JP5929253B2 - 酸素燃焼循環流動層ボイラ及びその温度制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、酸素燃焼循環流動層ボイラ及びその温度制御装置に関するものである。

従来から一般的に実施されているボイラは空気燃焼が殆どであり、このような空気燃焼によるボイラでは、空気中の窒素分による顕熱損失のために熱効率が低下するという問題があった。このため、燃焼による熱効率を向上させる一手法として、酸素富化燃焼が考えられている。酸素富化燃焼では、空気燃焼に比して相対的に窒素分が減少するため、顕熱損失が低下して熱効率が向上することが分かっている。

一方、近年ではボイラ等において、純酸素燃焼や純酸素燃焼＋排ガス再循環が提案されており、このような酸素燃焼方法を採用した場合には、排ガスがすべて二酸化炭素（ＣＯ_２）となり、二酸化炭素分離装置を設けることなしに二酸化炭素を回収できるため、有効な方法として注目されている。

ここで、純酸素燃焼による循環流動層ボイラは特許文献１に記載されており、又、循環流動層ボイラではないが、排ガス再循環を行うようにした酸素燃焼ボイラは特許文献２に記載されている。

特開２０１１−０４７５２４号公報 特開２００７−１４７１６２号公報

循環流動層ボイラにおいて、燃料を酸素燃焼させて流動粒子を加熱するようにした場合には、ライザー燃焼器内が非常に高温となる問題があるため、ライザー燃焼器に酸素を供給すると共に、循環流動層ボイラ下流の温度が低下した排ガスを再循環排ガスとしてライザー燃焼器に供給することにより、循環流動層ボイラ内の温度を安全域に低下させて燃料が完全燃焼するのに適した温度（許容燃焼温度）に調整することが考えられる。

一方、ライザー燃焼器内で加熱された流動粒子は、分離機を介して流動層ボイラに供給され熱回収することにより蒸気が製造されるが、流動層ボイラの伝熱管等は高温に耐えることができないため、流動層ボイラに供給される流動粒子の温度は、流動層ボイラの伝熱管等が保護され、しかも高効率での熱回収が可能な上限のボイラ要求温度に維持する必要がある。

このように、循環流動層ボイラにおいては、ライザー燃焼器内で燃料を完全燃焼させること、及び、流動層ボイラでの熱回収を高効率で且つ安定して行うことが要求される。

しかし、前記したように、ライザー燃焼器内の温度を燃料が完全燃焼するのに適した許容燃焼温度に調整した場合には、流動層ボイラに供給されて熱回収する流動粒子の温度が流動層ボイラの要求温度を超えることが考えられるが、流動層ボイラに供給される流動粒子の温度を調節することはできない。

又、前記流動層ボイラは、一定量で供給される流動粒子によって安定した熱回収を行うように設計されているが、流動層ボイラの負荷（出力指令）が変化し、ライザー燃焼器に対する燃料と酸素の供給量が変化した場合には、前記ライザー燃焼器内の温度を前記許容燃焼温度に維持するために再循環排ガスの供給量を調節することになるが、酸素と再循環排ガスの供給の変化によってライザー燃焼器内を流動粒子が吹き上がる空塔速度が大きく変化し、この空塔速度の変化によって流動層ボイラに供給される流動粒子の流量が大きく変化することになり、よって流動層ボイラの出力が大きく変動する問題がある。

又、石炭等の燃料の種類が変更して燃料の発熱量が変化した場合にも、ライザー燃焼器内の燃焼温度を前記許容燃焼温度に維持するためには、再循環排ガスの供給量を調節する必要があるため、ライザー燃焼器内の空塔速度は変化し、流動層ボイラに供給される流動粒子の循環量が変化することにより、流動層ボイラの出力が不安定に変動するという問題がある。

従って、酸素燃焼による循環流動層ボイラにおいては、ライザー燃焼器内での燃料の完全燃焼と、流動層ボイラでの高効率で安定した熱回収とを同時に達成することが技術的に難しく、このために、酸素燃焼循環流動層ボイラが提案されないのが現状である。

本発明は、上記従来の問題点に鑑みてなしたもので、ライザー燃焼器内での燃料の完全燃焼と、流動層ボイラでの高効率で安定した熱回収とを同時に達成できるようにした酸素燃焼循環流動層ボイラ及びその温度制御装置を提供しようとするものである。

本発明は、流動粒子を装入したライザー燃焼器底部の散気室に酸素製造装置からの酸素を供給すると共に前記ライザー燃焼器における散気室上部の下側燃焼部に燃料を供給し、燃料の流動燃焼により流動粒子を加熱してライザー燃焼器の上側燃焼部に吹き上げ、吹き上げられた高温流体を分離機に導入して二酸化炭素主体の排ガスと流動粒子とに分離し、前記分離機で分離した流動粒子を流動層ボイラに導入して蒸気を製造し、該流動層ボイラによって温度が低下した流動粒子を前記下側燃焼部に戻すようにしている酸素燃焼循環流動層ボイラであって、
前記分離機で分離した二酸化炭素主体の排ガスを導入して蒸気を製造する排ガスボイラと、
該排ガスボイラによって温度が低下した二酸化炭素主体の排ガスを再循環排ガスとして取り出す循環ポンプと、
該循環ポンプからの再循環排ガスを前記散気室に調節して供給することにより前記下側燃焼部に、許容燃焼温度に保持された許容高温燃焼域を形成する第１ガス供給手段と、
前記循環ポンプからの再循環排ガスを前記上側燃焼部に調節して供給することにより上側燃焼部に、流動粒子の温度が流動層ボイラの要求温度に保持された粒子温度調節域を形成する第２ガス供給手段を設け、
前記下側燃焼部の上部に、該下側燃焼部よりも大径の前記上側燃焼部を拡径部を介して形成し、前記拡径部に前記第２ガス供給手段を接続し、
前記下側燃焼部における前記許容高温燃焼域が許容燃焼温度に保持されるように前記散気室に供給される酸素と第１ガス供給手段からの再循環排ガスによって前記許容高温燃焼域に生じる空塔速度に対して、前記上側燃焼部における前記粒子温度調節域の流動粒子の温度が流動層ボイラの要求温度に保持されるように前記第２ガス供給手段からの再循環排ガスの供給によって前記粒子温度調節域に生じる空塔速度が同等になるよう、前記下側燃焼部と上側燃焼部の径を設定した
ことを特徴とする酸素燃焼循環流動層ボイラである。

又、上記酸素燃焼循環流動層ボイラにおいて、前記拡径部に接続する前記第２ガス供給手段が、拡径部の周方向複数箇所から再循環排ガスを供給するマニホールドを有することは好ましい。

又、上記酸素燃焼循環流動層ボイラにおいて、前記マニホールドは上下複数段に備えられていてもよい。

又、上記酸素燃焼循環流動層ボイラにおいて、前記循環ポンプによって取り出される残りの排ガスを導入して二酸化炭素を回収する二酸化炭素回収装置を有することは好ましい。

本発明は、前記酸素燃焼循環流動層ボイラの温度制御装置であって、前記許容高温燃焼域の温度を計測する第１温度計測手段と、前記粒子温度調節域の温度を計測する第２温度計測手段と、前記燃料の発熱量を計測する発熱量計測手段を設けると共に、
前記発熱量計測手段からの燃料の発熱量と前記第１温度計測手段からの検出温度に基づいて、前記許容高温燃焼域が許容燃焼温度に保持されるように前記酸素製造装置から前記散気室に供給する前記酸素に対して前記第１ガス供給手段から前記散気室に供給する前記再循環排ガスの供給割合を調節し、且つ、前記第２温度計測手段からの検出温度に基づいて、前記粒子温度調節域の粒子温度が前記流動層ボイラの要求温度に保持されるように前記第２ガス供給手段から前記拡径部への再循環排ガスの供給を調節する制御器を設けた
ことを特徴とする酸素燃焼循環流動層ボイラの温度制御装置である。

本発明によれば、ライザー燃焼器内での燃料の完全燃焼と、流動層ボイラでの高効率で安定した熱回収とを同時に達成できるという優れた効果を奏し得る。

本発明の酸素燃焼循環流動層ボイラの一実施例の構成を示すブロック図である。 （ａ）は図１のライザー燃焼器の構成を示す切断側面図、（ｂ）は（ａ）のＩＩＢ−ＩＩＢ方向断面図である。

以下、本発明の実施の形態を図示例と共に説明する。

図１、図２は本発明の酸素燃焼循環流動層ボイラの一実施例を示しており、図中、１はライザー燃焼器である。ライザー燃焼器１は、小径の下側燃焼部１ａの上部に、上方へ向かって拡径された拡径部２を介して、前記下側燃焼部１ａよりも大径の上側燃焼部１ｂが形成してあり、前記ライザー燃焼器１内には流動粒子３が装入されている。

更に、前記下側燃焼部１ａの底部には散気板４ａを介して散気室４が形成してあり、該散気室４には酸素製造装置５からの酸素６が供給されている。又、前記下側燃焼部１ａには、燃料ホッパ７からの石炭等の燃料８をロータリバルブ等の燃料供給器９によって供給するようにした燃料供給装置１０が接続されている。

前記燃料供給装置１０によってライザー燃焼器１の下側燃焼部１ａに供給された燃料８は、散気室４から供給される酸素６によって流動粒子３と共に流動燃焼することにより流動粒子３を加熱しつつライザー燃焼器１内を吹き上げるように流動し、吹上げられた高温流体１１は上側燃焼部１ｂの上端から分離機１２に導入されて流動粒子３と二酸化炭素主体の排ガス１３とに分離される。

前記分離機１２で分離された流動粒子３は、流動層ボイラ１４に導入されることにより熱回収されて蒸気を製造し、該流動層ボイラ１４で熱を放出して温度が低下した流動粒子３は前記下側燃焼部１ａに戻されるように構成されている。図１中、１５は、流動層ボイラ１４の流動粒子３を下側燃焼部１ａに戻す傾斜した流路１６に設けたループシール、１７は、ホッパ１７ａ内の流動粒子３を粒子供給器１７ｂにより前記傾斜した流路１６に供給してライザー燃焼器１内の流動粒子３の不足分を補充するための流動粒子供給装置である。

前記分離機１２で分離した二酸化炭素主体の排ガス１３は、排ガスボイラ１８に導入することにより蒸気を製造し、該排ガスボイラ１８で熱回収された排ガス１３は、バグフィルタ等の集塵器１９、脱硫・脱硝装置２０を経て二酸化炭素回収装置２１に導かれる。

前記排ガスボイラ１８によって温度が低下し、集塵器１９によって脱塵された二酸化炭素主体の排ガス１３の一部は、循環ポンプ２３により再循環排ガス２２として外部に取り出すようにしている。

前記循環ポンプ２３の下流には、再循環排ガス２２を調節弁２４を介して前記散気室４に供給することにより、前記下側燃焼部１ａに、燃焼が可能な上限温度である許容燃焼温度に保持された許容高温燃焼域２５を形成するための第１ガス供給手段２６を設ける。

又、前記循環ポンプ２３の下流には、再循環排ガス２２を前記拡径部２に調節弁２７を介して供給することにより、上側燃焼部１ｂに、流動粒子３の温度を流動層ボイラ１４の要求温度に保持された粒子温度調節域２８を形成するための第２ガス供給手段２９を設ける。３０は、酸素製造装置５から散気室４に供給する酸素６の供給を調節する調節弁である。

更に、図１には、酸素燃焼循環流動層ボイラの温度制御装置が備えられている。温度制御装置は、前記燃料８の発熱量を計測する発熱量計測手段３１と、前記下側燃焼部１ａにおける許容高温燃焼域２５の温度を検出する第１温度計３２（第１温度計測手段）と、前記上側燃焼部１ｂにおける粒子温度調節域２８の温度を検出する第２温度計３３（第２温度計測手段）とを備え、前記発熱量計測手段３１による発熱量３１ａと、前記第１温度計３２による許容高温燃焼域２５の検出温度３２ａと、前記第２温度計３３による粒子温度調節域２８の検出温度３３ａを入力する制御器３４が設けてあり、更に、該制御器３４には出力指令３５（ＭＷＤ）が入力されている。

前記制御器３４は、出力指令３５に基づいて、流動層ボイラ１４が所定の出力を保持するように、燃料供給器９により前記下側燃焼部１ａに供給する燃料８の供給量を制御すると共に、燃料８の供給量に見合った酸素６が散気室４に供給されるように調節弁３０を制御する。

更に、制御器３４は、前記下側燃焼部１ａにおける前記許容高温燃焼域２５が許容燃焼温度に保持されるように、前記第１ガス供給手段２６の調節弁２４により散気室４に供給する再循環排ガス２２の供給量を制御する。このとき、出力指令３５が最大値（最大指令）のときを基準として、前記許容高温燃焼域２５が許容燃焼温度に保持されるように制御することができる。

又、制御器３４は、前記上側燃焼部１ｂにおける前記粒子温度調節域２８が流動層ボイラ１４の要求温度に保持されるように、前記第２ガス供給手段２９の調節弁２７により拡径部２に供給する再循環排ガス２２の供給量を制御する。

この時、前記下側燃焼部１ａの散気室４に前記酸素製造装置５からの酸素６と前記第１ガス供給手段２６からの再循環排ガス２２が供給されて、燃料８が燃焼することによって前記許容高温燃焼域２５に生じる空塔速度Ｖ１に対して、前記上側燃焼部１ｂにおける前記粒子温度調節域２８の流動粒子３の温度が流動層ボイラ１４の要求温度に保持されるように前記第２ガス供給手段２９により再循環排ガス２２を拡径部２に供給することによって前記粒子温度調節域２８に生じる空塔速度Ｖ２が同等になるように、前記下側燃焼部１ａ径Ｄ１（断面積）と上側燃焼部１ｂの径Ｄ２（断面積）を設定する。

又、前記拡径部２に接続する前記第２ガス供給手段２９は、図２（ａ）、（ｂ）に示す如く、拡径部２の周方向複数箇所から再循環排ガス２２を供給する複数の供給口３６を備えた例えば環状のマニホールド３７を有している。更に、前記マニホールド３７は、図２（ａ）に示すように拡径部２に対して上下複数段に備えてもよい。

次に、上記実施例の作動を説明する。

前記制御器３４は、出力指令３５に基づいて、流動層ボイラ１４が所定の出力を保持するように、燃料供給器９により前記下側燃焼部１ａに供給する燃料８の供給量を制御すると共に、前記燃料８の供給量に見合った酸素６が散気室４に供給されるように調節弁３０を制御する。

更に、制御器３４は、前記下側燃焼部１ａにおける前記許容高温燃焼域２５が許容燃焼温度に保持されるように、前記第１ガス供給手段２６の調節弁２４を調節して散気室４に供給する再循環排ガス２２の供給量を制御する。従って、前記許容高温燃焼域２５では許容燃焼温度が保持されて燃焼するので、下側燃焼部１ａが高温から保護されると共に、燃料８が前記許容高温燃焼域２５において完全燃焼され、排ガス１３に一酸化炭素及び未燃分が混入するのが防止される。

又、制御器３４は、前記上側燃焼部１ｂにおける前記粒子温度調節域２８が流動層ボイラ１４の要求温度に保持されるように、前記第２ガス供給手段２９の調節弁２７を調節して拡径部２に供給する再循環排ガス２２の供給量を制御する。従って、流動層ボイラ１４には、前記粒子温度調節域２８において流動層ボイラ１４の要求温度に温度が調整された流動粒子３が供給されるので、流動層ボイラ１４の伝熱管等が高温から保護されると共に、流動層ボイラ１４による高効率での蒸気の製造が行われる。

この時、前記許容高温燃焼域２５に生じる空塔速度Ｖ１に対して、前記粒子温度調節域２８に生じる空塔速度Ｖ２が同等になるように、前記下側燃焼部１ａの径Ｄ１（断面積）と上側燃焼部１ｂの径Ｄ２（断面積）を予め設定して構成しているので、ライザー燃焼器１内の空塔速度を大きく変動させることなく、前記許容高温燃焼域２５と前記粒子温度調節域２８の温度を制御できる。

即ち、温度制御された前記許容高温燃焼域２５が形成される下側燃焼部１ａの上部に、下側燃焼部１ａの径Ｄ１よりも拡径した上側燃焼部１ｂを形成することにより、上側燃焼部１ｂ内の空塔速度を前記許容高温燃焼域２５の空塔速度Ｖ１よりも一旦下げるようにし、この上側燃焼部１ｂ内に、前記第２ガス供給手段２９からの再循環排ガス２２を供給することによって、温度制御された前記粒子温度調節域２８を形成すると同時に、粒子温度調節域２８の空塔速度Ｖ２が前記許容高温燃焼域２５の空塔速度Ｖ１と同等になるように制御するので、前記流動層ボイラ１４の負荷が変動した場合、及び、石炭等の燃料８の種類が変更することによって燃料８の発熱量が変化した場合にも、従来の酸素燃焼循環流動層ボイラに備えられるライザー燃焼器に比して、ライザー燃焼器１内における空塔速度の変動は小さく抑えられるようになる。

又、前記粒子温度調節域２８の温度の変化が可能な範囲において、前記第２ガス供給手段２９によって拡径部２に供給する再循環排ガス２２の流量を調整することにより、空塔速度Ｖ２を変化させて、流動層ボイラ１４に供給する流動粒子３の循環量を制御することもできる。

前記拡径部２に、前記第２ガス供給手段２９に備えた環状のマニホールド３７を介して再循環排ガス２２を供給すると、上側燃焼部１ｂの周方向に再循環排ガス２２が均等に供給され、前記粒子温度調節域２８の温度及び空塔速度Ｖ２を均一な状態とすることができる。

前記循環ポンプ２３によって取り出した残りの排ガス１３は、二酸化炭素回収装置２１によって例えば液化二酸化炭素として回収することができる。

尚、本発明の酸素燃焼循環流動層ボイラ及びその温度制御装置は、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 ライザー燃焼器
１ａ 下側燃焼部
１ｂ 上側燃焼部
２ 拡径部
３ 流動粒子
４ 散気室
５ 酸素製造装置
６ 酸素
１０ 燃料供給装置
１１ 高温流体
１２ 分離機
１３ 排ガス
１４ 流動層ボイラ
１８ 排ガスボイラ
２１ 二酸化炭素回収装置
２２ 再循環排ガス
２３ 循環ポンプ
２５ 許容高温燃焼域
２６ 第１ガス供給手段
２８ 粒子温度調節域
２９ 第２ガス供給手段
３１ 発熱量計測手段
３１ａ 発熱量
３２ 第１温度計（第１温度計測手段）
３２ａ 検出温度
３３ 第２温度計（第２温度計測手段）
３３ａ 検出温度
３４ 制御器
３６ 供給口
３７ マニホールド
Ｄ１ 径
Ｄ２ 径
Ｖ１ 空塔速度
Ｖ２ 空塔速度

Claims (5)

1. 流動粒子を装入したライザー燃焼器底部の散気室に酸素製造装置からの酸素を供給すると共に前記ライザー燃焼器における散気室上部の下側燃焼部に燃料を供給し、燃料の流動燃焼により流動粒子を加熱してライザー燃焼器の上側燃焼部に吹き上げ、吹き上げられた高温流体を分離機に導入して二酸化炭素主体の排ガスと流動粒子とに分離し、前記分離機で分離した流動粒子を流動層ボイラに導入して蒸気を製造し、該流動層ボイラによって温度が低下した流動粒子を前記下側燃焼部に戻すようにしている酸素燃焼循環流動層ボイラであって、
   前記分離機で分離した二酸化炭素主体の排ガスを導入して蒸気を製造する排ガスボイラと、
   該排ガスボイラによって温度が低下した二酸化炭素主体の排ガスを再循環排ガスとして取り出す循環ポンプと、
   該循環ポンプからの再循環排ガスを前記散気室に調節して供給することにより前記下側燃焼部に、許容燃焼温度に保持された許容高温燃焼域を形成する第１ガス供給手段と、
   前記循環ポンプからの再循環排ガスを前記上側燃焼部に調節して供給することにより上側燃焼部に、流動粒子の温度が流動層ボイラの要求温度に保持された粒子温度調節域を形成する第２ガス供給手段を設け、
   前記下側燃焼部の上部に、該下側燃焼部よりも大径の前記上側燃焼部を拡径部を介して形成し、前記拡径部に前記第２ガス供給手段を接続し、
   前記下側燃焼部における前記許容高温燃焼域が許容燃焼温度に保持されるように前記散気室に供給される酸素と第１ガス供給手段からの再循環排ガスによって前記許容高温燃焼域に生じる空塔速度に対して、前記上側燃焼部における前記粒子温度調節域の流動粒子の温度が流動層ボイラの要求温度に保持されるように前記第２ガス供給手段からの再循環排ガスの供給によって前記粒子温度調節域に生じる空塔速度が同等になるよう、前記下側燃焼部と上側燃焼部の径を設定した
   ことを特徴とする酸素燃焼循環流動層ボイラ。
2. 前記拡径部に接続する前記第２ガス供給手段が、拡径部の周方向複数箇所から再循環排ガスを供給するマニホールドを有することを特徴とする請求項１に記載の酸素燃焼循環流動層ボイラ。
3. 前記マニホールドが上下複数段に備えられたことを特徴とする請求項２に記載の酸素燃焼循環流動層ボイラ。
4. 前記循環ポンプによって取り出される残りの排ガスを導入して二酸化炭素を回収する二酸化炭素回収装置を有することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つに記載の酸素燃焼循環流動層ボイラ。
5. 請求項１〜４のいずれか１つに記載の酸素燃焼循環流動層ボイラの温度制御装置であって、前記許容高温燃焼域の温度を計測する第１温度計測手段と、前記粒子温度調節域の温度を計測する第２温度計測手段と、前記燃料の発熱量を計測する発熱量計測手段を設けると共に、
   前記発熱量計測手段からの燃料の発熱量と前記第１温度計測手段からの検出温度に基づいて、前記許容高温燃焼域が許容燃焼温度に保持されるように前記酸素製造装置から前記散気室に供給する前記酸素に対して前記第１ガス供給手段から前記散気室に供給する前記再循環排ガスの供給割合を調節し、且つ、前記第２温度計測手段からの検出温度に基づいて、前記粒子温度調節域の粒子温度が前記流動層ボイラの要求温度に保持されるように前記第２ガス供給手段から前記拡径部への再循環排ガスの供給を調節する制御器を設けた
   ことを特徴とする酸素燃焼循環流動層ボイラの温度制御装置。

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