JP2003106796A - 熱交換器の温度制御方法 - Google Patents

熱交換器の温度制御方法

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JP2003106796A
JP2003106796A JP2001301821A JP2001301821A JP2003106796A JP 2003106796 A JP2003106796 A JP 2003106796A JP 2001301821 A JP2001301821 A JP 2001301821A JP 2001301821 A JP2001301821 A JP 2001301821A JP 2003106796 A JP2003106796 A JP 2003106796A
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heat exchanger
temperature
exhaust gas
concentration
combustion exhaust
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Shigeru Kusama
滋 草間
Mikio Kuwabara
幹男 桑原
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 SO3による機器の低温腐食現象を確実に防
止できると共に、プラント効率を向上させることができ
る新規な熱交換器の温度制御方法の提供。 【解決手段】 SO3を含む燃焼排ガスと冷媒とを熱交
換させる熱交換器3の温度制御方法において、上記燃焼
排ガス中に含まれるSO3濃度と水分量から現在の酸露
点を算出し、その酸露点に基づき熱交換器3の低温端温
度の制御設定値を調節する。これによって、SO3によ
る機器の低温腐食を防止できると共に燃焼排ガス中の熱
を効率良く回収できるため、プラント効率を従来よりも
向上することができる。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、火力発電所や焼却
プラントで発生した燃焼排ガスから廃熱を熱回収するた
めの熱交換器の温度制御方法に関するものである。
【0002】
【従来の技術】一般に、火力発電所や焼却プラントには
排煙処理設備が付設され、ボイラーで発生した燃焼排ガ
ス中の有害物質やダストを除去すると共にその廃熱を回
収して効率的なプラント運転を行うようになっている。
【0003】すなわち、ボイラーで発生した高温の燃焼
排ガスは、先ず、脱硝装置で有害な窒素酸化物が除去さ
れた後、熱交換器側に送られ、ここで順次新たにボイラ
ー側に供給される燃焼用空気(冷媒)と熱交換して含ま
れる熱が効果的に熱回収される。次に、この熱交換器を
通過して温度が下がった燃焼排ガスは、電気集塵器(E
P)に送られ、未燃灰等の固形物が除去された後、さら
に脱硫装置に送られ、ここで有害な硫黄酸化物やEPで
除去できなかった固形物が除去されて清浄化されてから
大気中に放出されるようになっている。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】ところで、ボイラー燃
料として硫黄分を多く含む燃料を使用した場合、それに
伴って燃焼排ガス中のSO2やSO3等の硫黄酸化物濃度
が高くなるが、特にそのSO3濃度が10ppmレベル
を超えると、排煙処理設備を構成する各機器に悪影響を
与えることが知られている。
【0005】すなわち、熱交換器による熱回収によって
燃焼排ガス温度が低くなると、熱交換器内あるいはその
下流の機器内で硫酸が凝縮し(酸露点)、この硫酸によ
って機器が腐食してしまうといった低温腐食現象が発生
することがある。
【0006】そのため、従来では、燃焼排ガスに接する
伝熱面温度が酸露点から経験的に決められた制限温度に
達しないように、熱交換器の低温端温度等が管理されて
いるが、この方法では最も厳しい条件を想定して管理温
度が設定されるため、実運用条件によっては燃焼排ガス
の熱回収率が低く、無駄に捨てられてしまう熱が多くな
ってしまい、プラント効率が低くなるといった問題点が
あった。
【0007】一方、この酸露点は、燃焼排ガス中のSO
3濃度と水分量を測定し、図4に示すような一般に大塚
の式等と称される公知の計算式によって算出することが
可能であるため、算出された酸露点に応じて管理温度を
適正値まで下げることでプラント効率を向上させること
が考えられている。
【0008】しかしながら、これらの値は燃料中の硫黄
濃度やボイラ燃焼状態又は経時的な伝熱面の汚れ等によ
って一定でなく常に変化しており、また、従来技術では
特にそのSO3濃度を迅速かつ正確に検出することが困
難であるため、酸露点の把握が難しく、管理温度を的確
に設定・制御することは極めて困難であった。
【0009】そこで、本発明はこのような課題を有効に
解決するために案出されたものであり、その目的はSO
3による機器の低温腐食現象を確実に防止できると共
に、プラント効率を向上させることができる新規な熱交
換器の温度制御方法を提供するものである。
【0010】
【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に本発明は、請求項1に示すように、SO3を含む燃焼
排ガスと冷媒とを熱交換させる熱交換器の温度制御方法
において、上記燃焼排ガス中に含まれるSO3濃度と水
分量から現在の酸露点を算出し、その酸露点に応じて熱
交換器の管理温度を定め、熱交換前の冷媒温度を可変に
調節するようにしたものである。
【0011】これによって機器の低温腐食を防止できる
と共に燃焼排ガス中の熱を効率良く回収できるため、プ
ラント効率を従来よりも向上することができる。
【0012】また、上記燃焼ガス中に含まれるSO3
度は、請求項2に示すように、上記熱交換器の燃焼ガス
入口に設けた、紫外線分光技術を利用したSO3濃度計
によって検出することで迅速かつ正確に検出することが
できる。すなわち、このSO 3濃度計は、本出願人が先
に開発した「煙道中のSO3ガスの濃度算出方法」(特
願平11−374106号)を応用して新たに開発した
SO3濃度計(特願2001−196479号)を用い
ることによって燃焼排ガス中に含まれるSO3濃度を迅
速かつ正確に検出することが可能となる。
【0013】また、上記燃焼ガス中に含まれる水分量
は、請求項3に示すように、予め分析された燃料性状
と、空気中湿分と、空気過剰率とから容易に検出するこ
とができる。
【0014】
【発明の実施の形態】次に、本発明を実施する好適一形
態を添付図面を参照しながら説明する。
【0015】図1は、本発明に係る排煙処理設備の実施
の一形態を示したものである。
【0016】図において1は硫黄分を多く含む燃料を用
いるボイラーであり、このボイラー1で発生したSO3
を含む燃焼排ガスは、脱硝装置2で脱硝処理された後、
熱交換器3で燃焼用空気(冷媒)と熱交換して熱回収さ
れ、その後、電気集塵器4における脱塵,脱硫装置5に
おける脱硫処理を順次経て煙突6から大気放出される。
【0017】また、図示するようにこのボイラー1に送
られる燃焼用空気(冷媒)の上流側には、空気予熱器7
が設けられており、後述する制御装置8からの制御信号
に応じ、ブロアー9で熱交換器3内に送られる燃焼用空
気の温度を可変に調節するようになっている。
【0018】また、上記熱交換器3のガス入口側には、
この熱交換器3に入る燃焼排ガス中のSO3濃度を一定
のタイミングあるいは連続的に検出するSO3濃度計1
0と、その燃焼排ガス中の酸素濃度を計測する酸素濃度
計12と、その熱交換器3を出た直後の燃焼排ガスの温
度を計測する排ガス温度計11とが設けられており、こ
れらの計測値が一定のタイミングで連続的に制御装置8
側に入力されるようになっている。また、さらに、この
空気予熱器7で予熱された燃焼用空気の温度はその下流
側に設けられた冷媒温度計13によって常時計測され、
同じくその計測値が一定のタイミングで連続的に制御装
置8側に入力されるようになっている。
【0019】この制御装置8は、図2に示すように、予
め検出された燃料性状と、空気中湿分と、酸素濃度計1
2で実測された空気過剰率とから燃焼排ガス中の水分量
を求めると共に、この排ガス中水分量とSO3濃度計1
0で計測された燃焼排ガス中のSO3濃度から現在の燃
焼排ガスの酸露点を算出する。この酸露点の大小に応じ
て制御設定温度を調整し、一般には排ガス温度計11と
冷媒温度計13の算術平均温度が前記の制御設定温度と
等しくなるように冷媒温度計13の温度が制御される。
尚、この空気予熱器7の予熱温度制御は、これに供給す
る熱媒、例えば高温のスチーム量や電気ヒータ等の出力
を増減することで迅速に制御することが可能となる。
【0020】このように制御設定温度を酸露点に応じて
適正に調整することで運用条件に応じたきめ細やかな調
整が可能となり、効率的なプラント運転を実現すること
ができる。
【0021】つまり、本発明はプラント稼働中、常に燃
焼排ガス中のSO3濃度と水分量とを監視し、これらの
変動によって常時可変する現在の排ガス酸露点を迅速か
つ正確に算出し、その数値に応じた最適な熱回収が得ら
れるようにフィードバック制御を可能としたものであ
り、これによって機器の低温腐食を確実に防止できるこ
とは勿論、燃焼排ガスの熱が無駄に捨てられてしまうこ
とがなくなるため、優れたプラント効率を達成すること
ができる。
【0022】ここで、本発明に適用するSO3濃度計1
0としては、前述したように本出願人が開発し、既に出
願したもの(特願2001−196479号)をそのま
ま用いることが可能であり、この新たに開発したSO3
濃度計の構成及び作用を簡単に説明する。
【0023】このSO3濃度計10は、同じくこれより
先に本出願人が既に開発し、出願した「煙道中のSO3
ガスの濃度算出方法」(特願平11−374106号)
を応用したものであり、図3に示すように、煙道15内
の燃焼排ガスの一部を吸い込んで導入するカプセル16
と、このカプセル16内のガスを排出して冷却するクー
ラー付きトラップ17と、そのトラップ17の排気側の
圧力を検出する圧力センサー23と、吸光度及び排ガス
圧力からSO3濃度を算出するデータ処理部19等から
主に構成されている。
【0024】そして、熱交換器3入口へ流入する煙道1
5からの燃焼排ガスの一部をガス吸込管20からカプセ
ル16内に導入し、導入されたカプセル16内の燃焼排
ガスに対して光源21から特定波長の紫外線を照射し、
その吸光度を分光器及び光検出器22で検出し、その検
出データをデータ処理部19に入力する。一方、このカ
プセル16内は高温であって現状ではその温度に耐え得
る圧力センサーがないため、一旦このカプセル16内の
ガスをトラップ17内に導入して冷却してからその圧力
を圧力センサー23で検出し、その検出データが同じく
データ処理部19に入力する。このデータ処理部19
は、本出願人が先に開発した「煙道中のSO3ガスの濃
度算出方法」(特願平11−374106号)のアルゴ
リズム、すなわちSO2とSO3の吸光度スペクトルデー
タを基にPLS等による多変量解析により作製されたS
2とSO3検量線を用いてSO3ガス濃度を瞬時に算出
してその数値を現在のSO3濃度データとして直ちに上
記制御装置8に入力するようにしたものである。
【0025】一方、燃焼排ガス中の水分は、前述したよ
うに燃料性状及び空気中湿分,空気過剰率により算出で
きる。例えば、C重油に代表されるような油燃料を使用
した場合、その燃焼排ガス中には体積ベースで10%程
度の水分が含まれているが、このうち約85%は燃料中
の水分及びH分が燃焼したもので占められ、これらは予
め燃料性状を分析しておくことにより既値となる。
【0026】そして、残り15%は空気中湿分によるも
のでボイラー1の運転中の気象条件に左右されるパラメ
ータであるが、これは燃焼用空気の湿分(kg/kg)
を通常の湿分計にて計測することにより容易に算出する
ことができる。また、一般に空気中湿分の影響は大きく
ないのでこれを一定値として取り扱うことも可能であ
る。
【0027】このような燃料性状の分析結果(酸素,水
素,炭素,窒素,硫黄,灰分,残炭分)及び熱交換器3
の入口における酸素濃度系計測値(dry)から公知の
簡単な燃焼計算によって燃焼排ガス中の水分濃度を算出
することができる。尚、こうして求められた燃焼排ガス
中のSO3濃度と水分から排ガスの酸露点を算出する方
法は広く一般に公表されており、前述したように大塚の
式等を使用することで迅速かつ的確に算出することが可
能となる。
【0028】
【発明の効果】以上要するに本発明によれば、排煙処理
設備を流れる燃焼排ガスの酸露点を迅速かつ正確に算出
してその管理温度を適正値に調整することで燃焼排ガス
中のSO3ガスによる各機器の低温腐食現象を確実に防
止することができると共に、燃焼排ガス中の廃熱を効率
的に回収して利用することができるため、プラントの効
率を従来方法よりも向上させることができる等といった
優れた効果を発揮する。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明に係る熱交換器の温度制御方法の実施の
一形態を示す概念図である。
【図2】燃焼排ガス中の酸露点を検出方法を示す説明図
である。
【図3】本発明方法で採用するSO3計を示す構成図で
ある。
【図4】いわゆる大塚の式を利用したSO3濃度と露点
との関係を示すグラフ図である。
【符号の説明】
1 ボイラー 3 熱交換器 7 空気予熱器 8 制御装置 10 SO3計 11 排ガス温度計 12 酸素濃度計 13 冷媒温度計
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 桑原 幹男 東京都江東区豊洲三丁目2番16号 石川島 播磨重工業株式会社東京エンジニアリング センター内 Fターム(参考) 2G059 AA01 BB01 CC06 DD12 EE01 HH03 JJ01 MM02 MM12

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 SO3を含む燃焼排ガスと冷媒とを熱交
    換させる熱交換器の温度制御方法において、上記燃焼排
    ガス中に含まれるSO3濃度と水分量から現在の酸露点
    を算出し、その酸露点に応じて熱交換前の冷媒温度を可
    変に調節するようにしたことを特徴とする熱交換器の温
    度制御方法。
  2. 【請求項2】 上記請求項1に記載の熱交換器の温度制
    御方法において、上記燃焼排ガス中に含まれるSO3
    度は、上記熱交換器の燃焼排ガス入口に設けた、紫外線
    分光技術を利用したSO3濃度計によって一定のタイミ
    ングあるいは連続的に検出するようにしたことを特徴と
    する熱交換器の温度制御方法。
  3. 【請求項3】 上記請求項1又は2に記載の熱交換器の
    温度制御方法において、上記燃焼ガス中に含まれる水分
    濃度は、予め分析された燃料性状と、空気中湿分と、空
    気過剰率とから検出するようにしたことを特徴とする熱
    交換器の温度制御方法。
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