JP2012500958A - 固形燃料から清浄な高温ガスを製造する方法および装置 - Google Patents
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Abstract
【選択図】図3
Description
上記の炭化物は、1次燃焼エアを導入することにより第2ゾーンにおいてガス化処理に供されるが、このとき、選択的に水蒸気及び/又はリサイクル排気ガスと共にガス化処理される。第2ゾーンからのオフガスと1又は複数の第1ゾーンからの熱分解ガスは、その後2次燃焼に供される。灰は第2ゾーンの底部から排出される。
このガス化装置は縦筒形で、上昇流固定ベッド式のものであり、その頂部からガス化させる原料が投入され、その底部にガス化促進物質が導入され、電力を発生する発電機を駆動するガスエンジンが設けられ、そのガスエンジンはガス化装置で生成されたガスを燃料として運転される。ガス化装置で発生させたガスを直接ガスエンジンに供給し、一定の発電出力を維持する為にガス化装置におけるガス発生量を制御する。こうして、ガス化装置とガスエンジン間にガス貯留タンクを設ける必要がなくなった。
熱反応装置
固形燃料は、通常、可燃ガスに変換され、或いは可動床反応装置又は流動床反応装置にて排ガスに変換される。可動床反応装置は、一般的には次のように分類される。
上昇流方式(空気/ガスが上昇しかつ燃料が下降移動する)、下降流方式(空気と燃料が下降する)、燃料が水平方向(やや下り傾斜方向)へ移動する火格子/ストーカを基礎とするシステム(可動火格子、振動火格子、ストーカ)。
流動床反応装置は、一般に次のように分類される。
バブル式流動床(BFB)、循環流動床(CFB)、同伴流(EF)。
バイオマスや廃棄物のような新鮮な固形燃料は、石炭に比べて非常に異なる特性を有する。特に、揮発性物質と水分は、バイオマスや廃棄物において非常に多い。石炭において、揮発性成分は通常30%以下であるが、バイオマスや廃棄物においては揮発性成分は通常65%以上(灰無料乾燥重量)である。更に、新鮮なバイオマスや廃棄物の水分量は、通常20%以上であり、往々にして50%超の場合もあるため、バイオマスや廃棄物の反応装置では、燃料を乾燥させることが非常に重要な事項になる。
そして、バイオマスと廃棄物の場合、アルカリ金属(Na,Ka)、塩素、カリウム、珪素等の含有成分は一層多くなり、灰の融点が石炭灰の融点よりも相当低くなることが知られている。それ故、標準的な石炭反応装置は、バイオマスと廃棄物の変換用に最適のものではない。
フィーディングシステムは、通常、スクリューフィーダ、プッシュロッドフィーダ、空気圧式「散布式ストーカ」フィーダである。火格子システムにおいて、燃料は火格子により移送される。大抵の場合、燃焼用空気は火格子を通して供給される。これらのシステムには、火格子上の複数の過熱スポット、不均一な空気分布、火格子を通って灰や炭化物が落下すること、火格子上での複数の工程(ステージ)を制御することなどを含む種々の課題がある。
上昇流式ガス化装置には、簡単なフィーディング・移送システムが、反応装置の投入側と出口側とに設けられており、灰は低温状態で排出される。反応装置の底部に灰の層が溜まったとき、ガス化促進剤(空気/蒸気)が供給される。
・製造されるガスは、高い濃度のCO、タール及びその他の不燃ガスを含み、これらは 合成ガスの製造がガス化装置の目的である場合にきれいに除去することが難しい。
・円形の形状が一般に採用されるため、スケールアップすることが通常は難しい。濡れ た燃料が採用されてその乾燥に長時間を要するような場合に、炉が4m又はそれ以上 もの相対的に高い位置になる。
・大型化すること
・建設費がより高価になること
・メンテナンス費用が高価になること
通常、燃焼装置は、水分量が多い燃料(発熱量の小さい)か、水分量が少ない燃料(発熱量の大きい)を対象に作られている。しかし、ユーザーは往々にして広範囲の種々の燃料を燃焼させることのできる設備を欲しがっている。
固形燃料を清浄な排ガスに変換する際における技術的な環境上の主な課題の1つは、排ガス中に好ましくない物質が発生するのを防止することである。こうした物質は、次のものを含む。
・有機物:CO、PAH(多環式芳香族炭化水素)、ダイオキシン、VOC
・NOx
・粒子
・その他
最新の燃焼プラントにおいては、多数のノズルを備えた複数のエア噴射ステージ(1次、2次、3次エア)及び/又は十分に低いエミッションとする為のNOx除去フィルター、有機物の為の酸化装置、集塵機などの下流ガス清浄化手段が設けられている。
粒子エミッションは、通常、流動床反応装置や火格子システムからは多く発生するのに対して、上昇流式ガス化装置は粒子含有量の少ないガスを出すことは知られている。
上記の熱NOxの他にも、燃料中の窒素からもNOxが発生する。この燃料NOxは、燃料の理論混合比の空燃比を超えるとNOxが発生する。これは火格子システムと流動床燃焼において往々にして発生するのに対して上昇流式ガス化装置においては発生しない。上昇流式ガス化装置においては低濃度NOxを含むガスが生成される。
燃焼プラントにおける重要なパラメータは排ガス中の酸素含有量である。酸素含有量が少ない程好ましい。低過剰酸素の利点としては次のことを挙げることができる。
・設備コストが低くなり、エアブロアの消費エネルギーが少なくなる。
・排ガスの量が少なくなり、熱反応装置の下流側機器が小形化し且つ安価になる。
・排ガス中の蒸気含有率が高くなり、熱放射特性がよくなる。
・排ガス中の水の露点が高くなり、凝縮用クーラーのエネルギー効率がよくなる。
一般に、過剰空気が5%以上、例えば、7%以上(乾燥状態)であることは、1.3 又はそれ以上のλ(理論空燃比)に相当する。
排ガス中の水蒸気含有量が多くなると例えば次のような複数の利点が得られる。
・放射特性が改善される。
・凝縮器における熱回収が改善される。
・煤の生成が妨げられる。
・温度が制限されてNOx生成が制限される。
一般的な燃焼プラントにおいて、燃焼ステージの多くのステージへ空気が分配される。 ・乾燥ステージ
・熱分解ステージ
・ガス化/酸化ステージ
・灰焼却ステージ
・ガス燃焼ステージ、これは複数ステージ(2次、3次ステージ)で行うことが多い。 酸素が乾燥ステージ及び/又は熱分解ステージ及び/又は酸化ステージに導入されるとき、不揮発性炭化物の焼却かあるいはガス燃焼を目的としており、その結果、プラント全体としては高レベルの過剰空気状態となる。
通常、未処理の空気が燃焼用に用いられる。しかし、その空気に水蒸気及び/又は酸素を追加することによりその燃焼用空気の特性が改善される。
1次空気中の水蒸気は酸化ゾーンにおける温度を下げる効果があり、灰の溶融が防止され、ガス化反応(H2O+C →CO+H2)を改善する。
2次空気中の水蒸気は、ガス燃焼部における温度を下げてNOxを減少させる。さらに、水蒸気は煤の生成を抑制する。酸素含有量が高い場合には、燃焼流体の質量流量が少なくなり、プラントの規模を小さくすることができる。
火格子システムと流動床システムにおいては、灰のカーボン含有量は10%又はそれ以上である。このことは、効率低下と環境問題を引き起こす。カーボンは未使用のエネルギーを含んでいるだけでなく、例えばPAHのように環境面で好ましくない物質を含んでいる。さらに、主な技術的な問題は、灰の成分にもよるが灰は700〜900℃で焼結することが多いということである。火格子システムと流動床システムにおいて、灰の焼結を防ごうとすると、炭化物含有量が10%又はそれ以上にも高くなってしまう。また、火格子システムでは、炭化物含有量の多い未燃の燃料が火格子から落下し、底部の灰に含まれる炭化物含有量が多くなる。
火格子システムと流動床システムにおいて、灰除去システムは高価になるだけでなく複雑なものになる。流動床システムにおいては、灰と砂が混じってしまうため、それらを除去してから灰から砂を分離しなければならない。上昇流式ガス化装置の灰除去システムは、火格子上の温度が低くなるように、簡単化することができる。
火格子システムにおいて、燃料が入り口から灰出口まで火格子により移送される。一般に、この火格子は高級鋼で作られており、高価でありかつ取り替える必要もある。通常、火格子の一部は毎年交換され、休止期間の費用と材料費と労働費が非常に高価になる。ある種の上昇流式ガス化装置においては、燃料の頂部をならす為の大きな攪拌機が設けられている。
流動床式反応装置と上昇流式ガス化装置は一般に丸形であり、火格子式システムは一般に角形である。上昇流式ガス化装置における一般的な丸形形状では、約10MW熱出力が最大の設備となる。上昇流式ガス化装置においてキーとなる数値は、炭化物ガス化反応装置について1MW/m2である。7MWの設備で、直径は3m以上になり、このサイズでは、流れが均一でなくなる。それ故、上昇流式ガス化装置においては、約10MWが最大入力であるとされている。
燃焼プラントは、例えば5kW又はそれ以下のストーブのように、非常に小さな規模に、或いは石炭火力発電所のように数百MWのような非常に大きな規模に作られる。
ターンダウン比
火格子システムと流動床システムの一般的なターンダウン比は、約1:2であるのに対して、上昇流式ガス化装置は、1:10、あるいは1:20ものターンダウン比をもっている。
本発明は、可動床技術を用いて示すことができる。上昇流式ガス化装置の原理は、燃料をガスと灰に変換するのに用いられている。多くの好ましい実施例において、燃料は頂部に投入されて、次のような連続的な一貫した(コヒーレントな)複数のステージ(頂部から底部へ向う)において可燃ガスに変換される。上記の複数のステージは、乾燥ステージ、熱分解ステージ、炭化物ガス化・酸化ステージ、灰焼却ステージである。
上昇流式ガス化装置の上方には、ガス燃焼ステージがあり、そのガス燃焼ステージにおいて上昇流式ガス化装置からくるガスが燃焼に供され、その燃焼による熱が上昇流式ガス化装置における燃料の頂部層へ与えられ、それにより燃料を効率的に乾燥させて熱分解する。
種々のステージ(例えば、乾燥ステージ、熱分解ステージ、炭化物ガス化・酸化ステージ、灰焼却ステージ)は、燃料に対する異なる処理が個別のステージでなされるという意味において、個別の一貫した(コヒーレントな)複数のステージである。
しかも、燃料があるステージから次のステージへ直接移動するという意味において、それらのステージは、連続的かつ一貫したものである。
上記の個別の複数ステージは、次のステージを含んでいる。
・熱分解ステージ:酸素を追加することなく燃料を熱分解させる。
・ガス化・酸化ステージ
・灰焼却ステージ:酸素を供給して灰焼却を行う。
・ガス燃焼ステージ:酸素を供給してガス燃焼を行う。
上記の熱分解ステージにおいて、燃料はガス化・酸化ステージとガス燃焼ステージにおいて生成されたガスを用いて加熱される。
「燃料」という単語は、一種類の燃料を意味することもあり、種々のタイプで組み合わせた燃料を意味することもある。ガス化・酸化ステージは、個別の複数ステージであってもよいが、本発明の多くの実施例においては、ガス化・酸化ステージは実際には一つのステージである。
燃料は熱反応装置へ移送される。好ましくは、ガス化装置は灰除去システム以外に反応装置の内部に移送機構を必要としない。
新鮮な燃料は、好ましくは反応装置内の乾燥ステージへ移送される。乾燥ステージにおいて、燃料中の水分が蒸発する。燃料は重量ベースにて数%程度の非常に僅かの水分を含むものでもよいし、55%以上の非常に多くの水分を含むものでもよい。
大気圧下に、燃料を100℃に加熱して乾燥させる。その加熱温度を高める程、乾燥工程が速くなる。乾燥工程のエネルギーは、次の二つの内部工程から供給される。
・上方のガス燃焼からの熱、これは主として放射と対流により伝達される。
・下方の炭化物ガス化からの熱、これは主として対流により伝達される。
・上方のガス燃焼からの熱、これは主として放射と対流により伝達される。
・下方の炭化物ガス化からの熱、これは主として対流により伝達される。
熱分解ステージは、500℃あるいは700℃以上もの高温まで効果的に加熱されるため、本発明による熱分解反応時間は、5分以下程度まで短くなり、そのため、非常にコンパクトな熱分解ステージとなっている。コンパクトな乾燥ステージと熱分解ステージにより、プラントの建屋の高さが小さくなり、建設材料費を節減することができる。
ガス化反応(主に、CO2+C→2CO、 H2O+C→CO+H2)は吸熱反応(エネルギー消費反応)である。ガス化促進剤は、酸素により生成されたガスである。
ガス化・酸化ステージにおける温度は、600℃〜1100℃である。なお、「ガス化」は、往々にして「還元」と言われている。
上昇流式ガス化装置は、H2O、H2、CO、CO2、CH4および高次の炭化水素を含む可燃ガスを生成する。熱分解ステージの頂部の温度は700℃以上もの高温であるため、H2O、H2、CO、CO2のガスは平衡状態に近い状態になる。
ガス化装置において、燃料中の水分量が多く、必要に応じて水を追加したり、及び/ 又は水蒸気や湿り空気を使用するため、水素成分が多くなり、水素が火炎伝播速度を増すため、その後のガス燃焼が非常に速くなるという好ましい効果が得られる。
炉床の直上における典型的なガス組成は、H2Oが30%、H2が23%、CH4が1%、COが8%、CO2が13%、N2が25%であってもよい。
熱反応装置において、冷却手段として、更に、水蒸気過熱器、又は、スターリングエンジンにおいて使用されているヘリウムベース過熱器などの別の型式の過熱器を挿入装着してもよい。また、熱反応装置を冷却する為に、水ボイラー及び/又はオイルボイラーを用いることも可能である。
好ましくは、熱反応装置の壁は、COとNOxを改善(減少)でき、且つ熱い壁面から燃料の頂部層への放射が増加するように、なんらかの逆混合/再循環が発生するような形状にする。好ましくは、湿り空気は燃焼温度を低下させてNOxの生成を少なくするため、燃焼用に湿り空気が使用される。
本発明の燃焼装置は、濡れた低発熱量の燃料から乾燥した高発熱量の燃料までの広範な種々の燃料を使用することができる。この利点は、上記の両方の種類の燃料を使用しなければならないようなプラントに散水システムを装備した場合に得られるものである。
・温度低下によりNOxの生成が抑制される。
・温度低下により、また水蒸気量の増加により、煤の発生が低減する。
・水蒸気量の増加により、放射特性が増強される。
・低温凝縮器における熱生成により回収される凝縮エネルギーが、熱反応器における水 の蒸発量に応じて増加する。
システムに水を追加するシステムは、熱反応装置における燃料の発熱量とは独立に、非常に安定した温度を確保可能にする。その結果、安定した低エミッションとなる。
・酸化ステージおいてガス/燃料の良好な混合がなされ、保持時間も2秒以上と長くな るため、有機物が効率的に燃焼してCO2になる。さらに、ガス燃焼部へ到達するガ スが、乾燥又は熱分解ステージに対する強烈な放射により500℃或いは700℃以 上のような高温になっているため、ガスへ変換する反応時間が非常に短くなる。さら に、900〜1100℃の温度範囲と、燃焼に供されるガス成分当たりの高い酸素比 率が、急速な効率的な燃焼を確実にする。
・ガス燃焼ステージにおける温度が1100℃以下に制限されるため、ガス相における NOx生成が制限される。さらに、ガス燃焼に湿り空気を用いるため、NOx生成が 少なくなる。
・上昇流式ガス化装置は、火格子システムや流動床システムに比較して、極く僅かの粒 子を含むガスを発生する。
ここで、米国特許第6024032号公報の装置では、ガス燃焼温度が1100〜1300℃になるため、高濃度のNOxが発生し、装置が複雑であるため建設費も高価になるということを指摘しておく。
NOx濃度が低くなるということは本発明の重要な特徴である。燃料の理論空燃比が高いときに燃料NOxが生成される。本発明は低濃度のNOxを発生すると知られている上昇流式ガス化装置の原理を採用しているため、炭化物酸化ステージに過剰空気は存在しない。
本発明の主な効果は、過剰空気の含有量が制限されているという点である。
過剰空気は、乾燥ベースで7%のように、一般には5%以上であるが、これはλ(理論空燃比)1.3又はそれ以上に相当する。本発明において、過剰空気は、4%又はそれ以下のように、5%以下である。
本発明における低酸素含有量は、特定の空気分布(下記参照)に部分的に起因しており、本発明によるガス化装置から出るガスが、従来のガス化装置から出るガスよりも温かいということに部分的に起因している(温かいガスは低温ガスよりも少ない酸素で完全燃焼させることができる)。
・エアブロアの為の投資費用が低くなり、エネルギー消費量も少なくなる。
・排ガスの量が少なくなるため、熱反応器の下流側に小形で安価な機器を採用できる。 ・排ガス中の水蒸気比率が高くなるため、放射特性がよくなる。
・排ガスの露点が高くなるため、凝縮用冷却器のエネルギー効率が高くなる。
低過剰酸素、排ガス中のカーボン物質の良好な焼却、低NOxおよび清浄な灰の組み合わせは、本発明の非常にユニークな特徴である。このことは、完全燃焼の為に必要な空気を次の二つの工程のみで使用することにより達成される。
・炭化物変換(1次空気)
・ガス燃焼(2次空気)
然るに、乾燥と熱分解は、ガス燃焼からの放射と、炭化物ガス化装置内の高温ガスからの対流によるエネルギーによって行われる。ここで、それぞれの活性酸素分子は、分解蒸発した炭化物の燃焼、或いは、ガス成分の酸化の何れかに使用される。
本発明の主な効果は、排ガス中の水蒸気含有量が高いことである。
この効果は、既に記載済みである(放射特性が改善され、凝縮器における熱回収が改善され、煤の生成が抑制され、温度が制限されてNOx生成が抑制される、等々)。
重量ベースで20%以上になる安定した高い水蒸気含有量は、燃料中の水分含有量が低下したときに作動させられる散水システムによりシステム中に維持することができる。また、燃焼用に湿り空気を使用するため、排ガス中の水蒸気含有量を増大させる。
本発明において、上昇流式ガス化原理は、炭化物を可燃ガスと灰に変換するのに使われている。このことは、炭化物の燃焼性の向上をもたらす。また、灰のカーボン含有量が10%以下、場合によっては5%以下になる。焼結を低減する為に、湿り空気を使用してもよいし、反応器の底部に水蒸気を添加してもよい。
本発明の主な効果は、炭化物焼却性能を高めること、灰除去を簡単にすることである。 火格子システムと流動床システムにおいては、灰除去システムが高価で且つ複雑化するけれども、本発明によれば、灰除去システムが技術的に簡単に安価に製作可能になる。
本発明においては、灰は、例えば1又は複数のスクリューにより簡単に除去することができる。
本発明の主な効果は、乾燥、熱分解、炭化物酸化、炭化物ガス化の各ステージに火格子を設けていないことである。理想的には、このシステムは次のような可動部材を有する。 ・フィーダ(100℃より低温)
・灰除去スクリュー(灰は300℃より低温)
・エアブロア(50℃より低温)
さらに、本発明によるある種のプラントにおいては、機器の寿命の観点から長い又は短い期間だけ高温ステージへ移動させられるような1又は複数の熱電対や他のセンサを装備しておくことは有利である。
熱反応装置は、鉛直方向に複数のステージに分割されている。その複数のステージは、下から上方へ向って次のようなステージを備えている。
・灰焼却ステージ
・炭化物酸化・ガス化ステージ
・熱分解ステージ
・乾燥ステージ
・ガス燃焼ステージ
ガス燃焼ステージは、ガスバーナーとして機能すると共に、上昇流式ガス化装置の頂部層の為の熱源として機能する。
一般的に、このような型式のプラントは、1〜20MW熱入力のサイズになるであろうが、これよりも小さくてもよいし、大きくてもよい。一般的な設計パラメータは、ガス化部において、約1m2/MW燃料入力であり、ガス燃焼部におけるガスの保持時間は約2秒である。
本発明の他の重要な特徴は、大きなターンダウン比である。設計と燃料如何に応じて、本発明は1:10又は1:20以下ものターンダウン比を有する熱反応装置の設計に用いることができる。
本発明の他の重要な特徴は、システムの調整が容易であるという点である。
炉床高さを同じ高さにすることが好ましい。そのため、フィーディングシステムに連関する炉床高さを測定するシステムを設けることが好ましい。炉床高さは、レーダーや超音波測定器やガンマ線測定器などのセンサで測定することができる。また、炉床高さは、熱電対を用いて間接的に測定してもよい。
ガス化装置の底部において灰が除去され、焼却層へ酸素(空気)が注入される。灰除去システムは、灰に含まれる炭化物が焼却されたときに作動する。灰の層に炭化物が含まれる場合には、炭化物が酸化され灰が熱くなる。炭化物が完全に焼却されると、灰は低温になる。こうして、酸素(空気)注入口の直上において温度測定し、炭化物が完全に焼却されたときに灰除去システムを作動させるように指令することができる。
熱反応装置の理論空燃比は、約1.2〜1.3であり、これは排ガス中の約4〜5%の酸素含有率(乾燥ベース)に相当する。1又は複数のエアブロアは、この酸素量を確保するように制御される。酸素は、ガス化反応装置とガス燃焼ステージに分配される。
ガス化反応装置は、0.2〜0.25の理論空燃比で作動し、酸素の15〜20%が灰焼却ステージへ供給され、残りの酸素はガス燃焼ステージへ供給される。
既述のように、ガス燃焼ステージの温度制御のために水を用いることができる。
既述のように、このシステムによれば、最新の燃焼技術と比べて、多くの効果が得られる。それ故、このシステムが高価で複雑なものになると想像するのも無理はない。しかし、このシステムのシンプル性とコンパクト性が本発明の主要な効果である。
一般的に、システムの圧力は、大気圧であるが、大気圧以下または大気圧以上の両方用に建設することができる。
一般にこのシステムは、レンガや断熱部材で内張りし、その外側を断熱材と鋼製容器で覆う構造とすることができる。
燃料は、燃焼ステージ2からの放射によって、また、ガス化・酸化ステージ5からのガスの対流によって,乾燥され熱分解(分解蒸発)される。
分解蒸発した燃料は、ステージ5においてガス化され酸化され、最終段の灰焼却はステージ6において、酸素好ましくは水蒸気を注入することで行われる。
若しくは、レーダーや超音波センサや赤外線カメラなどの炉床高さ測定機器を用いることができる。ガスは、900℃以上になると燃焼ステージを確実に離れる。そのガスは、1又は複数のガス冷却器8により冷却され、それらの回収熱は熱反応器又は次のステージにおいて吸収される。
乾燥ステージ3、熱分解ステージ4、ガス化ステージ5(酸化、還元)、灰焼却ステージ6が、熱反応装置1内で鉛直方向に一貫した(コヒーレントな)状態に接続されている。ガス燃焼ステージが放射により燃料の頂部へエネルギーを分配する分配方法も示している。符号8は、水やオイルパネル、水蒸気/ヘリウム過熱器などの内部熱交換器であり、符号9は、熱反応装置1の下流側のガス冷却器である。
この熱反応装置の底部において、灰スクリューの両側から灰焼却ステージへ空気が導入される。灰プッシャーが灰をスクリューの方へ移動させる。総空気量の約20%が灰焼却ステージへ導入されるように、流量計Fが空気入口で測定している。熱電対(センサS2)は、温度を測定していて、温度が例えば200℃の設定温度まで低下したとき灰スクリューを作動させる。
図3aは、木片熱入力約2MWの熱反応装置の断面を示すものである。この熱反応装置が4つの分割体に分割されているため、製造するのも簡単で、据え付け場所へ輸送するのも簡単になっている。燃料は、左側の開口部からスクリュー方式にて搬入される。その燃料は、反応器の底部へ重力により落下する。左側の壁は鉛直であるため、ブリッジの形成が最小となる。ブリッジの形成をさらに防止するために、低振動数のバイブレータを熱反応装置に設けてもよい。
この図表は、CFDシミュレーションの結果であり、これによればガス燃焼ステージ2直後のCO含有量は100ppm以下である。2次燃焼用空気は、直径120mmの3つのノズルから、約20m/sの速度でガス燃焼ステージへ流入する。
この図表は、良好な逆混合が生じていることを示している。
熱反応装置1において、灰スクリューが反応装置の片側に配置されている。空気は灰スクリューの片側にだけ供給される。燃焼チャンバー2の後側には放射冷却器9が設けられている。放射冷却器9の後側には、蒸発冷却器10が設けられ、この蒸発冷却器10によりガスが400℃以下に冷却され、粒子が捕捉されてスクリュー11により除去される。
この熱反応装置(32)には、この熱反応装置へ湿り空気又は酸素を供給する2つの供給口が接続されている。湿り空気は、熱反応装置の底部(33)と、燃料供給部よりも上部(34)へ分配される。熱反応装置の底部には、例えば、森林や牧草地や貯蔵場所へ供給する灰を取り出す為の取出口(44)が設けられている。湿り空気や酸素は、ガス精製装置と同様の原理で作動している2つの空気加湿手段(35,36)を有する加湿システムから供給される。これらの2つの空気加湿手段(35,36)は直列接続されている。
冷却された排気ガスは、次にスクラバー(40)へ流れ、このスクラバー(40)において、異なる2つの位置においてガスに水が散水される。第1の位置(41)では、空気加湿ブースター(36)からの水と熱交換器(46)の凝縮水でもって散水される。
第2の位置(42)では、主空気加湿機(35)からの水をフィルター(43)で処理した高度に清浄な水が散水される。清浄な冷却されたガスは、その後煙突へ流れる。
熱交換器(46)からの水が混じったブースター(36)からの水の一部は、主空気加湿器(35)へ供給され、残りの水はスクラバー(40)へ供給される。
図7aは、本発明に基づいて温水を製造する5MW熱入力の加熱プラントのレイアウトの3D(3次元)斜視図である。これは図6aに示すプラントの図であり、単位はmmである。図8は、燃料中の水含有量と過剰空気とに依存するガス燃焼チャンバー内の断熱温度を示す図表である。この図表から、水分含有量52〜58%の燃料が非常に適していることが判る。乾燥した燃料の場合、水分を追加するとか、熱反応装置を積極的に冷却するとかにより、何らかの冷却が必要である。
2 ガス燃焼ステージ
3 乾燥ステージ
4 熱分解ステージ
5 ガス化・酸化ステージ
6 灰焼却ステージ
8,9 ガス冷却装置
15 熱交換器ユニット
Claims (25)
- 固形の炭素系燃料を熱反応装置(1)において排ガスと灰に変換する方法であって、 個別の一貫した複数のステージにおいて燃料がガス成分と固形成分とに分解される温度まで燃料を加熱する処理を含む方法において、
前記複数のステージは、
酸素の追加なしに燃料を熱分解する熱分解ステージ(4)と、
炭化物をガスに変換するガス化・酸化ステージ(5)と、
酸素が供給される灰焼却ステージ(6)と、
酸素が供給されるガス燃焼ステージ(2)とを備えており、
熱分解ステージにおいて燃料はガス化・酸化ステージ(5)とガス燃焼ステージ(2)において生成されたガスを用いて加熱されることを特徴とする方法。 - 請求項1の方法において、熱分解ステージ(4)と、ガス化・酸化ステージ(5)と、灰焼却ステージ(6)は上昇流式可動床熱反応装置内で行なわれることを特徴とする方法。
- 請求項1又は2の方法において、熱分解ステージ(4)の上流側に乾燥ステージ(3)が設けられたことを特徴とする方法。
- 請求項1〜3の何れかの方法において、熱分解ステージ(4)で生成されたガスは、燃料の頂部に対して4m以内、又は2m以内のような接近した位置で燃焼に供されることを特徴とする方法。
- 請求項1〜4の何れかの方法において、燃料及び/又は乾燥ステージ(3)及び/又は熱分解ステージ(4)及び/又はガス燃焼ステージ(2)に、
燃焼ステージで生成された排ガスの温度がNOx生成を防止する1100℃以下となるような方法で、且つ排ガスの水蒸気含有量が重量比率で少なくとも20%という高い値に維持されるような方法で、必要量の水を追加することを特徴とする方法。 - 請求項1〜5の何れかの方法において、プラントが設定温度、NOx、CO、O2の少なくとも1つが制限範囲内に収まるように、ガス燃焼ステージ(2)における酸素量がセンサ(S)の検出値に基づいて調整されることを特徴とする方法。
- 請求項1〜6の何れかの方法において、排ガスが熱反応装置(8)内と、熱反応装置(9)の下流側の何れか1つにおいて冷却されることを特徴とする方法。
- 請求項1〜7の何れかの方法において、ガス冷却器(8,9)において得られたエネルギーは、水蒸気、高温ガス、加熱オイル、電力の少なくとも1つのようなエネルギーを生成するのに使用されることを特徴とする方法。
- 請求項1〜8の何れかの方法において、ガス燃焼ステージ(2)に注入される酸素は、空気又は酸素濃度を高めた空気であることを特徴とする方法。
- 請求項1〜9の何れかの方法において、ガス燃焼ステージ(2)に注入される酸素は、水平方向向きに又は下方へ指向させて注入されることを特徴とする方法。
- 請求項1〜10の何れかの方法において、ガス燃焼ステージ(2)に注入される酸素は、加湿されたものであることを特徴とする方法。
- 請求項1〜11の何れかの方法において、ガス燃焼ステージ(2)に注入される酸素は、10〜40m/sの速度でノズルから噴射されることを特徴とする方法。
- 請求項1〜12の何れかの方法において、ガス燃焼ステージ(2)の壁部は、排ガスが酸素供給側へ逆混合するように形成されていることを特徴とする方法。
- 請求項1〜13の何れかの方法において、ガス燃焼ステージ(2)の壁部は、その壁部から炭素系燃料の表面へ多量の放射熱を放射するように形成されたことを特徴とする方法。
- 請求項1〜14の何れかの方法において、灰焼却ステージ(6)へ注入される酸素は、加湿空気、又は、個別に注入される水蒸気と空気であることを特徴とする方法。
- 請求項1〜15の何れかの方法において、灰焼却ステージ(6)へ注入される空気量は、酸化ステージを800℃以上の高温にするだけの空気量であることを特徴とする方法。
- 請求項1〜16の何れかの方法において、灰焼却ステージ(6)へ注入される空気量は、理論空燃比0.15〜0.25(新鮮燃料が完全に燃焼するのに必要な空気)に相当し、及び/又はその空気が灰焼却ステージ(6)における温度を300℃以下とすることを特徴とする方法。
- 請求項1〜17の何れかの方法において、熱反応装置(1)へ追加される水又は水蒸気は、熱交換器ユニット(15)において凝縮されることを特徴とする方法。
- 請求項1〜18の何れかの方法において、熱反応装置の直径は、ガス燃焼ステージのものは乾燥ステージや熱分解ステージのものよりも大径であり、炭化物酸化・ガス化ステージ(5)のものよりも大径であるなど、異なるステージ毎に異なっていることを特徴とする方法。
- 請求項1〜18の何れかの方法において、NOxが300mg/Nm3以下で200ppm以下、COが500mg/Nm3以下で好ましくは400mg/Nm3以下、灰の炭化物含有量が乾燥重量ベースで10%、好ましくは5%以下のように、ガス中の汚染物が少ないことを特徴とする方法。
- 固形の炭素系燃料を熱反応装置の中で高温の排ガスとカーボンを含有した灰に変換するシステムにおいて、
前記システムは、
固形燃料を可燃ガスに変換する為の上昇流式ガス化反応装置(4,5,6)と、ガス燃焼ステージとを有する熱反応装置と、
上昇流ガス化装置で生成されたガスが低エミッション(NOx,CO)且つ低過剰酸素含有量且つ高水蒸気含有量の排ガスに変換されると共に上昇流ガス化装置の熱分解・乾燥ステージに放射と対流により熱を供給するように、最後の燃焼ステージ(6)とガス燃焼ステージ(2)へ導入される酸素量を制御するように採用された手段とを有することを特徴とするシステム。 - 請求項21のシステムにおいて、さらに、燃料及び/又は燃焼炎中へ水を噴射する散水システムと、ステージ(2)と、散水システムを制御するように採用された手段とを備えたことを特徴とするシステム。
- 請求項21又は22のシステムにおいて、さらに、熱反応装置(1)から乾燥状態で取り出された灰を輸送する灰スクリューを備えたことを特徴とするシステム。
- 請求項21又は23のシステムにおいて、さらに、燃料入口から灰出口まで燃料が灰出口の方へ重力で移動するように水平又は傾斜状に延びる反応装置壁を有することを特徴とするシステム。
- 請求項21〜24の何れかのシステムにおいて、請求項1〜20の何れかによる1又は複数の方法を実行可能に構成したことを特徴とするシステム。
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