JP7792013B2

JP7792013B2 - ボイラシステム

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Publication number: JP7792013B2
Application number: JP2024545475A
Authority: JP
Inventors: 聡吉本; 伸章林本; 将貴菅井; 裕人田中
Original assignee: Nippon Thermoener Co Ltd
Current assignee: Nippon Thermoener Co Ltd
Priority date: 2022-09-09
Filing date: 2023-07-14
Publication date: 2025-12-24
Anticipated expiration: 2043-07-14
Also published as: KR20250067761A; JPWO2024053250A1; WO2024053250A1

Description

本発明は、ボイラシステムに関し、特に、小型ボイラから排出される排ガス中のＣＯ_２濃度を高めることができるボイラシステムに関する。

近年、地球温暖化の要因とされるＣＯ_２（二酸化炭素）ガス排出量の大幅な削減が求められている。このために、ボイラなどの燃焼装置から排気される排ガス中のＣＯ_２を、化学吸着法や固体吸収法などによって分離回収するための各種システムが開発されている。ただし、排ガス中のＣＯ_２濃度は、通常１０％程度と低いため、ＣＯ_２分離回収装置の回収効率が低いという問題がある。

これに対して、石炭火力発電プラントが備えるボイラにおいて、従来の空気燃焼に代えて酸素燃焼を行うことによって、排ガス中のＣＯ_２濃度を高める方法が提案されており、酸素燃焼を利用するＣＣＳ（ＣａｒｂｏｎｄｉｏｘｉｄｅＣａｐｔｕｒｅａｎｄＳｔｏｒａｇｅ）の実証試験も行われている（非特許文献１および特許文献１）。

酸素燃焼は、酸化剤または支燃性ガスとして、空気の代わりに酸素ガスを供給して燃料を燃焼させる方式である。酸素燃焼の場合、排ガスに窒素成分がほとんど含まれないので、排ガスの主成分（石炭燃焼の場合、例えば９０％以上）をＣＯ_２ガスとすることができる。このため、酸素燃焼を利用すれば、排ガスを冷却等してＣＯ_２を分離回収することが、より容易になる。

ただし、高濃度の酸素ガスを用いて酸素燃焼を行うと、火炎温度が高くなりすぎることからバーナやボイラが損傷するおそれがある。このため、非特許文献１および特許文献１に記載の酸素燃焼ボイラ設備では、排ガスの一部を循環させ、製造した酸素と再循環ガス（主としてＣＯ_２ガス）とを混合し、酸素濃度を低下させた支燃性ガスをボイラに供給している。

また、上記の石炭火力発電プラントでは、酸素燃焼を行うために、取り込んだ大気から深冷分離法などによって高純度酸素を製造するための酸素製造装置がボイラの近傍に設けられている。ただし、酸素製造に電力を要する場合、発電開始に至るまでは、従来と同様に大気を取り込んでの空気燃焼を行うことが考えられる。

特許文献２には、酸素燃焼と空気燃焼とを切り替えて行うことができる石炭火力発電用のボイラプラントが開示されている。このボイラプラントでは、酸素燃焼に移行する前のボイラ起動時に、酸素ガスおよび循環排ガスの代わりに大気を供給することによって空気燃焼を行うことができる。そして空気燃焼によって得られた電力を用いて酸素ガスの製造を行えるようになった後は、空気の供給系を閉じて、酸素ガスと循環排ガスとをボイラに供給し、石炭の酸素燃焼へと容易に移行することができる。

また、特許文献２には、循環排ガスの流量を調節することによって支燃性ガスにおける酸素濃度を制御し、燃料量に対する酸素量の割合を所望の設定に制御する技術が記載されている。酸素濃度は、合計ガス流量に対する酸素流量の割合として、各ガス流量指令値から演算によって求めることができる。また、算出された酸素濃度に基づいて給水温度を設定することによって、熱交換器を流れる水や蒸気の温度を許容範囲内に制御して安全運転を図ることも可能である。

このようにして酸素燃焼を行うことによって排ガス中のＣＯ_２濃度を高めたうえで、ＣＯ_２の回収を行うことによって、より効率的にＣＯ_２を回収・貯留することが可能である。特許文献３および４には、具体的な排ガスＣＯ_２分離・回収装置が記載されている。また、特許文献５には、比較的小型のボイラにおいて排ガス中のＣＯ_２濃度を調整する技術が記載されている。ただし、この排ガスは、ボイラ排液を中和するために用いられるものであり、ボイラ排液に導入する前に大気の混合量を調整することによってＣＯ_２濃度が調整されているものにすぎない。

内田輝俊、"酸素燃焼を用いたＣＯ２を排出しない石炭火力発電所の実現に向けて－カライド酸素燃焼プロジェクトの運転状況－"、平成２５年度火力原子力発電大会論文集、平成２５年９月１８日受入、ｐ．１０１－１０６

特許第６４７１４８５号公報特許第５１３０１４５号公報特許第５３５１８１６号公報特許第３０２５５６６号公報特開平１１－２４４６５４号公報

上述したように、石炭火力発電装置などの大型設備において、大気から製造した酸素ガスと再循環させた排ガスとを用いて酸素燃焼を行うことによって、排ガス中のＣＯ_２濃度を大幅に高め、より効率的なＣＯ_２の回収・貯蔵を行う試みがなされている。このような方式では、支燃性ガスから予め窒素を除去しているので、ボイラ燃焼における窒素酸化物（ＮＯ_ｘ）の発生を抑制することができるという利点も得られる。

しかしながら、発電所のような大型設備ではなく、小型貫流ボイラや温水ボイラなど小型のボイラでは、要求される使用中の出力変化がより大きく、大型設備に比べて燃焼の制御速度を、桁外れに高速にしなければならない。このため、従来の大型設備と同様の酸素燃焼ボイラ構成を採用しただけでは、排ガスＣＯ_２濃度を高められたとしても、小型ボイラ設備では、失火などの運転不良が生じるおそれがあった。

本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、燃焼制御に比較的高い応答性が求められる小型ボイラを利用する場合であっても、安定燃焼を実現しながら、酸素燃焼を可能とし、排ガス中のＣＯ_２濃度を向上させることができるボイラシステムを提供することをその目的とする。

本発明の実施形態によるボイラシステムは、燃料ガスを燃焼させることによって給水を加熱するボイラと、前記ボイラからの排ガスを排気する排気ラインと、前記排気ラインから分岐する循環ガスラインであって、酸素供給ラインおよび大気供給ラインが接続され、大気および酸素ガスの少なくともいずれかとともに前記排ガスを前記ボイラに支燃性ガスとして供給することができる循環ガスラインとを備え、前記大気供給ラインには、大気吸い込みを制御するためのダンパが設けられており、前記酸素供給ラインは、オンオフ弁が設けられたメインラインと、開度自在弁が設けられたサブラインとを含んでおり、前記大気供給ラインの前記ダンパを閉じるとともに、前記酸素供給ラインの前記オンオフ弁の開閉および前記開度自在弁の開度を制御することによって、前記酸素供給ラインからの酸素ガスと前記排ガスとの混合ガスにおける酸素濃度を調節して支燃性ガスとして前記ボイラに供給できるように構成されている。

ある実施形態において、ボイラシステムは、前記ボイラの近傍に設けられ前記循環ガスラインからの前記支燃性ガスを前記ボイラに送出するための支燃性ガスファンと、前記支燃性ガスファンから前記ボイラに送出された前記支燃性ガス中の酸素濃度を測定する酸素センサとをさらに備え、前記酸素センサの出力に基づいて、前記開度自在弁がフィードバック制御されるように構成されている。

ある実施形態において、前記支燃性ガスファンの出口は、前記ボイラに設けられたバーナ用風箱に接続されており、前記酸素センサは、前記バーナ用風箱の内側のガスの酸素濃度を測定するように構成されており、前記酸素センサの出力に基づいて、前記バーナ用風箱の内側のガスの酸素濃度が２０～２２％に維持されるように前記開度自在弁が制御される。

ある実施形態において、前記酸素供給ラインの前記メインラインは、それぞれに前記オンオフ弁が設けられ並列接続された複数ラインによって構成されており、前記複数ラインの各オンオフ弁を制御することによって、前記メインラインから複数段の流量で酸素ガスを供給することができるように構成されている。

ある実施形態において、前記酸素供給ラインの前記サブラインに設けられた前記開度自在弁の一次側または二次側の少なくとも一方に手動弁が設けられており、燃焼に必要な理論燃焼酸素量の８０～９０％の酸素を前記メインラインを介して供給することができ、燃焼に必要な理論燃焼酸素量の０～５０％の酸素を前記サブラインを介して供給することができるように構成されている。

ある実施形態において、前記ボイラシステムは、前記ボイラからの排ガスの熱によって前記ボイラへの給水を予熱するエコノマイザと、前記エコノマイザの下流側の排ガスを冷却するガスクーラとをさらに備え、前記排気ラインは、前記ガスクーラによって冷却された排ガスを排気するように設けられており、前記ガスクーラは、前記排ガスの出口温度を３０℃～５０℃に冷却することができるように構成されている。

ある実施形態において、前記酸素供給ラインのメインラインに設けられた前記オンオフ弁は、電磁弁であり、前記酸素供給ラインのサブラインに設けられた前記開度自在弁は、電動弁である。

ある実施形態において、前記燃料ガスは、都市ガスまたはＬＰガスのいずれかであり、前記ボイラは、貫流ボイラまたは温水ボイラのいずれかである。

本発明の実施形態によるボイラシステムによれば、貫流ボイラまたは温水ボイラなどの小型ボイラを用いる場合にも、安定燃焼を実現しながら排ガス中のＣＯ_２濃度を高めることができる。

本発明の実施形態によるボイラシステムを示す模式図である。本発明の実施形態による酸素供給ラインの一態様を示す図である。

以下、図面を参照しながら本発明の実施形態を説明するが、本発明は以下の実施形態に限定されるものではない。

図１は、本発明の実施形態によるボイラシステム１００を示す。ボイラシステム１００は、燃料ガスＧＦを燃焼させるバーナ１１を有するボイラ１０と、ボイラ１０からの排ガスＧＥが通過するエコノマイザ（節炭器）１２と、エコノマイザ１２を通過した排ガスＧＥを冷却するためのガスクーラ１４と、ガスクーラ１４によって冷却された排ガスＧＥを排気する排気ライン１６とを備えている。

本実施形態で用いられるボイラ１０は、比較的小型の例えば貫流ボイラまたは温水ボイラである。また、用いられる燃料ガスＧＦは、例えば、都市ガス（またはメタンを主成分とするガス）またはＬＰガス（またはプロパンまたはブタンを主成分とするガス）である。ボイラシステム１００は、比較的小型のボイラ１０を用いて蒸気または温水を生成して提供できるように構成されており、各種工場、住居・宿泊施設や温浴施設などにおいて設置されて、用途に応じて適宜温度設定された温水や蒸気を提供することができる。

ボイラ１０は、バーナ１１によって燃料ガスＧＦを燃焼させることによってボイラ１０への給水Ｗ１を加熱し、温水や蒸気を生成することができる。エコノマイザ１２は、ボイラ１０からの排ガスＧＥの熱を利用して、ボイラ１０に供給する前に給水Ｗ１を予熱することができ、燃料ガスＧＦの消費量を節約することができる。

また、本実施形態では、ガスクーラ１４は、種々の熱交換器（例えばプレート式熱交換器やチューブ式熱交換器）を用いて、供給された冷却水Ｗ２との熱交換を行うことによって排ガスＧＥを冷却するように構成されている。ガスクーラ１４は、排ガスの出口温度Ｔ１が、例えば約３０～５０℃、特には約４０℃になるまで冷却することができるように構成されている。これによって、ガスクーラ１４において排ガスに含まれる蒸気をドレン化し、ドライな排ガスを得ることができる。

ボイラ１０からのブロー水、エコノマイザ１２からのドレン（排水）、ガスクーラ１４からのドレンは中和装置１８に送られる。中和装置１８は、種々方法により排水を中和して、産業排水基準に適合するｐＨ値に調整したうえで外部に排出する。

排気ライン１６は、冷却された排ガスＧＥを、煙道１６Ａから大気中へ放出したり、ＣＯ_２回収ライン１６Ｂを介してＣＯ_２回収設備に移送するために設けられている。後述するように、ボイラシステム１００では、酸素燃焼を行って排ガス中のＣＯ_２濃度を高めることができるので、ＣＯ_２回収ライン１６Ｂで送られた排ガスからＣＯ_２を効率的に回収することが可能である。なお、図示しないが、排気ライン１６には、バグフィルタなどの任意の排ガス処理装置が必要に応じて設けられていてもよい。

本実施形態のボイラシステム１００において、排気ライン１６には、排気ライン１６から分岐する循環ガスライン２０が接続されている。循環ガスライン２０は、ガスクーラ１４によって冷却された排ガスＧＥを、ボイラ近傍に設けられた押込ファン（支燃性ガスファン）２２を用いて、ボイラ１０へと循環させることができるように構成されている。循環ガスライン２０には、モータＭ駆動の循環ガス引込用ダンパ２４が設けられており、循環ガス引込用ダンパ２４の開度を調整することによって、任意の流量で排ガスＧＥをボイラ１０に供給することができる。

また、循環ガスライン２０には、大気供給ライン２６と酸素供給ライン３０とが接続されている。これによって、ボイラ１０には、大気ＡＩＲ、酸素ガスＯ_２および／または排気ライン１６から引き込んだ排ガスＧＥを、支燃性ガスＧＳとして供給することができる。この構成において、ボイラ１０は、空気燃焼と酸素燃焼との両方を実施することが可能である。

なお、図示する態様において、大気供給ライン２６は、酸素供給ライン３０の上流側に接続されているが、これとは逆に酸素供給ライン３０が上流側に接続されていてもよい。また、大気供給ライン２６と酸素供給ライン３０とは、必ずしも異なる場所に接続されている必要はなく、循環ガスライン２０の同じ接続箇所において共通ラインを用いて接続され、共通ラインの上流側で分岐して並列に配置されていてもよい。

大気供給ライン２６および酸素供給ライン３０は、循環ガス引込用ダンパ２４とボイラ１０との間で循環ガスライン２０に連通する限り、任意の態様で接続されていてよい。また、本実施形態では、ボイラ近傍に設けられた支燃性ガスファンとしての押込ファン２２を用いて、循環ガスライン２０におけるボイラ方向へのガスの流れを形成しているが、これに代えて、または、これに追加して、循環ガスライン２０に他の送風機（押込ファンや誘引ファンなど）を設けてもよい。また、排気ライン１６にも、必要に応じて任意の送風機を設けてもよい。

以下、循環ガスライン２０のより詳細な構成について説明する。

循環ガスライン２０に接続された大気供給ライン２６には、モータＭ駆動の大気吸込用ダンパ２８が設けられている。この大気吸込用ダンパ２８の開度を調整することによって、任意の流量で大気（空気）ＡＩＲをボイラ１０に供給することができる。

このようにして、循環ガスライン２０を介して、ボイラ１０に対して流量制御可能な空気を支燃性ガスＧＳとして供給することができるので、ボイラ起動時など、酸素燃焼を安定して行うことが困難なときには、空気燃焼によるボイラ運転を行うことができる。空気燃焼を行っている期間中、ボイラ１０には、開度調整された大気吸込用ダンパ２８を介して制御された流量で空気が供給される一方で、通常、循環ガス引込用ダンパ２４および酸素供給ライン３０は閉じた状態に維持されている。

燃料ガスとして都市ガス１３Ａを用いる場合、大気供給ライン２６からの空気を用いた空気燃焼では、燃焼排ガスに約１０ｖｏｌ％のＣＯ_２が含まれ、残りの大部分が窒素ガスおよび水蒸気によって構成される。このため、空気燃焼における排ガスからＣＯ_２を分離回収しようとする場合には、効率が悪く、回収装置側の設備が過大となるため、コストメリットが望めないという問題がある。そこで、ボイラ起動後、燃焼が安定し、排ガスＧＥの安定循環供給も可能になった後は、空気燃焼から酸素燃焼に切替えて、排ガス中のＣＯ_２濃度を向上させることが好適である。

酸素燃焼のために用いられる酸素供給ライン３０は、並列に接続されたメインライン３０Ａとサブライン３０Ｂとによって構成されている。図示する態様では、メインライン３０Ａとサブライン３０Ｂとは同じ酸素供給源に接続されているが、それぞれ別の酸素供給源に接続されていても良い。酸素供給源としては、例えば、圧力変動吸着法（ＰＳＡ）によって空気から生成した酸素ガスを利用することができる。

そして、酸素供給ライン３０のメインライン３０Ａには、オンオフ弁３２が設けられており、一方で、サブライン３０Ｂには、開度自在弁（典型的には比例弁）３４が設けられている。本実施形態において、オンオフ弁３２は電磁弁（ソレノイドバルブＳ）によって構成され、開度自在弁３４は、モータＭ駆動される電動弁によって構成されている。オンオフ弁３２は、例えば空気駆動弁（ＡＯＶ）によって構成されていてもよい。

本実施形態において、メインライン３０Ａからは、燃料ガスＧＦの成分および流量に適合する燃焼に必要な理論燃焼酸素量の８０～９０％の酸素を供給することができ、サブライン３０Ｂからは、理論燃焼酸素量の０～５０％の酸素を供給することができるように、各ラインでの酸素ガスの流量制御が行われる。酸素供給ライン３０から供給された酸素ガスは、循環ガス引込用ダンパ２４を開いて導入された排ガスＧＥと混合され、酸素濃度が調整された支燃性ガスＧＳとしてボイラ１０に供給される。

また、本実施形態において、サブライン３０Ｂは、単独の開度自在弁３４が設けられた１本のラインで構成されているのに対して、メインライン３０Ａは、それぞれにオンオフ弁３２が設けられた複数の並列ラインによって構成されている。

図２は、メインライン３０Ａが、３本のラインで構成されている例を示す。図２に示すように、並列に接続されたライン３０１、３０２、３０３によってメインライン３０Ａが構成されており、各ライン３０１、３０２、３０３に、オンオフ弁（ここでは電磁弁）３２１、３２２、３２３がそれぞれ設けられている。各オンオフ弁３２１、３２２、３２３の開放時定格流量（またはＣＶ値：一次側圧力と２次側圧力値とが規定値の場合に開放バルブを通過する流体の流量係数）は、同じであっても良いし、異なっていてもよい。

この構成において、オンオフ弁３２１、３２２、３２３の開閉制御を行うことによって、ボイラの燃焼パターンに適合する複数段での酸素流量制御を即座に行うことができる。例えば、０％－２０％－５０％－１００％で燃焼パターンを制御する４位置制御の場合、全オンオフ弁を閉じた状態で０％制御を行い、オンオフ弁３２１のみを開いた状態で２０％制御を行い、オンオフ弁３２１とオンオフ弁３２２とを開いた状態で５０％制御を行い、全てのオンオフ弁３２１、３２２、３２３を開いた状態で１００％制御を行うことができる。それぞれの燃焼パターンにおいて、各ラインを介して供給される酸素量の合計は、燃料ガス流量の変動に合わせて、上記のように理論燃焼酸素量の８０～９０％の酸素となるように調整されている。

なお、上記には、４位置制御を行うために３本のオンオフ弁付きラインを用いる態様を説明したが、燃焼パターンに応じて、２本または４本以上のオンオフ弁付きラインを用いても良いことは言うまでもない。また、メインライン３０Ａにおける流量制御が０％－１００％の２段階の制御で足りる場合には、図１に示したように、メインライン３０Ａも、サブライン３０Ｂと同様に、１本のラインで構成されていてもよい。

メインライン３０Ａにおいて、オンオフ弁３２を構成する各電磁弁は、モータ駆動の電動弁（開度自在弁３４）に比べて応答性が十分に高いものである。したがって、燃焼パターンに適合するように、各電磁弁の開放制御を高速に行うことができ、これによって燃焼不良の発生が防止できる流量で酸素ガスを供給することができる。また、複数ラインにオンオフ弁３２を設けてそれらの開閉制御によって流量を制御するので、大流量または小流量への瞬時の切り替えも比較的容易に実現することができる。

特に、小型ボイラの出力調整は、熱需要側の要求に合わせて非常に短時間（例えば２～３秒など多くは５秒以内）で切り替えることも多く、また、狭い燃焼室に対して高出力のバーナで燃焼を行うため、燃料の燃焼に必要な酸素量が、出力切替えごとに短時間で変化することがある。このため、必要な酸素量の供給が少しでも遅れた場合、その瞬間に不完全燃焼や振動燃焼、さらには失火につながることになる。これに対して、段階的な流量制御ではあるものの、非常に応答性高く流量を小流量から大流量まで制御可能なメインライン３０Ａからの酸素供給を行うことによって、事前に燃焼不良に至らない最低限の酸素を確実に供給することができる。したがって、ボイラシステム１００では、出力変動の激しい小型ボイラの用途においても、失火や燃焼不良の発生を防止することができる。

また、酸素供給ライン３０のサブライン３０Ｂにおいて、開度自在弁３４の一次側または二次側の少なくともいずれかに手動弁３８が設けられていてもよい。図１には、開度自在弁３４の一次側に手動弁３８が設けられた例が示されており、図２には、開度自在弁３４の二次側に手動弁３８が設けられた例が示されている。このように配置された手動弁３８は、サブライン３０Ｂにおける最大制御流量を調整するために用いることができる。手動弁３８を用いて、循環ガス引込用ダンパ２４の設定開度に対して投入したい酸素量を予め設定しておくことによって、循環ガス量の割合調整に対応することができる。

酸素量の微調整を行うためには、開度自在弁３４を有するサブライン３０Ｂが用いられる。これによって、酸素供給ライン３０からの酸素ガスＯ_２と排気ライン１６からの排ガスとＧＥとの混合気体によって形成される支燃性ガスＧＳにおける酸素濃度が、例えば大気中の酸素濃度と同等である約２１％（例えば２０～２２％）の比率で安定して維持されるように、酸素ガスの全体流量を微調整することができる。

また、排ガス量そのものを低減するために、酸素濃度を２１％以上とする酸素富化燃焼も鑑みて、開度自在弁３４は、必要酸素量の約半分までの酸素量を供給できるＣＶ値（または定格流量値）に設定されていてもよい。

ここで、図１に示すように、本実施形態のボイラシステム１００は、バーナ１１に供給される支燃性ガスＧＳの酸素濃度を測定するための酸素センサ３６ａを備えている。より具体的には、酸素センサ３６ａは、押込ファン２２の出口が接続されたバーナ用風箱１３に取り付けられ、バーナ用風箱１３の内側のガスの酸素濃度を測定するように設置されている。酸素センサ３６ａとしては、例えば、ガルバニ電池式のセンサが好適に利用されるが、酸素濃度を測定することができる限り、種々の態様のセンサを用いることができる。

また、酸素センサ３６ａには、酸素濃度制御回路３６ｂが接続されている。そして、酸素濃度制御回路３６ｂは、酸素センサ３６ａの出力に基づいて、酸素供給ライン３０のサブライン３０Ｂに設けられた開度自在弁３４をフィードバック制御できるように構成されている。

例えば設定酸素濃度が２０～２２％である場合、酸素センサ３６ａが出力する酸素濃度が２０％よりも低い場合には、その差に応じた操作量で開度自在弁３４の開度を開いて酸素濃度を上昇させる。また、酸素センサ３６ａが出力する酸素濃度が２２％よりも高い場合には、その差に応じた操作量で開度自在弁３４の開度を閉じて酸素濃度を低下させる。このようにして、酸素濃度制御回路３６ｂを用いて、設定濃度と測定濃度との差が０に近づくように開度自在弁３４をフィードバック制御することによって、バーナ１１に対して所望の設定酸素濃度を有する支燃性ガスＧＳを供給し続けることができる。なお、設定酸素濃度は一定値（例えば２１％）であってもよいことは言うまでもない。

このようにして、ボイラシステム１００は、循環ガスライン２０を介して、ボイラ１０に対し酸素ガスと排気ガス（主としてＣＯ_２）との混合気体による支燃性ガスＧＳを供給することができるので、酸素燃焼を安定して行うことができる。酸素燃焼を行っている期間中、ボイラ１０には酸素ガスが混合された排気ガスが支燃性ガスＧＳとして供給される一方で、通常は、大気吸込用ダンパ２８が閉鎖されて大気供給ライン２６は閉じた状態に維持される。

空気燃焼から酸素燃焼への切り替えの際には、大気吸込用ダンパ２８の閉操作に同期させて、循環ガス引込用ダンパ２４、メインライン３０Ａにおけるオンオフ弁３２の開操作が行われる。また、同時に、サブライン３０Ｂにおける開度自在弁３４の開度調整による酸素濃度調整操作も開始される。ボイラシステム１００は、大気供給ライン２６のダンパ２８を閉じるとともに、酸素供給ライン３０のオンオフ弁３２の開閉および開度自在弁３４の開度を制御することによって、酸素供給ラインからの酸素ガスＯ_２と排ガスＧＥとの混合ガスにおける酸素濃度を調節したうえで、これを支燃性ガスＧＳとしてボイラ１０に供給して酸素燃焼を行うことができるように構成されている。

したがって、ボイラシステム１００では、ボイラ起動時の空気燃焼から酸素燃焼にスムーズに移行することができ、また、酸素燃焼切替え後には、小型ボイラの出力変化特性に適合するように素早い酸素供給量の切り替えを行って、不完全燃焼や失火等の燃焼不良の発生を防止しながら、ＣＯ_２濃度が高い排ガスの排出を行うことができる。

次に、ガスクーラ１４の構成について説明する。上述したように本実施形態におけるガスクーラ１４は、排ガスの出口温度Ｔ１を例えば３０℃～５０℃にまで低下させ、ドライな排ガスを得るように構成されている。特に、都市ガスやＬＰガスを燃料ガスとして用いる小型のボイラ１０の場合、燃焼によって水蒸気は生成されるものの、排ガスＧＥに硫黄分などの腐食性ガスが含まれないので、常温近くまでこれを冷却しても大きな問題は生じない。したがって、冷却により含まれる水蒸気をドレン化してドライでＣＯ_２濃度が高められた排ガスを容易に得ることができる。そして、ボイラシステム１００では、酸素燃焼においてドライな排ガスを支燃性ガスに混合させて燃焼を行うので、再循環ガス中の水分によるバーナ燃焼への悪影響を避けることも可能である。

ガスクーラ１４で使用される冷却水Ｗ２は、典型的には、ボイラ給水Ｗ１の供給系とは別系統として設けられた冷却塔などの冷却システムを含む冷却水循環ラインを用いて提供される。ただし、ガスクーラ１４の出口から、冷却水Ｗ２の一部を軟化装置に導き、これをボイラ給水Ｗ１として使用することも可能である。

また、ガスクーラ１４では、排ガス冷却時に大量のドレンが生じる。このドレンをガスクーラ１４の底部に効率的に移動、滴下させるために、排ガスＧＥは、ガスクーラ１４の上部から底部に向かって下向きに流れることが好適である。一方で、冷却水Ｗ２は、空気溜まりの発生を防ぐために上向き流すことが好適である。また、ドレンは排ガス中のＣＯ_２などを吸収して酸性になっているため、ガスクーラ１４は耐酸性の材料を用いて構成することが好適である。なお、ガスクーラ１４は、エコノマイザ１２をバイパス運転した場合の入口排ガス温度も考慮して、適合する耐熱温度を有した材料を用いて構成することが好適である。

本発明の実施形態によるボイラシステムは、例えば小型の蒸気ボイラや温水機などにおいて、安定燃焼を継続しながら排ガス中のＣＯ_２濃度を高くするために好適に利用される。

１０ボイラ
１２エコノマイザ
１４ガスクーラ
１６排気ライン
１８中和装置
２０循環ガスライン
２２押込ファン（支燃性ガスファン）
２４循環ガス引込用ダンパ
２６大気供給ライン
２８大気吸込用ダンパ
３０酸素供給ライン
３０Ａメインライン
３０Ｂサブライン
３２オンオフ弁（電磁弁）
３４開度自在弁（電動弁）
３６ａ酸素センサ
３６ｂ酸素濃度制御回路
３８手動弁
１００ボイラシステム
ＧＥ排ガス
ＧＦ燃料ガス
ＧＳ支燃性ガス

Claims

燃料ガスを燃焼させることによって給水を加熱するボイラと、
前記ボイラからの排ガスを排気する排気ラインと、
前記排気ラインから分岐する循環ガスラインであって、酸素供給ラインおよび大気供給ラインが接続され、大気および酸素ガスの少なくともいずれかとともに前記排ガスを前記ボイラに支燃性ガスとして供給することができる循環ガスラインと
を備えるボイラシステムであって、
前記大気供給ラインには、大気吸い込みを制御するためのダンパが設けられており、
前記酸素供給ラインは、オンオフ弁が設けられたメインラインと、開度自在弁が設けられたサブラインとを含んでおり、
前記大気供給ラインの前記ダンパを閉じるとともに、前記酸素供給ラインの前記オンオフ弁の開閉および前記開度自在弁の開度を制御することによって、前記酸素供給ラインからの酸素ガスと前記排ガスとの混合ガスにおける酸素濃度を調節して支燃性ガスとして前記ボイラに供給できるように構成され、
前記ボイラからの排ガスの熱によって前記ボイラへの給水を予熱するエコノマイザと、前記エコノマイザの下流側の排ガスを冷却するガスクーラとをさらに備え、前記排気ラインは、前記ガスクーラによって冷却された排ガスを排気するように設けられており、前記ガスクーラは、前記排ガスの出口温度を３０℃～５０℃に冷却し、ドライな排ガスを排出することができるように構成されている、ボイラシステム。
前記ボイラの近傍に設けられ前記循環ガスラインからの前記支燃性ガスを前記ボイラに送出するための支燃性ガスファンと、前記支燃性ガスファンから前記ボイラに送出された前記支燃性ガス中の酸素濃度を測定する酸素センサとをさらに備え、
前記酸素センサの出力に基づいて、前記開度自在弁がフィードバック制御されるように構成されている、請求項１に記載のボイラシステム。
前記支燃性ガスファンの出口は、前記ボイラに設けられたバーナ用風箱に接続されており、前記酸素センサは、前記バーナ用風箱の内側のガスの酸素濃度を測定するように構成されており、前記酸素センサの出力に基づいて、前記バーナ用風箱の内側のガスの酸素濃度が２０～２２％に維持されるように前記開度自在弁が制御される、請求項２に記載のボイラシステム。
前記酸素供給ラインの前記メインラインは、それぞれに前記オンオフ弁が設けられ並列接続された複数のラインによって構成されており、前記複数のラインの各オンオフ弁を制御することによって、前記メインラインから複数段の流量で酸素ガスを供給することができるように構成されている、請求項１から３のいずれかに記載のボイラシステム。
前記酸素供給ラインの前記サブラインに設けられた前記開度自在弁の一次側または二次側の少なくとも一方に手動弁が設けられており、燃焼に必要な理論燃焼酸素量の８０～９０％の酸素を前記メインラインを介して供給することができ、燃焼に必要な理論燃焼酸素量の０～５０％の酸素を前記サブラインを介して供給することができるように構成されている、請求項１から３のいずれかに記載のボイラシステム。
前記酸素供給ラインのメインラインに設けられた前記オンオフ弁は、電磁弁であり、前記酸素供給ラインのサブラインに設けられた前記開度自在弁は、電動弁である、請求項１から３のいずれかに記載のボイラシステム。
前記燃料ガスは、都市ガスまたはＬＰガスのいずれかであり、前記ボイラは、貫流ボイラまたは温水ボイラのいずれかである、請求項１から３のいずれかに記載のボイラシステム。
前記ガスクーラは、前記給水とは別個に供給された外部からの冷却水との熱交換によって前記排ガスを冷却するように構成されており、前記排ガスが上部から底部に向かって下向きに流れる一方で、前記冷却水は上向きに流れるように供給され、冷却された前記排ガスから生じたドレンを底部から排出するように構成されている、請求項１から３のいずれかに記載のボイラシステム。