JP2014059104A - 酸素燃焼式ボイラシステム - Google Patents

Abstract

【課題】排ガス循環系の排ガスの水分凝縮を回避でき、凝縮水に起因する問題を排除して安定に運転できる酸素燃焼式ボイラシステムを提供する。
【解決手段】ボイラ１から排出される排ガス中の煤塵を捕集する集塵装置５と、集塵装置から排出される排ガス中の硫黄酸化物を除去する湿式脱硫装置７と、集塵装置又は湿式脱硫装置の出側の排ガスダクトに設けられた排ガス取入口２０から排ガスを取り入れてボイラの燃焼用ガスの一部として循環する排ガス循環系と、富酸素ガスを供給する空気分離装置３０とを備え、排ガス循環系により循環される排ガスを空気分離装置から供給される富酸素ガスに混合して燃焼用ガスを生成する酸素燃焼式ボイラシステムにおいて、少なくとも排ガス循環系に取り入れられる排ガスを気液接触により冷却する排ガス冷却装置２２を設けたことを特徴とする。
【選択図】 図１

Description

本発明は、酸素燃焼式ボイラシステムに係り、具体的には、富酸素ガスに混合する排ガスの再循環により濃縮される水分等の悪影響を回避する技術に関する。

酸素燃焼式ボイラは、燃料の燃焼に用いる燃焼用ガスとして空気を使う代わりに酸素を用いる燃焼方式であるが、燃焼用ガスの酸素濃度が高いと燃焼温度が高くなりすぎることから、一般に、排ガスの一部を循環し、酸素を主成分とする富酸素ガスに混合して酸素濃度を低く調整した燃焼用ガスが用いられる（例えば、特許文献１、特許文献２）。燃焼用ガスは、空気燃焼式の場合と同様、ボイラのバーナに供給する例えば微粉炭を気流輸送する１次燃焼用、２次及び３次燃焼用、アフターガスポート又はオーバーガスポートと称される燃焼炎の下流側に吹き込むガスとして用いられる。

酸素燃焼式ボイラシステムは、燃焼により生ずる排ガスが殆どＨ_２ＯとＣＯ_２であるから、脱硝、脱塵及び脱硫などの排ガス浄化を行った後、ＣＯ_２回収設備により例えば排ガスを圧縮して水分を凝縮させて回収した後、さらに圧縮してＣＯ_２を液化して効率よく回収することができる。そのため、環境へのＣＯ_２排出を防止できることに特徴がある。なお、ＣＯ_２回収設備は、圧縮法に代えて吸収液にＣＯ_２を吸収させて回収することも知られている。

しかしながら、酸素燃焼式ボイラシステムにおいては、排ガスを再循環することにより、水分濃度及びＳＯ_３濃度が通常の空気燃焼式ボイラと比べて高くなる。例えば、高濃度硫黄炭を燃料として用いた場合でも、空気燃焼式ボイラでは排ガスの水分濃度は１０ｗｔ％程度、ＳＯ_３濃度は高くても５０ｐｐｍ程度である。これに対し、酸素燃焼式ボイラでは、排ガス再循環比率にもよるが、排ガスの水分濃度は３０ｗｔ％程度、ＳＯ_３濃度は６０〜３００ｐｐｍ程度になり、空気燃焼式の約３倍に濃縮される可能性がある。

このように、水分濃度が高くなると水の露点が上昇するから、排ガスを循環する排ガス循環系において水分が凝縮し易くなる。例えば、同じ温度１７０℃の排ガスでもその含有水分が１０ｗｔ％の場合の水露点は５０℃であるが、水分３０ｗｔ％の場合は水露点が７７℃となり、水分濃度が高まる酸素燃焼式システムでは、水分の凝縮がより高温条件で起こることになる。水分が凝縮すると、循環排ガス中のＳＯ_２が凝縮水に溶解して酸性溶液になり、また、ＳＯ_３がミスト化して排ガス循環系の機器等を酸腐食させるとともに、例えば石炭を微粉砕する粉砕装置を目詰まりさせるおそれがある。同様に、ボイラから湿式脱硫装置に至る排ガス処理系においても、水分の凝縮とともにＳＯ_３がミスト化すると、排ガス処理系のガス―ガス熱交換器（ＧＧＨ）を目詰まりさせ、あるいは機器等を酸腐食させるおそれがある。

そこで、特許文献１、２では、乾式集塵装置を通して除塵した排ガスを湿式脱硫装置に通してＳＯ_２を除去し、さらに湿式集塵装置を通して湿式脱硫装置で除去できなかったＳＯ_３を除去した排ガスを、冷却脱水搭に通して排ガス中の水分を凝縮除去し、その排ガスの一部を再循環することを提案している（特許文献１の図４、特許文献２の図２）。これにより、循環排ガス中の水分濃度を空気燃焼式の場合よりも低減することができる。

また、特許文献２では、排ガス循環系の排ガス取入口を乾式集塵装置と湿式脱硫装置の間の排ガスダクトに設け、乾式集塵装置の後流側から取り入れた排ガスを冷却脱水搭に通して脱水して、脱水した循環排ガスと富酸素ガスを混合して１次〜３次等の燃焼用ガスとして用いることを提案している。

また、特許文献１、２に記載の冷却脱水搭は、排ガスが流通される塔内に冷媒が流通される伝熱管を設けた構成であるが、冷媒として深冷分離式の空気分離装置から廃棄される窒素ガスを用いることができるとしている。

特開２００９−２７０７５３号公報 特開２０１０−１０７１２９号公報

ところで、特許文献１，２に記載の酸素燃焼式ボイラシステムにおいて、湿式脱硫装置、湿式集塵装置の下流側に冷却脱水搭を設け、その下流側から循環排ガスを取り入れる方式によれば、循環排ガスの水分濃度を５ｗｔ％程度に低減でき、かつ循環排ガス中のＳＯ_２及びＳＯ_３濃度を下げることができる。しかし、湿式脱硫装置、湿式集塵装置及び冷却脱水搭に循環排ガス量を含む全排ガス量が通流するので、それらの装置が大型化することについては配慮されていない。

一方、特許文献１，２には、集塵装置と湿式脱硫装置の間の排ガスダクトから循環排ガスを取り入れる方式が記載されている。これによれば、湿式脱硫装置、湿式集塵装置及び冷却脱水搭が大型になることを回避できるうえ、取り入れた循環排ガスを冷却脱水搭で冷却脱水することにより、循環排ガスの水分濃度を５ｗｔ％程度に低減でき、これに応じてボイラから湿式脱硫装置に至る排ガスの水分濃度を低減できる。さらに、冷却脱水した循環排ガスをガス−ガス熱交換器で集塵装置の上流側の排ガスにより昇温する方式によれば、循環排ガスの水露点が高くなって凝縮水の発生が抑制される。その結果、循環排ガス中にＳＯ_２が存在していても、ＳＯ_２溶解液の生成が抑制されるから、排ガス循環系の酸腐食を抑えることができる。

しかし、特許文献１，２に記載の冷却脱水搭は、排ガスが流れる塔内に配置された伝熱管に冷媒を流通する熱交換器であるから、排ガスの冷却性能を向上させて小型化する余地がある。さらに、集塵装置と湿式脱硫装置の間の排ガスダクトから循環排ガスを取り入れる方式によれば、排ガス循環中のＳＯ_２濃度が高いために、ＳＯ_２濃度に応じて生成されるＳＯ_３濃度が高くなるので、排ガス循環系の酸腐食を改善する余地がある。

本発明が解決しようとする課題は、排ガス循環系の排ガスの水分凝縮を回避でき、凝縮水に起因する問題を排除して安定に運転できる酸素燃焼式ボイラシステムを提供することにある。

上記の課題を解決するため、本発明は、燃料を燃焼して蒸気を発生するボイラと、該ボイラ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硫黄酸化物を除去する湿式脱硫装置と、前記集塵装置又は前記湿式脱硫装置の出側の排ガスダクトに設けられた排ガス取入口から排ガスを取り入れて前記ボイラの燃焼用ガスの一部として循環する排ガス循環系と、富酸素ガスを供給する酸素製造装置とを備え、前記排ガス循環系により循環される排ガスを前記酸素製造装置から供給される富酸素ガスに混合して前記燃焼用ガスを生成する酸素燃焼式ボイラシステムにおいて、少なくとも前記排ガス循環系に取り入れられる排ガスを気液接触により冷却する排ガス冷却装置を設けたことを特徴とする。

本発明によれば、少なくとも排ガス循環系に取り入れられる排ガスを気液接触により冷却するようにしたから、冷却液の蒸発潜熱により排ガスを効果的に、かつ均一に冷却できる。その結果、排ガス冷却装置を小型化することができ、かつ循環排ガス系の排ガスの水分濃度を十分に低下させることができるから、循環排ガス系の排ガスの水分凝縮を回避でき、凝縮水に起因する悪影響を排除して安定運転を確保することができる。つまり、例えば、燃料に微粉炭を用いるボイラの場合、循環排ガス中の凝縮水による微粉炭の粉砕機の目詰まり、あるいはバーナへの微粉炭供給配管系の目詰まりなどの悪影響を排除することができる。また、循環排ガス中のＳＯ_２濃度が高い場合、凝縮水にＳＯ_２が溶解して排ガス循環系の配管や機器等を酸腐食させるおそれがあるが、水分の凝縮が抑制されるから、そのような酸腐食を抑制することができる。さらに、ボイラから集塵装置又は湿式脱硫装置に至る排ガス処理系の排ガスの水分濃度を低減できるから、排ガス処理系における水分凝縮に起因する悪影響を排除することができる。

なお、排ガス再循環系には、排ガス冷却装置により冷却脱水された循環排ガスを、集塵装置の上流側の排ガスダクト内を流れる排ガスと熱交換して加熱するガス−ガス熱交換器（ＧＧＨ）を設けることが好ましい。これによれば、排ガス再循環系における循環排ガス中の水分凝縮に起因する悪影響を一層排除することができる。また、ＧＧＨにより集塵装置に流入する排ガスの温度を酸露点以下に調節して、排ガスに含まれるＳＯ_３を凝縮させて煤塵に付着させることにより、集塵装置においてＳＯ_３を煤塵とともに除去することができる。その結果、湿式脱硫装置をすり抜けてしまうＳＯ_３を捕集するために湿式脱塵装置を設ける必要がなくなるので、排ガス処理系の構成を簡略化できる。

本発明において、排ガス循環系への排ガス取入口を、集塵装置と湿式脱硫装置の間の排ガスダクトに設け、排ガス冷却装置を、排ガス取入口に接続される排ガス循環系の排ガス取入管路に設けることができる。また、これに代えて、排ガス冷却装置を、集塵装置と排ガス取入口との間の排ガスダクトに設けることができる。さらに、本発明において、排ガス循環系への排ガス取入口を、湿式脱硫装置の出側の排ガスダクトに設け、排ガス冷却装置を、湿式脱硫装置と排ガス取入口との間の排ガスダクトに設けることができる。

本発明によれば、排ガス循環系の排ガスの水分凝縮を回避でき、凝縮水に起因する問題を排除して安定に運転できる酸素燃焼式ボイラシステムを提供することができる。

本発明の酸素燃焼式ボイラシステムの実施例１の系統構成図である。 本発明の特徴部である排ガス冷却装置の一例の詳細構成図である。 本発明の酸素燃焼式ボイラシステムの実施例２の系統構成図である。 本発明の酸素燃焼式ボイラシステムの実施例３の系統構成図である。 実施例１〜３を用いて行った実証試験を対比して示す図である。

以下、本発明の酸素燃焼式ボイラシステムを実施例に基づいて説明する。

図１に、酸素燃焼式ボイラシステムの実施例１の系統構成図を示す。図示のように、本実施例は、燃料である微粉炭を燃焼して蒸気を発生するボイラ１と、該ボイラ１から排出する排ガス中のＮＯｘを除去する脱硝装置２と、脱硝された排ガスを燃焼用ガス予熱器３とガス―ガスヒータ（ＧＧＨ）４の熱回収器４ａを介して取り込み、排ガス中の煤塵を捕集する集塵装置５とを備えている。集塵装置５には、乾式電気集塵装置を適用することができる。集塵装置５の後流側には誘引ファン６を介して排ガス中の硫黄酸化物を除去する湿式脱硫装置７が設けられている。湿式脱硫装置７の後流側には、排ガス中の水分とＣＯ_２を分離して回収するＣＯ_２回収装置１４が設けられている。ＣＯ_２回収装置１４により水分とＣＯ_２が分離された排ガスは、オフガスとして図示していない煙突から大気に放出されるようになっている。

湿式脱硫装置７は、周知の構成を有して形成されている。すなわち、カルシウム系の脱硫剤を含む吸収液が吸収搭７ａの上部に設けられた噴霧ノズル７ｂから噴霧され、排ガス中のＳＯ_２を吸収した吸収液は吸収搭７ａの底部から、吸収液タンク７ｃに流下されるようになっている。吸収液タンク７ｃの吸収液は、図示していない吸収液循環ポンプにより、噴霧ノズル７ｂに循環されるようになっている。

ＣＯ_２回収装置１４は、第１ドレン回収タンク８と、圧縮器９と、第２ドレン回収タンク１０と、脱湿機１１と、凝縮機１２と、液化ＣＯ_２タンク１３とを備えて構成され、液化ＣＯ_２タンク１３からオフガスが図示していない昇圧通風機（ＢＵＦ）により、煙突を介して大気中に放出されるようになっている。また、燃料である石炭１５は粉砕機１６に供給されて微粉砕され、燃料搬送管路１７を介してボイラ１のバーナ１８に気流搬送されるようになっている。

集塵装置５と誘引ファン６との間の排ガスダクトに排ガス循環系の排ガス取入口２０が設けられている。排ガス循環系は、排ガス取入口２０からボイラ１のバーナ１８及びアフターガスポート２６に至るガス流路及び機器等から構成される。本実施例の特徴部である排ガス冷却装置２２は、排ガス取入口２０に接続された循環排ガス管路２１に設けられている。排ガス冷却装置２２に接続された排ガス循環ファン２３により循環排ガスが排ガス循環系に取り入れられる。排ガス循環ファン２３から吐出される循環排ガスは、ＧＧＨ４の再加熱器４ｂと燃焼用ガス予熱器３とを流通して昇温される。再加熱器４ｂは、熱回収器４ａと熱媒の循環伝熱管４ｃで連結され、熱回収器４ａで排ガスの熱を回収して循環される熱媒により再加熱器４ｂで循環排ガスを加熱するようになっている。再加熱器４ｂで加熱された循環排ガスは、燃焼用ガス予熱器３によりさらに昇温されて、一次燃焼用ガスファン２４を介して後述する富酸素ガスに混合され、所定の酸素濃度（空燃比に相当する。）の燃焼用ガスが調整される。所定の酸素濃度に調整された燃焼用ガスは、燃料搬送管路１７に供給され、粉砕機１６から供給される微粉炭を搬送してバーナ１８に供給される。また、燃焼用ガス予熱器３により昇温された循環排ガスの一部は、調節バルブ２５を介してボイラ１のアフターガスポート２６に供給される。このように、排ガス循環系は、排ガスダクトに設けられた排ガス取入口２０から排ガスを取り入れて、排ガス冷却装置２２により気液接触により冷却脱水した後、昇温されてボイラ１のバーナ１８及びアフターガスポート２６に戻して再循環するようになっている。

酸素製造装置の一例である空気分離装置３０は、図１に示すように、周囲空気３１をエアフィルタ３２を介して取り込んで煤塵を除去して圧縮機３３で圧縮した後、水冷式などの冷却塔３４で約１０℃まで冷却してドレン３５を分離する。その後、複数(図示例では２つ)の吸着剤充填塔３６ａ、ｂに交互に圧力を加え、切替弁群３７ａと切替弁群３７ｂを開閉して流路を切替えながら、吸着と脱着を交互に繰り返すようになっている。このようにして、周囲空気３１に微量に含まれるＣＯ_２及びＨ_２Ｏを吸着剤充填塔３６ａ、ｂの吸着剤に吸着するとともに脱着して、排気管３８から排気するようになっている。ここで、吸着剤には、例えば、主にモレキュラーシーブとゼオライトからなる吸着剤を用いることができる。ＣＯ_２及びＨ_２Ｏが除去された後の酸素と窒素を主体とする混合ガスは、熱交換器３９を介して最終的に−２００℃程度の液化空気として精留塔４０に導入される。ここで、酸素の沸点は−１８３℃、窒素の沸点は−１９５．８度であるから、液化空気から沸点の低い窒素が先に蒸発し、精留塔４０の塔頂部から極低温の窒素を主成分とする富窒素ガス４１が排出される。富窒素ガス４１は熱交換器３９を通って、吸着剤充填塔３６ａ、ｂから流出される混合ガスを液化するための冷熱を放出し、例えば−１０℃程度まで昇温される。なお、精留塔４０は多段階になっていて、酸素は複数段階に分離されて酸素を主成分とする９９．９９％レベルの富酸素ガスまで精留することができる。このようにして深冷分離された富酸素ガス４２は、熱交換器３９を流通して混合ガスを液化するための冷熱を放出し、さらに冷却塔３４の冷熱源として冷熱を放出した後、循環排ガスと混合されて燃焼用ガスとして供給される。

図２に、本実施例１の特徴部である排ガス冷却装置２２の詳細構成を示す。図示のように、排ガス冷却装置２２は筒状の容器４４を備えて形成され、容器４４内の頂部に冷却液であるカルシウム系の脱硫剤を含む吸収液を噴霧する複数の噴霧ノズル４５が設けられている。また、容器４４内の複数の噴霧ノズル４５の下方には、冷媒が流通される吸収液熱交換器を構成する伝熱管４７が配設され、伝熱管４７を流通する冷媒により噴霧される吸収液を冷却するようになっている。さらに、容器４４の底部には、吸収液貯留部４８が形成されるようになっている。そして、容器４４の頂部に排ガス取入口２０から取り込まれる循環排ガスが導入され、容器４４の側面の吸収液貯留部４８よりも高い位置から、循環排ガスが排ガス循環ファン２３により吸引されるようになっている。

吸収液貯留部４８の吸収液は、第１の吸収液循環ポンプ４９により流量調節弁５０を介して、湿式脱硫装置７に設けられた吸収液タンク７ｃの頂部に移送されるようになっている。吸収液タンク７ｃ内には、冷媒が流通される吸収液熱交換器を構成する伝熱管５２が吸収液に浸漬して配設され、伝熱管５２を流通する冷媒によって吸収液タンク７ｃ内の吸収液が冷却されるようになっている。吸収液タンク７ｃ内の吸収液は、第２の吸収液循環ポンプ５３により抜き出され、吸収液供給管４６に設けられた熱交換器５４を介して噴霧ノズル４５に供給されて、容器４４内に噴霧されるようになっている。熱交換器５４内には冷媒が流通される伝熱管５４ａが設けられ、吸収液供給管４６に供給される吸収液を冷却するようになっている。また、第１の吸収液循環ポンプ４９の吐出ラインと第２の吸収液循環ポンプ５３の吐出ラインを連結するバイパスライン５５が設けられ、バイパスライン５５には流量調節弁５６が介装されている。これにより、必要に応じて、第１の吸収液循環ポンプ４９により、排ガス冷却装置２２の吸収液の一部を、吸収液タンク７ｃを介さずに噴霧ノズル４５に循環できるようになっている。

本実施例では、伝熱管４７、伝熱管５２及び伝熱管５４ａに流通する冷媒として、空気分離装置３０から廃棄される富窒素ガス４１が流通されるようになっている。なお、富窒素ガス４１に代えて、空気分離装置３０で生成された富酸素ガスを伝熱管４７、伝熱管５２及び伝熱管５４ａに流通するようにすることができる。また、図２において、バイパスライン５５を省略してもよく、また、熱交換器５４を省略してもよい。また、本実施例の伝熱管４７と伝熱管５２は、それぞれ容器４４と吸収液タンク７ｃの底板に冷媒の流入口と流出口を有する構成としたが、これに限られるものではなく、容器４４と吸収液タンク７ｃの側壁に冷媒の流入口と流出口を設けてもよい。さらに、本実施例の伝熱管４７と伝熱管５２はＵ字型に折り曲げた例を示したが、これに限らず、コイル状に形成することができる。

このように構成される本実施例の酸素燃焼式ボイラシステムの動作を以下に説明する。石炭１５は粉砕機１６により微粉砕されて燃料搬送管路１７に投入される。燃料搬送管路１７に投入された微粉炭は、所定の酸素濃度に調整された燃焼用ガスにより気流搬送されてバーナ１８に供給される。バーナ１８で燃焼して発生した排ガスは、ボイラ１から脱硝装置２に導入されて排ガスに含まれる窒素酸化物（ＮＯｘ）が除去される。なお、本実施例の酸素燃焼式のボイラ１の排ガスに含まれるＮＯｘは、燃料由来の窒素酸化物（フュエルＮＯｘ）のみであるから、ボイラ１の燃焼管理等によりフュエルＮＯｘを無視できる程度に低減できる場合は、脱硝装置２を省略することができる。脱硝装置２から排出される排ガスは燃焼用ガス予熱器３に導入され、後述するように、循環排ガスが予熱されるようになっている。燃焼用ガス予熱器３を通った排ガスは、ＧＧＨ４の熱回収器４ａを流通して集塵装置５に導入される。熱回収器４ａは熱媒管路４ｃを介して、再加熱器４ｂに熱移動可能に連結されている。これにより、熱回収器４ａで回収した排ガスの熱は、熱媒管路４ｃを介して再加熱器４ｂを流通する循環排ガスを加熱する。このとき、熱回収器４ａで熱回収された排ガスの温度を酸露点以下に低下させることにより、排ガスに含まれるＳＯ_３が凝縮されて排ガス中の煤塵に付着させることができる。

集塵装置５において、排ガス中の煤塵が除去されるとともに、ＧＧＨ４の熱回収器４ａを通過する際に煤塵に吸着されたＳＯ_３が煤塵とともに除去される。集塵装置５を通過した排ガスは、誘引ファン６を介して湿式脱硫装置７に導入される。湿式脱硫装置７に導入された排ガスは、排ガス中のＳＯ_２が吸収液に吸収される。このようにして窒素酸化物、煤塵及び硫黄酸化物が除去された排ガスは、ＣＯ_２回収装置１４に導入される。ＣＯ_２回収装置１４に流入される排ガス中のＳＯ_３濃度は低下されているから、ＣＯ_２回収装置１４の構成機器の腐食防止に役立つ。

ＣＯ_２回収装置１４に導入された排ガス中の水分（飽和水蒸気）は、ドレン回収タンク８において凝縮されてドレン８ａとして回収される。ドレン回収タンク８を通過した排ガスは、圧縮機９により圧縮されてドレン回収タンク１０に導入され、さらに排ガス中の水分がドレン１０ａとして回収される。次いで、脱湿機１１で水分が除去され、最終的に凝縮機１２で排ガスを冷却して圧縮し、ＣＯ_２を液化してＣＯ_２回収ラインを経て液化ＣＯ_２タンク１３に回収され、残存するガスはオフガスとして煙突から放出される。なお、ＣＯ_２回収装置内で排ガスは圧縮され、その圧縮過程において排ガス中の水分とともにＮＯｘ、ＳＯｘ等が溶解され、ドレン８ａ、１０ａに分離回収される。

次に、本実施例の特徴部である排ガス冷却装置２２及び排ガス循環系の動作を説明する。集塵装置５と誘引ファン６の間の排ガスダクトに設けられた排ガス取入口２０から、排ガス循環ファン２３により吸引された循環排ガスは、排ガス冷却装置２２に流通される。排ガス冷却装置２２には、第２の吸収液循環ポンプ５３により噴霧ノズル４５から吸収液が噴霧されている。排ガス冷却装置２２に導入された循環排ガスは、噴霧ノズル４５から噴霧される吸収液と気液接触して、吸収液の蒸発潜熱により効果的に冷却される。また、吸収液と気液接触した循環排ガスに含まれるＳＯ_２は吸収液に吸収され、吸収液中のカルシウム成分と反応して石膏が生成され、残余の吸収液と共に吸収液貯留部４８に貯留される。噴霧ノズル４５から噴霧される吸収液と吸収液貯留部４８の吸収液は、伝熱管４７内を流通される富窒素ガス４１と熱交換して冷却される。

吸収液貯留部４８の吸収液は、第２の吸収液循環ポンプ４９により吸収液タンク７ｃに移送される。吸収液タンク７ｃの石膏を含む吸収液は適宜抜き出されて石膏が回収され、かつ溶液である水が浄化処理される。このようにして、排ガス冷却装置２２により冷却脱水され、かつＳＯ_２が除去された循環排ガスは、排ガス冷却装置２２の容器４４の気相部の側壁から排ガス循環ファン２３により吸引されて、再加熱器４ｂに流通されて加熱される。

再加熱器４ｂで昇温された循環排ガスは、さらに燃焼用ガス予熱器３で排ガスの熱により加熱されて、一次燃焼用ガスファン２４により吸引され、空気分離装置３０から供給される富酸素ガス４２に混合され、所定の酸素濃度の燃焼用ガスに調整されて燃料搬送管路１７を介して微粉炭と共に、１次〜３次燃焼用ガスとしてバーナ１８に供給される。バーナ１８に供給される燃焼用ガス中の循環排ガスの比率は、図示していない調整弁によって調整する。ボイラ１は、粉砕機１６から微粉炭搬送ライン２７を経由して燃焼用ガスと共に供給される微粉炭を燃焼する。なお、バーナ１８に供給する１〜３次空気量を調節して、ボイラ１内部に還元雰囲気の燃焼領域を形成し、微粉炭中の窒素分がＮＯｘ（フュエルＮＯｘ）に転換する割合を減ずる。また、アフターガスポート２６から供給する燃焼用ガス中に含まれる酸素によって、ボイラ１の上部に酸化雰囲気の燃焼領域を形成する。さらに、アフターガスポート１３からの噴流によってボイラ内のガス混合を促進して、ボイラの排ガス中に残存する未燃分を低減する。

一方、燃焼用ガス予熱器３から排出される加熱された循環排ガスの一部は、調整弁２５を通って空気分離装置３０から供給される富酸素ガス４２と混合され、燃焼用ガスとしてアフターガスポート２６に供給される。アフターガスポート２６に供給される燃焼用ガスの循環排ガスの比率は、調整弁２５によって調整される。なお、バーナ１８及びアフターガスポート２６に供給される燃焼用ガスの循環排ガスの比率は、バーナ１８、ボイラ１の熱負荷、排ガス中の酸素濃度、粉砕機１６の必要ガス量、及び空気分離装置３０の能力に応じて変更することができる。

ところで、図１において、集塵装置５と湿式脱硫装置７の間の排ガスダクトから循環排ガスを取り込むと、ＳＯ_２濃度が低減される前の排ガスがボイラ１に循環されるから、循環排ガス中の水分濃度及びＳＯ_２濃度が濃縮する。また、ＳＯ_２に対して一定割合で発生するＳＯ_３濃度も増加する。ここで、ＳＯ_３がミスト化する温度であるＳＯ_３酸露点は、ＳＯ_３＝２０ｐｐｍ、水分１０ｗｔ％の空気燃焼式では１４０℃である。これに対し、酸素燃焼式において、例えばＳＯ_３＝６０ｐｐｍ、水分３０ｗｔ％付近の濃度まで上昇すると、酸露点は１８０度まで上昇する。したがって、排ガス冷却装置２２を設けない場合、排ガス温度が低下する排ガス循環系の温度領域でもＳＯ_３がミスト化するので酸腐食が起こりうる。そこで、空気燃焼方式と同様に、ボイラ１の出口排ガスの水分濃度を１０ｗｔ％に維持するには、約５０ｗｔ％の水分を除去して循環排ガス中の水分濃度を５ｗｔ％以下に低減すればよい。

この点、本実施例によれば、排ガス冷却装置２２を設けて、冷却液を噴霧して気液接触により循環排ガスを冷却しているから、循環排ガスの水分濃度を十分に低下させることができる。すなわち、水露点から計算すると、循環排ガスの温度を例えば３５℃以下に冷却すると十分な水分低減効果が得られる。また、ＧＧＨ４の熱回収器４ａにより、集塵装置５に流入される排ガス温度を、予め例えば９０℃に冷却している。したがって、集塵装置５から流出される排ガス温度を、排ガス冷却装置２２により吸収液で９０℃から３５℃に容易に冷却することができ、循環排ガスの水分濃度を５ｗｔ％以下に低減することができる。しかも、再加熱器４ｂで再加熱（例えば、８０℃近くまで）されるから、排ガス再循環系における水分凝縮を確実に防止することができる。

また、本実施例では、排ガス冷却装置２２に使用する冷却液として脱硫剤を含む吸収液を用い、この吸収液を積極的に富窒素ガスで冷却して循環排ガス中に噴霧しているので、水分除去効果の他に循環排ガス中のＳＯ_２の吸収効果を高めることができる。また、ＳＯ_２と凝縮水を含む吸収液は、湿式脱硫装置７の吸収液タンク７ｃに回収されて、湿式脱硫装置７に通常備えられている図示していない吸収液の処理設備で処理することができるから、排ガス冷却装置２２の吸収液を処理するために、別途処理設備を設ける必要がない。

その結果、本実施例によれば、排ガス循環系における水分の凝縮、凝縮水へのＳＯ_２の吸収及びＳＯ_３のミスト化を防ぐことができるから、排ガス循環系の配管及び機器の酸腐食を抑制することができ、かつ微粉炭等の目詰まりを防止して安定して運転することができる。

また、本実施例のように、吸収液タンク７ｃ内に伝熱管５２からなる熱交換器を配設して、吸収液全体を富窒素ガス（又は、富酸素ガス）で冷却するようにすれば、湿式脱硫装置７においても排ガスが冷却され、脱硫率及び水銀（Ｈｇ）除去率が向上する。また、吸収液供給管４６に熱交換器５４を設け、第１又は第２の吸収液循環ポンプ４９，５３から噴霧ノズル４５に供給する吸収液を富窒素ガス４１で冷却（例えば、３５℃以下）しているが、熱交換器５４は省略してもよい。また、熱交換器５４は、第２の吸収液循環ポンプ５３の吸引側に設けてもよい。また、排ガス冷却装置２２の吸収液貯留部４８の吸収液の一部を、第１の吸収液循環ポンプ４９の吐出側からバイパスライン５５を介して噴霧ノズル４５に供給する場合は、熱交換器５４は図２の位置に設けることが好ましい。

さらに、本実施例によれば、集塵装置５の上流にＧＧＨ４の熱回収器４ａを配置し、その回収熱で排ガス冷却装置２２から排出される循環排ガスを再加熱しているから、集塵装置５の入口排ガス温度を例えば約９０℃（少なくとも８０〜１２０℃）に冷却でき、排ガス中のＳＯ_３を凝縮させて煤塵に付着させて集塵装置５で除去することができる。その結果、集塵装置５の下流側の排ガス処理系及び排ガス循環系のＳＯ_３による酸腐食を軽減できる。

なお、実施例１において、排ガス冷却装置２２の冷却液として、脱硫剤を含む吸収液を用いたが、冷却液として水を用いることができる。この場合、排ガス循環系及び排ガス処理系における排ガスの水分濃度の濃縮を抑えることができるが、排ガス中のＳＯ_２濃度の濃縮を抑えることはできない。しかし、排ガス中の水分濃度を従来の空気燃焼式の場合よりも抑えることができれば、循環排ガス中の水分の凝縮を回避できるから、ＳＯ_２が凝縮水に溶解することによる酸腐食を抑制することができる。

また、実施例１において、排ガス冷却装置２２の冷却液である吸収液を、容器４４内に配設した伝熱管４７により冷却するようにしたが、これに限られるものではない。要は、冷却液又は吸収液を冷却すればよいから、例えば、容器４４の外周に冷媒が流通される配管等を沿わせて冷却液又は吸収液を冷却するようにすることができる。

図３に、本発明の酸素燃焼式ボイラシステムの実施例２の系統構成図を示す。基本的に、本発明においては、排ガス取入口２０における循環排ガスの水分が一定量除去されていれば、循環排ガス中の水分凝縮に起因する問題を解決できる。本実施例が実施例１と異なる点は、図３に示すように、排ガス冷却装置２２を、集塵装置５と誘引ファン６との間の排ガスダクトに設け、排ガス取入口２０を排ガス冷却装置２２と誘引ファン６との間に設けたことにある。その他の点は、実施例１と同様であることから、同一の装置に同一の符号を付して説明を省略する。

本実施例によれば、排ガス冷却装置２２には、循環排ガスだけでなく、全排ガス量が流通することになる。したがって、排ガス冷却装置２２は、湿式脱硫装置７の機能を補うことになるから、実施例１の効果に加えて、湿式脱硫装置７から排出される排ガス中のＳＯ_２濃度を低減できるという効果がある。しかし、排ガス冷却装置２２の処理ガス量が増えるため、排ガス冷却装置２２は実施例１よりも例えば３割程度大型になる。

図４に、本発明の酸素燃焼式ボイラシステムの実施例３の系統構成図を示す。本実施例が実施例１又は２と異なる点は、排ガス冷却装置２２を湿式脱硫装置７とＣＯ_２回収装置１４の間の排ガスダクトに設け、排ガス冷却装置２２とＣＯ_２回収装置１４の間の排ガスダクトに、排ガス取入口２０を設けたことにある。その他の点は、実施例１又は２と同一であることから、同一装置に同一符号を付して説明を省略する。

本実施例では、湿式脱硫装置７で脱硫されるため、大部分のＳＯ_２が除去された後の排ガスが排ガス冷却装置２２に流通される。したがって、本実施例によれば、全排ガス量を湿式脱硫装置７及び排ガス冷却装置２２で脱硫処理することになるから、両装置が大型になる。しかし、実施例１，２に比べて、排ガス循環系の水分、ＳＯ_２及びＳＯ_３の濃度を十分に下げることができるので、排ガス循環系の酸腐食を防止することができる。また、ＣＯ_２回収装置１４に流入される排ガス中のＳＯ_２濃度が一層低減されているので、ＣＯ_２回収装置１４を構成する機器の酸腐食を一層防ぐことができる。

(実証試験)
各実施例１〜３の酸素燃焼式ボイラシステムを用いて実証試験を行った結果を次に説明する。試験設備は、ボイラ１、脱硝装置２、燃焼用ガス予熱器３、ＧＧＨ４の熱回収器４ａ及び再加熱器４ｂ、乾式の集塵装置５、誘引ファン６、湿式脱硫装置７、実施例１には図示していない昇圧通風機（ＢＵＦ）を備え、各実施例の排ガス循環系を備えて構成した。ボイラ１として、排ガス量９００ｍ^３／ｈの燃焼炉を用い、石炭中の硫黄分（Ｓ）濃度は０．７７ｗｔ％、石炭燃焼量は１１０ｋｇ／ｈ、燃焼用ガスは酸素２００ｍ^３／ｈで循環排ガス量６３０ｍ^３／ｈを混合して生成した。

(実施例１の実証試験)
実施例１の酸素燃焼式ボイラシステムでは、図２に示したように、吸収液供給管４６に熱交換器５４を備え、０℃の空気を模擬冷媒として間接冷却しながら、湿式脱硫装置７内蔵の吸収液タンク７ｃから、排ガス冷却装置２２の容器４４内に吸収液を液ガス比（Ｌ／Ｇ）＝５Ｌ／ｍ^３Ｎ、言い換えれば吸収液量を３．１ｍ^３／ｈの割合で噴霧した。噴霧した吸収液は容器４４の吸収液貯留部４８に一時的に貯留され、第１の吸収液循環ポンプ４９により吸収液タンク７ｃに戻した。

ここで、湿式脱硫装置７に流通する排ガス量は、全ガス量から循環排ガス量を差し引いた９００−６３０＝２７０ｍ^３Ｎ／ｈであるから、実際にはＬ／Ｇ＝３０Ｌ／ｍ^３Ｎでも吸収液量は８．１ｍ^３／ｈとなる。また、ＣＯ_２回収装置１４に流入される残存ＳＯ_２は、圧縮過程で硫酸化されて装置の腐食原因となることから、湿式脱硫装置７の出口のＳＯ_２濃度は低いほど望ましい。例えば、１〜数ｐｐｍ程度に低減することが望ましい。実施例１では、湿式脱硫装置７での脱硫率は９７％（Ｌ／Ｇ＝４０）であった。また、排ガス冷却装置２２での脱硫率は５０％（Ｌ／Ｇ＝５）であった。このような試験条件下で行った実施例１の排ガス中のＳＯ_３、ＳＯ_２、Ｈ_２Ｏの各濃度は、図５に示す通りであった。

(実施例２の実証試験)
実施例２は、図３に示す実施例２の酸素燃焼式ボイラシステムにおいて、実施例１と同一の条件により、排ガス冷却装置２２に吸収液をＬ／Ｇ＝５Ｌ／ｍ^３Ｎとなるように投入した。実施例２では、実際に排ガス冷却装置２２に噴霧される吸収液量は４．５ｍ^３／ｈとなる。また、湿式脱硫装置７に流通される排ガス量は全ガス量から循環ガス量を差し引いた９００−６３０＝２７０ｍ^３Ｎ／ｈであるため、実際にはＬ／Ｇ＝４０Ｌ／ｍ^３Ｎでも吸収液量は試験例１と同じ１０．８ｍ^３／ｈとなる。このような試験条件下で行った実施例２の排ガス中のＳＯ_３、ＳＯ_２、Ｈ_２Ｏの各濃度は、図５に示す通りであった。

(実施例３の実証試験)
実施例３は、図４に示した実施例３の酸素燃焼式ボイラシステムにおいて、実施例１，２と同一の条件により、排ガス冷却装置２２に吸収液をＬ／Ｇ＝５Ｌ／ｍ^３Ｎとなるように投入した。実施例３では、実際に排ガス冷却装置２２に噴霧される吸収液量は、全排ガス量が流通されるので、Ｌ／Ｇ＝４０Ｌ／ｍ^３Ｎで３６ｍ^３／ｈとなる。このような試験条件下で行った試験例１の排ガス中のＳＯ_３、ＳＯ_２、Ｈ_２Ｏの各濃度は、図５に示す通りであった。

図５に示した試験結果のとおり、実施例１，２の湿式脱硫装置（ＦＧＤ）出口のＳＯ_２濃度と、実施例３の排ガス冷却装置の出口ＳＯ_２濃度を比較すると、実施例１＞実施例２＞実施例３の関係になったが、いずれの実施例でも、循環排ガス中のＳＯ_２濃度は１０ｐｐｍ以下まで低下させることができる。

また、各実施例１、２、３のボイラ出口の排ガス中の水分濃度は、１２ｗｔ％程度である。これは、同一の微粉炭を空気燃焼式の場合と同じレベルであるため、水露点の上昇はほとんどなく、ＧＧＨ４の熱回収器４ａの熱媒管路４ｃの表面における水の凝縮が抑えられ、灰の付着・閉塞、腐食を防止できることになる。

さらに、排ガス処理系における排ガス中のＳＯ_３濃度は、いずれの実施例でも、集塵装置５の出口でほぼ腐食の問題が起こりにくい濃度域（＜１ｐｐｍ）となったことから、排ガス循環系の酸腐食を防止できる。

なお、実施例１，２では、排ガス循環によりＳＯ_２が濃縮する傾向になるが、排ガス冷却装置２２によってＳＯ_２がある程度除去されていることが分かる。これに対し、実施例３では、循環排ガスとして、湿式脱硫装置７と排ガス冷却装置２２によってＳＯ_２が除去された排ガスを取り入れているから、通常の空気燃焼ボイラとほぼ同等のＳＯ_２濃度で安定すると考えられる。

以上、本発明の酸素燃焼式ボイラシステムの実施例１〜３を説明したが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。要は、次に示す要件を単独で又は適宜組み合わせて備えることにより、それぞれ対応する技術的な効果を得ることができる。

（１）少なくとも排ガス循環する排ガスを冷却液で気液接触により冷却して脱水する排ガス冷却装置を設けたから、効果的に循環排ガス中の水分を除去することができる。その結果、排ガス循環系における水分凝縮を回避して、水分凝縮に起因する目詰まりや腐食を防止できる。なお、排ガス冷却装置において排ガス温度を下げることで水分除去が行えるが、下げすぎると、ボイラシステムの熱効率を低下させることになるので一定の温度以上に保持することが望ましい。

（２）排ガス冷却装置は、気液接触に用いる冷却液を冷媒で冷却する伝熱管等からなる冷却液熱交換器を備えて構成することが好ましい。この場合、酸素製造装置を、空気を深冷して酸素を主成分とする富酸素ガスと窒素を主成分とする富窒素ガスに分離する空気分離装置を用い、冷却液熱交換器は深冷分離装置から排出される富酸素ガスと富窒素ガスの少なくとも一方のガスを冷媒とすることができる。これによれば、深冷分離された富酸素ガスと富窒素ガスの廃冷熱を排ガス冷却装置の冷熱として利用することができ、システム全体の熱効率を向上できる。

（３）排ガス冷却装置は、集塵装置又は湿式脱硫装置よりも下流側から取り入れた排ガスを冷却するようにすることが好ましい。これによれば、排ガス中の煤塵が気液接触による排ガス冷却装置に付着して閉塞などの問題が起きるのを防ぐことができる。

（４）排ガス冷却装置で脱水した循環排ガスを、集塵装置の入り側の排ガスの熱により加熱するＧＧＨを設けたものによれば、排ガス循環系における水分凝縮を確実に回避することができ、水分凝縮に起因する目詰まりや腐食を防止できる。

（５）上記（４）の場合において、ＧＧＨの熱回収器においてＳＯ_３をミスト化して煤塵に吸着させて集塵装置で除去することができるから、排ガス循環系におけるＳＯ_３による酸腐食を軽減することができる。さらに、湿式脱硫装置をすり抜けるＳＯ_３を除去する湿式集塵装置を設ける必要がないから、システム構成を簡素化できるだけでなく、ＣＯ_２回収装置の酸腐食を軽減することができる。

（６）排ガス冷却装置は、冷却液として湿式脱硫装置と同じ吸収液を用い、排ガスに噴霧する噴霧ノズルと、排ガス中の硫黄酸化物を吸収した吸収液を貯留する吸収液貯留部と、その吸収液貯留部の吸収液を噴霧ノズルに供給することが望ましい。これによれば、少なくとも排ガス循環する排ガス中のＳＯ_２を一定量除去することができるから、排ガス循環によりＳＯ_２濃度が濃縮するのを軽減でき、ＳＯ_２濃度に応じて生成されるＳＯ_３がミスト化することにより生じる排ガス循環系の酸腐食を軽減できる。この場合において、循環排ガスを集塵装置と湿式脱硫装置の間から取り入れて循環する排ガス循環系を構成すれば、その後流の湿式脱硫装置の処理負荷を下げることができるので、湿式脱硫装置を小さくすることができる。また、循環排ガスを湿式脱硫装置の後流側から取り入れて循環する排ガス循環系を構成すれば、排ガス冷却装置によりＳＯ_２をさらに高度に除去できるため、ＣＯ₂回収装置の酸腐食を防止することができる。しかし、湿式脱硫装置を全排ガス量が通過するため、排ガスの熱量は脱硫装置に用いられる吸収液の蒸発熱に奪われ、湿式脱硫装置上流で再循環する実施例１，２に比べれば熱効率は低い傾向になる。

（７）また、排ガス冷却装置の吸収液貯留部の吸収液を湿式脱硫装置の吸収液タンクに送る移送手段を設け、吸収液タンクの吸収液を排ガス冷却装置の噴霧ノズルに供給するように構成することができる。これによれば、排ガス冷却装置の排水を湿式脱硫装置の内部又は別置きに設けた吸収液タンクに戻すので、別途、排ガス冷却装置用の廃水処理設備を設ける必要がないからシステム構成を簡略化できる。また、排ガス冷却装置の排水の一部は吸収液の蒸発分の補充となり、通常用いられる上水を節約できる。

１ ボイラ
２ 脱硝装置
３ 燃焼用ガス予熱器
４ ガス―ガスヒータ
４ａ 熱回収器
４ｂ 再加熱器
５ 集塵装置
７ 湿式脱硫装置
７ｂ 噴霧ノズル
７ｃ 吸収液タンク
１４ ＣＯ_２回収装置
２０ 排ガス取入口
２１ 循環排ガス管路
２２ 排ガス冷却装置
２３ 排ガス循環ファン
３０ 空気分離装置
４５ 噴霧ノズル
４６ 吸収液供給管
４７ 伝熱管
４８ 吸収液貯留部
４９ 第１の吸収液循環ポンプ
５３ 第２の吸収液循環ポンプ
５４ 熱交換器

Claims (10)

1. 燃料を燃焼して蒸気を発生するボイラと、該ボイラ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硫黄酸化物を除去する湿式脱硫装置と、前記集塵装置又は前記湿式脱硫装置の出側の排ガスダクトに設けられた排ガス取入口から排ガスを取り入れて前記ボイラの燃焼用ガスの一部として循環する排ガス循環系と、富酸素ガスを供給する酸素製造装置とを備え、前記排ガス循環系により循環される排ガスを前記酸素製造装置から供給される富酸素ガスに混合して前記燃焼用ガスを生成する酸素燃焼式ボイラシステムにおいて、
   少なくとも前記排ガス循環系により取り入れられる排ガスを、気液接触により冷却する排ガス冷却装置を設けたことを特徴とする酸素燃焼式ボイラシステム。
2. 前記排ガス取入口は、前記集塵装置の出側の排ガスダクトに設けられ、
   前記排ガス冷却装置は、前記循環排ガス取入口に接続された排ガス取入管路に設けられたことを特徴とする請求項１に記載の酸素燃焼式ボイラシステム。
3. 前記排ガス冷却装置は、前記排ガス取入口と前記集塵装置の間の排ガスダクトに設けられたことを特徴とする請求項２に記載の酸素燃焼式ボイラシステム。
4. 前記排ガス取入口は、前記湿式脱硫装置の出側の排ガスダクトに設けられ、
   前記排ガス冷却装置は、前記湿式脱硫装置と前記排ガス取入口との間の排ガスダクトに設けられたことを特徴とする請求項１に記載の酸素燃焼式ボイラシステム。
5. 前記排ガス冷却装置は、前記気液接触に用いる冷却液を冷媒で冷却する冷却液熱交換器を備えていることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の酸素燃焼式ボイラシステム。
6. 前記酸素製造装置は、空気を深冷して酸素を主成分とする前記富酸素ガスと窒素を主成分とする富窒素ガスに分離する空気分離装置であり、
   前記冷却液熱交換器は、前記深冷分離装置から排出される前記富酸素ガスと前記富窒素ガスの少なくとも一方のガスを前記冷媒とすることを特徴とする請求項５に記載の酸素燃焼式ボイラシステム。
7. 前記湿式脱硫装置は、カルシウム系の脱硫剤を含む吸収液を排ガスに噴霧する第１の噴霧ノズルと、排ガス中の硫黄酸化物を吸収した吸収液を貯留する吸収液タンクと、該吸収液タンクの吸収液を前記第１の噴霧ノズルに循環供給する第１の循環ポンプとを備え、
   前記排ガス冷却装置は、前記液体としてカルシウム系の脱硫剤を含む吸収液を排ガスに噴霧する第２の噴霧ノズルと、排ガス中の硫黄酸化物を吸収した吸収液を貯留する吸収液貯留部と、該吸収液貯留部の吸収液を前記第２の噴霧ノズルに供給する第２の循環ポンプとを備えていることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の酸素燃焼式ボイラシステム。
8. 前記吸収液貯留部の吸収液を前記湿式脱硫装置の前記吸収液タンクに送る移送手段を設け、
   前記第２の循環ポンプは、前記吸収液タンクの吸収液を前記第２の噴霧ノズルに供給することを特徴とする請求項７に記載の酸素燃焼式ボイラシステム。
9. 前記酸素製造装置は、空気を深冷して酸素を主成分とする前記富酸素ガスと窒素を主成分とする富窒素ガスに分離する空気分離装置であり、
   前記深冷分離装置から排出される前記富酸素ガスと前記富窒素ガスの少なくとも一方のガスにより前記吸収液タンクと前記吸収液貯留部の吸収液を冷却する吸収液熱交換器を設けたことを特徴とする請求項７に記載の酸素燃焼式ボイラシステム。
10. 前記排ガス再循環系は、前記集塵装置の上流側の排ガスダクト内を流れる排ガスと熱交換して前記循環する排ガスを加熱するガス−ガス熱交換器を、前記排ガス冷却装置の下流側に備えていることを特徴とする請求項１乃至９のいずれか１項に記載の酸素燃焼式ボイラシステム。

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