JP2011052895A - 燃焼装置の運転制御方法及び燃焼装置 - Google Patents

Abstract

【課題】石油系残渣を燃料とする燃焼装置の運転制御方法及び燃焼装置を提供する。
【解決手段】石油系残渣を燃料とする燃焼装置であって、還元雰囲気の火炉１１内に、燃料１２を供給する複数の燃料供給バーナ１３（上段バーナ１３ａ、中段バーナ１３ｂ、下段バーナ１３ｃ）と、所定期間経過後に、定格運転から低負荷運転に変更する指示を実行する図示しない制御手段とを備えてなり、前記低負荷運転の際に、火炉１１内を酸素リッチ状態として、火炉壁の伝熱管における灰付着を低減するものである。
【選択図】図１

Description

本発明は、石油系残渣を燃料とする燃焼装置の運転制御方法及び燃焼装置に関し、特に燃焼装置の伝熱管における灰付着を低減したものである。

石油系残渣（例：石油コークス等）を燃料とする燃焼装置（ボイラ）では火炉内に灰が固着し、冷却管の伝熱阻害を引き起こす、という問題がある。
このため、従来においては、火炉内に燃料添加物として、例えばマグネシウム化合物（ＭｇＯ）、鉄系化合物（例えばＦｅ₂Ｏ₃）、ＣａＣＯ₃、Ｎａ₂ＣＯ₃、有機系添加材等を供給することで、付着灰の低減を図っていた（特許文献１〜３）。

なお、石油系残渣燃料中に含まれるバナジウムは複数の酸化状態をとり、最大酸化数である５価の酸化物（Ｖ₂Ｏ₅）では融点が約６８０℃と低いが、燃料添加剤として例えばＭｇＯ添加剤を入れると、その融点が上昇することは知られている。

特開昭６２−４５６９１号公報 特開平４−１３７９８号公報 特開平１１−９４２３４号公報 特開２００８−２４０１０２号公報

ところで、燃焼装置の燃料として重油を用いる場合には、バナジウムの量が少量（約２００ｐｐｍ以下）であり、火炉内における酸素濃度が高い燃焼装置においては、バナジウムの酸化状態は５価となるので、ＭｇＯ添加剤を入れることで、灰の付着を抑制することができるが、石油系残渣燃料中のバナジウムの量は重油よりも多量（５００〜１５００ｐｐｍ）であり、しかも、近年の燃焼装置では炉内脱硝をするために、還元雰囲気としており、火炉内ではバナジウムの酸化状態は最大の酸化数５価ではなく、ほとんどが４価の状態となっている。

この４価のバナジウムは、化合物単体では融点が高い（約１４００℃）が、燃料である石油系残渣（例：石油コークス）を、例えば運搬中において海水に接触して、Ｎａ等の混入がある場合に、燃焼すると、ＮａとＶとの複合化合物（バナジル・バナジン酸塩（ｍＮａ_２Ｏ・（ｎ−ｐ）Ｖ_２Ｏ_５・ｐＶ_２Ｏ_４））となり（特許文献４）、溶融物が生成しやすくなるので、火炉内の灰付着が、通常よりも多く発生するという、問題がある。

図８に石油コークスにＮａを添加した際の灰の軟化点（℃）の低下する関係図を示す。図８に示すように、還元雰囲気中（ＣＯ／ＣＯ₂＝６０％／４０％）において、Ｎａを添加するにつれて、灰の軟化点が低下するのが判る。

すなわち、通常のガスに同伴される飛灰の場合には、ガス化ガスと共に後流側に流れ、後流側に設置される除塵装置（例えば電気集塵器）により捕集されるが、飛灰の一部が溶融する場合には、火炉内に付着すると、伝熱阻害により火炉内部の温度が上昇することとなり、燃焼装置の適正な運用ができない場合が発生する。
なお、前記Ｎａ等の石油系残渣燃料への混入は、海上を運搬中においては、なかなか回避できないため、石油系残渣燃料を燃焼する際において、効果的な対策が切望されている。

本発明は、前記問題に鑑み、石油系残渣を燃料とする燃焼装置の運転制御方法及び燃焼装置を提供することを課題とする。

上述した課題を解決するための本発明の第１の発明は、石油系残渣を燃料とする燃焼装置の運転制御方法であって、所定期間経過後に、定格運転から低負荷運転に変更する運転を行い、前記低負荷運転の際に、火炉内を酸素リッチ状態として、火炉壁の伝熱管における灰付着を低減することを特徴とする燃焼装置の運転制御方法にある。

第２の発明は、第１の発明において、前記低負荷運転を、過熱蒸気中にスプレ水を供給して減温する減温装置への指令の際又はその後に行うことを特徴とする燃焼装置の運転制御方法にある。

第３の発明は、第１又は２の発明において、燃料に燃料添加剤を添加することを特徴とする燃焼装置の運転制御方法にある。

第４の発明は、第３の発明において、燃料に燃料添加剤を傾斜配分添加することを特徴とする燃焼装置の運転制御方法にある。

第５の発明は、第１乃至４のいずれか一つの発明において、燃料供給バーナが、火炉壁面に沿って、燃料と空気とを吹き込み、炉壁近傍に酸素濃度の高い領域を形成することを特徴とする燃焼装置の運転制御方法にある。

第６の発明は、第１乃至５のいずれか一つの発明において、火炉内に、固形物を添加し、灰溶融割合を相対的に低下することを特徴とする燃焼装置の運転制御方法にある。

第７の発明は、第６の発明において、前記固形物が、石炭灰、鉄系添加剤、シリカ系添加剤又はマグネシウム系添加剤の少なくとも一種であることを特徴とする燃焼装置の運転制御方法にある。

第８の発明は、第１乃至７のいずれか一つの発明において、定格運転の運転初期から低酸素運転を行い、灰中未燃焼分の割合を増大させることを特徴とする燃焼装置の運転制御方法にある。

第９の発明は、石油系残渣を燃料とする燃焼装置であって、還元雰囲気の火炉内に、燃料を供給する複数の燃料供給バーナと、所定期間経過後に、定格運転から低負荷運転に変更する指示を前記燃料供給バーナに対して行う制御手段とを備えてなり、前記低負荷運転の際に、火炉内を酸素リッチ状態として、火炉壁の伝熱管における灰付着を低減することを特徴とする燃焼装置にある。

第１０の発明は、第９の発明において、前記低負荷運転を、過熱蒸気中にスプレ水を供給して減温する減温装置の指令の際に行うことを特徴とする燃焼装置にある。

第１１の発明は、第９又は１０の発明において、燃料供給バーナの下流側に、火炉内に酸素を追加供給する酸素供給ノズルを有することを特徴とする燃焼装置にある。

第１２の発明は、第９乃至１１のいずれか一つの発明において、燃料供給バーナが、火炉壁面に沿って、吹き込むことを特徴とする燃焼装置にある。

第１３の発明は、第９乃至１２のいずれか一つの発明において、火炉内に、固形物を添加することを特徴とする燃焼装置にある。

第１４の発明は、第９乃至１３のいずれか一つの発明において、前記固形物が、石炭灰、鉄系添加剤、シリカ系添加剤又はマグネシウム系添加剤の少なくとも一種であることを特徴とする燃焼装置にある。

第１５の発明は、第９乃至１４のいずれか一つの発明において、前記制御手段が、定格運転の運転初期から低酸素運転を行う制御を行うことを特徴とする燃焼装置にある。

本発明によれば、所定運転後に、定格運転から低負荷運転とすることにより、火炉内部の灰付着を低減することができ、燃焼設備の適正な運用を図ることができる。

図１は、石油系残渣を燃料とする燃焼装置の概略図である。 図２は、過熱蒸気の流れ図である。 図３は、火炉の壁面の水冷管に灰が付着する様子を示す図である。 酸化数３価、４価、５価の各々の酸化バナジウムが、温度と酸素分圧とにより、固体状態から溶融状態の溶融スラグ４５に変化する相関図である。 図５は、燃焼装置の各部所における酸化バナジウムの酸化状態の挙動の変化を示す図である。 図６は、添加物の添加による溶融割合（ｗｔ％）と灰付着力（ｇ／ｃｍ²）との関係図である。 図７は、火炉断面概略図である。 図８は、石油コークスにＮａ分（Ｎａｃｌ）を添加した割合と灰の軟化点（℃）との関係図である。

以下、この発明につき図面を参照しつつ詳細に説明する。なお、この実施例によりこの発明が限定されるものではない。また、下記実施例における構成要素には、当業者が容易に想定できるもの、あるいは実質的に同一のものが含まれる。

本発明による実施例に係る石油系残渣を燃料とする燃焼装置の運転制御方法及び燃焼装置について、図面を参照して説明する。
図１は、石油系残渣を燃料とする燃焼装置の概略図である。図１に示すように、本実施例に係る石油系残渣を燃料とする燃焼装置１０は、石油系残渣を燃料とする燃焼装置であって、還元雰囲気の火炉１１内に、燃料１２を供給する複数の燃料供給バーナ１３（上段バーナ１３ａ、中段バーナ１３ｂ、下段バーナ１３ｃ）と、所定期間経過後に、定格運転から低負荷運転に変更する指示を実行する図示しない制御手段とを備えてなり、前記低負荷運転の際に、火炉１１内を酸素リッチ状態として、火炉壁の伝熱管における灰付着を低減するものである。

ここで、燃焼装置１０の火炉１１内において、燃焼領域１５の出口側には、板型過熱器２１、２次過熱器２２、３次過熱器２３、１次過熱器２４及び節炭器２５が煙道内に順に配され、煙道内において飽和蒸気を過熱して、過熱蒸気を得ている。なお、火炉１１の炉底１１ａ側には、溶融スラグ受け部２６が設けられている。

図２は飽和蒸気の流れ図であり、炉壁の水冷管内からの飽和蒸気３０は、一次過熱器２４、板型過熱器２１、２次過熱器２２及び３次過熱器２３を順次通過し、過熱蒸気３１とし、タービン側に供給している。
ここで、図２においては、火炉内の温度異常上昇の際に過熱器を保護するための減温器３２が設けられており、必要に応じてスプレ弁３３を調整して、水３４を過熱蒸気内に供給して温度を下げるようにしている。

よって、過熱蒸気温度が所定の温度以上にあがり、スプレ弁３３を調整する指示が制御装置からなされた場合に、火炉１１内部の温度上昇があったと判断して、その判断の際又は所定期間後に、前記定格運転から低負荷運転に切り替える指示を行うようにして、灰付着量を低減させて、適正な燃焼領域１５に復帰するようにしている。
スプレー弁開度のかわりに、火炉燃焼域１５出口に設置された過熱器（例えば板型過熱器２１）の蒸気温度上昇分ΔＴを検知して判断してもよい。

図３は、火炉１１の壁面の水冷管４０に灰が付着する様子を示している。
図３中、水冷管４０の内部は水（約３３０℃）４１が流れており、火炉１１を冷却している。水冷管４０の炉内側には、石油系残渣を燃料として燃焼した際に発生した飛灰４２の一部が溶融して、付着灰４３として付着している。

火炉１１内が還元雰囲気中の場合（例えばＣＯ／ＣＯ₂＝６０％／４０％）には、飛灰４２中の酸化バナジウムが４価の状態で固体であるものの、例えばＮａが含まれている燃料を燃焼すると、融点が１４００℃から低下するので、その一部が溶融状態となる。この結果、飛灰４１の一部において溶融状態となり、付着灰４３に付着することで、灰の成長４４が起こり、所定厚さＤの成長灰４４に成長する。

ここで、負荷下げ運転すると、灰付着物が溶融するメカニズムを説明する。
定格の通常運転中は、付着灰中のバナジウムは、火炉１１内部は還元雰囲気であるので、４価のバナジウムが支配している。
よって、付着した付着灰中のバナジウムも４価である。
これに対し、負荷下げ運転を行うことで、還元雰囲気から酸素リッチ雰囲気となり、付着灰中のバナジウムは、４価から５価のバナジウムとなる。５価のバナジウムは、融点が６８０℃であるので、炉壁の成長灰４５の部分が溶融し、ランニングスラグとなって、スラグ受け部２６（図１参照）にサラサラ流れ落ちることとなる。

図４は、３価、４価、５価の各々の酸化バナジウムが、温度と酸素分圧（酸素濃度）とにより、固体状態から溶融状態の溶融スラグ４５に変化する相関図である。
ここで、図４中、（１）〜（６）の各点は、還元雰囲気において、４価のバナジウム試薬を用いて、軟化溶融性の試験を行った結果である。（１）はＮ₂（不活性）雰囲気で１２１０℃、（２）は１％Ｏ₂雰囲気（Ｎ₂バランス）１２５０℃、（３）は０．０１％Ｏ₂雰囲気（Ｎ₂バランス）１５９０℃、（４）は０．１％Ｏ₂雰囲気（Ｎ₂バランス）１５９０℃、（５）は０．５％Ｏ₂雰囲気（Ｎ₂バランス）１３００℃、（６）は１％Ｏ₂雰囲気（Ｎ₂バランス）１３００℃の場合の固体間溶融状態を示している。

図４に示すように、飛灰は温度が下がると一部が溶融して付着灰となるが、酸素濃度が上昇（Ｏ₂濃度１％）すると、溶融状態となる

図５は、燃焼装置１０の各部所における酸化バナジウムの酸化状態の挙動の変化を示す図である。
横軸は、炉底、下段バーナ、上段バーナ、板型過熱器、節炭器、電気集塵器（ＥＰ）の場所を示しており、各場所における付着灰、灰の硫酸溶液に溶解させた溶液の酸化還元電位を測定したものである。
火炉の運転中は、下段バーナ〜上段バーナの領域では、４価のバナジウムが支配しており、板型過熱器以降は５価のバナジウムの存在が確認された。過熱器以降では５価のバナジウムとなりやすいことがわかる。
ここで、炉底において、酸化還元電位が０．８６Ｖとバナジウムの酸化数が５価状態を示すのは火炉を停止した際に取得した灰に関して測定したものである。火炉を停止させると付着灰は低温・高酸素状態にさらされるのでバナジウムの酸化数は５価状態となりやすい。

ここで、本発明において負荷下げ運転の負荷率は、定格運転（例えば１００ＭＷ）を１００％とすると、８０％（８０ＭＷ）以下、好ましくは６０〜７０％（６０〜７０ＭＷ）以下とするのがよい。また、下限値は燃焼装置の最低運転可能な負荷までとする。この燃焼装置の最低運転可能な負荷としては、例えば３０％程度の負荷率である。

また、負荷下げ運転時間としては、例えば一週間に１回（夜間、例えば７〜１０時間程度）程度の負荷下げ運転を実行すればよい。

定期的に負荷下げ運転をする一例を説明する。
一般に、火炉内部温度が上昇したら、過熱器の温度上昇を防止するために、図２に示す減温器３２が作動（スプレ弁３３が作動して水３４を減温器３２内に供給して過熱蒸気温度を下げる。）して、過熱器を保護する制御を開始する。この場合には、炉内温度が通常よりも高い状態となっていることを示しており、成長した灰付着の厚さが許容値以上となって、炉内温度が上昇していることである。

このような状態になったら、負荷下げ運転により、成長した成長灰を溶融状態として除去するようにすればよい。
すなわち、制御装置においてスプレ弁の開度情報を元に、負荷下げ運転行う指令を制御装置から行うようにすることで、灰付着情報を確実に取得して、燃焼装置の灰付着を低減することができる。

また、燃料供給バーナ１３から燃料添加剤（ＭｇＯ）を供給する場合には、傾斜配分投入を行うようにすればよい。傾斜配分は後流側に多く傾斜させる。
前記燃料添加剤（ＭｇＯ）の傾斜配分投入の一例としては、上段バーナ１３ａを１、中段バーナ１３ｂから０、下段バーナ１３ｃから０の割合で添加する方法や、上段バーナ１３ａを０．８、中段バーナ１３ｂから０．１、下段バーナ１３ｃから０．１の割合で添加する方法等がある。
これにより、燃料添加剤によるバナジウムの融点上昇を抑えるようにしている。
このように燃料添加剤ＭｇＯをＶ₂Ｏ₅比でモル比１以上供給する理由は、ボイラ火炉後流側の部材の腐食（５価のバナジウム）を、ＭｇＯによって防止するためであるので、燃焼に影響を与えず、しかもバナジウムの融点上昇を防止するためである。

ここで、本発明で燃料添加剤としては、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）以外に、水酸化マグネシウム（Ｍｇ（ＯＨ）₂）、炭酸マグネシウム（ＭｇＣＯ₃）等のマグネシウム化合物を例示することができる。

また、定格で運転しているときに、上段バーナ１３ａの上段側に設けられた空気を追加供給する空気供給ノズル（図示せず）から空気と共に、燃料添加剤（ＭｇＯ）を投入するようにしてもよい。

実施例１では、定格運転で所定の期間経過して、低負荷運転をすることで、確実に灰付着を低減するようにしているが、実施例２では、例えば夏場等において定期的な負荷下げが実施できない場合の一時的な運転についての対応である。

実施例２においては、定格運転（１００％負荷運転）において、溶融物を希釈するために燃料添加剤に、例えば高融点の石炭灰の固体物を燃料の０．５〜５％添加するものである。
石油残渣系燃料中の灰分は０．５％程度と少ないので、固体物の石炭灰で希釈されることにより、灰の付着力は小さくなる。この結果、何も添加しない場合よりも付着灰の成長の期間が長くなる。
なお、上述のように固体物の添加量を規定するのは、５重量％を超えると、石油残渣系燃料の本来の燃焼に悪影響を与えることとなるからであり、一方、０．５重量％未満では添加効果が発現しないからである。

図６は、添加物の添加による溶融割合（ｗｔ％）と灰付着力（ｇ／ｃｍ²）との関係図である。図６においては、粉体として、石英粉を添加したものであり、石英粉との化学反応がないとした場合の溶融割合が、低下すると灰の付着力は低減する。
すなわち、溶融割合は（溶融量）／（固体物量＋溶融物量）により決定され、固体物量を増大することで、溶融割合を相対的に低下させることができる。

これにより、定格運転を下げずに、灰付着を抑制することができる。
よって、夏場の電力需要大の場合、所定期間（約２〜３週間程度）は、負荷下げ運転をせずに、定格運転をする際、固形物を供給することで、付着灰を抑制する。

また、燃料添加剤ＭｇＯのモル比（Ｖ₂Ｏ₅に対する）を増大（モル比：１〜３）させるようにしてもよい。
さらに、添加剤として、鉄系添加剤、シリカ系添加剤を添加する（モル比：１〜１０）ことで、付着の成長を防止するようにしてもよい。

また、固形物を別途供給するのではなく、運転初期から、低酸素運転を行うようにして、灰中の未燃分を増大させるようにしてもよい。すなわち、燃焼条件を調整して、低酸素運転とすることで、未燃焼割合が増加し、溶融灰の希釈となる。
よって、別途固形物を別途供給する必要がなく、定格運転の期間を長くすることができ、結果として低負荷運転の回数を少なくすることができる。

実施例１では、定格運転で所定の期間経過して、低負荷運転をすることで、確実に灰付着を低減するようにしているが、実施例３では、既存の燃焼装置において、バーナ形状を交換することで、定格運転期間を長期化させるようにするものである。
図７は、火炉断面概略図である。
図７に示すように、火炉１１の内部に供給する燃料のバーナの配置を角部近傍に設置し、火炉１１の各角部近傍から、壁面に沿うように燃料と空気とを供給する燃料供給バーナ１３ａ−１〜１３ａ−４を用いるものである。

この結果、炉壁面において、酸素濃度が高い領域５０を形成することとなり、還元雰囲気においても、炉壁部分の酸素濃度を上昇させて、付着灰中のバナジウムを５価の酸化物（Ｖ₂Ｏ₅）に変化させて、流下スラグを発生させるようにしている。

以上のように、本発明に係る燃焼装置によれば、所定運転後に、定格運転から低負荷運転とすることにより、火炉内部の灰付着を低減することができ、燃焼設備の適正な運用を図ることができる。

１０ 燃焼装置
１１ 火炉
１２ 燃料
１３ 燃料供給バーナ
１５ 燃焼領域

Claims (15)

1. 石油系残渣を燃料とする燃焼装置の運転制御方法であって、
   所定期間経過後に、定格運転から低負荷運転に変更する運転を行い、
   前記低負荷運転の際に、火炉内を酸素リッチ状態として、火炉壁の伝熱管における灰付着を低減することを特徴とする燃焼装置の運転制御方法。
2. 請求項１において、
   前記低負荷運転を、過熱蒸気中にスプレ水を供給して減温する減温装置への指令の際又はその後に行うことを特徴とする燃焼装置の運転制御方法。
3. 請求項１又は２において、
   燃料に燃料添加剤を添加することを特徴とする燃焼装置の運転制御方法。
4. 請求項３において、
   燃料に燃料添加剤を傾斜配分添加することを特徴とする燃焼装置の運転制御方法。
5. 請求項１乃至４のいずれか一つにおいて、
   燃料供給バーナが、火炉壁面に沿って、燃料と空気とを吹き込み、炉壁近傍に酸素濃度の高い領域を形成することを特徴とする燃焼装置の運転制御方法。
6. 請求項１乃至５のいずれか一つにおいて、
   火炉内に、固形物を添加し、灰溶融割合を相対的に低下することを特徴とする燃焼装置の運転制御方法。
7. 請求項６において、
   前記固形物が、石炭灰、鉄系添加剤、シリカ系添加剤又はマグネシウム系添加剤の少なくとも一種であることを特徴とする燃焼装置の運転制御方法。
8. 請求項１乃至７のいずれか一つにおいて、
   定格運転の運転初期から低酸素運転を行い、灰中未燃焼分の割合を増大させることを特徴とする燃焼装置の運転制御方法。
9. 石油系残渣を燃料とする燃焼装置であって、
   還元雰囲気の火炉内に、燃料を供給する複数の燃料供給バーナと、
   所定期間経過後に、定格運転から低負荷運転に変更する指示を前記燃料供給バーナに対して行う制御手段とを備えてなり、
   前記低負荷運転の際に、火炉内を酸素リッチ状態として、火炉壁の伝熱管における灰付着を低減することを特徴とする燃焼装置。
10. 請求項９において、
    前記低負荷運転を、過熱蒸気中にスプレ水を供給して減温する減温装置の指令の際に行うことを特徴とする燃焼装置。
11. 請求項９又は１０において、
    燃料供給バーナの下流側に、火炉内に空気を追加供給する空気供給ノズルを有することを特徴とする燃焼装置。
12. 請求項９乃至１１のいずれか一つにおいて、
    燃料供給バーナが、火炉壁面に沿って、吹き込むことを特徴とする燃焼装置。
13. 請求項９乃至１２のいずれか一つにおいて、
    火炉内に、固形物を添加することを特徴とする燃焼装置。
14. 請求項９乃至１３のいずれか一つにおいて、
    前記固形物が、石炭灰、鉄系添加剤、シリカ系添加剤又はマグネシウム系添加剤の少なくとも一種であることを特徴とする燃焼装置。
15. 請求項９乃至１４のいずれか一つにおいて、
    前記制御手段が、定格運転の運転初期から低酸素運転を行う制御を行うことを特徴とする燃焼装置。

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