JPH02503925A - アルカリ含有燃料の燃焼 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 アルカリ含有燃料の燃焼 発明の背景及び摘要 低融点のアルカリ成分（一般的にアルカリ金属塩）を含む化石燃料、特に亜炭及 び塩状褐炭は多量に存在する。

しかし亜炭等の燃焼によってエネルギーを生産するのは困難であるため、それら の化石燃料は商業的にはほんの一部分しか使われていない。普通、亜炭はボイラ ー炉内の火格子上で燃やされる。しかしこの燃焼では、燃料を焼結させる１　２ ００−１５００℃の範囲の高い燃焼温度が必要である。この温度では硫酸塩及び 塩化物が蒸発し、炉壁その他の面上に凝縮してボイラー伝熱管上への堆積物の形 成を促進し、それら管を腐食させ、伝熱を悪くする。この問題に対処するため、 一般的には炉を頻繁に停止して伝熱管から堆積物を除去しなければならないが、 これは相当困難を伴なう仕事である。

通常のボイラー類より多くの長所をもつものとして流動床反応器が知られている が、従来、多くの種類の亜炭と塩状褐炭は流動床反応器で燃焼させるのには実用 的でないと考えられてきた。それは亜炭内のアルカリ物質が床材料の集塊をひき 起すからである。燃料のアルカリ金属塩の含有率が高いほど、集塊温度は低くな る。

反応器の下部分に高密度の床、そして上部分に密度の稀薄な区域を有する通常の 流動床燃焼器は典型的には約７５０−９５０℃の比較的狭い湿度範囲内で操作さ れる。

この温度範囲の下端部では燃料の燃焼が悪くなり、そして上端部では床材料が焼 結又は集塊する危険が高くなる。

カロリー値の高い燃料を燃やした場合、従来の流動床反応器で温度を均等に保つ ことは非常に難しい、８所的に温度が高く変動し、これによって粒子の焼結又は 集塊が生じる。特に、流動床の上方の稀薄な上部区域は低い伝熱率のために冷却 しにくいので、その区域の温度は過剰に高くなり易い。

米国特許第３．９０７，６７４号は、通常の流動床反応器で廃棄物流、スラッジ を含む低カロリーのアルカリ金属塩化物を燃焼することを示唆している。反応性 のシリカ及びアルカリ金属酸化物のような添加剤を十分与えることによって、べ とべとしたフンバウンドが床に溜まるのを防ぐことができる。そのような添加剤 は比較的多量に用いなければならない。というのは、反応性を良好にする微細な 粒子は２Ｉ動床を直ぐに通り過ぎてオフガスと殆んど反応しないまま反応器から 出ていってしまうので利用できず、そして床内に停留する十分大きい粗大な粒子 は効率が悪く、従って過量に添加しなければならないからである。通常の流動床 で燃焼を行う場合、低温は燃焼を悪くし、高温は粒子の集塊を起させるので、局 所的温度変動を無くすため反応器負荷は比較的一定に維持しなければならない。

特に、通常の流動床反応器でアルカリを含む高カロリー燃料を燃やす場合、局所 的高温個所での集塊を防ぐため非常に多量の添加剤を使用しなければならない。

本発明によれば、亜炭のようなアルカリ成分を含む燃料を効率的に燃焼させ、そ してそこから単純且つ直接的にエネルギーを回収するという、長い間型まれてき た要求を解決する方法が提供される。本発明によればその解水発明によれば、流 動床反応器内で低融点アルカリ成分を含む固体燃料を燃焼させることが、反応室 及び粒子分と反応できる反応材料を反応室に添加して燃焼中に高融点アルカリ金 属化合物を作ることによって、可能となる。燃焼中に作られるアルカリ金属化合 物は十分高い融点を有するので、融解を起すことなく反応器の操作を所望の温度 （約７５０−９５０”Ｃの範囲内）で行える。こうして、床材料の集塊、ｔｔａ ｎの焼結、及び反応器の操作実質的に垂直な周壁を有する直立燃焼室を備える。

燃焼室の下部区域の壁は内方へ傾斜し、そしてそれら壁は多くの場合耐火壁とさ れる１反応器の上部壁は管壁として作られる。燃焼室は、ＷＡ焼させる粒子状化 石燃焼の送入口を１個又はそれ以上備える。反応材料の送入口が好適には反応器 の下部分に備えられる。二次空気の送入口を周壁のいろいろなレベルの個所に備 えることができる。

−次空気は通常風箱又は空気至を通して燃焼室の下から供給される。空気の供給 は、燃焼室と風箱との間に設置空気の供給は、燃焼室内の粒子の実質的な部分を 排気ガスと共に燃焼室の外へ送出できる段階までそれら粒子を流動化するに十分 な高速度で行われる。燃′Ｖｌ室内の床は、ガスに伴送された粒子を高性能分離 器、例えばサイクロンによりガスから分離して再循環させることによってのみ維 持される。粒子は戻りバイブを通って燃焼室へ戻される。燃焼室内の固体の密度 は室の上方へいくに従って連続的に小さくなっていき、高密度の床とフリーボー ド区域との間の決定的な境界線はない。

体との間の良好な混合及び熱伝達とによって特徴付けられる。システム内に大量 の粒子が循環し、そして燃焼室、分離器、及び戻りバイブの全循環路に亘って良 好な混合が行われるため、システム全体に均等な温度が得られる。

温度は粒子密度又は流率を変えることで容易に１ｉｉｌＪ１１１１でき、システ ム全体に亘って最適の範囲内に保持できる。過熱の、徒って粒子の集塊又は焼結 の危険は非常に少なくなる。最適の温度条件のため燃料は完全に燃焼する。粒子 とガスとの間の接触がより効果的且つ長く行われるのでシステム内で行われる反 応の反応率は高いものになる。

燃料内のアルカリは十分な時間を以って添加剤と完全に反応する。本発明のシス テムでは１１０−３００ａのような非常に微細な粒子の添加剤でも使用でき、そ れらの粒子はオフガスと一緒に伴送されて燃焼室へ再循環されるので、添加剤の 需要量は少なくなる。

本発明において用いられる反応材料は、アルミニウム、カルシウム、マグネシウ ム、シリカ、鉄、チタン、及びそれらの内の２つ又はそれ以上の混合物で成るグ ループの酸化物又は、燃焼中に酸化物に変換される水酸化物である。シリカ酸化 物は、これが用いられる場合は金属酸化物と一緒に使用することが望ましい。典 型的には、燃料中のアルカリ金属塩の金属に対する金属酸化物の金属のモル比が 少なくとも約１．０になるように十分な金属酸化物が添加される。好適には反応 材料は、シリカ、アルミニウム、鉄、チタン、カルシウム、及びマグネシウムの 全ての酸化物を含み、そして燃料及び循環する床材料と反応して高融点ナトリウ ム化合物を形成するカオリン（粘土）とされる。典型的には、燃料中のナトリウ ム＋カリウムに対するカオリン中のアルミニウムのモル比は少なくとも１．Ｏと される。

又、硫黄を吸収するため反応材料と共に石灰石を添加することが望ましい。更に 、燃料の燃焼は有用な熱エネルギー（蒸気エネルギー、電力その他に変換される ）を生産することを目的としているのであるから、反応室の、又は反応室内の面 上に設置された熱回収Ｂｉｔを使って反応室から直接熱エネルギーを回収するこ とが望まれる。

そのような熱回収Ｗ！Ｌ置はそれ自体通常のものであるが、燃料が亜炭であった 場合熱回収面上に堆積物が溜まるため従来はあまり用いられなかった。しかし本 発明によれば熱回収管上の堆積物の形成は少ないので、反応室自体の中でそのよ うな熱回収装置も有効に使用できるのであ床内に砂その他の床形成成分を殆んど もだない。始動時に幾らかの砂又はその他の付属床材料が添加されるが、一度安 定状態が得られると、循環する床材料は主として亜炭燃料、カオリン、及び灰で 構成され、しかも床材料が集塊することはない。反応器の操作が行われると、反 応室の全ての部分の温度は約７５０−９５０℃、より具体的にいうと燃焼中に燃 料内のアルカリ金属塩とカオリン（又は同様なもの）が反応して作られるアルカ リ金属化合物の融解温度より低い温度になり、その反応室から直接熱を引出し、 回収する。

本発明の主要な目的は、低融点アルカリ複合量を含有する燃料を燃焼させ、そこ から熱エネルギーを生産し回収する簡単でしかも効果的な方法を提供することで ある。

本発明のこの目的及びその他の目的が、以下の詳細な記述及び請求の範囲からよ り明瞭にされよう。

図面の簡単な説明 添付の図面は、本発明の方法を実施する循環流動床反応器の実施例の概略図であ る。

図面の簡単な説明 図示の循環流動床反応器は基本的に典型的な循環反応器であり、即ち、石炭、オ イル、廃棄物等のいろいろな燃料を燃焼させ、そこから熱を回収するのに使用さ れているものである。そのような反応器は、アルカリ金属塩のような低融点アル カリ成分を含む亜炭や塩状褐炭又は同様な燃料を燃やすのに用いられてきたが、 それらの燃料の燃焼から得られる結果はその他の燃料の場合よりも問題の多いも のであった。特に、床材料の集塊、燃料の焼結、そして熱回収管上への堆積物の 問題点があり、このため上記のような燃料は実用にされなかった。

図示の反応器はホッパー１を備え、このホッパーの中に、ナトリウム含有量の多 い塩状褐炭又は亜炭のようなアルカリ含有固体燃料が供給される。この燃料はホ ッパー１から送給スクリュー２によって送給率を制御されて混合室３へ送給され る。又、上記のような燃料の低融点アルカリ複合量と反応して＾融点アルカリ金 属化合物を作る本発明による反応材料が、ホッパー４から送給スクリュー５によ って送給率を制御されて混合室３へ送給される。更に図面において参照番号５′ で示されるように石灰石が混合室３へ添加されて反応室内で硫黄を吸収する。

反応材料は好適には粒状固体の形とされ、そして、アルミニウム、カルシウム、 マグネシウム、鉄、又はチタンのグループの少なくとも１つの酸化物（又は燃焼 中に酸化物に変換される水酸化物）、あるいはシリカ酸化物が望ましい。好適に はその反応材料は、上記のような幾つかの金属酸化物及び／又はシリカ酸化物の 混合物とされ、その特に好適なものの１つは、相当な比率のシリカ酸化物と酸化 アルミニウムを含み、又幾らかの酸化カルシウム、酸化マグネシウム、酸化鉄、 及び酸化チタンを含むカオリン（粘土）である。

混合室３には又、通常の循環流動床反応器７のサイクロン分ｍ器６内で分離され た固体粒子が添加される。反応器７の反応室７′内で燃料の燃焼が行われ、そこ で排気ガスが作られ、排出ダクト８を通して排出される。

固体粒子燃料、反応材料、石灰石、及び粒子の混合物は、循環させられる粒子の 戻りバイブであるダクト９を通して反応室７′の下端部へ戻される。ブロワ１０ 又は同様な装置が空気流を作り、これによって−次空気と二次空気とがそれぞれ コンジット１１．１２を通して反応室７′へ送給される。それらガス源１１．１ ２の少なくとも一方は燃料と反応する酸素含有ガスを供給づる。ガスは固体材料 の床を流動化し、そこで大量の材料が連続的に反応室７′からサイクロン分離器 ６を通ってコンジット９へ戻るように循環する。このようにして反応しない反応 材料（例えばカオリン）は回収され、従って使用される反応材料の量は少なくて 済む。

反応器７の始動時、砂又は同様な不活性床材料が反応室７′内へ導入される。し かし一度安定した状態が得られると（即ち始動後は）、それ以上床材料の導入は 行われず、むしろ安定状態中の循環床は主として固体燃料粒子、カオリン、及び 灰によって構成される。

排気ガスはサイクロン分離器６を通った後、煙道ガスフィルタ１３へ行き、ここ で灰がガスから分離される。

その灰は廃棄されるが、少なくとも一部分の灰はコンジット１４を通して混合室 ３へ再循環させることができる。ブロワ１０から送出される空気がその灰を混合 室３へ運ぶ。

亜炭又は褐炭を燃焼させることの目的は熱エネルギー（最終的には蒸気又は電気 の形にされる）を回収することであるから、反応室７′の内部、又は反応室７′ の壁１６に伝熱面１５を備えることが望まれる。好適に熱は又、サイクロン分離 器６とフィルタ１３との間に設置される通常の対流ボイラー１７を使って煙道ガ スからも回収される。

循環床反応器７においては大量の循環する材料の流れが維持される結果、反応室 ７′全体に亘って実質的に均等な温度が作られる。これは、反応器７内の最高温 度が、燃焼中に反応材料と燃料のアルカリ成分とが反応して作られるアルカリ金 属化合物の融点より低くなるような反応器７の操作を行わせるのに有効である。

典型的にはその反応器の操作は約７５０−９５０℃、好適には約８６５℃の温度 で行われよう。燃焼しきれずに煙道ガス中に含まれている燃料、及び反応しなか ったカオリンのような反応材料はサイクロン分離器６によって効果的に回収され 、混合室３とシュート９を通して再循環させられる。

送給スクリｌ−２と３は再循環する燃料と反応材料の最に応じて制御され、モし て又それは反応室７′内の温度を制御する。更に、燃料内の反応材料の比率は、 アルカリ金属塩の金属（例えばＮａ及びＫ）に対する金属酸化物の金属の比が少 なくとも約１．０になるように制御される。又、反応室７′へ送給される酸素含 有ガスの量、熱回収装置１５を通る熱回収流体のスルーブツト、その他のパラメ ータが、反応室７′内の温度を所要のレベルに維持するように制御される。

実　　例 図示のようなパイロットプラント循環流動床反応器内でカオリンを添加し塩状褐 炭を燃焼させる試験が行われた。燃料と反応林料との代表的な試料が分析された 。そこで下記の分析値が得られた。

石炭分析値 含有率　　　　灰　　　　　ＣＳ　　　　Ｎａ　　　Ｋ　　　　ＣＬ　　　Ｃａ 　　　ＭＱ（ｄ、ｓ）　　　　ｄ、ｓ、　　　　ｄ、ｓ、　　ｄ、ｓ、　　ｄ、 ｓ、　　ｄ、ｓ、　　ｄ、ｓ、　　ｄ、ｓ、　　ｄ、ｓ、Ｘ　　　　　　％　　 　　　χ　　　％　　　％　　　％　　　％　　　％　　　Ｘ３．２　　　　　 １５゜８　　　　６１．９　　３．７　　２．６０　　０．０７　　２．７１　 　１．６２　　０．２０ＣａＯ０，０６％ ＭＱＯＯ，２５％ 始動材料として砂が反応器に導入されたが、操作中における循環床は主として褐 炭、カオリン、及び灰で構成されていた。燃料と添加剤との体積流率及びＡＪ／ （Ｎａ及びＫ）の比は変化させた。反応器７内の温度は約８５０℃に保たれ、そ して室７′全体に亘って実質的に均等であった。反応室はこれの中に設置された 伝熱管１５によって冷却された。

Ａｊ／（Ｎａ及びＫ）のモル比が１．０又はそれ以上の場合、床材料の集塊、及 び熱回収面での焼結は起らなかった。

以上の記述から分かるように本発明によれば、流動床反応器の中で、床材料の集 塊、燃料の焼結、あるいは反応器の操作要素（特に伝熱面）上への堆積物の過剰 な形成を行わせることなく、低融点アルカリ複合量を有する燃料を効果的に燃焼 させることが可能となる。ここに本発明の最も実用的且つ好適な実施例を示した が、当該技術者には理解されるように本発明の請求の範囲内でなお多くの変化形 が可能であり、それら同等な方法及びプロセスは全てその中に含まれるものであ る。

補正書の翻訳文提出書　（神法創８４船７＠１組

Claims (22)

【特許請求の範囲】
1. １．熱エネルギーを生産して回収するため、低融点アルカリ複合品を有する固体 燃料を燃焼させる方法において、前記固体燃料がファースト流動床反応器内で燃 料させられ、そこで、 ａ）低融点アルカリ成分を有する固体燃料及び酸素含有ガスを反応室の中へ導入 し、流動床内で燃焼を行わせ、そして固体粒子を含む高温の排気ガス前記反応室 から放出させること、 ｂ）前記反応室から放出された排気ガスから固体粒子を分離して前記反応室へ戻 すように再循環させること、ｃ）前記反応室内へ、前記燃料と共に、この燃料の 燃焼中に燃料の低融点アルカリ成分と反応して高融点アルカリ金属化合物を作る ことができる反応材料を導入すること、及び、 ｄ）前記反応室内へ酸素と燃料の供給及び／又はその他の燃焼温度に影響するパ ラメータを制御して、前記反応室の全ての部分の温度が、前記燃料のアルカリ複 合品と前記反応材料との反応によって作られる前記アルカリ金属化合物の融点よ り低くなるようにすることの諸段階を含むことを特徴とする方法。
2. ２．前記反応材料が、アルミニウム、カルシウム、マグネシウム、シリカ、鉄、 チタン、及びこれらの２つ又はそれ以上の混合物で成るグループの酸化物、又は 燃焼中に酸化物へ変換される水酸化物であり、そして前記段階（ｃ）が固体粒子 の形の前記反応材料を前記反応室内へ導入することによって行われることを特徴 とする請求項１記載の方法。
3. ３．前記反応材料がカオリンであることを特徴とする請求項２記載の方法。
4. ４．前記段階（ｄ）が、前記反応室の中又は反応室の面上に設置された熱回収装 置を使って前記反応室から直接熱エネルギーを回収することによって行われるこ とを特徴とする請求項３記載の方法。
5. ５．硫黄を吸収するため石灰石を前記反応材料と共に前記反応室へ添加する段階 を更に含む請求項４記載の方法。
6. ６．前記燃料に含有するアルカリ成分がナトリウム成分とカリウム成分を含み、 Ａｌ／（Ｎａ及びＫ）のモル比を少なくとも１．０にするような十分なカオリン が添加され、そして反応しなかったカオリン粒子が前記段階（ｂ）によって分離 されて再循環させられることを特徴とする請求項３記載の方法。
7. ７．前記反応材料が金属の酸化物又は燃焼の間に酸化物へ変換される水酸化物で あり、前記燃料内のアルカリ成分がアルカリ金属塩を含み、そして前記段階（ｃ ）が、前記アルカリ金属塩の金属に対する前記金属酸化物の金属の比が少なくと も約１．０になるように行われることを特徴とする請求項２記載の方法。
8. ８．前記反応材料が固体粒子の形で添加されるカオリンであり、前記アルカリ金 属塩がナトリウム塩とカリウム塩を含み、そして前記段階（ｃ）が、Ａｌ／（Ｎ ａ及びＫ）の比が少なくとも１．０になるように行われることを特徴とする請求 項７記載の方法。
9. ９．前記燃料が亜炭及び塩状褐炭で成るグループから選択されることを特徴とす る請求項４記載の方法。
10. １０．前記燃料が亜炭及び塩状褐炭で成るグループから選択され、そしてその燃 料が、前記反応室へ送給される前に、前記反応材料及び固体粒子と混合されるこ とを特徴とする請求項１記載の方法
11. １１．前記段階（ｄ）が、前記反応室の中又は反応室の面上に設置された熱回収 装置を使って前記反応室から直接熱エネルギーを回収することによって行われ、 そして前記燃料が、前記反応室へ送給される前に、前記反応材料及び固体粒子と 混合されることを特徴とする請求項１記載の方法。
12. １２．流動床反応器を始動後に操作する方法において、該反応器がファースト流 動床反応器として操作され、このために、 ａ）燃焼を行って排気ガスを放出する反応室の中に流動床を形成するため、実質 的に亜炭及び塩状褐炭で成るグループから選択された燃料を酸素含有ガスと共に 前記反応室内へ送給すること、 ｂ）カオリンを前記反応室内へ送信すること、ｃ）前記反応室からの前記排気ガ スから固体粒子と灰を引出すこと、及び、 ｄ）前記反応室から熱エネルギーを引出して利用すること の諸段階を含み、それら段階（ａ）−（ｄ）が、循環する床材料が主として前記 燃料、カオリン、及び灰で構成され、又微量な砂その他の床形成成分を含み、そ して前記床材料の集塊及び前記燃料の焼結が起らないように行われることを特徴 とする方法。
13. １３．前記燃料がナトリウム塩及びカリウム塩を含み、前記段階（ｂ）が、Ａｌ ／（Ｎａ及ひＫ）のモル比が少なくとも約１．０になるように十分なカオリンを 添加するように行われることを特徴とする請求項１２記載の方法。
14. １４．前記反応室の中又は反応室の面上に設置された熱回収面を使って前記反応 室から直接熱を引出して回収すること、及び前記反応室の全ての部分の温度が約 ７５０−９５０℃になるように燃焼温度を制御することの段階を更に含む請求項 １３記載の方法。
15. １５．低融点アルカリ成分を含む燃料を燃焼させる方法において、該燃料が反応 室を有するファースト流動床反応器内で燃焼させられ、そして、 ａ）前記反応室内に、酸素含有ガス、低融点アルカリ成分を含有する燃料、及び 固体を含む流動床を形成して該燃料を燃焼させ、前記反応室から放出される排気 ガスを作ること、 ｂ）前記オフガスからこれに含まれる固体を分離し、前記反応室へ再循環させて 前記流動床の一部を形成すること、 ｃ）前記反応室へ反応材料を添加して前記燃料の低融点アルカリ成分と反応させ て約９５０℃以上の融解温度を有するアルカリ金属化合物を作ること、及び、ｄ ）前記反応室内に燃焼を維持し、該反応室から直接熱を引出して回収することに より反応室内の最高温度を約９５０℃より低くし、これによって床材料の集塊、 燃料の焼結、及び前記流動床反応器の操作要素上への堆積物の過剰な形成を防止 すること の諸段階を含むことを特徴とする方法。
16. １６．硫黄を吸収するため前記反応材料と同時に石灰石を前記反応室へ添加する 段階を更に含み、そして前記燃料と反応材料とが前記反応室へ送給される前に混 合されることを特徴とする請求項１５記載の方法。
17. １７．前記反応材料が、アルミニウム、カルシウム、マグネシウム、シリカ、鉄 、チタン、及びこれらの２つ又はそれ以上の混合物で成るグループの酸化物、又 は燃焼中に酸化物へ変換される水酸化物であり、そして前記段階（ｃ）が固体粒 子の形の前記反応材料を前記反応室内へ導入することによって行われることを特 徴とする請求項１５記載の方法。
18. １８．前記反応材料が固体粒子の形で添加されるカオリンであり、前記アルカリ 金属塩がナトリウム塩及びカリウム塩を含み、そして前記段階（ｃ）が、Ａｌ／ （Ｎａ及びＫ）の比が少なくとも１．０になるように行われることを特徴とする 請求項１５記載の方法。
19. １９．亜炭及び塩状褐炭で成るグループから選択される燃料を流動床反応器を使 って燃焼させる方法において、該燃料がファースト流動床反応器内で燃焼させら れ、そこで、 ａ）燃料、酸素含有ガス、及び固体床粒子を包む流動床を形成し、維持して、該 燃料の燃焼を行わせ、そして反応室から放出される排気ガスを作ること、ｂ）前 記反応室全体に亘って約７５０−９５０℃の範囲で実質的に均等な温度を維持す ること、及び、ｃ）前記床材料の集塊、燃料の焼結、及び前記流動床反応器の操 作要素上への堆積物の過剰な形成を防止するため、アルミニウム、カルシウム、 マグネシウム、シリカ、鉄、チタン、及びこれらの２つ又はそれ以上の混合物で 成るグループから選択される金属の固体粒子酸化物、又は燃焼中に酸化物へ変換 される水酸化物を十分に前記反応室へ添加し、これによりそれら金属酸化物を前 記亜炭又は塩状褐炭の成分と反応させることによって前記集塊、焼結、及び堆積 物の過剰な形成を防止することの諸段階を含むことを特徴とする方法。
20. ２０．前記反応室から直接熱を引出し、利用する段階を更に含む請求項１９項記 載の方法。
21. ２１．前記金属酸化物がアルミニウムを含み、前記燃料がナトリウム塩及びカリ ウム塩を含み、そして前記段階（ｃ）が、Ａｌ／（Ｎａ及びＫ）のモル比が少な くとも約１．０になるように行われることを特徴とする請求項１９記載の方法。
22. ２２．前記金属酸化物がアルミニウムを含み、前記燃料がナトリウム塩及びカリ ウム塩を含み、そして前記段階（ｃ）が、Ａｌ／（Ｎａ及びＫ）のモル比が少な くとも約１．０になるように行われ、又前記燃料と金属酸化物とが前記反応室へ 送給される前に混合されることを特徴とする請求項２０記載の方法。