JP2010071597A - ボイラ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明の目的は、燃焼排ガスのＮＯｘの生成を抑制させた状態で、火炉内の天井壁付近や側壁付近に滞留しているＣＯを低減させてボイラ出口のＣＯ濃度を減少させる簡単な構造のボイラ装置を提供することにある。
【解決手段】本発明のボイラ装置は、火炉と、前記火炉の壁面に設置されて燃料と空気とを火炉内に供給して燃焼させ燃焼ガスを発生させる複数のバーナと、前記火炉の天井壁に設置されて火炉内部を流れる前記燃焼ガスと熱交換して蒸気を過熱する過熱器と、前記火炉の壁面と接続しており火炉内を流れる燃焼ガスを火炉の下流側に略水平方向に流す副側壁部と、前記副側壁部を経た燃焼ガスを下方に流下させて該燃焼ガスと熱交換して水または水蒸気を加熱する熱交換器を配設した後部伝熱部を備え、前記過熱器の下流側に位置する火炉の天井壁あるいは副側壁部の天井壁に燃焼ガスの流れに対向するように突起物を設置して構成する。
【選択図】図１

Description

本発明は、ボイラ装置の構造に係わり、石炭を粉砕した微粉炭等の固体燃料や、油、ガス等の燃料を燃焼するボイラ装置の構造に関する。

石炭、油、ガス用のボイラでは、ボイラ効率を向上させるため、燃料の理論空気量に対し、空気比１．１〜１．２程度の低空気比で高燃焼効率、窒素酸化物（ＮＯｘ）濃度低減、及び未燃分低減などを行うことが求められている。

これらの要求に応えるための燃焼方式として、ボイラに設置したバーナから燃料と空気をボイラ内に投入して燃焼させる一段目の燃焼の後に、空気をボイラ内に追加投入して燃焼させる二段燃焼方式が適用されている。

この二段燃焼方式のボイラでは、一段目の燃焼では空気不足のためボイラ内に不完全燃焼したガスが発生する。

そこで追加投入した空気による二段目の燃焼で完全燃焼させるが、追加投入する空気の混合が悪いとボイラ内で完全燃焼せずに未燃分が多く発生する。

そのため、二段目の燃焼用にボイラ内に空気を投入する空気供給口の配置や供給方法を工夫して未燃分の発生を低減している。

一般の小型ボイラではあるが、特開平７−１５８８０４号公報には、ボイラの火炉の側壁部分に設けた水管を火炉の内側にせり出すように配設して流路を狭くすることで、燃焼ガスの混合を良くして未燃分を低減することが記載されている。

産業用ボイラの多くは火炉の後壁を火炉内部にせり出したノーズと呼ばれる構造にすることによって後流の混合を良くし、さらに高温の燃焼ガスが過熱器に接触せずにすり抜けることを防いでいる。

また、特開２００７−２４３２３号公報には、二段燃焼方式のボイラの火炉内部の側壁に火炉の内側にせり出すように突起物を設置することで、火炉の側壁付近で発生した未燃分が後流にすり抜けることを防いで未燃分を低減することが記載されている。

また、特開２００６−３８３４０号公報には、微粉炭ボイラにおいて過熱器の下流側にある副側壁部に空気を副側壁部内部に供給する複数の空気供給口を設置することで、ボイラ出口での未燃分を低減することが記載されている。

また、特開平１１−２４８１０４号公報には、ボイラの火炉の副側壁の底壁上部に燃焼ガス流路の幅方向全体に亘って燃焼ガス流に対向する方向にプレートを設けて副側壁の底壁上部に燃焼ガスのよどみ域を形成し、よって横置き伝熱部入口における燃焼ガスの流れを整流して伝熱量の増加と伝熱管のエロージョン量を低減することが記載されている。

特開平７−１５８８０４号公報 特開２００７−２４３２３号公報 特開２００６−３８３４０号公報 特開平１１−２４８１０４号公報

しかしながら、ボイラの火炉内に空気を供給する空気供給口の配置や空気の供給方法を色々と工夫しても、大型の産業用ボイラでは燃焼ガスと空気を完全に混合することは難しく、さらに火炉内で発生して滞留するＣＯの低減を図るボイラ装置が求められている。

前記した特開平７−１５８８０４号公報に記載されたボイラでは、大型の産業用ボイラに適用すると火炉内部の燃焼ガスを効果的に混合するために火炉の側壁部分に火炉の内側にせり出すように設けた水管をノーズのように火炉内部のせり出し部が大きくなるように構成する必要があるのでボイラの構造が複雑となり、ボイラの製造コストがかかるといった問題がある。しかも火炉内の天井壁付近に滞留しているＣＯの低減については全く言及されていず、よって火炉内の天井壁付近に滞留しているＣＯを低減することは困難である。

また、前記した特開２００７−２４３２３号公報に記載されたボイラでは、火炉出口より上流の火炉内部の側壁に突起物を設置する構造であるため、火炉内の天井壁付近や、副側壁付近に滞留しているＣＯを低減することが困難である。

また、特開２００６−３８３４０号公報に記載されたボイラでは、未燃分の低減は見込めるが、該ボイラでは、空気供給口の上流側では空気比が１未満であり、空気供給口で空気比を１以上にして完全燃焼させる燃焼方式である。したがって、火炉内部で空気比１以上の空気を供給するボイラにおいて、前記空気供給口を設置する方法を適用すると、火炉の副側壁部分に空気を供給する空気供給口の設置や、この空気供給口に空気を供給する送風機の設置が必要になるのでボイラの構造が複雑になり、ボイラの製造コストがかかる上に、該送風機や燃焼ガス排ガスを火炉側から煙突に送る図示しない吸込送風機の所内動力が増加しボイラの効率が低下するといった問題がある。

また、特開平１１−２４８１０４号公報に記載されたボイラのように副側壁部の底部にプレートを設置した構造では、火炉内部のＣＯは主に副側壁部内の天井壁付近や、側壁付近に滞留していることから、この副側壁部内の天井壁付近や側壁付近に滞留しているＣＯを低減することは困難である。

本発明の目的は、燃焼排ガスのＮＯｘの生成を抑制させた状態で、火炉内に滞留しているＣＯを低減させてボイラ出口のＣＯ濃度を減少させる簡単な構造のボイラ装置を提供することにある。

本発明のボイラ装置は、火炉と、前記火炉の壁面に設置されて燃料と空気とを火炉内に供給して燃焼させ燃焼ガスを発生させる複数のバーナと、前記火炉の天井壁に設置されて火炉内部を流れる前記燃焼ガスと熱交換して蒸気を過熱する過熱器と、前記火炉の壁面と接続しており火炉内を流れる燃焼ガスを火炉の下流側に略水平方向に流す副側壁部と、前記副側壁部を経た燃焼ガスを下方に流下させて該燃焼ガスと熱交換して水または水蒸気を加熱する熱交換器を配設した後部伝熱部を備え、前記過熱器の下流側に位置する火炉の天井壁あるいは副側壁部の天井壁に燃焼ガスの流れに対向するように突起物を設置したことを特徴とする。

本発明によれば、燃焼排ガスのＮＯｘの生成を抑制させた状態で、火炉内に滞留しているＣＯを低減させてボイラ出口のＣＯ濃度を減少させる簡単な構造のボイラ装置が実現できる。

次に本発明の実施例であるボイラ装置について図面を参照して以下に説明する。

本発明の第１実施例であるボイラ装置の概略全体構成を図１に示す。

図１に示された第１実施例のボイラ装置は、石炭を粉砕した微粉炭等の固体燃料をボイラの火炉の前壁及び後壁に対向して設置したバーナから供給し、火炉内で浮遊燃焼させる対向燃焼方式のボイラ装置の構成例である。

この第１実施例のボイラ装置では、固体燃料である石炭を燃料としているが、固体燃料に替えて重油や天然ガスなどを燃料として燃焼させても良い。

図１に示された第１実施例のボイラ装置において、ボイラ装置を形成する火炉１は、火炉１の前面を構成する前壁３０と、この前壁３０に対向して配置されて火炉１の後面を構成する後壁３１と、これら前壁３０及び後壁３１の上部に配置されて火炉１の天井を構成する天井壁３２を備えている。また、火炉１の前壁３０と後壁３１との間の側面には側壁３３がそれぞれ設置されている。

天井壁３２には火炉１内部に突出するように２次過熱器２２及び３次過熱器２３が取り付けられており、前記２次過熱器２２及び３次過熱器２３にて火炉１内部を下流に流れる燃焼ガスと熱交換して高温の蒸気を発生させ、この高温蒸気を図示していない蒸気タービンに供給するように構成している。

火炉１の前壁３０及び後壁３１には燃料の微粉炭と空気とを火炉１内部に供給して燃焼させるバーナ４が上下方向に複数段に亘ってそれぞれ設置されている。

燃料の石炭４０は石炭バンカ８に貯蔵されており、この石炭バンカ８から給炭機９によって石炭粉砕機１０に供給され、この石炭粉砕機１０で粉砕して微粉炭４１となる。

そしてこの微粉炭４１は石炭粉砕機１０に供給された石炭搬送用空気４５によって火炉１の前壁３０及び後壁３１に設置した複数のバーナ４に燃料として供給される。

燃焼用空気は別設した熱交換器１２で昇温され、この昇温された空気の一部がバーナ４を内部に備えたウインドボックス５に燃焼用空気４３として供給される。

また、熱交換器１２で昇温された空気の他の一部がアフタエアポート６を内部に備えたアフタエアポートウインドボックス７にアフタエア４４として供給される。

そして前記バーナ４からは、燃料の微粉炭４１を理論空気量よりも少ない空気比１未満（たとえば０．６〜１未満）で燃焼用空気４３と混合させて火炉１の内部に噴射し、火炉１内部にて空気不足の状態で燃料の微粉炭４１を燃焼させて燃焼ガスを発生させる。

バーナ４の上方となる前壁３０及び後壁３１の位置には空気供給口となるアフタエアポート６がそれぞれ設置されており、このアフタエアポート６からは、火炉１内部の空気比が１以上（たとえば１．０〜１．３）になるように追加空気となるアフタエア４４を火炉１内部に投入して前記燃焼ガスに含まれている未燃分を完全燃焼させる。

アフタエアポート６の上方となる火炉１の後壁３１には火炉１の内壁が内側にせり出したノーズ部３５が設置されており、このノーズ部３５の存在によって火炉１内部の流路が狭くなるため火炉１内部を流下する燃焼ガスは急速に混合する。

ノーズ３５は、火炉１内部を流下する燃焼ガスの流れを火炉１の前壁３０側に曲げることによって、後壁３１付近の燃焼ガスが２次過熱器２２、３次加熱器２３に直接接することなく下流に流れることを防いでいる。

またノーズ３５は、火炉１内部を流下する燃焼ガスの流れが前壁３０側に曲げられることによって該燃焼ガスの流路が長くなるので、バーナ４から火炉１内部に投入した微粉炭４１の石炭粒子が火炉１内に滞留する滞留時間が長くなり、燃焼ガス中の未燃分を減らす効果がある。

しかしながら、ノーズ３５の設置だけでアフタエアポート６から供給されるアフタエア４４が、バーナ４から空気と共に噴出された微粉炭４１を空気不足の状態で燃焼して生成した燃焼ガスと一様に混合することは難しい。

そのため、火炉１全体では未燃分が完全燃焼するのに十分な空気量が供給されているにもかかわらず、火炉１内部に局所的には空気不足のため未燃分が残る領域が生じる。

よって火炉１内部の前壁３０付近では、アフタエアポート６から供給されるアフタエア４４が燃焼ガスと十分混ざらずに未燃分（ＣＯ）を多く含んだ燃焼ガスがそのまま火炉１内部を上昇して流下し易くなる。

特に前壁３０の天井壁３２付近では燃焼ガスの中では比較的密度の低いＣＯが滞留し易く、この滞留したＣＯは燃焼ガスの流れにのって天井壁３２付近に沿って下流へ流れていく。

火炉１の上部には蒸気を過熱する２次過熱器２２、３次加熱器２３がそれぞれ設置されており、火炉１の内部を流れる燃焼ガスはこの２次過熱器２２、３次過熱器２３との熱交換を通して温度を低下しながら火炉１の下流側に位置する副側壁部２を通って後部伝熱部３へと流下する。

前記副側壁部２は火炉１と接続しており、火炉１内に設置された２次過熱器２２及び３次過熱器２３を流下した燃焼ガスが略水平方向に流下するように流路を形成しているものであり、火炉１の側壁３３と接続する副側壁３４、天井壁３２、副側壁の底部３６から構成されている。火炉１の出口および後部伝熱部３の入口には、火炉１または後部伝熱部３を支えるスクリーン管３７が配設されている。

火炉１の天井壁３２には２次過熱器２２及び３次過熱器２３が火炉１内部の燃焼ガスの流路に面して位置するように火炉１の幅方向に亘って設置されているため、火炉１の幅方向での燃焼ガスの混合が悪くなる。

そこで、火炉１出口の流路を形成する副側壁部２の天井部に突起物５０を副側壁部２の内部に突出するように設置することによって、天井壁付近を流れるＣＯを多く含んだ燃焼ガスはこの突起物５０によって流れが妨げられて副側壁部２の中央方向に流れる。

この結果、突起物５０によって、天井壁付近のＣＯを多く含んだ燃焼ガスは中央付近の酸素を多く含んだガスと良く混合することになる。

突起物５０は、天井壁付近のガスが副側壁部２の中央部のガスと混合してＣＯが酸化するための反応時間を確保することができるようにするため、副側壁部２のなるべく上流側の天井壁３２に設置したほうがよい。

また、設置される突起物５０の高さ（副側壁部２内部への突出量）は、突起物５０によって燃焼ガスの流れが副側壁部２の天井壁３２の壁面側から剥離して前記突起物５０の下流側に小さな逆流域となる剥離域を形成し得るようにした高さが良い。

特に突起物５０の下流側に燃焼ガス流が天井壁３２から剥離して形成される剥離域の長さは、前記剥離域の下流で再び副側壁部２の出口までに該燃焼ガス流が副側壁部２の天井壁３２に再付着し得るような高さとなるように設定する。

上記した突起物５０を火炉１内部に突出するように天井壁３２、或いは副側壁部２の天井壁３２に設置したことによって、火炉１内の天井壁３２付近に滞留しているＣＯがこの剥離域の下方の副側壁部２の中心部付近に流入して酸素を多く含む燃焼ガスと混合してＣＯ２に酸化するので、ボイラ出口のＣＯ濃度を減少させることができる。

一方で、突起物５０の高さをあまり大きくし過ぎると、燃焼ガスの流れ方向から見た天井壁３２と副側壁３４の底部３６とで形成される副側壁部２の流路面積が狭くなるので、この副側壁部２を流下する燃焼ガスの流速が大きくなり、突起物５０やスクリーン管３７および副側壁部２の壁面の磨耗などの問題が生じやすくなる。

そこで天井壁３２と副側壁３４の底部３６とで形成される副側壁部２の流路面積が狭くなりすぎないように副側壁３４の高さ（天井壁３２と副側壁３４の底部３６との距離）、あるいは突起物５０の高さを決定する。

上記したように突起物５０の下流側となる副側壁部２には突起物５０を構成する水管以外の水管群は配置されていないように構成することで、ＣＯの酸化反応に十分な燃焼ガスの温度を確保した上で、燃焼ガスの混合が良くなるので、効率よくＣＯを低減できる。

ガス温度が１０００℃から１１００℃程度となる２次過熱器２２及び３次過熱器２３の下流側の温度条件では、火炉１内部を流下する燃焼ガスが酸素と混合してもＮＯｘは発生せず、不完全燃焼による未燃分（揮発性未燃分（ＶＯＣ）やＣＯ、固定炭素）のみが酸化することにより減少する。

ＶＯＣは約８００℃以上、ＣＯは約５００℃以上で酸素と触れると酸化する。

また、副側壁部２の下流側となる火炉１の後部伝熱部３の内部には、燃焼ガスの温度が３４０℃程度になるように横置きにした熱交換器である、１次過熱器２１、１次再熱器２５、節炭器２７がそれぞれ設置されている。

後部伝熱部３では急速に燃焼ガスの温度が低下するために未燃分の酸化反応は急速に遅くなり、後部伝熱部３の出口部では酸化反応はほぼ終結している。そのため、後部伝熱部３の上流側で未燃分濃度を十分に下げておく必要がある。

なお、ボイラの出力を落とした部分負荷運転では、火炉１の副側壁部２を流下する燃焼ガスの温度は１０００℃以下になりＣＯの酸化反応は進みにくくなるが、部分負荷運転時は燃焼ガス量が少ないため燃焼ガスの炉内滞留時間が長く、さらに１００％負荷運転時よりも空気比が大きい条件で運転されるため、ＣＯの発生は十分低い状態に抑えられる。

副側壁部２の天井壁３２に設置される突起物５０は、水または蒸気を流通させる管（水管５１）によって構成しても、耐火物や金属プレートによって構成しても、水管５１と耐火物と金属プレートのいずれかを組み合わせて構成しても良い。

次に図１に示された副側壁部２の天井壁３２に設置される突起物５０を、水管５１で構成する場合について図２を用いて詳細に説明する。

図２（ａ）の突起物５０は、隣接する水管５１同士をメンブレンバー５３を介して溶接した例である。このように突起物５０をメンブレン構造にすることで、広い面積を少ない水管５１でカバーすることができる。

図２（ｂ）の突起物５０は、図２（ａ）の突起物５０の変形例である。突起物５０の一番先端部分のメンブレンバー５３の板厚を他の部分の板厚よりも厚くすることで、燃焼ガスに含まれる灰などの固形物に起因した磨耗による損傷を低減することができる。

図２（ｃ）の突起物５０は、水管５１同士を一列に直接溶接した例である。水管５１が多く、突起物５０の高さを小さくしたいときに有効である。

図２（ｄ）の突起物５０は、水管５１を密集させ、互いには溶接しない例である。燃焼ガスが水管５１の間に形成された細かい隙間をすり抜けるため、燃焼ガスの流れを中央方向に向ける能力は低下するが、溶接する場合よりも加工が容易である。

図２（ｅ）の突起物５０は、図２（ａ）のメンブレン構造の水管５１の表面にコーティング５４を施した例である。突起物５０は燃焼ガスの流れに対向して設置するため、燃焼ガスに含まれる腐食性の灰の付着による水管５１の腐食や、硬質の灰粒子が突起物５０にぶつかることによって生じる磨耗（エロージョン）がおきやすい。

そこで耐腐食性、耐摩耗性のあるコーティング材料でコーティング５４を施すことで、腐食やエロージョンにより水管５１が損傷することを抑制できる。なお、このコーティング５４は定期点検ごとに補修できるような材質がよい。

次に図３を用いて図１に示された副側壁部２の天井壁に設置した突起物５０を構成する水管５１の配置例について説明する。

図３（ａ）に示された突起物５０を構成する水管５１は、火炉１の側壁３３の下流側に設置された一方の副側壁３４の右側からこの一方の副側壁３４に対向して設置された他方の副側壁３４の左側に向かって水管５１を配設した例である。

副側壁部２を構成する水管５１は水平面に対して１°程度傾けて配設しておくと、ボイラの運転停止時に冷却して配管内部の蒸気が凝縮して液化した水が水管５１の内部に溜まることを防ぐことができる。

図３（ｂ）に示された突起物５０を構成する水管５１は、対向して配設された副側壁部２を構成する副側壁３４の左右両側から副側壁部２の内部の中央に向かって水管５１をそれぞれ水平方向に配設した例である。

そして副側壁部２の幅方向の中央からはこの水管５１の配設方向が上方に９０度転向され、天井壁３２を突き抜けるようにして該水管５１を配設している。

ボイラを構成する火炉１の幅が大きい場合には、水管５１の水平部分の距離を短くして配設することで、水管５１の水平部分を水平面から１°程度傾けた場合にボイラの中央付近の突起物５０の高さ（副側壁部２の内部への突出量）が副側壁３４付近の突起物５０の高さよりも低くなる量を小さくできる。

副側壁部２の天井壁３２に設置された前記突起物５０を構成する水管５１には、火炉１の下流側に設置した後部伝熱部３に配設した過熱器２１を通った過熱蒸気を供給し、突起物５０で過熱した蒸気を２次過熱器２２に供給するようにする。突起物５０および２次過熱器２２で過熱された過熱蒸気は、図示していない蒸気タービンに供給するように構成している。

また、この突起物５０を構成する水管５１には、別の経路を通った水または蒸気を通しても良い。

そして後部伝熱部３に流下した燃焼ガスはこの後部伝熱部３に配設した横置き伝熱部２１、２５、２７と熱交換した後に排ガス４６としてボイラ出口から排出され、ボイラ出口の下流側に設置された脱硝装置１１に流入する。

この脱硝装置１１に流入した排ガス４６は該脱硝装置で窒素酸化物（ＮＯｘ）を除去された後に該脱硝装置１１の下流側に設置された熱交換器１２に流入し、該熱交換器１２で押し込み送風機１３から送られてきた空気４２を加温して燃焼用空気４３とアフタエア４４を生成した後に図示してない排ガス処理設備を経て煙突から大気中に排出される。

そしてこの熱交換器１２は、排ガス４６を熱源として火炉１のウインドボックス５に供給される燃焼用空気４３、及びアフタエアポートウインドボックス７に供給されるアフタエア４４を加温する。

上記した第１実施例のボイラ装置から明らかなように、この第１実施例によれば燃焼排ガスのＮＯｘの生成を抑制させた状態で、火炉内の天井壁付近や側壁付近に滞留しているＣＯを低減させてボイラ出口のＣＯ濃度を減少させる簡単な構造のボイラ装置が実現できる。

本発明の第２実施例であるボイラ装置の概略全体構成を図４に示す。

図４に示された第２実施例のボイラ装置は、図１に示した第１実施例のボイラ装置と基本的な構成は共通しており、基本的な構成及びその動作は第１実施例と同じである。そこで、第１実施例と共通した構成の説明は省略して、相違する構成についてのみ以下に説明する。

図４に示した第２実施例のボイラ装置では、副側壁部２を構成する天井壁３２の一部を副側壁部２の内部に張り出すように形成して突起物５０を構成したものである。

天井壁３２を張り出すようにして突起物５０を構成することによって、従来のボイラと流体経路を変えずにまたは流体経路の変更を最小にして、簡便に突起物５０を設置することができる。

突起物５０を設置することで、第１実施例に記載したのと同様に、天井壁付近を流れるＣＯを多く含んだ燃焼ガスはこの突起物５０によって流れが妨げられて副側壁部２の中央方向に流れる。

この結果、突起物５０によって、天井壁付近のＣＯを多く含んだ燃焼ガスは中央付近の酸素を多く含んだガスと良く混合することになり、燃焼ガスに含まれるＣＯは酸化されて減少する。

上記した第２実施例のボイラ装置から明らかなように、この第２実施例によれば燃焼排ガスのＮＯｘの生成を抑制させた状態で、火炉内の天井壁付近や側壁付近に滞留しているＣＯを低減させてボイラ出口のＣＯ濃度を減少させる簡単な構造のボイラ装置が実現できる。

本発明の第３実施例であるボイラ装置の概略全体構成を図５に示す。

図５に示された第３実施例のボイラ装置は、図１に示した第１実施例のボイラ装置と基本的な構成は共通しており、基本的な構成及びその動作は第１実施例と同じである。そこで、第１実施例と共通した構成の説明は省略して、相違する構成についてのみ以下に説明する。

図５に示した第３実施例のボイラ装置では、アフタエアポート６とアフタエアウインドボックス７の配設だけでなく、アフタエア４４をアフタエアウインドボックス７に供給させる供給系統の配設を省略したものである。

図５のボイラ装置は、火炉１の前壁３０と後壁３１とに上下方向に複数段に亘ってそれぞれ設置され、燃料の微粉炭と空気とを火炉１内部に供給して燃焼させるバーナ４では、空気比１以上（たとえば１．２）の燃料の微粉炭４１と燃焼用空気４３と混合させて火炉１内部に噴射して燃焼させるように構成した、アフタエアの供給が無い単段燃焼方式のボイラ装置である。

次に図６に図５の第３実施例の単段燃焼方式のボイラ装置について、その三面図におけるＣＯの分布状況を示す。図６に示したＣＯの分布状況で網掛け部分は火炉１内部でＣＯ濃度が高い部分７１を模式的に表している。

この図６に示したように、単段燃焼方式のボイラ装置では、火炉１の前壁３０の側壁３３付近でＣＯ濃度が高くなる。

このＣＯ濃度が高い部分７１は空気不足のために酸化されにくく、そのまま天井壁３２の壁面に沿って下流に流れていくのは図１に示した第１実施例の二段燃焼方式のボイラ装置の場合と同様である。

そこで、天井壁３２に沿ってＣＯが下流側に酸化されずに流れるのを防ぐために、副側壁部２の天井壁３２が副側壁部２の中央方向に向かってせり出した形状の突起物５０を設置する。

副側壁部２の天井壁３２が副側壁部２の中央方向に向かってせり出した形状の突起物５０を設置することによって、ＣＯは天井壁３２に沿って下流側に流れることができず、この結果、ＣＯは副側壁部２の中心付近の酸素を含んだ燃焼ガスと混合して酸化されてＣＯ２になる。

上記した第３実施例のボイラ装置から明らかなように、この第３実施例によれば燃焼排ガスのＮＯｘの生成を抑制させた状態で、火炉内の天井壁付近や側壁付近に滞留しているＣＯを低減させてボイラ出口のＣＯ濃度を減少させる簡単な構造のボイラ装置が実現できる。

本発明の第４実施例であるボイラ装置の概略全体構成を図７に示す。

図７に示された第４実施例のボイラ装置は、図１に示した第１実施例のボイラ装置と基本的な構成は共通しており、基本的な構成及びその動作は第１実施例と同じである。そこで、第１実施例と共通した構成の説明は省略して、相違する構成についてのみ以下に説明する。

図７に示した第４実施例のボイラ装置では、火炉１出口に配設したスクリーン管３７の一部を突起物５０として構成し、この突起物５０に付着した灰を除去するためのスートブロワ５５を突起物５０の上流と下流にそれぞれ設置したものである。

図８に図７の第４実施例のボイラ装置に設置した突起物５０の構成例を示す。図８に示した突起物５０は、この第４実施例のボイラ装置において、火炉１出口に配設したスクリーン管３７の上部の位置となる複数のスクリーン管３７の間に金属プレート５４を設置してスクリーン管３７の間隙を塞ぐことによって突起物５０を構成している。

この第４実施例の突起物５０の構成は、第１実施例から第３実施例の突起物５０の構成と比べて、簡易に突起物５０を形成して設置することができる。

突起物５０は灰分を含んだ燃焼ガスの流れに正対して副側壁部２の内部に設置しているため、灰が付着しやすい。突起物５０に付着した灰が成長して氷柱（つらら）状になるとボイラの流路を塞ぐ恐れがある。

そのため、前記突起物５０の上流側と下流側にそれぞれ設置した前記スートブロワ５５から空気又は蒸気を突起物５０の表面に噴射して突起物５０に付着した灰を除去する。

このスートブロワ５５は筒状で先端に設けた穴から蒸気などの流体を突起物５０に向かって噴出して突起物５０に付着した灰を除去する。

図８には突起物５０の上流側と下流側の前後２箇所にスートブロワ５５を設置した例を示しているが、前方の上流側のみに１箇所だけ設置しても、また上流側と下流側に合計３箇所以上設置しても良い。また、このスートブロワ５５に替えて水を噴射させても良い。

上記した第４実施例のボイラ装置から明らかなように、この第４実施例によれば燃焼排ガスのＮＯｘの生成を抑制させた状態で、火炉内の天井壁付近や側壁付近に滞留しているＣＯを低減させてボイラ出口のＣＯ濃度を減少させる簡単な構造のボイラ装置が実現できる。

本発明の第５実施例であるボイラ装置の概略全体構成を図９に示す。

図９に示された第５実施例のボイラ装置は、図１に示した第１実施例のボイラ装置と基本的な構成は共通しており、基本的な構成及びその動作は第１実施例と同じである。そこで、第１実施例と共通した構成の説明は省略して、相違する構成についてのみ以下に説明する。

図９に示した第５実施例のボイラ装置では、副側壁部２に吊り下げ型の２次再熱器２６を設置し、更に火炉１の上部の天井壁３２に設置した吊り下げ型の２次過熱器２２と３次過熱器２３との間に火炉１の内部に突出する突起物５０が設置したものである。

２次再熱器２６を通過する燃焼ガスは、冷却され温度が下がるため、適切な温度域における滞留時間が確保されず、未燃分の酸化作用が低下する。

そこで、雰囲気ガス温度の高い２次過熱器２２と３次過熱器２３との間に突起物５０を設置することによって、火炉１内の天井壁３２付近や側壁３３付近に滞留しているＣＯが副側壁部２のＣＯが中心部付近の酸素が多い上記温度の燃焼ガスと混合され、後部伝熱部３に達するまでにＣＯ２に十分に酸化されるのでＣＯ低減が可能となる。

上記した第５実施例のボイラ装置から明らかなように、この第５実施例によれば燃焼排ガスのＮＯｘの生成を抑制させた状態で、火炉内の天井壁付近や側壁付近に滞留しているＣＯを低減させてボイラ出口のＣＯ濃度を減少させる簡単な構造のボイラ装置が実現できる。

本発明の第６実施例であるボイラ装置の概略全体構成を図１０に示す。

図１０に示された第６実施例のボイラ装置は、図１に示した第１実施例のボイラ装置と基本的な構成は共通しており、基本的な動作は第１実施例と同じである。

そこで、第１実施例と共通した構成の説明は省略して、相違する構成についてのみ以下に説明する。

図１０に示した第６実施例のボイラ装置では、火炉１出口の副側壁部２の副側壁３４寄りに、この副側壁部２を形成する副側壁３４の底部３６から天井壁３２に亘って突起物５０を設置したものである。

この突起物５０の構成を詳細に説明すると、図１１に示すように、副側壁部２の底部３６を構成する多数本の水管５１のうち、副側壁３４寄りの数本の水管５１を略水平方向から略垂直方向に立ち上げるように配設し、略垂直方向に配設されたこの数本の水管５１の間に燃焼ガスの流れを妨げる金属プレート５４を設置することによって前記突起物５０を形成している。

火炉１内部を流下する燃焼ガスは、副側壁部２の上流に配設した２次過熱器２２及び３次過熱器２３が整流板の働きをするため、火炉１の幅方向の燃焼ガスの混合が進みにくい。そのため、火炉１の側壁３３付近に滞留したＣＯはそのまま側壁３３付近に沿って下流側に流れやすい。

そこで、前記した構成の水管５１と金属プレート５４を備えた突起部５０を、副側壁３４寄りに配設されるように該副側壁３４の底部３６から天井壁３２に亘って設置することによって、火炉１の側壁３３付近を流下する燃焼ガスは副側壁部２の中央側に流れる。

この結果、火炉１の側壁３３の壁面付近のＣＯは副側壁部２の中心側に流れ込んで、この副側壁部２の中心付近の酸素を含んだ燃焼ガスと混合して酸化し、ＣＯ２となる。

前記突起物５０の幅は大きいほうが燃焼ガスの混合効果は大きくなるが、突起物５０の幅が大きくなりすぎると副側壁部２の流路の断面積を狭めるため燃焼ガスの流速が速くなり、突起物５０を構成する水管５１や下流側に配設されたスクリーン管３７が該燃焼ガスに含まれた固形物によって磨耗しやすくなる。

また、突起物５０の幅が小さくなりすぎると火炉１の側壁３３の壁面付近のＣＯが副側壁部２の中央部を流れる酸素の多い燃焼ガスと十分混合しないで酸化されないことになる。

そこで、前記突起物５０の幅は、突起物５０によってその下流側に燃焼ガス流が副側壁３４から剥離して剥離域が形成され、この剥離域の下流で燃焼ガス流が再び副側壁部２の出口までに該副側壁３４の壁面に再付着し得るような大きさに設定するとよい。

また、副側壁３４の壁面に設置した突起物５０の幅は、突起物５０の上流に設置した２次過熱器２２及び３次過熱器２３のうちでもっとも側壁３３に近い２次過熱器２２又は３次過熱器２３の端部と側壁３３との間の距離の１／５から１／１までの幅に設定すると良い。

次に、図１６に本発明の各実施例の突起物５０を備えたボイラ装置として大容量の微粉炭焚きボイラへ適用した場合のＣＯ濃度及びＮＯｘ濃度の数値解析結果を示す。ここで使用した数値解析プログラムは、３次元で石炭の燃焼、ガスの燃焼、ふく射・対流伝熱、流動を計算可能である。

この数値解析プログラムを用いて大きさの異なるボイラの火炉、燃料流量、石炭の種類を変えた条件で検証し、高い精度でＮＯｘ、未燃分、ガス温度を計算できることを確認済みである。

図１６の数値解析結果において、横軸が副側壁の入口（火炉出口）から副側壁出口（後部伝熱部入口）までに相当する距離で、縦軸がＣＯ濃度、ＮＯｘ濃度である。

比較のため、（ａ）突起物が無い比較例の場合と、（ｂ）副側壁部の左右側面にそれぞれ火炉幅の約１／３０の幅の突起物を設置した場合と、（ｃ）天井壁に副側壁の高さの約１／１０の高さの突起物を設置した場合の数値解析結果について示す。（ｂ）は実施例６の、（ｃ）は本実施例１のボイラに相当する。

図１６の上部に示したＣＯ濃度に関する数値解析結果から、後部伝熱部３の入口でＣＯ濃度は、（ａ）の突起物５０を設置しない場合と比べ、（ｂ）の側壁に突起物を設置した場合で約５％、（ｃ）の天井壁に突起物を設置した場合で約７割もそれぞれＣＯ濃度が低減した。

図１６の下部に示したＮＯ濃度に関する数値解析結果からは、ＮＯｘ濃度と温度は前記（ａ）、（ｂ）、（ｃ）の３条件の間でほとんど変わらない。

なお、図示しないが、（ｂ）の条件の場合で突起物５０の幅を大きくし、副側壁部２で形成される剥離泡が副側壁部２出口までに壁面に再付着しない場合には、副側壁部２出口でのＣＯ濃度は逆に増加した。

上記した第６実施例のボイラ装置から明らかなように、この第６実施例によれば燃焼排ガスのＮＯｘの生成を抑制させた状態で、火炉内の天井壁付近や側壁付近に滞留しているＣＯを低減させてボイラ出口のＣＯ濃度を減少させる簡単な構造のボイラ装置が実現できる。

本発明の第７実施例であるボイラ装置の概略全体構成を図１２に示す。

図１２に示された第７実施例のボイラ装置は、図５に示した第３実施例のボイラ装置と基本的な構成は共通しており、基本的な動作は第３実施例と同じである。

そこで、第３実施例と共通した構成の説明は省略して、相違する構成についてのみ以下に説明する。

図１２に示した第７実施例のボイラ装置では、火炉１出口の副側壁部２の副側壁３４寄りに、この副側壁部２を形成している副側壁３４の底部３６から天井壁３２に亘って配設される突起物５０を設置し、更にこの突起部５０の上流側と下流側に複数のウォールブロワ５６を設置したものである。

前記突起物５０は副側壁３４をボイラの内側に張り出すように形成することで構成している。このように突起物５０を形成することで、従来のボイラの流体経路を変更させずに突起物５０を設置することができる。

また、図７及び図８に示した第４実施例のボイラ装置においても説明したように、突起物５０には灰分が付着しやすい。

炉幅が３０ｍ程度の産業用大型ボイラでも、副側壁３４に設置した突起物５０の幅は１ｍ前後である。そのため、灰除去装置としてこの突起部５０の上流側と下流側にウォールブロワ５６を設置することで、突起物５０に付着した灰分を除去することができる。

上記した第７実施例のボイラ装置から明らかなように、この第７実施例によれば燃焼排ガスのＮＯｘの生成を抑制させた状態で、火炉内の天井壁付近や側壁付近に滞留しているＣＯを低減させてボイラ出口のＣＯ濃度を減少させる簡単な構造のボイラ装置が実現できる。

本発明の第８実施例であるボイラ装置の概略全体構成を図１３に示す。

図１３に示された第８実施例のボイラ装置は、図１に示した第１実施例のボイラ装置と基本的な構成は共通しており、基本的な動作は第１実施例と同じである。

そこで、第４実施例と共通した構成の説明は省略して、相違する構成についてのみ以下に説明する。

図１３に示した第８実施例のボイラ装置では、火炉１出口に配設されたスクリーン管３７の一部に、副側壁３４の底部３６から天井壁３２にかけて金属プレート５４を設置することで突起物５０を形成している。

次に図１４を用いて図１３に示した第８実施例の突起物５０の具体的な構成例について説明する。

スクリーン管３７の一部と金属プレート５４を備えた突起物５０の構成を詳細に説明すると、図１４（ａ）に示した突起物５０では、火炉１出口の副側壁３４の近傍に配設されたスクリーン管３７の一部に副側壁３４の底部３６から天井壁３２にかけて金属プレート５４を設置することによって副側壁３４寄りに突起物５０を形成している。

図１４（ａ）に示した前記突起物５０は、従来のボイラに配設されたスクリーン管３７に金属プレート５４を設置するだけで構成することが出来るため、既設のボイラの改造に好適である。

また図１４（ｂ）に示した突起物５０では、図７及び図８に示した第４実施例の突起物５０の場合と同様に、図１４（ａ）に示した副側壁３４寄りに設置した突起物５０に加えて天井壁３２側にも金属プレート５４を設置して突起物５０を形成することによって、突起物５０を天井壁３２に設置した場合と副側壁３４に設置した場合の両方の効果を得ることができる。

尚、金属プレート５４は、スクリーン管３７に溶接して設置しても良いし、取り外し可能なようにカバープレートとしてスクリーン管３７に取り付けても良い。また、突起物５０は金属プレート５４に代えて耐火物で構成しても良い。

また、スクリーン管３７の配設方向を曲げて副側壁３４付近に寄せることにより、突起物５０を形成しても良い。

このスクリーン管３７は火炉１を支える構成となっているので強度が不足しないように注意する必要があるが、火炉１出口の流路断面積を減少させずに突起物５０を構成することができる。

次に図１５を用いて図１３に示した第８実施例の突起物５０の具体的な構成例について説明する。

図１５（ａ）に示した突起物５０は、火炉１出口に配設したスクリーン管３７を火炉１出口の副側壁３４の左右壁面の近傍側に集まるように全て左右に寄せて配設することによって副側壁３４に突起物５０を形成した例である。

このようにスクリーン管３７を集めて配設することにより突起物５０を構成すると、幅の大きな突起物５０を簡単に形成することができる。

図１５（ｂ）に示した突起物５０は、火炉１出口に配設したスクリーン管３７を火炉１出口の副側壁３４の左右壁面の近傍側となる左右の副側壁３４と、流路の中央付近とに分けて寄せて配設することによって、左右の副側壁３４と流路の中央付近とにそれぞれ突起物５０を形成した例である。

このようにして突起物５０を構成すると、流路の中央付近のスクリーン管３７で形成した突起物５０によって該突起物５０の下流側に渦が発生し、下流側の燃焼ガスを混合することができる。

図１５（ｃ）に示した突起物５０は、火炉１出口に配設した左右のスクリーン管３７の一部を副側壁３４の左右壁面の近傍側に寄せて配設することにより左右の副側壁３４に突起物５０を構成し、流路の中央付近のスクリーン管３７はそのままにした例である。

このようにして突起物５０を構成すると、ボイラの幅が広く強度が不足する場合であっても突起物５０を簡単に設置することができる。

上記した第８実施例のボイラ装置から明らかなように、この第８実施例によれば燃焼排ガスのＮＯｘの生成を抑制させた状態で、火炉内の天井壁付近や側壁付近に滞留しているＣＯを低減させてボイラ出口のＣＯ濃度を減少させる簡単な構造のボイラ装置が実現できる。

本発明によって石炭等を燃焼する場合に発生するＣＯ濃度を低減することが可能なボイラ装置が実現できるので、本発明は新設のボイラ装置だけでなく、既設のボイラ装置の改造にも適用可能である。

本発明の第１実施例であるボイラ装置の全体構成を示す概略図。 図１に示された第１実施例の突起物を水管によって構成した具体的な構成例。 図１に示された第１実施例の突起物の配置例を示す突起物の構成図。 本発明の第２実施例であるボイラ装置の全体構成を示す概略図。 本発明の第３実施例である単段燃焼ボイラ装置の全体構成を示す概略図。 図５の第３実施例のボイラ装置の三面図におけるＣＯ分布状況図。 本発明の第４実施例であるボイラ装置の全体構成を示す概略図。 図７に示した第４実施例の突起物の具体的な構成例。 本発明の第５実施例であるボイラ装置の全体構成を示す概略図。 本発明の第６実施例であるボイラ装置の全体構成を示す概略図。 図１０に示した第６実施例の突起物の具体的な構成例。 本発明の第７実施例であるボイラ装置の全体構成を示す概略図。 本発明の第８実施例であるボイラ装置の全体構成を示す概略図。 図１３に示した第８実施例の突起物５０の具体的な構成例。 図１３に示した第８実施例の突起物５０の別な具体的な構成例。 本発明の各実施例のボイラ装置に関するＣＯ濃度及びＮＯｘ濃度の数値解析結果。

符号の説明

１：火炉、２：副側壁部、３：後部伝熱部、４：バーナ、５：ウインドボックス、６：アフタエアポート、７：アフタエアポートウインドボックス、８：石炭バンカ、９：給炭機、１０：石炭粉砕機、１１：脱硝装置、１２：熱交換器、１３：押し込み送風機、２０：過熱器、２１：１次過熱器、２２：２次過熱器、２３：３次過熱器、２４：再熱器、２５：１次再熱器、２６：２次再熱器、２７：節炭器、３０：前壁、３１：後壁、３２：天井壁、３３：側壁、３４：副側壁、３５：ノーズ、３６：副側壁の底部、３７：スクリーン管、４０：石炭、４１：微粉炭、４２：空気、４３：燃焼用空気、４４：アフタエア、４５：石炭搬送用空気、５０：突起物、５１：水管、５２：ヘッダ、５３：メンブレン、５４：金属プレート、５５：スートブロワ、５６：ウォールブロワ。

Claims (14)

1. 火炉と、前記火炉の壁面に設置されて燃料と空気とを火炉内に供給して燃焼させ燃焼ガスを発生させる複数のバーナと、前記火炉の天井壁に設置されて火炉内部を流れる前記燃焼ガスと熱交換して蒸気を過熱する過熱器と、前記火炉の壁面と接続しており火炉内を流れる燃焼ガスを火炉の下流側に略水平方向に流す副側壁部と、前記副側壁部を経た燃焼ガスを下方に流下させて該燃焼ガスと熱交換して水または水蒸気を加熱する熱交換器を配設した後部伝熱部を備え、前記過熱器の下流側に位置する火炉の天井壁あるいは副側壁部の天井壁に燃焼ガスの流れに対向するように突起物を設置したことを特徴とするボイラ装置。
2. 火炉と、前記火炉の壁面に設置されて燃料と空気とを火炉内に供給して燃焼させ燃焼ガスを発生させる複数のバーナと、前記火炉の天井壁に設置されて火炉内部を流れる燃焼ガスと熱交換して蒸気を過熱する過熱器と、前記火炉の壁面と接続しており火炉内を流れる燃焼ガスを火炉の下流側に略水平方向に流す副側壁部と、前記副側壁部を経た燃焼ガスを下方に流下させて該燃焼ガスと熱交換して水または水蒸気を加熱する熱交換器を配設した後部伝熱部を備え、前記過熱器の下流側に位置する前記副側壁部の天井壁と副側壁の少なくとも一方に燃焼ガスの流れに対向するように突起物を設置したことを特徴とするボイラ装置。
3. 火炉と、前記火炉の壁面に設置されて燃料と該燃料の理論空気量の０．６から１未満の空気とを火炉内に供給して燃焼させる複数のバーナと、前記バーナから供給した燃料と空気が燃焼した燃焼ガスの後流側となる前記火炉の壁面に火炉内部に供給する空気量が理論空気量の１．０から１．３になるように空気を投入する複数の空気供給口と、前記火炉の天井壁に設置されて火炉内部を流れる前記燃焼ガスと熱交換して蒸気を過熱する過熱器と、前記火炉の壁面と接続し火炉内を流れる燃焼ガスを火炉の下流側に略水平方向に流す副側壁部と、前記副側壁部を経た燃焼ガスを下方に流下させて該燃焼ガスと熱交換して水または水蒸気を加熱する熱交換器を配設した後部伝熱部を備え、前記過熱器の下流側に位置する前記副側壁部の天井壁と副側壁の少なくとも一方に燃焼ガスの流れに対向するように突起物を設置したことを特徴とするボイラ装置。
4. 火炉と、前記火炉の壁面に設置されて燃料と該燃料の理論空気量の０．６から１未満の空気とを火炉内に供給して燃焼させる複数のバーナと、前記バーナから供給した燃料と空気が燃焼した燃焼ガスの後流側となる前記火炉の壁面に火炉内部に供給する空気量が理論空気量の１．０から１．３になるように空気を投入する複数の空気供給口と、前記火炉の天井壁に設置されて火炉内部を流れる前記燃焼ガスと熱交換して蒸気を過熱する過熱器と、前記火炉の壁面と接続し火炉内を流れる燃焼ガスを火炉の下流側に略水平方向に流す副側壁部と、前記副側壁部を経た燃焼ガスを下方に流下させて該燃焼ガスと熱交換して水または水蒸気を加熱する熱交換器を配設した後部伝熱部を備え、前記過熱器の下流側に位置する火炉の天井壁あるいは副側壁部の天井壁に燃焼ガスの流れに対向するように突起物を設置したことを特徴とするボイラ装置。
5. 請求項１または請求項２に記載のボイラ装置において、前記バーナは火炉の壁面を構成する前壁と後壁の少なくとも一方の壁面に１段以上設置していることを特徴とするボイラ装置。
6. 請求項３または請求項４に記載のボイラ装置において、前記空気供給口は、火炉の壁面を構成する前壁と後壁の少なくとも一方の壁面に１段以上設置していることを特徴とするボイラ装置。
7. 請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載のボイラ装置において、前記突起物は複数本の水管によって構成されていることを特徴とするボイラ装置。
8. 請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載のボイラ装置において、前記突起物が突出する大きさは、該突起物の後流側に燃焼ガス流が天井壁と副側壁の少なくとも一方の壁面から剥離した剥離域を形成し、副側壁部の出口側の前記剥離域の下流で燃焼ガス流が再び天井壁と副側壁の少なくとも一方の壁面に付着し得る大きさとなるように設定されていることを特徴とするボイラ装置。
9. 請求項２又は請求項３に記載のボイラ装置において、前記副側壁の側壁に設置した突起物の幅は、前記過熱器の中で最も前記側壁に近い過熱器の端部と側壁との間の距離の１／５から１／１までの幅に設定したことを特徴とするボイラ装置。
10. 請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載のボイラ装置において、前記突起物は複数本の水管と、これらの水管の間隙に設置された板状部材とによって構成されていることを特徴とするボイラ装置。
11. 請求項１乃至請求項４に記載のボイラ装置において、前記突起物は前記火炉の天井壁面を構成する水管を該副側壁部の内部あるいは該火炉の内部に張り出すように構成したことを特徴とするボイラ装置。
12. 請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載のボイラ装置において、前記突起物は耐火物によって構成されていることを特徴とするボイラ装置。
13. 請求項２又は請求項３に記載のボイラ装置において、前記副側壁部の側壁を構成する水管を内側に張り出すようにして前記突起物を構成することを特徴とするボイラ装置。
14. 請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載のボイラ装置において、燃焼ガス中に含まれる灰分が前記突起物に付着した堆積物を除去するスートブロワまたはウォーターキャノンを前記突起物の近傍に設置したことを特徴とするボイラ装置。

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