JP3662308B2 - 煙道ガスから粒子を分離する方法およびパワープラント - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は内部で不純物を含む燃料を燃焼させるための燃焼室と、前記燃焼で生じた煙道ガスを受け入れかつ該煙道ガスからその中に含まれた粒子を分離するために配置された少なくとも１組のサイクロンとを備えているパワープラント（動力発生装置）に関し、前記サイクロンは並列に接続されかつ共通の容器内に前記粒子のための出口脚部を有し、前記パワープラントは前記容器の詰まりを防止するために前記容器からのガスの流れを吸引するための装置を備えており、また本発明は方法に関する独立した請求項の前段部分に記載の前記パワープラント内の燃焼により発生する煙道ガスから粒子を分離する方法にも関する。
【０００２】
「パワープラント」の定義は非常に広範囲に解釈すべきであり、煙道ガスが燃料の燃焼により発生する、例えば、粒子燃料を燃焼させるための流動床を有するパワープラント、重油だきのボイラ、ソーダパン等のほとんどすべての型式のパワープラントを含み、発電プラントのみでなく、熱エネルギを発生するためのすべての型式のプラントをも含む。
【０００３】
「不純物を含む燃料」（ｉｍｐｕｒｅ ｆｕｅｌ）の定義は燃料の燃焼により燃料中の粒子が、例えば、炭素、ピートおよび木部を発生する燃料を意味している。
【０００４】
【従来の技術と発明が解決しようとする課題】
同様な型式のいくつかのパワープラントにおいては、前記サイクロンの出口脚部が相互に分離しており、その結果、各々のサイクロンのために別個の高価な灰冷却および排出装置が必要になるために経費高となる。
【０００５】
しかしながら、サイクロンの出口脚部を共通の容器内に配置することによりこの問題を解決することが知られている。しかしながら、このために、いくつかの出口脚部に粒子が詰まるおそれが生じ、その結果個々のサイクロン内に異なる圧力降下が発生し得る。これは、最良の場合には、当該サイクロンが良好に機能せず、その結果、サイクロンの組の効率が低下することを意味するが、最悪の場合には、灰が反対の方向に流れ、そして多くの問題および経費高を惹起するだろうプラントの部分に達することがある。前記出口脚部の開口部の領域から前記容器外にガスの流れを吸引する装置を設けることによりパワープラントに関する独立請求項の前段部分に記載された問題を解決することが示唆されている。これは、出口脚部が詰まることを防止するが、この方法により前記容器から吸引したガスが非常に高温であり、従って、この方法で失われる多量の熱エネルギを含むので、この解決方法は非常に高価になる。
【０００６】
同じ議論が方法に関する独立請求項の前段部分に記載された方法に対してもあてはまる。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明の目的は前記サイクロンの出口脚部の詰まりの問題を経費高となることなく信頼できる方法で解決する序論に定義された型式のパワープラントを提供すると共に、同じ目的を達成するための方法を提供することにある。
【０００８】
本発明によれば、この目的は、前記燃焼が起きるように意図された燃焼室内の領域の下流側の位置におけるパワープラントの内部の前記ガス流を前記煙道ガス通路中に導く装置を備えているこのようなパワープラントと、方法に関する独立請求項に記載の段階をさらに有する方法とを提供することにより達成される。
【０００９】
前記ガス流を煙道ガス通路中に導く装置のために、前記出口脚部から排出されかつ前記容器から排出される高温のガスが前記煙道ガスの通路の中に再び導入され、その結果、その内部に発生した熱エネルギが所望の型式のエネルギを発生するのに使用されるために煙道ガス通路内にとどまる。従って、このようなパワープラントの効率はこの型式の従来技術のパワープラントに比して高められるが、他方で共通の容器内に出口脚部を備えかつ出口脚部の詰まりを回避したサイクロンは今なお利便性のある装置である。
【００１０】
本発明の好ましい実施例によれば、前記ガス流を煙道ガス通路中に導く装置は前記ガス流をパワープラントの少なくとも１個のサイクロンの上流側の位置における前記通路の中に導くようにされている。この構造は、最も好適である。さもなければ、前記ガスの流れと共に容器外に排出された粒子が前記通路の部分に達し、それらの存在のために好ましくない問題をひき起こすことがあるからである。
【００１１】
本発明のさらに一つの好ましい実施例によれば、前記位置は前記のサイクロンの組の上流側に配置されている。これは前記ガス流と共に排出された粒子がサイクロンの組に再び達し、その後、煙道ガスから分離し得ることを意味する。
【００１２】
本発明のさらに別の一つの好ましい実施例によれば、前記ガス流を煙道ガス通路中に導く装置は前記ガス流を前記容器の内部よりも高いガス圧力を有する位置における前記通路の中に導入することを可能にする装置を備え、かつ前記ガス流を煙道ガス通路中に導く装置の前記装置は前記ガス流を前記通路の中に導くためにエゼクタ効果（流体をノズル等から噴射して、それによりある空間から流体を排出させること）を使用するようにされている。これにより、前記ガス流を煙道ガス通路の任意の所望の部分に容易に再循環させることが可能になり、例えば、本発明の別の好ましい実施例の場合のように、ガス流を前記燃焼領域の上方のいわゆるフリーボード内の前記燃焼室の中に再循環させることが可能になる。
【００１３】
本発明の別の一つの好ましい実施例によれば、前記パワープラントはＰＦＢＣパワープラントである。本発明はこのようなパワープラントに適用されたときに特に有利であるが、しかし本発明がかかるパワープラントに限定されないことを再び強調すべきである。
【００１４】
本発明の別の一つの好ましい実施例によれば、前記パワープラントは前記サイクロンの下流側の前記通路内に配置され、かつ前記煙道ガスにより駆動されるようにされているガスタービンを備えている。このようなパワープラントにおいては、前記ガスタービンの出力を増大させ、それによりパワープラントの効率を高めるように、再循環されたガスの流れの付加的な熱からエネルギーを得ることが可能であろう。
【００１５】
本発明の別の一つの好ましい実施例によれば、前記ガス流を煙道通路中に導く装置は前記燃焼室から排出された煙道ガスの３％から５％までの範囲内のガス流を前記容器から吸引するようになっている。この比率がサイクロンの出口脚部が詰まらず、依然として非常に良好な機能を有し、かつパワープラントの高い効率が得られることを保証するために十分でありかつ適切であることが判明した。
【００１６】
本発明による方法においても、対応した特徴および利点が得られる。
【００１７】
本発明のさらに別の利点および好ましい特徴は以下の説明およびその他の従属請求項から明らかになろう。
【００１８】
【発明の実施の形態】
添付図面について、本発明の好ましい実施例を以下に説明する。
既に述べたように、本発明は必ずしもＰＦＢＣ（加圧流動床燃焼）パワープラントに使用するために限定されるものではなく、このようなパワープラントの変型の一般的な構造および機能を本発明の課題の理解を容易にし、かつ本発明の構造を例示するために図１を参照して説明する。
【００１９】
このパワープラントは加圧容器２内に包含された燃焼室１を備え、燃焼室１は１０⁴ ｍ³ の程度の容積を有し、かつ例えば、約１６バールに加圧することができる。燃焼室１を加圧しかつ燃焼室１内の流動床４を流動化するための圧縮空気３が加圧容器２に供給される。この圧縮空気は燃焼室１内に包含された床を流動化するために燃焼室１の底部に略図で示した流動化ノズル５を通じて燃焼室１に供給される。流動床４は床材料、顆粒状の吸収剤および粒子燃料、すなわち、流動床４に供給される流動化空気内で燃焼せしめられる微粉砕固体粒子、好ましくは、粉砕炭素の燃料で構成されている。以下に煙道ガスと呼ぶ流動床からの燃焼ガスは浄化装置７に送られる。浄化装置７はここでは箱として例示されかつこの場合には煙道ガスからの粒子を分離するために配置された１組のサイクロンにより構成することができかつ構成されている。煙道ガスは高圧段１０および低圧段１１を有するガスタービン９に送られる。この高圧タービン１０は高圧圧縮機１２および発電機１３と同軸上に配置されている。このようにして、高圧圧縮機１２および発電機１３は電気エネルギを発生するために高圧タービン１０により駆動される。高圧圧縮機１２は圧縮空気を導管１４を介して燃焼室１に送出する。
【００２０】
高圧タービン１０内で膨脹したガスは低圧タービン１１に供給される。低圧タービン１１から流出したガスはエコノマイザ１６が利用することができるエネルギを含む。低圧圧縮機１７もまた低圧タービン１１の軸上に配置され、かつフィルタ１８を介して大気中の空気が供給される。従って、低圧圧縮機１７は低圧タービン１１により駆動され、かつその出口からの空気を第１段において空気を圧縮するために高圧圧縮機１２に送る。高圧圧縮機１２の入口に供給された空気の温度を低下させるために、中間冷却器１９が低圧圧縮機１７と高圧圧縮機１２との間に配置されている。
【００２１】
このパワープラントもまた、ここでは図示していないが、チューブセット２０により示した蒸気タービン側を備えている。チューブセット２０は流動床４内に浸漬され、かつ熱交換によりその内部に循環した水を蒸発させかつ過熱することにより流動床内の燃料の燃焼により発生した熱を吸収するために相互に作用するように意図されている。また、このパワープラントは流動床に発生した灰を流動床外に排出するために燃焼室１の底部に配置された図示していない装置と、床材料を流動床に供給するための図示していない装置とを備えている。
【００２２】
この型式のパワープラントの機能の主原理は上記の説明から明瞭に理解されよう。
【００２３】
さて、本発明により解決されるべき問題およびこの問題を解決するためのパワープラントの特性を図２を参照して説明する。前記燃焼が発生するように意図されている燃焼室１内の燃焼領域４、すなわち、流動床内での燃料の燃焼から発生した煙道ガスは代表的には８５０℃から９５０℃までの範囲内に達することがある高い温度を有している。これらの煙道ガスは流動床の上部の領域、いわゆる、フリーボード８と、燃焼室１の頂部に接続され、かつこれらの煙道ガスからこの煙道ガス中に含まれた粒子を分離するために１組のサイクロン２２が配置された別の容器２１に終端した管６とを介して燃焼室１から流出するので、前記サイクロン２２からガスタービンの方向に延びる管２３を介して流出する煙道ガスはこのような粒子を全く含んでいない。さもなければ、煙道ガスはパワープラントの運転に不利な影響をおよぼし、そしてより頻繁な保守が必要になろう。容器２１は加圧されることが好ましく、かつ例えば１５バールの圧力を有することができる。図２においては、２個のサイクロンのみを示してあるが、その総数はそれよりもはるかに多くすることができ、例えば、１８個のサイクロンを設けることができる。サイクロン２２は慣用の方法で作用し、すなわち、粒子を含むガスの流れがそれぞれのサイクロンの頂部に近い位置２４において導入されかつガス中に含まれた粒子を壁部に近く分布させるための遠心力を利用するためにサイクロンの下方に延びたらせん形の通路の中に搬入され、そしてガス流は中央部において上方に流れ、そして共通の管２３に通じる管２５を通ってサイクロンの頂部から流出し、一方分離された粒子がサイクロンの出口脚部２６を通って落下して容器２１の底部に至る。
【００２４】
各々のサイクロン内の圧力降下は塵の濃度および製造公差のために僅かに異なることがあり、そのために圧力降下がその他のサイクロン内の圧力降下よりも高いサイクロンの出口脚部中に粒子が吸引される傾向が生ずる。しかしながら、この傾向は前記出口脚部が詰まることを防止するために前記容器、この場合には前記脚部の開口部４０の領域４１からのガス流を吸込する装置２７を設けることにより阻止される。燃焼室１から排出される煙道ガスの少なくとも２％、好ましくは７％未満、最も好ましくは３％から５％までの範囲内のガス流を容器２１から詰まり防止用の前記装置２７を通して吸引することが有利であることが判明した。このパワープラントは前記ガス流を前記の１組のサイクロンの上流側の前記煙道ガスの通路の中に、すなわち、燃焼室のいわゆるフリーボード８内に導くための装置２８を備えている。フリーボード８内の圧力は容器２１内の圧力よりも高いが、しかしこの問題はいわゆる次の方法によるエゼクタ効果を利用することにより解決される。すなわち、燃焼器の容器２を加圧するための空気流の一部分は圧縮機２９に分流され、該圧縮機２９はこの空気を圧縮し、かつこの空気を前記容器２１および前記フリーボード８と連結された管３１のテーパー部分３０の中に送り、そして前記管３１内で前記フリーボード８の方向に送るように作用し、それにより前記ガス流が容器２１外にエゼクタ効果により吸引される。また、容器２１からフリーボード８へのガス流を調整しまたは停止するための弁３２が設けられている。このようにして、容器２１からのガス流を調整することができる。また、このような調整は圧縮機２９の速度を調整することにより達成することができる。このようにして、圧縮機２９を介して小量の空気のみを分流し、かつ容器２１から装置２８にはるかに高いガスの流量を送ることが可能であり、この比率は、例えば、１：１０の程度に保つことができる。
【００２５】
容器２１から吸引されたガス流を流動床の上流側の煙道ガスの通路の中に再循環させることにより、その内部に得られた熱が前記通路内にとどまり、そしてパワープラントによるエネルギ生産のために利用される。ある型式のパワープラントにおいては、容器２１から吸引されたガス流をサイクロン２２の前記の組の下流側のガス流路の中に導くことが良い解決方法であるかもしれない。その理由は圧力降下のために不必要なエゼクタ効果を利用するために圧縮機２９を利用することになるからであるが、図１および図２に示したパワープラントにおいては、粒子がガスタービンに達し、ガスタービンに不利な影響を与えることがあるので、この方法は十分でないかもしれない。サイクロン内で分離された粒子が落下し、そして容器２１から落下して、領域４１からある距離を隔てたその底部の共通の開口部４２に至り、かつさらに別の１個の容器３３の中に至る。容器３３内では、高温の灰が好適な媒体、例えば、水または水蒸気を循環させる１組の管３４による熱交換により約１５０℃温度まで冷却される。そのうえ、いかにこの型式のパワープラントの流動床およびサイクロンの灰排出装置がよく似ているかを記載した本発明の出願人のスウェーデン特許出願第８２０５７４８−０号明細書を参照されたい。
【００２６】
これらの灰は、灰を除去し、かついわゆるロックホッパー装置により灰を運搬するガスから灰を分離するために、圧力降下のために、容器３３からさらに別の１個の容器３５に導かれる。この装置はさらに１個の容器３６と、弁３７、３８および３９とを備えている。この装置の機能は次の通りである。先ず、弁３７が開かれ、その結果、灰および灰を運搬するガスが圧力降下のために容器３５から容器３６の中に輸送される。このときに弁３８および３９が閉ざされる。その後、弁３７が閉ざされ、その後、容器３６内に収容されたガスを大気中に逃すことにより容器３６内の過圧を除去するために弁３８が開かれる。その後、弁３８が閉ざされ、ついで容器３６内の灰を、例えば、図示していないベルトコンベヤ上に排出するために、弁３９が開かれる。その他の型式の灰放出装置もまた使用可能である。容器３５および３６は、実際問題として、輸送のために重力の作用を使用することができるように容器３３よりも低いレベルに配置されることが好ましい。容器３５および３６は重力輸送を簡単に示すために図面においては唯一の別の位置を占めている。
【００２７】
本発明は、勿論、上記の好ましい実施例に限定されるものではなく、当業者には上記の実施例の変型のいくつかの可能性が本発明の基本的な概念から逸脱しない範囲内で明らかであろう。
【００２８】
例えば、パワープラント内に１組よりも多数のサイクロンを有し、かつ対応したサイクロンの出口脚部が詰まることを防止するようにこれらのセットのすべてまたは任意の数のうちの１個のサイクロンのみからガスの流れを吸引することが可能であろう。例えば、２組のサイクロンの場合には、大抵の場合には、これらのサイクロンのうちの１個のサイクロンのみにこのような装置が設けられていれば、上流側の対応した共通の容器からガスの流れを吸引する装置を配置することが好ましいと思われる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明を適用することができる組み合わされたガスサイクルおよびスチームサイクル（後者は図示せず）を有する加圧流動床燃焼型パワープラントを示した略図。
【図２】図１および本発明に重要な特徴を例示した本発明の好ましい実施例によるパワープラントの一部分の部分断面略図。
【符号の説明】
１ 燃焼室
４ 燃焼領域
８ フリーボード
９ ガスタービン
２１ 共通の容器
２２ サイクロン
２６ 出口脚部
２７ ガス流を容器から吸引する装置
２８ ガス流を煙道ガス通路中に導く装置
２９ 圧縮機（ガス流を容器から吸引する装置）
３０ テーパー部分（ガス流を容器から吸引する装置）
３１ 管（ガス流を容器から吸引する装置）
３２ 弁（ガス流を容器から吸引する装置）

Claims (23)

1. パワープラントの燃焼室（１）内で不純物を含む燃料を燃焼させることにより発生した煙道ガスから粒子を分離する方法にして、並列に接続されかつ共通の容器（２１）内に前記粒子のための出口脚部（２６）を有する少なくとも１組のサイクロン（２２）を通して前記煙道ガスを導く段階と、ガス流を前記容器から吸引する段階とを含む方法において、前記燃焼が起きるように意図された燃焼室（１）内の燃焼領域（４）の下流側の位置における前記パワープラントの内部の前記煙道ガスの通路の中に前記ガス流を導く段階をさらに含むことを特徴とする煙道ガスから粒子を分離する方法。
2. 請求項１に記載の方法にして、パワープラントの少なくとも１個のサイクロンの上流側の位置における前記通路の中に前記ガス流を導くことを特徴とする煙道ガスから粒子を分離する方法。
3. 請求項１または請求項２に記載の方法にして、前記容器（２１）の内部よりも高い圧力を有する位置における前記通路の中にエゼクタ効果を利用して前記ガス流を導くことを特徴とする煙道ガスから粒子を分離する方法。
4. 請求項１から請求項３までのいずれか一項に記載の方法にして、前記方法をＰＦＢＣ（加圧流動床燃焼）パワープラントにおいて実施することを特徴とする煙道ガスから粒子を分離する方法。
5. 請求項１から請求項４までのいずれか一項に記載の方法にして、前記ガス流を前記燃焼領域の上方のいわゆるフリーボード（８）内の燃焼室の中に導くことを特徴とする煙道ガスから粒子を分離する方法。
6. 請求項１から請求項５までのいずれか一項に記載の方法にして、前記ガス流が前記燃焼室から排出される前記煙道ガスの流れの２％を超えることを特徴とする煙道ガスから粒子を分離する方法。
7. 請求項１から請求項６までのいずれか一項に記載の方法にして、空気が燃料の前記燃焼のために前記燃焼室に導かれた空気流から分流され、該空気が圧縮されて管（３１）のテーパー部分（３０）の中に導かれ、それにより前記ガス流を前記管（３１）内の前記通路の前記位置の方向に導いて、前記ガス流を前記容器（２１）からエゼクタ効果により吸引することを特徴とする煙道ガスから粒子を分離する方法。
8. 請求項７に記載の方法にして、前記容器から吸引されるガス流の流量が前記管（３１）に送られる前記空気の流量を調整することにより調整されることを特徴とする煙道ガスから粒子を分離する方法。
9. 内部で不純物を含む燃料を燃焼させるための燃焼室（１）と、前記燃焼から発生した煙道ガスを受け入れ、かつ該煙道ガスからその中に含まれた粒子を分離するために配置された少なくとも１組のサイクロンとを備えているパワープラントにして、前記サイクロンが並列に接続されかつ共通の容器（２１）内に前記粒子のための出口脚部（２６）を有し、前記パワープラントはまた前記容器の詰まりを防止するためにガス流を前記容器から吸引する装置（２７，２９−３２）を備えているパワープラントにおいて、該パワープラントが前記燃焼が起きるように意図された燃焼室内の領域の下流側の位置における該パワープラントの内部の前記ガス流を前記煙道ガス通路中に導く装置（２８）をも含んでいることを特徴とするパワープラント。
10. 請求項９に記載のパワープラントにして、前記ガス流を前記煙道ガス通路中に導く装置が前記ガス流を前記パワープラントの少なくとも１個のサイクロンの上流側の位置における前記通路の中に導くようにされていることを特徴とするパワープラント。
11. 請求項９または請求項１０に記載のパワープラントにして、前記位置が前記サイクロン（２２）の組の上流側に配置されていることを特徴とするパワープラント。
12. 請求項９から請求項１１までのいずれか一項に記載のパワープラントにして、前記ガス流を前記煙道ガス通路中に導く装置が前記容器の内部よりも高いガス圧力を有する位置における前記通路の中に前記ガス流を導くことを可能にする装置（２９，３０）を備えていることを特徴とするパワープラント。
13. 請求項１２に記載のパワープラントにして、前記ガス流を前記煙道ガス通路中に導く装置の前記装置（２９，３０）が前記ガス流を前記通路の中に導くためにエゼクタ効果を使用するようにされていることを特徴とするパワープラント。
14. 請求項１３に記載のパワープラントにして、前記ガス流を前記煙道ガス通路中に導く装置の前記装置が燃料の前記燃焼のために燃焼室（１）に導かれた空気流（３）からの空気を分流し、空気を圧縮し、そして該空気を前記ガス流を前記容器から吸引する装置の管（３１）のテーパー部分（３０）の中に導き、それにより前記ガス流を前記管（３１）の中の前記通路の前記位置の方向に導いて、前記ガス流を前記容器（２１）からエゼクタ効果により吸引するようにされた部材（２９）を備えていることを特徴とするパワープラント。
15. 請求項１４に記載のパワープラントにして、該パワープラントが前記管（３１）への前記分流された空気の流量を調整し、そしてそれにより前記容器（２１）から吸引されるガス流の流量を調整するように配置された部材（３２）を備えていることを特徴とするパワープラント。
16. 請求項９から請求項１５までのいずれか一項に記載のパワープラントにして、前記ガス流を前記煙道ガス通路中に導く装置（２８）が前記ガス流を前記燃焼領域（４）の上方のいわゆるフリーボード（８）内の前記燃焼室（１）の中に導くようにされていることを特徴とするパワープラント。
17. 請求項９から請求項１６までのいずれか一項に記載のパワープラントにして、前記パワープラントがＰＦＢＣ（加圧流動床燃焼）プラントであることを特徴とするパワープラント。
18. 請求項９から請求項１７までのいずれか一項に記載のパワープラントにして、前記容器（２１）が加圧されていることを特徴とするパワープラント。
19. 請求項９から請求項１８までのいずれか一項に記載のパワープラントにして、該パワープラントが前記サイクロン（２２）の下流側の前記通路内に配置されかつ前記煙道ガスにより駆動されるようにされているガスタービン（９）を備えていることを特徴とするパワープラント。
20. 請求項９から請求項１９までのいずれか一項に記載のパワープラントにして、前記ガス流を前記煙道ガス通路中に導く装置（２８）が前記燃焼室から排出された煙道ガス流の少なくとも２％のガス流を前記容器から吸引するようにされていることを特徴とするパワープラント。
21. 請求項９から請求項２０までのいずれか一項に記載のパワープラントにして、前記ガス流を前記煙道ガス通路中に導く装置（２８）が前記燃焼室から排出された煙道ガス流の７％未満のガス流を前記容器から吸引するようにされていることを特徴とするパワープラント。
22. 請求項９から請求項２１までのいずれか一項に記載のパワープラントにして、前記ガス流を前記煙道ガス通路中に導く装置（２８）が前記燃焼室から排出された煙道ガスの３％から５％までの範囲内のガス流を前記容器から吸引するようにされていることを特徴とするパワープラント。
23. 請求項９から請求項２２までのいずれか一項に記載のパワープラントにして、該パワープラントが微粉炭素を燃焼させるようにされていることを特徴とするパワープラント。

Images