JPH09500954A - 低放出及び低過剰空気システム - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 低ＮＯｘ燃焼方式を用いる微粉炭燃焼式蒸気発生器（１０）は、非常に低い過剰空気レベルで運転される。これは、フライアッシュ中の未燃炭素を測定し、それから粉砕機（２４）を調節して微粉炭の粒径を制御し、所要の炭素レベルを維持することによって、可能である。

Description

【発明の詳細な説明】 低放出及び低過剰空気システム 発明の背景 本発明は、窒素酸化物の放出を低く生じさせると共に低過剰空気を用いる石炭 燃焼式蒸気発生装置及び方法に関する。 一酸化窒素（ＮＯ）及び窒素酸化物（ＮＯ₂）は、事実上すべての化石燃料の 燃焼過程の副産物である。歴史的には、燃焼の生成物に含有されるこれら無機化 合物の量はボイラの性能に影響を及ぼすのには少なく、それらの割合は一般に無 視されていた。しかしながら、最近、窒素の酸化物は太陽光と反応してスモッグ を発生する完全光化学オキシダント反応の構成要素のキーになることがわかった 。今日、ＮＯ₂及びＮＯ（以下これらを総称してＮＯｘと言う）の放出はアメリ カ合衆国及びその州の両当局によって規制されており、燃料燃焼装置の設計上考 慮すべき重要な問題となっている。 燃焼過程におけるＮＯｘの生成は、しばしば、反応に必要とされる窒素源の点 から説明されている。すなわち、ＮＯｘは、大気中の窒素と酸素との反応によっ て生じ（この生成物は“サーマルＮＯｘ”と称される）、又はすべての化石燃料 中に含まれている窒素化合物 が燃焼することによって生じる（この生成物は“フュエルＮＯｘ”と称されてい る）。サーマルＮＯｘの生成は、時間、温度及びＯ₂の濃度を減少することによ って減少することができる。他方、フュエルＮＯｘは全く温度には依存しないが 、しかし、燃料−空気化学量論及び滞留時間の非常に大きな函数である。フュエ ルＮＯｘを制御する多くの技術が開発されており、その技術には例えば低過剰空 気燃焼及び空気ステージングのような燃焼過程の改良が含まれている。富燃料状 態及び有効滞留時間が十分である下では、燃料に含まれている窒素がＮＯｘより も無害な分子状窒素に変換することを最大にすることができる。 ＮＯｘの生成を減少するのに用いられているひとつの開発された技術として、 米国特許第４，２９４，１７８号明細書に開示されているオフセット空気又は同 心燃焼の技術がある。この燃焼技術においては、タンゼンシャル燃焼が用いられ 、燃料及び一次燃焼用空気が炉の中央の仮想円に対して接線方向に導入されると 共に、二次燃焼用空気が前記仮想円よりも大きい同心の仮想円に対して接線方向 に導入される。この米国特許は、また、煙道ガスの再循環の使用を開示しており 、煙道ガスは燃料及び一次空気流れと二次空気流れとの間に接線方向に導入され る。この同心又はオフセット空気燃焼技術は、ＮＯｘの生成を減少し、また同時 に炉壁のスラッギング及び腐食を減少するのに有効であ る。 前述したように、ＮＯｘの生成を減少するための他の技術として、空気ステー ジング又はオーバファイア空気を使用する技術がある。この技術によれば、オー バファイア空気ノズルが最も上方の石炭ノズルの風箱に設けられている。そして 、総燃焼用空気の約２０％の空気がこれらのオーバファイア空気ノズルを通して 燃焼区域に導入される。その結果として、ファイアボールは多少亜当量空気の状 態である。そして、一般には１５〜２０％の過剰空気の範囲での低過剰空気燃焼 との組合せにより、ＮＯｘの生成は、全富燃料状態の下で燃料に含まれている窒 素化合物の大部分が気相に変換することによって、制御される。この酸素不足の 雰囲気において、発生した中間窒素化合物がＮ₂に変換する割合は最大に生じる 。これに続いて残りのオーバファイア空気を導入することにより、遅い燃焼速度 によって最大火炎温度を減少し、後の燃焼ステージにおけるサーマルＮＯｘの生 成を減少する。そして、より一層低いレベル（１５％以下）の過剰空気を用いる ことは、これによりＮＯｘの生成をより一層減少し、またプラント効率をより一 層増大することができるが、しかし、燃料の不完全燃焼が生じてフライアッシュ 中の未燃炭素が高レベルで生じるために、過去において実際的ではなかった。 発明の概要 本発明によれば、ひとつ又はそれ以上の低ＮＯｘ燃焼方式を用いる蒸気発生器 は、フライアッシュ中の炭素損失を制御しながら、さらに減少された過剰空気レ ベルで運転される。更に詳細に説明すれば、過剰空気レベルはＮＯｘの放出を減 少すると共に効率を増大するように減少され、かつ、二次空気とオーバファイア 空気とがＮＯｘの生成を最小にするように調節されると共に、石炭の粒径が炭素 損失を最小にするように制御される。 図面の簡単な説明 図１は、本発明が適用される石炭燃焼式蒸気発生器の一例を図解的に示す垂直 断面図である。 図２は、図１の２−２線の断面に沿って蒸気発生器の炉区域を示す平面図であ る。 図３は、ひとつのタンゼンシャル燃焼装置を前方から見て図解的に示す斜視図 である。 図４は、石炭の粒径の函数として、フライアッシュ中の炭素率（％）と過剰空 気率（％）との関係を示すグラフである。 図５は、本発明にしたがって測定される種々のパラメータ及び制御される種々 の函数を示す図である。 好適な実施例の説明 図面の図１は典型的な蒸気発生器１０を示し、この蒸気発生器１０は炉区域１ ２と、水平ガスパス１４と、後部パス１６とを有している。炉区域１２は水壁管 18 でライニングされており、この水壁管１８内で蒸気が発生させられる。また、水 平ガスパス１４及び後部パス１６は種々の熱交換器の組合せ、すなわち節炭器、 過熱器及び再熱器を収容しており、これらの熱交換器はすべてこの種蒸気発生器 では一般的なものであり、したがって図面では特別に符号を付けて示していない 。 図１に示される蒸気発生器１０は、公知のタンゼンシャル燃焼方式である。石 炭サイロ２０はフィーダ22に石炭を供給し、このフィーダ２２は複数の粉砕機24 に供給する石炭の流量を制御する。これらの粉砕機24は、石炭を粉砕する装置の みならず、粉砕機から排出される石炭の粒径を制御する調節可能な分級器を包含 している。また、熱い一次燃焼用空気がダクト２５によって粉砕機２４に供給さ れ、この一次空気は微粉炭を載せ、粉砕機を通過してバーナにまで運ぶ。この場 合、分級器を適当に調節することによって、適当な粒径の石炭粒子が一次燃焼用 空気によって排出されるが、過大の粒径の石炭粒子は粉砕ローラに再循環される 。このような型式の粉砕機は一般的なものであり、したがってここでは詳細には 説明しない。 粉砕された適当な粒径の石炭粒子は、一次燃焼用空気と一緒に、石炭パイプ２ ６を通して複数のタンゼンシャル燃焼方式風箱３０内の石炭ノズル２８（図３を 参照）に供給される。図３に示されるように、各風箱３０は、複数の石炭ノズル ２８と、複数の二次空気ノ ズル３２とを有する。これらの風箱３０は、図２に示されるように、空気プレナ ム３４によって互いに接続されている。また、図１に示されるように、燃焼ガス の熱を入来する空気に伝達する空気予熱器３６が、該空気を、一次空気としてダ クト２５を通して粉砕機24に、また二次空気としてダクト３８を通して空気プレ ナム３４及び風箱３０に、それぞれ供給する。空気プレナム３４と風箱３０との 間には、図２及び図３に参照符号４０で示されるダンパが設けられている。これ らのダンパ４０は、風箱３０の石炭粒子導入レベルにおいて風箱から炉内に供給 する空気の量を制御する。 図２に示されるように、同心燃焼方式が用いられており、広がる一次空気／石 炭ファイアボールによって二次空気の巻込みを減少するために、二次空気は隣接 する炉壁に向かって燃料から離れて向けられる。石炭及び一次空気はライン４４ に沿って炉中央の小さい仮想円４２に対して接線方向に向けられ、一方二次空気 はライン４６に沿って仮想円４２よりも大きくて同心の仮想円４８に対して接線 方向に向けられる。したがって、空気がファイアボールに有効に与えられること はなく、ＮＯｘの形成を減少する初期の炉化学量論をもたらす。また、炉の壁に 沿って向けられた空気は、スラッギング及び腐食を防止するのに有用である。フ ァイアボール中に酸素の欠乏を有するに加えて、炉壁に酸素濃度を維持できるか どうかが、低過剰空気運転 が成功するかどうかの限界である。 図３は、ひとつのタンゼンシャル燃焼方式風箱３０を簡略化して、ダンパ４０ 、石炭／一次空気ノズル28及び二次空気ノズル３２を示す図である。風箱３０の 頂部には複数のオーバファイア空気ノズル５０が設けられ、これらのオーバファ イア空気ノズル５０は同じく風箱３０が設けられているダンパ５２により制御さ れる。図３に示したタンゼンシャル燃焼方式風箱の変形として、石炭／一次空気 ノズル２８を（二次空気ノズル３２と交互に設ける代りに）一緒に集合せしめ、 燃焼速度及びそれ故温度及びＮＯｘ生成を制御する他の燃焼方式とすることがで きる。 しかして、本発明のひとつの目的は、２０％又はそれ以上の通常の過剰空気率 と比較して１５％以下、好適には５〜１０％の低い過剰空気率でもって燃焼過程 をなし遂げることにある。前述したように、過剰空気の単なる減少は未燃燃料を 生じさせ、この未燃燃料はフライアッシュ中の炭素としてあらわれる。多くの商 業的な装置をこの目的のために利用することができる。例えば、ひとつの技術に よれば、フライアッシュのサンプルを燃焼させて、炭素を二酸化炭素に変換させ 、それから既知量のフライアッシュによって生成された二酸化炭素の量が測定さ れる。炭素含量は、また、比抵抗及び中性子放射化技術によっても測定すること ができる。フライアッシュのサンプルは、好適には、蒸 気発生器の後部パス１６を去る又は空気予熱器３６を去る燃焼ガス流れ中からと られる。しかし、他の場所、例えば沈降分離装置のフライアッシュホッパ内から フライアッシュのサンプルをとることもできる。 図１に示されるように、フライアッシュ中の炭素を検出する検出器５４が、蒸 気発生器１０の後部パス16内であってこの後部パス内の熱変換器に続く場所に設 けられている。この検出器５４からの測定信号は制御装置５６に送られ、この制 御装置５６が粉砕機２４の分級器を制御して石炭の粒径を制御するようにする。 一般に、粉砕機の分級器は、単に最小粒径のセッティングで作動され、その結果 常に非常に細かい石炭粒子が提供されて少ない炭素が維持されるものと想定され る。しかしながら、環境のために必要とされるよりも小さな粒径のセッティング でもって粉砕機を作動することは好ましくないものである。すなわち、第１に、 必要とされるよりも小さな粒径のセッティングでもって粉砕機を作動するには相 当のエネルギを必要とし、このエネルギの必要は得ようとする利益と比較して考 えなければならない。また、もし分級器が非常に細かい粒径にセッティングされ ている場合には、分級器から粉砕ローラに再循環される大粒径の石炭粒子の量が 増大し、これにより粉砕機が新しい石炭を処理する能力が減少する。したがって 、これにより粉砕機の能力が蒸気発生器のために不十分となり、過度の粉砕機能 力が要求されることになる。 炭素検出器５４は、粉砕機の分級器のセッティングを制御するために、プラン ト作動制御装置５６を介して粉砕機２４に接続されている。 図４のグラフは、微粉炭の粒径の函数として、過剰空気率（％）とフライアッ シュ中の炭素率（％）との関係を示す。このグラフから、過剰空気率が減少する にしたがって、フライアッシュ中の炭素率が増大し、また粒径が減少するにした がってフライアッシュ中の炭素率が減少することを容易に見ることができる。ま た、たとえ過剰空気率が減少し、かつ粒径も減少されたとしても、フライアッシ ュ中の炭素率を所要のレベルに維持できることを見ることができる。もしフライ アッシュが例えばシンダーブロック又はアグレゲートのような副産物に用いられ る場合には、炭素率がわずかに５％のフライアッシュが処理のために送られ、フ ライアッシュ中の炭素のエネルギ損失と石炭を細かく粉砕するのに必要とされる エネルギとの間でトレードオフが行われる。このような例において、プラント効 率の解析は有益である。そのためのコンピュータ化したシステムは、オンライン でプラントデータを受け、プラント効率を計算する。それから、最大のプラント 効率によりフライアッシュ中の所要炭素率を決定する。利用できるこのようなシ ステムのひとつとして、コンバッション エンジニアリング トータル オン− ラ イン パフォーマンス システム（Ｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉ ｎｇ Ｔｏｔａｌ Ｏｎ−Ｌｉｎｅ Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ Ｓｙｓｔｅｍ： ＣＥＴＯＰＳ）がある。 図５は、測定される適当な作動パラメータとそれに対応して制御される函数と を図式的に示す。このシステムにおいて、一定の標準制御リンケージが維持され ている。燃料流量は負荷の測定に応じて蒸気ドラム圧力により維持され、また総 空気流量は煙道ガス中の酸素の測定により維持される。しかしながら、本発明に よれば、酸素の設定値は減少させられ、所要の低い量の過剰空気が得られる。煙 道ガス中で測定された NOxの生成量は、二次空気と比較してのオーバファイア 空気の割合を制御するのに用いられる。

【手続補正書】 【提出日】１９９６年６月２６日 【補正内容】 図面の図１を別紙のとおり訂正します。 【図１】

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 微粉炭燃焼式蒸気発生器を運転する方法において、 ａ）石炭を粉砕して、微粉炭を前記蒸気発生器内で燃焼させる段階と、 ｂ）過剰燃焼用空気を化学量論よりも上の１５％以下のレベルに維持する段階と 、 ｃ）フライアッシュ中の炭素率を測定する段階と、 ｄ）フライアッシュ中の炭素率を所要の率に確立する段階と、 ｅ）このフライアッシュ中の炭素の所要率を維持するように前記微粉炭の粒径を 調節する段階と、 を包含してなる方法。 ２ 請求項１記載の方法において、前記フライアッシュ中の炭素率を５％又はそ れ以下に維持するようにした方法。 ３ 請求項１記載の方法において、前記過剰燃焼用空気を化学量論よりも上の５ 〜１０％のレベルに維持するようにした方法。