JP7049773B2

JP7049773B2 - 複合燃焼炉及び複合燃焼ボイラ

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Publication number: JP7049773B2
Application number: JP2017069542A
Authority: JP
Inventors: 隆政伊藤
Original assignee: IHI Corp
Current assignee: IHI Corp
Priority date: 2017-03-31
Filing date: 2017-03-31
Publication date: 2022-04-07
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Description

本発明は、複合燃焼炉及び複合燃焼ボイラに関する。

下記特許文献１、２には、微粉炭とアンモニアとを複合燃焼させるボイラが開示されている。これらボイラでは、二酸化炭素（ＣＯ_２）の排出量を低減するため、従来から燃料として用いていた微粉炭に加え、水素キャリアであるアンモニアを燃料として燃焼させるものである。

特開２０１６－０４１９９０号公報特開２０１６－１８３６４０号公報

ところで、周知のように、ボイラは火炉で発生した熱を主に水に伝熱させて水蒸気を発生させる伝熱装置である。炉壁の水管に流れる水に輻射伝熱により入熱する熱量Ｑは、火炉の燃焼ガス温度Ｔ_ｇａｓ、炉壁温度Ｔ_ｗａｌｌ、火炎の放射率ε、またステファンボルツマン定数σに関して下式（１）で表される。この式（１）が示すように、ボイラの性能つまりボイラの収熱性能は、火炎の放射率εに比例する。
Ｑ＝σε（Ｔ_ｇａｓ ^４－Ｔ_ｗａｌｌ ^４）（１）

一方、上記火炎の放射率εは燃料に含まれる炭素濃度に依存することが知られている。したがって、炭素を構成元素として含まないアンモニアのような低炭素燃料を微粉炭や石炭のような炭素燃料に混合させて火炉で燃焼させた場合、炭素燃料を単独燃料として燃焼させた場合に比較して火炎の放射率εが低下し、この結果としてボイラの収熱性能が低下することが懸念される。

本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであり、炭素燃料と低炭素燃料と同時に燃焼させる場合における火炎の放射率の低下抑制を目的とするものである。

上記目的を達成するために、本発明では、複合燃焼炉に係る第１の解決手段として、火炉と、炭素燃料を前記火炉に噴射して燃焼させる第１のバーナと、前記炭素燃料よりも炭素濃度が低い低炭素燃料を前記火炉に噴射して燃焼させる第２のバーナとを備え、前記第１のバーナは、前記低炭素燃料の燃焼による低炭素燃料火炎よりも前記火炉の炉壁の近くに炭素燃料火炎が形成されるように前記炭素燃料を噴射する、という手段を採用する。

本発明では、複合燃焼炉に係る第２の解決手段として、上記第１の解決手段において、前記第１のバーナは、前記第２のバーナの周囲に複数配置される、という手段を採用する。

本発明では、複合燃焼炉に係る第３の解決手段として、上記第１の解決手段において、前記第１のバーナ及び前記第２のバーナは、内側から前記低炭素燃料を噴射すると共に外側から前記炭素燃料を噴射する複合バーナである、という手段を採用する。

本発明では、複合燃焼炉に係る第４の解決手段として、上記第１～第３のいずれかの解決手段において、前記炭素燃料は微粉炭である、という手段を採用する。

本発明では、複合燃焼炉に係る第５の解決手段として、上記第１～第４のいずれかの解決手段において、前記低炭素燃料はアンモニアである、という手段を採用する。

本発明では、ボイラに係る解決手段として、上記第１～第５のいずれかの解決手段に係る複合燃焼炉を備える、という手段を採用する。

本発明によれば、低炭素燃料の燃焼による火炎よりも火炉の炉壁の近くに火炎が生成されるように炭素燃料を噴射するので、炭素燃料と低炭素燃料と同時に燃焼させる場合における火炎の放射率の低下を抑制することが可能である。

本発明の第１実施形態に係る複合燃焼炉Ａ及び当該複合燃焼炉Ａを備えるボイラの要部構成を示す正面図である。図１のＸ－Ｘ線における矢視図である。本発明の第２実施形態に係る複合燃焼炉Ｂ及び当該複合燃焼炉Ｂを備えるボイラの要部構成を示す第１の断面図である。本発明の第２実施形態に係る複合燃焼炉Ｂ及び当該複合燃焼炉Ｂを備えるボイラの要部構成を示す第２の断面図である。本発明の第２実施形態に係る複合燃焼炉Ｂ及び当該複合燃焼炉Ｂを備えるボイラの要部構成を示す第３の断面図である。

以下、図面を参照して、本発明の実施形態について説明する。
〔第１実施形態〕
最初に、本発明の第１実施形態に係る複合燃焼炉Ａ及び当該複合燃焼炉Ａを備えるボイラについて、図１及び図２を参照して説明する。

この第１実施形態に係るボイラは、火炉１、熱交換機器２、複数のバーナＭ１１～Ｍ３３、Ｎ１１～Ｎ３３（第１のバーナ兼第２のバーナ）、アンモニア供給装置３及び微粉炭供給装置４を要部として備えている。なお、これら複数の構成要素のうち、火炉１の一部（下部）及び複数のバーナＭ１１～Ｍ３３、Ｎ１１～Ｎ３３は、第１実施形態に係る複合燃焼炉Ａを構成している。

火炉１は、垂直かつ筒状に設けられた炉壁によって構成され、燃料を燃焼させて燃焼熱を発生させる炉体である。この火炉１では、燃料が燃焼することによって高温の燃焼ガスが発生する。このような火炉１の後段には、図示しない煙道が設けられている。上記燃焼ガスは、上記煙道を介して大気中に放出されるが、煙道を通過する間に窒素酸化物（ＮＯｘ）や硫化物（ＳＯｘ）が除去される。なお、このような火炉１の底部には、燃料の燃焼によって発生する灰分を外部に排出する排出口１ａが設けられている。

熱交換機器２は、上記火炉１の上部や炉壁に設けられた複数の伝熱管から構成されており、内部に水が流通している。この熱交換機器２は、過熱器や再熱器等、ボイラに設けられる熱交換機器を総称するものであり、燃焼ガスが有する燃焼熱を伝熱管内の水と熱交換させることにより水蒸気を発生させる。

複数のバーナＭ１１～Ｍ３３、Ｎ１１～Ｎ３３は、火炉１の下部に二次元状かつ対向配置されており、火炉１内に燃料を噴射して燃焼させる。これら複数のバーナＭ１１～Ｍ３３、Ｎ１１～Ｎ３３は、何れもアンモニア（低炭素燃料）及び微粉炭（炭素燃料）を燃料として火炉１内に噴射する複合バーナであり、本発明における第１のバーナ兼第２のバーナである。

なお、図示しないが、火炉１には複数のバーナＭ１１～Ｍ３３、Ｎ１１～Ｎ３３から噴射された燃料（アンモニア及び微粉炭）を着火させる着火装置が設けられている。各バーナＭ１１～Ｍ３３、Ｎ１１～Ｎ３３から火炉１内に噴射された燃料（アンモニア及び微粉炭）は、上記着火装置の働きによって着火して燃焼する。

アンモニア供給装置３は、上記複数のバーナＭ１１～Ｍ３３、Ｎ１１～Ｎ３３にアンモニアを低炭素燃料として供給する一方の燃料供給装置である。微粉炭供給装置４は、上記複数のバーナＭ１１～Ｍ３３、Ｎ１１～Ｎ３３に微粉炭を炭素燃料として供給する他方の燃料供給装置である。

ここで、上記アンモニアは、分子式（ＮＨ_３）によって示されるように水素（Ｈ）と窒素（Ｎ）との化合物であり、構成原子として炭素（Ｃ）を含まない。また、このアンモニア（低炭素燃料）は、難燃性の物質として知られるものの、メタン（ＣＨ_３）と同様に３つの水素原子を有する水素キャリア物質である。一方、微粉炭は、化石燃料である石炭を数マイクロメートル程度の大きさまで粉砕処理したものであり、ボイラ用の燃料として一般的に使用されている。すなわち、アンモニアは、微粉炭（炭素燃料）よりも炭素濃度が低い低炭素燃料である。

上記複数のバーナＭ１１～Ｍ３３、Ｎ１１～Ｎ３３についてさらに詳しく説明すると、本第１実施形態に係る複合燃焼炉Ａでは、火炉１の下部において垂直姿勢で平行に対向する一対の炉壁のうち、一方の炉壁に９個のバーナＭ１１～Ｍ３３が設けられ、他方の炉壁に同じく９個のバーナＮ１１～Ｎ３３が設けられている。各々９個のバーナＭ１１～Ｍ３３、Ｎ１１～Ｎ３３は、何れも上下方向に三段、左右方向に三列、つまり二次元状に設けられている。

すなわち、各々９個のバーナＭ１１～Ｍ３３、Ｎ１１～Ｎ３３のうち、各々３個のバーナＭ１１～Ｍ１３、Ｎ１１～Ｎ１３は上段に設けられ、各々３個のバーナＭ２１～Ｍ２３、Ｎ２１～Ｎ２３は中段に設けられ、各々３個のバーナＭ３１～Ｍ３３、Ｎ３１～Ｎ３３は下段に設けられている。また、これら９個のバーナＭ１１～Ｍ３３、Ｎ１１～Ｎ３３のうち、各々３個のバーナＭ１１～Ｍ３１、Ｎ１１～Ｎ３１は、火炉１の外側から見た場合に右側に位置し、各々３個のバーナＭ１２～Ｍ３２、Ｎ１２～Ｎ３２は中央に位置し、各々３個のバーナＭ１３～Ｍ３３、Ｎ１３～Ｎ３３は左側に位置する。

上段に位置する各々３個の各バーナＭ１１～Ｍ１３、Ｎ１１～Ｎ１３は何れも同一高さに設けられ、中段に位置する各々３個の各バーナＭ２１～Ｍ２３、Ｎ２１～Ｎ２３は何れも同一高さに設けられ、下段に位置する各々３個の各バーナＭ３１～Ｍ３３、Ｎ３１～Ｎ３３は何れも同一高さに設けられている。また、右側に位置する各々３個のバーナＭ１１～Ｍ３１、Ｎ１１～Ｎ３１は上下方向に一列に設けられ、中央に位置する各々３個のバーナＭ１２～Ｍ３２、Ｎ１２～Ｎ３２は上下方向に一列に設けられ、左側に位置する各々３個のバーナＭ１３～Ｍ３３、Ｎ１３～Ｎ３３は上下方向に一列に設けられている。すなわち、各々９個のバーナＭ１１～Ｍ３３、Ｎ１１～Ｎ３３は、火炉１の鉛直面に直交配置されている。

また、各々９個のバーナＭ１１～Ｍ３３、Ｎ１１～Ｎ３３のうち、符号の数字が同一のもの同士は、互いに対向する位置関係になっている。すなわち、バーナＭ１１とバーナＮ１１とは同一水平面内において対向し、バーナＭ１２とバーナＮ１２とは同一水平面内において対向し、バーナＭ１３とバーナＮ１３とは同一水平面内において対向し、バーナＭ２１とバーナＮ２１とは同一水平面内において対向し、バーナＭ２２とバーナＮ２２とは同一水平面内において対向し、バーナＭ２３とバーナＮ２３とは同一水平面内において対向し、またバーナＭ３１とバーナＮ３１とは同一水平面内において対向し、バーナＭ３２とバーナＮ３２とは同一水平面内において対向し、バーナＭ３３とバーナＮ３３とは同一水平面内において対向している。

このように火炉１の各炉壁に配置された９個のバーナＭ１１～Ｍ３３、Ｎ１１～Ｎ３３には、アンモニア供給装置３からアンモニア（低炭素燃料）が供給され、また微粉炭供給装置４から微粉炭（炭素燃料）が供給される。個々のバーナＭ１１～Ｍ３３、Ｎ１１～Ｎ３３は、内側（中心側）からアンモニアを噴射し、また外側（外周側）から微粉炭を噴射する複合バーナ（第１のバーナ兼第２のバーナ）である。

例えば、個々のバーナＭ１１～Ｍ３３、Ｎ１１～Ｎ３３は三重管状に形成されており、内側管にアンモニアが供給され、中央管に微粉炭が供給され、外側管に燃焼用空気が供給される。したがって、火炉１内には、図示するように各々のバーナＭ１１～Ｍ３３、Ｎ１１～Ｎ３３について、アンモニアの燃焼によって形成されるアンモニア火炎Ｓａ（低炭素燃料火炎）の周囲に微粉炭の燃焼によって形成される微粉炭火炎Ｓｂ（炭素燃料火炎）が形成される。

すなわち、火炉１において対向する２つの炉壁に設けられた各バーナＭ１１～Ｍ３３、Ｎ１１～Ｎ３３は、アンモニアの燃焼によるアンモニア火炎Ｓａよりも火炉１の炉壁の近くに微粉炭火炎Ｓｂが生成されるように微粉炭を噴射する。換言すると、各バーナＭ１１～Ｍ３３、Ｎ１１～Ｎ３３は、アンモニア火炎Ｓａが微粉炭火炎Ｓｂよりも火炉１の炉壁から遠ざかるようにアンモニアを噴射する。

続いて、本第１実施形態に係る複合燃焼炉Ａ及びボイラの動作について詳しく説明する。
この複合燃焼炉Ａ及びボイラでは、各々のバーナＭ１１～Ｍ３３、Ｎ１１～Ｎ３３にアンモニア供給装置３からアンモニアが供給され、また微粉炭供給装置４から微粉炭が供給される。

そして、各々のバーナＭ１１～Ｍ３３、Ｎ１１～Ｎ３３から火炉１内にアンモニア及び微粉炭が噴射されて燃焼することにより、火炉１内に燃焼熱を伴った燃焼ガスが発生する。そして、この燃焼ガスが火炉１内を上昇して熱交換機器２に作用することにより、燃焼ガスの燃焼熱によって水が気化して水蒸気が発生する。ボイラは、このようにして発生させた水蒸気を発電機等の外部機器に供給する。なお、熱交換機器２と熱交換された後の燃焼ガスは、火炉１から煙道を経由して外気に放出される。

ここで、本第１実施形態に係る複合燃焼炉Ａ及びボイラでは、各々のバーナＭ１１～Ｍ３３、Ｎ１１～Ｎ３３は、アンモニア火炎Ｓａの周りに微粉炭火炎Ｓｂが形成されるようにアンモニア及び微粉炭を火炉１内に噴射する。周知のようにアンモニアは、微粉炭よりも燃焼性が低く、一般に燃え難いが、燃焼性に優れた微粉炭がアンモニアより先行して燃焼することにより、火炉１内に噴射されたアンモニアの周囲には、微粉炭の燃焼によって微粉炭火炎Ｓｂが形成される。

この微粉炭火炎Ｓｂは、アンモニアよりも炭素濃度が高い微粉炭の燃焼によって形成されたものであり、よって輝度がアンモニア火炎Ｓａの輝度よりも高い。また、このような微粉炭火炎Ｓｂは、各々のバーナＭ１１～Ｍ３３、Ｎ１１～Ｎ３３について、輝度が比較的低いアンモニア火炎Ｓａを取り囲むように形成されるので、火炉１の炉壁には輝度が比較的高い微粉炭火炎Ｓｂによる輻射熱が主に照射される。

すなわち、第１実施形態によれば、アンモニアと微粉炭とを同時に燃焼させるに際して、微粉炭のみを燃料として燃焼させる場合に比較して、火炉１の炉壁における火炎の放射率の低下を抑制することが可能である。したがって、この第１実施形態によれば、微粉炭のみを燃料として燃焼させる場合に対してボイラの収熱性能の低下を抑制することが可能である。

〔第２実施形態〕
次に、本発明の第２実施形態に係る複合燃焼炉Ｂ及び当該複合燃焼炉Ｂを備えるボイラについて、図３～図５を参照して説明する。なお、図３～図５では、上述した図１及び図２に示した構成要素と同一の構成要素には同一符号を付している。

本第２実施形態に係る複合燃焼炉Ｂは、第１実施形態に係る複合燃焼炉Ａと同一の構成要素を備えているが、各々のバーナＭ１１～Ｍ３３、Ｎ１１～Ｎ３３に対するアンモニア（低炭素燃料）及び微粉炭（炭素燃料）の供給が第１実施形態に係る複合燃焼炉Ａとは異なっている。この複合燃焼炉Ｂは、第１実施形態に係る複合燃焼炉Ａと同様にアンモニア供給装置３及び微粉炭供給装置４を備えているが、図３～図５では、アンモニア供給装置３及び微粉炭供給装置４を便宜上省略している。

図３～図５を対比すると分かるように、本第２実施形態に係る複合燃焼炉Ｂは、一方側の炉壁において、アンモニアを噴射する１つのバーナＭ２２の周囲に微粉炭を噴射する８つ（複数）のバーナＭ１１～Ｍ２１、Ｍ２３～Ｍ３３が配置されている。また、他方側の炉壁においては、アンモニアを噴射する１つのバーナＮ２２の周囲に微粉炭を噴射する８つ（複数）のバーナＮ１１～Ｎ２１、Ｎ２３～Ｎ３３が配置されている。

すなわち、この複合燃焼炉Ｂでは、バーナＭ２２，Ｎ２２が本発明における第１のバーナであり、またバーナＭ１１～Ｍ２１、Ｍ２３～Ｍ３３，Ｎ１１～Ｎ２１、Ｎ２３～Ｎ３３が本発明における第２のバーナである。

このような複合燃焼炉Ｂでは、図４に示すように、２つのバーナＭ２２、Ｎ２２からアンモニアが噴射されることによって、火炉１内のバーナＭ２２、Ｎ２２に対応する位置にアンモニア火炎Ｓａが形成される。また、図３～図５に示すように、他のバーナＭ１１～Ｍ１３、Ｍ２１、Ｍ２３、Ｍ３１～Ｍ３３、Ｎ１１～Ｎ１３、Ｎ２１、Ｎ２３、Ｎ３１～Ｎ３３から微粉炭（炭素燃料）が噴射されることによって、火炉１内のバーナＭ１１～Ｍ１３、Ｍ２１、Ｍ２３、Ｍ３１～Ｍ３３、Ｎ１１～Ｎ１３、Ｎ２１、Ｎ２３、Ｎ３１～Ｎ３３に対応する位置に微粉炭火炎Ｓｂが形成される。

すなわち、この第２実施形態では、対向する両方の炉壁において、輝度が比較的低いアンモニア火炎Ｓａを取り囲むように輝度が比較的高い微粉炭火炎Ｓｂが形成されるので、火炉１の炉壁には微粉炭火炎Ｓｂによる輻射熱が主に照射される。したがって、このような第２実施形態によれば、上述した第１実施形態に係る複合燃焼炉Ａと同様に、アンモニアと微粉炭とを同時に燃焼させるに際して、火炉１の炉壁における火炎の放射率の低下を抑制することが可能である。

なお、本発明は上記各実施形態に限定されるものではなく、例えば以下のような変形例が考えられる。
（１）上記各実施形態では、炭素燃料として微粉炭を採用し、低炭素燃料としてアンモニアを採用したが、本発明はこれに限定されない。炭素燃料と比べて低炭素燃料の炭素濃度が低ければよく、低炭素燃料として微粉炭以外の燃料を採用してもよいし、低炭素燃料としてアンモニア以外の燃料を採用してもよい。例えば、炭素燃料として微粉炭を採用した場合に、低炭素燃料としてバイオマスやメタンや水素を採用してもよい。また、例えば炭素燃料としてバイオマスを採用し、低炭素燃料としてアンモニアや水素を採用してもよい。

（２）上記各実施形態では、ボイラの複合燃焼炉Ａ、Ｂに本発明を適用した場合について説明したが、本発明はこれに限定されない。本発明は、二次元状に配置される複数のバーナを備える複合燃焼炉であれば、ボイラ以外にも適用可能である。

（３）上記各実施形態では、火炉１の下部において平行に対向する炉壁に各々９個のバーナＭ１１～Ｍ３３、Ｎ１１～Ｎ３３を設けたが、本発明はこれに限定されない。本発明における複数のバーナの個数は９個以外でもよく、また配置は二次元状に配置されていれば直交配置でなくてもよい。例えば同心円状に設けてもよい。

（４）上記各実施形態では、バーナＭ１１～Ｍ３３、Ｎ１１～Ｎ３３から噴射する微粉炭あるいは／及びアンモニアの噴射速度について言及しなかったが、例えばアンモニアの噴射速度を微粉炭の噴射速度よりも大きく設定することにより、アンモニア火炎Ｓａを微粉炭火炎Ｓｂよりも火炉１の奥側（中心側）に形成させても良い。

（５）上記各実施形態では、火炉１の対向する二壁面に微粉炭あるいは／及びアンモニアを噴射するバーナＭ１１～Ｍ３３、Ｎ１１～Ｎ３３を設けたが、本発明はこれに限定されない。例えば、火炉の角部（４ヶ所）に上下方向に延在すると共に所定間隔の燃料噴射孔を設け、これら燃料噴射孔から炉壁に対して所定の噴射角度で燃料を噴射することにより火炉内に旋回流を形成する燃料噴射形態を採用し、この燃料噴射形態においてアンモニアの噴射角度を微粉炭の噴射角度よりも大きく設定することによりアンモニア火炎を微粉炭火炎の内側（火炉の中心側）に形成させるようにしてもよい。

（６）上記各実施形態では、火炉１の対向する二壁面に微粉炭あるいは／及びアンモニアを噴射するバーナＭ１１～Ｍ３３、Ｎ１１～Ｎ３３を設けたが、本発明はこれに限定されない。例えば、アンモニアを噴射するバーナのみを上記二壁面に直交する壁面に配置してもよい。また、火炉においてバーナの上方（ガス流れの下流側）に二段燃焼用の空気供給ポートを備える形態のボイラでは、この空気供給ポートからアンモニアを噴射してもよい

（７）上記第１実施形態では個々のバーナＭ１１～Ｍ３３、Ｎ１１～Ｎ３３を三重管状に形成したが、本発明はこれに限定されない。バーナＭ１１～Ｍ３３、Ｎ１１～Ｎ３３の構造としては二重状の管状であれば十分である。

Ａ、Ｂ複合燃焼炉
Ｍ１１～Ｍ３３、Ｎ１１～Ｎ３３バーナ
Ｓａアンモニア火炎
Ｓｂ微粉炭火炎
１火炉
２熱交換機器
３アンモニア供給装置
４微粉炭供給装置

Claims

火炉と、
炭素燃料を前記火炉に噴射して燃焼させる第１のバーナと、
前記炭素燃料よりも炭素濃度が低く、燃焼性が低い低炭素燃料を前記火炉に噴射して燃焼させる第２のバーナとを備え、
前記第１のバーナは、前記炭素燃料の噴射速度を前記第２のバーナにおける前記低炭素燃料の噴射速度よりも小さく設定することにより、前記炭素燃料の燃焼による炭素燃料火炎よりも前記火炉の中心側の近くに低炭素燃料火炎が形成されるように前記炭素燃料を噴射することを特徴とする複合燃焼炉。
前記第１のバーナは、前記第２のバーナの周囲に複数配置されることを特徴とする請求項１に記載の複合燃焼炉。
前記第１のバーナ及び前記第２のバーナは、内側から前記低炭素燃料を噴射すると共に外側から前記炭素燃料を噴射する複合バーナであることを特徴とする請求項１に記載の複合燃焼炉。
前記炭素燃料は微粉炭であることを特徴とする請求項１～３のいずれか一項に記載の複合燃焼炉。
前記低炭素燃料はアンモニアであることを特徴とする請求項１～４のいずれか一項に記載の複合燃焼炉。
請求項１～５のいずれか一項に記載の複合燃焼炉を備えることを特徴とするボイラ。