JPH05500848A - 動力プラント、および既存動力プラント改装方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 動力プラント、および既存動力プラント改装方法本発明は、内燃機関と微粉炭燃 焼ボイラとを組み合わせた新規な動力プラントに関する。特に本発明は、動力プ ラント全体が単一の排出源を備えるよう、石炭燃焼ボイラの空気ボート内へ内燃 機関の排出ガスが供給される動力プラントに関する。

石炭燃焼動力プラントは、石炭が豊富且つ比較的安価な化石燃料となっている米 国では一般化されている。しかし石炭はきれいな燃料ではない。石炭燃焼動力プ ラント内へ必要な排出抑制設備を組み込むためには可成りの資本支出がなされな ければならない。現在、数多くの石炭燃焼ボイラには、窒素酸化物（Ｎｏ、　） の抑制のため、排出ガス再循環か利用されている。これらのプラントはまた慣習 的に、Ｓ０２と粒子状汚染物質とを除去する諸装置も備えている。

内燃動力プラントは普通、石油を主要な化石燃料の源泉とする諸国で用いられて いる。石油は概して石炭よりも高価であるが、内燃機関は石炭燃焼ボイラよりも 効率的である。内燃機関は、その排出ガスに、大気中へ排出ガスか排出される前 に除去することを必要とする大量のＮＯ８が包有されている、という不利点を有 する。最も効率的な熱ＮＯ８除去システムは、内燃機関からの排出ガスの温度を 超える温度で作動する。従ってこれらの排出ガスからのＮＯ８を効率的に除去す るためにはガスの温度を上昇させなければならず、これは相当なエネルギの付加 的入力を必要とする。

動力プラントの効率の向上のため理論的に開発し得へき未利用エネルギの潜在的 源泉が内燃機関の排出ガスと廃熱とに在ることは久しく認められている。しかし 、排出ガス用に提案された用法で、真に実用的であることを立証されたものはほ とんどない。

車両の付属機器の動力を生成するために内燃機関の排出ガス中の未燃焼の炭化水 素および一酸化炭素を利用する方法が、米国特許第３，７１３．２９４号に開示 されている。この特許には、ａ）過度に濃い空燃混合気を利用することと、ｂ） ガスタービン機関内で排出ガスを更に燃焼させることとにより、機関の排出ガス 中の窒素酸化物を減少させる方法が開示されている。

大気へ排出される廃ガスの量を減少させるため、内燃機関の排出ガスを機関内へ 戻して再循環させる方法が、米国特許第３．８０８．８０５号に開示されている 。この開示された方法によれば、機関を通して排出ガスを再循環させることによ り、排出ガスの体積が減少し、従って触媒コンバータの効率が向上し、有害な諸 成分の濃度が減少する。

従って、本発明の目的は、在来の石炭燃焼ボイラよりも改善された熱効率を有す る動力プラントを提供することにある。

本発明の目的は、また、排出抑制設備のための資本支出が減少するように、単一 の排出源を備えた動力プラントを提供することにある。

本発明の目的は、動力プラントの排気からの窒素酸化物を除去する熱的および／ または化学的諸方法を織り込み得る動力プラントを提供することにある。

本発明のその上の目的は、内燃機関を備えた石炭燃焼動力プラントを改装してプ ラントの熱効率を向上させる方法を提供することにある。

本発明の付加的な目的は、低減された全体的なＣＯ□生成を動力プラントにもた らすことにある。

本発明のなお別の目的は、低減された水消費量を蒸気生成動力プラントにもたら すことにある。

本発明のその上の目的は、生成されるエネルギの、低減された単位当たり費用を 石炭燃焼動力プラントにもたらすことにある。

本発明の更にその上の目的は、キロワット当たり費用に関し低減された資本経費 を動力プラントにもたらすことにある。

本発明の別の目的は、せん頭および／または基底負荷発電設備として漸増的に作 動する可能性を動力プラントにもたらすことにある。

発　明　の　要　約 上記の諸口的に従い、ボイラ空間、蒸気を生成する熱交換装置、１個以上の空気 ポートおよび排気装置を有する石炭燃焼ボイラを包含する動力プラントが提供さ れている。この動力プラントはまた、排気装置を有する内燃機関を包含し、機関 の排気装置はボイラの空気ボートへ接続されている。ボイラには、内燃機関およ びボイラ双方の排出物のＮｏ８含量を低減するため、熱ＮＯｘ低減システムが配 設されている。

機関は、望ましくは更に水冷却装置を包含し、熱は機関から、蒸気を生成する熱 交換装置へ伝達される。排気装置は、ボイラの石炭ノズルに近接し若しくはそれ を囲む二次の空気ボート、上たき空気ボート、下だき空気ボート、またはこれら のボートの何等かの組合せ、の何れかによりボイラ空間へ接続される。望ましく は、ボイラの排気からのＳ　Ｏ２と粒子状汚染物質とを除去するために装置が設 けられる。

図面の簡単な説明 図は、本発明による動力プラントの実施例の路線図である。

好適な実施例の詳細な説明 本発明の動力プラントの実施例か図に示されている。

本発明による動力プラントには、内燃機関ＩＯか含まれている。機関ＩＯは、電 力を生成すべく一般的に使用される形式の大形ディーゼル機関であっても良い。

機関ＩＯには、石炭燃焼ボイラ２０内へ送られる排気１１がある。　゛ この好適な実施例の場合、ボイラ２０は、微粉炭型の石炭燃焼ボイラである。石 炭は、石炭源２２から粉砕機２３へ供給される。粉砕された石炭は、−次空気フ アン２４により一次空気と混合され、バーナまたは石炭ノズル２５へ、そしてそ こからボイラ空間２１内へ供給される。

機関ＩＯの排気管１１からの排出ガスは、あり得べき３位置またはこれらの位置 の何れかの組合せにおいてボイラ空間内へ供給される。この好適な実施例の場合 、排気１１は、石炭ノズル２５の回りの風箱内の二次燃焼用空気として供給され る。排出ガスは約１３％の酸素を包有し、ボイラへの二次空気の供給を行なうた めに予熱空気と配合される。排出ガスはまた、二次空気上方へ上だき空気を供給 する上たきボート２６でボイラ内へ供給される。最後に、排出ガスは、下たき空 気を供給する下たきボート２７てボイラ空間２１内へ供給される。ボイラ２０内 への排出ガスの全流量はなるべくなら、ボイラ２０内への全ガス流量の４０〜７ ０％の範囲内にあることが望ましい。

高温ＮＯ８低減のため、ボイラ空間２１内に装置が設けられている。好適な実施 例によれば、このシステムには、窒素酸化物を５４０から１１５５°Ｃ（１００ ０から２１００°Ｆ）の温度へ低下させるために尿素、アンモニアおよび／また は化学的強化剤を添加する段階が含まれている。基本的な化学反応は次の如く説 明することかできる。

１、　尿素＋窒素酸化物→窒素十二酸化炭素＋水、または ２、　アンモニア＋窒素酸化物→窒素十水Ｐ記の化学反応は、触媒または強化剤 により、広い温度範囲にわたって生起させることができる。このプロセスにより 、７０％を超えるＮＯ□の低減を達成することかできる。

ボイラの過熱器２８および対流部分２９で生成された蒸気は管路３１内を蒸気動 力発生器３０へ導かれる。機関１０の水冷却システムからの知覚し得る低位の熱 は、蒸気動力発生器３０やボイラ２０の各種熱需要に対して用いられる。例えば 機関からの廃熱は、二次空気ポート内へ供給される排出ガスと混合される空気を 予熱し、機関用の燃料を予熱し、またはボイラ２０へ供給される水を予熱するた めにも使用できる。機関からの廃熱は、機関１０のターボ過給機からの熱、機関 ジャケット水の熱、または油冷却器の熱であっても良い。言うまでもなく、排気 管１１の排出ガス内の知覚し得る熱はボイラ２０内へ直接に導入される。結果と して得られる発電のための燃料効率の向上は可成りなものである。

二酸化炭素（ＣＯ２）は、全ての化石燃料の燃焼の副産物である。システムの効 率か上昇するにつれ、生成される動力の単位毎に発生されるＣＯ２の全量は低減 される。内燃機関に関連するシステム効率を、機関の廃熱が利用された後の全機 関効率と組み合わせることにより、電力の単位毎に生成されるＣ０２の量は可成 り低減される。この進歩の大きさは、動力プラント全体の単位熱消費率から明ら かである。

大多数の石炭燃焼動力プラントは、発電に必要とされる復水の結果として、大量 の水を消費する。機関１ｏからの廃熱を利用することにより、電力の単位毎の水 の全消費量を低減させることができる。節約される水の量は、ボイラ２０の大き さと比較した機関１０の大きさに依存する。水の節約は、在来の石炭燃焼動力プ ラントと比較して２０％程になり得る。

機関１０とボイラ２０との組合せにより、基底負荷発電システムおよびせん頭発 電システムの双方の特性が動力プラント全体に付与される。本発明による動力プ ラントの設計は、必要に応じ、連続またはせん頭負荷容量の何れかで機関が作動 され得るようになされる。この動力プラントの態様は、拡大する動力プラントの 要件を満たすへく計画する際に極めて重要である。

ボイラ２０からの排出ガスは、Ｓ　Ｏ２の除去のために湿式または乾式スフラッ パー１６内へ、また粒子状汚染物質の除去のためにＥＳＰまたはバグハウス１７ 内へ、機関１０からの再循環されたガスと一緒に導かれる。最終排出物は送風機 １８を経て煙突１９へ流れる。本発明の動力プラントによれば、石炭および高硫 黄残油を利用することができ、Ｎｏ、、ＳＯ，および微粒子のレベルを、環境基 準を満たすまでに低減させることができる。

本発明はまた、内燃機関を組み込むように、在来の石炭燃焼動力プラントを改装 する段階を包含している。本発明の方法は、既存のシステムへ織り込まれた場合 、適度の追加費用しか伴わず、しかもほとんど水の消費を増大させずに、極めて 高い熱効率（７５％超）で、出力を２０から３０％までに増大させることができ る。

比　較　例 在来の微粉炭ボイラ燃焼プラントの、本発明による微粉炭ボイラおよびディーゼ ル機関プラントとの比較が第１表に表示されている。この比較に関し、蒸気発生 能力（９０，７２０ｋｇ／ｈｒ（２００，０００＃／ｈｒ）　）ならびに蒸気の 状！（１０，３５ＸｌＯ“Ｐａ（１５００ｐｓｉｇ）　／　５４０°Ｃ（１００ ０’　Ｆ）／１０２００Ｐａ（３ｉｎＨｇ）　Ａ　）が両プラントにつき同一で ある。

２６．０８２ＫＷの蒸気タービン発電機出力は両プラントにつき同一である。実 際上は、ディーゼル機関冷却水回路からの熱回収による再生給水加熱には、本発 明によるプラントの場合、抽出蒸気を左程必要としない。従って本発明の組合せ は、蒸気タービン発電機出力を増大させる傾向を有する。但し、再生蒸気所要量 の低減も、ＮＯ，低減化学薬品のキャリヤおよびアトマイザとして蒸気か利用さ れる際には、Ｎｏ□低減システムからの蒸気の需要の増大により、ある程度相殺 される。

この比較におけるディーゼル発電機出力は、主として次の諸要件、即ち １、　大きさの増大は、動力に対する局地的な設備の必要性に適合しなければな らず、また ２、　最大出力は、微粉炭ボイラの炉内に入り得る煙道ガス容積により限定され る。

に基づいて定められる。機関出力が増大すると、ディーセル機関からの排気も、 より大きな微粉炭ボイラの炉の追加出費が最早経済的に実施不能となるような時 まで増大する。

この比較例の場合には、１２ＭＷのディーゼル機関が選定されている。この種の 機関は、選定された微粉炭燃焼ボイラの大きさに対して経済的に利用し得るほぼ 最大のディーゼル機関である。

在来の微粉炭ボイラ・プラントの燃料消費量およびボイラ効率は、節炭器および 予熱器面を備えた現今の工業用サイズのユニットの代表的なものである。この組 合せプラントにおける低減された石炭消費量は主として、ディーセル機関排出ガ スからの熱回収によるものである。

機関排出ガスが、温度を約３７１’Ｃ（７００°Ｆ）から１７７°Ｃ（’３５０ °Ｆ）の空気予熱器出口温度まで下げられると、知覚し得る熱か放出され、それ により１石炭燃焼源が必要とする入熱が低減される。このディーセル機関は、１ ２，０ＯＯＫＷを生成するために１０７６１０ＭＭＪ　／ｈｒ（１０２ＭＭ　Ｂ ｔｕ／ｈｒ）を必要とする。熱回収により機関の熱消費率は５８７２Ｘ１０”Ｊ 　／ＫＷｈｒ　（５５６６Ｂｔｕ　／ＫＷｈｒ）となり、換言すれば、効率は約 ６１％である。ディーセル機関プラントを微粉炭ボイラ・プラントへ付加するこ とにより、１０，２８６ＸｌＯ’　ＪＫＷｈｒ（９７５０Ｂｔｕ／ＫＷｈｒ）の 組合せプラント熱消費率か結果として得られる。比較すると、単独°の微粉炭ボ イラ・プラントの熱消費率は１２３０４Ｘ１０　’　Ｊ／ＫＷｈｒ　（１１，６ ６４Ｂｔｕ　／ＫＷｈｒ）であり、換言すれば、効率は約２９％である。更にま た、微粉炭ボイラとディーセル機関とのプラントの全体的な熱消費率が可成り低 い（微粉炭ボイラ・プラントのみよりも１６％低い）ことは明らかである。

熱消費率／効率の向上に加えて、微粉炭ボイラとディーゼル機関との組合せはま た、ＫＷベース当たりの経費基盤の向上（〉２０％）を示している。この資本経 費の向上は大部分、以下、即ち １、　ディーゼル機関の、ＫＷペースの一層低い費用。

２、　ディーセル機関プラントが、ＫＷ当たり、付随的な支援装備／設備を左程 必要としないこと。

３、Ｗ１粉炭ボイラとディーセル機関との排出ガスを組み合わせ、それにより、 高価な汚染防止装備の重複を排除すること。

によるものである。

最後に、本発明による組合せの微粉炭ボイラ／ディーセル機関プラントの水消費 量は、在来の微粉炭ボイラ・プラントより３２％少ない。補給水の大部分は、蒸 気の凝縮に必要である。ディーゼル機関の出力は付加的ないかなる復水負荷にも 寄与しないので、付加的な補給水を必要とせずに、１２，０ＯＯＫＷの増加動力 が付加される。

好適な実施例および比較例により本発明が例示されたが、本発明の範囲内に留ま りなから逸脱かなされ得ることが当業者には認識されよう。本発明の範囲は、添 付の請求の範囲によってのみ定義されるものである。

第　１　表 在来の微粉炭燃焼プラントの、微粉炭燃焼ボイラおよびディーセル機関の組合せ プラントとの性能と経費の比較１、蒸気状態 流量　！、Ｍｈｒ　２００．０００　２００．０００圧力　ｐｓ　ｉｇ　１５０ ０　１５００温度　’Ｆ　１０００　１０００ 排気圧力　ｉｎＨｇＡ　３　３ ｌ■、プラント出力 蒸気タービン発電機ＫＷ　２６．０８２　２６．０８２デイ一ゼル発電機ＫＷ　 −１２，０００合計ＫＷ　２６，０８２　３８．０８２■、燃料消費量 石　炭　ＭＭ　Ｂｔｕ／ｈｒ　２７３．８　２５８．２Ｎｏ、６オイル　ＭＭ　 Ｂｔｕ／ｈｒ　１０２合　計　２７３．８　３６０．２ ■、熱回収 機関排出ガス と機関冷却水　ＭＭ　Ｂｔｕ／ｈｒ　３５．２Ｖ、補助動力消費量 微粉炭ボイラ・プラント　ＫＷ　２．６０８　２．６０８機関プラント　ＫＷ　 −３６０ 合　計　２．６０８　２．９６８ ■、正味プラント熱消費率Ｂｔｕ、ＫＷｈｒ　１１．６６０　９．７５０プラン ト効率　％　２９３３ ■、プラント経費 資本　Ｋ＄　３７．０００　４４，０００＄／ＫＷ　１，４００　１．１５５ ■、水消費量 ＧＰＭ　２９０　２９０ ＧＰＭ／ＭＷ　１１．１　７．６ 差　％　３２％ 国際調査報告

Claims (11)

【特許請求の範囲】
1. １．動力プラントにして、 ａ）ボイラ空間と蒸気を発生させる熱交換装置と１個以上の空気ボートと排気装 置とを有する石炭燃焼ボイラと、 ｂ）前記ボイラの前記空気ボートへ接続された排気装置を有する内燃機関と、 ｃ）前記ボイラ内に配設された熱ＮＯｘ低減システムと、 ｄ）前記ボイラへ作動自在に接続された蒸気動力発生装置とを含む動力プラント 。
2. ２．ボイラ空間と蒸気を発生させる熱交換装置と空気ポートと排気装置とを有す る石炭燃焼動力プラントの改装方法にして、 ａ）排気管を有する、動力を発生させる内燃機関を準備する段階と、 ｂ）ボイラ空間内のＮＯｘを低減させる熱装置を準備する段階と、 ｃ）前記内燃機関の前記排気管を前記ボイラの前記空気ポートへ接続する段階と を含む改装方法。
3. ３．請求の範囲第１項に記載の動力プラントにおいて、前記内燃機関が更に水冷 却装置を含み、前記水冷却装置からの廃熱が前記蒸気発生装置内へ導入される、 動力ブラント。
4. ４．請求の範囲第１項に記載の動力プラントにおいて、前記ボイラが微粉炭ボイ ラであり、前記ボイラ空間へ一次空気を供給する一次空気ポートが前記空気ボー トに含まれる、動力ブラント。
5. ５．請求の範囲第１項に記載の動力プラントにして、前記ボイラ空間へ二次空気 を供給する二次空気ボートが前記空気ボートに含まれる、動力プラント。
6. ６．請求の範囲第１項に記載の動力プラントにおいて、前記ボイラ空間へ上だき 空気を供給する上だきボートが前記空気ボートに含まれる、動力プラント。
7. ７．請求の範囲第１項に記載の動力プラントにおいて、前記ボイラ空気へ下だき 空気を供給する下だきボートが前記空気ボートに含まれる、動力プラント。
8. ８．請求の範囲第１項に記載の動力プラントにおいて、前記排出物からのＳＯ２ を除去する装置が前記ボイラの前記排気装置に含まれる、動力プラント。
9. ９．請求の範囲第１項に記載の動力プラントにおいて、粒子状汚染物質を除去す る装置が前記ボイラの前記排気装置に含まれる、動力プラント。
10. １０．請求の範囲第１項に記載の動力プラントにおいて、前記内燃機関が更に水 冷却装置を含み、前記水冷却装置が前記熱交換装置と作動自在に接続され、従っ て前記水冷却装置からの熱が前記熱交換装置へ伝達される、動力プラント。
11. １１．請求の範囲第２項に記載の改装方法にして、前記内燃機関を冷却する水冷 却装置を準備する段階と、前記水冷却装置からの熱を前記熱交換装置へ伝達する 段階とを含む改装方法。