JP7288459B2 - 排熱回収ボイラ - Google Patents

Description

本発明は、排熱回収ボイラに関する。

排熱回収ボイラでは、排ガスの熱を利用して伝熱管を流れる水を蒸気に変換し、これにより排ガスから熱エネルギーを回収する。排熱回収ボイラに供給される排ガスに多量のダストが含まれる場合には、伝熱管にダストが堆積し熱エネルギーの回収効率が低下する。この対策として、ハンマリングロッドを備えた排熱回収ボイラが考案されている（例えば、特許文献１参照）。ハンマリングロッドは伝熱管に接続されており、ハンマリングロッドに外部から衝撃を与えることで、伝熱管に衝撃が伝わって伝熱管に堆積したダストが落下する。これにより、熱エネルギーの回収効率が低下するのを抑制することができる。

特表２０１８－５０８７３９号公報

排熱回収ボイラでは、伝熱管は排ガスが流れるダクトケースの内部に設置されており、ハンマリングロッドはこのダクトケースの内部で伝熱管に接続されている。また、ハンマリングロッドの上方部分はダクトケースの外側に突出しており、この部分が外部の機構により強打される。つまり、ハンマリングロッドはダクトケースを貫通していることから、ハンマリングロッドとダクトケースの間をシールする必要がある。

また、伝熱管とダクトケースは、いずれも排ガスの熱によって熱伸びするが、伝熱管は内部に水が流れるため温度はあまり上昇しないのに対し、ダクトケースは排ガスに近い温度にまで上昇する。そのため、ダクトケースは伝熱管よりも熱伸び量が大きく、ハンマリングロッドに対してダクトケースが相対的に変位する。このようにハンマリングロッドに対してダクトケースが変位しても、ハンマリングロッドとダクトケースの間のシールを維持する必要がある。

本発明は、以上のような事情に鑑みてなされたものであり、ハンマリングロッドに対してダクトケースが変位しても、ハンマリングロッドとダクトケースの間で高いシール性能が維持できる排熱回収ボイラを提供することを目的とする。

本発明の一態様に係る排熱回収ボイラは、排ガスが内部を流れるダクトケースと、前記ダクトケースから上方に延びる筒状の延在部と、前記ダクトケースの内部に位置する伝熱管と、前記ダクトケースの内部で前記伝熱管に接続され、前記延在部の内部を通って上方部分が前記延在部の外側に突出するハンマリングロッドと、前記ハンマリングロッドの上方部分にパッキンを介して取り付けられた環状のスリーブと、を備え、前記延在部は、当該延在部の上端に位置し、前記スリーブの下面との間でシールを行う環状で平らな上平面を有する。

この排熱回収ボイラでは、スリーブの下面と延在部の上平面との間でシールが行われる。つまり、面と面の間でシールが行われるため接触面積が広く、高いシール性能を得ることができる。また、ダクトケースの内部に高温の排ガスが流れるとハンマリングロッドに対してダクトケースが変位するため、ハンマリングロッドに取り付けられたスリーブに対してダクトケースから延びる延在部が変位する。ただし、上記のとおりスリーブと延在部の間の接触面積が広いため、スリーブが延在部に対して変位しても、高いシール性能を維持することができる。

上記の排熱回収ボイラにおいて、前記延在部の上平面は前記スリーブの下面と面接触していてもよい。

この排熱回収ボイラでは、延在部の上平面とスリーブの下面が面接触するため、簡易な構成でありながら、ハンマリングロッドとダクトケースの間で高いシール性能を維持することができる。

別の態様として排熱回収ボイラは、前記スリーブの下面と前記延在部の上平面との間に位置し、環状に形成された１枚又は複数枚のシール板を備えていてもよい。

この排熱回収ボイラでは、１枚又は複数枚のシール板を用いてスリーブの下面と延在部の上平面との間をシールしている。スリーブに対して延在部が変位すると、各シールは互いにわずかに変位しながら次第にフィットしてゆく。これにより、ハンマリングロッドとダクトケースの間で高いシール性能を維持することができる。

さらに別の態様として、前記スリーブの下面と前記延在部の上平面との間に位置し、環状に形成された複数枚のシール板を備え、前記複数枚のシール板には、径方向外側になるに従って厚みが小さくなる第１シール板と、前記第１シール板に隣接して配置され、径方向外側になるに従って厚みが大きくなる第２シール板と、が含まれていてもよい。

この排熱回収ボイラでは、いわゆるテーパー板である第１シール板と第２シール板を有しているため、スリーブの下面が延在部の上平面に対して傾いた場合や、スリーブにがたつきがあるような場合等にも、各シール板を互いにフィットさせることができる。よって、ハンマリングロッドとダクトケースの間で高いシール性能を維持することができる。

上記の排熱回収ボイラにおいて、前記排ガスが前記ダクトケースの内部を流れていない冷間時において、前記延在部の中心軸は、前記ハンマリングロッドの中心軸よりも前記ダクトケースの中央寄りに位置していてもよい。

この排熱回収ボイラは、冷間時において延在部の中心軸がハンマリングロッドの中心軸よりもダクトケースの中央寄りに位置している。そのため、排ガスがダクトケースの内部を流れる熱間時には、延在部の中心軸がハンマリングロッドの中心軸に近づいてゆく。その結果、熱間時においては、スリーブの下面と延在部の上平面の中心軸のずれが少なくなり、ハンマリングロッドとダクトケースの間で高いシール性能を維持することができる。

上記の排熱回収ボイラにおいて、前記延在部は、前記ダクトケースから上方に延びる円筒状の本体部と、前記本体部の上端部分から径方向外側に延び、上面が前記上平面を構成する環状の水平部と、を有していてもよい。

この排熱回収ボイラでは、本体部の上端部分から径方向外側に延びる水平部の上面が、延在部の上平面を構成している。そのため、延在部の上平面を容易に形成することができる。

上記の排熱回収ボイラにおいて、前記スリーブと前記延在部の境界部分を覆うベローをさらに備え、前記延在部は、前記水平部の径方向外端部分から下方に向かって延びる外壁部を有し、前記ベローは、上端部分が前記スリーブの外周面に固定され、下端部分が前記延在部の前記外壁部に固定されていてもよい。

この排熱回収ボイラは、前記スリーブと延在部の境界部分を覆うベローを備えているため、ハンマリングロッドとダクトケースの間のシール性能を向上させることができる。しかも、ベローの下端部分を温度の高い延在部の本体部ではなく、本体部の径方向外側に位置する外壁部に固定することにより、ベローの熱損傷を防ぐことができる。

上記の排熱回収ボイラにおいて、前記ハンマリングロッドは、前記スリーブを貫通し、断面が円形である円柱部と、前記伝熱管を連結する連結部材が固定され、断面が角形である角柱部と、前記円柱部と前記角柱部の間に位置し、前記円柱部から前記角柱部に向かうに従って断面が円形から角形に変化する曲面状に形成された中間部と、を有していてもよい。

この排熱回収ボイラは、ハンマリングロッドのスリーブを貫通する部分の断面が円形であるため、ハンマリングロッドとスリーブの間のシールを容易に行うことができる。また、ハンマリングロッドの連結部材が固定される部分の断面が角形であるため、連結部材のハンマリングロッドへの固定を容易に行うことができる。しかも、ハンマリングロッドは、円柱部と角柱部の間に曲面状に形成された中間部を有しているため、円柱部と角柱部の境界部分にダストが堆積するのを抑制することができる。

上述のとおり、上記の構成によれば、ハンマリングロッドに対してダクトケースが変位しても、ハンマリングロッドとダクトケースの間で高いシール性能が維持できる排熱回収ボイラを提供することができる。

図１は、第１実施形態に係る排熱回収ボイラの断面図である。 図２は、図１に示すハンマリングロッドの上方部分周辺の拡大図である。 図３は、図１に示すハンマリングロッドの角柱部の水平断面図である。 図４は、第２実施形態のハンマリングロッドの上方部分周辺の拡大図である。 図５は、第３実施形態のハンマリングロッドの上方部分周辺の拡大図である。

（第１実施形態）
まず、図１乃至図３を参照して、第１実施形態に係る排熱回収ボイラ１００について説明する。図１は、排熱回収ボイラ１００の断面図である。図２は、図１に示すハンマリングロッドの上方部分周辺の拡大図である。図２は、排熱回収ボイラ１００に排ガスが供給されていない冷間時における図である。

排熱回収ボイラ１００は、排ガスから熱エネルギーを回収する設備である。本実施形態に係る排熱回収ボイラ１００は、上下方向に複数積み重ねて設置される。図１に示すように、本実施形態に係る排熱回収ボイラ１００は、ダクトケース１０と、延在部２０と、伝熱管３０と、ハンマリングロッド４０と、スリーブ５０と、を備えている。また、図２に示すように、本実施形態に係る排熱回収ボイラ１００は、ベロー６０を備えている。以下、これらの構成要素について順に説明する。

＜ダクトケース＞
ダクトケース１０は、排ガスが内部を流れるダクトの一部を構成する部材である。ダクトケース１０の上面及び下面は開口しており、断面が略矩形である筒状の形状を有している。本実施形態では、排ガスはダクトケース１０の内部を下方に向かって流れる。また、ダクトケース１０内を流れる排ガスは大量のダストを含んでいる。本実施形態の排ガスはセメントを製造する過程で発生する排ガスを想定しているが、排ガスはこれに限定されない。さらに、ダクトケース１０は、外面が内側に窪む凹部１１を有している。凹部１１は長手方向一端側（図１の紙面左側）上部に位置しており、後述する延在部２０が設けられている。

＜延在部＞
延在部２０は、ダクトケース１０から上方に延びる筒状の部材である。上記のとおり、延在部２０は、ダクトケース１０の凹部１１に設けられている。図２に示すように、延在部２０は、ダクトケース１０から上方に延びる円筒状の本体部２１と、本体部２１の上端部分から径方向外側に延びる円環状の水平部２２と、水平部２２の径方向外端部分から下方に向かって延びる円筒状の外壁部２３と、を有している。水平部２２の上面は円環状に形成された平らな面（水平面）であり、上平面２４を構成する。この上平面２４は、延在部２０の上端に位置し、後述するスリーブ５０の下面と面接触することで、スリーブ５０の下面との間でシールを行う。

＜伝熱管＞
伝熱管３０はダクトケース１０の内側に位置し、排ガスは伝熱管３０の外面に沿って流れる。本実施形態に係る排熱回収ボイラ１００は、複数の伝熱管３０を備えており、幅方向（図１の紙面に垂直な方向）に等間隔に配置されている。各伝熱管３０は、複数回折り返すようにして水平方向（図１の紙面左右方向）に延びている。各伝熱管３０には、給水ヘッダ３１を介して水が供給される。各伝熱管３０に供給された水は、排ガスの熱エネルギーによって蒸気となり、蒸気ヘッダ３２に一旦回収された後に図外の蒸気タービンへ供給される。

ここで、伝熱管３０とダクトケース１０は、いずれも排ガスの熱により熱伸びするが、伝熱管３０は内部に水が流れることから温度はあまり上昇しないのに対し、ダクトケース１０は排ガスに近い温度にまで上昇する。そのため、排ガスがダクトケース１０内を流れる熱間時には、ダクトケース１０の熱伸びは、伝熱管３０の熱伸びよりも大きくなる。ただし、各伝熱管３０が接続されている蒸気ヘッダ３２は、支持部材３３によってダクトケース１０に支持されているため、蒸気ヘッダ３２付近では、ダクトケース１０は伝熱管３０に対してほとんど変位しない。これに対し、蒸気ヘッダ３２の設置位置と反対側（図１の紙面左側）の領域では、ダクトケース１０は伝熱管３０に対して比較的大きく変位する。

＜ハンマリングロッド＞
ハンマリングロッド４０は、伝熱管３０に衝撃を伝えることで、伝熱管３０に堆積したダストを落とす部材である。ハンマリングロッド４０は、ダクトケース１０の内部で伝熱管３０に接続され、延在部２０の内部を通って上方部分が延在部２０の外側に突出している。外部の機構によってハンマリングロッド４０の上方部分が打撃されることにより、ハンマリングロッド４０に衝撃が加えられ、各伝熱管３０にこの衝撃が伝えられる。

ハンマリングロッド４０は、上方部分を含む円柱部４２と、下方部分を含む角柱部４３と、円柱部４２と角柱部４３の間に位置する中間部４４と、を有しており、これらが一体となって形成されている。円柱部４２は、後述するスリーブ５０を貫通しており、断面が円形の形状を有している。このように、スリーブ５０を貫通する部分の断面を円形とすることで、断面が円形以外の形状である場合に比べてスリーブ５０とハンマリングロッド４０の間のシール（後述するパッキン５１を用いたシール）が容易になる。

角柱部４３は、伝熱管３０が接続される部分であり、ダクトケース１０の内部に位置している。図３は、角柱部４３の水平断面図である。図３に示すように、角柱部４３は、断面が角形であり、伝熱管３０の延在方向（図３の紙面左右方向）に対して垂直な一対の垂直面４５と、伝熱管３０の延在方向に対して平行であって垂直面４５と直交する一対の平行面４６とを有している。

幅方向（図３の紙面上下方向）に隣接する伝熱管３０のうち一方の伝熱管３０が一方の平行面４６に連結されており、他方の伝熱管３０が他方の平行面４６に接続されている。また、各伝熱管３０は板状の連結部材４７を介して角柱部４３に連結されている。連結部材４７はハンマリングロッド４０に溶接によって固定されている。本実施形態のように、伝熱管３０を連結する部分の断面を角形とすることで、連結部材４７をハンマリングロッド４０に固定しやすく、伝熱管３０をハンマリングロッド４０にしっかりと接続することができる。

中間部４４は、前述のとおり円柱部４２と角柱部４３の間に位置する部分である。中間部４４は、円柱部４２から角柱部４３に向かうに従って断面が円形から角形に変化する曲面状に形成されている。ハンマリングロッド４０が中間部４４を有しない場合には角柱部４３の上面で円柱部４２からはみ出た部分（角部分等）にダストが堆積するところ、本実施形態ではハンマリングロッド４０が中間部４４を有しているため、角柱部４３にダストが堆積するのを防ぐことができる。

また、図２に示すように、排ガスがダクトケース１０の内部を流れていない冷間時において、延在部２０の中心軸２５は、ハンマリングロッド４０の中心軸４８よりもダクトケース１０の中央寄りに位置している。前述のとおり、排ガスがダクトケース１０の内部を流れる熱間時には、蒸気ヘッダ３２の設置位置と反対側の領域において、ダクトケース１０は伝熱管３０に対して比較的大きく変位する。そのため、上記のように冷間時において延在部２０の中心軸２５がハンマリングロッド４０の中心軸４８とずれていても、熱間時には延在部２０の中心軸２５がハンマリングロッド４０の中心軸４８に近づいてゆくことになる。

＜スリーブ＞
スリーブ５０は、ハンマリングロッド４０の上方部分（円柱部４２）に取り付けられた部材である。換言すると、ハンマリングロッド４０はスリーブ５０の内部を貫通している。スリーブ５０は、円環状（一定以上の厚みを有する円筒状）の形状を有しており、下面が水平に形成されている。また、スリーブ５０は、パッキン５１を介してハンマリングロッド４０に取り付けられており、ハンマリングロッド４０に衝撃が加えられたときには、ハンマリングロッド４０はスリーブ５０に対して上下方向にある程度変位する。また、スリーブ５０の上面には、パッキン５１を覆うようにして、円環状のカバー５２が取り付けられている。

本実施形態では、スリーブ５０の下面が延在部２０の上平面２４と面接触しており、スリーブ５０の下面と延在部２０の上平面２４との間でシールが行われている。つまり、本実施形態では、面と面の間でシールが行われるため接触面積が広く、高いシール性能を確保することができる。なお、スリーブ５０の下面と延在部２０の上平面２４は固定されておらず、スリーブ５０は延在部２０に対して水平方向に移動可能である。

前述のとおり、熱間時には、蒸気ヘッダ３２の設置位置と反対側の領域において、ダクトケース１０は伝熱管３０に対して比較的大きく変位するため、ダクトケース１０から延びる延在部２０は、ハンマリングロッド４０に取り付けられたスリーブ５０に対して変位する。ただし、本実施形態では、上記のとおりスリーブ５０と延在部２０の上平面２４間の接触面積が広いため、スリーブ５０に対して延在部２０が変位しても、高いシール性能を維持することができる。

＜ベロー＞
ベロー６０は、延在部２０とスリーブ５０の境界部分を覆う部材である。ベロー６０は、延在部２０とスリーブ５０の境界部分を覆うため、ハンマリングロッド４０とダクトケース１０の間のシール性能を向上させることができる。また、ベロー６０は、上端部分がスリーブ５０の外周面に固定され、下端部分が延在部２０の外壁部２３に固定されている。このように、ベロー６０の下端部分を温度の高い延在部２０の本体部２１ではなく、外壁部２３に固定することにより、ベローの熱損傷を防ぐことができる。

なお、ベロー６０は、固定部材６１を用いてスリーブ５０の外周面及び延在部２０の外壁部２３に固定されている。固定部材６１としては、ボルトやベルトなどを採用することができる。

（第２実施形態）
続いて、図４を参照して、第２実施形態に係る排熱回収ボイラ２００について説明する。図４は、第２実施形態のハンマリングロッド４０の上方部分周辺の拡大図であり、第１実施形態の図２に相当する。図４に示すように、本実施形態に係る排熱回収ボイラ２００は、スリーブ５０の下面と延在部２０の上平面２４との間に位置する２枚のシール板７０を備えている点で第１実施形態に係る排熱回収ボイラ１００と構成が異なる。それ以外の点は、第１実施形態に係る排熱回収ボイラ１００と同じ構成を備えている。

各シール板７０は、環状に形成されており、金属製であってもよく、シリコン製であってもよい。また、本実施形態に係る排熱回収ボイラ２００は、シール板７０を２枚備えているが、シール板７０を１枚のみ備えていてもよく、３枚以上備えていてもよい。なお、各シール板７０は互いに固定されておらず、スリーブ５０の下面及び延在部２０の上平面２４にも固定されていない。

以上のとおり、本実施形態では、シール板７０を用いてスリーブ５０の下面と延在部２０の上平面２４との間をシールしている。熱間時において延在部２０がスリーブ５０に対して変位すると、これに伴って各シール板７０は互いにわずかに変位しながら次第にフィットしてゆく。これにより、ハンマリングロッド４０とダクトケース１０の間で高いシール性能を維持することができる。

（第３実施形態）
続いて、図５を参照して、第３実施形態に係る排熱回収ボイラ３００について説明する。図５は、第３実施形態のハンマリングロッド４０の上方部分周辺の拡大図であり、第１実施形態の図２及び第２実施形態の図４に相当する。図５に示すように、本実施形態に係る排熱回収ボイラ３００は、第２実施形態と同様に、延在部２０の上平面２４とスリーブ５０の下面との間に位置する２枚のシール板７０を備えている点で第１実施形態に係る排熱回収ボイラ１００と構成が異なる。ただし、本実施形態ではシール板７０がいわゆるテーパー板である点で、第２実施形態に係る排熱回収ボイラ２００と構成が異なる。それ以外の点は、第１実施形態に係る排熱回収ボイラ１００及び第２実施形態に係る排熱回収ボイラ２００と同じ構成を備えている。

本実施形態では、２枚のシール板７０は第１シール板７１と第２シール板７２によって構成されている。第１シール板７１は、第２シール板７２の上方に隣接して配置されており、径方向外側になるに従って厚みが小さくなるように形成されている。一方、第２シール板７２は、第１シール板７１の下方に隣接して配置されており、径方向外側になるに従って厚みが大きくなるように形成されている。なお、各シール板７１、７２は互いに固定されておらず、スリーブ５０の下面及び延在部２０の上平面２４にも固定されていない。

このように、本実施形態では、いわゆるテーパー板である第１シール板と第２シール板がスリーブ５０の下面と延在部２０の上平面２４との間に挿入されているため、スリーブ５０の下面が延在部２０の上平面２４に対して傾いた場合や、スリーブ５０にがたつきがあるような場合等にも、各シール板７０（７１、７２）を互いにフィットさせることができる。よって、ハンマリングロッド４０とダクトケース１０の間で高いシール性能を維持することができる。

１０ ダクトケース
２０ 延在部
２１ 本体部
２２ 水平部
２３ 外壁部
２４ 上平面
２５ 中心軸（延在部）
３０ 伝熱管
４０ ハンマリングロッド
４２ 円柱部
４３ 角柱部
４４ 中間部
４７ 連結部材
４８ 中心軸（ハンマリングロッド）
５０ スリーブ
５１ パッキン
６０ ベロー
７０ シール板
７１ 第１シール板
７２ 第２シール板
１００、２００、３００ 排熱回収ボイラ

Claims (8)

1. 排ガスが内部を流れるダクトケースと、
   前記ダクトケースから上方に延びる筒状の延在部と、
   前記ダクトケースの内部に位置する伝熱管と、
   前記ダクトケースの内部で前記伝熱管に接続され、前記延在部の内部を通って上方部分が前記延在部の外側に突出するハンマリングロッドと、
   前記ハンマリングロッドの上方部分にパッキンを介して取り付けられ、前記ハンマリングロッドが貫通する環状のスリーブと、
   前記延在部の上端に位置し、前記スリーブの下面との間でシールを行う環状で平らな上平面と、を備え、
   前記スリーブは前記延在部の前記上平面に固定されておらず載置され、前記延在部に対して水平方向に移動可能である、排熱回収ボイラ。
2. 前記延在部の上平面は前記スリーブの下面と面接触している、請求項１に記載の排熱回収ボイラ。
3. 前記スリーブの下面と前記延在部の上平面との間に位置し、環状に形成された１枚又は複数枚のシール板を備える、請求項１に記載の排熱回収ボイラ。
4. 前記スリーブの下面と前記延在部の上平面との間に位置し、環状に形成された複数枚のシール板を備え、
   前記複数枚のシール板には、径方向外側になるに従って厚みが小さくなる第１シール板と、前記第１シール板に隣接して配置され、径方向外側になるに従って厚みが大きくなる第２シール板と、が含まれる、請求項１に記載の排熱回収ボイラ。
5. 前記排ガスが前記ダクトケースの内部を流れていない冷間時において、前記延在部の中心軸は、前記ハンマリングロッドの中心軸よりも前記ダクトケースの中央寄りに位置している、請求項１乃至４のうちいずれか一の項に記載の排熱回収ボイラ。
6. 前記延在部は、
   前記ダクトケースから上方に延びる円筒状の本体部と、
   前記本体部の上端部分から径方向外側に延び、上面が前記上平面を構成する環状の水平部と、を有する、請求項１乃至５のうちいずれか一の項に記載の排熱回収ボイラ。
7. 前記スリーブと前記延在部の境界部分を覆うベローをさらに備え、
   前記延在部は、前記水平部の径方向外端部分から下方に向かって延びる外壁部を有し、
   前記ベローは、上端部分が前記スリーブの外周面に固定され、下端部分が前記延在部の前記外壁部に固定されている、請求項６に記載の排熱回収ボイラ。
8. 前記ハンマリングロッドは、
   前記スリーブを貫通し、断面が円形である円柱部と、
   前記伝熱管を連結する連結部材が固定され、断面が角形である角柱部と、
   前記円柱部と前記角柱部の間に位置し、前記円柱部から前記角柱部に向かうに従って断面が円形から角形に変化する曲面状に形成された中間部と、を有する、請求項１乃至７のうちいずれか一の項に記載の排熱回収ボイラ。

Images