JP4591839B2 - 廃熱ボイラ - Google Patents

Description

本発明は、円筒状外被内に、多数の熱伝達管と、中心に設けられてそれぞれ入口端部及び出口端部を持つバイパス管とを含み、廃ガスボイラのガス流出温度を特定の温度範囲に保つ制御装置を含む、廃熱ボイラに関する。本発明は、特に廃ガスボイラのガス流出温度に影響を及ぼすためバイパス管の出口端部に制御装置が取付けられる廃熱ボイラに関する。

多数の化学及び石油化学プロセスのために廃熱ボイラが必要とされ、その管側及び外被側（通路側）に異なるガス状及び／又は液状媒体を流される。通常１つのプロセスから出る高温の廃ガスは、廃熱ボイラ外被内に管束として設けられている熱伝達管及びバイパス管に供給される。熱交換管を通る際、高温の廃ガスはその熱を外被側の冷却媒体、通常は水に放出し、続いて冷却された状態で廃熱ボイラから導出される。廃熱ボイラのガス流出温度を特定の温度範囲に保つため、制御されるバイパスにより流出温度を制御することが必要である。これは、例えばバイパス管の出口端部に設けられる制御弁又は制御揺動弁又は制御栓によって行うことができる。このような制御装置は例えばドイツ連邦共和国特許出願公開第２８４６４５５号明細書又は欧州特許出願公開第３５６６４８号明細書から公知である。

廃熱ボイラのバイパス管内の廃ガスは非常に高い温度を持ち、多くの場合高い速度で流れるので、バイパス管の出口端部に設けられる制御機構例えば制御弁又は制御栓は、高い熱負荷にさらされる。現在使用される制御栓では、開かれたバイパス管の出口端部から流出する廃ガスが強い噴流を形成するので、ガス流出室の壁に高温スポットの危険が生じる、という欠点がある。これらの高温スポットの１つ又は複数は、ガス流出室の壁に熱損傷を生じ、これが望ましくない短い保守間隔又は廃ガスボイラの短い寿命の原因となる。

本発明の課題は、一方では高い廃ガス温度に抵抗でき、他方ではバイパス管の出口端部からの廃ガスの流出の際高温の束の形成を回避する制御栓を提供することである。

前記の課題は請求項１の特徴の全体によって解決される。この解決策によれば、栓が冷却媒体により冷却可能であり、かつ廃ガス流の流れ方向に見て円錐状に広がるバイパス管の出口端部へ入り込んでおり、ガス流通断面が、出口端部の内側輪郭と栓の外側輪郭との間にあるガス流通範囲内で、開かれる栓の位置に関係なく、廃ガス流の流れ方向に見て均一に又は不均一に広がっている。

本発明の有利な構成は従属請求項からわかる。

本発明による解決策によって、次の利点を持つ廃熱ボイラが提供される。
廃ガスの流出口における高温の束の回避によって、ガス流出室の壁は損傷されず、廃熱ボイラの寿命が高まる。それにより保守間隔も大きくすることができる。
栓の冷却により、栓の熱による腐食が回避され、制御機構の寿命が著しく改善されるか高められる。

有利なように栓が、廃ガス流の流れ方向に見て、栓の所で廃ガス流を著しく半径方向へ偏向させるため、下流にある端部で栓皿板を持つように形成されている。高温廃ガス流の転向により、廃ガス流は、熱伝達管から流出して冷却される廃ガスへ向かってほぼ直角に導かれ、これと共に渦巻き、場合によっては高温廃ガス中に存在するガス束を解消する。高温の廃ガスを約９０°確実に転向させるため、栓皿板の外径Ｄｔが栓頭部板の外径Ｄｋの少なくとも１．５倍となるように形成されている。

本発明の有利な構成では、栓中間部分の外側輪郭が、その長さ範囲にわたって少なくとも部分的に円筒状範囲を持っている。廃ガス流の方向に見て円錐状に広がるバイパス管の出口端部に関連して、栓の円筒状範囲は、ガス流通範囲において流れ技術的にほぼ好都合な断面拡大部を生じ、それが高いディフューザ効果に等しく、ガス速度の著しい低下を伴う。

有利なように栓中間部分の外側輪郭が、その長さ範囲にわたって少なくとも円錐状範囲を持ち、その際特に有利なように、栓中間部分の円錐状範囲のテーパがバイパス管の円錐状出口端部のテーパに等しい。バイパス管出口端部の内側輪郭と栓中間部分の外側輪郭の円錐状範囲とをほぼ平行に形成すると、ガス流れ方向に見てガス流通断面の増大（円環断面の半径方向寸法はガスの流れ方向に増大し、従って円環断面自体も増大する）によって、同様に廃ガス速度を低下するディフューザ効果が得られる。

円錐状栓中間部分の少なくとも１つの範囲のテーパが、バイパス管の円錐状出口端部のテーパに対して相違しており、この範囲のテーパがバイパス管の出口端部のテーパに対して、廃ガス流の流れ方向に見て広がるように延びていることによって、ディフューザ効果従って廃ガス速度の低下を更に強めることができる。

有利な実施形態によれば、栓に結合される栓軸部が冷却媒体により冷却可能であり、冷却媒体が栓軸部を通って栓へ供給可能である。この手段により、栓軸部が熱による損傷を受けず、冷却媒体が構造的な点で簡単に栓へ供給されるようにすることができる。その際栓及び／又は栓軸部が一方向にのみ冷却可能に形成され、冷却媒体が、栓軸部及び／又は栓を通った後、これから流出してそばを通る廃ガス流へ入る。この構成は、構造的に簡単な解決策を生じ、廃ガス流へ入る冷却媒体は高温の廃ガスを更に冷却し、同時にごみを除去される。

バイパス管出口端部の過熱及び腐食を回避するため、バイパス管の円錐状出口端部が、有利なようにその内側に耐火内張りを備えている。有利な実施形態では、場合によっては適当に多い廃ガス量をバイパスできるために、バイパス管が熱伝達管に対して大きい内径を持っている。

本発明の有利な実施形態によれば、冷却媒体が、栓及び／又は栓軸部を案内する案内装置により、栓及び／又は栓軸部の外壁に合わされているので、外壁と案内装置との間に間隙が生じ、この間隙により冷却媒体が案内可能である。

本発明の実施例が図面により以下に説明される。

図１は廃熱ボイラ１を概略的に縦断面図で示している。このような廃熱ボイラ１は、種々の化学又は石油化学プロセスのために必要とされる。廃熱ボイラ１は円筒状外被２を持ち、この外被が多数の熱伝達管３及び中心に設けられる１つのバイパス管４を包囲し、管３，４はその入口端部５及び出口端部６を管板２８にはめ込まれているので、外被２及び管板２８により、高温の廃ガス流２７を冷却するため冷却媒体３１の通る空所が形成されている。なるべく熱伝達管３より大きい直径を持つバイパス管４は、その長さにわたって部分的に又は完全に熱絶縁されて、バイパス管４を経て、場合によっては高温の廃ガス２７が、冷却媒体３１へあまり放熱することなく廃熱ボイラ１を通って流れるようにすることができる。廃ガス２７の流通方向に見て、即ち廃熱ボイラ１の縦軸線に対して平行に、管３，４の入口端部５の上流に、高温の廃ガス２７を導入する装置８が設けられ、管３，４の下流に、冷却された廃ガス２７を導出する装置１０が設けられ、それぞれの装置８，１０が少なくとも１つのガス流入室２９及びガス流出室３０を持っている。外被側に廃熱ボイラ１は、冷却媒体３１なるべく水を導入する装置７、及び冷却媒体３１なるべく水／蒸気を導出する装置９を持っている。外被範囲内即ち熱伝達管３の範囲において、熱伝達管３により案内される廃ガス２７と導入される水又は冷却媒体３１との間で間接熱交換が行われ、高温の廃ガス２７が熱を冷却媒体３１へ放出する。

バイパス管４の出口端部６に、制御装置１１により軸線方向に移動可能な栓１２がはまっている。制御装置１１は、廃ガスボイラ１外に設けられる駆動装置１７を含み、栓１２に結合される栓軸部１６により、駆動装置１７が栓１２を軸線方向に移動する。ガス側密封のため、ガス流出室３０の壁を栓軸部１６が貫通する個所は、ブシュ１８により密封されている。制御装置１１により、バイパス管４の出口端部６の所で栓１２を調節して、廃ガスボイラ１の出口に廃ガス２７の所望の温度又は所望の温度範囲が維持されるようにすることができる。これは、熱伝達管３の内壁の汚れにより熱伝達係数が悪くなり、その結果出口における廃ガス温度が高くなる時に常に必要である。この場合バイパス管４及びその出口端部６にある栓１２により介入が行われ、バイパス管４を通る廃ガス流の減少又は増大により、廃ガスボイラ１の出口温度に影響が及ぼされる。栓１２の軸線方向移動により、出口端部６及び栓１２の範囲内におけるガス速度の変化も行われる。

バイパス管４の出口端部６には、廃ガス流の非常に高い流出速度のほかに、ガス流出室３０の壁に高温スポットを生じるガス束も現れるので、ガス束を避けるため、バイパス管４の出口端部６は、本発明により廃ガス２７の流れ方向に見て円錐状に広がるように形成されている。この手段に関連して、栓１２が本発明により冷却媒体３２により冷却可能に形成され、これがバイパス管４の円錐状に広がる出口端部６へ入り込み、バイパス管出口端部６の内側輪郭１９及び栓１２の外側輪郭２０により形成される円環状ガス流通断面２２が、ガス流通範囲２１においてガス流れ方向に均一に又は不均一に広がっている。ガス流通範囲２１内における円環状ガス流通断面２２の広がりは、開かれた状態にある栓１２の位置とは無関係に与えられるか又は存在している。ガス流通断面２２を持つガス流通範囲２１は、バイパス管４に関して軸線方向に延び、その長さＬｄはバイパス管４の出口端部６内の栓１２の位置により決定され、軸線方向又はガスの流れ方向に見てバイパス管出口端部６の内側輪郭１９と栓１２の外側輪郭２０が図２〜５に従って又はその出口端部６に対して同軸的に配置されている。バイパス管４の円錐状出口端部６は、図２〜５に示すように、バイパス管出口端部６を熱による腐食又は侵食に対して保護するため、その内側に耐火内張り２６を備えることができる。

バイパス管４が閉じられると（図示してない）、栓１２の頭部板１３の縁がバイパス管４又はその出口端部６の円錐部に接触し、バイパス管４又はその出口端部６のガス流通断面２２を完全に閉鎖する。バイパス管４又はその出口端部６から栓１２の軸線方向移動によりバイパス管４を開くと、図５からわかるように、頭部板１３の縁又は栓１２の外側輪郭２０とバイパス管４の出口端部６の円錐状内側円錐部１９との間に、ガス流通断面２２が生じ、この流通断面を通って高温の廃ガスが高い速度で流出する。栓１２の外側輪郭２０は、栓中間部分１４に円錐状範囲２４を持ち、この範囲のテーパはバイパス管４の円錐状出口端部６のテーパに等しい。ガスの流れ方向に見てバイパス管出口端部６及び栓中間部分１４の円錐状広がりによって、同時に断面側でその半径方向寸法が増大し、それによりガスの流れ方向におけるガス流通断面２２の連続的な増大が生じる。これはディフューザ効果と同じことを意味する。即ちバイパス管出口端部６と栓１２との間のガス流通範囲２１において、断面が大きくなる。それにより本発明によれば、ガス流通範囲２１を通って案内される廃ガス２７の高い速度が低下され、圧力を除かれる。その際存在するガス束も同様に圧力を除かれて解消される。

図４は本発明により形成される栓１２の別の変形例を示し、その栓中間部分１４が円錐状に形成されている。この場合ガス流通方向に見て、上流の栓中間部分１４の円錐状範囲２４は、バイパス管出口端部６の円錐部に一致し、下流の栓中間部分１４の円錐状範囲２５は、バイパス管出口端部６の円錐部とは相違し、範囲２５のテーパは、バイパス管４の出口端部６のテーパに対して、ガスの流れ方向に見て減少して延びている。この構成では、ガス流通範囲２１内におけるガス流通断面２２は不均一に広がっている。なぜならば、円錐状範囲２５における断面２２は、円錐状範囲２４におけるより強く広がり、従ってディフューザ効果は円錐状範囲２５において強化され、ガス流通範囲２１内における廃ガス速度は一層強く低下されるからである。図４による構成の代わりに、栓中間部分２３の円錐状範囲２５を、栓中間部分２３の円錐状範囲２４に対して、上流に配置することができる。図２，３及び５によるガス流通範囲２１内のガス流通断面２２は均一な広がりを持っている。

本発明により構成される栓１２の別の変形例を示す図２では、栓中間部分１４が円筒状範囲２３を持っている。この変形例は、ガス流通範囲２１内の高いディフューザ効果の点ですぐれている。なぜならば、ガス流れ方向に見て強く増大するガス流通断面２２のため、ガス速度を著しく低下できるからである。

場合によってはバイパス管４の出口端部６からの流出部において高温廃ガス流中のガス束は、このガス流の約９０°の転向により、また熱伝達管３の出口端部６から出る冷却された廃ガス流へのほぼ直角な導入により、解消することができる。転向は、ガス流れ方向に見て栓１２の下流端部に設けられる栓皿板１５により行われる。これによりバイパス管出口端部６と栓１２との間から出て皿板１５へ向けられる廃ガス流が、この皿板により約９０°半径方向に転向される。バイパス管４からの高温廃ガスを熱伝達管３の出口端部６から出る冷却された廃ガスへ導入することにより、冷たい廃ガスと高温の廃ガスとの強力な混合が行われ、場合によっては存在するガス束が解消される。栓皿板１５は、図２，３及び４によれば、栓頭部板１３の外径Ｄｋのなるべく少なくとも１．５倍に相当する外径Ｄｔを持っている。

栓１２のほかに、栓１２に結合される栓軸部１６も、冷却媒体又は流体３２、一般に水によって冷却されるのがよく、栓１２へ供給される冷却媒体３２は、図２に示す矢印に従って、まず軸部１６を通して導かれ、栓１２を通って流れた後再び軸部１６を通って導出される。案内装置３３により、冷却媒体３２は、例えば図に示すように、即ち案内装置３３へ導入され、栓１２内で転向され、続いて案内装置３３及び栓１６の外壁により形成される同心的な環状断面内で、再び軸部１６を経て導出される。

図３は、冷却媒体３２による栓１２及び栓軸部１６の一方向冷却を示し、ここで一方向とは、冷却媒体３２が軸部１６内で栓１２へ供給されるが、もはや軸部１６を経て導出されないことを意味する。導出は、例えば栓１２の頭部板２３の開口３４で冷却媒体３２の流出により行われ、冷却媒体３２はそばを通る廃ガス２７へ導入される。栓１２及び軸部１６を通って冷却媒体３２を導く案内装置３３は、栓１２の外側輪郭２０又は軸部１６の外壁に合わせることができるので、外壁と案内装置３３との間に間隙が生じ、この間隙を通して冷却媒体３２、一般に水を流すことができる。

廃熱ボイラの縦断面図を示す。 バイパス管の出口端部に設けられる栓により廃ガス流出温度を制御される廃ガスボイラのバイパス管出口端部の縦断面図を示す。 図２と同様であるが栓の構成が異なるものを示す。 図２と同様であるが栓の構成が異なるものを示す。 図２と同様であるが栓の構成が異なるものを示す。

符号の説明

１ 廃熱ボイラ
２ 外被
３ 熱伝達管
４ バイパス管
５ 管３，４の入口端部
６ 管３，４の出口端部
７ 水の導入装置
８ 高温廃ガスの導入装置
９ 水／蒸気の導出装置
１０ 冷却された廃ガスの導出装置
１１ 制御装置
１２ 栓
１３ 栓頭部板
１４ 栓中間部分
１５ 栓皿板
１６ 栓軸部
１７ 制御装置の駆動装置
１８ ブシュ
１９ バイパス管の出口端部の内側輪郭
２０ 栓の外側輪郭
２１ バイパス管の出口端部と栓との間のガス流通範囲
２２ ガス流通断面
２３ 栓中間部分の円筒状範囲
２４ 栓中間部分の円錐状範囲
２５ 栓中間部分の円錐状範囲
２６ 耐火内張り
２７ 廃ガス
２８ 管板
２９ ガス流入室
３０ ガス流出室
３１ 廃ガスボイラ内の冷却媒体
３２ 栓軸部内の冷却媒体
３３ 案内装置
３４ 開口

Claims (12)

1. 廃熱ボイラが、
   円筒状外被（２）内に、それぞれ入口端部（５）及び出口端部（６）を持つ多数の熱伝達管（３）と中心に設けられるバイパス管（４）とを含み、
   熱伝達管（３）及びバイパス管（４）の外被側で水を導入するため外被（２）に取付けられる装置（７）を含み、
   蒸気を発生しかつ導入される廃ガス（２７）を冷却するため、高温の廃ガス流（２７）を熱伝達管（３）及びバイパス管（４）の入口端部（５）へ導入しかつ熱伝達管（３）及びバイパス管（４）に廃ガス流（２７）を通してこれらの管の外被側で水（３１）との間接熱交換を行う装置（８）を含み、
   発生した水／蒸気（３１）を導出する装置（９）及び冷却された廃ガス流（２７）を導出する装置（１０）を含み、
   廃ガスボイラのガス流出温度を特定の温度範囲に保つ制御装置（１１）を含み、
   バイパス管（４）の出口端部（６）に設けられて制御装置（１１）により軸線方向に移動可能な栓（１２）によって、バイパス管（４）内のガスの流通速度及び流通量が制御可能であり、
   栓（１２）が冷却媒体（３２）により冷却可能であり、かつ廃ガス流（２７）の流れ方向に見て円錐状に広がるバイパス管（４）の出口端部（６）へ入り込んでおり、
   ガス流通断面（２２）が、出口端部（６）の内側輪郭（１９）と栓（１２）の外側輪郭（２０）との間にあるガス流通範囲（２１）内で、開かれる栓（１２）の位置に関係なく、廃ガス流（２７）の流れ方向に見て均一に又は不均一に広がっている、
   廃熱ボイラ。
2. 栓（１２）が、廃ガス流（２７）の流れ方向に見て、栓（１２）の所で廃ガス流（２７）を著しく半径方向へ偏向させるため、下流にある端部で皿板（１５）を持つように形成されていることを特徴とする、請求項１に記載の廃熱ボイラ。
3. 栓中間部分（１４）の外側輪郭（２０）が、その長さ範囲にわたって少なくとも部分的に円筒状範囲（２３）を持っていることを特徴とする、請求項１に記載の廃熱ボイラ。
4. 栓中間部分（１４）の外側輪郭（２０）が、その長さ範囲にわたって少なくとも部分的に円錐状範囲（２４，２５）を持っていることを特徴とする、請求項１に記載の廃熱ボイラ。
5. 栓中間部分（１４）の円錐状範囲（２４）のテーパがバイパス管（４）の円錐状出口端部（６）のテーパに等しいことを特徴とする、請求項４に記載の廃熱ボイラ。
6. 円錐状栓中間部分（１４）の少なくとも１つの範囲（２５）のテーパが、バイパス管（４）の円錐状出口端部（６）のテーパに対して相違しており、この範囲（２５）のテーパがバイパス管（４）の出口端部（６）のテーパに対して、廃ガス流の流れ方向に見て広がるように延びていることを特徴とする、請求項４に記載の廃熱ボイラ。
7. 栓（１２）に結合される栓軸部（１６）が冷却媒体（３２）により冷却可能であり、冷却媒体（３２）が栓軸部（１６）を通って栓（１２）へ供給可能であることを特徴とする、請求項１に記載の廃熱ボイラ。
8. 栓（１２）及び／又は栓軸部（１６）が一方向にのみ冷却可能に形成され、冷却媒体（３２）が、栓軸部（１６）及び／又は栓（１２）を通った後、これから流出して廃ガス流（２７）へ入ることを特徴とする、請求項１又は７に記載の廃熱ボイラ。
9. 栓皿板（１５）の外径（Ｄｔ）が、栓頭部板（１３）の外径（Ｄｋ）の少なくとも１５倍に等しいことを特徴とする、請求項２に記載の廃熱ボイラ。
10. バイパス管（４）の円錐状出口端部（６）が、その内側に耐火内張り（２６）を設けられていることを特徴とする、請求項１に記載の廃熱ボイラ。
11. バイパス管（４）が熱伝達管（３）に対して大きい内径を持っていることを特徴とする、請求項１〜１０の１つに記載の廃熱ボイラ。
12. 冷却媒体（３２）が、栓（１２）及び／又は栓軸部（１６）を案内する案内装置（３３）によって、栓（１２）及び／又は栓軸部（１６）の外壁に合わされ、それにより外壁と案内装置（３３）との間に間隙が生じ、この間隙を通って冷却媒体が案内可能であることを特徴とする、請求項１〜１１の１つに記載の廃熱ボイラ。

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