JP2612284B2

JP2612284B2 - 燃焼装置

Info

Publication number: JP2612284B2
Application number: JP30969487A
Authority: JP
Inventors: 研滋木山; 仁志三垣; 学折本
Original assignee: バブコツク日立株式会社
Priority date: 1987-12-09
Filing date: 1987-12-09
Publication date: 1997-05-21
Anticipated expiration: 2012-05-21
Also published as: JPH01150707A

Description

【発明の詳細な説明】〔産業上の利用分野〕本発明は液体燃料や固体燃料を燃焼させる燃焼装置に
係り、特に排ガス中の窒素酸化物（以下NO_Xという）を
低減する燃焼装置に関するものである。

〔従来の技術〕

近年急増する電力需要に応えるために大容量の火力発
電所が建設されているが、これらのボイラは部分負荷に
おいても高い発電効率を得るために超臨界圧から亜臨界
圧へ変圧運転を行なうことが要求されている。

これは最近の電力需要の特徴として、原子力発電の伸
びと共に、負荷の最大，最小差も増大し、火力発電はベ
ースロードから負荷調整用へと移行する傾向にあるから
である。

そしてこの火力発電用ボイラにおいては、ボイラ負荷
が常に全負荷で運転されるものは少なく、負荷を75％負
荷,50％負荷,25％負荷へと負荷を上げ，下げして運転し
たり、運転を停止するなど、いわゆる毎日起動停止（Da
ily Start Stop以下単にDSSという）運転を行なつて中
間負荷を担う火力発電プラントへ移行しつつある。

このように火力発電は部分負荷での運転が増えた場
合、負荷に応じて圧力を変化させて運転する。いわゆる
全負荷では超臨界圧域、部分負荷では亜臨界圧力域で運
転する変圧運転ボイラとすることによつて、部分負荷で
の発電効率を数％向上させることができる。

一方、ボイラから発生するNOxは燃料中に含まれる窒
素分が燃焼時に酸化されて生成するフユーエル（Fuel）
NO_Xと、炭化水素系燃料を燃焼する際に炭化水素が空気
中の窒素と反応し、更にいくつかの反応を経て生じたプ
ロンプトン（Prompt）NO_Xと、空気中の窒素分子が高温
において酸素と結合して生成するサーマル（Thermal）N
O_Xとがあり、特にこのサーマルNO_Xが問題視されてい
る。

サーマルNO_Xの生成は燃焼温度が高く、燃焼域でのO₂
濃度が高く、また高温域での燃焼ガスの滞溜時間が長く
なるほど多量に発生するとされている。

このことから、根本的にNO_Xを抑制するためには、燃
焼温度,O₂濃度，滞溜時間を抑制することが重要であ
り、特に燃焼温度が1,600℃以上になるとNO_Xが急激に増
加することから、極力燃焼温度を下げることが重要視さ
れている。

このように、部分負荷での発電効率を向上させ、燃焼
段階でのNO_Xの発生量を抑制するために排ガス再循環燃
焼法が採用されている。

第５図は従来の排ガス再循環燃焼法を採用したボイラ
の概略系統図である。

第５図において空気ダクト１内の燃焼用空気は押込通
風機２にて昇圧され空気予熱器３で排ガスダクト４の排
ガスによつて加熱した後、燃焼用空気ダクト５よりウイ
ンドボツクス６を経て主バーナ7a,脱硝バーナ7b,上段，
下段アフターエアポート7c,7dへ供給されてボイラ火炉
８内で燃焼する。

一方ボイラ火炉８内で燃焼した排ガスは排ガスダクト
４の空気予熱器３でその排熱が回収され誘引通風機９か
ら大気へ放出される。

他方、排ガスダクト４の排ガスの一部は排ガス再循環
フアン10で昇圧され排ガスダクト11より燃焼用空気ダク
ト５の燃焼用空気へ混入されウインドボツクス６へ供給
されるとともに、他の一部は排ガス再循環ダクト12から
ボイラ火炉８へ供給される。

なお、13,14,15は燃焼用空気量，排ガス混入量および
排ガス量を抑制するダンパである。

以上は燃焼用空気，排ガスの一般的な流動状態を説明
したものであるが、燃焼用空気および燃焼用空気に混入
された排ガスはウインドボツクス６内で各バーナ7a,7b,
上段，下段アフターエアポート7c,7dに分配される。

ところが、このウインドボツクス６へ供給される燃焼
用空気，排ガスは第５図に示す如く同一の燃焼用空気ダ
クト5,排ガスダクト11から供給されるために、ウインド
ボツクス６内の空気量，排ガス量共にダンパ13,14によ
つて流量調整されたもので、ウインドボツクス６内の酸
素分圧は同一である。

一方、前述した様にウインドボツクス６内の酸素分圧
を下げることによつてNO_Xは減少するが、他方では、燃
焼効率が低下し未燃分が増加する傾向にある。

以下、本発明者等が行なつた実験データを紹介する。

第６図は縦軸にNO_X、横軸の上段に上段アフターエア
ポート7cからの上段アフターエアと下段に下段アフター
エアポート7dからの下段アフターエアとの比率を示し、
曲線ＡはNO_X特性曲線で燃料はLPGを使用した。

この実験データによれば、上段アフターエアポート7c
からの上段アフターエアと、下段アフターエアポート7d
からの下段アフターエアとの比率を約70対30にするとNO
_X特性曲線Ａで示すようにNOxが最小値を示した。

なお、NO_X特性曲線ＡにおけるＢ点とＣ点の差は第５
図における還元領域滞溜時間RTによるものである。

第７図（ａ），（ｂ）は石炭燃焼時における上段アフ
ターエアポート7cからの上段アフターエアと下段アフタ
ーエアポート7dからの下段アフターエアの比率を変化さ
せた場合の灰中未燃分,NO_Xの実験データを示す。

第７図（ａ），（ｂ）は縦軸に灰分未燃分,NO_Xを示
し、横軸に上段（下段）アフターエア比率を示し、曲線
D,E,Fは炭種の違いのよる灰中未燃分の特性、曲線G,H,I
は炭種の違いによるNO_Xの特性を示し、曲線D,GはＡ炭、
曲線E,HはＢ炭、曲線F,IはＣ炭を示す。

第５図のバーナ7a,7bで発生したNO_Xは、二段燃焼時、
量論空気以下の条件下（バーナ領域〜アフターエア領域
間）で還元される。第５図の上段アフターエアポート7c
から投入される上段アフターエア比率を多くして第５図
の還元領域滞溜時間RTを長くした場合（第７図（ｂ）右
へ行く程）NO_Xは第７図（ｂ）の曲線G,H,Iで示すように
低下し、逆に下段アフターエアポート7dから投入される
下段アフターエア比率を多くして還元領域滞溜時間RTを
短くした場合（第７図（ｂ）の左へ行く程）NO_Xは増加
する。一方、灰中未燃分は、第７図（ａ）に示すように
還元領域滞溜時間RTが長い程（第７図（ａ）の右へ行く
程）上段アフターエアポート7c後流の完全燃焼領域滞溜
時間RT′が短くなるために、第７図（ａ）の曲線D,E,F
で示すように増加し、逆に還元領域滞溜時間RTが短い程
完全燃焼領域滞溜時間RT′が長くなるために低下する。
この様にNO_X,灰中未燃分レベルは炭種により大きく異な
る。

〔発明が解決しようとする問題点〕

従来の燃焼装置においては、NO_X量を低下させると未
燃分が増加し、未燃分を低下させるとNO_X量が増加する
欠点があつた。

本発明はかかる従来の欠点を解消しようとするもの
で、その目的とするところは部分負荷時においてもNO_X
量と未燃分を低下させ、高効率な燃焼が行なえる燃焼装
置を得ようとするものである。

〔問題点を解決するための手段〕

本発明は前述の目的を達成するために、燃料の性状に
よつて上段アフターエアポートと下段アフターエアポー
トからのアフターエア量を変更するようにしたものであ
る。

〔作用〕

燃料の性状によつて上段アフターエアポートと下段ア
フターエアポートからのアフターエア量を変更すること
によつてNO_X量と相反する未燃分を調整することがで
き、高効率燃焼が達成される。

〔実施例〕

以下、本発明の実施例を図面を用いて説明する。第１
図は本発明の実施例に係る概略系統図、第２図は第１図
のアフターエア量の制御系統図、第３図（ａ），（ｂ）
は縦軸に灰中未燃分,NO_X、横軸に上段（下段）アフター
エア比率を示す炭種別特性曲線図、第４図（ａ），
（ｂ）は縦軸に灰中未燃分,NO_X、横軸に上段（下段）ア
フターエア比率を示した部分負荷時の特性曲線図であ
る。

第１図において、符号１から15は従来のものと同一の
ものを示し、16はアフターエア空気配管、17a,17bは上
段アフターエアポート7c,下段アフターエアポート7dの
アフターエア入口空気ダンパ、18a,18bは上段，下段ア
フターエア量検出器、19はNO_X検出器である。

この様な構造において、上段，下段のアフターエア量
の制御系統を説明する前に燃料の性状について説明す
る。

第１表は石炭の性状を示す。

この様に石炭，原油においては産地，銘柄によつて、
燃料中の窒素分は種々異なるので、石炭，原油の産地，
銘柄によつて上段アフターエアポート7c,下段アフター
エアポート7dからのアフターエア量を変える必要があ
る。

この様な構造において、上段，下段アフターエアポー
ト7c,7dのアフターエアはアフターエア空気配管16のア
フターエア入口空気ダンパ17a,17bによつて制御され
る。

第１図の石炭焚きボイラにおける多段投入方式による
上段（下段）アフターエア比率とNO_X,未燃分の特性につ
いて第３図（ａ），（ｂ）を用いて、説明する。第３図
（ｂ）のNO_XをNO_X設定レベルN_Sに維持することによつ
て、炭種によつて灰中未燃分（未燃損失）の低減を図る
ことができる。

例えば最もNO_Xレベルの高い炭種（Ａ炭）使用時にNO_X
をNO_X設定レベルN_S以下にするためには上段（下段）ア
フターエア比率を比率R_Aに調整する必要がある。一方、
NO_Xレベルが比較的低い炭種（Ｂ炭）に対しては、曲線
Ｈで示すようにNO_X設定レベルN_Sを満足するためには下
段アフターエアポート7dからのアフターエア量を増やし
たアフターエア比率R_Bで十分である。アフターエア比率
を第３図のR_AよりR_Bに調整することにより、同じNO_X設
定レベルN_Sに対してＢ炭では第３図（ａ）の曲線Ｅで示
すように未燃分がΔUBC_Bだけ低減できる。

更にNO_X設定レベルが低い炭種（Ｃ炭）においては第
３図（ｂ）の曲線Ｉで示すように、下段アフターエア10
0％（アフターエア比率R_C）としてもNO_X量はNO_X設定レ
ベルN_S以下となる場合もある。この場合も、アフターエ
ア比率R_Aをアフターエア比率R_Cに調整することにより、
第３図（ａ）の曲線Ｆで示す如く灰中未燃分（未燃損
失）をΔUBC_Cだけ低減することができる。

以下第２図を用いて、上段アフターエアポート7c,下
段アフターエアポート7dからのアフターエアの制御につ
いて説明する。

二段燃焼比率で決められた全アフターエアデマンド設
定器20からの全アフターエア設定信号21は、炭種毎又は
炭種グループ毎に設けられた炭種切替スイツチ22によつ
て、Ａ炭,B炭,C炭関数発信器23a,23b,23cへ導かれ、炭
種別アフターデマンド信号24が演算される。この炭種別
アフターデマンド信号24は乗算器25で比率設定器26から
の比率信号27と乗算されて上段アフターエアポート7cの
上段アフターエア設定信号28が演算される。

一方、上段アフターエア検出器18a,開閉演算器29を経
て検出された上段アフターエア検出信号30は比較器31で
比較され、上段偏差信号32は比例積分演算器33で上段偏
差信号34として演算され加算器35に入力される。

他方、NO_X検出器19からのNO_X検出信号36とNO_Xレベル
設定信号37（第３図（ｂ）のNO_X設定レベルN_Sに相当す
る）は比較器38で比較され、偏差信号39が比例積分演算
器40で上段アフターエア補正信号41が演算される。

そして、この上段アフターエア補正信号41はNO_X検出
信号36がNO_Xレベル設定信号37より大きい場合は、演算
器35で上段偏差信号34と上段アフターエア補正信号41は
加算され、手動／自動切替器42を経て上段アフターエア
制御信号43によつて上段アフターエアポート入口ダンパ
17aは開かれて上段アフターエアポート7cからの上段ア
フターエア量は増加される。

一方、演算器44では全アフターエアデマンド設定信号
16と、上段アフターエア設定信号28から下段アフターエ
ア設定信号45が演算され、下段アフターエア設定信号45
は比較器46に入力される。

下段アフターエア検出器18b,開閉演算器47を経て検出
された下段アフターエア検出信号48は比較器46に入力さ
れ、比較器46では下段アフターエア設定信号45と下段ア
フターエア検出信号48が比較され、下段偏差信号49は比
例積分演算器50で下段偏差信号51として演算器52に入力
される。

他方、NO_Xレベル設定信号37がNO_X検出信号36よりも大
きい場合は、演算器52に下段アフターエア補正信号53が
入力され、下段偏差信号51と下段アフターエア補正信号
53が演算器52で加算され、手動／自動切替器54を経て下
段アフターエア制御信号55によつて下段アフターエアポ
ート入口ダンパ17bが開かれ、下段アフターエアポート7
dからの下段アフターエア量が増加される。

以上述べたように、NO_X検出信号36がNO_Xレベル設定信
号37が大きい場合には、上段アフターエア補正信号41は
上段偏差信号34に加算されて上段アフターエアポート入
口ダンパ17aは開かれるが、この場合、下段アフターエ
ア補正信号53は演算器52で下段偏差信号51から減算さ
れ、下段アフターエア制御信号55は小さくなつて、下段
アフターエアポート入口ダンパ18bは閉じられ、下段ア
フターエアポート7dからのアフターエア量を少くする。

これとは逆にNO_Xレベル設定信号37がNO_X検出信号36よ
りも大きい場合には下段アフターエア補正信号53と下段
偏差信号51が加算されて下段アフターエア制御信号55が
大きくなり、下段アフターエアポート7dからの下段アフ
ターエアを増加させる。

一方、上段偏差信号34から上段アフターエア補正信号
41が減算され、それだけ上段アフターエア制御信号43が
小さくなるために、上段アフターエアポート入口ダンパ
17aは閉じられて上段アフターエアポート7cからの上段
アフターエアを減少させる。

また、第４図（ａ），（ｂ）は縦軸に灰中未燃分,NO_X
を示し、横軸に上段（下段）アフターエア比率を示した
特性曲線図で、Ｊ曲線は定格負荷時の灰中未燃分、Ｋ曲
線は部分負荷時での灰中未燃分、曲線Ｌは定格負荷時の
NO_X、曲線Ｍは部分負荷時のNO_Xを示す。

例えばボイラのDSS運転によつてボイラ部分負荷にお
いては、第２図中に示す還元領域滞溜時間RT及び完全燃
焼領域滞溜時間RT′が共に長くなる為、一般にNO_X,灰中
未燃分共に定格負荷時よりも低下する。第４図（ｂ）の
曲線Ｌで示すようにボイラ定格負荷時の上段（下段）ア
フターエア比率をR_Nとし、上段（下段）アフターエア比
率R_NでのNO_Xを設定レベルN_Sで維持することができるボ
イラの部分負荷時には第４図（ｂ）の曲線Ｍで示すよう
に上段（下段）アフターエア比率R_Pに変えることによ
り、上段（下段）アフターエア比率R_N一定とした場合に
比べて、第４図（ａ）の曲線Ｋで示すように灰中未燃分
をΔUBC_Pだけ低下させることができる。

この様に第３図（ａ），（ｂ）で示すように灰種によ
つて上段（下段）アフターエア比率を変えてもよく、第
４図（ａ），（ｂ）で示すように定格負荷時と部分負荷
時で上段（下段）アフターエア比率を変えてもよい。

以上、本発明の実施例においては石炭の性状による上
段（下段）アフターエア比率についてのみ説明したが、
Ｎ分の異なる原油においても実施することができる。

〔発明の効果〕

炭種，油種あるいは運転条件の変化に対応してNO
_X量，未燃分を低下させることができ、高効率燃焼を行
なうことができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施例に係る概略系統図、第２図は第
１図のアフターエア量制御系統図、第３図（ａ），
（ｂ）および第４図（ａ），（ｂ）は本発明の特性曲線
図、第５図は従来のボイラにおける概略系統図、第６
図，第７図（ａ），（ｂ）はNO_X値，灰中未燃分,NO_Xと
上段（下段）アフターエア比率との関係を示す特性曲線
図である。 7a,7b……バーナ、7c……上段アフターエアポート、7d
……下段アフターエアポート、17a,17b……アフターエ
ア入口空気ダンパ。

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】バーナの上方に下段アフターエアポートと
上段アフターエアポートを備え、バーナからの燃料を燃
焼させるものにおいて、前記燃料の性状によつて上段ア
フターエアポートと下段アフターエアポートからのアフ
ターエア量を変更するようにしたことを特徴とする燃焼
装置。