JP4672932B2 - 排ガス再循環燃焼を行うボイラ - Google Patents
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【産業上の利用分野】
本発明は必要に応じて排ガス再循環燃焼を行うボイラに関するものである。
【0002】
【従来の技術】
火炎の燃焼を行うと、光化学スモッグの原因となるNOx(窒素酸化物)が発生し、NOxは太陽の強い紫外線を受けると光化学反応を起こしてオゾンなどの光化学オキシダントになる。日差しが強く、気温が高く、風の弱い日の日中には、光化学オキシダントの濃度が高まり、光化学オキシダントがたまって白くもやがかかったようになったものが光化学スモッグであり、光化学スモッグは健康被害を引き起こすことがある。大気の汚染が著しくなった場合、都道府県知事はその事態を周知するとともに、ばい煙排出者や自動車使用者に対し、ばい煙排出量の減少や自動車運行を制限することの協力を求めることになっている(大気汚染防止法第23条)。参考として東京都における注意報発令基準と緊急時協力工場・事業場への措置を図3に示す。
【0003】
火炎を燃焼するボイラは、運転を行えばNOxが発生するが、上記の通りNOxは環境に悪影響を与えるため、NOx発生量を低減する努力が行われている。NOx発生量を削減する手段の1つとして排ガス再循環燃焼がある。NOxは高温で燃焼すると多量に発生し、燃焼温度が低いと発生量は少なくなる。燃焼用空気に排ガスを混合すると、排ガスは酸素量が少ないために燃焼用空気の酸素濃度が低下し、酸素濃度の低い燃焼用空気で燃焼を行うと火炎の局所的な高温域がなくなり、火炎温度の低下によってNOx発生量は減少する。ただし、燃焼に必要な酸素量は変わらないため、排ガス再循環燃焼時には酸素濃度が低くなっている分だけ燃焼用空気供給量を増やす必要があり、燃焼用空気量を多くすれば排ガスとともに排出される熱量が多くなるため、ボイラの効率は低下することになる。
【0004】
NOx発生量を抑制する手段がないボイラの場合、光化学オキシダント濃度上昇によってNOx発生量の削減が必要になったとしても、ボイラの運転をカットすることでしかNOxの発生量を減らすことができない。しかしボイラの運転をカットするということは、蒸気を使用するシステム全体の操業をカットすることになるため、NOx発生量を削減するために運転をカットすることは容易ではなかった。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
本発明が解決しようとする課題は、光化学スモッグの発生を防ぐこととボイラの効率を高く保つことを両立することにある。
【0006】
【課題を解決するための手段】
請求項1に記載の発明は、燃料と燃焼用空気を供給して燃焼を行う燃焼装置、燃焼装置へ燃焼用空気を供給する送風機、燃焼装置へ供給する燃焼用空気の供給量を調節する燃焼用空気量調節装置、燃焼後の排ガスを燃焼装置へ循環させる排ガス循環路を設け、排ガス再循環燃焼を可能としているボイラであって、燃料供給量に対応した酸素量を供給するように燃焼用空気供給量を調節しているボイラにおいて、燃焼装置へ循環する排ガス量を調節する排ガス循環量調節装置を設け、排ガス循環量調節装置によって排ガス再循環の実施と停止の切り換えを可能とし、前記の燃焼用空気量調節装置には、排ガス再循環を実施しない場合での燃焼用空気供給量であるEGR停止時用風量と、排ガス再循環を実施する場合での燃焼用空気供給量であるEGR実施時用風量を設定しておき、排ガス再循環停止時にはEGR停止時用風量に基づいて燃焼用空気量の調節を行い、排ガス再循環実施時にはEGR実施時用風量に基づいて燃焼用空気量の調節を行うようにしておき、燃焼用空気供給量調節装置は、EGR停止時用風量を設定した第1ダンパと、EGR実施時用風量を設定した第2ダンパからなり、排ガス再循環停止時には、第2ダンパを開いた状態で固定して燃焼量に応じて第1ダンパの開度を調節することで燃焼用空気供給量を調節し、排ガス再循環実施時には、第1ダンパを開いた状態で固定して燃焼量に応じて第2ダンパの開度を調節することで燃焼用空気供給量の調節を行うことを特徴とする。
【0009】
請求項2に載の発明は、燃料と燃焼用空気を供給して燃焼を行う燃焼装置、燃焼装置へ燃焼用空気を供給する送風機、燃焼装置へ供給する燃焼用空気の供給量を調節する燃焼用空気量調節装置、燃焼後の排ガスを燃焼装置へ循環させる排ガス循環路を設け、排ガス再循環燃焼を可能としているボイラであって、燃料供給量に対応した酸素量を供給するように燃焼用空気供給量を調節しているボイラにおいて、燃焼装置へ循環する排ガス量を調節する排ガス循環量調節装置を設け、排ガス循環量調節装置によって排ガス再循環の実施と停止の切り換えを可能とし、前記の燃焼用空気量調節装置には、排ガス再循環を実施しない場合での燃焼用空気供給量であるEGR停止時用風量と、排ガス再循環を実施する場合での燃焼用空気供給量であるEGR実施時用風量を設定しておき、排ガス再循環停止時にはEGR停止時用風量に基づいて燃焼用空気量の調節を行い、排ガス再循環実施時にはEGR実施時用風量に基づいて燃焼用空気量の調節を行うようにしておき、光化学スモッグが発生する気象条件下では排ガス再循環を実施し、光化学スモッグの発生しない気象条件下では排ガス再循環を実施しないことを特徴とする。
【0010】
【発明の実施の形態】
本発明の一実施例を図面を用いて説明する。図1は一実施例におけるボイラ1のフロー図、図2はそのタイムチャートである。ボイラ1は内部に燃焼室(図示せず)を設けており、燃焼室上部に燃焼装置3を設ける。燃焼装置3には燃焼用空気供給路7を接続し、燃焼用空気供給路7の他端には送風機10を接続する。送風機10は取り込んだ空気を加圧し、燃焼用空気供給路7を通して燃焼装置3へ送り込む。ボイラ1の下部には、燃焼室内から燃焼後の排ガスを取り出す排気通路4を設け、排気通路4の途中に排気通路4から分岐させた排ガス循環路5を接続し、排ガス循環路5の他端は、送風機10が空気の取り込みを行っている管に接続する。排ガス循環路5の途中に排ガス循環量調節装置としてEGRダンパ6、燃焼用空気供給路7の途中には燃焼用空気量調節装置として第1ダンパ8及び第2ダンパ9を設ける。送風機10、EGRダンパ6、第1ダンパ8、第2ダンパ9の作動を制御する給気制御装置2を設け、給気制御装置2は各装置と信号線で接続しておく。
【0011】
ボイラ1の燃焼装置3は、燃料と燃焼用空気の供給を受けて燃焼を行う。ボイラ燃焼時の燃焼量は、高燃焼と低燃焼の2段階で制御するものであれば、高燃焼用燃料及び高燃焼用空気の供給量と、低燃焼用燃料及び低燃焼用空気の供給量を設定しておき、燃料及び燃焼用空気の供給量を制御することで燃焼量を制御する。燃焼用空気量の調節は、燃焼用空気供給路7の流路面積を調節する第1ダンパ8及び第2ダンパ9によって行う。第1ダンパ8には排ガス再循環を実施していない場合において、高燃焼用風量となる開度と、低燃焼用風量となる開度を設定しておき、第2ダンパ9には排ガス再循環を実施している場合において、高燃焼用風量となる開度と、低燃焼用風量となる開度を設定しておく。
【0012】
排ガス再循環燃焼の実施は、排ガス循環路5の流路面積を全開と全閉の2点で制御するEGRダンパ6を開くことで行う。EGRダンパ6を全閉にしている場合、排ガスが送風機10へ流れることはないため、送風機10が供給する空気はボイラ外部から取り込んだ通常空気のみとなる。EGRダンパ6を全開にすると、排気通路4の排ガスが排ガス循環路5を通過することができるようになるため、送風機10へ向かう排ガスの流れが生じ、送風機10が供給する空気は、外部から取り込んだ通常空気と排気通路4から取り込んだ排ガスを混合した酸素濃度の低い空気となる。EGRダンパ6を全開にしている場合が排ガス再循環実施時であり、EGRダンパ6を全閉としている場合が排ガス再循環停止時となる。
【0013】
EGRダンパ6の操作は給気制御装置2によって行い、給気制御装置2は、排ガス再循環停止時には第1ダンパ8によって燃焼用空気供給量の調節を行い、排ガス再循環実施時には第2ダンパ9によって燃焼用空気供給量の調節を行う。排ガス再循環を実施するか否かは、給気制御装置2への入力によって切り換えることができるようにしておく。
【0014】
第1ダンパ8に設定しているダンパ開度は、排ガス再循環を行っていない通常の酸素濃度をもった空気で燃焼を行う場合での、低燃焼用風量と高燃焼用風量分の開度に設定し、第2ダンパ9に設定しているダンパ開度は、排ガス再循環を行うことで酸素濃度の低下している空気で燃焼を行う場合での、低燃焼用風量と高燃焼用風量分の開度に設定する。燃焼量が大きければ燃焼に必要な酸素量は大きくなり、燃焼量が小さければ燃焼に必要な酸素量は小さくなるため、低燃焼用風量と高燃焼用風量では高燃焼用風量の方が大きくなるように開度を大きくする。燃焼量が同じ場合には燃焼に必要な酸素量は同じであるが、酸素濃度が低ければ一定量の燃焼用空気に含まれている酸素量が少なくなるため、燃焼用空気供給量は多くする必要となる。そのため、第1ダンパ8に設定している低燃焼用開度及び高燃焼用開度より、第2ダンパ9に設定している低燃焼用開度及び高燃焼用開度の方が燃焼用空気供給量が多くなるようにしておく。
【0015】
図2はEGRダンパ6、第1ダンパ8、第2ダンパ9による風量調節の例を示したタイムチャートである。最初は給気制御装置2には排ガス再循環を行わないとの設定を行っており、排ガス再循環停止時の状態から始まっている。排ガス再循環を行わずに燃焼を行う場合、EGRダンパ6は全閉、第2ダンパ9は全開に固定しておき、燃焼量に応じて第1ダンパ8の開度を変更することで燃焼用空気供給量の調節を行う。この場合、EGRダンパ6を閉じているために排気通路4の排ガスが送風機10内に入ることはなく、送風機10からは通常の酸素濃度を持った燃焼用空気が送られる。第2ダンパ9は全開で固定しておき、第1ダンパ8は燃焼量によって開度を調節するため、第1ダンパ8で調節した風量が燃焼装置3へ送られる燃焼用空気供給量となる。
【0016】
給気制御装置2へ排ガス再循環燃焼実施の入力を行うと、給気制御装置2はEGRダンパ6を全閉から全開に移動させ、第1ダンパ8は全開とし、第2ダンパ9は燃焼量に合った開度に変更する。EGRダンパ6を開くと、送風機10が排気通路4の排ガスを吸引することになるため、送風機10から燃焼装置3へ送る燃焼用空気の酸素濃度は低下する。排ガス再循環燃焼を実施している場合、第1ダンパ8は全開で固定しておき、第2ダンパ9は燃焼量によって開度を調節する。そのため、第2ダンパ9で調節した風量が燃焼装置3へ送られる燃焼用空気供給量となり、第2ダンパ9の設定開度は第1ダンパ8の設定開度よりも、酸素濃度が低下している分だけ大きくしているため、排ガス再循環停止時より燃焼用空気供給量が多くなる。
【0017】
排ガス再循環燃焼を行う目的は、光化学スモッグの原因となるNOx発生量を削減することにあり、NOx発生量を削減することで光化学オキシダント濃度の上昇を防止することができる。ところが光化学オキシダントは、太陽の強い紫外線を受けることによる光化学反応によって発生するものであるため、特定の気象条件下でなければ光化学オキシダント濃度が上昇して光化学スモッグが発生することはなく、NOx発生量の増加がそのまま光化学オキシダント濃度の増加に結びつくものではない。つまり、ボイラの効率を犠牲にしてもNOx発生量を削減することは、光化学スモッグの発生する気象条件の場合には有効であるが、光化学スモッグの発生しにく気象条件の場合には効果がない。
【0018】
排ガス再循環燃焼の場合、燃焼用空気供給量を多くする必要があるために排気量が増加し、排気とともに排出される熱量が増加するためボイラの効率は低下する。排ガス再循環燃焼はNOx発生量を削減する効果を得ることができるが、燃料の有効利用の観点からは排ガス再循環燃焼を実施しない方がよい。また、効率が低下すれば燃焼量を多くする必要があるために二酸化炭素の発生量が増加することになる。二酸化炭素は直接の公害物質ではないが、地球温暖化の原因となる温室効果ガスであり、削減すべき対象であるため、二酸化炭素削減の観点からも排ガス再循環燃焼は実施しない方がよいことになる。
【0019】
燃焼量に合わせて行う燃焼用空気量の調節を、排ガス再循実施時と排ガス再循環停止時のそれぞれに応じた風量に調節できるようにしておけば、排ガス再循環燃焼を行う場合も行わない場合にも適正な燃焼を行うことができ、必要な場合にのみ排ガス再循環燃焼を行うことができる。光化学オキシダント濃度上昇時には排ガス再循環燃焼を行うようにすれば、ボイラの運転を削減しなくともNOx発生量を削減することができ、光化学スモッグの発生を抑えることができる。逆に、光化学オキシダント濃度の上昇しない場合には排ガス再循環を実施しないことで、ボイラの効率を高く保つことができ、常時排ガス再循環燃焼を行っているボイラに比べて燃料消費量が少なくなり、二酸化炭素の発生量も削減することができる。
【0020】
なお、送風機にインバータ回路などを設けておき、送風機の回転速度を変更することで燃焼用空気供給量を調節することも行われており、燃焼用空気量調節装置は送風機の回転速度を変更するものであっても良い。この場合には回転速度を、排ガス再循環を実施しない場合でのEGR停止時用風量と、排ガス再循環を実施する場合でのEGR実施時用風量で設定しておき、回転速度はEGR停止時用の方が低くなるように設定しておく。実施例のように燃焼量を高燃焼と低燃焼の2段階で制御する場合には、排ガス再循環実施時での高燃焼用回転数及び低燃焼用回転数と、排ガス再循環実施時での高燃焼用回転数及び低燃焼用回転数を設定する。
【0021】
【発明の効果】
本発明を実施することによって、光化学オキシダント濃度の高い場合におけるNOx発生量削減と、光化学オキシダント濃度の低い場合におけるボイラの効率の向上を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明の一実施例のフロー図
【図2】 本発明の一実施例のタイムチャート
【図3】 東京都における注意報発令基準と措置
【符号の説明】
1 ボイラ
2 給気制御装置
3 燃焼装置
4 排気通路
5 排ガス循環路
6 EGRダンパ
7 燃焼用空気供給路
8 第1ダンパ
9 第2ダンパ
10 送風機
Claims (2)
- 燃料と燃焼用空気を供給して燃焼を行う燃焼装置、燃焼装置へ燃焼用空気を供給する送風機、燃焼装置へ供給する燃焼用空気の供給量を調節する燃焼用空気量調節装置、燃焼後の排ガスを燃焼装置へ循環させる排ガス循環路を設け、排ガス再循環燃焼を可能としているボイラであって、燃料供給量に対応した酸素量を供給するように燃焼用空気供給量を調節しているボイラにおいて、燃焼装置へ循環する排ガス量を調節する排ガス循環量調節装置を設け、排ガス循環量調節装置によって排ガス再循環の実施と停止の切り換えを可能とし、前記の燃焼用空気量調節装置には、排ガス再循環を実施しない場合での燃焼用空気供給量であるEGR停止時用風量と、排ガス再循環を実施する場合での燃焼用空気供給量であるEGR実施時用風量を設定しておき、排ガス再循環停止時にはEGR停止時用風量に基づいて燃焼用空気量の調節を行い、排ガス再循環実施時にはEGR実施時用風量に基づいて燃焼用空気量の調節を行うようにしておき、燃焼用空気供給量調節装置は、EGR停止時用風量を設定した第1ダンパと、EGR実施時用風量を設定した第2ダンパからなり、排ガス再循環停止時には、第2ダンパを開いた状態で固定して燃焼量に応じて第1ダンパの開度を調節することで燃焼用空気供給量を調節し、排ガス再循環実施時には、第1ダンパを開いた状態で固定して燃焼量に応じて第2ダンパの開度を調節することで燃焼用空気供給量の調節を行うことを特徴とする排ガス再循環燃焼を行うボイラ。
- 燃料と燃焼用空気を供給して燃焼を行う燃焼装置、燃焼装置へ燃焼用空気を供給する送風機、燃焼装置へ供給する燃焼用空気の供給量を調節する燃焼用空気量調節装置、燃焼後の排ガスを燃焼装置へ循環させる排ガス循環路を設け、排ガス再循環燃焼を可能としているボイラであって、燃料供給量に対応した酸素量を供給するように燃焼用空気供給量を調節しているボイラにおいて、燃焼装置へ循環する排ガス量を調節する排ガス循環量調節装置を設け、排ガス循環量調節装置によって排ガス再循環の実施と停止の切り換えを可能とし、前記の燃焼用空気量調節装置には、排ガス再循環を実施しない場合での燃焼用空気供給量であるEGR停止時用風量と、排ガス再循環を実施する場合での燃焼用空気供給量であるEGR実施時用風量を設定しておき、排ガス再循環停止時にはEGR停止時用風量に基づいて燃焼用空気量の調節を行い、排ガス再循環実施時にはEGR実施時用風量に基づいて燃焼用空気量の調節を行うようにしておき、光化学スモッグが発生する気象条件下では排ガス再循環を実施し、光化学スモッグの発生しない気象条件下では排ガス再循環を実施しないことを特徴とする排ガス再循環燃焼を行うボイラの運転方法。
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