JP4639562B2

JP4639562B2 - ボイラのｓｏ３抑制式空燃比制御方法

Info

Publication number: JP4639562B2
Application number: JP2001281715A
Authority: JP
Inventors: 滋草間; 幹男桑原
Original assignee: IHI Corp
Current assignee: IHI Corp
Priority date: 2001-09-17
Filing date: 2001-09-17
Publication date: 2011-02-23
Anticipated expiration: 2021-09-17
Also published as: JP2003090511A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、高Ｓ分燃料を使用してボイラを運転したとき排ガス中に高濃度に含まれるＳＯ₃ を抑制できるボイラのＳＯ₃ 抑制式空燃比制御方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
ボイラプラントにおいて、ボイラからの排ガスは、アンモニア注入設備を備えた脱硝装置、空気予熱器、電気集塵器、脱硫装置を経て煙突出口から大気中に放出される。
【０００３】
従来、ボイラプラントの運転においては、ボイラ負荷に応じた燃料流量信号に対して、これを十分に完全燃焼し得るように予め設定されている燃料流量に応じた最適空気流量を出力して燃焼している。
【０００４】
この空気流量の出力のフィードバック制御機構として、ボイラ出口に排ガスＯ₂ 計を設置しており、Ｏ₂ 濃度について、計測値と設定値との間の偏差を算出し、負荷変化や燃料の性状に応じて供給空気量を制御している。
【０００５】
この従来の制御を図５により説明する。
【０００６】
ボイラでの発電量要求（ＭＷＤ）６０に基づいて、Ｏ₂ 設定用の関数発生器６１が、酸素量を設定し、その設定値が第１差分器６２に入力される。他方、ボイラ出口の排ガスＯ₂ 計６３，６３の検出値が平均化回路６４に入力されてその相加平均値が、第１差分器６２に入力される。第１差分器６２は、関数発生器６１で設定された酸素量と平均化回路６４からの相加平均した酸素量との差分を求め、この値を、高選択器６５を通じ、負荷変化修正回路６６に入力する。負荷変化修正回路６６は、入力された値を演算して、その結果を積分器６７とゲイン設定器６８に出力し、これらを基に総和器６９が制御量を求め、これを空燃比設定器７０に入力する。入力された値より空燃比設定器７０は空燃比を求め、この空燃比が乗算器７１に出力される。上述した発電量要求（ＭＷＤ）６０により設定されるボイラ燃焼量指令（燃料供給量）７２に基づいて、乗算器７１は、空気量を計算し、ボイラ全空気量制御指令値７３をつくり出す。
【０００７】
このように発電量要求（ＭＷＤ）６０に基づいた設定酸素量と、排ガスＯ₂ 計６３，６３で検出した未燃酸素量の偏差を求め、その偏差に基づいてフィードバック制御を行うことで、負荷変動や燃料性状の応じて最適な空気量で運転することができる。
【０００８】
また、平均化回路６４の相加平均値が、低選択器７４を通して第２差分器７５に入力されて、第２差分器７２で、その低選択器７４で選択された酸素量と最低酸素設定器７５から入力された最低酸素量との差分が求められ、その差分が高選択器６５に入力されることで、第１及び第２差分器６２，７６での差分のうち高い方が負荷修正回路６６に入力されることで、過剰に酸素量を供給しないような制御がなされる。
【０００９】
すなわち、排ガスＯ₂ 計６３，６３の検出値で検出される未燃酸素量が多ければ、第１差分器６２での差分は、少なくなるためボイラ全空気量は抑えられると共に最低酸素供給量を下回らないように制御がなされる。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、このボイラプラントで、高濃度のイオウ分を含む高Ｓ分燃料を使用して、燃焼したした場合、排ガス中に多量のＳＯ₃ が発生する。
【００１１】
排ガス中のＳＯ₃ は、ボイラ後流機器の運転へ悪影響を与えることから、その排出量は極力抑えることが望ましい。通常のボイラの後流機器には、脱硝装置、ＡＨ（空気予熱器）、ＥＰ（電気集塵器）、脱硫装置等が配置される場合があるが、排ガス温度が酸露点を下回る箇所では低温腐食の問題、脱硝装置でＮＨ₃ が注入される場合は、下流のＡＨにおける酸性硫安の析出によるエレメント閉塞の問題、またガス中ＳＯ₃ ミストが煙突から排出することによる紫煙の問題などが挙げられる。
【００１２】
しかしながら、上述した従来の制御では、ボイラ出口の未燃酸素濃度を検出して最適空気量を制御しても、ＳＯ₃ の発生を抑制することはできない。
【００１３】
ボイラでイオウ分を含む燃料を燃焼させたときのＳＯ₂ からＳＯ₃ への酸化機構については、燃焼火炎中で発生するものと、燃焼排ガスと接触する金属酸化物によって生成するものの２つに分けられると一般にいわれている。
【００１４】
このうち、特に前者においては、燃焼空気量を低減させるとＳＯ₃ 発生量が少なくなる傾向にある。高Ｓ分燃料を燃焼させた場合の空気比が発生ＳＯ₃ に及ぼす影響の例を図４（図４は、A,B,Hedley;J.Inst.Fuel,April.142(1967)より引用）に示すが、これによれば空気比＝１付近でＳＯ₃ 生成量が急激に減少してほぼゼロになることが分かる。このことからボイラの低空気比燃焼ががＳＯ₃ の発生抑制に非常に有用な手段であることが分かる。
【００１５】
しかし、低空気比とすると、ボイラ内での燃焼が不完全燃焼となり、ＣＯ濃度が上昇する問題を発生する。これはボイラの燃焼効率の低下をきたすとともに高濃度で大気に放出されると周辺への悪影響が避けられない。
【００１６】
そこで、本発明の目的は、上記課題を解決し、ボイラを最適に運転しつつ、ＳＯ₃ の発生を抑制できるボイラのＳＯ₃ 抑制式空燃比制御方法を提供することにある。
【００１７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、請求項１の発明は、高イオウ分燃料を使用してボイラを運転し、そのボイラから排出される排ガス中に含まれるＳＯ₃ の発生を抑制するボイラのＳＯ₃ 抑制式空燃比制御方法において、ボイラ負荷に合わせた供給燃料量と設定空気量でボイラを運転し、そのボイラ出口の排ガス中のＳＯ₃ 濃度を検出し、その検出したＳＯ₃ 濃度から予め設定したＳＯ₃ 濃度に対する空気補正量を求め、その空気補正量で、設定空気量を補正するようにしたボイラのＳＯ₃ 抑制式空燃比制御方法である。
【００１８】
請求項２の発明は、ボイラ出口の排ガス中のＣＯ濃度を検出し、そのＣＯ濃度を基に上記空気補正量を調整する請求項１記載のボイラのＳＯ₃ 抑制式空燃比制御方法である。
【００１９】
請求項３の発明は、ボイラ出口の排ガス中の未燃酸素濃度を検出し、その未燃酸素濃度を基に、補正した設定空気量との偏差を求め、これによりボイラに供給する空気をフィードバック制御する請求項１記載のボイラのＳＯ₃ 抑制式空燃比制御方法である。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好適実施の形態を添付図面に基づいて詳述する。
【００２１】
先ず、図１によりボイラプラントを説明する。
【００２２】
図１において、１０はボイラで、バーナ１１から噴射された重油や微粉炭、オリマルジョン燃料などが燃焼される火炉１２と、その火炉１２で発生した燃焼ガスと熱交換してスチームを発生する過熱器、エコノマイザなどの伝熱管１３が配置された後部伝熱部１４からなり、そのボイラ１０の後部伝熱部１４から排出される排ガスのダクト１５に、脱硝装置１６、空気予熱器１７、電気集塵器１８、脱硫装置１９、煙突２０が順次接続される
バーナ１１には、押込通風機２１より空気供給ライン２２を介し、途中で空気予熱器１７により排ガスと熱交換して予熱された焼焼用の空気が供給されるようになっている。
【００２３】
ボイラ１０からの排ガスは、脱硝装置１６で、排ガス中のＮＯｘが脱硝され、空気予熱器１７で燃焼空気と熱交換して冷却され、電気集塵器１８で除塵され、脱硫装置１９で、排ガス中のＳＯ₂ が除去されて煙突２０から大気に排出される。
【００２４】
また、排ガス中のＳＯ₃ は、脱硝装置１６内或いはその出口（または空気予熱器１７或いは電気集塵器１８の入口側）でアンモニア（ＮＨ₃ ）を噴射することで、硫安とされ、電気集塵器１８で捕集除去される。
【００２５】
さて、本発明においては、ボイラ１０の後部伝熱部１４から脱硝装置１６に至るダクト１５ａに、排ガス中の酸素濃度を測定するＯ₂ 分析計２３、一酸化炭素濃度を検出するＣＯ分析計２４、ＳＯ₃ 濃度を計測するＳＯ₃ 分析計２５が接続され、これらＯ₂ ，ＣＯ，ＳＯ₃ の濃度を検出することで、ボイラ負荷に合わせて、発生するＳＯ₃ を抑制しつつ最適な空気量を制御できるようにしたものである。
【００２６】
この排ガス中の各種ガス成分の分析は、Ｏ₂ 分析計２３、ＣＯ分析計２４については、ＪＩＳ化されている機器を用いる。またＳＯ₃ 分析計２５については、本出願人が先に提案した煙道中のＳＯ₃ ガスの濃度算出方法（特願平１１−３７４１０６号）によりリアルタイムで濃度分析を行う。このＳＯ₃ 分析法は、排ガスの一部を、そのまま分光セルに導入し、これを紫外線域の波長域で、ＳＯ₂ 等混在した分光スペクトルを求めると共に予めＳＯ₂ 等を混在させた既知の濃度のサンプルガスの吸光度スペクトルをとり、これを多変量解析によりＳＯ₃ ガスの検量線を作成しておき、これを基に、計測した排ガスの吸光度スペクトルから排ガス中のＳＯ₃ ガスの濃度を求めるようにしたもので、これにより従来のように時間遅れなくリアルタイムでＳＯ₃ ガスの濃度分析が行えるようにしたものである。
【００２７】
次に、本発明のボイラのＳＯ₃ 抑制式空燃比制御のブロック図を図２により説明する。
【００２８】
このブロック図は、図５の従来の制御ブロック図に、ＣＯ分析計２４とＳＯ₃ 濃度を計測するＳＯ₃ 分析計２５の検出値を基に、ボイラでの発電量要求（ＭＷＤ）３０に基づいて、Ｏ₂ 設定用の関数発生器３１で設定される酸素量を補正する回路を加えたものである。
【００２９】
図２において、ボイラ負荷となる発電量要求（ＭＷＤ）３０に基づいて、Ｏ₂ 設定用の関数発生器３１が、酸素量を設定し、それを後述する補正用総和器３２、補正用高選択器３３を介して第１差分器３４に入力される。
【００３０】
他方、ボイラ出口の排ガスＯ₂ 計２１，２１の検出値が平均化回路３５に入力されてその相加平均値が、第１差分器３４に入力される。第１差分器３４は、入力された酸素量と平均化回路３５からの相加平均した酸素量との差分を求め、この値を、高選択器３６を通じ、負荷変化修正回路３７に入力する。
【００３１】
負荷変化修正回路３７は、入力された値を演算して、その結果を積分器３８とゲイン設定器３９に出力し、これらを基に総和器４０が、制御量を求めて空燃比設定器４１に入力する。これにより、空燃比設定器４１は空燃比を求め、この空燃比が乗算器４２に出力され、上述した発電量要求（ＭＷＤ）３０により設定されるボイラ燃焼量指令（燃料供給量）４３に基づいて、乗算器４２が、空気量を計算し、ボイラ全空気量制御指令値４４をつくり出すことでフィードバック制御がなされる。
【００３２】
また、平均化回路３５の相加平均値が、低選択器４５を通して第２差分器４６に入力されて、第２差分器４６で、その低選択器４５で選択された酸素量と最低酸素設定器４７から入力された最低酸素量との差分が求められ、その差分が高選択器３６に入力されることで、第１及び第２差分器３４，４６での差分のうち高い方が負荷修正回路３７に入力されることで、過剰に酸素量を供給しないような制御がなされる。
【００３３】
さて、ボイラでの発電量要求（ＭＷＤ）３０は、Ｏ₂ 設定用の関数発生器３１の他に、最低Ｏ₂ 設定用の関数発生器５０とＳＯ₃ 設定用の関数発生器５１に入力される。
【００３４】
ＳＯ₃ 分析計２５，２５の検出値は、平均化回路５２に入力され、平均化回路５２で相加平均がなされて、第３差分器５３に入力され、その差分器５３で、ＳＯ₃ 設定用の関数発生器５１から入力される酸素量との差分が求められる。
【００３５】
このＳＯ₃ 設定用の関数発生器５１での関数は、図３（ａ）に示したグラフに基づいた関数となっており、発電量要求（ＭＷＤ）の変化に対して、すなわち供給燃料の増減に対して、一定のＳＯ₃ 濃度となるようにＳＯ₃ が設定され、その設定のＳＯ₃ 濃度と平均化回路５２で相加平均がなされたＳＯ₃ 濃度との差分が第３差分器５３で求められ、その差分が、積分器５４に入力されると共にその演算結果が、ＳＯ₃ 補正用の関数発生器５５に入力される。
【００３６】
ＳＯ₃ 補正用の関数発生器５５での関数は、図３（ｂ）に示したグラフに基づいた関数となっており、積分器５４からのＳＯ₃ 濃度の差分（ΔＳＯ₃ ）に基づいた空気量（Ｏ₂ ）が演算される。この図３（ｂ）のグラフは、差分（ΔＳＯ₃ ）があるときは、空気量（Ｏ₂ ）を設定値（０）より順次減らすようにし、差分（ΔＳＯ₃ ）が所定値を越えたときは、設定値より−２．５％減じた値となる空気量（Ｏ₂ ）となるようになっている。
【００３７】
ＳＯ₃ 補正用の関数発生器５５で演算された補正空気量は、乗算器５６に入力される。
【００３８】
他方、ＣＯ分析計２４，２４の検出値は、平均化回路５７に入力され、平均化回路５７で相加平均がなされて、ＣＯ補正用関数発生器５８に入力される。
【００３９】
ＣＯ補正用関数発生器５８での関数は、図３（ｃ）に示したグラフのように、ＣＯ濃度が１００ｐｐｍ以下のときには、ＣＯによる補正係数が１で、１００ｐｐｍを越えて１０００ｐｐｍまでは、順次係数が０となるような関数となっている。
【００４０】
平均化回路５７で相加平均されたＣＯの検出値は、ＣＯ補正用関数発生器５８に入力され、そのＣＯ濃度に応じた係数が乗算器５６に入力される。乗算器５６は、入力された補正空気量に係数を乗じて補正用総和器３２に出力する。
【００４１】
補正用総和器３２は、Ｏ₂ 設定用の関数発生器３１から出力された設定空気量と補正空気量の総和、すなわち設定空気量から補正空気量を減じて補正用高選択器３３に出力する。
【００４２】
補正用高選択器３３では、最低Ｏ₂ 設定用の関数発生器５０の最低設定空気量と補正用総和器３２から入力された空気量を比較していずれか高い方を第１差分器３４に出力する。
【００４３】
この第１差分器３４に入力された排ガス中のＳＯ₃ ，ＣＯの濃度を加味して補正した設定空気量は、上述したように未燃酸素の検出値に基づいて最適空気量のフィードバック制御が行われる。
【００４４】
このように、発生ＳＯ₃ 濃度を抑制するように、ボイラへの最適供給空気量を制御することで、従来の空気量制御に比べて、燃料性状の変化、ボイラ燃焼状態の変化、経時的な伝熱面の汚れに起因する排ガス中の、排ガス中のＳＯ₃ 濃度上昇を抑制することが可能となり、これにより、ＳＯ₃ が原因で生じるボイラの後流機器での悪影響（閉塞、低温腐食、紫煙）を抑制し、機器を長寿命にすることができる。
【００４５】
【発明の効果】
以上要するに本発明によれば、燃料性状の違い、経時的なボイラ汚れなどにより、排ガス中のＳＯ₃ 分が上昇しても、そのＳＯ₃ 変化を検出し、これを基にフィードバック制御により、空気量を適切に制御してＳＯ₃ の発生を抑制することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明におけるボイラプラントの概略を示す図である。
【図２】本発明のボイラのＳＯ₃ 抑制式空燃比制御方法における制御ブロック回路を示す図である。
【図３】図２における関数発生器の関数の具体例を示す図である。
【図４】空気比と発生ＳＯ₃ の関係を示す図である。
【図５】従来の制御ブロック回路を示す図である。
【符号の説明】
１０ボイラ
２５ＳＯ₃ 分析計
３０発電量要求（ＭＷＤ）
３１Ｏ₂ 設定用の関数発生器
４３ボイラ燃焼量指令（燃料供給量）
４４ボイラ全空気量制御指令値
５５ＳＯ₃ 補正用の関数発生器

Claims

高イオウ分燃料を使用してボイラを運転し、そのボイラから排出される排ガス中に含まれるＳＯ₃ の発生を抑制するボイラのＳＯ₃ 抑制式空燃比制御方法において、ボイラ負荷に合わせた供給燃料量と設定空気量でボイラを運転し、そのボイラ出口の排ガス中のＳＯ₃ 濃度を検出し、その検出したＳＯ₃ 濃度から予め設定したＳＯ₃ 濃度に対する空気補正量を求め、その空気補正量で、設定空気量を補正することを特徴とするボイラのＳＯ₃ 抑制式空燃比制御方法。
ボイラ出口の排ガス中のＣＯ濃度を検出し、そのＣＯ濃度を基に上記空気補正量を調整する請求項１記載のボイラのＳＯ₃ 抑制式空燃比制御方法。
ボイラ出口の排ガス中の未燃酸素濃度を検出し、その未燃酸素濃度を基に、補正した設定空気量との偏差を求め、これによりボイラに供給する空気をフィードバック制御する請求項１記載のボイラのＳＯ₃ 抑制式空燃比制御方法。