JP7037698B1 - 燃焼設備 - Google Patents

Abstract

【課題】燃料性状の変化に関わらず、安定燃焼及びＮＯｘ低減に最適な制御が可能な燃焼設備を提供することを目的とする。【解決手段】燃焼設備は、火炉にガス燃料を噴出するガスバーナと、ガスバーナに燃焼用の外部空気を導入する空気導入ラインと、空気導入ラインに設けられ、外部空気を前記ガスバーナに送風する送風機と、火炉の排ガスを外部に導く排ガスラインと、排ガスラインから分岐して排ガスの一部を循環ガスとして空気導入ラインに導く排ガス循環ラインと、排ガス循環ラインに設けられ空気導入ラインへの循環ガスの流量を調整する循環ガス調整部と、火炉の入口における外部空気と循環ガスとの混合ガスの酸素濃度を検出する入口酸素濃度検出部と、入口酸素濃度検出部によって検出された酸素濃度に基づいて循環ガス調整部を制御する制御装置と、を備える。【選択図】図１

Description

本開示は、燃焼設備に関する。

例えば、特許文献１には、炉内圧の変化等により燃焼空気量が変化した場合でも、安定した排気再循環燃焼を実現し、低ＮＯｘ性能を実現することが可能なボイラ装置が示されている。

そして、特許文献１には、ボイラ本体に燃焼用空気を供給する給気路と、給気路を流れる燃焼用空気流量を検知するエア差圧センサと、排気路を流通する排ガスの一部を給気路に設けられた送風機に循環させる排気再循環路と、排気再循環路に設けられ排気再循環流量を調整する排気再循環量調整部としてのダンパと、ダンパをエア差圧センサによって検知された燃焼用空気流量に対応する信号に基づいて制御する制御部と、を備えることが示されている。

特開２０２０－１１８３５９号公報

前述のように、特許文献１には、火炉に導入される燃焼用空気流量に対応する信号に基づいて排気再循環量を制御するものである。

しかし、燃料毎に安定した燃焼に必要な燃焼用空気中の酸素濃度には、各々下限値があるため、燃焼用空気流量の検出値に基づいて排気再循環量を制御すると、燃料性状（燃料の種類、燃料成分、水素含有ガス燃料における水素含有率等）の違いによっては、火炉へ適切な酸素濃度が供給されず、燃焼状態が不安定になる虞れがある。

また、燃焼で発生するＮＯｘ低減のために排ガスの一部を燃焼用空気に再循環しているが、環境面重視からＮＯｘの低減効果を十分に発揮させるために排気再循環量を増加した場合には、火炉へ供給され燃焼用空気の酸素濃度が低下し、燃焼状態が不安定になる虞もある。

本開示は、上述の課題に鑑みてなされたものであって、燃料性状の変化に関わらず、安定燃焼及びＮＯｘ低減に最適な制御が可能な燃焼設備を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本開示に係る燃焼設備は、火炉にガス燃料を噴出するガスバーナと、前記ガスバーナに燃焼用の外部空気を導入する空気導入ラインと、前記空気導入ラインに設けられ、前記外部空気を前記ガスバーナに送風する送風機と、前記火炉の排ガスを外部に導く排ガスラインと、前記排ガスラインから分岐して前記排ガスの一部を前記空気導入ラインに導く排ガス循環ラインと、前記排ガス循環ラインに設けられ前記空気導入ラインへの循環ガスの流量を調整する循環ガス調整部と、前記火炉の入口における前記外部空気と前記排ガスとの混合ガスの酸素濃度を検出する入口酸素濃度検出部と、前記入口酸素濃度検出部によって検出された酸素濃度に基づいて前記循環ガス調整部を制御する制御装置と、を備える。

本開示の燃焼設備によれば、火炉の入口における酸素濃度に基づいて排ガス循環量を制御することによって、燃料性状の変化に関わらず安定燃焼面及びＮＯｘ低減による環境面において最適な運用制御が可能になる。

第１実施形態に係る燃焼設備の構成を概略的に示すシステム図である。 第２実施形態に係る燃焼設備の構成を概略的に示すシステム図である。 第３実施形態に係る燃焼設備の構成を概略的に示すシステム図である。 第２実施形態の制御装置の制御フローチャートである。 ガス燃料が水素とメタンとにおける火炉入口の酸素濃度と燃焼速度（燃焼限界）との関係を示す関係図である。 火炉入口の入口酸素濃度と火炉出口のＮＯｘ濃度との関係示す関係図である。

以下、本開示の実施の形態による燃焼設備について、図面に基づいて説明する。かかる実施の形態は、本開示の一態様を示すものであり、この開示に限定するものではなく、本開示の技術的思想の範囲内で任意に変更可能である。

＜第１実施形態＞
（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システム図である。図１に示すように、燃焼設備１は、火炉２と、空気導入ライン４と、送風機６と、排ガスライン８と、排ガス循環ライン１０と、を備える。燃焼設備１は、例えば、ボイラであって、ガス燃料Ｆの燃焼によって生成した排ガスＧ１から熱を回収することで蒸気を生成する。

火炉２は、水素を含むガス燃料Ｆが供給され燃焼するように構成される。ガス燃料としては水素を含むガス燃料に限らず種々のガス燃料に対しても適用可能である。

なお、「水素を含むガス燃料」には、水素と他の燃料を含むもの（混燃焼）と、水素のみ（専焼）とがあり、さらに、水素と他の燃料を含むものでも、水素が主たる燃料（水素の体積割合が５０％以上）、他の燃料が主たる燃料（水素の体積割合が５０％未満）に区分できる。「水素を含むガス燃料」とは、これらの場合をすべて含む。

火炉２は、筒形状を有し、ガス燃料Ｆが燃焼するための空間が形成されている。第１実施形態では、図１に示すように、燃焼設備１は、火炉２に設けられるガスバーナ３と、ガス燃料Ｆが貯留される燃料タンク５と、ガスバーナ３と燃料タンク５とを接続し、燃料タンク５からガスバーナ３にガス燃料Ｆを供給するための燃料供給ライン７と、を含む。ガスバーナ３は、後述する空気導入ライン４も接続されており、この空気導入ライン４を介して外部空気Ａが供給されるようになっている。また、ガスバーナ３は、ウインドボックス１２の内部に備えられ、空気導入ライン４もウインドボックス１２に接続されている。

なお、図１では、ガスバーナ３は、火炉２の底面に設けられており、ガス燃料Ｆを鉛直方向の上方に噴出するように示しているが、これに限るものではなく、火炉２の側壁に設けてガス燃料Ｆを水平方向または斜め上方に向けて噴出するようにしてもよい。

空気導入ライン４は、火炉２に外部空気Ａを導入するためのものである。第１実施形態では、空気導入ライン４は、一端４ａが大気に開放され、他端４ｂがガスバーナ３に接続されている。この空気導入ライン４は、一端４ａで大気から空気を吸い込み、この吸い込んだ空気を外部空気Ａとして他端４ｂ（ウインドボックス１２）に向かって流通させるように構成されている。ウインドボックス１２に流入した外部空気Ａと循環ガスＧ２との混合ガスＧ３が、ガス燃料Ｆに混合されて、火炉２内に噴出（導入）される。

送風機６は、空気導入ライン４に設けられており、外部空気Ａを火炉２に送風する。このような送風機６は、例えば、外部空気Ａを火炉２内に送り込む押込送風機である。以下、外部空気Ａが空気導入ライン４を流通する方向において、空気導入ライン４のうち送風機６より上流側の部分を空気導入ライン４の上流部１６とし、空気導入ライン４のうち送風機６より下流側の部分を空気導入ライン４の下流部１８とする。

排ガスライン８は、火炉２の排ガスＧ１を燃焼設備１の外部に導くためのものである。第１実施形態では、排ガスライン８は、一端８ａが火炉２に接続され、他端８ｂが煙突２０に接続されており、一端８ａ（火炉２）から他端８ｂ（煙突２０）に向かって排ガスＧ１が流通するように構成されている。煙突２０は、排ガスＧ１を燃焼設備１の外部に排出する。なお、図１では、排ガスライン８の一端８ａは、火炉２の鉛直方向の上部の側壁に接続されているが、これに限るものではなく、上端面に接続されるようにしてもよい。

第１実施形態では、図１に示すように、燃焼設備１は、排ガスライン８に設けられる節炭器２２を含む。節炭器２２は、排ガスライン８を流通する排ガスＧ１の熱を回収する装置であって、例えば、不図示の蒸気タービンから排出された排出蒸気と排ガスＧ１との間で熱交換を行う。以下、排ガスＧ１が排ガスライン８を流通する方向において、排ガスライン８のうち節炭器２２より上流側の部分を排ガスライン８の上流部２４とし、排ガスライン８のうち節炭器２２より下流側の部分を排ガスライン８の下流部２６とする。

排ガス循環ライン１０は、排ガスライン８における節炭器２２の下流側から排ガスＧ１の一部を循環ガスＧ２として取り出すように構成されている。また、排ガス循環ライン１０は、排ガスライン８を流通する排ガスの一部を空気導入ライン４に導く循環ファン２８を備え、循環ガスＧ２を空気導入ライン４の送風機６の下流側に導くように、一端１０ａが排ガスライン８の下流部２６に接続され、他端１０ｂが空気導入ライン４の下流部１８に接続される。

循環ファン２８の駆動によって、排ガスライン８の下流部２６を流通する排ガスＧ１の一部が循環ガスＧ２として排ガス循環ライン１０に流入し、空気導入ライン４の下流部１８に導かれる。そして、空気導入ライン４の下流部１８に導かれた循環ガスＧ２は、外部空気Ａと混合して、循環ガスＧ２と外部空気Ａとの混合ガスＧ３が生成され、混合ガスＧ３が空気導入ライン４をウインドボックス１２に向かって流通するように構成されている。

また、図１に示すように、排ガス循環ライン１０の循環ファン２８の下流側には、空気導入ライン４に導入する循環ガスＧ２の流量を調整する循環ガス調整部としてのダンパ３０が設けられている。

また、火炉２の入口部には、外部空気Ａと循環ガスＧ２との混合ガスＧ３の酸素濃度を検出する入口酸素濃度検出部３２が設置され、制御装置３４に入口酸素濃度検出部３２によって検出された酸素濃度の信号が入力される。そして、制御装置３４には、酸素濃度の信号に基づいてダンパ３０の開度を制御するダンパ開度制御部３６を有している。

燃料毎には（水素を含むガス燃料における水素濃度毎には）、それぞれ安定した燃焼に必要な酸素濃度の下限値（燃焼限界の酸素濃度）がある。一方、燃料の燃焼で発生するＮＯｘを低減するために、外部空気Ａに循環ガスＧ２を混合して火炉２に循環させているが、循環ガスＧ２の混合量の増加に伴い火炉２の入口における混合ガスＧ３の入口酸素濃度は低減する。

従って、制御装置３４のダンパ開度制御部３６では、入口酸素濃度検出部３２によって検出された入口酸素濃度に基づいて、使用燃料における燃焼限界の酸素濃度より低下しないように、循環ガス調整部としてのダンパ３０の開度を制御して、空気導入ライン４に導入する循環ガスＧ２の混合量を調整する。また、制御装置３４のダンパ開度制御部３６では、火炉２から排出されるＮＯｘ濃度の低減のために、入口酸素濃度に基づいて、空気導入ライン４に導入する循環ガスＧ２の混合量を調整する。

（作用・効果）
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。制御装置３４では、入口酸素濃度検出部３２によって検出された酸素濃度に基づいて、空気導入ライン４に導入する循環ガスＧ２の流量を調整する循環ガス調整部としてのダンパ３０の開度を制御することによって、燃料性状の変化に関わらず安定燃焼面及びＮＯｘ低減による環境面において最適な運用制御が可能になる。

すなわち、燃料毎に、安定した燃焼に必要な酸素濃度の下限値（燃焼限界の酸素濃度）があるので、例えば、燃料毎の安定燃焼に必要な酸素濃度の下限値より低下しないように、ダンパ３０の開度を制御することによって、また、後述の実施形態のように、この下限値に上乗せした値を用いて燃料遮断制御や、警報発生制御を行うことによって、燃料性状の変化に関わらず、酸素濃度の下限値をベースとしたダンパ３０の開度制御によって、各々の燃焼特性に応じた安定燃焼面及びＮＯｘ低減による環境面を考慮した最適な運用制御が可能になる。

図５は、水素ガス燃料とメタンガス燃料との燃焼速度（燃焼限界）の比較特性図である。横軸は入口酸素濃度（ドライベース）を示し、縦軸は燃焼速度を示す。メタンガスの場合には酸素濃度約１２％が燃焼限界である。水素ガス（水素のみ（専焼））の場合には酸素濃度約９％が燃焼限界であり、酸素濃度約９％でも燃焼可能である。従って、燃料性状に応じた燃焼限界の酸素濃度より低下しないように、ダンパ３０の開度を制御することができる。

水素は都市ガス等に比較して、燃焼速度が速く燃焼性に優れているため、燃焼限界の酸素濃度は低くなる。さらに、水素の含有割合が高い程、安定燃焼に必要な酸素濃度の下限値は低くなる。

従って、ガス燃料Ｆが水素を含むガス燃料の場合には、水素の含有量に応じて安定燃焼に必要な酸素濃度の下限値が変化するため、変化する酸素濃度の下限値をベースとしたダンパ３０の開度制御を行うことで、水素を含むガス燃料に対して、安定燃焼面、環境面においてより適切な運用制御が可能となる。

＜第２実施形態＞
本開示の第２実施形態に係る燃焼設備１について図２を参照して説明する。第２実施形態に係る燃焼設備１は、第１実施形態に対して、さらに火炉２の出口にＮＯｘ濃度検出部が設けられている点で異なる。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。

（構成）
図２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システム図である。図２に示すように、火炉２の出口には、出口における排ガスＧ１のＮＯｘ濃度を検出するＮＯｘ濃度検出部４０が備えられ、検出信号が制御装置４２に入力されるようになっている。

制御装置４２では、ＮＯｘ濃度検出部４０によって検出されたＮＯｘ濃度が、所定のＮＯｘ管理値Ｋ１を超えないように循環ガス調整部としてのダンパ３０の開度を制御する。そして、超えた場合には、入口酸素濃度検出部３２によって検出された入口酸素濃度が、安定した燃焼に必要な酸素濃度の下限値（燃焼限界の酸素濃度Ｂ）に所定値を上乗せした第１閾値Ｃ１以下とならない範囲内で、空気導入ライン４への循環ガスＧ２の混合量が増加するようにダンパ３０の開度を制御する（図６参照）。

所定のＮＯｘ管理値Ｋ１とは、環境面を考慮してＮＯｘを低減するために設定した管理値である。このＮＯｘ管理値Ｋ１を超えないように循環ガスＧ２の空気導入ライン４への混合量の制御は、使用燃料における入口酸素濃度とＮＯｘ濃度との相関関係を示すマスターカーブＭに基づいて行う（図６参照）。

マスターカーブＭの作成は、予め、試運転時に当該火炉２での使用燃料における入口酸素濃度とＮＯｘ濃度との相関を計測（通常、ＮＯｘが最も高くなる最大負荷で計測）して作成しておく。

そして、実運用で、ＮＯｘ濃度検出部４０によって検出されたＮＯｘ濃度が、ＮＯｘ管理値Ｋ１以下になるように、循環ガス調整部であるダンパ３０の開度を制御する。

なお、マスターカーブＭによって、ＮＯｘ管理値Ｋ１に対応する入口酸素濃度のＯ２管理値Ｋ２を求めておき、入口酸素濃度検出部３２によって検出された入口酸素濃度が、Ｏ２管理値Ｋ２以下になるようにダンパ３０の開度を制御してもよい。このように、入口酸素濃度のＯ２管理値Ｋ２を予めマスターカーブＭを用いて求めておけば、入口酸素濃度検出部３２による酸素濃度検出値だけで、ＮＯｘ低減のために設定したＮＯｘ管理値Ｋ１を含めたダンパ３０の制御が可能になる。使用燃料の性状を変更した場合は、ＮＯｘ濃度が予め作成したマスターカーブＭからずれるので、Ｏ２管理値Ｋ２を燃料性状に応じて補正設定できるようにするとよい。

そして、設備の経年劣化や燃料性状の変化等に伴いＮＯｘ濃度が、設定したＮＯｘ管理値Ｋ１を超えた場合には、前述したように入口酸素濃度検出部３２によって検出された入口酸素濃度が第１閾値Ｃ１以下とならない範囲内で、循環ガス調整部であるダンパ３０の開度を開方向に制御して空気導入ライン４への循環ガスＧ２の混合量を増加して、入口酸素濃度を低下させる。

第１閾値Ｃ１、第２閾値Ｃ２は、図６に示すように、マスターカーブＭのグラフにおいて、使用燃料の燃焼限界の酸素濃度Ｂ（図５に示す燃焼速度が下限値となる酸素濃度）に所定値を上乗せした酸素濃度の値を、第１閾値Ｃ１として設定し、燃焼限界の酸素濃度Ｂよりも大きく且つ第１閾値Ｃ１より小さい酸素濃度の値を、第２閾値Ｃ２として設定した値である。なお、燃焼限界の酸素濃度Ｂに上乗せする所定値は火炉２における安定燃焼の観点から適宜設定される値である。

また、第１閾値Ｃ１は、この値以下に入口酸素濃度が低下した場合には、警報を発する警報設定値であり、また、第２閾値Ｃ２は、この値以下に入口酸素濃度が低下した場合には、燃料供給の遮断または供給量の低下を行う燃料制限設定値である。

幾つかの実施形態では、図２の制御装置４２の構成に示すように、制御装置４２は、入口酸素濃度検出部３２によって検出された入口酸素濃度が、第１閾値Ｃ１以下に低下した場合に警報を発する警報制御部４４を備えている。そして、警報制御部４４によって警報手段４６が作動される。

このような構成によれば、警報手段４６から警報を発することで、火炉２の運転者に燃料が酸素不足にあることを知らせて、適切な処置（入口酸素濃度の増加）を促して、酸素不足によって燃焼状態が不安定になることの防止とＮＯｘの低減とを両立させることが可能になる。

また、幾つかの実施形態では、図２の制御装置４２の構成に示すように、制御装置４２は、入口酸素濃度検出部３２によって検出された入口酸素濃度が、第２閾値Ｃ２以下に低下した場合に火炉２へのガス燃料Ｆの供給量の低下若しくはゼロにする燃料供給制御部４８を備えている。そして、燃料供給制御部４８によって、燃料タンク５からウインドボックス１２内のガスバーナ３へのガス燃料Ｆの供給が制限若しくは遮断される。

このような構成によれば、ガス燃料Ｆの供給量を低下若しくはゼロにすることで、酸素不足によって燃焼状態が不安定になることの防止とＮＯｘの低減との両立を確実に行わせることができる。

また、幾つかの実施形態では、入口酸素濃度検出部３２は、ガスバーナ３を備えたウインドボックス１２に設置され、ＮＯｘ濃度検出部４０は、排ガスライン８に設けられる節炭器２２より排ガス流れ方向において上流側に設置されている。

このような構成によれば、入口酸素濃度検出部３２はウインドボックス１２に設置され、火炉出口のＮＯｘ濃度検出部４０は排ガスライン８の節炭器２２より上流側に設置されるので、火炉２に導入する外部空気と循環ガスとの混合ガスＧ３における入口酸素濃度、及び火炉２から排出される排ガスＧ１におけるＮＯｘ濃度を精度よく検出できる。

ウインドボックス１２に入口酸素濃度検出部３２が設置されるので、入口酸素濃度検出部３２は、ガスバーナ３の近くに位置され、燃焼に影響を与える酸素濃度の情報を正確に取得できる。また、ＮＯｘ濃度検出部４０は、排ガスライン８の節炭器２２より上流側に設置されるので、火炉２の出口に近い方が、ボイラ条件が変化した場合に、より早くその状況を判断する情報を取得できる。また、ウインドボックス１２は、入口酸素濃度検出部３２を設置するスペースを確保しやすく設置が容易である。

次に、図４のフローチャートを参照して、第２実施形態の制御装置４２による一連の運転制御フローを説明する。

まず、ステップＳ１では、ＮＯｘ濃度の初期値ＰＮＯｘ（入口酸素濃度の初期値ＰＯ２）を設定する。図６に示すように、ＮＯｘ濃度の初期値ＰＮＯｘは、環境面を考慮して設定したＮＯｘ管理値Ｋ１を超えないようにＮＯｘ管理値Ｋ１より低い値である。そして、このＮＯｘ濃度の初期値ＰＮＯｘに対応する入口酸素濃度の初期値ＰＯ２を、入口酸素濃度の目標値として運転が開始され循環ガス調整部であるダンパ３０の開度が制御される。

運転開始初期は、火炉２のＮＯｘ特性が不明確なため、ＮＯｘ濃度がＮＯｘ管理値Ｋ１を超えないように、予め先行的処置として入口酸素濃度の初期値ＰＯ２を設定して、初期値ＰＯ２を目標値として運転が開始される。

次のステップＳ２では、運転開始後にＮＯｘ濃度検出部４０によって検出されたＮＯｘ濃度が、ＮＯｘ管理値Ｋ１以下か否かを判定する。ステップＳ２の判定がＮｏの場合には、ステップＳ６に進んで、ステップＳ６では、循環ガス混合量が増加するように、循環ガス調整部であるダンパ３０の開度を開方向に制御し、入口酸素濃度を低下させる。

ステップＳ２での判定がＹｅｓの場合には、ステップＳ３に進んで、ステップＳ３では、入口酸素濃度が第１閾値Ｃ１を超えるか否かを判定する。ステップＳ３の判定がＮｏの場合には、ステップＳ７に進んで、ステップＳ７では、警報制御部４４によって警報手段４６が作動されて警報を発生するとともに、循環ガスＧ２の混合量が減少するように、循環ガス調整部であるダンパ３０の開度を閉方向に制御し、入口酸素濃度を増加させる。

ステップＳ３での判定がＹｅｓの場合には、ステップＳ４に進んで、ステップＳ４では、入口酸素濃度が第２閾値Ｃ２を超えるか否かを判定する。ステップＳ４の判定がＮｏの場合には、ステップＳ８に進んで、ステップＳ８では、燃料供給制御部４８によって、燃料タンク５からウインドボックス１２内のガスバーナ３へのガス燃料Ｆの供給が制限若しくは遮断されて、ガス燃料量を低下若しくはゼロ（燃料遮断）にする。

ステップＳ４での判定がＹｅｓの場合には、ステップＳ５に進んで、ステップＳ５では、運転を継続してその後終了する。

（作用・効果）
第２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。第２実施形態によれば、火炉２の入口酸素濃度と火炉２の出口のＮＯｘ濃度とに基づいて、制御装置４２は、火炉２の出口のＮＯｘ濃度がＮＯｘ管理値Ｋ１を超えないように、さらに、入口酸素濃度が燃焼限界の酸素濃度Ｂに達しないように、循環ガス調整部であるダンパ３０の開度を制御して循環ガスＧ２の外部空気Ａへの混合量を制御することで、燃料性状の変化に関わらず安定燃焼面及びＮＯｘ低減による環境面において最適な運用制御が可能になる。

＜第３実施形態＞
本開示の第３実施形態に係る燃焼設備１について図３を参照して説明する。第３実施形態に係る燃焼設備１は、第２実施形態に対して、さらに水素を含むガス燃料Ｆにおいて水素濃度を検出する水素濃度検出手段５０を備え、制御装置５２の構成に閾値補正部５４を有する点で異なる。第３実施形態において、第１実施形態及び第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。

（構成）
ガス燃料Ｆの水素濃度を検出する水素濃度検出手段５０を備え、制御装置５２は、水素含有量に応じて、第１閾値Ｃ１及び第２閾値Ｃ２を補正する閾値補正部５４を有する。この閾値補正部５４は、水素含有量が増加するに従って、第１閾値Ｃ１及び第２閾値Ｃ２を低下するように補正する。

（作用・効果）
第３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。第３実施形態によれば、閾値補正部５４によって、水素含有量が増加するに従って、第１閾値Ｃ１及び第２閾値Ｃ２を低下するように補正する。すなわち、水素含有量が増加するに従って、燃焼限界の酸素濃度Ｂ（図６）が低下するので、その低下に応じて第１閾値Ｃ１及び第２閾値Ｃ２も低下させる。

このように、水素含有量が増加するに従って、第１閾値Ｃ１及び第２閾値Ｃ２を低下するように補正することによって、水素を含むガス燃料Ｆにおける燃焼の安定化を維持しつつ、環境面を考慮した低ＮＯｘ化を効果的に実現することができる。

上記各実施形態に記載の内容は、例えば以下のように把握される。

［１］本開示に係る燃焼設備（１）は、火炉にガス燃料を噴出するガスバーナ（３）と、前記ガスバーナに燃焼用の外部空気（Ａ）を導入する空気導入ライン（４）と、前記空気導入ラインに設けられ、前記外部空気を前記ガスバーナに送風する送風機（６）と、前記火炉の排ガス（Ｇ１）を外部に導く排ガスライン（８）と、前記排ガスラインから分岐して前記排ガスの一部を循環ガス（Ｇ２）として前記空気導入ラインに導く排ガス循環ライン（１０）と、前記排ガス循環ラインに設けられ前記空気導入ラインへの前記循環ガスの流量を調整する循環ガス調整部（３０）と、前記火炉の入口における前記外部空気と前記循環ガスとの混合ガスの酸素濃度を検出する入口酸素濃度検出部（３２）と、前記入口酸素濃度検出部によって検出された酸素濃度に基づいて前記循環ガス調整部を制御する制御装置（３４、４２、５２）と、を備える。

上記［１］に記載の構成によれば、制御装置は、入口酸素濃度検出部によって検出された酸素濃度に基づいて、空気導入ラインに導入する循環ガスの流量を調整する循環ガス調整部を制御するので、燃料性状の変化に関わらず安定燃焼面及びＮＯｘ低減による環境面において最適な運用制御が可能になる。

［２］幾つかの実施形態では、上記［１］に記載の構成において、前記火炉の出口における排ガスのＮＯｘ濃度を検出するＮＯｘ濃度検出部（４０）をさらに備え、前記制御装置（４２）は、前記ＮＯｘ濃度検出部によって検出されたＮＯｘ濃度が、所定の管理値を超えないように前記循環ガス調整部を制御する。

上記［２］に記載の構成によれば、制御装置は、ＮＯｘ濃度検出部によって検出されたＮＯｘ濃度が、所定の管理値を超えないように循環ガス調整部を制御するので、燃料性状の変化に関わらず、ＮＯｘ低減において確実な制御が可能になる。

［３］幾つかの実施形態では、上記［２］に記載の構成において、前記制御装置（４２）は、前記ＮＯｘ濃度検出部によって検出されたＮＯｘ濃度が、所定の管理値を超えた場合は、入口酸素濃度検出部によって検出された酸素濃度が燃焼限界の酸素濃度（Ｂ）に所定値を上乗せした第１閾値以下（Ｃ１）とならない範囲内で、前記循環ガスの混合量が増加するように前記循環ガス調整部を制御する。

上記［３］に記載の構成によれば、ＮＯｘ濃度検出部によって検出されたＮＯｘ濃度が、所定の管理値を超えた場合は、入口酸素濃度検出部によって検出された酸素濃度が第１閾値以下とならない範囲内で、循環ガスの外部空気への混合量が増加するように循環ガス調整部を制御するので、燃料性状の変化に関わらず、安定燃焼面において確実な制御が可能になる。

［４］幾つかの実施形態では、上記［２］又は［３］に記載の構成において、前記入口酸素濃度検出部は、前記ガスバーナを備えたウインドボックスに設置され、前記ＮＯｘ濃度検出部は、前記排ガスラインに設けられる節炭器より排ガス流れ方向において上流側に設置される。

上記［４］に記載の構成によれば、火炉に導入する酸素濃度及び火炉から排出されるＮＯｘ濃度を精度よく検出できる。すなわち、火炉の出口に近い方が、ボイラ条件が変化した場合に、より早くその状況を判断する情報を取得できる。また、ウインドボックスに入口酸素濃度検出部を設置するので、火炉に導入される酸素濃度の直前の情報を取得できる。また、ウインドボックスに設置することによって、火炉の入口部への入口酸素濃度検出部の設置が容易となる。

［５］幾つかの実施形態では、上記［３］に記載の構成において、前記制御装置は、前記入口酸素濃度検出部によって検出された酸素濃度が、前記第１閾値以下に低下した場合に警報を発する警報制御部を備える。

上記［５］に記載の構成によれば、警報を発することで、火炉の運転者に燃料が酸素不足にあることを知らせて、適切な処置（入口酸素濃度の増加）を促して、酸素不足によって燃焼状態が不安定になることの防止とＮＯｘの低減とを両立させることが可能になる。

［６］幾つかの実施形態では、上記［５］に記載の構成において、前記制御装置は、前記入口酸素濃度検出部によって検出された酸素濃度が、前記第１閾値より小さい第２閾値以下に低下した場合に前記火炉へのガス燃料の供給量の低下若しくはゼロにする燃料供給制御部を備える。

上記［６］に記載の構成によれば、火炉へのガス燃料の供給量を低下若しくはゼロにすることで、酸素不足によって燃焼状態が不安定になることの防止とＮＯｘの低減との両立を確実に行わせることができる。

［７］幾つかの実施形態では、上記［６］に記載の構成において、前記ガス燃料は、水素を含むガス燃料であり、前記ガス燃料の水素濃度を検出する水素濃度検出手段を備え、前記制御装置は、水素含有量が増加するに従って、前記第１閾値及び前記第２閾値を低下するように補正する閾値補正部を備える。

上記［７］に記載の構成によれば、水素含有量が増加するに従って、第１閾値及び第２閾値を低下するように補正することによって、水素を含むガス燃料における燃焼の安定化を維持しつつ、環境面を考慮した低ＮＯｘ化を効果的に実現することができる。

１ 燃焼設備
２ 火炉
３ ガスバーナ
４ 空気導入ライン
５ 燃料タンク
６ 送風機
７ 燃料供給ライン
８ 排ガスライン
１０ 排ガス循環ライン
１２ ウインドボックス
１６ 空気導入ラインの上流部
１８ 空気導入ラインの下流部
２０ 煙突
２２ 節炭器
２４ 排ガスラインの上流部
２６ 排ガスラインの下流部
２８ 循環ファン
３０ ダンパ（循環ガス調整部）
３２ 入口酸素濃度検出部
３４、４２、５２ 制御装置
３６ ダンパ開度制御部
４０ ＮＯｘ濃度検出部
４４ 警報制御部
４６ 警報手段
４８ 燃料供給制御部
５０ 水素濃度検出手段
５４ 閾値補正部
Ａ 外部空気
Ｂ 燃焼限界の酸素濃度
Ｃ１ 第１閾値
Ｃ２ 第２閾値
Ｆ ガス燃料
Ｇ１ 排ガス
Ｇ２ 循環ガス（排ガスの一部）
Ｇ３ 外部空気と循環ガスとの混合ガス
Ｋ１ ＮＯｘ管理値
Ｋ２ Ｏ２管理値
Ｍ マスターカーブ
ＰＮＯｘ ＮＯｘ濃度の初期値
ＰＯ２ 入口酸素濃度の初期値

Claims (5)

1. 火炉にガス燃料を噴出するガスバーナと、
   前記ガスバーナに燃焼用の外部空気を導入する空気導入ラインと、
   前記空気導入ラインに設けられ、前記外部空気を前記ガスバーナに送風する送風機と、
   前記火炉の排ガスを外部に導く排ガスラインと、
   前記排ガスラインから分岐して前記排ガスの一部を循環ガスとして前記空気導入ラインに導く排ガス循環ラインと、
   前記排ガス循環ラインに設けられ前記空気導入ラインへの前記循環ガスの流量を調整する循環ガス調整部と、
   前記火炉の入口における前記外部空気と前記循環ガスとの混合ガスの酸素濃度を検出する入口酸素濃度検出部と、
   前記入口酸素濃度検出部によって検出された酸素濃度に基づいて前記循環ガス調整部を制御する制御装置と、
   前記火炉の出口における排ガスのＮＯｘ濃度を検出するＮＯｘ濃度検出部と、を備え、
   前記制御装置は、前記ＮＯｘ濃度検出部によって検出されたＮＯｘ濃度が、所定の管理値を超えた場合は、入口酸素濃度検出部によって検出された酸素濃度が燃焼限界の酸素濃度に所定値を上乗せした第１閾値以下とならない範囲内で、前記循環ガスの混合量が増加するように前記循環ガス調整部を制御する、
   燃焼設備。
2. 前記入口酸素濃度検出部は、前記ガスバーナを備えたウインドボックスに設置され、前記ＮＯｘ濃度検出部は、前記排ガスラインに設けられる節炭器より排ガス流れ方向において上流側に設置される、
   請求項１に記載の燃焼設備。
3. 前記制御装置は、前記入口酸素濃度検出部によって検出された酸素濃度が、前記第１閾値以下に低下した場合に警報を発する警報制御部を備える、
   請求項１又は２に記載の燃焼設備。
4. 前記制御装置は、前記入口酸素濃度検出部によって検出された酸素濃度が、前記第１閾値より小さい第２閾値以下に低下した場合に前記火炉へのガス燃料の供給量の低下若しくはゼロにする燃料供給制御部を備える、
   請求項３に記載の燃焼設備。
5. 前記ガス燃料は、水素を含むガス燃料であり、前記ガス燃料の水素濃度を検出する水素濃度検出手段を備え、
   前記制御装置は、水素含有量が増加するに従って、前記第１閾値及び前記第２閾値を低下するように補正する閾値補正部を備える、
   請求項４に記載の燃焼設備。
   

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