JP4917555B2 - モジュール式酸素燃料ボイラ - Google Patents

Description

本発明は、酸素燃料ボイラに関する。特に、本発明は、適応性のある構造を有するモジュール式酸素燃料ボイラに関する。

酸素燃料燃焼システムの利点は、周知のものである。たとえば、Ｇｒｏｓｓの米国特許第６，４３６，３３７号および第６，５９６，２２０号は、酸素燃料燃焼システムの利点の幾つかは、環境汚染の減少（ＮＯｘ発生の削減）、高い効率、高い火炎温度、およびより小さい全体の物理的なプラント構造であることを記載している。本出願と共に共通所有されるＧｒｏｓｓの特許は、参照として本明細書に組込まれる。

燃料からエネルギーを抽出するために、一般的にボイラは、エネルギーを流体（燃料の燃焼を通して）に入力し、概してその流体の状態を変化させる何らかの方法を実施する。ついでエネルギーは、その流体から、一般的に機械的動き（すなわち運動エネルギー）の形態で抽出される。大部分のボイラは、燃料からエネルギーを抽出するために、作動流体として水を使用する。水は、ボイラ内の１つ以上の「壁」すなわち管束を形成する管を通過する。

一般的に、ボイラ管壁は、（熱の形態の）エネルギーを、管壁を通して、それらの管壁の幾つかのループとパス内にある水に伝達するように設計される。水が、それらの管を通過するときに、水は圧力を受けて加熱され、過熱、再加熱および／または超臨界の段階を通して高レベルのエネルギーの状態（及び相変化の状態）にされる。節炭器ユニットのような他の段階も使用してもよく、その段階を通して、水が、過熱段階を通過する前に炉壁セクション内を通過する。その水は、管束（たとえば、節炭器における）を通過して流れる加熱されたガスからの対流伝熱により、さらに加熱される。

ボイラの段階または領域のそれぞれは、一定の形態の伝熱機構または現象に基づいて作動するように設計される。たとえば、下部炉壁は、輻射伝熱用に設計される一方、上部管束、過熱、再加熱および節炭器のセクションは、対流伝熱原理に基づいて機能するように設計される。伝熱機構は、水がボイラ内で加熱されるときに互いに排他的ではないことを、当業者は認知している。

そのようなボイラ構成は、その用途と目的を十分に機能し続けるが、酸素燃料燃焼システムの高い火炎温度および低い排気ガス量の全利点を必ずしも利用していない。したがって、環境汚染を減少するために酸素燃料燃焼システムを使用するボイラの必要性がある。望ましくは、そのようなボイラ構造は、高い効率（作動流体へ伝達された熱の、燃焼生成物から利用できる熱に対する高い割合に関して）を提供し、かつ高い火炎温度を利用する。最も望ましくは、そのようなボイラ構成は、より小さい全体の物理的なプラント構造を提供できる。

モジュール式ボイラシステムは、水から蒸気を生成するために複数の別個の直列に構成される酸素燃料ボイラを使用する。これらのボイラは、互いに異なるエネルギー伝達機能を実施するように構成される。第１のボイラ、すなわち主ボイラは、水を流すために複数の管と流れ連通する給水入口を有する。それらのボイラは、空気の導入を実質的に防止するように構成される。

主ボイラの管は、少なくとも１つの水壁を形成する。それぞれのボイラは、２１パーセントよりも高い純度、好ましくは少なくとも約８５パーセントの純度を有する酸素を供給する酸素供給装置、炭素系燃料を供給する炭素系燃料供給装置、および少なくとも１つの酸素燃料バーナーシステムを含む。そのバーナーシステムは、酸素または炭素系燃料の過剰分を所定の許容範囲に限定するために、酸素と炭素系燃料を、化学量論的割合に近い割合でボイラに供給する。それぞれのボイラの管は、火炎から水壁管へエネルギーを伝達するために直接輻射エネルギーに暴露するように構成される。伝統的な名称を重んじて、水壁の用語の引用は、たとえ管に蒸気が流れる場合でも、輻射ゾーン内の全てのボイラ管を含むものとする。

ボイラシステムの一実施形態において、第２のボイラは、過熱ボイラであり、および第１のボイラにより生成される蒸気は、過熱ボイラへ直接供給される。蒸気は、過熱ボイラから出て、主蒸気タービンへ流入する。代わりに、そのシステムは、再加熱ボイラ（高圧蒸気タービン排気からの供給を受ける）を含むことができ、主ボイラと同様に酸素燃料ボイラにおいて蒸気を再加熱し、再加熱蒸気タービンへ供給する。そのボイラのそれぞれのエネルギー伝達または加熱の機能は、他のボイラのそれぞれとは異なる。すなわち、主ボイラにおいて、水は、比較的低いエネルギー（エンタルピー）値から飽和蒸気まで加熱される。過熱ボイラ（使用されるならば）において、蒸気は、過熱状態までさらに加熱される。ついで再加熱器において、高圧タービンからの排気蒸気は、再加熱蒸気タービンへ供給するために、再加熱される。

ボイラシステムは、蒸気が、高圧蒸気タービンから、１基以上の再加熱蒸気タービンへ、任意選択的には、１基以上の低圧タービンへ、かつ復水器へ排気するように構成される復水器を備えることができる。好ましいボイラシステムは、節炭器を含む。節炭器は、ボイラからの燃焼生成物（「排気ガス」または「煙道ガス」）を受容するガス側と、その燃焼生成物が、給水を主ボイラへ導入する前にボイラ給水を予熱するような給水側とを有する。節炭器からの排気に続いて、排気ガスは、望ましいことがある下流側排気ガス処理があれば、その前に、排気ガスシステムと概して連係して、酸素燃料燃焼システム用の酸化剤を予熱するのに使用できる。電力の増加は、モジュール式ボイラシステムの並列グループ分けにより達成できる。

酸素燃料バーナーは、天然ガス、オイル、石炭および他の固体燃料のような多くの種々の形態の燃料用に構成できる。固体燃料を使用する場合、排気ガスの一部分（任意選択的には酸素と混合された）を、固体燃料をボイラ内に搬送するのに使用できる。この燃料供給ガスは、節炭器の下流側からの排気ガスとすることができる。

本発明のこれらと他の特徴と利点は、付属の特許請求の範囲と連係して下記の詳細な説明から明らかになる。

本発明の利益と利点は、下記の詳細な説明および添付図面を参照すれば、当業者にとり一層容易に明らかになる。

本発明は、種々の態様の実施形態が可能であるが、現在の開示が、本発明の例示とみなされること、および図示される特定の実施形態に本発明を限定しようとしないことの理解の下で、図面が示され、かつ現在好ましい実施形態が以下に説明される。

本明細書のこの項の名称、すなわち「発明の詳細な説明」は、米国特許庁の要件に関連し、かつここで開示される主題を意味するものではなく、またはその主題を限定するように推測されないことを、さらに理解すべきである。

酸素燃料燃焼システムは、燃料源と組合せて本質的に純粋の酸素を使用し、効率的でかつ環境的に不都合でない方法で、火炎生成（すなわち燃焼）により熱を生成する。そのような燃焼システムは、高い効率（作動流体へ伝達された熱の、燃焼生成物から利用できる熱に対する高い割合に関して）の燃焼を提供し、かつ高い火炎温度を利用する。好ましい燃焼システムは、比較的高い純度の酸素（約２１パーセントより上の、好ましくは少なくとも約８５パーセントの酸素）を使用し、従って、ボイラを通過するガスの全体量は、相応してより少なくなる。酸素燃料を使用することで、ボイラ内において約３０００°Ｆより高く、約５０００°Ｆまでの火炎温度が予測される。

さらに、本ボイラシステムの運転パラメータの１つは、酸化剤として空気ではなく比較的純粋な酸素が使用される酸素燃料燃焼システムの使用である。ここで使用されるように、酸化剤は、燃焼用の酸素を搬入するガスを意味するものとする。たとえば、純粋な（１００パーセント）酸素がシステムへ供給される場合、その酸素は、１００パーセントの酸化剤から成るが、空気が酸化剤として使用される場合、酸素は、約２１パーセントの酸化剤から成る。従って、必要とされる酸化剤の量は、従来のボイラよりもかなり少なく（空気ではなく、実質的に酸素だけが使用されるので）、それにより、従来のボイラよりもボイラへのガス量入力（従って通過量）が少なくなり、またボイラを通るガス流量が少なくなる。少ない流量と量により生じる１つの主要な利点は、物理的なプラントシステムの全体規模を、従来のボイラシステムよりも小さくでき、そのために、そのようなボイラシステムの主要なコストを、相応して低くすることが予測される点である。

本ボイラシステムの機能的側面または機能的目標の１つは、燃焼プロセスから最大量のエネルギーを（燃焼生成物／排気ガスからの伝熱の形態で）抽出することである。これは、少ない流量と連係して、同程度の排気ガス煙突温度での少ないエネルギー損失を実現する。

本発明の他の側面または機能的目標は、高い火炎温度を最大限実用的に利用することである。そのために、以下で説明するように、燃焼生成物からボイラ管へ、従って作動流体（水または蒸気）への伝熱の、かなり大きい割合を、対流伝熱ではなく輻射伝熱により実施する。

ボイラシステム１０の一実施形態の概略説明図が、図１に示される。図示されるシステム１０は、再加熱／亜臨界ユニットである。そのシステムは、３基の分離された別個のボイラ、すなわち水から蒸気を生成するボイラＮｏ．１（主ボイラ１２）、過熱蒸気を生成するボイラＮｏ．２（過熱ボイラ１４）、およびボイラＮｏ．３（再加熱ボイラ１６）を含む。酸素と燃料は、酸化剤と燃料の供給システム１８、２０によりボイラのそれぞれへ供給される。

概略図示されるように、かつ以下で検討するように、ボイラ１２、１４、１６のそれぞれは、それ自体の独立した酸素燃料燃焼システム２２、２４、２６を含む。そのような酸素燃料燃焼システムにおいて、それぞれのボイラ１２〜１６の水壁（管Ｔは、図１のボイラ１２を参照）は、伝熱の主要な部分が、対流伝達機構ではなく輻射伝熱機構により実施されるように、火炎へ十分に暴露される。すなわち伝熱の大部分は、加熱された排気ガスが管上を移動することではなく、管を直接火炎に暴露することにより生じる。この好ましい輻射伝熱機構は、対流機構を通して伝熱を最大にするために、大きく、長く、かつ複雑な排気ガス流路（対流パス、対流過熱パスおよび節炭器セクションなどを通して）を使用する従来のボイラと極めて対照的である。

本ボイラシステム１０はさらに、ボイラ煙道ガス（好ましくは、ボイラの全てにおいて）からのエネルギーを（給水ライン３０において）主ボイラ給水へ伝達し、給水を、主ボイラ１２へ導入する前に予熱する節炭器２８を含む。本システムにおいて、酸素は、たとえば、酸素発生装置３２において空気からの分離により生成される。当業者は、酸素を、ボイラ１２〜１６へ供給するために生成できる種々の方法、たとえば、貯蔵装置および水分離装置などの供給源から供給できることを認知しており、これらの全ては、本発明の範囲内にある。燃料供給装置２０は、種々の種類の燃料のもの、かつ種々の型式の供給装置のものとすることができる。たとえば、燃料は、ガス状燃料（たとえば、天然ガス）、燃料油、ディーゼル油のような液体燃料、または他の有機系もしくは無機系液体燃料、または石炭、農業もしくは牧畜の副生成物のような固体燃料とすることができる。全てのそのような酸素の生成と供給装置１８と、全てのそのような燃料と燃料供給装置２０は、本発明の範囲と精神内にある。

図１に戻ると、ボイラシステム１０は、発電機３４用の供給装置として示されている。この目的のために、そのシステムは、発電機３４、高圧または主蒸気タービン３８、中間圧蒸気タービン４０、および低圧蒸気タービン４１を有するタービン／発電機のセット３６と、復水器４２とを含む。

システム１０は、給水が、給水ライン３０を通して主ボイラに入り、ボイラ１２の水管Ｔを通して流れるときに加熱されるように構成される。典型的なボイラ構成において、水は、ボイラの比較的低い位置においてボイラ１２に入り、ついで加熱されるときに管を通して上昇する。これは、管を溢水状態に維持し、かつ管内の流体を加圧状態に維持するのに役立つ。

加熱された流体は分離され、および飽和された蒸気は、ライン４４を通して主ボイラ１２から出て、過熱ボイラ１４に入る。ボイラ１４において、蒸気は、過熱された状態までさらに加熱され、壁管を通して再び流れる。過熱された蒸気は、過熱ボイラ１４から主蒸気ライン４６を通して出て、高圧（主蒸気）タービン３８に入る。低圧蒸気は、高圧主蒸気タービン３８から出て、再加熱蒸気ライン４８を通して再加熱ボイラ１６へ戻される。その蒸気は、再加熱ボイラ１６から再加熱蒸気フローライン５０を通して出て、中間圧タービンに入る。中間圧タービン４０から排気された蒸気は、連絡ライン４３を通して流れ、ついで低圧タービン４１に入る。

蒸気は、低圧タービン４１からタービン排気ライン５２を通して排気し、復水器４２において（エネルギーの最大量が蒸気からタービン４０により抽出されるように、大気圧よりも低い、概して低圧において）完全に凝縮され、ついで節炭器２８を通して主ボイラ１２へ戻され（ポンプ返送され）、その節炭器は（上記したように）、水を、ボイラ１２へ導入される前に、予熱する。

燃料回路に関して、上述のように、燃料と酸化剤は、ボイラ１２、１４および１６のそれぞれに独立して供給される。煙道ガスの全ては、それらの該当するボイラからライン１３、１５および１７それぞれを通して出て、節炭器２８に入り、その節炭器内でガスが主ボイラ給水を予熱する。煙道ガスは、節炭器２８から出て、酸化剤予熱器６０において酸化剤を予熱するのに使用できる。排気ガスは、節炭器２８を出た後に、酸化剤予熱器６０まで（ライン６１を通して）送られ、ついでスクラバーまたは集塵器のような概して５４で示される、必要な下流側処理装置へ、導入のために（ライン６３を通して）戻される。加えて、望ましい場合、煙道ガスの一部分は、概して酸化剤予熱に続いて、（煙道ガス再循環ライン５６を通して）ボイラ１２〜１６へ再循環させることができる。再循環ライン５６は、燃料をボイラ１２〜１６に搬送するために、たとえば、微粉炭をボイラに搬送するために、（燃料搬送ライン５８側へ分流することにより）搬送手段としても使用できる。

当業者により理解されるように、ボイラに入るガス（ほぼ純粋な酸素として）の流量と全体量が従来ボイラより少ないために、排気ガスまたは煙道ガスの流量と量も、相応して従来のボイラよりも少ない。そのために、下流側処理装置５４は、同等な規模の（電力出力の）電力プラントの従来装置よりも小さく、かつコストが低い。

ボイラシステム１１０の第２の実施形態の概略説明図が、図２に示される。図示されるボイラシステム１１０は、非再加熱／亜臨界ユニットであり、そのために、そのシステムは、２基の分離された別個のボイラ、すなわち水から蒸気を生成するボイラＮｏ．１（主ボイラ１１２）、および過熱蒸気を生成するボイラＮｏ．２（過熱ボイラ１１４）を含む。再加熱ボイラはない。このシステム１１０は、ほかの点では、図１のシステム１０の実施形態と同様であり、およびボイラ１１２、１１４のそれぞれに独立して供給するために、（独立した酸素燃料燃焼システム１２２、１２４における）酸化剤と燃料の供給システム１１８、１２０を含む。ボイラシステム１１０は、給水を主ボイラ１１２へ導入する前に予熱するために煙道ガスを使用する節炭器１２８を含む。節炭器１２８後の排気ガスは、酸化剤予熱器１６０において酸化剤を予熱するのに使用できる。

ここでも、ボイラシステム１１０には、発電機１３４、高圧（または主蒸気）タービン１３８、中間圧タービン１４０、および低圧タービン１４１を有するタービン／発電機のセット１３６と、復水器１４２とが備えられている。

給水は、給水ライン１３０を通して主ボイラに入り、それが水管を通して流れるときに加熱される。加熱された流体は分離され、および飽和された蒸気は、ライン１４４を通して主ボイラ１１２から出て、過熱ボイラ１１４に入り、そのボイラ１１４において、蒸気は、過熱された状態まで加熱される。過熱された蒸気は、過熱ボイラ１１４から主蒸気ライン１４６を通して出て、高圧タービン１３８に入る。上述の実施形態と異なり、このシステム１１０において、高圧タービン１３８から出る蒸気は、連絡ライン１４３を通して横方向に送られ、（たとえば、再加熱器は設けられない）中間圧タービン１４０に入る。蒸気は、中間圧タービン１４０から出て、連絡ライン１４８を通して横方向に送られ、低圧タービン１４１に入る。ついで低圧蒸気は、低圧タービン１４１から低圧タービンを通して復水器ライン１５２まで排気され、ついで節炭器１２８を通して主ボイラ１１２へ戻される（ポンプ返送される）。

燃料回路に関して、上述の実施形態のように、燃料と酸化剤は、ボイラ１１２、１１４のそれぞれに独立して供給される。煙道ガスは、それらの該当するボイラからライン１１３および１１５それぞれを通して出て、節炭器１２８に入り、主ボイラ給水を予熱する。煙道ガスは、節炭器１２８から出て、酸化剤予熱器１６０において酸化剤を予熱するのに使用できる。排気ガスは、節炭器１２８を出た後に、酸化剤予熱器１６０まで（ライン１６１を通して）送られ、ついで節炭器１２８からの流出に続いて、必要な下流側処理装置（１５４で表示される）へ、導入のために（ライン１６３を通して）戻される。煙道ガスは、再循環１５６させることができ、および／または燃料（たとえば、微粉炭）をボイラ１１２、１１４に搬送するために、搬送手段として使用できる。

ボイラシステム２１０の他の実施形態が、単一の再加熱超臨界ボイラユニットを示す図３に図示される。このシステムは、２基の分離された別個のボイラ、すなわち水から超臨界蒸気を生成するボイラＮｏ．１（超臨界主ボイラ２１２）、およびボイラＮｏ．２（再加熱ボイラ２１６）を含む。（独立した酸素燃料燃焼システム２２２，２２６における）酸素と燃料は、酸化剤と燃料の供給システム２１８、２２０によりボイラ２１２、２１６のそれぞれへ供給される。ボイラシステム２１０は、給水を、主ボイラ２１２へ導入する前に予熱するために煙道ガスを使用する節炭器２２８を含む。

ここでも、ボイラシステム２１０には、発電機２３４、超臨界タービン２３８、中間圧タービン２４０、および低圧タービン２４１を有するタービン／発電機のセット２３６と、復水器２４２とが備えられている。

給水は、給水ライン２３０を通して主ボイラ２１２に入り、それが水管を通して流れるときに加熱される。加熱された流体は、超臨界蒸気ライン２４６を通して超臨界ボイラ２１２から出て、超臨界タービン２３８に入る。流体（蒸気）は、超臨界タービン２３８から排気し、再加熱ライン２４８を通して再加熱ボイラ２１６に入り、ついで再加熱蒸気ライン２５０を通して中間圧タービン２４０へ流れる。蒸気は、中間圧タービン２４０から排気し、連絡２４３を通して低圧タービン２４１に流入する。低圧蒸気は、低圧タービン２４１から出て、節炭器２４２において凝縮される。ついで凝縮液は、節炭器２２８を通して超臨界ボイラ２１２へ戻される（ポンプ返送される）。

燃料回路に関して、上述の実施形態のように、燃料と酸化剤は、ボイラ２１２、２１６のそれぞれに独立して供給される。煙道ガスは、それらの該当するボイラからライン２１３および２１７それぞれを通して出て、節炭器２２８に入り、主ボイラ給水を予熱する。煙道ガスは、節炭器２２８から出て、酸化剤予熱器２６０において酸化剤を予熱するのに使用できる。排気ガスは、節炭器２２８を出た後に、酸化剤予熱器２６０まで（ライン２６１を通して）送られ、ついで節炭器２２８からの流出に続いて必要に応じて、必要な下流側処理装置２５４へ、導入のために（ライン２６３を通して）戻される。煙道ガスは、再循環２５６させることができ、および／または燃料（たとえば、微粉炭）をそれらのボイラに搬送するために、搬送手段として使用できる。

ボイラシステム３１０のさらに他の実施形態が、飽和蒸気ボイラユニットを示す図４に図示される。このシステムは、飽和蒸気を生成する飽和蒸気ボイラ３１２および酸素燃料燃焼システム３２２を含む。ボイラシステム３１０は、給水を主ボイラ３１２へ導入する前に予熱するために煙道ガスを使用する節炭器３２８を含むことができる。

このボイラシステム３１０は、飽和蒸気を、所望の（現時点で特定しない）下流側プロセス３６０へ供給するように構成される。この目的のために、システム３１０には、「蒸気要求装置」（蒸気を要求する下流側プロセス）および復水器３４２が示され、その復水器の必要性は、蒸気要求装置３６０に左右される。

給水は、給水ライン３３０を通して主ボイラ３１２に入り、それが水管を通して流れるときに、加熱される。加熱された流体は、たとえば、蒸気ドラム３１３において、飽和蒸気と水に分離される。飽和蒸気は、ドラム３１３からボイラ３１２を出て、蒸気ライン３４６を通して蒸気要求装置３６０へ流れる。ついで流体（蒸気）は、（任意選択の）復水器３４２内で凝縮でき、ついで節炭器３２８を通してボイラ３１２へ戻される（給水としてポンプ返送される）であろう。

燃料回路に関して、上述の実施形態のように、燃料と酸化剤は、酸素燃料燃焼システム３２２を通してボイラ３１２に供給される。煙道ガスは、ボイラ３１２からライン３１３を通して出て、節炭器３２８に入り、主ボイラ３１２給水を予熱する。煙道ガスは、節炭器３２８を出て、酸化剤予熱器３７０において酸化剤を予熱するのに使用できる。排気ガスは、節炭器３２８を出た後に、酸化剤予熱器３７０まで（ライン３７１を通して）送られ、ついで節炭器３２８からの流出に続いて必要に応じて、必要な下流側処理装置３５４へ、導入のために（ライン３７３を通して）戻される。煙道ガスは、再循環３５６をさせることができ、および／または燃料（たとえば、微粉炭）をボイラ３１２に搬送するために、搬送手段として使用できる。酸素は酸化剤供給装置３１８により供給され、また燃料は燃料供給装置３２０により供給される。

ボイラシステム１０、１１０、２１０、３１０の実施形態のそれぞれにおいて、それらのボイラは、輻射伝熱機構の仕方で生じる伝熱を最大にするように作動するために構成される本質的に独立型のユニットである。そのために、それらのボイラは、比較的小さいし（水壁／管Ｔの有効な暴露を確実にするために）、または対流伝熱に依存する同等な従来のボイラよりも少なくとも小さい。それぞれのシステムにおけるボイラのそれぞれ（たとえば、単一再加熱ボイラシステム１０の主ボイラ１２、過熱ボイラ１４および再加熱ボイラ１６）が、単一ボイラユニットとして図示され、かつ説明されているが、これらのボイラのそれぞれは、直列の複数のユニットとして構成できることが予測されるのを当業者は認知している。ここでも、たとえば、主ボイラ１２を、２基または３基の小形ボイラとして直列に構成することができるであろう。加えて、それらのボイラのそれぞれは、１つの酸素燃料バーナーを有するように示されるが、それぞれのボイラは、必要に応じて複数のバーナーを有してもよいことが予測される。加熱段階のそれぞれに単一のボイラまたは複数のボイラを使用し、およびそれぞれのボイラに単一のバーナーまたは複数のバーナーを使用することにより、個別のボイラへの熱入力を制御する機能がさらに強化され、全体プロセスと蒸気の状態が一層有効に制御されることが分かる。

Ｇｒｏｓｓへの上述の特許に記載されるように、エネルギーは、酸素燃料燃焼システムによりボイラへ入力される。そのような構成を使用するとき、炉への基本的伝熱形態は、いくらかの対流伝熱を伴う輻射である。これらのバーナー（および概して酸素燃料システム）が高い火炎温度を生成するので、酸素燃料燃焼システムは、この有効な輻射伝熱を実現する。ボイラの幾何学的配置（たとえば、ボイラ管への直接火炎暴露）は、火炎から金属への伝熱が表面で生じる金属表面部位を最大化することにより、熱伝達率をさらに増加させる。

好都合には、本ボイラは、そのボイラを、ほぼ同等規模（電力出力）の従来ボイラよりも物理的に小さくできる酸素燃料燃焼の使用との組合せで、輻射伝熱の使用を最大化する。すなわち、ほぼ純粋な酸素（空気ではなく）が、酸化剤として使用されるために、酸化剤の全てを燃焼に利用でき、およびボイラへ入力されるガス量は、燃焼に必要な酸素を提供するために空気が酸化剤として使用されるならば必要とされるであろうガス量の約２１パーセントである。従って、そのボイラは、空気ではなくほぼ純粋な酸素が使用されるので、かなり小形にできるであろう。

加えて、燃料／酸素混合物（ここでも、燃料／空気混合物ではなく）は、ボイラ内に高い火炎温度を生じる。酸素燃料の使用により、ボイラ内の約５０００°Ｆの火炎温度を達成できる。これは、従来のボイラよりも約１５００°Ｆ〜２０００°Ｆだけ高い。これらの高い火炎温度と連係して酸素燃料を使用すると、極めて効率的なプロセスが生じることも認められている。

天然ガスを燃料として使用する本ボイラシステムにおいて、酸素／天然ガスの割合は、約２．３６：１である。この比は、酸素供給の純度および燃料の特性に応じて変わる。たとえば、１００パーセントの純粋酸素の理想状態の下で、その比は、２．０５６：１であるように理論的に計算される。しかしながら、酸素供給は、あるパーセントの非酸素成分（一般的に約１５パーセントまで）を有することがあり、かつ天然ガスは必ずしも１００パーセント純粋ではない点で、そのような変動が予測される。そのために、その比は、僅かに変わることがあるが、その比、すなわち燃料と酸素の化学量論的割合に近似する比を計算する基準は依然として当てはまることを、当業者は認識しかつ理解している。

この酸素の燃料に対する割合は、多くの利点を提供する。たとえば、化学量論的割合に近似した割合は、燃料の完全な燃料を実現し、結果として、ＮＯｘと他の有害排ガス放出物の量は大幅に減少する。

酸素の燃料に対する比を正確に制御すると、燃料の完全燃焼が確保されることに注目することが重要である。これは、ＬＯＩ（強熱減量）に苦労する従来のもの（たとえば、化石燃料使用発電電力プラント）と極めて対照的である。本質的にＬＯＩは、燃料の不完全燃焼に相当する。これに対して、本ボイラシステム１０、１１０、２１０、３１０は、これらの損失を最小にし、かつできれば解消しようとして、燃料に対する化学量論的割合に近い割合に厳密に制御して（「気密」に、すなわち空気の導入をほぼ防止するように構成されるボイラを使用して）、実質的に純粋な酸素を使用する。加えて、これらのバーナー（酸素燃料システムにおいて）を使用する場合、空気を使用する燃焼から生じるもの以外で、唯一理論的にＮＯｘが生じるとすれば、燃料含有の窒素からである。従って、ＮＯｘは、完全には排除されないとしても、従来の燃焼システムに比べて微々たる量まで減らされる。

さらに、輻射伝熱が望ましい伝熱機構であるので、ボイラ内の対流（ガス）パスについての依存は少ない。これによっても、より小形で、より単純なボイラ構造が得られる。これらの構造的な考慮により、ボイラは、独立型のモジュール式ユニットとすることができる。すなわち、図１を参照すると、独立型のボイラ１２を、独立型の過熱ボイラ１４とグループ分けでき、ボイラ１４は、独立型の再加熱ボイラ１６とグループ分けできる。同様に、図３を参照すると、独立型の過熱主ボイラ２１２は、ボイラシステム２１０の中核として、独立型の再加熱ボイラ２１６とグループ分けできる。この独立型の構成により、過熱蒸気の温度が、非テンペレーション（脱過熱）により制御される従来のシステムに比べて制御上の利点が得られる。脱過熱プロセスは、水または蒸気（蒸気または噴霧として）の添加により過熱蒸気を冷却し、かつシステムの効率を低下させるが、沸騰と過熱用の別個のボイラを使用することにより、このプロセスを無くすことができる。下降運転中（設計容量よりも低い容量で運転中）にも利点がある。下降状態の下では、沸騰領域に入力される熱を、過熱領域または再加熱領域に入力される熱とは関係なく制御でき、かつ一層効率的な運転をもたらす。

種々のボイラ構成に基づく熱と質量の収支の検討によれば、予想されるボイラ効率は極めて高く、かつ既知のボイラシステムよりもかなり高いことが判明している。たとえば、主ボイラにおける第１の再加熱／亜臨界ユニットにおいて、蒸気出口に対する水入口のエンタルピーの変化は、約２．０８Ｅ９ＢＴＵ／ｈｒの燃料入力エンタルピーの場合、約１．９５Ｅ９ＢＴＵ／ｈｒである。過熱ボイラにおいて、蒸気出口に対する蒸気入口のエンタルピーの変化は、約８．３２Ｅ８ＢＴＵ／ｈｒの燃料入力エンタルピーの場合、約７．３０Ｅ８ＢＴＵ／ｈｒであり、および再加熱ボイラにおいて、蒸気出口に対する水入口のエンタルピーの変化は、約６．２２Ｅ８ＢＴＵ／ｈｒの燃料入力エンタルピーの場合、約５．５２Ｅ８ＢＴＵ／ｈｒである。これらのことにより、主ボイラ、過熱ボイラおよび再加熱ボイラの効率は、それぞれ９３．８％（節炭器利得を含む）、８７．８％および８８．７％となる。

同様に、主ボイラにおける第２の非再加熱、亜臨界ユニットにおいて、蒸気出口に対する水入口のエンタルピーの変化は、約１．９７Ｅ９ＢＴＵ／ｈｒの燃料入力エンタルピーの場合、約１．９９Ｅ９ＢＴＵ／ｈｒである。過熱ボイラにおいて、蒸気出口に対する蒸気入口のエンタルピーの変化は、約１．６０Ｅ９ＢＴＵ／ｈｒの燃料入力エンタルピーの場合、約１．２２Ｅ９ＢＴＵ／ｈｒである。これらのことにより、主ボイラおよび過熱ボイラの効率は、それぞれ１０１．０％（節炭器利得を含む）および７６．２％となる。節炭器が主ボイラ用の計算に含まれており（節炭器は、主ボイラと過熱ボイラの両方から排気を受ける）、そのために、過熱ボイラからの排気ガスエネルギーのクレジットが得られて、そのクレジットにより効率が１００％よりも大きいように見える（実際はそうではないが）ことに注意することが重要である。

超臨界主ボイラにおける第３の再加熱−超臨界ボイラにおいて、蒸気出口に対する水入口のエンタルピーの変化は、約２．７２Ｅ９ＢＴＵ／ｈｒの燃料入力エンタルピーの場合、約２．３７Ｅ９ＢＴＵ／ｈｒである。再加熱ボイラにおいて、蒸気出口に対する蒸気入口のエンタルピーの変化は、約７．２４Ｅ８ＢＴＵ／ｈｒの燃料入力エンタルピーの場合、約６．２３Ｅ８ＢＴＵ／ｈｒである。これらのことにより、超臨界主ボイラおよび再加熱ボイラの効率は、それぞれ８７．２％（節炭器利得を含む）および８６．０％となる。

最後の、または飽和蒸気ボイラシステムにおいて、蒸気出口に対する水入口のエンタルピーの変化は、約３．７３Ｅ９ＢＴＵ／ｈｒの燃料入力エンタルピーの場合、約３．４２Ｅ９ＢＴＵ／ｈｒである。約０．１３Ｅ８ＢＴＵ／ｈｒのブローダウン損失がある。これにより、主ボイラの効率は９１．７％となる。

以下の表１は、ボイラにより分類される再加熱／亜臨界ユニットについての部分的な質量とエネルギーの収支成分を示す。表２は、ボイラにより分類される非再加熱／亜臨界ユニットについての部分的な質量とエネルギーの収支成分を示し、表３は、ボイラにより分類される再加熱−超臨界ボイラユニットについての部分的な質量とエネルギーの収支成分を示し、および表４は、飽和蒸気ボイラユニットについての部分的な質量とエネルギーの成分を示す。再加熱−超臨界ボイラユニットについての表３における部分的な質量とエネルギーの収支値は、第１と第２のボイラセクションを示し、それらの値は、効率を求めるために、かつ図３の概略説明図に合致するために互いに加えられることを注目すべきである。表１〜３における部分的な質量とエネルギーの収支値要約のそれぞれにおいて、比エンタルピー値と全エンタルピー値は、節炭器の前の該当する第１の燃焼セクションに対する水入口のものである。

上述のように、ボイラシステムのそれぞれは、２つの主要な領域において従来のプロセスから逸脱している。第１に、従来の燃焼プロセスは、燃焼のために、ほぼ純粋な酸素ではなく、空気（酸素を供給するための酸化剤として）を使用する。空気の酸素成分（約２１パーセント）は、燃焼に使用される一方、残りの成分（本質的に窒素）は、炉において加熱され、炉から排気される。第２に、本プロセスは、酸素と燃料を、互いに化学量論的割合に近い割合（約±５パーセントの許容範囲内）で使用する。すなわち、十分な酸化剤だけが、所定の許容範囲内での燃料の完全燃焼を確保するために、燃料に比例して供給される。さらに、これは、複数のボイラ構成装置において、または連係システムとして構成されるモジュールにおいて実施され、それぞれのモジュールは、該当する所望の段階（たとえば、主ボイラ、過熱領域、再加熱領域）において加熱する。

多くの利点と利益は、本燃焼システムを使用して達成される。以下で説明するように、同等量の電力または熱を生成するための燃料消費量が減少されることが認められている。重要なことには、これは、結果として生じる汚染物の量の大幅な削減を実現できる。ここでもまた、幾つかの用途において、ＮＯｘの排出量を本質的にゼロまで削減できる。

加えて、ガスの処理量が、従来のボイラよりもかなり少ないので、排気ガスの排出量は同等に少ない。事実、酸化剤（従来システムにおける空気に比べて本システムにおける酸素）の入力は、従来システムの約２１パーセントである点で、その排出量も、従来システムの約２１パーセントである（固体燃料の場合、固体燃料をボイラの中に移動するのに必要な誘引ガスの量がある点で、たとえば、４０パーセントのことがある）。さらに、排出ガスの基本成分は、凝縮できるか、そうでない場合は放出できる水（蒸気として）、およびＣＯ_２であることが予測される。ＣＯ_２は、他の産業用途および／または商業用途における使用のために、および／または隔離のために、濃縮形態で捕捉されることも予測される。

燃料／酸素混合物（ここでも、燃料／空気混合物ではなく）の使用は、上で検討したように、高い火炎温度を生じることも判明している。酸素燃料の使用により、約５０００°Ｆの火炎温度を達成できる。これは、他の既知のボイラよりも約１５００°Ｆ〜２０００°Ｆだけ高い。これらの高い火炎温度と連係して酸素燃料を使用すると、極めて効率の高いプロセスとなることも認められている。

本開示において、用語「ａ」または「ａｎ」は、単数と複数の両方を含むように解されるべきである。反対に、複数の品目への引用は、該当する場合、単数を含むものとする。

上述のことから、多くの変更態様および変形態様を、本発明の新規な着想の真の精神と範囲から逸脱することなく実施できることが認められるであろう。図示される特定の実施形態に関しての限定は意図されないし、また推測されるべきではないことが理解されるべきである。この開示は、付属の特許請求の範囲により、その特許請求の範囲の範囲内に入る全てのそのような変更態様を包含しようとするものである。

本発明の原理を具現化するモジュール式酸素燃料ボイラを有する単一の再加熱／亜臨界ボイラシステムの概略流れ線図である。 本発明の原理を具現化するモジュール式酸素燃料ボイラを有する非再加熱／亜臨界ボイラシステムの概略流れ線図である。 本発明の原理を具現化するモジュール式酸素燃料ボイラを有する単一の再加熱／超臨界ボイラシステムの概略流れ線図である。 本発明の原理を具現化するモジュール式酸素燃料ボイラを有する飽和蒸気ボイラシステムの概略流れ線図である。

符号の説明

１０ ボイラシステム
１２ 主ボイラ
１４ 過熱ボイラ
１６ 再加熱ボイラ
１８ 酸化剤供給システム
２０ 燃料供給システム
２２ 酸素燃料燃焼システム
２４ 酸素燃料燃焼システム
２６ 酸素燃料燃焼システム
２８ 節炭器
３０ 給水ライン
３２ 酸素発生装置
３４ 発電機
３８ 高圧蒸気タービン
４０ 中間圧蒸気タービン
４１ 低圧蒸気タービン
４２ 復水器
５４ 下流側処理装置
６０ 酸化剤予熱器

Claims (23)

1. 水から蒸気を生成するモジュール式酸素燃料ボイラシステムであって、
   給水を受けかつ前記給水を蒸気に変換する主ボイラと、前記主ボイラと直列に設けられ、前記主ボイラから前記蒸気を受けかつ前記主ボイラから受けた前記蒸気のエンタルピーを増大させるために前記蒸気を過熱する過熱ボイラとを備え、前記過熱ボイラは、前記主ボイラとは異なるエネルギー伝達機能を実施し、かつ前記主ボイラおよび過熱ボイラは、互いに独立したものであり、
   前記主ボイラは、
   給水を受ける給水入口と、
   前記給水を受けかつ少なくとも１つの水壁を形成している複数の主ボイラ管であって、前記給水入口は前記複数の主ボイラ管と流れ連通し、前記主ボイラは空気の導入を実質的に防止するように構成されている、前記複数の主ボイラ管と、
   ２１パーセントよりも高い純度を有する酸素を供給する主ボイラ酸素供給装置と、
   炭素系燃料を供給する主ボイラ炭素系燃料供給装置と、
   少なくとも１つの主ボイラ酸素燃料バーナーであって、前記炭素系燃料と前記２１パーセントよりも高い純度を有する酸素を受ける主ボイラ酸素燃料バーナーと、
   前記酸素または前記炭素系燃料の過剰分を所定の許容範囲に限定するために、前記酸素と前記炭素系燃料を、互いに化学量論的割合に近い割合で前記主ボイラ酸素燃料バーナーに供給する、主ボイラ制御システムと、を備え、
   前記主ボイラ管は、前記水へエネルギー伝達して蒸気を生成するために、直接輻射エネルギーに暴露するように構成され、
   前記過熱ボイラは、
   前記主ボイラから蒸気を受ける蒸気入口と、
   前記蒸気入口と流れ連通し、前記主ボイラから前記蒸気を受ける少なくとも１つの管壁を形成している、複数の過熱ボイラ管であって、前記過熱ボイラは空気の導入を実質的に防止するように構成されている、前記複数の過熱ボイラ管と、
   ２１パーセントよりも高い純度を有する酸素を供給する過熱ボイラ酸素供給装置と、
   炭素系燃料を供給する過熱ボイラ炭素系燃料供給装置と、
   少なくとも１つの過熱ボイラ酸素燃料バーナーであって、前記炭素系燃料と前記２１パーセントよりも高い純度を有する酸素を受ける過熱ボイラ酸素燃料バーナーと、
   前記酸素または前記炭素系燃料の過剰分を所定の許容範囲に限定するために、前記酸素と前記炭素系燃料を、互いに化学量論的割合に近い割合で前記過熱ボイラ酸素燃料バーナーに供給する、過熱ボイラ制御システムと、を備え、かつ
   前記過熱ボイラ管は、エネルギー伝達して蒸気を生成するために、直接輻射エネルギーに暴露するように構成される、
   モジュール式酸素燃料ボイラシステム。
2. 前記主ボイラ酸素供給装置は、約８５パーセントの純度の酸素を供給する、請求項１に記載のモジュール式酸素燃料ボイラシステム。
3. 前記過熱ボイラ酸素供給装置は、約８５パーセントの純度の酸素を供給する、請求項１に記載のモジュール式酸素燃料ボイラシステム。
4. 蒸気タービンを含み、前記過熱ボイラから出る蒸気は前記蒸気タービンへ供給される、請求項１に記載のモジュール式酸素燃料ボイラシステム。
5. 再加熱ボイラを含み、前記再加熱ボイラは、複数の管を有し、および前記主ボイラと前記過熱ボイラと直列に設けられ、かつ前記主ボイラと前記過熱ボイラとは異なるエネルギー伝達機能を実施するように構成され、前記再加熱ボイラの前記管は、少なくとも１つの管壁を形成し、前記再加熱ボイラは、空気の導入を実質的に防止するように構成され、前記再加熱ボイラシステムは、２１パーセントよりも高い純度を有する酸素を供給する酸素供給装置と、炭素系燃料を供給する炭素系燃料供給装置と、および少なくとも１つの再加熱ボイラ酸素燃料バーナーを含み、前記酸素燃料バーナーは、前記酸素または前記炭素系燃料の過剰分を所定の許容範囲に限定するために、前記酸素と前記炭素系燃料を、互いに化学量論的割合に近い割合で前記再加熱ボイラに供給し、前記再加熱ボイラ管は、エネルギーを伝達して蒸気を過熱するために、直接輻射エネルギーに暴露するように構成され、および前記再加熱ボイラは、前記主ボイラと前記過熱ボイラとは独立したものであり、前記再加熱ボイラは、前記蒸気タービンからの排気を受容し、かつ蒸気を生成するように構成される、請求項４に記載のモジュール式酸素燃料ボイラシステム。
6. 前記再加熱ボイラ酸素供給装置は、約８５パーセントの純度の酸素を供給する、請求項５に記載のモジュール式酸素燃料ボイラシステム。
7. 中間圧タービンを含み、前記再加熱ボイラにより生成される蒸気は、前記中間圧タービンへ供給される、請求項５に記載のモジュール式酸素燃料ボイラシステム。
8. 低圧タービンを含み、前記中間圧タービンから排気される蒸気は、前記低圧タービンへ供給され、および前記低圧タービンから排気される蒸気は、復水器へ供給される、請求項７に記載のモジュール式酸素燃料ボイラシステム。
9. ガス側と給水側を有する節炭器を含み、前記主ボイラおよび過熱ボイラからの排気ガスは、前記節炭器ガス側に流入し、給水は、前記節炭器を通して前記給水入口に流入する、請求項１に記載のモジュール式酸素燃料ボイラシステム。
10. 前記主ボイラおよび過熱ボイラは、固体燃料ボイラであり、および前記排気ガスの一部分は、固体燃料を前記ボイラの少なくとも一方に搬送するのに使用される、請求項９に記載のモジュール式酸素燃料ボイラシステム。
11. 前記排気ガスの一部分は、固体燃料を前記主ボイラおよび過熱ボイラに搬送するのに使用される、請求項１０に記載のモジュール式酸素燃料ボイラシステム。
12. 固体燃料を前記ボイラの少なくとも一方に搬送するのに使用される前記排気ガスの前記一部分は、前記節炭器の下流側の排気ガス流路から排気する、請求項１０に記載のモジュール式酸素燃料ボイラシステム。
13. 前記節炭器ガス側から排気する排気ガスは、前記主ボイラおよび過熱ボイラ酸素供給装置用の酸素供給を予熱する、請求項９に記載のモジュール式酸素燃料ボイラシステム。
14. モジュール式酸素燃料ボイラシステムであって、
    給水を受けかつ前記給水を蒸気に変換する主ボイラを含み、
    前記主ボイラは、
    給水を受ける給水入口と、
    前記給水を受けかつ少なくとも１つの水壁を形成している複数の主ボイラ管であって、前記給水入口は前記複数の主ボイラ管と流れ連通し、前記主ボイラは空気の導入を実質的に防止するように構成されている、前記複数の主ボイラ管と、
    ２１パーセントよりも高い純度を有する酸素を供給する主ボイラ酸素供給装置と、
    炭素系燃料を供給する主ボイラ炭素系燃料供給装置と、
    少なくとも１つの主ボイラ酸素燃料バーナーシステムと、
    主ボイラ酸素燃料バーナーであって、前記炭素系燃料と前記２１パーセントよりも高い純度を有する酸素を受ける主ボイラ酸素燃料バーナーと、
    前記酸素または前記炭素系燃料の過剰分を所定の許容範囲に限定するために、前記酸素と前記炭素系燃料を、互いに化学量論的割合に近い割合で前記主ボイラ酸素燃料バーナーに供給する、主ボイラ制御システムと、を備え、
    前記主ボイラ管は、前記水へエネルギー伝達して蒸気を生成するために、直接輻射エネルギーに暴露するように構成され、
    高圧タービンと中間圧タービンを含み、前記主ボイラから出る蒸気は、前記高圧タービンへ供給され、前記高圧タービンから出る蒸気は、前記高圧タービンから出る蒸気のエンタルピーを増大させるために再加熱ボイラへ供給され、また前記再加熱ボイラから出る蒸気は、前記中間圧タービンへ供給され、
    前記再加熱ボイラは、
    前記高圧タービンから蒸気を受ける蒸気入口と、
    前記蒸気入口と流れ連通し、前記高圧タービンから前記蒸気を受ける少なくとも１つの管壁を形成している、複数の再加熱ボイラ管であって、前記再加熱ボイラは空気の導入を実質的に防止するように構成されている、前記複数の再加熱ボイラ管と、
    ２１パーセントよりも高い純度を有する酸素を供給する再加熱ボイラ酸素供給装置と、
    炭素系燃料を供給する再加熱ボイラ炭素系燃料供給装置と、
    少なくとも１つの再加熱ボイラ酸素燃料バーナーであって、前記炭素系燃料と前記２１パーセントよりも高い純度を有する酸素を受ける再加熱ボイラ酸素燃料バーナーと、
    前記酸素または前記炭素系燃料の過剰分を所定の許容範囲に限定するために、前記酸素と前記炭素系燃料を、互いに化学量論的割合に近い割合で前記再加熱ボイラ酸素燃料バーナーに供給する、再加熱ボイラ制御システムと、を備え、
    前記再加熱ボイラ管は、エネルギー伝達して蒸気を生成するために、直接輻射エネルギーに暴露するように構成される、モジュール式酸素燃料ボイラシステム。
15. 低圧タービンをさらに含み、蒸気は、前記中間圧タービンから排気する蒸気を前記低圧タービンに供給する、請求項１４に記載のモジュール式酸素燃料ボイラシステム。
16. 復水器を含み、前記低圧タービンから排気する蒸気は、前記復水器へ排気する、請求項１５に記載のモジュール式酸素燃料ボイラシステム。
17. ガス側と給水側を有する節炭器を含み、前記主ボイラと再加熱ボイラからの排気ガスは、前記節炭器を通して排気し、および前記復水器からの給水は、前記節炭器を通して前記給水入口に流入する、請求項１４に記載のモジュール式酸素燃料ボイラシステム。
18. 前記主ボイラと再加熱ボイラは、固体燃料ボイラである、請求項１７に記載のモジュール式酸素燃料ボイラシステム。
19. 前記排気ガスの一部分は、固体燃料を前記主ボイラと再加熱ボイラに搬送するのに使用される、請求項１８に記載のモジュール式酸素燃料ボイラシステム。
20. 固体燃料を前記ボイラの少なくとも一方に搬送するのに使用される前記排気ガスの前記一部分は、前記節炭器の下流側の排気ガス流路から排気する、請求項１９に記載のモジュール式酸素燃料ボイラシステム。
21. 前記節炭器ガス側から排気する排気ガスは、前記主ボイラと再加熱ボイラ酸素供給装置用の酸素を予熱する、請求項１７に記載のモジュール式酸素燃料ボイラシステム。
22. 水から蒸気を生成するボイラシステムであって、複数の直列に配置される主ボイラと過熱ボイラを含むボイラを備え、前記主ボイラから生成される蒸気は、前記主ボイラからの蒸気のエンタルピーを増大させるために前記過熱ボイラの蒸気入口に供給され、前記主ボイラは、水を流す複数の管と流れ連通する入口を有し、前記過熱ボイラは、前記主ボイラから受ける蒸気を流す複数の管と流れ連通する入口を有し、前記管は、少なくとも１つの管壁を形成し、前記ボイラのそれぞれは、空気の導入を実質的に防止するように構成され、前記ボイラのそれぞれは、２１パーセントよりも高い純度を有する酸素を供給する酸素供給装置と、炭素系燃料を供給する炭素系燃料供給装置と、前記酸素または前記炭素系燃料の過剰分を所定の許容範囲に限定するために、前記酸素と前記炭素系燃料を、互いに化学量論的割合に近い割合で該当するボイラに供給する、少なくとも１つの酸素燃料バーナーおよび制御システムと、を含み、それぞれのボイラの前記ボイラ管は、エネルギー伝達のために直接輻射エネルギーに暴露するように構成され、前記ボイラのそれぞれは、他のボイラとは独立したものである、ボイラシステム。
23. 前記ボイラのそれぞれに供給される酸素は、約８５パーセントの純度を有する、請求項２２に記載のボイラシステム。

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