JP2013113501A - バーナおよびこれを備えたボイラ - Google Patents

Abstract

【課題】微粉炭焚き酸素／二酸化炭素燃焼において、バーナ近傍の火炉壁面へのスラッギング量が低減される事による、ボイラの安定運転を提供することを目的とする。
【解決手段】微粉炭と酸素３とをボイラの火炉内で燃焼させ、燃焼によって生成された排ガスを循環ガス２としてボイラの火炉内へと導き酸素／二酸化炭素燃焼を行うボイラに用いられるバーナにおいて、ボイラの火炉の内壁に隣接する内壁隣接領域の酸素濃度を、内壁隣接領域よりも内壁から離れた内壁離間領域よりも高くする酸素供給手段を備えていることを特徴とするバーナ。
【選択図】図２

Description

本発明は、例えば微粉炭焚きボイラに用いられて好適な、ボイラ火炉壁面のスラッギング量を低減させることができるバーナおよびこれを備えたボイラに関するものである。

一般に、石炭燃料は油やガス燃料と比べて燃料中の炭素量が多く、ボイラ燃料として利用した利用した場合に二酸化炭素発生量が多くなる。但し、石炭は資源量が多いことから、有効に活用していく必要がある。
石炭焚きボイラ排ガスから二酸化炭素を回収（その後、地中や海中へ貯留・隔離）する手法の一つに酸素／二酸化炭素燃焼がある。酸素／二酸化炭素燃焼は、空気から分離した酸素により微粉炭を燃焼するシステムであり、排ガス中に窒素が殆ど含まれないため排ガスからの二酸化炭素分離が不要である。

具体的には、図５に示されているように、酸素／二酸化炭素燃焼を行うボイラプラントは、微粉炭焚きボイラ１０１と、脱硝設備１０８と、エアヒータ設備１０９と、脱塵設備１１０と、脱硫設備１１１とを備えている。微粉炭焚きボイラ１０１の上流側には、空気１０４を酸素１０３と窒素１０５に分離する空気分離装置１１２と、石炭を所定の粒径にまで粉砕して微粉炭１０７とする微粉炭機１０６とが設けられている。微粉炭焚きボイラ１０１にて燃焼を終えた燃焼排ガスは、脱硝設備１０８、エアヒータ設備１０９、脱塵設備１１０および脱硫設備１１１を通過した後に、一部が排ガス再循環流路１０２を通って空気分離装置１１２から導かれる酸素１０３と混合される。再循環された排ガスによって希釈された酸素１０３は、微粉炭焚きボイラ１０１内にて燃焼用酸化剤として用いられ、微粉炭機１０６から供給された微粉炭１０７を燃焼させる。

図６には、ボイラ火炉の各コーナに備えられたバーナが示されている。各バーナは、上述した微粉炭を供給する微粉炭ノズル１２０を備えており、この微粉炭ノズル１２０の周囲から、排ガス再循環流路１０２から導かれた再循環ガスと酸素１０３との混合気がボイラ火炉内に導かれるようになっている。同図に示されているように、酸素１０３は、各バーナに分岐する前の上流側位置にて排ガス再循環流路１０２に対して投入されるようになっている。したがって、各バーナから供給される酸化剤としての混合気は、十分な混合距離を経た後にボイラ火炉内へと導かれるので、微粉炭ノズル１２０周りにて略同等の濃度分布をもって投入されることとなる。

一方、従来の微粉炭バーナを用いて、スラッギング性の高い石炭（低灰融点・高付着性）を燃焼させた場合には、溶融灰がボイラ内の火炉壁面等の各部に付着し易くなる。そして、ボイラ火炉内壁面に灰の付着量が多くなり、スラッギングが成長すると、ボイラの伝熱阻害を引き起こすことや、大塊クリンカの落下による、ボイラ火炉の炉底損傷などの問題があった。

また、上述したスラッギングトラブルは、火炉内壁面付近で灰の溶融温度が低くなって、灰の溶融が起こり易いことに起因するものである。このような対策について開示された文献として、下記特許文献１及び２がある。

特許文献１には、既存の空気燃焼ボイラとして運用している石炭ボイラを、酸素燃焼ボイラとして運用した場合に改造に要する費用が抑制でき、高温ガスによる酸素燃焼ボイラの劣化やスラッギングを防止して長期に亘って安定して運転可能な信頼性の高い酸素燃焼ボイラが示されている。

特許文献２には、石炭焚きボイラにおけるスラッギングトラブルを防止するとともに、灰分中の未燃分を低減してプラント効率を向上させることが示されている。

特開２０１０−１０１５８７号公報 特開平８−１５２１０６号公報

特許文献１には、酸素濃度を測定して、検出された酸素濃度によって、ボイラに供給する酸素供給量を調整する方法が記載されている。しかし、酸素濃度を測定するセンサや制御装置を用いる為、ボイラの構成が複雑となるという問題がある。

特許文献２には、予燃焼室に粉砕炭と燃焼用一次空気投入して燃焼させ、更に酸素濃度を高めた燃焼用二次空気を投入して高温燃焼させた後、燃焼ガスを火炉に投入することで、火炉におけるスラッギングトラブルを防ぐ方法が記載されている。しかし、石炭焚きボイラの周辺装置を多く設置しなければならない為、構成が複雑となるという問題がある。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、微粉炭焚き酸素／二酸化炭素燃焼において、より簡便な構造でバーナ近傍の火炉壁面へのスラッギング量を低減させることができるバーナおよびこれを備えたボイラを提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明の低スラッギングバーナは以下の手段を採用する。
すなわち、本発明のバーナは、微粉炭と酸素とをボイラ火炉内で燃焼させ、燃焼によって生成された排ガスを循環ガスとして該ボイラ火炉内へと導き酸素／二酸化炭素燃焼を行うボイラに用いられるバーナにおいて、前記ボイラ火炉の内壁に隣接する内壁隣接領域の酸素濃度を、該内壁隣接領域よりも前記内壁から離れた内壁離間領域よりも高くする酸素供給手段を備えていることを特徴とする。

ボイラ火炉の内壁に隣接する内壁隣接領域の酸素濃度を、内壁隣接領域よりも内壁から離れた内壁離間領域よりも高くする酸素供給手段を用いることにより、内壁隣接領域の酸素濃度を上げて灰が溶融する溶融温度を上昇させることが出来る。灰の溶融温度を上昇させることによって、灰の溶融が発生し難い状態となって、ボイラ火炉の内壁に灰が衝突した際でも、灰の付着を低減させることが出来る。
なお、内壁隣接領域の酸素濃度としては、例えば、２１％以上３０％以下が好ましい。

さらに、本発明にかかるバーナでは、微粉炭を供給する微粉炭供給ノズルと、該微粉炭供給ノズルを取り囲むように設けられて前記循環ガスを供給する循環ガス供給ノズルと、を備え、前記酸素供給手段は、前記循環ガス供給ノズル内を流れる循環ガスに酸素を混合する酸素供給ノズルを有し、該酸素供給ノズルは、前記微粉炭供給ノズルよりも前記ボイラ火炉の前記内壁側に酸素を噴射することを特徴とする。

微粉炭供給ノズルよりもボイラ火炉の内壁側に酸素供給ノズルを設けて酸素を噴射することとしたので、微粉炭供給ノズルとボイラ化炉内壁との間すなわち内壁隣接領域の酸素濃度を上げることができる。このように内壁隣接領域を還元雰囲気から酸化雰囲気にすることで、灰の溶融温度を上昇させて、灰の溶融を低減させることができる。

さらに、本発明にかかるバーナでは、微粉炭を供給する微粉炭供給ノズルと、該微粉炭供給ノズルを取り囲むように設けられて前記循環ガスを供給する循環ガス供給ノズルと、を備え、前記酸素供給手段は、前記循環ガス供給ノズル内を流れる循環ガスに酸素を混合する酸素供給ノズルを有し、該酸素供給ノズルは、前記微粉炭供給ノズルを取り囲むように設けられ、前記微粉炭供給ノズルの中心軸は、前記酸素供給ノズルの横断面中心から前記ボイラ火炉の前記内壁から離間するようにオフセットされて配置されていることを特徴とする。

微粉炭供給ノズルの中心軸を、酸素供給ノズルの横断面中心からボイラ火炉の内壁から離間するようにオフセットされて配置することにより、ボイラ火炉内壁へ向けて高い酸素濃度とされた循環ガスと酸素の混合気を供給することが出来る。このように内壁隣接領域を還元雰囲気から酸化雰囲気にすることで、灰の溶融温度を上昇させて、灰の溶融を低減させることができる。

さらに本発明にかかるバーナでは、請求項１から３のいずれかに記載された複数のバーナと、各前記バーナによって内部にて旋回燃焼が行われるボイラ火炉本体と、を備えていることを特徴とする。

上述したバーナを用いることにより、ボイラ火炉内壁への灰の付着を低減できるボイラを提供することができる。

本発明によれば、ボイラ火炉の内壁に隣接する内壁隣接領域の酸素濃度を、内壁隣接領域よりも内壁から離れた内壁離間領域よりも高くする酸素供給手段を用いている。これにより内壁隣接領域の酸素濃度を上げて灰が溶融する溶融温度を上昇させることにより、灰の溶融を発生し難い状態となる。したがって、ボイラ火炉の内壁に灰が衝突した際でも、灰の付着が起こり難いことから、ボイラ火炉の内壁へのスラッギングを低減させることが出来る。

本発明に係るバーナが適用されるボイラ火炉を示した横断面図である。 本発明の微粉炭焚きボイラの概略構成を示した縦断面図である。 本発明に係るバーナの第１実施形態を示した側断面図である。 本発明に係るバーナの第２実施形態を示した側断面図である。 従来の微粉炭焚き酸素／二酸化炭素燃焼ボイラシステムを示した概略構成図である。 従来の微粉炭バーナが適用されるボイラ火炉を示した横断面図である。

以下に、本発明に係る低スラッギングバーナ（以下、単に「バーナ」という。）の一実施形態について、図面を参照して説明する。
〔第１実施形態〕
図１には、本発明の第１実施形態にかかるバーナが適用される微粉炭焚きボイラ１の概略構成が示されている。微粉炭焚きボイラ１は、既に図５を用いて説明したような酸素／二酸化炭素燃焼を行うプラントに用いられる。
微粉炭焚きボイラ１には、排ガス再循環流路から導かれた排ガス再循環ガスが風箱６内に投入されるとともに、各バーナに対して酸素３が投入されるようになっている。微粉炭焚きボイラ１は、図示しないミルによって石炭を粉砕して得られた微粉炭７（図３参照）を燃焼するボイラである。微粉炭焚きボイラ１は、火炉壁を貫通して設けられた複数のバーナ１０（図３参照）を有している。これらバーナ１０により、空気と共に、微粉炭７を送入し、ボイラ火炉内で燃焼させることにより、図示しない火炉壁水管、過熱器および節炭器を加熱している。

図２には、図１に示した微粉炭焚きボイラ１の火炉部分における横断面図が示されている。
同図に示されるように、微粉炭焚きボイラ１は、略正方形とされた横断面形状を有する。微粉炭焚きボイラ１の各コーナに一つずつ、バーナ１０が備えられ、本実施形態では４つのバーナ１０を備えている。このように各バーナ１０をコーナに配置することによって、旋回燃焼を行うようになっている。
排ガスは、排ガス再循環流路２から導かれ、風箱６の各ポート６ａへと供給されるようになっている。風箱６内へと供給された再循環ガスは、各バーナ１０へと分配される。図３には、各バーナ１０へと分配された再循環ガス２ａが示されている。

図３に示すように、各バーナ１０は、火炉内へ向けて同軸方向に備えられた微粉炭供給ノズル８と酸素供給ノズル９とを備えている。これら微粉炭供給ノズル８及び酸素供給ノズル９は、再循環ガス２ａをボイラ火炉内へと導く循環ガス供給ノズル１２内に配置されている。すなわち、循環ガス供給ノズル１２は、微粉炭供給ノズル８及び酸素供給ノズル９を取り囲むように設けられている。
微粉炭供給ノズル８は、循環ガス供給ノズル１２の略中心軸線上に沿って配置されている。酸素供給ノズル９は、微粉炭供給ノズル８に隣接して略並行に配置されており、かつ、微粉炭供給ノズル８よりも火炉内壁４（図２参照）側に配置されている。
このように、酸素供給ノズル９を微粉炭供給ノズル８よりも火炉内壁４側に配置することで、火炉内壁４側に酸素濃度が高い領域を形成することができる。すなわち、図２に示されているように、火炎５と火炉内壁４との空間領域である内壁隣接領域１４を、火炎５からボイラ火炉中心側にかけての空間領域である内壁離間領域よりも高い酸素濃度としている。内壁隣接領域１４の酸素濃度としては、２１％〜３０％の範囲が好ましい。

次に上記構成のバーナの動作について説明する。
図示しないミルによって粉砕された微粉炭７は、微粉炭供給ノズル８を通りボイラ火炉内へと導かれる。火炉内へ導かれた微粉炭は、着火して火炎５を形成する。火炎５の燃焼を補う為に、微粉炭供給ノズル８を囲う再循環ガス供給ノズルから再循環ガスが供給されるとともに、酸素供給ノズル９から酸素３が供給される。酸素供給ノズル９は、微粉炭供給ノズル８よりも火炉内壁４側に設置されているため、火炉内壁４側に沿って酸素濃度が高い混合気が流れる。これにより、内壁隣接領域１４には、内壁離間領域よりも高い酸素濃度の混合気が流れる。

本実施形態によれば、以下の作用効果を奏する。
微粉炭供給ノズル８よりも火炉内壁４側に設けた酸素供給ノズル９によって、ボイラ１の火炉内壁４側に酸素を供給することとしたので、火炉内壁４付近の内壁隣接領域１４に酸素濃度が高い混合気を供給することができる。これにより、還元雰囲気に比べて灰の溶融温度を上昇させることができる酸化雰囲気を内壁隣接領域１４に形成することができるので、灰がボイラ１の火炉内壁４に衝突した際でも、火炉内壁４における灰の付着を抑制することができる。
特に、本実施形態では、各バーナ１０に対して酸素供給ノズル９を個別に設けることとしたので、図６に示したようにバーナに接続された風箱よりも上流側の流路にて酸素を混合する場合とは異なり、各バーナ１０出口の酸素濃度分布を所望の分布となるように酸素を供給することができる。これにより、内壁隣接領域１４の酸素濃度をより詳細に調整することができるので、火炉内壁４における灰の付着を更に防止することができる。

〔第２実施形態〕
次に、本発明の第２実施形態について、図４を用いて説明する。本実施形態は、酸素供給ノズル９の構成が第１実施形態に対して相違し、その他は同様である。したがって、同一の構成に対しては同一符号を付してその説明を省略する。

図４に示されているように、酸素供給ノズル１５は、微粉炭供給ノズル８を取り囲むように設けられている。微粉炭供給ノズル８の中心軸は、酸素供給ノズル１５の横断面中心からボイラ火炉の内壁から離間するようにオフセットされて配置されている。
これにより、微粉炭供給ノズル８の中心軸を、酸素供給ノズル１５の横断面中心に一致させて配置した場合と比べて、火炉内壁４（図２参照）側の酸素流路断面積が増大するので、ボイラ１の火炉内壁４に沿って、酸素濃度の高い混合気を多く供給することができる。

本実施形態によれば、酸素濃度の高い混合気が、ボイラ１の火炉内壁４に沿って多く供給されることで、ボイラ内の内壁隣接領域を酸化雰囲気にすることができ、灰が溶融し難くなる。これにより、灰がボイラ１の火炉内壁４に衝突した際でも、灰の付着を低減することができる。

１ ボイラ（微粉炭焚きボイラ）
２ 循環ガス
３ 酸素
４ 火炉内壁
５ 火炎
６ 風箱
７ 微粉炭
８ 微粉炭供給ノズル
９ 酸素供給ノズル
１０ バーナ
１２ 循環ガス供給ノズル
１４ 内壁隣接領域
１５ 酸素供給ノズル

Claims (4)

1. 微粉炭と酸素とをボイラ火炉内で燃焼させ、燃焼によって生成された排ガスを循環ガスとして該ボイラ火炉内へと導き酸素／二酸化炭素燃焼を行うボイラに用いられるバーナにおいて、
   前記ボイラ火炉の内壁に隣接する内壁隣接領域の酸素濃度を、該内壁隣接領域よりも前記内壁から離れた内壁離間領域よりも高くする酸素供給手段を備えていることを特徴とするバーナ。
2. 微粉炭を供給する微粉炭供給ノズルと、
   該微粉炭供給ノズルを取り囲むように設けられて前記循環ガスを供給する循環ガス供給ノズルと、
   を備え、
   前記酸素供給手段は、前記循環ガス供給ノズル内を流れる循環ガスに酸素を混合する酸素供給ノズルを有し、
   該酸素供給ノズルは、前記微粉炭供給ノズルよりも前記ボイラ火炉の前記内壁側に酸素を噴射することを特徴とする請求項１に記載のバーナ。
3. 微粉炭を供給する微粉炭供給ノズルと、
   該微粉炭供給ノズルを取り囲むように設けられて前記循環ガスを供給する循環ガス供給ノズルと、
   を備え、
   前記酸素供給手段は、前記循環ガス供給ノズル内を流れる循環ガスに酸素を混合する酸素供給ノズルを有し、
   該酸素供給ノズルは、前記微粉炭供給ノズルを取り囲むように設けられ、
   前記微粉炭供給ノズルの中心軸は、前記酸素供給ノズルの横断面中心から前記ボイラ火炉の前記内壁から離間するようにオフセットされて配置されていることを特徴とする請求項１に記載のバーナ。
4. 請求項１から３のいずれかに記載された複数のバーナと、
   各前記バーナによって内部にて旋回燃焼が行われるボイラ火炉本体と、
   を備えていることを特徴とするボイラ。

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