JP4735615B2 - 蒸気ボイラ装置 - Google Patents

Description

本発明は、蒸気ボイラ装置、特に、蒸気ボイラからの蒸気が凝縮して得られる復水を蒸気ボイラ用の供給水として再利用する蒸気ボイラ装置に関する。

蒸気ボイラからの蒸気が凝縮して得られる復水を蒸気ボイラ用の供給水として再利用するための主として鋼管製の復水配管は、腐食が原因で交換を余儀なくされる場合がある。復水配管の腐食は、主に、復水中の炭酸ガスや溶存酸素の影響により生じるものと理解されている。炭酸ガスを原因とする腐食は、蒸気ボイラ内において炭酸イオンを含む供給水の熱分解により生成する炭酸ガスが復水のｐＨを低下させることにより生じるものであり、復水と接触している配管の内面部分に均等に進行して配管の減肉をもたらすものであるため、進行速度が比較的遅いという特徴を有している。これに対し、溶存酸素を原因とする腐食は、復水中に溶解している酸素が配管、特に横引き配管の下部など、スラッジの堆積した下部に対して部分的に集中的な腐食作用をもたらし、配管の内側から外側に向かう孔状の腐食（孔食）をもたらすものであるため、進行速度が比較的速く、復水配管に対して短時間で致命的な破損をもたらすという特徴を有している。

このため、復水配管の腐食を防止するための方策として、復水中の炭酸ガスを中和するための中和剤や復水配管の内面に防食性の皮膜を形成するための皮膜形成剤などの薬剤（復水処理剤）を用いる方法が提案されている。しかし、これらの薬剤は、蒸気ボイラで生成した蒸気中に添加する必要があるため、蒸気の純度を低下させることになり、また、蒸気を食品分野や医療分野で用いる場合は衛生上の問題もある。

なお、復水配管をステンレス製にすると、上述のような薬剤なしで腐食を抑制することができるが、そのような復水配管は非常に高価であり、実用性を欠く。

本発明の目的は、薬剤を用いずに蒸気ボイラ用復水配管の腐食を抑制することにある。

本発明の蒸気ボイラ装置は、蒸気ボイラと、蒸気ボイラへ供給する供給水を貯留するための、排気口を有する給水タンクを有する、蒸気ボイラへ供給水を供給するための供給路と、給水タンクに連絡している、給水タンクに貯留する供給水を補給するための注水路と、蒸気ボイラからの蒸気が凝縮して得られる復水を送るための復水配管と、復水配管からの復水を貯留するための、排気口を有する復水タンクと、復水タンクに貯留した復水を給水タンクへ供給するための連絡路と、給水タンク内に貯留された供給水中および復水タンク内に貯留された復水中において不活性ガスを個別に供給して噴出可能な不活性ガス供給装置とを備えている。

復水タンクは、例えば、復水配管からの復水を液滴状にして落下させるための網状の充填物層を有している。

本発明に係る蒸気ボイラ装置は、給水タンク内に貯留された供給水中および復水タンク内に貯留された復水中において不活性ガスを個別に供給して噴出可能な不活性ガス供給装置を備えているため、薬剤を用いずに復水配管および蒸気発生系の腐食を抑制することができる。

実施の形態１
図１を参照して、本発明の実施の一形態に係る蒸気ボイラ装置を説明する。図において、蒸気ボイラ装置１は、蒸気ボイラ２、給水タンク３、熱交換器４、復水配管装置２０および不活性ガス供給装置２１を主に備えている。

給水タンク３は、蒸気ボイラ２に対して供給する水（供給水）を貯留するためのタンクであり、蒸気ボイラ２に連絡する供給路６を有している。また、給水タンク３は、供給水を補給するための注水路１２が連絡しており、上部に排気口３ａが設けられている。熱交換器４は、蒸気ボイラ２からの蒸気を用いて所要の熱交換をするためのもの、すなわち、この蒸気ボイラ装置１における負荷装置であり、蒸気ボイラ２からの蒸気供給管７に連絡している。

復水配管装置２０は、熱交換器４を通過した蒸気を回収するための蒸気回収管８、蒸気回収管８からの蒸気が凝縮した復水（ドレン水）を得るためのスチームトラップ９を有する復水配管１０および復水タンク１１を主に備えている。復水タンク１１は、スチームトラップ９において得られた復水を復水配管１０を通じて回収して貯留するためのものであり、給水タンク３に隣接して配置されている。また、復水タンク１１は、貯留した復水を給水タンク３に供給するための連絡路１３を有している。さらに、復水タンク１１の上部には、排気口１１ａが設けられている。

不活性ガス供給装置２１は、不活性ガス発生装置１４および不活性ガス供給路２２を主に備えている。不活性ガス発生装置１４は、例えば不活性ガスを充填したボンベや公知の不活性ガス発生装置であり、不活性ガス供給路２２に不活性ガスを供給するためのものである。また、不活性ガス供給路２２は、二又に分岐しており、一方の供給路２２ａが給水タンク３内に延び、また、他方の供給路２２ｂが復水タンク１１内に延びている。なお、両供給路２２ａ、２２ｂは、両タンク３、１１内に貯留された供給水中または復水中において、不活性ガス発生装置１４からの不活性ガスを微細な泡状にして噴出可能に設定されている。

不活性ガス発生装置１４から供給する不活性ガスは、特に限定されるものではなく、窒素、ヘリウム、ネオン、アルゴン、クリプトンおよびキセノンなどの各種のものであるが、量産が容易でありかつ安価な窒素ガスを用いるのが好ましい。因みに、不活性ガスとして窒素を用いる場合、その発生装置としては、例えば、圧力スイング吸収法によるＰＳＡ窒素発生装置を用いることができる。

なお、上述の蒸気ボイラ装置１を構成する各種部材、特に、供給路６、蒸気供給管７、蒸気回収管８および復水配管１０は、主として鋼管を用いて形成されている。

次に、上述の蒸気ボイラ装置１の動作を説明する。
先ず、注水路１２から給水タンク３内に補給水を注水する。ここで注水する補給水は、通常、予め軟水器を用いて軟水化処理され、さらに脱気装置を用いて溶存酸素濃度を低下させたものである。なお、補給水中の溶存酸素濃度は、通常、０．５ｍｇ／ｌ程度に設定されているのが好ましい。

給水タンク３内に注水された補給水は、当該給水タンク３内に供給水として貯留される。そして、給水タンク３内に貯留された供給水は、供給路６を通じて蒸気ボイラ２に対して供給される。蒸気ボイラ２に供給された供給水は、そこで蒸気になり、蒸気供給管７を通じて熱交換器４に供給され、所要の熱交換に利用される。熱交換器４を通過した蒸気は、続けて蒸気回収管８を通過中に潜熱を失って一部が凝縮水に変わり、スチームトラップ９において蒸気と水とが分離されて復水（ドレン水）になる。この復水は、復水配管１０を通じて復水タンク１１内に貯留される。そして、貯留された復水は、連絡路１３を通じて給水タンク３内へ供給される。

一方、上述のような蒸気ボイラ装置１の動作中においては、不活性ガス発生装置１４を作動させ、そこからの不活性ガスを不活性ガス供給路２２を通じて給水タンク３内および復水タンク１１内に連続的に吹き込む。供給路２２ａから給水タンク３内に吹き込まれた不活性ガスは、微細な泡状となって噴出しながら給水タンク３内の供給水中を上昇して給水タンク３内の上部（水面上）に放出され、さらに排気口３ａから外部に排出される。一方、供給路２２ｂから復水タンク１１内に吹き込まれた不活性ガスは、微細な泡状となって噴出しながら貯留された復水中を上昇して復水タンク１１内の上部（水面上）に放出され、一部は復水配管１０内に流入すると共に、一部は排気口１１ａから外部に排出される。なお、給水タンク３の排気口３ａおよび復水タンク１１の排気口１１ａは、そこから排出される不活性ガスによりシールされ、外気の流入が防止されることになる。したがって、復水配管１０、復水タンク１１、給水タンク３および供給路６は、外気から隔離された一連の閉鎖環境を形成し、外気の流入が防止されることになる。これにより、復水配管１０、給水タンク３、復水タンク１１および供給路６内の復水または供給水は、外気との接触が防止され、外気中に含まれる酸素や炭酸ガスが溶解することによる溶存酸素濃度や炭酸ガス濃度の上昇が防止される。

上述のような蒸気ボイラ装置１の動作中において、給水タンク３内に貯留された供給水および復水タンク１１内に貯留された復水中に溶存している酸素および炭酸ガスは、供給路２２ａおよび供給路２２ｂから噴出する不活性ガスと共に供給水または復水中を上昇し、排気口３ａ、１１ａから外部に排出される。以上の結果、供給水および復水は、溶存酸素濃度および炭酸ガス濃度がより小さく設定され、供給路６、蒸気ボイラ２、蒸気供給管７、熱交換器４および蒸気回収管８（以下、総括的に「蒸気発生系」と言う）を腐食させにくくなる。

また、復水配管１０内に流入した不活性ガスは、復水配管１０内の気相部において、酸素および炭酸ガスの分圧を低下させることになる。これに伴い、復水配管１０内を流れる復水中の溶存酸素や炭酸ガスは、ヘンリーの法則に従って気相部の不活性ガス中に放出される。この結果、復水配管１０中を流れる復水中の溶存酸素濃度および炭酸ガス濃度は低下することになる。

以上の通り、不活性ガス供給装置２１は、復水配管１０内に不活性ガスを供給しているため、復水配管１０内の復水中に含まれる腐食因子である溶存酸素や炭酸ガスの濃度を低減することができ、復水による復水配管１０の腐食、特に復水配管１０の内面の均質な減肉的腐食および孔食を同時に抑制することができる。また、この復水は、外気との接触が防止された状態で復水タンク１１に貯留され、供給水の一部として再利用されるが、上述の通り腐食因子の濃度が低減されているため、供給水中の溶存酸素濃度や炭酸ガス濃度を高めにくい。したがって、この復水が混合された供給水は、復水配管１０および蒸気発生系を腐食させにくい。

上述のように、この実施の形態に係る蒸気ボイラ装置１は、給水タンク３および復水タンク１１に対し、不活性ガス発生装置１４からの不活性ガスを個別に供給しているため、両タンク３，１１内に貯留された供給水および復水中に含まれる溶存酸素および炭酸ガスを効果的に除去することができ、また、復水配管１０内に供給する不活性ガス量を調節し易い。このため、この蒸気ボイラ装置１は、復水配管１０および蒸気発生系の腐食を効果的に抑制することができる。

ところで、水中に含まれる炭酸ガス（ＣＯ_２）は、ｐＨの変化と共に次のように相変化する。

炭酸ガスを含んだ水のｐＨを高め、炭酸ガスが炭酸水素イオンに一度相変化してしまうと、不活性ガスを吹き込んでも水中から炭酸ガスを除去しにくくなる。この点を考慮して、この実施の形態では、復水タンク１１において予め不活性ガスによる処理が施された復水を給水タンク３に供給するようにしている。これによると、復水のｐＨが低い状態のまま不活性ガスを吹き込むことになり、復水から炭酸ガスが除去され易い。このように処理された復水は、その後に給水タンク３において補給水と混合されるので、炭酸ガスが炭酸水素イオンに変化する量を極めて低く抑えることができ、全体として復水から持ち込まれる炭酸ガスの除去効率が高くなる。したがって、この実施の形態によれば、蒸気ボイラ２に対して供給する供給水中の炭酸ガス濃度をより低減させることができるため、復水配管１０および蒸気発生系の腐食をより効果的に抑制することができる。

なお、蒸気ボイラ装置１の運転停止時は、復水配管１０内が温度低下により負圧になる結果、復水タンク１１の排気口１１ａから外気が流入し、その外気が復水配管１０内に流入する可能性がある。この場合、復水配管１０内の気相部において、酸素および炭酸ガスの分圧が上昇し、それに伴って復水中の溶存酸素濃度および炭酸ガス濃度が高まって復水配管１０の腐食が進行する可能性がある。このため、蒸気ボイラ装置１においては、蒸気ボイラ２の運転停止時においても、継続的に不活性ガス発生装置１４を作動させておくのが好ましい。このようにすれば、復水タンク１１および復水配管１０内の気相部には常時不活性ガスが供給され続けるので、排気口１１ａからの外気の流入が防止され、復水配管１０等の腐食がより効果的に抑制され得る。

実施の形態２
本発明の他の実施の形態に係る蒸気ボイラ装置１を図２に示す。この蒸気ボイラ装置１で用いられる復水配管装置３０は、実施の形態１における復水配管装置２０を変形したものであり、図２において、図１に対応する部位には同じ符号を用いている。

この蒸気ボイラ装置１で用いられる復水配管装置３０は、熱交換器４を通過した蒸気を回収するための蒸気回収管８、蒸気回収管８からの蒸気が凝縮した復水（ドレン水）を得るためのスチームトラップ９を有する復水配管１０および脱炭酸塔３１（復水タンクの一例）を主に備えている。

脱炭酸塔３１は、復水配管１０からの復水を液滴状にしてその底部に落下させるための網状の充填物層３２を内部に有しており、底部において充填物層３２から滴下する復水を貯留可能に設定されている。

不活性ガス供給装置２１の不活性ガス発生装置１４から延びる不活性ガス供給路２２は、二又に分岐しており、一方の供給路２２ａが給水タンク３内に延び、また、他方の供給路２２ｂが脱炭酸塔３１の底部に延びている。なお、両供給路２２ａ、２２ｂは、給水タンク３内に貯留された供給水中または脱炭酸塔３１内に貯留された復水中において、不活性ガスを微細な泡状にして噴出可能に設定されている。

この復水配管装置３０において、復水配管１０から脱炭酸塔３１内に流れる復水は、充填物層３２を通じて液滴状に滴下することになるため、脱炭酸塔３１の底部に貯留する前に、供給路２２ｂから排気口１１ａに向かう不活性ガスの雰囲気中を通過することになる。したがって、滴下中の復水中に溶存している酸素や炭酸ガスは、その過程でさらに不活性ガス中に放出されることになり、脱炭酸塔３１の底部には溶存酸素濃度および炭酸ガス濃度がより小さな復水が貯留することになる。このため、この復水配管装置３０を用いた蒸気ボイラ装置１は、実施の形態２に係る復水配管装置２０を用いた場合に比べ、復水配管１０および蒸気発生系の腐食がより効果的に抑制される。

［他の実施の形態］
（１）上述の各実施の形態では、図３に示すように、復水タンク１１の内部において上下方向に延びる筒体６０を配置し、この筒体６０の上端部に復水配管１０を気密に連絡すると共に、不活性ガス供給装置２１からの不活性ガスを筒体６０内にも別途供給するよう設定することもできる。なお、筒体６０の下端部は、復水タンク１１内に貯留された復水内に配置され、それによってシールされるよう設定する。このようにすれば、復水タンク１１内に貯留された復水の大幅な水位変動が生じた場合であっても、復水配管１０への外気の流入をより効果的に抑制することができる。

例えば、水位が上昇する場合は復水タンク１１内の窒素ガスは排気口１１ａから外部に排出され、逆に、水位が低下する場合は排気口１１ａから復水タンク１１内に外気が流入する。このため、水位低下時において外気の流入を防止し、上述の閉鎖環境を維持するためには、水位の低下とともに復水タンク１１に対して不活性ガス供給装置２１から大量の不活性ガスを瞬時に供給し、復水タンク１１内の気相部を不活性ガスにより加圧状態に設定する必要がある。

これに対し、上述のように復水配管１０からの復水を筒体６０を通じて復水タンク１１内に貯留するように設定すれば、復水配管１０内には外気が流入しにくくなり、復水配管１０、復水タンク１１、給水タンク３および供給路６は、外気から隔離された一連の閉鎖環境を安定に維持することができる。したがって、この実施の形態の場合、復水配管１０並びに蒸気発生系の腐食をさらに効果的に抑制することができる。

（２）上述の実施の形態１においては、図４に示すように、復水タンク１１を二段に構成することもできる。この場合、第一段復水タンク１１ｂと第二段復水タンク１１ｃとを隣接し、両復水タンク１１ｂ、１１ｃを連絡管１１ｄを用いて連絡すると共に、両復水タンク１１ｂ、１１ｃ間に不活性ガス連絡管１１ｅを配置する。また、第二段復水タンク１１ｃに給水タンク３との連絡路１３を接続する。なお、不活性ガスは、実施の形態１の例に従って、第二段復水タンク１１ｃ側に供給する。

復水タンク１１をこのように二段に構成した場合、復水中に含まれる溶存酸素および炭酸ガスはより効果的に除去されることになるため、復水配管１０並びに蒸気発生系の腐食をより効果的に抑制することができる。
なお、復水タンク１１は、必要に応じて三段以上の多段に設定することもできる。

（３）上述の各実施の形態において、給水タンク３および復水タンク１１内には、貯留された供給水や復水の水面において浮遊するフロート材を密に配置するのが好ましい。この場合、給水タンク３や復水タンク１１内に外気が流入したとしても、貯留された供給水や復水は外気と直接的に接触しにくくなるので、供給水や復水における溶存酸素濃度や炭酸ガス濃度の上昇を抑制することができる。

（４）上述の各実施の形態において、給水タンク３および復水タンク１１内には、貯留された供給水や復水を攪拌するための攪拌装置を設置することができる。このような攪拌装置を設置した場合、供給水や復水は、不活性ガスとより効率的に接触し、溶存酸素濃度や溶存炭酸ガス濃度が低下するため、復水配管１０並びに蒸気発生系の腐食をより効果的に抑制することができる。

本発明の実施の形態１に係る蒸気ボイラ装置の概略図。 本発明の実施の形態２に係る蒸気ボイラ装置の概略図。 上記各実施の形態において用いられる復水タンクの変形例の概略図。 上記実施の形態１の蒸気ボイラ装置において用いられる復水タンクの変形例の概略図。

符号の説明

１ 蒸気ボイラ装置
２ 蒸気ボイラ
３ 給水タンク
３ａ 排気口
６ 供給路
１０ 復水配管
１１ 復水タンク
１１ａ 排気口
１２ 注水路
１３ 連絡路
２０，３０ 復水配管装置
２１ 不活性ガス供給装置
３１ 脱炭酸塔
３２ 充填物層

Claims (2)

1. 蒸気ボイラと、
   前記蒸気ボイラへ供給する供給水を貯留するための、排気口を有する給水タンクを有する、前記蒸気ボイラへ前記供給水を供給するための供給路と、
   前記給水タンクに連絡している、前記給水タンクに貯留する前記供給水を補給するための注水路と、
   前記蒸気ボイラからの蒸気が凝縮して得られる復水を送るための復水配管と、
   前記復水配管からの前記復水を貯留するための、排気口を有する復水タンクと、
   前記復水タンクに貯留した前記復水を前記給水タンクへ供給するための連絡路と、
   前記給水タンク内に貯留された前記供給水中および前記復水タンク内に貯留された前記復水中において不活性ガスを個別に供給して噴出可能な不活性ガス供給装置と、
   を備えた蒸気ボイラ装置。
2. 前記復水タンクは、前記復水配管からの前記復水を液滴状にして落下させるための網状の充填物層を有している、請求項１に記載の蒸気ボイラ装置。
   

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