JPH0399106A - 流動層燃焼装置の燃料供給方法 - 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】 （産業上の利用分野） 本発明は流動層燃焼装置の燃料供給方法に係り、特に反
応効率を向上させるのに好適な循環流動層燃焼装置の燃
料供給方法に関する。

〔従来の技術〕

第２図は、従来技術による流動層燃焼装置の系統図であ
る。この装置は、炭化水素或分を含む燃料をほぼ量論空
気比において燃焼させる燃焼炉１と、該燃焼炉１から排
出される微粒流動物質を捕集して再び燃焼炉１に戻し、
再循環させる粒子捕集器９およびＬバルプ１０と、前記
燃焼炉ｌに燃料および脱流刑としての石灰石を供給する
燃料供給口ｌ４と、前記燃焼炉１の下部から流動層形戒
用ガス（一次ガス）を供給する一次ガス分配器１１と、
前記燃料供給口１４より上部から供給される乱流粒子層
形戒用ガス（二次ガス）の投入口５と、スタートアップ
バーナ８と、前記粒子捕集器９で微粒流動物質が除かれ
た排ガス中の粒子をさらに捕集する粒子捕集器２１と、
蒸気過熱器２２と、節炭器２３と、前記一次ガスおよび
二次ガスを排ガスの熱で予熱する空気予熱器７と、排ガ
スを系外に排出する煙突２５とから主としてなる。

このような構戒において、燃料バンカ２および石灰石バ
ンカ３にそれぞれ貯溜された燃料および石灰石は、フィ
ーダ４でその量カ月周節されて燃料供給口ｌ４から燃焼
炉１に供給される。一方、空気予熱器７で予熱された空
気は、押込通風［６によりその一部が一次ガスとして一
次ガス分配機ｌ１を経て燃焼炉下部に供給され、残りが
二次ガスとして二次ガス投入口５から供給される。スタ
ートアップバーナ８の点火により前記燃料が燃焼し、該
燃焼によって生じた排ガス中の微粒流動物質は、粒子捕
集器９でその大部分が捕集され、ＬバルブＩＯにより燃
焼炉１に再循環される。排ガス中の粒子はさらに粒子捕
集器２１で捕集され、捕集粒子排出口ｌ３から系外に排
出される。粒子が除かれた排ガスは、蒸気過熱器２２お
よび節炭器２３を経て熱交換を行った後、空気予熱器７
に導入され、前記一次ガスおよび二次ガスと熱交換を行
い、誘引通風機２４により煙突２５に導かれて系外へ排
出される。

このような装置の構成は、流動層形或部における燃料の
混合を充分に行うことを目的としている。

しかしながら、装置が大容量化すると充分な燃料の混合
が得られないことが明らかになってきた。

また、この装置への燃料投入においては、高圧条件下へ
の燃料の圧人が必要であり、供給管出口における詰まり
発生の防止や、流動化用ガスの供給管上流側への逆流防
止などの対策が必要となり、構造上の工夫に苦慮してい
るのが現状である。すなわち、ロータリーバルブを使用
したり、これをさらに直列に配置したり、シーリングエ
アーを用いるなどの手段が用いられている。しかし、こ
れらの方法では装置の値段が高くなったり、シーリング
エアーのアンバランスが発生し易いなどの欠点がある。

また燃料の投入方法の一手段として、ループシールなど
を再循環系統の途中に設置し、そこで燃料を混入させる
方法があるが、高温の再循環媒体中で燃料の一部が燃焼
し、灰分が溶融・スラッギング化して配管に付着、プラ
ッギングする問題が生じる。

さらに、流動媒体、燃料および脱硫剤（石灰石）中の不
活性戒分を抜取るための流動媒体排出口１２が、通常燃
焼炉ｌの下部に設置されるが、従来の燃料供給法では、
燃料供給口１４が流動媒体排出口ｌ２近くに設置される
ため、排出すべき対象物の不活性戒分に多量の未反応燃
料が混入し、装置の燃焼効率が低下するという欠点があ
る。またこのように排出口近くに未燃分が存在し、灰分
が溶融・スラッギング化し易い状況では、流動媒体の抜
出しに支障をきたすことがある。

〔発明が解決しようとする課題］ 上記の従来技術においては、流動層燃焼装置を高さ方向
に一次元的に捉え、大粒径の燃料も小粒径の燃料も、乱
流粒子層形戒用二次ガス投入口５の下部に投入し、いず
れの粒径の燃料も上方に向かって移動しつつ、同じ平均
燃焼速度で燃焼が進行するとして装置が設計されている
。しかし、粒径が小さいほど燃焼時間は短く、粒径が大
きいほど燃焼時間は長くなるので、それぞれの粒径に応
した滞留時間がとれるようにしておくことが望ましい。

二次ガス投入口５の下部の一個所から小粒径の燃料も大
粒径の燃料も投入されると、小粒径の燃料が先に燃焼を
始めて酸素を消費するため、大粒径の燃料は酸素分圧が
低下した領域で、すなわち燃焼しにくい状態で燃焼する
ことになる。

本発明の目的は、前記従来技術の問題点をなくし、流動
層装置が大容量化した場合でも、大粒径の燃料には長時
間の滞留時間を、また小粒径の燃料には短い滞留時間を
持たせて燃焼効率を向上させることができる流動層燃焼
装置の燃料供給方法を提供することにある。

〔課題を解決するための手段〕

本発明者等は、前記課題に鑑み、鋭意検討し、燃焼塔内
の同一断面における中心部と壁近くにおいては粒子の挙
動が全く異ることに着目し、燃料供給口を乱流粒子層形
成用二次ガス投入口より上部に設けることによって前記
課題が達威されることを見出し、本発明に到達した。

すなわち、本発明は、燃料供給部と、流動層媒体を流動
化して燃料を燃焼するための一次ガスを供給する一次ガ
ス供給部と、該一次ガスより上部に供給し、燃料を浮遊
化して燃焼するための二次ガスを供給する二次ガス供給
部と、これらより供給された燃料および空気を燃焼する
燃焼炉と、該燃焼により生じた排ガス中の粒子を捕集す
る浦集器と、捕集された粒子を再び燃焼炉に戻す再循環
系とを具備した流動層燃焼装置に燃料を供給するに際し
、前記燃料供給部から前記燃焼炉に供給する燃料の大部
分を、前記二次ガス供給部より上部に供給することを特
徴とする流動層燃焼装置の燃料供給方法に関する。

本発明においては、前記燃料供給部から供給する燃料を
、燃焼炉内壁から半径方向３０叩以内の範囲に緩やかに
供給することが好ましい。

〔作用］ 乱流粒子層を形或する層内においては、同一断面内でも
中心部と壁面近くでは流動化している粒子の粒径分布に
大きな差のあることが明らかとなっている（Ｗ．Ｎｏｖ
ａｋ，ｅｔ　ａｌ“旧ｇｈ−ｖｅｌｏｃｉｔｙ　ｆｌｕ
ｉｄｉｚａｔｉｏｎ　ｉｎ　ａ　ｂｉｎａｒｙ　ｓｏｌ
ｉｄ　ｍｉｘｔｕｒｅ”Ｐｒｅｐｒｉｎｔｏｆ　　ｔｈ
ｅ　２ｎｄ　ＳＣＥＪ　Ｓｙｍｐ．ｏｎ　Ｃｉｒｃｕｌ
ａｔｉｏｎ　Ｆｌｕｉｄｉｚｅｄ　Ｂｅｄｓ．（Ｔｏｋ
ｙｏ　Ｊａｐａｎ，　　Ｊｕｎ　２０　〜２１　１９８
８、ｐ．４８５２）。すなわち、従来考えられていたよ
うな乱流粒子層が形威されているのは、壁面より約３０
ｍｍ以上離れた中心部においてであり、壁面近くにおい
ては、比較的大粒径のものを多く含んだ粒子群によって
構威されており、しかも平均的には下降流を形戒する。

第３図は、流動層装置内における大粒径粒子の存在比率
を示す図である。縦軸は粒子径４６μｍの流動媒体と、
粒子径３　ｍｍのポーラスなアルミナ粒子の混合物を流
動化させる内径０．　２　０　５　ｍで高さ６．　６　
５　ｍの火炉内において、空気速度４ｍ／ｓ、粒子質量
流東４５ｋｇ／ｒｄｓで操作したときの、アルミナ粒子
の存在比率、横軸は炉半径で無次元化した半径方向距離
である。これによると、壁面３ＯＩｎｆｆｌ以内の領域
近くに大粒径のアルごナ粒子が多く集まっている傾向が
認められる。

第４図は、第３図の装置における空気速度２．　０ｍ／
ｓ、粒子質量流束３４ｋｇ／ボＳのときの装置内粒子速
度分布図である。この図からは壁面３０帥以内の領域で
は下降流になっていることが認められる 第５図は、循環流動層内の流動挙動を示す図である（Ｐ
ｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　３ｒｄ　ＳＣＥ
Ｊ　Ｓｙｍｐｏｓｉｕｍ　ｏｎ　Ｃｉｒｃｕｌａｔｉｎ
ｇ　Ｆｌｕｉｄｉｚｅｄ　Ｂｅｄｓ　Ｔｏｄｙｏ，　Ｊ
ａｐａｎ　Ｊａｎｅ　１４−１５．１９８９　ｐ．２６
）。図において、（イ）は高流速時、（ハ）は低流速時
、および（口）はその中間の流速時における挙動を示し
、ガスは本発明における二次ガスに相当する。粒子供給
は二次ガス供給部より上部においてなされるが、壁面に
沿って流入するようにすれば壁面近くを流下する粒子層
を乱すことなく燃料等の粒子を供給することが可能であ
る。

上記下降流領域に燃料を分散投入すると、大粒子のもの
はそのまま下降流中に同伴され、炉底に向かって流下す
る。小粒子は一旦下降流中に巻き込まれるが、断面方向
へのランダムな移動とともに乱流粒子層本体側に同伴さ
れ、上方に向かって流れるようになる。従って、投入口
を同一断面内に複数個設置して燃料を投入すれば、下降
流中を分散しながら流下する燃料は、壁面に沿って広が
って均一化するため、従来法のように炉底に近いところ
に流入口を設けた場合に比較して投入口の数が少なくて
済むという利点がある。

このような過程の中で燃料は着火・燃焼することになる
が、大粒子のものは壁面近くの比較的低温の領域をその
粒径を小さくしながら流下し、炉底の流動層部に達し、
ここで一次ガスと混合して燃焼し、さらに粒径は小さく
なり、上方に向かって吹上げられ、二次流動化ガスによ
って乱流粒子層を形威し、炉の上方へ送られ、炉外へと
排出される。小粒子のものはこのような全過程を経ない
で粒径が小さくなり、ある大きさまで減少すると乱流粒
子層中に巻き込まれ、炉外へと排出される。

すなわち、二次ガスの上方より投入された燃料は、その
粒径に応じて滞留時間が調整された形となり、必要にし
てかつ充分な燃焼時間が与えられて炉外に排出されるこ
とになる。

灰分が非常に多い粒子が混入している場合には、これら
はすべて流動層部の炉底に滞留することになり、該炉底
部に炉外への排出口を設けると、排出される粒子は、未
燃分のほとんど含まれていない物質で構威され、燃焼効
率は向上することになる。大粒径の燃料もこの排出口に
到達するまでに燃焼が進み、未燃分は非常に少くなる。

従来の方法においては、非常に長時間炉内に滞留して灰
分を凝集させ、いわゆるアグロメレーションなどの不都
合な現象の引き金となることがあったが、本発明によれ
ば連続的にこのような粒子を抜出すことができるので、
このようなトラブルも減少させることになる。

〔実施例］ 以下、本発明を図面および実施例により説明する。

第１図は、本発明における一実施例を示す流動層燃焼装
置の系統図である。第１図において、第２図と同一部分
は同一符号を付し説明を省略する。

第１図で第２図と異なる点は、二次ガス投入口５を燃料
供給口ｌ４の下部に設けたことである。

燃焼炉ｌの大きさは、炉幅０．　７　ｍ、奥行き０．７
ｍおよび高さ７ｍであり、投入燃料は４０５ｋｇ／ｈで
ある。場合によってはさらにこのほかに流動化媒体とし
ての粒子、例えば川砂やアルミナ粉末などが混入される
。また燃料、石灰石および流動化媒体のいずれかが、別
の場所から投入されることもある。

流動化用および燃焼用の空気は、押込み通風機６により
送られ、一次ガスは空気予熱器７によって加熱された後
、炉底の一次ガス分配器１１から炉内に投入され、二次
ガスは炉の中央部に設置された二次ガス投入口５より炉
内に投入される。一次ガス投入量は約１６２０Ｎｍ／ｈ
、二次ガス投入量は約１６７０Ｎｒｄ／ｈである。燃料
供給口１４は、二次ガス投入口５よりも上部に設置され
、燃料投入は、乱流粒子層を乱さないように、炉内壁の
近＜３０ｒｒｒｍ以内の距離の範囲内に穏やか番こ供給
される。そのために投入口を複数個設置し、粒子輸送用
のガス流速をできるだけ低くし、炉内での噴流流速をな
くするようにした。

第６図は、燃料投入方法の一例を示す燃料供給部の拡大
断面図である。図において、燃料粒子は、スクリューコ
ンベアｌ６で燃料供給口１４に導かれ、かつその出口に
取りつけられた可動バッフル１７によって緩やかに炉壁
面に沿って落下するように供給される。

炉内に投入された燃料および石灰石は、炉底に向かって
落下し、一次ガスによって流動化される。

流動化した燃料は、起動時においてぱあらかしめ点火さ
れたスタートアップバーナ８によって約５ｏ　ｏ　’ｃ
で燃焼され、また定常状態においてはこのスタートアッ
プバーナは消火されていても、約８ｏｏ’ｃに昇温して
いるので容易に着火して燃焼を持続する。燃焼によって
粒径の小さくなった燃料粒子は、流動層上部に浮上し、
二次ガスにより加速されて炉の上部に飛散し、そこで乱
流粒子層（粒子分散層）を形戒しながら燃焼する。

この乱流粒子層中における燃焼が本装置における主反応
域であり、この領域の温度は、この領域で発生する熱と
、この燃焼室を構或する冷却面（水冷壁）への熱吸収と
のバランスにより決定され、この温度が均一になるよう
に粒子密度が制御される。この温度を均一にするための
要因は、ガス流速および粒子流量が主であるが、ガス流
速は、通常４〜８　ｍ　／　ｓの範囲内で運転される。

これは、流速が低くなると、粒子の流動化がなされず、
また流速が高くなると、装置を構成している部材が流動
媒体によって摩耗し、装置寿命が短くなることによるが
、これらの条件は当然ガス側だけの要因によって決まる
ものではなく、粒子側の物性値、粒径分布などとの組合
わせによって決まるものであり、必ずしも上記の流速範
囲に限られることはなく、さらに低い流速での運転も、
さらに高い流速での運転も可能である。しかし、通常は
、上記の範囲内で運転し、負荷変化に応じてこの流速を
変え、粒子密度を変化させて温度の制御が行われる。す
なわち、一次ガスと二次ガスの比率を変化させて負荷変
化に対応する。また負荷変化に対応する方法には、再循
環流動媒体の量を変化させる方法もある。本実施例にお
いては後者の方法を用いた。一次ガスと二次ガスをほぼ
等量ずつ供給するように固定し、ガス流速は約７．　６
　ｍ　／　ｓとした。

燃焼室中で燃焼を継続した燃料は、さらに粒径が小さく
なり燃焼室から排出される。排出された燃料粒子は、未
燃分をほとんど含まないように計画されるが、なお未燃
分を残したままの燃料粒子および燃料中より放出された
硫黄酸化物と反応した石灰石粒子や流動媒体が飛散して
燃焼炉から排出される。これらの粒子は、粒子捕集器９
によって捕集され、粒子下降管を経て燃焼炉に再び戻さ
れる。粒子捕集器９としては、サイクロン分離器が用い
られるが、圧力損失が大きいという欠点があるため、本
実施例においてはＵビームと称する断面形状がＵ字形を
した衝突版を組合わせた慣性衝突集塵機を用いた。また
前記したように燃焼炉内の温度を制御するため、ここで
捕集した粒子を燃焼炉内に再び戻すが、その流量はＬバ
ルプ１０を用いて制御した。従来技術においては、この
再循環系の途中にループシールを用いて流量を制御した
り、熱除去を行ったりする方式も提案されているが、こ
のような装置を具備しても本質的には差はない。

粒子捕集器９を出た燃焼排ガス中には、なお微小な粒子
が残存しているので、これをさらに粒子捕集器２１を用
いて除去する。本実施例ではここで除去された粒子は、
灰中未燃分が０．　５％以下になっていたので除去した
が、なお、未燃分が多量に残っているような場合には、
燃焼炉内に戻すことも可能である。粒子捕集器２１を出
た排ガスは、約８００゜Ｃの高温を保っているので、蒸
気過熱器２２および節炭器２３と熱交換し、充分冷却さ
れた後、誘引通風機２４により煙突２５から系外に排出
される。

本実施例においては、燃料を二次ガスの上部より投入し
たため、微小粒子（約５０μｍ以下）は炉底にまで下降
せず、燃焼炉上部において着火、燃焼するので、炉上部
における温度が均一化し易く、また炉壁における熱負荷
分布が均一化するので、従来型の運転法に較べて火炉に
おける総熱吸収量が１．２％多くなることがわかった。

また投入する石炭の粒径分布も平均粒径を３８０μｍと
し、種々変化させて試験したが、最大粒径６ｍｍ以下に
しておけば、燃焼率にほとんど変化は認められなかった
。これは二次ガス上部の壁面領域における分級作用によ
って粒径に応した滞留時間が確保されたためであり、幅
広い石炭の粒径分布に対応可能であることがわかった。

また脱硫剤としての石灰石の粒径分布も、平均粒径を１
７０ｕｍとして種々変化させて試験したが、Ｃ　ａ　／
　Ｓを１．３まで低下させても脱硫率は９８％を維持し
た。これは炉内の微小粒子燃料の燃焼による高温均一化
が石灰石利用率を向上させたものと考えられ、これによ
り石灰石に対しても幅広い粒径分布に対応できることが
わかった。

また炉底部に設けた流動媒体排出口ｌ２から抜出された
灰分を分析したところ、未燃分は約０．５％以下であり
、従来の方式で運転した場合の未燃分約３．２％に比較
すると半分以下になっており、燃焼効率の向上が顕著な
ものであることがわかった。

〔発明の効果〕

本発明によれば、燃料および脱硫剤をその粒径分布に厳
しい制約を課せることなく供給しても、炉内滞留時間が
各粒径に応じて定まるため、火炉内温度分布が均一で、
炉壁における熱負荷分布が一様となり、火炉を構或する
伝熱面の選定が容易になる。また燃料供給口と流動媒体
排出口を離して設けるため、燃焼効率を向上させること
ができる。さらに燃焼領域における温度が均一化されて
いるので、脱硫剤として使用される石灰石は粒径分布を
自由に選んでも、その反応率を向上させることができ、
石灰石の使用量を減少させることができる。さらにまた
最高温度を下げることが可能になるので、低ＮＯｘ化も
容易に達戒することができる。

【図面の簡単な説明】

第ｌ図は、本発明における一実施例を示す流動層燃焼装
置の系統図、第２図は、従来技術による流動層燃焼装置
の系統図、第３図は、流動層装置内における大粒径粒子
の存在比率を示す図、第４図は、第３図の装置の装置内
粒子速度の分布を示す図、第５図は、循環流動層内の流
動挙動を示す図、第６図は、本発明における燃料投入方
法の一例を示す燃料供給部の拡大断面図である。 ｌ・・・燃焼炉、２・・・燃料バン力、３・・・石灰石
バン力、４・・・フィーダ、５・・・二次ガス投入口、
６・・・挿入通風機、７・・・空気予熱器、８・・・ス
タートアップバーナ、９、２ｌ・・・粒子捕集器、１０
・・・Ｌハルブ、１ｌ・・・一次ガス分配器、１２・・
・流動媒体排出口、１３・・・捕集粒子排出口、２２・
・・蒸気過熱器、２３・・・節炭器、２４・・・誘引通
風器、２５・・・煙突。 第 １　図

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）燃料供給部と、流動層媒体を流動化して燃料を燃
   焼するための一次ガスを供給する一次ガス供給部と、該
   一次ガスより上部に供給し、燃料を浮遊化して燃焼する
   ための二次ガスを供給する二次ガス供給部と、これらよ
   り供給された燃料および空気を燃焼する燃焼炉と、該燃
   焼により生じた排ガス中の粒子を捕集する捕集器と、捕
   集された粒子を再び燃焼炉に戻す再循環系とを具備した
   流動層燃焼装置に燃料を供給するに際し、前記燃料供給
   部から前記燃焼炉に供給する燃料の大部分を、前記二次
   ガス供給部より上部に供給することを特徴とする流動層
   燃焼装置の燃料供給方法。
2. （２）燃料供給部から供給する燃料を、燃焼炉内壁から
   半径方向３０ｍｍ以内の範囲に緩やかに供給することを
   特徴とする請求項（１）記載の流動層燃焼装置の燃料供
   給方法。