(57)【要約】  発電するために、ボイラ・システムの火炉内において酸化剤ガスで炭素質燃料を燃焼させる。酸化剤ガスは、燃料を燃焼させて排ガスを生成するために火炉内へ供給される。排ガスは、排ガス・チャネルを介して火炉から排出される。給水を過熱蒸気に変換するために、給水は、排ガス・チャネルに配置された最終エコノマイザから蒸発用熱交換面及び過熱用熱交換面へ輸送される。過熱蒸気は、発電するために高圧蒸気タービン内へ輸送される。第１の一部分の蒸気は、給水を予熱するために高圧蒸気タービンから抽気され、第２の一部分の蒸気は、再熱蒸気を発生させるために高圧蒸気タービンから再熱用熱交換面へ輸送される。酸化剤ガスは、本質的に純粋な酸素及び再循環排ガスの混合物でよく、第１及び第２の一部分の蒸気の比を、最終エコノマイザの下流側の排ガス・チャネルで所望の排煙温度を得るように制御することができる。
2011523449.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ボイラ・システムの火炉内で炭素質燃料を酸化剤ガスで燃焼させることによって発電する方法において、
（ａ）炭素質燃料をある燃料供給流量で前記火炉内へ供給するステップと、
（ｂ）前記燃料を燃焼させて排ガスを生成するために、酸化剤ガスを前記火炉内に供給するステップと、
（ｃ）前記排ガスを、排ガス・チャネルを介して前記火炉から排出するステップと、
（ｄ）給水を過熱蒸気に変換するために、前記給水の流れを、前記排ガス・チャネルに配置された最終エコノマイザから前記火炉内及び前記排ガス・チャネルに配置された蒸発用熱交換面及び過熱用熱交換面へ、ある給水輸送流量で輸送するステップと、
（ｅ）発電するために高圧蒸気タービン内で前記過熱蒸気を膨張させるステップと、
（ｆ）前記給水を予熱するために前記高圧蒸気タービンから第１の一部分の蒸気を抽気するステップと、
（ｇ）再熱蒸気を発生させるために、第２の一部分の蒸気を前記高圧蒸気タービンから前記排ガス・チャネルに配置された再熱用熱交換面へ輸送するステップと、
（ｈ）発電するために中圧蒸気タービン内で前記再熱蒸気を膨張させるステップとを含み、
第１の運転状態においては、前記酸化剤ガスを、本質的に純粋な酸素及び再循環排ガスの混合物とし、前記第１及び第２の一部分の蒸気の比を、前記最終エコノマイザの下流側の前記排ガス・チャネルにおいて所望の排煙温度を得るように制御する、方法。
【請求項２】
前記燃料供給流量及び前記給水輸送流量を、所望の火炉温度を得るように調整する、請求項１に記載された方法。
【請求項３】
第２の運転状態においては、前記酸化剤ガスを空気とし、前記第１及び第２の運転状態において前記燃焼システムを全負荷で運転する場合、前記燃料供給流量を、前記第１の運転状態の方が前記第２の運転状態よりも高くなるようにする、請求項２に記載された方法。
【請求項４】
前記燃焼システムを前記第１及び第２の運転状態の全負荷で運転する場合、前記第１の一部分の蒸気は、前記第１の運転状態の方が前記第２の運転状態よりも小さくなるようにし、前記第２の一部分の蒸気は、前記第１の運転状態の方が前記第２の運転状態よりも大きくなるようにする、請求項３に記載された方法。
【請求項５】
前記システムにガスガス熱交換器を含むようにし、前記第１及び第２の運転状態における前記ガスガス熱交換器内において、前記排ガス・チャネルの前記排ガスから前記酸化剤ガスの少なくとも一部分へ熱を伝達させる、請求項３に記載された方法。
【請求項６】
前記制御するステップが、前記排ガス温度を測定するステップを含む、請求項１に記載された方法。
【請求項７】
前記給水輸送流量は、前記第１の運転状態の方が前記第２の運転状態よりも大きくなるようにする、請求項３に記載された方法。
【請求項８】
前記第１の運転状態において、前記排ガスの一部分を、複数の排ガス圧縮器内において液体又は超臨界圧の二酸化炭素を生成するように加圧するステップをさらに含む、請求項１に記載された方法。
【請求項９】
前記第１の運転状態において、圧縮器を駆動するために前記中圧蒸気タービンから蒸気の一部分を抽気するステップをさらに含む、請求項１に記載された方法。
【請求項１０】
前記第１の運転状態において、体積比で約１８％から２８％の平均酸素含有量を有する酸化剤ガスを生成するように前記酸素を前記再循環排ガスと混合する、請求項９に記載された方法。
【請求項１１】
ボイラ・システムの火炉内において炭素質燃料を燃焼させることによって発電するためのボイラ・システムにおいて、前記ボイラ・システムは、
炭素質燃料を前記火炉内へ供給するための手段と、
前記燃料を燃焼させて排ガスを生成させるために、本質的に純粋な酸素及び再循環排ガスを酸化剤ガスとして前記火炉内へ供給するための手段と、
前記排ガスを前記火炉から排出するための排ガス・チャネルと、
給水を過熱蒸気に変換するために、前記給水の流れを、前記排ガス・チャネルに配置された最終エコノマイザから前記火炉内及び前記排ガス・チャネルに配置された蒸発用熱交換面及び過熱用熱交換面へ輸送するための手段と、
発電するために前記過熱蒸気を膨張させるための高圧蒸気タービンと、
前記給水を予熱するために前記高圧蒸気タービンから第１の一部分の蒸気を抽気するための手段と、
再熱蒸気を発生させるために、第２の一部分の蒸気を前記高圧蒸気タービンから前記排ガス・チャネルに配置された再熱用熱交換面へ輸送するための手段と、
発電するために前記再熱蒸気を膨張させるための中圧蒸気タービンと、
前記最終エコノマイザの下流側の前記排ガス・チャネルにおいて所望の排煙温度を得るように前記第１及び第２の一部分の蒸気の比を制御するための手段とを含む、ボイラ・システム。
【請求項１２】
前記燃料を燃焼させて排ガスを生成するために、空気を酸化剤ガスとして前記火炉内へ供給するための手段を含む、請求項１１に記載されたボイラ・システム。
【請求項１３】
前記排ガス・チャネルの前記排ガスから前記酸化剤ガスの少なくとも一部分へ熱を伝達するためのガスガス熱交換器を含む、請求項１１に記載されたボイラ・システム。
【請求項１４】
制御するための前記手段が、前記排ガス温度を測定するための手段を含む、請求項１１に記載されたボイラ・システム。
【請求項１５】
液体又は超臨界圧の二酸化炭素を生成するように前記排ガスの一部分を加圧するための複数の排ガス圧縮器を含む、請求項１１に記載されたボイラ・システム。
【請求項１６】
圧縮器を駆動するために蒸気の一部分を前記中圧蒸気タービンから抽気するための手段を含む、請求項１１に記載されたボイラ・システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、酸素燃焼ボイラ・システム及びこのボイラ・システムを使用して発電する方法に関するものである。本発明は、とりわけ、デュアル燃焼ボイラ・システムに関するものである。デュアル燃焼ボイラ・システムは、酸化剤ガス、すなわち酸素キャリヤ・ガスとして、空気を使用するか、又は本質的に純粋な酸素及び再循環排ガスの混合物を使用することによって運転することができる。
【背景技術】
【０００２】
酸素燃焼は、微粉炭（ＰＣ）ボイラ又は循環流動床（ＣＦＢ）ボイラなどの発電用ボイラの排ガスからＣＯ２を除去するために提案された方法の１つである。酸素燃焼は、通常約９５％の純度の本質的に純粋な酸素で炭素質燃料を燃焼させることに基づいており、ボイラから排出された排ガスの主成分が二酸化炭素及び水となるようにする。それにより、燃料を空気で燃焼させるときのように窒素を主成分とするガス流から二酸化炭素を分離する必要がなく、二酸化炭素を排ガスから比較的容易に回収することができる。
【０００３】
酸素燃焼によって発電することは、空気による従来の燃焼よりも複雑である。何故なら、酸素を供給することが必要となり、たとえば、極低温式又は膜式空気分離ユニット（ＡＳＵ）が必要となるからである。そこでは、空気の他の成分、主に窒素から酸素が分離される。生成された排ガスは、水が除去されると、ＣＯ２の隔離の準備が整う。場合によっては、酸化剤、燃料、又は漏れ込み空気に起因する不活性ガスを低減するために、排ガスは精製される。通常、この精製は、低温及び／又は高圧でＣＯ２を凝縮することによって行われる。たとえば排ガスを１１０バールより大きい圧力まで圧縮しながら比較的低温に冷却することによって、ＣＯ２を排ガスから除去することができる。酸素の生成、並びに二酸化炭素の圧縮及び精製の両方とも、たとえば工程において生成される正味出力を低減するので、発電工程の総生産コストを増大させる。
【０００４】
酸素を用いる燃焼は、主に燃焼温度がより高く、燃焼容積がより小さいという点で、空気を用いる燃焼とは異なる。酸素燃焼は依然として開発途上の技術であるので、いわゆる第１世代の酸素燃焼ボイラを設計することが有利であると考えられている。第１世代の酸素燃焼ボイラにおいては、燃焼条件が空気燃焼のものに近くなるように構成されている。このことは、排ガスを再循環させて火炉に戻し、たとえば２０〜２８％の平均Ｏ２含有量の酸化剤を供給するようにすることによって実現される。そのような第１世代の酸素燃焼ボイラは、既存の空気燃焼ボイラを変更することによって構築することができることが有利である。二酸化炭素の回収及び貯蔵を伴う酸素燃焼に関連する不確定な事項が多いので、デュアル燃焼ボイラも必要とされる。デュアル燃焼ボイラは、できるだけ容易に、好ましくは実際の構造を変更することなく、空気燃焼から酸素燃焼へ変更し、また戻すこともできるボイラである。そのようなデュアル燃焼ボイラを使用して、夏又は日中などの高い負荷需要のある間は、空気燃焼を使用することによって最大出力を出させ、他の条件においてはＣＯ２除去を伴う酸素燃焼を適用することも可能である。また、たとえば空気分離ユニット又はＣＯ２隔離ユニットが故障したときに、デュアル燃焼ボイラを空気燃焼モードで使用することも可能である。
【０００５】
米国特許第６，４１８，８６５号は、燃料を酸素富化空気で燃焼させるためのボイラを開示している。このボイラは、空気燃焼ボイラを改造することによって作製することができる。ここでは、空気による燃焼とほぼ同じ火炎温度及び総質量流量を有するように排煙は火炉へ再循環される。
【０００６】
特許公開公報ＷＯ２００６／１３１２８３は、改造されたデュアル燃焼ボイラを開示している。このボイラでは、空気加熱器を出た新鮮な空気は、空気燃焼モードにおいて燃焼室に直接輸送されるか、或いは、酸素燃焼モードにおいて、ボイラの給水によって冷却され、高圧蒸気タービンから抽気された蒸気を利用して圧縮され、酸素を生成するために空気セパレータユニットへ輸送される。ＷＯ２００６／１３１２８３で開示されているこの工程の、ＣＯ２を回収する酸素燃焼モードにおいて発生する正味出力は、空気燃焼モードのものよりもかなり低減される。
【０００７】
酸素燃焼ボイラ・システムによってより経済的に発電するために、とりわけデュアル燃焼ボイラで生成された出力の損失を最小限に抑えるための改良された方法及びボイラ・システムが必要とされている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】米国特許第６，４１８，８６５号明細書
【特許文献２】国際公開第２００６／１３１２８３号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明の目的は、生成された出力の損失を最小限に抑えるように、酸素燃焼ボイラ・システム、及びこのボイラ・システムを使用する方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
１つの態様では、本発明は、ボイラ・システムの火炉内で炭素質燃料を酸化剤ガスで燃焼させることによって発電する方法を提供する。この方法は、炭素質燃料をある燃料供給流量で火炉内へ供給するステップと、燃料を燃焼させて排ガスを生成するために、酸化剤ガスを火炉内に供給するステップと、排ガスを、排ガス・チャネルを介して火炉から排出するステップと、給水を過熱蒸気に変換するために、給水の流れを、排ガス・チャネルに配置された最終エコノマイザから火炉内及び排ガス・チャネルに配置された蒸発用熱交換面及び過熱用熱交換面へ、ある給水輸送流量で輸送するステップと、発電するために高圧蒸気タービン内で過熱蒸気を膨張させるステップと、給水を予熱するために高圧蒸気タービンから第１の一部分の蒸気を抽気するステップと、再熱蒸気を発生させるために、第２の一部分の蒸気を高圧蒸気タービンから排ガス・チャネルに配置された再熱用熱交換面へ輸送するステップと、発電するために中圧蒸気タービン内で再熱蒸気を膨張させるステップとを含み、第１の運転状態においては、酸化剤ガスを、本質的に純粋な酸素及び再循環排ガスの混合物とし、第１及び第２の一部分の蒸気の比を、最終エコノマイザの下流側の排ガス・チャネルにおいて所望の排煙温度を得るように制御する。
【００１１】
別の態様では、本発明は、ボイラ・システムの火炉内において炭素質燃料を燃焼させることによって発電するためのボイラ・システムを提供する。このボイラ・システムは、炭素質燃料を火炉内へ供給するための手段と、燃料を燃焼させて排ガスを生成させるために、本質的に純粋な酸素及び再循環排ガスを酸化剤ガスとして火炉内へ供給するための手段と、排ガスを火炉から排出するための排ガス・チャネルと、給水を過熱蒸気に変換するために、給水の流れを、排ガス・チャネルに配置された最終エコノマイザから火炉内及び排ガス・チャネルに配置された蒸発用熱交換面及び過熱用熱交換面へ輸送するための手段と、発電するために過熱蒸気を膨張させるための高圧蒸気タービンと、給水を予熱するために高圧蒸気タービンから第１の一部分の蒸気を抽気するための手段と、再熱蒸気を発生させるために、第２の一部分の蒸気を高圧蒸気タービンから排ガス・チャネルに配置された再熱用熱交換面へ輸送するための手段と、発電するために再熱蒸気を膨張させるための中圧蒸気タービンと、最終エコノマイザの下流側の排ガス・チャネルにおいて所望の排煙温度を得るように第１及び第２の一部分の蒸気の比を制御するための手段とを含む。
【００１２】
給水を予熱するために高圧蒸気タービンから抽気される蒸気の量が低減することによって、排ガス・チャネルの最終エコノマイザに入る給水温度は当然低下する。したがって、この蒸気の抽気量を低減することによって、最終エコノマイザ内の給水と排ガスとの間の温度差が増大する。したがって、蒸気の抽気を低減することによって、最終エコノマイザ内で起こる熱交換の比率が間接的に上昇する。それに対応して、高圧蒸気タービンから再熱用熱交換面に輸送される蒸気の量が増大することによって、再熱用面で起こる熱交換の比率が上昇する。いくつかの場合では、所望の高い熱伝達率を得るために、再熱用面の熱伝達面積を増大させることが有用であり得る。上述の対策の両方ともが、排ガス・チャネルの排ガスの冷却を向上させると共に、排ガスの温度を制御するための特に効率的な方法を提供する。
【００１３】
本発明を使用する際、燃料供給流量及び給水輸送流量を、所望の火炉温度を得るように調整することが有利である。排ガスの温度を制御するための上述の方法に併せて、このことは、空気燃焼ボイラから改造された酸素燃焼ボイラの温度特性を調整して空気燃焼のものとほぼ同じになるようにし、たとえばボイラ壁の腐食又は材料強度問題などを回避する効率的な方法を提供する。本発明の有利な実施例によれば、全負荷時の燃料供給流量は、空気燃焼ボイラを酸素燃焼用に変更すると約２０％上昇し、それに対応して給水輸送流量は、それと同時に１０％上昇する。したがって、本発明方法の結果、燃焼率が高くなるため、酸素燃焼を使用する際により多くのエネルギーを燃料から放出させることができる。それによって、酸素燃焼工程全体によって生じる正味出力の損失が最小限に抑えられる。
【００１４】
本発明の特に有利な実施例によれば、酸素燃焼ボイラは、デュアル燃焼ボイラである。すなわち、デュアル燃焼ボイラは、たとえば酸素供給が作動していないなどの特別な運転状態において、空気を用いた燃焼に使用することができる酸素燃焼ボイラである。酸化剤として酸素及び再循環排ガスの混合物を使用する全負荷の通常運転状態、すなわちいわゆる第１の運転状態の燃焼と、酸化剤として空気を使用するいわゆる第２の運転状態の燃焼とを比較すると、第１の運転状態における燃料供給流量は、第２の運転状態におけるものよりも高いことが有利である。酸素燃焼における燃料供給流量は、空気燃焼における燃料供給流量よりも、好ましくは少なくとも１０％、さらにより好ましくは少なくとも１５％高い。燃料供給流量がより高いことにより、ボイラの総燃焼率が上昇し、生成された出力の損失が最小限に抑えられる。
【００１５】
火炉温度を依然として維持するけれども、酸素燃焼において増加した燃料供給流量を使用することは、蒸発用面における熱交換の増大に部分的に基づいていることが有利である。蒸発用面における熱交換の増大は、給水温度の低下、及び、場合によっては給水流量の増大によって生じる。上述の通り、給水を予熱するための蒸気の抽気を空気燃焼のものから低減することによって、酸素燃焼において、給水温度を、特に最終エコノマイザの前において、さらにある程度は最終エコノマイザの後でも低下させることができることが有利である。
【００１６】
火炉温度は、当然ながら、またかなりの程度、排ガス循環率によって決定される。排ガス循環率は、火炉への比較的低温の入口ガス供給流量、及び火炉からの排ガスによる対流熱流量のいずれにも影響する。酸素燃焼モードにおいて、酸化剤ガスの平均酸素含有量が、通常、体積比で約１８％〜約２８％の所望のレベルとなるように、排ガス再循環率が決定されることが有利である。代替的には、酸素燃焼モードにおける排ガス再循環率は、火炉内において、通常、所望のガス流速度が空気燃焼におけるものと同じとなるように維持されるように決定され得る。
【００１７】
火炉からの対流熱流量の増大は、二酸化炭素を主成分とする酸素燃焼の排ガスの質量及び熱容量が、窒素を主成分とする空気燃焼の排ガスのものよりも大きいという事実に部分的に基づいている。高い熱量の流量によって、排ガスが増大した熱量を排ガス・チャネルへ運ぶようになる。排ガス・チャネルにおいて、上述の通り、再熱面及び最終エコノマイザにおいて、上昇した熱交換の比率によって熱が回収されることが有利である。
【００１８】
本発明の好ましい実施例によれば、システムは、ガスガス熱交換器（ｇａｓ−ｇａｓ  ｈｅａｔ  ｅｘｃｈａｎｇｅｒ）を含む。ガスガス熱交換器において、熱は、排ガス・チャネルの排ガスから酸化剤ガスの少なくとも一部分に伝達される。したがって、同じガスガス熱交換器が、空気燃焼においては排ガスから燃焼空気へ熱を伝達するために使用され、酸素燃焼においては排ガスから酸化剤ガスの少なくとも一部分へ熱を伝達するために使用されることが有利である。
【００１９】
酸素燃焼においては一般的であるが、本質的に純粋な酸素が、たとえば極低温又は膜式空気分離ユニットなどの空気分離ユニット（ＡＳＵ）で生成されることが有利である。これに対応して、液体又は超臨界圧の二酸化炭素を隔離するために、排ガスの一部分が、冷却され、複数の排ガス圧縮器で加圧されることが有利である。この補助装置により、酸素燃焼ボイラによって生成された正味出力は、対応する空気燃焼ボイラのものよりも大幅に少なくなる傾向がある。本発明の有利な実施例によれば、蒸気タービン・システムから抽気された蒸気を使用する補助蒸気タービンの機械的エネルギーによって、排気圧縮器の少なくとも一部分は直接的に駆動される。燃焼を増加させることによってこの蒸気を発生させ、この蒸気によって、給水加熱に使用される蒸気の抽気が低減されないようにすることが有利である。したがって、二酸化炭素を圧縮するための補助動力の必要性は、最小限に抑えられる。それに対応して、酸素供給装置が、空気を加圧するための圧縮器を有する極低温空気分離ユニットを備えている場合、これらの圧縮器の１つ又は複数を補助蒸気タービンによって直接駆動することもでき、補助動力の必要性をさらに低減することもできる。
【００２０】
本発明によれば、本質的に純粋な酸素及び再循環排ガスを、別個の流れとして、又は２つの混合流として、ボイラへ供給することができる。また、複数の流れをボイラへ供給することも可能である。複数の流れは、同一の混合流、或いは異なる温度又は組成を有する流れとしてもよい。当然ながら、複数の流れは、ＰＣボイラの一次ガス、二次ガス、及びオーバーファイア（ｏｖｅｒｆｉｒｅ）ガスの流れ、又はＣＦＢボイラの流動化ガス及び二次ガスの流れなど、火炉内において異なる目的を有することができる。
【００２１】
実際には、酸素の供給流量は、燃料が十分に完全な燃焼をするように、常に燃料供給流量に基づいて決定される。通常、酸素供給流量は、排ガス中の残留酸素の含有量を監視することによって制御される。これは、適切なレベルに、通常約３％に維持されるべきである。
【００２２】
本発明による酸素燃焼発電工程の利点は、この工程が、ＰＣボイラ又はＣＦＢボイラなどの従来の空気燃焼ボイラを改造することによって比較的容易に使用できるようになることである。この変更は、主に極低温空気分離ユニットなどの酸素供給装置と、二酸化炭素を隔離するための装置と、大規模な排ガス再循環のための手段と、及び高圧蒸気タービンから給水予熱器及び再熱器の表面への蒸気流量の比率を制御するための手段とを実装する変更を含むと有利である。また、いくつかのケースにおいては、最新式の蒸気タービン及び蒸気復水器を使用する変更、並びに排ガス・チャネルの上流側部分における熱交換面を増加させる変更を必要とすることがある。上述の通り、ボイラ内の温度を制御する際、同じ燃焼システムを酸素燃焼及び空気燃焼に使用することができ、それによって、システムをデュアル燃焼蒸気発生器として使用することが可能となる。
【００２３】
上記の簡単な説明、並びに本発明の他の目的、特徴及び利点は、現時点で好適であるが例示的にすぎない本発明の実施形態についての以下の詳細な説明を参照し、添付の図を参照することによって、より完全に理解されるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】本発明による酸素燃焼発電プラントの概略図である。
【実施例】
【００２５】
図１は、本発明の好ましい実施例による酸素燃焼ボイラ・システム１０の概略図である。ボイラ・システム１０は、ボイラ１２を含む。ボイラ１２は、たとえば微粉炭（ＰＣ）ボイラ又は循環流動床（ＣＦＢ）ボイラとすることができる。ボイラ１２は、酸化剤ガスをボイラの火炉１４内へ導入するための燃料供給管手段などの従来の燃料供給手段１６と、ガス供給ライン１８などと、酸化剤ガスの酸素によって燃料を燃焼させることによって生成された排ガスを排出するための排ガス・チャネル２０とを含んでいる。燃料供給手段１６及び酸化剤ガス供給手段１８など、ボイラ１２のいくつかの要素の詳細及びタイプは、当然ながら、ボイラのタイプによって決まる。しかし、たとえばバーナ、微粉炭機、一次及び二次の酸化剤ガスを別個に供給するための手段などの詳細は、本発明には重要でないため、図１には示されていない。
【００２６】
酸素燃焼ボイラ・システム１０は、排ガスから二酸化炭素を精製及び隔離するための装置２４と、本質的に純粋な酸素を空気流２８から生成するための極低温又は膜式空気分離ユニット（ＡＳＵ）などの酸素供給装置２６とを主に付加することにより、既存の空気燃焼ボイラから改造されることが有利である。純酸素を用いる燃焼は、空気燃焼ボイラの構造には高すぎる燃焼温度となる傾向がある。したがって、ボイラ・システム１０は、火炉内及び排ガス・チャネル内の温度特性を元の空気燃焼ボイラのものの近くに維持するように設計されることが好ましい。ボイラ・システム１０は、デュアル燃焼ボイラとして、すなわち酸素燃焼と空気燃焼との間で容易に切り替えることができるボイラとして設計されることが最も好ましい。それと同時に、このシステムは、酸素燃焼モードにおいて生成される正味出力の損失ができるだけ低くなるように設計される。
【００２７】
本発明によれば、ガス供給ライン１８から火炉１４内へ導入される酸化剤ガスは、通常運転状態においては、いわゆる第１の運転状態にあり、本質的に純粋な酸素と冷却された排ガスの一部分との混合物を含む。冷却された排ガスの一部分は、排ガス再循環チャネル３０を介して再循環される。排ガス再循環チャネル３０は、排ガスの再循環率を制御するためのファン（図１には示さず）などの手段を含むことが有利である。酸化剤ガスの平均酸素含有量が空気に近くなるように、好ましくは１８〜２８％になるように、排ガスの再循環率が調整されることが有利である。本発明のいくつかの適用例においては、再循環排ガス及び本質的に純粋な酸素の流れを、又は異なる酸化剤ガス組成の流れを、火炉１４内へ、たとえば火炉の異なる部分へ別個に導入することも可能である。
【００２８】
火炉１４の壁は、管壁構造として形成されることが好ましい。管壁構造は、予熱された給水を蒸気に変換するための蒸発用伝熱面３２を形成する。ボイラ１２の高温部分、とりわけ排ガス・チャネル２０の上流側端部は、過熱用伝熱面３４を含む。過熱用伝熱面３４は、排ガスから熱を回収し過熱蒸気を発生させるためのものである。過熱蒸気は、発電機３８において発電するために高圧蒸気タービン３６の入口に輸送される。ライン４２内の膨張した蒸気は、排ガスからさらなる熱を回収するために、高圧蒸気タービン３６の出口側から再熱用伝熱面４０へ輸送される。いくつかの場合では、一次過熱用伝熱面及び再熱用伝熱面を排ガス・チャネル２０に設置してもよい。そして、追加の最終過熱用伝熱面及び再熱用伝熱面を、たとえば火炉１４内に設置してもよい。
【００２９】
高圧タービン３６からの蒸気の別の部分は、ライン４２を通って給水加熱器４４へ向かわせることができる。発電するために、再熱蒸気は、再熱用熱交換面４０から中圧蒸気タービン４６の入口へ輸送される。中圧蒸気タービン４６は、他の目的のために蒸気タービン４６から蒸気を抽気するためのライン４８を含むことができる。他の目的は、有利には、補助蒸気タービンにおいて機械的動力を発生させ、空気分離ユニット２６又は二酸化炭素の精製及び隔離ユニット２４における圧縮器を駆動するということである。図１には示されていないが、実際には、蒸気タービン・システムは、通常は少なくとも低圧蒸気タービンも含む。また、図１に示された単一の給水加熱器４４よりも多くの給水加熱器が存在してもよい。
【００３０】
従来の方法では、ボイラ１２の蒸気サイクルは、中圧蒸気タービン４６の下流側に復水器５０を含む。凝縮された蒸気、すなわち次の蒸気サイクルの給水は、復水器５０へ輸送され、通常は少なくとも第１のエコノマイザ５２及び最終エコノマイザ５４を含むエコノマイザシステムにおいて予熱され、蒸発伝熱面３２において再び蒸気に変化させられる。追加の給水加熱が、高圧蒸気タービン３６から抽気された蒸気によって給水加熱器４０において実施され得る。
【００３１】
本発明によれば、酸素燃焼においては、蒸気ライン４２内に配置された調整弁などの手段５６によって、高圧蒸気タービン３６から給水予熱器４４への中圧蒸気の抽気率を調整することによって排ガス温度が制御される。この率が低下すると、最終エコノマイザ５４に入る給水温度が低下し、最終エコノマイザ５４内で起こる熱交換の比率が上昇する。それと同時に、高い割合の蒸気が再熱用伝熱面４０に輸送され続けているので、最終エコノマイザ５４内で起こる熱交換の比率は上昇する。それと同時に、高い割合の蒸気が再熱用伝熱面４０に輸送され続けているので、再熱用熱交換面４０で起こる熱交換の比率は上昇する。したがって、これらの両方の効果によって排ガスの冷却が促進される。それによって、これらの効果を、排ガス温度を効率的に制御するために使用することができる。最終エコノマイザ５４の下流側において、温度計５８で排ガスの温度を測定することに基づいて、排ガス温度の制御をすることが有利である。
【００３２】
本発明によれば、火炉１４内及び排ガス・チャネル２０内の温度を依然として維持しながらより多くの燃料を燃焼することができるような状態を構成することによって、生成された正味出力の損失は最小限に抑えられる。火炉１４内の温度は、排ガス再循環率を適切なレベルに調整することによって、また給水の温度及び流量を制御することによって維持することができる。火炉１４内のガスの体積流量が所望のレベルに維持されるように排ガス再循環率を調整するとき、通常、上述の方法によって火炉１４内の温度をその所望のレベルに調整することがやはり可能である。排ガスは、主に二酸化炭素からなり、質量流量が増大し、熱容量が高くなるので、火炉１４内の温度が変更されない場合でも、排ガスによって運ばれる対流熱は増加する。次いで、上述の通り、手段５６によって給水予熱のための蒸気の抽気を低減し、再熱の比率を上昇させることによって、並びに主蒸気の発生量を増大させて給水流量を増加させることによって、この追加の熱を回収することができる。
【００３３】
伝熱式（ｒｅｃｕｐｅｒａｔｉｖｅ）又は再生式のガスガス熱交換器６０が、最終エコノマイザ５４の下流側において排ガス・チャネルに配置されることが有利である。ガスガス熱交換器６０は、排ガスからボイラ１２の酸化剤ガスへ熱を伝達するために、伝熱式又は再生式とすることができる。また、排ガス・チャネル２０は、通常、粒子及びガス状汚染物質から排ガスを浄化するための別の装置を含む。しかし、これらの装置は、本発明にとって重要でないため、図１には示されていない。
【００３４】
酸素燃焼の主要な目的、すなわち排ガスから二酸化炭素を回収するという目的に従って、排ガス・チャネル２０の端部には手段２４が備えられている。手段２４は、セパレータなどであり、通常約１１０バールの圧力で液体又は超臨界圧の二酸化炭素を生成するためのものである。その結果、液体又は超臨界圧の二酸化炭素は、さらなる使用のために又は適切な場所へ貯蔵するために輸送されることができる。また、二酸化炭素の精製及び隔離システムは、排ガスからすべての水を完全に乾燥させるための手段と、酸素及び他の考えられる不純物を二酸化炭素から分離するための手段とを通常含むが、これらは図１には示されていない。そのような乾燥させるための手段及び分離するための手段は、個々に当技術分野において知られている。
【００３５】
再循環排ガスの水含有量は、排ガスが火炉１４に再循環される前に低減されることが有利である。したがって、排ガス再循環ライン３０は、排ガスの凝縮冷却器として機能する第１のエコノマイザ５２の下流側の排ガス・チャネル２０から分岐されることが有利である。それによって、再循環されたガスの水含有量が減少する。またこれによって、火炉１４内及び火炉１４から排出された排ガス中の水含有量も減少する。燃料の十分に完全な燃焼を保証するためには、排ガスのＯ２含有量は体積比で約３％の適切なレベルで維持されなければならない。水含有量の減少によって、排ガス中のＯ２／ＣＯ２比が減少する。代替案として、再循環排ガスの分岐点の下流側に凝縮冷却器を配置することもできる。
【００３６】
上述の通り、火炉１４内及び排ガス・チャネル２０内の温度を制御するための方法は効率的なので、図１に示す酸素燃焼システムは、既存の空気燃焼ボイラを改造することによって比較的容易に構築することができる。また、同じ理由によって、ボイラ・システムも、システムの物理的変更を全く行うことなくデュアル燃焼ボイラとして使用することもできる。デュアル燃焼ボイラは、酸素燃焼と空気燃焼との間で切り替えることができる。空気入口供給ラインなど、新鮮な空気を酸化剤ガスとして導入するための手段６２を配置し、酸素及び再循環排ガスの混合物を新鮮な空気と置き換えることによって、及び、排ガスを環境に放出するためのスタック６４を配置することによって、このことは達成される。再循環ガス・チャネル３０内に空気入口６２を配置し、ガスガス加熱器６０を空気加熱器として代替的に使用することができるようにすることが有利である。空気燃焼モードにおいては、上述の原理を使用し、燃料供給流量及び蒸気再熱流量を適切な値に調整することによって、火炉１４内及び排気チャネル２０内の温度特性をその所望の値に調整することができる。
【００３７】
本明細書においては、現在最も好ましい実施形態であると考えられるものに関連した実施例によって本発明を説明してきたが、本発明は、開示された実施例に限定されず、付属の特許請求の範囲で定義された本発明の範囲内に含まれるその特徴及び複数の他の用途のさまざまな組合せ及び改変を包含することが意図されていると理解されるべきである。
【図１】
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【国際調査報告】
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