JPH0657831B2 - アルカリ含有燃料の燃焼 - Google Patents

アルカリ含有燃料の燃焼

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JPH0657831B2 JP63505235A JP50523588A JPH0657831B2 JP H0657831 B2 JPH0657831 B2 JP H0657831B2 JP 63505235 A JP63505235 A JP 63505235A JP 50523588 A JP50523588 A JP 50523588A JP H0657831 B2 JPH0657831 B2 JP H0657831B2
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Description

【発明の詳細な説明】 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１２００−１５００℃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。
通常のボイラー炉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７
５０−９５０℃の比較的狭い温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。局所
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、べとべとしたコンパ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
する微細な粒子は流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、長い間望まれてきた要求
を解決する方法が提供される。本発明によればその解決
は循環流動床反応器を用いて行われる。この反応器は
又、ファースト（高速）流動床反応器と称される。
本発明によれば、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、反応室及び粒子循
環システム全体に亘って温度が比較的一定に保たれるフ
ァースト（高速）流動床反応器を用い、そして上記低融
点アルカリ成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℃の範囲内）
で行える。こうして、床材料の集塊、燃料の焼結、及び
反応器の操作要素上への堆積物の過大な形成が防止され
る。
燃焼プロセスにおいて用いられるファースト流動床反応
器は、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。反応器の上部壁は管
壁として作られる。燃焼室は、燃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。一次空気は通常風箱又は空気室を通して燃焼室
の下から供給される。空気の供給は、燃焼室と風箱との
間に設置されるグリッドプレート内のノズル又は孔を通
して行われる。ファースト流動床反応器において、それ
らノズルからの空気の供給は、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。
燃焼室内の床は、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。粒子は戻りパイプを
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。
高いガス速度にも拘らず燃焼室内の固体速度は比較的低
い。ファースト流動床条件は、比較的高い固体密度と、
ガスと固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、及び戻りパイプ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
易に制御でき、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、従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１０−
３０μｍ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料室
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１．０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装置を使って反
応室から直接熱エネルギーを回収することが望まれる。
そのような熱回収装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
る。
本発明に従って操作するファースト流動床は、始動後、
流動床内に砂その他の床形成成分を殆んどもたない。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品を含有す
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。
図面の詳細な説明 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
アルカリ複合品と反応して高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
含むカオリオン（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
ン分離器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パイプであるダクト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、これによって一次空気と二
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１１，１２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する。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、及び床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８６
５℃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。
送給スクリュー２と３は再循環する燃料と反応材料の量
に応じて制御され、そ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プット、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。燃料と反応材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。
カオリン分析値 SiO2 48.7% Al2O3 36.0% Fe2O3 0.8% TiO2 0.05% CaO 0.06% MgO 0.25% K2O 2.12% Na2O 0.10% 始動材料として砂が反応器に導入されたが、操作中にお
ける循環床が主として褐炭、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Ａ／（Ｎａ
及びＫ）の比は変化させた。反応器７内の温度は約８５
０℃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。
Ａ／（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品を有する燃
料を効果的に燃焼させることが可能となる。ここに本発
明の最の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。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭50−139577（ＪＰ，Ａ) 特開 昭59−210204（ＪＰ，Ａ) 特開 昭62−258911（ＪＰ，Ａ)

Claims (4)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】熱エネルギーを生産して回収するため、亜
    炭又は塩状褐炭を含むグループから選択される固体燃料
    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焼させられ、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
    ガスを前記ファースト流動床反応器の反応室の中へ導入
    し、流動床内で燃焼を行わせ、そして大量の固体粒子を
    含む高温の排気ガスを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て前記流動
    床の一部を形成させること、 ｃ）前記反応室内へ、カオリン、即ち燃焼中に前記燃料
    の低融点アルカリ成分と反応して約９５０℃以上の融点
    を有する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、 ｄ）前記反応室内への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、床材料の集塊、燃料の焼
    結、及び流動床反応器の操作要素上への堆積物の過剰な
    形成を起させない約７５０−９５０℃になるようにする
    こと、及び、 ｅ）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エネルギーを引出
    し、回収することによって前記段階(d)を行うことの諸
    段階を含むことを特徴とする方法。
  2. 【請求項２】前記反応材料が固体粒子の形で前記反応室
    内へ導入されることを特徴とする請求項１記載の方法。
  3. 【請求項３】前記燃料と反応材料とが前記反応室へ送給
    される前に一緒に混合されることを特徴とする請求項１
    記載の方法。
  4. 【請求項４】前記燃料に含有するアルカリ複合品がナト
    リウム塩とカリウム塩を含み、Ａ／（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１記載の方法。
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