JP6273747B2 - 酸素燃焼用の再生回転式予熱器 - Google Patents

Description

本発明は、酸素燃焼装置に供給する支燃流体を予熱するための酸素燃焼用の再生回転式予熱器に関するものである。

石炭焚ボイラには、微粉炭を石炭焚ボイラに供給するための一次空気（一次支燃流体）と、石炭焚ボイラを安定して燃焼させるための二次空気（二次支燃流体）を、ボイラからの燃焼排ガスと熱交換して予熱するようにした再生回転式予熱器を備えたものがある。

又、近年では、空気に代えて微粉炭を酸素燃焼するようにした酸素燃焼ボイラが提案されている。酸素燃焼ボイラでは、酸素燃焼ボイラの下流の燃焼排ガス（ＣＯ_２）を一次再循環ガス（一次支燃流体）及び二次再循環ガス（二次支燃流体）として取り出し、取り出した一次支燃流体及び二次支燃流体を再生回転式予熱器に導いて燃焼排ガスと熱交換することにより予熱し、再生回転式予熱器よりも上流の二次支燃流体に、酸素製造装置（ＡＳＵ）によって製造した酸素を混合している。酸素燃焼ボイラで微粉炭を酸素燃焼する場合には、酸素と混合する二次支燃流体の流量を調節することにより、酸素燃焼ボイラの燃焼温度を任意に調節することができる。

上記したように、微粉炭を酸素燃焼すると、酸素燃焼ボイラからはＣＯ_２（二酸化炭素）が主体の燃焼排ガスが排出されるため、酸素燃焼ボイラはＣＯ_２を回収して処分するための有効な方法として注目されている。

酸素燃焼ボイラでは、燃焼排ガスは誘引ファンにより誘引されるため負圧（低圧）となっており、これに対して、二次支燃流体は酸素燃焼ボイラに供給するために押込通風機で昇圧することにより所定の圧力（中圧）となっており、又、一次支燃流体はミルを経て微粉炭を搬送して酸素燃焼ボイラに供給するために、昇圧ファン及び一次通風機により昇圧された最も高い圧力（高圧）となっている。即ち、夫々の圧力の関係は、燃焼排ガス＜二次支燃流体＜一次支燃流体となっている。

前記再生回転式予熱器は、回転するロータの軸方向両端部に接近してロータの軸方向両端部の開口を区画するセクタープレートを有している。セクタープレートは、ロータの軸方向に低圧（負圧）の燃焼排ガスが導通する燃焼排ガス流路と、再循環排ガスからなる所定圧力に昇圧された高圧の一次支燃流体が導通する一次支燃流体流路と、再循環排ガスに酸素を混合し前記燃焼排ガスよりは高い圧力で前記一次支燃流体よりは低い圧力の中圧の二次支燃流体が導通する二次支燃流体流路とを、互いに隣接させた状態に区画している。前記再生回転式予熱器には、例えば上方から下方へ向けて燃焼排ガスが導通されるのに対し、一次支燃流体及び二次支燃流体は下方から上方へ向けて導通されることで相互に対向流となっている。

そして、前記ロータの軸方向両端部には、前記セクタープレートとの間のガスシールを行うためのシール板が備えられている。

従って、前記燃焼排ガス流路と一次支燃流体流路と二次支燃流体流路との間は、セクタープレートとシール板とによってガスシールした状態に区画されている。しかし、再生回転式予熱器を流動する燃焼排ガスと一次支燃流体と二次支燃流体は、セクタープレートとシール板との間を通して、圧力が高い側から低い側へと比較的多量に漏洩するダイレクトリークを発生する。又、ロータの回転に伴って、ガスが隣接した流路へ持ち込まれるように漏洩するエントレインドリークを発生する。

前記二次支燃流体流路の中圧の二次支燃流体は、低圧の燃焼排ガスが流動する隣接した燃焼排ガス流路に対して比較的多量のダイレクトリークを生じることになる。酸素が混合された二次支燃流体が燃焼排ガス流路に漏洩すると、漏洩した酸素は燃料の燃焼に使用されずに燃焼排ガスに無駄に排出されることになるため、漏洩による燃焼排ガスへの酸素の排出量が多くなると、その分だけ酸素製造装置（ＡＳＵ）の容量を大きくする必要が生じ、設備コストが増加するという問題がある。

二次支燃流体流路の二次支燃流体が燃焼排ガス流路にダイレクトリークする問題を防止するために、燃焼排ガス流路と二次支燃流体流路との間に位置するように、二つの一次支燃流体流路を設けたものがある（特許文献１）。

特開２０１１−２２０６６７号公報

特許文献１においては、低圧の燃焼排ガスが流動する燃焼排ガス流路と中圧の二次支燃流体が流動する二次支燃流体流路との間に位置するように、二つに分割した高圧の一次支燃流体が流動する一次支燃流体流路を設けているので、一次支燃流体流路の高圧の一次支燃流体が二次支燃流体流路に対してはダイレクトリークすることになるが、二次支燃流体流路の二次支燃流体が燃焼排ガス流路にダイレクトリークすることは防止される。従って、二次支燃流体に混合した酸素が燃焼排ガス側へ漏洩するのが防止されて、酸素が燃料の燃焼に使用されずに無駄に排出される問題を低減することができる。

しかし、特許文献１においては、高圧の一次支燃流体が流動する二つの一次支燃流体流路が低圧の燃焼排ガス流路と隣接することになるために、一次支燃流体が燃焼排ガス流路に多量にダイレクトリークする問題があり、このために、昇圧ファン及び一次通風機の動力が増加する、又は、昇圧ファン及び一次通風機の容量を増加する必要が生じて設備コストが増加するという問題がある。

又、燃焼排ガス流路と二次支燃流体流路との間に位置するように二つの一次支燃流体流路を設ける構成とした場合には、四つの流路を形成する必要があるために、セクタープレートの構成及び各流路に接続するダクトの構成が複雑になるという問題がある。更に、ロータの軸方向両端部の開口をセクタープレートによって四つの流路に区画する必要があるため、セクタープレートが追加される分だけ一次支燃流体流路及び二次支燃流体流路の断面積が絞られることになり、このために、再生回転式予熱器での圧力損失が大きくなり、よって、一次支燃流体及び二次支燃流体を送給するためのファン動力が増加するという問題がある。

本発明は、上記従来の問題点に鑑みてなしたもので、簡単な構成でセクタープレートとシール板の間を通して二次支燃流体が燃焼排ガス流路へ漏洩するのを防止でき、且つ、支燃流体を供給するためのファン動力を低減できるようにした酸素燃焼用の再生回転式予熱器を提供しようとするものである。

本発明は、軸を中心に回転するロータと、
該ロータの軸方向両端部に接近して配置され、ロータの軸方向に負圧の燃焼排ガスを導通させる燃焼排ガス流路と、再循環排ガスからなる所定圧力の一次支燃流体を導通させる一次支燃流体流路と、再循環排ガスに酸素が混合されて前記燃焼排ガスよりは高圧で前記一次支燃流体よりは低圧の二次支燃流体を導通させる二次支燃流体流路とを区画するセクタープレート部を備えたセクタープレートと、
前記ロータの径方向に延びる仕切板に固定されて前記セクタープレートとの間のガスシールを行うシール板と、
を有して酸素燃焼装置の下流に設置される酸素燃焼用の再生回転式予熱器であって、
前記二次支燃流体流路と燃焼排ガス流路を区画するセクタープレート部の長手方向に沿って配置され、前記ロータの軸方向両端部に向けてシールガスを噴射することにより二次支燃流体流路の二次支燃流体が燃焼排ガス流路へ漏洩するのを防止するシールノズルを備えたことを特徴とする酸素燃焼用の再生回転式予熱器、に係るものである。

上記酸素燃焼用の再生回転式予熱器において、前記シールノズルには、再生回転式予熱器の下流の昇圧した燃焼排ガスをシールガスとして供給することが好ましい。

又、上記酸素燃焼用の再生回転式予熱器において、前記酸素燃焼装置は、酸素燃焼ボイラであってもよい。

本発明によれば、簡単な構成でセクタープレートとシール板との間を通して二次支燃流体が漏洩するのを防止し、且つ、支燃流体を供給するためのファン動力を低減できるという優れた効果を奏し得る。

本発明の酸素燃焼用の再生回転式予熱器の実施例を示す平面図である。 図１をＩＩ−ＩＩ方向から見た構成を示す一部拡大正面図である。 （ａ）は本発明を適用する酸素燃焼ボイラシステムの一例を示す概略構成図、（ｂ）は（ａ）の再生回転式予熱器の一例を示す上面斜視図である。 （ａ）は一般的な再生回転式予熱器のリークを説明するための平面図、（ｂ）は燃焼排ガス流路と二次支燃流体流路との間に位置するように、二つの一次支燃流体流路を設けた場合の再生回転式予熱器の平面図である。

以下、本発明の実施の形態を図示例と共に説明する。

図３（ａ）は本発明を適用する再生回転式予熱器を備えた酸素燃焼ボイラシステムの一例を示すもので、図３（ａ）中、１は酸素燃焼装置１００としての酸素燃焼ボイラ、２は再生回転式予熱器である。

酸素燃焼ボイラ１から排出される燃焼排ガス３（ＣＯ_２）は、再生回転式予熱器２を経て排ガスクーラ４に導かれて冷却され、誘引通風機５（ＩＤＦ）により誘引され脱水装置６に導かれて脱水され、続いて昇圧ファン７（ＢＵＦ）により昇圧されて煙突８に導かれる。又、煙突８の入口には液化装置１０が接続されている。液化装置１０は、煙突８の入口から分岐した燃焼排ガス３（ＣＯ_２）を導入して圧縮と冷却を行うことにより液化二酸化炭素９を製造している。

前記誘引通風機５の入口の燃焼排ガス３の一部を再循環排ガスとして取り出し、更に押込通風機１１（ＦＤＦ）で昇圧することにより二次支燃流体１２を得、この二次支燃流体１２を、前記再生回転式予熱器２に導入して前記燃焼排ガス３と熱交換した後、前記酸素燃焼ボイラ１に供給している。

又、前記昇圧ファン７の出口における昇圧された燃焼排ガス３の一部を再循環排ガスとして取り出し、一次通風機１３によって更に昇圧することにより一次支燃流体１４を得、この一次支燃流体１４を、一部１４ａは前記再生回転式予熱器２に導入して前記燃焼排ガス３と熱交換し、他の一部１４ｂは再生回転式予熱器２をバイパスした後、熱交換した前記一部１４ａと混合することにより温度調整を行い、温度調整した一次支燃流体１４は、ミル１５に供給して石炭の乾燥と微粉炭の搬送を行って前記酸素燃焼ボイラ１に供給される。

そして、前記押込通風機１１の入口又は出口の二次支燃流体１２に対しては、酸素製造装置１６（ＡＳＵ）により製造されて所定の圧力で供給される酸素１７を混合している。

図３（ｂ）は前記再生回転式予熱器２の一例を示すもので、再生回転式予熱器２は、鉛直な軸１８を中心に回転Ｒするロータ１９を有しており、該ロータ１９の軸方向両端部にはセクタープレート２０が接近して配置されている。セクタープレート２０は、ロータ１９の軸方向に負圧の燃焼排ガス３を導通させる燃焼排ガス流路２１と、再循環排ガスからなる所定圧力の一次支燃流体１４を導通させる一次支燃流体流路２２と、再循環排ガスに酸素１７が混合されて前記燃焼排ガス３よりは高圧で前記一次支燃流体１４よりは低圧の二次支燃流体１２を導通させる二次支燃流体流路２３とを区画する三つのセクタープレート部２０ａ，２０ｂ，２０ｃを有している。図３（ｂ）中、２１'、２２'及び２３'は、前記燃焼排ガス流路２１、一次支燃流体流路２２及び二次支燃流体流路２３に夫々連通するダクトであり、２４はロータ１９のケーシングである。前記燃焼排ガス３は上方から下方へ向けて導通されるのに対し、一次支燃流体１４及び二次支燃流体１２は下方から上方へ向けて導通されることで対向流となっている。

図１は本発明を適用した再生回転式予熱器２の実施例を示す平面図、図２は図１をＩＩ−ＩＩ方向から見た構成を示す一部拡大正面図であり、前記ロータ１９は径方向に延びる多数の仕切板２５を有しており、該仕切板２５におけるロータ１９の軸方向両端部には、前記セクタープレート部２０ａ，２０ｂ，２０ｃとの間のガスシールを行うためのシール板２６が固定されている。

図１、図２の実施例においては、前記二次支燃流体流路２３と燃焼排ガス流路２１を区画するセクタープレート部２０ｃの長手方向に沿って配置して、前記ロータ１９の軸方向両端部に向けてシールガス２７を噴射するようにしたシールノズル２８を設けている。シールノズル２８には、該シールノズル２８の長手方向に沿って、円形の噴射口又はスリット状の噴射口を所定の間隔で多数備えたものを用いることができる。

図１、図２においては、実線で示すように、前記セクタープレート部２０ｃにおけるロータ１９の回転Ｒによりシール板２６が接近してくる前側端面３０に前記シールノズル２８を設置している。ここで、図１のロータ１９の回転Ｒは、仕切板２５に固定したシール板２６が、燃焼排ガス流路２１、二次支燃流体流路２３、一次支燃流体流路２２の順に移動する反時計方向の回転とした場合を示している。

又、図１、図２に二点鎖線で示すように、前記セクタープレート部２０ｃにおけるロータ１９の回転Ｒによりシール板２６が接近してくる前側端面３０に対して後側端面３０'にシールノズル２８'を設置してもよい。前記シールノズル２８，２８'は、その一方を備えるようにしてもよく、又は、その両方を備えてもよい。

前記シールノズル２８，２８'に供給するシールガス２７としては、前記二次支燃流体１２よりも高い圧力を有していれば種々のものを用いることができるが、ＣＯ_２の濃度を低下させないためには、再生回転式予熱器２の下流のＣＯ_２を主体とする燃焼排ガス３をシールガス２７として用いることが好ましい。このとき、シールガス２７は、前記二次支燃流体１２の圧力よりも高い圧力を有している必要があるため、一次通風機１３の下流の昇圧された一次支燃流体（ＣＯ_２）を取出部３１ａで取り出してシールガス２７として用いることができ、又、一次通風機１３の上流側においても取出部３１ｂで取り出してシールガス２７として用いることができ、更に又、前記液化装置１０において加圧した燃焼排ガス（ＣＯ_２）を取出部３１ｃで取り出してシールガス２７として用いることができ、或いは、液化二酸化炭素を気化させた高純度ＣＯ_２を取出部３１ｄで取り出してシールガス２７として用いることができる。

次に、上記実施例の作動を説明する。

図４（ａ）に示すように、燃焼排ガス流路２１と一次支燃流体流路２２と二次支燃流体流路２３が隣接して設けられた一般的な再生回転式予熱器２においては、前記二次支燃流体流路２３の二次支燃流体１２は、隣接した圧力が低い燃焼排ガス流路２１に対して多量のダイレクトリークＬ１を生じる。又、ロータ１９の回転Ｒに伴い、ロータ１９の回転方向に応じて二次支燃流体流路２３の二次支燃流体１２は、燃焼排ガス流路２１又は一次支燃流体流路２２にエントレインドリークＬ２を生じる。

一方、図４（ｂ）に示すように、燃焼排ガス流路２１と二次支燃流体流路２３との間に、最も高圧の一次支燃流体１４が導通する二つの一次支燃流体流路２２ａ，２２ｂを設けた場合には、二次支燃流体流路２３には高圧の一次支燃流体流路２２ａ，２２ｂからの一次支燃流体１４がダイレクトリークＬ１するのみであり、二次支燃流体流路２３の二次支燃流体１２が燃焼排ガス流路２１にダイレクトリークＬ１する問題は防止される。

しかし、図４（ｂ）の構成では、高圧の一次支燃流体１４が流動する二つの一次支燃流体流路２２ａ，２２ｂが低圧の燃焼排ガス流路２１と隣接することになるために、一次支燃流体１４が燃焼排ガス流路２１に多量にダイレクトリークする問題があり、このために、昇圧ファン７及び一次通風機１３の動力が増加する、又は、昇圧ファン７及び一次通風機１３の容量を増加する必要が生じて設備コストが増加するという問題がある。

更に、図４（ｂ）に示すように、燃焼排ガス流路２１と二次支燃流体流路２３との間に位置するように二つの一次支燃流体流路２２ａ，２２ｂを設けた場合には、ロータ１９の軸方向両端部の開口をセクタープレート部２０ａ，２０ｂ，２０ｃ，２０ｄによって四つの流路に区画することになるため、セクタープレート部が追加される分だけ一次支燃流体流路２２ａ，２２ｂ及び二次支燃流体流路２３の断面積が絞られることになり、このために、再生回転式予熱器２での圧力損失が大きくなり、よって、一次支燃流体１４及び二次支燃流体１２を送給するためのファン動力が増加する問題がある。

このような問題に対して、図１、図２に示す実施例では、前記二次支燃流体流路２３と燃焼排ガス流路２１を区画するセクタープレート部２０ｃの長手方向に沿って設けたシールノズル２８により、前記ロータ１９の軸方向両端部に向けてシールガス２７を噴射する。

シールノズル２８からは二次支燃流体１２よりも高い圧力のシールガス２７が噴射されるので、中圧の二次支燃流体１２が、セクタープレート部２０ｃとシール板２６との間を通して、低圧の燃焼排ガス流路２１へ漏洩する問題は効果的に防止される。このとき、前記セクタープレート部２０ｃにおけるロータ１９の回転Ｒによりシール板２６が接近してくる前側端面３０と、後方の後側端面３０'の両方にシールノズル２８，２８'を設置すると、二次支燃流体１２が燃焼排ガス流路２１へ漏洩する問題を更に効果的に防止することができる。

従って、図１、図２の実施例によれば、シールノズル２８を設けた簡単な構成により、セクタープレート部２０ｃとシール板２６との間を通して二次支燃流体１２が燃焼排ガス流路２１へ漏洩するダイレクトリークＬ１の問題を効果的に防止することができる。又、前記シールノズル２８を備えた構成においては、再生回転式予熱器２の圧力損失が増加する問題を生じることもない。更に、二次支燃流体１２の漏洩が低減されることにより、二次支燃流体１２に混合した酸素１７（図３（ａ））が微粉炭の燃焼に使用されずに燃焼排ガス３に無駄に排出されることが低減されるので、酸素製造装置１６（ＡＳＵ）の容量を小型化することができる。

又、シールノズル２８に、再生回転式予熱器２の下流の昇圧した燃焼排ガス３をシールガス２７として供給するようにしたので、ＣＯ_２からなる燃焼排ガス３が他のガスによって希釈される問題を防止することができる。

又、酸素燃焼装置１００としては、ＣＯ_２の回収を行うようにした酸素燃焼ボイラ１が挙げられ、このような酸素燃焼ボイラ１に備えられる再生回転式予熱器２における酸素の漏洩防止に効果的に適用することができる。

尚、本発明の酸素燃焼用の再生回転式予熱器は、上述の実施例にのみ限定されるものではなく、酸素燃焼ボイラ以外の酸素燃焼装置に備えられる再生回転式予熱器にも適用できること、その他、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 酸素燃焼ボイラ（酸素燃焼装置）
２ 再生回転式予熱器
３ 燃焼排ガス
１２ 二次支燃流体
１４ 一次支燃流体
１６ 酸素製造装置
１７ 酸素
１８ 軸
１９ ロータ
２０ セクタープレート
２０ｂ セクタープレート部
２０ｃ セクタープレート部
２１ 燃焼排ガス流路
２２ 一次支燃流体流路
２３ 二次支燃流体流路
２５ 仕切板
２６ シール板
２７ シールガス
２８ シールノズル
２８' シールノズル
１００ 酸素燃焼装置
Ｒ 回転

Claims (3)

1. 軸を中心に回転するロータと、
   該ロータの軸方向両端部に接近して配置され、ロータの軸方向に負圧の燃焼排ガスを導通させる燃焼排ガス流路と、再循環排ガスからなる所定圧力の一次支燃流体を導通させる一次支燃流体流路と、再循環排ガスに酸素が混合されて前記燃焼排ガスよりは高圧で前記一次支燃流体よりは低圧の二次支燃流体を導通させる二次支燃流体流路とを区画するセクタープレート部を備えたセクタープレートと、
   前記ロータの径方向に延びる仕切板に固定されて前記セクタープレートとの間のガスシールを行うシール板と、
   を有して酸素燃焼装置の下流に設置される酸素燃焼用の再生回転式予熱器であって、
   前記二次支燃流体流路と燃焼排ガス流路を区画するセクタープレート部の長手方向に沿って配置され、前記ロータの軸方向両端部に向けてシールガスを噴射することにより二次支燃流体流路の二次支燃流体が燃焼排ガス流路へ漏洩するのを防止するシールノズルを備えたことを特徴とする酸素燃焼用の再生回転式予熱器。
2. 前記シールノズルには、再生回転式予熱器の下流の昇圧した燃焼排ガスをシールガスとして供給する請求項１に記載の酸素燃焼用の再生回転式予熱器。
3. 前記酸素燃焼装置は、酸素燃焼ボイラである請求項１又は２に記載の酸素燃焼用の再生回転式予熱器。

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