JP7037697B1 - 燃焼設備 - Google Patents
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Abstract
Description
(構成)
図1は、第1実施形態に係る燃焼設備1の構成を概略的に示す図である。図1に例示するように、燃焼設備1は、火炉2と、ガスバーナ4と、煙道6と、水素濃度取得装置8と、を備える。燃焼設備1は、例えば、ボイラであって、水素を含むガス燃料Fの燃焼によって生成した排ガスGから熱を回収することで蒸気を生成する。尚、以下では、ボイラを例にして説明するが、本開示に係る燃焼設備1はボイラに限定されない。例えば、燃焼設備1は、水素自動車の内燃機関や水素を燃料とするガスタービンであってもよい。
第1実施形態に係る燃焼設備1の作用・効果について説明する。水素は、排ガスGに含まれる水素以外の他の成分と比較して軽い。このため、排ガス流路16の上部7を流通する排ガスGに含まれる水素濃度は、排ガス流路16の下部(例えば、排ガス流路16の流路断面の鉛直方向の長さDに対する0%以上30%以下の範囲)や中央部(例えば、排ガス流路16の流路断面の鉛直方向の長さDに対する30%より大きく70%より小さい範囲)を流通する排ガスGに含まれる水素の濃度と比較して大きくなりやすい。そして、水素の濃度が大きくなると、爆発のような意図しない不具合が発生する可能性が高まる。
本開示の第2実施形態に係る燃焼設備1について説明する。第2実施形態では、燃焼設備1が制御装置30をさらに備える点で第1実施形態と異なる。第2実施形態において、第1実施形態の構成要件と同じものは同じ参照符号を付し、その詳細な説明は省略する。
図3は、第2実施形態に係る燃焼設備1の構成を概略的に示す図である。第2実施形態では、図3に例示するように、燃焼設備1は制御装置30をさらに備える。
第2実施形態によれば、制御装置30が設けられることで、水素濃度に基づく第1制御量の増減を自動化することができる。尚、第2実施形態では、制御装置30は、第1制御量を制御するために、送風機32の送風量を調整していたが、本開示はこの形態に限定されない。例えば、不図示であるが、燃焼設備1が、空気導入ライン9に設けられ、空気導入ライン9を流通する燃焼用空気Aの流量を調節する空気流量調節弁を備える場合、制御装置30は水素濃度に基づいて空気流量調節弁の開度を調節することで、第1制御量を制御してもよい。
本開示の第3実施形態に係る燃焼設備1について説明する。第3実施形態では、第2実施形態で説明した第1制御量をさらに限定している。第3実施形態において、第2実施形態の構成要件と同じものは同じ参照符号を付し、その詳細な説明は省略する。
図4は、第3実施形態に係る燃焼設備1の構成を概略的に示す図である。第3実施形態では、燃焼用空気Aは一次空気A1(A)、及び一次空気A1より遅れてガス燃料Fに接触させる二次空気A2(A)を含む。つまり、第3実施形態では、第1制御量は、一次空気A1の量及び二次空気A2の量の両方を含む。
一次空気A1は、二次空気A2に先行してガス燃料Fと混合するため、二次空気A2と比較してガス燃料Fの燃焼に対する影響が大きい。一方で、一次空気A1は、二次空気A2と比較して、火炉2に導入可能な量の幅が小さいことが多い。第3実施形態によれば、制御装置30は、一次空気A1の量を増やすことで水素濃度を第1閾値未満まで低減させることを図ってから、二次空気A2の量を増やす。このため、一次空気A1の量の増加だけで水素濃度を第1閾値未満まで低減させた場合には、少量の一次空気A1の増加で済むので、窒素酸化物の発生を抑制することができる。また、一次空気A1の量の増加だけでは水素濃度を第1閾値未満まで低減させることが難しくても、二次空気A2の量も増加することで水素濃度を第1閾値未満まで低減させることができる。
本開示の第4実施形態に係る燃焼設備1について説明する。第4実施形態では、制御装置30が、第1制御量に加え、第2制御量も制御するように構成されている点で第2実施形態と異なる。第4実施形態において、第2実施形態の構成要件と同じものは同じ参照符号を付し、その詳細な説明は省略する。幾つかの実施形態では、第3実施形態に係る制御装置30が、第1制御量に加え、第2制御量も制御するように構成される。
第2制御量(ガス燃料Fの量)は、第1制御量(燃焼用空気Aの量)よりも水素濃度に対する影響が大きい。第4実施形態によれば、制御装置30は、水素濃度が第2閾値を超えると、ガス燃料量調節弁40の開度を小さくして、火炉2に供給されるガス燃料Fの量を減らす。このため、水素濃度を第2閾値未満まで低減させることができる。尚、ガス燃料量調節弁40の開度は、水素濃度を監視している作業員によって調節されてもよい。
本開示の第5実施形態に係る燃焼設備1について説明する。第5実施形態では、燃焼設備1が排ガス分析装置42をさらに備えている点で第4実施形態と異なる。第5実施形態において、第4実施形態の構成要件と同じものは同じ参照符号を付し、その詳細な説明は省略する。幾つかの実施形態では、第2実施形態、又は第3実施形態に係る燃焼設備1が排ガス分析装置42をさらに備える。
図7は、第5実施形態に係る燃焼設備1の構成を概略的に示す図である。第5実施形態では、図7に例示するように、燃焼設備1は、水素濃度取得装置8とは別に設けられる排ガス分析装置42をさらに備える。排ガス分析装置42は、排ガス流路16を流通する排ガスGに含まれる水素以外の成分の濃度を取得する。例えば、排ガス流路16を流通する排ガスGに含まれる酸素の濃度を酸素濃度とすると、排ガス分析装置42は酸素濃度を取得する。排ガス分析装置42は制御装置30と電気的に接続されており、制御装置30は酸素濃度を取得可能に構成されている。尚、本開示は、排ガス分析装置42が取得する水素以外の成分の濃度を酸素濃度に限定するものではない。幾つかの実施形態では、排ガス分析装置42は、酸素濃度に代わり又は加え、排ガス流路16を流通する排ガスGに含まれる窒素酸化物の濃度、一酸化炭素の濃度などを取得する。
排ガスGに含まれる水素の濃度は、水素による意図せぬ不具合の発生を防止するため、排ガス流路16のうち比較的濃度の高くなる部分(排ガス流路16の上部7)から取得されることが望ましい。一方で、排ガスGに含まれる酸素の濃度は、燃焼設備1の燃焼状態を把握するため、排ガス流路16のうち平均的な濃度となる部分(排ガス流路16の中部44)から取得されることが望ましい。第5実施形態によれば、水素濃度取得装置8と排ガス分析装置42とは互いに別体として設けられているので、水素の濃度を取得する位置と酸素の濃度を取得する位置とを互いにずらすことができる。そして、水素濃度取得装置8は、排ガス流路16のうち比較的濃度の高くなる部分から水素の濃度を取得することができる。排ガス分析装置42は、排ガス流路16のうち平均的な濃度となる部分から酸素の濃度を取得することができる。
火炉(2)と、
水素を含むガス燃料(F)を前記火炉に供給するガスバーナ(4)と、
前記火炉に接続され、前記ガス燃料の燃焼によって発生する排ガス(G)が流通する排ガス流路(16)を含む煙道(6)と、
前記排ガス流路の上部(7)を流通する前記排ガスに含まれる水素の濃度を水素濃度とすると、前記水素濃度を取得する水素濃度取得装置(8)と、を備える。
前記排ガス流路の流路断面の下端(18)を前記流路断面の鉛直方向の長さ(D)に対する0%の位置とし、前記流路断面の上端(20)に向かうにつれて増加し、前記流路断面の前記上端を前記流路断面の鉛直方向の長さに対する100%の位置とすると、
前記水素濃度取得装置は、前記流路断面の鉛直方向の長さに対する70%以上100%以下の範囲内を流通する前記排ガスに含まれる水素の濃度を取得する。
前記水素濃度が予め設定されている第1閾値を超えると、警報を発生する警報装置(26)をさらに備える。
前記ガスバーナの燃焼用空気(A)の量を第1制御量とすると、前記水素濃度取得装置によって取得された前記水素濃度に基づいて、前記第1制御量を制御する制御装置(30)をさらに備える。
前記制御装置は、前記水素濃度が予め設定されている第1閾値を超えると、前記第1制御量を増やす。
前記第1制御量は、一次空気(A1)の量及び二次空気(A2)の量の両方を含み、
前記制御装置は、前記水素濃度が前記第1閾値を超えると、前記一次空気の量を増やし、前記水素濃度が前記第1閾値より小さくならない場合には、前記二次空気の量を増やす。
前記二次空気は、前記排ガス流路を流通する前記排ガスの一部を前記火炉に循環させる循環ガス(G1)を含む。
前記ガスバーナが前記火炉に供給する前記ガス燃料の量を第2制御量とすると、
前記制御装置は、前記水素濃度が前記第1閾値より予め大きく設定されている第2閾値を超えると、前記第2制御量を減らす。
前記制御装置は、前記水素濃度が前記第2閾値を超えると、前記第2制御量をゼロに減らす。
前記排ガス流路を流通する前記排ガスに含まれる酸素の濃度を酸素濃度とすると、
前記制御装置は、前記水素濃度が前記第1閾値以下である場合、前記酸素濃度が1%未満となるまで前記第1制御量を減らす。
前記水素濃度取得装置とは別に設けられ、前記排ガス流路を流通する前記排ガスに含まれる水素以外の成分の濃度を取得する排ガス分析装置(42)をさらに備える。
前記排ガス流路の流路断面の下端(18)を前記流路断面の鉛直方向の長さ(D)に対する0%の位置とし、前記流路断面の上端(20)に向かうにつれて増加し、前記流路断面の前記上端を前記流路断面の鉛直方向の長さに対する100%の位置とすると、
前記水素濃度取得装置は、前記流路断面の鉛直方向の長さに対する60%以上100%以下の範囲内を流通する前記排ガスに含まれる水素の濃度を取得し、
前記排ガス分析装置は、前記流路断面の鉛直方向の長さに対する40%以上60%未満の範囲内を流通する前記排ガスに含まれる水素以外の成分の濃度を取得する。
前記排ガスが前記排ガス流路を流通する流通方向(X)に沿って前記排ガス流路に配置される過熱器(50)、及び再熱器(52)をさらに備え、
前記排ガス流路のうち前記過熱器と前記再熱器との間を第1区間(58)とすると、前記水素濃度取得装置は、前記第1区間の上部を流通する前記排ガスに含まれる水素の濃度を取得し、前記排ガス分析装置は、前記第1区間を流通する前記排ガスに含まれる酸素の濃度を取得する。
前記排ガスが前記排ガス流路を流通する流通方向に沿って前記排ガス流路に配置される再熱器及び節炭器(54)をさらに備え、
前記排ガス流路のうち前記再熱器と前記節炭器との間を第2区間(60)とすると、前記水素濃度取得装置は、前記第2区間の上部を流通する前記排ガスに含まれる水素の濃度を取得し、前記排ガス分析装置は、前記第2区間を流通する前記排ガスに含まれる酸素の濃度を取得する。
前記排ガスが前記排ガス流路を流通する流通方向に沿って前記排ガス流路に配置される節炭器及び空気予熱器(56)をさらに備え、
前記排ガス流路のうち前記節炭器と前記空気予熱器との間を第3区間(62)とすると、前記水素濃度取得装置は、前記第3区間の上部を流通する前記排ガスに含まれる水素の濃度を取得し、前記排ガス分析装置は、前記第3区間を流通する前記排ガスに含まれる酸素の濃度を取得する。
2 火炉
4 ガスバーナ
6 煙道
7 排ガス流路の上部
8 水素濃度取得装置
16 排ガス流路
18 流路断面の下端
20 流路断面の上端
26 警報装置
30 制御装置
42 排ガス分析装置
50 過熱器
52 再熱器
54 節炭器
56 空気予熱器
58 第1区間
60 第2区間
62 第3区間
A 燃焼用空気
A1 一次空気
A2 二次空気
D 流路断面の鉛直方向の長さ
F ガス燃料
G 排ガス
G1 循環ガス
X 流通方向
Claims (14)
- 火炉と、
水素を含むガス燃料を前記火炉に供給するガスバーナと、
前記火炉に接続され、前記ガス燃料の燃焼によって発生する排ガスが流通する排ガス流路を含む煙道と、
前記排ガス流路の上部を流通する前記排ガスに含まれる水素の濃度を水素濃度とすると、前記水素濃度を取得する水素濃度取得装置と、
前記ガスバーナの燃焼用空気の量を第1制御量とすると、前記水素濃度取得装置によって取得された前記水素濃度に基づいて、前記第1制御量を制御する制御装置と、を備える、
燃焼設備。 - 前記排ガス流路の流路断面の下端を前記流路断面の鉛直方向の長さに対する0%の位置とし、前記流路断面の上端に向かうにつれて増加し、前記流路断面の前記上端を前記流路断面の鉛直方向の長さに対する100%の位置とすると、
前記水素濃度取得装置は、前記流路断面の鉛直方向の長さに対する70%以上100%以下の範囲内を流通する前記排ガスに含まれる水素の濃度を取得する、
請求項1に記載の燃焼設備。 - 前記水素濃度が予め設定されている第1閾値を超えると、警報を発生する警報装置をさらに備える、
請求項1又は2に記載の燃焼設備。 - 前記制御装置は、前記水素濃度が予め設定されている第1閾値を超えると、前記第1制御量を増やす、
請求項1から3の何れか一項に記載の燃焼設備。 - 前記第1制御量は、一次空気の量及び二次空気の量の両方を含み、
前記制御装置は、前記水素濃度が前記第1閾値を超えると、前記一次空気の量を増やし、前記水素濃度が前記第1閾値より小さくならない場合には、前記二次空気の量を増やす、
請求項4に記載の燃焼設備。 - 前記二次空気は、前記排ガス流路を流通する前記排ガスの一部を前記火炉に循環させる循環ガスを含む、
請求項5に記載の燃焼設備。 - 前記ガスバーナが前記火炉に供給する前記ガス燃料の量を第2制御量とすると、
前記制御装置は、前記水素濃度が前記第1閾値より予め大きく設定されている第2閾値を超えると、前記第2制御量を減らす、
請求項4から6の何れか一項に記載の燃焼設備。 - 前記制御装置は、前記水素濃度が前記第2閾値を超えると、前記第2制御量をゼロに減らす、
請求項7に記載の燃焼設備。 - 前記排ガス流路を流通する前記排ガスに含まれる酸素の濃度を酸素濃度とすると、
前記制御装置は、前記水素濃度が前記第1閾値以下である場合、前記酸素濃度が1%未満となるまで前記第1制御量を減らす、
請求項4から8の何れか一項に記載の燃焼設備。 - 前記水素濃度取得装置とは別に設けられ、前記排ガス流路を流通する前記排ガスに含まれる水素以外の成分の濃度を取得する排ガス分析装置をさらに備える、請求項1から9の何れか一項に記載の燃焼設備。
- 火炉と、
水素を含むガス燃料を前記火炉に供給するガスバーナと、
前記火炉に接続され、前記ガス燃料の燃焼によって発生する排ガスが流通する排ガス流路を含む煙道と、
前記排ガス流路の上部を流通する前記排ガスに含まれる水素の濃度を水素濃度とすると、前記水素濃度を取得する水素濃度取得装置と、
前記水素濃度取得装置とは別に設けられ、前記排ガス流路を流通する前記排ガスに含まれる水素以外の成分の濃度を取得する排ガス分析装置と、を備え、
前記排ガス流路の流路断面の下端を前記流路断面の鉛直方向の長さに対する0%の位置とし、前記流路断面の上端に向かうにつれて増加し、前記流路断面の前記上端を前記流路断面の鉛直方向の長さに対する100%の位置とすると、
前記水素濃度取得装置は、前記流路断面の鉛直方向の長さに対する60%以上100%以下の範囲内を流通する前記排ガスに含まれる水素の濃度を取得し、
前記排ガス分析装置は、前記流路断面の鉛直方向の長さに対する40%以上60%未満の範囲内を流通する前記排ガスに含まれる水素以外の成分の濃度を取得する、
燃焼設備。 - 火炉と、
水素を含むガス燃料を前記火炉に供給するガスバーナと、
前記火炉に接続され、前記ガス燃料の燃焼によって発生する排ガスが流通する排ガス流路を含む煙道と、
前記排ガス流路の上部を流通する前記排ガスに含まれる水素の濃度を水素濃度とすると、前記水素濃度を取得する水素濃度取得装置と、
前記水素濃度取得装置とは別に設けられ、前記排ガス流路を流通する前記排ガスに含まれる水素以外の成分の濃度を取得する排ガス分析装置と、
前記排ガスが前記排ガス流路を流通する流通方向に沿って前記排ガス流路に配置される過熱器、及び再熱器と、を備え、
前記排ガス流路のうち前記過熱器と前記再熱器との間を第1区間とすると、前記水素濃度取得装置は、前記第1区間の上部を流通する前記排ガスに含まれる水素の濃度を取得し、前記排ガス分析装置は、前記第1区間を流通する前記排ガスに含まれる水素以外の成分の濃度を取得する、
燃焼設備。 - 火炉と、
水素を含むガス燃料を前記火炉に供給するガスバーナと、
前記火炉に接続され、前記ガス燃料の燃焼によって発生する排ガスが流通する排ガス流路を含む煙道と、
前記排ガス流路の上部を流通する前記排ガスに含まれる水素の濃度を水素濃度とすると、前記水素濃度を取得する水素濃度取得装置と、
前記水素濃度取得装置とは別に設けられ、前記排ガス流路を流通する前記排ガスに含まれる水素以外の成分の濃度を取得する排ガス分析装置と、
前記排ガスが前記排ガス流路を流通する流通方向に沿って前記排ガス流路に配置される再熱器及び節炭器と、を備え、
前記排ガス流路のうち前記再熱器と前記節炭器との間を第2区間とすると、前記水素濃度取得装置は、前記第2区間の上部を流通する前記排ガスに含まれる水素の濃度を取得し、前記排ガス分析装置は、前記第2区間を流通する前記排ガスに含まれる水素以外の成分の濃度を取得する、
燃焼設備。 - 火炉と、
水素を含むガス燃料を前記火炉に供給するガスバーナと、
前記火炉に接続され、前記ガス燃料の燃焼によって発生する排ガスが流通する排ガス流路を含む煙道と、
前記排ガス流路の上部を流通する前記排ガスに含まれる水素の濃度を水素濃度とすると、前記水素濃度を取得する水素濃度取得装置と、
前記水素濃度取得装置とは別に設けられ、前記排ガス流路を流通する前記排ガスに含まれる水素以外の成分の濃度を取得する排ガス分析装置と、
前記排ガスが前記排ガス流路を流通する流通方向に沿って前記排ガス流路に配置される節炭器及び空気予熱器と、を備え、
前記排ガス流路のうち前記節炭器と前記空気予熱器との間を第3区間とすると、前記水素濃度取得装置は、前記第3区間の上部を流通する前記排ガスに含まれる水素の濃度を取得し、前記排ガス分析装置は、前記第3区間を流通する前記排ガスに含まれる水素以外の成分の濃度を取得する、
燃焼設備。
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