JP5705267B2 - 高められた煙道ガスダンパ混合装置 - Google Patents

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Description

本開示は、流動する2つの燃焼ガス流を効率的に混合しかつ変化する炉の負荷におけるガス背圧を低減する装置を開示する。
ボイラ又は蒸気発生器のような多くの用途において異なる温度のガスを混合することが一般的である。例えば、ボイラの炉が全負荷で運転しているときに全ての高温の煙道ガスはエコノマイザを通過させられる。エコノマイザは、煙道ガスから熱を回収し、ボイラへ再び循環させられる給水を予熱する。出てくる、結果として生じる煙道ガスは、熱伝達により、より低温である。したがって、熱はボイラへリサイクルされ、ボイラ効率を高める。
しかしながら、炉/ボイラが低負荷で運転している場合、全ての煙道ガスがエコノマイザを通過させられると、煙道ガスの温度は、選択的触媒還元("SCR")システムにおける煙道ガスからのNO、NO2(集合的にNOxと称される)の触媒除去のような、ある化学的プロセスのために要求される臨界温度よりも低下する。触媒反応は温度に依存するので、SCRは、要求される機能を満足に行うために特定の温度範囲において機能しなければならない。
したがって、低いボイラ負荷条件においては、煙道ガスの一部のみがエコノマイザを通過するべきであり、残りは、より高い温度を維持するためにエコノマイザをバイパスすべきである。これらの2つのガス流は、次いで混合され、所要の温度範囲内の煙道ガスを生じる。
煙道ガス温度を制御する1つの方法は、ダンパ及びバイパスの使用によるものである。煙道ガスバイパスにより、煙道ガス流の一部はエコノマイザをバイパスし、煙道ガス流の残りの部分はエコノマイザを通過させられる。流れは次いで混合され、全ての煙道ガスがエコノマイザを通過した場合よりも高い温度を有する混合された流れを生ずる。
慣用のボイラは、角度づけられた固定されたベーンを備えたミキサを用いる。これらは、ガスを混合するが、全てのボイラ負荷において圧力降下を生ずる。この圧力降下は、より大きくかつより高価なファンと、補助電力消費の増大とを要求する。
慣用のミキサは、任意のボイラ負荷において、ガスを混合するためのある時間を必要とする。これは、流動するガス流を十分に混合するためのあるダクト長さ(移行部分)と等しい。煙道ダクトの表面と接触する過剰な高温ガスが存在する場合があり、"ホットスポット"を生じる。"ホットスポット"は、一般的に標準金属よりも高価な高温金属を必要とする。より長い移行部分は、システムのコストを増大させる。2つの煙道ガス流をより迅速に、煙道ガスダクトの下流のより短い長さの後に混合する装置を使用することが有利である。これは、移行部分を短縮し、装置を構成するために必要な高温金属を少なくする。
現在、様々なボイラ負荷における背圧を減じる、ガスをより効率的に混合するための単純かつ安価な装置が必要とされる。
開示は、開示の様々な特徴及び開示に含まれた複数の例の以下の詳細な説明を参照することによってさらに容易に理解される。
本発明は、煙道ガスダクトにおいて2つのガス流を混合するためのダンパ混合装置であって、
複数の調節可能なルーバを有する第1の列のセットを備え、各ルーバは、回転軸において回動可能なルーバベーンを有し、これにより、該ルーバベーンを通過する煙道ガスを混合させる第1の方向に位置決めされるか、又は1つのガス流のみが受け取られている場合には鉛直に位置決めされ、
前記第1の列のセットと交互に配置された第2の列のセットを備え、該第2の列のセットは、複数の調節可能なルーバを有し、各ルーバは、回転軸において回動可能なルーバベーンを有し、これにより、該ルーバベーンは、ガス流を混合させる、第1の方向とは異なる方向に角度づけられるか、又は1つのガス流のみが有効に受け取られている場合には鉛直に位置決めされ、
前記ルーバに接続された制御ユニットを備え、該制御ユニットは、少なくとも2つのガス流が受け取られている場合には前記ルーバベーンを適切な角度づけられた位置に位置決めし、かつ1つのガス流のみが有効に受け取られている場合には前記ルーバベーンを鉛直に位置決めする。
本発明は、様々な負荷において運転する炉から煙道ガスを受け取るためのバックパスを有する煙道ガスダクトシステムであって、
前記煙道ガスから熱を取り出すために機能するバックパス内の少なくとも1つの熱交換器と、
前記煙道ガスを受け取るための、前記バックパスの出口に接続された煙道ガス導管である下側煙道部分と、
下流の煙道ガス処理装置に接続された煙道ガス導管である上側煙道部分と、
前記下側煙道部分から前記上側煙道部分へ前記煙道ガスを搬送するための煙道ガス導管である中間煙道部分と、
エコノマイザの上流において前記バックパスに配置されておりかつ前記中間煙道部分に接続された煙道ガス導管であるバイパスと、
前記下側煙道部分から前記中間煙道部分へ流れる前記煙道ガスの量を調節するための、前記下側ダクト内の入口制御ダンパと、
前記エコノマイザをバイパスする、前記バックパスから前記中間ダクトへ通過する煙道ガスの量を制御するための、前記バイパスダクト内のバイパス制御ダンパと、
前記煙道ガスダクトにおける2つのガス流を混合するためのダンパ混合装置と、を備え、該ダンパ混合装置は、
複数のルーバを有する第1の列のセットを備え、各ルーバは、回転軸において回動可能な調節可能なルーバベーンを有し、これにより、ルーバベーンは、少なくとも2つのガス流が受け取られているときには第1の方向に角度づけられ、前記ルーバベーンを通過する煙道ガスを混合させるか、又は1つのガス流のみが有効に受け取られているときには鉛直に位置決めされ、
前記第1の列のセットと交互に配置された第2の列のセットを備え、各第2の列のセットは、回転軸において回動可能な調節可能なルーバベーンを備えるルーバを有し、これにより、ルーバベーンは、該ルーバベーンを通過するガス流が混合されるように方向付けられるために、前記第1の方向とは異なる方向に角度づけられるか、又は1つのガス流のみが受け取られているときには鉛直に位置決めされ、
少なくとも2つのガス流が受け取られているときには適切な角度づけられた位置に前記ルーバベーンを位置決めし、1つのガス流のみが有効に受け取られているときには前記ルーバベーンを鉛直に位置決めするための、前記ルーバに接続された制御ユニットを備える。
本発明を用いるエコノマイザバイパス配列の側面図である。 本発明による煙道ガス混合装置の1つの実施の形態を上方から見た平面図である。 図2の線"III−III"に沿って見たガス混合装置の断面の側面図である。 図2の線"IV−IV"に沿って見たガス混合装置の断面の側面図である。
ここで、同じエレメントが同じ符号で示されている図面を参照する。
ボイラが全容量の近くで運転しているときには、バイパスを通るガス流はほとんど又は全く生じず、1つのガス流のみが有効に存在し、混合の必要はない。ボイラ負荷が減少するにつれて、より多くの量の煙道ガスが、正しい煙道ガス温度を維持するためにエコノマイザをバイパスしなければならず、これにより、2つの異なるガス流を生じる。混合される少なくとも2つのガス流が存在する場合にのみガス混合が必要とされる。従来の設計は、様々なボイラ負荷の区別を行わず、調節可能ではない。したがって、従来の設計は、全てのボイラ負荷において圧力降下を生じる調節不能なミキサを有し、混合が必要とされない最も高いボイラ負荷において、最も高い圧力降下が生じる。
本発明は、1つのガス流のみが有効に流れているときに、最小限の圧力降下を提供する。本発明は、蒸気発生器の全作動範囲にわたって混合を最適化しかつ背圧を最小限に減じるように調節可能でもある。
本発明は、システム資本経費を減じるガスミキサとして運転するための単純な低コストのルーバダンパ設計を用いる。これは、別個のミキサの必要性を排除し、背圧と、関連する動作電力コストとを最小限に減じる。
図1は、本発明を用いるエコノマイザバイパス配列の側面図である。
矢印"A"によって示された、炉における燃焼からのガスは、図1の上部からバックパス10に進入し、矢印"B"によって示したように過熱器11及び再熱器12を通って下方へ移動する。高温の煙道ガスからの熱は、過熱器11において蒸気を過熱し、再熱器12において蒸気を再熱するために利用される。
高いボイラ負荷条件下で、ほとんどの煙道ガスは、矢印"C"によって示されたようにエコノマイザを通って下方へ移動する。煙道ガスは、エコノマイザ13における管を通過する給水に熱を伝達し、給水の温度を上昇させる。
煙道ガスにおける灰は、矢印"D"によって示したように下方へ継続する。灰は、バックパス10の底部と、灰ホッパ20における下側煙道部分30において収集される。
煙道ガスは、下側煙道部分30における管路を通り、矢印"E"及び"F"によって示したように中間煙道部分40を通って上方へ、矢印"G"によって示したように上側煙道部分50を通って、矢印"H"によって示したように選択接触還元器("SCR")まで続く。
ボイラがより低い負荷で運転している場合には、煙道ガスは、矢印"I"によって示したようにバイパスダクト41を通って、T部分43を通って中間煙道部分40内へ通過させられ、下側煙道部分30からのガスと混合される。
SCRが作動していない場合、入口制御ダンパ35は閉鎖され、煙道ダクト流は、SCRバイパスダクト31に進入し、SCR60をバイパスする。選択的に、SCRバイパスダクト31を開閉させるように働くSCRバイパスダンパ32が設けられていてよい。
バイパスダクト41を通る煙道ガスの流れは、バイパス制御ダンパ47によって制御される。同様に、下側煙道部分30を通る煙道ガスの流れは、入口制御ダンパ35によって制御される。
T部分43から下流の、上側煙道部分における温度センサ51は、煙道ガス温度を制御ユニット70に提供する。検出された温度に基づいて、制御ユニット70は、入口制御ダンパ35及びバイパス制御ダンパ47を作動させ、温度センサ51における所望の混合された煙道ガス温度を達成するために適切な混合を提供する。
混合装置は、T部分43の下流に配置されている。本発明は、エコノマイザバイパスダクト41及び下側煙道部分30からの煙道ガスをより効率的に混合するために、ダンパ混合装置100を使用する。
図2に示されたダンパ混合装置100は、2つのガス流を効率的に混合するルーバ混合装置である。
図2は、本発明によるダンパ混合装置100の1つの実施の形態の平面図である。本発明を、図1及び図2の両方を参照して説明する。図2は、ダンパ混合装置100を見下ろした、上側煙道部分50の横断面図を示している。ダンパ混合装置100の列110,120における複数のルーバ111,121が設けられている。この実施の形態において、列110のルーバ111は一緒に作動する。また、列120のルーバ121も一緒に作動するが、列110とは別個に作動する。
図3は、図2の線"III−III"に沿って見たダンパ混合装置の横断面の側面図である。この場合、列110のルーバ111は、一緒に作動するように示されている。各ルーバ111は、回転軸115において回動するルーバベーン113を有する。この場合、ルーバベーンは、左下から右上への角度に回動させられている。ルーバ111を上方へ通過する煙道ガスは、矢印"J"の方向に方向付けられている。
図4は、図2の線"IV−IV"に沿って見たガス混合装置の横断面の側面図である。ここでは、列120のルーバ121は、一緒に作動するように示されている。各ルーバ121は、回転軸125において回動するルーバベーン123を有する。ここでは、ルーバ121は、右下から左上への角度に回動させられている。ルーバ121を上方へ通過する煙道ガスは、矢印"K"の方向に方向付けられる。
択一的な実施の形態において、温度センサ33は、入口制御ダンパ35のすぐ上流における煙道ガス温度を検出し、温度センサ45は、バイパス制御ダンパ47のすぐ上流における煙道ガス温度を検出する。制御ユニット70は、入口制御ダンパ35及びバイパス制御ダンパ47をどのように制御するかを計算する際に、これらを考慮する。
交互に位置した列110,120は、混合する煙道ガスに乱流を発生させる。制御ユニット70は、ルーバ111,121の回動を操作する。制御ユニット70は、上側煙道部分50における(選択的に、入口制御ダンパ35及びバイパス制御ダンパ47の近くにおける)煙道ガスの温度についての情報も有する。制御ユニット70は、バイパス制御ダンパ47及び入口制御ダンパ35の開放についての情報も有する。したがって、制御ユニットは、ルーバ111及び121のための角度位置を計算するためにこの情報を利用することができる。
例えば、バイパス制御ダンパ47が閉鎖されると、下側煙道部分30からの煙道ガスの1つの流れのみが存在する。次いで、全てのルーバ111,121は、この位置におけるガス流に対して平行な鉛直位置に設定され、ダンパ混合装置100の前後の圧力降下を最小限にする。同様に、全ての煙道ガスがバイパスダクト41を通過している場合、やはりルーバ111,121は再び鉛直位置に設定され、やはり圧力降下を最小限にする。制御ユニット70は、背圧を最小限にしながら混合を最大限にするために、バイパス制御ダンパ47と、入口制御ダンパ35との相対的な開放、及び検出された温度にも基づいて、ルーパ111,121の開放を調節する。
ダンパ混合装置100を、慣用の固定されたミキサよりも短い距離において2つのガス流の熱的混合を有効に高めるように調整することができる。これは、必要に応じて乱流混合を生ぜしめるようにルーバ110,120の各列の角度を調節することによって達せられる。
本発明の別の実施の形態においては、温度センサ51は、上側煙道部分にわたる温度を測定する複数の温度センサを用いる。ダンパ混合装置100の前後の圧力降下を測定するために、ダンパ混合装置100のすぐ上流及び下流におけるガス圧力センサも有する。
したがって、制御ユニット70は、ルーバ111,121の様々な角度設定を繰り返し試すことができ、上側煙道部分50にわたる温度を測定し、ダンパ混合装置の前後の圧力降下を関連づけることができる。したがって、圧力降下と温度均一性との組合せを最適化するようなルーバ設定の組合せが提供される。
ダンパ混合装置100の別の使用は、アンモニア噴射グリッド55内への下流の流れ分布を改良することである。アンモニア噴射グリッド55は、NOxを窒素と水蒸気とに還元するためにSCR60における触媒の存在においてNOxと反応するアンモニアの均一な噴射のために使用される。
別の択一的な実施の形態において、本発明は、酸素燃焼(oxy-combustion)において用いることができる。酸素燃焼は、実質的にCO2及び水蒸気である煙道ガスを発生するために、実質的に窒素を含まない環境において燃料を燃焼させるプロセスである。CO2は水蒸気から分離され、CO2は隔離されて貯蔵される。
本発明は、混合された流れへの酸素の均一な分配を提供するために、再循環された煙道ガス流に酸素流を混合するために用いることができる。
本発明は、従来技術において言及された課題を克服する。したがって、単純なルーバ設計は、従来のガスミキサ設計よりもコストを節約することが期待される。調節可能なルーバ設計は、高いボイラ負荷の場合に圧力降下を最小限に減じる。これは、より大きくかつより高価なファン及びブロワ機器の必要性を減じる。
煙道ガスは、ダンパ混合装置100の下流におけるより短い移行領域においてより迅速に混合する。これは、より少ない高温材料を必要とし、より安価に構成することができる。
付加的な利点は、SCRが運転していないときにSCRへの煙道ガスを遮断するなど、システムが運転していないときの付加的な煙道ガス遮断能力を提供するために、ダンパ混合装置100が全てのルーバ111,121を閉鎖することができるということである。
そうでないことが明示されない限り、ここに開示された全ての範囲は、包括的であり、その範囲における終点及び全ての中間点において組合せ可能である。"第1の"、"第2の"及び同様の用語は、ここではいかなる順序、質又は重要性も意味せず、1つの要素を別の要素から区別するために使用されている。ここでの単数の用語は、量の制限を意味せず、言及された部材のうちの少なくとも1つの存在を意味する。"約"によって修正された全ての数字は、そうでないことが明示されない限り、正確な数値を含む。
この記載された説明は、最良の形態を含む発明を開示するために、及びあらゆる当業者が発明を実施及び使用することを可能にするために、複数の例を用いている。発明の特許可能な範囲は、請求項によって規定されており、当業者に想起されるその他の例を含んでよい。このようなその他の例は、請求項の文字言語と異ならない構造的要素を有するならば、又は請求項の文字言語との僅かな相違を有する均等の構造的要素を有するならば、請求項の範囲内にあることが意図されている。
10 バックパス、 11 過熱器、 12 再熱器、 13 エコノマイザ、 20 灰ホッパ、 30 下側煙道部分、 31 SCRバイパスダクト、 32 SCRバイパスダンパ、 33 温度センサ、 35 入口制御ダンパ、 40 中間煙道部分、 41 バイパスダクト、 43 T部分、 45 温度センサ、 47 バイパス制御ダンパ、 50 上側煙道部分、 51 温度センサ、 55 アンモニア噴射グリッド、 70 制御ユニット、 100 ダンパ混合装置、 110,120 列、 111,121 ルーバ、 113,123 ルーバベーン、 115,125 回転軸

Claims (19)

  1. 煙道ガスダクトにおいて第1のガス流と第2のガス流とを混合された流れに混合するためのダンパ混合装置であって、
    複数の調節可能なルーバを有する第1の列のセットを備え、各ルーバは、回転軸において回動可能なルーバベーンを有し、これにより、該ルーバベーンは、該ルーバベーンを通過する煙道ガスを混合させる第1の方向に位置決めされるか、又は1つのガス流のみが受け取られている場合には鉛直に位置決めされ、
    前記第1の列のセットと交互に配置された第2の列のセットを備え、該第2の列のセットは、複数の調節可能なルーバを有し、各ルーバは、回転軸において回動可能なルーバベーンを有し、これにより、該ルーバベーンは、ガス流を混合させる、第1の方向とは異なる方向に角度づけられるか、又は1つのガス流のみが有効に受け取られている場合には鉛直に位置決めされ、
    前記ルーバに接続された制御ユニットを備え、該制御ユニットは、少なくとも2つの流れが受け取られている場合には前記ルーバベーンを適切な角度づけられた位置に位置決めし、かつ1つのガス流のみが有効に受け取られている場合には前記ルーバベーンを鉛直に位置決めすることを特徴とする、ダンパ混合装置。
  2. 前記制御ユニットは、少なくとも2つのガス流が受け取られているときに、任意の列の全てのルーバを同じ角度に角度づける、請求項1記載の装置。
  3. 前記制御ユニットは、少なくとも2つのガス流が受け取られているときに、任意の列における全てのルーバを同じ方向であって、隣接する列の全てのルーバの角度とは反対の方向に角度づける、請求項1記載の装置。
  4. さらに、前記第1のガス流の流れを制御するために働く入口制御ダンパと、
    前記第2のガス流の流れを制御するために働くバイパス制御ダンパと、
    前記混合された流れにおける温度を測定しかつ該温度を前記制御ユニットに提供して該制御ユニットが前記入口制御ダンパ及び前記バイパス制御ダンパを操作するようにするための、前記制御ユニットに接続された、前記混合された流れにおける上部温度センサと、を備える、請求項1記載の装置。
  5. 前記制御ユニットに接続された、前記入口制御ダンパのすぐ上流における下部温度センサをさらに備え、該下部温度センサは、前記第1の流れの温度を測定して、該温度を前記制御ユニットに提供する、請求項4記載の装置。
  6. 前記制御ユニットに接続された、前記バイパス制御ダンパのすぐ上流におけるバイパス温度センサをさらに備え、該バイパス温度センサは、前記第2のガス流の温度を測定して、該温度を前記制御ユニットに提供する、請求項5記載の装置。
  7. さらに、前記ダンパ制御混合装置のすぐ上流における第1の圧力センサと、
    前記ダンパ制御混合装置のすぐ下流における第2の圧力センサとを備え、前記圧力センサは、前記ダンパ制御混合装置の前後における圧力降下を測定しかつ圧力降下測定を前記制御ユニットに提供してルーバ角度を調節し、許容可能な煙道ガス混合を提供しながら圧力降下を最小限に減じる、請求項1記載の装置。
  8. 前記制御ユニットは、さらに、変化するボイラ負荷下でルーバ位置を繰り返し変化させて、圧力降下を最適化しかつ混合効率を最大化するルーバ設定を決定する、請求項1記載の装置。
  9. 1つの列におけるルーバは、異なる角度に独立して調節される、請求項1記載の装置。
  10. 様々な負荷において運転する炉から煙道ガスを受け取るためのバックパスを有する煙道ガスダクトシステムであって、
    前記煙道ガスから熱を取り出すために機能するバックパス内の少なくとも1つの熱交換器と、
    前記煙道ガスを受け取るための、前記バックパスの出口に接続された煙道ガス導管である下側煙道部分と、
    下流の煙道ガス処理装置に接続された煙道ガス導管である上側煙道部分と、
    前記下側煙道部分から前記上側煙道部分へ前記煙道ガスを搬送するための煙道ガス導管である中間煙道部分と、
    エコノマイザの上流において前記バックパスに配置されておりかつ前記中間煙道部分に接続された煙道ガス導管であるバイパスと、
    前記下側煙道部分から前記中間煙道部分へ流れる前記煙道ガスの量を調節するための、前記下側ダクト内の入口制御ダンパと、
    前記エコノマイザをバイパスする、前記バックパスから前記中間ダクトへ通過する煙道ガスの量を制御するための、前記バイパスダクト内のバイパス制御ダンパと、
    前記煙道ガスダクトにおける2つのガス流を混合するためのダンパ混合装置と、を備え、該ダンパ混合装置は、
    複数のルーバを有する第1の列のセットを備え、各ルーバは、回転軸において回動可能な調節可能なルーバベーンを有し、これにより、該ルーバベーンは、少なくとも2つのガス流が受け取られているときには第1の方向に角度づけられ、前記ルーバベーンを通過する煙道ガスを混合させるか、又は1つのガス流のみが有効に受け取られているときには鉛直に位置決めされ、
    前記第1の列のセットと交互に配置された第2の列のセットを備え、各第2の列のセットは、回転軸において回動可能な調節可能なルーバベーンを備えるルーバを有し、これにより、ルーバベーンは、該ルーバベーンを通過するガス流が混合されるように方向付けられるために、前記第1の方向とは異なる方向に角度づけられるか、又は1つのガス流のみが受け取られているときには鉛直に位置決めされ、
    少なくとも2つのガス流が受け取られているときには適切な角度づけられた位置に前記ルーバベーンを位置決めし、1つのガス流のみが有効に受け取られているときには前記ルーバベーンを鉛直に位置決めするための、前記ルーバに接続された制御ユニットを備えることを特徴とする、煙道ガスダクトシステム。
  11. 前記制御ユニットは、少なくとも2つのガス流が受け取られているときには、任意の列の全てのルーバを同じ角度に角度づける、請求項10記載の装置。
  12. 前記制御ユニットは、少なくとも2つのガス流が受け取られているときには、任意の列における全てのルーバを同じ方向であって、隣接する列の全てのルーバの角度とは反対の方向に角度づける、請求項10記載の装置。
  13. 前記制御ユニットが前記入口制御ダンパと前記バイパス制御ダンパとを開放させる量を決定することを可能にする、前記上側煙道部分における温度を測定するための、前記制御ユニットに接続された、前記上側部分における上部温度センサを備える、請求項10記載の装置。
  14. 前記下側煙道部分における煙道ガスの温度を提供するために、前記制御ユニットに接続された、前記入口制御ダンパのすぐ上流における下部温度センサをさらに備える、請求項13記載の装置。
  15. 前記バイパスダクトにおける前記煙道ガスの温度を提供するための、前記制御ユニットに接続された、前記バイパス制御ダンパのすぐ上流におけるバイパス温度センサをさらに備える、請求項14記載の装置。
  16. 前記ダンパ制御混合装置のすぐ上流における第1の圧力センサと、
    前記ダンパ制御混合装置のすぐ下流における第2の圧力センサとを備え、前記圧力センサは、前記ダンパ制御混合装置の前後の圧力降下を測定し、許容可能な煙道ガス混合を提供しながら前記圧力降下を最小限に減じるように前記ルーバの角度を調節するために前記圧力測定を制御ユニットに提供するように作用する、請求項10記載の装置。
  17. 前記制御ユニットは、さらに、圧力降下を最適化しかつ混合効率を最大化するルーバ角度を決定するために、変化するボイラ負荷においてルーバ角度を繰り返し変化させる、請求項10記載の装置。
  18. 任意の列におけるルーバは、様々な角度に調節される、請求項10記載の装置。
  19. 前記2つのガス流は、窒素を含まない環境において燃料を燃焼させることにより生じる煙道ガスである、請求項1記載の装置。
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