JPS6131761B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、流動層内の温度を制御しながら運転
を行なう流動層温度制御方法に関するものであ
る。

流動層を利用した流動層燃焼装置又は流動層内
発熱装置などの流動層熱反応装置においては、流
動層内の温度を最適の値に制御することは重要な
課題である。特に燃焼装置ではその発生熱量が大
きいため温度の制御は困難である。従来の流動層
装置は分散板上に流動層が形成されるものでは流
動媒体の供給は制御しうるが、排出は溢れ出しの
形が行なわれ制御されない。そこで空気比の制
御、排ガス循環などの方法で流動層内温度の制御
が行なわれるが、これらの方式で良好な燃焼状態
の維持、NOx排出の制御などの各種の条件を広
い負荷範囲に亘つて調整することは困難である。
固体燃料の燃焼において、流動層の温度の最適な
範囲は、（）十分な速度で燃焼が行なわれるこ
と。（）灰の焼結などの高温によるトラブルを
避けること。（）温度の上昇と共に排出量が増
大する傾向のある窒素酸化物の排出量を最小に抑
制すること。という互に背反する要求を満足する
ために、極めて狭い範囲に維持することが必要と
なる。そこで従来の方式では定常負荷のみで燃焼
する場合は別としてこれらの要求を満足させるこ
とはほとんどできなかつた。

本発明は、従来の方法の上記の欠点を除き、流
体冷却壁を有する流動層熱反応炉において、広い
負荷範囲にわたつて精度の高い温度制御を行うこ
とができる流動層温度制御方法を提供することを
目的するものである。

本発明は、流動媒体を用いて流動層を形成した
熱反応炉において熱反応を行わしめ、該熱反応炉
の周壁が冷却流体により冷却されている流動層炉
の流動層温度制御方法において、前記流動媒体の
流動用ガスを、前記熱反応炉の真下からではなく
下部側方に突出した側室から該熱反応炉内に供給
し、不燃物及び一部の流動媒体を該熱反応炉の真
下の炉底より開閉蓋を介して取り出し、前記流動
層内の温度を直接又は間接的に検出し、その検出
値に対応して前記熱反応炉に対する前記流動媒体
の供給量及び排出量を調節し、該熱反応炉内の流
動媒体の保有全量を調節して、前記流動層温度を
制御することを特徴とする流動層温度制御方法で
ある。

本発明の作用について説明する。

発明者らは、前述の目的を達成するために実験
と研究を重ね、その折に得た作用に関する次の如
き知見に基づいて本発明がなされた。

即ち、発明者らの得た知見のうち基本的な重要
な作用は、 (A) 水などの冷却媒体により周壁が冷却されてい
る流動層熱反応炉の場合、浮遊流動媒体量の多
（少）に応じて、炉内から冷却流体への伝熱量
が多（少）となり、流動層温度が低下（上昇）
すること。

(B) 後述の如き方法で流動媒体の堆積量が一定に
なること。及びそのような方法を用いれば、炉
内の流動媒体保有全量（即ち堆積量＋浮遊量）
を調節することによつて容易に浮遊流動媒体量
の調節ができ、(A)の原理により温度制御が確実
にできること。

の二つである。

(A)については、次の如く考えられる。浮遊流動
媒体の量が増大（或いは減少）すれば、流動層高
さも増大（減少）し、水冷壁との接触面積も増大
（減少）する。この増大（減少）した接触面積に
対し、衝突する流動媒体の数も増大（減少）する
ので、流動媒体から冷却水への伝熱量も増大（減
少）する。従つて流動層温度は低下（上昇）す
る。即ち、浮遊流動媒体量を増大（減少）する調
節を行うことにより流動層温度を低下（上昇）せ
しめて温度制御を行うことができる。

例えば被燃焼用として低発熱量の廃棄物を或る
条件にて燃焼せしめた後に、高発熱量の廃棄物を
燃焼せしめる場合、そのままであると流動層温度
が上昇して炉の破損、灰の焼結やNOxの発生な
どの事故を引き起こすおそれがあるが、このと
き、浮遊流動媒体の量を増大せしめれば、上述の
理由で流動層内の温度を低下せしめて最適な温度
条件となし事故の発生を未然に防止することがで
きる。

このように、負荷の発熱量などの負荷条件が変
わつても、浮遊流動媒体の量を調節するだけで簡
単に温度制御を行うことができる。しかも浮遊流
動媒体量を調節することは(B)に関する流動媒体の
堆積量一定の方法を用いることにより流動媒体の
供給及び／又は排出量を調節し、それにより両者
の差し引きである炉内保有量を調節することで確
実に簡単に行うことができる。(B)に関する堆積量
一定の作用については後述の実施例の説明におい
て詳細に述べる。

本発明を実施例につき図面を用いて説明すれ
ば、第１図において、流動層燃焼炉を有する設備
において１は塔の形状をなす燃焼炉であり、固形
廃棄物などの固体燃料のホツパー２、フイーダー
３及び流動媒体としての硅砂のホツパー４、フイ
ーダー５を備えている。燃焼炉１の周囲は冷却水
室６が取巻き、熱反応としての燃焼炉１の過熱を
防ぐと共に加熱された冷却水は熱回収装置に導か
れ熱回収される。

燃焼炉１の中空部の直下（垂直投影範囲）には
炉底７の上には分散板、火格子も流動ガス噴出管
などは何も配備されず空間となつている。燃焼炉
１の下部には中空部の垂直投影範囲より側方に突
出した側室８及び９が両側に対称に配備されてい
る。側室８，９の内部は燃焼炉１の中空部の直下
の空間と連続している。側室８，９の上部には流
動ガス室１０，１１が設けられ、それぞれ流動ガ
スの吹き込み口として分散板１２，１３を有して
いる。この分散板１２，１３は側面に配備しても
よく、この場合流動ガス室１０，１１を単段又は
複数段設けるのがよい。

炉壁７の中央部には不燃物及び流動媒体の一部
を排出するため、開閉蓋としての開閉板１４を備
えた排出口１５が備えられその直下には排出コン
ベア１６が備えられている。排出コンベア１６の
出口には硅砂と残渣を篩分する篩１７が備えられ
篩上分を受ける残渣受け１８と篩下分を受ける回
収コンベア１９が設けられている。さらに回収コ
ンベア１９で運搬された硅砂を受けて垂直に揚送
し硅砂のホツパー４に供給する揚送コンベア２０
が備えられている。

燃焼炉１の上部にはガス排出口２１が設けら
れ、排ガスの通路には冷却器２２、サイクロン２
３、ブロワ２４及び煙突２５が設けられている。

２６はリングブロアで外気を吸引し流動用ガス
として管路２７，２８，２９を経て流動ガス室１
０，１１に送り込む。炉底７部付近の燃焼を促進
したり、流動用ガスとして分散板１２，１３を経
て流動層形成に必要な量だけ側室に送り込まれる
空気では燃焼には不充分な場合には管路３０を経
て燃焼用空気が排出口１５の部分から炉底７部に
供給される。３１は始動バーナー、３２は排ガス
循環路である。

温度制御関係としては、燃焼炉１中の流動層
（第２図３３）を生ずる部分に流動層温度検出部
Tnが設けられ、その出力は設定温度信号発信部
Trからの信号と比較され、温度測定値が設定値
に対して大なるか又は小なるかにより、流動媒体
供給量操作用変換器G₁及び流動媒体排出量操作
用変換器G₂の何れか一方又は両方に信号を与え
て流動媒体の供給量と排出器とを調節し、その差
し引きとして燃焼炉１内に保有される流動媒体の
総量が調節されるようになつている。

運転に当たつては、排出口１５の開閉板１４を
閉じ、リングブロア２６で流動用ガスを送りなが
らフイーダー５で硅砂を供給し、始動バーナー３
１で燃焼炉１内及び硅砂を充分加熱した後固体燃
料をフイーダー３にて供給し着火せしめ、燃焼が
安定したら始動バーナー３１を停止し、自然せし
める。

流動層の形成状態を第２図、第３図にて示せ
ば、流動用ガスは、流動ガス室１０，１１に入り
分散板１２，１３より側室８，９の中に下方に噴
出され、炉底７に当たり反転して燃焼炉１内を上
昇し流動層３３を形成する。この際硅砂などの流
動媒体である固体粒子は次の如き三種の領域に分
かれる。

() 堆積層３４………燃焼炉１の炉底７の中央
に流動媒体及び燃えがらが山形に盛上がつて堆
積層３４が形成される。堆積層３４の表面にあ
る粒子は下記の噴流層３５内の粒子を交換しあ
う。堆積層３４の下部に固体排出装置を設ける
ことにより堆積層３４は移動層となる。

() 噴流層３５………堆積層３４の上端は燃焼
炉１の断面一様な部分（炉本体）の中に突出
し、炉本体下部の流路面積は小さくなる。従つ
て流動化ガスの流量がある程度以上ある場合に
は、流速が粒子の終末速度を超え、粒子は吹き
上げられ、この部分に噴流層３５が形成され
る。噴流層３５の中では、塔本体の壁に接した
部分の流速が大で粒子が吹き上げられ、堆積層
３４に接した部分では流速が小となり粒子が下
降し粒子の循環が行なわれる。

() 流動層３３………堆積層３４の先端より上
の領域では流速は断面に対してほぼ一様となり
流動層３３が形成される。この流動層３３は、
分散板上で形成される従来の流動層とほぼ同様
の特性を示す。

上記の如く三層に分かれた粒子層が形成され、
流動層３３中にて効率のよい燃焼が行なわれる
が、不燃焼分や未燃焼分は流動媒体と共に堆積層
３４として堆積する。開閉板１４を開ければ堆積
物は容易に排出される。この時開閉板１４の開き
方を調節して、堆積物が徐々に連続して排出され
るようにすれば、堆積層３４は下から徐々に排出
され移動層となる。堆積層３４の上端が下がれば
炉本体との流路面積は広がり流速が下がる。従つ
て下降粒子の量がふえて堆積層３４の上に堆積
し、その上端は再びもとの高さに回復する。即
ち、媒体堆積量定量機構の作用をなし排出口１５
から徐々に排出されても堆積層３４の高さは一定
に保たれ、常に噴流層３５及び流動層３３が形成
され、有効な燃焼が行なわれ、また運転を停止せ
ずに燃えかすや硅砂を排出できる。

移動層である堆積層３４の中には未燃焼分も含
まれているが、移動中に側室８，９から吹き込ま
れる空気に触れて完全燃焼が促進される。また従
来の流動層においては、溢れ出しとして高温の流
動媒体と共に多くの熱が取り出されて損失となる
が、本実施例においては、側室８，９から吹き込
まれる流動用ガスに熱を与えて熱回収を行なつた
後順次流動媒体が排出されるので、熱損失を低減
することができる。

側室の数は三個以上でもよい。その場合各側室
から吹き込まれる流動化ガスがほぼバランスして
燃焼炉１の内部を上昇するように、複数個の側室
は平面図で示した場合に燃焼炉１の中心に対する
中心角がほぼ等しくなるように配置するとよい。
例えば四個であれば90度ピツチ、五個であれば72
度ピツチ程度に配設することが好ましい。

側室８，９に対する吹き込み口は上面に限ら
ず、側室８，９の外側に流動ガス室を設け、垂直
壁に設けた分散板を通して半径方向に中心に向か
つて吹き込むようにしてもよい。

塔自体は、燃焼炉のほか熱分解炉、反応炉など
流動層を用いて作業を行なう装置においても上述
の例と同様である。塔の断面形状も四角の他、角
型、円形など種々の形が選ばれる。

また前述の如く、堆積物を排出口より順次取り
出しても堆積層３４の高さは一定で常に噴流層３
５が形成されるため、撹拌効果が良好で燃焼効率
が上昇する。従来の流動層において下部に噴流を
生ぜしめるために炉底の分散板の穴を小径とする
と堆積が生ずるが、本実施例のものにおいては常
に有効な噴気流が形成される。

以上の如く、堆積層３４の高さ、即ち堆積層３
４の堆積量は燃焼炉１内の流動媒体保有全量とは
あまり関係がなくほぼ一定である。そこでこの堆
積層３４の流動媒体の一部を下方へ排出すると、
堆積層３４の大きさを維持するように流動層３３
内の流動媒体の一部が堆積層３４上に落下堆積す
ることにより、流動層３３内に存在する浮遊媒体
の量を減少させることができる。一方流動媒体は
フイーダー５により流動層内に供給されるように
なつている。流動媒体の供給により浮遊媒体量は
増加する。

このように、炉内への流動媒体の供給量及び／
又は排出量を調節して、炉内の流動媒体の保有全
量の増減を行うことにより、炉内の浮遊流動媒体
の量の増減の調節を行うことができる。

流動層３３内の温度を温度検出部Tnにて検出
しそれが所期の温度より高いとき（信号発信部
Trからの信号と比較には層内に流動媒体を供給
する（間けつ操作のとき）か供給量を排出量より
増す（連続操作のとき）ことにより流動層内の浮
遊媒体の量を増加させ、流動層から冷却水室への
伝熱量を増加させることにより流動層内温度を低
下させる。また流動層温度が所期の温度より低い
ときは流動媒体を排出するか、排出量を供給量よ
り増すことにより浮遊媒体量を減少せしめ流動層
から冷却水室６への伝熱量を減少せしめることに
より流動層内温度を上昇させることができる。こ
れらの温度制御は、本実施例の構成により極めて
容易にかつ確実に行なうことができる。

流動を層内温度検出としては、以上の例の如く
直接的に検出してもよいが、冷却水室６への伝熱
量を例えば排熱回収蒸気ボイラの蒸発量の測定或
いは排熱回収温水ボイラの温水温度、温水量の測
定、などにより間接的に検出してもよい。

さらに制御性を高める目的で燃料の供給量或い
は被燃焼物などの反応物質の供給量などを測定し
て、その測定値を温度制御の補助に用いることが
できる。

流動層内の流動媒体の量と伝熱量との関係の一
例を第４図に示す。実験装置は通常の分散板上の
流動層装置で、高さ1000mm内径84.9mmのステンレ
ス管を電熱で加熱し、流動媒体の静止層高と側壁
上の熱伝達率との関係を求めたものである。静止
層高は流動層内に存在する流動媒体の量に比例す
る。

また熱伝達率ｈ〔kcal/m²hK〕、伝熱面全面積
Ａ〔m²〕、側壁温度Tw〔Ｋ〕、流動層温度Tf
〔Ｋ〕とすると、伝熱量Ｑ〔kcal/h〕は Ｑ＝hA（Tw−Tf） の関係で伝熱面全面積Ａを関係している。伝熱面
前面積Ａは流動層高さと関係し、従つて浮遊流動
媒体量に関係する。即ち、伝熱量Ｑは浮遊流動媒
体量に関係する。

次に側室式流動層燃焼装置（第１図に示す形状
で塔断面積0.026m²のもの）を用いて破砕石炭を
流動層燃焼したときの流動層内媒体量Gs〔Kg〕
と石炭燃焼量Gc〔Kg/h〕、空気比を変えたときの
水冷側壁への熱流束〔kcal/m²h〕の違いを第５図
に示す。燃焼量が多いときは熱発生量が多いが、
それに応じて流動媒体の量を増して層外への伝熱
量を増すことによりGc＝10.8Kg/hのとき流動層
出口付近温度750〜820℃、Gc＝18.3Kg/hのとき
810〜860℃に調整することができた、これは必ず
しも両者同程度の温度にすることを目標とはしな
かつた実験の結果であり、媒体量の変化によつて
燃焼量に応じて燃焼温度を調整できることを示し
たもので最適な調整温度は燃焼の種類、燃焼負荷
によつて定められるべきものである。

固体燃料などの重質燃量を燃焼するとき、燃焼
を完全に行なうと同時にNOxの排出を極力少な
くすることが要求される。現在固体燃料は火格子
燃焼、微粉炭燃焼で燃焼しているが、どちらも多
量のNOxを排出することが知られている。これ
に対して流動層燃焼では窒素含有量の多い石炭を
用いてもNOx排出が少ないことが知られてい
る。ただしこれも流動層温度の制御が理想的に行
なわれた場合にのみ成立つことである。本方式に
より1.08Kg/hの破砕石炭（窒素含有量1.4％）を
燃焼温度内800℃に制御して燃焼させた結果、燃
焼排ガス中のNO濃度は80ppmでそのときの酸素
濃度は3.5％、燃焼効率は94％であつた。燃焼量
をほぼ２倍の18.3Kg/hとしたときはNO濃度は
150ppmで、酸素濃度は3.0％、燃焼効率92％であ
つた。とくに後者に関しては燃焼温度を更によく
調節するとによりNO濃度をもつと低下しうる可
能性がある。なお、本発明の温度制御方法は第６
図に示す噴流層装置でも実施可能である。

本発明により、広い負荷範囲に対応して精密確
実なる温度制御を容易に行うことができ、最適の
良好な燃焼状態の維持、灰の焼結の防止、NOx
の排出の抑制などを有効に行うことができる流動
層温度制御方法を提供することができ、実用上極
めて大なる効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

図面は本発明の実施例を示し、第１図はフロー
図、第２図は燃焼炉の下部縦断面図、第３図は第
２図の−線断面平面図、第４図及び第５図は
特性線図、第６図は他の実施例の燃焼炉の下部縦
断面図である。 １……燃焼炉、２……ホツパー、３……フイー
ダー、４……ホツパー、５……フイーダー、６…
…冷却水室、７……炉底、８，９……側室、１
０，１１……流動ガス室、１２，１３……分散
板、１４……開閉板、１５……排出口、１６……
排出コンベア、１７……篩、１８……残渣受け、
１９……回収コンベア、２０……揚送コンベア、
２１……ガス排出口、２２……冷却器、２３……
サイクロン、２４……ブロワ、２５……煙突、２
６……リングブロア、２７，２８，２９，３０…
…管路、３１……始動バーナー、３２……排ガス
循環路、３３……流動層、３４……堆積層、３５
……噴流層。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 流動媒体を用いて流動層を形成した熱反応炉
   において熱反応を行わしめ、該熱反応炉の周壁が
   冷却流体により冷却されている流動層炉の流動層
   温度制御方法において、 前記流動媒体の流動用ガスを、前記熱反応炉の
   真下からではなく下部側方に突出した側室から該
   熱反応炉内に供給し、不燃物及び一部の流動媒体
   を該熱反応炉の真下の炉底より開閉蓋を介して取
   り出し、 前記流動層内の温度を直接又は間接的に検出
   し、その検出値に対応して前記熱反応炉に対する
   前記流動媒体の供給量及び排出量を調節し、該熱
   反応炉内の流動媒体の保有全量を調節して、前記
   流動層温度を制御することを特徴とする流動層温
   度制御方法。