JP5657533B2 - 鉄および／またはカルシウムの含有率が高い石炭の燃焼からのスラグ制御のための目標とされた試薬添加 - Google Patents

Description

本発明は、熱交換面に生成されるスラグの流れを減少させ、スラグの除去をより容易にし、実際にスラグを除去するためにスラグの性質を変化させることによって、鉄および／またはカルシウムの含有率が高い石炭を燃やす燃焼炉の出力を上昇させるプロセスに関する。

他の化石燃料と同様、石炭の燃焼は常に期待よりも効率が低く、汚染の原因となりうる。我々が生存するために必要とする大気の質を保ちつつ、燃焼炉操業の効率を高く維持し、排気物の質を制御することが、我々の経済活動に活力を与えるために必要とされるエネルギーを維持するために不可欠である。効率と排気物との間には相関関係があり、お互いに優位性があることが技術的解決策のいくつかに示されているからといって、両方を達成することは難しいままである。発電所や焼却炉の経済的な操業は公益に関わるものであり、新しい技術がこの努力のために不可欠である。

燃料選択は汚染問題を和らげるうえで重要な役割を果たすが、それでは汚染問題を除去することができない。たとえば、アパラチア瀝青炭やイリノイ盆地瀝青炭などの石炭は、石炭が求められる多くの工場において重要であり、そこでは経済性が他の選択肢を制限している。スラグを生成する傾向や、このように鉄を多く含有する石炭から生じるスラグの性質は、何十年にも渡り、燃焼技術者や工場作業者にとって大きな懸念であった。スラグの物理的および化学的性質に影響を与える多くの要因が存在し、たとえば、非特許文献１に記載されている。しかしながら、工業が今日成立しているように、低コスト石炭の選択と、スラグ生成が課題となるエネルギー生産の実経済との間には妥協点が存在する。スラグの蓄積は、熱伝導の減少を引き起こし、炉の清掃のための長時間にわたる設備停止時間がしばしば必要となるという課題である。

Ｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎ Ｆｏｓｓｉｌ Ｐｏｗｅｒ，１９９１， Ｊｏｓｅｐｈ Ｇ．Ｓｉｎｇｅｒ， Ｐ．Ｅ．，ｅｄｉｔｏｒ，Ｃｈａｐｔｅｒ ３，Ｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ

石炭に関連する課題は、捕捉され処理されなければならない大量の灰や微粒子が生成されることである。その技術においては、スラグの生成と性質とを制御するために添加剤が用いられてきたが、添加剤は、莫大な量という観点で、用いられている固体回収システムに負担をかける可能性がある。それゆえ、最適なスラグ制御がしばしば妥協の犠牲とされてきた。なぜなら、固体回収システムは必要な固体の全てを効率的に除去することができなかったからである。固体収集能力を増加させることが選択肢とならない古いプラントにとって、これはとりわけ大きな課題である。

その課題をさらに複雑にしているのは、石炭は、石炭の組成の作用で、添加物と別に反応することである。概して、固体回収装置によって適切に扱われうる有効なレベルで、適切な添加物を用いて、異なる石炭組成の全てに対処できる既知の公式はない。有効な汚染防止のための十分な収入を生みつつ、効率的に電力が供給されることを保証するために、個々の石炭の構成の発見と添加物のレジメンの発見が強く求められている。

ボイラーの効率と経済性とを向上させるため、とりわけ課題となる燃料（たとえばスラグ生成に強い役割を有する硫黄分を含む石炭や、鉄の含有率および／またはカルシウムの含有率が高い石炭）に関し、より効率的にスラグ生成を制御する改良されたプロセスが必要とされている。

本発明の目的は、スラグ生成に繋がる燃料を利用する燃焼炉におけるスラグ制御のための改良された技術を提供することにある。

本発明の他の目的は、化学薬品の使用を低減しつつ、鉄の含有率および／またはカルシウムの含有率が高い石炭の燃焼からスラグを制御するプロセスを提供することにある。

本発明の他の目的は、化学薬品の使用を低減しつつ、鉄の含有率および／またはカルシウムの含有率が高い石炭の燃焼によるスラグをボイラーの熱交換面から除去するプロセスを提供することにある。

さらにより具体的な本発明の目的は、スラグ除去に関連する設備停止時間を減少させることにより、より効率的にスラグを制御するプロセスを提供することにある。

本発明のいくつかの態様のより具体的な目的は、燃焼炉の効率を向上させると同時に上記目的を達成することにある。

これらとその他の目的は、鉄の含有率および／またはカルシウムの含有率が高く、スラグを生成する石炭を燃やす燃焼炉におけるスラグ制御のための改良されたプロセスを提供する少なくとも好ましい態様において、本発明によって達成される。

一つの態様においては、本発明は、燃焼炉におけるスラグの密着性および／または接着性を減少させることによって付着物の割合を減少させるプロセスであって、全体として（オーバーオール）過剰な酸素とともに、鉄および／またはカルシウムの含有率が高いスラグ形成性石炭を燃焼させる工程と、石炭を燃焼させることによって生成されるスラグの冷却を引き起こす条件下で、結果物である燃焼ガスを熱交換器に移動させる工程と、前記熱交換器と接触する前に、付着物の割合を減少させ、好ましくは結果物であるスラグの脆さを増大させるために有効な量と滴のサイズと濃度で水溶性のアルミニウム三水酸化物を導入する工程と、を含むプロセスを提供する。

好ましい態様においては、アルミニウム三水酸化物の試薬が水溶液の形態で導入され、計算流体力学が最初の流速を定め、試薬の導入速度、試薬の導入位置、試薬の濃度、試薬の滴のサイズ、および／または試薬の勢いを選択するために用いられる。

他の好ましい態様においては、アルミニウム三水酸化物のスラリーとともに、マグネシウム水酸化物が水性のスラリーとして導入される。

他の態様においては、本発明は、存在するスラグ堆積物と接触するためにスラリーを乾燥させることから生じる微粒子と接触するために有効な滴のサイズと濃度で水溶性のアルミニウム三水酸化物を導入することによって、スラグ堆積物を有する炉の表面をクリーンにするプロセスを提供する。

他の態様においては、本発明は、ボイラーの清掃およびメンテナンスのプロセスであって、スラグを減少させるために十分な時間にわたり、石炭１トンあたり約３ポンドから６ポンドのＡＴＨと、石炭１トンあたり約１ポンドから約２ポンドのＭｇ（ＯＨ）_２とを最初に添加し、続いて、燃焼炉をクリーンに保ち、効率的に操業するために、初期値の約１０％から約５０％の添加量に減少させること、を含むプロセスを提供する。

他の好ましい態様とそれらの利点は以下に記載される。

添付の図面とともに後述の実施形態を参照することで、本発明はより深く理解され、その利点がより明確になる。

本発明の実施の一形態を示す模式図である。 後述の実施例２で説明されるように鉄の含有率が高い石炭を用いて操業された燃焼炉におけるアルミニウム三水酸化物の２４時間の操業後に得られたスラグサンプルの写真図である。

はじめに、本発明の実施の一形態の模式図である図１を参照する。図１は、発電、プロセス蒸気、加熱、もしくは焼却に用いられる蒸気を発生させるために用いられるタイプの大型の燃焼炉１０を示す。石炭は、バーナー２０と２０ａとによって供給され、燃焼ゾーン２１内で空気とともに燃焼される。石炭における鉄の含有率が高く（灰の重量を基準とし、Ｆｅ_２Ｏ_３として表現されて、たとえば約１５％以上、たとえば約２０％から３５％までの鉄含有率）および／またはカルシウムの含有率が高く（灰の重量を基準とし、ＣａＯとして表現されて、たとえば５％以上、たとえば約１０％から２５％までのカルシウム含有率）であることが本発明の利点である。硫黄含有率がかなり高く、たとえば約１％以上で、約３％から約５％までの範囲にある石炭に対してでさえ、スラグが効率的に制御されうることもまた本発明の利点である。ここで、本明細書を通して、全てのパーセンテージは重量により表わされる。

ファン２２と配管２４とによって供給される燃焼用の空気は、好ましくは、燃焼炉の出口で配管（不図示）から熱を運ぶガス−ガス熱交換器（不図示）によって予熱される。高温の燃焼ガスは上昇し、熱交換器２６を通過する。熱交換器２６は燃焼ガスから蒸気発生用の水へ熱を伝える。特定のボイラーの設計に従って、エコノマイザー（下流側にあり、不図示）を含む他の熱交換器もまた設けられてもよい。未処理のまま残されたスラグはこれらの熱交換器の表面上に生成される傾向があり、個々の位置に重要である設計の検討に基づき、個々の燃焼炉の内部に位置する。たとえば計算流体力学のようなモデル化技術が、処理化学物質（とりわけ、本発明によれば、石炭の個別のタイプに効果的と確認されている化学物質）を、スラグ堆積を減少させるおよび／または制御し、ボイラーの効率的な操業を維持する最適な場所に最初に投入するために用いられることが本発明の利点である。

個々のベッセル４０と４０ａとから、アルミニウム三水酸化物を単独もしくはマグネシウム水酸化物のスラリーとともに添加するために、ノズル列３０と３０ａとのそれぞれにおいて、好ましくは空気によって霧化する一連の適切なノズルが設けられる。ＡＴＨとマグネシウム水酸化物との両方が、必要に応じて、スラリーおよび／または溶液として水分を含んでいることが好ましい。供給ライン（例えば４１）は図中二重線で示されている。

外１

バルブ４２と温度センサ４４との両方は点線で示される電気導線（例えば４８）を介して、制御部４６に接続されている。これらのバルブ、温度センサ、および導線は例示にすぎず、ここに概要が述べられた原理を用いる当業者は適切な制御信号および制御応答をもたらすために戦略的にそれらを配置するであろう。制御部４６は、フィードフォワードとフィードバックとの両方の特徴を有する所定の制御レジメンに従ってプログラムされた汎用デジタルコンピュータであってもよい。

処理が難しいタイプの石炭からのスラグの堆積を大幅に減少させる、もしくは堆積スラグを除去するため本発明によって効果的であると見いだされたアルミニウム三水酸化物（Ａｌ（ＯＨ）_３）はまた、たとえばＡＴＨ、アルミニウム水酸化物やアルミナ水和物のような他の名称でも知られている。アルミニウム三水酸化物の原料の形態にかかわらず、化学安定剤を用いて、もしくは用いずに、付属のライン４１を通ってタンク４０から導入され、水と混合され、固体重量比で、たとえば少なくとも約２５％、好ましくは少なくとも約６５％といった貯蔵および処理に適した濃度に制御される。

後述のように、濃度と流速がモデリングによって事前に定められ、スラグ生成量が減少し、清掃が容易になるという所望の結果を得るように、的確な物理的形態で、燃焼炉における的確な位置に、適量の化学物質が供給されることを確実にする。そのプロセス用に、化学物質は決められたとおりに希釈される。たとえば、計算（ｃｏｍｐｕｔａｔｉｏｎａｌ）流体力学（ＣＦＤ）によって、約０．１％から約１０％までの範囲内に、より限定された範囲では約１％から約５％までの範囲内に希釈される。水分を含むアルミニウム三水酸化物が燃焼炉内部で高温ガスと接触すると、たとえばナノサイズの粒子、たとえば２００ナノメートル以下、好ましくは約１００ナノメートル以下のような非常に細かな粒子にまで小さくなると信じられている。５０ナノメートルから約１５０ナノメートルまでの中間の粒子サイズが本発明のプロセスにとって便利な範囲である。このサイズに近づけるために、ＡＴＨが水とともに導入されることが重要である。小さな粒子は、スラグを形成する通常の結晶もしくはガラスを分裂させると信じられている。関連するメカニズムにかかわらず、生成されるスラグが極めて砕けやすく、ブラッシングで容易に割れ、手で砕くことができることが、本発明の明白な利点である。

生成されるスラグの脆さが増大し、除去が簡単になることは、本発明の重要な利点である。本発明はまたスラグの堆積を遅くする、もしくは堆積自体をなくする。化学物質を多く添加すると、より有利に、本発明は既に生成されたスラグを実際に除去できる。「スラグの脆さを増大させる」という表現によって、処理後のスラグは、処理なしで同じ条件下で生成されたスラグよりも、破砕に要する単位面積あたりの力が少なくて済むということが意味される。「スラグを除去する」という表現によって、ボイラーの表面、とりわけ熱交換面、に付着するスラグの重量が、本発明の処理によって最初の数値から減少するということが意味される。本発明の追加かつ付随の利点がいくつかあり、硫黄を多く含む石炭にとってのＳＯ_３の低減、熱交換装置での圧力損失の低減、低価格石炭を使用できること、燃費の向上に伴う一酸化炭素（ＣＯ）や二酸化炭素（ＣＯ_２）の発生量の低減、よりよい熱伝導、設備停止時間の低減、処理能力の増大、操業中の清掃、熱交換面の清浄度向上、燃焼炉全体をクリーンにする能力、および、より高い効率で最大負荷の下で操業する能力が含まれる。

ほとんどの石炭にとって、そのプロセスは、ＡＴＨとマグネシウム水酸化物との組み合わせでもっとも効果がある。たとえば、ケイ酸塩の組成が低い石炭はスラグによる課題が低減されて燃焼されうるものの、少なくとも最初はマグネシウム水酸化物の使用が好ましい。好ましくは、マグネシウム水酸化物試薬は、通常、地下の塩水溜まりもしくは海水からのカルシウムや他の塩類を含む塩水から準備されうる。ドロマイト石灰がこれらの塩水と混合され、塩化カルシウム溶液と、溶液から析出され濾過されるマグネシウム水酸化物が生成される。この形態のマグネシウム水酸化物は水と混合され、安定剤と混合される、もしくは混合されず、固形分重量比でたとえば２５％から６５％までである、貯蔵および処理に適した濃度に制御されうる。そのプロセス用に、計算流体力学（ＣＦＤ）によって定められたように、０．１％から１０％までの範囲内に、より限定された範囲では１％から５％までの範囲内に希釈される。それが燃焼炉内部で排出物と接触すると、たとえば２００ナノメートル以下、好ましくは１００ナノメートル以下といったナノサイズの粒子にまで小さくなると信じられている。５０ナノメートルから約１５０ナノメートルまでの中間の粒子サイズが本発明のプロセスにとって便利な範囲である。必要な、もしくは所望の「軽焼（ｌｉｇｈｔ ｂｕｒｎ）」もしくは「軽焼（ｃａｕｓｔｉｃ）」が用いられる可能性があり、所望の粒子サイズの範囲において利用可能なところで、ＭｇＯの他の形態が用いられうる。

これらの効果を最大限に得るため、本発明は、ＣＦＤを活用して、最初の流速を予測し、最初の試薬導入速度、試薬導入箇所、試薬濃度、試薬の滴のサイズ、および試薬の勢いを選択することが好ましい。ＣＦＤは十分に理解された科学であり、このケースでは十分なメリットをもって活用され、最大限の効果のために最小の化学物質を供給することが望まれている。

スラグの溶融点に影響するという観点から化学物質の使用量は半化学量論的分析であり、しばしばスラグ制御における制御因子であるとみなされることは極めて重要であると指摘されている。本発明によれば、使用された比較的少量の試薬を除き、本発明の結果が、文献によって説明されていない境界で起こりえる化学および力学の効果によるスラグ生成の物理的崩壊によるものであるという好ましい証拠がある。

実験は、ＣＦＤによって定められた最初の供給量が素晴らしい効果をもって用いられ、観察された結果に基づいて制御されうることを示している。供給量の目安として、以下に実証されている例と似た燃焼炉操業にとって経済的に最も良い供給量は、石炭１トンあたりＡＴＨ約６ポンド（乾燥させた活性ＡＴＨとして）もしくはＡＴＨ８ポンド（６５〜７０％のスラリーとして）までとなりうる。たとえば、好ましい７０％スラリーとして添加されると、約１ポンドから約６ポンドまでのスラリーが効果的に機能する（より限定された範囲では、たとえば、約２ポンドから約３ポンドまでのスラリー）。石炭１トンあたり約２ポンドまでのＭｇ（ＯＨ）_２スラリー（固形分が約５０〜６０％）を添加することもまた好ましい。たとえば、好ましい６０％スラリーとして添加されると、石炭１トンあたり約０．５ポンドから約２ポンドまでのＭｇ（ＯＨ）_２スラリー、たとえば石炭１トンあたり約０．７ポンドから約１ポンドまでのＭｇ（ＯＨ）_２スラリーが活用されうる。必要に応じてスラリーは希釈され、典型的には、より少ない使用のため、固形分濃度が約５％から約３５％かそれ以上までの間に希釈される。

とりわけ、ＡＴＨとＭｇ（ＯＨ）_２とが、上述した範囲の高い濃度、たとえば、石炭１トンあたり約３ポンドから６ポンドまでのＡＴＨと石炭１トンあたり約１ポンドから２ポンドまでのＭｇ（ＯＨ）_２、で用いられると、燃焼炉表面、とりわけ熱交換面、に付着しているスラグの重量が、本発明の処理によって最初の数値から効果的に減少する。スラグを除去するこの能力によって、上述したように最初の添加がスラグを除去するためであり、添加後に燃焼炉がクリーンな状態に維持され、効率的に操業を行うために添加量が初期値の約１０％から約５０％に低減されることを特徴とする清掃およびメンテナンスのレジメンを供給する能力がもたらされる。

本発明による最適なスラグ改善のためには、正確な最初の濃度、供給量、導入速度が、アルミニウム三水酸化物の効果的な物理的形態のために計算され、かつ使用され、好ましくは、任意にマグネシウム水酸化物がチャンバー２０内部の高温燃焼ガスに導入され、化学物質が所望の効果を得られるように添加されることが不可欠である。本発明へのＣＦＤの導入は、Ｓｍｙｒｎｉｏｔｉｓ等による米国特許第７，１６２，９６０号明細書に記載されているように達成されうる。特定の除去装置（不図示）が、排出物が堆積される前に粒子を除去するために用いられうる。

本発明の他の形態においては、たとえば、Ｓｍｙｒｎｉｏｔｉｓ等による米国特許第７，１６２，９６０号明細書に記載されているように、燃料ゾーン、燃焼ゾーンもしくは他の場所で、燃焼触媒および／または排出物処理用化学物質が添加されてもよい。

以下の実施例は本発明をさらに説明し、例示するものであり、これらに限定されるものではない。他に記載がなければ、全ての割合は重量によって表される。
（実施例）

本実施例は、１日あたり５４０トンの石炭を燃やす炉内へのアルミニウム三水酸化物の導入を説明する。石炭はイリノイ盆地瀝青炭とアパラチア瀝青炭との混合炭であり、混合の結果、以下の分析がもたらされる。

実験のために、２列の微粉炭バーナー（２本のバーナーの間の高さにある１列と、最上部の石炭バーナーよりも高い位置にある１列）の反対側の壁に位置する３本の空冷ノズルの２列から吐出される石炭１トンあたりにつきスラリーを５ポンドの割合で、重量比で７０％の水溶性スラリーとして、Ａｌ（ＯＨ）_３（アルミニウム三水酸化物スラリーもしくは省略のためにＡＴＨ）が供給される。スラリーは、ＡＴＨの濃度が３５重量％となるまで希釈される。ＡＴＨスラリーの希釈前の密度は約１４ポンド／ガロンであり、これはＡＴＨスラリーとしての供給量が１日あたり約１９３ガロン（石炭１トンあたり約５ポンド）であることを意味している。

本実験に基づき、この特定の燃焼炉にとって効果的な供給量は、石炭１トンあたりＡＴＨスラリーを約１ポンドから約６ポンドまで、たとえば、１トンあたり約２ポンドから約３ポンドまでである、と推定される。

本実施例は、実施例１で供給されたアルミニウム三水酸化物に加えて、１日あたり５４０トンの石炭を燃やす炉内にＭｇ（ＯＨ）_２（マグネシウム水酸化物）を導入することの効果を説明するものである。石炭は、実施例１で説明されたとおり、イリノイ盆地瀝青炭とアパラチア瀝青炭との混合炭である。

マグネシウム水酸化物は、消費される石炭１トンあたり２ポンドの、５０〜６０重量％のスラリーとして供給された。マグネシウム水酸化物スラリーの密度は約１２ポンド／ガロンであった。そのため、供給量は、Ｍｇ（ＯＨ）_２スラリーとして１日あたり約９０ガロンであった。前述のように、アルミニウム三水酸化物スラリーが、消費される石炭１トンあたり、スラリー約５ポンドの割合で供給された。ＡＴＨの密度は約１４ポンド／ガロンであり、ＡＴＨとして１日あたり約１９３ガロンの供給量であった。

本実験に基づき、この特定の燃焼炉のために最も経済的で最適な供給量は、石炭１トンあたり約０．５ポンドから約２ポンドまでのＭｇ（ＯＨ）_２スラリー（たとえば、１トンあたり約１ポンド）に加えて、１トンあたり約１ポンドから約６ポンドまでのＡＴＨスラリー（たとえば、１トンあたり約２ポンドから約３ポンドまで）であると我々は推定する。図２は、ＡＴＨのみを供給して、２４時間操業した後に得られたスラグサンプルの写真である。本スラグは思いのほか砕けやすかった。

上記記載は本発明を実施する方法を当業者に教示する目的のためである。それらの明白な修正および変形の全てを詳述することは意図されたものではなく、上記記載を読むことによって当業者に明白となる。しかしながら、そのような明白な修正および変形は、以下の請求項によって定義される本発明の範囲内に含まれることが意図されている。文脈が明らかに反対のことを示唆していなければ、各請求項は、ここに意図された目的を満たすために効果的な、請求項に記載された要素と、いずれの順序におけるステップとをカバーすることが意味されている。

１０ 燃焼炉
２０ バーナー
２０ａ バーナー
２１ 燃焼ゾーン
２２ ファン
２４ 配管
２６ 熱交換器
３０ ノズル列
３０ａ ノズル列
４１ 供給ライン
４２ バルブ
４４ 温度センサ
４６ 制御部
４８ 電気導線

Claims (1)

1. Ｆｅ_２Ｏ_３として表現され、灰の重量を基準として１５％以上の鉄含有率、および／または、ＣａＯとして表現され、５％以上のカルシウム含有率、を有する、石炭を燃焼する、ボイラーの清掃およびメンテナンスのプロセスであって、スラグを減少させるために十分な時間にわたり、初期値として、石炭１トンあたり３ポンドから６ポンドまでの水溶性アルミニウム三水酸化物と、石炭１トンあたり１ポンドから２ポンドまでの水溶性マグネシウム水酸化物と、を添加し、続いて、燃焼炉をクリーンに保ち、効率的に操業するために、２００ナノメートル以下のナノサイズの粒子を形成し、スラグによる付着物の割合を減少させるために有効な量と滴のサイズと濃度で、前記水溶性アルミニウム三水酸化物と前記水溶性マグネシウム水酸化物が導入されるように、上記初期値の１０％から５０％に添加量を減少させることを含むプロセス。

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