JP2008241048A - ガス焚きボイラーの運転方法及び装置 - Google Patents

Abstract

【課題】燃料単価の安いＢガスでの運転が可能であると共に、高炉に異常状態が発生した場合にも安定運転ができるガス焚きボイラーの運転方法及び装置を得る。
【解決手段】高炉ガス及びコークス炉ガスを燃料ガスとして燃焼することが可能なガス焚きボイラーの運転方法であって、通常運転時は、高炉ガスを燃料として運転し、高炉炉頂ガス温度が異常に高くなったと判断されたときには、コークス炉ガス単独で運転可能な量のコークス炉ガスを供給して運転する。また、高炉炉頂ガス温度及び高炉ガス流路における流路本管の入口手前のガス温度が予め定めた規定の温度以下になったときに、ボイラーに供給するガスをコークス炉ガスから高炉ガスに切り替えて運転する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、高炉ガス（以下、「Ｂガス」という場合あり）及びコークス炉ガス（以下、「Ｃガス」という場合あり）を燃焼することが可能なガス焚きボイラーの運転方法及び装置に関する。

従来、製鉄プラント向けの蒸気を発生させるためのガス焚きボイラーの運転方法については、燃料単価の高いＣガスを保安用としてベース燃焼し、燃料単価の安価なＢガスを主燃料として、蒸気負荷変動に応じた蒸気発生を行っているケースが多い。
このようなケースの従来例として、複数の燃料を燃焼することが可能なボイラーにおいて、マスター燃料を決め、その燃料の使用可能な上下限値を決め、その範囲を逸脱する負荷変動があったとき、他の燃料の増減を自動的に行なおうとするものがある（特許文献１参照）。
特許文献１のものによれば、マスター燃料として使用されるＣガスの供給量が不足したとき、重油、天然ガス等の他の燃料への切替が適切に行なわれ、手動の場合に比べて、早めに切り替えることによるロスの低減や、オペレータの労力の削減といった効果が期待できる。

また、他の従来例として、Ｂガス温度信号を用いて、Ｂガスのカロリー補正を行い、高炉吹き抜け等のトラブル時のカロリー変動を補正し、ボイラーの安定燃焼を確保しようとするものがある（特許文献２参照）。
特開昭６２−１４１４１４号公報 特開昭６３−７００２２号公報

保安用のＣガスを燃焼させる理由は、変動の可能性の高いＢガスのカロリー変動により、失火によるインターロック停止、また、最悪の場合は、爆発といったトラブルが予想され、他方、ガスカロリーを短時間に分析、検知することは困難であるため、常に保安用として、一定量のＣガスをベース燃料として燃焼させ、前記トラブルを防止するためである。
このように、特許文献１のものでは、マスター燃料の下限の値は、保安燃料として必要なＣガス最低流量が設定され、失火等のトラブル防止対策は採られている。
しかしその一方で、燃料単価の安価なＢガスが使用できるにもかかわらず、常に燃料単価の高いＣガスを一定量保安燃料として燃焼させる必要があるため、ボイラーは、不経済な運転となるという問題がある。

また、特許文献２に記載のものに関しては、まず、Ｂガスの温度を検出する位置が、ボイラー設備内であり、バーナーに対して非常に近い位置となっている。このため、ガス流速にもよるが、温度検出器やアクチュエータの時定数を考慮すると、制御が遅れる可能性がある。
また、特許文献２の実施例では、主に、高炉吹き抜け時にガスカロリーが高くなることを想定し、その補正を行なう場合を考慮している。通常、ガスカロリーが高くなれば、ボイラー負荷を変動させないためには、ガス流量を減少させるアクションとなる。逆に、ガスカロリーが低くなることを想定すれば、ガス流量を増加させるアクションが必要になる。もし、ボイラーが、負荷上限一杯の運転状態であったならば、それ以上Ｂガス量を増加させることは不可能であり、カロリー低下による失火が懸念されるという問題がある。

以上のように、保安用のＣガス燃焼を中止することは、前述したようなトラブルが発生した場合、ボイラーの大事故につながる可能性があるため、不経済ではあるがやむを得ずに一定量を供給しているのが現状である。
通常運転時には保安用のＣガス量を極力少なくしてＢガスのカロリーを監視しながらＢガスを主とした運転を行い、Ｂガスカロリーの状況によって、保安用Ｃガスの助燃量を増減したいというニーズがあるにもかかわらず上記のような不経済な運転を行なっているのは、ガスカロリーをオンライン計測するにはガスサンプリングや前処理時間を含めて、数分オーダーの検出時間がかかってしまい結局このような方法では安全性に欠けるからである。

本発明は係る課題を解決するためになされたものであり、燃料単価の安いＢガスでの運転が可能であると共に、高炉に異常状態が発生した場合にも安定運転ができるガス焚きボイラーの運転方法及び装置を得ることを目的としている。

Ｂガスをガス焚きボイラーで燃料として使用するためのＢガスラインにおいては、高炉から排出されるＢガスは、ダストを除くダストキャッチャー、その後水を掛けてガスを洗浄するベンチュリースクラバーを経由し、ガスタービンなどの発電設備などでエネルギー回収され、さらに電気集塵機で集塵されてボイラーに供給される。

このようなＢガスラインにおいては、高炉の吹き抜け等のトラブルによって、Ｂガスが高温、高圧の高カロリーのガスになってこのラインに流れ込むと、高温であるため、多量の水蒸気を発生させ、結果としてガスが薄められてカロリーが低下する。この場合、もともと高カロリーのガスが薄められるので、ボイラーに供給されるガスのカロリー自体はさほど低下することはない。
その後、高炉の異常が解消すると、通常カロリーのＢガスが排出されることになるが、高温ガスが通過した配管ラインは高温になっており、通常カロリーのＢガスが通過すると、配管ラインで加熱されて前記と同様に水蒸気によって薄められ、高温で低カロリーのガスとなる。この場合、高炉から排出されるガスが通常カロリーであるため、このガスが薄められるとカロリーの低いガスとなって、失火の危険が発生する。

発明者は、以上のようなＢガスラインにおけるメカニズムに着目し、高炉炉頂ガス温度及びＢガス本管入口のガス温度とＢガスカロリーとの間に相関関係があるとの知見を得、この知見を基に、Ｂガスカロリー自体を計測しなくても、通常はＢガスのみでの運転ができ、異常時においても失火の危険のない運転を実現するための手段を鋭意検討して、本発明を完成したものである。本発明は具体的には以下の構成を備えている。

（１）本発明に係るガス焚きボイラーの運転方法は、高炉ガス及びコークス炉ガスを燃料ガスとして燃焼することが可能なガス焚きボイラーの運転方法であって、通常運転時は、高炉ガスを燃料として運転し、高炉炉頂ガス温度が異常に高くなったと判断されたときには、コークス炉ガス単独で運転可能な量のコークス炉ガスを供給して運転することを特徴とするものである。

通常時において高炉ガスを燃料として運転するとは、コークス炉ガスを全く供給しない場合及びコークス炉ガスを制御可能な最低流量だけ供給する場合を含む。
なお、異常時において、コークス炉ガス単独で運転可能な量のコークス炉ガスを供給する場合には、供給するコークス炉ガスのガスカロリーに相当するガスカロリーの高炉ガス量を減量するようにすれば、供給されるガスカロリーを一定にして蒸気発生量を一定に保つことができる。

（２）また、上記（１）に記載のものにおいて、高炉炉頂ガス温度及び高炉ガス流路における流路本管の入口手前のガス温度が予め定めた規定の温度以下になったときに、ボイラーに供給するガスをコークス炉ガスから高炉ガスに切り替えて運転することを特徴とするものである。
高炉ガスに切り替えて運転するとは、コークス炉ガスを全く供給しない場合及びコークス炉ガスを制御可能な最低流量だけ供給する場合を含む。
流路本管とは、高炉が複数ある場合において複数の高炉ガス流路が接続される大流量の高炉ガス管をいう。もっとも、高炉が単数の場合において、流路本管がない場合には、「流路本管の入口手前のガス温度」は、高炉ガス流路におけるガスの洗浄、集塵が完了した位置での温度とする。

（３）本発明に係るガス焚きボイラーの運転制御装置は、高炉ガス及びコークス炉ガスを燃料ガスとして燃焼することが可能なガス焚きボイラーの運転制御装置であって、
高炉炉頂ガス温度を検知する高炉炉頂ガス温度検知手段と、高炉炉頂ガス温度検出手段の検知信号を入力して該入力信号に基づいて高炉ガスの状態が正常状態か異常状態かを判定する高炉ガス温度異常検知手段と、該高炉ガス温度異常検知手段の判定に基づいて前記ガス焚きボイラーに供給する高炉ガス流量とコークス炉ガス流量を演算し、該演算値に基づいてガス焚きボイラーに供給する供給路に設けられた流量調整手段を制御するガス流量増減制御手段と、を備え、該ガス流量増減制御手段は、通常運転時は、ボイラーに高炉ガスを供給するように流量制御弁を制御し、高炉炉頂ガス温度が異常に高くなったと判定されたときには、コークス炉ガスをコークス炉ガス単独で運転可能な量にするように流量制御弁を制御することを特徴とするものである。

（４）また、上記（３）に記載のものにおいて、高炉ガス流路における流路本管の入口手前のガス温度を検出する流路温度検出手段を備え、ガス流量増減制御手段は高炉炉頂ガス温度検知手段及び流路温度検出手段の検知信号を入力して、該検知温度が予め定めた規定の温度以下になったときに、ボイラーに供給するガスをコークス炉ガスから高炉ガスに切り替えることを特徴とするものである。

本発明においては、通常運転時は、高炉ガスを燃料として運転し、高炉炉頂ガス温度が異常に高くなったと判断されたときには、コークス炉ガス単独で運転可能な量のコークス炉ガスを供給して運転するようにしたので、スリップ等の高炉操業トラブル時にも、ボイラーの安定運転が確保できるとともに、通常は燃料費の安価な高炉ガス燃焼で運転する経済的な運転を行うことが可能になる。

図１は本発明の一実施の形態に係る製鉄プラント蒸気発生用のガス焚きボイラー１５（以下、単に「ボイラー１５」という）の運転制御装置の説明図であり、Ｂガス流路及びＣガス流路の系統図にボイラー運転制御装置１を合わせて記載している。
まず、Ｂガス流路に設置される各機器とその作用を説明する。
高炉３より発生したＢガスは、ダストキャッチャー５を経由してダストが除かれ、ベンチュリースクラバー７内で水洗洗浄されたあと、炉頂発電設備９（ＴＲＴ）にて炉頂圧発電を行い、電気集塵機１１（ＥＰ１１）によって集塵され、Ｂガス本管１３に回収される。
その後、所内ガス需給バランスによってＢガス消費設備へ受配給が行われる。
なお、図１においては、１つの高炉３に対するＢガス流路のみ示しているが、高炉３の数が複数ある場合にはＢガス流路に同様の機器類が設置される。

ボイラー１５は、Ｂガス本管１３から分岐したＢガス供給管１７と、コークス工場から回収されるＣガスが流れるＣガス本管１９から分岐したＣガス供給管２１に接続されて、それぞれのガスを燃料として運転される。
Ｂガス供給管１７にはボイラー１５に供給するＢガス量を調整するＢガス流量調整弁２３が設けられている。また、Ｃガス供給管２１にはボイラー１５に供給するＣガス量を調整するＣガス流量調整弁２５が設けられている。

また、高炉炉頂ガス温度を検知する第１温度検知器２７と、Ｂガスラインにおける電気集塵機１１（ＥＰ１１）のすぐ下流側、すなわちＢガス本管１３入口におけるＢガス温度を検知する第２温度検知器２９とが設けられている。
そして、本実施の形態に係るボイラー運転制御装置１は、第１温度検知器２７及び第２温度検知器２９の検知信号を入力してＢガス温度が異常かどうかを判定するＢガス温度異常検知手段３１と、Ｂガス温度異常検知手段３１の判定に基づいてＢガス流量調整弁２３及びＣガス流量調整弁２５の制御を行なうガス流量増減制御手段３３とを備えている。
以下、Ｂガス温度異常検知手段３１とガス流量増減制御手段３３について説明する。

＜Ｂガス温度異常検知手段＞
図２はＢガス温度異常検知手段３１の説明図であり、１高炉３からｎ高炉３までのｎ個の高炉がある場合において、１号ボイラー１５の運転制御を行なう場合を示している。なお、Ｂガス温度異常検知手段３１は、プログラムをＣＰＵが実行することによって実現されるものである。
以下、図２に基づいてＢガス温度異常検知手段３１の動作説明を行なう。

Ｂガス温度異常検知手段３１には１高炉３〜ｎ高炉３に設けられた第１温度検知器２７からの検知信号が入力される。
Ｂガス温度異常検知手段３１は、第１温度検知器２７からの入力信号に基づいて、１高炉３〜ｎ高炉３の炉頂ガス温度が異常状態であるとして定めた規定値以上かどうかを判定する。この判定において、１高炉３〜ｎ高炉３のいずれかの高炉３の炉頂ガス温度が規定値以上であると判定した場合には、１号ボイラー１５が各種の運転制御条件を満足して運転可能な状態かどうかを判定する。１号ボイラー１５が上記条件を満足して運転可能な状態であれば、Ｃガス増量ロジックを作動する指令を１号ボイラー１５のガス流量増減制御手段３３に送る。Ｃガス増量ロジックについては後述する。

他方、１高炉３〜ｎ高炉３の全ての炉頂ガス温度が正常運転可能状態であるとして定めた規定値以下であり、かつ１高炉３〜ｎ高炉３のＢガスラインにおけるＥＰ１１出口ガス温度が規定値以下であると判定した場合には、Ｃガス減量ロジックを作動する指令を１号ボイラー１５のガス流量増減制御手段３３に送る。Ｃガス減量ロジックについては後述する。

＜ガス流量増減制御手段＞
図３はガス流量増減制御手段３３の説明図である。なお、ガス流量増減制御手段３３は、プログラムをＣＰＵが実行することによって実現されるものである。以下、図３に基づいてガス流量増減制御手段３３の動作説明を行なう。
なお、ボイラー１５には、最低発生蒸気量の制約があり、Ｂガス、Ｃガス各々単独で運転することが可能なＢガス量及びＣガス量が定められている。したがって、各ガス単独で運転する場合は、これらの値がボイラー運転に必要な最低ガス流量となる。以下の説明では、このガス量をそれぞれＣガス単独ボイラー運転可能Ｃガス流量、Ｂガス単独ボイラー運転可能Ｂガス流量という。

Ｃガス増量ロジック作動指令があった場合には、ガス流量増減制御手段３３はＣガス増量のためのガス流量を演算して、この演算値になるようにＢガス流量調整弁２３及びＣガス流量調整弁２５の流量を設定する。この流量設定は、Ｃガスについては制御可能な最低流量からＣガス単独でボイラー運転が可能な量すなわちＣガス単独ボイラー運転可能ガス流量に増量する設定である。
Ｃガス単独ボイラー運転可能Ｃガス流量を設定することにより、ボイラー１５にこのＣガス流量が供給されればボイラー１５は安定的に供給されるＣガス単独で運転可能となり、失火の危険がなくなる。

他方、Ｂガスについては、蒸気発生に必要なトータルガスカロリーを一定として、蒸気発生量を一定に保つため、減量の設定を行なう。減量の設定は、Ｃガスを増量したことにより増えたカロリーに相当する分だけ、Ｂガス量を減らすというものであり、具体的にはＢガス流量f(B)を下式に示すように設定する。
f(B)=現状Ｂガス流量設定値−[(Ｃガス単独ボイラー運転可能Ｃガス流量)−
Ｃガス流量制御可能最低流量)×Ｃガスカロリー/Ｂガスカロリー]

なお、Ｃガス増量ロジック作動指令がある場合というのは、高炉側でスリップ等によりＢガス温度が高くなったような場合であり、この場合には前述したようにＢガスが薄まってカロリーが低くなる可能性がある。この場合に、ボイラー１５に供給されるカロリーを一定にするためにはＢガスカロリーが低下する分だけＢガス流量を増加させるようにすればよい。

Ｃガス減量ロジック作動指令があった場合には、Ｃガス減量のための流量設定を行なう。この流量設定は、Ｃガスについては、Ｃガス単独ボイラー運転可能ガス流量を制御可能な最低流量に減量する。
Ｃガス減量ロジック作動指令がある場合には、すでにＢガスが安定的に供給される状況にあるので、Ｃガス量を制御可能な最低流量に減量しても失火の危険はない。

他方、Ｂガスについては、増量の設定を行なう。増量の設定は、Ｃガスを減量したことにより減少するカロリーに相当する分だけ、Ｂガス量を増すというものであり、具体的には下式に示すように設定する。
f(B)=現状Ｂガス流量設定値＋[(Ｃガス単独ボイラー運転可能Ｃガス流量)−
Ｃガス流量制御可能最低流量)×Ｃガスカロリー/Ｂガスカロリー]

なお、この場合にも、前述のようにＢガスが薄まってカロリーが低くなる可能性がある。この場合に、ボイラー１５に供給されるカロリーを一定にするためにはＢガスカロリーが低下する分だけＢガス流量を増加させるようにすればよい。

次に、上記のように構成された本実施の形態に係るボイラー運転制御装置１による運転制御方法を説明する。
通常運転時すなわち高炉炉頂温度の異常が検知されない状態においては、ボイラー１５はＢガスによって運転されている。もっとも、この場合にもＣガスは制御可能な最低流量はボイラー１５に供給されている。
仮に、１高炉３に高炉吹き抜けが生じた場合を想定すると、１高炉３のＢガスの炉頂温度が急上昇する。これを第１温度検知器２７が検知して、検知信号をボイラー運転制御装置１に入力する。ボイラー運転制御装置１では、この検知信号を入力してＢガス温度異常検知手段３１が入力された温度が規定値以上かどうかを判定する。
規定値以上であると判定すると、上述した手順（図２参照）に従ってＣガス増量ロジック作動指令を発信する。

Ｃガス増量ロジック作動指令が発信されると、ガス流量増減制御手段３３はＣガス増量ロジックを作動して、上述したように（図３参照）、ボイラー１５に供給するＣガス量及びＢガス量を演算して、この演算値になるようにＢガス流量調整弁２３及びＣガス流量調整弁２５の流量を設定する。具体的には、Ｃガス流量調整弁２５のＣガス流量は、Ｃガス単独ボイラー運転可能Ｃガス流量に設定される。また、Ｂガス流量調整弁２３のＢガス流量は、増量したＣガス流量のカロリーに相当するカロリー分だけ減量される。この状態は、Ｃガス単独でボイラー燃焼が可能な量のＣガスと、残りの必要なガスをＢガスで賄うという状態である。これによって、Ｂガスが不安定であっても、少なくともＣガス単独での運転が可能な量だけＣガスが供給されているので、失火の危険がなく、蒸気発生に必要なトータルガスカロリーは一定とした安定運転が実現される。

上記の運転を継続すると、その後、１高炉３が正常状態に戻り、１高炉３のＢガスの炉頂温度及びＥＰ１１出口のＢガス温度が正常状態に戻る。この状態において、第１温度検知器２７及び第２温度検知器２９の温度検知信号がボイラー運転制御装置１に入力されると、ボイラー運転制御装置１では、Ｂガス温度異常検知手段３１が入力された温度が正常運転可能状態であるとして定めた規定値以下かどうかを判定する。
規定値以下であると判定すると、上述した手順（図２参照）に従ってＣガス減量ロジック作動指令を発信する。

Ｃガス減量ロジック作動指令が発信されると、ガス流量増減制御手段３３はＣガス減量ロジックを作動して、上述したように（図３参照）、ボイラー１５に供給するＣガス量及びＢガス量を演算してこの演算値になるようにＢガス流量調整弁２３及びＣガス流量調整弁２５の流量を設定する。具体的には、Ｃガス流量調整弁２５のＣガス流量は、制御可能な最低流量に設定される。また、Ｂガス流量調整弁２３のＢガス流量は、減量したＣガス流量のカロリーに相当するカロリー分だけ増量される。この状態は、燃料単価の安いＢガスでのほぼ単独運転状態であり経済的な運転となる。

以上のように、本実施の形態によれば、ボイラー１５の燃料ガスとして、Ｂガス及びＣガスを燃焼することが可能な製鉄プラント蒸気発生用のボイラー１５の運転方法において、通常は、高価なＣガス使用量を制御可能な最低流量としておき、残りの蒸気負荷を安価なＢガス燃焼で補う経済的な運転を行い、蒸気発生量の負荷変動に対応した蒸気を発生させることができる。
また、高炉側でスリップ等によりＢガス温度が高くなったような場合には、Ｂガスカロリーの異常を早期に検知し、ボイラー側のＣガス助燃量を増量することができ、失火の危険を回避できる。そして、Ｃガス助燃量を増量したカロリーに見合ったガスカロリーのＢガス量を減量するようにしたので、ボイラー蒸気発生量に変動を与えることなく、ボイラー運転を継続させることができる。
その後、高炉側の炉頂ガス温度及びＥＰ１１出口温度が、規定値以下に下がったことを確認したときには、増量したＣガス流量を、制御可能な最低流量まで低減し、それに見合ったガスカロリーのＢガス量を増量するようにしたので、ボイラー蒸気発生量に変動を与えることなく、経済的なボイラー運転を継続させることができる。

つまり、本実施の形態によれば、ボイラー蒸気発生量に変動を与えることなく、スリップ
等の高炉操業トラブル時にも、ボイラーの安定運転が確保できるとともに、通常は燃料費の高価なＣガスの使用量を制御可能な最低流量におさえ、残りの蒸気負荷を安価なＢガス燃焼で補う経済的な運転を行うことが可能になる。

本発明の一実施の形態に係るボイラー運転制御装置の説明図である。 本発明の一実施の形態に係るＢガス温度異常検知手段の説明図である。 本発明の一実施の形態に係るガス流量増減制御手段の説明図である。

符号の説明

１ ボイラー運転制御装置
３ 高炉
５ ダストキャッチャー
７ ベンチュリースクラバー
９ 炉頂発電装置
１１ 電気集塵機
１３ Ｂガス本管
１５ ボイラー
１７ Ｂガス供給管
１９ Ｃガス本管
２１ Ｃガス供給管
２３ Ｂガス流量調整弁
２５ Ｃガス流量調整弁
２７ 第１温度検知器
２９ 第２温度検知器
３１ Ｂガス温度異常検知手段
３３ ガス流量増減制御手段

Claims (4)

1. 高炉ガス及びコークス炉ガスを燃料ガスとして燃焼することが可能なガス焚きボイラーの運転方法であって、
   通常運転時は、高炉ガスを燃料として運転し、高炉炉頂ガス温度が異常に高くなったと判断されたときには、コークス炉ガス単独で運転可能な量のコークス炉ガスを供給して運転することを特徴とするガス焚きボイラーの運転方法。
2. 高炉炉頂ガス温度及び高炉ガス流路における流路本管の入口手前のガス温度が予め定めた規定の温度以下になったときに、ボイラーに供給するガスをコークス炉ガスから高炉ガスに切り替えて運転することを特徴とする請求項１に記載のガス焚きボイラーの運転方法。
3. 高炉ガス及びコークス炉ガスを燃料ガスとして燃焼することが可能なガス焚きボイラーの運転制御装置であって、
   高炉炉頂ガス温度を検知する高炉炉頂ガス温度検知手段と、高炉炉頂ガス温度検出手段の検知信号を入力して該入力信号に基づいて高炉ガスの状態が正常状態か異常状態かを判定する高炉ガス温度異常検知手段と、該高炉ガス温度異常検知手段の判定に基づいて前記ガス焚きボイラーに供給する高炉ガス流量とコークス炉ガス流量を演算し、該演算値に基づいてガス焚きボイラーに供給する供給路に設けられた流量調整手段を制御するガス流量増減制御手段と、を備え、
   該ガス流量増減制御手段は、通常運転時は、ボイラーに高炉ガスを供給するように流量制御弁を制御し、高炉炉頂ガス温度が異常に高くなったと判定されたときには、コークス炉ガスをコークス炉ガス単独で運転可能な量にするように流量制御弁を制御することを特徴とするガス焚きボイラーの運転制御装置。
4. 高炉ガス流路における流路本管の入口手前のガス温度を検出する流路温度検出手段を備え、ガス流量増減制御手段は高炉炉頂ガス温度検知手段及び流路温度検出手段の検知信号を入力して、該検知温度が予め定めた規定の温度以下になったときに、ボイラーに供給するガスをコークス炉ガスから高炉ガスに切り替えることを特徴とする請求項３に記載のガス焚きボイラーの運転制御装置。

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