JP2657854B2 - 流動床燃焼方法 - Google Patents

流動床燃焼方法

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JP2657854B2
JP2657854B2 JP3036128A JP3612891A JP2657854B2 JP 2657854 B2 JP2657854 B2 JP 2657854B2 JP 3036128 A JP3036128 A JP 3036128A JP 3612891 A JP3612891 A JP 3612891A JP 2657854 B2 JP2657854 B2 JP 2657854B2
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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、流動床燃焼方法、より
詳細には、再循環熱交換器を炉区域と一体化したかよう
な流動床燃焼装置の操作方法に関するものである。
【0002】
【従来の技術】流動床燃焼装置はよく知られており、炉
区域を備えている。炉区域では、石炭などの化石燃料、
および石炭の燃焼の結果として生成される硫黄酸化物用
の吸着剤を含む粒状材料の床を空気が通過し、比較的低
温度で床を流動化するとともに燃料の燃焼を促進する。
この型の燃焼装置は蒸気発生器でしばしば使用され、水
は熱交換作用を受けながら流動床へ達して蒸気を発生
し、高い熱効率および燃料融通性が得られ、硫黄の吸着
効果が高く、窒素酸化物の排出は少ない。
【0003】この型の燃焼装置の炉区域で使われる最も
典型的な流動床は、一般に「バブリング」流動床と呼ば
れ、粒状材料の床は比較的高密度で、その上面は他との
区別が明確である。これ以外の型の燃焼装置では「循
環」流動床が使われ、その密度は典型的なバブリング流
動床より低い一方、流動化空気の速度はバブリング流動
床の場合と同じかまたはそれ以上であり、流動床を通過
する煙道ガスは、実質的に飽和してしまうほどに多量の
細粒固体を随伴する。
【0004】循環流動床の特徴は、内外部の固体の再循
環率が比較的高いことであり、このため、流動床は燃料
熱の放出パターンに影響されず、温度変化が最小限に押
さえられるので硫黄の排出を低レベルに保つことができ
る。高い外部の固体再循環率は、サイクロン分離器を炉
区域の出口に配置し、流動床からの煙道ガスおよびそれ
に随伴する固体を受けることで達成できる。分離器の中
で固体は煙道ガスから分離され、煙道ガスは熱回収領域
へ送られる。一方、固体の方はシールポットすなわち
「J」タイプシールバルブを通じて炉へ再循環される。
この再循環により分離器の効率は高まり、その結果、硫
黄吸着剤および燃料の有効使用滞留時間が長くなり、吸
着剤と燃料の消費が低減できる。
【0005】この型の流動床、さらに特定すれば再循環
型の流動床の運転においては、考慮すべきいくつかの重
要点がある。たとえば、煙道ガスおよび随伴固体は、吸
着剤により適切な硫黄捕捉が行われる実質的等温(通常
約1600°F)で、炉区域にとどめられなければなら
ない。その結果、熱回収領域へ送られる煙道ガスの最大
熱容量(ヘッド)と、サイクロン分離器を通じて炉区域
に再循環される分離固体の最大熱容量は、この温度によ
り制限される。再加熱操作を要しないサイクルでは、分
離器の下流側にある蒸気発生器の熱回収領域で使用に必
要な熱は、炉区域出口における煙道ガスの熱容量により
通常は十分に提供される。したがって、この場合、再循
環固体の熱容量は不要となる。
【0006】しかしながら、再熱操作並びに過熱操作を
必要とするサイクル及び硫黄捕捉を伴う再循環流動床を
使用した蒸気発生器では、炉区域の出口の煙道ガスの熱
容量が不十分である。このようなサイクルでは、再循環
固体が炉区域にふたたび送られる前に、その固体の熱を
利用できるよう装置設計をしなければならない。
【0007】このようにさらに余分の熱容量を供給する
ため、再循環熱交換器は時々分離器の固体出口と炉区域
の流動床との間に配置される。再循環熱交換器は、分離
器かからの固体を受け、その固体が炉区域に再導入され
る前に、比較的高い熱伝達速度で固体から熱を奪い取
る。そして、その熱は、熱回収領域の冷却回路に送られ
る。再循環熱交換器における熱伝達量を制御する最も簡
単な方法は、熱交換器内の固体の高さを変えることであ
る。しかし、熱伝達とは無関係の理由により流動床の固
体について必要最低限の深さや圧力が求められるときな
ど、再循環床の高さを選ぶ自由が制限されるという場合
もある。このような場合、「プラグバルブ」すなわち
「L」バルブを使って再循環固体の一部を分流し、再循
環熱交換器との接触を避けて冷却を防ぐことで、熱伝達
を制御することもできる。分流路と熱交換器路からの固
体をふたたび合流させるかまたは、それぞれの流れを直
接炉区域に向かわせることで、再循環路は完成される。
この態様では、存在する単位負荷に対して、熱交換器面
への適切な熱伝達が実現できる。しかし、この種の装置
では、固体システム内に可動部品を使うか、または曝気
装置を伴う外部固体流導管を取り付ける、あるいはその
両方を取り付ける必要があり、装置に相当なコストをか
けることになる。
【0008】このようなコストを節約するために、1つ
の装置が発明され、当該発明の譲受人により、1989
年6月26日付、米国出願番号第371170号にて開
示される。この装置は、分離固体を受けて炉区域の流動
床にふたたび分配するための再循環熱交換器を備えてい
る。再循環熱交換器は装置の炉区域の外部に配置され、
分離器から排出される固体を受ける入口チャンバを1つ
備えている。また、入口チャンバから固体を受ける2つ
の別チャンバも備えている。固体はこれら2つのチャン
バの中で流動化し、さらにそのうち1つのチャンバに熱
交換面が設けられ、固体から熱を奪う。熱交換面付きチ
ャンバの固体は、オーバーフロー堰であらかじめ設定さ
れた高さを超えると、出口チャンバへ流入する。出口チ
ャンバに入った固体は、炉区域の流動床へ戻される。
【0009】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、この種
の方法にはいくつかの問題がある。たとえば、熱交換面
として使えるスペースが限られている。炉区域での圧力
変化が外部熱交換器に伝えられ、その結果、運転が不安
定になる。また、熱交換器から固体が、炉区域の比較的
小さな領域に送られるので、固体の均一な混合、分布に
適さない。さらには、この装置は、圧力差を利用して固
体を熱交換器から炉区域に送るので、電力を消費する。
【0010】本発明の目的は、燃焼装置の炉区域と一体
化した再循環熱交換器を使用し、分離固体が炉に再循環
される前に固体から熱を奪い去る流動床燃焼方法を提供
することにある。
【0011】また、本発明の別の目的は、再循環熱交換
器内で分離固体から奪い去られた熱を利用して希望の炉
温度を得る方法を提供することにある。
【0012】本発明の別の目的は、煙道ガスの温度を下
げることなく、分離固体から熱を奪い去る方法を提供す
ることにある
【0013】た、本発明の別の目的は、燃焼装置の熱
回収領域における熱交換面の必要性を減じる方法を提供
することにある。
【0014】また、本発明の別の目的は、始動時、停止
時、ユニットのトリップ時および低負荷状態において、
どの熱交換面も通過することなく、分離された固体を直
接かつ均一に炉区域に送る方法を提供することにある
【0015】た、本発明の別の目的は、再循環熱交換
器が炉の圧力変化の影響より隔離される方法を提供する
ことにある
【0016】らに、この発明の別の目的は、再循環熱
交換面用に比較的広いスペースを得られる方法を提供す
ることにある。
【0017】
【課題を解決するための手段】上記ならびにその他の目
的を達成するため、本願発明の流動床燃焼方法は、炉
域および再循環熱交換区域を囲包体内に形成し、該炉区
域内で可燃材料の床を流動し、該炉区域から煙道ガスと
随伴材料の混合物を排出し、該煙道ガスから該随伴材料
を分離し、該分離煙道ガスを熱回収区域に通し、該分離
材料を該再循環熱交換区域内に通し、該再循環熱交換区
域内の該分離材料から熱を除去し次いで該材料を該再循
環熱交換区域から該炉区域へ通すため全負荷状態に応答
し、該分離材料から熱を除去することなしに該再循環熱
交換区域を通って該分離材料を直接該炉区域へ通すため
始動時及び/又は低負荷状態に応答する各工程を含むこ
とを特徴とする。
【0018】
【実施例】発明に対する上記の簡単な説明、および発明
のさらなる目的、特徴および利点は、添付する図ととも
に以下の本発明の実施例に対する詳細な説明を参照すれ
ばさらに明らかとなろう。
【0019】図は蒸気発生に用いる流動床燃焼装置を示
し、該装置は本明細書では符号10で示される直立水冷
囲包体を含み、該囲包体は前壁面12、後壁面14およ
び2枚の側壁16aおよび16b(図2および3)を有
する。囲包体10の上部は天板17で囲包され下部は床
18を含む。
【0020】複数の空気分配ノズル20が、囲包体10
下部全体に広がる板22に設けた開口部にそれぞれ取り
付けられている。該板22は床18に対してスペースを
与えられているため、空気プレナム24が形成される。
該空気プレナム24は、後ほど説明するように、外部空
気源(図示せず)から空気を受け、この空気を囲包体1
0の各部に板22を経由して選択的に分配するようにな
っている。
【0021】符号25で示す冷却供給装置は前壁面12
に隣接して設けられており、囲包体10に、燃料を含む
粒状材料を導入するのに用いられる。粒状材料は板22
を上方向に通過する際に、プレナムよりの空気にて流動
化される。空気は、燃料の燃焼を促進し、かつ結果とし
て生ずる燃焼ガスと空気の混合体(以下「煙道ガス」と
呼ぶ)は、強制対流によって囲包体内を上昇し、固体の
一部を随伴して直立水冷囲包体10内の一定の高さに密
度減少コラムを形成する。このコラムより上では、密度
は実質的に一定に保たれる。
【0022】サイクロン分離器26は囲包体10に近接
して伸長し、該囲包体10の後壁面14に設けられた出
口と、分離器の壁面を貫通して設けられた入口を結ぶダ
クト28により、該囲包体10と接続されている。符号
は分離器26にのみ与えられているが、1つ以上の追加
の分離器(図示せず)を該分離器26の背後に設けても
よい。使用する分離器の個数およびサイズは、蒸気発生
器の容量と経済的観点に基づき決定される。
【0023】分離器26は、後で説明する態様に従い囲
包体10からの煙道ガスと随伴する粒状材料を受け、慣
用の態様で動作して、該分離器内で生ずる遠心力により
煙道ガスから粒状材料を分離する。固体を実質的に含ま
ない分離煙道ガスは、分離器26のすぐ上に位置するダ
クト30を経由して、符号32で示す熱回収領域へ送ら
れる。
【0024】熱回収領域32は囲包体34を備え、該囲
包体は、垂直区画35により再熱器36を収容する第1
通路と、一次過熱器37および節炭器38を収容する第
2通路に分割されている。これらすべての機器は、分離
器26からの煙道ガスが囲包体34を通過する際に通る
経路内に伸長する複数の熱交換管で形成されている。垂
直区画35の上部には開口部35aが設けられ、該過熱
器37と節炭器38を収容する通路に煙道ガスの一部が
流入できるようになっている。2本の平行した通路に設
けられた再熱器36、過熱器37および節炭器38を通
過した後、煙道ガスは囲包体34の後壁に形成された出
口42を通じて該囲包体から排出される。
【0025】図1に示すとおり、床18と板22は後壁
面14よりさらに伸長し、互いに平行な1組の区画50
および52が、床18に上に間隔をおいて垂直に設置さ
れている。区画50の上部は後壁面14に向かって曲げ
られた後、逆に区画52へ向かって曲げられ、上部先端
が区画52の壁面に隣接する位置からさらに後壁面14
の方向へ再度わずかに曲げられている。後壁面14およ
び区画50と52には複数の開口部が設けられ、後で説
明するように、固体の流路を確立している。
【0026】前壁面12と後壁面14は炉区域54を規
定し、区画50と52は熱交換器囲包体56を規定して
いる。また、後壁面14と区画50は囲包体56の出口
チャンバ58を規定している。該チャンバは区画50の
曲げ部分により、上部を密閉されている。囲包体56の
中には複数の熱交換管60が配置されている。該熱交換
管については、後ほど詳しく説明する。
【0027】区画52の外面には副囲包体62が取り付
けられ、熱交換器囲包体56の入口チャンバ64を規定
している。床18と板22はチャンバ58、囲包体56
およびチャンバ64を越えて延伸し、板22の延伸部分
は追加のノズル20を備えている。したがって、プレナ
ム24はチャンバ58と64および囲包体56の下にも
延伸し、追加のノズル20へ空気を導入する。
【0028】分離器26の下部はホッパー26aを有
し、符号66で示される入口「J」バルブに接続したデ
ィップレッグ65と接続している。「J」バルブ66は
慣用の態様で機能し、炉区域54から分離器26に固体
が逆流するのを防ぐ。入口流導管68は、「J」バルブ
の出口と副囲包体62を接続し、分離器26からの分離
固体を入口チャンバ64および熱交換器囲包体56に送
る。符号68a(図2)は、分離器26の背後に配置さ
れる追加の図示しない分離器用の入口流導管を表わす。
【0029】図2および3に示すとおり、熱交換器囲包
体56は区画52と後壁面14の間に間隔をあけて延伸
する1組の横方向区画70および72により、3つの区
画室56a,56bおよび56cに分割されている。前
述の熱交換管60は、図2および3に概略図示され、区
画室56aと56cに配置されている。該熱交換管は2
グループ60aと60bに分けられている。区画70と
72はまたプレナム24を3セクション24a,24b
および24cに分割し、これらのセクションは熱交換器
の区画室56a,56bおよび56cの直下にそれぞれ
延伸している。ダンパーなどの手段(図示せず)を用い
て24a,24bおよび24cそれぞれのセクション
に、選択的に空気を分配してもよい。
【0030】区画52の下部には5個の開口部52a
(図2)が間隔をあけて形成され、区画50のうち区画
室56aと56cを規定する部分の中間部分には、4つ
の開口部50a(図2と3)が間隔をあけて形成されて
いる。また、区画50のうち56bを規定する部分には
1つの開口部50bが形成され、開口部52aより高い
位置まで延伸している(図2と3)。後壁面の下部には
5つの開口部14a(図1と2)が間隔をあけて形成さ
れ、さらに区画50の上部と通じる5つの開口部14b
(図1)が設けられている。
【0031】前壁面12、後壁面14、側壁16aと1
6b、区画50,52,70および72、天板17、副
囲包体62の壁面、および熱回収囲包体34を規定する
壁面はすべて、図4に1例を示すように、薄膜型の壁面
で構成されている。図4に示すとおり、各壁面は垂直に
延伸した複数のひれ付き水管74で形成され、該水管は
全長にわたって接合された隣接水管に対して気密性を有
している。
【0032】囲包体10の上方には蒸気ドラム80があ
り、図示されていないが上記のさまざまな壁面の端部に
は複数のヘッダーが配置されている。また、前記した水
管壁、ヘッダー、蒸気ドラム80、熱交換管60を形成
する管と、再熱器36、過熱器37および節炭器38を
形成する管を含む流路を構成するために、複数の下降
管、パイプなどが使用されている。水はこの流路をあら
かじめ定められた順序で通過して蒸気になり、蒸気は炉
区域54の粒状燃料材料の燃焼により生成された熱によ
り加熱される。
【0033】運転中、粒状の燃料材料と吸着材料(以下
「固体」と呼ぶ)は、供給装置25を経由して炉区域5
4に導入される。外部空気源からの空気は、プレナム2
4のうち炉区域54の下に延伸する部分に十分な圧力を
かけて導入され、十分な量の空気が十分な速度で炉区域
54内に配置されたノズル20を通過し、炉区域内の固
体を流動化する。
【0034】固体内の燃料材料に着火するため、着火バ
ーナーなど(図示せず)が備えられ、着火以後、炉区域
の熱により燃料材料は自己燃焼する。空気と燃焼ガスの
混合体(以下「煙道ガス」と呼ぶ)は、炉区域54を上
方向に通過して固体の大部分を随伴、すなわち浄化す
る。空気プレナム24を経由し、ノズル20を通って炉
区域54内部に導入される空気の量は、循環流動床が形
成されるよう固体の大きさに応じて決定する。すなわ
ち、十分な随伴、つまり浄化が達成できる程度にまで固
体が流動化する量を必要とする。これにより、炉区域5
4の上部を通過する煙道ガスは固体により実質的に飽和
され、流動床の密度は炉区域54の下部では比較的高く
なり、該区域の深さ全体にわたって高位置になるほど低
下し、該区域の上部では実質的に安定して比較的低くな
る。
【0035】炉区域54上部の飽和煙道ガスはダクト2
8に排出され、サイクロン分離器26に流入する。各分
離器26の内部では煙道ガスから固体が分離され、固体
は分離器からディップレッグ65に流入し、「J」バル
ブ66および入口流導管68を経由して入口チャンバ6
4に供給される。分離器26からの浄化済み煙道ガス
は、ダクト30を通じて排出され、熱回収領域32に送
られてから囲包体34を通りかつ再熱器36、過熱器3
7および節炭器38を通る通路を経由した後に出口42
から外部装置へ排出される。
【0036】通常、入口流導管68から排出された分離
固体は入口チャンバ64に流入し、区画52に設けられ
た開口部52aを経由して熱交換器囲包体56に送られ
る。空気は、プレナム24のうちチャンバ58,64お
よび囲包体56の下にあるセクションに導入される(図
1)。囲包体56の内部で空気はプレナムセクション2
4aおよび24c(図3)に送られ、それぞれのセクシ
ョンに対応するノズル20から排出される。その結果、
チャンバ58と64、および区画室56aと56c内部
の固体は流動化される。区画室56aと56cの固体
は、各区画室の熱交換管60aおよび60b内をほぼ上
方向に進み、開口部50aを通じてチャンバ58に排出
される(図1と2)。固体はチャンバ58の中で混合さ
れた後、後壁面14の下部に形成された開口部14aを
通じて、炉区域54に戻る。
【0037】後壁面14の上部を貫通して設けられた5
つの開口部14bは、チャンバ58内の圧力を、炉区域
54内の比較的低い圧力と等化する。その結果、高さに
より固体ヘッドの差が生じ、流動空気圧にたよることな
く開口部14aから固体が排出される。
【0038】炉区域54、および必要なら熱交換囲包体
56から使用済み固体を排出するため、必要に応じて板
22に排出管などを取り付けてもよい。
【0039】流体は前述の流路をあらかじめ定められた
順序で循環して蒸気になり、蒸気は再熱および過熱され
る。このために、熱交換器56内で固体から奪い去られ
た熱を再燃および/または全面的または部分的な過熱に
使用できる。この全面的または部分的過熱に関連し、熱
交換区画室56a,56cそれぞれの中の2グループか
らなる管60aおよび60bは、一次過熱が熱回収領域
32で行われている間に、それぞれ中間過熱および最終
過熱を行う。
【0040】上記の運転中、流動化空気が熱交換区画室
56bに対応する空気プレナムセクション24bに導入
されないため、また区画50の開口部50bが開口部5
0aより高い位置にあるため、熱交換区画室56bには
ごく微量の固体が流れるかないしはまったく流れない。
ただし、始動時または低負荷時には、流動化空気がプレ
ナムセクション24bに供給される一方、セクション2
4aおよび24cへの空気供給は遮断される。これによ
り、熱交換区画室56aおよび56c内の固体が停滞
し、その結果この分量の固体をそれ以上流すことなく封
止し、一方で入口チャンバ64からの固体は直接熱交換
区画室56bに流れ、出口チャンバ58を経由して炉区
域54に達する。区画室56bは熱交換管を備えないの
で、該区画室は単にバイパスとしてのみ機能し、その結
果、熱交換面56aおよび56cを高温の再循環固体に
さらすことなく始動および低負荷運転を実現できる。
【0041】本発明の方法によればいくつかの利点が得
られる。たとえば、分離器26から排出される分離固体
が炉区域54に再導入される前に、煙道ガスの温度を低
下することなく該固体から熱を奪うことができる。さら
に、再循環熱交換器に追加加熱を行うよう機能させなが
らも、分離ガスは装置内の流体を大幅に加熱するのに充
分な温度を有する。さらに、分離固体がチャンバ58お
よび64と囲包体56を均一な分布で流れるため、囲包
体56内部の熱交換効率が高められ、炉からの均一な固
体排出が保証される。さらに、始動時あるいは低負荷運
転時に囲包体区画室56aおよび56cに対し適切な冷
却蒸気供給が達成されるまで再循環固体は「J」バルブ
66から直接炉区域に送られる。さらに、再循環熱交換
囲包体56が炉区域54と一体に形成されるので、熱伝
達効率が高められる。しかも、再循環熱交換囲包体56
が炉内部の圧力変動から隔離されかつ固体が囲包体5
6、およびチャンバ64と58より高低差により送り出
されるため、総所要電力消費が低減される。さらに、囲
包体区画室56aおよび56c内部に、熱交換管収容用
に比較的大きな空間が形成されている。
【0042】当然ながら上記の態様は、数種の変形が可
能である。たとえば、区画50の上部に流導管82を設
け、後壁面14を貫通して形成した開口部まで延伸し、
チャンバ58の内圧を炉区域54内部の比較的低い圧力
と一致させてもよい。このように、該流導管を後壁面1
4に設けた開口部14bに加えて、または代わりに使っ
てもよい。さらに、再循環熱交換囲包体内部の固体から
奪った熱を炉区域、または節炭器内部の流体を加熱する
のに利用してもよい。さらに、全長にわたり低密度であ
る循環流動床、またはバブリング流動床などの他形式の
床を用いてもよい。また、再循環熱交換装置内部のバイ
パス通路の数および/または位置は変えてもよい。
【0043】これ以外の変形、変更および代替は上記の
開示に含まれているものであり、場合によっては本発明
の特定の特徴が他の特徴から独立して実施されることが
ある。したがって、本明細書の特許請求の範囲は特許の
範囲を逸脱しないかぎりおいて広く解釈できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】流動床燃焼装置を示す概略図である。
【図2】図1の線2−2の面についての断面図である。
【図3】図2の線3−3の面についての断面図である。
【図4】図1の装置の囲包体の壁面の一部の部分拡大斜
視図である。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 アルフレッド・エス・トウマ アメリカ合衆国ニュージャージー州 07006,ウエスト・コールドウェル,ウ エストビュー・ロード・24 (72)発明者 ウォルター・ピー・ゴルゼグノ アメリカ合衆国ニュージャージー州 07960,モーリスタウン,ミリタリー・ ヒル・ドライブ(無番地) (72)発明者 ジョン・ダブリュー・ファレン アメリカ合衆国ニュージャージー州 08873,サマーヴィル,アルゴンクィ ン・トレイル・3 (56)参考文献 特開 平1−184301(JP,A)

Claims (1)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 流動床燃焼方法であって、炉区域および
    再循環熱交換区域を囲包体内に形成し、該炉区域内で可
    燃材料の床を流動し、該炉区域から煙道ガスと随伴材料
    の混合物を排出し、該煙道ガスから該随伴材料を分離
    し、該分離煙道ガスを熱回収区域に通し、該分離材料を
    該再循環熱交換区域内に通し、該再循環熱交換区域内の
    該分離材料から熱を除去し次いで該材料を該再循環熱交
    換区域から該炉区域へ通すため全負荷状態に応答し、該
    分離材料から熱を除去することなしに該再循環熱交換区
    域を通って該分離材料を直接該炉区域へ通すため始動時
    及び/又は低負荷状態に応答する各工程を含むことを特
    徴とする流動床燃焼方法。
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