生命科学関連特許情報
| タイトル： | 公開特許公報(A)_アッシュエロージョン評価方法およびアッシュエロージョン評価装置 |
| 出願番号： | 2009007477 |
| 年次： | 2010 |
| IPC分類： | G01N 33/22 |
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坂井 真一郎 JP 2010164455 公開特許公報(A) 20100729 2009007477 20090116 アッシュエロージョン評価方法およびアッシュエロージョン評価装置 東京電力株式会社 000003687 三谷 惠 100100516 坂井 真一郎 G01N 33/22 20060101AFI20100702BHJP JPG01N33/22 A 5 1 ＯＬ 9本発明は、石炭ボイラで燃焼可能な石炭を評価するためのアッシュエロージョン評価方法およびアッシュエロージョン評価装置に関する。 石炭ボイラでは、石炭中に含まれる灰分がフライアッシュとなって排ガスの流れに乗って飛散する際に、ボイラ内に設置されている伝熱管等に衝突し、減肉損傷を引き起こすアッシュエロージョンが発生することが知られている。 アッシュエロージョンに対して、減肉損傷が発生しやすい部位をプロテクターで保護するなどの構造的な対策がとられてきた。プロテクターで保護すべき部位を把握するため、例えば特許文献１では、伝熱管表面に色調の異なる多層皮膜を設け、減肉量を視覚的に測定できるエロージョン速度検出方法が開示されている。 このような構造的な対策だけでなく、アッシュエロージョンを未然に防止する対策も必要である。アッシュエロージョンによる伝熱管の減肉速度は、排ガス中の灰分の量や組成の影響を大きく受けるため、燃料となる石炭を選別するアッシュエロージョン評価方法を構築することが重要となる。 従来は、図５に示すとおり、石炭中の灰分の割合と、灰組成のうちアッシュエロージョンに影響するシリカ（ＳｉＯ２）とアルミナ（Ａｌ２Ｏ3）の割合との２つの指標の関係が、一定の管理基準Ｒ内に収まっている場合には、石炭ボイラで専焼可能な石炭であると評価していた。図５中の黒菱形は燃焼実績炭のデータである。この方法は、石炭や石炭灰の成分分析値から必要な指標が算出できるので、簡易な評価法として利用されてきた。 また、アッシュエロージョン評価で、石炭ボイラでは専焼できないと判別された炭種に対しては、他の炭種と混炭して混焼するか、又は燃料としての調達を断念していた。特開平３−１３０６４４号公報 フライアッシュが伝熱管等に衝突するエネルギーは、排ガス中の灰重量に関する指標だけでなく、排ガスの速度に関する指標も加味して評価する必要がある。しかし、従来のアッシュエロージョン評価方法では、排ガス中の灰重量に関する指標のみ考慮しており、排ガスの速度に関する指標は考慮されていなかった。 また、アッシュエロージョンの評価には、ボイラ特性や排ガスの局所的な偏流などプラント固有の条件も考慮する必要がある。しかし、従来の管理基準の設定根拠は不明確であり、プラント固有の条件を管理基準に反映することが困難であった。 そのため、管理基準を満足しない石炭を石炭ボイラで専焼しても、アッシュエロージョンが発生しないケースがあるなど、評価結果と実態が必ずしも整合しないといった問題があった。特に、よく用いられる瀝青炭は灰分が多く、石炭ボイラで専焼できないという評価を受けやすいため、混炭による運用面での制約や燃料調達面での制約を受け、結果として運転コストや燃料コストの上昇をまねいていた。 そこで、本発明は、排ガス中の灰重量に関する指標だけでなく、排ガスの速度に関する指標も考慮した、精度の高いアッシュエロージョン評価方法およびアッシュエロージョン評価装置を提供することを目的とする。 さらに、プラント固有の条件を反映した管理基準を設定できるアッシュエロージョン評価方法およびアッシュエロージョン評価装置を提供することも目的とする。 上記目的を達成するために、本発明におけるアッシュエロージョン評価方法は、石炭の成分分析値を用いて石炭ボイラの燃焼計算を行い、前記燃焼計算の結果から排ガス量を算出するとともに、石炭灰の成分分析値から石炭灰中のシリカおよびアルミナの重量を算出し、それぞれ算出された前記排ガス量と前記石炭灰中のシリカおよびアルミナの重量との関係が、アッシュエロージョンが許容範囲内となる特性を有する所定の管理基準を満たしているときは、石炭ボイラで専焼可能な石炭であると評価することを特徴としている。 上記構成によれば、排ガス中の灰重量に関する指標として石炭灰中のシリカおよびアルミナの重量を、排ガスの速度に関する指標として石炭ボイラの排ガス量を用いることで、高精度でアッシュエロージョンを評価でき、石炭ボイラで専焼可能な石炭を正しく判別することができる。 また、所定の管理基準は、前記石炭ボイラで燃焼実績のある石炭のうち、アッシュエロージョンが許容範囲内であった石炭における前記排ガス量と前記石炭灰中のシリカおよびアルミナの重量との関係を網羅するように設定してもよい。 同様に、所定の管理基準は、前記石炭ボイラの設計炭における前記排ガス量と前記石炭灰中のシリカおよびアルミナの重量との関係を網羅するように設定してもよい。 上記２つの構成によれば、プラントでの燃焼実績や設計条件に対応した管理基準を設定することでき、プラント固有の条件をアッシュエロージョン評価に柔軟に反映することができる。 また、所定の管理基準は、前記排ガス量の二乗と、前記石炭灰中のシリカおよびアルミナの重量との積が一定となる関数に基づいて定めてもよい。 上記構成によれば、運動エネルギー理論（重量×速度の二乗が一定）に基づいて管理基準を定めることができ、管理基準の設定根拠を明確化できる。また、十分な数の燃焼実績や設計炭のデータを得ることができない場合でも、データを補完して管理基準を定めることができる。 また、本発明のアッシュエロージョン評価装置は、石炭および石炭灰の成分分析値を入力する入力装置と、前記石炭の成分分析値を用いて石炭ボイラの燃焼計算を行い、前記燃焼計算の結果から排ガス量を算出する排ガス量計算手段と、前記石炭灰の成分分析値から石炭灰中のシリカおよびアルミナの重量を算出する灰重量計算手段と、アッシュエロージョンが許容範囲内となる特性を有する所定の管理基準を記憶する記憶装置と、算出した前記排ガス量と前記石炭灰中のシリカおよびアルミナの重量との関係が、前記管理基準を満たしているときは、石炭ボイラで専焼可能な石炭であると評価する評価手段と、前記評価装置による評価結果を出力する出力装置とを有することを特徴としている。 本発明によれば、排ガス中の灰重量に関する指標だけでなく、排ガスの速度に関する指標も考慮した、精度の高いアッシュエロージョン評価ができ、石炭ボイラで専焼可能な石炭を正しく判別することができる。その結果、混炭による運用面での制約が少なくなり、運転コストが低減できるとともに、燃料調達面での選択肢が増え、燃料コストも低減できる。 さらに、プラント固有の条件を柔軟に反映した管理基準を設定でき、実態に即したアッシュエロージョン評価ができる。 以下に添付図面を参照しながら、本発明を実施するための最良の形態について詳細に説明する。かかる実施形態に示す寸法、材料、その他具体的な数値などは、発明の理解を容易とするための例示に過ぎず、特に断る場合を除き、本発明を限定するものではない。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能、構成を有する要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略し、また本発明に直接関係のない要素は図示を省略する。 図１に本発明におけるアッシュエロージョン評価の手順を示すフローチャートを示す。 まず、ステップＳ１では、石炭の成分分析値の入力を行う。入力される石炭の成分分析値は、後段の燃焼計算で用いられるデータを網羅している必要がある。具体的には、少なくとも以下のデータが必要である。 発熱量、全水分 工業分析データ（固有水分、灰分、揮発分、固定炭素の含有率） 元素分析データ（炭素、水素、酸素、窒素、硫黄、塩素、弗素等の含有率） 次に、ステップＳ２では、石炭ボイラの燃焼計算を実施する。燃焼計算とは、燃料を完全燃焼させるために必要な空気量や燃焼時に発生する排ガス量（燃焼ガス量ともいわれる）を算出することをいう。燃焼計算は、理論酸素量Ｏ0、理論空気量Ａ0、理論排ガス量（湿り）Ｑ0、実際排ガス量（湿り）Ｑ1を求める各ステップからなる。 理論酸素量Ｏ0は、燃料を完全燃焼させるために必要な酸素量である。例えば、燃料が炭素のみからなる場合、燃焼反応（Ｃ＋Ｏ2＝ＣＯ2）に基づき、炭素1kgあたりの理論酸素量Ｏ0は1.87m3N/kgとなる。なお、１m3Nとは０℃、1atmで1m3を占めるガス量を意味する。 理論空気量Ａ0は、燃料を完全燃焼させるために必要な空気量であり、理論酸素量Ｏ0から算出される。例えば、空気中の酸素の体積割合を21.0%とすると、理論酸素量Ｏ0を0.21で除した値が理論空気量Ａ0となる。 理論排ガス量（湿り）Ｑ0は、燃料を完全燃焼させた際に発生する排ガス量である。これは、空気中の不燃ガス量（＝理論空気量Ａ0−理論酸素量Ｏ0）と燃料を完全燃焼させたときに生成される燃焼生成ガス量との和として算出される。燃焼生成ガスには、炭素を燃焼させた場合の二酸化炭素ＣＯ2や水素を燃焼させたときの水蒸気Ｈ2Ｏなどがある。なお、排ガス量は、水蒸気を含む場合は（湿り）と付記され、水蒸気を含まない場合は（乾き）と付記される。 実際排ガス量（湿り）Ｑ1は、実際に石炭ボイラで発生する排ガス量である。石炭ボイラには、安全率を考慮して理論空気量Ｏ0よりも多めの空気量が供給される。この関係を補正できるように空気比αを設定し、理論排ガス量（湿り）Ｑ0に空気比αを乗じて、実際排ガス量（湿り）Ｑ1を求める。 次に、ステップＳ３では、排ガス量の算出を行う。排ガス量は排ガスの流速と関係するため、排ガス量を評価指標に用いることで、灰が石炭ボイラ機器に衝突する「速度」に関係する影響をアッシュエロージョンの評価に加えることができる。排ガス量は、燃焼計算で求められた実際排ガス量（湿り）Ｑ1を用いることができる。なお、燃焼計算では、単位燃料あたりの実際排ガス量（湿り）（m3N/kg）として表記されることが多く、評価指標に用いる排ガス量も同じ単位系で整理できる。また、流速との関係を明らかにするため、単位時間あたりの排ガス量（m3N/h）へと変換してもよい。この場合には、単位燃料あたりの実際排ガス量（湿り）（m3N/kg）に、単位時間あたりの燃焼使用量（kg/h）を乗じることで変換することができる。 また、ステップＳ４では、石炭灰の成分分析値の入力を行う。入力される石炭灰の成分分析値は、石炭灰中のシリカおよびアルミナの重量を算出する際に用いられる。具体的には、石炭灰の組成分析データ（シリカ、アルミナ等の含有率）である。 次に、ステップＳ５で、石炭灰中のシリカおよびアルミナの重量の算出を行う。シリカおよびアルミナは、灰組成の中でも比重や硬度が比較的大きく、アッシュエロージョンを引き起こす主成分であることが知られている。灰組成は多岐に渡っており、灰の総重量を求めるのは困難であるため、重量を求める対象をシリカおよびアルミナに限定することで、効率的にアッシュエロージョン評価を行うことができる。シリカおよびアルミナの重量は、石炭灰の組成分析データにあるシリカおよびアルミナの組成割合に、それぞれの比重を乗じて算出できる。その結果は、単位排ガス量あたりの重量（kg/ m3N）として整理できる他、排ガス量の単位系と整合させるため、単位燃料あたりの重量（kg/kg）や単位時間あたりの重量（kg/h）へと変換してもよい。 次に、ステップＳ６では、あらかじめ、アッシュエロージョンが許容範囲内となる特性を有する管理基準を設定する。その設定は任意の方法を用いることができるが、例えば、石炭ボイラの燃焼実績、設計条件または理論値に基づく設定方法をあげることができる。 石炭ボイラの燃焼実績に基づく設定方法は、燃焼実績のある石炭のうち、アッシュエロージョンが許容範囲内であった石炭における排ガス量と石炭灰中のシリカおよびアルミナの重量との関係を網羅するように設定する方法である。アッシュエロージョンには、ボイラ特性や排ガスの局所的な偏流などプラント固有の条件が影響するが、燃焼実績に基づき管理値を設定することで、これらの影響をアッシュエロージョンの評価に柔軟に反映することができ、評価精度を高めることができる。 設計条件に基づく管理基準の設定方法は、石炭ボイラの設計炭における排ガス量と石炭灰中のシリカおよびアルミナの重量との関係を網羅するように設定する方法である。石炭ボイラでの燃焼実績がない場合や少ない場合でも、設計炭の条件に基づき管理値を設定することで、設計で想定されている範囲内でプラント固有の条件を反映することができ、アッシュエロージョンの評価精度を高めることができる。 図２は管理基準の設定方法の説明図であり、図２（ａ）は管理基準（上限値）Ｒ１を直線の組み合わせで定めた場合の相関図、図２（ｂ）は管理基準（上限値）Ｒ２を曲線で定めた場合の相関図である。図２（ａ）、図２（ｂ）中の黒菱形は燃焼実績炭または設計炭条件のデータである。なお、図２（ａ）に示すように、管理基準線Ｒ１の形状は、任意の形状を用いることができる。曲線、直線のいずれでもよく、直線の場合、複数の直線を組み合わせてもよい。 曲線の場合、その形状は理論に基づいて設定してもよい。例えば、図２（ｂ）に示すように、排ガス量Ｘの二乗Ｘ２と、石炭灰中のシリカおよびアルミナの重量Ｙとの積が一定値ａとなる関数Ｙ＝ａ／Ｘ２に基づいて設定する方法がある。この方法によれば、運動エネルギー理論（重量×速度の二乗が一定）に基づいて管理基準を定めることができ、管理基準の設定根拠を明確化できる。また、十分な数の燃焼実績や設計炭のデータを得ることができない場合でも、データを補完して管理基準を定めることができる。 また、一度設定した管理基準を、随時更新してもよい。例えば、最初は設計条件に基づき管理基準を設定し、その後、燃焼実績の蓄積に応じて管理基準を更新してもよい。また、石炭ボイラの運転開始後に、アッシュエロージョンが発生しやすい部位をプロテクターで追加補強した場合は、その補強効果を管理基準に反映してもよい。 次に、ステップＳ７で、排ガス量と石炭灰中のシリカおよびアルミナの重量との関係について、管理基準との対比を行い、ステップＳ８において、管理基準を満足するときは、石炭ボイラで専焼可能な石炭であると評価し、管理基準を満足しないときは、石炭ボイラで専焼不可能な石炭であると評価する。 なお、上記のような二者択一の評価ではなく、管理基準を満足しない場合の対応を２段階に分けてもよい。例えば、管理基準から一定範囲内にある石炭は、トライアルで燃焼し、アッシュエロージョンの影響を見た上で専焼可能か判断することもできる。 図３は、本発明におけるアッシュエロージョン評価装置の概略構成を示すブロック図である。アッシュエロージョン評価装置１０は、石炭および石炭灰の成分分析値を入力する入力装置２０と、管理基準や演算プログラムを記憶する記憶装置３０と、アッシュエロージョン評価に係わる演算を行う演算装置４０と、評価結果を出力する出力装置５０とから構成される。 演算装置４０では、記憶装置３０に記憶された演算プログラムを演算装置内のプロセッサ（図示せず）で実行し、アッシュエロージョン評価に係わる演算を行う。演算は、次の手段を用いて行われる。すなわち、 １）石炭の成分分析値を用いて石炭ボイラの燃焼計算を行い、排ガス量を算出する排ガス量計算手段４１と、 ２）石炭灰の成分分析値から石炭灰中のシリカおよびアルミナの重量を算出する灰重量計算手段４２と、 ３）算出した排ガス量と石炭灰中のシリカおよびアルミナの重量との関係が管理基準を満たしているときは、石炭ボイラで専焼可能な石炭であると評価する評価手段４３である。 アッシュエロージョン評価装置１０としては、パーソナルコンピュータ、ワークステーション、メインフレームなどが例示される。入力装置２０としては、マウス、キーボード、無線あるいは有線で送信されるデータを受信する受信部などが例示される。記憶装置３０としては、ハードディスクドライブ、揮発型または不揮発型メモリ、ＣＤ−ＲＯＭ、ＤＶＤ−ＲＯＭなどが例示される。出力装置５０は、ディスプレイ、プリンタ、ハードディスクドライブなどが例示される。 実施例として本発明におけるアッシュエロージョン評価と、比較例として従来の方法でのアッシュエロージョン評価を行った結果を比較した。［実施例］ 図４に、本発明におけるアッシュエロージョン評価を行った結果を示す。図４中の黒菱形は受入実績炭のデータである。同図には、石炭ボイラで専焼した実績のある石炭において、実際排ガス量（湿り）と単位排ガス量あたりの石炭灰中のシリカおよびアルミナの重量との関係を整理した。 この石炭ボイラでは、これまでアッシュエロージョンによる機器損傷は報告されていない。よって、石炭ボイラの燃焼実績は全てアッシュエロージョンが許容範囲にあると判断し、同図の関係を網羅するように管理基準Ｒａを設定した。ここで、管理基準Ｒａは２つの直線を組み合わせた形状とした。すなわち、排ガス量が少ない場合は、許容される灰重量を一定とする直線とし、排ガス量が多い場合は、排ガス量の増加とともに許容される灰重量が減少する負勾配の直線と組み合わせとした。 同図には参考として、排ガス量Ｘの二乗Ｘ２と、石炭灰中のシリカおよびアルミナの重量Ｙとの積が一定値ａとなる関数Ｙ＝ａ／Ｘ２に基づいて管理基準Ｒ２を設定した結果も併記した。この管理基準Ｒ２の勾配は、前述の燃焼実績に基づく管理基準Ｒａの負勾配とほぼ同じになることが分かる。つまり、負勾配の管理基準Ｒａに近接するデータは、ほぼ同じ運動エネルギーを有していると評価できる。［比較例］ 図５に、従来の方法に基づきアッシュエロージョン評価を行った結果を示す。同図には、図４と同じ石炭について、石炭の工業分析データにおける灰分割合（気乾ベース）と、石炭灰の組成分析データにおけるシリカおよびアルミナの組成割合との関係を整理した。また、慣用的に用いられている管理基準Ｒも記載した。 比較例では、一部管理基準Ｒを満足していないデータがあることが分かる。実際にはアッシュエロージョンが発生していない石炭の一部について、比較例では専焼できないと評価することになり、実態と評価結果が整合しない結果となった。 図４において管理基準Ｒａに近接していた石炭データ（同図中、点線で囲んだ石炭データＡ〜Ｄ）について、対応するデータの位置を図５中に図示した。図５では、一部の石炭データ（石炭データＤ）が管理基準Ｒを大幅に下回っている。この石炭データＤは、シリカおよびアルミナの組成割合が比較的少ないため、比較例ではこのような評価となったが、排ガス量が多いため、実施例では管理基準Ｒａに近接する評価となった。このように、比較例では衝突時の運動エネルギーを正しく評価できていないことになり、これが実態と評価結果が整合しない要因であると考えられる。本発明におけるアッシュエロージョン評価の手順を示すフローチャートである。本発明における管理基準の設定方法の説明図である。本発明におけるアッシュエロージョン評価装置の概略構成を示すブロック図である。実施例として本発明におけるアッシュエロージョン評価を行った結果を表す相関図である。比較例として従来の方法に基づきアッシュエロージョン評価を行った結果を表す相関図である。１０ アッシュエロージョン評価装置２０ 入力装置３０ 記憶装置４０ 演算装置４１ 排ガス量計算手段４２ 灰重量計算手段４３ 評価手段５０ 出力装置 石炭の成分分析値を用いて石炭ボイラの燃焼計算を行い、前記燃焼計算の結果から排ガス量を算出するとともに、石炭灰の成分分析値から石炭灰中のシリカおよびアルミナの重量を算出し、それぞれ算出された前記排ガス量と前記石炭灰中のシリカおよびアルミナの重量との関係が、アッシュエロージョンが許容範囲内となる特性を有する所定の管理基準を満たしているときは、石炭ボイラで専焼可能な石炭であると評価するアッシュエロージョン評価方法。 前記所定の管理基準は、前記石炭ボイラで燃焼実績のある石炭のうち、アッシュエロージョンが許容範囲内であった石炭における前記排ガス量と前記石炭灰中のシリカおよびアルミナの重量との関係を網羅するように設定することを特徴とする請求項１に記載のアッシュエロージョン評価方法。 前記所定の管理基準は、前記石炭ボイラの設計炭における前記排ガス量と前記石炭灰中のシリカおよびアルミナの重量との関係を網羅するように設定することを特徴とする請求項１に記載のアッシュエロージョン評価方法。 前記所定の管理基準は、前記排ガス量の二乗と、前記石炭灰中のシリカおよびアルミナの重量との積が一定となる関数に基づいて定められることを特徴とする請求項１から３に記載のアッシュエロージョン評価方法。 石炭および石炭灰の成分分析値を入力する入力装置と、前記石炭の成分分析値を用いて石炭ボイラの燃焼計算を行い、前記燃焼計算の結果から排ガス量を算出する排ガス量計算手段と、前記石炭灰の成分分析値から石炭灰中のシリカおよびアルミナの重量を算出する灰重量計算手段と、アッシュエロージョンが許容範囲内となる特性を有する所定の管理基準を記憶する記憶装置と、算出した前記排ガス量と前記石炭灰中のシリカおよびアルミナの重量との関係が、前記管理基準を満たしているときは、石炭ボイラで専焼可能な石炭であると評価する評価手段と、前記評価装置による評価結果を出力する出力装置とを有することを特徴とするアッシュエロージョン評価装置。 【課題】本発明は、排ガス中の灰重量に関する指標だけでなく、排ガスの速度に関する指標も考慮した、精度の高いアッシュエロージョン評価方法およびアッシュエロージョン評価装置を提供することを目的とする。【解決手段】石炭の成分分析値を用いて石炭ボイラの燃焼計算を行い、前記燃焼計算の結果から排ガス量を算出するとともに、石炭灰の成分分析値から石炭灰中のシリカおよびアルミナの重量を算出し、それぞれ算出された前記排ガス量と前記石炭灰中のシリカおよびアルミナの重量との関係が、アッシュエロージョンが許容範囲内となる特性を有する所定の管理基準を満たしているときは、石炭ボイラで専焼可能な石炭であると評価するアッシュエロージョン評価方法である。【選択図】図１