JP5459318B2 - 酸素燃焼ボイラの酸素混合装置 - Google Patents

Description

本発明は酸素燃焼ボイラの酸素混合装置に関する。

従来から実用化されている微粉炭焚ボイラは、ブロワにより大気から吸引した空気によって石炭（微粉炭）を燃焼しており、従って、石炭は酸素濃度がおよそ２１％（ｖ／ｖ％）の空気によって安定且つ安全に燃焼されるように制御されている。一方、近年では、地球温暖化の抑制が急務となってきており、石炭の燃焼により排ガスと共に排出される二酸化炭素（ＣＯ₂）の排出量を減らす要求が急速に高まっている。

従来の微粉炭焚ボイラでは、ＣＯ₂排出量低減のために熱効率を向上させ、単位エネルギー量に対する燃料消費量を抑えることによって、ＣＯ₂排出量の低減を図ることが行われてきたが、このような効率の向上だけでは到底実現できないＣＯ₂排出量の低減が必要となってきている。

そのため、排ガスからＣＯ₂を取り除いて、ＣＯ₂が大気中に放散されないように隔離する技術の開発が進んでいる。そこで考えられたのが酸素燃焼ボイラである。即ち、空気から窒素（Ｎ₂）を分離し、得られた１００％に近い濃度の酸素（Ｏ₂）を燃焼用の空気に替えて微粉炭焚ボイラに供給し、石炭を燃焼することにより排ガス中のＮ₂を著しく減少し、理論的にはＣＯ₂濃度９０％以上の排ガスを得て、このＣＯ₂を取り出して地下、海底等に貯蔵することが考えられている。

しかし、従来２１％程度の酸素で安定燃焼するように設計された微粉炭焚ボイラにおいて、１００％に近い濃度の酸素で石炭を燃焼した場合には、酸素による非常に高温で激しい燃焼のためにボイラが耐えられないという問題がある。

従って、従来から技術的に安定が確立されている微粉炭焚ボイラの設計を大幅に変更することなしに酸素による燃焼を実現するためには、酸素を何らかのガスで希釈することが必要になる。

そこで考えられたのが排ガスを再循環させる方式である。即ち、この方式は、酸素燃焼によって生じる微粉炭焚ボイラ下流の高濃度ＣＯ₂を含む排ガスを循環排ガスとして用い、この循環排ガスに酸素を混合した混合ガスにより微粉炭の燃焼を行うようにしたものである。酸素燃焼による排ガスには上述したようにＮ₂が殆ど含まれておらず、理論的にはＣＯ₂が９０％以上という組成のガスである。従って、上記した循環排ガスに酸素を混合することで、従来のボイラと同様に安定且つ安全な燃焼を確保することができ、又、排ガスの濃縮されたＣＯ₂を液化等の方法により取出して処分することができる。

前記したような酸素燃焼ボイラに関連する技術が開示された先行技術文献としては、特許文献１、特許文献２等がある。

特開平０３−２９１４０６号公報 特開２００７−１４７１６２号公報

酸素燃焼ボイラでは、微粉炭燃料を安定燃焼させるために、非常に大量の燃焼用ガスを必要とする。酸素燃焼ボイラにおいて、燃焼排ガスを再循環して酸素燃焼を行う場合には、大量の循環排ガスに対して大量の酸素を連続的にしかも可能な限り均一に混合されるように供給して均一な燃焼用ガスを製造する必要があるが、特にＣＯ₂は拡散係数が小さいために、循環排ガスに対して酸素を均一に混合することが難しいという問題がある。

即ち、検討及び基礎研究段階では、循環排ガスが予熱器で加熱され、この予熱器で加熱された循環排ガスに、ボイラ火炉の直前において酸素を混合して得られた混合ガスをボイラ火炉に供給することが考えられる。

しかし、予熱器はボイラ火炉に近接して配置されるために酸素を混合した混合ガスをボイラ火炉に導くまでの距離が短いこと、ＣＯ₂の拡散性が悪いこと、加熱された循環排ガスに対して冷たい酸素を混合することにより温度による比重差が影響すること等によって、商用規模のプラントに適用するに当たっては、循環排ガスに対する酸素の混合性の悪化が懸念される。従って、循環排ガスに対する酸素の混合性が悪いために、ボイラ火炉での燃焼が不均一となり、ボイラ火炉内温度が不均一になるといった問題を有していた。

本発明は、斯かる実情に鑑みてなしたもので、酸素燃焼ボイラに供給する循環排ガスに対して酸素を均一に混合できるようにした酸素燃焼ボイラの酸素混合装置を提供しようとするものである。

本発明は、循環排ガスが予熱器により加熱され、且つ前記循環排ガスに酸素を混合して得られた混合ガスを曲り部を有する燃焼用ガスダクトによりボイラ火炉に導いている酸素燃焼ボイラの酸素混合装置であって、前記燃焼用ガスダクトにおける予熱器に最も接近した上流の曲り部に、複数の噴射口を有して循環排ガス中に酸素を噴射する酸素噴射ノズルが燃焼用ガスダクトに上部から内部に貫通して設けられ、前記酸素噴射ノズルは、全ての噴射口が燃焼用ガスダクトの曲り部によって発生する循環排ガスによる渦流部を避けた位置に開口しており、酸素噴射ノズルの下端に、ノズル内へ浸入した微小粒子をノズル外へ噴出するための先端噴射口を有している。

上記酸素燃焼ボイラの酸素混合装置において、前記予熱器に最も接近した曲り部は、鉛直に設けた前記予熱器の下部から導入して加熱した循環排ガスが上部導出口から上方へ出た直後に水平方向へ曲げられた曲り部であることは好ましい。

又、上記酸素燃焼ボイラの酸素混合装置において、前記酸素噴射ノズルが、循環排ガスの下流側周面で酸素噴射ノズルの軸線を通り且つ循環排ガスの流れと並行な面に対して対称に４５゜の範囲に噴射口を有していることは好ましい。

又、上記酸素燃焼ボイラの酸素混合装置において、前記酸素噴射ノズルが、燃焼用ガスダクトに上部から内部に貫通して設けられており、酸素噴射ノズルの下端面には循環排ガスの上流側から下流側に向かって下降する傾斜面を有し、且つ、酸素噴射ノズルの下端における循環排ガスの下流側には先端噴射口を有していることは好ましい。
又、上記酸素燃焼ボイラの酸素混合装置において、前記酸素燃焼ボイラが、酸素燃焼による微粉炭焚ボイラであることは好ましい。

本発明の酸素燃焼ボイラの酸素混合装置によれば、前記燃焼用ガスダクトにおける予熱器に最も接近した上流の曲り部に、複数の噴射口を有して循環ガス中に酸素を噴射する酸素噴射ノズルを配置したので、複数の噴射口から噴射された酸素は循環排ガスに均一に混合するようになり、更に、ボイラ火炉に導かれるまでの燃焼用ガスダクトの長さを最大限活用することにより更に混合性が高められ、よって均一な混合ガスがボイラ火炉に供給されて、ボイラ火炉による均一な燃焼が図られるという優れた効果を奏し得る。

微粉炭焚ボイラによる酸素燃焼ボイラに適用した本発明の実施例を示す側面図である。 図１をＩＩ−ＩＩ方向から見た平面図である。 図１をＩＩＩ−ＩＩＩ方向から見た背面図である。 予熱器の上部導出口から導出される循環排ガスが曲り部を介して燃焼用ガスダクトに導かれる時の流動解析をシミュレーションした流速分布図である。 図４の曲り部に酸素噴射ノズルを設置した例を示す側面図である。 酸素噴射ノズルの一例を示す側面図である。 図６をＶＩＩ−ＶＩＩ方向から見た底面図である。 循環排ガスによって下流に渦が形成されない形状とした酸素噴射ノズルの底面図である。 図８の他の例を示す酸素噴射ノズルの底面図である。

以下、本発明の実施例を図示例と共に説明する。

図１は微粉炭焚ボイラによる酸素燃焼ボイラに適用した本発明の実施例を示す側面図、図２は図１をＩＩ−ＩＩ方向から見た平面図、図３は図１をＩＩＩ−ＩＩＩ方向から見た背面図である。図１〜図３中、１はボイラ火炉、２は該ボイラ火炉１に備えたバーナであり、該バーナ２には、燃焼用ガスダクト３からの混合ガス４と、図示しない微粉炭ミルで粉砕した微粉炭を１次側循環排ガスで搬送するようにした微粉炭管５からの微粉炭燃料が供給されて、燃焼するようになっている。図１中、６は前記バーナ２の上部に備えられたオーバーエアポートであり、該オーバーエアポート６には前記混合ガス４のみが供給されるようになっている。

前記ボイラ火炉１内で燃焼した排ガス８は、上部通路から後部伝熱部９に導かれ、該後部伝熱部９に備えられた図示しない熱交換器によって水及び蒸気を加熱或いは過熱した後、後部伝熱部９の下部から排ガスダクト１０により導出されるようになっている。後部伝熱部９からの排ガス８は、予熱器１１に導かれた後、排ガス処理装置１２に導かれて浄化が行われ、更に、ＣＯ₂分離装置１３によってＣＯ₂を分離した後、煙突１４に導くようになっている。

前記予熱器１１は、前記排ガス処理装置１２の下流の温度が低下した排ガス８を循環排ガスダクト１５によって取り出した循環排ガス８ａと、前記後部伝熱部９出口の高温の排ガス８とを熱交換して循環排ガス８ａの温度を高めるものである。図示の予熱器１１は蓄熱体１６が水平回転する鉛直な回転式予熱器１１ａの場合を示しており、回転式予熱器１１ａには前記循環排ガスダクト１５からの温度が低い循環排ガス８ａが下部導入口１７から導入されて蓄熱体１６の一部を通って上部導出口１８から導出されるようになっており、又、前記後部伝熱部９から排ガスダクト１０により導出される高温の排ガス８は前記回転式予熱器１１ａの上部側方入口１９から導入されて前記蓄熱体１６の他部を通った後、回転式予熱器１１ａの下部側方出口２０から導出されて下流に導かれるようになっている。上記回転式予熱器１１ａにおいては、高温の排ガス８が通って加熱された蓄熱体１６の部分が回転して移動したところに前記循環排ガス８ａが通ることによって循環排ガス８ａの加熱が行われるようになっている。

回転式予熱器１１ａの上部導出口１８には、ボイラ火炉１の左右外方（図２では紙面の上下方向）へ水平に２本に分岐された燃焼用ガスダクト３が接続されており、従って、燃焼用ガスダクト３の予熱器１１に最も接近した上流には、９０゜方向に曲げられた曲り部２１ａが形成されている。更に、前記左右外方へ延びた前記燃焼用ガスダクト３は、図２に示すように、ボイラ火炉１の左右外側面に沿う方向へ曲げられた水平な曲げ部２１ｂを形成して後部伝熱部９の幅方向外側を迂回した後、曲がり部２１ｃにより内側に曲げられてボイラ火炉１の前面と後面のバーナ２及びオーバーエアポート６に接続されている。

上記酸素燃焼ボイラにおいては、前記循環排ガス８ａに酸素を混合する必要があり、このために、燃焼用ガスダクト３における最も回転式予熱器１１ａに接近した上流の曲り部２１ａにおいて、水平方向に延びる燃焼用ガスダクト３の上部から鉛直方向内部へ酸素噴射ノズル２３を貫通配置して循環排ガス８ａ内に酸素２２を噴射するようにした酸素混合装置２４を設けている。

酸素燃焼ボイラでは、ボイラ火炉１での燃焼効率向上の目的から、回転式予熱器１１ａによって循環排ガス８ａを予め排ガス８との熱交換により加熱しているが、このとき、回転式予熱器１１ａよりも上流において酸素を混合した場合には、シール性が低い回転式予熱器１１ａによって酸素のロスが多くなってしまう問題がある。このために、酸素の混合は回転式予熱器１１ａよりも下流であることが好ましい。又、燃焼用ガスダクト３での循環排ガス８ａと酸素２２との混合性を高めるには、混合のための距離を極力長くする目的で燃焼用ガスダクト３における最も回転式予熱器１１ａに近い最上流部に前記酸素混合装置２４を設けることが好ましい。従って、前記酸素混合装置２４を設ける位置は、曲り部２１ｂ，２１ｃの位置であってもよいが、回転式予熱器１１ａに最も接近した上流の曲り部２１ａに設けることが最も好ましい。

ここで、本発明者らは、前記予熱器１１の上部導出口１８から導出した循環排ガス８ａが曲り部２１ａを介して燃焼用ガスダクト３に導かれる時の流動解析のシミュレーションを実施し、その流速分布を図４に示し、流動解析のシミュレーションに用いた構造を図５に示した。図１〜３は一般的なボイラプラントで用いられる回転式予熱器１１ａを用いたシステムを示しているが、図４で用いたシミュレーションのモデル、及び図５に示した構造は、特定のプラントの設計をもとに作成したものであり、予熱器１１の形状、燃焼用ガスダクト３の形状は図１〜３のものとは細部において若干異なっている。しかし、燃焼用ガスダクト３の配置構成については、一貫した思想に基づいて設計がなされたものであるため、細部の形状の変化は考慮する必要があるものの、燃焼用ガスの流れは類似したものになるので、図４に示す検討結果は図１〜３の一般的なボイラでの酸素混合の状態を類推することできる。

図４に示したシミュレーションでは、図５の予熱器１１の上部導出口１８から導出されて曲り部２１ａによって水平に曲げられた循環排ガス８ａは曲り部２１ａの内側下流に渦流部２５を生じることが確認された。このような渦流部２５では循環排ガス８ａの流れに対して逆向きとなる上流に向かう流れが生じている。

このような渦流部２５が形成された部分に酸素を供給した場合には、流れが滞る渦流部２５の酸素の濃度が高くなり、均一な混合を行うことができない。

このため、酸素噴射ノズル２３は、燃焼用ガスダクト３の最も回転式予熱器１１ａに近い最上流部に設けるようにし、このとき、酸素噴射ノズル２３は、図６、図７に示す酸素噴射ノズル２３の全ての噴射口２６が前記渦流部２５を避けた位置になるように配置する。図４、図５では、渦流部２５の下流直近位置に酸素噴射ノズル２３を配置した場合を示しており、この場合には、例えば燃焼用ガスダクト３内の平均流速に対して流速が１／２以下になる部分を避けた安定した流れが形成される渦流部２５の下流直近位置に全ての噴射口２６が開口するように酸素噴射ノズル２３を配置している。又、上記酸素噴射ノズル２３は、図４に（Ａ）で示すように、前記曲り部２３に形成される渦流部２５の上側に渦流部２５まで達しない長さの酸素噴射ノズル２３を設けるようにしてもよく、又、図４に（Ｂ）で示すように、渦流部２５よりも上流側の渦流部２５による影響を受けない部分に酸素噴射ノズル２３を設けるようにしてもよい。

図６、図７は、前記酸素噴射ノズル２３の一例を示したもので、酸素噴射ノズル２３は円筒形を有しており、該酸素噴射ノズル２３には、循環排ガス８ａの下流側に向けて酸素を噴射するための複数の噴射口２６を設けている。図７の例では、酸素噴射ノズル２３の周面における循環排ガス８ａの下流側周面で、酸素噴射ノズルの軸線を通り且つ循環排ガスの流れと並行な面に対して対称に４５゜の範囲に噴射口２６を形成している。

更に、前記酸素噴射ノズル２３の下端面には、循環排ガス８ａの上流側が高く下流側が低くなるように形成した傾斜面２７を形成して、鋭角の先端部２８を形成している。更に、該鋭角の先端部２８における循環排ガス８ａの下流側面には先端噴射口２９を形成している。

上記酸素噴射ノズル２３では、酸素２２の噴射速度は２０ｍ／ｓ以上、好ましくは３０ｍ／ｓ以上、酸素供給系の圧力損失が許容できるならば４０ｍ／ｓ以上とすることが好ましいが、一方、酸素供給系の圧力損失、及びノズル材料の磨耗特性を考慮すると４０ｍ／ｓを大幅に超える条件は好ましくないため、酸素２２の噴射速度の上限は４０〜５０ｍ／ｓの範囲が目安となる。

図８、図９は前記酸素噴射ノズル２３の異なる底面形状例を示したもので、図８は２つの円を略半径の長さで重ね合わせた重ね合わせ部で形成される扁平な円弧形状ノズル２３ａとした場合を示し、又、図９は扁平な六角形状ノズル２３ｂの場合を示しており、いずれの場合も矢印で示すように扁平なノズル２３ａ，２３ｂの上流からの循環排ガス８ａの流れによって下流側に渦が生じない形状としている。

次に、上記実施例の作動を説明する。

図１〜図３の微粉炭焚ボイラによる酸素燃焼ボイラでは、前記排ガス処理装置１２の下流の温度が低下した排ガス８を循環排ガスダクト１５により循環排ガス８ａとして取り出し、この循環排ガス８ａを回転式予熱器１１ａに導いて、後部伝熱部９から排ガスダクト１０によって導かれた高温の循環排ガス８と熱交換することにより循環排ガス８ａの温度を高め、この温度が高められた循環排ガス８ａを燃焼用ガスダクト３によりボイラ火炉１へ供給する。

このとき、前記燃焼用ガスダクト３における回転式予熱器１１ａに最も接近した上流の曲り部２１ａに、図４、図５に示すように、前記曲り部２１ａによって循環排ガス８ａに発生する渦流部２５を避けた位置に全ての噴射口２６が開口するように酸素噴射ノズル２３を配置したので、この酸素噴射ノズル２３に備えた複数の噴射口２６から酸素２２が噴射されて、循環排ガス８ａに酸素２２が混合される。

このとき、前記酸素噴射ノズル２３には、図６、図７に示すように下流側周面の９０゜の範囲に噴射口２６を形成しているので、噴射口２６から噴射した酸素２２は渦を生じることなく循環排ガス８ａと効果的に混合される。又、酸素噴射ノズル２３が図８、図９に示すように扁平な形状のノズル２３ａ，２３ｂであると渦を生じ難いことから好ましい。

このように、燃焼用ガスダクト３における回転式予熱器１１ａに最も接近した上流の曲り部２１ａに設置した酸素噴射ノズル２３の複数の噴射口２６から噴射される酸素２２は循環排ガス８ａに均一に混合されるようになり、更に、その混合ガス４は、曲り部２１ａとボイラ火炉１との間の燃焼用ガスダクト３の長さが長いこと、及び、他の曲がり部２１ｂ，２１ｃを通ることによって更に混合が促進されてボイラ火炉１のバーナ２及びオーバーエアポート６に供給されるので、微粉炭管５から供給される微粉炭は均一な混合ガス４によって良好に燃焼するようになる。前記したような酸素噴射ノズル２３の構成は、循環排ガス８ａを循環するためのブロワの動力増加を殆どもたらすことがない。

又、循環排ガス８ａには微小な粒子（フライアッシュ等）が含まれており、酸素噴射ノズル２３による酸素２２の供給停止時に酸素噴射ノズル２３内にこの微小粒子が侵入する可能性があるが、酸素噴射ノズル２３の下端面に傾斜面２７を形成して、鋭角の先端部２８を形成し、該先端部２８の循環排ガス８ａの下流側面に先端噴射口２９を形成しているので、酸素噴射ノズル２３内に微小粒子が侵入しても先端噴射口２９から容易に噴出される効果がある。

尚、上記実施例においては、回転式予熱器１１ａによる予熱器１１を用いた場合について例示したが、循環排ガスが上部導出口から上方へ出た直後に水平方向へ曲げられた曲り部を有するチューブ式予熱器にも適用することができる。又、本発明の酸素燃焼ボイラの酸素混合装置は、上述の実施例にのみ限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論である。

１ ボイラ火炉
３ 燃焼用ガスダクト
４ 混合ガス
８ 排ガス
８ａ 循環排ガス
１１ 予熱器
１１ａ 回転式予熱器
１８ 上部導出口
２１ａ，２１ｂ，２１ｃ 曲り部
２２ 酸素
２３ 酸素噴射ノズル
２４ 酸素混合装置
２５ 渦流部
２６ 噴射口
２７ 傾斜面
２９ 先端噴射口

本発明の酸素燃焼ボイラの酸素混合装置は、酸素燃焼ボイラに供給する循環排ガスに対して酸素を均一に混合することができる。

Claims (4)

1. 循環排ガスが予熱器により加熱され、且つ前記循環排ガスに酸素を混合して得られた混合ガスを曲り部を有する燃焼用ガスダクトによりボイラ火炉に導いている酸素燃焼ボイラの酸素混合装置であって、前記燃焼用ガスダクトにおける予熱器に最も接近した上流の曲り部に、複数の噴射口を有して循環排ガス中に酸素を噴射する酸素噴射ノズルが燃焼用ガスダクトに上部から内部に貫通して設けられ、前記酸素噴射ノズルは、全ての噴射口が燃焼用ガスダクトの曲り部によって発生する循環排ガスによる渦流部を避けた位置に開口しており、酸素噴射ノズルの下端に、ノズル内へ浸入した微小粒子をノズル外へ噴出するための先端噴射口を有する酸素燃焼ボイラの酸素混合装置。
2. 前記予熱器に最も接近した曲り部は、鉛直に設けた前記予熱器の下部から導入して加熱した循環排ガスが上部導出口から上方へ出た直後に水平方向へ曲げられた曲り部である請求項１に記載の酸素燃焼ボイラの酸素混合装置。
3. 前記酸素噴射ノズルは、循環排ガスの下流側周面で酸素噴射ノズルの軸線を通り且つ循環排ガスの流れと並行な面に対して対称に４５゜の範囲に噴射口を有している請求項１に記載の酸素燃焼ボイラの酸素混合装置。
4. 前記酸素燃焼ボイラは、酸素燃焼による微粉炭焚ボイラである請求項１に記載の酸素燃焼ボイラの酸素混合装置。

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