JP7275601B2 - ボイラ装置 - Google Patents

Description

本発明は、ボイラ装置に関する。より具体的には、排気の一部を給気側に再循環させて燃焼用空気として用いる排気再循環方式のボイラ装置に関する。

従来、ボイラ装置においては、排気の一部を給気側に再循環させて燃焼用空気に混合し、ＮＯｘの発生を抑制する低ＮＯｘ化方法がある。
例えば特許文献１には、燃焼量を上げると、ＮＯｘ排出濃度が上がることや、自己排ガス再循環量を増加させることにより、低ＮＯｘ性能を確保できることが示されている。

特開２００８－１４５０６９号公報

ところでボイラ装置における燃焼用空気は、ブロア等の送風機により圧送されるが、その流量は、立ち上がり応答性の問題があり、即時に目標とする値とはならない。例えば、燃焼率の設定変更時においては、燃焼用空気流量は、設定された燃焼率に対応する流量値に向かって徐々に変化する。また、燃焼用空気流量は、ボイラの炉圧の変動等によって変動することもある。
ここで、燃焼用空気流量は、外気の流量（空気流量）と、排ガスの流量（排気再循環流量）とを加算した流量となるが、燃焼用空気流量が変動している場合においては、燃焼用空気流量の変動に対して排ガスの流量が適切に追従しないことから、外気の流量と排ガスの流量の混合バランスが不安定となる。すなわち、排ガスの流量（排気再循環流量）を外気の流量（空気流量）で割った値である排気再循環率（以下、「ＥＧＲ率」と呼ぶ。）が狙った値から外れてしまう状況が生じる。
このＥＧＲ率が狙った値から外れてしまうと、燃料空気内の酸素の不足や余剰が生じ、燃焼状態が不安定となる可能性がある。また、排気再循環方式によるＮＯｘ低減の効果が十分に得られなくなる可能性がある。

本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、炉内圧の変化等により燃焼用空気流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を提供することである。

本発明は、燃料ガスを燃焼させて給水を加熱するボイラ本体と、前記ボイラ本体に前記燃料ガスを供給する燃料ガス供給ラインと、前記ボイラ本体に燃焼用空気を供給する燃焼用空気供給ラインと、前記燃焼用空気供給ラインを流れる燃焼用空気流量を検知する燃焼用空気流量検知部と、前記燃焼用空気供給ラインの上流側に接続され前記燃焼用空気供給ラインに燃焼用空気を送り込む送風機と、前記ボイラ本体で燃料が燃焼されて発生した排ガスを排出する排気路と、前記排気路を流通する排ガスの一部を前記送風機に循環させる排気再循環路と、前記排気再循環路に設けられた、排気再循環流量を調整する排気再循環流量調整部と、前記燃焼用空気流量検知部によって検知された前記燃焼用空気流量に対応する信号に基づいて前記排気再循環流量調整部を制御する排気再循環流量制御部と、を備えるボイラ装置に関する。

また、前記ボイラ装置は、前記燃焼用空気流量と前記排気再循環流量との対応関係を記憶している記憶部を備え、前記排気再循環流量制御部は、前記燃焼用空気流量検知部によって検知された前記燃焼用空気流量と、前記記憶部に記憶されている前記燃焼用空気流量と前記排気再循環流量との対応関係に基づいて、前記排気再循環流量調整部を制御することが好ましい。

また、前記記憶部に記憶されている前記燃焼用空気流量と前記排気再循環流量との対応関係が、一次関数の関係となるように設定されていることが好ましい。

また、前記ボイラ装置は、燃焼率と前記燃焼用空気流量との対応関係を記憶している記憶部と、前記燃焼用空気供給ラインを流れる前記燃焼用空気流量を調整する燃焼用空気流量調整部と、前記燃焼用空気流量調整部を制御する燃焼用空気流量制御部と、を備え、前記燃焼用空気流量制御部は、設定された燃焼率と、前記記憶部に記憶されている前記燃焼率と前記燃焼用空気流量との対応関係に基づいて、前記燃焼用空気流量調整部を制御することが好ましい。

また、前記記憶部に記憶されている前記燃焼率と前記燃焼用空気流量との対応関係が、一次関数の関係となるように設定されていることが好ましい。

また、前記ボイラ装置は、前記燃焼用空気流量検知部の信号の平均化処理を行う平均化処理部を更に備えることが好ましい。

また、前記ボイラ装置は、前記燃料ガス供給ラインに配置され、燃料ガス流量を調整可能な燃料ガス流量調整部と、前記燃焼用空気流量検知部によって検知された前記燃焼用空気流量に対応する信号に基づいて前記燃料ガス流量調整部を制御する燃料ガス流量制御部と、を備えることが好ましい。

また、前記ボイラ装置は、前記燃焼用空気流量検知部の信号を前記燃料ガス流量制御部と前記排気再循環流量制御部に分岐する信号分岐部を備え、前記排気再循環流量制御部は、前記燃焼用空気流量検知部の信号によって前記排気再循環流量調整部の開度を調整することが好ましい。

また、前記燃料ガス流量制御部は、燃焼用空気流量検知部の信号を前記燃料ガス流量調整部の開度信号に変換し、前記開度信号に基づいて燃料ガス流量調整部の開度を調整すると共に、前記開度信号を前記排気再循環流量制御部に送信し、前記排気再循環流量制御部は、前記開度信号に基づいて前記排気再循環流量調整部の開度を調整することが好ましい。

また、前記排気再循環流量制御部は、前記燃焼用空気流量検知部によって検知された前記燃焼用空気流量が多いほど、ＥＧＲ率が低くなるように、前記排気再循環流量調整部を制御することが好ましい。

本発明によれば、炉内圧の変化等により燃焼用空気流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を提供することができる。

本発明の第１実施形態に係る水素燃焼ボイラ装置を示す図である。 制御部の構成を示すブロック図である。 燃焼用空気流量に応じて、燃料ガス流量調整弁およびダンパの開度を変化させる処理を説明するフローチャートである。 燃焼率と燃焼用空気流量との対応関係を示す図である。 燃焼用空気流量と排気再循環流量・ＥＧＲ率との対応関係を示す図である。 ＥＧＲ率を０％に固定した場合における、燃焼率とＮＯｘの関係を示す図である。 燃焼率とＮＯｘ濃度・ＥＧＲ率との関係を示す図である。 制御部の他の構成を示すブロック図である。

以下、本発明の一実施形態に係るボイラ装置について、図面を参照しながら説明する。本実施形態においては、ボイラ装置の一例として、水素燃焼ボイラ装置１を用いて説明するが、後述するように、ボイラ装置の種類としては、これに限らない。種々のボイラに対して適用可能である。

本実施形態の水素燃焼ボイラ装置１は、水を加熱して蒸気の生成を行う蒸気ボイラ（貫流ボイラ）であり、負荷機器（図示省略）に蒸気を供給する。また、本実施形態の水素燃焼ボイラ装置１は、排ガスの一部を給気側に循環させて燃焼用空気として用いる排気再循環方式の水素燃焼ボイラ装置１である。尚、本明細書における「ライン」とは、流路、経路、管路等の流体の流通が可能なラインの総称である。

図１に示すように、本実施形態の水素燃焼ボイラ装置１は、ボイラ本体１０と、排気路２０と、燃焼用空気供給ラインとしての給気路３０と、送風機４０と、排気再循環路５０と、給水ライン７０と、給水加熱器８０と、燃料ガス供給ライン９０と、制御部２００を備える。

ボイラ本体１０は、燃料を燃焼させて給水を加熱することで蒸気を生成する。ボイラ本体１０は、外形を構成する円筒形状の丸型缶体である缶体１１と、この缶体１１の上部に配置されるバーナ１２と、を備える。缶体１１は、複数の水管、下部ヘッダ、上部ヘッダ、および燃焼室（いずれも図示せず）を含んで構成される。バーナ１２は先混合式バーナであり、給気路３０から供給される燃焼用空気と、燃料ガス供給ライン９０から供給される燃料ガスとしての水素ガスとが、先混合式バーナにおいて混合された後燃焼される。

排気路２０は、ボイラ本体１０で燃料が燃焼されて発生した排ガスを外部に排出する。排気路２０の基端側は、缶体１１の周面に接続される。排気路２０の先端側は、上方に延びる。

給気路３０は、ボイラ本体１０に燃焼用空気を供給する。給気路３０の先端側は、ボイラ本体１０の上部に接続される。給気路３０の基端側は、下方に延びる。
給気路３０には、給気路３０を流れる燃焼用空気流量を検知する燃焼用空気流量検知部としてのエア差圧センサ３１が配置される。エア差圧センサ３１は、パンチングメタルやオリフィス等による固定圧損部３２を有する。この固定圧損部３２の上流側と下流側の圧力の差圧を計測することにより、燃焼用空気流量に対応する信号を得ることが可能である。なお、燃焼用空気流量検知部として、エア差圧センサ３１以外のセンサ、例えば風圧センサ、風量センサ（熱線式など）などを用いて、燃焼用空気流量に対応する信号を得てもよい。

送風機４０は、ボイラ本体１０の側部における下部に配置される。送風機４０は、給気路３０の基端側に接続され、給気路３０に燃焼用空気を送り込む。送風機４０は、ファンと、このファンを回転させるモータと、を含んで構成され、インバータ４１によって周波数を制御することでモータの回転数を調整可能になっている。

排気再循環路５０は、排気路２０を送風機４０の入口側に接続し、排気路２０を流通する排ガスの一部を送風機４０側に循環させる。すなわち、本実施形態では、送風機４０は、外気および排気再循環路５０から供給される排ガスを吸引し、これら外気（空気）と排ガスとの混合気を燃焼用空気として給気路３０に送り込む。
排気再循環路５０には、排気再循環流量調整部としてのダンパ５１が配置される。ダンパ５１は、開度を変更することで排気再循環路５０を流通して送風機４０に循環される排ガスの流量を調整する。

給水ライン７０は、基端側が給水源（図示せず）に接続され、先端側がボイラ本体１０（下部ヘッダ）に接続される。給水ライン７０は、ボイラ本体１０に蒸気を生成するための水を供給する。

給水加熱器８０は、排気路２０における排気再循環路５０との接続部よりも上流側（下方）に配置される。給水加熱器８０は、ボイラ本体１０から排出され排気路２０を流通する排ガスと、給水ライン７０を流通する給水との間で熱交換を行い、給水を加熱する。

燃料ガス供給ライン９０は、ボイラ本体１０に燃料ガスとしての水素ガスを供給する。燃料ガス供給ライン９０には、燃料ガス流量調整部としての燃料ガス流量調整弁９１と、遮断弁９２が設けられている。
遮断弁９２は、燃料ガスを供給しないときに、燃料ガス供給ライン９０を遮断するための弁であり、制御部２００により制御される。

制御部２００は、水素ガスの燃焼状態（水素燃焼ボイラ装置１の燃焼状態）等の制御を行う。より詳細には、制御部２００は、エア差圧センサ３１の検知信号を取得する。また、送風機４０のモータの回転数、ダンパ５１の開度、燃料ガス流量調整弁９１の開度等を制御する。
図２は、制御部２００の構成を示すブロック図である。図２に示すように、制御部２００は、燃焼用空気流量制御部２０２と、燃焼用空気流量信号取得部２０３と、平均化処理部２０４と、信号分岐部２０５と、燃料ガス流量制御部２０６と、排気再循環流量制御部２０７と、記憶部２０８とを備える。これらの各機能ブロックの具体的な機能については、図３のフローチャートも参照しながら後で説明する。
なお、制御部２００は、上述のように複数の機能ブロックにより構成されているが、各ブロックは必ずしも物理的に分かれている必要は無く、複数のブロックの機能を１つのＣＰＵで実現できるように構成してもよい。また、制御部２００は、制御対象機器の配置や配線を考慮するなどして、２つ以上に分かれていてもよい。

次に、本実施形態の水素燃焼ボイラ装置１の動作について説明する。
水素燃焼ボイラ装置１においては、ボイラ本体１０の内部には、給気路３０から燃焼用空気が供給されると共に、燃料ガス供給ライン９０から燃料ガスが供給されて燃料ガスが燃焼される。また、缶体１１の内部に配置された複数の水管には、給水ライン７０から給水が行われており、燃料ガスを燃焼させることにより発生した熱により、給水が加熱され蒸気が生成される。

燃料ガスの燃焼により生じた燃焼ガスは、水管内の水を加熱した後に排ガスとして排気路２０を流通する。排気路２０を下方から上方に向かって流通する排ガスは、給水加熱器８０において給水を加熱する。給水加熱器８０において熱交換を行って温度が低下した排ガスの一部は、排気再循環路５０を流通し、残りは外部に排出される。

排気再循環路５０を流通する排ガスは、送風機４０に供給され、外気と共に給気路３０に送り込まれる。
これにより、送風機給気側に循環された排ガスと外気とが所定の割合で混合され、この混合された混合気を燃焼用空気として燃料ガスが燃焼される。

そして、本実施形態においては、エア差圧センサ３１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、排気再循環流量調整部としてのダンパ５１を制御する。これにより、排ガスと外気とを所定の割合で混合する。

図３は、本実施形態の水素燃焼ボイラ装置１において、エア差圧センサ３１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、燃料ガス流量調整部としての燃料ガス流量調整弁９１および排気再循環流量調整部としてのダンパ５１を制御する処理を説明するためのフローチャートである。

ステップＳ１１では、水素燃焼ボイラ装置１からの蒸気が供給される負荷機器（不図示）の蒸気の消費量等に応じて、燃焼率（燃焼量、負荷率）が設定される。具体的には、例えば水素燃焼ボイラ装置１の蒸気ヘッダの圧力等に基づいて、燃焼率が設定される。

ステップＳ１２では、設定された燃焼率に対応する燃焼用空気流量を供給するための制御を行う。具体的には、燃焼用空気流量制御部２０２が、設定された燃焼率に対応する燃焼用空気流量の値に応じて、インバータ４１の周波数を制御する。これにより、送風機４０のモータの回転数が調整され、モータの回転数に応じた流量の燃焼用空気が給気路３０に供給される。ここで、インバータ４１、送風機４０のモータは、本実施形態における燃焼用空気流量調整部を構成する。なお、送風機４０の下流側にダンパを設けて、これを燃焼用空気流量調整部として用いても良い。
なお、燃焼率と燃焼用空気流量の対応関係については、図４を用いて後述する。

ここで、送風機４０の送風量は、立ち上がり応答性の問題があり、即時に目標とする値とはならない。例えば、燃焼率の設定変更時においては、燃焼用空気流量は、設定された燃焼率に対応する流量値に向かって徐々に変化する。また、燃焼用空気流量は、ボイラの炉圧の変動等によって変動することもある。
このように、目標とする流量値とは異なる流量の燃焼用空気が流れる状況が存在することを考慮すると、燃料ガス流量は、実際の燃焼用空気流量に対応した流量に調整されて供給されることが好ましい。また、排気再循環流量についても、実際の燃焼用空気流量（排気再循環流量を含む）に対応した排気再循環流量に調整されることが好ましい。これにより、燃焼用空気流量が変動する場合であっても、排気再循環流量を目標値に制御することができ、良好な燃焼状態を維持することができる。

そこで、本実施形態においては、エア差圧センサ３１により実際の燃焼用空気流量に対応する信号を検知し、この検知した信号に基づく制御値を用いて、各種の制御を行う。
ステップＳ１３において、燃焼用空気流量信号取得部２０３は、エア差圧センサ３１が検知した燃焼用空気流量に対応する信号を取得する。

ステップＳ１４において、平均化処理部２０４は、燃焼用空気流量に対応する信号の平均化処理を行う。具体的には、平均化処理部２０４は、過去の所定期間内（例えば過去数秒間）における燃焼用空気流量に対応する信号を燃焼用空気流量信号取得部２０３から受け取り、受け取った信号の移動平均値を算出する。
なお、燃焼用空気流量信号は不安定であり、また検出ノイズも存在する。よって、平均化処理を施すことにより、燃焼用空気流量に対応する信号に基づくその後の処理を、安定した処理にすることができる。ここで、移動平均値としては、単純移動平均値を用いてもよいし、現在に近いほど大きい重みづけを付与して得られる重み付け移動平均値を用いてもよい。

ステップＳ１５において、信号分岐部２０５は、平均化処理部２０４から受け取った信号を分岐して、燃料ガス流量制御部２０６および排気再循環流量制御部２０７に送信する。このように、平均化処理を行った後の信号を分岐して複数の制御部に送信しているため、それぞれの制御部に安定した同じ信号を送ることができる。よって、その後の制御も安定する。

ステップＳ１６において、燃料ガス流量制御部２０６は、分岐された燃焼用空気流量に対応する信号に基づいて、燃料ガス流量調整弁９１の開度を制御する。また、排気再循環流量制御部２０７は、分岐された燃焼用空気流量に対応する信号に基づいて、ダンパ５１の開度を制御する。ここで、ダンパ５１の開度は、燃焼用空気流量に対応する排気再循環流量に基づいて設定される。なお、燃焼用空気流量と排気再循環流量の対応関係は図５を用いて後述する。

このような制御を行うことにより、目標とする流量値とは異なる流量の燃焼用空気が流れる状況が存在する場合においても、排気再循環流量を燃焼用空気量に応じた目標値に制御することができ（燃焼量に対応した目標とするＥＧＲ率に制御することができ）、良好な燃焼状態を維持することができる。
特に、本実施形態においては、実際の燃焼用空気流量に応じて適切な排気再循環流量を設定し、適切な量の排ガスを送風機に循環させることができるため、安定した排気再循環燃焼を実現し、かつ低ＮＯｘ性能を実現することができる。
また、実際の燃焼用空気流量に対応する燃料ガス流量および排気再循環流量となるように、燃料ガス流量調整弁９１およびダンパ５１の開度を制御することにより、空燃比およびＥＧＲ率を適切に制御することができる。

また、この制御は、低燃焼状態から高燃焼状態の範囲において、燃焼率が連続的に変化するように燃焼制御可能な連続制御ボイラ装置（比例制御ボイラ装置）に対して好適に適用可能である。このとき、排気再循環流量およびダンパ５１の開度は、エア差圧センサ３１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く制御値に応じて連続的に変化するように制御することが好ましい。なお、例えば３つ以上に分割した燃焼用空気流量の領域に応じて、排気再循環流量およびダンパ５１の開度が段階的に変化するように制御してもよい。

図４は、燃焼率と燃焼用空気流量との対応関係を示す図である。ステップＳ１２においては、ステップＳ１１において設定された燃焼率と、図４に示される対応関係に基づいて、目標とする燃焼用空気流量が設定され、この燃焼用空気流量が流れるように、インバータ４１の周波数が制御される。例えば、設定された燃焼率が６０％である場合には、目標値ｂの燃焼用空気流量が流れるように、インバータ４１の周波数が制御される。
なお、燃焼率と燃焼用空気流量との対応関係は、一次関数となっていることが好ましい。一次関数となっていれば、燃焼率と、送風機４０のモータの回転数を制御するインバータ４１に入力する周波数との関係も一次関数となるため、設定された燃焼率に対応するインバータ４１の制御を簡単に行うことができる。
なお、燃焼率と燃焼用空気流量との対応関係が一次関数の関係である場合とは、実質的に一次関数、例えば、排ガス中の酸素濃度及び／またはＮＯｘ濃度の変動が許容範囲内となるように一次関数で近似できる場合も含む。

図５は、燃焼用空気流量と排気再循環流量・ＥＧＲ率との対応関係を示す図である。ＥＧＲ率は、図５に示される燃焼用空気流量に対する排気再循環流量により一義的に算出できる。ステップＳ１６においては、ステップＳ１３～Ｓ１４において検知された燃焼用空気流量と、図５に示される対応関係に基づいて、目標とする排気再循環流量が設定され、この排気再循環流量となるように、ダンパ５１が制御される。例えば、検知された燃焼用空気流量の値がｂであった場合には、排気再循環流量がｂ’となるように、ダンパ５１により排気再循環流量が制御される。
なお、燃焼用空気流量と排気再循環流量との対応関係は、一次関数となっていることが好ましい。一次関数となっていれば、検知された燃焼用空気流量に対応する排気再循環流量の算出およびその後のダンパ５１の制御を簡単に行うことができる。
なお、燃焼用空気流量と排気再循環流量との対応関係が一次関数の関係である場合とは、実質的に一次関数、例えば、排ガス中の酸素濃度及び／またはＮＯｘ濃度の変動が許容範囲内となるように一次関数で近似できる場合も含む。

なお、本実施形態の水素燃焼ボイラ装置１においては、図５に示されるように、燃焼用空気流量とＥＧＲ率に対応関係は、燃焼用空気流量が低いときほど、ＥＧＲ率が高くなるような関係となっている。ここで、燃焼率と燃焼用空気流量との関係は、図４に示されるように、燃焼率が高いときほど、燃焼用空気流量が高い関係にあるため、図５に示される対応関係は、燃焼率が低いときほど、ＥＧＲ率が高くなるような関係、ということができる。本実施形態の水素燃焼ボイラ装置１において、ＥＧＲ率がこのような関係となるように設定されている理由については、図６、７を用いて後述する。

図４、５に示されるような対応関係、すなわち、燃焼率と、燃焼用空気流量と、排気再循環流量と、ＥＧＲ率との対応関係は、記憶部２０８に記憶されている。これらの対応関係は、テーブルによって記憶されていてもよいし、計算式として記憶されていてもよい。
例えば、テーブルによりこれらの対応関係を記憶する場合は、所定の燃焼率（例えば、２０％、６０％、１００％）に対して、所定の燃焼用空気流量（例えば、燃料率２０％のときの流量ａ、燃料率６０％のときの流量ｂ、燃焼率１００％のときの流量ｃ）、所定の燃焼用空気流量（例えば、燃焼率２０％のときの流量ａ、燃焼率６０％のときの流量ｂ、燃焼率１００％のときの流量ｃ）に対して、所定の排気再循環流量（例えば、燃焼率２０％のときの排気再循環流量ａ’、燃焼率６０％のときの排気再循環流量ｂ’、燃焼率１００％のときの排気再循環流量ｃ’）がそれぞれ設定されているテーブルを用いても良い。ＥＧＲ率は燃焼用空気流量と排気再循環流量から算出しても良い。このような場合、排気再循環流量制御部２０７は、テーブルにおいて予め定められた燃焼率と燃焼用空気流量、燃焼用空気流量と排気再循環流量との対応関係に従って、インバータ４１およびダンパ５１を制御する。

表１に、燃焼率と燃焼用空気流量の関係、燃焼用空気流量と排気再循環流量の関係を一つのテーブルに規定した場合の例を示す。このテーブルにおいては、燃焼率が低いときほど、ＥＧＲ率が高くなるように、燃焼用空気流量および排気再循環流量が規定されている。
このようなテーブルを用いることにより、設定された燃焼率に応じて、目標とする燃焼用空気流量を設定すること、検知された燃焼用空気流量に応じて、目標とする排気再循環流量を設定することが可能となる。

なお、燃焼率と燃焼用空気流量との対応関係、燃焼用空気流量と排気再循環流量との対応関係等は、一次関数等の計算式として予め定められ、記憶部２０８に記憶されていてもよい。

なお、本実施形態においては、燃焼率が低いときほど、ＥＧＲ率が高くなるようにダンパ５１の角度を制御しているが、これに加えて、燃焼率が低いときほど、空気比が高くなるように、インバータ４１を制御する構成を採用してもよい。

表２に、燃焼率が低いときほど、空気比およびＥＧＲ率が高くなるように、燃焼用空気流量および再排気循環流量を規定した場合のテーブルの例を示す。
このようなテーブルを用いても、設定された燃焼率に応じて、目標とする燃焼用空気流量を設定すること、検知された燃焼用空気流量に応じて、目標とする排気再循環流量を設定することが可能となる。

このようなテーブル等に基づく制御により、燃焼率が低いときほど、空気比が高くなるように、かつ、燃焼用空気流量が低いときほど（燃焼率が低いときほど）、ＥＧＲ率が高くなるように、インバータ４１およびダンパ５１を制御することも可能である。
なお、燃焼率と空気比との対応関係を一次関数としてもよい。この場合、指示された燃焼率に対応する空気比の算出およびその後のインバータ４１等の制御を簡単に行うことができる。また、燃焼率とＥＧＲ率との対応関係を一次関数としてもよい。
これにより、燃焼率が低いときほど、ＥＧＲ率が高く燃焼用空気中の酸素濃度は相対的に低下するものの、過剰空気割合が大きい状態となっているため、水素ガスが燃焼する上で常に十分な空気が供給される状態となり、低燃焼状態から高燃焼状態の範囲において、ＮＯｘ発生量を抑制しつつより燃焼状態を安定させることができる。

なお、本実施形態の水素燃焼ボイラ装置１においては、図５に示されるように、燃焼用空気流量（燃焼率）とＥＧＲ率の対応関係は、燃焼用空気流量（燃焼率）が低いときほど、ＥＧＲ率が高くなるような関係となっている。以下に、ＥＧＲ率がこのような関係となるように設定されている理由について説明する。

従来、ボイラ装置においては、高燃焼状態において排ガス中に含まれるＮＯｘ濃度が高くなることが知られている。このため、高燃焼状態のときのＥＧＲ率を、低燃焼状態のときのＥＧＲ率よりも高めることが行われる。換言すると、低燃焼状態のときのＥＧＲ率は、高燃焼状態のときのＥＧＲ率よりも低く設定される。そこで、本発明者は、水素燃焼ボイラ装置（小型貫流ボイラ）においても、このようなＥＧＲ率の設定で装置を制御したところ、低燃焼状態のときにおいて、ＮＯｘ濃度が十分に低い値にならないという現象を確認した。
すなわち、水素燃焼ボイラ装置において、広い燃焼領域において安定した低ＮＯｘ性能を得るためには、水素燃焼ボイラに適したＥＧＲ率の制御が必要であることを見出した。

そこで、本発明者は、ＥＧＲ率を０％に固定した上で、燃焼状態を指示する外部指令としての燃焼状態指令信号を変化させて、排ガス中に含まれるＮＯｘ濃度の測定を実施した。
図６は、丸型缶体（貫流ボイラ）と先混合式バーナ（拡散燃焼するバーナ）とを備え、連続制御を行う水素燃焼ボイラ装置において、ＥＧＲ率を０％に固定した場合における、燃焼状態指令信号に基づく燃焼率と、ＮＯｘ濃度との関係を示すグラフである。なお、ＮＯｘ濃度は、サンプリングされた気体試料のＯ２濃度により異なるため、本実施形態においては、Ｏ２（０％）換算値のＮＯｘ濃度を示している。

図６に示されるように、水素燃焼ボイラ装置においては、低燃焼状態から高燃焼状態の範囲において、燃焼率が高くなるほどＮＯｘ濃度が低くなるという現象が確認された。換言すると、本発明者は、燃焼率が低くなるほどＮＯｘ濃度が高いという事実を発見した。
水素ガスを燃焼するボイラ装置において発生したこの現象は、例えば、燃焼率が高い場合、燃焼用空気と燃料ガスとしての水素ガスの噴出速度が速くなり、火炎が伸びて広い範囲で燃焼している状態となる一方、燃焼率が低い場合、燃焼用空気と水素ガスの噴出速度が遅くなり、狭い範囲で燃焼している状態となる可能性がある。その結果、燃焼率が低い場合は局所的な高温部が形成されやすく、ＮＯｘ濃度が高くなることなどが推測される。
水素ガスは、メタン等の他のガスに比べて可燃範囲は広く、燃焼速度は速く火炎温度は高いなど、他のガスとは顕著に異なる性質を有している（水素の燃焼特性、荻須吉洋、燃料協会誌 第５４巻第５８３号（１９７５））。このような水素ガスを用いる水素燃焼ボイラ装置において、上述の現象は、低燃焼状態付近で確認されるものではなく、低燃焼状態では強く、高燃焼になるに従って弱く現れることが図６によって示唆されている。

図７は、このような知見に基づいて発案された本実施形態の水素燃焼ボイラ装置１（丸型缶体（貫流ボイラ）と先混合式バーナ（拡散燃焼するバーナ）とを備え、連続制御を行う）を燃焼させた場合の、燃焼率と、ＮＯｘ濃度およびＥＧＲ率の関係を示すグラフである。
図７より、燃焼率が高いときほど、低いＥＧＲ率となるような制御を行うことにより、換言すると、燃焼率が低いときほど、ＥＧＲ率が高くなるような制御を行うことにより、点線で示されるようにＮＯｘ濃度が略一定となることが把握できる。

よって、本実施形態の水素燃焼ボイラ装置１においては、低燃焼状態から高燃焼状態の範囲において、ＮＯｘ発生量を抑制するために、燃焼率が低いときほど、ＥＧＲ率が高くなるような関係となるように、燃焼率と燃焼用空気流量の関係、燃焼用空気流量と排気再循環流量の関係を適切に設定する。

これにより、低燃焼状態から高燃焼状態の範囲において、排ガス中に含まれるＮＯｘ濃度を十分下げることができる。すなわち、水素燃焼ボイラ装置においても、広い燃焼領域において安定した低ＮＯｘ性能を得ることができるという顕著な効果を得ることができる。また、燃焼率が高いときに、ＥＧＲ率を低下させる方向の制御となるため、燃焼用空気流量が大きくなる高燃焼状態の領域において排気再循環による送風機の負荷を低減でき、送風機の電力使用量を低減できる他、使用する送風機の大型化を抑えることができる。

なお、本実施形態で説明した、排気再循環流量検知部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排気再循環流量調整部を制御する構成は、水素燃焼ボイラ装置に限らず、都市ガス等のガスを燃料とするボイラ装置や、液体燃料を用いるボイラ装置など、種々の燃料を用いる各種ボイラ装置に対して適用可能である。また、予混合式バーナを備えるボイラ装置などにも適用可能である。

もちろん、高燃焼状態のときのＥＧＲ率を、低燃焼状態のときのＥＧＲ率よりも高める制御を行うボイラ装置にも適用可能である。この場合は、燃焼率が高いときほど、ＥＧＲ率が高くなるような関係となるように、燃焼率と燃焼用空気流量の関係、燃焼用空気流量と排気再循環流量の関係を適切に設定する。

また、燃焼率が連続的に変化するように燃焼制御可能な連続制御ボイラに限らず、複数の段階的な燃焼率、例えば、燃焼停止状態、低燃焼状態、中燃焼状態、高燃焼状態の４段階（低燃焼状態から高燃焼状態の範囲においては、３段階）の燃焼位置で燃焼する段階値制御ボイラ装置（４位置制御ボイラ装置）に対しても適用可能である。このとき、排気再循環流量およびダンパ５１の開度は、エア差圧センサ３１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く制御値に応じて連続的に変化するように制御することが好ましい。なお、段階的な燃焼位置に対応する段階的な燃焼用空気流量の領域に応じて、排気再循環流量およびダンパ５１の開度も段階的に変化するように制御してもよい。
さらに、燃焼状態のオンオフ切り替えのみが可能なボイラ装置、すなわち、設定できる燃焼状態が１つのみのボイラ装置についても、炉内圧の変化等により燃焼用空気流量が変化することを考慮すれば、適用することができる。

これらの種々のボイラ装置においても、排気再循環流量検知部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排気再循環流量調整部を制御する構成を採用することにより、炉内圧の変化等により燃焼用空気流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できる。

なお、制御部２００は、図８に示されるような機能ブロックにより構成されていてもよい。図８に示される例においては、信号分岐部２０５が存在しない。この場合は、平均化処理部２０４により平均化された燃焼用空気流量に対応する信号を、燃料ガス流量制御部２０６において、燃料ガス流量調整弁９１の開度信号に変換し、この開度信号に基づいて、燃料ガス流量調整弁９１の開度を調整すると共に、この開度信号を排気再循環流量制御部２０７に送信する。そして、排気再循環流量制御部２０７は、この開度信号に基づいて、ダンパ５１の開度を制御するための制御信号を生成し、この制御信号に基づき、ダンパ５１の開度を制御する。

以上説明した本実施形態の水素燃焼ボイラ装置１によれば、以下のような効果が奏される。

（１）本実施形態のボイラ装置は、燃料ガスを燃焼させて給水を加熱するボイラ本体１０と、ボイラ本体１０に燃料ガスを供給する燃料ガス供給ライン９０と、ボイラ本体１０に燃焼用空気を供給する給気路３０と、給気路３０を流れる燃焼用空気流量を検知する燃焼用空気流量検知部としてのエア差圧センサ３１と、給気路３０の上流側に接続され給気路３０に燃焼用空気を送り込む送風機４０と、ボイラ本体１０で燃料が燃焼されて発生した排ガスを排出する排気路２０と、排気路２０を流通する排ガスの一部を送風機４０に循環させる排気再循環路５０と、排気再循環路５０に設けられた、排気再循環流量を調整する排気再循環流量調整部としてのダンパ５１と、燃焼用空気流量検知部としてのエア差圧センサ３１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排気再循環流量調整部としてのダンパ５１を制御する排気再循環流量制御部２０７と、を備える。
これにより、実際の燃焼用空気流量に応じて適切な量の排ガスを送風機に循環させることができる。すなわち、燃焼率（燃焼量、負荷率）の設定変更時など、燃焼用空気流量が変動している場合や、炉内圧の変化等により燃焼用空気流量が変化した場合でも、実際の燃焼用空気流量に応じた適切な量の排ガスを送風機に循環させることができる。よって、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となる。
また、燃焼率を連続的に変更可能な比例制御方式のボイラ装置や、複数の段階的な燃焼位置で燃焼する段階値制御ボイラ装置など、各種の制御方式のボイラ装置においても、排気再循環流量を適切に制御することができる。

（２）本実施形態の燃焼ボイラ装置は、燃焼用空気流量と排気再循環流量との対応関係を記憶している記憶部２０８を備え、排気再循環流量制御部２０７は、燃焼用空気流量検知部としてのエア差圧センサ３１によって検知された燃焼用空気流量と、記憶部２０８に記憶されている燃焼用空気流量と排気再循環流量との対応関係に基づいて、排気再循環流量調整部としてのダンパ５１を制御する。
これにより、燃焼用空気流量と排気再循環流量の対応関係に基づき、ダンパ５１が適切に制御される。

（３）本実施形態のボイラ装置は、記憶部２０８に記憶されている燃焼用空気流量と排気再循環流量との対応関係が、一次関数の関係となるように設定されている。
このように、燃焼用空気流量と排気再循環流量との対応関係が一次関数となっていれば、検知された燃焼用空気流量に対応する排気再循環流量の算出およびその後のダンパ５１の制御を簡単に行うことができる。

（４）本実施形態のボイラ装置は、燃焼率と燃焼用空気流量との対応関係を記憶している記憶部２０８と、給気路３０を流れる燃焼用空気流量を調整する燃焼用空気流量調整部としての送風機４０のモータと、燃焼用空気流量調整部を制御する燃焼用空気流量制御部２０２と、を備え、燃焼用空気流量制御部２０２は、設定された燃焼率と、記憶部２０８に記憶されている燃焼率と燃焼用空気流量との対応関係に基づいて、送風機４０のモータを制御する。
これにより、燃焼率と燃焼用空気流量の対応関係に基づき、送風機４０のモータが適切に制御される。

（５）本実施形態のボイラ装置は、記憶部２０８に記憶されている燃焼率と燃焼用空気流量との対応関係が、一次関数の関係となるように設定されている。
このように、燃焼率と燃焼用空気流量との対応関係を一次関数の関係とすることにより、燃焼率と、送風機の回転数を制御するインバータに入力する周波数等の制御信号との関係も一次関数の関係となる。よって、設定された燃焼率に対応するインバータ４１の制御を簡単に行うことができる。

（６）本実施形態のボイラ装置は、エア差圧センサ３１の信号の平均化処理を行う平均化処理部２０４を更に備える。
このように、平均化処理を行うことにより、ノイズ等の外乱を軽減し、安定した制御を行うことができる。

（７）本実施形態のボイラ装置は、燃料ガス供給ライン９０に配置され、燃料ガス流量を調整可能な燃料ガス流量調整弁９１と、エア差圧センサ３１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燃料ガス流量調整弁９１を制御する燃料ガス流量制御部２０６と、を備える。
このように、実際の燃焼用空気流量に応じて、排気再循環流量に加えて燃料ガス流量の制御も行うことにより、より安定した燃焼状態を実現することができる。

（８）本実施形態の水素燃焼ボイラ装置１は、エア差圧センサ３１の信号を燃料ガス流量制御部２０６と排気再循環流量制御部２０７に分岐する信号分岐部２０５を備え、排気再循環流量制御部２０７は、エア差圧センサ３１の信号によってダンパ５１の開度を調整する。
よって、同一の信号を分岐して用いるため、信号の誤差が抑制でき、燃料ガス流量と排気再循環流量の制御が簡単となる。

（９）本実施形態においては、燃料ガス流量制御部２０６は、エア差圧センサ３１の信号を燃料ガス流量調整弁９１の開度信号に変換し、この開度信号に基づいて燃料ガス流量調整弁９１の開度を調整すると共に、この開度信号を排気再循環流量制御部２０７に送信し、排気再循環流量制御部２０７は、この開度信号に基づいてダンパ５１の開度を調整する。
よって、同じ信号に基づいて、燃料ガス流量と排気再循環流量の制御を行うため、制御が簡便となる。

（１０）排気再循環流量制御部２０７は、エア差圧センサ３１によって検知された燃焼用空気流量が多いほど、ＥＧＲ率が低くなるように、ダンパ５１を制御する。
このような制御により、燃焼率が高いときにおいて、排気再循環に伴う送風量の増加を抑制している方向の制御となり、送風機の大型化の回避、送風機の電気代の抑制を図ることができる。一方、燃焼率が低いときにおいて、排気再循環に伴う送風量を高めている方向の制御となっており、低燃焼状態における燃料ガスの噴出速度の維持による燃焼状態の安定化、Ｏ２濃度のコントロールによる低ＮＯｘ化を図ることができる。

以上、本発明の水素燃焼ボイラ装置１の好ましい実施形態につき説明したが、本発明は、上述の実施形態に制限されるものではなく、適宜変更が可能である。

１ 水素燃焼ボイラ装置
１０ ボイラ本体
２０ 排気路
３０ 給気路
３１ エア差圧センサ
４０ 送風機
４１ インバータ
５０ 排気再循環路
５１ ダンパ
９０ 燃料ガス供給ライン
９１ 燃料ガス流量調整弁
２００ 制御部
２０２ 燃焼用空気流量制御部
２０３ 燃焼用空気流量信号取得部
２０４ 平均化処理部
２０５ 信号分岐部
２０６ 燃料ガス流量制御部
２０７ 排気再循環流量制御部
２０８ 記憶部

Claims (9)

1. 燃料ガスを燃焼させて給水を加熱するボイラ本体と、
   前記ボイラ本体に前記燃料ガスを供給する燃料ガス供給ラインと、
   前記ボイラ本体に燃焼用空気を供給する燃焼用空気供給ラインと、
   前記燃焼用空気供給ラインを流れる燃焼用空気流量を検知する燃焼用空気流量検知部と、
   前記燃焼用空気供給ラインの上流側に接続され前記燃焼用空気供給ラインに燃焼用空気を送り込む送風機と、
   前記ボイラ本体で燃料が燃焼されて発生した排ガスを排出する排気路と、
   前記排気路を流通する排ガスの一部を前記送風機に循環させる排気再循環路と、
   前記排気再循環路に設けられた、排気再循環流量を調整する排気再循環流量調整部と、
   前記燃焼用空気流量検知部によって検知された前記燃焼用空気流量に対応する信号に基づいて前記排気再循環流量調整部を制御する排気再循環流量制御部と、を備え、
   前記排気再循環流量制御部は、前記燃焼用空気流量検知部によって検知された前記燃焼用空気流量が多いほど、ＥＧＲ率が低くなるように、前記排気再循環流量調整部を制御する、ボイラ装置。
2. 前記ボイラ装置は、
   前記燃焼用空気流量と前記排気再循環流量との対応関係を記憶している記憶部を備え、
   前記排気再循環流量制御部は、前記燃焼用空気流量検知部によって検知された前記燃焼用空気流量と、前記記憶部に記憶されている前記燃焼用空気流量と前記排気再循環流量との対応関係に基づいて、前記排気再循環流量調整部を制御する、請求項１に記載のボイラ装置。
3. 前記記憶部に記憶されている前記燃焼用空気流量と前記排気再循環流量との対応関係が、一次関数の関係となるように設定されている、請求項２に記載のボイラ装置。
4. 前記ボイラ装置は、
   燃焼率と前記燃焼用空気流量との対応関係を記憶している記憶部と、
   前記燃焼用空気供給ラインを流れる前記燃焼用空気流量を調整する燃焼用空気流量調整
   部と、
   前記燃焼用空気流量調整部を制御する燃焼用空気流量制御部と、を備え、
   前記燃焼用空気流量制御部は、設定された燃焼率と、前記記憶部に記憶されている前記燃焼率と前記燃焼用空気流量との対応関係に基づいて、前記燃焼用空気流量調整部を制御する、請求項１～３のいずれか１項に記載のボイラ装置。
5. 前記記憶部に記憶されている前記燃焼率と前記燃焼用空気流量との対応関係が、一次関数の関係となるように設定されている、請求項４に記載のボイラ装置。
6. 前記ボイラ装置は、
   前記燃焼用空気流量検知部の信号の平均化処理を行う平均化処理部を更に備える、請求項１～５のいずれか１項に記載のボイラ装置。
7. 前記ボイラ装置は、
   前記燃料ガス供給ラインに配置され、燃料ガス流量を調整可能な燃料ガス流量調整部と、
   前記燃焼用空気流量検知部によって検知された前記燃焼用空気流量に対応する信号に基
   づいて前記燃料ガス流量調整部を制御する燃料ガス流量制御部と、を備える、請求項１～６のいずれか１項に記載のボイラ装置。
8. 前記ボイラ装置は、
   前記燃焼用空気流量検知部の信号を前記燃料ガス流量制御部と前記排気再循環流量制御部に分岐する信号分岐部を備え、
   前記排気再循環流量制御部は、前記燃焼用空気流量検知部の信号によって前記排気再循環流量調整部の開度を調整する、請求項７に記載のボイラ装置。
9. 前記燃料ガス流量制御部は、前記燃焼用空気流量検知部の信号を前記燃料ガス流量調整部の開度信号に変換し、前記開度信号に基づいて燃料ガス流量調整部の開度を調整すると共に、前記開度信号を前記排気再循環流量制御部に送信し、
   前記排気再循環流量制御部は、前記開度信号に基づいて前記排気再循環流量調整部の開度を調整する、請求項７に記載のボイラ装置。

Images