JP6644569B2 - ボイラ及びこれを備えた浮体設備 - Google Patents

Description

本発明は、可燃成分を有した不活性ガスを焼却処理することができるボイラ及びこれを備えた浮体設備に関するものである。

近年、ＦＰＳＯ（浮体式海洋石油・ガス生産貯蔵積出設備；Floating Production, Storage and Offloading system）等の浮体設備においては、数年後の環境規制強化を見越し、処理プロセス中で発生した有毒な可燃成分を有した不活性ガスの焼却処理に対する注目が高まっている。
現状は、環境規制が制定されていないことから、定期的なベント排出等により可燃性ガスを大気中に放出している。また、環境規制が制定されている地域においては、アシスト燃料等を用いて可燃成分を有した不活性ガスを焼却処分することで無害化し、大気中に放出されている。
これまでは、ＦＰＳＯ等の浮体設備としては油を対象としたものが主流であったが、近年、ＬＮＧを対象としたプラントの開発が進んでいる。ＬＮＧにおいてはオフガスも商品の一部である事から再液化などのプロセスが採用されており、これらの再液化プロセスの中で可燃性分を含んだ大量の不活性ガス（可燃成分を有した不活性ガス）が放出される事があり、これらを焼却処理するニーズが求められている。
特許文献１には、液化ガスタンカー船または液化ガスターミナルに、可燃成分を有した不活性ガスを焼却処理する専用のガス焼却炉について開示されている。

特開２００６−２００８８５号公報

しかし、浮体設備には、船内で用いる雑用蒸気の供給や発電設備用として舶用ボイラが据え付けられているため、舶用ボイラ内でこれらの可燃成分を有した不活性ガスを焼却処理することが望ましい。
可燃成分を有した不活性ガスのボイラ炉内での焼却処理については、火力発電に用いられる陸用コンベンショナルボイラなどの火炉容積の大きなボイラにおいては実績がある。しかし、舶用ボイラのように火炉容積が小さいものに対しては、炉内滞留時間が短いため、有毒な可燃成分を完全に焼却処理することが困難である。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、陸用コンベンショナルボイラに比べて火炉容積が小さい舶用ボイラのようなボイラであっても、可燃成分を有した不活性ガスを焼却処理することができるボイラ及びこれを備えた浮体設備を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明のボイラ及びこれを備えた浮体設備は以下の手段を採用する。
すなわち、本発明にかかるボイラは、火炉内にボイラ燃料及びボイラ空気を旋回噴流として噴射するバーナと、前記バーナから噴射された旋回噴流によって形成された火炎の側方に形成され、前記旋回噴流と比べて流速が遅い再循環領域に対して合流するように可燃成分を有した不活性ガスを供給する可燃成分含有不活性ガス供給部とを備えていることを特徴とする。

バーナからは、ボイラ燃料及びボイラ空気が旋回噴流として噴射される。この旋回噴流により、側方の領域には再循環領域が形成される。再循環領域は、バーナから噴射された旋回噴流に比べて流速が遅いため、再循環領域では炉内滞留時間を長くとることができる。そこで、再循環領域に対して可燃成分を有した不活性ガスを供給して可燃成分を有した不活性ガスを焼却処理することとした。これにより、再循環領域に合流した可燃成分を有した不活性ガスは、焼却処理に必要な炉内滞留時間を得ることができるので、火炉内で熱分解反応を促進することができる。

さらに、本発明のボイラでは、前記可燃成分含有不活性ガス供給部は、前記バーナに対向する壁部に設けられていることを特徴とする。

可燃成分含有不活性ガス供給部をバーナに対向する壁部に設けて、バーナから十分に距離をとることで、バーナから噴射された旋回噴流に可燃成分を有した不活性ガスが合流してしまうことを避けることができる。これにより、可燃成分を有した不活性ガスの炉内滞留時間を確保することができる。

さらに、本発明のボイラでは、前記火炉の燃焼ガス流れ下流側に設けられた過熱器と、該過熱器の燃焼ガス流れ下流側に設けられた蒸発器とを備え、燃焼ガスが前記過熱器と熱交換せずに前記蒸発器へと向かう過熱器バイパス領域が形成されていることを特徴とする。

一般のボイラでは、過熱器に燃焼ガスの熱量を十分に吸収させるため、燃焼ガスの全量を過熱器に流すようにして、燃焼ガスが過熱器と熱交換しない過熱器バイパス領域を設けることはしない。これに対して、本発明では、過熱器バイパス領域を設けることとした。過熱器バイパス領域では、燃焼ガスが過熱器と熱交換しないため、燃焼ガスの温度は低下せずに高温に保たれたままとなる。したがって、過熱器バイパス領域を燃焼ガスが流れる間は可燃成分を有した不活性ガスの熱分解反応が進むので、より効果的に可燃成分を有した不活性ガスの焼却処理を行うことができる。
したがって、過熱器バイパス領域は、再循環領域の燃焼ガスが流れ込む領域に設けられていることが好ましい。

さらに、本発明のボイラでは、前記過熱器バイパス領域は、前記バーナから噴射された旋回噴流の主流が流れる領域と異なる位置に設けられていることを特徴とする。

バーナから噴射された旋回噴流の主流が流れる領域に過熱器バイパス領域を設けてしまうと、再循環領域に合流して流れる可燃成分を有した不活性ガスを過熱器バイパス領域に導くことができないおそれがある。そこで、旋回噴流の主流が流れる領域とは異なる位置に過熱器バイパス領域を設けることが好ましい。

さらに、本発明のボイラでは、前記過熱器バイパス領域は、前記過熱器が設置された位置における燃焼ガスの流路断面積に対して、１０〜３０％とされていることを特徴とする。

過熱器バイパス領域は、過熱器が設置された位置における燃焼ガスの流路断面積に対して１０〜３０％とされている。したがって、この位置における過熱器の面積は、燃焼ガスの流路断面積に対して７０〜９０％とされる。このように、過熱器バイパス領域の面積割合を大きくとることにより、例えばＦＬＮＧ（Floating Liquefied Natural Gas）のように可燃成分を有した不活性ガスの処理量が多いプラントにも対応することができる。

また、本発明の浮体設備は、上記のいずれかに記載のボイラを備えていることを特徴とする。

上記のボイラを備えているので、浮体設備内で可燃成分を有した不活性ガスを新たに専用の装置を設けることなく焼却処理することができる。
浮体設備としては、浮体式海洋石油・ガス生産貯蔵積出設備（FPSO：Floating Production, Storage and Offloading system）が挙げられる。

バーナ周囲の高温の再循環領域に可燃成分を有した不活性ガスを合流させて必要な炉内滞留時間を得ることで、可燃成分を有した不活性ガスを安定的に焼却処理することができる。

本発明の第１実施形態に係るボイラを示した縦断面図である。 本発明の第２実施形態に係るボイラを示した縦断面図である。 図２のフロントバンクチューブの上部を示し、（ａ）は閉塞板で大面積を塞いだ状態を示した正面図、（ｂ）は閉塞板で小面積を塞いだ状態を示した正面図である。 図２の火炉を示した平面図である。 図２の変形例を示した縦断面図である。

以下に、本発明にかかる実施形態について、図面を参照して説明する。
［第１実施形態］
図１には、本実施形態にかかる舶用ボイラ（以下、単に「ボイラ」という。）１が示されている。ボイラ１は、ＦＰＳＯ（浮体式海洋石油・ガス生産貯蔵積出設備；Floating Production, Storage and Offloading system）等の浮体設備に設置されている。

ボイラ１は、二胴水管ボイラとされている。ボイラ１は、火炉２の上部に設置された風箱１４内に複数のバーナ３を備えている。図１では、１つのバーナ３が示されているが、紙面垂直方向に他のバーナ３が設置されている。

バーナ３は、空気ダクト１３を介して導入される燃焼用空気としてのバーナ空気を用いて、重油等の燃料油やＬＮＧ等の燃料ガスを燃焼して燃焼ガスを生成する。バーナ３は、旋回ベーン３ａを備えており、旋回ベーン３ａによってバーナ空気が旋回させられることによって旋回噴流Ｊを噴射する。旋回噴流Ｊは、図１に示されているように、上方から下方へと流れ、燃焼ガス流れ下流側である側方に位置するフロントバンクチューブ４へと向かう。

バーナ３から噴射された旋回噴流Ｊは火炎を形成し、これにより生成された高温の燃焼ガスは、火炉２の燃焼ガス流れ下流に配設されたフロントバンクチューブ４、過熱器５及び蒸発管群（蒸発器）６を順番に通過する。
フロントバンクチューブ４は、多数の伝熱管から構成され、下方から上方にわたって設けられ、燃焼ガス流れに直交するように平面状に配置されている。フロントバンクチューブ４は、火炉２の下方に設けられたヘッダ１２と上方の蒸気ドラム１０との間を接続する。

過熱器５は、多数の伝熱管から構成され、フロントバンクチューブ４に対して平行に下方から上方の途中位置まで設けられ、燃焼ガス流れに直交するように平面状に配置されている。過熱器５は、火炉２の下方に設けられた２つのヘッダ１１に接続されている。すなわち、一方のヘッダ１１から飽和蒸気が供給され、各伝熱管内を上方へ流れて頂部５ａで折り返した後に下方に流れる間に、燃焼ガスによって過熱状態まで加熱され、他方のヘッダ１１へと導かれる。

蒸発管群６は、多数の伝熱管から構成され、過熱器５に対して平行に下方から上方にわたって平面状に設けられ、燃焼ガス流れに直交するように配置されている。蒸発管群６は、下方の水ドラム９と上方の蒸気ドラム１０との間を接続している。下方の水ドラム９内の水が加熱されて蒸発されるにしたがい上方に上昇し、蒸気ドラム１０内に蒸気が導かれるようになっている。蒸気ドラム１０内の飽和蒸気が、図示しない経路を通り過熱器５のヘッダ１１へと導かれて過熱されるようになっている。

フロントバンクチューブ４、過熱器５及び蒸発管群６の伝熱管内を流れる水や蒸気と熱交換を終えた燃焼ガスは、出口側ガスダクト７を通ってガス出口８からボイラ１の外部へ排出される。

火炉２の下方には、可燃成分含有不活性ガス供給部１５が設けられている。可燃成分含有不活性ガス供給部１５には、ボイラ１が設置された浮体設備から排出される可燃成分を有した不活性ガスが供給されるようになっている。この可燃成分を有した不活性ガスは、将来的には、環境規制によって焼却処理が義務づけされるオフガスとされる。

可燃成分含有不活性ガス供給部１５は、バーナ３が取り付けられた火炉２の上部に対して対向する壁部である底壁部２ａに設けられている。そして、可燃成分含有不活性ガス供給部１５は、図１のように側面視した場合に、フロントバンクチューブ４に対して、バーナ３よりも水平方向に見て遠方（図１において右側）に配置されている。このように配置して、バーナ３から噴射される旋回噴流Ｊの側方でかつ旋回噴流Ｊよりも上流側に可燃成分を有した不活性ガスを供給する。具体的には、可燃成分を有した不活性ガスが旋回噴流Ｊに巻き込まれずに、旋回噴流Ｊによって形成された再循環領域Ｒに可燃成分を有した不活性ガスが合流するように可燃成分含有不活性ガス供給部１５から可燃成分を有した不活性ガスが供給される。したがって、再循環領域Ｒに合流した可燃成分を有した不活性ガスは、バーナ３で形成された火炎の再循環領域Ｒを流れる高温の再循環流とともに熱分解され、焼却処理される。

本実施形態によれば、以下の作用効果を奏する。
バーナ３からは、ボイラ燃料及びボイラ空気が旋回噴流Ｊとして噴射される。この旋回噴流Ｊにより形成された火炎の側方の領域には高温の再循環領域Ｒが形成される。再循環領域Ｒは、バーナ３から噴射された旋回噴流Ｊに比べて流速が遅いため、再循環領域Ｒでは炉内滞留時間を長くとることができる。例えば、旋回噴流Ｊを流れる場合には、炉内滞留時間は約０．３秒とされるのに対して、再循環領域Ｒを流れる場合には、炉内滞留時間が１〜２秒とされる。一般的に、焼却処理が必要な有毒な可燃成分を有した不活性ガスは、８００℃以上の高温域で１秒以上の保持時間を確保することで、有効に焼却処理されることが知られている。
そこで、本実施形態では、再循環領域Ｒに対して焼却処理する可燃成分を有した不活性ガスを供給する可燃成分含有不活性ガス供給部１５を設けることとした。これにより、再循環領域Ｒに合流した可燃成分を有した不活性ガスは、焼却処理に必要な炉内滞留時間を得ることができるので、火炉２内で熱分解反応を促進することができる。したがって、ガス出口８から大気中に可燃成分を有した不活性ガスが排出される危険性を回避することができる。

可燃成分含有不活性ガス供給部１５をバーナ３に対向する底壁部２ａに設けて、バーナ３から十分に距離をとることで、バーナ３から噴射された旋回噴流Ｊに可燃成分を有した不活性ガスが合流してしまうことを避けることができる。これにより、可燃成分を有した不活性ガスの炉内滞留時間を確保することができる。
なお、バーナ３から噴射された旋回噴流Ｊに合流させずに再循環領域Ｒに合流できる位置であれば、可燃成分含有不活性ガス供給部１５を底壁部２ａに設けることは必須ではない。例えば、火炉２の上流側壁部２ｂに可燃成分含有不活性ガス供給部１５を設けても良い。

［第２実施形態］
次に、本発明の第２実施形態について説明する。
本実施形態は、第１実施形態に対して、フロントバンクチューブ４の上方下流側に過熱器５をバイパスする過熱器バイパス領域１６を設けた点で相違し、その他の点では同様である。したがって、同一構成については同一符号を付し、その説明を省略する。

図２に示すように、フロントバンクチューブ４の上方には、燃焼ガスが流通するように開口部４ａが形成されている。これにより、フロントバンクチューブ４の上方下流側でかつ過熱器５の頂部５ａの上方に、燃焼ガスが過熱器５と熱交換せずに蒸発管群６へと流れる過熱器バイパス領域１６が設けられている。一般には、図３（ａ）に示すように、フロントバンクチューブ４の上方には、閉塞板１８を伝熱管間に設置することで、燃焼ガスが過熱器５の上方をショートパスして蒸発管群６へ流れないようにしている。本実施形態では、図３（ｂ）に示すように、閉塞板１８を小面積化または削除して、燃焼ガスを過熱器バイパス領域１６に流してショートパスを積極的に行うようにしている。

上記構成とすることにより、再循環領域Ｒの燃焼ガス流れは、図２に示すように、再循環領域Ｒにて渦を作って巻き上がった後に、上方を通り過熱器バイパス領域１６へと導かれる。過熱器バイパス領域１６を通過した後の燃焼ガスは、蒸発管群６を通ってガス出口８へと導かれる。図４には、火炉２を平面視した場合の燃焼ガスの流れが示されている。同図に示すように、バーナ３によって形成された旋回噴流Ｊは、２つ形成されている。すなわち、バーナ３が２つの場合を示している。そして、再循環領域Ｒを流れる燃焼ガスは、旋回噴流Ｊの両側方をすり抜けてフロントバンクチューブ４側へと流れる。

本実施形態によれば、以下の作用効果を奏する。
一般のボイラでは、過熱器５に燃焼ガスの熱量を十分に吸収させるため、燃焼ガスが過熱器５と熱交換しない過熱器バイパス領域１６を設けることはしない。これに対して、本実施形態では、過熱器バイパス領域１６を設けることとした。過熱器バイパス領域１６では、燃焼ガスが過熱器５と熱交換しないため、燃焼ガスの温度は低下せずに高温に保たれたままとなる。したがって、過熱器バイパス領域１６を燃焼ガスが流れる間は可燃成分を有した不活性ガスの熱分解反応が進むので、より効果的に可燃成分を有した不活性ガスの焼却処理を行うことができる。

過熱器バイパス領域１６は、再循環領域Ｒの燃焼ガスが流れ込む領域となるように上方に設けられているので、より効果的に再循環領域Ｒを流れる可燃成分を有した不活性ガスを過熱器バイパス領域１６に導くことができる。
なお、バーナ３から噴射された旋回噴流Ｊの主流が流れる領域に過熱器バイパス領域１６を設けてしまうと、再循環領域Ｒに合流して流れる可燃成分を有した不活性ガスを過熱器バイパス領域１６に導くことができないおそれがある。したがって、過熱器バイパス領域１６は、過熱器５の上方に設けることは必須ではないが、旋回噴流Ｊの主流が流れる領域とは異なる位置に過熱器バイパス領域１６を設けることが好ましい。

また、例えばＦＬＮＧ（Floating Liquefied Natural Gas）のように可燃成分を有した不活性ガスの処理量が多いプラントの場合には、過熱器バイパス領域１６は、過熱器５が設置された位置における燃焼ガスの流路断面積に対して、１０〜３０％とされていることが好ましい。具体的には、図５に示すように、フロントバンクチューブ４の高さＨに対して、過熱器５の上方の過熱器バイパス領域１６における高さｈの割合を、１０〜３０％とする。このように、過熱器バイパス領域１６の面積割合を大きくとることにより、ＦＬＮＧのプロセス中で排出される可燃性ガス量がボイラ燃焼ガスの３０％以上になるような場合であっても、大きく過熱器バイパス領域１６を形成して圧損を低下させることで、ガスを圧送するファンの動力を大幅に増加させることなく、可燃成分を有した不活性ガスをボイラ１内で処理することができる。

１ ボイラ
２ 火炉
２ａ 底壁部
２ｂ 上流側壁部
３ バーナ
４ フロントバンクチューブ
４ａ 開口部
５ 過熱器
５ａ 頂部
６ 蒸発管群（蒸発器）
７ 出口側ガスダクト
８ ガス出口
９ 水ドラム
１０ 蒸気ドラム
１１ ヘッダ
１２ ヘッダ
１３ 空気ダクト
１４ 風箱
１５ 可燃成分含有不活性ガス供給部
１６ 過熱器バイパス領域
１８ 閉塞板
Ｊ 旋回噴流
Ｒ 再循環領域

Claims (6)

1. 火炉内にボイラ燃料及びボイラ空気を旋回噴流として噴射するバーナと、
   前記バーナから噴射された旋回噴流によって形成された火炎の側方に形成され、前記旋回噴流と比べて流速が遅い再循環領域に対して合流するように可燃成分を有した不活性ガスを供給する可燃成分含有不活性ガス供給部と、
   を備えていることを特徴とするボイラ。
2. 前記可燃成分含有不活性ガス供給部は、前記バーナに対向する壁部に設けられていることを特徴とする請求項１に記載のボイラ。
3. 前記火炉の燃焼ガス流れ下流側に設けられた過熱器と、
   該過熱器の燃焼ガス流れ下流側に設けられた蒸発器と、
   を備え、
   燃焼ガスが前記過熱器と熱交換せずに前記蒸発器へと向かう過熱器バイパス領域が形成されていることを特徴とする請求項１又は２に記載のボイラ。
4. 前記過熱器バイパス領域は、前記バーナから噴射された旋回噴流の主流が流れる領域と異なる位置に設けられていることを特徴とする請求項３に記載のボイラ。
5. 前記過熱器バイパス領域は、前記過熱器が設置された位置における燃焼ガスの流路断面積に対して、１０〜３０％とされていることを特徴とする請求項３又は４に記載のボイラ。
6. 請求項１から５のいずれかに記載のボイラを備えていることを特徴とする浮体設備。

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