JP5510174B2 - 循環流動層システムにおける酸素流動燃焼装置 - Google Patents

Description

本発明は、酸素燃焼によってアグロメレーションが発生する問題を防止するようにした循環流動層システムにおける酸素流動燃焼装置に関するものである。

従来から空気により燃料を流動燃焼させるようにした流動燃焼装置が実施されており、このような流動燃焼装置では、石炭、オイルコークス、都市ゴミ、廃材、廃プラスチック、汚泥等の広範な燃料を専焼、混焼できることから注目されている。

一方、上記流動燃焼装置において加熱した循環粒子を取り出して流動層式の受熱装置に供給することにより受熱装置に熱を付与するようにし、熱を付与して温度が低下した循環粒子は再び前記流動燃焼装置に循環して循環粒子を加熱するようにした循環流動層システムがある。

上記循環流動層システムにおける受熱装置としては、前記流動燃焼装置で加熱した循環粒子を導入して蒸気を発生させるようにした流動層ボイラがあり（特許文献１参照）、又、前記流動燃焼装置で加熱した循環粒子を導入して原料のガス化を行うようにした流動層ガス化炉がある（特許文献２参照）。

又、前記流動燃焼装置において酸素富化空気で燃焼を行うことにより排ガス量を減少して流動燃焼装置の熱効率を高めるようにしたものがあり、更に、近年では、二酸化炭素（ＣＯ_２）の排出を削減する要求が高まっていることから、流動燃焼装置に酸素を供給して酸素で燃料を燃焼させることにより、排ガス中のＣＯ_２の濃度を高め、これによってＣＯ_２の回収を容易にすることができる酸素燃焼技術の採用が検討されている。

特開平１０−２５３０１１号公報 再公表ＷＯ２００８／１０７９２８号公報

従来の循環流動層システムの流動燃焼装置に酸素燃焼技術を採用した場合には、酸素で燃焼性が高まることによって燃焼温度が容易に１０００℃以上の高温になってしまう問題がある。従って、酸素流動燃焼装置での安定運転を確保するためには、空気燃焼での実績がある従来の循環流動層システムでの燃焼温度（例えば８００℃前後）と同程度になるように、酸素燃焼による燃焼温度を抑制（制御）する必要がある。ここで、循環流動層システムにおける酸素流動燃焼装置において、燃焼温度を抑制するための方法としては、循環粒子の循環量を増加する方法がある。即ち、循環粒子の循環量を増加すると熱容量が増加することにより燃焼温度を抑制することができる。

循環粒子の循環量を増加するには、流動燃焼装置内の循環粒子の噴き上げ量を増加することが必要になるが、循環粒子の噴き上げを均一に行って循環粒子を均一に加熱すること（循環粒子によって流動燃焼装置内を均一に抜熱すること）は難しく、そのため、酸素による部分燃焼により局所的な高温部が発生し、このような高温部が発生すると、溶融灰が循環粒子と一体化して循環粒子の凝集化（アグロメレーション）を生成する虞れがある。

上記アグロメレーションが発生すると、アグロメレーションは流動燃焼装置に供給する酸素によって浮上しなくなるために流動燃焼装置の底部に堆積するようになり、アグロメレーションが堆積すると循環粒子の流動が低下することにより、更に流動燃焼装置内に高温部が発生してアグロメレーションの発生が増加するようになる。このようなアグロメレーションが発生した場合には、循環流動層システムを停止し、燃焼装置内からアグロメレーションを除去する作業が必要となる。

本発明は、このような課題に鑑みてなしたもので、酸素燃焼によってアグロメレーションが発生する問題を防止するようにした循環流動層システムにおける酸素流動燃焼装置を提供しようとするものである。

本発明は、酸素流動燃焼装置により燃料を酸素燃焼して循環粒子を加熱し、酸素流動燃焼装置の上部からは加熱した循環粒子を取り出して受熱装置へ供給することにより受熱装置に熱を付与するようにし、受熱装置に熱を付与して温度が低下した循環粒子は再び前記流動燃焼装置に循環して加熱する循環流動層システムの酸素流動燃焼装置であって、前記酸素流動燃焼装置は、上部流動部の下側に該上部流動部に対して断面積を小さくした噴き上げ流動部が一体に形成された流動燃焼炉を備えており、前記噴き上げ流動部の下端部を包囲する粒子導入室と、該粒子導入室の底部に設けた酸素吹込装置と、前記受熱装置内の循環粒子を前記粒子導入室に循環する循環流路と、前記噴き上げ流動部の外側から燃料を供給する少なくとも１段の燃料供給ノズルと、を有することを特徴とする循環流動層システムにおける酸素流動燃焼装置、に係るものである。

上記循環流動層システムにおける酸素流動燃焼装置において、前記噴き上げ流動部の外側から前記酸素を分岐して供給する少なくとも１段の酸素供給ノズルを有することは好ましい。

又、上記循環流動層システムにおける酸素流動燃焼装置において、前記噴き上げ流動部の下端が粒子導入室内の循環粒子内に没入しており、前記粒子導入室は、前記酸素吹込装置からの酸素が受熱装置へ吹き抜けるのを防止するシールポットの作用を有することは好ましい。

又、上記循環流動層システムにおける酸素流動燃焼装置において、前記粒子導入室と受熱装置とを連通している循環流路に、前記粒子導入室の酸素が受熱装置へ吹き抜けるのを防止するシール構造を備えたことは好ましい。

又、上記循環流動層システムにおける酸素流動燃焼装置において、前記酸素を、前記酸素流動燃焼装置下流の排ガスと混合して前記酸素吹込装置に供給する排ガス循環系路を有することは好ましい。

又、上記循環流動層システムにおける酸素流動燃焼装置において、前記受熱装置が流動層ボイラ又は流動層ガス化炉であることは好ましい。

本発明の循環流動層システムにおける酸素流動燃焼装置によれば、酸素流動燃焼装置は、流動空間の下側に該流動空間に対して断面積を小さくした噴き上げ空間が一体に形成された流動燃焼炉を備えており、噴き上げ空間の下端部を包囲する粒子導入室と、粒子導入室の底部に設けた酸素吹込装置と、受熱装置内の循環粒子を前記粒子導入室に循環する循環流路と、噴き上げ空間の外側から燃料を供給する少なくとも１段の燃料供給ノズルと、を有するので、粒子導入室によって循環粒子が噴き上げ流動部に均一且つ高濃度で導かれるようになり、且つ、断面積を小さくした噴き上げ流動部によって噴き上げ流速が高められることにより循環粒子の循環量が増加して高温部の発生が抑制され、しかも、流速が高められることにより燃焼熱が効率良く循環粒子に伝熱されて高温部の発生が抑制されるので、アグロメレーションの生成が抑制され、更に、噴き上げ流速が高いことによりアグロメレーションが生成しようとしてもアグロメレーションを破壊する作用が高まることによって、アグロメレーションの生成が効果的に抑制されるという優れた効果を奏し得る。

循環流動層システムの一例である循環流動層ボイラに適用した本発明の酸素流動燃焼装置の一実施例を示す概略正面図である。 図１−ａの酸素流動燃焼装置をｘ−ｘ方向から見た一例を示す切断平面図である。 図１−ａの酸素流動燃焼装置をｘ−ｘ方向から見た他の例を示す切断平面図である。 酸素流動燃焼装置内での石炭の燃焼状態を示すイメージ図である。 本発明の酸素流動燃焼装置の他の実施例を示す概略正面図である。 本発明の酸素流動燃焼装置の更に他の実施例を示す概略正面図である。 本発明の酸素流動燃焼装置に備える酸素吹込装置の他の例を示す概略正面図である。 循環流動層システムの他の例である循環流動層ガス化炉に適用した本発明の酸素流動燃焼装置の一実施例を示す概略正面図である。

以下、本発明の実施の形態を図示例と共に説明する。

図１−ａは循環流動層システムの一例である循環流動層ボイラＢに適用した本発明の酸素流動燃焼装置の一実施例を示す概略正面図であり、図１−ａに示す循環流動層ボイラＢは、酸素燃焼を行って循環粒子３の加熱を行う酸素流動燃焼装置１（ライザー）と、該酸素流動燃焼装置１の上部から排出される高温流体を連通路２を介して導入し循環粒子３と排ガス４とに分離するサイクロンからなる分離装置５と、該分離装置５で分離した循環粒子３を導入して熱交換器６からなる熱利用部に熱を与えることにより対象物である水を加熱して蒸気を生成する流動層ボイラ７（受熱装置）とを有する。

前記酸素流動燃焼装置１は、上側の上部流動部８の下側に、該上部流動部８に対して断面積を小さくした噴き上げ流動部９が絞り部１０を介して一体に形成された流動燃焼炉１１を備えている。該流動燃焼炉１１は、図１−ａをｘ−ｘ方向から見た切断平面図である図１−ｂに示すように、矩形（正方形、長方形）を有していてもよく、或いは、図１−ｃに示すように円形を有していてもよい。

前記酸素流動燃焼装置１には、前記流動燃焼炉１１における噴き上げ流動部９の下端部外周を間隔Ｌを有して包囲する粒子導入室１２が設けてあり、該粒子導入室１２の底部には吹込室１３を介して酸素供給管１４からの酸素１５を噴き出すようにした酸素吹込装置１６が設けられている。

前記流動層ボイラ７（受熱装置）の底部には流動用ノズル１７が設けてあり、該流動用ノズル１７の下部に備えた分散室１８に流動用空気１９が供給され、流動用ノズル１７から流動用空気１９が吹き出されることにより、流動層ボイラ７内に循環粒子３による流動層が形成されるようになっている。尚、上記流動用空気１９に代えて流動用酸素を分散室１８に供給するようにしてもよい。

前記流動層ボイラ７と前記粒子導入室１２との間には、流動層ボイラ７から下り傾斜を有して前記粒子導入室１２に連通し、流動層ボイラ７内の循環粒子３を粒子導入室１２に循環するようにした循環流路２０を設けている。

前記噴き上げ流動部９の周方向外部には、石炭等の燃料２１を供給する燃料供給ノズル２２が設けられている。燃料供給ノズル２２は、噴き上げ流動部９に対して周方向から燃料２１が均一に供給されるように、周方向均等間隔位置に複数個を備えていることが好ましい。

前記分離装置５で分離した排ガス４は排ガス処理装置２３によって煤塵の除去、硫黄酸化物の除去等を行った後、ＣＯ_２回収装置２４に導かれて液化二酸化炭素等の形でＣＯ_２を回収するようにしている。

更に、前記酸素流動燃焼装置１の下流における前記排ガス処理装置２３によって少なくとも煤塵が除去された排ガス４を取り出して混合器２５に導くようにしており、該混合器２５に前記酸素１５を供給して前記排ガス４と混合することにより、前記酸素１５と排ガス４が混合された混合気を前記酸素吹込装置１６に供給するようにした排ガス循環系路２６を設けている。２７は排ガス循環系路２６に設けた循環ファンである。従って、前記酸素吹込装置１６には、純酸素による酸素１５、或いは排ガス４の混合により酸素濃度を調整した酸素１５を供給することができる。

尚、前記粒子導入室１２と流動層ボイラ７とを連通している循環流路２０に、図６に示すように、粒子導入室１２の酸素１５が流動層ボイラ７へ吹き抜けるのを防止するためのＵ字状のシール構造２０ａを備えてもよい。

次に、上記実施例の作動を説明する。

前記酸素流動燃焼装置１の下部に備えた粒子導入室１２の吹込室１３に酸素１５を供給して酸素吹込装置１６から酸素１５が噴き出すと、粒子導入室１２内の循環粒子３は酸素１５によって酸素流動燃焼装置１内を上方へ流動する。このとき、酸素流動燃焼装置１は上部流動部８に対して断面積を小さくした噴き上げ流動部９を形成しているので、粒子導入室１２内の循環粒子３は、断面積が小さい噴き上げ流動部９内を高速で上昇するようになり、その高速上昇流に燃料供給ノズル２２からの燃料２１が混合されて酸素燃焼するので、循環粒子３は加熱されつつ酸素流動燃焼装置１内を高速で上昇する。

酸素流動燃焼装置１の上部に到達した循環粒子３を含む高温流体は、連通路２により分離装置５に導かれて循環粒子３と排ガス４とに分離され、分離された高温の循環粒子３は流動層ボイラ７に供給されて熱交換器６からなる熱利用部に熱を与えることにより対象物である水を加熱して蒸気を生成する。

前記流動層ボイラ７で熱交換器６に熱を付与して温度が低下した循環粒子３は、循環流路２０により次々に前記粒子導入室１２へ循環される。この時、前記噴き上げ流動部９の下端は、粒子導入室１２に循環される循環粒子３内に没入しているため、前記粒子導入室１２は、前記酸素吹込装置１６から供給される酸素１５が流動層ボイラ７へ吹き抜けるのを防止するシールポットの作用を果たしている。又、前記循環流路２０に、例えば図６に示すようなＵ字状のシール構造２０ａを備えた場合には、前記粒子導入室１２とシール構造２０ａによる二重のシール機能によって、粒子導入室１２の酸素１５が流動層ボイラ７へ吹き抜けるのを確実に防止することができる。

上記した酸素流動燃焼装置１において、アグロメレーションの生成を防止するためには、前記酸素流動燃焼装置１内の温度を所定以下に抑制すること、及び、局所的な高温部が発生することを抑制することが重要である。

又、図２に示すように、前記酸素流動燃焼装置１内においては、燃料２１の粒子が酸素（Ｏ_２）と反応して燃焼することにより大量の燃焼熱を放出するため酸素流動燃焼装置１内の温度は上昇するが、このとき、燃料２１の燃焼によって放出される熱を循環粒子３に効率良く伝達することができれば、酸素流動燃焼装置１内の温度は抑制することができる。

ここで、前記したように、流動層ボイラ７の循環粒子３を循環流路２０により粒子導入室１２に戻し、粒子導入室１２内の循環粒子３を酸素吹込装置１６からの酸素１５によって小断面積の噴き上げ流動部９の下端に導入して噴き上げるようにしているので、循環粒子３は噴き上げ流動部９の下端に周方向から均一に供給され、且つ高い濃度を保持して噴き上げられるので、循環粒子３の循環量は増加する。このように、循環粒子３の循環量が増加され且つ噴き上げ流動部９内の循環粒子３の濃度が均一になることにより、前記酸素流動燃焼装置１内における局所的な温度の上昇は抑制され、よって、アグロメレーションの生成は効果的に抑制される。更に、このとき、循環粒子３として粒径が小さいものを選定して用いると、循環粒子３の循環量は更に増加することができる。即ち、粒径が小さい循環粒子３は酸素吹込装置１６からの酸素１５の噴流によって更に上昇し易くなり、これによって循環量は増加する。

尚、前記循環粒子３の循環量を増加するために、酸素１５の供給量を増加する必要が生じた場合には、排ガス循環系路２６からの排ガス４を混合器２５に供給し、排ガス４と酸素１５の混合気を酸素吹込装置１６に供給することにより噴出速度を高めることができる。

又、酸素流動燃焼装置１の下部に小断面積の噴き上げ流動部９を備えたことによって、噴き上げ流動部９内を流動する循環粒子３の流速が高められるので、燃料２１が混合して燃焼することによって発せられる燃焼熱は、高速で流動する循環粒子３に効果的に伝達されるようになり、これによっても、酸素流動燃焼装置１内の温度が抑制されて、アグロメレーションの生成が防止される。

更に、前記したように噴き上げ流動部９によって上昇流の流速が高まるため、アグロメレーションが生成しようとしてもアグロメレーションの破壊作用が高まることによって、アグロメレーションの生成は効果的に抑制される。

前記噴き上げ流動部９を高速で上昇しながら燃焼を行った燃料２１と循環粒子３は、噴き上げ流動部９に対して断面積が大きい上部流動部８に導入され、上部流動部８では流速が低化することにより所要の滞留時間を保持して燃料２１の完全燃焼が行われる。

上記したように、粒子導入室１２によって循環粒子３が噴き上げ流動部９に均一且つ高濃度で導かれるようになり、且つ、断面積を小さくした噴き上げ流動部９によって噴き上げ流速が高められることにより循環粒子３の循環量が増加して高温部の発生が抑制され、しかも、流速が高められることにより燃焼熱が効率良く循環粒子３に伝熱されて高温部の発生が抑制されるので、アグロメレーションの生成が抑制され、更に、噴き上げ流速が高いことによりアグロメレーションが生成しようとしてもアグロメレーションを破壊する作用が高まることによって、アグロメレーションの生成が効果的に抑制される。

図３は、本発明の酸素流動燃焼装置の他の実施例を示す概略正面図であり、図３では、噴き上げ流動部９における燃料供給ノズル２２の上段に、前記酸素吹込装置１６に供給する酸素１５の一部を分岐して周方向の複数箇所から供給するようにした酸素供給ノズル２８を設けている。２９は酸素供給ノズル２８に供給する酸素１５を調節する調整弁である。

図３の実施例によれば、前記酸素吹込装置１６に供給する酸素１５の一部を噴き上げ流動部９に吹き込むようにしたので、噴き上げ流動部９内での燃料２１の燃焼による温度の上昇が平坦化され、局所的な高温部の発生が抑制されることによりアグロメレーションの生成を抑制することができる。

図４は、本発明の酸素流動燃焼装置の更に他の実施例を示す概略正面図であり、図４では、噴き上げ流動部９における燃料供給ノズル２２の上段に、前記酸素供給ノズル２８を設けると共に、該酸素供給ノズル２８の上段に、前記燃料供給ノズル２２に供給する燃料２１の一部を分岐して供給する燃料供給ノズル２２'を設け、該燃料供給ノズル２２'の上段に、前記酸素供給ノズル２８に供給する酸素１５の一部を分岐して供給する酸素供給ノズル２８'を設けている。

図４の実施例によれば、前記噴き上げ流動部９に、複数段の燃料供給ノズル２２，２２'と酸素供給ノズル２８，２８'を備えたので、噴き上げ流動部９内での燃料２１の燃焼による温度の上昇が更に平坦化されるようになり、よって、局所的な高温部の発生が抑制されてアグロメレーションの生成を抑制することができる。

図５は、本発明の酸素流動燃焼装置１に備える酸素吹込装置１６の他の例を示す概略正面図であり、図１−ａに示した酸素流動燃焼装置１の酸素吹込装置１６において、前記噴き上げ流動部９の直下位置には噴流用ノズル２９及び吹込室１３ａを設け、他方、噴き上げ流動部９の直下位置の外側には流動用ノズル３０及び吹込室１３ｂを設けており、噴流用ノズル２９から噴出される酸素１５に対して流動用ノズル３０から噴出される酸素１５の圧力を減じるための調節弁３１を設けている。図５の実施例においても、図３、図４に示すように、少なくとも１段の燃料供給ノズル２２と、少なくとも１段の酸素供給ノズル２８を備えることができる。

図５の実施例によれば、粒子導入室１２内の循環粒子３は噴流用ノズル２９によって噴き上げ流動部９内に高速で噴き上げられ、又、粒子導入室１２内の循環粒子３は噴上げ流動部９の下端に安定して均一に供給されるようになる。

図６は、循環流動層システムの他の例である循環流動層ガス化炉Ｇに適用した本発明の酸素流動燃焼装置の一実施例を示す概略正面図である。図６の実施例では、受熱装置である流動層ガス化炉３２に前記分離装置５で分離した循環粒子３を導入すると共に、ガス化する原料３３を供給しており、下部の分散室１８にはガス化剤としての水蒸気３４を供給し、流動用ノズル１７から噴出する水蒸気３４により流動層を形成して原料３３のガス化を行い、生成したガス化ガス３５は上部から取出すようにしている。又、流動層ガス化炉３２内の未反応原料であるチャー３６と前記循環粒子３は、前記循環流路２０を介して前記粒子導入室１２に供給するようにしている。

従って、上記流動層ガス化炉３２では、未反応原料であるチャー３６が酸素流動燃焼装置１に供給されて燃焼するので、図６の実施例においては、酸素流動燃焼装置１でチャー３６を燃焼させるのみでは循環粒子３を加熱するのに熱量が不足する場合に、前記燃料供給ノズル２２から不足分の燃料２１を供給するようにしている。

更に、図６の実施例では、前記粒子導入室１２内の酸素１５が前記流動層ガス化炉３２に吹き抜ける問題を確実に防止する必要があり、このために、前記循環流路２０にはＵ字状のシール構造２０ａを設けている。これにより、前記粒子導入室１２とシール構造２０ａによる二重のシール機能によって、粒子導入室１２の酸素１５が流動層ボイラ７へ吹き抜けるのを確実に防止している。図６の実施例においても、図３、図４に示すように、少なくとも１段の燃料供給ノズル２２と、少なくとも１段の酸素供給ノズル２８を備えることができる。

上記した図６の実施例においても、酸素流動燃焼装置１内に局所的な高温部が発生する問題を防止して、アグロメレーションの生成を効果的に防止することができる。

尚、本発明の循環流動層システムにおける酸素流動燃焼装置は、上述の実施例にのみ限定されるものではなく、図示例以外の酸素流動燃焼装置にも適用できること、その他、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論である。

１ 酸素流動燃焼装置
３ 循環粒子
４ 排ガス
７ 流動層ボイラ（受熱装置）
８ 上部流動部
９ 噴き上げ流動部
１１ 流動燃焼炉
１２ 粒子導入室
１５ 酸素
１６ 酸素吹込装置
２０ 循環流路
２０ａ シール構造
２１ 燃料
２２，２２' 燃料ノズル
２５ 混合器
２６ 排ガス循環系路
２８，２８' 酸素供給ノズル
３２ 流動層ガス化炉（受熱装置）
Ｂ 循環流動層ボイラ
Ｇ 循環流動層ガス化炉

Claims (6)

1. 酸素流動燃焼装置により燃料を酸素燃焼して循環粒子を加熱し、酸素流動燃焼装置の上部からは加熱した循環粒子を取り出して受熱装置へ供給することにより受熱装置に熱を付与するようにし、受熱装置に熱を付与して温度が低下した循環粒子は再び前記流動燃焼装置に循環して加熱する循環流動層システムの酸素流動燃焼装置であって、前記酸素流動燃焼装置は、上部流動部の下側に該上部流動部に対して断面積を小さくした噴き上げ流動部が一体に形成された流動燃焼炉を備えており、前記噴き上げ流動部の下端部を包囲する粒子導入室と、該粒子導入室の底部に設けた酸素吹込装置と、前記受熱装置内の循環粒子を前記粒子導入室に循環する循環流路と、前記噴き上げ流動部の外側から燃料を供給する少なくとも１段の燃料供給ノズルと、を有することを特徴とする循環流動層システムにおける酸素流動燃焼装置。
2. 前記噴き上げ流動部の外側から前記酸素を分岐して供給する少なくとも１段の酸素供給ノズルを有することを特徴とする請求項１に記載の循環流動層システムにおける酸素流動燃焼装置。
3. 前記噴き上げ流動部の下端が粒子導入室内の循環粒子内に没入しており、前記粒子導入室は、前記酸素吹込装置からの酸素が受熱装置へ吹き抜けるのを防止するシールポットの作用を有することを特徴とする請求項１又は２に記載の循環流動層システムにおける酸素流動燃焼装置。
4. 前記粒子導入室と受熱装置とを連通している循環流路に、前記粒子導入室の酸素が受熱装置へ吹き抜けるのを防止するシール構造を備えたことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つに記載の循環流動層システムにおける酸素流動燃焼装置。
5. 前記酸素を、前記酸素流動燃焼装置下流の排ガスと混合して前記酸素吹込装置に供給する排ガス循環系路を有することを特徴とする請求項１〜４のいずれか１つに記載の循環流動層システムにおける酸素流動燃焼装置。
6. 前記受熱装置が流動層ボイラ又は流動層ガス化炉であることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１つに記載の循環流動層システムにおける酸素流動燃焼装置。

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