JP5052041B2 - ガスバーナ - Google Patents

Description

本発明は、ガスを燃料とするボイラなどに使用されるガスバーナに関し、特に使用範囲を拡大可能なガスバーナに関する。

高炉ガス、コークス炉ガスなど製鉄所で発生する副生ガスを燃料とするガス専焼、副生ガスと重油とを燃料とする混焼及び重油専焼が可能な発電プラントでは、安価な副生ガスによるガス専焼で燃料に見合った発電出力とするガス成り運転が経済的な理由から主な運用となっている。図６は、従来の製鉄所で発生するコークス炉ガスを燃料とするボイラ１の燃料系統図である。ボイラ１は、燃料ガス輸送管２を介して燃料ガスの供給を受け、ガスバーナ３で燃料ガスを燃焼させる。燃料ガス輸送管２は、上流側から順にＵ字水封弁４、燃料ガス流量を測定する流量計５、緊急時に燃料ガスを遮断する緊急水封弁６を備える。さらにその下流側には、流量制御ダンパ７、バーナ弁８を備え、最も下流側でガスバーナ３と連結する。また、燃料ガス輸送管２は、ボイラ１の火炉内の圧力とバーナ弁８の上流側の燃料ガス輸送管２内の圧力との差を測定する差圧計９を備える。なお、この差圧計９で測定される圧力差は、通常、バーナ入口有効圧力と呼ばれ、燃料ガスを安定的に燃焼させるため予め定めるバーナ入口有効圧力の範囲内でガスバーナ３が運用される。

コークス炉ガスを含め副生ガスを燃料とするボイラのガスバーナは、使用する燃料ガスの特性上の理由から下限流量が大きい（使用範囲が狭い）低圧燃料ガスバーナを使用しており、下限流量とゼロとの間の運用できない流量域が広い。このためガス専焼運転中に製鉄所からの副生ガス供給量が減少した場合、重油バーナを保炎用、最低出力維持用として使用するタイミングが早くなり、その結果、重油使用量が多くなる。さらに製鉄所からの減少指令以上に発電プラントで使用する副生ガス量が低下する場合がある。

これを解決する技術として、燃料ガスの通路（流路）をガス噴出口（ガスノズル）の上流側で大きさの等しい２つの流路に分岐させ、その分岐点に各分岐通路を開閉する手段を設ける技術が提案されている（例えば特許文献１参照）。
特開平８−１７８２３２号公報

特許文献１に記載の技術は、燃料ガスの通路（流路）をガス噴出口（ガスノズル）の上流側で大きさの等しい２つの流路に分岐させるので、分岐させた一方の流路を塞ぐことで、流路の面積が半分となる。これにより燃料ガスの流量を低下させても安定的に燃焼させることができるとしている。特許文献１の技術では、分岐された流路の面積が分岐前の流路の半分であるから、流路の大きさ（面積）は、２種類としかすることができず、燃料ガスの下限流量も自ずと制限される。燃料ガスの下限流量をさらに低下させることができれば、燃料費の削減などにつながり好ましい。もちろん燃料ガスが流通する大きさの異なる流路を複数設け、燃料ガス流量に応じてこの流路を切替え使用することで、ガスバーナの下限流量をより低下させることはできるけれども、構造が複雑となり安価に実施することができない。

本発明の目的は、簡単な構成で安価に実施できる使用範囲を拡大可能なガスバーナを提供することである。

請求項１記載のガスバーナは、バーナ入口有効圧力を２５〜１００％の間で運用するボイラのガスバーナであって、
ガスノズルを形成するボディ内に、面積比が３：２である２つの燃料ガス流路が形成されるようにセパレートプレートを取付け、
該２つの燃料ガス流路の分岐部に、それぞれの燃料ガス流路をそれぞれ開閉することが可能な２つの流路開閉手段を設けることを特徴とする。

請求項２記載のガスバーナは、前記ガスバーナにおいて、前記流路開閉手段は、外部から操作可能な弁であって、該弁は、シート座と弁体との間に弾性体を有し、該シート座、該弾性体及び該弁体が一体的に動くことを特徴とする。

請求項３記載のガスバーナは、前記ガスバーナにおいて、前記燃料ガスは、コークス炉ガスであることを特徴とする。

請求項１記載の本発明によれば、ガスバーナは、バーナ入口有効圧力を２５〜１００％の間で運用するボイラのガスバーナであって、セパレートプレートによって燃料ガスの流路が、面積比が３：２である２つの流路に分割され、各流路を開閉する流路開閉手段を備えるので、流路の面積を３種類の大きさに変更することが可能となり、ガスバーナの下限流量を従来のガスバーナと比較してより低下させることが可能となる。

請求項２記載の本発明によれば、流路開閉手段は、外部から操作可能な弁であって、弁は、シート座と弁体との間に板バネなどの弾性体を有し、シート座、弾性体及び弁体が一体的に動くのでシール性が高まる。また弁の構造が簡単であり安価に実施することができる。

請求項３記載の本発明によれば、燃料ガスは、コークス炉ガスであるのでコークス炉ガスを燃料とするボイラのガスバーナに本発明を適用することができる。

図１は、本発明の実施の一形態としてのガスバーナ１０の概略的構成を示す図である。図２は、ガスバーナ１０の燃料ガス流路を塞ぐ２つの弁１１、１２を開き、上下段２つの燃料ガス流路１３、１４を開けた状態を示す図である。図３は、ガスバーナ１０の流路を塞ぐ２つの弁１１、１２の構造の一部を示す図である。なお図６と同一の部材には、同一の符号を付して詳細な説明を省略する。ガスバーナ１０は、断面が矩形又は正方形のセパレートボディ１５を備え、ガスノズル２０を形成する。セパレートボディ１５は、燃料ガス輸送管２と接続する上流側が大きく、中間に段差１６を有し下流側が上流側に比較して若干小さくなっている。中間から下流側のセパレートボディ１５内には、燃料ガス流路を２つに分割するセパレートプレート１７がセパレートボディ１５の上部壁面１８、下部壁面１９に平行に取付けられている。よって、２つの燃料ガス流路は、断面が矩形又は正方形で各々の燃料ガス流路１３、１４は、ガスの流れ方向で断面積が一定である。

セパレートプレート１７で仕切られ形成された上下段２つの燃料ガス流路１３、１４は、上下で断面積が異なり、上段の燃料ガス流路１３の断面積と下段の燃料ガス流路１４の断面積は、面積比で６１：３９である。このように上下段２つの燃料ガス流路１３、１４の大きさを異ならせることにより、２つの燃料ガス流路の大きさを等しくする場合に比べて、ガスバーナの下限流量をより低下させることができる。セパレートプレート１７の分岐部であるセパレートプレートの端部２２はセパレートプレート１７の上流側に位置し、下流側の２つの燃料ガス流路１３、１４を各々開閉することができる２つの弁１１、１２が設けられている。

弁１１、１２は、矩形又は正方形の板状の弁体２４、２５を有し、弁体２４、２５の一端は、セパレートプレート１７のセパレートプレートの端部２２に設けられた支持台２６に連結ピン２８、２９を介して回動自在に固定されている。弁体２４、２５の他端部近傍には、連結ピン３０、３１を介してリンクレバー３２、３３が回動自在に取付けられている。弁座３５、３６は、セパレートボディ１５の上部壁面１８の内壁３８、下部壁面１９の内壁３９に設けられている。弁体２４、２５は、弁座３５、３６と接する側の壁面に板バネ４１、４２を有し、さらに板バネ４１、４２の上にはシート座４３、４４が取付けられている。弁体２４（２５）と板バネ４１（４２）とシート座４３（４４）とは一体となって回動し、弁１１（１２）を閉めるとシート座４３（４４）が弁体２４（２５）、板バネ４１（４２）に押されて弁座３５（３６）と接し燃料ガスの漏洩を防止する。このようにシート座４３（４４）が板バネ４１（４２）を介して弁体２４（２５）に取付けられているため、板バネ４１（４２）が開閉時の衝撃を緩和させると共に、玉型弁などのように弁体と弁座との位置関係が正確でなくとも、シート座４３（４４）が弁座３５（３６）に密着する。これらにより、弁体２４、２５と支持台２６とを連結する連結ピン２８、２９などの遊びが大きく、多少のがたつきがあってもシール性を十分に確保することができる。また、弁１１、１２は、構造が簡単なため、安価に製作することができる。なお、弾性体として機能する板バネ４１（４２）に換えて他の弾性体を用いてもよい。

一端を連結ピン３０、３１を介して弁体２４、２５と連結するリンクレバー３２、３３は、他端を連結ピン５１、５２を介して、セパレートボディ１５の外に位置する空気シリンダ５３、５４のピストンロッド５５、５６と回動自在に連結する。セパレートボディ１５内及びセパレートボディ１５の壁面に、ピストンロッド５５、５６を摺動可能に支持するピストンロッドガイド５７、５８が設けられ、さらにセパレートボディ１５の壁面には、ピストンロッド５５、５６の往復動に伴う燃料ガスの外部への漏洩を防止するピストンロッドシール材６０が取付けられている。なお、空気シリンダ５３、５４は、ピストンロッド５５、５６を往復動させることで弁１１、１２を開閉させるものであるから、このような機能を有する油圧シリンダ、電動駆動装置を空気シリンダ５３、５４に換えて使用可能なことは言うまでもない。

上記のように構成されるガスバーナ１０の弁１１、１２は、全開又は全閉のいずれかで使用することが可能であり、弁体を中間開度とし使用することはできない。よって、燃料ガス流路は、弁１１、１２を開閉することで流路の面積を、３９％、６１％、１００％の３種類の大きさに変更することができる。燃料ガス流路の面積を３９％とする場合は、上段の弁１１を閉じ、下段の弁１２を開けることで行うことができる。空気シリンダ５３を介してピストンロッド５５を前進させると、リンクレバー３２が弁体２４の一端近傍を押し、これにより弁体２４が他端に取付けられた連結ピン２８を中心に回動することで弁１１が閉まる。逆に空気シリンダ５４を介してピストンロッド５６を後退させると、リンクレバー３３が弁体２５の一端近傍を引っ張り、これにより弁体２５が他端に取付けられた連結ピン２９を中心に回動することで弁１２が開く。燃料ガス流路の面積を６１％とする場合は、燃料ガス流路の面積を３９％とする場合とは逆に、上段の弁１１を開け、下段の弁１２を閉じればよい。燃料ガス流路の面積を１００％とする場合は、上下段両方の弁１１、１２を開ける。なお、上段、下段切替え時の開閉指令タイミングは、弁１１と弁１２にタイムラグを持たせることが望ましい。さらに速度コントローラを用いて、バーナ入口有効圧力が運用範囲内となるように、弁１１及び弁１２の開閉速度は、最初と最後は低速で行うことが望ましい。

図４は、ボイラのガスバーナに本実施形態に示すガスバーナ１０を取付け使用するときのコークス炉ガス流量とバーナ入口有効圧力との関係を計算した結果を示す図である。コークス炉ガスの系統は、図６に示す従来ボイラの燃料系統と同じである。図４は、本実施形態に示すガスバーナ１０の機能を説明するための図であって、本発明が図４に示す数値に限定されないことは言うまでもない。ガスバーナ１０の運用範囲は、バーナ入口有効圧力が２５〜１００％の範囲とする。ここで、バーナ入口有効圧力は、差圧計９で測定される圧力であって、バーナ入口有効圧力１００％は、コークス炉ガスを最大流量で供給したときの圧力である。コークス炉ガス流量が多く、上段の燃料ガス流路１３、下段の燃料ガス流路１４の両方でコークス炉ガスを供給していた状態からコークス炉ガス流量が低下すると、弁１２を閉じることで流路の面積が小さい下段の燃料ガス流路１４を塞ぐ。このときのコークス炉ガス流量は図４中Ａ´からＡの範囲内で行われ、Ａ´からＡの範囲内にあったバーナ入口有効圧力は、図４中Ｂ´からＢの範囲内に上昇する。さらにコークス炉ガス流量が低下すると、流路を面積の大きい上段の燃料ガス流路１３から下段の燃料ガス流路１４に、コークス炉ガス流量が図４中Ｃ´からＣの範囲内にあるときに切替えを行う。これにより図４中Ｃ´からＣの範囲内にあったバーナ入口有効圧力は、図４中Ｄ´からＤの範囲内に上昇する。これ以上燃料ガス流路の面積を減少させることができないので、運用範囲の下限であるバーナ入口有効圧力２５％となった時点（図４中Ｅ）までしかコークス炉ガス流量は減少できない。これよりもコークス炉ガス流量が減少すると、警報が発せられ、さらにコークス炉ガス流量が減少するとガスバーナトリップにいたる。

本ガスバーナ１０の上下段両方の燃料ガス流路１３、１４を合計した流路の大きさを有する従来のガスバーナでは、燃料ガス流量を減少させていくと図４中Ａに到達した時点で、運用範囲の下限に到達する。このときの燃料ガス流量は、最大流量の５０％である。一方、上記の通り、本実施形態のガスバーナを使用すると、燃料ガス流量の下限（図４中Ｅ）を最大流量の約１５％とすることができる。このように本実施形態に示すガスバーナ１０を使用することで、ガスバーナの下限流量を大幅に低下させることが可能となり、ガスバーナの運用範囲を大幅に拡大させることができる。

本実施形態では、２つの燃料ガス流路１３、１４の面積比を６１：３９とする例を示したけれども、２つの燃料ガス流路１３、１４の面積比は、これらに限定されるものではない。燃料ガスの種類、ガスバーナの形状、上下段の切替ポイントなど、使用先の状況に応じて適宜選択することができる。但し、２つの燃料ガス流路１３、１４の面積比を決定するに当たっては、一定の制約が伴うことに留意する必要がある。一例として、２つの燃料ガス流路１３、１４の面積比を８：２としたときのコークス炉ガス流量とバーナ入口有効圧力との関係を計算した結果を図５に示す。

図５に示すコークス炉ガス流量とバーナ入口有効圧力との関係は、周知の配管内の圧力損失の計算式（例えば機械工学便覧、基礎編応用編、Ａ５−７４）を使用し、セパレートプレートの断面形状を正方形、管摩擦係数を一定と仮定して算出したものである。図５に示されるガスバーナの運用範囲を２５〜１００％の範囲とし、上段の燃料ガス流路（面積８０％）から下段の燃料ガス流路（面積２０％）に切替えると、バーナ入口有効圧力が１００％を超えるため、燃料ガス流路を切替えることができないことが分かる。この結果、２つの燃料ガス流路１３、１４の面積比を８：２とした場合にあっては、下限流量は最大流量の約３８％にしかすることができない。もちろんガスバーナの運用範囲、セパレートプレートの形状などにより、コークス炉ガス流量とバーナ入口有効圧力との関係は異なり、それに応じて下限流量の値も異なるが、ガスバーナの一般的な運用範囲、使い勝手を考慮すれば面積比は概ね３：２が好ましい。なお、セパレートプレートの断面形状を正方形、管摩擦係数を一定と仮定してコークス炉ガス流量とバーナ入口有効圧力との関係を計算すると、２つの燃料ガス流路の面積比を６１：３９としたときに、下限流量が一番小さくなる。

本実施形態のガスバーナ１０は、燃料ガス流路を切替えるために使用する弁１１、１２を全開、全閉のみで使用するため、弁の開閉装置の構造が簡単となる。もちろんセパレートボディ１５内を２つのみならず３つ以上に分割し、各々の流路を開閉する手段を設けることで、さらにガスバーナの運用範囲を拡大させることは可能であるが、ガスバーナの構造が複雑となり、またコスト高となる。本実施形態のガスバーナ１０は、下限流量を低下させ、ガスバーナの運用範囲を拡大させることができるので、下限流量が大きいコークス炉ガスを燃料とするボイラのガスバーナなどに好適に使用することができる。さらに本実施形態では、ガスノズル２０の断面形状が四角形の例を示したけれども、ガスノズル２０の断面形状は円形であってもよい。

本発明の実施の一形態としてのガスバーナ１０の概略的構成を示す図である。 図１に示すガスバーナ１０の燃料ガス流路を塞ぐ２つの弁１１、１２を開き、２つの燃料ガス流路１３、１４を開けた状態を示す図である。 図３は、図１に示すガスバーナ１０の燃料ガス流路を塞ぐ弁１１、１２の一部の構造を示す図である。 本発明の実施の一形態としてのガスバーナ１０をコークス炉ガスを燃料とするボイラのガスバーナに取付け使用するときのコークス炉ガスの流量とバーナ入口有効圧力との関係を計算した結果を示す図である。 コークス炉ガスの流量とバーナ入口有効圧力との関係を計算した結果の一例を示す図である。 従来の製鉄所で発生するコークス炉ガスを燃料とするボイラ１の燃料系統図である。

符号の説明

１０ ガスバーナ
１１ 弁
１２ 弁
１３ 上段燃料ガス流路
１４ 下段燃料ガス流路
１５ セパレートボディ
１７ セパレートプレート
２０ ガスノズル
２２ セパレートプレートの端部
２４ 弁体
２５ 弁体
４１ 板バネ
４２ 板バネ
４３ シート座
４４ シート座

Claims (3)

1. バーナ入口有効圧力を２５〜１００％の間で運用するボイラのガスバーナであって、
   ガスノズルを形成するボディ内に、面積比が３：２である２つの燃料ガス流路が形成されるようにセパレートプレートを取付け、
   該２つの燃料ガス流路の分岐部に、それぞれの燃料ガス流路をそれぞれ開閉することが可能な２つの流路開閉手段を設けることを特徴とするガスバーナ。
2. 前記流路開閉手段は、外部から操作可能な弁であって、該弁は、シート座と弁体との間に弾性体を有し、該シート座、該弾性体及び該弁体が一体的に動くことを特徴とする請求項１に記載のガスバーナ。
3. 前記燃料ガスは、コークス炉ガスであることを特徴とする請求項１又は２に記載のガスバーナ。

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