JP2018162917A - ガス予熱装置の操業方法 - Google Patents

Abstract

【課題】複数の熱交換器全体を長寿命化させ得るガス予熱装置の操業方法を提供する。【解決手段】ボイラの燃料である高炉ガスを含む燃料ガスＧが内部を流れるガス流路１０と、循環熱媒体Ｗが内部を流れる複数の伝熱管３１と、フィン３２と、複数の伝熱管３１の両端に管台３３を介して接続された管寄３４と、を有する複数の熱交換器３０と、を備え、ガス流路１０内に、一つ以上の熱交換器３０を一つの群として互いに近接配置するとともに、群を燃料ガスＧに対して上流から昇順で第ｎ群（ｎ＝１，２，３，…）として複数配置したガス予熱装置の操業方法であって、第１群１０１及び第２群１０２の伝熱管３１を耐腐食性ステンレス材で構成し、第１群１０１及び第２群１０２の熱交換器３０が両方同時に腐食によって熱交換機能を失う前に、第１群１０１及び第２群１０２の熱交換器３０のうち一方の群の熱交換器３０を更新する。【選択図】図１

Description

本発明は、高炉ガスを含む燃料ガスを排気ガスによって予熱するガス予熱装置の操業方法に関するものである。

製鉄所で使用される一部のボイラの燃料として、高炉ガスと転炉ガスの混合気体（以下、燃料ガス）が使用されている。
ボイラが排出する排気ガスは高温なので、省エネルギーや環境問題の観点からこの熱を回収することは重要である。
このボイラからの排熱は同じボイラの燃料ガスの予熱に用いると効率がよい。

ボイラのガス予熱装置について説明する。
ガス予熱装置はガス流路１０と、熱交換器２０と、を備える。
ガス流路１０は、高炉ガスを含む燃料ガスＧが流れるパイプ又はダクトであり、この中で燃料ガスＧを予熱する。
熱交換器２０は、フィン２２を有する伝熱管２１が管台２３を介して管寄２４に接続されてなる。そして、内部に循環熱媒体Ｗを流し、排気ガスの熱を循環熱媒体Ｗを介して燃料ガスを予熱する。
より詳しくは、熱交換器２０は複数あり、ガス流路１０内に、一つ以上の熱交換器２０を一つの群として互いに近接配置している。この群を燃料ガスに対して上流から昇順で第ｎ群（ｎ＝１，２，３，…）とした。
また、熱交換器２０の各部分は炭素鋼からなる。

ここで、高炉ガスには塩化アンモニウム等の腐食成分が含まれており、その高炉ガスを含む燃料ガスと熱交換する熱交換器２０は高い腐食環境に曝されている。
伝熱管２１が腐食しその腐食が進行すると、伝熱管２１内の循環熱媒体Ｗが漏洩してしまう。

各群の伝熱管２１が一本でも漏洩すると、群全体の機能が低下し熱交換効率が大きく低下するので、漏洩配管の補修を実施しなければならない。
漏洩部分の補修方法とは、漏洩した管を切除し管寄２４側の管台２３に閉止栓を溶接するものであるので、伝熱管２１の稼働数が減少し熱交換器２０の全体の効率が低下することを意味している。

そこで、腐食環境下（ここではアルカリ腐食）にある伝熱管の材料をＣｒ含有量が９％以上のものにしたボイラが開示されている（例えば、特許文献１参照）。
特許文献１に記載の発明によれば、アルカリ腐食速度は、材料中のＣｒ含有量が高くなるほど低減し、Ｃｒ含有量９％以上になると実質的に腐食が生じない。
よって、ごみ焼却発電設備等での過熱蒸気を得る過熱器のアルカリ腐食を防止でき、しかも低コストである。

また、ショットピーニング加工を施すことにより、耐食性を向上させたステンレス鋼が開示されている（例えば、特許文献２参照）。
特許文献２に記載の発明によれば、ショットピーニング加工を施すことにより、ステンレス鋼の表面に圧縮応力を付与し引張応力を緩和させることで耐食性が向上するので、応力腐食割れが抑制される。

特開平１１−２０１４０２号公報 特開２００１−１９８８２８号公報

しかしながら、高炉ガスに曝される環境下での腐食対策としてはいずれも不十分である。
このように腐食対策が不十分な状況では、短期間で第１群１０１の熱交換器２０が腐食してしまい、その機能が失われると、腐食範囲はその下流の群に加速度的に拡大する。

このような腐食の拡大を早く発見でき新しい熱交換器２０に更新したとしても、ボイラを予定外に停止させることになってしまい、時間とコストが掛かる。
一方、ボイラを停止することができないとか、腐食の拡大の発見が遅れると、上流側から熱交換器２０がどんどん機能停止してしまうので、ついには複数の熱交換器２０全体が機能しなくなってしまう。

そこで、本発明の目的とするところは、複数の熱交換器全体を長寿命化させ得るガス予熱装置の操業方法を提供することにある。

上記の目的を達成するために、本発明の請求項１に記載のガス予熱装置の操業方法は、ボイラの燃料である高炉ガスを含む燃料ガス（Ｇ）が内部を流れるガス流路（１０）と、循環熱媒体（Ｗ）が内部を流れる複数の伝熱管（３１）と、前記複数の伝熱管（３１）の外面に設けられたフィン（３２）と、前記複数の伝熱管（３１）の両端に管台（３３）を介して接続された管寄（３４）と、を有する複数の熱交換器（３０）と、を備え、前記ガス流路（１０）内に、一つ以上の前記熱交換器（３０）を一つの群として互いに近接配置するとともに、前記群を燃料ガス（Ｇ）に対して上流から昇順で第ｎ群（ｎ＝１，２，３，…）として複数配置したガス予熱装置の操業方法であって、前記第１群（１０１）及び第２群（１０２）の前記伝熱管（３１）を耐腐食性ステンレス材で構成し、前記第１群（１０１）及び第２群（１０２）の前記熱交換器（３０）が両方同時に腐食によって熱交換機能を失う前に、前記第１群（１０１）及び第２群（１０２）の前記熱交換器（３０）のうち一方の群の熱交換器（３０）を更新することを特徴とする。

この熱交換機能を失うとは、熱交換機能を完全に喪失するものに限られず、第３群（１０３）以降の熱交換器（３０）を急激に腐食させる程度に第１群（１０１）及び第２群（１０２）の熱交換器（３０）が熱交換機能を失っていることを意味する。

また、請求項２に記載のガス予熱装置の操業方法は、前記第１群（１０１）の前記管台（３３）に対してショットピーニングを施していることを特徴とする。

また、請求項３に記載のガス予熱装置の操業方法は、前記第１群（１０１）の熱交換器（３０）のフィン（３２）の間隔を、他の群の前記熱交換器（３０）のフィン（３２）の間隔より広くしていることを特徴とする。

また、請求項４に記載のガス予熱装置の操業方法は、前記第１群（１０１）の熱交換器（３０）には前記フィン（３２）を設けず前記伝熱管（３１）は裸管であることを特徴とする。

ここで、上記括弧内の記号は、図面および後述する発明を実施するための形態に掲載された対応要素または対応事項を示す。

本発明の請求項１に記載のガス予熱装置の操業方法によれば、第１群及び第２群の伝熱管を耐腐食性ステンレス材で構成したので、通常使用される炭素鋼からなる伝熱管と比べて腐食を抑制可能である。これにより、第１群の熱交換器が腐食し下流側が高腐食環境になっても、第２群の熱交換器の腐食が緩やかなので、第３群以降の熱交換器の腐食も抑制できる。
そして、第１群及び第２群の熱交換器が両方同時に腐食によって熱交換機能を失う前に、第１群及び第２群の熱交換器のうち一方の群の熱交換器を更新するので、複数の熱交換器全体の長寿命化が可能である。
また、第１群の熱交換器と第２群の熱交換器は腐食が緩やかなので、短期間で腐食が進む場合とは異なり、その一方の群の熱交換器の熱交換率の低下や更新の際に確認できる腐食の状況から、他方の群の熱交換器の腐食状況を推測可能である。よって、その推測に基いて最適なタイミングで他方の群の熱交換器を更新することができる。

また、請求項２に記載ガス予熱装置の操業方法によれば、請求項１に記載の発明の作用効果に加え、第１群の管台に対してショットピーニングを施しているので、より耐食性が向上する。

また、請求項３に記載ガス予熱装置の操業方法によれば、請求項１又は２に記載の発明の作用効果に加え、第１群の熱交換器のフィンの間隔を、他の群の熱交換器のフィンの間隔より広くしているので、燃料ガス中の腐食性物質がフィンに詰まり難くなり、腐食を抑制可能である。

また、請求項４に記載ガス予熱装置の操業方法によれば、請求項１又は２に記載の発明の作用効果に加え、第１群の熱交換器にはフィンを設けず伝熱管は裸管であるので、燃料ガス中の腐食性物質が伝熱管に付着し難くなり、腐食をより抑制可能である。
以上のような対策を行った結果、熱交換器全体の寿命が二年から五年以上へ大幅に延びた。

なお、本発明のガス予熱装置の操業方法のように、第１群及び第２群の一方の群の熱交換器が腐食し伝熱管から循環熱媒体が漏洩したときに、他方の群の熱交換器の循環熱媒体が漏洩する前に一方の群の熱交換器を更新する点は、上述した特許文献１には全く記載されていない。

本発明の実施形態に係るガス予熱装置におけるガス流路及び熱交換器を示す概略図である。 図１に示す熱交換器を示す概略図である。 従来例に係るガス予熱装置におけるガス流路及び熱交換器を示す概略図である。 図１及び図３に示す熱交換器を示す概略図である。

図１、図２、及び図４を参照して、本発明の実施形態に係るガス予熱装置の操業方法を説明する。
従来例で示したものと同一部分には同一符号を付した。
このガス予熱装置は、ガス流路１０と、複数の熱交換器３０と、を備え、製鉄所で使用されるボイラの燃料ガスＧを予熱するものである。
燃料ガスＧは、製鉄所で生成される高炉ガス（ＢＦＧ）と転炉ガス（ＬＤＧ）の混合ガスであり、その高炉ガスは塩化アンモニウム等の腐食成分を含んでいる。

ガス流路１０は、燃料ガスＧが内部を流れるパイプ又はダクトであり、この内部で燃料ガスＧを予熱（加熱）する。
ガス流路１０の内径は、熱交換器３０一つの長さよりも大きく、内部に複数の熱交換器３０が配置される。ガス流路１０内部の熱交換器３０にガス流路１０の外部からの熱を伝えるため、ガス流路１０は適宜パイプを介して外部と連通されており、循環熱媒体Ｗが熱交換器３０へ流れるようになっている。

熱交換器３０は、伝熱管３１と、フィン３２と、管台３３と、管寄３４と、を備える。
本実施形態に係るガス予熱装置はボイラの高温の排気ガスから熱を取得する熱交換器３０も別に備えるが、ここでは排気ガスに比べて低温の燃料ガスＧに対して熱を付与する、ガス流路１０内に配置される熱交換器３０について主に説明する。

熱交換器３０はガス流路１０内に、一つ以上の熱交換器３０を一つの群として互いに近接配置されるとともに、そのような群を燃料ガスＧに対して上流から昇順で第ｎ群（ｎ＝１，２，３，…）として複数配置した。
本実施形態においては第１群１０１から第６群まで設けた。
この近接配置とは、燃料ガスＧの流れ方向（上流下流方向）に関してお互い近くに配置したという意味である。

つまり、第１群１０１が燃料ガスＧの流れに対して最も上流側に位置している熱交換器３０のグループで、第２群１０２は第１群１０１の下流側に配置されている熱交換器３０のグループ、そして第３群１０３は第２群１０２の下流側に配置されている熱交換器３０のグループである。
第３群１０３以下、第４群１０４、第５群１０５、第６群は順に同様である。
そして、各群について４４列・３段で構成した。つまり各群は１３２本の伝熱管３１を備える。

伝熱管３１は、その内部を循環熱媒体Ｗが流れるパイプである。この循環熱媒体Ｗは、ガス流路１０に到達するより前にボイラの排気ガスによって昇温されている。
伝熱管３１の両端には管台３３を介して管寄３４が接続され、複数の伝熱管３１を管寄３４に集合させており、それにより一つの熱交換器３０がなる。

フィン３２は、伝熱管３１の実質的な表面積を増加させるために、第２〜第６群のそれぞれの伝熱管３１の外面に螺旋状に設けられている。
フィン３２のピッチは４〜５ｍｍとした。
一方、第１群１０１の伝熱管３１にはフィン３２を設けておらず、第１群１０１の伝熱管３１は裸管になっている。

そして、第１群１０１と第２群１０２の伝熱管３１、管台３３及び第２群１０２のフィン３２を耐腐食性ステンレス材で構成した。この耐腐食性ステンレス材とは出願人が製造する商品名：ＮＳＳ ＳＣＲであり、その代表成分は１８．５Ｃｒ−１２Ｎｉ−３Ｓｉ−２Ｃｕ−０．８Ｍｏである。
また、管寄３４はＳＵＳ３１６Ｌで構成した。
さらに第１群１０１の管台３３には、残留応力が１０ｋｇ／ｍｍ²以下になる程度にショットピーニング処置を行った。
また、第１群１０１の管台３３の溶接部には３００℃耐熱防食塗装を施している。

一方、第３乃至第６群の伝熱管３１、フィン３２、管台３３、管寄３４は従来通り、炭素鋼からなる。
つまり、第１群１０１の熱交換器３０を最も耐食性を高くし、次に第２群１０２の熱交換器３０の耐食性を高くした。

次に、ガス流路１０内の腐食環境について説明する。
第１群１０１の周囲環境（雰囲気）は、ｐＨ５．０、相対湿度１００〜４５％、ｃｌ^-が最大１５００ｐｐｍである。
第１群１０１の箇所を通過した燃料ガスＧは熱を受け取り昇温するので、相対湿度が低下する。その結果、第２群１０２以下の周囲環境は第１群１０１の周囲環境に比べて低腐食環境となる。つまり、最も上流側である第１群１０１の周囲環境が最も腐食に関して過酷な条件であるが、その高腐食環境下に置かれていない第２群の熱交換器についても敢えて耐食性を高めている。

そして、第１群１０１が機能しているときにはガス相対湿度は４５％未満であるが、第１群１０１の機能が低下すると、燃料ガスＧが第１群１０１を通過するときに昇温されない（昇温が不足する）ので、その下流である第２群１０２まわりの相対湿度が４５％以上に上昇する。特に相対湿度が６０％以上になると、急激に腐食が進むことが判明している。
つまり、第１群１０１の熱交換機能が低下すると、第２群１０２やそれより下流側が高腐食環境になってしまうということである。

次に、以上のように構成されたガス予熱装置の効果と、その操業方法（補修・更新方法）について、説明する。
まず、ガス予熱装置を通常通り稼働させる。
第１群１０１の熱交換器３０を耐腐食性ステンレス材で構成し、管台３３に対してショットピーニングを施しているので耐食性が向上している。また、第１群１０１の熱交換器３０にはフィン３２を設けず裸管としたので、燃料ガスＧ中の腐食性物質が伝熱管３１に付着し難くなり、腐食をより抑制可能である。

このように第１群１０１の熱交換器３０の耐食性を特に高めているが、先述の通り、第１群１０１まわりが最も過酷な腐食環境であるので、いつかは第１群１０１の熱交換器３０に応力腐食割れ等が生じて伝熱管３１内の循環熱媒体Ｗが漏洩する。

ボイラ停止のタイミングで、漏洩した第１群１０１の伝熱管３１を切除し閉止栓を溶接する。
このように補修により止栓した伝熱管３１が複数に拡大し、第１群１０１全体の熱交換効率が低下するに伴い、第２群１０２まわりが高腐食環境となっていく。
そして、第２群１０２の伝熱管３１も腐食及び補修により止栓が増加する。

ここで、第１群１０１及び第２群１０２の熱交換器３０が両方同時に腐食によって熱交換機能を失う前に、第１群１０１及び第２群１０２の熱交換器３０のうち一方の群の熱交換器３０を更新する。つまり、止栓するのではなく、新品の熱交換器３０に交換する。
この点、第１群１０１及び第２群１０２の熱交換器３０の耐食性を向上させているので、第１群１０１の熱交換器３０が腐食し下流側が高腐食環境になっても、第２群１０２の熱交換器３０の腐食が緩やかで、第３群以降の熱交換器の腐食も抑制できる。 よって、第３群１０３より下流側の群の熱交換器３０において加速度的に腐食が進むことは抑制される。
このように、複数の熱交換器３０全体の長寿命化が可能である。

また、第１群１０１の熱交換器３０と第２群１０２の熱交換器３０は腐食が緩やかなので、短期間で腐食が進む場合とは異なり、その一方の群の熱交換器３０の熱交換率の低下や更新の際に確認できる腐食の状況から、他方の群の熱交換器３０の腐食状況を推測可能である。よって、その推測に基いて最適なタイミングで他方の群の熱交換器を更新することができる。

なお、本実施形態において、第１群１０１の管台３３に対してショットピーニングに施したが、これに限られるものではなく、第２群１０２の管台３３に対してもショットピーニングを行ってもよい。
同様に、第２群１０２の管台３３の溶接部にも３００℃耐熱防食塗装を施してもよい。

また、第１群１０１の熱交換器３０にはフィン３２を設けず裸管としたが、これに限られるものではなく、第１群１０１の熱交換器３０のフィン３２の間隔を、他の群の熱交換器３０のフィン３２の間隔よりも広くすることでも、燃料ガスＧ中の腐食性物質がフィン３２に詰まり難くなり、腐食を抑制可能である。
もちろん、第１〜第６群までフィン３２の間隔を等しくしてもよい。

また、第６群まで配置したが、これに限られるものではなくこれより多くても少なくてもよい。
さらには、一つの群における伝熱管３１の本数も、本実施形態のものに限られない。

１０ ガス流路
２０ 熱交換器
２１ 伝熱管
２２ フィン
２３ 管台
２４ 管寄
３０ 熱交換器
３１ 伝熱管
３２ フィン
３３ 管台
３４ 管寄
１０１ 第１群
１０２ 第２群
１０３ 第３群
１０４ 第４群
１０５ 第５群
Ｇ 燃料ガス
Ｗ 循環熱媒体

Claims (4)

1. ボイラの燃料である高炉ガスを含む燃料ガスが内部を流れるガス流路と、
   循環熱媒体が内部を流れる複数の伝熱管と、前記複数の伝熱管の外面に設けられたフィンと、前記複数の伝熱管の両端に管台を介して接続された管寄と、を有する複数の熱交換器と、を備え、
   前記ガス流路内に、一つ以上の前記熱交換器を一つの群として互いに近接配置するとともに、前記群を燃料ガスに対して上流から昇順で第ｎ群（ｎ＝１，２，３，…）として複数配置したガス予熱装置の操業方法であって、
   前記第１群及び第２群の前記伝熱管を耐腐食性ステンレス材で構成し、
   前記第１群及び第２群の前記熱交換器が両方同時に腐食によって熱交換機能を失う前に、前記第１群及び第２群の前記熱交換器のうち一方の群の熱交換器を更新することを特徴とするガス予熱装置の操業方法。
2. 前記第１群の前記管台に対してショットピーニングを施していることを特徴とする請求項１に記載のガス予熱装置の操業方法。
3. 前記第１群の熱交換器のフィンの間隔を、他の群の前記熱交換器のフィンの間隔より広くしていることを特徴とする請求項１又は２に記載のガス予熱装置の操業方法。
4. 前記第１群の熱交換器には前記フィンを設けず前記伝熱管は裸管であることを特徴とする請求項１又は２に記載のガス予熱装置の操業方法。