JP2024060281A - ボイラ - Google Patents

Abstract

【課題】アンモニアを燃焼させる際に、未燃焼となるアンモニアの発生を抑制することができるボイラを提供することである。【解決手段】供給されるアンモニアを燃焼室８に噴出させる第１噴出口１４と、供給される水素を前記燃焼室８に噴出させる第２噴出口２４と、前記アンモニアおよび前記水素の供給を制御する制御手段とを備え、前記第２噴出口２４は、前記第１噴出口１４を囲むように設けられており、前記制御手段は、前記水素の供給により着火させ、その後、前記アンモニアの供給を開始させるように制御する。【選択図】図３

Description

本発明は、ボイラに関する。

近年、地球温暖化を防止するために、ＣＯ_２（二酸化炭素）排出量の削減が求められている。そのため、水素やアンモニアを燃料の一部として使用することで、二酸化炭素の発生の抑制が図られている（例えば、特許文献１）。また、水素よりも低コストとなるアンモニアの使用率を上げることが望まれている。

特開２０１６－０３２３９１号公報

しかしながら、アンモニアは着火しにくく、燃焼速度が遅い（燃焼範囲が狭い）ことから、バーナの着火時および停止時に未燃焼のアンモニアが排気されて異臭が発生するなどといった問題があった。また、発停の多い貫流ボイラにおいては、そのような未燃焼となる割合が高まる虞があった。

本発明は、かかる実情に鑑み考え出されたものであり、アンモニアを燃焼させる際に、未燃焼となるアンモニアの発生を抑制することができるボイラを提供することである。

上記目的を達成するために、本発明のある局面に従うボイラは、供給されるアンモニアを燃焼室に噴出させる第１噴出口と、供給される水素を前記燃焼室に噴出させる第２噴出口と、前記アンモニアおよび前記水素の供給を制御する制御手段とを備え、前記第２噴出口は、前記第１噴出口を囲むように設けられており、前記制御手段は、前記水素の供給により着火させ、その後、前記アンモニアの供給を開始させるように制御する。

上記の構成によれば、第２噴出口から水素を燃焼室に噴出させて着火させることにより、第１噴出口を囲むように火炎を発生させた後に、第１噴出口からアンモニアを燃焼室に噴出させることができる。その結果、着火時に未燃焼となるアンモニアの発生を抑制することができ、異臭発生などを抑止できる。

好ましくは、前記制御手段は、前記アンモニアの供給を停止させた後に、前記水素の供給を停止させて前記燃焼室における燃焼を停止させる。

上記の構成によれば、アンモニアの燃焼室への噴出を停止させたときであっても水素については未だ燃焼室に噴出しており第１噴出口を囲むように火炎が形成されているため、燃焼室内に残留するアンモニアを極力燃焼させやすくなる。その結果、燃焼停止時においても、未燃焼となるアンモニアの発生を抑制することができ、異臭発生などを抑止できる。

好ましくは、前記制御手段は、燃焼中においては、前記アンモニアおよび前記水素の供給を継続させつつ、前記アンモニアの供給量を燃焼状態に応じた供給量に変化させるように制御する。

上記の構成によれば、燃焼状態に応じてアンモニアの供給量が調整される。これにより、アンモニアよりも高コストとなる水素の使用量を抑えて、ランニングコストを低減させることができる。

バーナを備えるボイラの断面を説明するための図である。 本発明の一実施例のバーナの断面を説明するための拡大断面図である。 ボイラの制御の一例を示すためのフローチャートである。

以下に、図面を参照しつつ、本発明の実施形態について説明する。図１を参照して、本実施の形態に係るボイラ１の概略構成について説明する。なお、本発明はこれらの例示に限定されるものではなく、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が本発明に含まれることが意図される。

図１には、ボイラ１が備える構成のうちの、燃料を燃焼させて蒸気を生成する缶体３が示されている。缶体３は、略円筒状に形成されており、その内部に燃料を燃焼させるガスバーナ２、複数の水管４、上部ヘッダ６、および下部ヘッダ５などを含む。複数の水管４は、各々、上部ヘッダ６と下部ヘッダ５との間に連結して構成されている。複数の水管４は、缶体３の内部に収容されており、缶体３の円周方向に所定の間隔で立設されている内側水管４ａと、当該内側水管４ａよりも外側において缶体３の円周方向に所定の間隔で立設されている外側水管４ｂとを含む。これらの内側水管４ａと外側水管４ｂとをまとめて水管４ともいう。内側水管４ａのうち隣り合う水管の隙間には、当該隙間を閉塞するように、下端部の隙間を残して内側縦ヒレ４ａ´が設けられる。外側水管４ｂについても隣り合う水管の隙間には、当該隙間を閉塞するように、上端部の隙間を残して外側縦ヒレ４ｂ´が設けられる。これにより、缶体３の略中央部に、燃焼室８および燃焼ガス通路９が形成される。燃焼ガス通路９から送られてきた排気ガスは、排気通路７から缶体３外部に排出される。

ガスバーナ２は、燃焼室８の上方において、所定の燃焼用空気噴出方向（図１における下方向）に延びるように設けられている。ガスバーナ２は、複数の水管４の内部に導入された缶水を加熱して、蒸気を生成する。また、ガスバーナ２には、空気供給装置（図示しない）から燃焼用空気が供給されるとともに、燃料供給装置（図示しない）から燃料ガス（本実施例においては、アンモニア、および、水素）が供給される。空気供給装置は、送風機を含み、燃料供給装置は、アンモニアの流量調整弁と、水素の流量調整弁とを含む。ボイラ１の運転・動作を制御する制御装置は、その内部にメモリ、タイマ、および演算処理部を含むコンピュータにより実現され、電気的に接続される各センサからの信号に基づいて、制御処理を行う。ボイラ１の燃焼量は、制御装置により、燃焼状態（燃焼量）に応じた態様で送風機および流量調整弁が制御されることにより、連続的又は段階的に調整される。本実施形態においては、燃料ガスには、アンモニアと、助燃材として水素とを使用する。また、燃焼状態に応じた燃料が供給されるようにする制御は、アンモニアの供給量を制御することにより行われる。例えば、燃焼状態が高燃焼状態であるときには、アンモニアを供給する流量調整弁の開度を大きな開度に制御することにより、供給する燃料ガス中のアンモニアの割合を増やし、高燃焼状態よりも燃焼量が小さい低燃焼状態であるときには、アンモニアを供給する流量調整弁の開度を小さな開度に制御することにより、供給する燃料ガス中のアンモニアの割合を減らす。

下部ヘッダ５は、缶体３の下部に設けられ、複数の水管４の下部と連結されている。下部ヘッダ５は、缶体３に給水を行う給水ライン６１と接続されている。給水ライン６１の上流側には、給水ポンプ６３や逆止弁６４が設けられている。給水ポンプ６３から給水ライン６１を介して下部ヘッダ５へ給水され、給水された水は水管４において加熱される。上部ヘッダ６は、缶体３の上部に設けられ、複数の水管４の上部と連結されている。複数の水管４の内部において加熱された水は、蒸気となり、上部ヘッダ６から、蒸気供給管６２を介して蒸気を用いる各種装置に供給される。

本実施形態におけるボイラ１では、まず燃焼室８内においてガスバーナ２から供給された可燃性混合気（燃料ガスと燃焼用空気との混合気）が燃焼される。燃焼室８において可燃性混合気が燃焼して発生した燃焼ガスは燃焼室８を囲むように配置された複数の水管４（内側水管４ａ）の内部を流通する水を加熱する。次いで、燃焼ガスは、燃焼室８の下部に形成された隙間から燃焼ガス通路９を通り、更に複数の水管（内側水管４ａおよび外側水管４ｂ）の内部を流通する水を加熱する。そして、燃焼ガス通路９を通った燃焼ガスは、缶体３の上部に形成された排気通路７を通って外部に排出される。

次に、ガスバーナ２について説明する。図２に示すように、ガスバーナ２は、パイロットバーナ（図示しない）と、ガスバーナ２の中央に配されるアンモニア供給管１２と、アンモニア供給管１２の外側（周囲）を覆うように配置される円筒状の第１筒部１０と、第１筒部１０の外側に配置される（第１筒部１０よりも径が大きい）円筒状の第２筒部２０と、第２筒部２０の上方（図２における上方向）を囲むように配置されているウィンドボックス３３と、第２筒部２０の外側、かつ、ウィンドボックス３３から延出するように配置される（第２筒部２０よりも径が大きい）円筒状の第３筒部３０とを備える。

ウィンドボックス３３には、燃焼用空気が供給され、供給された燃焼用空気を、後述する第２空気流路３１へ導入する。第２空気流路３１へ導入された燃焼用空気は、後述する空気噴出口３４から噴出される。空気噴出口３４から噴出される燃焼用空気の下流方向は、燃焼用空気噴出方向となる。

アンモニア供給管１２は、図１に示すように缶体３の中心軸Ｘと重なるように鉛直方向（上下方向）に延び、上流側においてアンモニアを供給する燃料供給装置（例えば、アンモニアの流量調整弁など）に接続される。また、アンモニア供給管１２の先端（アンモニアの供給流路の下流側）に形成される第１噴出口１４から、燃焼室８内へアンモニアが噴出される。

第１筒部１０の内側においてアンモニア供給管１２を除く領域には、アンモニアの燃焼に用いる燃焼用空気を供給するための第１空気流路１１が形成されており、第１噴出口１４の下流において、供給された燃焼用空気と第１噴出口から噴出されるアンモニアとの混合気を発生させる。また、第１筒部１０は、拡径部を有さず、末端（燃焼用空気が供給される第１空気流路１１における下流）まで、同じ径で延設されている。第１筒部１０の外側および第２筒部２０の内側の領域には、水素を供給するための水素（助燃材）供給路２１が形成されている。第２筒部の外側２０および第３筒部３０の内側の領域には、燃焼用空気を供給する第２空気流路３１が形成されている。第１空気流路１１および第２空気流路３１は、各々、上流側において空気供給装置に接続される。水素供給路２１は、上流側において水素を供給する燃料供給装置（例えば、水素の流量調整弁など）に接続される。

第２空気流路３１の下流には、空気噴出口３４が形成され、燃焼用空気を燃焼室８に供給する。また、空気噴出口３４よりも下流側（燃焼用空気噴出方向）においては、第１筒部１０の外側と第２筒部２０の内側との隙間を封止する環状の封止板２６が設けられている。封止板２６には、複数の水素（助燃材）ノズル２２が、缶体３の中心軸Ｘを中心として周方向に間隔をあけて形成される。また、水素ノズル２２の先端方向の角度を所望の方向とすることで、所望の方向へ水素を噴出することができる。

水素供給路２１から供給される水素（助燃材）は、水素ノズル２２の先端に形成された第２（水素）噴出口２４から、ガスバーナ２の下方（下流側）の燃焼室８に供給される。水素ノズル２２は、第２筒部２０の内側で径方向外側に屈折し、第２筒部２０を貫通して、燃焼用空気噴出方向と交わる方向に延出している。これにより、空気噴出口３４の下流においては、水素と燃焼用空気とを効率的に混合させて混合気を発生させることができる。これにより、燃焼室８内であって第１噴出口１４を取り囲むように水素による火炎を安定的に形成させることができる。

本実施形態におけるボイラ１は、水素を噴出する第２噴出口２４が、アンモニアを噴出する第１噴出口１４の周囲を取り囲むように設けられている。また、燃焼開始時には、まず水素を供給して第２噴出口２４から噴出させて着火させ、所定時間経過後（所定条件成立後）に、アンモニアの供給が開始される。これにより、アンモニアは着火しにくく、燃焼速度が遅い（燃焼範囲が狭い）ことから、着火時に未燃焼となるアンモニアが発生しやすかったところ、燃焼速度が速い（燃焼範囲が広い）水素を先に供給させて燃焼室８内であって第１噴出口１４を取り囲むように火炎を発生（形成）させた後に、アンモニアが供給されて当該第１噴出口１４から噴出されるため、アンモニアを燃焼させることができる。その結果、未燃焼となるアンモニアの発生を抑制することができ、異臭発生などを抑止できる。

さらに、本実施形態におけるボイラ１は、燃焼を停止させるときに、まずアンモニアの供給を停止させてから、所定時間経過後（所定条件成立後）に、水素の供給を停止し、燃焼室８における燃焼を停止させる。これにより、アンモニアは、供給を止める際にもガスが出やすく（残留しやすい）、火炎が発生していない場合には未燃焼となるアンモニアが発生しやすいところ、燃焼速度が速い水素の供給が維持されており火炎が形成されているために残留するアンモニアを燃焼させることができる。その結果、燃焼停止時においても、未燃焼となるアンモニアの発生を抑制することができ、異臭発生などを抑止できる。

また、本実施形態におけるボイラ１は、燃焼中において、アンモニアおよび水素の供給を継続させつつ、アンモニアの供給量を燃焼状態に応じた供給量に変化させるようにする。これにより、燃焼室８内において水素の燃焼によって形成される火炎の中でアンモニアを燃焼させつつ、燃焼状態に応じた燃料の供給をすることができる。これにより、アンモニアよりも高コストとなる水素の使用量を抑えてランニングコストを低減させることができる。

＜ボイラの制御処理について＞
図３は、ボイラの制御の一例を説明するためのフローチャートである。制御装置は、ボイラ１の燃焼が開始（燃焼要求あり）されてから以降に本制御を実行する。

ステップＳ０１では水素の供給を開始する。具体的には、制御装置により燃焼用空気の供給が開始されるとともに、水素の流量調整弁を開状態とする制御が行われて、パイロットバーナによる着火が行われる。これにより、第２噴出口２４から水素が燃焼室８内に噴出されて着火され、第１噴出口１４を囲むように火炎を発生（形成）させることができる。

ステップＳ０２では、ステップＳ０１において、水素の供給が開始されてから所定時間経過したか否かが判定される。なお、ステップＳ０２におけるアンモニアを供給するまでの所定時間には、例えば、助燃材である水素が供給されてから、当該水素を燃焼させることにより発生する火炎が安定するまでに要する平均的な時間よりも長い時間を定めることができる。ステップＳ０２において所定時間経過したと判定されなかったときには、処理をステップＳ０２の前に戻す。

ステップＳ０２において所定時間経過したと判定されたときには、ステップＳ０３に進み、アンモニアの供給を開始する。具体的には、制御装置によりアンモニアの流量調整弁を開状態とする制御が行われる。これにより、第１噴出口１４からアンモニアが燃焼室８内に噴出されて、当該第１噴出口１４を取り囲むように形成されている火炎により燃焼させることができる。ステップＳ０３においてアンモニアの供給を開始したあとは、ステップＳ０４において、燃焼中はアンモニアの供給を燃焼状態に応じて制御する。具体的には、制御装置により、燃焼状態に応じて、燃焼用空気の供給量と、アンモニアの流量調整弁の開度とが制御される。

ステップＳ０５では、ボイラ１の燃焼停止（燃焼停止要求）がされたか否かが判定される。ステップＳ０５において、燃焼停止されたと判定されなかったときには、処理をステップＳ０５の前に戻す。

ステップＳ０５において、燃焼停止されたと判定されたときには、ステップ０６に進み、アンモニアの供給を停止する。具体的には、制御装置によりアンモニアの流量調整弁を閉状態とする制御が行われる。

ステップＳ０７では、ステップＳ０６においてアンモニアの供給を停止してから所定時間経過したか否かが判定される。なお、ステップＳ０７における水素の供給を停止するまでの所定時間には、例えば、アンモニアの供給停止後に残留するアンモニアを、水素による燃焼によって完全燃焼するために要する平均的な時間よりも長い時間を定めることができる。ステップＳ０７において、所定時間経過したと判定されたときには、ステップＳ０８に進み、水素の供給を停止し、処理を終了する。具体的には、制御装置により水素の流量調整弁を閉状態とする制御が行われる。

以上のように、本実施形態では、水素を噴出する第２噴出口２４が、アンモニアを噴出する第１噴出口１４の周囲を取り囲むように設けられている。また、燃焼開始時には、水素を噴出する第２噴出口２４から水素を燃焼室８に噴出させて着火させることにより（ステップＳ０１）、アンモニアを噴出する第１噴出口１４を囲むように火炎を発生（形成）させた後に（ステップＳ０２ ＹＥＳ）、第１噴出口１４からアンモニアを燃焼室８に噴出させることができる（ステップＳ０３）その結果、着火時に未燃焼となるアンモニアの発生を抑制することができ、異臭発生などを抑止できる。

さらに、燃焼停止時（ステップＳ０５ ＹＥＳ）において、アンモニアの供給を停止させた後（ステップＳ０６、ステップＳ０７ ＹＥＳ）に、水素の供給を停止させて（ステップＳ０８）、燃焼室８における燃焼を停止させる。そのため、アンモニアの燃焼室８への噴出を停止させたときであっても水素については未だ燃焼室８に噴出しており第１噴出口１４を囲むように火炎が形成されているため、燃焼室８内に残留するアンモニアを極力燃焼させやすくなる。その結果、燃焼停止時においても、未燃焼となるアンモニアの発生を抑制することができ、異臭発生などを抑止できる。

また、燃焼中においては、燃焼状態に応じてアンモニアの供給量が調整される（ステップＳ０４）。これにより、アンモニアよりも高コストとなる水素の使用量を抑えて、ランニングコストを低減させることができる。

本発明は、上記の実施の形態に限られず、種々の変形、応用が可能である。以下、本発明に適用可能な上記の実施の形態の変形例などについて説明する。

上記実施形態においては、助燃材として水素を用いる例を説明した。しかし、これに限らず、アンモニアよりも燃焼速度が速い（燃焼範囲が広い）もの、すなわち燃えやすいものであれば、例えば、水素単体ではなく他の燃料（例えば、プロパン、メタンなど）と混合させた燃料であってもよい。

上記実施形態においては、燃焼中においても助燃材として水素を供給しつつ、アンモニアの供給量を燃焼状態に応じた供給量に変化させる例（ステップＳ０４）について説明した。しかし、これに限らず、例えば、アンモニアの供給を開始（ステップＳ０３）したあと、所定時間経過後（例えば、アンモニアのみによって火炎が安定するまでに要する平均的な時間よりも長い時間の経過後）に水素の供給を停止し、燃焼中においては、アンモニアのみによる燃焼（専焼）としてもよい。また、この場合、燃焼停止する際には、水素の供給を再開してから、所定時間経過後（アンモニアと水素との混焼により火炎が安定するまでに要する平均的な時間よりも長い時間の経過後）にアンモニアの供給を停止（ステップＳ０７）するものとしてもよい。

上記実施形態においては、アンモニアは気体燃料（ガス）として用いる例を説明した。しかし、これに限らず、液体のアンモニアを燃料として用いるものであってもよい。

上記実施形態においては、アンモニアの燃焼に用いる燃焼用空気を供給するための第１空気流路１１の中に、アンモニア供給管１２が設けられている例について説明した。しかし、これに限らず、ガスバーナ２の中央下流（燃焼室８へ向かう）方向に、アンモニアの噴出口となる第１（アンモニア）噴出口１４が設けられるものであればよく、例えば、アンモニア供給管１２に替わり、第１筒部内自体にアンモニアが供給されるようにしてもよい。

また、アンモニア供給管１２は、缶体３の中心軸Ｘと重なるように鉛直方向（上下方向）に延びているものに限らず、例えば、ガスバーナ２の横方向（例えば、図２における左右方向）からアンモニア供給管１２が挿入され、ガスバーナ２の中心軸Ｘ付近にて第１噴出口１４が下方へ向かうように屈折されるものであってもよい。あるいは、ガスバーナ２の中央下方へ向かって斜め上方からアンモニア供給管１２が挿入されるものであってもよい。

上記実施形態においては、水素供給路２１の下流に封止板２６が設けられ、水素ノズル２２が形成され、所望の方向へ水素を噴出することができる例を説明した。しかし、これに限らず、水素が噴出される第２（水素）噴出口２４が、第１（アンモニア）噴出口１４の周囲を取り囲むように設けられていればよく、例えば、第２空気流路３１の中に、水素供給管２１を設け、燃焼用空気噴出方向に沿うように第２噴出口２４が形成されるものとしてもよい。

上記実施の形態におけるボイラ１では、直径が異なる３つの筒部（第１筒部１０、第２筒部２０、第３筒部３０）の間に第１空気流路１１、水素供給路２１、第２空気流路３１を形成する例について説明したが、これに限らず、第１空気流路１１、水素供給路２１、第２空気流路３１は、流路毎に対応して設けられる専用の管（パイプ）やダクトなどにより形成されるものであってもよい。

今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものでないと考えられるべきである。この発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

１ ボイラ
２ ガスバーナ
３ 缶体
４ 水管
４ａ 内側水管
４ｂ 外側水管
４ａ´ 内側縦ヒレ
４ｂ´ 外側縦ヒレ
５ 下部ヘッダ
６ 上部ヘッダ
７ 排気通路
８ 燃焼室
９ 燃焼ガス通路
１０ 第１筒部
１１ 第１空気流路
１２ アンモニア供給管
１４ 第１（アンモニア）噴出口
２０ 第２筒部
２１ 水素（助燃材）供給路
２２ 水素（助燃材）ノズル
２４ 第２（水素）噴出口
２６ 封止板
３０ 第３筒部
３１ 第２空気流路
３３ ウィンドボックス
３４ 空気噴出口
６１ 給水ライン
６２ 蒸気供給管
６３ 給水ポンプ
６４ 逆止弁

Claims (3)

1. 供給されるアンモニアを燃焼室に噴出させる第１噴出口と、
   供給される水素を前記燃焼室に噴出させる第２噴出口と、
   前記アンモニアおよび前記水素の供給を制御する制御手段とを備え、
   前記第２噴出口は、前記第１噴出口を囲むように設けられており、
   前記制御手段は、前記水素の供給により着火させ、その後、前記アンモニアの供給を開始させるように制御する、ボイラ。
2. 前記制御手段は、前記アンモニアの供給を停止させた後に、前記水素の供給を停止させて前記燃焼室における燃焼を停止させる、請求項１に記載のボイラ。
3. 前記制御手段は、燃焼中においては、前記アンモニアおよび前記水素の供給を継続させつつ、前記アンモニアの供給量を燃焼状態に応じた供給量に変化させるように制御する、請求項１または請求項２に記載のボイラ。

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