JP2014055710A - プロテクターを有する熱交換配管を備えた構造物 - Google Patents
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- Fluidized-Bed Combustion And Resonant Combustion (AREA)
Abstract
【課題】安価で簡単な構造で摩耗防止効果を長期間継続するプロテクターを提供する。
【解決手段】粒子を含む流体が内部を通過する構造物であって、複数の熱交換配管を、前記流体の流動方向に対して垂直方向に一定間隔で離隔して設置してなる熱交換配管群と、前記熱交換配管群の伝熱面に気体を吹き付けるスーツブローを備え、前記熱交換配管が、前記スーツブローから噴きつける気体を受ける面にそれぞれプロテクターを有する構造物。
【選択図】図１
【解決手段】粒子を含む流体が内部を通過する構造物であって、複数の熱交換配管を、前記流体の流動方向に対して垂直方向に一定間隔で離隔して設置してなる熱交換配管群と、前記熱交換配管群の伝熱面に気体を吹き付けるスーツブローを備え、前記熱交換配管が、前記スーツブローから噴きつける気体を受ける面にそれぞれプロテクターを有する構造物。
【選択図】図１
Description
本発明は、プロテクターを有する熱交換配管を備えた、ボイラの熱交換部等の構造物に関する。
石油や石炭等の燃料を燃焼させる設備では、当該燃料の燃焼によって灰が発生する。この灰が、設備内の熱交換配管の伝熱面に付着すると、当該熱交換配管の熱交換効率が低下する問題がある。
この問題に対しては、熱交換配管の伝熱面に圧縮空気や水蒸気等の気体を吹きつけ、灰を落とす煤吹装置（スーツブロー）をさらに設けることで解決することができる。
この問題に対しては、熱交換配管の伝熱面に圧縮空気や水蒸気等の気体を吹きつけ、灰を落とす煤吹装置（スーツブロー）をさらに設けることで解決することができる。
スーツブローによって熱交換効率の低下は防げるものの、ボイラ等の燃焼設備内は、灰、砂等の微粒子を含むガスが常に循環しており、当該微粒子がスーツブローの吹きつける気体によって熱交換配管にぶつかり、配管摩耗させる問題が生じる。特に大型ボイラの場合、摩耗した熱交換配管の交換は、膨大なコストを必要とするため、当該摩耗をできる限り抑制することが求められていた。
微粒子を含むガスによる磨耗防止対策としては、（１）本体そのものを耐摩耗性材料とする方法、（２）保護部表面にコーティングして保護する方法、及び（３）熱交換配管に円環上のカバーを被せ配管の肉厚を増す方法の大きく３つに分類される。
（１）本体そのものをステンレス等の耐摩耗性材料とする方法では、本体全域の摩耗を防止又は軽減されるため、状況によってはメンテナンスフリーとなり得る。しかし、一般に耐摩耗性材料は高価であり、熱交換配管の本数も多大な数量であることからコストが莫大となるという欠点がある。
（２）保護部表面にコーティングして保護する方法としては、耐摩耗金属溶射、ライニング等が挙げられる。しかしながら、設置済の設備を変更する場合、配管隙間が通常は数ｃｍ以下であることから、当該方法の適用は困難である。また、大型のボイラである場合、熱交換配管の本数が膨大であることから多大なコストを必要とする。
（３）熱交換配管に円環上のカバーを被せ配管の肉厚を増す方法（特許文献１）であっても、熱交換配管の本数が多大であることからコストが問題となる。また、このようなプロテクターをとりつけても、スーツブロー上流側に近く設置された熱交換配管の摩耗は激しく、効果が長く持続しないという問題があった。
本発明の目的は、安価で簡単な構造で摩耗防止効果を長期間継続するプロテクターを提供することである。
本発明によれば、以下の構造物等が提供される。
１．粒子を含む流体が内部を通過する構造物であって、
複数の熱交換配管を、前記流体の流動方向に対して垂直方向に一定間隔で離隔して設置してなる熱交換配管群と、前記熱交換配管群の伝熱面に気体を吹き付けるスーツブローを備え、
前記熱交換配管が、前記スーツブローから噴きつける気体を受ける面にそれぞれプロテクターを有する構造物。
２．粒子を含む流体が内部を通過する構造物であって、
複数の熱交換配管を、前記流体の流動方向に対して垂直方向に一定間隔で離隔して設置してなる熱交換配管群と、前記熱交換配管群の伝熱面に気体を吹き付けるスーツブローを備え、
前記熱交換配管群が前記スーツブローを挟んで２つ形成されており、
流体の上流側の前記熱交換配管群の熱交換配管が、前記スーツブローから噴きつける気体を受ける面にそれぞれプロテクターを有する構造物。
３．前記プロテクターが、凹部が前記スーツブローに向いた湾曲部材、凹部が前記スーツブローに向いたＶ字部材、又は凹部が前記スーツブローに向いたコの字部材である１又は２に記載の構造物。
４．前記粒子が灰粒子及び／又は砂粒子であり、前記流体が気体であって、ボイラの熱交換部である１〜３のいずれかに記載の構造物。
１．粒子を含む流体が内部を通過する構造物であって、
複数の熱交換配管を、前記流体の流動方向に対して垂直方向に一定間隔で離隔して設置してなる熱交換配管群と、前記熱交換配管群の伝熱面に気体を吹き付けるスーツブローを備え、
前記熱交換配管が、前記スーツブローから噴きつける気体を受ける面にそれぞれプロテクターを有する構造物。
２．粒子を含む流体が内部を通過する構造物であって、
複数の熱交換配管を、前記流体の流動方向に対して垂直方向に一定間隔で離隔して設置してなる熱交換配管群と、前記熱交換配管群の伝熱面に気体を吹き付けるスーツブローを備え、
前記熱交換配管群が前記スーツブローを挟んで２つ形成されており、
流体の上流側の前記熱交換配管群の熱交換配管が、前記スーツブローから噴きつける気体を受ける面にそれぞれプロテクターを有する構造物。
３．前記プロテクターが、凹部が前記スーツブローに向いた湾曲部材、凹部が前記スーツブローに向いたＶ字部材、又は凹部が前記スーツブローに向いたコの字部材である１又は２に記載の構造物。
４．前記粒子が灰粒子及び／又は砂粒子であり、前記流体が気体であって、ボイラの熱交換部である１〜３のいずれかに記載の構造物。
本発明によれば、安価で簡単な構造で摩耗防止効果を長期間継続するプロテクターが提供できる。
本発明の構造物は、粒子を含む流体が内部を通過する構造物であって、複数の熱交換配管を、流体の流動方向に対して垂直方向に一定間隔で離隔して設置してある熱交換配管群と、熱交換配管群の伝熱面に気体を吹き付けるスーツブローを備え、熱交換配管が、スーツブローから噴きつける気体（スーツブローガス）を受ける面にそれぞれプロテクターを有する。
本発明の構造物は、好ましくはボイラ（循環流動層ボイラ、微粉炭ボイラ等）、燃焼炉、焼却炉等の熱交換配管のスーツブロー部（熱交換配管のスーツブローガスを受ける部分）である。
本発明の構造物は、好ましくはボイラ（循環流動層ボイラ、微粉炭ボイラ等）、燃焼炉、焼却炉等の熱交換配管のスーツブロー部（熱交換配管のスーツブローガスを受ける部分）である。
本発明の構造物中は、粒子を含む流体が内部を通過しているが、当該流体は好ましくは気体である。
また、流体中の粒子は、例えば灰粒子や砂粒子が含まれる。粒子が灰（石炭灰）である場合、粒径は例えば５〜６０μm程度であり、粒子が砂の場合は粒径は例えば１００μｍ以上である。
また、流体中の粒子は、例えば灰粒子や砂粒子が含まれる。粒子が灰（石炭灰）である場合、粒径は例えば５〜６０μm程度であり、粒子が砂の場合は粒径は例えば１００μｍ以上である。
図１は、本発明の一実施形態を示す図である。
図１において、複数の熱交換配管１０は、流体の流動方向に対して垂直方向に１列に配され、さらに当該列を流体の流動方向に複数配して熱交換配管群を形成している。熱交換配管群は、スーツブロー３０を間に介して２つ形成されており、これら２つの熱交換配管群について、スーツブロー３０に面する２列の熱交換配管はプロテクター２０を有する。
２つの熱交換配管群に挟まれた円筒状のスーツブロー３０は、その円筒の先端部分に噴射口を有しており、当該噴射口からスーツブローガスを吹き付け、熱交換配管１０の伝熱面に付着した汚れを落とす機能を有する。また、スーツブロー３０は、配管自体が回転しながら熱交換配管群の間を熱交換配管の列に沿って（図１の左右方向）に移動することもできる。
本発明の構造物では、熱交換配管にプロテクターを設けることによって、スーツブローの熱交換配管の汚れを落とす機能を低下させることなく、熱交換配管の摩耗を防ぐことができる。また、プロテクター自体の摩耗も小さいため、長期間（例えば数年）熱交換配管の摩耗防止効果を維持することができる。
図１において、複数の熱交換配管１０は、流体の流動方向に対して垂直方向に１列に配され、さらに当該列を流体の流動方向に複数配して熱交換配管群を形成している。熱交換配管群は、スーツブロー３０を間に介して２つ形成されており、これら２つの熱交換配管群について、スーツブロー３０に面する２列の熱交換配管はプロテクター２０を有する。
２つの熱交換配管群に挟まれた円筒状のスーツブロー３０は、その円筒の先端部分に噴射口を有しており、当該噴射口からスーツブローガスを吹き付け、熱交換配管１０の伝熱面に付着した汚れを落とす機能を有する。また、スーツブロー３０は、配管自体が回転しながら熱交換配管群の間を熱交換配管の列に沿って（図１の左右方向）に移動することもできる。
本発明の構造物では、熱交換配管にプロテクターを設けることによって、スーツブローの熱交換配管の汚れを落とす機能を低下させることなく、熱交換配管の摩耗を防ぐことができる。また、プロテクター自体の摩耗も小さいため、長期間（例えば数年）熱交換配管の摩耗防止効果を維持することができる。
図１が示すように、プロテクター２０を有する熱交換配管１０は、スーツブロー３０に面する熱交換配管だけでよい。また、図２が示すように、スーツブロー３０に面する１列目及び２列目まででもよい。
このように構造物中の熱交換配管は、全てがプロテクターを有する必要はなく、スーツブローのスーツブローガスが強く当たる部分にのみプロテクターを設けるだけでよい。
このように構造物中の熱交換配管は、全てがプロテクターを有する必要はなく、スーツブローのスーツブローガスが強く当たる部分にのみプロテクターを設けるだけでよい。
図３は、本発明の他の実施形態を示す図である。
図３の構造物では、２つの熱交換配管群のうちの流体流動方向の上流側の熱交換配管群であって、スーツブロー３０に面する１列の熱交換配管のみがプロテクター２０を有する。
その他、複数の熱交換配管１０が、流体の流動方向に対して垂直方向に１列に配され、さらに当該列を流体の流動方向に複数配して熱交換配管群を形成しており、２つの熱交換配管群に円筒状のスーツブロー３０が挟まれていることは図１と同じである。
図３の構造物では、２つの熱交換配管群のうちの流体流動方向の上流側の熱交換配管群であって、スーツブロー３０に面する１列の熱交換配管のみがプロテクター２０を有する。
その他、複数の熱交換配管１０が、流体の流動方向に対して垂直方向に１列に配され、さらに当該列を流体の流動方向に複数配して熱交換配管群を形成しており、２つの熱交換配管群に円筒状のスーツブロー３０が挟まれていることは図１と同じである。
２つの熱交換配管群のうち、流体の流動方向の下流側の熱交換配管群は、流動方向上流側の熱交換配管に比べ、流体自体の流動によって伝熱面に汚れが溜まりにくい傾向にある。従って、スーツブローガスによる汚れ除去も大きな風圧を必要とせず、流動方向上流側の熱交換配管群に比べ、スーツブローとの距離を長くとることができる。長く距離をとることにより、スーツブローガスによる熱交換配管の摩耗を低減することができ、プロテクターの設置を省略することができる。
図４はプロテクターが設けられた熱交換配管の斜視図及び概略断面図である。
図４に示すように、プロテクターは熱交換配管の延伸方向に沿って設けられており、配管をスーツブローのスーツブローガスから保護している。熱交換配管に設けられるプロテクターは、好ましくは湾曲部材（図４の半円）、Ｖ字部材、及びコの字部材のいずれかである。プロテクターが湾曲部材、Ｖ字部材及びコの字部材である場合、これらの凹部がスーツブローに向くように設ける。また、プロテクターがＶ字部材及びコの字部材である場合、先端が内側に屈曲していてもよい。
図４に示すように、プロテクターは熱交換配管の延伸方向に沿って設けられており、配管をスーツブローのスーツブローガスから保護している。熱交換配管に設けられるプロテクターは、好ましくは湾曲部材（図４の半円）、Ｖ字部材、及びコの字部材のいずれかである。プロテクターが湾曲部材、Ｖ字部材及びコの字部材である場合、これらの凹部がスーツブローに向くように設ける。また、プロテクターがＶ字部材及びコの字部材である場合、先端が内側に屈曲していてもよい。
熱交換配管に設けられるプロテクターは、平板でもよいが、プロテクターが平板である場合、プロテクター自体の摩耗が大きく、プロテクターの交換頻度が高くなって、コストが上昇するおそれがある。一方、プロテクターが上記Ｖ字部材、湾曲部材、コの字部材である場合、プロテクター自体の摩耗が小さく、プロテクターの交換頻度を低くすることができ、コストを抑えることができる。
特にＶ字部材及び湾曲部材であれば、Ｖ字部材は平板を２枚張り合わせることで製造でき、湾曲部材は円筒部材を２つに分割することで製造できることから、製造が容易であるため、コスト面からプロテクターとして特に好ましい。また、市販のＬ字部材をそのまま使用することも可能でありコストを抑えることができる。
特にＶ字部材及び湾曲部材であれば、Ｖ字部材は平板を２枚張り合わせることで製造でき、湾曲部材は円筒部材を２つに分割することで製造できることから、製造が容易であるため、コスト面からプロテクターとして特に好ましい。また、市販のＬ字部材をそのまま使用することも可能でありコストを抑えることができる。
プロテクターは、好ましくはその端部に堰を有する。
図５は、プロテクターがＶ字部材である場合の、堰を有するプロテクターの斜視図である。尚、図５では堰は片方の端部のみに配されているが、好ましくは両端部に堰を有する。
プロテクターがその端部に堰を有することで、流体中に含まれる粒子が当該端部から漏れ出て、熱交換配管や、その周辺部に衝突して浸食することを防ぐことができる。
図５は、プロテクターがＶ字部材である場合の、堰を有するプロテクターの斜視図である。尚、図５では堰は片方の端部のみに配されているが、好ましくは両端部に堰を有する。
プロテクターがその端部に堰を有することで、流体中に含まれる粒子が当該端部から漏れ出て、熱交換配管や、その周辺部に衝突して浸食することを防ぐことができる。
プロテクターの構成材料は、設置場所によって適宜選択すればよく、例えば循環流動層ボイラの熱交換配管である場合、プロテクターの材料として、雰囲気ガス温度に耐えるステンレス鋼が選択でき、炭素鋼のような安価な材料であっても十分な熱交換配管の摩耗防止効果が得られる。
図６は、プロテクターが設けられた熱交換配管の断面図である。
プロテクターの幅は、好ましくは配管の外径の０．９〜１．１倍である。また、プロテクターの高さは、好ましくは配管の管径（内径）０．５倍〜１．１倍である。
例えば図６が示すように、Ｖ字部材を備える熱交換配管の外径が０．０５ｍの場合、当該Ｖ字部材の高さは０．０３５ｍであり、Ｖ字部材の幅は０．０５ｍである
尚、コスト低減と交換容易化のため、図６に示すように、プロテクターの熱交換配管への設置は、例えば熱交換配管に半割り管プロテクター（半円状プロテクター）をバンド巻固定して、溶接することで取付け固定するとよい。この場合であっても、好ましいプロテクター幅及び高さ等に変化はない。
プロテクターの幅は、好ましくは配管の外径の０．９〜１．１倍である。また、プロテクターの高さは、好ましくは配管の管径（内径）０．５倍〜１．１倍である。
例えば図６が示すように、Ｖ字部材を備える熱交換配管の外径が０．０５ｍの場合、当該Ｖ字部材の高さは０．０３５ｍであり、Ｖ字部材の幅は０．０５ｍである
尚、コスト低減と交換容易化のため、図６に示すように、プロテクターの熱交換配管への設置は、例えば熱交換配管に半割り管プロテクター（半円状プロテクター）をバンド巻固定して、溶接することで取付け固定するとよい。この場合であっても、好ましいプロテクター幅及び高さ等に変化はない。
実施例１
本発明のプロテクターの摩耗防止効果を確認するため、以下に示す解析を行った。
流動解析ソフトＦｌｕｅｎｔ（フルエント）（アンシス・ジャパン株式会社製）を用いて、図７に示すスーツブロー部について、ＬＥＳ（Ｌａｒｇｅ Ｅｄｄｙ Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ）による流動及び粒子追跡衝突解析を行い、熱交換配管及びプロテクターの摩耗を解析した。尚、図７は、スーツブロー部の熱交換配管がプロテクターを有さない場合を示す。
具体的には、以下の条件を設定し、それぞれ解析した。得られた結果を図８に示す。
本発明のプロテクターの摩耗防止効果を確認するため、以下に示す解析を行った。
流動解析ソフトＦｌｕｅｎｔ（フルエント）（アンシス・ジャパン株式会社製）を用いて、図７に示すスーツブロー部について、ＬＥＳ（Ｌａｒｇｅ Ｅｄｄｙ Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ）による流動及び粒子追跡衝突解析を行い、熱交換配管及びプロテクターの摩耗を解析した。尚、図７は、スーツブロー部の熱交換配管がプロテクターを有さない場合を示す。
具体的には、以下の条件を設定し、それぞれ解析した。得られた結果を図８に示す。
［解析条件］
スーツブローガス流速：６０ｍ／ｓ
ガス密度：０．８３４ｋｇ／ｍ３
粘度：０．０００２９１Ｐａ・ｓ、
粒子密度：８００ｋｇ／ｍ３
粒子流量：０．１ｋｇ／ｓ
粒子径：１０μｍ
摩耗計測時間：０．１〜１．１ｓｅｃの１秒間計測
（摩耗計測時間＝粒子飛散時間）
スーツブローガス流速：６０ｍ／ｓ
ガス密度：０．８３４ｋｇ／ｍ３
粘度：０．０００２９１Ｐａ・ｓ、
粒子密度：８００ｋｇ／ｍ３
粒子流量：０．１ｋｇ／ｓ
粒子径：１０μｍ
摩耗計測時間：０．１〜１．１ｓｅｃの１秒間計測
（摩耗計測時間＝粒子飛散時間）
図８に示すように、摩耗の最大値はプロテクター無しに比べ、半円、Ｖ字、コの字、先端が内側に屈曲のいずれのプロテクターともに１／２〜１／３となった。また、摩耗を面積で合計した値（積分値）は半円に比べＶ字、コの字、先端が内側に屈曲した形状では２〜５割小さい値であり、より摩耗が少なくなっていることが分かった。
実施例２
熱交換配管が有するプロテクターの端部に堰を有する場合の、当該堰の効果を確認する解析を行った。
流動解析ソフトＦｌｕｅｎｔ（フルエント）を用いて、図９に示すスーツブロー部について、ＬＥＳ（Ｌａｒｇｅ Ｅｄｄｙ Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ）による流動及び粒子追跡衝突解析を行い、プロテクター端部近傍の熱交配管及び側壁面の摩耗度合いを解析した。図９のスーツブロー部の熱交換配管は、一方の端部に堰を有し、他方の端部が堰を有さないＶ字部材からなるプロテクターである。
具体的には、以下の条件を設定し、それぞれ解析した。得られた結果を図１０に示す。
熱交換配管が有するプロテクターの端部に堰を有する場合の、当該堰の効果を確認する解析を行った。
流動解析ソフトＦｌｕｅｎｔ（フルエント）を用いて、図９に示すスーツブロー部について、ＬＥＳ（Ｌａｒｇｅ Ｅｄｄｙ Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ）による流動及び粒子追跡衝突解析を行い、プロテクター端部近傍の熱交配管及び側壁面の摩耗度合いを解析した。図９のスーツブロー部の熱交換配管は、一方の端部に堰を有し、他方の端部が堰を有さないＶ字部材からなるプロテクターである。
具体的には、以下の条件を設定し、それぞれ解析した。得られた結果を図１０に示す。
［解析条件］
ガス流速：１００ｍ／ｓ
ガス密度：０．８３４ｋｇ／ｍ３
粘度：０．０００２９１Ｐａ・ｓ
粒子密度：８００ｋｇ／ｍ３
粒子流量：０．０５ｋｇ／ｓ
粒子径：５０μｍ
粒子飛散時間：０．１〜１．１ｓｅｃの１秒間計測
ガス流速：１００ｍ／ｓ
ガス密度：０．８３４ｋｇ／ｍ３
粘度：０．０００２９１Ｐａ・ｓ
粒子密度：８００ｋｇ／ｍ３
粒子流量：０．０５ｋｇ／ｓ
粒子径：５０μｍ
粒子飛散時間：０．１〜１．１ｓｅｃの１秒間計測
熱交換配管が有するプロテクターの端部に堰がある場合は、熱交換配管が有するプロテクターの端部に堰が無い場合に比べ、プロテクター端部周辺の熱交配管及び側壁面の摩耗は１／１０以下になった。
実施例３
図１１に示すように、図３と同様の熱交換配管群及びスーツブローを備えるスーツブロー部を備える循環流動床ボイラを運用した結果、当該熱交換配管群は、プロテクターを有さない熱交換配管群に比べ、１列目及び２列目以降の熱交換配管の摩耗を防止することができた。
また、熱交換配管群が有するＶ字部材プロテクター自体も摩耗が少なく長く防護効果が続き、当該プロテクターの交換は、１０年以上に渡って不要であった。
図１１に示すように、図３と同様の熱交換配管群及びスーツブローを備えるスーツブロー部を備える循環流動床ボイラを運用した結果、当該熱交換配管群は、プロテクターを有さない熱交換配管群に比べ、１列目及び２列目以降の熱交換配管の摩耗を防止することができた。
また、熱交換配管群が有するＶ字部材プロテクター自体も摩耗が少なく長く防護効果が続き、当該プロテクターの交換は、１０年以上に渡って不要であった。
本発明のプロテクターは、摩耗防止のためにボイラ等の配管に用いることができる。
１０ 熱交換配管
２０ プロテクター
３０ スーツブロー
２０ プロテクター
３０ スーツブロー
Claims (4)
- 粒子を含む流体が内部を通過する構造物であって、
複数の熱交換配管を、前記流体の流動方向に対して垂直方向に一定間隔で離隔して設置してなる熱交換配管群と、前記熱交換配管群の伝熱面に気体を吹き付けるスーツブローを備え、
前記熱交換配管が、前記スーツブローから噴きつける気体を受ける面にそれぞれプロテクターを有する構造物。 - 粒子を含む流体が内部を通過する構造物であって、
複数の熱交換配管を、前記流体の流動方向に対して垂直方向に一定間隔で離隔して設置してなる熱交換配管群と、前記熱交換配管群の伝熱面に気体を吹き付けるスーツブローを備え、
前記熱交換配管群が前記スーツブローを挟んで２つ形成されており、
流体の上流側の前記熱交換配管群の熱交換配管が、前記スーツブローから噴きつける気体を受ける面にそれぞれプロテクターを有する構造物。 - 前記プロテクターが、凹部が前記スーツブローに向いた湾曲部材、凹部が前記スーツブローに向いたＶ字部材、又は凹部が前記スーツブローに向いたコの字部材である請求項１又は２に記載の構造物。
- 前記粒子が灰粒子及び／又は砂粒子であり、前記流体が気体であって、ボイラの熱交換部である請求項１〜３のいずれかに記載の構造物。
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