(57)【要約】【課題】【解決手段】  燃料を燃焼させるために実質的に純粋な酸素雰囲気を使用することにより、生成される温室ガスを少なくするように設計または改造されたボイラ（１０）。主バーナ（１４）と水管（１３ａ）を備えるボイラが提供される。ボイラは、更に、必要に応じて、主バーナ領域（１５）の上で且つボイラ蒸気出口の下のゾーン（２６）に配置された少なくとも一つの補助バーナ（２４）を備える。補助バーナは、蒸気の温度と品質を高めるために熱またはエネルギーを提供する。補助バーナは、圧縮空気ではなく酸素を使用する結果としてボイラを通る排気の流量が減少したことにより失われる熱またはエネルギーを提供する。
2008519958.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ボイラであって、
水の初期加熱のための少なくとも一つの主バーナであって、主バーナゾーンに配置され、ボイラ燃料に対する化学量論比の実質的に純粋な酸素が低流量で供給される主バーナと、
前記少なくとも一つの主バーナの近くにある第１の端部と、該第１の端部から離れて且つボイラ蒸気出口の近くにある第２の端部とをそれぞれ有する水管の集まりと、
前記主バーナゾーンの上で且つ前記ボイラ蒸気出口の下のゾーンにあり、より高品質の蒸気のためのエネルギーを生成する少なくとも一つの補助バーナとを備えたボイラ。
【請求項２】
前記少なくとも一つの補助バーナが二つの補助バーナである、請求項１に記載のボイラ。
【請求項３】
前記補助バーナは、燃料に対する化学量論比のほぼ純粋な酸素が提供される、請求項１に記載のボイラ。
【請求項４】
過熱器と再加熱器の少なくとも一方を含む、請求項１に記載のボイラ。
【請求項５】
前記少なくとも一つの補助バーナは、前記過熱器の近くに配置された、請求項４に記載のボイラ。
【請求項６】
前記少なくとも一つの補助バーナは、前記再加熱器の近くに配置された、請求項４に記載のボイラ。
【請求項７】
ボイラであって、
水の初期加熱のための少なくとも一つの主バーナと、
前記少なくとも一つの主バーナの近くにある第１の端部と、該第１の端部から離れて且つボイラ蒸気出口の近くにある第２の端部とをそれぞれ有する水管の集まりと、
前記蒸気出口と蒸気が移動するように接続された過熱器もしくは再加熱器の少なくとも一方と、
ボイラ内の前記主バーナ領域と前記蒸気出口の上のゾーンに配置され、ボイラ内の蒸気の品質を高めるための二つの補助バーナとを備えたボイラ。
【請求項８】
前記補助バーナは、燃料に対する化学量論比のほぼ純粋な酸素が提供される、請求項７に記載のボイラ。
【請求項９】
既存のバーナを温室効果ガスの実質的な部分を除去するように改造する方法であって、
ボイラの一つまたは複数の主バーナに実質的に純粋な酸素を供給する段階と、
前記ボイラに、前記ボイラの主バーナ領域の上に位置する少なくとも一つの補助バーナを提供する段階と、
前記主バーナと前記補助バーナの両方の中で燃料が実質的に純粋な酸素がある状態で燃焼されて燃料が実質的に消費されるようにボイラを操作する段階とを含む方法。
【請求項１０】
前記ボイラ内の過熱領域に過熱器を提供し、前記過熱領域の近くに前記少なくとも一つの補助バーナを配置する段階を含む、請求項９に記載の方法。
【請求項１１】
ボイラであって、
水の初期加熱のための少なくとも一つの主バーナであって、主バーナゾーンに配置され、ボイラー燃料に対する化学量論比の実質的に純粋な酸素が低流量で供給される主バーナと、
前記少なくとも一つの主バーナの近くにある第１の端部と、該第１の端部から離れて且つボイラ蒸気出口の近くにある第２の端部とをそれぞれ有する水管の集まりと、
前記蒸気出口と蒸気が移動するように接続された対流型過熱器と、
前記対流型過熱器の近くにある、前記過熱器内の蒸気の温度を制御するために温度を変化させるための少なくとも一つのノズルまたはポートとを備えたボイラ。
【請求項１２】
ボイラであって、
水の初期加熱のための少なくとも一つの主バーナであって、主バーナゾーンに配置され、ボイラ燃料に対する化学量論比の実質的に純粋な酸素が低流量で供給される主バーナと、
前記少なくとも一つの主バーナの近くにある第１の端部と、該第１の端部から離れて且つボイラ蒸気出口の近くにある第２の端部とをそれぞれ有する水管の集まりと、
前記蒸気出口と蒸気が移動するように接続された対流型過熱器とを備え、
過熱器内の蒸気の温度を制御するプロセスとして燃料輸送に高濃度ＣＯ2と窒素を含まないキャリアガスとを使用するボイラ。
【請求項１３】
ボイラであって、
水の初期加熱のための少なくとも一つの主バーナであって、主バーナゾーンに配置され、ボイラ燃料に対する化学量論比の実質的に純粋な酸素が低流量で供給される主バーナと、
前記少なくとも一つの主バーナの近くにある第１の端部と、該第１の端部から離れて且つボイラ蒸気出口の近くにある第２の端部とをそれぞれ有する水管の集まりと、
前記蒸気出口と蒸気が移動するように接続された対流型過熱器とを備え、
炭素系燃料用のキャリアガスに窒素の導入をなくすプロセスとして燃料輸送に高濃縮ＣＯ2と窒素を含まないキャリアガスとを使用するボイラ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、通常の燃焼空気がない状態で酸素と燃料で動作するように設計または改良された蒸気ボイラに関し、ボイラ内の従来の燃焼領域の上の蒸気の過熱および／または再加熱温度を制御する高度な方法を使用する過熱および／または再加熱蒸気温度制御を必要とする。より詳細には、本発明は、必要に応じて過熱および／または再加熱領域ならびに対流領域における熱とエネルギーを強化して蒸気ボイラの出口における適切な蒸気温度を維持するために、対流領域内で通常の燃焼空気がない状態で酸素と燃料を使用する少なくとも１台の追加バーナを備えたボイラに関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば蒸気と電気を生成するために電力会社、企業および地方自治体によって使用される発電プラントや蒸気プラントは、一般に、様々なプロセスや他の用途ならびに発電機や他の装置を稼働させるタービンに供給できる蒸気を生成するために使用される小型から大型までのボイラシステムを含む。ボイラは、一般に１９世紀に遡る基本設計を有し、水が中を循環する無数の管を有する。また、ボイラは、一般に、空気がある状態で点火され燃焼される様々な炭素系燃料（化石燃料を含む）が供給される一つまたは複数のバーナを備える。バーナと水管は互いに近くにあり、バーナによって生成された熱が水管内の水を加熱する。熱水は、バーナによって加熱されたガスと同じようにボイラのバーナ部分より上に上昇し、その結果、熱水は、無数の管内を上昇するときに温度が上昇し続ける。一般に、管は圧力がかけられており、従って水（大気圧で約１００℃で沸騰する）は、沸騰することなく温度が上昇し続けるだけである。
【０００３】
そのようなボイラは、通常、数フィートから数階分までの高さがあり、その最上部近くに、熱水を水管の閉じ込めから解放して蒸気に気化させる部分がある。熱水が急激に解放され蒸気に変換されることにより、大きなタービン回転力が提供される。そのようなボイラは、ボイラに割り当てられた仕事に必要な熱とエネルギーを生成しかつ／またはその必要量を超えるように設計される。
【０００４】
このようなボイラシステムの改善には、過熱領域と再加熱領域を加えることがあり、これらの領域は、高速の排気流内に配置された過熱管と再加熱管内に蒸気を通すことによって蒸気の温度を更に高める手段を提供する。これらの装置は、燃焼の廃エネルギーを使用して蒸気の温度をその飽和点より高くする。蒸気が高いエネルギーを有するという利点の他に、過熱された蒸気は乾燥しており、その乾燥した蒸気は、水分を多く含む蒸気よりタービン羽根に対する有害作用が少ないことが分かっている。乾燥蒸気は、飽和蒸気よりも単位体積当たりのエネルギーが多いことが分かっている。
【０００５】
一般に、ボイラは、必要とされるより多くのエネルギーを生成し、蒸気を所望の温度に冷却することによってこのエネルギーを減衰させるように設計されている。酸素約１８パーセントの空気を使用する先行技術のシステムでは、燃料を完全に燃焼させる酸素の化学量論比を実現するには空気の流量を高めなければならない。空気を大きい流れ圧力で使用すると、高温ガスがボイラのバーナ領域から水管の高さ全体にわたって素早く流される。これにより、ボイラの最上部までずっと水と過熱器内の蒸気に熱を加えエネルギーを与え続けるのに必要な熱とエネルギーを得ることができる。しかしながら、この利点と共に、窒素を多く含む空気がある状態で燃料を燃やすと、窒素酸化物（ＮＯｘ）（有害な温室効果ガス）が生成されることが分かった。先行技術のボイラでは、ボイラ内の空気を燃焼させ、完全燃焼させる化学量論比の酸素を提供するためにボイラ内に必要な空気の流れを多くすると、それに伴って流量が増え、大量のＮＯｘが生成される。
【０００６】
温室効果ガスを削減する１つの方法は、「Oxy-Fuel  Combustion  System  and  Uses  Therefor」と題する米国特許第６，４３６，７３７号に説明されており、この特許は、本発明の譲受人によって所有され、またここに全体が示されるかのごとく全体が組み込まれる。’７３７特許では、過度のＮＯｘが生成されないようにバーナに実質的に純粋な酸素を供給するシステムが開示されている。このシステムは、新しいボイラと既存のボイラの改良物の両方で使用することができる。
【０００７】
しかしながら、非圧縮流量の純粋酸素を使用すると、空気で使用される素早く強制的な流れを使用することなく、燃料を消費するのに必要な化学量論比ができるので、それに伴って、熱とエネルギーが、（普通ならボイラに空気を送り込むために使用される圧力によって）ボイラの高さまで強制的に送られない。その結果、そのような酸素供給システムで当業者によって知られているような特定のボイラの場合、ボイラ内の高い方のレベルにある加熱されたガスに浸されない管内の水は、適切な量の熱とエネルギーが生成される前に冷え始める。更に、そのようなボイラでは、過熱要素を通った後の高温ガスの流れは、必要に応じて過熱蒸気を生成するのに必要な程度まで生じない。この結果、そのようなボイラでは、先行技術の温室効果ガスを生成する炉の効果的な代替を提供することができない。
【０００８】
ＮＯｘの生成を防ぎながらより大量の高品質な蒸気を得ることが望ましい。
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明によれば、水の初期加熱のために通常の燃焼空気がない状態で酸素と燃料を使用する少なくとも一つの主バーナと、少なくとも一つの主バーナの近くにある第１の端部と、第１の端部から離れて且つボイラ蒸気出口の近くにある第２の端部とをそれぞれ有する水管の集まりとを備えたボイラが提供される。ボイラは、更に、蒸気出口と蒸気が移動するように接続された過熱器および／または再加熱器を備えることができる。多くの熱またはエネルギーを生成してボイラ本体とボイラの過熱および／または再加熱領域内の蒸気の温度と品質を高めるために、通常のバーナ位置の上に少なくとも一つの補助バーナが提供される。
【００１０】
本発明の一実施形態において、既存の先行技術のボイラは、圧縮空気ではなく実質的に純粋な酸素を供給するように改良される。そのようなボイラの改良は、望ましい量と品質の蒸気を生成するのに必要な熱とエネルギーを提供するために、主バーナ領域の上に少なくとも一つの補助バーナを戦略的に配置することを含む。好ましい実施形態では、補助バーナは、改良された先行技術のシステムか新しく設計されたボイラかに関係なく、実質的に純粋な酸素が供給される。
【００１１】
ボイラの動作において、主バーナは、水管内を流れる水を加熱し、加熱水をボイラ内で上昇させる。加熱水は、蒸気出口で蒸気に気化し、その蒸気が過熱装置に送られる。対流の結果として、熱が過熱領域内の蒸気に加えられ、蒸気の温度を飽和点より高くする。補助バーナは熱を追加し、蒸気を加熱している間ずっと、より一定で一貫した制御を可能にする。このようにして、適切に加熱された蒸気がタービンに提供され、タービンが効率的且つ適切に動作することができる。他の実施形態では、二つ以上の補助バーナが提供され、その結果必要なときに、過熱器要素に加える熱をより注意深く制御することができる。本実施形態では、空気より少ない流量で酸素を使用することにより、加熱されたガスの流量が減少するので、主バーナからのエネルギーは、熱とエネルギーの不足を解消するために、少なくとも一つの補助バーナによって補われる。主バーナの高さと蒸気出口の間に配置された少なくとも一つの補助バーナは、管内の水と過熱ゾーン内の蒸気に熱またはエネルギーを提供して、低流量の酸素の使用によって失われるエネルギーを提供する。
【００１２】
更に他の実施形態では、補助バーナは、通常の燃焼空気の代わりに、酸素生成システムから酸素が燃料と化学量論比に供給され、その結果温室効果ガスが最少になる。約８０％の窒素から成る通常の燃焼空気は大量の熱を消費し、この熱は排気に失われるが、酸素生成システムからの酸素を使用することによって排気に失われる熱が減少し、バーナの熱をより効率的に過熱器に加えることができる。別の実施形態では、補助バーナと主バーナの両方に酸素生成システムから化学量論比の酸素が供給される。
【００１３】
加熱水は、蒸気出口で蒸気に気化し、その蒸気は過熱装置に送られ、そこでは補助バーナが、生成される蒸気の品質を高めるために熱とエネルギーを提供し続ける。次に、過熱器からの蒸気をタービンに送ることができる。一実施形態では、蒸気はタービンから再加熱装置に戻され、そこで蒸気は、主バーナと補助バーナの両方により熱とエネルギーが再び加えられ、再びタービンに送られる。補助バーナによって対流が生成される結果として、低流量の酸素が供給されるバーナが一般に熱とエネルギーのギャップを有する領域に熱またはエネルギーが加えられ、そうでないとボイラ内の水が冷えることになる。この対流によって、蒸気の温度が飽和点より高くなり望ましい量と品質の蒸気が生成される。補助バーナは、蒸気のより一定で一貫した加熱を可能にする熱またはエネルギーを追加する。このようにして、適切に加熱された蒸気がタービンに提供され、タービンは効率的且つ適切に動作することができる。
【００１４】
本発明の他の実施形態では、二つ以上の補助バーナが提供され、それにより、必要なときに、過熱器要素に加えられる熱またはエネルギーをより注意深く制御することができる。更に、好ましい実施形態では、本発明のボイラを、必要とされるより多くの熱またはエネルギーを生成できるように作成することができる。そのような実施形態では、当業者に既知の冷却要素や他の要素を設けて、蒸気を所望の熱およびエネルギーレベルにもってゆく（または減衰させる）ことができる。冷却要素を使って所望の特性を有する蒸気を生成することは、ボイラ内で加熱要素を使用して蒸気を所望のレベルに加熱しようとするよりも効率的なことは、当業者は理解するであろう。
【００１５】
本発明の別の実施形態では、バーナは、再利用排煙ガスを導入することによって蒸気の過熱温度を制御するノズルまたはポートとして使用される。再利用排煙ガスは、ボイラの炉部分内の燃焼バーナで酸素と化石燃料を含む炭素系燃料の使用と組み合わされたときに最も有用であることが理解されるであろう。燃焼プロセスによる排煙ガスが減少し、そのプロセスによる輻射熱伝達が増えるので、再利用排煙ガスを使用して過熱蒸気の温度を制御することは有利な場合がある。この例では、再利用排煙ガスは、ボイラの対流領域に体積効果またはテンパリング効果を加えることによってボイラ内の蒸気温度を制御する際に使用される。
【００１６】
過熱された蒸気温度（または超臨界）を制御する別の方法は、補助バーナ先端に再利用排煙ガスを導入することである。微粉炭あるいは化石燃料を含む他の炭素系燃料にキャリアガスとして排煙ガスを使用することによって、ガスをテンパリングする必要な排煙ガスの一部分またはすべてを補助バーナ先端に導入することができる。この場合も、酸素と炭素系燃料が燃焼するバーナの態様と協調する。それらのシステムにより、窒素の導入を全く無くすことが望ましい。
【００１７】
更に、石炭の燃焼を容易にするために再利用排煙ガス（使用される生成物が酸素と炭素系燃料の燃焼システムによるものである場合は実質的に窒素を含まない）を使用することによって、このシステムは、やはり過熱蒸気の温度制御を達成することができる。別の実施形態では、システムの制御を完了するために上側バーナまたはノズル内に排煙ガスの別の部分が導入される。
【００１８】
本発明のさらに詳細な説明は、以下の説明と特許請求の範囲に提供され、添付図面に例示される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
本発明は様々な実施形態が可能であるが、図面には、後でより詳しく述べるいくつかの現在好ましい実施形態を示す。この開示が本発明の例示と見なされるべきであり、本発明を示した特定の実施形態に限定するものではないことを理解されたい。更に、本出願のこの節の見出し（「発明を実施するための最良の形態（Detailed Description of an Illustrative Embodiment）」）が、米国特許庁の規定に関連し、本明細書に開示された主題を限定すると解釈されるべきではないことを理解されたい。
【００２０】
図を参照すると、水冷壁１３と共に一連の水管１２を有するボイラ１０が示されている。ボイラ１０は、更に、主バーナゾーン１５に配置され、燃料供給源１６と空気供給源１８に接続された少なくとも一つの主バーナ１４を有する。本発明の好ましい実施形態では、（バーナ内に化学量論比の酸素と燃料を生成するために）ボイラに速い流量で送り込まなければならない空気１８を使用する代わりに、実質的に純粋な酸素を提供する。酸素を使用すると、燃料に対する化学量論比をより容易に作成することができるので圧縮された流れは必要ないことが理解されるであろう。そのようなシステムは、燃料の完全燃焼が行われるような純度の酸素しか必要としない。そのようなシステムでは、空気の実質成分であるが純粋酸素の実質成分ではない窒素が燃焼されずＮＯxが生成されないので、有害な温室効果ガスの生成が少なくなる。温室効果ガスを更に減らす必要がある場合は、より純度の高い酸素が必要になることが理解されよう。本明細書の様々な場所で用語「実質的に純粋な酸素」が使用されているが、当業者は、本発明の新規範囲から逸脱することなく、望ましい燃焼に適正な比率の燃料と酸素および副生成物を提供するために、必要に応じて酸素の純度を変化させることができることが理解されよう。
【００２１】
ボイラ１０内の水冷壁１３は、主バーナゾーン１５からボイラ１０の上側領域まで延在する無数の水管１３ａで構成される。ボイラ１０は、更に、当技術分野で周知のタイプの過熱器２０および／または再加熱器２１を備えることができる。一般に、そのような過熱器２０には、蒸気移動領域２２において、ボイラ１０内で生成された蒸気が供給される。蒸気は過熱器２０内を通り、対流によって、燃焼による熱またはエネルギーと、水管１３ａから放射された熱とエネルギーが、過熱器２０とそのまわりに伝えられ、過熱器内に送られる蒸気が加熱される。再加熱器２１には、通常、タービンからボイラに戻る蒸気が送られ、この蒸気は、更なる使用のためにタービンに戻す前に加熱しなければならない。この熱またはエネルギーは蒸気に伝えられ、蒸気の温度を蒸気の飽和点より高くし、これにより蒸気はタービンに使用するのにより適したものになる。必要な仕事に対して高すぎる温度および／または多すぎるエネルギーを有する蒸気を必要に応じて減衰させることができるように、冷却機能を有することができることが理解されよう。
【００２２】
追加の特徴として、ボイラ１０は、通常のバーナゾーン１５の上で且つ蒸気移動領域２２の下の場所に配置することができる補助バーナ２４を有する。一実施形態では、少なくとも一つの補助バーナ２４が過熱領域２６内に配置される。他の実施形態では、補助バーナ２４は、熱またはエネルギーの制御をより適切に行なうことができるようにボイラ１０のまわりの多数の位置に配置される。
【００２３】
このようにして、より大量および／または高品質の蒸気を生成するために熱またはエネルギーが加えられる。更に、過熱または再加熱領域２６内に補助バーナ２４を追加することによって、水を加熱するのではなく蒸気だけを加熱するためにより大量のバーナエネルギーを使用することができる。水に熱またはエネルギーを加えるよりも蒸気に熱またはエネルギーを加える方が必要なエネルギーが少ないので、補助バーナ２４のエネルギーは、タービンにおいて、主バーナ１４が配置されたゾーンまたはその近くで生成される熱またはエネルギーよりも電力に変換され易い。
【００２４】
当業者に分かるように、補助バーナ２４は、主バーナ１４よりかなり小さくてもよく、それでも酸素環境では、主バーナゾーン１５内に配置されるそれより大きい追加の主バーナ１４よりも高品質で大量の蒸気を生成する。また、本発明の新規範囲から逸脱することなく、主バーナゾーンとその上の両方に、大きい主バーナ１４を使用できることを理解されよう。更に、本発明の新規範囲から逸脱することなくボイラ１０内の主バーナ１４と補助バーナ２４の数を変更することができる。バーナのタイプ、大きさおよび数は、蒸気の用途、必要量および品質に依存する。図１は一つのバーナ２４の使用を示しているが、以上の説明から、本発明の新規範囲から逸脱することなく代わりに一つまたは任意数のバーナ２４を使用できることが理解されよう。そのような変形は、温度を制御し易くするために、必要なときにより多くの熱またはエネルギーを加え、必要または要望に応じてより少ない熱またはエネルギーの使用を可能にすることなどにより、行うことができることが理解されよう。
【００２５】
また、通常のボイラでは、そして本発明においては、ボイラ蒸気を要求または必要とされるよりも大量且つ高い温度で生成し、次に、当業者に知られているように、本発明の新規範囲から逸脱することなく、蒸気を送る導管を冷却水と接触させる装置のような冷却手段を使用することによって、所望の熱、エネルギーおよび飽和点まで冷却できることが理解されよう。
【００２６】
酸素と炭素系燃料（化石燃料など）の燃焼の使用により排煙ガスが減少したときあるいは輻射熱伝達率が高すぎるときに過熱温度を制御するために、再利用排煙ガスが使用され、燃焼ガス温度を調整して過熱管を冷却するか、過熱区分内の排煙ガスの量を増やすことにより適切に分散させる。どちらの応用も管内の過熱蒸気温度の制御を可能にする。排煙ガスは、ノズルまたはポート装置を使用することによって、（過熱温度が低すぎるときの場合に）追加のバーナの提案された位置２４で過熱温度を制御するために導入することができる。あるいは燃料供給源１６には、この例では、酸素と炭素系燃料の燃焼システムへの窒素の導入をなくす付加的工具として、微粉炭機がある。
【００２７】
当業者が分かるように、過熱された蒸気管の付加的な加熱または冷却の正確な位置と量の要件は、ボイラのサイズと構成で変化する。本発明の実施形態は、ボイラの対流経路内に熱を加えるか除去することによって過熱蒸気の温度の制御を行うことに注意を向けている。より詳細には、ボイラの過熱領域内の排煙ガスのテンパリングまたは排煙ガス体積の増大は、酸素と炭素系燃料の燃焼システムと関連して使用されるときに有利なことがある。
【００２８】
本発明の実例となる実施形態を示し説明したが、当業者は本発明の新規な精神および範囲から逸脱することなく種々の修正と代替を行うことができると、理解されるべきである。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】本発明の装置を具体化するボイラの概略図である。
【符号の説明】
【００３０】
１０  ボイラ
１２、１３ａ  水管
１４  主バーナ
１５  主バーナゾーン
１６  燃料供給源
１８  空気
２０  過熱器
２１  再加熱器
２２  蒸気移動領域
２４  補助バーナ
２６  過熱または再加熱領域
【図１】
2008519958.tif 000003
【国際調査報告】
2008519958.tif 000004