JP7494594B2

JP7494594B2 - 廃熱ボイラーのガスシール装置及びこれを用いたガスシール方法並びにこれを備えた廃熱ボイラー

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Publication number: JP7494594B2
Application number: JP2020104628A
Authority: JP
Inventors: 宣幸岩▲さき▼
Original assignee: Sumitomo Metal Mining Co Ltd
Current assignee: Sumitomo Metal Mining Co Ltd
Priority date: 2020-06-17
Filing date: 2020-06-17
Publication date: 2024-06-04
Anticipated expiration: 2040-06-17
Also published as: JP2021196143A

Description

本発明は、非鉄金属製錬に用いられる廃熱ボイラーのガスシール装置、該ガスシール装置を用いた廃熱ボイラーのガスシール方法及び該ガスシール装置を備えた廃熱ボイラーに関する。

非鉄金属製錬においては、自溶炉などの製錬炉に原料としての硫化鉱と、からみ調整剤（フラックスとも称される）や補助燃料等の副原料とを装入し、更に酸素を含んだガスを吹き込んで酸化・溶融を行なうことで、溶融状態のマットをスラグから分離して回収している。その際、製錬炉からは煙灰及び亜硫酸ガス（ＳＯ_２）を含んだ高温の排ガスが排出される。この製錬炉から排出される高温の排ガスが有する熱エネルギーを回収するため、廃熱ボイラーが製錬炉の近傍に設けられている。廃熱ボイラーは、一般的にその胴体部の内側がキャスタブルで内張りされており、更に上記の高温の排ガスとの熱交換を行なうボイラー水が内部を流れる水管が配設されている。

上記の水管は熱交換効率を高めるため高温の排ガスの流れを妨げるように設けられているので、上記の排ガスに含まれる煙灰が水管の外周面に付着しやすく、その結果、伝熱係数が低下して熱交換量が低下したり、付着した煙灰に含まれる腐食性物質により水管が腐食したりする問題が生じることがあった。そこで、廃熱ボイラーの胴体部には開閉自在な蓋部を備えた点検口が設けられており、定期的に廃熱ボイラー内部を点検することが行われている。

しかしながら、この点検口は、その蓋部の開閉の繰り返しによる封止材の劣化などによって廃熱ボイラー内空間の密閉性が保たれなくなる場合があり、この密閉性の低下が生じている箇所から廃熱ボイラー内に外気が侵入することがあった。その結果、この点検口近傍において、侵入した外気による冷却で水管の表面に硫酸が結露し、水管に腐食（硫酸腐食）が生じることがあった。すなわち、排ガスに含まれている亜硫酸ガスは、その一部が酸化されて無水硫酸（ＳＯ_３）になり、この無水硫酸は、排ガス中に含まれる水蒸気と直ちに反応して硫酸蒸気（Ｈ_２ＳＯ_４）を生成する。

上記の硫酸蒸気は、排ガスの露点を上昇させる方向に働くので、水管の表面が外気により露点以下に冷却されると、その箇所において硫酸が結露することになる。この硫酸による腐食を抑制するには、劣化した封止材の交換などにより外気の侵入を防ぐことが有効であるが、封止材の交換のために設備を長時間停止することが必要になるため、容易に交換することができなかった。

上記の点検口近傍の水管の腐食対策として、特許文献１には該点検口の外周面に沿って湾曲させた水管群を耐火物で埋める技術が開示されている。しかしながらこの特許文献１の技術は、腐食の原因物質として排ガス中に含まれる煙灰を対象とするものであり、廃熱ボイラーの点検口における密閉性の低下により廃熱ボイラー内に侵入した外気によって生じる硫酸腐食を抑制するものではない。

特開２０１６－０５０７２７号公報

本発明の目的は、上記の状況に鑑みてなされたものであり、廃熱ボイラーの点検口などの貫通部の蓋部に使用する封止材の劣化などによって廃熱ボイラー内空間の密閉性が低下した場合であっても、該廃熱ボイラー内に設けられている水管の硫酸腐食を抑制できるガスシール装置、該ガスシール装置を用いたガスシール方法及び該ガスシール装置を備えた廃熱ボイラーを提供することを目的としている。

上記目的を達成するため、本発明に係るガスシール装置は、壁部を貫通する貫通部及びその出口側開口部を閉止する閉止手段を備えた廃熱ボイラーの該閉止手段の周囲を加熱ガス雰囲気に置換するガスシール装置であって、前記貫通部の出口側開口部及び前記閉止手段を覆う内部が空洞の箱状体と、前記箱状体の内側に加熱ガスを供給する加熱ガス供給部と、前記加熱ガスを発生させる加熱ガス発生源とを有することを特徴としている。

本発明によれば、点検口などの貫通部の蓋部に使用する封止材の劣化などによって廃熱ボイラーの密閉性が低下した場合であっても、水管の硫酸腐食を効果的に抑制することができる。

本発明のガスシール装置が好適に用いられる廃熱ボイラーの斜視図である。本発明の実施形態のガスシール装置が図１の廃熱ボイラーの筒状点検口の閉止設備に取り付けられている状態を示す断面図である。

以下、添付図面を参照しながら本発明の実施形態のガスシール装置について詳細に説明する。先ず、本発明の実施形態のガスシール装置が好適に用いられる銅製錬プラントの廃熱ボイラーについて説明する。乾式製錬により原料の硫化鉱から高品位の銅を製造する銅製錬プラントでは、自溶炉に装入される硫化鉱は、酸化されると共に自身の酸化反応熱で溶融し、これにより生成した銅品位６０～６５％程度のマットが酸化鉄や珪酸などからなるスラグから分離される。この酸化・溶融の際、自溶炉からはＳＯ_２を高濃度で含む高温の排ガスが排出されるため、この排ガスは廃熱ボイラーに導入されてボイラー水との熱交換により廃熱が回収された後、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に示すような輻射部１と対流部２とから構成され、自溶炉から排出された排ガスは、紙面左側の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から導入され、輻射部１及び対流部２の各々の内部に設けられている水管群においてボイラー水との熱交換を行うことで排ガスの熱エネルギーが回収された後、紙面右側の白矢印で示すように対流部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、排ガスに含まれている煙灰は、この廃熱ボイラー内の空間を排ガスが通過している間に重力により落下し、上記のテーパー構造の下部に集められる。この下部に集められた煙灰は、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。

上記の輻射部１及び対流部の各々の胴体部の内側に設けられている水管は、上記排ガスの熱エネルギーを効率よく回収できるように配設されている。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を有しているのが好ましい。

上記の廃熱ボイラーの胴体部には、図１に示すように主に水管の点検やその補修の際に作業員が出入りするマンホールＭや排ガスをサンプリングするためのサンプリング口Ｓ等の筒状の貫通部が胴体部の壁面を貫通して設けられている。この貫通部に物理的に干渉するのを避けるため、上記した胴体部の内壁面に沿って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は、一部が貫通部を回避するように該貫通部の外周面に沿って部分的に湾曲している。

このように水管を湾曲させるとその上に煙灰が堆積しやすくなって腐食を促進させるおそれがあるため、この水管の湾曲部分は煙灰が堆積しないように耐火物の中に埋め込まれている。例えば、図２には廃熱ボイラーの壁部を貫通する貫通部であるマンホールＭをその中心軸を含む平面で切断した断面図が示されている。この図２では、略筒状の点検口と、その外側開口部を開閉させる閉止設備とが示されており、廃熱ボイラーの壁面に沿って設けられている好ましくはパネル状の水管のうちの一部は、点検口の外周面に沿うように設けられており、且つ耐火物の中に埋め込まれていることが示されている。

具体的には、この図２に示すマンホールＭは、廃熱ボイラーの壁部３を貫通する貫通部４と、該貫通部４の出口側開口部を閉止する閉止手段１０とによって構成され、水管６のうちの一部６ａは該貫通部４と物理的に干渉しないように、この貫通部４の外周面に沿って湾曲するように設けられている。この貫通部４の外周面に沿って設けられている一部の水管６ａを囲むように、該貫通部４の外周側に円筒状の第２貫通部５が設けられている。これら貫通部４と第２貫通部５との間に耐火材７が充填されており、これにより上記一部の水管６ａは耐火材７の中に埋め込まれている。なお、上記貫通部４は、その軸方向中央部に向って徐々に縮径するように円筒体を中央部で絞り込んだ形状を有している。

上記のように、貫通部４が縮径している理由は、後述するマンホールカバーの内側に設けられている略富士山形状の断熱部がマンホールカバーの開閉の際に該貫通部４に干渉するのを防止するためである。これら貫通部４及び第２貫通部５の出口側端部に基板８が設けられており、この基板８の端部に支持部９が突出するようにして設けられている。この支持部９に円板状のマンホールカバー１１を有する閉止手段１０が開閉自在に支持されている。

以下、このマンホールカバー１１を有する閉止手段１０の構造について、より具体的に説明する。マンホールカバー１１は、内側に略富士山形状の断熱材１２が設けられており、マンホールカバー１１が図２に示す閉止位置に位置しているとき、この断熱材１２が前述した貫通部４の縮径する内壁面に嵌合することで、廃熱ボイラーの内部を流れる排ガスの熱エネルギーがこのマンホールカバー１１から逃げにくいようになっている。更に、マンホールカバー１１が閉止位置に位置しているときにより密閉性を高めるため、マンホールカバー１１と基板９とで挟み込まれる封止材１３が基板９上において貫通部４の出口側開口部を囲むように設けられている。

マンホールカバー１１の外側の中央部には、外周部が螺刻されたシャフト部１４が立設しており、このシャフト部１４の先端部にハンドル１５が設けられている。このシャフト部１４は更に、マンホールカバー１１を水平方向に横断するように設けられている略弓形の締付けアーム１６の長手方向中央部の貫通孔に螺合している。この締付けアーム１６の一端部は、前述した支持部９に軸支されており、他端部は上記基板８の上記支持部９とは反対側の端部に設けられている留め具１７に係合するようになっている。なお、本発明においては、図２の点線で囲んだ部材であるマンホールカバー１１、断熱材１２、封止部１３、シャフト部１４、ハンドル１５、締付アーム１６、及び留め具１７をまとめて閉止手段１０と称する。

上記の構成を有することにより、マンホールＭを開放状態から閉止状態にするときは、開放位置に位置しているマンホールカバー１１のハンドル１５を把持して閉止位置まで回動させた後、ハンドル１５を締め込む向きに回転する。この回転により、締付けアーム１６の支持部９に軸支されている側とは反対側の他端部が、マンホールカバー１１と接触状態となり、さらに締め込む向きに回転すると、接触状態となった前記の他端部によって、マンホールカバー１１は貫通部４の中心軸方向へ押し込まれることとなる。これにより、封止材１３が基板８とマンホールカバー１１とによって両側から押圧されて廃熱ボイラーの内部を密閉状態にすることが可能になる。この密閉状態において留め具１７を締付アーム１６の先端部に引っ掛けることにより、締付けアーム１６は留め金１７を介して基板８に固定することができる。マンホールＭを閉止状態から開放状態にするときは、上記とは逆の手順で操作すればよい。

次に上記の閉止手段１０を全体的に覆うようにして設けられている本発明の実施形態のガスシール装置について説明する。図２に示すように、本発明の実施形態のガスシール装置２０は、点線で囲んだ閉止手段１０を全体的に覆う内部が空洞の直方体形状の箱状体（アウターボックスとも称する）２１と、この箱状体２１の側部に設けられた貫通孔２１ａから差し込まれるパイプからなる加熱ガス供給部２２とによって構成される。箱状体２１は、加熱ガス供給部２１によってその内部に例えば加熱された空気を供給することができるので、その温度に耐えられる材質で形成するのが好ましく、例えばＳＵＳ３０４等のステンレス鋼板で形成するのが好ましい。また、この箱状体２１は、閉止手段１０のマンホールカバー１１を開ける際は取り外す必要があるので、容易に取り外すことができるように、廃熱ボイラーの壁部３の外装金属板３ａに取付け金具やボルトなどによって固定されるのが好ましい。なお、加熱ガスに用いるガスは、上記の加熱された空気に限定されるものではなく、安全性の高い加熱ガスであれば他の種類のガスを用いてもよい。例えば、窒素ガスなどの不活性ガスや、空気と不活性ガスとの混合ガスを加熱したものを加熱ガスとして用いてもよい。

上記の箱状体２１に先端部が差し込まれている加熱ガス供給部２２は、該先端部とは反対側の他端部に図示しない加熱ガス発生源が接続している。この加熱ガス発生源としては、空気を加熱するガスヒーターや電気ヒーター等と、該加熱された空気を昇圧する送風機とを備えた公知の熱風発生装置や、送風機で昇圧した空気の加熱用の熱源に廃熱ボイラーによって回収した熱を利用する熱風発生装置などを採用することができる。これにより、マンホールＭの出口側及び閉止手段１０の周囲を加熱空気等の加熱ガスの雰囲気に置換することができるので、これらマンホールＭの出口側や閉止手段１０に外気が直接触れるのを防ぐことができる。

その結果、封止材１３の劣化などによって廃熱ボイラーのマンホールＭの密閉性が確保されにくい状態になっても、廃熱ボイラー内に侵入するおそれのあるガスは外気ではなく加熱空気などの加熱ガスになるので、外気による冷却で結露した硫酸による水管腐食の問題を防ぐことができる。加熱ガス供給部２１は、その先端部のガス供給口２２ａの位置を閉止手段１０の大きさや構造に応じて箱状体２１の内部の任意の位置に自在に変えて保持できるのが好ましく、これは加熱ガス供給部２１の部材をフレキシブルパイプにすることで実現できる。

封止材１３の劣化等が生じている部位から廃熱ボイラー内に外気が侵入するのをより確実に防ぐ観点から、上記ガス供給口２２ａは閉止手段１０に差し向くように配置するのが好ましく、マンホールカバー１１に差し向くように配置するのがより好ましい。加熱ガス供給部２１で供給する加熱空気等の加熱ガスの温度は、３０℃以上２００℃以下の範囲内に調整するのが好ましい。この加熱ガスの温度が３０℃未満では硫酸の結露の問題を防止できなくなるおそれがあり、逆にこの温度が２００℃を超えるとガスの加熱のために過剰なエネルギーが消費されるうえ、より高い耐熱構造が必要になるので無駄なコストが発生するおそれがある。なお、上記加熱ガスの温度は、前述した加熱ガス発生源のガスヒーターなどにおける供給熱量により調整することができる。

また、箱状体２１の内部の圧力は、４０ｍｍＡｑ以上３００ｍｍＡｑ以下の範囲内に調整するのが好ましい。この箱状体２１の内部圧力が３０ｍｍＡｑ未満では廃熱ボイラー内に外気が侵入するのを防げなくなるおそれがあり、逆に３００ｍｍＡｑを超えると昇圧のために過剰なエネルギーや耐圧構造が必要になるので無駄なコストが発生するおそれがある。なお、上記の箱状体２１の内部圧力は、例えば該箱状体２１に設けたマノメーターで測定することができる。上記の箱状体２１の内部圧力は、上記加熱ガス発生源の送風機における送風量を増減することによって調整することができる。

箱状体２１の内部圧力を上記の圧力範囲内に調整することによって、箱状体２１の内部を加熱ガスによって陽圧側に安定的に維持することができるので、外気の廃熱ボイラー内への侵入をより確実に防ぐことができる。また、上記の温度範囲内に調整することによって、廃熱ボイラー内を流れている排ガスが水管の表面で硫酸を結露させるのをより確実に防ぐことができる。

この箱状体２１に供給した加熱ガスは、上記した廃熱ボイラーの壁部３の外装金属板３ａと箱状体２１との接合部分の隙間や、該箱状体２１に設けた加熱ガス供給部２２の挿通用の貫通孔２１ａから排出させることで、該箱状体２１の内部の雰囲気ガス圧力や雰囲気ガス温度を安定的に維持することができる。上記の雰囲気ガス圧力や雰囲気ガス温度の維持は、ガス供給口２２ａから放出させる加熱ガスの速度を調整することによって、より細かく調整することが可能である。かかる細かな調整は、例えば加熱ガス供給部２２に調整弁２２ｂを設け、その開度により調整することが可能であり、通常は、ガス速度１.０ｍ／ｓ以上４.０ｍ／ｓ以下の範囲内に調整される。また、これら雰囲気ガス圧力や雰囲気ガス温度をより安定的に維持するため、上記箱状体２１に専用のガス排出口を設けてもよい。なお、箱状体２１には高温の加熱ガスから作業員を保護するため、及び／又は省エネルギーのため、箱状体２１を保温材で覆うのが好ましい。

銅製錬プラントの自熔炉から発生した排ガスを、図２に示すようなガスシール装置２０をマンホールＭの出口側に備えた廃熱ボイラーに導入して廃熱回収を行った。加熱ガス供給部２２から供給する加熱ガスには、送風機で昇圧した空気を該廃熱ボイラーで発生させた蒸気と熱交換することで加熱した空気を用いた。また、加熱ガス供給部２２にはフレキシブルチューブを使用し、その先端のガス供給口２２ａが閉止手段１０のマンホールカバー１１に差し向くように位置を調整した。

加熱空気の温度は、上記熱交換用の蒸気の供給量をバルブ開度を調整することで３０℃に調整した。また、加熱ガス供給部２２に設けた調整弁２２ｂの開度を調整することで、箱状体２１に設けたマノメーターの指示圧力が４０ｍｍＡｑになるように調整した。このとき、ガス供給口２２ａから放出される加熱空気の速度を、該ガス供給口２２ａから約１００ｍｍ離間した位置にセットした熱線式風速計で測定したところ１.０ｍ／ｓであった。この状態で１２か月間の操業を継続した後、廃熱ボイラー内部の水管の腐食状態を目視にて点検した。その結果、封止材が劣化していた点検口近傍を含めて水管に腐食の進行は認められず、外気の侵入を効果的に遮断できていることが確認できた。

１輻射部
１ａ排ガス入口部
２対流部
２ａ排ガス出口部
３壁部
３ａ外装金属板
４貫通部
５第２貫通部
６、６ａ水管
７耐火材
８支持部
９基板
１０閉止手段
１１蓋部（マンホールカバー）
１２断熱材
１３封止材
１４シャフト
１５ハンドル
１６締付けアーム
１７留め金
２０ガスシール装置
２１箱状体（アウターボックス）
２１ａ貫通孔
２２加熱ガス供給部
２２ａガス供給口
２２ｂ調整弁
Ｍマンホール
Ｓサンプリング孔

Claims

壁部を貫通する貫通部及びその出口側開口部を閉止する閉止手段を備えた廃熱ボイラーの該閉止手段の周囲を加熱ガス雰囲気に置換するガスシール装置であって、
前記貫通部の出口側開口部及び前記閉止手段を覆う内部が空洞の箱状体と、前記箱状体の内側に加熱ガスを供給する加熱ガス供給部と、前記加熱ガスを発生させる加熱ガス発生源とを有することを特徴とするガスシール装置。
前記加熱ガス供給部の先端部のガス供給口が、前記閉止手段に差し向くように配置されていることを特徴とする、請求項１に記載のガスシール装置。
前記加熱ガスが加熱された空気であることを特徴とする、請求項１又は２に記載のガスシール装置。
前記加熱ガス供給部がフレキシブルチューブで形成されていることを特徴とする、請求項１～３のいずれか１項に記載のガスシール装置。
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廃熱ボイラーの点検口又はサンプリング孔の閉止手段に対して、請求項１～４のいずれか１項に記載のガスシール装置を用いてガスシールする方法であって、
前記箱状体の内部に供給する加熱ガスの温度を３０℃以上２００℃以下に調整すると共に該箱状体の内部圧力を４０ｍｍＡｑ以上３００ｍｍＡｑ以下に調整することを特徴とするガスシール方法。
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廃熱ボイラーであって、
請求項１～４のいずれか１項に記載のガスシール装置が前記廃熱ボイラーの点検口又はサンプリング孔の閉止手段を覆うように取り付けられていることを特徴とする廃熱ボイラー。