JP7265925B2 - 排ガス導出ノズル - Google Patents

Description

本発明は、排ガス導出ノズルに関する。

ごみ焼却設備の排ガス流路には種々のノズルが設けられる。例えば、特許文献１に記載されたごみ焼却設備では、排ガス流路に薬剤を吹き込むための吹込用ノズルが設けられる。一方、ごみ焼却設備の排ガスは腐食性であることが知られている。そこで、このごみ焼却設備では、この吹込ノズルを保護管で覆うことによって吹込ノズルの表面の腐食が回避されている。

特開２００３－０８０１１６号公開特許公報

ごみ焼却設備の排ガス流路には、例えば、排ガスの圧力を監視するために、圧力測定用のガスを排ガス流路から導出するためのノズルが設けられる場合がある。この場合、当該ノズルに応力腐食割れが発生することがある。なお、ノズルに応力腐食割れが発生しても、排ガス流路内を負圧に設計していれば、排ガスが外部に漏れ出す恐れはなく、この不具合により直ちに重大な問題にはならない。但し、圧力監視が出来なくなる可能性がある。また、この不具合は、腐食性の高温の排ガスを発生する燃焼設備に共通し、且つ、用途を問わず排ガスを導出するノズルに共通する課題である。また、固定部位には、加工による幾らかの残留応力が生じるので、この不具合は、溶接以外の固定方法にも共通する課題である。

本発明は上記のような課題を解決するためになされたもので、固定部位及びその近傍部における応力腐食割れの発生を防止することが可能な排ガス導出ノズルを提供することを目的としている。

本発明者等は、ごみ焼却設備において、圧力測定用のガスを排ガス流路から導出するための排ガス導出ノズルについて鋭意検討した。その結果、以下の知見を得た。

図３に示すように、排ガス導出ノズル４１は、例えば、排ガス流路５の壁２０の貫通孔に、当該貫通孔を挿通するように設けられる。排ガス導出ノズル４１は、壁２０の金属製のケーシング２１に溶接（隅肉溶接）４２によって固定され、先端が圧力測定用の導圧管（不図示）に接続される。

排ガス８が、例えば、ごみの燃焼排ガスである場合、この状態で排ガス流路５に排ガス８が流れると、排ガス導出ノズル４１を通過した排ガス８が下流で放熱により冷却されて結露する。これにより、腐食性の液体が生成される。ここでは、排ガス８が亜硫酸ガスを含んでいるので、排ガス８が排ガスの酸露点（例えば１４０℃）以下に冷却されると結露し、腐食性の液体として、硫酸が発生する。そして、この硫酸が導圧管から排ガス流路５に向かって流下する。

ここで、以下の３条件、i)対象部位に引張応力が存在すること、ii)対象部位が、腐食が進行する環境下にあること、及びiii)対象物が耐応力腐食割れ性の低い材質であること、が満たされる場合に応力腐食割れが発生する。

i)の条件に関して、排ガス導出ノズル４１の溶接４２の近傍部は、溶接４２による引張応力が残存するので、i)の条件を満たす。ii)の条件に関して、腐食性の液体が生成されるので、ii)の条件を満たす。iii)の条件に関して、排ガス導出ノズル４１は、コスト面から一般的なステンレス鋼、炭素鋼等の材料で構成されているので、iii)の条件を満たす。

このため、排ガス導出ノズル４１の溶接４２の近傍部には、流下する硫酸によって応力腐食割れ４３が発生する。

一方、ii)の条件に関して、硫酸は、沸点である３３７℃以上になると蒸発する。このため、溶接４２の近傍部を超えてさらに流下する硫酸は、７００～９００℃の排ガス８が流れる排ガス流路５に近づくに連れて次第に蒸発する。従って、排ガス導出ノズル４１の排ガス流路５に近い部分は、腐食が進行しない環境下にある。

そこで、本発明者等は、排ガス導出ノズル４１における、このような腐食が進行しない環境下にある部位に対して溶接を施すことを想到した。

なお、排ガス導出ノズル４１の固定方法は、溶接には限定されず、この知見は、残留応力が固定部位に生じる全ての固定方法に適用可能である。また、排ガス導出ノズル４１によって導出される排ガスの用途は特に限定されない。また、腐食性の液体の種類は排ガス８の性状又は種類に依存して異なるが、それに応じて、排ガス導出ノズル４１における、腐食が進行しない環境下にある部位が異なるだけであり、排ガス８の性状又は種類に関わらず、この知見を適用することができる。

本発明はこのような知見に基づいてなされたものである。

本発明のある形態（aspect）に係る排ガス導出ノズルは、温度が酸露点以下になると腐食性の液体を生成する高温の排ガスが流れる排ガス流路から前記排ガスを導出するための排ガス導出ノズルであって、前記排ガス流路の壁の貫通孔に挿通され、当該壁に固定された外筒と、前記外筒に間隙を有して挿通された内筒と、前記間隙をシールするシール構造と、を備え、前記内筒の部分であって前記導出される排ガスの温度が前記腐食性の液体の沸点より高い非腐食部分が、前記外筒に固定されている。ここで、内筒の外筒への固定方法は特に限定されない。また、排ガス導出ノズルによって導出される排ガスの用途は特に限定されない。

この構成によれば、内筒の非腐食部分が、排ガス流路の壁に固定された外筒に溶接され、且つ、当該非腐食部分における排ガスの温度が腐食性の液体の沸点より高い。従って、排ガスが排ガス導出ノズルの下流で結露して腐食性の液体が生成され、それが流下しても非腐食部分で蒸発する。よって、排ガス導出ノズルの内筒の固定部位及びその近傍部における応力腐食割れの発生を防止することができる。

前記内筒が、前記非腐食部分を含む第１部分と、当該内筒から前記第１部分を除いた残りの部分である第２部分とに分割されていてもよい。

この構成によれば、第２部分は、流下する腐食性の液体によって減肉した場合、新品に交換することが必要であるが、第２部分を引張応力が生じないような方法で取り外し可能な適所に固定することにより、第２部分を容易に交換することができる。

前記腐食性の液体が硫酸である場合に前記内筒における排ガスの温度が３３７℃より高い部位が前記外筒に固定されており、前記腐食性の液体が塩酸である場合に前記内筒における排ガスの温度が１１０℃より高い部位が前記外筒に固定されていてもよい。

この構成によれば、排ガスの温度が酸露点以下となって生成される腐食性の液体が硫酸又は塩酸である場合において、排ガス導出ノズルの内筒の固定部位及びその近傍部における応力腐食割れの発生を的確に防止することができる。

前記内筒の非腐食部分が溶接によって前記外筒に固定されていてもよい。

この構成によれば、耐熱性の良好な固定状態を得ることができる。

前記内筒の先端が、前記導出された排ガスを利用する機器に接続されていてもよい。

この構成によれば、排ガスを利用する機器に至る排ガスの流路において、排ガスが放熱により冷却されて結露し、腐食性の液体が生成されて流下しても、排ガス導出ノズルの内筒の固定部位及びその近傍部における応力腐食割れの発生を防止することができる。

前記排ガス流路が、ごみ焼却設備、バイオマス燃料の燃焼設備、又は化学プラントの副産物の排ガス流路であってもよい。

この構成によれば、ごみ焼却設備、バイオマス燃料の燃焼設備、又は化学プラントの副産物の排ガス流路の排ガスは腐食性で且つ高温であるので、本発明が特に顕著な効果を奏する。

本発明は、固定部位及びその近傍部における応力腐食割れの発生を防止することが可能な排ガス導出ノズルを提供できるという効果を奏する。

図１は、実施形態１に係る排ガス導出ノズルが設けられたごみ焼却設備の概要を示す模式図である。 図２は、図１の排ガス導出ノズルの構成を示す断面図である。 図３は、比較例の排ガス導出ノズルの構成を示す断面図である。 図４は、実施形態２に係る排ガス導出ノズルの構成を示す断面図である。

以下、本発明の実施の形態を、図面を参照しながら説明する。なお、以下では全ての図面を通じて同一又は相当する要素には同一の参照符号を付して、その重複する説明を省略する。また、本発明は、以下の実施形態に限定されない。

（実施形態１）
＜排ガス流路＞
まず、実施形態１に係る排ガス導出ノズルが設けられる排ガス流路について説明する。排ガス流路は、温度が酸露点以下になると腐食性の液体を生成する高温の排ガスが流れる流路であれば、特に限定されない。そのような排ガス流路として、ごみ焼却設備、バイオマス燃料の燃焼設備、又は化学プラントの副産物の排ガス流路が例示される。以下では、ごみ焼却設備の排ガス流路を例に取って、排ガス導出ノズルを説明する。排ガス導出ノズルによって導出される排ガスの用途は特に限定されない。

＜ごみ焼却設備＞
図１は、実施形態１に係る排ガス導出ノズルが設けられたごみ焼却設備の概要を示す模式図である。

図１を参照すると、ごみ焼却設備１００はごみ投入部４を備えている。ごみ投入部４の下方に焼却炉１が設けられていて、ごみ投入部４から投入されたごみが燃焼される。焼却炉１の上方には、廃熱ボイラ２が設けられている。廃熱ボイラ２には、焼却炉１に連通する排ガス流路５が設けられていて、ごみの燃焼により発生した排ガス８がこの排ガス流路５を流れて収熱される。排ガス流路５の途中には、過熱器管６及びエコノマイザ３が設けられている。エコノマイザ３には、排ガス８と熱交換する伝熱管（不図示）が配置されていて、そこで排ガス８の熱が回収される。エコノマイザ３を通過した排ガス８は、さらに下流の機器（不図示）に導かれ、最終的に煙突（不図示）から大気中に排出される。

焼却炉１及び廃熱ボイラ２の壁２０は耐火壁２２で構成されていて、耐火壁２２の表面が金属製のケーシング２１で覆われている（図２参照）。排ガス流路５の適所に排ガス導出ノズル１０が設けられている。排ガス流路５のエコノマイザ３の下流には、排ガス８を吸引して送出するファン（不図示）が配設されている。従って、排ガス流路５の内部は外部に対して負圧になっている。

＜排ガス導出ノズル＞

［構成］
図２は、排ガス導出ノズル１０の構成を示す断面図である。図２を参照すると、排ガス流路５の壁２０は、耐火壁２２と、耐火壁２２の表面を覆う金属製のケーシング２１とで構成されている。なお、壁２０の構造は、特に限定されない。

壁２０には、貫通孔２０ａが設けられている。貫通孔２０ａは、壁２０の内面から外面に向かって斜め上方に壁２０を貫通するように設けられている。貫通孔２０ａの向きはいずれの方向であってもよい。この貫通孔２０ａに外筒１１が挿通されている。図２には、外筒１１の両端が壁２０の両面に面一であるように示されているが、外筒１１の端が壁２０の外面及び又は内面から突出していてもよい。外筒１１は、適宜な手段で壁２０に固定されている。ここでは、外筒１１は、ケーシング２１に溶接（不図示）によって固定されている。

外筒１１に、内筒１２が隙間を有して挿通されている。内筒１２の基端（下端）は排ガス流路５に接続し、先端は、排ガス８を利用する機器（不図示）に接続されている。内筒１２の基端（下端）は外筒１１と面一でもよく、外筒１１から突出していてもよい。排ガス８を利用する機器は、ここでは、排ガス８の圧力を測定する圧力測定器である。圧力測定器と内筒１２の先端とは、圧力測定用の導圧管（不図示）によって接続されている。なお、内筒１２の先端の接続先は特に限定されない。

内筒１２は、溶接１６によって外筒１１に固定されている。ごみを燃焼して発生する排ガス８は腐食性のガスを含む。従って、排ガス８の温度が酸露点以下になると、腐食性の液体が生成される。排ガス８の性状が、酸露点以下の温度で、例えば、硫酸を生成するものである場合、排ガス８の酸露点は、硫酸の露点である１４０℃である。一方、排ガス流路５を流れる排ガス８の温度は、例えば、約８００℃である。このため、内筒１２の基端部は排ガス８の腐食性の液体の沸点より高い温度となる。腐食性の液体の沸点は、例えば腐食性の液体が硫酸である場合、３３７℃である。以下、内筒１２の排ガス８の温度が、当該排ガス８が結露して生成される腐食性の液体の沸点より高い部分１５を非腐食部分と呼ぶ。この非腐食部分１５が、例えば、溶接１６によって外筒１１に固定されている。溶接１６は、例えば、プラグ溶接とされる。なお、非腐食部分１５の外筒１１への固定方法は特に限定されない。例えば、排ガス８の温度が低い場合、耐熱パテ等を使って固定してもよい。一方、固定方法として溶接１６を採用すると耐熱性の良好な固定状態が得られる。

内筒１２では、排ガス流路５に近い部位程温度が高い。内筒１２内を流れる排ガス８が排ガス流路５から離れるにつれて当該排ガス８の温度が低くなるからである。従って、非腐食部分１５は、内筒１２において、排ガス流路５から一定の（certain）距離の範囲内に存在する。この一定の距離は、排ガス流路５内の排ガス８の性状、温度等に依存するので一律ではない。また、この一定の距離は、排ガス８を生成する設備の種類（ごみ焼却設備、バイオマス燃料の燃焼設備、化学プラント等の種類）に対応する排ガス８の種類に依存して異なる。

本実施形態では、これらの事情を考慮して、内筒１２において溶接１６が施される部位が非腐食部分１５に位置するように、例えば、排ガス流路５内の排ガス８の温度が７００～９００℃である場合、内筒１２において、排ガス８の温度が３３７℃より高い部位に溶接１６が施される。

なお、排ガス８の性状が、酸露点以下の温度で塩酸を生成するものである場合、塩酸の沸点は１１０℃であるので、排ガス８の温度が１１０℃より高い部位が非腐食部分１５となり、この非腐食部分１５に溶接１６が施される。

外筒１１及び内筒１２は、例えば、ステンレス鋼、炭素鋼等の材料で構成される。

外筒１１と内筒１２との隙間は、シール構造１３によってシールされている。シール構造１３は、外筒１１と内筒１２との隙間をシールすることができ、且つ、耐熱性を有するものであれば、特に限定されない。ここでは、シール構造１３として、この隙間の入口に耐熱性のシーリング材が施工されている。

［作用効果］
次に、以上のように構成された排ガス導出ノズル１０の作用効果を比較例と対比して説明する。図３は、比較例の排ガス導出ノズル４１の構成を示す断面図である。図３では、排ガス導出ノズル４１を分かり易くするために模式的に示している（断面で示していない）。排ガス導出ノズル４１は、単管で構成されている。また、排ガス導出ノズル４１は、溶接（隅肉溶接）４２によって壁２０のケーシング２１に固定されている。これ以外の構成は、本実施形態の排ガス導出ノズル１０と同じである。

比較例では、排ガス導出ノズル４１を通過した排ガス８が圧力測定用の導圧管（不図示）で放熱により冷却され、排ガス８が結露して腐食性の液体が生成される。この腐食性の液体が導圧管を流下して溶接４２の近傍に至る。排ガス導出ノズル４１の溶接４２の近傍部は溶接４２による引張応力が残存するため、当該近傍部に、この腐食性の液体によって応力腐食割れ４３が発生する。

これに対し、本実施形態の排ガス導出ノズル１０では、内筒１２の非腐食部分１５が、排ガス流路５の壁２０に固定された外筒１１に溶接１６によって固定され、且つ、当該非腐食部分１５における排ガス８の温度が、当該排ガス８の温度が酸露点以下となって生成される腐食性の液体（ここでは硫酸又は塩酸）の沸点より高い。従って、排ガス８が排ガス導出ノズル１０の下流で酸露点以下の温度となって腐食性の液体が生成され、当該腐食性の液体が流下しても非腐食部分１５で蒸発する。よって、排ガス導出ノズル１０の溶接１６が施された部位及びその近傍部における応力腐食割れの発生を防止することができる。

（実施形態２）
図４は、実施形態２に係る排ガス導出ノズルの構成を示す断面図である。

図４を参照すると、実施形態２の排ガス導出ノズル１０では、内筒１２が、非腐食部分１５を含む第１部分１２Ａと、内筒１２から第１部分１２Ａを除いた残りの部分である第２部分１２Ｂとに分割されている。第２部分１２Ｂの基端（下端）は、第１部分１２Ａの先端（上端）に当接している。第２部分１２Ｂの外筒１１から突出している部分が、引張応力が生じないような適宜な固定手段によって、例えば、壁２０のケーシング２１に取り外し可能に固定されている。これら以外の構成は、実施形態１の排ガス導出ノズル１０と同じである。

このような実施形態２によれば、第２部分１２Ｂは流下する腐食性の液体によって減肉した場合、新品に交換することが必要であるが、第２部分１２Ｂを容易に交換することができる。

（その他の実施形態）
上記実施形態では、本発明の排ガス導出ノズルをごみ焼却設備の排ガス流路に適用する場合を例示したが、本発明の排ガス導出ノズルは、ごみ焼却設備以外の排ガス流路に適用することができる。例えば、本発明の排ガス導出ノズルは、バイオマス燃料の燃焼設備の排ガス流路、化学プラントの副産物の排ガス流路等に適用することができる。

上記説明から、当業者にとっては、多くの改良や他の実施形態が明らかである。従って、上記説明は、例示としてのみ解釈されるべきである。

本発明の排ガス導出ノズルは、固定部位及びその近傍部における応力腐食割れの発生を防止することが可能な排ガス導出ノズルとして有用である。

１ 焼却炉
２ 廃熱ボイラ
３ エコノマイザ
４ ごみ投入部
５ 排ガス流路
６ 過熱器管
８ 排ガス
１０ 排ガス導出ノズル
１１ 外筒
１２ 内筒
１２Ａ 第１部分
１２Ｂ 第２部分
１３ シール構造
１５ 非腐食部分
１６ 溶接（プラグ溶接）
２０ 壁
２０ａ 貫通孔
２１ ケーシング
２２ 耐火壁
４１ 排ガス導出ノズル（対策前）
４２ 溶接（隅肉溶接）
４３ 応力腐食割れ
１００ ごみ焼却設備

Claims (5)

1. 温度が酸露点以下になると腐食性の液体を生成する高温の排ガスが流れる排ガス流路から前記排ガスを導出するための排ガス導出ノズルであって、
   前記排ガス流路の壁の貫通孔に挿通され、当該壁に固定された外筒と、
   前記外筒に間隙を有して挿通された内筒と、
   前記間隙をシールするシール構造と、を備え、
   前記内筒の部分であって前記導出される排ガスの温度が前記腐食性の液体の沸点より高い非腐食部分が、前記外筒に固定されており、
   前記内筒が、前記非腐食部分を含む第１部分と、当該内筒から前記第１部分を除いた残りの部分である第２部分とに分割されている、排ガス導出ノズル。
2. 前記腐食性の液体が硫酸である場合に前記内筒における排ガスの温度が３３７℃より高い部位が前記外筒に固定されており、前記腐食性の液体が塩酸である場合に前記内筒における排ガスの温度が１１０℃より高い部位が前記外筒に固定されている、請求項１に記載の排ガス導出ノズル。
3. 前記内筒の非腐食部分が溶接によって前記外筒に固定されている、請求項１または２に記載の排ガス導出ノズル。
4. 前記内筒の先端が、前記導出された排ガスを利用する機器に接続されている、請求項１乃至３のいずれかに記載の排ガス導出ノズル。
5. 前記排ガス流路が、ごみ焼却設備、バイオマス燃料の燃焼設備、又は化学プラントの副生物の排ガス流路である、請求項１乃至４のいずれかに記載の排ガス導出ノズル。

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