JP2012087946A - ボイラ燃焼システムとその運転方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ボイラの酸素燃焼運転時において、ボイラの水壁管等の腐食を抑制し、かつバーナの燃焼を安定化させること。
【解決手段】バーナ５と２段燃焼用ガス投入口９を備えたボイラ１と、ボイラの排ガス処理系統から分岐させた排ガス循環ライン２７に設けられ、排ガス処理系統から排ガスを抜き出す排ガス供給ファン２９と、排ガス供給ファンの後流側で排ガス循環ラインから分岐された燃焼用ガス供給ライン３１と燃料搬送用ガス供給ライン３３と２段燃焼用ガス供給ライン３５と、燃焼用ガス供給ライン３１と燃料搬送用ガス供給ライン３３にそれぞれ流量調整器５３を介して富酸素ガスを供給する酸素供給ライン５１と、排ガス供給装置と並列に設けられ燃焼用空気を供給する燃焼用空気供給装置４３，４５と、排ガス供給装置と燃焼用空気供給装置の運転を切り替える切替手段と、燃焼用ガス供給ラインと２段燃焼用ガス供給ラインのガス流量をそれぞれ調整するダンパ５７，５９とを備えること。
【選択図】図１

Description

本発明は、ボイラ燃焼システムとその運転方法に係り、特に、既設の空気燃焼式ボイラ燃焼システムを改造して酸素燃焼運転を行う際に好適な技術に関する。

従来の火力発電プラントでは、空気を用いて燃料を燃焼させる空気燃焼用ボイラを備えた空気燃焼システムが主流であるが、地球温暖化の原因物質の１つであり、産業活動において最も排出量が多い二酸化炭素（ＣＯ_２）の回収を容易にする方法として、酸素燃焼システムによる火力発電が提案されている。

酸素燃焼システムに関しては、ボイラから排出されて除塵処理された排ガスの一部を脱硫装置の上流側から抜き出した後、その抜き出した排ガスに空気分離装置で製造された富酸素ガスが混合された混合ガスを石炭等の化石燃料とともにボイラに供給する方法が開示されている（例えば、特許文献１参照。）。このシステムによれば、窒素の含有量が多い燃焼用空気をボイラに供給しないため、排ガス中のＣＯ_２濃度が高められ、排ガス中からＣＯ_２を効率的に分離することができる。

一方、石炭を燃料とする石炭焚きボイラでは、石炭中に含まれる硫黄分がボイラ内で酸化することにより、ＳＯ_２等の硫黄酸化物（以下、ＳＯ_２と略す）が生成されるため、排ガス中には多くのＳＯ_２が含まれている。このため、排ガスを大気中に放出する前にはＳＯ_２を脱硫装置で除去しなければならないが、排ガスのガス量が多いほど、脱硫に掛かるコストが増大する。

これに対し、特許文献１の酸素燃焼システムでは、脱硫装置の上流側で抜き出した排ガスを再循環させているため、脱硫装置で処理する排ガス量を減らすことができ、排ガスの脱硫処理に掛かるコストを抑えることができる。このような酸素燃焼システムは、既設の空気燃焼式ボイラシステムの空気燃焼用ボイラを用いたまま、空気分離装置や酸素供給ライン及び排ガスを再循環させるライン等を増設することで、運用が可能となる。

特開２００７−１４７１６２号公報

ところで、既設の空気燃焼用ボイラでは、排ガス中の窒素酸化物（以下、ＮＯｘと略す。）を低減するために２段燃焼が採用されている。この２段燃焼とは、ボイラに供給する燃焼用ガスの一部をバーナの燃焼域の近傍（例えば後流側）に設けられた２段燃焼用ガス投入口に供給するとともに、バーナに供給する酸素量を燃料が完全燃焼する酸素量である酸素比１よりも小さくすることで、バーナの燃焼域で酸素を欠乏させるものである。これにより、石炭中に含まれる窒素分の酸化が抑制され、かつ、生成したＮＯｘの還元反応が進行するため、燃焼域でのＮＯｘの生成量を低減できる。

しかし、２段燃焼を行うと、バーナゾーンの燃焼域で発生する酸素欠乏領域においてＳＯ_２の還元反応により腐食性の強いＨ_２ＳやＣＯＳ等が生成され、ボイラの水壁管等が腐食し易くなる弊害を生じる。ここで、既設の２段燃焼方式のボイラを用いて特許文献１のような酸素燃焼システムに改造した場合、排ガスを循環させることで脱硫コストは低減できるが、排ガスの循環によって排ガス中に含まれるＳＯ_２が濃縮された結果、排ガス中のＳＯ_２濃度は空気燃焼運転時の３〜５倍に増加する。このため、酸素欠乏領域ではＳＯ_２の還元反応によりＨ_２ＳやＣＯＳが増加し、腐食性ガスによるボイラの水壁管等への腐食が加速される。

また、酸素燃焼運転時には、排ガスと酸素の混合ガスを燃焼用ガスとして使用するため、空気燃焼運転と同じ２段燃焼では、バーナに供給される燃焼用ガス量が空気燃焼時の約０.８倍となる。このため、バーナの燃焼用ガス噴出口におけるガス流速が空気燃焼時に比べて低下してしまい、結果として空気燃焼時と比べて火炎の燃焼が不安定となる。

本発明の課題は、ボイラの酸素燃焼運転時において、ボイラの水壁管等の腐食を抑制し、かつバーナの燃焼を安定化させることにある。

上記課題を解決するため、本発明のボイラ燃焼システムは、燃料を燃焼用ガスで燃焼させるバーナと該バーナの燃焼域の近傍に燃焼用ガスを供給する２段燃焼用ガス投入口とを備えたボイラと、このボイラから排出された排ガスを処理する排ガス処理系統と、この排ガス処理系統から分岐させた排ガス循環ラインに設けられ排ガス処理系統から排ガスを抜き出す排ガス供給装置と、この排ガス供給装置の後流側で排ガス循環ラインから分岐された、バーナに燃焼用ガスを供給する燃焼用ガス供給ラインとバーナに燃料を搬送するための燃料搬送用ガスを供給する燃料搬送用ガス供給ラインと２段燃焼用ガス投入口にガスを供給する２段燃焼用ガス供給ラインと、燃焼用ガス供給ラインと燃料搬送用ガス供給ラインにそれぞれ流量調整器を介して富酸素ガスを供給する酸素供給ラインと、排ガス供給装置と並列に設けられ燃焼用空気を供給する燃焼用空気供給装置と、排ガス供給装置と燃焼用空気供給装置との運転を切り替える切替手段と、燃焼用ガス供給ラインと２段燃焼用ガス供給ラインのガス流量をそれぞれ調整する流量調整装置とを備えてなることを特徴とする。

これによれば、切替手段の操作により、燃焼用空気供給装置が運転されるときは、燃焼用空気がボイラに供給されて空気燃焼運転が行われ、排ガス供給装置が運転されるときは、排ガスと富酸素ガスの混合ガスがボイラに供給されて酸素燃焼運転が行われる。このようにボイラの運転方式を空気燃焼運転と酸素燃焼運転とで自在に切り替えることができるため、環境や発電負荷等を考慮したシステムの運用が可能となる。

また、流量調整装置を備えることで、燃焼用ガス供給ラインと２段燃焼用ガス供給ラインのガス流量を自在に調整できるため、例えば、空気燃焼運転時には、バーナに供給される燃焼用空気の酸素比を１未満とする２段燃焼を行い、酸素燃焼運転時には、バーナのみに排ガスと富酸素ガスが混合された燃焼用ガスが供給されるように制御することができる。また、酸素燃焼運転時には、バーナのみに燃焼用ガスを供給することで、例えば、空気燃焼運転時に２段燃焼用ガス投入口に供給していた燃焼用空気に相当する燃焼用ガスをバーナに回すことができる。これにより、バーナから供給される燃焼用ガスの流速が増加されるため、バーナの燃焼を安定化することができる。また、酸素燃焼運転時には、バーナから供給される燃焼用ガスの酸素比が１以上となるように流量を調整することで、バーナの燃焼域で酸素欠乏領域が発生するのを防ぎ、腐食性ガスの発生を抑制できるため、ボイラの水壁管等の腐食を抑制することができる。

この場合において、燃焼用空気供給装置は、排ガス供給装置の後流側の排ガス循環ラインに燃焼用空気を供給する第１の空気供給ファンと排ガス循環ラインから分岐された燃料搬送用ガス供給ラインに燃焼用空気を供給する第２の空気供給ファンとから構成されてなるものとしてもよい。このように複数の空気供給ファンにそれぞれ燃焼用空気の供給先を分担させることにより、燃焼用空気の供給量の調整が容易になる。

ここで、ボイラ燃焼システムの運転方法として、ボイラを空気燃焼方式で運転するときは、バーナと２段燃焼用ガス投入口に燃焼用空気を供給する２段燃焼を行い、バーナに供給する燃焼用空気の供給量は、２段燃焼用ガス投入口から供給する燃焼用空気の供給量よりも多く、バーナに供給する燃焼用空気の酸素比を０．７以上０．９以下とし、ボイラを酸素燃焼方式で運転するときは、ボイラから排出された排ガスの一部と富酸素ガスとの混合ガスをバーナのみに供給し、この混合ガスの酸素比を１．０以上１．２以下とするのがよい。

ところで、酸素燃焼運転時において、バーナのみから燃焼用ガスを供給する単段燃焼を行った場合、２段燃焼用ガス投入口は約１０００℃以上の高温ガスに曝されるため、焼損する可能性がある。そのため、ボイラを酸素燃焼方式で運転するときには、バーナから混合ガスを供給する一方、２段燃焼用ガス投入口から混合ガスよりも少量の排ガスを供給するようにする。これにより、２段燃焼用ガス投入口の高温化を抑制し、焼損を抑制することができる。

本発明によれば、ボイラの酸素燃焼運転時において、ボイラの水壁管等の腐食を抑制し、かつバーナの燃焼を安定化させることができる。これにより、ボイラのメンテナンスコストの低減及び長期安定運転が可能となる。

本発明を適用してなるボイラ燃焼システムの一実施形態の構成を示す系統図である。 本発明を適用してなるボイラ燃焼システムにおいて、バーナ酸素比と水壁管腐食量との関係を説明する図である。 本発明を適用してなるボイラ燃焼システムにおいて、バーナ酸素比とＮＯｘ排出量の関係を説明する図である。 本発明を適用してなるボイラ燃焼システムの他の実施形態の構成を示す系統図である。

以下、本発明を適用してなる酸素燃焼システムの実施形態について、図１を参照して詳細に説明する。図１に示すボイラ燃焼システムは、既設の空気燃焼システムを基にして酸素燃焼に必要な機器類を追加し、構成・系統を変更して構築できるものあり、ボイラの燃焼方式を空気燃焼方式と酸素燃焼方式とで切り替え可能になっている。なお、本実施形態では、ボイラで燃焼させる化石燃料として微粉炭を用いる例を説明するが、この例に限定されるものではない。

ボイラ１は、火炉３と、火炉３に取り付けられるバーナ５及びウィンドボックス７と、バーナ５の燃焼域の後流に設置された２段燃焼用ガス投入口９を有しており、バーナ５は、ウィンドボックス７内に収容されている。バーナ５には、燃料の微粉炭が供給される燃料流路と燃焼用ガスが供給される燃焼用ガス流路が形成されている。

ボイラ１の出口には、排ガスｇ１が通流する排ガス処理ライン１１が接続され、排ガス処理ライン１１には、上流側から脱硝装置１３、熱交換器１５、除塵装置１７、誘引ファン１９、脱硫装置２１、ＣＯ_２回収装置２３が順次配設されている。また、脱硫装置２１とＣＯ_２回収装置２３の間の排ガス処理ライン１１は途中で分岐され、その先には煙突２５が接続されている。

誘引ファン１９と脱硫装置２１の間の排ガス処理ライン１１は、その途中で排ガス循環ライン２７に分岐され、その排ガス循環ライン２７には排ガス処理ライン１１から排ガスの一部（以下、循環排ガスｇ２という。）を抜き出す排ガス供給ファン２９が設けられている。排ガス循環ライン２７は、排ガス供給ファン２９の後流側で３本のライン、つまり、燃焼用ガス供給ライン３１と燃料搬送用ガス供給ライン３３と２段燃焼用ガス供給ライン３５に分岐されている。つまり、排ガス循環ライン２７が分岐点ｐ１で燃焼用ガス供給ライン３１と燃料搬送用ガス供給ライン３３に分岐された後、更に、燃焼用ガス供給ライン３１の分岐点ｐ２から２段燃焼用ガス供給ライン３５が分岐されるようになっている。燃焼用ガス供給ライン３１は、熱交換器１５を経由してバーナ５の燃焼用ガス流路に接続され、燃料搬送用ガス供給ライン３３は、熱交換器１５、微粉炭器３７を順次経由してバーナ５の燃料流路に接続されている。２段燃焼用ガス供給ライン３５は、熱交換器１５を経由してボイラ１の２段燃焼用ガス投入口９に接続されている。なお、燃料搬送用ガス供給ライン３３は、熱交換器１５をバイパスできる構造になっている。

燃料の石炭はバンカ３９に収容されており、フィーダ４１が開くと、石炭が燃料搬送用ガス供給ライン３３を経由して微粉炭器３７に供給され、微粉炭器３７に収容される図示しない石炭粉砕ミル等によって微粉炭燃焼に適した粒度に粉砕される。粉砕された微粉炭は、燃料搬送用ガス供給ライン３３より供給される燃焼用ガスに同伴されて、バーナ５の燃料流路に供給されるようになっている。

排ガス循環ライン２７の排ガス供給ファン２９の後流側には、燃焼用空気を供給する第１の燃焼用空気供給ファン４３が排ガス供給ファン２９と並列に接続されている。また、排ガス循環ライン２７から分岐された燃料搬送用ガス供給ライン３３には、第２の燃焼用空気供給ファン４５が排ガス供給ファン２９と並列に接続されている。ここで、第１の燃焼用空気供給ファン４３は、主として燃焼用ガス供給ライン３１と２段燃焼用ガス供給ライン３５にダンパ４７を介して流量調整された燃焼用空気を供給し、第２の燃焼用空気供給ファン４５は、主として燃料搬送用ガス供給ライン３３にダンパ４９を介して流量調整された燃焼用空気を供給するようになっている。

分岐点ｐ２の後流側の燃焼用ガス供給ライン３１と燃料搬送用ガス供給ライン３３には、酸素導入ライン５１の分岐した先の出口がそれぞれ流量調整弁５３ａ，５３ｂを介して接続されている。一方、酸素導入ライン５１の反対側の入口部には富酸素ガスを製造する酸素供給装置５５が接続されている。これにより、酸素供給装置５５で製造された富酸素ガスは、燃焼用ガス供給ライン３１と燃料搬送用ガス供給ライン３３に分配されて供給されるようになっている。富酸素ガスは、燃焼用ガス供給ライン３１と燃料搬送用ガス供給ライン３３を流れる循環排ガスと混合され、実用的な酸素濃度（例えば２６％〜２９％ｖｗ：ウェットベースの容積分率）となるように流量調整弁５３ａ，５３ｂの弁開度が調節される。なお、本実施形態の酸素供給装置５５は、空気から窒素等を分離して濃度９５％ｖｄ（ドライべースの容積分率）以上の高濃度の酸素ガスを生成するものであるが、これに限られるものではない。

燃焼用ガス供給ライン３１と２段燃焼用ガス供給ライン３５には、それぞれオリフィス等を用いたガス流量計測装置（図示せず）が配設され、熱交換器１５の後流側には、それぞれダンパ５７，５９が設けられている。両ラインにおいてガス流量計測装置により計測されたガス流量の検出値は図示しない制御装置に入力され、設定されたガス流量となるように、制御装置がダンパ５７，５９の開度を制御するようになっている。また、制御装置は、排ガス供給ファン２９と、第１の燃焼用空気供給ファン４３及び第２の燃焼用空気供給ファン４５との運転を切り替える切替機能を有している。例えば、酸素燃焼運転から空気燃焼運転に切り替える指令が制御手段に入力された場合は、排ガス供給ファン２９の運転が停止されるとともに第１の燃焼用空気供給ファン４３及び第２の燃焼用空気供給ファン４５の運転が開始される。反対に、空気燃焼運転から酸素燃焼運転に切り替える指令が制御手段に入力された場合は、第１の燃焼用空気供給ファン４３及び第２の燃焼用空気供給ファン４５の運転が停止されるとともに排ガス供給ファン２９の運転が開始される。

本システムでは、ボイラ１が空気燃焼運転を行うときは、第１の燃焼用空気供給ファン４３及び第２の燃焼用空気供給ファン４５を運転して燃焼用空気をバーナ５及び２段燃焼用ガス投入口９に供給することで２段燃焼が行われるようになっている。ここで、２段燃焼とは、バーナ５に供給する燃焼用空気の酸素比を１.０未満とし、２段燃焼用ガス投入口９に供給する燃焼用空気の酸素と併せることで燃料を完全燃焼させる燃焼方式をいう。これによれば、バーナ５の燃焼域で酸素欠乏領域が形成されるため、燃料中に含まれる窒素分の酸化反応が抑制され、またバーナ５の燃焼域後流でＮＯｘの還元反応が進行することから、ＮＯｘの排出量が低減される。

空気燃焼運転時のボイラ１には、燃焼用空気と微粉炭が供給されて微粉炭が燃焼される。ボイラ１の燃焼により発生した排ガスは、排ガス処理ライン１１に導かれて脱硝装置１３に供給され、排ガス中のＮＯｘが除去される。脱硝装置１３を出た排ガスは、熱交換器１５に供給されて減温される。熱交換器１５を出た排ガスは、除塵装置１７に導かれて排ガス中の煤塵成分が除去される。排ガスはその後、誘引送風機１９を介して脱硫装置２１に導かれ、ＳＯｘが除去される。脱硫装置２１を出た排ガスは、ＣＯ_２回収装置２３で冷却圧縮され、ＣＯ_２が液化された状態で分離される。一方、ＣＯ_２が分離されたガス成分は、煙突２５から大気中へ放出される。なお、空気燃焼運転時には、排ガス供給ファン２９が停止しているため、排ガス循環ライン２７を通じて排ガスがボイラ１に導かれることはない。

一方、第２の燃焼用空気供給ファン４５から噴き出された燃焼用空気は、ダンパ４９で流量調整された後、主として燃料搬送用ガス供給ライン３３に供給される。燃料搬送用ガス供給ライン３３を流れる燃焼用空気は、熱交換器１５で熱交換され、更に、熱交換器１５をバイパスさせた一部の燃焼用空気と合流して所定温度に加熱された後、微粉炭器３７に導入され、粉砕された微粉炭を同伴してバーナ５に供給される。第１の燃焼用空気供給ファン４３から噴き出された燃焼用空気は、ダンパ４７で流量調整された後、主として燃焼用ガス供給ライン３１と２段燃焼用ガス供給ライン３５に分配されて供給される。燃焼用ガス供給ライン３１と２段燃焼用ガス供給ライン３５に分配された燃焼用空気は、熱交換器１５で熱交換されて加熱された後、両ラインに設けられた流量計測装置によりガス流量が検出され、検出されたガス流量が予め設定されたガス流量になるようにダンパ５７，５９の開度が調節される。ここで、バーナ５と２段燃焼用ガス投入口９に供給する燃焼用空気の酸素比は、ダンパ４７，５７，５９の開度によって設定値に調節され、２段燃焼用ガス投入口９に供給する燃焼用空気の供給量は、バーナ５に供給する燃焼用空気の供給量よりも少ない設定量に調整される。このように、ボイラ１では、燃焼用空気の供給量や酸素比が設定範囲に調節された状態で、燃焼用空気による２段燃焼が行われる。

次に、ボイラ１の運転方式を空気燃焼式から酸素燃焼式に切り替える際の動作を説明する。空気燃焼式から酸素燃焼式に切り替える指令が制御装置に入力された場合、制御装置は、第１の燃焼用空気供給ファン４３及び第２の燃焼用空気供給ファン４５の運転を停止させ、排ガス供給ファン２９の運転を開始させる。また、制御装置からの指令により、酸素供給装置５５の運転が開始され、更に、ダンパ５７が開放され、ダンパ５９が閉じられる。これにより、排ガス循環ライン２７から供給された循環排ガスｇ２は、燃焼用ガス供給ライン３１と燃料搬送用ガス供給ライン３３のみを経由し、それぞれ富酸素ガスｇ３が供給された後、バーナ５に供給されて単段燃焼が行われる。制御装置からの指令により、富酸素ガスｇ３の供給量は、流量調整弁５３ａ，５３ｂの開度が調節されることで設定量に制御される一方、燃焼用ガス供給ライン３１を通じてバーナ５に供給する燃焼用ガスの酸素比は、ダンパ５７の開度が調節されることで１.０以上の設定値に調節される。ここで、単段燃焼とは、バーナ５に供給する燃焼用空気の酸素比を１.０以上とし、化学量論的にバーナ５から供給する酸素のみで燃料を完全燃焼させる燃焼方式をいう。

このように、２段燃焼から単段燃焼、又は、単段燃焼から２段燃焼に切り替える時は、燃焼用ガス供給ライン３１と２段燃焼用ガス供給ライン３５を流れる燃焼用ガスの全流量をＱとした場合、Ｑを一定に保ちつつ、ダンパ５７，５９の開度を調整し、燃焼用ガス供給ライン３１と２段燃焼用ガス供給ライン３５に供給する燃焼用ガス量を制御する。つまり、２段燃焼から単段燃焼へ切り替えるときは、ダンパ５９を閉じ、ダンパ５７を開くことで、２段燃焼用ガス供給ライン３５に供給していた燃焼用ガスを燃焼用ガス供給ライン３１へ供給するように操作する。一方、単段燃焼から２段燃焼へ切り替えるときは、ダンパ５９を開き、ダンパ５７をやや閉じることで、燃焼用ガス供給ライン３１のみに供給していた燃焼用ガスの一部を２段燃焼用ガス供給ライン３５へ供給するように操作する。

ところで、酸素燃焼運転時は、循環排ガスｇ２と富酸素ガスｇ３の混合ガスを燃焼用ガスとして使用するため、ボイラ１内のガス組成はＣＯ_２が主体となる。一方、燃焼用ガスとして燃焼用空気を使用する空気燃焼運転時は、ボイラ１内のガス組成が窒素主体となるため、ボイラ１内での収熱量やボイラ出口温度が酸素燃焼運転時と異なる。したがって、酸素燃焼式と空気燃焼式を両立させるシステムの場合、酸素燃焼運転時には、収熱量やボイラ出口温度を空気燃焼運転時と同等にする手段が必要である。

これを達成するためには、燃焼用ガス中の酸素濃度を通常の空気燃焼式の２１ｗｅｔ−Ｖｏｌ％から２５〜３０ｗｅｔ−Ｖｏｌ％へ上昇させ、かつボイラ１に供給する燃焼用ガス量を空気燃焼運転時の約８０％にすることが必要となる。しかし、空気燃焼運転時と同じ２段燃焼を想定した場合、ボイラ１に供給する燃焼用ガス量が約８０％に低下することにより、バーナ５からボイラ１に噴出する燃焼用ガスの流速が低下するため、バーナ５の火炎安定性が低下する。

また、酸素燃焼運転時では、排ガスの循環により、循環排ガスｇ２に含まれるＳＯ_２が濃縮されるため、循環排ガスｇ２中のＳＯ_２濃度が空気燃焼運転時の３〜５倍となる。そのため、酸素燃焼運転時に２段燃焼を行った場合、空気燃焼運転時に比べて、バーナ５の燃焼域で形成される酸素欠乏領域における還元反応、すなわちＳＯ_２からＨ_２ＳやＣＯＳ等の腐食性ガスの生成が加速され、これらの腐食性ガスによるボイラ水壁管等への腐食が加速される。

図２に、バーナ５に供給する燃焼用ガスの酸素比（以下、バーナ酸素比と略す。）とボイラ水壁管の腐食量の関係を示す。図に示すように、バーナ酸素比を１未満とする２段燃焼で運転した場合、ボイラの水壁管の腐食量が増大する。

この腐食を抑制するため、本実施形態では、酸素燃焼運転をバーナ酸素比１以上とする単段燃焼で運転するようにしている。バーナ酸素比を１以上にすることで、燃料が完全燃焼するために必要な酸素量がバーナ５に供給されるため、バーナ５の燃焼域で酸素欠乏領域が形成されるのを防ぎ、ボイラ水壁管の腐食を抑制することが可能となる。また、本実施形態では、酸素燃焼運転を２段燃焼ではなく単段燃焼しているため、２段燃焼用ガス投入口９から投入していた燃焼用ガスをバーナ５に投入することが可能となる。これにより、バーナ５に供給する燃焼用ガス量を増やすことができ、その分、バーナ５から噴出する燃焼用ガスの流速を増大させることができる。

具体的に、空気燃焼運転時の２段燃焼では、バーナ５に全燃焼用ガス量の５０〜８５％の燃焼用ガスを供給し、残りを２段燃焼用ガス投入口９に供給している。このため、酸素燃焼運転時では、２段燃焼用ガス投入口９に供給していた燃焼用ガスをバーナ５に供給し、単段燃焼することで、バーナ５に２段燃焼時の１.２倍以上の燃焼用ガスを供給することが可能となる。これにより、酸素燃焼時においても、バーナ５の燃焼用ガス噴出口から噴出される燃焼用ガスの流速を空気燃焼時と同等にすることができ、火炎の安定性を保つことが可能となる。

ところで、酸素燃焼運転を単段燃焼で行った場合、ボイラ１内で生成するＮＯｘ量の増加が懸念される。しかし、酸素燃焼運転では、排ガスを再循環させているため、再循環系外へ排出されるＮＯｘ量は空気燃焼運転よりも低減される。

図３にバーナ酸素比と煙突でのＮＯｘ排出量の関係を示す。通常の空気燃焼運転では、バーナ酸素比を１.１〜１.３とし、酸素を過剰に供給することで燃料を完全燃焼させており、２段燃焼時にはバーナ酸素比を１.０以下で燃焼させている。これに対し、酸素燃焼運転では、単段燃焼を行ったとき（バーナ酸素比＝１.２）のＮＯｘ排出量が空気燃焼運転で２段燃焼を行ったとき（バーナ酸素比＝０.８〜０.９）と同等であるため、酸素燃焼運転を単段燃焼で行っても、空気燃焼運転で２段燃焼を行った場合と同等のＮＯｘ排出量に抑えることができる。

酸素燃焼運転時の運用条件としては、バーナ酸素比を１.２以上とした場合、酸素供給装置５５から供給する富酸素ガスの製造コストが増大するため、バーナ酸素比は１.２以下の単段燃焼を行うことが望ましい。一方、バーナ酸素比を１.０未満とした場合、排ガス中のＳＯ_２濃度が空気燃焼運転時の３〜５倍となるため、バーナ５の燃焼域の酸素欠乏領域で生成された腐食性ガスによるボイラ水壁管の腐食が加速される。したがって、バーナ酸素比を１.０以上１.２以下とする単段燃焼を行うことが望ましい。

さらに、酸素燃焼運転を単段燃焼で行った場合、２段燃焼用ガス投入口９が例えば１０００℃以上の高温ガスに曝され、２段燃焼用ガス投入口９を構成する金属部材が焼損するおそれがある。そのため、酸素燃焼運転時には、ダンパ５９をやや開くことで、排ガス供給ファン２９より供給される循環排ガスｇ２（例えば、酸素濃度４％以下の排ガス）を２段燃焼用ガス投入口９に投入することが望ましい。このように循環排ガスｇ２を流すことで２段燃焼用ガス投入口９の温度上昇を抑制できるため、焼損を防ぐことができる。

空気燃焼運転時の運用条件は、燃料中の窒素分の酸化抑制効果、及びＮＯｘの還元促進効果を得るために、バーナ酸素比を０.９以下の２段燃焼とすることが望ましい。ここで、バーナ酸素比を０.７未満とした場合、酸素欠乏領域での腐食性ガスの生成量が増大し、ボイラの水壁管等への腐食が加速される。したがって、バーナ酸素比を０.７以上０.９以下とする２段燃焼を行うことが望ましい。なお、バーナ５と２段燃焼用ガス投入口９から供給するガスの供給割合（燃焼用ガス供給ライン３１と２段燃焼用ガス供給ライン３５のガス流量割合）は、例えば、バーナ５が５０〜７５％に対し、２段燃焼用ガス投入口９を２５〜５０％とし、２段燃焼用ガス投入口９からの供給割合がバーナ５からの供給割合よりも少なくなるように調整される。

以上述べたように、本実施形態によれば、ボイラ１の運転方式を空気燃焼運転と酸素燃焼運転とで簡単かつ自在に切り替えることができるため、環境や発電負荷等を考慮したシステムの運用が可能となる。また、空気燃焼運転から酸素燃焼運転に切り替えた場合でも、ボイラ１の水壁管の腐食進行を抑制することができ、かつ、バーナ５の保炎性を高く維持することができる。これにより、ボイラ１のメンテナンスコストの低減及び長期安定運転が可能となる。

また、本実施形態では、例えば、空気燃焼運転時において、燃焼用ガス供給ライン３１と２段燃焼用ガス供給ライン３５を流れる燃焼用空気の流量調整装置として、ダンパ４７，５７，５９等を用いる例を説明したが、ガス流量を調節可能なものであれば、これに限定されるものではない。また、本実施形態では、空気燃焼運転時に、第１の燃焼用空気供給ファン４３及び第２の燃焼用空気供給ファン４５を運転することで得られた大気中の空気を燃焼用空気として用いる例を説明したが、少なくとも酸素を２１％程度以上含むガスであれば、これに限定されるものではない。

また、本実施形態では、排ガス処理ライン１１の誘引ファン１９と脱硫装置２１との間に排ガス循環ライン２７の一端を接続することで、排ガスの一部を抜き出す例を説明したが、少なくとも排ガス処理ライン１１に設けられた除塵装置１７の後流側に排ガス循環ライン２７を接続する構成であれば、この例に限られるものではない。また、排ガス循環ライン２７は１本に限られるものではなく、例えば、図４に示すように、２本の排ガス循環ライン６１ａ，６１ｂを設け、排ガス循環ライン６１ａを燃焼用ガス供給ライン３１に接続し、排ガス循環ライン６１ｂを燃料搬送用ガス供給ライン３３に接続するようにしてもよい。この場合、排ガス循環ライン６１ａ，６１ｂには、それぞれ排ガス供給ファン６３ａ，６３ｂを設置するものとする。

１ ボイラ
５ バーナ
９ ２段燃焼用ガス投入口
１１ 排ガス処理ライン
１７ 除塵装置
２１ 脱硫装置
２７ 排ガス循環ライン
２９，６３ 排ガス供給ファン
３１ 燃焼用ガス供給ライン
３３ 燃料搬送用ガス供給ライン
３５ ２段燃焼用ガス供給ライン
４３ 第１の燃焼用空気供給ファン
４５ 第２の燃焼用空気供給ファン
４７，４９，５７，５９ ダンパ
５１ 酸素導入ライン
５３ａ，５３ｂ 流量調整弁
５５ 酸素供給装置

Claims (5)

1. 燃料を燃焼用ガスで燃焼させるバーナと該バーナの燃焼域の近傍に燃焼用ガスを供給する２段燃焼用ガス投入口とを備えたボイラと、
   前記ボイラから排出された排ガスを処理する排ガス処理系統と、
   前記排ガス処理系統から分岐させた排ガス循環ラインに設けられ前記排ガス処理系統から排ガスを抜き出す排ガス供給装置と、
   前記排ガス供給装置の後流側で前記排ガス循環ラインから分岐された、前記バーナに燃焼用ガスを供給する燃焼用ガス供給ラインと前記バーナに燃料を搬送するための燃料搬送用ガスを供給する燃料搬送用ガス供給ラインと前記２段燃焼用ガス投入口にガスを供給する２段燃焼用ガス供給ラインと、
   前記燃焼用ガス供給ラインと前記燃料搬送用ガス供給ラインにそれぞれ流量調整器を介して富酸素ガスを供給する酸素供給ラインと、
   前記排ガス供給装置と並列に設けられ燃焼用空気を供給する燃焼用空気供給装置と、
   前記排ガス供給装置と前記燃焼用空気供給装置との運転を切り替える切替手段と、
   前記燃焼用ガス供給ラインと前記２段燃焼用ガス供給ラインのガス流量をそれぞれ調整する流量調整装置とを備えてなるボイラ燃焼システム。
2. 前記燃焼用空気供給装置は、前記排ガス供給装置の後流側の前記排ガス循環ラインに前記燃焼用空気を供給する第１の空気供給ファンと前記排ガス循環ラインから分岐された前記燃料搬送用ガス供給ラインに前記燃焼用空気を供給する第２の空気供給ファンとから構成されてなる請求項１に記載のボイラ燃焼システム。
3. 燃料を燃焼用ガスで燃焼させるバーナと該バーナの燃焼域の近傍に燃焼用ガスを供給する２段燃焼用ガス投入口とを備えたボイラと、
   前記ボイラから排出された排ガスを処理する排ガス処理系統と、
   前記排ガス処理系統から分岐させた第１と第２の排ガス循環ラインにそれぞれ設けられ前記排ガス処理系統から排ガスを抜き出す第１と第２の排ガス供給装置と、
   前記第１の排ガス供給装置の後流側で分岐された、前記バーナに燃焼用ガスを供給する燃焼用ガス供給ラインと前記２段燃焼用ガス投入口にガスを供給する２段燃焼用ガス供給ラインと、
   前記第２の排ガス供給装置の後流側に連通され、前記バーナに燃料を搬送するための燃料搬送用ガスを供給する燃料搬送用ガス供給ラインと、
   前記燃焼用ガス供給ラインと前記燃料搬送用ガス供給ラインにそれぞれ流量調整器を介して富酸素ガスを供給する酸素供給ラインと、
   前記第１と第２の排ガス供給装置とそれぞれ並列に設けられ燃焼用空気を供給する第１と第２の燃焼用空気供給装置と、
   前記第１と第２の排ガス供給装置と前記第１と第２の燃焼用空気供給装置との運転を切り替える切替手段と、
   前記燃焼用ガス供給ラインと前記２段燃焼用ガス供給ラインのガス流量をそれぞれ調整する流量調整装置とを備えてなるボイラ燃焼システム。
4. 燃料を燃焼用ガスで燃焼させるバーナと該バーナの燃焼域の近傍に燃焼用ガスを供給する２段燃焼用ガス投入口とを備えたボイラを備え、該ボイラの燃焼方式を空気燃焼方式と酸素燃焼方式とで切り替え可能に構成されたボイラ燃焼システムの運転方法であって、
   前記ボイラを前記空気燃焼方式で運転するときは、前記バーナと前記２段燃焼用ガス投入口に燃焼用空気を供給する２段燃焼を行い、前記バーナに供給する前記燃焼用空気の供給量は、前記２段燃焼用ガス投入口から供給する前記燃焼用空気の供給量よりも多く、前記バーナに供給する前記燃焼用空気の酸素比を０．７以上０．９以下とし、
   前記ボイラを前記酸素燃焼方式で運転するときは、前記ボイラから排出された排ガスの一部と富酸素ガスとの混合ガスを前記バーナのみに供給し、該混合ガスの酸素比を１．０以上１．２以下とするボイラ燃焼システムの運転方法。
5. 前記ボイラを前記酸素燃焼方式で運転するときは、前記バーナに前記混合ガスを供給するとともに、該混合ガスよりも少量の前記排ガスを前記２段燃焼用ガス投入口に供給する請求項４に記載のボイラ燃焼システムの運転方法。

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