JP3806350B2 - 燃焼ガス用脱窒装置付きの化石燃料ボイラ - Google Patents

Description

【０００１】
本発明は、燃焼ガス用の脱窒装置と化石燃料用の燃焼室とを備え、この燃焼室に燃焼ガス側において水平煙道および垂直煙道を介して燃焼ガス用の脱窒装置が後置接続されているボイラに関する。
【０００２】
ボイラを備えた原動所で、化石燃料の燃焼に伴い発生した燃焼ガスは、ボイラで流れ媒体を蒸発するため利用される。ボイラは流れ媒体を蒸発するための蒸発管を有し、管内を導かれる流れ媒体が、燃焼ガスによる加熱によって蒸発する。ボイラで発生した蒸気は、例えば密閉外部プロセスに利用されるが、蒸気タービンを駆動するためにも利用できる。蒸気が蒸気タービンを駆動する場合、タービン軸を介して、通常発電機や作業機械が駆動される。発電機の場合、これに伴い発生した電流は、複合電力系統および／又は島状電力系統に供給される。
【０００３】
ボイラは貫流ボイラとして形成される。貫流ボイラはＶＧＢクラフトベルクステヒニーク(Kraftwerkstechnik)７３（１９９３年）、第４号、第３５２〜３６０頁に掲載のＪ．フランケ、Ｗ．ケーラー、Ｅ．ウィッチョー共著の論文「ベンソンボイラの蒸発器構想」で公知である。貫流ボイラでは、蒸発管として設けた蒸気発生管の加熱により、流れ媒体は蒸気発生管を一度通過する間に蒸発する。
【０００４】
ボイラは通常、垂直構造の燃焼室を備える。これは、燃焼室がほぼ垂直方向における加熱媒体或は燃焼ガスの通過に対し設計されることを意味する。燃焼室には、燃焼ガス側に水平煙道が後置接続され、燃焼ガス流が燃焼室から水平煙道に移行する際、燃焼ガスのほぼ水平方向への転向が行われる。しかしそのような燃焼室は、一般に温度に関連して燃焼室長さが変化するため、燃焼室を懸垂支持する架台を必要とする。これは、ボイラの製造・組み立てにかなりの技術的経費を要することを意味し、ボイラの構造高さが大きくなればなる程高額になる。
【０００５】
特別な問題は、ボイラの煙道や燃焼室の囲壁を、その管壁や材料の温度に関して設計することにある。約２００バール迄の未臨界圧力範囲で、燃焼室の囲壁温度は、蒸発管の内周面の湿りが保障されるとき、主に水の飽和温度の高さにより定まる。これは、例えば内周面に表面組織を有する蒸発管を利用することで達成できる。そのため、特に内側フィン付きの蒸発管が考案され、貫流ボイラへの使用は、例えば上述の文献で公知である。この所謂フィン付き管、即ち内周面にフィンを付けた管は、管内壁から流れ媒体への特に良好な熱伝達を保証する。
【０００６】
化石燃料の燃焼ガス中の窒素酸化物を減少するため、選択触媒還元法、所謂ＳＣＲ法が採用される。ＳＣＲ法では、窒素酸化物（ＮＯ_x）を還元剤、例えばアンモニアおよび触媒により、窒素（Ｎ₂）と水（Ｈ₂Ｏ）に還元する。
【０００７】
ＳＣＲ法に対して設計されたボイラには、通常、対流煙道として形成された燃焼ガス通路の下流に、触媒による燃焼ガス用の脱窒装置が配置される。その場所で、燃焼ガスは一般に約３２０〜４００℃の温度を保持している。燃焼ガス用の脱窒装置の触媒は、燃焼ガスに注入された還元剤と燃焼ガス内の窒素酸化物とを反応させ、および／又はその反応を維持するために使われる。ＳＣＲ法にとって必要な還元剤は、通常、煙道を貫流する燃焼ガス内に、キャリアとしての空気を用いて注入される。しかし一般に、ボイラの窒素酸化物の発生量は、燃焼した化石燃料の種類に左右される。従って、法的に規制された限界値を厳守するため、注入すべき還元剤量は、採用される化石燃料に関係して変更される。
【０００８】
しかし、対流煙道の出口側下流に配置された脱窒装置は、各ボイラに対してかなり高い構造費および製造費を必要とする。何故なら、脱窒装置を、それがボイラのあらゆる運転状態において燃焼ガスを特に高い効率で浄化する場所に配置せねばならないからである。この場所は、通常燃焼ガスが約３２０〜４００℃の温度を有する場所である。更に、ボイラが通常の構成要素に加えて脱窒装置を設けることに伴い、ボイラの製造費が増大する。
【０００９】
本発明の課題は、冒頭に述べた形式の化石燃料ボイラを、特に安価な製造費と組立費しか要さず、化石燃料の燃焼ガスがボイラの出口側から出る前に、燃焼ガスの浄化が確実に保障されるよう改良することにある。
【００１０】
この課題は、本発明に基づき、ボイラの燃焼室が水平煙道の高さに配置した多数のバーナを有し、垂直煙道が下から上にほぼ垂直に燃焼ガスを流し、脱窒装置が上から下にほぼ垂直に燃焼ガスを流すように構成することで解決される。
【００１１】
本発明は、特に安価な製造費および組立費で作れるボイラは、単純な構成の懸垂構造物を有さねばならないという考えから出発する。技術的に非常に安価に作れる燃焼室懸垂支持用の架台は、ボイラの比較的低い構造高さに伴って生ずる。ボイラの特に低い構造高さは、燃焼室を水平構造に形成することで得られる。そのため、バーナを燃焼室壁に水平煙道の高さに配置する。これにより、ボイラの運転中、燃焼ガスはほぼ水平方向に燃焼室を貫流する。
【００１２】
化石燃料の燃焼ガスを特に確実に浄化するには、燃焼ガス用の脱窒装置を垂直煙道の出口側下流に配置せねばならない。つまり、垂直煙道の出口側下流で、燃焼ガスは、浄化を安価な技術的経費で特に効果的に行える温度を保っている。その場合、ボイラの特に低い構造高さのため、燃焼ガス用の脱窒装置を、上から下にほぼ垂直に流れる燃焼ガスに関し設計すべきことを考慮する必要がある。これによって、ＳＣＲ法で必要なアンモニア成分を含む液体を、燃焼ガスの主流れ方向に注入でき、その結果、脱窒装置の垂直方向距離は特に短くなる。
【００１３】
しかし、ほぼ水平の主流れ方向に燃焼ガスが貫流する燃焼室を備えたボイラの場合、燃焼ガスは水平煙道から出た後、垂直煙道内を下向きに流れる。従っていま、燃焼ガスをその脱窒装置内でほぼ垂直に上から下に流すには、燃焼ガスを垂直煙道の出口側下流で下から上に導き、その後で上から下に貫流する燃焼ガス用の脱窒装置に到達するようにする、燃焼ガス用の通路が補助的に必要である。しかしこの補助的な通路は、垂直煙道が下から上にほぼ垂直に流れる燃焼ガスの流れに対し設計され、燃焼ガス用に設けた脱窒装置が上から下にほぼ垂直に流れる燃焼ガスの流れに対し設計されている場合、不要となる。
【００１４】
燃焼ガス用の脱窒装置から出た浄化済みの燃焼ガスを、空気加熱器で空気を加熱するために利用すると有利である。空気加熱器は、特に場所を節約して、燃焼ガス用の脱窒装置の直下に配置すべきである。加熱済み空気は、化石燃料を燃焼するためにボイラのバーナに導入される。化石燃料を燃焼する際、冷た過ぎる空気と異なり温かい空気をバーナに導入することで、ボイラの総効率が上昇する。
【００１５】
燃焼ガス用の脱窒装置は、好適にはＤｅＮＯ_X触媒を備える。何故なら、ボイラから出る燃焼ガスの窒素酸化物の減少は、選択触媒還元法により、特に簡単に実現できるからである。
【００１６】
燃焼室の囲壁は、垂直に配置され互いに気密溶接され且つ並行して流れ媒体が供給される多数の蒸発管から形成するとよい。
【００１７】
好適には、燃焼室の１つの囲壁が正面壁であり、２つの囲壁が燃焼室の側壁であり、これらの側壁が第１グループの蒸発管と、第２グループの蒸発管とに分けられ、正面壁および第１グループの蒸発管が、流れ媒体を並行して供給され、流れ媒体側において、流れ媒体が並行して供給される第２グループの蒸発管に前置接続される。これによって、正面壁の特に良好な冷却が保障される。
【００１８】
流れ媒体が並行して供給される蒸発管に、各々流れ媒体側において、共通の入口管寄せ装置を前置接続し、共通の出口管寄せ装置を後置接続するとよい。この実施態様で形成したボイラは、互いに並列接続された蒸発管の間の確実な圧力バランス、従って蒸発管を貫流中の流れ媒体の特に良好な分布を可能にする。
【００１９】
本発明の他の有利な実施態様において、燃焼室の多数の蒸発管の管内径は、燃焼室における蒸発管の各々の位置に関係して選定される。このようにして、燃焼室における蒸発管は、燃焼室内において燃焼ガス側の予設定可能な加熱温度分布に合わされる。これによって、燃焼室の蒸発管の貫流に影響を及ぼすことによって、蒸発管の出口における温度差が特に確実に小さくされる。
【００２０】
蒸発管内を通過する流れ媒体に燃焼室の熱を特に良好に伝達するため、好適には、多数の蒸発管はその内周面に各々多条ねじを形成するフィンを備える。その場合、管軸線に対し垂直な平面と管内周面に設けられたフィンのフランクとの成す傾斜角αを、６０°、好適には５５°より小さくする。
【００２１】
つまり所定の蒸気含有量では、内側フィンのない蒸発管、所謂平滑管として形成した蒸発管の場合、特に良好な熱伝達にとって必要な管壁の湿りがもはや維持されない。湿りが不足すると、管壁が所々で乾燥する。そのような乾いた管壁への移行は、熱伝達挙動の悪い、所謂熱伝達危機を生じ、このために一般に、この個所で管壁温度が特に大きく上昇する。しかしこの熱伝達危機は、内側フィン付き蒸発管では平滑管と異なり、蒸気含有量が０．９より大きい場合、即ち蒸発の完了直前に初めて生ずる。それは、流れにスパイラル状フィンにより旋回が与えられること基づく。異なる遠心力に基づき、水分は蒸気から分離され、管壁に押し付けられる。これに伴い、管壁の湿りは高い蒸気含有量迄維持され、従って、熱伝達危機の場所に高い流速が生ずる。これは、熱伝達危機にも係らず、非常に良好な熱伝達を生じさせ、その結果、管壁温度が低下する。
【００２２】
燃焼室の多数の蒸発管に、流れ媒体の流量を減少する手段を設けるとよい。この手段を絞り装置として形成すると特に有効である。この装置は、例えば各蒸発管の内部において、或る個所で管内径を狭める蒸発管内への組込み物でよい。
【００２３】
その場合、燃焼室の蒸発管に流れ媒体を供給する多数の並列配管を有する配管系における流量を減少するための手段も有利である。その配管系はまた、流れ媒体が並行して供給される蒸発管の入口管寄せ装置に前置接続される。この配管系の１つ或は複数の配管に、例えば絞り弁が設けられる。蒸発管を通る流れ媒体の流量を減少するこの種の手段により、個々の蒸発管を通る流れ媒体の流量が、燃焼室における各加熱量に適合させられる。これによって、蒸発管の出口における流れ媒体の温度差が、追加的に特に確実に小さくされる。
【００２４】
水平煙道の側壁および／又は垂直煙道の側壁を、垂直に配置され互いに気密溶接され且つ並行して流れ媒体が供給される蒸気発生管で形成するとよい。
【００２５】
隣接する蒸発管ないし蒸気発生管は、好適には帯金所謂フィンを介して互いに気密溶接される。その幅は蒸発管ないし蒸気発生管への入熱量に影響を及ぼす。従ってフィン幅は、ボイラにおける各蒸発管ないし蒸気発生管の位置に基づき、燃焼ガス側の予設定できる加熱温度分布に合わされる。その分布は、経験値から求めた代表的な加熱温度分布或は例えば段階的な加熱温度分布のような大体の推定でもよい。適当に選定したフィン幅により、種々の蒸発管や蒸気発生管が著しく異なって加熱される場合でも、全蒸発管や蒸気発生管への入熱量を、蒸発管や蒸気発生管の出口の温度差が特に小さくなるよう調整できる。かくして、材料の過早の疲労を確実に防止できる。これに伴い、ボイラは特に長い寿命を示す。
【００２６】
水平煙道内に複数の過熱器を配置し、これら過熱器を燃焼ガスの主流れ方向に対しほぼ垂直に配置し、その管を流れ媒体の貫流に対し並列接続するとよい。懸垂構造で配置され且つ隔壁加熱器とも呼ばれるこれら過熱器は、主に対流加熱され、流れ媒体側において燃焼室の蒸発管に後置接続される。これにより、燃焼ガス熱の特に良好な利用が保障される。
【００２７】
好適には、垂直煙道に複数の対流加熱器を設け、これら加熱器を燃焼ガスの主流れ方向に対してほぼ垂直に配置した管で形成し、これらの管を、流れ媒体の貫流に対し並列接続する。これら対流加熱器も主に対流で加熱する。
【００２８】
更に燃焼ガスの熱の特に完全な利用を保障するため、垂直煙道にエコノマイザを設けるとよい。
【００２９】
バーナを燃焼室の正面壁、即ち燃焼室の水平煙道への流出開口と反対側に位置する囲壁に配置するとよい。そのように形成したボイラは、特に簡単に、燃料の燃焼長に合わされる。燃料の燃焼長とは、所定の平均燃焼ガス温度での水平方向の燃焼ガス速度と、燃料の燃焼時間ｔ_Aとの積を意味する。各ボイラにおける最大燃焼長は、全負荷時のボイラの蒸気出力、所謂ボイラの全負荷運転時の蒸気出力で生ずる。燃焼時間ｔ_Aは、平均粒度の微粉炭が、所定の平均燃焼ガス温度で完全燃焼するのに必要な時間である。
【００３０】
水平煙道の材料損傷と、例えば高温溶融灰の侵入に基づく望ましくない汚れとを特に低減するため、燃焼室の正面壁から水平煙道の入口範囲迄の距離で規定される燃焼室の長さＬは、好適には、ボイラの全負荷運転時における燃料の燃焼長と少なくとも同じである。燃焼室のこの水平長さＬは、一般に、灰出しホッパ上縁から燃焼室天井までの燃焼室高さより大きい。
【００３１】
化石燃料の燃焼熱を特に良好に利用するため、燃焼室の長さＬ（ｍ）を、ＢＭＣＲ（ボイラ連続最大定格）値Ｗ（ｋｇ／秒）、燃料の燃焼時間ｔ_A（秒）および燃焼室からの燃焼ガスの出口温度Ｔ_BRK（℃）の関数として選定するとよい。ＢＭＣＲとはボイラ連続最大定格であり、ボイラの連続最大出力に対して世界的に通常利用される用語である。これは、設計出力にも相当し、ボイラの全負荷運転時の出力に相当する。ボイラの所定のＢＭＣＲ値Ｗにおいて、燃焼室の長さＬに対し近似的に、次の（１）式および（２）式の大きい方の値が適用される。
【数１】
Ｌ（Ｗ、ｔ_A）＝（Ｃ₁＋Ｃ₂・Ｗ）・ｔ_A （１）
【数２】
Ｌ（Ｗ、Ｔ_BRK）＝Ｃ₃・Ｔ_BRK＋Ｃ₄）Ｗ＋Ｃ₅（Ｔ_BRK）²＋Ｃ₆・Ｔ_BRK＋Ｃ₇ （２）
【００３２】
ここで、Ｃ₁＝８ｍ／秒、Ｃ₂＝０．００５７ｍ／ｋｇ、Ｃ₃＝−１．９０５・１０^-4（ｍ・秒）／（ｋｇ℃）、Ｃ₄＝０．２８６（秒・ｍ）／ｋｇ、Ｃ₅＝３・１０^-4ｍ／（℃）²、Ｃ₆＝−０．８４２ｍ／℃、Ｃ₇＝６０３．４１ｍである。
【００３３】
さらに近似的とは、各々の式で規定された値の＋２０／−１０％が許容偏差であることを意味する。
【００３４】
本発明による利点は、特に水平燃焼室と、下から上にほぼ垂直に流れる燃焼ガスの流れに対し設計された垂直煙道とにより、特に占有空間が小さくなることにある。ボイラの特にコンパクトな構造は、このボイラを蒸気タービン設備に組み入れる際、ボイラから蒸気タービン迄の接続管の著しい短縮を可能にする。
【００３５】
以下図を参照して本発明の実施例を詳細に説明する。なお各図において同一部分には同一符号を付してある
【００３６】
図１のボイラ２は、蒸気タービン設備を有する原動所（図示せず）に属する。ボイラ２で発生した蒸気は蒸気タービンを駆動し、該タービンは発電機を駆動する。発電機で発生した電流は、複合電力系統或は島状電力系統に供給される。更に、蒸気タービン設備に接続された外部設備に供給するために、蒸気の一部を分岐することもできる。その外部設備は、例えば加熱設備である。
【００３７】
化石燃料ボイラ２は、貫流ボイラとして形成するとよい。これは燃焼室４を有し、この燃焼室４の燃焼ガス側に、水平煙道６を介して垂直煙道８が後置接続される。燃焼室４の下部は灰出しホッパ５で形成され、この灰出しホッパ５の上縁を終点Ｘ、Ｙを含む線で示す。ボイラ２の運転中、化石燃料Ｂの灰が、灰出しホッパ５を通してその下に配置された灰出し装置７に排出される。燃焼室４の囲壁９は、垂直に配置され互いに気密溶接された多数の蒸発管１０から成っている。その囲壁９の１つはボイラ２における燃焼室４の正面壁９Ａであり、両側の囲壁９は燃焼室４の側壁９Ｂである。ボイラ２の側面図である図１では、両側の側壁９Ｂしか見えていない。燃焼室４の側壁９Ｂにある多数の蒸発管１０は、第１グループ１１Ａと第２グループ１１Ｂとに分かれている。その正面壁９Ａの蒸発管１０および第１グループ１１Ａの蒸発管１０に、各々並行して流れ媒体Ｓが供給される。また第２グループ１１Ｂの蒸発管１０にも並行して流れ媒体Ｓが供給される。燃焼室４の囲壁９を通る流れ媒体Ｓの特に良好な貫流特性を得、従って化石燃料Ｂの燃焼熱を特に良好に利用するため、燃焼室４の正面壁９Ａにおける蒸発管１０および第１グループ１１Ａにおける蒸発管１０は、流れ媒体側で、第２グループ１１Ｂの蒸発管１０に前置接続されている。
【００３８】
また水平煙道６の側壁１２および／又は垂直煙道８の側壁１４も、垂直に配置され互いに気密溶接された多数の蒸気発生管１６、１７で形成されている。その蒸気発生管１６、１７に各々並行して流れ媒体Ｓが供給される。
【００３９】
燃焼室４の正面壁９Ａおよび側壁９Ｂの第１グループ１１Ａの蒸発管１０に、流れ媒体側で、流れ媒体Ｓ用の共通入口管寄せ装置１８Ａが前置接続され、出口管寄せ装置２０Ａが後置接続されている。同様に、側壁９Ｂの第２グループ１１Ｂの蒸発管１０に、流れ媒体Ｓ用の共通入口管寄せ装置１８Ｂが前置接続され、出口管寄せ装置２０Ｂが後置接続されている。両入口管寄せ装置１８Ａ、１８Ｂは各々多数の並列入口管寄せを有している。
【００４０】
燃焼室４の正面壁９Ａと、燃焼室４の側壁９Ｂの第１グループ１１Ａの蒸発管１０とに対する入口管寄せ装置１８Ａに、流れ媒体Ｓを導入するために、配管系１９Ａが設けられている。配管系１９Ａは並列接続された多数の配管を有し、これらの配管は各々入口管寄せ装置１８Ａの入口管寄せに接続されている。出口管寄せ装置２０Ａは、その出口側で配管系１９Ｂに接続されている。配管系１９Ｂは、流れ媒体Ｓを燃焼室４の側壁９Ｂに設けた第２グループ１１Ｂの蒸発管１０に対する入口管寄せ装置１８Ｂの入口管寄せに導入するために設けられている。
【００４１】
同様にして、流れ媒体Ｓが並行して供給される水平煙道６の側壁１２の蒸気発生管１６に、共通の入口管寄せ装置２１が前置接続され、共通の出口管寄せ装置２２が後置接続されている。蒸気発生管１６の入口管寄せ装置２１に流れ媒体Ｓを導入するため、配管系２５が設けられている。この配管系２５も並列接続された多数の配管を有し、これら配管は各々入口管寄せ装置２１の入口管寄せに接続されている。この配管系２５は入口側が、燃焼室４の側壁９Ｂの第２グループ１１Ｂの蒸発管１０の出口管寄せ装置２０Ｂに接続されている。即ち、燃焼室４から出る加熱済みの流れ媒体Ｓは、水平煙道６の側壁１２に導かれる。
【００４２】
貫流ボイラ２に、このような入口管寄せ装置１８Ａ、１８Ｂ、２１および出口管寄せ装置２０Ａ、２０Ｂ、２２を装備することで、燃焼室４の互いに並列接続された蒸発管１０間ないし水平煙道６の互いに並列接続された蒸気発生管１６間で圧力を特に確実にバランスさせることができ、これに伴い、互いに並列接続された全蒸発管１０ないし蒸気発生管１６は同じ総圧力損失を示す。これは、高加熱の蒸発管１０ないし蒸気発生管１６において、低加熱の蒸発管１０ないし蒸気発生管１６に比べて、流量が増えるに違いないことを意味する。
【００４３】
蒸発管１０は、図２に示すとおり、内周面にフィン４０を持つ。フィン４０は多条ねじの形をなし、フィン高さＲを有する。その管軸線に対し垂直な平面４２と管内周面に設けられたフィン４０のフランク４４との成す傾斜角αは５５°より小さくされている。これに伴い、蒸発管１０の内壁から蒸発管１０内を導かれる流れ媒体Ｓへの特に高い熱伝達率が生じ、同時に管壁温度が低下する。
【００４４】
燃焼室４の蒸発管１０の内径Ｄは、燃焼室４内の蒸発管１０の各位置に関係して選定される。この結果、ボイラ２は蒸発管１０の種々の強さの加熱量に適合される。このような燃焼室４の蒸発管１０の設計は、蒸発管１０の出口における温度差を特に小さくすることを確実に保障する。
【００４５】
互いに隣接する蒸発管１０ないし蒸気発生管１６、１７は、フィンを介し、詳述しない方法で気密溶接されている。つまり、そのフィン幅を適当に選定することで、蒸発管１０ないし蒸気発生管１６、１７の加熱量が制御される。従って、各フィンの幅は、ボイラ２における各蒸発管１０ないし蒸気発生管１６、１７の位置に関係する予め設定できる燃焼ガス側の加熱温度分布に合わされている。この加熱温度分布は、経験値から求められた代表的な加熱温度分布であるか、大体の推定でもよい。この結果、蒸発管１０ないし蒸気発生管１６、１７が著しく異なる加熱を受ける場合でも、蒸発管１０ないし蒸気発生管１６、１７の出口における温度差は、特に小さくなる。このようにして、材料の疲労を確実に防止し、ボイラ２の長寿命を保障できる。
【００４６】
流れ媒体Ｓの流量を減少する手段として、蒸発管１０の一部に絞り装置（図示せず）を装備している。絞り装置は管内径Ｄを狭める孔開き絞り板として形成され、ボイラ２の運転時、低加熱蒸発管１０における流れ媒体Ｓの流量を減少させ、これによって、流れ媒体Ｓの流量を加熱量に合わせる。更に、燃焼室４の蒸発管１０内の、流れ媒体Ｓの流量を減少する手段として、配管系１９の１つ或は複数の配管に、絞り装置、特に絞り弁を装備できる（図示せず）。
【００４７】
燃焼室４を配管敷設して形成する際、互いに気密溶接された個々の蒸発管１０の加熱量が、ボイラ２の運転中において非常に異なっている、ことについて考慮しなければならない。そのために、蒸発管１０の内側フィン、隣接する蒸発管１０のフィン結合および管内径Ｄについての設計は、全ての蒸発管１０が異なった加熱量にもかかわらずほぼ同じ出口温度を有し、ボイラ２のあらゆる運転状態において全蒸発管１０の十分な冷却が保障されるように行う。
【００４８】
ボイラのこの特性は、特にボイラ２を、蒸発管１０を貫流する流れ媒体Ｓの比較的小さな質量流量密度に関し設計することで保障される。フィン結合および管内径Ｄを適当に選定することで、総圧力損失における摩擦損失の按分量を、自然循環挙動が生ずる程に小さくできる。即ち、強く加熱される（高加熱）蒸発管１０は、弱く加熱される（低加熱）蒸発管１０よりも強く貫流される。このため、バーナ近くで比較的強く加熱される（高加熱）蒸発管１０が、燃焼室終端近くに配置されて比較的弱く加熱される（低加熱）蒸発管１０と、（質量流量に関し）ほぼ同じ熱量を吸収するようにできる。燃焼室４の蒸発管１０の貫流を加熱量に合わせる別の処置は、蒸発管１０の一部および／又は配管系３６の配管の一部に、絞りを組み込むことにある。その場合、内側フィンは、蒸発管１０における蒸発管壁の十分な冷却を保障するように設計される。従って上述の処置により、流れ媒体Ｓは全ての蒸発管１０においてほぼ同じ出口温度を示す。
【００４９】
水平煙道６は隔壁伝熱面として形成された多数の過熱器２３を備える。該過熱器２３は、燃焼ガスＧの主流れ方向２４に対し垂直に懸垂構造で配置され、その管は流れ媒体Ｓの貫流に対し各々並列接続される。過熱器２３は主に対流加熱され、流れ媒体側で燃焼室４の蒸発管１０に後置接続される。
【００５０】
垂直煙道８を燃焼ガスＧが下から上に貫流する。煙道８は、主に対流加熱される多数の対流加熱器２６を備える。これら加熱器２６は、燃焼ガスＧの主流れ方向２４に対しほぼ垂直に配置された管からなる。これら管は、流れ媒体Ｓの貫流に対し各々並列接続され、流れ媒体Ｓの経路に、図示しない方法で一体化されている。更に垂直煙道８内の対流加熱器２６の上側に、エコノマイザ２８が配置されている。エコノマイザ２８は、出口側で配管系１９を介し蒸発管１０に付属する入口管寄せ装置１８に接続されている。配管系１９の図示しない１つ或は複数の配管は、流れ媒体Ｓの貫流を減少する絞り弁（図示せず）を有する。
【００５１】
燃焼ガスＧが下から上に貫流する垂直煙道８の出口側に、短い接続通路５０が続く。この通路５０は、垂直煙道８をハウジング５２に接続している。ハウジング５２の入口側に、燃焼ガスＧに対する脱窒装置５４が配置されている。この装置５４は通路５６を介して空気加熱器６０に接続されている。空気加熱器６０は燃焼ガス通路６２を介して電子フィルタに接続されている。
【００５２】
燃焼ガスＧ用の脱窒装置５４は、選択触媒還元法（所謂ＳＣＲ法）で運転される。ボイラ２の燃焼ガスＧを触媒還元法で浄化する際、窒素酸化物（ＮＯ_x）は触媒・還元剤、例えばアンモニアで窒素（Ｎ₂）と水（Ｈ₂Ｏ）に還元される。
【００５３】
ＳＣＲ法を実施するための、燃焼ガスＧ用の脱窒装置５４は、ＤｅＮＯ_x触媒６４として製造された触媒を有する。ＤｅＮＯ_x触媒６４は燃焼ガスＧの流れ範囲内に配置される。燃焼ガスＧ中に還元剤Ｍとしてのアンモニア水を注入するため、燃焼ガスＧ用の脱窒装置５４は注入装置６６を有している。該注入装置６６は、アンモニア水貯蔵タンク６８と圧縮空気系６９とを備える。注入装置６６は脱窒装置５４におけるＤｅＮＯ_x触媒６４の上側に配置されている。
【００５４】
ボイラ２は、特に構造高さの低い水平燃焼室４で構成され、従って特に安い製造・組立費で建設できる。このためボイラ２の燃焼室４は、燃焼室４の正面壁１１に、水平煙道６の高さに配置された多数の化石燃料用バーナ７０を備える。
【００５５】
特に高い効率を得るため、化石燃料Ｂ、例えば固形の石炭を完全燃焼させる。燃焼ガス側から見て水平煙道６の最初の過熱器２３の材料損傷および、例えば高温溶融灰の侵入による過熱器２３の汚染を特に確実に防止するため、燃焼室４の長さＬを、これがボイラ２の全負荷運転中に燃料Ｂの燃焼長を越えるように選定してある。長さＬは燃焼室４の正面壁９Ａから水平煙道６の入口範囲７２迄の距離である。燃料Ｂの燃焼長は、所定の平均燃焼ガス温度時の、水平方向の燃焼ガス速度と、化石燃料Ｂの燃焼時間ｔ_Aとの積として規定される。各ボイラ２における最大燃焼長は、そのボイラ２の全負荷運転中に生ずる。燃料Ｂの燃焼時間ｔ_Aは、例えば平均粒度の微粉炭が所定の平均燃焼ガス温度で完全燃焼するのに必要な時間である。
【００５６】
化石燃料Ｂの燃焼熱の特に良好な利用を保障するため、燃焼室４の長さＬ（ｍ）は、燃焼室４からの燃焼ガスＧの出口温度Ｔ_BRK（℃）、燃料Ｂの燃焼時間ｔ_A（秒）、ボイラ２のＢＭＣＲ値Ｗ（ｋｇ／秒）に関係して適当に選定される。ＢＭＣＲとはボイラ連続最大定格である。ＢＭＣＲ値Ｗはボイラの連続最大出力に対し国際的に通常利用されている用語である。これは設計出力にも相当し、即ちボイラの全負荷運転時の出力に相当する。燃焼室４のこの水平長さＬは、燃焼室４の高さＨより大きい。その高さＨは、図１で終点Ｘ、Ｙを含む線で示した燃焼室４の灰出しホッパ上縁から燃焼室天井迄の距離である。燃焼室４の長さＬは、近似的に次の式（１）、（２）によって決定される。
【数３】
Ｌ（Ｗ、ｔ_A）＝（Ｃ₁＋Ｃ₂・Ｗ）・ｔ_A （１）
【数４】
Ｌ（Ｗ、Ｔ_BRK）＝Ｃ₃・Ｔ_BRK＋Ｃ₄）Ｗ＋Ｃ₅（Ｔ_BRK）²＋Ｃ₆・Ｔ_BRK＋Ｃ₇ （２）
【００５７】
ここで、Ｃ₁＝８ｍ／秒、Ｃ₂＝０．００５７ｍ／ｋｇ、Ｃ₃＝−１．９０５・１０^-4（ｍ・秒）／（ｋｇ℃）、Ｃ₄＝０．２８６（秒・ｍ）／ｋｇ、Ｃ₅＝３・１０^-4ｍ／（℃）²、Ｃ₆＝−０．８４２ｍ／℃、Ｃ₇＝６０３．４１ｍである。
【００５８】
この場合の許容偏差は、近似的に、各式で規定される値の＋２０％／−１０％である。その場合、ボイラの任意の一定したＢＭＣＲ値Ｗにおいて、常に燃焼室４の長さＬに対して、式（１）、（２）からの大きい方の値が適用される。
【００５９】
ボイラ２のＢＭＣＲ値Ｗに関係して燃焼室４の長さＬを計算する例として、図３の座標系に、６つの曲線Ｋ₁〜Ｋ₆を記入してある。これら曲線に、次のパラメータが対応する。即ちＫ₁、Ｋ₂、Ｋ₃に各々式（１）におけるｔ_A＝３秒、ｔ_A＝２．５秒、ｔ_A＝２秒が、Ｋ₄、Ｋ₅、Ｋ₆に、各々式（２）のＴ_BRK＝１２００℃、Ｔ_BRK＝１３００℃およびＴ_BRK＝１４００℃が対応する。
【００６０】
従って、燃焼室４の長さＬを決定するため、例えば燃焼時間ｔ_A＝３秒、燃焼室４からの燃焼ガスＧの出口温度Ｔ_BRK＝１２００℃に対し、曲線Ｋ₁、Ｋ₄が関与する。これにより、ボイラ２の所定のＢＭＣＲ値Ｗにおいて、燃焼室４の長さＬは次のようになる。即ち各々曲線Ｋ₄に基づき、Ｗ＝８０ｋｇ／秒の場合、Ｌ＝２９ｍ、Ｗ＝１６０ｋｇ／秒の場合、Ｌ＝３４ｍ、Ｗ＝５６０ｋｇ／秒の場合、Ｌ＝５７ｍとなる。
【００６１】
燃焼時間ｔ_A＝２．５秒、燃焼室４からの燃焼ガスＧの出口温度Ｔ_BRK＝１３００℃に対し、例えば曲線Ｋ₂、Ｋ₅が関与する。これから、ボイラ２の所定のＢＭＣＲ値Ｗにおいて、燃焼室４の長さＬは次のようになる。即ち、Ｗ＝８０ｋｇ／秒の場合、曲線Ｋ₂に基づきＬ＝２１ｍ、Ｗ＝１８０ｋｇ／秒の場合、曲線Ｋ₂、Ｋ₅に基づきＬ＝２３ｍ、Ｗ＝５６０ｋｇ／秒の場合、曲線Ｋ₅に基づきＬ＝３７ｍとなる。
【００６２】
燃焼時間ｔ_A＝２秒、燃焼室４からの燃焼ガスＧの出口温度Ｔ_BRK＝１４００℃に対し、例えば曲線Ｋ₃、Ｋ₆が関与する。これから、ボイラ２の所定のＢＭＣＲ値Ｗにおいて、燃焼室４の長さＬは次のようになる。即ち、Ｗ＝８０ｋｇ／秒の場合、曲線Ｋ₃に基づきＬ＝１８ｍ、Ｗ＝４６５ｋｇ／秒の場合、曲線Ｋ₃、Ｋ₆に基づきＬ＝２１ｍ、Ｗ＝５６０ｋｇ／秒の場合、曲線Ｋ₆に基づきＬ＝２３ｍとなる。
【００６３】
ボイラ２の運転中、バーナ７０に化石燃料Ｂと空気が供給される。空気は空気加熱器で、燃焼ガスＧの残留熱で加熱され、圧縮され（図示せず）、バーナ７０に導入される。バーナ７０の火炎Ｆは水平に延びる。燃焼室４の構造によって、燃焼中に生ずる燃焼ガスＧの流れは、ほぼ水平の主流れ方向２４に生ずる。
【００６４】
この燃焼ガスＧは水平煙道６を通って、下から上に向かって燃焼ガスＧが貫流する垂直煙道８に到達する。燃焼ガスＧは垂直煙道８の貫流後、接続通路５０を介して燃焼ガスＧ用の脱窒装置５４に到達する。ボイラ２に供給される燃料Ｂの種類に関係して、燃焼ガスＧ用の脱窒装置５４を介し、還元剤Ｍとして所定量のアンモニア水が、圧縮空気によって燃焼ガスＧ中に注入される。これは、窒素酸化物（ＮＯ_X）の分離率がボイラ２に供給される化石燃料Ｂの種類に左右されることから必要である。このようにして、ボイラ２のあらゆる運転状態において、燃焼ガスＧの特に確実な脱窒作用が保障される。
【００６５】
浄化済みの燃焼ガスＧ１は、空気加熱器５８に続いて通路５６を通り燃焼ガスＧ用の脱窒装置５４から出る。化石燃料Ｂ燃焼用のバーナ７０に導入すべき空気は、その空気加熱器５８において加熱される。燃焼ガスＧは空気加熱器５８から煙道通路６０を通って出て、電子フィルタ６２を介して大気に到達する。
【００６６】
エコノマイザ２８に流入する流れ媒体Ｓは、配管系１９Ａを通って、ボイラ２の燃焼室４の正面壁９Ａおよび側壁９Ｂの第１グループ１１Ａの蒸発管１０に付属する入口管寄せ装置１８Ａに到達する。ボイラ２の燃焼室４の、垂直に配置されかつ互いに気密溶接された蒸発管１０内で生じた蒸気ないし水・蒸気混合物は、流れ媒体Ｓ用の出口管寄せ装置２０Ａ内に集められる。この蒸気ないし水・蒸気混合物は、そこから配管系１９Ｂを通って、燃焼室４の側壁９Ｂの第２グループ１１Ｂの蒸発管１０に付属する入口管寄せ装置１８Ｂに到達する。ボイラ２の燃焼室４の、垂直に配置され互いに気密溶接された蒸発管１０内において生じた蒸気ないし水・蒸気混合物は、流れ媒体Ｓ用の出口管寄せ装置２０Ｂ内に集められる。蒸気ないし水・蒸気混合物は、そこから水平煙道６の側壁１２の蒸気発生管１６に付属する入口管寄せ装置２１に到達する。蒸気発生管１６内で生じた蒸気ないし水・蒸気混合物は、出口管寄せ装置２２を通って垂直煙道８の壁に達し、そこから、水平煙道６の過熱器２３に達する。過熱器２３で蒸気が過熱され、蒸気は続いて使用に供され、例えば蒸気タービンの駆動に利用される。
【００６７】
ボイラ２の燃焼室４の長さＬを、ボイラ２のＢＭＣＲ値Ｗに関係して選定することで、化石燃料Ｂの燃焼熱を特に確実に利用できる。更にボイラ２は、水平燃焼室と、垂直煙道８の直後に接続された脱窒装置５４とにより、特に小さな占有場所しか取らない。その場合、ボイラ２の全運転状態で、特に簡単に、燃焼ガスＧの確実な脱窒作用が保障される。
【図面の簡単な説明】
【図１】 二煙道形の化石燃料ボイラの概略側面図。
【図２】 個々の蒸発管の概略縦断面図。
【図３】 燃焼室の長さＬとＢＭＣＲ値Ｗとの関係を示した特性図。
【符号の説明】
２ ボイラ
４ 燃焼室
６ 水平煙道
８ 垂直煙道
９ 燃焼室の囲壁
９Ａ 正面壁
９Ｂ 側壁
１０ 蒸発管
１１Ａ 蒸発管の第１グループ
１１Ｂ 蒸発管の第２グループ
１２ 水平煙道の側壁
１６、１７ 蒸気発生管
１９Ａ、１９Ｂ 配管系
２３ 過熱器
２６ 対流加熱器
２８ エコノマイザ
４０ フィン
５４ 脱窒装置
７０ バーナ
Ｂ 燃料
Ｇ 燃焼ガス

Claims (19)

1. 燃焼ガス（Ｇ）用の脱窒装置（５４）と化石燃料（Ｂ）用の燃焼室（４）とを備え、この燃焼室（４）に燃焼ガス側において水平煙道（６）および垂直煙道（８）を介して燃焼ガス（Ｇ）用の脱窒装置（５４）が後置接続されているボイラであって、
   燃焼室（４）が水平煙道（６）の高さに配置された多数のバーナ（７０）を有し、垂直煙道（８）が下から上にほぼ垂直に燃焼ガス（Ｇ）を流し、脱窒装置（５４）が上から下にほぼ垂直に燃焼ガス（Ｇ）を流すように構成したボイラにおいて、
   燃焼室（４）の長さ（Ｌ）が、ＢＭＣＲ（ボイラ連続最大定格）値（Ｗ）、バーナ（７０）の燃焼時間（ｔ _A ）および／又は燃焼室（４）からの燃焼ガス（Ｇ）の出口温度（Ｔ _BRK ）の関数として、近似的に次式、
   Ｌ（Ｗ、ｔ _A ）＝（Ｃ ₁ ＋Ｃ ₂ ・Ｗ）・ｔ _A （１）
   Ｌ（Ｗ、Ｔ _BRK ）＝Ｃ ₃ ・Ｔ _BRK ＋Ｃ ₄ ）Ｗ＋Ｃ ₅ （Ｔ _BRK ） ² ＋Ｃ ₆ ・Ｔ _BRK ＋Ｃ ₇ （２）
   で選定され、ここにＣ ₁ ＝８ｍ／秒、Ｃ ₂ ＝０．００５７ｍ／ｋｇ、Ｃ ₃ ＝−１．
   ９０５・１０ ^-4 （ｍ・秒）／（ｋｇ℃）、Ｃ ₄ ＝０．２８６（秒・ｍ）／ｋｇ、
   Ｃ ₅ ＝３・１０ ^-4 ｍ／（℃） ² 、Ｃ ₆ ＝−０．８４２ｍ／℃、Ｃ ₇ ＝６０３．４１ｍ
   であり、ボイラ連続最大定格（ＢＭＣＲ）値（Ｗ）に対し、各々燃焼室（４）の大きい方の長さ（Ｌ）が適用されることを特徴とするボイラ。
2. 燃焼ガス（Ｇ）用の脱窒装置（５４）から出た浄化済みの燃焼ガス（Ｇ）が、空気を加熱するために利用されることを特徴とする請求項１記載のボイラ。
3. 燃焼ガス（Ｇ）用の脱窒装置（５４）がＤｅＮＯ_X触媒を有することを特徴とする請求項１又は２記載のボイラ。
4. 燃焼室（４）の囲壁（９）が、垂直に配置され互いに気密溶接され且つ並行して流れ媒体（Ｓ）が供給される多数の蒸発管（１０）から形成したことを特徴とする請求項１ないし３の１つに記載のボイラ。
5. 燃焼室（４）の１つの囲壁（９）が正面壁（９Ａ）であり、２つの囲壁（９）が燃焼室（４）の側壁（９Ｂ）であり、これらの側壁（９Ｂ）が第１グループ（１１Ａ）の蒸発管（１０）と、第２グループ（１１Ｂ）の蒸発管（１０）とに分けられ、正面壁（９Ａ）および第１グループ（１１Ａ）の蒸発管（１０）が、流れ媒体（Ｓ）を並行して供給され、流れ媒体側において、流れ媒体（Ｓ）が並行して供給される第２グループ（１１Ｂ）の蒸発管（１０）に前置接続されたことを特徴とする請求項１ないし４の１つに記載のボイラ。
6. 流れ媒体（Ｓ）が並行して供給される各蒸発管（１０）に、流れ媒体側において共通の入口管寄せ装置（１８Ａ、１８Ｂ）が前置接続され、共通の出口管寄せ装置（２０Ａ、２０Ｂ）が後置接続されたことを特徴とする請求項４又は５記載のボイラ。
7. 燃焼室（４）の多数の蒸発管（１０）の管内径（Ｄ）が、燃焼室（４）における蒸発管（１０）の各々の位置に関係して選定されたことを特徴とする請求項１ないし６の１つに記載のボイラ。
8. 多数の蒸発管（１０）の内周面に、多条ねじを形成するフィン（４０）を設けたことを特徴とする請求項１ないし７の１つに記載のボイラ。
9. 管軸線に対し垂直な平面（４２）と、管内周面に設けたフィン（４０）のフランク（４４）との成す傾斜角（α）が、６０°より小さいことを特徴とする請求項８記載のボイラ。
10. 多数の蒸発管（１０）が各々絞り装置を有することを特徴とする請求項１ないし８の１つに記載のボイラ。
11. 流れ媒体（Ｓ）を燃焼室（４）の蒸発管（１０）に供給するための配管系（１９Ａ、１９Ｂ）を備え、該配管系（１９Ａ、１９Ｂ）が流れ媒体（Ｓ）の流量を減少すべく、多数の絞り装置を有することを特徴とする請求項１ないし１０の１つに記載のボイラ。
12. 水平煙道（６）の側壁（１２）が、垂直に配置され互いに気密溶接され且つ並行して流れ媒体（Ｓ）が供給される蒸気発生管（１６）で形成されたことを特徴とする請求項１ないし１１の１つに記載のボイラ。
13. 垂直煙道（８）の側壁（１４）が、垂直に配置され互いに気密溶接され且つ並行して流れ媒体（Ｓ）が供給される蒸気発生管（１７）で形成されたことを特徴とする請求項１ないし１２の１つに記載のボイラ。
14. 隣接する蒸発管（１０）ないし蒸気発生管（１６、１７）がフィンを介して互いに気密溶接され、そのフィン幅が、燃焼室（４）、水平煙道（６）および／又は垂直煙道（８）の蒸発管（１０）ないし蒸気発生管（１６、１７）の各位置に関係して選定されたことを特徴とする請求項１ないし１３の１つに記載のボイラ。
15. 水平煙道（６）内に複数の過熱器（２３）が懸垂構造で配置されたことを特徴とする請求項１ないし１４の１つに記載のボイラ。
16. 垂直煙道（８）内に複数の対流加熱器（２６）が配置されたことを特徴とする請求項１ないし１５の１つに記載のボイラ。
17. 垂直煙道（８）内にエコノマイザ（２８）が配置されたことを特徴とする請求項１ないし１６の１つに記載のボイラ。
18. バーナ（７０）が燃焼室（４）の正面壁（９Ａ）に配置されたことを特徴とする請求項１ないし１７の１つに記載のボイラ。
19. 燃焼室（４）の正面壁（９Ａ）から水平煙道（６）の入口範囲（７２）迄の距離で規定される燃焼室（４）の長さ（Ｌ）が、ボイラ（２）の全負荷運転時における燃料（Ｂ）の燃焼長と少なくとも同じであることを特徴とする請求項１ないし１８の１つに記載のボイラ。

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