JP2969369B2 - 燃焼装置、特に、渦流層式燃焼装置 - Google Patents

燃焼装置、特に、渦流層式燃焼装置

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JP2969369B2 JP2178496A JP17849690A JP2969369B2 JP 2969369 B2 JP2969369 B2 JP 2969369B2 JP 2178496 A JP2178496 A JP 2178496A JP 17849690 A JP17849690 A JP 17849690A JP 2969369 B2 JP2969369 B2 JP 2969369B2
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Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、請求項１の前文に記載されている特徴を備
えた燃焼装置、特に、渦流層式燃焼装置に関する。
（従来の技術） 循環式の渦流層を備えた公知の渦流層式燃焼装置（EP
−PS第103613号参照）においては、固体物質はサイクロ
ン・セパレーターを使用して燃焼ガスから分離され、捕
集サイロに捕集され、該捕集サイロから渦流層に還流さ
れている。管壁から構成されている壁体を除いて、捕集
サイロには熱伝達面が設けられていず、均一な移送を行
うことができる程度の量の空気だけを使用して固体物質
を流動化させるようになっているので、分離された固体
物質が還流する前に、固体物質が捕集サイロの中で効果
的に冷却されることはない。
他の公知の循環式渦流層式燃焼装置（DE−PS第262430
2号参照）においては、固体物質は、渦流層式反応器と
サイクロン・セパレーターと還流管路より成る循環シス
テムにより燃焼ガス中で高い密度と一定の温度を保った
状態で、循環されている。固体物質の一部は循環系から
取り出され、熱伝達面を備えていて、空気が貫流するよ
うにされた別個の流動床式クーラーで冷却され、少なく
とも部分流として渦流層式燃焼装置に還流される。
さらに、渦流層を備えているとともに、固体物質の循
環を高めるよう構成された渦流層式燃焼装置であって、
燃焼ガスと浮遊ダストを冷却する管束式熱伝達面が渦流
層上のスペースに配置されている渦流層式燃焼装置が公
知である（BWK40号（1988年）、273ページから276ペー
ジまでを参照されたい）。
他の公知の渦流層式燃焼装置（VGB発電技術67号（198
7年）、第８巻、571ページから577ページまでを参照さ
れたい）においては、浸漬式熱伝達面が定置の渦流層内
に配置されている。渦流式燃焼室を圧力容器内に包有す
るよう構成された渦流層式燃焼装置は加圧状態で運転さ
れる。渦流式燃焼室を退出した燃焼ガスはガス・タービ
ンに供給されるようになっている。
公知の渦流層式燃焼装置では、熱流は流動化された固
体物質層中で放出され、かつ熱伝達面に又は燃焼ガスと
共に燃焼室に伝達される。定置式の渦流層を備えた渦流
層式燃焼装置の場合、熱伝達面は浸漬式熱伝達面として
構成されている。構造上の理由と方法技術上の理由から
渦流層の横断面積をむやみに大きくすることができない
ので、所定の出力における流動化速度は比較的高くな
る。したがって、渦流層内に浸漬されている熱伝達面の
腐食は激しい。このため、使用されている材料が消耗す
ることになる。
固体物質の循環が早い渦流層の場合、渦流式燃焼室内
に浸漬式熱伝達面を配置しなくてもすむ。その代わり
に、高温の状態でダストを含んでいる燃焼ガスが貫流す
る壁体状かつ／または仕切り状の熱伝達面が渦流式燃焼
室に設けられる。所定の出力で発生するガスの量もあら
かじめ設定されている。流動体の横断面積は構造状の理
由からむやみに大きくすることはできない。このため一
定の最小ガス速度が決まることになり、この最小ガス速
度を下回って流動が生じることはない。この最小ガス速
度で流動するダストを含んだガスのため、壁体状かつ／
または仕切り状の熱伝達面に腐食が生じる。
NOxの放出を大幅に減少させるために段階状に空気を
供給するやり方を採用した場合、反応スペース内に部分
的に還元性の状態が生じるため、熱伝達面が付加的に腐
食する。しかし、この問題を解消するためには高価な材
料を使用しなければならない。
定置の渦流層を備えた加圧状態で運転される渦流層式
燃焼装置は、負荷が低下するに伴って渦流床の高さが減
少するよう制御されている。渦流床の高さが低下する
と、浸漬されている熱伝達面の一部が渦流層から突出す
るため、渦流層から伝達される熱の量は少なくなる。こ
れと同時にガスの温度が低下し、負荷に応じた温度を有
するガスが燃焼装置に後設されているガス・タービンに
供給されることになる。
（発明が解決しようとする課題） 本発明は上述した如き従来公知の燃焼装置の有する欠
点を除去改良すべくなされたものであって、熱伝達面の
摩耗及び腐食の発生を減少せしめると共に、燃焼装置の
大きさ、殊に、その反応領域の横断面積と該反応領域の
高さとの比に関連する燃焼装置の大きさを自由に選択す
ることができ、しかもガスの温度が負荷の変動に左右さ
れないよう構成された当初に挙げた種類の燃焼装置を提
供することをその主たる目的とするものである。
（課題を解決するための手段） 上記の課題を解決するため、請求項１の特徴項に記載
されている構成を備えた当初に挙げた種類の燃焼装置が
本発明に従って提供されたのである。本発明の有利な実
施態様については、請求項２より15までを参照された
い。
（作用と効果） 本発明においては、燃焼に伴って放出された熱は主と
してガスから分離された固体物質から取り出され、冷却
された固体物質だけが燃焼装置に環流されるので、反応
領域における熱の放出の工程と、再燃焼領域における再
反応の工程と、固個体物質の冷却領域における燃焼ガス
の浄化及び熱の排出の工程とはそれぞれ別々に実施され
るので、プロセス全体に不利な影響を及ぼすことなく、
上記の諸工程を変更することができる。従って、燃焼装
置のうちこれらの工程に関係した領域の高さと横断面積
を自由に選択することができる。そして、腐食の危険の
ある熱伝達面を包有した領域におけるガス速度を、腐食
のために熱伝達面に激しい損傷が生じることがない程度
まで低下させることが可能である。
また、第２のガス通路の冷却領域にたまる固体物質は
濾過機能を有するセパレーターでふるいにかけられて小
さな粒子サイズのものとなって燃焼室に環流される。従
って、固体物質を流動化させるために必要なガス速度が
低くても十分である。固体物質の流動化の促進により熱
伝達係数が大きくなるため、小さい熱伝達面を使用する
ことが可能となる。さらにまた、冷却領域に還元性のガ
ス雰囲気が生じることがないので、オーステナイト系の
材料から作られた負荷特性の高い熱伝達面を使用するこ
とができる。
高いガス温度に調整しなければならない領域に腐食の
危険のある熱伝達面を設ける必要はない。燃料領域と再
燃焼領域内における燃料を燃焼させるに必要な滞留時間
は、自由に選択可能な燃焼装置の横断面積対高さの比と
ガスの速度により適切に調節することができるので、粒
子サイズ範囲が広い石炭を使用して、具合よく燃焼させ
ることができる。冷却領域で分離された固体物質から熱
を排出すると共に、反応領域における空気の過剰の程度
を選択することにより、すべての負荷状態に合わせて渦
流層の温度とガスの温度を調節することができる。さら
に、再燃焼を行わせることにより、再燃焼領域の終わり
におけるガスの温度を渦流層の運転に必要な温度を上回
った値まで高めることができる。最後に、冷却領域にあ
る固体物質を調節可能な温度まで冷却することができる
ので、反応領域に環流される固体物質の量を自由に選択
することができる。
（実施例） 以下、本発明の実施例を図解した添付図面を参照しな
がら本発明を詳細に説明する。
燃焼室１は、第２の燃焼ガス通路（以下、第２の通路
という）２が横通路５を介して燃焼室１と接続されてい
るよう構成されている。燃焼室１と第２の通路２は、壁
体、好適には、互いにガスタイトに溶接されたパイプよ
り成る管壁により構成されている。
固体燃料、液状の燃料またはガス状の燃料と、燃料用
空気とが図示されていない供給部をへて燃焼室１の下部
に供給されるようになっている。燃焼装置は、定置の渦
流層または循環式の渦流層を有する渦流式燃焼装置であ
ってもよくあるいは浮流燃焼部を有する可搬式反応器で
あってもよい。この燃焼装置は反応領域Ｒを備えてお
り、さらに、再燃焼領域Ａが反応領域Ｒに接続されてい
る。再燃焼領域Ａは、ガスが流れる方向に見て燃焼室１
と第２の通路との接続部の後ろに位置しているセパレー
ター10の手前で終わっている。別の燃焼用空気と、必要
な場合、補足的な燃料が再燃焼領域Ａに供給されるよう
になっている。冷却領域Ｃが第２の通路２内に形成され
ている。
以下、渦流層式燃焼装置として構成されている燃焼装
置を例にとって本発明を説明する。この燃焼装置は、固
体物質の循環が激しい渦流層を備えている。なお、以下
の説明は、高度に循環が行われる渦流層または固体物質
が循環するようにされたダスト燃焼装置にも当て嵌まる
ものである。
燃焼室１の下部にノズル部３が配置されており、燃焼
用空気として使用される空気と流動化用の空気として使
用される空気がノズル部３を通って吹き込まれるように
なっている。好適には限定された床表面積を有する渦流
層４がノズル部３上で形成されるよう設定された速度と
量を有する空気が燃焼装置に導入される。渦流層４は反
応領域Ｒを形成している。
燃焼室１はノズル部３の下にアッシュ排出部６を備え
ており、排出機構、例えば、羽根車式排出装置７がアッ
シュ排出部６に配置されている。静止状態にあるアッシ
ュ層８がノズル部３と排出機構７との間に所在してい
る。ノズル９が静止状態のアッシュ層８内に配置されて
いる。アッシュ層８を冷却するため、ガス状の媒体、例
えば、空気または燃焼ガスがノズル９を通ってアッシュ
層８に吹き込まれる。ノズル部３から吹き込まれた流動
化用の空気といしょになってノズル９を通って吹き込ま
れたガスは燃焼室１に流出する。
燃焼ガスと該燃焼ガスといっしょに移動する固体物質
の粒子の下から上に向かう流動状態は、ノズル部３を通
って吹き込まれる空気により燃焼室１内で適切に調節す
ることができる。ガスの流動方向に見て燃焼室１と第２
の通路２との接続部の後ろにセパレーター10が配置され
ている。セパレーター10のガス側の排出部にガス排出管
路11が接続されている。ガス排出管路11は燃焼ガスを再
処理する装置まで延設されている。この再処理装置は、
のちほど説明されているように、渦流層式燃焼装置が、
例えば、20バールの高圧のもとで運転される場合は廃熱
ボイラであってもよく、ガス・タービンであってもよ
い。
第１図と第２図には概念的に示されているだけである
が、セパレーター10は濾過機能を有するセパレーターと
して構成されており、固体排出部は第２の通路２内に突
設されている。この種のセパレーターは渦流層式燃焼装
置から排出された燃焼ガスを浄化する装置としてすでに
公知であり、分離効率が高いことが特徴である（VDIレ
ポート第715号（1989年）の289ページから322ページま
で、特に、299ページから309ページまでと315ページか
ら317ページまでを参照されたい）。
例えば、石英の砂のごとき粒状のフィルター材料より
成るフィルター層が載置されている傾斜した多孔質の底
板を包有している震盪板式フィルターをセパレーターと
して使用してもさしつかえない。フィルター層は渦流層
４から得られる床材料をフィルター材料として使用する
ことができる。燃焼ガスが貫流したときにフィルター層
上に沈積したダストはときおり吹き飛ばされて、第２の
通路２に移送される。このようにして、固体物質の層12
が第２の通路２に形成される。
震盪板式フィルターの代わりに多管式フィルターを使
用するのも好ましい。このようなフィルターが第３図に
示されており、多孔質なセラミック材料から構成された
多数のフィルター・パイプ13が多管式フィルターに使用
されている。フィルター・パイプ13は適当な保持装置を
使用して第２の通路２内に固定されている。固体物質を
包有したガスは多孔質なフィルター材料を貫流し、ガス
排出管路11をへてクリーン・ガス側に移送される。この
とき固体物質はフィルター・パイプ13のガス側で分離さ
れる。堆積した固体物質の層は自重により落下するかま
たは第23の通路２を逆洗浄したときに落下し、固体物質
の層12を形成する。
第２の通路２の下端は固体物質環流管路14を介してノ
ズル部３より上方の位置で燃焼質１と接続されている。
固体物質の層12を貫流する空気を吹き込むノズル格子15
が第２の通路２の下部に配置されている。空気の代わり
に他のガス、例えば、還流された燃焼ガスを使用しても
よい。このように吹き込まれた空気または燃焼ガスは燃
焼室１から到来した燃焼ガスといっしょになってセパレ
ーター10とガス排出管路11をへて排出される。また、例
えば、再燃焼領域Ａに設けられたエジェクターを使用し
て２次燃焼用空気として空気を吹き込むようにしてもよ
い。
熱伝達面16と17が第２の通路２の固体物質の層12内に
配置されている。ガス、空気、蒸気、水、サーマル・オ
イル、液体金属等の液状またはガス状の熱交換用の媒体
が熱伝達面16と17を貫流するようになっている。熱伝達
面16と17を第２の通路２と燃焼室１の管壁とともに水−
蒸気の循環系に接続するようにしてもよい。
第１図に示されている実施例では、第２の通路２は別
のノズル格子18を設けることにより２つの上下に並んだ
チャンバー19と20に分割されている。第２図に示されて
いる実施例では、第２の通路２は１つまたは複数の垂直
方向に延設された隔壁またはガスタイトに互いに溶接さ
れたパイプから形成された隔壁により２つの隣接したチ
ャンバー21と22に分割されている。これらの互いに隣接
したチャンバー21と22にノズル格子23と24が設けられて
いる。ノズル格子23と24を通って流動する気体の流量は
大幅に異なるようにしてもよい。例えば、水−蒸気の循
環系のエコノマイザ、蒸発器、過熱器等におけるごと
く、それぞれ異なったやり方で接続される熱伝達面16と
17がチャンバー21と22に設けられている。
第２の通路２内の固体物質層12の固体は、噴流する空
気または噴流するガスまたは熱伝達面16と17を貫流する
熱交換用の媒体に熱を伝達することにより冷却される。
セパレーター10で分離され、第２の通路２内で冷却され
た固体は、固体物質還流管路14をへてその全部または一
部が燃焼室１に還流される。空気を使用して燃料を燃焼
するとき発生した燃焼熱は燃焼室１を限定している管壁
内の熱交換媒体に伝達されるとともに、冷却ずみの還流
された固体物質に伝達されるので、燃焼室１の温度は75
0から900℃までの温度、好適には850℃の温度に継続的
に保持される。再燃焼室Ａ内に熱伝達面は配置されてい
ない場合、渦流層４の温度を有する燃焼ガスがセパレー
ター10に流入する。燃焼用空気の量を減らことにより燃
焼室１内で不完全燃焼を行わせることも可能である。こ
の場合、渦流層４から流出したガスは可燃物質を含んで
いる。この可燃物質は再燃焼領域Ａで再燃焼される。こ
のようにすれば、ガス排出管路１から退出する燃焼ガス
の温度は、渦流床の温度を上回った温度、例えば、1000
℃に高めることができる。この場合、再燃焼領域Ａに使
用される燃焼用空気として、固体物質の層12を貫流する
空気が使用される。別の２次燃焼用空気と３次燃焼用空
気を、必要な場合、補足的な燃料といっしょに際燃焼領
域Ａに吹き込むことができる。このような燃焼方法は、
渦流層式燃焼装置が過圧状態のもとで運転される場合に
有利である。
空気またはガスが固体物質の層12に吹き込まれる速度
に応じて静止床または渦流床が形成される。すなわち、
ガスの速度が流動化点を下回っている場合は静止床が形
成され、ガスの速度が流動化点を上回っている場合は渦
流床が形成される。熱伝達係数は静止床の場合よりも渦
流床の場合のほうが大幅に高いので、固体物質の層12を
貫流する空気の流動化点の近傍で速度を変えることによ
り、固体物質から取り出された熱が空気と熱伝達面16と
17の熱交換用の媒体へ分配される割合を適正に調節する
ことができる。空気またはガスに有利に熱を伝達するに
は静止床が使用される。熱伝達面16と17の熱交換用の媒
体に多量の熱を伝達しなければならない場合、固体物質
層12を流動化させる。上述のように第２の通路２を複数
のチャンバー19と20と21と22に分割した場合、伝達すべ
き熱を有利に分配することができる。この場合、１つの
チャンバー内に静止床を設け、他のチャンバー内に渦流
床を設けるようにすることも可能である。
第２図に示されている実施例によれば、燃焼室１と第
２の通路２との間にあって、燃焼ガスの流動方向に見て
反応領域Ｒの後ろに、すなわち、再燃焼領域Ａに燃焼ガ
スと接触する熱伝達面29が配置されている。上記の位置
における横断面の形状を適当に設定することによりこの
位置で速度が過度に高くなることを防止することができ
る。
吸込通路を設けなくともよいようにするため、大気圧
よりわずかに高い圧力で上述の燃焼装置を運転するよう
にしてもよい。燃焼室１と第２の通路２内の過圧状態を
１から30バールまで、好適には20バールに設定すること
ができる。この場合、ガス排出管路11内に流入した浄化
ずみのガスをガス・タービンまたは化学的なプロセスに
供給することができる。
過圧状態のもとで運転される特別な燃焼装置が第４図
に示されている。この燃焼装置の場合、燃焼室１と第２
の通路２は互いに独立した圧力容器26と27内に配置され
ている。圧力容器26と27に貫設されている圧力管路28を
介して燃焼室１が第２の通路２と接続されている。ガス
排出管路１はガス・タービン25の接続されている。図示
の実施例を変更して、共通の圧力容器が燃焼室１と第２
の通路２を包有するようにしてもよい。その他の構成と
機能の点では、第４図に示されている加圧状態で運転さ
れる実施態様は、第１図から第３図までに示されている
大気圧のもとあるいは過圧状態で運転される実施態様と
基本的な原理においては同一のものである。
【図面の簡単な説明】
第１図は渦流層式燃焼装置の構成を図解した概要図、第
２図は渦流層式燃焼装置の別の実施態様に従った構成を
図解した概要図、第３図は渦流層式燃焼装置の他の実施
態様に従った構成を図解した概要図、第４図は過圧力状
態で運転される他の渦流層式燃焼装置を図解した概要
図。 １……燃焼室、２……通路、３……ノズル部、４……渦
流層、５……横通路、６……アッシュ排出部、７……羽
根車式排出装置、８……アッシュ層、９……ノズル、10
……セパレーター、11……ガス排出管路、12……固体物
質の層、13……フィルター・パイプ、14……固体物質戻
し管路、15、18、23、24……ノズル格子、16、17、29…
…熱伝達面、19、20、21、22……チャンバー、25……ガ
ス・タービン、26、27、28……圧力容器、Ａ……再燃焼
領域、Ｃ……冷却領域、Ｒ……反応領域。
フロントページの続き (72)発明者 ホルスト メーレンホフ ドイツ連邦共和国、4330 ミユールハイ ム ルール、ヴイットハオスシユトラー セ 29 (72)発明者 ハンス・ヨアヒム マイアー ドイツ連邦共和国、4234 アルペン・メ ンツエレン、ギンデリッヒャー シユト ラーセ 25 (56)参考文献 特開 平１−95208（ＪＰ，Ａ) 特開 平１−184301（ＪＰ，Ａ) 特開 平１−79504（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−29104（ＪＰ，Ａ) 実開 平１−8009（ＪＰ，Ｕ) 実開 平１−61510（ＪＰ，Ｕ) 特公 平１−39039（ＪＰ，Ｂ２) 特表 平２−502477（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.6，ＤＢ名) F23C 11/02 310 - 311 F02C 3/26 F22B 1/02

Claims (15)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】下から上に向かって燃焼ガスが貫流するよ
    う構成された燃焼室（１）と、該燃焼室の下流側に配設
    された第２の燃焼ガス通路（２）と、該燃焼室（１）か
    ら出る燃焼ガスから固体物質を分離するセパレーター
    （10）と、該燃焼室（１）に接続された、該セパレータ
    ーによって分離された固体物質の環流管路（14）とを具
    備し、前記第２の燃焼ガス通路（２）がガス、特に、空
    気が貫流する固体物質層を包有すると共に、固体物質を
    冷却するクーラーとして構成されている燃焼装置、特
    に、渦流層式燃焼装置において、前記セパレーター（1
    0）が濾過機能を有するセパレーターとして構成されて
    いること、前記燃焼室（１）のガス出口が前記第２の燃
    焼ガス通路（２）に接続されていること、及び、該第２
    の燃焼ガス通路（２）が前記ガス出口側において濾過機
    能を有する前記セパレーターと接続されていることを特
    徴とする燃焼装置。
  2. 【請求項２】液状またはガス状の熱交換媒体が貫流する
    熱伝達面（16、17）が第２の燃焼ガス通路（２）内に配
    置されていることを特徴とする請求項１記載の燃焼装
    置。
  3. 【請求項３】固体物質層（12）が静止床であることを特
    徴とする請求項１又は２記載の燃焼装置。
  4. 【請求項４】固体物質（12）が渦流層であることを特徴
    とする請求項１又は２記載の燃焼装置。
  5. 【請求項５】固体物質層（12）を貫流するガスの流量
    が、排出されるべき熱をガスと熱伝達面（16、17）に分
    配するやり方に従って調節されることを特徴とする請求
    項１又は２記載の燃焼装置。
  6. 【請求項６】第２の燃焼ガス通路（２）が複数のチャン
    バー（19、20、21、22）に分割されていることと、該チ
    ャンバー（19、20、21、22）がそれぞれガスを供給する
    システムを備えていることとを特徴とする請求項５記載
    の燃焼装置。
  7. 【請求項７】燃焼室（１）の下部に燃料と燃焼用空気を
    供給することにより反応領域（Ｒ）が形成されること
    と、別の燃焼用空気を供給することによりセパレーター
    （10）の入口まで延在した再燃焼領域（Ａ）が形成され
    ることとを特徴とする請求項１より６までのいずれか１
    項記載の燃焼装置。
  8. 【請求項８】再燃焼領域（Ａ）内の温度が反応領域
    （Ｒ）内の温度より高い値に調節されていることを特徴
    とする請求項７記載の燃焼装置。
  9. 【請求項９】個体物質層（12）を貫流する空気が再燃焼
    領域（Ａ）内の燃焼用空気として導入されることを特徴
    とする請求項７又は８記載の燃焼装置。
  10. 【請求項１０】再燃焼領域（Ａ）が補足的な燃料供給系
    を備えていることを特徴とする請求項８より９までのい
    ずれか１項記載の燃焼装置。
  11. 【請求項１１】燃焼室（１）と第２の燃焼ガス通路
    （２）がガス・タービン（25）を運転するに適した過圧
    状態に保持されていることを特徴とする請求項１より10
    までのいずれか１項記載の燃焼装置。
  12. 【請求項１２】燃焼室（１）と第２の燃焼ガス通路
    （２）が大気圧よりわずかに高い圧力に保持されている
    ことを特徴とする請求項１より10までのいずれか１項記
    載の燃焼装置。
  13. 【請求項１３】燃焼室（１）と第２の燃焼ガス通路
    （２）が互いに独立した圧力容器（26、27）内に配置さ
    れていることと、燃焼室（１）と第２の燃焼ガス通路
    （２）が圧力管路（28）を介して相互に接続されている
    こととを特徴とする請求項11記載の燃焼装置。
  14. 【請求項１４】燃焼室（１）と第２の燃焼ガス通路
    （２）が共通の圧力容器内に包有されていることを特徴
    とする請求項11記載の燃焼装置。
  15. 【請求項１５】ガスの流動方向に見て反応領域（Ｒ）の
    後ろに熱伝達面（29）がガス流の中に吊り下げられてい
    ることを特徴とする請求項１より14までのいずれか１項
    記載の燃焼装置。
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