JP2001502412A

JP2001502412A - 用役ボイラー側壁の腐食保護

Info

Publication number: JP2001502412A
Application number: JP10518501A
Authority: JP
Inventors: クレイマー，エドワード・ディー; ユーリッチ，ジョセフ・エイ; ロックハート，ケイス・エス; ブリーン，バーナード・ピー; ガブリエルソン，ジェームズ・イー
Original assignee: シナジー・テクノロジー・インコーポレーテッド; エナージー・システムズ・アソシエイツ
Priority date: 1996-10-15
Filing date: 1997-10-14
Publication date: 2001-02-20
Also published as: EP0938636A4; KR20000049148A; US5809913A; WO1998016779A1; CN1240021A; EP0938636A1; CN1131955C; AU4755297A; PL332693A1

Abstract

(57)【要約】石炭を燃焼する用役ボイラー（１０）の側壁腐食速度を減少する方法である。複数の側壁スロット（１８）がボイラー（１０）の側壁内に設けられ、エアの保護層（２２）がスロット（１８）を介して導入されかつバーナー（１６）からの上向き通風によって上方へ押し上げられる。

Description

【発明の詳細な説明】用役ボイラー側壁の腐食保護発明の分野本件発明は概略的には石炭を燃焼する用役ボイラーの側壁腐食の速度を減少する方法に関する。発明の背景大型の石炭燃焼による用役電気発生装置は、通常、タービンを回転し電気を発生するために蒸気を使用している。このスチームは、内部を水が流通している複数の管を有している複数の壁を備えたボイラー内にて形成されている。石炭がボイラー内部で燃焼されると、熱がボイラー壁へ伝達され該ボイラー壁内部を流動している水が加熱されて所望の蒸気を形成する。そのような石炭燃焼による発電装置に伴う一つの問題として、燃焼工程によって発生される放射物、特に窒素酸化物（ＮＯｘ即ちノックス）の制御に関するものがある。この問題に関しては、燃焼が燃料リッチ状態で開始されかつ初期燃焼から下流部で化学量論の空気を付与して完了するように燃焼工程をステージ（ｓｔａｇｅ）することが一般的となってきている。このような燃料リッチ状態での燃焼はノックスの発生を遅らせかつその燃料リッチ位置での大気中の窒素Ｎ２又は燃料中へ結合した窒素からのノックスの形成を防止している。このようなメカニズムは非常に有効であるため炉又はボイラーのほとんど全ての低ノックス燃焼装置において応用されている。燃焼ステージング（ｓｔａｇｉｎｇ）は燃料ステージング又は空気ステージングによって達成されることが出来、空気ステージングはより一般的な方法となっている。別の空気ステージングの方法は、オーバーファイアエアポート（ｏｖｅｒｆｉｒｅａｉｒｐｏｒｔ）即ちオーバーファイア空気開口の使用、制御された混合バーナーの使用及び該装置を空気即ちエアのみで燃料なしの複数のバーナーで作動することを含む。これらの全ての方法において、燃焼部分は燃料リッチ環境下で行われている。ステージされた（ｓｔａｇｅｄ）燃焼が進行する燃料リッチ環境はボイラー内部へ還元雰囲気を提供する。もしバーンアウトエア（ｂｕｒｎｏｕｔａｉｒ）が付加される前にこの還元雰囲気がボイラー壁へ接触すると、側壁腐食が必然的に発生するであろう。この腐食の速度は、（一酸化炭素、硫化水素などの）還元ガスの濃度、側壁の金属の温度、作動温度と周辺温度との間の変遷、管壁またその付近における液体灰(ｌｉｑｕｉｄａｓｈ)の存在、及び還元雰囲気と酸化雰囲気との間の変遷等を含む種々の要因に依存する。このような腐食によって損傷を受ける用役ボイラー側壁の補修又は取替のための費用は年間数千万ドルになるものと予想される。従って、ステージされた燃焼によって引き起こされる腐食を減少するために種々の方法が試みられている。これらの方法のいくつかとしては、側壁の底部にある開口を介して空気を付加し、この空気で燃料リッチ状態から炉壁をシールドし、同時に燃焼が完了するまで炎と混合される空気から該炉壁を分離するように維持するようにするものがある。さらに背景技術として、通常の燃焼工程において過剰の空気をもたらし、燃焼生成物が酸素Ｏ２を含むようにすることも知られている。この酸素は管内の鉄をＦｅ２Ｏ３に酸化して該管へ緻密なスケール（ｓｃａｌｅ）を形成し、これが管表面に対する付加的酸素又はその他の有害ガスの拡散を遅らせるのである。こうしてこのスケールは付加的な腐食を防止しまたは大いにその付加的な腐食を遅らせるのである。低い炉管金属温度を有する低圧ボイラーは知覚出来るほどの腐食を発生することなしでしばしば十年間又はそれ以上も作動する。高い管金属温度を有している高圧ボイラー及び特にスーパークリテカルスチーム発生機（ｓｕｐｅｒｃｒｉｔｉｃａｌｓｔｅａｍｇｅｎｅｒａｔｏｒ）は低ノックス（ＮＯｘ）作動が試みられるまでに年間５〜２０ミルの速度で腐食するであろう。低ノックス燃焼の間中、腐食金属は高圧ボイラーのいくつかの面を損失しスーパークリテカルスチーム発生機は法外なものとなる。年間６０〜１２０ミルの腐食速度は、還元条件が発生するスーパークリテカル（ｓｕｐｅｒｃｒｉｔｉｃａｌ）装置の分野においてしばしば経験される。このような腐食速度は受け入れがたいものである。石炭燃焼装置又は残油燃焼装置においては、燃料中の硫黄が気体ＳＯ２に酸化され又は気体Ｈ２Ｓへ還元される。このＳＯ２は余分な空気が存在するとき発生し通常は問題とならない。しかしこれは炭素と一緒に２段階工程（ｔｗｏｓｔａｇｅｐｒｏｃｅｓｓ）によりＦｅ２Ｏ３と反応することが出来、ＦｅＳを形成する。不十分な空気又は不完全な混合の結果、炭素が発生する。Ｈ２ＳはＳＯ２及び炭素及び燃料から条件を還元することにより形成され、これは酸化鉄又は鉄と反応してＦｅＳを形成する。硫化鉄（ＦｅＳ）は炉管を保護するスケールを形成するが、酸化鉄程には保護しない。しかしてＦｅＳが保護コーテイングをなすとき、腐食は加速される。最も苛酷な状態は、いずれかの位置におけるガスを酸化及び次いで還元の状態に変換するとき発生する。初めに、ある保護コーテイング及び次いでその他の部分が破損される。保護コーテイングの各再形成は管の鉄から金属を取り出す。この管金属は条件を変更することで除去される。通常の場合のように、昼間時から夜間時までロード（ｌｏａｄ）を変更することで、連続した還元状態に壁面を維持することはほとんど不可能である。腐食は非常に迅速に継続する。ボイラー管の塩素腐食もまた一般的であり、重大である。例えば、１９８５年発行の“ＭｉｎｅｒａｌＩｍｐｕｒｉｔｉｅｓｉｎＣｏａｌＣｏｍｂｕｓｔｉｏｎ”において、著者エリックラスカ（ＥｒｉｃｈＲａａｓｋ）は炉壁の塩素腐食に関するいくつかの観点について検討している。還元状態においてＨＣｌは保護酸化物層及び水素又は炭素の一酸化物と次のように反応するであろうと述べている。Ｆｅ２Ｏ３＋２ＨＣｌ＋ＣＯ＝ＦｅＯ＋ＦｅＣｌ２＋Ｈ２Ｏ＋ＣＯ２Ｆｅ３Ｏ４＋２ＨＣｌ＋ＣＯ＝２ＦｅＯ＋ＦｅＣｌ２＋Ｈ２Ｏ＋ＣＯ２これらの反応は保護酸化物層を破損し、かつ一旦この保護層は多孔性にされ、ＨＣｌ、Ｏ２、ＳＯ２、Ｈ２Ｓ及びその他の反応ガスが管表面へ対して迅速に拡散出来、管金属からＦｅＳ、ＦｅＯ及びＦｅＣｌ２を形成するように反応する。ＦｅＣｌ２は高蒸気圧力を有しており、そのためそれはスーパーヒーター管金属表面へ蓄積しないであろう。しかしながら、ＦｅＣｌ２及びＦｅＣｌ３は水管表面に蓄積するであろう。これらはともに低融解（ｌｏｗｍｅｌｔｉｎｇ）で、液体灰攻撃を引き起こす低融解液体へ対して寄与している。これらの物質が一旦形成されると、これらはフラックスとして機能して灰沈殿物（ａｓｈｄｅｐｏｓｉｔｅ）内に液体相の形成を増進する。過剰な腐食に対するいくつかの制御が、炉管のための交互の金属を選択し、炉壁をスプレーコーテイングし、又は壁部分が装着される前に壁部分をクロム加工することにより可能である。しかしながら残念なことにこれらの技術は非常に高価でそれらの方法の有効性は完全には確立されていない。これらの腐食の問題にもかかわらず、燃焼の空気ステージングは油及び石炭燃焼炉及び蒸気発生装置からのノックス放射を制御する基本的な方法を残している。このため、ボイラー及び蒸気発生機の側壁管の腐食を制御するための改良された方法の存在の必要性が継続していることが分かるであろう。本件発明はかかる必要性を提供するものである。発明の概要本件発明を概説すると、石炭を燃焼する用役ボイラー内の側壁の腐食速度を減少するための方法を提供するものである。この方法は望ましくはボイラー側壁の少なくとも１つに複数の側壁スロットを設けることよりなり、それらの側壁スロットは実質的にボイラー床面の上方に位置付けられているものである。次いで“ カーテンエア（ｃｕｒｔａｉｎａｉｒ）”の流れが該側壁スロットを介してボイラー内部へ導入され、ここでこのカーテンエア即ちカーテン空気はバーナーからの上向き通風によって上方へ有効に推進されるような位置にてボイラー内へ導入され、これにより側壁を腐食から保護するように空気即ちエアからなるカーテンを提供している。バーナーからのこの上向き通風の利点を利用することによって、側壁カーテンエアは、その側壁エアがノックス屑を弱めるため当初の燃焼エアと混合しないよう十分遅い速度で導入される。本件発明の一つの目的は用役ボイラ一側壁の腐食を防止する方法を提供することである。本件発明の更なる目的及び利点は下記の記載から明らかとなろう。図面の簡単な説明図１は、公知の側壁カーテンエア通気口の配置を示しており、この配置ではバーナーからの上向き通風によって上方へ押し上げられるような有効な位置へ側壁エアを導入することは出来ない。図２は、電気用役ボイラーの斜視図であり、好ましい実施例による本件発明の側壁スロットの配置を示す図である。図３は、電気用役ボイラーの立面図であり、好ましい実施例による本件発明の側壁スロットの配置を示す図である。図４は、電気用役ボイラーの斜視図であり、好ましい第２の実施例による本件発明の側壁スロットの配置を示す図である。図５は、電気用役ボイラーの立面図であり、好ましい第２の実施例による本件発明の側壁スロットの配置を示す図である。図６は、電気用役ボイラーの斜視図であり、好ましい実施例による本件発明の境界エアポート即ち周辺空気開口と側壁スロットとの配置を示す図である。図７は、例１の条件下にて作動したときのボイラーの前方（北）、後方（南）及び側方（東）の壁に接している大気の燃料混合体フラクション（ｆｕｅｌｍｉｘｔｕｒｅｆｒａｃｔｉｏｎ）の概略を示す図である。図８は、トップバーナーから側壁及び角部へ及び上方へ発生する流れ場即ちフローフィールド（ｆｌｏｗｆｉｅｌｄ）を示しており、これはどのようにしてバーナーストリーム（ｂｕｒｎｅｒｓｔｒｅａｍｓ）が中心部にて衝突し壁の方へ流れて側壁に広がり効果（ｓｐｒｅａｄｉｎｇｅｆｆｅｃｔ）を発生するかを示している。図９は、例２の条件下にて作動したときのボイラーの前方（北）、後方（南）及び側方（東）の壁に接している大気の燃料混合体フラクションの概略を示す図である。図１０は、例３の条件下にて作動したときのボイラーの前方（北）、後方（南）及び側方（東）の壁に接している大気の燃料混合体フラクションの概略を示す図である。図１１は、例４の条件下にて作動したときのボイラーの前方（北）、後方（南）及び側方（東）の壁に接している大気の燃料混合体フラクションの概略を示す図である。図１２は、例５の条件下にて作動したときのボイラーの前方（北）、後方（南）及び側方（東）の壁に接している大気の燃料混合体フラクションの概略を示す図である。図１３は、バーナーからの上向き通風によって上方へ押し上げられるのに有効な位置へ側壁エアを導入するように位置付けられた境界エアポート即ち周辺空気口と側壁スロットとを有している用役ボイラーを示している図である。図１４は、例６の条件下にて作動したときのボイラーの前方（北）、後方（南）及び側方（東）の壁に接している大気の燃料混合体フラクションの概略を示す図である。図１５は、標準の境界エアポートと例７によって示されるような大きい境界エアポートとを有し、側壁スロットがバーナーからの上向き通風によって上方へ押し上げられるのに有効な位置へ側壁エアを導入するように位置付けられている用役ボイラーを示している図である。図１６は、例７の条件下にて作動したときのボイラーの前方（北）、後方（南）及び側方（東）の壁に接している大気の燃料混合体フラクションの概略を示す図である。図１７は、例８の条件下にて作動したときのボイラーの前方（北）、後方（南）及び側方（東）の壁に接している大気の燃料混合体フラクションの概略を示す図である。図１８は、例９の条件下にて作動したときのボイラーの前方（北）、後方（南）及び側方（東）の壁に接している大気の燃料混合体フラックションの概略を示す図である。図１９は、例１０の条件下にて作動したときのボイラーの前方（北）、後方（南）及び側方（東）の壁に接している大気の燃料混合体フラクションの概略を示す図である。図２０は、例１１の条件下にて作動したときのボイラーの前方（北）、後方（南）及び側方（東）の壁に接している大気の燃料混合体フラクションの概略を示す図である。図２１は、例１２の条件下にて作動したときのボイラーの前方（北）、後方（南）及び側方（東）の壁に接している大気の燃料混合体フラクションの概略を示す図である。図２２は、例１２におけるように（即ち、燃焼面間の中心に）位置付けた側壁スロットを備えたフローフィールドであり、側壁の上昇流がかなりよどんでおり同時に高さが増大するときモーメントがバーナー流から得られるよう該流れが上昇速度を増大するような高さをバーナーゾーンの下方にいかにして備えているのかを示している図である。図２３は、例１３の条件下にて作動したときのボイラーの前方（北）、後方（南）及び側方（東）の壁に接している大気の燃料混合体フラクションの概略を示す図である。図２４は、例１４の条件下にて作動したときのボイラーの前方（北）、後方（南）及び側方（東）の壁に接している大気の燃料混合体フラクションの概略を示す図である。図２５は、例１５の条件下にて作動したときのボイラーの前方（北）、後方（南）及び側方（東）の壁に接している大気の燃料混合体フラクションの概略を示す図である。図２６は、例１６の条件下にて作動したときのボイラーの前方（北）、後方（南）及び側方（東）の壁に接している大気の燃料混合体フラックションの概略を示す図である。好ましい実施例に関する記載本件発明の原理の理解を増大するために以下に好ましい実施例について記載し、かつこれを記述するため特定の用語を使用するであろう。それにもかかわらず、本件発明の範囲の限定はこれによって意図されているものではなく、図示された装置の変形及び更なる改良及びそこに図示されたような発明の原理の更なる応用等が本件発明に関する当業者においてそこから通常なし得るものであることは理解されよう。上で述べたように、本件発明は石炭を燃焼する用役ボイラーの側壁腐食の速度を減少する方法に関する。この発明の方法では、空気即ちエアから成る保護カーテンがボイラー内部へ導入されそこで該空気がバーナーからの上向き通風によって上方へ押し上げられ得るように位置付けられた側壁空気スロットを備えている。このことはカーテン空気がボイラーの床面付近に位置した側壁スロットを介してボイラー内部へ導入される公知の方法と対比されるところである。公知の方法では、側壁スロットを介して導入される空気がバーナーによって提供される上向き通風により上方へ押し上げられず、このため当該空気が側壁を腐食から保護するためには有効ではないのである。本件発明の好ましい実施例をより詳細に述べると、最近の蒸気発生装置の壁は、通常、ほぼ２つの管体の直径寸法だけ（中心から中心まで）離して配置した管体から形成されており、これらの管体の間を金属ウエブで連結している。この組立体は一つの連続体を形成するように形成されかつ一緒に溶接されている。水はこれらの管体を介して流れ込み蒸気になるまで加熱されるのである。ウエブは炉壁と一体部分をなしている。この発明の方法では空気は管体／ウエブバリアの外方へ導かれ、いくつかのウエブは切り取られており、空気が該管体間の溝即ちスロット（又は口即ちポート、又は排気孔即ちベント）を介して炉内へ流れ込む。ウエブを切り取って形成されたスロットは好ましくは幅が約１インチ以下になるようになっている。これらのスロットを介して流れる空気は大きなモーメントを有しておらず、このため燃焼生成物の流れによって上方へ転向され、壁近くに停滞するであろう。こうして、少量の空気が炉壁の大面積を燃料不足状態（ｆｕｅｌｌｅａｎ）に保持するであろう。この空気はオーバーファイアエアから取られることが出来、この再指向はほとんど無く、もしあってもノックス放射を増大するであろう。本件発明の方法によって導入される側壁空気は実質的にボイラー床面上方の位置へ導入されるので、該側壁空気は一次フレーム即ち一次炎へ迅速に混合することはなく、ノックスを増大しない。事実、これは非常にオーバーファイアエアのように作用し、二次空気を取り替えノックスを減少する。これは低モーメントで導入されるので、壁付近に停滞し多くの壁を保護する傾向がある。ある好ましい実施例においては、側壁スロットは最も低いボイラーバーナーの高さとほぼ等しい高さに水平列に設けられている。別の好ましい実施例においては、側壁スロットは上向き弧状に設けられており、この弧状の最も下方の部分（端部）は最も下方のバーナーの位置に又はそこに近い位置に設けられている。全ての実施例において、スロットは還元状態の面積及び厳格さを減少するように位置付けられている。このためスロットは、側壁空気が壁に対して後方及び上方へ押されるように設計されかつ位置付けられている。浸透する空気は壁を保護せず、もし該空気がバーナー下方で混合すると低ノックスステージングを覆すであろう。よって本件発明の側壁スロットはバーナ一下方での混合を避けるように寸法が決められかつ位置付けられている。更に本件発明はオーバーファイアエアポートを備えたボイラーへ設けられ得ることが理解されよう。この場合、オーバーファイアエアポートからスロットエアスロットまで二次空気の部分を再指向するのに適当な配管が同様に設けられる。この実施例においてはオーバーファイアエアの約半分までが側壁スロットへ再指向される。こうして、公知のオーバーファイアエア技術はオーバーファイアエアポートを介して合計空気の約２０％を指向するが、本件発明においては合計空気の約５％〜１５％までがオーバーファイアエアポートを介して提供され、かつ合計空気の約５％〜１５％までが側壁スロットを介して提供されるのである。更に、オーバーファイアエアポート及び側壁スロットを介する空気流は腐食の速度を最小限にするようにするとともにノックスの放射を最小限にするようにバランスされることが理解されよう。もしあまり多くの空気がオーバーファイアエアポートを介して導入されると腐食速度が非常に大きくなるであろう。もしあまり多くの空気が側壁スロットを介して導入されるとノックス放射の量が非常に大きくなるであろう。ある好ましい実施例においては、ボイラーがバーナーと側壁との間の前方及び／又は後方壁に位置付けられた境界空気ポート即ち周辺空気ポートに付加的に装備されている。これらの周辺空気ポートは側壁スロットの類似しており、これらは空気の保護層を提供しバーナー付近に存する還元雰囲気から側壁をシールドする。本件発明のある好ましい実施例においては、炉内の還元領域を決定するために算定流体運動（ｃｏｍｐｕｔａｔｉｏｎａｌｆｌｕｉｄｄｙｎａｍｉｃｓ：ＣＦＤ）モデルが使用されている。このＣＦＤモデルは次いで新しい空気流が燃料リッチ状態を制御するかどうかを発見するため一つおきに種々の量のスロットエアを付加的に使用されている。この方法を介してスロットの適当な数及び位置が識別され、適切な空気圧力が決定されている。このＣＦＤ分析を実行することにより、還元雰囲気が最も強く、特に燃料混合比率が化学量論混合体の１１５％以上（即ち合計雰囲気に対する燃料の比率が化学量論比の１１５％よりも大きい場合）に最も苛酷な腐食問題が発生したことが決定された。従ってある好ましい実施例においては、側壁スロットは、化学量論比が１１５％よりも大きい燃料混合体比率を有する雰囲気によって接触される側壁面を最小にするように寸法を設定されかつ位置付けられている。図面を参照すると、ボイラー１０は、好ましくは、前方壁１１と、後方壁１２と、第１側方壁１３と、第２側方壁１４と、を有している。更に床壁１５も含まれており、この床壁１５は下方へ向かって傾斜しスラッグ（ｓｌａｇ）収集のためのホッパを提供している。前方壁１１及び／又は後方壁１２には複数のバーナー１６が設けられている。好ましくはこれらのバーナー１６は縦横に列をなすように配置されボイラー内部を加熱するため適切なフレーム即ち炎を提供する様になっている。更にまた、特に低ＮＯｘバーナーが据え付けられていないときには、オーバーファイア（ｏｖｅｒｆｉｒｅ）空気口１７が設けられている。側壁１３、１４の一方又は双方には側壁スロット１８が設けれている。これらの側壁スロット１８は、そこを介して導入される側壁空気がバーナーからのアップドラフト即ち上昇流を捕捉し該側壁空気を側壁に対して押し上げるように配置されている。１つの好ましい実施例においては、側壁スロット１８は最下方バーナーの位置にて又はその付近にて１列に又はそれ以上の列に配置されている。別の好ましい実施例においては側壁スロット１９が１列またそれ以上の円弧をなすように配置されており、（好ましくは円弧の端部付近の）最下方の側壁スロットが最下方バーナーの位置付近に位置している。図３及び５において、バーナーからの空気流は矢印２０で示されており、オーバーファイヤー空気流は矢印２０で示されている。また側壁スロットからの空気流は矢印２０で示されている。こうして、側壁スロットを介して流れる空気はバーナーからの上昇流を捕捉し、側壁へ対して保持されそこを保護することが分かるであろう。側壁スロットが床壁の上方に位置付けてあるので、この側壁空気は一次空気と混合せず空気ステージングを減少する。上述したプロセスを使用している特定の例について以下において述べる。これらの例は好ましい実施例をより一層完全に記述するために用意されたものであって、これによって本件発明の範囲を限定する意図は無いことは理解されるであろう。例１例１はボイラーに側壁スロットが設けられていない場合の公知の実施例について示している。インプット条件は下記の表に示されてあり、非常に腐食性の場合を示している。この例にて作られた装置は側壁へ対して空気を導入するため既存のセットをなす境界エアポート即ち周辺空気開口を有している。バーナー立面部のそれぞれに対応して１個の開口が（低ＮＯｘレトロフィット（ｒｅｔｒｏｆｉｔ）の前に当初の設計から）設けてある。この場合、既存の周辺空気開口即ち周辺エアポートは完全に塞がれ壁部分へ対して空気が供給されないものと思われる。このため、このようなケースは現行の作動のためには最悪のケースシナリオを示した。例１負荷（Ｌｏａｄ）６４０ＭＷ出口酸素３．０境界エアなしＯＦＡ２２％燃料リッチ領域１０４３０平方フィート出口Ｎｏｘ３１４ｐｐｍ出口ＮＯｘ０．４３６ｌｂ／１０⁶Ｂｔｕ例２例２はオーバーファイアエア（ｏｖｅｒｆｉｒｅａｉｒ）がゼロにセットされていることを除き例１の条件が繰り返されている。オーバーファイアエアをゼロにセッテイングしてあることは炉内におけるステージングを一掃している。この結果、側壁の非常に僅かの部分が還元（ｒｅｄｕｃｉｎｇ）状態にさらされている。表から分かるようにオーバーファイアエアの減少はＮＯｘレベルを現在の受け入れ可能限界よりも高くなるようにしている。例２負荷（Ｌｏａｄ）６４０ＭＷ出口酸素３．０境界エアなしＯＦＡなし燃料リッチ領域４５平方フィート出口ＮＯｘ４１６ｐｐｍ出口ＮＯｘ０．５７８ｌｂ／１０⁶Ｂｔｕ例３例３は例２の条件を繰り返しているが、既存の境界エアポート即ち周辺空気開口が関数となっているいることが分かる。このケースの条件を下記の表にまとめてある。例３負荷（Ｌｏａｄ）６４０ＭＷ出口酸素３．０境界エアあり −２％ＯＦＡなし燃料リッチ領域４５平方フィート出口ＮＯｘ４１７ｐｐｍ出口ＮＯｘ０．５７９ｌｂ／１０⁶Ｂｔｕこの例において、既存の境界ポート即ち周辺開口は６インチ直径のパイプを介してウインドボックス（ｗｉｎｄｂｏｘ）から供給されている。この６インチ直径はウインドボックス内の開口の面積を計算しかつ導入される空気量を決定するために使用された。この計算は周辺開口を介して導入される炉空気の２％となった。周辺開口は当初のバーナー配置と同一の高さに位置付けられているので、これらの当初の目的はバーナーフレーム（炎）から側壁を保護することであることが理解出来る。オーバーファイアエアの不活性及び所定位置における周辺開口により、側壁はほとんど完全に酸化する。例４例４は例１の条件を繰り返しているが、既存の周辺空気開口が関数となっているいることが分かる。このケースの条件を下記の表にまとめてある。例４負荷（Ｌｏａｄ）６４０ＭＷ出口酸素３．０境界エアあり −２％ＯＦＡ２５％燃料リッチ領域７０５０平方フィート出口ＮＯｘ３１９ｐｐｍ出口ＮＯｘ０．４４３ｌｂ／１０⁶Ｂｔｕ例４は本件発明の側壁空気例示との比較のためのベースラインとして作用しており、このため、確認比較のために使用される。歴史的な観測は、０．０８４以上の混合体フラクションを有するべく予報された領域は高いチューブ消耗レートを経験する公知の側壁の領域に対応している。例えば、約０．０７３の燃料混合比率は化学量論上の混合比率を示す。０．０８４以上の領域は最も暗い遮光によって壁プロットへ示されている。歴史的データに対する確認に基づけば、満足な設計のためのある基準は、（暗い遮光としてプロットに表示されている）０．０８４以上の混合体フラクションを備えた部分の移転である。例５例５は既存の周辺空気の増大を示している。この場合、周辺空気流は二次空気の１０％即ち全空気の８．５％まで増大される。この付加的空気は、バーナーではなく、オーバーファイアから再指向されるように設計された。この場合の条件は下記の表に要約されている。例５負荷（Ｌｏａｄ）６４０ＭＷ出口酸素３．０境界エアあり −８．５％ＯＦＡ１８％燃料リッチ領域５１６６平方フィート出口ＮＯｘ３０３ｐｐｍ出口ＮＯｘ０．４２１ｌｂ／１０⁶Ｂｔｕこの付加的空気は還元状態にさらされた合計面の面積を減らすことに成功した。しかしながら強力な還元状態にさらされている側壁の中心にある領域が存在している。この存在位置からの増大された空気流は壁の中心の方への燃料リッチを押し込んでいる。例６例６は新しい位置を介しての側壁スロットエアの導入を示している。この位置は図１３に示されており、炉ホッパー（高さ４５０フィート）上方約３２フィートに示されている。ここで提示した“カーテンエア”はウオータウオール（ｗａｔｅｒｗａｌｌ）ウエブを切取ったスロットを介して導入される。これは炉幅を横切って均一に空気を導入することによりモデル内にてシュミレートされた。このため、カーテンエア流は二次空気の１０％即ち合計空気の８．６％に設定された。ここに存在する周辺空気即ち境界エアは合計空気の１．３％にされた。カーテンエアは、バーナーでは無く、オーバーファイアエアから再指向されるようにモデル化された。このケースの条件は下記の表にまとめられている。例６負荷（Ｌｏａｄ）６４０ＭＷ出口酸素３．０境界エア１．３％カーテンエア全体の８．６％ＯＦＡ１７％燃料リッチ領域７０６１平方フィート出口ＮＯｘ３２２ｐｐｍ出口ＮＯｘ０．４４７ｌｂ／１０⁶Ｂｔｕ例７例７は新規な大型の境界ポート即ち周辺空気ポートを介する空気の導入を示している。大型の周辺ポートの位置は図１５に示されている。例えば、この大型の周辺空気ポート流は二次空気の１０％即ち合計空気の８．５％にセットされている。前述の場合のように、存在する周辺空気は１．３％にされた。このケースの条件は下記の表にまとめられている。例７負荷（Ｌｏａｄ）６４０ＭＷ出口酸素３．０境界エア１．３％カーテンエアなし大型境界ポート８．５％ＯＦＡ１８％燃料リッチ領域６９３１平方フィート出口ＮＯｘ３１７ｐｐｍ出口ＮＯｘ０．４４０ｌｂ／１０⁶Ｂｔｕ大型境界ポートを介する空気の導入は還元状態にさらされた部分における僅かな減少をもたらしている。例８例８は例６及び例７を組み合わせたものである。このため大きい境界空気ポートと側壁スロットとが共に使用されている。偏倚された空気は二次空気の１５％、又は合計空気流の１２．８％を示した。このケースの条件は下記の表にまとめられている。例８負荷（Ｌｏａｄ）６４０ＭＷ出口酸素３．０境界エア１．３％カーテンエア６．３％大型境界ポート６．３％ＯＦＡ１２．６％燃料リッチ領域５６０８平方フィート出口ＮＯｘ３８６ｐｐｍ出口ＮＯｘ０．５４０ｌｂ／１０⁶Ｂｔｕ偏倚された空気は側壁空気スロットと大きい境界空気ポートとの間へ均一に分与された。現存する境界空気ポートは変更されなかった。表は、この空気の大きい偏倚がノックス放射へ実質的な影響を有していることを示している。予言出来ることは、導入された大量の空気が露出された面を還元状態に還元するということである。例６又は例７と比較すると、更に例８は還元状態の大きさの減少を示している。例９例９は側壁空気スロットを介して導入される空気量の増大を示している。この場合（側壁スロットを介して提供される）カーテン空気流は二次空気の２０％、又は合計空気の１７％まで増大された。このケースの条件は下記の表にまとめられている。例９負荷（Ｌｏａｄ）６４０ＭＷ出口酸素３．０境界エア１．３％カーテンエア１７％大型境界ポートなしＯＦＡ８．２％燃料リッチ領域５１５５平方フィート出口ＮＯｘ３４７ｐｐｍ出口ＮＯｘ０．４８２ｌｂ／１０⁶Ｂｔｕこの増大された空気流はバーナーゾーンにおいて還元状態へ露出された面を強烈に限定してしまっているが、上方炉において（例２に比較して）付加的な効果を限定されている。例１０例１０は大きい境界ポートにおける増大を示している。このため、大きい境界ポート空気流は二次空気の２０％、又は合計空気の１７％まで増大された。この例の条件は下記の表にまとめられている。例１０負荷（Ｌｏａｄ）６４０ＭＷ出口酸素３．０境界エア１．３％カーテンエアなし大型境界ポート１７％ＯＦＡ８．２％燃料リッチ領域５７３７平方フィート出口ＮＯｘ３４７ｐｐｍ出口ＮＯｘ０．４８２ｌｂ／１０⁶Ｂｔｕこの大きい境界ポートエアの増加は側壁に沿った還元状態を制限している。強力な還元状態のトレース（ｔｒａｃｅ）残存物は例３（混合体フラクションが０．０８４以上）を提供しない。還元状態の平方フィートが例１０の表に示されるように減少されている。しかしながら、そのような大きい割合の空気の偏倚はノックス放射物に反対に影響している。このことはこのステージ化した（ｓｔａｇｅｄ）燃焼を有効に減少しているメーンバーナーゾーンへ幾分かの境界エア混合体を戻すことによりもたらされている。例１１例１１は例８を繰り返しているが、側壁スロット及び大きい境界ポートを介して導入される空気量は増大されている。このため、空気流は二次空気の２０％、又は合計空気の１７％まで増大された。この空気流は側壁空気スロットと大きい境界ポートとの間に平均的に分与された。この例の条件は下記の表にまとめられている。例１１負荷（Ｌｏａｄ）６４０ＭＷ出口酸素３．０境界エア１．３％カーテンエア８．５％大型境界ポート８．５％ＯＦＡ８．２％燃料リッチ領域３４３３平方フィート出口ＮＯｘ４５０ｐｐｍ出口ＮＯｘ０．６２５ｌｂ／１０⁶Ｂｔｕ例１０と同様に、例１１の構成は更にノックス放射を増大した。しかしながらこの構成は実質的に還元状態へさらされた面を制限した。増大したカーテンエアと大きい境界ポートエアとの組合せはバーナー領域高さでの還元状態を完全に除去した。還元状態は更に炉の上方領域の壁に沿って残っている。例１２例１２は例６の状態を繰り返しているが、側壁スロットが高い高さまで上昇されている。このためカーテンエア流は二次空気の１０％、又は合計空気の８．５％（例４に関して）に維持された。側壁スロットの位置は４７５フィートの高さまで上昇された。公知の例においては、側壁スロットは４５８〜４６０フィートの高さに設けられていた。最下方のバーナーは４７０フィートの高さに位置付けられており、一方、ボイラー床面は４２６フィートにある。ホッパーの頂部は４５２フィートである。カーテンエアの位置の変動は側壁に沿う還元状態に大きい効果を有している。ほとんど全部の壁は例６（混合体フラクションが０．０７９以下に減少されている）から下降した大きさの還元状態を有している。このケースの条件は下記の表にまとめられている。例１２負荷（Ｌｏａｄ）６４０ＭＷ出口酸素３．０境界エア１．３％カーテンエア８．５％大型境界ポートなしＯＦＡ１７％燃料リッチ領域５０９１平方フィート出口ＮＯｘ３１４ｐｐｍ出口ＮＯｘ０．４３６ｌｂ／１０⁶Ｂｔｕバーナーゾーンの下方には側壁の上昇流が比較的不活発となる高さが存在することが分かる。この高さが増大すると流れが上方への速度を増大し、バーナーからのピックアップモーメントが例６よりも例１２を、より速い流れ領域において、より高く流す。このことはより多くの空気を逆流し側壁をコートする。例１３例１３は現存する境界空気ポートを介して導入される空気の分与における変化を示している。例５のように現存する境界空気流は二次空気の１０％、又は合計空気の８．５％まで増大されたが、例１３を別にすれば底部の二つの境界ポートのみが使用された。このケースの条件は下記の表にまとめられている。例１３負荷（Ｌｏａｄ）６４０ＭＷ出口酸素３．０境界エア８．５％カーテンエアなし大型境界ポートなしＯＦＡ１８％燃料リッチ領域３７７８平方フィート出口ＮＯｘ３０６ｐｐｍ出口ＮＯｘ０．４２５ｌｂ／１０⁶Ｂｔｕエアロケーションの変動は（上記表に示されるように）還元状態へさらされる面積を減少したが、例５に見られるような下方炉内に強力な還元状態を減じていない。例１４例１４は例６と例１２の高さの間の中間に位置されている側壁スロットを示している。このケースでは、カーテンエア流が二次空気の１０％、又は合計空気の８．５％に維持された。この例の条件は下記の表にまとめられている。例１４負荷（Ｌｏａｄ）６４０ＭＷ出口酸素３．０境界エア１．３％カーテンエア８．５％大型境界ポートなしＯＦＡ１７％燃料リッチ領域６０１７平方フィート出口ＮＯｘ３２５ｐｐｍ出口ＮＯｘ０．４５1 ｌｂ／１０⁶Ｂｔｕ高さ４６０’（フィート）にあるカーテンエアは例６と例１２との間の強力な折衷案を形成した。これは例１２と同様な形態をバーナー領域の高さに有しているが、バーナー下方に例１２において見られる強力な還元ゾーンを限定している。例１４は例１２よりも上方炉においてより高い還元条件を有しているが、これは例６の改良である。例１５例１５は例１４を繰り返しているが、大量の空気が減少した側壁エアスロットを介して導入されている。このケースではカーテンエア流が二次空気の５％、又は合計空気の４．１％まで減少された。このケースの条件は下記の表にまとめられている。例１５負荷（Ｌｏａｄ）６４０ＭＷ出口酸素３．０境界エア１．３％カーテンエア４．１％大型境界ポートなしＯＦＡ２１％燃料リッチ領域６４６９平方フィート出口ＮＯｘ３１１ｐｐｍ出口ＮＯｘ０．４３２ｌｂ／１０⁶Ｂｔｕ例１５は、４６０’（フィート）高さにおける、より少ない空気の導入が４５０’（フィート）高さにおける、より多くの空気と同様の効果を形成することが出来るかを決定するために稼動された。例１６例１６は二つのレベルの側壁エアスロットを示している。この場合、カーテンエア流は１５％まで増大された。二次空気の１０％、又は合計空気の８．５％が４５０’（フィート）高さにある側壁エアスロットを介して導入され、かつ４７５’（フィート）高さにあるスロットを介して二次空気の５％、又は合計空気の４．３％が導入された。このケースの条件は下記の表にまとめられている。例１６負荷（Ｌｏａｄ）６４０ＭＷ出口酸素３．０境界エア１．３％４５０’におけるカーテンエア８．５％４７５’におけるカーテンエア４．３％ＯＦＡ１２．５％燃料リッチ領域４４２４平方フィート出口ＮＯｘ３２６ｐｐｍ出口ＮＯｘ０．４５３ｌｂ／１０⁶Ｂｔｕ例１６は例１２と比較するために実行された。二つのレベルの１５％のカーテンエアがカーテンエアスロット及び大きい境界ポートを介して１５％に対する比較可能な形態を形成する。上述のことから二つの設計基準が確立されることが分かる：（１）０．０８４混合体フラクション以上の面の移動（即ち化学量論比率の１１５％より多い燃料混合体比率を有する面の移動）：及び（２）還元状態へされされる面の制限。これらの基準をベースとして下記の結論がこれらのケースシリーズから引き出される。Ａ．例５及び例１４は現存するポートを介しての大量の流れを増大することは強力な還元状態の除去にて不満足であることを示している。しかしながら、例１４は還元状態にさらされた面の寸法を非常に減少している。Ｂ．例６及び例７は二つの異なる方法によって導入された同一量のエアを表している。これら二つの方法は強度の還元状態にさらされた領域を完全に減少している。還元状態にさらされた合計面にもノックス放射にも大きなインパクトを有していない。Ｃ．例５、例６及び例７を例９及び例１０に比較すると、エア流が増大するとき、カーテンエアポート形態が大きい境界エアポートよりもより良く機能することを示している。例９（カーテンエアスロット）は７０５０平方フィートから５１５５平方フィートまで燃料リッチ面積を減少したが、例１０（大きい境界ポート）は同じ量の空気のために単にこれを５７３７平方フィートまで減少した。Ｄ．例８を例６〜例１０に比較すると、境界エアポートとカーテンエアスロットとの組合せはポート／スロットのいずれか一方よりもノックスへ著しく大きなインパクトを有していることを示している。例８は１２．８％のエアをポートへ偏倚し、ノックスを３８６ｐｐｍまで上昇させ、一方、例９及び例１０は１７％のエアを単に３４７ｐｐｍのノックス放射と共に偏倚している。Ｅ．例１１は１７％のエアと、大きな境界エア及びカーテンエアとの組合せが実際にノックスをオーバーファイアエアなしで得られるレベルの上まで上昇している。このことは１７％エアが主バーナーゾーン内へ混合していることを示している。Ｆ．例１２を例７に比較すると、カーテンエアが導入される高さの増大は低い高さにおける流れを増大すると同様な利益をもたらし、同時に低いノックス放射をもたらすことを示している。更に、例１８と例２１とを比較すると、双方ともほぼ同様な還元状態の面積を有しており、例１２は全体大きさが低い還元状態を有していることを示している。Ｇ．例６、例１２及び例１４はカーテンエアスロットの高さに対して還元状態にさらされた面のほとんど直線的な依存性を示している。Ｈ．更に例１５及び例１６は、カーテンエアスロット形態を使用するときには同一面積の還元状態のために少ない空気が、より高い高さに要求されること示している。従って、本件発明においては、側壁エアスロットが出来るだけバーナーゾーンの高さに接近して配置される。かかる配置により、エアの保護カーテンはバーナーからの上向き通風によって上方へ有効に推進される位置にてボイラー内へ導入され、これにより、側壁を腐食から保護するためエアのカーテンを提供する。本件発明は上記記載において図示されかつ述べられたが、これは例示であり、本件発明を限定するものではなく、単に好ましい実施例が図示され記述されたものと理解されるべきで、全ての変更改良等が本件発明の範囲に属し、保護されるものと理解されよう。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＤＥ，ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，ＩＴ，ＬＵ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＯＡ(ＢＦ，ＢＪ，ＣＦ，ＣＧ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＭＬ，ＭＲ，ＮＥ，ＳＮ，ＴＤ，ＴＧ)，ＡＰ(ＧＨ，ＫＥ，ＬＳ，ＭＷ，ＳＤ，ＳＺ，ＵＧ，ＺＷ)，ＥＡ(ＡＭ，ＡＺ，ＢＹ，ＫＧ，ＫＺ，ＭＤ，ＲＵ，ＴＪ，ＴＭ)，ＡＬ，ＡＭ，ＡＴ，ＡＵ，ＡＺ，ＢＡ，ＢＢ，ＢＧ，ＢＲ，ＢＹ，ＣＡ，ＣＨ，ＣＮ，ＣＵ，ＣＺ，ＤＥ，ＤＫ，ＥＥ，ＥＳ，ＦＩ，ＧＢ，ＧＥ，ＧＨ，ＨＵ，ＩＤ，ＩＬ，ＩＳ，ＪＰ，ＫＥ，ＫＧ，ＫＰ，ＫＲ，ＫＺ，ＬＣ，ＬＫ，ＬＲ，ＬＳ，ＬＴ，ＬＵ，ＬＶ，ＭＤ，ＭＧ，ＭＫ，ＭＮ，ＭＷ，ＭＸ，ＮＯ，ＮＺ，ＰＬ，ＰＴ，ＲＯ，ＲＵ，ＳＤ，ＳＥ，ＳＧ，ＳＩ，ＳＫ，ＳＬ，ＴＪ，ＴＭ，ＴＲ，ＴＴ，ＵＡ，ＵＧ，ＵＺ，ＶＮ，ＹＵ，ＺＷ (72)発明者ユーリッチ，ジョセフ・エイアメリカ合衆国ペンシルバニア州15101, アリソン・パーク，メノルド・ドライブ 2065 (72)発明者ロックハート，ケイス・エスアメリカ合衆国イリノイ州62439，ローレンスヴィル，ディーアトレイル・ドライブ 1006 (72)発明者ブリーン，バーナード・ピーアメリカ合衆国ペンシルバニア州15211, ピッツバーグ，トリモント・レイン 630 ―ビー (72)発明者ガブリエルソン，ジェームズ・イーアメリカ合衆国ミネソタ州55341，ハノーヴァー，ノース・イースト，リバービュー・ロード 11585

Claims

【特許請求の範囲】１．石炭を燃焼する用役ボイラーの側壁腐食速度を減少する方法であって、該ボイラーが、一対のバーナー壁と、一対の側壁及び床面と、ボイラー内へ微粉状にした石炭とエアとの可燃性混合体を導入するために複数のバーナーを含んでいる少なくとも一つの前記バーナー壁と、を有しており、該方法が；（ａ）前記側壁の少なくとも一つへ複数の側壁スロットを提供し、該側壁スロットを実質的に前記ボイラー床面上方へ位置付けること、（ｂ）該側壁スロットを介してボイラー内へ側壁エアの流れを導入すること、よりなり、前記側壁エアがバーナーからの上向き通風によって上方へ推進されるような位置にてボイラー内へ導入され、こうして側壁を腐食から保護するためのエアから成るカーテンを提供することからなるボイラーの側壁腐食速度減少方法。２．前記側壁スロットが最も下方のボイラーバーナーの位置に実質的に等しい位置にて第１の実質的に水平列を配置されている請求項１に記載のボイラーの側壁腐食速度減少方法。３．更に側壁スロットの第２の実質的に水平な列であって、最も下方のボイラーバーナーの位置の実質的に上方の位置に設けられた第２の側壁スロット列を備えかつ使用している請求項２に記載のボイラーの側壁腐食速度減少方法。４．前記側壁スロットが上方に凸出した弧状に配置され、最も下方のスロットが最も下方のボイラーバーナーの高さに実質的に等しいか又はその上方部分に位置している請求項１に記載のボイラーの側壁腐食速度減少方法。５．更に該最も下方のボイラーバーナーの高さの下方位置に側壁スロットを備えかつ使用している請求項１に記載のボイラーの側壁腐食速度減少方法。６．更にボイラーへ境界エアを導入するため少なくとも一つの境界エアポートを備えかつ使用している請求項１に記載のボイラーの側壁腐食速度減少方法。７．更にボイラーへオーバーファイアを導入するため少なくとも一つのオーバーファイアエアポートを備えかつ使用している請求項１に記載のボイラーの側壁腐食速度減少方法。８．前記オーバーファイアエアポートがボイラー内へ二次エアの約２０％までを導入している請求項７に記載のボイラーの側壁腐食速度減少方法。９．ノックスの放射レベルを減少しつつ石炭を燃焼する用役ボイラーの側壁腐食速度を減少する方法であって、該石炭を燃焼する用役ボイラーが、包囲体を形成するために相互に接続された複数の壁を有し、これらの壁の少なくとも一つがボイラーへ微粉状にした石炭と一次エアとの混合体を導入するための複数のバーナーを含んでおり、該石炭を燃焼する用役ボイラーが更にボイラーへオーバーファイアエアを導入するための少なくとも一つのオーバーファイアエアポートを有しており、該方法が；（ａ）前記壁の少なくとも一つへ複数のカーテンエアポートを提供すること、（ｂ）前記バーナーを介してボイラー内へ微粉状にした石炭と準化学量論上の量の一次エアとの流れを噴射すること、（ｃ）ボイラー内にて微粉状にした石炭と一次エアとの流れを燃焼すること、（ｄ）前記少なくとも一つのオーバーファイアエアポートを介してボイラーへ、該ボイラーへ提供される合計エアの約５％〜約２０％をなすオーバーファイアエアを導入すること、（ｅ）前記カーテンエアポートを介してボイラーへ、該ボイラーへ提供される合計エアの約５％〜約２０％をなすカーテンエアを導入すること、（ｆ）前記オーバーファイアエアポート及びカーテンエアポートを介して、オーバーファイアエアに対するカーテンエアの比率が燃焼ステージングを維持しかつ１０⁶Ｂｔｕ当たり約０．５０ポンド以下のレベルのノックス放射を確立するよう十分小さく、更に前記壁に隣接した雰囲気中の化学量論比率の約１１５％よりも少ない燃料混合比率を維持するように十分大きくなるように、空気の流れをバランスすること、からなるボイラーの側壁腐食速度減少方法。１０．石炭を燃焼する用役ボイラーの側壁腐食速度を減少する方法であって、該ボイラーが、一対のバーナー壁と、一対の側壁及び床面と、ボイラー内へ微粉状にした石炭とエアとの可燃性混合体を導入するために複数のバーナーを含んでいる少なくとも一つの前記バーナー壁と、を有しており、該方法が；（ａ）前記側壁の少なくとも一つへ複数の側壁スロットを提供し、該側壁スロットを最下方のバーナーの下方約１０〜１２フィートと前記ボイラー床面の実質的に上方の高さに位置付けること、（ｂ）該側壁スロットを介してボイラー内へ側壁エアの流れを導入すること、よりなり、前記側壁エアがバーナーからの上向き通風によって上方へ推進されるような位置にてボイラー内へ導入され、こうして側壁を腐食から保護するためのエアのカーテンを提供することからなるボイラーの側壁腐食速度減少方法。