(57)【要約】【課題】本発明の目的は、バーナにおいて異常燃焼が発生しにくい酸素燃焼ボイラプラント又は酸素燃焼ボイラプラントの運転方法を提供することにある。【解決手段】本発明は、酸素製造装置の下流側に配置された酸素バッファタンクと、酸素バッファタンクからバーナの１次系配管に酸素を供給する酸素供給配管と、酸素バッファタンクの下流側であり、かつ、１次系配管と酸素供給配管との合流地点より上流側の前記酸素供給配管に、酸素製造装置から発生する窒素の一部を供給する窒素供給配管、又は外部から空気を供給する空気供給配管を接続することを特徴とする。【効果】本発明によれば、バーナにおいて異常燃焼が発生しにくい酸素燃焼ボイラプラント又は酸素燃焼ボイラプラントの運転方法を提供することができる。【選択図】  図１
2011075176.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
空気から窒素を分離して酸素を製造する酸素製造装置と、前記酸素製造装置から供給される酸素と微粉炭を燃焼させるバーナと、前記バーナに微粉炭を供給する１次系配管とを備えたボイラと、
前記１次系配管に前記ボイラが排出する燃焼排ガスを供給する排ガス再循環手段と、前記ボイラから排出される排ガス中の二酸化炭素を回収する二酸化炭素回収装置とを備えた酸素燃焼ボイラプラントにおいて、
前記酸素製造装置の下流側に配置された酸素バッファタンクと、
前記酸素バッファタンクから前記バーナの１次系配管に酸素を供給する酸素供給配管と、
前記酸素バッファタンクの下流側であり、かつ、前記１次系配管と前記酸素供給配管との合流地点より上流側の前記酸素供給配管に、前記酸素製造装置から発生する窒素の一部を供給する窒素供給配管、又は外部から空気を供給する空気供給配管を接続することを特徴とする酸素燃焼ボイラプラント。
【請求項２】
請求項１記載の酸素燃焼ボイラプラントであって、
前記窒素供給配管に、窒素の流れを遮断できるストップバルブを備えたことを特徴とする酸素燃焼ボイラプラント。
【請求項３】
請求項１記載の酸素燃焼ボイラプラントにおいて、
前記酸素供給配管の出口を、前記１次系配管のガス流れ方向に分割して設置することを特徴とする酸素燃焼ボイラプラント。
【請求項４】
空気から窒素を分離して酸素を製造する酸素製造装置と、前記酸素製造装置から供給される酸素と微粉炭を燃焼させるバーナと、前記バーナに微粉炭を供給する１次系配管とを備えたボイラと、
前記１次系配管に前記ボイラが排出する燃焼排ガスを供給する排ガス再循環手段と、空気燃焼時に外部の空気を前記排ガス再循環手段に供給する空気燃焼用空気配管と、前記ボイラから排出される排ガス中の二酸化炭素を回収する二酸化炭素回収装置と、
前記酸素製造装置の下流側に配置された酸素バッファタンクと、
前記酸素バッファタンクから前記バーナの１次系配管に酸素を供給する酸素供給配管と、
前記酸素バッファタンクの下流側であり、かつ、前記１次系配管と前記酸素供給配管との合流地点より上流側の前記酸素供給配管に、前記酸素製造装置から発生する窒素の一部を供給する窒素供給配管、又は外部から空気を供給する空気供給配管が接続された酸素燃焼ボイラプラントの運転方法であって、
前記空気燃焼用空気配管から前記排ガス再循環手段へ空気を供給し、空気燃焼を行う運転状態から、前記空気燃焼用空気配管からの空気供給を停止し、前記ボイラに前記酸素と燃焼排ガスを供給して燃焼させる酸素燃焼の運転状態に移行させる移行時に、
前記酸素供給配管に接続された窒素供給配管又は前記空気供給配管から、窒素又は空気を供給することを特徴とする酸素燃焼ボイラプラントの運転方法。
【請求項５】
請求項４記載の酸素燃焼ボイラプラントの運転方法であって、
前記空気燃焼運転状態から前記酸素燃焼運転状態への移行時に、更に、前記微粉炭の粒子径を増加させることを特徴とする酸素燃焼ボイラプラントの運転方法。
【請求項６】
請求項４記載の酸素燃焼ボイラプラントの運転方法であって、
前記空気燃焼運転状態から前記酸素燃焼運転状態への移行時に、更に、前記酸素供給配管から前記１次系配管へ前記酸素の供給を開始するより先に、前記窒素供給配管または前記空気供給配管からの窒素または空気の供給を開始することを特徴とする酸素燃焼ボイラプラントの運転方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、酸素燃焼ボイラ及び酸素燃焼ボイラプラントの運転方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
微粉炭を燃焼させるボイラは、バーナへ供給する気体によって２種類の燃焼方式に分けることができる。空気燃焼は、バーナへ空気を供給することで燃料を燃焼させる方式である。また、酸素燃焼は、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料を燃焼させる方式である。
【０００３】
酸素燃焼は、排ガス成分の大部分が二酸化炭素になるため、排ガスから二酸化炭素を回収する際に二酸化炭素を濃縮する必要がない。そのため、酸素燃焼は排ガスをそのまま加圧，冷却して二酸化炭素を液化・分離させることが可能であり、二酸化炭素の排出量削減に有効な方法の一つである。
【０００４】
この酸素燃焼方式において、バーナ付近を流れる微粉炭の着火を促進する方法として、微粉炭と燃焼排ガスの混合気流にむけて酸素を噴射する方法が提案されている（特許文献１）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平７−３１８０１６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかし、微粉炭と燃焼排ガスの混合気流にむけて酸素を噴射する際に、酸素濃度の高いガス塊中に微粉炭が進入し、逆火などの異常燃焼が発生する可能性がある。特に、酸素供給を開始した直後や、運転条件を変化させるときに異常燃焼が発生しやすい。
【０００７】
そこで本発明の目的は、バーナにおいて異常燃焼が発生しにくい酸素燃焼ボイラプラント又は酸素燃焼ボイラプラントの運転方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、酸素製造装置の下流側に配置された酸素バッファタンクと、酸素バッファタンクからバーナの１次系配管に酸素を供給する酸素供給配管と、酸素バッファタンクの下流側であり、かつ、１次系配管と酸素供給配管との合流地点より上流側の前記酸素供給配管に、酸素製造装置から発生する窒素の一部を供給する窒素供給配管、又は外部から空気を供給する空気供給配管を接続することを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、バーナにおいて異常燃焼が発生しにくい酸素燃焼ボイラプラント又は酸素燃焼ボイラプラントの運転方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】ボイラプラントの構成を説明する図である。
【図２】種々の雰囲気条件のもとで、支燃ガス中の酸素濃度と微粉炭の燃焼速度の関係を説明する図である。
【図３】プラントを空気燃焼で起動してから酸素燃焼に切り替え、二酸化炭素を回収する定常運転に至るまでの、燃料供給量，空気供給量，酸素供給量，燃焼排ガスの再循環量が変化する様子を説明する図である。
【図４】図３の計画に従い運転したときに、支燃ガス中の酸素濃度が変化する様子を示す比較例である。
【図５】本実施例の手法を用いて、図３の計画に従い運転したときに、支燃ガス中の酸素濃度が変化する様子を示す図である。
【図６】酸素を供給したときに、計画供給量と実際の供給量のずれの一例を表わす図である。
【図７】図６に従い運転したときに、支燃ガス中の局所瞬間酸素濃度の最大値の変化を表わす図である。
【図８】酸素と窒素／空気を供給したときに、計画供給量と実際の供給量のずれの一例を表わす図である。
【図９】図８に従い運転したときに、支燃ガス中の局所瞬間酸素濃度の最大値の変化を表わす図である。
【図１０】ボイラプラント構成の変形例を説明する図である。
【図１１】ガスと微粉炭の混合状態を表わす図である。
【図１２】本実施例の技術を用いたときにおける、ガスと微粉炭の混合状態を表わす図である。
【図１３】本実施例に係るバーナ付近の構成を説明する図である。
【図１４】本実施例に係るバーナ付近の構成の変形例を説明する図である。
【図１５】本実施例に係るバーナ付近の構成の変形例を説明する図である。
【図１６】本実施例に係るバーナ付近の構成の変形例を説明する図である。
【図１７】本実施例に係るバーナ付近の構成の変形例を説明する図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、最良の実施形態について、図を参照しながら説明する。
【実施例１】
【００１２】
図１は、石炭を燃料とする酸素燃焼ボイラプラントを示す。本例はボイラ２００を用いて蒸気を発生させる火力発電プラントである。
【００１３】
ボイラ２００は、バーナ２１０とガスポート２２５を備える。バーナ２１０は微粉炭をボイラ内の火炉に供給し、燃焼させる。ガスポート２２５は、バーナ２１０の下流側に設けられ、２段燃焼用ガスを火炉に供給する。
【００１４】
ボイラ２００から排出される燃焼排ガスが流れる系統を説明する。燃焼排ガス３８０は、ボイラ２００から排出された排ガスが流れる系統を示す。排ガス処理装置３４０は、排ガスを浄化する装置である。ファン３８１は、排ガスを流すための装置である。冷却除湿装置３４１は、排ガスを冷却するとともに湿分を除去する。二酸化炭素回収装置３５０は、冷却除湿後の排ガスを圧縮し、二酸化炭素を排ガスから回収する。未回収ガス３５１は、二酸化炭素回収装置３５０で二酸化炭素を回収した後に残ったガスを示す系統である。循環排ガス３９０は、ボイラから排出された燃焼排ガス３８０の一部をボイラ２００へ再循環させる系統を示す。循環排ガス流量調整弁３９１は、循環排ガスの流量を調整する機能を有する。ファン３８２は、循環排ガスをボイラへ再循環させるために加圧する装置である。ガス予熱器３３０は、燃焼排ガス３８０と循環排ガス３９０を熱交換させることにより、循環排ガス３９０を加熱する。温度の低い循環排ガス３９３は、ガス予熱器３３０をバイパスさせる系統を示す。バイパス流量制御弁３９４は循環排ガス３９３の流量を調整する機能を有する。流量調整弁２１３，２１４は、循環排ガス３９０がそれぞれバーナ２１０，エアポート２２５に供給される流量を調整する機能を有する。また、空気燃焼用空気配管３６３ｂは、空気燃焼時に外部の空気をボイラ２００に供給する。空気燃焼用空気配管３６３ｂには、ストップバルブ１３５ｃ，空気流量調整弁３６４が設けられている。
【００１５】
次に、酸素供給系統を説明する。酸素製造装置３６０は、空気３６３ａから窒素を分離して酸素を製造する装置である。液化酸素１３１は、酸素製造装置３６０によって製造される。酸素バッファタンク１３２は、液化酸素１３１を貯留するタンクである。気化器１３３は液化酸素１３１を気化させ、酸素ガス３６２を生成する。第１の酸素供給配管２１９は、酸素ガス３６２を流す配管である。第１の酸素供給配管２１９には、一次系配管２１６に供給する酸素量を調整する流量調整弁２１８が設けられている。また、流量調整弁２１１は、循環排ガスに供給する酸素量を調整する弁である。そして、第２の酸素供給配管３９７は、石炭粉砕装置１３０の上流側で循環排ガスに酸素を供給する配管である。第２の酸素供給配管３９７にも流量調整弁３９６が設けられている。
【００１６】
次に、窒素供給系統を説明する。窒素ガス３６１は煙突３７０へ排出される。窒素供給配管１３７は、酸素製造装置３６０によって分離された窒素ガスの一部を第１の酸素供給配管２１９に供給するための配管である。この窒素供給配管１３７には、流量調節弁１３４，ストップバルブ１３５ａが設けられている。
【００１７】
また、第１の酸素供給配管２１９には、空気供給配管１３８が接続されている。空気供給配管１３８には、空気３６３を加圧して供給するガス供給装置１３６、ストップバルブ１３５ｂ、流量調整弁１３４を備える。
【００１８】
そして、石炭粉砕装置１３０は、石炭を粉砕し、微粉炭を生成する。バーナ２１０の一次系配管２１６は、石炭粉砕装置１３０からの微粉炭を循環排ガスとともにバーナ２１０へ供給する。石炭粉砕装置１３０に循環排ガス３９０を供給する系統には流量調整弁２１５を備える。また、循環排ガス３９０がバーナ２１０に直接供給される配管を、二次系配管２１７とする。
【００１９】
ボイラから排出される燃焼排ガス３８０の系統には、ガス予熱器３３０、排ガスを浄化するための排ガス処理装置３４０、ガスを流すためのファン３８１、排ガス中の二酸化炭素を冷却・液化して回収する二酸化炭素回収装置３５０、二酸化炭素を回収した後に残る窒素と酸素が主体の未回収ガス３５１を放出する煙突３７０がある。
【００２０】
図１に示すように、本実施例のボイラプラントは、空気を窒素主体のガスと、酸素主体のガスに分離して高純度の酸素を製造する酸素製造装置３６０を備えている。酸素製造装置は、酸素と窒素の沸点の違いを利用して両者を分離する方式であり、空気を冷却して酸素を製造する。本実施例は酸素製造方法に依存するものではなく、窒素分子と酸素分子の大きさの違いを利用して分離する膜分離方式など、他の方法でもよい。
【００２１】
酸素製造装置は空気３６３ａを高純度の液化酸素１３１と窒素主体の窒素ガス３６１に分離する。分離した窒素ガス３６１は煙突３７０から大気に放出される。
【００２２】
空気の代わりに高純度の酸素を用いて燃焼させると、火炎の温度が高温になり過ぎるため燃料を燃焼させるバーナやボイラ壁面が損傷する可能性がある。そのため、酸素製造装置３６０で製造した高純度の酸素を、ボイラから排出される排ガスの一部である循環排ガス３９０と混合して、バーナ２１０と二段燃焼用のガスポート２２５へ供給する。循環排ガス３９０はガス予熱器３３０により昇温する。循環排ガス３９０の一部はガス予熱器３３０を通さずにバイパスさせ、温度の低い循環排ガス３９３を循環排ガスに混合させることで温度を調整する。温度の低い循環排ガスの流量は、バイパス流量制御弁３９４で調整する。
【００２３】
循環排ガス３９０は排ガス処理装置３４０で浄化された後のガスの一部であり、ガス予熱器３３０で昇温させる。循環排ガスの流量は、循環排ガス流量調整弁３９１の開度で調節できる。
【００２４】
バーナ２１０及びガスポート２２５へ供給される酸素ガス３６２は、流量調整弁２１１，２１３及び２１４の開度を調整することで流量を調節できる。また、循環排ガス３９０も同様に、流量調整弁２１３及び２１４の開度を制御することで流量を調節できる。
【００２５】
燃料である石炭は、石炭粉砕装置１３０で微粉炭となり、流量調整弁２１５を通過した循環排ガス３９０の一部と共に１次系配管２１６を通してバーナ２１０へ搬送される。バーナ２１０は、２次系配管２１７を流れる酸素濃度の高い２次系ガスと１次系配管２１６を流れる微粉炭及び循環排ガスからなる１次系ガスとを混合して燃焼させることで、ボイラ２００の火炉内に高温の燃焼ガスを発生させる。
【００２６】
ここで、１次系ガス中の酸素濃度は数％のため、バーナ近傍で微粉炭が着火しにくいという課題がある。そこで、酸素ガス３６２を１次系配管２１６に供給すると、１次系ガスの酸素濃度が高くなり、微粉炭の着火性が改善する。しかし、酸素を１次系配管２１６に供給した直後には、純酸素に近い酸素濃度の高いガス塊が１次系配管２１６の内部に形成されている。このガス塊中に微粉炭粒子が進入すると、酸素濃度が極めて高い条件下で微粉炭が酸化され、逆火などの異常燃焼が発生する可能性がある。異常燃焼が発生すると、極めて温度の高い火炎が形成され、バーナやバーナに接続される配管が溶損することがある。したがって、この酸素燃焼プラントの信頼性を向上させるためには、異常燃焼の発生を防止する対策が必要である。
【００２７】
更に、第２の酸素供給配管３９７は、石炭粉砕装置１３０に循環排ガスを供給する上流側配管に酸素ガス３６２を供給する。石炭粉砕装置１３０に流入する循環排ガスの酸素濃度を事前に少し高めることにより、バーナ近傍での微粉炭着火性能をさらに高めることができる。
【００２８】
酸素製造装置３６０付近の構成を、さらに詳しく説明する。  
酸素製造装置３６０は、空気３６３ａを高純度の酸素と窒素主体の成分に分離し、分離した窒素主体の成分は窒素ガス３６１として煙突３７０から大気に放出される。高純度酸素の酸素濃度は、体積濃度で約９７％である。残りの３％ガス成分の大部分は窒素である。窒素濃度が高すぎると、燃焼後の二酸化炭素の回収効率が低下する。酸素の純度を高くしすぎると、プラントのコストが増加する。通常、高純度の酸素は液化酸素１３１の形態で生成する。液化酸素１３１は一旦、酸素バッファタンク１３２に貯蔵する。これにより、プラントの起動や、空気燃焼から酸素燃焼への切り替えが容易になる。酸素バッファタンク１３２は一旦貯蔵した酸素を気化器１３３へ供給し、気化器１３３は液化酸素１３１を酸素ガス３６２に気化させたのち、ボイラ２００へ供給する。窒素ガス３６１の一部は、窒素供給配管１３７を流れる。流量調節弁１３４が窒素ガス３６１の流量を制御したのち、窒素ガス３６１は酸素ガス３６２に合流する。これにより、酸素ガス３６２中の酸素純度を低下させる（酸素濃度を下げる）。この操作を実施すると、ボイラ内のバーナで逆火などの異常燃焼が発生しにくくなる。
【００２９】
なお、窒素ガス３６１を第１の酸素供給配管２１９へ供給する操作は、空気燃焼から酸素燃焼への切り替えなど、プラントの運転状態を変化させるときのみ実施する。それ以外の場合、窒素ガス３６１は第１の酸素供給配管２１９へ供給しない。常に窒素が供給されると、酸素ガス３６２中の窒素濃度が高くなりすぎ、燃焼後の二酸化炭素の回収効率が低下する。また、窒素の供給を停止させるために、窒素供給配管１３７にストップバルブ１３５ａを設ける。流量を制御する機器では、ガスの供給を完全に停止できない。そのため、流路の開閉のみを担当するストップバルブ１３５が必要である。
【００３０】
図１では、気化した窒素を気化した酸素に合流させたが、液化窒素を液化酸素に合流させてもよい。この場合、液化窒素は、酸素バッファタンク１３２の下流で液化酸素に合流させる。液化窒素を酸素バッファタンク１３２の中、あるいはそれより上流で液化酸素に合流させると、酸素の純度が常に低下するため、燃焼後の二酸化炭素の回収効率が低下する。
【００３１】
上述に示した、窒素ガス３６１を第１の酸素供給配管２１９に供給する操作は、プラントの運転状態を変化させる際に、酸素ガス３６２中の酸素濃度を低下させるために実施する。なお、酸素ガス３６２の酸素濃度を低下させるために、他の方法を用いても良い。図１には、空気を第１の酸素供給配管２１９に供給する方法も示した。ガス供給装置１３６が空気を空気供給配管１３８へ導き、流量調節器弁１３４が空気流量を制御し、空気を第１の酸素供給配管２１９に供給する。完全に酸素燃焼へ移行した後、空気供給配管１３８からの空気供給を停止させる必要がある。そのため、空気配管１３８にストップバルブ１３５を設ける。
【００３２】
以上のように、酸素バッファタンクの下流側であり、かつ、１次系配管と酸素供給配管との合流地点より上流側の酸素供給配管に、酸素製造装置から発生する窒素の一部を供給する窒素供給配管、又は外部から空気を供給する空気供給配管を接続することで、酸素供給配管を流れる酸素ガスの酸素濃度を低下させる運用が可能となる。そのため、バーナにおいて異常燃焼が発生しにくい酸素燃焼ボイラプラントを提供することができる。
【００３３】
次に、酸素燃焼ボイラプラントの運転方法について説明する。  
逆火などの異常燃焼が発生する可能性は、燃焼速度と強い相関がある。図２は、種々の燃焼条件のもとで、支燃ガス中の酸素濃度と微粉炭の燃焼速度との関係を示した実験データである。支燃ガスは、バーナの１次系配管，２次系配管に供給する気体である。燃焼速度は、支燃ガス中の酸素濃度に強く依存する。また、燃焼速度は、酸素濃度の他にさまざまな条件で変化する。例えば、雰囲気温度，支燃ガスの比熱，石炭の性状，微粉炭の粒径，微粉炭の濃度などの要因で変化する。
【００３４】
そして、燃焼速度が速すぎると、逆火などの異常燃焼が発生しやすくなる。最大の燃焼速度は、プラントの設計条件により定まる。そのため、燃焼速度がその設計条件以下になるように、燃焼条件を調整する必要がある。ただし、燃焼速度が小さすぎると火炎が失火する。従って、燃焼速度には最適な値がある。
【００３５】
酸素燃焼時のバーナは酸素濃度を変更できる。そのため、最適な燃焼速度に調整する方法は、酸素濃度を調整すればよい。酸素燃焼の定常運転時において、雰囲気温度，支燃ガスの比熱，石炭の性状，微粉炭の粒径，微粉炭の濃度などはある程度確定するため、最適な酸素濃度も確定しやすい。酸素供給量の制御により、燃焼状態を制御しやすい。
【００３６】
しかし、空気燃焼から酸素燃焼への切り替え時など運転状態が変化する際には、雰囲気温度，支燃ガスの比熱，石炭の性状，微粉炭の粒径，微粉炭の濃度などがさまざまに変化する。この場合には、最適な酸素濃度条件を決定するのが難しい。そして、逆火などの異常燃焼現象は、燃焼速度が一瞬でもその上限を上回る時間帯があると発生し、燃焼装置の焼損などの原因になる。そのため、燃焼速度が上限値以上になる可能性を排除する対策が必要である。
【００３７】
その対策とは、どのような雰囲気条件でも酸素濃度を下げることである。この対策は、燃焼速度の低下に効果的である。例えば、空気燃焼から酸素燃焼へ運転状態を切り替える当初から、第１の酸素供給配管２１９を流れる酸素ガスの酸素濃度を低下させる。酸素分離装置が酸素純度９７％の酸素ガスを供給すると、微粉炭は酸素９７％の雰囲気条件で燃焼する場合があり、このときの燃焼速度は極めて大きい。これに対して、第１の酸素供給配管２１９を流れる酸素ガスの酸素純度を例えば７０−８０％に低下させた場合、微粉炭が燃焼する可能性は無くなる。図２の結果をみると、支燃ガスの酸素濃度を酸素９７％から酸素７０−８０％程度に減少させると、燃焼速度は１／２近くに低下する。そのため、酸素濃度の僅かな減少でも、異常燃焼の抑制効果は大きい。
【００３８】
次に、図３は、空気燃焼でプラントを起動してから酸素燃焼に切り替え、酸素燃焼の定常運転状態に達するまでの、燃料量，空気供給量，酸素供給量，排ガス循環量が変化する様子を示す。
【００３９】
起動時、空気燃焼用空気配管３６３ｂから空気が供給される。空気流量が所定の値に達した時点で燃料を供給し、点火する。その後次第に、空気供給量と燃料供給量を増加させ、負荷を高くする。空気燃焼から酸素燃焼に切り替える負荷に達した時点で、空気燃焼用空気配管３６３ｂからの空気供給量を次第に減少させる。同時に、排ガスの再循環を開始し、再循環させる排ガス量をしだいに増加させる。排ガス再循環の開始に対応して、酸素供給を開始する。排ガス循環量の増加、空気供給量の減少に対応して、酸素供給量を増加させる。空気供給を停止した時点で、酸素燃焼に切り替わる。この時点で、二酸化炭素の回収運転を開始する。その後、排ガス循環量，酸素供給量，燃料供給量を増加させ、必要な条件に到達させる。
【００４０】
運転時の空気供給量，燃料供給量，排ガス循環量，酸素供給量は、事前に運転計画として定められているが、実際の供給量は計画から多少ずれる。そのズレは、ガスや燃料の供給量を測定する計測器や、制御装置に誤差があるためである。実際の供給量と計画値との間のずれが大きいときに、異常燃焼が生じやすい。そして、このずれが生じやすいのは、空気燃焼から酸素燃焼に切り替える際など、運転状態を変化させるときである。たとえば、空気燃焼から酸素燃焼に切り替える際に、酸素供給を開始する。酸素を計画通り、かつ、正確に供給するためには、流量制御装置が正確に作動しなければならないが、装置には必ず誤差がある。装置の性質上、装置は流量が少ないときに誤差が生じやすい。そのため、酸素供給を開始した直後の、酸素供給量が少ないときに誤差が生じやすい。また、酸素はできるだけ徐々に供給することが望ましいが、供給開始直後はある一定量が瞬時に供給されやすい。また、流量制御装置には必ず応答遅れもある。そのため、酸素供給量を変化させる際に、供給量を常に正確に調整するのは難しい。したがって、運転状態を変化させて酸素供給量が計画からある程度ずれた場合でも、異常燃焼が発生しにくくする装置上の工夫が必要である。
【００４１】
図４は、図３の計画に従って運転したときに、支燃ガス中の酸素濃度が変化する様子を示す一例である（比較例）。この比較例は、１次系配管２１６に接続された窒素供給配管１３７又は空気供給配管１３８から窒素又は空気を供給しない場合を示す。ここで、支燃ガス中の酸素濃度は、平均的な濃度と、局所的かつ瞬間的な濃度を考慮しなければならない。平均的な酸素濃度が低すぎると、失火の原因になる。図４の曲線６０３は平均酸素濃度を示す。支燃ガスの主成分が窒素から二酸化炭素に変化すると、同一酸素濃度では燃焼速度が低下する。そのため、酸素燃焼に切り替えた際は、平均酸素濃度をある程度増加させるのがよい。
【００４２】
局所的かつ瞬間的な酸素濃度が高すぎると、逆火などの異常燃焼の原因になる。燃焼排ガスと微粉炭の混合物が流れる１次系配管２１６に酸素を供給した場合、１次系配管２１６の内部空間に濃度むらが生じ、局所的に酸素濃度の高い領域と低い領域が形成される。曲線６０４は、この濃度むらを考慮して、局所的に最も酸素濃度が高い領域において酸素濃度が変化する様子を示す。１次系配管２１６の内部において、酸素ガスと燃焼排ガスの混合性能はガス流量などの条件で変化する。そのため、ガス流量を変化させる際に常に良好な混合性能を保つことは難しく、流量を変化させる際に、局所的な酸素濃度が一時的に高くなる場合がある。
【００４３】
曲線６０６は、異常燃焼を防ぐために許容できる酸素濃度の上限値である。支燃ガスの酸素濃度は、この酸素濃度の上限値を常に下回る必要がある。曲線６０４の酸素濃度は上限より低い。但し、空気燃焼から酸素燃焼への切り替え時には、上限値までの余裕度が少なくなる。そして、ガス流量に時間変動がある場合には、瞬間的にはさらに酸素濃度が高くなることがある。曲線６０５は、ガス流量の変動を考慮したときの瞬間的な最大酸素濃度である。図４に示すように、瞬間的な最大酸素濃度６０５が許容値６０６を超えた場合、異常燃焼が発生しやすくなる。比較例を用いた場合、この瞬間的な最大酸素濃度は約９７％に達する可能性がある。異常燃焼が発生する条件は、酸素濃度が高いことに加えて、この酸素濃度が高い領域に多量の微粉炭が侵入するという条件が揃ったときである。本実施例では、酸素濃度が許容値を超えないようにする工夫を行ったものである。
【００４４】
図５は、図３の計画に従い本実施例を適用して運転した場合において、酸素濃度が変化する様子を表す図である。事前に、酸素ガス３６２に窒素ガスあるいは空気を混入させ、酸素ガス３６２中の酸素濃度を低下させると、瞬間的な最大酸素濃度を低くできる。例えば、酸素ガス３６２中の酸素濃度を２０％減少させると、瞬間的な最大酸素濃度も２０％低減できることが期待できる。ガス流量の制御が最も難しい条件では、酸素ガス３６２中の酸素濃度を許容値以下にするとよい。この操作をすると、瞬間的な最大酸素濃度が許容値を超える可能性がなくなる。
【００４５】
図６は、酸素供給量の時間変化を示す。計画値と実際の供給量とのずれを表わす一例である。酸素供給を開始した直後は、計画値と実際の流量にずれが生じやすい。図６とは逆に、計画値よりも実際の供給量が少なくなることもある。但し、計画値よりも供給量を多くできるか少なくできるかを、人為的に制御するのは難しい。図６のように、実際の供給量が計画よりも多い場合には、異常燃焼が発生しやすい。逆の場合には、失火が生じやすい。なお、支燃ガスの酸素濃度を測定し、その測定結果に基づき酸素供給量を修正すると、酸素供給量の誤差を小さくできる。ただし、測定器にも応答遅れがある。そのため、酸素供給を開始してからある一定の時間が経過するまでは、この測定器を用いた制御方法は使用できない。ある程度時間が経過して酸素供給量が増えれば、酸素供給量の誤差も少なくなっており、測定器を用いた制御方法を使用可能となる。
【００４６】
図７は、図６のように運転した場合に、酸素濃度の瞬間最大値が変化する様子を示す。酸素供給を開始してから一定時間が経過するまでの初期段階は、酸素濃度が高くなりやすい。また、この初期段階は、測定による濃度の把握もしにくい。
【００４７】
図８は、本実施例を適用したときの、酸素ガス３６２と窒素ガス（または空気）の供給量が変化する様子を示す。窒素ガスまたは空気は、酸素の供給より僅かに早く供給開始する。これにより、酸素の供給を開始した時点で、純度の高い酸素が１次系配管２１６を流れる微粉炭と燃焼排ガスの混合物と接触する可能性がなくなる。酸素の供給を開始した直後は、酸素の供給量に誤差が生じやすいので、窒素または空気の供給量を多くする。これにより、酸素ガス３６２の酸素濃度が下がるため、大きな供給量変動や大きな濃度むらが生じても、酸素濃度の瞬間最大値が高くなりにくい。酸素の供給量増加に応じて、窒素または空気の供給量を減少させる。窒素または空気の供給量を少なくすると、窒素・酸素供給量の誤差は大きくなる。しかし、この時点では酸素供給量の誤差が小さくなるので、酸素濃度の瞬間最大値が高くなりにくい。また、酸素濃度の測定値に基づき、供給量を修正することも可能である。酸素燃焼に完全に切り替わる時点で、窒素または空気の供給を停止する。これにより、酸素燃焼時には純度の高い酸素が供給されるので、燃焼ガス中の二酸化炭素の回収効率は低下しない。
【００４８】
図８に示す運転状態において、酸素濃度の瞬間最大値が変化する様子を図９に示す。酸素供給を開始する初期段階は、酸素濃度を低下させる。初期段階は、酸素濃度の瞬間最大値に原理的な最大濃度が存在する。このため、供給量の調整が難しい初期段階において、酸素濃度の上昇を抑制することができる。
【００４９】
ここで、「酸素濃度の原理的な最大値」について説明する。例えば、酸素濃度１０％の循環排ガスに酸素濃度７０％の酸素ガスを混合させる場合、混合ガスの酸素濃度は７０％未満となる。このとき、「酸素濃度７０％」が原理的な最大値となる。このように本実施例では、酸素濃度に原理的な最大値を設けることで、運転条件を変更しても異常燃焼を防ぐことが可能となる。
【００５０】
以上のように、空気燃焼用空気配管から排ガス再循環手段へ空気を供給し、空気燃焼を行う運転状態から、空気燃焼用空気配管からの空気供給を停止し、ボイラに酸素と燃焼排ガスを供給して燃焼させる酸素燃焼の運転状態に移行させる移行時に、酸素供給配管に接続された窒素供給配管又は空気供給配管から、窒素又は空気を供給することにより、バーナにおいて異常燃焼が発生しにくい酸素燃焼ボイラプラントの運転方法を提供することができる。
【００５１】
なお、異常燃焼を防止する方法として、酸素供給を開始するときに、微粉炭の粒子径を大きくする方法も考えられる。図２に示すように、粒子径を大きくすると燃焼速度が小さくなる。また、粒子径を大きくすると、図５に示す最大酸素濃度許容値６０６が大きくなるため、許容値までの余裕度が大きくなり、異常燃焼を防止できる。粒子径を大きくするには、図１に示す石炭粉砕器１３０の運転状態を変えればよい。通常、石炭粉砕器１３０は、その出口付近に分級器を設けられている。分級器は、ある一定径より大きな粒子を回収し、石炭粉砕器に戻して再粉砕させる。そのため、粒子径を大きくするには分級器の分離粒子径を大きくする方法が考えられる。
【実施例２】
【００５２】
図１０は、酸素ガス３６２の供給方法の変形例を示す。図１との違いは、酸素ガス３６２を一度ではなく、２度に分けて段階的に１次系配管２１６へ供給することである。これにより、異常燃焼の発生をさらに抑制できる。
【００５３】
１次系ガスの流れ３１に酸素ガス３６２を供給したときの、ガスと微粉炭の混合状態の一例を図１１に示す。図１１は、酸素ガス３６２を一度に供給したときの混合状態である。
【００５４】
酸素ガス３６２は、酸素供給ノズル５２から１次系ガスの流れ３１に向かって噴射される。酸素ガス３６２と１次系ガスの流れ３１の境界には混合領域３２が形成される。ただし、噴射された酸素ガスの全てが瞬時に混合することはない。そのため、混合領域３２の内部には、高酸素濃度のガス塊３３が一時的に形成される。１次系ガスの流れ３１には、微粉炭粒子３４が同伴されている。この微粉炭粒子３４は、１次系ガスの流れ３１に完全に同伴されて動くわけではない。一部の微粉炭粒子３４は、１次系ガスの流れ３１からずれて独自の運動をする。この結果、例えば、図１１に示したような微粉炭粒子の軌跡３６を経て、微粉炭粒子３４が高酸素濃度のガス塊３３に進入することがある。高酸素濃度のガス塊に進入した微粉炭粒子３５は、燃焼しやすくなる。高酸素濃度のガス塊に進入した微粉炭粒子３５が燃焼して温度が高くなると、周囲のガスや微粉炭を加熱する。そして、混合領域３２や１次系ガスの流れ３１に存在する微粉炭へ延焼しやすくなる。
【００５５】
この延焼を防ぐためには、二つの対策が有効である。第一に、高酸素濃度のガス塊３３中の酸素濃度を低くして、高酸素濃度のガス塊に進入した微粉炭粒子３５を燃焼しにくくさせることである。これは、実施例１で示した対策である。第二は、高酸素濃度のガス塊に進入した微粉炭粒子３５が燃焼しても、燃焼温度を速やかに下げることで、周囲のガスや微粉炭を加熱しにくくすることである。周囲のガスや微粉炭を加熱しにくくするためには、高酸素濃度のガス塊３３の体積をできるだけ小さくして、かつ、ガス塊３３へ進入する微粉炭粒子の量を少なくすることである。たとえば、純酸素のガス塊へ微粉炭が進入して燃焼しても、進入する粒子が１個であれば、周囲へ延焼する可能性はほとんどない。このように、高酸素濃度のガス塊３３の体積が小さければ、ガス塊３３へ進入する微粉炭の数も少なくなり、微粉炭が燃焼しても、その燃焼による発熱量を小さくできる。
【００５６】
ガス塊３３の体積が小さい場合、発生した燃焼熱はすぐに矢印９１の方向で周囲に奪われるので、温度はあまり高くならない。この場合には、いったん微粉炭が燃焼しても、周囲には延焼しにくい。一方、ガス塊３３の体積が大きいときは逆になる。ガス塊３３へ進入した微粉炭の燃焼熱が大きいので、周囲へ熱が奪われにくくなり、温度が上がりやすくなる。この結果、周囲のガスや微粉炭が過熱されやすくなり、延焼しやすくなる。
【００５７】
高酸素濃度のガス塊３３の体積を小さくする方法は、第１の酸素供給配管２１９の出口を、１次系配管２１６のガス流れ方向に分割して設置することで、１次系ガスの流れ方向に分割して酸素を段階的に供給する方法がよい。図１２は、酸素ガス３６２を段階的に供給する構成の一例である。ひとつの酸素供給ノズル５２から供給する酸素ガス３６２の量を少なくすることで、高酸素濃度のガス塊３３の体積は小さくなる。ガス塊の体積が小さくなった結果、ガス塊中の微粉炭が燃焼しても、周囲には延焼しにくくなる。なお、図１２では二つの高酸素濃度のガス塊３３が形成される。また、酸素供給ノズル５２を流れ方向にある程度離して設置することで、ガス塊同士の相互作用を防ぐ必要がある。そのため、上流側で供給した酸素ガス３６２が１次系ガス１０と混合して高酸素濃度のガス塊３３が消失した後に、新たに下流側で酸素ガス３６２を供給するように、酸素供給配管の出口をお互い離すことが望ましい。
【実施例３】
【００５８】
図１３は、バーナ構造と、酸素３６２の供給方法の一例を示す。１次系ガス１０はバーナの中心部からボイラ火炉内に噴出する。保炎器８９は、微粉炭の着火を促進する。１次系ガス１０の周囲から２次系ガス２１７を供給する。このバーナでは、２次系ガスを二つの流路に分割する。
【００５９】
酸素供給ノズル５２は、バーナ上流側の１次系配管２１６の内部に設置する。酸素供給ノズル５２は、１次系ガス１０の流れ方向で二つに分けて設置する。この方法は、ボイラ火炉内の１次系ガスや、酸素ガスを噴出した直後の１次系ガスに、酸素濃度のむらができにくい利点がある。酸素濃度のむらが小さいと、ＮＯｘ排出特性や最低負荷性能などの燃焼性能を予測しやすい利点がある。
【実施例４】
【００６０】
図１４は、バーナ構造と酸素ガス３６２の供給方法の変形例を示す。この構成では、下流側の酸素供給ノズルをバーナ近傍に設置する。
【００６１】
図１５は、バーナ構造と酸素ガス３６２の供給方法の別の変形例である。この構成では、下流側の酸素供給ノズル５２をバーナ出口に設置した。バーナの中心部に、起動用の油バーナ２２が設置され、油バーナ２２の周囲に酸素供給ノズル５２が設置される。酸素供給ノズル５２の周囲には、１次ノズル２５が設置され、微粉炭と燃焼排ガスの混合物である１次系ガス１０がボイラ火炉１内に噴出される。酸素ガス２４は、環状に噴出する１次系ガス１０の内側から供給される。１次ノズル２５の周囲から２次系ガス２１７がボイラ火炉１内に供給される。２次系ガスはウインドボックス２を経て二つの流路に分流されたのち、旋回羽根１７で流れの旋回成分を付与したのち、ボイラ火炉１内に供給される。酸素供給ノズル５２は、酸素ガス３６２を供給する。
【００６２】
図１５の構成では、酸素供給ノズルがバーナ下流側に設置されるため、バーナ部で１次系ガス１０中に酸素濃度のむらが生じやすい欠点がある。その一方、逆火などの異常燃焼が発生した際、その影響が１次ノズル２５中の上流側へ及びにくい利点がある。
【００６３】
図１６は、図１４の一変形例を示す。２次ガス導入管５１がバーナ噴出部の近くに設置される。図１７は、バーナをＡ方向から見た図である。１次ノズル４０１の外周部に、保炎器４００が櫛歯状に設置される。１次ノズルの周囲には、２次ノズル４０２と３次ノズル４０３が同心円状に配置される。酸素供給ノズル５２は保炎器４００の間に配置する。
【符号の説明】
【００６４】
１３２  酸素バッファタンク
１３７  窒素供給配管
１３８  空気供給配管
２００  ボイラ
２１０  バーナ
２１６  １次系配管
２１９  第１の酸素供給配管
２２５  エアポート
３６０  酸素製造装置
３９７  第２の酸素供給配管
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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