JP5138028B2 - 酸素燃焼ボイラの酸素供給制御方法及び装置 - Google Patents
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Description
本発明は、酸素燃焼ボイラの酸素供給制御方法及び装置に関するものである。
近年、地球規模の環境問題として大きく取り上げられている地球温暖化は、大気中の二酸化炭素（ＣＯ2）の濃度の増加が主要因の一つであることが明らかにされており、火力発電所はこれらの物質の固定排出源として注目されているが、火力発電用燃料としては石油、天然ガス、石炭が使用されており、特に石炭は採掘可能埋蔵量が多く、今後需要が伸びることが予想されている。
石炭は、天然ガス及び石油と比較して炭素含有量が多く、その他、水素、窒素、硫黄等の成分、及び無機質である灰分を含んでおり、石炭を空気燃焼させると、排ガスの組成は殆どが窒素（約７０％）となり、その他、二酸化炭素ＣＯ2、硫黄酸化物ＳＯｘ、窒素酸化物ＮＯｘ、酸素（約４％）等のガス、及び未燃分、灰分等の微粒子を含んだものとなる。そこで、排ガスは脱硝、脱硫、脱塵等の排ガス処理を実施し、ＮＯｘ、ＳＯｘ、微粒子が環境排出基準値以下になるようにして煙突から大気に排出している。
前記排ガス中のＮＯｘには、空気中の窒素が酸素で酸化されて生成するサーマルＮＯｘと、燃料中の窒素が酸化されて生成するフューエルＮＯｘとがある。従来、サーマルＮＯｘの低減には火炎温度を低減する燃焼法が採られ、又、フューエルＮＯｘの低減には、燃焼器内にＮＯｘを還元する燃料過剰の領域を形成する燃焼法が採られてきた。
又、石炭のような硫黄を含む燃料を使用した場合には、燃焼によって排ガス中にＳＯｘが生じるため、湿式或いは乾式の脱硫装置を備えて除去している。
一方、排ガス中に多量に発生する二酸化炭素は高効率で分離除去することが望まれており、排ガス中の二酸化炭素を回収する方法としては、従来よりアミン等の吸収液中に吸収させる手法や、固体吸着剤に吸着させる吸着法、或いは膜分離法等が検討されているが、いずれも変換効率が低く、石炭焚ボイラからのＣＯ2回収の実用化には至っていない。
そこで、排ガス中の二酸化炭素の分離とサーマルＮＯｘの抑制の問題を同時に達成する有効な手法としては、空気に代えて酸素で燃料を燃焼させる手法が提案されている（例えば、特許文献１、２等参照）。
石炭を酸素で燃焼すると、サーマルＮＯｘの発生は無くなり、排ガスのほとんどは二酸化炭素となり、その他フューエルＮＯｘ、ＳＯｘ、未燃分を含んだガスとなるため、排ガスを冷却することにより、前記二酸化炭素は液化して分離することが比較的容易になる。
特開平５−２３１６０９号公報
特許第３０５３９１４号公報
ところで、従来の空気燃焼のボイラでは、ミルで微粉砕した微粉炭の搬送用空気である一次空気量とミルからの微粉炭量との重量比（Ａ／Ｃ）を調整することによって、バーナの安定燃焼を図ることが行われている。尚、前記Ａ／Ｃが大きすぎると火炎が吹き飛ぶ虞れがある一方、Ａ／Ｃが小さすぎるとミル・バーナ系統の構造上、安定燃焼が維持できなくなるため、ボイラに応じて前記Ａ／Ｃを所定の運用範囲で設定・制御するようにしていた。
また、フューエルＮＯｘの低減には、排ガスの一部をバーナに再循環することによって燃焼器内にＮＯｘを還元する空気不足の領域を形成する燃焼法が採られてきた。
しかしながら、特許文献１、２に開示されているような酸素燃焼のボイラの場合、従来の空気燃焼との燃焼システムの違いから一次空気の取り込みがないため、従来の空気燃焼のボイラのようにＡ／Ｃをそのままバーナの安定燃焼のための指標とすることはできない。
また、常に均一な性状の石炭を導入して燃焼させることは困難であり、このために多炭種対応の酸素燃焼ボイラが求められているが、石炭の性状の幅は広く、石炭の性状が変わるとバーナによる火炎形状、ボイラの収熱、排ガスの性状が前記空気燃焼の場合とは大きく異なったものとなる。
このため、石炭の性状を表わす燃料比或いは炭素含有量が変化しても安定した酸素燃焼が行えるようにした運転指標の確立が望まれていた。
本発明は、斯かる実情に鑑み、石炭の性状が変化しても安定した酸素燃焼を行えるようにした酸素燃焼ボイラの酸素供給制御方法及び装置を提供しようとするものである。
本発明は、再循環される排ガスの一部を一次再循環排ガスとしてミルへ導入し、該ミルで粉砕した微粉炭を前記一次再循環排ガスによりボイラのバーナへ供給し、再循環される前記排ガスの他の一部を二次再循環排ガスとしてボイラのウィンドボックスに供給し、再循環される前記排ガスの残りをＯＡＰ再循環排ガスとしてＯＡＰに供給し、酸素製造装置で製造した酸素の一部を一次酸素として前記一次再循環排ガスに供給し、前記酸素の他の一部を二次酸素として二次再循環排ガスに供給し、前記酸素の更に他の一部をＯＡＰ供給酸素としてＯＡＰ再循環排ガスに供給し、前記酸素の残りをダイレクト供給酸素として前記バーナに直接供給する酸素燃焼ボイラの酸素供給制御方法であって、
石炭を酸素燃焼させて安定燃焼しているときの石炭の燃料比と炭素含有量の少なくとも一方と全酸素量に対するダイレクト供給酸素の割合との関係を予め求めておき、石炭種の変更時に、該石炭について予め計測しておいた燃料比と炭素含有量の少なくとも一方に見合う全酸素量に対するダイレクト供給酸素の割合になるようにダイレクト供給酸素の供給量を調節することからなる。
石炭を酸素燃焼させて安定燃焼しているときの石炭の燃料比と炭素含有量の少なくとも一方と全酸素量に対するダイレクト供給酸素の割合との関係を予め求めておき、石炭種の変更時に、該石炭について予め計測しておいた燃料比と炭素含有量の少なくとも一方に見合う全酸素量に対するダイレクト供給酸素の割合になるようにダイレクト供給酸素の供給量を調節することからなる。
上記酸素燃焼ボイラの酸素供給制御方法において、排ガス中の未燃分が未燃分制限値以下で且つＮＯｘ濃度がＮＯｘ制限値以下に保持されるようにＯＡＰ再循環排ガスに供給するＯＡＰ供給酸素の供給量を制御することは好ましい。
又、上記酸素燃焼ボイラの酸素供給制御方法において、一次再循環排ガスに供給する一次酸素の供給量を調節してバーナを安定燃焼させ、且つ、二次再循環排ガスに供給する二次酸素の供給量とバーナに直接供給するダイレクト供給酸素の供給量との供給割合を調節してバーナの火炎形状を制御することは好ましい。
又、上記酸素燃焼ボイラの酸素供給制御方法において、バーナ火炎の不安定時には、一次再循環排ガスに供給する一次酸素の供給量を増加する操作と、ＯＡＰ再循環排ガスに供給するＯＡＰ供給酸素の供給量を減少させることによりバーナ持込酸素濃度を高める操作と、ダイレクト供給酸素の供給量を増加させる操作の、少なくとも１つを行うことは好ましい。
本発明は、再循環取出系路により取り出した排ガスの一部を一次再循環排ガスとしてミルへ導入し、該ミルで粉砕した微粉炭を前記一次再循環排ガスによりボイラのバーナへ供給する一次再循環系路と、再循環される前記排ガスの他の一部を二次再循環排ガスとしてボイラのウィンドボックスに供給する二次再循環系路と、再循環される前記排ガスの残りをＯＡＰ再循環排ガスとしてＯＡＰに供給するＯＡＰ再循環系路と、酸素製造装置と、該酸素製造装置で製造した酸素の一部を一次酸素として前記一次再循環系路に供給する一次酸素混合系路と、前記酸素の他の一部を二次酸素として二次再循環系路に供給する二次酸素混合系路と、前記酸素の更に他の一部をＯＡＰ供給酸素としてＯＡＰ再循環系路に供給するＯＡＰ酸素混合系路と、前記酸素の残りをダイレクト供給酸素として前記バーナに直接供給するダイレクト酸素供給系路と、再循環取出系路に備えた全ガス量調節器と、一次酸素混合系路に備えた一次酸素調節器と、二次酸素混合系路に備えた二次酸素調節器と、ＯＡＰ酸素混合系路に備えたＯＡＰ酸素調節器と、ダイレクト酸素供給系路に備えたダイレクト酸素調節器と、排ガス中の未燃分を計測して得る未燃分計測手段と、ボイラ出口の排ガスのＮＯｘ濃度を計測するＮＯｘ濃度計と、燃焼する石炭の燃料比と炭素含有量の少なくとも一方を計測する燃料計測手段と、を有する酸素燃焼ボイラの酸素供給制御装置であって、
燃料計測手段により燃料比と炭素含有量の少なくとも一方を計測した石炭をボイラで酸素燃焼させて安定燃焼しているときの全酸素量に対するダイレクト供給酸素の割合を求めることにより、石炭の燃料比と炭素含有量の少なくとも一方と全酸素量に対するダイレクト供給酸素の割合との関係を予め入力しておき、石炭種の変更時に、該石炭について予め燃料計測手段により計測しておいた燃料比と炭素含有量の少なくとも一方に見合う全酸素量に対するダイレクト供給酸素の割合になるようにダイレクト供給酸素の供給量を調節する制御器を備えたことからなる。
燃料計測手段により燃料比と炭素含有量の少なくとも一方を計測した石炭をボイラで酸素燃焼させて安定燃焼しているときの全酸素量に対するダイレクト供給酸素の割合を求めることにより、石炭の燃料比と炭素含有量の少なくとも一方と全酸素量に対するダイレクト供給酸素の割合との関係を予め入力しておき、石炭種の変更時に、該石炭について予め燃料計測手段により計測しておいた燃料比と炭素含有量の少なくとも一方に見合う全酸素量に対するダイレクト供給酸素の割合になるようにダイレクト供給酸素の供給量を調節する制御器を備えたことからなる。
上記酸素燃焼ボイラの酸素供給制御装置において、制御器は、未燃分計測手段で計測した未燃分が未燃分制限値以下で且つＮＯｘ濃度計で計測したＮＯｘ濃度がＮＯｘ制限値以下に保持されるようＯＡＰ酸素調節器を調節して再循環系路に供給するＯＡＰ供給酸素の供給量を制御するようにしていることは好ましい。
又、上記酸素燃焼ボイラの酸素供給制御装置において、制御器は、一次酸素調節器を調節して一次再循環系路に供給する一次酸素の供給量を制御することによりバーナを安定燃焼させ、且つ、二次酸素調節器を調節することによる二次再循環系路に対する二次酸素の供給量とダイレクト酸素調節器を調節することによるバーナに対するダイレクト供給酸素の供給量との供給割合を調節してバーナの火炎形状を制御するようにしていることは好ましい。
又、上記酸素燃焼ボイラの酸素供給制御装置において、制御器は、バーナ火炎の不安定時に、一次酸素調節器を調節して一次再循環系路に供給する一次酸素の供給量を増加する操作と、ＯＡＰ酸素調節器を調節してＯＡＰ再循環系路に供給するＯＡＰ供給酸素の供給量を減少させることによりバーナ持込酸素濃度を高める操作と、ダイレクト供給酸素調節器を調節してダイレクト供給酸素の供給量を増加させる操作の、少なくとも１つを行うようにしていることは好ましい。
本発明の酸素燃焼ボイラの排ガス制御方法及び装置によれば、石炭を酸素燃焼させて安定燃焼しているときの石炭の燃料比と炭素含有量の少なくとも一方と全酸素量に対するダイレクト供給酸素の割合との関係を予め求めておき、石炭種の変更時に該石炭について予め計測しておいた燃料比と炭素含有量の少なくとも一方に見合う全酸素量に対するダイレクト供給酸素の割合になるようにダイレクト供給酸素の供給量を調節するようにしたので、石炭の性状が変化してもボイラの安定した酸素燃焼が確保されるという優れた効果を奏し得る。
３ ミル
４ 酸素燃焼ボイラ（ボイラ）
５ ウィンドボックス
６ バーナ
１０ 再循環取出系路
１２ 全ガス量調節器
１３ 一次再循環系路
１５ 二次再循環系路
１７ ＯＡＰ再循環系路
１８ ＯＡＰ（オーバーエアーポート）
２３ 酸素製造装置
２４ 二次酸素混合系路
２６ 二次酸素調節器
２７ ＯＡＰ酸素混合系路
２９ ＯＡＰ酸素調節器
３０ ダイレクト酸素供給系路
３２ ダイレクト酸素調節器
３３ 一次酸素混合系路
３５ 一次酸素調節器
３７ ＮＯｘ濃度計
３８ 未燃分計測手段
３９ 燃料計測手段
４０ 制御器
Ｘ１ 燃料比とボイラ持込酸素濃度との関係
Ｘ１'炭素含有量とボイラ持込酸素濃度との関係
Ｘ２ 燃料比と全酸素量に対するダイレクト供給酸素の割合との関係
Ｘ２' 炭素含有量と全酸素量に対するダイレクト供給酸素の割合との関係
４ 酸素燃焼ボイラ（ボイラ）
５ ウィンドボックス
６ バーナ
１０ 再循環取出系路
１２ 全ガス量調節器
１３ 一次再循環系路
１５ 二次再循環系路
１７ ＯＡＰ再循環系路
１８ ＯＡＰ（オーバーエアーポート）
２３ 酸素製造装置
２４ 二次酸素混合系路
２６ 二次酸素調節器
２７ ＯＡＰ酸素混合系路
２９ ＯＡＰ酸素調節器
３０ ダイレクト酸素供給系路
３２ ダイレクト酸素調節器
３３ 一次酸素混合系路
３５ 一次酸素調節器
３７ ＮＯｘ濃度計
３８ 未燃分計測手段
３９ 燃料計測手段
４０ 制御器
Ｘ１ 燃料比とボイラ持込酸素濃度との関係
Ｘ１'炭素含有量とボイラ持込酸素濃度との関係
Ｘ２ 燃料比と全酸素量に対するダイレクト供給酸素の割合との関係
Ｘ２' 炭素含有量と全酸素量に対するダイレクト供給酸素の割合との関係
以下、本発明の実施例を添付図面を参照して説明する。
図１は本発明の実施例の一例であって、１は石炭を貯留するコールバンカ、２はコールバンカ１に貯留された石炭を切り出す給炭機、３は給炭機２から供給される石炭を微粉砕し且つ乾燥させるミル、４は酸素燃焼ボイラ、５は酸素燃焼ボイラ４に取り付けられたウィンドボックス、６はウィンドボックス５内に配設され且つミル３から供給される微粉炭を燃焼させるバーナ、７は酸素燃焼ボイラ４から排出される排ガスが流れる排ガスライン、８は排ガスライン７を流れる排ガスと一次再循環排ガス並びに二次再循環排ガスとを熱交換させる空気予熱器、９は空気予熱器８を通過した排ガスを処理する脱硫装置や集塵機等の排ガス処理装置、１０は排ガス処理装置９で浄化された排ガスの一部を取り出す再循環取出系路、１１は再循環取出系路１０に設けた押込通風機（ＦＤＦ）、１２は再循環取出系路１０に再循環される全ガス量を調節するための全ガス量調節器、１３は押込通風機１１によって圧送される排ガスの一部を一次再循環排ガスとして空気予熱器８で予熱してミル３へ導く一次再循環系路、１４は一次再循環排ガスの流量を調節するための一次ガス調節器、１５は押込通風機１１によって圧送される排ガスの残りを二次再循環排ガスとして空気予熱器８で予熱してウィンドボックス５へ導く二次再循環系路、１６は二次再循環排ガスの流量を調節するための二次ガス調節器、１７は前記二次再循環系路１５から分岐した排ガスの一部をボイラ４のＯＡＰ（オーバーエアーポート）１８へ導入するＯＡＰ再循環系路、１９はＯＡＰ再循環ガスの流量を調節するためのＯＡＰガス調節器、２０は排ガス処理装置９で浄化された排ガスを取り入れてＣＯ2等を回収する回収装置、２１は排ガス処理装置９の下流側に設けて排ガスを誘引する誘引通風機（ＩＤＦ）、２２は排ガス処理装置９で浄化され誘引通風機２１で誘引される排ガスを大気放出する煙突である。
上記構成において、空気を取り入れて酸素を製造する酸素製造装置２３を設ける。酸素製造装置２３で製造した酸素は、その一部を前記二次再循環系路１５に二次酸素として供給する二次酸素混合系路２４を設け、該二次酸素混合系路２４には、流量を計測する二次酸素計測器２５と流量を調節する二次酸素調節器２６とを設ける。ここで、図示例では空気予熱器８の下流側の二次再循環系路１５に二次酸素を供給するようにした場合について例示したが、空気予熱器８の上流側に二次酸素を供給するようにしてもよい。
又、前記酸素製造装置２３で製造した酸素の他の一部をＯＡＰ供給酸素としてＯＡＰ再循環系路１７に供給するＯＡＰ酸素混合系路２７を設け、該ＯＡＰ酸素混合系路２７に、流量を計測するＯＡＰ酸素計測器２８と流量を調節するＯＡＰ酸素調節器２９とを設ける。
更に、前記酸素製造装置２３で製造した酸素の更に他の一部はミル３とバーナ６に供給するようにしている。即ち、酸素製造装置２３で製造した酸素を前記二次酸素と分岐するダイレクト酸素供給系路３０を設け、該ダイレクト酸素供給系路３０には流量を計測するダイレクト酸素計測器３１と流量を調節するダイレクト酸素調節器３２を設けている。更に、前記ダイレクト酸素供給系路３０には一次酸素混合系路３３が分岐して設けてあり、該一次酸素混合系路３３には流量を計測する一次酸素計測器３４と流量を調節する一次酸素調節器３５を設けている。従って、一次酸素調節器３５を調節することにより、前記酸素の更に他の一部は一次酸素として一次再循環系路１３を介してミル３へ供給し、前記酸素の残りはダイレクト酸素供給系路３０によりバーナ６へ供給するようにしている。
ここで、前記一次酸素調節器３５と、二次酸素調節器２６と、ＯＡＰ酸素調節器２９と、ダイレクト酸素調節器３２を制御することにより、酸素製造装置２３で製造した酸素は一次再循環系路１３に供給する一次酸素と、二次再循環系路１５に供給する二次酸素と、ＯＡＰ再循環系路１７に供給するＯＡＰ酸素と、バーナ６に直接供給するダイレクト供給酸素とに任意の供給割合になるように調節できる。
図中３６は再循環取出系路１０により再循環される全排ガス量を計測する全排ガス量計測器であり、再循環取出系路１０に設けた全ガス量調節器１２によって再循環される全ガス量を調節すると、ボイラ４へ導入される全ガス量に対する酸素濃度を示す、ボイラ持込酸素濃度を任意に調節できるようになっている。
更に、酸素燃焼ボイラ４出口の排ガスのＮＯｘ濃度を計測するＮＯｘ濃度計３７と、前記排ガス処理装置９での除塵によって得られる灰分から排ガス中の未燃分を計測して得る未燃分計測手段３８と、前記コールバンカ１に供給する石炭の燃料比と炭素含有量の一方或いは両方を計測して得る燃料計測手段３９を備えている。前記未燃分計測手段３８には、未燃分を自動的に計測できる装置を用いることもできるが、従来から一般に実施されている手分析により計測する方法を用いることができる。又、前記燃料計測手段３９には、燃料比と炭素含有量の一方或いは両方を自動的に計測できる装置を用いることもできるが、従来から一般に実施されている手分析により計測する方法を用いることができる。
コールバンカ１に供給する石炭は、燃料計測手段３９によって燃料比（ＦＲ）及び／又は炭素含有量を予め求めるようにしてあり、石炭をボイラ４で酸素燃焼させて安定燃焼しているときの石炭の燃料比及び／又は炭素含有量とボイラ持込酸素濃度との関係を予め実験により求めておく。又、燃料比及び／又は炭素含有量と全酸素量に対するダイレクト供給酸素の割合との関係も、予め実験により求めておく。
尚、前記ボイラ４の起動時には、一次再循環排ガスの代わりに空気（図示せず）がミル３内へ導入され、該空気によりミル３へ投入される石炭の乾燥が行われつつ、微粉砕された微粉炭がバーナ６へ搬送される一方、酸素の代わりに空気（図示せず）がボイラ４のウィンドボックス５に供給され、ボイラ４内で微粉炭の空気燃焼が行われ、該ボイラ４の収熱が所定値に到達すると、前記空気に代えて酸素又は再循環ガスを供給するように切り換えることにより、酸素燃焼に移行するようになっている。
酸素燃焼ボイラ４による石炭の酸素燃焼では、バーナ６による火炎形状、ボイラ収熱、ＮＯｘ濃度、未燃分等が所定の状態に維持されるように、酸素製造装置２３により石炭（微粉炭）の供給量に対応した量の酸素が供給され、又、微粉炭の搬送に必要な一次再循環排ガス、ウィンドボックス５に供給する二次再循環排ガス、ＯＡＰ１８に供給するＯＡＰ再循環排ガスの夫々が調節されると共に、これらの再循環排ガスの総和である全ガス量が全ガス量調節器１２により調節され、これによって酸素燃焼ボイラ４での安定燃焼が行われる。
酸素燃焼ボイラ４で燃焼する石炭の種類が変わることによってボイラの燃焼状態が変化して不安定燃焼を生じる要因としては、まず石炭の燃料比（ＦＲ）及び／又は炭素含有量が考えられる。燃料比と炭素含有量は石炭の燃焼においては略同様に用いられるものであり、よって本発明の制御においては燃料比と炭素含有量の一方を用いても、或いは両方を用いるようにしてもよい。そして、石炭の燃料比及び／又は炭素含有量が変化した場合にも酸素燃焼ボイラ４を安定して燃焼させるには、ボイラ持込酸素濃度及び／又は酸素製造装置２３からの全酸素量に対するダイレクト供給酸素の割合を制御することが有効であることが判明した。
このため、先ず石炭の燃料比を燃料計測手段３９によって予め計測しておき、この石炭をボイラ４で酸素燃焼させて安定燃焼している状態のときの燃料比とボイラ持込酸素濃度との関係を予め計算により求めて図４（ａ）の点Ｐ１を得る。
次に、上記操作を他の１種類以上の石炭について実施することにより図４（ａ）のように１つ以上の点Ｐ２を求め、これにより石炭が安定燃焼する燃料比とボイラ持込酸素濃度との関係Ｘ１を予め求めておくようにする。
又、上記と同様にして、図４（ｂ）に示すように、燃料比と酸素製造装置２３からの全酸素量に対するバーナ６に直接供給されるダイレクト供給酸素の割合との関係Ｘ２を予め求めておくようにする。尚、前記燃料比に代えて炭素含有量を用いた場合には、図４（ａ）、図４（ｂ）に示す関係Ｘ１及びＸ２に近似した関係Ｘ１'及び関係Ｘ２'が求められる。従って、制御に先立って、図４（ａ）、図４（ｂ）に示した関係Ｘ１、Ｘ１'、Ｘ２ 、Ｘ２'の少なくとも１つを計測しておくようにする。
図２は、前記図１の酸素燃焼ボイラにおいて石炭の性状（燃料比ＦＲ、炭素含有量）が変化した場合でも安定した酸素燃焼を行えるようにするための制御器４０の一例を示すもので、この制御器４０には、前記全ガス量計測器３６で計測した再循環する全ガス量と、一次酸素計測器３４で計測した一次酸素の供給量と、ダイレクト酸素計測器３１で計測したダイレクト供給酸素の供給量と、二次酸素計測器２５で計測した二次酸素の供給量と、ＯＡＰ酸素計測器２８で計測したＯＡＰ酸素の供給量と、前記未燃分計測手段３８で計測した未燃分計測値と、ＮＯｘ濃度計３７で計測したＮＯｘ濃度計測値が入力されている。
尚、燃料比と炭素含有量とは略同等のものと考えることができるので、以下においては説明を簡略化するために、燃料比を用いた制御の場合を例にとって説明するが、炭素含有量を用いた制御も同様に行うことができる。
前記制御器４０には、前記したように予め計測しておいた図４（ａ）、図４（ｂ）に示した石炭の燃料比とボイラ持込酸素濃度との関係Ｘ１及び／又はダイレクト供給酸素の割合との関係Ｘ２が入力されている。又、制御器４０には、燃料計測手段３９によって予め計測された現在燃焼している石炭の燃料比（ＦＲ）と、次に燃焼を行う新たな石炭の予め計測した燃料比（ＦＲ'）が入力されている。
更に、前記制御器４０は、全ガス量調節器１２を調節する制御信号と、ＯＡＰ酸素調節器２９を調節する制御信号と、一次酸素調節器３５を調節する制御信号と、二次酸素調節器２６を調節する制御信号と、ダイレクト酸素調節器３２を調節する制御信号を出力するようになっている。
一方、酸素燃焼ボイラ４から排ガスと共に排出される灰中未燃分は、ボイラ効率に直結するものであるため所定の未燃分制限値以下に制御する必要がある。未燃分制限値は実例として５％以下としている場合があるが、更に灰をセメント原料として用いる場合などには灰の使用目的によって灰中未燃分の制限を受ける場合があるため、未燃分制限値は状況に応じて設定する。
図３は図１の酸素燃焼ボイラ４により燃料比が低い石炭Ａ（低ＦＲ炭 ）と、燃料比が高い石炭Ｂ（高ＦＲ炭）を燃焼した試験結果におけるボイラ持込酸素濃度又は全酸素量に対するダイレクト供給酸素の割合と灰中未燃分との関係を示したもので、燃料比が高い石炭Ｂ（高ＦＲ炭）は燃料比が低い石炭Ａ（低ＦＲ炭）に対して未燃分が大幅に増加することが分かる。図３では、燃料比が低い石炭Ａ（低ＦＲ炭）において所定の未燃分設定値Ｓを維持するようにしたときのボイラ持込酸素濃度又は全酸素量に対するダイレクト供給酸素の割合Ｏに対して、燃料比が高い石炭（高ＦＲ炭）において同一の未燃分設定値Ｓを維持するためにはボイラ持込酸素濃度又は全酸素量に対するダイレクト供給酸素の割合をＯ'のように増加させる必要がある。
前記制御器４０には、予め求めておいた安定燃焼が達成される石炭の燃料比とボイラ持込酸素濃度との関係Ｘ１、及び／又は、燃料比と全酸素量に対するダイレクト供給酸素の割合との関係Ｘ２が予め入力されているので、ボイラ４で燃焼する新たな石炭の予め計測しておいた燃料比（ＦＲ'）を制御器４０に入力することにより、制御器４０は、石炭の燃料比（ＦＲ'）が高い場合には全ガス量調節器１２を調節して再循環させる全ガス量を減少させることによりボイラ持込酸素濃度を増加するか、又はダイレクト酸素調節器３２、二次酸素調節器２６、一次酸素調節器３５を調節してダイレクト供給酸素の割合を増加するか、或いはその両者を行い、石炭の燃料比（ＦＲ'）が低い場合には全ガス量調節器１２により再循環させる全ガス量を増大させることによりボイラ持込酸素濃度を減少するか、又はダイレクト酸素調節器３２、二次酸素調節器２６、一次酸素調節器３５を調節してダイレクト供給酸素の割合を減少するか、或いはその両者を行って自動制御するようになっている。
このように、新たな石炭の燃料比（ＦＲ'）に応じて再循環させる全ガス量を調節し、ボイラ持込酸素濃度を適切に調節する、及び／又は、ダイレクト供給酸素の割合を適切に調節することにより、図３に示す未燃分を、炭種が変わっても未燃分制限値以下の所定の未燃分設定値Ｓに安定して維持させることができる。
又、排ガスのＮＯｘ濃度も所定のＮＯｘ制限値以下に維持する必要がある。ここで、ボイラ持込酸素濃度又はダイレクト供給酸素の割合と排ガスのＮＯｘ濃度の関係を調査したところ、図５に示すようにＮＯｘ濃度はボイラ持込酸素濃度又はダイレクト供給酸素の割合の増加に伴って略直線に近い状態で増加することが得られた。前記ＮＯｘ制限値は発電所内のＮＯｘ濃度或いは総量規制などによって制限されるものであり、ボイラ出口での濃度に換算された実例がある例えば１８０ｐｐｍをＮＯｘ制限値とすることができる。
従って、制御器４０は、前記全ガス量調節器１２により循環させる全ガス量を調節してボイラ持込酸素濃度を変える制御、及び／又は、ダイレクト供給酸素の割合を変える制御に加えて、未燃分計測手段３８で計測した未燃分が未燃分制限値以下で、且つＮＯｘ濃度計３７で計測したＮＯｘ濃度がＮＯｘ制限値以下に保持されるように、ＯＡＰ酸素調節器２９を調節してＯＡＰ再循環系路１７に供給するＯＡＰ供給酸素の供給量を制御するようにしている。
更に、制御器４０は、上記制御に加えて、一次酸素調節器３５を調節して一次再循環系路１３に供給する一次酸素の供給量を制御することによりバーナ６を安定燃焼させるようにしている。
又、制御器４０は、図６に示すように、基準の石炭Ａの燃焼から新たな石炭Ｂの燃焼に切り変わることによってバーナ火炎が不安定になった場合には、一次酸素調節器３５を調節して一次再循環系路１３に供給する一次酸素の供給量を増加する操作と、ＯＡＰ酸素調節器２９を調節してＯＡＰ再循環系路１７に供給するＯＡＰ供給酸素の供給量を減少させてバーナ持込酸素濃度を高める操作と、全ガス量調節器１２を調節して循環させる全ガス量を減少させてボイラ持込酸素濃度を高める操作と、ダイレクト酸素調節器３２、二次酸素調節器２６、一次酸素調節器３５を調節してダイレクト供給酸素の割合を増加する操作の、少なくとも１つを行うようにしている。ここで、上記バーナ持込酸素濃度は、バーナ６へ導入される全ガス量に対する酸素濃度を示す。
次に、上記図示例の作用を説明する。
前述の如き酸素燃焼ボイラ４においては、コールバンカ１に貯留される石炭は、先ず燃料計測手段３９によって燃料比（ＦＲ）が計測され、燃料比（ＦＲ）が計測された石炭は給炭機２によりミル３へ投入され、該ミル３において石炭が微粉砕され微粉炭にされると共に、押込通風機１１（ＦＤＦ）によって排ガス処理装置９の下流から取り出された排ガスの一部である一次再循環排ガスは一次再循環系路１３によりミル３内へ導入され、一次再循環排ガスはミル３へ投入される石炭の乾燥を行いつつ、微粉砕された微粉炭をボイラ４のバーナ６へ搬送する。
一方、ボイラ４のウィンドボックス５には、前記押込通風機１１からの排ガスの他の一部が二次再循環排ガスとして二次再循環系路１５により供給される。更に、二次再循環系路１５から分岐したＯＡＰ再循環系路１７により取り出すようにした残りの排ガスはＯＡＰ再循環ガスとしてボイラ４のＯＡＰ１８へ供給される。
更に、酸素製造装置２３で製造された酸素の一部は二次酸素として二次酸素混合系路２４により前記二次再循環系路１５に供給され、前記酸素の他の一部はＯＡＰ酸素としてＯＡＰ酸素混合系路２７によりＯＡＰ再循環系路１７に供給され、前記酸素の更に他の一部は、一次酸素としてダイレクト酸素供給系路３０から分岐された一次酸素混合系路３３により一次再循環系路１３に供給され、前記酸素の残りはダイレクト酸素としてダイレクト酸素供給系路３０により前記バーナ６に直接供給される。
従って、ミル３から一次再循環排ガスによってバーナ６に供給された微粉炭は、酸素が混合されてバーナ６に供給される一次再循環ガスと、酸素が混合されてウィンドボックス５に供給される二次再循環ガスと、酸素が混合されてＯＡＰ１８に供給されるＯＡＰ再循環ガスと、バーナ６に直接供給されるダイレクト供給酸素とにより燃焼される。燃焼によって生じた排ガスは、空気予熱器８により一次再循環排ガス及び二次再循環排ガスを予熱し、更に排ガス処理装置９により処理された後、一部は再循環排ガスとして再循環を行わせる押込通風機１１と、ＣＯ2等の回収を行う回収装置２０とに導かれ、残りは誘引通風機（ＩＤＦ）により誘引されて煙突２２から大気放出される。
酸素燃焼ボイラ４による石炭の酸素燃焼は、バーナ６による火炎形状、ボイラ収熱、ＮＯｘ濃度、未燃分等が所定の状態に維持されるように、酸素製造装置２３によって製造される酸素の供給量が石炭（微粉炭）の供給量に対応して調整され、又、微粉炭の搬送に必要な一次再循環排ガス、ウィンドボックス５に供給する二次再循環排ガス、ＯＡＰ１８に供給するＯＡＰ再循環排ガスの夫々が調節され、更に、これらの再循環排ガスの総和である全ガス量が全ガス量調節器１２により調節され、これによって酸素燃焼ボイラ４での安定燃焼が行われる。
このようにボイラ４が安定燃焼している状態の時に、酸素製造装置２３によりボイラ４に供給される酸素量に基づいたボイラ持込酸素濃度を計算により求めると共に、全酸素量に対するダイレクト供給酸素の割合を求める。
更に、上記と同様の操作を、他の少なくとも１種類以上の石炭について実施し、石炭が安定燃焼しているときの燃料比とボイラ持込酸素濃度及び／又はダイレクト供給酸素の割合との関係Ｘ１，Ｘ２を図２の制御器４０に入力しておく。
酸素燃焼ボイラ４で現在燃焼している石炭と異なる新たな石炭を燃焼する際には、燃料計測手段３９によって予め計測しておいた新たな石炭の燃料比（ＦＲ'）を制御器４０に入力する。
これにより制御器４０は、供給する石炭種が変更された際は図４に示した燃料比（ＦＲ）とボイラ持込酸素濃度及び／又はダイレクト供給酸素の割合との関係Ｘ１，Ｘ２に基づいて、燃料比（ＦＲ'）に見合うボイラ持込酸素濃度及び／又はダイレクト供給酸素の割合になるように全ガス量調節器１２を調節して再循環する全ガス量を調節する制御と、ダイレクト酸素調節器３２、二次酸素調節器２６、一次酸素調節器３５を調節してダイレクト供給酸素の割合を調節する制御の、一方又は両方を自動的に行う。
このように、石炭の燃料比（ＦＲ）に応じて、再循環させる全ガス量を調節してボイラ持込酸素濃度を適切に調節すること、及び／又は、ダイレクト供給酸素の割合を調節してダイレクト供給酸素の供給量を調節することにより、ボイラ４に供給する炭種が変わっても未燃分を、未燃分制限値以下の所定の未燃分設定値Ｓに安定して維持させることができるようになる。
又、制御器４０は、前記全ガス量調節器１２により循環させる全ガス量を調節してボイラ持込酸素濃度を変える制御に加えて、未燃分計測手段３８で計測した未燃分が未燃分制限値以下で、且つＮＯｘ濃度計３７で計測したＮＯｘ濃度がＮＯｘ制限値以下に保持されるようにＯＡＰ酸素調節器２９を調節してＯＡＰ再循環系路１７に供給するＯＡＰ供給酸素の供給量を制御する。これにより、炭種が変わっても、未燃分が未燃分制限値以下に保持され、且つＮＯｘ濃度がＮＯｘ制限値以下に保持されるように自動的に制御されるようになる。
更に、制御器４０は、上記制御に加えて、一次酸素調節器３５を調節して一次再循環系路１３に供給する一次酸素の供給量を制御することによりバーナ６を安定燃焼させた状態において、二次酸素調節器２６を調節することによる二次再循環系路１５への二次酸素の供給量と、ダイレクト酸素調節器３２を調節することによるバーナ６へ直接供給するダイレクト供給酸素の供給量との供給割合を調節することにより、バーナ６の火炎形状を有効に制御することができる。これにより、炭種が変わっても、バーナ火炎が吹き飛ぶような失火の問題を生じることなく安定燃焼させることができ、且つ、バーナ６の火炎形状を所定の形状に安定に保持させることができる。
又、制御器４０は、図６に示すように、基準の石炭Ａの燃焼から新たな石炭Ｂの燃焼に切り換わることによりバーナ火炎が不安定になった場合には、一次酸素調節器３５を調節して一次再循環系路１３に供給する一次酸素の供給量を増加する操作を行うことでと、ＯＡＰ酸素調節器２９を調節してＯＡＰ再循環系路１７に供給するＯＡＰ供給酸素の供給量を減少させてバーナ持込酸素濃度を高める操作と、全ガス量調節器１２を調節して循環させる全ガス量を減少させてボイラ持込酸素濃度を高める操作と、ダイレクト酸素調節器３２、二次酸素調節器２６、一次酸素調節器３５を調節して、二次酸素の供給量を減少させてダイレクト酸素の供給量を増加する操作の、少なくとも１つを行うようにしている。これにより、炭種が変わっても、安定した酸素燃焼運転を維持することができる。
尚、本発明の酸素燃焼ボイラの酸素供給制御方法及び装置は、上述の図示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。
石炭の性状が変化しても、排ガスの性状を制限値内に制御した状態において酸素燃焼ボイラは安定燃焼できる。
Claims (12)
- 再循環される排ガスの一部を一次再循環排ガスとしてミルへ導入し、該ミルで粉砕した微粉炭を前記一次再循環排ガスによりボイラのバーナへ供給し、再循環される前記排ガスの他の一部を二次再循環排ガスとしてボイラのウィンドボックスに供給し、再循環される前記排ガスの残りをＯＡＰ再循環排ガスとしてＯＡＰに供給し、酸素製造装置で製造した酸素の一部を一次酸素として前記一次再循環排ガスに供給し、前記酸素の他の一部を二次酸素として二次再循環排ガスに供給し、前記酸素の更に他の一部をＯＡＰ供給酸素としてＯＡＰ再循環排ガスに供給し、前記酸素の残りをダイレクト供給酸素として前記バーナに直接供給する酸素燃焼ボイラの酸素供給制御方法であって、
石炭を酸素燃焼させて安定燃焼しているときの石炭の燃料比と炭素含有量の少なくとも一方と全酸素量に対するダイレクト供給酸素の割合との関係を予め求めておき、石炭種の変更時に、該石炭について予め計測しておいた燃料比と炭素含有量の少なくとも一方に見合う全酸素量に対するダイレクト供給酸素の割合になるようにダイレクト供給酸素の供給量を調節することからなる酸素燃焼ボイラの酸素供給制御方法。 - 排ガス中の未燃分が未燃分制限値以下で且つＮＯｘ濃度がＮＯｘ制限値以下に保持されるようにＯＡＰ再循環排ガスに供給するＯＡＰ供給酸素の供給量を制御する請求項１に記載の酸素燃焼ボイラの酸素供給制御方法。
- 一次再循環排ガスに供給する一次酸素の供給量を調節してバーナを安定燃焼させ、且つ、二次再循環排ガスに供給する二次酸素の供給量とバーナに直接供給するダイレクト供給酸素の供給量との供給割合を調節してバーナの火炎形状を制御する請求項１又は２に記載の酸素燃焼ボイラの酸素供給制御方法。
- バーナ火炎の不安定時には、一次再循環排ガスに供給する一次酸素の供給量を増加する操作と、ＯＡＰ再循環排ガスに供給するＯＡＰ供給酸素の供給量を減少させることによりバーナ持込酸素濃度を高める操作と、ダイレクト供給酸素の供給量を増加させる操作の、少なくとも１つを行う請求項１に記載の酸素燃焼ボイラの酸素供給制御方法。
- バーナ火炎の不安定時には、一次再循環排ガスに供給する一次酸素の供給量を増加する操作と、ＯＡＰ再循環排ガスに供給するＯＡＰ供給酸素の供給量を減少させることによりバーナ持込酸素濃度を高める操作と、ダイレクト供給酸素の供給量を増加させる操作の、少なくとも１つを行う請求項２に記載の酸素燃焼ボイラの酸素供給制御方法。
- バーナ火炎の不安定時には、一次再循環排ガスに供給する一次酸素の供給量を増加する操作と、ＯＡＰ再循環排ガスに供給するＯＡＰ供給酸素の供給量を減少させることによりバーナ持込酸素濃度を高める操作と、ダイレクト供給酸素の供給量を増加させる操作の、少なくとも１つを行う請求項３に記載の酸素燃焼ボイラの酸素供給制御方法。
- 再循環取出系路により取り出した排ガスの一部を一次再循環排ガスとしてミルへ導入し、該ミルで粉砕した微粉炭を前記一次再循環排ガスによりボイラのバーナへ供給する一次再循環系路と、再循環される前記排ガスの他の一部を二次再循環排ガスとしてボイラのウィンドボックスに供給する二次再循環系路と、再循環される前記排ガスの残りをＯＡＰ再循環排ガスとしてＯＡＰに供給するＯＡＰ再循環系路と、酸素製造装置と、該酸素製造装置で製造した酸素の一部を一次酸素として前記一次再循環系路に供給する一次酸素混合系路と、前記酸素の他の一部を二次酸素として二次再循環系路に供給する二次酸素混合系路と、前記酸素の更に他の一部をＯＡＰ供給酸素としてＯＡＰ再循環系路に供給するＯＡＰ酸素混合系路と、前記酸素の残りをダイレクト供給酸素として前記バーナに直接供給するダイレクト酸素供給系路と、再循環取出系路に備えた全ガス量調節器と、一次酸素混合系路に備えた一次酸素調節器と、二次酸素混合系路に備えた二次酸素調節器と、ＯＡＰ酸素混合系路に備えたＯＡＰ酸素調節器と、ダイレクト酸素供給系路に備えたダイレクト酸素調節器と、排ガス中の未燃分を計測して得る未燃分計測手段と、ボイラ出口の排ガスのＮＯｘ濃度を計測するＮＯｘ濃度計と、燃焼する石炭の燃料比と炭素含有量の少なくとも一方を計測する燃料計測手段と、を有する酸素燃焼ボイラの酸素供給制御装置であって、
燃料計測手段により燃料比と炭素含有量の少なくとも一方を計測した石炭をボイラで酸素燃焼させて安定燃焼しているときの全酸素量に対するダイレクト供給酸素の割合を求めることにより、石炭の燃料比と炭素含有量の少なくとも一方と全酸素量に対するダイレクト供給酸素の割合との関係を予め入力しておき、石炭種の変更時に、該石炭について予め燃料計測手段により計測しておいた燃料比と炭素含有量の少なくとも一方に見合う全酸素量に対するダイレクト供給酸素の割合になるようにダイレクト供給酸素の供給量を調節する制御器を備えたことを特徴とする酸素燃焼ボイラの酸素供給制御装置。 - 制御器は、未燃分計測手段で計測した未燃分が未燃分制限値以下で且つＮＯｘ濃度計で計測したＮＯｘ濃度がＮＯｘ制限値以下に保持されるようＯＡＰ酸素調節器を調節して再循環系路に供給するＯＡＰ供給酸素の供給量を制御する請求項７に記載の酸素燃焼ボイラの酸素供給制御装置。
- 制御器は、一次酸素調節器を調節して一次再循環系路に供給する一次酸素の供給量を制御することによりバーナを安定燃焼させ、且つ、二次酸素調節器を調節することによる二次再循環系路に対する二次酸素の供給量とダイレクト酸素調節器を調節することによるバーナに対するダイレクト供給酸素の供給量との供給割合を調節してバーナの火炎形状を制御する請求項７又は８に記載の酸素燃焼ボイラの酸素供給制御装置。
- 制御器は、バーナ火炎の不安定時に、一次酸素調節器を調節して一次再循環系路に供給する一次酸素の供給量を増加する操作と、ＯＡＰ酸素調節器を調節してＯＡＰ再循環系路に供給するＯＡＰ供給酸素の供給量を減少させることによりバーナ持込酸素濃度を高める操作と、ダイレクト供給酸素調節器を調節してダイレクト供給酸素の供給量を増加させる操作の、少なくとも１つを行うようにしている請求項７に記載の酸素燃焼ボイラの酸素供給制御装置。
- 制御器は、バーナ火炎の不安定時に、一次酸素調節器を調節して一次再循環系路に供給する一次酸素の供給量を増加する操作と、ＯＡＰ酸素調節器を調節してＯＡＰ再循環系路に供給するＯＡＰ供給酸素の供給量を減少させることによりバーナ持込酸素濃度を高める操作と、ダイレクト供給酸素調節器を調節してダイレクト供給酸素の供給量を増加させる操作の、少なくとも１つを行うようにしている請求項８に記載の酸素燃焼ボイラの酸素供給制御装置。
- 制御器は、バーナ火炎の不安定時に、一次酸素調節器を調節して一次再循環系路に供給する一次酸素の供給量を増加する操作と、ＯＡＰ酸素調節器を調節してＯＡＰ再循環系路に供給するＯＡＰ供給酸素の供給量を減少させることによりバーナ持込酸素濃度を高める操作と、ダイレクト供給酸素調節器を調節してダイレクト供給酸素の供給量を増加させる操作の、少なくとも１つを行うようにしている請求項９に記載の酸素燃焼ボイラの酸素供給制御装置。
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