JPH0586521B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明はボイラ装置の運転方法に係り、特に排
ガス中の窒素酸化物（NO_x）が少なく、ボイラ
の火炉と対流伝熱部の熱吸収量を調整するに好適
なボイラ装置の運転方法に関するものである。

〔従来技術〕 近年、急増する電力需要に応えるために大容量
の火力発電所が建設されているが、これらのボイ
ラは部分負荷においても高い発電効率を得るため
に、超臨界圧から亜臨界圧へ変圧運転を行なうこ
とが要求されている。

これは最近の電力需要の特徴として、原子力発
電の伸びと共に、負荷の最大、最小差も増大し、
火力発電はベースロードから負荷調整用へと移行
する傾向にあるからである。

このように火力発電は部分負荷での運転が増え
た場合、負荷に応じて圧力を変化させて運転す
る、いわゆる全負荷では超臨界圧域、部分負荷で
は亜臨界圧力域で運転する変圧運転ボイラとする
ことによつて、部分負荷での発電効率を数％向上
させることができる。

一方、ボイラから発生するNO_xは燃料中に含
まれる窒素分が燃焼時に酸化されて生成するフユ
ーエル（Fuel）NO_xと、炭化水素系燃料を燃焼
する際に炭化水素が空気中の窒素と反応し、更に
いくつかの反応を経て生じたプロンプトン
（Prompt）NO_xと、空気中の窒素分子が高温に
おいて酸素と結合して生成するサーマル
（Thermal）NO_xとがあり、特にこのサーマル
NO_xが問題視されている。

サーマルNO_xの生成は燃焼温度が高く、燃焼
域でのO₂濃度が高く、また、高温域での燃焼ガ
スの滞留時間が長くなるほど多量に発生するとさ
れている。

このことから、根本的にNO_xを抑制するため
には、燃焼温度、O₂濃度、滞留時間を抑制する
ことが重要であり、特に燃焼温度が1600℃以上に
なるとNO_xが急激に増加することから、極力燃
焼温度を下げることが重要視されている。

このように、部分負荷での発電効率を向上さ
せ、燃焼段階でのNO_xの発生量を抑制するため
に排ガス再循環燃焼法が採用されている。

第１図は、従来の排ガス再循環燃焼法を採用し
たボイラの概略系統図である。

第１図において、１はボイラ火炉、２ａ，２ｂ
はボイラ火炉１を囲繞した水冷壁、３はバーナ、
４はボイラの対流伝熱部、５，６は対流伝熱部４
に配置された過熱器および再熱器、７はボイラの
煙道、８は節炭器、９はバーナ３へ燃焼用空気を
供給する燃焼用空気系統、１０は押込フアン、１
１は燃焼用空気と排ガスを混合する混合器、１２
は排ガス再循環フアン、１３はボイラ出口の煙道
７からボイラ火炉１の底部１４へ排ガスを再循環
する排ガス再循環系統、１５は排ガス再循環系統
１３の排ガス量を制御する可変ダンパ、１６は排
ガス再循環系統１３から燃焼用空気系統９へ排ガ
スを混入する排ガス混入系統、１７は排ガス量を
一定量に保つダンパである。

このような構成において、水冷壁２ａ，２ｂで
形成されたボイラ火炉１内に、バーナ３より燃料
を、燃焼用空気系統９から空気を投入して燃焼さ
せ、主にバーナ３からの高温火災による輻射熱に
よつて水冷壁２ａ，２ｂ内を流れる水加熱して蒸
発させ、これをさらに対流伝熱部４、煙道７の過
熱器５、再熱器６へ導き、ボイラ火炉１からの高
温燃焼排ガスによつて所定の蒸気条件になるよう
に加熱する。

ところで、この種の発電用ボイラにおいては、
その負荷のできるだけ広い範囲にわたつて、過熱
器５および再熱器６出口の蒸気温度を一定に保つ
ことが、発電プラント効率を維持するために必要
である。

それは、過熱器５、再熱器６の蒸気温度制御を
行なわない場合は、ボイラの負荷が下がるにつれ
て対流伝熱部４においては、高温燃焼排ガス温
度、流速が低下するために、過熱度が下るからで
ある。

このために、従来のボイラにおいては第１図に
示す如く煙道７から炉底１４へ排ガス循環系統１
３が、さらにこの排ガス再循環系統１３から燃焼
用空気系統９へ排ガス混入系統１６が設けられて
いた。排ガス再循環系統１３と排ガス混入系統１
６の使用目的は異るが、いずれも節炭器８出口の
350〜430℃の排ガスを吸引してボイラの底部１
４、バーナ３へ供給するものである。

一般的に低負荷条件になるとボイラ火炉１の伝
熱特性上、ボイラ火炉１での熱吸収量と対流伝熱
部４に配置された過熱器５、再熱器６での熱吸収
量の割合が、高負荷条件のときと比較して減少
し、ボイラ火炉１での熱吸収量が多くなる。

そこで、低負荷条件になると煙道７から炉底１
４の排ガス再循環系統１３によつて排ガスをボイ
ラ火炉１内に投入することによつて、ボイラ火炉
１内での熱吸収量を減少させると共に、対流伝熱
部４内を流れ燃焼排ガス温度を高め、これによつ
て実質的に過熱器５、再熱器６での熱吸収量を増
加させて蒸気温度を一定に保つのである。

一方、排ガス混入系統１６はボイラ排ガス中の
NO_xを低減するために、燃焼用空気系統９の燃
焼用空気へ不活性ガスとしてボイラ出口の排ガス
を燃焼用空気量の15〜20％程度混合器１１で混合
し、これを燃焼用空気系統９からバーナ３へ供給
してNO_xを低下させるのである。

そして、排ガス混入系統１６のダンパ１７は負
荷変動に関係なく一定量（燃焼用空気量の15〜20
％）制御であり、排ガス再循環系統１３の可変ダ
ンパ１５は負荷変動に応じて開、閉し、負荷の増
大に伴つて開度を大きくして排ガス再循環量を増
加させていた。

〔発明が解決しようとする課題〕

ところが、この再循環排ガス量はボイラ負荷に
よつても異るが、負荷範囲によつてはボイラ排ガ
ス量の60％を排ガス再循環系統１３へ再循環フア
ン１２によつて吸引することから、この再循環フ
アン１２の動力費が嵩み、経済的な運転をするた
めにはこの再循環フアンの所内動力費を軽減する
必要がある。

本発明はかかる従来の欠点を解消しようとする
もので、その目的とするところは、再循環フアン
の所内動力費を軽減して、経済的な運転ができ、
しかも、低NO_x化が計れるボイラ装置の運転方
法を得ようとするものである。

〔課題を解決するための手段〕

本発明は前述の目的を達成するために、 ボイラのバーナへ燃焼用空気を供給する燃焼用
空気系統と、 ボイラの出口から炉底へ排ガスを供給する排ガ
ス再循環系統と、 この排ガス再循環系統から炉底へ投入される排
ガス量を調整する第１の可変ダンパと、 前記排ガス再循環系統からの排ガスを前記燃焼
用空気系統へ混入する排ガス混入系統と、 この排ガス混入系統から燃焼用空気系統へ混入
される排ガス量を調整する第２の可変ダンパと、 ボイラ内での燃焼の確保を検知する検知手段と
を備えている。

そしてその検知手段によつてボイラ内での燃焼
が確保されることを検知しながら、前記排ガス混
入系統への排ガス量を排ガス循環系統から炉底へ
投入される排ガス量よりも常に多く供給すること
を特徴とするものである。

〔実施例〕

以下、本発明の実施例を図面を用いて説明す
る。

第４図および第５図は、本発明の実施例に係る
ボイラの概略系統図である。

第４図および第５図において、符号１〜16まで
は第１図の従来のものと同一であり、従来のもの
と異る点は、第１図のものにおいては排ガス混入
系統１６のダンパ１７は負荷変動に関係なく燃焼
用空気量に対して一定量制御であつたが、第４図
および第５図のものにおいては、可変ダンパ１８
にして可変ダンパ１５よりも常に可変ダンパ１８
の排ガス量を多くしたものである。

なお、第４図の符号１９は燃焼用空気系統９の
酸素濃度検出計、第５図の符号２０は火災検出
器、２１は燃焼状態判定装置である。

本発明の実施例を説明する以前に、発明者が行
なつた排ガスの投入量がボイラ火炉の伝熱特性に
与える影響についての実験データから紹介する。

第２図は、縦軸にボイラ火炉１の出口ガス濃度
（FEGT）の偏差を示し、横軸に排ガス混入系統
１６の排ガス量（GM）と排ガス再循環系統１３
から炉底１４への排ガス量（GR）の比を示した
温度特性曲線図である。

第３図は縦軸に無次元温度、横軸に無次元奥行
を示し、実線Ａは排ガス再循環系統１３の排ガス
量の全量を排ガス混入系統１６へ供給してバーナ
３からボイラ火炉１へ供給した場合（GM）のボ
イラ火炉１の燃焼ガス温度分布を示し、破線Ｂは
排ガス再循環系統１３の排ガス量の全量を炉底１
４からボイラ火炉１へ供給した場合（GR）のボ
イラ火炉１の燃焼ガス温度分布を示したものであ
る。

先ず第２図は実缶のボイラによつて得られた実
験データで、排ガス再循環系統１３から炉底１４
への排ガス量（GR）を一定にしておき、そのう
ち排ガス混入系統１６からの排ガス量（GM）の
占める比率を変化させた場合に、ボイラ火炉１の
出口ガス温度（FEGT）が変わる様子を実験で確
認した結果である。

つまり、GM／GR＝０％は排ガス再循環系統
１３の全排ガス量が炉底１４から投入されている
ことを意味し、逆にGM／GR＝60％は排ガス再
循環系統１３の全排ガス量のうち燃焼用空気供給
系統９から60％投入され、残り40％が排ガス再循
環系統１３より炉底１４から投入されていること
を意味する。

従つて、第２図の実験データは、排ガス再循環
系統１３の排ガス量を炉底１４から投入（GR）
するよりも、排ガス混入系統１６から燃焼用空気
系統９へ多く投入（GM）する方が、ボイラ火炉
１の出口ガス温度（FEGT）をより高くすること
ができることを示している。

これは、排ガス再循環系統１３からの排ガス量
を炉底１４から投入（GR）するか、あるいは排
ガス混入系統１６から投入（GM）するかの投入
法の違いによつて、ボイラ火炉１での燃焼ガス温
度分布が異るためであると考えられる。

第３図は対向燃焼の場合の燃焼ガス温度分布を
示した実験データで、実線Ａで示すGM法は破線
Ｂで示すGR法に比べ、最高火炎温度が低下し、
最高火炎温度となる領域がボイラ火炉１の中央に
移動している。

従つて、輻射伝熱量は温度の４乗に比例するた
めに、GM法はGR法に比べて水冷壁２ａ，２ｂ
での熱吸収量が低下し、ボイラ火炉１の出口ガス
温度（FEGT）が高くなるのである。

このように、排ガス再循環系統１３からの排ガ
ス量よりも炉底１４からボイラ火炉１内へ投入す
る量を少なくし、排ガス混入系統１６から燃焼用
空気系統９へ投入する量を多くすることによつ
て、より少ない排ガス量で過熱器５、再熱器６で
の熱吸収量の調節ができることになり、再循環フ
アン１２の動力費も少なく経済的である。

なお、第４図のものは、燃焼用空気系統９に酸
素濃度検出計１９を配置して、燃焼用空気中の酸
素濃度が使用燃料の可燃限界に達するまで可変ダ
ンパ１８を開いて排ガス混入系統１６の排ガス量
を多くし、残りの必要な排ガスは炉底１４から投
入するようにしたものである。

第５図のものは、火炎の燃焼状態を監視する火
炎検出器２０の信号から燃焼状態を燃焼状態判定
装置２１で判定し、バーナ３での安定した燃焼が
可能な限界まで可変ダンパ１８をコントロール
し、残りの排ガスは炉底１４から投入するように
したものである。

〔発明の効果〕

本発明は、排ガス混入系統のダンパを可変ダン
パによつて構成し、排ガス混入系統への排ガス量
を排ガス再循環系統から炉底へ投入される排ガス
量よりも常に多くするようにしたので、より少な
い排ガス量で対流伝熱部の熱吸収量が調整でき、
再循環フアンの動力も少なく、しかも、火炉温度
が低下するので低NO_x化が計れる。

さらに本発明では、酸素濃度検出計や火炎検出
器ならびに燃焼状態判定装置などの検知手段によ
り、案内した燃焼が確保されていることを検知し
ながら、その限界まで排ガスの混入量をコントロ
ールすることができるから、ボイラの安全性を確
保しながらNO_x低減の効果を最大限に得ること
ができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来の排ガス再循環燃焼法を採用した
ボイラの概略系統図、第２図は縦軸にボイラ火炉
の出口ガス温度（FEGT）偏差を示し、横軸に排
ガス混入系統からの排ガス量（GM）と排ガス再
循環系統から炉底への排ガス量（GR）の比を示
した温度特性曲線図、第３図は縦軸に無次元温
度、横軸に無次元奥行を示した燃焼ガス温度分布
図、第４図および第５図は本発明の実施例を示し
たボイラの概略系統図である。 ９……燃焼用空気系統、１３……排ガス再循環
系統、１４……炉底、１６……排ガス混入系統、
１８……可変ダンパ、１９……酸素濃度検出計、
２０……火炎検出器、２１……燃焼状態判定装
置。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ ボイラのバーナへ燃焼用空気を供給する燃焼
   用空気系統と、 ボイラの出口から炉底へ排ガスを供給する排ガ
   ス再循環系統と、 この排ガス再循環系統から炉底へ投入される排
   ガス量を調整する第１の可変ダンパと、 前記排ガス再循環系統からの排ガスを前記燃焼
   用空気系統へ混入する排ガス混入系統と、 この排ガス混入系統から燃焼用空気系統へ混入
   される排ガス量を調整する第２の可変ダンパと、 ボイラ内での燃焼の確保を検知する検知手段と
   を備え、 その検知手段によつてボイラ内での燃焼が確保
   されることを検知しながら、前記排ガス混入系統
   への排ガス量を排ガス循環系統から炉底へ投入さ
   れる排ガス量よりも常に多く供給することを特徴
   とするボイラ装置の運転方法。