JP6247503B2

JP6247503B2 - 燃焼装置を備えた機器設備の排ガス再循環燃焼制御方法

Info

Publication number: JP6247503B2
Application number: JP2013227467A
Authority: JP
Inventors: 智郎三浦
Original assignee: 株式会社日本サーモエナー
Priority date: 2013-10-31
Filing date: 2013-10-31
Publication date: 2017-12-13
Anticipated expiration: 2033-10-31
Also published as: JP2015087075A

Description

本発明は、主としてボイラや熱風発生炉等の燃焼装置を備えた機器設備の排ガス再循環燃焼制御方法の改良に関するものであり、負荷に応じて燃焼装置の燃焼量を変化させた際に、バーナからの噴射空気流速の変動を少なくして燃焼を安定させ、ターンダウン比を高めて低負荷時のボイラの運転効率の低下を防止できるようにした燃焼装置を備えた機器設備の排ガス燃焼装置を備えた機器設備の排ガス再循環燃焼制御方法に関するものである。

一般に、ボイラ等の燃焼装置は、供給する燃料量と空気量を調整して燃焼量を変動させ、出力制御（発生蒸気量制御）を行なうことを基本として運転されており、所謂空燃比制御を高精度で行うことにより、燃焼効率の向上や省エネルギ運転の達成を図っている。

特に、小型の汎用ボイラ等に於いては、負荷に応じて燃焼量を迅速に変化させ、燃焼の発停回数を減らすことによりボイラ効率の低下を防ぐことが一般的な制御手段となっており、そのため、可能な限り小負荷まで燃焼量の制御を可能にすることが求められている。

図３(a)及び図３(b)は、負荷に応じて燃焼量を段階的に変化させるようにした所謂三位置制御（高燃焼・低燃焼・停止）の小型油焚きバーナを備えたボイラの一例を示すものであり、図３において、２１はバーナ、２１aは高燃焼用電磁弁、２１bは低燃焼用電磁弁、２２、２２a、２２bは燃料供給管、２３aは内筒、２３bは外筒、２４は燃料ノズル、２５は空気供給ダクト、２５aは空気箱、２６は燃焼室、２７は１次空気通路、２８は１次空気通過部、２９は排ガス流出路、３０はダンパ、３１はデフューザ、３２は２次空気通路、３３は２次空気開口部、３４は燃料噴射口、３５はデフューザ下方空間部である。

運転に際しては、電磁弁２１a、２１bの開閉により燃料の供給流量が調整され、ダンパ３０の開閉により空気箱２５aへの空気供給量が調節される。１次燃焼空気は、空気箱２５aから１次空気通路２７及び１次空気通過部２８を通してデフューザ下方空間部２５へ噴出され、また、２次燃焼空気は、空気箱２５aから２次空気通路３２及び２次空気開口部３３を通して燃焼室２６の上方部へ供給される。そして、前記デフューザ下方空間部３５内で、１次空気通過部２８から噴出された１次燃焼空気と、燃料ノズル２４から燃料噴射口３４を通して噴射された燃料とが混合され、所謂一次燃焼が行なわれる。

しかし、上記図３の如きバーナ２１に於いては、１次空気通過部２８及び２次空気開口部３３の開口面積が一定であるため、ダンパ３０で空気供給量を絞るほど１次燃焼空気や２次燃焼空気の流速が低下し、燃焼と空気の混合が不十分となって燃焼不良が発生する。その結果、所謂ターンダウン比の上限は約１．３低度に抑えられている（特開２００９−２４９３２号）。

一方、上記のような問題を解決する方策として、バーナ先端部の空気供給口に開閉手段を設けることにより低燃焼時における空気流速の低下を抑え、ターンダウン比が高い場合でも良好な燃焼状態を保持できるようにした技術が開発され、実用に供されている。

図４(a)及び図４(b)は、空気供給口に開閉手段を設けた構造の燃焼焼装置の一例を示すものであり、バーナ先端部の内筒３３aと外筒３３bから成る環状空気箱２５aの先端面３６に複数の空気供給口３６aを設け、その上面に、複数の空気噴出口３７a、３７bを有するベーン部材３７を回動自在に設置するようにしたものである（特開２００１−２５４９０８号等）。

尚、図４(a)に於いて、４２は環状ガス化促進筒、４３はバッフル状円環部材であり、Aは燃焼空気、G₀は燃焼ガス、G₁は還流ガスであり、所謂自己再循環方式の低NOxバーナ２１に形成されており、燃料の気化促進を図ると共に空気との混合性能を高める構成としたものである。
また、当該図４のバーナ２１にあっては、ベーン部材３７に形成した複数の噴出口３７a、３７bにより燃焼火炎が所謂分割火炎とされ、良好な燃焼性能と低NOx化を図るように工夫されている。

図５は、空気供給口に開閉手段を設けた燃焼装置の他の一例を示すものであり、燃焼用空気Aを内側空気通路３８と外側空気通路３９を通して供給すると共に、外側空気通路３９の先端部の空気供給口３６aに自動開閉弁機構４０を設け、燃焼量に応じて自動開閉弁機構４０により空気供給口３６aの開口面積を調整するようにしたものである。
尚、図５に於いて、２２a、２2ｂは燃料供給管、２３aは内筒、２３bは外筒、２４は燃料ノズル、２５は空気供給ダクト、２５aは風箱、４１aは上部ミキシングケース、４１bは下部ミキシングケースである（特開２０１２−４７４０４号）。

上記図４及び図５の燃焼装置は、空気供給口の開口面積を調整することにより、ターンダウン比が高い場合に於いても、低燃焼時の空気流速を所定の流速に保持することができ、空気流速の低減に起因する燃焼不良の発生等を防止できる等の優れた効用を奏するものである。

しかし、この種の種の燃焼装置では、何れもバーナ先端部の高温領域にベーン部材３７や自動開閉弁機構４０を設ける構造としているため、駆動部や摺動部の損傷が激しく、耐用年数や補修等の点に多くの問題が残されている。

特に、図５のように、内側空気通路３８と外側空気通路３８９を備えたバーナ２１に於いては、低燃焼時に外側空気通路３９の空気供給口３６aが絞られるため、内側空気量（１次空気量）と外側空気量（２次空気量）のバランスが崩れて低燃焼時の燃焼性能が悪化することになる。その結果、低NOx燃焼を目的とした分割火炎方式や自己再循環方式のバーナ２１では、低燃焼時にNOxの発生量が増加すると云う問題がある。

特開２００９−０２４９３２号公報特開２００１−２５４９０８号公報特開２０１２−０４７４０４号公報特開２００３−０８３５０９号公報特開平１１−１４８６０６号公報

本発明は、従前のバーナ先端部の空気供給口に開閉手段を設け、空気供給口の開度調整により低燃焼時における燃焼用空気の噴出流速の低下を抑え、これにより、高ターンダウン比に於いても良好な燃焼状態が保持できるようにした燃焼装置に於ける上述の如き問題、即ち、a駆動部や摺動部の損傷が激しくなり、耐用年数も短かくて、補修等に手数が掛かること、及び、b低燃焼時に燃焼状態が悪化し、低NOx燃焼を目的とした分割火炎方式や自己再循環方式のバーナでもNOx値が高くなること、等の問題を解決せんとするものであり、空気供給口に開閉手段等を設けずに、排ガス再循環方式を活用することにより低燃焼時の燃焼用空気流速の低下を防止して良好な燃焼状態を保持できると共に、NOx値の一層の低下を可能にした燃焼装置を備えた機器設備の排ガス再循環燃焼制御方法を提供するものである。

而して、一般にボイラ等の燃焼装置の運転に於いては、良好な燃焼が行なえると共に、NOx等有害物質の排出の少ないことが必須要件となる。特にNOx値の低減に関しては、燃焼用空気に排ガスを混入することにより燃焼用空気の酸素濃度を低下させ、これにより燃焼時のNOx発生を減少させる燃焼制御技術が汎用されている。

しかし、従前ボイラ等燃焼装置の排ガス再循環燃焼制御方法は、何れもNOx値の低減を第１の目的とするものであり、低酸素濃度の燃焼用空気でもって燃焼を行うため、燃焼量を変更したような場合には、燃焼のバランスが崩れて燃焼不良に陥り易いうえ、酸素量不足により有害なCOを生じると云う問題がある。

本願発明者は、上記NOx値の低減を目的とする排ガス再循環燃焼制御システムの永年に亘る研究開発を通して、燃焼装置の低燃焼運転時に排ガス再循環燃焼を行なうことにより、低燃焼時に於けるバーナの燃焼空気流速の低下を防止して燃焼の安定化を図ることを着想し、当該着想に基づいて数多くの実機を用いた燃焼試験を積み重ねた。

本願発明は、上記の如き着想とその燃焼試験結果を基にして創作されたものであり、燃焼装置を備えた機器本体と、前記燃焼装置のバーナへ燃焼用空気供給路を通して燃焼用空気を供給する押込送風機と、空気取入口から空気を押込送風機へ導入する燃焼用空気通路と、前記機器本体からの排ガスを前記燃焼用空気通路へ導入する排ガス循環通路と、当該排ガス循環通路に介設した排ガス循環ダンパと、前記燃焼用空気供給路に介設した燃焼用空気ダンパと、燃焼用空気通路と排ガス循環通路の合流部の上流側に設けた空気取入ダンパとから成る燃焼装置を備えた機器設備に於いて、前記燃焼装置の高負荷燃焼運転時には、前記排ガス循環ダンパを全閉状態及び前記空気取入ダンパを全開状態として燃焼装置を作動させると共に、前記燃焼用空気ダンパの開度調整によって燃焼用空気の供給量を調整し、前記燃焼装置の低負荷燃焼運転時には、前記排ガス循環ダンパ及び前記空気取入ダンパを所定の設定開度に保持して作動させると共に、前記燃焼用空気ダンパの開度調整によって循環排ガスを含む燃焼用空気の供給量を調整し、高燃焼運転時と低燃焼運転時に於ける前記燃焼装置のバーナからの燃焼用空気の噴出速度の変動差を低減させることにより、低燃焼運転時に良好な燃焼状態を保持することを発明の基本構成とするものである。

請求項２の発明は、請求項１の発明に於いて、燃焼装置を備えた機器本体をボイラ又は熱風発生炉としたものである。

請求項３の発明は、請求項１の発明に於いて、燃焼装置のバーナを低NOx用バーナとすると共に、低燃焼運転時に於けるNOxの生成を低減させるようにしたものである。

請求項４の発明は、請求項１の発明に於いて、機器本体の排ガス出口側に排熱回収装置を設け、当該排熱回収装置の排ガス出口側から循環排ガスを燃焼用空気通路へ導入するようにしたものである。

請求項５の発明は、請求項１の発明に於いて、燃焼装置を、油又はガスを燃料とするものとしたものである。

請求項６の発明は、請求項４の発明に於いて、機器本体をボイラとし、且つ排熱回収装置をエコノマイザとするようにしたものである。

本願発明に於いては、燃焼装置を備えた機器設備の高負荷燃焼運転時には、排ガス循環ダンパを全閉として燃焼装置を作動させると共に、燃焼装置の低負荷燃焼運転時には排ガス循環ダンパを所定の設定開度に保持して作動させ、高燃焼運転時と低燃焼運転時に於ける前記燃焼装置のバーナからの燃焼用空気の噴出速度の変動差を低減させ、低燃焼運転時に良好な燃焼状態を保持する構成としている。
その結果、低燃焼運転時に於いても良好な燃焼状態が保持され、ターンダウン比を高く取ることが可能となり、少ない発低回数で以って広い負荷領域に亘る運転制御が可能となり、ボイラ等の効率が上昇する。

また、本願発明では、噴射空気流速の低下が生じないため、低NOxバーナにおける噴射空気流速の低下に起因するNOxの発生を防止することができ、低燃焼時の一層の低NOx化が可能となる。

更に、本願発明では、低燃焼時の空気比を定常運転（燃焼空気＝新鮮空気）の場合と同一とした際には、燃焼排ガス量が増加する。その結果、ボイラ缶体及びエコノマイザ内の排ガス通過速度が上昇し、伝熱効率が向上すると共に、ボイラ缶体及びエコノマイザへの煤等の付着が減少する。

加えて、低燃焼時の燃焼状態の改善により、より少ない空気比での燃焼が可能となり、低負荷時のボイラ効率を一層高めることが可能となる。

本発明の第１実施形態に係るボイラの構成系統図である。本発明の第２実施形態に係るボイラの構成系統図である。（a）は従前のバーナを備えたボイラの縦断面概要図であり、（b）はバーナの一部を破断した斜面図である。（a）は従前の他のバーナの縦断面概要図であり、（b）は、(a)の矢印イーイ視概要図である。従前のその他のバーナの縦断面概要図である。

以下、図面に基づいて本発明の実施形態を説明する。
［第１実施形態］
図１は，本願発明に係る燃焼装置を備えた機器設備の排ガス再循環燃焼制御方法を適用したボイラの構成系統図である。
尚、図1に於いては、ボイラのバーナの運転に本発明を適用しているが、本発明の適用対象は、燃焼装置を備えた他の全ての機器類、例えば給湯器や燃焼ガス発生器、温水器、加熱器等であってよいことは勿論である。
また、本実施形態では、燃料として重油を用いる所謂油焚きバーナの燃焼装置を使用するようにしているが、ガス等を燃料とするバーナであっても良いことは勿論である。

図１に於いて、１はボイラ、２はエコノマイザ、３は押込送風機、４aは燃焼用空気供給路、４bは燃焼用空気通路、5は排ガス循環通路、6は煙突、7は燃焼用空気ダンパ、8は排ガス循環用ダンパ、９は風箱、１０はバーナ、10aは燃料噴射口、10bは燃焼火炎、11は空気取入口、12燃焼用空気、13は排ガス、14は循環排ガス、15は空気取入ダンパ、１６は新鮮空気、17は外部排ガスであり、後述する図2に於いても同じである。

上記ボイラ１には、所謂三位置制御（高燃焼・低燃焼・停止）の小型油焚きバーナを備えたボイラが用いられており、高燃焼運転時（全負荷運転時）には、排ガス循環用ダンパ８を全閉状態及び空気取入ダンパ15を全開状態とし、空気取入口11より新鮮空気16のみを取り込んで、燃焼用空気通路４ｂ、押込送風機３、燃焼用空気ダンパ７、燃焼用空気供給路４a、風箱９を通してバーナ１０へ供給される。そして、バーナ１０の先端部から噴射された燃焼用空気（新鮮空気）１２は燃料と混合され、これにより燃料が燃焼される。

上記燃焼用空気（新鮮空気）１２の供給量は、燃焼用空気ダンパ７の開度調整によって所定の供給量、即ち所定の空気比に調整され、これにより、供給された燃料が完全燃焼されることになる。
又、ボイラ1からの排ガス１３は、エコノマイザ２で熱回収をされた後、煙突6から外部へ放出されていく。
尚、上述の如きボイラの運転制御方法は周知の技術であるから、ここではその説明を省略する。

ボイラ1の負荷が低減し、バーナ10を所謂低燃焼状態に切替え運転する場合には、先ず、排ガス循環用ダンパ8及び空気取入ダンパ１５の開度を予め定めた設定開度に調整し、所定量の循環排ガス14を新鮮空気１６に混合させ、この所定量の循環排ガス14を含んだ燃焼用空気（排ガス混合空気）１２を、燃焼用空気通路４b、押込送風機３、燃焼用空気ダンパ７、燃焼用空気供給路４a、風箱９を通してバーナ１０へ供給する。そして、バーナ１０の先端部から噴射した循環排ガス14を含む燃焼用空気１２と燃料とが混合され、供給された燃料が燃焼される。
尚、上記循環排ガス14を含む燃焼用空気１２の供給量は、燃焼用空気ダンパ７の開度調整によって流量調整され、これにより、燃料の完全燃焼に必要な所定の空気比が保持される。

今、仮に、循環排ガス14を用いることなしに、燃焼用空気ダンパ７により新鮮空気１６の供給量のみを調整して低燃焼を行う場合と、燃焼用空気ダンパ７により循環排ガス14を含む燃焼用空気１２の供給量を調整して低燃焼状態を行う場合との、燃焼用空気ダンパ７の開度調整度合を比較すると、後者の方が当然に燃焼用空気ダンパ７の開度調整の度合が大きくなる。何故なら、後者の場合には、低燃焼時に必要とする空気比を、循環排ガス14を混合した燃焼用空気１２によって確保する必要があり、必然的に循環排ガス14を混合した燃焼用空気１２の供給量が、新鮮空気１６だけの場合よりも増加するからである。

その結果、低燃焼運転時においても、バーナ１０における燃焼用空気１２の噴射流速が、高燃焼運転時の噴射流速から大幅に変動することが無くなり、低燃焼時にも安定且つ良好な燃焼を得ることが出来る。

上記循環排ガス14の流量は、排ガス１３の圧力、排ガス循環通路５の通過面積（流路抵抗）、排ガス循環用ダンパ８の開度等から決ることになるが、空気取入ダンパ１５を設けてその開度調整を行うことにより、前記循環排ガス１４の流量調整幅を大きく取ることが可能となる。尚、当該空気取入ダンパ１５は、その設置を省略しても良いことは勿論である。

［第２実施形態］
図２は、本願発明に係る燃焼装置を備えた機器設備の排ガス再循環燃焼制御方法を適用した他のボイラの構成系統図である。
当該第２実施形態では、循環排ガス14をエコノマイザ２の出口から引抜く構成としたものであり、その他の構成は上記第１実施形態の場合と同一である。

下記の表１は、換算蒸発量2,500kg/hのボイラを、新鮮空気１６を燃焼用空気１２とする標準運転の場合と、排ガス混合空気（排ガス再循環率１５%）を燃焼用空気１２とする排ガス再循環運転の場合について、バーナヘッドに於ける燃焼用空気１２の噴射流速を試算した結果を示すものである。

上記表１では、ボイラ負荷率を１００％、５０％、３０％とし、また、排ガス酸素濃度をO₂＝４，８％と仮定し、バーナへ供給する酸素量が標準運転の場合と同一になるように、排ガス再循環運転時の燃焼用空気１２の供給量を定めている（必要酸素量の欄参照）。但し、燃焼後の排ガスO₂量は同一であるが、排ガス流量が異なるため、現実の排ガス酸素濃度は、正確にはO₂＝４，８％とは成らない（排ガスO₂の欄参照）。
また、表１中の必要割増係数は、排ガス混合後の燃焼用空気中の酸素濃度を標準運転の場合と同一にするために、増加する風量の割合である。

表１の流速欄に記載されているように、排ガス再循環率を一般的な１５%に設定した場合、ボイラ負荷３０％に於ける燃焼用空気１２のバーナ１０から噴射される流速が、標準運転の場合(１０．９m/s)であるのに対して、排ガス再循環燃焼の場合に１３．０m/sとなり、燃焼用空気の流速が１．２３倍となる。

本願発明では、低燃焼時に排ガス再循環燃焼を行うことにより、バーナからの噴射空気流速の低下が低減され、これによって良好な燃焼状態が保持されるため、ターンダウン比を高く取ることが可能となり、結果として、少ない発低回数で持って広い負荷領域にわたる運転制御が行える。
また、本願発明では、噴射空気流速の低下が生じないため、低NOxバーナにおける噴射空気流速の低下に起因するNOxの発生を防止することができ、低燃焼時の一層の低NOx燃焼が可能となる。

更に、本願発明では、低燃焼時の空気比を定常運転（燃焼空気＝新鮮空気）の場合と同一とした際には、燃焼排ガス量が増加するため、ボイラ缶体及びエコノマイザ内の排ガス通過速度が上昇し、伝熱効率が向上すると共に、ボイラ缶体及びエコノマイザへの煤等の付着が減少する。
加えて、低燃焼時の燃焼状態の改善により、より少ない空気比での燃焼が可能となり、低負荷時のボイラ効率を一層高めることが可能となる。

本発明は、バーナ燃焼装置を備えたボイラや加熱炉、ガス発生炉等のあらゆる機器類に適用することが可能なものである。

１ボイラ
２エコノマイザ
３押込送風機
４a 燃焼用空気供給路
４b 燃焼用空気通路
５排ガス循環通路
６煙突
７燃焼用空気ダンパ
８排ガス循環用ダンパ
９風箱
１０バーナ
１０a 燃料噴射口
１０b 燃焼火炎
１１空気取入口
１２燃焼用空気
１３排ガス
１４循環排ガス
１５空気取入ダンパ
１６新鮮空気
１７外部排出ガス
２１バーナ
２１a 高燃焼用電磁弁
２１b 低燃焼用電磁弁電
２２、２２a、２２b 燃料供給管
２３a 内筒
２３b 外筒
２４燃料ノズル
２５空気供給ダクト
２５a 空気箱
２６燃焼室
２７１次空気通路
２８１次空気通過部
２９排ガス流出路
３０ダンパ
３１デフューザ
３２２次空気通路
３３２次空気開口部
３４燃料噴射口
３５デフューザ下方空間部
３６先端面
３６a 空気供給口
３７ベーン部材
３７a、３７b 噴出口
３８内側空気通路
３９外側空気通路
４０自動開閉弁機構
４１a 上部ミキシングケース
４１b 下部ミキシングケース
４２環状ガス化促進筒
４３バッフル状円環部材
G₀燃焼ガス
G₁還流ガス
A 燃焼空気

Claims

燃焼装置を備えた機器本体と、前記燃焼装置のバーナへ燃焼用空気供給路を通して燃焼用空気を供給する押込送風機と、空気取入口から空気を押込送風機へ導入する燃焼用空気通路と、前記機器本体からの排ガスを前記燃焼用空気通路へ導入する排ガス循環通路と、当該排ガス循環通路に介設した排ガス循環ダンパと、前記燃焼用空気供給路に介設した燃焼用空気ダンパと、燃焼用空気通路と排ガス循環通路の合流部の上流側に設けた空気取入ダンパとから成る燃焼装置を備えた機器設備に於いて、前記燃焼装置の高負荷燃焼運転時には、前記排ガス循環ダンパを全閉状態及び前記空気取入ダンパを全開状態として燃焼装置を作動させると共に、前記燃焼用空気ダンパの開度調整によって燃焼用空気の供給量を調整し、前記燃焼装置の低負荷燃焼運転時には、前記排ガス循環ダンパ及び前記空気取入ダンパを所定の設定開度に保持して作動させると共に、前記燃焼用空気ダンパの開度調整によって循環排ガスを含む燃焼用空気の供給量を調整し、高燃焼運転時と低燃焼運転時に於ける前記燃焼装置のバーナからの燃焼用空気の噴出速度の変動差を低減させることにより、低燃焼運転時に良好な燃焼状態を保持する構成としたことを特徴とする燃焼装置を備えた機器設備の排ガス再循環燃焼制御方法。
燃焼装置を備えた機器本体をボイラ又は熱風発生炉とした請求項１に記載の燃焼装置を備えた機器設備の排ガス再循環燃焼制御方法。
燃焼装置のバーナを低NOx用バーナとすると共に、低燃焼運転時に於けるNOxの生成を低減させるようにした請求項１に記載の燃焼装置を備えた機器設備の排ガス再循環燃焼制御方法。
機器本体の排ガス出口側に排熱回収装置を設け、当該排熱回収装置の排ガス出口側から循環排ガスを燃焼用空気通路へ導入するようにした請求項１に記載の燃焼装置を備えた機器設備の排ガス再循環燃焼制御方法。
燃焼装置を、油又はガスを燃料とするものとした請求項１に記載の燃焼装置を備えた機器設備の排ガス再循環燃焼制御方法。
機器本体をボイラとし、且つ排熱回収装置をエコノマイザとするようにした請求項４に記載の燃焼装置を備えた機器設備の排ガス再循環燃焼制御方法。