JP2009162405A - ボイラの腐食低減構造 - Google Patents

Abstract

【課題】硫化水素により還元ゾーンの火炉壁に生じる腐食低減と、燃焼排ガス中のＮＯｘ増加を抑制するような燃焼性能維持について、高い次元での両立が可能なボイラの腐食低減構造を提供すること。
【解決手段】火炉１１内に燃焼用空気を多段投入して燃料を燃焼させるボイラ１０の腐食低減構造において、火炉１１内に再循環ガスＧを投入し、炉壁内面１１ａを火炎から遮断する再循環ガス層を形成する。
【選択図】図１

Description

本発明は、たとえば石油コークス、減圧残渣油（ＶＲ）及び石炭等のように、特に高硫黄分燃料焚きのボイラに好適なボイラの腐食低減構造に関するものである。

従来、陸用ボイラにおいては、窒素酸化物を低減する低ＮＯｘ化対策として、燃焼用の空気を多段で投入することが行われている。
図２に示すボイラ１０において、燃焼用空気の多段投入はバーナ部から燃焼用空気の大半が投入され、バーナ部の下流（ボイラ上部）に設けた追加空気投入部から残りの空気が投入される。このような燃焼用空気の多段投入を採用することにより、バーナ部から追加空気投入部までの領域が酸素濃度の低い還元雰囲気となるので、このような還元雰囲気を形成することにより窒素酸化物を低減する低ＮＯｘ化を図っている。

ところが、バーナ部から追加空気投入位置までの間に形成される還元雰囲気の領域（以下、「還元ゾーン」と呼ぶ）では、酸素不足により腐食成分である硫化水素（Ｈ_２Ｓ）が多量に発生することになる。このため、還元ゾーンの領域にある火炉壁面は、厳しい腐食環境下となり、この領域に形成される激しい腐食減肉部が問題となっている。

硫黄含有燃料を燃焼させるボイラに関する従来技術として、排ガス中の窒素酸化物量を低減するための燃焼方法が提案されている。この従来技術は、ＣＯセンサを設けて測定したＣＯ濃度が２％を超える場合、ボイラ排ガス中のＮＯｘを既定値以内にする範囲において、バーナに供給する燃焼用空気量または燃料量を制御するものである。（たとえば、特許文献１参照）
特開２０００−２４９３３４号公報

上述した従来のボイラ構造によれば、硫化水素による還元ゾーンの腐食対策として、炉壁の溶射や定期的な炉壁パネルの交換が必要となる。このような腐食対策は、メンテナンスコストが増大するという問題を有している。
ここで問題となる硫化水素は、酸素濃度の低い還元ゾーンで生成されるため、腐食を軽減するには単純にバーナ部の空気比を上げればよい。しかし、バーナ部の空気比を上げるとＮＯｘが増大することになるので、硫化水素による還元ゾーンの腐食とＮＯｘ低減とはトレードオフの関係にある。

このような背景から、特に高硫黄分の燃料を使用する高硫黄分燃料焚きのボイラにおいては、硫化水素を原因として還元ゾーンの火炉壁に生じる腐食低減を、ＮＯｘ増加のような燃焼性能に対する影響を最小限にして達成することができるボイラの腐食低減構造が望まれる。
本発明は、上記の事情に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、トレードオフの関係にある火炉壁の腐食低減及び燃焼性能維持について、すなわち、硫化水素により還元ゾーンの火炉壁に生じる腐食低減と、燃焼排ガス中のＮＯｘ増加を抑制するような燃焼性能維持について、高い次元での両立が可能なボイラの腐食低減構造を提供することにある。

本発明は、上記の課題を解決するため、下記の手段を採用した。
本発明に係るボイラの腐食低減構造は、火炉内に燃焼用空気を多段投入して燃料を燃焼させるボイラの腐食低減構造において、前記火炉内に再循環ガスを投入し、炉壁内面を火炎から遮断する再循環ガス層を形成したことを特徴とするものである。

このようなボイラの腐食低減構造によれば、火炉内に再循環ガスを投入し、炉壁内面を火炎から遮断する再循環ガス層を形成したので、再循環ガス層が炉壁内面を火炎からシールするカーテンとして機能する。このようなカーテンの形成は、再循環ガスが３〜１０％程度の酸素（Ｏ_２）を含んでいるため、この酸素により腐食性ガス（硫化水素）が酸化して消滅するとともに、壁面近傍を低温化して炉壁内面の腐食しやすい環境を改善することもできる。
また、再循環ガス層のカーテンは、空気投入時よりバーナ部の主燃焼ゾーンに対する影響（ＮＯｘ発生等）が小さく、さらに、スラッギング防止にも有効である。

上記の発明において、前記再循環ガス層は、前記火炉の炉底ホッパ上部に設けた投入口から壁面に沿って上下方向に投入される再循環ガスにより形成されることが好ましく、これにより、炉底部から還元ゾーンへ連続する再循環ガス層を炉壁内面に沿って効率よく形成することができる。

上記の発明において、前記再循環ガス層は、前記火炉の炉底部に設けた投入口から壁面に沿って上向きに投入される再循環ガスにより形成されることが好ましく、これにより、炉底部から還元ゾーンへ向かう再循環ガス層を炉壁内面に沿って効率よく形成することができる。

上記の発明において、前記再循環ガス層は、前記燃焼用空気を多段投入するバーナ部の上部と追加空気投入部との間に設けた投入口から壁面に沿って略水平方向に投入される再循環ガスにより形成されることが好ましく、これにより、概ねバーナ部の上部から追加空気投入部までの範囲において、炉壁内面に沿って効率よく再循環ガス層を形成することができる。

上記の発明において、前記再循環ガス層は、前記燃焼用空気を多段投入するバーナ部のバーナ横に設けた投入口から火炎の壁面側へ向けて略水平方向に投入される再循環ガスにより形成されることが好ましく、これにより、火炎の壁面側を包み込むような再循環ガス層を形成することができる。

上述した本発明によれば、火炉内に再循環ガスを投入して再循環ガス層のカーテンを形成するので、高硫黄分の燃料を使用する高硫黄分燃料焚きのボイラにおいては、ＮＯｘ増加のような燃焼性能に対する影響を最小限にして、硫化水素により還元ゾーン周辺の火炉壁に生じる腐食を低減することができる。すなわち、硫化水素により還元ゾーン周辺の火炉壁に生じる腐食の低減と、燃焼排ガス中のＮＯｘ増加を抑制するような燃焼性能維持について、高い次元での両立を可能にしたボイラの腐食低減構造を提供できる。

以下、本発明に係るボイラの腐食低減構造について、一実施形態を図面に基づいて説明する。
図２に示すボイラ１０は、火炉１１内に燃焼用空気を多段投入して燃料を燃焼させるものである。この場合の多段投入は、火炉１１において複数のバーナが設けられている領域のバーナ部１２と、このバーナ部１２より上部に設けられている領域の追加空気投入部１３とにおいて、２段階の燃焼用空気投入を行うものである。すなわち、このボイラ１０においては、最初のバーナ部１２で燃焼用空気必要量の大半が投入され、残る燃焼用空気が追加空気投入部１３で投入されることにより、還元燃焼ゾーン及び完全燃焼ゾーンよりなるＮＯｘ対策の２段燃焼が行われている。

＜第１の実施形態＞
上述したボイラ１０に対し、本発明の腐食低減構造では、火炉１１内の炉壁近傍に微量の再循環ガスを投入することにより、炉壁内面１１ａを火炎から遮断する再循環ガス層を形成している。ここで投入する再循環ガス量は、燃焼ガス全量の数％以下となる微量である。以下、再循環ガス層を形成する構成例について、第１の実施形態を図１に基づいて具体的に説明する。

この実施形態では、火炉１１内に再循環ガス層を形成するため、再循環ガスＧを投入するための投入口２０Ａが火炉１１の炉底ホッパ上部１５に設けられている。この投入口２０Ａは、図中に矢印で示すように、再循環ガスＧを上下方向へ向けて投入している。この場合の炉底ホッパ上部１５は、火炉１１の断面積を絞って炉底部１４まで減少する断面積変化を開始する位置の周辺部である。なお、投入口２０Ａは、排気経路から燃焼ガスの一部を導入する燃焼ガスダクト２１Ａに設けられている。
上述した再循環ガスＧは、還元燃焼ゾーン及び完全燃焼ゾーンを経て生成された燃焼ガスの一部であり、排気経路から燃焼ガスダクト２１Ａを介して取り込まれる。

このように構成されたボイラ１０では、ボイラ運転中において、炉底ホッパ上部１５に設けた投入口２０Ａから炉壁内面１１ａの壁面に沿って上下方向に投入される再循環ガスＧの流れにより、火炉１１内の炉壁内面１１ａを火炎から遮断する再循環ガス層が形成される。このような再循環ガス層は、炉壁内面１１ａを火炎からシールするカーテンとして機能する。すなわち、炉底ホッパ上部１５から炉底部１４へ向かう下向きの流れと、炉底ホッパ上部１５から還元ゾーンへ向かう上向きの流れとにより、炉底部１４から還元ゾーンへ連続する再循環ガス層のカーテンを炉壁内面１１ａに沿って効率よく形成することができる。

また、図３に示す変形例では、火炉１１内に再循環ガス層を形成するため、火炉１１の炉底部１４に設けた投入口２０から炉壁内面１１ａの壁面に沿って、図中に矢印で示すように、再循環ガスＧが上向きに投入されている。この再循環ガスＧは、還元燃焼ゾーン及び完全燃焼ゾーンを経て生成された燃焼ガスの一部を排気経路から燃焼ガスダクト２１を介して取り込んだものであり、上述した投入口２０は、燃焼ガスダクト２１に設けられている。なお、図中の符号１５は炉底ホッパである。

このような構成のボイラ１０は、ボイラ運転中において、炉底部１４の投入口２０から投入された再循環ガスＧが炉壁内面１１ａに沿って流れるので、炉底部１４から還元ゾーンへ向けて継続する上向きの流れが形成される。このような再循環ガスＧの流れは、火炉１１内の炉壁内面１１ａを火炎から遮断する再循環ガス層となり、このような再循環ガス層は、炉壁内面１１ａを火炎からシールするカーテンとして機能する。すなわち、投入口２０から投入された再循環ガスＧの流れにより、炉壁内面１１ａに沿った再循環ガス層のカーテンを炉底部１４から効率よく形成することができる。

ところで、上述した再循環ガスＧには、通常の場合少量（概ね３〜１０％程度）の酸素が含まれている。従って、再循環ガスＧを炉底部１４またはその近傍から投入すれば、再循環ガスＧに含まれる酸素が腐食性ガスである硫化水素と反応するので、硫化水素を酸化させて消滅させることができる。

図４は、再循環ガスＧに含まれる横軸の酸素濃度（％）と、燃焼ガス中に含まれる縦軸の硫化水素濃度（相対値）との関係を示す図である。この図によれば、再循環ガスＧの酸素濃度が１％を超える領域では、燃焼ガス中に硫化水素がほとんど発生していない。すなわち、再循環ガス層のカーテンを形成する再循環ガスＧは、概ね３〜１０％程度の酸素を含んでいるので、このような再循環ガスＧは、図４においてほとんど硫化水素が発生しない領域にあることがわかる。

従って、上述したボイラ１０の腐食低減構造のように、火炉１１内に炉底部１４から再循環ガスＧを投入し、炉壁内面１１ａを火炎から遮断するような再循環ガス層のカーテンを形成することにより、再循環ガスＧには３〜１０％程度の酸素が含まれているため、この酸素によって腐食性ガス（硫化水素）の一部を酸化して消滅させることができる。この結果、ＮＯｘ低減に有効な二段燃焼の実施により、特に火炉１１の炉底部１４から上方に形成される還元ゾーンに生じていた炉壁内面１１ａの腐食を低減することが可能になる。
なお、カーテンを形成する再循環ガスＧは、ガス中の酸素濃度が重要であるため燃焼ガスに限定されることはなく、酸素濃度の低い（数％レベル）不活性ガスを使用することも可能である。

さらに、上述した再循環ガスＧは炉内燃焼ガスに比べ低温であるため、この再循環ガスＧのカーテンは、火炉１１の壁面近傍を低温化するので、高温ほど炉壁内面１１ａが腐食しやすいという炉内環境の改善にも有効である。

また、上述した再循環ガスＧのカーテンは、壁面腐食の低減だけでなく、火炉１１の炉壁内面１１ａに灰が付着するスラッギングの防止または抑制にも有効である。
図５及び図６は、最下段バーナについて灰粒子の軌跡を示しており、図５は再循環ガスＧの投入がない場合、図６は再循環ガスＧを炉底部１４に投入した場合である。両図を比較すると、再循環ガスＧを投入した図６においては、再循環ガスＧの流れから影響を受けるため、炉底部１４に対する灰の入り込みが軽減されている。従って、再循環ガスＧの投入は、炉底部１４における灰流入量を低減してスラッギングの防止または抑制に有効であることがわかる。

このように、火炉１１内の炉底部１４に再循環ガスＧを投入して再循環ガス層のカーテンを形成するボイラの腐食低減構造は、高硫黄分の燃料を使用する高硫黄分燃料焚きのボイラにおいて、ＮＯｘ低減に有効な２段燃焼を実施しながら、再循環ガスＧに含まれる酸素により硫化水素を消滅させたり、再循環ガスＧによる温度低下により腐食環境を改善することにより、硫化水素により炉底部１４から還元ゾーン周辺に至る火炉１１内の炉壁内面１１ａに生じる腐食を低減することができる。
また、再循環ガスＧの流れは、炉底部１４に対する灰の入り込みを軽減するので、灰流入量の低減によりスラッギングの防止または抑制にも有効となる。

＜第２の実施形態＞
続いて、本発明の第２の実施形態を図７に基づいて説明する。なお、上述した実施形態と同様の部分には同じ符号を付し、その詳細な説明は省略する。
この実施形態において、再循環ガス層のカーテンは、燃焼用空気を多段投入するバーナ部１２の上部と追加空気投入部１３との間に設けた投入口２２から、火炉１１の炉壁内面１１ａに沿って略水平方向に投入される再循環ガスＧにより形成される。

すなわち、図中に破線矢印で仮想的に示すバーナ１６（実際はこの断面より下側に配置）より炉壁内面１１ａ側に投入口２２を配置し、この投入口２２から炉壁内面１１ａに沿って再循環ガスＧを投入することにより、バーナ１６から投入される燃料が燃焼用空気により燃焼して形成される火炎Ｆと炉壁内面１１ａとの間を遮断するようにして、炉壁内面１１ａに沿った再循環ガス層Ｇｃのカーテンを形成している。なお、図７において、再循環ガス層Ｇｃは、クロスハッチングで示されている。
また、この場合の投入口２２は、必要に応じて上下方向へ多段に設置するなどして、還元ゾーン及びその周辺領域をカバーするカーテンとすることが望ましい。

このような構成により、各バーナ１６から火炉１１内へ向かう火炎Ｆの外側には、概ねバーナ部１２の上部から追加空気投入部１３までの範囲において、炉壁内面１１ａに沿って効率よく再循環ガス層Ｇｃのカーテンが形成される。
この結果、上述した第１の実施形態と同様に、ＮＯｘ低減に有効な２段燃焼を実施しながら、再循環ガスＧに含まれる酸素により硫化水素を消滅させたり、再循環ガスＧによる温度低下によって腐食環境を改善することにより、還元ゾーン周辺の腐食を低減することができる。

また、この還元ゾーンには、ＮＯｘ削減のため酸素濃度の低い領域を形成する必要がある。このため、炉壁内面１１ａと火炎Ｆとの間に形成するカーテンは、空気ではなく酸素濃度の低い再循環ガスＧが好適であり、ＮＯｘへの影響を最小限にして腐食防止を達成することができる。

続いて、本実施形態の変形例を図８に基づいて説明する。なお、上述した実施形態と同様の部分には同じ符号を付し、その詳細な説明は省略する。
この変形例において、再循環ガス層Ｇｃのカーテンは、燃焼用空気を多段投入するバーナ部１２のバーナ横に設けた投入口２３から火炎の壁面側へ向けて略水平方向に投入される再循環ガスＧにより形成される。

すなわち、各バーナ１６の炉壁内面１１ａ側に隣接して投入口２３を設け、この投入口２３から火炎の壁面側端部に沿うようにして燃焼ガスＧを投入すると、火炎Ｆの壁面側を包み込むような再循環ガス層Ｇｃのカーテンが形成される。なお、この場合の風箱（不図示）については、バーナ１６と同一でもよいし、あるいは、各々専用のものを設けてもよい。

このような構成としても、各バーナ１６から火炉１１内へ向かう火炎Ｆの外側には、概ねバーナ部１２の上部から追加空気投入部１３までの範囲において、火炎Ｆを包み込むような再循環ガス層Ｇｃのカーテンが効率よく形成される。
この結果、上述した実施形態と同様に、ＮＯｘ低減に有効な２段燃焼を実施しながら、再循環ガスＧに含まれる酸素により硫化水素を消滅させたり、再循環ガスＧによる温度低下により腐食環境を改善することにより、特に、石炭焚きボイラにおいて還元ゾーン周辺の腐食を低減することができる。

また、この還元ゾーンには、ＮＯｘ削減のため酸素濃度の低い領域を形成する必要があるため、炉壁内面１１ａと火炎Ｆとの間に形成するカーテンは、空気ではなく酸素濃度の低い再循環ガスＧが好適であり、ＮＯｘへの影響を最小限にして腐食防止を達成することができる。

そして、微量の燃焼ガスで火炉１１の炉壁（炉壁内面１１ａ）をシールするような流れを作ることにより、すなわち、再循環ガスＧの投入により火炎Ｆと炉壁との間を遮断する再循環ガス層Ｇｃのカーテンを形成することにより、硫化水素の酸化消滅や壁面近傍温度の低温化により、ＮＯｘ低減に有効な燃焼性能に対する影響を最小限に抑えて火炉壁の腐食を低減することができる。
また、上述した再循環ガス層のカーテンは、火炉壁面の腐食を抑制及び防止するだけでなく、スラッギングの抑制及び防止にも有効である。

従って、硫化水素により還元ゾーン周辺の火炉壁に生じる腐食の低減と、燃焼排ガス中のＮＯｘ増加を抑制するような燃焼性能維持について、高い次元での両立を可能にしたボイラの腐食低減構造を提供できるようになり、ボイラの燃焼性能維持及びメンテナンス性や耐久性の向上を達成できる。
なお、本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において適宜変更することができる。

本発明に係るボイラの腐食低減構造について第１の実施形態を示す構成図であり、（ａ）はボイラの炉底部周辺を示す正面図、（ｂ）は（ａ）の側面図である。 ボイラ構造の概要を示す正面図である。 図１に示す第１の実施形態の変形例を示す図で、（ａ）はボイラの炉底部周辺を示す正面図、（ｂ）は（ａ）の側面図である。 ボイラ内の酸素濃度（％）と燃焼ガス中に含まれる硫化水素濃度（−：相対値）との関係を示す図である。 ボイラの最下段バーナについて、炉底から再循環ガスを投入しない条件で灰粒子の軌跡を示す図である。 ボイラの最下段バーナについて、炉底から再循環ガスを投入する条件で灰粒子の軌跡を示す図である。 本発明に係るボイラの腐食低減構造について第２の実施形態を示す水平断面図である。 図８に示す第２の実施形態の変形例を示す水平断面図である。

符号の説明

１０ ボイラ
１１ 火炉
１１ａ 炉壁内面
１２ バーナ部
１３ 追加空気等入部
１４ 炉底部
１５ 炉底ホッパ
２０，２０Ａ，２２，２３ 投入口
２１，２１Ａ 燃焼ガスダクト

Claims (5)

1. 火炉内に燃焼用空気を多段投入して燃料を燃焼させるボイラの腐食低減構造において、
   前記火炉内に再循環ガスを投入し、炉壁内面を火炎から遮断する再循環ガス層を形成したことを特徴とするボイラの腐食低減構造。
2. 前記再循環ガス層が、前記火炉の炉底ホッパ上部に設けた投入口から壁面に沿って上下方向に投入される再循環ガスにより形成されることを特徴とする請求項１に記載のボイラの腐食低減構造。
3. 前記再循環ガス層が、前記火炉の炉底部に設けた投入口から壁面に沿って上向きに投入される再循環ガスにより形成されることを特徴とする請求項１に記載のボイラの腐食低減構造。
4. 前記再循環ガス層が、前記燃焼用空気を多段投入するバーナ部の上部と追加空気投入部との間に設けた投入口から壁面に沿って略水平方向に投入される再循環ガスにより形成されることを特徴とする請求項１に記載のボイラの腐食低減構造。
5. 前記再循環ガス層が、前記燃焼用空気を多段投入するバーナ部のバーナ横に設けた投入口から火炎の壁面側へ向けて略水平方向に投入される再循環ガスにより形成されることを特徴とする請求項１に記載のボイラの腐食低減構造。
   

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