JP5201729B2 - 石灰焼成プラントの廃熱回収発電プラント - Google Patents

Description

この発明は石灰焼成プラントの廃熱を回収する廃熱回収発電プラントに関するものであり、石灰焼成プラントのグレートプレヒーターの廃熱を利用して高効率で安定的に発電することができるものである。

グレートプレヒーターを備えた石灰焼成プラントは従来公知のものであり（特開２００１−３４２０４４号公報）、そのガス系フローは図１に示すようなものである。石灰を焼成するロータリーキルン１からの排ガスが石灰石ｗを予熱するためのグレートプレヒーター２に導入される。そしてこの排ガスは、上記グレートプレヒーター２の排ガス集合室３を経て左右のスタビライザー（排ガス温度を所定温度まで低下させるもの）４，４に流入し、集合ダクト５、ガスクーラー７、バグフィルター８、送風機９を経て煙突１００から排出される。グレートプレヒーター２の出口温度は３００〜５００℃であり、スタビライザーで水噴霧によって所定温度まで下げられ、さらに、ガスクーラー７を経てからバグフィルターで除塵され、送風機９を経て煙突１００に送風される。煙突１００から排出されるときの排ガス温度は２００℃程度である。

従来は、上記グレートプレヒーター２からの廃熱は回収されずに廃棄されるか、飽和蒸気を発生させるための単なるボイラーで一部が利用されているに過ぎなかった。それは、石灰焼成プラントのグレートプレヒーターからの排ガスの温度はあまり高くなく、また排ガス量は多くなく（通常の場合は５０，０００〜１００，０００Ｎｍ^３／Ｈ）、そしてまた、当該排ガスには微粉ダストが多量に含まれていて（約３０ｇｒ／Ｎｍ^３）、これが伝熱管に付着して熱貫流率（伝熱効率）を著しく低下させることになり、そのために、上記グレートプレヒーターの廃熱を利用して高効率で安定的に発電するのは容易でないからである。
しかし、近年、エネルギーコストを低減する必要が一段と強くなっていることから、上記グレートプレヒーターの廃熱についてもこれを利用して効率的に発電できるようにすることが求められている。

他方、グレートプレヒーターに廃熱ボイラーを設置して廃熱回収発電システムを構築するには、その設置コストを可及的に低くし、また、廃熱回収効率を高くして安定的に発電できるようにしなければならない。そして、グレートプレヒーターの両側のスタビライザーの設置スペースにこれに替えて廃熱ボイラーを設置するのが最も好ましいが、そのためには、縦型廃熱ボイラーを利用する他はない。しかし、そのためには、上記スペースに廃熱ボイラーを簡単容易に設置できるようにしなければならず、また伝熱管に付着した微粉ダストを能率的に除去して、それにより伝熱管の高い伝熱効率が安定するようにしなければならず、そのためには、ガス流れが垂直である縦型廃熱ボイラー（以下、これを単に「縦型廃熱ボイラー」という）に適した微粉ダスト除去装置を特別に工夫する必要がある。

ところで、石灰焼成プラントとは技術的に全く異なるものであるが、微粉ダストを多量に含んだ高温排ガスを多量に排出するプラントとしてセメントプラントがあり、このセメントプラントのサスペンションプレヒーターの廃熱を廃熱ボイラーで回収して発電することは周知である。セメントプラントの排ガス量は多大で、廃熱量が多大であるので、その廃熱回収発電プラントは極めて大規模であり、その廃熱ボイラーは横型廃熱ボイラーである。因みにこの横型廃熱ボイラーは、垂直平面内において上下方向に蛇行した蛇管型伝熱管を備えていて、排ガスが水平方向（横方向）に流れる型式の廃熱ボイラーである。
セメントプラントのサスペンションプレヒーターの排ガスの排ガス量は多量である（一般的には２００，０００〜５００，０００Ｎｍ^３／Ｈ）。そしてこの排ガスにはより微細な微粉ダストが多量に含まれており（通常の場合は約１００ｇｒ／Ｎｍ^３ ）、これがその廃熱ボイラーの蛇管型伝熱管に多量に付着してその熱貫流率（伝熱効率）を低下させてしまう。このため、微粉ダストを除去して伝熱効率の低下を防止するためにダスト除去装置が横型廃熱ボイラーに設けられている。このダスト除去装置はハンマリング装置を備えているもので、吊り下げられている蛇管型伝熱管の個々の直管部に強力な打撃を加えてこれを強力に振動させ、これによって付着したダストを振るい落とすものである。
セメントプラントの廃熱ボイラーは横型ボイラーであるので、上記ハンマリング装置を利用して能率的に微粉ダストを除去することができる（特開平５−１０６４０８号公報参照）。

上記ハンマリング装置は槌打式ハンマーで外端を打撃されるハンマリング連結軸を備えており、縦方向に蛇行している伝熱管の直管部に上記ハンマリング連結軸（以下単に「連結軸」という）が固着されており、多数の連結軸をハンマーで順次打撃して、上記直管部に強力な衝撃を順次加えるものである。これによって微粉ダストが付着することによる伝熱管の熱貫流率低下が十分防止される（特公昭５９−２８８１３号公報）。

石灰焼成プラントのグレートプレヒーターの廃熱回収発電ボイラーには、設置スペースやレイアウトの関係から、縦型廃熱ボイラーが有利である。しかし、縦型ボイラーの場合は、直管部が水平の蛇管型伝熱管が縦平面内に配置されていて、これが小間隔をおいて配列されており、また、伝熱管の直管部が上から下まで延びた吊り棒によって支持されているなど、伝熱管の構造及びその支持構造が横型ボイラーとは全く異なるなど、独特の構造になっているので、横型ボイラーにおけるハンマリング装置をこれに単純に適用することはできない。
また、縦型廃熱ボイラーについて微粉ダストを能率的に除去できるようにするには上記のハンマリング装置の基本技術を利用する他はなく、そのためには、その伝熱管の支持機構、支持機構とハンマリング装置との関連構造を特別に工夫しなければならない。
特開２００１−３４２０４４号公報 特開平５−１０６４０８号公報 特公昭５９−２８８１３号公報

本願発明は、石灰焼成プラント用廃熱回収発電プラントを廉価にかつ小スペースに設置できるようにすることを目的とし、その設置コストを可及的に抑制することができ、また伝熱管に付着したダストを効率的に除去して、高い廃熱回収率が安定して維持されるように廃熱回収ボイラーの機構構造を工夫することをその課題とするものである。

〔手段１〕
上記課題を解決するための手段１は、石灰焼成プラントのグレートプレヒーター廃熱回収発電プラントについて、次の（イ）〜（ハ）によるものである。
（イ）グレートプレヒーターの左右にそれぞれ縦型廃熱ボイラーが設けられていること、
（ロ）上記縦型廃熱ボイラーの上端にグレートプレヒーターの排ガス集合室が接続され、下部に集合ダクトが接続されていること、
（ハ）上記縦型廃熱ボイラーの上部に過熱器が配置され、過熱器の下方に蒸発器及び節炭器が配置されており、上記過熱器に蒸気タービンが接続されていること。

〔手段２〕
上記課題を解決するための手段２は、上記手段１に加えて、次の（ニ）〜（チ）によるものである。
（ニ）上記縦型廃熱ボイラーの蛇管型伝熱管が垂直平面内にあって直管部が水平でガス流れに対して直角であること、
（ホ）蛇管型伝熱管の多数の直管部がその両端を第１吊り下げ手段、第２吊り下げ手段によって下げられていること、
（ヘ）上記第１吊り下げ手段は、リンク部材をヒンジピンで連結した屈曲部を備えていること、
（ト）上記屈曲部のリンク部材にハンマリング装置の連結軸がヒンジピンを介して連結されていること、
（チ）上記屈曲部が上記連結軸の衝撃方向に屈曲可能であること。

〔作用〕
上記手段１によれば、 水平方向の直管部を有する蛇管型伝熱管が垂直平面内に配置された縦型廃熱ボイラーは、その上方から下方に排ガスが流れる型式であって、縦長であるから、従来技術における左右のスタビライザーと同様の外形になるので支障はなくこれに置換することができ、また、グレートプレヒーターの排ガス集合室にその上端の排ガス流入口を接続し、下部の排ガス流出口を集合ダクトに接続することができるので、スタビライザーに替えて縦型廃熱ボイラーを簡単に設置することができ、そのために必要な構造変更はほとんどない。

そして、縦型廃熱ボイラーについては、蛇管型伝熱管による過熱器と蒸発器等を上下に配置し、従来のグレートプレヒーターのスタビライザー程度の大きさで構成することが可能である。したがって、既設の石灰焼成プラントについても、そのスタビライザーを撤去すればその設置スペースを利用してこの発明による縦型廃熱ボイラーを簡単容易に設置することができる。

上記手段２によれば、垂直平面内に配置された蛇管型伝熱管の多数の直管部の左右両端の一端が第１吊り下げ手段で吊り下げられ、リンク部材とヒンジピンとによる上記屈曲部にハンマリング装置の連結軸（エアーノッカーやハンマーの衝撃を受け、その衝撃を伝熱管に伝えてこれを振動させる衝撃軸）がヒンジピンで連結されているので、多数の連結軸が上下に所定間隔で支持されており、これに個々の直管部が連結されている。
そして、上下に所定間隔で配置された多数の連結軸は衝撃方向に互いに自由に振動（又は移動）することができ、これらはエアーノッカーなどで順次打撃されることで、干渉し合うことなく互いに自由に振動する。

したがって、連結軸がエアーノッカーで打撃されると、それに連結されている直管部だけが強い衝撃を受け、エアーノッカーによる衝撃力が集中的に個々の直管部に伝達されてこれらが強力に振動するので、付着した微粉ダストが能率的に除去される。
そして、多数の連結軸を順次打撃することで、全ての直管部が強力に振動されるのでこれに付着している微粉ダストが順次除去される。したがって、蛇管型伝熱管の伝熱効率が低下することはない。それゆえ、廃熱ボイラーの廃熱回収性能が低下することは防止される。
以上のように、各連結軸の衝撃はこれに連結された直管部だけに伝わり、他の直管部には伝わらないので、複数の連結軸による衝撃力が蛇管型伝熱管又はその支持機構で互いに干渉することはない。したがって、この強力な衝撃で伝熱管やその支持機構に過大な負荷がかかることはなく、伝熱管やその支持機構が過大負荷によって損傷されることはない。

以上のとおり本発明は、石灰焼成プラントに発電用廃熱ボイラーを設置するについて、縦型ボイラーの構造を工夫し、また、当該縦型ボイラーの蛇管型伝熱管の支持機構、及び当該支持機構とハンマリング装置との関連構造を工夫したことによって、石灰焼成プラントの廃熱回収発電プラントを低コストで簡単容易に設置することができ、また、排ガスの微粉ダストの付着による発電能力の低下を防止しつつ、安定的に高効率で発電することができる。

そして、上記縦型廃熱ボイラーをグレートプレヒーターの左右のスタビライザーと同じサイズにすることができ、また、これにハンマリング装置を設けることができるので、既設の石灰焼成プラントのスタビライザーを性能が良くて安定な廃熱ボイラーに簡単容易に入れ替えることができる。そしてこの場合は、グレートプレヒーターの構造を変更する必要はほとんどないから、廃熱回収発電プラントを簡単容易に低コストで設置することができる。

次いで図面を参照してこの発明の実施例を説明する。
この実施例の全体システム（図２）は図１の従来例と違いはなく、上記従来の石灰焼成プラントのグレートプレヒーター２の左右の排ガス集合室３の下方に縦型廃熱ボイラー１０がそれぞれ配置された構成になっている。そして、その上部の排ガス流入口１１ａが上記排ガス集合室３に接続され、下部の排ガス流出口１１ｂが集合ダクト５に接続されている。

縦型廃熱ボイラー１０はスタビライザー４（図１）とほぼ同じ大きさの縦長のボイラ本体１０Ａに蛇管型伝熱管による熱交換器が３段に配置されているものであり、その最上段の熱交換器は過熱器５１であり、中段の熱交換器と下段の熱交換器が蒸発器５２、節炭器５３である。

上記蒸発器５２、節炭器５３は汽水胴５５に接続されており、過熱器５１は蒸気タービン５７に接続されている。その他は通常の発電システムと違いはない。
蒸気タービン５７の下流の復水器５９からの復水は復水ポンプ６０、脱気器６１からボイラー給水ポンプ６２を経て節炭器５３に流入し、節炭器５３で加熱されてから汽水胴５５に流入し、その後、第２の蒸発器５２を経て再び汽水胴５５に戻り、その後、過熱器５１に流入し、過熱器５１で過熱されてからタービン５７に供給される。過熱器５１からの過熱蒸気で蒸気タービン５７が駆動され、発電機Ｇが駆動される。

〔縦型廃熱ボイラーの構造〕
ボイラー本体１０Ａは断面四角形の縦長の筐体であり、その上端に流入口１１ａがあり、下端に流出口１１ｂがある。ボイラー本体１０Ａに配置されている過熱器５１、蒸発器５２、節炭器５３は、垂直平面内で水平方向（図３において左右方向）に蛇行した伝熱管１４によるものであり、この伝熱管（蛇管型伝熱管ともいう）１４を所定の間隔で多数配置して構成されている。
なお、ボイラー本体１０Ａの側壁に開口があり、伝熱管１４の左右両端１４ｅ１，１４ｅ２が上記開口を貫通して側壁外に突出しており（図３）、この突出部はボイラー本体１０Ａの外側の外壁１０Ｂでカバーされている。
また、上記開口は伝熱管１４の左右両端部が余裕をもって貫通する程度に大きな開口である。

上記伝熱管１４はその左端１４ｅ１、右端１４ｅ２がボイラー本体１０Ａの外側に突出しており、他方、ボイラー本体１０Ａの外側に第１吊り下げ手段Ｈ１、第２吊り下げ手段Ｈ２があり、伝熱管１４の左右両端１４ｅ１，１４ｅ２が上記第１吊り下げ手段Ｈ１、上記第２吊り下げ手段Ｈ２で吊り下げられていて、これによって全ての熱交換器の伝熱管が吊り下げられた状態になっている。
なお、両吊り下げ手段Ｈ１，Ｈ２は支持構造物Ｆに支持されており、ボイラー本体１０Ａの外側に外壁１０Ｂがある。
上記第１吊り下げ手段Ｈ１、第２吊り下げ手段Ｈ２はボイラー本体１０Ａの外側にあるので、高温の排ガスに晒されることはなく、また排ガスに含まれている微粉ダストが付着することもない。したがって、これらの吊り下げ手段Ｈ１，Ｈ２は高温排ガス、微粉ダストから防護されている。

この実施例の主要目は、発電量が４１０Ｋｗ（発電端）、ユーティリティー蒸気が０．７ＭＰａ×２９０℃×１．５Ｔ／Ｈ、ＣＯ_２削減量が約４，０００ｔ−ＣＯ_２／年、であり、この実施例に供給される排ガスには微粉ダスト（粒径１５０μｍ以下が６０％）が３０ｇｒ／Ｎｍ^３ 程度含まれている。

〔伝熱管の支持構造とハンマリング装置〕
まず、右端の第２吊り下げ手段Ｈ２を説明し、その後に第１吊り下げ手段Ｈ１について説明する。
右端の第２吊り下げ手段Ｈ２は単純な棒材によるもので、密に配置された伝熱管１４の２つおきに配置されており、その長い第２吊り棒（直径１６ｍｍの鋼製）３１でその前後の伝熱管１４，１４を支持している。第２吊り棒３１には前後方向（図３の前後方向、図５の左右方向）に支持板３２が突設されており（図５）、当該支持板３２によって伝熱管１４の直管部１４ａの他端部１４ｅ２が摺動自在に支承されている。この実施例では熱交換器が３段に設けられているので、これら熱交換器の伝熱管を第２吊り棒３１が貫いて支持している。
なお、第２吊り棒３１は縦型廃熱ボイラーのフレーム等から吊り下げられている。

左側（図３において左側）の第１吊り下げ手段Ｈ１は上端の第１吊り棒（直径２１ｍｍの鋼製）２１と連結軸（断面四角形の鋼製パイプ材によるもの）２５の上下の吊り金（連結軸２５に溶接したもの）２６、ヒンジ部材２７をヒンジピン２８で順次連結したものである（図３、図４）。
連結軸２５は伝熱管１４の直管部１４ａの４つを一管群として各管群の間に配置されている（図４）。
縦型廃熱ボイラーの支持構造物にエアーノッカー４２が固定されている。このエアーノッカー４２は打撃力約４Ｋｇの空気圧式ハンマーであり、例えば２．５回／１分で打撃がなされるなど、適宜の間隔で繰り返し打撃される。このエアーノッカー４２の運転制御は種々であり、ボイラー出力の変化等をみながら経験的に制御することもあり、例えばボイラー内温度分布等を基準にして所定のプログラムによって自動的に制御することもある。

また、上記のエアーノッカー４２は、横型ボイラーの微粉ダスト除去装置において従来周知慣用のものであり、連結軸２５の先端を打撃してその衝撃を伝熱管１４の直管部１４ａに伝達し、これを衝撃的に振動させるものである。
連結軸２５には上記吊り金２６の他に多数のアーム２９が所定間隔で溶接されて、各アーム２９に伝熱管の直管部１４ａが溶接されている。

第１吊り下げ手段Ｈ１の途中に上下に一定間隔で複数（この例では２つ）の連結軸２５が吊り下げられており、そして、上記第１吊り下げ手段Ｈ１は、ヒンジ部材２７、ヒンジピン２８による屈曲部で連結軸２５の軸心方向（図４において左右方向）に自由に屈曲することができるので、複数の連結軸２５は、その軸心方向に相対的に移動可能であり、個々の連結軸２５に固着されている直管群（この実施例では連結軸２５の上下各２つ、合計４つの直管部）が一体となって移動する。このように、上下に隣接する直管群が同方向において互いに自由に相対的に振動（又は移動）することができるから、隣接する連結軸２５，２５が時間差をもって打撃されたときは、その打撃力のために第１吊り下げ手段Ｈ１に無理な力がかかることはない。したがって、伝熱管１４及びその支持機構に局部的に過大な負荷がかかることはない。

また、連結軸２５から強い衝撃が直管部１４ａの一方の端部１４ｅ１に加えられると、その衝撃が他方の端部１４ｅ２まで伝達されて直管部１４ａ全体が振動する。そして一つの連結軸２５が打撃されるとき、その打撃はこれに固着された一部の直管部１４ａだけに集中的に伝達され、この一部の直管部１４ａだけが集中的に振動されるので、これに付着した微粉ダストが能率的に振り落とされて除去される。そして、直管部１４ａの他方の端部１４ｅ２が第２吊り棒３１の支持板３２に摺動自在に支承されている（図５）ので、この連結軸２５による強力な衝撃のために第２吊り下げ手段Ｈ２に過大な負荷がかかることはない。

は、グレートプレヒーターを備えた従来の石灰焼成プラントのガスフローを示す全体図 は、この発明の実施例の廃熱回収発電プラントを備えた石灰焼成プラントのガスフローを示す全体図 は、この発明による縦型廃熱ボイラーの一部断面図 は、図３の左側面図 は、図３の右側面図 は、図３の上面図

符号の説明

１：ロータリーキルン
２：グレートプレヒーター
３：排ガス集合室
４：スタビライザー
５：集合ダクト
７：ガスクーラー
８：バグフィルター
１０：縦型廃熱ボイラー
１０Ａ：ボイラー本体
１０Ｂ：外壁
１１ａ：排ガス流入口
１１ｂ：排ガス流出口
１４：伝熱管（蛇管型伝熱管）
１４ａ：直管部
１４ｅ：伝熱管の左右端部
２１：第１吊り棒
２５：連結軸（ハンマリング装置の連結軸）
２６：吊り金
２７：ヒンジ部材
２８：ヒンジピン
２９：アーム
３１：第２吊り棒
３２：支持板
４２：エアーノッカー
５１：過熱器
５２：蒸発器
５３：節炭器
５５：汽水胴
５７：蒸気タービン
５９：復水器
６０：復水ポンプ
６１：脱気器
６２：ボイラー給水ポンプ
１００：煙突
Ｈ１：第１吊り下げ手段
Ｈ２：第２吊り下げ手段
Ｆ：廃熱ボイラーの支持構造物

Claims (1)

1. 石灰焼成プラント用グレートプレヒーターの左右の下部にそれぞれ縦型廃熱ボイラーが設けられており、上記縦型廃熱ボイラーの上端にグレートプレヒーターの排ガス集合室が接続され、下部に集合ダクトが接続されており、上記縦型廃熱ボイラーの上端に過熱器が配置され、過熱器の下方に蒸発器及び節炭器が配置されており、上記過熱器に蒸気タービンが接続されている石灰焼成プラントの廃熱回収発電プラントであって、
   上記縦型廃熱ボイラーの蛇管型伝熱管が垂直面内にあって、その直管部が水平でガス流れに対して直角であり、
   上記蛇管型伝熱管の多数の直管部が、その両端を第１吊り下げ手段と第２吊り下げ手段によって吊り下げられており、
   上記第１吊り下げ手段は、リンク部材とヒンジピンによる屈曲部を備えており、
   上記屈曲部のリンク部材にハンマリング装置の連結軸がヒンジピンを介して連結されており、
   上記屈曲部が上記連結軸の衝撃方向に屈曲可能であることを特徴とする石灰焼成プラントの廃熱回収発電プラント。

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