中小型循環流動層ボイラーの拡容・効率向上改修案の紹介

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福建省のある製紙工場にある15t/hの循環流動層ボイラーには、ボイラーの出力が不足している、過熱蒸気の温度が低い、排煙温度が高いという問題がありました。これらの問題を解決するため、ボイラーの性能向上のための改造が行われ、良好な結果が得られました。ここに、その改造案と運用状況について説明します。

一、プロジェクトの概要
福建省のある製紙株式会社の動力施設には、15t/hの循環流動層ボイラーと1.5MWの背圧式タービン発電機が設置されています。このボイラーは湖南省のあるボイラー工場で製造されたもので、中温・中圧で動作し、単一のボイラータンクと光管式の水冷壁を持つ自然循環方式です。高温セパレーターにはL字型の返料弁があり、尾部には2段階の過熱器、3段階の省エネ装置、そして1組の空気予熱器が設置されています。炉本体、セパレーター、および尾部の煙道は、すべて頑丈な構造で作られています。ボイラーは龍岩産無煙炭を燃料として使用しており、その低位発熱量は約4800Kcal/kgである。ボイラーが稼働し始めてから、以下のような問題が常に存在している：1、ボイラーの出力が定格負荷に達せず、製紙工程で必要とされる蒸気量を満たすことができない。最高出力は約10t/h程度であり、かつ炉内温度は1000℃を超えている。2、過熱蒸気の温度が著しく低く、減温水を投入しない場合、主蒸気温度は約380℃にとどまり、タービン発電機組が運転できなくなる。これにより、機組の熱効率や企業の経済的効益が深刻に損なわれる。3、排煙温度が220℃にも達し、集塵機のフィルターが頻繁に焼損する。上記の問題を解決し、機組の利用率と全体的な熱効率を向上させるため、ユーザーはボイラーを全面的に改造することを決定しました。二、改造の原則と方針1、改造は安全かつ信頼性が高く、効率的で経済的、かつ環境に配慮した原則に従う。つまり、ボイラーの出力と性能を確保する前提のもと、可能な限り既存のシステムや本体の構造部品を活用する。2、ボイラーは単炉で運用されており、予備ボイラーがなく、工場周辺にも他の熱源はない。そのためボイラーの改造は工場全体の停止を意味し、改造計画では工期をできるだけ短縮することを考慮しなければならない。3、元のボイラーは低倍率循環流動層炉であり、重厚な炉壁を持ち室内に設置されている。敷地、投資額、工期といった要因を総合的に考慮し、今回の改造でも引き続き低倍率炉を採用する。元の炉体の高さは変更せず、元の炉頂、セパレーター、炉膛の上部および配管システムを活用して燃焼システムを全面的に再設計し、尾部の受熱面も最適化設計することで、出力不足、蒸気温度の低さ、排煙温度の高さといった問題を解決する。三、改造の具体的な措置
1、炉床の下部を高低差速床構造に変更し、炉床下部と送風システムを改造する。そのうち、主床の面積は2.24㎡、付床の面積は3.92㎡で、送風板の面積は元の3.8㎡から6.16㎡に増加する。副床には22枚の埋設管が配置され、面積は約21平方メートルです。変更の目的は、現在の炉床構造を基にボイラーの燃焼状態を最適化し、出力を維持しつつ燃焼効率を向上させることです。また、埋設管を高い位置で、粒径が小さく、流動速度が低いサブベッドに配置することで、低倍率ボイラーに一般的に見られる埋設管の摩耗問題を解決できます。2、対応する配水管および導汽管を調整し、構造変更の要求に適合させる；3、炉床を高くするにはコストがかさむ上、設置期間も長くなり、すべての耐熱材料を新たに準備する必要がある。効率はわずかに向上するものの、全体的なコストパフォーマンスは良くない。また、計算の結果、元の炉床のサイズでもボイラーの15T出力要件を満たせることが分かったため、本案では炉床を高くする処理は行わず、セパレーターの調整も不要である；4、高温過熱器は7列から11列に増加し、管の規格はΦ32*3.5に変更され、流量要件および蒸気条件の要求を満たしている；5、低温過熱器は10枚から14枚に増加し、管の規格は32*3.5に変更され、流量要件および蒸気条件を満たしている。過熱器の入口・出口集箱および減温集箱はすべて交換され、減温方式は面式減温器が採用されている；6、高温省管片は16枚から22枚に増加；点検を容易にするため、低減温式および中温式省煤器の間に過渡集箱を設置し、煙気流速を下げる目的で管片の数を24枚から22枚に削減した；8、空気予熱器は上下階層の独立した管箱構造に変更され、管箱の全高は35％増加し、一次風と二次風に分けて左右に配置されることで、密封性を確保しつつ受熱面積と熱交換効率を向上させている。一次風が40％、二次風が60％を占め、管の規格および配列は変わらない。9、返材の制御を容易にするため、L型返材器をU型返材器に交換する。10、ボイラーは龍岩無煙炭を燃料として使用しており、微粉が多く燃焼しにくいため、燃焼効率を確保するために炉内での一次滞留時間を延ばす目的で、給炭方法を正圧スパイラル給炭に変更し、主燃焼室の密相領域に炭を供給している。11、ディファレンシャルベッドの設置要件に対応するため、ボイラーには一次風機として追加で送風機1台を設置する必要がある（風量9000m3/h、全圧13500Pa）。既存の送風機は二次風機として使用し、引き込み風機はそのまま利用する。四、改造後の運転状況
当該ボイラーの改造は2018年8月中旬に工事が開始され、2018年10月初旬に完了した。ボイラーは2019年1月3日に運転を開始した（ユーザーの生産計画上、稼働が遅れた）。全体としてボイラーの運転は安定しており、技術改良後の運転状況は以下の通りである：1、ボイラーの蒸気発生量は15t/hに達し、この負荷範囲内では安全かつ安定して長時間運転可能であり、炉床温度は950℃前後で制御されている。2、過熱蒸気温度は設計値の450℃に達し、かつ減温水量も設計範囲内であるため、タービンの吸気条件が満たされ、**機組全体の熱効率が向上した。3、定格負荷時の排煙温度は約158℃で、設計要求を満たしている。4、ボイラーはメインベッドのみで点火すればよく、点火用ベッドの面積が改造前に比べて縮小されたため、**点火時間が短縮され、点火に必要な燃料コストも節約される。5、スラグの炭素含有量は改造前に比べて低下しており、これは高低差速床燃焼システムの採用により内部循環が促進され、炉内での滞留時間が延長されたことが主な要因である。6、埋設管がサブベッドに配置されているため、炉に投入される石炭の発熱量は高く灰分は少ない。そのためボイラーの起動時に負荷を上げるのが遅くなる。このため、ユーザーは点火前にできるだけ多くの石炭をサブベッドに投入し、点火時にはより発熱量の低い石炭を使用することを推奨する。そうすれば、サブベッドが起動した後すぐに層間圧力差を高め、負荷上昇にかかる時間を短縮できる。五、結語 改造前後の運転データを比較分析した結果、ボイラーの負荷能力、蒸気の仕様、排煙温度はいずれも設計要求を満たしている。タービンを導入したことで蒸気の熱エネルギーを段階的に活用できるようになり、企業に大きな利益をもたらした。したがって、今回の拡張・効率化改修は期待された目標を達成した。