JP2012088016A

JP2012088016A - 酸素燃焼式ボイラ及びその運転方法

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Publication number: JP2012088016A
Application number: JP2010237077A
Authority: JP
Inventors: Hirofumi Okazaki; 洋文岡▲崎▼; Kimiharu Kuramasu; 公治倉増; Hideo Okimoto; 英雄沖本; Kenichi Ochi; 健一越智; Naoya Imooka; 直哉芋岡; Pauli Dernjatin; デルニヤティンパウリ
Original assignee: Fortum Oyj; Babcock Hitachi KK
Current assignee: Fortum Oyj; Mitsubishi Power Ltd
Priority date: 2010-10-22
Filing date: 2010-10-22
Publication date: 2012-05-10
Also published as: AU2011319286B2; WO2012053222A1; US20130273481A1; US9476588B2; EP2631539A1; CA2814859A1; AU2011319286A1

Abstract

【課題】安定した燃焼を維持したまま、燃焼用ガスとして用いる空気と、燃焼排ガスと富酸素ガスの混合ガスとを切り替える。
【解決手段】化石燃料を燃焼させる第１の燃焼用ガスと、第１の燃焼用ガスの不足酸素を補う第２の燃焼用ガスが供給され、第１と第２の燃焼用ガスとして空気と化石燃料の燃焼排ガスと富酸素ガスの混合ガスとを互いに切り替えて供給する酸素燃焼式ボイラの運転方法において、第１と第２の燃焼用ガスとして用いる空気と混合ガスを互いに切り替える過程で、第１の燃焼用ガスとして用いる空気に富酸素ガスを混合し、第１の燃焼用ガスの酸素濃度を高めた後、空気の燃焼排ガスに切り替える。
【選択図】図１

Description

本発明は、酸素燃焼式ボイラ及びその運転方法に係り、特に、起動時等において、空気燃焼から酸素燃焼に、又はその逆に切り替えるときときの技術に関する。

地球温暖化等の環境負荷を低減するため、社会的に、二酸化炭素（ＣＯ_２）の排出量削減が要請されている。ＣＯ_２は、例えば、石炭、石油、天然ガスなどの化石燃料などを燃焼すると発生するから、化石燃料を燃焼するボイラは、燃焼で発生するＣＯ_２の排出量を削減することが望まれている。

そこで、特許文献１では、空気を酸素と窒素を主体とするガスに分離し、分離された酸素に富んだガス（以下、富酸素ガスという。）と燃焼排ガスを混合した燃焼用ガスで燃料を燃焼させる、いわゆる酸素燃焼式のボイラを用いることで、燃焼排ガス中のＣＯ_２濃度を高くして燃焼排ガスからＣＯ_２を分離して回収することが提案されている。また、特許文献１は、ボイラの起動時は、燃焼排ガスが十分でないことから、空気で燃料を燃焼し、起動完了後は、空気を富酸素ガスと燃焼排ガスの混合ガスに切り替えて燃料を燃焼するようにしている。

一方、特許文献２は、酸素燃焼式は、比熱の大きなＣＯ_２が燃焼用ガスに多く含まれるので、燃料ノズルから噴出された燃料の昇温時間が長くなり火炎が不安定になるから、燃焼用ガスの酸素濃度を高くすることが提案されている。

特開２００１−３３６７３６号公報特開平６−３１３５０９号公報

しかしながら、特許文献１、２は、燃焼用ガスとして用いる空気を燃焼排ガスと富酸素ガスの混合ガスに切り替えるときに、空気と燃焼排ガスと富酸素ガスとをどのように制御するかについて配慮されていない。したがって、燃焼用ガスを切り換えるときに、燃焼が不安定になるおそれがある。

本発明が解決しようとする課題は、安定した燃焼を維持したまま、燃焼用ガスとして用いる空気と、燃焼排ガスと富酸素ガスの混合ガスとを切り替えることにある。

上記の課題を解決するため、本発明は、化石燃料を燃焼させる第１の燃焼用ガスと、第１の燃焼用ガスの不足酸素を補う第２の燃焼用ガスが供給され、第１と第２の燃焼用ガスとして空気と化石燃料の燃焼排ガスと富酸素ガスの混合ガスとを互いに切り替えて供給する酸素燃焼式ボイラの運転方法において、第１と第２の燃焼用ガスとして用いる空気と混合ガスを互いに切り替える過程で、第１の燃焼用ガスとして用いる空気に富酸素ガスを混合することを特徴とする。

これによれば、例えば、起動時等、第１の燃焼用ガスとして用いる空気を燃焼排ガスと富酸素ガスの混合ガスに切り替える場合、空気に富酸素ガスを混合した後、空気と燃焼排ガスを置換する。その結果、燃焼用ガスを空気から混合ガスに切り替える過程は、１次燃焼に用いられる第１の燃焼用ガスの酸素濃度を高く維持して燃料の着火性を高く維持できるから、安定した燃焼を維持できる。これは、第１の燃焼用ガスとして用いる混合ガスを空気に切り替える場合も同様である。

この場合において、第１と第２の燃焼用ガスとして用いる空気と混合ガスを互いに切り替える過程は、第１の燃焼用ガスの酸素濃度を空気の酸素濃度よりも高くすることができる。

また、第１と第２の燃焼用ガスとして用いる空気と混合ガスを互いに切り替える過程で、空気と燃焼排ガスの流量を次第に変化させて切り替えることができる。これによれば、酸素濃度が異なる空気と燃焼排ガスの置換が緩やかになり、第１と第２の燃焼用ガスの酸素濃度が急に変化することを抑制できるから、化石燃料を安定して燃焼できる。

なお、第１と第２の燃焼用ガスを空気から混合ガスに切り替える過程は、第１の燃焼用ガスとして用いる空気に富酸素ガスを混合した後、第２の燃焼用ガスとして用いる空気に富酸素ガスを混合することができる。一方、第１と第２の燃焼用ガスを空気から混合ガスに切り替える過程は、第２の燃焼用ガスとして用いる混合ガスを空気に切り替えた後、第１の燃焼用ガスとして用いる空気に混合される富酸素ガスの供給を停止する。

また、化石燃料を混合ガスで燃焼する酸素燃焼のときは、第１と第２の燃焼用ガスの酸素濃度を同じにする、又は第１の燃焼用ガスの酸素濃度を第２の燃焼用ガスの酸素濃度よりも低くすることができる。例えば、第１の燃焼用ガスを化石燃料、例えば、微粉炭の搬送ガスとして用いる場合、微粉炭の種類によっては、搬送途中で自然着火するおそれがある。この場合、第１の燃焼用ガスの酸素濃度低くして自然着火を防止するとともに、酸素濃度が高い第２の燃焼用ガスの一部を１次燃焼領域に供給して第１の燃焼用ガスの不足酸素を補うことで、化石燃料の着火性を向上でき、安定した燃焼を確保できる。

また、本発明の運転方法を実施する酸素燃焼式ボイラとしては、化石燃料と、化石燃料を燃焼させる第１の燃焼用ガスと、第１の燃焼用ガスの不足酸素を補う第２の燃焼用ガスが供給される火炉と、第１と第２の燃焼用ガスとして空気と化石燃料の燃焼排ガスと富酸素ガスの混合ガスとを互いに切り替えて供給する動作を制御する制御装置とを備える酸素燃焼式ボイラにおいて、制御装置は、第１と第２の燃焼用ガスとして用いる空気と混合ガスを互いに切り替える過程で、第１の燃焼用ガスとして用いる空気に富酸素ガスが混合されるように空気の流量と燃焼排ガスの流量と富酸素ガスの流量を制御する酸素燃焼式ボイラを用いることができる。

本発明によれば、安定した燃焼を維持したまま、燃焼用ガスとして用いる空気と、燃焼排ガスと富酸素ガスの混合ガスとを切り替えることができる。

実施形態１のボイラを含むボイラプラントのブロック図である。実施形態１のボイラに備えられて制御装置の概念図である。実施形態１の運転状態を示す図であり（ａ）は酸素濃度の時間変化を示すタイムチャートであり、（ｂ）は空気、排ガス及び富酸素ガス量の時間変化を示すタイムチャートである。実施形態１の他の運転状態を示す図であり、（ａ）は酸素濃度の時間変化を示すタイムチャートであり、（ｂ）は空気、排ガス及び富酸素ガス量の時間変化を示すタイムチャートである。実施形態２のボイラを含むボイラプラントのブロック図である。実施形態２のボイラに備えられて制御装置の概念図である。実施形態３のボイラを含むボイラプラントのブロック図である。実施形態３のボイラに備えられて制御装置の概念図である。実施形態３の運転状態を示す図であり、（ａ）は酸素濃度の時間変化を示すタイムチャートであり、（ｂ）は空気、排ガス及び富酸素ガス量の時間変化を示すタイムチャートである。実施形態３の他の運転状態を示す図であり、（ａ）は酸素濃度の時間変化を示すタイムチャートであり、（ｂ）は空気、排ガス及び富酸素ガス量の時間変化を示すタイムチャートである。実施形態３のボイラに好適なバーナの断面図である。実施形態４のボイラを含むボイラプラントのブロック図である。実施形態４のボイラに備えられて制御装置の概念図である。実施形態４の運転状態を示す図であり、（ａ）は酸素濃度の時間変化を示すタイムチャートであり、（ｂ）は空気、排ガス及び富酸素ガス量の時間変化を示すタイムチャートである。実施形態４の他の運転状態を示す図であり、（ａ）は酸素濃度の時間変化を示すタイムチャートであり、（ｂ）は空気、排ガス及び富酸素ガス量の時間変化を示すタイムチャートである。実施形態５のボイラを含むボイラプラントのブロック図である。実施形態５のボイラに備えられて制御装置の概念図である。

以下、本発明を実施の形態に基づいて説明する。
（実施形態１）
図１に示すように、実施形態１の酸素燃焼式のボイラ１は、ボイラプラントに設けられている。ボイラ１には、化石燃料、例えば、微粉炭と、微粉炭を燃焼させる第１の燃焼用ガスと、第１の燃焼用ガスの不足酸素を補う第２の燃焼用ガスが供給される火炉１０が備えられている。火炉１０の炉壁には、微粉炭を燃焼させるバーナ１１が設けられている。

バーナ１１には、第１の燃焼用ガスを搬送ガスとして微粉炭をバーナ１１に供給する燃料供給管２０と、第１の燃焼用ガスの不足酸素を補う第２の燃焼用ガスをバーナ１１に供給する燃焼用ガスの供給管３０がそれぞれ接続されている。燃料供給管２０の管路の途中には、石炭を貯蔵するホッパ２１と、ホッパ２１に貯蔵した石炭を粉砕機２３に供給する石炭供給機２２と、石炭供給機２２から供給された石炭を設定サイズに粉砕する粉砕機２３とから構成される微粉炭供給装置が配置されている。燃料供給管２０の上流側には、第１の燃焼用ガスである搬送ガスを粉砕機２３に供給する搬送ガスの供給管２４が接続されている。

供給管２４の流路途中には、供給管２４をバイパスするバイパス管２４ｂが配設されている。供給管２４とバイパス管２４ｂには、それぞれの配管を流れる搬送ガスの供給量を調節可能な流量調整器２５ａ，２５ｂが設けられている。流量調整器２５ａ，２５ｂは、それぞれの配管を流れる搬送ガスの流量を調節するだけでなく、搬送ガスの流量を演算するための弁開度信号を後述する制御装置１００に出力するようになっている。

一方、バーナ１１に第２の燃焼用ガスを供給する供給管３０には、第２の燃焼用ガスの供給量を調節する流量調整器３２が設けられている。流量調整器３２は、配管を流れる第２の燃焼用ガスの流量を演算するための弁開度信号を後述する制御装置１００に出力するようになっている。

供給管２４，３０には、それぞれ富酸素ガスの供給管２６，３３が接続されている。供給管２６，３３には、それぞれの配管内を流れる富酸素ガスの供給量を調節可能な流量調整器２７，３４が設けられている。供給管２６は、粉砕機２３の上流側の搬送ガスに富酸素ガスを混合するようになっている。流量調整器２７，３４は、管内を流れる富酸素ガスの流量を演算するための弁開度信号を後述する制御装置１００に出力するようになっている。

供給管２６，３３には、富酸素ガスを発生させる酸素製造装置１８が接続されている。酸素製造装置１８は、例えば、空気を酸素と窒素を主体とするガスに分離する深冷分離方式の装置を用いることができる。これにより、微粉炭を酸素燃焼する際に、微粉炭の燃焼に必要な酸素を火炉１０に供給できるようになっている。

火炉１０で微粉炭を燃焼した排ガスは、煙道１２を介して熱交換器１３で冷却される。熱交換器１３から排出された排ガスは、煙突１５とＣＯ_２回収装置１６に導入されるようになっている。ＣＯ_２回収装置１６は、例えば、排ガス中のＣＯ_２を液化して排ガスから分離する周知の装置を用いることができる。なお、煙道１２には、図示していない排ガス浄化装置が設けられ、煙突１５とＣＯ_２回収装置１６に導入される排ガスを浄化するようになっている。

微粉炭を酸素燃焼する際は、熱交換器１３の下流側の排ガスを排ガスファン５１により配管５２に分岐する。配管５２には、排ガスの分岐量を調節する流量調整器５３が設けられている。流量調整器５３は、管内を流れる排ガスの流量を演算するための弁開度信号を、後述する制御装置１００に出力するようになっている。流量調整器５３を通過した排ガスは、配管５０を介して供給管２４，３０に供給されるようになっている。搬送ガスの供給管２４に供給される排ガスの流量は、流量調整器２５ａ，ｂにより調節されるようになっている。第２の燃焼用ガスの供給管３０に供給される排ガスの流量は、流量調整器３２により調節されるようになっている。これらにより、微粉炭を富酸素ガスと燃焼排ガスの混合ガスで酸素燃焼できるようになっている。

一方、起動時等、排ガスが十分でないときは、微粉炭を空気で燃焼する空気燃焼を行う。空気燃焼する際は、空気ファン４１から配管４２を介して供給管４０に空気を供給するようになっている。空気の供給量は、流量調整器４３で調節できるようになっている。流量調整器４３は、空気の供給量を演算するための弁開度信号を後述する制御装置１００に出力するようになっている。

次に、実施形態１の特徴構成を説明する。図２に示すように、ボイラ１には、搬送ガスと第２の燃焼用ガスとして空気と、微粉炭の燃焼排ガスと富酸素ガスの混合ガスと、を互いに切り替えて供給する動作を制御する制御装置１００が設けられている。制御装置１００は、流量調整器４３，３２，２５ａ，２５ｂ，２７，３４，５３から入力された弁開度信号に基づいて各流量調整器を流下する流体の流量をそれぞれ演算するようになっている。さらに、制御装置１００は、演算した流量に基づいて各流量調整器４３，３２，２５ａ，２５ｂ，２７，３４，５３の弁開度を調節する指令信号を出力して、各流量調整器４３，３２，２５ａ，２５ｂ，２７，３４，５３の弁開度を調節して、各部の流量を調節するようになっている。例えば、制御装置１００は、空気燃焼から酸素燃焼に切替える操作手順に沿って予め定めた各設定値と演算した各流量の比較に基づいて、流量調整器４３，３２，２５ａ，２５ｂ，２７，３４，５３に対し、それぞれの弁開度を調節する指令信号を出力するようになっている。これにより、火炉１０における微粉炭の燃焼を、空気燃焼から酸素燃焼に切り替えることができる。

ここで、実施形態１の特徴動作を図３に用いて説明する。なお、図３は、ボイラ１の起動時等、空気燃焼から酸素燃焼に切り替える動作を示すタイムチャートである。また、図３（ａ）は、搬送ガスと第２の燃焼用ガスの酸素濃度の時間変化を示すタイムチャートであり、図３（ｂ）は、空気と排ガスと酸素の流量の時間変化を示すタイムチャートである。なお、図３（ａ）の酸素濃度（Ａ）は、図１のＡ点における搬送ガスの酸素濃度であり、酸素濃度（Ｂ）は、図１のＢ点における第２の燃焼用ガスの酸素濃度である。

起動時等、排ガスや富酸素ガスが十分得られない場合は、空気ファン４１を駆動して空気燃焼を行う。この際、流量調整器５３，２７，３４を閉とし、流量調整器４３，３２，２５ａ，２５ｂが設定開度とする。これにより、火炉１０に微粉炭と空気が供給されて空気燃焼を開始する。次に、空気燃焼により、必要な排ガス等が得られるようになると、流量調整器２７を設定開度にし、搬送ガスとして用いる空気に富酸素ガスを混合する。これにより、図３（ａ）に示すように、図１のＡ点における搬送ガスの酸素濃度が、例えば、空気の酸素濃度を超える濃度に維持される。その後、排ガスファン５１を駆動して排ガスを分岐するとともに、流量調整器５３を段階的に開けて排ガスの循環が開始される。さらに、排ガスの循環と同時に流量調整器３４を段階的に開けて、第２の燃焼用ガスが通流する供給管３０に富酸素ガスが供給される。そして、流量調整器５３の開度に応じて、流量調整器４３を次第に閉じて空気ファン４１を停止して空気の供給を停止することで、火炉１０に供給される搬送ガスと第２の燃焼用ガスを空気から排ガスと富酸素ガスの混合ガスに切り替えて、火炉１０を空気燃焼から酸素燃焼に切り替える。なお、実施形態１の図３（ｂ）に示すタイムチャートは、排ガスの循環と同時に流量調整器３４を段階的に開けて第２の燃焼用ガスに富酸素ガスを供給したが、排ガスの循環開始後に富酸素ガスを供給することも可能である。

これによれば、起動時等、空気燃焼から酸素燃焼に切り替える過程で、１次燃焼に用いられる搬送ガス（第１の燃焼用ガス）の酸素濃度を高く維持できるから、微粉炭の着火性を向上でき、安定した燃焼を維持できる。つまり、搬送ガスである空気に排ガスを混合すると、酸素濃度が下がり着火性が低下するから、富酸素ガスを空気に混合して酸素濃度を上げた後に排ガスを混合することで、微粉炭の着火性が低下することを抑制でき、微粉炭を安定燃焼できる。

特に、空気燃焼と酸素燃焼とを切り替える際は、排ガス中の酸素、二酸化炭素、水蒸気などのガス成分濃度が排ガスの抽気量や、空気及び酸素の供給量に応じて変動して、燃焼用ガスの酸素濃度が変動しやすい。燃焼用ガスの酸素濃度に変動が生じると、火炉１０のバーナ１１から噴出した燃料の火炎に吹き飛びや失火等が発生して火炎の形成が不安定になり、ボイラ１で発生させる伝熱量が不均一となり、所望の蒸気量の発生を得ることが困難になる可能性がある。そこで、空気燃焼と酸素燃焼とを切り替える際に、１次燃焼に用いる搬送ガスの酸素濃度を高く維持することで、火炎を安定して形成できる。そのため、例えば、空気燃焼から酸素燃焼への切り替え時に油やガスで助燃する必要が無く、助燃に要する設備コストを低減することができる。

なお、酸素燃焼は、比熱の大きなＣＯ_２が燃焼用ガスに多く含まれるから、空気燃焼と同じ熱回収量を得るため実施形態１は、燃焼用ガスの酸素濃度を２２〜３６％になるように設定し、空気よりも酸素濃度を高く設定する。これにより、空気燃焼の伝熱特性に近づけることができる。

また、着火性の高い石炭を燃料とする場合は、搬送途中における微粉炭の自然着火を防止するため、酸素濃度の上限を約３２％に設定することが好ましい。

また、空気燃焼は、燃焼用ガスの酸素濃度が一定であるのに対し、酸素燃焼では排ガスの酸素濃度により燃焼用ガスの酸素濃度が変動する。例えば、排ガスの酸素濃度が低下した場合、酸素濃度が低下した排ガスが燃焼用ガスとして火炉１０に供給される。このため、火炉１０内の酸素濃度がさらに低下するから、燃焼用ガスの酸素濃度を高く維持することが好ましい。

また、実施形態１は、空気燃焼から酸素燃焼に切り替える例を説明したが、上述した手順を逆に行う、つまり、図３（ｂ）の流量調整の手順を逆にすることで、酸素燃焼から空気燃焼に切り替えることができる。

また、図４に示すように、排ガスの供給開始時、排ガス増加率を最大にし、その後、次第に排ガスを増加させる制御により、空気燃焼から酸素燃焼に切り替えることができる。

また、酸素燃焼は、燃焼用ガス中に窒素を含まず、火炉１０で化石燃料を燃焼した際に発生する排ガス中の窒素が燃料由来の窒素に留まる。そのため、空気燃焼に比べて排ガス量を減らすことができる。また、空気中の窒素に起因し生成する窒素酸化物が無くなるため、窒素酸化物の生成量が減る。

また、ボイラ１の起動時のような負荷変化率が高い運用条件では燃料を燃焼させる酸化剤として空気を使用して空気燃焼させ、一定負荷に到達後、酸化剤を排ガスと富酸素ガスの混合ガスに切り替えて酸素燃焼とする。このような起動時は、排ガスの分岐量を増やし、第１及び第２の燃焼用ガス中の酸素濃度を低くすると、火炉１０に供給する支燃ガス中の二酸化炭素や水蒸気の比熱が高いため火炎温度が低下し、微粉炭の燃焼反応が抑制される。そこで、実施形態１の運転方法をボイラ１の起動時に実施することで、火炎の吹き飛びや失火など火炎が不安定になることを抑制できる。

（実施形態２）
図５に実施形態２のボイラ１を備えたボイラプラントのブロック図を示す。実施形態２が実施形態１と相違する点は、第２の燃焼用ガスをバーナ１１の入口側で分岐し、分岐した一方の燃焼用ガスをバーナ１１に供給し、他方の燃焼用ガスを配管を介して燃焼用ガスの供給口１７に供給し、微粉炭を２段燃焼するようにした点である。さらに、粉砕機２３の下流側に接続した燃料供給管２０に富酸素ガスの供給管２６を接続した点である。その他の構成は実施形態１と同じであることから、同一の符号を付して説明を省略する。

これによれば、火炉１０のバーナ１１より上部に設けた供給口１７から２段燃焼用の燃焼用ガスを供給するから、バーナ１１では少ない酸素量で燃焼させ、バーナ１１の下流の火炉１０に設置した供給口１７から残りの酸素を供給することで、火炉１０内に酸素不足の還元域を形成することができる。そして、この還元域を火炉１０内のガスが通ることで燃料中の窒素分から生成する窒素酸化物を低減することができる。

また、粉砕機２３の下流側の搬送ガスに噴酸素ガスを混合するようにしたから、粉砕機２３に導入する搬送ガスの酸素濃度を低く維持されるので、粉砕機２３における微粉炭の自然着火を抑制できる。

（実施形態３）
図７、８に実施形態３のボイラ１を備えたボイラプラントを示す。実施形態３が実施形態１と相違する点は、微粉炭が気流搬送される燃料供給管２０のバーナ１１側に、供給管３０から分岐した配管３５が接続し、微粉炭を同伴する搬送ガスに第２の燃焼用ガスを供給する点である。そして、酸素燃焼時は、搬送ガスの酸素濃度を第２の燃焼用ガスの酸素濃度よりも低く制御する点である。その他の構成は実施形態１と同じであることから、同一の符号を付して説明を省略する。

次に、実施形態３の空気燃料から酸素燃焼に切り替える動作を図９を用いて説明する。図９（ａ）は、搬送ガスと第２の燃焼用ガスの酸素濃度の時間変化を示すタイムチャートであり、図９（ｂ）は、空気と排ガスと酸素の流量の時間変化を示すタイムチャートである。なお、図９（ａ）の酸素濃度（Ａ）は、図７のＡ点における搬送ガスの酸素濃度であり、酸素濃度（Ｂ）は、図７のＢ点における第２の燃焼用ガスの酸素濃度である。

起動時等、排ガスや富酸素ガスが十分得られない場合は、空気ファン４１を駆動して空気燃焼を行う。この際、流量調整器５３，２７，３４を閉とし、流量調整器４３，３２，２５ａ，２５ｂが設定開度とする。これにより、火炉１０に微粉炭と空気が供給されて空気燃焼を開始する。次に、空気燃焼により、必要な排ガス等が得られるようになると、流量調整器２７を設定開度にし、搬送ガスとして用いる空気に富酸素ガスを混合する。これにより、図９（ａ）に示すように、図７のＡ点における搬送ガスの酸素濃度が、例えば、空気の酸素濃度を超える濃度に維持される。その後、排ガスファン５１を駆動して排ガスを分岐するとともに、流量調整器５３を段階的に開けて排ガスの循環が開始される。さらに、排ガスの循環と同時に流量調整器３４を段階的に開けて、第２の燃焼用ガスが通流する供給管３０に富酸素ガスを供給する。そして、流量調整器５３の開度に応じて、流量調整器４３を次第に閉じて空気ファン４１を停止して空気の供給を停止することで、火炉１０に供給される搬送ガスと第２の燃焼用ガスを空気から排ガスと富酸素ガスの混合ガスに切り替えて、火炉１０を空気燃焼から酸素燃焼に切り替える。この切り替えの過程において、供給管３０に富酸素ガスの供給が開始されて第２の燃焼用ガスの酸素濃度が設置濃度になった後、流量調整器２７の弁開度を段階的に絞り、搬送ガスの酸素濃度を段階的に下げる。流量調整器２７の弁開度は、酸素燃焼の際の搬送ガスの酸素濃度を、例えば、空気の酸素濃度よりも低くなるように設定する。

これによれば、搬送途中に自然着火するおそれのある微粉炭を燃料とする場合に、微粉炭の自然着火を防止できる。すなわち、空気燃焼から酸素燃焼に切り替える過程は、排ガスが混合される前の搬送ガスの酸素濃度を高く維持して、排ガスの混合による微粉炭の着火性の低下を抑制する。その後、搬送ガスの酸素濃度を微粉炭が自然着火しない酸素濃度に下げるが、搬送ガスに不足する酸素は、バーナ１１の直前で配管３５から供給される第２の燃焼用ガスにより補う。これらにより、微粉炭の着火性を向上でき、かつ、微粉炭の自然着火を抑制できるから、燃料として、着火性の高い微粉炭を用いることができる。

なお、搬送ガスの酸素濃度は、微粉炭の種類等により適宜設定でき、空気の酸素濃度以下、例えば、１８％以下に設定できる。

また、図１０に示すように、排ガスの供給開始時、排ガス増加率を最大にし、その後、次第に排ガスを増加させ、排ガスをステップ状に増加させて供給することができる。この場合、排ガスの供給開始時に搬送ガス及び第２の燃焼用ガスの酸素濃度が低下するが、空気に富酸素ガスを混合した搬送ガスにより１次燃焼を行っていたので、搬送ガスの酸素濃度は高く維持され、火炎の安定性を維持できる。その結果、微粉炭の燃焼領域の変動を抑制できるので、火炉１０における伝熱特性が良好となって高い効率で熱吸収を行うことができる。

また、酸素濃度の上昇が燃料供給管２０のみになるため、火炉１０に投入する第１の燃焼用ガス（搬送ガス）と第２の燃焼用ガスの酸素濃度の変動は燃焼用ガス全体の酸素濃度を高める場合に比べて小さくなる。

また、実施形態３は、燃料供給管２０に第２の燃焼用ガスを供給して搬送ガスの酸素を補っているが、燃料供給管２０に直接富酸素ガスを供給して搬送ガスの不足酸素を補うことができる。

ここで、実施形態３のボイラ１に好適なバーナを図１１を用いて説明する。図８に示したバーナ１１は、中心側に搬送ガスに同伴された微粉炭が供給されて燃焼される燃料ノズル６１を備え、この燃料ノズル６１の外周に同心円状に燃焼用気体を供給する空気ノズル６２、６３をそれぞれ備えた構造であり、風箱９２は火炉壁９３に設置されている。また、燃焼ノズル６１の管壁には、燃焼用ガスノズル６４が設けられ、図示していない供給源から酸素濃度が高い追加の燃焼用ガス６８が燃料ノズル６１内に供給されるようになっている。

これによれば、燃料ノズル６１を流れる微粉炭と搬送ガスの流れ６７に対し、追加の燃焼用ガス６８が垂直に噴出されるように構成しているため、酸素濃度が高い追加の燃焼用ガス６８と搬送ガスとの混合が促進される。さらに、燃料ノズル６１の内部に流路を分割する分配器６５を備えることで、高濃度の酸素含有気体は燃料ノズル６１の外周隔壁６６近傍にのみ供給されることになる。燃料ノズル６１の外周部を流れる燃料はバーナ１１から火炉１０内に噴出後、最初に着火し始める部分であり、火炉１０内で燃料を燃焼して火炎輪郭９１を形成する。このため、燃料ノズル６１の外周隔壁６６近傍のみ、酸素濃度を高めることで火炎の安定性が向上する。

特に、図１１に示すバーナ１１の場合、燃料ノズル６１の一部のみの酸素濃度を高めるので、全体の酸素濃度を高める場合に比べて気体供給量が少なくて済む。さらに、高濃度の酸素含有気体が燃料と混合後の滞留時間は短いため、燃料ノズル６１内での異常燃焼は生じにくい。

なお、排ガスと富酸素ガスを混合した追加の燃焼用ガス６８に代えて、富酸素ガスを燃料ノズル６１内に供給できる。

また、図７に示す本実施例の化石燃料ボイラ１では燃焼用ガスを全てバーナ１１から供給させる場合について示したが、燃焼用ガスを分割し、一部をバーナ１１下流の供給口１７から供給しても良い。バーナ１１で少ない酸素量で燃料を燃焼させ、バーナ１１よりも下流の火炉１０の供給口１７から残りの不足酸素を供給することで、火炉１０内に酸素不足の還元域を形成する。この還元域を炉内のガスが通ることで燃料中の窒素分から生成する窒素酸化物を低減することができる。

（実施形態４）
図１２、１３に実施形態４のボイラ１を備えたボイラプラントのブロック図を示す。実施形態４が実施形態１と相違する点は、分岐した排ガスが通流する配管５０に流量調整器３４を備える配管３３ｂを介して富酸素ガスを混合している点である。さらに、粉砕機２３の下流側の燃料供給管２０に富酸素ガスを供給している点である。その他の構成は、実施形態１と同じであるから、同一の符号を付して説明を省略する。

次に、実施形態４の動作を図１４を用いて説明する。図１４（ａ）は、搬送ガスと第２の燃焼用ガスの酸素濃度の時間変化を示すタイムチャートであり、図１４（ｂ）は、空気と排ガスと酸素の流量の時間変化を示すタイムチャートである。なお、図１４（ａ）の酸素濃度（Ａ）は、図１２のＡ点における搬送ガスの酸素濃度であり、酸素濃度（Ｂ）は、図１２のＢ点における第２の燃焼用ガスの酸素濃度である。

起動時等、排ガスや富酸素ガスが十分得られない場合は、空気ファン４１を駆動して空気燃焼を行う。この際、流量調整器５３，２７，３４を閉とし、流量調整器４３，３２，２５ａ，２５ｂが設定開度とする。これにより、火炉１０に微粉炭と空気が供給されて空気燃焼を開始する。次に、空気燃焼により、必要な排ガス等が得られるようになると、流量調整器２７を設定開度にし、搬送ガスとして用いる空気に富酸素ガスを混合する。これにより、図１４（ａ）に示すように、図１２のＡ点における搬送ガスの酸素濃度が、例えば、空気の酸素濃度を超える濃度に維持される。その後、排ガスファン５１を駆動して排ガスを分岐するとともに、流量調整器５３を段階的に開けて排ガスの循環が開始される。さらに、排ガスの循環と同時に流量調整器３４を段階的に開けて、配管５０を通流する排ガスに富酸素ガスを供給する。そして、流量調整器５３の開度に応じて、流量調整器４３を次第に閉じて空気ファン４１を停止して空気の供給を停止することで、火炉１０に供給される搬送ガスと第２の燃焼用ガスを空気から排ガスと富酸素ガスの混合ガスに切り替えて、火炉１０を空気燃焼から酸素燃焼に切り替える。この切り替えの過程において、流量調整器３４を開けて設定時間経過後に、流量調整器２７を閉じて供給管２６による搬送ガスへの富酸素ガスの供給を停止する。すなわち、実施形態４は、搬送ガスと第２の燃焼用ガスに分岐する前の排ガスに、富酸素ガスを混合することで、酸素燃焼時は、搬送ガスと第２の燃焼用ガスの酸素濃度を１つの流量調整器３４で調整することができる。

これによれば、空気燃焼から酸素燃焼に切り替える過程において、前半は、富酸素ガスの供給量を調整する流量調整器２７及び流量調整器３４の両方の制御が必要であるが、後半及び酸素燃焼時は、流量調整器３４の制御のみで済み、搬送ガスと第２の燃焼用ガスの酸素濃度を一致させるから、制御が容易になる。

なお、図１５に示すように、排ガスの供給開始時、排ガス増加率を最大にし、その後、次第に排ガスを増加させ、排ガスをステップ状に増加させて供給することができる。

（実施形態５）
図１６、１７に実施形態５のボイラ１を備えたボイラプラントのブロック図を示す。実施形態５が実施形態１と相違する点は、微粉炭の代わりにガスや油を燃料とする点である。つまり、ガスや油は搬送ガス（第１の燃焼用ガス）を用いずに供給されるから、第１の燃焼用ガスを搬送ガスとして用いず、化石燃料と別々にバーナ１１に供給するようにしている点である。その他の構成は、実施形態１と同じであるから、同一の符号を付して説明を省略する。

バーナ１１には、燃料供給配管２０ａが接続されている。燃料供給配管２０ａには、図示していない供給設備から気体又は液体の化石燃料である天然ガスや重油などが供給されるようになっている。

一方、第１の燃焼用ガスは、供給管３０からバーナ１１に供給されて燃料を燃焼するようになっている。また、バーナ１１の下流側には第２の燃焼用ガスが供給される供給口１７が設けられ、不足酸素を第２の燃焼用ガスで補うようになっている。

これによれば、空気燃焼から酸素燃焼に切り替える際、第１の燃焼用ガスとしてもちいる空気に富酸素ガスを混合して酸素濃度を上げた後に、排ガスを混合することで、微粉炭の着火性が低下することを抑制でき、微粉炭を安定燃焼できる。

１ボイラ
１０火炉
１１バーナ
１００制御装置

Claims

化石燃料を燃焼させる第１の燃焼用ガスと、該第１の燃焼用ガスの不足酸素を補う第２の燃焼用ガスが供給され、前記第１と第２の燃焼用ガスとして空気と前記化石燃料の燃焼排ガスと富酸素ガスの混合ガスとを互いに切り替えて供給する酸素燃焼式ボイラの運転方法において、
前記第１と第２の燃焼用ガスとして用いる前記空気と前記混合ガスを互いに切り替える過程で、前記第１の燃焼用ガスとして用いる前記空気に前記富酸素ガスを混合することを特徴とする酸素燃焼式ボイラの運転方法。
請求項１の酸素燃焼式ボイラの運転方法において
前記第１と第２の燃焼用ガスとして用いる前記空気と前記混合ガスを互いに切り替える過程で、前記空気と前記燃焼排ガスの流量を次第に変化させて切り替えることを特徴とする酸素燃焼式ボイラの運転方法。
請求項１又は２に記載の酸素燃焼式ボイラの運転方法において、
前記第１と第２の燃焼用ガスとして用いる前記空気を前記混合ガスに切り替える過程は、前記第１の燃焼用ガスとして用いる前記空気に前記富酸素ガスを混合した後、前記第２の燃焼用ガスに前記富酸素ガスを混合することを特徴とする酸素燃焼式ボイラの運転方法。
請求項１又は２に記載の酸素燃焼式ボイラの運転方法において、
前記第１と第２の燃焼用ガスとして用いる前記混合ガスを前記空気に切り替える過程は、前記第２の燃焼用ガスとして用いる前記混合ガスを前記空気に切り替えた後、前記第１の燃焼用ガスとして用いる空気に混合される前記富酸素ガスの供給を停止することを特徴とする酸素燃焼式ボイラの運転方法。
請求項１乃至４のいずれか１項に記載の酸素燃焼式ボイラの運転方法において、
前記化石燃料を前記混合ガスで燃焼するときは、前記第１と第２の燃焼用ガスの酸素濃度を同じにすることを特徴とする酸素燃焼式ボイラの運転方法。
請求項１乃至４のいずれか１項に記載の酸素燃焼式ボイラの運転方法において、
前記化石燃料を前記混合ガスで燃焼するときは、前記第１の燃焼用ガスの酸素濃度を前記第２の燃焼用ガスの酸素濃度よりも低くすることを特徴とする酸素燃焼式ボイラの運転方法。
請求項1乃至５のいずれか１項に記載の酸素燃焼式ボイラの運転方法において、
前記第1の燃焼用ガスに化石燃料を混合して前記ボイラに供給することを特徴とする酸素燃焼式ボイラの運転方法。
化石燃料と、該化石燃料を燃焼させる第１の燃焼用ガスと、該第１の燃焼用ガスの不足酸素を補う第２の燃焼用ガスが供給される火炉と、前記第１と第２の燃焼用ガスとして空気と前記化石燃料の燃焼排ガスと富酸素ガスの混合ガスとを互いに切り替えて供給する動作を制御する制御装置とを備える酸素燃焼式ボイラにおいて、
前記制御装置は、前記第１と第２の燃焼用ガスとして用いる前記空気と前記混合ガスを互いに切り替える過程で、前記１の燃焼用ガスとして用いる前記空気に前記富酸素ガスが混合されるように前記空気の流量と前記燃焼排ガスの流量と前記富酸素ガスの流量を制御することを特徴とする酸素燃焼式ボイラ。