(57)【要約】【課題】  排ガスによる構成部品の腐食の抑制を適切に図ることができるボイラ、及びボイラの運転方法を提供する。【解決手段】ボイラ１は、投入された燃料を燃焼させる燃焼炉３と、燃焼炉３から発生する排ガスを採取するプローブ３１と、排ガス中で粒子状の塩を形成しているＣｌの濃度を取得するガス分析部４０と、ガス分析部４０で取得された上記のＣｌの濃度に基づいて、燃焼炉３に投入する燃料を調整する燃料制御部４７及び燃料投入装置４９と、を備えている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
投入された燃料を燃焼させる燃焼炉と、
前記燃焼炉から発生する排ガス中で粒子状の塩を形成しているＣｌの濃度を取得する濃度取得手段と、
前記濃度取得手段で取得された前記濃度に基づいて、前記燃焼炉に投入する燃料を調整する燃料調整手段と、を備えたことを特徴とするボイラ。
【請求項２】
前記濃度取得手段は、
前記排ガス中にガス状で存在するＣｌと前記粒子状の塩を形成しているＣｌとを含めたＣｌの濃度を測定する第１の測定手段と、
前記排ガス中にガス状で存在するＣｌの濃度を測定する第２の測定手段と、を有し、
前記第１の測定手段で得られたＣｌの濃度と、前記第２の測定手段で得られたＣｌの濃度と、に基づいて前記粒子状の塩を形成しているＣｌの濃度を得ることを特徴とする請求項１に記載のボイラ。
【請求項３】
前記濃度取得手段は、
前記排ガスの流路から前記排ガスを採取するガス採取手段を有し、
前記ガス採取手段は、前記流路における排ガスの流動方向とは反対の方向に前記排ガスを吸引して採取することを特徴とする請求項１又は２に記載のボイラ。
【請求項４】
ボイラの燃焼炉に燃料を投入する燃料投入工程と、
前記燃焼炉から発生する排ガス中で粒子状の塩を形成しているＣｌの濃度を取得する濃度取得工程と、
前記濃度取得工程で取得された前記濃度に基づいて、前記燃料投入工程で投入する燃料を調整する燃料調整工程と、を備えたことを特徴とするボイラの運転方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ボイラ及びボイラの運転方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、ボイラの排ガス流路上における部品の腐食を低減させるべく、排ガス流路上の腐食のモニタを行う方法が提案されている。例えば、特許文献１には排ガス流路上に設置して用いるプローブが開示されており、このようなプローブにより腐食をモニタしながら運転するといった方法が考えられる。このプローブ上には試料電極が設けられており、この方法では、上記試料電極を分極させて測定された分極抵抗に基づいて、試料電極の腐食速度を検知する。
【特許文献１】特開２００５−９１２８１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、上記の方法では、プローブの試料電極の腐食速度と、実際のボイラの構成部品における腐食の進行とが、必ずしも正確にリンクしない場合もあり得るので、モニタされた腐食速度に基づいた運転を行っても、腐食抑制が適切に行われない場合があり得る。近年では特に、この種のボイラには、性状が安定しない燃料にも対応することが要求されており、ボイラの長寿命化のためには、排ガスによる部品の腐食をできるだけ抑制することが望まれている。
【０００４】
そこで、本発明は、排ガスによる構成部品の腐食の抑制を適切に図ることができるボイラ、及びボイラの運転方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明者らは、ボイラの排ガス流路上における部品の腐食に関して鋭意研究を行った。このようなボイラの部品の腐食には、排ガス中に存在するＣｌ（塩素原子）が関与しているが、本発明者らは、排ガス中のＣｌを含む化合物のうち、Ｃｌを含む粒子状の塩が、ボイラの部品の腐食の進行に大きな影響を与えており、Ｃｌを含むガスは、あまり大きな影響を与えないことを見出した。従って、部品の腐食のし易さを正確に推定するには、単に排ガス中のＣｌの濃度をモニタするだけでは不十分であり、排ガス中で粒子状の塩を形成しているＣｌの濃度をモニタする必要があることを見出した。
【０００６】
このような知見に基づき、本発明のボイラは、投入された燃料を燃焼させる燃焼炉と、燃焼炉から発生する排ガス中で粒子状の塩を形成しているＣｌの濃度を取得する濃度取得手段と、濃度取得手段で取得された濃度に基づいて、燃焼炉に投入する燃料を調整する燃料調整手段と、を備えたことを特徴とする。
【０００７】
このボイラでは、濃度取得手段により、排ガス中で粒子状の塩を形成しているＣｌの濃度が取得される。この濃度は、排ガスが接触する部品の腐食の進行に大きな影響を与える量であり、部品の腐食のし易さを比較的正確に反映する。そして燃料調整手段では、取得された上記濃度に基づいて燃焼炉に投入される燃料が調整される。従って、このボイラによれば、部品の腐食の危険性に応じて燃料が調整されるといったことが可能になり、部品の腐食を適切に抑えることができる。
【０００８】
また、濃度取得手段は、排ガス中にガス状で存在するＣｌと粒子状の塩を形成しているＣｌとを含めたＣｌの濃度を測定する第１の測定手段と、排ガス中にガス状で存在するＣｌの濃度を測定する第２の測定手段と、を有し、第１の測定手段で得られたＣｌの濃度と、第２の測定手段で得られたＣｌの濃度と、に基づいて粒子状の塩を形成しているＣｌの濃度を得ることを特徴とすることとしてもよい。
【０００９】
排ガス中で粒子状の塩を形成しているＣｌの濃度は直接測定することが比較的困難であるが、これに対し、排ガス中にガス状で存在するＣｌと粒子状の塩を形成しているＣｌとを含めたＣｌの濃度及び、ガス状で存在するＣｌの濃度は比較的測定が容易である。従って、上記構成によれば、粒子状の塩を形成しているＣｌの濃度を比較的容易に得ることができる。
【００１０】
また、濃度取得手段は、排ガスの流路から排ガスを採取するガス採取手段を有し、ガス採取手段は、流路における排ガスの流動方向とは反対の方向に排ガスを吸引して採取することとしてもよい。この構成によれば、ガス採取手段により、適量のガスを採取することができる。
【００１１】
また、本発明のボイラの運転方法は、ボイラの燃焼炉に燃料を投入する燃料投入工程と、燃焼炉から発生する排ガス中で粒子状の塩を形成しているＣｌの濃度を取得する濃度取得工程と、濃度取得工程で取得された濃度に基づいて、燃料投入工程で投入する燃料を調整する燃料調整工程と、を備えたことを特徴とする。
【００１２】
この運転方法では、濃度取得工程により、排ガス中で粒子状の塩を形成しているＣｌの濃度が取得される。この濃度は、排ガスが接触する部品の腐食の進行に大きな影響を与える量であり、部品の腐食のし易さを比較的正確に反映する。そして燃料調整工程では、取得された上記濃度に基づいて、燃料投入工程で燃焼炉に投入される燃料が調整される。従って、この方法によれば、部品の腐食の危険性に応じて燃料が調整されるといったことが可能になり、部品の腐食を適切に抑えることができる。
【発明の効果】
【００１３】
本発明のボイラ及びボイラの運転方法によれば、ボイラの構成部品の腐食を適切に抑制することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、図面を参照しつつ本発明に係るボイラ及びボイラの運転方法の好適な実施形態について詳細に説明する。
【００１５】
図１に示す外部循環型（Circulating Fluidized Bed型）の流動層型ボイラ１は、木屑、タイヤ、ＲＰＦ等を燃料として用いるボイラであり、縦長円筒形状をなす流動層型の燃焼炉３を備えている。燃焼炉３の中間部には燃料を投入する燃料投入口３ａ、上部には燃焼ガスを排出するガス出口３ｂが設けられている。ガス出口３ｂには固気分離装置として機能するサイクロン７が接続されている。サイクロン７の排出口７ａはガスラインを介して後段のガス処理系に接続されている。また、サイクロン７の底部出口からはダウンカマーと称されるリターンライン９が下方に延びており、リターンライン９の下端は燃焼炉３の中間部側面に接続されている。
【００１６】
燃焼炉３内では、下部の給気ライン３ｃから導入される燃焼・流動用の空気により、上記投入口３ａから投入された燃料を含む固形物が流動し、燃料は流動しながら約８００〜９００℃で燃焼する。サイクロン７には、燃焼炉３で発生した燃焼ガスが固体粒子を同伴しながら導入される。サイクロン７は、遠心分離作用により固体粒子と気体とを分離し、分離された固体粒子をリターンライン９を通して燃焼炉３に戻すと共に、固体粒子が除かれた燃焼ガスを排出口７ａからガスラインを通じて後段のガス処理系に送出する。
【００１７】
この燃焼炉３では「炉内ベット材」と呼ばれる固形物が発生し底部に溜まるが、この炉内ベット材で不純物（低融点物質等）が濃縮されて起こるベット材の焼結及び溶融固化、或いは不燃厨芥物による動作不良を抑制することが必要である。このため、燃焼炉３では、底部の排出口３ｄから炉内ベット材が定期的に外部に排出されている。また排出されたベット材は、循環ライン（図示せず）を通じて再び燃焼炉３に返送されている。また、このボイラ１に用いられるの燃料には、燃焼に不適である金属などの不適物が混入している場合が多いので、この不適物を燃焼炉３内から取り除くために、循環ライン上には、篩及び磁気分離装置を有する選別装置が設けられている。
【００１８】
上記のガス処理系は、サイクロン７のガス排出口７ａにガスラインを介して接続されたガス熱交換装置１３と、このガス熱交換装置１３の排出口１３ａにガスラインを介して接続されたバグフィルタ（集塵器）１５とを備えている。ガス熱交換装置１３には、排ガスの流路を横切るように水を流動させるボイラチューブ１３ｂが設けられている。サイクロン２４から送られた高温の排ガスがこのボイラチューブ１３ｂに接触することで、排ガスの熱がチューブ内の水に回収され、発生した高温の水蒸気がボイラチューブ１３ｂを通じて発電用のタービンに送られる。バグフィルタ１５は、この可燃性ガスに未だ同伴している飛灰等の微粒子を除去する。バグフィルタ１５の排出口１５ａから排出された清浄なガスはガスライン及びポンプ１７を経由して煙突１９から外部に排出される。
【００１９】
上述の通り、このボイラ１では、木屑、タイヤ、ＲＰＦ等が燃料として用いられており、燃焼炉３からは塩素を含んだ排ガスが発生する。このような塩素は、排ガスを構成する気体及び粒子に含まれている。この排ガスは、鉄を主成分とするボイラチューブ１３ｂに接触しながらガス熱交換装置１３を通過するので、排ガス中の粒子がボイラチューブ１３ｂに付着し腐食させることが問題となる。また、上記燃料は、性状にムラがある廃棄物を含んでいるので、発生する排ガスの性状も一定ではなく、排ガスに起因するボイラチューブ１３ｂの腐食のし易さも変動する。従って、ボイラ１の運転中には、ボイラチューブ１３ｂに接触する排ガスをモニタし、ボイラチューブ１３ｂの腐食のし易さが規定以上に高まったと判断される場合には、排ガスの性状を変更させるべく、燃料供給系を調整して投入される燃料の性状や量を変更するといった措置が必要である。
【００２０】
また、ボイラ１の排ガス中には、腐食の原因とされるＣｌ（塩素原子）が、例えば、ＮａＣｌ、ＫＣｌ、ＺｎＣｌ２といった粒子状の塩を形成した状態や、例えば、ＨＣｌ、Ｃｌ２等のガス（気体）の分子を形成した状態で存在する。ここで、本発明者らの研究によれば、ボイラ１の排ガス中に存在するＣｌの化合物の中でも、特に、Ｃｌを含む粒子状の塩がボイラチューブ１３ｂに付着して腐食を発生させる主たる原因である一方、Ｃｌを含むガスは鉄製部品の腐食にあまり影響を与えないことが判った。更には、Ｃｌを含む粒子状の塩の中でも、粒径が小さい（粒径１μｍ以下）の微細粒子は、特に、腐食の原因となりやすいことが判明した。そして、ボイラチューブ１３ｂ等の鉄製部品の腐食のし易さは、排ガス中で粒子状の塩を形成しているＣｌの濃度に高い相関関係があることを見出した。
【００２１】
また、一般的にボイラから発生する排ガスにおいて、Ｃｌを含む塩の粒子の粒径の分布は小さい粒径に偏っており、Ｃｌを含む塩の粒子の大部分は粒径１μｍ以下の粒子の中に含まれている。従って、ボイラ１においても、排ガス中でＣｌを含む粒子状の塩は、粒径が小さいものがほとんどであり、大部分は粒径１μｍ以下の粒子を形成していると考えることができる。
【００２２】
以上の知見に基づき、ボイラ１の運転においては、所定の粒径以下（例えば、ここでは、粒径１μｍ以下）の粒子状の塩を形成しているＣｌの濃度をモニタし、この濃度に基づいて、投入する燃料の調整を行うこととして、ボイラチューブ１３ｂの腐食の抑制を図っている。
【００２３】
具体的に、このような運転を可能にするため、ボイラ１は、ボイラチューブ１３ｂの近傍を流動する排ガスを採取するためのモニタリングプローブ３１と、このプローブ３１で採取された排ガスを分析するガス分析装置４０と、ガス分析装置４０からの信号に基づいて処理を行う燃料制御部４７と、燃料制御部４７からの制御信号に応じて投入口３ａに燃料を投入する燃料投入装置４９と、を備えている。
【００２４】
図２に示すように、上記プローブ３１は、ガス熱交換部１３のボイラチューブ１３ｂよりも上流側の位置において、円柱形状をなす先端側をガス熱交換部１３の内部に水平に突出させるように設けられている。プローブ３１は、高温の排ガスに接触する外管３３と、外管３３の内側に同心に設けられた内管３５と、その内管３５の更に内側に設けられたガス採取管３７とを有している。
【００２５】
ガス熱交換部１３の外側にあるプローブ３１の基端側には、外管３３に冷却水を供給する給水口３３ａと、内管３５から冷却水を排出する排水口３５ａとが設けられている。給水口３３ａから導入された冷却水は、外管３３と内管３５との間を先端側に流動し、更に、内管３５とガス採取管３７との間を基端側に流動して、排水口３５ａから排出される。この冷却水によって、排ガスに晒されるプローブ３１が冷却され、高温による損傷が防止される。
【００２６】
上記ガス採取管３７は、先端を下方に屈曲させ、外管３３の先端側の下側面に設けられたガス採取口３３ａから、基端側のガス取出し口３７ｂまで延在している。このガス採取管３７によってガス熱交換部１３の内部と外部とが連通されているので、ガス取出し口３７ｂからの吸引により、ガス熱交換部１３内を流動する排ガスを、排ガスに含まれる粒子と一緒に採取することができる。
【００２７】
ここで、ガス熱交換部１３におけるプローブ３１の位置においては、排ガスは下向きに流動しているのに対し、ガス採取口３３ａは上記の通りプローブ３１の下側面に設けられ、ガス採取口３７ａからは排ガスの流れに逆らって上向きにガスが吸引される。このように、プローブ３１外側面の下流側にガス採取口３３ａを設けた構成によれば、排ガス中の大粒径の粒子は、重量が大きいのでガス採取口３７ａには吸い込まれず、その一方で、軽量の小粒径の粒子はプローブ３１の側面を回り込んでガス採取口３７ａから吸い込まれる。
【００２８】
従って、このプローブ３１によれば、ガス採取管３７の吸引力を適宜調整することで、所望の粒径以下の粒子のみを選択的に採取するといったことが可能である。ここでは、粒径１μｍ以下の粒子のみを採取すべくガス採取管３７の吸引力が調整されている。また、ガス採取口３７ａが排ガスの流動方向に対向しないことから、大きい粒子が取り込まれることによるガス採取管３７の閉塞が防止されるという効果もある。このようなガス採取管３７で採取された排ガスは、粒径１μｍ以下の粒子を含んでおり、ガス取出し口３７ｂを通じて、ガス分析装置４０に送られる。
【００２９】
図３に示すように、ガス分析装置４０は、第１分析部４１と、第２分析部４２とを備えている。ガス分析装置４０に導入された排ガスは２つに分けられ、上記第１及び第２の分析部４１，４２にそれぞれ導入される。
【００３０】
第１分析部４１では、導入された排ガスが、ガス吸収部４１２で吸収液に吹き込まれる。排ガス中に含まれていたＣｌのうち、ガス吸収部４１２の吸収液には、粒径１μｍ以下の粒子状の塩を形成していたＣｌ、及びガスの状態で存在していたＣｌの両方が吸収されＣｌイオンとして溶解する。この吸収液は、ろ過部４１３に送られてろ過処理され、固体成分とろ液とに分離される。分離された固体成分は系外に排出され、ろ液は、ろ液分析部４１４に送られる。ろ液分析部４１４では、ろ液中のＣｌイオン濃度ａ２が測定されると共に、ろ液の体積ａ３が測定される。これらの測定値ａ２，ａ３は、第１演算部４１５に送られる。一方、ガス吸収部４１２で吸収液を通過したガスは、ガス量測定部４１６に送られ、体積ａ１が測定される。測定値ａ１は、第１演算部４１５に送られる。
【００３１】
第１演算部４１５では、入力された測定値ａ１，ａ２，ａ３に基づいて、下式（１）の演算を行い、得られた値ａを第３演算部４３に送る。
ａ＝ａ２・ａ３／ａ１  …（１）
ここで、値ａの意味を考えると、値ａは、排ガス中のＣｌの濃度を示しており、このＣｌは、粒径１μｍ以下の粒子状の塩を形成していたＣｌと、ガスの状態で存在していたＣｌとの両方を合わせたものである。
【００３２】
一方、第２分析部４２では、導入された排ガスがフィルタ４２０を通過する。このフィルタ４２０では、排ガスと一緒に導入された粒子が除去される。従って、排ガスに含まれていたＣｌのうち、粒径１μｍ以下の粒子状の塩を形成していたＣｌは、フィルタ４２０によって系外に取り除かれることになる。一方、フィルタ４２０を通過したガスは、ガス吸収部４２２に送られ、吸収液に吹き込まれる。ガス吸収部４２２で得られる吸収液には、排ガス中にガスの状態で存在していたＣｌが吸収されＣｌイオンとして溶解する。この吸収液は吸収液分析部４２４に送られ、Ｃｌイオン濃度ｂ２が測定されると共に、吸収液の体積ｂ３が測定される。これらの測定値ｂ２，ｂ３は、第２演算部４２５に送られる。一方、ガス吸収部４２２で吸収液を通過したガスは、ガス量測定部４２６に送られ、体積ｂ１が測定される。測定値ｂ１は、第２演算部４２５に送られる。
【００３３】
第２演算部４２５では、入力された測定値ｂ１，ｂ２，ｂ３に基づいて、下式（２）の演算を行い、得られた値ｂを第３演算部４３に送る。
ｂ＝ｂ２・ｂ３／ｂ１  …（２）
ここで、値ｂの意味を考えると、値ｂは、排ガス中のＣｌの濃度を示しており、この場合のＣｌには、排ガス中にガスの状態で存在していたＣｌのみが含まれる。
【００３４】
第３演算部４３では、入力された値ａ，ｂに基づいて、下式（３）の演算を行い、得られた値Ｄを信号として出力し燃料制御部４７に送る。
Ｄ＝ａ−ｂ  …（３）
ここで、値Ｄは、排ガス中で粒径１μｍ以下の粒子状の塩を形成していたＣｌの濃度を示すことになる。従って、Ｄが大きいほど、排ガスにはボイラチューブ１３ｂの腐食の原因となる物質が多く含まれ、ボイラチューブ１３ｂがより腐食し易い状態であることを意味する。
【００３５】
以上のような仕組みにより、プローブ３１及びガス分析装置４１では、排ガス中で粒径１μｍ以下の粒子状の塩を形成しているＣｌの濃度が自動的に測定され燃料制御部４７に送られる（濃度取得工程）。本来、粒子状の塩を形成しているＣｌの濃度（値Ｄ）を単独で、直接測定することは困難であるところ、このガス分析装置４１では、比較的測定が容易な上記値ａと値ｂとを測定し、両者の差を算出することにより、必要な値Ｄを算出することができる。その後、燃料制御部４７では、ガス分析装置４１から送られたＤの値を、予め定められた規定値とを比較し、規定値以上の場合は、燃料投入装置４９に燃料投入量の調整を指示する所定の制御信号を送出する。
【００３６】
燃料投入装置４９は燃料を搬送するスクリュー部を有しており、燃料制御部４７からの制御信号に応じてスクリュー部を回転させることで、燃料を所望の速度で搬送し燃料投入口３ａから燃焼炉３内に投入する（燃料投入工程）。燃料投入装置４９は、燃料制御部４７から上記所定の制御信号を受信すると、燃料投入装置４９はスクリュー部の回転を減速させる。これにより、燃焼炉３内への燃料供給が減少し（燃料調整工程）、燃焼炉３から発生する排ガスが減少し、ボイラチューブ１３ｂの腐食が発生し難い状態に移行する。なお、上記制御信号を受信した場合、燃料投入装置４９は、スクリュー部を停止させることとしてもよい。
【００３７】
ボイラ１及び上述の運転方法によれば、排ガス中で粒径１μｍ以下の粒子状の塩を形成しているＣｌの濃度を基準として、燃焼炉３に投入される燃料が調整されるので、ボイラチューブ１３ｂの腐食の危険性に応じてボイラチューブ１３ｂに接触する排ガスが調整される。従って、ボイラチューブ１３ｂの腐食を抑制し、ボイラの長寿命化を図ることができる。また、ボイラチューブ１３ｂへのデポジットの付着が抑制されることで、排ガスの流路の閉塞に起因する運転トラブルの抑制や、ボイラチューブ１３ｂの伝熱効率の向上といった効果もある。
【００３８】
また、排ガス中には、粒径１μｍ以上の大きい飛灰の粒子も大量に含まれているが、このような大きい飛灰は、粒子状の塩を形成しているＣｌをあまり含んでいないと考えられる。そこで、上記プローブ３１では採取する粒子を、粒径１μｍ以下のものに限ることとし、飛灰の大きい粒子は採取しない仕組みを採用している。従って、大量に存在する大きい飛灰粒子を除外することができ、ガス分析装置４０では、適切な量のサンプルの分析により、精度が高い濃度を算出することができる。
【００３９】
また、前述した通り、塩を形成しているＣｌの大部分は粒径１μｍ以下の小さい粒子を形成していることから、上記プローブ３１によって粒径１μｍ以下の粒子に限定して採取しても、粒子状の塩を形成しているＣｌの粒子の大部分を採取することができる。従って、粒子状の塩を形成しているＣｌの粒子のすべてを採取する場合に比べても、遜色なくボイラチューブ１５ｂの腐食のし易さを推定することができる。
【００４０】
本発明は、前述した実施形態に限定されるものではない。例えば、燃料投入装置４９として、木屑、タイヤ、ＲＰＦ等の廃棄物系の燃料と、塩素の発生が少ない石炭等の燃料と、を適宜混合して燃焼炉３に投入可能な装置を採用してもよい。この場合、燃料制御部４７から燃料投入量の調整を指示する所定の制御信号を受信したときに、燃料投入装置４９は、石炭等の混合割合を増加する操作を行うことで、発生する排ガス中の塩素を低減させるようにしてもよい。
【００４１】
また、実施形態では、排ガス中で塩を形成し粒径１μｍ以下の粒子として存在するＣｌの濃度Ｄを、ガス分析装置４１によって自動的に算出しているが、プローブ３１から採取された排ガスを、ガス分析装置４０、第１分析部４１、及び第２分析部４２と同様の手法を用いた手作業の分析によって濃度Ｄを算出してもよい。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】本発明に係るボイラの一実施形態を示す図である。
【図２】（ｂ）は、図１のボイラにおいて、ガス熱交換部に取り付けられたプローブを拡大して示す断面図であり、（ａ）は、そのII-II断面図である。
【図３】図１のボイラに用いられるガス分析装置の構成を示すブロック図である。
【符号の説明】
【００４３】
１…ボイラ、３…燃焼炉、３１…モニタリングプローブ（ガス採取手段）、４０…ガス分析部（濃度取得手段）４１…第１分析部（第１の測定手段）、４２…第２分析部（第２の測定手段）、４７…燃料制御部（燃料調整手段）、４９…燃料投入装置（燃料調整手段）。
【図１】
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【図２】
2008261523.tif 000004
【図３】
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