JP4636611B2

JP4636611B2 - ボイラ装置

Info

Publication number: JP4636611B2
Application number: JP2005300106A
Authority: JP
Inventors: 隆弘丸本; 博武▲崎▼; 康一郎森
Original assignee: Babcock Hitachi KK
Current assignee: Mitsubishi Power Ltd
Priority date: 2005-10-14
Filing date: 2005-10-14
Publication date: 2011-02-23
Anticipated expiration: 2025-10-14
Also published as: JP2007107832A

Description

本発明は石炭や重油などの化石燃料を使用するボイラ装置に係り、特に、高硫黄燃料の燃焼に適したボイラ装置に関する。

石炭等の化石燃料を燃焼するボイラ火炉から排出される窒素酸化物（ＮＯｘ）を低減するため、排ガス中のＮＯｘ濃度を低減する機能を有する低ＮＯｘバーナと二段燃焼方式を組み合わせた燃焼法が採用されている。また、石炭等の化石燃料中には硫黄分が含まれるため、バーナゾーンで発生する未燃ガス中には腐食性の強いＨ₂ＳやＣＯＳ等のガスが含まれる。これらの腐食性ガスにより、炭素鋼や低合金鋼から作製される火炉の壁面を構成する水壁管等が腐食するが、特に、火炉の左右側壁の中央部のバーナゾーンと燃焼用空気供給ゾーンの間での腐食が顕著である。腐食部位の表面には硫化物スケールが形成され、そのスケール表面にはカーボン、ＦｅＳを含む未燃粒子が多量に付着している。硫化腐食による管の減肉速度はＨ₂Ｓ濃度によって変化し、特に、高硫黄含有燃料を燃焼させる場合に大きな問題になる。

ところで、このような還元腐食を防止する方法として、水壁管近傍の雰囲気を酸化雰囲気にすることや水壁管を耐食性に優れた材料によって構成することが有効である。水壁管近傍の雰囲気を酸化雰囲気とする方法としては、例えば、特開平１１−２３７００３号公報や特開２００５−３０６７５号公報に開示されているように、空気を炉内に供給する空気注入ノズルを水壁管に多数設置する技術が知られている。

図６には、水壁管近傍の酸素濃度を高める従来技術の一例を示す。図６（ａ）はボイラ装置の概略側面図であり、図６（ｂ）はＸ−Ｘ線断面矢視図である。ボイラ火炉１は、水壁管により構成された四面の火炉壁、すなわち前壁１ａ、後壁１ｂ、左右の側壁１ｃ，１ｃで構成される。また、前壁１ａと後壁１ｂには燃焼装置である複数のバーナ２及び複数の燃焼用空気ノズル４が設置されている。バーナ２からは燃料である石炭等の化石燃料ａとウインドボックス３から空気ｂが供給されるが、燃焼ガス中のＮＯｘ濃度を低減させるために空気比を１以下、望ましくは０．７〜０．９の範囲になるように空気供給量がダンパー６で調整されている。また、バーナゾーンで発生した未燃ガスはダンパー６により供給量を調整されてウインドボックス５に入り、燃焼用空気ノズル４を経由して火炉１内に供給される空気により完全燃焼される。

バーナゾーンと燃焼用空気供給ゾーンの間は還元性雰囲気であり、硫化腐食性が高いので、このゾーンに保護空気用ノズル７を複数設置して壁面近傍の酸素濃度を上げることで、水壁管が硫化腐食することを防止している。また、特開平１１−２１１０１０号公報には左右の側壁１ｃ，１ｃの近傍でバーナ空気比を高めて側壁１ｃの硫化腐食を防止する技術が開示されている。

一方、水壁管材料を耐蝕性に優れたものとする技術としては、例えば、５０Ｃｒ５０Ｎｉ等の耐腐食性材料を溶射する方法や、特開平１０−１６８５５４号公報に開示された鋼管外表面にＮｉ−Ｃｒ−Ｂ−Ｓｉ−Ｃ−Ｆｅ−Ｃｏからなる自溶合金等にＡｌを自溶合金に対して重量比で０．３〜８％含有させたものを溶射する方法などが知られている。
特開平１１−２３７００３号公報特開２００５−３０６７５号公報特開平１０−１６８５５４号公報特開平１１−２１１０１０号公報

前記図６に示す火炉壁に多数の保護用空気ノズル７を設置して、空気を火炉１内に供給することで火炉壁の硫化腐食を防止する方法では、多量の空気を必要とするため、火炉壁近傍のＮＯｘ濃度が増大するという問題がある。また、空気ノズル７を火炉壁に多数設けるために設備コストの増大を招くという問題がある。

一方、火炉壁に耐腐食性材料を使用する場合には材料費が高くなり、特に、耐腐食性材料を火炉壁に溶射する場合には熱衝撃による剥離が生じることがあり、信頼性に欠けるという問題がある。また、側壁１ｃの近傍のバーナ空気比を高めることで、図７に示すように側壁１ｃの近傍では燃焼ガス中のＨ₂Ｓガス濃度を低減できるが、空気比が１以上の条件にすると、燃焼ガス中のＮＯｘ濃度が急激に増加するため、空気比を１以上にすることができない。このため、Ｈ₂Ｓガス濃度の低減効果は限定されることになり、高硫黄分の石炭に対しては効果が期待できない。

本発明は、このような従来技術の実情に鑑みてなされたもので、その課題は火炉内での燃焼ガス中のＮＯｘ濃度を増加させることなく、かつ、火炉水壁管等の腐食を防止できるボイラ装置を提供することである。

本発明の課題は、次の解決手段により解決される。
請求項１記載の発明は、前壁と後壁と前後壁の両端に設けられる一対の側壁からなる火炉壁と、前記前壁と後壁に設けられた複数のバーナと、該バーナの後流側の前壁と後壁に設けられ、前記バーナでの不足分の燃焼用空気を火炉内に噴出する複数のエアポートとを備えたボイラ装置において、複数のバーナのうち、前壁と後壁の各炉壁の水平方向両側最外部に空気比を１よりも大きいバーナを配置し、該空気比を１よりも大きいバーナの内側に空気比が１よりも小さいバーナを配置し、前記空気比を１よりも大きいバーナの後流側の前壁と後壁の各炉壁に脱硝剤を供給する還元剤供給ノズルを配置したボイラ装置である。

請求項２記載の発明は、前壁と後壁と前後壁の両端に設けられる一対の側壁からなる火炉壁と、前記前壁と後壁に設けられた複数のバーナと、該バーナの後流側の前壁と後壁に設けられ、前記バーナでの不足分の燃焼用空気を火炉内に噴出する複数のエアポートとを備えたボイラ装置において、複数のバーナのうち、前壁と後壁の各炉壁の水平方向両側最外部に空気比が１よりも大きいバーナを配置し、該空気比を１よりも大きいバーナの内側に空気比が１よりも小さいバーナを配置し、前記空気比が１よりも大きいバーナの後流側に配置されるエアポートに還元剤の供給部を設けたボイラ装置である。

ここで還元剤としては、尿素、尿素水、アンモニア、アンモニア水のいずれかを使用することができる。

（作用）
前記したように、火炉壁面を構成する水壁管の硫化腐食はバーナが取り付けられていない火炉左右側壁の中央部であって、前後壁に設けられたバーナに対応する領域（以下バーナゾーンということがある）と燃焼用空気ノズルに対応する燃焼用空気ゾーンの間で多く発生し、腐食部位の表面には硫化物のスケールが形成され、かつスケール表面にはカーボンやパーライト等の未燃粒子が多量に付着している。

従って、水壁管の腐食原因には、燃焼火炎が水壁管を直撃して水壁管の近傍に還元性雰囲気が形成されること及び水壁管に未燃分が付着して水壁管の金属成分の硫化が促進されることが挙げられる。

腐食が最も激しい水壁管は左右側壁の中央部のバーナゾーンである。前記バーナゾーンにある左右側壁の中央部を直撃するのは、火炉の前壁と後壁に設置される複数のバーナの中の最も外側に配置されたバーナ、すなわちバーナが設置されていない左右側壁に隣接して配置されたバーナからの燃焼火炎である。したがって、当該バーナの空気比を１よりも大きくして、酸素濃度を上げることで効果的に水壁管の腐食を緩和できる。

一方、空気比が１を超えるバーナゾーンでは燃焼ガス中のＮＯｘ濃度の生成が顕著となり、火炉出口での燃焼ガス中のＮＯｘ濃度が上昇するが、ＮＯｘ濃度が上昇する領域は左右側壁近傍の狭い範囲に限定されるため、当該ゾーンに還元剤を供給することで、効果的に燃焼ガス中のＮＯｘ濃度の低減を図ることができる。

また、左右側壁に隣接した位置の火炉の前壁と後壁に配置されるバーナ以外のバーナであって、前壁と後壁に配置されるバーナの空気比を１より小さく、理想的には０．６〜０．８の範囲に抑制することで、火炉中央部に強い還元性ゾーンが形成されるので、ＮＯｘの生成を抑制することができる。

請求項１記載の発明によれば、複数のバーナのうち、前壁と後壁の各炉壁の水平方向両側最外部に配置した空気比を１よりも大きいバーナの後流側の前壁と後壁の各炉壁の還元剤供給ノズルから還元剤を炉内に供給するので燃焼ガス中のＮＯｘ濃度の増大を招くことがなくなり、火炉（左右側壁）の水壁管の硫化腐食を防止できる。

また、請求項２記載の発明によれば、複数のバーナのうち、前壁と後壁の各炉壁の水平方向両側最外部に配置した空気比を１よりも大きいバーナの後流側の前壁と後壁の各炉壁に配置されるエアポートに還元剤を供給するので、燃焼用空気と共に還元剤を炉内に供給することができるので燃焼ガス中のＮＯｘ濃度の増大を招くことがなくなり、火炉（左右側壁）の水壁管の硫化腐食を防止できる。

本発明の実施例を図面とともに説明する。

図１に本発明の一実施例に係るボイラ装置の構成図を示す。図１（ａ）はボイラ装置の概略側面図であり、図１（ｂ）は図１（ａ）のＸ−Ｘ線断面矢視図であり、図１（ｃ）は図１（ａ）のＹ−Ｙ線断面矢視図である。

本実施例のボイラ装置の基本的な構成は一般的な二段燃焼用ボイラ装置と同一であり、ボイラ火炉１とボイラ火炉１の後流部に設置された横置き伝熱管群８とで構成される。ボイラ火炉１の前壁１ａ及び後壁１ｂには複数のバーナ２と該バーナ２の後流側に複数の燃焼用空気ノズル４が設置されており、そのうちの最も外側（側壁１ｃに隣接した位置）に配置されたバーナ２の空気比を１より大きい値、理想的には１．０を超えて１．２まで、それ以外のバーナ２の空気比を１より小さな値、理想的には０．６〜０．８となるように運転している。

このように、本実施例のボイラ装置は、左右側壁１ｃ，１ｃの中央部を直撃する燃焼火炎を噴射するバーナ２の空気比を１よりも大きくしているので、これよりも内側、すなわち前壁１ａと後壁１ｂの中央部側に配置された他のバーナ２の空気比を１より小さくして還元性ガスを生成させる条件で燃料を燃焼させても、水壁管近傍の酸素濃度が高くなるため硫化腐食のポテンシャルが低くなる。

火炉１の水壁管の硫化腐食はバーナ２が取り付けられていない左右側壁１ｃ，１ｃの中央部のバーナゾーンと燃焼用空気供給ゾーンの間で多く発生し、水壁管の腐食部位の表面には硫化物のスケールが形成され、かつスケールの表面にはカーボンやパーライト等の未燃粒子が多量に付着している。

前述のように、燃焼火炎が水壁管を直撃して水壁管の近傍に還元性雰囲気が形成されること及び水壁管に未燃分が付着して水壁管の金属成分の硫化が促進されることが水壁管の腐食原因であるので、左右側壁１ｃ，１ｃの中央部を直撃する前後壁１ａ，１ｂの最も外側に配置されたバーナ２、すなわち左右側壁１ｃ，１ｃに隣接して配置されたバーナ２の空気比を１より大きくし、左右側壁１ｃ，１ｃ近傍の酸素濃度を上げることで効果的に水壁管の腐食を緩和できる。

また、ボイラ火炉１の水壁管部と横置き伝熱管群８との間の副側壁部の上部壁面と下部壁面に還元剤ノズル７が設けられ、該還元剤ノズル７から火炉内にそれぞれ還元剤（脱硝剤）が供給される。図１（ｃ）に示すように還元剤ノズル７は側壁１ｃに近い上部壁面と下部壁面にのみ設置して、燃焼ガス中のＮＯｘ濃度が高くなる側壁１ｃ近傍に還元剤ノズル７からＮＯｘ還元剤を供給して効果的にＮＯｘ濃度の低減を図っている。なお、還元剤（脱硝剤）としては尿素、尿素水、アンモニア、アンモニア水などを使用する。

図２（ａ）に図１（ｃ）の拡大図を示すが、バーナ２の空気比が１を超える左右側壁１ｃ，１ｃ近傍のゾーン９ではＮＯｘの生成が顕著となるが、このＮＯｘ濃度の高いゾーン９は左右側壁１ｃ，１ｃ近傍の狭い範囲に限定される。そのため、当該ゾーン９に還元剤を供給することで、図２（ｂ）（図２（ａ）の後流側の副側壁部の上部壁面と下部壁面の断面図）に示すように還元剤ノズル７よりも下流側ではＮＯｘ濃度の高いゾーン９はほとんど存在しなくなる。これにより、図３に示すように本実施例では火炉出口の燃焼ガス中のＮＯｘ濃度が従来技術よりも大幅に低減できる。

なお、上記実施例においては、火炉の前壁１ａと後壁１ｂに複数個のバーナ２を互いに対向配置したボイラ装置を例にとって説明したが、前壁１ａ又は後壁１ｂのみに複数個のバーナ２を配置したボイラ装置でも上記実施例と同様なバーナ２の配置態様を採用しても良い。その他、火炉１の形状やバーナ２の配列パターン及び配列数が異なる全てのボイラ装置に応用することができる。

本発明の他の実施例を図４に示す。本実施例では、火炉１の前壁１ａと後壁１ｂの炉幅（炉壁の水平方向の幅）方向の最外部のバーナ２の空気比を１よりも大きくし、かつ、最外部のバーナ２の上段（後流側）に位置する二段燃焼用空気ノズル４から火炉１内に供給する燃焼用空気に還元剤（脱硝剤）を混合させて炉内に供給するものである。図５には図４のバーナ２の設置部の火炉水平断面図（図５（ａ））と燃焼用空気ノズル４の設置部の火炉水平断面図（図５（ｂ））と図５（ｂ）に示す燃焼用空気ノズル４の設置部における前壁１ａ又は後壁１ｂの炉幅方向のガス温度分布を示す図（図５（ｃ））である。

最外部のバーナ２の空気比を１より大とし、さらに、その上段（後流側）の燃焼用空気ノズル４から二段燃焼用空気を火炉１内に投入することで、図５に示すように、還元剤混合ゾーンのガス温度を脱硝反応に適した温度域とすることが可能となる。

なお、通常の二段燃焼法でバーナ２から空気比が１未満の空気を供給し、その上段（後流側）の燃焼用空気ノズル４から燃焼用空気に還元剤を添加して炉内に供給すると、ガス温度が高いため、燃焼ガス中にＮＯｘが再生成するおそれがある。

本発明は、国内及び海外の石炭焚きボイラへの適用が可能で、特に、高硫黄分炭を燃焼するボイラ装置への適用の可能性が高い。

本発明の一実施例に係るボイラ装置の構成図であり、図１（ａ）はボイラ装置の概略側面図であり、図１（ｂ）はＸ−Ｘ線断面矢視図であり、図１（ｃ）は図１（ａ）のＹ−Ｙ線断面矢視図である。図２（ａ）は図１（ｃ）の拡大図であり、図２（ｂ）は図２（ａ）の後流側の副側壁部の上部壁面と下部壁面の断面図である。図１のボイラ装置と従来技術の火炉出口の燃焼ガス中のＮＯｘ濃度を比べた図である。本発明の一実施例に係るボイラ装置の構成図である。図４のバーナの設置部の火炉水平断面図（図５（ａ））と燃焼用空気ノズルの設置部の火炉水平断面図（図５（ｂ））と図５（ｂ）に示す燃焼用空気ノズルの設置部における前壁又は後壁の炉幅方向のガス温度分布を示す図（図５（ｃ））である。従来技術のボイラ装置の概略側面図（図６（ａ））と図６（ａ）のＸ−Ｘ線断面矢視図（図６（ｂ））である。従来技術の燃焼ガス中のＮＯｘ濃度とＨ₂Ｓガス濃度との関係を示す図である。

符号の説明

１ボイラ火炉１ａ前壁
１ｂ後壁１ｃ側壁
２バーナ３，５ウインドボックス
４燃焼用空気ノズル６ダンパー
７還元剤ノズル８横置き伝熱管群
９高ＮＯｘ濃度ゾーン

Claims

前壁と後壁と前後壁の両端に設けられる一対の側壁からなる火炉壁と、前記前壁と後壁に設けられた複数のバーナと、該バーナの後流側の前壁と後壁に設けられ、前記バーナでの不足分の燃焼用空気を火炉内に噴出する複数の燃焼用空気供給ノズルとを備えたボイラ装置において、
複数のバーナのうち、前壁と後壁の各炉壁の水平方向両側最外部に空気比を１よりも大きいバーナを配置し、該空気比を１よりも大きいバーナの内側に空気比が１よりも小さいバーナを配置し、前記空気比を１よりも大きいバーナの後流側の前壁と後壁の各炉壁に脱硝剤を供給する還元剤供給ノズルを配置したことを特徴とするボイラ装置。
前壁と後壁と前後壁の両端に設けられる一対の側壁からなる火炉壁と、前記前壁と後壁に設けられた複数のバーナと、該バーナの後流側の前壁と後壁に設けられ、前記バーナでの不足分の燃焼用空気を火炉内に噴出する複数のエアポートとを備えたボイラ装置において、
複数のバーナのうち、前壁と後壁の各炉壁の水平方向両側最外部に空気比が１よりも大きいバーナを配置し、該空気比を１よりも大きいバーナの内側に空気比が１よりも小さいバーナを配置し、前記空気比が１よりも大きいバーナの後流側に配置される燃焼用空気供給ノズルに還元剤の供給部を設けたことを特徴とするボイラ装置。