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図面 (10)

課題

石炭加圧流動層複合発電ステムにおける石炭の加圧流動層燃焼装置の脱硫反応の促進と発生するSOx成分の抑制。

解決手段

石灰石流動媒体流動化して石炭を流動層燃焼する石炭の加圧流動層燃焼装置において、燃焼装置下部より供給される燃焼用加圧空気、または、供給される流動媒体である石灰石の予熱手段を設け、燃焼前の石灰石の脱炭酸化を促進し、CaO量を増加させて流動層燃焼時の脱硫化性能を向上させた石炭の加圧流動層燃焼装置である。

概要

背景

図6は、従来の一般的な流動層発電ステムの例として、石炭加圧流動層複合発電システムの構成を示したものである。

この加圧流動層複合発電システムは、常圧の流動層燃焼発電システムに比較して、燃焼加圧状態で行うため、燃焼排ガスガスタービンを駆動できることから、蒸気タービンによる発電と複合して高効率の発電を行うことができる。

この加圧流動層複合発電システムの主要機器は、圧力容器1内に設置した流動層ボイラ2と、ここで発生する蒸気3で駆動する蒸気タービン4と、ボイラから発生した燃焼ガス5をサイクロン11およびセラミックフィルタ12でクリーン化した燃焼ガス15により駆動するガスタービン6で構成される。

流動層ボイラ2では、粉砕された石炭と水を混合したものを燃料7として圧力容器内に形成された流動層8中に供給し、ガスタービン6と同時に駆動されるコンプレッサ9から供給される加圧空気により約860℃で流動層燃焼する。

流動層の流動媒体16(ベッド剤とも云う)には石灰石粒子が用いられ、燃焼時に発生するSO2は、流動層8内でこの石灰石に吸収される。このため流動層燃焼装置は、排煙脱硫装置が不用になると云う特長がある。

さらに燃焼温度火炎燃焼に比較して低いことからNOxの発生も抑制され、環境に調和した発電システムである。

動層8内で発生した熱は、層内に設置された伝熱管10を加熱し、伝熱管に供給した水は蒸気3として回収され、蒸気タービン4を駆動する。

一方、流動層ボイラ2を出た燃焼ガス5は、サイクロン11と高温フィルタであるセラミックフィルタ12で脱塵され、燃焼灰18とクリーン化した燃焼ガス15に分離され、クリーン化した燃焼ガス15はガスタービン6を駆動し、脱硝装置19、脱塵装置20を通過した後、スタック13から排ガス17として大気中へ排出される。

このガスタービン駆動余剰動力は、発電機14を動かすだけでなく、流動層ボイラ2で使用される加圧空気を作るためのコンプレッサ9の駆動にも使用される。ここで、コンプレッサ9により生成される加圧空気の温度は、約350℃程度である。

概要

石炭焚加圧流動層複合発電システムにおける石炭の加圧流動層燃焼装置の脱硫反応の促進と発生するSOx成分の抑制。

石灰石流動媒体を流動化して石炭を流動層燃焼する石炭の加圧流動層燃焼装置において、燃焼装置下部より供給される燃焼用加圧空気、または、供給される流動媒体である石灰石の予熱手段を設け、燃焼前の石灰石の脱炭酸化を促進し、CaO量を増加させて流動層燃焼時の脱硫化性能を向上させた石炭の加圧流動層燃焼装置である。

目的

効果

実績

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請求項1

石灰石流動媒体流動化して石炭流動層燃焼する石炭の加圧流動層燃焼装置において、燃焼装置下部より供給される燃焼用加圧空気、または/および、供給される流動媒体である石灰石の予熱手段を設けたことを特徴とする石炭の加圧流動層燃焼装置。

請求項2

前記燃焼用加圧空気の予熱手段として流動層火炉内に伝熱管を配置し、それにより前記燃焼用加圧空気を予熱できるようにした請求項1に記載の石炭の加圧流動層燃焼装置。

請求項3

前記流動媒体である石灰石の予熱手段として流動層火炉内に石灰石予熱手段を配置し、それにより前記石灰石を予熱できるようにした請求項1に記載の石炭の加圧流動層燃焼装置。

請求項4

石灰石流動媒体を流動化して石炭を流動層燃焼する石炭の加圧流動層燃焼装置において、流動層火炉出口SOx濃度に基づき、燃焼装置下部より供給する燃焼用加圧空気、または/および、流動媒体である石灰石の温度を制御する制御手段を配置したことを特徴とする石炭の加圧流動層燃焼装置。

技術分野

0001

本発明は、石炭加圧流動層燃焼装置に関する。

背景技術

0002

図6は、従来の一般的な流動層発電ステムの例として、石炭焚加圧流動層複合発電システムの構成を示したものである。

0003

この加圧流動層複合発電システムは、常圧の流動層燃焼発電システムに比較して、燃焼加圧状態で行うため、燃焼排ガスガスタービンを駆動できることから、蒸気タービンによる発電と複合して高効率の発電を行うことができる。

0004

この加圧流動層複合発電システムの主要機器は、圧力容器1内に設置した流動層ボイラ2と、ここで発生する蒸気3で駆動する蒸気タービン4と、ボイラから発生した燃焼ガス5をサイクロン11およびセラミックフィルタ12でクリーン化した燃焼ガス15により駆動するガスタービン6で構成される。

0005

流動層ボイラ2では、粉砕された石炭と水を混合したものを燃料7として圧力容器内に形成された流動層8中に供給し、ガスタービン6と同時に駆動されるコンプレッサ9から供給される加圧空気により約860℃で流動層燃焼する。

0006

流動層の流動媒体16(ベッド剤とも云う)には石灰石粒子が用いられ、燃焼時に発生するSO2は、流動層8内でこの石灰石に吸収される。このため流動層燃焼装置は、排煙脱硫装置が不用になると云う特長がある。

0007

さらに燃焼温度火炎燃焼に比較して低いことからNOxの発生も抑制され、環境に調和した発電システムである。

0008

動層8内で発生した熱は、層内に設置された伝熱管10を加熱し、伝熱管に供給した水は蒸気3として回収され、蒸気タービン4を駆動する。

0009

一方、流動層ボイラ2を出た燃焼ガス5は、サイクロン11と高温フィルタであるセラミックフィルタ12で脱塵され、燃焼灰18とクリーン化した燃焼ガス15に分離され、クリーン化した燃焼ガス15はガスタービン6を駆動し、脱硝装置19、脱塵装置20を通過した後、スタック13から排ガス17として大気中へ排出される。

0010

このガスタービン駆動余剰動力は、発電機14を動かすだけでなく、流動層ボイラ2で使用される加圧空気を作るためのコンプレッサ9の駆動にも使用される。ここで、コンプレッサ9により生成される加圧空気の温度は、約350℃程度である。

発明が解決しようとする課題

0011

上記従来システムでは、燃焼時に発生するSO2は、流動媒体16である石灰石に吸収されるが、石灰石CaCO3のみでは脱硫効率が悪く、多くの石灰石量を必要とし、Ca/S比率が高くなる傾向にあった。

0012

しかし、石灰石が脱炭酸によりCaOに変化し、粉化するとSO2の吸収力が向上し、CaCO3だけの場合に較べてより少ない石灰石量で脱硫を進行させることができる。この石灰石の脱炭酸反応は、雰囲気温度CO2分圧に影響されるが、自由エネルギー的にCaCO3およびCaOの安定な領域をまとめると図5のようになる。

0013

図5左側領域ではCaCO3が安定であり、脱炭酸反応は進行しないが、右側領域では所定の反応速度に基づいて脱炭酸反応が進行する。脱炭酸反応はCO2がほとんどない状態でも常温ではほとんど進行せず、500℃を超えてようやく進行することが分かる。

0014

また、従来の石炭を流動層燃焼する加圧流動層は、約860℃で行われており、この温度では石灰石のおかれた領域のCO2分圧に影響されてCaCO3またはCaOの安定性が決定される。

0015

こうした石炭を流動層燃焼する加圧流動層が約860℃、約9気圧では、脱炭酸反応が進行するか否かの境界に燃焼前の石灰石流動媒体がおかれていることが分かる。このような状況下において、脱硫効率が高いCaOの量を増加させるには石灰石の温度を高めか、CO2分圧を低下させかの2つの方法が考えられる。

0016

CO2分圧を低下させる方法については、石灰石の脱炭酸反応、石炭燃焼反応自体がCO2を排出する反応なので、CO2分圧の低下はこの反応に逆行する方法となり、実現は困難と考えられる。

0017

そこで、石灰石の温度を増加させることが、石灰石の脱炭酸を推進させる方策として着目される。

0018

本発明の目的は、上記に鑑み石灰石の脱炭酸を図り、脱硫反応の促進とSOx成分の発生を抑制した石炭の加圧流動層燃焼装置の提供にある。

課題を解決するための手段

0019

上記の目的を達成する本発明の要旨は、石灰石流動媒体を流動化して石炭を流動層燃焼する石炭の加圧流動層燃焼装置において、燃焼装置下部より供給される燃焼用加圧空気、または/および、供給される流動媒体である石灰石の予熱手段を設けたことを特徴とする石炭の加圧流動層燃焼装置にある。

0020

燃焼装置下部より供給する燃焼用加圧空気の温度を予熱、もしくは、供給される流動媒体である石灰石を予熱して、燃焼前の流動媒体である石灰石の脱炭酸可能な温度以上に加熱することにより燃焼前の脱炭酸反応を促進させる。

0021

供給する燃焼用加圧空気、または/および、流動媒体である石灰石の予熱熱源としては、流動層火炉、サイクロン灰、あるいは、ガスタービンの排熱を用いる。

0022

また、流動層火炉出口SOx濃度に基づき、燃焼装置下部より供給する燃焼用加圧空気温度、または/および、流動媒体である石灰石温度を制御し流動層火炉内石灰石の脱炭酸反応を制御してSOx成分の発生を抑制する。

発明を実施するための最良の形態

0023

流動層燃焼炉における脱硫反応は、石灰石であるCaCO3のみで反応が進行するもの、脱炭酸によるCaOを伴うものゝ2通りがある。CaCO3による脱硫反応は、

0024

CaCO3+SO2+1/2O2 ⇒ CaSO4+CO2 …〔1〕
反応式で表され、既述のように脱硫効率が悪く多量の石灰石を必要とする。

0025

一方、CaOを伴う脱硫反応は、脱炭酸、脱硫反応の2段階に分けられる。脱炭酸反応は、CaCO3 ⇒ CaO+CO2で表される。このとき石灰石の粉化が生じ、次に示される脱硫効率の高い脱硫反応が進行する。

0026

この脱硫反応は、

0027

CaO+SO2+1/2O2 ⇒ CaSO4 …〔2〕
の反応式で表される。

0028

脱炭酸反応は、図5に示したように雰囲気温度、CO2分圧(P)によって決まるが、従来の加圧流動層燃焼では、この脱炭酸反応の可能な領域は、燃焼直前の流動層火炉下部においてのみ実現されていた。そこで予め、燃焼用加圧空気、もしくは石灰石を予熱しておくことにより、CO2分圧を高めることなく石灰石温度を向上させて、流動層の燃焼領域下部における脱炭酸反応の進行領域を広げ脱硫性能の向上を図る。

0029

これにより流動媒体粒子の粉化が進むので、CaO量が増加し脱硫反応が容易となり、SOx成分の発生を抑制した流動層燃焼が可能となる。

0030

また、流動層火炉出口のSOx濃度の増減に基づき、燃焼装置下部より供給する燃焼用加圧空気温度、もしくは、流動媒体である石灰石温度を制御し、流動層の燃焼領域下部における脱炭酸反応の進行領域の大きさを制御することによっても、SOx成分の発生を抑制した流動層燃焼が可能となる。

0031

以下、本発明を実施例に基づき説明する。図1は、本発明の加圧流動層燃焼装置を適用した石炭焚加圧流動層複合発電システムの一構成図である。

0032

図1に示すように、脱硫性能の向上のため従来のシステムに新たに、コンプレッサ9から供給される加圧空気を、加圧流動層燃焼装置の内部に導入する伝熱管10’を設けた。これにより従来350℃程度であった加圧空気は400℃以上に予熱することができる。

0033

上記の導入する加圧空気の温度を上昇することにより、燃焼炉下部での脱炭酸反応進行領域を広げることがで、石灰石は従来よりも長時間、脱炭酸反応進行領域に滞留することが可能となる。

0034

図3は燃焼用加圧空気を予熱のための伝熱管10’に通した場合のSOx濃度の変化を示したものである。予熱開始後、徐々に流動層火炉出口のSOx濃度が減少し、約3時間後には約10ppmと云う低濃度でSOx濃度が安定した。これにより、燃焼用加圧空気を予熱することが脱硫性能向上に有効なことが分かる。

0035

図2は本発明の他一実施例として、本発明の加圧流動層燃焼装置を適用した石炭焚加圧流動層複合発電システムの一構成図である。

0036

図2に示すように、供給される流動媒体である石灰石を燃焼装置内で予熱する石灰石予熱手段25を設けたもので、これにより流動層の燃焼領域下部温度が上昇し、脱炭酸反応進行領域が広がり流動媒体粒子の粉化が進むので、CaO量が増加する。

0037

図4は石灰石を加圧流動層燃焼装置内の石灰石予熱手段25で予熱した場合のSOx濃度の変化を示したものである。加熱開始後、徐々に流動層火炉出口のSOx濃度が減少し、約3時間後には約10ppmと云う低濃度でSOx濃度が安定した。これにより、供給される石灰石を予熱することが図1のシステムと同様に脱硫性能向上に有効であることが分かる。

0038

図7は、流動層火炉出口のSOx濃度に基づき、燃焼装置下部より供給する燃焼用加圧空気の温度を制御して、流動層火炉内石灰石の脱炭酸反応を制御する石炭焚加圧流動層複合発電システムの一構成図である。

0039

SOx濃度測定装置23からの信号に基づき、燃焼用加圧空気流量調節弁21を制御し、予熱しない空気流量と予熱した空気流量の比を調節して、最終的に供給する燃焼用加圧空気の温度を制御する。これにより、流動層の燃焼領域下部における脱炭酸反応進行領域の大きさを制御できる。

0040

図8は流動層火炉出口のSOx濃度と燃焼用加圧空気温度の変化を示したものである。この制御手段を設けたことにより、SOx濃度が上昇すると加熱空気量が増加し、空気温度が上昇してSOx濃度が徐々に低下することが分かる。

0041

流動層火炉内で発生する熱は、基本的に加熱蒸気生成のために供されるべきであり、この燃焼用加圧空気の温度の制御により、SOx濃度抑制に必要な最低限の熱量だけを空気加熱に振り分けることができるので、全体のエネルギー効率を低下させることなくSOx濃度の抑制を図ることができる。

0042

図9は、流動層火炉出口のSOx濃度に基づき、供給される流動媒体である石灰石の温度を制御し流動層火炉内石灰石の脱炭酸反応を制御する石炭焚加圧流動層複合発電システムの一構成図である。

0043

SOx濃度測定装置23よりの信号に基づき、石灰石供給量調節弁22を制御し、予熱しない石灰石量と予熱した石灰石量の比を調節して、最終的に供給する石灰石の温度を制御する。これにより、流動層の燃焼領域下部における脱炭酸反応進行領域の大きさを制御できる。

0044

図10は流動層火炉出口のSOx濃度と供給される石灰石温度の変化を示したものである。この制御手段を設けたことにより、SOx濃度が上昇すると加熱石灰石量が増加し、石灰石温度が上昇してSOx濃度が徐々に低下することが分かる。この供給石灰石温度の制御により、SOx濃度抑制に必要な最低限の熱量だけを供給石灰石加熱に振り分けることができるので、全体のエネルギー効率を低下させることなくSOx濃度の抑制を図ることができる。

発明の効果

0045

本発明の燃焼用加圧空気温度、または/および、供給される流動媒体である石灰石を予熱して、燃焼炉下部での石灰石の脱炭酸反応進行領域を広げることにより、石灰石が従来よりも長時間、脱炭酸反応進行領域に滞留し粉化が進むので、CaO量が増加し脱硫反応が促進され、SOx成分の発生を抑制する流動層燃焼が可能となる。

図面の簡単な説明

0046

図1本発明の加圧流動層燃焼装置を適用した石炭焚加圧流動層複合発電システムの一構成図である。
図2本発明の加圧流動層燃焼装置を適用した石炭焚加圧流動層複合発電システムの他の一構成図である。
図3燃焼用加圧空気の予熱開始からの流動層火炉出口のSOx濃度の変化を示すグラフである。
図4石灰石の予熱開始からの流動層火炉出口のSOx濃度の変化を示すグラフである。
図5CaCO3とCaOの雰囲気温度に対する安定領域を示すグラフである。
図6従来の石炭焚加圧流動層複合発電システムの構成図である。
図7燃焼用加圧空気温度の制御手段を設けた石炭焚加圧流動層複合発電システムの一構成図である。
図8流動層火炉出口のSOx濃度と燃焼用加圧空気温度の変化を示すグラフである。
図9石灰石温度の制御手段を設けた石炭焚加圧流動層複合発電システムの一構成図である。
図10流動層火炉出口のSOx濃度と石灰石温度の変化を示すグラフである。

--

0047

1…圧力容器、2…流動層ボイラ、3…蒸気配管、4…蒸気タービン、5…燃焼ガス、6…ガスタービン、7…燃料、8…流動層、9…コンプレッサ、10…伝熱管、11…サイクロン、12…セラミックフィルタ、13…スタック、14…発電機、15…クリーン化した燃焼ガス、16…流動媒体、17…排ガス、18…燃焼灰、19…脱硝装置、20…脱塵装置、21…燃焼用加圧空気流量調節弁、22…石灰石供給量調節弁、23…SOx濃度測定装置、24…空気分散板、25…石灰石予熱手段。

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