CN101336351A - 氧燃烧锅炉的燃烧控制方法和装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供能够易于应用于现有的空气燃烧锅炉，并可以稳定且容易地控制燃烧的氧燃烧锅炉的燃烧控制方法和装置。将对应于锅炉负荷指令(35)的设定量的氧供给锅炉本体(4)，且由供给锅炉本体(4)的给水的入口温度和蒸气的出口温度来测量锅炉吸热量，以使锅炉本体(4)的吸热量(41)为目标吸热量(42)这样来控制燃烧废气(14a)的再循环流量，调节在导入锅炉本体(4)的全部气体中的氧浓度。

Description

氧燃烧锅炉的燃烧控制方法和装置
技术领域
本发明涉及氧燃烧锅炉的燃烧控制方法和装置，特别涉及在使用现有的空气燃烧锅炉进行氧燃烧时的氧燃烧锅炉的燃烧控制方法和装置。
背景技术
近年来，地球温室化作为全球规模的环境问题广泛被提出。已知地球温室化的一个主要原因是由于大气中的二氧化碳CO2浓度的增加，作为这些物质的固定排放源，火力发电厂受到人们的注意。火力发电用燃料使用石油、天然气、煤，特别对于煤，可采掘的埋藏量多，可以预想今后的需求会有所增加。
煤与天然气和石油相比，碳含有量多，其他还含有氢、氮、硫等的成分，以及作为无机质的灰分，因此当将煤进行空气燃烧时，燃烧废气的组成大部分为氮(约70％)，其他也含有二氧化碳CO2、硫氧化物SOx、氮氧化物NOx，以及包含灰分或未燃烧的煤粒子的灰尘和氧(约4％)。因此，对于燃烧废气，将其进行脱硝、脱硫、脱尘等的废气处理，使NOx、SOx、微粒达到环境排放标准值以下而从烟囱排放到大气中。
对于在上述燃烧废气中生成的NOx，有空气中的氮被氧氧化而生成的热力型(thermal)NOx，和燃料中的氮被氧化所生成的燃料型(fuel)NOx。目前，对于热力型NOx的减少，采用降低火焰温度的燃烧法，另外对于燃料型NOx的减少，采用在燃烧器内形成还原NOx的燃料过剩的区域的燃烧法。
另外，当使用煤这样的含有硫的燃料时，由于通过燃烧在燃烧废气中生成SOx，所以需要具有湿式或者干式的脱硫装置将其除去。
另一方面，也期望将在燃烧废气中大量产生的二氧化碳高效地分离除去。作为将燃烧废气中的二氧化碳进行回收的方法，一直以来研究了在胺等的吸收液中吸收的方法、或吸附在固体吸附剂上的吸附法、或者膜分离法等，但它们都有转换效率低、不能实用化的问题。
因此，作为同时实现燃烧废气中二氧化碳的分离和热力型NOx抑制的问题的有效方法，提出了用氧代替空气使燃料进行燃烧的方法(例如参考专利文献1)。
当将煤在氧中燃烧时，没有热力型NOx的产生，因此燃烧废气大部分是二氧化碳，其他也含有燃料型NOx、SOx，从而通过冷却燃烧废气，可以比较容易地将上述二氧化碳液化、分离。
但是，在氧中燃烧时火焰温度变高，有需要谋求构成燃烧炉的材料的耐热性或寿命提高的技术课题。作为解决该问题的一个对策方法，已知有如专利文献1所示那样的废气再循环方法，其是将从燃烧炉中取出并进行废气处理过的燃烧废气的一部分分支，并使该分支的燃烧废气与供给燃烧炉的氧或者空气等的燃烧用气体混合的方法。
为了进行该废气再循环，在专利文献1中具备了下述手段，即，将用燃烧废气处理手段处理过的燃烧废气冷却至-80℃以下，通过将二氧化碳液化·储存而与氧分离，进而氧利用压缩用鼓风机进行压缩、并液化·储存，将该储存的氧进行气化并使其再循环至上述燃烧用气体供给系统。
专利文献1：日本专利第3068888号公报
发明内容
但是，在专利文献1所示的方法中，由于用冷却装置冷却燃烧废气，将二氧化碳液化·储存，进而将氧压缩进行液化·储存，使储存的液化氧的一部分再循环至燃烧用气体供给系统，所以有对于装置、能量不利的问题。
即，在来自燃烧装置的燃烧废气中含有的氧浓度一般是4％左右这样低的值，为了回收这样少含量的氧，将用冷却装置冷却而使二氧化碳液化分离后的氧用压缩用鼓风机压缩、并进行液化回收，因此有需要装置和动力能量的问题。
另外，如上述那样，当利用氧进行燃烧时，火焰温度变高，构成锅炉的材料的耐热性或寿命出现问题，因此在专利文献1中以将燃烧废气进行再循环作为前提，但是对于为了能使氧燃烧锅炉稳定运转、如何进行控制完全没有触及，由此用上述专利文献1中记述的方法不能使氧燃烧锅炉实际地进行工作。
即，例如根据专利文献1，记述了作为燃烧用气体，使从燃烧废气分离得到的二氧化碳与从空气分离得到的氧的混合气体中的氧比例、与空气中的氧比例相等这样来使用，但是考虑到在燃烧装置中负荷会有变动，因此，当负荷增加、燃料供给量增加时，当然产生氧不足的状态，这样，在专利文献1中对于用于使氧燃烧锅炉稳定运转的方法完全没有考虑。
本发明是鉴于上述课题而作出的，其目的在于提供氧燃烧锅炉的燃烧控制方法和装置，该燃烧控制方法和装置基于锅炉负荷指令来设定供给锅炉本体的氧的供给量，且基于锅炉本体的吸热量来控制燃烧废气的再循环流量，调节导入锅炉本体的全部气体中的氧浓度，由此能够易于应用于现有的空气燃烧锅炉，并可以稳定且容易地控制燃烧。
本发明涉及氧燃烧锅炉的燃烧控制方法，其利用氧分离装置将空气分离成氧和其他的以氮为主的气体，通过将上述用氧分离装置得到的氧和燃料在锅炉本体中进行燃烧来加热给水，产生蒸气，将来自锅炉本体的燃烧废气至少进行脱尘处理后，使燃烧废气的一部分作为再循环气体再循环至上述锅炉本体，该氧燃烧锅炉的燃烧控制方法的特征在于，将对应于锅炉负荷指令的设定量的氧供给上述锅炉本体，且使用供给上述锅炉本体的给水的入口温度和蒸气的出口温度、和或锅炉的燃烧废气温度来测量锅炉吸热量，以使锅炉本体的吸热量为目标吸热量这样来控制上述再循环气体的再循环流量，调节在导入锅炉本体的全部气体中的氧浓度。
在上述氧燃烧锅炉的燃烧控制方法中，优选设置将上述氧混合在再循环气体中并供给锅炉本体的系统和直接将上述氧供给锅炉本体的系统，通过变化供给两系统的氧的流量比例来控制锅炉本体的吸热量。
另外，在上述氧燃烧锅炉的燃烧控制方法中，优选控制上述再循环气体的再循环流量，以使上述锅炉本体的吸热量与现有的空气燃烧锅炉的吸热量相等。
本发明涉及氧燃烧锅炉的燃烧控制装置，其具有燃料供给手段；将空气分离成氧和以氮为主的气体的氧分离装置；导入来自上述燃料供给手段的燃料和来自上述氧分离装置的氧，并通过燃烧加热给水而产生蒸气的锅炉本体；将在该锅炉本体中燃烧生成的燃烧废气导向外部的烟道；在该烟道中具有的至少进行集尘的废气处理手段；使利用该废气处理手段处理过的燃烧废气的一部分再循环至上述锅炉本体的废气再循环流路，该氧燃烧锅炉的燃烧控制装置的特征在于，具有根据锅炉负荷指令来对供给上述锅炉本体的氧的供给量进行控制的氧供给量控制器；在上述废气再循环流路中具有的再循环流量调节手段；测量供给上述锅炉本体的给水温度的入口温度计；测量锅炉本体出口的蒸气温度的出口温度计；根据用上述入口温度计测量的入口温度和用上述出口温度计测量的出口温度来测量锅炉本体的吸热量的吸热量测量装置；由上述再循环流量调节手段控制再循环气体的再循环流量以使利用该吸热量测量装置测量的吸热量为目标吸热量的再循环流量控制器。
在上述氧燃烧锅炉的燃烧控制装置中，优选代替上述入口温度计和出口温度计、或者与该入口温度计和出口温度计共同来设置测量锅炉的燃烧废气温度的废气温度计，将该废气温度计的检测废气温度导向上述吸热量测量装置来测量锅炉本体的吸热量。
另外，在上述氧燃烧锅炉的燃烧控制装置中，优选在上述废气再循环流路上可切换地连接空气供给系统，该空气供给系统供给锅炉启动时所用的空气。
根据本发明的氧燃烧锅炉的燃烧控制方法和装置，基于锅炉负荷指令来设定供给锅炉本体的氧的供给量，且测量锅炉本体的吸热量、并以使锅炉本体的吸热量为目标吸热量这样来控制燃烧废气的再循环流量，调节引入锅炉本体的全部气体中的氧浓度，从而可以调节包括在再循环气体中含有的氧、供给锅炉本体的氧量，由此可以取得下述的优异效果，即，锅炉本体的燃烧控制变得非常简单化且稳定，因此能够容易地应用于现有的空气燃烧锅炉，可以稳定地控制燃烧。
附图说明
[图1]表示本发明实施例的示意流程图。
[图2]是图1中的锅炉本体部分的构成说明图。
符号的说明
2粉煤磨机(燃料供给手段)
3粉煤燃料(燃料)
4锅炉本体
6氧分离装置
8空气
9氧
10以氮为主的气体
11a，11b氧流量调节手段
12a，12b系统
13废气再循环流路
14燃烧废气
14a再循环气体
15烟道
19废气处理手段
32再循环风扇(再循环流量调节手段)
34氧供给量控制器
35锅炉负荷指令
36给水
37入口温度计
38蒸气
39出口温度计
40吸热量测量装置
41测量的吸热量
42目标吸热量
43再循环流量控制器
44空气供给系统
45废气温度计
具体实施方式
以下，参考附图来说明本发明的实施例。
图1表示应用于煤焚烧炉时的一例本发明的氧燃烧锅炉的示意流程图。作为燃料的煤1用作为燃料供给手段的粉煤磨机2粉碎，形成粉煤燃料3，并供给在图2所示的锅炉本体4(火炉)的风箱5中所具有的燃烧器5a。利用鼓风机7向氧分离装置6供给空气8，氧分离装置6将空气8分离成氧9和其他的以氮为主的气体10。对于用氧分离装置6分离的氧9，通过氧供给流路12，一部分由系统12a供给下述的废气再循环流路13，与再循环气体14a混合并供给风箱5，另外，剩余部分由系统12b直接供给燃烧器5a。
在上述锅炉本体4内，上述粉煤燃料3与作为氧化剂的氧9一起燃烧，此时，由于在煤中含有碳、氢、氮、硫等的成分，所以它们通过氧9被氧化而产生二氧化碳CO2、氮氧化物NOx、硫氧化物SOx等的酸性气体。
含有上述CO2、NOx、SOx等的酸性气体、粉尘的燃烧废气14，通过烟道15，经过气体预热器16、给水加热器17、将上述氧9预热的氧预热器18后，用作为废气处理手段19的集尘装置21进行脱尘，进而用作为废气处理手段19的脱硝装置20除去NOx，并用作为废气处理手段19的脱硫装置22除去SOx。燃烧废气14的二氧化碳CO2的浓度提高，通过脱硫装置22的以二氧化碳为主体的燃烧废气14在导向混和器23并与用上述氧分离装置6分离的以氮为主体的气体10混和、稀释后，导向烟囱24进行废气。
在上述脱硫装置22与混合器23之间的烟道15上，连接用于取出燃烧废气14的二氧化碳回收流路25，通过流量调节器26a，26b(调节阀)取出至二氧化碳回收流路25中的燃烧废气14，进而利用过滤器27进行除尘后，通过由压缩机28进行的压缩而将其作为液化二氧化碳29回收，此时没有液化的NOx、SOx等的废气成分30引入上述混合器23中，与上述以氮为主体的气体10混合、稀释，并导向烟囱24。
在上述集尘装置21出口的烟道15上，通过将燃烧废气14的一部分取出的分支流路31连接废气再循环流路13，利用在该废气再循环流路13中具有的再循环风扇32(再循环流量调节手段)将再循环气体14a通过上述气体预热器16供给锅炉本体4的风箱5。在废气再循环流路13中的风箱5的入口处，通过上述系统12a供给氧9。
并且，图1的废气再循环流路13如上述那样，包括通过上述气体预热器16而导向风箱5的再循环系统管路32a、和从再循环系统管路32a上分支并通过调节阀32c以及主送风机32d而将一部分的再循环气体14a取出的燃料输送系统管路32b，进而，该燃料输送系统管路32b包括引导进而一部分的再循环气体14a通过上述气体预热器16的预热系统管路32b′、和引导剩余的再循环气体14a绕过气体预热器16的迂回系统管路32b″，通过上述预热系统管路32b′和迂回系统管路32b″的再循环气体14a合流并导向粉煤磨机2。通过调节在预热系统管路32b′和迂回系统管路32b″上具有的流量调节器33a，33b(调节阀)，可以调节导向上述粉煤磨机2的再循环气体14a的温度。
另外，在上述废气再循环流路13中的再循环风扇32的入口处，连接供给锅炉启动时用的空气8的空气供给系统44，利用在上述分支流路31和空气供给系统44中具有的流量调节器44a，44b，可以将空气8代替上述燃烧废气14供给再循环风扇32。
当进行氧燃烧时，由于如上述那样，火焰温度变高，构成锅炉本体4的材料的耐热性或寿命出现问题，所以实际上难以稳定地运行氧燃烧锅炉，特别地，氧的供给量即使稍有变化，燃烧状态也发生很大的变动，因此设置了图1中的用于使氧燃烧锅炉稳定进行氧燃烧的燃烧控制装置。
在图1的氧燃烧锅炉中，设置了氧供给量控制器34，其通过根据锅炉负荷指令35(燃烧供给指令)调节在上述系统12a，12b上分别设置的氧流量调节手段11a，11b的开度，来控制供给锅炉本体4的氧9的供给量。
利用上述氧流量调节手段11a，11b供给锅炉本体4的氧供给量的设定如下述那样来设定，即，使在向锅炉本体4供给的合计了再循环气体14a与氧9的全部气体中的氧浓度、即也包含上述再循环气体14a中的氧(约4％)的氧浓度，与由现有的可稳定运转的废气循环方式的空气燃烧锅炉而预先得到的供给锅炉本体4的全部气体中的氧浓度相等。因此，上述氧供给量控制器34根据锅炉负荷指令35(燃料供给指令)，以使向锅炉本体4供给的全部氧的供给量为在现有空气燃烧锅炉中预先求得的全部氧供给量这样来控制氧流量调节手段11a，11b。另外，上述氧供给量控制器34改变上述氧流量调节手段11a，11b的开度而使由系统12a，12b供给的氧9的流量比例变化，由此可以改变燃烧器火焰的点火位置来改善锅炉本体4的吸热量。
另外，在上述锅炉本体4中，如图2所示，设置了测量供给锅炉本体4的来自给水加热器17的给水36的温度的入口温度计37(T1)、和测量锅炉本体4出口的蒸气38的温度的出口温度计39(T2)，设置了吸热量测量装置40，该装置基于用上述入口温度计37测量的入口温度和用上述出口温度计39测量的出口温度来测量锅炉本体4的吸热量，进而设置再循环流量控制器43，该再循环流量控制器43以使利用该吸热量测量装置40测量的吸热量41为目标吸热量42(在现有的空气燃烧锅炉中预先得到的可稳定运转的吸热量)这样来控制上述再循环风扇32(再循环流量调节手段)。
另外，设置测量上述锅炉本体4出口的燃烧废气14的温度的废气温度计45，将该废气温度计45的检测废气温度传至上述吸热量测量装置40来测量锅炉本体4的吸热量。该废气温度计45可以单独设置来测量锅炉本体4的吸热量，另外也可以与上述入口温度计37和出口温度计39一起设置来测量锅炉本体4的吸热量。
并且，在上述实施例中列举了下述的情况，即，将氧9的供给分成2个系统12a，12b，一部分利用系统12a与废气再循环流路13的再循环气体14a混合并供给风箱5，另外剩余部分利用系统12b直接供给燃烧器5a，但也可以将全部氧与废气再循环流路13的再循环气体14a混合来供给风箱5。
以下，对于上述实施例的作用进行说明。
在图1的氧燃烧锅炉启动时，将流量调节器44a完全关闭，将流量调节器44b打开，通过再循环风扇32的驱动将空气8供给锅炉本体4的燃烧器5a，利用空气使由粉煤磨机2供给的粉煤燃料3进行燃烧。当用空气8燃烧粉煤燃料3时，在燃烧废气14的组成中，约70％为氮，其余为二氧化碳CO2、SOx、水蒸气等。该燃烧废气14通过用废气处理手段19的集尘装置21、脱硝装置20、脱硫装置22进行废气处理，而使各成分保持在环境排放标准值以下，并从烟囱24排放到大气中。
当锅炉本体4的收热达到规定值时，将在氧分离装置6中得到的氧9供给锅炉本体4的燃烧器5a并进行氧燃烧，通过完全关闭流量调节器44b并开启流量调节器44a，将燃烧废气14的一部分作为再循环气体14a由废气再循环流路13供给锅炉本体4的燃烧器5a。这样，通过供给再循环气体14a，在空气8中含有的氮的供给停止，因此燃烧废气14中的氮的浓度缓慢减少。在燃烧废气14中残留的氮变得可以忽略之后，调节流量调节器26a，26b，将导向烟囱24的燃烧废气14的一部分或者全部供给压缩机28，并回收液化二氧化碳29。并且，导向上述烟囱24的燃烧废气14和不能用压缩机28液化的NOx、SOx等的废气成分30可以引入混合器23中，与来自上述氧分离装置6的大量以氮为主的气体10混合而被稀释，因而可以从烟囱24排放。由此可以进入稳定运转的状态。
在稳定运转中，基于控制锅炉本体4的燃烧的锅炉负荷指令35，上述氧供给量控制器34控制氧流量调节手段11a，11b，并以通过系统12a，12b由氧供给流路12向锅炉本体4供给的氧9的流量为设定流量的方式来进行控制。此时，供给锅炉本体4的氧的供给量如下述那样来控制，即，使在供给锅炉本体4的合计了再循环气体14a与氧9的全部气体中的氧浓度、即也包含上述再循环气体14a中的氧(约4％)的氧浓度，与对于现有的可稳定运转的空气燃烧锅炉、预先得到的供给锅炉本体4的全部气体中的氧浓度相等。
另一方面，将用上述入口温度计37检测的锅炉本体4入口的给水温度和用出口温度计39检测的锅炉本体4出口的蒸气温度传至吸热量测量装置40，另外，将来自废气温度计45的燃烧废气温度单独、或者与上述锅炉入口温度和锅炉出口温度一起传至吸热量测量装置40，吸热量测量装置40测量锅炉本体4的吸热量41，用该吸热量测量装置40测量的吸热量41输入到再循环流量控制器43中，再循环流量控制器43以使上述吸热量41为目标吸热量42这样来控制再循环风扇32(再循环流量调节手段)，调节再循环风扇14a的再循环流量。
此时，上述再循环流量控制器43以使上述吸热量41与在现有的空气燃烧锅炉中预先得到的可稳定运转的目标吸热量42相等这样，来调节再循环风扇32，并控制再循环气体14a的再循环流量。
如上述那样，以基于控制锅炉本体4的燃烧的锅炉负荷指令35的设定值来控制供给锅炉本体4的氧供给量，且以使锅炉本体4的吸热量与现有的空气燃烧锅炉的情况相等这样来控制上述再循环气体14a的再循环流量，因此可以使用具有可靠性的现有的空气燃烧锅炉的构成·技术来实施氧燃烧锅炉，由此，特别是可有效地将现有的空气燃烧锅炉改变为氧燃烧锅炉来利用。
另外，上述氧供给量控制器34可以改变上述氧流量调节手段11a，11b的开度来改变由系统12a，12b供给的氧9的流量比例，因此可以改变燃烧器火焰的点火位置来改善锅炉本体4的吸热量。例如，当增加直接向燃烧器5a供给氧9的系统12b的流量时，吸热量提高，因此优选将由再循环流量控制器43进行的控制、与改变由系统12a，12b供给的氧9的流量比例的控制进行组合来实施。
另外，在上述实施例中，列举应用于煤焚烧炉的情况来进行说明，由于煤含有碳、氢、氮、硫等的挥发成分，所以产生CO2、NOx、SOx等的酸性气体，本发明也可以应用于以氮、硫等的含量少的天然气和石油作为燃料的火力发电锅炉等，此时，可以省略上述废气处理手段或者使其为小规模的装置，或者可以进而省略粉煤磨机2和其燃料输送系统管路32b。
并且，本发明的氧燃烧锅炉的燃烧控制方法和装置不限定于上述实施例，在不脱离本发明要旨的范围内当然能够进行各种改变。

Claims (8)

1.氧燃烧锅炉的燃烧控制方法，其利用氧分离装置将空气分离成氧和其他的以氮为主的气体，通过将上述用氧分离装置得到的氧和燃料在锅炉本体中进行燃烧来加热给水，产生蒸气，将来自锅炉本体的燃烧废气至少进行脱尘处理后，使燃烧废气的一部分作为再循环气体再循环至上述锅炉本体，该氧燃烧锅炉的燃烧控制方法将对应于锅炉负荷指令的设定量的氧供给上述锅炉本体，且使用供给上述锅炉本体的给水的入口温度和蒸气的出口温度、和或锅炉的燃烧废气温度来测量锅炉吸热量，以使锅炉本体的吸热量为目标吸热量这样来控制上述再循环气体的再循环流量，调节在导入锅炉本体的全部气体中的氧浓度。
2.如权利要求1所述的氧燃烧锅炉的燃烧控制方法，其中，设置将上述氧混合在再循环气体中并供给锅炉本体的系统和直接将上述氧供给锅炉本体的系统，通过变化供给两系统的氧的流量比例来控制锅炉本体的吸热量。
3.如权利要求1所述的氧燃烧锅炉的燃烧控制方法，其中，控制上述再循环气体的再循环流量，以使上述锅炉本体的吸热量与现有的空气燃烧锅炉的吸热量相等。
4.如权利要求2所述的氧燃烧锅炉的燃烧控制方法，其中，控制上述再循环气体的再循环流量，以使上述锅炉本体的吸热量与现有的空气燃烧锅炉的吸热量相等。
5.氧燃烧锅炉的燃烧控制装置，具有燃料供给手段；将空气分离成氧和以氮为主的气体的氧分离装置；导入来自上述燃料供给手段的燃料和来自上述氧分离装置的氧，并通过燃烧加热给水而产生蒸气的锅炉本体；将在该锅炉本体中燃烧得到的燃烧废气导向外部的烟道；在该烟道中具有的至少进行集尘的废气处理手段；使利用该废气处理手段处理过的燃烧废气的一部分再循环至上述锅炉本体的废气再循环流路，该氧燃烧锅炉的燃烧控制装置具有根据锅炉负荷指令来对供给上述锅炉本体的氧的供给量进行控制的氧供给量控制器；在上述废气再循环流路中具有的再循环流量调节手段；测量供给上述锅炉本体的给水温度的入口温度计；测量锅炉本体出口的蒸气温度的出口温度计；根据用上述入口温度计测量的入口温度和用上述出口温度计测量的出口温度来测量锅炉本体的吸热量的吸热量测量装置；再循环流量控制器，所述再循环流量控制器由上述再循环流量调节手段控制再循环气体的再循环流量，以使利用该吸热量测量装置测量的吸热量为目标吸热量。
6.如权利要求5所述的氧燃烧锅炉的燃烧控制装置，其中，代替上述入口温度计和出口温度计、或者与该入口温度计和出口温度计共同来设置测量锅炉的燃烧废气温度的废气温度计，将该废气温度计的检测废气温度导向上述吸热量测量装置来测量锅炉本体的吸热量。
7.如权利要求5所述的氧燃烧锅炉的燃烧控制装置，在上述废气再循环流路上可切换地连接空气供给系统，该空气供给系统供给锅炉启动时所用的空气。
8.如权利要求6所述的氧燃烧锅炉的燃烧控制装置，在上述废气再循环流路上可切换地连接空气供给系统，该空气供给系统供给锅炉启动时所用的空气。
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