JP6458410B2

JP6458410B2 - 非鉄金属製錬炉用廃熱ボイラー

Info

Publication number: JP6458410B2
Application number: JP2014177037A
Authority: JP
Inventors: 岩崎　伸充; 伸充岩崎
Original assignee: Sumitomo Metal Mining Co Ltd
Current assignee: Sumitomo Metal Mining Co Ltd
Priority date: 2014-09-01
Filing date: 2014-09-01
Publication date: 2019-01-30
Anticipated expiration: 2034-09-01
Also published as: JP2016050727A

Description

本発明は、硫化鉱を原料として処理する非鉄金属製錬炉に設けられる廃熱ボイラーに関するものである。

原料としての硫化鉱を溶融してマットとスラグとに分離する自溶炉などの非鉄金属製錬炉には、溶融時に発生する高温の排ガスの廃熱を回収する廃熱ボイラーが設けられている。この廃熱ボイラーは、一般にキャスタブルで内張りされた胴体部の内側に水管を配設した構造を有している。この水管の内側を流れるボイラー水と水管の外側を流れる高温の排ガスとの熱交換により廃熱回収が行われる。

上述の硫化鉱を使用する場合は、製錬炉内に煙灰、からみ調整剤（フラックスとも称される）、補助燃料等の副原料が硫化鉱と共に装入され、更に反応用気体が製錬炉内に吹き込まれて製錬が行われる。そのため、上記廃熱ボイラーに送られる排ガスには煙灰が含まれており、この排ガス中の煙灰の一部が廃熱ボイラーの水管の外周面に付着することがあった。

このように水管の外周面に煙灰が付着すると熱交換効率が低下するうえ、付着した煙灰に含まれる腐食性物質により水管が腐食することがあった。そこで、水管に例えばエアーを吹き付けて付着した煙灰を除去し、除去された煙灰を胴体部の下方に設けたチェーンコンベアなどの搬送設備により排出することが行われている。このような煙灰除去手段により、水管に付着した煙灰の大部分を除去することができるが、廃熱ボイラーの胴体部に複数個所設けられているマンホールなどの点検口の近傍に配されている水管は、該点検口を回避するために部分的に曲げられており、この曲り配管と点検口との隙間に煙灰が残留して水管を腐食させることがあった。

水管の腐食を防止する技術としては、非鉄金属製錬炉用の廃熱ボイラーではないが、特許文献１に鉛直方向に延在する複数の過熱器直管と、これらのうち隣接する過熱器直管同士を接続するＵ字状曲り管と、過熱器管寄せとからなる黒液回収ボイラー用の過熱器において、下側のＵ字状曲り管の下部に溶接肉盛りすることにより下向きに凸な突起を設ける技術が提案されている。これにより溶融煙灰が停滞しにくくなり、よって過熱器直管の腐食の程度を低減することができると記載されている。

特開平５−１９６２０７号公報

近年、非鉄金属製錬炉の原料に使用する硫化鉱にはハロゲンなどの腐食性の強い元素がより高い濃度で含まれる傾向にあり、これに伴って硫化鉱の溶融の際にこの腐食性の強い元素が煙灰に多量に含まれることがあった。そのため、煙灰の残留しやすい上記したマンホールなどの点検口近傍の曲り管において特に激しい腐食が発生しており、定期点検の度に取替を要する場合が増えていた。

特許文献１に示す溶接肉盛りを行うことにより非鉄金属製錬炉用の廃熱ボイラーでもある程度腐食を抑えることが期待できるが、溶接肉盛り部と非肉盛り部との境界部分では付着した煙灰を除去しにくく、その部分から腐食が進むことが考えられる。また、非鉄金属製錬炉用の廃熱ボイラーで熱回収される排ガスに含まれる煙灰は溶融しておらず固体であるため、特許文献１の技術をそのまま適用しても十分に効果を発揮させることができないと思われる。

本発明は、上記した従来の問題に鑑みてなされたものであり、非鉄金属製錬炉において原料に含まれるハロゲンなどの腐食性の強い元素の濃度が増加して該製錬炉から排出される排ガスに当該腐食性の強い元素が多く含まれる場合であっても、該排ガスの廃熱を回収する廃熱ボイラーの水管の腐食を抑えて長期間使用することができる非鉄製錬炉用廃熱ボイラーを提供することを課題とする。

上記課題を解決するため、本発明の非鉄金属製錬炉用廃熱ボイラーは、硫化鉱原料を処理する非鉄金属製錬炉から排出される排ガスの廃熱を回収する、胴体部とその内壁面に張り巡らされた水管とからなる廃熱ボイラーであって、前記水管を構成する複数の平行な直管のうち、直管の延在方向が前記胴体部の壁面を貫通する筒状点検口に干渉する一まとまりの直管群は、前記筒状点検口を回避するように該筒状点検口の外周面に沿って部分的に湾曲しており、該湾曲している部分と該外周面との間の隙間に該筒状点検口の内側端面を通る平面と同一レベルまで耐火物が埋められており、前記耐火物の表面を金属板が覆っており、前記金属板は前記筒状点検口の内側端面に沿って一定の間隔毎に該内側端面に溶接で取り付けられていることを特徴としている。

本発明によれば、非鉄金属製錬炉において原料に含まれるハロゲンなどの腐食性の強い元素の濃度が増加して該製錬炉から排出される排ガス中に該腐食性の強い元素が多量に含まれる場合であっても、該排ガスの廃熱を回収する廃熱ボイラーの水管の腐食を抑えて長期間使用することが可能になる。

本発明の一具体例の非鉄金属製錬炉用の廃熱ボイラーの斜視図である。図１の廃熱ボイラーが有するマンホールの外周面に沿って部分的に湾曲している直管群を示す斜視図（ａ）、及び側面図（ｂ）である。図２の直管群の湾曲している部分と点検口の外周面との隙間に耐火物が埋められている状態を示す断面図である。図３の耐火物が一部脱落した状態を示す断面図である。図３の耐火物の表面が金属板で覆われている状態を示す断面図である。

以下、本発明の非鉄金属製錬炉用の廃熱ボイラーの一具体例について、製錬炉としての自溶炉の原料に黄銅鉱などの硫化鉱を用いる場合を例に挙げて説明する。硫化鉱を原料とする乾式製錬の自溶炉では、硫化鉱は自身の酸化反応熱で溶融し、銅品位６０〜６５％程度のマットと、酸化鉄や珪酸などからなるスラグとに分けられる。廃熱ボイラーはこの溶融時に自溶炉から排出される高温の排ガスの廃熱を回収して蒸気を発生させる設備であり、廃熱が回収された後の排ガスは硫酸の原料ガスとして硫酸製造設備に送られる。

上記の廃熱ボイラーは、例えば図１に示すように輻射部１と対流部２とから構成され、自溶炉から排出される排ガスは、白矢印で示すように輻射部１の胴体部の側面に設けられた排ガス入口部１ａから入って輻射部１及び対流部２の内部で各々廃熱回収された後、対流部２の胴体部の側面に設けられた排ガス出口部２ａから排出される。これら輻射部１及び対流部２の胴体部は、各々略直方体形状の上部と、対向する壁面同士の間隔が下方に向かうに従って狭くなるテーパー構造の下部とから構成されており、排ガスから分離した煙灰はこのテーパー構造の下方に集められた後、図示しないチェーンコンベア等の煙灰排出装置を介して胴体部から排出される。

この胴体部の内側に、排ガスとの熱交換を行うボイラー水が内部を流れる水管が設けられている。水管は排ガスの廃熱を効率よく回収できるように配設されており、具体的には輻射部１ではその胴体部の内壁面のほぼ全面に亘って蛇行状に水管が張り巡らされており、一方、対流部２では胴体部の内壁面と胴体部の空間部分とに水管が設けられている。これら水管は容易に設置できるように、一平面上において互いに平行に配設された複数の直管とこれらのうち隣接する直管同士の端部をつなぐＵ字状曲り管とが一体となったパネル状の形態で設置されている。

ところで、廃熱ボイラーの胴体部には、図１に示すように上記したパネル状の水管の点検や補修の際に使用するマンホールＭやサンプリング孔Ｓ等の金属製の筒状点検口が胴体部の壁面を貫通して設けられている。そのため、上記した胴体部の内壁面上に蛇行状に設けられている水管を構成する複数の平行な直管のうち、直管の延在方向が筒状点検口に物理的に干渉する一まとまりの直管群は該筒状点検口を回避するように該筒状点検口の外周面に沿って部分的に湾曲している。

例えば、胴体部を内張りするキャスタブルの表面に沿って張り巡らされている水管のうち、図２（ａ）に示すように、８本の鉛直方向に延在する直管１０ａ〜１０ｈが、胴体部及びキャスタブルを貫通するマンホールＭの近傍に配されている。そして、これら８本の直管１０ａ〜１０ｈのうち、両端の直管１０ａ及び１０ｈを除く６本の直管１０ｂ〜１０ｇの延在方向を横切るようにマンホールＭが位置しているため、これら６本の直管１０ｂ〜１０ｇは、マンホールＭを回避するため各々マンホールＭの外周面に沿って部分的に湾曲している。その際、これら湾曲している部分同士が互いに干渉しないように、マンホールＭの中心軸Ｍａを通る垂直面により近い直管ほどマンホールＭの内側端面Ｍｂからより離れた外周面を経由するように湾曲している。

すなわち、図２（ｂ）に示すように、上記６本の直管１０ｂ〜１０ｇのうち、マンホールＭの内側正面から見て右側に位置する３本の直管１０ｂ、１０ｃ及び１０ｄは、マンホールＭの中心軸Ｍａを通る垂直面に最も遠いものから最も近いものの順である１０ｂ、１０ｃ、１０ｄの順にマンホールＭの内側端面Ｍｂから大きく離間しながら湾曲している。同様に、マンホールＭの内側正面から見て左側に位置する３本の直管１０ｅ、１０ｆ及び１０ｇは、マンホールＭの中心軸Ｍａを通る垂直面に最も遠いものから最も近いものの順である１０ｇ、１０ｆ、１０ｅの順にマンホールＭの内側端面Ｍｂから大きく離間しながら湾曲している。なお、図２（ｂ）には胴体部２０及びその内張りとなるキャスタブル２１が示されている。また、マンホールＭの蓋Ｍｃが一点鎖線で描かれている。

このように、マンホール等の点検口の近傍に配されている直管群は、点検口を回避するために３次元的に湾曲しているため、上記したパネル状の水管のうち点検口の近傍に配されている直管群は胴体部の内壁面に対して全体としてフラットになっておらず、湾曲している部分と点検口の外周面のうちの内側端面側との間に隙間が生じている。この隙間には煙灰が堆積しやすく、煙灰の堆積部分から水管の腐食が進行することがあった。そこで、本発明の一具体例の廃熱ボイラーでは、上記隙間に耐火物が埋められている。

具体的に説明すると、図３に示すように、マンホールＭとの干渉を避けるために湾曲している直管群１０の湾曲部とマンホールＭの外周面のうちの内側端面Ｍｂ側との隙間に、マンホールＭの内側端面Ｍｂを通る面と略同一面となるレベルまで耐火物１２が埋められている。これにより上記隙間に煙灰が堆積するのを避けることができ、また、この隙間内若しくはその近傍で排ガスが渦流を形成して水管の磨耗が促進するのを抑えることができる。なお、上記隙間を埋める耐火物１２には、後述する煙灰除去装置の作動に伴って発生する振動などに対する耐久性を高めるため、ステンレスファイバーなどの繊維を混ぜて強化してもよい。

上記したように、直管群の湾曲部と点検口の外周面のうちの内側端面側との隙間に耐火物を埋めることで水管の腐食の進行を良好に抑えることができるが、運転開始から時間が経過するに従って、廃熱ボイラーに設けられた例えばバイブレーターやエアーノッカーなどの煙灰除去装置の運転に伴って発生する振動により、図４に示すように耐火物が劣化して部分的に脱落することが考えられる。このように耐火物が部分的に脱落すると、その脱落した部分には窪みＲが生じ、この窪みＲに煙灰ダストが付着して窪みＲ近傍の水管の腐食が進行するおそれがある。更に、この窪Ｒみにより生じる排ガスの乱流によって、窪みＲ近傍の水管が著しく摩耗するおそれもある。

このように、上記した直管群の湾曲部と点検口の外周面との隙間に耐火物を埋めただけでは、過酷な条件の下で運転を続けると問題が生じるおそれがある。そこで、上記した直管群の湾曲部と点検口の外周面との間の隙間を埋めた耐火物の表面には金属板を取り付けるのが好ましい。具体的には図２（ａ）及び（ｂ）の二点鎖線で示すように、直管群が屈曲を開始する部分とマンホールＭの内側端面Ｍｂの縁部との間の領域を少なくとも覆うように、マンホールＭの内側端面Ｍｂの上下に各々片側が凹状に湾曲した略矩形板状の金属板１４を取り付けるのが好ましい。この場合、前述したようにマンホールＭの内側端面Ｍｂを通る面と略同一面となるレベルまで耐火物１２が埋められているので、金属板１４の裏面は全面に亘って耐火物１２の表面に当接することになる。

上記したように隙間を埋めた耐火物１２を覆うように金属板１４を取り付けることにより、耐火物１２がバイブレーターやエアーノッカーなどの振動によって、廃熱ボイラーの内側に脱落するのを抑えることができる。更に、金属の表面のほうが耐火物の表面よりも平滑であるため、単に隙間に耐火物を施工した場合に比べて煙灰の付着をより確実に防ぐことが可能になる。よって、耐火物の脱落によって生じる窪み部分への煙灰の堆積による水管の著しい腐食や摩耗を長期に亘って確実に抑えることができる。

上記したように直管群の湾曲部と点検口の外周面との隙間に耐火物で埋めてその上を金属板で覆う方法は、一般的に行われる溶接肉盛によって隙間を埋める方法に比べて断熱性の高い耐火物を使用するため熱交換効率の点で劣るものの、上記したように耐火物で埋める部分はマンホール等の点検口の周りに限定されるため、廃熱ボイラー全体としての熱効率から見ればほとんど問題にはならない。それどころか、上記したように隙間を耐火物で埋めて必要に応じて金属板で耐火物を覆う方法は、一般的に行われる溶接肉盛によって隙間を埋める方法に比べて、施工に必要な時間や施工に要する費用を大幅に低減することができる。

金属板１４は、厚さ３〜５ｍｍの鉄板であることが好ましい。このように薄い鉄板を使用することにより、マンホール等の点検口を一般的に構成している鉄製筒状部材の材質や水管の熱膨張による伸びに容易に対応できる。金属板１４の取り付け方法としては、例えば金属板１４の凹状に湾曲した部分をマンホールの縁に沿って一定の間隔毎に複数個所に溶接してもよいし、あるいは金属板１４の凹状に湾曲した部分とは反対側の直線部分を直管群に溶接してもよい。例えば、マンホールの縁に沿って１０〜５０ｍｍ程度線状に溶接した後、５０〜２００ｍｍ程度溶接の無い部分を隔てて再び１０〜５０ｍｍ程度線状に溶接することを繰り返して取り付ければよい。このように、金属板の片側側部のみを所定の間隔毎に溶接で固定することにより、前述したようにマンホール等の点検口を構成する鉄製筒状部材の材質や水管の熱膨張による伸びに容易に対応できる。

上記したように隙間を耐火物で埋めてから金属板で覆うことにより水管を腐食や摩耗から長期に亘って保護することができるが、前述した耐火物が部分的に剥離することがある。この場合、耐火物は金属板で覆われているため、剥離した耐火物片は落下せずに元の位置に留まったままになる。

１輻射部
１ａ排ガス入口部
２対流部
２ａ排ガス出口部
１０水管群
１０ａ〜１０ｈ水管
１２耐火物
１４金属板
Ｍマンホール
Ｍａマンホール中心軸
Ｍｂマンホール内側端面
Ｍｃマンホール蓋
Ｓサンプリング孔
Ｒ窪み

Claims

硫化鉱原料を処理する非鉄金属製錬炉から排出される排ガスの廃熱を回収する、胴体部とその内壁面に張り巡らされた水管とからなる廃熱ボイラーであって、前記水管を構成する複数の平行な直管のうち、直管の延在方向が前記胴体部の壁面を貫通する筒状点検口に干渉する一まとまりの直管群は、前記筒状点検口を回避するように該筒状点検口の外周面に沿って部分的に湾曲しており、該湾曲している部分と該外周面との間の隙間に該筒状点検口の内側端面を通る平面と同一レベルまで耐火物が埋められており、前記耐火物の表面を金属板が覆っており、前記金属板は前記筒状点検口の内側端面に沿って一定の間隔毎に該内側端面に溶接で取り付けられていることを特徴とする非鉄金属製錬炉用廃熱ボイラー。
前記金属板は、厚さ３〜５ｍｍの鉄板であることを特徴とする、請求項１に記載の非鉄金属製錬炉用廃熱ボイラー。