JP6243783B2

JP6243783B2 - 廃熱回収ボイラ

Info

Publication number: JP6243783B2
Application number: JP2014071641A
Authority: JP
Inventors: 博春岡村; 竜也本村; 鈴木　雅文; 雅文鈴木
Original assignee: Pan Pacific Copper Co Ltd
Current assignee: Pan Pacific Copper Co Ltd
Priority date: 2014-03-31
Filing date: 2014-03-31
Publication date: 2017-12-06
Anticipated expiration: 2034-03-31
Also published as: JP2015194281A

Description

本発明は、廃熱回収ボイラに関し、さらに詳しくは、例えば、銅製錬に用いられる製錬炉に付帯して設けられた廃熱回収ボイラに関する。

銅製錬に用いられる製錬炉、例えば自溶炉には廃ガスから廃熱を回収するために廃熱回収ボイラが自溶炉に付帯して設けられている。廃熱回収ボイラの一例としては特許文献１に示すものがある。自溶炉では銅精鉱と酸素を反応させマットとスラグを生成する。その際、硫黄酸化物を含む廃ガスが発生するので廃ガスを廃熱回収ボイラに導入して熱回収を行った後、硫酸工場へ送る。廃熱回収ボイラは、廃ガスが導入される輻射部と、輻射部に連続して配置された対流部を備えており、輻射部には内壁に沿って水管が配置されると共にその下部には廃ガスに含まれるダストを回収するためのホッパが設けられている。そして、対流部には多数の水管が林立するようにして配置されており、この水管を通る水を熱媒体として廃ガスから廃熱が回収される。このような廃熱回収ボイラは、特許文献２に示すように、廃ガス中の主にＳＯ_２ガス成分による腐食により水管の減肉が進行しやすい。特に、輻射部のボイラ本体下部に配置されているホッパのケーシング及び排出コンベアのケーシングの腐食の進行が早いため腐食部の補修を頻繁に行う必要があった。

腐食部を補修するためには廃熱回収ボイラを一旦冷却しなければならないため長期間にわたる操業停止を余儀なくされる。また、ホッパケーシングが腐食するとボイラ本体内へのフリーエアの侵入が進行してＳＯ_２ガスのＳＯ_３化が促進されると共に、フリーエアによるガス温度の低下によって内部温度が酸露点に達した場合には輻射部の水管やホッパケーシング等の硫酸腐食がより一層進行しやすくなる。そのため、水管として耐腐食性の高いオーステナイト系ステンレスを表層に用いたコンポジット管を用いることがある。

特開昭５３−８２９０１号公報特開平０３−６２９６１号公報

しかしながら、ボイラ本体の下部側であって且つホッパの上部に溶接固定されている給水ヘッダは通常炭素鋼管によって形成されており、水管としてコンポジット管を用いた場合であっても、給水ヘッダは炭素鋼管製のものをそのまま用いることが通常とされている。

また、上述のように、水管に耐腐食性の高いオーステナイト系ステンレスを表層に用いたコンポジット管を用いているように、銅製錬に使用される廃熱回収ボイラのホッパ等にも腐食対策としてステンレス鋼材を用いることが望ましいが、ホッパの材質として用いられるステンレス鋼材に対して給水ヘッダの材質として用いられている炭素鋼材を溶接固定することはステンレス鋼材と炭素鋼材の受熱時の熱膨張率の差による変形や割れを懸念してこれまで実施は見送られてきた。熱膨張率の差により万一給水ヘッダにクラックが発生した場合には補修のために長期間の操業停止を余儀なくされるからである。

本発明は、上述したような、ボイラ本体の下部に配置された給水ヘッダが炭素鋼製であり、さらにその下に位置するホッパの材質を耐食性に優れたステンレス鋼材とすることは膨張率の差による変形や割れを懸念して実施することができなかったという課題を解決するために鋭意検討した結果なされたものであり、炭素鋼製の給水ヘッダとステンレス製ホッパとの接合構造を改良し、熱膨張率の影響を解消することが可能な廃熱回収ボイラを提供することを目的とする。

また、ボイラ本体の内壁に配置される水管を、例えば、外側にステンレス系材料によって被覆されたコンポジット管とした場合であっても炭素鋼材によって形成された給水ヘッダとの連結部分となる水管の先端部側は炭素鋼材を用いることとなるが、本発明は、その水管の先端部側の炭素鋼材部分の腐食対策も同時に解決する給水ヘッダとホッパの接合構造を備えた廃熱回収ボイラを提供することを目的とする。

上記課題を解決するために請求項１に記載の本発明は、ボイラ本体の下部側に給水ヘッダが配置され、さらにその下部側にはホッパが配置され、前記給水ヘッダと連結されて前記ボイラ本体の内面に沿って配置された水管を介して前記ボイラ本体内に導入された高温の廃ガスから廃熱を回収する廃熱回収ボイラにおいて、前記ホッパを形成するホッパケーシングを耐食性を有するステンレス系材料で形成すると共に、前記ホッパケーシングとは異なる材質で形成された前記給水ヘッダを熱膨張率の差による伸縮の違いを吸収するように前記ホッパケーシングに対して可動可能に取り付け、前記給水ヘッダと連結された前記水管の端部側であって前記ボイラ本体内部の温度が酸露点に至るおそれのある位置に配置されている水管のボイラ本体の内側に面する箇所を耐火物によって被覆したことを特徴とする。

上記課題を解決するために請求項２に記載の本発明は、請求項１に記載の廃熱回収ボイラにおいて、給水ヘッダは炭素鋼管製であり、給水ヘッダをホッパケーシングにボルト止めするための取付部材に設けられたボルト孔を使用するボルトの径サイズよりも大きくすることにより熱膨張率の差による伸縮を吸収するようにしたことを特徴とする。

上記課題を解決するために請求項３に記載の本発明は、請求項１又は２に記載の廃熱回収ボイラにおいて、水管は、内側には炭素鋼管で形成された内側管と、最外側には耐食性を有するステンレス系材料で形成された外側管を備えた複数層からなるコンポジット管によって形成され、給水ヘッダと連結された水管の端部側は給水ヘッダとの溶接を容易にするために炭素鋼からなる内管を露出させて形成され、炭素鋼からなる内側管が露出した水管の端部側であってボイラ本体の内側に面する箇所を耐火物によって被覆したことを特徴とする。

上記課題を解決するために請求項４に記載の本発明は、請求項３に記載の廃熱回収ボイラにおいて、前記耐火物と前記ホッパケーシングとの間にフリーエアの浸入を防止すると共に熱膨張率の差による伸縮時の不定形耐火物とホッパ部材の摩擦を軽減するための摩擦軽減部材を配置したことを特徴とする。

本発明に係る廃熱回収ボイラによれば、ホッパを形成するホッパケーシングをステンレス系材料とし、それとは異なる材質、例えば、炭素鋼材によって形成された給水ヘッダを熱膨張率の差による伸縮を吸収するようにホッパケーシングと給水ヘッダとが相対的に可動可能となるように取り付けることとしたので、異なる材質によって形成された給水ヘッダとホッパとを変形や割れを生じさせることなく接続することができるという効果がある。

また、本発明に係る廃熱回収ボイラによれば、水管に炭素鋼を用いた場合でも、水管にコンポジット管を用いた場合でも給水ヘッダと接続する部分には炭素鋼管を用いることになるが、炭素鋼製の給水ヘッダとされる炭素鋼管からなる水管の端部側を耐火物で被覆してボイラ本体内の温度低下による酸露点に至るおそれのある位置の水管部分を腐食性ガスや硫酸等と接触させない構造としたので水管及び給水ヘッダの腐食を抑制することができるという効果がある。

さらに、本発明に係る廃熱回収ボイラによれば、少なくともホッパを耐食性の高いステンレス系材料とすることを可能とし、さらに水管及び給水ヘッダの腐食を抑制することを可能としたので水管及びホッパの腐食による長期間の操業停止を排除することできるという効果がある。

自溶炉に連設された廃熱回収ボイラの概要を示す側面図である。本発明に係る廃熱回収ボイラのＡ−Ａ断面図である。ボイラ本体とホッパとの連結部分の拡大断面図である。水管の拡大断面図である。

以下、本発明に係る廃熱回収ボイラの好ましい一実施形態について図面を参照しつつ説明する。図１は自溶炉に連設された廃熱回収ボイラの概要を示す側面図、図２は本発明に係る廃熱回収ボイラのＡ−Ａ断面図、図３はボイラ本体とホッパとの連結部分の拡大断面図である。

［廃熱回収ボイラの構成］
初めに、図１に示された廃熱回収ボイラ１０は、精鉱を反応させることによってマットとスラグを生成し、比重分離する自溶炉１のアップテイク３に付帯するようにして設けられており、アップテイク３の後方側（図１の右側）へ伸びるようにして配置されている。廃熱回収ボイラ１０はボイラ本体１１を備えており、ボイラ本体１１は廃ガスが最初に導入される輻射部１１ａと、図示しない多数の水管が配置されて廃熱を回収する対流部１１ｂによって構成されている。尚、対流部には上部側又は下部側に隙間が形成された隔壁１２，１２が前後して配置されており、廃ガスはその隙間を通って上下方向に誘導されるようになっている。

［ボイラ本体］
輻射部１１ａ側のボイラ本体１１には、図２に示すように、両側面の下部側に給水ヘッダ２０が配置されており、給水ヘッダ２０のさらに下部側にはホッパ１３が配置されている。さらにホッパ１３の下部側にはボイラ本体１１内を落下したダストを回収するための排出コンベア１５が配置されている。そして、輻射部１１ａ側のボイラ本体１１の内壁に沿って水管２１が配置されると共に、水管２１は給水ヘッダ２０と連通するようにして取り付けられている。

［給水ヘッダ］
給水ヘッダ２０は、水管２１と連通されて熱媒体となる水を流通させるための配管であり、ボイラ本体１１の長手方向に沿って下部側の両側に配置されている。また、ボイラ本体１１の下部側は、上方から下方へ至るに従いその幅サイズが次第に狭くなった略逆角錐台形状となるようにして形成され、給水ヘッダ２０はボイラ本体１１の下部位置よりもやや外側に離間した位置に配置されている。そして、給水ヘッダ２０は炭素鋼管により形成されている。

［水管］
水管２１は、ボイラ本体１１の内壁面に沿って配置されており、給水ヘッダ２０と接続される部分は給水ヘッダ２０側に向かって屈曲するように形成されている。そして、水管２１はボイラ本体１１の上部に配置された図示しない配管と連通され、さらに対流部１１ｂに配置されている図示しない水管と連通されており、ボイラ本体１１内に導入された高温の廃ガスから熱回収される。

水管２１は、全体が炭素鋼から形成された炭素鋼管を用いることも、図４に示すような外側にオーステナイト系ステンレス鋼材によって形成された外側管２１ａ、内側に給水ヘッダ２０と同様の材質である炭素鋼によって形成された内側管２１ｂを備えたコンポジット管を用いることもできる。尚、水管２１にコンポジット管を用いる場合には、外側に耐食性を有する材料で形成された外側管２１ａと、給水ヘッダ２０と同様の材質である炭素鋼で形成された内側管２１ｂを備えていればよいので、二重構造のコンポジット管に限らず、例えば、内側管２１ｂの内部にさらに他の材質から形成される図示しない配管が内装された三重又はそれ以上の構造のコンポジット管であってもよい。

ここで、銅製錬における廃熱回収ボイラ１０の回収蒸気の圧力は４〜６ＭＰａであり、飽和蒸気温度は２５０〜２７０℃である。自溶炉１から廃熱回収ボイラ１０に導入される排ガスには５０〜６０ｖoｌ％のＳＯ_２ガスが含まれているが、ボイラ内ではＳＯ_２の１〜３％はＳＯ_３となっている。そのＳＯ_３量とガス中の水分により酸露点温度が循環水の飽和温度程度までに上昇する場合がある。その際、水管外側に高濃度の硫酸が結露し腐食が助長される。特に、ボイラ本体の下部側、すなわち給水ヘッダ２０と水管２１との連結部側が結露しやすい。水管２１にコンポジット管を用いた場合には、外側管２１ａが耐食性を有するステンレス系材料で形成されているのでＳＯ_２を含む廃ガスによる腐食が効果的に防止される。また、水管２１に炭素鋼管を用いた場合であっても給水ヘッダ２０から離れた上方側は酸露点以下にはなりにくいので腐食は急速には進行しない。

一方、水管２１に炭素鋼管を用いた場合や、コンポジット管を用いた場合の内側管２１ｂは給水ヘッダ２０と同質の炭素鋼管を備えているので両者を溶接によって接合した場合であっても熱膨張率の差がないので連結部分の変形や割れの心配がない。しかしながら、水管２１が炭素鋼管である場合でもコンポジット管を用いた場合でも給水ヘッダ２０と溶接によって連結される下部側部分は炭素鋼管が露出した状態となっており、この露出部分はボイラ本体１１内の廃ガス中に晒されることになるので。上述のように腐食が進行しやすい。そのため、後述するように、ボイラ本体１１の下部側に露出した炭素鋼管部分、すなわち、酸露点に至るおそれのある位置に配置されている水管２１を腐食から保護するために耐火物３０によって被覆している。

［ホッパ］
ボイラ本体１１の下部にはホッパ１３が配置されており、ボイラ本体１１内に導入された廃ガスに含まれるダストの回収を行う。廃ガス中には高温で溶融状態にあったダスト成分が含まれており、ボイラ本体１１内で廃ガスの温度が下がることにより溶融状体にあったダスト成分が固化してダストとなって落下する。落下したダストはホッパ１３の下部に配置された排出コンベア１５によって回収される。尚、ホッパ１３は、長手方向に沿って複数配置されている。このホッパ１３を構成するホッパケーシング１３ａは耐食性を有するステンレス系材料が用いられている。

［ボイラ本体とホッパ上部の連結構造］
次に、ボイラ本体１１とホッパ１３の上部の連結構造について説明する。図3はボイラ本体１１とホッパ１３との連結部分の拡大断面図である。ボイラ本体１１の内壁面に沿って配置された水管２１はホッパ１３との連結部付近で給水ヘッダ２０側へ向かうようにして外側方向に屈曲され、ボイラ本体１１の下部側の両側面に配置された給水ヘッダ２０にそれぞれ溶接接続されている。そして、給水ヘッダ２０の下部側には板状の取付フィン２０ａが下方に向かって取り付けられており、この取付フィン２０ａとホッパ１３の上面とが側面形状が略Ｌ字状の取付部材４０を介して連結されている。取付フィン２０ａと取付部材４０とは溶接によって固定され、取付部材４０とホッパ１３の上部とはボルト４１によって締着固定されている。尚、取付フィン２０ａ、取付部材４０及びボルト４１は給水ヘッダ２０と同様に炭素鋼材によって形成されている。ここで、ボルト４１を取り付けるために取付部材４０及びホッパ１３の上面に穿設されている図示しないボルト孔はボルト４１の径サイズよりも大きな径サイズとされている。尚、ボルト孔は円形又は楕円形に形成することができる。これにより、ステンレス系材料によって形成されたホッパ１３のホッパケーシング１３ａと炭素鋼材によって形成された取付部材４０や給水ヘッダ２０の熱膨張率の差による伸縮の違いがあっても給水ヘッダ２０はホッパケーシング１３ａに対して可動可能に取り付けられているのでその違いは吸収されて変形や割れが効果的に防止される。

［耐火物］
一方、給水ヘッダ２０と溶接される水管２１の先端側は給水ヘッダ２０と同様の材質である炭素鋼製の内側管２１ｂを露出させた状態となっている。これにより給水ヘッダ２０と水管２１の内側管２１ｂとの溶接接続は容易に行われると共に熱膨張の差による影響は防止されることとなる。しかしながら、水管２１の露出部分はボイラ本体１１内の廃ガス中に晒されることとなり、腐食の影響を受けやすくなるため、図４に示すように、ボイラ本体１１内に露出した内側管２１ｂは耐火物３０によって被覆されている。耐火物としては、不定形耐火物、例えば、株式会社ヨータイ製のキャスタブル耐火物Ｃ１３０等を用いることができ、不定形耐火物によって露出した内側管２１ｂを完全に被覆する。もちろん、不定形耐火物に限るものではなく、定形耐火物を所定の形状に成型したものをボイラ本体１１内に露出した内側管２１ｂを被覆するようにして配置してもかまわない。

さらに、耐火物３０とホッパ１３のホッパケーシング１３ａとの間にはフリーエアの浸入を防止すると共に熱膨張率の差による伸縮時の不定形耐火物とホッパー部材との摩擦を軽減するための摩擦軽減部材３５が配置されている。摩擦軽減部材３５としては繊維を積層してブランケット状にした耐火断熱材を用いることができ、例えば、イソライト工業株式会社製のイソウールブランケットを用いることができる。これにより、ボイラ本体１１内に露出した内側管２１ｂを耐火物３０によって被覆した場合であってもホッパ１３と耐火物３０との間に摩擦軽減部材３５を介在させているので熱膨張率の差による伸縮が生じでも耐火物３０が割れたり剥がれ落ちたりすることが防止される。配置する摩擦軽減部材３５の厚みはあまり薄いと耐火物３０として不定形耐火物を流し込んだ場合に収縮するので摩擦力の軽減を十分に図ることができず、また、厚すぎるとフリーエアが侵入するおそれがあるので１０〜３０ｍｍ程度の厚みとすることが好ましい。

以上のように、本発明の好ましい実施形態について詳述したが、本発明は係る特定の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能であることはいうまでもない。上記実施形態では給水ヘッダ２０が炭素鋼管であり、ホッパ１３のホッパケーシングがステンレス系材料としたがこれに限るものではなく、互いに異なる材質が用いられている場合であって熱膨張率の差による変形や割れが懸念される場合にも適用することが可能である。

１自溶炉
３アップテイク
１０廃熱回収ボイラ
１１ボイラ本体
１１ａ輻射部
１１ｂ対流部
１２隔壁
１３ホッパ
１３ａホッパケーシング
１５排出コンベア
２０給水ヘッダ
２０ａ取付フィン
２１水管
２１ａ外側管
２１ｂ内側管
３０耐火物
３５摩擦軽減部材
４０取付部材
４１ボルト

Claims

ボイラ本体の下部側に給水ヘッダが配置され、さらにその下部側にはホッパが配置され、前記給水ヘッダと連結されて前記ボイラ本体の内面に沿って配置された水管を介して前記ボイラ本体内に導入された高温の廃ガスから廃熱を回収する廃熱回収ボイラにおいて、
前記ホッパを形成するホッパケーシングを耐食性を有するステンレス系材料で形成すると共に、前記ホッパケーシングとは異なる材質で形成された前記給水ヘッダを熱膨張率の差による伸縮の違いを吸収するように前記ホッパケーシングに対して可動可能に取り付け、
前記給水ヘッダと連結された前記水管の端部側であって前記ボイラ本体内部の温度が酸露点に至るおそれのある位置に配置されている水管のボイラ本体の内側に面する箇所を耐火物によって被覆したことを特徴とする廃熱回収ボイラ。
請求項１に記載の廃熱回収ボイラにおいて、
前記給水ヘッダは炭素鋼管製であり、
前記給水ヘッダを前記ホッパケーシングにボルト止めするための取付部材に設けられたボルト孔を使用するボルトの径サイズよりも大きくすることにより熱膨張率の差による伸縮を吸収するようにしたことを特徴とする廃熱回収ボイラ。
請求項１又は２に記載の廃熱回収ボイラにおいて、
前記水管は、内側には炭素鋼管で形成された内側管と、最外側には耐食性を有するステンレス系材料で形成された外側管を備えた複数層からなるコンポジット管によって形成され、前記給水ヘッダと連結された前記水管の端部側は当該給水ヘッダとの溶接を容易にするために炭素鋼からなる前記内管を露出させて形成され、
炭素鋼からなる内側管が露出した前記水管の端部側であって前記ボイラ本体の内側に面する箇所を耐火物によって被覆したことを特徴とする廃熱回収ボイラ。
請求項３に記載の廃熱回収ボイラにおいて、
前記耐火物と前記ホッパケーシングとの間にフリーエアの浸入を防止すると共に熱膨張率の差による伸縮時の不定形耐火物とホッパ部材の摩擦を軽減するための摩擦軽減部材を配置したことを特徴とする廃熱回収ボイラ。