JP4264862B2 - 微粉炭ボイラとその運転方法および微粉炭ボイラの改造方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、微粉炭ボイラとその運転方法および微粉炭ボイラの改造方法に係り、特に、微粉炭ボイラと高温の燃焼ガスにより燃焼灰を溶融し溶融スラグを生成する灰溶融炉と併設した微粉炭ボイラにおいて、ＮＯｘの排出量を押さえながら、燃焼灰溶融時の熱源を回収し、エネルギを有効利用する手段に関する。
【０００２】
【従来の技術】
石炭は、埋蔵量が豊富であり、他の化石燃料と比べて、経済性に優れている。石炭を大量に使用する火力発電所は、今後さらに増設や新設が見込まれている。石炭は、約１０から２０％の灰を含んでおり、火力発電所の増設や新設に伴い、燃焼灰の排出量も増加することが予想される。したがって、発電所から排出される燃焼灰の処理方法が、大きな課題になっている。
【０００３】
火力発電所から排出される燃焼灰は、大きく分けて、ボイラ内のクリンカホッパから排出されるボトムアッシュと、エコノマイザから回収されるシリンダーアッシュと、集塵器で回収されるフライアッシュとの三つに大別される。この燃焼灰は、セメントなどの原材料として有効利用されるが、半分以上の燃焼灰は、ごみとして近隣の海岸などに埋め立てられている。埋め立て処分する場合、燃焼灰の溶出水が高アルカリのため、燃焼灰は、管理型産業廃棄物に指定されており、その処分用地の確保が難しくなってきている。そこで、燃焼灰を埋め立て以外に有効利用することが望まれている。
【０００４】
燃焼灰をセメントの原材料として使用するには、燃焼灰中の未燃分をなるべく少なくする必要がある。微粉炭ボイラで回収された燃焼灰には、通常、３％から５％の未燃分が含まれている。この未燃分は、ボイラの効率を低下させる要因となっていた。石炭は、燃料比(揮発分と固定炭素の比)が低いほど燃えやすい。このような石炭が燃焼した時に排出される燃焼灰は、未燃分が比較的低い。逆に、燃料比が高いときは、石炭が燃えにくいので、燃焼灰中の未燃分が高い。未燃分の多い燃焼灰は、セメントなどの原材料にする価値がなく、高燃料比炭のような燃えにくい石炭の燃焼灰は、燃焼灰改質炉などで前処理する必要があった。
【０００５】
このような問題を解決する石炭焚きボイラとしては、特開平８−152106号公報に記載された技術がある。本燃焼室すなわちボイラ火炉の外に、スラッキングコンバスタすなわち複数の予備燃焼室を設け、酸素を富化した二次空気により、石炭を超高温の還元領域で燃焼させて、捕集されたフライアッシュを予燃焼室に戻し、完全燃焼させる方法がある。この燃焼方法では、未燃分が完全燃焼し、不純物はすべて溶融スラグとなり、スラグホッパに排出される。
【０００６】
また、特開昭62−125891号公報に記載された技術がある。この従来例のフライアッシュ処理装置は、石炭の燃焼により生成されたガスからフライアッシュを分離捕集する第１のフライアッシュ捕集手段と、第１のフライアッシュ捕集手段で捕集されたフライアッシュと酸素を富化した空気とが噴射導入されるスラグタップ式燃焼炉と、スラグタップ式燃焼炉内でフライアッシュの酸素富化燃焼により生成された溶融スラグを燃焼炉から取り出す手段と、同じくスラグタップ式燃焼炉内でフライアッシュの酸素富化燃焼により生成されたガスから未燃分炭素分の少ないフライアッシュを捕集する第２のフライアッシュ捕集手段と、第２のフライアッシュで捕集されたフライアッシュを選択的に系外に取り出すかまたは前記燃焼炉に戻す手段とを備えている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
上記特開平８−152106号公報の技術は、予燃焼室において石炭を超高温で還元燃焼させ、火炉に高温のガスを供給し、熱を回収するプラントである。石炭中の窒素成分から排出される窒素酸化物(ＮＯｘ)いわゆるフューエルＮＯｘは、予燃焼室で還元することはできる。
【０００８】
スラッキングコンバスタの出口で空気を供給する二段燃焼をすると、排気ガスは、空気比１以上の高温ガスとなり、温度が１７００から２３００℃に達している。この高温ガスを火炉内に供給し、熱吸収させると、火炉内は１７００℃以上の高温雰囲気になる。このように高温となり空気比が１以上の雰囲気は、空気中の窒素分からＮＯｘが生成されるサーマルＮＯｘを多量に生成する。この火炉内には還元領域がないため、ＮＯｘは、還元されず、火炉出口に到達する。このようなボイラにおいては、大きなＮＯｘ還元装置を設置し、ＮＯｘを還元する必要がある。還元装置が大きくなると、ボイラのコストが高くなる。
【０００９】
また、スラッキングコンバスタは、起動時や停止時に燃焼灰が凝固し、配管を閉塞する問題がある。微粉炭ボイラは、負荷１００％で常時運転することは少なく、バーナの運転と停止とを繰り返しながら、負荷を変動させ、電力需要に見合った運転をすることが多い。起動や停止に難のあるスラッキングコンバスタでボイラの負荷を変えることは困難である。また、酸素製造装置が新たに必要となるので、一般に空気を供給するボイラに比べ、コストが高くなる。
【００１０】
上記特開昭62−125891号公報の技術は、スラグタップ式燃焼炉の排気ガスをボイラ出口に供給している。スラグタップ式燃焼炉で発生したＮＯｘは、還元装置によりＮＯｘ排出量を押さえるしかないからである。また、排気ガスは、熱を回収せずに、そのまま捨てられるため、スラグタップ式燃焼炉の役割は、燃焼灰を溶融する装置のみに留まっている。
【００１１】
本発明の目的は、ＮＯｘの排出量を押さえながら、燃焼灰溶融時の熱源を回収して、エネルギを有効利用する手段を備えた微粉炭ボイラとその運転方法および既設の微粉炭ボイラの改造方法を提供することである。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記目的を達成するために、複数段のバーナを有する火炉と火炉の排気ガス中の燃焼灰を回収する集塵器と燃焼灰を溶融して溶融スラグを生成する灰溶融炉と含む微粉炭ボイラにおいて、集塵器で回収した燃焼灰を灰溶融炉に供給する燃焼灰搬送系統を形成し、微粉炭ボイラの最下段バーナの更に下段に灰溶融炉で生成した燃焼ガスを供給する灰溶融炉出口配管を接続した微粉炭ボイラを提案する。
【００１３】
本発明は、また、複数段のバーナを有する火炉と火炉の排気ガス中の燃焼灰を回収する集塵器と燃焼灰を溶融して溶融スラグを生成する灰溶融炉と含む微粉炭ボイラにおいて、集塵器で回収した燃焼灰を灰溶融炉に供給する燃焼灰搬送系統を形成し、微粉炭ボイラの最下段バーナに代えて灰溶融炉で生成した燃焼ガスを供給する灰溶融炉出口配管を接続した微粉炭ボイラを提案する。
【００１４】
本発明は、さらに、複数段のバーナを有する火炉と火炉の排気ガス中の燃焼灰を回収する集塵器と燃焼灰を溶融して溶融スラグを生成する灰溶融炉と含む微粉炭ボイラにおいて、集塵器で回収した燃焼灰を灰溶融炉に供給する燃焼灰搬送系統を形成し、火炉は、当該火炉内を流体が水平方向に流れる火炉であり、火炉が、石炭を燃焼させる複数段のバーナを最上流側に、空気を供給する空気ノズルを下流側に、灰溶融炉で生成した燃焼ガスを供給する灰溶融炉出口配管をバーナと空気ノズルとの間の側壁に備えた微粉炭ボイラを提案する。
【００１５】
前記燃焼灰搬送系統は、集塵器で回収されるフライアッシュに加えて、微粉炭ボイラ内のクリンカホッパから排出されるボトムアッシュと、エコノマイザから回収されるシリンダーアッシュとを燃焼灰として回収し搬送する系統とすることができる。
【００１６】
この場合、前記燃焼灰搬送系統は、ボトムアッシュとシリンダアッシュとを粉砕するクリンカアッシュ粉砕機を備えてもよい。
【００１７】
上記いずれの微粉炭ボイラにおいても、前記燃焼灰搬送系統が、燃焼灰を粒径により選別する分別手段を備え、所定粒径以下の燃焼灰を分別してセメントの原材料とし、残りの燃焼灰を灰溶融炉に投入して溶融スラグとすることも可能である。
【００１８】
本発明は、上記目的を達成するために、複数段のバーナを有する火炉と火炉の排気ガス中の燃焼灰を回収する集塵器と燃焼灰を溶融して溶融スラグを生成する灰溶融炉と含む微粉炭ボイラの運転方法において、集塵器で回収した燃焼灰を灰溶融炉に供給し、微粉炭ボイラの最下段バーナの更に下段の高さに灰溶融炉で生成した燃焼ガスを供給する微粉炭ボイラの運転方法を提案する。
【００１９】
本発明は、また、複数段のバーナを有する火炉と火炉の排気ガス中の燃焼灰を回収する集塵器と燃焼灰を溶融して溶融スラグを生成する灰溶融炉と含む微粉炭ボイラの運転方法において、集塵器で回収した燃焼灰を灰溶融炉に供給し、微粉炭ボイラの最下段バーナを取り外し当該最下段バーナの位置に灰溶融炉で生成した燃焼ガスを供給する微粉炭ボイラの運転方法を提案する。
【００２０】
本発明は、さらに、複数段のバーナを有し内部の流体が水平方向に流れる火炉と火炉の排気ガス中の燃焼灰を回収する集塵器と燃焼灰を溶融して溶融スラグを生成する灰溶融炉と含む微粉炭ボイラの運転方法において、集塵器で回収した燃焼灰を灰溶融炉に供給し、火炉の最上流側に設置した複数段のバーナから石炭を燃焼させ、火炉の下流側に設置した空気ノズルから空気を供給し、灰溶融炉で生成した燃焼ガスをバーナと空気ノズルとの間の火炉側壁から供給する微粉炭ボイラの運転方法を提案する。
【００２１】
本発明は、上記目的を達成するために、複数段のバーナを有する火炉と火炉の排気ガス中の燃焼灰を回収する集塵器と燃焼灰を溶融して溶融スラグを生成する灰溶融炉と含む既設の微粉炭ボイラの改造方法において、集塵器で回収した燃焼灰を灰溶融炉に供給する燃焼灰搬送系統を形成し、微粉炭ボイラの最下段バーナを取り外し、当該最下段バーナの位置に灰溶融炉で生成した燃焼ガスを供給する灰溶融炉出口配管を接続する既設の微粉炭ボイラの改造方法を提案する。
【００２２】
【発明の実施の形態】
次に、図１ないし図９を参照して、本発明による微粉炭ボイラとその運転方法および微粉炭ボイラの改造方法の実施形態を説明する。
【００２３】
【実施形態１】
図１は、本発明による微粉炭ボイラの実施形態１の系統構成を示す図である。火炉１には、微粉炭を燃焼させるためのバーナ２と、火炉１の下流側に空気を供給する空気ノズル３と、燃焼灰を溶融する灰溶融炉４とを設置し、灰溶融炉４からの高温の燃焼ガスを最下段バーナ２の更に下段に供給する排気ガス配管３１を接続してある。
【００２４】
石炭は、貯炭場５から、図示しない運炭設備により、石炭粉砕機６に運び、粉砕する。粉砕した石炭は、給炭機７により、石炭の搬送空気が流れている石炭搬送管８に供給する。石炭は、火炉１に設けたバーナ２に供給して、火炉１内で燃焼させる。空気ブロア９で作った燃焼用空気は、空気予熱器１０により暖め、空気配管１１を通り、バーナ２に供給する。燃焼用空気は、約３００℃に暖めるので、火炉１内を冷やすことなく、石炭の燃焼に寄与して、石炭を安定に燃焼させる。また、火炉１の下流側に設置した空気ノズル３に燃焼用空気を供給し、微粉炭を燃焼させる。
【００２５】
このように空気を火炉１内に分割して供給すると、火炉１内の空気比を調節し、燃焼灰中の未燃分を減少させることができる。石炭の燃焼ガスは、火炉１の壁面を加熱し、ここでは図示していないが火炉１の下流側に設置した過熱器，再熱器，節炭器などを加熱しながら、脱硝装置１２に向かう。火炉１内の還元雰囲気によって還元した排気ガス中のＮＯｘは、脱硝装置１２で、ＮＯｘ規制値以下になるように更に除去する。
【００２６】
この下流には、排気ガスの予熱を利用して燃焼用空気を暖める空気予熱器１０がある。さらに、下流にある集塵器１３により、排気ガス中に滞留しているフライアッシュを除塵し、排気ガスを脱硫装置１４に入れる。排気ガスは、脱硫装置１４で硫黄酸化物を除去してクリーンな排気ガスとし、煙突１５から排出する。
【００２７】
集塵器１３で捕集したフライアッシュをホッパ１６に回収する。ホッパ１６と燃焼灰搬送管１７と灰溶融炉４に接続した燃焼灰供給ノズル２０とは、本発明の燃焼灰搬送系統を構成している。ホッパ１６に集めたフライアッシュなどの燃焼灰は、燃焼灰搬送管１７を通り、燃焼灰供給ノズル２０から灰溶融炉４に供給する。
【００２８】
灰溶融炉４には、バーナ１８，空気ノズル１９，燃焼灰供給ノズル２０を設置してある。灰溶融炉４の熱源としては、石炭を用いることが望ましい。石炭火力発電所では、石炭を貯蔵しているので、新たに熱源を準備する必要がないからである。 石炭は、貯炭場５から、図示しない石炭搬送装置によって、石炭粉砕機２１に運び、必要な粒径に応じて粉砕する。粉砕した石炭は、石炭搬送管２２を通り、灰溶融炉４のバーナ１８に供給する。
【００２９】
燃焼用空気は、必要に応じて暖めて、空気搬送管２３を通り、空気ノズル１９に供給する。灰溶融炉４内の温度は、約１２００℃になる。石炭の燃焼灰の溶融温度は、約１２００℃から２５００℃である。溶融温度の高い石炭には、消石灰などの融点降下剤を灰溶融炉に供給する方がよい。このような高温ガス雰囲気に燃焼灰を投入すると、燃焼灰は溶融し、溶融スラグとして排出される。この溶融スラグは、石砂のような材質であり、路盤材などとして幅広い用途がある。また、埋め立てをする場合も、燃焼灰の体積を大幅に縮小できるため、燃焼灰の少スペース化につながる。
【００３０】
しかし、灰溶融炉４の排気ガスは、ＮＯｘやＳＯｘなどの有害物質を含んでいるから、従来は、灰溶融炉４の出口に脱硝装置や脱硫装置を別に設けるか、火炉１の出口に戻し、火炉１の脱硝装置１２や脱硫装置１４を介して排出していた。灰溶融炉４の熱源として石炭などの窒素分を含んだ燃料を使用したときに、ＮＯｘが発生する。特に、灰溶融炉４内が空気過剰の酸化雰囲気に形成されている場合は、アンモニアやシアンなどのＮＯｘを還元する物質を発生する還元領域が形成されないので、ＮＯｘが多量に発生する。このようにＮＯｘが多量に発生すると、還元装置として別に設ける脱硝装置を必然的に大きくする必要があり、コストが高くなる。また、灰溶融炉４で発生した熱は、新たに廃熱回収ボイラを設けて回収するか、熱回収しないで捨てていた。
【００３１】
これに対して、実施形態１においては、灰溶融炉４で発生した排気ガスを、溶融炉出口配管３１により、火炉１の複数段あるバーナ２のうち最下段バーナ３０の更に下段に供給する。図２は、図１に示した火炉１と灰溶融炉４の縦断面を示す図である。
【００３２】
火炉１内は、一般に空気不足の還元領域２４と空気過剰の酸化領域２５とに分けられる。バーナ火炎２６は、石炭の燃焼に必要な空気量よりも少ない空気を供給するので、バーナ２の付近には、空気不足の還元領域２４が作られる。還元領域２４は、アンモニアやシアンなどのＮＯｘ還元物質を生成し、ＮＯｘを還元する。火炉１の下流に設置した空気ノズル３から空気２７を投入する。この投入位置付近から下流では、石炭が燃焼し、燃焼灰中の未燃分を低減できる。
【００３３】
火炉１の最下段バーナ３０の更に下段に灰溶融炉４の溶融炉出口配管３１を取り付けてあるので、灰溶融炉４で発生した高温の燃焼ガス２８のＮＯｘは、最下段バーナ３０の下段から供給され、火炉１内の還元領域２４を通過し、還元される。
【００３４】
酸化領域２５は、空気２７を空気ノズル３から供給され、石炭を燃焼するには十分な空気量を持っているから、この酸化領域で石炭の大部分を完全燃焼させる。また、灰溶融炉４において溶融スラグ２９にならず、排気ガス２８とともに飛散してきた飛灰は、ボイラ内で燃焼し、火炉１から排気された後、集塵器１３に回収される。したがって、本実施形態１では、灰溶融炉４の飛灰を回収する装置を新設する必要がない。燃焼灰は、溶融スラグ２９として回収されるまで、灰溶融炉４と火炉１とを行き来することになり、燃焼灰中の未燃分は、０％に限りなく近づく。燃焼灰中の未燃分が低下する結果として、ボイラの効率も０.３％程度上昇する。
【００３５】
ここでは、バーナを垂直方向に三段設置してあるが、幾段であっても、最下段バーナ３０の更に下段に溶融炉出口配管３１を取り付ければ、同じ効果が得られる。
【００３６】
火炉１の機器配置の都合上、複数段あるバーナ２のうち、中段部に灰溶融炉４の溶融炉出口配管３１を取り付けてもよいが、還元領域を通過する時間が短くなるため、ＮＯｘを還元する効果が、多少は低くなる。
【００３７】
灰溶融炉４で発生した熱は、火炉１内で吸収されるので、廃熱回収ボイラなどの熱回収手段を新たに設置する必要がなく、コスト低減につながる。また、エネルギが無駄に捨てられないから、効率的である。
【００３８】
従来の微粉炭ボイラにおいては、火炉１に設置されている最下段のバーナ３０付近は、上流側のバーナに比べて温度が低く、石炭の着火性能が悪い。特にボイラの負荷を低くすると、炉内温度が下がり、一段と悪化する。
【００３９】
これに対して、本実施形態１では、灰溶融炉４の排気ガス２８が高温のために、火炉１の炉低部や最下段バーナ３０部を暖める効果があり、石炭の着火性能が上がる。バーナ火炎の吹き消え限界も向上する。石炭は速く燃焼するから、周りにある酸素の消費が速くなり、還元領域２４は大きくなる。大きな還元領域２４が形成されると、より一層のＮＯｘ低減につながる。また、火炎の温度が高くなるので、石炭の燃焼灰中の未燃分も低減する。
【００４０】
図３は、外部から低温の排気ガスを火炉１に噴出した場合と高温の排気ガスを火炉１に噴出した場合の火炉１内の温度分布を比較して示す図である。Ａは、３００℃の排気ガスをボイラ炉底部から供給した場合であって、Ｂは、１０００℃の排気ガスを最下段バーナ３０の更に下段の灰溶融炉出口配管３１から供給した場合である。
【００４１】
図３から明らかなように、１０００℃の排気ガスを最下段バーナの更に下段の灰溶融炉出口配管３１から供給したＢの方が、３００℃の排気ガスをボイラ炉底部から供給したＡに比べて、１６００℃以上の高温領域が広く形成されている。この分布は、高温の排気ガスを火炉１に供給した方が火炉内の温度を高くできることを意味する。このような状態では、火炎の温度が高くなり、石炭の着火性能は向上する。また、酸素が速く消費されることになり、還元領域が大きく形成され、ＮＯｘが還元される。
【００４２】
図４は、火炉出口温度と熱吸収量との関係を示す図である。図３に示した通常の火炉Ａを基準として、高温の排気ガスを火炉１に噴出したＢの場合における火炉出口温度の上昇の割合と熱吸収量の増加との関係を示している。排気ガスの温度を高くしたとき、火炉の出口ガス温度が上昇し、火炉の熱吸収量は増加する。しかし、火炉の出口ガス温度の上昇が、高々１％であるのに対して、熱吸収量の増加は、７％にも及ぶ。したがって、火炉１の下側から高温のガスを供給すると、火炉は効率よく熱吸収することがわかる。
【００４３】
図５は、燃焼灰中の未燃分と火炉の出口ＮＯｘとの関係を示す図である。高温の排気ガスを火炉１内に供給した場合、火炉１内が高温になるため、サーマルＮＯｘが増える。しかし、その増加量は、１５ｐｐｍと小さい。これに対して、高温の排気ガスを火炉１内に供給した場合、燃焼灰中の未燃分は、１％以上は減少する。灰溶融炉の排気ガスには、１００ｐｐｍから４００ｐｐｍのＮＯｘが含まれている。このＮＯｘが火炉１内の還元領域で還元される効果は大きい。
【００４４】
バーナ２と空気ノズル３との二つに分けて空気を火炉１に供給する燃焼方法を二段燃焼と呼ぶが、本発明は、ここに示した実施形態１には限定されず、火炉１内に還元領域が形成される火炉ならば、燃焼方法は問わずに、適用できる。
【００４５】
また、図１および図２は、火炉１の片側だけにバーナ２を取り付けた片側燃焼方式となっているが、火炉１の両側にバーナ２を取り付けた対向燃焼でもよい。
【００４６】
一般に、灰溶融炉４の出口は、空気過剰な状態にする。空気不足のままで排気すると、石炭が完全燃焼しない上に、硫化水素などが発生し、配管などを腐食する場合があるからである。灰溶融炉４の燃焼ガスを空気不足の状態で火炉１内に噴出する場合は、火炉１壁面の灰溶融炉出口配管３１の近くに空気ノズルを取り付け、空気不足の排気ガスが、火炉１の水壁に近づかないようにすることが望ましい。
【００４７】
【実施形態２】
図６は、集塵器１３で回収されるフライアッシュを灰溶融炉４に供給する実施形態１の燃焼灰搬送系統に加えて、微粉炭ボイラ内のクリンカホッパから排出されるボトムアッシュと火炉１のエコノマイザから回収されるシリンダーアッシュとを燃焼灰として灰溶融炉４に供給する燃焼灰搬送系統を設けた微粉炭ボイラの実施形態２の系統構成を示す図である。
【００４８】
実施形態２では、ボイラ炉低部で回収されたクリンカアッシュと、火炉１のここでは図示しないエコノマイザやエアヒータで回収したシリンダーアッシュとをクリンカアッシュ粉砕機３３に送り、所定の粒径に粉砕した後、実施形態１の集塵器１３で回収されるフライアッシュとともに、ホッパ１６に回収する。
【００４９】
一般に、火炉底部のクリンカホッパから排出されるクリンカアッシュは、粒径が大きい。したがって、クリンカアッシュを灰溶融炉４に供給して溶融する場合は、粒径を細かくする粉砕機３３を取り付けた方がよい。
【００５０】
燃焼灰をすべて溶融スラグにする必要がない場合は、図６に示すように、集塵器１３とホッパ１６との間に、分別機３２を取り付けてもよい。分別機３２は、粒径が例えば２０μｍ以下の燃焼灰を分別してセメントの原材料として使い、残りの燃焼灰を灰溶融炉４に投入し、溶融スラグとして道路の路盤材などに使うように分別する。
【００５１】
【実施形態３】
図７は、本発明による微粉炭ボイラの実施形態３の系統構成を示す図である。実施形態３は、微粉炭ボイラの最下段バーナ２を取り除き、取り除いた個所に灰溶融炉の排気ガスの出口配管を取り付けた微粉炭ボイラである。
【００５２】
実施形態３は、灰溶融炉４からの高温の燃焼ガスを供給する排気ガス配管３１を最下段バーナ２の更に下段に増設する実施形態１および実施形態２とは異なって、微粉炭ボイラの最下段バーナ２を取り除き、取り除いた個所に灰溶融炉の排気ガスの出口配管を取り付けるので、加工個所が少なく、既設の微粉炭ボイラの改造方法として有利である。
【００５３】
灰溶融炉４の排気ガスを最下段のバーナ２の代替バーナ火炎として用いる場合は、排気ガスは一般的な微粉炭バーナよりも火炎温度が低い。このため、熱吸収が下がるので、他の微粉炭バーナの石炭量を増やして調節する。この石炭量の調節は、既設の微粉炭ボイラの改造の場合のみならず、火炉１を新規に着工する場合も同様である。
【００５４】
なお、図７の実施形態３の場合も、図６の実施形態２のように、微粉炭ボイラ内のクリンカホッパから排出されるボトムアッシュと火炉１のエコノマイザから回収されるシリンダーアッシュとを燃焼灰として灰溶融炉４に供給する燃焼灰搬送系統を設けることができる。
【００５５】
【実施形態４】
図８は、本発明による微粉炭ボイラの実施形態４における火炉の構造を示す斜視図であり、図９は、図８の火炉の還元領域および酸化領域を示す縦断面図である。図８，図９に示した微粉炭ボイラは、火炉１の形状が異なるだけで、その他の構造は、図１の実施形態１と同様である。
【００５６】
火炉３４には、石炭を燃焼させるためのバーナ３５と、火炉３４の下流側に空気を供給する空気ノズル３６と、燃焼灰を溶融する灰溶融炉３７とが設置され、灰溶融炉３７からの高温の燃焼ガスを供給する灰溶融炉出口配管３８が火炉３４の側壁に接続されている。
【００５７】
灰溶融炉３７には、バーナ３９と、空気ノズル４０と、燃焼灰供給ノズル４１とが設置されている。灰溶融炉３７は、バーナ３９で石炭を燃焼させた熱源を使用して、燃焼灰供給ノズル４１から供給された燃焼灰とバーナ３９から供給された石炭の燃焼灰とを溶融し、溶融スラグ４２として排出する。
【００５８】
火炉３４内を流れる流体は、水平方向に流れる。火炉３４のバーナ３５から噴出されるバーナ火炎４３は、火炉３４内で最も上流側の流体流れを作る。火炉３４には、石炭の燃焼に必要な空気量の約１.２倍を供給する。バーナ３５からは、石炭の燃焼に必要な空気量の約０.８倍の空気を供給し、残りの空気は、火炉３４の下流側に設置した空気ノズル３６から供給する。
【００５９】
火炉３４の上流側には、空気不足の還元領域４５が形成される。還元領域４５では、ＮＯｘから窒素を還元できる。この還元領域４５に灰溶融炉３７の排気ガス４６を供給する。灰溶融炉３７の排気ガス４６中に含まれていたＮＯｘは、火炉３４内に形成された還元領域４５で、窒素に還元される。灰溶融炉３７の排気ガス４６は、８００℃から１２００℃と高温のため、火炉３４内の温度が上がり、熱吸収量が増加する。
【００６０】
一方、火炉３４の下流側に設置した空気ノズル３６から空気４４を供給すると、空気ノズル３６付近は、酸化領域４７になるので、火炉３４内の石炭が燃焼し、燃焼灰中の未燃分が２％から５％になる。火炉３４の排気ガスは、上記図１に示すように、火炉出口４８から脱硝装置１２や脱硫装置１４を通り、クリーンなガスとして煙突１５から排気される。
【００６１】
灰溶融炉出口配管３８内の排気ガス４６の空気比は、０.９５から１.０５の範囲が望ましい。空気比が高すぎると、火炉３４内の還元領域４５の形成を妨げるからである。逆に、空気比が低すぎると、硫化腐食を起こしやすい排気ガスになり、灰溶融炉出口配管３８内や火炉３４内を腐食するからである。このような排気ガスを供給する場合は、火炉３４に設置した灰溶融炉出口配管３８近くに、新たに空気を供給する空気ノズルを取り付けた方がよい。
【００６２】
なお、本実施形態のように流体が水平方向に流れる方式の火炉ではなく、上から下に流体が流れる方式の火炉であっても、火炉内に形成される還元領域に溶融炉の排気ガスを供給すれば、同じ効果が得られる。
【００６３】
なお、図８，図９の実施形態４の場合も、図６の実施形態２のように、微粉炭ボイラ内のクリンカホッパから排出されるボトムアッシュと火炉１のエコノマイザから回収されるシリンダーアッシュとを燃焼灰として灰溶融炉４に供給する燃焼灰搬送系統を設けてもよい。
【００６４】
【発明の効果】
本発明によれば、複数段のバーナを有する火炉と火炉の排気ガス中の燃焼灰を回収する集塵器と燃焼灰を溶融して溶融スラグを生成する灰溶融炉と含む微粉炭ボイラにおいて、集塵器で回収した燃焼灰を灰溶融炉に供給する燃焼灰搬送系統を設けて、微粉炭ボイラの最下段バーナの更に下段に灰溶融炉で生成した燃焼ガスを供給する灰溶融炉出口配管を設けたので、灰溶融炉の排気ガスは、火炉の還元雰囲気を通過する際に、ＮＯｘを還元される。また、灰溶融炉で発生した熱も、火炉に吸収されることになる。したがって、ＮＯｘの排出量を押さえ、エネルギを有効利用しながら、燃焼灰を溶融できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による微粉炭ボイラの実施形態１の系統構成を示す図である。
【図２】図１に示した火炉１と灰溶融炉４の縦断面を示す図である。
【図３】外部から低温の排気ガスを火炉１に噴出した場合と高温の排気ガスを火炉１に噴出した場合の火炉１内の温度分布を比較して示す図である。
【図４】火炉出口温度と熱吸収量との関係を示す図である。
【図５】燃焼灰中の未燃分と火炉の出口ＮＯｘとの関係を示す図である。
【図６】集塵器１３で回収されるフライアッシュを灰溶融炉４に供給する実施形態１の燃焼灰搬送系統に加えて、微粉炭ボイラ内のクリンカホッパから排出されるボトムアッシュと火炉１のエコノマイザから回収されるシリンダーアッシュとを燃焼灰として灰溶融炉４に供給する燃焼灰搬送系統を設けた微粉炭ボイラの実施形態２の系統構成を示す図である。
【図７】本発明による微粉炭ボイラの実施形態３の系統構成を示す図である。
【図８】本発明による微粉炭ボイラの実施形態４の火炉の構造を示す斜視図である。
【図９】図８の火炉の還元領域および酸化領域を示す縦断面図である。
【符号の説明】
１ 火炉
２ バーナ
３ 空気ノズル
４ 灰溶融炉
５ 貯炭場
６ 石炭粉砕機
７ 給炭機
８ 石炭搬送管
９ 空気ブロア
１０ エアヒータ
１１ 空気搬送管
１２ 脱硝装置
１３ 集塵器
１４ 脱硫装置
１５ 煙突
１６ ホッパ
１７ 燃焼灰搬送管
１８ バーナ
１９ 空気ノズル
２０ 燃焼灰供給ノズル
２１ 石炭粉砕機
２２ 石炭搬送管
２３ 空気搬送管
２４ 還元雰囲気
２５ 酸化雰囲気
２６ バーナ火炎
２７ 空気
２８ 灰溶融炉排気ガス
２９ 溶融スラグ
３０ 最下段バーナ
３１ 灰溶融炉出口配管
３２ 分別機
３３ クリンカアッシュ粉砕機
３４ 火炉
３５ バーナ
３６ 空気ノズル
３７ 灰溶融炉
３８ 灰溶融炉出口配管
３９ バーナ
４０ 空気ノズル
４１ 燃焼灰供給ノズル
４２ 溶融スラグ
４３ バーナ火炎
４４ 空気
４５ 還元領域
４６ 排気ガス
４７ 酸化領域
４８ 火炉出口
【発明の属する技術分野】
本発明は、微粉炭ボイラとその運転方法および微粉炭ボイラの改造方法に係り、特に、微粉炭ボイラと高温の燃焼ガスにより燃焼灰を溶融し溶融スラグを生成する灰溶融炉と併設した微粉炭ボイラにおいて、ＮＯｘの排出量を押さえながら、燃焼灰溶融時の熱源を回収し、エネルギを有効利用する手段に関する。
【０００２】
【従来の技術】
石炭は、埋蔵量が豊富であり、他の化石燃料と比べて、経済性に優れている。石炭を大量に使用する火力発電所は、今後さらに増設や新設が見込まれている。石炭は、約１０から２０％の灰を含んでおり、火力発電所の増設や新設に伴い、燃焼灰の排出量も増加することが予想される。したがって、発電所から排出される燃焼灰の処理方法が、大きな課題になっている。
【０００３】
火力発電所から排出される燃焼灰は、大きく分けて、ボイラ内のクリンカホッパから排出されるボトムアッシュと、エコノマイザから回収されるシリンダーアッシュと、集塵器で回収されるフライアッシュとの三つに大別される。この燃焼灰は、セメントなどの原材料として有効利用されるが、半分以上の燃焼灰は、ごみとして近隣の海岸などに埋め立てられている。埋め立て処分する場合、燃焼灰の溶出水が高アルカリのため、燃焼灰は、管理型産業廃棄物に指定されており、その処分用地の確保が難しくなってきている。そこで、燃焼灰を埋め立て以外に有効利用することが望まれている。
【０００４】
燃焼灰をセメントの原材料として使用するには、燃焼灰中の未燃分をなるべく少なくする必要がある。微粉炭ボイラで回収された燃焼灰には、通常、３％から５％の未燃分が含まれている。この未燃分は、ボイラの効率を低下させる要因となっていた。石炭は、燃料比(揮発分と固定炭素の比)が低いほど燃えやすい。このような石炭が燃焼した時に排出される燃焼灰は、未燃分が比較的低い。逆に、燃料比が高いときは、石炭が燃えにくいので、燃焼灰中の未燃分が高い。未燃分の多い燃焼灰は、セメントなどの原材料にする価値がなく、高燃料比炭のような燃えにくい石炭の燃焼灰は、燃焼灰改質炉などで前処理する必要があった。
【０００５】
このような問題を解決する石炭焚きボイラとしては、特開平８−152106号公報に記載された技術がある。本燃焼室すなわちボイラ火炉の外に、スラッキングコンバスタすなわち複数の予備燃焼室を設け、酸素を富化した二次空気により、石炭を超高温の還元領域で燃焼させて、捕集されたフライアッシュを予燃焼室に戻し、完全燃焼させる方法がある。この燃焼方法では、未燃分が完全燃焼し、不純物はすべて溶融スラグとなり、スラグホッパに排出される。
【０００６】
また、特開昭62−125891号公報に記載された技術がある。この従来例のフライアッシュ処理装置は、石炭の燃焼により生成されたガスからフライアッシュを分離捕集する第１のフライアッシュ捕集手段と、第１のフライアッシュ捕集手段で捕集されたフライアッシュと酸素を富化した空気とが噴射導入されるスラグタップ式燃焼炉と、スラグタップ式燃焼炉内でフライアッシュの酸素富化燃焼により生成された溶融スラグを燃焼炉から取り出す手段と、同じくスラグタップ式燃焼炉内でフライアッシュの酸素富化燃焼により生成されたガスから未燃分炭素分の少ないフライアッシュを捕集する第２のフライアッシュ捕集手段と、第２のフライアッシュで捕集されたフライアッシュを選択的に系外に取り出すかまたは前記燃焼炉に戻す手段とを備えている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
上記特開平８−152106号公報の技術は、予燃焼室において石炭を超高温で還元燃焼させ、火炉に高温のガスを供給し、熱を回収するプラントである。石炭中の窒素成分から排出される窒素酸化物(ＮＯｘ)いわゆるフューエルＮＯｘは、予燃焼室で還元することはできる。
【０００８】
スラッキングコンバスタの出口で空気を供給する二段燃焼をすると、排気ガスは、空気比１以上の高温ガスとなり、温度が１７００から２３００℃に達している。この高温ガスを火炉内に供給し、熱吸収させると、火炉内は１７００℃以上の高温雰囲気になる。このように高温となり空気比が１以上の雰囲気は、空気中の窒素分からＮＯｘが生成されるサーマルＮＯｘを多量に生成する。この火炉内には還元領域がないため、ＮＯｘは、還元されず、火炉出口に到達する。このようなボイラにおいては、大きなＮＯｘ還元装置を設置し、ＮＯｘを還元する必要がある。還元装置が大きくなると、ボイラのコストが高くなる。
【０００９】
また、スラッキングコンバスタは、起動時や停止時に燃焼灰が凝固し、配管を閉塞する問題がある。微粉炭ボイラは、負荷１００％で常時運転することは少なく、バーナの運転と停止とを繰り返しながら、負荷を変動させ、電力需要に見合った運転をすることが多い。起動や停止に難のあるスラッキングコンバスタでボイラの負荷を変えることは困難である。また、酸素製造装置が新たに必要となるので、一般に空気を供給するボイラに比べ、コストが高くなる。
【００１０】
上記特開昭62−125891号公報の技術は、スラグタップ式燃焼炉の排気ガスをボイラ出口に供給している。スラグタップ式燃焼炉で発生したＮＯｘは、還元装置によりＮＯｘ排出量を押さえるしかないからである。また、排気ガスは、熱を回収せずに、そのまま捨てられるため、スラグタップ式燃焼炉の役割は、燃焼灰を溶融する装置のみに留まっている。
【００１１】
本発明の目的は、ＮＯｘの排出量を押さえながら、燃焼灰溶融時の熱源を回収して、エネルギを有効利用する手段を備えた微粉炭ボイラとその運転方法および既設の微粉炭ボイラの改造方法を提供することである。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記目的を達成するために、複数段のバーナを有する火炉と火炉の排気ガス中の燃焼灰を回収する集塵器と燃焼灰を溶融して溶融スラグを生成する灰溶融炉と含む微粉炭ボイラにおいて、集塵器で回収した燃焼灰を灰溶融炉に供給する燃焼灰搬送系統を形成し、微粉炭ボイラの最下段バーナの更に下段に灰溶融炉で生成した燃焼ガスを供給する灰溶融炉出口配管を接続した微粉炭ボイラを提案する。
【００１３】
本発明は、また、複数段のバーナを有する火炉と火炉の排気ガス中の燃焼灰を回収する集塵器と燃焼灰を溶融して溶融スラグを生成する灰溶融炉と含む微粉炭ボイラにおいて、集塵器で回収した燃焼灰を灰溶融炉に供給する燃焼灰搬送系統を形成し、微粉炭ボイラの最下段バーナに代えて灰溶融炉で生成した燃焼ガスを供給する灰溶融炉出口配管を接続した微粉炭ボイラを提案する。
【００１４】
本発明は、さらに、複数段のバーナを有する火炉と火炉の排気ガス中の燃焼灰を回収する集塵器と燃焼灰を溶融して溶融スラグを生成する灰溶融炉と含む微粉炭ボイラにおいて、集塵器で回収した燃焼灰を灰溶融炉に供給する燃焼灰搬送系統を形成し、火炉は、当該火炉内を流体が水平方向に流れる火炉であり、火炉が、石炭を燃焼させる複数段のバーナを最上流側に、空気を供給する空気ノズルを下流側に、灰溶融炉で生成した燃焼ガスを供給する灰溶融炉出口配管をバーナと空気ノズルとの間の側壁に備えた微粉炭ボイラを提案する。
【００１５】
前記燃焼灰搬送系統は、集塵器で回収されるフライアッシュに加えて、微粉炭ボイラ内のクリンカホッパから排出されるボトムアッシュと、エコノマイザから回収されるシリンダーアッシュとを燃焼灰として回収し搬送する系統とすることができる。
【００１６】
この場合、前記燃焼灰搬送系統は、ボトムアッシュとシリンダアッシュとを粉砕するクリンカアッシュ粉砕機を備えてもよい。
【００１７】
上記いずれの微粉炭ボイラにおいても、前記燃焼灰搬送系統が、燃焼灰を粒径により選別する分別手段を備え、所定粒径以下の燃焼灰を分別してセメントの原材料とし、残りの燃焼灰を灰溶融炉に投入して溶融スラグとすることも可能である。
【００１８】
本発明は、上記目的を達成するために、複数段のバーナを有する火炉と火炉の排気ガス中の燃焼灰を回収する集塵器と燃焼灰を溶融して溶融スラグを生成する灰溶融炉と含む微粉炭ボイラの運転方法において、集塵器で回収した燃焼灰を灰溶融炉に供給し、微粉炭ボイラの最下段バーナの更に下段の高さに灰溶融炉で生成した燃焼ガスを供給する微粉炭ボイラの運転方法を提案する。
【００１９】
本発明は、また、複数段のバーナを有する火炉と火炉の排気ガス中の燃焼灰を回収する集塵器と燃焼灰を溶融して溶融スラグを生成する灰溶融炉と含む微粉炭ボイラの運転方法において、集塵器で回収した燃焼灰を灰溶融炉に供給し、微粉炭ボイラの最下段バーナを取り外し当該最下段バーナの位置に灰溶融炉で生成した燃焼ガスを供給する微粉炭ボイラの運転方法を提案する。
【００２０】
本発明は、さらに、複数段のバーナを有し内部の流体が水平方向に流れる火炉と火炉の排気ガス中の燃焼灰を回収する集塵器と燃焼灰を溶融して溶融スラグを生成する灰溶融炉と含む微粉炭ボイラの運転方法において、集塵器で回収した燃焼灰を灰溶融炉に供給し、火炉の最上流側に設置した複数段のバーナから石炭を燃焼させ、火炉の下流側に設置した空気ノズルから空気を供給し、灰溶融炉で生成した燃焼ガスをバーナと空気ノズルとの間の火炉側壁から供給する微粉炭ボイラの運転方法を提案する。
【００２１】
本発明は、上記目的を達成するために、複数段のバーナを有する火炉と火炉の排気ガス中の燃焼灰を回収する集塵器と燃焼灰を溶融して溶融スラグを生成する灰溶融炉と含む既設の微粉炭ボイラの改造方法において、集塵器で回収した燃焼灰を灰溶融炉に供給する燃焼灰搬送系統を形成し、微粉炭ボイラの最下段バーナを取り外し、当該最下段バーナの位置に灰溶融炉で生成した燃焼ガスを供給する灰溶融炉出口配管を接続する既設の微粉炭ボイラの改造方法を提案する。
【００２２】
【発明の実施の形態】
次に、図１ないし図９を参照して、本発明による微粉炭ボイラとその運転方法および微粉炭ボイラの改造方法の実施形態を説明する。
【００２３】
【実施形態１】
図１は、本発明による微粉炭ボイラの実施形態１の系統構成を示す図である。火炉１には、微粉炭を燃焼させるためのバーナ２と、火炉１の下流側に空気を供給する空気ノズル３と、燃焼灰を溶融する灰溶融炉４とを設置し、灰溶融炉４からの高温の燃焼ガスを最下段バーナ２の更に下段に供給する排気ガス配管３１を接続してある。
【００２４】
石炭は、貯炭場５から、図示しない運炭設備により、石炭粉砕機６に運び、粉砕する。粉砕した石炭は、給炭機７により、石炭の搬送空気が流れている石炭搬送管８に供給する。石炭は、火炉１に設けたバーナ２に供給して、火炉１内で燃焼させる。空気ブロア９で作った燃焼用空気は、空気予熱器１０により暖め、空気配管１１を通り、バーナ２に供給する。燃焼用空気は、約３００℃に暖めるので、火炉１内を冷やすことなく、石炭の燃焼に寄与して、石炭を安定に燃焼させる。また、火炉１の下流側に設置した空気ノズル３に燃焼用空気を供給し、微粉炭を燃焼させる。
【００２５】
このように空気を火炉１内に分割して供給すると、火炉１内の空気比を調節し、燃焼灰中の未燃分を減少させることができる。石炭の燃焼ガスは、火炉１の壁面を加熱し、ここでは図示していないが火炉１の下流側に設置した過熱器，再熱器，節炭器などを加熱しながら、脱硝装置１２に向かう。火炉１内の還元雰囲気によって還元した排気ガス中のＮＯｘは、脱硝装置１２で、ＮＯｘ規制値以下になるように更に除去する。
【００２６】
この下流には、排気ガスの予熱を利用して燃焼用空気を暖める空気予熱器１０がある。さらに、下流にある集塵器１３により、排気ガス中に滞留しているフライアッシュを除塵し、排気ガスを脱硫装置１４に入れる。排気ガスは、脱硫装置１４で硫黄酸化物を除去してクリーンな排気ガスとし、煙突１５から排出する。
【００２７】
集塵器１３で捕集したフライアッシュをホッパ１６に回収する。ホッパ１６と燃焼灰搬送管１７と灰溶融炉４に接続した燃焼灰供給ノズル２０とは、本発明の燃焼灰搬送系統を構成している。ホッパ１６に集めたフライアッシュなどの燃焼灰は、燃焼灰搬送管１７を通り、燃焼灰供給ノズル２０から灰溶融炉４に供給する。
【００２８】
灰溶融炉４には、バーナ１８，空気ノズル１９，燃焼灰供給ノズル２０を設置してある。灰溶融炉４の熱源としては、石炭を用いることが望ましい。石炭火力発電所では、石炭を貯蔵しているので、新たに熱源を準備する必要がないからである。 石炭は、貯炭場５から、図示しない石炭搬送装置によって、石炭粉砕機２１に運び、必要な粒径に応じて粉砕する。粉砕した石炭は、石炭搬送管２２を通り、灰溶融炉４のバーナ１８に供給する。
【００２９】
燃焼用空気は、必要に応じて暖めて、空気搬送管２３を通り、空気ノズル１９に供給する。灰溶融炉４内の温度は、約１２００℃になる。石炭の燃焼灰の溶融温度は、約１２００℃から２５００℃である。溶融温度の高い石炭には、消石灰などの融点降下剤を灰溶融炉に供給する方がよい。このような高温ガス雰囲気に燃焼灰を投入すると、燃焼灰は溶融し、溶融スラグとして排出される。この溶融スラグは、石砂のような材質であり、路盤材などとして幅広い用途がある。また、埋め立てをする場合も、燃焼灰の体積を大幅に縮小できるため、燃焼灰の少スペース化につながる。
【００３０】
しかし、灰溶融炉４の排気ガスは、ＮＯｘやＳＯｘなどの有害物質を含んでいるから、従来は、灰溶融炉４の出口に脱硝装置や脱硫装置を別に設けるか、火炉１の出口に戻し、火炉１の脱硝装置１２や脱硫装置１４を介して排出していた。灰溶融炉４の熱源として石炭などの窒素分を含んだ燃料を使用したときに、ＮＯｘが発生する。特に、灰溶融炉４内が空気過剰の酸化雰囲気に形成されている場合は、アンモニアやシアンなどのＮＯｘを還元する物質を発生する還元領域が形成されないので、ＮＯｘが多量に発生する。このようにＮＯｘが多量に発生すると、還元装置として別に設ける脱硝装置を必然的に大きくする必要があり、コストが高くなる。また、灰溶融炉４で発生した熱は、新たに廃熱回収ボイラを設けて回収するか、熱回収しないで捨てていた。
【００３１】
これに対して、実施形態１においては、灰溶融炉４で発生した排気ガスを、溶融炉出口配管３１により、火炉１の複数段あるバーナ２のうち最下段バーナ３０の更に下段に供給する。図２は、図１に示した火炉１と灰溶融炉４の縦断面を示す図である。
【００３２】
火炉１内は、一般に空気不足の還元領域２４と空気過剰の酸化領域２５とに分けられる。バーナ火炎２６は、石炭の燃焼に必要な空気量よりも少ない空気を供給するので、バーナ２の付近には、空気不足の還元領域２４が作られる。還元領域２４は、アンモニアやシアンなどのＮＯｘ還元物質を生成し、ＮＯｘを還元する。火炉１の下流に設置した空気ノズル３から空気２７を投入する。この投入位置付近から下流では、石炭が燃焼し、燃焼灰中の未燃分を低減できる。
【００３３】
火炉１の最下段バーナ３０の更に下段に灰溶融炉４の溶融炉出口配管３１を取り付けてあるので、灰溶融炉４で発生した高温の燃焼ガス２８のＮＯｘは、最下段バーナ３０の下段から供給され、火炉１内の還元領域２４を通過し、還元される。
【００３４】
酸化領域２５は、空気２７を空気ノズル３から供給され、石炭を燃焼するには十分な空気量を持っているから、この酸化領域で石炭の大部分を完全燃焼させる。また、灰溶融炉４において溶融スラグ２９にならず、排気ガス２８とともに飛散してきた飛灰は、ボイラ内で燃焼し、火炉１から排気された後、集塵器１３に回収される。したがって、本実施形態１では、灰溶融炉４の飛灰を回収する装置を新設する必要がない。燃焼灰は、溶融スラグ２９として回収されるまで、灰溶融炉４と火炉１とを行き来することになり、燃焼灰中の未燃分は、０％に限りなく近づく。燃焼灰中の未燃分が低下する結果として、ボイラの効率も０.３％程度上昇する。
【００３５】
ここでは、バーナを垂直方向に三段設置してあるが、幾段であっても、最下段バーナ３０の更に下段に溶融炉出口配管３１を取り付ければ、同じ効果が得られる。
【００３６】
火炉１の機器配置の都合上、複数段あるバーナ２のうち、中段部に灰溶融炉４の溶融炉出口配管３１を取り付けてもよいが、還元領域を通過する時間が短くなるため、ＮＯｘを還元する効果が、多少は低くなる。
【００３７】
灰溶融炉４で発生した熱は、火炉１内で吸収されるので、廃熱回収ボイラなどの熱回収手段を新たに設置する必要がなく、コスト低減につながる。また、エネルギが無駄に捨てられないから、効率的である。
【００３８】
従来の微粉炭ボイラにおいては、火炉１に設置されている最下段のバーナ３０付近は、上流側のバーナに比べて温度が低く、石炭の着火性能が悪い。特にボイラの負荷を低くすると、炉内温度が下がり、一段と悪化する。
【００３９】
これに対して、本実施形態１では、灰溶融炉４の排気ガス２８が高温のために、火炉１の炉低部や最下段バーナ３０部を暖める効果があり、石炭の着火性能が上がる。バーナ火炎の吹き消え限界も向上する。石炭は速く燃焼するから、周りにある酸素の消費が速くなり、還元領域２４は大きくなる。大きな還元領域２４が形成されると、より一層のＮＯｘ低減につながる。また、火炎の温度が高くなるので、石炭の燃焼灰中の未燃分も低減する。
【００４０】
図３は、外部から低温の排気ガスを火炉１に噴出した場合と高温の排気ガスを火炉１に噴出した場合の火炉１内の温度分布を比較して示す図である。Ａは、３００℃の排気ガスをボイラ炉底部から供給した場合であって、Ｂは、１０００℃の排気ガスを最下段バーナ３０の更に下段の灰溶融炉出口配管３１から供給した場合である。
【００４１】
図３から明らかなように、１０００℃の排気ガスを最下段バーナの更に下段の灰溶融炉出口配管３１から供給したＢの方が、３００℃の排気ガスをボイラ炉底部から供給したＡに比べて、１６００℃以上の高温領域が広く形成されている。この分布は、高温の排気ガスを火炉１に供給した方が火炉内の温度を高くできることを意味する。このような状態では、火炎の温度が高くなり、石炭の着火性能は向上する。また、酸素が速く消費されることになり、還元領域が大きく形成され、ＮＯｘが還元される。
【００４２】
図４は、火炉出口温度と熱吸収量との関係を示す図である。図３に示した通常の火炉Ａを基準として、高温の排気ガスを火炉１に噴出したＢの場合における火炉出口温度の上昇の割合と熱吸収量の増加との関係を示している。排気ガスの温度を高くしたとき、火炉の出口ガス温度が上昇し、火炉の熱吸収量は増加する。しかし、火炉の出口ガス温度の上昇が、高々１％であるのに対して、熱吸収量の増加は、７％にも及ぶ。したがって、火炉１の下側から高温のガスを供給すると、火炉は効率よく熱吸収することがわかる。
【００４３】
図５は、燃焼灰中の未燃分と火炉の出口ＮＯｘとの関係を示す図である。高温の排気ガスを火炉１内に供給した場合、火炉１内が高温になるため、サーマルＮＯｘが増える。しかし、その増加量は、１５ｐｐｍと小さい。これに対して、高温の排気ガスを火炉１内に供給した場合、燃焼灰中の未燃分は、１％以上は減少する。灰溶融炉の排気ガスには、１００ｐｐｍから４００ｐｐｍのＮＯｘが含まれている。このＮＯｘが火炉１内の還元領域で還元される効果は大きい。
【００４４】
バーナ２と空気ノズル３との二つに分けて空気を火炉１に供給する燃焼方法を二段燃焼と呼ぶが、本発明は、ここに示した実施形態１には限定されず、火炉１内に還元領域が形成される火炉ならば、燃焼方法は問わずに、適用できる。
【００４５】
また、図１および図２は、火炉１の片側だけにバーナ２を取り付けた片側燃焼方式となっているが、火炉１の両側にバーナ２を取り付けた対向燃焼でもよい。
【００４６】
一般に、灰溶融炉４の出口は、空気過剰な状態にする。空気不足のままで排気すると、石炭が完全燃焼しない上に、硫化水素などが発生し、配管などを腐食する場合があるからである。灰溶融炉４の燃焼ガスを空気不足の状態で火炉１内に噴出する場合は、火炉１壁面の灰溶融炉出口配管３１の近くに空気ノズルを取り付け、空気不足の排気ガスが、火炉１の水壁に近づかないようにすることが望ましい。
【００４７】
【実施形態２】
図６は、集塵器１３で回収されるフライアッシュを灰溶融炉４に供給する実施形態１の燃焼灰搬送系統に加えて、微粉炭ボイラ内のクリンカホッパから排出されるボトムアッシュと火炉１のエコノマイザから回収されるシリンダーアッシュとを燃焼灰として灰溶融炉４に供給する燃焼灰搬送系統を設けた微粉炭ボイラの実施形態２の系統構成を示す図である。
【００４８】
実施形態２では、ボイラ炉低部で回収されたクリンカアッシュと、火炉１のここでは図示しないエコノマイザやエアヒータで回収したシリンダーアッシュとをクリンカアッシュ粉砕機３３に送り、所定の粒径に粉砕した後、実施形態１の集塵器１３で回収されるフライアッシュとともに、ホッパ１６に回収する。
【００４９】
一般に、火炉底部のクリンカホッパから排出されるクリンカアッシュは、粒径が大きい。したがって、クリンカアッシュを灰溶融炉４に供給して溶融する場合は、粒径を細かくする粉砕機３３を取り付けた方がよい。
【００５０】
燃焼灰をすべて溶融スラグにする必要がない場合は、図６に示すように、集塵器１３とホッパ１６との間に、分別機３２を取り付けてもよい。分別機３２は、粒径が例えば２０μｍ以下の燃焼灰を分別してセメントの原材料として使い、残りの燃焼灰を灰溶融炉４に投入し、溶融スラグとして道路の路盤材などに使うように分別する。
【００５１】
【実施形態３】
図７は、本発明による微粉炭ボイラの実施形態３の系統構成を示す図である。実施形態３は、微粉炭ボイラの最下段バーナ２を取り除き、取り除いた個所に灰溶融炉の排気ガスの出口配管を取り付けた微粉炭ボイラである。
【００５２】
実施形態３は、灰溶融炉４からの高温の燃焼ガスを供給する排気ガス配管３１を最下段バーナ２の更に下段に増設する実施形態１および実施形態２とは異なって、微粉炭ボイラの最下段バーナ２を取り除き、取り除いた個所に灰溶融炉の排気ガスの出口配管を取り付けるので、加工個所が少なく、既設の微粉炭ボイラの改造方法として有利である。
【００５３】
灰溶融炉４の排気ガスを最下段のバーナ２の代替バーナ火炎として用いる場合は、排気ガスは一般的な微粉炭バーナよりも火炎温度が低い。このため、熱吸収が下がるので、他の微粉炭バーナの石炭量を増やして調節する。この石炭量の調節は、既設の微粉炭ボイラの改造の場合のみならず、火炉１を新規に着工する場合も同様である。
【００５４】
なお、図７の実施形態３の場合も、図６の実施形態２のように、微粉炭ボイラ内のクリンカホッパから排出されるボトムアッシュと火炉１のエコノマイザから回収されるシリンダーアッシュとを燃焼灰として灰溶融炉４に供給する燃焼灰搬送系統を設けることができる。
【００５５】
【実施形態４】
図８は、本発明による微粉炭ボイラの実施形態４における火炉の構造を示す斜視図であり、図９は、図８の火炉の還元領域および酸化領域を示す縦断面図である。図８，図９に示した微粉炭ボイラは、火炉１の形状が異なるだけで、その他の構造は、図１の実施形態１と同様である。
【００５６】
火炉３４には、石炭を燃焼させるためのバーナ３５と、火炉３４の下流側に空気を供給する空気ノズル３６と、燃焼灰を溶融する灰溶融炉３７とが設置され、灰溶融炉３７からの高温の燃焼ガスを供給する灰溶融炉出口配管３８が火炉３４の側壁に接続されている。
【００５７】
灰溶融炉３７には、バーナ３９と、空気ノズル４０と、燃焼灰供給ノズル４１とが設置されている。灰溶融炉３７は、バーナ３９で石炭を燃焼させた熱源を使用して、燃焼灰供給ノズル４１から供給された燃焼灰とバーナ３９から供給された石炭の燃焼灰とを溶融し、溶融スラグ４２として排出する。
【００５８】
火炉３４内を流れる流体は、水平方向に流れる。火炉３４のバーナ３５から噴出されるバーナ火炎４３は、火炉３４内で最も上流側の流体流れを作る。火炉３４には、石炭の燃焼に必要な空気量の約１.２倍を供給する。バーナ３５からは、石炭の燃焼に必要な空気量の約０.８倍の空気を供給し、残りの空気は、火炉３４の下流側に設置した空気ノズル３６から供給する。
【００５９】
火炉３４の上流側には、空気不足の還元領域４５が形成される。還元領域４５では、ＮＯｘから窒素を還元できる。この還元領域４５に灰溶融炉３７の排気ガス４６を供給する。灰溶融炉３７の排気ガス４６中に含まれていたＮＯｘは、火炉３４内に形成された還元領域４５で、窒素に還元される。灰溶融炉３７の排気ガス４６は、８００℃から１２００℃と高温のため、火炉３４内の温度が上がり、熱吸収量が増加する。
【００６０】
一方、火炉３４の下流側に設置した空気ノズル３６から空気４４を供給すると、空気ノズル３６付近は、酸化領域４７になるので、火炉３４内の石炭が燃焼し、燃焼灰中の未燃分が２％から５％になる。火炉３４の排気ガスは、上記図１に示すように、火炉出口４８から脱硝装置１２や脱硫装置１４を通り、クリーンなガスとして煙突１５から排気される。
【００６１】
灰溶融炉出口配管３８内の排気ガス４６の空気比は、０.９５から１.０５の範囲が望ましい。空気比が高すぎると、火炉３４内の還元領域４５の形成を妨げるからである。逆に、空気比が低すぎると、硫化腐食を起こしやすい排気ガスになり、灰溶融炉出口配管３８内や火炉３４内を腐食するからである。このような排気ガスを供給する場合は、火炉３４に設置した灰溶融炉出口配管３８近くに、新たに空気を供給する空気ノズルを取り付けた方がよい。
【００６２】
なお、本実施形態のように流体が水平方向に流れる方式の火炉ではなく、上から下に流体が流れる方式の火炉であっても、火炉内に形成される還元領域に溶融炉の排気ガスを供給すれば、同じ効果が得られる。
【００６３】
なお、図８，図９の実施形態４の場合も、図６の実施形態２のように、微粉炭ボイラ内のクリンカホッパから排出されるボトムアッシュと火炉１のエコノマイザから回収されるシリンダーアッシュとを燃焼灰として灰溶融炉４に供給する燃焼灰搬送系統を設けてもよい。
【００６４】
【発明の効果】
本発明によれば、複数段のバーナを有する火炉と火炉の排気ガス中の燃焼灰を回収する集塵器と燃焼灰を溶融して溶融スラグを生成する灰溶融炉と含む微粉炭ボイラにおいて、集塵器で回収した燃焼灰を灰溶融炉に供給する燃焼灰搬送系統を設けて、微粉炭ボイラの最下段バーナの更に下段に灰溶融炉で生成した燃焼ガスを供給する灰溶融炉出口配管を設けたので、灰溶融炉の排気ガスは、火炉の還元雰囲気を通過する際に、ＮＯｘを還元される。また、灰溶融炉で発生した熱も、火炉に吸収されることになる。したがって、ＮＯｘの排出量を押さえ、エネルギを有効利用しながら、燃焼灰を溶融できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による微粉炭ボイラの実施形態１の系統構成を示す図である。
【図２】図１に示した火炉１と灰溶融炉４の縦断面を示す図である。
【図３】外部から低温の排気ガスを火炉１に噴出した場合と高温の排気ガスを火炉１に噴出した場合の火炉１内の温度分布を比較して示す図である。
【図４】火炉出口温度と熱吸収量との関係を示す図である。
【図５】燃焼灰中の未燃分と火炉の出口ＮＯｘとの関係を示す図である。
【図６】集塵器１３で回収されるフライアッシュを灰溶融炉４に供給する実施形態１の燃焼灰搬送系統に加えて、微粉炭ボイラ内のクリンカホッパから排出されるボトムアッシュと火炉１のエコノマイザから回収されるシリンダーアッシュとを燃焼灰として灰溶融炉４に供給する燃焼灰搬送系統を設けた微粉炭ボイラの実施形態２の系統構成を示す図である。
【図７】本発明による微粉炭ボイラの実施形態３の系統構成を示す図である。
【図８】本発明による微粉炭ボイラの実施形態４の火炉の構造を示す斜視図である。
【図９】図８の火炉の還元領域および酸化領域を示す縦断面図である。
【符号の説明】
１ 火炉
２ バーナ
３ 空気ノズル
４ 灰溶融炉
５ 貯炭場
６ 石炭粉砕機
７ 給炭機
８ 石炭搬送管
９ 空気ブロア
１０ エアヒータ
１１ 空気搬送管
１２ 脱硝装置
１３ 集塵器
１４ 脱硫装置
１５ 煙突
１６ ホッパ
１７ 燃焼灰搬送管
１８ バーナ
１９ 空気ノズル
２０ 燃焼灰供給ノズル
２１ 石炭粉砕機
２２ 石炭搬送管
２３ 空気搬送管
２４ 還元雰囲気
２５ 酸化雰囲気
２６ バーナ火炎
２７ 空気
２８ 灰溶融炉排気ガス
２９ 溶融スラグ
３０ 最下段バーナ
３１ 灰溶融炉出口配管
３２ 分別機
３３ クリンカアッシュ粉砕機
３４ 火炉
３５ バーナ
３６ 空気ノズル
３７ 灰溶融炉
３８ 灰溶融炉出口配管
３９ バーナ
４０ 空気ノズル
４１ 燃焼灰供給ノズル
４２ 溶融スラグ
４３ バーナ火炎
４４ 空気
４５ 還元領域
４６ 排気ガス
４７ 酸化領域
４８ 火炉出口
Claims (10)
- 複数段のバーナを有する火炉と前記火炉の排気ガス中の燃焼灰を回収する集塵器と燃焼灰を溶融して溶融スラグを生成する灰溶融炉と含む微粉炭ボイラにおいて、
前記集塵器で回収した燃焼灰を前記灰溶融炉に供給する燃焼灰搬送系統を形成し、
前記微粉炭ボイラの最下段バーナの更に下段に前記灰溶融炉で生成した燃焼ガスを供給する灰溶融炉出口配管を接続したことを特徴とする微粉炭ボイラ。 - 複数段のバーナを有する火炉と前記火炉の排気ガス中の燃焼灰を回収する集塵器と燃焼灰を溶融して溶融スラグを生成する灰溶融炉と含む微粉炭ボイラにおいて、
前記集塵器で回収した燃焼灰を前記灰溶融炉に供給する燃焼灰搬送系統を形成し、
前記微粉炭ボイラの最下段バーナに代えて前記灰溶融炉で生成した燃焼ガスを供給する灰溶融炉出口配管を接続したことを特徴とする微粉炭ボイラ。 - 複数段のバーナを有する火炉と前記火炉の排気ガス中の燃焼灰を回収する集塵器と燃焼灰を溶融して溶融スラグを生成する灰溶融炉と含む微粉炭ボイラにおいて、
前記集塵器で回収した燃焼灰を前記灰溶融炉に供給する燃焼灰搬送系統を形成し、
前記火炉は、当該火炉内を流体が水平方向に流れる火炉であり、
前記火炉が、石炭を燃焼させる前記複数段のバーナを最上流側に、空気を供給する空気ノズルを下流側に、前記灰溶融炉で生成した燃焼ガスを供給する灰溶融炉出口配管を前記バーナと前記空気ノズルとの間の側壁に備えたことを特徴とする微粉炭ボイラ。 - 請求項１ないし３のいずれか一項に記載の微粉炭ボイラにおいて、
前記燃焼灰搬送系統は、前記集塵器で回収されるフライアッシュに加えて、前記微粉炭ボイラ内のクリンカホッパから排出されるボトムアッシュと、エコノマイザから回収されるシリンダーアッシュとを前記燃焼灰として回収し搬送する系統であることを特徴とする微粉炭ボイラ。 - 請求項４に記載の微粉炭ボイラにおいて、
前記燃焼灰搬送系統が、前記ボトムアッシュと前記シリンダアッシュとを粉砕するクリンカアッシュ粉砕機を備えたことを特徴とする微粉炭ボイラ。 - 請求項１ないし５のいずれか一項に記載の微粉炭ボイラにおいて、
前記燃焼灰搬送系統が、前記燃焼灰を粒径により選別する分別手段を備え、
所定粒径以下の燃焼灰を分別してセメントの原材料とし、残りの燃焼灰を前記灰溶融炉に投入し溶融スラグとすることを特徴とする微粉炭ボイラ。 - 複数段のバーナを有する火炉と前記火炉の排気ガス中の燃焼灰を回収する集塵器と燃焼灰を溶融して溶融スラグを生成する灰溶融炉と含む微粉炭ボイラの運転方法において、
前記集塵器で回収した燃焼灰を前記灰溶融炉に供給し、
前記微粉炭ボイラの最下段バーナの更に下段の高さに前記灰溶融炉で生成した燃焼ガスを供給することを特徴とする微粉炭ボイラの運転方法。 - 複数段のバーナを有する火炉と前記火炉の排気ガス中の燃焼灰を回収する集塵器と燃焼灰を溶融して溶融スラグを生成する灰溶融炉と含む微粉炭ボイラの運転方法において、
前記集塵器で回収した燃焼灰を前記灰溶融炉に供給し、
前記微粉炭ボイラの最下段バーナを取り外して当該最下段バーナの位置に前記灰溶融炉で生成した燃焼ガスを供給することを特徴とする微粉炭ボイラの運転方法。 - 複数段のバーナを有し内部の流体が水平方向に流れる火炉と前記火炉の排気ガス中の燃焼灰を回収する集塵器と燃焼灰を溶融して溶融スラグを生成する灰溶融炉と含む微粉炭ボイラの運転方法において、
前記集塵器で回収した燃焼灰を前記灰溶融炉に供給し、
前記火炉の最上流側に設置した前記複数段のバーナから石炭を燃焼させ、
前記火炉の下流側に設置した空気ノズルから空気を供給し、
前記灰溶融炉で生成した燃焼ガスを前記バーナと前記空気ノズルとの間の火炉側壁から供給することを特徴とする微粉炭ボイラの運転方法。 - 複数段のバーナを有する火炉と前記火炉の排気ガス中の燃焼灰を回収する集塵器と燃焼灰を溶融して溶融スラグを生成する灰溶融炉と含む既設の微粉炭ボイラの改造方法において、
前記集塵器で回収した燃焼灰を前記灰溶融炉に供給する燃焼灰搬送系統を形成し、
前記微粉炭ボイラの最下段バーナを取り外し、
当該最下段バーナの位置に前記灰溶融炉で生成した燃焼ガスを供給する灰溶融炉出口配管を接続することを特徴とする既設の微粉炭ボイラの改造方法。
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