JP6175774B2 - コークス乾式消火設備の除塵装置 - Google Patents

Description

本発明は、コークス乾式消火設備の除塵装置に関し、特に、赤熱コークスを冷却する冷却塔から排出される循環ガスをボイラに導くガスダクトの途中に設置される除塵装置に関する。

コークス炉から窯出しされた赤熱コークスは、コークス乾式消火設備を構成する冷却塔の塔頂部まで搬送され、塔頂部から冷却塔内に投入される。冷却塔内に投入された赤熱コークスは、冷却塔内を降下する間に、塔底部から吹き込まれる循環ガスと熱交換することによって冷却された後、塔底部から排出される。
一方、熱交換によって８００℃〜９５０℃の高温に昇温した循環ガスは、冷却塔からガスダクトを介してボイラに導入され、ボイラ内で冷却水と熱交換して冷却され、再び赤熱コークス冷却用ガスとして使用される。循環ガスと熱交換した冷却水は水蒸気となって発電用などに利用される。

冷却塔内において赤熱コークスと熱交換して高温となった循環ガスは、粉コークスを多量に含んでいる。粉コークス（以下では、「ダスト」と呼ぶ。）は高硬度で摩耗性が高いため、これをそのまま放置すると、循環ガスがボイラを通過する際にボイラのチューブが摩耗する。そのため、平板衝突壁からなる除塵装置が、冷却塔とボイラとを繋ぐガスダクト内に設けられており、循環ガスに含まれるダストは、平板衝突壁に衝突して自然落下するようになっている。しかしながら、平板衝突壁は除塵性能が低いという難点があった。

そこで、例えば特許文献１では、循環ガスの流れ方向に長い長円形断面を有し、ガス流れに対向する前面に凹部が形成された棒状体を、ガスダクトの幅方向に所定の間隔をあけて立設してなる格子を、ガス流れ方向に千鳥形に２列に配設した除塵装置が開示されている。
また、特許文献２では、ボイラの冷却管のうち少なくとも冷却塔側の冷却管がガスダクトを鉛直方向に貫通し、ガスダクト内の冷却管にダスト除去部材が取り付けられている除塵装置（除塵器）が開示されている。

特開昭６２−２０７３９３号公報 特開２００７−２７７３６７号公報

冷却塔から排出される循環ガスは高温（８００℃〜９５０℃）で、しかも摩耗性の高いダストを多量に含んでいる。このため、従来の除塵装置は、耐熱性や耐摩耗性を考慮して耐火物で構成されている。しかし、耐火物で構成された除塵装置は、大型かつ大重量とならざるを得ず、また耐火物の積み上げ施工に手間が掛かるという問題がある。

本発明はかかる事情に鑑みてなされたもので、小型、軽量化が可能でメンテナンスも容易な、コークス乾式消火設備の除塵装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明は、赤熱コークスを冷却する冷却塔から排出される循環ガスをボイラに導くガスダクトの途中に設置した捕集部材により、該循環ガスに含まれるダストを分離捕集する除塵装置において、前記捕集部材が、耐熱金属から形成され、前記ガスダクトの天井面から下方に突出する支持部に立て掛けられていることを特徴としている。

一般に、粉コークス（ダスト）は、高硬度で摩耗性が高いと考えられている。そのため、従来技術では、粉コークスの摩耗性を重視し、硬くて耐火性を有する耐火物で捕集部材を構成していた。しかし、粉コークスが上記性状を示すのは、ある温度域までであり、さらなる高温域では、粉コークスは軟化して摩耗性が急減すると共に付着性を発現することを、本発明者等は発見した。
本発明では、高温域でダストが軟化して付着性を発現することに着目し、８００℃〜９５０℃の高温域で、ダストを耐熱金属からなる捕集部材に衝突付着させて金属表面にダストの保護膜を形成させることにより、耐熱金属からなる捕集部材を除塵装置として機能させるものである。８００℃〜９５０℃の高温域では、耐熱金属の硬度及び許容応力度が低下するが、ダストの摩耗性も低下することに加えて、ダストからなる保護膜によって金属表面が保護されているため、耐熱金属からなる捕集部材がダストによって摩耗することはない。

加えて、耐熱金属からなる捕集部材の上端部及び／又は下端部をガスダクトの内壁にルーズに取り付けることにより、捕集部材の熱伸びに伴う熱応力の発生を防止することができる。

また、本発明に係るコークス乾式消火設備の除塵装置では、前記捕集部材は、前記循環ガスの流れに対向する面に凹部が形成された耐熱金属製のコ型棒状体を、前記ガスダクトの幅方向に所定の間隔をあけて立設すると共に、前記循環ガスの流れ方向に複数列立設した構成とされ、隣接する列を構成する前記コ型棒状体が千鳥状に配置されていてもよい。
なお、本明細書では、仮想鉛直線に対する捕集部材の循環ガス流れ方向の傾斜角度が上流側に向けて５°以下、下流側に向けて１０°以下である状態を「立設」と定義する。

当該構成では、循環ガスに含まれるダストは、コ型棒状体に形成された凹部に捕集され、当該凹部に捕集されなかったダストは、前記コ型棒状体の下流側に配置されたコ型棒状体の凹部に捕集される。そのため、平板構造からなる捕集部材に比べて、高い除塵性能を発揮することができる。

また、本発明に係るコークス乾式消火設備の除塵装置では、前記循環ガスに含まれるダストが前記捕集部材に衝突するときのガス流速が４ｍ／ｓｅｃ以上２５ｍ／ｓｅｃ以下であることを好適とする。

ダストが捕集部材に衝突付着して保護膜を形成するためには、ある程度のガス流速が必要であり、ガス流速が４ｍ／ｓｅｃ以上であることが好ましい。一方、最大ガス流速は、コークス乾式消火設備の能力に依存するが、概ね２５ｍ／ｓｅｃ程度である。

本発明に係るコークス乾式消火設備の除塵装置では、循環ガスに含まれているダストが衝突する捕集部材が耐熱金属から形成されているので、除塵装置の形状の自由度が向上し、除塵装置の小型、軽量化が可能となると共に、メンテナンスも容易となる。

コークス乾式消火設備の一例を示した模式図である。 本発明の一実施の形態に係る除塵装置を示し、（Ａ）は側面図、（Ｂ）は平面図、（Ｃ）は背面図である。 （Ａ）は同除塵装置上端部の側面図、（Ｂ）は同除塵装置上端部の部分平面図、（Ｃ）は間隔保持部材の部分平面図である。 （Ａ）は同除塵装置下端部の部分平面図、（Ｂ）はベース部材の部分斜視図である。 変形例に係る除塵装置の部分側面図である。 別の変形例に係る除塵装置の側面図である。 （Ａ）及び（Ｂ）はそれぞれ、並設されるコ型棒状体及び前後に位置するコ型棒状体の位置関係を示した部分平面図である。

続いて、添付した図面を参照しつつ、本発明を具体化した実施の形態について説明し、本発明の理解に供する。なお、除塵装置の説明において、便宜上、冷却塔側を「前」側もしくは「正面」側、ボイラ側を「後」側もしくは「背面」側と呼ぶ。

図１にコークス乾式消火設備１０の一例を示す。コークス乾式消火設備１０は、赤熱コークスＣを冷却する冷却塔１１と、冷却塔１１から排出される循環ガスの顕熱を利用して水蒸気を発生させるボイラ１４と、冷却塔１１から排出される循環ガスをボイラ１４に導くガスダクト１２と、ボイラ１４から排出される循環ガスを冷却塔１１に返送するガス配管１３とを備えている。また、ガスダクト１２の途中には、冷却塔１１から排出される循環ガスに含まれているダスト（粉コークス）を除去するための除塵装置１８が設置され、ガス配管１３の途中には、ボイラ１４から排出される循環ガスに含まれているダストを除去するためのサイクロン１６と、循環ガスを循環させるためのブロワ１７が設置されている。

コークス炉（図示省略）から窯出しされた赤熱コークスＣは、冷却塔１１の塔頂部１１ａまで搬送され、塔頂部１１ａから冷却塔１１内に投入される。冷却塔１１内に投入された約１０５０℃の赤熱コークスＣは、冷却塔１１内を降下する間に、塔底部１１ｂから吹き込まれる循環ガスと熱交換して約２００℃まで冷却され、塔底部１１ｂから排出される。

一方、熱交換によって８００℃〜９５０℃の高温に昇温した循環ガスは、冷却塔１１からガスダクト１２を介してボイラ１４に導入される。ボイラ１４には、伝熱管（図示省略）を介して連結された、節炭器、蒸発器、一次過熱器、二次過熱器からなる熱交換器１５が設置されている。ボイラ１４内では、ボイラ１４に導入された循環ガスと熱交換器１５内を流れる冷却水との間で熱交換が行われる。熱交換器１５を通過する間に冷却された循環ガスは、サイクロン１６でダスト除去が行われた後、ガス配管１３を介して冷却塔１１に返送される。一方、循環ガスと熱交換した冷却水は水蒸気となって発電用などに利用される。

冷却塔１１から排出される循環ガスに含まれるダストの大半は、ボイラ１４の入側に設置された本発明の一実施の形態に係るコークス乾式消火設備の除塵装置１８によって除去（分離捕集）される。図２（Ａ）〜（Ｃ）に、本実施の形態に係るコークス乾式消火設備の除塵装置（以下では、単に「除塵装置」と呼ぶ。）１８の全体形状を示す。なお、図中の仮想線は、平板衝突壁からなる従来の除塵装置５０を示している。

本実施の形態に係る除塵装置１８は、ガスダクト１２の天井面（内壁）から下方に突出する支持部２５に、耐熱金属からなる捕集部材２１を立て掛けた構成とされている。即ち、捕集部材２１の上端部及び下端部はガスダクト１２の内壁にルーズに設置され、高さ方向の自由度を有している。
また、循環ガスＧの風圧によって捕集部材２１が湾曲しないようにするため、ガスダクト１２の両側壁に取り付けたブラケット２８間に架設されたビーム２９により、捕集部材２１の背面中間部が支持されている。
なお、仮想鉛直線に対する捕集部材２１の循環ガスＧ流れ方向の傾斜角度θが下流側に向けて１０°超になると、捕集部材２１の自重によって捕集部材２１の曲げ変形が助長される。また、傾斜角度θが上流側に向けて５°超になると、ダストの捕集効果が減殺される。そのため、捕集部材２１の傾斜角度θは上流側に向けて５°以下、下流側に向けて１０°以下であることが好ましい。

捕集部材２１の下方には、捕集部材２１に衝突して自然落下するダストを捕集するため、ガスダクト１２の幅方向に沿って開口部２２が設けられている。開口部２２は、下方に向けて縮幅するテーパ状とされ、開口部２２の対向する内壁面には、内方に向けて突出する突出部２２ａがそれぞれ形成されている。また、対向する突出部２２ａの上には、後述するベース部材３４が架け渡されている（図２（Ａ）、（Ｃ）参照）。捕集部材２１は、ベース部材３４上に載置されており、捕集部材２１に衝突したダストは、ベース部材３４の隙間を介して開口部２２内を自然落下する。

捕集部材２１は、循環ガスＧの流れに対向する面に凹部３０ａが形成されたコ型棒状体３０を、ガスダクト１２の幅方向全域及び循環ガスＧの流れ方向に３列、それぞれ所定の間隔をあけて立設した構成とされている。具体的には、ガスダクト１２の幅方向に所定の間隔（隙間）をあけてコ型棒状体３０を立設する際、捕集部材２１を正面視して前列のコ型棒状体３０間の隙間を後列のコ型棒状体３０が塞ぐように、前列のコ型棒状体３０と後列のコ型棒状体３０を千鳥状に配置する（図７（Ａ）、（Ｂ）参照）。
コ型棒状体３０の幅をａとすると、並設されるコ型棒状体３０間の隙間ｂは（０．８〜１．０）×ａ、前後のコ型棒状体３０間の間隙ｃは（０．４〜０．８）×ａとするのが好ましい（図７（Ａ）参照）。また、捕集部材２１を正面視した際における前列のコ型棒状体３０と後列のコ型棒状体３０の重なり代ｄは（０〜０．１）×ａとするのが好ましい（図７（Ｂ）参照）。

本実施の形態におけるコ型棒状体３０は、帯板状の耐熱金属を折り曲げて溝型状に形成している。これにより、コ型棒状体３０に衝突したダストが溝内を滑って落下し、ダストの二次飛散を殆ど無くすことができる。
耐熱金属の厚さは、４ｍｍ〜１６ｍｍ程度あればよい。また、耐熱金属には、使用限界温度が１０００℃以上であるＳＵＳ３１０Ｓなどの耐熱鋼（ステンレス鋼）を使用することができる。

本実施の形態に係る除塵装置１８の上端部の詳細を図３（Ａ）、（Ｂ）に、下端部の詳細を図４（Ａ）にそれぞれ示す。捕集部材２１を構成する各コ型棒状体３０は、ベース部材３４の上に載置され、各コ型棒状体３０の上端部が間隔保持部材３２で連結された状態で支持部２５に立て掛けられている。ベース部材３４及び間隔保持部材３２はコ型棒状体３０間の間隔を保持するものであり、各コ型棒状体３０は材軸方向の自由度を有している。即ち、各コ型棒状体３０の上端部及び下端部は、ガスダクト１２の内壁にルーズに取り付けられている。

ベース部材３４は、プレート面を対峙させて並設された複数の矩形プレート３５と、複数の矩形プレート３５を貫通する丸棒３６とから構成されており、各矩形プレート３５の上辺には、コ型棒状体３０の下端部を嵌込保持する切欠部３５ａが形成されている（図４（Ａ）、（Ｂ）参照）。
一方、間隔保持部材３２は帯状プレート３３からなり、帯状プレート３３の一方の長辺にはコ型棒状体３０のウェブが嵌入する切欠部３３ａが、他方の長辺にはコ型棒状体３０のフランジが嵌入する切欠部３３ｂがそれぞれ形成されている（図３（Ｂ）、（Ｃ）参照）。

本実施の形態に係る除塵装置１８では、８００℃〜９５０℃の高温域で、耐熱金属からなる捕集部材２１にダストが衝突付着して金属表面にダストの保護膜が形成されるので、耐熱金属からなる捕集部材２１を除塵装置１８として機能させることができる。これにより、捕集部材２１の形状の自由度が向上し、除塵装置１８の小型、軽量化が可能となると共に、メンテナンスも容易となる。図２から明らかなように、本除塵装置１８を使用することにより、従来の除塵装置５０に比べて、除塵装置を大幅に小型化することが可能となる。
なお、ダストのガス流速としては、４ｍ／ｓｅｃ以上２５ｍ／ｓｅｃ以下が好ましい。

図５は、変形例に係る除塵装置１９を示したものである。
本除塵装置１９では、コ型棒状体３０の長さが列ごとに異なっており、最前列を構成するコ型棒状体３０が最も長く、最後列を構成するコ型棒状体３０が最も短くなっている。また、ガスダクト１２の天井面から下方に突出する支持部２６の前面部には、後方に向けて後退する階段状の段差部２６ａが形成されている。
最前列を構成するコ型棒状体３０の上端部は段差部２６ａの最前段に、中間列を構成するコ型棒状体３０の上端部は段差部２６ａの中間段に、最後列を構成するコ型棒状体３０の上端部は段差部２６ａの最後段にそれぞれ支持される。
なお、除塵装置１９の下端部は、前述した除塵装置１８と同様である。

図６は、別の変形例に係る除塵装置２０を示したものである。
本除塵装置２０では、捕集部材２１が、ガスダクト１２の天井面から下方に突出する支持部２７の後面に立て掛けられている。仮想鉛直線に対する捕集部材２１の循環ガスＧ流れ方向の傾斜角度θは上流側に向けて５°以下、下流側に向けて１０°以下が好ましい。
また、除塵装置２０においても、前述した除塵装置１８と同様、間隔保持部材３２及びベース部材３４が使用される。

最後に、本発明に係るコークス乾式消火設備の除塵装置の効果を検証するために実施した流体解析について説明する。
循環ガスの流れに対向する面に凹部が形成されたコ型棒状体を千鳥状に配置した捕集部材を実施例、平板衝突壁を従来例として解析モデルを構築し、アンシス・ジャパン（株）製の汎用熱流体解析ソフトウェア「ＡＮＳＹＳ Ｆｌｕｅｎｔ」を使用して、捕集部材及び平板衝突壁を通過するダストの分布及び量について検証した。

コ型棒状体は、幅ａ：２００ｍｍ、溝深さ：１００ｍｍ、コ型棒状体間の隙間ｂ：１８０ｍｍ、前後のコ型棒状体３０間の間隙ｃ：１２０ｍｍとした。
また、循環ガスの流速は１０ｍ／ｓｅｃ、温度は９００℃に設定した。

流体解析に使用したダストの粒度分布を表１に示す。また、流体解析結果を表２に示す。なお、表２の粒度別通過量比は、各粒径における粒度別通過率と各粒径の比率との積であり、通過率は粒度別通過量比の総和である。
表２より、従来例に比べて実施例では、集塵率が大幅に改善されていることがわかる。なかでも、実施例では、５ｍｍ以上の粒径を有するダストが殆どシャットアウトされていることがわかる。

以上、本発明の一実施の形態について説明してきたが、本発明は何ら上記した実施の形態に記載の構成に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載されている事項の範囲内で考えられるその他の実施の形態や変形例も含むものである。例えば、上記実施の形態では、捕集部材をコ型棒状体で構成しているが、これに限定されるものではなく、金属プレートやエキスパンドメタルなどでもよい。また、上記実施の形態では、コ型棒状体の配置は循環ガスの流れ方向に３列としているが、２列あるいは４列以上でもよい。

１０：コークス乾式消火設備、１１：冷却塔、１１ａ：塔頂部、１１ｂ：塔底部、１２：ガスダクト、１３：ガス配管、１４：ボイラ、１５：熱交換器、１６：サイクロン、１７：ブロワ、１８、１９、２０、５０：除塵装置、２１：捕集部材、２２：開口部、２２ａ：突出部、２５、２６、２７：支持部、２６ａ：段差部、２８：ブラケット、２９：ビーム、３０：コ型棒状体、３０ａ：凹部、３２：間隔保持部材、３３：帯状プレート、３３ａ、３３ｂ、３５ａ：切欠部、３４：ベース部材、３５：矩形プレート、３６：丸棒、Ｃ：赤熱コークス、Ｇ：循環ガス

Claims (3)

1. 赤熱コークスを冷却する冷却塔から排出される循環ガスをボイラに導くガスダクトの途中に設置した捕集部材により、該循環ガスに含まれるダストを分離捕集する除塵装置において、
   前記捕集部材が、耐熱金属から形成され、前記ガスダクトの天井面から下方に突出する支持部に立て掛けられていることを特徴とするコークス乾式消火設備の除塵装置。
2. 請求項１記載のコークス乾式消火設備の除塵装置において、前記捕集部材は、前記循環ガスの流れに対向する面に凹部が形成された耐熱金属製のコ型棒状体を、前記ガスダクトの幅方向に所定の間隔をあけて立設すると共に、前記循環ガスの流れ方向に複数列立設した構成とされ、隣接する列を構成する前記コ型棒状体が千鳥状に配置されていることを特徴とするコークス乾式消火設備の除塵装置。
3. 請求項１又は２記載のコークス乾式消火設備の除塵装置において、前記循環ガスに含まれるダストが前記捕集部材に衝突するときのガス流速が４ｍ／ｓｅｃ以上２５ｍ／ｓｅｃ以下であることを特徴とするコークス乾式消火設備の除塵装置。

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