JP7215277B2 - 循環流動層ボイラの起動方法 - Google Patents

Description

本発明は、短時間で効率よく立ち上げることが可能な循環流動層ボイラの起動方法に関する。

石炭等の被燃焼物を火炉（コンバスタ）内で燃焼させ、これにより生ずる熱エネルギーによって高温高圧の蒸気を発生させる装置であるボイラには様々な型式のものがあり、目的や用途に応じて使い分けられている。例えば該火炉内に装入した珪砂等の流動媒体に対して下方から空気を吹き込んで流動させながら石炭等の燃料を燃焼する流動層（流動床）燃焼ボイラが、多種多様な被燃焼物の燃焼に好適に用いられている。

上記の流動層燃焼ボイラは、いわゆるバブリングタイプの流動床ボイラと循環タイプの流動層ボイラに分類することができ、後者の循環流動層ボイラは、前者のバブリング流動床ボイラよりも火炉内の空塔速度を速くすることで、流動媒体をより活発に流動化させるものであり、これにより流動媒体と燃料との混合が促進されるので燃焼効率を高めることができる。この循環流動層ボイラでは、一部の流動媒体が燃焼排ガスと共に火炉から飛び出すため、この飛び出た流動媒体を隣接するサイクロンセパレータで回収し、シールポットを介して火炉の底部に戻している。

特許文献１には上記の循環流動層ボイラの起動方法が開示されている。すなわち、この特許文献１においては、先ず火炉内に流動媒体を投入した後、燃焼用空気を該火炉内に導入して該流動媒体を流動させながら該火炉内に設けたバーナーに重油等の化石燃料を供給して着火し、上記の流動状態の流動媒体を該バーナーの火炎により加熱する。そして、流動媒体が所定の温度まで昇温したときに石炭等の被燃焼物を該火炉内に投入して燃焼させる共にバーナーへの化石燃料の供給を停止することで通常運転に移行させている。

特開２０１７－１０６７１３号公報

しかしながら、上記特許文献１に記載されている従来の循環流動層ボイラの起動方法では、先ず火炉の炉底部に流動媒体を全量充填した後にバーナーを着火するため、該バーナーに近い上部の流動媒体は比較的順調に昇温させることができるものの、該バーナーからは遠い炉底部に位置する下部の流動媒体は昇温されにくく、流動層の上下で温度差が生じることがあった。そのため、バーナーへの化石燃料の供給を停止して石炭等の燃料の投入に切り替える際、炉底部近傍の流動媒体が十分に昇温していないため、投入した燃料が効率よく燃焼されないことがあった。

本発明は、上記した従来の循環流動層ボイラの起動方法が抱える問題点に鑑みてなされたものであり、循環流動層ボイラを効率よく立ち上げることが可能な循環流動層ボイラの起動方法を提供することを目的とする。

本発明者は、上記目的を達成するために鋭意検討を行った結果、火炉内に流動媒体を充填してからバーナーに着火するのではなく、火炉内への流動媒体の充填開始とバーナーの着火とをほぼ同時に行うことで、炉底部の流動媒体においても所望の昇温曲線に沿って昇温させることができることを見出し、本発明を完成するに至った。

すなわち、本発明の循環流動層ボイラの起動方法は、サイクロンセパレータを介して流動媒体を循環させながら火炉内において被燃焼物の燃焼を行う循環流動層ボイラの起動方法であって、該火炉の炉壁に設けたバーナーの着火と同時か該着火後に該火炉内への流動媒体の充填を開始し、該流動媒体の充填開始から所定時間経過した時であって且つ該被燃焼物の該火炉内への投入前に、該充填した流動媒体のうち炉底部に存在するもののみが循環される外部循環設備を介して該炉底部に存在するものを該炉底部から抜き出して該火炉内に戻す外部循環を開始することを特徴とする。

本発明によれば、循環流動層ボイラを短時間で効率よく立ち上げることができる。

本発明の実施形態の起動方法が好適に適用される循環流動層ボイラの概略立面図である。 本発明の実施形態の起動方法を示すフローチャートである。 本発明の実施例及び比較例の起動方法で循環流動層ボイラを起動したときの火炉内の流動層及びフリーボードの温度変化を、バーナー着火からの経過時間を横軸として示したグラフである。

以下、図面を参照しながら本発明の循環流動層ボイラの起動方法の実施形態について詳細に説明する。先ず、図１を参照しながら本発明の実施形態の起動方法が好適に適用される循環流動層ボイラについて説明する。なお、図１に示す循環流動層ボイラの構成要素の各々の形状、それらの相対的位置関係等は特にことわらない限り単なる具体例であり、本発明はそれらによって何ら限定されるものではない。また、図中、Ｍはモーター、Ｔは温度計を示している。

この図１に示す循環流動層ボイラは、珪砂等の流動媒体により形成される流動層Ａと混合した状態で石炭等の被燃焼物の燃焼が行われると共に、該燃焼により生ずる高温の燃焼ガスと図示しない水管内のボイラ水との熱交換が行われるライザとも称される縦型筒状の火炉１と、該火炉１の上部に隣接して接続され、該火炉１から排出される流動媒体を含んだ排ガスを気固分離して流動媒体の回収を行うサイクロンセパレータ２と、該サイクロンセパレータ２で回収した流動媒体を火炉１の底部に返送する流動媒体戻し管３とから主に構成される。

上記の流動媒体戻し管３には、火炉１内で生成した未燃ガスが逆流してサイクロンセパレータ２に吹き抜けるのを防止するシールポット３ａが設けられている。また、上記サイクロンセパレータ―２から排出される気固分離後の排ガスは、後段の対流伝熱部４において後述する一次空気や二次空気の予熱器等による熱回収が行われた後、バグフィルターや電気集塵機等の集塵装置５及び煙突６を経て大気に放出される。

上記火炉１の炉壁には、起動時に流動媒体を投入する流動媒体投入手段と、該流動媒体によって形成される流動層Ａに向けて被燃焼物を投入する被燃焼物投入手段とが設けられている。後者の被燃焼物投入手段は、該被燃焼物を貯留する被燃焼物ホッパー１１と、その底部から排出される被燃焼物を定量供給する被燃焼物用フィーダー１２とから構成され、該被燃焼物用フィーダー１２の回転数を適宜設定することで被燃焼物の火炉１内への投入量を調節することができる。同様に、前者の流動媒体投入手段も、該流動媒体を貯留する流動媒体ホッパー１３と、その底部から排出される流動媒体を定量供給する流動媒体用フィーダー１４とから構成される。

また、火炉１の底部には一次空気導入口１５Ａが設けられており、この一次空気導入口１５Ａから導入される一次空気により、上記した流動媒体の流動層Ａが形成される。更に火炉１の炉壁には、二次空気導入口１５Ｂが設けられており、ここから導入される二次空気により、上記流動層Ａよりも上方のフリーボードＢにおいて所定の空塔速度が維持されると共に、燃焼排ガス中の未燃分が燃焼される。

上記の一次空気導入口１５Ａ及び二次空気導入口１５Ｂには、それぞれ第１ブロワ２１及び第２ブロワ２２の吐出配管系が接続しており、これら両吐出配管系にそれぞれ設けられている第１空気量調整バルブ２３及び第２空気量調整バルブ２４により流量が調整された空気が導入される。なお、これら両吐出配管系の途中には、それぞれ第１空気予熱器２５及び第２空気予熱器２６が設けられており、一次空気及び二次空気はこれら第１、第２空気予熱器２５、２６において燃焼排ガスとの熱交換によりそれぞれ加熱された後、火炉１内に導入される。

上記の火炉１の炉壁には、更に循環流動層ボイラの起動時の適切な昇温や通常運転時の温度維持のため、好適には流動層Ａよりは上方のフリーボードＢの位置に、第１助燃用バーナー１６Ａ及び第２助燃用バーナー１６Ｂが設けられている。これら第１、第２助燃用バーナー１６Ａ、１６Ｂには、メタンガス（嫌気性発酵により生ずる消化ガスを含む）、都市ガス、重油等の助燃料が、それぞれ第１助燃料流量調整バルブ１７Ａ及び第２助燃料流量調整バルブ１７Ｂを介して供給される。なお、上記の第１、第２助燃用バーナー１６Ａ、１６Ｂは、流動層Ａより上方に位置するため砂上バーナーとも称され、その火炎が流動層Ａの上側表層部を直接熱することができるように、そのノズル先端が斜め下方を向いている。

上記の火炉１の炉壁には、更に流動層Ａの温度を測定する第１温度測定手段１８Ａと、フリーボードＢの温度を測定する第２温度測定手段１８Ｂとが備わっている。これら第１、第２温度測定手段１８Ａ、１８Ｂには熱電対が好適に用いられる。循環流動層ボイラの起動時や通常運転時は、これら第１、第２温度測定手段１８Ａ、１８Ｂで測定した火炉１内温度がＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）等の制御手段３０に入力される。この制御手段３０では、この入力された温度データに基づいて上記の第１、第２空気量調整バルブ２３、２４の開度を制御すると共に、第１、第２助燃料流量調整バルブ１７Ａ、１７Ｂの開度を制御する。この制御手段３０には、更に後述する循環流動層ボイラの起動を行わせることができる。

本発明の実施形態の循環流動層ボイラは、更に火炉１内に充填した流動媒体を該火炉１の外部の経路を経て循環させる外部循環設備が設けられている。この外部循環設備は、図１に示すように、火炉１の底部から下方に延在する抜出管４１と、該抜出管４１を介して抜き出された流動媒体を上方に搬送する流動媒体コンベア４２と、該流動媒体コンベア４２から排出される流動媒体を受け入れる流動媒体保持サイロ４３と、該流動媒体保持サイロ４３の底部から排出される流動媒体を火炉内に投入する流動媒体投入手段４４とにより主に構成されている。

上記の抜出管４１は、ゲート弁等の開閉手段４１ａを備えており、この開閉手段４１ａを開くことで、火炉１の底部に存在する流動媒体は抜出管４１から抜き出され、流動媒体コンベア４２によって流動媒体保持サイロ４３に投入される。このようにして火炉１から抜き出された流動媒体は、流動媒体保持サイロ４３内で一時的に保持された後、その底部から排出されて流動媒体投入手段４４により再度火炉１内に装入される。

上記の流動媒体コンベア４２の種類は特に限定はないが、高温の流動媒体を取り扱うのでバケットコンベアが好ましい。また、上記の流動媒体投入手段４４の種類も特に限定はないが、輸送管内に導入した気流に乗せて粉粒体を搬送させる空気搬送設備が好ましい。なお、図１では流動媒体保持サイロ４３を流動媒体投入手段４４の上方に設けた例が示されているが、これに限定されるものではなく、火炉１の下方に流動媒体保持サイロ４３を設けてもよい。

次に、上記の循環流動層ボイラの起動方法について図２のフローチャートを参照しながら説明する。先ず、第１温度測定手段１８Ａの測定を開始し、流動層Ａが形成される領域の温度を連続的に或いは断続的にモニターする。このとき、第２温度測定手段１８Ｂの測定を開始してもよい。次に、第１ブロワ２１及び第２ブロワ２２を起動して、一次空気及び二次空気を循環流動層ボイラの火炉１内に導入する。次に、第２助燃用バーナー１６Ｂを着火し、必要に応じて第１助燃用バーナー１６Ａも着火する。この第２助燃用バーナー１６Ｂの着火とほぼ同時に、流動媒体用フィーダー１４を起動させて流動媒体の火炉１内への充填を開始する。なお、流動媒体用フィーダー１４の起動は、第２助燃用バーナー１６Ｂの着火と同時ではなく、第２助燃用バーナー１６Ｂの着火後に起動してもよいが、この場合は、第２助燃用バーナー１６Ｂの燃料が無駄に消費されることになるので経済的な観点からは好ましくない。

上記の流動媒体の火炉１内への充填の開始から１時間以上３時間以下、好ましくは約２時間経過後、外部循環設備の開閉手段４１ａを閉状態から開状態にすると共に流動媒体コンベア４２を起動し、火炉１内の流動媒体を火炉１の炉底部から強制的に排出して流動媒体保持サイロ４３に受け入れる。更に、流動媒体投入手段４４を起動し、流動媒体保持サイロ４３内に受け入れた流動媒体を火炉１に戻す。このようにして、流動媒体用フィーダー１４からの流動媒体の火炉１内への充填を行いながら、該充填された流動媒体の外部循環を行う。

上記流動媒体の外部循環の開始を、火炉１内への流動媒体の充填開始から１時間以上３時間以内とする理由は、この時間が１時間未満では、充填時に砂上バーナーで加熱された流動媒体を即座にそのまま排出することになるので、熱ロスが大きくなるからであり、逆にこの時間が３時間を超えると、炉底部に存在する流動媒体が昇温できず炉底の昇温時間が長くなり、外部循環の効果が得られにくくなるからである。なお、火炉１内に全ての流動媒体を充填するのにかかる時間は、助燃用バーナーで加熱しながら充填する場合は、火炉１内の圧力を調整しながら行うため、６～８時間程度かかる。従って、流動媒体の外部循環は、全ての流動媒体を充填するのに要する時間の１／８～１／２の時間が経過した時に開始するのが好ましく、１／４～１／３の時間が経過した時に開始するのがより好ましい。

第１温度測定手段１８Ａで測定した流動層Ａの温度が、被燃焼物の発火温度（例えば石炭の場合は約４００～４５０℃程度）まで昇温したら、外部循環設備の開閉手段４１ａを開状態から閉状態にすると共に、流動媒体が十分に炉内に充填されていることを確認してから流動媒体コンベア４３及び流動媒体投入手段４４を停止する。更に、被燃焼物用フィーダー１２を起動させて被燃焼物の火炉１内への投入を開始する。その後、第１、第２助燃用バーナー１６Ａ、１６Ｂへの燃料の供給を停止する。これにより、起動運転から通常運転に切り替わる。

なお、上記のようにして切り替えた後の通常運転では、必要に応じて第１、第２空気量調整バルブ２３、２４の開度を調整して火炉１内のフリーボードＢでの空塔速度を所定の範囲内に維持すると共に、被燃焼物用フィーダー１２の回転数を適宜調整して被燃焼物の投入量を調整する。また、火炉１内は８００℃程度に維持するのが好ましく、必要に応じて第１、第２助燃用バーナー１６Ａ、１６Ｂに燃料を供給して助燃を行ってもよい。

以上説明したように、本発明の実施形態の起動方法では、火炉内への流動媒体の充填開始と助燃用バーナーの着火とをほぼ同時に行うので、予めある程度加熱された流動媒体を火炉の炉底部から徐々に堆積させることができるので、従来の起動方法に比べて、火炉内に充填される流動媒体を全体的に均一且つ短時間で所定の温度まで昇温することができる。これに対して、従来の起動方法では、全ての流動媒体を充填してから助燃用バーナーで加熱するので、充填された流動媒体のうち表層部が先に加熱され、炉底部に位置する流動媒体は該表層部からの伝熱により加熱されることになるので、効率的に昇温させることができなかった。

また、本発明の実施形態の起動方法は、流動媒体の充填開始から所定時間経過した後、火炉内に堆積している流動媒体のうち、炉底部に存在するものを抜き出して該堆積している流動媒体の表層部に戻す外部循環を行うので、火炉内に充填された流動媒体を全体的に均一に昇温させることができる。すなわち、上記したように、流動媒体の充填開始時に砂上バーナーを着火することで流動媒体を加熱しながら充填することができるものの、火炉内に徐々に堆積する流動媒体は炉底部側が冷却しやすく、時間経過と共に炉底部側と表層部側とで温度差が生ずることがあった。これに対して、上記のように外部循環を行うことによって、表層部に投入される高温の流動媒体を炉底部側に移動させることができるので、流動媒体の温度を全体的に均一にすることができる。

なお、上記の外部循環では、熱せられた流動媒体が炉底部から抜き出されて外部の流動媒体保持サイロに一時的に貯留されるため、ほぼ常温になった流動媒体が火炉内に戻されることになるが、このようにして戻された流動媒体は火炉内で堆積している流動媒体の表層部に戻されるので、砂上バーナーの火炎に晒されてすぐに昇温する。よって、熱せられた流動媒体が外部循環により炉底部側に移動するメリットのほうが該外部循環により冷却されるデメリットよりも大きく、結果的に、充填した流動媒体を全体的に均一且つ短時間に昇温させることができる。これに対して、従来の起動方法では、砂上バーナーに炙られている表層部のみが高温になりやすく、炉底部の流動媒体は主に伝熱による加熱であるため、所望の昇温曲線に炉底部の流動媒体が追従しにくく、これが原因でボイラの立ち上げが遅れてしまう事態が頻発することがあった。

［実施例］
被燃焼物としての石炭の処理能力３００トン／時、発生させる高圧蒸気の蒸気温度５４０℃、蒸気圧力１２.８ＭＰａの図１に示すような循環流動層ボイラに対して、図２に示すフローチャートに沿って立ち上げた。その結果、流動媒体の充填開始と同時に行った助燃用バーナーの着火から１１時間後に火炉１の炉底部に設けた第１温度測定手段１８Ａで測定した流動媒体の温度が４００℃に達した。すなわち、流動媒体の充填開始から１１時間後に石炭の投入が可能な状態に立ち上げることができた。

［比較例］
比較のため、循環流動層ボイラに全ての流動媒体を充填した後に助燃用バーナーを着火させて流動媒体の昇温させた以外は上記と同様にして循環流動層ボイラを立ち上げた。その結果、火炉１の炉底部に設けた第１温度測定手段１８Ａで測定した流動媒体の温度が４００℃に達するまで約１５時間を要した。上記の実施例と比較例の昇温カーブを図３に示す。この図３から、実施例では炉底部に存在する流動媒体が効率的に昇温されており、よって、比較例に比べて実施例では短時間で昇温可能であることが分かる。

Ａ 流動層
Ｂ フリーボード
１ 火炉（ライザ）
２ サイクロンセパレータ
３ 流動媒体戻し管
３ａ シールポット
４ 対流伝熱部
５ 集塵装置
６ 煙突
１１ 被燃焼物ホッパー
１２ 被燃焼物用フィーダー
１３ 流動媒体ホッパー
１４ 流動媒体用フィーダー
１５Ａ 一次空気導入口
１５Ｂ 二次空気導入口
１６Ａ 砂上バーナー（第１助燃用バーナー）
１６Ｂ 砂上バーナー（第２助燃用バーナー）
１７Ａ 第１助燃料流量調整バルブ
１７Ｂ 第２助燃料流量調整バルブ
１８Ａ 第１温度測定手段
１８Ｂ 第２温度測定手段
２１ 第１ブロワ
２２ 第２ブロワ
２３ 第１空気量調整バルブ
２４ 第２空気量調整バルブ
２５ 第１空気予熱器
２６ 第２空気予熱器
３０ 制御手段
４１ 抜出管
４１ａ 開閉手段
４２ 流動媒体コンベア
４３ 流動媒体保持サイロ
４４ 流動媒体投入手段

Claims (6)

1. サイクロンセパレータを介して流動媒体を循環させながら火炉内において被燃焼物の燃焼を行う循環流動層ボイラの起動方法であって、該火炉の炉壁に設けたバーナーの着火と同時か該着火後に該火炉内への流動媒体の充填を開始し、該流動媒体の充填開始から所定時間経過した時であって且つ該被燃焼物の該火炉内への投入前に、該充填した流動媒体のうち炉底部に存在するもののみが循環される外部循環設備を介して該炉底部に存在するものを該炉底部から抜き出して該火炉内に戻す外部循環を開始することを特徴とする循環流動層ボイラの起動方法。
2. 前記所定時間が、全ての前記流動媒体を充填するのに要する時間の１／８～１／２の時間であることを特徴とする、請求項１に記載の循環流動層ボイラの起動方法。
3. 前記所定時間が、１時間以上３時間以下であることを特徴とする、請求項１に記載の循環流動層ボイラの起動方法。
4. 前記炉底部から抜き出した流動媒体を一旦サイロに貯留することを特徴とする、請求項１～３のいずれか１項に記載の循環流動層ボイラの起動方法。
5. 前記炉底部から抜き出した流動媒体の前記サイロへの装入、又は前記サイロの底部から抜き出した流動媒体の前記火炉への戻しをバケットコンベアにより行うことを特徴とする、請求項４に記載の循環流動層ボイラの起動方法。
6. 前記外部循環により前記火炉内に戻される流動媒体は、前記充填した流動媒体の上面側に戻されることを特徴とする、請求項１～５のいずれか１項に記載の循環流動層ボイラの起動方法。

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