JPH05340675A - 循環流動層における気体燃料の混焼方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 石炭焚き循環流動層炉において気体燃料を安
全で環境問題を生ずることなく、高効率で混焼させる。 【構成】 空気を２段供給する循環流動層燃焼室におい
て、２次空気の導入管の内部に設置した供給管から気体
燃料を供給し、２次下段空気量Ｑ₁ と気体燃料流量Ｑ₂
との間にＱ₁ ／Ｑ₂ ≧０．３Ａ₀ （Ａ₀ ：気体燃料理論
燃焼空気量）で表される関係を維持することを特徴とす
る循環流動層における気体燃料の混焼方法。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、循環流動層で石炭等の
炭材と気体燃料を燃焼させ、燃焼熱を効率良く回収する
方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】流動層を利用した燃焼装置は、多様な固
体燃料を安定した条件下で効率良く燃焼することができ
る特徴を活かし、種々の分野で利用されている。また、
この燃焼装置によるとき、燃焼時に発生するＳＯ_X 、Ｎ
Ｏ_X 等の有害成分も少なくなる。この燃焼装置は、一つ
の槽内で炭材を流動化させるバブリング流動層式と、層
外に飛散した炭材を槽内に循環させる循環流動層式とに
大別される。この循環流動層式の燃焼装置は、空塔速度
を大きくし炭材、熱媒体等を積極的に循環させているの
で、良好な混合特性及び高い伝熱特性が得られる。ま
た、均一な温度場の中で燃料と空気との接触が充分に行
われることから、低温燃焼が可能となり、流動層を構成
する部材の耐久性が向上することは勿論、サーマルＮＯ
_X の発生も抑制される。

【０００３】図３は、すでに知られている循環流動層式
の燃焼装置の一つを示す（特公昭５７−２８０４６号公
報、特公昭５９−１３６４４号公報等参照）。この燃焼
装置においては、流動層反応炉４１にランス４２から石
炭が吹き込まれる。石炭は、流動層反応炉４１の底部か
ら導管４３を介して吹き込まれた流動化ガスによって流
動状態に維持される。そして、流動化ガスに含まれてい
る酸素及び二次ガス導入管４４から吹き込まれる空気に
よって石炭が燃焼し、燃焼ガスは流動層反応炉４１内を
上昇する。流動層反応炉４１の内部には、水等の冷媒を
循環させる管を多数備えた冷却面４５が設けられてい
る。また、流動層反応炉４１の炉壁部分にも、同様な構
造をもつ冷却面４６が設けられている。

【０００４】燃焼ガスが炉内を上昇する過程で冷却面４
５及び冷却面４６を流れる冷媒と熱交換され、燃焼ガス
の保有熱は高温の冷媒として外部に取り出される。他
方、熱交換後の燃焼ガスは、分離器４７に送られる。こ
の分離器４７にも、同様な構造をもつ冷却面４８が設け
られている。流動層反応炉４１から送り出された燃焼ガ
スは、この分離器４７を下降流として流れる。この過程
で、燃焼ガスの保有熱は、更に冷却面４８によって系外
に取り出される。また、燃焼ガスに浮遊している未燃焼
炭材、灰分等の粒子は、燃焼ガスから分離され、返送管
４９を経由して流動層反応炉４１に戻される。他方、冷
却された燃焼ガスは、排気管５０を経て排熱ボイラー５
１に送られ、更に抜熱された後、集塵器５２に送られ
る。

【０００５】集塵器５２で除塵された燃焼ガスは、排ガ
スとして系外に放出される。他方、燃焼ガスから分離し
た固形物質は、導管５３を介して流動層冷却器５４に送
り込まれる。流動層冷却器５４には、返送管４９の途中
に接続された導管５５を介して、分離器４７で分離され
た固形物質の一部も送り込まれる。これらの固形物質
は、導管５６から吹き込まれる酸素含有ガスによって流
動化される。このガスは、フードで集められ、二次ガス
として二次ガス導入管４４から流動層反応炉４１に吹き
込まれる。

【０００６】また、流動層冷却器５４内の固形物質は、
導管５７から吹き込まれる酸素含有ガスと熱交換され
る。このようにして予熱された酸素含有ガスは、流動化
ガスとして導管４３から、及びキャリアガスとしてラン
ス４２から流動層反応炉４１の内部に吹き込まれる。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】産業界では、各種工場
で余剰の可燃性ガスが発生することがあり、この余剰ガ
スを気体燃料として燃焼させることによりエネルギーの
有効利用が可能となる。しかしながら、従来の循環流動
層燃焼装置では、起動用バーナ以外には気体燃料を用い
ておらず、たとえば特公昭５７−２８０４６号公報の燃
焼装置での対象燃料は、石炭及びこの洗浄くず、乾留残
渣、オイルシェール、燃料油であり、気体燃料について
は述べられていない。

【０００８】気体燃料は石炭等の固体燃料に比べてはる
かに燃焼速度が速いため、均一に分配せずに供給部付近
で急激に燃焼した場合は、局部的な高温域（例えば９５
０℃以上）が形成され、設備構造上の支障をきたすと共
に高濃度の窒素酸化物を発生し環境上の問題を生じる。
また、気体燃料の供給部付近で燃焼用空気の量が不足す
るか、または気体燃料と燃焼用空気が十分に混合しない
場合は燃焼が不十分となり、ＣＯ等の未燃分が煙突から
排出されることにより（例えば煙道排ガス中ＣＯ≧２０
０ｐｐｍ）、安全上・環境上とエネルギー的な損失の問
題を生じる。

【０００９】そこで本発明は、気体燃料の供給位置を規
定し、気体燃料流量と空気量の関係を適切に設定するこ
とにより、気体燃料混焼時も石炭等と同様の安定した条
件下で燃焼を行い、効率良く燃焼ガスから熱を回収する
ことを目的とする。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明は前記課題を解決
するものであって、流動層燃焼室内で１次と上下２段の
２次に分けて供給された空気により流動状態にされた炭
材を燃焼させ、未燃成分及び灰分と共に燃焼ガスを分離
器に送り、該分離器で前記未燃成分及び灰分を燃焼ガス
から分離して前記流動層燃焼室に返送しながら炭材を燃
焼する循環流動層による燃焼方法において、前記２次下
段空気の前記流動層燃焼室内への導入管の内部に気体燃
料供給管を設置し、前記流動層燃焼室内へ気体燃料を導
入し、２次下段空気量Ｑ₁ と気体燃料流量Ｑ₂ との間
に、Ｑ₁ ／Ｑ₂ ≧０．３Ａ₀ （Ａ₀：気体燃料理論燃焼
空気量）で表される関係を維持することを特徴とする循
環流動層における気体燃料の混焼方法である。

【００１１】

【作用】本発明者等は、気体燃料の供給方法が燃焼性を
支配することを見い出し、気体燃料の供給位置と燃焼用
空気の供給量との比率を適切に維持することにより、各
種の気体燃料を低公害で効率良く燃焼できることを解明
した。すなわち、例えば気体燃料を単独の供給管により
流動層燃焼室に供給した場合は、流動粒子に遮られて気
体燃料は流動層燃焼室の内部には到達せずに燃焼室壁面
で燃焼する傾向がある。ところが、本発明に示す方法に
より気体燃料を燃焼用空気供給管の内部から燃焼室内に
供給すれば、気体燃料は空気噴流に随伴して流動層内部
に到達し、活発な流動状態にある流動粒子の攪拌効果に
より、気体燃料単独で供給した場合に比べて均一な燃焼
が可能となる。さらに、同位置で供給する空気供給量を
気体燃料の理論燃焼空気量の０．３倍以上とすることに
より前述の流動層内部への貫通攪拌効果と均一燃焼効果
が得られる。

【００１２】図１は、本発明において使用する燃焼装置
の例の概略を示す。炭材としては、粒状石炭１を石炭供
給ホッパー２に蓄えておく。また、脱硫材として粒状の
石灰石３を石灰石供給ホッパー４に貯留している。これ
ら粒状石炭１及び石灰石３は、それぞれのホッパー２、
４から切り出されて、原料供給管５に送り出され、この
原料供給管５を介して流動層燃焼室６の下部に送り込ま
れる。

【００１３】この流動層燃焼室６の底部には空気供給源
７に接続されている１次空気導入管８が接続している。
この１次空気導入管８から吹き込まれた１次空気によっ
て、原料供給管５から送り込まれた粒状石炭１、石灰石
３等が流動層燃焼室６で流動状態に維持される。また、
１次空気導入管８から分岐して設けられた２次上段空気
導入管９と２次下段空気導入管２４は、流動層燃焼室６
内に接続している。さらに本発明方法を実施するための
気体燃料供給管２５は、２次下段空気導入管２４と同一
軸かつその内部に設置され流動層燃焼室６に開孔してい
る。図２はこの部分の流動層燃焼室の詳細を示す図であ
る。

【００１４】２次上段空気導入管９及び２次下段導入管
２４から吹き込まれた空気は、１次空気導入管８からの
空気と相まつて、粒状石炭１の燃焼を促進させる。この
時に発生した燃焼熱は、主として粒状石炭、石灰石粒、
粒状灰分等の固形物質に担持され、この固形物質から周
囲に輻射熱として放散される。そこで、図３の冷却面４
５、４６と同様に図１に示す流動層燃焼室６に、内部に
水等の流体を循環させる配管系を備えた抜熱機構３２を
設け、燃焼熱を高温流体として系外に取り出す。

【００１５】この燃焼によって生成した燃焼ガスは微細
な未燃炭材、石灰石、灰分等の粉塵と共に流動層燃焼室
６内を上昇し、その上部に取り付けられた連結管１０を
介してサイクロン１１に送られる。サイクロン１１で粉
塵が分離された燃焼ガスは、排気管１２を経由して対流
ボイラ１３に送られ、熱回収される。そしてこの燃焼ガ
スは、集塵器１４で除塵された後、系外に放出される。
他方、サイクロン１１で燃焼ガスから分離された粉塵
は、返送管１５を下降する。

【００１６】返送管１５の下部は、図示のように一部が
上方に指向した屈曲部とされている。この屈曲部にサイ
クロン１１からの粉塵が溜り、返送管１５の下部と流動
層燃焼室６の下部との間の粉体シールを行うニューマチ
ックバルブ１６が構成される。このニューマチックバル
ブ１６に溜っている粉塵は、１次空気導入管８から分岐
した気送管１７から吹き込まれる空気の圧力によって、
流動層燃焼室６内に適宜返送される。このように、粒状
石炭１は、流動層燃焼室６→サイクロン１１→ニューマ
チックバルブ１６→流動層燃焼室６を循環しながら、完
全燃焼する。

【００１７】また、供給された石炭中に混入する脈石や
流動層燃焼室６内の燃焼によって生じた比較的粒度の大
きな灰分等は、流動層燃焼室６の底部に接続された排出
管１８を経由して、灰分級器１９に送られる。この灰分
級器１９で、空気２０の吹き込みにより、排出管１８か
ら送り込まれた灰分等が粒度分級される。そして、比較
的粒度の大きなものは、粗粒灰分２１として系外へ排出
される。他方、粒度の小さな区分は、微細灰分２２とし
て返送管２３を介して流動層燃焼室６に返送される。

【００１８】

【実施例】この燃焼装置において、抜熱機構３２として
長さ１０ｍ、内径６５．９ｍｍ、外径７６．３ｍｍの耐
熱鋼製伝熱管を５本配置したものを、流動層燃焼室６の
壁面に配置した。そして、ポンプ３０で各パイプ当たり
１２０ｋｇ／ｈの流量で温度２０℃、圧力１０ｋｇ／ｃ
ｍ² の水３１を流した。また、原料供給管５から流動層
燃焼室６に送り込まれる粒状石炭１の粒径を２０ｍｍ以
下として供給量１５０ｋｇ／ｈで流動層燃焼室６に送り
込み、流動層燃焼室６内の温度を８５０℃に維持して粒
状石炭１を燃焼させた。

【００１９】また、１次空気・２次空気の合計供給量は
供給石炭の理論空気量の１．２倍とした。また、１次空
気の供給量は全供給量の５０％とし、残りを２次上段及
び下段空気として供給した。１次空気及び２次上下段の
各々の空気供給量は運転条件により調整することがあ
る。なお、２次下段空気導入管９の開孔部高さは流動層
燃焼室６底部から１ｍ上方である。

【００２０】上記の条件は固体燃料のみで気体燃料を使
用しないものであり、これを基準としての比較例１とし
て、以下各種条件で気体燃料を吹き込んだ。表１はこれ
ら条件と排ガス中ＣＯ濃度などの結果を試験を実施した
順序に示したものである。ここで実施例とあるのは本発
明の条件に入るものを、比較例とあるのは本発明の条件
から外れるものである。なお使用した気体燃料の性状に
ついては表２に示す。

【００２１】

【表１】

【００２２】

【表２】

【００２３】上記比較例１において、サイクロン１１出
口における排ガス中の一酸化炭素濃度は１６０ｐｐｍ、
燃焼室内最高温度は８５０℃であった。

【００２４】比較例２では、気体燃料としてコークス炉
ガスを供給量９０Ｎｍ³ ／ｈ（全入熱の４０％相当）
で、２次下段空気導入管２４と同一軸かつその内部に設
置した気体燃料供給管２５から流動層燃焼室６に送り込
み、全入熱量を一定とするため粒状石炭１の供給量を９
０ｋｇ／ｈに減らした。また、１次空気・２次空気の合
計供給量は全供給燃料の理論空気量の１．２倍とした。

【００２５】この時、２次下段空気量Ｑ₁ と気体燃料供
給量Ｑ₂ の比率をＱ₁ ／Ｑ₂ ＝０．２Ａ₀ （Ａ₀ ：気体
燃料理論燃焼空気量）とした結果、サイクロン１１出口
における排ガス中の一酸化炭素濃度は５００ｐｐｍとな
り、環境上問題のあるレベルとなつた。また、燃焼室内
最高温度は９７０℃に上昇した。流動層燃焼室６は燃焼
温度８５０℃を前提として各部の耐熱設計をしているた
め、本実施例の状態は設備保護上危険な状態と判断され
る。

【００２６】実施例１では、他の条件は比較例２と同一
として２次下段空気量Ｑ₁ と気体燃料供給量Ｑ₂ の比率
をＱ₁ ／Ｑ₂ ＝０．３Ａ₀ とした。この時、サイクロン
１１出口における排ガス中の一酸化炭素濃度は１８０ｐ
ｐｍ、燃焼室内最高温度は８５０℃となり、比較例１と
同等の良好な燃焼状態となつた。

【００２７】比較例３では気体燃料供給管２５の開孔部
高さを２次下段空気導入管２４の開孔部のさらに１ｍ上
方として、その他の条件を実施例１と同一とした。この
時、サイクロン１１出口における排ガス中の一酸化炭素
濃度は５００ｐｐｍ、燃焼室内最高温度は９５０℃とな
り比較例２と同様に危険な状態となつた。

【００２８】さらに、気体燃料供給管２５の開孔部の高
さを２次下段空気供給管２４と同一としたまま、各々の
水平方向の取付位置に０．５ｍの間隔を設定した場合の
運転結果も比較例３と同様であった。なお、気体燃料供
給管２５の開孔部の高さを２次下段空気導入管２４より
下方とすることについては、流動層燃焼装置６における
２次下段空気導入管２４の開孔部高さの下方に形成され
る高濃度の流動粒子層から、高温粒子が気体燃料供給管
２５の内部に侵入する危険があるため、実用上の意味は
ない。

【００２９】比較例４ではコークス炉ガスを供給量１３
０Ｎｍ³ ／ｈ（全入熱の６０％相当）として、全入熱量
を一定とするため粒状石炭１の供給量を６０ｋｇ／ｈに
減らした。その他の条件は比較例２と同一とした。この
時、サイクロン１１出口における排ガス中の一酸化炭素
濃度は９８０ｐｐｍ、燃焼室内最高温度は９６０℃とな
り、比較例２よりもさらに一酸化炭素濃度が増加した。

【００３０】実施例２では他の条件は比較例４と同一と
して２次下段空気量Ｑ₁ と気体燃料供給量Ｑ₂ の比率を
Ｑ₁ ／Ｑ₂ ＝０．３Ａ₀ とした。この時、サイクロン１
１出口における排ガス中の一酸化炭素濃度は１９０ｐｐ
ｍ、燃焼室内最高温度は８５０℃となり、比較例１と同
等の良好な燃焼状態となった。

【００３１】比較例５では、気体燃料として高炉ガスを
供給量５３０Ｎｍ³ ／ｈで気体燃料供給管２５から送り
込み、全入熱量を一定とするため粒状石炭１の供給量を
９０ｋｇ／ｈとした。２次下段空気量Ｑ₁ と気体燃料供
給量Ｑ₂ の比率は、Ｑ₁ ／Ｑ₂ ＝０．２Ａ₀ とした。こ
の時、サイクロン１１出口における排ガス中の一酸化炭
素濃度は１７００ｐｐｍ、燃焼室内最高温度は８３０℃
となり、比較例２よりもさらに一酸化炭素濃度が増加し
た。

【００３２】実施例３では他の条件は比較例５と同一と
して２次下段空気量Ｑ₁ と気体燃料供給量Ｑ₂ の比率を
Ｑ₁ ／Ｑ₂ ＝０．３Ａ₀ とした。この時、サイクロン１
１出口における排ガス中の一酸化炭素濃度は１９０ｐｐ
ｍ、燃焼室内最高温度は８４０℃となり、比較例１と同
等の良好な燃焼状態となった。

【００３３】実施例４では他の条件は実施例１と同一と
して、コークス炉ガス供給量を４０Ｎｍ³ ／ｈ（全入熱
の２０％相当）とし、石炭供給量を１２０ｋｇ／ｈとし
た。また２次下段空気量Ｑ₁ と気体燃料供給量Ｑ₂ の比
率はＱ₁ ／Ｑ₂ ＝３．０Ａ₀とした。この時、サイクロ
ン１１出口における排ガス中の一酸化炭素濃度は１９０
ｐｐｍ、燃焼室内最高温度は８２０℃となり、比較例１
と同等の良好な燃焼状態となった。

【００３４】ところで、２次下段空気量は、２次上段・
１次空気と同様に流動層形成の操作因子であるため、運
転条件により一定の調整範囲を有するが、本願発明で狙
う気体燃料の良好燃焼の確保を達成する条件としては、
その上限を設定する必要はない。したがって気体燃料種
類・気体燃料供給量Ｑ₂ と共に２次下段空気量Ｑ₁ を支
配するＱ₁ ／（Ｑ₂ ×Ａ₀ ）比についても上限を設定す
る必要はない。

【００３５】なお、本発明は前記実施例のみに限定され
るものではなく、本発明の要旨を逸脱しない限り種々変
更することは可能である。例えば、燃焼装置の規模によ
っては上下各々の２次空気をさらに複数の導入管に分割
することがあるが、この場合気体燃料供給管をすべての
２次下段空気導入管に設置することも、一部の２次下段
空気導入管に設置することも可能である。

【００３６】

【発明の効果】以上に説明したように本発明によれば、
循環流動層において局部的高温域の発生による設備上の
支障や窒素酸化物排出量の増加、および未燃分排出によ
る省エネルギ・環境上の問題を生ずることなく、気体燃
料の使用が可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明を実施するための装置の概略を示す図

【図２】図１の装置の流動層燃焼室の詳細を示す図

【図３】従来の燃焼装置を示す図

【符号の説明】

２ 石炭供給ホッパー ４ 石灰石供給ホッパー ６ 流動層燃焼室 ７ 空気供給源 ８ １次空気導入管 ９ ２次上段空気導入管 １１ サイクロン １３ 対流ボイラ １４ 集塵器 １９ 灰分級器 ２４ ２次下段空気導入管 ２５ 気体燃料供給管 ３０ ポンプ ３１ 水

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 上谷 順一 福岡県北九州市戸畑区大字中原46−59 新 日本製鐵株式会社機械・プラント事業部内 (72)発明者 古田 雅一 福岡県北九州市戸畑区大字中原46−59 新 日本製鐵株式会社機械・プラント事業部内 (72)発明者 日浦 文明 福岡県北九州市戸畑区大字中原46−59 新 日本製鐵株式会社機械・プラント事業部内 (72)発明者 田中 幸政 福岡県北九州市戸畑区大字中原46−59 日 鐵プラント設計株式会社内

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 流動層燃焼室内で１次と上下２段の２次
   に分けて供給された空気により流動状態にされた炭材を
   燃焼させ、未燃成分及び灰分と共に燃焼ガスを分離器に
   送り、該分離器で前記未燃成分及び灰分を燃焼ガスから
   分離して前記流動層燃焼室に返送しながら炭材を燃焼す
   る循環流動層による燃焼方法において、前記２次下段空
   気の前記流動層燃焼室内への導入管の内部に気体燃料供
   給管を設置し、前記流動層燃焼室内へ気体燃料を導入
   し、２次下段空気量Ｑ₁ と気体燃料流量Ｑ₂ との間に、
   Ｑ₁ ／Ｑ₂ ≧０．３Ａ₀ （Ａ₀ ：気体燃料理論燃焼空気
   量）で表される関係を維持することを特徴とする循環流
   動層における気体燃料の混焼方法。