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技術 酸素燃焼によって動力を発生させるための方法及び装置

出願人 スミトモエスエイチアイエフダブリューエナージアオサケユキチュア
発明者 エリクソン、ティモシップ、オッシファン、チェン
出願日 2009年5月15日 (11年6ヶ月経過) 出願番号 2011-511041
公開日 2011年8月4日 (9年3ヶ月経過) 公開番号 2011-523012
状態 未査定
技術分野 空気の供給 他に分類されない燃焼 煙突・煙道 流体燃料の燃焼1
主要キーワード 捕獲ユニット 取り出し箇所 エネルギバランス 側方管 調節弁装置 液体伝導 一動作モード 熱伝導距離
関連する未来課題
重要な関連分野

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図面 (2)

課題・解決手段

酸素燃焼によって動力を発生させる方法。炭素質燃料オキシダントガスとが炉内へ供給される。第一の動作モードにおいては、オキシダントガスは、燃料酸素によって燃焼させて主として二酸化炭素と水を含む排ガスを生成するために、酸素供給源から搬送される実質的に純粋な酸素の流れを含んでいる。排ガスは、炉から排出され且つ再循環部分と最終部分とに分けられる。再循環部分は炉へと再循環される。液体熱伝導媒体排ガス冷却器酸素加熱器との間の通路内循環させることによって、熱が前記の最終部分から実質的に純粋な酸素の流れへと伝えられる。

概要

背景

酸素燃焼は、微粉炭(PC)ボイラー又は循環流動層(CFB)ボイラーのような動力発生ボイラーの燃焼ガスからCO2を除去するように示唆されている方法のうちの一つである。酸素燃焼は、ボイラーから排出された排ガスの主成分として二酸化炭素と水とを含むように、炭素質燃料を典型的には約95%の純度の実質的に純粋な酸素によって燃焼させることに基づいている。この方法によれば、二酸化炭素は、燃料を空気によって燃焼させる場合のように主成分として窒素を含むガスの流れから二酸化炭素を分離する必要なく比較的容易に捕獲することができる。

酸素燃焼によって動力を発生する方法は、一般的な空気による燃焼より複雑である。なぜならば、酸素供給源、例えば、酸素が空気中の他の成分から分離される極低温型又は膜式空気分離ユニット(ASU)が必要とされるからである。生成された排ガスは、次いで、オキシダント、燃料及び漏れ空気から水が除去される際にCO2の選択的排除の準備がされる。この精製は、典型的には、低温高圧下でのCO2濃縮によってなされる。CO2は、例えば、110バール(11メガパスカル)より高い圧力まで圧縮しながら比較的低温まで冷却することによって排ガスから分離することができる。

純粋酸素による燃焼によってもたらされる極めて高い燃焼温度を避けるためには、燃焼条件空気燃焼の条件に近くなるように調整されている酸素燃焼ボイラーを使用することが有利である。これは、排ガスを再循環させて炉へと戻すことによって、例えば、約20%〜28%のオキシダントガスの平均O2成分を提供することによって行うことができる。このような酸素燃焼ボイラーは、現存の空気燃焼ボイラーを改造することによって有利に構築することができる。二酸化炭素の捕獲及び貯蔵による酸素燃焼に関する多くの不確実性により、複式燃焼ボイラー、即ち、出来るだけ容易に好ましくは実際の構造を変えることなく酸素燃焼から空気燃焼へと変更できるボイラーも必要とされている。このような複式燃焼ボイラーにおいては、夏期又は昼間のような高い負荷需要中に空気燃焼を使用し且つ他の状況下ではCO2除去による酸素燃焼を適用することによって、最大動力を得ることができる。更に、例えば、分離ユニット又はCO2分離ユニットが故障しているときには、複式燃焼ボイラーを空気燃焼モードで使用することも可能である。

米国特許第6,202,574号には、2つの最も大きな構成成分として二酸化炭素と水を含んでいる排ガスを製造するために、化石燃料を実質的に純粋な酸素によって燃焼させるための燃焼装置が示唆されている。排ガスの一部分は、燃焼チャンバへ再循環せしめられ、排ガスの残りの部分は、圧縮され且つ除去されて液相の二酸化炭素が生成される。再循環された排ガスと実質的に純粋な酸素の流れが、各々のガス−ガス間熱交換器において排ガスによって予め加熱される。

ドイツ特許公開DE 103 56 703 A1には、給水加熱器と、再循環ガス取り出し口の下流で排ガスを冷却するように調整されている酸素加熱器として機能するガス−ガス間熱交換器とを備えている酸素燃焼ボイラーが示されている。

二酸化炭素の放出を最少化するときに動力をより経済的に発生させるために、特に、複式燃焼装置を使用することによる酸素燃焼のための改良された方法及び装置が必要とされている。

概要

酸素燃焼によって動力を発生させる方法。炭素質燃料とオキシダントガスとが炉内へ供給される。第一の動作モードにおいては、オキシダントガスは、燃料を酸素によって燃焼させて主として二酸化炭素と水を含む排ガスを生成するために、酸素供給源から搬送される実質的に純粋な酸素の流れを含んでいる。排ガスは、炉から排出され且つ再循環部分と最終部分とに分けられる。再循環部分は炉へと再循環される。液体熱伝導媒体排ガス冷却器と酸素加熱器との間の通路内循環させることによって、熱が前記の最終部分から実質的に純粋な酸素の流れへと伝えられる。

目的

これは、排ガスを再循環させて炉へと戻すことによって、例えば、約20%〜28%のオキシダントガスの平均O2成分を提供する

効果

実績

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請求項1

酸素燃焼によって動力を発生する方法であり、(a)炭素系燃料を炉内へ供給するステップと、(b)前記炉内へオキシダントガスを供給するステップであって、該オキシダントガスは、第一動作モードにおいては、燃料酸素によって燃焼させて主として二酸化炭素と水とからなる排ガスを生成するために、酸素供給源から搬送された実質的に純粋な酸素の流れからなる前記ステップと、(c)前記排ガスを前記炉から排出するステップと、(d)前記排ガスを、再循環部分と最終部分とに分けるステップと、(e)前記再循環部分を前記炉へと再循環させるステップと、(f)液体熱伝導媒体排ガス冷却器酸素加熱器との間の通路内循環させることによって、前記最終部分からの熱を前記実質的に純粋な酸素の流れへと伝えるステップとを含む方法。

請求項2

(g)ガスガス間熱交換器内の熱を、前記排ガスから前記再循環部分へと伝えて加熱再循環ガスの流れを生成するステップと、(h)前記実質的に純粋な酸素の流れを加熱された再循環ガスの流れと混合して混合ガスの流れを形成するステップと、(i)該混合ガスの流れをオキシダントガスとして前記炉内へ供給するステップと、を更に含むことを特徴とする請求項1に記載の方法。

請求項3

前記液体熱伝導媒体が水である、ことを特徴とする請求項1に記載の方法。

請求項4

前記排ガス冷却器が耐腐食性のタイプである、ことを特徴とする請求項1に記載の方法。

請求項5

前記第一の動作モードが第二の動作モードと交互に行なわれ、該第二の動作モードにおいては前記再循環部分が最少にされ、前記オキシダントガスが空気の流れを含んでいる、ことを特徴とする請求項1に記載の方法。

請求項6

前記第一の動作モードが第二の動作モードと交互に行なわれ、該第二の動作モードにおいては前記再循環部分が最少にされ、前記ガス−ガス間熱交換器内の熱を前記排ガスから前記空気の流れへと伝導させるために、前記オキシダントガスがガス再循環ライン内へ導入される空気の流れを含んでいる、ことを特徴とする請求項2に記載の方法。

請求項7

前記第二の動作モードが、排ガス冷却器と空気加熱器との間の通路内で液体熱伝導媒体を循環させることによって、空気の流れの前記最終部分からの熱を伝えるステップを含んでいる、ことを特徴とする請求項5に記載の方法。

請求項8

前記第二の動作モードが、排ガス冷却器と空気加熱器との間の通路内で液体熱伝導媒体を循環させることによって、空気の流れの前記最終部分からの熱を伝えるステップを含んでいる、ことを特徴とする請求項6に記載の方法。

請求項9

前記第二の動作モードが、前記排ガスの流れからの平行な流れを分けるステップと、該平行な流れからの熱を、第二の排ガス冷却器と空気加熱器との間で液体熱伝導媒体を循環させることによって、空気の流れ内へ伝えるステップとを更に含んでいる、ことを特徴とする請求項7に記載の方法。

請求項10

酸素燃焼によって動力を発生させるための装置であり、炭素質燃料を燃焼させるための炉と、燃料を酸素によって燃焼させて主として二酸化炭素と水とを含む排ガスを生成するために、実質的な純粋な酸素を酸素供給源から炉へと供給するための酸素通路と、前記炉から前記排ガスを排出するために前記炉に接続されている排ガス通路と、前記排ガスを再循環部分と最終部分とに分けるための分岐パイプと、前記排ガスの前記再循環部分を前記炉へ給送するためのガス再循環通路と、液体熱伝導媒体を前記通路内で循環させることによって前記最終部分からの熱を実質的に純粋な酸素の流れへと伝えるために、通路によって接続された前記分岐パイプの下流の排ガス通路内に配置されている排ガス冷却器及び前記酸素通路内に配置されている酸素加熱器と、を備えている装置。

請求項11

排ガスからの熱を前記再循環部分へ伝えるためのガス−ガス間熱交換器と、前記再循環部分を実質的に純粋な酸素の流れと混合して混合されたガスの流れを形成するために、前記ガス−ガス間熱交換器の下流のガス再循環通路と前記酸素加熱器の下流の酸素通路とを接続するように配置された混合機と、混合されたガスの流れをオキシダントガスとして前記炉内へ給送するための通路と、を更に備えていることを特徴とする請求項10に記載の装置。

請求項12

前記排ガス冷却器が耐食性タイプである、ことを特徴とする請求項10に記載の装置。

請求項13

前記再循環部分を制御するために前記再循環ガス通路内に配置されている流量コントローラと、実質的に純粋な酸素の代わりに、空気の流れをオキシダントガスとして導入するための空気取り込み口とを更に備えている、ことを特徴とする請求項10に記載の装置。

請求項14

前記再循環部分を制御するために、前記再循環ガス通路内に配置されている流量コントローラと、実質的に純粋な酸素の代わりに、空気の流れをオキシダントガスとして前記ガス再循環ライン内に導入するための空気取り込み口であって、前記排ガスからの熱を前記ガス−ガス間熱交換器内の空気の流れへと伝えるために、前記ガス−ガス間熱交換器の上流に配置されている空気取り込み口と、を更に備えていることを特徴とする請求項11に記載の装置。

請求項15

液体熱伝導媒体を前記排ガス冷却器と前記空気加熱器との間の通路内で循環させることによって前記最終部分からの熱を空気の流れへと伝えるために、通路によって接続された空気加熱器を更に備えている、ことを特徴とする請求項13に記載の装置。

請求項16

液体熱伝導媒体を前記排ガス冷却器と前記空気加熱器との間の通路内で循環させることによって前記最終部分からの熱を空気の流れへと伝えるために、通路によって接続された空気加熱器を更に備えている、ことを特徴とする請求項14に記載の装置。

請求項17

平行な通路の選択肢内の平行な流れを前記排ガスの流れから分けるための第二の分岐パイプと、液体熱伝導媒体を前記第二の排ガス冷却器と前記空気加熱器との間の通路内で循環させることによって前記平行な流れからの熱を空気の流れへと伝えるために、前記平行な通路部分内に配置されている前記第二の排ガス冷却器と、を更に備えている液体熱伝導媒体を前記排ガス冷却器と前記空気加熱器との間の通路内で循環させることによって前記最終部分からの熱を空気の流れへと伝えるために、通路によって接続された空気加熱器を更に備えている、ことを特徴とする請求項15に記載の装置。

技術分野

0001

本発明は、酸素燃焼によって動力を発生させるための方法及び装置に関する。本発明は特に、順応性燃焼又は複式燃焼装置、すなわち、酸素燃焼モードと空気による燃焼モードとの間で容易に切り換えることができる装置に関する。

背景技術

0002

酸素燃焼は、微粉炭(PC)ボイラー又は循環流動層(CFB)ボイラーのような動力発生ボイラーの燃焼ガスからCO2を除去するように示唆されている方法のうちの一つである。酸素燃焼は、ボイラーから排出された排ガスの主成分として二酸化炭素と水とを含むように、炭素質燃料を典型的には約95%の純度の実質的に純粋な酸素によって燃焼させることに基づいている。この方法によれば、二酸化炭素は、燃料を空気によって燃焼させる場合のように主成分として窒素を含むガスの流れから二酸化炭素を分離する必要なく比較的容易に捕獲することができる。

0003

酸素燃焼によって動力を発生する方法は、一般的な空気による燃焼より複雑である。なぜならば、酸素供給源、例えば、酸素が空気中の他の成分から分離される極低温型又は膜式空気分離ユニット(ASU)が必要とされるからである。生成された排ガスは、次いで、オキシダント、燃料及び漏れ空気から水が除去される際にCO2の選択的排除の準備がされる。この精製は、典型的には、低温高圧下でのCO2濃縮によってなされる。CO2は、例えば、110バール(11メガパスカル)より高い圧力まで圧縮しながら比較的低温まで冷却することによって排ガスから分離することができる。

0004

純粋酸素による燃焼によってもたらされる極めて高い燃焼温度を避けるためには、燃焼条件空気燃焼の条件に近くなるように調整されている酸素燃焼ボイラーを使用することが有利である。これは、排ガスを再循環させて炉へと戻すことによって、例えば、約20%〜28%のオキシダントガスの平均O2成分を提供することによって行うことができる。このような酸素燃焼ボイラーは、現存の空気燃焼ボイラーを改造することによって有利に構築することができる。二酸化炭素の捕獲及び貯蔵による酸素燃焼に関する多くの不確実性により、複式燃焼ボイラー、即ち、出来るだけ容易に好ましくは実際の構造を変えることなく酸素燃焼から空気燃焼へと変更できるボイラーも必要とされている。このような複式燃焼ボイラーにおいては、夏期又は昼間のような高い負荷需要中に空気燃焼を使用し且つ他の状況下ではCO2除去による酸素燃焼を適用することによって、最大動力を得ることができる。更に、例えば、分離ユニット又はCO2分離ユニットが故障しているときには、複式燃焼ボイラー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6,202,574号には、2つの最も大きな構成成分として二酸化炭素と水を含んでいる排ガスを製造するために、化石燃料を実質的に純粋な酸素によって燃焼させるための燃焼装置が示唆されている。排ガスの一部分は、燃焼チャンバへ再循環せしめられ、排ガスの残りの部分は、圧縮され且つ除去されて液相の二酸化炭素が生成される。再循環された排ガスと実質的に純粋な酸素の流れが、各々のガス−ガス間熱交換器において排ガスによって予め加熱される。

0006

ドイツ特許公開DE 103 56 703 A1には、給水加熱器と、再循環ガス取り出し口の下流で排ガスを冷却するように調整されている酸素加熱器として機能するガス−ガス間熱交換器とを備えている酸素燃焼ボイラーが示されている。

0007

二酸化炭素の放出を最少化するときに動力をより経済的に発生させるために、特に、複式燃焼装置を使用することによる酸素燃焼のための改良された方法及び装置が必要とされている。

先行技術

0008

米国特許第6,202,574号
ドイツ特許公開DE 103 56 703 A1

発明が解決しようとする課題

0009

本発明は、酸素燃焼のための新しい方法及び装置を提供することを目的としている。

課題を解決するための手段

0010

一つの特徴に従って、本発明は、酸素燃焼によって動力を発生させる方法を提供する。この方法は、炭素質燃料を炉内へ供給するステップと、オキシダントガスを炉内へ供給するステップと、排ガスを炉から排出させるステップと、前記排ガスを再循環部分と最終部分とに分けるステップと、前記炉の再循環部分を再循環させるステップと、水のような液体熱伝導媒体排ガス冷却器と酸素加熱器との間の通路内循環させることによって、前記最終部分からの熱を実質的に純粋な酸素の流れへと伝達させるステップとを含んでおり、前記炉は、第一の動作モードにおいては、オキシダントガスが燃料を酸素によって燃焼させて主として二酸化炭素と水とからなる排ガスを生成するために、酸素供給源から搬送される実質的に純粋な酸素の流れを含んでいる。

0011

別の特徴によれば、本発明は、酸素燃焼によって動力を発生するための装置を提供する。該装置は、炭素質燃料を燃焼させるための炉と、燃料を酸素によって燃焼させて主として二酸化炭素と水とからなる排ガスを生成するために、実質的に純粋な酸素を酸素供給源から炉へと供給するための酸素通路と、炉から排ガスを排出するために炉に接続されている排ガス通路と、排ガスを再循環部分と最終部分とに分けるための分岐パイプと、排ガスの前記再循環部分を炉へと供給するためのガス再循環通路と、前記分岐パイプの下流の前記排ガス通路内に配置されている排ガス冷却器と、通路内の循環液体熱伝導媒体によって前記最終部分からの熱を実質的に純粋な酸素の流れへと伝えるために、前記通路によって結合されている酸素通路内に配置された酸素加熱器と、を備えている。

0012

排ガスからの熱をオキシダントガスに伝える方法は、ボイラー及びプロセスの効率を全体的に改良する。本発明は、例えば、純粋酸素の流れが装置から排出される排出ガスの最終部分から得られ且つ再循環されたガスの取り出し箇所上流の排ガスからではない低い熱によって加熱される点において、米国特許第6,202,574号に示されている従来技術による解決方法とは異なっている。これによって、当該方法の熱効率が改良される。排ガス冷却器は、排ガス通路の低温部分にあるけれども、これは、熱伝導中に酸凝縮温度以下まで冷える。従って、該排ガス冷却器は、プラスチック製のガス冷却器のような耐食性のタイプであるのが有利である。

0013

排ガスの再循環部分は、酸素燃焼においては、炉から排出される排ガスの大部分、典型的には約65〜約80%を含む場合が多く、これによって排ガスの最終部分は、排ガスの流れの約3分の1又はそれより少ない。一方、最終部分は、常に、自然の酸素の流れとほぼ同程度である。従って、再循環部分を分割している箇所の下流に排ガス冷却器を配置することによって、排ガスの最終部分のガスの流れと酸素の流れとが同じ冷却器いであり、それによって、有利なレベルの温度での2つの流れ間のエネルギバランスを得ることが比較的容易である。排ガスの最終部分は、実際には、電子集塵装置ESP)又はバッグハウスの下流に配置されている間は事実上塵を含んでいない。これによって、効率良く且つコンパクト熱交換器を配置するための条件が付与される。発火性又は爆発性の塵が存在することは殆どないけれども、これはまた装置の安全性をも増大させる。

0014

本発明によれば、熱は、ガス−ガス間熱交換器において直接熱を伝える代わりに、液体伝導媒体によって排ガスから酸素の流れへと伝えられる。この特徴によって、特に、熱交換器が酸露点温度より低い温度で使用されるときに生じる排ガス冷却器内の漏れが水の漏れを生じさせるだけであり、排ガス通路内への爆発性の酸素の漏れは生じさせないという利点が提供される。

0015

液体熱伝導媒体によって排ガスから酸素へと熱を伝導させる別の利点は、この装置をより複雑にすることが明らかであるけれども、実際には、通常は比較的簡単な構造が提供される点である。この理由は、酸素の供給源、典型的には空気分離ユニット(ASU)が、通常は、二酸化炭素の清浄化、捕獲及び貯蔵のためのユニットを備えている最終的な排ガス処理装置以外の動力装置の一部分に配置されるからである。熱伝導距離はかなり長く、比較的小さな水管内でこのような長い距離に亘って熱を伝えることは、付加的に熱い排ガス又は爆発性の酸素ガスを搬送する遙かに大きな通路へと逸らすことによってより容易になる。

0016

本発明の好ましい実施例によれば、この方法は、ガス−ガス間熱交換器内の熱を、排ガスから排ガスの再循環部分に伝えて加熱された再循環ガスの流れを生成するステップを更に備えている。再循環ガスの流れ及び実質的に純粋な酸素の流れが別個に炉へと導かれるが、本発明の好ましい実施例によれば、実質的に純粋な酸素の流れは、ガス−ガス間熱交換器の下流のガス再循環通路と酸素加熱器の下流の酸素通路とを結合するように配置されている混合機内の加熱された再循環ガスの流れと混合される。このようにして、オキシダントガスとして通路を介して炉内へ供給される混合ガスの流れが形成される。

0017

比較的純粋な酸素の供給速度は、燃料の十分に完全な燃焼を付与できるように燃料供給速度に基づいて決定される。通常は、酸素の供給速度は、排ガス内残留酸素の含量を監視することによって制御されるが、この残留酸素の含量は、適切なレベル典型的には約3%に維持されるべきである。上記したように熱伝導媒体によって加熱された純粋な酸素の流れをガス−ガス間熱交換器内で加熱された再循環ガスと混合することによって、炉内でオキシダントガスとして使用される混合ガスの温度、流速及び酸素含量を効率良く制御することができる。

0018

再循環ガスの通路と酸素の通路とは多数の平行なラインに分けられるのが有利であり、これらのラインは、多数の混合機内で別個に接続されて、例えば炉内の一次及び二次のオキシダントガスとして使用することができる混合ガスの多数の流れが形成される。平行な再循環ガスのライン及び酸素のライン内のガスの流れを別個に制御することによって、オキシダントガスの流れの流量及び酸素成分を別個に制御することができる。

0019

本発明の好ましい実施例によれば、空気燃焼から酸素燃焼へと改造されたボイラーへのガスの供給速度は、炉内の元々のガスの速度を維持するように調整され、その結果、オキシダントガスの酸素含量が、空気の酸素含量典型的には約18%〜約28%に近くなるように有利に調整される。炉の温度又は改造されたボイラーの熱流束は、例えば炉壁腐食又は材料強度に関する問題点を避けるために、ほぼその元のレベルに維持されることもまた有利である。

0020

酸素燃焼プロセスにおいて発生される主要成分が二酸化炭素である排ガスは、その高い熱容量により、主要成分として窒素を含んでいる一般的な排ガスと比較したとき、同じ流量の排ガスの流れが、同じ温度において、酸素燃焼の場合に空気燃焼の場合よりも多量の熱が運ばれる。このように、空気燃焼の流れを発生するプロセスを酸素燃焼に変えると、燃料供給速度は、少なくとも10%だけ大きくすることができ且つ元の炉温度又は熱流束を依然として維持することができる。このことにより、大量の熱を、例えばオキシダントガスの流れの生成及び加熱のために利用することができる。

0021

本発明の特に有利な実施例によれば、第一の動作モードは第二の動作モードいわゆる空気燃焼モードと交互に行なわれ、再循環部分は例えばダンパー通風調節弁装置)によって最少化され、オキシダントガスは空気の流れを含んでいる。この装置は、空気をガス−ガス間熱交換器の上流のガス再循環ライン内へ導入するための空気取り込み口を備えているのが有利である。従って、ガス−ガス間熱交換器は、熱を排ガスから空気の流れへと伝えるために、第二の動作モードで使用されている。

0022

第二の動作モードにおいては、燃焼装置は酸素供給源から分離されているのが有利であり、排ガスは主成分として窒素と二酸化炭素と水とを含んでいる。従って、該装置はまた二酸化炭素捕獲及び貯蔵ユニットからも分離されており、排ガスは送風管から外部環境へと放出される。本発明の主要な着想のうちの一つは、実際の構造に改造を加えることなく且つ交換中に動力の発生を停止させることなく作動中に空気燃焼へと容易に切り換えることができ且つ元に戻すことができる酸素燃焼方法を提供することである。

0023

第二の動作モードにおいては酸素供給源は使用されない。なぜならば、排ガスの成分は一般的燃焼の成分であり、排ガスの二酸化炭素は精製されず且つ分離されないからである。従って、これらのプロセスの補助的な動力消費量は最少とされ、該装置は、外部環境への二酸化炭素の放出コストにおいて、酸素燃焼よりも高い全体の効率を提供する。空気燃焼動作モードは、例えば、又は昼間のような動力需要が特に高い場合に有利に使用することができる。代替的には、空気燃焼モードは、例えば変動する経済的状況に基づいて一時的に使用され、又は酸素供給源若しくは二酸化炭素の捕獲及び貯蔵装置が何らかの理由で利用できないときに一時的に使用される。

0024

この方法は、第二の動作モードにおいては、液体熱伝導媒体を排ガス冷却器と空気加熱器との間の通路内で循環させることによって、排ガスからの熱を空気の流れに伝えるステップを含んでいるのが有利である。排ガスの流速は、第二の動作モードにおいては、典型的には、第一の動作モードにおける排ガスの最終部分の流速よりもはるかに速いので、排ガス冷却器を備えた少なくとも一つの他の通路が、酸素燃焼モードにおいて使用される排ガス冷却器を含む排ガス通路部分と平行に形成されることが有利である。これによって、熱伝導媒体は、空気燃焼モードにおいて、空気加熱器と少なくとも2つの平行な排ガス冷却器との間で循環される。従って、酸素燃焼モードにおいて酸素の流れよりも明らかに速い流速を有している空気の流れを、排ガスによって効率良く加熱することができる。

0025

本発明の上記の簡単な説明並びに更なる目的、特徴及び利点は、添付図面と関連させてなされる現在のところ好ましいが例示的である本発明の実施例の以下の詳細な説明を参考にすることによって更に詳しく理解できる。

図面の簡単な説明

0026

図1は、本発明による酸素燃焼動力装置の概略図である。

0027

図1は、本発明の好ましい実施例による動力装置10の概略図である。動力装置10はボイラー12を備えており、該ボイラーは、例えば、微粉炭(PC)ボイラー又は循環流動層(CFB)ボイラーとすることができる。ボイラーの炉14は、一般的な燃料供給手段16、オキシダントガスを炉内へ供給する手段18と、燃料をオキシダントガスの酸素によって燃焼させることによって生成される排ガスを排出するための排ガス通路20とを備えている。燃料供給手段16及びオキシダントガス供給手段18のようなボイラー12の幾つかの構成要素の細部及び形式は、本来的にボイラーのタイプに依存する。しかしながら、このような細部、例えばバーナー微粉炭機、第一及び第二の入口ガスを個々に供給するための装置は、本発明にとっては重要ではなく、従って図1には示されていない。

0028

オキシダントガスは、空気分離ユニット(ASU)24内の空気の流れ22から生成された実質的に純粋な酸素と排ガス再循環通路26を介して再循環される排ガスの一部分との混合物であるのが好ましい。排ガス再循環通路26は、制御可能なファン28のような流量コントローラ及び/又は排ガスを制御するためのダンパー30を備えているのが有利である。排ガスの再循環速度は、オキシダントガスの平均O2含量が、空気中のO2含量好ましくは約18%〜約28%に近くなるように調整されるのが有利である。本発明の幾つかの用途においては、再循環された排ガスの流れと実質的に純粋な酸素の流れとを別個に又は異なるO2含量を有する多数の流れを例えば炉14の異なる部分へ導入することもできる。

0029

一般的であるように、炉14は、通常は、図1に図示されていない蒸発面を備えており、排ガス通路20は更に、例えば過熱器及び節炭器のような熱交換面32,34を備えている。簡素化のために、図1には、2つの熱交換面32,34のみが示されているが、実際には、排ガス通路20は、通常は排ガスから熱を回収するための多数の過熱面、再加熱面及び節炭器面を備えている。流れを発生させる熱交換面32と34との間には、ガス−ガス間熱交換器36通常は排ガスからの熱を直接排ガスの再循環部分へと伝えるための再生式熱交換器が配置される。

0030

排ガス通路20は、通常は、排ガスから粒子状及びガス状汚染物質を除去して清浄にするための一般的なユニットを備えており、これらは、図1においては集塵装置38のみによって図示されている。集塵装置38及びその他の設けられ得るガス清浄化ユニットは、排ガス再循環通路26の分岐点40の上流に配置されるのが有利である。前記の分岐点においては、排ガスの流れは、再循環ガス通路26を介して搬送されて炉14へと戻される再循環部分と、最終処理のために排ガス通路20の端部42を介して搬送される最終部分とに分けられる。

0031

酸素燃焼という主目的に従って、即ち、排ガスから二酸化炭素を回収するために、排ガス通路20の端部42には、図面内では二酸化炭素捕獲ユニット44によって表されている装置が備えられており、該装置は、二酸化炭素を冷却し清浄にし圧縮するためのものである。ユニット44は、通常は、排ガスからの全ての水分を完全に乾燥させるためのドライヤと、二酸化炭素から酸素50及び存在し得る他の不純物のような非凝縮性のガスの流れを分離するセパレータとを備えている。二酸化炭素の流れ46は、典型的には、例えば約110バール(11メガパスカル)の圧力では液体状態又は超臨界状態で捕獲され、更に使用するために又は適当な場所に貯蔵するために搬送することができる。図1には、排ガスから水分を最初に除去するために、二酸化炭素捕獲ユニット44の上流に配置されている凝縮ガス冷却器48が別個に示されている。

0032

エネルギを排ガスの最終部分から実質的に純粋な酸素の流れへと伝えるために、排ガス通路20の端部42には、本発明に従ってガス冷却器52が備えられており、ガス冷却器52は、液体熱伝導媒体による循環によって酸素供給源24の下流の酸素通路56内に配置されている酸素加熱器54に接続されている。通常は水である熱伝導媒体は、ガス冷却器52と酸素加熱器54との間に延びている管60内をポンプ58によって循環せしめられるのが好ましく、ガス冷却器52と酸素加熱器54とは、実際には動力装置10の遠く離れた部分に配置される。

0033

酸素通路56は、炉14に直接接続されても良いが、本発明の好ましい実施例によれば、酸素通路56と排ガス再循環通路26とは両方とも混合機62に接続されており、混合されたガスの流れがオキシダントガスとしてオキシダントガス供給装置18を介して炉へと導かれる。この装置によってオキシダントガスの温度、流量及び酸素含量を別個に制御することが可能になる。

0034

本発明の好ましい実施例によれば、装置はまた、空気を炉へ送るための空気取り込み口64をも備えている。空気の流れは、ガス−ガス熱交換器36の上流で排ガス再循環通路26内へ導入されるのが好ましい。これによって、排ガスから空気の流れへと直に熱を伝えることができる。空気取り込み口64の目的は、酸素燃焼から空気燃焼へと切り換えることを可能にすることである。従って、空気をガス再循環ラインへ導入するときには、酸素の供給は停止され、排ガスの再循環がダンパー30によって最少にされ好ましくは完全に停止される。空気燃焼モードにおいては、排ガスは大量の窒素と混合された二酸化炭素と水とを含んでいる。これによって、排ガスから二酸化炭素を容易に捕獲することができず、従ってこの場合には、排ガスは送風管66を介して外部環境へ放出される。

0035

外部環境から得られた空気の流れは、典型的には、再循環する排ガスよりも遙かに低温であるけれども、ガス−ガス熱交換器36内での空気の加熱は、通常は不十分であり、空気加熱器68によって熱が空気の流れへと伝えられるのが有利である。空気加熱器68はまた、熱交換器面上での煙道ガス凝縮及びこれに関連する問題点を避けるためにガス−ガス熱交換器36内の空気の入口温度を高くするには有利である。空気加熱器68は排ガス冷却器52に接続されていることが好ましい。排ガス冷却器52はまた、酸素燃焼モードにおいては、熱伝導媒体の循環によっても使用される。従って、酸素燃焼における水の循環のために使用される管60は、空気燃焼モードにおいては、循環ポンプ72を含む側方管70すなわち空気加熱アームに接続されている。

0036

空気加熱アーム内の弁74を開き且つメインの管内の弁76を閉じることによって、いわゆる酸素加熱アーム内で、熱伝導媒体は、酸素加熱器54の代わりに空気加熱器68を介して循環するように切り換えることができる。水循環ポンプ水管60の共通部分内に配置されている場合には、上記した場合に、ただ一つの循環ポンプを備えることで十分である。空気燃焼モードにおける空気の流量は、酸素燃焼モードにおける酸素の流量よりはるかに大きく且つ空気燃焼モードにおける排ガスの流量は酸素燃焼モードにおける排ガスの最終部分の流量よりもはるかに大きいので、酸素燃焼モードでの熱伝導媒体の循環速度は空気燃焼モードでの循環速度よりも遅いのが有利である。

0037

本発明の代替的な実施例によると、排ガス通路の端部42と平行に平行通路部分78が配置されている。煙道ガスのうちの平行通路部分78内を流れる部分は、例えば約0%〜約75%となるようにダンパー80によって変えることができる。この平行通路部分は別の排ガス冷却器82を備えており、該排ガス冷却器82は、空気燃焼モードにおいては、排ガス冷却器52と平行に接続されている。従って、酸素燃焼モードにおいては、熱は排ガス冷却器52から酸素加熱器54へと伝えられ、空気燃焼モードにおいては、2つの排ガス冷却器52,82から空気加熱器68へと伝えられる。熱伝導率を適正に調整することによって、両方の動作モードにおいて必要とされる入口ガス温度と排ガスの十分な冷却とを得ることができる。

0038

以上、本明細書においては、本発明を現在のところ最も好ましい実施例であると考えられているものと関連して例示的に説明したが、本発明はここに開示された実施例に限定されず、特許請求の範囲に規定されている本発明の範囲に含まれる本発明の特徴の種々の組み合わせ又は改造及び幾つかの他の用途を包含することが意図されている。

0039

10動力装置、
12ボイラー、
14 炉、
16燃料供給手段、
18オキシダントガス供給手段、
20排ガス通路、
22 空気の流れ、
24空気分離ユニット(ASU)、
26排ガス再循環通路、
28ファン、
30ダンパー、
32,34熱交換面、
36ガス−ガス間熱交換器、
38集塵装置、
40分岐点、
42 排ガス通路20の端部、
44二酸化炭素捕獲ユニット、
46 二酸化炭素の流れ、
48凝縮ガス冷却器、
50酸素、
52ガス冷却器、
54酸素加熱器、
56酸素通路、
58ポンプ、
60 管、
62混合機、
64空気取り込み口、
66送風管、
68空気加熱器、
70側方管、
72循環ポンプ、
74 空気加熱アーム内の弁、
76メインの管内の弁、
78 平行通路部分、
80 ダンパー、
82 別の排ガス冷却器

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