JP5622083B2

JP5622083B2 - 燃焼装置

Info

Publication number: JP5622083B2
Application number: JP2010123744A
Authority: JP
Inventors: 貴志新藤; 佐々木　務; 務佐々木; 三浦　正敏; 正敏三浦
Original assignee: Miura Co Ltd
Current assignee: Miura Co Ltd
Priority date: 2010-05-31
Filing date: 2010-05-31
Publication date: 2014-11-12
Anticipated expiration: 2030-05-31
Also published as: JP2011247554A

Description

本発明は、ボイラ等において燃料を燃焼させる燃焼装置に関し、特に、燃料としてバイオガスを用いる燃焼装置に関する。

近年、環境問題への意識の高まりから、下水汚泥や有機性工場排水等を発酵させることで得られるバイオガスをエネルギー源として有効利用しようとする機運が高まっている。例えば、下記特許文献１乃至４には、バイオガスを燃料として用いる燃焼装置が開示されている。

ところで、通常、バイオガスは発生量や成分が安定しないため、燃料としてバイオガスを単独で使用すると、燃焼が不安定となったり、所望の出力が安定して得られないといったことが生じてしまう。このため、下記特許文献１乃至４では、都市ガス等の安定供給可能な燃料をバイオガスに補助的に混合させて使用することが開示されている。

特開２００２−２２６８７８号公報特開２００３−０６５０８３号公報特開２００３−０６５０８４号公報特開２００３−２２２３２４号公報

しかし、成分が不安定なバイオガスを燃料として使用すれば、安定した燃焼の障害となることは避けられず、バイオガスを燃料として使用することで、不完全燃焼が発生し易くなってしまう。また、着火時等の燃焼状態が安定していないときにバイオガスを燃料として使用すると、不完全燃焼が助長されるだけでなく、火が消えてしまうことにもなる。

本発明は、このような課題に鑑みてなされたものであり、バイオガスを使用する燃焼装置において、より安定した燃焼を実現することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明に係る燃焼装置は、多段階の燃焼モードを有するボイラに設置された、標準燃料とバイオガスとを混合して燃焼させる燃焼装置において、主燃料としての標準燃料を供給する標準燃料ラインと、副燃料としてのバイオガスを供給する、バイオガスの供給を調整するバイオガス供給弁を有するバイオガスラインと、前記標準燃料に対する前記バイオガスの混合量を調整するために前記バイオガス供給弁の開閉を制御する制御器と、を備え、前記制御器は、燃焼モードの移行中は前記バイオガス供給弁を閉じるように制御することを特徴とする。なお、上記バイオガス供給弁は、単独の弁で構成される場合だけでなく、遮断弁と流量制御弁の組み合わせ等、複数の弁で構成される場合も含む。
また、本発明に係る燃焼装置は、低燃焼モードと高燃焼モードを含む多段階の燃焼モードを有するボイラに設置された、標準燃料とバイオガスとを混合して燃焼させる燃焼装置において、主燃料としての標準燃料を供給する標準燃料ラインと、副燃料としてのバイオガスを供給する、バイオガスの供給を調整するバイオガス供給弁を有するバイオガスラインと、前記標準燃料に対する前記バイオガスの混合量を調整するために前記バイオガス供給弁の開閉を制御する制御器と、を備え、前記制御器は、前記高燃焼モード時には前記バイオガス供給弁を閉じるように制御することを特徴とする。

本発明によれば、バイオガスを混合することによる不完全燃焼の発生や火が消えるのを防止することができる。

図１は、本発明の実施形態に係る燃焼装置の構成を概略的に示す模式図である。図２は、本実施形態におけるバイオガスの混合タイミングを燃焼モードと対比させて示す図である。図３は、本実施形態に係る安定燃焼を説明するための図である。

以下、図面を参照しながら、本発明の実施形態に係る燃焼装置について説明する。本実施形態では、ボイラに搭載された燃焼装置を例に挙げて説明する。図１は、本実施形態に係る燃焼装置の構成を概略的に示す模式図である。同図に示すように、燃焼装置１は、ボイラ５に搭載される燃焼装置であり、メインバーナ６、パイロットバーナ７、燃料供給ライン１０、燃焼装置１を含むボイラ５を制御するための制御器５０を備えている。

燃料供給ライン１０は、標準燃料供給ライン２０とバイオガス供給ライン３０と、メイン供給ライン４０と、パイロット供給ライン４５とを備えている。標準燃料供給ライン２０は、燃焼装置１の主燃料である都市ガスを供給するラインである。標準燃料供給ライン２０は、ラインを流れる標準ガスの流量を調整するための流量制御弁２２を備えている。標準燃料としては、プロパンガス等のガス燃料や、灯油や軽油等の液体燃料を供給するようにしても良い。

バイオガス供給ライン３０は、燃焼装置１の副燃料であるバイオガスを供給するラインであり、バッファタンク３５、電磁弁３１、流量制御弁３２を備えている。バッファタンク３５には、バッファタンク３５内のバイオガス含有量を検出するためのセンサ３６が設けられている。センサ３６としては、例えば、圧力センサや差圧センサが用いられる。

電磁弁３１及びセンサ３６は、制御器５０に接続されている。センサ３６の出力は制御器５０に送信され、制御器５０は、電磁弁３１の開閉を制御する。制御器５０は、センサ３６の出力からバッファタンク３５内のバイオガスの残量が所定値未満と判断した場合には、電磁弁３１を閉じてバイオガスの供給を停止させ、標準燃料のみにより燃焼装置１を運転させる。これにより、バッファタンク３５内のバイオガスが空になった場合にもバイオガスの供給を継続することによるバイオガス供給設備の破損等を防止することができる。

燃料供給ライン１０の標準燃料供給ライン２０とバイオガス供給ライン３０との合流部分には、混合器（ミキサ）１５が設置され、標準燃料供給ライン２０及びバイオガス供給ライン３０が混合器１５の入力側に接続されている。

したがって、混合器１５において都市ガスとバイオガスがミキシングされ、この混合燃料（混合ガス）がラインの下流側へ供給される。なお、本実施形態における標準燃料（都市ガス）に対するバイオガスの混合量は、体積比で１０％となるように混合器１５及び流量制御弁３２によって調整される。

燃料供給ライン１０は、混合器１５の下流側で、メインバーナ６に燃料を供給するメイン供給ライン４０と、パイロットバーナ７に燃料を供給するパイロット供給ライン４５とに分岐しており、標準燃料とバイオガスの混合燃料又は標準燃料が、メイン供給ライン４０とパイロット供給ライン４５の双方に供給される。

メイン供給ライン４０には、圧力センサ、電磁弁、流量制御弁等から構成されるメイン流量制御部１２が設けられており、メイン供給ライン４０に流入した燃料は、このメイン流量制御部１２により、メインバーナ６における燃焼量に応じて適宜適切な流量に調整される。

本実施形態では、比例弁式制御により燃料供給量を制御、すなわち、送風機からの燃焼用空気の供給量に応じて燃料供給量を制御している。もちろん、他の制御方式を採用しても良く、例えば、燃焼用空気の供給量と燃料供給量を独立して制御する遮断弁式により燃料供給量を制御しても良い。この場合には、高燃焼モードのときのみに開制御される高燃用燃料供給弁の開閉により燃料供給量が制御される。

なお、本実施形態に係るボイラ５は、プレパージ、燃焼、ポストパージの各ステージを繰り返し制御しながら、燃焼量を高燃焼、低燃焼（例えば、高燃焼の５０％の燃焼量）及び停止の三位置で制御する、すなわち多段階の燃焼モードを有するボイラである。

続いて、本実施形態におけるバイオガスの混合タイミングについて説明する。図２は、本実施形態におけるバイオガスの混合タイミングを燃焼モードと対比させて示す図であり、図２（ａ）が実施例１、図２（ｂ）が実施例２に係る混合タイミングを示している。

図中、丸印は当該燃料を供給していることを示し、×印は当該燃料の供給を停止していることを示している。なお、下記バイオガスの混合や混合の停止は、制御器５０が電磁弁３１の開閉を制御することで実現される。

図２（ａ）に示すように、実施例１では、燃焼装置１の初期着火後、所定の時間が経過するまでバイオガスの混合を行わず、標準燃料のみがバーナ６，７に供給される。所定の時間とは、標準燃料のみによる燃焼が安定するまでの時間であり、本実施形態では低燃焼モードに移行するまでの時間である。

低燃焼（Ｌ）に移行して安定燃焼状態になると、バイオガスの供給が開始され、標準燃料とバイオガスが混合され、混合燃料の燃焼が行われる。その後、低燃焼から高燃焼（Ｈ）への移行が開始されると、バイオガスの供給が停止され、標準燃料のみによる燃焼が行われる。

その後、高燃焼に移行して安定燃焼状態になると、再びバイオガスの供給が開始され、混合燃料による燃焼が再開される。そして、高燃焼から低燃焼への移行が開始されると、バイオガスの供給が停止され、低燃焼に移行すると、バイオガスの供給が再開される。

その後、メインバーナ６の燃焼を停止させてパイロットバーナ７のみを燃焼させるパイロット燃焼（Ｐ）への移行が開始されると、再度バイオガスの供給が停止される。パイロット燃焼へ移行して待機状態となると、そのまま標準燃料のみによるパイロット燃焼が継続される。

このように、実施例１では、バイオガスの混合燃料による燃焼を低燃焼及び高燃焼の燃焼モード中のみに限定し、着火後所定の時間が経過するまで、燃焼モードの移行中及びパイロット燃焼時には、バイオガスを供給しないように制御している。これは、成分の不安定なバイオガスを混合することによる燃焼の不安定化を防止するためである。

ここで、図３を参照しながら安定燃焼について説明する。図３は、本実施形態に係る安定燃焼を説明するための図であり、縦軸は燃焼ガス中の酸素濃度、横軸は発熱量を示している。

安定燃焼範囲とは、燃料が安定して燃焼できる範囲であり、この安定燃焼範囲を逸脱すると、不完全燃焼が発生したり、火炎が消えたりしてしまう。本実施形態では、安定燃焼範囲を発熱量と酸素濃度で定義しており、同図中、太線である実線Ａと実線Ｂとで囲まれた範囲内が安定燃焼範囲である。

また、同図中、実線Ｃは、低燃焼モード（Ｌ）における燃焼状態を示し、実線Ｄは、高燃焼モード（Ｈ）における燃焼状態を示している。また、実線Ｃ，Ｄにおいて、丸印で示すポイントＬ₀，Ｈ₀は、標準燃料のみによる燃焼状態、三角印で示すポイントＬ₁，Ｈ₁は、標準燃料（都市ガス）に体積比で１０％のバイオガスを混合した混合燃料による燃焼状態、四角印で示すポイントＬ₂，Ｈ₂は、標準燃料（都市ガス）に体積比で３０％のバイオガスを混合した混合燃料による燃焼状態を示している。

また、同図中、Ｌ₀→Ｈ₀、Ｈ₀→Ｌ₀のポイントをつなぐ二点鎖線は、標準燃料のみの燃焼下における低燃焼から高燃焼、高燃焼から低燃焼への移行時の燃焼状態の推移を示している。一方、Ｌ₀→Ｈ₁のポイントをつなぐ一点鎖線は、低燃焼（標準燃料のみ）から高燃焼（標準燃料＋１０％バイオガス）への移行時の燃焼状態の推移、Ｈ₁→Ｌ₀のポイントをつなぐ一点鎖線は、高燃焼（標準燃料＋１０％バイオガス）から低燃焼（標準燃料のみ）への移行時の燃焼状態の推移を示している。

同図に示されているように、低燃焼及び高燃焼何れの場合も、標準燃料のみの場合及び標準燃料＋１０％バイオガスの場合には、燃焼状態は安定燃焼の範囲内にあるが、標準燃料＋３０％バイオガスの場合には、安定燃焼の範囲を外れている。したがって、バイオガスを混合する場合に安定燃焼を確保するためには、バイオガスの混合量を体積比率（標準燃料がガスの場合）で２５％以下にすることが望ましい。

また、低燃焼から高燃焼、高燃焼から低燃焼への燃焼モードの移行時には、一点鎖線や二点鎖線で示したように、燃焼状態は一旦不安定な方向へ振れる。特に、低燃焼から高燃焼への移行の場合には、酸素濃度が高くなる方向に大きく振れており、一点鎖線で示すＬ₀→Ｈ₁への移行時には、安定燃焼範囲を外れてしまっている。

このように、燃焼モードの移行中には、燃焼モード中と比較して燃焼状態が不安定になりがちであるため、図２で示したように、本実施形態では、燃焼モードの移行中にはバイオガスの供給を停止し、標準燃料のみによる燃焼を行わせている。

ここで、モード移行時に燃焼状態が不安定になるのは、燃焼装置では一般に燃料と燃焼用空気量とのバランスを一定に保つように制御しているが、燃焼モード移行時に燃料性状が変化すると、燃料と燃焼用空気量とのバランスが一時的に崩れてしまうからである。

なお、図３に示す低燃焼時の安定燃焼の範囲は、酸素濃度が大凡２〜６％の範囲内にあることを示しており、一般的に燃焼ガスの酸素濃度がこの範囲内にあれば、安定した燃焼となるが、さらに望ましくは３〜５％の範囲内にあれば良い。

続いて、実施例２について説明する。図２（ｂ）に示すように、実施例２は、上記実施例１と比較して高燃焼モード時にバイオガスを混合しないように変更したことを特徴とし、その他の混合タイミングは実施例１と同じである。

高燃焼モード時にバイオガスの供給を停止したのは、図３に示すように、発熱量の大きい高燃焼モードでは低燃焼モードと比較して酸素濃度の安定燃焼範囲が狭まり、不安定燃焼につながりやすいためである。よって、本実施例２によれば、バイオガスの消費量は低下するが、上記実施例１の作用効果に加えて、さらに高燃焼時にも安定した燃焼を確保することができる。

以上、本実施形態について詳細に説明したが、本実施形態においては、標準燃料とバイオガスによる混合燃焼を、バイオガスを混合しても安定燃焼が維持できるタイミングで実施するように制御しており、バイオガスを混合することによる不完全燃焼の発生や火が消えるのを防止することが可能である。これにより、安定した燃焼によりバイオガスを有効利用することができる。

さらに、本実施形態においては、バイオガス供給ラインに設置されたバッファタンク内のバイオガスの残量が所定値未満の場合にも、バイオガスを混合しないように制御しているので、不十分なバイオガスの供給による不安定燃焼やバイオガス供給設備の破損等も防止することができる。

なお、本発明の実施形態は上述した形態に限定されるものではなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲内で種々の変形が可能である。例えば、上記実施形態では、ボイラに設置された燃焼装置について説明したが、焼却炉、燃焼炉、吸収式冷凍機等、ボイラ以外の機器に設置された燃焼装置に対しても本発明を適用できることは言うまでもない。

また、上記実施形態では、低燃焼と高燃焼の二つの燃焼モードを有する燃焼装置について説明したが、本発明は、低燃焼、中燃焼、高燃焼の三つの燃焼モードを有する燃焼装置等、三つ以上の多段階の燃焼モードを有する燃焼装置にも適用することができる。

さらに、本発明は、単一の燃焼モードの燃焼装置にも適用することができる。この場合にも、着火後燃焼が安定するまでの期間やパイロット燃焼時にバイオガスの混合を停止することで、バイオガス混合燃料を用いる燃焼装置において安定した燃焼を確保することができる。

また、上記実施形態では、バイオガスの混合量を標準燃料（都市ガス）に対して体積比で０％（混合停止時）又は１０％（混合時）で切り替えるように構成しているが、さらに多段階で混合量を調整するようにしても良い。具体的には、比例制御弁により連続的に混合量を調整にしても良いし、並列配置した遮断弁の開閉により段階的に混合量を調整しても良い。但し、いずれの場合も体積比で０〜２５％の範囲内で混合することが望ましい。

１燃焼装置
５ボイラ
６メインバーナ
７パイロットバーナ
１０燃料供給ライン
１５混合器
２０標準燃料供給ライン
３０バイオガス供給ライン
３１電磁弁
３２流量制御弁
３５バッファタンク
３６センサ
４０メイン供給ライン
４５パイロット供給ライン
５０制御器

Claims

多段階の燃焼モードを有するボイラに設置された、標準燃料とバイオガスとを混合して燃焼させる燃焼装置において、
主燃料としての標準燃料を供給する標準燃料ラインと、
副燃料としてのバイオガスを供給する、バイオガスの供給を調整するバイオガス供給弁を有するバイオガスラインと、
前記標準燃料に対する前記バイオガスの混合量を調整するために前記バイオガス供給弁の開閉を制御する制御器と、を備え、
前記制御器は、燃焼モードの移行中は前記バイオガス供給弁を閉じるように制御することを特徴とする燃焼装置。
低燃焼モードと高燃焼モードを含む多段階の燃焼モードを有するボイラに設置された、標準燃料とバイオガスとを混合して燃焼させる燃焼装置において、
主燃料としての標準燃料を供給する標準燃料ラインと、
副燃料としてのバイオガスを供給する、バイオガスの供給を調整するバイオガス供給弁を有するバイオガスラインと、
前記標準燃料に対する前記バイオガスの混合量を調整するために前記バイオガス供給弁の開閉を制御する制御器と、を備え、
前記制御器は、前記高燃焼モード時には前記バイオガス供給弁を閉じるように制御することを特徴とする燃焼装置。