JP5812740B2

JP5812740B2 - 酸素燃焼システム及びその運転方法

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Publication number: JP5812740B2
Application number: JP2011161770A
Authority: JP
Inventors: 聡多田隈; 嶺　聡彦; 聡彦嶺; 武田　豊; 豊武田; 仁若松
Original assignee: Mitsubishi Hitachi Power Systems Ltd
Current assignee: Mitsubishi Power Ltd
Priority date: 2011-07-25
Filing date: 2011-07-25
Publication date: 2015-11-17
Anticipated expiration: 2031-07-25
Also published as: JP2013024516A

Description

本発明は、ＮＯｘの生成を抑制するのに好適な酸素燃焼システム及びその運転方法に関する。

従来の火力発電プラントでは、空気を用いて燃料を燃焼させる空気燃焼用ボイラを備えた空気燃焼システムが主流であるが、地球温暖化の原因物質の１つであり、産業活動において最も排出量が多い二酸化炭素（ＣＯ_２）の回収を容易にする方法として、酸素燃焼システムを用いた火力発電が提案されている（特許文献１参照。）。

酸素燃焼システムでは、ボイラから排出された排ガスの一部と空気から窒素（Ｎ）分を除去して製造された高濃度酸素（以下、酸素と略す）とを混合した燃焼用ガスを石炭等の化石燃料とともにボイラに供給して燃焼させることにより、ＣＯ_２とＨ_２Ｏを主成分とする排ガスを排出する。このため、排ガスを冷却圧縮することにより、排ガス中からＣＯ_２を容易に分離することができる。また、燃焼用ガスには空気中のＮ分が含まれていないため、空気中のＮ分に起因するサーマルＮＯｘが発生しない。

一方、この種のボイラに取り付けられた石炭等の固体燃料用バーナ（以下、バーナと略す）は、円筒状の１次ノズルと、その外周を同軸に包囲する円筒状の２次ノズルと、さらにその外周を同軸に包囲する円筒状の３次ノズルからなる多重構造のものが広く採用されている。このバーナは、１次ノズルから燃料とその搬送用気体を噴出し、２次ノズル及び３次ノズルから燃焼用ガスを噴出するようになっている（例えば、特許文献２、３参照。）。

特開２００７−１４７１６２号公報特開２０００−２５７８１１号公報特開２０００−１３０７１０号公報

ところで、既設の空気燃焼用ボイラを使用して酸素燃焼システムを構築する場合、以下の問題が懸念される。すなわち、バーナ全体から噴出されるガスの酸素濃度を空気と同等の例えば約２１％に設定した場合、そのガスの酸素を除いたガスの組成が変わるため、ボイラ内部の熱交換器の熱吸収特性が大きく変化する。したがって、ボイラ内の熱交換器の配置や伝熱面積の変更に伴う改造が必要となり、そのための設備費や労力が多大となる。

このような改造をできるだけ少なくするためには、酸素を含む燃焼用ガスの酸素濃度を空気よりも高め、バーナ全体から噴出されるガスの酸素濃度を約２７％に設定する必要がある。

しかし、このように酸素濃度を空気よりも高い約２７％に設定した場合、バーナの先端に形成される火炎のうち還元炎の発生領域が狭くなるため、燃料中のＮ分に起因するフューエルＮＯｘが増大する。

また、多重構造のバーナを用いる場合、酸素濃度の増大に伴う燃焼温度の上昇により、バーナに設置された保炎器等の構成機器が焼損するおそれがある。

本発明は、燃焼用ガスの酸素濃度を高めても、フューエルＮＯｘの増大を抑制することができ、かつ、保炎器等の構成機器の焼損等を防ぐことを課題とする。

本発明は、上記課題を解決するため、富酸素ガスと循環排ガスとを混合した燃焼用ガスをバーナから噴出させて燃料を燃焼させるボイラと、このボイラから排出される排ガスの煙道から抜き出した循環排ガスをバーナに導く再循環配管とを備える酸素燃焼システムにおいて、バーナは、筒状の１次ノズルと、この１次ノズルの外周を同軸に包囲する筒状の２次ノズルと、この２次ノズルの外周を同軸に包囲する筒状の３次ノズルとを備え、１次ノズルには、再循環配管を分岐させて抜き出した循環排ガスと燃料とが流れる第１の供給配管が接続され、２次ノズルには、再循環配管が接続され、３次ノズルには、再循環配管を分岐させて抜き出した循環排ガスが流れる第２の供給配管が接続され、富酸素ガスは、第１の供給配管と第２の供給配管の一方又は両方に供給されてなることを特徴とする。

このように再循環配管を２次ノズルに接続することにより、２次ノズルには、酸素を殆ど含まない循環排ガスが供給され、２次ノズルから噴出された循環排ガスは、１次ノズルから噴出されたガスと接触する。これにより、火炎中には、燃料中のＮ分から生成されたＮＯｘを窒素に還元する還元炎が形成されるため、還元炎の領域を増やすことができ、ノズルから噴出されたガスの酸素濃度が増加しても、フューエルＮＯｘの生成を抑制することができる。また、還元炎の領域が増加することに伴い、酸化炎の領域を減らすことができるため、燃焼温度の上昇を抑制することができ、保炎器等の構成機器の焼損等を回避することができる。

また、このような酸素燃焼システムの運転方法としては、具体的に、１次ノズルに供給されるガス中の酸素濃度が４vol％以上２１vol％以下となるように調節し、３次ノズルに供給されるガス中の酸素濃度を３４vol％以上３７vol％以下となるように調節し、１次乃至３次ノズルを通じてバーナ全体から供給されるガスの酸素濃度が２６vol％以上２８vol％以下となるように調整してなることを特徴とする。

本発明によれば、燃焼用ガスの酸素濃度を高めても、フューエルＮＯｘの増大を抑制することができ、かつ、保炎器等の構成機器の焼損等を防ぐことができる。

本発明に係る酸素燃焼システムの構成を示す系統図である。本発明に係る酸素燃焼システムのボイラに設けられるバーナの構成を示す断面図である。本発明に係るバーナの近傍におけるフューエルＮＯｘの発生機構を説明する図である。従来のバーナの近傍におけるフューエルＮＯｘの発生機構を説明する図である。本発明に係る酸素燃焼システムの効果を説明する図である。

以下、本発明を適用してなる酸素燃焼システムの実施形態について、図面を参照して具体的に説明する。なお、本実施形態では、固体燃料として微粉炭を用いるバーナを例に説明するが、本発明の対象は、燃料の種類に限定されるものではなく、石炭以外にも褐炭や植物由来の固体燃料を微粉化したものやそれらの混合物等にも適用することができる。

図１に示すように、本実施形態の酸素燃焼システムは、ボイラ１と、酸素発生装置３と、ミル５と、ボイラ１の排ガスを処理する排ガス処理系統７と、各種配管系統を備えて構成される。ボイラ１は、火炉９と、火炉９に取り付けられるバーナ１１及びウィンドボックス１３とから構成され、バーナ１１は、ウィンドボックス１３内に収容された状態で配置される。酸素発生装置３は、空気から窒素等を分離して高濃度（例えば９５％ｖｄ以上：ドライべースの容積分率）の酸素を生成するものである。

ボイラ１の出口には、排ガスの煙道１５が接続されており、煙道１５の途中には排ガス処理系統７が設けられている。排ガス処理系統７には、例えば、排ガスの脱硝装置、除塵装置、脱硫装置等が設けられ、脱硝、除塵、脱硫等の各処理が施された排ガスを図示しない後段のＣＯ_２分離装置で冷却し圧縮することにより、排ガス中から分離したＣＯ_２を回収するようになっている。

本実施形態では、３つの配管系統がバーナ１１に接続されている。すなわち、ミル５で粉砕された燃料を搬送用ガスに同伴させて供給する第１の供給配管１７と、排ガス処理系統７で処理された循環排ガスと酸素との混合ガスを供給する第２の供給配管１９と、排ガス処理系統７で処理された循環排ガスのみを供給する第３の供給配管２１（再循環配管）の３系統がそれぞれバーナ１１に接続されている。

第１の供給配管１７は、第２の供給配管１９の分岐部に一端が接続され、他端がバーナ１１に接続されている。第１の供給配管１７には、バンカ２３と、バンカ２３から供給された石炭を微粉砕するミル５が設けられている。第２の供給配管１９は、ファン２５に一端が接続されるとともに他端がバーナ１１に接続されている。

酸素発生装置３の酸素出口には供給配管２７が接続され、この供給配管２７の下流側は、供給配管２９と供給配管３１の２本に分岐されている。配管２９は、第２の供給配管１９の第１の供給配管１７の分岐部の下流側に接続され、配管３１は、第１の供給配管１７に接続されている。配管２９と配管３１には、それぞれ酸素流量調整バルブ３３，３５が設けられている。酸素発生装置３の窒素出口には供給配管３７が接続されている。

第３の供給配管２１は、排ガス処理系統７の後流側の煙道１５の分岐部に一端が接続され、他端がバーナ１１に接続されている。ここで、第３の供給配管２１は、排ガス処理系統７の後流側から分岐する例に限らず、排ガス処理系統に含まれる装置群の途中から分岐させてもよい。第３の供給配管２１には、上流側から入口バルブ３９、ファン４１が順に設けられ、ファン４１の下流側の分岐部に配管４３の一端が接続されている。配管４３の他端は、第２の供給配管１９における第１の供給配管１７の分岐部の上流側に接続されている。

第１の供給配管１７及び第２の供給配管１９には、それぞれガス流量調整バルブ４５，４７が設けられており、第３の供給配管２１における配管４３の分岐部の下流側及び配管４３には、それぞれガス流量調整バルブ４９，５１が設けられている。

図２に示すように、本実施形態のバーナ１１は、筒状の１次ノズル５３と、１次ノズル５３の外周を同軸に包囲する筒状の２次ノズル５５と、２次ノズル５５の外周を同軸に包囲する筒状の３次ノズル５７を有する多重構造をなしている。このバーナ１１は、炉壁Ｗの貫通孔に挿入された状態で支持されている。

１次ノズル５３の内側には、重油を供給する重油供給管５９が１次ノズル５３の軸芯に沿って設けられ、重油供給管５９の外周部には、濃縮器６１が設けられている。また、１次ノズル５３の内周面には、流路を狭くする流路調整部材６３が設けられている。１次ノズル５３の先端側の外周面には、保炎器６５が設けられている。

１次ノズル５３の基端側には、第１の供給配管１７が接続され、２次ノズル５５の基端側には、第３の供給配管２１が接続され、３次ノズル５７の基端側には、第２の供給配管１９が接続されている。各ノズル５３，５５，５７に供給されるガス流量は、図示しない制御装置等が、ガス流量調整バルブ４５，４７，４９，５１の弁開度を調整することにより、調整可能になっている。

第１の供給配管１７及び第２の供給配管１９には、それぞれガス採取管を介して酸素濃度測定装置６７，６９が設けられ、各供給配管１７，１９を流れるガスの酸素濃度が常時測定できるようになっている。本実施形態では、例えば、酸素濃度の測定が予め設定された濃度となるように、図示しない制御装置により、酸素流量調整バルブ３３，３５の弁開度が調整されるようになっている。

次に、このようにして構成される酸素燃焼システムの動作について説明する。

ボイラ１には、バーナ１１から、燃料である微粉炭と酸素及び循環排ガスが供給されて微粉炭が燃焼される。ボイラ１から排出された排ガスは、煙道１５に導かれて排ガス処理系統７に入る。排ガス処理系統７に導かれた排ガスは、脱硝処理が施され、排ガス中のＮＯｘが除去される。脱硝処理がなされた排ガスは、所定温度に減温された後、排ガス中の煤塵が除去される。続いて、煤塵が除去された排ガスは、排ガス中のＳＯｘが除去された後、冷却圧縮され、排ガス中のＣＯ_２が液化された状態で分離される。ＣＯ_２が分離された排ガスは大気中に放出される。

一方、排ガス処理系統７を経由した排ガスは、煙道１５において、その一部が抜き出され、第３の供給配管２１に導かれる。第３の供給配管２１に導かれた排ガスは、循環排ガスとなってファン３９、ガス流量調整バルブ４１を経由した後、バーナ１１に直接供給されるが、ガス流量調整バルブ４１の下流側の分岐点において循環排ガスの一部が抜き出され、配管４３に導かれる。配管４３に導かれた循環排ガスは、ガス流量調整バルブ５１を経由して第２の供給配管１９に導かれる。第３の供給配管２１を経由してバーナ１１に直接導かれる循環排ガスの流量と配管４３を流れる循環排ガスの流量は、それぞれガス流量調整バルブ４９，５１によって調整が可能になっている。なお、第２の供給配管１９の他端が接続されるファン２５は、ボイラ起動時に運転されるものであるため、それ以外は運転が停止し、その手前側に設けられる出口バルブ７１も起動時以外は閉じられている。

第２の供給配管１９に導かれた循環排ガスは、一部が第１の供給配管１７に導かれる。第２の供給配管１９には、酸素発生装置３で発生した酸素が供給配管２７，２９を介して導入される。第１の供給配管１７には、酸素発生装置３で発生した酸素が供給配管２７，３１を介して導入される。第１の供給配管１７と第２の供給配管１９に導入される酸素の流量は、それぞれ酸素流量調整バルブ３３，３５によって調整される。

第１の供給配管１７に酸素が導入されると、循環排ガスと混合されて混合ガスとなる。第１の供給配管１７には、バンカ２３に貯留された石炭がフィーダ７３を介して供給され、この石炭は、混合ガスとともにミル５に導かれ、微粉炭燃焼に適した粒度に粉砕される。粉砕された微粉炭は、混合ガスに同伴されて第１の供給配管１７を経由してバーナ１１の１次ノズル５３に供給される。第２の供給配管１９では、酸素が循環排ガスと混合された後、バーナ１１の３次ノズル５７に供給される。第３の供給配管２１には、他の供給配管のように酸素が供給されないため、循環排ガスのみが２次ノズル５５に供給される。

次に、このように動作する酸素燃焼システムにおいて、フューエルＮＯｘが低減される仕組みについて説明する。

はじめに、図４に、従来の燃焼システムにおけるフューエルＮＯｘの反応機構の概念図を示す。従来の燃焼システムでは、２次ガスと３次ガスが共通のウィンドボックス１３から供給される。図４は、多重構造の各ノズルから噴き出されるガスの流れと反応領域の断面を模式的に表したものであり、左側の矢印は、符号７３が１次ノズル５３から供給される１次ガス（燃料と酸素及び循環排ガスの混合ガス）の流れを示し、符号７５が２次ノズル５５から供給される２次ガス（酸素と循環排ガスが混合された燃焼用ガス）の流れを示し、符号７７が３次ノズル５７から供給される３次ガス（酸素と循環排ガスが混合された燃焼用ガス）の流れを示す。図の横軸は、バーナ１１の１次ノズル５３の出口から軸芯方向の距離を示し、燃焼過程の異なる４つの領域（領域Ａ〜Ｄ）を表している。ここで、１次ガス７３が供給されてから酸素がなくなるまでの領域を領域Ａとし、１次ガス７３の酸素がなくなってから２次ガス７５が混合される前までの領域を領域Ｂとし、１次ガス７３と３次ガス７７が混合される領域を領域Ｃ、それ以降の領域を領域Ｄとして示す。

領域Ａにおいては、石炭中のＮ分が、燃焼初期の熱分解反応により、ＨＣＮやＮＨ_３として気相中に放出される。ここで、１次ガス７３には、燃料の他に酸素が含まれるため、まず、ＨＣＮやＮＨ_３が燃焼し、式（１）の酸化反応が主に起こる。
Ｎ → ＮＯｘ（酸化反応）・・・（１）

領域Ｂでは、１次ガス７３に含まれる燃料に対して酸素量が少ないため、１次ガス７３の燃料が燃焼後、酸素が不足して燃料過剰の状態となる。そのため、領域Ｂでは、式（２）の還元反応が主に起こる。
ＮＯｘ → Ｎ_２（還元反応）・・・（２）

領域Ｃでは、１次ガス７３と２次ガス７５が混合するため、式（１）の酸化反応が主に起こる。また、領域Ｄも同様に、１次ガス７３と３次ガス７７が混合するため、式（１）の燃焼による酸化反応が主に起こる。

次に、図３において、本実施形態の燃焼システムにおけるフューエルＮＯｘの反応機構の概念図を示す。図３では、１次ガス７９が燃料と酸素及び循環排ガスが混合された流れを示し、２次ガス８１が循環排ガスのみの流れを示し、３次ガス８３が酸素と循環排ガスが混合された流れを示している。なお、式（１）、（２）の各反応は、図４で説明した通りである。

本実施形態では、酸素を殆ど含まない循環排ガスを２次ガス８１として供給しているため、図４と異なる反応機構を示す。すなわち、１次ガス７９と２次ガス８１が混合される領域Ｃにおいて、図４では、式（１）の酸化反応が主に起こるのに対し、図３では、式（２）の還元反応が主に起こる。

このように、酸素を殆ど含まない２次ガス８１を１次ガス７９と接触させることにより、領域Ｂに加えて領域Ｃにも還元炎の領域を形成することができる。そのため、従来の燃焼システムと比べて還元炎の領域を増やすことができ、フューエルＮＯｘの生成を抑制することができる。また、還元炎の領域が増えることにより酸化炎の領域を減らすことができるため、酸化反応に伴う燃焼温度の上昇を抑制することができる。そのため、保炎器６１等の構成機器の焼損等を回避することができる。

なお、本実施形態では、第１の供給配管１７及び第２の供給配管１９の両方に酸素を供給する例を説明したが、酸素の供給箇所は、バーナ１１の保炎性を維持する機能を満たせばよく、第１の供給配管１７及び第２の供給配管１９のいずれか一方でもよい。また、第２の供給配管１９のみ酸素を供給する場合、第２の供給配管１９を分岐させ、第２の供給配管１９を流れる酸素を含む循環排ガスの一部を第１の供給配管１７に分配するように構成しても構わない。

表１に、本発明の酸素燃焼システムに用いるバーナ１１の各ノズルにおけるガス流量の比率（バーナ１１の全体を通じて噴出するガスの全流量を１００％としたときの割合）と酸素濃度（ｖｏｌ％）を示す。参考として、従来の燃焼システムを適用した比較例も併せて示す。

ここで、ガス流量の比率は、適切なバーナ火炎を形成するための値であり、本発明及び比較例１、２で同じである。１次ガスは、燃料を搬送し、１次ノズル５３に燃料を堆積させないために必要最低限の流量として３０％、上限は燃料の着火性を確保するため４０％の範囲内となる。２次ガスは、バーナ１１の保炎器６５を冷却保護するため最低でも流量比１０％を確保する必要があり、上限は火炎の吹き飛びを防止するため１５％程度である。３次ガスとしては、バーナ１１全体で必要なガス流量に対し、１次、２次の残りの分を供給する。

酸素濃度は、空気燃焼と同等の負荷、すなわち、ボイラ１の各熱交換器を通じた熱吸収の条件を既存の空気燃焼式ボイラと同等にするため、バーナ全体を通じで噴出するガス量の２６％以上２８％以下とする必要がある。ここでは、この値を２７％とした場合の例を示す。

１次ガスの酸素濃度は、全量を循環排ガスとしたときの酸素濃度である４％を下限値とするが、燃料の着火性の点で１０％程度以上とすることが望ましい。一方、バーナ１１の上流側に位置するミル５の安全性の観点から上限は空気燃焼と同等の２１％とする必要がある。表１の本発明のケースは、これを２１％とした場合について示したものである。また、本発明の２次ガスは、循環排ガスのみであるため、酸素濃度を４％とすることができ、これにより、３次ガスは、３４％以上３７％以下となる。このような酸素濃度の調整は、各ノズルに接続される供給配管１７，１９，２１のガス流量調整バルブ４５，４７，４９や酸素流量調整バルブ３３，３５を調整することにより行われる。

比較例１は、２次ガスと３次ガスが共通のウィンドボックス１３から供給される従来の燃焼システム（バーナ）を用いて、２次ガスの酸素濃度を４％とした場合である。３次ガスの酸素濃度も２次ガスと同じ４％となるため、バーナ全体で酸素濃度を２７％とするには、１次ガスの酸素濃度が最大で９０％近くまで高める必要がある。このため、上流側（例えばミル５等）で燃料発火に至る可能性が高まり、安全性の確保が困難となる。

比較例２は、同様に従来の燃焼システム（バーナ）を用いて、１次ガスの酸素濃度を２１％とした場合であり、２次ガスと３次ガスの酸素濃度が等しくなるため、２次ガスの酸素濃度は、２９〜３１％となる。こうなると、図４のようになり、還元炎の領域が減少するため、フューエルＮＯｘ濃度を低減することが難しくなる。以上より、従来方式では、２次ガスの酸素濃度を循環排ガスのレベルまで下げることが不可能であることが分かる。

図５に、本発明と比較例（表１の比較例２に対応）のフューエルＮＯｘの低減効果を示す。縦軸はＮＯｘ濃度（左側）と各領域の平均酸素濃度（右側）、横軸は１次ノズル出口から軸芯方向の距離を示す。実線はＮＯｘ濃度を示し、点線は酸素濃度を示す。

本発明及び比較例２のいずれも、領域Ａでは、酸化反応によりＮＯｘ濃度が増加し、領域Ｂでは、還元反応によりＮＯｘ濃度が減少する。一方、領域Ｃでは、比較例で、式（１）の酸化反応が進行し、ＮＯｘ濃度が増加するのに対し、本発明では、２次ガスに酸素が殆ど含まれていない循環排ガスを投入しており、１次ガスと２次ガスの混合時に酸化反応はほとんど発生しない。その代わり、本発明では、式（２）の還元反応が進行するため、フューエルＮＯｘの濃度が減少する。

１ボイラ
３酸素発生装置
５ミル
７排ガス処理系統
１１バーナ
１７第１の供給配管
１９第２の供給配管
２１第３の供給配管
５３１次ノズル
５５２次ノズル
５７３次ノズル
７９１次ガス
８１２次ガス
８３３次ガス

Claims

富酸素ガスと循環排ガスとを混合した燃焼用ガスをバーナから噴出させて燃料を燃焼させるボイラと、該ボイラから排出される排ガスの煙道から抜き出した前記循環排ガスを前記バーナに導く再循環配管とを備える酸素燃焼システムにおいて、
前記バーナは、筒状の１次ノズルと、該１次ノズルの外周を同軸に包囲する筒状の２次ノズルと、該２次ノズルの外周を同軸に包囲する筒状の３次ノズルとを備えてなり、
前記１次ノズルには、前記再循環配管を分岐させて抜き出した前記循環排ガスと前記燃料とが流れる第１の供給配管が接続され、前記２次ノズルには、前記再循環配管が接続され、前記３次ノズルには、前記再循環配管を分岐させて抜き出した前記循環排ガスが流れる第２の供給配管が接続され、
前記富酸素ガスは、前記第１の供給配管と前記第２の供給配管の一方又は両方に供給されてなることを特徴とする酸素燃焼システム。
請求項１に記載の酸素燃焼システムの運転方法において、
前記１次ノズルに供給されるガス中の酸素濃度が４ｖｏｌ％以上２１ｖｏｌ％以下となるように調節し、前記３次ノズルに供給されるガス中の酸素濃度を３４ｖｏｌ％以上３７ｖｏｌ％以下となるように調節し、
前記１次乃至３次ノズルを通じて前記バーナ全体から供給されるガスの酸素濃度が２６ｖｏｌ％以上２８ｖｏｌ％以下となるように調整してなることを特徴とする酸素燃焼システムの運転方法。