JP3664951B2 - 固形燃料用燃焼装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、固形燃料用燃焼装置に関し、詳しくは、固形燃料を効率よく均一な状態で搬送供給して燃焼させることができる固形燃料用燃焼装置に関するとともに、固形燃料を酸素で直接部分酸化して一酸化炭素及び水素を効率よく生成することができる固形燃料用燃焼装置に関する。
【０００２】
【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】
固形燃料を燃焼装置に供給して燃焼させる場合、気流搬送が可能なものについては、空気、窒素、炭酸ガス等で燃焼装置の燃焼領域まで定量的に搬送するようにしている。しかし、気流搬送を行うためには、固形燃料の粒度を所定範囲に略均一に調整することが必要である。例えば、数ｍｍオーダーのものは気流搬送が困難なため、ミル等であらかじめ粉砕処理するか、あるいはスクリーニングを行って搬送不可能な粒度のものは除去するなどの工程が必要で、コスト的な問題があった。
【０００３】
また、固形燃料をスクリューフィーダーで燃焼装置に供給して燃焼させる場合は、粒度調整が気流搬送ほど厳密ではなく、粒度の許容範囲を広くとれるが、固形燃料を効率よく分散させて支燃性ガス（酸素）との混合を均一に行わなければならず、燃焼効率の向上に限界があった。
【０００４】
一方、一酸化炭素や水素を生成する方法として、炭素質あるいは炭化水素質燃料を、酸素比が１．０未満の酸素で燃焼させることにより、一酸化炭素や水素を含む燃焼ガスを得る方法が知られている。この方法において、固形燃料を用いる場合は、固形燃料の分散をコントロールし、固形燃料と酸素との均質な反応を制御することが必要である。
【０００５】
これらが不十分であると、メタンやアセチレン等の低級炭化水素やすすといった不純物が多量に生成され、また、固形燃料中の炭素分が残留してしまう。逆に、これらを促進しすぎると、局部的に反応が促進され、燃焼生成物である二酸化炭素及び水蒸気の比率が高くなり、必要とされる一酸化炭素及び水素の収率が低下する。また、局部的なホットスポットが発生し、バーナの破損の原因となることがある。
【０００６】
そこで本発明は、固形燃料を酸素中に均一に分散させることができ、燃焼効率の向上が可能な固形燃料用燃焼装置を提供するとともに、酸素量を制御することによって固形燃料を均質に部分酸化することができ、低級炭化水素やすすの発生を抑制し、効率よく一酸化炭素及び水素を生成することもできる固形燃料用部分燃焼装置を提供することを目的としている。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明の固形燃料用燃焼装置は、固形燃料を搬送するためのスクリュー型搬送手段のスクリュー軸を中空軸で形成して、その内部に酸素バーナーを挿入するとともに、前記スクリュー型搬送手段のスクリューケーシングの外周に固形燃料燃焼用酸素ノズルを設けたことを特徴としている。
【０００８】
このとき、前記酸素バーナーからの酸素量と、前記固形燃料燃焼用酸素ノズルからの酸素量との合計酸素量を、燃料に対する酸素比が１．０未満となるようにして燃焼させることにより、固形燃料を部分燃焼させて一酸化炭素、水素を生成するための固形燃料用部分燃焼装置となる。
【０００９】
また、本発明は、前記酸素バーナーの酸素比を調節する手段を備えていること、該酸素バーナーの燃料がガス燃料又は液体燃料であることを特徴としている。
【００１０】
【発明の実施の形態】
図１及び図２は、本発明の固形燃料用燃焼装置の一形態例を示すもので、図１は一部を省略した断面正面図、図２は外観を示す正面図である。この固形燃料用燃焼装置１１は、固形燃料を搬送するスクリュー型搬送手段（以下、スクリューという）１２と、中空軸で形成されたスクリュー軸１３内に挿入された酸素バーナー１４と、スクリューケーシング１５の外周に設けられた固形燃料燃焼用酸素ノズル１６と、該固形燃料燃焼用酸素ノズル１６の外周に設けた水冷ジャケット１７と、スクリュー１２の基端部に設けられた固形燃料供給手段装着部１８と、スクリュー軸１３を駆動する駆動部１９とにより形成されている。
【００１１】
酸素バーナー１４及びスクリューケーシング１５は、適宜な保持部材等により固定されており、スクリュー軸１３が、駆動部１９のモーター２０及びスプロケット２１，２１、チェーン２２により駆動されて回転し、スクリュー羽根２３によって固形燃料を先端方向に搬送するように形成されている。なお、スクリュー軸１３内周と酸素バーナー１４外周との間には、適宜な間隔で軸受部２４が設けられており、スクリュー軸１３と酸素バーナー１４との位置関係を維持するとともに、スクリュー軸１３が円滑に回転できるようにしている。
【００１２】
酸素バーナー１４は、内管２５と外管２６との二重管構造を有するものであって、内管２５内が燃料流路となって先端の燃料噴出口２７に連通し、内管２５と外管２６との間が酸素流路となって燃料噴出口２７の外周に形成された酸素噴出口２８に連通している。また、内管２５の基端部２５ａには燃料供給管が接続され、外管２６の基端部に設けた側管２６ａには酸素供給管が接続される。
【００１３】
さらに、固形燃料燃焼用酸素ノズル１６に固形燃料燃焼用酸素を供給する燃焼用酸素流路２９及び前記水冷ジャケット１７は、スクリューケーシング１５の外周に三重に筒体を配置した同心多重管構造で形成されており、基部側には、燃焼用酸素供給管接続部２９ａ及び冷却水導入導出管接続部１７ａがそれぞれ設けられている。また、固形燃料燃焼用酸素ノズル１６は、燃焼装置端面材に設けた多数の小通孔により形成されている。さらに、燃焼装置外周には、燃焼炉取付け用や装置組付け用等に用いるフランジ３０がそれぞれ所定位置に設けられている。
【００１４】
このように形成した固形燃料用部分燃焼装置１１は、通常のバーナー等と同様にして燃焼炉に装着され、各供給管等を接続した状態で用いられる。すなわち、酸素バーナー１４の燃料流路に酸素バーナー用燃料を、酸素流路に酸素バーナー燃焼用酸素を、固形燃料燃焼用酸素流路２９に固形燃料燃焼用酸素を、水冷ジャケット１７に冷却水を、それぞれ供給するとともに、固形燃料供給手段装着部１８に装着したスクリューフィーダ等の固形燃料供給手段からスクリュー１２部分に固形燃料を供給して先端方向に搬送させ、これらを燃焼装置端面から送り出して燃焼させる。
【００１５】
酸素バーナー１４は、固形燃料の着火性を確保可能な温度の燃焼火炎を形成するとともに、燃焼ガス流でスクリュー１２の端面から吐出される固形燃料を十分に分散させるためのものであり、通常の酸素バーナーと同様に、メタンやプロパンのようなガス燃料や、灯油や重油のような液体燃料を、酸素比１．０程度の酸素で燃焼させればよい。この酸素バーナー１４における燃料及び酸素の流量は任意であるが、この固形燃料用燃焼装置１１を一酸化炭素及び水素を生成する目的で使用する場合は、燃料及び酸素の流量を多くし過ぎると、この燃焼反応で生成する二酸化炭素及び水蒸気が多くなって目的の一酸化炭素及び水素の濃度が相対的に減少するので、必要な火炎温度と固形燃料の分散性を考慮して設定する。また、微粉炭等の固形燃料を使用することも可能であるが、流量安定性の良好なガス燃料又は液体燃料を使用することが好ましい。
【００１６】
固形燃料燃焼用酸素ノズル１６から噴出させる固形燃料燃焼用酸素の流量は、一酸化炭素及び水素を生成するためには、燃料に対する酸素比が１．０未満、通常は０．５程度になるように設定する。この固形燃料燃焼用酸素の流量が多いと一酸化炭素及び水素の収量が低下し、流量が少なすぎると酸素不足により低級炭化水素やすすが発生してしまう。
【００１７】
また、固形燃料燃焼用酸素ノズル１６からの酸素の噴出方向は、燃焼装置軸線方向でもよいが、軸線に対して開き方向、収斂方向、ねじれ方向に適当な角度を持たせるようにしてもよい。さらに、固形燃料燃焼用酸素を噴出する小通孔の径や設置数さらには形状を適当に選択することにより、酸素の流速や噴出状態を最適な状態に設定することができ、固形燃料との混合及び酸化又は部分酸化を効果的に行うことができる。加えて、この固形燃料燃焼用酸素を適当な温度、例えば３００℃程度に予熱しておくことにより、固形燃料との反応性を向上させることができる。
【００１８】
スクリュー１２の先端面から吐出された固形燃料、例えばチャーや微粉炭は、酸素バーナー１４で生成した高温の燃焼火炎で加熱されるとともに、その燃焼ガス流によって分散、拡散し、固形燃料燃焼用酸素ノズル１６から噴出する固形燃料燃焼用酸素と均一に混合して均質に酸化されて燃焼効率に優れた火炎が得られ、また、部分酸化された場合は、一酸化炭素及び水素が効率よく生成する。さらに、酸素燃焼による高温の火炎によって灰分の溶融も行うことができる。
【００１９】
このように、固形燃料を搬送するスクリュー１２のスクリュー軸１３内に酸素バーナー１４を挿入することにより、スクリュー１２で搬送された固形燃料の中心部に酸素バーナー特有の高温の火炎を形成することができるので、固形燃料を効果的に加熱できるとともに、燃焼ガス流によって固形燃料を固形燃料燃焼用酸素中に分散させることができる。
【００２０】
しかも、固形燃料をスクリュー１２で搬送することにより、ガス搬送に比べて安定した搬送状態が得られ、固形燃料と固形燃料燃焼用酸素とを均質に反応させることができるので、燃料に対する酸素比を１．０未満になるように設定しておくことにより、固形燃料を酸素で直接部分酸化させることができるとともに、低級炭化水素やすすの生成を抑制し、また、局部的な反応も抑制して二酸化炭素及び水蒸気の生成やホットスポットの発生も抑制して一酸化炭素及び水素を高収率で得ることができる。なお、固形燃料としてチャーのような水素をほとんど含まない炭素質燃料を用いた場合は、部分酸化によって主として一酸化炭素が生成することになる。
【００２１】
さらに、酸素バーナー１４における酸素比を調節することにより、酸素バーナー用燃料及び固形燃料からなる燃料と、酸素バーナー用酸素及び固形燃料燃焼用酸素からなる酸素との全体的な燃焼反応をより安定させることができる。
【００２３】
なお、溶融炉やボイラー等の加熱用として用いる場合は、燃料に対する酸素比を１．０以上にして燃焼させればよく、この場合も、固形燃料を固形燃料燃焼用酸素中に均一に分散させることができるので、燃焼効率の向上が図れる。
【００２４】
【実施例】
実施例１
図１、図２に示す構造の固形燃料用部分燃焼装置を、耐火煉瓦を内張した内径０．５ｍ、長さ２．０ｍの円筒形燃焼炉の軸線上に装着した。固形燃料には、最大粒径が１０ｍｍで、炭素質：灰分＝３０：７０（重量比）のチャーを使用し、これを１２０ｋｇ／ｈで供給した。固形燃料燃焼用酸素は、酸素比が１．０となる６０Ｎｍ^３／ｈで供給した。また、酸素バーナーには、ＬＰＧを０．７Ｎｍ^３／ｈ、酸素を３．５Ｎｍ^３／ｈ（酸素比１．０）で供給した。酸素バーナーにおけるＬＰＧの噴出速度は４０ｍ／ｓ、酸素の噴出速度は２０ｍ／ｓとし、固形燃料燃焼用酸素の噴出速度は３５ｍ／ｓとした。
【００２５】
水冷サンプリングプローブにより可視火炎の先端部から灰分を採取して残留炭素分を分析した結果、残留炭素分は分析下限以下であり、燃焼効率は１００％であった。また、ガスサンプリングによる燃焼ガス分析においても、低級炭化水素及び一酸化炭素は検出されず、すすの発生もなかった。
【００２６】
実施例２
実施例１において、固形燃料燃焼用酸素の供給量を、酸素比０．５に相当する３０Ｎｍ^３／ｈに代えた以外は実施例１と同じ条件とした。燃焼炉内が所定温度以上を維持するようにして燃焼させたところ、得られた燃焼ガス中の一酸化炭素の収率は理論収率の９５％となり、低級炭化水素やすすの発生は見られなかった。
【００２７】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の固形燃料用部分燃焼装置によれば、スクリューによって固形燃料を安定した状態で搬送しながら、中心の酸素バーナーからの燃焼ガス又は酸素ノズルからの噴出酸素によって固形燃料を固形燃料燃焼用酸素中に効果的に分散させることができるので、固形燃料と酸素とを均一にかつ効率よく反応させて燃焼効率に優れた燃焼状態が得られる。
【００２８】
さらに、燃料に対する酸素比が１．０未満となるようにして燃焼させることにより、固形燃料の部分酸化を均質に行うことができ、ホットスポットを発生させることなく、低級炭化水素やすすの発生を抑制して効率よく一酸化炭素及び水素を生成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の固形燃料用燃焼装置の一形態例を示す一部を省略した断面図である。
【図２】 同じく固形燃料用燃焼装置の外観を示す正面図である。
【符号の説明】
１１…固形燃料用燃焼装置、１２…スクリュー型搬送手段、１３…スクリュー軸、１４…酸素バーナー、１５…スクリューケーシング、１６…固形燃料燃焼用酸素ノズル、１７…水冷ジャケット、１８…固形燃料供給手段装着部、１９…駆動部、２５…内管、２６…外管、２７…燃料噴出口、２８…酸素噴出口、２９…燃焼用酸素流路

Claims (4)

1. 固形燃料を搬送するためのスクリュー型搬送手段のスクリュー軸を中空軸で形成して、その内部に酸素バーナーを挿入するとともに、前記スクリュー型搬送手段のスクリューケーシングの外周に固形燃料燃焼用酸素ノズルを設けたことを特徴とする固形燃料用燃焼装置。
2. 前記酸素バーナーからの酸素量と、前記固形燃料燃焼用酸素ノズルからの酸素量との合計酸素量を、燃料に対する酸素比が１．０未満となるようにして燃焼させることにより、一酸化炭素、水素を生成することを特徴とする請求項１記載の固形燃料用燃焼装置。
3. 前記酸素バーナーの酸素比を調節する手段を備えていることを特徴とする請求項１又は２記載の固形燃料用燃焼装置。
4. 前記酸素バーナーの燃料がガス燃料又は液体燃料であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項記載の固形燃料用燃焼装置。

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