JP5432098B2

JP5432098B2 - 酸素燃焼ボイラ

Info

Publication number: JP5432098B2
Application number: JP2010205243A
Authority: JP
Inventors: 喜治林; 強柴田; 正行谷口
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2010-09-14
Filing date: 2010-09-14
Publication date: 2014-03-05
Anticipated expiration: 2030-09-14
Also published as: JP2012063041A

Description

本発明は、ＣＯ_２回収を目的とした石炭火力発電プラントに係わり、特に石炭火力発電プラントのＣＯ_２回収に好適な酸素燃焼ボイラに関するものである。

地球温暖化対策として、温室効果ガスの一つであるＣＯ_２（二酸化炭素）の排出削減の取り組みが世界的に実施されている。火力発電所はＣＯ_２の排出量が多い設備の一つであり、特に炭素含有量が多く燃焼排ガス中にＣＯ_２を多量に発生させる石炭を燃焼する石炭ボイラを備えた石炭火力発電プラントは発電量当りのＣＯ_２排出量が最も多く、早急なＣＯ２削減対策が要望されている。

石炭火力発電プラントのＣＯ_２削減対策としては、発電の高効率化に加えて、石炭ボイラでの燃焼によって発生した燃焼排ガス中からＣＯ_２の分離・回収が挙げられる。ＣＯ_２の分離・回収とは、石炭火力発電プラントで発生した燃焼排ガス中からＣＯ_２のみを取り出して圧縮・液化し、パイプライン等を通してこの液化させたＣＯ_２を地下深部等に貯留させる方式である。

石炭火力発電プラントのＣＯ_２回収方式の一つとして酸素燃焼方式がある。この方式では、空気から酸素を分離し、分離させた純酸素を石炭ボイラに供給して燃料の石炭を燃焼させて前記石炭ボイラを酸素燃焼ボイラとして使用するように構成したものであり、この酸素燃焼ボイラで石炭を燃焼して生成した燃焼排ガス（主要成分はＣＯ_２）の一部と純酸素とを混合させた混合ガスを支燃ガスとして酸素燃焼ボイラに供給して石炭を燃焼させる方式である。

通常の空気燃焼ボイラで発生した燃焼排ガスには窒素（Ｎ_２）が多く含まれるので、空気燃焼ボイラから排出される排ガスから二酸化炭素（ＣＯ_２）を分離する処理が必要となるが、酸素燃焼ボイラで発生した燃焼排ガスは成分のほとんどがＣＯ_２であるため、排ガスからＣＯ_２の分離処理をしないで、そのままＣＯ_２を回収できる利点がある。

この酸素燃焼ボイラに供給する支燃ガスとして酸素にＣＯ_２を混合させるのは、石炭ボイラ内で燃焼する火炎温度を抑制するためである。石炭ボイラに酸素のみを供給して微粉炭を燃焼させる燃焼（純酸素燃焼）では石炭ボイラ内で燃焼する火炎温度が高くなるので、ボイラ材料として高価な耐熱鋼が必要となる点、また、石炭ボイラに設置されたバーナでの支燃ガスの吹き出し流速が低下して火炎形成が困難になる点から、石炭ボイラでは純酸素燃焼は実施されていない。

酸素燃焼ボイラは、排ガスを循環することに構造上の特徴があるが、ボイラの燃焼特性への影響が大きい水分に着目し、排ガス中の水分を除湿しないで循環する方式をウェットリサイクル、水分を除湿した後に循環する方式をドライリサイクルと称して区別している。

排ガス中の水分を除湿する方法としては、除湿装置の設備費と運転に必要となる動力を考慮して、大気で冷却する冷却塔を用いるのが一般的である。すなわち、排ガスを大気温度近くまで冷却して水蒸気を凝縮させることにより、水分を取り除く方法である。

この方法の場合、除湿装置後の排ガス中の水分は飽和状態になっている。このため、排ガス循環用の配管内壁に温度が低下した部分があると、水滴がつきやすく、配管材料の腐食が進行するリスクが高まる。

これを防止する方法として、特開２００９−２７０７５３号公報及び特開２０１０―５４１４４号公報に記載された酸素燃焼システムの排ガス処理装置が挙げられる。これらの方法では、除湿装置の後段にガスを加熱するための加熱用熱交換器を設置し、排ガス煙道の上流側にある集塵機の前段に熱回収用熱交換器を設置して、これら二つの熱交換器の間で媒体を介して熱の授受を行っている。このような機器構成にすることにより、集塵機前段の高温の排ガスから回収した熱を用いて、除湿装置の後段の低温の排ガスを加熱でき、加熱用に新たに熱源を設けることなく、上記の課題を解決することができる。

特開２００９−２７０７５３号公報特開２０１０―５４１４４号公報

前記特開２００９−２７０７５３号公報及び特開２０１０―５４１４４号公報に記載された酸素燃焼システムにおける排ガス処理装置では、脱硫装置が循環ラインに設置されている。しかしながら、排ガス中に含まれるＳＯｘ(硫黄酸化物)もガスと共に循環してボイラへ流入するため、ボイラ内のＳＯｘ濃度は通常の空気燃焼に比べて非常に高くなる。

ボイラでの石炭燃焼によって生成されるＳＯｘは主にＳＯ_２である。ＳＯ_２はボイラ材料の腐食の点では、あまり問題にならない。一方、ＳＯ_３は、生成量はＳＯ_２の数パーセント程度であるが、腐食の点でＳＯ_２よりも問題になる。高温の排ガス中で、ＳＯ３が気体の状態で存在しているのであれば、腐食が進行するポテンシャルは高くない。

しかし、ガス温度が酸露点以下まで下がると、排ガス中の水分と結合して硫酸が生成され、配管材料に対する腐食が進行する。排ガスと共にボイラに流入するＳＯ_２の量が多くなると、ＳＯ_２の酸化反応によってＳＯ_３の生成量も多くなり、腐食のポテンシャルは高くなる。したがって、ボイラに循環させる排ガスは、なるべく、温度を高くするのが好ましい。

また、前記特開２００９−２７０７５３号公報及び特開２０１０―５４１４４号公報に記載された装置では、集塵装置を通った排ガスの一部が回収ラインに設置された脱硫装置へと流下する構成になっている。集塵装置後の排ガスの温度は約９０℃である。

脱硫装置は、石灰石スラリーを脱硫装置を構成する脱硫塔の上部から噴霧して、ＳＯｘを吸収させる構造になっている。この脱硫塔内部では噴霧したスラリーから水分が気化し、この際にガスから気化熱が奪われ、ガス温度が低下する。水分がガスから奪った熱は外気へと放熱されて熱損失となり、プラント効率低下の原因となる。したがって、脱硫装置からの熱損失をできるだけ少なくするのが効率向上の点で好ましい。

本発明の目的は、除湿後の排ガスを循環するドライリサイクル方式の酸素燃焼ボイラにおいて、ボイラへ循環する排ガスから硫黄酸化物を取り除き、循環ガス配管内壁への水滴の付着を防止して腐食の進行を抑制すると共に、熱損失を低減してプラント効率を増加させることが可能な酸素燃焼ボイラを提供することにある。

本発明の酸素燃焼ボイラは、空気から分離した酸素と、燃料の石炭を燃焼して蒸気需要設備に供給する蒸気を発生させたボイラから排出された排ガスから分岐した排ガスの一部とを混合し、石炭を燃焼させる支燃ガスとして該ボイラに供給するように構成した酸素燃焼ボイラにおいて、前記ボイラから排出された排ガスを流下させるように配設された排ガス系統のうち、該ボイラの排ガス用出口と該ボイラへ排ガスの一部を循環させるために該排ガス系統から排ガスの一部を分岐させる分岐点との間の領域に、排ガスから熱を回収する熱回収器と、該熱回収器の下流側に排ガスの煤塵を除去する集塵装置と、該集塵装置の下流側に排ガスの硫黄酸化物を除去する脱硫装置と、該脱硫装置の下流側に排ガスの水分を除去する冷却除湿装置を順次設置し、前記排ガス系統の該分岐点から分岐した排ガスの一部を該ボイラに循環して供給する排ガス循環系統を配設し、前記排ガス循環系統に排ガスを加熱する再熱器を設置し、前記熱回収器と再熱器との間に循環水を循環させる循環水系統を配設し、この循環水系統を流れる循環水の流量を調節することによって熱回収器で排ガスから回収する熱量を調節することを特徴とする。

本発明によれば、除湿後の排ガスを循環するドライリサイクル方式の酸素燃焼ボイラにおいて、ボイラへ循環する排ガスから硫黄酸化物を取り除き、循環ガス配管内壁への水滴の付着を防止して腐食の進行を抑制すると共に、熱損失を低減してプラント効率を増加させることが可能な酸素燃焼ボイラを実現できる。

本発明の一実施例である酸素燃焼ボイラを備えた石炭火力発電プラントを示す概略構成図。

本発明の一実施例である酸素燃焼ボイラについて図面を参照して以下に説明する。

図１は、本発明の一実施例である酸素燃焼ボイラを備えたＣＯ_２回収に好適な石炭火力発電プラントの構成を示す概略図である。

図１において、本発明の一実施例である酸素燃焼ボイラを備えた石炭火力発電プラントは、微粉炭を燃料として、石炭ボイラに別途供給された酸素によってこの微粉炭を燃焼させる酸素燃焼ボイラ１を備えている。

前記酸素燃焼ボイラ１は微粉炭を燃料とし、空気を供給して微粉炭を燃焼させる通常の空気燃焼ボイラとボイラ自体の構造は同じである。

前記酸素燃焼ボイラ１では、燃料である石炭をミル２で粉砕して微粉炭にし、この微粉炭をミル２から石炭供給系統４７を通じて酸素燃焼ボイラ１に供給している。そして前記酸素燃焼ボイラ１に別途供給された循環排ガス及び酸素と共に前記微粉炭をこの酸素燃焼ボイラ１で燃焼させるものである。

前記酸素燃焼ボイラ１で燃料の微粉炭を酸素と共に燃焼して発生した燃焼排ガスは、酸素燃焼ボイラ１の排ガス出口２１から排ガスとして排ガス系統４１に排出されるが、この排ガスは酸素燃焼ボイラ１の下流に設置された脱硝装置３に排ガス系統４１を通じて導入され、この脱硝装置３によって酸素燃焼ボイラ１から排出した排ガス中に含まれた窒素酸化物（ＮＯｘ）の濃度を所望の値になるように低減させる。

次に脱硝装置３を流下した排ガスは、脱硝装置３の下流に設置されたガス予熱器４に排ガス系統４１を通じて導入され、このガス予熱器４によって排ガス系統４１を流下する排ガスの熱を利用して、供給ガス系統４５、４６を流れる酸素燃焼ボイラ１に供給される供給ガスと熱交換して加熱する。

次にガス予熱器４を流下した排ガスは、ガス予熱器４の下流に設置された熱回収器５に排ガス系統４１を通じて導入される。

熱回収器５では、伝熱媒体である水を後述する再熱器１０との間で循環する循環水系統５１を配設しており、排ガス系統４１を流れる高温の排ガスと循環水系統５１を流れる低温の循環水との間で非接触の熱交換を行い、排ガスから熱を回収する。

次に熱回収器５を流下した排ガスは、熱回収器５の下流に設置された集塵装置６に排ガス系統４１を通じて導入され、この集塵装置６によって排ガス中に含まれた粉塵を除去する。

次に集塵装置６を流下した排ガスは、集塵装置６の下流に設置された脱硫装置７に排ガス系統４１を通じて導入され、この脱硫装置７によって排ガス中の硫黄酸化物（ＳＯｘ）の濃度を所望の値になるように低減する。

脱硫装置７では、脱硫装置７を構成する脱硫塔で排ガスの煙道の上部から石灰石スラリーを噴霧することによりＳＯｘを吸収し、脱硫塔の下部からスラリーを回収する。

次に脱硫装置７を流下した排ガスは、脱硫装置７の下流に設置された冷却除湿装置８に排ガス系統４１を通じて導入され、この冷却除湿装置８によって水冷方式により大気に熱を放熱させ、排ガスの温度を大気温度近くまで低下させる。このとき、排ガスに含まれる水蒸気が凝縮して液滴となり、ドレンとして回収される。

次に冷却除湿装置８を流下した排ガスは、排ガス系統４１の分岐点２２にて回収ガス系統４２と循環ガス系統４３に分岐する。そして、分岐点２２から分岐して回収ガス系統４２を流下した排ガスの一部は、ＣＯ_２液化装置９に導入され、このＣＯ_２液化装置９に備えられた圧縮装置（図示せず）を用いて排ガスを圧縮してＣＯ_２を液化し、回収用タンクに送って液化したＣＯ_２を回収する。

一方、排ガス系統４１の分岐点２２から分岐して循環ガス系統４３を流下した排ガスの他の一部は、再熱器１０に導入される。

前記再熱器１０には、排ガス系統４１に設置した熱回収器５で加熱された伝熱媒体の水が循環水系統５１を通じて導入されており、循環ガス系統４３を流下する循環排ガスとの間で非接触の熱交換を行う。

循環水系統５１を流れる循環水は熱回収器５によって排ガス系統４１を流下する高温の排ガスで加熱されており、また、循環ガス系統４３を流れる循環排ガスは冷却除湿装置８によって冷却されているため、循環水系統５１を流れる循環水の方が循環ガス系統４３を流下する循環排ガスより高温になっており、この循環水によって循環排ガスを加熱することができる。

更に再熱器１０を流下した排ガスは循環ガス系統４３を流下し、酸素供給系統４４から供給される酸素ガスと混合され、この混合ガスが酸素燃焼ボイラ１に供給されて微粉炭燃焼の支燃ガスとして利用される。

前記酸素供給系統４４の上流には空気分離装置１１が設置されており、この空気分離装置１１では、深冷分離方式により空気から酸素のみを取り出し、酸素を主成分とする酸素ガス(不純物としてわずかに窒素等も含む)が生成される。

そして空気分離装置１１が生成した酸素ガスと、ボイラから排出された二酸化炭素を主成分とする排ガスとを混合した混合ガスを酸素燃焼ボイラ１に供給して微粉炭燃焼の支燃ガスとして利用する。

この支燃ガスは、酸素供給系統４４から供給された酸素ガスと、循環ガス系統４３から供給された排ガスとが混合した混合ガスであり、前記循環ガス系統４３から分岐した１次供給ガス系統４５と２次供給ガス系統４６を通じて、それぞれガス予熱器４に導入される。

ガス予熱器４では、前述したように排ガス系統４１を流下する高温の排ガスによって、１次供給ガス系統４５及び２次供給ガス系統４５、４６を流れる混合ガスを加熱する。

更にガス予熱器４を流下した１次供給ガス系統４５の供給ガスは、ガス予熱器４の下流に設置されたミル２に導入され、ここで石炭の粉砕・乾燥によって生成された微粉炭と共に、燃料ガス系統４７を通して、酸素燃焼ボイラ１に供給される。

一方、ガス予熱器４を流下した２次供給ガス系統４６の供給ガスも酸素燃焼ボイラ１に供給され、微粉炭を燃焼するための酸素ガスを含んだ支燃ガスとして利用される。

本実施例の酸素燃焼ボイラ１では、前記集塵装置６の前段の排ガス系統４１に熱回収器５を設置している。熱回収器５を通過することで排ガス系統４１を流下する排ガスの温度が低下するが、前記熱回収器５によってこの温度を調整することで、排ガス中に含まれるＳＯ_３を灰に吸着させることができる。

即ち、排ガス系統４１を流下して、ガス予熱器４を通過した排ガスは高温であり、ＳＯ_３はガスの状態になっている。ここで、前記熱回収器５による温度の調節によって排ガス温度を低下させ、ＳＯ_３の酸露点以下の温度になると、ＳＯ_３はミスト状になり、排ガス中に含まれる灰に吸着する。

集塵装置６で排ガス中の灰を除去するので、集塵装置６の前段でＳＯ_３を灰に吸着させることができれば、集塵装置６で灰と共にＳＯ_３を除去できる。排ガス中に含まれるＳＯ_３の量は、同じ硫黄酸化物であるＳＯ_２の数パーセント程度であり、非常に少ない。

しかしながら、ＳＯ_３が水分と結合して配管の内壁に付着すると、酸腐食が発生するので、ＳＯ_３を除去することは腐食防止の点で重要である。

また、集塵装置６の後段の排ガス系統４１に脱硫装置７が設置されているが、脱硫装置７で除去するＳＯｘは主にＳＯ_２であり、ＳＯ_３は灰に吸着させて除去するのが近年の一般的な方法である。

以上の点から、熱回収器５で回収する排ガスの熱量については、少なくとも、排ガスの温度がＳＯ_３の酸露点以下となるように調整するのが好ましい。

さらに、集塵装置６の後段の排ガス系統４１には脱硫装置７が設置されており、前述したように、脱硫装置７を構成する脱硫塔で排ガス煙道に上から石灰石スラリーを噴霧することで、排ガス中のＳＯ_２を吸収させている。

また、脱硫装置７を通過した排ガスを酸素燃焼ボイラ１へ循環させることにより、酸素燃焼ボイラ１での燃焼ガスに含まれる硫黄分が低減され、ボイラ内でのＨ_２Ｓの生成量を抑え、水管の硫化腐食を防止することができる。

脱硫装置７で石灰石スラリーの噴霧の際に、スラリーに含まれる水分が気化し、排ガスの熱が奪われるが、ここで水分が保有した熱は大気へ放熱されるのみである。すなわち、排ガスの熱を無駄に系外へ排出していることになり、プラント効率の低下要因にもなる。

脱硫装置７では、脱硫装置７を構成する脱硫塔入口のガス温度が低くても、脱硫の性能が変わることはない。

したがって、排ガスが保有する熱を無駄に系外へ排出するよりは、排ガスの熱を回収して再生熱として利用した方が効率向上を図れる。

このような点から、本実施例の酸素燃焼ボイラ１を備えた石炭火力発電プラントでは、熱回収器５によって排ガスからできるだけ熱を回収し、回収した熱を循環ガス系統４３に設置された再熱器１０で循環ガスの加熱に利用することで、排ガスの熱が無駄に系外へ排出されるのを抑制でき、この結果、プラントの効率が向上できる。

回収する熱量の調整は、熱回収器５と再生器１０との間に配設された循環水系統５１を流れる循環水の流量を調整することにより実施できる。循環水系統５１を流れる循環水流量を多くすれば熱回収器５で排ガスから回収する熱量は多くなり、再熱器１０での排ガスへの加熱量も多くなる。

再熱器１０には、冷却除湿装置８を通過した排ガスが排ガス系統４１から分岐した循環ガス系統４３を通じて導入される。冷却除湿装置８を通過して冷却された排ガスは水分が飽和状態にあるため、循環ガス系統４３の配管内壁に温度が低い箇所があると、そこで水蒸気が凝縮して水滴が付着する。配管内壁に付着した水滴は、配管材料の腐食進行のポテンシャルを高める。

そこで、本実施例の酸素燃焼ボイラ１では、循環ガス系統４３の配管内壁への循環ガス系統４３の配管内壁に水滴が付着することによる配管材料の腐食を抑制するために、前記再熱器１０によって循環ガス系統４３を流れる排ガスを加熱してガスの温度を上昇させているので、排ガス中の水蒸気の凝縮を防ぐことができ、この結果、循環ガス系統４３の配管の腐食を抑制することが可能となる。

脱硝装置７を冷却除湿装置８の上流側に設置するのが適切である理由は、脱硝装置７の出口は水分が多いので、この脱硝装置７の下流側に設置した冷却除湿装置８によって該脱硝装置７から排出される水分をなるべく多く除去できることが好ましいことによる。この結果、循環ガス系統４３の腐食を確実に防止することが可能となる。

上述した本発明の実施例の酸素燃焼ボイラによれば、除湿した排ガスを循環するドライリサイクル方式の酸素燃焼ボイラにおいて、脱硫装置によって脱硫処理が施され、除湿装置によって除湿された排ガスを循環する場合に、除湿装置後の水分が飽和状態にある排ガスを加熱することにより、排ガス中の水蒸気が凝縮することにより配管内壁に水滴が付着するのを抑制できる。

さらに、排ガスを加熱するための熱源として、脱硫装置の上流に設置した熱回収器を用いて排ガスから回収した熱を利用することにより、脱硫装置での系外へ排出される熱損失を抑制することができ、プラントの効率を向上させることができる。

以上説明したように、本実施例によれば、除湿後の排ガスを循環するドライリサイクル方式の酸素燃焼ボイラにおいて、ボイラへ循環する排ガスから硫黄酸化物を取り除き、循環ガス配管内壁への水滴の付着を防止して腐食の進行を抑制すると共に、熱損失を低減してプラント効率を増加させることが可能な酸素燃焼ボイラを実現できる。

本発明は石炭火力発電プラントのＣＯ_２回収に好適な酸素燃焼ボイラに適用できる。

１：酸素燃焼ボイラ、２：ミル、３：脱硝装置、４：ガス予熱器、５：熱回収器、６：集塵装置、７：脱硫装置、８：冷却除湿装置、９：ＣＯ_２液化装置、１０：再熱器、１１：空気分離機、２１：排ガス出口、２２：分岐点、４１：排ガス系統、４２：回収ガス系統、４３：循環ガス系統、４４：酸素供給系統、４５：一次供給ガス系統、４６：二次供給ガス系統、４７：燃料ガス系統、５１：循環水系統。

Claims

空気から分離した酸素と、燃料の石炭を燃焼して蒸気需要設備に供給する蒸気を発生させたボイラから排出された排ガスから分岐した排ガスの一部とを混合し、石炭を燃焼させる支燃ガスとして該ボイラに供給するように構成した酸素燃焼ボイラにおいて、
前記ボイラから排出された排ガスを流下させるように配設された排ガス系統のうち、該ボイラの排ガス用出口と該ボイラへ排ガスの一部を循環させるために該排ガス系統から排ガスの一部を分岐させる分岐点との間の領域に、排ガスから熱を回収する熱回収器と、該熱回収器の下流側に排ガスの煤塵を除去する集塵装置と、該集塵装置の下流側に排ガスの硫黄酸化物を除去する脱硫装置と、該脱硫装置の下流側に排ガスの水分を除去する冷却除湿装置を順次設置し、
前記排ガス系統の該分岐点から分岐した排ガスの一部を該ボイラに循環して供給する排ガス循環系統を配設し、
前記排ガス循環系統に排ガスを加熱する再熱器を設置し、
前記熱回収器と再熱器との間に循環水を循環させる循環水系統を配設し、この循環水系統を流れる循環水の流量を調節することによって熱回収器で排ガスから回収する熱量を制御することを特徴とする酸素燃焼ボイラ。
請求項１に記載の酸素燃焼ボイラにおいて、
前記熱回収器と前記再熱器との間に、排ガスとの伝熱を行う媒体として水を循環させる
循環水系統を配設したことを特徴とする酸素燃焼ボイラ。