(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
酸素を用いて燃料を燃焼させる酸素燃焼ボイラと、
該酸素燃焼ボイラからの排ガスを原料ガスとして金属酸化物と反応させ、該金属酸化物の酸化反応により一酸化炭素及び水素を含む合成ガスを生成すると共に、前記金属酸化物を熱分解して再生させ、該金属酸化物の再生反応により酸素を生成する酸化・再生ユニットと
を備え、前記酸化・再生ユニットで生成した酸素を酸素燃焼ボイラに再循環させるよう構成し、
前記酸化・再生ユニットは、
前記酸素燃焼ボイラからの排ガスを原料ガスとして金属酸化物と反応させ、該金属酸化物の酸化反応により一酸化炭素及び水素を含む合成ガスを生成する酸化装置と、
該酸化装置で酸化反応した金属酸化物を熱分解して再生させ、該金属酸化物の再生反応により酸素を生成する再生装置とを備え、
該再生装置と前記酸化装置との間で金属酸化物を循環させるよう構成したことを特徴とする酸素燃焼ボイラ設備。
【請求項２】
前記金属酸化物の酸化反応により一酸化炭素及び水素を含む合成ガスを生成する際に前記酸化装置へ水を補充するよう構成した請求項１記載の酸素燃焼ボイラ設備。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、酸素燃焼ボイラ設備に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年の石油及び天然ガスの需要の増大に伴う価格高騰等の情勢から、微粉炭焚ボイラを用いた石炭火力発電プラントが重要な役割を占めるようになってきている。従来の微粉炭焚ボイラには、空気を燃焼用ガスとした空気燃焼ボイラが一般に使用されてきた。
【０００３】
石炭燃焼それ自体には、石油・天然ガス燃焼と比較して二酸化炭素（ＣＯ２）排出量が多いという問題点があるため、石炭火力への依存比率の上昇に伴うＣＯ２排出量増大は、地球温暖化防止の観点から、回避しなければならない重要な課題である。
【０００４】
又、空気燃焼ボイラでは、排ガス中に多量の窒素が含まれることになるため、排ガスから窒素及びＣＯ２を分離回収する作業が面倒になるという問題がある。
【０００５】
そこで、大気中へのＣＯ２排出量を大幅に削減できる手法として、酸素燃焼ボイラが注目され、その開発が進められている。
【０００６】
前記酸素燃焼ボイラでは、排出される排ガスの大半を煙道の中途から抜き出し、この抜き出した排ガスと酸素製造装置で製造した酸素とを混合して酸素濃度を調整した燃焼用ガスを生成し、該燃焼用ガスを前記酸素燃焼ボイラに供給するようにした排ガス再循環方式が採用されている。この排ガス再循環方式の酸素燃焼ボイラによれば、排ガス中に窒素が含まれず、排出される最終的な排ガスのＣＯ２濃度が飛躍的に高まり、よって、排ガスからのＣＯ２の分離回収作業が容易になる。
【０００７】
このため、前記酸素燃焼ボイラにおいては、排ガスからＣＯ２を濃縮する必要がなく、そのまま排ガスを冷却して脱水することでＣＯ２を分離することができる。このＣＯ２は、圧縮されて液化処理され、パイプラインを通して輸送され地下に貯留されるようになっている。
【０００８】
尚、前述の酸素燃焼ボイラに使用される高純度の酸素を大規模に生産する方法の一般的技術水準を示すものとしては、例えば、特許文献１がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開平１０−２１８６０３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
しかしながら、前記酸素製造装置での酸素製造工程は、酸素燃焼ボイラ設備においてエネルギー消費が最も高くなる工程であって、火力発電プラント総出力のうちおよそ１５％の電力が消費され、効率の面で改善が望まれていた。
【００１１】
又、従来の酸素燃焼ボイラ設備の場合、排ガス処理施設の建設に多大な投資が必要になると共に、その運転費の増加も問題となっていた。
【００１２】
本発明は、上記従来の問題点に鑑みてなしたもので、酸素燃焼による排ガスを直接利用して酸素と合成ガスを生成し、効率を改善し得る酸素燃焼ボイラ設備を提供しようとするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
本発明は、酸素を用いて燃料を燃焼させる酸素燃焼ボイラと、
該酸素燃焼ボイラからの排ガスを原料ガスとして金属酸化物と反応させ、該金属酸化物の酸化反応により一酸化炭素及び水素を含む合成ガスを生成すると共に、前記金属酸化物を熱分解して再生させ、該金属酸化物の再生反応により酸素を生成する酸化・再生ユニットと
を備え、前記酸化・再生ユニットで生成した酸素を酸素燃焼ボイラに再循環させるよう構成し、
前記酸化・再生ユニットは、
前記酸素燃焼ボイラからの排ガスを原料ガスとして金属酸化物と反応させ、該金属酸化物の酸化反応により一酸化炭素及び水素を含む合成ガスを生成する酸化装置と、
該酸化装置で酸化反応した金属酸化物を熱分解して再生させ、該金属酸化物の再生反応により酸素を生成する再生装置とを備え、
該再生装置と前記酸化装置との間で金属酸化物を循環させるよう構成したことを特徴とする酸素燃焼ボイラ設備にかかるものである。
【００１７】
前記酸素燃焼ボイラ設備においては、前記金属酸化物の酸化反応により一酸化炭素及び水素を含む合成ガスを生成する際に前記酸化装置へ水を補充するよう構成することが好ましい。
【発明の効果】
【００１８】
本発明の酸素燃焼ボイラ設備によれば、酸素燃焼による排ガスを直接利用して酸素と合成ガスを生成し、効率を改善し得るという優れた効果を奏し得る。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明の酸素燃焼ボイラ設備の第一実施例を示す全体概要構成図である。
【図２】本発明の酸素燃焼ボイラ設備の第一実施例における酸化・再生ユニットを示す概要構成図である。
【図３】本発明の酸素燃焼ボイラ設備の第二実施例を示す全体概要構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下、本発明の実施の形態を添付図面を参照して説明する。
【００２１】
図１及び図２は本発明の酸素燃焼ボイラ設備の第一実施例である。
【００２２】
第一実施例における酸素燃焼ボイラ設備は、酸素燃焼ボイラ１と、酸素製造装置２と、脱塵装置３と、熱交換器４と、酸化・再生ユニット５と、冷却脱水器６とを備えている。
【００２３】
前記酸素燃焼ボイラ１は、燃料が燃料供給路７から供給され、酸素が燃焼用ガス流路８から供給される。酸素燃焼ボイラ１は、酸素を用いて燃料を燃焼させる。そして、酸素燃焼ボイラ１から排出された排ガスは、煙道９によって脱塵装置３及び熱交換器４を経由し酸化・再生ユニット５へ導かれるようになっている。
【００２４】
前記煙道９の脱塵装置３と熱交換器４の間には、上流側から下流側へ向けて、ブロワ１０、流量計１１、水分計１２が配設されている。そして、酸素燃焼ボイラ１から排出された排ガスの一部は、排ガス再循環流路１３によって煙道９における脱塵装置３の下流側から燃焼用ガス流路８と燃料供給路７に導かれるようになっている。
【００２５】
前記酸素製造装置２は、空気から窒素を分離して酸素を製造し、燃焼用ガス流路８へ所定の圧力で酸素を供給する。酸素製造装置２で製造された酸素は、燃焼用ガス流路８から酸素燃焼ボイラ１へ導かれる。そして、燃焼用ガス流路８には、排ガス再循環流路１３から排ガスが導かれ、この排ガスが酸素に混合されるようになっている。
【００２６】
前記燃料供給路７は、例えば、石炭粉砕ミルによって燃焼に適した粒度に粉砕された微粉炭が流される。そして、燃料供給路７は、排ガス再循環流路１３から排ガスが導かれ、微粉炭をこの排ガスによって酸素燃焼ボイラ１へ供給するようになっている。
【００２７】
前記脱塵装置３は、例えば、微粉炭燃焼用の濾布を備えた構成となっている。そして、脱塵装置３は、酸素燃焼ボイラ１の下流側に配設されて、酸素燃焼ボイラ１から排出された排ガス中の煤塵を取り除く。尚、脱塵装置３は、排ガスから煤塵を除去する機能を有していれば良く、濾布を備えた構成に限定されず、電気集塵機でも良い。
【００２８】
前記排ガス再循環流路１３は、煙道９における脱塵装置３の下流側から分岐し、酸素燃焼ボイラ１から排出された排ガスの一部を燃料供給路７と燃焼用ガス流路８へ導く流路である。この排ガス再循環流路１３には、ブロワ１４と流量計１５と冷却脱水器６とが配設されている。
【００２９】
前記排ガス再循環流路１３のブロワ１４は、所定量の排ガスが煙道９から排ガス再循環流路１３へ流れるように排ガスを導く構成を備えている。又、排ガス再循環流路１３の流量計１５は、排ガス再循環流路１３を流れる排ガスの流量を計測するようになっている。
【００３０】
前記排ガス再循環流路１３のブロワ１４と流量計１５は、制御装置１９に接続されている。そして、制御装置１９には、排ガス再循環流路１３の流量計１５で計測された排ガスの流量が送信され、制御装置１９は、計測された排ガスの流量に基づき所定量の排ガスが煙道９から排ガス再循環流路１３へ導かれるようにブロワ１４を調整する。
【００３１】
前記冷却脱水器６は、排ガス再循環流路１３における流量計１５の下流側に配設される。そして、冷却脱水器６は、水分計１２で計測した水分量に基づいて排ガスに含まれる水分量が所望の値になるように排ガスを冷却して脱水する。尚、冷却脱水器６の配設位置を排ガス再循環流路１３としているがこれに限定されるものではない。冷却脱水器６は、酸化・再生ユニット５へ導かれる排ガス中に含まれる水分量を減らすことができればどこに配設しても良い。
【００３２】
前記煙道９のブロワ１０は、排ガスを下流の酸化・再生ユニット５へ導く構成を備えている。煙道９の流量計１１は、煙道９における排ガス再循環流路１３への分岐位置と液化処理ルート１６への分岐位置よりも下流側の流量を計測するようになっている。即ち、前記煙道９の流量計１１は、酸素燃焼ボイラ１から排出された排ガスのうち前記酸化・再生ユニット５へ導かれる排ガスの流量を計測し、該排ガスの流量を制御装置１９へ送信する。
【００３３】
前記水分計１２は、酸化・再生ユニット５に導かれる排ガスに含まれる水分量を計測し、その値を制御装置１９へ送信するようになっている。制御装置１９は、流量計１１で計測された排ガスの流量と、水分計１２で計測された排ガスの水分量とに基づき、ブロワ１０を調整するようになっている。
【００３４】
前記酸化・再生ユニット５は、酸素燃焼ボイラ１からの排ガスを原料ガスとして金属酸化物と反応させ、該金属酸化物の酸化反応により一酸化炭素及び水素を含む合成ガスを生成すると共に、前記金属酸化物を熱分解して還元することにより再生させ、該金属酸化物の再生反応により酸素を生成するようになっている。前記酸化・再生ユニット５で生成した酸素は、再循環酸素供給流路１８によって酸素燃焼ボイラ１に再循環させるよう構成してある。
【００３５】
前記酸化・再生ユニット５は、酸化装置５Ａと再生装置５Ｂとを備えている。前記酸化装置５Ａは、前記酸素燃焼ボイラ１からの排ガスを原料ガスとして金属酸化物と反応させ、該金属酸化物の酸化反応により一酸化炭素及び水素を含む合成ガスを生成するようになっている。前記再生装置５Ｂは、前記酸化装置５Ａで酸化反応した金属酸化物を熱分解して再生させ、該金属酸化物の再生反応により酸素を生成するようになっている。そして、前記再生装置５Ｂと前記酸化装置５Ａとの間で金属酸化物を金属循環ライン５Ｒａ，５Ｒｂを介して循環させるよう構成してある。
【００３６】
前記酸素燃焼ボイラ１からの排ガスを原料ガスとして金属酸化物と反応させる際の主要な反応は以下の通りである。前記酸化装置５Ａにおいて、下記の式（１）〜式（３）の反応が同時に進むようになっており、又、再生装置５Ｂにおいて、下記の式（４）の反応が進むようになっている。
金属酸化物の酸化反応：
ＭｅｘＯｙ−δ＋δＣＯ２→ＭｅｘＯｙ＋δＣＯ (放熱)…（１）
ＭｅｘＯｙ−δ＋δＨ２Ｏ→ＭｅｘＯｙ＋δＨ２ (放熱)…（２）
ＭｅｘＯｙ−δ＋δ／２Ｏ２→ＭｅｘＯｙ(放熱)…（３）
金属酸化物の再生（熱分解）反応：
ＭｅｘＯｙ→ＭｅｘＯｙ−δ＋δ／２Ｏ２ (収熱)…（４）
【００３７】
使用できる金属酸化物は、例えば、Ｍｎ、Ｃｏ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｐｔ、Ａｕ、Ｓｎ、Ｃｅ、Ｚｎ、Ｚｒ、Ｒｈ、Ｍｇ、Ｆｅ等の酸化物である。この中で、特に、ＳｎＯ２／ＳｎＯ、ＺｎＯ／Ｚｎ、Ｆｅ３Ｏ４／ＦｅＯ、ＮｉｘＦｅ３−ｘＯ４／ＮｉｘＦｅ３−ｘＯ４−ｙ、ＭｇＯ／Ｍｇ、ＣｅＯ２／ＣｅＯ２−ｘといった金属酸化物が好ましい。尚、上記の式（１）〜式（３）の反応と、上記の式（４）の反応をなし得るならば、他の金属酸化物でも良い。
【００３８】
反応温度は金属酸化物の種類によって異なるが、酸化装置５Ａでの運転温度はおよそ２００〜１０００℃、再生装置５Ｂでの運転温度はおよそ１０００〜２４００℃である。式（４）の反応に必要な熱量は、式（１）〜（３）による放熱量によって賄われるが、必要に応じて、図２に示す如く、例えば、太陽エネルギー又は電気を用いた熱源からの熱を補給すれば良い。
【００３９】
前記熱交換器４は、酸化装置５Ａへ導入される排ガスと、酸化装置５Ａで生成された合成ガスとを熱交換させるものである。これにより、排ガスは合成ガスにより加熱されてから酸化装置５Ａへ導入される一方、合成ガスは排ガスに熱を与えて温度低下した状態で下流側へ送給されるようになっている。
【００４０】
前記液化処理ルート１６は、酸化・再生ユニット５が処理できる排ガスの処理量を上回った際に、排ガスが導かれるルートである。即ち、制御装置１９は、煙道９の流量計１１から送信された排ガスの流量が、酸化・再生ユニット５での最大処理量を上回っていると判断すると、液化処理ルート１６のブロワ１７を作動させ、煙道９を流れる排ガスの一部を液化処理ルート１６へ導くようになっている。
【００４１】
前記液化処理ルート１６のブロワ１７の下流側には、例えば、図示していない冷却脱水器、圧縮液化装置等が配設されている。即ち、液化処理ルート１６に流された排ガスは、冷却脱水器で冷却されて脱水されることによって二酸化炭素を取り出し、そして、圧縮液化装置によって二酸化炭素を圧縮して液化し、最終的に、パイプラインを通して運ばれて地下に貯留されるようになっている。
【００４２】
次に、上記第一実施例の作用を説明する。
【００４３】
酸素燃焼ボイラ設備の運転時、燃料を燃焼させることによって酸素燃焼ボイラ１から排出される排ガスは、脱塵装置３で煤塵が取り除かれる。該脱塵装置３で煤塵が取り除かれた排ガスの一部は、煙道９の中途から排ガス再循環流路１３へ抜き出され、この抜き出された排ガスと酸素製造装置２で製造した酸素とが混合される。この混合によって酸素濃度が調整された燃焼用ガスが燃焼用ガス流路８から前記酸素燃焼ボイラ１に供給され、燃料の燃焼が行われる。
【００４４】
そして、前記排ガス再循環流路１３へ抜き出されずにそのまま煙道９を通って下流側へ導かれた排ガスは、熱交換器４を経て酸化・再生ユニット５の酸化装置５Ａへ導入される。
【００４５】
前記酸化・再生ユニット５の酸化装置５Ａにおいては、前記酸素燃焼ボイラ１からの排ガスが原料ガスとして金属酸化物と反応し、該金属酸化物の酸化反応（式（１）〜式（３）の反応）により一酸化炭素及び水素を含む合成ガスが生成される。前記合成ガスは、熱交換器４において酸化装置５Ａへ導入される排ガスと熱交換し、該排ガスに熱を与えて温度低下した状態で下流側へ送給される。
【００４６】
前記酸化・再生ユニット５の酸化装置５Ａで酸化反応した金属酸化物は、酸化・再生ユニット５の再生装置５Ｂへ送られ熱分解されて再生され、該金属酸化物の再生反応（式（４）の反応）により酸素が生成される。そして、前記再生装置５Ｂで生成された酸素は、再循環酸素供給流路１８から燃焼用ガス流路８へ導かれ、酸素製造装置２で製造した酸素と共に酸素燃焼ボイラ１に供給される。尚、前記再生装置５Ｂと前記酸化装置５Ａとの間で金属酸化物は循環され、該金属酸化物の酸化反応と再生反応が繰り返される。
【００４７】
この結果、酸素燃焼ボイラ設備においてエネルギー消費が最も高くなる酸素製造装置２で製造される酸素だけに依存するのではなく、酸化・再生ユニット５で生成された酸素が補充用として使えるようになるため、酸素製造装置２の酸素製造工程で消費されるエネルギーを削減し、効率の改善を図ることが可能となる。又、酸素製造装置２を酸素製造の能力のより小さいものに縮小することもできる。
【００４８】
そして、前記酸化・再生ユニット５は、前記酸素燃焼ボイラ１からの排ガスを原料ガスとして金属酸化物と反応させ、該金属酸化物の酸化反応により一酸化炭素及び水素を含む合成ガスを生成する酸化装置５Ａと、該酸化装置５Ａで酸化反応した金属酸化物を熱分解して再生させ、該金属酸化物の再生反応により酸素を生成する再生装置５Ｂとを備え、該再生装置５Ｂと前記酸化装置５Ａとの間で金属酸化物を循環させるよう構成してある。これにより、金属酸化物を繰り返し使用して酸化反応と再生反応を安定して行いつつ、酸素と合成ガスを生成することができる。
【００４９】
又、制御装置１９において、煙道９の流量計１１から送信された排ガスの流量が、酸化・再生ユニット５での最大処理量を上回っていると判断されると、液化処理ルート１６のブロワ１７が作動し、煙道９を流れる排ガスの一部が液化処理ルート１６へ導かれる。液化処理ルート１６に流された排ガスは、冷却脱水器（図示せず）で冷却されて脱水されることによって二酸化炭素が取り出される。そして、圧縮液化装置（図示せず）によって二酸化炭素が圧縮されて液化され、最終的に、パイプライン（図示せず）を通して運ばれて地下に貯留される。これにより、大部分の排ガスは酸化・再生ユニット５で処理され、その最大処理量を上回る分の排ガスのみが前記冷却脱水器、圧縮液化装置及びパイプラインを含む排ガス処理施設へ送給される。このため、従来の酸素燃焼ボイラ設備と比べ、排ガス処理施設の規模を縮小することが可能となり、その建設に多大な投資が必要とならず、運転費の増加も避けられる。
【００５０】
一方、前記酸化・再生ユニット５に導かれる前の排ガスに含まれる水分量は水分計１２で計測され、その値は制御装置１９へ送信される。該制御装置１９からは、水分計１２で計測された水分量に基づいて排ガスに含まれる水分量が所望の値になるよう冷却脱水器６へ制御信号が出力される。該冷却脱水器６は、前記制御装置１９から出力される制御信号に基づき、排ガスを冷却して脱水し、排ガス中の水分を変えることを通じてＨ２とＣＯの比を調整する。即ち、排ガス中のＨ２とＣＯの比を調整することで、前記酸化・再生ユニット５の酸化装置５Ａにおいて生成される合成ガスを、メタノール、ジメチルエーテル及びフィッシャー・トロプシュ合成油といった様々な化学品の原料として用いることが可能となる。尚、前記酸化・再生ユニット５の酸化装置５Ａにおいて生成された合成ガスは、燃料としても利用できることは言うまでもない。又、空気燃焼ボイラに対し仮に第一実施例のような酸化・再生ユニット５を設けた場合、空気燃焼では排ガスにＮ２が含まれているため、合成ガスからＮ２を除去する工程が必要となり、合成ガスをそのまま化学品の原料として用いることは困難となる。このため、空気燃焼ボイラでは、第一実施例の酸素燃焼ボイラに適用したような効果は得られない。
【００５１】
因みに、特許文献１に開示されている酸素製造方法では、原料ガスは空気であり、第一実施例のように酸素燃焼による排ガスを直接利用して酸素と合成ガスを生成するものとは根本的に異なっている。
【００５２】
こうして、酸素燃焼による排ガスを直接利用して酸素と合成ガスを生成し、有効活用し得る。
【００５３】
図３は本発明の酸素燃焼ボイラ設備の第二実施例であって、図中、図１及び図２と同一の符号を付した部分は同一物を表わしており、基本的な構成は図１及び図２に示す第一実施例と同様である。第二実施例の特徴とするところは、図３に示す如く、金属酸化物の酸化反応により一酸化炭素及び水素を含む合成ガスを生成する際に前記酸化装置５Ａへ水や水蒸気（Ｈ２Ｏ）を補充するよう構成した点にある。
【００５４】
上記第二実施例のように金属酸化物の酸化反応により一酸化炭素及び水素を含む合成ガスを生成する際に前記酸化装置５Ａへ水や水蒸気（Ｈ２Ｏ）を補充すると、式（２）の反応が促進され、結果的に式（４）の反応によって生成される酸素の量を増加させることが可能となる。即ち、酸化・再生ユニット５の再生装置５Ｂから再循環酸素供給流路１８を経て燃焼用ガス流路８へ導かれる酸素だけで酸素燃焼ボイラ１における燃料の燃焼を行えるようになり、酸素製造装置２を設置しなくて済む。
【００５５】
こうして、第二実施例においても第一実施例と同様、酸素燃焼による排ガスを直接利用して酸素と合成ガスを生成し、効率を改善し得る。更に、第二実施例では、酸素製造装置２を不要とすることもできる。
【００５６】
尚、本発明の酸素燃焼ボイラ設備は、上述の実施例にのみ限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論である。
【符号の説明】
【００５７】
１      酸素燃焼ボイラ
５      酸化・再生ユニット
５Ａ    酸化装置
５Ｂ    再生装置
１３      排ガス再循環流路
１８      再循環酸素供給流路
【図１】
0006481404.tif 000002
【図２】
0006481404.tif 000003
【図３】
0006481404.tif 000004