことを特徴とする廃熱ボイラ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、各種炉や熱機関などの熱利用装置からの排ガスから、余熱を回収して水蒸気を発生させる廃熱ボイラに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、各種工場、たとえば化学工場、機械工場あるいは金属工場などでは、各種炉や熱機関等の熱利用装置が広く用いられ、排ガスが発生されている。高温の排ガスからは、廃熱ボイラなどで余熱を回収することができる。
【０００３】
図４は、従来からの廃熱ボイラ１について、排ガスの流通方向に垂直な断面構成を示す。排ガスは多数の水管２と熱交換し、排ガスの有する余熱は、多数の水管２内を流れる水を加熱して水蒸気を発生させる。水管２は下方で、水ドラム３，４のうちの一方に連結され、上方では蒸気ドラム５に連結される。水管２内で発生した水蒸気は、水と混合して気水混合物として蒸気ドラム５に達し、蒸気ドラム５で水蒸気だけが取出される。水管２が水ドラム３と連結される部分には、耐火物ブロック６が設けられ、排ガスの封止と断熱とを行っている。耐火物ブロック６の上部は、ほぼ水平な平坦面となっている。耐火物ブロック６は、たとえばキャスタなどと呼ばれる不定形耐火物材料を固めて形成される。ほぼ上下方向に配設される水管２に対し、ほぼ水平に過熱管７が配設される。
【０００４】
図５は、図４に示す廃熱ボイラ１を、図４の切断面線Ｖ−Ｖから平面断面視した構成の前半部分を示す。ただし、排ガスの流れの方向が紙面の横方向となるように、向きを９０°変えている。廃熱ボイラ１の中央寄りには、点検用空間８が設けられる。外側に配置される水管２の相互間は封止され、排ガスが外部に漏れないように、ケーシング側方の炉壁を形成している。水管２の材質としては、たとえばＳＴＢ３５などが使用される。ここでＳＴＢは、ボイラ・熱交換器用炭素鋼鋼管について日本工業規格のＪＩＳ Ｇ ３４６１に規定されている記号である。なお、ＪＩＳ Ｇ ３４６２に規定され、ＳＴＢＡ記号で表されるボイラ・熱交換器用合金鋼鋼管も使用される。
【０００５】
図６は、図４に示す廃熱ボイラ１の動作原理を示す。上方の蒸気ドラム５と下方の水ドラム３，４は、軸線がほぼ水平となっており、排ガスは軸線方向に流れる。排ガスは水管２と熱交換しながら流れるので、上流側から下流側に流れるに従って、温度が低下する。このため、排ガスの流れの上流側に配置される水管２は、水蒸気を発生する蒸発管として働き、排ガスの流れの下流側に配置される水管２は、蒸気ドラム５内の水分が水ドラム３，４に戻る降水管として働く。これによって、上流側の水管２内で発生する水蒸気とともに蒸気ドラム５に流入する水が下流側の水管２で水ドラム３，４に戻る大きな循環経路が形成され、自然循環式水管ボイラとして動作する。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
廃熱ボイラ１の運転中に、水管２が断熱ブロックで支持される部分、またはその近傍で水管２や過熱管７に腐食が生じやすいことが判明した。たとえば、水管２および過熱管７の材料としてボイラ・熱交換器用炭素鋼鋼管ＳＴＢ３５を用いて、廃熱ボイラ１を運転してわずか８ヶ月で外面から腐食貫孔が生じている。これは、約５ｍｍ／ｙの腐食速度に相当する。熱源とする排ガスは、１１００℃→３５０℃の温度範囲で使用し、ガス組成は、二酸化硫黄（ＳＯ2）が約１０％、三酸化硫黄（ＳＯ3）が約０．３％、水分（Ｈ2Ｏ）が約１６％であり、標準状態の単位体積１ｍ3当りダストを１ｇの割合で含み、ガス流量は標準状態で１９，６００ｍ3／ｈｒである。水管温度は、２２７℃で、圧力は約２５００ｋＰａ（２６ｋｇｆ／ｃｍ2）である。
【０００７】
以上のような腐食は、二酸化硫黄の濃度等から予測される腐食の程度を越えている。また排ガスが直接の腐食原因であれば、水管２の下部ではなく、排ガスと熱交換する中間部分の方が腐食するはずである。
【０００８】
本発明の目的は、二酸化硫黄などを含む排ガスを熱源としても、水管の下部が腐食しにくい廃熱ボイラを提供することである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明は、熱利用装置からの二酸化硫黄およびダストを含む排ガスが有する余熱を、ケーシング内部に配置される水管群の各水管内で、水蒸気発生のための加熱に利用する廃熱ボイラにおいて、
ケーシングの側壁の下部に配置され、水管群の下部を支持し、排ガスを封止する耐火物ブロックであって、水管群の下部を支持する部分の表面が鉛直方向に対して予め定める角度よりも小さな角度で傾斜している耐火物ブロックと、
耐火物ブロックのうち水管群の下部を支持する部分において、耐火物ブロックに付着する、酸化鉄を含むダストを吹き飛ばすノズルであって、先端が下方に向けられ、加圧された気体を先端から噴出させるノズルとを含むことを特徴とする廃熱ボイラである。
【００１０】
本発明に従えば、廃熱ボイラの水管は、ケーシングの側壁の下部に配置される耐火物ブロックで支持される。廃熱ボイラには熱利用装置からの排ガスが導入され、排ガスの余熱で水管群を加熱し、水管内で水蒸気を発生させる。排ガス中には、酸化鉄などを含むダストも存在するので、耐火物ブロックが水管群を支持する部分には、酸化鉄などが付着する。排ガス中には水蒸気や二酸化硫黄なども含まれる。酸化鉄は、二酸化硫黄を三酸化硫黄に変える反応の触媒として働き、三酸化硫黄は水蒸気から生成される水に溶けて硫酸となる。硫酸が生じると、水管を激しく腐食させる。先端が下方に向けられ、加圧された気体を先端から噴出させるノズルを設けて、耐火物ブロックのうち水管群の下部を支持する部分に付着するダストを吹き飛ばすので、前述の硫酸が生じにくくなり、水管下部を腐食しにくくすることができる。
【００１２】
また、耐火物ブロックは、水管群の下部を支持する部分の表面が鉛直方向に対して予め定める角度よりも小さな角度で傾斜している。これによって、酸化鉄などを含むダストが耐火物ブロックの表面に付着しにくくなり、硫酸生成による水管下部の腐食が生じにくくなるようにすることができる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
図１および図２は、本発明の実施の一形態としての廃熱ボイラ１１の概略的な構成を示す。図１は排ガスの流れの方向に垂直方向から見た正面断面構成を示し、図２は図１の切断面線ＩＩ−ＩＩから見た断面構成の前方部分を示す。廃熱ボイラ１１の基本的な構成は、図４〜図６に示す従来からの廃熱ボイラ１と同等である。図１では、ケーシングとしての炉壁に相当する位置に配置される水管１２と、その下方に配置される水ドラム１３，１４とを示し、上方に配置される蒸気ドラムやケーシング内部に配置される水管群については省略している。
【００１４】
本実施形態の廃熱ボイラ１１では、炉壁部の水管１２の下部に、ノズル１５を設け、水管１２の下部を支持し、排ガスを封止する耐火物ブロック１６上への堆積物を吹き飛ばすことができるようにしてある。ノズル１５には、コンプレッサから加圧した空気を導入し、先端から噴出させる。加圧した空気は、通常、各種空圧機器で利用している工場エアーを使用することができる。過熱蒸気などを使用することもできる。耐火物ブロック１６は、たとえばキャスタと呼ばれる不定形耐火物を成形して用いる。
【００１５】
図２に示すように、水管１２は、廃熱ボイラ１１の内部にも多数配置されている。また、排ガスボイラ１１の内部には、多数の過熱管１７も配置される。排ガスは、入口１８から導入される。水管１２はほぼ上下方向に配置され、過熱管１７はほぼ水平方向に配置される。炉壁部分に配置される水管１２の間は、フィン１９を溶接して封止している。炉壁部分の水管１２とフィン１９とは、内部ケーシングの側壁を形成している。この内部ケーシングの外側に、外部ケーシング２０が設けられる。ノズル１５は、外部ケーシング２０と内部ケーシングとの間に配置されるヘッダ管２１から分岐して、耐火物ブロック１６を貫通して、先端を内部ケーシングよりも内側まで突出させる。ノズル１５やヘッダ管２１、あるいはヘッダ管２１に空気を導く配管には、たとえばＳＵＳ３１０などのステンレス鋼管を使用する。
【００１６】
図３は、ノズル１５の先端部分の構成を示す。耐火物ブロック１６の上部は、炉壁を形成する水管１２を側方から接触して支持する。水管１２は、耐火ブロック１６の上部で、下端が一回り径が大きい水管２２の上端内に挿入され、水管２２と接続される。下方の水管２２の下端は、水ドラム１３，１４に接続される。下方の水管２２も上方の水管１２と同様な材料を使用する。
【００１７】
耐火ブロック１６の頂部には、上方の水管１２のフィン１９下端付近に溶接される支持板２３が固定される。耐火物ブロック１６は、水管１２および水管２２の接続部付近では、水平面に対してほぼ垂直な壁面に沿って水管１２，２２を側方から支持する。この壁面が続いたあと、水管１２，２２の接続部よりも下方で耐火物ブロック１６は幅が広くなり、水ドラム１３，１４を覆うことができるようになる。
【００１８】
本実施形態では、図１に示すように、耐火物ブロック１６の幅が拡大する部分の表面が、内方に移行すると沈下するように傾斜させている。傾斜角度は、たとえば４５°程度である。したがって、耐火ブロック１６が水管１２，２２を支持する表面は、ほぼ鉛直で傾斜角が０°であるか、傾斜角約４５°程度で傾斜していることになる。傾斜角０°は４５°よりも小さいことはもちろんである。図３に示す耐火物ブロック１６の頂部は、水管１２およびフィン１９によって形成される内部ケーシングの外部であるので、内部ケーシング内では、耐火物ブロック１６の表面に、水平に近い平坦面は存在しないことになる。したがって、内部ケーシング内では、耐火物ブロック１６の表面は、ほぼ鉛直で傾斜角０°の部分も含めて、少なくとも約４５°よりも小さい傾斜角で傾斜していることになり、排ガス中のダストが耐火物ブロック１６の表面に落下しても、傾斜した表面に沿って内方に移行し、堆積物が形成されにくい。さらに、ノズル１５の先端が図３に示すように下方に向けられているので、付着したダストを容易に吹き飛ばすことができる。
【００１９】
硫化物を多く含む鉱石を原料とする金属製造工場では、流動焙焼炉から二酸化硫黄を含む排ガスを利用する廃熱ボイラが使用されている。流動焙焼炉からの排ガスには、容積比で１０％程度の二酸化硫黄や水蒸気を含む水分がそれぞれ含ま、またダストも多く含まれている。このような流動焙焼炉からの排ガスが酸化鉄（Ｆｅ2Ｏ3）を主成分とするダストの存在のもとで冷却されるとき、特に６００〜６５０℃の温度範囲で、二酸化硫黄が三酸化硫黄（ＳＯ3 ）に転化されやすくなり、温度が硫酸（Ｈ2ＳＯ4）の露点温度以下に下がったときに腐食が生じやすいことが知られている。このような腐食の予防のため、流動焙焼炉排ガス用の廃熱ボイラでは、水管の伝熱表面に向けて空気や水蒸気を吹付けて付着ダストを除去するすす吹器などを設けるようにしている。
【００２０】
本実施形態の廃熱ボイラ１１でも、水管の表面に向けて水蒸気を吹付けることのできるすす吹器は設けられているが、耐火物ブロック１６となるキャスタの下部に堆積するダストを吹き飛ばすことのできるような構造にはなっていなかった。このため当該部のダストを吹き飛ばすべく、ノズル１５を設けることとした。ノズル１５を設ける位置は、内部ケーシングの炉壁付近であって廃熱ボイラ１１の内方ではないので、外部ケーシング２０と内部ケーシングとの間の空間を利用して、容易に空気供給用の配管を施すことができる。
【００２１】
本実施形態の廃熱ボイラ１１では、水管１２としてボイラ・熱交換器用炭素鋼鋼管やボイラ・熱交換器用合金鋼鋼管を用い、二酸化硫黄、水分、酸化鉄ダストなどを含む各種熱利用装置からの排ガスを熱源として、長期間にわたって水管１２を使用しても、水管１２の下部で腐食が生じにくくすることができる。たとえば、図４〜図６に示す廃熱ボイラ１と同様の運転条件で腐食速度を確認した結果は、約０．５ｍｍ／ｙとなり、約５ｍｍ／ｙの腐食速度から大幅に減少していることが判明した。本実施形態の廃熱ボイラ１１では、従来のような腐食貫孔の問題は生じていない。
【００２２】
本件発明者は、流動焙焼炉からの排ガスほどは二酸化硫黄や酸化鉄のダストが含まれていない排ガスでも、腐食原因として、廃熱ボイラの水管下部への多量のダスト堆積→ダスト中からＳＯ2をＳＯ3に転化する触媒作用を有するＦｅ2Ｏ3が多く析出→ダスト堆積部内でＳＯ３への転化が生じ、水管外表面で硫酸が露点を結び、腐食貫孔にいたることを見出し、その対策としてノズル１５を設けて炉壁を形成する水管１２の下部から堆積物を吹き飛ばすようにしている。さらに、耐火物ブロックの内面側を傾斜面としている。このような腐食対策は、既存の廃熱ボイラに後から追加することも容易である。また、廃熱ボイラでは、水管が大略的に上下方向に配置されている形式であれば本発明を同様に適用することができ、水ドラム１３，１４は単一でもよいことはもちろんである。
【００２３】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、先端が下方に向けられ、加圧された気体を先端から噴出させるノズルを設け、このノズルによって、耐火物ブロックのうち水管群の下部を支持する部分に付着するダストを吹き飛ばす。これによって、熱利用装置から導入される排ガスに二酸化硫黄が含まれていても、硫酸が生じにくくなって、廃熱ボイラの水管を腐食しにくくすることができる。排ガス中に、二酸化硫黄や水蒸気が含まれ、さらに触媒となって硫酸を生成しやすくする酸化鉄などが含まれていても、水管下部の腐食が生じにくいようにすることができる。二酸化硫黄や水蒸気、さらには酸化鉄のダストを含むような排ガスを利用しても、水管の腐食が少ないので、熱利用装置で発生する排ガスの余熱を有効に利用し、水蒸気として効率よく回収することができる。
【００２４】
また、水管群の下部を支持する耐火物ブロックの表面が、鉛直方向に対して予め定める角度よりも小さな角度で傾斜しているので、酸化鉄などを含むダストが付着しにくくなり、硫酸生成による水管下部の腐食が生じにくくなるようにすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の一形態としての廃熱ボイラ１１の簡略化した正面断面図である。
【図２】図１の切断面線ＩＩ−ＩＩから見た平面断面図である。
【図３】図１のノズル１５の周囲を拡大して示す部分的な正面断面図である。
【図４】従来からの廃熱ボイラの簡略化した正面断面図である。
【図５】図４の切断面線Ｖ−Ｖから見た平面断面図である。
【図６】図４の廃熱ボイラでの水循環経路を示す簡略化した斜視図である。
【符号の説明】
１１  廃熱ボイラ
１２，２２  水管
１３，１４  水ドラム
１５  ノズル
１６  耐火物ブロック
１９  フィン
２０  外部ケーシング
２１  ヘッダ管
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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