JP6667867B2 - ボイラー設備およびその運転方法 - Google Patents

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Description

本発明はボイラー設備に関するものであって、より詳しくはボイラーの後端に設置された環境設備を最適に運転することができるボイラー設備およびその運転方法に関するものである。
発電設備のボイラーなどから排出される排気ガスには窒素酸化物(NOx)、粉塵、硫黄酸化物(SOx)などの公害物質が含まれている。したがって、ボイラー設備は燃焼室の後端に窒素酸化物除去のための脱窒設備と、粉塵除去のための電気集塵機と、硫黄酸化物除去のための脱硫設備などの環境設備を備えている。
最近、環境規制が強化されることによって、脱窒設備では触媒を追加しており、電気集塵機ではバッグフィルターを追加設置してハイブリッド方式で集塵効率を高めている。また、脱硫設備では石灰石の投入量を増加させるか反応器の体積を大きくして脱硫効率を高めている。
しかし、このような環境設備の追加によってボイラーの圧力損失が増加するので、ボイラー送風機の容量を大きくするかボイラーの負荷を低めなければならない困難がある。さらに、環境設備は老朽化が進むにつれて性能が低下するので、環境規制を遵守するためにボイラー負荷を縮減して運転する場合も増加している。
そして、最近は石炭の品質が低下することによってボイラーで円滑な燃焼のために空気投入量を増加させている。しかし、環境設備が増加された排気ガス量に耐えられないため、ボイラーの負荷を縮減運営して排気ガス量を減らす場合もある。
一方、電力不足によって発電設備をボイラーの設計容量より出力を高めて運転する場合もあるため環境設備の損傷が加速化しており、これによって環境設備の主要機器が損傷しボイラーが不意に停止する場合も発生している。したがって、ボイラーの排気ガス量が増えないようにして環境設備の負担を減らす方案が要求されている。
本発明は、ボイラーの出力低下を誘発せずにボイラーの排気ガス量を減少させ、その結果、環境設備の負担を低めて環境設備を最適に運転することができるボイラー設備およびその運転方法を提供しようとする。
本発明の一実施形態によるボイラー設備は、ボイラー、燃料配管、空気ダクト、酸素供給部、および制御部を含む。ボイラーはバーナーが設置された燃焼室を含み、燃料配管はバーナーに燃料を供給する。空気ダクトは、送風機によって吸入された空気を前記ボイラーに供給する。酸素供給部は、空気ダクトに接続された酸素配管と、酸素配管に設置された流量調節器を含み、ボイラーに供給される空気中の酸素比重を高める。制御部は、燃料燃焼のための基準空気量より少ない空気量と、空気に追加される酸素量を設定し、設定空気量と設定酸素量に合わせて送風機と流量調節器を制御する。設定酸素量は、燃焼室の全体排気ガス量が基準空気量投入時に出る基準排気ガス量と同じになる酸素量と、ボイラーの出力が基準空気量投入時に出る出力と同じになる酸素量のうちのいずれか一つである。
燃焼室の後端の排気ガスダクトに熱交換器が設置されてもよく、空気ダクトは熱交換器を経てボイラーに連結されてもよい。熱交換器は、排気ガスから廃熱を回収して空気ダクトの空気を加熱させることができる。酸素配管は、空気ダクト中の熱交換器の前端と後端のうちのいずれか一箇所に接続されてもよい。
本発明の一実施形態によるボイラー設備の運転方法は、制御部で基準排気ガス量より少ない排気ガス量を出す供給空気量を設定し、空気ダクトに設置された送風機の出力を調節して設定された供給空気量をボイラーに供給する段階と、制御部で全体排気ガス量が基準排気ガス量と同じになる酸素量を設定し、酸素配管に設置された流量調節器を制御して設定された酸素量を空気ダクトに追加的に供給する段階を含む。
燃焼室の後端の排気ガスダクトに熱交換器が設置されてもよく、空気ダクトは熱交換器を経てボイラーに連結されてもよい。熱交換器は、排気ガスから廃熱を回収してボイラーに供給される空気を加熱させることができる。酸素配管は空気ダクト中の熱交換器の前端に接続され酸素が追加された空気が熱交換器で加熱され得る。
本発明の他の一実施形態によるボイラー設備の運転方法は、制御部で基準排気ガス量より少ない排気ガス量を出す供給空気量を設定し、空気ダクトに設置された送風機の出力を調節して設定された供給空気量をボイラーに供給する段階と、制御部でボイラーの出力が基準空気量の投入時に出る出力と同じになる酸素量を設定し、酸素配管に設置された流量調節器を制御して設定された酸素量を空気ダクトに追加的に供給する段階を含む。
燃焼室の後端の排気ガスダクトに熱交換器が設置されてもよく、空気ダクトは熱交換器を経てボイラーに連結されてもよい。熱交換器は、排気ガスから廃熱を回収してボイラーに供給される空気を加熱させることができる。酸素配管は空気ダクト中の熱交換器の前端に接続され酸素が追加された空気が熱交換器で加熱され得る。
一実施形態によれば、燃焼室の排気ガス量を増やさずにボイラーの出力を高めることができる。この場合、環境設備に負担をかけることなく電力需給を円滑にすることができる。他の一実施形態によれば、ボイラーの出力を同一に維持しながら燃焼室の排気ガス量を減らすことができる。この場合、脱窒設備の脱窒効率を高め、触媒の性能低下を抑制し、ガス再熱器の詰りを防止して脱硫設備を安定的に作動させることができる。
本発明の第1実施形態によるボイラー設備の構成図である。 本発明の第2実施形態によるボイラー設備の構成図である。
以下、添付した図面を参照して 本発明の実施形態について 本発明の属する技術分野における通常の知識を有する者が容易に実施することができるように詳しく説明する。 本発明は様々な形態に実現でき、ここで説明する実施形態に限定されない。
図1は、 本発明の第1実施形態によるボイラー設備の構成図である。
図1を参照すれば、第1実施形態のボイラー設備100は、バーナー11が設置された燃焼室12を含むボイラー10と、燃焼室12の後端に設置されて燃焼室12の排気ガスを処理する環境設備を含む。燃料配管21を通じて燃料がバーナー11に供給され、送風機23によって吸入された空気が空気ダクト22を通じてバーナー11と燃焼室12に供給される。
ボイラー10の燃料は微粉炭や重油のような化石燃料であり得る。微粉炭の場合、微粉炭を1次空気と共に燃焼室12内に噴射する微粉炭バーナーが使用され、燃焼室12に噴射された微粉炭は浮遊状態で空間燃焼が行われる。微粉炭バーナーは低NOx燃焼法が適用された低NOxバーナーであり得る。
ボイラー10は、燃焼室12の熱エネルギーで蒸気を発生させ、これを蒸気タービン(図示せず)に供給することができる。燃焼室12から排出される排気ガスは環境設備を経ながら公害物質が低減される。
環境設備は、排気ガスに含まれている窒素酸化物(NOx)除去のための脱窒設備30と、粉塵除去のための電気集塵機40と、硫黄酸化物(SOx)除去のための脱硫設備50を含むことができる。脱窒設備30と電気集塵機40および脱硫設備50を経て公害物質が除去された排気ガスは煙突を通じて大気中に排出される。
脱窒設備30は、選択的触媒還元(selective catalytic reduction)装置から構成され得る。選択的触媒還元装置は、排気ガスにアンモニア、またはウレアなどの還元剤を噴射して触媒上で窒素酸化物を無公害の水と窒素に転換させる。脱窒設備30の反応式は以下のとおりである。
4NO+4NH+O→4N+6H
電気集塵機40は大規模排気ガス処理に適しており、バッグフィルター(図示せず)を追加設置してハイブリッド方式で集塵効率を高めることができる。脱窒設備30を通過する排気ガス量が多くなるほど脱窒効率は減少し、触媒摩耗現像も激しくなる。電気集塵機40の効率も排気ガス量が多くなるほど減少する。
脱窒設備30と電気集塵機40の間の排気ガスダクトに熱交換器60が設置され得る。そして空気ダクト22が熱交換器60を経てボイラー10に連結され得る。熱交換器60は排気ガスから廃熱を回収してボイラー10に供給される空気を加熱させ、ボイラー10の燃焼効率を高める。熱交換器60は空気予熱器と称することができる。
燃焼室12の排気ガスには化石燃料中の硫黄分が燃焼され多量の硫黄酸化物が含まれている。脱硫設備50は石灰石を用いた湿式法で硫黄酸化物を除去することができ、反応式は以下のとおりである。
CaCO+SO+1/2HO→CaSO・1/2HO+CO
脱硫設備50で排気ガスの二酸化硫黄は石灰石との反応によって中和されて石膏に変わり、石膏は工業用にリサイクルされる。この時、脱硫設備50の反応器51の上部には円形の水分除去器(mist eliminator)52が設置され得る。水分除去器52は、反応器51の内部の石膏スラリーが反応器51の外部に流出することを防止する。
設計容量以上の排気ガスが水分除去器52を通過すれば、排気ガスの流速が水分除去器52の設計臨界流速を超過するようになり、多量の石膏スラリーが反応器51の後端に位置したガス再熱器(gas gas heater、GGH)53側に溢れることがある。この場合、ガス再熱器53が詰まるようになり、ガス再熱器53の詰りは排気ガス通路の圧力増加につながる。
また、水分除去器52は使用時間が経過すれば機能が低下するので円形の縁から石膏スラリーが固着されて排気ガスの通過を妨害する。この場合、排気ガスが水分除去器52の中央部に集中されるので水分除去器52の中央部分の流速が高まり石膏スラリーがガス再熱器53側に溢れる現像が発生することがある。この時、排気ガス量を減少させれば、石膏スラリーが溢れる現像を防止することができる。
前述のようにボイラー10の排気ガス量が多くなるほど脱窒設備30と電気集塵機40の効率が低下し、脱硫設備50に異常が発生することがある。このような問題が発生する場合、従来はボイラー10の負荷を減少させて排気ガス量を減らす方法で対処した。しかし、この場合、発電設備の出力が低くなる。
第1実施形態のボイラー設備100は、酸素供給部70と制御部80を含む。酸素供給部70は、酸素貯蔵部71と、酸素貯蔵部71と空気ダクト22を連結する酸素配管72と、酸素配管72に設置された流量調節器73を含むことができる。酸素供給部70は、液体酸素または酸素分離膜などを用いて酸素を容易に生産することができる。
酸素配管72は、全体空気ダクト22中の熱交換器60の前端部分に接続され得る。この場合、酸素が追加された空気は熱交換器60で加熱された後、ボイラー10に供給される。
制御部80は、送風機23と流量調節器73を制御する。具体的に、制御部80は燃料燃焼のための基準空気量より少ない空気量を設定し、送風機23の出力を低めて設定された空気量がボイラー10に供給されるようにする。これと同時に制御部80は燃焼に必要な酸素量を設定し、流量調節器73を制御して設定された酸素量が空気ダクト22に供給されるようにする。即ち、制御部80はボイラー10に供給される空気量を減らす代わりに空気中の酸素比重を高める。
燃料燃焼のための基準空気量は、燃料燃焼のための理論空気量と過剰空気量の合計として定義される。理論空気量は燃料を完全に燃焼させるために燃料の組成によって理論的に計算される値である。しかし、理論空気量のみ供給すれば実際には不完全燃焼されるので、実際の燃焼では理論空気量に過剰空気量を追加して理論空気量より多い空気量を供給する。
制御部80の設定空気量は理論空気量と同じであるか、理論空気量より若干多くてもよい。即ち、制御部80は基準空気量から過剰空気量を除くか過剰空気量を減らす方法でボイラー10に供給される空気量を設定することができる。
ボイラー10に供給される空気量が減少しても酸素供給部70によって適正量の酸素が供給されるので燃料の燃焼に支障がなく、燃焼室12から排出される排気ガス量は増えない。また、脱窒設備30や脱硫設備50で排気ガスの流速も減少するので、脱窒効率や脱硫効率を高めることができ、脱窒触媒の摩耗、熱交換器60およびガス再熱器53の詰り現像などを効果的に予防することができる。
第1実施形態のボイラー設備100はボイラー10に基準空気量を供給する場合と同一な排気ガス量を維持しながらボイラー10の出力を高めるか、ボイラー10に基準空気量を供給する場合と同一なボイラー10出力を維持しながら排気ガス量を減少させることができる。燃焼室12から排出される排気ガス量は空気供給量の大略1.1倍である。
図2は、 本発明の第2実施形態によるボイラー設備の構成図である。
図2を参照すれば、第2実施形態のボイラー設備200で、酸素配管72は全体空気ダクト22中の熱交換器60の後端部分、即ち、熱交換器60とボイラー10の間に接続され得る。この場合、送風機23によって吸入された空気のみ熱交換器60を通過しながら加熱され、酸素はボイラー10に直ちに供給される。第2実施形態のボイラー設備200は、酸素供給部70の位置を除いて前述の第1実施形態と同一な構成からなる。
次に、第1実施形態および第2実施形態によるボイラー設備100、200の運転方法について説明する。
まず、夏季の冷房負荷や冬季の暖房負荷によって電力需給が難しい場合、定格発電容量より出力を増加させる場合がある。しかし、ボイラー10と環境設備に設計余裕がなければ、これら設備に損傷や誤作動が発生することがある。この場合、ボイラー設備100、200はボイラー10に基準空気量を供給する場合と同一な排気ガス量を維持しながらボイラー10の出力を高める方法で運転される。
例えば、500MW級石炭火力発電所で基準空気量を投入する場合に発生する排気ガス量は通常1,600,000Nm/hr(便宜上、‘基準排気ガス量’という)であり、ボイラー10の出力を10%上げる場合、排気ガス量も大略10%程度上昇するので燃焼室12の後端の環境設備に莫大な負荷が賦課される。
この場合、制御部80は基準排気ガス量より少ない排気ガス量、例えば1,557,468Nm/hrが出る空気量を設定することができ、送風機23の出力を低めて設定された空気量がボイラー10に供給されるようにすることができる。これと同時に、制御部80は全体排気ガス量が基準排気ガス量と同じになる酸素量、例えば60,760kg/hrを設定することができ、流量調節器73を制御して設定された酸素量が空気ダクト22に追加的に供給されるようにすることができる。
そうすれば、燃焼室12から排出される全体排気ガス量は1,600,000Nm/hrであって、設計基準を維持しながらボイラー10の出力を大略10%向上させることができる。この時、空気中の酸素濃度は21%から23.1%に増加する。排気ガス量は供給空気量の大略1.1倍であるので、制御部80はこのような関係を用いて目標排気ガス量に相応する供給空気量を設定することができる。
他の例示として、制御部80は基準排気ガス量より少ない排気ガス量、例えば1,515,200Nm/hrが出る空気量を設定することができ、送風機23の出力を低めて設定された空気量がボイラー10に供給されるようにすることができる。これと同時に、制御部80は全体排気ガス量が基準排気ガス量と同じになる酸素量、例えば121,440kg/hrを設定することができ、流量調節器73を制御して設定された酸素量が空気ダクト22に追加的に供給されるようにすることができる。
そうすれば、燃焼室12から排出される全体排気ガス量は1,600,000Nm/hrであって、設計基準を維持しながらボイラー10の出力を大略20%向上させることができる。この時、空気中の酸素濃度は21%から25%に増加する。酸素濃度が25%に増加すればエネルギー節減効率は大略30%以上になると知られているので、ボイラー10の出力は実際20%以上上昇すると予想される。
前述の方法によれば、排気ガス量を増やさなくてもボイラー10の出力を高めることができる。したがって、環境設備に負担をかけることなく電力需給を円滑にすることができる。
次に、燃焼室12の後端の環境設備を稼動したら、運転時間が増えることにより触媒劣化または被毒などで触媒性能が低下される場合が頻繁に発生する。この場合、触媒を交替するか再生しなければならないが、運転中にはし難い場合が多く、環境規制を満足させるためにボイラー10の負荷を減らして運転する場合が大部分である。
しかし、この場合、ボイラー10の出力低下が避けられなく、排気ガスの温度が低くなり脱窒設備30の触媒がさらにはやく被毒される傾向が発生するので、長期的には脱窒設備30の安定的な運営が難しくなる。この場合、ボイラー設備100、200はボイラー10に基準空気量を供給する場合と同一なボイラー10の出力を維持しながら排気ガス量を減少させる方法で運転される。
例えば、500MW級石炭火力発電所の場合、制御部80は基準排気ガス量より15%低い大略1,360,000Nm/hrが出る空気量を設定することができ、送風機23の出力を低めて設定された空気量がボイラー10に供給されるようにすることができる。これと同時に、制御部80はボイラー10の出力が基準空気量投入時に出る出力と同じになる酸素量、例えば72,000kg/hrを設定することができ、流量調節器73を制御して設定された酸素量が空気ダクト22に追加的に供給されるようにすることができる。
そうすれば、実際排気ガス量は基準排気ガス量の大略90%である1,440,000Nm/hrになり、全体排気ガス量を大略10%減縮してもボイラー10の出力を同一に維持することができる。
一般的な脱窒設備30で排気ガス量が10%程度減少すれば、脱窒効率は大略5%上昇する。空気供給量が減少すれば窒素酸化物も減少され脱窒設備30の入口での窒素酸化物濃度が低くなるだけでなく、排出される排気ガス量が減少し燃焼室12から排出される排気ガスの温度が上昇する。したがって、脱窒設備30の入口温度が上昇し触媒の性能低下を抑制することができる。
一方、脱窒設備30の後端に位置した熱交換器60が硫酸アンモニウムなどによって詰りが発生する場合、圧力損失が増加することによってボイラー10の運転が難しくなる。しかし、前述の方法でこれら設備を通過する排気ガス量を減縮する場合、ボイラー10の出力低下なく脱窒設備30の運転が可能になる。
また、脱硫設備50の反応器51の上部には水分除去器52が設置されて、反応器51から石膏スラリーがガス再熱器53側に溢れることを防止する。しかし、水分除去器52が劣化するか洗浄装置の不良によって部分的に詰まる場合、排気ガスの流速が局部的に水分除去器52の限界流速を超過することがある。この場合、石膏スラリーがガス再熱器53側に溢れてガス再熱器53の詰りを誘発することがある。
このような場合にも前述の方法でボイラー10の空気供給量を減らし、酸素を追加供給してボイラー10の出力低下なく脱硫設備50を通過する排気ガス量を減縮することができる。そうすれば、水分除去器52で排気ガスの流速を設計流速以下に維持することができ、石膏スラリーが反応器51の外に溢れることを効果的に防止することができる。
前記では 本発明の好ましい実施形態について説明したが、 本発明はこれに限定されるのではなく、特許請求の範囲と発明の詳細な説明および添付した図面の範囲内で多様に変形して実施することが可能であり、これも 本発明の範囲に属するのは当然である。
10 ボイラー
11 バーナー
12 燃焼室
21 燃料配管
22 ダクト
23 送風機
30 脱窒設備
40 電気集塵機
50 脱硫設備
51 反応器
52 水分除去器
53 ガス再熱器
60 熱交換器
70 酸素供給部
71 酸素貯蔵部
72 酸素配管
73 流量調節器
80 制御部
100、200 ボイラー設備

Claims (9)

  1. バーナーが設置された燃焼室を含むボイラー、
    前記バーナーに燃料を供給するための燃料配管、
    送風機によって吸入された空気を前記ボイラーに供給するための空気ダクト、
    前記空気ダクトに接続された酸素配管と、前記酸素配管に設置された流量調節器を含み、前記ボイラーに供給される空気中の酸素比重を高める酸素供給部、および
    燃料燃焼のための基準空気量より少ない空気量と、空気に追加される酸素量を設定し、設定空気量と設定酸素量に合わせて前記送風機と前記流量調節器を制御する制御部を含み、
    前記設定酸素量は、前記燃焼室の全体排気ガス量が前記基準空気量投入時に出る基準排気ガス量と同じになる酸素量と、前記ボイラーの出力が前記基準空気量投入時に出る出力と同じになる酸素量のうちのいずれか一つである、ボイラー設備。
  2. 前記燃焼室の後端の排気ガスダクトに熱交換器が設置され、前記空気ダクトは前記熱交換器を経て前記ボイラーに連結され、
    前記熱交換器は、排気ガスから廃熱を回収して前記空気ダクトの空気を加熱させる、請求項1に記載のボイラー設備。
  3. 前記酸素配管は、前記空気ダクト中の前記熱交換器の前端と後端のうちのいずれか一箇所に接続される、請求項2に記載のボイラー設備。
  4. ボイラーと、前記ボイラーに連結された燃料配管および空気ダクトと、前記空気ダクトに接続された酸素配管と、空気と酸素の供給を制御する制御部を含むボイラー設備の運転方法であって、
    前記制御部で基準排気ガス量より少ない排気ガス量を出す供給空気量を設定し、前記空気ダクトに設置された送風機の出力を調節して設定された供給空気量を前記ボイラーに供給する段階、および
    前記制御部で全体排気ガス量が基準排気ガス量と同じになる酸素量を設定し、前記酸素配管に設置された流量調節器を制御して設定された酸素量を前記空気ダクトに追加的に供給する段階
    を含むボイラー設備の運転方法。
  5. 前記燃焼室の後端の排気ガスダクトに熱交換器が設置され、前記空気ダクトは前記熱交換器を経て前記ボイラーに連結され、
    前記熱交換器は、排気ガスから廃熱を回収して前記ボイラーに供給される空気を加熱させる、請求項4に記載のボイラー設備の運転方法。
  6. 前記酸素配管は前記空気ダクト中の前記熱交換器の前端に接続され酸素が追加された空気が前記熱交換器で加熱される、請求項5に記載のボイラー設備の運転方法。
  7. ボイラーと、前記ボイラーに連結された燃料配管および空気ダクトと、前記空気ダクトに接続された酸素配管と、空気と酸素の供給を制御する制御部を含むボイラー設備の運転方法であって、
    前記制御部で基準排気ガス量より少ない排気ガス量を出す供給空気量を設定し、前記空気ダクトに設置された送風機の出力を調節して設定された供給空気量を前記ボイラーに供給する段階、および
    前記制御部で前記ボイラーの出力が基準空気量投入時に出る出力と同じになる酸素量を設定し、前記酸素配管に設置された流量調節器を制御して設定された酸素量を前記空気ダクトに追加的に供給する段階
    を含むボイラー設備の運転方法。
  8. 前記燃焼室の後端の排気ガスダクトに熱交換器が設置され、前記空気ダクトは前記熱交換器を経て前記ボイラーに連結され、
    前記熱交換器は、排気ガスから廃熱を回収して前記ボイラーに供給される空気を加熱させる、請求項7に記載のボイラー設備の運転方法。
  9. 前記酸素配管は前記空気ダクト中の前記熱交換器の前端に接続され酸素が追加された空気が前記熱交換器で加熱される、請求項8に記載のボイラー設備の運転方法。
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