JP7220063B2 - バーナー冷却装置 - Google Patents

Description

本発明は、バーナー冷却装置に関する。

近年、アスファルトピッチ等の石油残渣を燃料とするボイラーを高効率且つ低エミッションで運用するニーズが増加しており、これに対応させるために、従来に比べてより高温且つ還元性雰囲気で上記燃料を燃焼させることが可能なボイラーが必要になってきた。例えば、従来、燃焼室内を１０００℃程度として燃料を燃焼させていたが、特許文献１で提案されている低ＮＯＸボイラーでは、燃焼室の一部を１６００℃程度にして燃料を燃焼させている。

特許文献１の低ＮＯＸボイラーは、筒状に形成された燃焼室と、当該燃焼室にガス流出口を介して接続されるガス導通路とを備えている。燃焼室は、その上端部に形成される高温還元燃焼ゾーンと、その中段部に形成される２段燃焼ゾーンとを有している。２段燃焼ゾーンの下部はテーパー状に狭窄されており、その底部に灰排出口が形成されている。また、２段燃焼ゾーンの下側面に前記ガス流出口が設けられている。前記ガス導通路は、燃焼室から供給される燃焼ガスを蒸気加熱器管及びエコノマイザに通したあと、後工程に供給するように構成されている。

特開２０１０－１３９１７６号公報

ところで、特許文献１の低ＮＯＸボイラーでは、燃焼室の一部である高温還元燃焼ゾーンを従来よりも高温にして燃料を燃焼させているので、そこに設けられるバーナー自体も高温に晒されることになる。したがって、従来技術による冷却装置（例えば、流路に設けられたサイトフローから冷却媒体を視認し、それらに基づき手動調節弁を操作することで、冷却水の流量の調節を都度行っていた冷却装置など）よりも、冷却水の流量及び圧力を常時所定の値に正確に維持することで、常時において確実にバーナーを冷却することが望まれる。

そこで、本発明は、従来よりも常時において確実にバーナーを冷却することができる、バーナー冷却装置を提供することを目的とする。

前記課題を解決するために、本発明に係るバーナー冷却装置は、冷却媒体を循環させるための流路と、前記流路において設けられ、前記冷却媒体を用いてバーナーを冷却するためのバーナー冷却部と、前記流路において前記バーナー冷却部よりも上流側に設けられる自力式の定流量弁と、前記流路において前記バーナー冷却部よりも下流側に設けられる自力式の一次圧力調節弁と、を備えていることを特徴とする。

上記構成によれば、流路においてバーナー冷却部よりも上流側に設けられる定流量弁によって冷却媒体の流量を一定にすることができ、且つ、流路においてバーナー冷却部よりも下流側に設けられる自力式の一次圧力調節弁によって冷却媒体の圧力を一定にすることができる。また、自力式の定流量弁及び自力式の一次圧力調節弁それぞれが他力式である場合と比較して、冷却媒体の流量変動及び圧力変動に対する応答速度を向上させることが可能となる。その結果、常時において確実にバーナーを冷却することができる、バーナー冷却装置を提供することが可能となる。

前記流路は、複数の流路が並列接続された並列流路部を含んでおり、前記並列流路部における各流路ごとに前記バーナー冷却部及び前記定流量弁を備えており、前記並列流路部は、前記バーナー冷却部よりも下流側で合流する合流部を有しており、前記合流部の下流側において前記一次圧力調節弁をさらに備えていてもよい。

上記構成によれば、複数のバーナーごとに設けられる定流量弁によって、複数のバーナー冷却部それぞれに供給される冷却媒体の流量を一定にすることができる。また、前記並列流路部の合流部の下流側において設けられる一次圧力調節弁によって、複数のバーナー冷却部それぞれに供給される冷却媒体の圧力を一定にすることができる。その結果、複数のバーナーそれぞれを常時において確実に冷却することができる。

前記流路は、複数の流路が並列接続された並列流路部を含んでおり、前記並列流路部における各流路ごとに、前記バーナー冷却部、前記定流量弁、及び前記一次圧力調節弁を備えていてもよい。

上記構成によれば、複数のバーナーごとに設けられる定流量弁によって、複数のバーナー冷却部それぞれに供給される冷却媒体の流量を一定にすることができる。また、複数のバーナーごとに設けられる一次圧力調節弁によって、複数のバーナー冷却部それぞれに供給される冷却媒体の圧力を一定にすることができる。その結果、複数のバーナーそれぞれを常時において確実に冷却することができる。

本発明によれば、従来よりも常時において確実にバーナーを冷却することができる、バーナー冷却装置を提供することが可能となる。

本発明の第１実施形態に係るバーナー冷却装置及び当該バーナー冷却装置が設けられるボイラーの概略構成図である。 本発明の第１実施形態に係るバーナー冷却装置の概略構成図である。 本発明の第２実施形態に係るバーナー冷却装置の概略構成図である。

以下、本発明の実施形態に係るバーナー冷却装置について図面を参照して説明する。なお、本実施形態によって本発明が限定されるものではない。また、以下では、全ての図を通じて、同一又は相当する要素には同一の参照符号を付して、その重複する説明を省略する。

１．第１実施形態
（ボイラー１００）
図１は、本発明の第１実施形態に係るバーナー冷却装置及び当該バーナー冷却装置が設けられるボイラーの概略構成図である。図１に示すように、ボイラー１００は、筒状に形成された燃焼室１１０と、当該燃焼室１１０にガス流出口１３０を介して接続されるガス導通路１４０とを備えている。

燃焼室１１０は、その上端部に形成される高温還元燃焼ゾーン１１２と、その中段部に形成される２段燃焼ゾーン１２２と、高温還元燃焼ゾーン１１２と２段燃焼ゾーン１２２とを互いに接続する絞り部１２９とを有している。

高温還元燃焼ゾーン１１２の対向する２つの側壁（すなわち、図１において手前側に位置する側壁と奥側に位置する側壁。なお、図１において奥側に位置する側壁は視認できない状態である。）には、それぞれ、バーナー１０２が高さ方向に２段あり、各段毎に４つずつ設けられている。すなわち、高温還元燃焼ゾーン１１２の側壁には、バーナー１０２が計８つ設けられている。高温還元燃焼ゾーン１１２では、当該８つのバーナー１０２それぞれに燃料と空気を導入して１６００℃程度で燃焼させている。

当該８つのバーナーは、それぞれ、火炎軸が正対しないように、且つ、軸平行となるように配されている。なお、奥側に位置する側壁及びそこに設けられる４つのバーナー１０２の図示は見た目の煩雑さを避けるため省略してある。高温還元燃焼ゾーン１１２の側壁及び上壁は、１６５０℃程度以上の炉内温度に対応する耐火材１１３で覆われている。

絞り部１２９は、燃焼室１１０の他の部分に比べて幅寸法（すなわち、図１において左右方向）が２０％以上５０％以下程度絞られている。絞り部１２９の高温還元燃焼ゾーン１１２に面する側壁は、高温還元燃焼ゾーン１１２と同様に１６５０℃程度以上の炉内温度に対応する耐火材１１３で覆われている。絞り部１２９の下方には２段燃焼用空気ノズル１２３が開口し、２段燃焼ゾーン１２２となっている。２段燃焼ゾーン１２２の下部は、鉛直方向に対して３５°程度傾斜したテーパー状に狭窄されており、その底部に灰排出口１２４が設けられている。

２段燃焼ゾーン１２２は、図１において側壁の境界として示された冷却管が配された水冷壁構造であり、冷却されている。冷却管は燃焼室１１０の底部で非加熱降水管１５０に接続されており、燃焼室１１０より高い位置に設けられた汽水胴１５２により非加熱降水管１５０を介して高温還元燃焼ゾーン１１２に十分高圧な冷却水を確実に供給できるように構成されている。

燃焼ガスは、燃焼室１１０での燃焼が完結したのち、ガス流出口１３０からガス導通路１４０に供給される。さらに、燃焼ガスは、ガス導通路１４０において、蒸気過熱器管１４２及びエコノマイザ１４４でボイラー水と熱交換を行い、後処理工程に供給される。

本実施形態に係るボイラー１００では、燃料が高温還元燃焼ゾーン１１２において高温還元雰囲気で初期燃焼され、さらに２段燃焼ゾーン１２２において低温酸化雰囲気で２段燃焼される。本実施形態で用いる燃料は、アスファルトピッチ等の石油残渣であってもよい。

（バーナー冷却装置１０Ａ）
図１に示すように、本実施形態に係るバーナー冷却装置１０Ａは、高温還元燃焼ゾーン１１２の側壁に設けられる８つのバーナー１０２に対して設けられる。なお、図１では見た目の煩雑さを避けるため、ボイラー１００に設けられるバーナー１０２の周辺にのみバーナー冷却装置１０Ａを示してあるが、後述する冷却塔４０及び冷却水ポンプ４２は、バーナー１０２から離間した位置に設けられることが好ましい。

図２は、本実施形態に係るバーナー冷却装置の概略構成図である。図２に示すように、本実施形態に係るバーナー冷却装置１０Ａは、冷却水（冷却媒体）を循環させるための流路１２と、流路１２において設けられ、冷却水を用いてバーナー１０２を冷却するためのバーナー冷却部１４と、流路１２においてバーナー冷却部１４よりも上流側に設けられる自力式の定流量弁２０と、流路１２においてバーナー冷却部１４よりも下流側に設けられる自力式の一次圧力調節弁３０と、を備える。

流路１２は、複数の流路が並列接続された並列流路部１３を含んでいる。また、並列流路部１３における各流路ごとにバーナー冷却部１４及び定流量弁２０を備えている。並列流路部１３は、バーナー冷却部１４よりも下流側で合流する合流部１３ａを有している。

すなわち、本実施形態に係るバーナー冷却装置１０Ａは、バーナー冷却部１４及び定流量弁２０をそれぞれ８つずつ備える。なお、図２では見た目の煩雑さを避けるため、バーナー冷却部１４及び定流量弁２０をそれぞれ４つずつ記載し、残り４つずつの記載を省略してある。また、バーナー冷却装置１０Ａは、並列流路部１３の合流部１３ａの下流側において一次圧力調節弁３０を１つのみ備えている。

定流量弁２０は、その上流側と下流側で流体の圧力に変動が生じても、下流側に予め設定した一定流量の流体を流すことが可能な構造を有する弁である。

定流量弁２０は、例えば、上流側から供給される流体の運動エネルギーを流れ方向に収縮して減衰させるダンパーと、当該ダンパーの下流側に取り付けられ流体の流れ方向に往復運動可能なディスクと、流れ方向において当該ディスクが往復運動する位置に対応して設けられ、上流側から下流側に向かうに連れて内径寸法が小さくなる縮流側面と、を有する構造であってもよい。

上記のような構造を有することにより、定流量弁２０は、上流側から流れてくる流体の圧力が大きくなったとしても、それによりディスクが下流側に移動し、流れ方向に見て当該ディスクと縮流側面との間の間隙が狭くなるので、下流側に圧力変動前と同じ一定流量の流体を流すことが可能となる。その逆に、定流量弁２０は、上流側からの流れてくる流体の圧力が小さくなったとしても、それによりディスクが上流側に移動し、流れ方向に見て当該ディスクと縮流側面との間の間隙が広くなるので、下流側に圧力変動前と同じ一定流量の流体を流すことが可能となる。

一次圧力調節弁３０は、その上流側（すなわち、その一次側）の流体の圧力を一定に保たせることが可能な構造を有する弁である。

バーナー冷却装置１０Ａは、一次圧力調節弁３０よりも下流側に設けられる冷却塔４０と、当該冷却塔４０よりも下流側に設けられる冷却水ポンプ４２とをさらに備える。冷却塔４０は、バーナー冷却部１４でバーナー１０２から吸熱して温度の上がった冷却水を冷やすために設けられる。また、冷却水ポンプ４２は、冷却水の圧力を上昇させるために設けられる。

（効果）
本実施形態に係るバーナー冷却装置１０Ａは、流路１２においてバーナー冷却部１４よりも上流側に設けられる自力式の定流量弁２０によって冷却水の流量を一定にすることができ、且つ、流路１２においてバーナー冷却部１４よりも下流側に設けられる自力式の一次圧力調節弁３０によって冷却水の圧力を一定にすることができる。また、定流量弁及び一次圧力調節弁それぞれが他力式である場合と比較して、冷却媒体の流量変動及び圧力変動に対する応答速度を向上させることが可能となる。これにより、本実施形態に係るバーナー冷却装置１０Ａは、従来技術による冷却装置（例えば、流路に設けられたサイトフローから冷却媒体を視認し、それらに基づき手動調節弁を操作することで、冷却水の流量の調節を都度行っていた冷却装置など）と比較して、冷却水の流量及び圧力を常時所定の値に維持することができるので、常時において確実にバーナー１０２を冷却することが可能となる。

ここで、前記従来技術による冷却装置では、例えば、並列流路部における複数の流路のうちの他の流路に対する冷却水の供給のｏｎ／ｏｆｆが切り替えられた場合や、前記他の流路で冷却水の漏洩等が生じた場合、或いは冷却水ポンプの切り替えを行った場合に、バーナーの上流側又は下流側で冷却水の圧力が変動するので、その都度手動弁の開度を操作して冷却水の流量を調節しなければならなかった。

また、前記従来技術による冷却装置は、複数のバーナー冷却部のうちの１つが噴破等した場合、そこから冷却水が大量に漏洩して他の健全なバーナー冷却部に供給すべき冷却水の流量が減少して前記他の健全なバーナー冷却部が焼損に至らないように、前記噴破等したバーナー冷却部の元弁を速やかに閉じる等の対策を講じる必要がある。これにより、前記従来技術による冷却装置は運転の負担が大きかった。

上記運転の負担を軽減するために、複数のバーナー冷却部それぞれに供給する冷却水の流量及び圧力について、流量発信器、圧力発信器、空気式調節弁、及びいわゆるＤＣＳ（Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｓｙｓｔｅｍ、分散制御システム）による調節計を備えるプラント制御分野の従来技術の組合せを適用して自動制御を行う方法があったが、これには次のような欠点があった。

空気式調節弁は応答速度が十分とは言えず、不足方向への大きな制御偏差が発生した場合には、冷却水の流路内で沸騰発生を完全に抑制できない。また、複数の調節弁が同一系統に近接して設置されることから、個別の冷却水流量制御間、あるいは冷却水流量制御と冷却水圧力制御との間で、相互干渉が起きやすい。さらに、沸騰発生防止の観点から制御偏差の極小化が必要となり、制御調整に手間がかかる。また、冷却水ポンプを起動したあと、冷却水の流量及び圧力を定常状態とするまでの過程において、作業員の操作・監視を必要とし、手間がかかる。

さらに、ｎ台のバーナー冷却部に対して、ｎ台の流量発信器、ｎ台の空気式流量調節弁、１台の圧力発信器、１台の空気式圧力調節弁、（ｎ＋１）台の調節計、及びこれら機器の計装工事（例えば、ケーブル工事、導圧管工事、及び空気配管工事など）を必要とし、導入コストが高くなってしまう。また、万一、制御装置の故障、制御電源の喪失、或いは計装用空気源の喪失等が発生した場合、バーナーならびにバーナー冷却装置を損傷させてしまう可能性がある。

上記従来からある種々の問題点を本実施形態に係るバーナー冷却装置１０Ａは解決することが可能である。すなわち、バーナー冷却装置１０Ａは、自力式の定流量弁２０と自力式の一次圧力調節弁３０とを備える構造であるため、空気式調節弁に比べて応答速度性に優れている。したがって、たとえ冷却水の供給元で圧力変動や冷却水戻り圧力変動といった外乱が生じても、速やかに自己修正を行い、全てのバーナー冷却部１４に供給する冷却水の流量及び圧力を常に一定に保つことができ、バーナー冷却部１４内での冷却水の沸騰発生を抑制することができる。

また、万一、バーナー冷却部１４内で噴破等により大量の冷却水漏洩が発生したとしても、定流量弁２０の機能により冷却水の流量は即座に規定値に制御され、他の健全なバーナー冷却部１４の冷却水の流量が大きく減少したり、冷却水の圧力が低下したりするのを未然に防止することができる。さらに、自力式の定流量弁２０と自力式の一次圧力調節弁３０とを備える構造であるため、相互干渉が起きにくい。したがって、バーナー冷却部１４において冷却水の流量変動が生じにくく、バーナー冷却部１４の下流側で冷却水の圧力変動が起きにくいので、バーナー冷却部１４内で冷却水が沸騰してしまうことを抑制することができる。

また、自力式の定流量弁２０と自力式の一次圧力調節弁３０とを備える構造であるため、冷却水ポンプ４２を起動するだけで速やかに定常状態に移行することが可能となる。さらに、冷却水ポンプ４２を起動してから定常状態にするまで、調節計にありがちな手動モードから自動モードに切り換える際の操作などは一切必要としない。

また、自力式の定流量弁２０と自力式の一次圧力調節弁３０とを備える構造であるため、空気式調節弁を使用する場合に比べて安価である。さらに、ケーブル工事、計装空気配管工事、及び導圧管工事なども不要で、導入コストが高くなることもない。また、自力式の定流量弁２０と自力式の一次圧力調節弁３０とを備える構造であるため、調節弁駆動用の計装空気源や調節弁を制御するための電子的な制御装置及び制御電源等を必要としない。したがって、これらの機器の故障を懸念する必要がなく、特別なユーティリティやエネルギー等を必要としない。

２．第２実施形態
図３は、本発明の第２実施形態に係るバーナー冷却装置の概略構成図である。なお、本実施形態に係るバーナー冷却装置１０Ｂは、上記第１実施形態で説明したボイラー１００に設けられることとする。また、バーナー冷却装置１０Ｂは、８つの一次圧力調節弁３０を備える点を除いて、上記第１実施形態に係るバーナー冷却装置１０Ａと同じ構造を有する。したがって、同一部分には同じ参照番号を付し、同様となる説明は繰り返さない。

本実施形態では、流路１２は、並列流路部１３における各流路ごとに一次圧力調節弁３０を備えている。すなわち、本実施形態に係るバーナー冷却装置１０Ａは、バーナー冷却部１４、定流量弁２０及び一次圧力調節弁３０をそれぞれ８つずつ備えている。なお、図３では、見た目の煩雑さを避けるため、バーナー冷却部１４、定流量弁２０、及び一次圧力調節弁３０をそれぞれ４つずつ記載し、残り４つずつの記載を省略してある。

なお、本実施形態に係るバーナー冷却装置１０Ｂは、上記第１実施形態に係るバーナー冷却装置１０Ａと同様の効果を奏するので、ここではその説明を繰り返さない。

３．変形例
上記説明から、当業者にとっては、本発明の多くの改良や他の実施形態が明らかである。したがって、上記説明は、例示としてのみ解釈されるべきであり、本発明を実行する最良の態様を当業者に教示する目的で提供されたものである。本発明の精神を逸脱することなく、その構造及び／又は機能の詳細を実質的に変更できる。

上記実施形態では、バーナー１０２、バーナー冷却部１４及び定流量弁２０は、それぞれ、８つずつ設けられる場合について説明したが、これに限定されない。すなわち、バーナー１０２、バーナー冷却部１４及び定流量弁２０は、それぞれ、１つ以上７つ以下ずつ設けられてもよいし、又は、９つ以上ずつ設けられてもよい。

上記実施形態では、１つのバーナー１０２に対して１つのバーナー冷却部１４が備えられる場合について説明したが、これに限定されず、１つのバーナー１０２に対して複数のバーナー冷却部１４が設けられてもよい。

上記実施形態では、同様のバーナー冷却部１４が８つ設けられる場合について説明したが、これに限定されず、例えば、相違する冷却水の流量を必要とする互いに異なるバーナー冷却部１４が複数設けられてもよい。

上記実施形態では、バーナー冷却装置１０Ａ、１０Ｂが、図１に示すボイラー１００のバーナー１０２に対して設けられる場合について説明したが、これに限定されない。例えば、バーナー冷却装置１０Ａ、１０Ｂは、他のボイラーのバーナーに対して設けられてもよいし、ボイラー以外の装置のバーナーに対して設けられてもよいし、単独で使用されるバーナーに対して設けられてもよい。

上記実施形態では、バーナー冷却装置１０Ａ、１０Ｂは、バーナー冷却部１４でバーナー１０２から吸熱して温度の上がった冷却水を冷やすために冷却塔４０を備える場合について説明したが、これに限定されない。例えば、バーナー冷却装置１０Ａ、１０Ｂは、冷却水を冷やすために、海水による冷却を行うための装置を備えてもよいし、フィン付き熱交換器を備えてもよいし、又は、他の装置を備えてもよい。

なお、図１に示すボイラー１００の高温還元燃焼ゾーン１１２のように、比較的高温度で燃料を燃焼させるために燃焼室に設けられるバーナー１０２は、バーナー１０２自体も高温に晒されるので、バーナー１０２が焼損し易くなることや、流路１２内で冷却水の沸騰現象が生じ易くなることなどが懸念される。したがって、本実施形態に係るバーナー冷却装置１０Ａ、１０Ｂは、上記のようなバーナーに対して好適である。

１０ バーナー冷却装置
１２ 流路
１３ 並列流路部
１３ａ 合流部
１４ バーナー冷却部
２０ 定流量弁
３０ 一次圧力調節弁
４０ 冷却塔
４２ 冷却水ポンプ
１００ ボイラー
１０２ バーナー
１１０ 燃焼室
１１２ 高温還元燃焼ゾーン
１１３ 耐火材
１２２ ２段燃焼ゾーン
１２３ ２段燃焼空気ノズル
１２４ 灰排出口
１２９ 絞り部
１３０ ガス流出口
１４０ ガス導通路
１４２ 蒸気過熱器管
１４４ エコマイザ
１５０ 非加熱降水管
１５２ 汽水胴

Claims (3)

1. 冷却媒体を循環させるための流路と、
   前記流路において設けられ、前記冷却媒体を用いてバーナーを冷却するためのバーナー冷却部と、
   前記流路において前記バーナー冷却部よりも上流側に設けられる自力式の定流量弁と、
   前記流路において前記バーナー冷却部よりも下流側に設けられる自力式の一次圧力調節弁と、
   を備えていることを特徴とする、バーナー冷却装置。
2. 前記流路は、複数の流路が並列接続された並列流路部を含んでおり、前記並列流路部における各流路ごとに前記バーナー冷却部及び前記定流量弁を備えており、
   前記並列流路部は、前記バーナー冷却部よりも下流側で合流する合流部を有しており、
   前記合流部の下流側において前記一次圧力調節弁をさらに備えている、請求項１に記載のバーナー冷却装置。
3. 前記流路は、複数の流路が並列接続された並列流路部を含んでおり、前記並列流路部における各流路ごとに、前記バーナー冷却部、前記定流量弁、及び前記一次圧力調節弁を備えている、請求項１に記載のバーナー冷却装置。

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