JP2007526976A

JP2007526976A - 蒸気の発生を目的とする連続燃焼炉を備える発生器

Info

Publication number: JP2007526976A
Application number: JP2006505657A
Authority: JP
Inventors: ティジァニニアス、; ニコラブデ、; ジェラールマルタン、; ジァクデュゲ、; ジァクスグレ、; マゲロンヌアンメル、; ユメシュゴエル、; ヴァレリーノデ、
Original assignee: LAir Liquide SA pour lEtude et lExploitation des Procedes Georges Claude
Current assignee: LAir Liquide SA pour lEtude et lExploitation des Procedes Georges Claude
Priority date: 2003-01-31
Filing date: 2004-01-21
Publication date: 2007-09-20
Also published as: FR2850733A1; EP1592919A1; WO2004079260A1; CA2514891A1; US20060249101A1

Abstract

本発明は、燃料および酸化剤が供給された少なくとも１つの燃焼器と、蒸発熱交換器を備える蒸発域と、過熱熱交換器を備える過熱域と、予熱熱交換器を備える予熱域と、回収ドラムとを有する少なくとも２基の燃焼炉(Ｆ１、Ｆ２)を備える蒸気発生器であって、それぞれの炉が少なくとも１つの蒸発熱交換器(20)を備えることを特徴とする蒸気発生器に関する。
本発明によれば、それぞれの炉が少なくとも１つの蒸発炉(20)を備える。

Description

[発明の分野]
本発明は蒸気の発生を目的とする熱発生器に関する。

さらに詳細には、本発明は、より一般的にはボイラと呼ばれ、酸化剤、さらに詳細には概ね80％を超える高い酸素含有率を有する酸化剤の存在下で、燃料、特に硫黄および窒素を含む燃料を燃焼することによって動作する蒸気発生器に関する。

このような発生器を使用して、とりわけ火力発電所の蒸気タービンなどの回転機械を駆動することが可能であり、この機械では約560℃の温度を有する過熱蒸気と呼ばれる高温の蒸気を発生させる必要がある。この発生器の別の可能な応用例は、製油所で石油変換過程の要件を満たすために蒸気を発生させることである。このような発生器を使用して原油抽出のために蒸気を発生させることも可能である。

[発明の背景]
空気の存在下で燃料を燃焼することによって動作する蒸気発生器が、特に、仏国特許第2528540号明細書から既に知られている。この発生器は、少なくとも１つの燃焼器が設けられた燃焼炉(または燃焼小室)を備え、さらに蒸発スクリーンもしくは蒸発器と呼ばれる少なくとも１つの蒸発熱交換器を備える蒸発域と、過熱熱交換器もしくは過熱器を備える過熱域と、予熱熱交換器もしくはエコノマイザ（economiseur(仏)）を備える予熱域と、ならびに蒸気排出域および/もしくは蒸気再循環域とを連続的に、すなわち、相前後して含む。ドラムと呼ばれ、蒸発器に熱水を供給しかつ過熱器に蒸気を供給する気相および液相にある水を貯蔵する手段も設けられる。

この種類の発生器は一般に、２つの回路、すなわち、水回路と呼ばれ、蒸発域、過熱域、予熱域の熱交換器およびドラムを備える第１の回路と、蒸気回路と呼ばれ、酸化剤を含む燃料の燃焼から得られる蒸気を利用し、この蒸気が燃焼器から蒸気排出域まで流れるときに燃焼によって放出された熱エネルギーを様々な熱交換器に伝達することを目的とする第２の回路とを使用する。

実用では、燃焼から得られる蒸気は、水を加熱し、次いでそれを蒸発させ、最終的には蒸発によって得られる蒸気を過熱するように、その熱を対流によっておよび/または放射によって様々な熱交換器に伝達するために熱交換器を通過する高温の蒸気である。さらには、この蒸気は次に、スタック(＝煙突。cheminee(仏)）を介して大気に排出される前に、塵埃回収装置などの複合処理プラントに送出され、その後で蒸気処理ユニットに送出され得る。

水回路では、その箇所で利用可能な水が汲み上げられ、それが予熱されるエコノマイザの中に注入される。この予熱水は、次にドラムに送られ(自然循環型発生器の場合)、そこから予熱水が蒸発器に供給されるか、または蒸発器に直接送られ(強制循環型発生器の場合)、それによって予熱水の大部分を蒸発させる。次いで、この２相の液水蒸気混合物はドラムに送出され、そこで液相と蒸気相とが分離される。ドラムからの蒸気は、非常に高温の蒸気を発生させ得る過熱器に供給される。

したがって、よく知られているように、燃焼炉の蒸発器は、蒸気が最高の熱水準に到達しかつ蒸発器で水を２相の流体に変換するためのエネルギー要件が最大の領域であるので、この蒸発器で水の大部分が蒸発する。次いで、蒸気のエネルギーの過熱器への熱伝達、すなわち、過熱蒸気を得るために高い温度水準も必要とする伝達が過熱域で生じる。最後に、蒸気は、過熱域を退出するとき、その最低温度水準の蒸気を利用して水を予熱するエコノマイザとその熱エネルギーを交換する。蒸気の熱を最大限に利用することによって、これらのすべての熱交換動作は発生器の効率を極大化することができる。

好ましくは80％を超える高い酸素含有率を有する酸化剤を使用してこの種類の発生器を動作させ、さらに、とりわけこの酸化剤に含有される窒素バラストを削減することによってこのような燃焼から利点を得ることも関心事であり得る。

事実、酸化剤から窒素の少なくとも一部を除去するとき、蒸気流量とスタックを介して燃焼蒸気によって排出されるエネルギーとが低減され、したがってこのような蒸気発生器の熱効率を高めることができる。したがって同じ伝達熱量に対して燃料消費が減少する。一例として、空気で動作し、250℃の蒸気を排出する発生器のスタックにおける熱損失が、燃料によって供給された熱出力の約10％であるのに対して、同一の動作条件で酸化剤として純粋酸素を使用するとき、熱損失が３％まで低減され、それは約７％のエネルギー効率の上昇をもたらす。同様に、蒸気流量も少なくとも４倍減少する。

さらには、酸素による燃焼を利用するとき、排出物質が大幅に低減される。さらに詳細には、分子状窒素の熱解離と燃料中に含有された窒素の反応との両方から得られる窒素酸化物の排気物質(ＮＯx)が、同じ燃焼器技術で１から５倍減少する。

しかも、硫黄酸化物を除去するための蒸気の処理が、燃焼蒸気中の硫黄酸化物濃度の上昇を考慮して単純化され得る。したがって、硫黄酸化物の処理要件の費用に関してかなりの節約が実現可能である。

しかし、燃焼が空気と燃料との間で生じる蒸気発生器の設計は、高い比率の酸素を有する酸化剤の存在下での燃焼、すなわち、酸素燃焼が行われる発生器に応用することができない。

実際に、横座標に蒸気の温度(単位℃)と縦座標に燃焼効率(単位％)とを表すグラフである図１が、空気による燃焼(曲線I)と酸素燃焼(曲線II)との間の効率差を示す。

酸素燃焼によって動作する発生器の主要特徴の画定には、第１に様々な蒸気発生段階における熱交換の分布を計算する必要がある。

これは、480℃の温度および80バールの圧力で124トン/時の過熱蒸気を送出する100ＭＷの空気による発生器の実施例によって明らかになろう。この場合に、エコノマイザの流出口における250℃の蒸気温度では、エンタルピー表から得られた出力分布は以下の通りである。すなわち、
-蒸発器中の水の蒸発 43.8％
-過熱器中の蒸気の過熱 18.8％
-エコノマイザによる水の予熱 27.6％
-排出における熱損失 9.8％
図１は、エコノマイザの流出口における250℃の蒸気温度(点Ａ)に対して90.2％の熱効率を与える。

エコノマイザの流出口で250℃の蒸気温度を維持することによって、図１は、組成が約95％の酸素、約３％の窒素、および約２％のアルゴンである酸化剤を使用する酸素燃焼による発生器によって送出された出力の43.8％を消費する蒸発器の流出口における蒸気の温度が、2000℃を大幅に超えることを示す(線Ｂ)。

このような温度は、窒素酸化物(ＮＯx)などの排出物質に関して有害である。さらに詳細には、ＮＯx形成率と蒸気温度との間に指数依存性があり、約1500℃の蒸気温度から、酸化剤の分子状窒素のＮＯへの変換が非常に急激に増加することが証明されている。さらには、蒸気は2000℃を超える温度で過熱器に進入し、したがって過熱器を概ね形成する管が非常に高い蒸気温度に曝される。この解決には、既に乾燥蒸気が内部で循環する過熱器の管に対する熱抵抗問題が生じる。

窒素酸化物の形成に関して、燃焼炉の流出口において約1300℃の蒸気温度を超えないことが好ましいのは本出願人によって多大な研究を通じて得られた経験が証明する。

図１は、この温度に対応する熱効率が、酸素燃焼下で動作する燃焼小室では、約80.9％(点Ｃ)であり、それは、蒸発器が必要とする、約1200℃の温度で43.8％(点Ｄ)の効率を超えて際だって高いことを示している。

空気で動作する通常のボイラの場合では、エネルギー収支は、熱エネルギーの約30％が水の加熱に、約40％がその蒸発に、約20％が過熱に、さらに約10％が熱損失に吸収されることを示したことも観察された。酸素燃焼によって動作するボイラの場合では、燃焼小室の流出口における約1300℃の蒸気温度には、エネルギーの約80％がこの燃焼小室に伝達される必要があり、そのために蒸気過熱および水の予熱段階に十分な残存熱エネルギーが残らない。

本発明は、要件温度まで過熱された蒸気の実現を可能にする蒸気温度水準が、ボイラに通常使用される技術および材料を利用して簡素な方法で実現される発生器によって上記の欠点を克服することを目的とする。

[発明の概要]
したがって本発明は、燃料および酸化剤が供給された少なくとも１つの燃焼器と、蒸発熱交換器を備える蒸発域と、過熱熱交換器を備える過熱域と、予熱熱交換器を備える予熱域と、回収ドラムとを有する少なくとも２基の燃焼炉を備える蒸気発生器であって、それぞれの炉が少なくとも１つの蒸発熱交換器を備えることを特徴とする蒸気発生器に関する。

それぞれの炉が少なくとも１つの過熱熱交換器を備え得ることが好ましい。

それぞれの炉は、少なくとも１つの予熱熱交換器も備え得る。

炉の一方が少なくとも１つの蒸発熱交換器を備え、かつ他方の炉が少なくとも１つの過熱熱交換器を備え得る。

炉の一方が少なくとも１つの蒸発熱交換器を備え得るのに対して、他方の炉は少なくとも１つの過熱熱交換器と少なくとも１つの予熱熱交換器とを備え得る。

別法として、炉の一方が少なくとも１つの蒸発交換器と少なくとも１つの過熱熱交換器とを備え、かつ他方の炉が少なくとも１つの過熱熱交換器と少なくとも１つの予熱熱交換器とを備え得る。

蒸気発生器は、燃焼炉からの蒸気のための浄化小室を備え得る。

蒸気浄化小室は予熱域から上流に配置され得る。

蒸気浄化小室は吸湿剤噴射手段を含み得る。

蒸気浄化小室は還元剤噴射手段を備え得る。

蒸気浄化小室は少なくとも１つの蒸発域を備え得る。

蒸気浄化小室中に噴射された吸湿剤はカルシウム類またはマグネシウム類であり得る。

蒸気浄化小室中に噴射された還元剤は尿素類またはアンモニア類であり得る。

酸化剤は高酸素含有率の酸化剤であるのに対して、燃料は、重油、石油残留物、ガス、オイルコークス、または石炭などの固体、液体、または気体の燃料である。

少なくとも一方の炉の壁はシェル(＝外殻。 virole (仏))またはメンブレン(＝膜状。membranee(仏)）壁からなり得る。

[図の簡単な説明]
本発明の他の特徴および利点は、添付の図を参照して、以下の非限定的な実施例として供した説明を読むことにより明白になる。
-図２は、本発明の一実施形態に係る発生器を示す図である。
-図３は、本発明の第１の変形を示す図である。
-図４は、本発明の別の変形を示す図である。

[詳細な説明]
図２に関連して、より一般的にはボイラと呼ばれる蒸気発生器10が、酸化剤の存在下で燃料が燃焼する２基の連続する燃焼炉Ｆ１およびＦ２を備える。この燃料は、重油、石油残留物、ガス、オイルコークス、または石炭など、特に、硫黄および窒素を含有する固体、液体、または気体の燃料であるのに対して、酸化剤は、好ましくは80％を超える非常に高い酸素含有率を有する気体または純粋酸素であることが好ましい。

管路14を介して燃料が供給されかつ管路16を介して酸化剤が供給される少なくとも１つの燃焼器12が、図示した主燃焼炉Ｆ１の上部に好ましくは垂直に配置される。この燃焼器の配置および数量は、低排出ガスで燃焼を実現し、他方ではこの炉の壁18と燃焼器の炎が接触するのを防止するように当業者によって決定される。この燃焼は、火格子、流動床などの他の任意の手段によっても実行可能である。注入される燃料に応じて、燃料の蒸発に使用可能な蒸気を再利用するために、蒸気または、とりわけＣＯ₂またはＯ₂のような気体もしくは混合気などの補助流体を適切に使用して燃焼を最適化する。

この主燃焼炉Ｆ１は、少なくとも１つの蒸発熱交換器または蒸発スクリーン20(以後の説明では蒸発器と呼ぶ)を備える蒸発域Ｖを含み、この蒸発器は、説明の実施例では、好ましくは「メンブレン壁」型である主炉Ｆ１の壁からなる。よく知られているように、これらのメンブレン壁は、熱交換器を形成するように、溶接したフィンによって相互に連結された管からなる。こうして得られた蒸発器は、これらの管の内部で循環する流体の少なくとも一部を蒸発させる高温蒸発器である。

この蒸発域Ｖの、したがって主炉Ｆ１の流出口22が副燃焼炉Ｆ２に通じ、この副炉は、その下部にかつ流出口22と接続して、上で画定したように管路26を介して燃料が供給されかつ管路28を介して酸化剤が供給される燃焼器24を好ましくは垂直に内蔵する。同様に、この燃焼器の配置および数量は、低排出ガスで燃焼を実現し、他方ではこの副炉Ｆ２の壁と燃焼器の炎が接触するのを防止するように当業者によって決定される。

この副燃焼炉は、少なくとも１つの過熱熱交換器または過熱器30(高温過熱器と呼ぶ)を備える高温過熱域Ｓ１を含み、この過熱器は、それを通過する概ね蒸気相にある流体の温度を上昇させる。したがって、この炉の壁は、コンクリート、煉瓦、または繊維状物質などの絶縁物質によって熱放射から保護された好ましくは金属製シェル32からなる。蒸気が循環する管束34が、この絶縁物質に沿って装着される。この過熱器は、それを通過する蒸気相にある流体を過熱する高温熱交換器である。

この高温過熱域の流出口36が、追加的な過熱域Ｓ２(低温過熱域と呼ぶ)と好ましくは予熱域Ｐとを含む筐体Ｅに上部で連通する。低温加熱域Ｓ２は、少なくとも１つの対流型熱交換器38(低温過熱器と呼ぶ)を含む。予熱域Ｐも少なくとも１つの対流型熱交換器40(エコノマイザと呼ぶ)を含む。これらの対流型熱交換器38および40は、当業で知られているように、回収器に連結された管束からなる。

このように、蒸気発生器は２つの連続する燃焼炉、すなわち、主燃焼炉Ｆ１と、この主燃焼炉と直列に副燃焼炉Ｆ２とを備える。主炉Ｆ１は燃焼器12および蒸発器20を備えるのに対して、副炉Ｆ２は、燃焼器24、高温過熱器30を備え、さらにその後に低温過熱器38およびエコノマイザ40からなる筐体Ｅが続く。

予熱域の流出口42が、この筐体Ｅの下部で任意の知られた処理手段またはスタック(図示せず)に連通する蒸気排出域Ｆに通じる。

エコノマイザ40は、給水口44と、この種の発生器で一般に使用されるドラムなどの流体回収手段50の中へ管路48を介して終端する予熱水流出口46とを備える。低温過熱器38は、管路54を介してドラム50から来る蒸気のための流入口52と、この蒸気を高温過熱器30まで送出するための流出口56とを備える。高温過熱器30は、管路60によって運ばれる、低温過熱器38から来る蒸気のための流入口58と、火力発電所のタービンなど、このような過熱蒸気を利用する任意の手段に管路64を介して送出される好ましくは過熱蒸気のための流出口62とを備える。有利なことに、エコノマイザおよび低温過熱器には、それを通過する蒸気がそれほど大量の塵埃を含んでいなければ、フィンなどの熱伝達促進装置を設けることができる。蒸発器20は流入口66および流出口70を備え、この流入口には、それにドラム50を連結する管路68を介して予熱水が供給され、またこの流出口は、管路72によって２相形態(液水蒸気)にある水の混濁液をドラム50に送出する。

したがって、この発生器の動作時には、水が流入口44を介してエコノマイザ40の中に送り込まれ、それはこのエコノマイザの中を循環し、他方では予熱され、それは次いで、エコノマイザの流出口46にドラム50を連結する管路48によって、このドラムの中に回収される。次に、この熱水は、少なくとも一部を流出口70で２相の水混濁液に変換するために、管路68を介してドラム50から蒸発器20の流入口66まで送出される。この蒸発器を退出する混濁液は、管路72を介して、それが気相と液相とに分離されるドラム50に送出される。次いで、このドラムの中に収容された蒸気は、流出口56で第１の温度水準の乾燥蒸気を得るために、管路54を介して、この蒸気の温度を上昇させる低温過熱器38の流入口52に送出される。乾燥蒸気とは、しかるべき圧力において水の飽和温度を超える高温の蒸気であると理解される。高温過熱器30の流入口58は、管路60によって低温過熱器38から蒸気を受け取り、この蒸気は、過熱蒸気の形態で、すなわち、低温過熱器38からの蒸気の温度を超える高温で、流出口62を通って流出する。

これらの異なる温度上昇および/または様々な熱交換器の中で循環する流体の相変化を実現するために、燃焼によって発生した熱エネルギーを適切に利用することが必要である。したがって、気体、液体、または固体燃料の総量の一部(典型的には、このような総量の20％と80％の間の範囲)および高酸素含有率酸化剤の総量の一部(典型的には、20％と80％の間の範囲)が、管路14および16を介して主燃焼炉Ｆ１の燃焼器12の中に注入される。このように少なくとも２基の炉にわたる出力分布によって、緩和された運転条件下で動作させ、かつ発生器のより高い融通性を実現することができる。燃焼によって発生した蒸気は、蒸発器20の流出口70で２相の液水蒸気形態にある流体を得るために、蒸発域Ｖを通過しかつこの蒸発器の管中を循環する予熱水とその熱エネルギーの一部を交換する。

蒸気は、主炉Ｆ１の流出口22で副炉Ｆ２に送出され、そこでは燃料と酸化剤との合計量の残留分の燃焼が、管路26および28を介して燃料および酸化剤が供給される燃焼器24によって行われる。次いで、この蒸気の温度が高められ、さらにこの蒸気は高温過熱器30を含む高温過熱域Ｓ１を通過する。次いで、この過熱器の管中を循環する蒸気の温度が高められ、次に、この過熱蒸気は管路64を介して放出され、タービンなどの知られた手段または任意の過程によって利用される。流出口36を通って高温過熱域Ｓ１を退出する蒸気は、低温過熱器38を含む低温過熱域Ｓ２に送られ、そこでは温度上昇を受ける蒸気が循環する。別法として、図３に関連してさらに詳細に説明するように、蒸気は、低温過熱器38に流入する前に、吸湿剤が注入される蒸気処理域に送られる。次いで、この蒸気は予熱域Ｐを通過し、そこではエコノマイザ40の中を循環する水が蒸気との熱交換によって温度が高められ、他方ではこの蒸気を一般には約250℃の適切な温度まで冷却する。

次いで、この蒸気は流出口42を介して領域Ｆに排出され、さらに任意適切な処理手段または当業で知られているスタックに送出される。

実施例として、燃焼器12は、炉Ｆ１の流出口22で温度が約1300℃の蒸気を発生させる。次いで、この蒸気は副燃焼炉Ｆ２に流入する。この蒸気は、燃焼器24によって温度が高められ、炉Ｆ２における熱交換の後で、領域Ｓ１の流出口36で約1000℃の温度に達する。このように熱せられたこの蒸気は、その熱エネルギーを低温過熱器38と交換することによって副過熱域Ｓ２に流入し、それはこの領域を約600℃の温度で退出する。次いで、それは予熱域Ｐの中に存在するエコノマイザ40を一気に通過し、流出口42を介して約250℃の温度で領域Ｆに排出される。

並行して、水が約150℃の温度でエコノマイザ40の中に導入され、それは約290℃で流出する。次いで、この予熱水は、ドラム50を通過した後に一部が蒸発器20の中で蒸発し、それは、ドラム50に送出される前に約305℃の温度で流出する。このドラムを同じ温度で退出する蒸気が低温過熱器38に注入され、この過熱器によってその温度が流出口56で約375℃まで高められ、それはこの低温過熱器から高温過熱器30に送られ、さらにそれはこの高温過熱器から約480℃で退出する。

本発明の範囲から逸脱することなく、多数の燃焼炉を相前後して設置しかつ相互に対して直列に配置可能である。さらには、他の燃焼炉の後に配置された熱交換器に直列に連結された、蒸発器および/または過熱器および/またはエコノマイザなどの少なくとも１つの熱交換器を含む蒸発域および/または過熱域および/または予熱域をそれぞれの燃焼炉の中に配置することが可能である。

図２の変形を示し、したがって同じ参照符号を有する図３の実施例では、「メンブレン壁」型の副燃焼炉Ｆ２が使用され、かつ高温過熱域が主燃焼炉Ｆ１の中に配置される。

有利なことに、この変形では、発生器全体が、主炉Ｆ１から流出口42まで循環する蒸気中に含まれる熱エネルギーを役立てるように「メンブレン壁」型の壁を備える。

この発生器は、主燃焼炉Ｆ１と低温過熱域Ｓ２を含む副燃焼炉Ｆ２とを備える。この領域は、蒸気排出域Ｆによって終端する予熱域Ｐに通じる。上で説明したように、「メンブレン壁」型の主燃焼炉Ｆ１は、燃焼器12と、蒸発器20および蒸気流出口74を含む蒸発域Ｖとを備え、この流出口は、筐体Ｅ１の中に内蔵された高温過熱域Ｓ１に通じる。この実質的に垂直で細長い筐体も「メンブレン壁」型であり、それは蒸気流入口58および過熱蒸気流出口62を備える伝導型の高温過熱器30を内蔵する。この過熱域の流出口22は、図２に関連して説明した燃焼器24を備え、かつ同様にメンブレン壁からなる副燃焼炉Ｆ２に通じる。蒸気流出口36は、上で説明したように、蒸気流入口52および蒸気流出口56を備える低温過熱器38を含む低温過熱域Ｓ２に通じ、前記領域は、給水口44および予熱水流出口46が設けられたエコノマイザ40を含む予熱域Ｐに連通し、この予熱域は流出口42を介して蒸気排出域Ｆに連通する。

低温過熱域Ｓ２および予熱域Ｐは「メンブレン壁」型の壁を備えることが好ましい。この構成では、蒸発器中の予熱水の取り込みと、２相流体(液水蒸気)の流出とが異なる水準で生じ得る。とりわけ、メンブレン壁中には幾つかの予熱水流入口が存在し、かつドラム中には幾つかの２相流体流出口の開口が存在し得る。

実施例として、図３に示すように、蒸発器20は、主炉Ｆ１に予熱水流入口66と、予熱域の流出口42に配置されて管路72によってドラム50に連結された２相流体(液水蒸気)流出口70とを備える。したがって、燃焼炉Ｆ１およびＦ２、高温過熱域Ｓ１、低温過熱域Ｓ２、ならびに予熱域Ｐはそれぞれ、図中の参照符号Ｖ、Ｖ１、Ｖ２、およびＶ３を有する蒸発域の中に分散された蒸発器20の一部を含む。炉Ｆ１およびＦ２のみがメンブレン壁を有する場合は、２相流体流出口70は副炉Ｆ２の流出口に配置されることになり、この流出口には、図中の点線で示したように、管路72によってドラム50に連結され、蒸発域Ｖ、Ｖ１、およびＶ２のみが残ることになる。

すべての壁が「メンブレン壁」型である変形では、主炉が、燃焼器12と、蒸発器20を含む蒸発域Ｖと、高温過熱器30を含む高温過熱域Ｓ１と、筐体Ｅ１のメンブレン壁の管を含む蒸発域Ｖ１とを備えるのに対して、副炉Ｆ２は、燃焼器24と、低温過熱器38を含む低温過熱域Ｓ２と、エコノマイザ40を含む予熱域Ｐと、メンブレン壁の管を含む蒸発域Ｖ２およびＶ３とを備える。

したがって、上で図２に関連して説明したように、主炉Ｆ１の燃焼器12は、気体、液体、または固体燃料の総量の一部および高酸素量酸化剤の総量の一部によって供給される。炉Ｆ１の蒸気は、蒸発域Ｖを通過し、蒸発器20の流出口で第１の２相の液水蒸気形態にある流体を得るように、この熱交換器の管の中を循環する予熱水とその熱エネルギーを交換する。蒸気は、蒸発域Ｖの流出口74で高温過熱域Ｓ１を通過するが、この過熱域で、蒸気は高温過熱器30の流出口で第１の温度水準にある蒸気を得るように、一方でその熱エネルギーをこの過熱器に伝達し、他方で蒸発域Ｖ１の管の中を循環する流体に伝達する。

過熱域Ｓ１を退出する蒸気は流出口22を介して副燃焼炉Ｆ２に送られ、この炉で燃料と酸化剤との合計量の残留分の燃焼が燃焼器24によって行われる。次いで、この蒸気の温度が高められて、その蒸気は流出口36を介して副過熱域Ｓ２に排出されると共に、その熱エネルギーを低温過熱器38と交換する。この蒸気はまた、それが副炉および高温過熱域を通過するとき、そのエネルギーの一部を蒸発域Ｖ２の管に伝達する。低温過熱域Ｓ２を退出する蒸気は予熱域Ｐを通過するが、その域内では、エコノマイザ40の中を循環する水が蒸気との熱交換によって温度が高められ、他方では蒸気は適切な温度まで冷却される。同様に、蒸気は、蒸発域Ｖ３を形成するメンブレン壁の管にその熱エネルギーを伝達する。次いで、この蒸気は流出口42を介して領域Ｆの中に排出され、それは任意適切な処理手段または当業で知られているスタックに送出される。

動作の間に、流入口44を介してエコノマイザ40の中に流入する水が、このエコノマイザを通過することによって熱せられた後で、管路48を介してドラム50に送出される。次いで、この熱水は、管路68を介してこのドラムから蒸発器20の流入口66に送出される。流出口70から流出する２相の液水蒸気流体は、発生器を通過する流れ全体にわたって、すなわち、燃焼器12から流出口42まで蒸気の熱量を吸収して、管路72を介してドラム50に送出される。このドラムでは、２相流体は蒸気相と液相との間で分離され、蒸気は管路54を介して低温過熱器38の流入口52に送られ、その過熱器でこの蒸気の温度が第１の水準まで高められる。蒸気は、この過熱器の流出口56で管路60を介して高温過熱器30の流入口58に送られ、その高温過熱器で蒸気の温度は、流出口62を介して上で説明した任意の装置に排出される前に、低温過熱器38の水準を超える高い水準まで再び高められる。

当然のことであるが、こうしたすべての動作の間、燃焼器12および24には図２に関連して説明したように燃料が供給される。

さらに実施例として、蒸気の温度は、蒸発域Ｖの流出口で約1300℃、高温過熱域Ｓ１の流出口で約500℃、低温過熱域Ｓ２の流入口で約1300℃、この領域の流出口で約350℃、さらに蒸気排出域Ｆへの流出口42で約200℃である。様々な熱交換器中の流体の温度は、エコノマイザ40の流入口44で約150℃、このエコノマイザの流出口46で約165℃、蒸発器の流出口70および低温過熱器38の流入口52で約304℃、この過熱器の流出口56および高温過熱器30の流入口58で約360℃、さらにこの高温過熱器の流出口62で約480℃である。

図４は、図３による本発明の実施形態の変形を示し、したがってそれは同じ参照符号を有する。

この変形は、蒸気浄化小室76および中温過熱域Ｓ３を内蔵する筐体Ｅ２が存在する点が図３と基本的に異なる。

実際に、発生器における燃焼は一般に、環境に悪影響を有する硫黄酸化物(ＳＯx)および窒素酸化物(ＮＯx)などの大気汚染物質を含む蒸気を発生させることを本出願人は観察した。

これらの汚染物質を処理する数多くの方法が知られているが、それらのほとんどは、一般に予熱域を退出する蒸気に対して低温で行うものである。しかし、窒素酸化物処理を簡素化するために、または硫黄酸化物から硫酸が凝縮するのを防止するために、これらの汚染物質は約1000℃の高温で処理されることが好ましい。

したがって、図４の変形の場合では、この副炉の作用を考慮して高水準にある蒸気温度を役立てるように、脱硫小室のような蒸気浄化小室76が、燃焼器24によって生成された蒸気の流出口36の後に配置される。

図３に関連して既に説明したように、「メンブレン壁」型の主炉Ｆ１が、燃焼器12と、蒸発器20を含む蒸発域Ｖと、高温過熱器30および蒸気流出口22を含む高温過熱域Ｓ１とを備える。この過熱域の流出口22は副燃焼炉Ｆ２に通じる。炉Ｆ２の燃焼器24によって生成された蒸気の流出口36は中温過熱域Ｓ３に通じ、中温過熱器78が、管路82によって低温過熱器38の流出口56に連結された流入口80と、管路86によって高温過熱器30の流入口58に連結された蒸気流出口84とを備える。

この領域の流出口は、図示の実施例では脱硫小室である浄化小室76と連通する。

この小室には少なくとも１つの吸湿剤噴射器88が装備されており、その噴射器は、この小室を通過する蒸気の中に吸湿剤の噴流を迅速かつ均一に散布することが可能である。噴射された吸湿剤は、硫黄酸化物の形成を制限するように、カルシウム類もしくはマグネシウム類、または蒸気中に含まれた硫黄酸化物と反応可能な任意の他の種類でよい。噴射される吸湿剤の粒径および量は、現行規則に準拠する脱硫率を実現するように当業者によって決定される。

有利なことに、この浄化小室はまた、尿素またはアンモニアなどの還元剤を噴射することによって、この小室を通過する蒸気を脱窒するために役立つことになる。この還元剤は、吸湿剤噴射器88と同様の手段によって浄化小室中に均一に散布される。

吸湿剤の、および/または還元剤の噴射器の数ならびに配置は、浄化小室中に吸湿剤および/または還元剤が適切に散布されるように当業者によって決定されよう。

この浄化小室の壁は有利なことに「メンブレン壁」型の壁からなり、それらはまた、蒸発域Ｖ４を形成することによって蒸発器の中を循環する水を蒸発させる役割も果たす。

図３に関連して既に説明したように、浄化小室の流出口90は、低温過熱域Ｓ２と流出口42を介して蒸気処理域Ｆに通じる予熱域Ｐとに連通する。

動作の間に、主炉Ｆ１によって生成された蒸気は、主蒸発域Ｖを連続的に通過し、次いで高温過熱域Ｓ１を通過する。次いで、蒸気の温度は、この過熱域の流出口で燃焼器24によって高められる。この蒸気は、次に中温過熱域Ｓ３を通過して浄化小室76に達し、そこで蒸気は吸湿剤および/または還元剤の噴射によって脱硫および/または脱窒される。このように処理された蒸気は流出口90に達し、そこから蒸気は、蒸気排出域Ｆに到達する前に、低温過熱域Ｓ２および予熱域Ｐに流入する。

並行して、エコノマイザ40の中に導入された水はこのエコノマイザを通過することによって過熱され、次いでそれはドラム50に送出される。このドラム中に存在する熱水は蒸発器20に送出され、次いでこの蒸発器からの２相の液水蒸気流体は管路72を介してドラム50に送出される。ドラム中に存在する蒸気は低温過熱器38に送出され、そこから蒸気は管路82を介して中温過熱器78に送出される。次いで、この中温過熱器から来る蒸気は管路86を介して高温過熱器に送出され、そこから蒸気は流出口62および管路64を介して退出する。

浄化小室76を通過する蒸気は、この浄化小室における蒸気の滞留在時間にしたがって必要な脱硫率が得られるように、好ましくは600℃と1100℃の間の範囲の温度にある。この温度域は、この小室に上で説明した還元剤噴出器が装備されていれば、蒸気の脱窒も可能であることが確認できよう。

さらには、図３に関連して既に説明したように、蒸気はその熱エネルギーを様々な蒸発域Ｖ、Ｖ１、Ｖ２、Ｖ３、およびＶ４の管に伝達する。

この変形を示す実施例では、酸素燃焼下で動作し、かつ124トン/時の約480℃の温度まで過熱された蒸気を送出する100ＭＷの発生器を検討する。使用された燃料は、質量パーセントで、約84％の炭素、約９％の水素、約６％の硫黄、および約１％の窒素からなる。酸化剤の体積による組成は、約95％の酸素、約３％の窒素、および約２％のアルゴンからなる。燃料および酸化剤の流量はそれぞれ、主燃焼炉Ｆ１では約1.29kg/秒および4.24kg/秒であるのに対し、副燃焼炉Ｆ２では、それらは約1.39kg/秒および4.56kg/秒である。

このような条件から、エコノマイザ40の流入口で水の温度は150℃であり、エコノマイザの流出口で熱水の温度は約180℃であるのに対して、予熱域Ｐから上流では蒸気の温度は約450℃であり、この領域から下流では約250℃である。２相の液体水蒸気流体の温度は、蒸発器20を通過した後で、蒸発器の流出口70で約305℃である。低温過熱器38の流入口で蒸気の温度は約305℃であり、その流出口では330℃であるのに対して、低温過熱域Ｓ２から上流では蒸気の温度は約750℃であり、この領域から下流では約450℃である。中温過熱器78の流入口80で蒸気の温度は約330℃であり、その流出口84では約420℃であるのに対して、中温過熱域Ｓ３から上流では蒸気の温度は約1300℃であり、この領域から下流および浄化小室76の流入口では約1000℃である。高温過熱器30の流入口で蒸気の温度は約420℃であり、その流出口62では約480℃であるのに対して、高温過熱域Ｓ１から上流では蒸気の温度は約1300℃であり、この過熱域から下流では約500℃である。

本発明は上に説明した実施形態の実施例に限定されるものではなく、本発明はすべての変形を包含する。

有利なことに、窒素酸化物の排出を制限するように、化学量論的な条件の下で酸化剤に対して過剰量の燃料で主燃焼炉Ｆ１を動作させることが考慮可能である。

このような条件下で、適切な燃焼効率を実現するために、副燃焼炉Ｆ２は、上述の化学量論的な条件で燃料に対して過剰量の酸化剤で動作可能である。

さらには、燃焼炉中で利用可能な熱エネルギーを考慮すると、エコノマイザなしで済ますことが可能であり、さらに所定箇所に所定温度で水を受け取る蒸発器によって水を予め熱することが有利であり得る。この水は、循環する間に蒸発器の先頭部分で予熱され、次いで蒸発器の残りの部分で蒸発することになる。

従来からの蒸気発生器における、空気による燃焼(曲線I)と酸素燃焼(曲線II)との間の効率差を示すグラフである。本発明の一実施形態に係る発生器を示す図である。本発明の第１の変形を示す図である。本発明の別の変形を示す図である。

Claims

燃料および酸化剤が供給された少なくとも１つの燃焼器と、蒸発熱交換器を備える蒸発域と、過熱熱交換器を備える過熱域と、予熱熱交換器を備える予熱域と、回収ドラムとを有する少なくとも２基の連続燃焼炉(Ｆ１、Ｆ２)を備える蒸気発生器であって、それぞれの炉が少なくとも１つの蒸発熱交換器(20)を備えることを特徴とする蒸気発生器。
それぞれの炉が少なくとも１つの過熱熱交換器(30、38、78)を備えることを特徴とする請求項１に記載の蒸気発生器。
それぞれの炉が少なくとも１つの予熱熱交換器(40)を備えることを特徴とする請求項１および２のいずれか一項に記載の蒸気発生器。
前記炉の一方(Ｆ１)が少なくとも１つの蒸発熱交換器(20)を備えること、および他方の炉(Ｆ２)が少なくとも１つの過熱熱交換器(30、38、78)を備えることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の蒸気発生器。
前記炉の一方(Ｆ１)が少なくとも１つの蒸発熱交換器(20)を備えること、および他方の炉(Ｆ２)も少なくとも１つの過熱熱交換器(30、38、78)と少なくとも１つの予熱熱交換器(40)とを備えることを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載の蒸気発生器。
前記炉の一方(Ｆ１)が少なくとも１つの蒸発熱交換器(20)と少なくとも１つの過熱熱交換器(30)とを備えること、および他方の炉(Ｆ２)も少なくとも１つの過熱熱交換器(38、78)と少なくとも１つの予熱熱交換器(40)とを備えることを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載の蒸気発生器。
前記蒸気発生器は、燃焼炉(Ｆ１、Ｆ２)から来る蒸気のための蒸気浄化小室(76)を備えることを特徴とする前記請求項のいずれか一項に記載の蒸気発生器。
蒸気浄化小室(76)は予熱域(Ｐ)から上流に配置されることを特徴とする請求項７に記載の蒸気発生器。
蒸気浄化小室(76)は吸湿剤噴射手段(88)を備えることを特徴とする請求項７または８のいずれか一項に記載の蒸気発生器。
蒸気浄化小室(76)は還元剤噴射手段を備えることを特徴とする請求項７から９のいずれか一項に記載の蒸気発生器。
蒸気浄化小室(76)は少なくとも１つの蒸発域(Ｖ４)を備えることを特徴とする請求項７から９のいずれか一項に記載の蒸気発生器。
前記吸湿剤はカルシウム類またはマグネシウム類であることを特徴とする請求項９に記載の蒸気発生器。
前記還元剤は尿素類またはアンモニア類であることを特徴とする請求項10に記載の蒸気発生器。
前記酸化剤は高酸素含有率の酸化剤であることを特徴とする請求項１に記載の蒸気発生器。
前記燃料は、重油、石油残留物、ガス、オイルコークス、または石炭などの固体、液体、または気体の燃料であることを特徴とする請求項１に記載の蒸気発生器。
少なくとも一方の炉(Ｆ２)の壁はシェル(32)からなることを特徴とする請求項１から６のいずれか一項に記載の蒸気発生器。
少なくとも一方の炉(Ｆ１、Ｆ２)の壁はメンブレン壁からなることを特徴とする請求項１から６のいずれか一項に記載の蒸気発生器。