JPH11502897A - 湿式燃焼方式の石炭火力発電所の燃焼設備の運転方法並びにこの方法により運転される燃焼設備 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 石炭火力発電所の燃焼設備において煙道ガス流によって運ばれるフライアッシュはなお５０％まで可燃物質からなる。完全燃焼により高い効率を達成するために、溶灰燃焼室を備えた最近の石炭火力発電所は燃焼室へのフライアッシュ帰還路を持っている。しかしこれにより石炭もしくは灰の粒子の燃焼循環系における滞留時間が上がる。この発明によれば、湿式燃焼方式で作動する石炭火力発電所の燃焼設備の運転方法並びにこの運転方法により作動する燃焼室を備えた燃焼設備において、石炭の完全燃焼を促進するために石炭に付加してチタンを含む物質が供給される。この方法により燃料の処理量が上がり、これにより石炭火力発電所の出力の上昇が達成される。

Description

【発明の詳細な説明】 湿式燃焼方式の石炭火力発電所の燃焼設備の運転 方法並びにこの方法により運転される燃焼設備 この発明は、湿式燃焼方式の石炭火力発電所の燃焼設備の運転方法に関する。 さらにこの発明はこの方法を実施するための燃焼設備に関する。 石炭火力発電所の燃焼設備の運転方法には、主として２つの異なる燃焼方式、 即ち乾式燃焼方式と湿式燃焼方式とがある。乾式燃焼方式においては燃焼室にお ける温度は溶灰温度以下である。発生する灰はそれ故ほぼ殆どが煙道ガス流とと もに運ばれて、例えば電気集塵機のような後設の分離装置においてフライアッシ ュとして分離される。このフライアッシュ或いは煙塵は建設産業において添加物 として使用される。ドイツ連邦共和国特許出願公開第３１２８９０３号明細書に よれば、乾式燃焼の際の燃焼改善のために添加物として各種の金属酸化物を使用 することが既に提案されている。 湿式燃焼方式の場合には、溶灰燃焼室とも呼ばれる燃焼室における燃焼温度は 溶灰温度以上である。通常の運転条件ではこの温度は約１５００℃である。燃焼 に使用される石炭の溶灰温度は主として酸化アルミニウムＡｌ₂Ｏ₃及び酸化ケイ 素ＳｉＯ₂の含有量に関係して大きく変動する。この燃焼方式では灰の大部分は 溶融物として燃焼室の底に集まり、排出口を介してその下にあるスラグ除去装置 に導かれる。このスラグ除去装置は、流動化して流出した灰を捕捉し、急冷する 水槽である。その場合生成される主としてアルミニウムケイ酸塩からなる粒状物 （湿式燃焼粒状物）は粗い構造を持っている。この粒状物は道路工事において要 望される物質であり、例えば基礎の敷材として、しかしまた撒布材としても使用 される。煙道ガス流とともに運ばれたフライアッシュは５０％まで可燃物質（炭 素及び／又は半分燃焼された炭化水素物）からなり、電気集塵機において分離さ れる。 特に効果的な湿式燃焼運転、即ち完全燃焼、迅速な燃料消費及びＮＯ_xの発生 回避のためには、燃焼室の温度と溶灰温度とが互いに整合されなければならない 。 石炭の組成（組成に応じて溶灰温度は１３００℃と１７００℃の間で変動する） はそれ故、例えば燃焼室の寸法のような石炭火力発電所の仕様を決定する。しか しながら、石灰を混ぜることによって溶灰温度を下げることが可能である。経験 によると、約２％の石灰を石炭に混ぜることによって溶灰温度が約１００℃下が ることが判明している。この方法は燃焼運転に対して１つの調整方法を提供して いる。 燃料の完全燃焼によって高い効率を達成するために、湿式燃焼方式で作動する 最近の石炭火力発電所においてはフライアッシュを専用のフライアッシュ帰還路 を介して燃焼室に改めて送り込むことが行われている。この場合燃焼室の全部の 灰がスラグとなり、普通の方法で廃棄処理される。 フライアッシュ帰還により確かに燃料の完全燃焼が達成されるが、石炭もしく は灰の粒子が燃焼循環系に滞留する平均時間が上がる。従って、石炭の最大処理 量、従ってまた発電所の可能な出力に制限があるという欠点がある。 この発明の課題は、従って、湿式燃焼方式に従って作動する石炭火力発電所に おいて、燃料の処理量、従ってまた発電所の出力を上げることのできる好ましい 運転方法を提供することにある。さらに、この発明は、この方法を実施するため に適した燃焼設備を特に簡単な手段で達成しようとするものである。 運転方法に関する上記の課題は、この発明によれば、燃焼室の石炭の完全燃焼 を促進するために石炭に付加してチタンを含む物質が供給されることにより解決 される。その場合、チタンは、二酸化チタンＴｉＯ₂に換算して、二酸化チタン と石炭との比が最高でも３対９７とされる。 この発明はその場合、二酸化チタンが燃焼室における石炭の完全燃焼を、従っ てまた石炭の処理量を高めることができ、これはまた発電所の出力上昇につなが るという考察に基づいている。 効果的な燃焼運転のためには、最初に述べたように、灰の粘性及び溶融温度が チタンを含む物質の付加量によって著しく変化してはならない。特に、溶灰燃焼 室の条件の下では二酸化チタンとして存在するチタンの付加が燃焼室の下流でス ラグ状の沈澱物を促進して、管や壁に固着するようであってはならない。二酸化 チタンは灰もしくはスラグの溶融点を低下させることがわかっている。これによ り砂状の溶融してないかつ付着してない煙塵が、粘性があり流動性かつ付着性の 溶融物となり、これが石炭火力発電所の保守の際により高い洗浄コスト及び財政 的な損失につながることがある。しかしながら、二酸化チタンは流動化した灰に 殆ど見出されることがわかった。石炭及びチタンを含む物質の総供給量に対して チタン含有量が（二酸化チタンに換算して）約３％以下である場合には、スラグ 状の沈澱物の粘性は、二酸化チタンが殆ど流動化した灰の中にしか存在しないか ら変わらない。有利な実施態様においては石炭及びチタンを含む物質の総供給量 中の二酸化チタンの成分量は最高で２．２５％である。 この所見は非常に驚くべきことである。何となれば石炭とチタンを含む物質の 混合物に僅かに二酸化チタン成分があっても乾式燃焼方式の石炭火力発電所にお いては燃焼室の下流におけるスラグ化を著しく高め、スラグの流動的な粘性を招 くからである。従って、このようなチタンを含む付加物は湿式燃焼方式の石炭火 力発電所の運転に特に適している。 供給されるチタン含有物質は５０％以上まで二酸化チタンを含むものが有利で ある。これによって付加量が僅かであっても石炭の完全燃焼が促進される。その 場合二酸化チタンと石炭との比が少なくとも１対９９であると有利である。 溶灰燃焼室へのフライアッシュ帰還系を備えていない石炭火力発電所において は、この発明の１つの実施態様によれば二酸化チタンとして付加されるチタンは 僅かな部分がフライアッシュを介して、大部分が流動化した灰を介して分離され る。二酸化チタンは有毒作用がないので、流動化した灰だけでなく、フライアッ シュも従来のように再使用することができる。石炭火力発電所がフライアッシュ 帰還系を備えて運転されるときは、発生したフライアッシュは再び燃焼系に帰還 されるので、チタンは実際上専ら二酸化チタンとして、そのとき生じた流動化し た灰と共に分離される。 チタンを含む物質は、好ましくは、石炭と混合され、次いでこの混合物が火力 発電所の砕炭器で粉砕され、コンベヤーベルトによりバーナーを介して火力発電 所の燃焼室に導入される。しかしまたチタンを含む物質は空気圧により燃焼室に 、好ましくは、フライアッシュ帰還系を介して特に簡単に送り込むこともできる 。 多くの場合、燃焼室の底に溜まった流動化した灰はスラグ除去装置に導き、粒 状物に処理するのが有利でもある。これにより石炭と混合されたチタン含有物質 中の有害物が粒状物に封じ込まれて危険がない。 このような粒状物を建設材料として使用しても、例えば重金属のような封じ込 まれた有害物が溶けることなく包み込まれるので、環境に対する危険は存在しな い。 この発明による方法の特に有利な変形例においては、チタンを含む物質として 使用済の即ち廃棄処理すべき脱硝触媒或いは例えばチタン処理産業の廃棄物が使 用される。その場合、使用済の脱硝触媒に対しては安価な環境に適した廃棄処理 方法が確立している。さもなければ、廃棄物の積み置きによるコストや高価な再 精製手段が発生する。殆どが二酸化チタンからなり１０％或いはそれ以上のモリ ブデンを含む特定の触媒に対してのみ、重金属（特に砒素）がこのようにして得 られた粒状物から検知可能な程度に浸出することが判明している。しかしながら ４．５％のモリブデンを含むＤｅＮＯ_x（脱硝）触媒においてはこのような浸出 は見出されなかったので、前述のように高いモリブデン含有量の触媒に対しての み制限がある。 ドイツでは年間約３０００００乃至４０００００トンの二酸化チタンが生産さ れるが、このようなチタン処理産業に対してもこの発明による方法は、例えばチ タンスラグのような廃棄物に対する有利な処理方法である。 溶灰燃焼室を備えた燃焼設備に関する前述の課題は、石炭の完全燃焼の促進の ために専用の供給配管を介して石炭に付加してチタンを含む物質を供給可能とす ることにより解決される。 このような燃焼設備の２つの構成例が請求項１５及び１６に記載されている。 この発明の実施例を図面を参照して詳細に説明する。図面において、 図１は溶灰燃焼室、砕炭器、ＤｅＮＯ_x設備及び粒状物生成装置を備えた石炭火 力発電所の燃焼設備の概略構成図を、 図２はフライアッシュ帰還系を備えた図１による石炭火力発電所を、 図３は使用済の触媒物質の付加を増加したときのフライアッシュの質量を第一の ダイアグラム表で、 図４は石炭混合物における触媒成分量の関数としてフライアッシュ中の燃焼可能 な成分を第二のダイアグラム表で、 図５乃至７は石炭混合物における触媒成分量の関数としてそれぞれ燃焼室に下位 の機器におけるスラグ、フライアッシュ及びスラグ状沈澱物中の脱硝触媒器の触 媒成分（ＴｉＯ₂、Ｖ₂Ｏ₅、ＷＯ₃）を第三、第四及び第五のダイアグラム表で示 す。 図１に示された、この発明の第一の実施例の燃焼設備１は詳しく示されていな い石炭火力発電所の一部を構成する。燃焼設備には溶灰燃焼室として形成された 高温燃焼室２が含まれ、この燃焼室は少なくとも１つのバーナー２ａと、石炭の 供給装置２ｂ（例えば石炭Ｋを搬送するコンベヤーベルト）とを備え、コンプレ ッサ３を介して導かれている空気配管４を接続している。さらに、燃焼設備は流 動化した灰Ｆを燃焼室２から排出する排出管５と、これに接続されたスラグ処理 装置６とを備えている。燃焼設備はさらに煙道ガス管路７を備え、この煙道ガス 管路７中にはフライアッシュ収集器９を備えた集塵機８、煙道ガス脱硫装置１０ 及び触媒による脱硝装置１１が直列に接続されている。煙道ガス管路７はまた煙 突１２に接続されている。供給装置２ｂは砕炭機１３に接続され、この砕炭機は 石炭貯蔵庫１５の供給シャフト１４と、チタンを含む物質Ｍを添加するための専 用の供給配管１６とに接続されている。その場合、燃焼室２における石炭Ｋの完 全燃焼の促進はチタンを含む物質Ｍの供給量により調整される。石炭火力発電所 の運転の際に石炭Ｋは石炭貯蔵庫１５から供給シャフト１４を介して砕炭機１３ に搬送される。チタンを含む物質Ｍは供給配管１６及び供給シャフト１４を介す るか、或いは直接に砕炭機１３に送り込まれ、そこで石炭と共に微細に粉砕され る。このように準備された燃料Ｂは供給装置２ｂ及びバーナー２ａを介して燃焼 室２に達する。そこで燃料は空気配管４を介して供給された圧縮空気Ｌとともに 燃焼される。そのとき発生した煙道ガスＲＧは煙道ガス管路７を介して集塵機８ に流入し、そこで煙道ガスによって運ばれたフライアッシュ或いは煙塵Ｓが捕捉 され、フライアッシュ収集器９の上に排出される。そこで殆ど無塵にされた煙道 ガスＲＧは煙道ガス脱硫装置１０に達し、一般にＤｅＮＯ_xと称される脱硝装置 １１を介して煙突１２に達する。燃焼室の底２ｃに集まった流動化した灰Ｆは排 出管５を介してスラグ除去装置６に導かれて、粒状物Ｇに処理される。 収集器９に集められたフライアッシュＳは従来のように再利用される。チタン を含む物質Ｍとしては５０％以上の二酸化チタン含有量を持つ３％までのチタン 含有物質Ｍが使用されると有利である。この物質Ｍに含まれる例えば重金属のよ うな有害物或いは不純物は得られた粒状物Ｇに溶けることなく封じ込まれている 。この溶灰燃焼室の粒状物Ｇは従来のように建設材料として使用される。 図２によるこの発明の好ましい第二の実施例においては、湿式燃焼室を備えた 燃焼設備１はフライアッシュ帰還路２０を備えている。この帰還路は直接湿式燃 焼方式の燃焼室２に接続されている。集塵機８の収集器９の上に溜められたフラ イアッシュＳは付加的なコンプレッサ２１により空気圧で燃焼室２に送り込まれ る。専用の供給配管２２を介してチタンを含む微細に粉砕された物質Ｍがフライ アッシュＳに混ぜられ、これと共に燃焼室２に達する。湿式燃焼方式の石炭火力 発電所の燃焼室２にフライアッシュ帰還路２０と組み合わせてチタンを含む物質 Ｍを供給することにより、火力発電所における石炭Ｋの処理量を同時に促進させ ながら特に効果的な完全燃焼が達成される。これにより火力発電所の出力を上げ ることができる。 フライアッシュＳに含まれる重金属で汚染されたスラグ並びに二酸化チタンは 燃焼室から生じた粒状物Ｇに溶解することなく封じ込まれる。このようにして５ ０％以上のＴｉＯ₂含む使用済の脱硝触媒が問題なく処理される。 以下に実験の結果を説明する。この中で部とは質量部を意味する。 実例１ チタンを含む物質Ｍとして使用済の脱硝触媒が使用され、石炭Ｋと混合された 。石炭Ｋとしては高脱炭のバラストの多い石炭、即ちその脱炭度及び揮発性要素 の成分量により非歴青炭に属し、非歴青炭と無煙炭との間の境界にあるものが使 用された。この石炭の灰は通常の溶灰特性を示す。使用済の触媒は約７５％まで ＴｉＯ₂からなり、その他の触媒成分（約１１％のＳｉＯ₂、約８％のＷＯ₃及び １．８％のＶ₂Ｏ₅）を含む。 触媒物質と石炭との混合物における触媒成分量Ｍ_Kが０％、１％及び３％にお いて燃焼室２で燃焼実験が行われた。燃焼室２は実験用燃焼室としてそれぞれ流 動化した灰の排出口を備えたものと乾燥した灰の排出口とを備えたものが形成さ れた。灰の組成、使用済の触媒の付加による石炭のスラグ化挙動の影響度、燃焼 室の下流の加熱面におけるスラグ化度に対する触媒成分量Ｍ_Kの影響並びに燃焼 残滓における触媒物質の分布が検討された。この燃焼残滓のレントゲン蛍光分析 が実施された。 図３乃至７は例えば流動化した灰の排出口を備えた燃焼室についての実験結果 を示す。図３は石炭１キログラム当たり燃焼の際に発生したフライアッシュＳ_M の質量を供給された触媒成分量Ｍ_Kの関数として示す。触媒成分量Ｍ_Kが３％まで はフライアッシュＳ_Mの質量は変化しない（線ａ）ことが示されている。しかし 驚くべきことに、触媒成分量は石炭の完全燃焼（フライアッシュにおける可燃物 の成分量Ｂ_Sで測定して）を改善することが明らかに示されている（図４の線ｂ ）。触媒物質と石炭との混合物における触媒成分量Ｍ_K＝３％のとき、フライア ッシュにおける可燃物の成分量Ｂ_Sは触媒成分量Ｍ_K＝０％に対して５０％から３ ０％に減少する。 図５乃至７の曲線ｃ、ｄ及びｅはそれぞれスラグＦ、フライアッシュＳ及びス ラグ状沈澱物における活性触媒物質ＴｉＯ₂（図５）、Ｖ₂Ｏ₅（図６）及びＷＯ₃ （図７）の百分率成分量を示す。その他の驚くべき結果は、触媒は特にスラグ或 いは流動化した灰Ｆ（図５乃至７の曲線ｃ）に、部分的にはフライアッシュＳ（ 図５乃至７の曲線ｄ）に見出されるが、スラグ状沈澱物（図５乃至７の曲線ｅ） においては殆ど見出されないということである。燃料内の触媒成分量Ｍ_Kが増大 するにつれ（０乃至３％）、スラグＦ及びフライアッシュＳにおけるＴｉＯ₂（ 図５）、Ｖ₂Ｏ₅（図６）及びＷＯ₃（図７）の成分量は明らかに増加する。しか し燃焼室の下流のスラグ状沈澱物においてはそれらは殆ど変化しない。 冷却範囲においては燃焼室の下流の集中的なスラグ化はただの１回も確認され なかった（表１）。燃焼室の下流における少量のスラグ状沈澱物はいずれの場合 にも軟らかく、非溶融かつ非粘着性である。３％までの付加的な触媒成分量は流 動化した灰の排出口を備えた燃焼室の下流ではスラグ化挙動の変更を引き起こす ことがないという事実は、触媒が殆ど沈澱物には見出されないことにより説明さ れる。 乾燥した灰の排出口を備えた実験用燃焼室（乾式燃焼方式）で行われた実験に より、沈澱物の形成は触媒成分量が増えるにつれ著しく増大することが明らかに 示されている（表１）。乾燥した灰の排出口を備えた燃焼室の下流の沈澱物は溶 解しにくい構造を持ち、燃焼室において既に明らかな流動挙動を示す。 実例２ 湿式燃焼方式の石炭火力発電所の電気集塵機からのフライアッシュが炭酸カル シウム（ＣａＣＯ₃）と１００対５の質量比で混合された。これにより直接溶融 物が得られた（「零サンプル」）。同じ混合物が微細に粉砕された使用済の脱硝 触媒と、触媒成分量が１％になるように混合された。この混合物が１５５０℃に おいて２０分間溶融され、水で冷却された（「比較サンプル」）。それぞれ５ｇ の得られた粒状物Ｇが２４時間５０ｇのＨ₂Ｏで溶離され、この溶離物がバナジ ウムＶ、タングステンＷ及び砒素Ａｓの痕跡を検討した。 比較サンプルから求められた活性触媒物質（Ｖ、Ｗ）の量は検出限界（＜０． １ｍｇ／ｌ）以下であった。砒素の含有量は両サンプルにおいて同じ範囲であっ た。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 シユピールマン、ホルスト ドイツ連邦共和国 デー−91083 バイエ ルスドルフ ドクター−ルートヴイツヒ− フオン−ラウフアー−シユトラーセ ６ア ー (72)発明者 ギルゲン、ラルフ ドイツ連邦共和国 デー−42555 フエル ベルト ガルテンシユトラーセ 43

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．湿式燃焼方式に従って作動する石炭火力発電所の燃焼設備の運転方法におい て、燃焼室（２）の石炭の燃焼を促進するために石炭（Ｋ）に付加してチタンを 含む物質（Ｍ）が供給される石炭火力発電所の燃焼設備の運転方法。 ２．チタンの量が、二酸化チタンＴｉＯ₂に換算して、最高でも二酸化チタンと 石炭との比が３対９７であることを特徴とする請求項１記載の方法。 ３．石炭（Ｋ）及びチタンを含む物質（Ｍ）からなる総供給量における二酸化チ タン成分量が最高でも２．２５％であることを特徴とする請求項１又は２記載の 方法。 ４．チタンを含む物質（Ｍ）が５０％以上まで二酸化チタンからなることを特徴 とする請求項１乃至３の１つに記載の方法。 ５．主として二酸化チタンを含む物質と石炭との比が３対９７以下であることを 特徴とする請求項４記載の方法。 ６．二酸化チタンと石炭との比が少なくとも１対９９であることを特徴とする請 求項１乃至５の１つに記載の方法。 ７．二酸化チタンが一部はフライアッシュ（Ｓ）を介して、他の部分は流動化し た灰（Ｆ）を介して分離されることを特徴とする請求項１乃至６の１つに記載の 方法。 ８．燃焼の際に発生するフライアッシュ（Ｓ）が燃焼室（２）に戻され、チタン が二酸化チタンとして流動化した灰（Ｆ）と共に分離されることを特徴とする請 求項１乃至７の１つに記載の方法。 ９．チタンを含む物質（Ｍ）が石炭（Ｋ）と混合されることを特徴とする請求項 １乃至８の１つに記載の方法。 １０．チタンを含む物質（Ｍ）が空気圧により燃焼室（２）に、特にフライアッ シュ帰還路（２０）を介して送り込まれることを特徴とする請求項１乃至８の１ つに記載の方法。 １１．流動化した灰（Ｆ）がスラグ除去装置（６）において、二酸化チタンが封 じ込まれる粒状物（Ｇ）に処理されることを特徴とする請求項７乃至１０の１つ に記載の方法。 １２．チタンを含む物質（Ｍ）として廃棄処理すべき脱硝触媒が使用されること を特徴とする請求項１乃至１１の１つに記載の方法。 １３．チタンを含む物質（Ｍ）としてチタンを含む廃棄物が使用されることを特 徴とする請求項１乃至１１の１つに記載の方法。 １４．石炭の完全燃焼を促進するために燃焼室（２）の専用の帰還路（１６、２ ２）を介して石炭（Ｋ）に付加してチタンを含む物質（Ｍ）が供給される燃焼室 （２）を備えた石炭火力発電所の燃焼設備。 １５．チタンを含む物質（Ｍ）が石炭（Ｋ）とともに燃料（Ｂ）として燃焼室（ ２）の供給装置（２ｂ）を介して供給可能であることを特徴とする請求項１４記 載の燃焼設備。 １６．チタンを含む物質（Ｍ）が燃焼室（２）の煙道ガス側に配置された集塵機 （８）に接続された、燃焼室（２）のフライアッシュ帰還路（２０）を介して供 給可能であることを特徴とする請求項１４記載の燃焼設備。