JP2012220112A - 太陽熱利用ボイラシステム - Google Patents
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Abstract
【課題】本発明の目的は、太陽熱集熱装置の設備コストを抑制するとともに、太陽熱集熱による空気温度上昇幅を最小限に押さえ込みつつ、発電端効率を大幅に向上させることが可能な太陽熱利用ボイラシステムを提供することにある。
【解決手段】本発明の太陽熱利用ボイラシステムは、化石燃料を燃焼させるボイラと、該ボイラのバーナに微粉化した化石燃料を気流搬送する１次空気系統と、前記ボイラに予熱された燃焼用空気を供給する２次空気系統と、を備えたボイラシステムであって、前記予熱された燃焼用空気を太陽熱エネルギーにより更に過熱する２次空気過熱器を２次空気系統に設けたことを特徴とする。
【選択図】 図１
【解決手段】本発明の太陽熱利用ボイラシステムは、化石燃料を燃焼させるボイラと、該ボイラのバーナに微粉化した化石燃料を気流搬送する１次空気系統と、前記ボイラに予熱された燃焼用空気を供給する２次空気系統と、を備えたボイラシステムであって、前記予熱された燃焼用空気を太陽熱エネルギーにより更に過熱する２次空気過熱器を２次空気系統に設けたことを特徴とする。
【選択図】 図１
Description
本発明は、太陽熱エネルギーをボイラに適用した太陽熱利用ボイラシステムに関する。
太陽熱回収装置を備えた火力発電システムとしては、特許文献１に示されたような太陽熱ガスタービンの例がある。この文献では、例えば地上１００ｍ程度の高さを有するタワーの先端に設けた太陽熱受熱器に、地上に多数設置された反射鏡から反射された太陽光を集め、地上に設置された圧縮機から供給される高圧空気を過熱して高温空気とし、この高温高圧空気を前述のタワーの先端に設置された高温高圧空気膨張タービンに流し発電機を駆動して発電するシステムが提案されている。本システムでは空気を９００℃程度の温度まで過熱するために、多数の反射鏡が必要となり平面鏡を設置する面積が膨大となり太陽熱回収装置のコストが増大する。さらに、背が高いタワーの上に高温高圧空気の膨張タービンや発電機を設置せざる負えなくなり、安定した運転が難しい課題がある。また、非特許文献１では、太陽光集光器で集光した太陽光と太陽熱受熱器にてヘリウム・キセノン混合ガスを１０００℃まで過熱し再生ガスタービンに供給した例が示されている。
三菱重工技報，Vol.３１，No.4(1994-7)，P239-242，「高効率太陽熱発電システムの研究」
前述の従来技術のような、地上に設置された多数の平面鏡で太陽光を太陽熱受熱器の１点に集中させて圧縮機出口の高圧空気を過熱して、高温高圧空気膨張タービンへ供給するシステムでは、約１０００℃以上の高温空気を生成するために、多数の平面鏡が必要となる。すなわち、ガスタービンに太陽熱エネルギーを適用した上記従来技術は、効率向上のために空気温度を約１０００℃以上まで高温化する必要があり、太陽熱集熱装置の設備コストが大幅に上昇するという相容れない課題を伴う技術となっていた。なお、上述の従来技術は、ボイラシステムに太陽熱エネルギーを適用することについて何ら開示されていない。
そこで、本発明の目的は、太陽熱集熱装置の設備コストを抑制するとともに、太陽熱集熱による空気温度上昇幅を最小限に押さえ込みつつ、発電端効率を大幅に向上させることが可能な太陽熱利用ボイラシステムを提供することにある。
上記課題を解決するため、本発明の太陽熱利用ボイラシステムは、化石燃料を燃焼させるボイラと、該ボイラのバーナに微粉化した化石燃料を気流搬送する１次空気系統と、前記ボイラに予熱された燃焼用空気を供給する２次空気系統と、を備えたボイラシステムであって、前記予熱された燃焼用空気を太陽熱エネルギーにより更に過熱する２次空気過熱器を前記２次空気系統に設けたことを特徴とする。
本発明によれば、太陽熱集熱装置の設備コストを抑制するとともに、太陽熱集熱による空気温度上昇幅を最小限に押さえ込みつつ、発電端効率を大幅に向上させることが可能な太陽熱利用ボイラシステムを提供することができる。
以下、本発明の太陽熱利用ボイラシステムを石炭燃料焚き火力発電ボイラに適用した例について、図を用いて以下に説明する。なお、各図面を通し、同等の構成要素には同一の符号を付してある。
本発明の実施例として、火力発電の一形態である汽力発電所におけるボイラの煙風道系統と、太陽熱回収装置と、太陽熱回収装置で回収した太陽熱エネルギーを２次空気過熱器を介してボイラ火炉に太陽熱エネルギーを投入するシステムの実施例を以下に説明する。なお、太陽熱回収装置の型式はトラフ型を例に説明するが、タワー型でも同様である。また、ここでは油を太陽熱エネルギー回収の熱媒体とするが、水を含むその他の熱媒体でも同様である。さらに、回収した太陽熱を蓄熱或いは放熱する側の熱媒体として溶融塩を一例とした。
図１は、本実施例に係る太陽熱利用ボイラシステムの系統説明図である。本実施例の太陽熱利用ボイラシステムの基本系統としては、ボイラの１次空気系統，２次空気系統，煙道系統と、太陽熱回収系統並びに２次空気を過熱する太陽熱回収系統を備えている。
ボイラ１０の燃焼に必要な大気中の空気は、サイレンサ１を通過して１次空気と２次空気に２分される。１次空気は、１次空気通風機２５（ＰＡＦ）にて昇圧され、１次空気予熱器２８にて加熱された後、後段の微粉砕機２９に流入する。さらに、微粉砕機２９は化石燃料５８を粉砕しかつ微粉状態にして、１次空気と共に微粉砕機出口配管５９を通じてボイラ１０のウインドボックス９に流下する。ウインドボックス９では、ボイラ１次空気および２次空気と微粉燃料が複数ある燃焼器バーナ（図示せず）の各流路内を通過後、燃焼器バーナ出口にて１次空気と２次空気と微粉燃料が合体して燃焼が行われる。
ボイラ２次空気は、強圧通風機２（ＦＤＦ）にて昇圧され、蒸気式空気加熱器３（ＳＡＨ）にて水蒸気により加熱された後、２次空気予熱器４に流入する。２次空気予熱器４において、２次空気は約３５０℃程度に加熱され２次空気過熱器入口ダンパー６を通過する。そして、予熱された燃焼用空気は２次空気過熱器入口ダクト２２を流下し、２次空気過熱器７にて、太陽熱エネルギーを保有する加熱媒体により更に約４００℃〜５００℃程度に過熱される。この過熱された空気は、２次空気過熱器出口ダクト８を通過してウインドボックス９に導かれる。この様にして、太陽熱エネルギーがボイラの２次空気を介してボイラ１０に投入される。太陽熱エネルギーをボイラ１０に回収しない運用を行う場合は、２次空気過熱器バイパスダンパー５を開けて、２次空気過熱器バイパスダクト２１に２次空気を流してウインドボックス９に導入する。
ボイラ１０の火炉内で燃焼したボイラ排ガスは、ボイラ出口ダクト１１を通過して後段の脱硝装置１５，１次空気および２次空気予熱器１６（ＡＨ），電気集塵器１７（ＥＰ），誘引通風機１８（ＩＤＦ），脱流装置１９（ＤｅＳＯｘ）を順じ通過して煙突２０に流入して大気に拡散される。
２次空気を約４００℃〜５００℃に過熱し終わった、２次空気過熱器７を出た低温の太陽熱媒体は、２次空気過熱器出口熱媒体配管４０内を通過して２次熱媒体循環ポンプ４１にて昇圧した後、２次熱媒体循環ポンプ出口熱媒体配管４２を経て熱媒体タンク３０に集められる。熱媒体タンク３０を出た低温熱媒体は、１次熱媒体循環ポンプ３２にて昇圧され、太陽光集熱鏡群入口３方弁３４を通過して太陽光集熱鏡３５に送られ加熱され高温熱媒体となる。太陽光により約４１０℃〜５１０℃程度まで加熱され高温となった高温熱媒体は、太陽光集熱鏡群出口３方弁３６，太陽熱集熱装置出口熱媒体配管３７，２次空気過熱器入口熱媒体配管３９及び２次空気過熱器入口弁５６を通過して２次空気過熱器７に導入される。このようにして供給された高温熱媒体により、２次空気が約４００℃〜５００℃程度過熱され、ボイラの火炉に太陽熱エネルギーが持ち込まれる。２次空気過熱器７の熱交換運転が停止した場合は、２次空気過熱器入口弁５６を閉、２次空気過熱器バイパス弁５５を開に制御して、高温熱媒体を熱媒体タンク３０にバイパスさせる。
図２は、図１の太陽熱回収装置及び２次空気過熱器の詳細系統の説明図である。具体的には、昼間の太陽熱エネルギーを蓄熱しておき、夜間太陽が沈んだ後に再度高温熱媒体を２次空気過熱器７へ供給するシステムである。なお、太陽熱エネルギーの蓄熱用熱媒体として、溶融塩を用いる例を説明する。
なお、太陽熱は昼夜の変動が大きく、この影響により、太陽熱を活用した発電設備では昼夜のタービン発電機の出力変動が生じる課題があった。図２の構成は、この課題を解決するものである。
まず、昼間運転としては、昼間の太陽熱エネルギーにて高温となった高温熱媒体の一部を、太陽光集熱鏡群出口３方弁３６と蓄熱装置熱交換器側に設けられた１次熱媒体循環ポンプ入口弁３３を使って熱媒体を循環させる。一方、低温溶融塩タンク５１中の低温溶融塩を、低温溶融塩タンク出口切り替え３方弁４５，熱媒体と太陽熱蓄熱溶融塩移送ポンプ４４，溶融塩熱交換器入口切り替え３方弁４６を介して溶融塩熱交換器４７に供給して、太陽光集熱鏡群出口３方弁３６から供給される高温媒体と熱交換する。この熱交換により昇温した高温溶融塩を高温溶融塩タンク５２に供給することで太陽熱エネルギーを蓄熱する。
夜間では、昼間の蓄熱運転にて蓄えた高温熱媒体を高温溶融塩タンク５２から取り出し、被加熱媒体（昼間は加熱媒体）として溶融塩熱交換器４７に供給される低温熱媒体の加熱媒体として利用する。具体的には、高温溶融塩タンク５２の高温溶融塩を低温溶融塩タンク５１に供給するように溶融塩熱交換器入口切り替え３方弁４６及び低温溶融塩タンク出口切り替え３方弁４５を切り替え、太陽熱放熱溶融塩移送ポンプ４３を稼動させることにより行う。この制御により、高温溶融塩タンク５２に蓄熱された太陽熱エネルギーを熱媒体に放熱する。
太陽熱エネルギーによって加熱された高温熱媒体は、２次空気過熱器入口熱媒体配管３９及び２次空気過熱器入口弁５６を通過し、２次熱媒体循環ポンプ４１にて昇圧される。この様にして供給された高温熱媒体は２次熱媒体循環ポンプ出口熱媒体配管４２を介して、２次空気過熱器７の中に設けられた２次空気過熱管入口ヘッダー５３に集められる。２次空気過熱管入口ヘッダー５３に供給された高温熱媒体は、２次空気過熱器７の中に設置された２次空気過熱器伝熱管５４中を順じ後流側に流れ、２次空気加熱器４出口の３５０℃程度の２次空気を４００〜５００℃程度まで過熱して行く。ボイラの化石燃料燃焼用の２次空気を過熱し終わった熱媒体は、低温熱媒体となって２次空気過熱器７の中に設置された２次空気過熱管出口ヘッダー５７に集められる。２次空気過熱管出口ヘッダー５７を出た低温熱媒体は、２次空気過熱器出口低温熱媒体配管４０を通過して熱媒体タンク３０に戻される。この低温熱媒体は再度、熱媒体タンク３０を出て１次熱媒体循環ポンプ３２により昇圧されて太陽光集熱鏡３５に送られ再度、高温熱媒体となって、２次空気過熱器７に戻され熱媒体の循環運転を行う。
図３は、本実施例における発電端効率向上量（絶対値）を示したものである。横軸は２次空気過熱器７の出口空気温度（℃）、縦軸に発電端効率向上量を表示している。一般的に、石炭燃料焚き火力発電ボイラのボイラ火炉入口の２次空気温度は３５０℃程度である。このため、図３の試算例では、２次空気過熱器出口（ボイラ火炉入口）空気温度が３５０℃の点を発電端効率の基準点としている。
上述の通り、本実施例では２次空気過熱器７において、２次空気予熱器４で予熱された２次空気（約３５０℃程度）を太陽熱エネルギーにより更に過熱している。例えば、３５０℃の２次空気を２次空気過熱器７で４００℃まで過熱すると、発電端効率向上量は約０.８％、４５０℃の場合は１.６％、５００℃の場合は２.４％向上する。なお、図３では２次空気過熱器７において４００℃〜５００℃まで過熱する例を示したが、５００℃以上まで過熱して良い。この場合、２次空気過熱器７で上昇させる温度の大きさに応じて、太陽光集熱鏡３５などの太陽熱回収装置の規模も大きくなる。このため、２次空気過熱器７における過熱温度の値は、太陽熱回収装置を設置可能な敷地面積等も考慮した上で決定する必要がある。
このように本実施例によれば、エネルギーコストがかからない太陽熱エネルギーを用いて、ボイラの火炉へ供給する化石燃料燃焼ボイラの燃焼用空気である、ボイラ２次燃焼空気を過熱できる。すなわち、ボイラ火炉に従来の温度が約３５０℃程度の２次空気を太陽熱により５０℃〜１５０℃程度過熱させて約４００℃〜５００℃程度の２次空気をボイラ火炉へ投入する事により、ボイラ全体としてボイラに投入する石炭入熱を減らすことが可能となり、ボイラ燃料消費量は減少する。その結果、発電端効率が大幅に改善される。また、一般的な大型ボイラではボイラの排気ガスでボイラ燃焼空気をユングストローム形空気予熱器によりボイラの燃焼空気を３５０℃程度に加温してボイラに取り込んでいる。この空気をさらに太陽熱で５０℃〜１５０℃程度加温するのに必要となる太陽熱回収装置は、前述の先行技術文献のような、常温から１０００℃まで過熱するシステムに比較して小型化される。
なお、太陽熱にて、常温から１０００℃近い高温空気を得るガスタービンシステムの場合、太陽熱を反射して一点にあつめる平面鏡の必要熱エネルギーが膨大となり、その必要となる平面鏡の数が数十万枚に達し、かつ必要となる太陽光反射鏡を設置する平面積が膨大な面積となる。これに対して、本実施例の太陽熱利用ボイラシステムでは、平面鏡の枚数を、約３５０℃程度の２次空気を５０℃〜１５０℃程度上昇させる枚数とすれば済むため、太陽熱利用ガスタービンシステムよりも太陽熱集熱装置の設備コストを大幅に抑制することができる。
また、前述の従来技術では、高さ約１００ｍ近い高所に太陽熱ガスタービンと発電機を設置するため、太陽熱ガスタービンまたは発電機の運転が不安定となる可能性があるが、本実施例のボイラシステムでは高所に発電機等の回転機械を設置する必要が無いため、安定した運転が行える。
また、一日の太陽熱回収熱量が朝方から昼間を経て夕方になるにつれて変動するので、ボイラ火炉へ投入する２次空気の火炉への投入熱エネルギーは変動する。しかし、この変動をボイラ火炉への石炭投入熱量、すなわち石炭供給量を調整して対応できる。このように、燃料の火炉への投入量を調整することにより太陽熱回収量が変動しても、ボイラ発生蒸気温度、圧力と蒸発量の変動を最小限に押さえ込むことが可能となり、タービン発電機出力が昼夜にかかわらず一日中一定と運転が可能な太陽熱利用ボイラシステム（火力発電システム）を提供することができる。また、本発明の太陽熱利用ボイラシステムは、新設プラントのみならず、既設の石炭燃料焚き火力発電ボイラの改造方法としても適用可能である。すなわち、既設プラントに対して追加で設置される機器としては、太陽光集熱鏡３５，溶融塩熱交換器４７，熱媒体タンク３０とこれらの接続配管や弁等により構成される太陽熱回収装置と、２次空気系統に追設される２次空気過熱器７となる。なお、２次空気過熱器７の追設により、２次空気系統の２次空気予熱器４とウインドボックス９の間には、２次空気過熱器バイパスダンパー５と２次空気過熱器入口ダンパー６が設置される。このように、既設ボイラシステムを太陽熱利用ボイラシステムに改造することにより、ボイラシステム全体をリプレースしなくとも効率向上を図ることが可能となる。
１ サイレンサ
２ 強圧通風機
３ 蒸気式空気加熱器
４ ２次空気予熱器
５ ２次空気過熱器バイパスダンパー
６ ２次空気過熱器入口ダンパー
７ ２次空気過熱器
８ ２次空気過熱器出口ダクト
９ ウインドボックス
１０ ボイラ
１１ ボイラ出口ダクト
１５ 脱硝装置
１６ １次空気および２次空気予熱器
１７ 電気集塵器
１８ 誘引通風機
１９ 脱流装置
２０ 煙突
２１ ２次空気過熱器バイパスダクト
２２ ２次空気過熱器入口ダクト
２５ １次空気通風機
２８ １次空気予熱器
２９ 微粉砕機
３０ 熱媒体タンク
３１ 熱媒体タンク側１次熱媒体循環ポンプ入口弁
３２ １次熱媒体循環ポンプ
３３ 蓄熱装置熱交換器側１次熱媒体循環ポンプ入口弁
３４ 太陽光集熱鏡群入口３方弁
３５ 太陽光集熱鏡
３６ 太陽光集熱鏡群出口３方弁
３７ 太陽熱集熱装置出口熱媒体配管
３８ ２次空気過熱器バイパス熱媒体配管
３９ ２次空気過熱器入口熱媒体配管
４０ ２次空気過熱器出口低温熱媒体配管
４１ ２次熱媒体循環ポンプ
４２ ２次熱媒体循環ポンプ出口熱媒体配管
４３ 太陽熱放熱溶融塩移送ポンプ
４４ 太陽熱蓄熱溶融塩移送ポンプ
４５ 低温溶融塩タンク出口切り替え３方弁
４６ 溶融塩熱交換器入口切り替え３方弁
４７ 溶融塩熱交換器
５１ 低温溶融塩タンク
５２ 高温溶融塩タンク
５３ ２次空気過熱管入口ヘッダー
５４ ２次空気過熱器伝熱管
５５ ２次空気過熱器バイパス弁
５６ ２次空気過熱器入口弁
５７ ２次空気過熱管出口ヘッダー
５８ 化石燃料
５９ 微粉砕機出口配管
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３ 蒸気式空気加熱器
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１１ ボイラ出口ダクト
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５７ ２次空気過熱管出口ヘッダー
５８ 化石燃料
５９ 微粉砕機出口配管
Claims (4)
- 化石燃料を燃焼させるボイラと、
該ボイラのバーナに微粉化した化石燃料を気流搬送する１次空気系統と、
前記ボイラに予熱された燃焼用空気を供給する２次空気系統と、を備えたボイラシステムであって、
前記予熱された燃焼用空気を太陽熱エネルギーにより更に過熱する２次空気過熱器を前記２次空気系統に設けたことを特徴とする太陽熱利用ボイラシステム。 - 化石燃料を燃焼させるボイラと、
前記ボイラに微粉化した化石燃料を気流搬送する搬送用空気を生成する１次空気通風機と、該１次空気通風機より送風される搬送用空気を予熱する１次空気予熱器と、前記ボイラの燃焼用空気を生成する強圧通風器と、該強圧通風器より送風される燃焼用空気を予熱する２次空気予熱器と、を有するボイラシステムであって、
太陽熱エネルギーを熱源として、前記２次空気予熱器出口の燃焼用空気を更に過熱する２次空気過熱器を備えたことを特徴とする太陽熱利用ボイラシステム。 - 請求項２に記載の太陽熱利用ボイラシステムにおいて、
太陽光を集光する複数の太陽光集熱鏡と、
該太陽光集熱鏡で収集された太陽熱エネルギーにより加熱される熱媒体と、該熱媒体と蓄熱用熱媒体とを熱交換させる熱交換器と、
該熱交換器で熱交換させる低温の蓄熱用熱媒体を蓄積する低温タンクと、
前記熱交換器で加熱された高温の蓄熱用熱媒体を蓄積する高温タンクと、
前記蓄熱用熱媒体を前記低温タンクと高温タンク間を双方に流通させるように切り替える切替弁と、を備えたことを特徴とする太陽熱利用ボイラシステム。 - 化石燃料を燃焼させるボイラと、
前記ボイラに微粉化した化石燃料を気流搬送する搬送用空気を生成する１次空気通風機と、該１次空気通風機より送風される搬送用空気を予熱する１次空気予熱器と、前記ボイラの燃焼用空気を生成する強圧通風器と、該強圧通風器より送風される燃焼用空気を予熱する２次空気予熱器と、を有する既設ボイラシステムの改造方法において、
太陽熱エネルギーを収集する太陽熱回収装置と、該太陽熱回収装置で収集された太陽熱エネルギーを熱源として、前記２次空気予熱器出口の燃焼用空気を更に過熱する２次空気過熱器を追設することを特徴とする既設ボイラシステムの改造方法。
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