JP5331939B2 - 燃焼システム及びその運転方法 - Google Patents

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Description

本発明は、燃焼システムに係り、特に、燃焼装置のボイラ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、いわゆる酸素燃焼方式を行う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、酸素燃焼方式ではなく、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、酸素燃焼方式に切り替え可能な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、本発明の燃焼システムは、固体燃料を燃焼させるバーナが、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、搬送ガスと第１及び第２の燃焼用ガスに空気を用いる空気燃焼モードと、搬送ガスと第１及び第２の燃焼用ガスに固体燃料を燃焼した排ガスと富酸素ガスとの混合ガスを用いる酸素燃焼モードとを切り替え可能に形成され、搬送ガスの酸素濃度及び供給量と、第１の燃焼用ガスの酸素濃度及び供給量と、第２の燃焼用ガスの酸素濃度及び供給量とを、それぞれ調整可能に形成され、酸素燃焼モードのとき、搬送ガスの酸素濃度が、搬送ガスと第１及び第２の燃焼用ガスを合わせたガスの平均酸素濃度よりも低く調整され、第１の燃焼用ガスの酸素濃度が、搬送ガスと第１及び第２の燃焼用ガスを合わせたガスの平均酸素濃以上に調整され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、ボイラ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ボイラと、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ボイラのバーナに供給する燃料供給装置と、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、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ボイラと、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ボイラのバーナに供給する燃料供給装置と、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、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、燃焼モードを運転開始時は、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、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、本発明の固体燃料の搬送ガスと第１及び第２の燃焼用ガスに空気を用いる空気燃焼モードと、搬送ガスと第１及び第２の燃焼用ガスに固体燃料を燃焼した排ガスと富酸素ガスとの混合ガスを用いる酸素燃焼モードとを切り替え可能に形成された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、空気を微粉炭の燃焼用ガスとする空気燃焼モードで運転し、排ガスが増加するに従い、排ガスに富酸素ガスを混合した燃焼用ガスを用いる酸素燃焼モードに切り替える。この時、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。このように、空気燃焼モードと酸素燃焼モードを切り替えて運転する。
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、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。例えば、瀝青炭は、バーナの構造やガス流速にもよるが、１０％未満になると火炎の安定性が低下し、５％程度で着火が困難となる。
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を低減できる。
（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。
ここで、実施例として上述した実施形態１〜６のバーナを用いた火炎の安定性評価の実験結果を説明する。酸素燃焼システムでは、上述したように燃焼用ガスの二酸化炭素濃度が高いため、空気燃焼時よりも火炎の伝播性が悪くなる。そのため、微粉炭が自然着火しないように、搬送ガスの酸素濃度を空気の酸素濃度（２１％）よりも低く調整する酸素燃焼システムの場合、火炎の安定性が悪くなる。そこで、実施形態１〜６は、バーナに追加燃焼用ガスを供給する燃焼用ガスノズルを設けている。これによるバーナにおける火炎の安定性を評価した実験結果を表１に示す。なお、表１の比較例バーナは、燃焼用ガスノズルを設けず、追加燃焼用ガスを供給しない例である。
Figure 0005331939
本実験は、バーナ全体を通じて供給される全ガス、即ち、搬送ガス、追加燃焼用ガス２６、２次燃焼用ガス２８及び３次燃焼用ガス３０を合わせたガスの平均酸素濃度を２７％とした。そして、搬送ガスの酸素濃度を２４％、２１％、１５％、１０％、５％とした場合の火炎の安定性を目視で評価した。具体的には、高温の火炎の画像を目視して、火炎がバーナ根元（バーナの火炉側開口部(面)）全域から形成される場合は安定○、火炎の白色部がバーナ根元の一部にしか存在しない場合は不安定×、その中間を△と判定した。また、複数の炭種（Ａ：瀝青炭、Ｂ：亜瀝青炭、C：褐炭）を用いて、炭種の違いによる火炎安定性を評価した。なお、実施形態２は、搬送ガスが排ガスのみであり、富酸素ガスを混合していないので、排ガスの酸素濃度である５％のみを評価した。
表１に示すように、比較例バーナは、搬送ガスの酸素濃度が空気よりも高い２４％では全ての炭種において火炎が安定している。しかし、酸素濃度を下げていくと、空気と同等の２１％では、瀝青炭の場合に火炎が不安定となった。そして、１０％にするにしたがい、全ての炭種において火炎が不安定となった。
これに対し、実施形態１、３〜６のバーナは、全ての炭種において、空気よりも酸素濃度が高い２４％から空気よりも酸素濃度が低い１５％まで火炎は安定していた。酸素濃度１０％では、一部のバーナ、一部の炭種について火炎の不安定な場合が生じたが、褐炭では全てのバーナで安定な火炎が形成できた。さらに酸素濃度を下げていくと火炎が不安定になり、着火が困難になる場合が増えてくるが、５％でも実施形態４のバーナで褐炭を燃焼させた場合、火炎は安定であった。
例えば、実施形態の４のバーナを用いた場合、搬送ガスの酸素濃度を空気とほぼ同等の２１％、さらには、空気の半分以下の１０％でも火炎がバーナの根元から吹き飛ぶ（開口面から離れる）ことなく、安定した燃焼が可能であった。一方、比較例のバーナは、搬送ガスの酸素濃度が空気とほぼ同等の２１％では、火炎が根元から吹き飛び（開口面から大きく離れて）不安定であった。なお、搬送ガスの酸素濃度は、微粉炭の自然着火を防止するように空気の酸素濃度（約２１％）よりも低く調整することが好ましく、追加燃焼用ガスは、空気の酸素濃度以上に調整することが好ましい。
このように、炭種に代表される燃焼性に影響する条件により、火炎が安定する搬送ガスの酸素濃度の下限は変化するが、実施形態１、３〜６のバーナを用い、追加燃焼用ガスを供給することで、バーナにおける火炎を安定化できる。すなわち、搬送ガスの酸素濃度を空気の酸素濃度（約２１％）よりも下げても、火炎を安定して形成できるから、搬送ガスの酸素濃度を下げて、微粉炭の自然着火を確実に防止できる。言い換えると、搬送ガス、追加燃焼用ガス、２次及び３次の燃焼用ガスを合わせたガスの平均酸素濃度よりも搬送ガスの酸素濃度を低く調整し、追加燃焼用ガスの酸素濃度を、搬送ガス、追加燃焼用ガス、２次及び３次の燃焼用ガスを合わせたガスの平均酸素濃度以上に調整することで安定した火炎を形成できる燃焼システムを実現できる。
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 (10)

  1. 固体燃料を燃焼させるバーナが、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、
    前記搬送ガスと前記第１及び第２の燃焼用ガスに空気を用いる空気燃焼モードと、前記搬送ガスと前記第１及び第２の燃焼用ガスに前記固体燃料を燃焼した排ガスと富酸素ガスとの混合ガスを用いる酸素燃焼モードとを切り替え可能に形成され、
    前記搬送ガスの酸素濃度及び供給量と、前記第１の燃焼用ガスの酸素濃度及び供給量と、前記第２の燃焼用ガスの酸素濃度及び供給量とを、それぞれ調整可能に形成され、
    前記酸素燃焼モードのとき、前記搬送ガスの酸素濃度が、前記搬送ガスと前記第１及び第２の燃焼用ガスを合わせたガスの平均酸素濃度よりも低く調整され、
    前記第１の燃焼用ガスの酸素濃度が、前記搬送ガスと前記第１及び第２の燃焼用ガスを合わせたガスの平均酸素濃以上に調整されてなることを特徴とする燃焼システム。
  2. 請求項１に記載の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燃焼システム。
  3. 請求項１又は２に記載の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ボイラと、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ボイラのバーナに供給する燃料供給装置と、前記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燃焼システム。
  5. 請求項４に記載の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燃焼システム。
  6. 請求項４又は５に記載の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燃焼システム。
  7. 固体燃料を燃焼させるバーナが、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、
    前記搬送ガスと前記第１及び第２の燃焼用ガスに空気を用いる空気燃焼モードと、前記搬送ガスに前記固体燃料を燃焼させた排ガスを用い前記第１及び第２の燃焼用ガスに前記固体燃料を燃焼した排ガスと富酸素ガスとの混合ガスを用いる酸素燃焼モードとを切り替え可能に形成され、
    前記酸素燃焼モードのとき、前記搬送ガスの酸素濃度が、前記搬送ガスと前記第１及び第２の燃焼用ガスを合わせたガスの平均酸素濃度よりも低く設定され、
    前記第１の燃焼用ガスの酸素濃度が、前記搬送ガスと前記第１及び第２の燃焼用ガスを合わせたガスの平均酸素濃度以上に調整されてなることを特徴とする燃焼システム。
  8. 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ボイラと、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ボイラのバーナに供給する燃料供給装置と、前記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。
  9. 請求項８に記載の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燃焼システムの運転方法。
  10. 請求項８又は９に記載の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燃焼システムの運転方法。
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