JP2007139266A

JP2007139266A - ボイラ装置とその運転方法

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Publication number: JP2007139266A
Application number: JP2005331379A
Authority: JP
Inventors: Miki Shimogoori; 三紀下郡; Satohiko Mine; 聡彦嶺; Shinichiro Nomura; 伸一郎野村
Original assignee: Babcock Hitachi KK
Current assignee: Mitsubishi Power Ltd
Priority date: 2005-11-16
Filing date: 2005-11-16
Publication date: 2007-06-07

Abstract

【課題】燃料の反応速度の低下による未燃分の増加やボイラ効率の低下を招くことなく、サーマルＮＯｘを低減することであり、また、大幅なコストアップをなくし、運転時の安全性を確保したボイラ装置とその運転方法を提供すること。
【解決手段】火炉１内のバーナ６の後流側にエアポート７を設け、該エアポート７内に水・水蒸気噴霧ノズルを設置し、前記噴霧ノズルから水蒸気を噴霧する場合には、燃料消費量の２〜５％の範囲となる量の水蒸気を噴霧し、前記噴霧ノズルから水を噴霧する場合には、火炉内部の水平方向断面における水噴霧時の最高ガス温度が水を噴霧しない時に比べ１００℃以上低くならない噴霧量の水を噴霧すると燃焼ガス中のＮＯｘ濃度と未燃分濃度を低減することができる。
【選択図】図４

Description

本発明は、石炭焚きボイラ装置に係り、特にサーマル窒素酸化物（以下ＮＯｘという）の発生量を低減するのに好適なボイラ装置とその運転方法に関する。

火力発電用ボイラにおいて、石炭などの固体燃料を燃焼するボイラでは火炉内の前流側に理論空気比以下の燃焼用空気で燃料が燃焼するバーナと、その後流側にバーナでの不足分の燃焼用空気を供給するエアポートを備えている。
上記二段燃焼技術のコンセプトは、バーナ部での燃料の燃焼に伴い生成するＮＯｘを酸素不足で生じる還元物質により還元させ、エアポート以降では未燃分を燃焼させるというものである。

バーナ部の反応では、雰囲気ガス温度は重要な因子である。ＮＯｘの生成反応及び還元反応は、いずれも次のアレニウス型の式で表される。
ｋ＝Ａｅｘｐ（−Ｅ／Ｔ）
ここでｋは速度定数、Ａは頻度因子、Ｅは活性化エネルギーであり、雰囲気温度ＴはＮＯｘの生成反応及び還元反応に指数関数的に影響する。
上記したような石炭などの固体燃料の燃焼法のおいてＮＯｘ生成を抑制するため、雰囲気ガス温度低下を目的とし、火炉内に水又は水蒸気を噴射するいくつかの公知技術がある。

特開２００３−１６１４０６号公報特開２００２−２２８１０８号公報特開２００３−３２２３１０号公報特開平１０−１８５１０３号公報

ボイラ火炉の対向する炉壁面である前壁と後壁に燃焼装置を設け、火炉内の中央で火炎を衝突させて燃料を燃焼させる方式のボイラでは、火炉中央で火炎を衝突させるため、火炉中央部のガス温度が高くなり、特にバーナ設置部の後流側でサーマルＮＯｘが発生しやすくなり、火炉出口のＮＯｘ生成量が増加する。

ここで、バーナの燃焼域に向けて火炉内に水又は水蒸気を噴射すれば、雰囲気ガス温度の低下により、当該バーナの燃焼域でのＮＯｘ（フューエルＮＯｘ）生成量は低減できる。フューエルＮＯｘの低減による火炉出口のＮＯｘ低減に着目した発明が、特開２００３−１６１４０６号公報、特開２００２−２２８１０８号公報、特開平１０−１８５１０３号公報である。

これらはいずれも水あるいは水蒸気噴霧ノズルをバーナの燃料噴射ノズルの近傍やバーナを設置した火炉側壁の熱負荷の高いところに設置して噴霧し、雰囲気ガス温度を低減することを目的としている。
しかし、バーナの燃焼域で水あるいは水蒸気を噴霧した場合に、燃料の反応速度の低下により未燃分が増加すると同時にＮＯｘの還元速度を低下させることになるため、後流でのＮＯｘ還元が不十分となる。

さらに、バーナ燃焼域の後流側でのＮＯｘ生成、即ち燃料中の窒素分がエアポート後流等で反応した場合に生じるフューエルＮＯｘによる火炉出口のＮＯｘが増加する。また、バーナの燃焼域で水あるいは水蒸気を噴霧した場合に、燃料の反応速度が低下することにより、未燃分が増加し、該未燃分からバーナの後流でＮＯｘが発生する。バーナ後流側には還元物質が存在しないため、前記ＮＯｘはそのまま火炉出口から放出される。これらＮＯｘ増加はボイラ効率の低下を招くおそれがある。

バーナ燃焼域の後流でのサーマルＮＯｘ低減に着目した発明として特開２００３−３２２３１０号公報がある。この公報記載の発明は、ボイラ火炉内の最上段バーナより後流側で、かつ２次過熱器設置部より前流側における燃焼温度が高く、熱負荷が高い領域に向け、火炉側壁に設置した噴射ノズルから水または水蒸気を噴霧するというものであるが、これらは、設備上の課題と機能上の課題に配慮されておらず、大幅なコストアップや、安全上の問題があった。具体的には、前記発明の設備上の課題として、噴霧装置の設置場所が挙げられる。該発明では、火炉側壁に噴射ノズルを設置するための噴出孔、支持架台等特別な設備を設ける必要がある。

通常、火炉側壁の最上段バーナより後流側であって２次過熱器設置部付近には多数のスートブロアが設置してあり、これらと競合しないように水または水蒸気を噴霧する噴射ノズルの設置場所を火炉側壁に確保するには、ボイラ周りのフロアを増やす等大幅なコストアップが懸念される。また、機能上、常時水蒸気又は水を噴霧する必要があるが、長時間炉内に前記噴射ノズルを火炉側壁に挿入している場合、噴霧ノズルに灰が付着する可能性があり、火炉側壁から抜き差しできなくなる可能性があるだけでなっく、噴霧ノズルに付着した灰が落下し、火炉底部に設けられているホッパを破損する等の問題が懸念される。

本発明の課題は、燃料の反応速度の低下による未燃分の増加やボイラ効率の低下を招くことなく、ボイラ火炉でよく見られるサーマルＮＯｘの生成量を低減することであり、また、大幅なコストアップをなくし、運転時の安全性を確保したボイラ装置とその運転方法を提供することにある。

上記本発明の課題は、次の解決手段により解決される。
請求項１記載の発明は、ボイラ火炉の炉壁に設けられ、理論空気比以下で固体燃料を燃焼させるバーナと、該バーナの後流側の炉壁に設けられ、バーナでの不足分の燃焼用空気を火炉内に噴出するエアポートを備えたボイラ装置において、前記エアポート内に水又は水蒸気を噴霧する噴霧ノズルを設けたボイラ装置である。

請求項２記載の発明は、ボイラ火炉の炉壁に設けられ、理論空気比以下で固体燃料を燃焼させるバーナと、該バーナの後流側の炉壁に設けられ、バーナでの不足分の燃焼用空気を火炉内に噴出するエアポートを備えたボイラ装置の運転方法であって、前記エアポート内に設けた噴霧ノズルから水又は水蒸気を噴霧するボイラ装置の運転方法である。

請求項３記載の発明は、エアポート内に設けた噴霧ノズルから水蒸気を噴霧する場合には、燃料消費量の２〜５％の範囲となる量の水蒸気を噴霧する請求項２記載のボイラ装置の運転方法である。
請求項４記載の発明は、エアポート内に設けた噴霧ノズルから水を噴霧する場合には、火炉内部の水平方向断面における水噴霧時の最高ガス温度が水を噴霧しない時に比べ１００℃以上低くならない噴霧量の水を噴霧する請求項２記載のボイラ装置の運転方法である。

（作用）
化石燃料の燃焼によって生成するＮＯｘの分類としては空気中の窒素を起源とし、１８００Ｋ以上で生じるサーマルＮＯｘと、燃料中の窒素分を起源としサーマルＮＯｘほどは温度依存性が高くないフューエルＮＯｘの大きく分けて２種類がある。このうちフューエルＮＯｘは主にバーナ部で生成する。

バーナ部で十分に燃料燃料中の窒素分を反応させた場合、エアポート以降ではフューエルＮＯｘの生成量は少ない。この領域で発生するのはバーナ部での高温還元域の影響でガス温度が高くなって生じたサーマルＮＯｘである。

バーナ部でのガス温度を低下させれば、主にフューエルＮＯｘが低減するが、それは燃料の反応速度が低下したためであり、未燃分を増加させる。この領域での未燃分の増加は、そのまま炉出口の未燃分増加につながるか、あるいは、エアポート後流側で窒素分が反応した場合、炉出口のＮＯｘを増加させる（燃料中の窒素分が反応して生じるフューエルＮＯｘ）。これは、エアポート後流側は酸化雰囲気であるため、生成したＮＯｘが、そのまま炉外へ排出されるためである。

本発明は、ボイラ火炉内の比較的前流側で理論空気比以下で燃焼するバーナと、そのバーナの比較的後流側の火炉内に配置されてバーナでの不足分の燃焼用空気を火炉内に噴出するエアポートを備えているが、該エアポート内に水又は水蒸気噴霧ノズルを設置し、該噴射ノズルから水又は水蒸気を噴霧することにより該エアポート後流側でのガス温度を低減し、サーマルＮＯｘの生成を低減するものである。

バーナ燃焼域では、まず十分に燃料を燃やし、ガス温度を低下させることなく、十分に燃料燃料中の窒素分を反応させてフューエルＮＯｘを生成させる。生成したＮＯｘは、酸素不足で生じる還元物質により還元させる。この結果、後流ではフューエルＮＯｘの生成量は少なく、また、燃料の反応速度が低下しないので、未燃分を増加させることもない。エアポートより後流側では、未燃分を燃焼させるとともに、雰囲気ガス温度を低減してサーマルＮＯｘの生成を抑制する。

本発明では、エアポート内に設けた噴霧ノズルから水蒸気を噴霧する場合には、燃料消費量の２％以上の水蒸気噴霧でＮＯｘ濃度が顕著に下がり始め、燃料消費量の５％以上の水蒸気噴霧で未燃分が増加する傾向にあるので、水蒸気を噴霧量は燃料消費量の２％〜５％の範囲とすることで、ＮＯｘ生成量の低下と未燃分の低下を図ることができる。

また、本発明では、エアポート内に設けた噴霧ノズルから水を噴霧する場合には、火炉内部の水平方向断面における水噴霧時の最高ガス温度が水を噴霧しない時に比べ１００℃以上低下すると未燃分濃度が急増するので水を噴霧しない時に比べて１００℃以上低くならない噴霧量の水を噴霧することが望ましい。
また、本発明のエアポート内に設けた噴霧ノズルから水又は水蒸気を噴霧することで、火炉前後壁近傍のガスと火炉中央のガスが混合されるので、燃焼ガス中のＣＯ濃度を低減する効果が得られる。

請求項１、２記載の発明によれば、燃料の反応速度の低下によるＣＯなどの未燃分の増加やボイラ効率の低下を招くことなく、大幅なコストアップをなくし、運転時の安全性を確保したボイラ装置を実現できる。また、請求項１、２記載の発明によれば、水又は水蒸気を噴霧することで、火炉前後壁近傍のガスと火炉中央のガスが混合されるので、燃焼ガス中のＣＯ濃度を低減する効果が得られる。
請求項３、４記載の発明によれば、燃焼ガス中のＮＯｘ生成量の低下と未燃分の低下を図ることができる。

本発明の実施例を図面を用いて説明する。
図１は本実施例の本発明になるボイラ装置システムの一実施例を示す系統図である。
バンカ１１から供給する石炭はフィーダ１２で流量調整され微粉炭製造装置（ミル）２へＰＡＦ３により導入される一次空気によって搬送される。ミル２で微粉に粉砕された石炭（微粉炭）は送炭管１０を伝ってバーナ６に供給され、ボイラ火炉１へ投入される。

微粉炭を燃焼させる燃焼用空気はＦＤＦ９から導入され、火炉１から排出される高温排ガスと熱交換器４で熱交換されて３００〜４００℃くらいの高温空気となり、風箱５からバーナ６の外周空気として火炉１へ投入され、さらにエアポート７から火炉１へ投入される。また、火炉１から排出される燃焼ガスの一部はＧＲＦ１７により、火炉１底部から再び火炉１内に再循環される。

ボイラ火炉１で燃焼した排ガスは脱硝装置１３で、その中のＮＯｘが低減され、熱交換器４でガス温度が下げられて電器集塵機１４で除塵された後、脱硫装置１５で含有硫黄酸化物が低減されて、煙突１６より大気へ放出される。
本実施例では、上記エアポート７内に設けた水又は水蒸気（以下、水・水蒸気という）噴霧ノズルから、ボイラ火炉１に水・水蒸気を噴霧する。

図２にガス温度とサーマルＮＯｘの関係を示す。実機の火炉１内のエアポート後流側で形成されるＮＯｘは主にサーマルＮＯｘであるが、この領域でのガス温度は１８００Ｋ以上となり、ガス温度に対するサーマルＮＯｘの感度（図２に示すＺeldvich式より）は０．７ｐｐｍ／Ｋである。ガス温度を１８５０Ｋから１８００Ｋまで低減できれば、ＮＯｘは３５ｐｐｍ低減できる。

図３にエアポート７内に水・水蒸気噴霧ノズル１８を設置した構成図を、図４にエアポート７に水・水蒸気噴霧ノズル１８を設置した火炉１内のＮＯｘ濃度の低減を図る概念図を示す。
本発明の実施例としてエアポート７の水・水蒸気噴霧ノズル１８から水を噴霧する例と水蒸気を噴霧する例がある。

まず、水蒸気を噴霧する場合について述べる。図５に噴霧水蒸気量の燃料消費量に対する割合とＮＯｘ濃度と未燃分濃度の関係を示す。噴霧水蒸気量とは単位時間当たりに噴霧する水蒸気量である。ＮＯｘ濃度は水蒸気噴霧量２％以上から顕著に下がり始める傾向があり、これに対して未燃分濃度は５％以上で増加する傾向がある。このことから水蒸気噴霧量は２〜５％が適切である。

水蒸気を噴霧する場合は、ボイラで発生させた水蒸気の一部を使うため、熱効率の低下が懸念されるが、本実施例による熱効率の低下（投入熱量に対する損失熱量）は０．１％以下であり、実用上問題ない。以下は、本実施例による熱効率低下分を試算した例である。ここでは供試ボイラの発生水蒸気の使用するため、熱効率は投入熱量に対する水蒸気の保有熱量分だけ低下すると考える。

例）１０００ＭＷ級ボイラで燃料の５％の水蒸気量を噴霧した場合
燃料消費量（石炭量）３６００００ｋｇ／ｈ
発熱量２５０００ｋＪ／ｋｇ
使用する水蒸気量３６００００×０．０５＝１８０００ｋｇ／ｈ
水蒸気の保有熱量＝水蒸気量×水蒸気の平均比熱×（燃焼排ガス温度−外気温度）
＝１８０００（ｋｇ／ｈ）×１．９（ｋＪ／ｋｇＫ）×９０（Ｋ）
＝３０７８０００（ｋＪ／ｈ）
投入熱量３６００００（ｋｇ／ｈ）×２５０００（ｋＪ／ｋｇ）＝９．０×１０^９（ｋＪ／ｈ）
熱効率低下３．１×１０^６／９．０×１０^９＝０．０３４（％）

次にエアポート７の水・水蒸気噴霧ノズル１８から水を噴霧する場合について説明する。水を噴霧する場合は上記のような熱効率の低下は考慮する必要がない。ただし、水蒸気噴霧の場合と同等、水の供給過多では未燃分濃度が増加するおそれがある。水噴霧の方法としては、火炉１のノーズ１ａ部分の高さに設置した高温温度計１９で炉内ガス温度を、火炉出口に設置したガス分析計２０でＣＯ濃度を監視しながら、徐々に噴霧量を増やすのが望ましい。火炉水平断面での最高ガス温度が１００℃以上低下すると未燃分濃度が急増する傾向にあるため、ガス温度低下の目安を１００℃とし、未燃分濃度の代表であるＣＯの推移を見ながら噴霧量を制御するのが望ましい。
また、運転条件により炉内にはガス温度偏差、ガス分布の偏差が生じることがあるため、上記炉内ガス温度と火炉出口ＣＯ濃度のモニタリングは水蒸気噴霧の場合も適用すると最適な運用が行える。

以上をまとめると、本実施例ではエアポート７内に水・水蒸気噴霧ノズル１８を設置し、該噴射ノズル１８から水又は水蒸気を噴霧することにより該エアポート７の後流側の火炉内でのガス温度を低減し、サーマルＮＯｘ濃度を低減させることができる。フューエルＮＯｘの生成・還元、未燃分の反応に重要なバーナの設置部でのガス温度を下げることなく、エアポート７以降でのガス温度を低下させることで、フューエルＮＯｘ、サーマルＮＯｘを低減させ、炉出口ＮＯｘを低減させるものである。
また、付随する効果として、噴霧する水又は水蒸気により、火炉１の前後壁近傍のガスと火炉１の中央のガスを混合することにより、ＣＯ濃度を低減する効果が得られる。

設備としては、エアポート７内に水・水蒸気噴霧ノズル１８を設置するため、特別なポートを火炉壁に開ける必要もなく、大幅なコストアップはない。また、水・水蒸気噴霧ノズル１８も炉内に突出させる構造ではないため、灰付着やそれに伴う安全上の問題もない。

本発明は、二段燃焼式火炉のエアポート内に水・水蒸気噴霧ノズルを設け、燃料燃焼時に水あるいは水蒸気を噴霧することにより火炎温度を下げ、サーマルＮＯｘの生成量を低減することができるため、既存の火炉、新規火炉に設置コストを低くして設置できる。

本発明になるボイラ装置システムの一実施例を示す系統図である。本実施例のガス温度とサーマルＮＯｘの関係を示した図である。本実施例のエアポートに噴霧ノズルを設けた構成図である。本実施例のエアポートに噴霧ノズルを設置し、ＮＯｘ低減を図る概念図である。本実施例の水蒸気噴霧量のボイラ入熱に対する割合とＮＯｘ未燃分（含ＣＯ）の関係図である。

符号の説明

１火炉１ａノーズ
２ミル３ＰｒｉｍａｒｙＡｉｒＦａｎ
４熱交換器５風箱
６バーナ７エアポート
９ＦＤＦ（押し込みファン）１０送炭管
１１バンカ１２フィーダ
１３脱硝装置１４電気集塵機
１５脱硫装置１６煙突
１７ＧＲＦ１８噴霧ノズル
１９高温ガス温度計２０ガス分析計

Claims

ボイラ火炉の炉壁に設けられ、理論空気比以下で固体燃料を燃焼させるバーナと、該バーナの後流側の炉壁に設けられ、バーナでの不足分の燃焼用空気を火炉内に噴出するエアポートを備えたボイラ装置において、
前記エアポート内に水又は水蒸気を噴霧する噴霧ノズルを設けたことを特徴とするボイラ装置。
ボイラ火炉の炉壁に設けられ、理論空気比以下で固体燃料を燃焼させるバーナと、該バーナの後流側の炉壁に設けられ、バーナでの不足分の燃焼用空気を火炉内に噴出するエアポートを備えたボイラ装置の運転方法であって、
前記エアポート内に設けた噴霧ノズルから水又は水蒸気を噴霧することを特徴とするボイラ装置の運転方法。
エアポート内に設けた噴霧ノズルから水蒸気を噴霧する場合には、燃料消費量の２〜５％の範囲となる量の水蒸気を噴霧することを特徴とする請求項２記載のボイラ装置の運転方法。
エアポート内に設けた噴霧ノズルから水を噴霧する場合には、火炉内部の水平方向断面における水噴霧時の最高ガス温度が水を噴霧しない時に比べ１００℃以上低くならない噴霧量の水を噴霧することを特徴とする請求項２記載のボイラ装置の運転方法。