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

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_３＋Ｏ_２→４Ｎ_２＋６Ｈ_２Ｏ

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_３＋ＳＯ_２＋１／２Ｈ_２Ｏ→ＣａＳＯ_３・１／２Ｈ_２Ｏ＋ＣＯ_２

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^３／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^３／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^３／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^３／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^３／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^３／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^３／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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