JP2005147647A

JP2005147647A - 排ガスボイラ

Info

Publication number: JP2005147647A
Application number: JP2004034779A
Authority: JP
Inventors: Akinori Kawakami; 昭典川上; Kazuhiro Futagami; 一浩二神
Original assignee: Miura Co Ltd
Current assignee: Miura Co Ltd
Priority date: 2003-10-20
Filing date: 2004-02-12
Publication date: 2005-06-09

Abstract

【課題】ガスタービン，ガスエンジンなどの排ガス発生源からの排ガスの流量に拘わらず、所定量の蒸発量を得ることができ、コジェネレーションシステム全体での総合効率を向上させることができる排ガスボイラを提供することである。
【解決手段】小型貫流ボイラまたは簡易貫流ボイラの缶体１１と、この缶体１１に設けられ、排ガスを用いて燃料を燃焼させるバーナ２８と、このバーナ２８への空気供給手段３０とを備えた排ガスボイラ２である。
【選択図】図１

Description

この発明は、ガスタービン，ガスエンジン，ディーゼルエンジンなどの排ガス発生源からの排ガスから熱回収を行い、コジェネレーションシステムを構成するための排ガスボイラに関する。

近年、発電量が３００kW未満のガスタービン発電装置，所謂マイクロガスタービン発電装置が比較的小さい規模の店舗や工場，集合住宅向けの発電装置として注目を浴びている。その理由としては、まずこのマイクロガスタービン発電装置が、大量生産によってイニシャルコストが低いからである。つぎに、発電効率が２５〜２８％と高く、しかもタービン主任技術者が不要なため、メンテナンスコストが低く、イニシャルコストを含めたトータルコストが低いからである。そして、前記マイクロガスタービン発電装置は、排ガスボイラと組み合せてコジェネレーションシステムとして構成し、発電機駆動用の原動機であるガスタービンの排ガスから熱回収を行うことにより、総合的な熱効率の向上が図られているからである（たとえば、特許文献１参照）。

ところで、前記コジェネレーションシステムにおいて、前記マイクロガスタービン発電装置は、トータルコストの低い装置が追求され、実用化されているのに対し、前記排ガスボイラは、前記コジェネレーションシステム専用に設計され、製造されているので、イニシャルコストの低減が難しい。また、前記排ガスボイラは、大きさの割には蒸発量および熱効率(ボイラ効率)が低く、メンテナンスコストが高くなっている。そのため、前記コジェネレーションシステムは、トータルコストが高くなり、地球環境保全のために積極的に実用化し、普及させるべき前記コジェネレーションシステムの普及を阻害する一因となっていた。

また、前記排ガスボイラの蒸発量は、前記ガスタービンからの排ガスの流量によって決まるため、前記発電装置の運転状況によっては、必要な蒸気量を得ることができないと云う問題があった。この理由は、前記ガスタービンは、前記発電装置の発電量が多いときには、排ガスの流量が多くなり、逆に発電量が少ないときには、排ガスの流量が少なくなるため、前記排ガスボイラにおける蒸発量が前記発電装置の運転状況に応じて変動するからである。

そこで、前記排ガスボイラに導入する排ガスを用いて燃料を燃焼させる，所謂追焚きが行われ、前記排ガスボイラでの蒸発量を増加させているが、この場合でも必要な蒸気量を得ることができないことがある。この理由は、前記追焚き時の燃料供給量の上限は、前記ガスタービンからの排ガスの流量および酸素濃度によって決まるため、前記発電装置の発電量が少ないとき，すなわち排ガスの流量が少ないときには、前記追焚き時の燃料供給量を多くできないからである。また、前記ガスタービンからの排ガスの流量は、前記発電装置が最大発電量で運転しているときが最大であるため、このときの排ガスの流量および酸素濃度によって、前記追焚き時の最大燃焼量が決まるからである。

特開２００２−４９４５号公報

この発明が解決しようとする課題は、ガスタービン，ガスエンジンなどの排ガス発生源からの排ガスの流量に拘わらず、所定量の蒸発量を得ることができ、コジェネレーション
システム全体での総合効率を向上させることができる排ガスボイラを提供することである。

請求項１に記載の発明は、小型貫流ボイラまたは簡易貫流ボイラの缶体と、この缶体に設けられ、排ガスを用いて燃料を燃焼させるバーナと、このバーナへの空気供給手段とを備えたことを特徴としている。

この発明によれば、前記バーナに空気を供給する構成とすることにより、この空気を供給する分、前記バーナへの燃料供給量を増加させることができるので、排ガスボイラへの排ガスの流量に拘わらず、所望の蒸発量を得ることができる。そのため、ガスタービン，ガスエンジン，ディーゼルエンジン，燃料電池などの発電装置と組み合せてコジェネレーションシステムを構成すると、前記発電装置の発電量に拘わらず、前記追焚きバーナへの燃料供給量を増加させることができるので、コジェネレーションシステムの総合効率を向上させることができる。

つぎに、この発明の実施の形態について説明する。この発明は、ガスタービン，ガスエンジン，ディーゼルエンジン，燃料電池などの排ガス発生源の排ガスから熱回収を行う排ガスボイラにおいて好適に実施することができる。前記ガスタービン，前記ガスエンジン，前記ディーゼルエンジンは、それらによって主に発電機を駆動する原動機である。また、前記燃料電池は、それ自体が電力を供給する装置である。したがって、この発明は、発電装置と組み合せ、コジェネレーションシステムを構築するための排ガスボイラにおいて好適に実施することができる。

前記発電装置は、好ましくはガスタービンを原動機として用いたガスタービン発電装置とし、より好ましくはマイクロガスタービン発電装置とする。前記ガスタービンは、羽根車を高温，高圧の燃焼ガス流で回転させ、発電機を駆動するタービンと、燃焼器と、前記タービンの軸に連結され、前記燃焼器への空気を圧縮する圧縮機とを備えている。そして、前記圧縮機により前記燃焼器へ大量の空気（酸素）を吹き込んで激しく燃焼させ、その結果生ずる高温，高圧の燃焼ガスで前記羽根車を回転させて、前記発電機を駆動する。この明細書においては、前記マイクロガスタービン発電装置とは、電気事業法施行規則に規定され、発電量が３００kW未満で、タービン主任技術者の選任が不要であるガスタービン発電装置を云う。

前記排ガスボイラは、前記排ガス発生源からの排ガスが保有する熱（排熱）を利用して蒸気を発生させ、その発生蒸気を蒸気使用設備に供給する装置である。前記排ガスボイラは、缶体と、バーナと、空気供給手段とを備えている。前記缶体としては、小型貫流ボイラまたは簡易貫流ボイラの缶体を用いる。

前記小型貫流ボイラは、労働安全衛生法施行令第１条第４号のホに規定されるように、ゲージ圧力１MPa以下で使用する伝熱面積１０ｍ²以下の蒸気ボイラで、保有水量が比較的少なく、運転やメンテナンスを行うに際しては、取扱者は、小型ボイラ取扱業務特別教育を受講すればよく、ボイラ技士の資格が不要である。したがって、メンテナンスコストが低い排ガスボイラを構成することができる。そして、大量生産される小型貫流ボイラ（以下、「標準小型貫流ボイラ」と云う）は、大型の炉筒ボイラなどと対抗するため、ボイラ効率の向上および装置の小型化，低コスト化に取り組み、これを実現したことは、周知のとおりである。

また、前記排ガスボイラの缶体は、上部ヘッダおよび下部ヘッダ間に多数の水管を設けた構成であり、前記標準小型貫流ボイラの缶体と、少なくとも前記両ヘッダおよび前記各水管の配列構成を共通化している。これにより、コジェネレーションシステム専用の排ガスボイラを新規に設計する場合と比較して、この発明の実施の形態の排ガスボイラの設計および製造コストを大幅に低減している。ここにおいて、前記各水管の配列構成を共通化するとは、前記各水管の配列ピッチを変えずに、前記各水管の長さを変える場合も含む。また、実施に応じて、この実施の形態の前記排ガスボイラの缶体の構成の全てにおいて、前記標準小型貫流ボイラの缶体と共通化することができる。

ちなみに、出願人は、前記標準小型貫流ボイラとして、蒸発量が０．５ｔ／ｈ，０．７５ｔ／ｈ，１ｔ／ｈ，１．５ｔ／ｈ，２ｔ／ｈの小型貫流ボイラを製造販売している。よって、この発明の前記排ガスボイラの缶体は、前記排ガス発生源からの排ガスの酸素濃度および流量と前記蒸気使用設備の使用蒸気量（要求蒸気量）に応じて、これらの標準小型貫流ボイラの缶体から選択して用いることができる。

また、前記排ガスボイラの缶体としては、所謂オメガ（ω）フロータイプや所謂全周吹出しタイプの標準小型貫流ボイラの缶体を使用することができる。また、前記排ガスボイラの缶体として用いる前記標準小型貫流ボイラの缶体としては、特許第２９３３０５５号公報や特許第２９４３４１７号公報に示されるような所謂角型缶体を使用することができる。前記標準小型貫流ボイラにおいては、ボイラ効率の向上が前記のように追求されており、前記オメガフロータイプの缶体や前記角型缶体を採用した前記標準小型貫流ボイラでは、９０％以上のボイラ効率が達成されている。また、前記全周吹出しタイプの缶体を採用した前記標準小型貫流ボイラにおいても同様のボイラ効率が達成されている。

ところで、前記排ガスボイラを前記排ガス発生源に接続する場合、前記排ガス発生源の排ガス排出側における許容圧力損失に応じて、前記排ガスボイラでの圧力損失を低減する必要がある。すなわち、前記排ガス発生源の排ガス排出側での圧力損失が高く、前記排ガス発生源からの排ガスの排出が妨げられると、排ガス発生源の運転が妨げられるからである。たとえば、前記排ガスボイラを前記マイクロガスタービン発電装置と組み合せてコジェネレーションシステムを構成する場合、前記ガスタービンの排ガス排出側における許容圧力損失が高くなく（１００〜２００mmAq）、前記排ガスボイラにおける圧力損失が前記許容圧力損失を超えると、前記ガスタービンの出力が低下し、それにともなって部分負荷となるために発電効率が低下し、軸受などを損傷する場合もある。そのため、前記コジェネレーションシステムを構成する上においても、前記排ガスボイラにおける圧力損失の低減が重要である。

この実施の形態においては、前記排ガス発生源として前記マイクロガスタービン発電装置のガスタービンを用いる場合、前記排ガスボイラの各水管の長さを前記標準小型貫流ボイラの各水管より長くして圧力損失を低減する一方、前記各水管に設けるフィンの配列ピッチを前記標準小型貫流ボイラにおけるフィンの配列ピッチよりも小さくして、熱流束を増加させるなどの工夫をして、フィンを設けた部分における燃焼ガスの流速を２０ｍ／ｓ程度に設定することで、前記小型貫流ボイラをコジェネレーションシステムに適したボイラとして構成することが好ましい。また、前記全周吹出しタイプの標準小型貫流ボイラは、圧力損失が少ないため、この発明の排ガスボイラとして好適である。

前記バーナは、前記缶体に設けられている。前記バーナは、前記排ガス発生源からの排ガスを用いてガス燃料などの燃料を燃焼させ、前記各水管を加熱する所謂追焚きバーナである。ここにおいて、「排ガスを用いて燃料を燃焼させる」とは、「排ガス中に残存する酸素を利用して燃料を燃焼させる。」と云う意味である。

また、前記追焚きバーナは、前記排ガス発生源からの排ガスを用いて燃料を燃焼させるが、前記空気供給手段からの空気（「新鮮空気」とも云う）も用いるように構成されている。前記空気供給手段は、前記追焚きバーナの上流側に設けられる押込型送風機または前記排ガスボイラの排ガス出口側に設けられる吸引型送風機とすることができる。したがって、前記追焚きバーナは、排ガスや空気を用いて燃料を燃焼させる構成であり、また排ガスと空気とでは、酸素濃度，温度，流量が異なるため、これに合わせた構造のバーナとし、前記標準小型貫流ボイラに用いるバーナ(以下、「標準バーナ」と云う）と構造を異ならせることが好ましい。

具体的には、前記排ガス発生源を前記マイクロガスタービン発電装置のガスタービンとした場合、排ガス温度が約３００℃であるので、空気の温度（大気温度）と比較して高温である。また、前記標準小型貫流ボイラにおける前記標準バーナへの空気の供給量よりも多量の排ガスが供給される。その結果、ガス流速が速くなり、これにともなって燃焼速度が速くなるので、こうした条件下でも良好な燃焼が行えるように前記追焚きバーナを構成することが望ましい。ここにおいて、前記追焚きバーナの構成は、前記追焚きバーナそのものの構造を前記標準バーナと異ならせるだけではなく、前記追焚きバーナへ排ガスを導くウインドボックスの変更を含んでいる。もちろん、排ガスの供給量によっては、実施に応じて、前記追焚きバーナとして、前記標準バーナをそのまま用いることができる。

以上の実施の形態においては、前記排ガスボイラの缶体として前記小型貫流ボイラの缶体を用いているが、前記排ガス発生源からの排ガスの流量が少ない場合には、前記小型貫流ボイラの缶体の代わりに簡易貫流ボイラの缶体を用いることができる。前記簡易貫流ボイラは、労働安全衛生法施行令第１条第３号のホに規定されるゲージ圧力１MPa以下で使用する、伝熱面積５ｍ²以下の蒸気ボイラで、小型貫流ボイラと同様保有水量が比較的少なく、運転やメンテナンスを行うにはボイラ技士の資格が不要であり、しかも小型ボイラ取扱業務特別教育も不要である。前記排ガスボイラの缶体として前記簡易貫流ボイラを用いる場合も、前記小型貫流ボイラを用いる場合と同様に、少なくとも大量生産される簡易貫流ボイラ（以下、「標準簡易貫流ボイラ」と云う）の缶体と前記両ヘッダおよび前記各水管の配列を共通化する。しかしながら、実施に応じて、前記排ガスボイラの缶体は、標準簡易貫流ボイラの缶体とその構成を全て共通化することができる。

さらに、前記の実施の形態においては、排ガスボイラを蒸気ボイラとしているが、温水ボイラとすることができる。

以上の構成により、前記空気供給手段から前記追焚きバーナに空気を供給し、この空気の供給量と排ガスの流量とに応じた燃料を前記追焚きバーナに供給することにより、前記追焚きバーナを所定の燃焼量とすることができる。したがって、前記排ガス発生源からの排ガスの流量に変動があっても、前記排ガスボイラにおいて、所定の蒸発量を得ることができる。また、前記排ガスボイラに前記空気供給手段を設けることにより、前記空気供給手段からの空気の供給量に応じて、前記追焚きバーナへの燃料供給量を増加させることができるので、前記排ガスボイラの蒸発量を増加させることができる。

しかも、前記排ガス発生源の運転を停止している場合であっても、前記空気供給手段から前記追焚きバーナに空気を供給するとともに、この空気の供給量に応じた所定量の燃料を供給することにより、前記排ガスボイラを通常のボイラとして単独運転することができる。そのため、前記排ガスボイラにおいては、前記排ガス発生源の運転を停止している場合であっても、所定の蒸発量を得ることができる。

また、前記排ガスボイラの缶体として、小型貫流ボイラまたは簡易貫流ボイラの缶体を用い、また前記排ガスボイラの缶体を前記標準小型貫流ボイラまたは簡易貫流ボイラの缶
体と共通化するか、これと多くの構成を共通化した缶体としている。その結果、イニシャルコストおよびメンテナンスコストの低い，すなわちトータルコストの低い排ガスボイラを得ることができる。よって、前記排ガスボイラと前記マイクロガスタービン発電装置とを組み合せることにより、トータルコストの低いコジェネレーションシステムを構成することができる。

したがって、この発明によれば、前記マイクロガスタービン発電装置などの発電装置と組み合せてコジェネレーションシステムを構成する場合、容易に蒸発量を増大させることができ、かつ前記コジェネレーションシステムの総合効率を向上させることができる。たとえば、前記マイクロガスタービン発電装置と組み合せた場合のコジェネレーションシステムの総合効率を８０％以上とすることができる。その結果、コジェネレーションシステムの普及を促進し、もって地球環境の保全に貢献することができるなど、産業的価値は多大である。

以上の説明では、前記排ガス発生源に１台の排ガスボイラを接続した実施の形態について説明したが、この発明の実施の形態においては、前記排ガス発生源に複数台の前記排ガスボイラを互いに並列に接続し、前記排ガス発生源からの排ガスを前記各排ガスボイラヘ並列に流通させるように構成することもできる。この場合は、前記各排ガスボイラによる圧力損失を前記排ガスボイラを１台接続した場合の[１／接続台数]²とすることができる。しかも、前記全排ガスボイラによる総圧力損失を同じとすると、前記各排ガスボイラによる総蒸発量（並列接続された前記排ガスボイラの蒸発量の合計）を増大させることができる。

この場合において、前記排ガスボイラとして、前記標準小型貫流ボイラを用いる場合、前記排ガス発生源からの排ガス中の酸素濃度および排ガスの流量と前記蒸気使用設備の使用蒸気量（要求蒸気量）に応じて、これらの標準小型貫流ボイラから同種で、かつ同容量または異なる容量の排ガスボイラを複数台選択して構成することができる。

また、前記各排ガスボイラへ排ガスを並列に流通させているので、前記各追焚きバーナにおける排ガスの流速が、前記排ガスボイラを１台接続した場合の[１／接続台数]となるため、前記標準バーナと共通の構成とすることができる。もちろん、前記のように、前記排ガス発生源からの排ガス中の酸素濃度，排ガスの温度，流量に合わせた構造として、前記標準バーナと構成を異ならせることもできる。

前記のように、同種の缶体を用いた排ガスボイラを並列接続して前記排ガス発生源からの排ガスを並列に流すことにより、前記排ガス発生源から見た排ガス排出側の総圧力損失は、1台の排ガスボイラを接続した場合の[１／接続台数]²となる。その結果、複数台の小型貫流ボイラの追焚き運転により、前記排ガス発生源の許容圧力損失の範囲内で多量の蒸気を発生でき、使用蒸気量の多い蒸気使用設備にも対応することができる。

前記排ガスボイラを複数台接続した実施の形態においては、排ガスボイラの缶体として前記小型貫流ボイラの缶体を用いているが、前記排ガス発生源からの最大排ガス量が、少ない場合には、前記小型貫流ボイラの缶体の代わりに前記簡易ボイラの缶体を用いることができる。また、実施に応じて、前記小型貫流ボイラと前記簡易貫流ボイラとを組み合せて用いることもできる。また、実施に応じて、前記排ガス発生源に接続される複数台の前記排ガスボイラは、蒸気ボイラと温水ボイラとを組み合せることもできる。

また、前記各排ガスボイラのうち、前記追焚きバーナは、すべての排ガスボイラに設けることもできるし、また一部の排ガスボイラのみに設けることもできる。また、前記空気供給手段は、前記追焚きバーナを設けた各排ガスボイラのうち、すべての排ガスボイラに
設けることもできるし、また一部の排ガスボイラにのみ設けることもできる。

以下、この発明の具体的実施例を図面に基いて詳細に説明する。図１は、この発明の排ガスボイラの第一実施例および第一実施例の排ガスボイラを組み込んだコジェネレーションシステムの第一構成例の説明図であり、図２は、図１に示す排ガスボイラの要部の縦断面の説明図であり、図３は、図２のIII−III線に沿う横断面の説明図であり、図４は、図１に示す排ガスボイラのバーナユニット部分の縦断面の説明図であり、図５は、前記第一構成例の追焚き燃焼量を変化させた場合の総合効率の変化を示す説明図である。ここにおいて、図４は、図２および図３と縮尺率を異ならせている。

図１において、コジェネレーションシステムは、マイクロガスタービン発電装置１と、排ガスボイラ２と、給水予熱器３とから構成されている。前記マイクロガスタービン発電装置１は、ガスタービン４を原動機として用いて発電機５を駆動する発電装置である。前記ガスタービン４と前記排ガスボイラ２とは、前記ガスタービン４からの排ガスを前記排ガスボイラ２へ導く第一排ガス通路６によって接続されている。また、前記排ガスボイラ２と前記給水予熱器３とは、前記排ガスボイラ２からの排ガスを前記給水予熱器３へ導く第二排ガス通路７によって接続されている。さらに、前記排ガスボイラ２には、ガス燃料供給路８，生成された蒸気を蒸気使用設備（図示省略）に供給する蒸気供給路９がそれぞれ接続されており、前記給水予熱器３には、排ガスを煙突（図示省略）へ導く第三排ガス通路１０が接続されている。

前記マイクロガスタービン発電装置１は、前記発明の実施の形態の項にて説明したように、周知構成のもので、つぎのような仕様となっている。すなわち、前記ガスタービン４の使用燃料が１３Ａガスであり、燃料消費量が２４．４Nm³／ｈであり、インプットが２８２．６kW（＝２４３，０００kcal／ｈ）である。そして、前記発電機５の定格発電量が７６kWであり、発電効率が２７％である。ここにおいて、前記ガスタービン４の出口排ガス条件は、つぎの通りである。すなわち、湿り排ガス流量が２，３０３Nm³／ｈであり、排ガス温度が２７８℃であり、排ガス中の酸素濃度が１７．２％（wet）である。

前記排ガスボイラ２は、前記ガスタービン４からの排ガスを用いてガス燃料を燃焼させる機能を有しており、この缶体１１は、蒸気ボイラとして大量生産される小型貫流ボイラ（以下、「標準小型貫流ボイラ」と云う）の缶体と殆ど構造を共通化している。そして、前記排ガスボイラ２は、図２〜図４に示すように、前記缶体１１上に設けられるバーナユニット１２を備えている。前記排ガスボイラ２は、前記ガスタービン４からの排ガスの流量および温度，蒸気使用設備が要求する蒸気圧力および使用量に基いて設計されている。すなわち、この第一実施例において、前記排ガスボイラ２は、蒸発量２ｔ／ｈの前記標準小型貫流ボイラの缶体と共通化した缶体１１としている。

前記缶体１１は、労働安全衛生法施行令第１条第４号のホに規定される小型貫流ボイラの缶体であり、所謂オメガ（ω）フロータイプと称される缶体構造である。前記缶体１１の缶体構造について、具体的に説明すると、前記缶体１１は、環状の上部ヘッダ１３および下部ヘッダ１４と、前記両ヘッダ１３，１４間に連通接続される多数の垂直の水管１５，１５，…とから構成されている。前記各水管１５は、互いに間隔を存して二重の環状に配置されている。前記各水管１５のうち、内側に環状配置された各水管１５は、隣り合う水管１５同士を第一フィン状部材１６，１６，…によって連結して内側環状水管壁１７として構成されている。また、前記各水管１５のうち、外側に環状配置された各水管１５は、隣り合う水管１５同士を第二フィン状部材１８，１８，…によって連結して外側環状水管壁１９として構成されている。

前記内側環状水管壁１７の内側は、燃焼室２０とされており、前記内側環状水管壁１７の一部には、燃焼ガスが流出するガス出口２１が形成されている。前記両環状水管壁１７，１９間には、環状の第一ガス通路２２が形成されている。前記外側環状水管壁１９の外側には、環状のカバー体２３が設けられており、このカバー体２３と前記内側環状水管壁１７との間に第二ガス通路２４が形成されている。この第二ガス通路２４の一端は、前記第一ガス通路２２と連通し、また他端は、前記カバー体２３に設けられた排ガス出口２５と連通している。前記第二ガス通路２４内の前記各水管１５には、全周フィン２６，２６，…が設けられている。前記外側環状水管壁１９を構成する前記各水管１５には、上下に横ヒレ２７，２７…が互いに間隔を存して多数設けられている。前記缶体１１は、蒸気ボイラとしての前記標準小型貫流ボイラの缶体と殆ど構造を共通化することにより、缶体の設計に要するコストおよび製造コストを低減している。

前記標準小型貫流ボイラとの共通化について説明すると、共通化した部分は、前記両ヘッダ１３，１４と、前記各水管１５の配列である。共通化していない部分，すなわちコジェネレーションシステム用の排ガスボイラとしての変更部分は、前記各全周フィン２６および前記各横ヒレ２７の配列ピッチである。これらの配列ピッチを前記標準小型貫流ボイラの缶体よりも広くすることで、前記第一ガス通路２２および前記第二ガス通路２４における圧力損失を低減している。ここにおいて、圧力損失の低減方法としては、前記各水管１５の長さを長くする方法もあり、実施に応じてこの方法を採用することができる。この方法を採用する場合は、前記各全周フィン２６の配列ピッチを小さくすることにより、熱流束を増加させて、低圧力損失かつ高効率の缶体とすることができる。

つぎに、前記バーナユニット１２について、図４を参照しながら説明する。前記バーナユニット１２は、前記ガスタービン４からの排ガスを用いてガス燃料を燃焼させるバーナ（以下、「追焚きバーナ」と云う）２８と、この追焚きバーナ２８へ前記ガスタービン４からの排ガスを導くウインドボックス２９とを備えている。また、前記追焚きバーナ２８には、前記追焚きバーナ２８に空気（「新鮮空気」とも云う）を供給するための送風機３０が給気通路３１を介して接続されている。

前記追焚きバーナ２８は、ガス燃料が流通するガス管３２と、前記送風機３０からの空気を通過させる空気管３３と、排ガスを通過させる多数の第一空気孔３４，３４，…を設けたラッパ状のノズル３５とから構成されている。前記ガス管３２は、前記空気管３３の内側にほぼ同軸状に配置されており、前記空気管３３と前記ガス管３２との間の環状空間（符号省略）を空気が通過するようになっている。前記ガス管３２は、その先端部分（図４の下方部分）からガス燃料を主に噴出するように構成されているが、前記ガス管３２の途中にも、ガス燃料の噴出孔３６，３６，…が複数設けられている。前記ノズル３５は、前記空気管３３の先端に設けられている。

前記ウインドボックス２９は、図４に実線矢印で示すように、排ガスの流路を形成する三重の第一筒３７，第二筒３８，第三筒３９から構成されている。外側の第一筒３７には、前記第一排ガス通路６を連結するための接続ダクト４０が接続されている。前記ウインドボックス２９の底面には、複数の第二空気孔４１，４１，…が形成されている。これらの第二空気孔４１は、前記接続ダクト４０からの排ガスを一番内側の第三筒３９を経由することなく、前記燃焼室２０内へ流通させる機能を有している。こうした構成の前記ウインドボックス２９の構成部品は、全てが円筒形状をなしているので、排ガス温度が約３００℃と高温であるにも拘わらず、熱的な変形に強い構造となっている。そして、前記追焚きバーナ２８は、前記ノズル３５が前記第三筒３９の途中に位置するように、前記ウインドボックス２９に取り付けられている。

そして、前記追焚きバーナ２８および前記ウインドボックス２９からなる前記バーナユ
ニット１２は、図４に示すように、前記標準小型貫流ボイラのバーナとは異なる構成のバーナユニットとなっている。具体的には、前記ガスタービン４からの排ガス温度が約３００℃と高く、また前記標準小型貫流ボイラにおける前記標準バーナへの空気の供給量よりも多量の排ガスが供給されるので、ガス流速が早くなり、排ガスの全量を前記ノズル３５へ供給する構造において火炎が安定するまで流速を落とすには、バーナを大きくする必要がある。そこで、この第一実施例では、排ガスの一部を前記各第二空気孔４１を通してバイパスさせて前記燃焼室２０に直接供給するように構成している。これにより、前記追焚きバーナ２８をコンパクトにしている。また、前記各第二空気孔４１による排ガスのバイパスにより保炎性が向上するとともに、所謂二段燃焼によりＮＯxを低減している。

つぎに、この第一実施例の動作を説明する。図１〜図４において、前記ガスタービン４と前記排ガスボイラ２を運転すると、前記ガスタービン４からの排ガスが、前記第一排ガス通路６，前記接続ダクト４０を経て前記ウインドボックス２９に供給される。そして、前記ウインドボックス２９内を通過した排ガスと前記ガス管３２からのガス燃料とは、前記ノズル３５の内側にて混合し、着火手段（図示省略）により着火されて、燃焼を開始する。この燃焼は、前記燃焼室２０内にて行われ、形成される燃焼火炎の輻射により前記内側環状水管壁１７の前記各水管１５が加熱される。燃焼がほぼ完結した後の燃焼ガスは、前記ガス出口２１から前記第一ガス通路２２，前記第二ガス通路２４を流通し、その流通の間に対流伝熱により前記第一ガス通路２２および前記第二ガス通路２４に面した前記各水管１５を加熱する。

こうした輻射伝熱と対流伝熱とによる前記各水管１５の加熱により、前記各水管１５内の水が加熱されて蒸気となり、この蒸気は前記蒸気供給路９から前記蒸気使用設備に供給される。

また、前記缶体１１の前記排ガス出口２５から流出する排ガスは、前記給水予熱器３において、前記各水管１５に供給される水（給水）を予熱することにより、熱効率を高めている。

ここにおいて、前記追焚きバーナ２８の燃焼は、蒸気圧力検出手段（図示省略）により、前記缶体１１内の圧力を所定値に保持し、かつ水位制御手段（図示省略）により、前記缶体１１内の水位を所定範囲に保持するように制御される。したがって、前記排ガスボイラ２は、前記蒸気使用設備の蒸気負荷に応じて、追焚きを行わない排熱回収運転と、追焚きを加えた排熱回収運転とが行われることになる。

つぎに、前記送風機３０の作動により、空気を供給して追焚きを行う場合について説明する。この場合は、前記ガスタービン発電装置１の発電量が少ないにも拘わらず、前記排ガスボイラ２への蒸気の要求量が多く、前記ガスタービン４からの排ガスのみを導入して追焚きを行っても蒸発量が不足する場合である。すなわち、排ガスのみを導入して追焚きを行う場合の蒸発量に比べ、前記排ガスボイラ２に要求される蒸発量が多い場合である。

この場合、前記排ガスボイラ２は、前記蒸気使用設備の蒸気負荷に応じて、排ガスのみを導入して追焚きを行う排熱回収運転から排ガスと空気とを導入して追焚きを行う排熱回収運転へ移行する。すなわち、この場合、前記送風機３０を作動させるとともに、前記追焚きバーナ２８へのガス燃料の供給量を増加させる。このガス燃料の増加量は、前記排ガスボイラ２の蒸発量の不足を解消することができる燃焼量が得られる量であり、前記送風機３０による空気の供給量は、増加させたガス燃料を燃焼させ得る量に調整される。このように、排ガスと空気とを前記追焚きバーナ２８に供給して追焚きを行うと、排ガスのみを供給して追焚きを行う場合より、多くのガス燃料を燃焼させることができる。そのため、前記排ガスボイラ２の蒸発量を増加させ、所定の蒸発量とすることができる。以上の追
焚きの条件を変えた場合のコジェネレーションシステムの総合効率は、図５に示すようになる。

前記のように、前記送風機３０を作動させて空気を供給する場合には、前記ガスタービン４からの排ガスの流量が変動しても、前記送風機３０からの空気の供給量を調整することにより、排ガスの流量に拘わらず、前記追焚きバーナ２８の燃焼量を増加させることができる。

また、前記排ガスボイラ２において、前記のように空気を供給せずに追焚きを行う場合の前記排ガスボイラ２の蒸発量の上限は、前記ガスタービン発電装置１の発電量が最大のとき，すなわち前記ガスタービン４の排ガスの流量が最大となるときである。しかし、この場合において、前記送風機３０を作動させて空気を供給すると、ガス燃料の供給量の上限を増加させることができるので、前記排ガスボイラ２の蒸発量の上限を増加させることができる。

また、前記ガスタービン４が停止しているとき，すなわち前記排ガスボイラ２に排ガスが供給されていないときに蒸気が必要な場合には、前記送風機３０を作動させて、前記追焚きバーナ２８に空気を供給するとともに、この空気の供給量に対応する量のガス燃料を前記追焚きバーナ２８に供給することができる。この場合には、前記追焚きバーナ２８を通常のバーナとして機能させることができ、前記排ガスボイラ２を通常のボイラとして機能させることができる。したがって、前記ガスタービン４が停止していても、前記排ガスボイラ２を単独で運転して、蒸気を供給することができる。

以上のように、この第一実施例によれば、新鮮空気を加えて追焚きを行うことができるため、図５に示すようにコジェネレーションシステムの総合効率も高い値を確保できる。また、前記燃焼室２０における燃焼は、前記ガスタービン４からの排ガスを燃焼用空気としているので、所謂排ガス再循環と同様の低ＮＯｘ効果が得られ、この第一実施例の実験によれば、排出ＮＯx値を４０ppm以下とすることができ、低ＮＯxのコジェネレーションシステムを提供できる。さらに、この第一実施例によれば、前記追焚きバーナ２８に新鮮空気を供給するように構成しているので、前記ガスタービン４からの排ガスの流量に拘わらず、所定の蒸発量を得ることができる。しかも、前記ガスタービン４の停止時においても、前記排ガスボイラ２を通常のボイラと同様の単独運転を行うことができる。

前記第一実施例において、前記排ガスボイラ２は、所謂オメガフロータイプの缶体を備えた小型貫流ボイラとしているが、この発明においては、図６および図７に示すような所謂全周吹出しタイプの小型貫流ボイラとすることができる。この第二実施例の小型貫流ボイラの缶体１１は、環状の上部ヘッダ１３および下部ヘッダ１４と、前記両ヘッダ１３，１４間に連通接続される多数の垂直の水管１５，１５，…とから構成されている。前記各水管１５は、互いに間隔を存して環状に配置されることにより、環状水管列４２として形成されている。前記環状水管列４２の内側は、燃焼室２０とされており、前記環状水管列４２とカバー体２３との間には、排ガス出口２５に連通する第三ガス通路４３が形成されている。前記各水管１５には、縦ヒレ４４，４４，…がそれぞれ設けられている。

また、前記追焚きバーナ２８は、実施に応じて油バーナとすることができる。また、前記送風機３０は、図１に示すような押込型の送風機の代わりに、吸引型の送風機（誘引送風機）を前記排ガスボイラ２の排ガス出口側に設けることも可能である。

以上の説明においては、前記ガスタービン４に前記排ガスボイラ２を１台接続した構成のコジェネレーションシステムとしているが、この発明においては、図８に示すように、
１台のガスタービン４に複数台の排ガスボイラを接続した構成のコジェネレーションシステムとすることもできる。この場合のコジェネレーションシステムの第二構成例について、図８を参照しながら説明する。

この第二構成例のコジェネレーションシステムは、図８に示すように、１台のマイクロガスタービン発電装置１と、２台の排ガスボイラ２，２と、各排ガスボイラ２に接続した給水予熱器３，３とから構成されている。前記マイクロガスタービン発電装置１と前記各排ガスボイラ２とは、ガスタービン４からの排ガスを前記各排ガスボイラ２へ導く第一排ガス通路６，６によって接続されている。また、前記各排ガスボイラ２と前記各給水予熱器３とは、前記各排ガスボイラ２からの排ガスを前記各給水予熱器３へ導く第二排ガス通路７，７によってそれぞれ接続されている。前記各排ガスボイラ２には、ガス燃料供給路８，８および生成された蒸気を蒸気使用設備(図示省略)に供給する蒸気供給路９，９がそれぞれ接続されており、前記各給水予熱器３には、排ガスを煙突（図示省略）へ導く第三排ガス通路１０，１０がそれぞれ接続されている。

ここにおいて、この第二構成例のコジェネレーションシステムにおいては、前記各排ガスボイラ２に追焚きバーナ２８をそれぞれ設けているが、いずれか一方の排ガスボイラ２にのみ前記追焚きバーナ２８を設けることもできる。

この第二構成例のコジェネレーションシステムの動作について説明する。図８において、前記ガスタービン４と前記各排ガスボイラ２を運転すると、前記ガスタービン４からの排ガスが、前記各第一排ガス通路６を経て前記各ウインドボックス２９に供給され、前記各排ガスボイラ２へ分流されることになる。その結果、前記各排ガスボイラ２における排ガスの流速は、前記排ガスボイラ２を１台接続した場合の１／２となり、前記各排ガスボイラ２での圧力損失は１／４となる。

そして、前記各排ガスボイラ２は、前記蒸気使用設備の蒸気負荷に応じて、追焚きを行わない排熱回収運転と、排ガスのみの導入による追焚きを行う排熱回収運転と、排ガスおよび新鮮空気の導入による追焚きを行う排熱回収運転とが行われる。

この第二構成例のコジェネレーションシステムにおいては、前記各排ガスボイラ２による総蒸気量は、前記ガスタービン４からの排ガスの流量は同じであるが、１台の前記排ガスボイラ２を接続したコジェネレーションシステムにおける蒸発量よりも多くなる。その理由について、つぎに説明する。

まず、前記排ガスボイラ２を１台接続した場合、追焚き量を多くし過ぎると、前記排ガスボイラ２での圧力損失が大きくなる。この圧力損失は、前記ガスタービン４の許容圧力損失以下とする必要があるため、追焚き量が制限され、蒸発量も制限される。これに対して、前記排ガスボイラ２を２台並列接続した場合の総追焚き量を前記排ガスボイラ２を１台接続した場合の追焚き量と同じとすると、前記各排ガスボイラ２内での燃焼ガスや排ガスの流速が１／２となるので、圧力損失は、１／４となる。つぎに、前記ガスタービン４からの排ガスを複数の前記排ガスボイラ２へ並列に流通させるので、前記ガスタービン４から見た伝熱面が増大し、熱効率を向上させることができる。その結果、前記ガスタービン４の許容圧力損失に起因する最大追焚き量を増大でき、この第二構成例における総蒸発量を１台接続の場合と比較して増大することができる。

この発明の排ガスボイラの第一実施例および第一実施例の排ガスボイラを組み込んだコジェネレーションシステムの第一構成例の説明図である。図１に示す排ガスボイラの要部の縦断面の説明図である。図２のIII−III線に沿う横断面の説明図である。図１に示す排ガスボイラのバーナユニット部分の縦断面の説明図である。第一構成例の追焚き燃焼量を変化させた場合の総合効率の変化を示す説明図である。この発明の排ガスボイラの第二実施例の要部の縦断面の説明図である。図６のVII−VII線に沿う横断面の説明図である。この発明の排ガスボイラを組み込んだコジェネレーションシステムの第二構成例の説明図である。

符号の説明

１１缶体
２８追焚きバーナ（バーナ）
３０送風機（空気供給手段）

Claims

小型貫流ボイラまたは簡易貫流ボイラの缶体１１と、この缶体１１に設けられ、排ガスを用いて燃料を燃焼させるバーナ２８と、このバーナ２８への空気供給手段３０とを備えたことを特徴とする排ガスボイラ。