酸素燃焼ボイラの排ガスクーラ蒸気発生防止装置

本発明は、酸素燃焼ボイラの排ガスクーラ蒸気発生防止装置に関するものである。

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設備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、空気を支燃ガスとした空気燃焼ボイラが一般に使用されてきた。

石炭燃焼それ自体には、石油・天然ガス燃焼と比較してＣＯ ₂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ＣＯ ₂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。

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ＣＯ ₂を分離回収する作業が面倒になるという問題がある。

そこで、大気中へのＣＯ ₂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。

前記酸素燃焼ボイラでは、微粉炭を燃やす酸素燃焼ボイラから排出される燃焼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支燃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ＣＯ ₂濃度が飛躍的に高まり、よって、排ガスからのＣＯ ₂の分離回収作業が容易になる。

尚、前述の如き酸素燃焼ボイラと関連する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。

ところで、前記酸素燃焼ボイラの場合、排ガスと微粉炭搬送用の一次空気（酸素燃焼時は再循環ガス）及び燃焼用の二次空気（酸素燃焼時は再循環ガスと酸素を混合したもの）とを熱交換させる空気予熱器のガス出口温度は、約２６０℃程度となり、通常の空気燃焼ボイラより高温となる。 一方、前記空気予熱器の排ガス流通方向下流側に設置される脱塵装置（バグフィルタや電気集塵機等）の入口温度は、２６０℃以下の温度（例えば、バグフィルタの場合で約１３５℃、電気集塵機の場合で約８５℃）に調整する必要がある。

このため、前記空気予熱器と脱塵装置との間には、約２６０℃程度のガス出口温度を前記脱塵装置で要求される温度まで冷却する排ガスクーラを設置している。 又、前記排ガスクーラの冷媒には、温度条件及び熱回収による効率向上の観点から、約７０℃〜約１００℃程度の低圧給水を使用することが有効である。

しかしながら、何らかの原因でボイラ燃料遮断（MFT：Master Fuel Trip）が起こった場合、該ボイラ燃料遮断からしばらくしてボイラ給水ポンプが停止するため、前記排ガスクーラ内部への低圧給水の流れもなくなる。 このとき、前記ボイラ燃料遮断後もすぐには停止されない高温の排ガスとの熱交換により、前記排ガスクーラ内部に滞留する低圧給水が加熱され、蒸気が発生する。 発生した蒸気が再度急凝縮した際に、ドレン同士が衝突することにより、ウォーターハンマー（水撃作用）が発生し、配管や弁等に悪影響を及ぼすという問題があった。

本発明は、上記従来の問題点に鑑みてなしたもので、高温の排ガスとの熱交換によって引き起こされる排ガスクーラにおける蒸気発生を未然に防止し得る酸素燃焼ボイラの排ガスクーラ蒸気発生防止装置を提供しようとするものである。

本発明は、復水器と復水ポンプと低圧給水ヒータとボイラ給水ポンプとが順次設けられたボイラ低圧給水系統を備え、酸素燃焼時には、ボイラ低圧給水系統の復水ポンプで昇圧された低圧給水の一部をブースタポンプにて排ガスクーラへ圧送し、排ガスと熱交換させた前記低圧給水をボイラ低圧給水系統に再度導く酸素燃焼ボイラの排ガスクーラ蒸気発生防止装置であって、
前記復水器の給水出側と排ガスクーラの給水入側とを前記復水ポンプ及びブースタポンプを迂回するようにつなぐバイパスラインを設け、該バイパスラインに蒸気発生防止用ポンプと入口遮断弁とを設け、前記排ガスクーラの給水出側と復水器の給水入側とをつなぐ蒸気発生防止用水循環ラインを設け、該蒸気発生防止用水循環ラインに出口遮断弁を設け、ボイラ燃料遮断時におけるボイラ給水ポンプ停止時に、前記入口遮断弁と出口遮断弁を開き、前記蒸気発生防止用ポンプを起動することにより、水をバイパスラインから排ガスクーラへ流通させ、蒸気発生防止用水循環ラインを介し復水器へ戻して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の排ガスクーラ蒸気発生防止装置にかかるものである。

前記酸素燃焼ボイラの排ガスクーラ蒸気発生防止装置においては、前記排ガスクーラの入口ガス温度を計測するガス温度計と、
前記排ガスクーラの出口給水圧力を計測する給水圧力計と、
前記ガス温度計で計測された入口ガス温度が、前記給水圧力計で計測された出口給水圧力に基づく出口給水飽和温度を超え且つボイラ燃料遮断信号が入力されたときに、前記入口遮断弁と出口遮断弁へ開信号を出力し、前記蒸気発生防止用ポンプへ起動信号を出力する制御器と を備えることが好ましい。

更に、前記排ガスクーラの出口給水温度を計測する給水温度計を備え、
前記給水温度計で計測された出口給水温度が、前記給水圧力計で計測された出口給水圧力に基づく出口給水飽和温度を超えたときに、前記入口遮断弁と出口遮断弁へ開信号を出力し、前記蒸気発生防止用ポンプへ起動信号を出力するよう前記制御器を構成することが好ましい。

本発明の酸素燃焼ボイラの排ガスクーラ蒸気発生防止装置によれば、高温の排ガスとの熱交換によって引き起こされる排ガスクーラにおける蒸気発生を未然に防止し得るという優れた効果を奏し得る。

本発明の酸素燃焼ボイラの排ガスクーラ蒸気発生防止装置の実施例を示す全体概要構成図である。

本発明の酸素燃焼ボイラの排ガスクーラ蒸気発生防止装置の実施例を示す制御ブロック図である。

本発明の酸素燃焼ボイラの排ガスクーラ蒸気発生防止装置の実施例における関数発生器に設定された関数を示す線図である。

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。

図１〜図３は本発明の酸素燃焼ボイラの排ガスクーラ蒸気発生防止装置の実施例であって、１はボイラ本体、２は石炭を粉砕した微粉炭をボイラ本体１へ供給するミル、３はボイラ本体１から排出される燃焼排ガスを微粉炭搬送用の一次空気並びに燃焼用の二次空気と熱交換させる空気予熱器である。

前記ミル２で粉砕された微粉炭は、ボイラ本体１で燃焼させ、該ボイラ本体１から排出される燃焼排ガスは、空気予熱器３において、一次通風機４で圧送される一次空気（酸素燃焼時は再循環ガス）、並びに押込通風機５で圧送される燃焼用の二次空気（酸素燃焼時は再循環ガスと酸素を混合したもの）と熱交換させるようになっている。

前記空気予熱器３で熱交換した燃焼排ガスは、排ガスクーラ６で低圧給水と熱交換した後、バグフィルタ７で煤塵が除去され、誘引通風機８を経て脱硫脱水装置９へ導かれるが、そのうちの一部が再循環ガスとして前記押込通風機５の入側へ送られ、酸素と混合されるようになっている。

前記脱硫脱水装置９へ導かれた燃焼排ガスは、該脱硫脱水装置９において脱硫と脱水が行われ、脱硫通風機１０を経て、煙突１１から大気へ放出されるが、そのうちの一部が再循環ガスとして前記一次通風機４の入側へ送られるようになっている。

一方、前記ボイラ本体１で発生した蒸気は、図示していないタービンへ導かれ、該タービンが駆動されて発電が行われ、前記タービンを駆動した後の蒸気は、復水器１２へ導かれてボイラ給水に戻されるようになっている。 該ボイラ給水は、復水ポンプ１３で圧送され、ボイラ低圧給水系統１４における複数段（図１の例では二段）の低圧給水ヒータ１５，１６で加熱され、脱気器１７で脱気が行われるようになっている。 該脱気器１７で脱気が行われた低圧給水は、ボイラ給水ポンプ１８で圧送され、ボイラ高圧給水系統１９における複数段（図１の例では二段）の高圧給水ヒータ２０，２１で加熱されて高圧給水となり、ボイラ本体１へ戻され、循環されるようになっている。

又、前記排ガスクーラ６には、第一段目の前記低圧給水ヒータ１５の出側から分岐させた低圧給水分岐ライン２２により低圧給水をブースタポンプ２３で昇圧する形で導き、前記排ガスクーラ６で排ガスと熱交換させた前記低圧給水を第二段目の前記低圧給水ヒータ１６の出側に合流させるようになっている。

そして、本実施例の場合、前記復水器１２の給水出側と排ガスクーラ６の給水入側とを前記復水ポンプ１３及びブースタポンプ２３を迂回するようにつなぐバイパスライン２４を設け、該バイパスライン２４に蒸気発生防止用ポンプ２５と入口遮断弁２６とを設け、前記排ガスクーラ６の給水出側と復水器１２の給水入側とをつなぐ蒸気発生防止用水循環ライン２７を設け、該蒸気発生防止用水循環ライン２７に出口遮断弁２８を設けてある。

前記排ガスクーラ６の排ガス入側には、該排ガスクーラ６の入口ガス温度２９ａを計測するガス温度計２９を設け、前記排ガスクーラ６の給水出側には、該排ガスクーラ６の出口給水圧力３０ａを計測する給水圧力計３０と、前記排ガスクーラ６の出口給水温度３１ａを計測する給水温度計３１とを設けてある。

図１において３２は制御器であり、該制御器３２は、前記ガス温度計２９で計測された入口ガス温度２９ａが、前記給水圧力計３０で計測された出口給水圧力３０ａに基づく出口給水飽和温度３３ａ（図２参照）を超え且つボイラ燃料遮断信号３４（MFT：Master Fuel Trip）が入力されたときに、前記入口遮断弁２６と出口遮断弁２８へ開信号２６ａ，２８ａを出力し、前記蒸気発生防止用ポンプ２５へ起動信号２５ａを出力するようになっている。 より詳しくは、図２に示す如く、前記出口給水圧力３０ａに基づく出口給水飽和温度３３ａは、関数発生器３３によって求められるようになっている。 該関数発生器３３には、図３に示す如く、横軸に前記出口給水圧力３０ａを取り、縦軸に前記出口給水飽和温度３３ａを取り、両者の対応関係を示す関数が設定されている。 前記入口ガス温度２９ａと出口給水飽和温度３３ａとの偏差ΔＴ１を減算器３５で求め、該減算器３５で求められた偏差ΔＴ１をハイローモニタスイッチ３６へ入力するようになっている。 該ハイローモニタスイッチ３６は、ΔＴ１＞０であるときにオンディレイタイマ３７へ「１」の信号３６ａを出力し、ΔＴ１≦０であるときにオンディレイタイマ３７へ「０」の信号３６ａを出力し、該オンディレイタイマ３７に予め設定した時間以上継続して前記ハイローモニタスイッチ３６から「１」の信号３６ａが出力された場合に、設定時間経過時点を境に該オンディレイタイマ３７からＡＮＤ回路３８へ「１」の信号３７ａが出力されるようになっている。 前記ＡＮＤ回路３８には、ボイラ本体１の運転を緊急停止すべき状況となった場合に、ボイラ燃料遮断信号３４が入力され、これと同時に前記オンディレイタイマ３７から「１」の信号３７ａが出力されているときに、該ＡＮＤ回路３８からＯＲ回路３９を介して前記入口遮断弁２６と出口遮断弁２８に対する開信号２６ａ，２８ａと、前記蒸気発生防止用ポンプ２５に対する起動信号２５ａとが出力されるようになっている。

又、前記制御器３２は、前記給水温度計３１で計測された出口給水温度３１ａが、前記給水圧力計３０で計測された出口給水圧力３０ａに基づく出口給水飽和温度３３ａを超えたときに、前記入口遮断弁２６と出口遮断弁２８へ開信号２６ａ，２８ａを出力し、前記蒸気発生防止用ポンプ２５へ起動信号２５ａを出力するようにもなっている。 より詳しくは、図２に示す如く、前記出口給水温度３１ａと出口給水飽和温度３３ａとの偏差ΔＴ２を減算器４０で求め、該減算器４０で求められた偏差ΔＴ２をハイローモニタスイッチ４１へ入力するようになっている。 該ハイローモニタスイッチ４１は、ΔＴ２＞０であるときにオンディレイタイマ４２へ「１」の信号４１ａを出力し、ΔＴ２≦０であるときにオンディレイタイマ４２へ「０」の信号４１ａを出力し、該オンディレイタイマ４２に予め設定した時間以上継続して前記ハイローモニタスイッチ４１から「１」の信号４１ａが出力された場合に、設定時間経過時点を境に該オンディレイタイマ４２からＡＮＤ回路４３へ「１」の信号４２ａが出力されるようになっている。 前記ＡＮＤ回路４３には、前記ボイラ燃料遮断信号３４がＮＯＴ回路４４を介して入力され、即ち、ボイラ本体１の運転を緊急停止すべき状況となっていない場合（ボイラ燃料遮断信号３４が「０」でＮＯＴ回路４４から出力される信号が「１」である場合）であっても、前記オンディレイタイマ４２から「１」の信号４２ａが出力されているときには、該ＡＮＤ回路４３からＯＲ回路３９を介して前記入口遮断弁２６と出口遮断弁２８に対する開信号２６ａ，２８ａと、前記蒸気発生防止用ポンプ２５に対する起動信号２５ａとが出力されるようになっている。

尚、前記ＯＲ回路３９から出力される信号が「０」、即ち前記ＡＮＤ回路３８，４３から出力される信号がいずれも「０」となったときに、ＮＯＴ回路４５を介して前記入口遮断弁２６と出口遮断弁２８に対する閉信号２６ｂ，２８ｂと、前記蒸気発生防止用ポンプ２５に対する停止信号２５ｂとが出力されるようになっている。

次に、上記実施例の作用を説明する。

ボイラ本体１における酸素燃焼時、排ガスクーラ６には、低圧給水がブースタポンプ２３の作動により低圧給水分岐ライン２２を介し、第一段目の低圧給水ヒータ１５の出側から分岐する形で導かれ、前記排ガスクーラ６で排ガスと熱交換した低圧給水が第二段目の低圧給水ヒータ１６の出側に合流している。 このとき、ガス温度計２９で入口ガス温度２９ａが計測され、給水圧力計３０で出口給水圧力３０ａが計測され、給水温度計３１で出口給水温度３１ａが計測され、制御器３２へ入力される。

前記制御器３２においては、図２に示す如く、関数発生器３３によって前記出口給水圧力３０ａに基づく出口給水飽和温度３３ａが求められる。 前記入口ガス温度２９ａと出口給水飽和温度３３ａとの偏差ΔＴ１が減算器３５で求められ、該減算器３５で求められた偏差ΔＴ１がハイローモニタスイッチ３６へ入力され、該ハイローモニタスイッチ３６からは、ΔＴ１＞０であるときにオンディレイタイマ３７へ「１」の信号３６ａが出力される。 オンディレイタイマ３７に予め設定した時間以上継続して前記ハイローモニタスイッチ３６から「１」の信号３６ａが出力された場合に、設定時間経過時点を境に該オンディレイタイマ３７からＡＮＤ回路３８へ「１」の信号３７ａが出力される。 前記ＡＮＤ回路３８には、ボイラ本体１の運転を緊急停止すべき状況となった場合に、ボイラ燃料遮断信号３４が入力される。 これと同時に前記オンディレイタイマ３７から「１」の信号３７ａが出力されていると、該ＡＮＤ回路３８からＯＲ回路３９を介して前記入口遮断弁２６と出口遮断弁２８に対する開信号２６ａ，２８ａと、前記蒸気発生防止用ポンプ２５に対する起動信号２５ａとが出力される。

ここで、ボイラ燃料遮断からしばらくしてボイラ給水ポンプ１８が停止したとしても、前記入口遮断弁２６と出口遮断弁２８は開かれ、前記蒸気発生防止用ポンプ２５は起動されている。 このため、バイパスライン２４から低圧給水分岐ライン２２を経て前記排ガスクーラ６内部へ低圧給水が供給され、該低圧給水は蒸気発生防止用水循環ライン２７から復水器１２の給水入側へ戻されて循環され、前記排ガスクーラ６内部に滞留することが防止される。 この結果、ボイラ燃料遮断後もすぐには停止されない高温の排ガスとの熱交換により、前記排ガスクーラ６内部で低圧給水が加熱され蒸気発生を起こしてしまうことが避けられ、ウォーターハンマー（水撃作用）が発生せず、配管や弁等に悪影響を及ぼす心配がなくなる。

前記ガス温度計２９で計測された入口ガス温度２９ａが、前記給水圧力計３０で計測された出口給水圧力３０ａに基づく出口給水飽和温度３３ａを超え且つボイラ燃料遮断信号３４が入力されたときに、前記入口遮断弁２６と出口遮断弁２８へ開信号２６ａ，２８ａを出力し、前記蒸気発生防止用ポンプ２５へ起動信号２５ａを出力する制御器３２を備えることは、単にボイラ燃料遮断信号３４の有無のみに基づいて低圧給水の蒸気発生を検知するのに比べ、該蒸気発生を確実に防ぐ上で有効となる。

又、前記制御器３２においては、図２に示す如く、前記出口給水温度３１ａと出口給水飽和温度３３ａとの偏差ΔＴ２が減算器４０で求められ、該減算器４０で求められた偏差ΔＴ２がハイローモニタスイッチ４１へ入力され、該ハイローモニタスイッチ４１からは、ΔＴ２＞０であるときにオンディレイタイマ４２へ「１」の信号４１ａが出力される。 オンディレイタイマ４２に予め設定した時間以上継続して前記ハイローモニタスイッチ４１から「１」の信号４１ａが出力された場合に、設定時間経過時点を境に該オンディレイタイマ４２からＡＮＤ回路４３へ「１」の信号４２ａが出力される。 前記ＡＮＤ回路４３には、前記ボイラ燃料遮断信号３４がＮＯＴ回路４４を介して入力され、即ち、ボイラ本体１の運転を緊急停止すべき状況となっていない場合（ボイラ燃料遮断信号３４が「０」でＮＯＴ回路４４から出力される信号が「１」である場合）であっても、前記オンディレイタイマ４２から「１」の信号４２ａが出力されているときには、該ＡＮＤ回路４３からＯＲ回路３９を介して前記入口遮断弁２６と出口遮断弁２８に対する開信号２６ａ，２８ａと、前記蒸気発生防止用ポンプ２５に対する起動信号２５ａとが出力される。

つまり、ボイラ本体１の運転を緊急停止すべき状況となっていなくても、前記出口給水温度３１ａが出口給水飽和温度３３ａを超えている場合には、前記入口遮断弁２６と出口遮断弁２８は開かれ、前記蒸気発生防止用ポンプ２５は起動される。 ここで、前記排ガスクーラ６には、低圧給水がブースタポンプ２３の作動により、第一段目の前記低圧給水ヒータ１５の出側から分岐する形で導かれ、前記排ガスクーラ６で排ガスと熱交換した低圧給水が第二段目の前記低圧給水ヒータ１６の出側に合流している。 これに加え、バイパスライン２４から低圧給水分岐ライン２２を経て前記排ガスクーラ６内部へ低圧給水が供給され、該低圧給水は蒸気発生防止用水循環ライン２７から復水器１２の給水入側へ戻されて循環されるため、前記排ガスクーラ６内部への低圧給水量が増加される。 この結果、前記ボイラ本体１の通常運転時においても、前記排ガスクーラ６内部で低圧給水が出口給水飽和温度３３ａを超えて加熱されて蒸気が発生することが避けられ、ウォーターハンマー（水撃作用）が発生せず、配管や弁等に悪影響を及ぼす心配がなくなる。

前記制御器３２において、前記給水温度計３１で計測された出口給水温度３１ａが、前記給水圧力計３０で計測された出口給水圧力３０ａに基づく出口給水飽和温度３３ａを超えたときに、前記入口遮断弁２６と出口遮断弁２８へ開信号２６ａ，２８ａを出力し、前記蒸気発生防止用ポンプ２５へ起動信号２５ａを出力することは、ボイラ本体１の運転を緊急停止すべき状況となっていなくても、低圧給水の蒸気発生を確実に防ぐ上で有効となる。

尚、前記入口ガス温度２９ａと出口給水温度３１ａとがいずれも出口給水飽和温度３３ａ以下となって、前記ＡＮＤ回路３８，４３から出力される信号がいずれも「０」となったときには、前記ＯＲ回路３９から出力される信号が「０」となる。 この場合、ＮＯＴ回路４５を介して出力される信号は「１」となるため、前記入口遮断弁２６と出口遮断弁２８に対して閉信号２６ｂ，２８ｂが出力されると共に、前記蒸気発生防止用ポンプ２５に対して停止信号２５ｂが出力される。

こうして、高温の排ガスとの熱交換によって引き起こされる排ガスクーラ６における蒸気発生を未然に防止し得る。

尚、本発明の酸素燃焼ボイラの排ガスクーラ蒸気発生防止装置は、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。

１ ボイラ本体 ６ 排ガスクーラ １２ 復水器 １３ 復水ポンプ １４ ボイラ低圧給水系統 １５ 低圧給水ヒータ １６ 低圧給水ヒータ １８ ボイラ給水ポンプ ２２ 低圧給水分岐ライン ２３ ブースタポンプ ２４ バイパスライン ２５ 蒸気発生防止用ポンプ ２５ａ 起動信号 ２５ｂ 停止信号 ２６ 入口遮断弁 ２６ａ 開信号 ２６ｂ 閉信号 ２７ 蒸気発生防止用水循環ライン ２８ 出口遮断弁 ２８ａ 開信号 ２８ｂ 閉信号 ２９ ガス温度計 ２９ａ 入口ガス温度 ３０ 給水圧力計 ３０ａ 出口給水圧力 ３１ 給水温度計 ３１ａ 出口給水温度 ３２ 制御器 ３３ａ 出口給水飽和温度 ３４ ボイラ燃料遮断信号 ３５ 減算器 ３６ ハイローモニタスイッチ ３６ａ 信号 ３７ オンディレイタイマ ３７ａ 信号 ３８ ＡＮＤ回路 ３９ ＯＲ回路