| 【発明の名称】 |
低カロリーガス焚きボイラ |
| 【発明者】 |
【氏名】福嶋 信一郎
【氏名】中田 悦朗
【氏名】秋山 俊一
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| 【要約】 |
【課題】輻射伝熱部の伝熱面積を小さくし、かつ、ボイラの熱効率を高め、さらに、ボイラより排出されるＮＯｘ量を減少させる。
【解決手段】輻射伝熱部２に設けられた蓄熱式バーナ２１には、低カロリーの副生ガスが供給され燃焼する。燃焼火炎からの輻射により、輻射伝熱部２の壁面に設けられた蒸発管中の水が加熱されて、その大部分が飽和蒸気となり、蒸発管中を上昇して気水ドラム１１に戻される。気水ドラム１１中の飽和蒸気は、１次過熱器６、２次過熱器５に送られ、過熱蒸気となって発電タービンに供給される。蓄熱式バーナ２１においては、燃焼空気温度が非常に高いため、火炎温度が全体として高くなる。また、火炎が広く広がり、蒸発管全体が均一に加熱される。よって、蒸発管への輻射熱伝達が効率よく行われるので、伝熱面積を小さくすることができる。 |
【特許請求の範囲】
【請求項１】 低カロリーガスを主たる燃料とするボイラにおいて、低カロリーガスを燃焼させるバーナを、蓄熱式バーナとしたことを特徴とする低カロリーガス焚きボイラ。
【請求項２】 過熱蒸気の温度を測定する過熱蒸気温度測定器と、過熱蒸気温度測定器により測定された過熱蒸気の温度を調節する過熱蒸気温度調節器を有し、過熱蒸気温度調節器の出力により、蓄熱式バーナの排ガス吸引量を調節することを特徴とする請求項１に記載の低カロリーガス焚きボイラ。
【請求項３】 低カロリーガスを燃焼させるバーナの他に、高カロリーガス又は高カロリー液体燃料を燃焼させるバーナ（高カロリーバーナ）を有してなり、低カロリーガスを燃焼させる蓄熱式バーナの排ガスが、前記高カロリーバーナの燃焼空気に混合されていることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の低カロリーガス焚きボイラ。
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【発明の詳細な説明】【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、製鉄所における副生ガス等の低カロリーガスを主燃料とする低カロリーガス焚きボイラに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】製鉄所においては、コークス炉、高炉、転炉等より発生する副生ガスの有効利用を図るため、これらのガスをボイラにて燃焼させ、発生した蒸気で自家発電を行うことが行われている。この自家発電のために使用されるボイラの概略構成を図３に示す。
【０００３】図３において、１はボイラ本体、２は輻射伝熱部（火炉）、３は輻射伝熱部２に設けられた低カロリーガス用バーナ、４は輻射伝熱部２に設けられた高カロリーバーナ、５は２次過熱器、６は１次過熱器、７はエコノマイザー、８は空気予熱器、９は集塵機、１０は排ガス吸引ブロワ、１１は気水ドラム、１２は注水器である。
【０００４】給水は、気水ドラム１１に入り、輻射伝熱部２に設けられた蒸発管に送られる。輻射伝熱部２に設けられた低カロリーガス用バーナ３には、低カロリー（ＬＮＧより低いカロリー）の副生ガスが供給され燃焼する。高カロリーバーナ４には、重油、ＬＮＧ等の高カロリー燃料が供給され燃焼する。これらの燃焼火炎からの輻射により、輻射伝熱部２の壁面に設けられた蒸発管中の水が加熱されて、その大部分が飽和蒸気となり、蒸発管中を上昇して再び気水ドラム１１に戻される。気水ドラム１１中の飽和蒸気は、１次過熱器６、２次過熱器５に送られ、所定温度（５４０〜５７０℃）、所定圧力（１３０〜１７０Kg／cm2）の過熱蒸気となって発電タービンに供給される。
【０００５】輻射伝熱部２よりの排ガスは、２次過熱器５、１次過熱器６で熱交換を行って過熱蒸気を発生させた後、エコノマイザー７で給水を加熱し、空気予熱器８で燃焼空気を加熱して自らは低温となり、集塵機９、排ガス吸引ブロワ１０を経て、煙突より排出される。過熱蒸気温度の調節は、過熱蒸気温度を測定し、それに応じて注水器１２におけるスプレー水の量を操作することによって行われている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】このような、低カロリーガス焚きボイラにおいては、以下のような問題点がある。第１の問題点は、燃料となるガスが低カロリーであるため、火炎の状態が安定せず、燃焼が完全に行われないことがあることである。この対策として、異なったカロリーを有する低カロリーガス同士を混合してある程度のカロリーを確保したり、高カロリーバーナ４を設けることにより、低カロリーガスバーナ３の燃焼状態を安定させることが行われている。しかし、高カロリーバーナを設けることは、排ガスの温度を高めることになり、ボイラ全体としての熱効率を低下させるという問題点を有する。
【０００７】第２の問題点は、燃料ガスが低カロリーであるため、燃焼火炎温度が低く、従って、蒸発管への輻射伝熱効率が低くなることである。このため、低カロリーガス焚きボイラにおいては、高カロリー燃料を使用するボイラに比して、輻射伝熱部の伝熱面積を大きくする必要があり、設備費が高くなるという問題点がある。
【０００８】さらに、低カロリーの燃料ガスは窒素等の不燃成分を含むため、排ガスの量が多くなり、多量の排ガスが２次過熱器５、１次過熱器６に流れ込み、過熱蒸気が高温になりすぎるという問題点がある。これに対する対策として、１次過熱器６と２次過熱器５の間に注水器１２を設けて注水し、過熱蒸気の温度を下げているが、これがボイラ全体の効率を低下させる原因となっている。
【０００９】また、排ガスの量が多いため、エコノマイザ７、空気予熱器８で完全に排ガス顕熱を回収することができず、高温の排ガスが煙突から排出されることになり、ボイラ効率を下げているという問題点もある。
【００１０】本発明は、これらの問題点を解決するためになされたもので、輻射伝熱部の伝熱面積を小さくし、かつ、過熱器における注水量を減少させることにより、ボイラの熱効率を高めることを主たる課題とし、さらに、ボイラより排出されるＮＯｘ量を減少させることを副次的な課題とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】前記課題を解決するための第１の手段は、低カロリーガスを主たる燃料とするボイラにおいて、低カロリーガスを燃焼させるバーナを、蓄熱式バーナとしたことを特徴とする低カロリーガス焚きボイラ（請求項１）である。
【００１２】低カロリーガスとは、ＬＮＧの燃焼発熱量より少ない燃焼発熱量を有するガスのことである。
【００１３】蓄熱式バーナとは、蓄熱体を有するバーナを対にして使用し、一方のバーナが燃焼しているとき、他方のバーナは排ガスを吸引して、その排ガスにより蓄熱体を加熱して蓄熱し、燃焼中のバーナにおいては蓄熱体に蓄熱された熱で燃焼空気を加熱した後、燃料と混合して燃焼させる方式のバーナである。
【００１４】蓄熱式バーナにおいては、燃焼空気が高温（１０００℃以上）に加熱されているため、燃料と混合された状態で、燃料温度が着火温度以上になる。よって、火炎の状態が安定すると共に、火炎温度が均一で高温になる。従って、火炎から蒸発管への輻射伝熱効率が高くなるので、輻射伝熱部の伝熱面積を小さくすることができる。
【００１５】また、蓄熱式バーナにおいては、排ガス顕熱の回収は、主としてバーナ自身の蓄熱体により行われる。よって、過熱器側に流れる排ガス量が少なくなり、過熱器において過熱蒸気が高温になりすぎることがない。従って、注水器における注水量がゼロとなるか少なくて済み、ボイラ効率を高めることができる。
【００１６】さらに、蓄熱式バーナにおいては、火炎が局所的に高温となることがないのでＮＯｘの発生が抑制される。
【００１７】また、火炎の状態が安定するので、必ずしも高カロリーバーナの燃焼が必要でなくなり、設備の簡略化ができると共に、排ガスの低温化によりボイラ効率を高めることができる。
【００１８】前記課題を解決するための第２の手段は、前記第１の手段であって、過熱蒸気の温度を測定する過熱蒸気温度測定器と、過熱蒸気温度測定器により測定された過熱蒸気の温度を調節する過熱蒸気温度調節器を有し、過熱蒸気温度調節器の出力により、蓄熱式バーナの排ガス吸引量を調節することを特徴とするもの（請求項２）である。
【００１９】この手段によれば、過熱蒸気の温度制御が、蓄熱式バーナの排ガス吸引量を操作量として行われるので、注水器における余分な注水が不要となり、ボイラ効率を高めることができる。
【００２０】また、部分負荷運転時には、投入熱量が小さくなり、それに伴って燃焼ガス量が少なくなるため、熱量の多くは火炉の輻射伝熱部で吸収され、過熱器で所定の温度まで蒸気加熱を行うことができなくなることがある。この場合には、この第２の手段によれば、蓄熱バーナの排ガス吸引量を少なく調節することにより（場合によっては排ガス吸引量をゼロとして通常のバーナとして使用することにより）、過熱器への通過ガス量を増やし、所定の温度まで過熱することにより、プラントとしての熱効率を高めることができる。
【００２１】また、前記第１の手段又は第２の手段において、低カロリーガスを燃焼させるバーナの他に、高カロリーガス又は高カロリー液体燃料を燃焼させるバーナ（高カロリーバーナ）がある場合には、低カロリーガスを燃焼させる蓄熱式バーナの排気ガスを、前記高カロリーバーナの燃焼空気に混合することにより（請求項３）高カロリーバーナの排ガスの低ＮＯｘ化を図ることができる。ここに、「高カロリー」とは、ＬＮＧ相当以上の燃焼発熱量をいう。
【００２２】
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を、図を用いて説明する。図１は、本発明の実施の形態の一例を示す概略構成図である。図１において、１はボイラ本体、２は輻射伝熱部（火炉）、４は、輻射伝熱部２に設けられた高カロリーバーナ、５は２次過熱器、６は１次過熱器、７はエコノマイザー、８は空気予熱器、９は集塵機、１０は排ガス吸引ブロワ、１１は気水ドラム、１２は注水器である。２１は輻射伝熱部２に設けられた蓄熱式バーナである。
【００２３】給水は、気水ドラム１１に入り、輻射伝熱部２に設けられた蒸発管に送られる。輻射伝熱部２に設けられた蓄熱式バーナ２１には、低カロリーの副生ガスが供給され燃焼する。高カロリーバーナには、必要に応じて重油、ＬＮＧ等の高カロリー燃料が供給され燃焼する。これらの燃焼火炎からの輻射により、輻射伝熱部２の壁面に設けられた蒸発管中の水が加熱されて、その大部分が飽和蒸気となり、蒸発管中を上昇して再び気水ドラム１１に戻される。気水ドラム１１中の飽和蒸気は、１次過熱器６、２次過熱器５に送られ、所定温度（約５４０℃）、所定圧力（約１００Kg／cm2）の過熱蒸気となって発電タービンに供給される。１次過熱器６と２次過熱器５の間には、注水器１２が設けられ、必要に応じてスプレー水が注水されて過熱蒸気を冷却する。
【００２４】輻射伝熱部２よりの排ガスは、２次過熱器５、１次過熱器６で熱交換を行って過熱蒸気を発生させた後、エコノマイザー７で給水を加熱し、空気予熱器８で燃焼空気を加熱して自らは低温となり、集塵機９、排ガス吸引ブロワ１０を経て、煙突より排出される。
【００２５】この実施の形態と、図３に示した従来の低カロリーガス焚きボイラとの第１の主要な違いは、従来用いられていた低カロリーガス用バーナ３の代わりに蓄熱式バーナ２１が用いられていることである。
【００２６】図２に蓄熱式バーナシステムの一例を示す。図２において、４１ａ、４１ｂは蓄熱式バーナ、４２ａ、４２ｂは蓄熱体、４３ａ、４３ｂは燃料切換弁、４４ａ、４４ｂは燃焼空気切換弁、４５ａ、４５ｂは排気切り換え弁、４６は燃焼空気ファン、４７は排気ファンである。なお、Ｆは、燃焼中のバーナ４１ａにより形成された燃焼火炎である。
【００２７】このシステムでは、蓄熱式バーナ４１ａが燃焼を開始すると、当該バーナより高温の火炎がボイラ内に吹き込まれる。このとき、他方の蓄熱式バーナ４１ｂは燃焼排ガスを吸引しており、吸引された燃焼排ガスは、蓄熱体４２ｂを加熱した後にボイラ外部に排出される。所定の時間が経過した後、各切換弁を切り換えることにより、今まで燃焼していた側の蓄熱式バーナ４１ａに燃焼排ガスを吸引させ、今まで燃焼排ガスを吸引していた側の蓄熱式バーナ４１ｂで燃焼を行わせる。
【００２８】燃焼を行うバーナにおいては、燃焼空気が蓄熱体４２ａ、４２ｂによって加熱され高温となる。以下、所定時間毎に、対となっている蓄熱式バーナの燃焼を交互に行うことにより、加熱を継続する。
【００２９】このように、蓄熱式バーナ２１においては、排ガス顕熱の回収を自己のシステムの中で行っているので、熱回収のために特別な設備を必要としない。蓄熱式バーナ２１から排出される排ガスの温度は約１５０℃であり、ほぼ完全に熱回収が行われている。
【００３０】蓄熱式バーナ２１においては、燃焼空気温度が非常に高いため、火炎温度が全体として高くなる。また、火炎が広く広がり、蒸発管全体が均一に加熱される。よって、蒸発管への輻射熱伝達が効率よく行われるので、伝熱面積を小さくすることができる。
【００３１】また、排ガスのかなりの部分が、蓄熱式バーナを通じて熱交換された後炉外に排出され、過熱器側に流れる排ガス量が少なくなるので、過熱蒸気の温度が必要以上に高温となることがない。よって、注水器１２による注水量を減らすことができ、ボイラ効率を高めることができる。
【００３２】さらに、蓄熱式バーナ２１の火炎には、局所的な高温部が無いので、ＮＯｘの発生を抑えることができる。
【００３３】蓄熱式バーナ２１へ供給される空気は、空気予熱器８を通過して予熱されたものを使用することが好ましい。
【００３４】蓄熱式バーナ２１においては、燃焼空気温度が高いので、燃料と混合されたとき、燃料温度が自己着火温度に達している。よって、燃焼が安定するので、高カロリーバーナ４は必ずしも燃焼させる必要がない。ボイラ負荷により、蓄熱式バーナ２１の燃焼だけでは熱量が不足する場合に補助的に燃焼させればよい。
【００３５】高カロリーバーナ４を燃焼させる場合には、蓄熱式バーナ２１の排ガスを高カロリーバーナ４の燃焼空気中に混合させることにより、高カロリーバーナ４の排ガスの低ＮＯｘ化を図ることができる。
【００３６】本実施の形態が、図３に記載した従来の低カロリーガス焚きボイラと異なる第２の主要な点は、本実施の形態においては、過熱蒸気温度の制御を、蓄熱式バーナ２１の排ガス吸引量を調節することによって行っている点である。
【００３７】すなわち、過熱蒸気温度測定器（図示せず）を設けて過熱蒸気温度を測定し、過熱蒸気温度調節器（図示せず）に入力して設定値と比較し、過熱蒸気温度が設定値より高ければ、蓄熱バーナ２１の排ガス吸引量を増やして過熱器側に流れる排ガスの量を減らし、過熱蒸気温度が設定値より低ければ、蓄熱式バーナ２１の排ガス吸引量を減らして過熱器側に流れる排ガスの量を増やすようにしている。そして、注水器１２における注水は原則として行わず、前記蓄熱式バーナ２１の排ガス吸引量の操作だけで温度制御が不可能になった場合にのみ、補助的に注水による温度制御を行うようにしている。これにより、ボイラ効率を上げることができる。
【００３８】蓄熱式バーナ２１の排ガス吸引量の操作は、図２における排気切換弁４５ａ、４５ｂが開となるときの開度を調節することによって行う。
【００３９】
【発明の効果】以上説明したように、請求項１に係る本発明においては、低カロリーガスを主たる燃料とするボイラにおいて、低カロリーガスを燃焼させるバーナを、蓄熱式バーナとしているので、火炎の状態が安定すると共に、火炎温度が高温になる。よって、火炎から蒸発管への輻射伝熱効率が高くなるので、輻射伝熱部の伝熱面積を小さくすることができる。また、過熱器側に流れる排ガス量が少なくなり、過熱器において過熱蒸気が高温になりすぎることがない。従って、注水器における注水量がゼロになるか少なくて済み、ボイラ効率を高めることができる。
【００４０】さらに、蓄熱式バーナにおいては、火炎温度が均一となり、特に高温の部分が発生しないので、ＮＯｘの発生が抑制される。
【００４１】また、火炎の状態が安定するので、必ずしも高カロリーバーナの燃焼が必要でなくなり、設備の簡略化ができると共に、排ガスの低温化によりボイラ効率を高めることができる。
【００４２】また、請求項２に係る本発明においては、過熱蒸気の温度を測定する過熱蒸気温度測定器と、過熱蒸気温度測定器により測定された過熱蒸気の温度を調節する過熱蒸気温度調節器を有し、過熱蒸気温度調節器の出力により、蓄熱式バーナの排ガス吸引量を調節しているので、注水器における余分な注水が不要となり、ボイラ効率を高めることができる。
【００４３】さらに、請求項３に係る本発明においては、低カロリーガスを燃焼させる蓄熱式バーナの排気ガスを、前記高カロリーバーナの燃焼空気に混合しているので、高カロリーバーナの排ガスの低ＮＯｘ化を図ることができる。
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| 【出願人】 |
【識別番号】０００００４１２３
【氏名又は名称】日本鋼管株式会社
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| 【出願日】 |
平成９年（１９９７）９月２２日 |
| 【代理人】 |
【弁理士】
【氏名又は名称】細江 利昭
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| 【公開番号】 |
特開平１１−９４２４０ |
| 【公開日】 |
平成１１年（１９９９）４月９日 |
| 【出願番号】 |
特願平９−２７３３６３ |
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