蒸気ボイラーの理解：基礎と応用

蒸気ボイラーの基礎

蒸気ボイラーは、水を制御された条件下で加熱して蒸気に変換する密閉容器です。ボイラーは基本的に熱交換器で、熱が水に伝達されます。蒸気発生器とも呼ばれることがあります。水加熱の熱エネルギーは、燃料（ガス、液体、固体）または様々な産業プロセスから利用可能な廃熱によって供給されます。時には太陽エネルギーも蒸気生産に使用されます。ボイラーで生成される蒸気は低圧、中圧、高圧のいずれかです。産業文脈では、生成蒸気は様々な産業プロセスでのプロセス蒸気として、またはタービン駆動による発電に使用されます。すべてのボイラーは、ボイラー内の水に可能な限り多くの熱エネルギーを伝達するように設計されています。熱エネルギーは伝導、対流、放射によって伝達されます。各々の相対割合は、ボイラータイプ、設計伝熱面積、燃焼を動かす燃料に依存します。

ボイラーには主に2種類あります。火管ボイラーと水管ボイラーです。

火管ボイラー

火管ボイラーは、高温ガスが通過する多数の管で構成されます。これらの高温ガス管は、閉鎖容器内の水に浸漬されています。このボイラーでは、1つの閉鎖容器（シェル）に水が入り、高温ガス管が通されます。高温ガス管が水を加熱し、水を蒸気に変換し、蒸気は同一容器内に留まります。火管ボイラーは一般的に比較的小さな蒸気容量と低〜中圧蒸気圧力で使用されます。これらのボイラーはコンパクトで、パッケージ構造、安価です。

水管ボイラー

水管ボイラーは、水が管内で加熱され、高温ガスがそれらを取り囲むタイプのボイラーです。これは火管ボイラーのまさに逆です。このボイラーでは、ボイラー給水が管を流れてボイラードラムに入ります。循環水は燃焼ガスによって加熱され、ドラムの蒸気空間で蒸気に変換されます。このボイラーは、産業プロセス用蒸気要件と発電用蒸気要件の両方を満たすボイラーの場合のように、蒸気需要と蒸気圧力要件が高い場合に使用されます。水管ボイラーの特徴には、(1) 強制・誘導・平衡通風装置による燃焼効率向上、(2) 水質許容度が低いため水処理プラントが必要、(3) より高い熱効率レベル、が含まれます。

ボイラーシステムの構成要素

ボイラーシステムの主要構成要素は、水処理プラント、ボイラー給水ヒーター、除気器、給水ポンプ、エコノマイザー、過熱器、減温器、蒸気系、復水器、復水ポンプです。さらに、水・蒸気流量、燃料流量、空気流量、薬注量を監視する制御セットがあります。 ボイラープラントフロー図の概略を図1に示します。

図1 ボイラープラントフロー図の概略

広義には、ボイラーシステムは給水系、蒸気系、燃料系で構成されます。給水系は処理水をボイラーに供給し、蒸気需要に合わせて自動調整。蒸気系はボイラーで生成された蒸気を収集・制御。蒸気は配管システムを通じて使用点へ導かれます。燃料系は必要熱を生成するための燃料供給に使用されるすべての設備を含みます。必要設備は使用燃料タイプに依存します。

給水系

給水はボイラーに供給され蒸気に変換される水です。給水の2つの供給源は、プロセスから戻る復水（凝縮蒸気）と、水処理プラントからの処理水である補給水です。給水系の主要構成要素は以下の通り。

• 給水ヒーター：排蒸気から廃熱を回収してボイラー給水を予熱することでボイラー効率を向上。ヒーターはシェルアンドチューブ型熱交換器で、給水が管側、蒸気がシェル側。復水は復水貯蔵タンクまたは復水ホットウェルに戻る。
• 除気器：給水には往々にして好ましくないレベルで溶解酸素が含まれ、これは復水器からの空気漏れ、ポンプシール、または復水自体から来る。酸素は除気器で機械的に除去。除気器は、温度上昇に伴い酸素溶解度が低下する原理で働く。蒸気を給水を通して通すことで実現。
• エコノマイザー：給水系の最終段階。排ガスから熱価を抽出して蒸気を加熱し、ボイラー効率を向上させるように設計。シンプルなフィンチューブ熱交換器。給水エコノマイザーは排ガスから流入水へ熱を移すことで燃料必要量を削減。

蒸気系

蒸気系は蒸気ドラムと泥ドラム、ボイラー管、過熱器、減温器、復水系で構成されます。

• 蒸気ドラムと泥ドラム：蒸気ドラムは水管ボイラーの上部ドラムで、水と蒸気の分離が行われる。蒸気ドラムには給水入口、薬注、ブローダウン除去、水位制御、蒸気水分離用内部要素を含む。給水はエコノマイザーから蒸気ドラムに入る。蒸気はドラム頂部から蒸気分離器を通って流出。蒸気出口は通常このドラムから下部ドラムへ、ライザーとダウンカマー管セットで接続。下部ドラム（泥ドラム）はボイラー底部のタンクで、発熱管への水分配を均等化し、硬度とシリカから形成される塩類などの固形物を回収。
• ボイラー管：高強度炭素鋼で製造。管は溶接され連続管壁形成。通常複数バンクの管を使用。管は流れ問題や腐食堆積問題により故障しやすい。
• 過熱器：ボイラーを出る蒸気は、ボイラー圧力と温度で水と平衡状態にあるため飽和蒸気。過熱器の目的は、蒸気温度を飽和点以上に上げて全水分を除去すること。過熱器はボイラー出口蒸気にエネルギーを追加。追加エネルギーで蒸気温度と熱含有量を飽和点以上に上昇。過熱蒸気はより大きな比体積を持つ。
• 減温器：過熱度を制御。減温は、過熱蒸気流への制御給水注入による部分的脱過熱プロセス。通常ボイラー給水を減温に使用。
• 復水系：各種熱交換器系からの復水は給水の一部としてボイラーに戻される。しかし復水はpHと酸素混入を厳密監視し、適切な復水処理を施す必要がある。

燃料系

燃料供給システムはボイラー性能において重要な役割を果たします。主な機能は、燃料をボイラーへ移送し、ボイラー内で燃料を分配して均一で完全な燃焼を促進することです。燃料タイプが燃料系の運用特性に影響。燃料供給システムはボイラーシステムの最も重要な構成要素を形成。燃料は燃焼のために調製されボイラーへ輸送。燃焼システムは、広範囲流量で炎安定性を確保するため、燃料着火に有利な条件創出と、一次燃焼空気と燃料の良好な混合を保証する空気力学的条件確立を行う必要があります。バーナーは効果的燃焼システムの中心要素です。

蒸気ボイラー効率

蒸気ボイラーでは、不完全燃焼、ボイラー周囲壁からの放射損失、排ガス搬送熱などのエネルギー損失が発生。蒸気ボイラー効率はこれらの損失を示します。蒸気ボイラー効率は、燃料による総供給熱に対する出口蒸気による総輸出熱の割合として以下で与えられます。

蒸気ボイラー効率には熱効率、燃焼効率、燃料-蒸気効率が含まれます。蒸気ボイラー効率はボイラーサイズ、タイプ、設計など多くの要因に依存します。

蒸気ボイラーの分類

設計と構造に基づき、蒸気ボイラーは主に以下のように分類されます。

微粉炭ボイラー

石炭火力発電所と産業用水管ボイラーの大部分は微粉炭を使用。この技術は成熟しており、石炭火力容量の90%以上を占めます。石炭は微粉末に粉砕され、+300μmが2%未満、ビタミナス炭で75μm以下が70〜75%。微粉炭は燃焼空気の一部と共にバーナーノズル系列からボイラーへ吹き込まれる。二次・三次空気も追加可能。燃焼温度は1300〜1700℃で、石炭グレードに大きく依存。ボイラー内粒子滞在時間は典型的に2〜5秒、この時間内に完全燃焼が起こるほど粒子は小さくなければならない。このシステムには、多様な石炭品質対応、負荷変動への迅速応答、高温予熱空気使用可能など多くの利点がある。

流動層燃焼ボイラー

流動層燃焼（FBC）ボイラーでは、燃焼システムが流動層燃焼に基づいて設計。従来燃焼システムに対する顕著な利点があり、コンパクトボイラー設計、燃料柔軟性、高燃焼効率、SOx・NOx等有害汚染物質排出削減など多重メリットを提供。これらのボイラーで燃焼される燃料には石炭、洗石炭廃棄物、稲殻、バガス、その他農業廃棄物が含まれる。

これらのボイラーでは、流動層燃焼（FBC）が約840〜950℃で行われます。この温度は灰融点より大幅に低いため、灰融解と関連問題を回避。低燃焼温度は、流動層内急速混合による高熱伝達係数と、ベッド内伝熱管とベッド壁を通じたベッドからの効果的熱抽出によって達成。ガス速度は最小流動化速度と粒子飛散速度の間で維持。これによりベッド安定操業とガス流中粒子飛散回避を確保。流動層ボイラーには3タイプあります。(1) 常圧流動層燃焼（AFBC）ボイラー、(2) 常圧循環流動層燃焼（CFBC）ボイラー、(3) 加圧流動層燃焼（PFBC）ボイラー。

常圧流動層燃焼ボイラー

このタイプでは、石炭を石炭ランク、燃焼室投入燃料タイプに応じて1〜10mmサイズに破砕。大気空気が流動化・燃焼空気として、排ガスで予熱された後、圧力下で供給。ベッド内伝熱管が一般的に蒸発器として機能。燃焼ガス生成物は過熱器セクション、エコノマイザー、集塵機、空気予熱器を通過後、大気へ排出。

常圧循環流動層燃焼ボイラー

循環システムでは、ベッドパラメータをベッドからの固形分飛散（エルートリエーション）促進条件に維持。エルートリエーションは、ベッド通過流体流量により微細粒子が流動層から運び出されるプロセス。粒子は比較的希薄相で固形分ライザー内で持ち上げられ、サイクロン付きダウンカマーが固形分戻り経路を提供。ベッド内に蒸気発生管は浸漬されない。蒸気発生と過熱は対流セクション、水冷壁、ライザー出口で行われる。CFBCボイラーは一般的に、75〜100トン/時以上の蒸気を必要とする産業用途ではAFBCボイラーより経済的。

加圧流動層燃焼ボイラー

このボイラーでは圧縮機が強制送風空気を供給し、燃焼器が耐圧容器。ベッド内熱放出率はベッド圧力に比例するため、深いベッドで大量熱を抽出。これにより燃焼効率とベッド内二酸化硫黄吸収が向上。蒸気は2つの管束で発生、1つはベッド内、1つはベッド上部。高温排ガスが発電用ガスタービンを駆動。PFBCシステムはコジェネレーション（蒸気と電力）または複合サイクル発電に使用可能。複合サイクル操業（ガスタービン＋蒸気タービン）により全体変換効率を5〜8%向上。

廃熱ボイラー

中〜高温で廃熱が利用可能な場所では、経済的に蒸気生産するため廃熱ボイラーを設置。蒸気は蒸気タービン・発電機セットで膨張させ発電可能。排ガスからの熱回収に広く使用。