JP2005308372A - 流動床炉 - Google Patents

Abstract

【課題】 本発明の目的は、様々の炭種の石炭や木材チップ等のバイオマス燃料、及び含水率の極めて高い汚泥を燃料として、安定な低ＮＯｘ燃焼を生じることができ、ダイオキシン類発生が少ない流動床炉を提供することにある。
【解決手段】 本発明の流動床炉１は、炉体底部に配設される、流動媒体からなる流動層１３を有し、流動層を流動化させ、流動層に固体燃料を供給して燃焼させる流動床炉において、炉体１０から排出される燃焼排気ガスにより、燃焼用空気を、該燃焼用空気により固体燃料を乾燥させるとともに固体燃料の着火温度以上の温度まで加熱できる温度に加熱して高温燃焼用空気を生成する熱交換手段２１と、流動層に高温燃焼用空気を吹き込んで流動化させる散気手段１１ａとを備えることを特徴とする。
【選択図】 図１

Description

本発明は、循環流動層ボイラ、流動床焼却炉或いは流動床ガス化炉に好適に使用できる流動床炉、特に、石炭を燃料とする安定な低ＮＯｘ燃焼炉、汚泥等含水燃料の燃焼炉或いはダイオキシン類発生の少ない廃棄物焼却炉として好適な流動床炉に関する。

流動用押し込み空気（燃焼用空気）により流動媒体の流動層を流動化させ、該流動層を高温に維持しつつ固体燃料を燃焼させる流動床炉が知られている。この流動床炉は、例えば石炭を燃料とする発電用ボイラ、汚泥やバイオマス燃料等含水率の高い燃料の燃焼炉或いは固体廃棄物の焼却炉等に広く採用されている。
固体燃料を着火、燃焼させるためには、該燃料自身が着火温度以上に熱せられていることが必要であり、通常は、固体燃料の燃焼熱により流動床が高温に維持されるが、汚泥等含水率の高い燃料を燃焼させる場合には、炉内に補助バーナを設け、補助燃料を燃焼させて水分を蒸発させるとともに炉内温度を高温に維持することが多い。かかる補助バーナを使用せず、流動床に吹き込んで流動化を生ぜしめる燃焼用空気を流動床炉の外部で補助バーナにより加熱する発明も提案されている（例えば、特許文献１参照）。
特開２００１−３２４１０７号公報

ところで、流動床炉において、汚泥等の含水率の高い燃料を燃焼させるためには、まず該水分を蒸発させないと燃料の温度を着火温度以上に上げることができないことはいうまでもない。このような水分蒸発のための熱量を固体燃料の燃焼のみにより供給することはこれまでは困難とされ、流動床炉を含む多くの燃焼炉においては、補助燃料を燃焼させる補助バーナを設置し、かかる水分蒸発、固体燃料加熱のための熱量の相当部分を補助バーナの燃焼による熱量に依存している。しかし、流動床炉の構造上、上記補助バーナは、固体燃料の燃焼火炎より後流側に設置されるため、補助バーナからの熱量の相当部分は、燃焼排気ガスとともに外部に散逸してしまう。

この欠点を補うため、特許文献１の発明は、流動層に供給される燃焼用空気を流動層に供給する前に、流動床炉とは別の装置内で、補助燃料の燃焼により該燃焼用空気を、予め加熱することにより流動床炉内の補助バーナの代替とし、大気中へ散逸する熱量を低減して補助燃料の量を低減することとしている。しかし上記発明によっても、水分蒸発等のために余分の補助燃料が必要となることには変わりがなく、余分の補助燃料費というコストアップ要因を抱えている。

また、廃棄物の焼却における一般的課題として、廃棄物の燃焼により有毒のダイオキシン類が発生するという問題がある。ダイオキシン類は、通常の除塵手段では規制値を満足できるほど排気ガス中の濃度を低下させることが困難なため、例えば活性コークス塔や活性炭吹込みバグフィルタ等の専用の除去装置が必要であり、焼却炉のコストアップ要因になる。従って、排気ガス中のダイオキシン類の濃度をその発生源から低減することが望ましい。

さらにまた別の問題として、流動床炉を、燃料を石炭とするボイラ等として使用した場合に、（１）揮発性の低い炭種を燃料として使用した場合には石炭の着火性が悪く安定燃焼が困難であり、（２）フューエルＮＯを中心とするＮＯｘの発生量が多い、等の問題があげられている。石炭に限らず固体燃料は燃焼炉内において高温に晒され揮発性成分がガス化して、該ガスが燃焼するのであるが、この揮発性は炭種により異なり、例えば、炭化度が進み煙の少ない無煙炭の揮発性は低く着火性が極端に悪い。無煙炭を含む種々の炭種を燃料として、低負荷から定格運転までの広い作動範囲で安定して燃焼させることは殆ど不可能である。

また、石炭を燃料とした場合には石炭中に含まれる窒素が燃焼により酸化されてフュ−エルＮＯを形成し、燃焼排気ガス中に含まれるＮＯｘ発生量を増加させる。このフュ−エルＮＯは、空気中の窒素が燃焼によって酸化されて発生するサーマルＮＯに比較するとその発生抑止が困難であり、大型の脱硝装置等により除去せざるをえない。従ってこのようなＮＯｘ発生量の低減が望ましいことはいうまでもない。

また、別の問題として、例えば、バイオマス燃料のように揮発性の高い燃料を流動床炉内で燃焼させると、偏流等により十分に流動化されていない流動層内に閉じ込められた燃料が、閉じ込められたごく狭い空間内で燃焼し、その近傍を、例えば、１、４００℃以上もの高温にして近傍の流動媒体を溶融してしまう。かかる溶融した流動媒体は冷えると一つの塊となってしまい、そのような塊が増えれば流動層の流動化に妨げとなることはいうまでもない。このため、流動層の温度が上昇しすぎることを防止するため、例えば流動層の上に水を噴霧することも行われているが、かかる水噴霧は、結局、燃料の熱エネルギーの無駄につながる。

本発明は上記の事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、様々の炭種の石炭や木材チップ等のバイオマス燃料、さらには含水率の極めて高い汚泥を燃料として、安定な低ＮＯｘ燃焼を生じることができ、高い熱エネルギー効率によるコストパフォーマンスに優れ、ダイオキシン類発生が少なく、局所的な高熱の発生も少ない流動床炉を提供することにある。

上記目的を達成するため、請求項１の発明によっては、炉体底部に配設される、流動媒体からなる流動層を有し、該流動層内を流動化させ、該流動層に固体燃料を供給して燃焼させる流動床炉において、前記炉体から排出される燃焼排気ガスにより、燃焼用空気を、該燃焼用空気により前記固体燃料を乾燥させるとともに該固体燃料の着火温度以上の温度まで加熱できる温度に加熱して高温燃焼用空気を生成する熱交換手段と、前記流動層に前記高温燃焼用空気を吹き込んで流動化させる散気手段とを備えることを特徴とする流動床炉が提供される。

なお、本発明は種々の固体燃料が適用可能であり、ここでいう「固体燃料」には、石炭や木材チップ等の固体状燃料のほか、汚泥、石炭スラリー等スラリー状の燃料が含まれる。
前記燃焼排気ガスから粉塵を除去して前記熱交換手段に供給する脱塵手段を備えていてもよい（請求項２）。

また、前記熱交換手段により、前記燃焼用空気を、８００℃以上に加熱することとしてもよい（請求項３）。
前記熱交換手段は、多管式熱交換器であってもよく（請求項４）、蓄熱式熱交換器であってもよい（請求項５）。
請求項６の発明によっては、炉体底部に配設される、流動媒体からなる流動層を有し、該流動層を流動化させ、該流動層に固体燃料を供給して燃焼させる流動床炉において、前記炉体から排出される燃焼排気ガスにより、燃焼用空気を加熱して高温混合用空気を生成する熱交換手段と、前記炉体から排出される前記燃焼排気ガスの一部を、前記熱交換を行う前に抽気して、前記高温混合用空気と混合して高温燃焼用酸化ガスを生成する高温燃焼用酸化ガス生成手段と、前記流動層に前記高温燃焼用酸化ガスを吹き込んで流動化させる散気手段とを備え、前記高温燃焼用酸化ガスの温度は、該高温燃焼用酸化ガスにより前記固体燃料を乾燥させるとともに該固体燃料の着火温度以上の温度まで加熱できる温度であることを特徴とする流動床炉が提供される。

請求項１の発明の技術的特徴は、以下の３点である。
先ず第１の技術的特徴は、含水率の高い燃料の水分を蒸発させ、着火温度以上に加熱するための熱量を補助燃料の燃焼によって得るのではなく、固体燃料自身の燃焼により発生する高温の燃焼排気ガスの熱交換により得ることである。すなわち、熱交換手段により、流動床炉から排出される高温の燃焼排気ガスを熱源として、燃焼用空気を加熱し、高温燃焼用空気を生成し、散気手段を介して流動層内に供給して流動層を流動化させるとともに、流動層中の固体燃料に含まれる水分を蒸発させ、固体燃料の温度を着火温度以上まで昇温させるのである。このため、炉体内で補助燃料を燃焼させて水分を蒸発させる、或いは、炉体外で補助燃料を燃焼させて燃焼用空気を加熱する場合と異なり、補助燃料が不要となるか、又は補助燃料の量を著しく低減することができる。言い換えると、固体燃料の燃焼から発生する熱量のみか、又はそれに僅かの補助燃料の燃焼による熱量のみで、水分蒸発及び燃料の昇温が行えるので、固体燃料から発生する熱エネルギーを極めて有効に利用することができる。また、補助燃料による燃焼が不要の場合には、補助バーナ等の付属設備が不要となるので構造を単純化できるという効果を奏する。

第２の特徴は、高温の燃焼排気ガスを熱交換手段により強制的に短時間で低温の排気ガスとすることができるため、燃焼排気ガスの温度が、ダイオキシン類が再生成されやすい２５０〜６００℃の温度域に留まる時間が極めて短くなり、ダイオキシン類の発生を著しく減少できることである。すなわち、ダイオキシン類は、高温（７００℃以上）で分解する性質があり、高温に晒される燃焼炉内では生成しても分解されてしまう。しかし、ダイオキシン類の特異な性質として一旦高温で分解されダイオキシン類の消失した燃焼排気ガスであっても、該ガスが冷却される途中で前述の２５０〜６００℃温度域になるとダイオキシン類が再生成されることがある。このため、かかる燃焼排気ガスの冷却過程においてかかる温度域に留まる時間を短縮すると、高温によるダイオキシン類の分解―燃焼排気ガスの（２５０℃以下までの）短時間での冷却によるダイオキシン類の再生成防止というプロセスによりダイオキシン類の発生を極めて低減することができる。本特徴は、ダイオキシン類の発生が懸念される、例えば、固体廃棄物の焼却炉に本発明を適用した場合に大きなメリットがある。

第３の特徴は、流動層内に供給する燃焼用空気を、固体燃料をその着火温度以上まで加熱できる高温に熱交換により加熱し、固体燃料の燃焼を高温空気燃焼としたので、低揮発性の炭種を含む石炭等を含めて安定燃焼が可能であり、かつ石炭を燃料とした場合には、燃焼用空気量を調節して、該燃焼を還元性雰囲気中での低ＮＯｘ燃焼とすることができることである。前述のように、例えば流動床ボイラにおいて石炭を燃料とした場合に、炭種によっては、揮発性ガスが発生しにくく着火性が悪くなる場合がある。しかし本発明によっては、燃焼用空気を高温に加熱しているので、燃焼火炎近傍が高温になり、低揮発性の燃料であっても揮発が促進され着火性が向上し、消炎の虞なく安定な燃焼が確保できる。さらに、石炭燃焼の場合の問題である、フュ−エルＮＯの形成によるＮＯｘ発生の増加についても、供給する燃焼用空気量を低減し火炎近傍を還元性雰囲気とすることにより石炭中の窒素成分の酸化を抑止し、ＮＯｘ発生量を低減することができる。このとき、通常の石炭燃焼では、火炎近傍を還元性雰囲気にすると酸素不足により消炎してしまうが、本発明のように燃焼用空気を高温に加熱することにより還元性雰囲気中においても安定な燃焼が可能となるのである。

請求項２の発明によっては、燃焼排気ガス中に含まれる粉塵を除去して熱交換手段に供給する脱塵手段を備えたので、燃焼排気ガス中の粉塵が除去され、熱交換手段の内部において該粉塵による磨耗や粉塵付着による閉塞を生じたり或いは該粉塵が熱交換手段の伝熱部に付着して熱交換機能を低下させることを防止することができる。
請求項３の発明によっては、熱交換手段により、燃焼用空気を、８００℃以上に加熱することとした。これにより以下の効果が得られる。

まず、燃焼用空気を８００℃以上とすることにより、水分を蒸発させかつ該蒸気を十分な高温まで加熱することができるので、火炎近傍に高温雰囲気を容易に形成することができる。且つその温度は、多くの固体燃料を考慮しても十分な着火性を維持できる高温とすることができるので、例えば、含水率の高い汚泥等を燃料としても十分に安定な燃焼を確保できる。

また、別の効果として、ダイオキシン類を十分に分解することができる。前述のようにダイオキシン類は、７００℃以上の高温では分解するが、燃焼炉内における偏流等を考慮し、一般には、ダイオキシン類の熱分解のためには８００℃程度の高温が望ましいとされ、燃焼用空気温度を８００℃以上とすることにより、流動床炉内でのダイオキシン類の分解をより確実なものとしダイオキシン類の発生量を低減することができる。

さらにまた別の効果として、燃料が石炭の場合、前述のように石炭の着火性は炭種により異なるが、種々の炭種を考慮しても８００℃以上の高温であれば高い着火性が確保され安定な燃焼を維持できる。
熱交換手段としては、様々な方式が採用できるが、多管式熱交換器（請求項４）を適用すると高温ガスが接触する部位に切換弁を必要とせず、又は安価な畜熱材に畜熱させる蓄熱式熱交換器（請求項５）を使用すると、高温耐熱材の使用を必要とする多管式熱交換器に比較してコスト的に有利になる。

請求項６の発明は、請求項１の発明と同様、燃焼排気ガスを熱源として高温の高温混合用空気を生成するが、これに加えて流動床炉から排出される高温の燃焼排気ガスの一部を抽気し、高温混合用空気と混合して高温燃焼用酸化ガスを生成する高温燃焼用酸化ガス生成手段と該高温燃焼用酸化ガスを流動層内に吹き込み流動層を流動化させる散気手段を備え、該高温燃焼用酸化ガスの温度を、請求項１と同様、固体燃料の水分を蒸発させて乾燥させ、該燃料温度を着火温度まで加熱できる温度としたので、酸素濃度が低下した高温燃焼用酸化ガスを流動床炉内に供給し、燃料を燃焼させることができる。燃焼酸化ガスの酸素濃度が低下しても、高温雰囲気が形成されているため燃料の着火性が低下しないためである。しかも、酸素濃度が低下しているために、例えば、バイオマス燃料のような揮発性の高い燃料が局所に閉じ込められていた場合に、該燃料が超高温（例えば、１４００℃以上）で燃焼して周囲の流動媒体を溶融してしまうことはなく、それを防止するために、例えば水噴霧を行って流動層を冷却する必要もなく、噴霧された水の蒸発など、そのために熱エネルギーが無駄に使われることがない。

以下に本発明にかかる流動床炉の実施態様を説明する。
まず、本発明の第１の実施例を、図１を参照して説明する。なお、図１は本流動床炉１のシステム構成を模式的に示すものであり、各機器等の形状や数量については以下の説明に従うものとする。
第１実施例にかかる流動床炉１は、汚泥（固体燃料）ＦＬを燃料とする燃焼炉設備であるが、底部近傍に流動媒体である砂の流動層が形成され、流動層を流動化させながら汚泥の水分を蒸発させ燃焼させる炉体１０と、該炉体から排気される燃焼排気ガスＥＧを熱源として、給気ブロワ２２から供給される燃焼用空気ＢＡを、汚泥ＦＬを乾燥させ着火温度以上に加熱することのできる温度まで加熱する多管式熱交換器（熱交換手段）２１等を備える。

炉体１０は、上部が膨らんだ円筒状構造物であり、上端の蓋部１０ａ、下端の底部１０ｂによりその両端が閉じられている。底部近傍に炉床１１が配設され、炉体１０を炉床１１上側の上部空間１２と下側の空気室１６とに区画している。上部空間１２は、砂（流動媒体）１３ａが適宜高さまで充填される流動層１３、流動化した燃料が燃焼する燃焼領域（空間）１４と、更にその上の炉頂近傍のフリーボード１５が炉床１１から上に向ってこの順序で形成される。燃焼領域１４とフリーボード１５との境界近傍の炉体１０壁面には汚泥燃料を炉体１０内に供給する燃料供給管１７が開口している。

一方、蓋部１０ａの炉頂近傍には、炉体１０内で発生する燃焼排気ガスＥＧを排出する排気口１８が配設され、該排気口１８は配管を介して多管式熱交換器２１に接続し、さらに熱交換後の燃焼排気ガスＥＧは図示しない燃焼排気ガス処理装置を介して大気中へ放出できる構造となっている。
また、空気室１６内には、後述する高温燃焼用空気ＢＡ２を、空気室１６に噴出させる高温空気ノズル１６ａを備える。

炉床１１には、炉床１１を上下に貫通する孔部である、多数の散気ノズル（散気手段）１１ａが開孔しており、前述の高温空気ノズル１６ａから空気室１６へ流入した高温燃焼用空気ＢＡ２を流動層１３内へ均一に吹き込むことができる構造となっている。なお、該炉床１１および散気ノズル１１ａは、それぞれ流動床炉において公知のものであり、流動層１３を形成させるとともに流動層１３に高温燃焼用空気ＢＡ２を吹き込んで流動層１３を流動化させることができる範囲であれば、その材質、形状、数、大きさ等は、特に限定するものではない。

多管式熱交換器２１は、炉体１０の排気口１８から排出される高温の燃焼排気ガスＥＧと、給気ブロワ２２により供給される燃焼用空気ＢＡとを熱交換させ、燃焼用空気ＢＡを加熱して、高温燃焼用空気ＢＡ２を生成する。該空気ＢＡ２は前述の高温空気ノズル１６ａを介して空気室１６へ噴出される構造となっている。また、熱交換により温度の低下した燃焼排気ガスＥＧは、前述のように図示しない燃焼用排気ガス処理設備を介して大気中に放出される構造になっている。ここで、高温燃焼用空気ＢＡ２の温度は、単位時間当たりに供給される量の高温燃焼用空気ＢＡ２が、自らは温度が低下することにより汚泥ＦＬに対し以下の熱量を与えられるように適宜設定される。

すなわち、高温燃焼用空気が、汚泥の着火温度まで冷却される間に汚泥に与える熱量が、（ア）汚泥を含有する水分の蒸発温度まで昇温させるのに必要な熱量、（イ）汚泥に含有する水分の蒸発させるための熱量、（ウ）汚泥を着火温度まで昇温させるための熱量、の合計よりも大であるように設定することが原則である。なお、上記熱量はいずれも単位時間あたりのものであることはいうまでもない。

但し、上記のように算出される高温燃焼用空気ＢＡ２温度は、流動床炉内において、高温燃焼用空気ＢＡ２と汚泥が完全に混合することを前提として算出されたものであり、実際には、局所的な昇温により汚泥の温度が着火温度以上に上昇するので、かかる算出温度よりも低い温度でも汚泥の安定着火を実現することが出来る。従って、実際の高温燃焼用空気ＢＡ２温度は、局所的な昇温を考慮しつつ、流動床炉の設計により適宜設定されるが、例えば、８００℃〜９００℃に好適に設定される。

多管式熱交換器２１、給気ブロワ２２は、それぞれ公知のものであり、その形状、材質等は特に限定するものではないが、多管式熱交換器は、例えば、８００〜９００℃の燃焼排気ガスＥＧと燃焼用空気ＢＡとの熱交換を行うものであるので、伝熱面等の部分については十分な耐熱性が要求され、例えば耐熱合金が好適に使用できる。
燃料供給管１７は、汚泥を定量的に炉体１０の流動層の上に供給するものであり、その形状、材質、大きさ、数などは、必要量の汚泥を流動層の上に一様に供給できるものであれば特に限定しない。なお、燃料供給管１７には図示しない着火装置が設置され、流動層１３の上に供給し、乾燥するとともに流動化した汚泥ＦＬを燃焼させ火炎Ｆを形成させることができることは言うまでもない。

次に本流動床炉１の作用について説明する。
本流動床炉１は、炉体１０内で発生した高温の燃焼排気ガスＥＧを熱源として高温燃焼用空気ＢＡ２を熱交換器２１により生成し、該高温燃焼用空気ＢＡ２により流動層を流動化させるとともに燃料の汚泥の水分を該高温燃焼用空気ＢＡ２の熱量で蒸発させ、汚泥の温度を着火温度以上にして汚泥を燃焼させるものである。このため、汚泥の水分を蒸発させるために余分の補助燃料を使用する必要がないか、又は補助燃料の量を極めて低減でき、しかも、高温燃焼用空気ＢＡ２は、汚泥の着火温度以上であるので容易に汚泥から燃焼ガスが揮発して燃焼する。すなわち着火性が向上して消炎の恐れなく安定な燃焼が確保できる。

以下に詳細に説明する。
空気室１６に高温燃焼用空気ＢＡ２が高温空気ノズル１６ａを介して流入し、該空気ＢＡ２が炉床１１の多数の散気ノズル１１ａを通して流動層１３内に均一に噴出し、流動媒体（砂）１３ａをまきあげて流動層１３を流動化させる。このとき、高温燃焼用空気ＢＡ２は、例えば９００℃以上に加熱されており、また、後述の燃焼火炎Ｆからの輻射熱も作用して、流動媒体１３ａを含む流動層１３及び燃焼領域１４の温度は、例えば、８００℃以上に達している。この状態で燃料供給管１７から流動層１３の上に汚泥が供給される。該汚泥は、８０％程度の水分を含んでいるが、かかる水分は高温燃焼用空気ＢＡ２によりただちに蒸発し、汚泥自身も水分蒸発により乾燥するとともに、局所的には、着火温度（例えば、８００℃）まで加熱され、燃焼ガスが揮発して着火し、燃焼火炎Ｆを形成する。

燃焼により発生する燃焼排気ガスＥＧは、例えば、９００℃程度の高温の燃焼排気ガスＥＧとして、炉体１０の炉頂近傍の排気口１８から排出され、熱交換器２１において給気ブロワ２２から供給される燃焼用空気ＢＡを加熱して例えば８００℃程度の高温燃焼用空気ＢＡ２を生成させ、自らは例えば、２５０℃程度の低温のガスとなって図示しない燃焼排気ガス処理設備を通して大気中へ放出される。

通常の汚泥の含水率は８０％程度とされているが、通常の汚泥燃焼炉の場合では、補助燃料無で燃焼できる汚泥は、たかだか含水率６０％程度のものまでとされている。一方、本流動床炉１によれば、含水率８０％程度の汚泥も容易に補助燃料無で燃焼させることが可能である。
以上で、第１の実施例にかかる流動床炉１の説明を終了するが、本実施例には様々の態様があることはいうまでもない。以下に該態様について説明する。

本実施例においては、排気口１８から排出される燃焼排気ガスＥＧを直接熱交換器２１に導入したが、図２に示すように燃焼ガスをサイクロン（脱塵手段）３１を介して熱交換器２１に供給してもよい。燃焼排気ガスＥＧ中に含まれる塵埃をサイクロン３１により除去して熱交換器２１の閉塞や磨耗を防止するとともに、除去された塵埃は、燃料供給管１７近傍に設置された塵埃供給管３２を介して炉体１０内に戻して燃焼処理できる。

本実施例においては燃料は汚泥としたが、種々の炭種の石炭やバイオマス燃料、或いは固体廃棄物であってもよい。石炭の場合には、主として流動床ボイラとして使用することができ、特に安定な低ＮＯｘ燃焼が達成できる。すなわち、高温燃焼用空気ＢＡ２の供給量を適宜調整することにより、燃焼領域１４の雰囲気を還元性雰囲気とすることができるので、石炭に含まれる窒素成分が酸化して生じる、いわゆるフュ−エルＮＯｘの発生を抑止し、安定な低ＮＯｘ燃焼を生ぜしめることができるのである。雰囲気を酸素不足の還元性雰囲気としても、高温燃焼用空気ＢＡ２による高温雰囲気が達成され、着火性が向上しているので消炎の虞がなく、容易にフュ−エルＮＯの発生を防止できる。

本態様においては、還元性雰囲気を維持するために高温燃焼用空気ＢＡ２の量を調節する必要があるが、そのために石炭が完全燃焼せず、未燃燃料が発生する可能性がある。そこで、例えば、図３に示すように高温燃焼用空気ＢＡ２の一部を燃焼領域１４の例えば上部に噴出させる後段高温空気ノズル３３を設置する、あるいは、図４に示すように燃焼領域１４の例えば上部に予熱された二次燃焼用空気ＢＡ１を噴出する二次空気ノズル３４を設置することとしてもよい。

いずれも散気ノズル１１ａから供給される高温燃焼用空気ＢＡ２により形成される高温の還元性雰囲気下において、前段燃焼として、安定な低ＮＯｘ燃焼を行わせ、後流側にさらに燃焼用の空気を供給して未燃焼の石炭を後段燃焼として燃焼させ、燃焼を完結させるものである。このとき前段燃焼において石炭中の窒素成分が還元され安定化しているので、後段燃焼においてもＮＯｘ発生が抑制される。なお、後流側に高温燃焼用空気ＢＡ２を供給すれば、後段燃焼においても高い着火性が維持できるので、必要空気量を低減できる。また、二次燃焼用空気ＢＡ１の温度は、３００〜３５０℃程度でもよく、その予熱方法は、図示しない予熱バーナを使用してもよく、或いは熱交換器２１の後段に図示しない空気予熱器を備えて高温燃焼用空気ＢＡ２を生成した後の燃焼排気ガスＥＧを熱源とする熱交換であってもよい。

また、燃料として固体廃棄物を燃焼させることとしてもよい。この場合には、本発明により特に、ダイオキシン類の発生を抑止できるという効果がある。すなわち、炉体１０から排出される燃焼排気ガスＥＧは、例えば、炉体１０内および熱交換器２１への流入前においては、９００℃以上の高温であって、しかもその高温がある程度の時間継続しているのでダイオキシン類は分解されており、熱交換器２１に流入すると短時間のうちに、例えば２５０℃程度まで温度が低下するので、ダイオキシン類の再生成が殆ど生じない。従って、ダイオキシン類の発生が抑止される。

また、本実施例においては、散気手段としては、流動層１３の下側の炉床１１に開孔した散気ノズル１１ａを採用したが、流動層１３内に複数の配管（散気管）を挿入配置し、該散気管に穿たれた複数のノズルから高温燃焼用空気ＢＡ２を流動層内に吹き込むこととしてもよい。なお、散気管は公知のものであるので説明は省略する。
また本実施例においては燃料供給管１７の配置を、燃焼領域１４とフリーボート１５との境界近傍の炉体１０側壁としたが、流動層１３に汚泥等の燃料を供給できる位置であれば特に限定しない。但し、燃料供給時に発生し、排出口１８から熱交換器２１へ移行する飛灰量を低減するため、排気口１８と燃料供給管１７とはある程度離隔していることが望ましい。

さらに、高温燃焼用空気ＢＡ２のみでは、流動層１３の流動化が十分に確保できない場合には、空気室１６内に予熱された燃焼用二次空気を噴出させるノズルを設け、高温燃焼用空気ＢＡ２と合わせて流動化に十分な量の空気を供給してもよい。
次に本発明の第２の実施例にかかる流動床炉４０を図５及び図６を参照して説明する。
流動床炉４０は、例えば、バイオマス燃料等、特に揮発性がよく、流動層内に偏流等が生じて燃焼熱が狭い空間に閉じ込められると局所的な超高温部（例えば、１、４００℃〜１、５００℃）を生じて近傍の砂を溶融させ、溶融による塊を生成してしまう燃料を好適に燃焼できるものである。

流動床炉４０の基本的な構成は、第１の実施例にかかる流動床炉１と同様であるが、排気口４３から排出される燃焼排気ガスＥＧを熱交換器４５に流入する前に一部抽気して炉体４１下部の空気室４２へ燃焼排気ガス供給ノズル４２ｂを介して供給するブロワ４４を備える。ブロワ４４は、高温（例えば、９００℃以上）の燃焼排気ガスＥＧを吸い込み、加圧して吐出しなければならず、プロペラ等必要な部分は十分な耐熱性を有することが必要であり、該部分には、例えばセラミックや耐熱合金が材料として好適に使用できる。また、抽気されなかった残余の燃焼排気ガスＥＧを熱源として加熱された高温混合用空気ＢＡ３を空気室４２へ供給する高温混合用空気ノズル４２ａが空気室４２に開口している。なお、本実施例においては、ブロワ４４、空気室４２、高温混合用空気ノズル４２ａ及び燃焼排気ガス供給ノズル４２ｂ等が高温燃焼用酸化ガス生成手段を構成する。

それ以外の設備、機器の機能、形状、システム構成及び作用効果等は第１実施例と同様であるので説明を省略する。
本流動床炉４０の作用を説明する。
炉体４１内でバイオマス燃料等を燃焼させ、燃焼により生成し、炉体４１から排出される高温の燃焼排気ガスＥＧを熱源として燃焼用空気ＢＡを高温に加熱させて高温混合用空気ＢＡ３を生成して、該高温混合用空気ＢＡ３を高温混合用空気ノズル４２ａを介して空気室４２へ噴出させることにおいては、第１実施例と実質的に同様である。

第２実施例の特徴は、燃焼排気ガスＥＧの一部を熱交換前（すなわち、炉体４１からの排出時と同様の高温のまま）に抽気し、ブロワ４４で加圧、吐出し、燃焼排気ガス供給ノズル４２ｂを介して、該燃焼排気ガスＥＧを空気室４２へ直接噴出させ、空気室４２内で高温混合用空気ＢＡ３と混合して高温燃焼用酸化ガスＢＧを生成して、該ガスＢＧを散気ノズルから流動層内へ吹き込み、流動層を流動化するとともにバイオマス燃料を燃焼させることにある。

燃焼排気ガスＥＧの酸素濃度は燃焼のために低下している。従って、高温混合用空気ＢＡ３と該ガスＥＧとを混合させて生成される高温燃焼用酸化ガスＢＧ中の酸素濃度も低下しているが、該ガスＢＧの温度が高温であるため、燃料の揮発が促進されるので、消炎して燃焼が停止することはない。一方、図６に示すように、高温燃焼用酸化ガスＢＧが流動層４６内で偏流し、流動層４６の流動化が不十分となって狭い空間Ｓに燃料ＦＬが閉じ込められた場合、かかる狭空間Ｓにも流動層４６を構成する砂の隙間から高温燃焼用酸化ガスＢＧが供給されて該燃料ＦＬが燃焼するが、該ガスＢＧ中の酸素濃度が低下しているため、該燃焼がやや緩慢になり該狭空間Ｓ内部が超高温状態（例えば、１４００℃以上）になって近傍の砂が溶融することがない。通常の空気（酸素濃度が低下していない）を供給する従来型の流動床炉においては、該狭空間内が超高温状態になり近傍の砂が溶融してしまう。このような現象を防止するため、通常の流動床炉においてはかかる温度上昇を防止するための水噴霧等を行っているが、水噴霧によっては超高温状態以外の場所についてもその温度を低下させるので消炎の可能性が生じるとともに、水の蒸発熱となって無駄に失われるエネルギーが発生する。本流動床炉４０によっては、そのような水噴霧等の手段を使用せず、バイオマス燃料等着火性の特に高い燃料を使用しても局所的な超高温発生がないという効果を奏する。

さらに、本流動床炉４０を石炭を燃料とする流動床ボイラに適用した場合には、酸素濃度の低下した高温燃焼用酸化ガスＢＧを燃焼用に供給するので燃焼領域における高温還元性雰囲気をより容易に達成できるという効果も奏する。
なお、ここで説明した実施形態は一つの例であって、本発明はこれのみに限定されるものではなく、本発明の要旨の範囲において変更を加えうることはいうまでもない。

本発明にかかる第１の実施例の流動床炉のシステム図である。 本発明にかかる第１の実施例の別態様として炉体から排出される燃焼排気ガスをサイクロンを通して脱塵した上で熱交換器へ供給する流動床炉のシステム図である。 本発明にかかる第１の実施例の別態様として、高温燃焼用空気の一部を炉体の燃焼領域へも供給する流動床炉のシステム図である。 本発明にかかる第１の実施例の別態様として、予熱された燃焼用二次空気を炉体の燃焼領域へ供給する流動床炉のシステム図である。 本発明にかかる第２の実施例の流動床炉のシステム図である。 第２実施例の効果を説明する説明図である。

符号の説明

１、４０ 流動床炉
１０、４１ 炉体
１１ａ 散気ノズル
１３、４６ 流動層
１３ａ 砂
１４ 燃焼領域
１６、４２ 空気室
１６ａ 高温空気ノズル
１７ 燃料供給管
２１、４５ 多管式熱交換器
３１ サイクロン
４２ａ 高温混合用空気ノズル
４２ｂ 燃焼排気ガス供給ノズル
４４ ブロワ

Claims (6)

1. 炉体底部に配設される、流動媒体からなる流動層を有し、該流動層を流動化させ、該流動層に固体燃料を供給して燃焼させる流動床炉において、
   前記炉体から排出される燃焼排気ガスにより、燃焼用空気を、該燃焼用空気により前記固体燃料を乾燥させるとともに該固体燃料の着火温度以上の温度まで加熱できる温度に加熱して高温燃焼用空気を生成する熱交換手段と、
   前記流動層に前記高温燃焼用空気を吹き込んで流動化させる散気手段とを
   備えることを特徴とする流動床炉。
2. 前記燃焼排気ガスから粉塵を除去して前記熱交換手段に供給する脱塵手段を備えることを特徴とする、請求項１に記載の流動床炉。
3. 前記熱交換手段により、前記燃焼用空気を、８００℃以上に加熱することを特徴とする、請求項１又は２に記載の流動床炉。
4. 前記熱交換手段は、多管式熱交換器であることを特徴とする、請求項１乃至３のいずれかに記載の流動床炉。
5. 前記熱交換手段は、蓄熱式熱交換器であることを特徴とする、請求項１乃至４のいずれかに記載の流動床炉。
6. 炉体底部に配設される、流動媒体からなる流動層を有し、該流動層を流動化させ、該流動層に固体燃料を供給して燃焼させる流動床炉において、
   前記炉体から排出される燃焼排気ガスにより、燃焼用空気を加熱して高温混合用空気を生成する熱交換手段と、
   前記炉体から排出される前記燃焼排気ガスの一部を、前記熱交換を行う前に抽気して、前記高温混合用空気と混合して高温燃焼用酸化ガスを生成する高温燃焼用酸化ガス生成手段と、
   前記流動層に前記高温燃焼用酸化ガスを吹き込んで流動化させる散気手段とを
   備え、
   前記高温燃焼用酸化ガスの温度は、該高温燃焼用酸化ガスにより前記固体燃料を乾燥させるとともに該固体燃料の着火温度以上の温度まで加熱できる温度であることを特徴とする流動床炉。

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