JP4850163B2 - ガス燃焼装置 - Google Patents

Description

本発明は、ガス焚きボイラのガス燃焼装置に関し、特に燃料ガス増減時においても燃料ガス流量の変動が少なく安定した運転が可能なガス焚きボイラのガス燃焼装置に関する。

製鉄所で発生するガスには、高炉ガス（ＢＦＧ）、コークス炉ガス（ＣＯＧ）、転炉ガス（ＬＤＧ）及びこれらを混合したミックスガス（ＭＸＧ）などの副生ガスがある。これら副生ガスを燃料とする発電用ボイラにおいて、燃料ガスを燃焼させるバーナには各燃料ガスの種類によりバーナ容量が決まっており、燃料ガスの流量に応じてバーナの点火本数を変化させる必要がある。従来のガス燃焼装置においては、燃料ガスの流量は流量制御弁により決められた流量変化率で変化するように自動制御されているけれども、バーナに燃料を送るバーナ弁は全開又は全閉のいずれかで使用する弁であった。このため燃料ガス流量が増加し使用するバーナ本数が増加するとき、全閉であったバーナ弁が全開になるためガス流量が一時的に増加し、燃料ガス流量が決められた流量変化率から外れてしまい、ボイラに悪影響を及ぼしていた。バーナ本数を低下させる場合も同様である。

これを解決するため、バーナ弁を開度調整可能なバーナ弁とすると共に、バーナ弁入口側圧力とボイラの火炉圧力との差圧から検出されるガスバーナ入口圧力検出手段を設け、ガスバーナ入口圧力が所定の値となるように燃料ガス流量に応じてバーナ弁の開度を調整するガスバーナ弁の開度自動制御方法が提案されている（例えば特許文献１参照）。これよりバーナの点消火回数を減少させることができるとする。さらにバーナ弁への開度制御指令に、上限、下限を設けたリミット制御を行うことで、ガスバーナ入口圧力の変動を小さくし、これに起因してボイラの熱吸収バランス等の変動を抑え、燃焼の安定化につなげることができるとする。
特開平１１−２０１４４５号公報

特許文献１に記載の技術は、全てのバーナ弁を弁開度調整可能な弁とし、さらにこの弁に制御信号を出力することで、バーナの点消火回数を減少させ、さらにバーナ弁の開度に制限を加えることで燃焼を安定化させるものである。この技術は、燃焼の安定化に有効な方法と思われるけれども、全てのバーナ弁を弁開度調整可能な弁とする必要があることから、バーナが多数段、多数個取付けられているようなボイラにあっては、多くのコストが必要となる。さらに全てのバーナ弁に制御信号を送り、各々のバーナ弁の弁開度を調整する必要があることから、制御系統が複雑となり高コストとなる。これらのことから特許文献１に記載の技術を既存のボイラに適用する場合にあっても、大がかりな改造が必要となり設備面及び費用の点から実施は容易でない。

本発明の目的は、構成が簡単で安価に実施可能であり、燃料ガス流量の変動が少なく安定した流量制御が可能なガス燃焼装置を提供することである。

請求項１記載のガス燃焼装置は、燃料ガスの流量を調整する流量制御弁とボイラの火炉本体に複数段設置されたガスバーナと該ガスバーナに対応した数のバーナ弁とを備えるガス燃焼装置において、一の段のガスバーナに接続するバーナ弁のみ弁開度を調整可能な調整バーナ弁とし、バーナ弁の入口側圧力と火炉圧力との差である火炉差圧を測定し、燃料ガスの流量を増減させるときも火炉差圧が一定となるように前記調整バーナ弁の弁開度を制御すると共に、ガスバーナの点火順は前記調整バーナ弁と接続する段のガスバーナを１番とし、ガスバーナの消火順は前記調整バーナ弁と接続する段のガスバーナを最後とすることを特徴とする。

請求項２記載のガス燃焼装置は、複数の燃料ガス系統を有し、燃料ガス系統毎に、燃料ガスの流量を調整する流量制御弁とボイラの火炉本体に複数段設置されたガスバーナと該ガスバーナに対応した数のバーナ弁とを備えるガス燃焼装置において、燃料ガス系統毎に、一の段のガスバーナに接続するバーナ弁のみ弁開度を調整可能な調整バーナ弁とし、燃料ガス系統毎にバーナ弁の入口側圧力と火炉圧力との差である火炉差圧を測定し、燃料ガス系統毎に燃料ガスの流量を増減させるときも火炉差圧が一定となるように前記調整バーナ弁の弁開度を制御すると共に、各燃料ガス系統ともガスバーナの点火順は前記調整バーナ弁と接続する段のガスバーナを１番とし、ガスバーナの消火順は前記調整バーナ弁と接続する段のガスバーナを最後とすることを特徴とする。

請求項３記載のガス燃焼装置は、前記構成に加え、製鉄所で発生する副生ガスを燃料とする。

請求項４記載のガス燃焼装置は、前記構成に加え、コーナファイアリング方式の燃焼方式である。

請求項１記載の本発明によれば、ボイラの火炉本体に複数段のガスバーナを備えるガス燃焼装置において、一の段のガスバーナに接続するバーナ弁のみ弁開度を調整可能な調整バーナ弁とし、火炉差圧を測定し、燃料ガス増減変化時においても火炉差圧が一定となるように調整バーナ弁の弁開度を制御するので、燃料ガス流量の変動が少なくガスバーナを安定的に燃焼させることができる。このときガスバーナが何段取付けられていても、弁開度を調整可能なバーナ弁は一段でよいことから、構成が簡単でかつ制御も容易となり安価に実施することができる。また既設のガス焚きボイラを改造する場合にも容易に行うことができる。さらにガスバーナの点火順は調整バーナ弁と接続する段のガスバーナを１番とし、ガスバーナの消火順は調整バーナ弁と接続する段のガスバーナを最後とするので、初点火、全消火の場合にも、燃料ガスの流量制御が容易となりガスバーナを安定的に燃焼させることができる。

請求項２記載の本発明によれば、複数の燃料ガス系統を有し、燃料ガス系統毎にボイラの火炉本体に複数段のガスバーナを備えるガス燃焼装置において、燃料ガス系統毎に一の段のガスバーナに接続するバーナ弁のみ弁開度を調整可能な調整バーナ弁とし、燃料ガス系統毎に火炉差圧を測定し、燃料ガス系統毎に火炉差圧が一定となるように調整バーナ弁の弁開度を制御するので、複数のガスを燃料とするボイラであっても燃料ガス流量の変動が少なくガスバーナを安定的に燃焼させることができる。また燃料ガス系統毎に、弁開度を調整可能なバーナ弁は一段でよいことから、構成が簡単でかつ制御も容易となり安価に実施することができる。また既設のガス焚きボイラを改造する場合にも容易に行うことができる。さらにガスバーナの点火順は調整バーナ弁と接続する段のガスバーナを１番とし、ガスバーナの消火順は調整バーナ弁と接続する段のガスバーナを最後とするので、初点火、全消火の場合にも、燃料ガスの流量制御が容易となりガスバーナを安定的に燃焼させることができる。

請求項３記載の本発明によれば、製鉄所で発生する副生ガスを燃料とするので、これを燃料とするボイラを備える発電設備で本発明を使用することができる。

請求項４記載の本発明によれば、ガス燃焼装置は、コーナファイアリング方式の燃焼方式であるのでコーナファイアリング方式のボイラに本発明を適用することができる。

図１は、本発明の実施の一形態としてのガス燃焼装置１の概略的構成を示す図である。図２は、図１のガス燃焼装置１のガスバーナの配置を示す平面図である。ガス燃焼装置１は、製鉄所で発生する副生ガスを燃料とするコーナファイアリング方式のボイラの燃焼装置である。燃料ガス系統は、高炉ガス（ＢＦＧ）、コークス炉ガス（ＣＯＧ）、及びミックスガス（ＭＸＧ）の３系統で構成され、燃料ガス系統毎に、燃料ガス管１０、３０、５０、流量制御弁１２、３２、５２、バーナ弁１４（１４ａ、１４ｂ図示省略、１４ｃ、１４ｄ図示省略）、１６（１６ａ、１６ｂ、１６ｃ、１６ｄ）、１８（１８ａ、１８ｂ図示省略、１８ｃ、１８ｄ図示省略）、３４（３４ａ、３４ｂ図示省略、３４ｃ、３４ｄ図示省略）、３６（３６ａ、３６ｂ図示省略、３６ｃ、３６ｄ図示省略）、５４（５４ａ、５４ｂ図示省略、５４ｃ、５４ｄ図示省略）、５６（５６ａ、５６ｂ図示省略、５６ｃ、５６ｄ図示省略）、ガスバーナ２０（２０ａ、２０ｂ、２０ｃ、２０ｄ）及び制御装置２５、４５、６５を備える。

高炉ガスを輸送する燃料ガス管１０は、上流側に流量制御弁１２、流量制御弁１２の下流側にバーナ弁１４、１６、１８を備え、バーナ弁１４、１６、１８の下流側にガスバーナ２０（一部のみ図示）が配置されている。高炉ガスを燃料とするガスバーナ２０は、ボイラの火炉本体３に３段、各段毎に火炉本体３の４角にガスバーナ２０（２０ａ、２０ｂ、２０ｃ、２０ｄ）が取付けられ、合計１２個のガスバーナからなる。バーナ弁１４、１６、１８は、ガスバーナ毎に取付けられており、１２個のバーナ弁のうち、上段の４個のバーナ弁１４（１４ａ、１４ｂ図示省略、１４ｃ、１４ｄ図示省略）は、弁開度を調整可能なタイプの弁（以下、調整バーナ弁と記す）であり、中段のバーナ弁１６（１６ａ、１６ｂ、１６ｃ、１６ｄ）、下段のバーナ弁１８（１８ａ、１８ｂ図示省略、１８ｃ、１８ｄ図示省略）は、全て全閉、全開のみ可能であり、中間開度で使用することのできないタイプの弁である。調整バーナ弁１４は、特定の弁型式に限定されないけれども、圧力損失が少なく流量調整が容易な弁が好ましく、モータ駆動式、エアー駆動式のバタフライ弁を好適に使用することができる。

高炉ガス系統の制御装置２５は、バーナ弁１４、１６、１８の上流側の燃料ガス管１０に設けられた燃料ガス管内の圧力を検出し出力する高炉燃料ガス管圧力発信機２７、及び火炉本体３に設けられた火炉内の圧力を検出し出力する火炉圧力発信機５に接続し、バーナ弁１４、１６、１８の上流側の燃料ガス管１０内の圧力と火炉本体３内の圧力との差である火炉差圧を検出すると共に、４個の調整バーナ弁１４に弁開度指令を送る機能を有する。このような制御装置２５は、従来から一般的に使用されているコントローラを使用することができる。流量制御弁１２は、図示を省略したボイラの燃料制御装置からの指令に基づき、燃料ガス流量が所定の流量となるように弁開度を可変させる。バーナ弁１４、１６、１８のうち、調整バーナ弁１４は、図示を省略したバーナ自動制御装置からのパターン指令に基づき動作すると共に、制御装置２５からの指令に基づき火炉差圧が一定となるように弁開度を可変させる。一方、全開、全閉タイプのバーナ弁１６、１８は、図示を省略したバーナ自動制御装置からのパターン指令に基づき開閉する。

コークス炉ガス及びミックスガスを燃料とする燃料ガス系統は、ガスバーナの設置段数が各々２段であるが、基本的に上記の高炉ガスを燃料とする燃料ガス系統と同じ構成であり、各々上段の４個のバーナ弁３４（３４ａ、３４ｂ図示省略、３４ｃ、３４ｄ図示省略）、４個のバーナ弁５４（５４ａ、５４ｂ図示省略、５４ｃ、３４ｄ図示省略）のみ調整バーナ弁となっている。本実施形態では、高炉ガス、コークス炉ガス及びミックスガス系統とも全て、上段のバーナ弁１４、３４、５４が、弁開度が調整可能な弁となっているけれども、必ずしも上段のバーナ弁に限られるものではなく、重要なことは燃料ガス系統毎に、最初に点火される段のガスバーナに接続するバーナ弁を調整バーナ弁とすることである。よって、ボイラの構造上又は運転上、高炉ガスの燃料系統の下段のガスバーナ（図示を省略）を最初に点火することが好ましい場合、下段のバーナ弁１８を調整バーナ弁とする必要がある。また調整バーナ弁１４、３４、５４と接続するガスバーナの消火の順を最後とするようにガスバーナの消火順を制御することが好ましい。本発明において調整バーナ弁１４、３４、５４は、燃料ガス系統毎に設け、１の燃料ガス系統にガスバーナが何段設置されていても一段のみでよい。また一段に何個のガスバーナが設置されていてもその段の全てのバーナ弁を調整バーナ弁とする。これは火炉本体３の横断面の温度分布が不均一となることを防止する意図による。

上記構成からなるガス燃焼装置１の使用例を、高炉ガスを燃料とするガスバーナの点火本数を４本から８本に変化させる場合を例にとり説明する。図３は、ガスバーナの点火本数を４本から８本とする場合の流量制御弁１２、調整バーナ弁１４の弁開度などを模式的に示した図である。図３中（ａ）は本発明のガス燃焼装置１、（ｂ）は比較例であって、全てのバーナ弁が全開全閉タイプの従来のガス燃焼装置である。ガス燃焼装置１は、コーナファイアリング方式の燃焼装置であり、ガスバーナの点火は、上段、中段、下段の順に行われ、消火は下段、中段、上段の順に行われ、各段のガスバーナは、対角線上の２つのガスバーナが同時に点火、消火される。制御装置２５は、上段の調整バーナ弁１４の弁開度を３０から８０％の範囲内で制御し、４つの調整バーナ弁１４ａ、１４ｂ、１４ｃ、１４ｄがオンのときは、全て同じ弁開度で制御する。弁開度を３０から８０％の間で開閉させるのは、全閉に近い弁開度、又は全開近い弁開度では、弁開度の変化に対する流量の変化割合が小さく、制御上好ましくないことによる。よって、弁開度が２０％又は９０％であっても弁開度の変化に対する流量の変化割合が比較的大きいような場合は、弁開度を２０％から９０％の範囲で開閉させてもよいことはもちろんであり、弁の特性を考慮し弁開度の上限、下限を決めればよい。４つの調整バーナ弁を全て同じ開度で開閉するように制御するのは、火炉本体３の横断面方向の温度を均一とするためである。

最初に点火する上段の４本のガスバーナが点火しているの状態において、図示を省略したボイラの燃料制御装置からの燃料ガスの増加指令があると、流量制御弁１２はこの指令に基づき弁開度を大きくする。流量制御弁１２の弁開度が大きくなるに従ってバーナ弁入口圧力が上昇するため、制御装置２５は、火炉差圧が一定となるように調整バーナ弁１４（１４ａ、１４ｂ、１４ｃ、１４ｄ）に弁開度を大きくするように指令を送る。なお火炉本体３の圧力は、別の制御系統により一定の値に制御されている。図３中（１）状態では４本の調整バーナ弁１４ａ、１４ｂ、１４ｃ、１４ｄの弁開度を大きくすることで、火炉差圧を一定に保持したまま燃料ガスの流量を大きくすることができる。

さらに燃料ガスの流量が増加し、調整バーナ弁１４（１４ａ、１４ｂ、１４ｃ、１４ｄ）の弁開度が８０％となると、中段のバーナ弁１６のうち対向する位置に設けられた２つのバーナ弁１６ａ、１６ｃに、図示を省略したバーナ自動制御装置から開指令が送られる。開指令を受けた２つのバーナ弁１６ａ、１６ｃは、所定の速度で開度を全開とする。同時に制御装置２５は、火炉差圧が一定となるように調整バーナ弁１４（１４ａ、１４ｂ、１４ｃ、１４ｄ）を閉じるように指令を送る。これにより流量に大きな変動を与えることなく、新たに２つのガスバーナ２０ａ、２０ｃを点火させることができる。これに対して、比較例に示す従来の燃料ガス装置では、新たに２つのバーナ弁を全開とするとき流量に大きな突変が発生する。

６個のガスバーナが点火した直後の状態においては、上段の調整バーナ弁１４の弁開度は３０％、中段の２つのバーナ弁１６ａ、１６ｃの弁開度は１００％である。この状態から燃料ガスの流量を増加させると、流量制御弁１２の弁開度が上昇すると共に、上段の４個の調整バーナ弁１４ａ、１４ｂ、１４ｃ、１４ｄの弁開度が上昇し、火炉差圧を一定に保持した状態で安定的の燃料ガスの流量が増加する。上段の４個の調整バーナ弁１４ａ、１４ｂ、１４ｃ、１４ｄの弁開度が８０％に達すると、中段の消火状態の２つのガスバーナ２０ｂ、２０ｄを点火するように図示を省略したバーナ自動制御装置からバーナ弁１６ｂ、１６ｄに開指令が送られる。開指令を受けた２つのバーナ弁１６ｂ、１６ｄは、所定の速度で開度を全開とする。このとき中段の先に点火していたガスバーナ２０ａ、２０ｃのバーナ弁１６ａ、１６ｃは全開のままであるが、制御装置２５が火炉差圧が一定となるように調整バーナ弁１４（１４ａ、１４ｂ、１４ｃ、１４ｄ）を閉じるように指令を送る。これにより流量に大きな変動を与えることなく新たに２つのガスバーナ２０ｂ、２０ｄを点火させることができる。これに対して、比較例に示す従来の燃料ガス装置では、新たに２つのバーナ弁を全開とするとき流量に大きな突変が発生する。

以上のようにガス流量を増加させる場合、ガスバーナの点火本数が何本であっても、又は点火段数が何段であっても、常に火炉差圧が一定となるように制御装置２５が調整バーナ弁１４の弁開度を調整するので、安定的に燃料ガスを増加させることができる。燃料ガスを減少させる場合は、上記と逆の動作をさせることで安定的に燃料ガスを減少させることができる。コークス炉ガス及びミックスガスを燃料とする燃料ガス系統も同じである。本実施形態では、コーナファイアリング方式のボイラを例として説明したけれども、本発明は、フロントファイアリング方式のボイラ、対向ファイアリング方式のボイラにも適用可能なことは言うまでもない。

また上記実施形態に示すガス燃焼装置１では、最初に点火される段のガスバーナに接続するバーナ弁を調整バーナ弁とするので、一番最初にガスバーナに点火（以下初点火と記す）の際に、流量の少ない時点、上記例では弁開度が３０％となった時点から火炉差圧を一定とするように制御することが可能なので、初点火の際も流量変動が少なく、安定した運転を確保することができる。さらに調整バーナ弁と接続するガスバーナの消火の順を最後とするようにガスバーナの消火順を制御することで、消火の際も大きなガス変動を生じさせることなく消火させることができ、ボイラを安定的に運転することができる。

上記の通り、本発明のガス燃焼装置は、ガスバーナが複数段設置されていても、一段のバーナ弁のみ弁開度を可変可能な弁とすればよいことから、既設のボイラにも容易に適応することができる。ガスバーナの設置段数が一段のガス燃焼装置にも適用することができることはもちろんである。燃料ガスも高炉ガスなど特定の種類のガスに限定されず、ガス燃焼装置に対するガス系統の数も特定の数に限定されるものではなく、一種類のガスであってもよい。なお上記実施形態では、火炉本体の横断面の温度の均一化を図る目的で一段全てのバーナ弁を弁開度を調整可能な調整バーナ弁としたけれども、ボイラの型式により一段全てのバーナ弁を同じ開度としなくても、ボイラに問題が生じないのであれば、一段のバーナ弁の一部のみ弁開度を調整可能な調整バーナ弁としてもよく、さらに複数のガスバーナを備えるガス燃焼装置の一部のガスバーナに接続するバーナ弁を調整バーナ弁としてもよい。

本発明の実施の一形態としてのガス燃焼装置１の概略的構成を示す図である。 図１のガス燃焼装置１のガスバーナの配置を示す平面図である。 図１に示すガス燃焼装置１のガスバーナの点火本数を４本から８本とする場合の流量制御弁、調整バーナ弁の弁開度などを模式的に示した図であり、図３中（ａ）は本発明のガス燃焼装置１、（ｂ）は比較例であって、全てのバーナ弁が全開全閉タイプの従来のガス燃焼装置である。

符号の説明

１ ガス燃焼装置
３ 火炉本体
５ 火炉圧力発信機
１２ 流量制御弁
１４ 調整バーナ弁
１６ バーナ弁
１８ バーナ弁
２０ ガスバーナ
２５ 制御装置
２７ 高炉燃料ガス管圧力発信機
３２ 流量制御弁
３４ 調整バーナ弁
３６ バーナ弁
４５ 制御装置
４７ コークス炉燃料ガス管圧力発信機
５２ 流量制御弁
５４ 調整バーナ弁
５６ バーナ弁
６５ 制御装置
６７ ミックス燃料ガス管圧力発信機

Claims (4)

1. 燃料ガスの流量を調整する流量制御弁とボイラの火炉本体に複数段設置されたガスバーナと該ガスバーナに対応した数のバーナ弁とを備えるガス燃焼装置において、
   一の段のガスバーナに接続するバーナ弁のみ弁開度を調整可能な調整バーナ弁とし、バーナ弁の入口側圧力と火炉圧力との差である火炉差圧を測定し、燃料ガスの流量を増減させるときも火炉差圧が一定となるように前記調整バーナ弁の弁開度を制御すると共に、
   ガスバーナの点火順は前記調整バーナ弁と接続する段のガスバーナを１番とし、ガスバーナの消火順は前記調整バーナ弁と接続する段のガスバーナを最後とすることを特徴とするガス燃焼装置。
2. 複数の燃料ガス系統を有し、燃料ガス系統毎に、燃料ガスの流量を調整する流量制御弁とボイラの火炉本体に複数段設置されたガスバーナと該ガスバーナに対応した数のバーナ弁とを備えるガス燃焼装置において、
   燃料ガス系統毎に、一の段のガスバーナに接続するバーナ弁のみ弁開度を調整可能な調整バーナ弁とし、燃料ガス系統毎にバーナ弁の入口側圧力と火炉圧力との差である火炉差圧を測定し、燃料ガス系統毎に燃料ガスの流量を増減させるときも火炉差圧が一定となるように前記調整バーナ弁の弁開度を制御すると共に、
   各燃料ガス系統ともガスバーナの点火順は前記調整バーナ弁と接続する段のガスバーナを１番とし、ガスバーナの消火順は前記調整バーナ弁と接続する段のガスバーナを最後とすることを特徴とするガス燃焼装置。
3. 製鉄所で発生する副生ガスを燃料とする請求項１又は請求項２に記載のガス燃焼装置。
4. コーナファイアリング方式の燃焼方式である請求項１から請求項３のいずれか１項に記載のガス燃焼装置。

Images