(57)【要約】【課題】  ボイラ全体の蒸気の収熱量を保ちつつ適切に伝熱面積を削減するようにしても、効率よく２次空気の温度が高められ、熱効率が向上するボイラを提供すること。【解決手段】  本発明のボイラは、上記課題を解決するために、火炉から排出される燃焼排ガスの下流側流路が隔壁で仕切られた一方の流路に設置された熱交換器の伝熱面積より、他方の流路に設置された熱交換器の伝熱面積が小さいと共に、前記両流路からボイラ外に排出される燃焼排ガスが混合されることなくボイラ下流側で空気加熱器に導入され、かつ、該空気加熱器で燃焼排ガスの保有する熱を、１次空気及び２次空気に与えることで燃焼空気が加熱されることを特徴とする。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
固体燃料を燃焼する火炉と、前記固体燃料を粉砕する燃料粉砕機と、該燃料粉砕機から前記火炉まで前記固体燃料を搬送する固体燃料供給配管と、前記固体燃料を着火するバーナと、前記火炉に空気を投入する空気ポートと、燃焼排ガスから熱を回収して前記火炉に供給する１次及び２次空気を加熱する空気加熱器と、該空気加熱器からの前記１次空気を前記燃料粉砕機へ導入する１次燃焼空気供給ダクトと、前記空気加熱器からの２次空気を前記バーナ及び空気ポートへ導入する２次燃焼空気供給ダクトと、前記空気加熱器へ空気を導入する空気ダクトと、前記空気加熱器へ燃焼排ガスを導入する排ガスダクトと、前記火炉から排出される燃焼排ガスの下流側流路を仕切る隔壁と、該隔壁で仕切られた両流路に設置され、該両流路を流れる燃焼排ガスからの熱を回収して蒸気を加熱する熱交換器とを備え、
前記隔壁で仕切られた一方の前記流路に設置された前記熱交換器の伝熱面積より、他方の前記流路に設置された前記熱交換器の伝熱面積が小さいと共に、前記両流路からボイラ外に排出される燃焼排ガスが混合されることなくボイラ下流側で前記空気加熱器に導入され、かつ、前記空気加熱器で前記燃焼排ガスの保有する熱を、前記１次空気及び２次空気に与えることで燃焼空気が加熱されることを特徴とするボイラ。
【請求項２】
請求項１に記載のボイラおいて、
前記空気加熱器は、伝熱面積が大きい方の前記熱交換器の下流に設置され、前記１次空気の加熱を担う低温空気加熱器と、伝熱面積が小さい方の前記熱交換器の下流に設置され、前記２次空気の加熱を担う高温空気加熱器とから成ることを特徴とするボイラ。
【請求項３】
請求項１又は２に記載のボイラにおいて、
伝熱面積の大きい前記熱交換器は再熱蒸気の加熱に使用され、伝熱面積の小さい前記熱交換器は主蒸気の加熱に使用されることを特徴とするボイラ。
【請求項４】
請求項２又は３に記載のボイラおいて、
伝熱面積の大きい前記熱交換器が設置された流路を流れる燃焼排ガスが、前記低温空気加熱器を通る前に入り、燃焼排ガス中の窒素酸化物を除去する脱硝装置を備え、かつ、前記２次空気が、前記低温空気加熱器で加熱された後に前記高温空気加熱器に入り、この高温空気加熱器で、伝熱面積の小さい前記熱交換器が設置された流路を流れる排ガスにより加熱されることを特徴とするボイラ。
【請求項５】
請求項４に記載のボイラにおいて、
前記伝熱面積の小さい前記熱交換器が設置された流路を流れる燃焼排ガスは、前記高温空気加熱器に入って加熱された後に前記脱硝装置に入り、該脱硝装置で、伝熱面積の大きい前記熱交換器が設置された流路を流れる燃焼排ガスと共に窒素酸化物が除去されて前記低温空気加熱器に入ることを特徴とするボイラ。
【請求項６】
請求項１乃至５いずれか１項に記載のボイラにおいて、
前記空気ダクトに空気流量調整装置を、前記排ガスダクトに排ガス流量調整装置を備え、かつ、前記１次燃焼空気供給ダクトの途中に空気温度計を備え、前記空気流量調整装置及び排ガス流量調整装置は、前記空気温度計が示す前記１次燃焼空気供給ダクトを通る１次燃焼空気の温度を所望の温度にするように、前記空気温度計の出力に基づいて、それぞれで空気流量と排ガス流量を調節するように動作することを特徴とするボイラ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はボイラに係り、特に、蒸気タービン発電設備を駆動するために、燃料を燃焼させて高温蒸気を生成する火力発電用に好適なボイラに関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料を燃焼させてボイラで蒸気を生成する火力発電プラントにおいては、熱効率を向上させるためにボイラから排出される燃焼排ガスからの熱回収手段が講じられるのが一般的である。
【０００３】
特に、石炭を燃料とする火力発電プラントでは、ボイラ出口の煙道上に空気加熱器が設置され、燃焼排ガスの熱を用いて燃焼空気を加熱し、加熱された燃焼空気をボイラに供給して燃料を燃焼させることで熱効率を向上させる手法が広く用いられている。
【０００４】
例えば、特許文献１には、１次空気の温度を検出する温度検出器と、１次空気の温度を調整する１次空気温度調整手段と、前記温度検出器の検出結果を基に前記１次空気が所定温度となる様に前記１次空気温度調整手段を制御する制御装置とを具備し、石炭の品質に応じて、燃焼空気温度を調整することで、石炭の着火性と燃焼性を安定化させる方法が開示されている。
【０００５】
また、特許文献２には、温度差のある２系統の流路のガスを、漏れなく流したり流路を切り替えたりする装置が開示されている。即ち、流体の流れ方向が固定されている２系統の流路に仕切壁で連結される２つの固定室が設けられており、当該装置をボイラに適用したことが記載されている。そして、ボイラから回収された燃焼排ガスは、下流の切替室に導入された後、固定室に通されて蓄熱体で加熱され、その後、上流側に案内されるものである。
【０００６】
この特許文献２によれば、２系統の流路の相互にガス漏れがなく、単純な構造で高速に流路切替操作が可能であるため、空気加熱器の性能向上を図ることができ、プラント全体の熱効率を改善できる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００８−１４５００７号公報
【特許文献２】国際公開第９４/００２７８４号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
図１を参照して、本発明が解決しようとする課題について説明する。
【０００９】
通常、火力発電プラントで用いられている従来の石炭焚きボイラでは、燃焼による窒素酸化物の生成を抑制するため、二段燃焼法が採用されている。
【００１０】
この二段燃焼法とは、ボイラに投入する空気を、燃料を搬送する１次空気系統と燃料の燃焼を促進する２次空気系統に分けて、１次空気を空気比１より小さい量で供給し、燃料過濃側で１次燃焼させ、熱分解により生じた窒素化合物が窒素酸化物に転換されるのを防ぐと共に、２次空気によって残存する未燃焼成分の燃焼完結と窒素化合物の分解を促す方法である。
【００１１】
図１に示す如く、１次空気及び２次空気は、ボイラ１からの燃焼排ガスの熱を利用して、ボイラ１の排ガス出口に設置された空気加熱器２にて加熱される。空気加熱器２の入口側の燃焼排ガス温度は３５０℃程度、出口側の排ガス温度は１３０℃程度に設定されるのが一般的である
また、再熱蒸気温度を所望の値にするために、下流側（図１の右側で、節炭器１６、１次過熱器１７、１次再熱器２０付近）の燃焼排ガスの流路が隔壁６で仕切られており、当該隔壁６で仕切られたそれぞれの流路の下流部にダンパ７を設けて、各流路の排ガス流量を調整することで、１次再熱器２０、最終再熱器２１の収熱量を調整する方法が多く用いられている。また、各流路の出口付近の温度は、互いに等しくなるように設計するのが一般的である。
【００１２】
近年、発電システムの熱効率をさらに向上させるために、様々な施策が試みられている。例えば、２次空気を高温化させる方法がある。２次空気の温度は、一般的に３３０℃程度設定されているが、この温度を更に高くすることで、未燃成分をさらに減らすことができ、ボイラ１の熱効率を向上させることができる。
【００１３】
ところが、先に述べたように、従来のボイラ１では、出口の燃焼排ガス温度が３５０℃程度であるが、空気加熱器２を用いた上昇可能な空気温度は、高々、３３０℃程度である。この空気温度を更に高くするためには、ボイラ全体の蒸気の収熱量を保ちつつ、適切に伝熱面積を削減して、燃焼排ガス温度を上昇させる必要がある。この伝熱面積の調整は、排ガス下流部に設置した節炭器１６、１次過熱器１７、１次再熱器２０等の熱交換器に対して行うのが一般的である。
【００１４】
しかしながら、排ガス下流部に設置されている１次過熱器１７や節炭器１６を削減した場合、図１中の隔壁６の右側の燃焼排ガス温度が上昇し、排ガス温度に大きな差が生じてしまう。隔壁６の左側の出口付近の排ガス温度は従来と同等であるのに対し、主蒸気側（隔壁６の右側）の出口付近の排ガス温度は５００℃程度になる。
【００１５】
そのため、各排ガスをそのまま混合すると、排ガス温度は４２０℃程度となり、従来の構成のままでは、２次空気の大幅な高温化が望めないという問題があった。
【００１６】
本発明は上述の点に鑑みなされたもので、その目的とするところは、ボイラ全体の蒸気の収熱量を保ちつつ、適切に伝熱面積を削減するようにしても、効率よく２次空気の温度が高められ、熱効率が向上する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】
【００１７】
本発明のボイラは、上記目的を達成するために、固体燃料を燃焼する火炉と、前記固体燃料を粉砕する燃料粉砕機と、該燃料粉砕機から前記火炉まで前記固体燃料を搬送する固体燃料供給配管と、前記固体燃料を着火するバーナと、前記火炉に空気を投入する空気ポートと、燃焼排ガスから熱を回収して前記火炉に供給する１次及び２次空気を加熱する空気加熱器と、該空気加熱器からの前記１次空気を前記燃料粉砕機へ導入する１次燃焼空気供給ダクトと、前記空気加熱器からの２次空気を前記バーナ及び空気ポートへ導入する２次燃焼空気供給ダクトと、前記空気加熱器へ空気を導入する空気ダクトと、前記空気加熱器へ燃焼排ガスを導入する排ガスダクトと、前記火炉から排出される燃焼排ガスの下流側流路を仕切る隔壁と、該隔壁で仕切られた両流路に設置され、該両流路を流れる燃焼排ガスからの熱を回収して蒸気を加熱する熱交換器とを備え、前記隔壁で仕切られた一方の前記流路に設置された前記熱交換器の伝熱面積より、他方の前記流路に設置された前記熱交換器の伝熱面積が小さいと共に、前記両流路からボイラ外に排出される燃焼排ガスが混合されることなくボイラ下流側で前記空気加熱器に導入され、かつ、前記空気加熱器で前記燃焼排ガスの保有する熱を、前記１次空気及び２次空気に与えることで燃焼空気が加熱されることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、ボイラ全体の蒸気の収熱量を保ちつつ、適切に伝熱面を削減するようにしても、効率よく２次空気の温度を高められ、その結果、未燃成分を燃焼させることが可能になり、ボイラの熱効率を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】従来のボイラの構成を示す図である。
【図２】本発明のボイラの実施例１である石炭焚きボイラの構成を示す図である。
【図３】本発明のボイラの実施例１における空気加熱器として、蓄熱材回転型熱交換器を模式的に示す図である。
【図４】本発明のボイラの実施例２である石炭焚きボイラの構成を示す図である。
【図５】本発明のボイラの実施例３である石炭焚きボイラの構成を示す図である。
【図６】本発明のボイラの実施例４である石炭焚きボイラの構成を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下、図示した実施例に基づき本発明のボイラを説明する。なお、符号は、従来と同一のものは同符号を使用する。
【実施例１】
【００２１】
図２は、本発明のボイラの実施例１である石炭焚きボイラの機器構成を示す。
【００２２】
該図に示す如く、本実施例の石炭焚きボイラは、固体燃料である石炭を燃焼する火炉２３と、石炭を粉砕する燃料粉砕機である石炭粉砕機１０と、この石炭粉砕機１０から火炉２３まで石炭を搬送する固体燃料供給配管である石炭供給配管１２と、火炉２３内の石炭に着火する複数のバーナ４と、火炉２３内に空気を投入する空気ポート５と、燃焼排ガスから熱を回収して火炉２３に供給する１次及び２次空気を加熱する空気加熱器２と、この空気加熱器２からの１次空気を石炭粉砕機１０へ導入する１次燃焼空気供給ダクト８と、空気加熱器２からの２次空気をバーナ４及び空気ポート５へ導入する２次燃焼空気供給ダクト９と、空気加熱器２へ空気を導入する空気ダクト３ｂ１、３ｂ２と、空気加熱器２へ燃焼排ガスを導入する排ガスダクト３ａ１、３ａ２と、火炉２３から排出される燃焼排ガスの下流側流路を仕切る隔壁６と、この隔壁６で仕切られた両流路に設置され、該両流路を流れる燃焼排ガスからの熱を回収して蒸気を加熱する節炭器１６、１次過熱器１７、２次過熱器１８、最終過熱器１９、１次再熱器２０、最終再熱器２１等から成る熱交換器とから概略構成されている。
【００２３】
そして、燃料である石炭は、石炭粉砕機１０に供給され、ボイラ１での燃焼に適した粒子径となるように粉砕される。石炭粉砕機１０には、空気加熱器２を介して加熱された空気（１次空気）が１次燃焼空気供給ダクト８を通じて供給され、この加熱空気によって粉砕された石炭を乾燥させると共に、石炭粉砕機１０外へ搬送する。
【００２４】
更に、粉砕された石炭は、１次空気と共に石炭供給配管１２を通じてバーナ４へ搬送され、そこで着火されてボイラ１内へ供給されている。また、ボイラ１には空気加熱器２から別系統の２次空気が、２次燃焼空気供給ダクト９を介してバーナ４及び空気ポート５へ搬送され、そこからボイラ１へ供給されている。
【００２５】
このように、排ガスから空気加熱器２で加熱された空気を用いて粉砕石炭を燃焼させることにより、ボイラ１内で高温の燃焼ガスが生成される。燃焼ガスが有する熱は、ボイラ１に設置された熱交換器群（２次過熱器１８、最終過熱器１９、最終再熱器２１、１次過熱器１７、節炭器１６、１次再熱器２０）で水又は蒸気へ伝達され、高温高圧の蒸気が生成された後に、図には示していない蒸気配管を通して、同じく図には示していない蒸気タービン発電設備に供給されて、蒸気の有するエネルギーが電気に変換される。
【００２６】
燃焼排ガスの下流部の流路は、隔壁６で２つに仕切られており、図２中では、左側に１次再熱器２０が、右側に節炭器１６及び１次過熱器１７が設置されている。１次再熱器２０を従来と同じ伝熱面積とし、節炭器１６或いは１次過熱器１７、又はその両者を従来の伝熱面積より減じる（例えば、節炭器１６及び/又は１次過熱器１７を小形化することで伝熱管が短くなり、その分伝熱面積が減る）と、左側流路の排ガス温度は従来と同程度であるが、右側流路の排ガス温度が上昇する。仮に、現状の節炭器１６全体相当の伝熱面積を減じると、右側流路のダンパ７付近の排ガスは５５０℃程度になる。
【００２７】
そして、本実施例では、上述した左側流路の低温側の燃焼排ガスと右側流路の高温側の燃焼排ガスを、それぞれ別個の排ガスダクト３ａ１、３ａ２で空気加熱器２に導入するようにしたものである。
【００２８】
図３に、本実施例における好適な空気加熱器２の構成例として、石炭焚きボイラで広く使用されている蓄熱材回転型熱交換器を模式的に示す。
【００２９】
該図に示す如く、本実施例においては、燃焼排ガス側が２系統、空気側が２系統の合計４系統のガス流路（ダクト）を、蓄熱材回転方向に対して図３に示す順で配置することで、良好な熱交換を行うことができる。
【００３０】
即ち、回転する蓄熱材は、始めに低温側の燃焼排ガス流路（排ガスダクト３ａ１）を通り、ここで低温排ガスで加熱され、その後、高温側の燃焼排ガス流路（排ガスダクト３ａ２）を通り、ここで高温排ガスでさらに昇温され、しかる後に、２次空気の流路（空気ダクト３ｂ１）、１次空気の流路（空気ダクト３ｂ２）の順に通り、蓄えた熱を放出するものである。
【００３１】
このような本実施例の構成をとることで、２次空気を最大５００℃程度まで加熱することができ、その結果、石炭の未燃焼成分を低減することができるので、ボイラ１の熱効率を向上させることができる。
【００３２】
なお、２次空気の高温化により、石炭の燃焼効率が向上するため、ボイラ１のガス上流部の収熱量は増加する。このため、前述のように、節炭器１６或いは１次過熱器１７、又はその両者を従来の伝熱面積より減じても、ボイラ全体の収熱を確保できる。収熱を確保するため、２次過熱器１８或いは最終過熱器１９の伝熱面積を増加させてもよい。
【実施例２】
【００３３】
図４は、本発明のボイラの実施例２である石炭焚きボイラの機器構成を示す。
【００３４】
本実施例は、実施例１と同様の作用を有する装置で構成される部分が多いため、以下では、実施例１との相違点のみを述べる。以下に記述されない装置に関しては、実施例１と同様の作用、効果を有するものである。
【００３５】
本実施例では、実施例１と異なり、図４に示す如く、２台の空気加熱器が設置されている。即ち、従来のボイラと同程度の温度となっているボイラ下流部の左側流路の燃焼排ガスの熱は、低温空気加熱器２aで回収して１次空気の加熱に用い、一方、高温化した右側流路の燃焼排ガスの熱は、高温空気加熱器２bで回収して２次空気の加熱に用いるものである。
【００３６】
このような本実施例の構成でも上述した実施例と同様な効果が得られることは勿論、空気加熱器を低温空気加熱器２aと高温空気加熱器２bに分けて別個に設けることで、熱交換効率を高く維持することが容易となり、２次空気温度を安定して高温に維持できる。
【００３７】
また、蓄熱材回転型の熱交換器では、通風するガス間で一定量のリークが生ずることが懸念されるが、本実施例では低温/高温燃焼排ガス間及び１次/２次空気間のリークが生じないため、この点でも安定した熱交換とすることができる。
【実施例３】
【００３８】
図５は、本発明のボイラの実施例３である石炭焚きボイラの機器構成を示す。
【００３９】
本実施例は、実施例２と同様の作用を有する装置で構成される部分が多いため、以下では、実施例２との相違点のみを述べる。以下に記述されない装置に関しては、実施例２と同様の作用、効果を有するものである。
【００４０】
図５に示す本実施例が実施例２と異なる点は２つある。即ち、１つは、伝熱面積の大きい熱交換器が設置された低温側の燃焼排ガス流路（排ガスダクト３ａ１）を流れる燃焼排ガスが、低温空気加熱器２ａを通る前に、排ガス中の窒素酸化物を除去する脱硝装置１５を設置している点で、もう１つは、２次空気が１次空気の加熱に使われている低温空気加熱器２aを経た後に、高温化した排ガスと高温空気加熱器２bを通って加熱される点である。
【００４１】
即ち、伝熱面積の大きい熱交換器が設置された低温側の排ガスダクト３ａ１を流れる燃焼排ガスが、低温空気加熱器２ａを通る前に、燃焼排ガス中の窒素酸化物を除去する脱硝装置１５に入り、かつ、２次空気が、低温空気加熱器２ａで加熱された後に、高温空気加熱器２ｂに入り、この高温空気加熱器２ｂで、伝熱面積の小さい熱交換器が設置された排ガスダクト３ａ２を流れる排ガスにより加熱されるものである。
【００４２】
また、伝熱面積の小さい熱交換器が設置された排ガスダクト３ａ２を流れる燃焼排ガスは、高温空気加熱器２ｂに入って加熱された後に脱硝装置１５に入り、この脱硝装置１５で、伝熱面積の大きい熱交換器が設置された排ガスダクト３ａ１を流れる燃焼排ガスと共に窒素酸化物が除去されて低温空気加熱器２ａに入るようになっている。
【００４３】
本実施例の脱硝設備１５は、排ガス中に含まれる窒素酸化物を除去する目的で設置されるが、除去効率が高いアンモニア噴霧式の触媒脱硝設備は、最適な動作温度が約３５０℃であり、通常は、空気加熱器の上流側に設置される。
【００４４】
しかも、本実施例が想定するように、ボイラ１の出口温度が４００℃以上となるような場合には、本実施例の設置位置が好適である。つまり、本実施例の構成を採用することで、上述した実施例２と同様な効果が得られることは勿論、本発明を適用した場合でも、高い窒素酸化物の除去性能を維持できる。
【実施例４】
【００４５】
図６は、本発明のボイラの実施例４である石炭焚きボイラの機器構成を示す。
【００４６】
本実施例は、実施例２と同様の作用を有する装置で構成される部分が多いため、以下では、実施例２との相違点のみを述べる。以下に記述されない装置に関しては、実施例２及び実施例３と同様の作用、効果を有するものである。
【００４７】
該図に示す本実施例では、２台の低温空気加熱器２aと高温空気加熱器２bは、実施例２と同様であるが、新たに空気流量調整装置１１aを空気ダクト３b１に、空気流量調整装置１１ｂを空気ダクト３b２に、空気流量調整装置１１ｃを空気ダクト３b１と空気ダクト３b２を繋ぐ空気連絡ダクト３ｂ３にそれぞれ接続し、排ガス流量調整装置１３aを排ガスダクト３a１に、排ガス流量調整装置１３ｂを排ガスダクト３a２に、排ガス流量調整装置１３ｃを排ガスダクト３a１と排ガスダクト３a２を繋ぐ排ガス連絡ダクト３a３にそれぞれ接続し、空気温度計２２を１次燃焼空気供給ダクト８に接続している点が実施例２と異なる。
【００４８】
そして、本実施例では、空気流量調整装置１１a、１１ｂ、１１ｃと排ガス流量調整装置１３a、１３ｂ、１３ｃは、空気温度計２２が示す１次燃焼空気供給ダクト８を通る１次燃焼空気の温度を所望の温度にするように、空気温度計２２の出力に基づいて、それぞれで空気流量と排ガス流量を調節する機能を持つものである。
【００４９】
このような本実施例の構成でも実施例２と同様な効果が得られることは勿論、１次空気の温度を所望の値にする空気流量調整装置１１a、１１ｂ、１１ｃと排ガス流量調整装置１３a、１３ｂ、１３ｃ及び空気温度計２２を設置することにより、多様な石炭の種類に応じた適切な運用が可能になる。
【００５０】
尚、本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施例は本発明を分かり易く説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成を置き換えることが可能であり、また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。また、各実施例の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。
【符号の説明】
【００５１】
１…ボイラ、２…空気加熱器、２a…低温空気加熱器、２ｂ…高温空気加熱器、３a１、３a２…排ガスダクト、３a３…排ガス連絡ダクト、３b１、３ｂ２…空気ダクト、３ｂ３…空気連絡ダクト、４…バーナ、５…空気ポート、６…隔壁、７…ダンパ、８…１次燃焼空気供給ダクト、９…２次燃焼空気供給ダクト、１０…石炭粉砕機、１１a、１１ｂ、１１ｃ…空気流量調整装置、１２…石炭供給配管、１３a、１３ｂ、１３ｃ…排ガス流量調整装置、１５…脱硝設備、１６…節炭器、１７…１次過熱器、１８…２次過熱器、１９…最終過熱器、２０…１次再熱器、２１…最終再熱器、２２…空気温度計、２３…火炉。
【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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