JP2009011918A - 燃焼システム - Google Patents

Abstract

【課題】各設備におけるアンモニアガスの消費活動に応じてアンモニア気化器の動作や状態を自動的に且つ適切に制御することができる燃焼システムを提供する。
【解決手段】蒸気と排ガスとを供給する燃焼系統とアンモニアガスを消費する消費設備４０との間に設けられて、液化アンモニアを燃焼系統の蒸気によって気化させることでアンモニアガスを生成するアンモニア気化器２２と、アンモニア気化器２２で生成したアンモニアガスを消費設備４０に供給するアンモニア供給手段３３及び３４と、アンモニア供給手段３３及び３４から消費設備４０に対するアンモニアガスの供給を制御すると共に、燃焼系統に対する指令の発生又はアンモニア気化器２２の圧力状態に応じて、所定のタイミングでアンモニア気化器２２に対する温度状態を制御する制御手段とを備える。
【選択図】図２

Description

本発明は、ボイラ、タービン等の各種燃焼装置を熱源としてアンモニアガスを生成して消費する燃焼システムに関する。

従来から、例えば、発電所などで使用されている脱硝装置等には、排ガスと混合させるための還元ガスを注入するために、アンモニアガスを生成するアンモニア気化器が設けられている。脱硝装置では、アンモニア気化器で生成されたアンモニアガスが還元ガスとして注入されて、アンモニアガスと排ガスとが触媒層上において接触することで、各燃焼装置から排出される排ガス中に含まれる窒素酸化物（ＮＯ_Ｘ）を除去している（例えば、特許文献１参照）。

このようなアンモニア気化器は、通常、発電所の各設備（例えば、発電ユニット）が停止してアンモニアガスが消費されない時には停止状態となっている。一方、所内設備の管理をする上では、発電所の各設備が停止している場合であっても、アンモニア気化器の温度を所定以上の温度に維持し続ける必要があった。このため、例えば、発電所の各設備が停止中に、アンモニア気化器の温度が所定以下となった場合には、作業員の目視と手動操作によって温度上昇などの各種制御を行っていた。このような制御では、手間と時間を要すると共に起動停止の操作も困難となるため、経済効率が悪くまた人員的な負担も大きかった。

特開２００４−２１８９３８号公報（特許請求の範囲等）

本発明はかかる事情に鑑み、各設備におけるアンモニアガスの消費活動に応じてアンモニア気化器の動作や状態を自動的に且つ適切に制御することができる燃焼システムを提供することを目的とする。

上記目的を達成するための本発明の第１の態様は、蒸気と排ガスとを供給する燃焼系統とアンモニアガスを消費する消費設備との間に設けられて、液化アンモニアを燃焼系統の蒸気によって気化させることでアンモニアガスを生成するアンモニア気化器と、前記アンモニア気化器で生成したアンモニアガスを前記消費設備に供給するアンモニア供給手段と、前記アンモニア供給手段から前記消費設備に対するアンモニアガスの供給を制御すると共に、前記燃焼系統に対する指令の発生又は前記アンモニア気化器の圧力状態に応じて、所定のタイミングで前記アンモニア気化器に対する温度状態を制御する制御手段とを備えることを特徴とする燃焼システムにある。

かかる第１の態様では、液化アンモニアが燃焼系統からの蒸気によって気化されることでアンモニアガスが生成されて消費設備に対して供給されると共に、燃焼系統に対する指令の発生又はアンモニア気化器の圧力状態に応じて、所定のタイミングでアンモニア気化器に対する温度状態が制御される。これにより、アンモニア気化器を常に所定の温度以上に維持する必要がなくなり、消費設備に対するアンモニアガスの消費活動に応じて動作や状態を適切に制御することができる。

本発明の第２の態様は、前記制御手段は、前記アンモニア気化器の起動停止と前記燃焼系統の点火消火とを連動させて、前記アンモニア気化器の温度が低下した場合には、前記燃焼系統の点火が完了する前に、前記アンモニア気化器の温度上昇が完了するように所定の指令を送出することを特徴とする第１の態様に記載の燃焼システムにある。

かかる第２の態様では、アンモニア気化器の温度が低下した場合には、燃焼系統の点火が完了する前に、アンモニア気化器の温度上昇を完了させる。これにより、アンモニアガスの消費活動においてアンモニア気化器の状態を適切に維持するための適切な制御をすることができる。

本発明の第３の態様は、前記制御手段は、前記アンモニア気化器の圧力が低下した場合に、そのアンモニア気化器の温度上昇が完了した後に、圧力上昇を実行する起動指令を送出することを特徴とする第１又は２の態様に記載の燃焼システムにある。

かかる第３の態様では、アンモニア気化器の圧力が低下した場合に、アンモニア気化器の温度上昇が完了した後に、圧力上昇を実行する起動指令が送出される。これにより、適切なタイミングで確実にアンモニア気化器の動作や状態を制御することができる。

本発明の第４の態様は、前記燃焼系統は、前記アンモニア気化器及び前記アンモニア供給手段を併設又は内蔵していることを特徴とする第１〜３の何れか一つの態様に記載の燃焼システムにある。

かかる第４の態様では、燃焼系統にアンモニア気化器及びアンモニア供給手段が併設又は内蔵されている。これにより、周辺設備の形式などに拘らず、柔軟にアンモニア気化器の動作や状態を制御することができる。

本発明によれば、各設備におけるアンモニアガスの消費活動に応じてアンモニア気化器の動作や状態を自動的に且つ適切に制御することができる燃焼システムを提供することができる。

以下、本発明を実施するための最良の形態について説明する。なお、本実施形態の説明は例示であり、本発明は以下の説明に限定されない。

図１は、本実施形態に係る燃焼システムの概略図である。図１では、アンモニアガスを消費する消費設備として脱硝装置を例示している。

図１に示すように、燃焼システム１は、燃焼装置１０の蒸気出口がアンモニアガスを供給するアンモニア供給系統２０に接続される一方、燃焼装置１０の排ガス出口がアンモニアガスを消費する消費設備を構成する機器の一つである脱硝装置４１と接続されることで構成されている。燃焼装置１０はアンモニア供給系統２０に対する熱源として蒸気を供給する。そして、アンモニア供給系統２０は蒸気の熱で液化アンモニアを気化することによりアンモニアガスを生成して、燃焼装置１０で燃料を燃焼させることで発生する排ガスを処理するために脱硝装置４１に対して生成したアンモニアガスを注入する。脱硝装置４１は、アンモニアガスと排ガスとを混合した混合ガスを触媒層４１ａ、４１ｂ上において接触させて燃焼装置１０から排出される排ガス中に含まれる窒素酸化物（ＮＯ_Ｘ）を除去する。

上述のような燃焼装置１０としては、例えば、ボイラ、タービンなどの燃焼装置単体もしくはその組み合わせを挙げることができ、形式や種類は特に限定されない。また、装置の組み合わせも特に限定されず、一端から蒸気を排出することができると共に、他端から排ガスを排出することができる燃焼系統が構成されていれば特に限定されない。そして、本実施形態では、燃焼装置１０と発電機との組み合わせが、発電所の発電ユニットとして構成される。

また、図１では消費設備を構成する機器の一つとして脱硝装置４１を例示しているが、アンモニアガスを消費する装置であれば特に限定されず、例えば、発電所に設置されている電気集塵機（ＥＰ）、復水脱塩装置、及び各種所内設備などを挙げることができる。

ここで、上述したアンモニア供給系統２０について説明する。図２は、本実施形態に係るアンモニア供給系統のシステム構成図である。

図２に示すように、アンモニア供給系統２０は系統Ａと系統Ｂの２系統から構成されており、系統Ａと系統Ｂのそれぞれが消費設備４０に接続されてアンモニアガスが消費される。以降においては、系統Ａ及び系統Ｂをアンモニア供給系統２０と総称し、同一の構成及び機能については同一の符号を付して説明する。

アンモニア供給系統２０は、液化アンモニアを貯蔵するアンモニア貯蔵タンク２１、液化アンモニアを加熱して気化させることでアンモニアガスを生成するアンモニア気化器２２、気化されたアンモニアガスを蓄積するアキュムレータ２３、各機器同士を接続して各種流体を流入する各配管３１〜３３，３５、流体の流入を調整または遮断する調整弁２４，２９または遮断弁２５，２７、各機器に対する圧力や温度を制御する各種制御弁２６，２８，３０，３４で構成されている。なお、このようなアンモニア供給系統２０の設置形態は特に限定されず、例えば、燃焼装置１０に併設されていてもよいし、燃焼装置１０に内蔵されていてもよい。

アンモニア貯蔵タンク２１は、液化アンモニアが流入する配管３１を介してアンモニア気化器２２と接続されており、配管３１にはアンモニア貯蔵タンク２１への液化アンモニアの逆流を調整する調整弁２４、アンモニア気化器２２への液化アンモニアの流入を遮断する遮断弁２５、及びアンモニア気化器２２内の圧力を一定に制御する圧力制御弁２６が上流側から順次配設されている。

そして、アンモニア気化器２２は、蒸気が流入する配管３２を介して燃焼装置１０（図１参照）と接続されており、燃焼装置１０からの蒸気を熱源として、アンモニア貯蔵タンク２１から供給される液化アンモニアを加熱して気化させる。また、配管３２にはアンモニア気化器２２への蒸気の流入を遮断する遮断弁２７、及びアンモニア気化器２２の温度を一定に制御する温度制御弁２８が上流側から順次配設されている。

さらに、アンモニア気化器２２は、アンモニアガスが流入する配管３３を介して消費設備４０と接続されており、配管３３にはアンモニア気化器２２へのアンモニアガスの逆流を調整する調整弁２９、アキュムレータ２３内の圧力を一定に制御する圧力制御弁３０、アキュムレータ２３、及び消費設備４０に対するアンモニアガスの供給量を制御する制御弁３４が上流側から順次配設されている。

消費設備４０を構成する各装置には、複数に分岐した配管３３からアンモニアガスがそれぞれ供給されるようになっている。本実施形態では、消費設備４０を構成する機器として、脱硝装置４１及び４３、電気集塵機（ＥＰ）４２及び４４、復水脱塩装置４５、薬品注入装置４６を例示している。このうち、薬品注入装置４６とは、所内ボイラ等の所内設備の水質を管理するための所内装置であり、アンモニアガスを希釈したアンモニア希釈水の使用先となるユニット５１、ユニット５２、及び所内ボイラ５３と接続されることで、発電所の発電ユニットが停止している場合であっても所内設備の水質保全のために稼働している装置である。薬品注入装置４６は、他の装置に比べて少量のアンモニアガスを消費すると共に、その他の装置が停止中であっても稼働している。このため、消費設備４０を構成する各装置の供給量や稼働状況に応じて、アンモニア気化器２２の起動タイミングや起動時間などが適切に制御される。

なお、系統Ａと系統Ｂは、配管３５を介して接続されており、消費設備４０のアンモニアガスの消費活動等に応じて、配管３５に設けられた制御弁３６が開閉されることで、各系統Ａ、系統Ｂのそれぞれに対する液化アンモニアの供給が調整される。

本実施形態では、上述のようなシステム構成により、アンモニア供給系統２０から消費設備４０に対するアンモニアガスの供給が制御されると共に、消費設備４０よりも上流に設けられた燃焼装置１０に対する所定の指令又はアンモニア気化器２２の圧力状態に応じて所定のタイミングでアンモニア気化器２２に対する温度状態が制御される。このような各種弁や機器などに対する制御は、図示しない制御手段によって実行される。以降、制御手段が実行する具体的な処理について説明する。

＜アンモニア気化器の起動・停止処理＞
本実施形態の燃焼システム１は、アンモニア気化器２２の起動・停止動作と燃焼装置１０の点火・消火動作とが連動するように構成されている。ここでは、燃焼装置１０としてボイラを例示して説明する。

原則的には、ボイラが点火すると、アンモニア気化器２２に対する起動指令が送出してアンモニア気化器２２が起動する。一方、ボイラが消火すると、アンモニア気化器２２に対する停止指令が送出してアンモニア気化器２２が停止する。また、通常運転時では、発電ユニットの起動指令が送出されてからボイラが点火するまで最短で１．５時間程度を要し、アンモニア気化器２２に対する起動指令が送出されてから昇温が完了するまで最長で１時間程度を要する。

ここで、例えば、アンモニア気化器２２の温度が低下した場合には、ボイラ（燃焼装置１０）の点火が完了する前に、アンモニア気化器２２の温度上昇が完了するように制御する。すなわち、上述したボイラとアンモニア気化器２２の通常運転時の動作時間によれば、アンモニア気化器２２の温度が所定値より低下していた場合であっても、発電ユニットの起動指令に連動してアンモニア気化器２２に対する温度上昇指令が送出されることで、ボイラが点火した時にアンモニア気化器２２の温度が上昇した状態となる。

本実施形態では、発電ユニットが停止していてもアンモニア気化器２２の温度状態に関係なく、消費設備４０においてアンモニアガスが必要な場合には、発電ユニットに対する起動指令が送出されてから、アンモニア気化器２２を起動するようにすれば、発電所内におけるアンモニアガスの消費活動に応じてアンモニアガスを消費設備４０に適切に供給することができる。

＜アンモニア気化器の起動開始処理＞
本実施形態では、ボイラ（燃焼装置１０）が点火中であり且つアンモニア気化器２２の温度が所定値（本実施形態では、３５℃）以下になった場合に、アンモニア気化器２２の温度が低下した旨の警報が発生する。このとき、アンモニア気化器２２の起動が開始して、温度上昇に関する処理が実行される。なお、ボイラが消火中、すなわち発電ユニットが停止中の時は警報を発生させないようにする。

これにより、例えば、発電ユニット及びアンモニア気化器２２の停止中に、アンモニア気化器２２の温度が所定値以下となった場合において、警報を適切な状況で必要に応じて発生させることができる。これにより、例えば従来のように、発電ユニットが停止中であっても警報の発生によって強制的に実施されるアンモニア気化器２２に対する不要な起動を削減することができると共に、蒸気の使用量も削減することができる。

＜アンモニア気化器の温度上昇処理＞
図３は、本実施形態に係るアンモニア気化器の温度上昇に関する処理手順を示すフローチャートである。なお、本実施形態では、アンモニア気化器２２の温度管理についての判断基準を３５℃としている。

図３に示すように、発電ユニットの起動指令が発生する又はアンモニア気化器２２の圧力が低下すると（Ｓ１）、アンモニア気化器２２の温度が３５℃以下であるか否かが判断される（Ｓ２）。ここで、アンモニア気化器２２の温度が３５℃以下である場合（Ｓ２；Ｙｅｓ）には、アンモニア気化器２２に対する温度上昇指令が送出する（Ｓ３）。このようにして、発電ユニットの起動指令またはアンモニア気化器２２の圧力が低下した時に、自動的にアンモニア気化器２２の温度上昇処理が開始される。

そして、アンモニア気化器２２の温度上昇指令が送出された時（Ｓ３）には、遮断弁２５に対するロック指令を送出する（Ｓ４）。これにより、配管３１の下流側が閉となった状態で、アンモニア気化器２２を起動することができるため、起動時における液化アンモニアの流入によって発生する異常な圧力上昇を防止することができる。そして、アンモニア気化器２２に対する起動指令が送出されて（Ｓ５）、アンモニア気化器２２が起動することで４０℃付近まで温度が上昇する。アンモニア気化器２２の温度が復帰したことが確認されると（Ｓ６）、アンモニア気化器２２に対する停止指令が送出されてアンモニア気化器２２が停止する（Ｓ７）。

アンモニア気化器２２が停止したら、遮断弁２５に対するロック解除指令を送出して遮断弁２５を開放する（Ｓ８）。このような処理により、アンモニア気化器２２に対する温度上昇が完了する（Ｓ９）。

なお、発電ユニットの起動指令が発生する又はアンモニア気化器２２の圧力が低下した場合（Ｓ１）であっても、アンモニア気化器２２の温度が３５℃以上である場合（Ｓ２；Ｎｏ）には、アンモニア気化器２２に対する温度上昇処理は実行されない。

上述のような処理により、消費設備４０のアンモニアガスの消費活動に応じて、アンモニアガスを生成するアンモニア気化器２２の温度を適切な状態に維持することができる。

＜アンモニア気化器の圧力上昇処理＞
図４は、本実施形態に係るアンモニア気化器の圧力上昇に関する処理手順を示すフローチャートである。

図４に示すように、アンモニア気化器２２の圧力が低下すると（Ｓ１１）、アンモニア気化器２２の温度上昇が完了しているか否か確認される（Ｓ１２）。ここで、アンモニア気化器２２の温度上昇が完了している場合（Ｓ１２；Ｙｅｓ）には、アンモニア気化器２２に対する圧力上昇指令が送出される（Ｓ１３）。このようにして、アンモニア気化器２２の圧力が低下した場合には、温度上昇が完了した後に、自動的にアンモニア気化器２２の圧力上昇処理が開始される。

一方、アンモニア気化器２２の温度上昇が完了していない場合（Ｓ１２；Ｎｏ）には、図３に例示している温度上昇処理を実行した後に、ステップＳ１３以降の圧力上昇処理が開始される。

ここで、アンモニア気化器２２は、上述したように薬品注入装置に対する瞬時起動を実行する場合がある。このため、１０秒間の瞬時起動を実行する場合を想定して説明する。まず、アンモニア気化器２２の起動指令を送出して（Ｓ１４）、アンモニア気化器２２を１０秒間のみ起動させる。そして、１０秒後に停止指令を送出してアンモニア気化器２２を停止させる（Ｓ１５）。

続いて、１分後にアンモニア気化器２２の圧力低下が継続しているか否かが判断される（Ｓ１６）。ここで、１分後にアンモニア気化器２２の圧力低下が継続している場合（Ｓ１６；Ｙｅｓ）には、ステップＳ１４に戻って再度１０秒間の瞬時起動を実行する。

一方、１分後にアンモニア気化器２２の圧力低下が継続していない場合（Ｓ１６；Ｎｏ）には、圧力が復帰したものとみなして（Ｓ１７）、アンモニア気化器２２の圧力上昇が完了する（Ｓ１８）。なお、ステップＳ１４〜ステップＳ１６までの処理は、各種状況等に応じて繰り返される。

上述のような処理により、アンモニア気化器２２の温度上昇処理に連動させて、圧力を適切なタイミングで上昇させることができる。

以上説明したように、本実施形態によれば、消費設備４０のアンモニアガスの消費活動、又はその他の所内設備の稼働状況などに応じて、アンモニア気化器２２の圧力状態や温度状態を適切に判断して制御することができる。このため、アンモニアガスの消費量が消費設備４０の各装置において異なる場合であっても、例えば、燃焼装置１０の動作に関係なく、常にアンモニア気化器の温度を所定以上に維持しておく必要がなく、各種状況に応じて柔軟にアンモニア気化器２２を制御することができる。

本実施形態に係る燃焼システムの概略図である。 本実施形態に係るアンモニア供給系統のシステム構成図である。 本実施形態に係るアンモニア気化器の温度上昇に関する処理手順を示すフローチャートである。 本実施形態に係るアンモニア気化器の圧力上昇に関する処理手順を示すフローチャートである。

符号の説明

１０ 燃焼装置
２０ アンモニア供給系統
２１ アンモニア貯蔵タンク
２２ アンモニア気化器
２３ アキュムレータ
３１〜３３、３５、３６ 配管
２４、２９ 調整弁
２５、２７ 遮断弁
２６、３０圧力制御弁
２８、温度制御弁
３４、３６ 制御弁
４０ 消費設備
４１、４３ 脱硝装置
４１ａ、４１ｂ 触媒層
４２、４４ 電気集塵機
４５ 復水脱硝装置
４６ 薬品注入装置
５１、５２ ユニット
５３ 所内ボイラ

Claims (4)

1. 蒸気と排ガスとを供給する燃焼系統とアンモニアガスを消費する消費設備との間に設けられて、液化アンモニアを燃焼系統の蒸気によって気化させることでアンモニアガスを生成するアンモニア気化器と、
   前記アンモニア気化器で生成したアンモニアガスを前記消費設備に供給するアンモニア供給手段と、
   前記アンモニア供給手段から前記消費設備に対するアンモニアガスの供給を制御すると共に、前記燃焼系統に対する指令の発生又は前記アンモニア気化器の圧力状態に応じて、所定のタイミングで前記アンモニア気化器に対する温度状態を制御する制御手段とを備えることを特徴とする燃焼システム。
2. 前記制御手段は、前記アンモニア気化器の起動停止と前記燃焼系統の点火消火とを連動させて、前記アンモニア気化器の温度が低下した場合には、前記燃焼系統の点火が完了する前に、前記アンモニア気化器の温度上昇が完了するように所定の指令を送出することを特徴とする請求項１に記載の燃焼システム。
3. 前記制御手段は、前記アンモニア気化器の圧力が低下した場合に、そのアンモニア気化器の温度上昇が完了した後に、圧力上昇を実行する起動指令を送出することを特徴とする請求項１又は２に記載の燃焼システム。
4. 前記燃焼系統は、前記アンモニア気化器及び前記アンモニア供給手段を併設又は内蔵していることを特徴とする請求項１〜３の何れか一項に記載の燃焼システム。