ボイラシステム及びボイラシステムの運用方法
【課題】ボイラシステムを酸素燃焼運転から空気燃焼運転へ切り替える際に、電力供給を安定化させるとともに、ボイラ機器類の損傷を抑制する。
【解決手段】ボイラシステム１００は、ボイラ１０から排出される排ガスを処理する排ガス処理系統１４から分岐して排ガスの一部を燃焼用ガスとしてボイラに循環供給する排ガス循環ライン２８と、空気中の窒素と酸素とを分離する酸素発生装置４０で分離された酸素ガスを燃焼用ガスとしてボイラに供給するＯ２ライン４２とを備え、酸素発生装置で分離された窒素ガスを排出するＮ２ライン４８から分岐してＯ２ラインに接続される分岐Ｎ２ライン７０のＮ２バルブ７４、及び酸素発生装置に空気を取り込む分離用空気ライン４６から分岐して酸素発生装置をバイパスしてＯ２ラインに接続されるバイパスライン７２のバイパスバルブ７６の少なくとも一方を開にして、酸素燃焼運転から空気燃焼運転へ切り替える。
【解決手段】ボイラシステム１００は、ボイラ１０から排出される排ガスを処理する排ガス処理系統１４から分岐して排ガスの一部を燃焼用ガスとしてボイラに循環供給する排ガス循環ライン２８と、空気中の窒素と酸素とを分離する酸素発生装置４０で分離された酸素ガスを燃焼用ガスとしてボイラに供給するＯ２ライン４２とを備え、酸素発生装置で分離された窒素ガスを排出するＮ２ライン４８から分岐してＯ２ラインに接続される分岐Ｎ２ライン７０のＮ２バルブ７４、及び酸素発生装置に空気を取り込む分離用空気ライン４６から分岐して酸素発生装置をバイパスしてＯ２ラインに接続されるバイパスライン７２のバイパスバルブ７６の少なくとも一方を開にして、酸素燃焼運転から空気燃焼運転へ切り替える。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ボイラシステム及びボイラシステムの運用方法に係り、例えば石炭等の化石燃料を主な燃料とする火力発電用のボイラシステムにおいて、ボイラの燃焼方式を酸素燃焼方式と空気燃焼方式とで切り替える技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
石炭等の化石燃料を主な燃料とする火力発電用のボイラシステムとして、例えば特許文献１に記載されているように、酸素燃焼方式のボイラシステムが知られている。
【０００３】
酸素燃焼方式のボイラシステムは、酸素分離装置を用いて空気中から酸素を分離して酸素ガスを生成し、生成された酸素ガスを燃料の燃焼用ガスとしてボイラに供給する一方、ボイラから排出された排ガスを循環させて燃焼用ガスとしてボイラに供給するものである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００７−１４７１６２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、上記の特許文献１等の従来技術は、ボイラの酸素燃焼運転と空気燃焼運転とを適切に切り替えることについて考慮されていない。
【０００６】
すなわち、例えばボイラの酸素燃焼運転時に、排ガスを循環させる排ガス循環ライン或いは排ガスを循環させる排ガス循環ファン等に何らかの不具合が生じて酸素燃焼運転の継続が困難となった場合には、酸素燃焼運転から空気燃焼運転へ切り替える必要がある。
【０００７】
この場合、ボイラに燃焼用ガスとして空気を供給する空気ライン及び空気送風ファンを別途設けておいて、排ガス循環ライン或いは排ガス循環ファン等に何らかの不具合が発生したら、空気送風ファンを起動して空気燃焼運転に切り替えることが考えられる。
【０００８】
しかしながら、空気送風ファンを起動してから、燃焼用ガス（空気）の流量等が空気燃焼運転に適切な条件に達するまでには所定の時間が必要である。その間、燃料（例えば石炭）の供給を停止すれば、電力供給も一時的に停止することになり好ましくない。一方、電力供給の停止を避けるため、燃料の供給を継続した場合、一時的に燃焼用ガス中の酸素濃度が高まって、燃焼温度が上昇するから、バーナ、水壁、過熱器、後部伝熱面などのボイラ機器類の損傷を招くおそれがある。
【０００９】
そこで本発明は、ボイラシステムを酸素燃焼運転から空気燃焼運転へ切り替える際に、電力供給を安定化させるとともに、ボイラ機器類の損傷を抑制することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明のボイラシステムは、燃料を燃焼させて蒸気を発生させるボイラと、このボイラから排出される排ガスが通流されるダクトと、このダクトに設けられた脱硝装置、予熱器、集塵装置、及び脱硫装置の少なくとも１つ以上を含む排ガス処理系統と、この排ガス処理系統のいずれかの位置から分岐して排ガスの一部を燃料の燃焼用ガスとして循環させてボイラに供給する排ガス循環ラインと、大気から取り込まれた空気中の窒素と酸素とを分離する酸素発生装置と、この酸素発生装置で分離された酸素ガスを燃焼用ガスとしてボイラに供給するＯ２ラインとを備えて構成される。
【００１１】
そして、上記課題を解決するため、酸素発生装置で分離された窒素ガスを排出するＮ２ラインから分岐してＯ２ラインに接続される分岐Ｎ２ライン、及び酸素発生装置に空気を取り込む分離用空気ラインから分岐して酸素発生装置をバイパスしてＯ２ラインに接続されるバイパスラインの少なくとも一方を有しており、分岐Ｎ２ラインに設けられたＮ２バルブ及びバイパスラインに設けられたバイパスバルブの少なくとも一方による流量制御により、ボイラの酸素燃焼と空気燃焼とを切り替え可能に構成されてなることを特徴としている。
【００１２】
すなわち、例えば排ガス循環ライン或いは排ガス循環ファン等に何らかの不具合が発生したら、Ｎ２バルブ及びバイパスバルブの少なくとも一方を開にして、分岐Ｎ２ラインを流れる窒素ガス及びバイパスラインを流れる空気の少なくとも一方の流量を増加させる。これによれば、いったん分離された窒素ガスを酸素ガスに混合して燃焼用ガスとしてボイラに供給するか、或いは酸素発生装置をバイパスした空気をそのまま燃焼用ガスとしてボイラに供給するので、空気燃焼運転に切り替えることができる。これに加えて、別途空気ライン及び空気送風ファンを設けて空気送風ファンを起動して空気燃焼運転に切り替える場合における、燃焼用ガス（空気）の流量等が空気燃焼運転に適切な条件に達するまでの所定の時間が不要である。したがって、燃料の供給を停止して電力供給も一時的に停止することや、燃料の供給を継続して一時的に燃焼用ガス中の酸素濃度が高まって燃焼温度が上昇してボイラ機器類の損傷を招くことを抑制することができる。
【００１３】
また、本発明のボイラシステムの運用方法は、燃料を燃焼させて蒸気を発生させるボイラから排出される排ガスが通流するダクトに設けられた脱硝装置、予熱器、集塵装置、及び脱硫装置の少なくとも１つ以上を含む排ガス処理系統のいずれかの位置から排ガスの一部を分岐させて、排ガス循環ラインを介して燃料の燃焼用ガスとしてボイラに循環供給するとともに、大気から取り込まれた空気中の窒素と酸素とを分離する酸素発生装置により分離された酸素ガスを燃焼用ガスとしてＯ２ラインを介してボイラに供給するものであって、分離された窒素ガスを排出するＮ２ラインから分岐してＯ２ラインに接続される分岐Ｎ２ラインを通流する窒素ガス、及び大気から空気を取り込む分離用空気ラインから分岐して酸素発生装置をバイパスしてＯ２ラインに接続されるバイパスラインを通流する空気の少なくとも一方の流量制御により、ボイラの酸素燃焼と空気燃焼とを切り替えるものである。
【００１４】
より具体的には、排ガス循環ラインがＯ２ラインに接続されており、この排ガス循環ラインを通流する排ガスとこのＯ２ラインを通流する酸素ガスが混合されて、両ラインの接続部より下流側の燃焼用ガスラインを介してボイラに供給される場合、ボイラの酸素燃焼時にボイラに循環供給される排ガスの通流異常を検出したら、分岐Ｎ２ラインに設けられたＮ２バルブ、及びバイパスラインに設けられたバイパスバルブの少なくとも一方を開とするとともに、燃焼用ガスラインに空気ラインを介して空気を供給する空気送風ファンを起動し、空気送風ファンの負荷があらかじめ設定された値に到達したら、Ｏ２ラインの分岐Ｎ２ラインとの接続部及びバイパスラインとの接続部より上流側に設けられたＯ２バルブと、Ｎ２バルブとを除々に閉とするとともに、空気ラインに設けられた空気バルブを徐々に開とすることにより、ボイラを酸素燃焼から空気燃焼へ切替えるよう構成することができる。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、ボイラシステムを酸素燃焼運転から空気燃焼運転へ切り替える際に、電力供給を安定化させるとともに、ボイラ機器類の損傷を抑制することを課題とする。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本実施形態のボイラシステムの全体構成を示す図である。
【図２】本実施形態のボイラシステムにおける各ガス量、石炭量、ボイラ投入全ガス量、空気送風ファンの負荷、Ｏ２濃度、炉内温度、電力量の推移の一例を示す図である。
【図３】ボイラシステムの酸素燃焼時に運転の継続が困難となった場合に、ボイラ運転を停止し、運転停止後に空気燃焼に切替え、ボイラ運転を復旧する場合の比較例を示す図である。
【図４】従来の酸素燃焼方式ボイラシステムの基本的な構成で、石炭を停止せずに空気燃焼に切替えた場合の比較例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、本発明を適用してなるボイラシステム、及びボイラシステムの運用方法の実施形態を説明する。なお、以下の説明では、同一機能部品については同一符号を付して重複説明を省略する。
【００１８】
図１は、本実施形態のボイラシステムの全体構成を示す図である。図１に示すように、本実施形態のボイラシステム１００は、石炭等の化石燃料を主な燃料として燃料を燃焼させて蒸気を発生させるボイラ１０と、ボイラ１０から排出される排ガスが通流されるダクト１２と、ダクト１２に設けられた排ガス処理系統１４とを備えて構成されている。
【００１９】
主な燃料である石炭は、バンカ１６に貯められており、バンカ１６からフィーダ１８及び燃料搬送ガスライン２０を介してミル２２に供給される。石炭はミル２２で粉砕された後、ウィンドボックス２４内に設けられたバーナ２６を介してボイラ１０に供給され、燃焼用ガスによって燃焼される。排ガス処理系統１４は、ダクト１２を通流する排ガスを処理する脱硝装置、予熱器、集塵装置、排ガスヒーター、脱硫装置等の機器が順次並べて設けられている。ただし、排ガス処理系統１４は、これらの機器の全てが設けられている必要はなく、排ガス処理の用途に応じた機器が適宜設けられていればよい。
【００２０】
また、ボイラシステム１００は、排ガス処理系統１４のいずれかの位置から分岐して排ガスの一部を燃料の燃焼用ガスとして循環させてボイラ１０に供給する排ガス循環ライン２８を備えており、排ガス循環ライン２８には、排ガス循環ライン２８を通流する排ガスの流量を調整可能な排ガスバルブ３０と、排ガスを循環させる排ガス循環ファン３２とが設けられている。
【００２１】
一方、ボイラシステム１００は、大気から取り込まれた空気中の窒素と酸素とを分離する酸素発生装置４０と、酸素発生装置４０で分離された酸素ガスを燃焼用ガスとしてボイラ１０に供給するＯ２ライン４２とを備えている。
【００２２】
酸素発生装置４０は、コンプレッサー４４により大気から取り込まれ分離用空気ライン４６を介して送られた空気中の窒素と酸素とを分離して酸素ガス（高酸素濃度ガス）を生成してＯ２ライン４２へ送る。酸素ガスが分離された窒素ガスは、Ｎ２ライン４８を介して排出されるようになっている。Ｏ２ライン４２には、Ｏ２ライン４２を通流する酸素ガスの流量を調整可能なＯ２バルブ５０が設けられている。
【００２３】
排ガス循環ライン２８はＯ２ライン４２に接続されており、Ｏ２ライン４２を通流する酸素ガスは、排ガス循環ライン２８を通流する排ガスと合流して混合される。その後、混合ガスは、排ガス循環ライン２８とＯ２ライン４２との接続部より下流側の燃焼用ガスライン５２を通流し、ウィンドボックス２４を介してボイラ１０に供給されて燃料を燃焼させる。また、燃焼用ガスライン５２を通流する酸素ガス及び排ガスの混合ガスの一部は燃料搬送ガスライン２０に導かれて燃料を搬送する。
【００２４】
また、ボイラシステム１００は、空気ライン６０を介して燃焼用ガスライン５２に空気を供給する空気送風ファン６２（ＦＤＦ：Ｆｏｒｃｅｄ Ｄｒａｆｔ Ｆａｎ）を備えており、空気ライン６０には、空気ライン６０を通流する空気の流量を調整可能な空気バルブ６４が設けられている。
【００２５】
このように構成される本実施形態のボイラシステムは、いわゆる酸素燃焼方式のボイラシステムである。すなわち、化石燃料を主体とした現在の火力発電システムにおいて、地球温暖化の一因であるＣＯ２の排出削減が求められており、特に、ＣＯ２排出量の多い石炭焚ボイラでは必要不可欠である。石炭焚ボイラにおけるＣＯ２排出削減の技術には、化学吸収法、酸素燃焼法、及び高蒸気条件化（ＵＳＣ）の３方法が知られている。このうち酸素燃焼法は、従来の空気燃焼とは異なり、酸素を酸化剤として使用するとともに排ガスを循環させることで、排ガス中のＮ２をＣＯ２に置換し、ＣＯ２濃度を例えば９０％以上に高める方法であり、ＣＯ２の回収を容易にできる長所を有している。
【００２６】
ところで、酸素燃焼方式のボイラシステムにおいては、酸素燃焼運転と空気燃焼運転とを適切に切り替えることが求められている。つまり、ボイラの酸素燃焼運転時に、例えば排ガス循環ライン２８或いは排ガス循環ファン３２等に何らかの不具合が生じて、酸素燃焼運転の継続が困難となった場合には、酸素燃焼運転から空気燃焼運転へ切り替える必要がある。この場合、ボイラ１０に燃焼用ガスとして空気を供給する空気ライン及び空気送風ファンを別途設けておいて、排ガス循環ライン２８或いは排ガス循環ファン３２等に何らかの不具合が発生したら、空気送風ファンを起動して空気燃焼運転に切り替えることが考えられる。
【００２７】
しかしながら、空気送風ファンを起動してから、燃焼用ガス（空気）の流量等が空気燃焼運転に適切な条件に達するまでには所定の時間が必要である。その間、燃料（例えば石炭）の供給を停止すれば、電力供給も一時的に停止することになり好ましくない。一方、電力供給の停止を避けるため、燃料の供給を継続した場合、一時的に燃焼用ガス中の酸素濃度が高まって、燃焼温度が上昇するから、バーナ、水壁、過熱器、後部伝熱面などのボイラ機器類の損傷を招くおそれがある。
【００２８】
本実施形態のボイラシステムは、この点に鑑みてなされたものであり、ボイラシステムを酸素燃焼運転から空気燃焼運転へ切り替える際に、電力供給を安定化させるとともに、ボイラ機器類の損傷を抑制するものである。以下、本実施形態のボイラシステムの特徴部について説明する。
【００２９】
ボイラシステム１００は、Ｎ２ライン４８から分岐してＯ２ライン４２に接続される分岐Ｎ２ライン７０、及び分離用空気ライン４６から分岐して酸素発生装置４０をバイパスしてＯ２ライン４２に接続されるバイパスライン７２を備えて構成されている、また、分岐Ｎ２ライン７０には、分岐Ｎ２ライン７０を通流する窒素ガスの流量を調整可能なＮ２バルブ７４が設けられており、バイパスライン７２には、バイパスライン７２を通流する空気の流量を調整可能なバイパスバルブ７６が設けられている。なお、本実施形態のボイラシステム１００は、分岐Ｎ２ライン７０及びバイパスライン７２の両方を備えているが、これらの少なくとも一方を備えていればよい。
【００３０】
ボイラシステム１００は、Ｎ２バルブ７４及びバイパスバルブ７６の少なくとも一方による流量制御により、ボイラ１０の酸素燃焼と空気燃焼とを切り替え可能に構成されている。
【００３１】
すなわち、酸素燃焼時には、酸素発生装置４０から供給される高酸素濃度ガスと、排ガス循環ライン２８から供給される排ガスとがボイラ１０の燃焼用ガスとして用いられる。この時、Ｏ２バルブ５０は開、Ｎ２バルブ７４及びバイパスバルブ７６は閉、排ガスバルブ３０は開、空気バルブ６４は閉となっている。
【００３２】
例えば酸素燃焼時に排ガス循環ライン２８に何らかの不具合が発生し、流れる排ガスの流通が停止するなどの異常が発生した場合、排ガス循環ライン２８に設けられている図示していないガス流量センサによりこれを検出する。排ガス循環ライン２８を介して循環供給される排ガスの通流異常が検出されたら、図示していない制御手段が、Ｎ２バルブ７４及びバイパスバルブ７６の少なくとも一方を開とするとともに、空気送風ファン６２を起動する。
【００３３】
そして、空気送風ファン６２の負荷が設定値、例えば１００％に到達したら、Ｏ２バルブ５０及びＮ２バルブ７４を徐々に閉とするとともに、空気バルブ６４を徐々に開とする。最終的には、酸素発生装置４０を停止して、Ｏ２バルブ５０及びＮ２バルブ７４を全閉として、ボイラ１０を酸素燃焼から空気燃焼へ切替える。
【００３４】
以上のように、本実施形態のボイラシステム１００によれば、いったん分離された窒素ガスを酸素ガスに混合して燃焼用ガスとしてボイラ１０に供給するか、或いは酸素発生装置４０をバイパスした空気をそのまま燃焼用ガスとしてボイラ１０に供給できるので、酸素燃焼運転から空気燃焼運転に切り替えることができる。これに加えて、別途設けた空気送風ファン６２を起動して空気燃焼運転に切り替える場合における、燃焼用ガス（空気）の流量等が空気燃焼運転に適切な条件に達するまでの所定の時間が不要である。したがって、燃料の供給を停止して電力供給も一時的に停止することや、燃料の供給を継続して一時的に燃焼用ガス中の酸素濃度が高まって燃焼温度が上昇してボイラ機器類の損傷を招くことを防止することができる。
【００３５】
なお、本実施形態のボイラシステムは、既存の空気燃焼式ボイラシステム、すなわち空気送風ファン６２から供給される空気のみで、ボイラ負荷ほぼ１００％までの必要な燃焼用ガスとしての空気を供給できるようなボイラシステムを基にして、酸素発生装置４０及びこれに関連する構成を設けて、酸素燃焼式ボイラシステムとしても使用できるものを前提としている。
【００３６】
したがって、空気燃焼時の燃焼用ガス供給は、必ずしも空気送風ファン６２で全てをまかなう必要は無く、バイパスライン７２を通り、バイパスバルブ７６によって流量を調節される空気を併用しても良い。また、空気送風ファン６２を省略して、専らバイパスライン７２を通り、バイパスバルブ７６によって流量を調節される空気により空気燃焼運転を行うようにしてもよい。
【００３７】
この場合、例えば排ガス循環ライン２８を介して循環供給される排ガスの通流異常が検出されたら、Ｎ２バルブ７４及びバイパスバルブ７６の少なくとも一方を開にして、分岐Ｎ２ライン７０を流れる窒素ガス及びバイパスライン７２を流れる空気の少なくとも一方の流量を増加させればよい。これによっても、いったん分離された窒素ガスを酸素ガスに混合して燃焼用ガスとしてボイラに供給するか、或いは酸素発生装置をバイパスした空気をそのまま燃焼用ガスとしてボイラに供給するので、空気燃焼運転に切り替えることができる。そして、別途設けた空気送風ファン６２を起動して空気燃焼運転に切り替える場合における、燃焼用ガス（空気）の流量等が空気燃焼運転に適切な条件に達するまでの所定の時間が不要である。したがって、燃料の供給を停止して電力供給も一時的に停止することや、燃料の供給を継続して一時的に燃焼用ガス中の酸素濃度が高まって燃焼温度が上昇してボイラ機器類の損傷を招くことを防止することができる。
【００３８】
以下、本実施形態のボイラシステムと比較例のボイラシステムの経過時間ごとの各ガス量、石炭量、ボイラ投入全ガス量、空気送風ファンの負荷、Ｏ２濃度、炉内温度、電力量の推移について説明する。図２は、本実施形態のボイラシステムにおける各ガス量、石炭量、ボイラ投入全ガス量、Ｏ２濃度、空気送風ファンの負荷、炉内温度、電力量の推移の一例を示す図である。一方、図３，４は、比較例のボイラシステムにおける各ガス量、石炭量、ボイラ投入全ガス量、空気送風ファンの負荷、Ｏ２濃度、炉内温度、電力量の推移の比較例を示す図である。
【００３９】
まず、図２に示すように、本実施形態のボイラシステムにおいて、酸素燃焼時である時刻ｔ０〜ｔ１では、循環ガス量はＶａ、純Ｏ２量はＶｂ、石炭量はＡ１、ボイラ投入全ガス量はＶ１、酸素濃度はＣ１、空気送風ファンは負荷０％、炉内温度はＴ１、電力量はＷ１で運転している。時刻ｔ１において、循環排ガス(ＣＯ２)がストップした場合、直ちにＮ２バルブ７４を開き、Ｏ２を希釈すると同時に、空気送風ファン６２を起動する。
【００４０】
ここで、Ｏ２バルブ５０は開のままであり、空気バルブ６４は閉のままである。一方、不具合が発生した排ガス循環ライン２８に排ガスが流れ込まないように排ガスバルブ３０は閉とする。Ｎ２による希釈量はＯ２濃度が２１％、Ｎ２濃度が７９％になるように設定する。Ｎ２投入により、ボイラ投入全ガス量はＶ１からＶ３へ増加する。Ｏ２流量はＶｂで一定であり、Ｏ２濃度は、Ｃ１から２１%に低下する。炉内温度、電力量はＴ１、Ｗ１である。
【００４１】
時刻ｔ１〜ｔ２では、Ｏ２流量はＶｂ、Ｎ２流量はＶｃ、石炭量はＡ１、酸素濃度はＣ１、炉内温度はＴ１、電力量はＷ１で一定である。空気送風ファン負荷は０から１００％に除々に上昇する。
【００４２】
時刻ｔ２において、空気送風ファン６２の負荷が１００％になったら、酸素発生装置４０による空気燃焼から空気送風ファン６２による空気燃焼へ切替えを行う。時刻ｔ２〜ｔ４では、Ｏ２バルブ５０及びＮ２バルブ７４を徐々に閉とし、反対に空気バルブ６４を徐々に開とすることで、空気送風ファン６２による空気燃焼に切替える。Ｏ２流量はＶｂから０に減少する。Ｎ２もＶｃから０へ減少する。ボイラ投入全ガス量、Ｏ２濃度、炉内温度、電力量はＶ３、２１％、Ｔ１、Ｗ１で一定である。
【００４３】
本実施形態によれば、炉内温度をＴ１で一定に保って火炉の破損を抑制し、かつ、電力量をＷ１で一定に保って電力を安定供給しながら、酸素燃焼から空気燃焼にスムーズに切替えることができる。なお、分岐Ｎ２ライン７０は、燃料搬送ガスライン２０、及び燃焼用ガスライン５２の燃料搬送ガスライン２０の分岐部より上流側に接続することも可能である。また、燃料搬送ガスライン２０、及び燃焼用ガスライン５２の燃料搬送ガスライン２０の分岐部より下流側に接続することも可能である。この場合、Ｎ２の投入位置を変えているが、効果は上述の本実施形態と同じである。なお、図２及び以下で説明する図３，４における時刻ｔ１、ｔ２、ｔ３での各操作に関しては、若干の時間幅があってもよい。また、バイパスライン７２を通流する空気の流量を徐々に増加させていくことでも上述の本実施形態と同様の効果が得られる。
【００４４】
また、酸素燃焼式のボイラシステムでは、通常、空気送風ファン６２は、起動初期のみに用いられるため、設備コスト低減の観点から、例えば５０％負荷（ボイラ）までをまかなう容量のもの、つまり通常の空気燃焼式の空気送風ファンに比べ大幅に小容量化したものが用いられる場合がある。
【００４５】
そのような場合、排ガス循環ライン２８の停止時、空気燃焼に切替えたときの電力量も空気送風ファンの容量による制約を受ける。この点、本実施形態によれば、空気送風ファン６２の他に酸素発生装置４０側からの空気供給を継続することにより、空気燃焼時の電力量が空気送風ファン６２の容量による制約を受けずにすむ。また、空気送風ファン６２を省略したシステムとして、起動時を含む全ての空気燃焼過程を酸素発生装置４０側のみでまかなうようにすることも可能である。
【００４６】
続いて、図３の比較例について説明する。図３は、ボイラシステムの酸素燃焼時に運転の継続が困難となった場合に、ボイラ運転を停止し、運転停止後に空気燃焼に切替え、ボイラ運転を復旧する場合の比較例を示す図である。
【００４７】
酸素燃焼時である時刻ｔ０〜ｔ１では、再循環ガス量はＶａ、純Ｏ２量はＶｂ、石炭量はＡ１、ボイラ投入全ガス量はＶ１、空気送風ファン負荷は０％、酸素濃度はＣ１、炉内温度はＴ１、電力量はＷ１で運転している。
【００４８】
時刻ｔ１において、循環排ガス（ＣＯ２）がストップした場合、Ｏ２バルブ５０を閉とし、Ｏ２を停止すると同時に、フィーダ１８を停止することで石炭供給をストップする。このとき、ボイラ投入全ガス量は０となる。直ちに、空気送風ファン６２を起動し、空気バルブ６４を開き、空気の供給を開始する。Ｏ２供給の停止及び空気投入によりＯ２濃度はＣ１から２１％となる。炉内温度は燃料停止により低下し、電力供給はストップする。
【００４９】
時刻ｔ１〜ｔ２では、循環排ガス量（ＣＯ２）及びＯ２流量は０である。空気送風ファン負荷が０から１００％に増加することで、ボイラ投入ガス量は０からＶ３に増加する。例えば、このときの所要時間は約３０分である。Ｏ２濃度は２１％であり、炉内温度は低下し、電力量は０のままである。
【００５０】
時刻ｔ２において、点火し、石炭を投入する。炉内温度及び電力量は上昇し、時刻ｔ３において、炉内温度はＴ１、電力量はＷ１となり、完全復旧する。酸素燃焼時に不具合が起こり、電力供給を一時的にストップすることは、電力の安定供給という観点から問題である。このため、酸素燃焼運転の継続が困難となった場合に、石炭を停止せずに酸素燃焼から空気燃焼に切替えることが求められる。
【００５１】
続いて、図４の比較例について説明する。図４は、従来の酸素燃焼方式ボイラシステムの基本的な構成で、石炭を停止せずに空気燃焼に切替えた場合の比較例を示す図である。
【００５２】
酸素燃焼時である時刻ｔ０〜ｔ１では、循環ガス量はＶａ、純Ｏ２量はＶｂ、石炭量はＡ１、ボイラ投入全ガス量はＶ１、空気送風ファン負荷は０％、酸素濃度はＣ１、炉内温度はＴ１、電力量はＷ１で運転している。時刻ｔ１において、循環排ガス（ＣＯ２）がストップした場合、直ちに空気送風ファン６２を起動し、空気バルブ６４を開き、空気の供給を開始する。石炭量はＡ１で一定であるが、ボイラ投入全ガス量はＶ１からＶ２へ急減する。逆にＯ２濃度は、Ｃ１から１００％近傍まで急上昇する。
【００５３】
時刻ｔ１〜ｔ２では、循環排ガス量（ＣＯ２）は０であり、Ｏ２バルブ５０を徐々に閉とすることで、Ｏ２流量は減少する。ボイラ投入全ガス量はＶ２からＶ３へ増加するが、途中に低流量領域が発生する。また、Ｏ２濃度は１００％近傍から２１％まで徐々に減少するが、途中に高Ｏ２濃度領域が発生する。
【００５４】
これにより、炉内温度はＴ１からＴ２に急上昇し、Ｔ２＞Ｔｍａｘ（限界温度：例えば２０００℃以上）となるため火炉の各部（バーナ、水壁、過熱器、後部伝面等）が破損するおそれがある。
【００５５】
これに対して本実施形態のボイラシステム及びその運用方法によれば、図２に示すように、電力量はＷ１で一定であり、電力を安定して供給することができる。また、Ｏ２濃度が１００％近傍まで急上昇せず炉内温度が急上昇することもないので、火炉の各部（バーナ、水壁、過熱器、後部伝面等）が破損することを防止することができる。
【符号の説明】
【００５６】
１０ ボイラ
１２ ダクト
１４ 排ガス処理系統
２８ 排ガス循環ライン
３０ 排ガスバルブ
３２ 排ガス循環ファン
４０ 酸素発生装置
４２ Ｏ２ライン
４６ 分離用空気ライン
４８ Ｎ２ライン
５０ Ｏ２バルブ
５２ 燃焼用ガスライン
６０ 空気ライン
６２ 空気送風ファン
６４ 空気バルブ
７０ 分岐Ｎ２ライン
７２ バイパスライン
７４ Ｎ２バルブ
７６ バイパスバルブ
１００ ボイラシステム
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ボイラシステム及びボイラシステムの運用方法に係り、例えば石炭等の化石燃料を主な燃料とする火力発電用のボイラシステムにおいて、ボイラの燃焼方式を酸素燃焼方式と空気燃焼方式とで切り替える技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
石炭等の化石燃料を主な燃料とする火力発電用のボイラシステムとして、例えば特許文献１に記載されているように、酸素燃焼方式のボイラシステムが知られている。
【０００３】
酸素燃焼方式のボイラシステムは、酸素分離装置を用いて空気中から酸素を分離して酸素ガスを生成し、生成された酸素ガスを燃料の燃焼用ガスとしてボイラに供給する一方、ボイラから排出された排ガスを循環させて燃焼用ガスとしてボイラに供給するものである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００７−１４７１６２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、上記の特許文献１等の従来技術は、ボイラの酸素燃焼運転と空気燃焼運転とを適切に切り替えることについて考慮されていない。
【０００６】
すなわち、例えばボイラの酸素燃焼運転時に、排ガスを循環させる排ガス循環ライン或いは排ガスを循環させる排ガス循環ファン等に何らかの不具合が生じて酸素燃焼運転の継続が困難となった場合には、酸素燃焼運転から空気燃焼運転へ切り替える必要がある。
【０００７】
この場合、ボイラに燃焼用ガスとして空気を供給する空気ライン及び空気送風ファンを別途設けておいて、排ガス循環ライン或いは排ガス循環ファン等に何らかの不具合が発生したら、空気送風ファンを起動して空気燃焼運転に切り替えることが考えられる。
【０００８】
しかしながら、空気送風ファンを起動してから、燃焼用ガス（空気）の流量等が空気燃焼運転に適切な条件に達するまでには所定の時間が必要である。その間、燃料（例えば石炭）の供給を停止すれば、電力供給も一時的に停止することになり好ましくない。一方、電力供給の停止を避けるため、燃料の供給を継続した場合、一時的に燃焼用ガス中の酸素濃度が高まって、燃焼温度が上昇するから、バーナ、水壁、過熱器、後部伝熱面などのボイラ機器類の損傷を招くおそれがある。
【０００９】
そこで本発明は、ボイラシステムを酸素燃焼運転から空気燃焼運転へ切り替える際に、電力供給を安定化させるとともに、ボイラ機器類の損傷を抑制することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明のボイラシステムは、燃料を燃焼させて蒸気を発生させるボイラと、このボイラから排出される排ガスが通流されるダクトと、このダクトに設けられた脱硝装置、予熱器、集塵装置、及び脱硫装置の少なくとも１つ以上を含む排ガス処理系統と、この排ガス処理系統のいずれかの位置から分岐して排ガスの一部を燃料の燃焼用ガスとして循環させてボイラに供給する排ガス循環ラインと、大気から取り込まれた空気中の窒素と酸素とを分離する酸素発生装置と、この酸素発生装置で分離された酸素ガスを燃焼用ガスとしてボイラに供給するＯ２ラインとを備えて構成される。
【００１１】
そして、上記課題を解決するため、酸素発生装置で分離された窒素ガスを排出するＮ２ラインから分岐してＯ２ラインに接続される分岐Ｎ２ライン、及び酸素発生装置に空気を取り込む分離用空気ラインから分岐して酸素発生装置をバイパスしてＯ２ラインに接続されるバイパスラインの少なくとも一方を有しており、分岐Ｎ２ラインに設けられたＮ２バルブ及びバイパスラインに設けられたバイパスバルブの少なくとも一方による流量制御により、ボイラの酸素燃焼と空気燃焼とを切り替え可能に構成されてなることを特徴としている。
【００１２】
すなわち、例えば排ガス循環ライン或いは排ガス循環ファン等に何らかの不具合が発生したら、Ｎ２バルブ及びバイパスバルブの少なくとも一方を開にして、分岐Ｎ２ラインを流れる窒素ガス及びバイパスラインを流れる空気の少なくとも一方の流量を増加させる。これによれば、いったん分離された窒素ガスを酸素ガスに混合して燃焼用ガスとしてボイラに供給するか、或いは酸素発生装置をバイパスした空気をそのまま燃焼用ガスとしてボイラに供給するので、空気燃焼運転に切り替えることができる。これに加えて、別途空気ライン及び空気送風ファンを設けて空気送風ファンを起動して空気燃焼運転に切り替える場合における、燃焼用ガス（空気）の流量等が空気燃焼運転に適切な条件に達するまでの所定の時間が不要である。したがって、燃料の供給を停止して電力供給も一時的に停止することや、燃料の供給を継続して一時的に燃焼用ガス中の酸素濃度が高まって燃焼温度が上昇してボイラ機器類の損傷を招くことを抑制することができる。
【００１３】
また、本発明のボイラシステムの運用方法は、燃料を燃焼させて蒸気を発生させるボイラから排出される排ガスが通流するダクトに設けられた脱硝装置、予熱器、集塵装置、及び脱硫装置の少なくとも１つ以上を含む排ガス処理系統のいずれかの位置から排ガスの一部を分岐させて、排ガス循環ラインを介して燃料の燃焼用ガスとしてボイラに循環供給するとともに、大気から取り込まれた空気中の窒素と酸素とを分離する酸素発生装置により分離された酸素ガスを燃焼用ガスとしてＯ２ラインを介してボイラに供給するものであって、分離された窒素ガスを排出するＮ２ラインから分岐してＯ２ラインに接続される分岐Ｎ２ラインを通流する窒素ガス、及び大気から空気を取り込む分離用空気ラインから分岐して酸素発生装置をバイパスしてＯ２ラインに接続されるバイパスラインを通流する空気の少なくとも一方の流量制御により、ボイラの酸素燃焼と空気燃焼とを切り替えるものである。
【００１４】
より具体的には、排ガス循環ラインがＯ２ラインに接続されており、この排ガス循環ラインを通流する排ガスとこのＯ２ラインを通流する酸素ガスが混合されて、両ラインの接続部より下流側の燃焼用ガスラインを介してボイラに供給される場合、ボイラの酸素燃焼時にボイラに循環供給される排ガスの通流異常を検出したら、分岐Ｎ２ラインに設けられたＮ２バルブ、及びバイパスラインに設けられたバイパスバルブの少なくとも一方を開とするとともに、燃焼用ガスラインに空気ラインを介して空気を供給する空気送風ファンを起動し、空気送風ファンの負荷があらかじめ設定された値に到達したら、Ｏ２ラインの分岐Ｎ２ラインとの接続部及びバイパスラインとの接続部より上流側に設けられたＯ２バルブと、Ｎ２バルブとを除々に閉とするとともに、空気ラインに設けられた空気バルブを徐々に開とすることにより、ボイラを酸素燃焼から空気燃焼へ切替えるよう構成することができる。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、ボイラシステムを酸素燃焼運転から空気燃焼運転へ切り替える際に、電力供給を安定化させるとともに、ボイラ機器類の損傷を抑制することを課題とする。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本実施形態のボイラシステムの全体構成を示す図である。
【図２】本実施形態のボイラシステムにおける各ガス量、石炭量、ボイラ投入全ガス量、空気送風ファンの負荷、Ｏ２濃度、炉内温度、電力量の推移の一例を示す図である。
【図３】ボイラシステムの酸素燃焼時に運転の継続が困難となった場合に、ボイラ運転を停止し、運転停止後に空気燃焼に切替え、ボイラ運転を復旧する場合の比較例を示す図である。
【図４】従来の酸素燃焼方式ボイラシステムの基本的な構成で、石炭を停止せずに空気燃焼に切替えた場合の比較例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、本発明を適用してなるボイラシステム、及びボイラシステムの運用方法の実施形態を説明する。なお、以下の説明では、同一機能部品については同一符号を付して重複説明を省略する。
【００１８】
図１は、本実施形態のボイラシステムの全体構成を示す図である。図１に示すように、本実施形態のボイラシステム１００は、石炭等の化石燃料を主な燃料として燃料を燃焼させて蒸気を発生させるボイラ１０と、ボイラ１０から排出される排ガスが通流されるダクト１２と、ダクト１２に設けられた排ガス処理系統１４とを備えて構成されている。
【００１９】
主な燃料である石炭は、バンカ１６に貯められており、バンカ１６からフィーダ１８及び燃料搬送ガスライン２０を介してミル２２に供給される。石炭はミル２２で粉砕された後、ウィンドボックス２４内に設けられたバーナ２６を介してボイラ１０に供給され、燃焼用ガスによって燃焼される。排ガス処理系統１４は、ダクト１２を通流する排ガスを処理する脱硝装置、予熱器、集塵装置、排ガスヒーター、脱硫装置等の機器が順次並べて設けられている。ただし、排ガス処理系統１４は、これらの機器の全てが設けられている必要はなく、排ガス処理の用途に応じた機器が適宜設けられていればよい。
【００２０】
また、ボイラシステム１００は、排ガス処理系統１４のいずれかの位置から分岐して排ガスの一部を燃料の燃焼用ガスとして循環させてボイラ１０に供給する排ガス循環ライン２８を備えており、排ガス循環ライン２８には、排ガス循環ライン２８を通流する排ガスの流量を調整可能な排ガスバルブ３０と、排ガスを循環させる排ガス循環ファン３２とが設けられている。
【００２１】
一方、ボイラシステム１００は、大気から取り込まれた空気中の窒素と酸素とを分離する酸素発生装置４０と、酸素発生装置４０で分離された酸素ガスを燃焼用ガスとしてボイラ１０に供給するＯ２ライン４２とを備えている。
【００２２】
酸素発生装置４０は、コンプレッサー４４により大気から取り込まれ分離用空気ライン４６を介して送られた空気中の窒素と酸素とを分離して酸素ガス（高酸素濃度ガス）を生成してＯ２ライン４２へ送る。酸素ガスが分離された窒素ガスは、Ｎ２ライン４８を介して排出されるようになっている。Ｏ２ライン４２には、Ｏ２ライン４２を通流する酸素ガスの流量を調整可能なＯ２バルブ５０が設けられている。
【００２３】
排ガス循環ライン２８はＯ２ライン４２に接続されており、Ｏ２ライン４２を通流する酸素ガスは、排ガス循環ライン２８を通流する排ガスと合流して混合される。その後、混合ガスは、排ガス循環ライン２８とＯ２ライン４２との接続部より下流側の燃焼用ガスライン５２を通流し、ウィンドボックス２４を介してボイラ１０に供給されて燃料を燃焼させる。また、燃焼用ガスライン５２を通流する酸素ガス及び排ガスの混合ガスの一部は燃料搬送ガスライン２０に導かれて燃料を搬送する。
【００２４】
また、ボイラシステム１００は、空気ライン６０を介して燃焼用ガスライン５２に空気を供給する空気送風ファン６２（ＦＤＦ：Ｆｏｒｃｅｄ Ｄｒａｆｔ Ｆａｎ）を備えており、空気ライン６０には、空気ライン６０を通流する空気の流量を調整可能な空気バルブ６４が設けられている。
【００２５】
このように構成される本実施形態のボイラシステムは、いわゆる酸素燃焼方式のボイラシステムである。すなわち、化石燃料を主体とした現在の火力発電システムにおいて、地球温暖化の一因であるＣＯ２の排出削減が求められており、特に、ＣＯ２排出量の多い石炭焚ボイラでは必要不可欠である。石炭焚ボイラにおけるＣＯ２排出削減の技術には、化学吸収法、酸素燃焼法、及び高蒸気条件化（ＵＳＣ）の３方法が知られている。このうち酸素燃焼法は、従来の空気燃焼とは異なり、酸素を酸化剤として使用するとともに排ガスを循環させることで、排ガス中のＮ２をＣＯ２に置換し、ＣＯ２濃度を例えば９０％以上に高める方法であり、ＣＯ２の回収を容易にできる長所を有している。
【００２６】
ところで、酸素燃焼方式のボイラシステムにおいては、酸素燃焼運転と空気燃焼運転とを適切に切り替えることが求められている。つまり、ボイラの酸素燃焼運転時に、例えば排ガス循環ライン２８或いは排ガス循環ファン３２等に何らかの不具合が生じて、酸素燃焼運転の継続が困難となった場合には、酸素燃焼運転から空気燃焼運転へ切り替える必要がある。この場合、ボイラ１０に燃焼用ガスとして空気を供給する空気ライン及び空気送風ファンを別途設けておいて、排ガス循環ライン２８或いは排ガス循環ファン３２等に何らかの不具合が発生したら、空気送風ファンを起動して空気燃焼運転に切り替えることが考えられる。
【００２７】
しかしながら、空気送風ファンを起動してから、燃焼用ガス（空気）の流量等が空気燃焼運転に適切な条件に達するまでには所定の時間が必要である。その間、燃料（例えば石炭）の供給を停止すれば、電力供給も一時的に停止することになり好ましくない。一方、電力供給の停止を避けるため、燃料の供給を継続した場合、一時的に燃焼用ガス中の酸素濃度が高まって、燃焼温度が上昇するから、バーナ、水壁、過熱器、後部伝熱面などのボイラ機器類の損傷を招くおそれがある。
【００２８】
本実施形態のボイラシステムは、この点に鑑みてなされたものであり、ボイラシステムを酸素燃焼運転から空気燃焼運転へ切り替える際に、電力供給を安定化させるとともに、ボイラ機器類の損傷を抑制するものである。以下、本実施形態のボイラシステムの特徴部について説明する。
【００２９】
ボイラシステム１００は、Ｎ２ライン４８から分岐してＯ２ライン４２に接続される分岐Ｎ２ライン７０、及び分離用空気ライン４６から分岐して酸素発生装置４０をバイパスしてＯ２ライン４２に接続されるバイパスライン７２を備えて構成されている、また、分岐Ｎ２ライン７０には、分岐Ｎ２ライン７０を通流する窒素ガスの流量を調整可能なＮ２バルブ７４が設けられており、バイパスライン７２には、バイパスライン７２を通流する空気の流量を調整可能なバイパスバルブ７６が設けられている。なお、本実施形態のボイラシステム１００は、分岐Ｎ２ライン７０及びバイパスライン７２の両方を備えているが、これらの少なくとも一方を備えていればよい。
【００３０】
ボイラシステム１００は、Ｎ２バルブ７４及びバイパスバルブ７６の少なくとも一方による流量制御により、ボイラ１０の酸素燃焼と空気燃焼とを切り替え可能に構成されている。
【００３１】
すなわち、酸素燃焼時には、酸素発生装置４０から供給される高酸素濃度ガスと、排ガス循環ライン２８から供給される排ガスとがボイラ１０の燃焼用ガスとして用いられる。この時、Ｏ２バルブ５０は開、Ｎ２バルブ７４及びバイパスバルブ７６は閉、排ガスバルブ３０は開、空気バルブ６４は閉となっている。
【００３２】
例えば酸素燃焼時に排ガス循環ライン２８に何らかの不具合が発生し、流れる排ガスの流通が停止するなどの異常が発生した場合、排ガス循環ライン２８に設けられている図示していないガス流量センサによりこれを検出する。排ガス循環ライン２８を介して循環供給される排ガスの通流異常が検出されたら、図示していない制御手段が、Ｎ２バルブ７４及びバイパスバルブ７６の少なくとも一方を開とするとともに、空気送風ファン６２を起動する。
【００３３】
そして、空気送風ファン６２の負荷が設定値、例えば１００％に到達したら、Ｏ２バルブ５０及びＮ２バルブ７４を徐々に閉とするとともに、空気バルブ６４を徐々に開とする。最終的には、酸素発生装置４０を停止して、Ｏ２バルブ５０及びＮ２バルブ７４を全閉として、ボイラ１０を酸素燃焼から空気燃焼へ切替える。
【００３４】
以上のように、本実施形態のボイラシステム１００によれば、いったん分離された窒素ガスを酸素ガスに混合して燃焼用ガスとしてボイラ１０に供給するか、或いは酸素発生装置４０をバイパスした空気をそのまま燃焼用ガスとしてボイラ１０に供給できるので、酸素燃焼運転から空気燃焼運転に切り替えることができる。これに加えて、別途設けた空気送風ファン６２を起動して空気燃焼運転に切り替える場合における、燃焼用ガス（空気）の流量等が空気燃焼運転に適切な条件に達するまでの所定の時間が不要である。したがって、燃料の供給を停止して電力供給も一時的に停止することや、燃料の供給を継続して一時的に燃焼用ガス中の酸素濃度が高まって燃焼温度が上昇してボイラ機器類の損傷を招くことを防止することができる。
【００３５】
なお、本実施形態のボイラシステムは、既存の空気燃焼式ボイラシステム、すなわち空気送風ファン６２から供給される空気のみで、ボイラ負荷ほぼ１００％までの必要な燃焼用ガスとしての空気を供給できるようなボイラシステムを基にして、酸素発生装置４０及びこれに関連する構成を設けて、酸素燃焼式ボイラシステムとしても使用できるものを前提としている。
【００３６】
したがって、空気燃焼時の燃焼用ガス供給は、必ずしも空気送風ファン６２で全てをまかなう必要は無く、バイパスライン７２を通り、バイパスバルブ７６によって流量を調節される空気を併用しても良い。また、空気送風ファン６２を省略して、専らバイパスライン７２を通り、バイパスバルブ７６によって流量を調節される空気により空気燃焼運転を行うようにしてもよい。
【００３７】
この場合、例えば排ガス循環ライン２８を介して循環供給される排ガスの通流異常が検出されたら、Ｎ２バルブ７４及びバイパスバルブ７６の少なくとも一方を開にして、分岐Ｎ２ライン７０を流れる窒素ガス及びバイパスライン７２を流れる空気の少なくとも一方の流量を増加させればよい。これによっても、いったん分離された窒素ガスを酸素ガスに混合して燃焼用ガスとしてボイラに供給するか、或いは酸素発生装置をバイパスした空気をそのまま燃焼用ガスとしてボイラに供給するので、空気燃焼運転に切り替えることができる。そして、別途設けた空気送風ファン６２を起動して空気燃焼運転に切り替える場合における、燃焼用ガス（空気）の流量等が空気燃焼運転に適切な条件に達するまでの所定の時間が不要である。したがって、燃料の供給を停止して電力供給も一時的に停止することや、燃料の供給を継続して一時的に燃焼用ガス中の酸素濃度が高まって燃焼温度が上昇してボイラ機器類の損傷を招くことを防止することができる。
【００３８】
以下、本実施形態のボイラシステムと比較例のボイラシステムの経過時間ごとの各ガス量、石炭量、ボイラ投入全ガス量、空気送風ファンの負荷、Ｏ２濃度、炉内温度、電力量の推移について説明する。図２は、本実施形態のボイラシステムにおける各ガス量、石炭量、ボイラ投入全ガス量、Ｏ２濃度、空気送風ファンの負荷、炉内温度、電力量の推移の一例を示す図である。一方、図３，４は、比較例のボイラシステムにおける各ガス量、石炭量、ボイラ投入全ガス量、空気送風ファンの負荷、Ｏ２濃度、炉内温度、電力量の推移の比較例を示す図である。
【００３９】
まず、図２に示すように、本実施形態のボイラシステムにおいて、酸素燃焼時である時刻ｔ０〜ｔ１では、循環ガス量はＶａ、純Ｏ２量はＶｂ、石炭量はＡ１、ボイラ投入全ガス量はＶ１、酸素濃度はＣ１、空気送風ファンは負荷０％、炉内温度はＴ１、電力量はＷ１で運転している。時刻ｔ１において、循環排ガス(ＣＯ２)がストップした場合、直ちにＮ２バルブ７４を開き、Ｏ２を希釈すると同時に、空気送風ファン６２を起動する。
【００４０】
ここで、Ｏ２バルブ５０は開のままであり、空気バルブ６４は閉のままである。一方、不具合が発生した排ガス循環ライン２８に排ガスが流れ込まないように排ガスバルブ３０は閉とする。Ｎ２による希釈量はＯ２濃度が２１％、Ｎ２濃度が７９％になるように設定する。Ｎ２投入により、ボイラ投入全ガス量はＶ１からＶ３へ増加する。Ｏ２流量はＶｂで一定であり、Ｏ２濃度は、Ｃ１から２１%に低下する。炉内温度、電力量はＴ１、Ｗ１である。
【００４１】
時刻ｔ１〜ｔ２では、Ｏ２流量はＶｂ、Ｎ２流量はＶｃ、石炭量はＡ１、酸素濃度はＣ１、炉内温度はＴ１、電力量はＷ１で一定である。空気送風ファン負荷は０から１００％に除々に上昇する。
【００４２】
時刻ｔ２において、空気送風ファン６２の負荷が１００％になったら、酸素発生装置４０による空気燃焼から空気送風ファン６２による空気燃焼へ切替えを行う。時刻ｔ２〜ｔ４では、Ｏ２バルブ５０及びＮ２バルブ７４を徐々に閉とし、反対に空気バルブ６４を徐々に開とすることで、空気送風ファン６２による空気燃焼に切替える。Ｏ２流量はＶｂから０に減少する。Ｎ２もＶｃから０へ減少する。ボイラ投入全ガス量、Ｏ２濃度、炉内温度、電力量はＶ３、２１％、Ｔ１、Ｗ１で一定である。
【００４３】
本実施形態によれば、炉内温度をＴ１で一定に保って火炉の破損を抑制し、かつ、電力量をＷ１で一定に保って電力を安定供給しながら、酸素燃焼から空気燃焼にスムーズに切替えることができる。なお、分岐Ｎ２ライン７０は、燃料搬送ガスライン２０、及び燃焼用ガスライン５２の燃料搬送ガスライン２０の分岐部より上流側に接続することも可能である。また、燃料搬送ガスライン２０、及び燃焼用ガスライン５２の燃料搬送ガスライン２０の分岐部より下流側に接続することも可能である。この場合、Ｎ２の投入位置を変えているが、効果は上述の本実施形態と同じである。なお、図２及び以下で説明する図３，４における時刻ｔ１、ｔ２、ｔ３での各操作に関しては、若干の時間幅があってもよい。また、バイパスライン７２を通流する空気の流量を徐々に増加させていくことでも上述の本実施形態と同様の効果が得られる。
【００４４】
また、酸素燃焼式のボイラシステムでは、通常、空気送風ファン６２は、起動初期のみに用いられるため、設備コスト低減の観点から、例えば５０％負荷（ボイラ）までをまかなう容量のもの、つまり通常の空気燃焼式の空気送風ファンに比べ大幅に小容量化したものが用いられる場合がある。
【００４５】
そのような場合、排ガス循環ライン２８の停止時、空気燃焼に切替えたときの電力量も空気送風ファンの容量による制約を受ける。この点、本実施形態によれば、空気送風ファン６２の他に酸素発生装置４０側からの空気供給を継続することにより、空気燃焼時の電力量が空気送風ファン６２の容量による制約を受けずにすむ。また、空気送風ファン６２を省略したシステムとして、起動時を含む全ての空気燃焼過程を酸素発生装置４０側のみでまかなうようにすることも可能である。
【００４６】
続いて、図３の比較例について説明する。図３は、ボイラシステムの酸素燃焼時に運転の継続が困難となった場合に、ボイラ運転を停止し、運転停止後に空気燃焼に切替え、ボイラ運転を復旧する場合の比較例を示す図である。
【００４７】
酸素燃焼時である時刻ｔ０〜ｔ１では、再循環ガス量はＶａ、純Ｏ２量はＶｂ、石炭量はＡ１、ボイラ投入全ガス量はＶ１、空気送風ファン負荷は０％、酸素濃度はＣ１、炉内温度はＴ１、電力量はＷ１で運転している。
【００４８】
時刻ｔ１において、循環排ガス（ＣＯ２）がストップした場合、Ｏ２バルブ５０を閉とし、Ｏ２を停止すると同時に、フィーダ１８を停止することで石炭供給をストップする。このとき、ボイラ投入全ガス量は０となる。直ちに、空気送風ファン６２を起動し、空気バルブ６４を開き、空気の供給を開始する。Ｏ２供給の停止及び空気投入によりＯ２濃度はＣ１から２１％となる。炉内温度は燃料停止により低下し、電力供給はストップする。
【００４９】
時刻ｔ１〜ｔ２では、循環排ガス量（ＣＯ２）及びＯ２流量は０である。空気送風ファン負荷が０から１００％に増加することで、ボイラ投入ガス量は０からＶ３に増加する。例えば、このときの所要時間は約３０分である。Ｏ２濃度は２１％であり、炉内温度は低下し、電力量は０のままである。
【００５０】
時刻ｔ２において、点火し、石炭を投入する。炉内温度及び電力量は上昇し、時刻ｔ３において、炉内温度はＴ１、電力量はＷ１となり、完全復旧する。酸素燃焼時に不具合が起こり、電力供給を一時的にストップすることは、電力の安定供給という観点から問題である。このため、酸素燃焼運転の継続が困難となった場合に、石炭を停止せずに酸素燃焼から空気燃焼に切替えることが求められる。
【００５１】
続いて、図４の比較例について説明する。図４は、従来の酸素燃焼方式ボイラシステムの基本的な構成で、石炭を停止せずに空気燃焼に切替えた場合の比較例を示す図である。
【００５２】
酸素燃焼時である時刻ｔ０〜ｔ１では、循環ガス量はＶａ、純Ｏ２量はＶｂ、石炭量はＡ１、ボイラ投入全ガス量はＶ１、空気送風ファン負荷は０％、酸素濃度はＣ１、炉内温度はＴ１、電力量はＷ１で運転している。時刻ｔ１において、循環排ガス（ＣＯ２）がストップした場合、直ちに空気送風ファン６２を起動し、空気バルブ６４を開き、空気の供給を開始する。石炭量はＡ１で一定であるが、ボイラ投入全ガス量はＶ１からＶ２へ急減する。逆にＯ２濃度は、Ｃ１から１００％近傍まで急上昇する。
【００５３】
時刻ｔ１〜ｔ２では、循環排ガス量（ＣＯ２）は０であり、Ｏ２バルブ５０を徐々に閉とすることで、Ｏ２流量は減少する。ボイラ投入全ガス量はＶ２からＶ３へ増加するが、途中に低流量領域が発生する。また、Ｏ２濃度は１００％近傍から２１％まで徐々に減少するが、途中に高Ｏ２濃度領域が発生する。
【００５４】
これにより、炉内温度はＴ１からＴ２に急上昇し、Ｔ２＞Ｔｍａｘ（限界温度：例えば２０００℃以上）となるため火炉の各部（バーナ、水壁、過熱器、後部伝面等）が破損するおそれがある。
【００５５】
これに対して本実施形態のボイラシステム及びその運用方法によれば、図２に示すように、電力量はＷ１で一定であり、電力を安定して供給することができる。また、Ｏ２濃度が１００％近傍まで急上昇せず炉内温度が急上昇することもないので、火炉の各部（バーナ、水壁、過熱器、後部伝面等）が破損することを防止することができる。
【符号の説明】
【００５６】
１０ ボイラ
１２ ダクト
１４ 排ガス処理系統
２８ 排ガス循環ライン
３０ 排ガスバルブ
３２ 排ガス循環ファン
４０ 酸素発生装置
４２ Ｏ２ライン
４６ 分離用空気ライン
４８ Ｎ２ライン
５０ Ｏ２バルブ
５２ 燃焼用ガスライン
６０ 空気ライン
６２ 空気送風ファン
６４ 空気バルブ
７０ 分岐Ｎ２ライン
７２ バイパスライン
７４ Ｎ２バルブ
７６ バイパスバルブ
１００ ボイラシステム
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料を燃焼させて蒸気を発生させるボイラと、該ボイラから排出される排ガスが通流されるダクトと、該ダクトに設けられた脱硝装置、予熱器、集塵装置、及び脱硫装置の少なくとも１つ以上を含む排ガス処理系統と、該排ガス処理系統のいずれかの位置から分岐して前記排ガスの一部を前記燃料の燃焼用ガスとして循環させて前記ボイラに供給する排ガス循環ラインと、大気から取り込まれた空気中の窒素と酸素とを分離する酸素発生装置と、該酸素発生装置で分離された酸素ガスを前記燃焼用ガスとして前記ボイラに供給するＯ２ラインとを備えてなるボイラシステムであって、
前記酸素発生装置で分離された窒素ガスを排出するＮ２ラインから分岐して前記Ｏ２ラインに接続される分岐Ｎ２ライン、及び前記酸素発生装置に空気を取り込む分離用空気ラインから分岐して前記酸素発生装置をバイパスして前記Ｏ２ラインに接続されるバイパスラインの少なくとも一方を有し、
前記分岐Ｎ２ラインに設けられたＮ２バルブ及び前記バイパスラインに設けられたバイパスバルブの少なくとも一方による流量制御により、前記ボイラの酸素燃焼と空気燃焼とを切り替え可能に構成されてなるボイラシステム。
【請求項２】
燃料を燃焼させて蒸気を発生させるボイラから排出される排ガスが通流するダクトに設けられた脱硝装置、予熱器、集塵装置、及び脱硫装置の少なくとも１つ以上を含む排ガス処理系統のいずれかの位置から前記排ガスの一部を分岐させて、排ガス循環ラインを介して前記燃料の燃焼用ガスとして前記ボイラに循環供給するとともに、大気から取り込まれた空気中の窒素と酸素とを分離する酸素発生装置により分離された酸素ガスを前記燃焼用ガスとしてＯ２ラインを介して前記ボイラに供給するボイラシステムの運用方法であって、
前記分離された窒素ガスを排出するＮ２ラインから分岐して前記Ｏ２ラインに接続される分岐Ｎ２ラインを通流する窒素ガス、及び前記大気から空気を取り込む分離用空気ラインから分岐して前記酸素発生装置をバイパスして前記Ｏ２ラインに接続されるバイパスラインを通流する空気の少なくとも一方の流量制御により、前記ボイラの酸素燃焼と空気燃焼とを切り替えるボイラシステムの運用方法。
【請求項３】
請求項２のボイラシステムの運用方法において、
前記排ガス循環ラインは前記Ｏ２ラインに接続されており、該排ガス循環ラインを通流する排ガスと該Ｏ２ラインを通流する酸素ガスは混合されて、両ラインの接続部より下流側の燃焼用ガスラインを介して前記ボイラに供給され、
前記ボイラの酸素燃焼時に前記ボイラに循環供給される排ガスの通流異常を検出したら、
前記分岐Ｎ２ラインに設けられたＮ２バルブ、及び前記バイパスラインに設けられたバイパスバルブの少なくとも一方を開とするとともに、前記燃焼用ガスラインに空気ラインを介して空気を供給する空気送風ファンを起動し、
前記空気送風ファンの負荷があらかじめ設定された値に到達したら、
前記Ｏ２ラインの前記分岐Ｎ２ラインとの接続部及び前記バイパスラインとの接続部より上流側に設けられたＯ２バルブと、前記Ｎ２バルブとを除々に閉とするとともに、前記空気ラインに設けられた空気バルブを徐々に開とすることにより、
前記ボイラを酸素燃焼から空気燃焼へ切替えるボイラシステムの運用方法。
【請求項１】
燃料を燃焼させて蒸気を発生させるボイラと、該ボイラから排出される排ガスが通流されるダクトと、該ダクトに設けられた脱硝装置、予熱器、集塵装置、及び脱硫装置の少なくとも１つ以上を含む排ガス処理系統と、該排ガス処理系統のいずれかの位置から分岐して前記排ガスの一部を前記燃料の燃焼用ガスとして循環させて前記ボイラに供給する排ガス循環ラインと、大気から取り込まれた空気中の窒素と酸素とを分離する酸素発生装置と、該酸素発生装置で分離された酸素ガスを前記燃焼用ガスとして前記ボイラに供給するＯ２ラインとを備えてなるボイラシステムであって、
前記酸素発生装置で分離された窒素ガスを排出するＮ２ラインから分岐して前記Ｏ２ラインに接続される分岐Ｎ２ライン、及び前記酸素発生装置に空気を取り込む分離用空気ラインから分岐して前記酸素発生装置をバイパスして前記Ｏ２ラインに接続されるバイパスラインの少なくとも一方を有し、
前記分岐Ｎ２ラインに設けられたＮ２バルブ及び前記バイパスラインに設けられたバイパスバルブの少なくとも一方による流量制御により、前記ボイラの酸素燃焼と空気燃焼とを切り替え可能に構成されてなるボイラシステム。
【請求項２】
燃料を燃焼させて蒸気を発生させるボイラから排出される排ガスが通流するダクトに設けられた脱硝装置、予熱器、集塵装置、及び脱硫装置の少なくとも１つ以上を含む排ガス処理系統のいずれかの位置から前記排ガスの一部を分岐させて、排ガス循環ラインを介して前記燃料の燃焼用ガスとして前記ボイラに循環供給するとともに、大気から取り込まれた空気中の窒素と酸素とを分離する酸素発生装置により分離された酸素ガスを前記燃焼用ガスとしてＯ２ラインを介して前記ボイラに供給するボイラシステムの運用方法であって、
前記分離された窒素ガスを排出するＮ２ラインから分岐して前記Ｏ２ラインに接続される分岐Ｎ２ラインを通流する窒素ガス、及び前記大気から空気を取り込む分離用空気ラインから分岐して前記酸素発生装置をバイパスして前記Ｏ２ラインに接続されるバイパスラインを通流する空気の少なくとも一方の流量制御により、前記ボイラの酸素燃焼と空気燃焼とを切り替えるボイラシステムの運用方法。
【請求項３】
請求項２のボイラシステムの運用方法において、
前記排ガス循環ラインは前記Ｏ２ラインに接続されており、該排ガス循環ラインを通流する排ガスと該Ｏ２ラインを通流する酸素ガスは混合されて、両ラインの接続部より下流側の燃焼用ガスラインを介して前記ボイラに供給され、
前記ボイラの酸素燃焼時に前記ボイラに循環供給される排ガスの通流異常を検出したら、
前記分岐Ｎ２ラインに設けられたＮ２バルブ、及び前記バイパスラインに設けられたバイパスバルブの少なくとも一方を開とするとともに、前記燃焼用ガスラインに空気ラインを介して空気を供給する空気送風ファンを起動し、
前記空気送風ファンの負荷があらかじめ設定された値に到達したら、
前記Ｏ２ラインの前記分岐Ｎ２ラインとの接続部及び前記バイパスラインとの接続部より上流側に設けられたＯ２バルブと、前記Ｎ２バルブとを除々に閉とするとともに、前記空気ラインに設けられた空気バルブを徐々に開とすることにより、
前記ボイラを酸素燃焼から空気燃焼へ切替えるボイラシステムの運用方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図２】
【図３】
【図４】
【公開番号】特開２０１２−９３００２（Ｐ２０１２−９３００２Ａ）
【公開日】平成２４年５月１７日（２０１２．５．１７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−２３８９５１（Ｐ２０１０−２３８９５１）
【出願日】平成２２年１０月２５日（２０１０．１０．２５）
【出願人】（０００００５４４１）バブコック日立株式会社 (683)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年５月１７日（２０１２．５．１７）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年１０月２５日（２０１０．１０．２５）
【出願人】（０００００５４４１）バブコック日立株式会社 (683)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]