JP6016612B2 - ボイラ及びボイラシステム - Google Patents

Description

本発明は、燃料を燃焼させて蒸気を生成するボイラ及びボイラシステムに関するものである。

原動機（動力源）として、燃料を燃焼させて蒸気を発生し、発生させた蒸気から動力を取り出すボイラがある（例えば、特許文献１、２）。ボイラは、船舶に用いる場合、船舶推進用のプロペラを駆動させるための動力源や、クレーン等、船舶に搭載されている機械を稼動させたり、発電機を駆動させたりする補助動力源として用いられる。

特開２００９−１４５０１３号公報 特開２０１１−６４４０５号公報

上述したボイラは、燃料として、天然ガスや、重油、軽油等が用いられる。そのため、燃料の成分によっては、燃焼時に窒素酸化物や硫黄酸化物が生じてしまう。燃焼時に窒素酸化物や硫黄酸化物が発生すると、環境への悪影響が生じるため、当該物質を除去、浄化する機構を取り付けたり、燃焼条件を制御したりすることで、排出される窒素酸化物や硫黄酸化物を低減させる。このため、設置するための装置が多くなったり、装置コストが上昇したりする。

本発明は、上述した課題を解決するものであり、環境への影響がより少ないボイラ及びボイラシステムを提供することを目的とする。

上記の目的を達成するための本発明のボイラは、ガス出口が形成された燃焼容器と、水素を供給する水素供給部と、前記燃焼容器内の前記ガス出口から離れた位置で前記水素供給部から供給される水素を燃焼させるバーナと、前記バーナと前記ガス出口の間に配置された蒸発管群と、を有することを特徴とする。

上記構成のボイラは、バーナで水素を燃焼させることで、環境への影響をより少なくすることができる。また、ボイラは、バーナで水素を燃焼させることで、バーナで形成する火炎の輻射を吸収させる領域を設けずに、対流伝熱のみで蒸発管群を加熱することができる。これにより、従来のボイラ構造において大きな体積割合を占めている火炉を小さくすることができ、燃焼容器を小さくすることができる。

本発明のボイラでは、前記バーナは、前記水素を噴射し火炎を形成する複数の噴射口が列状に配置されていることを特徴とする。

上記構成のボイラは、噴射口を列状に配置することで、より広い領域に火炎を形成することができる。

本発明のボイラでは、前記バーナは、前記水素を噴射し火炎を形成する複数の噴射口が面上に二次元配列で配置されていることを特徴とする。

上記構成のボイラは、噴射口を面上に二次元配列で配置することで、より広い領域に火炎を形成することができる。

本発明のボイラは、前記バーナは、複数の前記噴射口が形成されている面が、前記蒸発管群と対面し、前記噴射口から前記水素を噴射する方向に前記蒸発管群が配置されていることを特徴とする。

上記構成のボイラは、蒸発管群に向けて火炎を形成することで、燃焼ガスで効率よく蒸発管群を加熱することができる。

本発明のボイラは、前記蒸発管群は、複数の伝熱管を備え、前記伝熱管は、周囲にフィンが配置されていることを特徴とする。

上記構成のボイラは、伝熱管にフィンを設けることで、水素の燃焼で生成される燃焼ガスとの対流伝熱でより多くの熱量を回収することができる。また、水素を燃焼するため、フィンを設けても、フィンの表面に燃焼時に生じる不純物が付着することを抑制できる。

上記の目的を達成するための本発明のボイラシステムは、上記のいずれか１つに記載のボイラと、前記ボイラから排出された排ガスで回転されるタービンと、を有することを特徴とする。

上記構成のボイラシステムは、ボイラで水素を燃焼することで生成される排ガスを蒸気と同様にタービンの動力源として用いることができる。これにより、ボイラから排出される熱を効率よく回収することができる。

前記タービンは、第１タービンであり、さらに、前記ボイラで生成された蒸気で回転される第２タービンとさらに有し、前記発電機は、前記第１タービン及び前記第２タービンの回転で発電することを特徴とする。

上記構成のボイラシステムは、ボイラで生成される蒸気と排ガスの両方でタービンを回転させることができる。これにより、水素を燃焼させた熱をより多くのエネルギとして回収することができる。

本発明のボイラ及びボイラシステムによれば、バーナで水素を燃焼させることで、環境への影響をより少なくすることができる。また、ボイラは、バーナで水素を燃焼させることで、バーナで形成する火炎の輻射を吸収させる領域を設けずに、対流伝熱で蒸発管群を加熱することができる。これにより、火炉を小さくすることができ、燃焼容器を小さくすることができる。

図１は、本実施例のボイラを備える船舶の概略構成を示す模式図である。 図２は、本実施例のボイラの概略構成を示す模式図である。 図３は、図２に示すボイラを上面から見た場合の断面図である。 図４は、バーナの概略構成を示す正面図である。 図５は、蒸発管群の伝熱管の概略構成を示す斜視図である。 図６は、本実施例のボイラを備えるボイラシステムの一例を示す模式図である。

以下に添付図面を参照して、本発明に係るボイラ及びボイラシステムの好適な実施例を詳細に説明する。なお、この実施例により本発明が限定されるものではなく、また、実施例が複数ある場合には、各実施例を組み合わせて構成するものも含むものである。

本実施例のボイラ及びボイラシステムは、船舶に用いた場合として説明する。つまりボイラを、舶用ボイラとして用いた場合について説明する。より具体的には、ボイラを、発電機を駆動させたりする補助ボイラとして用いる場合として説明する。ここで、ボイラは、発電機を駆動させる補助ボイラに限定されず、例えば、船舶の場合、航行時の動力源となる主機ボイラや、クレーン等、船舶に搭載されている機械を稼動させ補助用ボイラとしても用いることができる。また、ボイラは、舶用に限定されず、種々の用途のボイラに用いることができる。

図１は、本実施例のボイラを備える船舶の概略構成を示す模式図である。図１に示す船舶１０は、ボイラ１２と、タービン１４と、発電機１６と、水素貯蔵部２０と、を有する。本実施形態では、船舶１０のボイラ１２と、タービン１４と、発電機１６と、水素貯蔵部２０と、がボイラシステムに含まれる。本実施形態のボイラシステムは、ボイラで回収した動力をタービンの回転エネルギに変換し、さらに回転エネルギを電力に変換して、発電を行う。ここで、船舶１０は、水素貯蔵部２０で水素を運搬する運搬船であり、水素貯蔵部２０から漏れ出る水素および積極的に取り出した水素をボイラ１２で燃焼する。

ボイラ１２は、水素を燃焼し、水素を燃焼して発生する燃焼ガスで熱媒を加熱し、蒸気を発生させる。ボイラ１２については、後述する。タービン１４は、ボイラ１２で発生された蒸気が供給されることで回転する。発電機１６は、タービン１４と同軸上に設けられており、タービン１４が回転することで発電する。

水素貯蔵部２０は、複数の水素タンク２２と、水素タンク２２とボイラ１２とを接続する水素供給管（水素供給部）２４と、を有する。水素タンク２２は、水素を貯蔵するタンクである。水素タンク２２は、例えば、水素を高圧タンクに貯蔵してもよいが、有機ケミカルハイドライド法などを用いた吸着技術により貯蔵したり、水素吸収合金に吸収させて貯蔵したりすることが好ましい。水素タンク２２は水素を保持した水素保持材料２６が貯蔵されている。水素供給管２４は、水素タンク２２とボイラ１２とを接続している。水素供給管２４は、水素タンク２２の水素保持材料２６から排出される水素をボイラ１２に供給する。ここで水素タンク２２は、一定の圧力で加圧されていることが好ましい。これにより、送風機等を設けなくても水素供給管２４で水素タンク２２からボイラ１２に水素を供給することができる。なお、水素供給管２４は、誤差の範囲以外では、水素以外の燃焼成分を含まない水素をボイラ１２に供給する。

次に、図２から図４を用いて、ボイラ１２について説明する。図２は、本実施例のボイラの概略構成を示す模式図である。図３は、図２に示すボイラを上面から見た場合の断面図である。図４は、バーナの概略構成を示す正面図である。

図２に示すように、ボイラ１２は、燃焼容器３２と、バーナ３４と、フロントバンクチューブ３５と、過熱器３６と、蒸発管群３８と、水ドラム４２と、蒸気ドラム４４と、ヘッダ４６、４８と、を有する。また、ボイラ１２は、水素を供給する水素供給部となる水素供給管２４と、空気を供給する空気供給部３１とが接続されている。水素供給管２４は、ボイラ１２への水素の供給を調整する制御弁２４ａが設けられている。制御弁２４ａは、開閉及び開度を調整可能な弁であり、開閉及び開度を調整することで、水素貯蔵部２０からボイラ１２に供給する水素の量を調整することができる。空気供給部３１は、空気供給管３１ａと、送風機３１ｂとを、有する。空気供給管３１ａは、ボイラ１２に接続されている配管である。送風機３１ｂは、空気供給管３１ａに接続されており、空気供給管３１ａからボイラ１２に空気を送る。

燃焼容器３２は、ボイラ１２の各部が配置された容器である。燃焼容器３２は、燃料である水素が燃焼されることで生成される排ガスを排出するガス出口４０が設けられている。

バーナ３４は、燃焼容器３２のガス出口４０とは離れた位置、本実施形態では図３に示す上面図において、ガス出口４０が設けられている位置の反対側の面に配置されている。バーナ３４は、混合室５０を有する。混合室５０は、水素供給管２４と空気供給管３１ａが接続されている。混合室５０は、水素供給管２４から供給された水素と空気供給管３１ａから供給された空気とを混合する。混合室５０は、燃焼容器３２側の面に形成された複数の噴射口５２が形成されている。バーナ３４は、混合室５０で空気と水素とを混合し、混合したガスを噴射口５２から燃焼容器３２に噴射する。噴射口５２から噴射された混合ガスは、噴射された後、燃焼容器３２の内部で燃焼され、火炎を形成する。また、バーナ３４は、図４に示すように、複数の噴射口５２は、面状に二次元配列されている。つまり、行列状に配置されている。本実施形態のバーナ３４は、燃焼容器３２のガス出口４０が設けられている位置の反対側の面の略全面に等間隔で配置されている。

ボイラ１２は、図３に示すように、バーナ３４からガス出口４０に向けて、フロントバンクチューブ３５と、過熱器３６と、蒸発管群３８と、がこの順で配置されている。バーナ３４の噴射口５２で水素を燃焼させることで生成される燃焼ガスは、バーナ３４からガス出口４０に向けて移動し、フロントバンクチューブ３５が配置された領域、過熱器３６が配置された領域、蒸発管群３８が配置された領域を順次通過する。フロントバンクチューブ３５と、過熱器３６と、蒸発管群３８とは、それぞれ熱交換器であり、燃焼ガスが通過する際に、燃焼ガスとの間で熱交換を行い、燃焼ガスの熱を回収し、内部に流通する熱媒の温度を上昇させる。

フロントバンクチューブ３５は、燃焼容器３２のバーナ３４側、つまり燃焼容器３２の温度が高い領域に配置されている。フロントバンクチューブ３５は、蒸気ドラム４４及びヘッダ４８と接続されており、内部に熱媒が流通している。フロントバンクチューブ３５は、燃焼ガスと熱媒との熱交換で燃焼ガスの熱を回収し、熱媒の温度を上昇させ、燃焼ガスの温度を低下させる。

過熱器３６は、燃焼容器３２のフロントバンクチューブ３５よりもガス出口４０側に配置されている。過熱器３６は、フロントバンクチューブ３５が配置された領域を通過した燃焼ガスが通過する。過熱器３６は、ヘッダ４６と接続されており、内部に熱媒が流通している。過熱器３６は、燃焼ガスと熱媒との熱交換で燃焼ガスの熱を回収し、熱媒の温度を上昇させ、燃焼ガスの温度を低下させる。

蒸発管群３８は、複数の伝熱管を有し、燃焼容器３２のバーナ３４とガス出口４０との間より、具体的には、過熱器３６よりもガス出口４０側に配置されている。蒸発管群３８は、過熱器３６が配置された領域を通過した燃焼ガスが通過する。水ドラム４２は、熱媒を貯留するドラムであり、蒸発管群３８の鉛直方向下側に接続されている。蒸気ドラム４４は、加熱された熱媒である蒸気を貯留するドラムであり、蒸発管群３８の鉛直方向上側に接続されている。このように、蒸発管群３８は、複数の伝熱管の鉛直方向下側の端部が水ドラム４２と接続され、鉛直方向上側の端部が蒸気ドラム４４に接続され、内部に熱媒が流通した状態となる。蒸発管群３８は、バーナ３４で生成され、フロントバンクチューブ３５が配置された領域及び過熱器３６が配置された領域を通過した燃焼ガスが通過する。蒸発管群３８は、燃焼ガスと熱媒との熱交換で燃焼ガスの熱を回収し、熱媒の温度を上昇させ、燃焼ガスの温度を低下させる。ボイラ１２は、蒸発管群３８を通過した燃焼ガスが排ガスとしてガス出口４０から排出される。

ボイラ１２は、バーナ３４で水素を燃焼して燃焼ガスを発生させ、フロントバンクチューブ３５と過熱器３６と蒸発管群３８とで燃焼ガスと熱媒の熱交換を行い、熱媒の温度を上昇させ、熱媒を蒸気とし、当該蒸気を蒸気ドラム４４に貯留する。ボイラ１２は、蒸気ドラム４４に貯留した蒸気をタービン１４に供給することで、タービン１４を回転させ、発電機１６で発電することができる。

ボイラ１２は、バーナ３４で水素を燃焼させることで、つまり燃料として水素を用いることで、燃焼時に窒素酸化物や硫黄酸化物が発生することを抑制することができる。このように燃焼時に有害物質が発生することを抑制できることで、環境への影響をより少なくすることができる。また、有害物質の発生を抑制できることで、有害物質を除去するための機構の配置が不要となるため、装置構成を簡単にすることができ、装置を小型化することができる。

また、ボイラ１２は、バーナ３４で水素を燃焼させることで、バーナ３４で形成する火炎の輻射を吸収させる領域を設けずに、対流伝熱で蒸発管群を加熱することができる。これにより、燃焼容器３２の火炉に相当する領域を小さくすることができ、燃焼容器３２を小さくすることができる。具体的には、フロントバンクチューブ３５、過熱器３６及び蒸発管群３８等の熱交換部と、バーナ３４との距離を短くすることができる。

また、ボイラ１２は、本実施形態のようにバーナ３４の噴射口５２、つまり水素を噴射し火炎を形成する機構を複数設けることで、水素を燃焼した燃焼ガスを燃焼容器３２内に平均的に発生させることができる。これにより、フロントバンクチューブ３５、過熱器３６及び蒸発管群３８等の熱交換部が配置されている領域に平均的に燃焼ガスを流すことができる。これにより、効率よく燃焼ガスの熱を回収することができるとともに、フロントバンクチューブや過熱器など従来構造では燃焼ガス温度のアンバランスにより局部的に発生していた減肉問題を回避する事が可能となる。

ボイラ１２は、本実施形態のようにバーナ３４の噴射口５２を面上に２次元配列で配置することが好ましい。これにより、熱交換部が配置されている領域に平均的に燃焼ガスを流すことができ、効率よく燃焼ガスの熱を回収することができる。なお、ボイラ１２は、バーナ３４の噴射口５２を二次元配列で配置することが好ましいが、列状に配置することでも、一定程度、効率よく燃焼ガスの熱を回収することができる。

ここで、蒸発管群３８は、伝熱管にフィンを設けることが好ましい。図５は、蒸発管群の伝熱管の概略構成を示す斜視図である。つまり、蒸発管群３８は、図５に示すように伝熱管６０に複数のフィン６２を設けることが好ましい。伝熱管６０にフィン６２を設けることで、水素の燃焼で生成される燃焼ガスとの対流伝熱でより多くの熱量を回収することができる。このように、伝熱管６０での熱の回収効率を高くできることで、配置する伝熱管の本数を少なくしても必要な熱を回収することができる。これにより、蒸発管群３８を配置する領域を小さくすることができ、ボイラ１２をより小さくすることができる。また、ボイラ１２は、水素を燃焼するため、フィン６２を設けても、フィン６２の表面に燃焼時に生じる不純物が付着することを抑制できる。不純物である煤や燃料の未燃分の付着が抑制できることで、フィン６２を設けても、伝熱効率が計時で変化することを抑制できる。なお、ボイラ１２は、蒸発管群３８に限定されず、他の熱交換器、つまり、フロントバンクチューブ３５、過熱器３６も伝熱管にフィンを設けた構成としてもよい。これにより、同様の効果を得ることができる。

図６は、本実施例のボイラを備えるボイラシステムの一例を示す模式図である。図６に示すボイラシステム１００は、上述したボイラ１２とタービンユニット１１４と、発電機１２０とを有する。タービンユニット１１４は、第１タービン１１６と、第２タービン１１８と、を有する。ボイラシステム１００は、第１タービン１１６と、第２タービン１１８と発電機１２０とが同軸上に配置されており、一体で回転する。ボイラ１２は、ガス出口４０から排出された排ガスを第１タービン１１６に供給し、蒸気ドラム４４に貯留した蒸気を第２タービン１１８に供給する。これによりボイラシステム１００は、ガス出口４０から排出された排ガスと、蒸気ドラム４４に貯留した蒸気の両方でタービンユニット１１４を回転させることができる。ボイラ１２は、水素を燃焼させているため、燃焼ガスが水素と酸素が結合した水を含む。これにより、ガス出口４０から排出される排ガスは、蒸気に近い状態となり、排ガスで第１タービン１１６を回転させることができる。また、ボイラ１２は、水素を燃焼させているため、基本的に排ガスに不純物が含まれないため、第１タービン１１６に不純物が付着することも抑制できる。

なお、ボイラシステム１００は、より多くのエネルギを回収できるため、蒸気と排ガスの両方でタービンを回転させる動力源として用いたが、いずれか一方のみを用いてもよい。例えば、排ガスでタービンを回転させ、蒸気は、別の装置の熱源として用いてもよい。また、その逆でもよい。また本実施形態では、タービンを回転させて発電を行ったが、タービンの回転エネルギを別の動力として用いてもよい。

１０ 船舶
１２ ボイラ
１４ タービン
１６ 発電機
２０ 水素貯蔵部
２２ 水素タンク
２４ 水素供給管
２４ａ 制御弁
２６ 水素保持材料
３１ 空気供給部
３１ａ 空気供給管
３１ｂ 送風機
３２ 燃焼容器
３４ バーナ
３５ フロントバンクチューブ
３６ 過熱器
３８ 蒸発管群
４０ ガス出口
４２ 水ドラム
４４ 蒸気ドラム
４６、４８ ヘッダ
５０ 混合室
５２ 噴射口
６０ 伝熱管
６２ フィン
１００ ボイラシステム
１１４ タービンユニット
１１６ 第１タービン
１１８ 第２タービン
１２０ 発電機

Claims (7)

1. ガス出口が形成された燃焼容器と、
   水素を供給する水素供給部と、
   前記燃焼容器内の前記ガス出口から離れた位置で前記水素供給部から供給される水素を燃焼させるバーナと、
   前記バーナと前記ガス出口の間に配置された蒸発管群と、を有し、
   前記バーナは、前記燃焼容器の前記ガス出口が設けられている面と反対側の面の全面に列状に配置されている前記水素を噴射し火炎を形成する複数の噴射口を有することを特徴とするボイラ。
2. 前記バーナは、前記水素を噴射し火炎を形成する複数の噴射口が面上に二次元配列で配置されていることを特徴とする請求項１に記載のボイラ。
3. 前記バーナは、複数の前記噴射口が形成されている面が、前記蒸発管群と対面し、前記噴射口から前記水素を噴射する方向に前記蒸発管群が配置されていることを特徴とする請求項１または２に記載のボイラ。
4. 前記蒸発管群は、複数の伝熱管を備え、
   前記伝熱管は、周囲にフィンが配置されていることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載のボイラ。
5. 空気を供給する空気供給部をさらに有し、
   前記バーナは、前記水素供給部から供給される水素と前記空気供給部から供給された空気とを混合して噴射させ、前記燃焼容器内で前記水素を燃焼させることを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載のボイラ。
6. 請求項１から５のいずれか一項に記載のボイラと、
   前記ボイラから排出された排ガスで回転されるタービンと、
   前記タービンの回転で発電する発電機と、を有することを特徴とするボイラシステム。
7. 前記タービンは、第１タービンであり、
   さらに、前記ボイラで生成された蒸気で回転される第２タービンとさらに有することを特徴とする請求項６に記載のボイラシステム。

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