JP3276195B2 - 高温ガス用除塵装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明はムライト、コージライ
ト、炭化ケイ素等を主成分とする多孔質セラミックスか
らなる両端が開口した複数のフィルタ管を概ね鉛直な方
向に配置した除塵装置を、加圧流動床ボイラー、石炭直
接燃焼装置（Ｃｏａｌ ＤｉｒｅｃｔＦｉｒｉｎｇ）等
の加圧された高温の燃焼プロセスから排出される燃焼ガ
スの除塵に用いる際、フィルタ管の熱損傷トラブルを防
止した除塵装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】セラミックス製のフィルタ管を用いた除
塵装置は、低放射性廃棄物焼却炉からの排ガスの高温除
塵では実用化されているものの、この排ガス中の塵濃度
は非常に少なく、燃焼負荷の変動も極めて僅かである。
換言すれば極めて限られた特殊な用途向けに実用化され
ているにすぎない。

【０００３】しかし他方では、高温ガス用除塵装置は次
世代のクリーン（低ＮＯ_X、低ＳＯ_X）発電プラントとさ
れている石炭ガス化プラントや加圧流動床ボイラーによ
る発電プラントのキーコンポーネントと考えられてお
り、現在世界各国で懸命の実用化努力が払われている。
高温ガス用除塵装置を発電プラント等の一般産業用の用
途に使用する場合、プラントの運転変動にトラブルなく
対応できなければならない。特に加圧流動床ボイラーで
は、起動時の流動層高が低いとき（層高１．３ｍ以下）
に負荷の変動速度を大きくしようとするとボイラー燃焼
雰囲気中の酸素濃度が不足ぎみになって大量の未燃焼成
分が燃焼排ガスとともに排出されることがある。

【０００４】流動床の層高が低い起動時（バブリングベ
ッド型ボイラーの場合）および低負荷時にボイラー負荷
を変動すると、酸素濃度が高いにもかかわらず一時的に
大量の未燃焼成分が発生し、１０００ｐｐｍを超す一酸
化炭素が排出されることもある。かような状況下におい
ては、煤やチャーなどの未燃焼成分を伴う燃焼ガス中の
塵濃度は定常時の５〜１０倍にもなり、塵中の未燃焼成
分の割合は３０％にも達することがある。

【０００５】加圧流動床ボイラーの燃焼排ガスの除塵に
おいては、一般にサイクロンにより粗除塵した燃焼ガス
をセラミックスフィルタを備えた除塵装置に導入するこ
とが指向されているが、サイクロンは塵濃度が急増する
ような過渡的状態ではオーバーフローを起こして十分な
除塵機能が発揮されず、サイクロンを素通りした大量の
未燃焼成分を含む塵はそのまま除塵装置に流入する。

【０００６】この場合燃焼ガス中の塵濃度は定常時の５
〜１０倍にも増えるためフィルタ差圧の増加勾配も定常
時の５〜１０倍に達する。このとき除塵装置の運転を安
定させるためには、強力な逆洗によりフィルタ管から塵
を確実に払い落とし、逆洗直後のフィルタ差圧が常にガ
スの体積流量に比例した値となるように保持する必要が
ある。

【０００７】また、運転停止直後、燃料パージによって
燃料供給管に残った燃料をボイラー内に吹き込む場合が
あり、この操作が低負荷運転の直後に行われると、瞬時
に大量の石炭がボイラー内を吹き抜けサイクロンを素通
りしてセラミックスフィルタを備えた除塵装置に流入す
る。このような場合には、燃焼ガス中の塵濃度は通常時
の１００〜３００倍にも達する。

【０００８】片端が閉じたフィルタ管を備えた除塵装置
（以下、キャンドル型除塵装置という。）では、除塵装
置中の含塵ガスの流れを完全な下向流とすることが難し
いため、塵がフィルタ管の一部分の表面に多量に付着堆
積する傾向があり、何らかのきっかけにより塵中の未燃
焼成分に着火すれば、フィルタ管が熱損傷して破損する
など除塵装置が致命的な損傷をうける。

【０００９】キャンドル型除塵装置の一種である、いわ
ゆるＴｉｅｒｅｄタイプの除塵装置（米国特許第４９０
４２８７号参照。）のように、清浄ガスヘッダーにキャ
ンドル状に複数のフィルタ管が取り付けられたフィルタ
管群が上下方向に多段に配置され、含塵ガスが上方の段
のフィルタ管群から下方の段のフィルタ管群へ順次流下
するように構成されている除塵装置では、含塵ガス側空
間の死容積が大きく、フィルタ管群間の含塵ガスの流れ
をすべて下向流とするのは非常に難しい。

【００１０】フィルタ管の内側を上から下に貫通する含
塵ガス流路を有し、ガスが内側から外側に向かって流れ
ることによりガスを清浄化する除塵装置（以下、チュー
ブ型除塵装置という。特公昭６３−４６５６７１、特公
平２−２２６８９、特公平３−２４２５１、特公平３−
６１０７６、特開平１−３０３３９７等参照。）の場合
には基本的に含塵ガス側の流れが完全下向流となってお
り、かつ含塵ガス側空間の死容積が小さいので、塵がフ
ィルタ管の濾壁面上に厚く堆積しにくく、飛来する未燃
焼成分の絶対量が大きく変動せず、例えば塵中に常時１
０％程度の未燃焼成分が含まれ、これが定常的に燃焼し
ている限りにおいてはトラブルは生じない。

【００１１】しかし、チューブ型除塵装置においても大
量の未燃焼成分が短時間に流入すると下向きの流速がゼ
ロに近いフィルタ管の下端部付近に含塵ガスが滞留し、
その部分のフィルタ管の内面に塵が厚く堆積してしばし
ば一気に発火燃焼し、フィルタ管の内側の温度を急激に
上昇させ、フィルタ管の外側との間の温度差が材料の熱
応力破損しない許容温度差を超えて上昇してしまうこと
が分かった。

【００１２】各フィルタ管の通気性のバラツキやフィル
タ管の上部空間の圧力分布および流入した含塵ガスの流
動パターンによってその程度に違いはあるが、フィルタ
管の下端部において含塵ガスの逆流さえも起こっている
ことが分かった。一方、燃焼排ガスの温度が高いと、含
塵ガスが流れている部分と含塵ガスが滞留しているホッ
パー部内との間のガスの温度差は大きくなる。特に、急
速にボイラー負荷を増加しているとき、この温度差は非
常に大きくなる。

【００１３】この温度差が存在すると、含塵ガスが流動
している部分と滞留している部分の界面では含塵ガスの
複雑な流動が起きることになる。加圧された高温の加圧
流動床ボイラーの燃焼排ガスの除塵にチューブ型除塵装
置を用いる場合を考えてみると、ボイラーの負荷を急速
に増大すると、このチューブ型除塵装置に流入する燃焼
排ガス中の酸素濃度が急激に減少し、多量の固形の未燃
焼成分と一酸化炭素が除塵装置に飛来する。

【００１４】燃焼排ガスの温度が高いとガスの粘性係数
が大きいため、飛来した未燃焼成分中の細かい塵はガス
流とともに大部分フィルタ管の下端部に運ばれ、上述の
乱れた含塵ガス流によりホッパー部内の高濃度の酸素
（含塵ガスが滞留しているホッパー部内は酸素濃度が安
定して高い。）と混合される。このとき、含塵ガスの温
度が３５０℃以上あれば容易に発火燃焼する。

【００１５】４００℃前後の温度においては、時にフィ
ルタ管の下端部で爆発的な燃焼を起こし、フィルタ管の
下端部において、同一フィルタ管の軸方向と円周方向に
大きな温度勾配を生じ、フィルタ管が熱応力破損を受け
る。

【００１６】チューブ型除塵装置については、特公平３
−２４２５１に含塵ガスをホッパー部から抜き出して除
塵装置の上流部に還流する除塵装置が提案されている。
この除塵装置では加圧された高温のプロセスで未燃焼成
分が飛来するような状況における除塵を想定しておら
ず、またホッパー部等の含塵ガスの滞留部と含塵ガスの
流動部の界面における乱れた流れの存在や含塵ガス側空
間において大きな差のある温度分布が発生する可能性に
ついても考慮していない。

【００１７】しかし、この発明で推奨しているフィルタ
管の下端部における含塵ガスの下降速度を平均速度で３
０ｃｍ／秒〜４ｍ／秒とすることは、加圧流動床ボイラ
ー、石炭直接燃焼装置などの加圧された高温の燃焼排ガ
スの除塵にチューブ型除塵装置を使用する際、フィルタ
管内における未燃焼成分を含む含塵ガスの滞留と塵の厚
い堆積および未燃焼成分の発火の防止に充分有効である
ことが本発明者等の研究により明らかにされた。

【００１８】しかし上記除塵装置における最小流速の３
０ｃｍ／秒を実現するにも、かなりの量の含塵ガスを還
流もしくは抜き出す必要があリ、エネルギーレベルの高
い高温の含塵ガス抜き出す場合はもちろん、還流する場
合にも圧縮空気などのユーティリティの消費が意外に大
きく、プラント全体の効率を低下させるという問題があ
る。

【００１９】

【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、上述
のような従来技術の問題に鑑み、加圧流動床ボイラーや
石炭直接燃焼装置などの加圧された高温の燃焼プロセス
から排出される燃焼排ガスを除塵する際に、ホッパー部
から一部の含塵ガスを抜き出すとき、抜き出す含塵ガス
の量を従来の除塵装置より顕著に少なくできる高温ガス
用除塵装置を提供することにある。

【００２０】

【課題を解決するための手段】本発明は前述の課題を解
決すべくなされたものであり、本発明による高温ガス用
除塵装置は、両端が開口したセラミックス製のフィルタ
管が、概ね鉛直に、かつ互いに平行に複数本配設され、
各フィルタ管の下方にホッパー部が設けられた除塵装置
であって、ホッパー部から含塵ガスを抜き出すための吸
入口が４本のフィルタ管に対して１箇所以上の割合でホ
ッパー部に設けられていることを特徴とする。

【００２１】本発明の高温ガス用除塵装置では、両端が
開口した複数のフィルタ管が鉛直に配設され、含塵ガス
は各フィルタ管の内側を上方から下方に向けて流れる
が、各フィルタ管の下端における含塵ガスの流れをすべ
て下降流とするには、１本、２本、３本および４本のフ
ィルタ管に対してそれぞれ１箇所の吸入口をホッパー部
に設けたとき、各フィルタ管下端の平均流速をそれぞれ
概ね５ｃｍ／秒、１０ｃｍ／秒、１８ｃｍ／秒および２
５ｃｍ／秒とすればよいことが分かった。すなわち、フ
ィルタ管４本以下について１箇所の吸入口を設ければ、
いずれの場合もブローダウンする含塵ガスの量をフィル
タ管５本以上に対して吸入口を１箇所とする従来の除塵
装置において平均流速を３０ｃｍ／秒とするより少なく
できることが分かった。

【００２２】このフィルタ管の下端における含塵ガスの
平均流速は、もちろん上記最低値（５ｃｍ／秒）より大
きくした方がフィルタ管の内面に堆積する塵の量と含塵
ガスの滞留を減らすブローダウン効果が得られるので、
この最低値より５ｃｍ／秒以上大きく設定するのが好ま
しい。したがって本発明の好ましい除塵装置では、フィ
ルタ管の下端における含塵ガスの平均流速が１０ｃｍ／
秒以上、３０ｃｍ／秒以下とされる。

【００２３】除塵装置のホッパー部から抜き出した含塵
ガスはそのまま系外に取り出して処分してもよいが、好
ましくは除塵装置の上流側に還流して高温の含塵ガスの
有するエネルギーを有効利用する。吸入口から抜き取ら
れたホッパー部の含塵ガスを除塵装置の上流部に還流す
るには、特公平３−２４２５１に提案されているように
一旦除塵装置の缶体の外へ配管で取り出した後、缶体の
外に設けた配管をブロワーで除塵装置の上流に還流して
もよいが、缶体の内部に管板を突き抜けるように設けた
配管で除塵装置の上流部に還流すれば、配管長を短くで
きて還流に必要なエネルギーを少なくでき、配管の外側
に断熱材を施工する必要がないなど、より好ましい構成
の除塵装置が得られる。

【００２４】含塵ガスを還流するための手段としては、
含塵ガスの圧力があまり高くない場合にはブロワーが有
効に使用できる。しかし数気圧以上の加圧された含塵ガ
スを還流する場合には、配管中にエゼクタを設け、圧縮
空気を動力として還流するとよい。また、さらに好まし
くは除塵装置に導入される含塵ガス自体の有する流動エ
ネルギーをエジェクタに利用して還流する。

【００２５】ホッパー部に数多くの吸入口を設ける好ま
しい構成は、ホッパー部内に概ね水平に１本または２本
以上のガス抜き管を配設し、このガス抜き管の下側に複
数の吸入口を設けたものである。吸入口をガス抜き管の
下側に設ける理由は、抜き出される含塵ガス中の塵をで
きるだけ少なくするためである。また、さらに好ましい
構成はガス抜き管を複数本ホッパー部内に配設し、３本
以下のフィルタ管に対して１箇所の吸入口を設けたもの
である。

【００２６】

【実施例】以下、本発明の高温ガス用除塵装置の実施例
を図面を参照して具体的に説明するが、本発明はこれら
の実施例によってなんら限定されるものではない。

【００２７】図１は、本発明の高温ガス用除塵装置の一
実施例を示す縦断面図である。図１において、１はチュ
ーブ型除塵装置、２は圧力缶体、４は圧力缶体の内側に
施工された断熱材、３はフィルタ管、８はガス導入口、
６は流入したガスを一様にフィルタ管に分配するガス入
口室、５ａ、５ｂ、５ｃ、５ｄはフィルタ管の両端をシ
ールしつつフィルタ管を支持し、かつ圧力缶体の中を水
平に仕切る管板、９ａ、９ｂ、９ｃは夫々上段、中段、
下段の清浄ガス室、１０ａ、１０ｂ、１０ｃは夫々上
段、中段、下段の清浄ガス室中のフィルタ管を逆洗する
エジェクタのディフューザを兼ねる清浄ガス出口管、１
１ａ、１１ｂ、１１ｃは夫々逆洗用の圧縮空気を噴出す
るエジェクタノズル、７はホッパー部、１５はフィルタ
管の下端部に設けられたスカート、１６はホッパー部か
ら含塵ガスを抜き出すガス抜き管、１７はガス抜き管１
６の下側に設けられたガス吸入口である。

【００２８】図１では、燃焼排ガスまたは高温の含塵ガ
スはガス導入口８より除塵装置に流入し、ガス入口室６
で各フィルタ管３に分配される。ガス入口室６内の空間
中の含塵ガスには、不可避的に静圧や速度ベクトルに分
布が生じているため、各フィルタ管３に流入する含塵ガ
スの流速にはある程度のバラツキがある。

【００２９】また、ガス導入口８に流入する含塵ガスは
時々刻々静圧と流量が変動しているので、ガス入口室６
内の静圧と流速ベクトルはこの変動に応じて変化し、各
フィルタ管３に流入する含塵ガスの流速も変化する。各
チューブ３に分配された含塵ガスは、フィルタ管３内を
下降しつつ各段の清浄ガス室９ａ、９ｂ、９ｃ内におい
てフィルタ管３の壁で濾過され、清浄ガスとなってそれ
ぞれの清浄ガス室に集められる。清浄ガス室に入った清
浄化されたガスは、それぞれ清浄ガス出口管１０ａ、１
０ｂ、１０ｃを通過後集合し清浄ガス出口１２からプラ
ントの下流に送られる。

【００３０】一方、フィルタ管３内を流れる含塵ガスは
フィルタ管３の全長を通してフィルタ管３外に滲み出る
ため、その下降速度は下方に行くに従い、次第に小さく
なり、各フィルタ管３毎に異なった速度でスカート１５
からホッパー部７に流入する。ガス入口室６内の静圧分
布が完全に均一でフィルタ管の通気性にバラツキがなけ
れば、含塵ガスはスカート１５の下端から同一の流速で
ホッパー部７に流入するが、現実にはこのようなことは
ない。

【００３１】ホッパー部７に流入した含塵ガスはガス抜
き管１６の下側の吸入口１７に吸入され、除塵装置の上
流部に還流または系外に排出される。この場合、各吸入
口１７を各フィルタ管３の真下に設けるようにすると、
フィルタ管３の入口の多少の流速の違いやフィルタ管の
通気性のバラツキによるフィルタ管３の下端部での含塵
ガスの流速にバラツキがあってもこれらを平均化するこ
とになる。これは、ホッパー部７に多量に含塵ガスが流
入するフィルタ管３の近傍においては相対的に静圧が低
くなり、静圧の高い部分の吸入口からより多量に含塵ガ
スが吸入されるからである。

【００３２】したがって、本発明の高温ガス用除塵装置
では、加圧された高温の含塵ガスを除塵する場合にも、
比較的少量の含塵ガスを抜き出す（すなわち、ブローダ
ウンする）ことによりどのフィルタ管３の下端部におい
ても逆流（上昇流）を排除することになる。このため、
例えば加圧流動床ボイラーの燃焼排ガスの除塵に本発明
の高温ガス用除塵装置を使用すると、運転開始直後の軽
油燃焼時もしくは重油燃焼時や、石炭燃焼への切り替え
時またはボイラー負荷の増減時等の不安定な燃焼が起き
ている時に未燃焼成分を含む塵が大量に除塵装置に飛来
することがあっても、フィルタ管の下端部付近に塵濃度
の大きい含塵ガスが滞留したり、塵が厚く堆積すること
がなく、未燃焼成分を含む塵の燃焼が抑制され、発火燃
焼することがあっても燃焼は激しいものにはならず、フ
ィルタ管等の熱損傷が回避されて除塵装置の運転を安定
して継続できる。

【００３３】加圧流動床ボイラーの燃焼排ガスの除塵を
本発明の吸入口を有するチューブ型除塵装置で行った場
合と、従来のチューブ型除塵装置を使用して行った場合
について、各種のセンサーを取り付けて行った試験例を
以下に紹介する。

【００３４】［従来のチューブ型除塵装置を使用した場
合］ 加圧流動床ボイラーの燃焼が軽油燃焼から石炭燃焼に切
り替わると同時に、それまで安定していたフィルタ管下
端部付近の含塵ガス温度が、一部のフィルタ管で約１０
０℃の幅で不安定な変動を始め、含塵ガスがこのフィル
タ管とホッパー部との間を上下に行き来し始めたことが
分かった。ボイラー負荷の増加が始まると同時にフィル
タ差圧の増加勾配（単位時間当たりの差圧の増分）が定
常時の約７倍に増え、酸素濃度が急減し、それまでの試
験の経験から大量の未燃焼成分が排出され除塵装置に飛
来したことが分かった。

【００３５】その後、ボイラーの負荷は約７５％に達
し、さらにその１分後にそれまで他の清浄ガス室の温度
と同一であった下段の清浄ガス室の温度が、他の清浄ガ
ス室の温度と比べて急激に高くなり始め、３分後に一旦
約４０℃高くなった後下降し始めた。それまでの除塵装
置の運転経験からフィルタ管の下端付近の内面に堆積し
た未燃焼成分を含む塵の燃焼が起きていることをうかが
わせた。

【００３６】これらの運転状況を経たところでフィルタ
差圧が急激に低下し、下流の排気煙突から黒い媒塵の排
出が観測された。直ちにボイラーの運転を停止し、内部
を点検したところ、下段のフィルタ管（長さ３ｍ）の内
１本が下から約７０ｃｍの範囲で欠損し、欠け落ちたフ
ィルタ管の部分は割れて多数の小片になって装置内に落
ちていた。クラックの状況その他からフィルタ管が熱応
力で破損したと判断された。

【００３７】［本発明の高温ガス用除塵装置を使用した
場合］ 図１に示したチューブ型除塵装置１（各フィルタ管３の
下方に、下側にガス吸入口１７を多数設けたガス抜き管
１６を設け、フィルタ管３本に対して１箇所の割合で吸
入口を設けた。）を使用し、除塵装置に導入される燃焼
排ガス量の約２％をホッパー部から系外に抜き出しつつ
加圧流動床ボイラーの燃焼排ガスの除塵を行った。加圧
流動床ボイラーは先ず軽油燃焼により運転が開始され
た。

【００３８】その後、軽油燃焼から石炭燃焼に切り替わ
って、ボイラー負荷が約７５％になっても全てのフィル
タ管の下端部付近の含塵ガス温度は軽油燃焼のときとほ
とんど同じように安定していた。このときのフィルタ管
下端からの含塵ガスの平均流速は約２０ｃｍ／秒であっ
た。さらに、ボイラー負荷を変動してもフィルタ差圧の
異常な増加はなく、下段の清浄ガス室内の温度は他の段
の清浄ガス室内の温度と比べてほとんど差が認められな
かった。

【００３９】その後、７５％から１００％までボイラー
負荷を増し約１００時間運転した後ボイラーの運転を停
止した。運転後に除塵装置の内部を点検した結果フィル
タ管に異常がないことが確認された。

【００４０】

【発明の効果】本発明による高温ガス用除塵装置を石炭
を燃料とする加圧流動床ボイラーによる発電プラントの
燃焼排ガスの除塵に使用すれば、燃焼排ガス中に煤やチ
ャー等の未燃焼成分が多量に排出されることがあって
も、比較的少量の含塵ガスをホッパー部から抜き出すこ
とによって充分なブローダウン効果が得られるので、フ
ィルタ管の濾過壁上に未燃焼成分が厚く堆積して激しく
発火燃焼する現象を抑制するのが容易であり、フィルタ
管を熱損傷することなく安定して除塵装置を運転でき
る。

【００４１】したがって、次世代のエネルギー技術とさ
れている石炭を燃料とするこれら開発段階にあるエネル
ギー技術の本格的な実用化時期を大幅に早めることにな
るので、本発明高温ガス用除塵装置がエネルギー産業に
与える影響は多大である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の高温ガス用除塵装置をチューブ型除塵
装置に適用した１例を示す除塵装置の縦断面図。

【符号の説明】

１：チューブ型除塵装置 ２：圧力缶体 ３：フィルタ管 ４：断熱材 ５ａ、５ｂ、５ｃ、５ｄ：管板 ６：ガス入口室 ７：ホッパー部 ８：ガス導入口 ９ａ、９ｂ、９ｃ：清浄ガス室 １０ａ、１０ｂ、１０ｃ：清浄ガス出口管 １１ａ、１１ｂ、１１ｃ：エジェクタノズル １５：スカート １６：ガス抜き管 １７：ガス吸入口

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 後藤 秀樹 東京都調布市富士見町４−19−１ (72)発明者 下田 博巳 東京都江東区豊洲３−２−16 石川島播 磨重工業株式会社内 (56)参考文献 特開 昭63−229116（ＪＰ，Ａ) 特開 昭64−38120（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−253422（ＪＰ，Ａ) 特公 平３−24251（ＪＰ，Ｂ２) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) B01D 46/00 - 46/54

Claims (3)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】両端が開口したセラミックス製のフィルタ
   管が、概ね鉛直に、かつ互いに平行に複数本配設され、
   各フィルタ管の下方にホッパー部が設けられた除塵装置
   であって、ホッパー部から含塵ガスを抜き出すための吸
   入口が４本のフィルタ管に対して１箇所以上の割合でホ
   ッパー部に設けられていることを特徴とする高温ガス用
   除塵装置。
2. 【請求項２】各フィルタ管の下端からホッパー部へ流入
   する含塵ガスの平均流速が１０ｃｍ／秒以上、３０ｃｍ
   ／秒以下とされている請求項１記載の高温ガス用除塵装
   置。
3. 【請求項３】複数の含塵ガスの吸入口がホッパー部内に
   概ね水平に配設された１本または２本以上のガス抜き管
   の下側に開口して設けられている請求項１または２記載
   の高温ガス用除塵装置。