JP5271689B2

JP5271689B2 - ボイラ装置

Info

Publication number: JP5271689B2
Application number: JP2008323662A
Authority: JP
Inventors: 鳥居　　功; 章泰岡元
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 2008-12-19
Filing date: 2008-12-19
Publication date: 2013-08-21
Anticipated expiration: 2028-12-19
Also published as: JP2010145028A

Description

本発明は、各種燃料（固体、液体及び気体）を燃焼させるボイラ装置に係り、特に、燃焼排ガスの一部を酸素と混合させて燃料の酸化剤として使用する酸素／二酸化炭素燃焼システムを採用したボイラ装置に関する。

近年、燃焼用空気から分離した酸素（Ｏ_２）で石炭等の燃料を燃焼させることにより、ボイラから排出される燃焼排ガス中の二酸化炭素（ＣＯ_２）濃度を高濃度（たとえば９０％程度）まで高める酸素／二酸化炭素燃焼システムが知られている。このような酸素／二酸化炭素燃焼システムは、高濃度の二酸化炭素を圧縮・冷却することにより、排ガス中の二酸化炭素を比較的容易に回収することができるようになるので、近年の二酸化炭素排出量削減という環境問題の解決に有効な二酸化炭素回収技術として注目されている。

酸素／二酸化炭素燃焼システムを採用した従来のボイラ装置としては、燃焼排ガスの一部と、ＣＯ_２回収後の排ガスを酸素と混合し、この酸素含有燃焼排ガスを酸化剤として用いるＣＯ_２回収型ボイラが提案されている。この特許文献において、酸素含有燃焼排ガスは、燃料の石炭を搬送する１次空気系統ではなく、燃焼用の酸化剤を投入する２次空気系統に使用されている。（たとえば、特許文献１参照）
特開平５−２６４０９号公報（図１等を参照）

上述した引用文献のＣＯ_２回収型ボイラは、燃料を搬送する１次空気系統に燃焼排ガスの一部と酸素とを混合した酸素含有燃焼排ガスを用いておらず、この酸素含有燃焼排ガスを２次空気系統に用いて酸化剤とする酸素／二酸化炭素燃焼システムを採用している。この場合、酸素含有燃焼排ガスは２次空気系統に均一に投入され、その酸素濃度は、火炉全体の吸熱量が通常空気燃焼と大きく変わらないように調整されている。
また、１次空気系統は、通常酸素を投入しないため着火不良となりやすいことから、バーナ部に若干の純酸素を投入する純酸素系統を設置して着火を調整することもある。

しかし、２次空気系統に酸素含有燃焼排ガスを用いると、燃焼排ガスの持ち込み窒素酸化物（ＮＯ_Ｘ）はバーナ部にて還元されるものの、火炎中に混合されなかった燃焼排ガス中の窒素酸化物については、十分に還元されることなく炉外に排出されて窒素酸化物排出量を高める可能性があった。
また、着火調整用の純酸素系統をバーナ近傍に設置する場合、可燃物の燃料近傍に純酸素が存在することになるため、燃焼のコントロールを困難にするという問題があった。

このような背景から、酸素／二酸化炭素燃焼システムを採用しているボイラ装置においては、着火不良を解消して良好な着火性を確保するとともに、炉内の窒素酸化物還元効果を高めることにより、窒素酸化物の排出量を低減することが求められる。
本発明は、上記の事情に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、酸素／二酸化炭素燃焼システムを採用しているボイラ装置において、良好な着火性を確保するとともに、炉内の窒素酸化物還元効果を高めて窒素酸化物排出量を低減できるボイラ装置を提供することにある。

本発明は、上記の課題を解決するため、下記の手段を採用した。
本発明に係るボイラ装置は、ボイラ本体と、酸素（Ｏ_２）製造装置と、排ガスリサイクル設備とを備え、前記ボイラ本体から排出される燃焼排ガスの一部を酸素と混合させて燃料の酸化剤として使用する酸素／二酸化炭素燃焼システムを採用し、前記ボイラ本体が追加空気投入部（ＡＡ部）を備えているボイラ装置において、前記酸素製造装置から供給される酸素の一部が前記ボイラ本体へ燃料を搬送する１次空気系統へ投入され、該１次空気系統を流れる燃焼排ガスとの混合により酸化剤を生成する１次空気酸化剤供給系統と、前記酸素製造装置から供給される酸素の一部が前記ボイラ本体の２次空気系統へ投入され、該２次空気系統をバーナ部系統及び追加空気投入部系統に分岐させたそれぞれの系統に前記酸素の一部を分割投入して、前記２次空気系統を流れる燃焼排ガスとの混合により酸化剤を生成する２次空気酸化剤供給系統と、前記１次空気系統にミルをバイパスする１次空気バイパス流路と、を備え、前記１次空気酸化剤供給系統の燃焼排ガス投入量は、前記１次空気バイパス流路を流れた燃焼排ガス量分が燃料搬送に必要な通常のガス量に加算されることで増量され、かつ、前記２次空気酸化剤供給系統の燃焼排ガス投入量は、前記１次空気酸化剤供給系統における燃焼排ガス投入量の増加分だけ低減され、かつ、系統毎に酸素及び燃焼排ガスの供給量を調整して前記１次空気酸化剤供給系統の酸素濃度が着火適正濃度に調整されることを特徴とするものである。

このようなボイラ装置によれば、酸素製造装置から供給される酸素の一部がボイラ本体へ燃料を搬送する１次空気系統へ投入され、該１次空気系統を流れる燃焼排ガスとの混合により酸化剤を生成する１次空気酸化剤供給系統と、酸素製造装置から供給される酸素の一部がボイラ本体の２次空気系統へ投入され、該２次空気系統をバーナ部系統及び追加空気投入部系統に分岐させたそれぞれの系統に酸素の一部を分割投入して、２次空気系統を流れる燃焼排ガスとの混合により酸化剤を生成する２次空気酸化剤供給系統と、１次空気系統にミルをバイパスする１次空気バイパス流路と、を備え、１次空気酸化剤供給系統の燃焼排ガス投入量は、１次空気バイパス流路を流れた燃焼排ガス量分が燃料搬送に必要な通常のガス量に加算されることで増量され、かつ、２次空気酸化剤供給系統の燃焼排ガス投入量は、１次空気酸化剤供給系統における燃焼排ガス投入量の増加分だけ低減され、かつ、系統毎に酸素及び燃焼排ガスの供給量を調整して１次空気酸化剤供給系統の酸素濃度が着火適正濃度に調整されるので、１次空気酸化剤供給系統及び２次空気酸化剤供給系統に対して供給する酸化剤の分配割合を調整することができる。

また、２次空気系統のバーナ部及び追加空気投入部に対して供給する酸化剤の分配割合を調整することができる。
さらに、良好な着火を維持しつつ１次空気酸化剤の投入量を増大させ、火炎中にできる限り多量の燃焼排ガスを投入して窒素酸化物の還元を促進することができる。

上記の発明において、前記２次空気酸化剤供給系統は、前記バーナ部系統に配分する酸素比が前記追加空気投入部系統より高く設定されていることが好ましく、これにより、酸素濃度の高いバーナ部では燃焼温度の上昇により窒素酸化物の還元及び燃焼が促進され、酸素濃度の低い追加空気投入部では窒素酸化物の発生を抑制することができる。

上述した本発明によれば、酸素／二酸化炭素燃焼システムを採用しているボイラ装置において、着火不良を解消して良好な着火性を確保するとともに、炉内の窒素酸化物還元効果を高めることにより、窒素酸化物の排出量を低減するという顕著な効果が得られる。

以下、本発明に係るボイラ装置の一実施形態を図面に基づいて説明する。
図１に示す実施形態のボイラ装置は、ボイラ本体１０と、図示しない酸素（Ｏ_２）製造装置と、たとえば二酸化炭素（ＣＯ_２）回収設備等の図示しない排ガスリサイクル設備とを備えている。このボイラ装置は、ボイラ本体１０から排出される燃焼排ガスの一部を酸素と混合させて燃料の酸化剤として使用する酸素／二酸化炭素燃焼システムを採用している。
このようなボイラ装置に対し、１次空気酸化剤供給系統２０及び２次空気酸化剤供給系統３０が設けられている。なお、以下の説明では、ボイラ本体１０で燃焼させる燃料を微粉炭とするが、他の固体燃料は勿論のこと、気体燃料や液体燃料を使用するボイラ本体にも本発明の適用が可能である。

図３に示すボイラ本体１０は、火炉１１内へ空気を多段で投入することにより、バーナ部１２から追加空気投入部（以下、「ＡＡ部」と呼ぶ）１４までの領域を還元雰囲気にして燃焼排ガスの低ＮＯ_Ｘ化を図る旋回燃焼ボイラである。このようなボイラ本体（旋回燃焼ボイラ）１０において、還元雰囲気となるバーナ部１２からＡＡ部１４までの距離については、すなわち、還元燃焼ゾーンの距離（高さ）については、長くなるほど燃焼ガスの滞留時間も長くなってＮＯ_Ｘ発生量は小さくなる。
なお、図中の符号１３は燃料となる微粉炭及び空気（酸化剤）を投入するバーナ、１５は追加空気（酸化剤）を投入する追加空気投入ノズルである。

このように、上述したボイラ本体（旋回燃焼ボイラ）１０は、微粉炭及び酸化剤を火炉１１内へ投入するバーナ１３が各段の各コーナ部または各壁面部に配置される旋回燃焼方式のバーナ部１２とされ、各段にそれぞれ１または複数の旋回火炎が形成される旋回燃焼方式を採用している。

１次空気酸化剤供給系統２０は、ボイラ本体１０の１次空気系統流路２１に酸素製造装置から酸素供給流路４０を介して供給される酸素の一部を投入し、１次空気系統流路２１内を流れる燃焼排ガスとの混合により生成した酸化剤（必要に応じて「１次空気酸化剤」と呼ぶ）をボイラ本体１０のバーナ部１２に供給する酸化剤供給流路である。１次空気系統流路２１を流れる燃焼排ガスは、ボイラ本体１０から排出された燃焼排ガスに必要な処理を施す排煙処理システム（不図示）の下流側から、一部を必要量だけ分流させて導入したものである。
図示の１次空気系統流路２１を流れる燃焼排ガスは、燃料の石炭を粉砕して微粉炭とするミル２２の内部に供給され、微粉炭をミル２２からボイラ本体１０のバーナ１３まで搬送する１次空気として用いられる。

また、図示の構成例では、ミル２２の上流側で１次空気系統流路２１から分岐し、ミル２２をバイパスして下流側に合流する１次空気バイパス流路２３を備えている。この１次空気バイパス流路２３は、燃料の微粉炭をバーナ１３まで搬送するのに必要な通常の１次空気量に加算され、ボイラ本体１０へ供給する１次空気量を増量するための１次空気を流すバイパス流路である。
なお、１次空気酸化剤供給系統２０に供給される酸素は、酸素供給流路４０から分岐した１次空気用酸素流路４１を介して、１次空気バイパス流路２３の合流位置より下流側のバーナ部１２から離間した位置に投入されている。

２次空気酸化剤供給系統３０は、ボイラ本体１０の２次空気系統流路３１に酸素製造装置から酸素供給流路４０を介して供給される酸素の一部を投入し、２次空気系統流路３１内を流れる燃焼排ガスとの混合により生成した酸化剤（必要に応じて「２次空気酸化剤」と呼ぶ）をボイラ本体１０に供給する酸化剤供給流路である。２次空気系統流路３１を流れる燃焼排ガスは、上述した１次空気酸化剤供給系統２０と同様に、ボイラ本体１０から排出された燃焼排ガスに必要な処理を施す排煙処理システム（不図示）の下流側から、一部を必要量だけ分流させて導入したものである。

図示の構成例では、ボイラ本体１０がバーナ部１２の上部にＡＡ部１４を備えている。従って、２次空気酸化剤供給系統３０は、２次空気系統３１がバーナ部系統３２及び追加空気投入部系統（ＡＡ部系統）３３の流路に分岐され、系統毎に酸素の一部を分割投入することで、燃焼排ガスに酸素を混合した酸化剤が生成される。
バーナ部系統３２は、バーナ部１２に接続される２次空気酸化剤供給系統３０であり、酸素供給流路４０から分岐したバーナ酸素流路４２を介して燃焼排ガスに酸素が投入される。こうして混合・生成された２次空気酸化剤は、バーナ部１２の各バーナ１３から燃焼用の酸化剤として炉内へ投入される。

ＡＡ部系統３３は、ＡＡ部１４に接続される２次空気酸化剤供給系統３０であり、酸素供給流路４０から分岐したＡＡ部酸素流路４３を介して燃焼排ガスに酸素が投入される。こうして混合・生成された２次空気酸化剤は、ＡＡ部１４の各追加空気投入ノズル１５から窒素酸化物低減用の酸化剤として炉内へ追加投入される。
すなわち、ＡＡ部１４を備えたボイラ本体１０においては、２次空気系統３１がバーナ部系統３２及びＡＡ部系統３３に分岐されているので、２次空気系統３１に接続されたバーナ部１２及びＡＡ部１４対して供給する酸化剤の分配割合を調整することができる。

この結果、燃焼排ガスに投入して酸化剤を生成する酸素は、酸素供給流路４０から３本に分岐した１次空気用酸素流路４１、バーナ用酸素流路４２及びＡＡ部酸素流路４３を介して、それぞれ１次空気系統流路２１、バーナ部系統３２及びＡＡ部系統３３を流れる燃焼排ガス中に投入されるので、系統毎に酸素と燃焼排ガスとを混合した酸化剤が生成される。すなわち、系統毎に酸素及び燃焼排ガスの供給量を調整することにより、１次空気酸化剤供給系統２０及び２次空気酸化剤供給系統３０に対して供給する酸化剤の分配割合を所望の値に調整することができる。また、２次空気酸化剤供給系統３０をバーナ部系統３２及びＡＡ部系統３３に分岐させ、それぞれの系統に酸素の一部を分割投入して酸化剤を生成することにより、バーナ部１２及びＡＡ部１４に対して供給する酸化剤の分配割合を調整することもできる。

従って、１次空気酸化剤供給系統２０の燃焼排ガス投入量を増してバーナ部系統３２の燃焼排ガス投入量を低減するとともに、１次空気酸化剤供給系統２０の酸素濃度を着火適正濃度に調整することにより、良好な着火を維持しつつ１次空気酸化剤の投入量を増大させ、火炎中にできる限り多量の燃焼排ガスを投入して窒素酸化物の還元を促進することができる。

具体的には、１次空気酸化剤供給系統２０の燃焼排ガス投入量は、１次空気バイパス流路２３を流れた燃焼排ガス量分が微粉炭搬送に必要な通常のガス量に加算されることで増量する。一方、２次空気酸化剤供給系統３０の燃焼排ガス投入量は、１次空気酸化剤供給系統２０における燃焼排ガス投入量の増加分だけ低減される。
このため、燃焼排ガス及び酸素を混合した１次空気酸化剤は、微粉炭とともに火炎中に投入される量が増大することとなり、火炉１１内では多量の燃焼排ガスに含まれる窒素酸化物を還元させることができるようになる。すなわち、１次空気酸化剤として火炉１１内へ投入される燃焼排ガス量が増加したことにより、窒素酸化物の還元を効率よく行わせて窒素酸化物排出量を低減することができる。

図２は、バーナ部１２のバーナポートを火炉１１内から見た正面図であり、図２（ａ）の従来構造では、流量の少ない１次空気ポート１２ａが２次空気ポート１２ｂより小さな開口面積を有している。しかし、図２（ｂ）に示す本発明の構造では、流量を増加させた１次空気ポート１２ｃが２次空気ポート１２ｄより大きな開口面積を有している。
また、上述した１次空気酸化剤については、着火性を維持するために１次空気用酸素流路４１から投入する酸素量を調整している。なお、着火性を維持するために酸素濃度を調整した１次空気酸化剤を使用し、酸素を供給する１次空気用酸素流路４１はバーナ部１２から離間した位置にあるので、純酸素系統をバーナ部１２の近傍に設置する場合に問題となっていた燃焼制御の困難性を解消することができる。

また、上述した２次空気酸化剤供給系統３０は、バーナ部系統３２に配分する酸素比がＡＡ部系統３３より高く設定されている。
具体的には、二次空気酸化剤供給系統３０の酸素濃度は、バーナ部系統３２の酸素比が０．７〜０．９程度となるように維持しつつ高めに設定され、さらに、ＡＡ部系統３３の酸素濃度を下げることにより、二次空気酸化剤供給系統３０における全体の酸素量及び酸素濃度は一定に保たれる。この結果、酸素濃度の高いバーナ部１２では、火炉１１内の燃焼温度が上昇して窒素酸化物の還元及び燃焼が促進され、一方、酸素濃度の低いＡＡ部１４では、窒素酸化物の発生が抑制される。

このように、上述した本発明のボイラ装置は、酸素／二酸化炭素燃焼システムを採用しているボイラ装置において、燃料を酸化剤で搬送する１次空気系統及び燃焼用の酸化剤を投入する２次空気系統に導入した燃焼排ガスに酸素を投入して酸化剤を生成し、良好な着火性を確保するとともに、火炉１１内の窒素酸化物還元効果を高めてボイラ本体１０の窒素酸化物排出量を低減できる。
なお、本発明は上述した実施形態に限定されることはなく、その要旨を逸脱しない範囲内において適宜変更することができる。

本発明に係るボイラ装置の一実施形態として、ボイラ本体周辺構造を示す系統図である。バーナポートを火炉内から見た正面図であり、（ａ）は従来構造、（ｂ）は本発明の構造である。ボイラ本体の構成例として旋回燃焼ボイラを示す図である。

符号の説明

１０ボイラ本体
１１火炉
１２バーナ部
１３バーナ
１４追加空気投入部（ＡＡ部）
１５追加空気投入ノズル
２０１次空気酸化剤供給系統
２１１次空気系統流路
２２ミル
２３１次空気バイパス流路
３０２次空気酸化剤供給系統
３１２次空気系統流路
３２バーナ部系統
３３追加空気投入部系統（ＡＡ部系統）
４０酸素供給流路
４１１次空気用酸素流路
４２バーナ酸素流路
４３ＡＡ部酸素流路

Claims

ボイラ本体と、酸素（Ｏ_２）製造装置と、排ガスリサイクル設備とを備え、前記ボイラ本体から排出される燃焼排ガスの一部を酸素と混合させて燃料の酸化剤として使用する酸素／二酸化炭素燃焼システムを採用し、前記ボイラ本体が追加空気投入部（ＡＡ部）を備えているボイラ装置において、
前記酸素製造装置から供給される酸素の一部が前記ボイラ本体へ燃料を搬送する１次空気系統へ投入され、該１次空気系統を流れる燃焼排ガスとの混合により酸化剤を生成する１次空気酸化剤供給系統と、
前記酸素製造装置から供給される酸素の一部が前記ボイラ本体の２次空気系統へ投入され、該２次空気系統をバーナ部系統及び追加空気投入部系統に分岐させたそれぞれの系統に前記酸素の一部を分割投入して、前記２次空気系統を流れる燃焼排ガスとの混合により酸化剤を生成する２次空気酸化剤供給系統と、
前記１次空気系統にミルをバイパスする１次空気バイパス流路と、を備え、
前記１次空気酸化剤供給系統の燃焼排ガス投入量は、前記１次空気バイパス流路を流れた燃焼排ガス量分が燃料搬送に必要な通常のガス量に加算されることで増量され、かつ、前記２次空気酸化剤供給系統の燃焼排ガス投入量は、前記１次空気酸化剤供給系統における燃焼排ガス投入量の増加分だけ低減され、
かつ、系統毎に酸素及び燃焼排ガスの供給量を調整して前記１次空気酸化剤供給系統の酸素濃度が着火適正濃度に調整されることを特徴とするボイラ装置。
前記２次空気酸化剤供給系統は、前記バーナ部系統に配分する酸素比を前記追加空気投入部系統より高く設定したことを特徴とする請求項１に記載のボイラ装置。