JP3030511B2 - ボイラ装置及びその運転方法 - Google Patents

ボイラ装置及びその運転方法

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Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、ボイラ装置及びその運転方法に係り、特に
水壁管の硫化腐食による減肉を軽減することのできるボ
イラ装置及びその運転方法に関する。
〔従来の技術〕
石炭や重油などの化石燃料を使用するボイラでは、燃
料の燃焼によりNOxが発生することが知られている。NOx
を低減する方法としては、燃焼の際発生するNOx量を低
減する方法と、発生したNOxを除去する方法とに大別さ
れる。前者は高温かつ酸素濃度の高い状態で発生するサ
ーマルNOxを低減する方法であり、低NOxバーナを用いる
か、2段燃焼を行なうなど有効な方法である。これらの
方法は、燃料リッチの還元性ガスを形成させることによ
り、NOx量の低減を図るものである。
〔発明が解決しようとする課題〕
しかしながら、還元性ガスは通常の酸化性ガスに比べ
て腐食性が強く、水壁管において還元性ガスによる腐食
が生じるという問題があった。一般的に水壁管は炭素鋼
や低合金Cr−Mo鋼などで形成されており、腐食の生じる
位置はバーナ近傍である。これまでの研究結果による
と、腐食部位の表面には硫化物スケールが形成されてい
ることが特徴で、またその表面にはカーボン及び硫化鉄
を含む未燃粒子が多数付着している。このことから腐食
原因としては、燃焼火炎の水壁管への直撃による還元性
雰囲気の形成、及び未燃分の水壁管への付着による硫化
の促進が挙げられる。
なお、水壁管の腐食を防止または軽減する方法として
は、例えば、耐食性に優れた材料の肉盛や溶射、または
外側を耐食性に優れた材料とした二重管を使用する方
法、バーナの配置を適正化し、火炎が水壁管表面に衝突
しないようにする方法、燃焼条件を適正化し、未燃分が
管表面に付着しないようにする方法、スートブロアの適
正運用により管表面への灰付着を防止する方法などが従
来から提案されている。
しかしながら、上記各提案による方法によっても、十
分に水壁管の腐食を防止または軽減することはできなか
った。
本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、低NO
x燃焼による水壁管の腐食を軽減することのできるボイ
ラ装置及びその運転方法を提供することを目的とする。
〔課題を解決するための手段〕
上記目的を達成するために、本発明は、火炉を形成す
る水壁と、この水壁に取り付けられたバーナと、前記水
壁に設けられた水壁管とを有するボイラ装置において、
前記バーナ近傍の水壁に、前記水壁管表面の酸素分圧を
測定する手段と、前記火炉内に酸素を含むガスを提供す
る孔とを設けたものである。
また、上記構成のボイラ装置の運転方法において、前
記バーナ近傍の水壁に設けられた酸素分圧測定手段が、
前記水壁管表面近傍の酸素分圧が−20atm以下となった
ことを検出したときに、前記水壁に設けた孔より前記火
炉内に酸素を含むガスを供給するようにしたものであ
る。
〔作用〕
水壁管のメタル温度である900゜F(482℃)におけるF
e−S−O系相状態図を第5図に示す。第5図に示すよ
うに、酸素分圧(log Po2)が−20atm以上であれば、
硫黄分圧(log Ps2)が高くてもFeの硫化は生じておら
ず、酸化物(Fe2 O3)のみとなる。一方、900゜Fにお
ける酸化のみによる減肉は非常に小さく、年間0.1mm以
下でありほとんど問題とならない。しかし、酸素分圧が
−20atm以下となると、FeS2,FeSの硫化物が生成するよ
うになる。従って、水壁管に通常使用される鉄系の材料
である炭素鋼や低合金鋼の硫化による腐食を防止するた
めには、管表面に接触するガスの酸素分圧を−20atm以
上となるようにすればよい。
このために、本発明では、運転中に燃焼火炎が水壁管
に衝突し、酸素分圧が硫化発生限界値(温度が900゜Fの
場合はlog Po2=−20atm)以下となった場合には、孔
より酸素を含むガスを火炉内に供給し、酸素分圧が硫化
発生限界値以上となるようにした。この結果、水壁管の
硫化を防止することが可能となる。
〔実施例〕
以下、本発明の一実施例を図面を参照して説明する。
第1図乃至第3図に本発明の一実施例を示す。第1図
において、火炉1を形成する水壁2には複数個のバーナ
3が取り付けられている。また水壁2にはアフターエア
ポート4、2次空気ダクト5、及び側壁ダクト7が設け
られている。側壁ダクト7には火炉1内に酸素を含むガ
ス6aを供給する孔8と、後述する水壁管の表層部の酸素
濃度を測定する手段である酸素センサ9とが設けられて
いる。孔8から火炉1内に供給する酸素を含むガス6aと
しては、バーナ3の燃焼に使用される2次空気6を分岐
し、分岐ダクト7へ供給するようにしている。
第2図は側壁ダクト7を介して水壁2へ孔8及び酸素
センサ9を取り付ける構造を示し、第3図は第2図のA
−A線断面を示す図である。水壁2を構成する水壁管10
は通常フィン11を介して接合される構造となっている。
またフィン11には前述した2次空気6aを火炉1内に供給
する孔8と、水壁管10近傍の酸素分圧を測定するための
酸素センサ9とが設けられている。酸素センサ9にはAD
変換器14を介してコンピュータ15が接続されており、酸
素センサ9からコンピュータ15に入力された信号によ
り、コンピュータ15は2次空気の流量調節弁13の開閉及
び流量調整を行なうようになっている。
酸素センサ9は火炉1の温度が1000℃以上となるた
め、耐熱性に優れたジルコン固体電解質セルを使用した
ものが用いられる。また、酸素センサ9の外側にアルミ
ナなどの耐熱性材料で形成された保護管を設けてもよ
い。なお、酸素センサ9の先端は水壁管10近傍の酸素分
圧を正確に測定するために、水壁管10頂上よりも内側と
する方がよい。また、酸素センサ9はフィン11に孔をあ
けた後に所定の位置まで炉内に挿入するが、フィン11と
酸素センサ9との間に隙間があると、2次空気がこの隙
間から漏れ、酸素分布の測定値に誤差が生じる恐れがあ
る。このためこの隙間を耐火物などで埋め、2次空気が
火炉1内に漏れないようにするのが良い。
次に上記のように構成された本実施例のボイラ装置の
運転方法について説明する。第4図は酸素センサ9によ
る酸素分圧測定値と運転時間との関係を示す線図であ
り、還元雰囲気の燃焼炎が酸素センサ取り付け部位の水
壁2に衝突すると酸素分圧は低下しだす。酸素分圧log
Po2が−20atm以下となると、a,bにおいて流量調節弁1
3が開となり、2次空気6aが孔8を通じて火炉1内に供
給される。この結果酸素分圧が上昇し、−20atm以上と
なると流量調節弁13の開度が調整されて、2次空気6aの
火炉1内への供給を停止または低減する。この結果、水
壁管10の表面は非常に−20atm以上の酸化雰囲気に保持
される。従って水壁管10は硫化されることがない。な
お、硫化発生限界値は温度により異なり、温度が高くな
るに従いより高Po2側に移行するが、水壁2の場合は最
高メタル温度は約900゜Fであり、log Po2=−20atmが
硫化発生限界となる。
本実施例によれば、低NOx燃焼により生じる水壁2の
高温腐食を著しく低減することが可能となり、ボイラ装
置を長時間安全に運転することが可能となる。
第6図に本発明の第2の実施例を示す。本実施例では
側壁ダクト7を複数室、例えば3室に分割しており、各
ダクトへ送給する2次空気量をそれぞれに設けた図示し
ない流量調節弁により調節して、各ダクトを通る水壁管
表面の酸素分圧の程度に応じて制御できるようにしたも
のである。
本実施例は還元雰囲気となる範囲が広範囲で、単一の
ダクトでは還元雰囲気となる領域の酸素分圧を、前述し
たように−20atm以上に制御することが困難である場合
に有効である。
第7図に本発明の第3の実施例を示す。本実施例では
酸素を含むガスとして2次空気6の代りに燃焼排ガス16
を利用したものである。第5図に示したように腐食を防
止するためには、管表面の酸素分圧を−20atm以上とす
ればよい。このために必要な酸素濃度は1%程度で十分
である。一方、燃焼排ガスには5%程度の酸素が含まれ
ているため、水壁管近傍を酸化雰囲気とするために燃焼
排ガスを利用してもよい。
本実施例によれば、2次空気を利用する場合に比べて
維持費を安く抑えることができる。
第8図に本発明の第4の実施例を示す。本実施例は酸
素を含むガスとして、水壁管10の主成分であるFeよりも
硫化物を形成しやすい成分、例えばCaO,MgOなどからな
る粒子を、粉体供給ホッパ18から粉体供給管17を介して
2次空気6aまたは排ガス16に混合させ、孔8より火炉1
内に供給されるものである。これらの粒子はガス中のH2
Sまたは付着灰中のFeS2と水壁管のFeよりも優先的に反
応し、CaS,MgS,ZnSなどを形成する。従って、酸素を含
むガスのみを炉内に吹き込む場合に比べて、水壁管の硫
化をより抑えることが可能となる。
本実施例は、使用石炭中のS量が多く、酸素を含むガ
スのみを炉内に吹き込むだけでは完全に硫化を防止する
ことが困難な場合に使用すると有効である。また、Naや
Vを多量に含む重油を燃料とする場合には、水壁管の表
面に付着するデポジットの融点が低くなり、Na2SO4−V2
O5の低融点化合物による腐食も併発する恐れがある。こ
うした場合にもCaOやMgOは灰の融点を上昇させ、水壁管
の腐食を防止することが可能となる。
上記各実施例で示した孔8及び酸素センサ9の設置位
置及び数量はボイラにより異なるため、特に限定するも
のではない。
〔発明の効果〕
以上説明したように、本発明によれば、ボイラの水壁
管表面近傍の酸素分圧を測定して、この酸素分圧が所定
値以下となったときに火炉内に酸素を含むガスを供給す
るようにしたので、低NOx燃焼により生じる水壁の高温
腐食を著しく低減することが可能となり、長時間安全に
運転を行なうことができる。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明のボイラ装置の一実施例を示す構成図、
第2図は第1図のボイラの側壁部を示す拡大図、第3図
は第2図のA−A線断面図、第4図は本発明一実施例に
よる水壁表面の酸素分圧の時間変化を示す線図、第5図
は900゜FにおけるFe−O−S相状態図、第6図,第7図
及び第8図はそれぞれ本発明の他の実施例を示す構成図
である。 1……火炉、2……水壁、3……バーナ、6,6a……2次
空気(酸素を含むガス)、8……孔、9……酸素センサ
(酸素分圧測定手段)、10……水壁管。

Claims (4)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】フィンを介して水壁管が接合されて構成さ
    れる水壁が火炉を形成し、前記水壁にはバーナが取り付
    けられたボイラ装置において、前記水壁管表面の酸素分
    圧を測定する手段と、該手段からの酸素分圧測定値が所
    定値以下となったときに、前記火炉内の水壁管表面近傍
    に酸素を含むガスを供給する手段を設けたことを特徴と
    するボイラ装置。
  2. 【請求項2】フィンを介して水壁管が接合されて構成さ
    れる水壁が火炉を形成し、前記水壁にはバーナが取り付
    けられたボイラ装置の、前記火炉での化石燃料の燃焼に
    より発生するNOxを、燃料リッチの還元性ガスを形成す
    ることにより低減させるボイラ装置の運転方法におい
    て、前記水壁管表面近傍の酸素分圧−20atm以下となっ
    たときに、前記火炉内の水壁管表面近傍に酸素を含むガ
    スを供給し、水壁管近傍を酸化雰囲気として水壁管の硫
    化腐食を防止することを特徴とするボイラ装置の運転方
    法。
  3. 【請求項3】請求項2に記載のボイラ装置の運転方法に
    おいて、前記火炉内の水壁管表面近傍に供給する酸素を
    含むガス内に、Feよりも硫化物を形成しやすい成分粒子
    を混合して供給することを特徴とするボイラ装置の運転
    方法。
  4. 【請求項4】請求項2に記載のボイラ装置の運転方法に
    おいて、前記火炉内の水壁管表面近傍に供給する酸素を
    含むガス内に、灰の融点を上昇させる成分粒子を混合し
    て供給することを特徴とするボイラ装置の運転方法。
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