JP2018105595A - 石炭焚ボイラ - Google Patents

Abstract

【課題】ボイラ効率をより一層向上できる石炭焚ボイラを提供する。
【解決手段】火炉（２）と、節炭器（４）と、微粉炭機（７）と、脱硝装置（５）と、節炭器をバイパスして排ガスを脱硝装置に流すための節炭器バイパスダクト（１０）と、節炭器バイパスダクトに設けられる節炭器バイパスダンパ（１１）と、節炭器バイパスダンパの開度を制御する制御装置（２０）と、を備えた石炭焚ボイラ（１）において、脱硝装置の入口における排ガスの温度を検出する脱硝装置入口ガス温度検出器（１５）を有し、制御装置は、脱硝装置の入口ガス温度が、脱硝装置における酸性硫安析出温度を下回らず、かつ、当該酸性硫安析出温度近傍の範囲に収まるように、節炭器バイパスダンパの開度を制御する構成とした。
【選択図】図１

Description

本発明は、石炭焚ボイラに関し、特に石炭焚ボイラの排ガス温度の制御技術に関する。

本技術分野の背景技術として、例えば特許文献１には、「火炉と、後部伝熱部とを備え、火炉には、微粉炭供給路を介してミルから供給される微粉炭を燃焼するためのバーナが設けられており、又、後部伝熱部には、バーナで微粉炭の燃焼により発生した燃焼ガスによってボイラ水を加熱するための節炭器が設けられた」構成の石炭焚ボイラが記載されている。

特許文献１に記載の石炭焚ボイラは、後部伝熱部の節炭器出側に、燃焼ガスを排ガスとして排出するため、節炭器出口ダンパを備えた排ガスダクトが接続され、排ガスダクトの節炭器出口ダンパ出側には、脱硝装置や空気予熱器が設けられている。更に、後部伝熱部の節炭器入側と、排ガスダクトの空気予熱器入側との間には、節炭器バイパスダンパを備えた節炭器バイパスダクトが設けられている。

後部伝熱部の節炭器を通った燃焼ガスは、後部伝熱部から排ガスダクトへ入り、空気予熱器を通って、最終的に、排ガスとして外部へ排出される。排ガスダクトの空気予熱器の入側には空気予熱器入側温度検出器が設けられ、空気予熱器入側温度検出器で検出した検出温度と外部のボイラ出力指令とに基づいて、排ガス温度制御装置が節炭器バイパスダンパへ制御指令を送り、節炭器バイパスダンパの開度を調整させて、節炭器で温度を奪われる前の温度の高い燃焼ガスの一部を節炭器バイパスダクトから排ガスダクトへ所要量導いて混合させることにより、空気予熱器へ入る排ガスの温度を制御させている。

具体的には、排ガス温度制御装置は、脱硝装置にとって最適な、およそ３００度から３２０度の範囲内で、空気予熱器入側基準温度を求めて、節炭器バイパスダンパの開度を調整するよう制御している。

脱硝装置にとって最適な温度は、酸性硫安析出温度との関係で定まる。この酸性硫安析出温度は、排ガス中のＳＯｘ（ＳＯ_３）濃度などによって変化することが知られている。排ガス温度を制御する技術として、例えば特許文献２には、「排ガス中のＳＯｘ濃度と脱硝使用下限温度Ｔとの関係Ｔ＝ｆ（ＳＯｘ）を設定し、実際のＳＯｘ濃度を計測し、または燃料中のＳ分から排ガス中のＳＯｘ濃度を算出し、これに応じて脱硝使用下限温度Ｔを算出する。更に、脱硝使用下限温度Ｔによりエコバイパスの制御設定値、或いはＮＨ_３注入開始温度を自動的に変更する。」ことが記載されている（要約参照）。

特開平７−１９０３０２号公報 特開平１１−３１９４８２号公報 特許第５９３１３７７号公報

ボイラ効率を向上させるためには、ボイラ出口のガス温度をなるべく下げることが望ましいが、特許文献１では、空気予熱器へ入る排ガスの温度を計測して節炭器バイパスダンパの開度を制御しており、脱硝装置入口温度を酸性硫安析出温度を考慮した限界の温度まで下げ、効率向上を図るという観点とはなっていない。そのため、ボイラ効率の点で改善の余地がある。

一方、特許文献２は、酸性硫安析出温度を考慮した限界の温度まで下げるという観点は記載されているものの、通常のプラントでは、ＳＯｘ濃度を脱硝装置入口で計測しないため、ＳＯｘ濃度計を別途設ける必要があり、設備コストが嵩んでしまう。また、酸性硫安析出温度はＳＯｘ濃度だけでなくアンモニア濃度にも依存するため、ＳＯｘ濃度のみで一意に定まるものではない。そのため、特許文献２に記載の技術を実際のプラントに適用して、脱硝装置入口温度を酸性硫安析出温度を考慮した限界の温度まで下げるよう制御して石炭焚ボイラを運転することは、現実的には困難である。

そこで、本発明は、実際のプラントにおける運転に好適であって、かつ、ボイラ効率をより一層向上できる石炭焚ボイラを提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、代表的な本発明は、火炉と、節炭器と、前記節炭器の出口側に設けられる脱硝装置と、前記節炭器をバイパスして排ガスを前記脱硝装置に流すための節炭器バイパスダクトと、前記節炭器バイパスダクトに設けられ、前記節炭器バイパスダクトを流れる排ガスの流量を調整する節炭器バイパスダンパと、前記節炭器バイパスダンパの開度を制御する制御装置と、を備えた石炭焚ボイラにおいて、前記脱硝装置の入口における排ガスの温度を検出する脱硝装置入口ガス温度検出器を有し、前記制御装置は、前記脱硝装置入口ガス温度検出器からの温度データを取得する温度データ取得部と、少なくとも前記石炭焚ボイラの１００％負荷時において、前記温度データ取得部にて取得された前記温度データが所定の温度範囲内に収まるように、前記節炭器バイパスダンパの開度を演算するダンパ開度演算部と、前記ダンパ開度演算部にて演算された前記節炭器バイパスダンパの開度に基づく開度指令を前記節炭器バイパスダンパに出力するダンパ開度指令部と、を有し、前記所定の温度範囲は、前記脱硝装置における酸性硫安析出温度を下回らず、かつ、当該酸性硫安析出温度近傍の範囲に設定されることを特徴とする。

本発明によれば、実際のプラントにおける運転に適しており、しかも、ボイラ効率をより一層向上できる。なお、上記した以外の課題、構成および効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。

本発明の実施形態に係る石炭焚ボイラのプラント全体を示す構成図である。 図１に示す制御装置の機能構成を示すブロック図である。 本発明を適用した場合のボイラ負荷に応じたボイラ出口ガスの温度変化と節炭器バイパス量とを示す図である。 従来の場合のボイラ負荷に応じたボイラ出口ガスの温度変化と節炭器バイパス量とを示す図である。

以下、本発明の実施形態について図面を用いて説明する。図１は本発明の実施形態に係る石炭焚ボイラのプラント全体を示す構成図である。図１に示すように、本実施形態に係るボイラプラントは、石炭焚ボイラ（以下、ボイラと略記）１と、脱硝装置５と、空気予熱器６と、ミル（微粉炭機）７と、を主に備えている。

ボイラ１は、主に火炉２と、後部伝熱部３とで構成されており、火炉２には、送炭管３１を介してミル７から供給される微粉炭を燃焼するためのバーナ８が設けられている。また、後部伝熱部３には、バーナ８で微粉炭の燃焼により発生した燃焼ガスによって給水管３５から供給されるボイラ水を加熱するための節炭器４が設けられている。

ボイラ１の節炭器４の出口側には、脱硝装置５が配置されている。脱硝装置５には、排ガスにアンモニアなどの脱硝剤を添加する添加手段と、脱硝剤が添加された排ガスが導入される脱硝触媒が備えられている。脱硝装置５の出口側には排ガスの熱を回収する熱回収手段として、例えば、空気予熱器６が配置されている。空気予熱器６により熱交換された排ガスは、配管３２を流れて排ガス処理を行った後、大気に放出される。なお、図１において、ボイラ１から排出された排ガスの流れを太線で示している。

空気予熱器６には、例えば、ボイラ１に供給される燃焼用空気（二次空気）が通流する伝熱管３４が備えられ、排ガスの熱で燃焼用空気を加熱できるようになっている。さらに、空気予熱器６は、ミル７に供給する一次空気の加熱も行っている。空気予熱器６によって加熱された一次空気は、供給管（空気供給管）３３を介してミル７に供給され、一次空気によってミル７内で微粉砕した石炭の乾燥が行われる。そのため、微粉炭の含有水分によっては、一次空気の温度を高くする必要がある。

また、節炭器４をバイパスして脱硝装置５に直接排ガスとして供給するための節炭器バイパスダクト１０が設けられている。この節炭器バイパスダクト１０には排ガスの流量を調整するための節炭器バイパスダンパ１１が設けられている。節炭器バイパスダンパ１１の開度は制御装置２０によって制御されている。

制御装置２０は、節炭器バイパスダンパ１１の開度の演算等の各種演算を行うＣＰＵ２１、ＣＰＵ２１による演算を実行するためのプログラムを格納するＲＯＭやＨＤＤ等の記憶装置２２、ＣＰＵ２１がプログラムを実行する際の作業領域となるＲＡＭ２３、および他の機器とデータを送受信する際のインタフェースである通信インタフェース（通信Ｉ／Ｆ）２４を含むハードウェアと、記憶装置２２に記憶され、ＣＰＵ２１により実行されるソフトウェアとから構成される。

制御装置２０の各機能は、ＣＰＵ２１が、記憶装置２２に格納された各種プログラムをＲＡＭ２３にロードして実行することにより、実現される。図２は、制御装置２０の機能構成を示すブロック図である。図２に示すように、制御装置２０は、脱硝装置５のガス入口に設けられた脱硝装置入口ガス温度検出器１５（図１参照）からの温度データを取得する温度取得部２５と、取得した温度データに基づいて節炭器バイパスダンパ１１の開度を演算するダンパ開度演算部２６と、ダンパ開度演算部２６により演算された開度指令を節炭器バイパスダンパ１１に出力するダンパ開度指令部２７と、を含む。

ダンパ開度演算部２６は、脱硝装置５の入口ガス温度が所定の温度範囲内に収まるように、節炭器バイパスダンパ１１の開度を演算する。ここで、所定の温度範囲とは、脱硝装置５において酸性硫安が析出される温度を考慮して設定された温度、例えば３２０℃程度になるよう制御されている。すなわち、本実施形態では、酸性硫安が析出されない温度の限界に近い条件でボイラ１が運転されることになる。

なお、酸性硫安の析出反応は、例えば特許文献３に記載されている通り、以下の式（１）及び式（２）で示される平衡定数を持った平衡反応である。
ＮＨ_３（ガス）＋ＳＯ_３（ガス）＋Ｈ_２Ｏ（ガス）
→ ＮＨ_４ＨＳＯ_４（液体） ・・・（１）
Ｋ＝１／（［ＮＨ_３］［ＳＯ_３］［Ｈ_２Ｏ］） ・・・（２）

また、例えば、酸性硫安析出温度Ｔは、式（１）で示される反応のギブスの自由エネルギー変化ΔＧを用いて、以下の式（３）のように求められる。
Ｔ＝ΔＧ／（−Ｒ×ｌｎＫ） ・・・（３）
ここで、Ｋは式（２）に示した析出の平衡定数である。

このように、酸性硫安析出温度は、排ガス中の成分によって変化する。そのため、本実施形態では、実際の運転条件等に基づく酸性硫安析出温度を考慮して、脱硝装置５の入口ガス温度が予め定めた温度になるように制御している。

本実施形態では、１００％負荷時のボイラ１出口のガス温度が約３２０℃になるよう予め設計されている。図３（ａ）に本実施形態におけるボイラ負荷とボイラ１出口のガス温度との関係を、同図（ｂ）に本実施形態におけるボイラ負荷と節炭器バイパスダンパ１１の開度（バイパス量）との関係を示す。

図３（ａ）に示すように、本実施形態では、ボイラ１の通常運用時である３０％〜１００％の任意のボイラ負荷の範囲内において、ボイラ１出口のガス温度が脱硝装置５における酸性硫安析出温度を若干超える温度に保たれるよう節炭器バイパスダンパ１１の開度が制御される。

そして、図３（ｂ）に示すように、ボイラ１出口のガス温度が酸性硫安析出温度より若干高い温度に保たれるようにするために、節炭器バイパスダンパ１１の開度は３０％負荷のときから徐々に１００％負荷になるに連れて小さくなる（すなわち、バイパス量が少なくなる）ように制御される。このように、本実施形態によれば、ボイラ負荷３０％〜１００％の任意の範囲でボイラ１出口のガス温度が約３２０℃に抑制されているため、ボイラ効率が向上する。しかも、ＣＯ２の削減も期待できる。

比較のため、図４（ａ）に従来におけるボイラ負荷とボイラ１出口のガス温度との関係を、同図（ｂ）に従来におけるボイラ負荷と節炭器バイパスダンパ１１の開度（バイパス量）との関係を示す。

図４（ａ）に例として示すように、従来では、ボイラ１の通常運用時の１００％負荷においてボイラ１出口のガス温度は約３６０℃〜３７０℃で設計されており、ボイラ負荷が４０％〜１００％の範囲においては節炭器バイパスダンパ１１の開度がほぼゼロ（バイパスしない）で運転されている。ボイラ負荷が３０％においてボイラ１出口のガス温度が脱硝装置５における酸性硫安析出温度を超える温度となるように節炭器バイパスダンパ１１にて温度制御した運転となる。

一方、本実施形態ではボイラ１出口のガス温度が１００％負荷時であっても３２０℃程度に抑えられているため、従来に比べて、本実施形態の方が定格負荷のボイラ効率は高い。つまり、本実施形態では、部分負荷において節炭器バイパスダクト１０を流れる排ガスの流量を多くしてでも、定格負荷のボイラ１出口のガス温度を下げることにより、ボイラ効率の向上を図っている点が従来にはない特徴となっている。

しかも、本実施形態では、空気予熱器６入口のガス温度を検出するのではなく、脱硝装置５入口のガス温度を検出して節炭器バイパスダンパ１１の開度を調整しているので、ボイラ１出口のガス温度を高精度に制御することができ、ボイラ効率のより一層の向上が見込める。

さらに、本実施形態に係るボイラ１は、脱硝装置５入口のガス温度が所定の温度範囲となるように節炭器バイパスダンパ１１の開度を調整するという簡単な構成であるため、脱硝装置５の入口にＳＯｘ濃度計を設ける必要はなく、また、ＳＯｘ濃度計に基づいて酸性硫安析出温度を演算して節炭器バイパスダンパ１１の開度の制御をするといった複雑な制御構成は必要ないため、実際のプラント運転に好適である。

ここで、制御装置２０は、微粉炭の含有水分によって、節炭器バイパスダンパ１１の開度を変更する（補正する）ようにしても良い。例えば、微粉炭の含有水分は、新たに石炭を導入する際に事前に分析するのが一般的であるから、このときの分析結果を制御装置２０に入力（図２参照）することにより、その分析結果に応じた特性で節炭器バイパスダンパ１１の開度を制御すれば良い。

高水分炭の場合には、例えば図３に示すように、ボイラ負荷４０％〜１００％の範囲において、節炭器バイパスダンパ１１の開度を通常運用時よりも大きくしてバイパス量を多くすることにより、ボイラ１出口のガス温度を高くする。このように制御すれば、空気予熱器６の熱交換量を多くできるため、ミル７に供給する一次空気の温度を高めて、高水分炭を乾燥させることができる。

なお、制御装置２０は、ミル７の入口と出口の温度と一次空気の供給量とから微粉炭の含有水分を推定し、その推定結果に基づいて節炭器バイパスダンパ１１の開度を制御することもできる。

なお、本発明は上記した実施形態に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施形態は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。

１ ボイラ
２ 火炉
４ 節炭器
５ 脱硝装置
６ 空気予熱器
７ ミル（微粉炭機）
１０ 節炭器バイパスダクト
１１ 節炭器バイパスダンパ
１５ 脱硝装置入口ガス温度検出器
２０ 制御装置
２５ 温度データ取得部
２６ ダンパ開度演算部
２７ ダンパ開度指令部
３３ 供給管（空気供給管）

Claims (3)

1. 火炉と、節炭器と、前記節炭器の出口側に設けられる脱硝装置と、前記節炭器をバイパスして排ガスを前記脱硝装置に流すための節炭器バイパスダクトと、前記節炭器バイパスダクトに設けられ、前記節炭器バイパスダクトを流れる排ガスの流量を調整する節炭器バイパスダンパと、前記節炭器バイパスダンパの開度を制御する制御装置と、を備えた石炭焚ボイラにおいて、
   前記脱硝装置の入口における排ガスの温度を検出する脱硝装置入口ガス温度検出器を有し、
   前記制御装置は、
   前記脱硝装置入口ガス温度検出器からの温度データを取得する温度データ取得部と、
   少なくとも前記石炭焚ボイラの１００％負荷時において、前記温度データ取得部にて取得された前記温度データが所定の温度範囲内に収まるように、前記節炭器バイパスダンパの開度を演算するダンパ開度演算部と、
   前記ダンパ開度演算部にて演算された前記節炭器バイパスダンパの開度に基づく開度指令を前記節炭器バイパスダンパに出力するダンパ開度指令部と、を有し、
   前記所定の温度範囲は、前記脱硝装置における酸性硫安析出温度を下回らず、かつ、当該酸性硫安析出温度近傍の範囲に設定されることを特徴とする石炭焚ボイラ。
2. 請求項１において、
   前記ダンパ開度演算部は、前記石炭焚ボイラの使用される任意の負荷の範囲内において、前記温度データ取得部にて取得された前記温度データが前記所定の温度範囲内に収まるように前記節炭器バイパスダンパの開度を演算することを特徴とする石炭焚ボイラ。
3. 請求項１または２において、
   前記火炉に微粉炭を供給する微粉炭機と、
   前記脱硝装置の出口側に設けられる空気予熱器と、
   前記空気予熱器で加熱された空気を前記微粉炭機に供給するための空気供給路と、をさらに有し、
   前記ダンパ開度演算部は、前記火炉に供給される微粉炭の含有水分に応じて、前記節炭器バイパスダンパの開度を演算することを特徴とする石炭焚ボイラ。