JP5457577B1 - 排熱ボイラユニット及び排熱ボイラ - Google Patents

Abstract

【課題】燃焼ガスの熱で水を加温可能な排熱ボイラユニット及び排熱ボイラを提供する。
【解決手段】排熱ボイラユニット１は、燃焼ガスが導入される導入口１１と燃焼ガスが排出される排出口を有するケーシング１０と、ケーシング１０内に配置され、内部に流入された水が燃焼ガスの熱で加温、加熱される複数本の水管と、水管同士を接続する伝熱部材と、を備える。水管及び伝熱部材で囲まれ、導入口１１から排出口へと燃焼ガスが通過する一繋がりの流路が形成されている。流路は、燃焼ガスが水平方向へ流れる水平流路と、垂直方向へ燃焼ガスが流れる垂直流路とを有しており、水平流路は垂直方向に複数列及び水平方向に複数列形成されるとともに、垂直方向に配置される水平流路同士を垂直流路がつなぎ、導入口１１から流入した燃焼ガスは垂直方向及び水平方向に折り返して排出口から排出される。
【選択図】図１

Description

本発明は、排熱ボイラユニット及び排熱ボイラに関する。

焼却炉等では、被燃焼物の焼却により燃焼ガスが生じる。燃焼ガスの熱の有効利用が望まれており、燃焼時に生じた燃焼ガスの熱を回収し、この熱で水を加熱、加温して蒸気或いは温水に変換させる排熱ボイラがある（例えば、特許文献１）。排熱ボイラでは、燃焼ガスの熱をいかに効率よく水に伝えるかが重要となる。

特開２００７−１０２８５号公報

特許文献１の排熱ボイラでは、ケーシングに対して燃焼ガスが通過する流路が短いので、効率的に水を加温、加熱することが困難である。

本発明は上記事項に鑑みてなされたものであり、その目的は、燃焼ガスの熱で水を加温、加熱して効率的に温水或いは蒸気に変換可能な排熱ボイラユニット及び排熱ボイラを提供することにある。

本発明の第一の観点に係る排熱ボイラユニットは、
燃焼ガスが導入される導入口と前記燃焼ガスが排出される排出口を有するケーシングと、
前記ケーシング内に配置され、内部に流入された水が前記燃焼ガスの熱で加温、加熱される複数本の水管と、
前記水管同士を接続する伝熱部材と、を備え、
前記水管及び前記伝熱部材で囲まれ、前記導入口から前記排出口へと前記燃焼ガスが通過する一繋がりの流路が形成され、
前記流路は、前記燃焼ガスが水平方向へ流れる水平流路と、垂直方向へ前記燃焼ガスが流れる垂直流路とを有し、
前記水平流路は垂直方向に複数列及び水平方向に複数列形成されるとともに、垂直方向に配置される前記水平流路同士が前記垂直流路でつながれており、
前記導入口から流入した前記燃焼ガスは垂直方向及び水平方向に折り返して前記排出口へと流れ、
前記水管は水平方向に延在する複数の水平水管と、垂直方向に延在する複数の垂直水管とを有し、前記水平水管、前記垂直水管及び前記伝熱部材で囲まれて前記流路が形成されており、
水平方向に延在する前記伝熱部材及び前記水平水管で隔てられて前記水平流路が垂直方向に複数列形成されている、
ことを特徴とする。

また、垂直方向に延在する前記伝熱部材及び前記垂直水管で隔てられて前記水平流路が水平方向に複数列形成されていてもよい。

また、前記ケーシングが直方体形状であり、前記ケーシングの前記導入口が配置されている面と前記排出口が配置されている面とが対向していてもよい。

また、前記導入口と前記排出口の高さが異なっていてもよい。

また、伝熱面積が１０ｍ^２より小さくてもよい。

本発明の第二の観点に係る排熱ボイラは、
本発明の第一の観点に係る排熱ボイラユニットを備え、
前記排熱ボイラユニットが燃焼装置と集塵装置との間に設置されている、
ことを特徴とする。

また、前記排熱ボイラユニットを複数備えてもよい。

また、複数の前記排熱ボイラが直列に接続されていてもよい。

本発明に係る排熱ボイラユニットでは、ケーシング内に導入される燃焼ガスが流れる流路を長くとることができ、燃焼装置から排出される燃焼ガスの熱で水管に導入される水を効率的に加温、加熱して、温水或いは蒸気に変換することができる。

排熱ボイラユニットの斜視図である。 図１の逆側から見た排熱ボイラユニットの斜視図である。 水管集合体の斜視図である。 図３の逆側から見た水管集合体の斜視図である。 水管集合体の側面図（図５（Ａ）、（Ｂ））、上面図（図５（Ｃ））、底面図（図５（Ｄ））である。 図６（Ａ）〜（Ｄ）は水管ユニットそれぞれの正面図である。 図２のＡ−Ａ’断面図である。 図２のＢ−Ｂ’断面図である。 図２のＣ−Ｃ’断面図である。 図２のＤ−Ｄ’断面図である。 燃焼ガスの流れを説明する図である。 図１１のＡ−Ａ’断面図である。 図１１のＢ−Ｂ’断面図である。 排熱ボイラの概略構成図である。 ３つの排熱ボイラユニットが接続された様子を示す図である。

（排熱ボイラユニット）
本実施の形態に係る排熱ボイラユニット１は、図１〜図５に示すように、燃焼ガスの導入口１１及び排出口１２が開口されたケーシング１０と、ケーシング１０の内部に配置された水管集合体２０を備える。そして、水管集合体２０は、内部に燃焼ガスが流れる一繋がりの流路が形成されている。

ケーシング１０は、直方体形状をしており、一方の面に燃焼ガスが導入される導入口１１が開口されている。また、導入口１１が開口された面の対面には、燃焼ガスが排出される排出口１２が開口されている。また、蓋１３、１４は、ケーシング１０に取り外し可能に設置されており、蓋１３、１４を取り外すことにより、ケーシング１０の内部に設置された水管集合体２０を清掃可能に構成されている。

水管集合体２０は、１つの第１水管ユニット２１ａ、１つの第２水管ユニット２１ｂ、５つの第３水管ユニット２１ｃ、１つの第４水管ユニット２１ｄを有しており、これらが上部接続管２６、下部接続管２７を介し、ヘッダ２２、管寄せ２３に連結し、また、伝熱部材３０ａ〜３０ｇにより連結し、一体的に構成されている。また、ヘッダ２２には、水管集合体２０に流入された水が燃焼ガスで加温、加熱されて生じる温水或いは蒸気の取出管２８が設置されている。水管集合体２０は、熱伝導率の高い金属等の材質から構成される。

第１水管ユニット２１ａ、第２水管ユニット２１ｂ、第３水管ユニット２１ｃ、第４水管ユニット２１ｄは、図６（Ａ）〜図６（Ｄ）にそれぞれ示すように、垂直水管２４ａ〜２４ｆ及び水平水管２５ａ〜２５ｃが組み合わされて構成されている。

第１水管ユニット２１ａ、第２水管ユニット２１ｂ、第３水管ユニット２１ｃ、第４水管ユニット２１ｄの水平水管２５ａ、垂直水管２４ａ、２４ｆはそれぞれ上部接続管２６を介してヘッダ２２に接続している。また、垂直水管２４ａ、２４ｆは、下部接続管２７を介して管寄せ２３に接続している。

第１水管ユニット２１ａは、導入口１１側に配置されるユニットであり、垂直水管２４ａ〜２４ｆ、水平水管２５ａ、２５ｂの間はそれぞれ伝熱部材３０ａが設置されている。また、垂直水管２４ａ、２４ｆ、水平水管２５ｂ及び水平水管２５ｃで囲まれる領域が、燃焼ガスが通過する流路となる。また、第１水管ユニット２１ａの垂直水管２４ａには、第１水管ユニット２１ａの内部空間に水が供給される給水管２９が接続されている。

第２水管ユニット２１ｂは、第１水管ユニット２１ａに隣接して配置されており、燃焼ガスが水平に折り返される箇所に配置される。第２水管ユニット２１ｂの垂直水管２４ａ、２４ｆ、水平水管２５ａ及び水平水管２５ｂで囲まれる領域、並びに、垂直水管２４ａ、２４ｆ、水平水管２５ｂ及び水平水管２５ｃで囲まれる領域が、それぞれ燃焼ガスが通過する流路となる。

第３水管ユニット２１ｃでは、垂直水管２４ａ、２４ｆ、水平水管２５ｂ及び水平水管２５ｃで囲まれる領域、垂直水管２４ａ、垂直水管２４ｃ、水平水管２５ａ及び水平水管２５ｂで囲まれる領域、並びに、垂直水管２４ｄ、垂直水管２４ｆ、水平水管２５ａ及び水平水管２５ｂで囲まれる領域が、それぞれ燃焼ガスが通過する流路となる。

第４水管ユニット２１ｄは、燃焼ガスが垂直方向に折り返される箇所に配置されるユニットである。このため、中段の水平水管２５ｂは、垂直水管２４ａ、２４ｆ間の中間地点までしか延びていない。垂直水管２４ａ、２４ｄ、２４ｆ、水平水管２５ａ、２５ｂ、２５ｃで囲まれる領域、並びに、垂直水管２４ｄ、２４ｆ、水平水管２５ａ、２５ｂで囲まれる領域が、それぞれ燃焼ガスが通過する流路となる。

図７〜図１０に、排熱ボイラユニット１の断面を示すとともに、燃焼ガスの流れを破線矢印にて示している。第１水管ユニット２１ａ、第２水管ユニット２１ｂ、第３水管ユニット２１ｃ及び第４水管ユニット２１ｄの垂直水管２４ａは、それぞれ隣接して配置される垂直水管２４ａと伝熱部材３０ｂで連結されている。また、垂直水管２４ｆについても同様にそれぞれ伝熱部材３０ｃで連結されている。また、第１水管ユニット２１ａ、第２水管ユニット２１ｂ、第３水管ユニット２１ｃ及び第４水管ユニット２１ｄのそれぞれの上段の水平水管２５ａは、隣接する水平水管２５ａと伝熱部材３０ｄで連結されている。また、第１水管ユニット２１ａ、第２水管ユニット２１ｂ、第３水管ユニット２１ｃ及び第４水管ユニット２１ｄのそれぞれの中段の水平水管２５ｂは、隣接する水平水管２５ｂと伝熱部材３０ｆで連結されている。なお、第４水管ユニット２１ｄの中段の水平水管２５ｂが途切れた箇所は伝熱部材３０ｆで接続されておらず、開放されている。また、第１水管ユニット２１ａ、第２水管ユニット２１ｂ、第３水管ユニット２１ｃ及び第４水管ユニット２１ｄのそれぞれの下段の水平水管２５ｃは、隣接する水平水管２５ｃと伝熱部材３０ｅで連結されている。また、垂直水管２４ｄはそれぞれ隣接する垂直水管２４ｄと伝熱部材３０ｇで連結されている。

上記の構成により、水管集合体２０には、導入口１１から排出口１２まで、燃焼ガスが垂直方向及び水平方向に折り返して通過する一繋がりの流路が形成されている。すなわち、水平水管２５ｂ及び伝熱部材３０ｆで隔てられて、垂直方向に２列の第１水平流路５１と第２水平流路５２及び第３水平流路５３が形成されている。また、垂直水管２５ｄ及び伝熱部材３０ｇで隔てられて、第２水平流路５２と第３水平流路５３が水平方向に並行して形成されている。また、第４水管ユニット２１ｄの水平水管２５ｂが短く形成され、この箇所は伝熱部材３０ｆが配置されていないことによって垂直流路５４が形成されている。したがって、導入口１１から導入された燃焼ガスは、第１水平流路５１、垂直流路５４、第２水平流路５２、第３水平流路５３の順に通過するよう構成されている。

第１水管ユニット２１ａ、第２水管ユニット２１ｂ、第３水管ユニット２１ｃ、第４水管ユニット２１ｄの内部はいずれも中空構造であり、また、ヘッダ２２、上部接続管２６、下部接続管２７及び管寄せ２３も中空構造であるので、それぞれの内部空間が連通している。このため、給水管２９から第１水管ユニット２１ａの内部に供給された水は、第１水管ユニット２１ａから下部接続管２７及び管寄せ２３を介して、第２水管ユニット２１ｂ、第３水管ユニット２１ｃ、第４水管ユニット２１ｄそれぞれの内部空間に供給される。

また、水管集合体２０とケーシング１０との間には、断熱部材４０が配置されている。断熱部材４０は、燃焼ガスから水管集合体２０に伝わった熱が外部に伝達されることを抑制し、水管集合体２０に流入された水を効率的に加温、加熱させる機能を有する。

図１１〜図１３に、上述した水管集合体２０の内部に形成されている燃焼ガスの流路、並びに、燃焼ガスの流れを簡略的にて示している。

導入口１１から導入された燃焼ガスは、まず、第１水平流路５１を通過する。そして、燃焼ガスは、垂直流路５４を上昇して垂直方向に折り返し、第２水平流路５２を通過する。続いて、燃焼ガスは、第２水平流路５２から第３水平流路５３へと水平方向に折り返す。その後、燃焼ガスは、第３水平流路５３を通過して排出口１２から排出される。

流路を通過する燃焼ガスから水管集合体２０に熱が伝わる。水管集合体２０には給水管２９を介して内部に水が流入されているので、水管集合体２０の内部の水にこの熱が伝わり、温水或いは蒸気に変換される。そして、温水或いは蒸気は上部接続管２６を介してヘッダ２２に集約され、取出管２８から外部へ取り出される。

このように、排熱ボイラユニット１では、ケーシング１０内で燃焼ガスの流路を長くとることができるので、効率的に水管集合体２０の内部に流入された水を加温、加熱して水或いは蒸気を発生させることができる。

また、燃焼ガスが導入される第１水平流路５１と、燃焼ガスが排出される第３水平流路５３は垂直方向に平行して配置されるため、導入口１１と排出口１２が配置される高さが異なっている。

上記では、垂直方向に二段の水平流路を備える形態について説明したが、三段以上備える形態であってもよい。また、水平方向に二列の水平流路を備える形態について説明したが、水平方向に三列以上の水平流路を備える形態であってもよい。

上記では、具体的な構造を記したが、水平方向及び垂直方向に複数列の水平流路が形成され、垂直方向に並行する水平流路同士が垂直流路によってつながれて、水平方向及び垂直方向に折り返す一繋がりの流路が形成されていれば、どのような形態であってもよい。

（排熱ボイラ）
続いて、排熱ボイラについて説明する。図１４に示すように、排熱ボイラ６０は、燃焼装置６１と燃焼ファン６２と排熱ボイラユニット１と集塵装置６３と、それらを接続する煙道６４を備える。

燃焼装置６１は、木材や化石燃料、廃棄物等の種々の被燃焼物を焼却する装置である。燃焼ファン６２は、燃焼装置６１で生じた燃焼ガスを排出し、排熱ボイラユニット１、集塵装置６３へと導く機能を有する。

排熱ボイラユニット１は、燃焼装置６１と集塵装置６３の間に２つ直列に配置されている。排熱ボイラユニット１は、いずれも同じ構造である。排熱ボイラユニット１の構造は同じであることから、それぞれの排出口１２同士、導入口１１同士はそれぞれ開口部のサイズ及び高さは等しい。このため、排出口１２同士或いは導入口１１同士を接続することで、容易に２つの排熱ボイラユニット１を直列に接続できる。なお、ここでは、排熱ボイラユニット１の排出口１２同士が煙道６４で接続されているので、集塵装置６３側に位置する排熱ボイラユニット１における燃焼ガスの流れは図１１〜図１３で説明した流れと逆向きとなり、燃焼ガスは上段から下段へ、即ち、第３水平流路５３、第２水平流路５２、垂直流路５４、第１水平流路５１を順に進む。

集塵装置６３は、燃焼ガス中に含まれる粉塵を分離する。集塵装置６３として、サイクロン式集塵装置等の公知の装置が用いられる。

上記の排熱ボイラ６０では、排熱ボイラユニット１を二つ直列に設置されているが、図１５に示すように、三つの排熱ボイラユニット１が直列に設置されていてもよく、更には、より複数の排熱ボイラユニット１が設置されていてもよい。また、排熱ボイラユニット１が並列に複数個設置されていてもよい。

上述のように、複数の排熱ボイラユニット１を容易に接続できることから、排熱ボイラユニット１を燃焼装置６１の容量や燃焼ガスの生成量等に応じて、適宜設計変更を行い得る。また、排熱ボイラユニット１のケーシング１０が直方体形状であるので、円柱形状に比べて、設置の自由度が高い。

また、排熱ボイラユニット１における伝熱面積が１０ｍ^２より小さいことが好ましい。大型のボイラ（伝熱面積が１０ｍ^２以上）では、取り扱いに免許が必要であること、更に、年に一度の性能検査などが義務付けられているため、その維持管理費用は高額になってしまう。排熱ボイラユニット１の伝熱面積が１０ｍ^２より小さいことにより、上記のような不都合がなくなり、維持管理費用を低減できる。また、上記法令は、排熱ボイラユニット１単体に対するものであるので、後述のように、複数の排熱ボイラユニット１を直列或いは並列に接続して用いる場合についても、上記のような不都合はない。

１ 排熱ボイラユニット
１０ ケーシング
１１ 導入口
１２ 排出口
１３ 蓋
１４ 蓋
２０ 水管集合体
２１ａ 第１水管ユニット
２１ｂ 第２水管ユニット
２１ｃ 第３水管ユニット
２１ｄ 第４水管ユニット
２２ ヘッダ
２３ 管寄せ
２４ａ〜２４ｆ 垂直水管
２５ａ〜２５ｃ 水平水管
２６ 上部接続管
２７ 下部接続管
２８ 取出管
２９ 給水管
３０ａ〜３０ｇ 伝熱部材
４０ 断熱部材
５１ 第１水平流路
５２ 第２水平流路
５３ 第３水平流路
５４ 垂直流路
６０ 排熱ボイラ
６１ 燃焼装置
６２ 燃焼ファン
６３ 集塵装置
６４ 煙道

Claims (8)

1. 燃焼ガスが導入される導入口と前記燃焼ガスが排出される排出口を有するケーシングと、
   前記ケーシング内に配置され、内部に流入された水が前記燃焼ガスの熱で加温、加熱される複数本の水管と、
   前記水管同士を接続する伝熱部材と、を備え、
   前記水管及び前記伝熱部材で囲まれ、前記導入口から前記排出口へと前記燃焼ガスが通過する一繋がりの流路が形成され、
   前記流路は、前記燃焼ガスが水平方向へ流れる水平流路と、垂直方向へ前記燃焼ガスが流れる垂直流路とを有し、
   前記水平流路は垂直方向に複数列及び水平方向に複数列形成されるとともに、垂直方向に配置される前記水平流路同士が前記垂直流路でつながれており、
   前記導入口から流入した前記燃焼ガスは垂直方向及び水平方向に折り返して前記排出口へと流れ、
   前記水管は水平方向に延在する複数の水平水管と、垂直方向に延在する複数の垂直水管とを有し、前記水平水管、前記垂直水管及び前記伝熱部材で囲まれて前記流路が形成されており、
   水平方向に延在する前記伝熱部材及び前記水平水管で隔てられて前記水平流路が垂直方向に複数列形成されている、
   ことを特徴とする排熱ボイラユニット。
2. 垂直方向に延在する前記伝熱部材及び前記垂直水管で隔てられて前記水平流路が水平方向に複数列形成されている、
   ことを特徴とする請求項１に記載の排熱ボイラユニット。
3. 前記ケーシングが直方体形状であり、前記ケーシングの前記導入口が配置されている面と前記排出口が配置されている面とが対向している、
   ことを特徴とする請求項１又は２に記載の排熱ボイラユニット。
4. 前記導入口と前記排出口の高さが異なる、
   ことを特徴とする請求項３に記載の排熱ボイラユニット。
5. 伝熱面積が１０ｍ^２より小さい、
   ことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載の排熱ボイラユニット。
6. 請求項１乃至５のいずれか一項に記載の排熱ボイラユニットを備え、
   前記排熱ボイラユニットが燃焼装置と集塵装置との間に設置されている、
   ことを特徴とする排熱ボイラ。
7. 前記排熱ボイラユニットを複数備える、
   ことを特徴とする請求項６に記載の排熱ボイラ。
8. 複数の前記排熱ボイラが直列に接続されている、
   ことを特徴とする請求項７に記載の排熱ボイラ。

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