JP4896194B2 - 酸素燃焼ボイラプラント - Google Patents

Description

本発明は、酸素燃焼ボイラプラントに関する。

微粉炭を燃焼させるボイラは、バーナへ供給する気体によって２種類の燃焼方式に分けることができる。空気燃焼は、バーナへ空気を供給することで燃料を燃焼させる方式である。また、酸素燃焼は、空気を用いる代わりに高純度の酸素と燃焼排ガスの混合気体で燃料を燃焼させる方式である。

酸素燃焼は、排ガス成分の大部分が二酸化炭素になるため、排ガスから二酸化炭素を回収する際に二酸化炭素を濃縮する必要がない。そのため、酸素燃焼は排ガスをそのまま加圧，冷却して二酸化炭素を液化・分離させることが可能であり、二酸化炭素の排出量削減に有効な方法の一つである。

この酸素燃焼方式において、バーナ付近を流れる微粉炭の着火を促進する方法として、微粉炭と燃焼排ガスの混合気流にむけて酸素を噴射する方法が提案されている（特許文献１）。

特開平７−３１８０１６号公報

しかし、微粉炭と燃焼排ガスの混合気流にむけて酸素を噴射する際に、酸素濃度の高いガス塊中に微粉炭が進入し、逆火などの異常燃焼が発生する可能性がある。特に、酸素供給を開始した直後や、運転条件を変化させるときに異常燃焼が発生しやすい。

そこで本発明の目的は、バーナにおいて着火性能を向上させるとともに、異常燃焼が発生しにくい酸素燃焼ボイラプラントを提供することにある。

本発明は、酸素製造装置が製造した酸素をバーナ内の１次系配管に供給する酸素供給配管と、ボイラから排出された燃焼排ガスを酸素供給配管に供給する系統と、酸素供給配管の噴出口がバーナ噴出部より上流側に設けられていることを特徴とする。

本発明によれば、バーナにおいて着火性能を向上させるとともに、異常燃焼が発生しにくい酸素燃焼ボイラプラントを提供することができる。

ボイラプラントの構成を説明する図である。 支燃ガス中の酸素濃度と微粉炭の燃焼速度の関係を説明する図である。 ボイラプラント構成の変形例を説明する図である。 ボイラプラントの構成のもうひとつの変形例を説明する図である。 ボイラプラントに適用する微粉炭バーナの構成を説明する図である。 図５の構成において、微粉炭と燃焼排ガスの混合物である１次ガス流と、ボイラ火炉内に噴出した酸素富化ガスの混合状態を説明する図である。 ボイラプラントに適用する微粉炭バーナの変形例を説明する図である。 ボイラプラントに適用する微粉炭バーナのもうひとつの変形例を説明する図である。 ボイラプラントに適用する微粉炭バーナのもうひとつの変形例を説明する図である。 バーナ噴出口近傍の混合状態を示す図である。 バーナ噴出口近傍の酸素濃度，粒子濃度，着火下限界濃度，火炎伝播速度の分布を示す概念図である。 支燃ガスがＮ₂／Ｏ₂系である場合と、ＣＯ₂／Ｏ₂系（酸素燃焼）である場合の、火炎伝播速度の違いを示す実験結果である。 断熱火炎温度と火炎伝播速度の関係を示す図である。 火炎伝播速度の実験結果と計算結果を比較した図である。 支燃ガスがＮ₂／Ｏ₂系である場合と、ＣＯ₂／Ｏ₂系（酸素燃焼）である場合の、可燃下限界濃度の違いを示す計算結果である。 可燃下限界濃度（着火下限界濃度）の実験結果と計算結果を比較した図である。 システムの成立性を検討した計算の、計算条件を示す図である。 空気燃焼時の粒子濃度と火炎伝播速度の関係を示す、計算結果である。 システム成立性の検討結果である。（ケース１） システム成立性の検討結果の例である。（ケース２） システム成立性の検討結果の例である。（ケース３） ボイラプラントに適用する微粉炭バーナの変形例を説明する図である。 ボイラプラントに適用する微粉炭バーナの変形例を説明する図であり、図２２のバーナを火炉方向から見た図である。 ボイラプラントに適用する微粉炭バーナの変形例を説明する図であり、図２２のバーナを火炉方向から見た図の変形例である。

以下、最良の実施形態について、図を参照しながら説明する。

図１は、石炭を燃料とする酸素燃焼ボイラプラントを示す。本例はボイラ２００を用いて蒸気を発生させる火力発電プラントである。

ボイラ２００は、バーナ２１０とガスポート２２５を備える。バーナ２１０は微粉炭をボイラ内の火炉に供給し、燃焼させる。ガスポート２２５は、バーナ２１０の下流側に設けられ、２段燃焼用ガスを火炉に供給する。

ボイラ２００から排出される燃焼排ガスが流れる系統を説明する。燃焼排ガス３８０は、ボイラ２００から排出された排ガスが流れる系統を示す。排ガス処理装置３４０は、排ガスを浄化する装置である。ファン３８１は、排ガスを流すための装置である。冷却除湿装置３４１は、排ガスを冷却するとともに湿分を除去する。二酸化炭素回収装置３５０は、冷却除湿後の排ガスを圧縮し、二酸化炭素を排ガスから回収する。未回収ガス３５１は、二酸化炭素回収装置３５０で二酸化炭素を回収した後に残ったガスを示す系統である。循環排ガス３９０は、ボイラから排出された燃焼排ガス３８０の一部をボイラ２００へ再循環させる系統を示す。循環排ガス流量調整弁３９１は、循環排ガスの流量を調整する機能を有する。ファン３８２は、循環排ガスをボイラへ再循環させるために加圧する装置である。ガス予熱器３３０は、燃焼排ガス３８０と循環排ガス３９０を熱交換させることにより、循環排ガス３９０を加熱する。温度の低い循環排ガス３９３は、ガス予熱器３３０をバイパスさせる系統を示す。バイパス流量制御弁３９４は循環排ガス３９３の流量を調整する機能を有する。流量調整弁２１３，２１４は、循環排ガス３９０がそれぞれバーナ２１０，エアポート２２５に供給される流量を調整する機能を有する。

そして、本実施例では冷却除湿器３４１から排出された循環排ガスを第１の酸素供給配管２１９に戻すため、少量の燃焼排ガス３９５が流れる系統を設けている。この系統には、加圧するファン３９６，流量を調整する流量調整弁５００を備える。

また、空気燃焼用空気配管３６３ｂは、空気燃焼時に外部の空気をボイラ２００に供給する。空気燃焼用空気配管３６３ｂには、空気流量調整弁３６４，３９２が設けられている。

次に、酸素供給系統を説明する。酸素製造装置３６０は、空気３６３ａから窒素を分離して酸素を製造する装置である。酸素ガス３６２は、酸素製造装置３６０によって製造される。第１の酸素供給配管２１９は、酸素ガス３６２を流す配管である。第１の酸素供給配管２１９には、一次系配管２１６に供給する酸素量を調整する流量調整弁２１８が設けられている。また、流量調整弁２１１は、循環排ガスに供給する酸素量を調整する弁である。そして、第２の酸素供給配管３９７は、石炭粉砕装置１３０の上流側で循環排ガスに酸素を供給する配管である。第２の酸素供給配管３９７にも流量調整弁３９６が設けられている。

なお、窒素ガス３６１は煙突３７０へ排出される。

そして、石炭粉砕装置１３０は、石炭を粉砕し、微粉炭を生成する。バーナ２１０の一次系配管２１６は、石炭粉砕装置１３０からの微粉炭を循環排ガスとともにバーナ２１０へ供給する。石炭粉砕装置１３０に循環排ガス３９０を供給する系統には流量調整弁２１５を備える。また、循環排ガス３９０がバーナ２１０に直接供給される配管を二次系配管２１７とする。

ボイラから排出される燃焼排ガス３８０の系統には、ガス予熱器３３０，排ガスを浄化するための排ガス処理装置３４０，ガスを流すためのファン３８１，排ガス中の二酸化炭素を冷却・液化して回収する二酸化炭素回収装置３５０，二酸化炭素を回収した後に残る窒素と酸素が主体の未回収ガス３５１を放出する煙突３７０がある。

図１に示すように、本実施例のボイラプラントは、空気を窒素主体のガスと、酸素主体のガスに分離して高純度の酸素を製造する酸素製造装置３６０を備えている。酸素製造装置は、酸素と窒素の沸点の違いを利用して両者を分離する方式であり、空気を冷却して酸素を製造する。本実施例は酸素製造方法に依存するものではなく、窒素分子と酸素分子の大きさの違いを利用して分離する膜分離方式など、他の方法でもよい。

酸素製造装置は空気３６３ａを酸素ガス３６２と窒素主体の窒素ガス３６１に分離する。分離した窒素ガス３６１は煙突３７０から大気に放出される。

空気の代わりに高純度の酸素を用いて燃焼させると、火炎の温度が高温になり過ぎるため燃料を燃焼させるバーナやボイラ壁面が損傷する可能性がある。そのため、酸素製造装置３６０で製造した酸素ガスを、ボイラから排出される排ガスの一部である循環排ガス３９０と混合して、バーナ２１０と二段燃焼用のガスポート２２５へ供給する。循環排ガス３９０はガス予熱器３３０により昇温する。循環排ガス３９０の一部はガス予熱器３３０を通さずにバイパスさせ、温度の低い循環排ガス３９３を循環排ガスに混合させることで温度を調整する。温度の低い循環排ガスの流量は、バイパス流量制御弁３９４で調整する。

循環排ガス３９０は排ガス処理装置３４０で浄化された後のガスの一部であり、ガス予熱器３３０で昇温させる。循環排ガスの流量は、循環排ガス流量調整弁３９１の開度で調節できる。

バーナ２１０及びガスポート２２５へ供給される酸素ガス３６２は、流量調整弁２１１，２１３及び２１４の開度を調整することで流量を調節できる。また、循環排ガス３９０も同様に、流量調整弁２１３及び２１４の開度を制御することで流量を調節できる。

燃料である石炭は、石炭粉砕装置１３０で微粉炭となり、流量調整弁２１５を通過した循環排ガス３９０の一部と共に１次系配管２１６を通してバーナ２１０へ搬送される。バーナ２１０は、２次系配管２１７を流れる酸素濃度の高い２次系ガスと１次系配管２１６を流れる微粉炭及び循環排ガスからなる１次系ガスとを混合して燃焼させることで、ボイラ２００の火炉内に高温の燃焼ガスを発生させる。

ここで、１次系ガス中の酸素濃度は数％のため、バーナ近傍で微粉炭が着火しにくいという課題がある。そこで、酸素ガス３６２を１次系配管２１６に供給すると、１次系ガスの酸素濃度が高くなり、微粉炭の着火性が改善する。しかし、酸素を１次系配管２１６に供給した直後には、純酸素に近い酸素濃度の高いガス塊が１次系配管２１６の内部に形成されている。このガス塊中に微粉炭粒子が進入すると、酸素濃度が極めて高い条件下で微粉炭が酸化され、逆火などの異常燃焼が発生する可能性がある。異常燃焼が発生すると、極めて温度の高い火炎が形成され、バーナやバーナに接続される配管が溶損することがある。この異常燃焼を防ぐために、少量の燃焼排ガス３９５を再循環させ、小型ファン３９６と流量調整弁５００で流量を調整したのち、第１の酸素供給配管２１９へ供給する。このように、ボイラから排出された燃焼排ガスを酸素供給配管に供給する系統を設けることにより、バーナにおける異常燃焼を防ぐことができる。

更に、第２の酸素供給配管３９７は、石炭粉砕装置１３０に循環排ガスを供給する上流側配管に酸素ガス３６２を供給する。石炭粉砕装置１３０に流入する循環排ガスの酸素濃度を事前に少し高めることにより、バーナ近傍での微粉炭着火性能をさらに高めることができる。

異常燃焼が発生する可能性は、燃焼速度と強い相関がある。図２は、酸素燃焼ボイラの排ガスに酸素を混合したものを支燃ガスとしたときの、支燃ガス中の酸素濃度と微粉炭の燃焼速度の関係である。純酸素や、純酸素に近いガス中に微粉炭を混入したときの燃焼速度は極めて速い。燃焼速度を小さくして異常燃焼が発生しにくくするには、酸素濃度を下げることが極めて有効である。例えば、酸素濃度を１００％から７０−８０％に低下させると、燃焼速度は約半分に低下するので、異常燃焼の発生をかなり抑制できる。少量の排ガスを酸素ガスに混入すると、燃焼速度の低減効果は大きい。

図１は、除湿冷却装置３４１から排出された燃焼排ガスの一部を少量の燃焼排ガス３９５として循環させた。この理由は、燃焼排ガスの温度が最も低くなるためである。燃焼速度は支燃ガスの温度にも影響を受け、支燃ガスの温度が低いほど燃焼速度が小さい。したがって、少量の燃焼排ガス３９５の温度が低いほど、異常燃焼の発生を防止する効果が大きい。また、燃焼排ガス中には通常水蒸気が含まれる。燃焼排ガスの配管内で水蒸気が露結すると配管が腐食されやすくなる。図１のように、除湿後の排ガスを循環させることにより、配管が腐食されにくくなる。

図１において、少量の燃焼排ガス３９５を第１の酸素供給配管２１９に供給しない場合には、１次系配管２１６の配管内に純酸素と微粉炭の混合物が形成される可能性がある。そこで、本実施例では、第１の酸素供給配管２１９から供給する酸素量のうち２０％分を燃焼排ガス３９５とする。このように、少量の燃焼排ガス３９５を第１の酸素供給配管２１９に供給すると、酸素８０％の支燃ガスと微粉炭の混合気しか形成されず、異常燃焼の発生危険性を大幅に低減できる。

なお、バーナ近傍における微粉炭の着火性は、第１の酸素供給配管２１９に供給された燃焼排ガスと酸素ガスが充分に混合したときの平均酸素濃度に影響する。また、燃焼排ガス３９５の供給量がわずかであれば、混合した後の平均酸素濃度に与える影響は小さい。

このような酸素燃焼方式のボイラでも、起動時には酸素製造装置３６０を駆動するための動力（電力）が得られず、酸素ガス３６２をボイラへ供給できない。また、酸素製造装置３６０の起動時は、循環排ガス量が安定に確保できない。そのため、空気燃焼方式で起動させる方法が提案されている。空気燃焼方式で運転する場合、循環排ガス流量調整弁３９１を閉じて、空気流量調整弁３６４，３９２を開くことによって排ガスの代わりに空気３６３ｂを供給できる。従って、従来通りの空気燃焼も実施可能となっている。

図３及び図４は、少量の燃焼排ガス３９５を供給する方法の変形例である。図３では、循環排ガス３９０のうち、ガス予熱器を経由しない温度の低い循環排ガス３９３の一部を分岐して、第１の酸素供給配管２１９へ供給する。温度の低い排ガスを利用することで、燃焼速度の低減効果が大きくなる。

図４は、石炭粉砕機１３０へ供給する循環排ガス３９０の一部を分岐する方法である。排ガスの温度が高くなるため燃焼速度の低減効果は若干劣るが、配管長さを短くできる。また、着火性の劣る石炭を使用するシステムに適している。

図５は、図１〜図４のシステムを適用したときのバーナ構成例を示す。

起動用の油バーナ２２は、バーナの中心部に設置されている。また、酸素富化ガス噴射ノズル２３は油バーナ２２の周囲に設置される。なお、酸素富化ガス噴射ノズル２３は、第１の酸素供給配管２１９の先端部に設けられている。酸素富化ガス噴射ノズル２３の周囲には、１次ノズル２５が設置され、１次ノズル２５は微粉炭９と燃焼排ガス１１の混合物である１次ガス１０をボイラ火炉１内に噴出する。酸素富化ガス２４は、環状に噴射された１次ガス１０の内側から供給される。２次ガス２１７ａは、１次ノズル２５の周囲からボイラ火炉１内に供給される。２次ガス２１７ａは、ウインドボックス２を経て二つの流路に分流されたのち、旋回羽根１７で流れの旋回成分を付与され、ボイラ火炉１内に供給される。１次ガス１０は、１次系配管２１６から供給される。また、２次ガス２１７ａは、２次系配管２１７から供給される。酸素富化ガス噴射ノズル２３には、酸素ガス３６２が供給される。酸素ガス３６２は、酸素富化ガス噴射ノズル２３に供給される前に、少量の燃焼排ガス３９５が事前に混合される。

図６は、酸素富化ガス噴射ノズル２３の噴出口近くにおけるガスの混合状態を示す。酸素富化ガス２４は、１次ガス１０の流れに向かって噴射される。酸素富化ガス２４と１次ガス１０の流れとの境界には混合領域３２が形成される。ただし、噴射されたガスの全てが瞬時に混合することはないので、混合領域３２の内部には高酸素濃度のガス塊３３が一時的に形成される。１次ガス１０の流れには、微粉炭粒子３４が同伴されている。この微粉炭粒子３４は、１次ガス１０の流れに完全に同伴されて動くわけではない。一部の微粉炭粒子３４は、１次ガス１０の流れからずれて、独自の運動をする。この結果、図６に示すように、微粉炭粒子の軌跡３６を経て、高酸素濃度のガス塊３３に微粉炭粒子３４が進入する場合がある。高酸素濃度のガス塊に進入した微粉炭粒子３５は燃焼しやすくなり、燃焼したときの燃焼温度も高くなる。このとき、高酸素濃度のガス塊３５の酸素濃度が高いほど燃焼しやすく、燃焼温度も高くなる。図２に示すように、燃焼のしやすさは、酸素濃度と燃焼速度の関係に対応する。

ここで、少量の燃焼排ガス３９５を酸素ガス３６２に供給しない場合、酸素濃度のガス塊に進入した微粉炭粒子３５は、純酸素に近い雰囲気条件で燃焼する。燃焼速度が非常に大きいので、極めて高温の異常燃焼が発生しやすく、バーナ部の溶損などの原因になりやすい。また、高酸素濃度のガス塊３５の形成領域が大きいほど、このような異常燃焼が発生しやすい。特に、酸素ガス３６２の供給を開始した直後や酸素ガスの供給量を変化させる際に、高酸素濃度のガス塊３５の形成領域が瞬間的に大きくなりやすいので注意が必要である。

事前に、少量の燃焼排ガス３９５を酸素ガス３６２に供給した場合、純酸素を炉内に供給することがないので、微粉炭が純酸素中で燃焼することもない。図２に示すように、雰囲気の酸素濃度を１００％から僅かに低下させるだけでも、燃焼速度は大きく低下する。そのため、少量の燃焼排ガス３９５を事前に酸素ガス３６２に混合させることによる異常燃焼の発生防止効果は大きい。

また、石炭の燃焼性能は、石炭性状により大きく異なる。バーナ付近での着火を促進し、かつ異常燃焼を防止するためには、石炭性状に応じて酸素ガス３６２の供給量や供給方法などを調整しなければならない。少量の燃焼排ガス３９５を第１の酸素供給配管２１９に供給する系統が無い場合、酸素ガス３６２の供給量や供給時の噴出速度を調整しなければならず、石炭性状に応じて常に最適な供給量や供給時の噴出速度を維持するのは困難である。

一方、少量の燃焼排ガス３９５を第１の酸素供給配管２１９に供給する系統を有する場合、燃焼速度が常に等しくなるように、石炭性状に応じて酸素富化ガス２４の酸素濃度を調整すればよい。たとえば、設計基準に用いた石炭において、最適の酸素濃度が８０％であったと仮定する。他の石炭を使用する場合には、実際に使用する使用炭における雰囲気酸素濃度と燃焼速度の関係を実験で求め、図２のような特性曲線を作成する。このとき、使用炭の酸素濃度が９０％のときに基準炭の燃焼速度と等しくなる場合、使用炭の最適酸素濃度は９０％となる。微粉炭の酸素濃度と燃焼速度の関係は小型装置の実験から得られるので、プラントの運用を開始する前に最適運用条件を決定できる。

なお、バーナの運転状態が酸素燃焼に移行して定常状態に達した後は、高酸素濃度のガス塊３５の形成領域が小さいので、異常燃焼は発生しにくい。使用する石炭性状により、バーナの運転状態が定常状態に達した後は、少量の燃焼排ガス３９５の供給を停止しても良い。

図７は、図１〜図４のシステムを適用したときのバーナ構成例を示すとともに、酸素富化ガスの供給方法の変形例を示す。

１次ガス１０はバーナの中心部からボイラ火炉１内に噴出する。保炎器８９は、微粉炭の着火を促進する。１次ガス１０の周囲から２次ガス２１７ａを供給し、２次ガス２１７ａの周囲からさらに３次ガス３１７を供給する。ここで３次ガス３１７は、２次ガス２１７ａと同様に、循環排ガス３９０と酸素ガス３６２の混合気体である。２次ガス２１７ａを分離して３次ガス３１７としてもよいし、別系統から３次ガス３１７を供給してもよい。また、２次ガス２１７ａから３次ガス３１７を分岐させた後、３次ガス３１７中に酸素ガス３６２を追加しても良い。あるいは、３次ガス３１７から２次ガス２１７ａを分岐させた後、２次ガス中に酸素ガス３６２を追加しても良い。

なお、酸素富化ガス噴射ノズル２３は、第１の酸素供給配管２１９の先端部に設けられている。１次ガス１０は、１次系配管２１６から供給される。また、２次ガス２１７ａは、２次系配管２１７から供給される。

酸素富化ガス噴射ノズル２３は、バーナ上流の１次系配管２１６中に設置する。酸素富化ガス噴射ノズル２３は、酸素ガス３６２と少量の燃焼排ガス３９５を混合して生成する酸素富化ガスを１次系配管２１６に供給する。この方法では、ボイラ火炉内に噴出する際や、酸素富化ガスを噴出した直後の１次ガス１０の流れに、酸素濃度のむらができにくい利点がある。酸素濃度のむらが小さいと、ＮＯｘ排出特性や最低負荷性能などの燃焼性能を予測しやすい利点がある。バーナの運転状態が酸素燃焼の定常状態に達した後、使用する石炭性状によっては少量の燃焼排ガス３９５の供給を停止しても良い。

図８は、図１〜図４のシステムを適用したときのバーナ構成例を示すとともに、酸素富化ガスの供給方法のもうひとつの変形例を示す。

本実施例のバーナ構造は、２次ガス２１７ａの一部が、２次ガス導入管５１を用いて１次ガス１０中に導かれる。２次ガス導入管５１はバーナの内部に設けられている。酸素供給ノズル５２は、酸素ガス３６２を２次ガス導入管５１の内部に供給する。酸素ガス３６２は、２次ガス導入管５１の内部で２次ガス２１７ａの一部と混合した後に１次ガス１０へ供給される。そのため、純酸素が１次ガス中に直接供給されることはなく、純酸素と微粉炭の混合物が形成されることもない。この方法では、少量の燃焼排ガス３９５を供給するための配管を省略できる利点がある。

なお、酸素供給ノズル５２は、第１の酸素供給配管２１９の先端部に設けられている。１次ガス１０は、１次系配管２１６から供給される。また、２次ガス２１７ａは、２次系配管２１７から供給される。

図８のバーナ構造において、酸素供給ノズル５２と２次ガス導入管５１の噴出口はバーナの内部に設けられると共に、バーナ噴出部４０５より上流側に設けられている。そのため、バーナ近傍での着火性能をさらに向上できる。理想的には、バーナ噴出部４０５の直近で微粉炭が着火できるのがよい。このためには、１次ガス１０がバーナ噴出部に到達する時点で、１次ガス１０と酸素ガス３６２が混合されているのが望ましい。しかし、ガスの混合には、一定の混合遅れがあり、この混合遅れを加味して、酸素供給ノズル５２と２次ガス導入管５１の噴出口をバーナ噴出部４０５より上流側に設けるのが良い。

図１０は、この混合遅れを考慮したうえで、バーナ近傍での酸素濃度と粒子濃度の分布を模式的に表わした図である。酸素供給ノズル５２の噴出口とバーナ噴出部４０５との距離を混合遅れより長くすると、バーナ噴出部４０５の近傍に、混合領域が形成される。混合領域とは、酸素ガスの流れ４０６と１次ガスの流れ３１が混合した流れである。混合領域中には、さまざまな酸素濃度と粒子濃度のガス塊が存在する。ここでは簡略化のため、酸素濃度は高く粒子濃度が低い混合領域Ａ４０７と、酸素濃度は低く粒子濃度が高い混合領域Ｂ４０８の２種を示した。酸素ガスの流れ４０６に近い領域では混合領域Ａ４０７が形成され、１次ガスの流れ３１の近くでは混合領域Ｂ４０８が形成される。微粉炭の着火性は粒子濃度と酸素濃度の両方に支配される。そのため、混合領域Ａ４０７と混合領域Ｂ４０８のどちらが着火しやすいかを判断するには、詳細な実験あるいは計算が必要である。

１次ガス流れの周囲には、火炎４０９が形成されている。この火炎４０９からの熱により、微粉炭が加熱され、着火する。ただし、微粉炭は火炎からの放射熱でも加熱される。そのため、必ずしも火炎の近くにある微粉炭から先に着火するわけではない。

図１１は、バーナ噴出部４０５近傍での酸素濃度と粒子濃度の分布を模式的に示した図である。火炎伝播速度と着火下限界濃度は、着火のしやすさを表わす物理量である。微粉炭を着火させるには、粒子濃度をある値以上にする必要がある。この値が着火下限界濃度である。この着火下限界濃度は、原理的には可燃下限界濃度である。但し、実用装置では確実に着火させる観点から、可燃下限界濃度に安全率を加えた値を用いるとよい。ガス中の酸素濃度が高いほど、着火下限界濃度は低くなる。しかし、対象としたシステムでは、酸素濃度が高くなるほど粒子濃度が低くなる。そのため、ある酸素濃度の範囲を満たすガス中の粒子濃度が着火下限界を上回ることになる。バーナ近傍で確実に着火させるための必要条件は、粒子濃度が着火下限界濃度を上回るガス塊が存在することである。また、着火下限界濃度は、周囲の温度が高くなると低くなる。但し、周囲の粒子が着火すると周囲の温度が高くなるため、その結果、着火下限界濃度は低くなり、着火条件を満たすようになる。一部でも着火条件を満たすガス塊が存在すれば、混合気全体が着火できる可能性を有する。そして、粒子濃度が着火下限界濃度を上回るガス塊が存在しないときは失火する。

実機では、燃焼負荷の変化が必要であり、燃焼負荷の変化により粒子の平均濃度が変化する。通常は負荷が低くなると、粒子濃度が低くなる。負荷変化を考慮した場合、粒子濃度と着火下限界濃度の間にある程度の差異がある方が望ましい。この差異を裕度と定義する。

もうひとつの物理量は火炎伝播速度である。火炎伝播速度は、逆火などの異常燃焼が発生する条件の判断指標になる。火炎伝播速度が大きいほど着火が容易であり、火炎伝播速度が大きすぎると異常燃焼が発生しやすくなる。火炎伝播が約１ｍ／ｓであれば、火炎は移動する。混合気の流速が火炎伝播速度よりも小さい場合、火炎が流れ上流側に向かって移動するため、逆火が発生する。ただし、混合気の流速は平均値ではなく瞬時値の最小値である。そのため、混合気の流速を正確に予測することは難しい。類似システムの実績を参照して、このときの火炎伝播速度の実績範囲であれば、逆火や異常燃焼は生じないと判断するのが実用的である。火炎伝播速度が実績範囲より大きいときは、逆火や異常燃焼の危険ありと判断する。

発明者らは、種々の燃焼条件下において火炎伝播速度と着火下限界濃度（可燃限界濃度）を予測するモデルを開発した。このモデルを用いて、システムの成立性を検討した。モデルの開発に用いた実験結果と検証結果の例を以下に示す。

図１２と図１３は、実験結果の例である。図１２は、Ｎ₂／Ｏ₂燃焼場（Ｏ₂が２１％の空気燃焼）とＣＯ₂／Ｏ₂燃焼場（酸素燃焼）での火炎伝播速度を比較した結果である。同じ酸素濃度で比較すると、ＣＯ₂／Ｏ₂燃焼場の火炎伝播速度は、Ｎ₂／Ｏ₂燃焼場のそれよりも小さくなる。図１３は、図１２の結果の一部を、断熱火炎温度と火炎伝播速度の関係で示したものである。同じ断熱火炎温度の条件で比較すると、ＣＯ₂／Ｏ₂燃焼場の火炎伝播速度は、Ｎ₂／Ｏ₂燃焼場のそれと同等である。酸素燃焼場での火炎伝播速度が小さいのは、支燃ガス中に比熱の大きなＣＯ₂が多量に含まれるため、燃焼温度が上がりにくいのが主因である。

図１４〜図１６は、検証結果の例である。図１４は、火炎伝播速度を検証した結果である。支燃ガス条件，酸素濃度，周囲の温度，石炭性状，粒径をさまざまに変えた基礎実験で検証した。図中の白丸はＣＯ₂／Ｏ₂燃焼場での結果であり、他はＮ₂／Ｏ₂燃焼場での結果である。支燃ガスの種類に係わらず、約２０％の誤差で火炎伝播速度を予測することができる。図１５は、可燃下限界濃度を基礎実験で検証した結果である。実験には瀝青炭を用いた。酸素濃度の影響を再現できることを確認した。酸素燃焼の場合、酸素濃度が３０±４vol％のときの可燃下限界濃度が、空気燃焼時のそれと一致する。図１６は、石炭の種類と粒径を変えて、実機に近い大型バーナを用いて可燃下限界濃度（着火下限界濃度）を検証した結果である。約１０％の誤差で予測できる。

このモデルを用いて３ケースのケーススタディを実施して、システムの成立性を検討した。図１７に検討条件を示す。ケース１は、排ガス中に純酸素を混合するケースである。ケース２は、本発明の１例であり、酸素ガス３６２に燃焼排ガスを混合して酸素濃度を７０％まで低減したものである。ケース３も本発明の変形例である。ケース２との違いは、１次ガス１０中の酸素濃度が１５％と高いことである。石炭粉砕器１３０に流入する循環排ガスに酸素ガスを一部混合させ、循環排ガスの酸素濃度を予め高めた条件に相当する。対象とした石炭は瀝青炭である。粒径は３ケースとも同じである。１次ガス１０中の微粉炭濃度は、３ケースとも同じであり、０.６kg／ｍ³とした。

検討に先立ち、比較のために、空気燃焼時の火炎伝播速度と着火下限界濃度を計算した。結果を図１８に示す。空気燃焼時には、１次ガス１０は空気であり、バーナ近傍で酸素富化ガスを供給しない。微粉炭ボイラで使用される頻度が高い、瀝青炭と亜瀝青炭について計算した。

ケーススタディで設定した、粒子濃度が０.６kg／ｍ³の条件でみると、火炎伝播速度は瀝青炭で０.２ｍ／ｓ、亜瀝青案で０.５ｍ／ｓである。ただし、実機では、局所的に粒子濃度が高い領域も存在するので、これより火炎伝播速度が大きくなることもある。火炎伝播速度の最大値は、瀝青炭０.５ｍ／ｓ、亜瀝青炭で０.８ｍ／ｓである。今回の検討では、実績範囲を０.２−０.８ｍ／ｓと定義する。火炎伝播速度が０.８ｍ／ｓを超えた場合には、実績外とし、逆火に注意が必要と判定する。着火下限界濃度は、可燃下限界濃度の２倍の値と定義した。この着火下限界濃度より粒子濃度が高くなるガス塊があれば、着火可能と判断する。粒子濃度を着火下限界濃度で割った値を裕度と定義する。空気燃焼の場合には、亜瀝青炭燃焼時の裕度が２.６、瀝青炭燃焼時の裕度が１.７である。着火と逆火に関する必要条件を満たした上で、空気燃焼時と同等の裕度を確保できるシステム構成が、最も望ましいと判断する。

図１９は、ケース１の検討結果である。横軸にガス塊の酸素濃度を示し、これに対応する粒子濃度，着火下限界濃度，火炎伝播速度を縦軸に示した。火炎伝播速度は、亜瀝青炭を空気燃焼したときの最大値を１として、規格化して示した。酸素濃度が３０−８０％の広い範囲で、着火条件を満たしており、失火の恐れは少ない。しかし、火炎伝播速度については、実績の３倍程度になるガス塊が存在する。逆火に対して注意が必要であり、火炎伝播速度をより小さくしたほうがよい。火炎伝播速度が大きくなる原因は、酸素濃度が８０％近い、酸素濃度が非常に高い条件でも可燃混合気が形成できてしまうことにある。

図２０は、ケース２の検討結果である。酸素ガス３６２中の酸素濃度を７０％まで低減したことにより、極端に酸素濃度が高い可燃混合気は形成されない。この結果、火炎伝播速度は実績範囲内に収まる。着火条件を満たすガス塊も存在するので、システム成立の必要条件を満たす。ただし、裕度は、空気焚きの実績よりも小さくなる。そこで、酸素ガス３６２中の酸素濃度を更に変更した。酸素濃度を高くした場合、裕度は確保できるが、火炎伝播速度が大きくなり過ぎた。一方、酸素濃度を低くした場合、着火条件を満たすのが困難になった。

図２１は、ケース３の検討結果である。空気燃焼並みの裕度を確保し、火炎伝播速度を実績範囲に収めることができた。１次ガス１０に酸素ガス３６を混合させるケース２では、粒子濃度は着火下限界を下回るので、給炭系統中で微粉炭が着火条件を満たすことはない。酸素ガス３６２中の酸素濃度と１次ガス１０の酸素濃度の組み合わせを変えて検討したが、システム成立条件を満たす組み合わせは多数存在した。

図９は、図１〜図４のシステムを適用したときのバーナ構成例を示すとともに、酸素富化ガスの供給方法のもうひとつの変形例を示す。

図８と図９との相違点は、酸素ガス３６２に燃焼排ガス３９５を供給している点である。図９のバーナ構造も、酸素供給ノズル５２と２次ガス導入管５１の噴出口が、バーナ噴出部４０５より上流側に設けられている。そのため、バーナ近傍での着火性能をさらに向上できる。

図２２は、図１〜図４のシステムを適用したときのバーナ構成例を示す。図２２は、酸素ガスと燃焼排ガスを予め混合して酸素濃度を下げた後、酸素供給ノズル５２から１次ガス１０中へ供給する構成であり、２次ガス導入管５１は省略されている。この構成では、酸素供給ノズル５２から噴出する酸素ガス３６２中の酸素濃度を精度良く制御できる。着火が難しい石炭を用いるときに有効である。

図２３は、バーナをＡ方向から見た図である。１次ノズル４０１の外周側に、保炎器４００が櫛歯状に設置される。１次ノズル４０１の周囲には、２次ノズル４０２と３次ノズル４０３が同心円状に配置される。酸素供給ノズル５２は保炎器４００の間に配置される。

図２４は、酸素供給ノズル５２の配置方法の変形例である。酸素供給ノズル５２を保炎器４００の直上流に配置する。図２３と図２４の構成では、保炎器直近の酸素濃度分布が異なる。図２４の構成では、保炎器４００の直近の酸素濃度が高くなる。保炎器４００の直上流側の酸素濃度も高くなる。保炎器４００の直近部は流れの乱れが強いので、火炎の形成には最も有利な領域である。この部分の酸素濃度を高めると、着火には最も有利である。反面、保炎器４００の直上流部の酸素濃度も高くなるので、着火しやすい石炭を用いたときには、ここで微粉炭が着火し保炎器４００が焼損する恐れがある。そのため、図２４の構成は着火しにくい石炭を用いたときに適した構成である。

一方、図２３の構成において、酸素濃度が高い領域は、保炎器の直近部からやや離れた領域に形成され。そのため、保炎器４００が焼損する恐れは少ない。着火しやすい石炭を用いたときに適した構成である。

１ 火炉
２ ウインドボックス
１０ １次ガス
２２ 油バーナ
２３ 酸素富化ガス噴射ノズル
２４ 酸素富化ガス
２５ １次ノズル
３２ 混合領域
３３ 高酸素濃度のガス塊
３４ 微粉炭粒子
３５ 高酸素濃度のガス塊に進入した微粉炭粒子
３６ 微粉炭粒子の軌跡
５１ ２次ガス導入管
５２ 酸素供給ノズル
８９ 保炎器
１３０ 石炭粉砕機
２００ ボイラ
２１０ バーナ
２１７ ２次ガス
２２５ ガスポート

Claims (4)

1. 空気から窒素を分離して酸素を製造する酸素製造装置と、前記酸素製造装置から供給される酸素と微粉炭を燃焼させるバーナと、前記バーナに微粉炭を供給する１次系配管とを備えたボイラと、
   前記１次系配管に前記ボイラが排出する燃焼排ガスを供給する排ガス再循環手段と、前記ボイラから排出される排ガス中の二酸化炭素を回収する二酸化炭素回収装置とを備えた酸素燃焼ボイラプラントにおいて、
   前記酸素製造装置が製造した酸素を前記バーナ内の前記１次系配管に供給する酸素供給配管と、
   前記ボイラから排出された燃焼排ガスを前記酸素供給配管に供給する系統と、
   前記酸素供給配管の噴出口が前記バーナ噴出部より上流側に設けられていることを特徴とする酸素燃焼ボイラプラント。
2. 請求項１記載の酸素燃焼ボイラプラントであって、
   前記ボイラから排出された燃焼排ガスが供給され、微粉炭と前記燃焼排ガスの混合流体を前記１次系配管に供給する石炭粉砕装置と、
   前記酸素供給配管から分岐された配管が前記石炭粉砕装置の上流側で接続されていることを特徴とする酸素燃焼ボイラプラント。
3. 請求項１記載の酸素燃焼ボイラプラントであって、
   前記バーナは、前記１次系配管内の１次ガスが流れる流路と、前記１次ガスが流れる流路の外周側に、２次ガスが流れる流路を備え、前記２次ガスの一部が前記１次ガスへ供給される２次ガス導入管を備え、
   前記酸素製造装置が製造した酸素を前記２次ガス導入管へ導く酸素供給ノズルを備えることを特徴とする酸素燃焼ボイラプラント。
4. 請求項３記載の酸素燃焼ボイラプラントであって、
   前記２次ガス導入管の噴出口は、前記バーナの噴出口よりも上流側に設けられていることを特徴とする酸素燃焼ボイラプラント。

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