(57)【要約】【課題】バーナに投入する蒸気量を最適化して重質油燃料の使用を可能とし、ボイラの設置コストやランニングコストを低減できる重質油燃焼ボイラを提供する。【解決手段】燃料油として重質油を使用し、燃料油をバーナに投入した蒸気で微粒化してから燃焼させる重質油燃焼ボイラにおいて、蒸気の投入量が、燃料油の粘度領域毎に得られるバーナ蒸気割合と煤塵濃度との相関関係から、粘度領域及び所定の煤塵濃度に対応するバーナ蒸気割合を求めて算出される。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料油として重質油を使用し、前記燃料油をバーナに投入した蒸気で微粒化してから燃焼させる重質油燃焼ボイラにおいて、
前記蒸気の投入量が、前記燃料油の粘度領域毎に得られるバーナ蒸気割合と煤塵濃度との相関関係から、前記粘度領域及び所定の煤塵濃度に対応するバーナ蒸気割合を求めて算出されることを特徴とする重質油燃焼ボイラ。
【請求項２】
前記バーナの上流側に前記燃料油を加熱する油加熱器を備え、前記蒸気の投入量を確保できない運転状態時に前記油加熱器の運転を行うことを特徴とする請求項１に記載の重質油燃焼ボイラ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、アスファルトや精油過程で生じる残渣油等の重質油を燃料とする重質油燃焼ボイラに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、燃料油の白油化指向に伴い、粘度の高い重質油が増加してきている。このような重質油を燃料とする重質油燃焼ボイラにおいては、高粘度の重質油を昇温させて低粘度化するための油加熱器が必要となる。なお、この場合の重質油は、たとえばＣ重油、アスファルト及び精油過程で生じる残渣油等のことである。
図７は、従来の重質油燃焼ボイラの概要を示す図で、図中の符号１は燃料タンク、２は燃料ポンプ、３は油加熱器、４はバーナ、５はボイラ本体（燃焼炉）である。このような重質油燃焼ボイラにおいて、燃料タンク１の内部に貯蔵されている燃料油（重質油）を蒸気トレース配管６で昇温させることにより、高い粘度の燃料油を図８に示す移送粘度範囲（３００〜７００mm２／sec程度）まで低下させた低粘度状態にして、燃料ポンプ２により吸引及び圧送する。
【０００３】
燃料ポンプ２により圧送された燃料油は、油加熱器３を通過することにより加熱され、図８に示す燃焼粘度範囲（１５〜３０mm２／sec程度）までさらに粘度を低下させてからバーナ４に供給される。
バーナ４の内部に供給された燃料油は、ボイラ本体５で生成した蒸気の余剰分等を導入することにより、この蒸気との衝突等により微粒化される。こうして微粒化された燃料油は、バーナ４からボイラ５内へ投入されて良好な燃焼が可能となる。
【０００４】
上述した重質油を燃焼させる重質油燃焼ボイラにおいては、油加熱器３による加熱方式の他にも、高粘度の燃料油を水エマルジョン化するとともにバーナチップを改良し、高粘度のまま燃焼させる技術が知られている。（たとえば、特許文献１参照）
また、高粘度の燃料油に低粘度の燃料油を混合することにより、全体としての燃料油粘度が低下した状態で燃焼させる技術も公知である。
【特許文献１】特開平９−１５９１１３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上述したように、高粘度の重質油を燃料油として使用する重質油燃焼ボイラにおいて、油加熱器３を用いて燃料油の粘度を燃焼粘度範囲まで低下させると、油加熱器３の設置コストやランニングコスト（油燃焼器３の燃料費等）の増大が問題となる。また、蒸気により微粒化された燃料油は良好な燃焼を可能にするが、蒸気使用量の増大はボイラ効率を低下させる要因となる。
従って、従来の重質油燃焼ボイラで使用する蒸気は、燃焼粘度範囲にある燃料油をバーナ４で微粒化することが主目的となり、この目的を達成するために必要な最小限の蒸気量が投入されている。換言すれば、従来の重質油ボイラにおいて、バーナ４に投入する蒸気量の決定は、油加熱器の加熱で燃料粘度範囲まで低粘度化した燃料油を微粒化することが前提であり、ボイラ効率を考慮して必要最小限の蒸気投入量に抑えられている。
【０００６】
一方、燃料油を水エマルジョン化して燃焼させる場合や低粘度の燃料油を混合して燃焼させる場合には、ボイラの燃焼効率低下が問題となる。なお、燃料油を水エマルジョン化する従来技術は、燃料油の粘度が高いままの状態で燃焼させているので、燃焼排ガス中の煤塵濃度増大が問題となる。
【０００７】
このような背景から、重質油燃焼ボイラにおいては、バーナに投入する蒸気量を最適化することにより、ボイラ設置のコストやボイラ運転時のランニングコストを低減し、重質油燃料の使用を可能とすることが望まれる。
本発明は、上記の事情に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、バーナに投入する蒸気量を最適化して重質油燃料の使用を可能とし、ボイラの設置コストやランニングコストを低減できる重質油燃焼ボイラを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、上記の課題を解決するため、下記の手段を採用した。
本発明に係る重質油燃焼ボイラは、燃料油として重質油を使用し、前記燃料油をバーナに投入した蒸気で微粒化してから燃焼させる重質油燃焼ボイラにおいて、前記蒸気の投入量が、前記燃料油の粘度領域毎に得られるバーナ蒸気割合と煤塵濃度との相関関係から、前記粘度領域及び所定の煤塵濃度に対応するバーナ蒸気割合を求めて算出されることを特徴とするものである。
【０００９】
このような重質油燃焼ボイラによれば、バーナへ投入する蒸気の投入量が、燃料油の粘度領域毎に得られるバーナ蒸気割合と煤塵濃度との相関関係から、粘度領域及び所定の煤塵濃度に対応するバーナ蒸気割合を求めて算出されるので、蒸気投入量を最適化して高粘度の重質油を燃焼させることができる。すなわち、最適化した蒸気投入量を採用することにより、重質油燃料の粘度を低下させる加熱処理を全くなくすか最小限に抑え、比較的高粘度の重質油を良好に燃焼させることができる。
【００１０】
上記の発明において、前記バーナの上流側に前記燃料油を加熱する油加熱器を備え、前記蒸気の投入量を確保できない運転状態時に前記油加熱器の運転を行うことが好ましく、これにより、油加熱器の運転で消費される燃料を低減することができる。
【発明の効果】
【００１１】
上述した本発明によれば、蒸気投入量を最適化することにより、重質油燃料の粘度を低下させる加熱処理を不要とし、あるいは、重質油燃料の粘度を低下させる加熱処理を最小限に抑えて、比較的高粘度の重質油を良好に燃焼させることが可能になる。従って、重質油の加熱処理に必要な油加熱器等を小型化し、あるいは、油加熱器等が不要になるので、重質油燃焼ボイラの設置コストやランニングコストを低減することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、本発明に係る重質油燃焼ボイラの一実施形態を図面に基づいて説明する。
重質油燃焼ボイラは、たとえばＣ重油、アスファルト、精製過程で生じる残渣油等のように、粘度の高い重質油を燃料油として使用するボイラである。このような重質油燃焼ボイラは、バーナにおいて燃料油を蒸気で微粒化してから燃焼させている。
【００１３】
図４から図６は、重質油燃焼ボイラの概要を示す図である。なお、図４は最も粘度の高い残渣油を燃料油とする重質油燃焼ボイラ、図５は残渣油より粘度の低いアスファルトを燃料油とする重質油燃焼ボイラ、図６はアスファルトより粘度の低いＣ重油を燃料油とする重質油燃焼ボイラの構成例を示している。
図４の重質油燃焼ボイラは、燃料タンク１に貯蔵されている燃料油（残渣油）を燃料ポンプ２でボイラ本体（燃焼炉）５のバーナ４Ａへ圧送する。この場合の燃料油は、蒸気トレース配管６により移送粘度範囲（３００〜７００mm２／sec程度）まで油温を上昇させることで、低粘度の状態にして圧送される。
また、必要に応じて、バーナ４Ａの上流側には、燃料油を加熱して昇温させるための油過熱器３Ａが設けられている。
【００１４】
このように構成された重質油燃焼ボイラに対し、本発明では、バーナ４Ａに投入して燃料油を微粒化する蒸気の投入量が、図１に示すような制御マップに基づいて算出される。この制御マップは、燃料油の粘度領域毎に得られるバーナ蒸気割合と煤塵濃度との関係を示す線図であり、図示の制御マップ例では、適正粘度（１５〜３０mm２／sec）、高粘度（３０〜１００mm２／sec）及び超高粘度（１００〜５００mm２／sec）の３領域が示されている。なお、この場合のバーナ蒸気割合は、バーナ４Ａに投入される燃料油及び蒸気の重量割合である。
バーナ４Ａに投入する蒸気量は、図１に示すバーナ蒸気割合と煤塵濃度との相関関係を用い、使用する燃料油の粘度領域及び所定の煤塵濃度に対応するバーナ蒸気割合を求めて算出される。たとえば燃料油を残渣油とした場合、粘度領域は超高粘度に相当するので、所定の煤煙濃度（たとえば３００mg／Nm３）に対応するバーナ蒸気割合の１２％が求められる。従って、バーナ４Ａに対する蒸気の投入量は、バーナ４Ａに投入される燃料油量に対し、重量比で１２％となるように算出される。なお、所定の煤煙濃度は一例であり、重質油燃焼ボイラの諸条件に応じて適宜変化する値である。
【００１５】
さて、上述した制御マップからバーナ蒸気割合を得て蒸気投入量を算出することは、図３に示す油粘度と煤塵濃度との関係に関する新たな知見を得たことにより可能となったものである。すなわち、油粘度と煤塵濃度との関係については、従来の重質油燃焼ボイラが燃焼粘度範囲まで低粘度化した燃料油をバーナに導入することが常識であるため、油粘度の高い領域に関する知見がなかった。
そこで、本発明者は、燃料油の燃焼粘度範囲を超えた高粘度についても実験を行い、図３に示すような実験結果を得た。
【００１６】
図１の実験結果によれば、油粘度が燃焼粘度範囲の領域では、油粘度の上昇に応じて煤塵濃度が略直線的に変化する関係（略比例関係）にある。しかし、油粘度が燃焼粘度範囲を大幅に超えた高粘度（概ね１００mm２／sec以上）になると、油粘度と煤塵濃度との間に存在する略比例関係が崩れ、油粘度の上昇に伴って煤塵濃度は急増する。従って、高粘度の燃料油をバーナ４Ａに供給する場合には、その粘度領域に応じたバーナ蒸気割合が存在すると推測される。このため、燃料油の粘度領域毎に実験を行い、図１に示すバーナ蒸気割合と煤塵濃度との関係（制御マップ）を得た。
【００１７】
図１に示す制御マップによれば、煤塵濃度を所定の値に抑える場合、粘度の高い燃料油ほどバーナ蒸気割合を高く設定できることが分かる。さらに、たとえば超高粘度の領域にある燃料油のように、粘度が高い領域にある燃料油ほど、バーナ蒸気割合の増加に伴う煤塵濃度の低下は顕著である。従って、図２に示すように、煤塵濃度（煤塵量）の低減はプラント効率の向上に貢献するので、煤塵濃度を低減するためにはバーナ蒸気割合を高く設定することが望ましい。
【００１８】
一方、バーナ蒸気割合を高く設定することは、図２に示すように、火炉内へ投入される蒸気量が増して炉内温度を低下させる要因になる。従って、重質油燃焼ボイラのプラント効率にとって、煤塵濃度及びバーナ蒸気割合は相反する関係にあるので、諸条件を考慮して良好なプラント効率が得られる最適なバーナ蒸気割合の設定が望ましい。
ちなみに、図２に示す例では、煤塵低減によるプラント効率の向上と、蒸気投入によるプラント効率の悪化とが交差するバーナ蒸気割合は１２％程度となり、この値が超高粘度の領域にある燃料油を所定の煤煙濃度（３００mg／Nm３）にして燃焼させるバーナ蒸気割合と一致している。
【００１９】
このように、バーナ４Ａへ投入する蒸気の投入量が、燃料油の粘度領域毎に得られるバーナ蒸気割合と煤塵濃度との相関関係（図１の制御マップ）から、使用する燃料油の粘度領域及び所定の煤塵濃度に対応するバーナ蒸気割合を求めて算出される重質油燃焼ボイラは、バーナ４Ａの蒸気投入量を最適化して高粘度の重質油を燃焼させることができる。このようにして最適化した蒸気投入量を採用することにより、重質油燃料の粘度を低下させる事前の加熱処理を全くなくすか最小限に抑えることが可能になり、比較的高粘度の重質油を良好に燃焼させることができる。
【００２０】
以下、残渣油を燃料油とする重質油燃焼ボイラについて、図４を参照して具体的に説明する。この場合、高粘度の残渣油は、燃料ポンプ２が圧送する前に、蒸気トレース配管６で超高粘度と略一致する移送粘度範囲まで粘度を低下させている。従って、図１に示す制御マップにおいては超高粘度の線図が採用され、所定の煤塵濃度に対応する１２％のバーナ蒸気割合が選択される。なお、残渣油が移送粘度範囲となる油温は、２２０℃〜２６０℃程度の高温となる。
【００２１】
このため、バーナ４Ａの上流に設置された油過熱器３Ａは、実際に圧送されてきた燃料油の粘度について、移送粘度範囲と超高粘度との粘度差がある場合にのみ運転して加熱すればよい。すなわち、油加熱器３Ａは、移送粘度範囲と超高粘度との粘度差を補う加熱能力を有していればよく、この場合は最大でも２００mg／Nm３程度の粘度を低下させればよい。従って、移送粘度範囲の燃料油を加熱し、油温を１００℃程度上昇させて燃焼粘度範囲とする従来の油加熱器３と比較すれば、加熱能力を大幅に低下させた小型の油加熱器３Ａを使用できる。また、移送粘度範囲と超高粘度とがオーバーラップしている領域であれば、油加熱器３Ａによる加熱が不要となる場合もある。
【００２２】
次に、アスファルトを燃料油とする重質油燃焼ボイラについて、図５を参照して具体的に説明する。この場合、残渣油より粘度が低いアスファルトを燃料油とするため、蒸気トレース配管６で加熱して粘度を低下させる。この結果、燃料油の粘度は、油加熱器を設けなくても、制御マップにおける高粘度の領域まで低下する。従って、バーナ４Ｂに投入するバーナ蒸気割合は、制御マップに示す高粘度の線図を採用し、所定の煤塵濃度に対応する８％のバーナ蒸気割合が選択される。
【００２３】
次に、Ｃ重油を燃料油とする重質油燃焼ボイラについて、図６を参照して具体的に説明する。この場合、アスファルトより粘度が低いＣ重油を燃料油とするため、蒸気トレース配管６より加熱能力の低い温水トレース配管７で加熱して粘度を低下させる。この結果、燃料油の粘度は、油加熱器を設けなくても、制御マップにおける適正粘度の領域まで低下する。従って、バーナ４Ｃに投入するバーナ蒸気割合は、制御マップに示す適正粘度の線図を採用し、所定の煤塵濃度に対応する３％のバーナ蒸気割合が選択される。
【００２４】
また、上述した重質油燃焼ボイラにおいては、たとえばバーナ４Ａの上流側に燃料油を加熱する油加熱器３Ａを備えている場合、蒸気の投入量を確保できない運転状態時にのみ油加熱器３Ａを運転すればよい。すなわち、重質油燃焼ボイラの起動時や低負荷時のように蒸気量を十分に確保できない運転状況では、油加熱器３Ａにより燃料油を加熱して燃焼粘度範囲まで粘度を低下させる運転を行い、高負荷時等のように余剰蒸気を十分に確保できる運転状況になってから、バーナ蒸気割合を増して油加熱器３Ａの運転を停止することが望ましい。このような運転を実施すれば、重質油燃焼ボイラ全体の効率に合わせた運用となり、ランニングコストの低減が可能になる。すなわち、油加熱器３Ａの運転は必要最小限となるので、油加熱器３Ａで消費される燃料の低減が可能になる。
【００２５】
このように、上述した本発明によれば、バーナ４Ａ，４Ｂ，４Ｃへ投入する蒸気量を最適化することにより、重質油燃料の粘度を低下させる加熱処理を不要とし、あるいは、重質油燃料の粘度を低下させる加熱処理を最小限に抑えて、比較的高粘度の重質油を良好に燃焼させることが可能になる。従って、重質油の加熱処理に必要な油加熱器３Ａ等を小型化し、あるいは、油加熱器３Ａ等が不要になるので、重質油燃焼ボイラの設置コストやランニングコストを低減することができる。
なお、本発明は上述した実施形態に限定されることはなく、たとえば油過熱器、蒸気トレース配管及び温水トレース配管等に代えて他の加熱手段を採用するなど、その要旨を逸脱しない範囲内において適宜変更することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】本発明に係る重質油燃焼ボイラの一実施形態として、バーナに投入するバーナ蒸気割合を燃料油の粘度領域毎に示す制御マップである。
【図２】バーナ蒸気割合とプラント効率との関係を示す図である。
【図３】燃料油の油粘度と煤塵濃度との関係を示す図である。
【図４】残渣油を燃料油とする重質油燃焼ボイラの構成例を示す図である。
【図５】アスファルトを燃料油とする重質油燃焼ボイラの構成例を示す図である。
【図６】Ｃ重油を燃料油とする重質油燃焼ボイラの構成例を示す図である。
【図７】従来の重質油燃焼ボイラの構成例を示す図である。
【図８】燃料油の移送粘度範囲及び燃焼粘度範囲を示す図である。
【符号の説明】
【００２７】
１    燃料タンク
２    燃料ポンプ
３，３Ａ    油加熱器
４，４Ａ〜４Ｃ    バーナ
５    ボイラ本体（燃焼炉）
６    蒸気トレース配管
７    温水トレース配管
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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