(57)【要約】【課題】本発明の目的は、プロセスガスの偏流及びこれに起因する局部的な温度差を防ぐとともに、シェル内に配置された部品の変形及び損傷を防ぎ、シンプルな構造でコストの削減も可能な廃熱ボイラを提供することである。【解決手段】本発明の廃熱ボイラ１は、上下方向に延びる円筒状に形成された外殻２と、水が供給される第１の室１９と加熱後の水及び水蒸気が流入する第２の室２０とを備えている水室１７と、複数の伝熱管２４と、複数の伝熱管２４に対して直交する方向に延在し、外殻２の上下方向に沿って並列された複数の板状部材３１と、外殻２の上下方向に沿って外殻２の上部から外殻２の下部まで延在するとともに、外殻２に流入したプロセスガスを排出するバイパス管３７とを備えている。【選択図】  図１
2013092260.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
プラント設備から排出される廃熱を利用して水蒸気を生成する廃熱ボイラであって、
上下方向に延びる円筒状に形成され、下端部に前記プラント設備から排出されたプロセスガスが流入するように構成された外殻と、
前記外殻の上部に設けられ、水が供給される第１の室と、加熱後の水及び水蒸気が流入する第２の室とを備えている水室と、
前記水室の前記第１の室から下方に延びて、前記外殻の下部で折り返して前記水室の前記第２の室に接続されている複数の伝熱管と、
前記複数の伝熱管に対して直交する方向に延在し、前記外殻の上下方向に沿って並列された複数の板状部材と、
前記外殻の上下方向に沿って前記外殻の上部から前記外殻の下部まで延在するとともに、前記外殻に流入した前記プロセスガスを排出するバイパス管と
を備えている廃熱ボイラ。
【請求項２】
前記バイパス管が、前記水室を貫通するとともに前記外殻の軸方向の中心を通って前記外殻の下部まで延在していることを特徴とする請求項１に記載の廃熱ボイラ。
【請求項３】
前記水室から下方に延びる内管及び外管を有し、前記外管が前記水室の前記第１の室に接続されるとともに前記内管が前記水室の前記第２の室に接続されている複数の二重管を備え、
各伝熱管が、前記複数の板状部材に設けられた穴を貫通するように配置されており、各二重管が、前記複数の板状部材に設けられた穴を貫通するとともに前記複数の板状部材を支持していることを特徴とする請求項１又は２に記載の廃熱ボイラ。
【請求項４】
前記水室の前記第２の室には、前記二重管の前記内管との接続部に第１のネジ孔が設けられ、該第１のネジ孔には、外周面にネジ溝が形成された円筒状の第１の管保持部材が螺合され、前記二重管の前記内管の終端部が、前記第１の管保持部材を介して前記第２の室に取付けられていることを特徴とする請求項３に記載の廃熱ボイラ。
【請求項５】
前記第１の管保持部材の内周面には、前記外殻側の位置に段差部が形成され、該段差部には、前記二重管の前記内管の終端部が嵌合され、前記第１の管保持部材は、前記二重管の前記内管の前記終端部を前記段差部で押圧しながら前記第２の室の前記第１のネジ孔に螺合するように構成されていることを特徴とする請求項４に記載の廃熱ボイラ。
【請求項６】
前記水室の前記第２の室には、前記伝熱管の位置に第２のネジ孔が設けられ、該第２のネジ孔には、外周面にネジ溝が形成された円筒状の第２の管保持部材が螺合され、前記伝熱管には、フェルールが差込まれており、前記伝熱管に差込まれた前記フェルールの終端部が、前記第２の管保持部材を介して前記第２の室に取付けられていることを特徴とする請求項１ないし５のいずれか一項に記載の廃熱ボイラ。
【請求項７】
前記第２の管保持部材の内周面には、前記外殻側の位置に段差部が形成され、該段差部には、前記フェルールの終端部が嵌合され、前記第２の管保持部材は、前記フェルールの前記終端部を前記段差部で押圧しながら前記第２の室の前記第２のネジ孔に螺合するように構成されていることを特徴とする請求項６に記載の廃熱ボイラ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、廃熱ボイラに関し、特に、アンモニアプラント等の化学プラントから廃熱を回収し、その廃熱を利用して蒸気を発生させる廃熱ボイラに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、プラント設備から排出された廃熱（プロセスガス）を用いて蒸気を発生させる廃熱ボイラとして、縦型水管式と横型煙管式の２つの種類の廃熱ボイラが提案されている。
【０００３】
図８は、従来の縦型水管式廃熱ボイラの一例を示している。
図８の従来の廃熱ボイラ６１は、上下方向に延びる円筒状のシェル６２と、シェル６２の上部に設けられた水室６３とを備えている。
シェル６２の内部には、複数の伝熱管６４からなる管束（チューブバンドル）６５と、複数の伝熱管６４に対して直交する方向に延在する複数の邪魔板６６とが配置されている。
【０００４】
図８に示すように、シェル６２は、上下方向に延びる円筒状のシュラウド６７と、このシュラウド６７の周囲を覆うように配置された耐火断熱材６８とから構成されている。また、シェル６２の下端部には、ガス入口６９が設けられている。このガス入口６９には、ガス配管７０を介してプラント設備（図示せず）からプロセスガスが流入するようになっている。一方、シェル６２の上部には、ガス出口７１が設けられており、シェル６２内に流入して熱交換が終わった後のプロセスガスが、ガス出口７１から排出されるようになっている。
【０００５】
また、シェル６２の下部には、バイパスノズル７２が設けられている。このバイパスノズル７２は、シェル６２内に流入したプロセスガスを高温の状態で排出して、ガス出口７１から排出されて下流機器に供給されるプロセスガスの温度をコントロールするようになっている。
また、管板７３の上側に配置された水室６３は、区切板７４によって２つの部屋に分割されている。水室６３は、蒸気ドラム（図示せず）から供給された水が流入する第１の室７６と、シェル６２内で加熱された水及び水蒸気が流入する第２の室７８とを備えている。第１の室７６には、蒸気ドラムに接続された給水入口ノズル７５が設けられており、一方、第２の室７８には、加熱後の水及び蒸気の混相流体を排出する蒸気出口ノズル７７が設けられている。
【０００６】
図８に示すように、各伝熱管６４は、一端６４ａが水室６３の第１の室７６に接続されており、他端６４ｂが水室６３の第２の室７８に接続されている。また、各伝熱管６４は、Ｕ字状に形成されており、水室６３の第１の室７６から下方に延びて、シェル６２の下部で折り返して水室６３の第２の室７８に他端６４ｂで接続している。
【０００７】
図９に示すように、複数の邪魔板６６は、略矩形の第１の板材７９と、この第１の板材７９を挟むように配置される２つ１組の第２の板材８０とから構成されている。従来例では、図８に示すように、第１の板材７９と第２の板材８０とが、シェル６２の上下方向に沿って交互に並列されている。また、各伝熱管６４は、複数の邪魔板６６に設けられた穴（図示せず）を貫通するように配置されている。邪魔板６６の支持構造としては、円筒状のスペーサ８１及びタイロッド８２を、図９に示すように伝熱管６４の管群中の適当な箇所に配置して、邪魔板６６間の間隔を保持するようにしている。
【０００８】
また、複数の邪魔板６６の外周には、図９に示すように、各邪魔板６６を結ぶようにスキー８３が取付けられている。このスキー８３は、管束６５を輸送する際の仮筒（図示せず）への挿入を容易にする役目と、管束６５をシュラウド６７へ挿入する際に管束６５を滑らせて挿入を容易にする役目を果たすようになっている。
【０００９】
以上のように、従来例の縦型水管式廃熱ボイラ６１では、シュラウド６７と複数の邪魔板６６とでプロセスガスの流路を構成している。プロセスガスは、その流路に沿って流れ方向を変えながら上昇し、伝熱管６４内の水と熱交換を行うようになっている。一方、水室６３の第１の室７６に流入した水は、伝熱管６４内を流れてプロセスガスと熱交換を行い、水及び水蒸気の混相流体となる。この水及び水蒸気の混相は、伝熱管６４から水室６３の第２の室７８に流入し、蒸気出口ノズル７７から排出されるようになっている。
【００１０】
図１１は、従来の横型煙管式廃熱ボイラの一例を示している。また、図１２は、図１１のＡ方向からの矢視図である。
図１１の従来の廃熱ボイラ９１は、前流装置（図示せず）からプロセスガスが流入する入口ガス室９２と、熱交換後のプロセスガスが流入する出口ガス室９３と、入口ガス室９２と出口ガス室９３との間に水平方向に延在する水室９４とを備えている。
【００１１】
入口ガス室９２及び出口ガス室９３は、シュラウド９５と、シュラウド９５の周囲を覆うように配置された耐火断熱材９６とから構成されている。入口ガス室９２と水室９４との間には、入口管板９７が配置されており、出口ガス室９３と水室９４との間には、出口管板９８が配置されている。この従来例では、複数の伝熱管９９が、水室９４内を通るように配置されており、各伝熱管９９の一端９９ａは、入口管板９７に連結されるとともに、他端９９ｂは出口管板９８に連結されている。また、バイパス管１００が、水室９４の軸方向の中心を通るように配置されており、バイパス管１００も同様に、一端１００ａが入口管板９７に連結されるとともに、他端１００ｂが出口管板９８に連結されている。
【００１２】
図１２に示すように、水室９４の上方には、蒸気ドラム１０１が設けられている。蒸気ドラム１０１はダウンカマー（下降管）１０２を備えており、このダウンカマー１０２は、水室９４の外周に沿って延在して、水室９４の下部に接続している。また、蒸気ドラム１０１は、ライザー（上昇管）１０３を備えており、このライザー１０３は、水室６４の上部に設けられた上部ノズル９４ａに接続している。
【００１３】
また、図１２に示すように、水室９４の下方には、断面Ｕ字形状の台座１０４が設けられている。水室９４は、水室９４から水平方向に延びるサポート部材１０５により支持されている。また、サポート部材１０５と台座１０４との間には、上下方向の力を緩衝するため緩衝装置１０６が配置されている。この緩衝装置１０６は、例えば、ばね等から構成されている。これにより、前流装置に接続されたＬ字状の接続管１０７が、矢印Ｘ方向（図１１参照）に熱伸びした場合でもサポート部材１０５にかかる上下方向の力を抑えることができる。
さらに、サポート部材１０５と台座１０４との間には、サポート部材１０５を水平方向にスライドさせるための摺動装置１０８が配置されている。これにより、水室９４が矢印Ｙ方向（図１１参照）に熱伸びした場合でもサポート部材１０５にかかる水平方向の力を逃がすことができる。
【００１４】
図１３は、図１１におけるＢの部分の拡大断面図である。
図１３に示すように、伝熱管９９の端部９９ｃは、入口管板９７の水室側の側面９７ａに強度溶接１０９により取付られている。また、伝熱管９９の端部９９ｃには、高合金鋼製のフェルール（継ぎ手管）１１０がシュラウド９５及び耐火断熱材９６を貫通して差込まれており、これにより、伝熱管９９と入口ガス室９２とが接続されるようになっている。
【００１５】
以上の構成から、従来例の横型煙管式廃熱ボイラ９１では、入口ガス室９２に流入したプロセスガスが、伝熱管９９を通って水室９４内の水と熱交換を行い、出口ガス室９３に排出されるようになっている。一方、蒸気ドラム１０１の水は、ダウンカマー１０２を通って水室９４に流入し、伝熱管９９と熱交換を行って、水及び水蒸気の混相流体となる。その後、この水及び水蒸気の混相は、ライザー１０３を通って蒸気ドラム１０１へ戻ることになる。
【００１６】
なお、その他の従来例として、特許文献１には、化学プラントなどにおいて発生する燃焼ガスを冷却する廃熱回収ボイラ装置が開示されている。特許文献１の廃熱回収ボイラ装置は、燃焼ガスが供給されるガスチャンバと、燃焼ガスを冷却する缶水を貯留した冷却室と、この冷却室に配設され、ガスチャンバ内の燃焼ガスを導入して缶水と熱交換させる伝熱管とから構成されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１７】
【特許文献１】特開２００４−９２９８０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１８】
以下に、従来の縦型水管式廃熱ボイラ６１の問題点を図面を参照しながら説明する。
図８の廃熱ボイラ６１では、運転が始まると、伝熱管６４内には水が流れているので、伝熱管６４の管壁の温度はあまり上がらない。しかしながら、高温のプロセスガスに直接触れるスペーサ８１、タイロッド８２、及びスキー８３は、高温になり、伝熱管６４との温度差が大きくなる。その結果、スペーサ８１、タイロッド８２、及びスキー８３は、熱で下方に伸びて、邪魔板６６を押し下げることになる。
【００１９】
一方、邪魔板６６は、高温のプロセスガスに接触すると、シェル６２の外側方向に膨張するので、邪魔板６６に設けられた穴と伝熱管６４との間に圧縮面圧が生じる。これにより、邪魔板６６は下方に移動ができなくなるので、図１０に示すように、スペーサ８１、タイロッド８２、及びスキー８３は、大きく座屈してしまう。この際、これらの座屈が、邪魔板６６とシュラウド６７を変形させることになる。最終的に、邪魔板６６とシュラウド６７との間に隙間が生じ、この隙間を通るプロセスガスの量が増大する。このように隙間を通る高温で正規でないプロセスガスの量が増大すると、局部的にシュラウド６７に温度差が生じ、且つバイパスノズル７２へバイパスして流れるプロセスガスの偏流が増大し、益々シュラウド６７が変形することになる。
【００２０】
さらに、シュラウド６７が変形すると、シュラウド６７とバイパスノズル７２との連結部を変形させ、その結果、この部分に更に隙間を生じさせることになる。シュラウド６７とバイパスノズル７２との連結部に隙間が生じると、今度は、管束６５内を流れない高温のプロセスガスが、シュラウド６７と耐火断熱材６８との間を直接バイパスして、バイパスノズル７２へと流れることになる。このように、シェル６２の側面にバイパスノズル７２を設けると、高温のプロセスガスの偏流及びバイパス流れが生じ、それによりシュラウド６７等に温度差ができるので、結果として、シュラウド６７が変形し、損傷を招くことになる。
【００２１】
また、スキー８３は座屈した状態でクリープするので、運転が停止すると、座屈した形状を保ちながら収縮することになり、邪魔板６６を引っ張り上げることになってしまう。この際、邪魔板６６とスキー８３との溶接部分が破断するとともに、邪魔板６６の管穴を貫通している伝熱管６４と管穴の角が接触して、伝熱管６４に損傷を与えることになる。
また、メンテナンスのために伝熱管６４の管束６５をシェル６２から引き抜く場合、シュラウド６７や邪魔板６６が変形しているので、容易に抜くことができない。したがって、定期的なメンテナンスにも影響を与えることになる。
【００２２】
次に、従来の横型煙管式廃熱ボイラ９１の問題点を図面を参照しながら説明する。
図１１の廃熱ボイラ９１においては、入口ガス室９２に高温のプロセスガスが流入するので、入口管板９７及び伝熱管９９が高温になる。そのため、入口管板９７は耐火断熱材９６で被覆し、伝熱管９９と入口管板９７との強度溶接１０９は、損傷を防ぐため入口管板９７の水室９４側の表面９７ａに配置している。この他、入口管板９７は、ガス側表面９７ｂの温度上昇を防ぐために厚さを厚くできないので、その結果、入口管板９７の水室９４側の表面９７ａに複雑な補強（図示せず）を要する等、構造がより複雑となっていた。
また、伝熱管９９にはプロセスガスが高温の状態で流入すると、伝熱管９９及び管板９７がメタルダスティング等により損傷する可能性がある。したがって、廃熱ボイラ９１においては、高合金製のフェルール１１０を各伝熱管９９に挿入しなければならず、コストが増大する原因にもなっていた。
【００２３】
また、接続管１０７が、矢印Ｘ方向（図１１参照）に熱伸びした場合の対策として、図１２に示すように、サポート部材１０５と台座１０４との間には、上下方向の力を緩衝するための緩衝装置１０６を配置しなければならなかった。加えて、廃熱ボイラ９１においては、水室９４と蒸気ドラム１０１とをダウンカマー１０２及びライザー１０３でつなぎ且つ数本のライザー１０３で蒸気ドラム１０１を支持する構成もまた、構造を複雑にし、コストが増大する原因になっていた。
【００２４】
本発明はこのような実情に鑑みてなされたものであって、その目的は、プロセスガスの偏流及びこれに起因する局部的な温度差を防ぐとともに、シェル内に配置された部品の変形及び損傷を防ぎ、シンプルな構造でコストの削減も可能な廃熱ボイラを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００２５】
上記従来技術の有する課題を解決するために、本発明の実施態様によれば、プラント設備から排出される廃熱を利用して水蒸気を生成する廃熱ボイラであって、上下方向に延びる円筒状に形成され、下端部に前記プラント設備から排出されたプロセスガスが流入するように構成された外殻と、前記外殻の上部に設けられ、水が供給される第１の室と、加熱後の水及び水蒸気が流入する第２の室とを備えている水室と、前記水室の前記第１の室から下方に延びて、前記外殻の下部で折り返して前記水室の前記第２の室に接続されている複数の伝熱管と、前記複数の伝熱管に対して直交する方向に延在し、前記外殻の上下方向に沿って並列された複数の板状部材と、前記外殻の上下方向に沿って前記外殻の上部から前記外殻の下部まで延在するとともに、前記外殻に流入した前記プロセスガスを排出するバイパス管とを備えている廃熱ボイラが提供される。
【００２６】
また、本発明の別の実施態様によれば、前記バイパス管が、前記水室を貫通するとともに前記外殻の軸方向の中心を通って前記外殻の下部まで延在している。
【００２７】
また、本発明の別の実施態様によれば、前記水室から下方に延びる内管及び外管を有し、前記外管が前記水室の前記第１の室に接続されるとともに前記内管が前記水室の前記第２の室に接続されている複数の二重管を備え、各伝熱管が、前記複数の板状部材に設けられた穴を貫通するように配置されており、各二重管が、前記複数の板状部材に設けられた穴を貫通するとともに前記複数の板状部材を支持している。
【００２８】
また、本発明の別の実施態様によれば、前記水室の前記第２の室には、前記二重管の前記内管との接続部に第１のネジ孔が設けられ、該第１のネジ孔には、外周面にネジ溝が形成された円筒状の第１の管保持部材が螺合され、前記二重管の前記内管の終端部が、前記第１の管保持部材を介して前記第２の室に取付けられている。
【００２９】
また、本発明の別の実施態様によれば、前記第１の管保持部材の内周面には、前記外殻側の位置に段差部が形成され、該段差部には、前記二重管の前記内管の終端部が嵌合され、前記第１の管保持部材は、前記二重管の前記内管の前記終端部を前記段差部で押圧しながら前記第２の室の前記第１のネジ孔に螺合するように構成されている。
【００３０】
また、本発明の別の実施態様によれば、前記水室の前記第２の室には、前記伝熱管の位置に第２のネジ孔が設けられ、該第２のネジ孔には、外周面にネジ溝が形成された円筒状の第２の管保持部材が螺合され、前記伝熱管には、フェルールが差込まれており、前記伝熱管に差込まれたフェルールの終端部が、前記第２の管保持部材を介して前記第２の室に取付けられている。
【００３１】
また、本発明の別の実施態様によれば、前記第２の管保持部材の内周面には、前記外殻側の位置に段差部が形成され、該段差部には、前記フェルールの終端部が嵌合され、前記第２の管保持部材は、前記フェルールの前記終端部を前記段差部で押圧しながら前記第２の室の前記第２のネジ孔に螺合するように構成されている。
【発明の効果】
【００３２】
本発明に係る廃熱ボイラによれば、上下方向に延びる円筒状に形成され、下端部に前記プラント設備から排出されたプロセスガスが流入するように構成された外殻と、前記外殻の上部に設けられ、水が供給される第１の室と、加熱後の水及び水蒸気が流入する第２の室とを備えている水室と、前記水室の前記第１の室から下方に延びて、前記外殻の下部で折り返して前記水室の前記第２の室に接続されている複数の伝熱管と、前記複数の伝熱管に対して直交する方向に延在し、前記外殻の上下方向に沿って並列された複数の板状部材と、前記外殻の上下方向に沿って前記外殻の上部から前記外殻の下部まで延在するとともに、前記外殻に流入した前記プロセスガスを排出するバイパス管とを備えているので、外殻内に流入したプロセスガスを外殻の下部においてバイパス管で回収して、外殻の上部から排出することができる。
従来では、外殻の側面に向かって高温のプロセスガスが流れるような偏流が生じていたが、本発明によれば、プロセスガスの偏流を防ぎ、これに起因して局地的に生じる温度差も防ぐことができる。これにより、シェル内の部品、例えば、邪魔板（板状部材）、内筒等が変形するのを防止することができる。
【００３３】
また、本発明に係る廃熱ボイラによれば、前記バイパス管が、前記水室を貫通するとともに前記外殻の軸方向の中心を通って前記外殻の下部まで延在しているので、外殻内に流入したプロセスガスが、バイパス管を中心に軸対称的に集められ、外殻の上部から排出されることになる。これにより、プロセスガスの偏流をより効果的に防ぎ、これに起因して局地的に生じる温度差も防ぐことができる。
【００３４】
また、本発明に係る廃熱ボイラによれば、前記水室から下方に延びる内管及び外管を有し、前記外管が前記水室の前記第１の室に接続されるとともに前記内管が前記水室の前記第２の室に接続されている複数の二重管を備え、各伝熱管が、前記複数の板状部材に設けられた穴を貫通するように配置されており、各二重管が、前記複数の板状部材に設けられた穴を貫通するとともに前記複数の板状部材を支持している。
従来では、タイロッド及びスペーサで板状部材を支持していたが、本発明によれば、二重管のみで板状部材を支持しているので、廃熱ボイラを運転した際に、二重管及び伝熱管と板状部材が上下方向に同じように移動することになり、板状部材の変形及び損傷を防ぐことができる。
【００３５】
また、本発明に係る廃熱ボイラによれば、前記第１の管保持部材の内周面には、前記外殻側の位置に段差部が形成され、該段差部には、前記二重管の前記内管の終端部が嵌合され、前記第１の管保持部材は、前記二重管の前記内管の前記終端部を前記段差部で押圧しながら前記第２の室の前記第１のネジ孔に螺合するように構成されているので、二重管の内管が第１の管保持部材と廻り止めナットで確実に保持されることになり、廃熱ボイラの長時間運転においても緩まない構造となっている。
【００３６】
また、本発明に係る廃熱ボイラによれば、前記第２の管保持部材の内周面には、前記外殻側の位置に段差部が形成され、該段差部には、前記伝熱管に差込まれたフェルールの終端部が嵌合され、前記第２の管保持部材は、前記フェルールの前記終端部を前記段差部で押圧しながら前記第２の室の前記第２のネジ孔に螺合し更に廻り止めナットにより廻り止めされているので、フェルールが第２の管保持部材で確実に保持されることになり、廃熱ボイラの長時間運転においても緩まない構造となっている。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】本実施形態に係る廃熱ボイラの全体の断面図である。
【図２】図１におけるＡ−Ａ線断面図である。
【図３】図１におけるＢ−Ｂ線断面図である。
【図４】本実施形態に係る二重管の支持構造を示した断面図である。
【図５】本実施形態に係る伝熱管の支持構造を示した断面図である。
【図６】図５におけるＣの部分を拡大した断面図である。
【図７】本実施形態に係る廃熱ボイラと、廃熱ボイラの上流側に配置された前流装置との据付レベルを示した図である。
【図８】従来の縦型水管式廃熱ボイラの全体の断面図である。
【図９】図８におけるＡ−Ａ線断面図である。
【図１０】従来の縦型水管式廃熱ボイラを運転した後の状態を示した図であり、プロセスガスの偏流により変形したシェル内の部品を示した図である。
【図１１】従来の横型煙管式廃熱ボイラの全体の断面図である。
【図１２】図１１のＡ方向からの矢視図である。
【図１３】図１１におけるＢの部分を拡大した断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００３８】
以下、本発明の実施形態に係る廃熱ボイラを、図面を参照しながら説明する。図１は、本実施形態に係る廃熱ボイラの全体の断面図である。また、図２は、図１におけるＡ−Ａ線断面図であり、図３は、図１におけるＢ−Ｂ線断面図である。
【００３９】
本実施形態に係る廃熱ボイラ１は、プラント設備から排出される廃熱を利用して水蒸気を生成するものである。本実施形態では、プラント設備の例として、アンモニアプラント等の化学プラントから排出される廃熱を利用している。
【００４０】
図１に示すように、廃熱ボイラ１は、上下方向に延びる円筒状に形成されたシェル（外殻）２を備えている。シェル２は、上下方向に延びる円筒状のシュラウド３と、このシュラウド３の周囲を覆うように配置された耐火断熱材４とから構成されている。このシェル２の上端部には、周方向外側に向かって延出するフランジ部２ａが設けられており、このフランジ部２ａは、シェル２の上方に設けられた管板５にボルト６により固定されている。
【００４１】
また、シュラウド３の内側には、上下方向に延びる円筒状の内筒７が配置されている。この内筒７の上端部には、周方向外側に向かって延出するフランジ部７ａが設けられており、このフランジ部７ａは、ボルト８により管板５に固定されている。
【００４２】
図１に示すように、シェル２の下端部には、ガス入口９が設けられている。このガス入口９は、ガス配管１０を介して前流装置５４（図７参照）に接続されており、ガス入口９には、前流装置５４から排出された高温のプロセスガスが流入するようになっている。また、ガス入口９の周囲には、耐火煉瓦１１が敷きつめられており、この耐火煉瓦１１は、ガス入口９から流入したプロセスガスの流れを整流するようになっている。
【００４３】
図１に示すように、シェル２の上部には、シェル２の周方向に沿ってガス集合チャンバ１２が設けられている。ガス集合チャンバ１２は、シェル２の上部で横向きに設けられたガス出口ノズル１３に接続されている。ここで、ガス集合チャンバ１２とガス出口ノズル１３とは、伸縮継ぎ手（エクスパンション・ジョイント）１４によって接合されている。
また、図２に示すように、ガス集合チャンバ１２は、シェル２の内側に配置された内筒７と、シェル２の外径に沿って設けられた外径部１５とから構成されている。内筒７には、ガス集合チャンバ１２に対応する位置にガス通孔１６が設けられており、シェル２に流入したプロセスガスは、ガス通孔１６からガス集合チャンバ１２内に入って、その後、ガス集合チャンバ１２からガス出口ノズル１３へ流れるようになっている。
【００４４】
図１に示すように、管板５の上側には、水室１７が設けられている。水室１７は、水平方向に延在する区切板１８によって上下２つの部屋に分割されている。水室１７は、区切板１８の下方に設けられた第１の室１９と、区切板１８の上方に設けられた第２の室２０とを備えている。第１の室１９には、給水入口ノズル２１が設けられており、スチームドラム（図示せず）から供給される水が流入するようになっている。一方、第２の室２０には、水蒸気出口ノズル２２が設けられており、シェル２内で加熱された水及び水蒸気が、水蒸気出口ノズル２２から排出されるようになっている。また、第２の室２０には、内部点検を目的としてマンホール２３が設けられている。
【００４５】
図１に示すように、廃熱ボイラ１は、複数の伝熱管２４を更に備えている。複数の伝熱管２４は、いくつかの伝熱管２４を１つの管束（チューブバンドル）として束ねるようにしている。本実施形態では、複数の伝熱管２４は、第１の管束２４Ａと、第２の管束２４Ｂと、第３の管束（図示せず）の３つの管群に分けられている。
各伝熱管２４は、両端２５が水室１７の第１の室１９に接続されており、その一端に差込まれたフェルール５０の上端が水室１７の第２の室２０に接続されている。また、各伝熱管２４は、Ｕ字状に形成されており、水室１７の第１の室１９から下方に延びて、シェル２の下部で折り返して、同じく水室１７の第１の室１９に接続している。
【００４６】
さらに、廃熱ボイラ１は、複数の二重管（バイオネット式伝熱管）２７を備えている。各二重管２７は、水室１７から下方に延びる外管２８及び内管２９を有している（図４参照）。外管２８は、水室１７の第１の室１９に接続され、内管２９は、水室１７の第２の室２０に接続されている。
本実施形態では、二重管２７が上述した伝熱管の管束２４Ａ，２４Ｂに混在しており、伝熱管２４と二重管２７とで１つの管束２４Ａ，２４Ｂを構成している。なお、本実施形態では、第１の管束２４Ａの中には、複数のダミーパイプ３０も配置されている。このダミーパイプ３０は、第１の管束２４Ａの下部に配置されており、シェル２に流入したプロセスガスを整流する役目を果たすようになっている。
【００４７】
図１に示すように、廃熱ボイラ１は、複数の伝熱管２４及び二重管２７に対して直交する方向に延在する複数の邪魔板（板状部材）３１を備えている。
図３に示すように、複数の邪魔板３１は、円状に形成された第１の板材３２と、この第１の板材３２と同心でドーナツ形状に形成された第２の板材３３とから構成されている。本実施形態では、図１に示すように、第１の板材３２と第２の板材３３とが、シェル２の上下方向に沿って交互に並列されている。
【００４８】
本実施形態においては、各伝熱管２４は、第１及び第２の板材３２，３３に設けられた穴（図示せず）を貫通するように配置されている。また、図３に示すように、各二重管２７は、第１及び第２の板材３２，３３に設けられた穴３４を貫通するとともに、第１及び第２の板材３２，３３を支持している。すなわち、本実施形態では、Ｕ字形状の伝熱管２４ではなく、二重管２７によって複数の邪魔板３１を支持する構成となっている。
邪魔板３１の支持構造としては、図４に示すように、シェル２の上部においては、二重管２７の周囲に円筒状のスペーサ３５を配置して、管板５と邪魔板３１との間の間隔を保持するようになっている。また、シェル２の下部においては、邪魔板３１は、ストッパ３６を介して二重管２７に取付けられている。
【００４９】
本実施形態においては、図１に示すように、廃熱ボイラ１は、シェル２の上下方向に沿って延在するとともに、シェル２内に流入したプロセスガスを排出するバイパス管３７を備えている。このバイパス管３７は、水室１７の上部に設けられたバイパスノズル３８から延びて水室１７の第１及び第２の室１９，２０を貫通し、さらに、管板５を貫通してシェル２の下部まで延在している。また、バイパス管３７は、シェル２の軸方向の中心を通ってシェル２の下部まで延在しており、高温のプロセスガスを軸対称的に集めて排出するようになっている。
【００５０】
また、図１に示すように、バイパスノズル３８には、プロセスガスダンパ３９が設けられている。プロセスガスダンパ３９は、ボールバルブであり、ボール状の弁体４０と、弁体４０が配置される弁室４１とを備えている。弁体４０には、貫通穴（図示せず）が設けられており、この弁体４０が弁室４１内で回転することにより、バイパス管３７の流路を開閉するようになっている。
【００５１】
次に、二重管２７及び伝熱管２４の取付構造を、図面を参照しながら詳しく説明する。図４は、本実施形態に係る二重管の支持構造を示した断面図であり、図５は、本実施形態に係る伝熱管の支持構造を示した断面図である。また、図６は、図５におけるＣの部分を拡大した断面図である。
【００５２】
図４に示すように、管板５の上面５ａは、ニッケル等を含む高合金でオーバレイされており、二重管２７の外管２８の端部２８ａは、オーバレイ部４２に強度溶接４３により取付けられている。一方、二重管２７の内管２９は、第１の管保持部材４４を介して水室１７の区切板１８に取付けられている。水室１７の区切板１８には、二重管２７の内管２９に対応する位置に第１のネジ孔４５が設けられている。ここで、第１のネジ孔４５は雌ネジで形成されている。また、第１の管保持部材４４は、円筒状の部材であり、第１の管保持部材４４の外周面には、ネジ溝４６が形成されている。ここで、ネジ溝４６は雄ネジで形成されており、第１の管保持部材４４の外周面が、第１のネジ孔４５に螺合するようになっている。
【００５３】
図４に示すように、第１の管保持部材４４には、内径の異なる２つの穴が形成されており、第１の管保持部材４４のシェル２側の位置には、段差部４７が形成されている。段差部４７には、二重管２７の内管２９の終端部２９ａが嵌合されており、第１の管保持部材４４は、二重管２７の内管２９の終端部２９ａを段差部４７で押圧しながら区切板１８の第１のネジ孔４５に螺合している。
【００５４】
また、第１の管保持部材４４の内周面と二重管２７の内管２９の外周面との間には、隙間４８が設けられている。この隙間４８は、製造誤差があった場合の調整部分として機能を果たすものである。例えば、二重管２７の内管２９のピッチ等に製造誤差があった場合でも第１の管保持部材４４の段差部４７に内管２９の終端部２９ａが嵌合するようになっている。
また、第１の管保持部材４４には、区切板１８側から廻り止めナット４９が螺合されている。これにより、振動等があった場合においても、第１の管保持部材４４が緩まないような構成となっている。
【００５５】
図６に示すように、水室１７の第１の室１９に接続された伝熱管２４の両端２５も、上述と同様に、管板５上のオーバレイ部４２に強度溶接４３により取付けられている。
一方、図５に示すように、伝熱管２４の他端側は、フェルール（継ぎ手管）５０を介して第２の室２０に接続されている。図６に示すように、伝熱管２４の終端部２５は、管板５上のオーバレイ部４２に強度溶接４３により取付けられている。また、フェルール５０の伝熱管側の端部５０ａの外径は、伝熱管２４の終端部２５の内径に対応する大きさに形成されており、フェルール５０の端部５０ａは、伝熱管２４の終端部２５に差込むようにして取付けられている。
【００５６】
また、図５に示すように、フェルール５０の区切板１８側の端部５０ｂは、第２の管保持部材５１を介して水室１７の区切板１８に取付けられている。水室１７の区切板１８には、フェルール５０に対応する位置に第２のネジ孔５２が設けられている。ここで、第２のネジ孔５２は雌ネジで形成されている。また、第２の管保持部材５１は、円筒状の部材であり、第２の管保持部材５１の外周面には、ネジ溝５３が形成されている。ここで、ネジ溝５３は雄ネジで形成されており、第２の管保持部材５１の外周面が、第２のネジ孔５２に螺合するようになっている。なお、第２の管保持部材５１のその他の構成については、上述した第１の管保持部材４４と同じ構成であるため説明を省略する。
【００５７】
次に、本実施形態に係る廃熱ボイラ１と、廃熱ボイラの上流側に配置された前流装置との関係について説明する。図７は、本実施形態に係る廃熱ボイラと、廃熱ボイラの上流側に配置された前流装置との据付レベルを示した図である。
【００５８】
図７に示すように、廃熱ボイラ１とプロセスガスを供給する前流装置５４とは、据付レベル５５が同じになっている。本実施形態においては、廃熱ボイラ１と前流装置５４が同じように上下方向に熱伸びをするため、据付レベル５５を同じにしておけば、従来技術のような緩衝装置が必要なくなる。
【００５９】
次に、本実施形態に係る廃熱ボイラ１におけるプロセスガス及び水の流れについて図面を用いて説明する。
【００６０】
図１に示すように、プロセスガスは、前流装置５４からガス配管１０を介してガス入口９に供給される。その後、ガス入口９から流入したプロセスガスは、耐火煉瓦１１によって整流された後、内筒７と邪魔板３１とによって形成された流路を蛇行しながら上昇する。
シェル２の下部においては、高温のプロセスガスが、バイパス管３７に軸対称的に集められ、バイパス管３７によってシェル２の外部に排出される。一方、バイパス管３７に流入しなかったプロセスガスは、シェル２内を上昇しながら、伝熱管２４及び二重管２７の外管２８内の水と熱交換を行う。
そして、熱交換を行った後のプロセスガスは、シェル２の上部において、ガス通孔１６からガス集合チャンバ１２内に入って、その後、ガス集合チャンバ１２からガス出口ノズル１３へ流れるようになっている。
【００６１】
図１に示すように、スチームドラムから水室１７に供給される水は、第１の室１９を通って、伝熱管２４及び二重管２７に流入する。
伝熱管２４においては、流入した水が、プロセスガスと熱交換を行って水及び水蒸気の混相となり、水室１７の第２の室２０に流入する。
一方、二重管２７においては、流入した水が、外管２８を通っている間にプロセスガスと熱交換を行って水及び水蒸気の混相となる。その後、水及び水蒸気の混相流体が、内管２９を通って水室１７の第２の室２０に流入することになる。最終的に、第２の室２０に流入した水及び水蒸気の混相流体は、水蒸気出口ノズル２２から排出されるようになっている。
【００６２】
このように本実施形態に係る廃熱ボイラ１によれば、上下方向に延びる円筒状に形成され、下端部に前流装置５４から排出されたプロセスガスが流入するように構成されたシェル２と、シェル２の上部に設けられ、水が供給される第１の室１９と加熱後の水及び水蒸気が流入する第２の室２０とを備えている水室１７と、水室１７の第１の室１９から下方に延びて、シェル２の下部で折り返して水室１７の第２の室２０にフェルール５０を介して接続されている複数の伝熱管２４と、複数の伝熱管２４に対して直交する方向に延在し、シェル２の上下方向に沿って並列された複数の邪魔板３１と、水室１７を貫通するとともにシェル２の軸方向の中心を通ってシェル２の下部まで延在しているバイパス管３７とを備えているので、シェル２内に流入したプロセスガスが、バイパス管３７を中心に軸対称的に集められ、シェル２の上部から排出されることになる。
従来では、シェルの側面に向かって高温のプロセスガスが流れるような偏流が生じていたが、本発明によれば、プロセスガスの偏流を防ぎ、これに起因して局地的に生じる温度差も防ぐことができる。これにより、シェル２内の部品、例えば、邪魔板（板状部材）３１、シュラウド３又は内筒７等が変形するのを防止することができる。
【００６３】
本実施形態に係る廃熱ボイラ１よれば、複数の邪魔板３１は、円状に形成された第１の板材３２と、この第１の板材３２と同心でドーナツ形状に形成された第２の板材３３とから構成されているので、シェル２内を流れるプロセスガスを、バイパス管３７を中心に軸対称的に流すことができる。これにより、プロセスガスの偏流を効果的に防ぐことができる。
【００６４】
また、本実施形態に係る廃熱ボイラ１よれば、水室１７から下方に延びる内管２９及び外管２８を有し、外管２８が水室１７の第１の室１９に接続されるとともに内管２９が水室１７の第２の室２０に接続されている複数の二重管２７を備え、各伝熱管２４が、複数の邪魔板３１に設けられた穴を貫通するように配置されており、各二重管２７が、複数の邪魔板３１に設けられた穴３４を貫通するとともに複数の邪魔板３１を支持している。
従来では、タイロッド８２及びスペーサ８１（図８参照）で邪魔板を支持していたため、高温のプロセスガスによって、タイロッド及びスペーサが座屈するという問題があったが、本発明によれば、二重管２７のみで邪魔板３１を支持しているので、廃熱ボイラ１を運転した際に、二重管２７及び伝熱管２４が邪魔板３１と上下方向に同じように移動することになり、邪魔板３１の変形及び損傷を防ぐことができる。
また、本実施形態では、シェル２の下部においては、従来と異なり、スペーサやタイロッドを用いてないので、高温のプロセスガスによってスペーサやタイロッドが変形するなどの問題が生じない。
【００６５】
また、本実施形態に係る廃熱ボイラ１よれば、水室１７の区切板１８には、二重管２７の内管２９との接続部に第１のネジ孔４５が設けられ、第１のネジ孔４５には、外周面にネジ溝４６が形成された円筒状の第１の管保持部材４４が螺合され、第１の管保持部材４４の内周面には、段差部４７が形成され、段差部４７には、二重管２７の内管２９の終端部２９ａが嵌合され、第１の管保持部材４４は、二重管２７の内管２９の終端部２９ａを段差部４７で押圧しながら区切板１８の第１のネジ孔４５に螺合するように構成されている。
したがって、従来では、例えば、内管は溶接により区切板に取付けられていたが、本発明によれば、第１の管保持部材４４が取外し可能に構成されているので、二重管２７のメンテナンス時に容易に内管２９等を取り出すことができる。
また、本実施形態に係る廃熱ボイラ１によれば、二重管２７の内管２９が第１の管保持部材４４で確実に保持されることになり、廃熱ボイラ１の長時間運転においても緩まない構造となっている。特に、第１の管保持部材４４には、区切板１８側から廻り止めナット４９が螺合されているので、振動があった場合においても、第１の管保持部材４４が緩まないような構成となっている。
【００６６】
また、本実施形態に係る廃熱ボイラ１よれば、水室１７の区切板１８には、フェルール５０との接続部に第２のネジ孔５２が設けられ、第２のネジ孔５２には、外周面にネジ溝５３が形成された円筒状の第２の管保持部材５１が螺合され、第２の管保持部材５１の内周面には、段差部４７が形成され、段差部４７には、フェルール５０の終端部５０ｂが嵌合され、第２の管保持部材５１は、フェルール５０の終端部５０ｂを段差部４７で押圧しながら区切板１８の第２のネジ孔５２に螺合するように構成されている。
本発明によれば、第２の管保持部材５１が取外し可能に構成されているので、伝熱管２４のメンテナンス時に容易にフェルール５０を取り出すことができる。
また、本実施形態に係る廃熱ボイラ１によれば、伝熱管２４に接続されたフェルール５０が第２の管保持部材５１で確実に保持され且つ廻り止めナット４９が螺合されていることにより、廃熱ボイラ１の長時間運転においても緩まない構造となっている。
【００６７】
また、本実施形態に係る廃熱ボイラ１よれば、複数の伝熱管２４が、第１の管束２４Ａと、第２の管束２４Ｂと、第３の管束の３つの管群に分けられているので、伝熱管２４のＵ字形状の最大曲げ半径を小さくすることが可能となる。これにより、プロセスガスの流れによる伝熱管２４のＵ字部の振動を、特別な防振金具などを取付けることなく防ぐことができる。また、この構成は、廃熱ボイラ１の大型化にも対応することができる。
【００６８】
また、本実施形態に係る廃熱ボイラ１よれば、第１の管保持部材４４の内周面と二重管２７の内管２９の外周面との間には、隙間４８が設けられているので、例えば、二重管２７の内管２９又はフェルール５０のピッチ等に製造誤差があった場合でも、第１の管保持部材４４の段差部４７に内管２９の終端部２９ａを嵌合させることができる。
【００６９】
また、本実施形態に係る廃熱ボイラ１よれば、廃熱ボイラ１とプロセスガスを供給する前流装置５４とは、据付レベル５５を同じになっている。本実施形態においては、廃熱ボイラ１と前流装置５４が同じように上下方向に熱伸びをするため、据付レベル５５を同じにしておけば、従来技術のような緩衝装置が必要なくなり、シンプルな構造でコストの削減を図ることが可能となる。
【００７０】
以上、本発明の実施の形態につき述べたが、本発明は既述の実施形態に限定されるものでなく、本発明の技術的思想に基づいて各種の変形及び変更が可能である。
【符号の説明】
【００７１】
１  廃熱ボイラ
２  シェル
３  シュラウド
４  耐火断熱材
５  管板
１７  水室
１８  区切板
１９  第１の室
２０  第２の室
２４  伝熱管
２７  二重管
２８  二重管の外管
２９  二重管の内管
３１  邪魔板
３２  邪魔板の第１の板材
３３  邪魔板の第２の板材
３７  バイパス管
４４，５１  管保持部材
４５，５２  ネジ孔
４６，５３  管保持部材のネジ溝
４７  段差部
【図１】
2013092260.tif 000003
【図２】
2013092260.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
2013092260.tif 000009
【図８】
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【図９】
2013092260.tif 000011
【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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