JP2002276903A

JP2002276903A - 排ガス再循環装置および排ガス再循環方法

Info

Publication number: JP2002276903A
Application number: JP2001072530A
Authority: JP
Inventors: Shigeki Morita; 茂樹森田; Fumio Koda; 文夫幸田; Tetsuo Mimura; 哲雄三村; Fumio Fukumoto; 富美男福本; Kazuto Sakai; 和人酒井; Junichiro Matsuda; 順一郎松田
Original assignee: Babcock Hitachi KK
Current assignee: Mitsubishi Power Ltd
Priority date: 2001-03-14
Filing date: 2001-03-14
Publication date: 2002-09-25

Abstract

(57)【要約】【課題】低負荷帯での火炎に影響を与えず、かつ、低
ＮＯ_Ｘの上昇も抑えながら効果的な温度制御を行うこ
とができるボイラの排ガス再循環方法を提供する。【解決手段】火炉１の出口５からの再循環排ガスは、
マルチサイクロン型熱交換機３０で空気と熱交換され、
再循環ファン３１を経て分岐排ガス再循環路１１１，１
１２に分岐され、一方は下段ポート３から、他方はホッ
パ部６から火炉１内に投入される。熱交換された空気
は、分岐空気通路２１１，２１２に分岐され、一方は分
岐排ガス再循環路１１１の排ガスに、他方は分岐排ガス
再循環路１１２の排ガスに混入される。ボイラの低負荷
帯で下段ポート３から投入される排ガス量を多く、空気
量を少なくすることにより、火炎に影響を与えず、か
つ、ＮＯ _Ｘ発生量を増加させずに、効果的に温度制御
を行うことができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、事業用ボイラ等の
比較的大型の蒸気発生装置において、ボイラ出口排ガス
の一部を再びボイラ火炉へ循環させることにより、高速
負荷変化時の再熱蒸気温度を制御する装置および方法に
関し、特に低ＮＯ_Ｘ（窒素酸化物）燃焼を行うのに好
適な排ガス再循環装置および排ガス再循環方法に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】事業用ボイラ等の比較的大型の蒸気発生
装置においては、一般に中圧タービンへの蒸気供給系統
中に再熱器を有しており、特に最低負荷帯から中間負荷
帯における高速負荷変化時の再熱蒸気温度を制御するの
に、いわゆる排ガス再循環方法が活用されることが多
い。

【０００３】従来技術の排ガス再循環方法および当該方
法を実施するに用いられる排ガス再循環装置を図３によ
り説明する。図３は、従来技術の排ガス再循環装置を有
するボイラ系統の一部を示す図である。

【０００４】この図で、１はボイラ火炉、２はバーナ
群、３はアフタエアの下段ポート、４はアフタエアの上
段ポート、５はボイラ出口（例えば、節炭器出口）、６
はホッパ部である。また、１１は排ガス再循環路、３０
はマルチサイクロン型熱交換器、３１は排ガス再循環フ
ァン、３２は排ガス再循環流量制御ダンパである。

【０００５】図３において、ボイラ出口５から排ガスの
一部が取り出され、排ガス再循環路１１を通り、マルチ
サイクロン型熱交換器３０で図示していない燃焼用空気
と熱交換され、排ガス再循環ファン３１で昇圧され、排
ガス再循環流量制御ダンパ３２で流量調節され、ホッパ
部６から炉内へ投入される。

【０００６】また、燃焼用空気は図示していない流路に
よりバーナ群２、アフタエアポート３，４にそれぞれ供
給される。

【０００７】ボイラ出口５からの排ガスは、火炉内温度
に対して低温（例えば、３００℃〜５００℃）であるた
め、排ガス再循環流量制御ダンパ３２で炉内へ投入する
排ガス再循環流量を制御することにより、火炉内の温度
を調節することで火炉水冷壁での輻射による熱吸収量を
調節し、再熱蒸気温度を制御している。

【０００８】また、前記ボイラ出口５からの排ガスは低
酸素であることから、これをホッパ部６から炉内へ投入
して、火炉内においてバーナ群２が配置された領域を還
元領域にすると共に、その火炉内下流側に位置するアフ
タエアポ−ト３，４から燃焼用空気を投入することで、
火炉内に還元領域と酸化領域（完全燃焼領域）を形成し
て、還元領域でＮＯ_Ｘの低減を行うと共に、酸化領域
で未燃分の燃焼を行っている。

【０００９】さらに、前記火炉全体での低ＮＯ_Ｘ燃焼
に加えて、バーナ群２で使用するバーナ側での微粉炭の
低ＮＯ_Ｘ燃焼を行うためには、バーナからの火炎内部
に還元領域を形成してＮＯ_Ｘ低減を行う低ＮＯ_Ｘバ
ーナが使用されている。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】従来技術の排ガス再循
環方法および排ガス再循環装置においては、再熱蒸気温
度を制御するため、ボイラ出口排ガスの一部をボイラ火
炉内のガス流れ方向に対して上流側（主として、ホッパ
部）から投入していた。

【００１１】前記排ガスは、投入される火炉内温度に比
較してかなり低温であり、ホッパ部からの排ガス投入量
を増減させることで火炉の最上流側から、バーナ群位置
を含めた火炉内温度を変化させ、それに伴う火炉水冷壁
の輻射による熱吸収量の調節を行い最熱蒸気温度を制御
していた。

【００１２】しかしながら、微粉炭のように低負荷帯で
の着火の安定性が悪化する燃料を、最低負荷帯において
も専焼として使用する場合には、特に最低負荷帯におい
て、火炉内のバーナ火炎噴流の運動量に対してホッパ部
から投入された再循環排ガスの運動量が相対的に大きく
なることや、前記再循環排ガスは低温かつ低酸素である
ことから、バーナ火炎の過度の冷却や過度の燃焼遅延や
バーナ火炎噴流構造の破壊が生じ、安定燃焼の維持が困
難となり、低ＮＯ_Ｘバーナの機能が低下しＮＯ_Ｘ値
が上昇するという問題が生じていた。

【００１３】前記従来技術に係る排ガス再循環方法およ
び排ガス再循環装置では、特に最低負荷帯において再熱
蒸気温度制御を行う場合にバーナ火炎の安定燃焼を維持
するための配慮がなされていなかった。

【００１４】本発明の目的は、前記従来技術における課
題を解決し、全負荷帯において効果的な再熱蒸気温度制
御が行えると共に、特に低負荷帯においてもバーナ火炎
に悪影響を与えることなく、かつ、高い低ＮＯ_Ｘ燃焼
性能を維持できる排ガス再循環方法および装置を提供す
ることにある。

【００１５】

【課題を解決するための手段】前記の目的を達成するた
め、本発明は、ボイラ排ガス再循環装置については、第
１に、ボイラ出口から排ガスの一部をボイラ火炉へ再循
環させるボイラ排ガス再循環装置において、前記排ガス
を燃焼用空気と熱交換し、ファンで昇圧し、ダンパで流
量調節した後に分岐する排ガス再循環路を設け、一方の
分岐排ガス再循環路をボイラ火炉のホッパ部に導入し、
他方の分岐排ガス再循環路をボイラ火炉のバーナ群の下
流側であって、火炉熱吸収ヒートフラックスが最も高い
部分に導入するという構成にした。

【００１６】また、本発明は、ボイラ排ガス再循環装置
に関して、第２に、各分岐排ガス再循環路の排ガス流量
配分をボイラの負荷に応じて制御するダンパを、少なく
とも分岐排ガス再循環路の一方に設けるという構成にし
た。

【００１７】また、本発明は、ボイラ排ガス再循環装置
に関して、第３に、燃焼用空気をボイラ出口からの排ガ
スと熱交換した後に分岐する燃焼用空気流路を設け、分
岐空気流路を前記各分岐排ガス再循環路にそれぞれ接続
するという構成にした。

【００１８】さらに、本発明は、ボイラ排ガス再循環装
置に関して、第４に、前記各分岐空気流路の燃焼用空気
流量配分をボイラの負荷に応じて制御するダンパを、少
なくとも分岐空気流路の一方に設けるという構成にし
た。

【００１９】一方、前記の目的を達成するため、本発明
は、ボイラ排ガス再循環方法については、ボイラ出口か
ら排ガスの一部をボイラ火炉へ再循環させるボイラ排ガ
ス再循環方法において、前記排ガスを燃焼用空気と熱交
換し、ファンで昇圧し、ダンパで流量調節した後に分岐
させ、一方をボイラ火炉のホッパ部から投入し、他方を
ボイラ火炉のバーナ群の下流側であって火炉熱吸収ヒー
トフラックスが最も高い部分に投入すると共に、前記熱
交換した燃焼用空気を分岐させ、それぞれを前記分岐し
た各排ガスと混入させ、さらに、前記分岐させた排ガス
と該排ガスに混入させる各空気流量をそれぞれボイラの
負荷帯に応じて制御するという構成にした。

【００２０】また、本発明は、ボイラ排ガス再循環方法
に関して、第２に、ボイラの低負荷帯では排ガスの大部
分と燃焼用空気の少量をボイラ火炉のホッパ部から投入
すると共に、排ガスの少量と燃焼用空気の大部分をボイ
ラ火炉のバーナ群の下流側であって火炉熱吸収ヒートフ
ラックスが最も高い部分に投入し、ボイラの高負荷帯で
は排ガスの少量と燃焼用空気の大部分を前記ホッパ部か
ら投入すると共に、排ガスの大部分と燃焼用空気の少量
を前記火炉熱吸収ヒートフラックスが最も高い部分に投
入するという構成にした。

【００２１】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施形態を図１に
基づいて説明する。図１は本発明の実施形態例に係る排
ガス再循環装置を有する蒸気発生装置の要一部を示す図
であって、前出の図３に示した部分と同一または等価な
部分には同一符号が表示されている。

【００２２】１はボイラ火炉、２はバーナ群、３，４は
アフタエアの下段、上段ポ−ト、５はボイラ出口（例え
ば、節炭器出口）、６はホッパ部である。

【００２３】また、１１は排ガス再循環路、３０はマル
チサイクロン型熱交換器、３１は排ガス再循環ファン、
３２は排ガス再循環流量制御ダンパ、１１１，１１２は
排ガス再循環路１１から分岐した分岐排ガス再循環路、
２１１，２１２は空気流路２１から分岐した分岐空気流
路、３３は分岐排ガス再循環路１１２に介在する排ガス
分配流量制御ダンパ、３４は分岐空気流路２１２に介在
する空気分配流量制御ダンパである。

【００２４】また、前記分岐排ガス再循環路１１１と前
記分岐空気流路２１１とは、合流後に下段ポ−ト３に接
続されており、同様に、分岐排ガス再循環路１１２と分
岐空気流路２１２とは、合流後にホッパ部６に接続され
ている。

【００２５】前記構成において、ボイラ排ガスは運転時
の温度が３００℃〜５００℃となる部位（例えば、節炭
器出口）から、その一部が排ガス再循環路１１に取り出
される。

【００２６】取り出された排ガスはマルチサイクロン型
熱交換器３０において、空気流路２１からの燃焼用空気
と熱交換されて温度が低下する。

【００２７】この温度が低下した状態で再循環ファン３
１で昇圧され、排ガス再循環流量制御ダンパ３２によっ
て再循環流量が調節される。

【００２８】一方、空気流路２１からの燃焼用空気はマ
ルチサイクロン型熱交換器３０で排ガスと熱交換されて
温度が上昇する。

【００２９】前記流量調節された排ガスは分岐排ガス再
循環路１１１側と１１２側に分岐され、排ガス再循環路
１１１側の排ガスは分岐空気流路２１１から混入した空
気と共に下段ポ−ト３から火炉１内に投入され、分岐排
ガス再循環路１１２側の排ガスは分岐空気流路２１２か
ら混入した空気と共にホッパ部６から火炉１内に投入さ
れる。

【００３０】これらの分岐排ガス再循環路１１１，１１
２の流量配分および分岐空気流路２１１，２１２の流量
配分、すなわち下段ポ−ト３およびホッパ部６から火炉
１内に投入する排ガスと空気のそれぞれの流量は、ボイ
ラ負荷に応じて、排ガス分配流量制御ダンパ３３および
空気分配流量制御ダンパ３４により制御される。

【００３１】また、排ガスと空気の温度もボイラ負荷に
応じて、マルチサイクロン型熱交換器３０により制御さ
れる。

【００３２】次に、ボイラ負荷が最低負荷帯と高負荷帯
での排ガス流量と空気流量の制御を図１と図２を参照し
て説明する。

【００３３】図２は、従来技術における火炉１の内部の
高さ方向の運転時における各状態因子の平均的な分布状
態を示す図であり、図２（ａ）は火炉熱吸収ヒートフラ
ックス、図２（ｂ）は酸素分圧、図２（ｃ）は累積空気
比の分布状態を示している。

【００３４】図２の縦軸は火炉１の高さ、横軸は各状態
量の大きさであり、図２の左端には縦軸の位置と対照さ
せて火炉１が描かれている。

【００３５】図１においてボイラの最低負荷帯において
は、排ガス分配流量制御ダンパ３３を絞ることにより、
再循環排ガスの大部分を排ガス再循環路１１１を通じて
下段エアポート３から火炉１内に投入し、少量を排ガス
再循環路１１２を通じてホッパ部６から火炉１内に投入
する。

【００３６】また、前記の操作に加えて、空気分配流量
制御ダンパ３４を開くことにより、空気流路２１を流れ
る空気の大部分を空気流路２１２を通じてホッパ部６か
ら火炉１内に投入し、少量を空気流路２１１を通じて下
段エアポート３から火炉１内に投入する。

【００３７】次に、図１においてボイラの高負荷帯にお
いては、排ガス分配流量制御ダンパ３３を開くことによ
り、再循環排ガスの大部分を排ガス再循環路１１２を通
じてホッパ部６から火炉１内に投入し、少量を排ガス再
循環路１１１を通じて下段エアポ−ト３から火炉１内に
投入する。

【００３８】また、前記の操作に加えて、空気分配流量
制御ダンパ３４を絞ることにより、空気流路２１を流れ
る空気の大部分を空気流路２１１を通じて下段エアポ−
ト３から火炉１内に投入し、少量を空気流路２１２を通
じてホッパ部６から火炉１内に投入する。

【００３９】このうち、ボイラの最低負荷帯において、
下段エアポ−ト３から主として排ガスからなる流体を火
炉１内に投入することによる作用効果としては次の通り
である。

【００４０】（１）図２（ａ）に示すように、火炉熱吸
収ヒートフラックスは下段エアポート近傍で最大となっ
ており、またこの部分での火炉内燃焼ガス温度も高いの
で、この部分に低温の排ガスを多量に投入することで、
火炉内燃焼ガス温度の最大値を低下させることができ、
それに伴って輻射による火炉熱吸収を効果的に減少させ
ることができるので、再熱蒸気温度を効果的に制御する
ことができる。

【００４１】（２）下段エアポート３はバーナ群２の下
流側にあるので、低負荷帯でのバーナ火炎に比較して運
動量が大きい、低温で低酸素の多量の排ガスを投入して
も、バーナ火炎に対して過度の冷却や過度の燃焼遅延や
火炎噴流構造の破壊などの悪影響を与えることがない。

【００４２】（３）最低負荷帯においては、バーナ火炎
噴流の運動量が小さいので、ＮＯ_Ｘの還元反応に必要な
滞留時間がバーナ群２の燃料領域内で充分に確保されて
おり、下段エアポ−ト３から運動量が大きい多量の排ガ
スを投入することで、燃焼ガスがバーナ群２の下流側の
領域に滞留する時間を短縮することができ、むしろ効果
的である。

【００４３】また、ボイラの最低負荷帯において、ホッ
パ部６から主として空気からなる流体を火炉１内に投入
することによる作用効果としては次の通りである。

【００４４】（１）図２（ｂ）および図２（ｃ）に示す
ように、Ｏ_２分圧および累積空気比はホッパ部６から
バーナ群２の間で最低で、この部分が火炉内においてデ
ッドゾーンを形成することになり、また、最低負荷帯に
おいては、バーナ火炎噴流の運動量が小さいことから、
バーナ群２のうち特に下段側のバーナ火炎に対して、ホ
ッパ側へ巻き込む方向のガス流れが発生し、安定燃焼の
維持が困難となる。従って、この部分に主として空気か
らなる流体を投入することで、火炉内のデッドゾーンを
無くし、火炉内中央部にガス流れの上昇流を形成できる
と共に、酸素濃度の低下を防止できるので、バーナ火炎
に対して過度の冷却や過度の燃焼遅延やバーナ火炎構造
の破壊などの悪影響を抑制することができる。

【００４５】（２）ボイラの最低負荷帯においては、休
止しているバーナからの燃焼用空気がリークエアとなっ
て火炉内へ流れ込んでいるので、このリークエアは、隣
接するバーナ火炎の最外周部にあって、バーナ火炎間に
充填することで互いの干渉を防止しており、むしろ外乱
を抑制する効果がある。この場合にホッパ部に主として
空気からなる流体を投入することで、特に火炎構造にお
いて旋回流を利用する低ＮＯ_Ｘバーナを使用する場合
には、火炉内中央部にガス流れの上昇流を形成でき、燃
焼ガスの過剰な滞留を防止できるのでＮＯ_Ｘ低減に効
果がある。

【００４６】次に、ボイラの高負荷帯において、下段エ
アポ−ト３から主として空気からなる流体を火炉１内に
投入することによる作用効果としては次の通りである。

【００４７】（１）この場合には、特に、バーナ群２で
の燃焼条件において、空気比を充分に下げた還元領域を
形成しておくことで、ＮＯ_Ｘの還元反応が充分に進行
する。従って、下段エアポ−ト３から主として空気から
なる流体を投入することを組み合わせて運用すれば、還
元領域で生成した未燃分を酸化領域で完全に燃焼するこ
とができるので、火炉全体としての低ＮＯ_Ｘ燃焼が行
える。

【００４８】また、ボイラの高負荷帯において、ホッパ
部６から主として排ガスからなる流体を火炉１内に投入
することによる作用効果としては次の通りである。

【００４９】（１）ボイラの高負荷帯においては、火炉
内のバーナ火炎噴流の運動量に対してホッパ部から投入
された排ガスの運動量は相対的に小さいため、バーナ火
炎噴流に対する阻害要因とはならない。

【００５０】（２）その他の効果は従来の通りである。

【００５１】尚、前記の実施形態では、マルチサイクロ
ン型熱交換器を使用する例について説明したが、マルチ
サイクロンと熱交換器とを直列に配置してもよい。

【００５２】

【発明の効果】本発明によれば、最循環排ガスと燃焼用
空気をそれぞれ熱交換した後に分岐させ、ボイラの負荷
に応じて、投入位置、配分量の組合せを変えたので、特
に最低負荷帯においてもバーナ火炎噴流構造を阻害する
ことなく再熱蒸気温度の制御を行え、しかも安定した低
ＮＯ_Ｘ燃焼を行うことができる。

【００５３】また、本発明によれば、従来技術での火炉
内に投入する排ガス温度と比較して、低い温度の排ガス
を投入することができるので、再循環ファン入口ガス温
度の低下に伴い、ファンを構成する材料に耐熱材を使用
する必要がなくなり、コスト低減が可能である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例の排ガス再循環装置を示す図
である。

【図２】本発明の特徴を説明するための火炉１内部の高
さ方向の運転時における従来技術における各状態因子の
平均的な分布状態を示す図であり、図２（ａ）は火炉熱
吸収ヒートフラックス、図２（ｂ）は酸素分布、図２
（ｃ）は累積空気比の分布状態を示す。

【図３】従来の排ガス再循環装置を示す図である。

【符号の説明】

１ボイラ火炉２バーナ群３アフタエアの下段ポ−ト４アフタエアの上段ポ−ト５ボイラ出口６ホッパ部１１排ガス再循環路３０マルチサイクロン型熱交換器３１排ガス再循環ファン３２排ガス再循環流量制御ダンパ１１１，１１２分岐排ガス再循環路２１１，２１２分岐空気流路３３排ガス分配流量制御ダンパ３４空気分配流量制御ダンパ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者三村哲雄広島県呉市宝町６番９号バブコック日立株式会社呉工場内 (72)発明者福本富美男広島県呉市宝町６番９号バブコック日立株式会社呉工場内 (72)発明者酒井和人広島県呉市宝町６番９号バブコック日立株式会社呉工場内 (72)発明者松田順一郎広島県呉市宝町６番９号バブコック日立株式会社呉工場内Ｆターム(参考） 3K065 TA01 TC01 TL02 TL06 TM03 TN01 3L021 CA06 DA27 FA14 FA15 FA16

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】ボイラ出口から排ガスの一部をボイラ火
炉へ再循環させるボイラ排ガス再循環装置において、前
記排ガスを燃焼用空気と熱交換し、ファンで昇圧し、ダ
ンパで流量調節した後に分岐する排ガス再循環路を設
け、一方の分岐排ガス再循環路をボイラ火炉のホッパ部
に導入し、他方の分岐排ガス再循環路をボイラ火炉のバ
ーナ群の下流側であって、火炉熱吸収ヒートフラックス
が最も高い部分に導入することを特徴とするボイラ排ガ
ス再循環装置。
【請求項２】各分岐排ガス再循環路の排ガス流量配分
をボイラの負荷に応じて制御するダンパを、少なくとも
分岐排ガス再循環路の一方に設けたことを特徴とする請
求項１に記載のボイラ排ガス再循環装置。
【請求項３】燃焼用空気をボイラ出口からの排ガスと
熱交換した後に分岐する燃焼用空気流路を設け、分岐空
気流路を前記各分岐排ガス再循環路にそれぞれ接続した
ことを特徴とする請求項１または２のいずれかに記載の
ボイラ排ガス再循環装置。
【請求項４】前記各分岐空気流路の燃焼用空気流量配
分をボイラの負荷に応じて制御するダンパを、少なくと
も分岐空気流路の一方に設けたことを特徴とする請求項
１ないし３のいずれかに記載のボイラ排ガス再循環装
置。
【請求項５】ボイラ出口から排ガスの一部をボイラ火
炉へ再循環させるボイラ排ガス再循環方法において、前
記排ガスを燃焼用空気と熱交換し、ファンで昇圧し、ダ
ンパで流量調節した後に分岐させ、一方をボイラ火炉の
ホッパ部から投入し、他方をボイラ火炉のバーナ群の下
流側であって火炉熱吸収ヒートフラックスが最も高い部
分に投入すると共に、前記熱交換した燃焼用空気を分岐
させ、それぞれを前記分岐した各排ガスと混入させ、さ
らに、前記分岐させた排ガスと該排ガスに混入させる各
空気流量をそれぞれボイラの負荷帯に応じて制御するこ
とを特徴とするボイラ排ガス再循環方法。
【請求項６】ボイラの低負荷帯では排ガスの大部分と
燃焼用空気の少量をボイラ火炉のホッパ部から投入する
と共に、排ガスの少量と燃焼用空気の大部分をボイラ火
炉のバーナ群の下流側であって火炉熱吸収ヒートフラッ
クスが最も高い部分に投入し、ボイラの高負荷帯では排
ガスの少量と燃焼用空気の大部分を前記ホッパ部から投
入すると共に、排ガスの大部分と燃焼用空気の少量を前
記火炉熱吸収ヒートフラックスが最も高い部分に投入す
ることを特徴とする請求項５に記載のボイラ排ガス再循
環方法。