WO2012042693A1 - 酸素燃焼システム及びその運転方法 - Google Patents

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combustion
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carrier gas
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嶺　聡彦
木山　研滋
倉増　公治
健一 越智
洋文 岡▲崎▼
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バブコック日立株式会社
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    • Y02E20/34—Indirect CO2mitigation, i.e. by acting on non CO2directly related matters of the process, e.g. pre-heating or heat recovery

Definitions

  • the present invention relates to an oxyfuel combustion system including an oxyfuel combustion apparatus, and more particularly to a technique for stable combustion of the combustion apparatus.
  • CO 2 carbon dioxide
  • Patent Document 1 by burning fuel with a combustion gas in which oxygen-rich gas and exhaust gas are mixed, the CO 2 concentration in the combustion exhaust gas is increased, and CO 2 is recovered from the combustion exhaust gas with high efficiency.
  • oxygen-rich gas a gas mainly composed of oxygen
  • a boiler plant including a so-called oxyfuel boiler that burns pulverized coal with the combustion gas.
  • Patent Document 2 proposes a technique for accelerating the ignition of pulverized coal.
  • the technology described in this document is not an oxy-combustion type, and in a boiler plant that conveys and burns pulverized coal with air, if there is a risk of spontaneous ignition during transportation when coal with a large amount of volatiles is air-conveyed with air, Combustion exhaust gas is mixed with air and pulverized coal is air-conveyed with a carrier gas having a reduced oxygen concentration. And, if the oxygen concentration of the carrier gas is lowered, the ignition delay of the pulverized coal occurs in the combustion region. Therefore, by adding additional air to the combustion region where the pulverized coal is combusted and increasing the oxygen concentration, the ignition of the pulverized coal is accelerated. I have to.
  • JP 2007-147162 A Japanese Patent No. 4150968
  • the oxygen concentration of the carrier gas is set according to the type of pulverized coal in order to prevent spontaneous ignition.
  • the oxygen concentration of air added to the combustion region in order to improve ignitability is determined. Therefore, the oxygen concentration in the combustion region is increased by increasing the flow rate of the additional air relative to the flow rate of the carrier gas. Therefore, the flow rate of the additional air becomes excessive, and it may not be possible to form a stable reducing flame by suppressing the amount of oxygen supplied to the fuel in the combustion region.
  • the problem to be solved by the present invention is to realize stable combustion in an oxyfuel combustion system.
  • an oxyfuel combustion system is an oxyfuel combustion system including a burner that burns solid fuel with a combustion gas in which exhaust gas obtained by burning solid fuel and oxygen-rich gas is mixed.
  • a fuel nozzle is supplied with a carrier gas generated by adding oxygen-rich gas to exhaust gas, and the first and second combustion nozzles are rich in exhaust gas.
  • Combustion gas generated by adding oxygen gas is supplied, supply amount of carrier gas and oxygen concentration, supply amount and oxygen concentration of first combustion gas, supply amount and oxygen concentration of second combustion gas And that And characterized by being adjustably formed.
  • the oxygen concentration of the first combustion gas supplied into the fuel nozzle is controlled in order to prevent spontaneous ignition of the solid fuel during the conveyance. Ignition is improved.
  • the amount of oxygen in the first combustion region in the fuel nozzle is controlled to an amount for holding the reducing flame. Then, from the oxygen amount of the carrier gas in the first combustion region and the oxygen amount of the first combustion gas, the deficient oxygen amount in the second combustion region is obtained, and the flow rate of the second combustion gas is controlled. By supplementing the deficient oxygen, the solid fuel can be burned stably.
  • a distributor for dividing the flow path in the fuel nozzle is provided, and the outlet of the first combustion gas nozzle is formed at a position overlapping the distributor when viewed from the direction perpendicular to the burner axis. it can.
  • mixing of the solid fuel, the carrier gas, and the first combustion gas is suppressed by separating the flow path by the distributor. Therefore, the dispersion of the solid fuel due to the collision of the solid fuel particles and the diffusion of the first combustion gas to the vicinity of the central axis can be suppressed.
  • a gas having a low oxygen concentration can be separated on the central axis, and a gas having a high oxygen concentration can be separated in the outer circumferential direction, and the ignitability can be improved.
  • the fuel nozzle includes a venturi that smoothly reduces and expands the cross-sectional area of the fuel nozzle from the outer peripheral side in the flow path upstream from the position where the first combustion gas nozzle is connected, and a flow downstream of the venturi.
  • a concentrator that smoothly expands the cross-sectional area from the inside, and the flow of the solid fuel and the carrier gas ejected from the fuel nozzle to the front end of the partition wall separating the fuel nozzle and the second combustion gas nozzle and the first combustion
  • a flame holder is provided to prevent the flow of the first combustion gas ejected from the gas nozzle. According to this, the pressure on the downstream side of the flame holder can be reduced and the high-temperature gas in the combustion apparatus can flow into the downstream side of the flame holder, so that the ignitability of the solid fuel can be improved.
  • the combustion system of the present invention includes an oxyfuel combustion system that dilutes oxygen-rich gas with exhaust gas and burns solid fuel, a pulverizer that pulverizes solid fuel, and the pulverized solid fuel that accompanies the carrier gas.
  • a fuel supply device that is supplied to the burner of the combustion device, a dust collector that collects soot in the exhaust gas discharged from the combustion device, and a carbon dioxide that separates and recovers carbon dioxide in the exhaust gas discharged from the dust collector
  • a carbon recovery device and a burner that burns solid fuel supplied along with the carrier gas, a first combustion gas nozzle that supplies a first combustion gas into the fuel nozzle, and a fuel
  • An oxyfuel combustion system including a second combustion gas nozzle that is disposed outside a nozzle and supplies a second combustion gas, and generates a carrier gas from exhaust gas branched from the downstream side of the dust collector It has a gas supply line and a combustion gas line that generates combustion gas by adding oxygen-rich gas to the exhaust gas branched from the downstream side of the dust collector.
  • the carrier gas Sets the oxygen concentration and controls the flow rate of the carrier gas, and controls the supply amount and oxygen concentration of the first combustion gas based on the oxygen concentration and flow rate of the carrier gas and the set oxygen amount necessary for the combustion of the solid fuel
  • a control device for controlling the supply amount of the second combustion gas based on the oxygen amount of the carrier gas, the oxygen amount of the first combustion gas, and the second set oxygen amount necessary for the combustion of the solid fuel.
  • An oxyfuel combustion system can be used.
  • the carrier gas line can be provided with an addition device for adding an oxygen-rich gas to the exhaust gas based on the oxygen concentration of the carrier gas set by the control device.
  • the operation method of the oxyfuel combustion system of the present invention includes an oxyfuel combustion apparatus that dilutes oxygen-rich gas with exhaust gas and burns solid fuel, a pulverizer that pulverizes solid fuel, and a pulverized solid fuel.
  • a fuel supply device that is supplied with the carrier gas and supplied to the burner of the combustion device, a dust collector that collects soot in the exhaust gas discharged from the combustion device, and carbon dioxide in the exhaust gas discharged from the dust collector
  • a carbon dioxide recovery device for separating and recovering, and a burner for burning a solid fuel supplied along with the carrier gas, and for a first combustion for supplying a first combustion gas into the fuel nozzle
  • An operation method of an oxyfuel combustion system comprising a gas nozzle and a second combustion gas nozzle disposed outside the fuel nozzle and supplying a second combustion gas, wherein the exhaust gas branches off from the downstream side of the dust collector
  • Oxygen gas is selectively added to generate carrier gas
  • oxygen-rich gas is added to exhaust gas branched from the downstream side of the dust collector to generate first and second combustion gases
  • solid fuel supply amount The oxygen concentration of the carrier gas is set according to the type and the flow rate of the carrier gas is controlled.
  • the first The amount of combustion gas supplied and the oxygen concentration are controlled, based on the oxygen amount of the carrier gas, the oxygen amount of the first combustion gas, and the second set oxygen amount necessary for the combustion of the solid fuel.
  • the supply amount of the combustion gas is controlled.
  • the oxyfuel combustion system generates combustion gas by diluting oxygen-rich gas with exhaust gas, so that the CO 2 concentration of the combustion gas reaches, for example, 60 to 90%, and the flame propagation speed is air. Compared to, it is much lower and ignition delay is likely to occur. Therefore, it is preferable that the oxygen concentration of the carrier gas is set to 21% or less, and the oxygen concentrations of the first and second combustion gases are controlled to be higher than air, for example, 25 to 35%.
  • stable combustion can be realized in an oxyfuel combustion system.
  • Embodiment 1 is an example in which the oxyfuel combustion system of the present invention is applied to a pulverized coal-fired boiler plant.
  • the boiler plant of Embodiment 1 is provided with an oxyfuel boiler 1 that burns solid fuel, for example, pulverized coal, with an oxygen-rich combustion gas.
  • the exhaust gas discharged from the boiler 1 is introduced into a denitration device 3 that removes nitrogen oxides in the exhaust gas.
  • the denitration device 3 includes an addition device for adding a reducing agent such as ammonia to the exhaust gas, and a denitration catalyst layer.
  • the denitration device 3 is made harmless by reducing nitrogen oxides in the exhaust gas to nitrogen.
  • the exhaust gas discharged from the denitration device 3 is cooled by the heat exchanger 5 and guided to the dust collecting device 7, where the dust in the exhaust gas is collected and removed.
  • the exhaust gas discharged from the dust collector 7 is introduced into the desulfurizer 13 through the induction fan 9 and the damper 11.
  • the desulfurization device 13 is configured to remove sulfur oxides in the exhaust gas by bringing an absorption liquid such as limestone slurry into contact with the exhaust gas, for example.
  • the exhaust gas discharged from the desulfurization device 13 is introduced into the CO 2 recovery device 15.
  • the CO 2 recovery device 15 separates CO 2 from the exhaust gas and stores it in a CO 2 storage facility (not shown).
  • CO 2 recovery device 15 As the CO 2 recovery device 15, a known device such as a device that compresses the exhaust gas 2 to liquefy and separate and recover CO 2 and a device that absorbs CO 2 in the absorption liquid and separates and recovers the CO 2 can be used. Other exhaust gas components from which CO 2 is separated by the CO 2 recovery device are discharged from the chimney 17 to the atmosphere.
  • the burner 19 installed in the boiler 1 of Embodiment 1 is demonstrated. As shown in FIG. 2, the burner 19 is attached to a burner throat portion 23 including a water-cooled tube 21 on the side wall of the boiler 1.
  • the burner 19 supplies a fuel nozzle 25 for burning pulverized coal supplied along with the carrier gas, and a first combustion gas rich in oxygen (hereinafter referred to as an additional combustion gas 26) in the fuel nozzle 25.
  • a first combustion gas nozzle 27, and a second combustion gas nozzle 29 that is disposed outside the fuel nozzle 25 and supplies an oxygen-rich secondary combustion gas 28 and a tertiary combustion gas 30.
  • An oil gun 31 for auxiliary combustion is provided at the axial center of the fuel nozzle 25.
  • the pipe wall of the fuel nozzle 25 is provided with a plurality of through holes into which the combustion gas nozzles 27 are inserted.
  • a combustion gas nozzle 27 is inserted into each through hole.
  • the combustion gas nozzle 27 is disposed on the inner peripheral surface of the fuel nozzle 25 and extends along the ejection direction of the pulverized coal jet 33 by the carrier gas.
  • An ejection hole 35 for ejecting the additional combustion gas 26 is formed in the tube wall of the combustion gas nozzle 27.
  • the ejection hole 35 is formed so that the additional combustion gas 26 intersects the pulverized coal jet 33 almost at a right angle.
  • the ejection hole 35 supplies the additional combustion gas 26 to the first combustion region on the tip side of the fuel nozzle 25.
  • the combustion gas nozzle 27 is provided with a flow rate adjusting valve 37 that controls the flow rate of the additional combustion gas 26.
  • the combustion gas nozzle 29 is formed by a double pipe concentric with the fuel nozzle 25.
  • the combustion gas nozzle 29 branches the combustion gas supplied to the wind box 24 from a combustion gas line, which will be described later, and ejects the secondary combustion gas 28 from the inner pipe 39 and from the outer pipe 41 for tertiary combustion. Gas 30 is ejected.
  • the distal ends of the inner tube 39 and the outer tube 41 are formed with an enlarged diameter.
  • the inner tube 39 and the outer tube 41 are provided with swirlers 43 and 45 that apply a swirling force to the secondary combustion gas 28 and the tertiary combustion gas 30, respectively.
  • the secondary combustion gas 28 and the tertiary combustion gas 30 are swung out from the combustion gas nozzle 29 while being swung.
  • a circulation flow 47 a flow in the opposite direction to the pulverized coal jet 33 (hereinafter referred to as a circulation flow 47) between the pulverized coal jet 33 of the fuel nozzle 25 and the swirling flow of the secondary combustion gas 28 and the tertiary combustion gas 30. ) Occurs.
  • a circulation flow 47 high-temperature gas generated by the combustion of fuel flows from downstream and stays there.
  • the high temperature gas and the pulverized coal in the pulverized coal jet 33 are mixed at the outlet of the burner 19, and the temperature of the pulverized coal rises due to the radiant heat from the boiler 1 and ignites.
  • a branch line 51 is connected to the flue on the outlet side of the dust collector 7.
  • the branch line 51 is provided with an induction blower 53 and a damper 55 so that a predetermined amount of the exhaust gas from which the dust is removed by the dust collector 7 can be branched.
  • the exhaust gas branched by the branch line 51 is branched into the combustion gas line 57 and the carrier gas line 59 and is ventilated by the pusher blower 60 and the ventilator 62.
  • the opening of the damper 61 is adjusted according to the amount of branching of the exhaust gas to adjust the wind flow by the push-in fan 60.
  • the combustion gas line 57 is provided with a flow meter 63 for measuring the flow rate of the exhaust gas and a mixing device 65 for mixing the exhaust gas and the oxygen-rich gas.
  • An oxygen generator 71 is connected to the mixing device 65 through a pipe including a flow meter 67 and a flow rate adjustment valve 69.
  • the oxygen generator 71 is a well-known oxygen generator configured by, for example, a cryogenic separation method, and separates oxygen from air to generate, for example, an oxygen-rich gas having an oxygen concentration of 90%. 65 can be supplied.
  • the combustion gas line 57 is connected to the wind box 24 of the burner 19 through the heat exchanger 5, and the combustion gas generated by mixing the exhaust gas and the oxygen-rich gas is heated by the heat exchanger 5 to wind box. 24 is supplied.
  • the carrier gas line 59 is provided with a flow meter 73 that measures the flow rate of exhaust gas and a mixing device 75 that mixes exhaust gas and oxygen-rich gas.
  • An oxygen generator 71 is connected to the mixing device 75 via a pipe having a flow meter 77 and a flow rate adjusting valve 79.
  • a heat exchanger 5 and a pulverizer 81 for pulverizing coal are provided in the middle of the flow path of the carrier gas line 59.
  • the pulverizer 81 is supplied with a carrier gas generated by mixing the exhaust gas and the oxygen-rich gas in the mixing device 75, and the pulverized coal in the pulverizer 81 is accompanied by this carrier gas to supply the pulverized coal to the fuel nozzle 25. It is supposed to do.
  • the carrier gas supplied to the pulverizer 81 is heated by heat exchange with the exhaust gas in the heat exchanger 5, and the pulverized coal in the pulverizer 81 is dried with the carrier gas.
  • a fuel supply device for supplying pulverized coal to the boiler 1 is formed by the carrier gas line 59.
  • the carrier gas line 59 is formed so that the flow rate of the carrier gas supplied to the crusher 81 can be controlled by a control device described later.
  • the oxygen concentration of the carrier gas is set according to the supply amount and type of the pulverized coal, and the flow rate of the carrier gas is controlled, and the oxygen concentration and flow rate of the carrier gas and the combustion of the pulverized coal are used.
  • the supply amount and oxygen concentration of the additional combustion gas 26 are controlled, and the oxygen amount of the carrier gas, the oxygen amount of the additional combustion gas 26, and the first required for the combustion of the pulverized coal.
  • a control device (not shown) for controlling the supply amount of the secondary combustion gas 28 and the secondary combustion gas based on the set oxygen amount of 2 is installed.
  • the amount of exhaust gas flowing through the carrier gas line 59 is increased to increase the flow rate of the carrier gas.
  • the oxygen concentration of the carrier gas is set to an oxygen concentration such that the coal does not spontaneously ignite during the conveyance based on the type of coal, for example, the degree of coal coalification and the amount of volatile matter.
  • the oxygen concentration of the exhaust gas is determined from the operating conditions of the plant. Then, the difference between the set oxygen concentration of the carrier gas and the oxygen concentration of the exhaust gas is obtained, and the carrier gas is generated by mixing the oxygen-rich gas with the exhaust gas so as to eliminate this difference.
  • the required oxygen rich gas amount is obtained based on the flow rate of the exhaust gas measured by the flow meter 73, and the oxygen rich gas flow rate measurement value of the flow meter 77 is supplied so that the required oxygen rich gas is supplied to the mixing device 75.
  • the opening degree of the flow rate adjusting valve 79 is adjusted. Thereby, the supply amount of the oxygen-rich gas supplied to the mixing device 75 is adjusted, and the oxygen concentration of the carrier gas is controlled to the set oxygen concentration.
  • the amount of oxygen supplied to the first combustion region is obtained from the flow rate of the carrier gas and the oxygen concentration, and the difference between the obtained oxygen amount and the set oxygen amount at which the first combustion region becomes reduced combustion (low NOx combustion) is obtained.
  • the oxygen concentration and supply amount of the additional combustion gas 26 are controlled so that the oxygen amount corresponding to this difference is supplied to the first combustion region. That is, the amount of oxygen-rich gas required by the flow meter 67 is obtained based on the flow rate of the exhaust gas measured by the flow meter 63 and the required oxygen-rich gas is supplied to the mixing device 65. Based on the above, the opening degree of the flow rate adjustment valve 69 is adjusted.
  • the supply amount of the oxygen-rich gas supplied to the mixing device 65 is adjusted, and the oxygen concentration of the additional combustion gas 26 is adjusted.
  • the supply amount of the additional combustion gas 26 is controlled by adjusting the opening degree of the flow rate adjustment valve 37 of the combustion gas nozzle 27.
  • the coordinated control of the oxygen concentration and flow rate of the carrier gas and the oxygen concentration and flow rate of the additional combustion gas 26 will be exemplified.
  • the oxygen excess rate in the boiler 1 at the steady load is changed from 10 to 40%, the oxygen concentration in the exhaust gas discharged from the boiler 1 becomes 2 to 8%. Therefore, if the oxygen excess rate in the boiler 1 is determined, the oxygen concentration in the exhaust gas is naturally determined. Further, although the purity of the oxygen-rich gas is different in the process of producing oxygen gas, the concentration hardly changes during operation. For example, when operating at an oxygen excess rate of 20%, the oxygen concentration of the exhaust gas discharged from the boiler 1 is 5%.
  • the exhaust gas flow rate measured by the flow meter 73 and the flow meter are set to bring the oxygen concentration of the carrier gas line 59 to 10%.
  • the flow rate ratio of the oxygen-rich gas measured at 77 may be controlled to 16: 1.
  • the additional combustion gas 26 supplies insufficient oxygen.
  • the oxygen concentration in the first combustion region on the outlet side of the fuel nozzle 25 can be increased, and the ignitability can be improved.
  • the amount of oxygen in the first combustion region in the fuel nozzle 25 is controlled to an amount that holds the reducing flame. Then, from the difference between the oxygen amount obtained by adding surplus to the theoretical oxygen amount necessary for the combustion of the pulverized coal and the oxygen amount supplied by the carrier gas and the additional combustion gas 26, the oxygen necessary for the combustion of the unburned portion Find the amount. And since this required oxygen amount can be supplemented with the gas 28 for secondary combustion, and the gas 30 for tertiary combustion, pulverized coal can be burned stably.
  • the apparatus and the operation can be simplified by controlling the oxygen concentration of the additional combustion gas 26 and the oxygen concentrations of the secondary combustion gas 28 and the tertiary combustion gas 30 to the same concentration.
  • the oxygen concentration of the additional combustion gas 26 and the oxygen concentrations of the secondary combustion gas 28 and the tertiary combustion gas 30 can be controlled to the same concentration.
  • the flow rate of the additional combustion gas 26 and the flow rates of the secondary combustion gas 28 and the tertiary combustion gas 30 can be controlled by the flow rate adjusting valve 37, and the necessary oxygen amount can be supplied.
  • the diameter of the burner 19 is large, separate gas lines are used to control the oxygen concentration of the additional combustion gas 26 and the oxygen concentrations of the secondary combustion gas 28 and the tertiary combustion gas 30 separately. Can be provided.
  • the combustion gas supplied from the combustion gas line 57 to the wind box 24 is converted into the additional combustion gas 26, the secondary combustion gas 28, and the tertiary combustion gas 30 by the flow rate adjustment valve 37. It is divided. However, the additional combustion gas 26 line, the secondary combustion gas 28, and the tertiary combustion gas 30 line may be provided separately, and the flow rates thereof may be controlled independently.
  • the plant of the oxyfuel combustion system as in the first embodiment has a shortage of exhaust gas during start-up operation, so the carrier gas is generated by supplementing the shortage of exhaust gas with air. Then, as the exhaust gas increases, start-up operation is performed in which air is replaced with exhaust gas.
  • the oxygen concentration of the carrier gas is high due to air mixing, the supply amount of the oxygen-rich gas supplied to the carrier gas is controlled to be low, and the flow rate or oxygen concentration of the additional combustion gas 26 is set to be low. Do. Thereby, it can be operated by switching between air combustion and oxyfuel combustion.
  • the oxygen combustion type combustion system generates combustion gas by diluting oxygen-rich gas with exhaust gas, so the CO 2 concentration of the combustion gas reaches, for example, 60 to 90%. Therefore, the flame propagation speed is significantly lower than that of air, and ignition delay is likely to occur. Moreover, the heat absorption amount in the furnace of the boiler 1 may become low compared with an air combustion type. Therefore, the oxygen concentration of the carrier gas is set to 21% or less, and the oxygen concentration of the additional combustion gas 26 and the oxygen concentration of the secondary combustion gas 28 and the tertiary combustion gas 30 are set to 25 to 35%, for example. It is preferable to control. That is, it is preferable to control the oxygen concentration in the combustion region to be higher than that in air combustion.
  • the oxygen concentration is increased too much, for example, if the oxygen concentration exceeds 50%, the member may be damaged by the ignition / explosion of the fuel upstream of the burner 19 or the abnormally high temperature of the burner 19. Therefore, it is preferable to control so that the oxygen concentration does not exceed 35%.
  • the lower limit of the oxygen concentration of the carrier gas can be appropriately set according to the type of coal.
  • the branch line 51 can be connected to the flue on the outlet side of the desulfurizer 13 to branch the exhaust gas. That is, it is preferable to generate the carrier gas and the combustion gas with the exhaust gas from which at least dust is removed.
  • the measurement of the oxygen concentration in the combustion gas line 57 and the carrier gas line 59 may be provided with an analyzer for analyzing the oxygen concentration in the pipe, in addition to specifying with a flow meter.
  • an analyzer for analyzing the oxygen concentration in the pipe, in addition to specifying with a flow meter.
  • the location where the analyzer is installed is preferably downstream from the heat exchanger 5.
  • the oxygen concentration of the additional combustion gas 26, the secondary combustion gas 28, and the tertiary combustion gas 30 can be measured by installing an oxygen concentration meter in the wind box 24.
  • it is desirable to measure the oxygen concentration in the fuel nozzle 25 as the oxygen concentration of the carrier gas it is conceivable that the analysis gas sampling hole is clogged with the fuel. Therefore, when the purge function is not provided, the heat exchanger 5 And the pulverization device 81 can be measured.
  • Embodiment 2 The block diagram of the boiler plant of Embodiment 2 is shown in FIG.
  • the difference between the second embodiment and the first embodiment is that the exhaust gas is used as the carrier gas as it is. That is, the mixing device 75 and the flow meter 73 of the carrier gas line 59 are omitted, the oxygen rich gas flow meter 77 and the flow rate adjusting valve 79 are omitted, and the exhaust gas is not mixed with the oxygen rich gas, and the carrier gas is used. is there. Since other configurations are the same as those of the first embodiment, the same reference numerals are given and description thereof is omitted.
  • coal with good combustibility such as brown coal can be stably ignited if the oxygen concentration of the additional combustion gas 26 is high even if the oxygen concentration of the carrier gas supplied to the fuel nozzle 25 is low.
  • mixing oxygen in the carrier gas line 59 may cause spontaneous ignition and explosion of fuel in the middle of the piping, so it is better not to mix oxygen. Therefore, in the second embodiment, the exhaust gas is used as the carrier gas without adding the oxygen-rich gas to the exhaust gas.
  • the oxygen concentration of the carrier gas the oxygen concentration of the exhaust gas on the outlet side of the boiler 1 determined from the operation status of the plant is used. According to this, since the control of the oxygen concentration of the carrier gas can be omitted, the equipment and operation costs can be reduced.
  • FIG. 4 shows a burner suitable for the boiler plant of the first or second embodiment as the third embodiment.
  • the burner 90 of the third embodiment is different from the burner 19 of the first embodiment in that the flow passage cross-sectional area is smoothly reduced and enlarged from the outer peripheral side on the upstream side of the fuel nozzle 25.
  • a venturi 91 is formed, and a concentrator 93 having a shape that smoothly reduces and expands the cross-sectional area of the fuel nozzle 25 from the inside is provided on the downstream side of the venturi 91, and additional combustion gas is provided on the downstream side of the concentrator 93. 26 is supplied.
  • an obstacle called a flame holder 95 is provided on the outer surface side of the tip of the fuel nozzle 25, that is, on the furnace outlet side of the boiler 1. Since other configurations are the same as those of the first embodiment, the same reference numerals are given and description thereof is omitted.
  • the flame holder 95 acts as an obstacle to the flow of the pulverized coal jet 33 and the secondary combustion gas 28 ejected from the fuel nozzle 25. Accordingly, since the pressure on the downstream side of the flame holder 95 can be reduced, the circulating flow 47 is formed large. Thereby, the flow of the high temperature gas from the furnace of the boiler 1 becomes larger than that of the first embodiment.
  • the pulverized coal is condensed on the outer peripheral side of the fuel nozzle 25 by the venturi 91 and the concentrator 93. Therefore, the miscibility with the additional combustion gas 26 supplied to the outer peripheral side of the fuel nozzle 25 is improved.
  • the pulverized coal is condensed and the pulverized coal jet 33 having a high oxygen concentration is generated in the vicinity of the flame holder 95 and flows into the circulation flow 47, so that the ignition of the pulverized coal can be accelerated compared to the first embodiment. .
  • the oxygen concentration in the carrier gas line can be made lower than that in the first embodiment.
  • FIG. 4 A burner suitable for the boiler plant of Embodiment 1 or 2 is shown in FIG.
  • the difference between the burner 97 of the fourth embodiment and the burner 90 of the third embodiment is that a distributor 99 that separates the flow path in the fuel nozzle 25 on the downstream side of the concentrator 93 is disposed. Since other configurations are the same as those of the third embodiment, the same reference numerals are given and description thereof is omitted.
  • the distributor 99 is a ring member formed along the axial direction of the fuel nozzle 25, and is disposed concentrically with the fuel nozzle 25. Further, the ejection hole 35 of the combustion gas nozzle 27 is formed at a position overlapping the distributor 99 when viewed from the direction perpendicular to the axis of the burner 97.
  • the pulverized coal can be physically collected in the circumferential direction of the fuel nozzle 25 by the combination of the concentrator 93 and the distributor 99. Further, the additional combustion gas 26 having a high oxygen concentration ejected from the combustion gas nozzle 27 is introduced in the circumferential direction of the fuel nozzle 25 from between the distributor 99 and the inner wall of the fuel nozzle 25.
  • the mixing of the additional combustion gas 26 and the pulverized coal can be promoted, the ignition of the pulverized coal in the vicinity of the flame holder 95 can be made faster than the burner 90 of the third embodiment, and the oxygen concentration of the carrier gas can be reduced. Can be lowered.
  • FIG. 6 shows a burner suitable for the boiler plant of the first or second embodiment as the fifth embodiment.
  • the difference between the burner 101 of the fifth embodiment and the burner 97 of the fourth embodiment is that the additional combustion gas 26 is ejected vertically from the circumferential direction of the fuel nozzle 25 toward the pulverized coal jet 33. Is the point that formed. Further, the venturi 91 and the concentrator 93 are omitted. Since other configurations are the same as those of the fourth embodiment, the same reference numerals are given and description thereof is omitted.
  • a plurality of combustion gas nozzles 105 for injecting additional combustion gas 26 toward the burner central axis are arranged on the outer peripheral wall of the fuel nozzle 25.
  • the additional combustion gas 26 ejected substantially perpendicularly to the pulverized coal jet 33 does not spread in the central direction of the burner 101 by colliding with the distributor 99, and a high oxygen concentration region in the outer peripheral portion of the fuel nozzle 25. Form. Therefore, stable ignition at the burner outlet can be realized.
  • FIG. 7 shows a burner suitable for the boiler plant of the first or second embodiment as the sixth embodiment.
  • the difference between the burner 111 of the sixth embodiment and the burner 101 of the fifth embodiment is that a venturi 91 and a concentrator 93 are installed upstream of the distributor 99. Since other configurations are the same as those of the fifth embodiment, the same reference numerals are given and description thereof is omitted.
  • the concentrator 93 and the distributor 99 can condense the pulverized coal in the outer peripheral direction of the fuel nozzle 25 and form a region having a high oxygen concentration.
  • the flame holder 95 since a large reverse flow region is formed by the flame holder 95, high-temperature gas flows from the furnace, and ignition and combustion of pulverized coal can be promoted near the flame holder 95 on the outer periphery of the fuel nozzle 25 at the burner outlet.

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Abstract

【課題】酸素燃焼式の燃焼システムにおいて、安定した燃焼を実現する。 【解決手段】微粉炭を燃焼した排ガスと富酸素ガスを混合した燃焼用ガスで微粉炭を燃焼するバーナ１９を備え、バーナ１９は、搬送ガスに同伴されて供給される微粉炭を燃焼させる燃料ノズル２５と、燃料ノズル２５内に追加燃焼用ガス２６を供給する燃焼用ガスノズル２７と、燃料ノズル２５の外側に燃焼用ガス２８，３０を供給する燃焼用ガスノズル２９を備え、燃料ノズル２５は、排ガスに富酸素ガスを加えて生成した搬送ガスが供給され、燃焼用ガスノズル２７と燃焼用ガスノズル２９は、排ガスに富酸素ガスを加えて生成した燃焼用ガスが供給され、搬送ガスの供給量と酸素濃度と、追加燃焼用ガス２６の供給量と酸素濃度と、燃焼用ガス２８，３０の供給量と酸素濃度とを、それぞれ調整可能に形成する。

Description

酸素燃焼システム及びその運転方法
　本発明は、酸素燃焼式の燃焼装置を備えた酸素燃焼システムに係り、特に、燃焼装置の安定燃焼の技術に関する。
　地球温暖化等の環境負荷を低減するため、社会的に、二酸化炭素（ＣＯ２）の排出量削減が要請されている。石炭などの炭素を含む固体燃料を燃焼するとＣＯ２が発生するから、固体燃料の燃焼で発生するＣＯ２の排出量を削減することが望まれている。
　そこで、特許文献１では、富酸素ガスと排ガスを混合した燃焼用ガスで燃料を燃焼することにより、燃焼排ガス中のＣＯ２濃度を高くして、燃焼排ガスからＣＯ２を高効率で回収することが提案されている。つまり、空気を、酸素を主体とするガスと窒素を主体とするガスとに分離し、酸素を主体とするガス（以下、富酸素ガスという。）を燃焼排ガスで希釈して燃焼用ガスとし、この燃焼用ガスで微粉炭を燃焼させる、いわゆる酸素燃焼式のボイラを備えたボイラプラントが提案されている。ところで、特許文献１に記載の技術によれば、微粉炭を気流搬送する搬送ガスに酸素濃度が低い燃焼排ガスを用いているから、石炭の種類によっては着火遅れが生じるという問題がある。
　そこで、特許文献２には、微粉炭の着火を早める技術が提案されている。同文献に記載の技術は、酸素燃焼式ではなく、微粉炭を空気で搬送して燃焼するボイラプラントにおいて、揮発分が多い石炭を空気で気流搬送すると搬送途中で自然発火するおそれがあるから、空気に燃焼排ガスを混合して酸素濃度を下げた搬送ガスで微粉炭を気流搬送する。そして、搬送ガスの酸素濃度を低くすると燃焼領域における微粉炭の着火遅れが生じるから、微粉炭を燃焼する燃焼領域に追加空気を供給して酸素濃度を上げることで、微粉炭の着火を早めるようにしている。
特開２００７－１４７１６２号公報 特許第４１５０９６８号公報
　ところで、特許文献２に記載の技術によれば、搬送ガスの酸素濃度は、自然着火を防止するために微粉炭の種類に応じて設定される。一方、着火性を改善するために燃焼領域に追加する空気は、酸素濃度が決まっている。そのため、搬送ガスの流量に対する追加空気の流量を増やして燃焼領域の酸素濃度を高くすることになる。したがって、追加空気の流量が多くなりすぎ、燃焼領域の燃料に供給される酸素量を抑えて安定した還元炎を形成させることができない場合がある。
　本発明が解決しようとする課題は、酸素燃焼式の燃焼システムにおいて、安定した燃焼を実現することにある。
　上記の課題を解決するため、本発明の酸素燃焼システムは、固体燃料を燃焼した排ガスと富酸素ガスを混合した燃焼用ガスで固体燃料を燃焼するバーナを備えた酸素燃焼システムにおいて、バーナは、搬送ガスに同伴されて供給される固体燃料を燃焼させる燃料ノズルと、燃料ノズル内に第１の燃焼用ガスを供給する第１の燃焼用ガスノズルと、燃料ノズルの外側に配置され第２の燃焼用ガスを供給する第２の燃焼用ガスノズルとを備え、燃料ノズルは、排ガスに富酸素ガスを加えて生成した搬送ガスが供給され、第１と前記第２の燃焼用ノズルは、排ガスに富酸素ガスを加えて生成した燃焼用ガスが供給され、搬送ガスの供給量と酸素濃度と、第１の燃焼用ガスの供給量と酸素濃度と、第２の燃焼用ガスの供給量と酸素濃度とを、それぞれ調整可能に形成してなることを特徴とする。
　これによれば、搬送途中の固体燃料の自然発火を防止するため、搬送ガスの酸素濃度を低く設定しても、燃料ノズル内に供給される第１の燃焼用ガスの酸素濃度を制御して着火性が改善される。これに合わせて、燃料ノズル内の第１の燃焼領域の酸素量は、還元炎を保持する量に制御される。そして、第１の燃焼領域における搬送ガスの酸素量と第１の燃焼用ガスの酸素量から、第２の燃焼領域の不足酸素量を求めて、第２の燃焼用ガスの流量を制御して不足酸素を補うことで、固体燃料を安定して燃焼できる。
　この場合において、燃料ノズル内の流路を分割する分配器を備え、バーナ軸に対して垂直方向から見たときに、第１の燃焼用ガスノズルの出口が分配器と重なる位置に形成することができる。これによれば、分配器で流路を隔てることで、固体燃料や搬送ガス、第１の燃焼用ガスの混合が抑制される。そのため、固体燃料粒子の衝突による固体燃料の分散、及び第１の燃焼用ガスの中心軸近傍への拡散を抑制できる。その結果、バーナ出口で、酸素濃度の低いガスを中心軸上に、酸素濃度の高いガスを外周方向に分離でき、着火性を向上できる。
　また、燃料ノズルは、第１の燃焼用ガスノズルが接続される位置より上流の流路内に、燃料ノズルの流路断面積を外周側から滑らかに縮小し拡大するベンチュリと、ベンチュリの下流の流路断面積を内側から滑らかに拡大する濃縮器とを備え、燃料ノズルと第２の燃焼用ガスノズルを隔てる隔壁先端に、燃料ノズルから噴出する固体燃料と搬送気体との流れ及び第１の燃焼用ガスノズルから噴出する第１の燃焼用ガスの流れを妨げる保炎器を設けることを特徴とする。これによれば、保炎器の下流側の圧力を低下させ、燃焼装置内の高温のガスを保炎器の下流側に流れ込ませることができるから、固体燃料の着火性を向上できる。
　また、本発明の燃焼システムとして、富酸素ガスを排ガスで希釈して固体燃料を燃焼する酸素燃焼方式の燃焼装置と、固体燃料を粉砕する粉砕装置と、粉砕された固体燃料を搬送ガスに同伴させて燃焼装置のバーナに供給する燃料供給装置と、燃焼装置から排出される排ガス中の煤塵を捕集する集塵装置と、集塵装置から排出される排ガス中の二酸化炭素を分離回収する二酸化炭素回収装置とを備え、バーナは、搬送ガスに同伴して供給される固体燃料を燃焼する燃料ノズルと、燃料ノズル内に第１の燃焼用ガスを供給する第１の燃焼用ガスノズルと、燃料ノズルの外側に配置され第２の燃焼用ガスを供給する第２の燃焼用ガスノズルを備えてなる酸素燃焼システムであって、集塵装置の後流側から分岐した排ガスから搬送ガスを生成する搬送ガスラインと、集塵装置の後流側から分岐した排ガスに富酸素ガスを加えて燃焼用ガスを生成する燃焼用ガスラインを備え、固体燃料の供給量と種類に応じて、搬送ガスの酸素濃度を設定するとともに搬送ガスの流量を制御し、搬送ガスの酸素濃度及び流量と固体燃料の燃焼に必要な設定酸素量に基づいて、第１の燃焼用ガスの供給量及び酸素濃度を制御し、搬送ガスの酸素量と第１の燃焼用ガスの酸素量と固体燃料の燃焼に必要な第２の設定酸素量に基づいて、第２の燃焼用ガスの供給量を制御する制御装置を備える酸素燃焼システムを用いることができる。
　この場合において、搬送ガスラインには、制御装置が設定した搬送ガスの酸素濃度に基づいて、排ガスに富酸素ガスを添加する添加装置を設けることができる。
　一方、本発明の酸素燃焼システムの運転方法は、富酸素ガスを排ガスで希釈して固体燃料を燃焼する酸素燃焼方式の燃焼装置と、固体燃料を粉砕する粉砕装置と、粉砕された固体燃料を搬送ガスに同伴させて燃焼装置のバーナに供給する燃料供給装置と、燃焼装置から排出される排ガス中の煤塵を捕集する集塵装置と、集塵装置から排出される排ガス中の二酸化炭素を分離回収する二酸化炭素回収装置とを備え、バーナは、搬送ガスに同伴して供給される固体燃料を燃焼する燃料ノズルと、燃料ノズル内に第１の燃焼用ガスを供給する第１の燃焼用ガスノズルと、燃料ノズルの外側に配置され第２の燃焼用ガスを供給する第２の燃焼用ガスノズルを備えてなる酸素燃焼システムの運転方法であって、集塵装置の後流側から分岐した排ガスに富酸素ガスを選択的に加えて搬送ガスを生成し、集塵装置の後流側から分岐した排ガスに富酸素ガスを加えて第１及び第２の燃焼用ガスを生成し、固体燃料の供給量と種類に応じて、搬送ガスの酸素濃度を設定するとともに搬送ガスの流量を制御し、搬送ガスの酸素濃度及び流量と固体燃料の燃焼に必要な第１の設定酸素量に基づいて、第１の燃焼用ガスの供給量及び酸素濃度を制御し、搬送ガスの酸素量と第１の燃焼用ガスの酸素量と固体燃料の燃焼に必要な第２の設定酸素量に基づいて、第２の燃焼用ガスの供給量を制御することを特徴とする。
　この場合において、酸素燃焼システムの起動運転時は、排ガスが不足するので、排ガスの不足分を空気で補って搬送ガスを生成して運転し、排ガスが増加するに従い、空気を排ガスに置換する。これにより、起動運転時の搬送ガスの酸素濃度が高い間は、上述した第１の燃焼用ガスの制御により酸素濃度が低く制御されるので、第１の燃焼領域の酸素濃度を還元燃焼の範囲に維持できる。
　なお、酸素燃焼式の燃焼システムは、富酸素ガスを排ガスで希釈して燃焼用ガスを生成するから、燃焼用ガスのＣＯ２濃度が、例えば、６０～９０％に達し、火炎伝播速度が空気に比べて大幅に低くなり、着火遅れが生じやすい。そこで、搬送ガスの酸素濃度を２１％以下に設定するとともに、第１及び第２の燃焼用ガスの酸素濃度は空気より高い濃度、例えば、２５～３５％に制御することが好ましい。
　本発明によれば、酸素燃焼式の燃焼システムにおいて、安定した燃焼を実現できる。
実施形態１のボイラプラントのブロック図である。 図１のバーナの断面図である。 実施形態２のボイラプラントのブロック図である。 実施形態３のバーナの断面図である。 実施形態４のバーナの断面図である。 実施形態５のバーナの断面図である。 実施形態６のバーナの断面図である。
　以下、本発明を実施の形態に基づいて説明する。
（実施形態１）
　実施形態１は、本発明の酸素燃焼式の燃焼システムを微粉炭焚きのボイラプラントに適用した例である。図１に示すように、実施形態１のボイラプラントには、固体燃料、例えば、微粉炭を富酸素の燃焼用ガスにより燃焼させる酸素燃焼式のボイラ１が設けられている。ボイラ１から排出された排ガスは、排ガス中の窒素酸化物を除去する脱硝装置３に導入される。脱硝装置３は、排ガスにアンモニア等の還元剤を添加する添加装置と、脱硝触媒層を備えている。脱硝装置３は、排ガス中の窒素酸化物を窒素に還元して無害化するようになっている。脱硝装置３から排出された排ガスは、熱交換器５により冷却されて集塵装置７に導かれ、ここにおいて排ガス中の煤塵が捕集除去されるようになっている。集塵装置７から排出された排ガスは、誘引送風機９とダンパ１１を介して脱硫装置１３に導入される。脱硫装置１３は、例えば、石灰石スラリー等の吸収液を排ガスに接触させて排ガス中の硫黄酸化物を除去するようになっている。脱硫装置１３から排出された排ガスは、ＣＯ２回収装置１５に導入される。ＣＯ２回収装置１５は、排ガスからＣＯ２を分離して図示していないＣＯ２貯蔵設備に貯蔵するようになっている。ＣＯ２回収装置１５は、排ガス２を圧縮してＣＯ２を液化して分離回収する装置、吸収液にＣＯ２を吸収させて分離回収する装置など周知の装置を用いることができる。ＣＯ２回収装置でＣＯ２が分離された他の排ガス成分は、煙突１７から大気に排出されるようになっている。
　次に、実施形態１のボイラ１に設置されたバーナ１９について説明する。図２に示すように、バーナ１９は、ボイラ１の側壁の水冷管２１を備えるバーナスロート部２３に取り付けられている。バーナ１９は、搬送ガスに同伴して供給される微粉炭を燃焼する燃料ノズル２５と、燃料ノズル２５内に富酸素の第１の燃焼用ガス（以下、追加燃焼用ガス２６という。）を供給する第１の燃焼用ガスノズル２７と、燃料ノズル２５の外側に配置され富酸素の２次燃焼用ガス２８と３次燃焼用ガス３０を供給する第２の燃焼用ガスノズル２９とを備えている。燃料ノズル２５の軸中心には、助燃用のオイルガン３１が設けられている。燃料ノズル２５の管壁には、燃焼用ガスノズル２７が挿入される貫通穴が複数設けられている。各貫通穴には、燃焼用ガスノズル２７が挿入されている。燃焼用ガスノズル２７は、燃料ノズル２５の内周面に配置され、搬送ガスによる微粉炭噴流３３の噴出方向に沿って延在されている。燃焼用ガスノズル２７の管壁には、追加燃焼用ガス２６を噴出する噴出穴３５が形成されている。噴出穴３５は、微粉炭噴流３３に追加燃焼用ガス２６がほぼ直角に交差するように形成されている。また、噴出穴３５は、燃料ノズル２５の先端側の第１の燃焼領域に追加燃焼用ガス２６を供給するようになっている。燃焼用ガスノズル２７には、追加燃焼用ガス２６の流量を制御する流量調整弁３７が設けられている。
　燃焼用ガスノズル２９は、燃料ノズル２５と同心円の２重管により形成されている。燃焼用ガスノズル２９は、後述する燃焼用ガスラインから風箱２４に供給された燃焼用ガスを分岐して、内管３９から２次燃焼用ガス２８を噴出し、外管４１から３次燃焼用ガス３０を噴出するようになっている。内管３９と外管４１の先端側は、拡径されて形成されている。内管３９と外管４１には、２次燃焼用ガス２８と３次燃焼用ガス３０にそれぞれ旋回力を付与する旋回器４３、４５が設けられている。これらにより、燃焼用ガスノズル２９から２次燃焼用ガス２８と３次燃焼用ガス３０が旋回しながら拡径されて噴出される。そのため、燃料ノズル２５の微粉炭噴流３３と、２次燃焼用ガス２８と３次燃焼用ガス３０の旋回流との間に、微粉炭噴流３３と逆方向の流れ（以下、循環流４７という。）が生じる。この循環流４７には、下流から燃料の燃焼で生じた高温ガスが流れ込み滞留する。この高温ガスと微粉炭噴流３３中の微粉炭とが、バーナ１９出口で混合し、ボイラ１からの輻射熱により微粉炭の温度が上昇して着火するようになっている。
　ここで、実施形態１の特徴部である搬送ガスと燃焼用ガスの供給系統について説明する。集塵装置７の出口側の煙道には、分岐ライン５１が接続されている。分岐ライン５１には、誘引送風機５３とダンパ５５が設けられ、集塵装置７で煤塵が除去された排ガスを所定量分岐できるようになっている。分岐ライン５１により分岐された排ガスは、燃焼用ガスライン５７と搬送ガスライン５９に分岐され、押し込み送風機６０と通風機６２により通風するようになっている。なお、排ガスの分岐量に応じてダンパ６１の開度を調整して押し込み送風機６０による通風力を調整するようになっている。
　燃焼用ガスライン５７には、排ガスの流量を計測する流量計６３と、排ガスと富酸素ガスを混合する混合装置６５が設けられている。混合装置６５には、流量計６７と流量調整弁６９を備える配管を介して酸素発生装置７１が接続されている。酸素発生装置７１は、例えば、深冷分離法等で構成される周知の酸素発生装置であり、空気から酸素を分離して、例えば、酸素濃度が９０％の富酸素ガスを発生させて混合装置６５に供給できるようになっている。燃焼用ガスライン５７は、熱交換器５を介してバーナ１９の風箱２４に接続され、排ガスと富酸素ガスを混合して生成された燃焼用ガスを熱交換器５で加熱して風箱２４に供給するようになっている。
　搬送ガスライン５９には、排ガスの流量を計測する流量計７３と、排ガスと富酸素ガスを混合する混合装置７５が設けられている。混合装置７５には、流量計７７と流量調整弁７９を備える配管を介して酸素発生装置７１が接続されている。搬送ガスライン５９の流路途中には、熱交換器５と石炭を粉砕する粉砕装置８１が設けられている。粉砕装置８１には、混合装置７５で排ガスと富酸素ガスを混合して生成した搬送ガスが供給され、この搬送ガスに粉砕装置８１内の微粉炭を同伴させて微粉炭を燃料ノズル２５に供給するようになっている。粉砕装置８１に供給される搬送ガスは熱交換器５で排ガスとの熱交換により加熱され、粉砕装置８１内の微粉炭を搬送ガスで乾燥するようになっている。これらにより、搬送ガスライン５９により、微粉炭をボイラ１に供給する燃料供給装置が形成されている。搬送ガスライン５９は、後述する制御装置により、粉砕装置８１に供給する搬送ガスの流量を制御可能に形成されている。
　このように構成される実施形態１の特徴動作を説明する。実施形態１のボイラプラントには、微粉炭の供給量と種類に応じて、搬送ガスの酸素濃度を設定するとともに搬送ガスの流量を制御し、搬送ガスの酸素濃度及び流量と微粉炭の燃焼に必要な第１の設定酸素量に基づいて、追加燃焼用ガス２６の供給量及び酸素濃度を制御し、搬送ガスの酸素量と追加燃焼用ガス２６の酸素量と微粉炭の燃焼に必要な第２の設定酸素量に基づいて、２次燃焼用ガス２８と２次燃焼用ガスの供給量を制御する図示していない制御装置が設置されている。
　例えば、ボイラプラントの負荷が増加して微粉炭の供給量が増加すると、搬送ガスライン５９を通流する排ガスの量を増加させて搬送ガスの流量を増加させる。搬送ガスの酸素濃度は、石炭の種類、例えば、石炭の石炭化度や揮発分の多寡の違いに基づいて、搬送途中で石炭が自然発火しないような酸素濃度に設定される。一方、排ガスには、微粉炭の燃焼で余った酸素が含まれているので、プラントの運転状況等から排ガスの酸素濃度を求める。そして、搬送ガスの設定酸素濃度と排ガスの酸素濃度の差分を求め、この差分をなくすように、排ガスに富酸素ガスを混合して搬送ガスを生成する。つまり、流量計７３で計測した排ガスの流量に基づいて必要な富酸素ガス量を求め、必要な富酸素ガスが混合装置７５に供給されるように、流量計７７の富酸素ガスの流量計測値に基づいて流量調整弁７９の開度を調整する。これにより、混合装置７５に供給される富酸素ガスの供給量が調整され、搬送ガスの酸素濃度が設定酸素濃度に制御される。
　一方、搬送ガスの流量と酸素濃度から第１の燃焼領域に供給される酸素量を求め、求めた酸素量と第１の燃焼領域が還元燃焼（低ＮＯｘ燃焼）になる設定酸素量の差を求め、この差分に対応する酸素量が第１の燃焼領域に供給されるように、追加燃焼用ガス２６の酸素濃度と供給量を制御する。つまり、流量計６３で計測した排ガスの流量に基づいて必要な富酸素ガス量を求め、必要な富酸素ガスが混合装置６５に供給されるように、流量計６７の富酸素ガスの流量計測値に基づいて流量調整弁６９の開度を調整する。これにより、混合装置６５に供給される富酸素ガスの供給量が調整され、追加燃焼用ガス２６の酸素濃度を調整される。また、追加燃焼用ガス２６の供給量は、燃焼用ガスノズル２７の流量調整弁３７の開度を調整することで制御される。
　ここで、搬送ガスの酸素濃度と流量及び追加燃焼用ガス２６の酸素濃度と流量の協調制御を例示する。定常負荷時のボイラ１における酸素過剰率を１０～４０％まで変化させると、ボイラ１から排出された排ガス中の酸素濃度が２～８％になる。したがって、ボイラ１での酸素過剰率を決定すれば、排ガス中の酸素濃度はおのずから決まる。また、富酸素ガスについては、酸素ガス製造過程で純度は異なるものの、運転中に濃度が変化することはほとんどない。例えば、酸素過剰率２０％で運転した場合、ボイラ１から排出された排ガスの酸素濃度は５％になる。そして、酸素発生装置７１で発生させた富酸素ガスの酸素濃度を９０％とすると、搬送ガスライン５９の酸素濃度を１０％にするには、流量計７３で計測される排ガス流量と、流量計７７で計測される富酸素ガスの流量の比率を１６：１に制御すれば良い。
　ところで、微粉炭の燃焼に必要な理論酸素量に余剰分を加えた酸素量が予め設定されているので、この設定酸素量と搬送ガス及び追加燃焼用ガス２６による供給酸素量の差分を求める。そして、この差分をなくすように、２次燃焼用ガス２８と３次燃焼用ガス３０の酸素濃度と供給量を制御し、第１の燃焼領域で生成した還元炎の周りに酸化炎を形成して微粉炭を安定燃焼できる。
　これによれば、搬送途中の固体燃料の自然発火を防止するため、搬送ガスの酸素濃度を低く設定しても、追加燃焼用ガス２６により不足酸素が供給される。その結果、燃料ノズル２５の出口側の第１の燃焼領域の酸素濃度を高めることができ、着火性を改善できる。これに合わせて、燃料ノズル２５内の第１の燃焼領域の酸素量が還元炎を保持する量に制御される。そして、微粉炭の燃焼に必要な理論酸素量に余剰分を加えた酸素量と、搬送ガス及び追加燃焼用ガス２６によって供給される酸素量との差から、未燃分の燃焼に必要な酸素量を求める。そして、この必要酸素量を、２次燃焼用ガス２８と３次燃焼用ガス３０で補うことができるから、微粉炭を安定して燃焼できる。
　また、実施形態１は、追加燃焼用ガス２６の酸素濃度と２次燃焼用ガス２８及び３次燃焼用ガス３０の酸素濃度を同一の濃度に制御することで、装置及び動作を簡単化できる。例えば、バーナ１９の径が大きなものでなければ、追加燃焼用ガス２６の酸素濃度と、２次燃焼用ガス２８及び３次燃焼用ガス３０の酸素濃度とを同一濃度に制御できる。これによれば、流量調整弁３７により追加燃焼用ガス２６の流量と、２次燃焼用ガス２８及び３次燃焼用ガス３０の流量とを制御でき、必要な酸素量をそれぞれ供給できる。なお、バーナ１９の径が大きい場合は、追加燃焼用ガス２６の酸素濃度と、２次燃焼用ガス２８及び３次燃焼用ガス３０の酸素濃度とを別々に制御するように、別々のガスラインを設けることができる。
　また、実施形態１は、燃焼用ガスライン５７から風箱２４に供給された燃焼用ガスを、流量調整弁３７により追加燃焼用ガス２６と２次燃焼用ガス２８及び３次燃焼用ガス３０に分けている。しかし、追加燃焼用ガス２６のラインと、２次燃焼用ガス２８及び３次燃焼用ガス３０のラインとを別々に設けて、それぞれの流量を独立制御するよう構成できる。
　また、実施形態１のような酸素燃焼システムのプラントは、起動運転時は、排ガスが不足するので、排ガスの不足分を空気で補って搬送ガスを生成する。そして、排ガスが増加するに従い、空気を排ガスに置換する起動運転を行う。この場合、空気の混合によって搬送ガスの酸素濃度が高い間は、搬送ガスに供給する富酸素ガスの供給量を低く制御するとともに、追加燃焼用ガス２６の流量又は酸素濃度を低く設定する制御を行う。これにより、空気燃焼と酸素燃焼を切り替えて運転できる。
　また、搬送ガスの流量が多い高負荷時は、火炎が吹き飛びやすくなるから、搬送ガスの酸素濃度を下げすぎないように制御する。
　なお、酸素燃焼式の燃焼システムは、富酸素ガスを排ガスで希釈して燃焼用ガスを生成するから、燃焼用ガスのＣＯ２濃度が、例えば、６０～９０％に達する。そのため、火炎伝播速度が空気に比べて大幅に低くなり、着火遅れが生じやすい。また、空気燃焼式に比べてボイラ１の火炉内の熱吸収量が低くなることがある。そこで、搬送ガスの酸素濃度を２１％以下に設定するとともに、追加燃焼用ガス２６の酸素濃度と２次燃焼用ガス２８及び３次燃焼用ガス３０の酸素濃度を、例えば、２５～３５％に制御することが好ましい。すなわち、空気燃焼に比べて、燃焼領域の酸素濃度を高く制御することが好ましい。なお、酸素濃度を高め過ぎると、例えば、酸素濃度が５０％を超えると、バーナ１９の上流における燃料の発火・爆発やバーナ１９の異常高温によって部材が損傷するおそれがある。そのため、酸素濃度が３５％を超えないように制御することが好ましい。なお、瀝青炭は、搬送ガスの酸素濃度を１０％未満にすると着火が困難になるので、搬送ガスの酸素濃度の下限は、石炭の種類に応じて適宜設定できる。
　また、集塵装置７の出口側に代えて、脱硫装置１３の出口側の煙道に分岐ライン５１を接続して排ガスを分岐することができる。すなわち、少なくとも煤塵を除去した排ガスで搬送ガスと燃焼用ガスを生成することが好ましい。
　また、燃焼用ガスライン５７及び搬送ガスライン５９の酸素濃度の計測は、流量計による特定のほかに、配管内での酸素濃度を分析する分析装置を設置してもよい。この場合、通常の分析装置は乾式で測定するため、水分計も併設して、湿式で評価することが望ましい。分析装置を設置する箇所は、熱交換器５より後流が望ましい。追加燃焼用ガス２６や２次燃焼用ガス２８及び３次燃焼用ガス３０の酸素濃度は、風箱２４内に酸素濃度計を設置して計測できる。搬送ガスの酸素濃度は、燃料ノズル２５内の酸素濃度を測定することが望ましいが、分析用ガス採取孔が燃料により閉塞することが考えられるので、パージ機能を設けない場合は、熱交換器５と粉砕装置８１の間で測定することができる。
　また、既存の空気燃焼式のボイラプラントを改造・設備追加等して、このような酸素燃焼システムを構築する場合、経済性の観点からボイラ１における熱交換器等の大掛かりな改造を避けることが望ましい。
（実施形態２）
　図３に実施形態２のボイラプラントのブロック図を示す。実施形態２が実施形態１と相違する点は、排ガスをそのまま搬送ガスとしている点である。すなわち、搬送ガスライン５９の混合装置７５と流量計７３を省略するとともに、富酸素ガスの流量計７７及び流量調整弁７９を省略し、排ガスに富酸素ガスを混合せず搬送ガスとしている点である。その他の構成は実施形態１と同一であるから、同一の符号を付して説明を省略する。
　例えば、褐炭等の燃焼性の良好な石炭は、燃料ノズル２５に供給される搬送ガスの酸素濃度が低くても、追加燃焼用ガス２６の酸素濃度が高ければ、安定着火が可能である。また、燃焼性の良好な石炭の場合、搬送ガスライン５９に酸素を混合すると、配管の途中で燃料の自然着火、爆発が生じる恐れがあるため、酸素を混合しないほうがよい。そこで、実施形態２は、排ガスに富酸素ガスを加えず、排ガスをそのまま搬送ガスとして用いるようにしている。この場合、搬送ガスの酸素濃度として、プラントの運転状況等から決定されるボイラ１の出口側排ガスの酸素濃度を用いる。これによれば、搬送ガスの酸素濃度の制御を省略できるので、設備及び運転コスト低減できる。
（実施形態３）
　図４に、実施形態１又は２のボイラプラントに好適なバーナを、実施形態３として示す。図４に示すように、実施形態３のバーナ９０が実施形態１のバーナ１９と相違する点は、燃料ノズル２５の上流側に、流路断面積を外周側から滑らかに縮小し拡大する形状のベンチュリ９１を形成し、ベンチュリ９１の下流側に、燃料ノズル２５の流路断面積を内側から滑らかに縮小して拡大する形状の濃縮器９３を設け、濃縮器９３の下流側に追加燃焼用ガス２６を供給している点である。さらに、燃料ノズル２５の先端部の外面側、すなわちボイラ１の火炉出口側には、保炎器９５と呼ばれる障害物が設けられている。その他の構成は実施形態１と同一であるから、同一の符号を付して説明を省略する。
　保炎器９５は、燃料ノズル２５から噴出される微粉炭噴流３３及び２次燃焼用ガス２８の流れに対して障害物として働く。したがって、保炎器９５の下流側の圧力を低下できるので、循環流４７が大きく形成される。これにより、ボイラ１の火炉からの高温ガスの流れ込みが実施形態１よりも大きくなる。一方、微粉炭は、ベンチュリ９１と濃縮器９３により、燃料ノズル２５の外周側に凝縮される。そのため、燃料ノズル２５の外周側に供給される追加燃焼用ガス２６との混合性が向上される。これらにより、微粉炭が凝縮され、かつ、酸素濃度の高い微粉炭噴流３３が保炎器９５の近傍に生じて循環流４７に流れ込むので、実施形態１よりも微粉炭の着火を早めることができる。その結果、搬送ガスラインの酸素濃度を、実施形態１よりも低くできる。
（実施形態４）
　図５に、実施形態１又は２のボイラプラントに好適なバーナを、実施形態４として示す。実施形態４のバーナ９７が実施形態３のバーナ９０と相違する点は、濃縮器９３の下流側の燃料ノズル２５内の流路を隔てる分配器９９を配置した点である。その他の構成は実施形態３と同一であるので、同一の符号を付して説明を省略する。
　分配器９９は、燃料ノズル２５の軸方向に沿って形成されたリング部材であり、燃料ノズル２５と同芯に配置されている。そして、バーナ９７の軸に対して垂直方向から見たときに燃焼用ガスノズル２７の噴出穴３５が分配器９９と重なる位置に形成されている。分配器９９により、流路を隔てることで、微粉炭や搬送ガス、追加燃焼用ガス２６の混合が抑制される。そのため、微粉炭粒子の衝突による微粉炭の分散や、追加燃焼用ガス２６が中心軸近傍へ拡散することを抑制できる。これらにより、バーナ９７出口で、酸素濃度の低いガスを中心軸上に、酸素濃度の高いガスを外周方向に分離させることができる。したがって、保炎器９５近傍における微粉炭まわりの搬送ガスの酸素濃度が高くなり、安定着火が可能となる。なお、実施形態４によれば、濃縮器９３と分配器９９の組合せにより、微粉炭を物理的に燃料ノズル２５の周方向に集めることができる。また、燃焼用ガスノズル２７から噴出される酸素濃度が高い追加燃焼用ガス２６を、分配器９９と燃料ノズル２５の内壁の間から燃料ノズル２５の周方向に投入する。そのため、追加燃焼用ガス２６と微粉炭との混合を促進でき、保炎器９５近傍での微粉炭の着火を実施形態３のバーナ９０よりも早めることができ、かつ、搬送ガスの酸素濃度を低くすることができる。
（実施形態５）
　図６に、実施形態１又は２のボイラプラントに好適なバーナを、実施形態５として示す。実施形態５のバーナ１０１が実施形態４のバーナ９７と相違する点は、追加燃焼用ガス２６を、燃料ノズル２５の周方向から微粉炭噴流３３に向けて垂直に噴出するように燃焼用ガスノズル１０５を形成した点である。また、ベンチュリ９１と濃縮器９３を省略した点である。その他の構成は実施形態４と同一であるから、同一の符号を付して説明を省略する。
　燃料ノズル２５の外周壁には、バーナ中心軸上に向かって追加燃焼用ガス２６を噴出する燃焼用ガスノズル１０５が複数本配置されている。微粉炭噴流３３に対して略垂直に噴出される追加燃焼用ガス２６は、分配器９９と衝突することにより、バーナ１０１の中心方向へは広がらず、燃料ノズル２５の外周部に高酸素濃度領域を形成する。したがって、バーナ出口での安定着火を実現できる。
（実施形態６）
　図７に、実施形態１又は２のボイラプラントに好適なバーナを、実施形態６として示す。実施形態６のバーナ１１１が実施形態５のバーナ１０１と相違する点は、分配器９９の上流にベンチュリ９１と濃縮器９３を設置している点である。その他の構成は、その他の構成は実施形態５と同一であるから、同一の符号を付して説明を省略する。
　これによれば、濃縮器９３と分配器９９により、燃料ノズル２５の外周方向に微粉炭を凝縮させ、かつ酸素濃度の高い領域を形成できる。また、保炎器９５により、大きな逆流域を形成するため、火炉から高温ガスが流れ込み、バーナ出口の燃料ノズル２５外周の保炎器９５近傍で、微粉炭の着火、燃焼が促進できる。
　１　ボイラ
　７　集塵装置
　１５　ＣＯ２回収装置
　１９　バーナ
　２５　燃料ノズル
　２６　追加燃焼用ガス
　２７　燃焼用ガスノズル
　２８　２次燃焼用ガス
　２９　燃焼用ガスノズル
　３０　３次燃焼用ガス
　５７　燃焼用ガスライン
　５９　搬送ガスライン

Claims (9)

  1. 　固体燃料を燃焼した排ガスと富酸素ガスを混合した燃焼用ガスで前記固体燃料を燃焼するバーナを備えた酸素燃焼システムにおいて、
    　前記バーナは、搬送ガスに同伴されて供給される固体燃料を燃焼させる燃料ノズルと、該燃料ノズル内に第１の燃焼用ガスを供給する第１の燃焼用ガスノズルと、前記燃料ノズルの外側に配置され第２の燃焼用ガスを供給する第２の燃焼用ガスノズルとを備え、
    　前記燃料ノズルは、前記排ガスに前記富酸素ガスを加えて生成した搬送ガスが供給され、前記第１と前記第２の燃焼用ノズルは、前記排ガスに前記富酸素ガスを加えて生成した燃焼用ガスが供給され、
    　前記搬送ガスの供給量と酸素濃度と、前記第１の燃焼用ガスの供給量と酸素濃度と、前記第２の燃焼用ガスの供給量と酸素濃度とを、それぞれ調整可能に形成してなることを特徴とする酸素燃焼システム。
  2. 　請求項１に記載の酸素燃焼システムにおいて、
    　前記燃料ノズルは、前記燃料ノズル内の流路を分割する分配器を備え、バーナ軸に対して垂直方向から見たときに前記第１の燃焼用ガスノズルの出口が前記分配器と重なる位置に形成されてなることを特徴とする酸素燃焼システム。
  3. 　請求項１又は２に記載の酸素燃焼システムにおいて、
    　前記燃料ノズルは、前記第１の燃焼用ガスノズルが接続される位置より上流の流路内に、前記燃料ノズルの流路断面積を外周側から滑らかに縮小し拡大するベンチュリと、該ベンチュリの下流の流路断面積を内側から滑らかに拡大する濃縮器とを備え、前記燃料ノズルと前記第２の燃焼用ガスノズルを隔てる隔壁先端に、前記燃料ノズルから噴出する固体燃料と搬送気体との流れ及び前記第１の燃焼用ガスノズルから噴出する第１の燃焼用ガスの流れを妨げる保炎器を設けてなることを特徴とする酸素燃焼システム。
  4. 　富酸素ガスを排ガスで希釈して固体燃料を燃焼する酸素燃焼方式の燃焼装置と、前記固体燃料を粉砕する粉砕装置と、粉砕された固体燃料を搬送ガスに同伴させて前記燃焼装置のバーナに供給する燃料供給装置と、前記燃焼装置から排出される排ガス中の煤塵を捕集する集塵装置と、該集塵装置から排出される排ガス中の二酸化炭素を分離回収する二酸化炭素回収装置とを備え、
    　前記バーナは、前記搬送ガスに同伴して供給される固体燃料を燃焼する燃料ノズルと、該燃料ノズル内に第１の燃焼用ガスを供給する第１の燃焼用ガスノズルと、前記燃料ノズルの外側に配置され第２の燃焼用ガスを供給する第２の燃焼用ガスノズルを備えてなる酸素燃焼システムであって、
    　前記集塵装置の後流側から分岐した排ガスから搬送ガスを生成する搬送ガスラインと、前記集塵装置の後流側から分岐した排ガスに富酸素ガスを加えて燃焼用ガスを生成する燃焼用ガスラインを備え、
    　前記固体燃料の供給量と種類に応じて、前記搬送ガスの酸素濃度を設定するとともに前記搬送ガスの流量を制御し、前記搬送ガスの酸素濃度及び流量と前記固体燃料の燃焼に必要な設定酸素量に基づいて、前記第１の燃焼用ガスの供給量及び酸素濃度を制御し、前記搬送ガスの酸素量と前記第１の燃焼用ガスの酸素量と前記固体燃料の燃焼に必要な第２の設定酸素量に基づいて、前記第２の燃焼用ガスの供給量を制御する制御装置が備えられなる酸素燃焼システム。
  5. 　請求項４に記載の酸素燃焼システムにおいて、
    　前記搬送ガスラインには、前記制御装置が設定した前記搬送ガスの酸素濃度に基づいて、前記排ガスに富酸素ガスを添加する添加装置が備えられることを特徴とする酸素燃焼システム。
  6. 　請求項４又は５に記載の酸素燃焼システムにおいて、
    　前記制御装置は、前記搬送ガスの酸素濃度は２１％以下に設定し、前記第１及び前記第２の燃焼用ガスの酸素濃度は２５～３５％に制御することを特徴とする酸素燃焼システム。
  7. 　富酸素ガスを排ガスで希釈して固体燃料を燃焼する酸素燃焼方式の燃焼装置と、前記固体燃料を粉砕する粉砕装置と、粉砕された固体燃料を搬送ガスに同伴させて前記燃焼装置のバーナに供給する燃料供給装置と、前記燃焼装置から排出される排ガス中の煤塵を捕集する集塵装置と、該集塵装置から排出される排ガス中の二酸化炭素を分離回収する二酸化炭素回収装置とを備え、
    　前記バーナは、前記搬送ガスに同伴して供給される固体燃料を燃焼する燃料ノズルと、該燃料ノズル内に第１の燃焼用ガスを供給する第１の燃焼用ガスノズルと、前記燃料ノズルの外側に配置され第２の燃焼用ガスを供給する第２の燃焼用ガスノズルを備えてなる酸素燃焼システムの運転方法であって、
    　前記集塵装置の後流側から分岐した排ガスに富酸素ガスを選択的に加えて搬送ガスを生成し、前記集塵装置の後流側から分岐した排ガスに富酸素ガスを加えて前記第１及び前記第２の燃焼用ガスを生成し、
    　前記固体燃料の供給量と種類に応じて、前記搬送ガスの酸素濃度を設定するとともに前記搬送ガスの流量を制御し、前記搬送ガスの酸素濃度及び流量と前記固体燃料の燃焼に必要な第１の設定酸素量に基づいて、前記第１の燃焼用ガスの供給量及び酸素濃度を制御し、前記搬送ガスの酸素量と前記第１の燃焼用ガスの酸素量と前記固体燃料の燃焼に必要な第２の設定酸素量に基づいて、前記第２の燃焼用ガスの供給量を制御することを特徴とする運転方法。
  8. 　請求項７に記載の酸素燃焼システムの運転方法において、
    　起動運転時は、前記集塵装置の後流側から分岐した排ガスの不足分を空気で補って前記搬送ガスを生成することを特徴とする酸素燃焼システムの運転方法。
  9. 　請求項７又は８に記載の酸素燃焼システムの運転方法において、
    　前記搬送ガスの酸素濃度は２１％以下に設定され、前記第１及び前記第２の燃焼用ガスの酸素濃度は２５～３５％に制御されることを特徴とする酸素燃焼システムの運転方法。
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