JP6536041B2

JP6536041B2 - 燃焼システム

Info

Publication number: JP6536041B2
Application number: JP2015011492A
Authority: JP
Inventors: 智浩大久保; 立季小林
Original assignee: Miura Co Ltd
Current assignee: Miura Co Ltd
Priority date: 2015-01-23
Filing date: 2015-01-23
Publication date: 2019-07-03
Anticipated expiration: 2035-01-23
Also published as: JP2016136074A

Description

本発明は、ボイラ等の燃焼装置における燃料ガスの燃焼方法及び燃焼システムに関する。より詳細には、水素ガスを主体とした燃料ガスを燃焼装置において燃焼させる場合に、排ガス中のＮＯｘ濃度を低減できる燃料ガスの燃焼方法及び燃焼システムに関する。

従来、燃料を燃焼させて蒸気を生成する貫流ボイラと、この貫流ボイラに気体燃料を供給する燃料供給装置と、を備える燃焼装置としてのボイラ装置が知られている。このようなボイラ装置では、燃料として、燃料供給業者から供給される燃料ガス（例えば、ＬＮＧやＬＰＧ）が用いられる。
ところで、ボイラ装置が設置されるプラント等では、プラントの運転に伴い副産物として水素ガスが発生する場合がある。そこで、プラントにおいて発生した水素ガスを燃料の一部として用いるボイラ装置が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００９−２４３７１１号公報

燃料コストの低減や二酸化炭素排出量の削減の観点からは、副産物として発生した水素ガスを燃料としてボイラ装置を運転することが好ましい。しかしながら、水素ガスは、ＬＮＧやＬＰＧに比して燃焼温度が高いため、水素ガスを燃料としてボイラ装置を運転させた場合、排ガス中に含まれるＮＯｘ濃度が高くなってしまう。

従って、本発明は、水素ガスを主体とした燃料ガスを燃焼させた場合に、排ガス中に含まれるＮＯｘ濃度を低減できる燃焼装置における燃料の燃焼方法及び燃焼システムを提供することを目的とする。

本発明者らは、燃焼装置において、水素ガスに少量の炭化水素ガスを含有させて燃焼させることにより、排ガス中に含まれるＮＯｘの濃度を大幅に抑制できることを見出し、本発明を完成するに至った。

本発明は、燃焼装置における水素ガスを主体とする燃料ガスの燃焼方法であって、少なくとも８容積％の炭化水素ガスが混合された混合ガスを燃料ガスとして燃焼させる燃料ガスの燃焼方法に関する。

また、本発明は、燃料ガスを燃焼させるバーナを有する燃焼装置と、水素ガスと炭化水素ガスとの混合ガスを前記燃料ガスとして前記燃焼装置に供給する燃料供給装置と、を備える燃焼システムであって、前記燃料供給装置は、前記水素ガスが流通する水素ガスラインと、前記炭化水素ガスが流通する炭化水素ガスラインと、前記水素ガスラインの下流側及び前記炭化水素ガスラインの下流側に接続され前記水素ガスと前記炭化水素ガスとを混合する混合装置と、前記混合装置と前記燃焼装置とを接続し、前記混合装置で混合された前記燃料ガスを前記バーナに供給する混合ガスラインと、前記炭化水素ガスの供給量を前記バーナに供給される前記燃料ガスの８％以上に制御する制御装置と、を備えるボイラシステムに関する。

また、前記バーナは、前記燃料ガスと燃焼用空気とを該バーナにおいて混合させる先混合式バーナであることが好ましい。

また、前記炭化水素ガスは、都市ガス又はプロパンガスであることが好ましい。

本発明の燃焼方法及び燃焼システムによれば、水素ガスを主体とした燃料ガスを燃焼させた場合に、排ガス中に含まれるＮＯｘ濃度を低減できる。

本発明の一実施形態に係る燃焼システムの構成を示す図である。１３Ａガスの混合率を変化させた場合におけるＮＯｘ値（相対値）の変化を示す図である。

以下、本発明の好ましい各実施形態について、図面を参照しながら説明する。
本発明の燃焼装置における燃焼方法では、水素ガスを主体とした燃料ガスが用いられる。水素ガスとしては、プラント等の運転時に副産物として生成される水素ガスを用いることができる。副産物として生成された水素ガスを燃焼装置の燃料ガスとして用いることで、燃料コストを低減でき、また、二酸化炭素排出量を削減できる。

水素ガスは、ＬＮＧやＬＰＧ等の炭化水素ガスに比して燃焼温度が高いため、水素ガスを燃料として燃焼装置を運転した場合、排ガス中に含まれるＮＯｘ濃度が高くなってしまう。より具体的には、例えば、燃焼装置として相当蒸発量が１００００ｋｇ／ｈ程度以下の小型貫流ボイラを用い、水素ガスを燃料ガスとしてこの小型貫流ボイラを運転した場合の排ガス中のＮＯｘ濃度は、都市ガス（１３Ａ）ガスを燃料ガスとした場合のおおよそ２倍程度となる。

本発明では、少なくとも８容積％の炭化水素ガスを混合した水素ガスと炭化水素ガスとの混合ガスを燃料ガスとして燃焼装置で燃焼させる。即ち、本発明では、水素ガスに少量の炭化水素ガスを混合した混合ガスを燃料ガスとして燃焼させることで、排ガス中のＮＯｘ濃度の大幅な低減を実現している。より詳細には、本発明の燃焼方法による排ガス中のＮＯｘ濃度の低下は、水素ガスと炭化水素ガスとの混合割合に比例した低下ではなく、わずか８容積％の炭化水素ガスを混合することで、４０％程度の大幅なＮＯｘ濃度の低下を実現するものである。

水素ガスの有効利用と排ガス中のＮＯｘ濃度の抑制を両立する観点から、燃料ガス中の水素ガスの割合は、７０〜９０容積％であることが好ましく、７５〜８５容積％であることがより好ましい。また、燃料ガス中の炭化水素ガスの割合は、１０〜３０容積％であることが好ましく、１５〜２５容積％であることがより好ましい。
水素ガスに混合される炭化水素ガスとしては、都市ガス（ＬＮＧ）、プロパンガス（ＬＰＧ）、メタンガスを主成分とするバイオガス等が挙げられる。

次に、本発明の燃焼システムの好ましい一実施形態について説明する。図１は、燃焼システムとしてのボイラシステム１の構成を示す図である。

本実施形態のボイラシステム１は、複数種類の燃料ガスを混合して燃焼させることが可能なボイラシステムであり、特に、プラント設備等において副産物として発生した水素ガスを主燃料として使用可能なボイラシステムである。このボイラシステム１は、燃料供給装置２と、燃焼装置としての貫流ボイラ３と、制御装置４と、を備える。

貫流ボイラ３は、燃料供給装置２から供給された燃料ガスを、送風機（図示せず）から供給される燃焼用空気と混合してバーナにて燃焼させ、缶体内の水を加熱することで蒸気を発生させる。貫流ボイラ３は、図示しない負荷機器と接続され、発生させた蒸気を負荷機器に対して供給する。本実施形態では、貫流ボイラ３は、燃焼ガスと燃焼用空気とを予め混合せずにバーナにおいて混合して燃焼させる先混合式バーナを備える。

燃料供給装置２は、水素ガスライン２１と、炭化水素ガスライン２２と、混合装置２３と、混合ガスライン２４と、バイパスライン２５と、混合ガス分岐ライン２６と、を備える。
水素ガスライン２１は、貫流ボイラ３に対して主燃料としての水素ガスを供給する。水素ガスライン２１の上流側は、水素ガス供給装置１００に接続される。水素ガス供給装置１００としては、例えば、ボイラシステム１が設置されたプラント内で発生した水素ガスを貯蔵する貯蔵設備が挙げられる。

水素ガスライン２１には、遮断弁２１１，２１２と、水素ガス流量調整弁２１３と、圧力センサ２１４と、が配置される。遮断弁２１１，２１２は電磁弁により構成され、水素ガスライン２１を開放又は閉止する。遮断弁２１１，２１２を開放することで水素ガス供給装置１００から貫流ボイラ３に水素ガスが供給され、閉止することで水素ガス供給装置１００から貫流ボイラ３への水素ガスの供給が停止される。また、遮断弁２１１，２１２は、水素ガス供給装置１００への水素ガスの逆流を防止する機能も有する。
水素ガス流量調整弁２１３は、水素ガスライン２１を流れる水素ガスの圧力を調整することで、水素ガスライン２１における水素ガスの流量を調整する。圧力センサ２１４は、水素ガスライン２１における水素ガス流量調整弁２１３の下流側の水素ガスの圧力を検出する。

炭化水素ガスライン２２は、貫流ボイラ３に対して水素ガスに混合される副燃料としての炭化水素ガスを供給する。
炭化水素ガスライン２２には、遮断弁２２１，２２２と、炭化水素ガス流量調整弁２２３と、圧力センサ２２４が配置される。遮断弁２２１，２２２は電磁弁により構成され、炭化水素ガスライン２２を開放又は閉止する。遮断弁２２１，２２２を開放することで貫流ボイラ３に炭化水素ガスが供給され、閉止することで貫流ボイラ３への炭化水素ガスの供給が停止される。また、遮断弁２２１，２２２は、炭化水素ガスの逆流を防止する機能も有する。

炭化水素ガス流量調整弁２２３は、炭化水素ガスライン２２を流れる炭化水素ガスの圧力を調整することで、炭化水素ガスライン２２における炭化水素ガスの流量を調整する。圧力センサ２２４は、炭化水素ガスライン２２における炭化水素ガス流量調整弁２２３の下流側の炭化水素ガスの圧力を検出する。

混合装置２３は、水素ガスライン２１の下流側及び炭化水素ガスライン２２の下流側に接続され、水素ガスと炭化水素ガスとを混合する。混合装置２３は、例えば、エゼクタにより構成できる。これにより、一方のガスが通過するときに発生する負圧を利用して他方のガスを吸引し、水素ガスと炭化水素ガスとを混合できる。特に、炭化水素ガスとして都市ガスを利用する場合には、都市ガスの供給圧力を利用して水素ガスを吸引できる。

混合ガスライン２４は、混合装置２３と貫流ボイラ３とを接続し、混合装置２３で混合された水素ガスと炭化水素ガスとの混合ガスを燃料ガスとしてバーナに供給する。この混合ガスライン２４には、オリフィス２４１と、圧力センサ２４３と、が配置される。

オリフィス２４１は、混合ガスライン２４を流通する混合ガスを減圧し、混合ガスライン２４を流通する混合ガスの流量を制限（調整）する。
圧力センサ２４３は、混合ガスライン２４におけるオリフィス２４１の上流側に配置される。圧力センサ２４３は、混合ガスライン２４におけるオリフィス２４１の上流側の混合ガスの圧力を検出する。

バイパスライン２５は、炭化水素ガスライン２２と混合ガスライン２４とを接続する。バイパスライン２５は、炭化水素ガスライン２２を流通する炭化水素ガスを、混合装置２３を介さずに混合ガスライン２４にバイパスさせる。バイパスライン２５には、バイパス開閉弁２５１が配置される。バイパス開閉弁２５１は電磁弁により構成され、バイパスライン２５を開閉させる。

混合ガス分岐ライン２６は、混合ガスライン２４におけるオリフィス２４１の上流側と下流側とを接続する。混合ガス分岐ライン２６には、分岐ライン開閉弁２６１が配置される。分岐ライン開閉弁２６１は電磁弁により構成され、混合ガス分岐ライン２６を開閉させる。

制御装置４は、貫流ボイラ３、圧力センサ２１４，２２４，２４３及び各種弁と電気的に接続され、貫流ボイラ３の燃焼状態及び各種弁の開閉又は開度を制御する。
具体的には、制御装置４は、貫流ボイラ３から発生した蒸気を貯留する図示しない蒸気ヘッダの内部の圧力に基づいて貫流ボイラ３の燃焼状態を制御する。即ち、蒸気ヘッダの内部の圧力が所定値よりも低いとより多くの蒸気を発生するように貫流ボイラ３の燃焼状態を制御し、蒸気ヘッダの内部の圧力が所定値よりも高いとより少ない蒸気を発生するように貫流ボイラ３の燃焼状態を制御する。

本実施形態のボイラシステム１は、水素ガスを主燃料とし、この水素ガスに少量の炭化水素ガスを混合した混合ガスを燃料ガスとしてバーナで燃焼させる。より具体的には、制御装置４は、水素ガスの供給量がバーナに供給される燃料ガスの５０〜９２％となり、炭化水素ガスの供給量がバーナに供給される燃料ガスの８〜５０％となるように制御することで、水素ガスを主体とした燃料ガスを燃焼させた場合における排ガス中のＮＯｘ濃度の大幅な低減を実現している。即ち、本実施形態のボイラシステム１によれば、少なくとも８容積％の炭化水素ガスを混合することにより、水素ガスが主体（最大９２容積％）の燃料ガスを燃焼させた場合においても排ガス中のＮＯｘ濃度の上昇を抑制できる。よって、排ガス中のＮＯｘ濃度の上昇を抑制しつつ、プラント設備において発生した水素ガスを有効に利用できる。

具体的には、制御装置４は、蒸気ヘッダの内部の圧力に基いて算出された貫流ボイラ３の燃焼指示量（燃焼率）応じて、水素ガス流量調整弁２１３の開度及び炭化水素ガス流量調整弁２２３の開度を調整し、水素ガスの流量及び炭化水素ガスの流量を制御すると共に、炭化水素ガスの流量が混合ガスの流量の８％を下回らないように制御する。
本実施形態では、制御装置４は、圧力センサ２１４及び圧力センサ２２４の検出圧力に基いて、水素ガス流量調整弁２１３の開度及び炭化水素ガス流量調整弁２２３の開度を制御する。また、制御装置４は、圧力センサ２４３の検出圧力が燃焼状態に応じた所定の値となるように、水素ガス流量調整弁２１３の開度及び炭化水素ガス流量調整弁２２３の開度を制御する。

また、制御装置４は、貫流ボイラ３の燃焼が停止している状態では、遮断弁２１１，２１２及び遮断弁２２１，２２２を閉止することで、貫流ボイラ３に混合ガスが供給されないようにする。

尚、本実施形態のボイラシステム１は、プラント設備において水素ガスが生成されない場合には、炭化水素ガスのみを気体燃料として貫流ボイラ３を燃焼させるための構成として、バイパスライン２５、バイパス開閉弁２５１、混合ガス分岐ライン２６、及び分岐ライン開閉弁２６１を備える。

次に、本発明を実施例に基づいてさらに詳細に説明するが、本発明はこれに限定されるものではない。

［排ガス中のＮＯｘ濃度の変化］
燃焼装置として小型貫流ボイラを用い、この小型貫流ボイラにおいて水素ガスを主体とする燃料ガスを燃焼させて排ガス中に含まれるＮＯｘ濃度を測定した。
排ガス中のＮＯｘ濃度の測定は、以下の表１に示す４パターンの燃料ガスについて行った。水素ガスに混合する炭化水素ガスとして都市ガス（１３Ａ）を用いた。結果を表１及び図２に示す。
表１及び図２において、ＮＯｘ値は１３Ａガス割合１００％時のＮＯｘ濃度を１００として相対値で表している。

表１及び図２に示すように、燃料ガスとして水素ガスのみを用いた場合に比して、燃料ガス中の混合率が８容積％となるように炭化水素ガスを混合するだけで、４０％程度の大幅なＮＯｘ濃度の低下が実現されていることが分かった。

１ボイラシステム（燃焼システム）
２燃料供給装置
３貫流ボイラ（燃焼装置）
４制御装置
２１水素ガスライン
２２炭化水素ガスライン
２３混合装置
２４混合ガスライン

Claims

燃料ガスを燃焼させるバーナを有する貫流ボイラと、
水素ガスと炭化水素ガスとの混合ガスを前記燃料ガスとして前記貫流ボイラに供給する燃料供給装置と、を備える燃焼システムであって、
前記燃料供給装置は、
前記水素ガスが流通する水素ガスラインと、
前記炭化水素ガスが流通する炭化水素ガスラインと、
前記水素ガスラインの下流側及び前記炭化水素ガスラインの下流側に接続され前記水素ガスと前記炭化水素ガスとを混合する混合装置と、
前記混合装置と前記貫流ボイラとを接続し、前記混合装置で混合された前記燃料ガスを前記バーナに供給する混合ガスラインと、
前記炭化水素ガスの供給量を前記バーナに供給される前記燃料ガスの８容量％以上２０．８容量％以下に制御することで、燃料ガスとして水素ガスのみを用いた場合に比して排ガス中のＮＯｘ濃度を低減する制御装置と、を備える燃焼システム。
前記バーナは、前記燃料ガスと燃焼用空気とを該バーナにおいて混合させる先混合式バーナである請求項１に記載の燃焼システム。
前記炭化水素ガスは、都市ガス又はプロパンガスである請求項１又は２に記載の燃焼システム。