JP5007242B2

JP5007242B2 - 燃料の熱化学変換方法及び装置

Info

Publication number: JP5007242B2
Application number: JP2007554468A
Authority: JP
Inventors: クイッカーペーター; ディマツェカーゲロルド; フォヨティカーフランク
Priority date: 2005-02-09
Filing date: 2006-01-28
Publication date: 2012-08-22
Anticipated expiration: 2026-01-28
Also published as: US20080149011A1; CA2597520C; EP1846151A1; EP1846151B1; DE102005005796A1; CA2597520A1; WO2006084590A1; JP2008530491A

Description

本発明は、燃料の熱化学変換方法及び装置に関するものである。より特定的には、本発明は、流体の循環によって形成される流動層で燃料を燃焼させる流動層燃焼の分野に関するものである。

流動層炉は、独国特許第３９２４７２３号（ＤＥ３９２４７２３Ｃ２）において知られている。これにおいて、燃料は、底部近くに配置され、炉内へと延びる水平パイプから供給される。灰は、底部近くにおいて炉に対して開いた別の水平パイプを通じて除去される。不都合なことに、この提案されている方法では、不連続的な実行のみが可能である。とりわけ、当該方法は、多量の灰を生じる燃料の燃焼には適していない。

米国特許第５８５８０３３号には、炉上部の側壁に対して開いたパイプを通じて燃料を供給する流動層炉の記載がある。炉の底部には、環状にノズルが配置され、循環する流体の流れが生成される。流動層炉での燃焼中に生成される灰は、炉の底部においてノズル配置を取り囲む環状の隙間を介して除去される。同様の流動層炉は、米国特許第５９８０８５８号及び米国特許第５９２２０９０号により知られている。これらにおいては、灰は、流動層炉の底部の格子を介して除去される。これらの周知の流動層炉では、ノズルが閉塞されたり、未燃焼の燃料が除去されたりする虞がある。

独国特許出願公開第１９９３７５２４号（ＤＥ１９９３７５２４Ａ１）、独国特許第１９８４３６１３号（ＤＥ１９８４３６１３Ｃ２）、独国特許出願公開第１９８０６３１８号（ＤＥ１９８０６３１８Ａ１）及び独国特許出願公開第１９９３７５２１号（ＤＥ１９９３７５２１Ａ１）には、製紙業の副生成物や廃棄物を燃焼する方法の記載がある。これらにおいては、流動層燃焼中に生成されたエネルギーは、熱交換器を用いて排出ガスから取り出される。

独国特許出願公開第１９７１４５９３号（ＤＥ１９７１４５９３Ａ１）、独国特許第１９９０３５１０号（ＤＥ１９９０３５１０Ｃ２）、独国特許第３５１７９８７号（ＤＥ３５１７９８７Ｃ２）、独国特許公開第６９０００３２３号（ＤＥ６９０００３２３Ｔ２）及び独国特許公開第６９３０７９１８号（ＤＥ６９３０７９１８Ｔ３）には、燃焼を円筒状の炉で行う流動層炉の記載がある。これらにおいても、一般に、排出ガスの流れに対して切り替えられる熱交換器を用いて熱が取り出される。

独国特許第１９８４８１５５号（ＤＥ１９８４８１５５Ｃ１）、独国特許第３２１４６４９号（ＤＥ３２１４６４９Ｃ３）、独国特許出願公開第３７１５５１６号（ＤＥ３７１５５１６Ａ１）、独国特許出願公開第３８０３４３７号（ＤＥ３８０３４３７Ａ１）、独国特許出願公開第３９２９１７８号（ＤＥ３９２９１７８Ａ１）及び独国特許公開第６９６１８８１９号（ＤＥ６９６１８８１９Ｔ２）には、流動層を生成するために炉に不活性物質を供給する流動層炉の開示がある。

先行技術に係る流動層炉は、一般に、高出力レンジ用に設計されている。これらは、低出力レンジにおいて、バイオマスのような多量の灰を生じる固体燃料の燃焼に用いるのには特に不向きである。

本発明の目的は、低出力レンジにおいても、簡易かつ費用効率良く燃料を熱化学変換することができる方法及び装置を提供することである。

上記目的は、クレーム１及び１８に記載される特徴によって実現される。より効果的な実施態様は、クレーム２〜１７及び１９〜３４の特徴に記載される。

本発明によれば、以下のようなステップを備える燃料の熱化学変換方法が提供される。
ａ）中心部の第１燃焼域と、流動生成手段によって第１燃焼域から分離される第２燃焼域とを有し、第１燃焼域には、燃料を供給するための供給口と、炉の底部において供給口と対向する位置に配置され、第２燃焼域内へと燃料流の向きを変えるユニットとが設けられる流動層炉を用意する。
ｂ）供給口から燃料を供給して、底部に向かう方向に燃料流を形成する。
ｃ）第２燃焼域内へと底部上の燃料流の向きを変え、燃料流を本質的に反対方向に誘導する。
ｄ）供給口の周辺において更に燃料流の向きを変え、燃料流を第１燃焼域に還流させる。

本発明で提案する方法では、燃料は、流動生成手段によって第１及び第２燃焼域に分離される流動層内において燃焼される。これにより、燃料流の強制的な誘導が可能となり、極めてコンパクトな構造の流動層炉が可能となる。提案する方法は、低出力レンジにおける燃料の燃焼に特に適している。特に、この方法は、バイオマスのように、多量の灰を生成する固体燃料の燃焼に適している。

好ましい実施態様によれば、熱化学変換中に生成される灰は、底部に設けられる除去口から除去される。除去口を閉じるために、閉塞手段が設けられても良い。更に、除去口は、格子によって第１燃焼域及び／または第２燃焼域から隔てられることがより好ましい。これにより、本方法を連続的に実行できる。格子と除去口との間には、灰堆積域が設けられても良い。灰堆積域は、例えば、除去口を開くことによって非連続的に空にされても良い。もちろん、除去口を通じて、生成した灰を連続的に除去することも可能である。

更なる実施態様によれば、熱化学変換中において、生成される排出ガスは、供給口の近くに配置される少なくとも１つのガス排出口を通じて誘導される。これにより、ほんの僅かなスペースを必要とするだけで、本方法を効率的に実行することが可能となる。

好ましくは、第２燃焼域の断面積は、少なくともある部分において、底部から供給口に向かって大きくなる。断面積が大きい部分の近傍では、流速が低減される。結果として、適切な流速が選択されれば、大きな粒子が小さな粒子より長時間滞留する流動層が形成される。まだ利用可能な燃料を含む大きな粒子は効率的に再燃焼されるが、小さな粒子、特に微細な灰粒子は除去される。このように、極めて効率的な燃料の燃焼が実現できる。

本発明に係る炉は、箱形形状であっても良い。この場合、第１燃焼域に隣接するように配置される２つの第２燃焼域を設けることが好ましい。ただし、第２燃焼域は第２燃焼域を取り囲む場合もあり得る。この場合、第１燃焼域は、例えば円筒形状である。

更なる実施態様によれば、熱化学変換中に生じる熱は、第２燃焼域を少なくとも部分的に取り囲む、かつ／あるいは、第１及び第２燃焼域間に設けられる流動生成手段の構成要素となる熱交換器によって除去される。これによれば、熱化学変換中に放出されるエネルギーを極めて効率的に利用できる。

熱交換器は、第１燃焼域及び／または第２燃焼域から耐火性シールドによって少なくとも部分的に保護されていても良い。このシールドは、好ましくは、セラミック、耐火性材料より形成される。シールドは、炉の設計に応じて、プレート、円筒、テーパーの付けられた錐体等の形態を取り得る。特に、耐火性シールドは、流動生成手段の構成要素であっても良い。

熱化学変換は、燃焼またはガス化であっても良い。ここで、液体のみならず固体燃料も変換できる。

更なる実施態様によれば、燃料流の向きを変えるユニットは、屋根または錐体型の方向変更手段を含む。更に、燃料流の向きを変えるユニットは、方向変更手段を用いて第２燃焼域の方向へと向きが変えられる燃料流を加速するためのノズルを備えていても良い。ノズルは、円形、楕円形またはスリット形状の開口を備えていても良い。燃料流は、ノズルを介して供給される流体によって効果的に加速される。ここで、流体は、ノズルによって底部に向かう方向に排出されても良い。これにより、流動生成手段によって生成され、第１燃焼域から第２燃焼域へと向かう燃料流の強制的な誘導を後押しする。

流体は、好ましくは、空気、不活性ガス、スモークガス、放射活性ガスよりなる群から選ばれるガスである。放射活性ガスは、極めて高い熱流動密度での熱伝導を可能とするガスとみなされる。特に、９００℃を超える高温下において、熱の大部分は放射によって伝導される。放射性活性ガスを用いれば、放射により熱伝導を効率的に行うことができる。放射活性ガスは、好ましくは４０重量％の３原子ガスを含む。３原子ガスは、例えば、ＣＯ₂、ＮＨ₃、Ｈ₂Ｏ、ＳＯ₂またはＣＨ₄の１以上を含んでいても良い。また、放射活性ガスは、空気と混合されても良い。

更に、流体は、石灰水、アンモニア、尿素、石灰石よりなる群から選ばれる少なくとも１つの添加物を含んでいても良い。この種の添加物によって、燃料の燃焼で排出される汚染物質は必要最小レベルとなる。

好ましくは、流体を予熱するための部材も設けられる。この場合、燃焼温度が設定及び／または制御できる。

本発明の更なる局面によれば、中心部の第１燃焼域と、流動生成手段によって第１燃焼域から分離される第２燃焼域とを有する固体燃料の熱化学変換装置が提供される。第１燃焼域には、燃料を供給するための供給口と、炉の底部の当該供給口と対向する位置に配置され、第２燃焼域内へと燃料流の向きを変えるユニットとが設けられ、供給口から底部に向かう燃料流は、第２燃焼域内へとその向きが変えられて、本質的に反対方向に誘導され、再度、供給口の周辺においてその向きが変えられて、第１燃焼域に還流される。

提案される装置は、構成がコンパクトであり、低出力レンジにおいても効率的な熱化学変換を可能とする。この装置の好ましい設計のために、本実施態様が参照される。記載される特徴はまた、原理上、当該装置の更なる態様にも適応する。

以下、図面を参照しながら、本発明の例示的な実施形態について詳細に説明する。

図面に示される流動層炉において、第１燃焼域１の側壁部は、例えば酸化アルミニウム、酸化マグネシウム、酸化ジルコニウム等の耐火性材料よりなるプレート２によって規定
されている。流動層炉の底部Ｂには、方向変更部３が設けられている。方向変更部３は、屋根状または鞍状に設計されており、当該屋根状の表面または当該鞍状の側部は、底部Ｂに向かう方向において、流動層炉の中心から側壁部へと向かって傾斜している。方向変更部３は、耐熱性金属あるいは耐火性セラミック材料を用いて形成することができる。方向変更部３の下方には、供給パイプ５と複数のノズル６とを備える流体供給部４が設けられている。ノズル６は、誘導すべき流体が、第２燃焼域７のほぼ下方に位置する底部Ｂの断面方向における角度で誘導されるように構成されている。ノズル６は、好ましくは金属よりなる方向変更部３によって区切られている。流動層炉の作動時には、方向変更部３は高温になる。その結果として、ノズル６を通じて誘導される流体もまた予熱されることになる。供給パイプ５に替えて、供給シャフトや供給チャネルが供給部４に設けられても良い。これらは、特に、流体の更なる予熱が行われるように配置される。第２燃焼域７は、第１燃焼域１に隣接して配置されている。流体は、特定的には、空気や不活性ガス、放射活性ガスといったガスであっても良い。ノズル６は、方向変更部３の下端辺りで開口していることがより好ましい。参照符号８が付されたノズルの開口は、スリット形状、楕円形、あるいは円形であっても良い。

第２燃焼域７のほぼ下方には、格子１０で覆われる灰堆積域９が配置されている。灰堆積域９にはまた、灰を取り除くための除去口１１が設けられている。除去口１１は、フラップ１２の下方に配置されることが好ましい。フラップ１２を開くと、メンテナンスや清掃目的で流動層炉の内部に容易にアクセスできる。もちろん、フラップ１２に替えて、流動層炉内部への繰り返しのアクセスを可能とする他の閉鎖手段が設けられても良い。

底部Ｂと平行に延びる第２燃焼域７の断面積の大きさは、参照符号１３が付された副流動層域に到るまで増加する。

第２燃焼域７の壁面には、外部熱交換器１４と内部熱交換器１５とが設けられている。プレート２と同様に、内部熱交換器１５は、流動生成手段として機能し、第１燃焼域２を第２燃焼域７から分離している。

流動層炉の上部には、方向変更部３と対向して、燃料を供給するための供給口１６と、排出ガスを除去するための２つのガス排出口１７が配置されている。ガス排出口１７とプレート２との間には、隙間または開口１８があり、第２燃焼域７で生じた燃料流が第１燃焼域１に入ることを可能としている。

上記の流動層炉の作動様式は、次の通りである。供給口１６を通じて導入されるバイオマスのような燃料が、方向変更部３に向けて第１燃焼域１に投入され、燃焼される。方向変更部３に向けられた燃料流は、方向変更部３によって２つの部分流に分割され、第２燃焼域７の方向に向きが変えられる。流れを維持するために、供給パイプ５を通じて例えば空気が吹き込まれると、空気はノズルの開口８から放出されて部分流を加速させる。これにより、部分流は、第２燃焼域７内において、反対方向の上方に向けられる。第２燃焼域７の断面積が増大している結果、流速が低減される。更に上部には、副流動層域１３が形成されている。副流動層域１３では、燃焼により一定の微粒子度に達するまで、まだ完全に燃焼していない大きな燃料粒子が微粒子物質から分離される。一方、微細な灰粒子は、即座に前方へと運ばれて、ガス排出口１７を通じて循環する燃料流から除去される。

燃焼域１及び７内での燃焼中に生じる熱は、熱交換器１４及び１５によって抽出され、その後別の場所で、エネルギー生成、加熱等に用いることができる。供給パイプ５を通じて誘導される流体は、底部Ｂに及び／または方向変更部３におけるノズル６に沿う部分に設けられる流体チャネルによって予熱することができる。これにより、燃焼温度の調整または制御が可能となる。

大きな灰粒子は、灰堆積域９に集められ、好ましくは継続的に除去口１１から排出される。

本発明は、上述した例示的な実施形態のみに限定されるものではない。本発明に係る方法を実装するために、他の型の流動層炉もまた利用できる。例えば、第１燃焼域１は、円筒状であっても良く、第２燃焼域を、当該第１燃焼域１を取り囲む環状の隙間として設計しても良い。同様に、ガス排出口１７もまた、供給口１６を取り囲む環状の隙間として設計しても良い。円筒形の設計にあっては、方向変更部は、錐状またはドーム形状であっても良い。ノズル６の配置は、第１及び第２燃焼域１及び７によって最適な燃料の循環が保証されるように選択される。燃料流の循環速度は、第２燃焼域７に効果的な副流動層域１３が形成されるように、第２燃焼域７の形状に応じて調整されていれば良い。

符号の説明

１第１燃焼域
２プレート
３方向変更部
４流体供給部
５供給パイプ
６ノズル
７第２燃焼域
８ノズルの開口
９灰堆積域
１０格子
１１除去口
１２フラップ
１３副流動層域
１４外部熱交換器
１５内部熱交換器
１６供給口
１７ガス排出口
１８隙間
Ｂ底部

Claims

以下のステップを備える燃料の熱化学変換方法であって、
ａ）中心部の第１燃焼域（１）と、流動生成手段（２、１５）によって第１燃焼域（１）から分離される第２燃焼域（７）とを有し、前記第１燃焼域（１）には、燃料を供給するための供給口（１６）と、炉の底部（Ｂ）において前記供給口（１６）と対向する位置に配置され、前記第２燃焼域（７）内へと燃料流の向きを変えるユニット（３）とが設けられる流動層炉を用意し、
ｂ）前記供給口（１６）から燃料を供給して、前記底部（Ｂ）に向かう方向に燃料流を形成し、
ｃ）前記第２燃焼域（７）内へと前記底部（Ｂ）上の燃料流の向きを変え、前記燃料流を本質的に反対方向に誘導すると共に、ノズル（６）を用いて前記第２燃焼域（７）方向に加速させ、前記第２燃焼域（７）の断面積が前記底部（Ｂ）から前記供給口（１６）に向かう方向において少なくとも部分的に大きくなっていることにより、前記燃料流の速度を、前記第２燃焼域（７）内で副流動層域（１３）が形成されるように、当該断面積の大きな部分で減速し、
ｄ）供給口（１６）の周辺において更に燃料流の向きを変え、前記燃料流を前記第１燃焼域に還流させる、熱化学変換方法。
熱化学変換中に生成される灰は、前記底部（Ｂ）の除去口（１１）から除去される、請求項１記載の方法。
前記除去口（１１）を閉じるために、閉塞手段が設けられる、請求項２記載の方法。
前記除去口（１１）は、格子（１０）によって前記第１燃焼域（１）及び／または前記第２燃焼域（７）から隔てられる、請求項２または３記載の方法。
熱化学変換中に生成される排出ガスは、前記供給口（１６）の周辺に配置される少なくとも１つのガス排出口（１７）から除去される、請求項１〜４のいずれかに記載の方法。
前記第２燃焼域（７）は、前記第１燃焼域（１）を取り囲む、請求項１〜５のいずれかに記載の方法。
熱化学変換中に生じる熱は、熱交換器（１４、１５）によって除去され、
前記熱交換器は、前記第２燃焼域（７）を少なくとも部分的に取り囲む、かつ／あるいは、前記第１燃焼域（１）及び第２燃焼域（７）間に設けられる前記流動生成手段の構成要素となる、請求項１〜６のいずれかに記載の方法。
前記熱交換器（１４、１５）は、前記第１燃焼域（１）及び／または前記第２燃焼域（７）から耐火性シールド（２）によって少なくとも部分的に保護される、請求項７記載の方法。
前記熱化学変換は、燃焼またはガス化である、請求項１〜８のいずれかに記載の方法。
前記燃料流の向きを変えるユニット（３）は、屋根形状または錐形状の方向変更手段を備える、請求項１〜９のいずれかに記載の方法。
前記燃料流は、前記ノズル（６）を介して供給される流体によって加速される、請求項１〜１０のいずれかに記載の方法。
前記流体は、前記ノズル（６）を介して、前記底部（Ｂ）に向かう方向に排出される、請求項１１記載の方法。
前記流体は、空気、不活性ガス、スモークガス、放射活性ガスよりなる群から選ばれる少なくとも１つのガスである、請求項１１または１２に記載の方法。
前記流体は、石灰水、アンモニア、尿素、石灰石よりなる群から選ばれる少なくとも１つの添加物を含む、請求項１１〜１３のいずれかに記載の方法。
前記流体を予熱するための装置が更に設けられる、請求項１１〜１４のいずれかに記載の方法。
中心部の第１燃焼域（１）と、流動生成手段（２、１５）によって第１燃焼域（１）から分離される第２燃焼域（７）とを有する固体燃料の熱化学変換装置であって、
前記第１燃焼域（１）には、燃料を供給するための供給口（１６）と、炉の底部（Ｂ）において前記供給口（１６）と対向する位置に配置され、前記第２燃焼域（７）内へと燃料流の向きを変えるユニット（３）とが設けられ、
前記供給口（１６）から前記底部（Ｂ）に向かう燃料流は、前記第２燃焼域（７）内へとその向きが変えられて、本質的に反対方向に誘導され、再度、前記供給口（１６）の周辺においてその向きが変えられて、前記第１燃焼域に還流され、
前記燃料流の向きを変えるユニット（３）は、方向変更手段を用いて前記第２燃焼域（７）の方向に向けられる燃料流を加速するためのノズル（６）を備え、
前記第２燃焼域（７）の断面積は、前記底部（Ｂ）から前記供給口（１６）に向かう方向において少なくとも部分的に大きくなっており、前記燃料流の速度は、前記第２燃焼域（７）内で副流動層域（１３）が形成されるように、当該断面積の大きな部分で減速されることを特徴とする、熱化学変換装置。
前記底部（Ｂ）には、熱化学変換中に生成される灰の除去のための除去口（１１）が設けられる、請求１６記載の装置。
前記除去口（１１）を閉じるための閉塞手段が設けられる、請求項１７記載の装置。
前記除去口（１１）は、格子（１０）によって前記第１燃焼域（１）及び／または前記第２燃焼域（７）から隔てられる、請求項１７または１８記載の装置。
前記供給口（１６）の周辺には、熱化学変換中に生成される排出ガスを除去するための少なくとも１つのガス排出口（１７）が設けられる、請求項１６〜１９のいずれかに記載の装置。
前記第２燃焼域（７）は、前記第１燃焼域（１）を取り囲む、請求項１６〜２０のいずれかに記載の装置。
熱化学変換中に生じる熱の除去のための熱交換器（１４、１５）が設けられ、
前記熱交換器は、前記第２燃焼域（７）を少なくとも部分的に取り囲む、かつ／あるいは、前記第１燃焼域（１）及び第２燃焼域（７）間に設けられる前記流動生成手段の構成要素となる、請求項１６〜２１のいずれかに記載の装置。
前記熱交換器（１４、１５）は、前記第１燃焼域（１）及び／または前記第２燃焼域（７）から耐火性シールド（２）によって少なくとも部分的に保護される、請求項２２記載の方法。
前記熱化学変換は、燃焼またはガス化である、請求項１６〜２３のいずれかに記載の方法。
前記燃料流の向きを変えるユニット（３）は、屋根形状または錐形状の方向変更手段を備える、請求項１６〜２４のいずれかに記載の方法。
前記燃料流は、前記ノズル（６）を介して供給される流体によって加速される、請求項１６〜２５のいずれかに記載の装置。
前記ノズル（６）は、その排出方向が前記底部（Ｂ）を向くように配置される、請求項１６〜２６のいずれかに記載の装置。
前記流体は、空気、不活性ガス、スモークガス、放射活性ガスよりなる群から選ばれる少なくとも１つのガスである、請求項２６記載の装置。
前記流体は、石灰水、アンモニア、尿素、石灰石よりなる群から選ばれる少なくとも１つの添加物を含む、請求項２６または２８記載の装置。
前記流体を予熱するための装置が更に設けられる、請求項２６、２８、または２９のいずれかに記載の装置。