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技術 酸素濃度計測装置及び燃焼装置並びに燃焼装置の腐食評価システム及び腐食評価方法

出願人 三菱重工業株式会社
発明者 末森重徳岡伸樹土山佳彦
出願日 2016年3月31日 (4年7ヶ月経過) 出願番号 2016-071368
公開日 2017年10月5日 (3年1ヶ月経過) 公開番号 2017-181383
状態 特許登録済
技術分野 濃淡電池(酸素濃度の測定) 燃焼システム 耐候試験、機械的方法による材料調査
主要キーワード 貯留壁 メッシュカバー 冷却媒体循環路 理想気体の状態方程式 腐食評価 限界酸素濃度 水壁管 硫化腐食
関連する未来課題
重要な関連分野

この項目の情報は公開日時点(2017年10月5日)のものです。
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図面 (20)

課題

燃焼装置における灰付着界面の酸素濃度を検出可能な酸素濃度計測装置を提供する。

解決手段

酸素濃度計測装置は、炭素含有燃料燃焼させるための燃焼装置内における灰付着界面の酸素濃度を計測するための酸素濃度計測装置であって、酸素濃度を検出するための検出部を備え、前記検出部は、前記燃焼装置の内部空間に露出して設けられ、前記燃焼装置で生成された灰が前記検出部に付着した状態で前記酸素濃度を検出するように構成される。

概要

背景

燃焼装置内部において酸素濃度計測し、燃焼装置を構成する機器腐食評価を行うことがある。
特許文献1及び特許文献2には、ボイラ装置水壁管の近傍に設けられた酸素センサによって、火炉を形成する水壁管の表面近傍におけるガス酸素分圧を計測し、計測した酸素分圧に基づいて水壁管の硫化腐食を評価することが記載されている。

また、特許文献3には、腐食評価を目的とするものではないが、ボイラ装置の起動時における窒素酸化物濃度を低減するために、酸素センサを用いてバーナに供給する気体の酸素濃度を計測し、得られた計測値に基づいて、循環排ガスと空気との混合比率を制御することが記載されている。

なお、特許文献4には、ボイラ等の熱機関から排出される排ガス中の酸素量を測定するための酸素センサが記載されている。この酸素センサにおいて、ジルコニア電解質部及び電極接点保護管で覆われている。

概要

燃焼装置における灰付着界面の酸素濃度を検出可能な酸素濃度計測装置を提供する。酸素濃度計測装置は、炭素含有燃料燃焼させるための燃焼装置内における灰付着界面の酸素濃度を計測するための酸素濃度計測装置であって、酸素濃度を検出するための検出部を備え、前記検出部は、前記燃焼装置の内部空間に露出して設けられ、前記燃焼装置で生成された灰が前記検出部に付着した状態で前記酸素濃度を検出するように構成される。 A

目的

本発明の少なくとも一実施形態は、燃焼装置における灰付着界面の酸素濃度を検出可能な酸素濃度計測装置、燃焼装置の腐食評価システム及び燃焼装置の腐食評価方法を提供する

効果

実績

技術文献被引用数
0件
牽制数
0件

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請求項1

炭素含有燃料燃焼させるための燃焼装置内における灰付着界面の酸素濃度計測するための酸素濃度計測装置であって、酸素濃度を検出するための検出部を備え、前記検出部は、前記燃焼装置の内部空間に露出して設けられ、前記燃焼装置で生成された灰が前記検出部に付着した状態で前記酸素濃度を検出するように構成されたことを特徴とする酸素濃度計測装置。

請求項2

前記検出部は、前記燃焼装置の前記内部空間における燃焼ガスの流れに対向するように設けられたことを特徴とする請求項1に記載の酸素濃度計測装置。

請求項3

前記灰を受け入れ堆積させるための灰貯留部をさらに備え、前記検出部は、前記灰貯留部の底面に設けられたことを特徴とする請求項1又は2に記載の酸素濃度計測装置。

請求項4

前記検出部に付着した前記灰を除去するための灰除去部をさらに備えることを特徴とする請求項1乃至3の何れか一項に記載の酸素濃度計測装置。

請求項5

前記灰除去部は、前記検出部に流体を吹き付けて前記灰を前記検出部から吹き飛ばすように構成されたスーツブロアを含むことを特徴とする請求項4に記載の酸素濃度計測装置。

請求項6

前記灰除去部は、前記検出部が鉛直方向下方を向くように前記酸素濃度計測装置を回動させて前記灰を落下させるように構成された回動部を含むことを特徴とする請求項4又は5に記載の酸素濃度計測装置。

請求項7

前記酸素濃度計測装置は、前記燃焼装置内に位置する伝熱管に少なくとも部分的に接触するように設けられたことを特徴とする請求項1乃至6の何れか一項に記載の酸素濃度計測装置。

請求項8

固体電解質により形成され、前記燃焼装置の前記内部空間に挿通された中空基体管と、前記基体管の内側に設けられた参照電極と、をさらに備え、前記検出部は、前記内部空間に露出するように前記基体管の外表面に設けられた作用電極であることを特徴とする請求項1乃至7の何れか一項に記載の酸素濃度計測装置。

請求項9

前記基体管の内側に設けられ、冷却媒体が流れる冷却管をさらに備えることを特徴とする請求項8に記載の酸素濃度計測装置。

請求項10

前記基体管が前記内部空間に最も入り込んだ第1位置と、前記第1位置よりも前記燃焼装置の外側に向かって前記基体管が退避した第2位置との間で前記基体管を移動させるためのアクチュエータをさらに備えることを特徴とする請求項8又は9に記載の酸素濃度計測装置。

請求項11

前記検出部で検出した前記酸素濃度が第1閾値以下になったとき、前記検出部に前記灰が付着したと判定するように構成された灰付着判定部をさらに備え、前記酸素濃度計測装置は、前記灰付着判定部により、前記検出部に前記灰が付着したと判定された状態で前記検出部が検出した前記酸素濃度を前記灰付着界面の酸素濃度として出力するように構成されたことを特徴とする請求項1乃至10の何れか一項に記載の酸素濃度計測装置。

請求項12

炭素含有燃料を燃焼させるための燃焼装置における腐食を評価するための腐食評価ステムであって、前記燃焼装置内における灰付着界面の酸素濃度を計測するように構成された請求項1乃至11の何れか一項に記載の酸素濃度計測装置と、前記灰付着界面の前記酸素濃度に基づいて、前記燃焼装置における腐食を評価するように構成された腐食評価装置と、を備えることを特徴とする燃焼装置の腐食評価システム。

請求項13

複数の前記酸素濃度計測装置が、前記燃焼装置内の複数の計測位置にそれぞれ設けられ、各々の前記酸素濃度計測装置は各々の前記計測位置における前記灰付着界面の前記酸素濃度をそれぞれ計測するように構成され、前記腐食評価装置は、各々の前記計測位置における前記灰付着界面の前記酸素濃度に基づいて、該計測位置における腐食を評価するように構成されたことを特徴とする請求項12に記載の燃焼装置の腐食評価システム。

請求項14

前記酸素濃度計測装置は、前記燃焼装置内の伝熱管に隣接して設けられ、前記腐食評価装置は、前記酸素濃度計測装置の計測結果に基づいて前記伝熱管の腐食を評価するように構成されたことを特徴とする請求項12又は13に記載の燃焼装置の腐食評価システム。

請求項15

前記腐食評価装置は、前記灰付着界面の前記酸素濃度が第2閾値未満であるときに、前記燃焼装置において硫化腐食が生じたと判定するように構成されたことを特徴とする請求項12乃至14の何れか一項に記載の燃焼装置の腐食評価システム。

請求項16

前記腐食評価装置は、前記灰付着界面の前記酸素濃度が第3閾値よりも大きいときに、前記燃焼装置においてバナジウム腐食が生じたと判定するように構成されたことを特徴とする請求項12乃至15の何れか一項に記載の燃焼装置の腐食評価システム。

請求項17

請求項12乃至16の何れか一項に記載の腐食評価システムと、前記腐食評価システムによる評価結果に基づいて、燃焼装置の運転条件を変更するように構成された運転制御部と、を備えることを特徴とする燃焼装置。

請求項18

炭素含有燃料を燃焼させるための燃焼装置における腐食を評価する方法であって、前記燃焼装置内における灰付着界面の酸素濃度を計測するステップと、前記灰付着界面の前記酸素濃度に基づいて、前記燃焼装置における腐食を評価するステップと、を備えることを特徴とする燃焼装置の腐食評価方法

技術分野

0001

本開示は酸素濃度計測装置及び燃焼装置並びに燃焼装置の腐食評価ステム及び腐食評価方法に関する。

背景技術

0002

燃焼装置内部において酸素濃度計測し、燃焼装置を構成する機器の腐食評価を行うことがある。
特許文献1及び特許文献2には、ボイラ装置水壁管の近傍に設けられた酸素センサによって、火炉を形成する水壁管の表面近傍におけるガス酸素分圧を計測し、計測した酸素分圧に基づいて水壁管の硫化腐食を評価することが記載されている。

0003

また、特許文献3には、腐食評価を目的とするものではないが、ボイラ装置の起動時における窒素酸化物濃度を低減するために、酸素センサを用いてバーナに供給する気体の酸素濃度を計測し、得られた計測値に基づいて、循環排ガスと空気との混合比率を制御することが記載されている。

0004

なお、特許文献4には、ボイラ等の熱機関から排出される排ガス中の酸素量を測定するための酸素センサが記載されている。この酸素センサにおいて、ジルコニア電解質部及び電極接点保護管で覆われている。

先行技術

0005

特許第3030511号明細書
特開平8−86408号公報
特公平3—23802号公報
特開平7−260739号公報

発明が解決しようとする課題

0006

ところで、燃焼装置においては、燃料燃焼により燃焼ガスとともに灰が生成され、生成された燃焼ガスは灰を伴って燃焼装置内を流れる。このため、燃焼装置内において灰が付着する部位が生じる場合がある。
ここで、燃焼装置の灰付着部位における灰付着界面の酸素濃度は、燃料装置内のガスの酸素濃度と一致しない。このため、ガス中の酸素濃度を検出することを前提としている特許文献1〜4に記載の手法では、燃焼装置において灰が付着した部分における灰付着界面の酸素濃度を検出することは難しく、灰付着部位の腐食評価を精度良く行うことは難しい。

0007

上述の事情に鑑みて、本発明の少なくとも一実施形態は、燃焼装置における灰付着界面の酸素濃度を検出可能な酸素濃度計測装置、燃焼装置の腐食評価システム及び燃焼装置の腐食評価方法を提供することを目的とする。

課題を解決するための手段

0008

(1)本発明の少なくとも一実施形態に係る酸素濃度計測装置は、
炭素含有燃料を燃焼させるための燃焼装置内における灰付着界面の酸素濃度を計測するための酸素濃度計測装置であって、
酸素濃度を検出するための検出部を備え、
前記検出部は、前記燃焼装置の内部空間に露出して設けられ、前記燃焼装置で生成された灰が前記検出部に付着した状態で前記酸素濃度を検出するように構成される。

0009

従来、燃焼装置内のガスの酸素濃度を計測する際、酸素濃度計測装置(例えば酸素センサ)の検出部への灰付着による計測精度への影響を低減するために、通常、検出部に灰が付着しないように酸素濃度計測装置の配置や構造を工夫していた。
これに対し、上記(1)の構成によれば、ガス中の酸素濃度ではなく、灰付着界面における酸素濃度を計測するために、燃焼装置の内部空間に検出部を露出して設けるとともに、検出部に灰が付着した状態で酸素濃度を検出するようにしている。これにより、検出部近傍における燃焼装置の灰の付着状態模擬して、酸素濃度を検出することができる。

0010

(2)幾つかの実施形態では、上記(1)の構成において、前記検出部は、前記燃焼装置の前記内部空間における燃焼ガスの流れに対向するように設けられる。

0011

上記(2)の構成によれば、検出部が燃焼装置の内部空間における燃焼ガスの流れに晒されているので、燃焼ガスの流れに随伴される灰を検出部に付着させやすい。これにより、灰が検出部に付着した状態で酸素濃度を検出することが容易となる。

0012

(3)幾つかの実施形態では、上記(1)又は(2)の構成において、
前記酸素濃度計測装置は、前記灰を受け入れ堆積させるための灰貯留部をさらに備え、
前記検出部は、前記灰貯留部の底面に設けられる。

0013

上記(3)の構成によれば、灰貯留部に灰を堆積させることにより、灰貯留部の底面に設けられた検出部に灰をより安定的に付着させることができる。これにより、灰が検出部に付着した状態で酸素濃度を検出することが容易となる。

0014

(4)幾つかの実施形態では、上記(1)乃至(3)の何れかの構成において、前記酸素濃度計測装置は、前記検出部に付着した前記灰を除去するための灰除去部をさらに備える。

0015

上記(4)の構成によれば、酸素濃度検出のために検出部を使用しない期間において、灰除去部により検出部に付着した灰を除去することにより、灰の付着に起因する検出部の劣化を抑制することができる。

0016

(5)幾つかの実施形態では、上記(4)の構成において、前記灰除去部は、前記検出部に流体を吹き付けて前記灰を前記検出部から吹き飛ばすように構成されたスーツブロアを含む。

0017

上記(5)の構成によれば、スーツブロアによって検出部に流体を吹き付けることにより、検出部から灰を吹き飛ばして除去することができる。

0018

(6)幾つかの実施形態では、上記(4)又は(5)の構成において、前記灰除去部は、前記検出部が鉛直方向下方を向くように前記酸素濃度計測装置を回動させて前記灰を落下させるように構成された回動部を含む。
上記(6)の構成によれば、回動部により酸素濃度計測装置を回動させて検出部に鉛直方向下方を向かせることにより、検出部に付着した灰を重力により落下させることができ、これにより検出部から灰を除去することができる。

0019

(7)幾つかの実施形態では、上記(1)乃至(6)の何れかの構成において、前記酸素濃度計測装置は、前記燃焼装置内に位置する伝熱管に少なくとも部分的に接触するように設けられる。

0020

酸素濃度計測装置による酸素濃度の計測結果は、温度の影響を受ける場合がある。
上記(7)の構成によれば、酸素濃度計測装置を、伝熱管に少なくとも部分的に接触するように設けることにより、酸素濃度計測装置の温度を伝熱管の温度に近づけることができる。これにより、伝熱管と同程度の温度で酸素濃度を検出することができる。

0021

(8)幾つかの実施形態では、上記(1)乃至(7)の何れかの構成において、
前記酸素濃度計測装置は、
固体電解質により形成され、前記燃焼装置の前記内部空間に挿通された中空基体管と、
前記基体管の内側に設けられた参照電極と、をさらに備え、
前記検出部は、前記内部空間に露出するように前記基体管の外表面に設けられた作用電極である。

0022

上記(8)の構成によれば、固体電解質で形成された基体管の内側及び外側(燃焼装置の内部空間)にそれぞれ設けられた参照電極及び作用電極においては、基体管の内側と外側とで酸素濃度が異なる場合、酸素分子酸素イオンとの間の酸化還元反応が起こる。このとき、参照電極と作用電極との間には、基体管の内側の酸素濃度と基体管の外側(燃焼装置の内部空間)の酸素濃度の比に応じた電位差が生じる。よって、該電位差に基づいて灰付着界面の酸素濃度を計測することができる。

0023

(9)幾つかの実施形態では、上記(8)の構成において、前記酸素濃度計測装置は、前記基体管の内側に設けられ、冷却媒体が流れる冷却管をさらに備える。

0024

上記(9)の構成によれば、基体管の内側に設けられた冷却管により酸素濃度計測装置を冷却することにより、酸素濃度計測装置の温度を伝熱管の温度に近づけることができる。これにより、燃焼装置における腐食評価対象部位と同程度の温度で酸素濃度を検出することができる。

0025

(10)幾つかの実施形態では、上記(8)又は(9)の構成において、前記酸素濃度計測装置は、前記基体管が前記内部空間に最も入り込んだ第1位置と、前記第1位置よりも前記燃焼装置の外側に向かって前記基体管が退避した第2位置との間で前記基体管を移動させるためのアクチュエータをさらに備える。

0026

上記(10)の構成によれば、アクチュエータを用いることで、酸素濃度検出のために検出部を使用する期間においては基体管を第1位置側に移動させるとともに、酸素濃度検出のために検出部を使用しない期間においては基体管を第2位置側に位置させることができる。これにより、酸素濃度検出のために検出部を使用しない期間において、検出部への灰の付着や高温への曝露を低減することができ、検出部の劣化を抑制することができる。

0027

(11)幾つかの実施形態では、上記(1)乃至(10)の何れかの構成において、
前記酸素濃度計測装置は、前記検出部で検出した前記酸素濃度が第1閾値以下になったとき、前記検出部に前記灰が付着したと判定するように構成された灰付着判定部をさらに備え、
前記酸素濃度計測装置は、前記灰付着判定部により、前記検出部に前記灰が付着したと判定された状態で前記検出部が検出した前記酸素濃度を前記灰付着界面の酸素濃度として出力するように構成される。

0028

本発明者らの鋭意検討の結果、灰付着界面における酸素濃度は、灰の付着量と相関関係があり、灰の付着量の増加に従って減少する傾向があるとの知見が得られた。
この知見に基づく上記(11)の構成によれば、灰付着判定部により、検出部で検出した酸素濃度に基づいて、検出部に灰が付着したか否かを判定することができる。また、灰付着判定部により灰が付着したと判定されたときの酸素濃度検出値を用いることにより、燃焼装置における灰付着界面の酸素濃度をより確実に把握することができる。

0029

(12)本発明の少なくとも一実施形態に係る燃焼装置の腐食評価システムは、
炭素含有燃料を燃焼させるための燃焼装置における腐食を評価するための腐食評価システムであって、
前記燃焼装置内における灰付着界面の酸素濃度を計測するように構成された、上記(1)乃至(11)の何れかの構成の酸素濃度計測装置と、
前記灰付着界面の前記酸素濃度に基づいて、前記燃焼装置における腐食を評価するように構成された腐食評価装置と、
を備える。

0030

上記(12)の構成によれば、ガス中の酸素濃度ではなく、酸素濃度計測装置により灰付着界面における酸素濃度を計測することで、検出部近傍における燃焼装置の灰の付着状態を模擬して酸素濃度を検出することができる。これにより、燃焼装置における灰付着界面の酸素濃度を把握することができ、該灰付着界面の酸素濃度に基づいて、燃焼装置における灰付着部位の腐食を精度良く評価することができる。

0031

(13)幾つかの実施形態では、上記(12)の構成において、
複数の前記酸素濃度計測装置が、前記燃焼装置内の複数の計測位置にそれぞれ設けられ、各々の前記酸素濃度計測装置は各々の前記計測位置における前記灰付着界面の前記酸素濃度をそれぞれ計測するように構成され、
前記腐食評価装置は、各々の前記計測位置における前記灰付着界面の前記酸素濃度に基づいて、該計測位置における腐食を評価するように構成される。

0032

燃焼装置における燃焼ガスの流れや構成機器の配置(例えば伝熱管の配列)は一様ではないため、燃焼装置内の位置に応じて灰の堆積状態が異なる。この点、上記(13)の構成によれば、燃焼装置内において複数の計測位置に酸素濃度計測装置を設けたので、各計測位置での酸素濃度結果に基づいて、各計測位置における腐食を精度良く評価することができる。

0033

(14)幾つかの実施形態では、上記(12)又は(13)の構成において、
前記酸素濃度計測装置は、前記燃焼装置内の伝熱管に隣接して設けられ、
前記腐食評価装置は、前記酸素濃度計測装置の計測結果に基づいて前記伝熱管の腐食を評価するように構成される。

0034

上記(14)の構成によれば、酸素濃度計測装置を燃焼装置内の伝熱管に隣接して設けるので、酸素濃度計測装置の検出部において該伝熱管における灰の付着状態をより的確に模擬することができる。これにより、酸素濃度計測装置による計測結果に基づいて、伝熱管の腐食を精度良く評価することができる。

0035

(15)幾つかの実施形態では、上記(12)乃至(14)の何れかの構成において、
前記腐食評価装置は、前記灰付着界面の前記酸素濃度が第2閾値未満であるときに、前記燃焼装置において硫化腐食が生じたと判定するように構成される。

0036

燃焼ガスにおける酸素濃度が比較的低い場合、燃焼装置において未燃炭素発生量が比較的多い。このため、灰と燃焼装置の灰付着部位との界面においては、未燃炭素量の増加及び酸素濃度の低下により、灰に含まれる硫酸ナトリウム還元されて硫黄が生じやすくなり、これにより硫黄腐食が発生しやすくなる。
上記(15)の構成によれば、酸素濃度計測装置により計測された酸素濃度を閾値と比較することによって、硫化腐食の発生の有無を適切に判定することができる。

0037

(16)幾つかの実施形態では、上記(12)乃至(15)の何れかの構成において、
前記腐食評価装置は、前記灰付着界面の前記酸素濃度が第3閾値よりも大きいときに、前記燃焼装置においてバナジウム腐食が生じたと判定するように構成される。

0038

燃焼ガスにおける酸素濃度が比較的高い場合、灰中に含まれるバナジウムの形態変化が生じることで、バナジウムアタックと呼ばれる高温腐食(バナジウム腐食)が発生しやすくなる。
上記(16)の構成によれば、酸素濃度計測装置により計測された酸素濃度を閾値と比較することによって、バナジウム腐食の発生の有無を適切に判定することができる。

0039

(17)本発明の少なくとも一実施形態に係る燃焼装置は、
上記(12)乃至(16)の何れに記載の腐食評価システムと、
前記腐食評価システムによる評価結果に基づいて、燃焼装置の運転条件を変更するように構成された運転制御部と、
を備える。

0040

上記(17)の構成によれば、腐食評価システムによる評価結果に基づいて、燃焼装置において腐食の可能性を低減しながら、燃焼装置を運転することができる。

0041

(18)本発明の少なくとも一実施形態に係る燃焼装置の腐食評価方法は、
炭素含有燃料を燃焼させるための燃焼装置における腐食を評価する方法であって、
前記燃焼装置内における灰付着界面の酸素濃度を計測するステップと、
前記灰付着界面の前記酸素濃度に基づいて、前記燃焼装置における腐食を評価するステップと、
を備える。

0042

上記(18)の方法によれば、ガス中の酸素濃度ではなく、酸素濃度計測装置により灰付着界面における酸素濃度を計測することで、検出部近傍における燃焼装置の灰の付着状態を模擬して酸素濃度を検出することができる。これにより、燃焼装置における灰付着界面の酸素濃度を把握することができ、該灰付着界面の酸素濃度に基づいて、燃焼装置における灰付着部位の腐食を精度良く評価することができる。

発明の効果

0043

本発明の少なくとも一実施形態によれば、燃焼装置における灰付着界面の酸素濃度を検出可能な酸素濃度計測装置、燃焼装置の腐食評価システム及び燃焼装置の腐食評価方法が提供される。

図面の簡単な説明

0044

一実施形態に係る酸素濃度計測装置を用いた腐食評価システムの概略構成図である。
一実施形態に係る酸素濃度計測装置を用いた腐食評価システムの概略構成図である。
一実施形態に係る酸素濃度計測装置の燃焼装置内における設置例を示す図である。
一実施形態に係る酸素濃度計測装置の燃焼装置内における設置例を示す図である。
伝熱管30の表面近傍における、硫黄腐食に関連する物質の移動及び反応を模式的に示す図である。
硫酸化ナトリウムの状態図である。
一実施形態に係る酸素濃度計測装置の概略断面図である。
図7Aに示す酸素濃度計測装置の概略平面図である。
一実施形態に係る酸素濃度計測装置の概略断面図である。
図8Aに示す酸素濃度計測装置の概略平面図である。
一実施形態に係る酸素濃度計測装置による酸素分圧の計測結果の一例を示すグラフである。
一実施形態に係る酸素濃度計測装置の構成を示す図である。
一実施形態に係る酸素濃度計測装置の構成を示す図である。
図11に示す酸素濃度計測装置における冷却水の流れを模式的に示す図である。
一実施形態に係る酸素濃度計測装置の構成を示す図である。
一実施形態に係る酸素濃度計測装置による酸素分圧の計測例を模式的に示すグラフである。
酸素分圧(酸素濃度)と腐食速度との関係の一例を示すグラフである。
一実施形態に係る燃焼装置の腐食評価方法のフローチャートである。
一実施形態に係る燃焼装置の腐食評価方法のフローチャートである。

実施例

0045

以下、添付図面を参照して本発明の幾つかの実施形態について説明する。ただし、実施形態として記載されている又は図面に示されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対的配置等は、本発明の範囲をこれに限定する趣旨ではなく、単なる説明例にすぎない。

0046

図1及び図2は、それぞれ、一実施形態に係る酸素濃度計測装置を用いた腐食評価システムの概略構成図である。なお、図1には、該腐食評価システムが適用された燃焼装置の一例が模式的に示されている。
なお、以下に説明する実施形態においては、燃焼装置の一例としてボイラを採りあげて説明するが、本発明を適用可能な燃焼装置はボイラに限定されない。例えば、幾つかの実施形態では、燃焼装置は、石炭ガス化設備におけるガス化炉であってもよい。

0047

図1に示すように、燃焼装置(ボイラ)1は、火炉壁3により形成される火炉2と、火炉壁3に設けられ、火炉2に燃焼用空気を供給するための風箱5及び火炉2に供給される炭素含有燃料を燃焼させるためのバーナ4を含む。燃焼装置1には、火炉2における燃料の燃焼により生成する燃焼ガスが流れる燃焼ガス流路11がダクト壁40により形成されている。

0048

また、燃焼装置1は、燃焼ガス流路11に配置され、火炉2にて発生した蒸気を燃焼ガスとの熱交換により加熱するための熱交換器6a〜6c,8を含む。これらの熱交換器6a〜6c,8は、例えば、加熱器再熱器、又は節炭器等であってもよい。
熱交換器6a〜6cは、火炉2の上部から吊り下げられた吊下げ式の熱交換器であり、上下方向(鉛直方向)に延びる伝熱管群により構成される。また、熱交換器8は、横置き式の熱交換器であり、横方向(水平方向)に延びる伝熱管群により構成される。

0049

腐食評価システム100は、熱交換器6a〜6c,8の近傍の近傍に設けられた酸素濃度計測装置10と、酸素濃度計測装置10による計測結果を処理するための計測・評価ユニット12と、を含む。
幾つかの実施形態において、図2に示すように、計測・評価ユニット12は、検出部9に灰が付着したか否かを判定するための灰付着判定部13を含む。また、幾つかの実施形態において、計測・評価ユニット12は、酸素濃度計測装置10により計測された灰付着界面の酸素濃度に基づいて燃焼装置1における腐食を評価するための腐食評価装置102を含む。

0050

なお、理想気体の状態方程式によれば、温度が一定であるとき、酸素濃度と酸素分圧とは比例関係を有する。そこで、本明細書においては、「酸素分圧」は広義の「酸素濃度」に含まれるものとする。

0051

一実施形態において、燃焼装置1は、該燃焼装置1を制御するための運転制御部104(図2参照)を含む。

0052

ここで、図3及び図4は、一実施形態に係る酸素濃度計測装置の燃焼装置内における設置例を示す図である。図3及び図4には、燃焼装置1内に設けられた横置き式の熱交換器8の伝熱管30の近傍に配置された酸素濃度計測装置10が示されている。なお、図3は、燃焼ガス流路11(図1参照)の縦断面から視た図であり、図4は、燃焼ガス流路11の横断面から視た図である。

0053

図3及び図4に示すように、酸素濃度計測装置10は、酸素分圧(酸素濃度)を検出するための検出部9を備えている。該検出部9は、燃焼装置1の内部空間(図3及び図4では、燃焼ガス流路11)に露出して設けられている。また、酸素濃度計測装置10は、燃焼装置1で生成された灰が検出部9に付着した状態で酸素分圧(酸素濃度)を検出するように構成される。すなわち、酸素濃度計測装置10は、検出部9と、検出部9に付着した灰との間の界面における酸素濃度を検出するように構成される。

0054

金属の腐食は、典型的には、酸素分圧(酸素濃度)の影響を受ける。
例えば、燃焼装置1の伝熱管30においては、空気比が比較的小さく酸素分圧(酸素濃度)が比較的小さい領域では、硫黄腐食が生じやすくなる。
これについて、図5及び図6を参照してより具体的に説明する。図5は、伝熱管30の表面近傍における、硫黄腐食に関連する物質の移動及び反応を模式的に示す図である。図6は、硫酸化ナトリウム(Na2SO4)の状態図である。図6において、横軸は酸素分圧を示し、縦軸は温度を示す。

0055

図5に示すように、伝熱管30に灰50が付着している場合、灰に含有される未燃炭素(C)と燃焼装置1の内部空間(例えば燃焼ガス流路11)に存在する酸素ガス(O2)との反応により一酸化炭素(CO)が生成するとともに(下記式(1))、灰に含有される硫酸化ナトリウム(Na2SO4)が下記式(1)にて生成した一酸化炭素(CO)により還元されて、硫黄(S)が生成する(下記式(2))。
2C+O2→2CO ・・・(1)
Na2SO4+3CO→Na2O+3CO2+S ・・・(2)
また、上記式(2)により生成した硫黄と、伝熱管30に含まれる鉄(Fe)との反応により、硫化鉄(FeS)が生成し、これにより伝熱管30の腐食が生じる(下記式(3))。
2Fe+S2→2FeS ・・・(3)

0056

ここで、燃焼装置1内部空間における酸素分圧が低下すると、灰中における未燃炭素の量が増加することにより、上記式(1)(2)の反応が促進されて、硫黄(S)の遊離が進む。このことは、図6の状態図からも理解できる。すなわち、図6の状態図には、酸素分圧が小さいほど硫酸化ナトリウム(Na2SO4)の分解が進むことが示されている。

0057

また、燃焼装置1の伝熱管30において、空気比が比較的大きく酸素分圧が比較的大きい領域では、バナジウム腐食が生じやすくなる。これは、酸素分圧が大きくなると、灰中に含まれる酸化バナジウム(V2O4)が酸化されて、酸化バナジウム(V)V2O5が生成されやすくなる。この酸化バナジウム(V)は、比較的低い融点を持つため付着性が高く、バナジウムアタックと呼ばれる腐食を発生させやすい。
このように、燃焼装置1の伝熱管30等の腐食は、酸素分圧の影響を受ける。

0058

一方、本発明者らの鋭意検討の結果、燃焼装置1の内部空間(例えば燃焼ガス流路11)における燃焼ガスの酸素分圧(酸素濃度)と、灰付着界面(例えば伝熱管30における灰付着界面)における酸素分圧(酸素濃度)とは、大きく異なることがわかった。
ここで、図6におけるPO2|a、PO2|b及びPO2|cは、それぞれ、図5に示される各点における酸素分圧(酸素濃度)を示す。なお、図5において、PO2|a、PO2|b及びPO2|cは、それぞれ、燃焼装置1の内部空間(燃焼ガス流路11)において伝熱管30から離れた位置、伝熱管30に堆積した灰50の表面(灰50と燃焼ガス流路11との界面)における位置及び、伝熱管30における灰付着界面(伝熱管30の表面と灰50との界面)における位置である。
例えば、図5及び図6に示されるように、伝熱管30に堆積した灰50の表面での酸素分圧PO2|bは、燃焼装置1の内部空間における燃焼ガスの酸素分圧PO2|aよりも小さく、灰付着界面における酸素分圧PO2|cは、灰50の表面における酸素分圧PO2|bよりもさらに小さい。

0059

この点、上述の酸素濃度計測装置10によれば、燃焼装置1の内部空間(例えば燃焼ガス流路11)に検出部9を露出して設けるとともに、検出部9に灰が付着した状態で酸素分圧(酸素濃度)を検出することにより、燃焼ガス中の酸素分圧ではなく、灰付着界面における酸素分圧を計測できる。これにより、検出部9近傍における燃焼装置1の灰の付着状態を模擬して、酸素分圧(酸素濃度)を検出することができる。

0060

また、燃焼装置1の腐食評価システム100において上述の酸素濃度計測装置10を採用することで、燃焼装置1における灰付着界面の酸素濃度を把握することができ、該灰付着界面の酸素濃度に基づいて、燃焼装置1における灰付着部位の腐食を精度良く評価することができる。

0061

幾つかの実施形態において、燃焼装置1において燃焼される燃料は、石油コークスを含む。石油コークスは、例えば石炭等に比べて、硫黄(S)やバナジウム(V)の含有量が比較的大きく、上述した硫化腐食やバナジウム腐食が生じるリスクが大きい。この点、上述の酸素濃度計測装置10を備えた腐食評価システム100を用いることにより、石油コークスを燃料として用いる燃焼装置1における灰付着部位の腐食評価を効果的に行うことができる。

0062

次に、幾つかの実施形態に係る酸素濃度計測装置10についてより具体的に説明する。図7A及び図8Aは、それぞれ、一実施形態に係る酸素濃度計測装置10の概略断面図であり、図7B及び図8Bは、それぞれ、図7A及び図8Aに示す酸素濃度計測装置10の概略平面図である。
図7A〜7B及び図8A〜8Bに示すように、酸素濃度計測装置10は、固体電解質により形成された中空の基体管14と、基体管14の内側15に設けられた参照電極18と、基体管14の外表面に設けられた作用電極16と、を含む。
基体管14は、燃焼装置1の内部空間(例えば燃焼ガス流路11)に挿通されているとともに、作用電極16は、燃焼装置1の内部空間に露出するように設けられている。
図7A〜7B及び図8A〜8Bに示す実施形態において、酸素濃度計測装置10の検出部9は、上述の作用電極16である。

0063

基体管14を構成する固体電解質は、酸素イオンを導電可能な導電性物質である。一実施形態では、基体管14は、固体電解質であるジルコニアにより構成される。
一実施形態において、参照電極18は、白金ペースト18Aと白金メッシュ18Bを含み、該参照電極18には、電極線19が接続されている。
一実施形態において、作用電極16は、白金ペースト16Aと白金メッシュ16Bを含み、該作用電極16には、電極線17が接続されている。
また、電極線17及び電極線19は電位差計(不図示)に接続されおり、該電位差計によって、参照電極18と作用電極16との間の電位差が計測できるようになっている。

0064

基体管14の内側15は、規定の酸素分圧の気体(典型的には空気)で満たされている。なお、基体管14の内側15において規定の酸素分圧が維持されるように、ポンプ(不図示)等で基体管14の内側15に空気等が供給されるようになっていてもよい。

0065

上述の構成を有する酸素濃度計測装置10によれば、固体電解質で形成された基体管14の内側15及び外側(燃焼装置1の内部空間)にそれぞれ設けられた参照電極18及び作用電極16においては、基体管14の内側15と外側とで酸素分圧(酸素濃度)が異なる場合、酸素分子と酸素イオンとの間の酸化還元反応が起こる。このとき、参照電極18と作用電極16との間には、基体管14の内側15の酸素分圧(酸素濃度)と基体管14の外側(燃焼装置1の内部空間)の酸素分圧(酸素濃度)の比に応じた電位差が生じる。よって、該電位差を上述した電位差計により検出し、該電位差計による検出結果に基づいて灰付着界面の酸素濃度を計測することができる。

0066

ここで、図9は、上述した作用電極16を検出部9として有する酸素濃度計測装置10(例えば図7A図7Bに示す酸素濃度計測装置10)による酸素分圧の計測結果の一例を示すグラフである。図9のグラフにおいて、横軸は時間を、縦軸は酸素分圧をそれぞれ示す。また、図9のグラフにおいて、PO2_gは、燃焼装置1の燃焼ガス流路11を流れる燃焼ガス中の酸素分圧を示し、PO2_mは、燃焼ガス流路11における上述の酸素濃度計測装置10による灰付着界面の酸素分圧の計測結果を示す。

0067

図9に示すように、燃焼ガス流路11における灰付着界面の酸素分圧PO2_mは、燃焼ガス中の酸素分圧PO2_gに比べて大幅に小さい。これは、灰付着界面においては、灰中に含有される未燃炭素により酸素分圧が低下しているからであると考えられる。
また、図9に示すように、燃焼ガス流路11における灰付着界面の酸素分圧を示すPO2_mは、時間の経過に伴って減少している。これは、時間の経過に伴い、酸素濃度計測装置10の検出部9への灰の付着量が増えたためであると考えられる。

0068

なお、このことから、酸素濃度計測装置10を用いて燃焼装置1の腐食評価を行う際には、酸素濃度計測装置10の検出部9への灰が十分に付着し、灰付着界面における酸素分圧が減少して定常状態となったときの酸素分圧の計測値を用いることで、より精度のよい腐食評価を行うことができる。

0069

幾つかの実施形態では、検出部9は、燃焼装置1の内部空間における燃焼ガスの流れに対向するように設けられる。
例えば、幾つかの実施形態では、図3及び図4に示すように、酸素濃度計測装置10は、検出部9が燃焼ガスの流れの方向を向くように設けられる。なお、図4に示す実施形態においては、燃焼ガスの流れの方向は、紙面の手前から奥へ向かう方向である。

0070

このように、検出部9が燃焼装置1の内部空間における燃焼ガスの流れに晒されるようにすることで、燃焼ガスの流れに随伴される灰を検出部9に付着させやすい。これにより、灰が検出部9に付着した状態で酸素濃度を検出することが容易となる。

0071

また、酸素濃度計測装置10は、灰を受け入れて堆積させるための灰貯留部を備えるとともに、検出部9は灰貯留部の底面に設けられていてもよい。
例えば、図8A図8Bに示す実施形態では、酸素濃度計測装置10は、灰を受け入れて堆積させるための灰貯留部20を備えている。そして、検出部9(作用電極16)は、灰貯留部20の底面21に設けられている。

0072

図8A図8Bに示す実施形態では、灰貯留部20は、基体管14の外側において、作用電極16を取り囲むように基体管14の外表面に立設された貯留壁部22を含む。貯留壁部22は、接着剤24により基体管14の外表面に固定されている。
また、図8A図8Bに示す灰貯留部20は、作用電極16を覆うように設けられたメッシュカバー26を有する。メッシュカバー26は、灰貯留部20に貯留される灰と作用電極16との接触を低減し、灰50に含まれる未燃炭素と作用電極16との反応を抑制するために設けられる。メッシュカバー26は、例えばSUS製のメッシュである。

0073

なお、図8Aには灰貯留部20に灰50が貯留している状態が図示されているが、図8Bにおいて、灰貯留部20に貯留した灰50は図示が省略されている。

0074

上述のような灰貯留部20を設けて、灰貯留部20に灰を堆積させることにより、灰貯留部20の底面21に設けられた検出部9に灰をより安定的に付着させることができる。これにより、灰が検出部9に付着した状態で酸素濃度を検出することが容易となる。

0075

灰貯留部20の構成は、図8A図8Bに図示される例に限定されない。例えば、図8A図8Bに図示される灰貯留部20は、平板状部材により構成された、平面視四角形の貯留壁部22を含む。幾つかの実施形態では、灰貯留部20は、平面視円形の貯留壁部22を含んでいてもよく、あるいは、灰貯留部20は、すり状の形状を有していてもよい。

0076

幾つかの実施形態では、酸素濃度計測装置10は、検出部9に付着した灰を除去するための灰除去部(不図示)をさらに備える。
酸素濃度検出のために検出部9を使用しない期間において、灰除去部により検出部9に付着した灰を除去することにより、灰の付着に起因する検出部9の劣化を抑制することができる。

0077

例えば、一実施形態では、灰除去部は、検出部9に流体を吹き付けて灰を検出部9から吹き飛ばすように構成されたスーツブロアを含む。
この場合、スーツブロアによって検出部9に流体を吹き付けることにより、検出部9から灰を吹き飛ばして除去することができる。

0078

また、例えば、一実施形態では、灰除去部は、検出部9が鉛直方向下方を向くように酸素濃度計測装置10を回動させて灰を落下させるように構成された回動部(不図示)を含む。
この場合、回動部により酸素濃度計測装置10を回動させて検出部9に鉛直方向下方を向かせることにより、検出部9に付着した灰を重力により落下させることができ、これにより検出部9から灰を除去することができる。

0079

なお、すり鉢形状の灰貯留部20を有する酸素濃度計測装置10の場合、灰貯留部20の内壁面湾曲している。このため、回動部により酸素濃度計測装置1を回動させて検出部9に鉛直方向下方を向かせたときに、灰貯留部20の底部に堆積した灰が、湾曲した内壁面に沿って落下しやすく、検出部9に付着した灰を除去しやすい。これにより、灰の付着に起因する検出部9の劣化を効果的に抑制することができる。

0080

幾つかの実施形態では、酸素濃度計測装置10は冷却可能に構成される。
酸素濃度計測装置10による計測結果は、温度の影響を受ける場合がある。そこで、酸素濃度計測装置10を冷却して、酸素濃度計測装置10の温度を腐食評価対象物の温度に近づけることにより、腐食評価対象物と同程度の温度で灰付着界面における酸素濃度を検出することができる。これにより、燃焼装置1の腐食評価をより精度良く行うことができる。

0081

ここで、図10及び図11は、それぞれ、一実施形態に係る酸素濃度計測装置10の構成を示す図であり、図12は、図11に示す酸素濃度計測装置10における冷却水の流れを模式的に示す図である。

0082

例えば、幾つかの実施形態では、図10に示すように、酸素濃度計測装置10は、燃焼装置1内に位置する伝熱管30に少なくとも部分的に接触するように設けられる。なお、図10に示す例では、酸素濃度計測装置10のうち基体管14の外表面の一部が、燃焼ガス流路11に設けられた伝熱管30に接触するように、酸素濃度計測装置10が設けられている。
この場合、酸素濃度計測装置10と伝熱管30との間の熱伝導により、酸素濃度計測装置10の温度を伝熱管30の温度に近づけることができる。これにより、伝熱管30と同程度の温度で酸素濃度を検出することができる。

0083

また、例えば、幾つかの実施形態では、図11及び図12に示すように、酸素濃度計測装置10は、基体管14の内側に設けられ、冷却媒体が流れる冷却管32をさらに備える。
図11に示すように、冷却管32には、矢印により示す方向に、冷却水(冷却媒体)が流れるようになっている。また、基体管14の内部には、電極線19が挿通される絶縁管34が設けられており、電極線19が冷却管32から絶縁されるようになっている。
この場合、基体管14の内側に設けられた冷却管32により酸素濃度計測装置10を冷却することにより、酸素濃度計測装置10の温度を伝熱管30の温度に近づけることができる。これにより、燃焼装置1における腐食評価対象部位(伝熱管30)と同程度の温度で酸素濃度を検出することができる。

0084

また、一実施形態では、図12に示すように、酸素濃度計測装置10を冷却するための冷却水は、基体管14の内部に設けられる冷却管32、並びに、燃焼装置1の外部に設けられるラジエータ36、冷却水貯留部38及びポンプ39がこの順に設けられた冷却媒体循環路33を循環するようになっている。このように、燃焼装置1の外部に少なくとも一部が設けられた冷却媒体循環路33において冷却水を循環させることで、酸素濃度計測装置10の系外の影響が低減された状態で酸素濃度計測装置10を冷却水により冷却することができる。また、冷却水の温度や循環流量を調節することで、酸素濃度計測装置10の温度を任意に制御することができる。

0085

図13は、一実施形態に係る酸素濃度計測装置10の構成を示す図である。
幾つかの実施形態では、図13に示すように、酸素濃度計測装置10は、基体管14が内部空間(図13においては燃焼ガス流路11)に最も入り込んだ第1位置と、第1位置よりも燃焼装置1の外側に向かって基体管14が退避した第2位置との間で基体管14を移動させるためのアクチュエータ42をさらに備える。なお、図13において、第1位置に位置する酸素濃度計測装置10は二点鎖線で示されており、第2位置に位置する酸素濃度計測装置10は実線で示されている。

0086

図13に示す実施形態において、酸素濃度計測装置10は、燃焼装置1のダクト壁40に設けられた孔41を基体管14が貫通するように設けられている。また、アクチュエータ42は、燃焼装置1に対して支持部45を介して固定される固定部43と、孔41の軸方向に沿って移動可能な可動部44と、を含む。可動部44は、例えば、図示しないモータ動力又は油圧等により移動可能となっている。酸素濃度計測装置10の基体管14の一端部がアクチュエータ42の可動部44に固定されており、基体管14と可動部44とが一体的に移動できるようになっている。

0087

上述のようにアクチュエータ42を用いることで、酸素濃度検出のために検出部9を使用する期間においては基体管14を第1位置側に移動させるとともに、酸素濃度検出のために検出部9を使用しない期間においては基体管14を第2位置側に位置させることができる。これにより、酸素濃度検出のために検出部9を使用しない期間において、検出部9への灰の付着や高温への曝露を低減することができ、検出部9の劣化を抑制することができる。

0088

尚、センサの劣化に関しては、電極活性低下が主な要因である場合が多い。その場合、初期電圧と現状電圧との差を補正し、酸素濃度を導出するようにしてもよい。

0089

幾つかの実施形態では、酸素濃度計測装置10は、上述した灰付着判定部13をさらに備える。灰付着判定部13は、検出部9で検出した酸素濃度が第1閾値Th1以下になったとき、検出部9に灰が付着したと判定するように構成されている。

0090

本発明者らの鋭意検討の結果、灰付着界面における酸素濃度は、灰の付着量と相関関係があり、灰の付着量の増加に従って減少する傾向があるとの知見が得られた。
この知見に基づいて構成された灰付着判定部13により、検出部9で検出した酸素濃度に基づいて、検出部9に灰が付着したか否かを判定することができる。また、灰付着判定部13により灰が付着したと判定されたときの酸素濃度検出値を用いることにより、燃焼装置1における灰付着界面の酸素濃度をより確実に把握することができる。

0091

ここで、図14は、一実施形態に係る酸素濃度計測装置10による酸素分圧の計測例を模式的に示すグラフである。図14のグラフにおいて、横軸は時間を示し、縦軸は酸素分圧を示す。
例えば、酸素濃度計測装置10によって、ある時刻t1において計測した酸素分圧が第1閾値Th1以下である場合、灰付着判定部13は、該時刻t1において検出部9に灰が付着していると判定する。一方、酸素濃度計測装置10によって、ある時刻t2において計測した酸素分圧が第1閾値Th1よりも大きい場合、灰付着判定部13は、該時刻t2において検出部9に灰が付着してないと判定する。この場合、灰付着判定部13により灰が付着していないと判定された時刻t2における酸素濃度検出値を排除して、灰付着判定部13により灰が付着したと判定された時刻t1における酸素濃度検出値を用いることにより、燃焼装置1における灰付着界面の酸素濃度をより確実に把握することができる。

0092

幾つかの実施形態では、灰付着判定部13は、検出部9に灰が付着したか否かを判定するための2番目の閾値(第4閾値)を用いるようになっていてもよい。例えば、一実施形態では、灰付着判定部13は、ある時刻t3において検出部9で検出した酸素濃度が、第1閾値Th1よりも大きい第4閾値Th4よりも大きい場合には、該時刻t3において検出部9には灰は付着しておらず、検出部9で検出した酸素濃度が該第4閾値Th4以下である場合には、該時刻t3において検出部9には灰が付着した可能性がある、と判定するようになっていてもよい。
また、時刻t3において検出部9で検出した酸素分圧が上述の第4閾値Th4以下であったとしても、時刻t3から規定期間T経過後の時刻(t3+T)において、検出部9で検出した酸素分圧が第1閾値Th1よりも大きい場合には、灰付着判定部13は、時刻t3から時刻(t3+T)の期間において、実際には検出部9に灰は付着していなかったと判定するようになっていてもよい。検出部9による酸素濃度の検出結果には、ノイズが含まれている可能性もある。そこで、このようにして、検出部9による検出結果のノイズを排除するようにしてもよい。

0093

次に、燃焼装置1における腐食を評価するための腐食評価システム100についてより具体的に説明する。
腐食評価システム100は、上述に説明した酸素濃度計測装置10と、酸素濃度計測装置10により検出された灰付着界面の酸素濃度に基づいて、燃焼装置1における腐食を評価するように構成された腐食評価装置102と、を備えている(図1及び図2参照)。

0094

このような腐食評価システム100によれば、燃焼ガス中の酸素濃度ではなく、酸素濃度計測装置10により灰付着界面における酸素濃度を計測することで、検出部近傍における燃焼装置1の灰の付着状態を模擬して酸素濃度を検出することができる。これにより、燃焼装置1における灰付着界面の酸素濃度を把握することができ、該灰付着界面の酸素濃度に基づいて、燃焼装置1における灰付着部位の腐食を精度良く評価することができる。

0095

幾つかの実施形態では、複数の酸素濃度計測装置10が、燃焼装置1内の複数の計測位置にそれぞれ設けられる。このように複数の計測位置に設けられた各々の酸素濃度計測装置10は、各々の計測位置における灰付着界面の酸素濃度をそれぞれ計測するように構成されている。そして、腐食評価装置102は、各々の計測位置における灰付着界面の酸素濃度に基づいて、各計測位置における腐食を評価するように構成されている。

0096

例えば一実施形態では、図3及び図4に示すように、複数の酸素濃度計測装置10が、同一水平面内において複数の異なる計測位置に設けられる。あるいは、一実施形態では、複数の酸素濃度計測装置10が、同一垂直面内において複数の異なる計測位置に設けられていてもよい。

0097

燃焼装置1における燃焼ガスの流れや構成機器の配置(例えば伝熱管30の配列)は一様ではないため、燃焼装置1内の位置に応じて灰の堆積状態が異なる。この点、上記(13)の構成によれば、燃焼装置1内において複数の計測位置に酸素濃度計測装置10を設けたので、各計測位置での酸素濃度結果に基づいて、各計測位置における腐食を精度良く評価することができる。

0098

幾つかの実施形態では、酸素濃度計測装置10は、図2及び図3に示すように、燃焼装置1内の伝熱管30に隣接して設けられる。そして、腐食評価装置102は、酸素濃度計測装置10の計測結果に基づいて伝熱管30の腐食を評価するように構成されている。

0099

このように、酸素濃度計測装置10を燃焼装置1内の伝熱管30に隣接して設けることで、酸素濃度計測装置10の検出部9において該伝熱管30における灰の付着状態をより的確に模擬することができる。これにより、酸素濃度計測装置10による計測結果に基づいて、燃焼装置1における伝熱管30の腐食を精度良く評価することができる。

0100

幾つかの実施形態では、腐食評価装置102は、灰付着界面の酸素濃度が第2閾値Th2未満であるときに、燃焼装置1において硫化腐食が生じたと判定するように構成される。

0101

ここで、図15は、酸素分圧(酸素濃度)と腐食速度(腐食性)との関係の一例を示すグラフである。
上述したように、燃焼ガスにおける酸素濃度が比較的低い場合、燃焼装置1において未燃炭素の発生量が比較的多い。このため、灰と燃焼装置1の灰付着部位との界面においては、未燃炭素量の増加及び酸素濃度の低下により、灰に含まれる硫酸ナトリウムが還元されて硫黄が生じやすくなり、これにより硫黄腐食が発生しやすくなる。このことに基づいて第2閾値Th2を適宜設定することができ、図15に示すように、酸素濃度計測装置10により計測された酸素濃度が第2閾値Th2未満であるときに、燃焼装置1において硫化腐食が生じたと判定することができる。
これにより、酸素濃度計測装置10により計測された酸素濃度に基づいて、硫化腐食の発生の有無を適切に判定することができる。

0102

幾つかの実施形態では、腐食評価装置102は、灰付着界面の酸素濃度が第3閾値Th3よりも大きいときに、燃焼装置1においてバナジウム腐食が生じたと判定するように構成される。

0103

上述したように、燃焼ガスにおける酸素濃度が比較的高い場合、灰中に含まれるバナジウムの形態変化が生じることで、バナジウムアタックと呼ばれる高温腐食(バナジウム腐食)が発生しやすくなる。このことに基づいて第3閾値Th3を適宜設定することができ、図15に示すように、酸素濃度計測装置10により計測された酸素濃度が第3閾値Th3よりも大きいときに、燃焼装置1においてバナジウム腐食が生じたと判定することができる。
これにより、酸素濃度計測装置10により計測された酸素濃度に基づいて、バナジウム腐食の発生の有無を適切に判定することができる。

0104

なお、典型的には、硫化腐食の発生限界酸素濃度である第2閾値Th2と、バナジウム腐食の発生限界酸素濃度である第3閾値Th3とは、Th2<Th3の関係を有する。そこで、Th2以上Th3以下の範囲内の酸素濃度であれば、伝熱管30等の硫化腐食及びバナジウム腐食の可能性が低減された状態で、燃焼装置1を安定的に運転することができる。

0105

幾つかの実施形態では、燃焼装置1は、腐食評価システム100による評価結果に基づいて、燃焼装置1の運転条件を変更するように構成された運転制御部104を有していてもよい。
例えば、運転制御部104は、腐食評価システム100によって燃焼装置1において硫化腐食が生じたと判定されたときに、燃焼装置1における燃焼ガスの酸素濃度を上昇させるため、燃焼装置1に供給する空気における空気比を増加させるように構成されていてもよい。これにより、燃焼装置1における硫化腐食発生の可能性を低減しながら、燃焼装置1を運転することができる。
また、例えば、運転制御部104は、腐食評価システム100によって燃焼装置1においてバナジウム腐食が生じたと判定されたときに、燃焼装置1における燃焼ガスの酸素濃度を減少させるため、燃焼装置1に供給する空気における空気比を減少させるように構成されていてもよい。これにより、燃焼装置1におけるバナジウム腐食発生の可能性を低減しながら、燃焼装置1を運転することができる。

0106

次に、幾つかの実施形態に係る燃焼装置1の腐食評価方法について説明する。
幾つかの実施形態に係る燃焼装置1の腐食評価方法は、例えば、上述した腐食評価システム100を用いて実施することができ、燃焼装置1内における灰付着界面の酸素濃度を計測するステップと、灰付着界面の酸素濃度に基づいて、燃焼装置1における腐食を評価するステップと、を備える。

0107

ここで、図16及び図17は、それぞれ、一実施形態に係る燃焼装置1の腐食評価方法のフローチャートである。

0108

例えば、図16に示す実施形態に係る腐食評価方法では、まず、上述した酸素濃度計測装置10を用いて、燃焼装置1内における灰付着界面の酸素濃度を計測する(S102)。

0109

次に、ステップS102で計測した酸素濃度を、上述の第1閾値Th1(すなわち、酸素濃度計測装置10の検出部9に灰が付着しているか否かを判定するための閾値)と比較する(S104)。

0110

ステップS104における比較結果において、ステップS102で計測した酸素濃度が第1閾値Th1以下であるときには、該酸素濃度に基づいて、燃焼装置1における腐食を評価する(S106)。一方、ステップS104における比較結果において、ステップS102で計測した酸素濃度が第1閾値Th1よりも大きいときには、該酸素濃度を用いて燃焼装置1における腐食評価を行わず、再度、酸素濃度を計測するステップS102に戻る。

0111

なお、燃焼装置1における腐食を評価するステップS106においては、ステップS102で計測した酸素濃度と、上述した第2閾値Th2又は第3閾値Th3との比較により、燃焼装置1における硫化腐食又はバナジウム腐食の有無を判定するようにしてもよい。

0112

また、例えば、図17に示す実施形態に係る腐食評価方法では、まず、上述した酸素濃度計測装置10を用いて、燃焼装置1内における灰付着界面の酸素濃度を計測する(S112)。

0113

次に、ステップS112で計測した酸素濃度を、上述の第2閾値Th2(すなわち、燃焼装置1において硫化腐食が生じているか否かを判定するための閾値)と比較する(S114)。
ステップS114において、ステップS112で計測した酸素濃度が第2閾値Th2未満であった場合(ステップS114のYES)、燃焼装置1における燃焼ガスの酸素濃度を上昇させるため、燃焼装置1に供給する空気における空気比を増加させる(S115)。

0114

ステップS114において、ステップS112で計測した酸素濃度が第2閾値Th2以上であった場合には(ステップS114のNO)、ステップS112で計測した酸素濃度を、上述の第3閾値Th3(すなわち、燃焼装置1においてバナジウム腐食が生じているか否かを判定するための閾値)と比較する(S116)。
そして、ステップS116において、ステップS112で計測した酸素濃度が第3閾値Th3よりも大きい場合(ステップS116のYES)、燃焼装置1における燃焼ガスの酸素濃度を減少させるため、燃焼装置1に供給する空気における空気比を減少させる(S117)。
なお、ステップS116において、ステップS112で計測した酸素濃度が第3閾値Th3以下であった場合には(ステップS116のNO)、再度、酸素濃度を計測するステップS112に戻る。

0115

このように、燃焼装置1の腐食評価の結果を燃焼装置1の運転に活用することで、伝熱管30等の硫化腐食及びバナジウム腐食の可能性が低減された状態で、燃焼装置1を安定的に運転することができる。

0116

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上述した実施形態に限定されることはなく、上述した実施形態に変形を加えた形態や、これらの形態を適宜組み合わせた形態も含む。

0117

本明細書において、「ある方向に」、「ある方向に沿って」、「平行」、「直交」、「中心」、「同心」或いは「同軸」等の相対的或いは絶対的な配置を表す表現は、厳密にそのような配置を表すのみならず、公差、若しくは、同じ機能が得られる程度の角度や距離をもって相対的に変位している状態も表すものとする。
例えば、「同一」、「等しい」及び「均質」等の物事が等しい状態であることを表す表現は、厳密に等しい状態を表すのみならず、公差、若しくは、同じ機能が得られる程度の差が存在している状態も表すものとする。
また、本明細書において、四角形状や円筒形状等の形状を表す表現は、幾何学的に厳密な意味での四角形状や円筒形状等の形状を表すのみならず、同じ効果が得られる範囲で、凹凸部や面取り部等を含む形状も表すものとする。
また、本明細書において、一の構成要素を「備える」、「含む」、又は、「有する」という表現は、他の構成要素の存在を除外する排他的な表現ではない。

0118

1燃焼装置
2火炉
3火炉壁
4バーナ
5風箱
6a〜6c熱交換器
8 熱交換器
9 検出部
10酸素濃度計測装置
11燃焼ガス流路
12評価ユニット
13 灰付着判定部
14基体管
15 内側
16作用電極
16A白金ペースト
16B白金メッシュ
17電極線
18参照電極
18A 白金ペースト
18B 白金メッシュ
19 電極線
20 灰貯留部
21 底面
22貯留壁部
24接着剤
26メッシュカバー
30伝熱管
32冷却管
33冷却媒体循環路
34絶縁管
36ラジエータ
38冷却水貯留部
39ポンプ
40ダクト壁
41 孔
42アクチュエータ
43 固定部
44可動部
45 支持部
50 灰
100腐食評価システム
102腐食評価装置
104運転制御部

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