JPWO2012042892A1 - 酸素燃焼システム及びその運転方法 - Google Patents

酸素燃焼システム及びその運転方法 Download PDF

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Abstract

富酸素ガスと循環排ガスとを混合した燃焼用ガスにより燃料を燃焼させるボイラ１と、該ボイラから排出される排ガスが流れる煙道に配設された除塵装置１７と、該除塵装置の下流側の煙道から抜き出した循環排ガスと富酸素ガスとを混合した燃焼用ガスをボイラに導く第２の煙道２９と、ボイラと除塵装置との間の煙道を流れる排ガスと第２の煙道を流れる燃焼用ガスとを熱交換する燃焼用ガス加熱器１３と、燃焼用ガス加熱器と除塵装置との間の煙道に配設され、該煙道を通流する排ガスと冷却媒体とを熱交換して該排ガスを冷却する排ガス冷却器１５と、除塵装置に導入される排ガスの温度が９０℃以上１４０℃以下となるように、排ガス冷却器の冷却媒体の流量と温度の少なくとも一方を制御する制御手段とを備える。これにより、ダクトや配管、機器類等の酸露点腐食及びダクトや配管等の煤塵の詰まりを抑制できる。

Description

本発明は、酸素燃焼システム及びその運転方法に係り、特に、富酸素ガスと循環排ガスとを混合した燃焼用ガスを用いて燃料を燃焼させるボイラを備えた酸素燃焼システムに関する。
従来の火力発電プラントは、空気を用いて燃料を燃焼させる空気燃焼用ボイラを備えた空気燃焼システムが主流となっている。一方、地球温暖化の原因物質の１つであり、産業活動において最も排出量が多い二酸化炭素（ＣＯ２）の回収を容易にする方法として、酸素燃焼システムを用いた火力発電が提案されている。
この酸素燃焼システムでは、既存の空気燃焼システムのボイラから排出された排ガスの一部と空気分離装置で製造された高濃度酸素（以下、適宜酸素と略す）とを混合した燃焼用ガスを石炭等の化石燃料とともにボイラに供給し、化石燃料を燃焼させることで、ＣＯ２とＨ２Ｏを主成分とする排ガスを排出する。このため、排ガスを冷却圧縮することで、排ガス中からＣＯ２を容易に分離することができる（例えば、特許文献１、２参照。）。
特開平０５−２６４０９号公報 特開２００９−２７０７５３号公報
しかしながら、酸素燃焼システムから排出される排ガスは、ＣＯ２とＨ２Ｏを主成分としながらも、燃料中の硫黄分に起因するＳＯｘが高濃度で含まれている。このため、排ガスの一部に例えば常温の酸素が混合されて排ガス温度が酸露点以下まで低下した場合、ダクトや配管、機器類に酸露点腐食が生じ、或いは、排ガス中に含まれる煤塵（灰分等）に結露したＳＯｘ等が吸着することでダクトや配管等に詰まりを生じるおそれがある。
本発明の課題は、ダクトや配管、機器類等の酸露点腐食及びダクトや配管等の煤塵の詰まりを抑制できる酸素燃焼システムを提供することにある。
本発明者は、排ガス中のＳＯ３濃度と酸露点との関係を詳細に調査した。その結果、図２に示すように、特定の狭いＳＯ３濃度の範囲で、原料となる石炭中の硫黄（Ｓ）分の含有割合や排ガス中の水分濃度とは関係なく、酸露点温度が約１４０℃から約９０℃まで急激に変化する現象を見出し、本発明をするに至ったものである。
具体的に、本発明の酸素燃焼システムは、富酸素ガスと循環排ガスとを混合した燃焼用ガスにより燃料を燃焼させるボイラと、このボイラから排出される排ガスが流れる煙道に配設された除塵装置と、この除塵装置の下流側の煙道から抜き出した循環排ガスと富酸素ガスとを混合した燃焼用ガスをボイラに導く燃焼用ガス配管と、ボイラと除塵装置との間の煙道を流れる排ガスと燃焼用ガス配管を流れる燃焼用ガスとを熱交換する燃焼用ガス加熱器と、燃焼用ガス加熱器と除塵装置との間の煙道に配設され、この煙道を通流する排ガスと冷却媒体とを熱交換して排ガスを冷却する排ガス冷却器と、除塵装置に導入される排ガスの温度が９０℃以上１４０℃以下となるように、排ガス冷却器の冷却媒体の流量と温度の少なくとも一方を制御する制御手段とを備えてなることを特徴とする。
これによれば、排ガス冷却器で冷却された排ガスは９０℃以上１４０℃以下の所定温度に冷却された状態で、除塵装置に導入される。このとき、排ガス中のＳＯ３は、除塵装置の入口側で結露して硫酸ミストとなり、排ガス中の煤塵に吸着した状態で除塵装置により除去される。その結果、除塵装置を通過する前後で排ガス中のＳＯ３濃度が減少し、それに伴って酸露点温度も低下する。ここで、除塵装置を通過する前後で排ガス温度は殆ど変わらないのに対し、酸露点温度は大きく低下する。これにより、除塵装置を通過した後の排ガスは、その排ガス温度と酸露点温度との差が大きくなるため、例えば、循環排ガスの温度が燃焼用ガス加熱器に至るまでに放熱等で低下したとしても、酸露点温度を下回ることがなく、酸露点腐食やダクト内の詰まりを抑制することができる。一方、ボイラから排出される排ガスのＳＯ３濃度は原料となる石炭中のＳ分に起因することから、例えば、使用する原料炭の炭種や配合等を管理することで、所定の濃度に保つことができる。
さらに本発明は、空気から窒素を分離して富酸素ガスを製造する空気分離装置と、この空気分離装置で製造された富酸素ガスを燃焼用ガス配管の燃焼用ガス加熱器の上流側に導入する酸素導入流路とを備え、酸素導入流路は、該流路を流れる酸素を加熱する加熱手段が設けられてなるものとする。
これによれば、例えば、燃焼用ガス配管に、酸素の供給部分を流れる循環排ガスの温度と同程度まで加熱された酸素を供給することができるため、循環排ガスが接触する接触面温度や混合後の循環排ガスの温度を水露点、酸露点の温度以上に保持することができる。よって、水分を取り除くことなく循環排ガスを再循環させたとしても、熱交換器等の酸露点腐食や灰分による詰まりを抑制することができる。
さらに、本発明の酸素燃焼システムは、燃焼用ガス配管に空気を導入する空気導入口と、燃焼用ガス配管に導入するガスを循環排ガスと空気とのいずれかに切り替える第１の弁部と、ボイラの蒸気系統の復水器で得られた復水を復水加熱器で抽気蒸気と熱交換し、復水加熱器で加熱された復水をボイラに給水する給水管路と、復水加熱器に抽気蒸気を導入する蒸気導入管路に設けられて蒸気導入管路を開閉する抽気弁と、復水加熱器をバイパスして復水が通流する復水バイパス管路と、給水管路の復水の流路を復水加熱器と復水バイパス管路のいずれかに切り替える第２の弁部と、燃焼用ガス加熱器と除塵装置との間の煙道に配設される取出口とこの取出口の下流側の戻り口とを結ぶ流路をバイパスして排ガスが通流する排ガスバイパス管路と、排ガスの流路を取出口と戻り口とを結ぶ流路と排ガスバイパス管路のいずれかに切り替える第３の弁部とを備え、排ガス冷却器は、復水バイパス管路を通流する復水と排ガスバイパス管路を通流する排ガスとを熱交換可能に構成されてなるものとする。
これによれば、第１の弁部を切替えることにより、燃焼用ガスをボイラに供給して燃料を燃焼させる酸素燃焼と空気をボイラに供給して燃料を燃焼させる空気燃焼とを交互に切り替えることが可能になる。ここで、酸素燃焼時は、燃焼用ガス加熱器に比較的高温の燃焼用ガスが流入するのに対し、空気燃焼時は、燃焼用ガス加熱器に比較的低温（例えば常温）の空気が流入する。すなわち、燃焼用ガス加熱器の熱交換量は、空気燃焼時の方が酸素燃焼時よりも高くなるため、燃焼用ガス加熱器と除塵装置との間の煙道を流れる排ガスの温度は、空気燃焼時の方が酸素燃焼時よりも低くなる。このため、空気燃焼と酸素燃焼を互いに切替えると、熱バランスが崩れてしまう。
この点、本発明によれば、第２の弁部と第３の弁部を操作することにより、酸素燃焼時のときだけ、排ガスと復水をそれぞれ排ガス冷却器に流し、排ガスを復水と熱交換させて冷却することができる。このため、酸素燃焼時と空気燃焼時とで、除塵装置に導入される排ガスの温度を同程度に保つことができるため、熱バランスを維持することができる。また、本発明では、排ガスの冷却媒体として復水を利用しているため、システム全体の熱効率を高めることができる。なお、酸素燃焼時は、バイパスされる復水加熱器の抽気弁を閉じ、空気燃焼時は、バイパスされる復水加熱器の抽気弁を開くことにより、酸素燃焼と空気燃焼のいずれの場合も、復水を所定の温度に加熱することができる。
ところで、ボイラには、付帯装置として、例えば、石炭粉砕装置が設けられているが、この石炭粉砕装置の摺動部のシールは、空気で行われるため、酸素燃焼時に、ボイラ内に入った空気が燃焼して消費されると、排ガス中のＣＯ２濃度が低下する。一方、ボイラから排出される排ガスを浄化処理する排ガス処理系統には、付帯装置として例えば除塵装置の煤塵払い落し装置が設けられているが、捕集煤塵の払い落しは、空気を通流させるエアレーションで行うので、酸素燃焼時の排ガス中に空気が混じると、ＣＯ２濃度が低下する。
このようにして排ガス中のＣＯ２濃度が低下すると、排ガスからＣＯ２を分離して回収する際の回収効率が低下する。例えば、ＣＯ２を含む排ガスを圧縮機により圧縮し、ＣＯ２を液化した状態で回収する圧縮分離法を採用した場合、分離回収に要する圧縮機の動力が増加するという問題がある。また、空気が流入した場合は、空気の大半を占める窒素（Ｎ２）によって排ガス中のＮ２量が増加し、その排ガスで燃焼用ガスの富酸素ガスが希釈されると、燃焼装置におけるＮＯｘの発生量が増加するという弊害もある。
そこで、本発明の酸素燃焼システムは、富酸素ガスと循環排ガスとを混合した燃焼用ガスにより燃料を燃焼させるボイラと、このボイラから排出される排ガスが流れる煙道に配設された除塵装置と、この除塵装置の下流側の煙道から抜き出した循環排ガスと富酸素ガスとを混合した燃焼用ガスをボイラに導く燃焼用ガス配管と、ボイラと除塵装置との間の煙道を流れる排ガスと燃焼用ガス配管を流れる燃焼用ガスとを熱交換する燃焼用ガス加熱器と、燃焼用ガス加熱器と除塵装置との間の煙道に配設され、この煙道を通流する排ガスと冷却媒体とを熱交換して排ガスを冷却する排ガス冷却器と、除塵装置に導入される排ガスの温度が９０℃以上１４０℃以下となるように、排ガス冷却器の冷却媒体の流量と温度の少なくとも一方を制御する制御手段と、ボイラとこのボイラから排出される排ガスを浄化処理する排ガス処理系統との少なくとも一方の付帯装置で用いられ、排ガス中に浸入する作用ガスを供給する作用ガス供給装置とを備え、作用ガス供給装置は、除塵装置により煤塵が捕集された排ガスを前記作用ガスとして用いてなることを特徴とする。
このように排ガスを燃焼プラントの付帯装置の作用ガスとして用いることにより、作用ガスが排ガス中に漏れ込み、あるいは侵入されたとしても、排ガスのＣＯ２濃度の低下を抑制することができる。その結果、ＣＯ２の分離回収効率を高く保持でき、圧縮機の動力の増加を抑えることができる。ここで、少なくとも除塵処理された排ガスの一部を抜出して作用ガスとして供給することが望ましいのは、煤塵により作用ガス供給配管などが閉塞するのを防止できるからである。
また、本発明の酸素燃焼システムは、富酸素ガスと循環排ガスとを混合した燃焼用ガスにより燃料を燃焼させるボイラと、このボイラから排出される排ガスが流れる煙道に配設された除塵装置と、この除塵装置の下流側の煙道から抜き出した循環排ガスと富酸素ガスとを混合した燃焼用ガスをボイラに導く燃焼用ガス配管と、ボイラと除塵装置との間の煙道を流れる排ガスと燃焼用ガス配管を流れる燃焼用ガスとを熱交換する燃焼用ガス加熱器と、この燃焼用ガス加熱器と除塵装置との間の煙道に配設され、この煙道を通流する排ガスと冷却媒体とを熱交換して排ガスを冷却する排ガス冷却器と、除塵装置に導入される排ガスの温度が９０℃以上１４０℃以下となるように、排ガス冷却器の冷却媒体の流量と温度の少なくとも一方を制御する制御手段と、空気から窒素を分離して富酸素ガスを製造する空気分離装置と、この空気分離装置で製造された富酸素ガスを燃焼用ガス配管の燃焼用ガス加熱器の上流側に導入する酸素導入流路とを備え、酸素導入流路は、この流路を流れる酸素を加熱する加熱手段が設けられてなり、燃焼用ガス配管に空気を導入する空気導入口と、燃焼用ガス配管に導入するガスを循環排ガスと空気とのいずれかに切り替える第１の弁部と、ボイラの蒸気系統の復水器で得られた復水を復水加熱器で抽気蒸気と熱交換し、復水加熱器で加熱された復水をボイラに給水する給水管路と、復水加熱器に抽気蒸気を導入する蒸気導入管路に設けられて蒸気導入管路を開閉する抽気弁と、復水加熱器をバイパスして復水が通流する復水バイパス管路と、給水管路の復水の流路を復水加熱器と復水バイパス管路のいずれかに切り替える第２の弁部と、燃焼用ガス加熱器と除塵装置との間の煙道に配設される取出口とこの取出口の下流側の戻り口とを結ぶ流路をバイパスして排ガスが通流する排ガスバイパス管路と、排ガスの流路を取出口と戻り口とを結ぶ流路と排ガスバイパス管路のいずれかに切り替える第３の弁部とを備え、排ガス冷却器は、復水バイパス管路を通流する復水と排ガスバイパス管路を通流する排ガスとを熱交換可能に構成されてなることを特徴とする。
また、本発明の酸素燃焼システムは、富酸素ガスと循環排ガスとを混合した燃焼用ガスにより燃料を燃焼させるボイラと、このボイラから排出される排ガスが流れる煙道に配設された除塵装置と、この除塵装置の下流側の煙道から抜き出した循環排ガスと富酸素ガスとを混合した燃焼用ガスをボイラに導く燃焼用ガス配管と、ボイラと除塵装置との間の煙道を流れる排ガスと燃焼用ガス配管を流れる燃焼用ガスとを熱交換する燃焼用ガス加熱器と、燃焼用ガス加熱器と除塵装置との間の煙道に配設され、この煙道を通流する排ガスと冷却媒体とを熱交換して排ガスを冷却する排ガス冷却器と、除塵装置に導入される排ガスの温度が９０℃以上１４０℃以下となるように、排ガス冷却器の冷却媒体の流量と温度の少なくとも一方を制御する制御手段と、空気から窒素を分離して富酸素ガスを製造する空気分離装置と、この空気分離装置で製造された富酸素ガスを燃焼用ガス配管の燃焼用ガス加熱器の上流側に導入する酸素導入流路とを備え、酸素導入流路は、この流路を流れる酸素を加熱する加熱手段が設けられてなり、ボイラとこのボイラから排出される排ガスを浄化処理する排ガス処理系統との少なくとも一方の付帯装置で用いられ、排ガス中に浸入する作用ガスを供給する作用ガス供給装置とを備え、作用ガス供給装置は、除塵装置により煤塵が捕集された排ガスを作用ガスとして用いてなることを特徴とする。
また、本発明の酸素燃焼システムは、富酸素ガスと循環排ガスとを混合した燃焼用ガスにより燃料を燃焼させるボイラと、このボイラから排出される排ガスが流れる煙道に配設された除塵装置と、この除塵装置の下流側の煙道から抜き出した循環排ガスと富酸素ガスとを混合した燃焼用ガスをボイラに導く燃焼用ガス配管と、ボイラと除塵装置との間の煙道を流れる排ガスと燃焼用ガス配管を流れる燃焼用ガスとを熱交換する燃焼用ガス加熱器と、燃焼用ガス加熱器と除塵装置との間の煙道に配設され、この煙道を通流する排ガスと冷却媒体とを熱交換して排ガスを冷却する排ガス冷却器と、除塵装置に導入される排ガスの温度が９０℃以上１４０℃以下となるように、排ガス冷却器の冷却媒体の流量と温度の少なくとも一方を制御する制御手段と、燃焼用ガス配管に空気を導入する空気導入口と、燃焼用ガス配管に導入するガスを循環排ガスと空気とのいずれかに切り替える第１の弁部と、ボイラの蒸気系統の復水器で得られた復水を復水加熱器で抽気蒸気と熱交換し、復水加熱器で加熱された復水をボイラに給水する給水管路と、復水加熱器に抽気蒸気を導入する蒸気導入管路に設けられて蒸気導入管路を開閉する抽気弁と、復水加熱器をバイパスして復水が通流する復水バイパス管路と、給水管路の復水の流路を復水加熱器と復水バイパス管路のいずれかに切り替える第２の弁部と、燃焼用ガス加熱器と除塵装置との間の煙道に配設される取出口とこの取出口の下流側の戻り口とを結ぶ流路をバイパスして排ガスが通流する排ガスバイパス管路と、排ガスの流路を取出口と戻り口とを結ぶ流路と排ガスバイパス管路のいずれかに切り替える第３の弁部とを備え、排ガス冷却器は、復水バイパス管路を通流する復水と排ガスバイパス管路を通流する排ガスとを熱交換可能に構成されてなり、ボイラとこのボイラから排出される排ガスを浄化処理する排ガス処理系統との少なくとも一方の付帯装置で用いられ、排ガス中に浸入する作用ガスを供給する作用ガス供給装置とを有し、作用ガス供給装置は、除塵装置により煤塵が捕集された排ガスを作用ガスとして用いてなることを特徴とする。
また、本発明の酸素燃焼システムは、富酸素ガスと循環排ガスとを混合した燃焼用ガスにより燃料を燃焼させるボイラと、このボイラから排出される排ガスが流れる煙道に配設された除塵装置と、この除塵装置の下流側の煙道から抜き出した循環排ガスと富酸素ガスとを混合した燃焼用ガスをボイラに導く燃焼用ガス配管と、ボイラと除塵装置との間の煙道を流れる排ガスと燃焼用ガス配管を流れる燃焼用ガスとを熱交換する燃焼用ガス加熱器と、燃焼用ガス加熱器と除塵装置との間の煙道に配設され、この煙道を通流する排ガスと冷却媒体とを熱交換して排ガスを冷却する排ガス冷却器と、除塵装置に導入される排ガスの温度が９０℃以上１４０℃以下となるように、排ガス冷却器の冷却媒体の流量と温度の少なくとも一方を制御する制御手段と、空気から窒素を分離して富酸素ガスを製造する空気分離装置と、この空気分離装置で製造された富酸素ガスを燃焼用ガス配管の燃焼用ガス加熱器の上流側に導入する酸素導入流路とを備え、酸素導入流路は、この流路を流れる酸素を加熱する加熱手段が設けられてなり、燃焼用ガス配管に空気を導入する空気導入口と、燃焼用ガス配管に導入するガスを循環排ガスと空気とのいずれかに切り替える第１の弁部と、ボイラの蒸気系統の復水器で得られた復水を復水加熱器で抽気蒸気と熱交換し、復水加熱器で加熱された復水をボイラに給水する給水管路と、復水加熱器に抽気蒸気を導入する蒸気導入管路に設けられて蒸気導入管路を開閉する抽気弁と、復水加熱器をバイパスして復水が通流する復水バイパス管路と、給水管路の復水の流路を復水加熱器と復水バイパス管路のいずれかに切り替える第２の弁部と、燃焼用ガス加熱器と除塵装置との間の煙道に配設される取出口とこの取出口の下流側の戻り口とを結ぶ流路をバイパスして排ガスが通流する排ガスバイパス管路と、排ガスの流路を取出口と戻り口とを結ぶ流路と排ガスバイパス管路のいずれかに切り替える第３の弁部とを備え、排ガス冷却器は、復水バイパス管路を通流する復水と排ガスバイパス管路を通流する排ガスとを熱交換可能に構成されてなり、ボイラとこのボイラから排出される排ガスを浄化処理する排ガス処理系統との少なくとも一方の付帯装置で用いられ、排ガス中に浸入する作用ガスを供給する作用ガス供給装置と有し、作用ガス供給装置は、除塵装置により煤塵が捕集された排ガスを作用ガスとして用いてなることを特徴とする。
また、本発明の酸素燃焼システムの運転方法は、富酸素ガスと循環排ガスとを混合した燃焼用ガスにより燃料を燃焼させるボイラと、このボイラから排出される排ガスが流れる煙道に配設された除塵装置と、この除塵装置の下流側の煙道から抜き出した循環排ガスと富酸素ガスとを混合した燃焼用ガスをボイラに導く燃焼用ガス配管と、ボイラと除塵装置との間の煙道を流れる排ガスと燃焼用ガス配管を流れる燃焼用ガスとを熱交換する燃焼用ガス加熱器と、燃焼用ガス加熱器と除塵装置との間の煙道に配設され、この煙道を通流する排ガスと冷却媒体とを熱交換して排ガスを冷却する排ガス冷却器とを備え、燃焼用ガスをボイラに供給して燃料を燃焼させる酸素燃焼運転時には、除塵装置に導入される排ガスの温度が９０℃以上１４０℃以下に保持されるように、排ガス冷却器を通る排ガスの温度を調整することを特徴とする。
本発明によれば、ダクトや配管、機器類等の酸露点腐食及びダクトや配管等の煤塵の詰まりを抑制することができる。
本発明を適用してなる酸素燃焼システムの第１の実施形態の構成を示す系統図である。 本発明の効果を説明する図であり、ＳＯ３濃度と酸露点温度との関係を示す図である。 本発明を適用してなる酸素燃焼システムの第２の実施形態の構成を示す系統図である。 本発明を適用してなる酸素燃焼システムの第３の実施形態の構成を示す系統図である。 本発明を適用してなる酸素燃焼システムの第４の実施形態の構成を示す系統図である。 本発明を適用してなる酸素燃焼システムの第５の実施形態の構成を示す系統図である。 本発明を適用してなる酸素燃焼システムの第６の実施形態の構成を示す系統図である。 本発明を適用してなる酸素燃焼システムにおける酸素混合器の構成を説明する図であり、図８（ａ）は、酸素混合器のガス通流方向に沿った垂直断面図、図８（ｂ）は、酸素混合器のガス通流方向と直交する方向の水平断面図である。 本発明を適用してなる酸素燃焼システムの第７の実施形態の構成を示す系統図である。 本発明を適用してなる酸素燃焼システムの第８の実施形態の構成を示す系統図である。 本発明を適用してなる酸素燃焼システムの第９の実施形態の構成を示す系統図である。 燃焼用ガス加熱器を通過した排ガスが除塵装置に導入されるまでの流れ方向の温度変化を示し、（i）は空気燃焼時の排ガス温度、（ii）は酸素燃焼時の排ガス温度を示す。 本発明を適用してなる酸素燃焼システムの第９の実施形態を説明するための参考例である。 本発明を適用してなる酸素燃焼システムの第９の実施形態を説明するための参考例である。 本発明を適用してなる酸素燃焼システムの排ガス冷却器の構成を示す図である。 本発明を適用してなる酸素燃焼システムの排ガス冷却器の構成を示す図である。 本発明を適用してなる酸素燃焼システムの第１０の実施形態の構成を示す系統図である。
（第１の実施形態）
以下、本発明を適用してなる酸素燃焼システムの第１の実施形態について、図１を参照して詳細に説明する。図１に示す酸素燃焼システムは、既設の空気燃焼システムを基にして酸素燃焼に必要な機器類を追加し、構成・系統を変更して構築できるものあり、例えば、システムの起動時には、空気燃焼式システムとして運用し、定常運転となる燃焼用ガスをボイラに供給して燃料を燃焼させる酸素燃焼運転時には、以下の酸素燃焼式システムとして運用される。なお、本実施形態では、ボイラで燃焼させる化石燃料として微粉炭を用いる例を説明するが、この例に限定されるものではない。
ボイラ１は、火炉３と、火炉３に取り付けられるバーナ５及びウィンドボックス７とから構成され、バーナ５は、ウィンドボックス７内に収容された状態で配置される。バーナ５には、燃料の微粉炭が供給される燃料流路と燃焼用ガスが供給される燃焼用ガス流路が形成されている。
ボイラ１の出口には、排ガスが通流する第１の煙道９が接続されており、第１の煙道９の途中には、上流側から、脱硝装置１１、燃焼用ガス加熱器１３、排ガス冷却器１５、除塵装置１７、誘引送風機１９、脱硫装置２１、排ガス液化装置２３、煙突２５が順次配設されている。第１の煙道９には、誘引送風機１９と脱硫装置２１とを接続する煙道を分岐させて、排ガスの一部を抜き出す燃焼用ガス配管の排ガス再循環ダクト２７が接続されており、この排ガス再循環ダクト２７は、燃焼用ガスをバーナ５に送る燃焼用ガス配管の第２の煙道２９の途中に接続されている。なお、排ガス再循環ダクト２７は、第１の煙道９の脱硫装置２１の後流側から分岐させてもよい。
第２の煙道２９は、一端が空気取入口となり、他端がボイラ１の燃焼用ガス流路に接続されている。第２の煙道２９には、排ガス再循環ダクト２７が接続される部位の下流側の煙道を分岐させて、第２の煙道２９を流れる排ガス（以下、循環排ガスという。）の一部を抜き出す燃料搬送用ダクト３１が接続されており、燃料搬送用ダクト３１の先の出口は微粉炭器３３に接続されている。
燃料の石炭は微粉炭器３３に供給され、微粉炭器３３に収容される図示しない石炭粉砕ミル等によって微粉炭燃焼に適した粒度に粉砕される。粉砕された微粉炭は、燃料搬送用ダクト３１を介して供給された循環排ガスに同伴されて送炭管３５を通り、バーナ５の燃料流路に供給されるようになっている。
第２の煙道２９及び燃料搬送用ダクト３１には、酸素導入配管３７の分岐した先の出口がそれぞれ接続されている。分岐した酸素導入配管３７にはそれぞれ弁３９が配設されている。一方、酸素導入配管３７の反対側の入口部には、空気分離装置４１が接続されている。これにより、空気分離装置４１で生成された酸素が、酸素導入流路となる酸素導入配管３７を介して第２の煙道２９及び燃料搬送用ダクト３１にそれぞれ供給されるようになっている。
空気分離装置４１は、空気から窒素等を分離して濃度９５％ｖｄ（ドライべースの容積分率）以上の高濃度酸素を生成するものである。空気分離装置４１で生成された酸素は、石炭搬送用（バーナ一次）と燃料用（バーナ二次、三次、アフタエア）の二つの弁３９の開度をそれぞれ調節することによって分割された後、第２の煙道２９と燃料搬送用ダクト３１にそれぞれ供給される。酸素は、第２の煙道２９及び燃料搬送用ダクト３１を流れる循環排ガスと混合されて、実用的な酸素濃度（例えば２６％〜２９％ｖｗ：ウェットベースの容積分率）となるように調節される。
酸素導入配管３７が第２の煙道２９及び燃料搬送用ダクト３１にそれぞれ接続される先端部分には、例えば、酸素導入配管３７から供給された酸素を循環排ガス中に噴き付ける複数のノズルを備えた酸素混合装置４３が接続されており、酸素混合装置４３から供給された酸素は、酸素混合装置４３を通過する循環排ガスと急速かつ均一に混合されるようになっている。
第１の煙道９、第２の煙道２９及び燃料搬送用ダクト３１には、燃焼用ガス加熱器１３が配設されている。燃焼用ガス加熱器１３は、第１の煙道９の脱硝装置１１と排ガス冷却器１５との間を流れる排ガスと、第２の煙道２９の酸素混合装置４３の下流側を流れる循環排ガス及び燃料搬送用ダクト３１の酸素混合装置４３の下流側を流れる循環排ガスとを熱交換するようになっている。これにより、第２の煙道２９又は燃料搬送用ダクト３１を流れる循環排ガスは、酸素が混合された状態で燃焼用ガス加熱器１３に導かれ、第１の煙道９を流れる排ガスとそれぞれ熱交換して加熱される。
第１の煙道９において排ガス再循環ダクト２７の分岐部と脱硫装置２１との間、及び、排ガス再循環ダクト２７、及び、第２の煙道２９において排ガス再循環ダクト２７の接続部の上流側には、それぞれ第１の弁部となるダンパ４５が配設されている。このダンパ４５の開度をそれぞれ調節することにより、第１の煙道９から抜き出される排ガス量が調整されるようになっている。
第２の煙道２９において、排ガス再循環ダクト２７の接続部と燃料搬送用ダクト３１の分岐部との間には、押込み通風ファン４７が配設されている。また、燃料搬送用ダクト３１の酸素混合装置４３の上流側には、一次ガスファン４９が配設されている。押込み通風ファン４７と一次ガスファン４９のファン回転数を調節することで、第２の煙道２９を流れる循環排ガス量、つまりバーナ５の燃焼用ガスの供給量と、燃料搬送用ダクト３１を流れる循環排ガス量、つまり微粉炭の燃料搬送量が、それぞれ調節されるようになっている。
排ガス冷却器１５は、第１の煙道９を流れる排ガスと図示しない冷却冷媒とを熱交換して排ガスを所定温度まで冷却するものであり、例えば、管内に冷却媒体を通流させ、管外を流れる排ガスと熱交換するチューブ式熱交換器となっている。排ガス冷却器１５で使用する冷却媒体は、特に限定されないが、蒸気タービン系の低圧給水や海水を用いることもできる。
第１の煙道９の除塵装置１７の入口部には除塵装置１７に導入される排ガスの温度を検出する図示しない温度検出装置が設けられ、温度検出装置により検出された結果が電気信号に変換されて図示しない制御装置に入力されるようになっている。制御装置は、その入力された結果と設定温度とを比較して得られた結果に基づいて排ガス冷却器１５の収熱量を制御するようになっている。具体的には、温度検出装置により検出される温度が９０℃以上１４０℃以下となるように、排ガス冷却器１５の冷却用媒体の流量と温度の少なくとも一方が調節されるようになっている。
ボイラ１には、燃焼用ガスとなる酸素を含む循環排ガスと燃料となる微粉炭とが供給されて微粉炭が燃焼される。ボイラ１の燃焼により発生した排ガスは、第１の煙道９に導かれて脱硝装置１１に供給され、排ガス中のＮＯｘが除去される。脱硝装置１１を出た排ガスは、燃焼用ガス加熱器１３に供給されて減温される。燃焼用ガス加熱器１３を出た排ガスは、排ガス冷却器１５に供給されて設定温度まで減温された後、除塵装置１７に導かれ、排ガス中のＳＯ３の一部が煤塵成分とともに除去される。排ガスはその後、誘引送風機１９を介して脱硫装置２１に導かれ、ＳＯｘが除去される。脱硫装置２１を出た排ガスは、排ガス液化装置２３で冷却圧縮され、ＣＯ２が液化された状態で分離された後、煙突２５から大気中へ放出される。
一方、第１の煙道９において、誘引送風機１９を通過した排ガスは、その一部が排ガス再循環ダクト２７を通じて抜き出され、第２の煙道２９に導かれる。第２の煙道２９に導かれた排ガスは、再循環ガスとして押込み通風ファン４７を通過した後、酸素混合装置４３から注入された酸素が混合されて燃焼用ガスとなり、燃焼用ガス加熱器１３に導かれる。燃焼用ガス加熱器１３で加熱された燃焼用ガスは、バーナ５の燃焼用ガス流路に供給される。
また、排ガス再循環ダクト２７から第２の煙道２９に導かれ、押込み通風ファン４７を通過した循環排ガスは、その一部が燃料搬送用ダクト３１に導かれる。燃料搬送用ダクト３１に導かれた循環排ガスは、一次ガスファン４９を経由した後、酸素混合装置４３から注入された酸素が混合されて燃料搬送用ガスとなり、燃焼用ガス加熱器１３に導かれる。燃焼用ガス加熱器１３で加熱された燃料搬送用ガスは、微粉炭器３３に供給される。続いて、微粉炭器３３で粉砕された石炭は、微粉炭器３３に供給された燃料搬送用ガスに同伴され、送炭管３５を介してバーナ５の燃料流路に供給される。
ボイラ１内の燃焼により発生した高温高圧の蒸気は、図示しない蒸気タービン発電設備等に供給されて発電される。
ところで、酸素燃焼システムでは、例えば、第２の煙道２９において、燃焼用ガス加熱器１３を通過する前の循環排ガスの温度が７０℃〜１００℃であり、常温の空気と第１の煙道９を流れる排ガスを熱交換する場合と比べて、燃焼用ガス加熱器１３の熱交換量が少なくなっている。このため、第１の煙道９にて燃焼用ガス加熱器１３を通過後、除塵装置１７の入口付近を流れる排ガスは比較的高温（例えば、１９０℃〜２００℃）の状態となる。このような排ガスが除塵装置１７に供給されると、脱塵効率の悪化や熱損を生じるおそれがある。このため、各機器を適正かつ安全に運転するには、システム内を循環する排ガスを所定温度に冷却する必要がある。また、酸素燃焼システムでは、高濃度の酸素と循環排ガスを用いて燃料を燃焼させるため、ボイラ出口の排ガスの主成分がＣＯ２とＨ２Ｏであるとともに、燃料中のＳ分により発生するＳＯｘが高濃度となる。このような高濃度のＨ２ＯやＳＯｘを含む循環排ガス等の温度が低下して、ＳＯ３や水分の結露が生じると、ダクトや配管、機器類の酸露点腐食が生じ易くなり、また、結露に伴う煤塵の詰まりが生じ易くなる。
本実施形態では、第１の煙道９において、燃焼用ガス加熱器１３と除塵装置１７の間に排ガス冷却器１５を設置して、燃焼用ガス加熱器１３を通過した排ガスをさらに冷却するようにしているため、除塵装置１７の効率悪化や熱損を防ぐことができる。また、除塵装置１７の入口付近を流れる排ガスを酸露点以下の温度まで冷却することで、排ガス中のＳＯ３は硫酸ミストとなり、この硫酸ミストは排ガス中の煤塵に捕捉された状態で除塵装置１７により除去される。
一方、このようにして冷却された排ガスの酸露点は、水露点とほぼ等しくなっているため、例えば、第２の煙道２９や燃料搬送用ダクト３１に常温の酸素が注入されると、酸素混合装置４３の表面や燃焼用ガス加熱器１３の入口部にはガス温度低下による結露が生じることがある。この結露を回避するには、煙道内にコンデンサなどを設けて水分濃度を低減する手段が考えられる。しかし、酸素燃焼システムでは、排ガスの水分濃度が２５％〜４０％に達するため、潜熱処理による熱ロスが大きく、ドレイン処理量が増加する。また、第２の煙道２９や燃料搬送用ダクト３１では、循環排ガス中の煤塵量が少ないため、硫酸ミストを除去することが難しく、酸露点腐食を生じるおそれがある。
ここで、本実施形態の特徴技術について説明する。図２は、排ガスのＳＯ３濃度と酸露点との関係を示す図であり、横軸はＳＯ３濃度、縦軸は酸露点（℃）を示している。なお、横軸は、特定の石炭を燃焼させたときのＳＯ３濃度に基づいて無次元化したもので、対数軸となっている。排ガス中のＳＯ３濃度は、原料石炭中のＳ分の含有率割合により変化する。
図２から分かるように、特定の狭いＳＯ３濃度の範囲において、原料石炭中のＳ分含有割合が０.１％〜２.０％及び排ガス中の水分濃度が２５％〜４０％の範囲（Ａ炭、Ｂ炭、Ｃ炭）で、原料石炭中のＳ分の含有割合や排ガス中の水分濃度の影響を受けることなく、僅かのＳＯ３濃度の変化で、酸露点温度は、約１４０℃から約９０℃まで急激に変化する。本発明は、この現象を利用するものであり、排ガス冷却器１５の収熱量を調整し、除塵装置１７の入口付近の排ガス温度を９０℃以上１４０℃以下に保持することで、排ガスの酸露点を大きく低下させ、排ガス再循環ダクト２７、第２の煙道２９、燃料搬送用ダクト３１等を流れるガスの温度を常に酸露点温度以上に保持するものである。ここで、酸露点温度が急激に低下するのは、所定のＳＯ３濃度の範囲で見られる現象であり、ＳＯ３濃度は原料石炭に含まれるＳ分等が大きく影響することから、炭種や配合等を管理してＳＯ３濃度を調整する必要がある。
例えば、除塵装置１７の入口側の排ガス温度、つまり温度検出装置により検出された温度が１４０℃になるように排ガス冷却器１５の収熱量を調整することで、排ガス中のＳＯ３が煤塵とともに除塵装置１７により除去される。その結果、除塵装置１７を通過した排ガス中のＳＯ３濃度が半減した場合、酸露点温度は、例えば９０℃以下まで低下するが、排ガス温度は除塵装置１７を通過する前と殆ど同じである。ここで、除塵装置１７以降の煙道やダクト等には、燃焼用ガス加熱器１３を除いて排ガスや循環排ガス等を加熱する手段がないため、例えば、酸素の注入や放熱等により、循環排ガスの温度は５℃〜２０℃低下し、燃焼用ガス加熱器１３に至るまでに、１２０℃程度まで低下することが考えられる。しかし、除塵装置１７を通過後の排ガスの酸露点は９０℃以下まで低下しているため、循環排ガスが１２０℃程度まで低下したとしても、酸露点との間には３０℃の開きがある。このため、除塵装置１７を通過後の排ガスや循環排ガスの温度が酸露点温度を下回ることがなく、酸露点腐食や煤塵の詰まりを防ぐことができる。
一方、除塵装置１７の入口側の排ガス温度が１６０℃になるように調整した場合、除塵装置１７を通過した後の排ガス中のＳＯ３濃度が通過する前の排ガスと比べて半減したとしても、酸露点温度は１６０℃よりも数℃〜１０℃程度低くなるだけである。このため、除塵装置１７を通過した後の排ガスの温度が、放熱等で燃焼用ガス加熱器１３に到達するまでに５℃〜２０℃程度低下すると、排ガス温度が酸露点温度を下回り、煙道やダクト等で酸露点腐食を引き起こす可能性がある。
また、除塵装置１７の入口側の排ガス温度が８０℃になるように調節した場合、除塵装置１７を通過した後の排ガス中のＳＯ３濃度が通過する前の排ガスと比べて半減したとしても、酸露点温度は８０℃よりも数℃〜１０℃程度低くなるだけである。このため、除塵装置１７を通過した後の排ガスの温度が、放熱等で燃焼用ガス加熱器１３に到達するまでに５℃〜２０℃程度低下すると、排ガス温度が酸露点温度を下回り、煙道やダクト等で酸露点腐食を引き起こす可能性がある。
本実施形態では、除塵装置１７の入口付近の排ガス温度を９０℃以上１４０℃以下に保持しているため、ＳＯ３濃度を僅かに減少させただけで、酸露点温度を大きく低下させることができる。このため、排ガスから水分を取り除くことなく、排ガスを循環させても、排ガス再循環ダクト２７、第２の煙道２９、燃料搬送用ダクト３１等における酸露点腐食や煤塵の詰まりを防止することができ、プラントの信頼性、安全性を高めることができる。
なお、酸素燃焼システムでは排ガス中の水分濃度が高いため、水分結露を防ぐ観点から、除塵装置１７を出た循環排ガスの温度低下を防ぐために、除塵装置１７以降のダクトや煙道にはヒータ等の周知の保温手段を設けることが好ましい。
ところで、酸素燃焼システムでは、起動時の空気燃焼運転時と定常時の酸素燃焼運転時でシステム内を流れるガスの組成、流量、熱量が大きく変動し、第１の煙道９において燃焼用ガス加熱器１３から出る排ガス温度も運転条件によって大きく変動する。このため、燃焼用ガス加熱器１３のみで常時、除塵装置１７の入口付近の排ガス温度を管理することは難しい。この点、本実施形態では、排ガス冷却器１５をチューブ式熱交換器で構成するとともに第１の煙道９の燃焼用ガス加熱器１３の下流側に独立して配置している。このため、排ガスや循環排ガスの流量及び温度、酸素の供給量及び温度等の影響を受けることなく、酸素燃焼システムの運転条件と独立させて常に除塵装置１７の入口側の排ガス温度を任意の温度に迅速に調整することができ、その温度で安定に保持することができる。
また、酸素燃焼運転時には、除塵装置１７の入口側の排ガス温度が９０℃以上１４０℃以下となる範囲で、排ガス冷却器１５の収熱量をボイラ１の負荷に応じて制御するようにしてもよい。例えば、ボイラ１が定格の負荷で運転されている場合には、排ガス温度が常に一定（例えば１２０℃）となるように排ガス冷却器１５の収熱量を制御し、負荷が低い場合には、排ガス温度が定格負荷と同等もしくは定格負荷条件よりも増減させた温度（例えば１００℃）になるように、排ガス冷却器１５の収熱量を制御するものとする。
本実施形態では、第２の煙道２９や燃料搬送用ダクト３１において、循環排ガスよりも低温（例えば常温）の酸素を循環排ガスに混合した後、燃焼用ガス加熱器１３で排ガスと熱交換させているため、酸素が燃焼用ガス加熱器１３で熱回収される。このため、ボイラ入熱量を高めることができ、プラント効率を向上させることができる。また、排ガス冷却器１５での収熱量は、燃焼用ガス加熱器１３の後流側の循環排ガスに酸素を混合する場合よりも少なくて済むため、排ガス冷却器１５自体をコンパクト化することができ、既存設備に対する追設・改造費用が抑えられるとともに、冷却によるプラントシステム全体の効率低下を最小限に抑制することができる。
（第２の実施形態）
以下、本発明を適用してなる酸素燃焼システムの第２の実施形態について、図３を参照して説明する。なお、本実施形態では、第１の実施形態と異なる点について説明し、同一の構成については同一の符号を付して説明を省略する。
本実施形態では、図１の酸素混合装置４３に代えて、排ガス再循環ダクト２７に酸素混合装置５１が設けられている点で、第１の実施形態と構成が相違する。本実施形態によれば、空気分離装置４１で製造された高濃度の酸素は、第１の煙道９から抜き出された排ガスの一部と混合された後、第２の煙道２９及び燃料搬送用ダクト３１に分配されるため、第２の煙道２９を流れる燃焼用ガスと燃料搬送用ダクト３１を流れる燃料搬送用ガスは、酸素濃度が同じになる。本実施形態では、燃焼用ガスと燃料搬送用ガスの酸素濃度が同じでよい場合には、簡単な設備で、燃焼用ガスと燃料搬送用ガスの酸素濃度を容易に調整できる利点がある。
（第３の実施形態）
以下、本発明を適用してなる酸素燃焼システムの第３の実施形態について、図４を参照して説明する。なお、本実施形態では、第２の実施形態と異なる点について説明し、同一の構成については同一の符号を付して説明を省略する。
本実施形態では、図３の酸素混合装置５１に加えて、第２の煙道２９の燃焼用ガス加熱器１３の下流側に、酸素混合装置５３が設けられている点で、第２の実施形態と構成が相違する。本実施形態によれば、空気分離装置４１で製造された酸素の大部分を第２の煙道２９の燃焼用ガス加熱器１３の上流側に供給し、残りの少量の酸素を燃焼用ガス加熱器１３の下流側に供給することで、第２の実施形態よりも燃焼用ガス加熱器１３における熱回収効率が若干低下するが、燃焼用ガスと燃料搬送用ガスの酸素濃度を容易に調整できる利点がある。
（第４の実施形態）
以下、本発明を適用してなる酸素燃焼システムの第４の実施形態について、図５を参照して説明する。なお、本実施形態では、第１の実施形態と異なる点について説明し、同一の構成については同一の符号を付して説明を省略する。
本実施形態では、第１の煙道９の除塵装置１７の下流側から抜き出した排ガスを所定の付帯設備に作用ガスとして供給する作用ガス供給装置が設けられている点で、第１の実施形態と構成が相違する。作用ガス供給装置は、第１の煙道９の除塵装置１７と脱硫装置２１との間に接続される作用ガス供給配管５５と、作用ガス供給配管５５に配設された供給通風器５７を有して構成される。
作用ガス供給装置は、供給通風器５７を駆動させることにより、第１の煙道９を流れる排ガスの一部を抜き出し、その抜き出した排ガスを、ボイラ１及びボイラ１から排出される排ガスを浄化処理する排ガス処理系統の少なくとも一方の付帯設備に作用ガス供給配管５５を介して供給するようになっている。具体的に、排ガスが供給される付帯設備としては、脱硝装置１１の付帯設備である還元剤希釈用の還元剤注入ラインａ、除塵装置１７の煤塵払い落し用（エアレーションガス）として除塵装置１７の付帯設備であるエアレーション用作用ガスラインｂ、押込み通風ファン４７や一次ガスファン４９の軸シール用作用ガスラインｃ、微粉炭器３３の摺動部のシールガスラインｄ、ボイラ１の水冷壁の煤吹き用ブロア（ウォールブロア）及びボイラ１の伝熱管の煤吹き用ブロア（スートブロア）の摺動部のシールガスラインｅなどがある。
本実施形態によれば、酸素燃焼時に、種々の付帯設備に供給する作用ガスとして、空気に代えて、ボイラ１から排出されるＣＯ２濃度の高い排ガスを用いることができるため、例えば、微粉炭器３３の摺動部のシールなどから作用ガスがボイラ１内に漏れ込み、あるいは浸入したとしても、排ガスのＣＯ２濃度を低下させることなく運転することができる。その結果、排ガス液化装置２３によるＣＯ２の分離回収効率を高く保持することができ、排ガスを圧縮する圧縮機の動力の増加を抑えることができる。また、本実施形態では、除塵装置１７の下流側から抜き出した排ガスを用いているため、煤塵により作用ガス供給配管５５などが閉塞するのを防ぐことができる。一方、作用ガスとして排ガスを用いることは、排ガス中に含まれるＳＯ３による作用機器への酸露点腐食が懸念されるが、除塵装置１７の下流側の排ガスはＳＯ３濃度が低減されているため、作用機器への酸露点腐食を抑制することができる。
（第５の実施形態）
以下、本発明を適用してなる酸素燃焼システムの第５の実施形態について、図６を参照して説明する。なお、本実施形態では、第４の実施形態と異なる点について説明し、同一の構成については同一の符号を付して説明を省略する。
本実施形態では、作用ガス供給配管５５が第１の煙道９の脱硫装置２１の下流側に接続されている点で、第４の実施形態と構成が相違する。脱硫装置２１を通過した排ガスは、酸素燃焼時において、脱硫装置２１を通過する前の排ガスよりもＳＯ３濃度が格段に低いため、この排ガスを作用ガスとして用いることにより、第４の実施形態の効果に加えて、作用機器の酸露点腐食をより確実に防止できる効果が得られる。なお、作用ガスは、排ガス液化装置２３で液化したＣＯ２、もしくは液化したＣＯ２を貯蔵するタンクから抜き出した液化ＣＯ２を、気化器を用いて気化させたＣＯ２ガスを用いても同様の効果を得ることができる。
（第６の実施形態）
以下、本発明を適用してなる酸素燃焼システムの第６の実施形態について、図７、８を参照して説明する。なお、本実施形態では、第１の実施形態と異なる点について説明し、同一の構成については同一の符号を付して説明を省略する。
本実施形態では、図７に示すように、酸素導入配管３７の途中に酸素予熱器５９が設けられ、酸素予熱器５９を通過する酸素が加熱媒体と熱交換して加熱されるようになっている点で、第１の実施形態と構成が相違する。酸素予熱器５９の加熱媒体としては、特に限定されないが、例えば蒸気タービン系からの抽気や排ガスを用いることもできる。
酸素導入配管３７に酸素予熱器５９を設置することにより、空気分離装置４１で製造された常温の酸素を、循環排ガス中の酸露点温度と同等以上、例えば、混合する循環排ガスと同程度の温度まで予熱した状態で供給することができる。酸素は、高温の排ガス(例えば、２００℃〜３００℃)と熱交換することで３００℃程度まで加熱できるが、あまり高温に加熱すると、高濃度の酸素が接触する構成材料が酸化して腐食を加速するおそれがあるため、循環排ガスの温度（例えば、９０℃〜１４０℃）と同程度まで昇温すれば十分である。
このように、酸素を予熱することで、酸素注入時に、酸素混合装置４３を構成する例えば酸素噴出ノズルと循環排ガスとの接触面温度や混合後のガス温度が、水露点及び酸露点以上に保持される。よって、水分を取り除くことなく循環排ガスを再循環させたとしても、燃焼用ガス加熱器１３の熱交換エレメント等の露点腐食や灰分による詰まりを抑制することができる。なお、循環排ガスの温度低下を防ぐため、第２の煙道２９や燃料搬送用ダクト３１の保温も合わせて行えば、より効果的である
ところで、第２の煙道２９に供給される酸素は、濃度９５％ｖｄ以上の高濃度ガスとなる。このため、供給された酸素と循環排ガスとの混合不良が生じると、煙道内には局所的な高濃度の酸素領域が形成される。そして、このような高濃度の酸素が燃焼用ガス加熱器１３に流入したときに、熱交換エレメントに未燃の灰分が付着していると、高濃度酸素の助燃作用により灰分が燃焼し、熱損を生じるおそれがある。
ここで、本実施形態の酸素混合装置４３の構成について説明する。本実施形態の酸素混合装置４３は、図８に示すように、第２の煙道２９のガス流れ方向と直行する平面方向に渡ってスリット状の複数の噴出孔を有して形成される。この噴出孔は、断面が翼型流線形状をなす絞り構造体６１が等間隔で複数配置されたガスミキシングフォイル６３で構成される。図８（ｂ）に示すように、酸素はガスミキシングフォイル６３の胴体方向から導入される。各絞り構造体６１に形成された噴出孔６５から噴出した酸素ａは、図８（ａ）に示すように、絞り部６７に入り加速された循環排ガスｂと衝突し、互いに混合される。なお、燃料搬送用ダクト３１に設けられた酸素混合装置４３も同様の構成となっている。
このような構成により、酸素混合装置４３を介して酸素が供給されると、速やかにダクト断面の酸素濃度分布が均一化され、ピーク酸素濃度が低減される。したがって、高濃度の酸素が燃焼用ガス加熱器１３に到達することがなく、助燃作用を抑制できるため、燃焼用ガス加熱器１３の熱交換エレメントの熱損を回避することができる。
例えば、酸素注入点から燃焼用ガス加熱器１３の入口までの直線距離Ｌと代表ダクト（流路）寸法Ｄの比Ｌ／Ｄを２０以上確保できる場合には、酸素噴出ノズルをダクト断面に複数配置するなどの注入手段を設けても、酸素濃度を均一化することができる。しかしながら、実際のプラントでは、循環排ガスの温度低下を防ぐためにダクト長は短い方が好ましく、また、既設プラントでも、Ｌ／Ｄを５〜１０程度しか確保できない場合がある。このような場合、本実施形態の酸素混合装置４３のようなガスミキシングフォイル６３を採用することで、ダクト断面内の酸素濃度の偏差を±２０％程度に抑制することができる。
本実施形態では、酸素導入配管３７に酸素予熱器５９を設けているため、酸素を所定温度まで加熱した状態で循環排ガスと混合することができ、循環排ガスの温度低下を抑制できるため、燃焼用ガス加熱器１３の詰まりや酸露点腐食を防ぐことができる。また、酸素混合装置４３をガスミキシングフォイル６３で構成することにより、酸素と循環排ガスとを均一かつ急速に混合できるため、燃焼用ガス加熱器１３の熱損を防ぐとともにプラントの信頼性及び安全性を高めることができる。
（第７の実施形態）
以下、本発明を適用してなる酸素燃焼システムの第７の実施形態について、図９を参照して説明する。なお、本実施形態では、第６の実施形態と異なる点について説明し、同一の構成については同一の符号を付して説明を省略する。
図７では、空気分離装置４１で製造された高濃度の酸素を加熱する手段として酸素導入配管３７に酸素予熱器５９を配設する例を説明したが、本実施形態では、第１の煙道９の排ガス冷却器１５と除塵装置１７との間に、酸素予熱器６９を配設し、第１の煙道９の排ガス冷却器１５を通過した排ガスを熱源としている点で、第１の実施形態と構成が相違する。酸素予熱器６９としては、チューブ式熱交換器等が用いられ、例えば、管内に酸素を通流させ、管外を流れる排ガスと熱交換するようになっている。
除塵装置１７の入口付近の排ガス温度は、９０℃以上１４０℃以下となるように、排ガス冷却器１５の収熱量に応じて調整され、排ガス冷却器１５の出口付近の排ガス温度は、酸素予熱器６９による熱回収を考慮して、酸素予熱器６９を設けない場合よりも約１０℃高くなるように調整される。酸素予熱器６９で酸素を加熱することにより、排ガス冷却器１５の収熱量を少なくできる。
高濃度酸素を高温の排ガスによって加熱すると、酸素導入配管３７を構成する材料の酸化腐食が進行することから、排ガス冷却器１５と除塵装置１７との間の煙道を流れる比較的低温の排ガス、例えば、酸素の加熱温度と同程度の温度の排ガスと酸素とを熱交換する酸素予熱器６９を設けることで、酸化腐食を抑制することができる。
（第８の実施形態）
以下、本発明を適用してなる酸素燃焼システムの第８の実施形態について、図１０を参照して説明する。なお、本実施形態では、第７の実施形態と異なる点について説明し、同一の構成については同一の符号を付して説明を省略する。
図９では、高濃度の酸素を加熱する手段として、第１の煙道９の排ガス冷却器１５と除塵装置１７との間に酸素予熱器６９を配設する例を説明したが、本実施形態では、燃料搬送用ダクト３１の燃焼用ガス加熱器１３の後流側に酸素予熱器７１を配設し、燃焼用ガス加熱器１３で加熱された循環排ガス、つまり微粉炭搬送用ガスを熱源として用いる点で、第７の実施形態と構成が相違する。酸素予熱器７１は、例えば、管内に酸素を通流させ、管外を流れる循環排ガスと熱交換する管式熱交換器となっている。
本実施形態によれば、第７の実施形態と同様に、循環排ガスを熱源として酸素を加熱できるため、酸素導入配管３７の酸化腐食を抑制できるとともに、酸素が燃焼用ガス加熱器１３で加熱された循環排ガスの冷却媒体を兼ねることで微粉炭器３３に供給される循環排ガスを設定温度に調節できるため、システム効率を高めることができる。
（第９の実施形態）
以下、本発明を適用してなる酸素燃焼システムの第９の実施形態について、図面を参照して説明する。なお、本実施形態では、第１の実施形態と異なる点について説明し、同一の構成については同一の符号を付して説明を省略する。
本実施形態では、図１１に示すように、第１の煙道９の燃焼用ガス加熱器１３と除塵装置１７との間に配設される取出口７３と取出口７３の下流側の戻り口７５とを結ぶ流路をバイパスする排ガスバイパス管路７７と、図示しない蒸気タービンにより排出され、ボイラ１の蒸気系統の復水器（図示せず）で復水された復水を抽気蒸気と熱交換して加熱する復水加熱器７９と、復水加熱器７９をバイパスする復水バイパス管路８１とを備え、図１の排ガス冷却器１５を、排ガスバイパス管路７７を通流する排ガスと復水バイパス管路８１を通流する復水とを熱交換する排ガス冷却器８３として構成している点で、第１の実施形態と構成が相違する。排ガス冷却器８３は、容器内に両端が復水バイパス管路８１と連通する伝熱管が設けられ、伝熱管内を通流する復水が、管外を流れる排ガスと熱交換する管式熱交換器となっている。
ボイラ１の蒸気系統は、復水加熱器７９、脱気器８５、給水ポンプ８７を備えて構成される。復水加熱器７９で抽気蒸気と熱交換して加熱された復水は、脱気器８５で脱気された後、給水ポンプ８７を介してボイラ１内の伝熱管８９に導かれ、過熱蒸気となって、図示しないタービンに供給されるようになっている。復水加熱器７９には、抽気導入管路９１を介して抽気蒸気が導入され、管内を流れる復水が管外を流れる抽気蒸気と熱交換するようになっている。抽気導入管路９１には、抽気蒸気の供給量を調整する抽気弁９３が配設されている。
復水加熱器７９の復水入り側の管路には、第２の弁部となる切替弁９５が設けられている。切替弁９５には、復水バイパス管路８１の一端が接続され、復水加熱器７９の復水出側の管路には、復水バイパス管路８１の他端が接続されている。図１１では、説明を簡単化するため、復水加熱器７９が１つだけ設けられる例を示すが、復水加熱器７９は、抽気蒸気の温度、圧力などに応じて複数設けられているのが通常である。復水バイパス管路８１は、少なくとも１つの復水加熱器７９をバイパスした復水が、１つ又は複数の復水加熱器７９の下流側の配管に戻されるように構成される。
第１の煙道９の取出口７３には、第３の弁部となるダンパ９７が設けられている。図示しない制御装置からの指令によって、抽気弁９３は弁開度が調整され、切替弁９５及びダンパ９７は、それぞれ復水及び排ガスの流路を切替えるようになっている。
ここで、本実施形態の排ガス冷却器８３の原理について説明する。図１２は、燃焼用ガス加熱器１３を通過した排ガスが除塵装置１７に導入されるまでの流れ方向の温度変化を示し、（i）は空気燃焼運転時の排ガス温度、（ii）は酸素燃焼運転時の排ガス温度を示す。
図１２に示すように、空気燃焼運転時の排ガス温度Ｔ１は１２０℃〜１６０℃であるが、空気燃焼運転から酸素燃焼運転に切り替えられると、燃焼用ガス加熱器１３を流れていた空気が、循環排ガスと酸素が混合された燃焼用ガスに置き換わるため、燃焼用ガス加熱器１３の熱交換量が減少し、燃焼用ガス加熱器１３の出口の排ガス温度Ｔ２及び除塵装置１７の入口の排ガス温度Ｔ３は、１９０℃〜２００℃に上昇する。このように、酸素燃焼運転と空気燃焼運転との間で、燃焼用ガス加熱器１３と除塵装置１７との間の第１の煙道９を流れる排ガスの温度に開きが生じると、燃焼運転の切り替えによってシステム全体の熱バランスが崩れることになる。熱バランスを保つためには、酸素燃焼運転時において、（iii）に示すように、排ガス温度Ｔ３を排ガス温度Ｔ１程度まで冷却する必要がある。
本実施形態では、燃焼用ガス加熱器１３と除塵装置１７との間の第１の煙道９を流れる排ガスを冷却する冷却媒体としてボイラ１の復水を用いている。このように排ガスと復水を熱交換することは、システム全体の熱効率を維持する観点から有効である。
ところで、従来の酸素燃焼システムは、空気燃焼運転と酸素燃焼運転を交互に切り替えることを前提としたものではないため、両者の熱効率の維持や向上について考慮されていないのが現状である。例えば、図１３に示すシステムは、排ガス冷却器１０１を既設の第１の煙道９に配設し、酸素燃焼運転時には、復水の流路を復水加熱器７９から排ガス冷却器１０１を流れる流路に切り替えて、燃焼用ガス加熱器１３の出口の排ガス温度Ｔ２を排ガス温度Ｔ１程度まで冷却するものである。しかし、空気燃焼運転時には、燃焼用ガス加熱器１３を通過した排ガスの温度がＴ１まで低下しており、排ガスを冷却する必要がないため、復水の流路は、排ガス冷却器１０１から復水加熱器７９を流れる流路に切り替えられ、排ガス冷却器１０１が空炊きの状態となる。
一方、図１４に示すシステムは、複数ある復水加熱器（図示せず）のうちの一つを排ガス冷却器１０３として兼用し、酸素燃焼運転時には、排ガス冷却器１０３への抽気蒸気の注入を停止して、排ガス冷却器１０３に復水を流すとともに、燃焼用ガス加熱器１３を通過した排ガスの流路を第１の煙道９から排ガス冷却器１０３を流れる流路に切り替えて、排ガス冷却器１０３の出口の排ガス温度Ｔ２を排ガス温度Ｔ１程度まで冷却するものである。しかし、排ガスは灰分や硫黄分などを多く含むため、酸素燃焼運転から空気燃焼運転に切り替えられると、復水の汚染や配管の閉塞などの問題を生じるおそれがある。
ここで、本実施形態のシステムの動作について説明する。図１１において、まず、空気燃焼運転時には、第１の煙道９のダンパ４５は開いたまま、排ガス再循環ダクト２７のダンパ４５を閉じ、第２の煙道２９の排ガス再循環ダクト２７の接続部の上流側のダンパ４５を開くことで、第２の煙道２９の一端に設けられた空気導入口から第２の煙道２９に空気が取り込まれる。このとき、酸素導入配管３７の弁３９は閉じているため、第２の煙道２９には酸素が供給されない。これにより、燃焼用ガス加熱器１３では、ボイラ１から排出された排ガスと空気が熱交換を行う。
一方、酸素燃焼運転時には、排ガス再循環ダクト２７のダンパ４５が開き、第２の煙道２９の排ガス再循環ダクト２７の接続部の上流側のダンパ４５が閉じることで、第１の煙道９を流れる排ガスの一部が排ガス再循環ダクト２７によって抜き出され、第２の煙道２９に導かれる。一方、酸素導入配管３７の弁３９が開くことで、第２の煙道２９に酸素が注入され、この酸素が排ガスと混合されて燃焼用ガスとなる。このため、燃焼用ガス加熱器１３では、排ガスが燃焼用ガスと熱交換される。
ここで、燃焼用ガス加熱器１３を流れる排ガスと燃焼用ガスは、温度差が小さいため、空気燃焼運転から酸素燃焼運転に切り替えられると、燃焼用ガス加熱器１３を通過した排ガスの温度が高くなり、熱バランスが変化する。したがって、熱バランスを維持するためには、燃焼用ガス加熱器１３を通過した後の排ガスを冷却する必要がある。
そこで、酸素燃焼運転時には、図１１において、ダンパ９７を調整することで、燃焼用ガス加熱器１３を通過した排ガスが排ガス冷却器８３を流れるようにする。また、ボイラ１の蒸気系統では、抽気弁９３を閉じ、切替弁９５を調整することで、復水が排ガス冷却器８３を流れるようにする。これにより、燃焼用ガス加熱器１３を通過した排ガスは、第１の煙道９の取出口７３と戻り口７５を結ぶ流路をバイパスして排ガス冷却器８３に導かれ、ここにおいて復水と熱交換して冷却される。排ガス冷却器８３を通過した排ガスは、第１の煙道９の戻り口７５へ戻り、除塵装置１７で除塵された後、第２の煙道２９を経由し、ボイラ１へ戻されて再循環される。一方、排ガス冷却器８３に導かれた復水は、排ガスと熱交換して加熱された後、脱気器８５、給水ポンプ８７を経由し、ボイラ１に供給される。なお、復水加熱器７９が複数設けられ、複数の復水加熱器７９が復水バイパス管路８１によってバイパスされる場合は、そのバイパスされる復水加熱器７９に設けられる抽気弁９３をすべて閉じ、抽気蒸気の供給を停止させる。
これに対し、空気燃焼運転時には、ダンパ９７を調整することで、燃焼用ガス加熱器１３を通過した排ガスが、排ガス冷却器８３へ流れることなく、第１の煙道９を流れて、除塵装置１７に導かれる。一方、ボイラ１の蒸気系統では、切替弁９５を調整することで、復水は、排ガス冷却器８３へ流れることなく、復水加熱器７９に導かれる。このとき、抽気弁９３は開いた状態となるため、復水は、復水加熱器７９で抽気蒸気と熱交換して加熱された後、脱気器８５、給水ポンプ８７を経由し、ボイラ１に導入される。
ところで、空気燃焼運転時と酸素燃焼運転時との間で、熱バランスを維持するには、酸素燃焼運転時において、排ガス冷却器８３を通過した後の排ガスが少なくとも１４０℃以下に調整されている必要がある。特に、酸露点腐食やダクト内の詰まりを抑制するためには、第１の実施形態で説明したとおり、排ガスが９０℃以上１４０℃以下の状態で除塵装置１７に導入される必要がある。この温度条件を満たすには、排ガス冷却器８３の熱交換量を適正な範囲に保持する必要がある。例えば、ボイラ１の蒸気系統に複数の復水加熱器７９が設けられている場合、排ガス冷却器８３の熱交換量を考慮して、適切な温度の復水を配管から抜き出して排ガス冷却器８３に導き、バイパスされた復水加熱器７９の出口側の配管に戻すようにする。ここで、酸素燃焼運転時に復水加熱器７９をバイパスして熱交換された復水は、空気燃焼運転時において、酸素燃焼運転時にバイパスされる復水加熱器７９を通過した後の復水と同程度の温度に加熱される。
次に、本実施形態で用いる排ガス冷却器８３の構成例について説明する。本実施形態の排ガス冷却器８３は、排ガスバイパス管路７７の一部に多数の伝熱管で構成される伝熱面を形成し、伝熱管に復水を通流することで熱交換を行う。
図１５は、排ガスの流路を水平方向に配置した排ガス冷却器８３の構造を示す。この種の排ガス冷却器８３は、水平方向に延在する筒体１０５の内側に、筒体１０５の軸方向と直交する方向、つまり、鉛直方向に複数の伝熱管１０７が配設されている。筒体１０５の両端には、排ガスバイパス管路７７が接続されている。筒体１０５の筒壁の外側には、上ヘッダ１０９と下ヘッダ１１１が対をなして上下に対向して配置され、上ヘッダ１０９と下ヘッダ１１１はそれぞれ複数設けられている。伝熱管１０７の両端にはそれぞれ上ヘッダ１０９と下ヘッダ１１１が接続され、一対のヘッダには、複数の伝熱管１０７が接続されている。上ヘッダ１０９と下ヘッダ１１１には、それぞれ復水バイパス管路８１を分岐させた先端が接続されている。筒体１０５の入口側の排ガスバイパス管路７７には、ダンパ１１３が設けられている。
図１６は、排ガスの流路を鉛直方向に配置した排ガス冷却器８３の構造を示す。この種の排ガス冷却器８３は、鉛直方向に延在する筒体１１５の内側に、伝熱管１１７が水平方向に延在するように、複数回折り返して配設されている。筒体１１５の両端には、排ガスバイパス管路７７が接続されている。伝熱管１１７の両端にはそれぞれ上ヘッダ１１９と下ヘッダ１２１が接続されている。筒体１１５の出口側の排ガスバイパス管路７７には、ダンパ１２３が設けられている。
いずれの排ガス冷却器８３も、伝熱面を構成する伝熱管１０７，１１７は、フィン付管やプレートフィン付管を採用することで伝熱面積を増やし、かつ千鳥配置等の配置とすることで、熱伝達効率を向上させ、排ガス冷却器８３の小型化を図ることができる。図１６の構成は、図１５に比べて敷地面積が小さいが、伝熱管の支持方法等の制約で大容量化が難しくなる。その一方で、図１６の伝熱管の配置形式は、通流する復水が単相流(入口圧力３．５ＭＰａ〜４．０ＭＰａ、入口温度６０℃〜７０℃、出口１０５℃〜１１５℃)でるため、流動不安定などの問題が生じないという利点がある。
本実施形態では、空気燃焼運転と酸素燃焼運転を交互に入れ替えることが可能であり、除塵装置１７へ導入される排ガスの温度が同程度となるように、酸素燃焼運転時の排ガスを復水と熱交換して冷却するようにしている。これにより、空気燃焼運転と酸素燃焼運転とを切り替えても、両者間で熱バランスを維持することができるため、熱効率の維持又は向上を図ることができる。
（第１０の実施形態）
以下、本発明を適用してなる酸素燃焼システムの第１０の実施形態について、図面を参照して説明する。なお、本実施形態では、第９の実施形態と異なる点について説明し、同一の構成については同一の符号を付して説明を省略する。
本実施形態では、図１７に示すように、酸素混合装置４３を、第２の煙道２９の燃焼用ガス加熱器１３の下流側と、燃料搬送用ダクト３１の燃焼用ガス加熱器１３の下流側にそれぞれ設置している点、及び、復水バイパス管路８１がバイパスする復水加熱器７９の数が調整可能になっている点で、第９の実施形態と構成が相違する。
本実施形態は、燃焼用ガス加熱器１３で燃焼用ガスの漏洩が大きく、燃焼用ガスに含まれる酸素が排ガス側へ漏れ込む量が甚大である場合や、微粉炭器３３へ酸素濃度の高い混合ガスを供給しない場合などに好適な構成となっている。すなわち、酸素混合装置４３の設置位置を燃焼用ガス加熱器１３の上流側から下流側へ変更することにより、燃焼用ガス加熱器１３を介して酸素が排ガス側へ漏れ込むのを防ぐことができる。なお、酸素の導入位置は、本実施形態に限らず、ボイラ１のバーナ５やウィンドボックス７に直接酸素を供給するようにしてもよい。
また、本実施形態では、酸素燃焼運転時において、第２の煙道２９を通じて燃焼用ガス加熱器１３に導入される燃焼用ガスの温度が、図１１の構成と比べて約２０℃高くなるため、燃焼用ガス加熱器１３の熱交換量が減少する。したがって、燃焼用ガス加熱器１３を通過して第１の煙道９を流れる排ガスの温度は約２０℃高くなり、排ガス冷却器８３で熱交換された復水の温度上昇を招くことになる。
この点、本実施形態では、復水バイパス管路８１に切替弁１２５を設けているため、熱交換後の復水の温度を検知し、検知した復水の温度に応じて復水を戻す位置を切替えることが可能になっている。例えば、排ガス冷却器８３で熱交換された復水の温度が、図１７の上流側の復水加熱器７９ａの出口部分の規定温度、つまり、空気加熱運転時の温度よりも上昇したときには、バイパスさせた復水を下流側の復水加熱器７９ｂの出口部分に戻すようにする。これにより、例えば、適正な温度の復水をボイラ１に供給することができ、ボイラ蒸気系統の熱効率の低下を抑制することができる。
以上、本発明の実施形態を図面により詳述してきたが、上記実施形態は本発明の例示にしか過ぎないものであり、本発明は上記実施形態の構成にのみ限定されるものではない。本発明の要旨を逸脱しない範囲の設計の変更等があっても、本発明に含まれることは勿論である。例えば、第１の実施形態を基本構成とし、これに第４の実施形態、第６の実施形態又は第９の実施形態などの特徴技術を加えた構成や、これらを適宜組み合わせた構成とすることも可能である。
１ ボイラ
９ 第１の煙道
１３ 燃焼用ガス加熱器
１５ 排ガス冷却器
１７ 除塵装置
２１ 脱硫装置
２３ 排ガス液化装置
２７ 排ガス再循環ダクト
２９ 第２の煙道
３１ 燃料搬送用ダクト
３３ 微粉炭器
３７ 酸素導入配管
４１ 空気分離装置
４３，５１，５３ 酸素混合装置
５５ 作用ガス供給配管
５７ 供給通風器
５９，６９，７１ 酸素予熱器
７３ 取出口
７５ 戻り口
７７ 排ガスバイパス管路
７９ 復水加熱器
８１ 復水バイパス管路
８３ 排ガス冷却器
９３ 抽気弁
９５ 切替弁
９７ ダンパ
【０００２】
度が酸露点以下まで低下した場合、ダクトや配管、機器類に酸露点腐食が生じ、或いは、排ガス中に含まれる煤塵（灰分等）に結露したＳＯｘ等が吸着することでダクトや配管等に詰まりを生じるおそれがある。
［０００６］
本発明の課題は、ダクトや配管、機器類等の酸露点腐食及びダクトや配管等の煤塵の詰まりを抑制できる酸素燃焼システムを提供することにある。
課題を解決するための手段
［０００７］
本発明者は、排ガス中のＳＯ３濃度と酸露点との関係を詳細に調査した。その結果、図２に示すように、特定の狭いＳＯ３濃度の範囲で、原料となる石炭中の硫黄（Ｓ）分の含有割合や排ガス中の水分濃度とは関係なく、酸露点温度が約１４０℃から約９０℃まで急激に変化する現象を見出し、本発明をするに至ったものである。
［０００８］
具体的に、本発明の酸素燃焼システムは、富酸素ガスと水分２５％〜４０％を含有する循環排ガスとを混合した燃焼用ガスにより燃料を燃焼させるボイラと、このボイラから排出される排ガスが流れる煙道に配設された除塵装置と、この除塵装置の下流側の煙道から抜き出した循環排ガスと富酸素ガスとを混合した燃焼用ガスをボイラに導く燃焼用ガス配管と、ボイラと除塵装置との間の煙道を流れる排ガスと燃焼用ガス配管を流れる燃焼用ガスとを熱交換する燃焼用ガス加熱器と、燃焼用ガス加熱器と除塵装置との間の煙道に配設され、この煙道を通流する排ガスと冷却媒体とを熱交換して排ガスを冷却する排ガス冷却器と、除塵装置に導入される排ガスの温度が９０℃以上１４０℃以下となるように、排ガス冷却器の冷却媒体の流量と温度の少なくとも一方を制御する制御手段とを備えてなることを特徴とする。
［０００９］
これによれば、排ガス冷却器で冷却された排ガスは９０℃以上１４０℃以下の所定温度に冷却された状態で、除塵装置に導入される。このとき、排ガス中のＳＯ３は、除塵装置の入口側で結露して硫酸ミストとなり、排ガス中の煤塵に吸着した状態で除塵装置により除去される。その結果、除塵装置を通過する前後で排ガス中のＳＯ３濃度が減少し、それに伴って酸露点温度も低下する。ここで、除塵装置を通過する前後で排ガス温度は殆ど変わらないのに
【０００５】
で行うので、酸素燃焼時の排ガス中に空気が混じると、ＣＯ２濃度が低下する。
［００１６］
このようにして排ガス中のＣＯ２濃度が低下すると、排ガスからＣＯ２を分離して回収する際の回収効率が低下する。例えば、ＣＯ２を含む排ガスを圧縮機により圧縮し、ＣＯ２を液化した状態で回収する圧縮分離法を採用した場合、分離回収に要する圧縮機の動力が増加するという問題がある。また、空気が流入した場合は、空気の大半を占める窒素（Ｎ２）によって排ガス中のＮ２量が増加し、その排ガスで燃焼用ガスの富酸素ガスが希釈されると、燃焼装置におけるＮＯｘの発生量が増加するという弊害もある。
［００１７］
そこで、本発明の酸素燃焼システムは、富酸素ガスと水分２５％〜４０％を含有する循環排ガスとを混合した燃焼用ガスにより燃料を燃焼させるボイラと、このボイラから排出される排ガスが流れる煙道に配設された除塵装置と、この除塵装置の下流側の煙道から抜き出した循環排ガスと富酸素ガスとを混合した燃焼用ガスをボイラに導く燃焼用ガス配管と、ボイラと除塵装置との間の煙道を流れる排ガスと燃焼用ガス配管を流れる燃焼用ガスとを熱交換する燃焼用ガス加熱器と、燃焼用ガス加熱器と除塵装置との間の煙道に配設され、この煙道を通流する排ガスと冷却媒体とを熱交換して排ガスを冷却する排ガス冷却器と、除塵装置に導入される排ガスの温度が９０℃以上１４０℃以下となるように、排ガス冷却器の冷却媒体の流量と温度の少なくとも一方を制御する制御手段と、ボイラとこのボイラから排出される排ガスを浄化処理する排ガス処理系統との少なくとも一方の付帯装置で用いられ、排ガス中に浸入する作用ガスを供給する作用ガス供給装置とを備え、作用ガス供給装置は、除塵装置により煤塵が捕集された排ガスを前記作用ガスとして用いてなることを特徴とする。
［００１８］
このように排ガスを燃焼プラントの付帯装置の作用ガスとして用いることにより、作用ガスが排ガス中に漏れ込み、あるいは侵入されたとしても、排ガスのＣＯ２濃度の低下を抑制することができる。その結果、ＣＯ２の分離回収効率を高く保持でき、圧縮機の動力の増加を抑えることができる。ここで、少なくとも除塵処理された排ガスの一部を抜出して作用ガスとして供給す
【０００７】
ることを特徴とする。
［００２０］
また、本発明の酸素燃焼システムは、富酸素ガスと水分２５％〜４０％を含有する循環排ガスとを混合した燃焼用ガスにより燃料を燃焼させるボイラと、このボイラから排出される排ガスが流れる煙道に配設された除塵装置と、この除塵装置の下流側の煙道から抜き出した循環排ガスと富酸素ガスとを混合した燃焼用ガスをボイラに導く燃焼用ガス配管と、ボイラと除塵装置との間の煙道を流れる排ガスと燃焼用ガス配管を流れる燃焼用ガスとを熱交換する燃焼用ガス加熱器と、燃焼用ガス加熱器と除塵装置との間の煙道に配設され、この煙道を通流する排ガスと冷却媒体とを熱交換して排ガスを冷却する排ガス冷却器と、除塵装置に導入される排ガスの温度が９０℃以上１４０℃以下となるように、排ガス冷却器の冷却媒体の流量と温度の少なくとも一方を制御する制御手段と、空気から窒素を分離して富酸素ガスを製造する空気分離装置と、この空気分離装置で製造された富酸素ガスを燃焼用ガス配管の燃焼用ガス加熱器の上流側に導入する酸素導入流路とを備え、酸素導入流路は、この流路を流れる酸素を加熱する加熱手段が設けられてなり、ボイラとこのボイラから排出される排ガスを浄化処理する排ガス処理系統との少なくとも一方の付帯装置で用いられ、排ガス中に浸入する作用ガスを供給する作用ガス供給装置とを備え、作用ガス供給装置は、除塵装置により煤塵が捕集された排ガスを作用ガスとして用いてなることを特徴とする。
［００２１］
また、本発明の酸素燃焼システムは、富酸素ガスと循環排ガスとを混合した燃焼用ガスにより燃料を燃焼させるボイラと、このボイラから排出される排ガスが流れる煙道に配設された除塵装置と、この除塵装置の下流側の煙道から抜き出した循環排ガスと富酸素ガスとを混合した燃焼用ガスをボイラに導く燃焼用ガス配管と、ボイラと除塵装置との間の煙道を流れる排ガスと燃焼用ガス配管を流れる燃焼用ガスとを熱交換する燃焼用ガス加熱器と、燃焼用ガス加熱器と除塵装置との間の煙道に配設され、この煙道を通流する排ガスと冷却媒体とを熱交換して排ガスを冷却する排ガス冷却器と、除塵装置に導入される排ガスの温度が９０℃以上１４０℃以下となるように、排ガス冷
【０００９】
から窒素を分離して富酸素ガスを製造する空気分離装置と、この空気分離装置で製造された富酸素ガスを燃焼用ガス配管の燃焼用ガス加熱器の上流側に導入する酸素導入流路とを備え、酸素導入流路は、この流路を流れる酸素を加熱する加熱手段が設けられてなり、燃焼用ガス配管に空気を導入する空気導入口と、燃焼用ガス配管に導入するガスを循環排ガスと空気とのいずれかに切り替える第１の弁部と、ボイラの蒸気系統の復水器で得られた復水を復水加熱器で抽気蒸気と熱交換し、復水加熱器で加熱された復水をボイラに給水する給水管路と、復水加熱器に抽気蒸気を導入する蒸気導入管路に設けられて蒸気導入管路を開閉する抽気弁と、復水加熱器をバイパスして復水が通流する復水バイパス管路と、給水管路の復水の流路を復水加熱器と復水バイパス管路のいずれかに切り替える第２の弁部と、燃焼用ガス加熱器と除塵装置との間の煙道に配設される取出口とこの取出口の下流側の戻り口とを結ぶ流路をバイパスして排ガスが通流する排ガスバイパス管路と、排ガスの流路を取出口と戻り口とを結ぶ流路と排ガスバイパス管路のいずれかに切り替える第３の弁部とを備え、排ガス冷却器は、復水バイパス管路を通流する復水と排ガスバイパス管路を通流する排ガスとを熱交換可能に構成されてなり、ボイラとこのボイラから排出される排ガスを浄化処理する排ガス処理系統との少なくとも一方の付帯装置で用いられ、排ガス中に浸入する作用ガスを供給する作用ガス供給装置と有し、作用ガス供給装置は、除塵装置により煤塵が捕集された排ガスを作用ガスとして用いてなることを特徴とする。
［００２３］
また、本発明の酸素燃焼システムの運転方法は、富酸素ガスと水分２５％〜４０％を含有する循環排ガスとを混合した燃焼用ガスにより燃料を燃焼させるボイラと、このボイラから排出される排ガスが流れる煙道に配設された除塵装置と、この除塵装置の下流側の煙道から抜き出した循環排ガスと富酸素ガスとを混合した燃焼用ガスをボイラに導く燃焼用ガス配管と、ボイラと除塵装置との間の煙道を流れる排ガスと燃焼用ガス配管を流れる燃焼用ガスとを熱交換する燃焼用ガス加熱器と、燃焼用ガス加熱器と除塵装置との間の煙道に配設され、この煙道を通流する排ガスと冷却媒体とを熱交換して排ガスを冷却する排ガス冷却器とを
【００２５】
熱源としている点で、第６の実施形態と構成が相違する。酸素予熱器６９としては、チューブ式熱交換器等が用いられ、例えば、管内に酸素を通流させ、管外を流れる排ガスと熱交換するようになっている。
［００７７］
除塵装置１７の入口付近の排ガス温度は、９０℃以上１４０℃以下となるように、排ガス冷却器１５の収熱量に応じて調整され、排ガス冷却器１５の出口付近の排ガス温度は、酸素予熱器６９による熱回収を考慮して、酸素予熱器６９を設けない場合よりも約１０℃高くなるように調整される。酸素予熱器６９で酸素を加熱することにより、排ガス冷却器１５の収熱量を少なくできる。
［００７８］
高濃度酸素を高温の排ガスによって加熱すると、酸素導入配管３７を構成する材料の酸化腐食が進行することから、排ガス冷却器１５と除塵装置１７との間の煙道を流れる比較的低温の排ガス、例えば、酸素の加熱温度と同程度の温度の排ガスと酸素とを熱交換する酸素予熱器６９を設けることで、酸化腐食を抑制することができる。
［００７９］
（第８の実施形態）
以下、本発明を適用してなる酸素燃焼システムの第８の実施形態について、図１０を参照して説明する。なお、本実施形態では、第７の実施形態と異なる点について説明し、同一の構成については同一の符号を付して説明を省略する。
［００８０］
図９では、高濃度の酸素を加熱する手段として、第１の煙道９の排ガス冷却器１５と除塵装置１７との間に酸素予熱器６９を配設する例を説明したが、本実施形態では、燃料搬送用ダクト３１の燃焼用ガス加熱器１３の後流側に酸素予熱器７１を配設し、燃焼用ガス加熱器１３で加熱された循環排ガス、つまり微粉炭搬送用ガスを熱源として用いる点で、第７の実施形態と構成が相違する。酸素予熱器７１は、例えば、管内に酸素を通流させ、管外を流れる循環排ガスと熱交換する管式熱交換器となっている。
［００８１］
本実施形態によれば、第７の実施形態と同様に、循環排ガスを熱源として酸素を加熱できるため、酸素導入配管３７の酸化腐食を抑制できるとともに

Claims (9)

  1. 富酸素ガスと循環排ガスとを混合した燃焼用ガスにより燃料を燃焼させるボイラと、該ボイラから排出される排ガスが流れる煙道に配設された除塵装置と、該除塵装置の下流側の前記煙道から抜き出した前記循環排ガスと前記富酸素ガスとを混合した前記燃焼用ガスを前記ボイラに導く燃焼用ガス配管と、前記ボイラと前記除塵装置との間の煙道を流れる前記排ガスと前記燃焼用ガス配管を流れる前記燃焼用ガスとを熱交換する燃焼用ガス加熱器と、前記燃焼用ガス加熱器と前記除塵装置との間の前記煙道に配設され、該煙道を通流する排ガスと冷却媒体とを熱交換して該排ガスを冷却する排ガス冷却器と、前記除塵装置に導入される前記排ガスの温度が９０℃以上１４０℃以下となるように、前記排ガス冷却器の前記冷却媒体の流量と温度の少なくとも一方を制御する制御手段とを備えてなる酸素燃焼システム。
  2. 空気から窒素を分離して前記富酸素ガスを製造する空気分離装置と、該空気分離装置で製造された前記富酸素ガスを前記燃焼用ガス配管の前記燃焼用ガス加熱器の上流側に導入する酸素導入流路とを備え、
    前記酸素導入流路は、該流路を流れる酸素を加熱する加熱手段が設けられてなる請求項１に記載の酸素燃焼システム。
  3. 前記燃焼用ガス配管に空気を導入する空気導入口と、前記燃焼用ガス配管に導入するガスを前記循環排ガスと前記空気とのいずれかに切り替える第１の弁部と、前記ボイラの蒸気系統の復水器で得られた復水を復水加熱器で抽気蒸気と熱交換し、該復水加熱器で加熱された復水を前記ボイラに給水する給水管路と、前記復水加熱器に前記抽気蒸気を導入する蒸気導入管路に設けられて該蒸気導入管路を開閉する抽気弁と、前記復水加熱器をバイパスして前記復水が通流する復水バイパス管路と、前記給水管路の前記復水の流路を前記復水加熱器と前記復水バイパス管路のいずれかに切り替える第２の弁部と、前記燃焼用ガス加熱器と前記除塵装置との間の前記煙道に配設される取出口と該取出口の下流側の戻り口とを結ぶ流路をバイパスして前記排ガスが通流する排ガスバイパス管路と、前記排ガスの流路を前記取出口と前記戻り口とを結ぶ流路と排ガスバイパス管路のいずれかに切り替える第３の弁部とを備え、
    前記排ガス冷却器は、前記復水バイパス管路を通流する前記復水と前記排ガスバイパス管路を通流する前記排ガスとを熱交換可能に構成されてなる請求項１に記載の酸素燃焼システム。
  4. 富酸素ガスと循環排ガスとを混合した燃焼用ガスにより燃料を燃焼させるボイラと、該ボイラから排出される排ガスが流れる煙道に配設された除塵装置と、該除塵装置の下流側の前記煙道から抜き出した前記循環排ガスと前記富酸素ガスとを混合した前記燃焼用ガスを前記ボイラに導く燃焼用ガス配管と、前記ボイラと前記除塵装置との間の煙道を流れる前記排ガスと前記燃焼用ガス配管を流れる前記燃焼用ガスとを熱交換する燃焼用ガス加熱器と、前記燃焼用ガス加熱器と前記除塵装置との間の前記煙道に配設され、該煙道を通流する排ガスと冷却媒体とを熱交換して該排ガスを冷却する排ガス冷却器と、前記除塵装置に導入される前記排ガスの温度が９０℃以上１４０℃以下となるように、前記排ガス冷却器の前記冷却媒体の流量と温度の少なくとも一方を制御する制御手段と、
    前記ボイラと該ボイラから排出される排ガスを浄化処理する排ガス処理系統との少なくとも一方の付帯装置で用いられ、前記排ガス中に浸入する作用ガスを供給する作用ガス供給装置とを備え、
    前記作用ガス供給装置は、前記除塵装置により煤塵が捕集された排ガスを前記作用ガスとして用いてなる酸素燃焼システム。
  5. 富酸素ガスと循環排ガスとを混合した燃焼用ガスにより燃料を燃焼させるボイラと、該ボイラから排出される排ガスが流れる煙道に配設された除塵装置と、該除塵装置の下流側の前記煙道から抜き出した前記循環排ガスと前記富酸素ガスとを混合した前記燃焼用ガスを前記ボイラに導く燃焼用ガス配管と、前記ボイラと前記除塵装置との間の煙道を流れる前記排ガスと前記燃焼用ガス配管を流れる前記燃焼用ガスとを熱交換する燃焼用ガス加熱器と、前記燃焼用ガス加熱器と前記除塵装置との間の前記煙道に配設され、該煙道を通流する排ガスと冷却媒体とを熱交換して該排ガスを冷却する排ガス冷却器と、前記除塵装置に導入される前記排ガスの温度が９０℃以上１４０℃以下となるように、前記排ガス冷却器の前記冷却媒体の流量と温度の少なくとも一方を制御する制御手段と、
    空気から窒素を分離して前記富酸素ガスを製造する空気分離装置と、該空気分離装置で製造された前記富酸素ガスを前記燃焼用ガス配管の前記燃焼用ガス加熱器の上流側に導入する酸素導入流路とを備え、前記酸素導入流路は、該流路を流れる酸素を加熱する加熱手段が設けられてなり、
    前記燃焼用ガス配管に空気を導入する空気導入口と、前記燃焼用ガス配管に導入するガスを前記循環排ガスと前記空気とのいずれかに切り替える第１の弁部と、前記ボイラの蒸気系統の復水器で得られた復水を復水加熱器で抽気蒸気と熱交換し、該復水加熱器で加熱された復水を前記ボイラに給水する給水管路と、前記復水加熱器に前記抽気蒸気を導入する蒸気導入管路に設けられて該蒸気導入管路を開閉する抽気弁と、前記復水加熱器をバイパスして前記復水が通流する復水バイパス管路と、前記給水管路の前記復水の流路を前記復水加熱器と前記復水バイパス管路のいずれかに切り替える第２の弁部と、前記燃焼用ガス加熱器と前記除塵装置との間の前記煙道に配設される取出口と該取出口の下流側の戻り口とを結ぶ流路をバイパスして前記排ガスが通流する排ガスバイパス管路と、前記排ガスの流路を前記取出口と前記戻り口とを結ぶ流路と排ガスバイパス管路のいずれかに切り替える第３の弁部とを備え、
    前記排ガス冷却器は、前記復水バイパス管路を通流する前記復水と前記排ガスバイパス管路を通流する前記排ガスとを熱交換可能に構成されてなる酸素燃焼システム。
  6. 富酸素ガスと循環排ガスとを混合した燃焼用ガスにより燃料を燃焼させるボイラと、該ボイラから排出される排ガスが流れる煙道に配設された除塵装置と、該除塵装置の下流側の前記煙道から抜き出した前記循環排ガスと前記富酸素ガスとを混合した前記燃焼用ガスを前記ボイラに導く燃焼用ガス配管と、前記ボイラと前記除塵装置との間の煙道を流れる前記排ガスと前記燃焼用ガス配管を流れる前記燃焼用ガスとを熱交換する燃焼用ガス加熱器と、前記燃焼用ガス加熱器と前記除塵装置との間の前記煙道に配設され、該煙道を通流する排ガスと冷却媒体とを熱交換して該排ガスを冷却する排ガス冷却器と、前記除塵装置に導入される前記排ガスの温度が９０℃以上１４０℃以下となるように、前記排ガス冷却器の前記冷却媒体の流量と温度の少なくとも一方を制御する制御手段と、
    空気から窒素を分離して前記富酸素ガスを製造する空気分離装置と、該空気分離装置で製造された前記富酸素ガスを前記燃焼用ガス配管の前記燃焼用ガス加熱器の上流側に導入する酸素導入流路とを備え、前記酸素導入流路は、該流路を流れる酸素を加熱する加熱手段が設けられてなり、
    前記ボイラと該ボイラから排出される排ガスを浄化処理する排ガス処理系統との少なくとも一方の付帯装置で用いられ、前記排ガス中に浸入する作用ガスを供給する作用ガス供給装置とを備え、
    前記作用ガス供給装置は、前記除塵装置により煤塵が捕集された排ガスを前記作用ガスとして用いてなる酸素燃焼システム。
  7. 富酸素ガスと循環排ガスとを混合した燃焼用ガスにより燃料を燃焼させるボイラと、該ボイラから排出される排ガスが流れる煙道に配設された除塵装置と、該除塵装置の下流側の前記煙道から抜き出した前記循環排ガスと前記富酸素ガスとを混合した前記燃焼用ガスを前記ボイラに導く燃焼用ガス配管と、前記ボイラと前記除塵装置との間の煙道を流れる前記排ガスと前記燃焼用ガス配管を流れる前記燃焼用ガスとを熱交換する燃焼用ガス加熱器と、前記燃焼用ガス加熱器と前記除塵装置との間の前記煙道に配設され、該煙道を通流する排ガスと冷却媒体とを熱交換して該排ガスを冷却する排ガス冷却器と、前記除塵装置に導入される前記排ガスの温度が９０℃以上１４０℃以下となるように、前記排ガス冷却器の前記冷却媒体の流量と温度の少なくとも一方を制御する制御手段と、
    前記燃焼用ガス配管に空気を導入する空気導入口と、前記燃焼用ガス配管に導入するガスを前記循環排ガスと前記空気とのいずれかに切り替える第１の弁部と、前記ボイラの蒸気系統の復水器で得られた復水を復水加熱器で抽気蒸気と熱交換し、該復水加熱器で加熱された復水を前記ボイラに給水する給水管路と、前記復水加熱器に前記抽気蒸気を導入する蒸気導入管路に設けられて該蒸気導入管路を開閉する抽気弁と、前記復水加熱器をバイパスして前記復水が通流する復水バイパス管路と、前記給水管路の前記復水の流路を前記復水加熱器と前記復水バイパス管路のいずれかに切り替える第２の弁部と、前記燃焼用ガス加熱器と前記除塵装置との間の前記煙道に配設される取出口と該取出口の下流側の戻り口とを結ぶ流路をバイパスして前記排ガスが通流する排ガスバイパス管路と、前記排ガスの流路を前記取出口と前記戻り口とを結ぶ流路と排ガスバイパス管路のいずれかに切り替える第３の弁部とを備え、
    前記排ガス冷却器は、前記復水バイパス管路を通流する前記復水と前記排ガスバイパス管路を通流する前記排ガスとを熱交換可能に構成されてなり、
    前記ボイラと該ボイラから排出される排ガスを浄化処理する排ガス処理系統との少なくとも一方の付帯装置で用いられ、前記排ガス中に浸入する作用ガスを供給する作用ガス供給装置とを有し、
    前記作用ガス供給装置は、前記除塵装置により煤塵が捕集された排ガスを前記作用ガスとして用いてなる酸素燃焼システム。
  8. 富酸素ガスと循環排ガスとを混合した燃焼用ガスにより燃料を燃焼させるボイラと、該ボイラから排出される排ガスが流れる煙道に配設された除塵装置と、該除塵装置の下流側の前記煙道から抜き出した前記循環排ガスと前記富酸素ガスとを混合した前記燃焼用ガスを前記ボイラに導く燃焼用ガス配管と、前記ボイラと前記除塵装置との間の煙道を流れる前記排ガスと前記燃焼用ガス配管を流れる前記燃焼用ガスとを熱交換する燃焼用ガス加熱器と、前記燃焼用ガス加熱器と前記除塵装置との間の前記煙道に配設され、該煙道を通流する排ガスと冷却媒体とを熱交換して該排ガスを冷却する排ガス冷却器と、前記除塵装置に導入される前記排ガスの温度が９０℃以上１４０℃以下となるように、前記排ガス冷却器の前記冷却媒体の流量と温度の少なくとも一方を制御する制御手段と、
    空気から窒素を分離して前記富酸素ガスを製造する空気分離装置と、該空気分離装置で製造された前記富酸素ガスを前記燃焼用ガス配管の前記燃焼用ガス加熱器の上流側に導入する酸素導入流路とを備え、前記酸素導入流路は、該流路を流れる酸素を加熱する加熱手段が設けられてなり、
    前記燃焼用ガス配管に空気を導入する空気導入口と、前記燃焼用ガス配管に導入するガスを前記循環排ガスと前記空気とのいずれかに切り替える第１の弁部と、前記ボイラの蒸気系統の復水器で得られた復水を復水加熱器で抽気蒸気と熱交換し、該復水加熱器で加熱された復水を前記ボイラに給水する給水管路と、前記復水加熱器に前記抽気蒸気を導入する蒸気導入管路に設けられて該蒸気導入管路を開閉する抽気弁と、前記復水加熱器をバイパスして前記復水が通流する復水バイパス管路と、前記給水管路の前記復水の流路を前記復水加熱器と前記復水バイパス管路のいずれかに切り替える第２の弁部と、前記燃焼用ガス加熱器と前記除塵装置との間の前記煙道に配設される取出口と該取出口の下流側の戻り口とを結ぶ流路をバイパスして前記排ガスが通流する排ガスバイパス管路と、前記排ガスの流路を前記取出口と前記戻り口とを結ぶ流路と排ガスバイパス管路のいずれかに切り替える第３の弁部とを備え、
    前記排ガス冷却器は、前記復水バイパス管路を通流する前記復水と前記排ガスバイパス管路を通流する前記排ガスとを熱交換可能に構成されてなり、
    前記ボイラと該ボイラから排出される排ガスを浄化処理する排ガス処理系統との少なくとも一方の付帯装置で用いられ、前記排ガス中に浸入する作用ガスを供給する作用ガス供給装置と有し、
    前記作用ガス供給装置は、前記除塵装置により煤塵が捕集された排ガスを前記作用ガスとして用いてなる酸素燃焼システム。
  9. 富酸素ガスと循環排ガスとを混合した燃焼用ガスにより燃料を燃焼させるボイラと、該ボイラから排出される排ガスが流れる煙道に配設された除塵装置と、該除塵装置の下流側の前記煙道から抜き出した前記循環排ガスと前記富酸素ガスとを混合した前記燃焼用ガスを前記ボイラに導く燃焼用ガス配管と、前記ボイラと前記除塵装置との間の煙道を流れる前記排ガスと前記燃焼用ガス配管を流れる前記燃焼用ガスとを熱交換する燃焼用ガス加熱器と、前記燃焼用ガス加熱器と前記除塵装置との間の前記煙道に配設され、該煙道を通流する排ガスと冷却媒体とを熱交換して該排ガスを冷却する排ガス冷却器とを備えた酸素燃焼システムの運転方法であって、
    前記燃焼用ガスを前記ボイラに供給して前記燃料を燃焼させる酸素燃焼運転時には、前記除塵装置に導入される前記排ガスの温度が９０℃以上１４０℃以下に保持されるように、前記排ガス冷却器を通る前記排ガスの温度を調整する酸素燃焼システムの運転方法。
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