JP7042112B2

JP7042112B2 - 発電プラント

Info

Publication number: JP7042112B2
Application number: JP2018033648A
Authority: JP
Inventors: 正志菱田
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 2018-02-27
Filing date: 2018-02-27
Publication date: 2022-03-25
Anticipated expiration: 2038-02-27
Also published as: JP2019148379A

Description

本発明は、ボイラ装置で生成された過熱蒸気を蒸気タービンに供給して発電を行う発電プラントに関する。

近年、発電プラントの技術分野においては、発電効率の更なる向上を図るため、蒸気タービンに供給される過熱蒸気の温度を、６００℃又はそれ以上に高めることが求められている。また、発電プラントの技術分野においては、経済性や環境問題に配慮し、可能な限り低品位炭、バイオマス燃料、廃タイヤ、廃プラスチック、スラッジ等の低質な燃料の混焼率を高めることが求められている。特に、バイオマス燃料は、これを燃焼することによりボイラ装置から排出される二酸化炭素の排出量がゼロとカウントされるので、多く利用することが求められている。

燃焼室のボイラで発生した蒸気をボイラドラムから排ガス煙道に設けられた独立過熱器に導入し、独立過熱器内に導入された蒸気を、独立過熱器よりも排ガス煙道の上流側に設けられたダクトバーナにより加熱された排ガスと熱交換して過熱した後、このダクトバーナにより過熱された独立過熱器内の蒸気を燃焼室に設けられた輻射過熱器に導入して更に過熱し、蒸気タービンへ供給するボイラ装置が提案されている（特許文献１参照）。

特許文献１によれば、上記のボイラ装置は、ダクトバーナの発熱量を制御して排ガス煙道に備えられた独立過熱器における過熱蒸気の熱吸収量を調整することにより、任意温度の過熱蒸気が得られる、とされている。また、特許文献１によれば、上記のボイラ装置は、排ガス煙道内の独立過熱器と燃焼室内の輻射過熱器との組み合わせにより、過熱蒸気温度をより正確に調節することができる、とされている。

一方、低品位炭、バイオマス燃料、廃タイヤ、廃プラスチック、スラッジ等の低質な燃料を利用可能なボイラ装置としては、従来、循環流動層ボイラが知られている。

特開平０９－２５７２０５号公報

ところで、低質な燃料は、灰分や腐食成分を多く含むために、高温で燃焼すると、ボイラ装置に灰分が付着する、ボイラ装置が腐食する等の運転障害が発生しやすくなる。なお、通常の瀝青炭や亜瀝青炭等の石炭焚き発電プラントで低質な燃料を利用する場合の一般的な問題としては、水分を多く含み発熱量が低いので設備容量が不足する、燃焼性が悪いので多くの未燃分が発生し排煙処理が困難になる、粉砕性が悪いのでミルの容量が不足する、等がある。

従来のボイラ装置では、高い発電効率を得るため良質な燃料を前提に高い蒸気温度、例えば約６００℃の蒸気温度が設定されるが、このようなボイラで低質な燃料を混焼すると、蒸気温度が高く管表面温度が高温になる部分に灰分が付着しやすく、当該高温部分の腐食も顕著になるため、バイオマス燃料の混焼率を最大でも１０％～１５％程度にしかすることができない。

一方、循環流動層ボイラは、低品位炭、バイオマス燃料、廃タイヤ、廃プラスチック、スラッジ等の低質な燃料を利用可能であるが、蒸気条件が低く、規模が小さいことから、プラント効率が低いという問題がある。

本発明は、このような従来技術の問題点を解決するためになされたものであり、その目的は、高い発電効率の維持と低質な燃料の混焼率の向上とを両立できる発電プラントを提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明は、排ガス通路内に複数段の過熱蒸気系熱交換器が備えられた第１のボイラと、前記第１のボイラとは異なる燃料供給系統を有し、対流伝熱部に過熱蒸気系熱交換器が備えられた第２のボイラと、前記第１のボイラから供給される過熱蒸気によって駆動される蒸気タービンと、を備え、前記第２のボイラは、前記第１のボイラが利用する燃料よりも低質な燃料を利用するボイラであり、前記第１のボイラに備えられた複数段の過熱蒸気系熱交換器から選択されるいずれか１つの過熱蒸気系熱交換器の過熱蒸気出口と、前記第２のボイラに備えられた過熱蒸気系熱交換器の過熱蒸気入口と、を接続すると共に、前記第２のボイラに備えられた過熱蒸気系熱交換器の過熱蒸気出口と、前記第１のボイラに備えられた複数段の過熱蒸気系熱交換器のうち、前記１つの過熱蒸気系熱交換器よりも蒸気温度が高い他の過熱蒸気系熱交換器の過熱蒸気入口と、を接続し、前記他の過熱蒸気系熱交換器の過熱蒸気出口と前記蒸気タービンとを接続することを特徴とする。

本発明によれば、上記の構成を備えているので、発電効率が高くかつ多種多様な燃料を利用可能な発電プラントを提供できる。上記した以外の課題、構成及び効果は、以下に記載する実施形態の説明により明らかにされる。

第１実施例に係る発電プラントの構成図である。第２実施例に係る発電プラントの構成図である。

以下、本発明の内容を実施例毎に説明するが、本発明が以下に記載する実施例の範囲に制限されるものではない。

［第１実施例］
図１に、第１実施例に係る発電プラントの概略を示す。この図から明らかなように、第１実施例に係る発電プラントは、第１のボイラ１と、第２のボイラ２と、第１のボイラ１から供給される過熱蒸気により駆動される蒸気タービン３とを備えている。

第１のボイラ１は、石炭焚きボイラ、油焚きボイラ、ガス焚きボイラ等のいわゆるコンベンショナルボイラであり、バーナ１１を備えた火炉１２と、火炉１２に続く排ガス通路１３と、を有している。排ガス通路１３内には、節炭器１４、１次過熱器１５、２次過熱器１６、３次過熱器１７、１次再熱器１８及び２次再熱器１９が所定の配列で配置されている。なお、本明細書においては、第１のボイラ１に備えられた１次過熱器１５、２次過熱器１６、３次過熱器１７、１次再熱器１８及び２次再熱器１９を総称して、「過熱蒸気系熱交換器」という。

第１のボイラ１は、バーナ１１から噴射される燃料を火炉１２内で燃焼する。第１のボイラ１は、主燃料として石炭、油（重油又は経由）、ガス等を燃焼するが、発電プラント全体としての二酸化炭素の排出量を削減するため、バイオマス等の低質な燃料を副燃料として混焼することもできる。主燃料に対する副燃料の混焼率は、副燃料中に含まれる灰分に起因する付着現象の発生及び塩素等の腐食成分に起因する腐食の発生を防止又は抑制するため、第１のボイラ１の運転条件に応じて１０％～１５％とする。さらに、第２のボイラをバイオマス焚きボイラとすることにより、発電プラント全体として、バイオマス燃料の混焼率を増加することができ、発電プラントに要求される二酸化炭素排出量の低減目標値を達成できる。

火炉１２内に生じた燃焼ガスは、排ガス通路１３内に導かれ、２次過熱器１６、３次過熱器１７、１次再熱器１８、２次再熱器１９、１次過熱器１５及び節炭器１４内の過熱蒸気又は給水と熱交換した後、図示しない排煙処理設備に入って飛灰等が除去される。飛灰等が除去された排ガスは、図示しない煙突等を通って大気に放出される。

第２のボイラ２は、第１のボイラ１とは異なる燃料供給系統を有する。第２のボイラ２としては、例えば、バイオマス焚きボイラ、流動床ボイラ、ストーカ型ボイラ及び循環流動層ボイラ等のように、第１のボイラ１が利用する燃料よりも低質な燃料を利用可能なボイラが用いられる。ここで、低質な燃料とは、第１のボイラ１が利用する石炭、油、ガスに比べて、灰分、腐食成分及び水分が多く、発熱量が低く、燃焼性及び粉砕性が劣るものをいう。具体的には、低品位炭、木質バイオマス、廃タイヤや廃プラスチック等の産業廃棄物、都市ごみ等の一般廃棄物及びスラッジ（汚泥）等である。

このように、第２のボイラ２として、第１のボイラ１が利用する燃料よりも低質な燃料を利用可能なボイラを備えることにより、発電プラント全体として燃料費の削減を図ることができる。

そして、第２のボイラ２としてバイオマス焚きボイラを備えた場合には、発電プラント全体として二酸化炭素の排出量を低減でき、地球温暖化の防止に貢献できる。

また、第２のボイラ２として流動床ボイラ又は循環流動層ボイラを備えた場合には、難燃焼性の低品位炭、木屑や建築廃材等の木質バイオマス、廃タイヤ、廃プラスチック等の産業廃棄物及びスラッジ等を含む多種多様な燃料に対応できる。さらに、第２のボイラ２としてストーカ型ボイラを備えた場合には、木質バイオマス及び産業廃棄物に加えて、都市ごみ等の一般廃棄物にも対応できる。

図１に示すように、本実施例においては、第２のボイラ２として、循環流動層ボイラが備えられている。以下、循環流動層ボイラに符号「２」を付けて、本実施例を説明する。循環流動層ボイラ２は、流動床熱交換器（外部熱交換器）２１を付設した流動床炉（コンバスタ）２２の出口側に、燃焼ガスと流動砂とを分離するサイクロン２３を設け、サイクロン２３で分離した流動砂を、灰取出弁２４及びシールポット２５を介して、流動床熱交換器２１及び流動床炉２２に返入する構成になっている。

なお、循環流動層ボイラ２の火炉（流動床炉）２２は、水冷壁構造とするほか、耐火構造とすることもできる。循環流動層ボイラ２の火炉２２を耐火構造とすると、水冷壁構造とする場合に比べて、循環流動層ボイラ２を新設する際のコストを削減できる。

流動床炉２２の下部には、一次空気の導入口２６が設けられ、流動床炉２２の上部には、二次空気の導入口２７が設けられている。また、流動床熱交換器２１の下部には、流動砂流動用空気の導入口２８が設けられている。一方、サイクロン２３の出口側には、後部煙道２９が設けられており、後部煙道２９の対流伝熱部には、過熱器及び／又は再熱器等をもって構成される過熱蒸気系熱交換器３０が備えられている。また、後部煙道２９における過熱蒸気系熱交換器３０の設定部よりも後流側には、節炭器３１が備えられている。

本構成の循環流動層ボイラ２は、一次空気の導入口２６より流動床炉２２の下部に一次空気を導入し、流動床炉２２内の流動砂と燃焼物とを流動混合して一次燃焼を行なった後、二次空気の導入口２７より流動床炉２２の上部に二次空気を導入して二次燃焼を行う。流動床炉２２内の燃焼ガス及び流動砂は、サイクロン２３に導かれ、燃焼ガスと流動砂とに分離される。サイクロン２３で分離された燃焼ガスは、後部煙道２９に導かれ、過熱蒸気系熱交換器３０内で過熱蒸気と熱交換を行うと共に、節炭器３１内で給水に対して熱交換を行う。後部煙道２９を出た燃焼ガスは、図示しないバグフィルタを通して飛灰等を除去した後、図示しない煙突等を通って大気に放出される。一方、サイクロン２３で分離された流動砂は、灰取出弁２４及びシールポット２５を介して、流動床熱交換器２１及び流動床炉２２に分配して返入される。

第１実施例の発電プラントは、１次過熱器１５の過熱蒸気出口１５ａと過熱蒸気系熱交換器３０の過熱蒸気入口３０ｂとが、配管４１で接続されている。また、過熱蒸気系熱交換器３０の過熱蒸気出口３０ａと２次過熱器１６の過熱蒸気入口１６ｂとが、配管４２で接続されている。蒸気タービン３は、３次過熱器１７から供給される過熱蒸気により駆動される。

第１実施例の発電プラントは、このように構成されているので、１次過熱器１５で過熱された過熱蒸気が、過熱蒸気系熱交換器３０で更に過熱され、その上、過熱蒸気系熱交換器３０で過熱された過熱蒸気が、２次過熱器１６及び３次過熱器１７で更に過熱される。

一例を挙げると、循環流動層ボイラ２をバイオマス焚きボイラとして用いる場合、過熱蒸気系熱交換器３０の出口蒸気温度は、バイオマス燃料中に含まれる灰分に起因する付着現象の発生及び塩素等の腐食成分に起因する腐食の発生を防止又は抑制するため、５００℃以下に制御される。一方、１次過熱器１５で過熱された過熱蒸気の蒸気温度は、４００℃～４５０℃である。従って、１次過熱器１５で過熱された過熱蒸気を過熱蒸気系熱交換器３０に通すことにより、１次過熱器１５から供給された過熱蒸気を４５０℃～５００℃まで過熱できる。過熱蒸気系熱交換器３０を通過した過熱蒸気は、２次過熱器１６に導入され、２次過熱器１６及び３次過熱器１７で更に過熱されるので、３次過熱器１７から蒸気タービン３に供給される過熱蒸気の蒸気温度は、高い蒸気温度、例えば約６００℃まで昇温できる。

また、第１実施例の発電プラントは、低質な燃料専焼の循環流動層ボイラ２を備えるので、灰分の付着や腐食といった運転障害の発生を回避できる。即ち、循環流動層ボイラ２は、蒸気温度が６００℃に達しないので、低質燃料を利用しても灰分の付着や腐食を生じない。従って、第１実施例の発電プラントによれば、発電プラント全体として高い低質燃料混焼率で高い発電効率を維持しつつ、運転障害の発生を回避することができる。

なお、本発明の要旨は、第１のボイラ１に備えられた複数段の過熱蒸気系熱交換器から選択されるいずれか１つの過熱蒸気系熱交換器の過熱蒸気出口と、第２のボイラ２に備えられた過熱蒸気系熱交換器の過熱蒸気入口と、を接続すると共に、第２のボイラ２に備えられた過熱蒸気系熱交換器の過熱蒸気出口と、第１のボイラ１に備えられた複数段の過熱蒸気系熱交換器のうち、前記１つの過熱蒸気系熱交換器よりも排ガス通路１３の上流側に配置された他の過熱蒸気系熱交換器の過熱蒸気入口と、を接続するというものであって、配管４１、４２をもって接続される過熱蒸気系熱交換器の組み合わせが、上記の例に限られるものではない。例えば、再熱蒸気系熱交換器と第２のボイラ２の過熱蒸気系とを接続しても良い。また、第１のボイラ及び第２のボイラは、排ガス排出系統の配管の一部を共通化することもできる。これにより、発電プラントの配管構造の簡略化を図ることができる。

上記のように、第１実施例に係る発電プラントは、第１のボイラ１として石炭焚きボイラ、油焚きボイラ又はガス焚きボイラのいずれかを備え、第２のボイラ２として、第１のボイラ１が利用する燃料よりも低質な燃料を利用可能なボイラを備えたので、第１のボイラ１の過熱蒸気系と第２のボイラ２の過熱蒸気系とを接続することにより、発電効率が高くかつ多種多様な燃料を利用可能な発電プラントを構築できる。

［第２実施例］
図２に、第２実施例に係る発電プラントの概略を示す。この図から明らかなように、第２実施例に係る発電プラントは、第１のボイラ１に備えられた過熱蒸気系熱交換器と第２のボイラ２に備えられた過熱蒸気系熱交換器３０とを直接接続するのではなく、第２のボイラ２に備えられた外部熱交換器２１を介して、第１のボイラ１に備えられた過熱蒸気系熱交換器をボイラ２に備えられた過熱蒸気系熱交換器３０に接続したことを特徴とする。

即ち、第２実施例においては、１次過熱器１５の過熱蒸気出口１５ａと外部熱交換器２１の過熱蒸気入口２１ｂとが、配管５１で接続されている。また、外部熱交換器２１の過熱蒸気出口２１ａと過熱蒸気系熱交換器３０の過熱蒸気入口３０ｂとが、配管５２で接続されている。さらに、過熱蒸気系熱交換器３０の過熱蒸気出口３０ａと２次過熱器１６の過熱蒸気入口１６ｂとが、配管５３で接続されている。

第２実施例においても、配管５１、５２、５３をもって接続される過熱蒸気系熱交換器の組み合わせは、上記の例に限られるものではなく、過熱蒸気温度や配管長等を考慮して適宜変更可能である。その他の部分については、第１実施例に係る発電プラントと同じであるので、対応する部分に同一の符号を付して説明を省略する。第２実施例に係る発電プラントも、第１実施例に係る発電プラントと同様の効果を奏する。

本発明の発電プラントは、第１のボイラ１及び第２のボイラ２の双方を新設することによって構築することもできるし、第１のボイラ１又は第２のボイラ２のいずれかとして、既設のボイラを利用することもできる。このように、既設のボイラを利用すれば、第１のボイラ及び第２のボイラの双方を新設する場合に比べて、資源の有効利用が図れ、発電効率が高くかつ多種多様な燃料を利用可能な発電プラントを低コストに構築できる。

なお、本発明の範囲は、前記実施例に記載の範囲に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で前記実施例に記載した発明の構成要素に変更を加えたもの、前記実施例に記載した発明の構成要素を周知の構成要素に置き換えたもの及び前記した各実施例を適宜組み合わせたものも含まれる。例えば、前記第１及び第２の実施例では、第１のボイラ１から抜き出した過熱蒸気の全量を第２のボイラ２の過熱蒸気系熱交換器３０に導入したが、第１のボイラ１から抜き出した過熱蒸気の一部を第２のボイラ２の過熱蒸気系熱交換器３０に導入すると共に、他の一部を蒸気タービン等に導入する構成とすることもできる。

１：第１のボイラ、２：第２のボイラ（循環流動層ボイラ）、３：蒸気タービン、１１：バーナ、１２：火炉、１３：排ガス通路、１４：節炭器、１５：１次過熱器、１５ａ：過熱蒸気出口、１５ｂ：過熱蒸気入口、１６：２次過熱器、１７：３次過熱器、１８：１次再熱器、１９：２次再熱器、２１：流動床熱交換器（外部熱交換器）、２１ａ：過熱蒸気出口、２１ｂ：過熱蒸気入口、２２：流動床炉（火炉）、２３：サイクロン、２４：灰取出弁、２５：シールポット、２６：一次空気の導入口、２７：二次空気の導入口、２８：流動砂流動用空気の導入口、２９：後部煙道、３０：過熱蒸気系熱交換器、３０ａ：過熱蒸気出口、３０ｂ：過熱蒸気入口、４１、４２：配管、５１、５２、５３：配管

Claims

排ガス通路内に複数段の過熱蒸気系熱交換器が備えられた第１のボイラと、
前記第１のボイラとは異なる燃料供給系統を有し、対流伝熱部に過熱蒸気系熱交換器が備えられた第２のボイラと、
前記第１のボイラから供給される過熱蒸気によって駆動される蒸気タービンと、
を備え、
前記第２のボイラは、前記第１のボイラが利用する燃料よりも低質な燃料を利用するボイラであり、
前記第１のボイラに備えられた複数段の過熱蒸気系熱交換器から選択されるいずれか１つの過熱蒸気系熱交換器の過熱蒸気出口と、前記第２のボイラに備えられた過熱蒸気系熱交換器の過熱蒸気入口と、を接続すると共に、前記第２のボイラに備えられた過熱蒸気系熱交換器の過熱蒸気出口と、前記第１のボイラに備えられた複数段の過熱蒸気系熱交換器のうち、前記１つの過熱蒸気系熱交換器よりも蒸気温度が高い他の過熱蒸気系熱交換器の過熱蒸気入口と、を接続し、
前記他の過熱蒸気系熱交換器の過熱蒸気出口と前記蒸気タービンとを接続することを特徴とする発電プラント。
前記第２のボイラは、流動床ボイラ又はストーカ型ボイラであることを特徴とする請求項１に記載の発電プラント。
前記第２のボイラは、循環流動層ボイラであることを特徴とする請求項１に記載の発電プラント。
前記第２のボイラに備えられた過熱蒸気系熱交換器の出口蒸気温度は、５００℃以下であることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の発電プラント。
前記第１のボイラは、石炭焚きボイラ、油焚きボイラ又はガス焚きボイラのいずれかであることを特徴とすることを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載の発電プラント。
前記第１のボイラ又は前記第２のボイラとして既設のボイラを利用し、前記既設のボイラの近傍に他方のボイラを新設して、前記第１のボイラに備えられた過熱蒸気系熱交換器と前記第２のボイラに備えられた過熱蒸気系熱交換器とを配管で接続したことを特徴とすることを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれか１項に記載の発電プラント。