JP6859820B2 - 水素燃焼ボイラ - Google Patents

Description

本発明は、水素燃焼ボイラに関する。

近年、蒸気を使用するプラント等において、プラントの運転に伴い副産物として発生する水素ガスを燃料として用い、この水素ガスをバーナに供給して燃焼させる水素燃焼ボイラが提案されている（例えば、特許文献１参照）。
副産物として発生する水素ガスを燃料ガスとして用いることで、これまで用いられてきた炭化水素ガス等にかかる燃料費を削減できる。また、水素ガスの燃焼においては、二酸化炭素を発生させないため、二酸化炭素排出量の削減にも貢献できる。

特開２０１６−１０９３５２号公報

しかしながら、水素ガスは分子量が小さいため、他の燃料ガスに比して配管の接続部等からガス漏れを起こしやすい傾向にある。また、水素ガスは、炭化水素ガスに比して最小着火エネルギーが小さく、また、空気と混合した場合の燃焼範囲が広い。そのため、水素ガスを燃料として用いる水素燃焼ボイラにおいては、水素ガスが漏洩した場合のリスクを抑制できる、より高い安全性が必要とされる。

従って、本発明は、安全性をより向上させられる水素燃焼ボイラを提供することを目的とする。

本発明は、缶体と、前記缶体の上面に配置されるバーナと、前記バーナに水素ガスを供給する水素配管部と、を備える水素燃焼ボイラであって、前記水素配管部は、前記缶体の上面に配置され先端部がバーナに接続されるバーナ接続配管部と、先端部が前記バーナ接続配管部の基端部に接続され、前記缶体の上面の上方を該缶体の外側に向かって延びる外向き配管部と、前記外向き配管部の基端部から上面視において前記缶体の外側を延びる外側配管部と、を備える水素燃焼ボイラに関する。

また、前記外側配管部は、側面視において前記缶体の上部又は該缶体よりも上方を通るように配置されることが好ましい。

また、水素燃焼ボイラは、前記水素配管部に配置されるフレームアレスタを更に備え、前記外側配管部は、先端部が前記外向き配管部に接続され、前記缶体に沿う方向に水平方向に延びる第１水平配管部と、先端部が前記第１水平配管部の基端部に接続され、下方に延びる鉛直配管部と、先端部が前記鉛直配管部の基端部に接続され、前記缶体に沿う方向に水平方向に延びる第２水平配管部と、を備え、前記フレームアレスタは、前記第１水平配管部に配置されることが好ましい。

また、前記缶体の側方に配置され、該缶体に燃焼用空気を供給する送風機を更に備え、
前記外側配管部は、前記缶体及び前記送風機に沿って延びる請求項１〜３のいずれかに記載の水素燃焼ボイラ。

また、水素燃焼ボイラは、前記缶体における前記送風機が配置された側と逆側に配置される制御盤を更に備えることが好ましい。

また、水素燃焼ボイラは、上面視において前記外側配管部を支持する架台を更に備えることが好ましい。

本発明の水素燃焼ボイラによれば、安全性をより向上させられる。

本発明の一実施形態に係る水素燃焼ボイラを示す平面図である。 図１に示す水素燃焼ボイラの側面図であり、図１のＡ矢視図である。 図１に示す水素燃焼ボイラの側面図であり、図１のＢ矢視図である。

以下、本発明の水素燃焼ボイラ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。
本実施形態の水素燃焼ボイラ１は、主として水素ガスを燃料として用い、蒸気を生成する貫流ボイラである。この水素燃焼ボイラ１は、図１〜図３に示すように、缶体１０と、この缶体１０の上面に配置されるバーナ１１と、送風機１２と、排気筒１３と、給水加熱器１４と、制御盤１５と、架台３０と、を備える。また、水素燃焼ボイラ１は、給水ラインＬ１と、給気ラインＬ２と、蒸気供給ラインＬ３と、燃料ガスラインとしての水素配管部２０と、を備える。

缶体１０は、水素燃焼ボイラ１の本体部分を構成する。缶体１０は、下部ヘッダ、複数の水管、上部ヘッダ、燃焼室（いずれも図示せず）、及びバーナ１１等を含んで構成され、この缶体１０に供給される水を加熱して蒸気を生成する。
バーナ１１は、缶体１０の上面に配置され、下方に向かって水素ガスを噴出させる。

送風機１２は、外気を吸引し缶体１０に燃焼用空気を供給する。送風機１２は、缶体１０の側方の下部に配置される。ここで、図１に示すように、本明細書において、缶体１０と送風機１２とが並ぶ方向をＸ方向とし、このＸ方向に水平に直交する方向をＹ方向とする。即ち、本実施形態においては、送風機１２は、缶体１０のＸ１方向に配置される。

排気筒１３は、缶体１０において水素ガスが燃焼されて発生した燃焼ガスを排出する。排気筒１３は、缶体１０の側面から送風機１２が配置される側（Ｘ１側）に水平方向に延びる水平排気部１３１と、水平排気部１３１の先端部において上方に屈曲して上方に延びる鉛直排気部１３２と、を備える。
即ち、本実施形態では、送風機１２及び排気筒１３は、缶体１０に対して同じ側（Ｘ１側）に配置される。

給水加熱器１４は、缶体１０に供給される水（給水）と排気筒１３を流通する燃焼ガスとの間で熱交換を行い、給水を加熱する。本実施形態では、給水加熱器１４は、排気筒１３の鉛直排気部１３２が位置する部分に配置される。即ち、給水加熱器１４は、缶体１０の側方（Ｘ１側）に配置される。

制御盤１５は、水素燃焼ボイラ１の動作を制御する。制御盤１５は、缶体１０のＸ方向（側方）における排気筒１３及び送風機１２が配置された側と反対側（Ｘ２側）に配置される。

架台３０は、複数の鋼材（アングル材）が組み上げられると共に、溶接等により複数の鋼材が接合されて構成される。架台３０は、ベース部３１と、配管支持部３２と、を含んで構成される。
ベース部３１は、水素燃焼ボイラ１の設置面に配置され、缶体１０、送風機１２及び制御盤１５を含む水素燃焼ボイラ１全体を支持する。
配管支持部３２は、図１に示すように、缶体１０に対してＹ方向の一方（Ｙ２側）に配置され、後述する水素配管部２０を支持する。より具体的には、配管支持部３２は、缶体１０及び送風機１２の並ぶ方向（Ｘ方向）に沿って、缶体１０及び送風機１２の外側に配置される。配管支持部３２は、図２に示すように、水素配管部２０を高所（缶体１０の上面と略同じ高さ又は缶体１０の上面よりも上方）において支持する。

給水ラインＬ１は、給水源（図示せず）と缶体１０とを接続し、缶体１０に水を供給する。給水ラインＬ１は、缶体１０に対して架台３０が配置される側と反対側（Ｙ１側）に配置され、Ｘ方向に延びる。そして、給水ラインＬ１は、途中で給水加熱器１４を経由して缶体１０の側面の下部に接続される。給水ラインＬ１には、給水ポンプ１７が配置される。

給気ラインＬ２は、送風機１２で吸引された空気を燃焼用空気として缶体１０に供給する。給気ラインＬ２は、送風機１２から上方に延びる鉛直給気配管１２１と、鉛直給気配管１２１の先端部において水平方向に屈曲して延びる水平給気配管１２２と、を備える。給気ラインＬ２（水平給気配管１２２）の先端側は、缶体１０上部のウインドボックス１６に接続される。

蒸気供給ラインＬ３は、缶体１０において生成された蒸気を蒸気使用設備（図示せず）に供給する。蒸気供給ラインＬ３は、缶体１０に対して架台３０（配管支持部３２）が配置された側と反対側（Ｙ１側）に配置される。

水素配管部２０は、水素供給源（図示せず）からバーナ１１に水素ガスを供給する。本実施形態では、この水素配管部２０を、架台３０（配管支持部３２）に支持させることで、平面視において缶体１０と極力重ならないように、かつ、缶体１０の上部を通るように配置することで、水素燃焼ボイラ１の安全性を向上させている。

水素配管部２０は、図２に示すように、バーナ接続配管部２１と、外向き配管部２２と、外側配管部２３と、を備える。
バーナ接続配管部２１は、先端部がバーナ１１に接続され、上方に延びる。
外向き配管部２２は、先端部がバーナ接続配管部２１の基端部に接続され、缶体１０の上面の上方を缶体１０の外側に向かって延びる。本実施形態では、外向き配管部２２は、先端側がバーナ接続配管部２１に接続され基端側が上面視において缶体１０の径方向に延びる第１外向き配管部２２１と、上面視において缶体１０に沿う方向に延びる第２外向き配管部２２２と、を備える。
第１外向き配管部２２１の基端側は、送風機１２及び排気筒１３が配置された側と反対側（Ｘ２側）に延びる。
第２外向き配管部２２２は、先端部が第１外向き配管部２２１の基端部に接続され、缶体１０に沿う方向に水平方向に延びる。第２外向き配管部２２２は、第１外向き配管部２２１に対して９０度屈曲した方向（Ｙ２方向）に延び、この第２外向き配管部２２２の基端側は、上面視において缶体１０と重ならない位置まで延びる。

外側配管部２３は、図１に示すように、外向き配管部２２（第２外向き配管部２２２）の基端部から上面視において缶体１０の外側を延びる。外側配管部２３の基端側は、水素ガス供給源（図示せず）に接続される。
本実施形態では、外側配管部２３は、鉛直配管部２３１と、水平配管部２３２と、を備える。

鉛直配管部２３１は、図２及び図３に示すように、先端部が第２外向き配管部２２２の基端部に接続され、下方に延びる。鉛直配管部２３１の基端側は、缶体１０の上面と略同じ高さの位置まで延びる。

水平配管部２３２は、先端部が鉛直配管部２３１の基端部に接続され、缶体１０に沿う方向に水平方向に延びる。より具体的には、水平配管部２３２は、鉛直配管部２３１に対して、缶体１０及び送風機１２が並ぶ方向（Ｘ１方向）に９０度屈曲して延びる。即ち、水平配管部２３２は、缶体１０及び送風機１２に沿って延びる。
本実施形態では、以上の水素配管部２０（主として外側配管部２３）は、架台３０（配管支持部３２）により、缶体１０の上面と略同じ高さ、又は缶体１０の上面よりも上方の位置で支持される。

以上の水素配管部２０には、フレームアレスタ４０、遮断弁４１，４２及びガスガバナ４３が配置される。
フレームアレスタ４０は、第２外向き配管部２２２に配置される。フレームアレスタ４０は、例えば、複数枚の波板構造を有する金属板（フレームフィルタ）を含んで構成され、バーナ１１において発生させた火炎が水素配管部２０を基端側に伝搬（逆流）することを防止する。

遮断弁４１，４２は、水平配管部２３２に配置される。遮断弁４１，４２は、水素配管部２０の流路を開放又は閉止する。遮断弁４１，４２が開放されることで、缶体１０に水素ガスが供給され、閉止されることで缶体１０への水素ガスの供給が停止される。本実施形態では、遮断弁４１，４２は、電磁弁により構成される。

ガスガバナ４３は、遮断弁４１と遮断弁４２との間に配置される。ガスガバナ４３は、水素配管部２０を流通する水素ガスの圧力を調整する。

以上の水素燃焼ボイラ１によれば、蒸気を生成する場合、遮断弁４１，４２を開放して水素配管部２０を通じて水素ガスを缶体１０に供給すると共に、送風機１２を駆動させて給気ラインＬ２を通じて缶体１０に燃焼用空気を供給し、水素ガスと燃焼用空気との混合気をバーナ１１により燃焼させる。また、給水ポンプ１７を駆動させ、給水ラインＬ１を通じて缶体１０に水を供給する。これにより、缶体１０に供給された水（給水）が加熱されて蒸気が生成される。生成された蒸気は、蒸気供給ラインＬ３を通じて蒸気使用設備（図示せず）に供給される。

以上説明した本実施形態の水素燃焼ボイラ１によれば、以下のような効果を奏する。

水素燃焼ボイラ１を、缶体１０の上面に配置されるバーナ１１と、このバーナ１１に水素ガスを供給する水素配管部２０と、を含んで構成し、水素配管部２０を、バーナ接続配管部２１と、缶体１０の上面を外側に向かって延びる外向き配管部２２と、上面視において缶体１０の外側を延びる外側配管部２３と、を含んで構成した。これにより、水素配管部２０の大部分を、缶体１０から離間した場所に配置できると共に、バーナ１１との接続部分（バーナ接続配管部２１）においては、バーナ１１との接続部分が下端部となるように配管を配置できる。よって、燃焼範囲が広く、また空気より軽い水素ガスを燃焼として用いる水素燃焼ボイラ１の安全性を向上させられる。即ち、水素ガスはガス比重が小さく、拡散速度が速い性質があり、漏洩した水素は速やかに上方に拡散する。水素配管部２０をこうした構造とすることで、水素が漏洩した場合でも、着火源との接触或いは、可燃濃度域の形成によって燃焼或いは爆発が起こるリスクを軽減することができる。
また、水素配管部２０を単に缶体１０から上方に離間させた場合には、点検やメンテナンスが困難になるが、本実施形態のように水素配管部２０の大部分を缶体１０から水平方向に離間させることで、点検やメンテナンス性を向上させられる。

また、外側配管部２３を、側面視において缶体１０の上部、又は缶体１０よりも上方を通るように配置した。これにより、外側配管部２３から水素ガスが漏れ出してしまった場合においても、漏れ出した水素ガスを缶体１０よりも上方に拡散させられる。よって、水素燃焼ボイラ１の安全性をより向上させられる。

また、水素燃焼ボイラ１を、フレームアレスタ４０を含んで構成した。そして、フレームアレスタ４０を第２外向き配管部２２２に配置した。これにより、フレームアレスタ４０をバーナ１１の近傍に配置することで、バーナ１１からの火炎の逆流（逆火）をバーナ１１の近傍において止められる。また、フレームアレスタ４０を配管が水平に延びる部分に配置できるので、逆火をより好適に止められる。

また、外側配管部２３を、缶体１０及び送風機１２に沿って延びるように配置した。これにより、外側配管部２３を缶体１０の外側を通るように配置しつつも、コンパクトに水素燃焼ボイラ１を構成できる。

また、制御盤１５を缶体１０における送風機１２が配置された側と逆側に配置した。これにより、外側配管部２３が延びる送風機１２側と逆側に制御盤１５を配置することで、電気系統を備える制御盤１５を水素配管部２０から空気の流れの上流側に配置できる。よって、水素燃焼ボイラ１の安全性を一層向上させられる。

また、水素燃焼ボイラ１を、外側配管部２３を支持する架台３０を含んで構成した。これにより、缶体１０の外側に配置される外側配管部２３を安定的に支持させられる。よって、水素配管部２０を上面視において缶体１０の外側に配置した水素燃焼ボイラ１の点検やメンテナンス、設置を容易に行える。

以上、本発明の水素燃焼ボイラ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。

１ 水素燃焼ボイラ
１０ 缶体
１１ バーナ
１２ 送風機
２０ 水素配管部
２１ バーナ接続配管部
２２ 外向き配管部
２３ 外側配管部
３０ 架台
４０ フレームアレスタ

Claims (6)

1. 缶体と、
   排気筒と、
   前記缶体と排気筒が長手方向に配置される架台と、
   前記缶体の上面に配置されるバーナと、
   前記バーナに水素ガスを供給する水素配管部と、を備える水素燃焼ボイラであって、
   前記水素配管部は、
   前記缶体の上面に配置され先端部がバーナに接続されるバーナ接続配管部と、
   先端部が前記バーナ接続配管部の基端部に接続され、基端側が上面視において前記缶体の上面の上方を該缶体の径方向に沿い外側に向かって延びる外向き配管部と、
   前記外向き配管部に接続され、上面視において
   前記缶体の幅を前記架台の長手方向に延長した範囲の外側を前記架台の長手方向に沿って延びる外側配管部と、を備える水素燃焼ボイラ。
2. 前記外側配管部は、側面視において前記缶体の上部又は該缶体よりも上方を通るように配置される請求項１に記載の水素燃焼ボイラ。
3. 前記水素配管部に配置されるフレームアレスタを更に備え、
   前記フレームアレスタは、前記外向き配管部に配置される請求項１又は２に記載の水素燃焼ボイラ。
4. 前記缶体の側方に配置され、該缶体に燃焼用空気を供給する送風機を更に備え、
   前記外側配管部は、前記缶体及び前記送風機に沿って延びる請求項１〜３のいずれかに記載の水素燃焼ボイラ。
5. 前記缶体における前記送風機が配置された側と逆側に配置される制御盤を更に備える請求項４に記載の水素燃焼ボイラ。
6. 前記架台は、前記外側配管部を支持する請求項１〜５のいずれかに記載の水素燃焼ボイラ。

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