JP5271660B2 - 旋回燃焼ボイラ - Google Patents

Description

本発明は、旋回燃焼方式により微粉燃料を燃焼させる旋回燃焼ボイラに関する。

従来、石炭、バイオマス及び炭化物等の微粉燃料を旋回燃焼方式により燃焼させる旋回燃焼ボイラが知られている。
図４に示す旋回燃焼ボイラ１０は、火炉１１内へ空気を多段で投入することにより、バーナ部１２から追加空気投入部（以下、「ＡＡ部」と呼ぶ）１４までの領域を還元雰囲気にして低ＮＯx化を図っている。還元雰囲気となるバーナ部１２からＡＡ部１４までの還元ゾーンについては、距離が長くなるほど燃焼ガスの滞留時間も長くなってＮＯx発生量は小さくなる。なお、図中の符号１３はバーナ部１２に複数設けられたバーナ、１５はＡＡ部に複数設けられた追加空気投入ノズル（ＡＡノズル）である。

また、ボイラ火炉壁の前壁及び／または後壁にバーナが設置されているボイラの燃焼装置においては、付着性燃料灰が側壁に付着することを回避する手段を設けることが知られている。この付着回避手段は、燃焼用空気供給装置から供給される燃焼用空気について、旋回力や旋回方向を調整・制御するものである。（たとえば、特許文献１参照）
特許第３６５７２９１号公報

従来の微粉燃料ボイラにおいては、特に、低灰融点や高付着性の特性を有する高スラッギング燃料を燃焼させる場合、下記のようなトラブルを引き起こしてボイラの安定した運転継続に支障をきたすことが懸念される。
すなわち、高スラッギング燃料は、融点が低く付着性の高い灰を生成するため、溶融灰が火炉の内壁面に付着して成長しやすくなる。このため、付着・成長した溶融灰がバーナ部や炉底を閉塞するトラブル、あるいは、付着・成長した溶融灰が伝熱阻害の原因となるトラブルを引き起こし、比較的短い運転時間で微粉燃料ボイラの運転停止等に追い込まれるという問題を有している。

このような背景から、微粉燃料ボイラにおいては、特に、高スラッギングの微粉燃料を燃焼させるボイラにおいては、ボイラ火炉内へ付着する溶融灰（スラッギング）の量を低減して安定した運転の継続を可能にすることが望まれる。
本発明は、上記の事情に鑑みてなされたもので、ボイラ火炉内へ付着する溶融灰量を低減し、安定した運転の継続を可能にする旋回流ボイラを提供することにある。

本発明は、上記の課題を解決するため、下記の手段を採用した。
本発明に係る旋回流ボイラは、各段に配置した複数のバーナが、微粉燃料を燃焼させて段毎に１または複数のファイヤーボールを形成する旋回燃焼ボイラにおいて、前記バーナは、上下に隣接するバーナ段と異なる水平方向角度に向けて設置され、前記バーナの燃料供給量を上下に隣接するバーナ段と異なる値に設定するとともに、前記バーナの水平角度を変化させる水平角度制御装置を備え、火炉下流に配置された過熱器及び再熱器の蒸気温度と火炉出口ガス温度との少なくとも一方の温度分布検出値に応じて、前記水平角度制御装置の運転制御がなされることを特徴とするものである。

このような旋回燃焼ボイラによれば、バーナは、上下に隣接するバーナ段と異なる水平方向角度に向けて設置され、バーナの燃料供給量を上下に隣接するバーナ段と異なる値に設定するとともに、バーナの水平角度を変化させる水平角度制御装置を備え、火炉下流に配置された過熱器及び再熱器の蒸気温度と火炉出口ガス温度との少なくとも一方の温度分布検出値に応じて、水平角度制御装置の運転制御がなされるので、各バーナが微粉燃料を燃焼させて形成する各段の火炎を分散させることができる。すなわち、各段のバーナが微粉燃料を燃焼させて形成する火炎については、少なくとも上下に隣接する段毎の仮想円径を変化させて異なる値にすることができる。

そして、バーナの燃料供給量が、上下に隣接するバーナ段と異なる値に設定されているので、各段の火炎分散をより一層促進することができる。
この場合のバーナは、燃料供給量を増すバーナ段の水平方向角度を内向きにして仮想円の径を小さくすることが望ましい。
また、バーナの水平角度を変化させる水平角度制御装置を備え、火炉下流に配置された過熱器及び再熱器の蒸気温度と火炉出口ガス温度との少なくとも一方の温度分布検出値に応じて、水平角度制御装置の運転制御がなされるので、このような運転制御をすれば、燃焼させる微粉燃料の違いや火炉内の状況等に応じて、バーナ段毎の水平角度を最適化した運転が可能になる。

上記の発明において、前記バーナの燃料供給量を調整する燃料供給量制御装置を備え、火炉下流に配置された過熱器及び再熱器の蒸気温度と火炉出口ガス温度との少なくとも一方の温度分布検出値に応じて、前記燃料供給量制御装置の運転制御がなされることが好ましい。
このような運転制御をすれば、燃焼させる微粉燃料の違いや火炉内の状況等に応じて、燃料供給量を最適化した運転が可能になる。

上述した本発明によれば、旋回燃焼方式により微粉燃料を燃焼させる旋回燃焼ボイラにおいて、各段のバーナが形成する火炎を分散させ、火炉内における局所的な熱負荷やバーナ近傍の熱負荷を低減することができる。この結果、微粉燃料中の灰溶融割合が緩和されるので、ボイラ火炉内へ付着する溶融灰量を低減して安定した運転継続が可能になる。従って、高スラッギングの微粉燃料を燃焼させる旋回燃焼ボイラにおいても、ボイラ火炉内へ付着する溶融灰量を低減して安定した運転継続が可能になる。

以下、本発明に係る旋回燃焼ボイラの一実施形態を図面に基づいて説明する。
微粉燃料を燃焼させる旋回燃焼ボイラは、たとえば図４に示す旋回燃焼ボイラ１０のように、火炉１１内へ空気を多段で投入し、バーナ部１２から追加空気投入部１４までの領域を還元雰囲気にして低ＮＯx化を図っている。なお、旋回燃焼ボイラで燃焼させる微粉燃料としては、たとえば石炭、バイオマス、石油コークス及び炭化物等が知られている。

＜第１の実施形態＞
図１は、本実施形態に係る旋回燃焼ボイラについて、火炉内のバーナ部を段毎に示す横断面である。なお、紙面左側が従来構造、紙面右側が本発明の構造を示している。
図示の旋回燃焼ボイラは、略正方形の断面形状を有する火炉１１のバーナ部１２，１２Ａに、炉内の上下段方向に５段のバーナ１３が設置されている。各段のバーナ１３は、炉内の周方向において略正方形断面の各コーナ部に配置されている。従って、図示のバーナ部１２，１２Ａは、バーナ１３を各バーナ段の各コーナ部に配置する旋回燃焼方式となる。換言すれば、上下段方向の各段においては、バーナ１３が各コーナ部に１個ずつ設置された合計４個の周方向配置となり、同様の周方向配置として上下段方向に５段配置されている。この結果、バーナ部１２，１２Ａに配置されたバーナ１３は、各段を４個にした５段配置であり、従って合計のバーナ個数は２０個となる。

このように構成された旋回燃焼ボイラは、各段に配置された４個のバーナ１３が協働して火炉１１の断面中心部に各段１つのファイヤーボールを形成する。
また、図示の旋回燃焼ボイラは、たとえば図４に示すように、上述したバーナ部１２，１２Ａの上方に追加空気等入部（ＡＡ部）１４が設けられており、このＡＡ部１４から燃焼用の空気を多段投入することにより、バーナ部１２からＡＡ部１４までの領域が還元雰囲気とされる。

そして、本発明の旋回燃焼ボイラは、複数あるバーナ段の各段に配置した複数のバーナ１３が、微粉燃料を燃焼させて段毎に１または複数のファイヤーボールを形成し、バーナ１３は、上下に隣接するバーナ段と異なる水平方向角度に向けて設置されている。
具体的に説明すると、火炉１１の壁面１１ａに対するバーナ１３の水平方向角度は、紙面左側の従来構造において、各バーナ段及び各コーナが同じ角度のθに設定されている。

このような従来構造に対し、紙面右側に示す本発明のバーナ１３は、上下に隣接するバーナ段と異なる水平方向角度となるように、２種類の異なる角度θ，αに向けて交互に設置されている。図示の構成例において、最上段（第１段）のバーナ段では全てのバーナ１３が角度θの水平方向角度とされ、第２段のバーナ段では全てのバーナ１３が角度αの水平方向角度となる。以下同様に、第３段のバーナ段では全てのバーナ１３が角度θの水平方向角度、第４段のバーナ段では全てのバーナ１３が角度αの水平方向角度とされ、最下段（第５段）のバーナ段では全てのバーナ１３が角度θの水平方向角度とされる。すなわち、各バーナ段の水平方向角度は、第１段から第５段へ順に、θ及びαの角度が交互に繰り返されている。

このようなバーナ配置の旋回燃焼ボイラは、バーナ１３が上下に隣接するバーナ段と異なる水平方向角度に向けて設置されているので、各バーナ１３が微粉燃料を燃焼させて形成する各バーナ段の火炎間距離を離して分散させることができる。すなわち、各バーナ段のバーナ１３が微粉燃料を燃焼させて形成する火炎は、少なくとも上下に隣接するバーナ段毎の仮想円径を変化させて異なる大きさにすることができるので、火炎の分散により局所的な負荷の増大を回避することができる。この場合、水平方向角度αはθより大きな角度（α＞θ）となるため、水平方向角度をαとして内向きに微粉燃料を投入するバーナ１３の仮想円が小さくなり、火炎は壁面１１ａから離れた炉内中央部に形成される。このため、本実施形態のバーナ配置は、バーナ段毎にバーナ１３の水平方向角度を変化させ、段毎に仮想円径を変化させたものとなる。

この結果、微粉燃料の燃焼により形成される火炎が火炉１１内で分散し、火炉１１内の火炎集中による局所的な熱負荷や、バーナ１３の近傍における熱負荷を低減することができる。このため、火炉１１内の炉内温度分布が均一化されるので、微粉燃料中の灰溶融割合を緩和することができる。また、水平方向角度をαとして内向きに微粉燃料を投入するバーナ１３は、水冷の壁面１１ａに対する微粉燃料の衝突量低減が可能となる。
ところで、上述した実施形態では、バーナ段を５段とし、バーナ１３の水平方向角度がθ及びαのバーナ段を交互に配置したが、バーナ段の数や水平方向角度については上述した実施形態に限定されることはない。すなわち、バーナ段については４段や６段等にしてもよいし、水平方向角度については、隣接する上下段が異なっていれば３種類またはそれ以上の角度を適宜組み合わせてもよい。なお、火炉１１内に形成されるファイヤーボールの数についても、バーナ段毎にひとつとした実施形態に限定されることはなく、ふたつまたはそれ以上としてもよい。

次に、上述した実施形態の変形例を図２に基づいて説明する。なお、上述した実施形態と同様の部分には同じ符号を付し、その詳細な説明は省略する。
この変形例に示すバーナ部１２Ｂは、各バーナ段のバーナ１３に供給する微粉燃料の燃料供給量が、上下に隣接するバーナ段と異なる値に設定されている。すなわち、各バーナ段のバーナ１３は、上下に隣接するバーナ１３と角度θ及びαとした水平方向角度が異なるだけでなく、燃料供給量についても異なっている。

具体的な燃料供給量の設定は、バーナ段の最上段（第１段）において、水平方向角度をθにするとともに燃料供給量を減少させている。そして、バーナ段の第２段では、水平方向角度が内向きのαとされ、さらに、燃料供給量を増加させている。以下、第３段では、水平方向角度をθにして燃料供給量を減少させ、第４段では、水平方向角度を内向きのαにして燃料供給量を増加させ、最下段（第５段）では、水平方向角度をθにして燃料供給量を減少させている。すなわち、バーナ段毎の燃料供給量は、バーナ１３が外向きとなるバーナ段の減量（図中の細線矢印参照）と、内向きとなるバーナ段での増量（図中の太線矢印参照）とが交互に行われている。換言すれば、燃料供給量の多いバーナ段において、バーナ１３の水平方向角度が大きく設定され、火炉１１内の中心方向に向けた内向きに設置されている。なお、この場合の燃料供給量の調整は、バーナ段毎の増減による総量の変化がないように行われる。

このようなバーナ配置及び燃料供給量の設定は、上述した実施形態の水平角度調整による作用効果に加えて、燃料供給量を増加したバーナ段のバーナ１３を内向きに設置することで、微粉燃料中の灰分が壁面１１ａに衝突する量を低減することができる。すなわち、火炉１１の中央方向へ向けて微粉燃料を投入するバーナ１３は、溶融灰分が壁面１１ａに衝突して付着する可能性が小さいので、微粉燃料の投入割合を増して多めに供給する配分を行っている。従って、各バーナ段の火炎分散をより一層促進することができる。

＜第２の実施形態＞
次に、本実施形態に係る旋回燃焼ボイラについて、第２の実施形態を図３に基づいて説明する。なお、上述した実施形態と同様の部分には同じ符号を付し、その詳細な説明は省略する。
図３に示す旋回燃焼ボイラ１０Ａは、バーナ１３の水平角度を変化させるバーナ角度制御装置（水平角度制御装置）２０と、バーナ１３の燃料供給量を調整する燃料供給量制御装置３０とを備えている。さらに、火炉１１の下流に配置された過熱器及び再熱器１６には、蒸気温度の温度分布Ｔ１を検出する蒸気温度センサ１７が設けられ、火炉１１の出口部には、火炉出口ガス温度の温度分布Ｔ２を検出するガス温度センサ１８が設置されている。
なお、図中の符号１９は、過熱器及び再熱器１６の下流に設置された節炭器である。

蒸気温度の温度分布（以下、「蒸気温度分布」と呼ぶ）Ｔ１及び火炉出口ガス温度の温度分布（以下、「ガス温度分布」と呼ぶ）Ｔ２は、バーナ角度制御装置２０及び燃料供給量制御装置３０へ入力される。ここで検出される蒸気温度分布Ｔ１やガス温度分布Ｔ２は、火炉１１内の壁面１１ａに対する炉内灰付着状況を監視及び検知する手段となる。
すなわち、蒸気温度分布Ｔ１やガス温度分布Ｔ２が所定温度より高い場合、壁面１１ａの火炉壁水管に溶融灰が付着して汚れ、火炉壁水管の吸熱量が減少している状況にあると判断できる。そこで、壁面１１ａの火炉壁水管に対する溶融灰付着状況を緩和させるため、上述した実施形態及びその変形例と同様の方向の調整及び制御を実施する。具体的に説明すると、溶融灰の付着を緩和するため、バーナ１３の水平方向角度を増して内向きの方向へ変化させる方向の調整及び制御や、内向きとしたバーナ１３の燃料供給量を増す方向の調整及び制御を実施する。この結果、溶融灰の付着状況が緩和され、火炉壁水管の吸熱量が回復して蒸気温度分布Ｔ１やガス温度分布Ｔ２は所定の温度範囲に戻る。

反対に、蒸気温度分布Ｔ１やガス温度分布Ｔ２が所定温度より低い場合、溶融灰の付着は少なく壁面１１ａの火炉壁水管がクリーンであり、従って火炉壁水管の吸熱量が増加している状況にあると判断できる。そこで、壁面１１ａの火炉壁水管に対する溶融灰付着状況を進行するため、上述した実施形態及びその変形例と逆方向の調整及び制御を実施する。これは、たとえば蒸気タービン等のように、旋回燃焼ボイラ１０Ａから供給される蒸気２より運転する装置に所定の蒸気を供給するためである。
上述した調整及び制御を具体的に説明すると、溶融灰の付着を進行するため、バーナ１３の水平方向角度を小さくして外向きの方向へ変化させる方向の調整及び制御や、外向きとしたバーナ１３の燃料供給量を増す方向の調整及び制御を実施する。この結果、溶融灰の付着状況が進行し、火炉壁水管の吸熱量が低下して蒸気温度分布Ｔ１やガス温度分布Ｔ２は所定の温度範囲に戻る。

従って、蒸気温度分布Ｔ１やガス温度分布Ｔ２に基づいて、バーナ１３の水平方向角度や燃料供給量をフィードバック制御すれば、火炉１１の壁面１１ａに対する溶融灰の付着状況を最適に保ち、蒸気温度分布Ｔ１を所定の範囲内に維持する自動運転が可能になる。すなわち、過熱器及び再熱器１６から供給される蒸気は、所望の温度範囲が安定して維持されたものとなる。従って、このような運転制御により、燃焼させる微粉燃料の違いや火炉１１内の状況等に応じて、バーナ段毎の水平角度及び／または燃料供給量を最適化した運転が可能になる。
ところで、蒸気温度分布Ｔ１及びガス温度分布Ｔ２は、必ずしも両方を検出して制御する必要はない。また、バーナ１３の水平方向角度及び燃料供給量についても、上述した第１の実施形態及びその変形例のように、必ずしも両方を調整する必要はない。

このように、上述した本発明によれば、旋回燃焼方式により微粉燃料を燃焼させる旋回燃焼ボイラにおいて、各段のバーナ１３が形成する火炎を分散させ、火炉１１内における局所的な熱負荷やバーナ１３近傍の熱負荷を低減することができる。この結果、微粉燃料中の灰溶融割合が緩和される、火炉１１内の壁面１１ａへ付着する溶融灰量を低減して安定した運転継続が可能になる。従って、高スラッギングの微粉燃料を燃焼させる旋回燃焼ボイラにおいても、火炉１１内へ付着する溶融灰量を低減し、安定した運転継続が可能になる。
なお、本発明は上述した実施形態に限定されることはなく、たとえばバーナ段数や段毎に形成されるファイヤーボールの数など、その要旨を逸脱しない範囲内において適宜変更することができる。

本発明の第１の実施形態に係る旋回燃焼ボイラとして、バーナ各段について水平方向角度の調整例を従来構造と比較して示す図である。 図１の変形例として、バーナ各段について水平方向角度及び燃料供給量の調整例を従来構造と比較して示す図である。 本発明の第２の実施形態に係る旋回燃焼ボイラとして、バーナ各段のバーナについて水平方向角度及び燃料供給量の自動制御例を示す図である。 旋回燃焼ボイラの概要を示す構成図である。

符号の説明

１０Ａ 旋回燃焼ボイラ
１１ 火炉
１２，１２Ａ、１２Ｂ バーナ部
１３ バーナ
１６ 過熱器及び再熱器
１７ 蒸気温度センサ
１８ ガス温度センサ
２０ バーナ角度制御装置
３０ 燃料供給量制御装置

Claims (2)

1. 各段に配置した複数のバーナが、微粉燃料を燃焼させて段毎に１または複数のファイヤーボールを形成する旋回燃焼ボイラにおいて、
   前記バーナは、上下に隣接するバーナ段と異なる水平方向角度に向けて設置され、
   前記バーナの燃料供給量を上下に隣接するバーナ段と異なる値に設定するとともに、
   前記バーナの水平角度を変化させる水平角度制御装置を備え、火炉下流に配置された過熱器及び再熱器の蒸気温度と火炉出口ガス温度との少なくとも一方の温度分布検出値に応じて、前記水平角度制御装置の運転制御がなされることを特徴とする旋回燃焼ボイラ。
2. 前記バーナの燃料供給量を調整する燃料供給量制御装置を備え、火炉下流に配置された過熱器及び再熱器の蒸気温度と火炉出口ガス温度との少なくとも一方の温度分布検出値に応じて、前記燃料供給量制御装置の運転制御がなされることを特徴とする請求項１に記載の旋回燃焼ボイラ。

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