JP2018508739A - 余熱ボイラ - Google Patents

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Abstract

余熱ボイラ、そのハンマリング装置及び伝熱管取付構造である。本発明の余熱ボイラは、排ガスの入口（2）と排ガスの出口（3）が設けられるボイラ（1）と、ボイラ（1）内に設けられる伝熱管（4）と、ハンマリング装置と、を含み、伝熱管（4）は水平かつ格子配列を用い、表面にフィン（23）が設けられているとともに、支持アセンブリ（5）に対して固定されないように繋がられる。【選択図】 図１

Description

本発明は、ボイラ設備に関し、特に、排ガスから余熱を回収できる余熱ボイラに関する。
現在、例えば、カーボンブラック生産業界、ガラス繊維生産業界、冶金鉄鋼業界、石油業界、 酸・アルカリ製造業界及びセメント業界などの業界で、余熱ボイラを広く用いて、生産製造過程に生じた排ガスから余熱を回収する。
ここに、セメント業界でセメントキルンの排気ガスから余熱を回収できる余熱ボイラを例として、余熱ボイラを説明する。
セメントキルンに合わせて用いられる余熱ボイラには、主にAQCボイラ（Air Quenching Cooler boiler）、PHボイラ（Pre heater boiler）等がある。余熱ボイラの伝熱性能と燃費は伝熱管によって決定される。
伝熱管は、フィンなしの伝熱管（ベア管）とフィン付きの伝熱管（フィン付き管）との2種を含む。
ベア管は外面が滑らかであり、伝熱が迅速であり、排ガスの流れる抵抗力が小さく、消費電力が低く、PHボイラに広く用いられる。PHボイラにおける排ガスは、温度が300℃〜400℃、ダスト濃度が高く、約100g/Nm3であり、該濃度のダストは、300℃〜400℃の該温度域で溶融せず、且つ粒径が極めて細く（平均粒径が10μm以下のダストが80％を占める）、かつ柔らかいので、ベア管を用いる。格子配列とすると流れ方向の伝熱管の間にダストが詰まるので、伝熱性能低下が大きくなる。千鳥配置ではガスの流れが入り乱れるのでこのダスト詰まりが回避されるため千鳥配置が採用されるが、ダストは依然と伝熱管の表面に付着しやすい。従って、PHボイラには、通常ハンマリング装置またはスートブロワを設置することで、伝熱管の表面に付着されるダストをクリーニングする。
一種のハンマリング装置は鉛直に配置された伝熱管の下部をハンマリングする方法を用いる。他種のハンマリング装置は、水平に配置された伝熱管の下部に固定された金具をハンマリングする方法を用いる。しかし、この2種のハンマリング構造において、伝熱管と取付金具とは固着され、両者は相対運動できず、振動が不十分であり、かつ、伝熱管を取り付けるための取付金具は、ハンマリング装置から衝撃力を受け、余熱ボイラの耐久性は弱めてしまう。；またこれら従来のハンマリング装置では、伝熱管のチューブ束全体をハンマリングする場合に、ハンマリング作用を十分に発揮できず、取付金具はハンマリングによる衝撃力に影響されやすく、伝熱管ごとに対して1つのハンマリング装置を配置する場合に、コストが高くなる。
また、ダストクリーニング手段としてはスートブロワもあるが、セメント排ガスのうちのPH塔からのガスはダスト量が多くかつ付着性が高いので、頻繁な作動を要するから、採算性が悪く、広く採用されていない。
フィン付き管は、AQCボイラで採用されている。フィン付き管は熱交換用の面積が大幅に増加し、同等な熱交換性能を得る場合に、伝熱管の数が少なく、ボイラの体積が大幅に降下し、コストも低減する。AQCボイラのフィン付き管は、フィンが通常螺旋状である。AQCボイラにフィン付き管を採用する理由として、AQCボイラに入る前の排ガスはダストコレクターによってろ過され、排ガスの温度は300〜400℃であり、ダストの濃度が数g/Nm3以下に降下するとともに、主に粒径が200μm以下の比較的大きくかつ硬いダストを含み、即ち、ダストは、伝熱管の表面には付着しにくいという特性を有する。AQCボイラは、このようにダストの付着性が低いので通常千鳥配列とし、通常ハンマリング装置を設置する必要はない。
ベア管とフィン付き管を比較すると、ベア管は伝熱が迅速であり、消費電力が低いが、伝熱面積を増加する必要があれば、伝熱管の体積又は数を増加しなければならない、よって、伝熱管、さらにボイラ全体のコストが増加してしまう。フィン付き管は、熱交換性能を大幅に向上させることができるが、伝熱管の表面の平滑性が損害されることで、ダストが付着し易く、付着されたダストは、フィン間を閉塞し、ボイラが安定に運転することができないと同時に、排ガスの流れる抵抗力が大きく、消費電力が高い。現在、普遍的な設計思想は、ベア管については、ハンマリング装置、スートブロワなどのダストクリーニング装置と組合わせ、温度が適正でダストの濃度が大きくダスト粒径が細くかつ付着性の高い排ガスへの余熱ボイラに適用し、また、フィン付き管については、温度が高くダスト濃度が小さく粒径が大きくかつ付着性の低い排ガスへの、ハンマリング装置、スートブロワなどのダストクリーニング装置が不要である、余熱ボイラに適用するものである。
しかし、このような設計思想に基づく従来の以上の様々な余熱ボイラでは、高温、ダスト粒径が極めて細く、かつ付着性の高い排ガス、例えば、フェローシリコン製造電気炉からの排ガスを高い経済性をもって回収することができない。その理由として、フェローシリコン製造電気炉からのガスは、温度が400℃〜450℃、 ダスト濃度が10g/Nm3左右と低く、ダスト粒径が極めて細く（60％の部分が1μm以下）、且つ付着性は高い。該フェローシリコン製造電気炉からの排ガスは温度が高く、ベア管が設けられた余熱ボイラで回収しようとすれば、ベア管の伝熱面積が経済的に十分確保できず、排ガスは、余熱ボイラから排出された後で、依然と高い温度を維持し、熱を十分に回収することができない。同時に、該フェローシリコン製造電気炉からの排ガスはダストの付着性が高く、フィン付き管が設けられたAQC余熱ボイラ構造を採用して回収すれば、伝熱管の間にダストの堆積が激しくなりまた、通常ハンマリング装置が配置されないことから、ダストが絶えず付着するにつれて、余熱ボイラの熱交換性能は絶えずに悪化する。
即ち、市販には、PHボイラ、AQCボイラを含む様々な余熱ボイラがあるが、何れも温度が300℃〜500℃、ダストの濃度が10〜100g/Nm3、ダストの付着性が高い排ガス余熱を有効に回収することができない。従来の技術において、伝熱管のフィン構造とダストクリーニング装置とを組み合わせることで、温度が300℃〜500℃、ダストの濃度が10〜100g/Nm3、ダストの付着性が高い様々な品位の排ガスを有効に回収でき、高い伝熱性能を兼ねる低コストの余熱ボイラが存在しない。
本発明の解決しようとする技術課題の一つは、ハンマリング作用を十分に発揮させ、ダストクリーニング効果を向上させるとともに、ハンマリング力による、周辺金具への衝撃が小さく、設備の耐久性のよい余熱ボイラ及びそのハンマリング装置、伝熱管取付構造を提供することである。
本発明の解決しようとする技術課題のもう一つは、コストを増やさないで高伝熱性能を有し、ダストクリーニング効果がよく、様々な品位の排ガスを回収できる余熱ボイラ及びそのハンマリング装置、伝熱管取付構造を提供することである。
本発明の第1の発明は、伝熱管が、支持アセンブリに対して固定されないように繋げられることを特徴とする余熱ボイラを提供する。従って、ハンマリング装置に伝熱管がハンマリングされるとき、伝熱管は、支持アセンブリに対して相対運動でき、十分にハンマリングすることができ、かつ、伝熱管は、支持アセンブリと固着されていないため、ハンマリング力の支持アセンブリに対する影響は削減されて、設備の耐久性がよい。
1)前記伝熱管が前記支持アセンブリの支持孔部を貫通する。
2)前記伝熱管の軸方向に間隔をおいて2つ以上の支持アセンブリを配置し、1本の前記伝熱管が前記2つ以上の支持アセンブリの対応の2つ以上の支持孔部を貫通する。
3)前記支持アセンブリは、各伝熱管に対応する複数のサポートリングとサポートリングを固定するための支持ビームとを含み、前記サポートリングの孔が前記支持孔部を構成する、又は、前記支持アセンブリは、各伝熱管に対応する貫通孔を有する支持板を含み、前記貫通孔が前記支持孔部を構成する、又は、前記支持アセンブリは、各伝熱管に対応するメッシュを有する棒部材を含み、前記メッシュが前記支持孔部を構成する。本発明の支持アセンブリは、構造が簡単であり、伝熱管の取り付け操作が簡便である。
4)前記伝熱管の表面にフィンが設けられる。
5)前記伝熱管が水平に配置され、前記フィンが前記伝熱管の外周面に垂直に配置されるとともに、前記外周面の全周に沿って径方向に外へ突出するように配置され、前記フィンが前記伝熱管の軸方向に沿って複数配置される。
6)前記伝熱管が垂直に配置され、前記フィンが前記伝熱管の外周面に垂直に配置されるとともに、前記伝熱管の軸方向に沿って突出するように配置され、前記フィンが軸方向に連続しない。
フィンの主な熱交換表面とダストの重力方向とは一致するので、ダストは付着しにくく、かつフィンの主な熱交換表面と排ガスの流れ方向と一致するので、消費電力が低い。
7)前記伝熱管が格子配列であり、同一の水平面内に隣接する複数本の伝熱管が1つの伝熱アセンブリを構成することで、前記余熱ボイラが、上下方向に平行に配置される複数の伝熱アセンブリを含む、または、同一の垂直平面内に隣接する複数本の伝熱管が1つの伝熱アセンブリを構成することで、前記余熱ボイラが垂直方向に平行に配置されている複数の伝熱アセンブリを含み、前記余熱ボイラは、複数のハンマリング装置を含み、1つのハンマリング装置は1つの伝熱アセンブリに対応する。本発明の束に分けてハンマリングする構造では、十分にハンマリング作用を発揮でき、かつ、伝熱管と取付金具に対して負担が掛らず、さらに設備の耐久性を向上させる。
8)前記ハンマリング装置は、伝熱アセンブリ毎に接続されるハンマーロッドと、前記ハンマーロッドを叩くハンマリング装置とを含み、前記ハンマリング装置はハンマーシャフトと、前記ハンマーシャフトに固定されたハンマーと、前記ハンマーシャフトと繋がり、前記ハンマーシャフトを往復回転させるように制御する駆動モーターとを含む。
9)前記ハンマーが前記ハンマーロッドの端部又は側面に対応する。
10)前記余熱ボイラはスートブロワをさらに含む。濃度が低くて粒径が小さいダストを含む排ガスを回収するときに、スートブロワを起動してもよい。
11)前記スートブロワはエアーステーション、コネクチングパイプと複数のエレメントパイプを含み、前記エレメントパイプは水平的に前記伝熱管の上に配置されて、軸線が前記伝熱管の軸線と垂直になり、前記エレメントパイプはランスチューブとつながり、前記ランスチューブの一端はランスチューブを伸縮移動させる制御装置とつながり、各前記エレメントパイプの下部には各伝熱管に対応するガス噴出孔が付けられる。本発明のスートブロワは構造が簡単で、付着性があるダストをフィン付きの伝熱管に詰まらないように有効に対応できる。伝熱管の高伝熱性能が確保されて、ボイラの熱回収率が向上する。
12)前記制御装置は、モーターと、モーターとつながる噛合ギアとを含み、前記ランスチューブの一端はボイラの壁を貫通して、外側に伸びていて、前記ランスチューブの前記一端はスクリュー構造に設けられ、前記噛合ギアは前記スクリュー構造と噛み合い、前記噛合ギアの回転方向は前記モーターの回転方向によって違うことによって、前記ランスチューブの伸縮動作を制御する。
本発明の第2の発明は、排ガスの入口と排ガスの出口が設けられるボイラと、前記ボイラに設けられる伝熱管と、ハンマリング装置と、を含み、前記伝熱管は表面にフィンが設けられているとともに、支持アセンブリに対して固定されないように繋がられることを特徴とする余熱ボイラを提供する。フィン付き管を千鳥配列するとダスト堆積による伝熱効率の低下、閉塞が生じる。格子配列ではガスの流れが確保されるためダストによる閉塞は生じない。流れ方向の伝熱管の間はダストの堆積が生じるもののフィン表面での熱交換が可能なので余熱ボイラ全体としての伝熱性能は確保される。フィンつき管を選択して本発明の伝熱管の取付構造とを組み合わせることで、熱交換性能を大幅に向上させるとともに、コストが増えなくて、ハンマリング作用がさらに十分になる。よって、温度が300℃〜500℃、ダストの濃度が10〜100g/Nm3であり、ダストの付着性が高い様々な品位の排ガスを有効に回収できる。
本発明の第3の発明は、ハンマーシャフトと、前記ハンマーシャフトに固定されたハンマーと、前記ハンマーシャフトと繋がり、前記ハンマーシャフトを往復回転させるように制御する駆動モーターとを含むハンマリング装置を含む余熱ボイラのハンマリング装置であって、複数の隣接する、支持アセンブリに対して固定されないように繋がられる伝熱管に固着されるハンマーロッドをさらに含む余熱ボイラのハンマリング装置を提供する。本発明の束に分けてハンマリングする構造では、十分にハンマリング作用を発揮でき、かつ、伝熱管と取付金具に対して負担を掛らず、さらに設備の耐久性を向上させる。
本発明の第4の発明は、伝熱管が支持アセンブリに対して固定されないように繋げられることを特徴とする余熱ボイラの伝熱管取付構造を提供する。従って、十分にハンマリング作用を発揮でき、かつ、伝熱管と取付金具に対して負担を掛らず、設備の耐久性を向上させる。
上記の内容をまとめ、本発明の余熱ボイラ及びそのハンマリング装置、伝熱管取付構造によって、十分にハンマリング作用を発揮でき、ダストクリーニング効果を向上でき、ハンマリング力による、周辺の金具への衝撃力が小さく、設備の耐久性がよく、かつ、高伝熱性能を有してコストを増えず、様々な品位の排ガスを回収できる。余熱ボイラは、各業界の排ガスに対して回収することができ、汎用性が非常に高い。
図1は、本発明実施形態1の構造の模式図である。 図2は、本発明実施形態1の伝熱管のフィン構造の模式図である。 図3は、本発明実施形態1の伝熱管のフィン構造の模式図である。 図4は、本発明実施形態1の伝熱管のフィン構造の模式図である。 図5は、図1のA−A断面図である。 図6は、本発明実施形態1の伝熱管取付構造の1つの実施例の模式図である（フィンは図示しない）。 図7は、本発明実施形態1の伝熱管取付構造の別の実施例の模式図である（フィンは図示しない）。 図8は、本発明実施形態1のハンマリング装置の模式図である。 図9は、本発明実施形態2の構造の模式図である（ハンマリング装置、スートブロワは図示しない）。 図10は、本発明実施形態2の伝熱管のフィン構造の模式図である。
以下、図を組合わせて、本発明に提出された余熱ボイラ、ハンマリング装置及び伝熱管取付構造を説明する。そのうち、ハンマリング装置と伝熱管取付構造は、余熱ボイラの構成部分であり、ハンマリング装置と伝熱管取付構造に関する各実施例は、余熱ボイラの各実施例に含まれるため、単独に記載しない。本発明の余熱ボイラを、セメント製造業界、カーボンブラック生産業界、ガラス繊維生産業界、冶金鉄鋼業界、石油業界、 酸・アルカリ製造業界及び各業界による排ガスに対して回収する余熱ボイラとすることができる。
（実施形態1）
本発明は、余熱ボイラ、そのハンマリング装置及び伝熱管取付構造を提供する。本発明の主な発明原理は、フィン付きの伝熱管のフィン構造とハンマリング装置とを組合わせることで、共同で工業排ガスにおける高温余熱、高い付着性のダストという課題に対応することによって、例えば、温度が300℃〜500℃、ダストの濃度が10〜100g/Nm3、乾燥状態でダストの付着性が高い様々な品位の排ガスを有効に回収できることにあり、且つ、本発明の余熱ボイラは、高い伝熱性能、低コスト、有効に付着ダストを除去するという特性を兼ねる。
図1に示すように、本実施形態の余熱ボイラは、縦型構造であり、該余熱ボイラは、ボイラ1を含む。ボイラ1の上部と下部にそれぞれ排ガス入口2と排ガス出口3を設置する。
本発明の重要な構成要件の一つとして、ボイラ1内に、フィン23付きの伝熱管4が複数設けられる。伝熱管4を水平かつ格子配列にし、このような設置の理由は、排ガスが矢印のように上から下に均一に流れる過程で、フィン23間に堆積するダストを吹き流すことで、ガスにおける熱量のうちの伝熱管4への伝熱量が明らかに増えて、ボイラ全体が排ガスに対して熱を回収する效率も向上するためである。フィン23付きの伝熱管4を用いることで、熱交換面積を有効に増加し、熱交換性能を向上させるとともに、コストを増えないようにすることができる。図2〜4に示すように、フィン23は伝熱管4の外周面に垂直し、かつ、その外周面に径方向に外へ突出するように配置される。各伝熱管4の外周に、長手方向である軸方向に沿って間隔を置いて複数のフィン23が設置される。好ましい実施例において、図2に示すように、フィン23は伝熱管4の外周の全周に設けられ、即ち、フィン23は、 無端環状フィンであり、フィン23が伝熱管4の外周面に垂直に巻き付けられるため、フィン23の主な熱交換表面とダストの重力方向と一致するため、ダストは、フィン23間で堆積しにくく、かつ、排ガスの流れ方向もフィン23の設置方向と一致し、消費電力が小さい。無端環状のフィン23で、熱交換面積を最大化にすることができ、伝熱管4の長手方向に配置されたフィン23の数及び間隔、フィン23の高さと厚さを変更することによって、熱交換面積を調整することができる。別の実施例において、図3、4に示すように、無端環状のフィン23を不連続的な2つ以上の扇形状のフィンに置換することができ、このようなフィン23の場合に、熱交換面積が減少するが、扇形状のフィン間の隙間24を、排ガスが通過し流れることができるため、ある程度、排ガスにおける熱の、伝熱管4に伝達された伝達量を増加することができる。
本発明の重要な構成要件のもう一つとして、ハンマリング装置に関する伝熱管取付構造がある。図1、5に示すように、本発明の1つの実施例において、伝熱管4の軸方向に間隔をおいて2つ以上の支持アセンブリを配置し、1本の伝熱管4は、前記2つ以上の支持アセンブリの対応の2つ以上の支持孔部を貫通する。もちろん、伝熱管4の軸方向の中央部に、1つの支持アセンブリを配置し、伝熱管4の両端を、他の支持物件で動き可能に支持してもよい。好ましい実施例において、伝熱管4を支持する支持アセンブリは、各伝熱管4のそれぞれに対応する複数のサポートリング5と、これらのサポートリング5を固定するための支持ビーム8とを、含む。サポートリング5の孔は、支持孔部を構成する。伝熱管4を格子配列にする場合に、サポートリング5も格子配列になる。伝熱管4の長手方向に間隔をおいて2つ以上の支持アセンブリを設け、1本の伝熱管4は、各支持アセンブリの対応のサポートリング5を貫通する。このように、伝熱管4は、支持アセンブリのサポートリング5に対して固定されず繋がり、伝熱管4の外周面とサポートリング5の内周面との間の隙間は、両者を相対移動させる隙間を構成する。本実施形態における伝熱管の取付構造によって、伝熱管4は移動自在に取り付けられ、ハンマリング装置のハンマリング作用で、伝熱管4はサポートリング5に対して相対運動可能であり、十分なハンマリング作用を発揮できるとともに、ハンマリング衝撃力も支持アセンブリに負担を掛からず、設備の耐久性が向上する。
もう一つの好ましい実施例において、図6に示すように、支持アセンブリは、伝熱管4の長手方向に間隔をおいて設置される2つ以上の支持板51を含み、各支持板51に、各伝熱管4に対応する貫通孔52が設けられ、1本の伝熱管4は、複数の支持板51の対応の貫通孔52を貫通し、該貫通孔52は支持孔部を構成し、支持板51は、排ガスの流れ方向と一致し、消費電力が小さい。
以上の2つの実施例において、伝熱管4とサポートリング5、貫通孔52が動くことができるように取付けられる構造が提供されている。想定できるように、別の実施例において、図7に示すように、メッシュ53を有する金属製のロッド部材54で伝熱管4を動くことができるように支持してもよい。該メッシュ53は支持孔部を構成し、メッシュ53のサイズを伝熱管4の外周面のサイズよりも大きくすればよい。もちろん、伝熱管4を動くことができるように支持する支持アセンブリは、以上に列挙されている構造に限らず、伝熱管4を動くことができるように取り付けることができる構造であれば、採用することができる。極端な場合として、金属チェーンを用いて伝熱管をボイラ内に吊り下げることもできる。ここで、他の場合を詳細に列挙しない。
発明者は、セメントキルンのPH塔からの排ガスを、PHボイラを想定した試験装置に流す試験を実施した。フィン23付きの伝熱管4は外径がφ38mm、伝熱管4は水平格子配列、ガス流れ方向に垂直な垂直方向のピッチが90mm、ガス流れ方向におけるピッチが90mm、フィン23は高さが21mm、厚さが1.2mmであり、伝熱管4の内部は温水で冷却した。ここでは、ダストの堆積挙動を確認するために、ダストクリーニング装置は設けていない。フィン23ピッチを変えて排ガスを流し伝熱管のドラフトロス、伝熱管4の汚れの挙動を試験し、伝熱性能も同時に確認した。試験の結果、フィン23のピッチを15mm以上、例えば15-18mmとすることで、従来のPHボイラ構造（伝熱管はベア管外径φ38の垂直千鳥配列、ガス直角方向ピッチ90mm、ガス流れ方向ピッチ78mm）と同程度のダスト堆積挙動（定常状態の圧損と初期の圧損比で評価）が得られることを確認した。かつ、伝熱管4の配列構造、フィン23のピッチを最適化することでダストの堆積量は飽和し、ダストクリーニング装置と組み合わせることで高ダスト排ガス条件での安定操業が可能であることが確認できた。
1つの実施例において、本発明の余熱ボイラにはハンマリング装置を配置せず、人工でハンマリングしてダストクリーニングしてもよい。好ましい実施例において、本発明の余熱ボイラにはハンマリング装置を配置する。ハンマリング装置は、従来の技術における任意のハンマリング装置を用いてもよい。本発明における伝熱管取付構造によれば、従来の伝熱管取付構造に対して、任意の従来のハンマリング装置を用いても、向上されたハンマリング効果を得ることができる。本発明の1つの好ましい実施例において、本発明の特別に設計されたハンマリング装置を用いて、伝熱管4を束に分けてハンマリングする。
先ず、伝熱管4を束に分ける。具体的な束分けの方式は、伝熱管4が水平かつ格子配列である場合に、同一の垂直平面内の上下隣接する複数の伝熱管4を1つの伝熱アセンブリ9に構成し、この場合に、余熱ボイラは、図1に示すように、垂直方向に平行する伝熱アセンブリ9を複数含む。また同一の水平面内の隣接する複数本の伝熱管4を選択して1つの伝熱アセンブリ9を構成することもできる、もちろん、伝熱管4を千鳥配置にする場合に、ある斜面内の隣接する複数の伝熱管を1つの伝熱アセンブリに構成することができ、この場合に余熱ボイラは、該傾斜方向に平行な伝熱アセンブリを複数含む。
ここで、本発明の、該束分けされた伝熱管に対してハンマリングするハンマリング装置を説明する。
本発明の余熱ボイラのハンマリング装置は、伝熱アセンブリ9に接続されるハンマーロッド6と、ハンマーロッド6を叩き可能なハンマリング装置7とを含む。伝熱アセンブリ9毎に、ハンマーロッド6を一本設置する。ハンマリング装置7は水平配列されるハンマーシャフト10と、ハンマーシャフト10に固定されたハンマー11と、ハンマーシャフト10に繋がりハンマーシャフト10を所定の速度で往復回動させるように制御可能な駆動モーター12と、を含む。各ハンマー11はそれぞれハンマーロッド6の上部或いは側面に配置される。このような構造により、一つのハンマー11は一つのハンマーロッド6に対応し、多数のハンマー11はハンマーシャフト10の回転動作に従って一致して作動するため、各伝熱アセンブリ9に対するダストクリーニングは有効的に実現できるため、伝熱管4及びフィン23にダスト詰りを避けると共に、高い濃度のダストクリーニングも保証できる。
想定できるように、1つの実施例において、ハンマー11はハンマーロッド6を叩かず、支持アセンブリに対応してもよく、即ち、支持アセンブリ、例えば、支持板51をハンマリングすることで、よいハンマリング効果を得ることもできる。設計空間が限られた余熱ボイラに対して、支持板を叩くことも、ハンマリング装置の設計に対する選択を提供している。
1つの実施例において、上記のように、伝熱アセンブリ9により伝熱管4を束に分ける方式に限らず、ハンマーロッド6は、任意の複数の隣接する又は隣接しない伝熱管4と接続してもよく、この場合に、ハンマーロッド6の具体的な形状を変更すればよく、例えば、図5における右上の隣接する四本の伝熱管4は、1本の矩形のハンマーロッド6に接続することで、束に分けてハンマリングすることができる。詳細はここで省略する。
従来のセメントプラントのPHボイラのハンマリング装置がチューブ束全体をハンマリングするという構造に対して、本発明の、各チューブ束である伝熱アセンブリ9をハンマリングするという方式で、ハンマリング効果をさらに十分に得ることができる。束に分けてハンマリングするハンマリング衝撃力は、伝熱管4と取付金具に対して負担を掛からず、耐久性がよりよい。
発明者は、実物の大きさと同様なハンマリング装置にて耐久試験及び振動測定を実施した。セメントキルンのPH塔からの排ガスを、PHボイラを想定した試験装置に流す試験にて言及された伝熱管4の配置構造、フィン23のピッチを採用して、伝熱管4に接続されるハンマーロッド6を上方から叩く試験及び側面から横方向にハンマーロッド6を叩く試験を行った。ハンマリング力の異なる3種のハンマー（大中小）を用いてハンマーロッド6を叩いた。振動計測により大のハンマーで装置を破壊する衝撃力を生じること、どのハンマーでも従来のPHボイラよりも大きい伝熱管の振動を得られることを確認した。耐久試験において、100万回以上の連続的な打撃に対して耐久性を有することを確認した。且つ、該構造で最適なハンマーを選択することで、よりよいダストクリーニング性能を得られるとともに、安定操業が可能であることを確認した。
濃度が低くて粒度が小さいダストに対応でき、例えば、フェローシリコン製造電気炉のダストの濃度が10g/Nm3の排ガスに対して熱回収するために、本発明の好ましい実施例において、必要な場合にハンマリング装置を代替してダストクリーニングするために、さらに、スートブロワを配置することができる。スートブロワについて、従来の技術におけるスートブロワを採用することができる。
本発明の好ましい実施例において、図1、5に示すように、スートブロワ13は、エアーステーション14と、コネクチングパイプ15と、エレメントパイプ16と、ランスチューブ18と、制御装置20とを含む。エレメントパイプ16は水平的に伝熱管4の上に配置されて、軸線が伝熱管4の軸線と垂直し、エレメントパイプ16は水平に配置されるランスチューブ18とつながり、ランスチューブ18の一端はランスチューブ18を伸縮移動させる制御装置20とつながり、各エレメントパイプ16の下面には間隔をあけて配置されるガス噴出孔17を付けている。エレメントパイプ16は角度が調節可能である。
制御装置20は、モーター21と、モーター21とつながる噛合ギア22とを含む。ランスチューブ18の一端はボイラの壁19を貫通して、ボイラの壁19の外側に伸びていて、該一端の構造はスクリュー構造であり、噛合ギア22はスクリュー構造と噛み合い接続し、噛合ギア22の回転方向はモーター21の回転方向によって違うことによって、ランスチューブ18の伸縮動作を制御する。この構造は簡単で、ランスチューブ18が動作してエレメントパイプ16を連動させるとき、性能が安定かつ確実であり、故障しにくい。スートブロワ13が動作する必要があるとき、制御部材20によって、ランスチューブ18を伸縮移動させるように制御し、ついでにエレメントパイプ16を前後移動させて、エレメントパイプ16上のガス噴出孔17は上から下へ高圧ガスを噴出し、伝熱管4及びフィン23上に堆積されるダストをクリーニングする。
本発明では、伝熱管4の上に移動式のスートブロワ13を設置することで、伝熱管4に対し下向きのブローをする。本発明のスートブロワ13は構造が簡単で、フィン23付きの伝熱管4上の付着性があるダストを有効に対応でき、伝熱管の高伝熱性能が確保されて、ボイラの熱回収率が向上する。
本発明において、ハンマリング装置とスートブロワが有効に動作できるため、伝熱管4にフィン23を設置することができる。フィン23を設置することによって、伝熱管4の体積又は数を増加しない状況で、伝熱面積を有効に増加し、伝熱性能を向上させるとともに、伝熱管及びボイラ全体のコストを有効に低減した。
高温又は超高温の排ガスを回収するために、好ましい実施例において、さらに伝熱アセンブリ9、即ち伝熱管の数をさらに増加することで、ボイラ内伝熱管の伝熱面積を増加し、余熱ボイラの全体の熱回収効率を向上させた。
もちろん、別の実施例において、本発明の伝熱管取付構造を採用すると同時に、従来のハンマリング装置で余熱ボイラの全ての伝熱管のチューブ束全体をハンマリングすることで、向上されたハンマリング効果を得られることが当然である。
本発明の余熱ボイラでは、従来の技術における、ダストに対応するために、伝熱管のフィン構造とハンマリング装置とを組合わせないという技術偏見を克服し、フィン構造を設置するとともにハンマリング装置とスートブロワを組合わせることで、高温、超高温、各種の濃度の高付着性のダストを含む排ガスに対して回収する、高伝熱性能、低コスト、運転安定な余熱ボイラを得られる。水平に配置されるフィン付きの伝熱管を用いて、かつ、各伝熱管4は平行に配置される（格子配列）。濃度が高く、粒径が大きいダストに対して、ハンマリング装置のハンマーロッドで所定数の伝熱管の端部を固定して繋がってから、該ハンマーロッドの最上部又は側面をハンマリングすることで、1つのハンマリング装置のみを設置し複数本の伝熱管に対するハンマリング及びダストクリーニングを実現することができる。濃度が低く、粒径が小さいダスト、例えば、フェローシリコン製造電気炉の排ガスにおけるダストに対して、伝熱管の上に移動式のスートブロワ13を設置することによって、伝熱管毎に下向きのブローを実現する。本発明の余熱ボイラは構造が簡単で、付着性があるダストをフィン付きの伝熱管に詰まらないように有効に対応できる。それにより、伝熱管の高伝熱性能が確保されて、ボイラの熱回収率が向上する。
（実施形態2）
図9〜10に示すように、該実施形態の原理は実施形態1と同様である。伝熱管の取付構造、ハンマリング装置とスートブロワは構造が同様であり、伝熱管を束に分ける方式も同様であり、ここで省略する。相違点として、余熱ボイラを横型に変更し、伝熱管4は、垂直かつ格子配列にし、伝熱管4の下端部をある支持物件50に置くことができる。
図9〜10に示すように、本実施形態において、ボイラ1の左側と右部分にそれぞれ排ガス入口2と排ガス出口3を設置する。伝熱管4は、上下方向に配置された複数の支持板51上の、支持孔部としての複数の貫通孔52（未図示）を順次に貫通する。伝熱管4上のフィン23は伝熱管4の外周面に垂直し、かつ、伝熱管の軸方向に沿って突出して配置される。好ましい実施例において、フィン23を、矢印に示す排ガスの流れ方向とほぼ同様に設置し、即ち、伝熱管4における、排ガスの流れる上流側と下流側との相対の両側にフィン23を設置し、伝熱管における、排ガスの流れ方向に垂直な両側にフィン23を設けないようにすることで、エネルギーロスを避ける。好ましい実施例において、フィン23は軸方向に連続しない、すなわち、伝熱管の長手方向に複数段のフィン23を設置することによって、排ガスは、各フィン23の間の隙間24を貫通し排ガスと伝熱管との間の熱伝達量を増加することができる。かつ、フィン23の間の隙間24を、支持アセンブリと配合するための部位とすることができる。勿論、軸方向に連続するフィン23を選択することもできる。
本実施形態において、伝熱管4を垂直配置するが、伝熱管4の表面及びフィン23の表面は依然とダストの重力方向と一致し、ダストが付着しにくい。ハンマリング装置は、伝熱管4の上端又は支持アセンブリをハンマリングすることができる。
本実施形態に基づいて、実施形態1と同様な効果を得ることができる。ここで、省略する。
（実施形態3）
実施形態1、2を基にして、本実施形態の余熱ボイラは、実施形態1、2と同様な伝熱管の取付構造、ハンマリング装置とスートブロワを採用する。相違点として、実施形態1、2における、フィン付き管を、ベア管に置換し、熱交換性能が低減した以外では、本実施形態によって、依然と優れたハンマリング効果を得られる。従って、300℃〜500℃の高温、ダストの濃度が10〜100g/Nm3、ダストの付着性の高い排ガスを回収するために、従来のPH余熱ボイラを改造することができる。
（実施形態4）
実施形態1、2を基にして、本実施形態の余熱ボイラは、実施形態1、2と同様な伝熱管の取付構造を採用する。相違点として、実施形態1、2におけるフィン付きの伝熱管を、従来の技術における螺旋状のフィンの伝熱管に置換し、即ち、本発明の伝熱管の取付構造を採用して従来の螺旋状フィン付きの伝熱管のAQC余熱ボイラを改造する。本発明の伝熱管の取付構造によって、優れたハンマリング効果を得ることができ、その上、ハンマリング装置とスートブロワを組合わせることで、同様に、300℃〜500℃の高温、ダストの濃度が10〜100g/Nm3、ダストの付着性の高い排ガスを有効に回収することができる。
従来のAQC余熱ボイラについて、自体が通常ハンマリング装置を備えないため、1つの実施例において、AQC余熱ボイラの伝熱管取付構造を本発明の取付構造に置換してから、別途ハンマリング装置を配置してもよい。
（他の変形例）
実施形態1の図2〜4に示す、伝熱管4の外周面に垂直に設けられるとともに外周面に沿って突出するように配置されるフィン23は垂直に配置された伝熱管に適用することもできる。実施形態2の図9〜10に示す、伝熱管4の外周面に垂直に設けられるとともに伝熱管4の軸線方向に沿って突出するように配置されるフィン23は水平に配置された伝熱管に適用することもできる。螺旋状のフィンは垂直に配置された伝熱管又は水平に配置された伝熱管に適用することもできる。
上記のように、本発明の具体的な実施形態に過ぎず、それによって、本発明の実施の範囲を限定できない。本発明の発明内容によって、行われた同等な変化と修飾、例えば、他人が本発明の伝熱管のフィン構造を利用すること、本発明の伝熱管の動き可能な取付構造を利用すること、本発明のハンマリング装置の、束に分けてハンマリングする構造を採用すること、フィン付きの伝熱管とハンマリング装置とを組合わせることとは、全て本発明の特許請求の範囲に属する。

Claims (20)

  1. 排ガスの入口（2）と排ガスの出口（3）が設けられるボイラ（1）と前記ボイラ（1）内に設けられる伝熱管（4）と、を含む余熱ボイラにおいて、前記伝熱管（4）は、支持アセンブリに対して固定されないように繋がられることを特徴とする余熱ボイラ。
  2. 請求項1に記載の余熱ボイラにおいて、前記伝熱管（4）は、前記支持アセンブリの支持孔部を貫通することを特徴とする。
  3. 請求項2に記載の余熱ボイラにおいて、前記伝熱管（4）の軸方向に間隔をおいて2つ以上の支持アセンブリを配置し、1本の前記伝熱管（4）は、前記2つ以上の支持アセンブリの対応の2つ以上の支持孔部を貫通することを特徴とする。
  4. 請求項3に記載の余熱ボイラにおいて、前記支持アセンブリは、各伝熱管（4）に対応する複数のサポートリング（5）と前記サポートリングを固定するための支持ビーム（8）とを含み、前記サポートリング（5）の孔が前記支持孔部を構成する、又は、前記支持アセンブリは、各伝熱管に対応する貫通孔（52）を有する支持板（51）を含み、前記貫通孔（52）が前記支持孔部を構成する、又は、前記支持アセンブリは、各伝熱管（4）に対応するメッシュ（53）を有する棒部材（54）を含み、前記メッシュ（53）が前記支持孔部を構成することを特徴とする。
  5. 請求項1〜4の何れか1項に記載の余熱ボイラにおいて、前記伝熱管（4）の表面にフィン（23）が設けられていることを特徴とする。
  6. 請求項5に記載の余熱ボイラにおいて、前記伝熱管（4）が水平に配置され、前記フィン（23）が前記伝熱管（4）の外周面に垂直に設けられるとともに、前記外周面の全周に沿って径方向に外へ突出するように配置され、且つ、前記フィン（23）が前記伝熱管（4）の軸方向に沿って複数配置される、又は前記フィンが螺旋状フィンであることを特徴とする。
  7. 請求項1〜5の何れか1項に記載の余熱ボイラにおいて、前記伝熱管（4）が垂直に配置され、前記フィン（23）が前記伝熱管（4）の外周面に垂直に設けられるとともに、前記伝熱管（4）の軸方向に沿って突出するように配置され、前記フィン（23）が軸方向に連続しない、又は前記フィンが螺旋状フィンであることを特徴とする。
  8. 請求項6又は7に記載の余熱ボイラにおいて、前記伝熱管（4）が格子配列であり、同一の水平面内に隣接する複数本の伝熱管（4）が1つの伝熱アセンブリ（9）を構成することで、前記余熱ボイラが、上下方向に平行に配置される複数の伝熱アセンブリ（9）を含む、または、同一の垂直平面内に隣接する複数本の伝熱管（4）が1つの伝熱アセンブリ（9）を構成することで、前記余熱ボイラが垂直方向に平行に配置されている複数の伝熱アセンブリ（9）を含み、前記余熱ボイラは、複数のハンマリング装置を含み、1つのハンマリング装置は1つの伝熱アセンブリ（9）に対応することを特徴とする。
  9. 請求項8に記載の余熱ボイラにおいて、前記ハンマリング装置は、伝熱アセンブリ（9）毎に接続されるハンマーロッド（6）と、前記ハンマーロッド（6）を叩くハンマリング装置（7）とを含み、前記ハンマリング装置（7）はハンマーシャフト（10）と、前記ハンマーシャフト（10）に固定されたハンマー（11）と、前記ハンマーシャフト（10）と繋がり、前記ハンマーシャフト（10）を往復回転させるように制御する駆動モーター（12）とを含むことを特徴とする。
  10. 請求項8に記載の余熱ボイラにおいて、前記ハンマー（11）が前記ハンマーロッド（6）の端部又は側面に対応することを特徴とする。
  11. 請求項1に記載の余熱ボイラにおいて、スートブロワ（13）をさらに含むことを特徴とする。
  12. 請求項11に記載の余熱ボイラにおいて、前記スートブロワ（13）はエアーステーション（14）、コネクチングパイプ（15）と複数のエレメントパイプ（16）を含み、前記エレメントパイプ（16）は水平的に前記伝熱管（4）の上に配置されて、軸線が前記伝熱管（4）の軸線と垂直し、前記エレメントパイプ（16）はランスチューブ（18）とつながり、前記ランスチューブ（18）の一端はランスチューブ（18）を伸縮移動させる制御装置（20）とつながり、各前記エレメントパイプ（16）の下部には各伝熱管（4）に対応するガス噴出孔（17）が付けられることを特徴とする。
  13. 請求項12に記載の余熱ボイラにおいて、前記制御装置（20）は、モーター（21）と、モーター（21）とつながる噛合ギア（22）とを含み、前記ランスチューブ（18）の一端はボイラの壁（19）を貫通して、外側に伸びていて、前記ランスチューブ（18）の前記一端はスクリュ構造に設けられ、前記噛合ギア（22）は前記スクリュ構造と噛み合い、前記噛合ギア（22）の回転方向は前記モーター（21）の回転方向によって違うことによって、前記ランスチューブ（18）の伸縮動作を制御することを特徴とする。
  14. 排ガスの入口（2）と排ガスの出口（3）が設けられるボイラ（1）と、前記ボイラ（1）内に設けられる伝熱管（4）と、ハンマリング装置と、を含む余熱ボイラにおいて、前記伝熱管（4）は表面にフィン（23）が設けられているとともに、支持アセンブリに対して固定されないように繋がられることを特徴とする余熱ボイラ。
  15. 請求項14に記載の余熱ボイラにおいて、前記伝熱管（4）が水平に配置され、前記フィン（23）が前記伝熱管の外周面に垂直に設けられるとともに、前記外周面の全周に沿って径方向に外へ突出するように配置され、前記フィン（23）が前記伝熱管（4）の軸方向に沿って複数配置されることを特徴とする。
  16. 請求項14又は15に記載の余熱ボイラにおいて、前記伝熱管（4）の軸方向に間隔をおいて2つ以上の支持アセンブリを配置し、1本の前記伝熱管（4）は、前記2つ以上の支持アセンブリの対応の2つ以上の支持孔部を貫通し、
    前記支持アセンブリは、各伝熱管（4）に対応する複数のサポートリング（5）と前記サポートリング（5）を固定するための支持ビーム（8）とを含み、前記サポートリング（5）の孔が前記支持孔部を構成する、又は、前記支持アセンブリは、各伝熱管に対応する貫通孔（52）を有する支持板（51）を含み、前記貫通孔（52）が前記支持孔部を構成する、又は、前記支持アセンブリは、各伝熱管（4）に対応するメッシュ（53）を有する棒部材（54）を含み、前記メッシュ（53）が前記支持孔部を構成することを特徴とする。
  17. ハンマーシャフト（10）と、前記ハンマーシャフト（10）に固定されたハンマー（11）と、前記ハンマーシャフト（10）と繋がり、前記ハンマーシャフト（10）を往復回転させるように制御する駆動モーター（12）とを含むハンマリング装置（7）を含む余熱ボイラのハンマリング装置において、複数の隣接する、支持アセンブリに対して固定されないように繋がられる伝熱管（4）に固着されるハンマーロッド（6）をさらに含むことを特徴とする余熱ボイラのハンマリング装置。
  18. 請求項17に記載の余熱ボイラのハンマリング装置において、前記伝熱管（4）の軸方向に間隔をおいて2つ以上の支持アセンブリを配置し、1本の前記伝熱管（4）は、前記2つ以上の支持アセンブリの対応の2つ以上の支持孔部を貫通し、
    前記支持アセンブリは、各伝熱管（4）に対応する複数のサポートリング（5）と前記サポートリング（5）を固定するための支持ビーム（8）とを含み、前記サポートリング（5）の孔が前記支持孔部を構成する、又は、前記支持アセンブリは、各伝熱管に対応する貫通孔（52）を有する支持板（51）を含み、前記貫通孔（52）が前記支持孔部を構成する、又は、前記支持アセンブリは、各伝熱管（4）に対応するメッシュ（53）を有する棒部材（54）を含み、前記メッシュ（53）が前記支持孔部を構成することを特徴とする。
  19. 伝熱管（4）は、支持アセンブリに対して固定されないように繋がられることを特徴とする余熱ボイラの伝熱管取付構造。
  20. 請求項19に記載の余熱ボイラの伝熱管取付構造において、前記伝熱管（4）の軸方向に間隔をおいて2つ以上の支持アセンブリを配置し、1本の前記伝熱管（4）は、前記2つ以上の支持アセンブリの対応の2つ以上の支持孔部を貫通し、
    前記支持アセンブリは、各伝熱管（4）に対応する複数のサポートリング（5）と前記サポートリング（5）を固定するための支持ビーム（8）とを含み、前記サポートリング（5）の孔が前記支持孔部を構成する、又は、前記支持アセンブリは、各伝熱管に対応する貫通孔（52）を有する支持板（51）を含み、前記貫通孔（52）が前記支持孔部を構成する、又は、前記支持アセンブリは、各伝熱管（4）に対応するメッシュ（53）を有する棒部材（54）を含み、前記メッシュ（53）が前記支持孔部を構成することを特徴とする。
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