JPH07501610A - 流動床ボイラー用燃料の乾燥方法および装置 - 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】 流動床ボイラー用燃料の乾燥方法および装置本発明は流動床ボイラー用の燃料の 乾燥方法および装置に関するものである。

流動床ボイラー用燃料は流動床ボイラーへ送られる前に燃料供給ラインに組み込 まれた乾燥器で乾燥される。この燃料の乾燥は流動床ボイラーの流動床を形成す る固体（流動床用固体、例えば、砂）を再循環させて行うことができる。高温度 の流動床用固体の再循環率は乾燥器に入った燃料を乾燥するのに必要な量だけが 乾燥器へ供給されるように調節される。こうして供給された流動床用固体は乾燥 器で湿った燃料と混合されて燃料の含水率が下げられるとともに、蒸気（排蒸気 ）が発生する。

乾燥された燃料と流動床用固体との混合物は流動床ボイラーの炉へ送られる。乾 燥プロセスで発生した蒸気は乾燥器から有用な用途、好ましくは凝縮段へ送られ てエネルギー発生プロセスで使われる。

噴霧燃料を用いる発電設備でも噴霧燃料用ノく−ナで安定した燃焼を行うために は燃料を乾燥する必要があり、湿った燃料はボイラー炉へ送られる前に排気ガス で乾燥される。流動床ボイラーでは燃料を乾燥させても燃焼効率が良くなるわけ ではないが、熱量がかなり大きい流動床で燃料の乾燥と燃焼とを同時に行うこと ができる。排気ガスで燃料を乾燥する場合には排気ガスと乾燥プロセスで発生し た蒸気とを互いに混合するが、排気ガスと乾燥プロセスで発生した蒸気との混合 気体から熱回収することは経済的な観点からは一般には実行不可能である。すな わち、十分に高い温度で凝縮熱を回収することができず、しかも、熱交換器の表 面が水の露点以下の温度で排気ガス中の酸性化合物（Ｎｏ、、Ｓｏ、）によって 激しく腐食される。また、噴霧燃料は蒸気加熱式乾燥器で乾燥することもできる 。この場合には、乾燥用の熱は乾燥器へ供給される蒸気から与えられ、蒸気は乾 燥器内の熱移動表面上で凝縮する。一般的にはできるだけ低温・低圧の蒸気を用 い、燃料から放出された蒸気は通常回収しない。

公知の蒸気加熱式乾燥器で好ましいものは流動床を用いたものである。公知の流 動床式の蒸気加熱乾燥器では、圧縮器を用いて乾燥器からの排蒸気の圧力を上げ 、得られた圧縮蒸気を乾燥器の蒸気凝縮面と接触させて排蒸気から凝縮熱を回収 する。

この形式の乾燥器の欠点は投資コストが高くなる点と圧縮器の内部消費動力がか なり高い点にある。

ドイツ国出願公開第Ｄ　Ｅ　−３，７２６，６４３号に記載の循環式流動床ボイ ラーでは、循環する流動床用固体の流れの全部がミキサー型乾燥器へ導かれる。

この特許に記載のシステムでは乾燥器として冷却表面を有する熱交換器を用いて いる。これは商業的な循環式流動床ボイラーに典型的なものである。この特許の 実施例では蒸気が再循環されて流動床−のガスとして用いられている。しかし、 再循環される流動床用固体の量を必要な乾燥作用に合わせて調節することができ ないため、乾燥器には熱交換器が設けられている。従って、再循環される流動床 用固体は３つの異なる段階、すなわち、燃料の乾燥段階と、再循環蒸気を加熱す る段階と、乾燥器に設けた冷却管との熱交換段階とで冷却される。このシステム も乾燥器の構造とプロセスとが複雑になり、投資コストが高くなるという欠点が ある。しかも、熱移動の効率を良くするために乾燥器のベッド温度を水を蒸発さ せて蒸気にするのに必要な相転移温度より（１００〜３００℃だけ）高くしなけ ればならないため、燃料の気化とタールの生成が起こり、装置の信用性が損なわ れる。

本発明では乾燥器を流動層を用いて運転する必要はない。本発明の乾燥器の基本 的特徴は、乾燥器温度を所望の値に維持するのに必要なだけの量の流動床用固体 を調節しながら乾燥器へ導入する点にある。

流動床式の乾燥器を本発明で用いる場合には、乾燥プロセスで発生した蒸気を循 環するが、この蒸気は上記のドイツ国公開特許公報に記載の実施例の場合のよう に流動床を冷却するために用いるのではなく、流動床を流動状態に維持するため だけに用いられる。

本発明では再循環された流動床用固体から乾燥プロセスへ与えられる熱は乾燥に 必要な熱量を基にして調節されるので、乾燥器に熱交換面が全く不要になり、従 って、乾燥器の構造が簡単になる。換言すれば、従来は乾燥器に熱交換能を与え る必要があったが、本発明では乾燥器へ導入される熱を制御して熱交換を不用に したものである。この点で本発明は基本的に蒸気で乾燥すること（このこと自体 は幾つかの商業的用途で既に採用されている）に焦点を当てているのではなく、 むしろ、乾燥器の有利な構造に焦点を当てているものである。

既に述べたように流動床ボイラーでは燃料燃焼上の理由で燃料を乾燥させる必要 はなく、乾燥プロセスで発生した排蒸気を凝縮することによってエネルギーが回 収できるという点で乾燥器には経済的メリットがある。また、炉に戻る排気ガス の量が凝縮された排蒸気の分だけ減少し、従って、小型のボイラーが使用でき、 ボイラーへの投資コストが低くなるというメリットもある。

本発明では、燃料を流動床ボイラーに供給する前に、燃料供給ラインに組み込ん だ乾燥器の中で流動床用の高温の固体の熱を乾燥プロセスに与えることによって 燃料が乾燥される。流動床用固体は、再循環される流動床用固体の熱量が燃料の 乾燥に必要なエネルギーと見合うような必要量だけが、供給ラインに組み込まれ た乾燥器へ循環される。この再循環率は流動床用固体／燃料混合物の温度からの フィードバック信号で制御される。

この制御は混合物の温度に関係するその他の測定信号、例えば混合物のＣＯ量ま たは含水量を用いて行うこともできる。この制御は基本的に乾燥器へ再循環され る流動床用固体の供給量を制御して行う。

高温の流動床用固体が湿った燃料と混合されると、燃料に含まれていた水分は乾 燥温度で蒸発する。流動床用固体／燃料混合物の温度は水は燃料から蒸発するが 燃料は熱分解しないような範囲にする。この乾燥温度は乾燥プロセスの圧力と乾 燥する燃料とに依存する。大気圧での乾燥温度は一般に約１１０℃である。乾燥 器へ供給される流動床用固体の量を調節し、乾燥器内で湿った燃料と流動床用固 体とを効率良く混合することによって混合物の過熱を防ぐことができる。混合物 は流動床ボイラーの炉へ従来の燃料供給ノズルを通って供給される。

乾燥プロセスへ与える熱が不活性な流動流動床用固体から与えられるので、乾燥 プロセスからのいわゆる排蒸気は乾燥温度に極めて近い凝縮温度を有するほぼク リーンな蒸気の形で回収でき、利用できる。

本発明の乾燥プロセスでは乾燥器内で流動床用固体と燃料とが効率良く混合され て乾燥器へ熱が入力されるので、本発明乾燥器は極めて有利である。また、乾燥 器内で冷却された流動床用固体は高温の炉の流動層へ戻されて流動層と混合され ると直ちに加熱される。

乾燥器は高温の流動床用固体と湿った燃料とを互いに効率良く混合可能な任意の 密閉された気密ミキサにすることができるが、排蒸気を再循環させることによっ て流動化させる流動床式の乾燥器にすることもできる。後者の場合には、乾燥器 内の流動床が効率の高い内部熱移動能を有するので乾燥器は一定の温度分布に維 持されるとともに、流動床は熱量が安定しているので乾燥プロセスへの供給が乱 れた場合でも燃料の過熱が防止される。

本発明の乾燥器は、バブル型流動床ボイラーと循環型流動床ボイラーの両方に適 用できる。循環型流動床ボイラーに適用する場合には、循環される流動床用固体 の一部を乾燥器へ送り、乾燥済み燃料と冷却された流動床用固体とを例えば循環 式流動床用固体の返送ノズルを通して流動床ボイラーの炉へ戻す。

本発明の乾燥器では乾燥プロセス用の熱を炉から得るので、本発明の乾燥方法を 採用する場合でも流動床ボイラーの流動床の寸法を変更する必要はなく、乾燥プ ロセスで発生した排蒸気の体積の分だけ排気ガスの量が減るので、排気ガスの体 積が減る分だけボイラーの寸法も影響を受ける。新しい流動床ボイラーに本発明 の燃料乾燥器を用いた場合にはボイラーの対流領域と排気ガス用静電気集塵機の 寸法を小さくすることができる。

本発明方法の特徴は原則として請求項１の特徴部分に記載されている。

本発明装置の特徴は請求項９の特徴部分に記載されている。

本発明の方法および装置は多くの利点を有している。本発明の乾燥方法を採用す ることによって構成およびコストの面で特に有利な乾燥システムを作ることがで きる。この新規な乾燥システムのコストは公知のものの約ｌＯ〜２０％程度であ る。

本発明の乾燥システムを用いてエネルギー発生プロセスで利用可能な排蒸気を発 生させることができる。例えば含水量が５０％のビート燃料を用いた流動床ボイ ラーでは、乾燥器から１バールの圧力の排蒸気を発生させることができ、この蒸 気は動力設備のタービン回路で使用することができる。また、排蒸気のエネルギ ーをプロセス蒸気として地域暖房で利用したり、発電に使用することもできる。

地域暖房エネルギーまたはプロセス蒸気を発生させた場合のボイラーへの燃料の 熱入力量に対する正味の熱出力は約１３．３％増加し、発電の場合には燃料の熱 入力量に対して約１．７％増加する。

既に述べたように、ボイラーから出る排気ガスの量は燃料の乾燥プロセスで発生 した排蒸気の分だけ減るので、ボイラーの寸法を小さくすることができる。上記 の例ではボイラーの寸法が約１５〜２０％小型化できる。

以下、添付図面を参照して本発明をさらに詳細に説明する。

図１は本発明の乾燥プロセスおよｄ装置の概念図であり、図２はボイラーが循環 式の流動床用ボイラーであり、乾燥器が流動床式乾燥器である場合の実施例の概 念図である。この装置では、乾燥器のベッドを流動させるために乾燥プロセスで 発生した蒸気の一部を乾燥器へ再循環させるようになっている。

図１に示すプロセスでは泥炭のような湿った燃料が本発明方法で乾燥される。す なわち、泥炭のような湿った燃料は簡単な混合ベッド式乾燥器で乾燥され、この 乾燥プロセスで発生したほぼクリーンな蒸気がエネルギー発生設備で利用される 。図示した実施例では乾燥プロセスが大気圧下で行われる。

図１に示した装置は流動床ボイラー１　（炉２、空気吸引マニホルド４、空気分 配格子５および煙道３を有している）と、乾燥器１１と、燃料供給ライン７と、 流動床ボイラーｌへ流動用空気を送る空気ライン６とを有している。この装置に は再循環された流動床用固体を供給するための供給ノズル８と、流動床用固体と 燃料との混合物を返送するためのノズル１０と、燃料を乾燥することによって放 出された蒸気を回収するための回収ライン９と、凝縮器１３と、燃料および流動 床用固体の流れを調節するための制御要素１５．１６と、燃料供給制御要素１７ とがさらに設けられている。

含水率の高い泥炭は燃料供給ライン７を通って乾燥器１１へ供給される。流動床 ボイラー１からは温度が４００〜１０００℃、好ましくは８００〜９００℃の高 温の不活性な流動床用固体（例えば、砂）が供給ノズルを８を通って乾燥器１１ へ循環される。循環される流動床用固体の量は、乾燥器１１を通って循環される 流動床用固体によって与えられる熱量が乾燥プロセスで消費されるエネルギーに 対応するように、調節要素１６で調節される。乾燥エネルギーの必要量とその制 御法については以下で詳細に説明する。

流動床用固体は乾燥器１１の内部で燃料と機械的に混合され、流動床用固体と燃 料とが直接接触して熱移動が効率良く行われる。

燃料は流動床用固体と混合されて乾燥されるとともに、蒸気を発生する。乾燥器 １１に供給されるのは燃料と流動床ボイラーからの流動床用固体だけであるので 、乾燥プロセスで発生する蒸気（排蒸気）はほぼクリーン（通常は約２〜５％の 不活性ガスを含んでいる）であり、そのまま凝縮して凝縮熱を回収することがで きる。

排蒸気は乾燥器１１から回収ライン９を通って次の用途（この実施例では凝縮器 １３）へ導かれ、そこで凝縮熱が回収される。

蒸気は不活性ガスの含有量が少ないので、蒸気の凝縮温度は乾燥プロセスで用い られる温度に極めて近い。凝縮熱は地域暖房または発電プラントでプロセス蒸気 および／または電気エネルギー発生用蒸気として有利に利用でき、例えば水道の 予熱、燃焼空気の予熱あるいは地域暖房回路の熱交換器で利用することができる 。

乾燥済みの燃料と流動床用固体との混合物は乾燥器１１からノズル１０を通って 流動床ボイラー１のボイラー炉２へ供給され、乾燥器内で冷却された流動床用固 体はボイラー炉２の流動床と混合して直ちに加熱される。

本発明では、再循環された流動床用固体の熱量が乾燥器１１内での乾燥プロセス に必要な熱入力に対応するように、流動床用固体の再循環率を制御する。図示し た実施例では再循環率は制御要素１６で調節される。この制御要素１６は一般に ゲートまたはいわゆるロックホッパーフィーダである。この制御要素１６を駆動 するためのフィードバック信号は、乾燥器１１に収容された流動床用固体と燃料 との混合物の温度を基にして乾燥器１１内部の圧力と乾燥しようとする燃料の品 質とに応じた適当な温度設定値となるように調整される。ビート燃料を大気圧で 乾燥させるプロセスでの温度設定値は通常１１０℃である。乾燥器１１の温度は 温度計でモニターする。フィードバック信号をめるために、温度に関連する温度 以外の任意のプロセス変数を測定することもできる。要点は、入った流動床用固 体から与えられる熱だけで乾燥器１１の温度を所望の値に保つのに必要な量の高 温の流動床用固体を乾燥器１１へ導入するように制御要素１６を駆動することで あり、乾燥器１１の内部温度が上昇した場合には制御要素１６は乾燥器１１への 流動床用固体の流れを制限して温度を一定に保ち、逆に、温度が低下した場合に は制御要素１６は流動床用固体の再循環率を増加させるように制御される。

乾燥器１１の内部温度は、乾燥器１１内の圧力で燃料から蒸発する蒸気の飽和温 度よりもわずかに高くし、しかも、燃料が熱分解しないような高さにする必要が ある。この温度範囲が乾燥器１１の運転温度範囲（従って、流動床用固体／燃料 混合物の許容温度範囲）である。

図示した実施例では乾燥器１１内に設けた温度計を用いて温度をモニターする。

別の方法としてはノズル１０で混合物の温度を測定するか、ノズル９で蒸気温度 を測定する。これらの温度は基本的に等しい。

本実施例で用いた乾燥器１１は、別の熱移動表面が不要な簡単で低コストのミキ サー装置である。導入される流動床用固体から与えられる熱量を調節することに よって乾燥器１１の過熱を防ぐことができる。本実施例では乾燥器１１の温度は 約１００〜１５０℃、簡単に言えば、放出される蒸気の飽和温度より約０〜５０ ℃高い温度に維持される。

乾燥プロセスを加圧下で行うこともできる。その場合には流動床ボイラー１と乾 燥器１１の両方を同じ圧力で運転するか、流動床ボイラー１の圧力より乾燥器１ １の圧力が高くなる状態で運転する。乾燥器１１の圧力が流動床ボイラー１の圧 力に対してプラスなる状態で運転する場合には制御要素１５．１６は乾燥器１１ と流動床ボイラー１との間を密閉する圧力密封ゲートの役目をする。この場合の 制御要素１５．１６はいわゆるロックホッパーフィーダ型か加圧ゲートフィーダ にしなければならない。乾燥器１１の内部温度は、乾燥器１１の運転圧力で燃料 から放出される蒸気の飽和温度よりも約０〜５０℃高くする。

図１の実施例の変形例では、乾燥器１１を流動床ボイラー１よりも低い位置に設 置して制御要素１６を無くすことができる。この場合には、ライン１０を通る流 動床用固体と燃料との混合物の温度を乾燥器１１の重量比バランスを用いて補正 したフィードバック信号として用いて、ノズル８を通って再循環される流動床用 固体の量を制御要素１５で調節する。制御要素１５は一般に加圧ゲートフィーダ またはフィードオーガで、その回転速度はオーガによって運搬される流動床用固 体と燃料との混合物の温度を基に調節される。従って、混合物の温度をこの時点 でモニターする。乾燥器１１から混合物が出ると乾燥器１１内の混合物の量が減 少するので、乾燥器１１が収容可能な量の高温の固体がノズル８を通って入って くる。乾燥器１１が満杯になると流動床用固体の流入が止まる。簡単に言えば、 ライン１０を通る混合物の温度が上がり過ぎた場合には制御要素１５を用いてラ イン１０の流量を減らす。それによって、乾燥器１１が一杯になり、ライン８を 通って乾燥器１１へ流入する高温の流動床用固体の流れが止まる。

すなわち、流動床用固体の再循環量はライン１０を通る混合物の温度に基づいて 制御される制御要素１５によって調節される。

図２に示す実施例では、ボイラー１が循環式流動床ボイラーであり、乾燥器１１ が流動床用固体の乾燥器であり、乾燥プロセスで放出された蒸気の一部は再循環 されて乾燥器１１のベッドを流動させるのに用いられる。また、上記実施例の場 合と同様に、燃料を乾燥させるのに必要な量の高温の流動床用固体が流動床ボイ ラーｌから制御要素１６を介してライン８を通って乾燥器１１へ再循環され、ラ イン７を通った乾燥器１１に入った燃料は乾燥器ｌｌ内で流動床用固体と混合さ れる。

燃料粒子と流動床用固体との間の熱移動は乾燥器１１の流動ベッドで効率よく行 われ、乾燥器１１の流動ベッドの温度は蒸発する蒸気の相転移温度付近すなわち 蒸気の飽和温度より約１０〜２０℃だけ高い温度を保つ。

乾燥プロセスで放出された蒸気はライン９を通って次の用途へと導かれる。この 蒸気の一部はライン１４を通って乾燥器１１へと再循環されて流動床用固体と燃 料との混合物を流動化させるのに用いられる。再循環蒸気の圧力はブースターフ ァン１８で昇圧される。乾燥器で発生した排蒸気の残りの部分は次の用途、本実 施例では凝縮器１３へ導かれる。

流動床用固体は循環される。すなわち、流動床ボイラー１からサイクロン１９に 入り、そこで流動床用固体の一部が制御要素１６を通って乾燥器１１へ導かれ、 残りはノズル２０を通って流動床用ボイラーへ直接戻される。乾燥済みの燃料と 冷却された流動床用固体との混合物はラインｌＯを通って流動床ボイラー１の炉 ２へ戻される。乾燥器１１に導入される流動床用固体の循環率は図１の実施例と 同様な方法で制御される。図２に示す実施例でも制御要素１６は無くすことがで きる。その場合の流量調節は制御要素１５を用いて上記と同様な方法で行うこと ができる。

図１および図２に示した実施例では、燃料の熱入力を流動床ボイラーの必要な熱 出力に見合うよう、ライン７に設けた燃料供給制御要素を用いて調節することが できる。この燃料供給制御要素は例えばフィードオーガまたはいわゆるロックホ ッパーフィーダにすることができる。

本発明の用途は発電設備に限定されるものではなく、上記種類の任意の流動床用 ボイラーで使用することができる。

被乾燥燃料は泥炭、その他の湿った燃料、例えば、石炭、褐炭、下水スラッジ、 バイオマスまたはその他の可燃材料にすることができる。

ＩＧ　１ ＩＧ　２ 補正書の翻訳文提出書（特許法第１８４条の８）平成６年５月２７日囚

Claims (11)

【特許請求の範囲】
1. １．流動床ボイラー（１）の炉から取り出した高温の流動床用固体を燃料供給ラ インに組み込まれた乾燥器（１１）へ循環させ、乾燥器（１１）で流動床用固体 に燃料を混合して燃料を乾燥すると同時に燃料から蒸気を発生させ、乾燥された 燃料と流動床用固体とを流動床ボイラー（１）へ供給する、流動床ボイラー（１ ）用の燃料を乾燥する方法において、 １）流動床用固体と燃料との混合物の温度を蒸気の飽和温度以上且つ燃料の熱分 解温度以下に保つように流動床用固体の再循環率を制御し、 ２）乾燥プロセスで発生したほぼクリーンな蒸気を乾燥器（１１）から有用な用 途へと送る ことを特徴とする方法。
2. ２．乾燥プロセスを加圧下に行う請求項１に記載の方法。
3. ３．再循環されて乾燥器に入る流動床用固体の量を調節することによって再循環 率を制御する請求項１に記載の方法。
4. ４．制御要素（１５）および／または（１６）によって再循環率を制御する請求 項３に記載の方法。
5. ５．乾燥器（１１）の運転温度を、乾燥プロセスで発生する蒸気の飽和温度より も０〜５０℃高い値に保つ請求項１〜４のいずれか一項に記載の方法。
6. ６．乾燥プロセスで発生した蒸気を凝縮させる請求項１〜５のいずれか一項に記 載の方法。
7. ７．乾燥プロセスで発生した蒸気に含まれる不活性ガスが最大で５％である請求 項１〜６のいずれか一項に記載の方法。
8. ８．被乾燥燃料が泥炭、石炭、褐炭、下水スラッジ、バイオマス等の水を含む燃 料である請求項１〜７のいずれか一項に記載の方法。
9. ９．流動床ボイラー（１）と、燃料の乾燥器（１１）と、流動床用固体を流動床 ボイラー（１）から乾燥器（１１）へ循環させるためのノズル（８）と、燃料と 流動床用固体との混合物を乾燥器（１１）から流動床ボイラー（１）へ供給する ためのノズル（１０）とを有する流動床ボイラー（１）用燃料の乾燥装置におい て、１）再循環されて乾燥器（１１）に入る流動床用固体の量を調節するための 制御要素（１６）および／または（１５）と、２）乾燥プロセスで発生した蒸気 を有用な用途へ導くためのノズル（９）とを有し、 ３）乾燥器（１１）内に熱交換面がないことを特徴とする装置。
10. １０．乾燥器（１１）が流動床式乾燥器であり、さらに、乾燥プロセスで発生し た蒸気の一部を流動用ガスとして用いるために乾燥器（１１）へ再循環させる手 段を有する請求項９に記載の装置。
11. １１．乾燥器（１１）が加圧されている請求項９または１０に記載の装置。