JP6678452B2

JP6678452B2 - ボイラ及び腐食抑制方法

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Publication number: JP6678452B2
Application number: JP2015256545A
Authority: JP
Inventors: 竹田　航哉; 航哉竹田
Original assignee: Kawasaki Jukogyo KK
Current assignee: Kawasaki Motors Ltd
Priority date: 2015-12-28
Filing date: 2015-12-28
Publication date: 2020-04-08
Anticipated expiration: 2035-12-28
Also published as: WO2017115844A1; JP2017120150A; CN108368998B; CN108368998A

Description

本発明は、ボイラ及び腐食抑制方法に関する。

焼却設備には熱回収を行うためのボイラを備えたものがある。ボイラは、燃焼炉で発生した排ガスの熱エネルギを利用して高温高圧の蒸気を生成し、生成した高温高圧の蒸気を蒸気タービン発電機へ供給する。燃焼設備において、例えば建築廃材系の木質バイオマス、廃タイヤ及び廃プラスチック等の廃棄物を燃焼させると、Ｎａ及びＫなどの塩化物を含む腐食性物質が排ガスに含まれる。この腐食性物質がボイラの過熱器管や放射伝面などの金属部材に付着すると、その金属部材は腐食が進行するおそれがある。

そこで、本発明の発明者らは、粒子径が０.１μｍ以上１０μｍ未満の腐食抑制粒子を、排ガス流路に吹き込んで過熱器管の表面に熱泳動又は慣性衝突によって付着させ、これにより過熱器管の腐食を抑制するボイラを考案した（特許文献１参照）。

特開２０１３−５３８２９号公報

しかしながら、発明者らが腐食抑制粒子としての使用を検討している化合物は、８００℃以上の排ガスが流れる領域に供給した場合には、排ガスに含まれるガス状成分の一部がガス温度の冷却過程において腐食抑制粒子を核として凝縮することがある。その結果、腐食抑制粒子が粗大化し、熱泳動では過熱器表面に十分付着しないことが判明した。そのため、過熱器管よりも上流に位置し、８００℃以上の排ガスが流れる放射伝面の上流に腐食抑制粒子を供給したとしても、腐食抑制粒子は放射伝面に十分付着しないことから、放射伝面の腐食を抑制することは困難であった。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、放射伝面の腐食を抑制することができるボイラを提供することを目的としている。

本発明の一態様に係るボイラは、燃焼炉で生成された排ガスが流れる排ガス流路と、前記排ガス流路の内壁に設けられた放射伝面と、粒子径が０.１μｍ以上１０μｍ未満の腐食抑制粒子と液体状の還元剤を混合した混合物質を、前記排ガス流路内における最も上流側に位置する放射伝面の上流に供給する腐食抑制粒子供給部と、を備える。

ここで、発明者らは、粒子径が０.１μｍ以上１０μｍ未満の腐食抑制粒子が８００℃以上の排ガスに供給されると、排ガスの温度が低下する過程でガス状物質の一部が腐食抑制粒子を核として凝縮して粗粒化し、これが原因で金属部材の表面に付着しないことを突き止めた。そのため、上記のように腐食抑制粒子と液体状の還元剤を混合した混合物質を排ガス流路に供給した場合、還元剤が蒸発し終えるまでは腐食抑制粒子の温度が上昇しないため、腐食抑制粒子の粗粒化を防ぐことができる。よって、上記の構成によれば、腐食抑制粒子は放射伝面に接触するまで０.１μｍ以上１０μｍ未満の粒子径を維持することができ、放射伝面に付着することができる。これにより、放射伝面が腐食するのを抑制することができる。しかも、液体状の還元剤は例えば無触媒脱硝技術としてボイラに供給されることがあるため、腐食抑制粒子と混合するための液体を別途用意する必要がない。そのため、腐食抑制粒子と混合するための液体を別途用意する場合に比べ、ボイラの構造を簡略化することができるとともに、別途用意した液体に熱エネルギが奪われることもない。

また、上記のボイラにおいて、前記腐食抑制粒子は、ゼオライト、ドロマイト、カオリナイト、又はこれらを主成分とする化合物であってもよい。

この構成によれば、腐食抑制粒子を有効に放射伝面に付着させることができるため、放射伝面の腐食を抑制することができる。

また、上記のボイラにおいて、前記腐食抑制粒子供給部は、前記排ガス流路に供給される排ガス温度が所定温度以下のときに前記混合物質を供給する第１供給口と、最も上流側に位置する放射伝面までの距離が前記第１供給口よりも短く、前記排ガス流路に供給される排ガス温度が前記所定温度よりも高いときに前記混合物質を供給する第２供給口と、有する。

この構成によれば、排ガス流路に供給される排ガス温度が比較的低いときには、上流寄りの位置から混合物質を供給することで、排ガス流路内に混合物質が広く拡散させることができる。一方、排ガス流路に供給される排ガス温度が比較的高いときには、下流寄りの位置から混合物質を供給することで、腐食抑制粒子が放射伝面に達する前に還元剤が全て蒸発してしまうのを防ぎ、腐食抑制粒子が放射伝面に達する前に粗粒化してしまうのを防ぐことができる。

また、本発明の一態様に係る腐食防止方法は、燃焼炉で生成された排ガスが流れる排ガス流路と、前記排ガス流路の内壁に設けられた放射伝面と、を備えたボイラの腐食抑制方法であって、前記排ガス流路内における最も上流側に位置する放射伝面の上流に、粒子径が０.１μｍ以上１０μｍ未満の腐食抑制粒子と液体状の還元剤を混合した混合物質を供給する。

上記のボイラによれば、放射伝面の腐食を抑制することができる。

図１は、第１実施形態に係るボイラを備えた焼却設備の概略図である。図２は、第２実施形態に係るボイラを備えた焼却設備の概略図である。

（第１実施形態）
はじめに、本発明の第１実施形態に係るボイラ２０について説明する。図１は、本実施形態に係るボイラ２０を備えた焼却設備１００の概略図である。まず、焼却設備１００の概要を説明する。

＜焼却設備の概要＞
図１に示すように、焼却設備１００は、燃料を燃焼させる燃焼炉１０と、燃焼炉１０で生成された排ガスが供給されるボイラ２０と、を備えている。なお、本実施形態の焼却設備１００は、ごみを燃料とするごみ焼却設備であるが、それ以外の焼却設備であってもよい。また、本実施形態の焼却設備１００は、いわゆるストーカ式であるが、流動床式など他の方式のものであってもよい。

燃焼炉１０は、燃料（ごみ）が供給される燃料供給部１１と、供給された燃料を上流から下流へ移動させながら燃焼させるストーカ部１２と、燃焼後に残った焼却灰を排出する焼却灰排出部１３と、未燃ガスを燃焼させる再燃焼部１４と、を有している。燃焼炉１０で生成された排ガスは、ボイラ２０へと供給される。なお、前述したとおり、燃焼炉１０で燃焼させる燃料によっては、排気ガスに腐食性物質が含まれることがある。この腐食性物質は、後述するボイラ２０の過熱器管２２や放射伝面２３に付着すると、これらの腐食が進行する。

ボイラ２０は、燃焼炉１０で発生した排ガスの熱エネルギを利用して高温高圧の蒸気を生成し、生成した高温高圧の蒸気を蒸気タービン発電機１０１に供給する。蒸気タービン発電機１０１では、供給された高温高圧の蒸気によって蒸気タービンが駆動され、発電が行われる。なお、ボイラ２０内を通過した排ガスは、図外の節炭器及び排ガス処理設備で無害化の処理が行われた後に外部へ排出される。

＜ボイラの構成＞
続いて、ボイラ２０の構成について詳しく説明する。図１に示すように、ボイラ２０は、燃焼炉１０で生成された排ガスが流れる排ガス流路２１と、排ガス流路２１内に設けられた過熱器管２２と、排ガス流路２１の内壁に設けられた放射伝面２３と、後述する所定の混合物質５０を排ガス流路２１に供給する腐食抑制粒子供給部２４と、を有している。

排ガス流路２１は、Ｓ字状に形成されており、燃焼炉１０の近くから順に、第１煙道２５、第２煙道２６、第３煙道２７を有している。ここで、図１における白抜き矢印は、排ガスの流れを示している。図１に示すように、第１煙道２５は、燃焼炉１０で生成された排ガスを上方に導く。第１煙道２５と第２煙道２６は互いの上部が連通しており、第１煙道２５を通過した排ガスは第２煙道２６へと流れる。なお、第１煙道２５と第２煙道２６の境界には、後述する放射伝面２３（水管３０）が設けられている。第２煙道２６は、排ガスを下方に導く。第２煙道２６と第３煙道２７は互いの下部が連通しており、第２煙道２６を通過した排ガスは第３煙道２７へと流れる。第３煙道２７は、排ガスを上方に導いた後、排気部２８から図外の節炭器及び排ガス処理設備へと排出する。

過熱器管２２は、排ガス流路２１の第３煙道２７内に設けられている。過熱器管２２には、内部に水と蒸気を保有するボイラドラム２９から蒸気が供給される。過熱器管２２に供給された蒸気は、排ガスの熱エネルギによって過熱されて過熱蒸気となる。この過熱蒸気は蒸気タービン発電機１０１に供給される。また、過熱器管２２は金属製であるため、前述した腐食性物質が付着すると、腐食が進行する。また、過熱器管２２の外周面に接する排ガスの温度は、例えば６５０℃以下である。

放射伝面２３は、第１煙道２５から第３煙道２７の内壁に設けられている。このように、排ガス流路２１の一部は放射伝面２３によって形成されている（画されている）。放射伝面２３の内部には、入口と出口の両方がボイラドラム２９に接続された複数の水管３０が設けられている。水管３０には入口を介してボイラドラム２９から水が供給され、供給された水が水管３０を通過する間に蒸気となって、その蒸気が出口を介してボイラドラム２９に供給される。この蒸気が、前述した過熱器管２２で過熱されて過熱蒸気となる。なお、放射伝面２３は金属製であるため、前述した腐食性物質が付着すると、腐食が進行する。また、第１煙道２５に設けられた放射伝面２３の内側面に接する排ガスの温度は、例えば８００℃よりも高い。

腐食抑制粒子供給部２４は、所定の混合物質５０を収容する収容部３１と、混合物質５０を排ガス流路２１に供給する供給口３２と、収容部３１と供給口３２をつなぐ供給配管３３と、供給配管３３に設けられた供給ポンプ３４と、を有している。供給口３２は、排ガス流路２１における第１煙道２５の上流部分に配置されている。そのため、混合物質５０は、供給口３２を介して、排ガス流路２１（第１煙道２５）の放射伝面２３よりも上流に噴射するなどして供給される。つまり、腐食抑制粒子供給部２４は、排ガス流路２１内における最も上流側に位置する放射伝面２３の上流に混合物質５０を供給する。

ここで、上記の混合物質５０は、粒子径が０.１μｍ以上１０μｍ未満の腐食抑制粒子と液体状の還元剤を混合したものである。また、腐食抑制粒子は、例えばゼオライト、ドロマイト、カオリナイト、又はこれらを主成分とする化合物である。さらに、還元剤は、ボイラ２０内の窒素酸化物を除去するための脱硝用の還元剤であり、例えば、アンモニア水や尿素水などを用いることができる。

＜作用効果等＞
前述した、過熱器管２２及び放射伝面２３を腐食させる腐食性物質は、粒子径が０.１〜１０μｍ程度である。そのため、腐食性物質と同程度の０.１μｍ以上１０μｍ未満の腐食抑制粒子を排ガス流路２１内に噴射し、腐食抑制粒子を過熱器管２２及び放射伝面２３に付着させることができれば、過熱器管２２及び放射伝面２３の管表面への腐食性物質の侵入を抑えることができ、ひいてはこれらの腐食を抑えることができる。

ただし、ゼオライト、ドロマイト、カオリナイト、又はこれらを主成分とする化合物を腐食抑制粒子として使用する場合、８００℃を超える高温の雰囲気に腐食抑制粒子を供給すると、排ガスに含まれるガス成分の一部がガス温度の冷却過程において腐食抑制粒子を核として凝縮することがある。その結果、腐食抑制粒子は粗大化し、熱泳動では過熱器管２２や放射伝面２３に付着しない。そのため、本来であれば、第１煙道２５に設けられた放射伝面２３の上流に腐食抑制粒子を供給しても、そこでは８００℃を超える排ガスが流れているため、腐食抑制粒子を放射伝面２３に付着させることはできないことから、放射伝面２３の腐食を抑制することは困難である。

これに対し、本実施形態に係るボイラ２０では、粒子径が０.１μｍ以上１０μｍ未満の腐食抑制粒子と液体状の還元剤を混合した混合物質５０を、排ガス流路２１内における最も上流側に位置する放射伝面２３の上流に供給している。このように、腐食抑制粒子を液体状の還元剤と混合して供給することにより、還元剤が蒸発し終えるまでは腐食抑制粒子が上昇しないことから、腐食抑制粒子の粗粒化を防ぐことができる。そのため、腐食抑制粒子を最も上流側に位置する放射伝面２３の上流に供給する場合であっても、腐食抑制粒子は過熱器管２２及び放射伝面２３に達するまで０.１μｍ以上１０μｍ未満の粒子径を維持することができる。その結果、本実施形態によれば、放射伝面２３に腐食抑制粒子を付着させることができ、放射伝面２３の腐食を有効に抑制することができる。

しかも、還元剤は無触媒脱硝技術としてボイラ２０に供給されることがあることから、腐食抑制粒子と混合するための液体を別途用意する必要がない。そのため、腐食抑制粒子と混合するための液体を供給するための設備が不要であることから、ボイラ２０の構造を簡略化することができる。また、別途用意した液体に熱エネルギが吸収されることもないため、不要なエネルギ消費も抑えることができる。

（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態に係るボイラ６０について説明する。図２は、本実施形態に係るボイラ６０を備えた焼却設備１００の概略図である。本実施形態に係るボイラ６０は、腐食抑制粒子供給部２４の構成を除き、基本的には第１実施形態に係るボイラ２０と同じである。以下では、本実施形態の腐食抑制粒子供給部２４の構成を中心に説明し、図２において図１と同一又は相当する要素には同じ符号を付して、第１実施形態と重複する説明は省略する。

図２に示すように、本実施形態の腐食抑制粒子供給部２４は、混合物質５０を収容する収容部３１と、混合物質５０を排ガス流路２１に供給する第１供給口３６と、混合物質５０を排ガス流路２１に供給し、放射伝面２３までの距離が第１供給口３６よりも短い第２供給口３７と、収容部３１と第１供給口３６をつなぐ第１供給配管３８と、第１供給配管３８から分岐して第２供給口３７まで延びる第２供給配管３９と、第１供給配管３８の第２供給配管３９が接続されている部分よりも上流に設けられた供給ポンプ３４と、第１供給配管３８の第２供給配管３９が接続されている部分よりも下流に設けられた第１開閉バルブ４０と、第２供給配管に設けられた第２開閉バルブ４１と、排ガス流路２１に供給される排ガスの温度を測定する排ガス温度測定部４２と、を有している。

そして、本実施形態の腐食抑制粒子供給部２４は、排ガス温度測定部４２から排ガス流路２１に供給される排ガス温度を取得し、排ガス流路２１に供給される排ガス温度が所定温度以下のときに第１開閉バルブ４０を開放して、第２開閉バルブ４１を閉止する。これにより、排ガス流路２１に供給される排ガス温度が所定温度以下のときには、第１供給口３６から混合物質５０が排ガス流路２１に供給される。また、腐食抑制粒子供給部２４は、排ガス流路２１に供給される排ガス温度が所定温度よりも高いときに第１開閉バルブ４０を閉止して、第２開閉バルブ４１を開放する。これにより、排ガス流路２１に供給される排ガス温度が所定温度よりも高いときには、第２供給口３７から混合物質５０が排ガス流路２１に供給される。

本実施形態に係るボイラ６０（腐食抑制粒子供給部２４）は以上のように構成されている。そのため、排ガス流路２１に供給される排ガス温度が比較的低いときには、上流寄りの位置から混合物質５０を供給することで、排ガス流路２１内に混合物質５０を広く拡散させることができる。一方、排ガス流路２１に供給される排ガス温度が比較的高いときには、下流寄りの位置から混合物質５０を供給することで、腐食抑制粒子が放射伝面２３に達する前に還元剤が全て蒸発してしまうのを防ぎ、腐食抑制粒子が放射伝面２３に達する前に粗粒化してしまうのを防ぐことができる。

なお、本実施形態では、腐食抑制粒子供給部２４が、２か所から混合物質５０を排ガス流路２１に供給する場合について説明したが、腐食抑制粒子供給部２４は、３か所以上から混合物質５０を排ガス流路２１に供給するように構成されていてもよい。つまり、腐食抑制粒子供給部２４は、排ガス温度が高くなるに従って、混合物質５０を供給する位置が最も上流側に位置する放射伝面２３に近づくように構成されていてもよい。

１０燃焼炉
２０、６０ボイラ
２１排ガス流路
２３放射伝面
２４腐食抑制粒子供給部
３６第１供給口
３７第２供給口
５０混合物質

Claims

燃焼炉で生成された排ガスが流れる排ガス流路と、
前記排ガス流路の内壁に設けられた放射伝面と、
粒子径が０.１μｍ以上１０μｍ未満の腐食抑制粒子と液体状の還元剤を混合した混合物質を、前記排ガス流路内における最も上流側に位置する放射伝面の上流に供給する腐食抑制粒子供給部と、を備え、
前記腐食抑制粒子供給部は、前記排ガス流路に供給される排ガス温度が所定温度以下のときに前記混合物質を供給する第１供給口と、最も上流側に位置する放射伝面までの距離が前記第１供給口よりも短く、前記排ガス流路に供給される排ガス温度が前記所定温度よりも高いときに前記混合物質を供給する第２供給口と、有する、ボイラ。
前記腐食抑制粒子は、ゼオライト、ドロマイト、カオリナイト、又はこれらを主成分とする化合物である、請求項１に記載のボイラ。
燃焼炉で生成された排ガスが流れる排ガス流路と、前記排ガス流路の内壁に設けられた放射伝面と、を備えたボイラの腐食抑制方法であって、
前記排ガス流路に供給される排ガス温度が所定温度以下のとき、第１供給口から前記排ガス流路内における最も上流側に位置する放射伝面の上流に、粒子径が０.１μｍ以上１０μｍ未満の腐食抑制粒子と液体状の還元剤を混合した混合物質を供給し、前記排ガス流路に供給される排ガス温度が前記所定温度よりも高いとき、最も上流側に位置する放射伝面までの距離が前記第１供給口よりも短い第２供給口から前記混合物質を供給する、腐食抑制方法。