JP2008261747A - ボイラのモニタ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】長寿命化により長期間のモニタリングを可能にするボイラのモニタ装置を提供する。
【解決手段】モニタリングプローブ３１は、ボイラの排ガスの流路上に設けられて排ガスに接触する外筒３３と、外筒３３の内側に設けられ、高温側感熱部と低温側感熱部との温度差を電位差に変換する熱電変換部４１と、を備え、熱電変換部４１は、高温側感熱部と低温側感熱部との間に設けられた半導体熱電素子を有しており、熱電変換部の高温側感熱部は、外筒３３の内壁面に接するように設けられている。
【選択図】図２

Description

本発明はボイラの燃焼炉から発生する排ガスを監視するボイラのモニタ装置に関するものである。

従来、このような分野の技術として、下記特許文献１に記載のモニタリングセンサが知られている。この文献に記載されたセンサの管状のプローブは、焼却炉内に挿入され用いられるもので、このプローブには熱電対が設けられており、当該熱電対の先端が管状プローブの外面に突出することで、プローブ外面の温度を計測し、プローブ外面への物質の付着を検出している。
特許３４３２８０８号公報

しかしながら、このようなセンサでは、管状プローブの外面に突出した熱電対の先端が、焼却炉内の高温の雰囲気に晒されることになる。従って、高温により熱電対が傷みやすくプローブの寿命が短いので、このセンサは長期間のモニタリングには不適であった。

そこで、本発明は、長寿命化により長期間のモニタリングを可能にするボイラのモニタ装置を提供することを目的とする。

本発明のボイラのモニタ装置は、ボイラの燃焼炉から発生する排ガスを監視するボイラのモニタ装置において、排ガスの流路上に設けられ排ガスに接触する第１の管状体と、第１の管状体の内側に設けられ、第１の感熱部と第２の感熱部との温度差を電位差に変換する熱電変換部と、を備え、熱電変換部は、第１の感熱部と第２の感熱部との間に設けられた半導体の熱電素子を有しており、熱電変換部の第１の感熱部は、第１の管状体の内壁面に接するように設けられていることを特徴とする。

このモニタ装置においては、排ガス流路上に第１の管状体が設けられるので、排ガスに含まれる付着性物質が、第１の管状体の外側に付着する。そして、この付着性物質が第１の管状体の外側に堆積していくと、排ガスの熱が第１の管状体に伝播しにくくなり、第１の管状体の温度が低下する。一方、第１の管状体の内側には、熱電変換部が設けられており、第１の感熱部が接する第１の管状体と、第２の感熱部が位置する当該第１の管状体内部の温度との差が電位差に変換される。従って、この電位差を検出することにより、付着性物質の堆積に起因する第１の管状体の温度低下を検知することができ、付着性物質の堆積を検知することができる。このように、このモニタ装置では、熱電変換部は、第１の管状体の内側に設けられているので、熱電変換部が排ガスに直接接触せず、高温による傷みが少ない。その結果、このモニタ装置では、長寿命化が図られ長期間のモニタリングが可能となる。

また、本発明のボイラのモニタ装置は、具体的には、第１の管状体の内側に設けられた第２の管状体を更に備え、熱電変換部の第２の感熱部は、第２の管状体の外壁面に接することとしてもよい。この場合、第１の管状体の温度と第２の管状体の温度との差が電位差に変換される。

また、本発明のボイラのモニタ装置は、第２の管状体の内側を冷却する冷却手段を更に備えることが好ましい。この場合、第２の管状体の内側の冷却により第２の管状体自体の温度を安定させて、第１の管状体との温度差を顕著化することができ、第１の管状体の温度変化をより正確に検知することができる。この場合、具体的には、冷却手段は、第２の管状体の内側で冷媒を循環させる冷媒循環手段を有することとしてもよい。この場合、冷媒によって、効率良く第２の管状体の内側を冷却することができる。

また、熱電変換部の第１及び第２の感熱部は、第１の管状体の長手方向に延びていることとしてもよい。この構成によれば、付着性物質の付着が検出可能な領域を、第１の管状体の長手方向に拡げることができる。

本発明のボイラのモニタ装置によれば、長寿命化によりボイラの長期間のモニタリングが可能となる。

以下、図面を参照しつつ本発明に係るボイラのモニタ装置の好適な実施形態について詳細に説明する。

（第１実施形態）
図１に示す外部循環型（Circulating Fluidized Bed型）の流動層型ボイラ１は、木屑、タイヤ、ＲＰＦ等を燃料として用いるボイラであり、縦長円筒形状をなす流動層型の燃焼炉３を備えている。燃焼炉３の中間部には燃料を投入する燃料投入口３ａ、上部には燃焼ガスを排出するガス出口３ｂが設けられている。ガス出口３ｂには固気分離装置として機能するサイクロン７が接続されている。サイクロン７の排出口７ａはガスラインを介して後段のガス処理系に接続されている。また、サイクロン７の底部出口からはダウンカマーと称されるリターンライン９が下方に延びており、リターンライン９の下端は燃焼炉３の中間部側面に接続されている。

燃焼炉３内では、下部の給気ライン３ｃから導入される燃焼・流動用の空気により、上記投入口３ａから投入された燃料を含む固形物が流動し、燃料は流動しながら約８００〜９００℃で燃焼する。サイクロン７には、燃焼炉３で発生した燃焼ガスが固体粒子を同伴しながら導入される。サイクロン７は、遠心分離作用により固体粒子と気体とを分離し、分離された固体粒子をリターンライン９を通して燃焼炉３に戻すと共に、固体粒子が除かれた燃焼ガスを排出口７ａからガスラインを通じて後段のガス処理系に送出する。

この燃焼炉３では「炉内ベット材」と呼ばれる固形物が発生し底部に溜まるが、この炉内ベット材で不純物（低融点物質等）が濃縮されて起こるベット材の焼結及び溶融固化、或いは不燃厨芥物による動作不良を抑制することが必要である。このため、燃焼炉３では、底部の排出口３ｄから炉内ベット材が定期的に外部に排出されている。また排出されたベット材は、循環ライン（図示せず）を通じて再び燃焼炉３に返送されている。また、このボイラ１に用いられるの燃料には、燃焼に不適である金属などの不適物が混入している場合が多いので、この不適物を燃焼炉３内から取り除くために、循環ライン上には、篩及び磁気分離装置を有する選別装置が設けられている。

上記のガス処理系は、サイクロン７のガス排出口７ａにガスラインを介して接続されたガス熱交換装置１３と、このガス熱交換装置１３の排出口１３ａにガスラインを介して接続されたバグフィルタ（集塵器）１５とを備えている。ガス熱交換装置１３には、排ガスの流路を横切るように水を流動させるボイラチューブ１３ｂが設けられている。サイクロン２４から送られた高温の排ガスがこのボイラチューブ１３ｂに接触することで、排ガスの熱がチューブ内の水に回収され、発生した高温の水蒸気がボイラチューブ１３ｂを通じて発電用のタービンに送られる。バグフィルタ１５は、この可燃性ガスに未だ同伴している飛灰等の微粒子を除去する。バグフィルタ１５の排出口１５ａから排出された清浄なガスはガスライン及びポンプ１７を経由して煙突１９から外部に排出される。

上述の通り、このボイラ１では、木屑、タイヤ、ＲＰＦ等が燃料として用いられており、燃焼炉３からは塩素を含んだ排ガスが発生する。このような塩素は、排ガスを構成する気体及び粒子に含まれている。この排ガスは、鉄を主成分とするボイラチューブ１３ｂに接触しながらガス熱交換装置１３を通過するので、排ガス中の粒子がボイラチューブ１３ｂに付着し腐食させたり、ボイラチューブ１３ｂに堆積することでガス熱交換装置１３を閉塞させたりすることが問題となる。従って、ボイラ１の運転中には、ボイラチューブ１３ｂに付着し堆積する付着性物質（「デポジット」などと呼ばれる）をモニタし、デポジットが規定以上に堆積した場合には、燃料供給を停止したりする措置が必要である。

そこで、ボイラ１は、デポジットの付着を監視するため、ボイラチューブ１３ｂの近傍を流動する排ガスに接触するモニタリングプローブ（モニタ装置）３１を備えている。更に、ボイラ１は、このプローブ３１からの信号に基づいて処理を行う燃料制御部４７と、燃料制御部４７からの制御信号に応じて投入口３ａに燃料を投入する燃料投入装置４９と、を備えている。

図２に示すように、上記プローブ３１は、ガス熱交換部１３のボイラチューブ１３ｂよりも上流側の位置において、円柱形状をなす先端側をガス熱交換部１３の内部に水平に突出させるように設けられている。プローブ３１は、ガス熱交換部１３の約８００℃の排ガスに接触する外管（第１の管状体）３３と、外管３３の内側に同心に設けられた内管（第２の管状体）３５と、その内管３５の更に内側に設けられた給水管３７とを有している。

ガス熱交換部１３の外側にあるプローブ３１の基端側には、給水管３７に冷却水を導入する給水口３７ａと、内管３５から冷却水を排出する排水口３５ｂとが設けられている。給水口３７ａから導入された冷却水は、給水管３７内側を通じてプローブ３１の先端側に流動し、更に、内管３５と給水管３７との間を基端側に流動して、排水口３５ｂから排出される。この冷却水によって、内管３３を効率よく冷却することができ、内管３５は約５０℃でほぼ一定の温度に維持される。また、この冷却水によって高温によるプローブ３１の損傷が防止される効果もある。

図３に示すように、外管３３と内管３５との間に形成された環状の間隙には、８個の熱電変換素子４１が全周に亘って等間隔に設置されている。この熱電変換素子４１は、高温側感熱部（第１の感熱部）４１ａと低温側感熱部（第２の感熱部）４１ｂと間の温度差を検出するものであり、高温側感熱部４１ａは、外管３３の内壁面３３ａに接触しており、低温側感熱部４１ｂは、内管３５の外壁面３５ｂに接触している。なお、高温側感熱部４１ａ及び低温側感熱部４１ｂは、電気的な絶縁を図った状態で、それぞれ内壁面３３ａ、外壁面３５ｂに接触している。

上記熱電変換素子４１は、ｐ型半導体からなるｐ型熱電素子４１ｐとｎ型半導体からなるｎ型熱電素子４１ｎとを有しており、このｐ型熱電素子４１ｐとｎ型熱電素子４１ｎとによって、高温側感熱部４１ａと低温側感熱部４１ｂとが連結されている。この各熱電変換素子４１において、高温側感熱部４１ａ、低温側感熱部４１ｂ、ｐ型熱電素子４１ｐ、及びｎ型熱電素子４１ｎは、それぞれ、外管３３の長手方向に延在し、外管３３の全長に亘って設けられている。

このような構成の熱電変換デバイスは、いわゆる「ゼーベック素子」等と呼ばれるものである。すなわち、高温側感熱部４１ａと、低温側感熱部４１ｂとの間に温度差が生じると、低温側感熱部４１ｂを構成する２つの端子電極４１ｈ，４１ｊ間に電位差が生じ、端子電極４１ｈ，４１ｊに接続された電流検出部４５には、上記温度差に応じた電流が流れる。そして、この電流を検出するための電流検出部４５が、プローブ３１の基端側に設けられており、図４に示すように、この８個の各熱電変換素子４１は、並列してそれぞれ電流検出部４５に接続されている。そして、電流検出部４５で検出された電流の値は、信号として燃料制御部４７に送られる。

この構成によれば、プローブ３１には排ガスが接触し、外管３３の外壁面にデポジットが付着する。ここで、外管３３の外壁面の何れかの位置においてデポジットが付着したときには、その位置において、排ガスから外管３３への伝熱効率が低下するので、外管３３の温度が低下する。例えば、デポジット付着がないときの外管３３の温度は排ガスと同じく約８００℃であるが、デポジットが付着した場合には、付着位置における外管３３の温度が約７８０℃程度に低下する。外管３３の何れかの位置で温度が低下すると、その位置において、内管３３との温度差が小さくなり、該当する位置の熱電変換素子４１からの電流が低下し、その結果、電流検出部４５で検出されている電流が低下する。また、デポジットが厚く堆積するに従って、外管３３の温度低下は大きくなり、検出される電流は小さくなる。

すなわち、電流検出部４５で検出されている電流が小さくなるほど、排ガスにはボイラチューブ１３ｂの腐食の原因となるデポジットが外筒３３の表面に厚く付着していることを意味する。そしてこの場合、プローブ３１近傍のボイラチューブ１３ｂにおいてもデポジットが厚く付着していることが推定される。このように、このプローブ３１によれば、ボイラチューブ１３ｂに堆積したデポジットの厚さを、電流検出部４５の電流の値として得ることができる。

このプローブ３１では、熱電変換素子４１が外管３３の内側に存在し、ガス熱交換部１３の排ガスの流路上に露出していない。従って、熱電変換素子４１が高温の排ガスに直接接触せず、高温による傷みが少ない。その結果、このプローブ３１は長寿命であり、排ガスを長期間モニタすることが可能となる。

また、このプローブ３１では、８個の熱電変換素子４１が全周に亘って等間隔に設置されているので、外管３３の周方向の何れの位置においてデポジットが付着しても、その付着を検出することができる。なおかつ、各熱電変換素子４１は外管３３の全長に亘って延在しているので、外管３３の延在方向の何れの位置においてデポジットが付着しても、その付着を検出することができる。また、このプローブ３１では、外筒３３の温度を検知する手段として、ゼーベック素子を構成する熱電変換素子４１を採用しているので、デポジット付着による外筒３３の温度変化を感度よく検出することができる。

このプローブ３１から送られた上記電流の値は、燃料制御部４７に信号として送信される。燃料制御部４７は、受信した電流の値を、予め定められた規定値とを比較し、規定値以下の場合は、燃料投入装置４９に燃料投入量の調整を指示する所定の制御信号を送出する。この制御信号を受信すると、燃料投入装置４９は燃料の投入速度を減速させ、或いは停止させることで、発生するデポジットを低減させる。このように、ボイラ１によれば、ボイラチューブ１３ｂへのデポジット付着量に応じて燃料投入が調整されるので、ボイラチューブ１３ｂの腐食を抑制することができる。

なお、このプローブ３１においては、内管３５と給水管３７とを省略することも可能である。この場合、熱電変換素子４１の低温側感熱部４１ｂが外管３３の内部の空気に接触することになり、外管３３と外管３３内部の空気との温度差が、電流検出部４５で電流として検出される。これに対し、上述したプローブ３１の図２の構成では、熱電変換素子４１が、外管３３と内管３５との間に挟まれて存在し、内壁面３３ａ及び外壁面３５ｂに熱電変換素子４１の両端が保持される。従って、内管３５が存在する図２の構成の方が、熱電変換素子４１が破損し難く、また、熱電変換素子４１がより確実に固定されて内壁面３３ａからの剥離や落下が防止される点でより好ましい。

（第２実施形態）
図５に示すプローブ１３１は、上述のプローブ３１に代えて、ボイラ１に適用することができる。このプローブ１３１では、外筒１３３の内壁面に設けられた凹溝１３３ａには、８個の熱電変換素子１４１ａが埋め込まれている。この８個の熱電変換素子１４１ａは、並列してそれぞれ電流検出部１４５ａに接続されている。同様に、基端側に設けられた凹溝１３３ｂにも、８個の熱電変換素子１４１ｂが埋め込まれており、この８個の熱電変換素子１４１ｂは、並列してそれぞれ電流検出部１４５ｂに接続されている。

この構成によれば、外筒１３１の熱電変換素子１４１ａに近い位置におけるデポジット付着と、熱電変換素子１４１ｂに近い位置におけるデポジット付着と、をそれぞれ電流検出部１４５ａ，１４５ｂで区別して検出することができる。従って、プローブ１３１の長手方向においてどの位置にデポジットが付着したのかをある程度検知することができる。なお、このプローブ１３１において、上述のプローブ３１と同一又は同等の構成については、図面に同一符号を付し説明を省略する。

本発明に係るモニタリングプローブが適用されるボイラの一実施形態を示す図である。 （ｂ）は、図１のモニタリングプローブを拡大して示す断面図であり、（ａ）は、そのII-II断面図である。 図２（ａ）のモニタリングプローブの熱電変換素子を拡大して示す断面図である。 図２のモニタリングプローブの各熱電変換素子の接続を示す回路図である。 （ｂ）は、本発明に係るモニタリングプローブの第２実施形態を示す断面図であり、（ａ）は、そのV-V断面図である。

符号の説明

１…ボイラ、３…燃焼炉、１３…ガス熱交換部（ガスの流路）、３１…モニタリングプローブ（モニタ装置）、３３…外筒（第１の管状体）、３３ａ…内壁面、３５…内筒（第２の管状体）、３５ｂ…外壁面、３７…給水管（冷却手段、冷媒循環手段）、４１…熱電変換素子（熱電変換部）、４１ａ…高温側感熱部（第１の感熱部）、４１ｂ…低温側感熱部（第２の感熱部）、４１ｎ…ｎ型熱電素子、４１ｐ…ｐ型熱電素子。

Claims (5)

1. ボイラの燃焼炉から発生する排ガスを監視するボイラのモニタ装置において、
   前記排ガスの流路上に設けられ前記排ガスに接触する第１の管状体と、
   前記第１の管状体の内側に設けられ、第１の感熱部と第２の感熱部との温度差を電位差に変換する熱電変換部と、を備え、
   前記熱電変換部は、前記第１の感熱部と前記第２の感熱部との間に設けられた半導体の熱電素子を有しており、
   前記熱電変換部の前記第１の感熱部は、前記第１の管状体の内壁面に接するように設けられていることを特徴とするボイラのモニタ装置。
2. 前記第１の管状体の内側に設けられた第２の管状体を更に備え、
   前記熱電変換部の前記第２の感熱部は、前記第２の管状体の外壁面に接することを特徴とする請求項１に記載のボイラのモニタ装置。
3. 前記第２の管状体の内側を冷却する冷却手段を更に備えたことを特徴とする請求項２に記載のボイラのモニタ装置。
4. 前記冷却手段は、前記第２の管状体の内側で冷媒を循環させる冷媒循環手段を有することを特徴とする請求項３に記載のボイラのモニタ装置。
5. 前記熱電変換部の前記第１及び第２の感熱部は、前記第１の管状体の長手方向に延びていることを特徴とする請求項１〜４の何れか１項に記載のボイラのモニタ装置。

Images