JP3364684B2 - 乾式沸騰流動床における炭素燃焼によるフライアッシュの選別 - Google Patents

乾式沸騰流動床における炭素燃焼によるフライアッシュの選別

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Description

【発明の詳細な説明】 本発明は同じフライアッシュの粒子からなる乾式沸騰
流動床中のフライアッシュの微粒子から炭素を燃焼させ
てフライアッシュを選別することにより改良ポゾランを
製造し、かつこの炭素に伴って、さもなければ無駄にさ
れていたエネルギを回収する方法と装置とに関する。
発明の背景 フライアッシュ、その発生源および以前の性質につい
ては米国特許第3,328,180号のカラム１に記載されてい
る。
フライアッシュの種々の使用例は建設（特にコンクリ
ート）業界においては周知である。その使用例は（種々
の方法による）コンクリート製品で使用する骨材の製
造、セメント製造過程への投入原料、およびコンクリー
ト製品に使用されるセメントの一部に対する直接的代替
を含んでいる。本発明はセメントに対する部分的な直接
代替を指向する。
セメント代替に対するその有用性を制限するフライア
ッシュの諸々の特性は公知である。これらの特性の中の
主要なものは高炭素含有量と大きい粒子サイズである。
その他の好ましくない特性としては、過度の磁性鉄化合
物、過度のセノスフェアと、低ポゾラン性を含む。種々
の経済性の結果を得るべく前記特性のあるものを改良す
るために公知の方法が適用されてきた。例えば、粒子サ
イズは微粉化、篩分けあるいは分級によって低下させる
ことができる。同様に、過剰磁性鉄は磁気分離により、
過度のセノスフェアは浮遊により除去することができ
る。低ポゾラン性もこれらの方法により改良することは
できるものの、これはフライアッシュの化学的性質の特
異性を伴うことがよくあり、公知の方法によっては改良
されない。
本発明はフライアッシュにおける炭素の低下に対応す
る。この課題は過去数種の方法により達成された。しか
しながら、米国特許第4,121,945号に記載の石炭焚き炉
の修正、粒子サイズの分級、静電選別法並びに湿式浮遊
法は本発明による方法とは明らかに異なる方法により炭
素低下を達成している。本発明と、米国特許第3,979,16
8号、（1980年代の半ばに刊行されたオランダのフライ
アッシュ社の日付の無い報告の６頁、3.3節に記載の）V
liegasunie B.V.からの報告、並びに米国特許第4,705,4
09号に教示されている方法のみは炭素を酸化させること
により炭素含有量を低下させている。
炭素を燃焼させることは公知である。しかしながら炭
素が不活性化合物により高度に稀釈されており、かつフ
ライアッシュにおけると同様揮発成分を伴っていないと
すれば燃焼は極めて困難である。そのような燃焼を得る
上で重要な要素は滞留時間と、反応温度と、酸素の利用
可能性である。最小の添加温度と酸素の必要量とは比較
的よく理解されている。乾式流動床の酸化と特に最小滞
留時間に対する作業条件の適性組合せはフライアッシュ
中の炭素については以前から未知であった。
初期の作業において、１から15秒程度の滞留時間にお
いて二種類の移送炉を試験した。移送炉とは、反応物の
全てが概ね同じ速度でその中を共に移動する反応炉を意
味する。この初期の作業においては、炭素を燃焼させる
に十分な酸素を提供するに必要な大量の空気を用いて入
口から排出点まで反応しているフライアッシュを移送し
た。著しい炭素の燃焼は何ら見られなかった。
流動床反応炉は、就中、ある反応に対する滞留時間を
長くすることができる点が周知である。流動床は大雑把
に沸騰流動床と循環流動床とに分割される。沸騰流動床
においては固体原料は、ガス状（時には液状）の材料が
該流動床を通して上方へ移動する間流動床内の所定位置
に概ね留っている。循環流動床においては、流体の速度
が非常に増すため、流動床は極めて稀釈され、固形材料
の殆んど、あるいは全てが流動床から繰り返し排出さ
れ、流体から分離され、再び流動床中へ噴射される。
循環流動床は、流体の流れから微細な固体を繰り返し
分離することの経済的難しさのため極めて微細の固体
（例えばフライアッシュ）に対しては好ましくないこと
が知られている。
本発明は、乾式沸騰流動床炉の経済的な使用方法を見
い出すことにより従来技術による処理法の問題を克服し
た。「乾式」という用語は流動床に概ね液体が無いこと
を意味する。
流動触媒技術において、個々の粒子の計算沈降速度よ
りはるかに高いガス速度において粉末の濃密床を保持し
うることが視察された。エフ．エー．ゼンツ（F.A.Zen
z）は（1984年ブアン、ノストランド、ラインホルド社
−Van Nostrand Reinhold Co.により出版された（エ
ム．イー．フェイドおよびエル．オッターM.E.Fayed an
d L.OHer編）粉体化学および技術ハンドブック（Handbo
ok of Powder Suence and Technology）の10章464頁に
おいてこの点を注目している。しかしながら、フライア
ッシュの炭素を経済的に低減させるために、触媒粒子の
代りにフライアッシュの粒子を用いて乾式沸騰流動床炉
を使用しうるか否かについては知られていなかった。フ
ライアッシュは触媒の微粒子よりもはるかに低い値を有
するので許容しうる経済性ははるかに困難である。さら
に予測される許容速度は0.003m（0.01フィート）／秒程
度であり、沸騰流動床からの材料の過度の移動を阻止す
るため微細なフライアッシュ粒子に対して予測される単
一の粒子の沈降終端速度である。この速度を使用する反
応炉は必要な空気量を通すには巨大な平面面積を有し、
明らかに不経済である。粒子からなる流動床として微細
なフライアッシュの粒子を用いている非触媒沸騰流動床
に対してさえも、沸騰流動床の考え方から著しく逸脱す
ることなく流動床速度を約２倍に増加しうることが判明
している。高い流動床速度を用いることにより約100の
係数で流動床の平面面積を低減することが可能で明らか
に経済的利点がある。
発明の要約 本発明は一実施例においては、（ａ）炭素を含有する
フライアッシュの微細粒子を粒子からなる乾式沸騰流動
床へ導入し、（ｂ）空気対フライアッシュの比率が約10
00から約1500の間の容積比で、かつ少なくとも秒当り約
0.15m（0.5フィート）であるが秒当り約0.9m（3.0フィ
ート）未満の速度で大気を導入し約704.4℃（1300゜F）
と約982.2℃（1800゜F）の間の温度で流動床中のフライ
アッシュの粒子を緊密に混合し、粒子を少なくとも２分
間、最長100分まで流動床内で滞留させることによりフ
ライアッシュ粒子中の炭素を酸化させ、（ｃ）次にフラ
イアッシュの粒子を流動床から除去する段階を含み、粒
子の炭素含有量が酸化によって低減し、除去されたフラ
イアッシュの粒子はそれ以上の処理を施すことなく使用
するに適したポゾラン度を高めコンクリート中のセメン
トの一部と代替しうることを特徴とする炭素を含有する
フライアッシュの微細粒子の炭素含有量を低下させる方
法である。酸化には約５〜約15％の間の過剰酸素を用い
ることが好ましい。「過剰」という用語は、炭素の等モ
ル酸化に要するものより多い酸素を意味する。また、流
動床から過剰の熱を取り出すことも必要で、その熱を回
収して使用することが好ましい。好ましい流動床温度は
約760.0℃（1400゜F）と約926.6℃（1700゜F）の間であ
り、さらに好ましいのは815.6℃（1500゜F）と約871.1
℃（1600゜F）の間である。空気の速度は約0.3m（１フ
ィート）と約0.375m（1.25フィート）／秒の間が好まし
い。空気対フライアッシュの容積比は約1200と約1300の
間が好ましく、最も好ましいのは1250である。好ましい
滞留時間は約10分と80分との間、さらに好ましいのは約
30分と約50分との間である。流動床の粒子、すなわちフ
ライアッシュの平均粒子サイズは約100ミクロンあるい
はそれ以下が好ましい。
本発明の別の実施例は、前述の方法により炭素含有量
を低減したフライアッシュの粒子から作られた改良ポゾ
ランである。選別されたポゾランは、前述の沸騰流動床
燃焼法（酸化法）により調質されたフライアッシュから
なるセメント混合物によりポートランドセメントに対す
る直接的な部分的代替として有用である。直接というこ
とは、選別されたポゾランがそれ以上処理することなく
コンクリート中のセメントの一部と代替する上で有用で
あることを意味する。改良ポゾランは４％未満の炭素
と、少なくともその66％が湿式分析により325メッシュ
のスクリーンを通るサイズとを有していることが好まし
い。
本発明の最後の実施例は、炭素を含有するフライアッ
シュの粒子の炭素含有量を低減する装置であって、
（ａ）炭素含有フライアッシュの粒子を、先に導入され
たフライアッシュの粒子から基本的に構成される乾式沸
騰流動床炉へ導入する手段を、（ｃ）空気を炉中へ導入
する手段と、（ｄ）炉から粒子を除去する手段と、
（ｅ）炉から熱を除去する手段と、（ｆ）空気と、出来
た燃焼製品とを炉から除去する手段とから構成される反
応炉とを組合せて含み、（ｇ）沸騰流動床炉の粒子の流
れに対して横方向の断面積が、単一粒子の終端沈降速度
の理論的な制限要素に基づいて設計した類似の反応炉の
断面積の少なくとも10倍小さいことを特徴とする装置で
ある。
本発明による炭素の低減により３つの直接的な利点が
得られる。まず、品質の悪いフラッシュアッシュであっ
ても市販しうる製品となることである。第２に、全体の
発電プラントの燃料入力の約0.5％に相当する熱エネル
ギを回収して使用できることである。最後に、廃棄個所
まで運ぶフライアッシュの量が減り、かつポゾランがコ
ンクリート成分の一部となったとき発生するフライアッ
シュ中の重金属の不動態化により直接環境上の利点が得
られることである。
図面の簡単な説明 第１図は本発明の好適実施例で最良の態様であるフラ
イアッシュの炭素の燃焼プラントの概略的な概念フロー
チャートである。最良の態様に対する作動条件について
は発明の要約に記載されている。
第２図は本明細書の例に記載の試験に使用する流動床
の炭素燃焼試験モジュールを示す概略図である。
好適実施例の説明 以下は第１図に示すフライアッシュの炭素燃焼プラン
トの好適設計の利点と概観の全体的な説明である。数字
は第１図の参照番号を指示する。
プラント設備費を最小にし、作動を簡素化し、かつ操
業費用を低減するために数種の設計思想を採り入れてい
る。
−持続燃料は何ら使用しない。冷機起動および温機起動
のみに対して始動空気バーナ2150、2160および2170に外
部から燃料が供給される。（１日以下閉鎖していた装置
に対する）温機起動および通常の作動に対しては外部か
らの燃料供給を必要としない。
−高温ガスの流れ3116における熱の回収。
これは（炭素燃焼プラントのみならず、発電プラントの
交熱領域において）液体伝熱面、ポンプ、弁等の高いコ
ストを排除する。
−流動床内に伝熱面が無い。流動床の温度を制御するた
めに循環アッシュ用ビン5210からの相対的に冷たい循環
アッシュを使用することにより、燃焼装置2110における
流動床の高価で、かつ腐蝕しやすい伝熱面を排除する、
しかしながら、ある個所での特定の条件により流動床内
の伝熱面に余分のコストがかかったり、かつ／または液
体伝熱媒体の使用が必要になるかもしれないことに注目
されたい。
処理過程中へフライアッシュを送入するために、サイ
ロ1121からの供給フライアッシュが、流動床燃焼装置
（FBC）2110の上方のフライアッシュ・サージビン1220
まで運ばれる。このサージビン1220からフライアッシュ
は必要な速度で燃焼装置2110の沸騰流動床まで送られ
る。
流動床燃焼装置2110は一般的に数個のセクション即ち
ステージ（典型的には３個）に分割される。フライアッ
シュは（ライン2001の排気ガスと共に）キャリオーバと
して、あるいは送入部とは反対側の端部における堰2114
をオーバフローするかのいずれかにより燃焼装置を出て
いく。
堰2114上を流れる高温のフライアッシュは空気予熱器
3120中へ落下する。空気予熱器3120は高温の間接熱交換
器である。空気予熱器3120の二重機能は次のハンドリン
グに対してフライアッシュを冷却し、熱を回収すること
である。回収された熱により押込み通気ファン（図示せ
ず）3110からの空気の温度を315.6℃（600゜F）と537.8
℃（1000゜F）の間の温度まで上げる。この空気の殆ん
どは流動床の燃焼空気となる。回収された熱を運んでい
る残りの高温空気はライン3114、3116とを介して発電プ
ラントまで分岐される。
粒子サイズ分級器4110が、製品としてのアッシュをサ
イロ6141まで運ぶ前に冷却されたフライアッシュから異
物、焼結塊等を除去する。過大サイズの材料はライン41
21を介して処理される。
適正サイズの低炭素フライアッシュは貯蔵のため製品
アッシュサイロ6141まで運ばれる。このサイロ6141は差
圧トラックに積込む装備とされている。
著しい量の流動床材料がキャリオーバとして排気ガス
と共にライン2001を介して流動床を出ていく。この材料
は電気集塵器（ESP）8110に集められ、重力により循環
アッシュ・サージピン5210中へ落下する。ライン8161か
らの大気がESP8110からのアッシュの流れを稀釈して全
体の流れの温度をESP8110にとって許容されるレベルに
保つ。清浄された排気ガスと稀釈空気の混合物がESP811
0から吸引され、押込み通気ファン8150によってライン8
111および3116を介して発電プラントまで（回収された
熱と共に）送られる。
発電プラントまでのライン3116中の高温ガス流は空気
予熱器3120からのライン3114からの余分の高温の押込み
通気の空気と、ライン8111からの清浄とされた流動床の
排気ガス／稀釈空気の混合物とから構成されている。こ
の高温ガス流は発電プラントの空気ヒータ（図示せず）
の下流にある押込み通気ダクト（図示せず）に噴射され
る。この結果、発電プラントの押込み通気の流れが僅か
に減少し、発電プラントの燃焼空気の温度が僅かに増大
する。このため石炭の使用量が少なくなり単位熱消費率
が向上する。
集塵装置ESP8110により循環アッシュ・サージビン521
0に堆積されたアッシュはダンパ8160を介して送入され
た稀釈空気に露出されることにより著しく冷却される。
このアッシュは流動床燃焼器2110中へ再噴射され、そこ
では流動床の温度を制御する熱だめとして作用する。殆
んどの作動条件に対して、集塵器（ESP8110）の排出の
流れは流動床温度を完全に制御するに十分でない。従っ
て、空気予熱器3120からの追加の冷たいアッシュが循環
アッシュ・サージビン5210までライン5111を介して運ば
れる。
個々のフィーダ5140、5150および5160は必要に応じて
そのセクションの設定値温度を保つために流動床の３個
のセクションの各々へ循環アッシュを排出する。循環ア
ッシュ・サージビン5210は供給アッシュ・サージビン12
20の側方で流動床燃焼装置2110の上方に位置している。
機能説明 以下の機能説明は各システムにおける各々の主要設備
あるいは槽の目的および作動を記述する。（物理的およ
び作動上の双方についての）主要設備間の関係も含めて
いる。記述された設備項目は第１図にグラフで示されて
いる。
供給アッシュ系統 供給アッシュサイロ1121からのフライアッシュはサイ
ロの通気した底部組立体1122を通して排出される。遮断
弁（図示せず）も設けられている。供給アッシュは供給
アッシュ搬送装置1110中へ流入する。搬送空気は供給ア
ッシュの搬送ブロワ1120によって供給される。ブロワ11
20は炭素燃焼プラント作動中連続して作動する。制御装
置はフライアッシュ・サージビン1220の設定値レベルを
保つために必要に応じて搬送装置1110をサイクル作動さ
せる。
フライアッシュ・サージビン1220は流動床燃焼装置21
10の上方に位置している。ロードセル（図示せず）のボ
ルトがフライアッシュ・サージビン1220の一次レベルを
指示する。
フライアッシュ・サージビン通気ブロワ1140はフライ
アッシュ・サージビン通気排出装置1150へ空気を送り流
動状態にサージビン1220の中味を保つ。通気用空気並び
に搬送用空気はフライアッシュ・サージビン通気フィル
タ1130を介して清浄にされ、かつ解放される。
流動床フライアッシュ用回転フィーダ1160は原料アッ
シュの衝撃スケール1170を介してフライアッシュ・サー
ジビン1220からアッシュを排出する。衝撃スケール1170
からのフィードバックを用いて、制御装置は流動層の供
給速度を設定値に保つべく流動床フライアッシュ・フィ
ーダ1160の速度を変える。
流動床燃焼装置 流動床燃焼装置2110の基本要素は耐火材をライニング
した鋼製ボックスである。その寸法は必要な滞留時間、
ガス速度および流動床深さを提供するように選択され
る。
原料アッシュ・衝撃スケール1170から流動床燃焼装置
2110の供給端中へ原料アッシュは重力により流入する。
処理の間、アッシュは流動床燃焼装置2110の長さにわた
り移動し、反対側の端部から出ていく。流動床の中間点
における堰2112、2113および2114は流動床を３個のステ
ージに分割する。
任意の流動床保持のための循環装置（図示せず）は流
動床材料をFBC2110の第２のステージから第１のステー
ジへ、そして第３のステージから第２のステージヘ（そ
れぞれ）始動の間循環させ流動床の温度を平準化しやす
くする。圧縮された空気が推進力を提供する。さらに、
循環装置の底部に放出弁に追加して、そこに集積しよう
とする集塊を除去することができる。
通常作動の間、空気予熱器3120からの高温空気が燃焼
空気プレナム2115および３個の並列の燃焼制御ダンパ21
20、2130および2140を通して流れる。これらのダンパの
各々は燃焼空気を流動床燃焼器2110の各ステージのベッ
ドプレート（図示せず）の下方の空間へ燃焼空気を排出
する。空気は、流動空気が喪失されるか、あるいは遮断
されると、フライアッシュの逆流を阻止するよう設計さ
れた空気分配系（図示せず）を介して流動床中へ流入す
る。
各ステージへの空気の流れは質量流量計（図示せず）
によって測定される。制御装置は、各流量を設定値に保
つため燃焼制御ダンパ2120、2130および2140を調整す
る。各ステージの設定値は希望する流動速度および過剰
空気を提供するよう計算される。
３個の循環アッシュ用回転フィーダ5140、5150および
5160からの比較的冷たいアッシュは重力により、流動床
の３個のステージの各々の中へ送り込まれる。各々の循
環アッシュ用フィーダ5140、5150および5160の流量は、
該当ステージの流動床設定値温度を保つべく制御装置に
よって変えられる。
燃焼排気ガスと、該ガスによって運ばれるキャリオー
バ・アッシュはアッシュ排出端において流動床燃焼装置
2110を出ていく。ガスとアッシュのこの混合物はライン
2001および8162を介して電気集塵器8110まで導かれる。
冷機始動あるいは暖気始動の間、燃料タンク（図示せ
ず）からの２番目の油が点火され流動床燃焼装置2110と
その中身を自動点火温度（約704.4℃−1300゜F）まで上
昇させる。FBC2110の始動ダクトバーナ2150とFBC2110の
始動バーナ2160および2170がこの目的に対して使用され
る。ダクトバーナ2150は燃焼空気プレナムに発火され、
一方その他のバーナは第１のステージの流動床レベルの
丁度上方のFBC2110の室の中へ発火される。
自動点火温度に達した後、燃焼反応は自動的に持続さ
れ、第２の燃料油の使用は停止する。
空気予熱系 押込み通気ファン3110が大気を空気予熱装置3120の熱
回収部へ押し込む推進力を提供する。空気予熱装置3120
は、流動床燃焼装置2110から出てくる高温生成物からの
熱を冷却器による押込み通気の流れに伝達する対流式の
固体対ガスの熱交換器である。その結果得られた高温の
押込み通気は２つの流れに分割される。一次流れは流動
床燃焼空気プレナム2115へ流入し炭素の燃焼反応のため
の酸素を提供する。他方の流れはライン3114を還流し
て、発電プラントへの高温ガスダクト3116中へ流入す
る。この流れは（燃焼空気が吸収しうる量を上廻る）回
収された熱を使用するため発電プラントまで運ぶ。
押込み通気ファン3110には入口ダンパ（図示せず）が
設けられている。制御装置は空気予熱装置3120を出てい
く高温の押込み通気温度をその設定値（315.6℃〜537.8
℃＝600゜F〜1000゜F）に保つよう入口ダンパを調整す
る。
流動層燃焼装置2110への高温の押込み空気流量はそれ
ぞれ燃焼制御ダンパ2120、2130および2140によって制御
される。過剰の高温の押込み通気は熱回収空気ダンパ31
15と、発電プラントへの高温ガスダクトであるライン31
16を介して流れる。制御装置は流動床燃焼装置2110の適
正作動のための十分な圧力を保つようこのダンパを調整
する。
空気予熱装置3120は、多数のステンレス鋼の押込み通
気ダクトを収容した耐火材でライニングした鋼製ボック
スから構成される。押込み通気ファン3110からの空気は
これらのダクトを通して上方へ流れ、一方流動床燃焼装
置2110からの高温のアッシュはダクトの周りの下方へ流
れる。フライアッシュの流動性は、空気予熱装置の通気
排出装置3140を通して空気予熱装置の通気ブロワ3130か
らの空気を通すことにより保たれる。
少量の通気用空気と、その中に捕捉されたアッシュと
は、清浄並びに生成物回収のために、FBC2110の排気ガ
スライン2110を介して電気集塵器（ESP）8110まで導か
れる。
空気予熱装置3120の頂部近傍の適当サイズのグリズリ
（図示せず）が、伝熱ダクトの間の空間を詰らせるに十
分大きい塊がその領域へ入らないようにする。この特色
は異常混乱状態に対する保護を意図したものである、も
しそのような状態が発生するとすれば、グリズリは上方
の掃除開口を介して手作業で清浄する必要がある。
ロードセル（図示せず）のボルトが空気予熱装置3120
におけるアッシュのレベルを一時的に指示する。制御装
置は空気予熱装置3120における設定値レベルを保つべく
空気予熱装置3120の生成物回転フィーダ3150の速度を変
える。
粒子サイズ分級系統 空気予熱装置の製品回転フィーダ3150を介して空気予
熱装置3120から出ていく冷却されたフライアッシュ製品
は重力により粒子サイズ分級機4110中へ落下する。粒子
サイズ分級機4110は、約16メッシュにおいて過大サイズ
の製品を分離する。過大サイズのものの流れは供給アッ
シュと共に入って来た（発電プラントの空気ヒータのバ
スケットの断片、ボイラの耐火材の断片、発電プラント
の電気集塵器からの集塊等の）過大サイズの材料から主
として構成される。さらに、流動床の燃焼装置2110での
焼結により形成された塊も過大サイズのものとしてはね
られる。
粒子サイズ分級機4110からの製品は重力によりライン
4111を介して製品用ベルトバケット、エレベータ6110の
入口まで流れる。過大サイズの材料は重力によりライン
4121を介して過大サイズ材料の搬送ベルトコンベヤ4120
上に流れる。このベルトコンベヤ4120は過大サイズの材
料をプラント建屋外へ運び、過大サイズ材料の排出サー
ジホッパ4210へ降すのに十分持ち上げる。ベルトの最初
の数フィート分にはフードを付けてある。ベルトのフー
ドから製品のサージビン6120まで導かれたダスト捕集装
置は粒子サイズ分級機4110から過大サイズの材料と共に
排出されたダストを収集する。
過大サイズ材料は通常重力により過大サイズ材料排出
サージホッパ4210を介して、その下に位置したダンプト
ラック9140中へ流入する。サージホッパ4210にはクラム
シェル状排出ゲート（図示せず）が設けられ、１立方ヤ
ードのサージフローを受け入れる。この特色は、トラッ
クが過大サイズの材料を処理場へ運び込んでいる短時間
の間使用される。
過大サイズ材料排出サージホッパ4210の下方の水噴射
がダンプトラック内の材料を定期的に湿めらせ該材料か
ら確実にダストを無い状態とする。
循環アッシュ系統 空気予熱装置3120からの冷却された製品アッシュは重
力によりライン5112を介して循環アッシュ搬送装置5110
中へ流入する。搬送装置の入口弁（図示せず）は搬送装
置の作動サイクルに従って搬送装置5110への流量を制御
するよう開閉する。搬送装置5110の排出部からのアッシ
ュは空気的に循環アッシュ・サージビン5210まで上昇さ
せられる。循環アッシュ搬送ブロワ5120は循環アッシュ
を搬送する推進空気を提供する。循環アッシュ搬送装置
5110は小さいパイプ（図示せず）を介して製品アッシュ
のレベルの上方の空気予熱装置3120中へ通気される。
循環アッシュ・サージビン5210は断熱サイロから構成
されている。キャリオーバ・アッシュは重力により電気
集塵器の排出エアロック8120、8130から循環アッシュ・
サージビン5210中へ流入する。さらに、サージビン5210
はライン5111を介して空気的に循環アッシュ搬送装置51
10から冷却された製品を受け取る。
ロードセル（図示せず）のボルトが循環アッシュ・サ
ージビン5210の重量を連続的に指示する。制御装置はこ
の重量を設定点値に保つために必要に応じて循環アッシ
ュ搬送装置5110をサイクル運動させる。循環アッシュ搬
送ブロワ5120はプラントの作動中連続して作動する。
循環アッシュ通気ブロワ5130は循環アッシュ通気排出
装置5135に空気を提供し、循環アッシュ・サージビン内
のアッシュを流動状態に保つ。通気用空気と空気搬送用
空気の双方は循環アッシュ・サージビンからライン5211
を介して集塵器の入口配管8162中へ通気される。
循環アッシュ排出装置5140、5150および5160は循環ア
ッシュを流動床燃焼装置2110の３個のステージへ排出す
る。制御装置は、流動床の関連するステージの設定点温
度を保つように必要に応じてこれらの排出装置の各々の
速度を変える。
製品ハンドリング系統 粒子サイズ分級機4110からの製品は重力によりライン
4111を介して製品用ベルト・バケット・エレベータ6110
のブーツ中へ流入する。製品用ベルト・バケット・エレ
ベータ6110はナイロンのバケットを支持するための標準
的なベルトを用いた密封された遠心式エレベータから構
成される。このエレベータの機能は粒子サイズ分級機41
10から連続的に排出されつつある製品アッシュを製品用
サージビン6210中へ持ち上げることである。
製品用サージビン6210は製品用ベルト・バケット・エ
レベータ6110から製品アッシュを連続的に受け取り、そ
れを製品搬送装置6130中へバッチで排出する。製品用サ
ージビン6210は極めて小さいものである。製品用サージ
ビン6210の通気フィルタ6120と、製品用サージビンの通
気フィルタ用のファン6125とは製品用サージビン6210の
頂部に装着されている。適当なダクト（図示せず）を介
して、前記の装置は製品用ベルト・バケット・エレベー
タ6110のケーシングと、粒子サイズ分級機4110と、過大
サイズ材料の搬送ベルトコンベヤ4120を僅かに負の圧力
に保つ。このためダストがこれらの装置から放出されな
いようにする。さらに、製品搬送装置6130は小さいパイ
プ（図示せず）を介して製品用サージビン6210中へ通気
する。その他の採取点からの空気と同様、通気用空気は
解放される前に製品用サージビン用通気フィルタ6120に
よって清浄にされる。
製品アッシュは製品用サージビン6210から重力により
製品搬送装置6130中へ流下する。製品用サージビン6210
は間断なく供給を確実に行うよう大量の流れに対して構
成されている。製品搬送装置の入口弁（図示せず）は搬
送装置の設計要件に従って流量を制御する。制御装置は
設定点に製品用サージビン6210を保つために必要に応じ
て製品搬送装置6130をサイクル作動させる。
製品用搬送ブロワ6140は製品アッシュを製品アッシュ
用サイロ6141の頂部まで搬送させるための推進空気を提
供する。このブロワ6140はプラントの作動中連続的に作
動する。
吸出し送風系統 流動床燃焼装置2110からの排気ガスはライン2001と81
62とを介して吸込み送風機により電気集塵器（ESP）811
0中へ吸引される。大気は調整稀釈空気ダンパ8160とダ
クト8161とを介して電気集塵器8110の入口ダクトライン
8162中へ吸引され電気集塵器8110の入口温度を調整す
る。組み合わされた排気ガスと稀釈空気の流れとは、清
浄された後IDファン8150により「発電プラントへの高温
ガス」用ダクト3116までライン8111を介して前進する。
（約315.6℃＝600゜Fである）このガス流はダクト中で
（315.6〜537.8℃＝600゜F〜1000゜Fで）ライン3114か
らの過剰の高温の押込み通気空気の流れと合流する。
（315.6〜371.1℃＝600〜700゜Fの）組み合わされた高
温のガス流はバーナのプレナムのすぐ上流で発電プラン
トの押込み通気ダクトまで回収された熱を運ぶ。
空気予熱装置3120からの通気と循環アッシュ用サージ
ビン5210とはライン2001と5211を介して電気集塵器8110
の入口ダクトライン8162中へ送気される。またその他の
小さい通気流をこのダクトまで導いてもよい。制御装置
は電気集塵器8110の入口温度をその設定点（概ね315.6
℃＝600゜F）において制御するよう稀釈空気ダンパ8160
を調整する。
電気集塵器8110によって集められたダストは重力によ
り電気集塵器の排出エアロック8120と8130とを介して循
環アッシュ用サージビン5210中へ排出される。
吸込み通風機8150には調整入口ダンパ（図示せず）が
設けられている。制御装置はこのダンパを調整して流動
床燃焼装置2110の排出フランジにおいて僅かに負の圧力
（約−1inWC）を保つ。吸込み通風機8150は清浄された
ガスの流れを発電プラントの押込み通気ダクトへ押し込
むために可成り高い静水頭に抗して排出する必要があ
る。
例 本発明の例が第２図に示す流動床燃焼試験モジュール
において実施された。第２図に示す試験モジュールは、
フライアッシュの試料３が不活性（低酸素）雰囲気中で
試験温度まで加熱され、次に、炭素の燃焼反応を開始さ
せる高温空気による流動化される単純なバッチ装置であ
る。前記試験モジュールは主として空気加熱装置20と流
動床装置30と、それらの補助装置とから構成されてい
る。流動床装置30は、フライアッシュの試料31と、（流
動空気を分配するために使用する）通気ストーン34と、
（燃焼反応の間の温度上昇を制御するために使用する）
流動床冷却コイル33とを収容した流動床ボックス29から
構成されている。流動床ボックス29の方は、断熱された
鋼ボックス28内に密閉されている。該ボックス28はフラ
イアッシュの試料を試験温度まで加熱するよう流動床ボ
ックス29近傍でLPGバーナ２からの燃焼ガスを受容する
よう作用する。これらのガスはLPGバーナの煙突32を介
して通気される。
空気加熱装置20は構造が類似である。内側ボックス21
は、蓄熱媒体および伝熱媒体として用いられる砂利から
なる蓄熱質量３を保持している。外側の断熱ボックス27
は内側ボックス21近傍のLPGバーナ１からの高温の燃焼
ガスを入れている。LPGバーナ１からのガスはLPGバーナ
の煙突22を介して通気される。
試験の間、流動床冷却コイル33と試料流動床31とは流
動床ボックス29中へ挿入される。金属プレート（図示せ
ず）が流動床排出装置40を被覆するために使用される。
LPGバーナ１と２とは点火され、蓄熱質量３と試料流動
床31の温度をそれぞれ上昇させる。前記２個の装置の温
度は図示のように熱電対18、19、38および39によってモ
ニタされる。熱電対38によって測定された流動床の温度
が537.8℃（1000゜F）に達すると、アルゴンが弁16を介
して導入され、ライン24の流量計17によって測定され
る。ライン24はガスを蓄熱質量３、パイプ25、ユニオン
35および通気ストーン34を介して試料流動床31中へ導か
れている。このため流動空気を導入する前に著しい炭素
燃焼が起らないように阻止する（実験室の試験ではこの
反応は537.8℃（1000゜F）以下では顕著には発生しない
ことを示している）。アルゴンの流れは、流動床ボック
ス29において低酸素含有量を保つに十分ではあるが、流
動床排出装置40から適度の量のフライアッシュを排出す
るには不十分の値に保たれる。
蓄熱質量３と試料流動床31が希望の温度に達すると、
流動床排出装置40を被覆している金属プレート（図示せ
ず）が外され、LPGバーナ１と２とが絞られ、アルゴン
用弁16が閉鎖され、空気用弁12が解放される。コンプレ
ッサ（図示せず）からの空気は調整器11によって約0.14
kg/cm2（2PSI）の圧力まで低減させられる。空気は弁1
2、流量計15およびライン23を還流し、かつ蓄熱質量３
を還流する。送入空気の圧力と温度とは圧力計13および
温度計14によってモニタされる。熱は高温の蓄熱質量３
から内側ボックス21内に送入されてくる流動空気に伝達
される。加熱された空気は熱電対26を通ってパイプ25を
介して、かつユニオン35を介して流動床ボックス29へ流
入する。次に高温空気は通気ストーン34を介して試料流
動床31中へ入り、そこで炭素燃焼反応が発生する。（試
料流動床31からの材料の一部を含んでいる）燃焼ガスは
流動床排出装置40を出て目に見えるアッシュの羽毛状体
を生成する。流量計15によって測定された送入空気の流
量は弁12によって調整され、流動床ボックス29内で試料
流動床31のフライアッシュの粒子を流動化するため望ま
しい流動床空塔速度を提供する。この流量は、（炭素に
対する酸素の望ましい比率に応じて）望ましい量の空気
が試料流動床を通過してしまうまで保たれる。試験の
間、流動床冷却コイル33を用いて（熱電体38、39によっ
て測定した）試料流動床31の温度を望ましい範囲に保
つ。冷却水は弁44およびパイプ43を介して流動床冷却コ
イル33まで導入される。加熱された冷却水はパイプ42を
介して排出される。
適当量の空気が試料流動床31を通過した後、空気弁は
閉鎖され、アルゴン弁16が解放され、LPGバーナ１と２
とが遮断され、鋼プレート（図示せず）を用いて流動床
排出装置40を被覆し、冷却水弁44が全開される。試験装
置が十分冷却した後、流動床冷却コイル33は流動床ボッ
クス29から外される。ユニオン35が破断され、流動床ボ
ックス29全体が、残りの試料流動床31を回収したり、検
査のために断熱鋼ボックス28から外される。試料流動床
31の最初と終りの試料並びに試験の間流動床から沈下し
たいずれかの試料が炭素含有量を分析するため実験室へ
提供される。
例１から６（試験１から６） 前述し、かつ第２図に示す流動床の炭素燃焼試験モジ
ュールを用いて、表Ｉに要約した試験１から６までを実
施した。LOI試験は点火損失についてのASTM C311であ
る。
結果および結論 1. ６回の試験におけるLOI低減率は49.6％から87.3％
の範囲であった。一般的に、LOIの低減は、流動床と集
塊問題（下記参照）が解決された後程の試験の間より良
好であった。
６回の試験の中４回は、LOIが約６％のフライアッシ
ュを用いて実行した。その他の２回の試験はLOIが約12
％のフライアッシュを用いて実行した。炭素含有量のよ
り高いフライアッシュの試験の双方共、他の試験よりLO
Iの低減が劣った。
各試験の初期部分の間、LOIの低減は基本的には時間
に対して直線であった。このことは燃焼速度が、流動床
への酸素の導入速度によって制限されることを示す。或
る試験の終りに向かって、残留炭素量が極めて低くなる
につれて、燃焼速度は著しく低下した。このことは、炭
素の最後の分は残りのものより燃焼しにくいことを示
す。
2. 流動床からの材料の喪失は過剰ではなかった。流動
床の材料喪失は23.9％から78.4％まで変動し、より高い
値はより長い噴射時間に関連する。バッチモジュールに
対しては空気噴射時間は滞留時間と等しい。従って、望
ましい長い滞留時間と、それに伴う高度の炭素燃焼とは
流動床材料の喪失の増大を犠牲にして得られる。
流動床からの材料の喪失は所定の空気流量に対して可
成り一定であった。すなわち、空気の流量に対する材料
喪失の質量比は試験の間で大きく変動しなかった。同様
に、供給された空気容量に対する流動床材料喪失の質量
比も大きく変動しなかった。
3. 流動床内での流動性は流動床の深さに強力に依存す
ることが判明した。流動性は15.24cm（６インチ）の流
動床深さでは極めて悪かった。30.48cm（12インチ）で
は驚異的に向上した。完全な流動性は60.96cmの流動床
深さにおいて得られた。
流動床深さは滞留時間に緊密に関連している。毎秒0.
3m（１フィート）の試験設計流動床速度に対して、60.9
6cm（24インチ）の流動床は低炭素含有量のフライアッ
シュに対しては40分の滞留時間を、高炭素含有量のフラ
イアッシュに対しては80分の滞留時間をもたらした。長
い滞留時間は炭素燃焼に対して良く、単位生産量（流動
床による炭素燃焼概念に対する生産量は専ら流動床の面
積と速度とによって決まる）にも影響を与えない。しか
しながら、より長い滞留時間はより高い流動床材料の全
体的喪失に連がる。
4. フライアッシュの焼結塊への結着は（特に初期の試
験においては）問題であることが判明した。完全な流動
化を補償し、かつ流動床の温度を制御するよう変更が実
行された後はこれらの問題は驚異的に減少した。最終の
試験では回収された試料の１〜10％（全体供給量の1/2
〜５％）が極めて軟かく焼結された塊として回収され
た。しかしながら、商業プラントにおいては製品の分粒
と「塊破砕機」が多分必要とされよう。
5. 水冷コイルを用いた流動床冷却は流動床の温度の制
御に極めてよく作用した。冷却無しでは、炭素の燃焼に
より流動床の温度を過度に上昇させる（試験番号２にお
いてはピーク温度は1260℃（2300゜F）を上廻った）。
冷却は商業プラントの好結果の運動にとって必要であ
る。試験の間、目標とする流動床温度は760℃（1400゜
F）であった。目標温度の最適化によって望ましい結果
が決まる。温度がより低いとより安価な構造材料、より
低いNOx、および（若干程度であるが）より高い生産量
にとって好ましい。より高い温度は、より高度の炭素燃
焼およびより安価の（少ない）伝熱面積にとって好まし
い。
流動床から取り出された熱は適当な伝熱面を用いるこ
とにより（537.8℃＝1000゜F程度の）高温で回収するこ
とができる。このため回収された熱を発電プラントで再
使用したり、あるいは外部の需要家への販売に価値ある
ものとする。
6. 点火は反応空気を予熱することなく達成された。こ
のことは点火は主として流動床の温度に依存することを
示しているようである。点火は流動床の温度が704.4℃
（1300゜F）を上廻るといつでも容易に発生するようで
ある。
加熱された反応空気は必要でないことが判明したもの
の、それは商業プラントにおいては多分供給されること
になろう。その理由は、反応空気の加熱は、さもなけれ
ば喪失する若干低温の熱を回収する都合のよい方法であ
るからである。
本発明を、現在最も実用的でかつ好ましい実施例と現
在考えられているものに関して説明してきたが、本発明
は開示した実施例に限定されるのでなく、以下の請求の
範囲の精神と範囲内の種々の修正や均等物を網羅する意
図である。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 米国特許4121945（ＵＳ，Ａ) 欧州特許出願公開227196（ＥＰ，Ａ １) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) C04B 7/00 - 28/36 F23G 7/00 103 F27B 15/00 - 15/20

Claims (10)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】炭素を含有するフライアッシュの微細粒子
    の炭素含有量を低減する方法において、 ａ） 炭素を含有するフライアッシュの微細粒子を、基
    本的に前記粒子からなる乾式沸騰流動床に導入し、 ｂ） 704.4〜982.2℃（1300〜1800゜F）の温度におい
    て前記粒子を前記流動床の空気と緊密に混合させ、 毎秒0.15m（0.5フィート）から、毎秒0.9m（3.0フィー
    ト）の速度及びフライアッシュに対する空気の容積比が
    1000〜1500で前記流動床へ大気を導入し、 前記粒子の前記流動床での滞留時間を２分〜100分にす
    ることによってフライアッシュ粒子内の炭素を酸化さ
    せ、 ｃ） 次に前記フライアッシュの粒子を前記流動床から
    除去することを含み、 前記粒子の炭素含有量が前記酸化により減少することに
    より、前記除去されたフライアッシュの粒子が、それ以
    上処理することなくコンクリートにおけるセメントの一
    部と代替するよう使用するに適した改良ポゾランとなる
    ことを特徴とする方法。
  2. 【請求項２】酸化が５％と15％の間の過剰酸素で行われ
    ることを特徴とする請求項１に記載の方法。
  3. 【請求項３】前記流動床から余分の熱が回収されること
    を特徴とする請求項１に記載の方法。
  4. 【請求項４】前記温度が760℃（1400゜F）と926.7℃（1
    700゜F）の間であることを特徴とする請求項１に記載の
    方法。
  5. 【請求項５】前記温度が815.6℃（1500゜F）と871.1℃
    （1600゜F）の間であることを特徴とする請求項１に記
    載の方法。
  6. 【請求項６】前記速度が毎秒0.3m（１フィート）と0.37
    5m（1.25フィート）の間であることを特徴とする請求項
    １に記載の方法。
  7. 【請求項７】フライアッシュに対する前記空気の容積比
    が1200と1300の間であることを特徴とする請求項１に記
    載の方法。
  8. 【請求項８】前記滞留時間が10分と80分の間であること
    を特徴とする請求項１に記載の方法。
  9. 【請求項９】前記滞留時間が30分と50分の間であること
    を特徴とする請求項１に記載の方法。
  10. 【請求項１０】流動床における前記粒子の平均粒子サイ
    ズが100ミクロンまたはそれ以下であることを特徴とす
    る請求項１に記載の方法。
JP50425392A 1991-04-05 1991-08-22 乾式沸騰流動床における炭素燃焼によるフライアッシュの選別 Expired - Lifetime JP3364684B2 (ja)

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