蒸気ボイラーの基礎

スチームボイラーの基本

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が水に伝達される熱交換器です。蒸気発生器と呼ばれることもあります。水を加熱するための熱エネルギーは、燃料（気体、液体、または固体）またはさまざまな産業プロセスから得られる廃棄物エネルギーのいずれかによって供給されます。太陽エネルギーは、蒸気の生成にも使用されることがあります。ボイラーで生成される蒸気は、低圧、中圧、または高圧にすることができます。産業の文脈では、生成された蒸気は、さまざまな産業プロセスでプロセス蒸気として、または電気を生成するためのタービンを駆動するために使用されます。すべてのボイラーは、ボイラーに含まれる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、および放射によって伝達されます。それぞれの相対的な割合は、ボイラーのタイプ、設計された伝熱面、および燃焼に動力を供給する燃料によって異なります。

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。

火管ボイラーは、高温ガスが通過する多数の管で構成されています。これらの高温ガス管は、密閉容器内で水に浸されます。このボイラーでは、1つの密閉容器またはシェルに水が含まれており、高温のガス管が通過します。これらの高温ガス管は水を加熱して水を蒸気に変換し、蒸気は同じ容器に残ります。火管ボイラーは、一般的に、比較的小さな蒸気容量と低から中程度の蒸気圧に使用されます。これらのボイラーはコンパクトで、パッケージ構造であり、安価です。

水管ボイラーは、水が管内で加熱され、高温ガスが管を取り囲む一種のボイラーです。これは、火管ボイラーの正反対です。このボイラーでは、ボイラー給水がチューブを通って流れ、ボイラードラムに入ります。循環水は燃焼ガスで加熱され、ドラム内の蒸気空間で蒸気に変換されます。このボイラーは、工業プロセスや発電の蒸気要件を満たすために必要なボイラーの場合のように、蒸気需要と蒸気圧力の要件が高い場合に使用されます。水管ボイラーの機能には、（i）燃焼効率の向上に役立つ強制、誘導、およびバランスの取れたドラフト規定、（ii）水質に対する許容度の低下、したがって水処理プラントの必要性、および（iii）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コンポーネント

ボイラーシステムの主なコンポーネントは、水処理プラント、ボイラー給水ヒーター、脱気装置、給水ポンプ、エコノマイザー、過熱器、減温器、蒸気システム、復水器、および復水ポンプです。さらに、水と蒸気の流れ、燃料の流れ、空気の流れ、および化学処理の追加を監視するための一連の制御があります。ボイラープラントのフロー図の概略図を図1に示します

図1ボイラープラントのフロー図の概略図

大まかに言って、ボイラーシステムは、給水システム、蒸気システム、および燃料システムで構成されています。給水システムは、処理水をボイラーに供給し、蒸気需要を満たすために自動的に調整します。蒸気システムは、ボイラーで生成された蒸気を収集して制御します。蒸気は配管システムを通って使用場所に送られます。燃料システムには、必要な熱を生成するための燃料を供給するために使用されるすべての機器が含まれています。必要な機器は、使用する燃料の種類によって異なります。

給水システム

給水はボイラーに供給される水で、蒸気に変換されます。給水の2つの供給源は、プロセスから戻される凝縮水または凝縮蒸気と、水処理プラントからの処理水である補給水です。給水システムの主な構成要素は以下のとおりです。

給水加熱器–使用済み蒸気から廃熱を抽出してボイラー給水を予熱することにより、ボイラーの効率が向上します。ヒーターはシェルアンドチューブタイプの熱交換器で、給水はチューブ側、蒸気はシェル側にあります。コンデンセートは、コンデンセート貯蔵タンクまたはコンデンセートホットウェルに戻されます。

脱気装置–給水には、凝縮器、ポンプシール、または凝縮液自体からの空気の漏れから生じる、好ましくないレベルで酸素が溶解していることがよくあります。酸素は脱気装置で機械的に除去されます。脱気装置は、温度が上昇するにつれて酸素の溶解度が低下するという原理に基づいて機能します。これは、給水に蒸気を通すことによって行われます。

エコノマイザー–エコノマイザーは給水システムの最終段階です。これらは、排気ガスから発熱量を抽出して蒸気を加熱し、ボイラーの効率を向上させるように設計されています。それらは単純なフィン付きチューブ熱交換器です。給水エコノマイザーは、煙道ガスから流入水に熱を伝達することにより、必要な燃料を削減します。

蒸気システム

蒸気システムは、蒸気ドラムと泥ドラム、ボイラーチューブ、スーパーヒーター、減温器、および復水システムで構成されています。

蒸気ドラムと泥ドラム–蒸気ドラムは、水と蒸気の分離が発生する水管ボイラーの上部ドラムです。蒸気ドラムには、給水流入、化学薬品注入、ブローダウン除去、レベル制御、および蒸気水分離のための内部要素が含まれています。給水はエコノマイザーから蒸気ドラムに入ります。蒸気はドラムの上部から蒸気分離器を通って流出します。蒸気出口は通常、ライザーチューブとダウンコーナーチューブのセットによってこのドラムから下部ドラムに離陸します。マッドドラムと呼ばれる下部ドラムは、ボイラーの底にあるタンクで、発電管への水の分配を均等にし、硬度やシリカから形成された塩などの固形物を収集します。

ボイラーチューブ–ボイラーチューブは高強度炭素鋼から製造されています。チューブは溶接されて、チューブの連続壁を形成します。通常、チューブの複数のバンクが使用されます。チューブは、流れの問題や腐食堆積の問題が原因で最も故障しやすくなります。

過熱器-ボイラーの圧力と温度で水と平衡状態にあるため、ボイラーを出るときの蒸気は飽和しています。過熱器の目的は、蒸気の温度を飽和点より高くすることにより、蒸気からすべての水分を除去することです。過熱器はボイラーの出口蒸気にエネルギーを追加します。追加されたエネルギーは、蒸気の温度と熱量を飽和点より上に上げます。過熱蒸気の比容積は大きくなります。

アテンペレーター–アテンペレーターは過熱度を制御します。温度調節は、過熱蒸気流への水の注入を制御することにより、蒸気を部分的に過熱解除するプロセスです。通常、ボイラー給水は温度調節に使用されます。

復水システム–さまざまな熱交換器システムからの復水は、給水の一部としてボイラーに戻されます。ただし、凝縮液のpHと酸素の侵入を注意深く監視し、適切な凝縮液処理を適用する必要があります。

燃料システム

燃料供給システムは、ボイラーの性能に重要な役割を果たします。それらの主な機能には、ボイラーへの燃料の移送とボイラー内での燃料の分配が含まれ、均一で完全な燃焼を促進します。燃料の種類は、燃料システムの動作機能に影響を与えます。燃料供給システムは、ボイラーシステムの最も重要なコンポーネントを形成します。燃料は燃焼のために準備され、ボイラーに輸送されます。燃焼システムは、燃料の着火に適した条件を作成し、一次燃焼空気と燃料の良好な混合を保証する空力条件を確立することにより、広範囲の流量にわたって火炎の安定性を確保することです。バーナーは、効果的な燃焼システムの中心的な要素です。

蒸気ボイラーの効率

蒸気ボイラーでは、不完全燃焼、壁を取り巻く蒸気ボイラーから発生する放射損失、排気ガスによって運ばれる熱など、いくつかのエネルギー損失が発生します。蒸気ボイラーの効率は、これらの損失を示します。蒸気ボイラーの効率は、以下に示すように、燃料によって供給される全熱のうち、出口蒸気によって輸出される全熱のパーセンテージです。

蒸気ボイラー効率には、熱効率、燃焼効率、燃料から蒸気への効率が含まれます。蒸気ボイラーの効率は、ボイラーのサイズ、ボイラーのタイプ、ボイラーの設計など、多くの要因に依存します。

蒸気ボイラーの分類

蒸気ボイラーは、その設計と構造に基づいて、主に次のように分類されます。

微粉燃料ボイラー–石炭火力発電所と工業用水管ボイラーのほとんどは微粉炭を使用しています。この技術は十分に開発されており、石炭火力の90％以上を占めています。石炭は微粉末に粉砕されるため、瀝青炭の場合、2％未満は+300ミクロン（？m）であり、70〜75％は75ミクロン未満です。微粉炭は、燃焼用空気の一部とともに一連のバーナーノズルからボイラーに吹き込まれます。二次および三次空気も追加することができます。燃焼は、主に石炭のグレードに応じて、1300〜1700℃の温度で行われます。ボイラー内の粒子滞留時間は通常2〜5秒であり、この時間中に完全燃焼が発生するためには、粒子は十分に小さくなければなりません。このシステムには、さまざまな品質の石炭を燃焼させる能力、負荷の変化への迅速な対応、高い予熱空気温度の使用など、多くの利点があります。

流動床燃焼ボイラー–流動床燃焼（FBC）ボイラーでは、燃焼システムは流動床燃焼に基づいて設計されています。従来の燃焼システムに比べて大きな利点があり、コンパクトなボイラー設計、燃料の柔軟性、より高い燃焼効率、SOxやNOxなどの有害汚染物質の排出削減などの複数の利点があります。これらのボイラーで燃焼される燃料には、石炭、洗面所の廃棄物、籾殻、バガス、その他の農業廃棄物が含まれます。

これらのボイラーでは、流動床燃焼（FBC）は約840〜950℃で行われます。この温度は灰の溶融温度よりはるかに低いため、灰の溶融および関連する問題が回避されます。流動床での急速な混合による高い熱伝達係数と、床内の熱伝達管および床の壁を介した床からの効果的な熱の抽出により、より低い燃焼温度が達成される。ガス速度は、最小流動化速度と粒子同伴速度の間に維持されます。これにより、ベッドの安定した動作が保証され、ガス流への粒子の同伴が回避されます。流動床ボイラーには3つのタイプがあります。それらは、（i）大気流動層燃焼（AFBC）ボイラー、（ii）大気循環流動層燃焼（CFBC）ボイラー、および（iii）加圧流動層燃焼（PFBC）ボイラーです。

大気流動層燃焼ボイラー–このタイプのボイラーでは、石炭のランク、燃焼室に供給される燃料のタイプに応じて、石炭は1〜10mmのサイズに粉砕されます。流動化空気と燃焼空気の両方として機能する大気は、排気燃料ガスによって予熱された後、圧力をかけて供給されます。水を運ぶインベッドチューブは、一般的に蒸発器として機能します。燃焼のガス状生成物は、ボイラーの過熱器セクションを通過し、エコノマイザー、集塵機、および空気予熱器を通過してから、大気に排出されます。

大気循環流動層燃焼ボイラー–循環システムでは、床からの固形物の水簸を促進するように床パラメーターが維持されます。水簸は、流動床を通過する流体の流量により、流動床から微粒子が運び出されるプロセスです。 粒子は、固体ライザー内で比較的希薄な相で持ち上げられ、サイクロンを備えた下降管が固体の戻り経路を提供します。ベッドに浸漬された蒸気発生管はありません。蒸気の発生と過熱は、対流セクション、水壁、およびライザーの出口で行われます。 CFBCボイラーは、75〜100トン/時以上の蒸気を必要とする産業用途では、一般的にAFBCボイラーよりも経済的です。

加圧流動層燃焼ボイラー–このボイラーでは、コンプレッサーが強制通風空気を供給し、燃焼器は圧力容器です。ベッド内の熱放出率はベッド圧力に比例するため、大量の熱を抽出するために深いベッドが使用されます。これにより、床での燃焼効率と二酸化硫黄の吸収が向上します。蒸気は、ベッド内とその上にある2つのチューブバンドルで生成されます。高温の煙道ガスは、発電用ガスタービンを駆動します。 PFBCシステムは、コージェネレーション（蒸気と電気）または複合サイクル発電に使用できます。コンバインドサイクル運転（ガスタービンと蒸気タービン）により、全体的な変換効率が5〜8％向上します。

廃熱ボイラー–中温または高温で廃熱が利用できる場合は常に、経済的に蒸気を生成するために廃熱ボイラーが設置されます。蒸気は、蒸気タービン発電機セットに降ろされ、そこから電力が生成される場合があります。排気ガスからの熱回収に広く使用されています。