JP2011112243A - 空気予熱器の差圧抑制方法 - Google Patents

Abstract

【課題】火力発電所における空気予熱器の差圧を簡易かつ効果的に抑制可能な方法を提供することを目的とする。
【解決手段】石炭を含む燃料を燃焼させるボイラ１と、ボイラ１から排出される燃焼排ガスを処理する排ガス処理設備２０とを備え、この排ガス処理設備２０が燃焼排ガス中に含まれる窒素酸化物を除去するための排煙脱硝装置２１と、排煙脱硝装置２１の下段に設けられて燃焼排ガスとボイラ１へ供給される空気とを熱交換させるための空気予熱器２２とを含むものである火力発電プラントＰにおいて、燃料として、全硫黄分の含有率に対する酸化カルシウム含有率の比率（ＣａＯ／Ｓ）が３．０以上である石炭または石炭混合物を用いる。
【選択図】図１

Description

本発明は、火力発電所における空気予熱器の差圧抑制方法に関する。

石炭を燃料とする火力発電所において、ボイラにて発生する燃焼排ガスは、排煙脱硝装置、空気予熱器、乾式集塵装置、排煙脱硫装置、湿式集塵装置による処理を経て煙突から排出されることが一般的である。

ここで、空気予熱器は、ボイラに供給される燃焼用空気と燃焼装置から排出される高温の排ガスとの熱交換によって、燃焼用空気の予熱を行うものであって、回転再生式と称されるものが一般に用いられる。このものは、常温の燃焼用空気が流れる流路と高温の燃焼排ガスが流れる流路とが設けられているハウジング内に、蓄熱式エレメントが回転可能に収納された構成をなしている。そして、高温の燃焼排ガスの熱がエレメントに一旦蓄熱され、この熱がエレメントの回転に伴って燃焼用空気に伝達されることで熱交換が行われる。

特開２０００−３００９４４号公報

このような空気予熱器においては、エレメントへの燃焼灰等の付着により目詰まりが発生し、入口ダクトと出口ダクトとの圧力差が増大することがある。このような差圧上昇はボイラ運転に支障を生じさせるため、改善が求められていた。

本発明は上記のような事情に基づいて完成されたものであって、火力発電所における空気予熱器の差圧を簡易かつ効果的に抑制可能な方法を提供することを目的とする。

本発明の空気予熱器の差圧抑制方法は、石炭を含む燃料を燃焼させるボイラと、前記ボイラから排出される燃焼排ガス中から窒素酸化物を除去するための排煙脱硝装置および前記排煙脱硝装置の下段に設けられて前記燃焼排ガスと前記ボイラへ供給される空気とを熱交換させるための空気予熱器を含む排ガス処理設備とを備える火力発電プラントにおいて、前記空気予熱器に前記燃焼排ガスを導入するガス側入口ダクトと前記空気予熱器から前記燃焼排ガスを排出するガス側出口ダクトとの差圧を抑制する方法であって、前記燃料として、全硫黄分の含有率に対する酸化カルシウム含有率の比率（ＣａＯ／Ｓ）が３．０以上である石炭または石炭混合物を用いるものである。

本発明によれば、火力発電所における空気予熱器の差圧を簡易かつ効果的に抑制可能である。

実施形態における火力発電プラントの概略図 実施形態における空気予熱器の概略図 実施例において、試験期間中における１号機の空気予熱器差圧および節炭機出口のＮＯ_ｘ濃度の推移を表すチャート 実施例において、試験期間中における２号機の空気予熱器差圧および節炭機出口のＮＯ_ｘ濃度の推移を表すチャート 実施例において、試験期間中における４号機の空気予熱器差圧および節炭機出口のＮＯ_ｘ濃度の推移を表すチャート 実施例において、試験期間中における５号機の空気予熱器差圧および節炭機出口のＮＯ_ｘ濃度の推移を表すチャート 実施例において、スートブロワのオン／オフによる空気予熱器差圧の変動を示すチャート

図１には、本発明を適用可能な火力発電プラントＰの概略図を示した。この火力発電プラントＰには、石炭を含む燃料を燃焼させるためのボイラ１が備えられている。ボイラ１には、貯炭場から運ばれてきた石炭を供給する石炭バンカ１０と、この石炭バンカ１０に貯蔵された石炭の供給量を調整しつつ供給する給炭機１１と、給炭機１１から供給された石炭を微細な粒度に粉砕してボイラ１へ供給する微粉炭器１２とが接続されている。

ボイラ１は、内部で微粉炭を燃焼させる火炉２と、火炉２の側方に配され、上部で火炉２と連結される排ガス流路３とを有している。火炉２の上部および排ガス流路３には、過熱器の配管およびこの過熱器に接続される節炭器の配管が配置されている。そして、詳細には図示しないが、給水器から供給された水は、節炭器および過熱器の配管内部を順次通過する際に加熱され、最終的に蒸気となって図示しないタービンに供給される。

排ガス流路３の出口は、煙道４と称される筒状の配管によって煙突５に接続されており、この煙道４上には排ガス処理設備２０が配されている。排ガス処理設備２０は、排煙脱硝装置２１、空気予熱器２２、乾式集塵装置２３、排煙脱硫装置２４、湿式集塵装置２５が、ボイラ１に近い側からこの順で配置されたものである。ボイラ１から排出された燃焼排ガスは、まず、排煙脱硝装置２１に導入されて窒素酸化物が除去される。排煙脱硝装置２１から排出された燃焼排ガスは空気予熱器２２に導入され、ここでは、ボイラ燃焼用空気を予熱する代わりに燃焼排ガスを低温化する。空気予熱器２２を通過した燃焼排ガスは乾式集塵装置２３に導入されて煤塵が除去され、排煙脱硫装置２４によって硫黄酸化物が取り除かれ、湿式集塵装置２５により煤塵が除去された後、煙突５から排出される。

空気予熱器２２は、回転再生式と称されるものであって、内部にエレメント３５を収容するハウジング３０を備えている。ハウジング３０の上面には、ガス側入口ダクト３１および空気側出口ダクト３２が接続され、一方、ハウジング３０の下面においてガス側入口ダクト３１の下方位置にはガス側出口ダクト３３、空気側出口ダクト３２の下方位置には空気側入口ダクト３４がそれぞれ接続されている。空気側入口ダクト３４には押込送風機３６が接続され、空気側出口ダクト３２は火炉２に接続されている。またガス側入口ダクト３１およびガス側出口ダクト３３は、それぞれ煙道４において排煙脱硝装置２１の出口の下流側、および乾式集塵装置２３の入口の上流側に接続されている。ハウジング３０内に収容されるエレメント３５は、ハウジング３０に取り付けられている各ダクト３１、３２、３３、３４の軸方向に沿う方向（図２の上下方向；言い換えれば燃焼排ガスおよび燃焼用空気の流路方向に沿う方向）を軸方向として回転可能とされている。

排煙脱硝装置２１から排出された燃焼排ガスは、ガス側入口ダクト３１からハウジング３０内に導入され、ガス側出口ダクト３２から排出されて乾式集塵装置２３へ送られる。一方、押込送風機３６により送り込まれた燃焼用空気は空気側入口ダクト３４からハウジング３０内に導入され、空気側出口ダクト３２にて火炉２に送られる。この際、ハウジング３０内の高温の燃焼排ガスがエレメント３５に接触することでエレメント３５に熱が一旦蓄熱される。そして、エレメント３５の回転に伴ってこのエレメント３５における熱を蓄積した部分が燃焼用空気の流路内に入り、燃焼用空気に接触することで、熱が燃焼用空気に伝達される。

排煙脱硝装置２１による脱硝は接触アンモニア還元法によって行われる。すなわち、燃焼排ガスの流路中に還元剤としてのアンモニアを注入して燃焼排ガスと混合し、この混合ガスを排煙脱硝装置２１内で触媒と接触させることにより、排ガス中のＮＯ_ｘをＮ_２とＨ_２Ｏに還元している。このような方法を採用する場合、脱硝反応に使用されなかった未反応アンモニアが燃焼排ガス中に多量に残留すると、まず燃焼排ガス中のＳＯ_３と水とが反応して硫酸を生成し、この硫酸とアンモニアとが反応して硫酸水素アンモニウムを生成する。硫酸水素アンモニウムは１５０℃〜２３０℃で粘着性流体となる性質を持つため、空気予熱器２２のエレメント３５（特に中温層エレメント）に付着し、詰まりを生じさせる。この詰まりにより、ガス側入口ダクト３１とガス側出口ダクト３３との圧力差（差圧）が上昇するものと考えられる。

そこで、本発明では、燃料である石炭中に、全硫黄分に対して一定量以上のＣａＯが含まれるようにした。このようにすれば、燃焼排ガス中において、硫黄分（特に硫酸水素アンモニウムの発生源となるＳＯ_３）の量に対して一定量以上のＣａＯが含まれることとなる。すると、まず燃焼排ガス中のＳＯ_３と水とが反応して硫酸を生成し、この硫酸とＣａＯと水蒸気とが反応して二水石膏（ＣａＳＯ_４・２Ｈ_２Ｏ）を生成する。この二水石膏は結晶性粉体（さらさらした粉体）であるため空気予熱器２２のエレメント３５への付着が起こりにくい。また、仮に付着が生じたとしても、スートブロワ等による除灰が硫酸水素アンモニウム付着の場合と比べて極めて容易である。さらに、この反応により燃焼排ガス中のＳＯ_３が消費されるから、硫酸水素アンモニウムの生成が抑制される。これにより、差圧上昇を抑制することができる。

なお、「石炭または石炭混合物」とは、単一の銘柄の石炭であってもよく、ＣａＯ含有量の高い石炭を他の銘柄の石炭と混合してＣａＯ／Ｓが３．０以上となるように調整したものであってもよく、石炭（単一の銘柄の石炭でも、２種以上の銘柄の石炭混合物であってもよい）にＣａＯを添加してＣａＯ／Ｓが３．０以上となるように調整したものであってもよい、との意である。
特に、ＣａＯ含有量の高い石炭として、豪州産のニューランズ炭を使用することができる。
また、石炭にＣａＯを添加してＣａＯ／Ｓが３．０以上となるように調整する場合、ＣａＯの添加のためのＣａＯ供給路を給炭機１１または微粉炭器１２に接続すればよい。

[空気予熱器差圧と石炭性状の相関分析]
中部電力碧南火力発電所において、空気予熱器差圧と石炭性状の相関を分析した。試験期間は、１号機においては平成１９年６月２９日〜１２月３１日、２号機においては平成１９年８月１６日〜１２月２７日、４号機においては平成１９年５月１３日〜９月９日、５号機においては平成１９年６月２４日〜１２月２３日とした。

一定期間ごとにボイラに投入される石炭のサンプルを採取し、全硫黄の含有率を元素分析法、ＣａＯの含有率を原子吸光法にて測定した。また、空気予熱器のガス側入口ダクトとガス側出口ダクトに電子式差圧計を設置し、差圧を測定した。
併せて、節炭機出口から排ガスサンプルを採取し、ＮＯ_ｘ分析計（赤外線吸収法）にてＮＯ_ｘ濃度を計測した。

図３には、１号機において空気予熱器差圧、および節炭機出口のＮＯ_ｘ濃度の推移を表すチャートを示した。なお、空気予熱器および節炭機はそれぞれ２系統（系統Ａ、系統Ｂ）存在するため、各系統について示した。また、表１〜３には、１号機における試料採取日、使用した石炭の銘柄、空気予熱器（ＡＨ）差圧（単位：ｍｍＡｑ）、燃料中のＣａＯ／Ｓ、ＣａＯ（単位：質量％）、全硫黄Ｓ（単位：質量％）、節炭機出口のＮＯ_ｘ濃度（単位：ｐｐｍ）をそれぞれ示した。

なお、図１における空気予熱器差圧の推移より、差圧低下が観察された期間および差圧上昇が観察された期間をそれぞれ期間Ａ、期間Ｃとして区分し、図および表中にＢ１、Ｂ２...およびＣ１、Ｃ２...のように示した。また、特にＣａＯ含有率の高いニューランズ炭を単独または他の銘柄の石炭と混合して使用し、大きな差圧低下が観察された期間を期間Ａと区分し、図および表中にＡ１、Ａ２...のように示した。

図４には、２号機における空気予熱器差圧、および節炭機出口のＮＯｘ濃度の推移を表すチャートを示した。また、表４〜６には、２号機における試料採取日、使用した石炭の銘柄、空気予熱器差圧、燃料中のＣａＯ／Ｓ、ＣａＯ、全硫黄Ｓ、節炭機出口のＮＯ_ｘ濃度をそれぞれ示した。また、図５には、４号機における空気予熱器差圧、および節炭機出口のＮＯ_ｘ濃度の推移を表すチャートを示した。また、表７〜９には、４号機における使用した石炭の銘柄、空気予熱器差圧、燃料中のＣａＯ／Ｓ、ＣａＯ、全硫黄Ｓ、節炭機出口のＮＯ_ｘ濃度をそれぞれ示した。さらに、図６には、５号機における空気予熱器差圧、および節炭機出口のＮＯ_ｘ濃度の推移を表すチャートを示した。また、表１０〜１２には、５号機における、試料採取日、使用した石炭の銘柄、空気予熱器差圧、燃料中のＣａＯ／Ｓ、ＣａＯ、全硫黄Ｓ、節炭機出口のＮＯ_ｘ濃度をそれぞれ示した。図４〜６および表４〜１２における記載要領は、図３および表１〜３と同様である。但し、図４、図５および表７〜１２において、空気予熱器差圧は単位ｋＰａで記載した。

図３〜６よび表１〜１２より、差圧低下した期間Ａ、期間Ｂと差圧上昇した期間Ｃとを比較すると、期間Ａおよび期間Ｂでは使用した燃料のＣａＯ／Ｓが大きく、期間Ｃでは小さい傾向にあった。概ね、ＣａＯ／Ｓが３以上であれば差圧低下が期待でき、４．５以上であればより確実であると考えられる。さらに、ＣａＯが２以上、Ｓが０．５以下であることが好ましいと考えられる。

また、図７には、平成１９年１１月７日の２号機におけるスートブロワのオン／オフによる空気予熱器差圧の変動を示すチャートを示した。このチャートからは、スートブロワがオンのときに空気予熱器の差圧が低下し、停止時は横ばいか若干上昇するのみであって、全体として差圧が徐々に低下する傾向にあることが分かる。当日は期間Ａ２に属しており、ＣａＯ／Ｓの高いニューランズ炭を使用していることから、結晶性粉体である石膏が多く生成され、硫酸水素アンモニウムの生成が抑制されているものと考えられる。このことから、スートブロワの運転により容易に除灰が行われて差圧が低下し、スートブロワ停止中においても燃焼灰の付着があまり多くないため差圧があまり上昇しないことが示されている、といえる。

なお、排煙脱硝装置における脱硝効率の低下が、排ガス中への未反応アンモニア濃度を増大させ、硫酸水素アンモニウム生成量増大の一因となる。

脱硝触媒が劣化すると、硫酸水素アンモニウムの発生原因となる未反応アンモニアが排ガス中に多量に残留することとなるので、空気予熱器の差圧上昇が起こりやすいと考えられる。よって、脱硝装置のメンテナンス（脱硝触媒の取替）を行うといった対策を併用すると、より効果的である。

＜他の実施形態＞
本発明は上記記述及び図面によって説明した実施形態に限定されるものではなく、例えば次のような実施形態も本発明の技術的範囲に含まれる。
（１）上記実施例では、ＣａＯ含有量の高いニューランズ炭を単独で用いた場合、およびニューランズ炭を他の銘柄の石炭と混合してＣａＯ／Ｓが３．０以上となるように調整したものを燃料として用いた場合に、差圧低下降下が確認された例について示したが、ＣａＯ含有量の低い石炭にＣａＯを添加してＣａＯ／Ｓが３．０以上となるように調整した燃料を使用しても同様の効果が得られる。

１...ボイラ
２０...排ガス処理設備
２１...排煙脱硝装置
２２...空気予熱器
３１...ガス側入口ダクト
３３...ガス側出口ダクト
Ｐ...火力発電プラント

Claims (4)

1. 石炭を含む燃料を燃焼させるボイラと、前記ボイラから排出される燃焼排ガス中から窒素酸化物を除去するための排煙脱硝装置および前記排煙脱硝装置の下段に設けられて前記燃焼排ガスと前記ボイラへ供給される空気とを熱交換させるための空気予熱器を含む排ガス処理設備とを備える火力発電プラントにおいて、前記空気予熱器に前記燃焼排ガスを導入するガス側入口ダクトと前記空気予熱器から前記燃焼排ガスを排出するガス側出口ダクトとの差圧を抑制する方法であって、
   前記燃料として、全硫黄分の含有率に対する酸化カルシウム含有率の比率（ＣａＯ／Ｓ）が３．０以上である石炭または石炭混合物を用いる、空気予熱器の差圧抑制方法。
2. 前記燃料としてニューランズ炭を用いる、請求項１に記載の空気予熱器の差圧抑制方法。
3. 前記燃料として、ＣａＯ／Ｓが３．０以上となるように前記ニューランズ炭を他の銘柄の前記石炭と混合したものを用いる、請求項１に記載の空気予熱器の差圧抑制方法。
4. 前記燃料として、ＣａＯ／Ｓが３．０以上となるように前記石炭にＣａＯを添加したものを用いる、請求項１に記載の空気予熱器の差圧抑制方法。

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