JPH10267216A - 外部燃焼式過熱器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 焼却炉の廃熱ボイラから発電装置への蒸気を
過熱可能に構成してある外部燃焼式過熱器において、単
純な構造で安定した制御を可能としながら、蒸気流路の
過熱を防止する。 【解決手段】 燃焼室１からの燃焼ガス流路に蒸気過熱
路１０Ａを配置するとともに、燃焼室１の周壁２に沿っ
て輻射伝熱管路１０Ｂを配置して、輻射伝熱管路１０Ｂ
を蒸気過熱路１０Ａに流路接続し、焼却炉の廃熱ボイラ
から発電装置への蒸気を過熱可能に構成してある。さら
に、流路内の蒸気に水を添加する水添加機構１３を、輻
射伝熱管路１０Ｂの上流側の蒸気流路１０に配置してあ
る

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、外部燃焼式過熱器
に関し、詳しくは、焼却炉の廃熱ボイラから発電装置へ
の蒸気を過熱可能に構成してある外部燃焼式過熱器に関
する。

【０００２】

【従来の技術】従来、外部燃焼式過熱器においては、図
３に示すように、燃焼室１からの燃焼ガス流路に蒸気過
熱路１０Ａを配置して、前記燃焼室１からの燃焼排ガス
に接する蒸気過熱管１１を介して焼却炉の廃熱ボイラか
らの蒸気を過熱するように構成されている。

【０００３】前記燃焼室１には燃焼器４に燃料供給路５
からの天然ガス等のガス燃料が供給され、同時に空気供
給路６から燃焼用空気が供給されるように構成してあ
り、出口排ガスの一部を循環して、その一部を一次燃焼
室１の燃焼ガスに混合し、前記燃焼ガスを攪拌して、燃
焼ガス中の未燃成分と残存酸素との接触を促進すること
により二次燃焼室１Ｂで完全燃焼させるように構成して
ある。

【０００４】前記ガス燃料の供給量は、蒸気供給路２４
に配置した入口蒸気検出手段２０の温度検出部２０ａで
検出する廃熱ボイラからの供給蒸気の温度と及び流量検
出部２０ｂで検出する供給蒸気量に基づき設定され、燃
料供給路５に設けられた燃料調整弁５ａを調節して制御
され、前記燃焼用空気の供給量は、前記燃料調整弁５ａ
の調節に連動して流量調整弁６ａをＰＩＤ制御して調節
される。

【０００５】前記循環される燃焼ガスの他部を、前記燃
焼室１の周壁２に沿って冷却ガスとして室内に供給し
て、前記周壁を過熱から保護する冷却機構２ａを設けて
いる。これは、前記冷却ガスによって前記周壁２の内面
を冷却すると同時に、燃焼ガスの前記周壁２への接触を
防止するものであり、前記冷却ガスを前記燃焼ガス流路
に導いて、冷却熱を回収することを目的としている。こ
のように、前記排ガスの循環は、出口排ガス路１４から
排出される排ガスの顕熱を減少しようとするものでもあ
る。このために、前記出口排ガス路１４から分岐する排
ガス循環路１５を備え、循環ブロワ１６によって再び前
記燃焼室１に送り込まれるようにしてある。

【０００６】この過熱器Ｓにおいては、燃焼ガス温度を
極力高くする目的で、空気による火炎の冷却を避けるた
めに過剰空気率を極力低くし、且つ空気予熱器１７で燃
焼用空気に排ガスの熱を回収し、さらに前記のとおり攪
拌用ガスとして前記排ガス循環路１５からの循環排ガス
の一部を一次燃焼室１Ａの出口に吹き込んで、一次燃焼
室１Ａでの未燃ガスを残余の酸素と接触させて完全燃焼
させることを図っている。このために、二次燃焼室１Ｂ
の入口に拡散機構３を設けて、前記循環排ガスによる攪
拌効果を高めるようにし、さらに排ガスの顕熱を回収す
るようにしてある。

【０００７】前記燃焼室１出口の燃焼ガス温度は９００
℃以下に維持し、過熱器出口排ガス温度を約４００℃に
維持し、蒸気過熱路１０Ａ出口の過熱蒸気温度を５００
℃程度に維持して、蒸気過熱管１１の管壁温度を５３０
℃程度に抑えるように構成してある。このために燃焼制
御装置Ｃを設けて、前記燃焼室１出口に設けた燃焼ガス
温度検出手段１８の検出する前記燃焼室１出口の燃焼ガ
ス温度と、過熱器出口の前記燃焼ガス流路に配置した排
ガス検出手段１９の温度検出部１９ａで検出する排ガス
温度及び流量検出部１９ｂで検出する排ガス流量と、前
記入口蒸気検出手段２０の温度検出部２０ａで検出する
供給蒸気の温度及び流量検出部２０ｂで検出する供給蒸
気量と、蒸気過熱路１０Ａ出口に配置した出口蒸気検出
手段２１の温度検出部２１ａで検出する出口過熱蒸気温
度と、冷却ガス流路２２に設けた流量検出部２２ｂ及び
拡散用ガス流路２３に設けた流量検出部２３ｂで検出す
る排ガス循環量を入力して、前記空気供給路６に備える
流量調整弁６ａと、前記排ガス循環路１５に備える流量
調整弁１５ａと、前記冷却ガスを導く、前記排ガス循環
路１５から冷却ガス流路２２と分岐する拡散用ガス流路
２３に備える流量調整弁２３ａとを調節するように構成
してある。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】上記従来の外部燃焼式
過熱器においては、蒸気供給路２４を経て廃熱ボイラか
ら供給される蒸気量が低下すると過熱蒸気温度が高くな
り過ぎるという問題がある。そこで、前記入口蒸気検出
手段２０の流量検出部２０ｂで流量低下を検出すると、
燃焼器４への燃料供給量を減少すると同時に、過剰空気
の供給により燃焼ガス温度を低下させる対策が考えられ
るが、過剰空気により燃焼ガスを希釈して冷却しても、
管壁温度を急速に低下させることは困難であり、しか
も、過剰空気を供給すれば排ガス量が増加し、排ガスの
持ち出す顕熱に由来する熱損失の増大を招く。

【０００９】そこで出願人は、水添加機構１３を構成す
る水供給機構１３Ａから蒸気過熱路１０Ａ内の蒸気にそ
の乾き度が低下しすぎない範囲で水を添加し、さらに前
記出口蒸気検出手段２１の温度検出部２１ａで温度の必
要以上の上昇を検出すると、前記水添加機構１３の他の
構成要素である減温機構１３Ｂから蒸気過熱路１０Ａ内
の蒸気にさらに水を添加して過熱蒸気温度を低下させる
ようにすることを先に提案している（特願平４−１１５
６２３）。しかし、前記過熱蒸気温度の上昇が激しく、
殊に入口蒸気量の減少が激しい場合には、前記水添加機
構から添加される水が蒸気の湿り度を高める結果、蒸気
過熱管１１の内壁のエロージョン等の問題発生の原因と
なり易い。従って、上記対策は制御応答は速いものの、
その対策の有効な操作範囲が狭いという点に問題が残っ
ている。

【００１０】また、熱効率向上のために、従来の水冷壁
構造に代えて、燃焼室１の周壁２内面に沿って排ガスを
循環供給することによって、循環排ガスにより燃焼ガス
を希釈して冷却する燃焼室の冷却機構２ａを提案してい
る（特願平８−６０６５１）。しかし、循環排ガスによ
り冷却しても、上記過剰空気の添加と同様に蒸気過熱管
１１の管壁温度を急速に低下させることが困難である点
は解決していない。しかも、前記燃焼ガスの冷却と上記
水添加とを同時に制御することによって制御が複雑にな
る割りに制御応答性に乏しく、短時間で静定させること
に困難を伴うという問題が生じる。つまり、前記水添加
機構１３は制御応答が速く、一方、前記燃料供給量の減
少は、過熱器内の熱的慣性が大きいことから制御応答に
遅れを生じやすい点に問題を有している。そこで本発明
の外部燃焼式過熱器は、上記の問題点を解決し、単純な
構造で安定した制御を可能としながら、蒸気流路の過熱
を防止することを目的とする。

【００１１】

【課題を解決するための手段】

〔第１特徴構成〕上記の目的のための本発明の外部燃焼
式過熱器の第１特徴構成は、請求項１に記載の如く、燃
焼室からの燃焼ガス流路に蒸気過熱路を配置するととも
に、前記燃焼室の周壁に沿って輻射伝熱管路を配置し
て、前記輻射伝熱管路を前記蒸気過熱路に流路接続し、
焼却炉の廃熱ボイラから発電装置への蒸気を過熱可能に
構成してある点にある。 〔第１特徴構成の作用効果〕上記第１特徴構成によれ
ば、熱効率を改善しながら、蒸気流路を形成する蒸気過
熱管の管壁を過熱から保護することができる。つまり、
蒸気過熱路において燃焼ガスとの接触熱交換を図りなが
ら、流路接続され、燃焼室の周壁に沿って配置された輻
射伝熱管路において、燃焼ガスからの熱輻射を管路内蒸
気に吸収し、前記周壁への熱輻射を遮るので前記周壁を
過熱から保護しながら、前記周壁を冷却する手段を別途
設ける必要がないので、熱損失を大幅に低減できる。し
かも、前記周壁を燃焼ガスの熱輻射から保護したので、
燃焼ガス温度を高めることが可能であり、前記輻射伝熱
管路への燃焼ガスからの輻射熱伝達量を大幅に高めるこ
とが可能となる。さらに、前記輻射熱伝達量は、燃焼ガ
スの輝度に依存するので、前記燃焼ガスの輝度を調節す
れば、燃焼発熱量とは独立に、前記輻射伝熱管路への熱
伝達を制御できる。前記燃焼ガスの輝度は、ガス燃料を
主体として用いる場合、液体燃料の気化の程度を調節し
て、燃焼火炎中に噴射される液状の燃料の比率を調節す
ることによって制御可能であり、一次空気の供給量を通
常の空気量よりも少なくして、その空気不足の程度を調
節することによっても制御可能である。従って、燃焼入
熱量を必要に応じて調整しながら、前記輻射伝熱管路へ
の輻射熱伝達量を制御すれば、出口過熱蒸気温度を制御
することが容易となる。例えば、燃焼ガスを二次燃焼さ
せて、二次燃焼領域で完全燃焼させるようにすれば、燃
料効率は充分に維持できるようになる。その結果、単純
な構造で安定した制御を可能としながら、蒸気流路の過
熱を防止することが可能となる。

【００１２】〔第２特徴構成及び作用効果〕尚、本発明
の外部燃焼式過熱器の第２特徴構成は、請求項２に記載
の如く、前記第１特徴構成における輻射伝熱管路の上流
側の蒸気流路に、流路内の蒸気に水を添加する水添加機
構を配置してある点にあり、これによって、添加された
水は、前記輻射伝熱管路で加熱されるようになるので、
輻射伝熱量を燃焼ガス温度に対して独立に制御できる前
記輻射伝熱管路内で確実に加熱され蒸気として加熱され
るようになる。その結果、過熱器の制御性はさらに向上
する。

【００１３】

【発明の実施の形態】上記本発明の外部燃焼式過熱器の
実施の形態の一例について、以下に、図面を参照しなが
ら説明する。尚、前記従来の技術において説明した要素
と同じ要素並びに同等の機能を有する要素に関しては、
先の図３に付したと同一の符号を付し、詳細の説明の一
部は省略する。

【００１４】外部燃焼式過熱器Ｓは、模式的に図１に示
すように、燃焼室１からの燃焼ガス流路に蒸気過熱路１
０Ａを配置するとともに、前記燃焼室１の周壁２に沿っ
て輻射伝熱管路１０Ｂを配置して、前記輻射伝熱管路１
０Ｂを前記蒸気過熱路１０Ａに流路接続し、その入口に
焼却炉の廃熱ボイラからの蒸気路を接続し、供給された
蒸気を過熱して前記輻射伝熱管路１０Ｂ出口を、発電装
置への蒸気路を接続するように構成してある。

【００１５】前記燃焼室１は、一次燃焼室１Ａとその上
方に形成される二次燃焼室１Ｂとで構成してある。前記
一次燃焼室１Ａには、供給される灯油等の液体燃料の蒸
気と空気とを混合して着火し、前記一次燃焼室１Ａ内に
燃料を噴射して燃焼火炎を形成させる燃焼器４が設けら
れており、前記燃焼器４には、燃料供給路５と一次空気
路７とが接続されている。前記一次空気路７は、空気供
給路６に一次空気調整弁７ａを介して接続されており、
前記空気供給路６の流量調整弁６ａと前記一次空気調整
弁７ａとの間から二次空気路８を分岐して、前記一次燃
焼室１Ａと前記二次燃焼室１Ｂとの境界部に二次空気を
供給するように構成してある。こうして決定された所要
空気量に合わせて燃焼用空気の総量を前記流量調整弁６
ａで調節し、前記燃焼火炎を輝炎化するために設定され
た不足空気比に合わせて一次空気量を前記調整弁７ａに
よって調節するように構成してある。前記空気供給路６
には押込送風機９から燃焼用空気が供給される。尚、前
記燃焼器４には燃料を気化させる燃料気化機構（図示省
略）を備えており、前記燃料気化機構は、噴射する燃料
の少なくとも一部を気化できるように、燃料の気化率を
調整可能に構成されている。

【００１６】前記蒸気過熱路１０Ａは、前記二次燃焼室
１Ｂ上方の燃焼ガス流路に、前記燃焼室１からの燃焼ガ
スに接触可能に配置された蒸気過熱管１１で形成してあ
り、前記輻射伝熱管路１０Ｂは、前記燃焼室１の周壁２
に沿って上下方向姿勢に配置され、且つ前記周壁２に沿
って周方向に並設された複数の輻射伝熱管１２ｃの下方
の蒸気入口側を分配管１２ａで連結するとともに、前記
複数の輻射伝熱管１２ｃの上方の蒸気出口側を集合管１
２ｂで連結した輻射伝熱管群１２として形成してあり、
前記分配管１２ａの蒸気入口側を前記蒸気過熱路１０Ａ
を構成する蒸気過熱管１１の蒸気出口側に流路接続して
ある。さらに、前記蒸気過熱管１１と前記輻射伝熱管群
１２とを接続する蒸気流路１０に、流路内の蒸気に水を
添加する水添加機構１３を配置してある。前記蒸気過熱
管１１の蒸気入口側が過熱器Ｓの蒸気入口となり、前記
集合管１２ｂの蒸気出口側が過熱器Ｓの過熱蒸気出口と
なる。上記輻射伝熱管群１２は、複数の輻射伝熱管１２
ｃを周壁２の内面と離間して配置してあってもよく、ま
た、前記複数の輻射伝熱管１２ｃを連設してメンブレン
ウォールに形成して、前記周壁２の内面を構成するよう
に配置してあってもよい。

【００１７】前記二次燃焼室１Ｂの出口部に燃焼ガス温
度を検出する燃焼ガス温度検出手段１８を設け、過熱器
Ｓの出口部に燃焼ガス流路からの排ガスの温度を検出す
る温度検出部１９ａと排ガスの流量を検出する流量検出
部１９ｂとを備える排ガス検出手段１９を設けてある。
また、前記蒸気入口に入口蒸気の温度を検出する温度検
出部２０ａと流量を検出する流量検出部２０ｂとを備え
た入口蒸気検出手段２０を設け、前記過熱蒸気出口に出
口過熱蒸気の温度を検出する温度検出部２１ａを備える
出口蒸気検出手段２１を設けてある。そして、前記燃焼
ガス温度検出手段１８と前記排ガス検出手段１９と前記
入口蒸気検出手段２０と前記出口蒸気検出手段２１とか
らの入力に基づいて、前記燃焼器４への燃料供給量を調
節する前記燃料調整弁５ａと、前記燃焼器４への一次空
気供給量を調節する前記一次空気調整弁７ａと、前記水
添加機構１３とを制御する過熱器制御装置Ｃを備えてい
る。

【００１８】上述の外部燃焼式過熱器Ｓは、前記過熱器
制御装置Ｃによって以下のようにして制御される。先
ず、前記過熱器制御装置Ｃの供給空気量調節手段３０に
入口蒸気検出手段２０で検出した入口蒸気の温度と流量
を入力して所要熱量を算出し、燃料供給量を決定し、燃
料調整弁５ａを調節する。そして、検出した入口蒸気の
流量が少ないときは、所要水添加量を算出し、水添加機
構１３への水の添加量を調整する。同時に、前記燃焼器
４への燃料供給量を検出する流量計５ｂの検出結果に基
づき前記空気供給路６に備える流量調整弁６ａを比例制
御するようにしてある。次に前記供給空気量調節手段３
０の輝炎燃焼制御部３１に出口蒸気検出手段２１の温度
検出部２１ａで検出する出口過熱蒸気温度を入力して、
５００℃に維持するよう一次燃焼室１Ａにおける火炎の
輝度を調節するために、所要の不足空気率を算出し、一
次空気調整弁７ａを調節する。さらに、前記過熱器制御
装置Ｃでは、燃焼ガス温度検出手段１８の検出する燃焼
ガス温度を９００℃に維持するように、空気供給路６の
流量調整弁６ａの開度を補正する。次いで、排ガス検出
手段１９の温度検出部１９ａで検出する排ガスの温度に
基づき、前記燃料調整弁５ａ及び前記流量調整弁６ａの
開度を補正制御する。

【００１９】上述の構成により、本発明の外部燃焼式過
熱器においては、前記燃焼制御装置Ｃによる制御に対す
る燃焼ガス温度及び排ガス温度に関しての制御応答特性
が改善され、出口過熱蒸気温度の制御遅れが抑制され、
全体の制御の整合が図れた結果、静定の速い過熱器の制
御が実現できた。さらに、最終過熱段を竪型輻射伝熱管
群１２に形成した結果、水添加機構１３からの水の添加
量が過剰になって、前記竪型輻射伝熱管群１２に供給さ
れる蒸気が湿り蒸気になっても問題なく過熱蒸気を発生
でき、殊に、水分が多くなって輻射伝熱管１２ｃに水位
が生じても、前記竪型輻射伝熱管群１２は蒸発管として
機能するようになる。しかも、前記輻射伝熱管１２ｃの
総管路面積を他の蒸気流路よりも大きく出来るので、蒸
気流速を低下させることができる結果、単位容積当たり
の伝熱量を高く維持することが可能で、さらに蒸気の湿
りに起因するエロージョンの発生も防止できる。

【００２０】次に、本発明の他の実施の形態について説
明する。 〈１〉上記実施の形態に於いては、燃焼室１の周壁２に
沿って輻射伝熱管路１０Ｂを配置した例を示したが、前
記輻射伝熱管路１０Ｂを構成する輻射伝熱管群１２の一
部は燃焼室１内に配置してあってもよい。また、前記輻
射伝熱管群１２を前記燃焼室１から燃焼ガス流路にわた
って配置してあってもよい。 〈２〉上記実施の形態に於いては、輻射伝熱管路１０Ｂ
を蒸気過熱路１０Ａに流路接続し、蒸気過熱路１０Ａの
入口に焼却炉の廃熱ボイラからの蒸気路を接続し、前記
輻射伝熱管路１０Ｂ出口に発電装置への蒸気路を接続し
た例を示したが、前記輻射伝熱管路１０Ｂ出口にさらに
蒸気過熱路１０Ａを接続して、前記輻射伝熱管路１０Ｂ
下流側の蒸気過熱路１０Ａ出口に発電装置への蒸気路を
接続するようにしてもよい。 〈３〉上記実施の形態に於いては、燃焼室１を一次燃焼
室１Ａとその上方に形成される二次燃焼室１Ｂとで構成
してある例を示したが、その配置は例えば図３に示した
ように横配置であってもよい。 〈４〉上記実施の形態に於いては、燃焼室１を一次燃焼
室１Ａとその上方に形成される二次燃焼室１Ｂとで構成
して二段燃焼をさせるように構成した例を示したが、前
記燃焼室１を単一に構成して、二次空気路８を設けるこ
となく、単段燃焼させる燃焼室を構成してあってもよ
い。この場合、一次空気調整弁８ａは省略可能である。
尚、前記燃焼室１での燃料の燃焼火炎は必ずしも輝炎燃
焼でなくてもよく、燃焼器４から完全に気化した燃料を
噴射して、輻射伝熱管路１０Ｂ内の蒸気を前記燃焼火炎
のガス輻射により過熱するようにしてあってもよい。 〈５〉上記実施の形態に於いては、燃焼器４で液体燃料
を燃焼させる例を示したが、前記燃焼器４で燃焼させる
燃料は、ガス燃料であってもよく、不足空気燃焼させれ
ば燃焼火炎は確実に輝炎化する。尚、燃焼火炎の輝度
は、噴霧粒径の調整によってもよく、液体燃料の予熱温
度の調節によっても調節可能であり、また、二次空気の
吹き込み量によって調整するようにしてあってもよい。 〈６〉上記実施の形態に於いては、輻射伝熱管路１０Ｂ
を、燃焼室１の周壁２に沿って竪方向姿勢に配置され、
且つ前記周壁２に沿って周方向に並設された複数の輻射
伝熱管１２ｃの下方の蒸気入口側を分配管１２ａで連結
するとともに、前記複数の輻射伝熱管１２ｃの上方の蒸
気出口側を集合管１２ｂで連結した輻射伝熱管群１２と
して形成した例を示したが、例えば図２に示すように、
螺旋状に形成した輻射伝熱管１２ｃで輻射伝熱管路１０
Ｂを構成してあってもよい。このように構成すれば、前
記輻射伝熱管１２ｃを輻射伝熱管路１０Ｂとして蒸気流
路１０に比して流路断面を大きくすることにより蒸気の
滞留時間を長くとれるので、輻射伝熱量の変化の効果を
有効にできる。この輻射伝熱管１２ｃは、前記周壁２の
内面から離間して配置してあってもよく、前記周壁２の
内面に埋設してあってもよい。さらに、前記輻射伝熱管
１２ｃを並設した複数の管路で形成してあってもよい。
前記螺旋状の輻射伝熱管路１０Ｂは、燃焼ガス流の方向
に対向する蒸気流れ方向に（対向流として）配置したも
のを示してあるが、逆方向に（並行流として）配置して
あってもよい。 〈７〉上記図２に於いては、一次空気路７に一次空気調
整弁７ａを設ける代わりに二次空気路８に二次空気調整
弁８ａを設けた例を示したが、前記実施の形態における
空気調整弁のように配置してもよく、また、前記図１に
示した実施の形態に於いて、前記図２に示したような調
整弁の配置にすることも可能である。 〈８〉前記水添加機構１３は、図２に示すように、蒸気
過熱路１０Ａの入口側蒸気流路１０に配置した水供給機
構１３Ａと、輻射伝熱管路１０Ｂへの入口側蒸気流路１
０に配置した減温機構１３Ｂとで構成してあってもよ
い。 〈９〉外部燃焼式過熱器Ｓは、竪型のものを例示した
が、横型のものであってもよく、従来の技術に示したよ
うに、燃焼器４を横向きに配置したものであってもよ
い。

【００２１】尚、特許請求の範囲の項に図面との対照を
便利にするために符号を記すが、該記入により本発明は
添付図面の構成に限定されるものではない。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による外部燃焼式過熱器の一例を説明す
る模式図

【図２】本発明による外部燃焼式過熱器の他の例を説明
する模式図

【図３】従来の外部燃焼式過熱器の一例を示す説明図

【符号の説明】

１ 燃焼室 ２ 燃焼室の周壁 １０ 蒸気流路 １０Ａ 蒸気過熱路 １０Ｂ 輻射伝熱管路 １３ 水添加機構

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 燃焼室（１）からの燃焼ガス流路に蒸気
   過熱路（１０Ａ）を配置するとともに、 前記燃焼室（１）の周壁（２）に沿って輻射伝熱管路
   （１０Ｂ）を配置して、 前記輻射伝熱管路（１０Ｂ）を前記蒸気過熱路（１０
   Ａ）に流路接続し、 焼却炉の廃熱ボイラから発電装置への蒸気を過熱可能に
   構成してある外部燃焼式過熱器。
2. 【請求項２】 流路内の蒸気に水を添加する水添加機構
   （１３）を、前記輻射伝熱管路（１０Ｂ）の上流側の蒸
   気流路（１０）に配置してある請求項１記載の外部燃焼
   式過熱器。