JP4093495B2 - 異種燃料混焼小規模ボイラ - Google Patents

Description

この発明は、蒸気圧力に応じて高負荷「Ｈｉｇｈ」、低負荷「Ｌｏｗ」、停止「Ｏｆｆ」の３位置制御で運転される小規模ボイラについて、単純な設備の付加で異種燃料との混焼を可能にし、また、主燃料単独燃焼（主燃料専焼）の運転モードと主燃料と異種燃料との混焼（異種燃料混焼）による運転モードとを電磁弁で簡単容易に切り替えることができるものである。

業務用の給湯、冷暖房用等に、Ａ重油、灯油等を燃料とする小規模ボイラが汎用されており、このような用途の小規模ボイラは、蒸気圧力に応じて２個の燃料噴射ノズルに繋がる電磁弁を「開」、「閉」することにより、燃料量を高負荷「Ｈｉｇｈ」、低負荷「Ｌｏｗ」、停止「Ｏｆｆ」の３段階に切り替え、またこれに応じて、空気供給用ダンパ開度を高開度、低開度および送風機停止に切り替える３位置制御で運転されている。この方式の燃料制御は、分岐管の電磁弁の切り替えで行われるので、燃料は１種類に限られる。

他方、火力発電用などの大型ボイラでは燃料の多様化、燃料コスト低減等のために、主燃料（例えば石炭燃料）と異種燃料（例えば油燃料）とを混焼させることが行われている（特開２０００−５５３０８号公報）。
このものは、コンピュータを用いて、微粉炭と燃料油の流量指令を許容範囲内に収め、混焼運転を円滑に継続できるようにするものである。

また、排ガスの低ＮＯｘ化、廃油の有効利用等のために例えばＡ重油と廃油エマルジョン（廃油と水のエマルジョン）とを混焼させるものもある。
ところで、主燃料と異種燃料とを混焼させるものでは、異種燃料は主燃料とは単位量当たりの発熱量が異なり、通常は大幅に低いので、主燃料専焼運転と異種燃料混焼運転とでは燃料供給量が異なり、燃料供給、燃焼空気供給等の制御が異なる。したがって、主燃料専焼ボイラを異種燃料混焼ボイラに変更するには燃料供給や燃焼制御などを大幅に変更する必要がある。

さらに、専焼運転と混焼運転とを適宜切り替えられるようにするには、燃料噴射装置、燃焼空気供給装置、制御装置等を変更する必要があり、また、機構が複雑になるのが避けられない。

蒸気圧力の高低に応じて燃焼負荷が切り替わる小規模ボイラは、電磁弁による単純な制御で、高負荷「Ｈｉｇｈ」、低負荷「Ｌｏｗ」、停止「Ｏｆｆ」の３位置で運転される。このものの燃料供給系は図１に示すとおりである。
この小規模ボイラは、主燃料タンクＴ１から主燃料ポンプＰ１を経てボイラ燃焼室１の燃料ノズル４，５から主燃料が噴射されるものである。ボイラ燃焼室１の頂部に第１ノズル４と第２ノズル５が接近して配置されている。また、主燃料管２に元電磁弁７があり、元電磁弁７の二次側に第１ノズル管４ａ、第２ノズル管５ａが接続されており、これらのノズル管に第１、第２電磁弁９，８がそれぞれ設けられている。
上記第１ノズル４と第２ノズル５のノズルサイズは、例えば最も多く生産されている換算蒸発量（１００℃の水を１００℃の蒸気に換える）２ｔ／ｈの小型貫流ボイラでは、例えば、Ａ重油を燃料とし、１．５ＭＰａで加圧する場合、１３．５／１２であり、この数値は基準圧力、基準粘度による噴射量（ガロン／時間）を示しており、米国におけるノズルメーカのサイズ「ＮＯ．」である。

ボイラの初期起動時は、元電磁弁７が「開」になり、第２ノズル管の電磁弁８が「開」いて第２ノズル５から燃料が噴射され、電気イグナイターで着火される。蒸気圧力は低いので低負荷での着火後すぐに高負荷運転「Ｈｉｇｈ」となり、第１ノズル管の電磁弁９が「開」き、第１ノズル４と第２ノズル５から燃料が噴射されてボイラは高負荷で運転される。
蒸気圧力が高限界に達すると、低負荷指令「Ｌｏｗ」になり、電磁弁９が「閉」じられ、第２ノズル５だけから燃料が噴射され、ボイラは低負荷で運転される。

以上のような簡便な小規模ボイラについて、燃料多様化、燃費低減、低ＮＯｘ化、ＣＯ_２削減などのために、主燃料（Ａ重油）と異種燃料（廃油、廃油エマルジョン、エタノール水等）との混焼が可能なものが求められている。
そのため、一方のノズルを異種燃料用にする方法があるが、異種燃料は水を含む場合が多くて単位量当たりの発熱量は通常は大幅に低く、また、燃焼性が悪いため、単独運転される低負荷用ノズル５を主燃料とし、高負荷時追加燃焼用のノズル６を異種燃料用とする必要がある。
このような小規模ボイラの低負荷は定格負荷の５０％以下が望ましいとされているため、高負荷時追加燃焼用の燃料熱量は５０％を越え、発熱量の低い異種燃料の実噴射体積は主燃料噴射時の２〜３倍に達するため、同一容積のボイラ燃焼室内で良好な燃焼を維持することは困難である。

また、小規模ボイラについては、異種燃料の安定入手の問題から異種燃料混焼だけではなくて、主燃料専焼と異種燃料混焼とが簡単容易な操作で適宜切り換えられるようにすることが求められる。このような要請に応えるために小規模ボイラについて主燃料専焼が可能なままで異種燃料混焼も可能にするには、電磁弁のＯＮ・ＯＦＦ制御だけで、主燃料専焼と異種燃料混焼とが簡単に切り換えられるように、その燃料供給装置の基本構造を工夫する必要がある。
特開２０００−５５３０８号公報

以上のことから、この発明の課題は、電磁弁による「Ｈｉｇｈ」，「Ｌｏｗ」，「Ｏｆｆ」の３位置制御がなされる小規模ボイラについて、簡単な構造で異種燃料混焼が可能な燃料供給装置を工夫することであり、さらに、主燃料専焼と異種燃料混焼とを単純に切り替えられるように、その燃料供給システムを工夫することである。

第１番目の課題である「異種燃料混焼が可能な装置を工夫すること」を解決するための手段は、３位置制御によって運転される小規模ボイラを前提として次の（イ）〜（ヘ）によって構成されるものである。
（イ）主燃料用の２つのノズルと異種燃料用の１つのノズルを近接して配置し、
（ロ）主燃料供給管に元電磁弁を設け、当該元電磁弁の二次側を第１ノズル管と第２ノズル管に分岐し、第１ノズル管に第１電磁弁を介して第１ノズルを接続し、第２ノズル管に第２電磁弁を介して第２ノズルに接続し、
（ハ）異種燃料供給管に元電磁弁を設け、当該元電磁弁の二次側に第３電磁弁を介して第３ノズルを接続し、
（ニ）第２ノズルの主燃料噴射と第３ノズルの異種燃料噴射による運転が低負荷運転であり、
（ホ）第１ノズルと第２ノズルの主燃料噴射と第３ノズルの異種燃料噴射とによる運転が高負荷運転であり、
（ヘ）第３ノズルの異種燃料噴射量が高負荷時の全燃料量の５０体積％以下に相当すること。

低負荷運転「Ｌｏｗ」のときは、第１電磁弁は開かず、第２電磁弁と第３電磁弁とが開く。これにより、主燃料の第１ノズルは作動せず、主燃料の第２ノズルと異種燃料の第３ノズルが作動して、ボイラが低負荷で運転される。
他方、高負荷運転「Ｈｉｇｈ」のときは、第１電磁弁、第２電磁弁、第３電磁弁が開いて、第１、第２ノズル７から主燃料が噴射され、第３のノズルから異種燃料が噴射されて主燃料と異種燃料とが混焼されてボイラが高負荷で運転される。

この場合、主燃料用の第２ノズルと異種燃料用の第３ノズルのサイズと、それぞれの燃料のポンプ圧力の組み合わせにより、合計燃料が低負荷「Ｌｏｗ」に相当する約５０％となり、かつ異種燃料の量が良好な燃焼を維持するために過大にならない条件で、自由に選ぶことができる。すなわち、後述の実施例１に示した実績より、第３ノズルの異種燃料の熱量を３０％以下（全噴射燃料体積の５０％以下）、第２ノズルの低負荷用主燃料の熱量を５０％の残りの量、第１ノズルの高負荷用主燃料の熱量を５０％となるように、ノズルのサイズとポンプ圧力を組み合わせることで、３位置制御による運転が従来どおり可能である。

以上の小規模ボイラについて、主燃料専焼と異種燃料混焼とを単純に切り換えられるようにするための燃料供給システム（第２番目の課題を解決するための手段）は上記解決手段（イ）乃至（ヘ）と次の（ト）〜（ヌ）によって構成されるものである。
（ト）上記の第２ノズル管の第２電磁弁の一次側と第３ノズル管の第３電磁弁の一次側とを連結管で接続し、当該連結管に逆止弁と電磁弁を設けてあり、当該逆止弁は第３ノズル管から第２ノズル管への異種燃料の流入を阻止する逆止弁であり、
（チ）主燃料専焼運転モードにおいては、上記連結管の電磁弁を「開」にし、第２ノズル管の第２電磁弁を「閉」とし、
高負荷運転「Ｈｉｇｈ」のときは、第１ノズル管の第１電磁弁と第３ノズル管の第３電磁弁が「開」かれ、第１ノズルと第３ノズルとから主燃料が噴射され、
低負荷運転「Ｌｏｗ」のときは、第１ノズル管の第１電磁弁を「閉」にし、第３ノズルだけから低負荷に必要な主燃料が噴射され、
（リ）異種燃料の混焼運転モードにおいては、上記連結管の電磁弁を「閉」にし、
高負荷運転「Ｈｉｇｈ」のときは、第１ノズル管の第１電磁弁、第２ノズル管の第２電磁弁および第３ノズル管の第３電磁弁が「開」かれ、第１ノズルと第２ノズルから主燃料が噴射され、第３ノズルから異種燃料が噴射され、
低負荷運転「Ｌｏｗ」のときは、第１ノズル管の第１電磁弁を「閉」にし、第２ノズルから主燃料が、第３ノズルから異種燃料が噴射され、
（ヌ）これらの主燃料専焼モードおよび異種燃料混焼モードに対応した電磁弁の動きを組み込んだ、運転モード切替スイッチを操作盤に備えていること。

運転モード切替スイッチを主燃料専焼としたときには、低負荷運転「Ｌｏｗ」のとき、第３ノズルから主燃料が噴射され、高負荷運転のとき、第１ノズルと第３ノズルとから主燃料が噴射される。
運転モード切替スイッチを異種燃料混焼としたときには、低負荷運転「Ｌｏｗ」のとき、第２ノズルから主燃料が、第３ノズルから異種燃料が噴射され、 高負荷運転「Ｈｉｇｈ」のときには第１ノズルと第２ノズルとから主燃料が噴射され、また第３ノズルから異種燃料が噴射される。
いずれの運転モードでも、既存ボイラと同様の「Ｈｉｇｈ」、「Ｌｏｗ」、「Ｏｆｆ」の３位置制御運転が可能であり、運転モード切替スイッチにより、主燃料専焼運転と異種燃料混焼運転が簡単に切り替えられることになる。

ところで、地球温暖化対策用のＣＯ_２ニュートラルなバイオマス燃料として、安定供給が期待される発酵エタノールがある。これは引火性が高いので、消防法上はガソリンに匹敵する危険物（アルコール類）であり、小規模ボイラのユーザでは取り扱いが難しい。
しかし、エタノールを水と混合したエタノール水（エタノール重量比６０％未満）は消防法では危険物から除外されるため、小規模ボイラの燃料として使用することが可能である。
そこで、換算蒸発量２ｔ／ｈの小型貫流ボイラで、主燃料をＡ重油、異種燃料をエタノール水（エタノール体積比６０％＝重量比５４．４％）、燃料噴射ノズル４，５，６のサイズをそれぞれ１３．５／７／１２、主燃料（Ａ重油）のポンプ圧を１．５ＭＰａ、異種燃料（エタノール水）のポンプ圧を１．０ＭＰａとしたときには、全投入熱量の約１３％（エタノール体積比で約２０％／エタノール水体積比で約３３％）のエタノール水を混焼することができる。

汎用されている小規模ボイラは１台数百万円の比較的安価な設備であり、この小規模ボイラの３位置制御による燃焼設備（燃料供給装置、燃焼空気供給装置及びこれらの制御装置等）は極めて簡便で安価なものである。
この発明は、上記小規模ボイラで使用されている２つの噴射弁による３位置制御（「Ｈｉｇｈ」、「Ｌｏｗ」、「Ｏｆｆ」）を基本としているが、このボイラの基本構造をそのままにして、異種燃料混焼を可能にしている。

そしてまた、運転モード切替スイッチの操作だけで主燃料専焼と異種燃料混焼とを簡単容易に切り替えることができ、異種燃料混焼の場合も主燃料専焼の場合も既存ボイラと同様に３位置制御による自動運転ができる。

小規模ボイラは主燃料をＡ重油とするもの、灯油とするもの、ガスによるものなどがあるが、この実施形態はＡ重油を主燃料とするものであり、換算蒸気発生量が２ｔ／ｈで、図１の従来例を基本構造とし、Ａ重油とエタノール水（混合比６０体積％）との異種燃料混焼が可能な小規模ボイラである。
そして、このものは従来例における第１、第２ノズル４，５の他に第３ノズル６を設け、この３つのノズルを正三角形状に配置している。

この小規模ボイラは、小型貫流ボイラであって、燃焼室の頂部中央にバーナがあり、その中心に燃料噴射ノズルが配置されており、燃焼空気が同軸状に吹き出される。
燃料が燃焼用空気と燃焼室の上部で混合されて燃焼され、その燃焼ガスが燃焼室の外周に配置された水管の間を通過し、煙突から排出され、その間に水管を流れる水を加熱する（小型貫流ボイラの基本構造については、例えば、特開平９−２０３５０１号公報を参照されたい）。

実施例１は図２に示す燃料系で燃焼室の頂部中央にバーナを有しており、その中心に３つのノズルが正三角形状に保炎板２０の中心に配置されている（図５参照）。具体的には保炎板２０の中心孔２０ａに正三角形状の支持ブロック２１が挿入されており、この支持ブロック２１に第１、第２、第３の３つのノズル４，５，６がが設けられている。これらのノズルは、支持ブロック２１に螺着して固定されたノズルチップ２２によるものであり、その半球状の頂部の頂点にほぼ１ｍｍ程度の噴射孔２３が設けられている。
第１ノズル（高負荷時追加の主燃料用）４，第２ノズル（低負荷主燃料用）５には従来技術と同様に主燃料用の第１ノズル管４ａ、第２ノズル管５ａが接続されている。そして、主燃料管２に元電磁弁７が設けられており、第１ノズル管４ａ、第２ノズル管５ａに第１電磁弁９，第２電磁弁８が設けられている。第３ノズル（異種燃料用）６が第３ノズル管６ａに接続されており、異種燃料管３に元電磁弁１０が設けられており、また、第３ノズル管６ａに第３電磁弁１１が設けられている。

第１電磁弁９（高負荷時追加の主燃料用），第２電磁弁８（低負荷主燃料用），第３電磁弁１１（異種燃料用）は、ボイラ蒸気圧に基づく負荷指令に応じて「Ｈｉｇｈ」、「Ｌｏｗ」、「Ｏｆｆ」の３位置で切り替えられる。
この実施例を、換算蒸発量２ｔ／ｈの小型貫流ボイラに適用するときの１例は、第１ノズル４、第２ノズル５、第３ノズル６のノズルサイズが１３．５／６．５／２５であり、主燃料（Ａ重油）供給系のポンプ圧を１．５ＭＰａ、異種燃料（エタノール水）供給系のポンプ圧を１．０ＭＰａとすると、高負荷運転「Ｈｉｇｈ」のときのエタノール水の混焼体積割合は全燃料量の５０％（エタノールの混焼体積割合は３０％）となるが、発煙、振動、ＣＯの過大な発生等はなく十分実運用できる。
第２ノズル５、第３ノズル６のノズルサイズの組み合わせを変えることにより、混焼割合を変えることができる。

実施例２は、燃料管の電磁弁の動きを変え、主燃料専焼と異種燃料混焼を簡便に切り替え運転できるように、燃料管の電磁弁の動きを変える切り替えスイッチを操作盤内に備えている。
図３の主燃料専焼の運転モードでは、図１の従来例と同様に主燃料供給系だけが開閉制御される。
高負荷運転「Ｈｉｇｈ」のとき、第１ノズル管の第１電磁弁９、第３ノズル管の第３電磁弁１１，連結管１２の電磁弁１４が開かれ、第１ノズル４、第３ノズル６から主燃料が噴射される。
換算蒸発量２ｔ／ｈの小型貫流ボイラに適用するときは、第１ノズル４，第３ノズル６のノズルサイズを、従来のボイラと同じ１３．５／１２とし、主燃料（Ａ重油）供給系のポンプ圧を１．５ＭＰａ、燃焼用空気のダンパ開度を「高」とすると、従来のボイラと同じ定格出力運転となる。

低負荷運転「Ｌｏｗ」のとき、第３電磁弁１１が「開」で、第１電磁弁９が「閉」になって第３ノズル６（低負荷主燃料用）からＡ重油が噴射され、低負荷（「高負荷」の１／２）で運転される。

図４の異種燃料混焼の運転モードでは、連結管１２の電磁弁１４が閉じられ、
図２の異種燃料混焼燃料系統と同様に、主燃料系、異種燃料系に分割される。
高負荷運転「Ｈｉｇｈ」のとき、第１ノズル管の第１電磁弁９，第２ノズル管の第２電磁弁１０，第３ノズル管の第３電磁弁１１が開かれ、第１ノズル４、第２ノズル５から主燃料が噴射され、第３ノズルから異種燃料が噴射される。
第１ノズル４，第２ノズル５、第３ノズル６のノズルサイズを１３．５／７／１２とし、主燃料（Ａ重油）供給系のポンプ圧を１．５ＭＰａ、異種燃料（エタノール水）供給系のポンプ圧を１．０ＭＰａとし、燃焼用空気のダンパ開度を「高」とすると、従来のボイラと同じ定格出力運転となり、エタノール水の混焼体積割合は３３％（エタノールの混焼体積割合は２０％）となる。

他方、低負荷運転「Ｌｏｗ」のとき、燃料用空気のダンパ開度は「低」となり、第１ノズル管の第１電磁弁９が閉じ、第２ノズル管の第２電磁弁１０が、第３ノズル管の第３電磁弁１１が開かれたままとなり、第２ノズル５からＡ重油が、第３ノズル６からエタノール水が噴出され、定格負荷の約１／２の低負荷運転となる。

は、従来の３位置制御による小規模ボイラの燃料供給装置の概略図である。 は、実施例１の燃料供給装置の概略図である。 は、実施例２の主燃料専焼の燃料供給装置の概略図である。 は、実施例２の異種燃料混焼の燃料供給装置の概略図である。 は、実施例の燃料ノズルの配置を示す平面図である。

符号の説明

１：ボイラ燃焼室
２：主燃料管
３：異種燃料管
４，５，６：燃料ノズル
４ａ：第１ノズル管
５ａ：第２ノズル管
６ａ：第３ノズル管
７：元電磁弁
８：第２電磁弁
９：第１電磁弁
１０：元電磁弁
１１：第３電磁弁
１２：連結管
１３，１５：逆止弁
１４：電磁弁
２０：保炎板
２１：支持ブロック
２２：ノズルチップ
２３：噴射孔
Ｔ１：主燃料タンク
Ｔ２：異種燃料タンク
Ｐ１：主燃料ポンプ
Ｐ２：異種燃料ポンプ

Claims (4)

1. ３位置制御によって運転される小規模ボイラであって、
   主燃料用の２つのノズルと異種燃料用の１つのノズルが近接して配置され、
   主燃料供給管に元電磁弁が設けられており、当該元電磁弁の二次側が第１ノズル管と第２ノズル管とに分岐されており、第１ノズル管に第１電磁弁を介して第１ノズルが接続され、第２ノズル管に第２電磁弁を介して第２ノズルが接続されており、
   異種燃料供給管に元電磁弁が設けられ、当該元電磁弁の二次側に第３電磁弁を介して第３ノズルが接続されており、
   第２ノズルの主燃料噴射と第３ノズルによる異種燃料噴射とによる運転が低負荷運転であり、
   第１ノズルと第２ノズルの主燃料噴射と第３ノズルの異種燃料噴射とによる運転が高負荷運転であり、
   第３ノズルの異種燃料の体積噴射量が高負荷時の全燃料量の５０％以下に相当する、小規模ボイラ。
2. 上記の第２ノズル管の第２電磁弁の一次側と、第３ノズル管の第３電磁弁の一次側とが連結管で接続されており、当該連結管に電磁弁と第３ノズル管から第２ノズル管への異種燃料の混入を阻止する逆止弁とが設けられており、
   主燃料専焼モードにおいては、連結管の電磁弁が「開」かれ、
   高負荷運転のときは、第１ノズル管の第１電磁弁と第３ノズル管の第３電磁弁とが「開」かれ、第２ノズル管の第２電磁弁が「閉」じられて、第１ノズルと第３ノズルから主燃料が高負荷運転に必要な量噴射され、
   低負荷運転のときは、第１ノズル管の第１電磁弁が「閉」じられて、第３ノズルだけから主燃料が低負荷運転に必要な量噴射され、
   異種燃料混焼モードにおいては、連結管の電磁弁が「閉」じられ、
   高負荷運転のときは、第１ノズル管の第１電磁弁と第２ノズル管の第２電磁弁が「開」かれて、第１ノズルと第２ノズルから主燃料が、さらに第３ノズル管の第３電磁弁が「開」かれて、第３ノズルから異種燃料が、併せて高負荷運転に必要な量噴射され、
   低負荷運転のときは、第１ノズル管の第１電磁弁が「閉」じられて、第２ノズルから主燃料が、また、第３ノズルから異種燃料が、併せて低負荷運転に必要な量噴射されるように、電磁弁の動きを組み込んだ運転モード切替スイッチを備えていることを特徴とする請求項１の小規模ボイラ。
3. 主燃料がＡ重油であり異種燃料がエタノール水である請求項２の小規模ボイラ。
4. 上記エタノール水の混合比が６０体積％である請求項３の小規模ボイラ。
   

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