JP2016531268A - ３つの燃焼ゾーンを有する酸素燃焼ボイラユニット及びその運転方法 - Google Patents

Abstract

燃料を燃焼させるとともに燃焼で得られる煙道ガスを放出するための炉（１００）を含む酸素燃焼ボイラユニットが開示される。炉は、第１の燃焼ゾーン（１００ａ）、第２の燃焼ゾーン（１００ｂ）、及び第３の燃焼ゾーン（１００ｃ）、並びに、空気から酸素ガス（１１８）を分離し、分離された酸素の第１の部分（１１９）を第１の酸化剤流（１１５）に、第２の部分（１２０）を第２の酸化剤流（１１７）に、かつ分離された酸素ガスの第３の部分（１２１）を炉（１００）の第１、第２及び第３の燃焼ゾーンに供給するための空気分離ユニット（１０６）を有する。制御器は、制御弁及び測定ユニットとともに、第１の酸化剤流（１１５）及び第２の酸化剤流（１１７）が所望の酸素含有量を有するように、かつ炉（１００）の第１の領域（１００ａ）、第２の領域（１００ｂ）、及び第３の領域（１００ｃ）が、燃焼ゾーンの化学量論的な制御に基づいた所望の酸素の量を受け入れるように、分離された酸素ガス（１１８）を分配する。煙道ガスの酸素含有量は、様々な酸素含有量を、及び分離された酸素ガス（１１８）の発生量を制御するために決定される。【選択図】 図１

Description

本開示は、酸素燃焼ボイラユニット、かかる１以上のボイラユニットを使用するエネルギー生産システム、及びその運転方法に関する。

エネルギー生産システム用のボイラユニットは、石炭燃焼発電プラントなどに使用されてきた。このようなボイラユニットは空気を使用し、空気を炉に送って石炭を燃焼させて、続いて発電用に使用される蒸気を発生させる。発電に使用されるボイラユニット、及びこのようなシステムの他の構成部品については、例えば、米国特許出願公開第２０１２／００５２４５０号、第２０１２／０１４５０５２号、第２０１０／０２３６５００号、及び第２００９／０１３３６１１号、並びに米国特許第７，９５４，４５８号、及び第６，５０５，５６７号に記載されている。

酸素燃焼は、化石燃料（例えば、石炭など）燃焼発電プラントにおける二酸化炭素の回収及び隔離のために、燃焼空気を、酸素と再循環させた煙道ガスとの混合気に置き換えて、使用（例えば、石油増進回収）及び／又は隔離のためにより容易に処理することができる二酸化炭素の含有量の多い煙道ガス流を生成するように開発されたものである。米国特許出願公開第２０１２／０１４５０５２号には、いくつかの酸素燃焼システムが、空気分離ユニット、ボイラ、汚染制御システム、及び煙道ガスを再循環させるためのガス処理ユニットを含むことができることが開示されている。燃焼からの熱とボイラの煙道ガスの残留熱を使用して、過熱蒸気を生成し、蒸気タービン発電機を駆動して発電することができる。次いで、煙道ガスは特定の汚染物質（例えば、ＮＯ_x、ＳＯ_xなど）を除去するように処理され、次いで、処理された煙道ガスの一部はボイラに再循環されて燃焼を行うことができる。米国特許出願公開第２０１２／０１３４０４２号に開示されているように、酸素は、ボイラで燃焼させる燃料の量に基づいて、再循環した煙道ガスに加えられる。酸素は煙道ガスに加えられて単一の酸化剤流を形成し、次いで、この単一の酸化剤流はボイラに送られる。このようなシステムは、非効率でシステムが劣化しやすい。

国際公開第２０１２／０６８２９３号

酸素燃焼ボイラユニットは、燃料を燃焼させるとともに燃焼で得られる煙道ガスを放出するための炉を含むことができる。炉は、第１の燃焼ゾーン、第２の燃焼ゾーン及び第３の燃焼ゾーンを有することができる。ボイラユニットは、空気を受け入れるとともに空気から酸素ガスを分離するための空気分離ユニットも備えることができる。ボイラユニットは、分離された酸素ガスの第１の部分を煙道ガスの第１の流れと混合して第１の所定の酸素含有量を有する第１の酸化剤流を形成し、かつ分離された酸素ガスの第２の部分を煙道ガスの第２の流れと混合して第２の所定の酸素含有量を有する第２の酸化剤流を形成し、かつ分離された酸素ガスの第３の部分を燃料の燃焼用の炉の第１、第２及び第３の燃焼ゾーンに導くための１以上の導管であって、第１の酸化剤流を炉の第１の燃焼ゾーンに導き、第２の酸化剤流を炉の第１、第２及び第３の燃焼ゾーンに導く１以上の導管も備えることができる。ボイラユニットは、分離された酸素ガスの第３の部分の第１の量を第１の燃焼ゾーンに送り、分離された酸素ガスの第３の部分の第２の量を第２の燃焼ゾーンに送り、かつ分離された酸素ガスの第３の部分の第３の量を第３の燃焼ゾーンに送ることによって炉の燃焼ゾーンを化学量論的に制御するための制御器も備えることができる。第１の量、第２の量及び第３の量は、第１、第２及び第３の燃焼ゾーンでの燃料の燃焼のための所定の酸素の合計量と、第１及び第２の酸化剤流内にあると決定された酸素の量との間の差に基づいて決定することができる。

燃料を燃焼させるために、第１の燃焼ゾーン、第２の燃焼ゾーン及び第３の燃焼ゾーンを有する炉に燃料を送る段階、空気分離ユニットによって空気から酸素ガスを分離する段階、分離された酸素ガスの第１の部分を、炉から放出された第１の煙道ガス流と混合して、第１の酸化剤流を形成する段階、分離された酸素ガスの第２の部分を、炉から放出された第２の煙道ガス流と混合して、第２の酸化剤流を形成する段階、第１の酸化剤流を炉の第１の燃焼ゾーンに導く段階、第２の酸化剤流を炉の第１、第２及び第３の領域に導く段階、分離された酸素ガスの第３の部分の第１の量が第１の領域に送られ、分離された酸素ガスの第３の部分の第２の量が第２の領域に送られ、かつ分離された酸素ガスの第３の部分の第３の量が第３の領域に送られるように、分離された酸素ガスの第３の部分を、所定の燃焼ゾーンの化学量論に基づいて、第１、第２及び第３の燃焼ゾーンに分配する段階、並びに、分離された酸素ガスの第３の部分の第１、第２及び第３の量を、第１、第２及び第３の燃焼ゾーンでの燃料の燃焼のための所定の酸素の合計量と、第１及び第２の酸化剤流内にあると決定された酸素の量との間の差に基づいて決定する段階を、酸素燃焼ボイラユニットを運転する方法は少なくとも含むことができる。

酸素燃焼ボイラユニットの運転を制御するための制御器もまた提供される。第１の燃焼ゾーン、第２の燃焼ゾーン、第３の燃焼ゾーンの各々で燃焼させるために炉に送られる燃料の流量を設定し、分離された酸素ガスの第１の部分を、炉から放出された第１の煙道ガス流と混合して、炉の第１の燃焼ゾーンに導かれる第１の酸化剤流を形成し、分離された酸素ガスの第２の部分を、炉から放出された第２の煙道ガス流と混合して、炉の第１、第２及び第３の燃焼ゾーンに導かれる第２の酸化剤流を形成し、分離された酸素ガスの第３の部分の第１の量が第１の領域に送られ、分離された酸素ガスの第３の部分の第２の量が第２の領域に送られ、かつ分離された酸素ガスの第３の部分の第３の量が第３の領域に送られるように、分離された酸素ガスの第３の部分を、所定の燃焼ゾーンの化学量論に基づいて、第１、第２及び第３の燃焼ゾーンに分配し、分離された酸素ガスの第３の部分の第１、第２及び第３の量を、第１、第２及び第３の燃焼ゾーンでの燃料の燃焼のための所定の酸素の合計量と、第１及び第２の酸化剤流内にあると決定された酸素の量との間の差に基づいて決定することを、制御器のプロセッサによって実行されたとき制御器に行わせる、非一時的メモリに記憶されたプログラムを、制御器は含むことができる。いくつかの実施形態では、制御器は、ボイラユニットに送られる流体が通る導管の弁、及び他の要素との通信、導管内の、又は導管と連通している、空気分離ユニットによって分離された酸素を貯蔵することができる空気分離ユニットの貯蔵タンクとの通信、並びに、空気分離ユニットとの通信によって、分離された酸素ガスの様々な部分を混合したり、分離された酸素ガスの第３の部分を分配させたりするように構成することができることを理解されたい。

ボイラユニットの例示的な実施形態、及び関連する例示的な方法を添付の図面に示す。図面に使用されている類似の参照符号は、類似の構成部品とみなすことができることを理解されたい。

燃料を酸素燃焼するための酸素燃焼ボイラユニットの例示的な実施形態のブロック図である。 ボイラユニットを運転するための例示的な方法を示すフローチャートである。

本明細書に開示された新規性の実施形態の他の詳細、目的、及び利点は、例示的な実施形態、及び関連する例示的な方法の以下の説明から明らかになるであろう。

出願人は、酸素を混合して単一の酸化剤流を形成し、続いて、この単一の酸化剤をボイラに送ることが、システムの効率、及び劣化に影響を与えかねないことを見出した。例えば、単一の酸化剤流を使って酸素をボイラに送ると、酸素が非効率に使用され、燃料の燃焼が不安定になりかねない。さらに、単一の酸化剤流を使用すると、酸化剤流内の酸素の濃度を、酸化剤流をボイラ、又は加熱器まで通す導管などの構成部品の材料の腐食の原因になりかねない高い濃度にするように望む場合には、このような構成部品に損傷を生じさせる、又はより高価な材料を必要とする場合がある。本明細書に開示するような、酸素燃焼をベースにしたシステムのための例示的なボイラ設計、及びボイラを運転する方法は、上述の課題に対処することができる。

図１は、１以上のボイラユニットを含むことができる発電システムの一部分としての例示的な酸素燃焼ボイラユニットを示す。このようなシステムのうちの１つのボイラユニットでは、複数の燃焼ゾーン、例えば、第１の領域１００ａ、第２の領域１００ｂ、及び第３の領域１００ｃを炉の燃焼室内に有する炉１００を含むことができる。領域１００ａ、１００ｂ、及び１００ｃの各々は、燃料供給部１０３から炉に供給される燃料の特定の部分を燃焼するように構成することができる。このような燃料の一例としては、石炭又は別のタイプの化石燃料とすることができる。石炭を使用する実施形態では、石炭は、炉１００に送られる前に粉砕することができる。

第２の領域１００ｂは、第１の領域１００ａと第３の領域１００ｃとの間に配置される。第１の領域１００ａは、炉に送られる燃料を受け入れるよう配置することができ、第３の領域１００ｃは、炉の出口の最も近くに配置することができる。炉の第１の領域１００ａ内にはバーナを１つだけとすることができる、或いは、炉の第１の領域１００ａ内には、炉の第１、第２及び第３の領域内の燃料を燃焼させるために間隔を置いて配置された、複数の離間したバーナを配置することができる。いくつかの実施例では、４つのバーナ、８つのバーナ、或いは、それより多い、又は少ないバーナとすることができ、これらのバーナは炉の燃焼室の内周の周りに間隔を置いて配置される。相互に間隔を置いて配置されることに加えて、バーナのうちのいくつかは、他のバーナの位置よりも高い位置に配置されて、燃焼室内を容易に所望の加熱プロファイルにすることに役立つ。

導管部分は、炉に連通可能に接続されて、炉に様々な流れを供給して燃料の燃焼を促進することができる。このような導管部分は、調節可能に制御される、導管の複数の弁、又は他の制御要素を含んで、炉の異なる領域に送られる様々な流れの量を変えることができる。図１に示す矢印から理解できるように、ボイラユニットの様々な流れは炉から放出されると、導管部分を通過し、続いて処理され、かつ使用されるが、これらの導管部分は、流れを混合し、炉に戻すための部分を含む。

燃料の燃焼からの生成物（例えば、ガス状のＣＯ₂、ＣＯ、Ｈ₂Ｏなど）を含む煙道ガス１１１は、炉の出口から放出することができる。炉から放出された煙道ガス１１１は、タービン（図示せず）によって発電するために使用される熱を有することができる。この後、煙道ガス１１１から、煙道ガス１１１のＮＯ_xやＳＯ_xの成分などの汚染物質、又は他の望ましくない成分を吸収、吸着、又はその他の方法で除去するために使用されるスクラバ要素、又は他の装置などの煙道ガス清浄機１０４に煙道ガスを送ることができる。

導管部分は、炉から煙道ガス清浄機１０４に延在して、煙道ガス１１１を移送して処理することができる。次いで、煙道ガス１１１は、第１の煙道ガス流１１２、及び第２の煙道ガス流１１３など、２以上の流れに分けることができる。煙道ガス１１１が煙道ガス清浄機１０４で処理された後、続いて、煙道ガス清浄機１０４と加熱器１０５との間に配置され、煙道ガス清浄機１０４と連通して煙道ガスを移送して煙道ガスを異なる流れに分ける、導管、容器、弁、或いは煙道ガス清浄機１０４の上流、又は／及び下流に配置された導管の他の部分で煙道ガス１１１を分けることができる。導管の弁、又は他の制御要素は、この導管部分内に配置されて、異なる流れに分けるべき煙道ガスの量を容易に調節可能に制御することができる。

ファン又はポンプは、導管と連通して、煙道ガスを所望の流量で動かすことができる。第１及び第２の煙道ガス流の流量は、導管に通信可能に接続されて煙道ガス流の流量を制御する制御器１２６によって決定することができる。

制御器１２６は、ユニット負荷要求に基づいた制御関数曲線から第１及び第２の煙道ガス流１１２及び１１３の流量を決定して、煙道ガスに対する全部の要求量を特定することができる。次いで、第１の煙道ガス流１１２は、炉に送られている燃料の流量に基づいて決定することができ、第２の煙道ガス流１１３は、全部の煙道ガス流の要求量から第１の煙道ガス流を差し引くことに基づいて決定することができる。制御器１２６は、燃料流量検出器、又は他の測定ユニット、或いは、炉への燃料の送出を制御又は監視する装置と通信することによって、追加する燃料の流量、又は炉に送られる燃料の量を設定することができる。制御器１２６はまた、測定装置、又は炉への燃料の送出を制御又は監視する装置から制御器１２６が受け取ったデータに基づいて、炉に送られる燃料の量を決定することによって、炉に送られる燃料の流量を設定することもできる。

炉から放出される煙道ガス１１１の酸素含有量は、１以上の測定装置、又は他のタイプの測定ユニットによって監視することができる。例えば、測定装置は、酸素検出器、或いは、煙道ガスの流れの中の酸素の含有量を決定するために使用可能なデータを収集する他のタイプの流量検出器、又はセンサとすることができる。各測定装置は、炉から放出された煙道ガス１１１が通過する導管内に配置することができ、他の測定装置は、煙道ガス清浄機の下流の導管に配置されて、第１及び第２の煙道ガス流１１２及び１１３の酸素含有量を監視することができる。

続いて、空気から分離された酸素ガスが、第１及び第２の煙道ガス流１１２、１１３に送られて、煙道ガス、及び煙道ガスと混合した分離された酸素ガスをそれぞれ含む第１及び第２の酸化剤流１１５、１１７を形成する。酸素ガスは、第１及び第２の煙道ガス流１１２、１１３に送られて、煙道ガス流と混合して、第１及び第２の酸化剤流１１５、１１７を形成するが、この酸素ガスは、第１及び第２の酸化剤流１１５、１１７の酸素含有量レベルを制御するように決定される流量で送ることができる。例えば、第１及び第２の酸化剤流１１５、１１７は各々、酸化剤流の酸素含有量が、酸化剤流中の物質の酸素１５体積％〜２３体積％に留まるように形成することができる。

例示的な実施形態では、第１及び第２の酸化剤流中の酸素含有量の所望の設定値が、第１及び第２の酸化剤流１１５、１１７中の物質の２１体積％であるように、第１及び第２の煙道ガス流に酸素を送ることができる。酸化剤流の酸素含有量を約２１体積％に維持すること（例えば、酸素含有量を２１±１〜３体積％に維持すること）は、空気中の酸素の濃度よりかなり高いレベルにある酸素から生じ得る、腐食及び他の保守の問題を少なくすることを助けることができる。

炉から放出された煙道ガス１１１の酸素含有量、並びに第１及び第２の煙道ガス流１１２、１１３の酸素含有量を監視して、第１及び第２の煙道ガス流１１２、１１３のそれぞれに送って、第１及び第２の酸化剤流１１５、１１７を形成するためにこれらの煙道ガス流と混合しる必要のある酸素の量を決定することができる。続いて、第１及び第２の煙道ガス流１１２及び１１３に加えられて、第１及び第２の酸化剤流１１５、１１７を形成する酸素は、形成された第１及び第２の酸化剤流１１５、１１７のそれぞれに対して、全部の酸素体積含有量が、所望の酸素含有量の範囲内、例えば、酸素１５〜２３体積％になるのに十分な量とすることができる。

容易に利用できるセンサ、検出器、又は他の測定装置は、このような流れが通過する導管部分に接続され、流量、流れの中の酸素含有量、或いは、酸素含有量を直接測定する、又はこれらの流れの中の酸素含有量の測定値を決定することを可能にする他の変数を測定することができる。測定装置は、容器、パイプ、ダクト、弁、又は他の導管要素など、このような流れが通過する導管に接続することができる。

例示的な実施形態では、このような測定装置は制御器１２６に通信可能に接続することができ、測定データを制御器１２６に通信することができる。制御器１２６は、このデータを処理して、様々な流れの中の酸素含有量を決定して、これらの流れの中の酸素含有量を監視することができ、かつボイラユニットの様々な運転パラメータを調節して、煙道ガス流、酸化剤流、又は他の流れの中の所望の酸素含有量などの様々な運転基準に合致するように流れを調節することができる。

他の実施形態では、制御器１２６は測定データによってこのような酸素含有量を特定することができ、続いて、制御器１２６は、必要に応じて、ボイラユニットを調節して、ボイラユニットの様々な運転を調節して、これらの流れの中の酸素含有量に対する所望の設定点に合致するように様々な流れの中の酸素含有量を調節することができる。制御器１２６はまた、このような酸素含有量の情報を使用して、炉の様々な領域に送られている酸素の合計量、及び炉内での燃料の特定の燃焼量を確実にするために、あとどのくらい酸素の量を炉の領域に送ることが必要かを決定することができる。例示的な実施形態では、特定の燃焼量は燃料の完全燃焼であり、その結果、燃料が確実に完全に燃焼するように炉に送るのに必要な十分な酸素が決定される。

第１及び第２の煙道ガス流１１２、１１３に送られる酸素ガスは、空気分離ユニット１０６によって、空気から抽出、又は空気から分離することができる。空気分離ユニット１０６は、酸素を窒素及び空気の他の成分から分離するように、酸素を空気から抽出又は分離するために構成された装置である。導管部分は空気分離ユニット１０６から延在して、分離された酸素ガス流１１８が、他の煙道（例えば、煙道ガス流など）と混合するために、炉１００又は導管の他の部分などのボイラユニットの様々な要素に流れる通路を画定することができる。ポンプ又はファンは、導管に連通して、このような分離された酸素ガスの流量も同様に制御することができる。

続いて、空気分離ユニット１０６によって生成された分離された酸素ガス流１１８は、第１及び第２煙道ガス流１１２、１１３に送ることができる。例えば、このように分離された酸素ガスの第１の部分１１９は、第１の煙道ガス流１１２に送られて、第１の煙道ガス流１１２と混合して、第１の酸化剤流１１５が所望の酸素含有量の範囲内にある第１の所定の酸素含有量になるように、第１の酸化剤流１１５を形成することができる。空気分離ユニット１０６によって分離された酸素ガスの第２の部分１２０は、第２の煙道ガス流１１３に送られて、第２の煙道ガス流１１３と混合して、第２の酸化剤流１１７が所望の酸素含有量の範囲内にある第２の所定の酸素含有量になるように、第２の酸化剤流１１７を形成することができる。空気分離ユニットから第１及び第２の煙道ガス流１１２、１１３に延在して、分離された酸素ガスの移送、及び酸素ガスの第１及び第２の煙道ガス流１１２、１１３との混合を容易にする導管部分は、流れを移送して混合しるために、流れが空気分離ユニット１０６から第１及び第２の煙道ガス流１１２及び１１３まで通ることができるパイプ又は他のダクト、弁、及び容器を含むことができることは、当業者であれば理解するであろう。弁は、第１及び第２の煙道ガス流と混合される酸素ガスの分配を調節可能に制御するように、制御器１２６、又は他の制御要素によって調節することができる。

第１及び第２の酸化剤流１１５、１１７は、第１及び第２の酸化剤流が加熱器１０５に送られる前に、形成することができる。加熱器１０５は、第１及び第２の酸化剤流１１５、１１７の各々の少なくとも一部分を加熱することができる。例示的な実施形態では、加熱器１０５は、第１及び第２の酸化剤流１１５、１１７の各々の全体を加熱することができる。他の実施形態では、加熱器は、各流れの一部分を加熱するのみで、各流れの別の部分は加熱器１０５をバイパスすることができる。例えば、第１の酸化剤流１１５の特定の部分は加熱器をバイパスすることができ、その後、第１の酸化剤流が炉１００に送られる前に所望の温度になるように、加熱器を通過した第１の酸化剤流の一部分と再混合することができる。加熱器１０５をバイパスすることができる第１の酸化剤流１１５の割合は運転中に変えることができ、それは、炉に送られる燃料の量、炉の所望の運転温度、及び炉内に送ろうとする第１の酸化剤流１１５の温度、並びに他の設計上の理由に依存する。すべて相互に接続され、相互に連通しているパイプ、ダクト、容器、及び弁を含む導管部分は、第１及び第２の酸化剤流１１５及び１１７が加熱器１０５を通過して流れる通路、及び第１の酸化剤流１１５の一部分が加熱器１０５をバイパスすることができる通路を画定することができる。

その後は、第１の酸化剤流１１５は、炉１００の第１の領域１００ａのみに送ることができ、第２の酸化剤流１１７は、各領域での燃料の安定燃焼の所望の量に対する、各領域への酸素の所望の量を供給するように量を変えて、炉の第１の領域１００ａ、第２の領域１００ｂ、及び第３の領域１００ｃに送ることができる。第１及び第２の酸化剤流１１５及び１１７が通過する導管は、相互に接続して、相互に連通しているパイプ、ダクト、容器、及び弁を含んで、第１及び第２の酸化剤流１１５及び１１７を炉１００の領域に移送することができる。制御器１２６は、導管の弁、又は他の要素と通信して、第２の酸化剤流１１７の炉の様々な領域への分配を制御するために、弁、又は他の要素の調節を制御することができる。

酸素ガスの第３の部分１２１は、空気分離ユニット１０６から供給され、第１の領域１００ａ、第２の領域１００ｂ、及び／又は第３の領域１００ｃに送られて、第１及び第２の酸化剤流１１５、１１７によって供給される酸素を補って、炉に送られるすべての燃料を効率的に安定して燃焼させるのに十分な炉に送られる酸素が確実にあるようにすることができる。例えば、分離された酸素ガスの第３の部分の第１の量を第１の領域１００ａに送ることができ、酸素ガスの第３の部分の第２の量を第２の領域１００ｂに送ることができ、かつ酸素ガスの第３の部分の第３の量を第３の領域１００ｃに送ることができる。酸素ガスの第３の部分１２１の第１、第２及び第３の量は、空気分離ユニット１０６で発生した分離された酸素ガス流１１８から分配される酸素ガスの第３の部分１２１内の酸素ガスの合計量とすることができる。酸素ガスの第３の部分１２１を、空気分離ユニット１０６から導管の一部分を経て移送することができ、この導管の一部分は、酸素ガスが流れることができる１以上のダクト又はパイプ、このようなパイプ又はダクトと連通する容器、並びに、このような要素に接続された弁より構成することができ、炉１００の第１、第２及び第３の領域１００ａ、１００ｂ、及び１００ｃに送られる酸素ガスの第３の部分の分配を調節するように作動することができる。

制御器１２６は、空気分離ユニット１０６と、煙道ガス、分離された酸素ガス、及び酸化剤流の様々な流れが通過する導管と、炉から放出された煙道ガス流１１１、第１及び第２の煙道ガス流１１２、１１３、並びに、第１及び第２の酸化剤流１１５、１１７の流量、及び酸素含有量を監視することができるセンサ、検出器、又は他の測定装置と、流れの流量を制御することを助けるように導管と連通しているポンプ又はファンとに通信可能に結び付けることができる。制御器１２６は、炉内での燃料の安定した火炎、又は安定した燃焼を維持しながら、燃料を完全燃焼させるように、酸素ガスの第３の部分１２１を炉の第１、第２及び第３の領域１００ａ、１００ｂ、及び１００ｃに分配すべき方法を決定するように構成することができる。

制御器１２６は、ハードウェア及び／又はソフトウェア構成要素で形成された、特別にプログラムされた１以上のプロセッサを有するコンピュータ装置とすることができ、このプロセッサは、炉１００に送られる酸素の制御に対して化学量論的な制御を規定する１以上のプログラムを記憶した非一時的メモリに通信可能に接続される。プロセッサは、例えば、Ｉｎｔｅｌ（登録商標）プロセッサｉ３−４１５８Ｕ、又は任意の他のプロセッサとすることができる。

制御器１２６はまた、様々なセンサ、検出器、様々な流れが通過する導管を制御する弁、及びボイラユニットの他の要素に通信可能に接続するための１以上のトランシーバユニットを含んで、酸素を炉に送る方法を制御することができる。トランシーバは、ボイラユニットの各要素に有線通信接続、無線通信接続、又は有線通信接続と無線通信接続との組合せが可能となるように、制御器１２６のプロセッサに接続することができる。

制御器１２６とボイラユニットのこのような要素との間に形成することができる様々な通信接続が、図１に破線で示されている。例えば、制御器１２６は、酸化剤、煙道ガス、又は分離された酸素ガス流が流れる導管、炉、燃料を炉に送る導管（例えば、様々な流れの流量を制御する弁）、或いはボイラユニットの他の要素に接続された測定装置に接続することができる。いくつかの実施形態では、制御器は、例えば、プログラマブルロジック制御器、分散制御システム（「ＤＣＳ」：ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｙｔｅｍ）、ワークステーション、サーバ、又は他のコンピュータ装置とすることができる。

炉内の各燃焼ゾーン（例えば、第１の領域１００ａ、第２の領域１００ｂ、第３の領域１００ｃ）に対する酸素の要求量に合致するように、空気分離ユニット１０６によって分離された酸素ガスのうちの酸素ガスの第３の部分１２１からの酸素の第１、第２及び第３の量が化学量論的な燃焼制御のプロセスに基づいて分配されるように、制御器１２６を構成することができる。例示的な実施形態では、発電に対する特定の要求レベルに合致するように炉１００に送られる燃料の量を決定し、また、第１の領域１００ａ内での燃料の量の第１の部分を燃焼させるための酸素の第１の量を決定するように、制御器１２６を構成することができる。炉に送られている燃料の流量を考慮し、その流量を炉の運転パラメータと関係づけて、その燃料、又は第１の領域１００ａ内の燃料の少なくとも第１の部分を完全に燃焼させるように、炉に送られる酸素の必要量を特定する制御関数曲線に基づいてこのような決定を行うことができる。この第１の部分は、炉に送られる燃料の合計量のうちの比較的多くの量とすることができ、例えば、燃料の５０％を超える、燃料の７２％以上、燃料の８２％以上、又は燃料の８５％より多い。制御器はまた、第１の領域１００ａに送られている第１の酸化剤流１１５内の酸素の量、及び第１の領域に送られる第２の酸化剤流１１７の酸素の量を決定することができる。次いで、第１の領域１００ａに送られる第１及び第２の酸化剤流１１５、１１７内の酸素の量は、炉に送られる燃料の第１の部分を燃焼させるのに必要な酸素の第１の量から差し引かれて、第１の領域内の燃料の第１の部分を安定して完全に燃焼させるために、第１の領域に分配される酸素ガスの第３の部分１２１の第１の量による、酸素に対する第１の要求量を特定する。次いで、酸素ガスの第３の部分１２１の第１の量は、第１の領域１００ａに対して決定された酸素のこの第１の要求量に合致するのに必要な酸素の量とすることができる。

制御器１２６はまた、第２の領域１００ｂ内の燃料の量の第２の部分を燃焼させるために、酸素の第２の量を決定することができる。制御関数曲線とともに、炉の第２の領域に送られている測定された全部の酸素流に基づいてこのような決定もまた行うことができる。第２の部分は、第１の部分より少なくすることができる。例えば、燃料の第２の部分は、燃料の５０％未満であり、燃料の２５％に、燃料の１８％に、燃料の１０％に、又は燃料の１０％未満とすることができる。制御器１２６はまた、第２の酸化剤流１１７によって第２の領域１００ｂに送られる酸素の量を決定して、その酸素の量を、第２の領域１００ｂ内の燃料の第２の部分を燃焼させるのに必要と決定された酸素の第２の量から差し引いて、第２の領域１００ｂ内の燃料の第２の部分を安定して燃焼させるための、第２の領域に対する酸素の第２の要求量を決定することができる。次いで、酸素ガスの第３の部分１２１の第２の量は、第２の領域１００ｂに対して決定された酸素のこの第２の要求量に合致するのに必要な酸素の量とすることができる。

第３の領域１００ｃ内の燃料の量の第３の部分を燃焼させるための酸素の第３の量もまた、制御器１２６によって決定することができる。炉の運転パラメータ、炉に送られる燃料の流量、及び第２の酸化剤流１１７によって第３の領域に送られている酸素に基づく制御関数曲線に基づいてこのような決定を行うことができる。第３の部分は、第２の部分より少なく、また第１の部分より少なくすることができる。第３の部分は、例えば、炉に送られる燃料の２５％未満、２０％、１５％、１０％、５％、又は５％未満にすることができる。第２の酸化剤流１１７によって第３の領域１００ｃに送られる酸素の量もまた決定され、次いで、燃料の第３の部分を燃焼させるのに必要な酸素の第３の量から差し引かれて、第３の領域内の燃料の第３の部分を安定して燃焼させるための、第３の領域に対する酸素の第３の要求量を決定することができる。次いで、酸素ガスの第３の部分１２１の第３の量は、第３の領域１００ｃに対して決定された酸素のこの第３の要求量に合致するのに必要な酸素の量とすることができる。

空気分離ユニット１０６によって空気から分離された酸素ガスのうちの酸素ガスの第３の部分内の酸素の合計量は、第１、第２及び第３の領域１００ａ、１００ｂ、及び１００ｃの第１、第２及び第３の要求量に合致するように決定又は所定の酸素の第１、第２及び第３の量の合計であることを理解されたい。分離された酸素ガスの第１及び第２の部分は、第１及び第２の煙道ガス流１１２、１１３に送られる酸素の量に基づいて指定され、第１及び第２の酸化剤流１１５、１１７が所望の酸素含有量の範囲（例えば約２１体積％、又は１８〜２３体積％の所定の酸素含有量）内になるのに十分な酸素含有量を確実に有することができる。これらの知られた酸素の量に基づいて、空気分離ユニット１０６からの酸素の全部の出力量は指定することができ、その結果、制御器は空気分離ユニットと通信して、炉の酸素の要求量に合致するように、酸素ガスの分離及び出力を制御することができる。

いくつかの実施形態では、制御器１２６は、酸素ガスの第１及び第２の部分１１９、１２０を、第１及び第２の酸化剤流１１５及び１１７を所望の所定の酸素含有量分に保つように望まれた酸素の量にすることに基づいた、第１及び第２の酸化剤流に対する酸素の要求量のみに合致するように構成することができる。次いで、空気分離ユニットによって分離される酸素ガスの第３の部分１２１内の酸素の量は、制御器によって処理される燃焼ゾーンの化学量論的な制御に基づいてのみ決定することができる。

炉内の火炎が、特定の領域で高温になり過ぎず、炉内の他の領域で低温になり過ぎないように、燃料を確実に各領域で安定して燃焼させるために、所定の余剰の酸素の量を炉に供給することができ、これは、炉の各燃焼ゾーンに必要な酸素の要求量を決定する要因とすることができる。炉の各領域内の燃料を確実に安定して燃焼させるのに十分な酸素が確実に炉内にあるようにするためには、例えば、１〜１０％の所定の酸素の余剰含有量が望まれる。この酸素の余剰量を確実に炉に、及び必要に応じて炉の各領域に送るために、この追加の１〜１０％の酸素の必要量を、上記の計算に組み込むことができる。炉から放出された煙道ガス１１１を監視して、燃料が安定して燃焼するために十分な余剰酸素が炉内に確実に存在するように、放出された煙道ガスの酸素含有量が、確実に１〜１０体積％の酸素含有量範囲内にある、又は煙道ガス中の物質の２体積％又は３体積％又は５体積％の酸素含有量の設定点で維持されていることに基づいて、この余剰量に対して制御することができる。このような酸素の余剰レベルを維持するために、燃料の合計量を燃焼させるために必要な、炉のすべての燃焼ゾーンに対する酸素の合計量に、１．０１、１．０２、１．０３、又は１．０５を掛けて、燃焼のために分配される酸素ガスの第３の部分１２１内の酸素に対する要求量を決定することができる。

ボイラユニットの実施形態は、上記の要素に加えて他の要素を有することができ、又はこのような実施形態に対する変更を有することができることを理解されたい。例えば、煙道ガス、酸素、又は酸化剤の流量を調節して、炉の燃焼の要求量に合致するように所望の流量に調節するように、制御器によって弁を制御することができる。弁はまた、制御器１２６によって作動されて、全開に、全閉に、或いは調整可能に部分的に開ける、又は部分的に閉じて、燃料を燃焼させるために炉に送られる流量及び酸素含有量を制御することができる。煙道ガス、酸化剤流、及び酸素が通ることができる様々なタイプの通路を画定して、流れが通過しなければならない任意の数の様々な弁及び容器を含むように構成された、任意の数の様々な導管部分があり得る。このような導管に連通し、このような流れの流量を調節するために制御器が通信することができる任意の数のポンプ又はファンもまたあり得る。本明細書で論じたいずれの流れの所定の酸素含有量も、本明細書で例として明記した数字、又は範囲と異なることがあることもまた理解されたい。例えば、酸化剤流は、１８％より少ない酸素含有量など、様々な酸素含有量で維持することができ、又は様々な所定の酸素含有量内で制御することができることが企図されている。

空気分離ユニットは空気から酸素のみを完全に分離することができないことがあるので、空気分離ユニット１０６によって空気から分離された酸素ガスはまた、窒素、又は空気の他の成分などの他の要素を比較的少量含み得ることもまた理解されたい。例えば、酸素ガスは、分離された酸素ガス流１１８、或いは煙道ガス流、又は炉の領域に分配されるこの酸素ガス流の部分の８５〜９９体積％の含有量を構成することができる。

本明細書で明記された任意の特定の実施形態におけるボイラユニットの上記の特徴のいずれも、他の実施形態の他の特徴、又は要素と組み合わせることができるが、少なくとも当業者によって認識されるように、このような組合せが相互に排他的である、又はそれと矛盾している場合は除外されることを理解されたい。

従って、本発明を、その精神、又は本質的な特性から逸脱することなく、他の特定の形態に具現化することができることは、当業者には理解されるであろう。開示した本実施形態は、従って、あらゆる点で、例示としてみなされるべきであり、限定されるものとみなされるべきではない。本発明の範囲は、前述の説明よりもむしろ添付の特許請求の範囲によって示され、請求項の意味、範囲、及び等価物の内にあるすべての変更は、請求項の範囲内に包含されることが意図される。

Claims (20)

1. 酸素燃焼ボイラユニットであって、
   燃料を燃焼させるとともに燃焼で得られる煙道ガスを放出するための炉であって、第１の燃焼ゾーン、第２の燃焼ゾーン及び第３の燃焼ゾーンを有する炉と、
   空気を受け入れて空気から酸素ガスを分離するための空気分離ユニットと、
   分離された酸素ガスの第１の部分を煙道ガスの第１の流れと混合して第１の所定の酸素含有量を有する第１の酸化剤流を形成し、かつ分離された酸素ガスの第２の部分を煙道ガスの第２の流れと混合して第２の所定の酸素含有量を有する第２の酸化剤流を形成し、かつ分離された酸素ガスの第３の部分を燃料の燃焼用の炉の第１、第２及び第３の燃焼ゾーンに導くための１以上の導管であって、第１の酸化剤流を炉の第１の燃焼ゾーンに導き、第２の酸化剤流を炉の第１、第２及び第３の燃焼ゾーンに導く１以上の導管と、
   分離された酸素ガスの第３の部分の第１の量を第１の燃焼ゾーンに送り、分離された酸素ガスの第３の部分の第２の量を第２の燃焼ゾーンに送り、かつ分離された酸素ガスの第３の部分の第３の量を第３の燃焼ゾーンに送ることによって、炉の燃焼ゾーンを化学量論的に制御するための制御器であって、第１の量、第２の量及び第３の量が、第１、第２及び第３の燃焼ゾーンでの燃料の燃焼のための所定の酸素の合計量と、第１及び第２の酸化剤流内にあると決定された酸素の量との間の差に基づいて決定される、制御器と
   を備える酸素燃焼ボイラユニット。
2. 制御器が、
   各燃焼ゾーンに向かう第１の酸化剤流及び／又は第２の酸化剤流内に含まれる酸素含有量を、各燃焼ゾーン内の燃料を燃焼させるための所定の酸素含有量から差し引くことによって、第１、第２及び第３の燃焼ゾーンの各々に対する酸素要求量を生成し、
   酸素要求量に基づいて、酸素の第３の部分の第１の量、第２の量及び第３の量を第１、第２及び第３の燃焼ゾーンに供給するように構成される、請求項１記載のボイラユニット。
3. 第１の所定の酸素含有量が、第１の酸化剤流中の物質の１５体積％〜２３体積％であり、第２の所定の酸素含有量が、第２の酸化剤流中の物質の１５体積％〜２３体積％である、請求項２記載のボイラユニット。
4. 制御器が、
   燃焼ゾーンの化学量論的制御によって分離された酸素ガスの第３の部分の分配を制御し、
   第１及び第２の酸化剤流が各々、第１及び第２の所定の酸素含有量を確実に有するように、分離された酸素ガスの第１及び第２の部分を制御し、
   炉から放出される煙道ガスが第３の所定の酸素含有量を有するように、分離された酸素ガスの第３の部分の第１、第２及び第３の量を決定するように構成される、請求項３記載のボイラユニット。
5. 第３の所定の含有量が、煙道ガス中の物質の１体積％〜１０体積％である、請求項４記載のボイラユニット。
6. 第１の酸化剤流の一部分及び第２の酸化剤流の一部分を、これらの流れが炉に送られる前に加熱するための加熱器を備える、請求項１記載のボイラユニット。
7. 第１の酸化剤流の第２の部分が加熱器をバイパスし、加熱器の下流で第１の酸化剤流の第１の部分と合流するようにさせる導管を備える、請求項６記載のボイラユニット。
8. 炉が、炉の第１の燃焼ゾーン内に配置された複数の離間したバーナを備え、バーナの各々が、第１の燃焼ゾーンに送られた第１の酸化剤流の各部分を受け取る、請求項１記載のボイラユニット。
9. 空気分離ユニットによって分離された酸素ガスの量が、第１及び第２の煙道ガス流第２及び第３内の酸素の合計量から、燃料を燃焼させるための酸素の合計量を差し引くことによって決定された量以上になるように、制御器が、空気分離ユニットによって分離される空気の量を制御するように構成される、請求項１記載のボイラユニット。
10. 炉が石炭燃焼炉であり、第１の所定の酸素含有量が第１の酸化剤流中の物質の合計量の２３体積％未満であり、第２の所定の酸素含有量が第２の酸化剤流中の物質の合計量の２３体積％未満である、請求項１記載のボイラユニット。
11. 炉から放出された煙道ガスを処理し、ＮＯ_x成分を除去し、次いで煙道ガスを第１の煙道ガス流と第２の煙道ガス流に分けるための手段と、
    第１及び第２の酸化剤流の酸素含有量の所定の量を決定するために、制御器にデータを提供するための１以上の測定装置であって、各々が導管に接続されている１以上の測定装置と
    を備える、請求項１記載のボイラユニットであって、
    １以上の導管が、空気分離ユニットから炉に延在する複数のダクト、及びダクトに接続された複数の弁を含み、制御器が、空気分離ユニットによって分離された酸素ガスの第１、第２及び第３の部分を第１の酸化剤流、第２の酸化剤流及び炉へ分配することを制御するために弁に通信可能に接続される、ボイラユニット。
12. 燃料を燃焼させるために、第１の燃焼ゾーン、第２の燃焼ゾーン及び第３の燃焼ゾーンを有する炉に燃料を送り、
    空気分離ユニットによって空気から酸素ガスを分離し、
    分離された酸素ガスの第１の部分を、炉から放出された第１の煙道ガス流と混合して、第１の酸化剤流を形成し、
    分離された酸素ガスの第２の部分を、炉から放出された第２の煙道ガス流と混合して、第２の酸化剤流を形成し、
    第１の酸化剤流を炉の第１の燃焼ゾーンに導き、
    第２の酸化剤流を炉の第１、第２及び第３の領域に導き、
    分離された酸素ガスの第３の部分の第１の量が第１の領域に送られ、分離された酸素ガスの第３の部分の第２の量が第２の領域に送られ、かつ分離された酸素ガスの第３の部分の第３の量が第３の領域に送られるように、分離された酸素ガスの第３の部分を、所定の燃焼ゾーンの化学量論に基づいて、第１、第２及び第３の燃焼ゾーンに分配し、
    分離された酸素ガスの第３の部分の第１、第２及び第３の量を、第１、第２及び第３の燃焼ゾーンでの燃料の燃焼のための所定の酸素の合計量と、第１及び第２の酸化剤流内にあると決定された酸素の量との間の差に基づいて決定する
    ことを含む酸素燃焼ボイラユニットを運転する方法。
13. 分離された酸素ガスの第１の量、第２の量及び第３の量を決定することが、
    炉に送られている燃料の量を決定し、
    各燃焼ゾーンに向かう第１酸化剤流、及び／又は第２の酸化剤流に含まれる酸素含有量を、各燃焼ゾーン内の燃料を燃焼させるための所定の酸素含有量から差し引くことによって、第１、第２及び第３の燃焼ゾーンの各々に対する酸素の要求量を生成し、
    酸素の第３の部分の第１、第２及び第３の量を、酸素の要求量に基づいて、第１、第２及び第３の燃焼ゾーンに供給する
    ことを含む、請求項１２記載の方法。
14. 燃焼ゾーンの化学量論的制御によって分離された酸素ガスの第３の部分の分配を制御し、
    第１及び第２の酸化剤流が各々、第１及び第２の所定の酸素含有量を確実に有するように、分離された酸素ガスの第１及び第２の部分を制御し、
    炉から放出される煙道ガスが第３の所定の酸素含有量を有するように、分離された酸素ガスの第３の部分の第１、第２及び第３の量を決定する
    ことを含む請求項１３記載の方法。
15. 第１の所定の酸素含有量が、第１の酸化剤流の物質の１５体積％〜２３体積％であり、第２の所定の酸素含有量が、第２の酸化剤流の物質の１５体積％〜２３体積％である、請求項１４記載の方法。
16. 第３の所定の酸素含有量が、煙道ガス中の物質の１体積％〜１０体積％である、請求項１５記載の方法。
17. 第１及び第２の酸化剤流の第１の部分が炉に送られる前に、第１の部分を加熱することを含む請求項１４記載の方法。
18. 第１の酸化剤流の第２の部分が加熱器をバイパスし、
    第１の酸化剤流の第１の部分が加熱された後、第１の酸化剤流の第１及び第２の部分を合流させて単一の流れにする
    ことを含む請求項１７記載の方法。
19. 空気分離ユニットによって分離される酸素ガスの量が、第１及び第２の煙道ガス流第２及び第３内の酸素の合計量から、燃料を燃焼させるための酸素の合計量を差し引くことによって決定された量以上になるように、空気分離ユニットによって分離される空気の量を制御し、
    炉から放出された煙道ガスの酸素含有量、第１の酸化剤流の酸素含有量、及び第２の酸化剤流の酸素含有量を監視する
    ことを含む請求項１２記載の方法。
20. 酸素燃焼ボイラユニットの運転を制御するための制御器であって、
    第１の燃焼ゾーン、第２の燃焼ゾーン、第３の燃焼ゾーンの各々で燃焼させるために炉に送られる燃料の流量を設定し、
    分離された酸素ガスの第１の部分を、炉から放出された第１の煙道ガス流と混合して、炉の第１の燃焼ゾーンに導かれる第１の酸化剤流を形成し、
    分離された酸素ガスの第２の部分を、炉から放出された第２の煙道ガス流と混合して、炉の第１、第２及び第３の燃焼ゾーンに導かれる第２の酸化剤流を形成し、
    分離された酸素ガスの第３の部分の第１の量が第１の領域に送られ、分離された酸素ガスの第３の部分の第２の量が第２の領域に送られ、かつ分離された酸素ガスの第３の部分の第３の量が第３の領域に送られるように、分離された酸素ガスの第３の部分を、所定の燃焼ゾーンの化学量論に基づいて、第１、第２及び第３の燃焼ゾーンに分配し、
    分離された酸素ガスの第３の部分の第１、第２及び第３の量を、第１、第２及び第３の燃焼ゾーンでの燃料の燃焼のための所定の酸素の合計量と、第１及び第２の酸化剤流内にあると決定された酸素の量との間の差に基づいて決定する
    ことを、実行されたとき制御器に行わせる、非一時的メモリに記憶されたプログラムを含む制御器。