JP6430099B2 - ボイラシステム - Google Patents

Description

本発明は、ボイラシステムに関する。

従来、ボイラで生成した蒸気を負荷機器に供給し、この負荷機器において熱源として使用された蒸気から発生するドレンを回収して再度ボイラへの給水として利用するドレン回収装置が提案されている。
このようなドレン回収装置として、負荷機器において発生したドレンを、大気に開放された開放型のドレン回収タンクに回収してボイラに給水するオープン方式のドレン回収装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。

ところで、ボイラシステムにおいては、ボイラにおいて蒸気を生成するために用いられた後の燃焼ガスからの熱回収が十分に行えず、ボイラシステムの熱効率が低下してしまう場合があった。
このような問題に対して、ボイラに供給される水と、蒸気を生成するために用いられた後の燃焼ガスとの間で熱交換を行うエコノマイザを設けて、燃焼ガスから熱回収を行うことで熱効率を向上させたボイラシステムが知られている。しかしながら、負荷機器において発生したドレンを回収してボイラに供給した場合、エコノマイザに導入される給水の温度が高いため、燃焼ガスからの熱回収が十分に行えない。

そこで、ボイラシステムの熱効率を向上させるために、特許文献２で開示されているような燃焼ガスとボイラに供給される燃焼用空気との間で熱交換を行うエアヒータを、エコノマイザと共に設けてボイラシステムを構成することが考えられる。

特開平７−１１９９１８号公報 特開昭６１−５９１１４号公報

しかしながら、ボイラシステムをエコノマイザ及びエアヒータを含んで構成した場合、エアヒータにおいて、エコノマイザにより熱回収されて温度が低下した燃焼ガスから十分に熱回収できない場合があった。

従って、本発明は、オープン方式のドレン回収装置とボイラとを組み合わせた場合に、熱効率をより向上させられるボイラシステムを提供することを目的とする。

本発明は、給水を燃焼ガスにより加熱して蒸気を生成する貫流ボイラと、前記貫流ボイラにより生成された蒸気が凝集して生じたドレンを大気圧下で回収し、該ドレンを前記貫流ボイラに供給するドレン回収装置と、前記貫流ボイラから排出される燃焼ガスと、前記貫流ボイラに供給されるドレンとの間で熱交換を行う給水加熱器と、を備えるボイラシステムであって、前記給水加熱器において熱交換された燃焼ガスと前記貫流ボイラに供給される燃焼用空気とを互いに逆方向に流通させて熱交換を行う空気加熱器を更に備えるボイラシステムに関する。

また、前記空気加熱器の熱回収率は、１０％以下であることが好ましい。

また、前記空気加熱器に導入される燃焼用空気の温度は、−２０℃〜８０℃であり、該空気加熱器において熱交換を行った後の燃焼用空気の温度は、２００℃以下であることが好ましい。

また、前記貫流ボイラは、直方体状の缶体と、前記缶体の内部に上下方向に延びて配置されると共に、該缶体の長手方向及び幅方向に所定の間隔をあけて配置される複数の水管と、前記缶体の長手方向の一端側に位置する第１側面に設けられ、略水平方向に燃料を噴出して燃焼させるバーナと、前記缶体の長手方向の他端側に位置する第２側面に設けられ前記缶体の内部で生じた燃焼ガスを排出する排気筒と、を備えることが好ましい。

本発明のボイラシステムによれば、オープン方式のドレン回収装置とボイラとを組み合わせた場合に、熱効率をより向上させられるボイラシステムを提供することができる。

本発明の一実施形態に係るボイラシステムの構成を示す図である。 上記実施形態に係るボイラシステムを構成する貫流ボイラ、給水加熱器及び空気加熱器を模式的に示した図である。 貫流ボイラの缶体の鉛直方向断面図である。 図３のＡ−Ａ線断面図である。 向流式の熱交換及び並流式の熱交換における燃焼ガス及び燃焼用空気の温度分布を示す図である。

以下、本発明のボイラシステムの好ましい一実施形態について、図面を参照しながら説明する。図１は、本発明の一実施形態に係るボイラシステム１の構成を示す図である。図２は、貫流ボイラ１０、給水加熱器３０及び空気加熱器４０の構成を模式的に示した図である。
本実施形態のボイラシステム１は、図１に示すように、複数の貫流ボイラ１０を含んで構成されるボイラ装置７０と、オープン方式のドレン回収装置２０と、を備える。

ボイラ装置７０は、図１及び図２に示すように、複数の貫流ボイラ１０と、これら複数の貫流ボイラ１０それぞれに取り付けられる給水加熱器３０及び空気加熱器４０と、複数の貫流ボイラ１０で生成された蒸気が集合される蒸気ヘッダ７１と、複数の貫流ボイラ１０と蒸気ヘッダ７１とを連結する連結管７２と、を備える。

貫流ボイラ１０は、内部に供給された給水を燃焼ガスにより加熱して蒸気を生成する。本実施形態では、貫流ボイラ１０（複数の水管）には、後述のドレン回収装置２０により回収されたドレンが給水として供給される。
貫流ボイラ１０の詳細、並びに給水加熱器３０及び空気加熱器４０については、後述する。

図１に示すように、複数の貫流ボイラ１０で生成された蒸気は、連結管７２を通って蒸気ヘッダ７１に供給される。蒸気ヘッダ７１は、複数の貫流ボイラ１０で生成された蒸気を貯留し、負荷機器５０に供給する。
負荷機器５０は、貫流ボイラ１０で生成された蒸気を熱源として利用し、加熱対象物との間で熱交換を行う。

ドレン回収装置２０は、貫流ボイラ１０により生成された蒸気が負荷機器５０で利用されることで凝集して生じたドレンを大気圧下で回収し、この回収したドレンを給水として再び貫流ボイラ１０に供給する。
ドレン回収装置２０は、オープンタンク２１と、貯留タンク２２と、蒸気供給ラインＬ１と、第１ドレン供給ラインＬ２と、第２ドレン供給ラインＬ３と、補給水供給ラインＬ４と、を備える。

オープンタンク２１は、負荷機器５０において熱交換に用いられた蒸気の一部が凝集して生じるドレンを回収して収容する。オープンタンク２１は、大気圧下に開放されている。

貯留タンク２２は、大気圧下に開放されている。この貯留タンク２２は、貫流ボイラ１０に供給される補給水を貯留する。

蒸気供給ラインＬ１は、蒸気ヘッダ７１と負荷機器５０とを接続し、貫流ボイラ１０で生成された蒸気を負荷機器５０に供給する。
第１ドレン供給ラインＬ２は、負荷機器５０とオープンタンク２１とを接続し、負荷機器５０で発生したドレンをオープンタンク２１に供給する。この第１ドレン供給ラインＬ２には、負荷機器５０において発生したドレンを排出し、かつ、蒸気の排出を防ぐスチームトラップ６１、逆止弁６２及びモータバルブ６３が配置される。

第２ドレン供給ラインＬ３は、オープンタンク２１と貫流ボイラ１０とを接続し、オープンタンク２１に収容されたドレンを貫流ボイラ１０に供給する。本実施形態では、第２ドレン供給ラインＬ３の上流側の端部は、オープンタンク２１の下部に接続される。また、第２ドレン供給ラインＬ３の下流側は、複数の缶体１１のそれぞれに接続されるように分岐している。

以上の第２ドレン供給ラインＬ３には、ドレンポンプ６４及びドレン供給弁６５が配置される。ドレンポンプ６４は、オープンタンク２１から供給されたドレンを昇圧して貫流ボイラ１０に供給する。ドレン供給弁６５は、モータバルブにより構成され、オープンタンク２１から貫流ボイラ１０に供給されるドレンの量を調節する。

補給水供給ラインＬ４は、貯留タンク２２とオープンタンク２１とを接続し、貯留タンク２２に貯留された水をオープンタンク２１に供給する。補給水供給ラインＬ４には、ポンプ６９が配置されている。

次に、貫流ボイラ１０の詳細、並びに給水加熱器３０及び空気加熱器４０について説明する。図３は、貫流ボイラ１０の缶体１１の鉛直方向断面図である。図４は、図３のＡ−Ａ線断面図であり、缶体１１の水平方向断面図である。
貫流ボイラ１０は、図３及び図４に示すように、缶体１１と、複数の水管１２と、連結壁１３と、下部ヘッダ１４と、上部ヘッダ１５と、ダクト１６と、バーナ１７と、排気筒１８と、を備える。

缶体１１は、平面視矩形形状の直方体状に構成される。
複数の水管１２は、缶体１１の内部に上下方向に延びて配置されると共に、缶体１１の長手方向及び幅方向に所定の間隔をあけて配置される。
本実施形態では、複数の水管１２は、缶体１１の長手方向に延びる側部に沿って配置される外側水管群１２ａと、缶体１１の幅方向の中央部に、長手方向に沿って配置される中央水管群１２ｂと、外側水管群１２ａと中央水管群１２ｂとの間に配置される中間水管群１２ｃと、に分類される。
連結壁１３は、外側水管群１２ａにおいて隣り合って配置される水管１２同士を連結する。

下部ヘッダ１４は、平面視矩形形状の直方体状の容器によって構成され、缶体１１の下部に配置される。下部ヘッダ１４には、複数の水管１２の下端部が接続される。下部ヘッダ１４には、ドレン回収装置２０からドレンが供給され、この下部ヘッダ１４から複数の水管１２にドレンが供給される。

上部ヘッダ１５は、平面視矩形形状の直方体状の容器によって構成され、缶体１１の上部に配置される。上部ヘッダ１５には、複数の水管１２の上端部が接続される。上部ヘッダ１５には、複数の水管１２において生成された蒸気が集められる。上部ヘッダ１５には、連結管７２（図１参照）が連結されており、上部ヘッダ１５に集められた蒸気は、この連結管７２を介して蒸気ヘッダ７１に供給される。

ダクト１６は、缶体１１の長手方向の一端側に位置する第１側面１１ａの下部に接続される。ダクト１６の上流側には、燃料ガスが供給される燃料供給部１６１及び燃焼用空気が供給される給気ラインＡＬ（図２参照）が接続される。ダクト１６は、燃料供給部１６１から供給される燃料ガスと給気路ＡＬから供給される燃焼用空気とを混合して缶体１１の内部に向けて供給する。

バーナ１７は、第１側面１１ａにおけるダクト１６と缶体１１との接続部分に配置される。バーナ１７は、燃焼用空気と燃料とが混合された混合ガスをダクト１６から缶体１１の内部に噴出し、この混合ガスを燃焼させる。

排気筒１８は、缶体１１の長手方向の他端側（ダクト１６が設けられた側と反対側）に位置する第２側面１１ｂに接続される。排気筒１８は、缶体１１の内部で混合ガスが燃焼して生じた燃焼ガスを排出する。

本実施形態では、排気筒１８は、図２に示すように、缶体１１との接続部分から上方に延びる第１上向き排気路部１８１と、第１上向き排気路部１８１の上端部から屈曲すると共に下方に延びる下向き排気路部１８２と、下向き排気路部１８２の下端部から屈曲すると共に上方に延びる第２上向き排気路部１８３と、を備える。
以上の排気筒１８によれば、缶体１１から排出された燃焼ガスは、第１上向き排気路部１８１を上方に向かって流通した後、下向き排気路部１８２を下方に向かって流通し、更に第２上向き排気路部１８３を上方に向かって流通して外部に排出される。

給水加熱器３０及び空気加熱器４０は、排気筒１８に設けられる。
給水加熱器３０は、貫流ボイラ１０から排出される燃焼ガスと、貫流ボイラ１０に供給されるドレンとの間で熱交換を行う。本実施形態では、給水加熱器３０は、第１上向き排気路部１８１に配置される。より具体的には、給水加熱器３０は、貫流ボイラ１０にドレンを供給する第２ドレン供給ラインＬ３（図１参照）の一部を、第１上向き排気路部１８１に配置することで構成される。また、給水加熱器３０においては、第２ドレン供給ラインＬ３は、ドレンが上方から下方に向かって流通するように配置される。

空気加熱器４０は、給水加熱器３０において熱交換された燃焼ガスと、貫流ボイラ１０に供給される燃焼用空気との間で熱交換を行う。本実施形態では、空気加熱器４０は、下向き排気路部１８２に配置される。より具体的には、図２に示すように、空気加熱器４０は、燃焼用空気を送風機８０から貫流ボイラ１０（ダクト１６）に供給する給気ラインＡＬの一部を、下向き排気路部１８２に配置することで構成される。また、空気加熱器４０においては、給気ラインＡＬは、燃焼用空気が下方から上方に向かって流通するように配置される。即ち、本実施形態の空気加熱器４０では、燃焼ガスと燃焼用空気とが互いに逆方向に流通して熱交換を行う向流式の熱交換が行われる。

ここで、本実施形態では、空気加熱器４０において向流式の熱交換を行わせることにより、燃焼ガスからの熱回収率を、好ましくは１０％以下、より好ましくは２％〜３％としている。特に、空気加熱器４０における熱回収率を２％〜３％とした場合には、燃焼用空気として、外気温（例えば、０℃〜５０℃）の空気を用いた場合に、空気加熱器４０において熱交換を行った後の燃焼用空気の温度を２００℃以下にできる。
尚、燃焼ガスからの熱回収率は、燃焼ガスの空気加熱器４０への入口温度、燃焼ガスの空気加熱器４０からの出口温度、及び燃焼ガスの流量、並びに、燃焼用空気の空気加熱器４０への入口温度、燃焼用空気の空気加熱器４０からの出口温度、及び燃焼用空気の流量に基いて求められる。

次に、本実施形態のボイラシステム１の動作について説明する。
本実施形態では、まず、貫流ボイラ１０において蒸気が生成される。具体的には、まず、燃料ガスと燃焼用空気とがダクト１６において混合され、この燃焼ガスと燃焼用空気との混合ガスがバーナ１７から缶体１１の内部に噴出されて燃焼される。次いで、混合ガスの燃焼により発生した燃焼ガスにより、複数の水管１２が加熱され、これら複数の水管１２の内部に供給された給水（ドレン）から蒸気が生成される。複数の水管１２の内部で生成された蒸気は、上部ヘッダ１５に集められた後、連結管７２を介して蒸気ヘッダ７１に供給される。
蒸気ヘッダ７１に供給された蒸気は、負荷機器５０において利用された後ドレンとなり、大気圧下でオープンタンク２１に貯留される。そして、オープンタンク２１に貯留されたドレンは、第２ドレン供給ラインＬ３を通って貫流ボイラ１０に給水として供給される。オープンタンク２１から第２ドレン供給ラインＬ３を通って貫流ボイラ１０に供給される給水の温度は、１０℃〜１００℃程度である。

一方、缶体１１の内部において蒸気の生成に用いられた燃焼ガスＧ１は、第１上向き排気路部１８１を上方に向かって流通した後（図２のＧ２参照）、下向き排気路部１８２を下方に向かって流通し（図２のＧ３参照）、更に第２上向き排気路部１８３を上方に向かって流通して（図２のＧ４参照）、外部に排出される（図２のＧ５参照）。

ここで、本実施形態では、第１上向き排気路部１８１に給水加熱器３０が配置され、下向き排気路部１８２に空気加熱器４０が配置されている。そして、空気加熱器４０は、熱回収率が１０％以下、好ましくは２％〜３％となるように設計されている。これにより、缶体１１から排出される燃焼ガス（例えば、２５０℃〜３５０℃）は、まず、第１上向き排気路部１８１において、給水加熱器３０を流通するドレン（例えば、１４０℃〜１７０℃）との間で熱交換されて熱回収される。また、給水加熱器３０において熱回収された燃焼ガス（例えば、１４０℃〜２００℃）は、下向き排気路部１８２において、空気加熱器４０を流通する燃焼用空気（例えば、−２０℃〜８０℃）との間で熱交換されて、更に熱回収される。そして、空気加熱器４０において熱回収された燃焼ガス（例えば、８０℃〜１２０℃）は、外部に排出される。

このように、本実施形態では、第１上向き排気路部１８１に給水加熱器３０を配置し、更に、下向き排気路部１８２に空気加熱器４０を配置することで、給水として高温のドレンを用いた場合においても、給水加熱器３０において回収できなかった燃焼ガスの熱を燃焼用空気に与えられるので、ボイラシステム１の熱効率（ボイラ効率）を向上させられる。

また、下向き排気路部１８２に配置した空気加熱器４０において、給気ラインＡＬを、燃焼用空気が下方から上方に向かって流通するように配置した。これにより、下向き排気路部１８２における燃焼ガスの流れと、空気加熱器４０における燃焼用空気の流れとを対向させられるので、空気加熱器４０において、燃焼ガスと燃焼用空気とを互いに逆方向に流通させる向流式の熱交換を行わせられる。よって、燃焼ガスと燃焼用空気とが同じ方向に流通する並流式の熱交換に比して、燃焼ガスからの熱回収率を高められる。即ち、図５（ａ）に示すように、向流式の熱交換によれば、燃焼用空気は、まず、最も低温の部分Ｔ１において、燃焼ガスの最も低温の部分Ｔ４と熱交換を行った後、最も高温の部分Ｔ２において燃焼ガスの最も高温の部分Ｔ３と熱交換を行う。これにより、図５（ｂ）に示すように、まず、燃焼用空気の最も低温の部分Ｔ１と燃焼ガスの最も高温の部分Ｔ３との間で熱交換を行う並流式の熱交換よりも多くの熱回収を行える。また、熱交換後の燃焼用空気の温度（燃焼用空気の出口温度）Ｔ２を、熱交換後の燃焼ガスの温度（燃焼ガスの出口温度）Ｔ４よりも高くすることも可能となる（図５（ａ）参照）。
尚、図５における縦軸は、燃焼用空気及び燃焼ガスの温度を示し、横軸は、空気加熱器４０における燃焼用空気の入口からの距離である熱交換距離を示す。

具体的には、本実施形態の空気加熱器４０によれば、給水加熱器３０において熱回収された燃焼ガスの温度を、１４０℃〜２００℃程度から８０℃〜１２０℃程度に低下させられ、これにより２％〜３％の熱回収を行える。

また、空気加熱器４０における熱回収率を１０％以下、好ましくは２％〜３％としているため、空気加熱器４０において昇温されて貫流ボイラ１０に供給される燃焼用空気の温度が高くなりすぎることを防げる。よって、ボイラシステム１の熱効率を向上させ、かつ、貫流ボイラ１０から排出される燃焼ガス（排ガス）中に含まれるＮＯｘの増加を抑制できる。

また、燃焼ガス中に含まれるＮＯｘは、貫流ボイラ１０に供給される燃焼用空気の温度が２００℃を超えると大きく増加することがわかっている。そして、貫流ボイラ１０には、ボイラシステム１が設置される環境の空気が燃焼用空気として用いられる。そこで、空気加熱器４０に導入される燃焼用空気の温度（つまり、外気温）が０℃〜５０℃であった場合に、熱交換を行った燃焼用空気の温度が２００℃以下となるように空気加熱器４０を配置した。これにより、空気加熱器４０により熱回収を行うことでボイラシステム１の熱効率を向上させつつ、貫流ボイラ１０から排出される排ガス中に含まれるＮＯｘの増加を抑制できる。

また、貫流ボイラ１０を、直方体状の缶体１１と、この缶体１１の内部に長手方向及び幅方向に所定の間隔をあけて配置される複数の水管１２と、缶体１１の側面から燃料ガスを噴出して燃焼させるバーナ１７と、を含んで構成した。これにより、缶体１１の中央部に燃焼室を有するボイラに比して、バーナ１７において燃料ガスが燃焼してから複数の水管１２への伝熱が行われるまでの時間を短くできる。よって、バーナ１７における燃料ガスの燃焼温度（火炎の温度）を低くできるので、ＮＯｘの発生をより低減できる。

以上、本発明のボイラシステム１の好ましい一実施形態について説明したが、本発明は、上述した実施形態に制限されるものではなく、適宜変更が可能である。
例えば、本実施形態では、排気筒１８を、第１上向き排気路部１８１、下向き排気路部１８２及び第２上向き排気路部１８３を含んで構成したが、これに限らない。即ち、排気筒を、上端部が缶体に接続された下向き排気路部と、この下向き排気路部の下端部に接続された上向き排気路部とにより構成してもよい。この場合、下向き排気路部に給水加熱器を配置し、上向き排気路部に空気加熱器を配置してもよい。

１ ボイラシステム
１０ 貫流ボイラ
１１ 缶体
１１ａ 第１側面
１１ｂ 第２側面
１２ 水管
１７ バーナ
１８ 排気筒
２０ ドレン回収装置
３０ 給水加熱器
４０ 空気加熱器
１８１ 第１上向き排出路部（上向き排出路部）
１８２ 下向き排出路部

Claims (2)

1. 給水を燃焼ガスにより加熱して蒸気を生成する貫流ボイラと、
   前記貫流ボイラの燃焼ガスを排出する排気筒と、
   前記貫流ボイラにより生成された蒸気が凝集して生じたドレンを大気圧下で回収し、該ドレンを前記貫流ボイラに供給するドレン回収装置と、
   前記貫流ボイラから排出される燃焼ガスと、前記貫流ボイラに供給されるドレンとの間で熱交換を行う給水加熱器と、
   前記給水加熱器において熱交換された燃焼ガスと前記貫流ボイラに供給される燃焼用空気とを互いに逆方向に流通させて熱交換を行う空気加熱器と、を備えるボイラシステムであって、
   前記排気筒は、前記貫流ボイラの缶体との接続部分から上方に延びる第１上向き排気路部に前記給水加熱器を配置し、前記第１上向き排気路部から屈曲すると共に下方に延びる下向き排気路部に前記空気加熱器を配置し、前記下向き排気路部の下端部から屈曲すると共に上方に延びる第２上向き排気路部を備え、
   前記空気加熱器は、熱回収率が１０％以下になるように設計され、前記給水加熱器において熱回収することで、前記燃焼ガスの温度を１４０℃から２００℃とし、さらに前記空気加熱器において熱回収することで、前記燃焼ガスの温度を８０℃から１２０℃とするとともに、前記空気加熱器において熱交換を行った後の燃焼用空気の温度を２００℃以下とする、ボイラシステム。
2. 前記貫流ボイラは、
   直方体状の缶体と、
   前記缶体の内部に上下方向に延びて配置されると共に、該缶体の長手方向及び幅方向に所定の間隔をあけて配置される複数の水管と、
   前記缶体の長手方向の一端側に位置する第１側面に設けられ、略水平方向に燃料を噴出して燃焼させるバーナと、
   前記缶体の長手方向の他端側に位置する第２側面に設けられ前記缶体の内部で生じた燃焼ガスを排出する排気筒と、を備える請求項１に記載のボイラシステム。

Images