JP2019178823A - 火力発電プラント、混焼ボイラ及びボイラの改造方法 - Google Patents
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Abstract
Description
また、アンモニアを燃料として火炉へ供給する際は、化石燃料等の炭素含有燃料と共に火炉内へアンモニアを供給する必要があるが、炭素含有燃料用のバーナは炭素含有燃料を効率的に燃焼させ得るように構成されており、このようなバーナをアンモニア供給用に用いる際には燃焼安定性低下への対策としてバーナの改造が必要となる。よって、この場合も改修工事が大掛かりになるという問題があった。
開口部を有する火炉壁を含む火炉と、
前記火炉壁の前記開口部に取り付けられるバーナユニットと、
前記火炉内における燃焼ガスの流れ方向において前記バーナユニットの下流側に設けられる追加空気供給部と、を備える炭素含有燃料及びアンモニア燃料の混焼ボイラであって、
前記バーナユニットは、
前記炭素含有燃料を燃焼させるように構成された少なくとも一つの第1バーナと、
前記アンモニア燃料を前記火炉内に供給するためのアンモニア燃料供給ポートと、
を含む。
そして、上記(1)の構成によれば、既設のバーナユニットを改造したりバーナユニットを新設したりする際に、炭素含有燃料を燃焼させる各々の第1バーナ自体の設計変更を必要とせずにアンモニア燃料供給ポートから火炉内にアンモニア燃料を供給することができるから、既存のボイラの構造又は設計への変更を抑制しつつ、アンモニアを燃料として利用可能にすることができる。またこれにより、第1バーナの燃焼安定性を損なうことなくアンモニア混焼ボイラでのNOx排出量を低減することができる。
なお、本明細書において、「アンモニア燃料」とは、アンモニアを含有する燃料をいい、アンモニアとともに他の成分(例えば水素、水分、窒素等)を含有していてもよい。
また、アンモニア燃料供給ポートは、ボイラの稼働時に実際に炭素含有燃料を供給している第1バーナ以外の噴射口又はポートであればよく、少なくとも一つの第1バーナのうちボイラの稼働時に炭素含有燃料の供給に用いない第1バーナをアンモニア燃料供給ポートとして用いてもよい。
前記アンモニア燃料供給ポートは、前記バーナユニットのうち最上流側又は最下流側に位置してもよい。
前記アンモニア燃料供給ポートは、前記ボイラの稼働時に前記炭素含有燃料の供給を受けていない第2バーナの燃料噴射口又は空気ポートであってもよい。
前記アンモニア燃料供給ポートは、前記火炉内に前記アンモニア燃料と空気とを供給するように構成されてもよい。
前記アンモニア燃料供給ポートは、前記火炉内に前記アンモニア燃料のみを供給するように構成されてもよい。
前記火炉のうち前記アンモニア燃料供給ポートの設置位置と前記追加空気供給部の設置位置との間の部位の容積V[m3]とし、前記火炉内の燃焼ガスの体積流量をF[m3/sec]としたとき、前記アンモニア燃料供給ポートの設置位置はV/F≧1[sec]を満たすように設定されてもよい。
全燃料に対する前記アンモニア燃料のカロリー比が、10%以上30%以下であってもよい。
開口部を有する火炉壁を含む火炉と、
前記火炉壁の前記開口部に取り付けられるバーナユニットと、
前記火炉内における燃焼ガスの流れ方向において前記バーナユニットの下流側に設けられる追加空気供給部と、を備えた炭素含有燃料及びアンモニア燃料の混焼ボイラであって、
前記バーナユニットは、
前記炭素含有燃料を燃焼させるように構成された少なくとも一つの第1バーナと、
前記炭素含有燃料と前記アンモニア燃料とを選択的に切り替えて前記火炉内に供給可能な第3バーナと、を含む。
上記(1)〜(8)の何れか1つに記載の混焼ボイラと、
前記ボイラで生成された蒸気により駆動される蒸気タービンと、を備える。
開口部を有する火炉壁を含む火炉と、
前記火炉壁の前記開口部に取り付けられるバーナユニットと、
前記火炉内における燃焼ガスの流れ方向において前記バーナユニットの下流側に設けられる追加空気供給部と、を備えるボイラの改造方法であって、
前記バーナユニットは、
前記バーナユニットの最上流側に位置する上流側空気ポートと、
前記バーナユニットの最下流側に位置する下流側空気ポートと、
前記流れ方向において前記上流側空気ポートと前記下流側空気ポートとの間に位置する複数のバーナと、
を含み、
前記上流側空気ポート、前記下流側空気ポート、または、前記複数のバーナのうち前記ボイラの稼働時に炭素含有燃料が流れる第1バーナ以外の第2バーナに対して、アンモニア燃料の供給ラインを接続するステップを備える。
前記アンモニア燃料の供給ラインを接続するステップでは、前記上流側空気ポート又は前記下流側空気ポートに前記アンモニア燃料の供給ラインを接続してもよい。
前記アンモニア燃料の供給ラインを接続するステップでは、前記上流側空気ポートに前記アンモニア燃料の供給ラインを接続してもよい。
炭素含有燃料及びアンモニア燃料の混焼ボイラの運転方法であって、
前記炭素含有燃料を燃焼させるように構成された少なくとも一つの第1バーナには前記炭素含有燃料を供給し、
前記炭素含有燃料と前記アンモニア燃料とを選択的に切り替えて前記混焼ボイラの火炉内に供給可能な第3バーナから前記アンモニア燃料を供給するときは、前記第3バーナから前記炭素含有燃料を供給しない。
例えば、「ある方向に」、「ある方向に沿って」、「平行」、「直交」、「中心」、「同心」或いは「同軸」等の相対的或いは絶対的な配置を表す表現は、厳密にそのような配置を表すのみならず、公差、若しくは、同じ機能が得られる程度の角度や距離をもって相対的に変位している状態も表すものとする。
例えば、「同一」、「等しい」及び「均質」等の物事が等しい状態であることを表す表現は、厳密に等しい状態を表すのみならず、公差、若しくは、同じ機能が得られる程度の差が存在している状態も表すものとする。
例えば、四角形状や円筒形状等の形状を表す表現は、幾何学的に厳密な意味での四角形状や円筒形状等の形状を表すのみならず、同じ効果が得られる範囲で、凹凸部や面取り部等を含む形状も表すものとする。
一方、一の構成要素を「備える」、「具える」、「具備する」、「含む」、又は、「有する」という表現は、他の構成要素の存在を除外する排他的な表現ではない。
図1に示すように、火力発電プラント1は、炭素含有燃料とアンモニア燃料との混焼ボイラ2(以下、ボイラ2またはアンモニア混焼ボイラ2ともいう)と、ボイラ2で発生した熱により加熱されて生成された蒸気によって駆動される蒸気タービン3と、蒸気タービン3により駆動されて発電する発電機4と、発電に寄与し仕事を終えた蒸気を液相に戻す復水器5と、復水器5で液化された水を循環させるポンプ6と、ボイラ2からの排気を排出する煙突8と、を備えている。
また、蒸気タービン3は、図1の例に限定されず、例えば、他のタンデムコンパウンド(くし形)やクロスコンパウンド(並列型)の構成を備えていてもよい。また、蒸気タービン3は、高圧、中圧、低圧の種々のタービンの組み合わせてなるユニットにより構成されていてもよい。この場合、高圧タービン3aを駆動した後の蒸気は、例えば、再熱器等の熱交換器7によりボイラ2内で再度加熱された後に中圧タービンに供給されてもよい。
幾つかの実施形態において、ボイラ2は、図示しないミルにより炭素含有燃料としての石炭(化石燃料)を粉砕して生成した微粉炭(石炭の微粉)を燃焼させるように構成された微粉炭焚きボイラであってもよい。幾つかの実施形態において、ボイラ2は、燃料として化石燃料に加えてアンモニア燃料を用い、該化石燃料とアンモニア燃料との混焼を行う混焼ボイラとして構成され得る。なお、化石燃料は微粉炭に限定されず、例えば、重油、軽油、液化天然ガス(LNG)等、他の種類や他の形態の化石燃料であってもよい。また、炭素含有燃料は化石燃料のほかバイオマス燃料を含み得る。
そして、本開示の一実施形態におけるバーナユニット30は、ボイラ2の稼働時に炭素含有燃料を燃焼させる少なくとも一つのバーナ(第1バーナ)31と、アンモニア燃料を火炉20内に供給するためのアンモニア燃料供給ポート24と、を含む。なお、アンモニア燃料供給ポート31は第1バーナ31とは別に設けられていてもよい(例えば、図7(a)参照)。
幾つかの実施形態において、ボイラ2は、バーナ31に化石燃料を供給するための第1燃料供給ライン38を備えている。即ち、図1に示す化石燃料供給部43から第1燃料供給ライン38を介してバーナ31に微粉炭と搬送用ガスとの混合気体、オイル又はガスが供給され、バーナ31にて1次空気と混合燃焼し、燃焼ガスが火炉20内に噴出される。
この追加空気供給部33から供給される2次空気は、アフターエアー(AA)又はオーバーファイヤーエア(OFA)とも呼ばれ、1次空気供給部32により供給される1次空気で燃焼しきれずに燃え残った化石燃料を完全燃焼させるために、追加的に酸素を供給するために供給される。
このように、ボイラ2は、1次空気を供給する1次空気供給部32と、2次空気を供給する追加空気供給部33とで段階的に火炉20内に空気(酸素)を供給し、化石燃料を段階的(2段階)に燃焼させて完全燃焼させる構成となっている。このように、本実施形態のボイラ2は所謂2段燃焼ボイラとして構成される。
なお、各空気供給部32,33は、送風機として各々が個別のブロワ(図示省略)等によって空気を供給してもよいし、同一のブロワ(図示省略)から分岐させて空気を供給する構成であってもよい。各々の空気供給流路には流量調整弁(図示省略)が設けられ、各流量調整弁は、個別に全閉から全開の状態までとり得るように開度制御可能となっている。また、図2では1つの火炉20にそれぞれ1次空気供給部32、追加空気供給部33、化石燃料供給部43及びアンモニア燃料供給部35が1つずつ設けられた様子を示しているが、これらの構成要素(32,33,43,35)の少なくとも何れか1つが火炉20の周方向において何れの方向に設けられていてもよく、1つの火炉20に対して複数或いは2方向以上に配置されていてもよい。
そして、上記の構成によれば、既設のバーナユニット30を改造したりバーナユニット30を新設したりする際に、炭素含有燃料を燃焼させる各々の第1バーナ31自体の設計変更を必要とせずに第1バーナ31とは別のアンモニア燃料供給ポート40から火炉20内にアンモニア燃料を供給することができるから、既存のボイラの構造又は設計への変更を抑制しつつ、アンモニアを燃料として利用可能にすることができる。またこれにより、第1バーナ31の燃焼安定性を損なうことなくアンモニア混焼ボイラ2でのNOx排出量を低減することができる。
なお、本明細書において、「アンモニア燃料」とは、アンモニアを含有する燃料をいい、アンモニアとともに他の成分(例えば水素、水分、窒素等)を含有していてもよい。
また、アンモニア燃料供給ポート40は、ボイラ2の稼働時に実際に炭素含有燃料を供給している第1バーナ31以外の噴射口又はポートであればよく、少なくとも一つの第1バーナ31のうちボイラ2の稼働時に炭素含有燃料の供給に用いていない第1バーナ31をアンモニア燃料供給ポート40として用いてもよい。
[数1]
V/F≧1[sec] ・・・(1)
その際、上記移動の方向(燃焼ガスの流れ方向A)に直交する火炉20内部の断面積は、火力発電プラント1の定格出力やサイクル形態、発電効率等を考慮した種々の設計事情等により、火炉20での燃焼ガスの流れ方向Aにおいて一様の場合もあれば一様でない場合もあり得、燃焼ガスの流れ方向Aに沿う距離xに応じて変化することもあり得る。このため、燃焼ガスの流れ方向Aに直交する火炉20内部の断面積を、例えば、燃焼ガスの流れ方向Aに沿う距離xの関数S(x)[m2]とすると、容積Vは以下の数式(2)のように表すことができる。
[数2]
V=∫S(x)dx ・・・(2)
即ち、幾つかの実施形態において、火炉20と、化石燃料を火炉20内で燃焼させるためのバーナ31と、化石燃料を燃焼させるための追加空気を火炉20に供給するように構成された追加空気供給部33と、を備える既存のボイラを改造することで、上記構成のボイラ2を得てもよい。この改造工事では、ボイラ2の追加空気供給部33に対して燃焼ガスの流れ方向Aの上流側においてアンモニア燃料を火炉20に供給するためのアンモニア燃料供給ライン34を設置する。こうして、既存の火力発電プラントのボイラ2を容易に改造することができる。このようなボイラの改造方法によれば、ボイラ2の追加空気供給部33の上流側にアンモニア燃料を供給するためのアンモニア燃料供給ライン34を設置する改造工事により、火炉20内の還元雰囲気を利用してアンモニア燃料の窒素分をN2に分解して、アンモニア燃料の燃焼に伴うNOx濃度の増加を抑制可能となる。これにより、燃焼時に二酸化炭素が発生せず、貯蔵や輸送技術が確立されているアンモニアの利点を享受しながら、アンモニア燃料の燃焼に伴う未燃アンモニアの排出の抑制とNOx濃度の低減を図ることができる。
他の実施形態では、ボイラの上記改造工事に際して、アンモニア燃料供給部35を設置するとともに、該アンモニア燃料供給部35から供給されるアンモニア燃料を火炉20内に直接供給するラインを設置してもよい。
これにより、燃焼時に二酸化炭素が発生せず、貯蔵や輸送技術が確立されているアンモニアの利点を享受しながら、未燃アンモニア燃料の排出の抑制とNOx濃度の低減とを図ることができる。
バーナユニット30は、当該バーナユニット30の最上流側に位置する上流側空気ポート51と、バーナユニット30の最下流側に位置する下流側空気ポート52と、燃焼ガスの流れ方向Aにおいて上流側空気ポート51と下流側空気ポート52との間に位置する複数のバーナ31と、を含む(図6参照)。
そして、本開示の少なくとも一実施形態に係るボイラの改造方法は、上流側空気ポート51、下流側空気ポート52、または、複数のバーナ31のうちボイラ2の稼働時に炭素含有燃料が流れている第1バーナ31以外の第2バーナ40に対して、アンモニア燃料供給ライン34を接続する工程を備えている。
2 ボイラ
3 蒸気タービン
20 火炉
20a 炉壁部(火炉壁)
21 開口部
30 バーナユニット
31 バーナ(第1バーナ)
33 追加空気供給部(2次空気/AA)
34 アンモニア燃料供給ライン
40 アンモニア燃料供給ポート(第2バーナ)
51 上流側空気ポート
52 下流側空気ポート
60 第3バーナ
A 燃焼ガスの流れ方向
Claims (13)
- 開口部を有する火炉壁を含む火炉と、
前記火炉壁の前記開口部に取り付けられるバーナユニットと、
前記火炉内における燃焼ガスの流れ方向において前記バーナユニットの下流側に設けられる追加空気供給部と、を備える炭素含有燃料及びアンモニア燃料の混焼ボイラであって、
前記バーナユニットは、
前記炭素含有燃料を燃焼させるように構成された少なくとも一つの第1バーナと、
前記アンモニア燃料を前記火炉内に供給するためのアンモニア燃料供給ポートと、
を含む混焼ボイラ。 - 前記アンモニア燃料供給ポートは、前記バーナユニットのうち最上流側又は最下流側に位置する
請求項1に記載の混焼ボイラ。 - 前記アンモニア燃料供給ポートは、前記ボイラの稼働時に前記炭素含有燃料の供給を受けていない第2バーナの燃料噴射口又は空気ポートである
請求項1に記載の混焼ボイラ。 - 前記アンモニア燃料供給ポートは、前記火炉内に前記アンモニア燃料と空気とを供給するように構成された
ことを特徴とする請求項1〜3の何れか一項に記載の混焼ボイラ。 - 前記アンモニア燃料供給ポートは、前記火炉内に前記アンモニア燃料のみを供給するように構成された
ことを特徴とする請求項1〜3の何れか一項に記載の混焼ボイラ。 - 前記火炉のうち前記アンモニア燃料供給ポートの設置位置と前記追加空気供給部の設置位置との間の部位の容積V[m3]とし、前記火炉内の燃焼ガスの体積流量をF[m3/sec]としたとき、前記アンモニア燃料供給ポートの設置位置はV/F≧1[sec]を満たすように設定された
ことを特徴とする請求項1〜5の何れか一項に記載の混焼ボイラ。 - 全燃料に対する前記アンモニア燃料のカロリー比が、10%以上30%以下である
ことを特徴とする請求項1〜6の何れか一項に記載の混焼ボイラ。 - 開口部を有する火炉壁を含む火炉と、
前記火炉壁の前記開口部に取り付けられるバーナユニットと、
前記火炉内における燃焼ガスの流れ方向において前記バーナユニットの下流側に設けられる追加空気供給部と、を備えた炭素含有燃料及びアンモニア燃料の混焼ボイラであって、
前記バーナユニットは、
前記炭素含有燃料を燃焼させるように構成された少なくとも一つの第1バーナと、
前記炭素含有燃料と前記アンモニア燃料とを選択的に切り替えて前記火炉内に供給可能な第3バーナと、
を含む混焼ボイラ。 - 請求項1〜8の何れか一項に記載の混焼ボイラと、
前記混焼ボイラで生成された蒸気により駆動される蒸気タービンと、
を備えることを特徴とする火力発電プラント。 - 開口部を有する火炉壁を含む火炉と、
前記火炉壁の前記開口部に取り付けられるバーナユニットと、
前記火炉内における燃焼ガスの流れ方向において前記バーナユニットの下流側に設けられる追加空気供給部と、を備えるボイラの改造方法であって、
前記バーナユニットは、
前記バーナユニットの最上流側に位置する上流側空気ポートと、
前記バーナユニットの最下流側に位置する下流側空気ポートと、
前記流れ方向において前記上流側空気ポートと前記下流側空気ポートとの間に位置する複数のバーナと、
を含み、
前記上流側空気ポート、前記下流側空気ポート、または、前記複数のバーナのうち前記ボイラの稼働時に炭素含有燃料が流れる第1バーナ以外の第2バーナに対して、アンモニア燃料供給ラインを接続するステップを備える
ボイラの改造方法。 - 前記アンモニア燃料供給ラインを接続するステップでは、前記上流側空気ポート又は前記下流側空気ポートに前記アンモニア燃料供給ラインを接続する
ことを特徴とする請求項10に記載のボイラの改造方法。 - 前記アンモニア燃料供給ラインを接続するステップでは、前記上流側空気ポートに前記アンモニア燃料供給ラインを接続する
ことを特徴とする請求項11に記載のボイラの改造方法。 - 炭素含有燃料及びアンモニア燃料の混焼ボイラの運転方法であって、
前記炭素含有燃料を燃焼させるように構成された少なくとも一つの第1バーナには前記炭素含有燃料を供給し、
前記炭素含有燃料と前記アンモニア燃料とを選択的に切り替えて前記混焼ボイラの火炉内に供給可能な第3バーナから前記アンモニア燃料を供給するときは、前記第3バーナから前記炭素含有燃料を供給しない
混焼ボイラの運転方法。
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