JP7081407B2 - ボイラ - Google Patents

Description

本発明は、ボイラに関するものである。

下記特許文献１には、アンモニアを含む燃料を燃焼させる複合エネルギーシステムが開示されている。この複合エネルギーシステムは、二酸化炭素の排出量を削減することを目的として、主燃料である天然ガスにアンモニアを添加して燃焼させるものである。

特開２０１６－０３２３９１号公報

ところで、天然ガスや微粉炭等の硫黄成分を含有する物質を燃料として燃焼させると、腐食性の硫化水素（Ｈ_２Ｓ）が発生する。このため、発生した硫化水素に長期間晒されることによって、火炉の腐食が徐々に進行することになり、定期的にボイラのメンテナンスが必要となる。特に、火炉の上部にて未燃分の燃料を再燃焼させる二段燃焼方式を採用する場合には、火炉の中央部における主燃焼領域における燃料濃度が高い還元領域が形成され、多くの硫化水素が発生することから、腐食の進行がしやすい。

本発明は、上述する問題点に鑑みてなされたもので、硫黄成分を含む燃料とアンモニア燃料とを混焼するボイラにおいて、硫化水素による火炉の壁部の腐食を抑制することを目的とする。

本発明は、上記課題を解決するための手段として、以下の構成を採用する。

第１の発明は、複数の壁部を有する火炉と、上記火炉の少なくともいずれかの壁部に設置されたバーナとを備え、上記火炉の内部にて硫黄含有燃料及びアンモニアを燃料として混焼するボイラであって、上記燃料として燃焼される上記アンモニアを上記バーナが設置されていない上記壁部の内壁面に沿って流すアンモニア噴射ポートを備えるという構成を採用する。

第２の発明は、上記第１の発明において、上記火炉が、上記壁部として、上記バーナが設置された前壁と、上記バーナが設置されると共に上記前壁に対向配置される後壁と、上記前壁と上記後壁とを接続すると共に上記バーナが設置されていない側壁とを備え、上記アンモニア噴射ポートが、上記前壁及び上記後壁の少なくともいずれか一方であって、水平方向にて上記バーナよりも上記側壁寄りに配置されているという構成を採用する。

第３の発明は、上記第２の発明において、上記アンモニア噴射ポートが、上記バーナが上記燃料を噴射する方向に沿って上記アンモニアを噴射するという構成を採用する。

第４の発明は、上記第２または第３の発明において、上記アンモニア噴射ポートが、さらに上記側壁に設置されているという構成を採用する。

第５の発明は、上記第１～第４いずれかの発明において、上記火炉が、上記壁部として、灰分を外部に排出する排出口に向けて窄むホッパ壁を備え、上記アンモニア噴射ポートが、上記ホッパ壁の内壁面に沿って上記アンモニアを流すという構成を採用する。

本発明によれば、燃料として燃焼されるアンモニアの一部がアンモニア噴射ポートから、バーナが設置されていない壁部の内壁面に沿って流される。バーナが設置された壁部の内壁面はバーナから噴射される燃焼用の空気によって酸素濃度が高い状態維持され、強い還元領域が形成されにくいため、硫化水素濃度が相対的に低く腐食しにくい。一方で、バーナが設置されていない壁部の内壁面は、相対的に酸素濃度が低く、硫化水素濃度が高くなるため、腐食しやすい。これに対して、本発明によれば、アンモニア噴射ポートから噴射されたアンモニアが、バーナが設置されていない壁部の内壁面近傍で燃焼され、この内壁面の近傍に多くのＯＨラジカルが生成される。この結果、バーナが設置されていない壁部の内壁面近傍における硫化水素の酸化反応が促進され、硫化水素による壁部の腐食を抑制することが可能となる。したがって、本発明によれば、硫黄成分を含む燃料とアンモニア燃料とを混焼するボイラにおいて、硫化水素による火炉の壁部の腐食を抑制することが可能となる。

本発明の第１実施形態におけるボイラの要部構成を示す模式図である。 本発明の第１実施形態におけるボイラが備えるバーナ及びアンモニア噴射ポートの配置を示すための火炉を含む模式的な斜視図である。 本発明の第２実施形態におけるボイラが備える火炉の側壁を含む平面断面図である。 本発明の第３実施形態におけるボイラが備えるバーナ及びアンモニア噴射ポートの配置を示すための火炉を含む模式的な斜視図である。

以下、図面を参照して、本発明に係るボイラの一実施形態について説明する。

（第１実施形態）
図１は、本第１実施形態のボイラ１の要部構成を示す模式図である。図１に示すように、ボイラ１は、火炉２と、煙道３と、バーナ４と、二段燃焼空気供給部５と、アンモニア供給部６と、微粉炭供給部７とを備えている。

火炉２は、垂直かつ筒状に設けられた炉壁によって構成され、アンモニアや微粉炭等の燃料を燃焼させて燃焼熱を発生させる炉体である。この火炉２では、燃料が燃焼することによって高温の燃焼ガスが発生する。また、火炉２の底部には、燃料の燃焼によって発生する灰分を外部に排出する排出口２ａが設けられている。

図２は、バーナ４及び後述のアンモニア噴射ポート２ｆの配置を示すための火炉２を含む模式的な斜視図である。なお、図２において、二重丸がバーナ４の配置位置を示し、小型の一重丸が後述のアンモニア噴射ポート２ｆの配置位置を示ししている。また、大型の一重丸が後述の二段燃焼用空気ポート２ｇの配置位置を示している。

図２に示すように、本実施形態において火炉２は、平面視が矩形状の中空体形状とされており、壁部として、前壁２ｂ、後壁２ｃ、側壁２ｄ及びホッパ壁２ｅを有している。前壁２ｂは、火炉２の正面側に配置された壁部である。後壁２ｃは、火炉２の背面側に配置された壁部であり、前壁２ｂに対向配置されている。側壁２ｄは、前壁２ｂと後壁２ｃとを接続する壁部である。本実施形態においては、前壁２ｂと後壁２ｃとの水平方向における一端同士を接続する側壁２ｄと、前壁２ｂと後壁２ｃとの水平方向における他端同士を接続する側壁２ｄとの２つの側壁２ｄが設けられている。ホッパ壁２ｅは、排出口２ａに向けて窄む傾斜壁からなり、火炉２の底部を形成している。

なお、これらの火炉２が備える壁部のうち、前壁２ｂ及び後壁２ｃは、バーナ４が設置される壁部である。一方、これらの火炉２が備える壁部のうち、側壁２ｄ及びホッパ壁２ｅは、バーナ４が設置されていない壁部である。本実施形態のボイラ１では、バーナ４が設置された壁部である前壁２ｂ及び後壁２ｃにアンモニア供給部６から供給されたアンモニアを火炉２の内部に向けて噴射するアンモニア噴射ポート２ｆが複数設けられている。

図２に示すように、前壁２ｂに設けられたアンモニア噴射ポート２ｆは、前壁２ｂに設けられたバーナ４よりも側壁２ｄ寄りに配置されている。つまり、１つの側壁２ｄから見て、この側壁２ｄに最も近いアンモニア噴射ポート２ｆは、この側壁２ｄに最も近いバーナ４よりも近接して配置されている。これらのアンモニア噴射ポート２ｆは、バーナ４から噴射される燃料の噴射方向に沿ってアンモニアを噴射し、側壁２ｄの内壁面に沿ってアンモニアを流す。これらのアンモニア噴射ポート２ｆから噴射されるアンモニアは、本来であれば燃料としてバーナ４に供給されるアンモニアの一部であり、火炉２の内部に噴射された後に、火炉２の内部にて燃焼される。このように、本実施形態のボイラ１においては、燃料として燃焼されるアンモニアがアンモニア噴射ポート２ｆから、バーナ４が設けられていない側壁２ｄの内壁面に沿って噴射されている。

なお、図１において火炉２にアンモニア噴射ポート２ｆが設けられていることを概念的に示すためにアンモニア噴射ポート２ｆが図示されているが、図１におけるアンモニア噴射ポート２ｆの位置は、実際に設けられた位置を示すものではない。実際には、アンモニア噴射ポート２ｆは、図２に示すように、水平方向においてバーナ４と側壁２ｄとの間に配置されている。

図１に戻り、煙道３は、火炉２の上部と接続され、火炉２で発生した燃焼ガスを排ガスとして外部に案内する。このような煙道３は、火炉２の上部から水平に延出する水平煙道３ａと、水平煙道３ａの端部から下方に延出する後部煙道３ｂとを備えている。

なお、図１では省略しているが、ボイラ１は、火炉２の上部等に設置される過熱器を備えている。過熱器は、火炉２で発生した燃焼熱と水とを熱交換することによって水蒸気を生成する。また、図１では省略しているが、ボイラ１は、必要に応じて再熱器、節炭器、空気予熱器等を備える。

バーナ４は、火炉２の下部の壁部に配置されている。このバーナ４は、火炉２の周方向に複数設置されている。また、図１では省略しているが、バーナ４は、火炉２の高さ方向にも複数設置されている。これらのバーナ４は、火炉２の下部に二次元状かつ対向配置されており、燃料を噴射して燃焼させる。これらのバーナ４は、何れもアンモニア及び微粉炭を燃料として火炉２内に噴射可能な複合バーナである。なお、図１では省略しているが、火炉２にはバーナ４から噴射された燃料（アンモニア及び微粉炭）を着火させる着火装置が設けられている。また、図１では省略しているが、ボイラ１は、バーナ４に対して燃焼空気を供給する燃焼空気供給部を有している。各バーナ４から火炉２内に燃焼空気と共に噴射された燃料（アンモニア及び微粉炭）は、上述の着火装置の働きによって着火して燃焼する。

なお、ボイラ１に設置されるバーナ４は、全てが上述のような複合バーナである必要はない。例えば、石炭専焼のバーナを備える構成を採用することもできる。ただし、本実施形態のボイラ１においては、少なくとも１つのバーナ４がアンモニアを燃料として燃焼可能とされており、火炉２の内部にてアンモニアと微粉炭との混焼が可能とされている。

ここで、アンモニア（ＮＨ_３）は、分子式によって示されるように水素（Ｈ）と窒素（Ｎ）との化合物であり、構成原子として炭素（Ｃ）を含まない。また、このアンモニア（低炭素燃料）は、難燃性の物質として知られるものの、メタン（ＣＨ_３）と同様に３つの水素原子を有する水素キャリア物質である。一方、微粉炭は、化石燃料である石炭を数マイクロメートル程度の大きさまで粉砕処理したものであり、ボイラ用の燃料として一般的に使用されている。すなわち、アンモニアは、微粉炭（炭素燃料）よりも炭素濃度が低い低炭素燃料である。

二段燃焼空気供給部５は、バーナ４の上方にて火炉２と接続されており、火炉２の内部に二段燃焼用の空気を供給する。このような二段燃焼空気供給部５によって二段燃焼用の空気を供給することで、バーナ４で燃焼された燃料の未燃分が二段燃焼空気によって燃焼され、ボイラ１の収熱性能を高めると共に、排ガスに含まれる燃料の未燃分を減少させることができる。

アンモニア供給部６は、アンモニア供給源６ａと、バーナ供給部６ｂと、ポート供給部６ｃと、アンモニア供給制御装置６ｄとを備えている。アンモニア供給源６ａは、アンモニアを貯蔵するタンク等からなる。なお、アンモニア供給源６ａは、必ずしもアンモニア供給部６の構成要素である必要はない。つまり、アンモニア供給部６は、外部に設置されたアンモニア供給源６ａからアンモニアを取り込むようにしても良い。

バーナ供給部６ｂは、アンモニア供給源６ａとバーナ４とを接続するバーナ供給配管６ｂ１と、バーナ供給配管６ｂ１の途中部位に設置される全体流量調節弁６ｂ２及びバーナ供給量調節弁６ｂ３とを備えている。バーナ供給配管６ｂ１は、アンモニア供給源６ａから供給されたアンモニアのうち、バーナ４に供給される分を案内する配管である。全体流量調節弁６ｂ２は、アンモニア供給源６ａからバーナ供給配管６ｂ１に供給されるアンモニアの全体流量を調節するバルブである。なお、アンモニアの全体流量は、燃料として燃焼すべきアンモニアの流量を意味する。バーナ供給量調節弁６ｂ３は、全体流量調節弁６ｂ２よりも下流側に配置されており、バーナ４に供給されるアンモニアの流量を調節するバルブである。

ポート供給部６ｃは、火炉２のアンモニア噴射ポート２ｆに接続されたポート供給配管６ｃ１と、ポート供給配管６ｃ１の途中部位に設置されたポート供給量調節弁６ｃ２とを備えている。ポート供給配管６ｃ１は、全体流量調節弁６ｂ２とバーナ供給量調節弁６ｂ３との間にて一端がバーナ供給配管６ｂ１と接続されている。つまり、ポート供給配管６ｃ１は、バーナ供給部６ｂとアンモニア噴射ポート２ｆとを接続しており、バーナ供給部６ｂからアンモニアの一部を取り込んで、アンモニア噴射ポート２ｆに案内する。ポート供給量調節弁６ｃ２は、アンモニア噴射ポート２ｆから噴射されるアンモニアの流量を調節するバルブである。

アンモニア供給制御装置６ｄは、全体流量調節弁６ｂ２、バーナ供給量調節弁６ｂ３及びポート供給量調節弁６ｃ２を制御し、全体流量調節弁６ｂ２、バーナ供給量調節弁６ｂ３及びポート供給量調節弁６ｃ２の開度を調節する。アンモニア供給制御装置６ｄは、外部の指令等に基づいて、全体流量調節弁６ｂ２の開度を調節することによってアンモニア供給源６ａから取り込まれるアンモニアの全体流量を調節する。

また、バーナ供給量調節弁６ｂ３とポート供給量調節弁６ｃ２との開度によって、アンモニア供給源６ａから取り込まれるアンモニアのバーナ４とアンモニア噴射ポート２ｆとへの配分が定まる。つまり、バーナ供給量調節弁６ｂ３とポート供給量調節弁６ｃ２とは、バーナ４とアンモニア噴射ポート２ｆとのアンモニアの配分割合を調節する機構（配分調節機構６ｂ４）を構成している。アンモニア供給制御装置６ｄは、これらのバーナ供給量調節弁６ｂ３とポート供給量調節弁６ｃ２と含む配分調節機構６ｂ４を制御することによって、バーナ４とアンモニア噴射ポート２ｆとへのアンモニアの配分割合を調節する。

微粉炭供給部７は、バーナ４と接続されており、石炭を粉砕して微粉炭とすると共に微粉炭をバーナ４に対して供給する。この微粉炭供給部７は、例えば石炭を数マイクロメートル程度の粒径まで粉砕して微粉炭とするミルと、ミルによって生成された微粉炭をバーナ４に供給する給炭機とを備えている。なお、微粉炭供給部７は、給炭機を備えずにミルから直接的に微粉炭をバーナ４に供給する構成とすることもできる。

このような本実施形態のボイラ１では、アンモニア供給部６からバーナ４にアンモニアが供給され、微粉炭供給部７からバーナ４に微粉炭が供給され、アンモニア及び微粉炭を燃料としてバーナ４で火炎が形成される。また、二段燃焼空気供給部５によって二段燃焼用の空気が火炉２の内部に供給されることによって、燃焼ガスに含まれる未燃の燃料が燃焼される。燃料が燃焼されることで生成された燃焼ガスは、火炉２の下部から上部に移動し、煙道３を通じて外部に案内される。さらに、本実施形態のボイラ１では、火炉２のアンモニア噴射ポート２ｆから噴射されたアンモニアが、側壁２ｄの内壁面に沿って流れ、側壁２ｄの内壁面の近傍で燃焼される。

このような本実施形態のボイラ１においては、バーナ４が設置された前壁２ｂ及び後壁２ｃの内壁面は、バーナ４から噴射される燃焼用の空気によって酸素濃度が高い状態維持され、強い還元領域が形成されにくい。このため、前壁２ｂ及び後壁２ｃの内壁面の近傍は、側壁２ｄの内壁面の近傍と比較して相対的に硫化水素濃度が低く腐食しにくい。

一方で、バーナ４が設置されていない側壁２ｄの内壁面の近傍は、バーナ４から遠いために相対的に酸素濃度が低く、硫化水素濃度が高くなりやすい。これに対して、本実施形態のボイラ１においては、アンモニア噴射ポート２ｆから噴射されたアンモニアが、側壁２ｄの内壁面近傍で燃焼され、この内壁面の近傍に多くのＯＨラジカルが生成される。この結果、側壁２ｄの内壁面近傍における硫化水素の酸化反応が促進され、硫化水素による側壁２ｄの腐食を抑制することが可能となる。つまり、本実施形態のボイラ１によれば、硫黄成分を含む燃料とアンモニア燃料とを混焼する場合に、硫化水素による火炉２の壁部の腐食を抑制することが可能となる。

また、本実施形態のボイラ１においては、火炉２が、壁部として、バーナが設置された前壁２ｂと、バーナ４が設置されると共に前壁２ｂに対向配置される後壁２ｃと、前壁２ｂと後壁２ｃとを接続すると共にバーナ４が設置されていない側壁２ｄとを備え、アンモニア噴射ポート２ｆが、前壁２ｂ及び後壁２ｃの両方に設けられ、水平方向にてバーナ４よりも側壁２ｄ寄りに配置されている。このため、バーナ４で形成された火炎と側壁２ｄとの間に確実にＯＨラジカルの濃度が高い領域を形成することができ、より確実に側壁２ｄの腐食を抑制することができる。

また、本実施形態のボイラ１においてアンモニア噴射ポート２ｆは、バーナ４が燃料を噴射する方向に沿ってアンモニアを噴射する。このため、アンモニア噴射ポート２ｆから噴射されたアンモニアの流れがバーナ４から噴射された燃料の流れと交差することを防止し、アンモニア噴射ポート２ｆから噴射されたアンモニアによってバーナ４から噴射された燃料の流れが妨げられることを防止することができる。

（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態について説明する。なお、本実施形態の説明において、上記第１実施形態と同様の部分については、その説明を省略あるいは簡略化する。

図３は、本実施形態のボイラが備える火炉２の側壁２ｄを含む平面断面図である。この図に示すように、本実施形態においては、アンモニア噴射ポート２ｆが、前壁２ｂ及び後壁２ｃに加えて側壁２ｄにも設置されている。この側壁２ｄに設置されたアンモニア噴射ポート２ｆは、前壁２ｂと後壁２ｃとを結ぶ水平方向（前後方向）の略中央部に配置されており、側壁２ｄの内壁面に沿うように緩やかな流速にてアンモニアを噴出する。

上記前後方向における中央部は、前壁２ｂ及び後壁２ｃに設けられたアンモニア噴射ポート２ｆから遠く、これらのアンモニア噴射ポート２ｆから噴射されたアンモニアが到達しない可能性がある。本実施形態のように、側壁２ｄに対してもアンモニア噴射ポート２ｆを設置することによって、側壁２ｄの内壁面のより広い範囲にアンモニアを沿って流すことが可能となり、より広い範囲にて側壁２ｄの腐食を抑止することが可能となる。したがって、本実施形態のボイラによれば、アンモニア噴射ポート２ｆが側壁２ｄに設けられていることにより、より広い範囲で側壁２ｄの腐食を防止することが可能となる。

（第３実施形態）
次に、本発明の第３実施形態について説明する。なお、本実施形態の説明において、上記第１実施形態と同様の部分については、その説明を省略あるいは簡略化する。

図４は、本実施形態のボイラにおけるバーナ４及びアンモニア噴射ポート２ｆの配置を示すための火炉２を含む模式的な斜視図である。この図に示すように、本実施形態においては、バーナ４が設置されていないホッパ壁２ｅに対して、複数のアンモニア噴射ポート２ｆが設けられている。これらのホッパ壁２ｅに設けられたアンモニア噴射ポート２ｆは、ホッパ壁２ｅの内壁面に沿ってアンモニアを噴射するためのポートである。

このような本実施形態のボイラによれば、ホッパ壁２ｅに設けられたアンモニア噴射ポート２ｆから噴射されたアンモニアがホッパ壁２ｅの内壁面に沿って流れ、ホッパ壁２ｅの内壁面の近傍で燃焼することによって、ホッパ壁２ｅの内壁面の近傍にＯＨラジカルの濃度が高い領域が形成される。このため、ホッパ壁２ｅの内壁面の近傍で硫化水素の酸化反応が促進され、ホッパ壁２ｅの腐食を抑制することが可能となる。このように、本実施形態のボイラによれば、側壁２ｄのみならず、ホッパ壁２ｅが硫化水素によって腐食されることを防止することが可能となる。

以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されないことは言うまでもない。上述した実施形態において示した各構成部材の諸形状や組み合わせ等は一例であって、本発明の趣旨から逸脱しない範囲において設計要求等に基づき種々変更可能である。

例えば、上記第１実施形態や第３実施形態においては、図２や図４に示すように、同一高さに配置されたアンモニア噴射ポート２ｆの間に、他のアンモニア噴射ポート２ｆが設置されてない構成を採用した。しかしながら、本発明はこれに限定されるものではない。例えば、前壁２ｂや後壁２ｃにおいてさらに耐腐食性を向上させる必要がある場合には、同一高さに配置されたアンモニア噴射ポート２ｆの間に、１つあるいは複数のアンモニア噴射ポート２ｆを配置するようにしても良い。

また、上記実施形態においては、火炉２の前壁２ｂと後壁２ｃとにバーナ４が設置されたいわゆる対向燃焼式のボイラに本発明を適用した例について説明した。しかしながら、本発明はこれに限定されるものではなく、バーナが設置されていない壁部を有する火炉を備えるものであれば、循環燃焼式のボイラ等にも適用することが可能である。

また、上記実施形態においては、火炉２の上部に二段燃焼用の空気を供給する構成を採用した。しかしながら、本発明は、二段燃焼用の空気を供給しないボイラに適用することも可能である。

また、上記実施形態においては、微粉炭とアンモニアとを燃料として混焼させるボイラについて説明した。しかしながら、本発明はこれに限定されるものではない。例えば、天然ガスとアンモニアを燃料として混焼させる構成、重油や軽油とアンモニアを燃料として混焼させる構成等を採用することが可能である。つまり、本発明は、硫黄含有燃料とアンモニアとを燃料として混焼可能なボイラに適用することが可能である。

１……ボイラ
２……火炉
２ａ……排出口
２ｂ……前壁（壁部）
２ｃ……後壁（壁部）
２ｄ……側壁（壁部）
２ｅ……ホッパ壁（壁部）
２ｆ……アンモニア噴射ポート
２ｇ……二段燃焼用空気ポート
３……煙道
３ａ……水平煙道
３ｂ……後部煙道
４……バーナ
５……二段燃焼空気供給部
６……アンモニア供給部
６ａ……アンモニア供給源
６ｂ……バーナ供給部
６ｂ１……バーナ供給配管
６ｂ２……全体流量調節弁
６ｂ３……バーナ供給量調節弁
６ｂ４……配分調節機構
６ｃ……ポート供給部
６ｃ１……ポート供給配管
６ｃ２……ポート供給量調節弁
６ｄ……アンモニア供給制御装置
７……微粉炭供給部

Claims (5)

1. 複数の壁部を有する火炉と、前記火炉の少なくともいずれかの壁部に設置されたバーナとを備え、前記火炉の内部にて硫黄含有燃料及びアンモニアを燃料として混焼するボイラであって、
   前記燃料として燃焼される前記アンモニアを前記バーナが設置されていない前記壁部の内壁面に沿って流すアンモニア噴射ポートを備えることを特徴とするボイラ。
2. 前記火炉が、前記壁部として、前記バーナが設置された前壁と、前記バーナが設置されると共に前記前壁に対向配置される後壁と、前記前壁と前記後壁とを接続すると共に前記バーナが設置されていない側壁とを備え、
   前記アンモニア噴射ポートは、前記前壁及び前記後壁の少なくともいずれか一方であって、水平方向にて前記バーナよりも前記側壁寄りに配置されていることを特徴とする請求項１記載のボイラ。
3. 前記アンモニア噴射ポートは、前記バーナが前記燃料を噴射する方向に沿って前記アンモニアを噴射することを特徴とする請求項２記載のボイラ。
4. 前記アンモニア噴射ポートは、さらに前記側壁に設置されていることを特徴とする請求項２または３記載のボイラ。
5. 前記火炉が、前記壁部として、灰分を外部に排出する排出口に向けて窄むホッパ壁を備え、
   前記アンモニア噴射ポートは、前記ホッパ壁の内壁面に沿って前記アンモニアを流すことを特徴とする請求項１～４いずれか一項に記載のボイラ。

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