JP6118357B2 - 内部煙道ガス再循環を備えている炉装置 - Google Patents

Description

本出願は、２００８年６月２５日に出願した米国特許仮出願第６１／０７５，４５１号及び２００９年６月２４日に出願した米国特許出願第１２／４９０，８１８号の優先権を主張するものであり、それらの内容の全体を参照するために、それらの内容の全体を参照するためにそれらの内容は本明細書に含まれている。

本発明は、一般には、化石燃料燃焼炉装置、より詳細には、内部煙道ガス再循環を有するオキシ燃料燃焼炉装置に関する。

ボイラ又は炉とも称されている蒸気発生器は、種々のシステムにおいて用いられている。例えば、ボイラは発電タービン及び化学反応を始めさせるエネルギーを提供する化学プロセスにおいて用いることができる。ボイラにおいて用いられている燃焼プロセスは、しばしば、化石燃料、例えば石炭又は石油を用いる。一般に、燃焼プロセス中、汚染物質、例えば未燃燃料、微粒子、灰、ＮＯｘ及び他の燃焼副生物が発生する。もしこれらの汚染物質が多量に大気中に放出された場合には、これらの汚染物質は環境に有害な影響を与え、また人間及び動物に対して健康被害を及ぼすものである。

本発明の一態様によれば、炉装置において、燃焼容器であって、出口端と、燃焼容器により画定された内部区域内へ延びている、少なくともひとつの開口とを有する燃焼容器と、前記出口端に連結されて、前記内部区域と流体連通している煙道ダクトと、前記煙道ダクトから前記少なくともひとつの開口にまで延びて、前記煙道ダクトと前記内部区域との間の流体連通を提供する再循環ダクトと、前記再循環ダクト内に少なくとも一部分が設置され、煙道ガスの一部分をコントローラから発したコマンドに応答して前記再循環ダクトを通して前記内部区域内へ流すことを生じせしめる搬送手段とを包含し、前記搬送手段がファン、ブロア、コンプレッサ及びエダクタの何れかであり、前記エダクタがこのエダクタへ供給される動力流体を有して、前記煙道ガスの一部分と前記動力流体とを前記内部区域内へ搬送するようにし、前記動力流体が酸素、蒸気及び煙道ガスの何れかである炉装置が提供される。

本発明の他の態様によれば、炉装置において、燃焼容器であって、出口端と、燃焼容器により画定された内部区域内へ延びている、少なくともひとつの開口とを有する燃焼容器と、前記出口端に連結されて、前記内部区域と流体連通している煙道ダクトと、前記煙道ダクトから前記少なくともひとつの開口にまで延びて、前記煙道ダクトと前記内部区域との間の流体連通を提供する再循環ダクトと、前記再循環ダクト内に少なくとも一部分が設置されたエダクタであって、エダクタへ供給される酸素を有して、煙道ガスの一部分と前記酸素とを前記再循環ダクトを通して前記内部区域内へ搬送するエダクタとを包含している炉装置が提供される。

上述した及び他の特徴は、添付した図面及び下記の詳細な説明により示されている。

次に図面を参照するに、これらの図面は例示的な実施形態を示す。

本発明による炉装置を概略的に示す。 エダクタ型の搬送装置を備えている、図１の炉装置を概略的に示す。 図１の炉装置の一部分を概略的に示し、ファン型の搬送装置を示す。 図１の炉装置の横断面図であって、タンジェンシャル燃焼の構成を示す。

図１に示されるように、参照符号１０により総括的に示されている炉装置は、内部区域１４を画定している燃焼容器１２を包含する。燃焼容器１２は、また、その端１６の下方部分にホッパ１８を画定する。燃焼容器１２は、一般に、ホッパ１８と対向して導管状の出口端１９を画定し、この出口端１９は作動中燃焼容器１２を出る煙道ガスＦＧを搬送する。

図１をなおも参照するに、マニホルド２４又は風箱が燃焼容器１２に連結されて、内部区域１４と流体連通している。このマニホルド２４は、内側に面している開口２６と、２つの外側に面している開口２８及び３０とを有する。ここに示した実施形態において、マニホルド２４は燃焼容器１２の一部分のまわりを包む。更に、内側に面している開口２６に隣接している、マニホルド２４の一部分は燃焼容器１２の外側面３２の一部分に密封して係合する。マニホルド２４の他の部分は、燃焼容器１２の第１及び第２の開口２０及び２２をおおって設置され、これにより、マニホルド２４により画定された内部区域３４は燃焼容器１２の内部区域１４と流体連通している。

燃焼容器１２の内部区域１４は、また、煙道ダクト４２と流体連通しており、この煙道ダクト４２はこの煙道ダクトを通しての煙道ガスＦＧの流れを容易にするためのものである。同様に、煙道ダクト４４が煙道ダクト４２と第２のホッパ区域４６とに流体連通している。第１の熱交換器、例えばエコノマイザ４５が煙道ダクト４４内に設置されて、この煙道ダクト４４と流体連通している。作動中、エコノマイザ４５はこのエコノマイザを通して流れる煙道ガスＦＧを冷却する。例えば空気予熱器である第２の熱交換器５０が、ここに示した実施形態では導管４８を通して、煙道ダクト４４の下流に設置されて、この煙道ダクト４４と流体連通している。第２の導管５２が、煙道ダクト４４とマニホルド２４との間に延びて、これらの煙道ダクト４４及びマニホルド２４と流体連通している。この第２の導管５２は、エコノマイザ４５の出口４７の下流の煙道ダクト４４から延びている。

エコノマイザ４５が煙道ガスＦＧを冷却するひとつの実施可能を手段として記載されているけれども、ここに開示した本発明の範囲を逸脱することなしに、他の熱交換手段、例えば、限定されるものではないが、超臨界蒸気パネル、蒸気加熱手段、蒸気発生手段及びそれらの組み合せを用いることができるものである。

第２の導管５２とマニホルド２４とは再循環区域５５を画定するように協同し、この再循環区域５５は煙道ダクト４４と燃焼容器１２の内部区域１４との間の流体連通を提供する。第２の導管５２は、炉装置１０の最初の構築中に設置することもできるし、又は最初の構築の後の改装中に設置することもできる。炉装置１０は、更に、汚染防止装置５４を包含し、この汚染防止装置５４は第２の熱交換器５０と流体連通して、この第２の熱交換器５０の下流に設置されている。

図２の炉装置は図１に示した炉装置と類似しており、したがって同様な要素には同様の符号の前に数字“１”を付けて示している。したがって、参照符号１１０により総括的に示されている炉装置は、内部区域１１４を画定している燃焼容器１１２を包含する。燃焼容器１１２は第１及び第２の開口１２０及び１２２を画定し、これらの第１及び第２の開口１２０及び１２２はそれぞれ内部区域１１４内に開口している。マニホルド１２４又は風箱が、燃焼容器１１２に連結されて、内部区域１１４と流体連通している。このマニホルド１２４は、燃焼容器１２の第１及び第２の開口１２０及び１２２をおおって設置され、これにより、マニホルド１２４により画定された内部区域１３４は燃焼容器１１２の内部区域１１４と流体連通している。

燃焼容器１１２の内部区域１１４は、また、煙道ダクト１４２と流体連通しており、この煙道ダクト１４２はこの煙道ガスを通しての煙道ダクトＦＧの流れを容易にするためのものである。同様に、煙道ダクト１４４が煙道ダクト１４２と流体連通している。第１の熱交換器、例えばエコノマイザ１４５が煙道ダクト１４４内に設置されて、この煙道ダクト１４４と流体連通している。第２の導管１５２が、煙道ダクト１４４とマニホルド１２４との間に延びて、これらの煙道ダクト１４４とマニホルド１２４と流体連通している。この第２の導管１５２は、エコノマイザ１４５の出口１４７の下流の煙道ダクト１４４から延びている。例えば空気予熱器である第２の熱交換器１５０が、ここに示した実施形態では導管１４８を通して、煙道ダクト１４４の下流に設置されて、この煙道ダクト１４４と流体連通している。第２の導管１５２とマニホルド１２４とは再循環区域１５５を画定するように協同し、この再循環区域１５５は煙道ダクト１４４と燃焼容器１１２の内部区域１１４との間の流体連通を提供する。炉装置１１０は、更に、汚染防止装置１５４を包含し、この汚染防止装置１５４は第２の熱交換器１５０と流体連通して、この第２の熱交換器１５０の下流に設置されている。

図２をなおも参照するに、エダクタ１５６が第２の導管１５２内に設置されている。このエダクタ１５６は、コマンド、例えば、コントローラ１７８から、例えば、限定されるものではないが、コンピュータ又はプログラム可能なロジックコントローラへ発した、燃焼容器の温度調節、蒸気生成及び／又は蒸気パラメータ測定に関するコマンド信号に応答して、燃焼容器１１２の内部区域１１４内への煙道ガスＦＧの一部分の流れを容易にするためのものである。例えば酸素である動力流体が、エダクタ１５６の例えば中央部分である一部分１５８に所定の圧力（例えば、５〜５０psig）で供給される。矢印Ａにより示されている空気流れが、分離装置１６０内へ流れる。この分離装置１６０は、空気から窒素を分離し、適当なパイプ１６２を通して酸素をエダクタ１５６に供給する。おそらくはノズルによる、エダクタの中央部分１５８内への加圧酸素の流れは、煙道ガスをエダクタの入口１６４内へ搬送せしめ、それから、酸素と一緒にエダクタの出口１６６を通してマニホルド１２４の内部区域１３４内及びそれから燃焼容器１１２の内部区域１１４内へ放出せしめることを生じせしめる。

空気分離装置１６０が酸素をエダクタ１５６に供給するものと記載されているけれども、酸素を供給する他の手段を空気分離装置に加えて又は空気分離装置に代えて用いることができるものであり、この他の手段は、例えば、限定されるものでないが、酸素タンク及び又はシリンダなどの酸素源から成ることができる。

煙道ガスＦＧの一部分を燃焼容器１１２内へ再循環することは、炉温度及び蒸気状態を所定の範囲内に調節するのに役立ち、また、燃焼容器を通して大質量流量のガスが流れることができるようにする。更に、煙道ガスＦＧの一部分を燃焼容器１１２内へ再循環することは、煙道ダクト１４４の下流へ流れる煙道ガスの総質量流量を減少せしめる。酸素（又は他の低窒素の流体）を燃焼容器１１２内に導入することは汚染を減少せしめ、また、煙道ガスＦＧを燃焼容器１１２内へ再循環することは汚染防止装置１５４により処理しようとする煙道ガスＦＧの質量流量を減少せしめ、したがって、より小型で低コストの第２の熱交換器１５０及び汚染防止装置１５４を用いることができる。

酸素がエダクタ１５６に使用するための動力流体であると記載されているけれども、他の流体を用いることができるものであり、この他の流体は、例えば、限定されるものではないが、蒸気、汚染防止装置１５４により処理された煙道ガス、又はそれらの混合体から成ることができる。エダクタ１５６が酸素及び煙道ガスＦＧを燃焼容器１１２内に放出するために第２の導管１５２内に設置されているものと記載されているけれども、煙道ガスを燃焼容器内へ搬送する他の装置を用いることができるものであり、この他の装置は、例えば、限定されるものではないが、コンプレッサ、ブロア又は後述する図３に示されているファンから成ることができる。エダクタ１５６が第２の導管１５２内に設置されているものと記載されているけれども、エダクタの一部分が、第２の導管の外側、例えばマニホルド１２４内又は煙道ダクト１４４内に延びるようにすることができ、及び／又は第２の導管の外側の外部区域１５９内に突出するようにすることができる。

図３の炉装置は図１に示した炉装置と類似しており、したがって同様な要素には同様の符号の前に数字“２”を付けて示している。図３に示されているように、炉装置２１０は第２の導管２５２内に設置されているファン２７０を包含し、このファン２７０は煙道ガスＦＧを煙道ダクト２４４から燃焼容器２１２内へ搬送するためのものである。ファン２７０は駆動装置（図示せず）に連結され、この駆動装置（図示せず）はコマンド信号、例えば、コントローラ２７８から、例えば、限定されるものではないが、コンピュータ又はプログラム可能なロジックコントローラへ発した、燃焼容器の温度調節、蒸気生成及び／又は蒸気パラメータ測定に関するコマンド信号に応答して、ファン２７０を作動せしめる。

ファン２７０が煙道ガスＦＧを煙道ダクト２４４から燃焼容器２１２内へ搬送するためのものと記載されているけれども、ここに開示した本発明の範囲から逸脱することなしに他の装置を用いることができるものであり、この他の装置は、例えば、限定されるものではないが、ブロア又はコンプレッサから成ることができる。ファン２７０が第２の導管２５２内に設置されているものと記載されているけれども、ファン及び／又は駆動装置の一部分が、第２の導管の外側、例えばマニホルド２２４内又は煙道ダクト２４４内に延びるようにすることができ、及び／又は第２の導管の外側の外部区域２５９内に突出するようにすることができる。

図４の炉装置は図１に示した炉装置と類似しており、したがって同様な要素には同様の符号の前に数字“３”を付けて示している。図４を参照するに、タンジュンシャル燃焼式炉装置３１０は内部区域３１４を有する燃焼容器３１２を包含する。燃焼容器３１２は、この燃焼容器を貫通して延びている４つの開口３２０，３２１，３２２及び３２４を備えるものとして示されている。ランス３８０，３８１，３８２及び３８３が、４つの開口３２０，３２１，３２２及び３２４のうちの関連するひとつにそれぞれ設置されていると共に、燃焼容器３１２の各一対の隣接する側壁部分から測定した所定の角度Ｔで配向されている。角度Ｔは、ランスを通して流れる流体、例えば酸素と燃料とを矢印Ｒにより示されるように内部区域３１４内で回転させることを生じせしめるのに適当な大きさ、例えば鋭角である。ランス３８０，３８１，３８２及び３８３は、燃焼プロセスの制御を改善するために燃焼容器３１２の内部区域３１４内へ延びている。ランス３８０，３８１，３８２及び３８３が４つの開口３２０，３２１，３２２及び３２３のうちの関連するひとつにそれぞれ設置されていると共に燃焼容器３１２の各一対の隣接する側壁部分から測定した所定の角度Ｔで配向されているものと記載されているけれども、ノズルをランスの末端に代えることができるし、又はランスの末端に取り付けることができるものである。

図２に戻って参照するに、作動中、燃料Ｆ、例えば微粉炭が燃焼の開始のために開口１２８を通してマニホルド１２４の内部区域１３４内に及びそれから燃焼容器１１２の内部区域１１４内へ搬送される。燃料Ｆは、燃焼用流体、例えば酸素と一緒にマニホルド１２４内へ吹きつけることができる。燃焼の結果として、煙道ガスＦＧが燃焼容器１１２の導管状の端部分１１９を出て、煙道ダクト１４２及びそれから煙道ダクト１４４を通して第２の熱交換器１５０へ流れ、それから処理のために汚染防止装置１５４へ流れる。煙道ガスＦＧの一部分が、エダクタ１５６の作動により第２の導管１５２を通して燃焼容器１１２へ再循環される。エダクタ１５６は、コマンド信号、例えばコントローラ１７８から発した、燃焼容器の温度調節、蒸気生成及び／又は蒸気パラメータ測定に関するコマンド信号に応答して作動する。エダクタ１５６の作動は、加圧酸素がエダクタを通して流れ、これにより煙道ダクト１４４から煙道ガスを加圧酸素に混入させることを生じせしめる。エダクタ１５６は、酸素及び煙道ガスをマニホルド１２４の内部区域１３４内へ及びそれから燃焼容器１１２の内部区域１１４内へ放出せしめる。酸素は、空気分離装置１６０によりエダクタ１５６へ供給される。

以上本発明を種々の好適な実施形態を参照して詳述したけれども、本発明の範囲から逸脱することなしに、種々の変形を行うことができると共に、特定の要素のために等価物を代用できることは当業者には理解されるであろう。更に、本発明の本質的な範囲を逸脱することなしに、種々の変更が特定の状態又は材料を本発明の教示に適応させるために行うことができるものである。したがって、本発明は本発明を実施するためになされた最適な形態として上述された特定の実施形態に限定されるものではなく、本発明は特許請求の範囲に記載した範囲内にあるすべての実施形態を包含するものである。

Claims (5)

1. 燃料と酸素を燃焼させる炉装置において、
   燃焼のために燃料と酸素を受け入れる燃焼容器であって、出口端と、燃焼容器により画定された内部区域に開口するとともに燃焼容器により画定された前記内部区域内へ延びている、少なくともひとつの開口とを有する燃焼容器と、
   第１及び第２の端を有する煙道ダクトであって、前記煙道ダクトの第１の端が前記出口端に連結されて、前記内部区域と流体連通し、前記燃焼容器と前記煙道ダクトとが逆Ｕ字形状を形成する煙道ダクトと、
   前記煙道ダクトの前記第２の端に連結された下流側ホッパ区域と、
   前記煙道ダクトを流れる煙道ガスを冷却するために前記煙道ダクト内に配置された第１熱交換器と、
   燃焼容器を通して大質量流量を提供するとともに燃焼容器内の温度を調節するために、前記煙道ダクトから前記第１熱交換器の下流位置、更には前記少なくともひとつの開口にまで延びて、前記煙道ダクトと前記内部区域との間の流体連通を提供する再循環ダクトと、
   前記再循環ダクト内に少なくとも一部分が設置され、煙道ガスの一部分をコントローラから発した燃焼容器の温度調整、蒸気生成及び／又は蒸気パラメータ測定に関するコマンド信号に応答して前記再循環ダクトを通して前記内部区域内へ流すことを生じせしめる搬送手段と、
   前記煙道ダクトと導管を介して流体連通している第２熱交換器と、
   前記煙道ダクトと前記導管を介して流体連通して、前記内部区域から放出された煙道ガスを処理する汚染防止装置と、を包含し、前記搬送手段がエダクタであり、前記エダクタがこのエダクタへ供給される動力流体を有して、前記煙道ガスの一部分と前記動力流体とを前記内部区域内へ搬送するようにし、前記動力流体が酸素であり、
   前記煙道ガスが前記下流側ホッパ区域の上流で前記再循環ダクトと前記導管とに分岐して流れ、
   前記再循環ダクトが前記第２熱交換器の上流に設置されており、前記第２熱交換器が前記汚染防止装置の上流に設置されている炉装置。
2. 請求項１記載の炉装置において、前記炉が燃料を酸素の存在で燃焼せしめるタンジェンシャル燃焼方式であり、前記再循環ダクトが、前記燃焼容器の側面と前記煙道ダクトの側面とを連結し、前記導管が前記煙道ダクトの側面に連結され、前記燃焼容器に連結された上流側ホッパ区域を包含する炉装置。
3. 炉装置において、
   燃焼容器であって、出口端と、燃焼容器により画定された内部区域内へ延びている、少なくともひとつの開口とを有する燃焼容器と、
   第１及び第２の端を有する煙道ダクトであって、前記煙道ダクトの第１の端が前記出口端に連結されて、前記内部区域と流体連通し、前記燃焼容器と前記煙道ダクトとが逆Ｕ字形状を形成する煙道ダクトと、
   前記煙道ダクトの前記第２の端に連結された下流側ホッパ区域と、
   前記煙道ダクトを流れる煙道ガスを冷却するために前記煙道ダクト内に配置された第１熱交換器と、
   燃焼容器を通して大質量流量を提供するとともに燃焼容器内の温度を調節するために、前記煙道ダクトから前記第１熱交換器の下流位置、更には前記少なくともひとつの開口にまで延びて、前記煙道ダクトと前記内部区域との間の流体連通を提供する再循環ダクトと、
   前記再循環ダクト内に少なくとも一部分が設置され、煙道ガスの一部分を燃焼容器の温度調整、蒸気生成及び／又は蒸気パラメータ測定に関するコマンド信号に応答して前記再循環ダクトを通して前記内部区域内へ流すエダクタであって、エダクタへ供給される酸素を有して、煙道ガスの一部分と前記酸素とを前記再循環ダクトを通して前記内部区域内へ搬送するエダクタと、
   前記再循環ダクトの下流において、前記煙道ダクトと導管を介して流体連通している第２熱交換器と、
   前記第２熱交換器の下流において、前記煙道ダクトと前記導管を介して流体連通して、前記内部区域から放出された煙道ガスを処理する汚染防止装置と、
   を包含し、
   前記煙道ガスが前記下流側ホッパ区域の上流で前記再循環ダクトと前記導管とに分岐して流れる炉装置。
4. 請求項３記載の炉装置において、少なくともひとつのランスが前記少なくともひとつの開口を通して前記内部区域内へ延びており、前記ランスがこのランスを通して延びている通路を有し、前記通路が前記酸素の一部分を前記ランスを通して前記内部区域内へ搬送するようにした炉装置。
5. 請求項３記載の炉装置において、前記再循環ダクトが、前記燃焼容器の側面と前記煙道ダクトの側面とを連結し、前記導管が前記煙道ダクトの側面に連結され、前記燃焼容器に連結された上流側ホッパ区域を包含し、少なくともひとつのノズルが前記少なくともひとつの開口を通して前記内部区域内へ延びており、前記ノズルがこのノズルを通して延びている通路を有し、前記通路が前記酸素の一部分を前記ノズルを通して前記内部区域内へ搬送するようにした炉装置。
   

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