JP3781706B2 - 灰溶融型ｕファイアリング燃焼ボイラの運転方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、微粉炭燃焼で燃焼温度を灰の溶流点近傍の高温に維持し、灰を溶融スラグ化させて水砕スラグとして排出する灰溶融型Ｕファイアリング燃焼ボイラの運転方法の改良に係り、その改良の第１点は、脱硝装置の能力を小さく抑えるか、或いは脱硝装置を備えることなく、極めて低いＮＯＸ排出値を得ることにあり、改良の第２点は、極めて低いＮＯＸ排出値を得ると共に、スラグスクリーン部の閉塞を検出し、その閉塞を解除することにある。
【０００２】
【従来の技術】
従来の灰溶融型Ｕファイアリング燃焼ボイラは、図７に示すように水冷壁の内面に耐火材を被覆した炉本体１と、炉本体１の天井部に下向きに取り付けられたバーナ２と、炉本体１の底部に設けた溶融スラグ排出用の流下口３と炉本体１の火炎が反転して上向きになる個所に設けた図８の断面図に示すスクリーン管４ａの多重配列のスラグスクリーン４とから成る燃焼炉５と、該燃焼炉５の下流に設けられた鉄皮がむき出しの収熱炉６及び過熱器管から成る対流伝熱部７で構成されている。前記スラグスクリーン４は、燃焼炉５と収熱炉６を遮断し、燃焼炉５内の輻射熱が収熱炉６へ逃げるのを防止して、燃焼炉側の温度降下を防止することと、燃焼ガス中に含まれる灰を捕捉し、下流側装置の負荷を下げることを目的として設置され、灰溶融型Ｕファイリング燃焼ボイラの低ＮＯＸ運転には欠くことのできないものである。８はスラグ水槽で、この中にスラグ排出コンベア９が設けられている。１０は炉本体１に設けた圧力検出ノズルである。１１は収熱炉６に設けた圧力検出ノズルである。１２は炉本体１に設けた二段燃焼空気吹き込み用のノズルである。燃焼炉５の耐火材は、バーナ２の部分からスラグスクリーン４を含めたスラグスクリーン後流の傾斜部まで被覆されていて、この範囲は、石炭灰が耐火材の表面に付着して炉内表面で溶融スラグ化して溶流し、石炭灰の溶流点近傍の高温度に維持される。燃焼炉５内の内表面に付着した灰のスラグ厚みは、石炭灰の融点ないしは溶流点に比例して変化し、石炭銘柄毎に、また負荷毎に異なった厚みになる。（関連する先行技術として米国特許第６．０５８．８５５号がある。）
【０００３】
上記の灰溶融型Ｕファイアリング燃焼ボイラの運転において、低ＮＯＸ 化のために、
▲１▼ 排ガス再循環
▲２▼ バーナ供給空気から分離した三次空気の燃焼炉内吹き込み
▲３▼ 微粉炭の細粉化
▲４▼ 燃料の再燃焼（リバーニング）
を試みてきたが、スラグスクリーン４の上流で等量空気量を投入し、石炭の燃焼を完結させて、燃焼炉内温度低下による溶融スラグ排出用の流下口３の閉塞やスラグスクリーン４のスクリーン管４ａでのクリンカ成長による閉塞を防止する必要があり、上記▲１▼、▲２▼、▲３▼の組み合わせでボイラ出口ＮＯＸ値は４００〜５００ｐｐｍ（Ｏ２６％換算値）が下限で、上記▲１▼、▲２▼、▲３▼、▲４▼の組み合わせでボイラ出口ＮＯＸ値は１５０ｐｐｍ（Ｏ２６％換算値）が下限となる。従って、公害規制値を守るためにはボイラ後流に脱硝装置を設置する必要があった。
【０００４】
ところで、石炭の燃焼に伴って排出される環境汚染物質のＮＯＸ量は、等量空気比を境にした酸化雰囲気と還元雰囲気並びに燃焼温度に依存し、酸化雰囲気では燃焼温度が高いほど多く、一方還元雰囲気では燃焼温度が高いほど少なくなる。石炭灰の融点付近の１４００℃では、酸化雰囲気の方が還元雰囲気よりも数１０から数１００倍高くなる。
【０００５】
また、前記の灰溶融型Ｕファイアリング燃焼ボイラの運転においては、ボイラ後流にある誘引ファンで、収熱炉６に設けられた圧力検出ノズル１１での圧力が−０．１〜−０．２ｋＰａになるように制御し、炉本体１に設けられた圧力検出ノズル１０での圧力は燃焼空気側の圧力として監視していた。圧力検出ノズル１０での圧力と圧力検出ノズル１１での圧力の差がスラグスクリーン４での圧力損失で、圧力検出ノズル１０での圧力はスラグスクリーン４のスクリーン管４ａに付着した灰のスラグ厚みによっても変化し、石炭銘柄毎に、また負荷毎に異なった値となった。
【０００６】
これまで圧力検出ノズル１０での圧力が増加した時、スラグスクリーン４で閉塞が発生したと判断していたが、上記の通り石炭銘柄毎にまた負荷毎に異なった値となるため、スラグスクリーン４での閉塞の判断が難しい。また、圧力の上昇は僅かずつであり、閉塞と判断した時は、かなり重症の閉塞状態で、灰溶融型Ｕファイアリング燃焼ボイラの運転を継続することは不可能であった。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
そこで本発明は、従来の灰溶融型Ｕファイアリング燃焼ボイラの前述の問題点を解消しようとするものであり、上記石炭燃焼時のＮＯＸ発生特性に着目して、灰溶融型Ｕファイアリング燃焼ボイラに設置される脱硝装置の能力を小さく抑えるか、或いは脱硝装置を備えることなく、石炭灰溶融スラグの排出を安定して維持しつつ極めて低いＮＯＸ排出値を得る運転方法を提供し、もって灰溶融型Ｕファイアリング燃焼ボイラの設備費及びランニングコストを低減しようとするものであり、また、上記運転方法において、スラグスクリーンの閉塞を短時間に正確に検出し、その閉塞を解除し、運転を安全に継続しようとするものである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するための本発明による灰溶融型Ｕファイアリング燃焼ボイラの運転方法の１つは、燃焼炉容積を５５〜６０％程度に縮小した上、該燃焼炉へのバーナからの供給空気量を等量比以下に絞って、燃焼炉内で微粉炭を燃料過剰気味に燃焼させて還元雰囲気の状態になし、燃焼炉内の温度を石炭の灰溶流点近傍に上昇させて、ＮＯＸ発生量を低減することを特徴とするものである。
【０００９】
上記の本発明の灰溶融型Ｕファイアリング燃焼ボイラの運転方法では、燃焼炉下流の収熱炉内に二段燃焼空気を吹き込んで燃焼を完結させ、ＮＯＸ排出値を低減させることが好ましい。
【００１０】
本発明による灰溶融型Ｕファイアリング燃焼ボイラの運転方法の他の１つは、上記の段落０００８又は０００９に記載の運転方法において、燃焼炉と燃焼炉下流の収熱炉との間のスラグスクリーンのスクリーン管入口部近傍とスクリーン管出口部に温度計を設け、入口部と出口部の温度差からスクリーン管の熱流束を算出し、その熱流束の値が３５ｋＷ／ｍ２以下になった時にスラグスクリーンの閉塞状態として検出し、検出後直ちにバーナから燃焼炉へ投入する供給空気量を増やし、炉内空気比を０．８よりも増やして、スクリーン管の熱流速の値を３５ｋＷ／ｍ２以上になしてスラグスクリーンの閉塞状態を解除することを特徴とするものである。
【００１１】
本発明による灰溶融型Ｕファイアリング燃焼ボイラの運転方法のさらに他の１つは、上記の段落０００８又は０００９に記載の運転方法において、燃焼炉と燃焼炉下流の収熱炉との間のスラグスクリーンのスクリーン管入口部近傍とスクリーン管出口部に温度計を設け、部分負荷運転時、入口部と出口部の温度差からスクリーン管の熱流束を算出し、その熱流束の値が３５ｋＷ／ｍ２以下になった時にスラグスクリーンの閉塞状態として検出し、検出後直ちにバーナから燃焼炉への燃料投入量と供給空気量を増やし、スラグスクリーンの通過ガス温度を上げ、スクリーン管の熱流束の値を３５ｋＷ／ｍ２以上になしてスラグスクリーンの閉塞状態を解除することを特徴とするものである。
【００１２】
本発明による灰溶融型Ｕファイアリング燃焼ボイラの運転方法の別の１つは、上記の段落０００８又は０００９に記載の運転方法において、燃焼炉と燃焼炉下流の収熱炉との間のスラグスクリーンのスクリーン管入口部近傍とスクリーン管出口部に温度計を設け、入口部と出口部の温度差からスクリーン管の熱流束を算出し、その熱流束の値が３５ｋＷ／ｍ２以下になった時にスラグスクリーンの閉塞状態として検出し、検出後直ちに燃焼炉へ灰の融点降下剤を投入し、スラグの融点を下げて流下し易くすると共にスラグスクリーンに付着するスラグ量を減少させ、スラグスクリーンの閉塞状態を解除することを特徴とするものである。
【００１３】
【発明の実施の形態】
先ず、本発明による灰溶融型Ｕファイアリング燃焼ボイラの運転方法の１つの実施形態を説明する。従来の図７に示す灰溶融型Ｕファイアリング燃焼ボイラでバーナ２へ供給する空気量を等量比の８０％（即ち、バーナ空気比を０．８）程度まで絞って運転すると、燃焼炉５内で発生する熱量も３０％程度減少して、燃焼炉５内の温度は約１００℃低下して、スラグの厚みは１．５〜１．６倍程度増加する。これによって、排出されるスラグの温度も低下し、安定したスラグの排出が難しくなり、スラグスクリーン４のスクリーン管４ａに付着するスラグが増えて、スラグ外径が太くなって、一部でクリンカが成長して運転持続が困難となる。そこで本発明では、図１に示すように灰溶融型Ｕファイアリング燃焼ボイラの仮想線に示すこれまでのスラグスクリーン４で等量比１となるような燃焼炉５の炉容積（１００％）を、実線に示すように５５〜６０％程度に縮小する。燃焼炉５の炉容積を５５〜６０％程度に縮小する理由は、バーナ２へ供給する空気量を等量比の８０％程度まで絞って運転すると、微粉炭の一部はＣＯまでの反応で止まり、発生熱量は経験的に等量比の時の７０％程度となるので、スラグスクリーン４を通過する時のガス温度を既存技術と同等に抑えるためには０．７３／２＝０．５８６の容積となることから、５５〜６０％程度の容積とするものである。これより大き過ぎると、スラグスクリーン４での閉塞が生じ、小さ過ぎるとスクリーン管４ａがむき出しとなって灰溶融炉としての機能が損われるからである。このように燃焼炉５の炉容積を５５〜６０％程度に縮小した上、該燃焼炉５へのバーナ２からの供給空気量を等量比以下に絞って、燃焼炉５内で微粉炭を燃料過剰気味に燃焼させて還元雰囲気の状態になし、燃焼炉５内の温度を石炭の灰溶流点近傍に上昇させる。これにより燃焼炉５内の温度はこれまでの仮想線に示す燃焼炉５とほぼ同等となって、スラグ厚みも同等となり、還元雰囲気の状態でも流下口３から安定したスラグ排出が可能となり、スラグはスラグ水槽８内のスラグ排出コンベア９上に排出されて搬送される。と同時に燃焼炉５内でのＮＯＸ発生量が低減される。即ち、バーナ２から燃焼炉５内に投入された微粉炭中のＮ分は、揮発成分とともにＨＣＮ、ＮＨ３に転換されて放出され酸化されて一部がＮＯとなる。高温還元雰囲気下では一部のＮＯがＮ２に還元されてＮＯＸは低減される。
【００１４】
微粉炭は燃焼炉５内で空気不足で燃焼し、発生したＣＯガスは収熱炉６内に送り込まれるので、ＣＯの燃え切りに適したポイント、例えば収熱炉６内の温度が１２００℃以上のポイントに、ノズル１３から二段燃焼空気を吹き込んで燃焼を完結させると、ＮＯＸ排出値が低減される。図２にスラグスクリーン４の上流で燃焼炉５内にノズル１２から二段燃焼空気を吹き込んだ従来の運転方法とスラグスクリーン４の下流の収熱炉６内にノズル１３から二段燃焼空気を吹き込んだ本発明の運転方法とで、バーナ空気比を絞った結果のＮＯＸ値の変化を示す。この図２で判るように本発明の運転方法ではバーナ空気比を絞ってスラグスクリーン４の下流の収熱炉６内にノズル１３から二段燃焼空気を吹き込むと、ＮＯＸ低減効果が大きくなる。また、図２にはバーナ空気比を同じにして二段燃焼空気の吹き込み位置をずらしてバーナ２からの滞留時間を横軸にした結果が示されていて、バーナ２から二段燃焼空気吹き込みまでの滞留時間が長いほどＮＯＸ低減効果が大きくなることが判る。
【００１５】
次に本発明による灰溶融型Ｕファイアリング燃焼ボイラの運転方法の他の１つの実施形態を説明する。上記の運転方法において、灰溶融型Ｕファイアリング燃焼ボイラは、ボイラの構造が複雑なため、ボイラ型式は貫流型ボイラが採用されるのが一般的である。この貫流型ボイラの節炭器を出た水の温度は蒸発温度よりも低いので、図３に示すように節炭器１６を出た後一番始めにスラグスクリーン４へ給水し、燃焼炉５、収熱炉６を経て対流伝熱部７に至るように図４に示す蒸発器系統を構成する。このような蒸発器系統を構成した上で、図３に示すスラグスクリーン４のスクリーン管入口管寄１４の近傍の上流に温度計Ｔ１を設け、スクリーン管出口管寄１５の近傍の上流に温度計Ｔ２を設け、両温度計Ｔ１、Ｔ２によりスクリーン管入口管寄１４の温度とスクリーン管出口管寄１５の温度を測定し、その両温度の温度差からスクリーン管４ａの熱流束を算出してこれを監視する。
スクリーン管４ａの熱流束は次の式で算出される。
熱流束＝１．１６３×給水流量×水の比熱×（出口温度−入口温度）／スクリーン管表面積（Ｗ／ｍ２）
灰溶融型Ｕファイアリング燃焼ボイラのスクリーン管４ａの熱流束は、石炭銘柄毎に、また負荷毎に異なった値となるが、正常な状態で１４０〜１４５ｋＷ／ｍ２であり、３５ｋＷ／ｍ２以下になるとスラグスクリーン４は閉塞状態となる。従って、熱流束を算出し、その値を監視し、３５ｋＷ／ｍ２以下になった時にスラグスクリーン４の閉塞状態として検出する。
【００１６】
上記のようにスラグスクリーン４のスクリーン管４ａの熱流束を算出し、これを監視することによりスラグスクリーン４の閉塞を検出する理由を以下に述べる。燃焼炉５へのバーナ２からの供給空気量を等量比以下として前述の運転方法のように低ＮＯＸ運転すると、図５に示すように１３：００〜１８：００まで収熱炉６内の圧力は殆んど変化していないのに燃焼炉５内の圧力は徐々に増加し、スラグスクリーン４もしくはスラグスクリーン４の後流でクリンカが成長して圧力損失が増加していることがうかがえる。従来は、燃焼炉５内の圧力が徐々に増加してから圧力変動が大きくなる約３時間後の１６：００頃に燃焼炉５へ投入するバーナ燃焼空気流量を図５に示すように増やし、収熱炉６内への二段燃焼空気流量を減らして、燃焼炉５内の燃焼量を増やしてやり、燃焼炉５内の圧力を低下させて、閉塞回避操作を行っていた。ところで、図６に示すスラグスクリーン４の熱流束を見ると、燃焼炉５内の圧力が徐々に増加し始めた１３：３０頃には、スラグスクリーン４の熱流束が３５ｋＷ／ｍ２以下に低下し、スラグスクリーン４の閉塞が生じている。そこで、本発明では、図６に示すようにバーナ燃焼空気流量を増やし収熱炉６内への二段燃焼空気流量を減らしてやると、スラグスクリーン４の熱流束は３５ｋＷ／ｍ２以上となって、スラグスクリーン４での閉塞が解消される。従って、従来のように燃焼炉５内の圧力を監視していた場合は、スラグスクリーン４の閉塞を判断するのに３時間近くもかかるが、本発明のようにスラグスクリーン４の熱流束を監視すれば短時間でスラグスクリーン４の閉塞を判断でき、直ちにスラグスクリーン４の閉塞回避の対応を採ることができる。即ち、スラグスクリーン４の閉塞状態を検出後、直ちにバーナ２から燃焼炉５へ投入する燃焼空気流量を図６に示すように増やし、収熱炉６内への二段燃焼空気流量を減らし、燃焼炉５の炉内空気比を０．８よりも増やして、スラグスクリーン４のスクリーン管４ａの熱流束の値を３５ｋＷ／ｍ２以上になしてスラグスクリーン４の閉塞状態を解除して灰溶融型Ｕファイアリング燃焼ボイラを運転する。この運転により灰溶融型Ｕファイアリング燃焼ボイラのボイラ出口のＮＯＸ値が大きくなるので、後流に脱硝装置を備えている場合は、アンモニアの消費量を増やしてやり、脱硝装置を備えていない場合は、ＮＯＸ規制値内まで炉内空気比を増やしてやる。
【００１７】
本発明による灰溶融Ｕファイアリング燃焼ボイラの運転方法のさらに他の１つの実施形態を説明する。前述の運転方法のように低ＮＯＸ運転において、灰溶融型Ｕファイアリング燃焼ボイラの部分負荷運転時、前記と同様にスラグスクリーン４の閉塞状態を検出後、直ちにバーナ２からの燃焼炉５への燃料投入量と供給空気量を増やし、スラグスクリーン４を通過するガスの温度を上げ、スラグスクリーン４のスクリーン管４ａの熱流束の値を３５ｋＷ／ｍ２以上になしてスラグスクリーン４の閉塞状態を解除して溶融型Ｕファイアリング燃焼ボイラを運転する。この場合、発電出力が増えるので、系統内の他のボイラの負荷を下げてやるとよい。
【００１８】
スラグスクリーンの閉塞状態を解除する本発明による灰溶融Ｕファイアリング燃焼ボイラの運転方法の別の１つの実施形態を説明する。前述の運転方法のように低ＮＯＸ運転において、前記と同様にスラグスクリーン４の閉塞状態を検出後、直ちに燃焼炉５へ灰の融点降下剤を投入し、スラグの融点を下げて燃焼炉内表面に付着するスラグ厚みを薄くすることで溶融スラグ排出用の流下口３から溶融スラグを流下し易くすると共にスラグスクリーン４に付着するスラグ量を減少させ、スラグスクリーン４の閉塞状態を解除して灰溶融型Ｕファイアリング燃焼ボイラを運転する。灰の融点降下剤としては、石灰石、ドロマイト、鉄鉱石、酸化鉄粉等を用いる。例えば石灰石投入による燃焼炉５内の温度降下は、微粉炭を１００として１％の投入量の場合は６０℃、２％の投入量の場合は９０℃、２．８％の投入量の場合は１２０℃である。
【００１９】
【発明の効果】
以上の説明で判るように本発明による灰溶融型Ｕファイアリング燃焼ボイラの基本的な運転方法によれば、燃焼炉を高温還元雰囲気になして石炭灰溶融スラグの排出を安定して維持しつつ燃焼炉下流の収熱炉での二段燃焼空気吹き込みまでの微粉炭不完全燃焼によるＣＯの滞留時間を長くとってＮＯＸの低減を図ることができるので、従来の灰溶融型Ｕファイアリング燃焼ボイラのＮＯＸエミッションを１／３程度に低減することができる。また、灰溶融型Ｕファイアリング燃焼ボイラに設置される脱硝装置を省略、または脱硝装置の能力を小さく抑えることができ、つまり低脱硝率の設備に小型化でき、灰溶融型Ｕファイアリング燃焼ボイラの設備費及びランニングコストを低減できる。
【００２０】
また、本発明による灰溶融型Ｕファイアリング燃焼ボイラの他の運転方法によれば、前記の低ＮＯＸ運転において、スラグスクリーン閉塞を短時間で正確に検出し、そのスラグスクリーンの閉塞状態検出後、直ちにスラグスクリーンのスクリーン管の熱流束の値を上げたり、灰の融点降下剤の投入によりスラグの融点を下げて流下し易くすると共にスラグスクリーンに付着するスラグ量を減少させたりして、スラグスクリーンの閉塞を解除した運転を行うことができるので、灰溶融型Ｕファイアリング燃焼ボイラの運転を安全に継続することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のＮＯＸ低減方法を実施する灰溶融型Ｕファイアリング燃焼ボイラを示す概略図である。
【図２】スラグスクリーン上流で燃焼炉内に二段燃焼空気を吹き込んだ従来の方法とスラグスクリーン下流の収熱炉内に二段燃焼空気を吹き込んだ本発明の方法とで、バーナ空気比を絞った結果のＮＯＸ値の変化及びバーナ空気比を同じにして二段燃焼空気の吹き込み位置をずらしてバーナからの滞流時間を横軸にした結果を示すグラフである。
【図３】本発明のスラグスクリーン閉塞検出方法を実施する灰溶融型Ｕファイアリング燃焼ボイラを示す概略図である。
【図４】図３の灰溶融型Ｕファイアリング燃焼ボイラにおいて構成する蒸発器手続を示すブロック図である。
【図５】灰溶融型Ｕファイアリング燃焼ボイラの運転において、従来技術によるスラグスクリーン閉塞回避操作を行う際の燃焼炉内圧力、収熱炉内圧力、バーナ燃焼空気流量、二段燃焼空気流量の関係を経時変化にもとづいて示したチャート図である。
【図６】灰溶融型Ｕファイアリング燃焼ボイラの運転において、本発明によるスラグスクリーン閉塞回避操作を行う際の燃焼炉内圧力、収熱炉内圧力、バーナ燃焼空気流量、二段燃焼空気流量、スラグスクリーン熱流束の関係を経時変化にもとづいて示したチャート図である。
【図７】従来の灰溶融型Ｕファイアリング燃焼ボイラを示す概略図である。
【図８】図７のＡ−Ａ線拡大断面図である。
【符号の説明】
１ 炉本体
２ バーナ
３ 溶融スラグ排出用の流下口
４ スラグスクリーン
４ａ スクリーン管
５ 燃焼炉
６ 収熱炉
７ 対流伝熱部
８ スラグ水槽
９ スラグ排出コンベア
１０ 炉本体に設けた圧力検出ノズル
１１ 収熱炉に設けた圧力検出ノズル
１２ 燃焼炉の炉本体に設けた二段燃焼空気吹き込み用のノズル
１３ 収熱炉に設けた二段燃焼空気吹き込み用のノズル
１４ スクリーン管入口管寄
１５ スクリーン管出口管寄
１６ 節炭器
Ｔ１、Ｔ２ 温度計
【発明の属する技術分野】
本発明は、微粉炭燃焼で燃焼温度を灰の溶流点近傍の高温に維持し、灰を溶融スラグ化させて水砕スラグとして排出する灰溶融型Ｕファイアリング燃焼ボイラの運転方法の改良に係り、その改良の第１点は、脱硝装置の能力を小さく抑えるか、或いは脱硝装置を備えることなく、極めて低いＮＯＸ排出値を得ることにあり、改良の第２点は、極めて低いＮＯＸ排出値を得ると共に、スラグスクリーン部の閉塞を検出し、その閉塞を解除することにある。
【０００２】
【従来の技術】
従来の灰溶融型Ｕファイアリング燃焼ボイラは、図７に示すように水冷壁の内面に耐火材を被覆した炉本体１と、炉本体１の天井部に下向きに取り付けられたバーナ２と、炉本体１の底部に設けた溶融スラグ排出用の流下口３と炉本体１の火炎が反転して上向きになる個所に設けた図８の断面図に示すスクリーン管４ａの多重配列のスラグスクリーン４とから成る燃焼炉５と、該燃焼炉５の下流に設けられた鉄皮がむき出しの収熱炉６及び過熱器管から成る対流伝熱部７で構成されている。前記スラグスクリーン４は、燃焼炉５と収熱炉６を遮断し、燃焼炉５内の輻射熱が収熱炉６へ逃げるのを防止して、燃焼炉側の温度降下を防止することと、燃焼ガス中に含まれる灰を捕捉し、下流側装置の負荷を下げることを目的として設置され、灰溶融型Ｕファイリング燃焼ボイラの低ＮＯＸ運転には欠くことのできないものである。８はスラグ水槽で、この中にスラグ排出コンベア９が設けられている。１０は炉本体１に設けた圧力検出ノズルである。１１は収熱炉６に設けた圧力検出ノズルである。１２は炉本体１に設けた二段燃焼空気吹き込み用のノズルである。燃焼炉５の耐火材は、バーナ２の部分からスラグスクリーン４を含めたスラグスクリーン後流の傾斜部まで被覆されていて、この範囲は、石炭灰が耐火材の表面に付着して炉内表面で溶融スラグ化して溶流し、石炭灰の溶流点近傍の高温度に維持される。燃焼炉５内の内表面に付着した灰のスラグ厚みは、石炭灰の融点ないしは溶流点に比例して変化し、石炭銘柄毎に、また負荷毎に異なった厚みになる。（関連する先行技術として米国特許第６．０５８．８５５号がある。）
【０００３】
上記の灰溶融型Ｕファイアリング燃焼ボイラの運転において、低ＮＯＸ 化のために、
▲１▼ 排ガス再循環
▲２▼ バーナ供給空気から分離した三次空気の燃焼炉内吹き込み
▲３▼ 微粉炭の細粉化
▲４▼ 燃料の再燃焼（リバーニング）
を試みてきたが、スラグスクリーン４の上流で等量空気量を投入し、石炭の燃焼を完結させて、燃焼炉内温度低下による溶融スラグ排出用の流下口３の閉塞やスラグスクリーン４のスクリーン管４ａでのクリンカ成長による閉塞を防止する必要があり、上記▲１▼、▲２▼、▲３▼の組み合わせでボイラ出口ＮＯＸ値は４００〜５００ｐｐｍ（Ｏ２６％換算値）が下限で、上記▲１▼、▲２▼、▲３▼、▲４▼の組み合わせでボイラ出口ＮＯＸ値は１５０ｐｐｍ（Ｏ２６％換算値）が下限となる。従って、公害規制値を守るためにはボイラ後流に脱硝装置を設置する必要があった。
【０００４】
ところで、石炭の燃焼に伴って排出される環境汚染物質のＮＯＸ量は、等量空気比を境にした酸化雰囲気と還元雰囲気並びに燃焼温度に依存し、酸化雰囲気では燃焼温度が高いほど多く、一方還元雰囲気では燃焼温度が高いほど少なくなる。石炭灰の融点付近の１４００℃では、酸化雰囲気の方が還元雰囲気よりも数１０から数１００倍高くなる。
【０００５】
また、前記の灰溶融型Ｕファイアリング燃焼ボイラの運転においては、ボイラ後流にある誘引ファンで、収熱炉６に設けられた圧力検出ノズル１１での圧力が−０．１〜−０．２ｋＰａになるように制御し、炉本体１に設けられた圧力検出ノズル１０での圧力は燃焼空気側の圧力として監視していた。圧力検出ノズル１０での圧力と圧力検出ノズル１１での圧力の差がスラグスクリーン４での圧力損失で、圧力検出ノズル１０での圧力はスラグスクリーン４のスクリーン管４ａに付着した灰のスラグ厚みによっても変化し、石炭銘柄毎に、また負荷毎に異なった値となった。
【０００６】
これまで圧力検出ノズル１０での圧力が増加した時、スラグスクリーン４で閉塞が発生したと判断していたが、上記の通り石炭銘柄毎にまた負荷毎に異なった値となるため、スラグスクリーン４での閉塞の判断が難しい。また、圧力の上昇は僅かずつであり、閉塞と判断した時は、かなり重症の閉塞状態で、灰溶融型Ｕファイアリング燃焼ボイラの運転を継続することは不可能であった。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
そこで本発明は、従来の灰溶融型Ｕファイアリング燃焼ボイラの前述の問題点を解消しようとするものであり、上記石炭燃焼時のＮＯＸ発生特性に着目して、灰溶融型Ｕファイアリング燃焼ボイラに設置される脱硝装置の能力を小さく抑えるか、或いは脱硝装置を備えることなく、石炭灰溶融スラグの排出を安定して維持しつつ極めて低いＮＯＸ排出値を得る運転方法を提供し、もって灰溶融型Ｕファイアリング燃焼ボイラの設備費及びランニングコストを低減しようとするものであり、また、上記運転方法において、スラグスクリーンの閉塞を短時間に正確に検出し、その閉塞を解除し、運転を安全に継続しようとするものである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するための本発明による灰溶融型Ｕファイアリング燃焼ボイラの運転方法の１つは、燃焼炉容積を５５〜６０％程度に縮小した上、該燃焼炉へのバーナからの供給空気量を等量比以下に絞って、燃焼炉内で微粉炭を燃料過剰気味に燃焼させて還元雰囲気の状態になし、燃焼炉内の温度を石炭の灰溶流点近傍に上昇させて、ＮＯＸ発生量を低減することを特徴とするものである。
【０００９】
上記の本発明の灰溶融型Ｕファイアリング燃焼ボイラの運転方法では、燃焼炉下流の収熱炉内に二段燃焼空気を吹き込んで燃焼を完結させ、ＮＯＸ排出値を低減させることが好ましい。
【００１０】
本発明による灰溶融型Ｕファイアリング燃焼ボイラの運転方法の他の１つは、上記の段落０００８又は０００９に記載の運転方法において、燃焼炉と燃焼炉下流の収熱炉との間のスラグスクリーンのスクリーン管入口部近傍とスクリーン管出口部に温度計を設け、入口部と出口部の温度差からスクリーン管の熱流束を算出し、その熱流束の値が３５ｋＷ／ｍ２以下になった時にスラグスクリーンの閉塞状態として検出し、検出後直ちにバーナから燃焼炉へ投入する供給空気量を増やし、炉内空気比を０．８よりも増やして、スクリーン管の熱流速の値を３５ｋＷ／ｍ２以上になしてスラグスクリーンの閉塞状態を解除することを特徴とするものである。
【００１１】
本発明による灰溶融型Ｕファイアリング燃焼ボイラの運転方法のさらに他の１つは、上記の段落０００８又は０００９に記載の運転方法において、燃焼炉と燃焼炉下流の収熱炉との間のスラグスクリーンのスクリーン管入口部近傍とスクリーン管出口部に温度計を設け、部分負荷運転時、入口部と出口部の温度差からスクリーン管の熱流束を算出し、その熱流束の値が３５ｋＷ／ｍ２以下になった時にスラグスクリーンの閉塞状態として検出し、検出後直ちにバーナから燃焼炉への燃料投入量と供給空気量を増やし、スラグスクリーンの通過ガス温度を上げ、スクリーン管の熱流束の値を３５ｋＷ／ｍ２以上になしてスラグスクリーンの閉塞状態を解除することを特徴とするものである。
【００１２】
本発明による灰溶融型Ｕファイアリング燃焼ボイラの運転方法の別の１つは、上記の段落０００８又は０００９に記載の運転方法において、燃焼炉と燃焼炉下流の収熱炉との間のスラグスクリーンのスクリーン管入口部近傍とスクリーン管出口部に温度計を設け、入口部と出口部の温度差からスクリーン管の熱流束を算出し、その熱流束の値が３５ｋＷ／ｍ２以下になった時にスラグスクリーンの閉塞状態として検出し、検出後直ちに燃焼炉へ灰の融点降下剤を投入し、スラグの融点を下げて流下し易くすると共にスラグスクリーンに付着するスラグ量を減少させ、スラグスクリーンの閉塞状態を解除することを特徴とするものである。
【００１３】
【発明の実施の形態】
先ず、本発明による灰溶融型Ｕファイアリング燃焼ボイラの運転方法の１つの実施形態を説明する。従来の図７に示す灰溶融型Ｕファイアリング燃焼ボイラでバーナ２へ供給する空気量を等量比の８０％（即ち、バーナ空気比を０．８）程度まで絞って運転すると、燃焼炉５内で発生する熱量も３０％程度減少して、燃焼炉５内の温度は約１００℃低下して、スラグの厚みは１．５〜１．６倍程度増加する。これによって、排出されるスラグの温度も低下し、安定したスラグの排出が難しくなり、スラグスクリーン４のスクリーン管４ａに付着するスラグが増えて、スラグ外径が太くなって、一部でクリンカが成長して運転持続が困難となる。そこで本発明では、図１に示すように灰溶融型Ｕファイアリング燃焼ボイラの仮想線に示すこれまでのスラグスクリーン４で等量比１となるような燃焼炉５の炉容積（１００％）を、実線に示すように５５〜６０％程度に縮小する。燃焼炉５の炉容積を５５〜６０％程度に縮小する理由は、バーナ２へ供給する空気量を等量比の８０％程度まで絞って運転すると、微粉炭の一部はＣＯまでの反応で止まり、発生熱量は経験的に等量比の時の７０％程度となるので、スラグスクリーン４を通過する時のガス温度を既存技術と同等に抑えるためには０．７３／２＝０．５８６の容積となることから、５５〜６０％程度の容積とするものである。これより大き過ぎると、スラグスクリーン４での閉塞が生じ、小さ過ぎるとスクリーン管４ａがむき出しとなって灰溶融炉としての機能が損われるからである。このように燃焼炉５の炉容積を５５〜６０％程度に縮小した上、該燃焼炉５へのバーナ２からの供給空気量を等量比以下に絞って、燃焼炉５内で微粉炭を燃料過剰気味に燃焼させて還元雰囲気の状態になし、燃焼炉５内の温度を石炭の灰溶流点近傍に上昇させる。これにより燃焼炉５内の温度はこれまでの仮想線に示す燃焼炉５とほぼ同等となって、スラグ厚みも同等となり、還元雰囲気の状態でも流下口３から安定したスラグ排出が可能となり、スラグはスラグ水槽８内のスラグ排出コンベア９上に排出されて搬送される。と同時に燃焼炉５内でのＮＯＸ発生量が低減される。即ち、バーナ２から燃焼炉５内に投入された微粉炭中のＮ分は、揮発成分とともにＨＣＮ、ＮＨ３に転換されて放出され酸化されて一部がＮＯとなる。高温還元雰囲気下では一部のＮＯがＮ２に還元されてＮＯＸは低減される。
【００１４】
微粉炭は燃焼炉５内で空気不足で燃焼し、発生したＣＯガスは収熱炉６内に送り込まれるので、ＣＯの燃え切りに適したポイント、例えば収熱炉６内の温度が１２００℃以上のポイントに、ノズル１３から二段燃焼空気を吹き込んで燃焼を完結させると、ＮＯＸ排出値が低減される。図２にスラグスクリーン４の上流で燃焼炉５内にノズル１２から二段燃焼空気を吹き込んだ従来の運転方法とスラグスクリーン４の下流の収熱炉６内にノズル１３から二段燃焼空気を吹き込んだ本発明の運転方法とで、バーナ空気比を絞った結果のＮＯＸ値の変化を示す。この図２で判るように本発明の運転方法ではバーナ空気比を絞ってスラグスクリーン４の下流の収熱炉６内にノズル１３から二段燃焼空気を吹き込むと、ＮＯＸ低減効果が大きくなる。また、図２にはバーナ空気比を同じにして二段燃焼空気の吹き込み位置をずらしてバーナ２からの滞留時間を横軸にした結果が示されていて、バーナ２から二段燃焼空気吹き込みまでの滞留時間が長いほどＮＯＸ低減効果が大きくなることが判る。
【００１５】
次に本発明による灰溶融型Ｕファイアリング燃焼ボイラの運転方法の他の１つの実施形態を説明する。上記の運転方法において、灰溶融型Ｕファイアリング燃焼ボイラは、ボイラの構造が複雑なため、ボイラ型式は貫流型ボイラが採用されるのが一般的である。この貫流型ボイラの節炭器を出た水の温度は蒸発温度よりも低いので、図３に示すように節炭器１６を出た後一番始めにスラグスクリーン４へ給水し、燃焼炉５、収熱炉６を経て対流伝熱部７に至るように図４に示す蒸発器系統を構成する。このような蒸発器系統を構成した上で、図３に示すスラグスクリーン４のスクリーン管入口管寄１４の近傍の上流に温度計Ｔ１を設け、スクリーン管出口管寄１５の近傍の上流に温度計Ｔ２を設け、両温度計Ｔ１、Ｔ２によりスクリーン管入口管寄１４の温度とスクリーン管出口管寄１５の温度を測定し、その両温度の温度差からスクリーン管４ａの熱流束を算出してこれを監視する。
スクリーン管４ａの熱流束は次の式で算出される。
熱流束＝１．１６３×給水流量×水の比熱×（出口温度−入口温度）／スクリーン管表面積（Ｗ／ｍ２）
灰溶融型Ｕファイアリング燃焼ボイラのスクリーン管４ａの熱流束は、石炭銘柄毎に、また負荷毎に異なった値となるが、正常な状態で１４０〜１４５ｋＷ／ｍ２であり、３５ｋＷ／ｍ２以下になるとスラグスクリーン４は閉塞状態となる。従って、熱流束を算出し、その値を監視し、３５ｋＷ／ｍ２以下になった時にスラグスクリーン４の閉塞状態として検出する。
【００１６】
上記のようにスラグスクリーン４のスクリーン管４ａの熱流束を算出し、これを監視することによりスラグスクリーン４の閉塞を検出する理由を以下に述べる。燃焼炉５へのバーナ２からの供給空気量を等量比以下として前述の運転方法のように低ＮＯＸ運転すると、図５に示すように１３：００〜１８：００まで収熱炉６内の圧力は殆んど変化していないのに燃焼炉５内の圧力は徐々に増加し、スラグスクリーン４もしくはスラグスクリーン４の後流でクリンカが成長して圧力損失が増加していることがうかがえる。従来は、燃焼炉５内の圧力が徐々に増加してから圧力変動が大きくなる約３時間後の１６：００頃に燃焼炉５へ投入するバーナ燃焼空気流量を図５に示すように増やし、収熱炉６内への二段燃焼空気流量を減らして、燃焼炉５内の燃焼量を増やしてやり、燃焼炉５内の圧力を低下させて、閉塞回避操作を行っていた。ところで、図６に示すスラグスクリーン４の熱流束を見ると、燃焼炉５内の圧力が徐々に増加し始めた１３：３０頃には、スラグスクリーン４の熱流束が３５ｋＷ／ｍ２以下に低下し、スラグスクリーン４の閉塞が生じている。そこで、本発明では、図６に示すようにバーナ燃焼空気流量を増やし収熱炉６内への二段燃焼空気流量を減らしてやると、スラグスクリーン４の熱流束は３５ｋＷ／ｍ２以上となって、スラグスクリーン４での閉塞が解消される。従って、従来のように燃焼炉５内の圧力を監視していた場合は、スラグスクリーン４の閉塞を判断するのに３時間近くもかかるが、本発明のようにスラグスクリーン４の熱流束を監視すれば短時間でスラグスクリーン４の閉塞を判断でき、直ちにスラグスクリーン４の閉塞回避の対応を採ることができる。即ち、スラグスクリーン４の閉塞状態を検出後、直ちにバーナ２から燃焼炉５へ投入する燃焼空気流量を図６に示すように増やし、収熱炉６内への二段燃焼空気流量を減らし、燃焼炉５の炉内空気比を０．８よりも増やして、スラグスクリーン４のスクリーン管４ａの熱流束の値を３５ｋＷ／ｍ２以上になしてスラグスクリーン４の閉塞状態を解除して灰溶融型Ｕファイアリング燃焼ボイラを運転する。この運転により灰溶融型Ｕファイアリング燃焼ボイラのボイラ出口のＮＯＸ値が大きくなるので、後流に脱硝装置を備えている場合は、アンモニアの消費量を増やしてやり、脱硝装置を備えていない場合は、ＮＯＸ規制値内まで炉内空気比を増やしてやる。
【００１７】
本発明による灰溶融Ｕファイアリング燃焼ボイラの運転方法のさらに他の１つの実施形態を説明する。前述の運転方法のように低ＮＯＸ運転において、灰溶融型Ｕファイアリング燃焼ボイラの部分負荷運転時、前記と同様にスラグスクリーン４の閉塞状態を検出後、直ちにバーナ２からの燃焼炉５への燃料投入量と供給空気量を増やし、スラグスクリーン４を通過するガスの温度を上げ、スラグスクリーン４のスクリーン管４ａの熱流束の値を３５ｋＷ／ｍ２以上になしてスラグスクリーン４の閉塞状態を解除して溶融型Ｕファイアリング燃焼ボイラを運転する。この場合、発電出力が増えるので、系統内の他のボイラの負荷を下げてやるとよい。
【００１８】
スラグスクリーンの閉塞状態を解除する本発明による灰溶融Ｕファイアリング燃焼ボイラの運転方法の別の１つの実施形態を説明する。前述の運転方法のように低ＮＯＸ運転において、前記と同様にスラグスクリーン４の閉塞状態を検出後、直ちに燃焼炉５へ灰の融点降下剤を投入し、スラグの融点を下げて燃焼炉内表面に付着するスラグ厚みを薄くすることで溶融スラグ排出用の流下口３から溶融スラグを流下し易くすると共にスラグスクリーン４に付着するスラグ量を減少させ、スラグスクリーン４の閉塞状態を解除して灰溶融型Ｕファイアリング燃焼ボイラを運転する。灰の融点降下剤としては、石灰石、ドロマイト、鉄鉱石、酸化鉄粉等を用いる。例えば石灰石投入による燃焼炉５内の温度降下は、微粉炭を１００として１％の投入量の場合は６０℃、２％の投入量の場合は９０℃、２．８％の投入量の場合は１２０℃である。
【００１９】
【発明の効果】
以上の説明で判るように本発明による灰溶融型Ｕファイアリング燃焼ボイラの基本的な運転方法によれば、燃焼炉を高温還元雰囲気になして石炭灰溶融スラグの排出を安定して維持しつつ燃焼炉下流の収熱炉での二段燃焼空気吹き込みまでの微粉炭不完全燃焼によるＣＯの滞留時間を長くとってＮＯＸの低減を図ることができるので、従来の灰溶融型Ｕファイアリング燃焼ボイラのＮＯＸエミッションを１／３程度に低減することができる。また、灰溶融型Ｕファイアリング燃焼ボイラに設置される脱硝装置を省略、または脱硝装置の能力を小さく抑えることができ、つまり低脱硝率の設備に小型化でき、灰溶融型Ｕファイアリング燃焼ボイラの設備費及びランニングコストを低減できる。
【００２０】
また、本発明による灰溶融型Ｕファイアリング燃焼ボイラの他の運転方法によれば、前記の低ＮＯＸ運転において、スラグスクリーン閉塞を短時間で正確に検出し、そのスラグスクリーンの閉塞状態検出後、直ちにスラグスクリーンのスクリーン管の熱流束の値を上げたり、灰の融点降下剤の投入によりスラグの融点を下げて流下し易くすると共にスラグスクリーンに付着するスラグ量を減少させたりして、スラグスクリーンの閉塞を解除した運転を行うことができるので、灰溶融型Ｕファイアリング燃焼ボイラの運転を安全に継続することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のＮＯＸ低減方法を実施する灰溶融型Ｕファイアリング燃焼ボイラを示す概略図である。
【図２】スラグスクリーン上流で燃焼炉内に二段燃焼空気を吹き込んだ従来の方法とスラグスクリーン下流の収熱炉内に二段燃焼空気を吹き込んだ本発明の方法とで、バーナ空気比を絞った結果のＮＯＸ値の変化及びバーナ空気比を同じにして二段燃焼空気の吹き込み位置をずらしてバーナからの滞流時間を横軸にした結果を示すグラフである。
【図３】本発明のスラグスクリーン閉塞検出方法を実施する灰溶融型Ｕファイアリング燃焼ボイラを示す概略図である。
【図４】図３の灰溶融型Ｕファイアリング燃焼ボイラにおいて構成する蒸発器手続を示すブロック図である。
【図５】灰溶融型Ｕファイアリング燃焼ボイラの運転において、従来技術によるスラグスクリーン閉塞回避操作を行う際の燃焼炉内圧力、収熱炉内圧力、バーナ燃焼空気流量、二段燃焼空気流量の関係を経時変化にもとづいて示したチャート図である。
【図６】灰溶融型Ｕファイアリング燃焼ボイラの運転において、本発明によるスラグスクリーン閉塞回避操作を行う際の燃焼炉内圧力、収熱炉内圧力、バーナ燃焼空気流量、二段燃焼空気流量、スラグスクリーン熱流束の関係を経時変化にもとづいて示したチャート図である。
【図７】従来の灰溶融型Ｕファイアリング燃焼ボイラを示す概略図である。
【図８】図７のＡ−Ａ線拡大断面図である。
【符号の説明】
１ 炉本体
２ バーナ
３ 溶融スラグ排出用の流下口
４ スラグスクリーン
４ａ スクリーン管
５ 燃焼炉
６ 収熱炉
７ 対流伝熱部
８ スラグ水槽
９ スラグ排出コンベア
１０ 炉本体に設けた圧力検出ノズル
１１ 収熱炉に設けた圧力検出ノズル
１２ 燃焼炉の炉本体に設けた二段燃焼空気吹き込み用のノズル
１３ 収熱炉に設けた二段燃焼空気吹き込み用のノズル
１４ スクリーン管入口管寄
１５ スクリーン管出口管寄
１６ 節炭器
Ｔ１、Ｔ２ 温度計
Claims (4)
- スラグスクリーンの上流で等量空気量を投入し石炭の燃焼を完結させる場合の燃焼炉容積を１００％としたとき５５〜６０％の燃焼炉容積を有し天井部にバーナを設けた燃焼炉を備え、該燃焼炉の下流にスラグスクリーンを介して收熱炉を備え、該收熱炉に二段燃焼空気吹き込み部を設けた灰溶融型Ｕファイアリング燃焼ボイラにおいて、前記バーナから微粉炭の全量を投入し、該バーナからの供給空気量を等量比以下に絞って微粉炭を燃料過剰気味に燃焼させて還元雰囲気の状態になし、該燃焼炉内の温度を石炭の灰溶流点近傍に上昇させて、ＮＯＸ発生量を低減し、前記二段燃焼空気吹き込み部から前記収熱炉内に二段燃焼空気を吹き込んで燃焼を完結させ、ＮＯＸ排出値を低減させることを特徴とする灰溶融型Ｕファイアリング燃焼ボイラの運転方法。
- 請求項１記載の灰溶融型Ｕファイアリング燃焼ボイラの運転方法において、燃焼炉と燃焼炉下流の収熱炉との間のスラグスクリーンのスクリーン管入口部近傍とスクリーン管出口部に温度計を設け、入口部と出口部の温度差からスクリーン管の熱流束を算出し、その熱流束の値が３５ｋＷ／ｍ２以下になった時にスラグスクリーンの閉塞状態として検出し、検出後直ちにバーナから燃焼炉へ投入する供給空気量を増やし、炉内空気比を０．８よりも増やして、スクリーン管の熱流速の値を３５ｋＷ／ｍ２以上になしてスラグスクリーンの閉塞状態を解除することを特徴とする灰溶融型Ｕファイアリング燃焼ボイラの運転方法。
- 請求項１記載の灰溶融型Ｕファイアリング燃焼ボイラの運転方法において、燃焼炉と燃焼炉下流の収熱炉との間のスラグスクリーンのスクリーン管入口部近傍とスクリーン管出口部に温度計を設け、部分負荷運転時、入口部と出口部の温度差からスクリーン管の熱流束を算出し、その熱流束の値が３５ｋＷ／ｍ２以下になった時にスラグスクリーンの閉塞状態として検出し、検出後直ちにバーナから燃焼炉への燃料投入量と供給空気量を増やし、スラグスクリーンの通過ガス温度を上げ、スクリーン管の熱流束の値を３５ｋＷ／ｍ２以上になしてスラグスクリーンの閉塞状態を解除することを特徴とする灰溶融型Ｕファイアリング燃焼ボイラの運転方法。
- 請求項１記載の灰溶融型Ｕファイアリング燃焼ボイラの運転方法において、燃焼炉と燃焼炉下流の収熱炉との間のスラグスクリーンのスクリーン管入口部近傍とスクリーン管出口部に温度計を設け、入口部と出口部の温度差からスクリーン管の熱流束を算出し、その熱流束の値が３５ｋＷ／ｍ２以下になった時にスラグスクリーンの閉塞状態として検出し、検出後直ちに燃焼炉へ灰の融点降下剤を投入し、スラグの融点を下げて流下し易くすると共にスラグスクリーンに付着するスラグ量を減少させ、スラグスクリーンの閉塞状態を解除することを特徴とする灰溶融型Ｕファイアリング燃焼ボイラにおけるスラグスクリーン閉塞を解除する運転方法。
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