JP4639562B2 - ボイラのso3抑制式空燃比制御方法 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、高S分燃料を使用してボイラを運転したとき排ガス中に高濃度に含まれるSO3 を抑制できるボイラのSO3 抑制式空燃比制御方法に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
ボイラプラントにおいて、ボイラからの排ガスは、アンモニア注入設備を備えた脱硝装置、空気予熱器、電気集塵器、脱硫装置を経て煙突出口から大気中に放出される。
【0003】
従来、ボイラプラントの運転においては、ボイラ負荷に応じた燃料流量信号に対して、これを十分に完全燃焼し得るように予め設定されている燃料流量に応じた最適空気流量を出力して燃焼している。
【0004】
この空気流量の出力のフィードバック制御機構として、ボイラ出口に排ガスO2 計を設置しており、O2 濃度について、計測値と設定値との間の偏差を算出し、負荷変化や燃料の性状に応じて供給空気量を制御している。
【0005】
この従来の制御を図5により説明する。
【0006】
ボイラでの発電量要求(MWD)60に基づいて、O2 設定用の関数発生器61が、酸素量を設定し、その設定値が第1差分器62に入力される。他方、ボイラ出口の排ガスO2 計63,63の検出値が平均化回路64に入力されてその相加平均値が、第1差分器62に入力される。第1差分器62は、関数発生器61で設定された酸素量と平均化回路64からの相加平均した酸素量との差分を求め、この値を、高選択器65を通じ、負荷変化修正回路66に入力する。負荷変化修正回路66は、入力された値を演算して、その結果を積分器67とゲイン設定器68に出力し、これらを基に総和器69が制御量を求め、これを空燃比設定器70に入力する。入力された値より空燃比設定器70は空燃比を求め、この空燃比が乗算器71に出力される。上述した発電量要求(MWD)60により設定されるボイラ燃焼量指令(燃料供給量)72に基づいて、乗算器71は、空気量を計算し、ボイラ全空気量制御指令値73をつくり出す。
【0007】
このように発電量要求(MWD)60に基づいた設定酸素量と、排ガスO2 計63,63で検出した未燃酸素量の偏差を求め、その偏差に基づいてフィードバック制御を行うことで、負荷変動や燃料性状の応じて最適な空気量で運転することができる。
【0008】
また、平均化回路64の相加平均値が、低選択器74を通して第2差分器75に入力されて、第2差分器72で、その低選択器74で選択された酸素量と最低酸素設定器75から入力された最低酸素量との差分が求められ、その差分が高選択器65に入力されることで、第1及び第2差分器62,76での差分のうち高い方が負荷修正回路66に入力されることで、過剰に酸素量を供給しないような制御がなされる。
【0009】
すなわち、排ガスO2 計63,63の検出値で検出される未燃酸素量が多ければ、第1差分器62での差分は、少なくなるためボイラ全空気量は抑えられると共に最低酸素供給量を下回らないように制御がなされる。
【0010】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、このボイラプラントで、高濃度のイオウ分を含む高S分燃料を使用して、燃焼したした場合、排ガス中に多量のSO3 が発生する。
【0011】
排ガス中のSO3 は、ボイラ後流機器の運転へ悪影響を与えることから、その排出量は極力抑えることが望ましい。通常のボイラの後流機器には、脱硝装置、AH(空気予熱器)、EP(電気集塵器)、脱硫装置等が配置される場合があるが、排ガス温度が酸露点を下回る箇所では低温腐食の問題、脱硝装置でNH3 が注入される場合は、下流のAHにおける酸性硫安の析出によるエレメント閉塞の問題、またガス中SO3 ミストが煙突から排出することによる紫煙の問題などが挙げられる。
【0012】
しかしながら、上述した従来の制御では、ボイラ出口の未燃酸素濃度を検出して最適空気量を制御しても、SO3 の発生を抑制することはできない。
【0013】
ボイラでイオウ分を含む燃料を燃焼させたときのSO2 からSO3 への酸化機構については、燃焼火炎中で発生するものと、燃焼排ガスと接触する金属酸化物によって生成するものの2つに分けられると一般にいわれている。
【0014】
このうち、特に前者においては、燃焼空気量を低減させるとSO3 発生量が少なくなる傾向にある。高S分燃料を燃焼させた場合の空気比が発生SO3 に及ぼす影響の例を図4(図4は、A,B,Hedley;J.Inst.Fuel,April.142(1967)より引用)に示すが、これによれば空気比=1付近でSO3 生成量が急激に減少してほぼゼロになることが分かる。このことからボイラの低空気比燃焼ががSO3 の発生抑制に非常に有用な手段であることが分かる。
【0015】
しかし、低空気比とすると、ボイラ内での燃焼が不完全燃焼となり、CO濃度が上昇する問題を発生する。これはボイラの燃焼効率の低下をきたすとともに高濃度で大気に放出されると周辺への悪影響が避けられない。
【0016】
そこで、本発明の目的は、上記課題を解決し、ボイラを最適に運転しつつ、SO3 の発生を抑制できるボイラのSO3 抑制式空燃比制御方法を提供することにある。
【0017】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、請求項1の発明は、高イオウ分燃料を使用してボイラを運転し、そのボイラから排出される排ガス中に含まれるSO3 の発生を抑制するボイラのSO3 抑制式空燃比制御方法において、ボイラ負荷に合わせた供給燃料量と設定空気量でボイラを運転し、そのボイラ出口の排ガス中のSO3 濃度を検出し、その検出したSO3 濃度から予め設定したSO3 濃度に対する空気補正量を求め、その空気補正量で、設定空気量を補正するようにしたボイラのSO3 抑制式空燃比制御方法である。
【0018】
請求項2の発明は、ボイラ出口の排ガス中のCO濃度を検出し、そのCO濃度を基に上記空気補正量を調整する請求項1記載のボイラのSO3 抑制式空燃比制御方法である。
【0019】
請求項3の発明は、ボイラ出口の排ガス中の未燃酸素濃度を検出し、その未燃酸素濃度を基に、補正した設定空気量との偏差を求め、これによりボイラに供給する空気をフィードバック制御する請求項1記載のボイラのSO3 抑制式空燃比制御方法である。
【0020】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好適実施の形態を添付図面に基づいて詳述する。
【0021】
先ず、図1によりボイラプラントを説明する。
【0022】
図1において、10はボイラで、バーナ11から噴射された重油や微粉炭、オリマルジョン燃料などが燃焼される火炉12と、その火炉12で発生した燃焼ガスと熱交換してスチームを発生する過熱器、エコノマイザなどの伝熱管13が配置された後部伝熱部14からなり、そのボイラ10の後部伝熱部14から排出される排ガスのダクト15に、脱硝装置16、空気予熱器17、電気集塵器18、脱硫装置19、煙突20が順次接続される
バーナ11には、押込通風機21より空気供給ライン22を介し、途中で空気予熱器17により排ガスと熱交換して予熱された焼焼用の空気が供給されるようになっている。
【0023】
ボイラ10からの排ガスは、脱硝装置16で、排ガス中のNOxが脱硝され、空気予熱器17で燃焼空気と熱交換して冷却され、電気集塵器18で除塵され、脱硫装置19で、排ガス中のSO2 が除去されて煙突20から大気に排出される。
【0024】
また、排ガス中のSO3 は、脱硝装置16内或いはその出口(または空気予熱器17或いは電気集塵器18の入口側)でアンモニア(NH3 )を噴射することで、硫安とされ、電気集塵器18で捕集除去される。
【0025】
さて、本発明においては、ボイラ10の後部伝熱部14から脱硝装置16に至るダクト15aに、排ガス中の酸素濃度を測定するO2 分析計23、一酸化炭素濃度を検出するCO分析計24、SO3 濃度を計測するSO3 分析計25が接続され、これらO2 ,CO,SO3 の濃度を検出することで、ボイラ負荷に合わせて、発生するSO3 を抑制しつつ最適な空気量を制御できるようにしたものである。
【0026】
この排ガス中の各種ガス成分の分析は、O2 分析計23、CO分析計24については、JIS化されている機器を用いる。またSO3 分析計25については、本出願人が先に提案した煙道中のSO3 ガスの濃度算出方法(特願平11−374106号)によりリアルタイムで濃度分析を行う。このSO3 分析法は、排ガスの一部を、そのまま分光セルに導入し、これを紫外線域の波長域で、SO2 等混在した分光スペクトルを求めると共に予めSO2 等を混在させた既知の濃度のサンプルガスの吸光度スペクトルをとり、これを多変量解析によりSO3 ガスの検量線を作成しておき、これを基に、計測した排ガスの吸光度スペクトルから排ガス中のSO3 ガスの濃度を求めるようにしたもので、これにより従来のように時間遅れなくリアルタイムでSO3 ガスの濃度分析が行えるようにしたものである。
【0027】
次に、本発明のボイラのSO3 抑制式空燃比制御のブロック図を図2により説明する。
【0028】
このブロック図は、図5の従来の制御ブロック図に、CO分析計24とSO3 濃度を計測するSO3 分析計25の検出値を基に、ボイラでの発電量要求(MWD)30に基づいて、O2 設定用の関数発生器31で設定される酸素量を補正する回路を加えたものである。
【0029】
図2において、ボイラ負荷となる発電量要求(MWD)30に基づいて、O2 設定用の関数発生器31が、酸素量を設定し、それを後述する補正用総和器32、補正用高選択器33を介して第1差分器34に入力される。
【0030】
他方、ボイラ出口の排ガスO2 計21,21の検出値が平均化回路35に入力されてその相加平均値が、第1差分器34に入力される。第1差分器34は、入力された酸素量と平均化回路35からの相加平均した酸素量との差分を求め、この値を、高選択器36を通じ、負荷変化修正回路37に入力する。
【0031】
負荷変化修正回路37は、入力された値を演算して、その結果を積分器38とゲイン設定器39に出力し、これらを基に総和器40が、制御量を求めて空燃比設定器41に入力する。これにより、空燃比設定器41は空燃比を求め、この空燃比が乗算器42に出力され、上述した発電量要求(MWD)30により設定されるボイラ燃焼量指令(燃料供給量)43に基づいて、乗算器42が、空気量を計算し、ボイラ全空気量制御指令値44をつくり出すことでフィードバック制御がなされる。
【0032】
また、平均化回路35の相加平均値が、低選択器45を通して第2差分器46に入力されて、第2差分器46で、その低選択器45で選択された酸素量と最低酸素設定器47から入力された最低酸素量との差分が求められ、その差分が高選択器36に入力されることで、第1及び第2差分器34,46での差分のうち高い方が負荷修正回路37に入力されることで、過剰に酸素量を供給しないような制御がなされる。
【0033】
さて、ボイラでの発電量要求(MWD)30は、O2 設定用の関数発生器31の他に、最低O2 設定用の関数発生器50とSO3 設定用の関数発生器51に入力される。
【0034】
SO3 分析計25,25の検出値は、平均化回路52に入力され、平均化回路52で相加平均がなされて、第3差分器53に入力され、その差分器53で、SO3 設定用の関数発生器51から入力される酸素量との差分が求められる。
【0035】
このSO3 設定用の関数発生器51での関数は、図3(a)に示したグラフに基づいた関数となっており、発電量要求(MWD)の変化に対して、すなわち供給燃料の増減に対して、一定のSO3 濃度となるようにSO3 が設定され、その設定のSO3 濃度と平均化回路52で相加平均がなされたSO3 濃度との差分が第3差分器53で求められ、その差分が、積分器54に入力されると共にその演算結果が、SO3 補正用の関数発生器55に入力される。
【0036】
SO3 補正用の関数発生器55での関数は、図3(b)に示したグラフに基づいた関数となっており、積分器54からのSO3 濃度の差分(ΔSO3 )に基づいた空気量(O2 )が演算される。この図3(b)のグラフは、差分(ΔSO3 )があるときは、空気量(O2 )を設定値(0)より順次減らすようにし、差分(ΔSO3 )が所定値を越えたときは、設定値より−2.5%減じた値となる空気量(O2 )となるようになっている。
【0037】
SO3 補正用の関数発生器55で演算された補正空気量は、乗算器56に入力される。
【0038】
他方、CO分析計24,24の検出値は、平均化回路57に入力され、平均化回路57で相加平均がなされて、CO補正用関数発生器58に入力される。
【0039】
CO補正用関数発生器58での関数は、図3(c)に示したグラフのように、CO濃度が100ppm以下のときには、COによる補正係数が1で、100ppmを越えて1000ppmまでは、順次係数が0となるような関数となっている。
【0040】
平均化回路57で相加平均されたCOの検出値は、CO補正用関数発生器58に入力され、そのCO濃度に応じた係数が乗算器56に入力される。乗算器56は、入力された補正空気量に係数を乗じて補正用総和器32に出力する。
【0041】
補正用総和器32は、O2 設定用の関数発生器31から出力された設定空気量と補正空気量の総和、すなわち設定空気量から補正空気量を減じて補正用高選択器33に出力する。
【0042】
補正用高選択器33では、最低O2 設定用の関数発生器50の最低設定空気量と補正用総和器32から入力された空気量を比較していずれか高い方を第1差分器34に出力する。
【0043】
この第1差分器34に入力された排ガス中のSO3 ,COの濃度を加味して補正した設定空気量は、上述したように未燃酸素の検出値に基づいて最適空気量のフィードバック制御が行われる。
【0044】
このように、発生SO3 濃度を抑制するように、ボイラへの最適供給空気量を制御することで、従来の空気量制御に比べて、燃料性状の変化、ボイラ燃焼状態の変化、経時的な伝熱面の汚れに起因する排ガス中の、排ガス中のSO3 濃度上昇を抑制することが可能となり、これにより、SO3 が原因で生じるボイラの後流機器での悪影響(閉塞、低温腐食、紫煙)を抑制し、機器を長寿命にすることができる。
【0045】
【発明の効果】
以上要するに本発明によれば、燃料性状の違い、経時的なボイラ汚れなどにより、排ガス中のSO3 分が上昇しても、そのSO3 変化を検出し、これを基にフィードバック制御により、空気量を適切に制御してSO3 の発生を抑制することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明におけるボイラプラントの概略を示す図である。
【図2】本発明のボイラのSO3 抑制式空燃比制御方法における制御ブロック回路を示す図である。
【図3】図2における関数発生器の関数の具体例を示す図である。
【図4】空気比と発生SO3 の関係を示す図である。
【図5】従来の制御ブロック回路を示す図である。
【符号の説明】
10 ボイラ
25 SO3 分析計
30 発電量要求(MWD)
31 O2 設定用の関数発生器
43 ボイラ燃焼量指令(燃料供給量)
44 ボイラ全空気量制御指令値
55 SO3 補正用の関数発生器
Claims (3)
- 高イオウ分燃料を使用してボイラを運転し、そのボイラから排出される排ガス中に含まれるSO3 の発生を抑制するボイラのSO3 抑制式空燃比制御方法において、ボイラ負荷に合わせた供給燃料量と設定空気量でボイラを運転し、そのボイラ出口の排ガス中のSO3 濃度を検出し、その検出したSO3 濃度から予め設定したSO3 濃度に対する空気補正量を求め、その空気補正量で、設定空気量を補正することを特徴とするボイラのSO3 抑制式空燃比制御方法。
- ボイラ出口の排ガス中のCO濃度を検出し、そのCO濃度を基に上記空気補正量を調整する請求項1記載のボイラのSO3 抑制式空燃比制御方法。
- ボイラ出口の排ガス中の未燃酸素濃度を検出し、その未燃酸素濃度を基に、補正した設定空気量との偏差を求め、これによりボイラに供給する空気をフィードバック制御する請求項1記載のボイラのSO3 抑制式空燃比制御方法。
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