JP2008057841A - ボイラおよびボイラの燃焼方法 - Google Patents

Abstract

【課題】比較的簡単な構成を有し、所定の空燃比で燃焼を行うとともに、排ガス中のNOxの発生を抑制することができるボイラおよびボイラの燃焼方法を提供する。
【解決手段】本発明に係るボイラは、バーナと、燃料供給手段と、送風手段と、燃料量および風量を調整する前記制御手段とを有するボイラであって、前記制御手段は、要求負荷に対し前記ボイラに供給される基準燃料量および基準風量を算出する基準量計算部と、前記基準風量を前記ボイラに供給される空気の空気温度と燃料の燃料温度に基づいて補正し、補正された風量を供給風量として算出する風量計算部と、前記基準燃料量と前記供給風量に基づいて前記ボイラの燃焼を制御する制御部とを有する。
【選択図】図１

Description

本発明は、所定の空気比で燃焼を行うとともに、排ガス中のNOxの発生を抑制することができるボイラおよびボイラの燃焼方法に関する。

ボイラにおいて、高い熱効率で安定した燃焼を行うことができるということは重要な要件である。このため、燃焼を所定の範囲の空気比で行うように制御する空気比制御のボイラまたは燃焼装置が提案されている。

たとえば、特許文献１に、ボイラのバーナにおける空燃比制御（空気比制御）の監視方法であって、制御盤からの負荷指令に対し、バーナへ供給する燃焼用空気の空気圧と、バーナへ供給する燃料又はバーナから戻ってくる燃料の燃料圧を監視して、空気量と燃料量が適正に制御されているかを判定するバーナにおける空燃比制御の監視方法、およびそのような方法を実施する空燃比制御監視装置が提案されている。

特許文献２に、燃焼用空気を予熱して供給する燃焼装置において、燃焼用空気供給路と燃料供給路とにそれぞれ圧力計と温度計とを備えると共に、前記燃料供給路に燃料供給圧を燃焼用空気供給圧と等しくする均圧弁を設け、更に該均圧弁のインパルスラインにオリフィスとブリード弁を設け、前記各温度計と圧力計で測定された実際の空気温度と空気供給圧及び燃料温度から所定の空気比を維持するのに必要な燃料を供給するための燃料供給圧を求めると共にこの求められた燃料供給圧と実際に計測された燃料供給圧とを比較してこれらが等しくなるように前記ブリード弁を調整することを特徴とする燃焼装置の空気比自動補正システムが提案されている。

また、環境衛生上から有害な排気ガスの排出を抑制することができるボイラが求められている。このような要求に応えるものとして、たとえば、特許文献３に、バーナ前面に離隔して並列する水管壁の間に垂直水管を林立させた矩形状の燃焼空間を設け、バーナから垂直水管の間を通りガス出口に至る比較的長いガス通路を設けることによって、火炎燃焼温度を1200〜1300℃程度に抑えてNOxを70〜80ppmに低減するとともに、COを50ppm以下にすることができるボイラが提案されている。

特開2001-272030号公報 特開平10-47654号公報 特開2000-46302号公報

しかしながら、このような従来技術に、空気比と排ガス中のNOxの発生の両者をともに制御することができるボイラまたはボイラの燃焼方法が提案されたものはない。また、空気比制御のボイラとして、特許文献１に提案された空燃比制御の監視方法または空燃比制御監視装置は、簡単な方法または装置であるという利点はあるが、空気比の所定の区間範囲から外れた場合に空気比を制御しようとするもので、正確な空気比の制御をすることはできないという問題がある。特許文献２に提案された燃焼装置の空気比自動補正システムは、複雑な構成・制御が必要であるという問題がある。排ガス中のNOxを抑制することができるボイラについては、特許文献３に提案されたボイラはNOxを有効に低減させることができるのであるが、さらなるNOxの発生を抑制することができるボイラが求められている。

本発明は、このような要請および従来技術の問題点に鑑み、比較的簡単な構成を有し、所定の空気比で燃焼を行うとともに、排ガス中のNOxの発生を抑制することができるボイラおよびボイラの燃焼方法を提供することを目的とする。

本発明に係るボイラは、空気および燃料の温度変化に基づいて風量を調整する制御手段を設けている。また、本発明に係るボイラは、バーナと、燃料供給手段と、送風手段と、燃料量および風量を調整する前記制御手段とを有するボイラであって、前記制御手段は、要求負荷に対し前記ボイラに供給される基準燃料量および基準風量を算出する基準量計算部と、前記基準風量を前記ボイラに供給される空気の空気温度と燃料の燃料温度に基づいて補正し、補正された風量を供給風量として算出する風量計算部と、前記基準燃料量と前記供給風量に基づいて前記ボイラの燃焼を制御する制御部とを有する。

上記発明において、前記ボイラに供給される空気の空気温度と燃料の燃料温度を測定する手段は、サーミスタであるのがよい。そして、前記風量計算部は、空気温度測定サーミスタの抵抗値をR_TH1、燃料温度測定サーミスタの抵抗値をR_TH2、固定抵抗の抵抗値をR_sとするとき、基準風量を補正する補正量が1/(1＋R_TH1/Rs＋R_TH1/R_TH2)に比例するように供給風量を算出するようになっているものとすることができる。

また、前記風量計算部は、燃料温度測定手段により計測される燃料の温度および空気温度測定手段により計測される空気の温度をそれぞれT_g、T_aとするとき、基準風量を補正する補正量がT_a/T_g ^1/2に比例するように供給風量を算出するようになっているものとすることができる。

本発明に係るボイラの燃焼方法は、所定の空気比で燃焼を行うとともに、排ガス中のNOxを所定範囲に抑制するボイラの燃焼方法であって、ボイラの要求負荷に対応する基準燃料量と基準風量を算出し、算出された基準風量をそのボイラに供給される燃料および空気の温度に基づいて補正し、その補正された風量と前記基準燃料量により燃焼を行うことにより実施される。

本発明に係るボイラは、比較的簡単な構成を有し、所定の空気比で燃焼を行うとともに、排ガス中のNOxの発生を抑制することができ、高熱効率で安定した燃焼を行うことができる。また、本発明に係るボイラの燃焼方法によれば、通常燃焼においてNOxを12ppm以下に抑制することができる。

以下、本発明に係るボイラの実施の形態について図面を基に説明する。本発明に係るボイラは、空気および燃料の温度変化に基づいて風量を調整する制御手段を設けている。その一の実施例を図１の模式図に示す。図１に示すように、本ボイラ100は、バーナ5と、燃料供給手段10と、送風手段20と、燃料量および風量を制御する制御手段30を有し、そして、ボイラ100に供給される燃料の温度を測定してその信号を制御手段30に送る燃料温度測定手段35と、ボイラ100に供給される空気の温度を測定してその信号を制御手段30に送る空気温度測定手段36と、を有する。

バーナ5は、公知のバーナを使用することができる。また、バーナの形式は問わない。なお、図１の実施例の場合は、平面状の燃焼面を有する完全予混合式バーナを用いたボイラの場合を示す。

燃料供給手段10は、公知の燃料供給手段を使用することができる。たとえば、ポンプと、制御弁と、それらを制御する制御装置とを有し、負荷に対応する所定の燃料量を供給することができる燃料供給手段を使用することができる。

送風手段20は、公知の送風手段を使用することができる。たとえば、送風機と、駆動源と、送風機の回転数を制御するインバータとを有し、燃料に対応した所定の風量を供給することができるインバータ式送風機を使用することができる。また、燃料に対応した所定の風量を供給することができるいわゆるダンパー式送風機を使用することができる。

制御手段30は、基準量計算部と、風量計算部と、制御部とを有している。基準量計算部は、熱機関からボイラ100に要求される負荷に対応する基準燃料量および基準風量を算出する機能を有する。風量計算部は、基準量計算部により算出された基準風量をボイラ100に供給される空気の空気温度測定手段36と燃料の燃料温度測定手段35からの出力に基づいて補正し、補正された風量を供給風量として算出する機能を有する。制御部は、既に算出された基準燃料量に対し風量計算部により求められた供給風量をボイラ100に供給することによって所要の燃焼を行わせる機能を有する。

燃料温度測定手段35および空気温度測定手段36は、燃料および空気の温度を測定することができるとともに、その温度に応じた信号を制御手段30に与えることができるものであればよい。たとえば、燃料温度測定手段35または空気温度測定手段36にサーミスタを使用することができる。これにより簡単でコンパクトな燃料温度測定手段35または空気温度測定手段36を構成することができる。

このように構成される本発明に係るボイラ100は以下のように使用される。まず、熱機関からボイラ100に所要の負荷の要求があると、制御手段30の基準量計算部で、その要求負荷に対し基準燃料量と基準風量が算出される。この基準燃料量および基準風量は、所定の空気比のもと理論的に計算され算出される。つぎに、風量計算部で、算出された基準風量をそのボイラ100に供給される燃料および空気の温度に基づいて補正する。すなわち、本発明の制御手段30は、熱機関から刻々に要求される負荷に対し、理論的な基準燃料量と、実際に供給される燃料および空気の温度に基づいた以下に説明する補正風量をボイラ100に供給し、所要の燃焼を行わすことができる機能を有する。

本発明においては、この基準風量を以下に説明する原理に基づいて補正する。送風手段20としてインバータ式送風機を使用する場合について説明する。ボイラ100に供給される空気の空気温度（給気温度）をT_a、空気密度をρ_a、体積流量をQ_a、送風機の回転数をNとすると、体積流量Q_aは回転数Nに比例し、空気密度ρ_aは給気温度T_aに反比例するから、下記の（１）式が成立する。
ρ_aQ_a∝N/T_a （１）

一方、ボイラ100に供給される燃料は、供給される燃料量の流速が所定の流速、すなわち、加圧源側の圧力とボイラ100側の圧力差が一定になるように供給されるから、その圧力差をΔP_g、燃料温度をT_g、燃料密度をρ_gとすると、下記の関係式が成立する。
ΔP_g＝a×ρ_gQ_g ²＝一定（aは常数）、Q_g∝(T_g)^1/2 （２）

ところで、燃料密度ρ_gは、燃料温度T_gに反比例するから、上記（２）式の関係を考慮すると、下記（３）式が成立する。
ρ_gQ_g∝1/(T_g)^1/2 （３）

空気比を一定に保つには、ρ_aQ_a/ρ_gQ_gを一定値に保つ必要がある。すなわち、空気比を一定に保つには、（１）、（３）式より、N×(T_g)^1/2/T_aを一定値に保つ必要があることが分かる。そして、送風機の回転数Nを、下記（４）式のように調整すればよいことが分かる。なお、kは常数である。
N＝k×T_a/(T_g)^1/2 （４）

上記（４）式は、送風機の回転数が給気温度T_aに比例し、燃料温度T_gの1/2乗に反比例するように調整されれば、空気比一定の燃焼を行うことができることを示している。すなわち、基準風量を給気温度と燃料温度を考慮して補正した風量（供給風量）をボイラ100に供給することにより、ボイラ100を所定の空気比で燃焼させることができる。ボイラ100に供給される空気の空気圧は、必ずしも空気比一定の燃焼を行わせるための必須監視要件ではないのである。なお、ボイラ使用中には、種々の条件変動があり、所定の空気比からずれる場合がある。このような場合に対して、空気の空気圧を監視するのは有効である。

本発明においては、上記のように、基準風量を給気温度と燃料温度に基づいて補正し、補正された風量（供給風量）と既に算出された基準燃料量を、制御手段30の制御部がボイラ100に供給し燃焼が行われる。その基準風量を補正する補正量は、T_a/T_g ^1/2に比例する量である。

このように、基準風量を給気温度と燃料温度に基づいて補正するのは、風量計算部に、燃料温度測定手段35と空気温度測定手段36からの信号に基づき、所定の補正量を算出することができるプログラムおよびそのプログラムを実施するコンピュータを設けることによって実施することができる。しかしながら、以下に説明するように、サーミスタからなる燃料温度測定手段35と空気温度測定手段36と、それらのサーミスタからの信号により送風機を直接的に制御することができる送風機制御部とを有する制御手段により、簡単な構造の制御手段30を構成することができる。

そのような制御手段30の送風機制御部の例を図２に示す。図２に示すように、本制御手段30の送風機制御部は、固定抵抗R_sと、これに並列結合された燃料温度測定サーミスタR_TH2と、これらに直列結合された空気温度測定サーミスタR_TH1とを有する。Rとその下付添字で示す符号はそれぞれの抵抗値（Ω）を示す。インバータ周波数fは、印加される最小電圧時の周波数（基準周波数）をf₀、最大電圧時の周波数（最大周波数）をf_mとすると、インバータへの入力電圧Vに対し、インバータ周波数は、f=f₀+(f_m-f₀)×Vという出力を行う場合において、インバータに印加される最大電圧をV₀とすると、インバータに入力される電圧Vは、V=V₀×1/(1＋R_TH1/R_s＋R_TH1/R_TH2)となるので、f=f₀+(f_m-f₀)×V₀×1/(1＋R_TH1/R_s＋R_TH1/R_TH2)と表すことができる。

図２に示す送風機制御部を有する制御手段30によりボイラ100を制御したときの排ガス中のO₂量を図３に示す。図３において、横軸は給気温度、縦軸は排ガス中のO₂量を示す。曲線A₁、A₂は、上記に説明したように、供給風量と基準燃料量でボイラ100の燃料を行う発明例の場合を示す。曲線A₁が燃料温度と給気温度は等しいものとして供給風量を求めた場合で、曲線A₂が燃料温度は給気温度の変化量に対しその1/2の割合で変化するとして供給風量を求めた場合である。曲線Bは、給気温度と燃料温度を等しいものとし、給気温度のみを考慮して基準風量を補正した風量と基準燃料量でボイラ100の燃焼を行う場合（従来例）を示す。

なお、図３の各曲線は、下記の条件において理論燃焼をさせたときの排ガス中のO₂量を計算により求めたものである。すなわち、燃料温度測定サーミスタおよび空気温度測定サーミスタの抵抗値は、燃料または給気温度をT（°k）とするとき、R_TH1=R_TH2=15000×exp(3450(1/T-1/273))（Ω）とした。固定抵抗の抵抗値R_sは、4500Ωとした。基準周波数f₀は50Hz、最大周波数f_mは73Hzとした。

図３によると、曲線A₁、A₂はO₂量が6%の位置で一定の直線状をしており、本発明例の場合は、給気温度が10〜50℃の範囲で空気比が一定の燃料が行われることが分かる。これに対し、曲線Bは、給気温度が10〜50℃の範囲でO₂量が5.7〜6.7%に変化する右肩上がりの直線状をしており、従来例の場合は、10〜50℃の範囲で空気比が一定の燃焼が行われないことが分かる。

なお、図３において、曲線A₁は燃料温度を給気温度と同一とし、A₂は燃料温度の変化の割合が給気温度の変化の割合の1/2であると仮定して供給風量求めた場合のグラフであるが、実際には下記に説明するように、曲線A₁とA₂とで囲まれる範囲の値でO₂量を制御することができるものと考えられる。

図４は、地表面上に露出された全長が50m程度の配管に最大流速500Nm³/h程度の燃料（13AまたはLPG）を流した場合の、配管の周囲温度とボイラ100入り口の燃料温度との関係を示すグラフである。図４において横軸は周囲温度、縦軸は燃料温度を示す。図４によると、燃料温度は、周囲温度と高い相関関係を有し、燃料温度をT_g、周囲温度をT_aとすると、T_g=0.75T_a（T_g/T_a=0.75）で表されることが分かる。すなわち、燃料温度は周囲温度の変化量に対しその3/4の割合で変化していることがわかる。また、地表面上に露出された長さ10m程度のガス配管を有するボイラ100において、LPG燃料を使用した高燃燃焼時におけるボイラ100入り口の燃料温度の変動幅は、周囲温度の変動幅の1／2程度であるというデータもある。このようなデータやガス配管が地中に埋設されている場合もあることを考慮すると、一般に、ボイラ100入り口の燃料温度の変動幅は、周囲温度の変動幅の1／2程度以下と考えられる。また、給気温度は周囲温度にほぼ等しいと考えられる。すなわち、本発明においては、図３に示す曲線A₁とA₂とで囲まれる範囲内でO₂量を制御することができるものと考えられる。

このように、本発明に係るボイラ100は所定の空気比で燃焼を行うことができる。また、本発明に係るボイラ100は以下に説明するように、NOxの発生量の少ない燃焼をさせることができる。図５は、給気温度とNOxの発生量の関係を求めたグラフである。図５において、横軸は給気温度、縦軸はNOx量を示す。図５に示す各グラフは、図３に示す曲線A₁、A₂、BのO₂量を、図６に示すNOx量−O₂量に関する特性曲線を基にそれぞれNOx量に変換して求めたものである。なお、図６は、性能が蒸発量3130kg/hの予混合気を用いた表面燃焼バーナ式のボイラ100の燃焼試験により求められたグラフである。また、図５に示す曲線A₁、A₂、Bの記号A₁、A₂、Bは、図３と同様に、A₁、A₂が発明例の場合で、Bが従来例を示す。A₁は燃料温度が給気温度と等しいものと仮定し、A₂は燃料温度の変化の割合が給気温度の変化の割合の1/2であると仮定して供給風量を求めた場合を示す。以下において同様である。

図５によると、発明例の場合は、給気温度が10〜50℃の間で、NOx量が10.6〜11.2ppmであり、NOx量が12ppm以下に抑えられていることが分かる。

図７は、図２または３に示すグラフを求めた条件と同一の条件の場合のインバータ式送風機の制御周波数と給気温度との関係を示したグラフである。図７において、横軸は給気温度、縦軸は送風機の周波数を示す。図７によると、曲線A₁、A₂、Bはともにほぼ直線状をしており、曲線A₁の勾配が最も小さく、曲線Bの勾配が最も大きい。この図７の結果と図３の結果によると、従来例の場合は給気温度の上昇に対し過剰な空気をボイラ100に供給していることがわかる。すなわち、本発明においては、空気比一定、かつ、低NOxでボイラ100の燃焼を行うことができるばかりでなく、経済的なボイラ100の運転を行うことができることが分かる。

以上、本発明について説明した。上述のように、本発明においてはサーミスタを用いた制御手段により、簡単でコンパクトな制御手段30を構成することができる。そして、そのような制御手段30を有するボイラ100は、給気温度が10〜50℃の範囲で、空気比一定、かつ、低NOxでボイラ100の燃焼を行うことができる。ボイラ100が室内に設置されている場合、その室内の温度は、一般に外気温よりも高く、上限が50℃程度であるから、通常ボイラ100の特性は給気温度が10〜50℃の範囲で考えれば足りる。しかしながら、給気温度が上記範囲を外れる場合もある。このような場合は、その使用条件に合わせた特性の固定抵抗およびサーミスタを選択することにより対応することができる。

図８、９は給気気温が20℃または40℃で一定とした場合に、固定抵抗R_s、インバータの基準周波数f₀、最大周波数f_mが排ガス中のO₂量に与える効果を調べた結果である。図８、９において、横軸は燃料温度、縦軸は排ガス中のO₂量を示し、図中の20℃または40℃は、それぞれの場合の給気温度を示す。図８の場合の固定抵抗R_s、基準周波数f₀、最大周波数f_m、は図３の場合と同様である。これに対し、図９の場合は、固定抵抗R_sを3000Ω、基準周波数f₀、を51Hz、最大周波数f_mを74Hzとした場合である。なお、図８、９において、曲線Bは従来例の場合を併記したものである。

図８と図９を比較すると、図８の場合は排ガス中のO₂量が一定に制御されていることが分かり、図９の場合はあまり制御の効果が見られないことが分かる。すなわち、ボイラ100の使用条件に応じて、固定抵抗R_s、サーミスタの抵抗R_TH1、R_TH2、あるいはインバータの基準周波数f₀、最大周波数f_mを選択する必要があることが分かる。

本発明に係るボイラの構成を示す模式図である。 図１のボイラの制御手段の送風機制御部の構成例を示す回路図である。 図２の送風機制御部を有する制御手段による排ガス中のO₂量の制御例を示すグラフである。 周囲温度と燃料温度の関係を示すグラフである。 図２の送風機制御部を有する制御手段による排ガス中のNOx量の制御例を示すグラフである。 排ガス中のNOx量−O₂量の関係を示すグラフである。 図２の送風機制御部を有する制御手段による場合の送風機周波数と給気温度との関係を示すグラフである。 図２の送風機制御部を有する制御手段を用い、給気温度が20℃または40℃で一定であるとした場合の排ガス中のO₂量と燃料温度との関係を示すグラフである。 図８の場合に対し、固定抵抗R_s、基準周波数f₀、最大周波数f_mを変化させた場合の、排ガス中のO₂量と燃料温度との関係を示すグラフである。

符号の説明

5 バーナ
10 燃料供給手段
20 送風手段
30 制御手段
35 燃料温度測定手段
36 空気温度測定手段
100 ボイラ

Claims (6)

1. 空気および燃料の温度変化に基づいて風量を調整する制御手段を設けたことを特徴とするボイラ。
2. バーナと、燃料供給手段と、送風手段と、燃料量および風量を調整する前記制御手段とを有するボイラであって、
   前記制御手段は、要求負荷に対し前記ボイラに供給される基準燃料量および基準風量を算出する基準量計算部と、
   前記基準風量を前記ボイラに供給される空気の空気温度と燃料の燃料温度に基づいて補正し、補正された風量を供給風量として算出する風量計算部と、
   前記基準燃料量と前記供給風量に基づいて前記ボイラの燃焼を制御する制御部とを有することを特徴とする請求項１に記載のボイラ。
3. 前記ボイラに供給される空気の空気温度と燃料の燃料温度を測定する手段は、サーミスタであることを特徴とする請求項２に記載のボイラ。
4. 前記風量計算部は、空気温度測定サーミスタの抵抗値をR_TH1、燃料温度測定サーミスタの抵抗値をR_TH2、固定抵抗の抵抗値をR_sとするとき、基準風量を補正する補正量が1/(1＋R_TH1/R_s＋R_TH1/R_TH2)に比例するように供給風量を算出するようになっていることを特徴とする請求項３に記載のボイラ。
5. 前記風量計算部は、燃料温度測定手段により計測される燃料の温度および空気温度測定手段により計測される空気の温度をそれぞれT_g、T_aとするとき、基準風量を補正する補正量がT_a/T_g ^1/2に比例するように供給風量を算出するようになっていることを特徴とする請求項２に記載のボイラ。
6. 所定の空気比で燃焼を行うとともに、排ガス中のNOxを所定範囲に抑制するボイラの燃焼方法であって、
   ボイラの要求負荷に対応する基準燃料量と基準風量を算出し、
   算出された基準風量をそのボイラに供給される燃料および空気の温度に基づいて補正し、
   その補正された風量と前記基準燃料量により燃焼を行うボイラの燃焼方法。
   

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