JP7377535B2

JP7377535B2 - ボイラの気水分離装置

Info

Publication number: JP7377535B2
Application number: JP2020055209A
Authority: JP
Inventors: 正成木下; 幸治郎北川; 朋子川端
Original assignee: 株式会社ヒラカワ
Priority date: 2020-03-26
Filing date: 2020-03-26
Publication date: 2023-11-10
Anticipated expiration: 2040-03-26
Also published as: JP2021156462A

Description

本発明はボイラの気水分離装置に関する。

蒸気ボイラは、缶体からの蒸気送り出し路を備えて、缶外へ高温の水蒸気を供給するものである。缶体から蒸気送り出し路に向けては、水蒸気と沸騰状態の缶水との混合流体が供給される。このため、蒸気送り出し路に気水分離装置を設けて、この気水分離装置にて水蒸気と缶水とを気水分離し、分離された蒸気だけをユーザサイドへ送り出し、分離された缶水は缶体に戻すことが一般的である（特許文献１）。

特開０８－０５４１０４号公報

しかし、たとえば既存の水管ボイラにおいては、気水分離装置を経た後の蒸気の乾き度が９８％未満であるとボイラ効率が低下し、しかも蒸気のエンタルピも低下するためユーザサイドで不具合が発生することがある。またボイラの缶水は、缶の腐食を防止するための薬剤を使用することが一般的であり、このためにｐＨ値が高い。したがって、ユーザサイドで、乾き度が低く、ｐＨ値の高い水分を含む蒸気（蒸気には薬剤は含まれないため、蒸気のｐＨ値は高くない）で熱交換器を使用すると、機器の材料（一般的には銅）にもよるが熱交換器の腐食などの不具合の要因となることがある。

そこで本発明は、このような問題点を解決し、蒸気ボイラにおいて、気水分離性能を向上させて、乾き度９９％以上の蒸気を得ることができるようにすることを目的とする。

この目的を達成するため、本発明の、蒸気ボイラの缶体からの上向きの蒸気送り出し路に設けられる気水分離装置は、
前記蒸気送り出し路の内部において横方向に設置され缶体からの蒸気と缶水との気水混合流体が供給される胴部材と、
この胴部材の底部に設けられた下向きの開口と、
前記胴部材の内部を、前記開口を含む下部と、前記開口を含まない上部とに区画する仕切り部材と、
前記仕切り部材に形成された下向きの多孔構造の貫通孔と、
前記仕切り部材における前記胴部材の内部の気水混合流体の流路に沿った上流端側に設けられ、下向きに形成された端部材と、
前記端部材の下端側の部分と前記胴部材の底部との間に形成された隙間と、
を有することを特徴とする。

本発明の気水分離装置によれば、缶体からの蒸気と缶水との混合流体は、多孔構造の貫通孔を通過することで流速が増大し、しかも多孔構造の貫通穴が形成された仕切り部材に気液混合流体が当たることにより気液分離効果が向上し、また多孔構造の貫通孔が下向きであることから、密度の高い缶水は密度の低い蒸気と比べて貫通孔から下向きに勢いよく噴出され、これらによって良好な気水分離性能が得られる。さらに本発明の気水分離装置によれば、胴部材において下向きに形成された端部材を有するとともに、端部材の下端側の部分と胴部材の底部との間に形成された隙間を有する構成であるために、蒸気よりも密度が高いために胴部材の底部に沿って移動していた缶水は、端部材に衝突して落下した分をも含めて、隙間を通って開口に達し、この開口から下向きに落下して、効果的に缶体に戻される。したがって本発明によれば、これらの点により良好な気水分離性能が得られて、発生蒸気の乾き度を９９％以上とすることができる。

本発明の実施の形態のボイラの気水分離装置の縦断面図である。図１におけるＩＩ－ＩＩ線に沿った断面図である。図１におけるＩＩＩ－ＩＩＩ線に沿った断面図である。図１に示すボイラの気水分離装置の右側面図である。他の気水分離装置の縦断面図である。図５におけるＶＩ－ＶＩ線に沿った断面図である。さらに他の気水分離装置の縦断面図である。図７におけるＶＩＩＩ－ＶＩＩＩ線に沿った断面図である。図７におけるＩＸ－ＩＸ線に沿った断面図である。さらに他の気水分離装置の縦断面図である。図１０におけるＸＩ－ＸＩ線に沿った断面図である。図１の気水分離装置を用いたときの乾き度の変化の測定結果を示すグラフである。

図１～図４に示す実施の形態において、１１は蒸気送り出し路で、図外の蒸気ボイラの缶体からの蒸気を外部のユーザに向けて送り出すための管路などによって構成され、上下方向に設置されるとともに、水蒸気１２が上向きに流れるように構成されている。詳細には、蒸気送り出し路１１は、その上側の部分１３が外部のユーザのシステムに連通されている。また蒸気送り出し路１１の下側の部分１４は、図外の蒸気ボイラの缶体に連通されている。

１５は、本発明の実施の形態の気水分離装置である。この気水分離装置１５において、１６は胴部材であり、管体によって構成されるとともに、蒸気送り出し路１１の壁体１７を貫通した状態で、横方向すなわち水平方向に設置されている。

胴部材１６は、蒸気送り出し路１１の内部に位置する一端部１８と、蒸気送り出し路１１よりも外側に位置する他端部１９とを有する。他端部１９は、開口されるとともに、図外の蒸気ボイラの缶体からの水平方向の蒸気管２０を接合するためのフランジ２１を有している。胴部材１６の一端部１８は、蓋板２２にて閉じられている。蒸気送り出し路１１の内部において、水平方向の胴部材１６の底部には、下向きに開口する開口２３が形成されている。この開口２３は、図３に示すように、管体によって構成された胴部材１６の横断面における上下方向の中心線２５に対して対称となるように、たとえば中心線２５の左右両側にそれぞれ数十度の角度θの範囲にわたって形成されている。そして開口２３は、図１に詳しく示すように、蓋板２２の位置から、蒸気送り出し路１１の内部における胴部材１６の長さ方向に沿った適当範囲にわたって形成されている。

胴部材１６の内部には、平板状の仕切り部材２８が設けられている。この仕切り部材２８は、図３における胴部材１６の横断面に示される水平方向の中心線２９よりも下側の位置かつ開口２３よりも上側の位置において水平方向に配置されるとともに、胴部材１６の内部を、開口２３を含む下部３０と、開口２３を含まない上部３１とに区画する。仕切り部材２８は、その一端部３２が蓋板２２に接合されている。

仕切り部材２８には、開口２３に向かい合った位置の部分に、下向きの多孔構造の貫通孔３３が形成されている。この多孔構造の貫通孔３３は、並列型配列や千鳥型配列となっていることが好ましい。また多孔構造の貫通孔３３は、良好な気水分離性能を得るためにその開孔率が２５～４０％の範囲であることが好ましく、３５％程度であることが特に好ましい。開口２３が形成されているにもかかわらず、蓋板２２は胴部材１６の横断面形状に合わせた円形に形成されている。その結果、胴部材１６の一端部１８における開口２３の端部では、蓋板２２の下端の部分が裾部３４を構成している。

仕切り部材２８の他端部３５は、胴部材１６の他端部１９におけるフランジ２１から少しだけ奥側に入り込んだ位置に配置されている。そしてこの他端部３５には、胴部材１６の底部に向けて鉛直方向の下向きに配置された、板状で貫通孔を有しない端部材３６が接続されている。端部材３６は、胴部材１６の下部３０を完全に塞ぐのではなく、端部材３６の下端と胴部材１６の底部との間に隙間３７が形成される形状で構成されている。端部材３６から開口２３の縁までの間には、一定の距離３８が設けられている。

このような構成において、図外の蒸気ボイラを運転すると、缶体の内部で缶水が沸騰し、それにより発生した水蒸気と、沸騰により缶体の内部で跳ね上がった缶水の一部分とが、気水混合流体３９の形態で、缶体から蒸気管２０に送り出される。すると、この送り出された気水混合流体３９は、蒸気管２０から気水分離装置１５の胴部材１６の内部へ送り込まれる。

この胴部材１６の内部に送り込まれた気水混合流体３９の水蒸気は、乾き蒸気と湿り蒸気とを含む。そして、気水混合流体３９に含まれる乾き蒸気およびと湿り蒸気と、缶水との密度の高低関係は、「乾き蒸気＜湿り蒸気＜缶水」となる。このような状態の気水混合流体３９は、胴部材１６の内部に送り込まれた後に、仕切り部材２８の貫通孔３３を通過したうえで、開口２３から、蒸気送り出し路１１の内部に向けて下向きに排出される。このとき、上述のように貫通孔３３は適宜の開孔率で形成されており、このため気水混合流体３９は勢い付けられた状態で貫通孔３３から下向きに高速で噴出される。すると、密度の高い缶水は慣性力によって下向きに噴出され、次いで密度の高い湿り蒸気は、缶水ほどではないにせよある程度以上の割合で下向に噴出される。これに対し密度の低い乾き蒸気は、あまり慣性力が作用しないために、側方へと流れる。このとき開口２３は仕切り部材２８よりも下側の位置に設けられているため、仕切り部材２８から開口２３までの間には一定の距離が存在し、それによって、仕切り部材２８から蒸気送り出し路１１の内部に直接気水混合流体を噴射させたときのように噴出流が広がって気水分離効果が低減しやすくなることを、確実に防止することができる。

この三者の貫通孔３３からの流れ方向の違いによって、この三者を効率よく分離することができる。その結果、缶水すなわち水塊と、湿り蒸気と、乾き蒸気の一部分とは、蒸気送り出し管１１に沿って下方向に移動することになって、蒸気ボイラの缶体に戻されることになる。そして、大部分の乾き蒸気が、蒸気送り出し管１１に沿って上方向に移動したうえで、外部のユーザのシステムに向けて送り出される。

このように気水混合流体３９が多孔構造の貫通孔３３を通過する構成としたことで、たとえば胴部材１６に単に開口２３だけを形成したものに比べて、効率よく気水分離を行うことができる。また仕切り部材２８は平板状に形成されているため、湿り蒸気を貫通孔３３を通過させて下方へ落としやすくすることができる。裾部３４が設けられていることで、貫通孔３３を通過した気水混合流体を下向きに方向付けることができて、乾き蒸気と、湿り蒸気および缶水とを、良好に分離させることができる。

一方、胴部材１６と同様に横方向すなわち水平方向に配置された蒸気管２０の内部では、気水混合流体３９に含まれる高密度の缶水および湿り蒸気は、蒸気管の底部およびその近傍の位置に存在する。そして気水混合流体３９は、その状態で、蒸気管２０から、気水分離装置１１の胴部材１６に送り込まれる。すると、缶水すなわち水分を多く含んだ気水混合流体３９は、胴部材１６の底部側に設けられた端部材３６に衝突し、それによって特に水分の運動エネルギが低下され。その状態で下方に落下して、胴部材１６の底部に集まる。このため、そうでない場合のように、大量の湿り蒸気や缶水が貫通孔３３に入り込んで、気水分離装置１５の上下に飛散することで、気水の分離効果が低下することを、効果的に防止することができる。

胴部材１６の底部に集められた水は、この胴部材１６の底部に沿って移動することで、隙間３７を通過し、そのうえで開口２３へ向かい、開口２３から下方へ落下する。このとき、隙間３７から開口２３までの間に距離３８が設定されているため、この距離３８の部分で缶水の速度を低下させることができ、それによって蒸気送り路１１において缶水を確実に落下させることができる。

このように、図１～図４に示した構成の気水分離装置１５によれば、良好な気水分離性能を得られて、発生蒸気の乾き度を９９％以上とすることができる。

図５および図６は、図１～図４に示したものとは構成が相違した他の気水分離装置４１を示す。この気水分離装置４１においては、胴部材４２は、エルボの形態であって、蒸気送り出し路１１の内部において下向きの開口４３を有する。そして、胴部材４２の内部における、開口４３の縁部から上方に距離をおいた位置に、多孔構造の貫通孔４４を有した仕切り部材４５が設けられている。

このようなものであると、上述の図１～図４に示された多孔構造の貫通孔３３を有した仕切り部材２８を設けたときと同様の効果を得ることができる。また、エルボの形態とすることで、仕切り部材４５を胴部材４２における水平部分４６の底部よりも下側に配置することができ、このために缶水や湿り蒸気を確実に下向きに案内することができる。さらに、多孔構造の貫通孔４４を有した仕切り部材４５を開口４３の縁部から上方に距離をおいた位置に配置したため、図１～図４に示された気水分離装置１１における裾部３４と同様の機能を有する裾部４７を形成することができ、このため、貫通孔４４を通過した気水混合流体を下向きに方向付けることができて、乾き蒸気と、湿り蒸気および缶水とを、良好に分離させることができる。ただし、図５および図６に示される気水分離装置４１では、図１～図４に示された気水分離装置１５のような、端部材３６や隙間３７を設けたことによる気水分離性能のさらなる向上効果は、得ることはできない。

なお、図６では孔径の異なる複数種類の貫通孔４４を形成したものが図示されている。このような構成であると、隣り合って存在する貫通孔どうしが同径である場合のように噴出する缶水どうしが干渉しやすいものと比べて、互いに孔径が相違する異種の貫通孔から噴出する缶水どうしが干渉しにくくなって、干渉したときのような缶水の落下特性の低下を防止することができる。

図７～図９は、図１～図４に示したものとは構成が相違した、さらに他の気水分離装置５１を示す。この図７～図９に示す気水分離装置５１は、胴部材５２が蒸気送り出し路１１の内部に設置された直方体形状の箱状体にて構成されている。５３、５３は直方体形状の箱状体を構成する一対の板状の側壁、５４は、同箱状体においてフランジ２１から見たときに最も奥側に位置する板状の奥壁である。フランジ２１と、このフランジ２１が取り付けられた水平方向の接続管５６とが、胴部材５２の内部に連通した状態で、蒸気送り出し路１１の外壁面に固定されている。そして多孔構造の貫通孔５５は、同箱状体を構成する板状の底壁５７に形成されている。底壁５７は、図５～図６に示された仕切り部材４５に相当するものであって、側壁５３、５３および奥壁５４の下端縁よりも上側の位置に設置されている。これによって、側壁５３、５３および奥壁５４の下端部には、図１～図４に示した構成のものにおける裾部３４と同様に機能する裾部５８が形成されている。また底壁５７は、接続管５６の底部５９よりも下側の位置に設けられている。

このような構成であると、多孔構造の貫通孔５５を備えた底板５７を、図５～図６に示した仕切り部材４５よりも大きな面積で構成することができ、このため、図５～図６に示した気水分離装置４１に比べてより効果的に気水分離を行うことができる。また、裾部５８によって、図１～図４に示したものにおける裾部３４と同様の、気水混合流体を下向きに方向付けする効果を得ることができる。さらに、底壁５７が接続管５６の底部５９よりも下側の位置に設けられているため、缶水および湿り蒸気を確実に下向きに案内することができる。

図１０～図１１は、図１～図４に示したものとは構成が相違した、さらに他の気水分離装置６１を示す。この気水分離装置６１においては図１～図４に記載された気水分離装置１５のように胴部材１６の底部に開口２３を有するものとは相違して、この開口２３を形成することに代えて、缶体にて構成された水平方向の胴部材６２の底部に、多孔構造の貫通孔６３が形成されている。仕切り部材２８は、図１～図４に示された気水分離装置１５のものと同様の構成とされて、同様の多孔構造の貫通孔３３を有している。端部材６４は、図１～図４に示された気水分離装置１５における端部材３６のように鉛直方向に形成されるのではなく、胴部材６２の底部から仕切り部材２８に向かう斜め上方向に傾斜した姿勢で設置されている。

このような構成であると、図外の蒸気ボイラからの気水混合流体３９は、蒸気管２０を通って気水分離装置６１に入り込み、仕切り部材２８に設けられた多孔構造の貫通孔３３と、胴部材６２の底部に設けられた他の多孔構造の貫通孔６３とを通過したうえで、蒸気送り出し路１１へ噴出される。このとき、多孔構造の貫通孔３３、６３を２段階に通過するために、缶水が微細化され、このために気水分離されやすくなる。

貫通孔の形成されていない端部材６４は、胴部材６２の底部から仕切り部材２８に向かう斜め上方向に傾斜した姿勢で設置されているため、蒸気管２０から胴部材６２の底部およびその近傍に入り込んだ気水混合流体３９を仕切り部材２８よりも上側へ円滑に案内することができる。これによって、胴部材６２に送り込まれた気水混合流体を効率良く多孔構造の貫通孔３３に向けて送り込むことができる。なお、この目的のためには、端部材６４の下縁と胴部材６２の底部との間には、図１～図４に示す気水分離装置１５のような隙間は、原則として設ける必要が無い。しかし、場合によっては、隙間を設けて図１～図４に示す気水分離装置１５と同様の構成とした方が、例外的に却って気水分離性能が向上することもあり得る。したがって、隙間を形成するかどうかは、状況に応じて適宜に決定すれば良い。

図１２は、気水分離装置を用いたときの高燃焼時の乾き度の変化の測定結果を示すグラフであり、横軸は蒸気圧（ＭＰａ）、縦軸は乾き度（％）である。図中、曲線Ａは図１に示す気水分離装置１５についての測定結果を示し、曲線Ｂは、下向きに開口するエルボを有するだけで多数の貫通穴は設けられていない構造の気水分離装置についての測定結果を示す。図１２から、図１の気水分離装置１５（曲線Ａ）は、単なるエルボだけで構成された気水分離装置（曲線Ｂ）に比べて乾き度が向上していることがわかる。

１１蒸気送り出し路
１５気水分離装置
１６胴部材
２３開口
２８仕切り部材
３０下部
３１上部
３３貫通孔
３６端部材
３７隙間
３９気液混合流体

Claims

蒸気ボイラの缶体からの上向きの蒸気送り出し路に設けられる気水分離装置であって、
前記蒸気送り出し路の内部において横方向に設置され缶体からの蒸気と缶水との気水混合流体が供給される胴部材と、
この胴部材の底部に設けられた下向きの開口と、
前記胴部材の内部を、前記開口を含む下部と、前記開口を含まない上部とに区画する仕切り部材と、
前記仕切り部材に形成された下向きの多孔構造の貫通孔と、
前記仕切り部材における前記胴部材の内部の気水混合流体の流路に沿った上流端側に設けられ、下向きに形成された端部材と、
前記端部材の下端側の部分と前記胴部材の底部との間に形成された隙間と、
を有することを特徴とするボイラの気水分離装置。