JP5331648B2

JP5331648B2 - 微粉炭ボイラの改造方法

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Publication number: JP5331648B2
Application number: JP2009243581A
Authority: JP
Inventors: 哲馬辰巳; 正行谷口; 強柴田; 喜治林
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Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2009-10-22
Filing date: 2009-10-22
Publication date: 2013-10-30
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Description

本発明は空気燃焼ボイラシステムの微粉炭ボイラを酸素燃焼ボイラシステムの微粉炭ボイラに改造する微粉炭ボイラの改造方法に関する。

地球温暖化対策の一環として、ボイラで燃料を燃焼させる際に、従来のように空気を用いる代わりに高純度の酸素と燃焼排ガスの混合気体で燃焼させる方法が提案されている。以降、この方式を酸素燃焼、空気による燃焼方法を空気燃焼と呼ぶ。

酸素燃焼では、排ガス中の大部分がＣＯ２になるため、排ガスからＣＯ２を回収する際に濃縮する必要がなく、そのまま排ガスを加圧、冷却してＣＯ２を液化、分離することが可能であり、ＣＯ２排出量削減に有効な方法の一つである。

従来の酸素燃焼ボイラシステムに関しては、特開平５−２６４０９号公報に記載されているように、バーナとアフタエアポートを有する二段燃焼方式の微粉炭ボイラに酸素製造装置とＣＯ２回収設備を備えさせ、微粉炭ボイラで燃焼して該微粉炭ボイラから排出した燃焼排ガスの一部及びＣＯ２を回収した後の燃焼排ガスを再循環させ、酸素製造装置で製造した酸素と混合して前記微粉炭ボイラに供給し、燃料の酸化剤として使用する酸素燃焼ボイラシステムが知られている。

また、特開２００１−２０１４０６号公報には、空気燃焼システムの微粉炭ボイラの改造方法が開示されており、アフタエアポートをバーナで生じた火炉内の火炎の先端よりも下方で斜め上向きに設けることにより、火炉の燃焼負荷の調節を可能にした技術が開示されている。

特開平５−２６４０９号公報特開２００１−２０１４０６号公報

前記特開２００１−２０１４０６号公報に開示された空気燃焼システムの微粉炭ボイラの改造方法は、酸素燃焼システムの微粉炭ボイラへの改造について記載も示唆もされていない。

前記特開平５−２６４０９号公報に記載された酸素燃焼ボイラシステムでは、バーナとアフタエアポートを有する二段燃焼方式の微粉炭ボイラを酸素燃焼ボイラシステムとして使用する場合に、ＣＯ２を主成分とする燃焼排ガスを再循環させ、酸素とこの再循環ガスとを混合させて燃料の支燃ガスとして利用している。

この酸素燃焼ボイラシステムにおいて、排ガスの再循環量を減らすことは排熱回収ロスの回避と再循環ガスの送気用のブロア動力の低減につながるため、送電端効率の向上の面で有利である。

一方で、排ガスの再循環量を減らすことで支燃ガス中の酸素濃度が増加し、燃料の理論燃焼温度が上昇することになる。その結果、火炉への熱負荷が大幅に増大し、火炉を構成する金属材料の許容温度を越えて破損に至る可能性が懸念されるという課題がある。

本発明の目的は、空気燃焼ボイラシステムの微粉炭ボイラを酸素燃焼ボイラシステムであるバーナとアフタエアポートを有する二段燃焼方式の微粉炭ボイラに改造する場合に、微粉炭ボイラの火炉壁への熱負荷を軽減し、短工期、低コストで構造信頼性を維持し得る酸素燃焼ボイラシステムの微粉炭ボイラの改造方法を提供することにある。

本発明の微粉炭ボイラの改造方法は、微粉炭ボイラの火炉の壁面に上下方向に３段に亘ってバーナを設置し、前記バーナの上部に位置する二段燃焼用の空気導入用のアフタエアポートを備えた二段燃焼方式の空気燃焼用ボイラシステムの微粉炭ボイラに、空気中より酸素を分離する酸素製造装置と、ボイラ火炉より発生する燃焼排ガスよりＣＯ２ガスを吸収、分離するＣＯ２回収装置を設置して酸素燃焼ボイラシステムの微粉炭ボイラに改造する微粉炭ボイラの改造方法において、前記微粉炭ボイラの火炉の壁面に上下方向に３段に亘って設置したバーナのうち、中間の段に位置するバーナを休止し、前記微粉炭ボイラの火炉の壁面にアフタエアポート設置用に設けられた開口部に新たなバーナを設置して、火炉壁の上下方向に設置された稼動する前記バーナのバーナ間隔を拡大し、休止したバーナを除く前記複数段のバーナ及び前記アフタエアポート設置用の開口部に設けた新たなバーナに前記酸素製造装置で製造した酸素と前記微粉炭ボイラから排出した排ガスの一部を微粉炭ボイラに循環させる再循環ガスの一部をそれぞれ導いて前記複数段のバーナ及び新たなバーナから火炉内に前記酸素と再循環ガスを供給して、火炉内の温度を調節することを特徴とする。

また本発明の微粉炭ボイラの改造方法は、微粉炭ボイラの火炉の壁面に設置された主アフタエアポートと主アフタエアポートの下段に位置する副アフタエアポートを備えた二段燃焼方式の空気燃焼用ボイラシステムの微粉炭ボイラに、空気中より酸素を分離する酸素製造装置と、ボイラ火炉より発生する燃焼排ガスよりＣＯ２ガスを吸収、分離するＣＯ２回収装置を設置して酸素燃焼ボイラシステムの微粉炭ボイラに改造する微粉炭ボイラの改造方法において、前記微粉炭ボイラの火炉の壁面に上下方向に３段に亘って設置したバーナのうち、中間の段に位置するバーナを休止し、前記微粉炭ボイラの火炉の壁面の主アフタエアポート設置用に設けられた開口部に別のバーナを設置して、火炉壁の上下方向に設置された稼動する前記バーナのバーナ間隔を拡大し、休止したバーナを除く前記複数段のバーナ及び前記主アフタエアポート設置用の開口部に設けた別のバーナに前記酸素製造装置で製造した酸素と前記微粉炭ボイラから排出した排ガスの一部を微粉炭ボイラに循環させる再循環ガスの一部をそれぞれ導いて前記複数段のバーナ及び別なバーナから火炉内に前記酸素と再循環ガスを供給して、火炉内の温度を調節することを特徴とする。

また本発明の微粉炭ボイラの改造方法は、微粉炭ボイラの火炉の壁面に設置されたアフタエアポートを備えた二段燃焼方式の空気燃焼用ボイラシステムの微粉炭ボイラに、空気中より酸素を分離する酸素製造装置と、ボイラ火炉より発生する燃焼排ガスよりＣＯ２ガスを吸収、分離するＣＯ２回収装置を設置して酸素燃焼ボイラシステムの微粉炭ボイラに改造する微粉炭ボイラの改造方法において、前記微粉炭ボイラの火炉の壁面に上下方向に３段に亘って設置したバーナのうち、中間の段に位置するバーナを休止し、前記微粉炭ボイラの火炉の壁面のアフタエアポート設置用に設けられた開口部に新たなバーナを設置して、火炉壁の上下方向に設置された稼動する前記バーナのバーナ間隔を拡大し、休止したバーナを除く前記複数段のバーナ及び前記アフタエアポート設置用の開口部に設けた新たなバーナにウインドボックスをそれぞれ設置し、前記酸素製造装置で製造した酸素と前記微粉炭ボイラから排出した排ガスの一部を微粉炭ボイラに循環させる再循環ガスの一部を前記複数段のバーナ及び前記アフタエアポート設置用の開口部に設けた前記ウインドボックスにそれぞれ導いて前記複数段のバーナ及び新たなバーナから火炉内に前記酸素と再循環ガスを供給して、火炉内の温度を調節することを特徴とする。

本発明によれば、空気燃焼ボイラシステムの微粉炭ボイラを酸素燃焼ボイラシステムであるバーナとアフタエアポートを有する二段燃焼方式の微粉炭ボイラに改造する場合に、微粉炭ボイラの火炉壁への熱負荷を軽減し、短工期、低コストで構造信頼性を維持し得る酸素燃焼ボイラシステムの微粉炭ボイラの改造が実現できる。

本発明の対象となる微粉炭ボイラの火炉とバーナ及びアフタエアポート設置用の開口部の位置を示す構成図。本発明の対象となる改造前の微粉炭ボイラの空気燃焼ボイラシステムを示す全体構成図。改造前の空気燃焼ボイラシステムの微粉炭ボイラを火炉前壁から見た微粉炭ボイラの部分構成図。本発明の一実施例である微粉炭ボイラを酸素燃焼ボイラシステムの微粉炭ボイラに改造した後の酸素燃焼ボイラシステムを示す構成図。図４に示した本発明の実施例における改造後の微粉炭ボイラの火炉と火炉に設置されたバーナを示す概略構成図。本発明の一実施例である微粉炭ボイラを酸素燃焼ボイラシステムに改造後の火炉前壁から見た微粉炭ボイラの全体構成図。空気燃焼と空気燃焼と同等の収熱条件となる酸素濃度における酸素燃焼での火炉の熱負荷分布を示す模式図。改造前と本発明の実施例である酸素燃焼ボイラシステムに改造後の微粉炭ボイラにおける火炉の熱負荷分布を示す模式図。改造前の２段式アフタエアポートを備えた空気燃焼ボイラシステムの微粉炭ボイラの火炉を示す部分構成図。本発明の他の実施例である微粉炭ボイラを酸素燃焼ボイラシステムに改造する微粉炭ボイラの改造後の２段式アフタエアポートを備えた火炉を示す部分構成図。改造前の共通型バーナ用ウインドボックスを備えた空気燃焼ボイラシステムの微粉炭ボイラの火炉を示す部分構成図。本発明のさらに他の実施例である微粉炭ボイラを酸素燃焼ボイラシステムに改造する微粉炭ボイラの改造後の共通型バーナ用ウインドボックスを備えた火炉を示す部分構成図。

以下、図面を用いて本発明の実施例である微粉炭ボイラの改造方法について図面を引用して以下に説明する。

本発明の一実施例である空気燃焼ボイラシステムの微粉炭ボイラを酸素燃焼ボイラシステムに改造する微粉炭ボイラの改造方法について説明する。

始めに、図１を用いて本発明が対象とする微粉炭ボイラの火炉の構造について説明する。

図１に示した微粉炭ボイラにおいて、火炉１を構成する火炉壁面は、火炉前壁２と、この火炉前壁２と対向する火炉後壁３と、これら火炉前壁２と火炉後壁３との間の両側の側壁となる火炉側壁４とを夫々備えて火炉１を囲むことで、火炉１の内部に燃料の微粉炭が燃焼する火炉燃焼空間を形成するように構成されている。

これら火炉前壁２及び火炉後壁３の下部にはバーナ設置用の開口部が３段（上段開口部５ａ、中段開口部５ｂ、下段開口部５ｃ）で設けられている。開口部５ａ、５ｂ、５ｃは一段当たり４個設けられ、各開口部にバーナが夫々設置される。

上段バーナ７ｃ設置用の上段開口部５ａが設置されている位置よりも更に火炉壁の上段には、アフタエアを火炉内に供給するアフタエアポート設置用の開口部６ａが一段当たり４個設けてあり、各開口部６ａにアフタエアポートが夫々設置される。

２段アフタエアポート方式の火炉の場合、主アフタエアポート設置用の開口部６ａの下部に副アフタエアポート設置用の開口部６ｂを備えている。

なお、本実施例におけるバーナ設置用の開口部５ａ、５ｂ、５ｃ及びアフタエアポート設置用の開口部６ａは夫々４個であるが、本発明は改造対象である微粉炭ボイラの開口部の個数を限定するものではない。

また、本発明は改造対象である微粉炭ボイラが主アフタエアポート及び副アフタエアポートを備えた２段アフタエア方式であることを限定するものではない。

次に、図２を用いて本発明の対象となる改造前の微粉炭ボイラの上記火炉を構成要素に含む空気燃焼ボイラシステムの全体構成について説明する。

図２において、改造前の前記微粉炭ボイラの空気燃焼ボイラシステムは火炉１を有しており、火炉１の火炉前壁２の下部と、この火炉前壁２と対向する火炉後壁３の下部には、上下方向に沿って下段バーナ７ａ、中段バーナ７ｂ、上段バーナ７ｃの３段に亘って複数段のバーナが相互に対向するように設置されている。

火炉１の火炉前壁２及び火炉後壁３に上段、中段、下段に分けて設置された各バーナ段には燃料の石炭を微粉炭に粉砕する２台のミル１０（上段、中段、下段で合計６台）が夫々設置されている。

ホッパ１１に貯蔵された燃料となる石炭１２は、このミル１０で粉砕して微粉炭にした後にブロア３１から微粉炭搬送用空気の供給ライン４６を通じてミル１０に供給される空気６１によって搬送される。

そして、この微粉炭を空気６１と共に給炭管４１ａ、４１ｂ、４１ｃを通じて下段バーナ７ａ、中段バーナ７ｂ、上段バーナ７ｃにそれぞれ供給し、火炉１の内部に噴出して燃焼させる。同時に下段バーナ７ａ、中段バーナ７ｂ、上段バーナ７ｃには、バーナ用２次及び３次空気としてブロア３２から供給される空気６２を、バーナ用２次及び３次空気の供給ライン４５からバーナ用２次及び３次空気の供給ライン４０ａ、４０ｂ、４０ｃを通じてそれぞれ供給する。

下段バーナ７ａ、中段バーナ７ｂ、上段バーナ７ｃが設置された火炉壁の下流側で、上段バーナ７ｃが設置された位置よりもさらに上段の火炉前壁２及び火炉後壁３には複数のアフタエアポート９ａが相互に対向するように設置されており、このアフタエアポート９ａは二段燃焼用の追加空気を火炉１の内部に供給している。

ブロア３２から供給される空気６２は、火炉１から排ガスライン４７を通じて排出される排ガス６３と熱交換する空気予熱器１９で予熱された後に前記各バーナ７に夫々供給され、前記各アフタエアポート９ａにウインドボックス８を通じて夫々供給される。

さらに、本発明の一実施例である微粉炭ボイラの火炉１について、図３を用いて改造前の空気燃焼ボイラシステムの微粉炭ボイラを火炉前壁から見た火炉前壁の部分構成を説明する。

図３は、改造前の空気燃焼ボイラシステムの微粉炭ボイラを火炉前壁２から見た部分構成図であり、火炉前壁２の下部には上段バーナ７ｃ、中段バーナ７ｂ、下段バーナ７ｃの各バーナ段当たり、それぞれ４台のバーナが設置されている。

火炉前壁２に直交する方向から給炭管４１ａ、４１ｂ、４１ｃを通じて、燃料の微粉炭と空気６５が供給され、２次及び３次空気導入用ライン４０ａ、４０ｂ、４０ｃを通じてバーナ７に空気６２ａ、６２ｂ、６２ｃがバーナ用２次及び３次空気としてそれぞれ供給される。

上段バーナ７ｃが設置された位置よりも火炉壁のさらに上段には、ウインドボックス８が設置され、バーナ用２次及び３次空気の供給ライン４５からウインドボックス用空気ライン４２ａを通じて、空気６２ｄが供給される。ウインドボックス８内に導入された空気６２ｄはアフタエアポート９ａを通じて火炉１内に供給される。

次に上記空気燃焼ボイラシステムを酸素燃焼ボイラシステムに改造する方法について以下に説明する。

図４は、本発明の一実施例である空気燃焼ボイラシステムの微粉炭ボイラを酸素燃焼ボイラシステムの微粉炭ボイラに改造した全体構成図である。

図４に示した本実施例である酸素燃焼ボイラシステムに改造した微粉炭ボイラでは、改造前に火炉前壁２及び火炉後壁３に配置していた上段バーナ７ｃ、中段バーナ７ｂ、下段バーナ７ａのうち、中間の段に位置するバーナである中段バーナ７ｂから火炉内への燃料の供給を休止する。

本実施例の微粉炭ボイラでは、火炉１の火炉前壁２及び火炉後壁３に配置されたバーナ段は上段バーナ７ｃ、中段バーナ７ｂ、下段バーナ７ａを備えた３段のバーナであるので、中間の段に位置するバーナは中段バーナ７ｂとなるが、火炉前壁２及び火炉後壁３に配置されたバーナ段が例えば４段のバーナである場合は、中段の段に位置するバーナは下から２番目の段のバーナ、或いは上から２段目の段のバーナとなる。

そして、火炉１の壁面に開口部を新たに作製することなく、アフタエアポート設置用の開口部６ａに新たなバーナ７ｄを設置することで上下方向に配置した複数個のバーナの各バーナ間隔を拡大させている。

本実施例の改造された酸素燃焼ボイラシステムでは酸素分離装置１７及びガス混合器１８が設置されており、純酸素は深冷分離等で構成される酸素分離装置１７によって、ブロア３３から供給した空気６５を分離して製造する。

前記空気燃焼ボイラシステムにおいて、微粉炭ボイラの火炉１で微粉炭を燃焼させて火炉１から排出された後のＣＯ２を主成分とする排ガスを流下させる排ガスライン４７には、精製するガス精製装置１３と、ガス精製装置１３を経た排ガスを熱源として熱交換を行うガス予熱器１４と、ガス予熱器１４を経た排ガスを除湿する冷却除湿器１５と、冷却除湿器１５を経た排ガスからＣＯ２を冷却して回収するＣＯ２回収装置１６がそれぞれ設置されており、このＣＯ２回収装置１６によって排ガス中のＣＯ２を液化ＣＯ２（６６）として回収する。

また、冷却除湿器１５を経た排ガスの一部は再循環ガスとして、ライン４８を経由してガス予熱器１４で予熱後、ブロワ３４によって再循環ライン４９、５３を通じてガス混合器１８に供給される。

酸素分離装置１７で製造され酸素供給ライン５６を通じて供給された酸素は、再循環ライン５３を通じて供給される再循環ガスと前記ガス混合器１８にて混合し、その混合ガス（酸素と再循環ガス）が酸素と再循環ガスの混合ガスの供給ライン５５と酸素及び再循環ガスの供給ラインである２次及び３次空気導入用ライン４３を通じて、下段バーナ７ａ、上段バーナ７ｃ、及びアフタエアポート設置用の開口部６に設置されたバーナ７ｄにそれぞれ供給されるように構成されている。

火炉１の火炉前壁２と火炉後壁３に、上段バーナ７ｃ、下段バーナ７ａ、及びアフタエアポート設置用の開口部６に分けて設置されたバーナ７ｄの各バーナ段に、燃料の微粉炭を供給する２台のミル１０を夫々設置する。

燃料となる石炭１２はミル１０によって粉砕して微粉炭にした後に、再循環ガスライン５０を経由して流れる再循環ガスによって搬送する。そして、この再循環ガスによって搬送された微粉炭は再循環ガスと共に給炭管４１ａ、４１ｃ、４１ｄを通じて下段バーナ７ａ、上段バーナ７ｃ，バーナ７ｄにそれぞれ供給し、各バーナから火炉１の内部に噴出して燃焼させる。

再循環ガス中の酸素濃度が低いため、前記各バーナから火炉１の内部に噴出した微粉炭が着火しにくい可能性があるが、微粉炭搬送用再循環ガスへの酸素供給ライン５４に設置した再循環ガスへの酸素添加用の流量調節器２５を操作することによって、ミル１０に供給する酸素量を調節可能であり、必要に応じて酸素濃度を上げて着火性を高めることができる。

休止した中段のバーナ７ｂは再循環ガス６９の導入口として用いる。バーナ７ｂから再循環ガスを休止バーナへの再循環ガスの供給ライン５１を通じて火炉１内に供給し、この再循環ガスの供給ライン５１に設置した流量調節器２８によって再循環ガス６９の供給量を調節することで火炉の熱負荷を調節できる。

微粉炭が燃焼した後の火炉１から排ガスライン４７を通じて排出されるＣＯ２を主成分とする排ガスは、該排ガスライン４７に巡視設置されたガス精製装置１３で精製後、その下流のガス予熱器１４で熱交換を行い、更に下流の冷却除湿器１５で除湿した後に、ＣＯ２回収装置１６で冷却して液化ＣＯ２（６６）として回収する。

一方、火炉１から排ガスライン４７を通じて排出される排ガスの一部は再循環ガス６９として、精製済み排ガスの再循環ライン４８を経由してガス予熱器１４で予熱後、ブロワ３４によって再循環ガスライン４９に供給される。

この再循環ガスライン４９に供給された再循環ガス６９は該再循環ガスライン４９から休止バーナへの再循環ガスの供給ライン５１、ホッパからの再循環ガスの供給ライン５２、及び再循環ライン５３の３系統にそれぞれ分かれて流下する。

前記再循環ガスの供給ライン５１に分かれて流下した再循環ガス６９は、休止したバーナ７ｂに送られて火炉１の熱負荷調節に用いられ、前記再循環ガスの供給ライン５２に分かれて流下した再循環ガス６９は火炉１の下部から再循環させる。

前記再循環ライン５３に分かれて流下した再循環ガスは、ガス混合器１８に供給され、酸素製造装置１７で製造した酸素とこのガス混合器１８で混合されて、下段バーナ７ａ、上段バーナ７ｃ、バーナ７ｄの各バーナへの酸素及び再循環ガスの供給ラインである２次及び３次空気導入用ライン４３ａ、４３ｃ、４３ｄから微粉炭燃焼用の支燃ガスとしてそれぞれ供給し、再循環させる。

図５は、本発明の実施例である空気燃焼ボイラシステムの微粉炭ボイラを酸素燃焼ボイラシステムに改造後の微粉炭ボイラの火炉と火炉に設置されたバーナを示す概略図である。図５に示したように、この火炉１にはアフタエアポート設置用の開口部６ａにバーナ７ｄを設置している。ここでは給炭管４１とバーナ用２次及び３次ガス供給ライン４３は省略してある。

図６は、本発明の実施例である空気燃焼ボイラシステムの微粉炭ボイラを酸素燃焼ボイラシステムに改造後の微粉炭ボイラを火炉前壁２から見た部分構成図である。火炉前壁２の下部に設置した下段バーナ７ａ、上段バーナ７ｃ、及び休止中の中段バーナ７ｂと、火炉前壁２のアフタエアポート設置用の開口部６に設置したバーナ７ｄに関して、各バーナ設置段当たり、それぞれ４台のバーナを設置する。

そして下段バーナ７ａ、上段バーナ７ｃ及びアフタエアポート設置用の開口部６に設置したバーナ７ｄには火炉前壁２に直交する方向から給炭管４１ａ、４１ｃ、及び４１ｄを通じて、微粉炭と再循環ガス６７を供給し、２次及び３次空気導入用ライン４３ａ、４３ｃ、４３ｄを通じて酸素と再循環ガス６８ａ、６８ｃ、６８ｄを供給する。

また、休止した中段バーナ７ｂには２次及び３次空気導入用ライン４３ｂを通じて再循環ガス６９ｂを前記中段バーナ７ｂから火炉１内に供給して火炉１の熱負荷調節に用いる。

以上は本発明である空気燃焼ボイラシステムの微粉炭ボイラを酸素燃焼ボイラシステムの微粉炭ボイラに改造した実施例の一例を説明したものであるが、次に酸素と再循環ガスとを混合させた支燃ガスとして微粉炭ボイラに供給される支燃ガス組成が変わることに起因する課題とその解決方法について述べる。

空気燃焼ボイラシステムの微粉炭ボイラを酸素燃焼ボイラシステムの微粉炭ボイラに改造する場合、改造コストの観点からみると、酸素燃焼でも空気燃焼における各熱交換器の熱吸収量のバランスを維持できることが好ましい。

これは、ボイラの設計段階において、火炉１に設置された各熱交換器の熱吸収量のバランス（水管内の蒸気温度と圧力及び水管外のガス温度）をふまえて、熱交換器の材料を選定するためである。熱交換器では、高温領域では耐熱性に優れる高価な材料を使用し、比較的低温の領域では耐熱的に高くない低価格の材料を使用する。

空気燃焼から酸素燃焼へのボイラシステムの変更を行うことで、酸素燃焼の熱吸収のバランスが空気燃焼での熱吸収のバランスから大きく変化する場合、設計段階で材料の選定基準となった温度等の条件が変わるため、そのままでは材料の耐熱的な理由から運転ができなくなる事態が予想される。

このような場合には、各熱交換器で、材料の使用限界温度以下となるように、伝熱面積を変更する改造が必要になる（水管の追加もしくは削除）。以上の要請から、酸素燃焼にした場合でも、空気燃焼での熱吸収量のバランスを再現できれば、伝熱面積変更のための改造が不要なため、改造コストを抑えることができる。

既設の熱交換器群によって空気燃焼と同等の収熱条件を実現するには、支燃ガス中の酸素濃度を少なくとも空気中の酸素濃度（２１％）以上に高める必要がある。しかし、酸素濃度を２１％以上に高めた場合、微粉炭の燃焼温度が上昇し、火炉の熱負荷が増大するという課題が生じる。

図７に、火炉の熱負荷分布に与える酸素燃焼の影響についての模式図を示す。図７において、実線（ａ）は空気燃焼における火炉の熱負荷分布を示し、一点鎖線（ｂ）は空気燃焼と同等の収熱条件になるように酸素濃度を高めた場合の火炉１の熱負荷分布を示す。図７の一点鎖線（ｂ）に示すように、酸素燃焼において酸素濃度を高めた場合、火炉の熱負荷が増大することになる。

酸素燃焼ボイラシステムでは、再循環ガス量を調節することにより、支燃ガス中の酸素濃度を変化させることができる。そして火炉１の熱負荷を軽減するために、再循環ガス量を増やして酸素濃度を下げることもできる。しかし、再循環ガス量を増やした場合、再循環ガス送気用のブロア動力が増加するため、送電端効率の観点から不利となる。

そこで本実施例である酸素燃焼ボイラシステムの微粉炭ボイラへの改造方法では、中段バーナ７ｂを休止すると共にアフタエアポート設置用の開口部に新たなバーナ７ｄを設置して、火炉壁に設置された稼動する下段バーナ７ａ、上段バーナ７ｃ、新たなバーナ７ｄである各バーナの上下方向のバーナ間隔を拡大するようにしたことで火炉の熱負荷を緩和している。

図８に、本発明の実施例である空気燃焼ボイラシステムの微粉炭ボイラを酸素燃焼ボイラシステムの微粉炭ボイラに改造した場合における熱負荷の緩和についての模式図を示す。

図８において、実線（ａ）は空気燃焼と同等の収熱条件になるように酸素濃度を高めた場合の火炉１の熱負荷分布を示し、一点鎖線（ｂ）は再循環ガス量を増やして酸素濃度を下げた場合の火炉１の熱負荷分布を示す。

図８の破線（ｃ）は本実施例の酸素燃焼ボイラシステムの微粉炭ボイラに改造することによって軽減された火炉１の熱負荷分布を示す。

図８に示した各火炉１の熱負荷分布の比較から理解できるように、本実施例の酸素燃焼ボイラシステムの微粉炭ボイラに改造することにより、所内電力を増加させることなく、火炉１の熱負荷を緩和できる。

本実施例の酸素燃焼ボイラシステムの微粉炭ボイラへの改造方法に加えて、循環ガスを微粉炭ボイラに供給するブロア３４による再循環ガスの供給量を減らすことで、酸素と再循環ガスとを混合して微粉炭ボイラに供給する支燃ガス中の酸素濃度を上げても火炉１内の熱負荷を所望の状態に抑制できるだけでなく、熱回収ロス及び再循環ガス送気用のブロア動力を低減させることによって、酸素燃焼ボイラシステムの送電端効率が向上できる。

また、本実施例である酸素燃焼ボイラシステムの微粉炭ボイラの改造方法では、火炉１の壁面に開口部を新たに作製せずにバーナを設置できるので、短工期、低コストで構造信頼性を維持した微粉炭ボイラの改造が実施可能である。

本実施例によれば、空気燃焼ボイラシステムの微粉炭ボイラを酸素燃焼ボイラシステムであるバーナとアフタエアポートを有する二段燃焼方式の微粉炭ボイラに改造する場合に、微粉炭ボイラの火炉壁への熱負荷を軽減し、短工期、低コストで構造信頼性を維持し得る酸素燃焼ボイラシステムの微粉炭ボイラの改造が実現できる。

次に本発明の他の実施例である空気燃焼ボイラシステムの微粉炭ボイラを酸素燃焼ボイラシステムの微粉炭ボイラに改造する微粉炭ボイラの改造方法について図９と図１０を用いて説明する。

図９に示した改造前の空気燃焼ボイラシステムの微粉炭ボイラを図１０に示した本実施例である酸素燃焼ボイラシステムの微粉炭ボイラに改造する微粉炭ボイラの改造方法に関しては、図１０に示した本実施例の微粉炭ボイラの全体構成図が、図４に示した先の実施例の微粉炭ボイラを酸素燃焼ボイラシステムに改造する改造方法と共通しているので、両者に共通した構成の説明は省略し、相違する本実施例の構成についてのみ以下に説明する。

図１０に示した空気燃焼ボイラシステムの微粉炭ボイラを本実施例である酸素燃焼ボイラシステムの微粉炭ボイラに改造する改造方法について、火炉に２段式アフタエアポートを備えた微粉炭ボイラの改造方法を対象にして説明する。

図９に示す改造前の空気燃焼ボイラシステムの微粉炭ボイラの火炉壁に設けられた２段式アフタエアポートでは、主アフタエアポート９ａと、主アフタエアポート９ａの下段に副アフタエアポート９ｂを備えた構造となっている。

図９は改造前の２段式アフタエアポートを備えた空気燃焼ボイラシステムの微粉炭ボイラを火炉１の火炉前壁２から見た部分構成図であり、火炉前壁２の下部には上段バーナ７ｃ、中断バーナ７ｂ、下段バーナ７ｃの各バーナ段当たり、それぞれ４台のバーナ７ａ、７ｂ、７ｃが設置されている。

火炉前壁２に直交する方向から給炭管４１ａ、４１ｂ、４１ｃを通じて燃料の微粉炭と空気６５がそれぞれ供給され、２次及び３次空気導入用ライン４０ａ、４０ｂ、４０ｃを通じてバーナ７ａ、７ｂ、７ｃに空気６２ａ、６２ｂ、６２ｃがバーナ用２次及び３次空気として供給される。

上段バーナ７ｃが設置された火炉壁のさらに上段には、ウインドボックス８が設置され、バーナ用２次及び３次空気の供給ライン４５からウインドボックス用空気ライン４２ａを通じて、空気６２ｄがウインドボックス８に供給される。

ウインドボックス８内に導入された空気６２ｄは火炉壁に形成された開口部である主アフタエアポート９ａ及び副アフタエアポート９ｂを通じて火炉１内に供給される。２段式アフタエアポート用のウインドボックス８は、主アフタエアポート９ａと副アフタエアポート９ｂの両方に空気を供給できる構造である。

図１０に示した微粉炭ボイラは、図９に示した改造前の２段式アフタエアポートを備えた空気燃焼ボイラシステムの微粉炭ボイラを、本実施例である酸素燃焼ボイラシステムに改造後の２段アフタエアポートを備えた微粉炭ボイラを火炉前壁２から見た部分構成図である。

図１０に示した本実施例の酸素燃焼ボイラシステムに改造後の微粉炭ボイラでは、改造前に火炉前壁２及び火炉後壁３に配置していた上段バーナ７ｃ、中段バーナ７ｂ、下段バーナ７ａのうち、中段バーナ７ｂを休止する。

更に、上段バーナ７ｃの下流側に位置する火炉壁に開口部を新たに作製することなく、主アフタエアポート９ａの設置用に形成された開口部に新たにバーナ７ｄを設置するように改造することで火炉壁の上下方向に設置された稼動する下段バーナ７ａ、上段バーナ７ｃ、新たなバーナ７ｄである各バーナの上下方向のバーナ間隔を拡大するようにしたことで火炉の熱負荷を緩和している。

更に、ウインドボックス８を取外して副アフタエアポート９ｄの設置用の開口部に、副アフタエアポート９ｄにガスを供給するウインドボックス８ｂを設置するように改造し、このウインドボックス８ｂにウインドボックス用空気ライン４２ｂを通じて再循環ガス６９ｃを供給する。

そして前記副アフタエアポート９ｄからウインドボックス用空気ライン４２ｂを通じてウインドボックス８ｂに導かれた再循環ガス６９ｃを火炉１内に供給して、火炉１内の熱負荷調節に用いる。

火炉前壁２の下部に設置した下段バーナ７ａ、中段バーナ７ｂ及び上段バーナ７ｃと、火炉前壁２のアフタエアポート設置用の開口部に設置したバーナ７ｄとの各バーナ段当たり、それぞれ４台のバーナ７が設置されている。

下段バーナ７ａ、上段バーナ７ｃ及びアフタエアポート９ａ設置用の開口部に設置したバーナ７ｄには個別にウインドボックス９０ａ、９０ｃ、９０ｄをそれぞれ設けるように改造し、そして図４に示した先の実施例と同様に、火炉前壁２に直交する方向から給炭管４１ａ、４１ｃ、４１ｄを通じて、前記ウインドボックス９０ａ、９０ｃ、９０ｄに燃料の微粉炭と再循環ガス６７を供給し、２次及び３次空気導入用ライン４３ａ、４３ｃ、４３ｄを通じて前記ウインドボックス９０ａ、９０ｃ、９０ｄに酸素と再循環ガス６８ａ、６８ｃ、６８ｄを供給し、前記バーナ７ａ、上段バーナ７ｃ、バーナｄから火炉内に供給して火炉の熱負荷調節に用いる。

このアフタエアポート９ａ設置用の開口部に設置したバーナ７ｄを通じて再循環ガス６７を火炉に供給することにより、ウインドボックス８ｂよりも下流側となる火炉の横方向の熱負荷を調節することが可能となる。

また、休止した中段のバーナ７ｂにも個別にウインドボックス９０ｂを設けるように改造し、再循環ガス６９ｂを前記ウインドボックス９０ｂに供給するように改造して、この中段のバーナ７ｂから火炉１に供給する再循環ガス６９ｂの導入口として使用する。

以上の説明から明らかなように、本実施例によれば、空気燃焼ボイラシステムの微粉炭ボイラを酸素燃焼ボイラシステムであるバーナとアフタエアポートを有する二段燃焼方式の微粉炭ボイラに改造する場合に、微粉炭ボイラの火炉壁への熱負荷を軽減し、短工期、低コストで構造信頼性を維持し得る酸素燃焼ボイラシステムの微粉炭ボイラの改造が実現できるだけでなく、更にウインドボックス８ｂよりも下流側となる火炉の横方向の熱負荷を調節することが可能となる。

次の本発明のさらに他の実施例である空気燃焼ボイラシステムの微粉炭ボイラを酸素燃焼ボイラシステムの微粉炭ボイラに改造する微粉炭ボイラの改造方法について図１１および図１２を用いて説明する。

図１１に示した改造前の空気燃焼ボイラシステムの微粉炭ボイラを図１２に示した本実施例である酸素燃焼ボイラシステムの微粉炭ボイラに改造する微粉炭ボイラの改造方法に関しては、図１２に示した微粉炭ボイラの全体構成図が、図４に示した先の実施例の微粉炭ボイラの改造方法と共通しているので、両者に共通した構成の説明は省略し、相違する本実施例の構成についてのみ以下に説明する。

図１１は、バーナのウインドボックスが共通構造である空気燃焼ボイラシステムの微粉炭ボイラを火炉前壁２から見た改造前の微粉炭ボイラの部分構成図を示す。

図１１に示した改造前の空気燃焼ボイラシステムの微粉炭ボイラにおいて、火炉前壁２の下部には上段バーナ７ｃ、中断バーナ７ｂ、下段バーナ７ｃの各バーナ段当たり、それぞれ４台のバーナ７７ａ、７ｂ、７ｃが設置されている。

火炉前壁２に直交する方向から給炭管４１ａ、４１ｂ、４１ｃを通じて燃料の微粉炭と空気６５が供給され、２次及び３次空気導入用ライン４０ａ、４０ｂ、４０ｃを通じてバーナ７ａ、７ｂ、７ｃに空気６２ａ、６２ｂ、６２ｃがバーナ用の共通ウインドボックス８０ａ、８０ｂ、８０ｃを通じてバーナ用２次及び３次空気として供給される。

上段バーナ７ｃが設置された火炉壁のさらに上段には、アフタエアポート用のウインドボックス８が設置され、バーナ用２次及び３次空気の供給ライン４５からウインドボックス用空気ライン４２を通じて、空気６２ｄが供給される。

ウインドボックス８内に導入された空気６２ｄはアフタエアポート９を通じて火炉１内に供給される。

図１２に示した微粉炭ボイラは、図１１に示した改造前の空気燃焼ボイラシステムの微粉炭ボイラを、本実施例である酸素燃焼ボイラシステムに改造後の微粉炭ボイラを火炉前壁２から見た部分構成図である。

図１２に示した本実施例の酸素燃焼ボイラシステムに改造後の微粉炭ボイラでは、改造前に火炉前壁２及び火炉後壁３に配置していた上段バーナ７ｃ、中段バーナ７ｂ、下段のバーナ７ａのうち、中段のバーナ７ｂを休止する。

そしてこの中段バーナ７ｂのウインドボックス８０ｂには手を加えず、２次及び３次空気導入用ライン４３ｂを通じて再循環ガス６９ｂをウインドボックス８０ｂに導き、中段バーナ７ｂから火炉１内に再循環ガス６９ｂを供給して火炉の熱負荷調節に用いる。

更に前記ウインドボックス８を取外し、開口部を新たに作製することなく、アフタエアポート９設置用の開口部にバーナ７ｅを設置するように改造することで、火炉壁の上下方向に設置された稼動する下段バーナ７ａ、上段バーナ７ｃ、新たなバーナ７ｅである各バーナの上下方向のバーナ間隔を拡大するようにしたことで火炉の熱負荷を緩和している。

一方、火炉前壁２及び火炉後壁３の下部に設置した上段バーナ７ａと下段バーナ７ｃは火炉の細かな熱負荷調節を可能にするために、上段バーナ７ａと下段バーナ７ｃのバーナごとにバーナ用２次及び３次ガスライン６８ａ及び６８ｃを接続した独立構造に改造する。

図１２に示した微粉炭ボイラにおいて、火炉前壁２及び火炉後壁３の下部に設置した下段バーナ７ａ、上段バーナ７ｃ及び、アフタエアポート９設置用の開口部に設置した新たなバーナ７ｅの各バーナ設置段当り、それぞれ４台のバーナ７が設置されている。

下段バーナ７ａ、上段バーナ７ｃ及びアフタエアポート９設置用の開口部に設置したバーナ７ｅには個別にウインドボックス９０ａ、９０ｃ、９０ｄをそれぞれ設けるように改造し、そして図４に示した先の実施例と同様に、火炉前壁２に直交する方向から給炭管４１ａ、４１ｃ、４１ｄを通じて、前記ウインドボックス９０ａ、９０ｃ、９０ｄに燃料の微粉炭と再循環ガス６７を供給し、２次及び３次空気導入用ライン４３ａ、４３ｃ、４３ｄを通じて前記ウインドボックス９０ａ、９０ｃ、９０ｄに酸素と再循環ガス６８ａ、６８ｃ、６８ｅを供給し、前記バーナ７ａ、上段バーナ７ｃ、バーナｅから火炉内に供給して火炉の熱負荷調節に用いる。

また、休止したバーナ７ｂは設置されたウインドボックス８０ｂを流用し、このウインドボックス８０ｂに２次及び３次空気導入用ライン４３ｂを通じて再循環ガス６９ｂを供給するように改造して、この中段のバーナ７ｂから２次及び３次空気導入用ライン４３ｂを通じて導かれた再循環ガス６９ｂを火炉１内に供給して火炉の熱負荷調節に用いる。

以上の説明から明らかなように、本実施例によれば、空気燃焼ボイラシステムの微粉炭ボイラを酸素燃焼ボイラシステムであるバーナとアフタエアポートを有する二段燃焼方式の微粉炭ボイラに改造する場合に、微粉炭ボイラの火炉壁への熱負荷を軽減し、短工期、低コストで構造信頼性を維持し得る酸素燃焼ボイラシステムの微粉炭ボイラの改造が実現できるだけでなく、バーナが設置された火炉の領域の全体に亘って火炉の横方向の熱負荷を調節することが可能となる。

本発明は空気燃焼ボイラシステムの微粉炭ボイラを酸素燃焼ボイラシステムの微粉炭ボイラに改造する改造方法に適用可能である。

１：火炉、２：火炉前壁、３：火炉後壁、４：火炉側壁、５：バーナ設置用開口部、６ａ、６ｂ：アフタエアポート設置用開口部、７ａ、７ｂ、７ｃ、７ｄ、７ｅ：バーナ、８：ウインドボックス、９：アフタエアポート、１０：ミル、１１：ホッパ、１２：石炭、１３：ガス精製装置、１４：ガス予熱器、１５：冷却除湿器、１６：ＣＯ２回収設備、１７：酸素製造装置、１８：ガス混合器、１９：空気予熱器、２１ａ、２１ｂ、２１ｃ：バーナ用の２次及び３次空気流量調節器、２２：アフタエアポート空気流量調節器、２３：微粉炭搬送用の空気流量調節器、２４：微粉炭搬送用の再循環ガス流量調節器、２５：酸素添加流量調節器、２６：排ガス再循環量調節器、２７、２８：再循環ガス流量調節器、３１〜３４：ブロア、３９：アフタエアポート空気、４０、４５：バーナ用２次及び３次空気の供給ライン、４１ａ〜４１ｃ：給炭管、４２ａ、４２ｂ：アフタエア用の空気供給ライン、４３ａ〜４３ｃ：酸素及び再循環ガスの供給ライン、４４：石炭ライン、４６：微粉炭搬送用空気の供給ライン、４７：排ガスライン、４８：精製済み排ガスの再循環ライン、４９：再循環ガスライン、５０：微粉炭搬送用再循環ガスの供給ライン、５１：休止バーナへの再循環ガスの供給ライン、５２：ホッパからの再循環ガスの供給ライン、５３：再循環ライン、５４：微粉炭搬送用再循環ガスへの酸素供給ライン、５５：酸素と再循環ガスの混合ガスの供給ライン、６１、６２ａ〜６２ｄ：空気、６３：排ガス、６５：微粉炭と空気、６６：液化ＣＯ２、６７：微粉炭と再循環ガス、６８：酸素と再循環ガス、６９：再循環ガス、８０ａ〜８０ｃ、９０ａ、９０ｃ〜９０ｄ：バーナ用ウインドボックス。

Claims

微粉炭ボイラの火炉の壁面に上下方向に３段に亘ってバーナを設置し、前記バーナの上部に位置する二段燃焼用の空気導入用のアフタエアポートを備えた二段燃焼方式の空気燃焼用ボイラシステムの微粉炭ボイラに、空気中より酸素を分離する酸素製造装置と、ボイラ火炉より発生する燃焼排ガスよりＣＯ２ガスを吸収、分離するＣＯ２回収装置を設置して酸素燃焼ボイラシステムの微粉炭ボイラに改造する微粉炭ボイラの改造方法において、
前記微粉炭ボイラの火炉の壁面に上下方向に３段に亘って設置したバーナのうち、中間の段に位置するバーナを休止し、前記微粉炭ボイラの火炉の壁面にアフタエアポート設置用に設けられた開口部に新たなバーナを設置して、火炉壁の上下方向に設置された稼動する前記バーナのバーナ間隔を拡大し、
休止したバーナを除く前記複数段のバーナ及び前記アフタエアポート設置用の開口部に設けた新たなバーナに前記酸素製造装置で製造した酸素と前記微粉炭ボイラから排出した排ガスの一部を微粉炭ボイラに循環させる再循環ガスの一部をそれぞれ導いて前記複数段のバーナ及び新たなバーナから火炉内に前記酸素と再循環ガスを供給して、火炉内の温度を調節することを特徴とする微粉炭ボイラの改造方法。
請求項１に記載の微粉炭ボイラの改造方法において、
前記休止したバーナに前記微粉炭ボイラから排出した排ガスの一部を微粉炭ボイラに循環させる再循環ガスの一部を導いて前記休止したバーナから火炉内に再循環ガスを供給して、火炉内の温度を調節することを特徴とする微粉炭ボイラの改造方法。
微粉炭ボイラの火炉の壁面に設置された主アフタエアポートと主アフタエアポートの下段に位置する副アフタエアポートを備えた二段燃焼方式の空気燃焼用ボイラシステムの微粉炭ボイラに、空気中より酸素を分離する酸素製造装置と、ボイラ火炉より発生する燃焼排ガスよりＣＯ２ガスを吸収、分離するＣＯ２回収装置を設置して酸素燃焼ボイラシステムの微粉炭ボイラに改造する微粉炭ボイラの改造方法において、
前記微粉炭ボイラの火炉の壁面に上下方向に３段に亘って設置したバーナのうち、中間の段に位置するバーナを休止し、前記微粉炭ボイラの火炉の壁面の主アフタエアポート設置用に設けられた開口部に別のバーナを設置して、火炉壁の上下方向に設置された稼動する前記バーナのバーナ間隔を拡大し、
休止したバーナを除く前記複数段のバーナ及び前記主アフタエアポート設置用の開口部に設けた別のバーナに前記酸素製造装置で製造した酸素と前記微粉炭ボイラから排出した排ガスの一部を微粉炭ボイラに循環させる再循環ガスの一部をそれぞれ導いて前記複数段のバーナ及び別なバーナから火炉内に前記酸素と再循環ガスを供給して、火炉内の温度を調節することを特徴とする微粉炭ボイラの改造方法。
請求項３に記載の微粉炭ボイラの改造方法において、
前記休止したバーナに前記微粉炭ボイラから排出した排ガスを微粉炭ボイラに循環させる再循環ガスの一部を導いて前記休止したバーナから火炉内に再循環ガスを供給し、
前記微粉炭ボイラの火炉の壁面の副アフタエアポート設置用に設けられた開口部に新たなウインドボックスを設置してアフタエアポート設置用の前記開口部に前記再循環ガスの一部を導いて、前記休止したバーナ及び副アフタエアポート設置用の前記開口部から火炉内に再循環ガスを供給して、火炉内の温度を調節することを特徴とする微粉炭ボイラの改造方法。
微粉炭ボイラの火炉の壁面に設置されたアフタエアポートを備えた二段燃焼方式の空気燃焼用ボイラシステムの微粉炭ボイラに、空気中より酸素を分離する酸素製造装置と、ボイラ火炉より発生する燃焼排ガスよりＣＯ２ガスを吸収、分離するＣＯ２回収装置を設置して酸素燃焼ボイラシステムの微粉炭ボイラに改造する微粉炭ボイラの改造方法において、
前記微粉炭ボイラの火炉の壁面に上下方向に３段に亘って設置したバーナのうち、中間の段に位置するバーナを休止し、前記微粉炭ボイラの火炉の壁面のアフタエアポート設置用に設けられた開口部に新たなバーナを設置して、火炉壁の上下方向に設置された稼動する前記バーナのバーナ間隔を拡大し、
休止したバーナを除く前記複数段のバーナ及び前記アフタエアポート設置用の開口部に設けた新たなバーナにウインドボックスをそれぞれ設置し、
前記酸素製造装置で製造した酸素と前記微粉炭ボイラから排出した排ガスの一部を微粉炭ボイラに循環させる再循環ガスの一部を前記複数段のバーナ及び前記アフタエアポート設置用の開口部に設けた前記ウインドボックスにそれぞれ導いて前記複数段のバーナ及び新たなバーナから火炉内に前記酸素と再循環ガスを供給して、火炉内の温度を調節することを特徴とする微粉炭ボイラの改造方法。
請求項５に記載の微粉炭ボイラの改造方法において、
前記休止したバーナに前記微粉炭ボイラから排出した排ガスの一部を微粉炭ボイラに循環させる再循環ガスの一部を導いて前記休止したバーナから火炉内に再循環ガスを供給して、火炉内の温度を調節することを特徴とする微粉炭ボイラの改造方法。