JPS62501230A - 化石系燃料を使用して窒素酸化物を生成することなく蒸気を発生する方法と装置 - 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】 化石系燃料を使用して窒素酸化物を生成することなく蒸気を発生する方法と装置 本発明は、石炭、石油等の化石系燃料をほとんど窒素酸化物の生成を伴なうこと なく熱に交換し、蒸気発生器の中で水または水蒸気に熱を伝達することができる 方法と装置に関する。

蒸気発生プラントでは、通常、石炭、石油等の化石系燃料で加熱される蒸気発生 器は燃焼室を備えていて、石炭、石油等の化石系燃料が燃焼室の中で炎となって 燃焼される。

燃焼のさい理論的な燃焼温度に近い温度が少なくとも局部的に現われる。この温 度は、１３００℃という窒素酸化物を形成する温度を上回っている。

したがって、サイクロン燃焼、前端燃焼、炎が長く伸びる燃焼チャンバー、渦流 面燃焼等のごとき燃焼の原理に応じているいろ異なった窒素酸化物の濃度が廃ガ ス中に局部的に生じるが、はぼ化学量論的な混合物を形成するとともに、窒素酸 化物を生成する多かれ少なかれ大きい燃焼領域がつねに現われる。

本発明の目的は、窒素酸化物の生成が不可能な条件を蒸気発生システムのすべて の個所に与えることである。

このためには、すべての個所で酸化雰囲気のもと１３００℃という窒素酸化物成 形温度を越えない条件が与えられなければならない。

このことは従来の火炎式燃焼では不可能である。このため、火炎が生じないセラ ミック材または場合によっては触媒接触反応を行なうセラミンク材を使用し空気 を過剰に供給した状態で燃焼が行なわれる。

セラミック材を使用して火炎のない状態で燃焼が行なわれる前にガス化が行なわ れ、これに続いてガス化ガスが冷却される。この場合、ガス化部は、セラミック 材で断熱された燃焼室、好適にはサイクロン式燃焼室から構成されており、たと えば、石炭のごとき使用燃料を空気の部分流を使用して低発熱値をもった燃料ガ スに転化する。

したがって、最初の段階における化石系燃料の転化は部分酸化である。燃焼に必 要な理論的空気量の約４５％から７０％を供給すると、この最初の段階で燃焼熱 の約３５％から５５％が発生する。なぜなら、発生した燃焼熱の一部分が熱を必 要とする反応によって消費されるからである。

ガス化温度は約１５００℃から１９００℃の範囲に調節される。ガス化温度を高 くすると、発生したスラグを流動状態で排出することが可能である一方、反応が 加速されるので石炭または固体分を含有した石油を比較的完全に転化することが できる。

たとえば、窒化珪素や炭化珪素のように耐摩耗性と断熱性にすくれたセラミック 材料で燃焼室をうまく断熱的にライニングすることがこのような高い温度を採用 するうえの前提条件である。

流動状の灰が生じることは、ガス化段階の還元性雰囲気の中で灰の粒子が長時間 流動状態のままであり、しかも比較的低い温度でもいぜんとして流動状態を持続 するので好都合である。したがって、比較的小さいプラントの場合でも初期段階 で生じる低い温度で灰を流動状態で排出することができる。

しかし、このように第１段における灰の溶融点が低いと、低温度で接触加熱面に はいる前に、輻射室内で分解ガスが冷却されることになる。この温度は石灰を供 給しない場合、約９００℃であるが、石灰を供給すると、約１０５０℃まで昇温 する。

さらに、高いガス化温度と部分酸化温度を高めるには、燃焼用空気を３００℃と ７００℃の間で比較的高く予熱してお（ことが必要である。この予熱は、酸化段 のうしろに直列に接続された熱交換器または空気加熱器の中で行なわれる。

空気加熱器の外に酸化段のうしろに直列に接続された熱交換器は、水の加熱と蒸 発と水蒸気の加熱に必要な加熱面を備えている。ガス化段階と燃焼段階のあと、 ガスは２００℃以下に冷却される。

このように低い温度にガス化ガスを冷却することは効果的である。なぜなら、燃 焼のあとでは有害物質をガスから除去することはもはやできず、ガス化と燃焼の 間でしか有害物質の除去を行なうことができないからである。このとき、硫黄を 含んだ有害物質は硫化水素として排除される。

従来の吸着装置と異なって、石灰乳懸濁液を用いて動作する吸着装置により硫化 水素を吸着させることが本発明に従がって提案されたのである。この装置におい ては、石灰乳は硫化水素と接触すると硫化カルシウムに転化される。なお、加熱 することにより硫化カルシウムを酸化カルシウムと硫黄に容易に分解することが できる。そのほか、石膏を用いて別の一連の再生法を実施することが可能である 。しかし、再生のために石膏を使用する場合、将来石膏の山が生じるおそれがあ る。

浄化され１００℃より低い温度に冷却された燃料ガスは、燃焼のために導びき出 されるまえに、熱交換器の中で予熱される。このガス予熱のために必要な熱は別 の熱回収循環系から得るのが有利である。熱を受け取る側で未浄化の燃料ガスが 冷却され、熱を放出する側でコンパクトな高性能熱交換器を用い低温の浄化され たガスを加熱する水循環系を介して熱の回収が行なわれる。熱受取り側の熱交換 器では水側の温度は１００°Ｃを越えるので、水循環系は、たとえば、窒素クッ ションのごとき予圧手段を備えている。浄化されたガスと未浄化のガスとの間に 熱ポンプを設置することも可能である。

使用された燃料を完全に燃焼させるために必要な残りの燃焼用空気を用いた第２ 段階での浄化された燃料ガスの燃焼は、多孔石材板または蜂の巣状セラミック材 の形に設計されたセラミック材の中で行なわれる。

転化を促進するため、このセラミック材は、ランタンが５０％から９５％までと セレンが５％から５０％までとより成る触媒添加物を含有しており、この添加物 はセラミック材または塗膜状に被覆されたセラミックの上に付着されている。

燃料ガスの酸化により発生した熱をストレート・チューブ式熱交換器の中で蒸発 のために利用することが蒸発装置にとって効果的であることが明らかにされてい る。熱伝達条件が良好でないにもかかわらず、この蒸発装置は小型に作られてい て、ガス流に対し直角にチューブを並べた従来の蒸発器より簡単に設計すること ができる。

燃焼用セラミック材の中で燃焼を行なうことにより火炎が走るスペースを節約す ることができるので、燃焼用セラミック材のすぐうしろに熱交換器ユニットを配 置することができる。燃焼温度は、燃焼領域からの熱伝導を考慮することなく、 １３００℃より低い温度に維持することができる。

上述の転化を行なったあと透気発生装置を退出した燃焼ガスからほとんど完全に 窒素酸化物と硫黄は除去されている。

以下、本発明の実施例を図解した添付図面を参照しながら、本発明の詳細な説明 する。

第１図は、本発明に係る方法を実施する装置を示す。第１図において、参照数字 １は燃料の供給管路を示し、参照数字２はガス化容器を示し、参照数字３はセラ ミック材料のライニング層を示し、参照数字４は予熱された空気の供給管路を示 し、参照数字５は水蒸気の供給管路を示し、参照数字６はスラグの排出口を示す 。

フィン・チューブから構成されている輻射式熱交換器７が前記のガス化チャンバ ーに接続されている。熱交換器の壁加熱面の一部を加熱器として設計することが できる。加熱面８と９と１０は空気の予熱と水の加熱と水の蒸発と加熱のために 使用することができろ。沈降した浮遊ダストは参照数字１４と１５により表示さ れている排出口から排出される。

参照数字１１と１２は熱回収循環系の未浄化の燃料ガスに使用されるフラット・ チューブ式熱交換器を示し、参照数字１３は浄化されたガス側に設けられたコン パクトに設計されている高性能熱交換器を示し、参照数字１４′は水を循環させ る循環ポンプを示す。

参照数字１６はガス化されたガスの浮遊ダスト浄化装置を示し、分離された固体 粒子は参照数字１７により表示されている排出口を通って排出される。

参照数字１８はガス化されたガスの浄化ユニットを示す。

この浄化ユニット１８は、たとえば、石灰乳の供給をうけて硫化水素を除去する ために使用されるものであって、石灰乳は反応して石灰の硫化物となる。反応生 成物は参照数字１９によって表示されている排出口を通って排出される。

浄化されたガス化ガスは参照数字２０により表示されている人口からガス予熱器 １３にはいり、さらに加熱されたあと、ガス予熱器１３により参照数字２１によ り表示されている入口を通って火炎を出さない触媒式燃焼室２１に流入する。同 様に、再生式熱交換器２３の中で予熱された空気２４の一部が通路２５をへて前 記燃焼室２２に流入する。

ガス化ガスと空気の反応はセラミック材２６の中で行なわれる。セラミック材か ら流出した廃ガスはストレート・干ユーブ式熱交換器２７の垂直方向に延在した チューブの中を通る間に冷却される。

冷却された廃ガスは参照数字２８により表示されている管路をへて熱発生装置を 退出し、煙突２９の中に導びがれる。

給水ポンプ４０は予熱器９と１０を通ってドラム４１の中に給水を供給する。給 水は降水管４２をへて燃焼ガス冷却域のフィン付き壁面４３と４４に供給される とともに、酸化領域のストレート・チューブ式熱交換器２７に供給される。ボイ ラー用の水は管路４５と４６と４７をへてドラム４１に流入し、該ドラム４１の 中で蒸気が分離される。飽和蒸気は管路５０をへて中央の壁面式加熱器５１の中 に流入し、該壁面式加熱器５１によりスプレィ調節装置５２をへて最終加熱器８ の中に流入する。フレッシュな蒸気は管路５３をへてタービンに供給される。

以下、一つの実施例について本発明に係る方法の特長を詳細に説明する。

下位発熱量が６７３３Ｋｃａｌ／Ｋｇの場合、９２％の設備稼働率を基準として ３０ＭＨの熱容量に相当する毎時４．１７）ンの石灰供給量のエネルギーを化学 量論的に変換すると、圧力が６４バール、温度が５２０℃の加熱蒸気を発生する ために消費されるはずである。

毎秒８．２４Ｎｍ”の流量で３０℃の空気が回転式再生熱交換器２３を貫流する と、酸化プロセスの廃ガスにより空気は３５０℃に加熱される。３５０℃の空気 ５７のうち毎秒５．３２Ｎ、２の部分流が分流されて、管路５５をへて分解ガス 領域に導びか鶴る。含水量が約３重量パーセントの微粉砕された石灰を管路ｌを へて供給するとともに、毎時７８５Ｋｇの蒸気を管路５をへて供給すると、溶融 室２に吹き込まれた３　５０　”ｃの空気は約１７００℃の温度で毎秒６．７６ Ｎｍ３の分解ガス流に転化される。

輻射蒸発器７のダクトの中で１７００℃の分解ガスは、最終加熱器である最初の 接触加熱面８にぶつかる前に、輻射と対流により９００℃に冷却される。分解ガ ス領域の接触加熱面８と９と１０を通過する間に分解ガスの温度は１６０℃に降 下する。熱回収循環系の熱交換器１１と１２を貫流するさい、分解ガスはさらに 約８０℃に降下する。この温度で変成ガスは変成ガス領域を通過し、除塵ユニッ ト１６で残りの固体粒子が除去され、しかるのち脱硫ユニット１８で硫黄化合物 が除去される。浄化されたガスは約５０℃の温度で入口２０を通って高性能熱交 換器１３に流入する。ガスは１２０℃の温度で熱交換器１３を通過し、燃焼室領 域２２の燃焼室に到達する。分解ガスは燃焼室で毎秒２．９２Ｎｍ’の流量で３ ５０℃の空気５６の残りの部分流と混ざりあい、セラミック・ユニット２６の中 で１２８３℃の温度で接触触媒反応により毎秒９．２６Ｎ＋＋＋３の割合で廃ガ スに転化される。この転化のとき、窒素酸化物はいっさい生じない。なぜなら、 どの燃焼個所でも窒素酸化物が生じる温度に到達していないからである。セラミ ック材の特殊な成分のおかげで、燃料から運び込まれたアンモニアの成分も燃焼 してＮ２になるだけで、Ｎｏになることこのようにして生じた廃ガスの空気過剰 量は３％から８％の程度にすぎない。極度に有害物質が除去されているので、腐 食現象の発生は非常に少な（、廃ガス温度を従来よりも低くすることが可能であ る。

廃ガスはストレート・チューブ式交換器２７で４０７　’ｃに冷却され、引き続 き回転式再生熱交換器２３の中で１３０　’Ｃにさらに冷却される。１３０℃の 廃ガスはブロワにより煙突２を通って大気中に放出される。

給水ポンプ４０を駆動することにより１２０℃の給水が毎秒１０．２　Ｋｇの流 量で分解ガス領域の加熱面９と１０を貫流し。

て供給される。この間、給水は１９７℃に加熱される。この温度で給水はドラム ４１に流入し、一部分は分流となって降水管４２を通ってドラム４１から分解ガ ス領域のフィン付き壁に流入するとともに、他の部分は燃焼室領域のストレート ・チューブ式熱交換器２７のチューブ・ジャケット側に流入する。

飽和蒸気と沸騰水は２８０℃の温度で前記両方のユニソｂの端部から管路４５と ４６と４７をへてドラム４１の中に流入する。飽和蒸気がドラムの蒸気室から取 り出され、管路５０をへて壁面式加熱器５１に導びかれたうえ、該加熱器５１で 蒸気は１段で４２０℃に加熱される。スプレィ調節装置５２では１２０℃の給水 が毎秒約０．５　Ｋｇの割合で供給され、これにより加熱された蒸気は３８２℃ の温度に冷却される。加熱蒸気はこの温度で最終加熱器８に供給され、該最終加 熱器８で加熱蒸気は５２０℃と６４バールの承認状態に調整され、引き続き管路 ５３を通ってタービンに導びき出される。

本発明に係る装置の別の実施例を以下詳細に説明する。

ガス化と燃焼のために使用される空気２４は直径が約４ｍの回転式再生熱交換器 ２３を貫流し、該熱交換器２３を通ったあと２つの分流５６と５７に分配される 。

分流５７は分解ガス領域に供給され、セラミック材でライニングされて完全に断 熱されていて、２組の同じ大きさのバーナーを備えたサイクロン式溶融室で粉砕 された石灰１の水蒸気５と混合される。溶融チャンバー２の直径は約４．２ｍで あり、円筒状の高さも同様に約４．２ｍである。流動状態の灰は空気を遮断した 状態で円筒状部分の下端に接続されているホンパーを通って排出される。

溶融室２の下部でわずかに突出した約２．５　ｍＸ０．７５ｍの通路をへて分解 ガスが蒸気発生装置の輻射室の中に導入される。フィン・チューブから構成され た蒸気発生装置の一部分で縁の長さが４．０ｍと３．５ｍ、高さが約６．５ｍの ダクトの中で分解ガスが最初の接触面にぶつかるまえに冷却される。基面の大き さが２．５ｍＸ４．０ｍの矩形の第２のダクトの中で燃焼ガスが十分に冷却され るので、布を使用したフィルター・ユニット１７の中で固形粒子を燃焼ガスから 除去することができる。

直径が約３．５ｍ、高さが約４．５ｍの隣接した脱硫ユニットの中で分解ガスか ら硫黄化合物が除去される。外部寸法が１．８ｍＸ１．３８ｍＸ０．８ｍの高性 能熱交換器１３の中で再び分解ガスが加熱され、加熱のあと燃焼室領域に導びか れる。

縁の長さが２．２ｍの正方形に構成されているかあるいは直径が２．５ｍの大き さに円筒状に構成されているセラミック材でライニングされた燃焼室２２の中で 回転式再生熱交換器２３から送られてきた空気の残りの部分流と分解ガスが混ぜ 合わされる。燃焼室の下に設けられているセラミック材２６により接触触媒反応 により廃ガスへの転化が行なわれる。このさい発生した熱はストレート・チュー ブ式熱交換器２７の中で排除される。この熱交換器２７は燃焼室と同じ寸法をも ったベース・プレートを備えており、高さが約３．０　ｍである。この熱交換器 で廃ガスは８６４０１ＳＯ−チューブ（２０Ｘ２．Ｏ）を通って流れる。

第２図は、ガス浄化系を一体に組み込んだ熱出力が３０ＭＨのコンパクトな熱発 生ユニットにおける本発明に係る装置の主な構成要素を示したものである。

参照数字１は全部がセラミック材で作ることにより断熱されたガス化室を示し、 流動状態の灰の排出口が設けられている。ガス化室１は接続管路２を介して輻射 式蒸発器３と接続されている。

この輻射式蒸発器３は水を貫流させるようにしたフィン・チューブから構成され ている。

輻射式蒸発器は、熱交換ブロック４と５と６ならびに熱回収循環系７と８を備え た加熱器部分と予熱器部分より成る２つの部分により分解ガス領域を形成してい る。

参照数字１７は、ホース・フィルターより成る除塵ユニット１６の開口部を示す 。参照数字１５は、高性能熱交換器１０に付設された脱硫ユニット９に到る除塵 ユニットの接続通路を示す。接続通路１１は浄化されたガスをセラミック・ユニ ットとストレート・チューブ式蒸発器を備えた燃焼室領域１２に導びく。廃ガス はすべて、排ガス通路１３をへて煙突１４に流れる。

第２図に示されているユニットの主な寸法として、ガス化室１の高さく２０）が ４．２０ｍ、直径（２１）が同様に４．２０ｍを挙げることができる。燃焼ガス 冷却部と浄化部の寸法は、高さく２２）が１２．０ｍ、下部幅（２３）が８．０ ｍ、上部幅（２４）が５．０ｍ、奥行き（２５）が４ｍである。燃焼室領域１２ の寸法は、高さく２６）が３．０ｍ、直径（２７）が２．５ｍである。

溶融室１より上に燃焼室ユニット１２を位置ぎめすることにより、熱発生ユニッ ト全体を一段とコンパクトに構成することができる。

国際調査報告 −１階−〜１＾帥−−開−にＴＩＥＰ　８５１ω７２２ＡＮＮＥＸ　Ｔｏ　ＴＨ Ｅ　ＩＮＴＥＲＮＡＴＩＯＮＡＬ　５ＥＡＲＣＩ（ＲＥＰＯＲＴ　ＯＮ工ＮＴＥ ＲＮＡＴｒＯＮＡＬＡＰＰＬＩＣＡＴＩＯＮＮＯ，ＰＣＴ／ＥＰ８Ｓ１００７２ ２（ＳＡ　１１６７３）

Claims (11)

【特許請求の範囲】
1. １．燃料ガスを作るために部分酸化を伴なった第１のガス化段階と、第１の段階 で作られた燃料ガスを燃焼させる第２の段階とより成る２段階燃焼により灰分を 含んだ石灰・石油等の化石系燃料を窒素酸化物の生成を抑制しながら転化する方 法であって、高温に予熱された空気を用いながらセラミック材で断熱された第１ の段階で流動状の灰分の排出と組み合わせた状態で転化が行なわれ、発生したガ ス化ガスが後設の熱交換器系の中で低温度に冷却されるとともに、ガスといっし ょに運ばれた固体分と硫化水素成分が除去され、引き続き後設の燃焼用セラミッ ク材の中でガス化ガスが残りの燃焼用空気と混合されて、１３００℃を下まわっ た温度でほぼ窒素酸化物の成生を伴なうことなく完全に燃焼されることを特徴と する方法。
2. ２．第１のガス化段階における空気の供給が３００℃と７００℃の間の湿度で行 なわれ、ガス化により低下した反応温度を燃焼空気をさらに高温度に加熱するこ とにより補償することを特徴とする請求の範囲第１項に記載の方法。
3. ３．ガス化が１４００℃より１９００℃までの温度で行なわれ、灰分か流動状に 落下することを特徴とする請求の範囲第１項と第２項に記載の方法。
4. ４．燃焼室が、たとえば、窒化珪素、炭化珪素、クロムコランダムのごとき耐熱 度にすぐれた平滑な材料で完全にライニングされていることを特徴とする請求の 範囲第１項より第３項までに記載の方法。
5. ５．フイン・チューブを通って熱交換器ユニットにはいる前に、溶融室につなが った輻射室の中で９００℃から１０００℃までの温度への冷却が行なわれ、温度 を下げることにより還元性雰囲気の中でスラグである灰分の溶融点を下げること を考慮したことを特徴とする請求の範囲第１項に記載の方法。
6. ６．第２段の燃焼用触媒が、活性物質として、たとえば、５％から９５％までの ランタンと５％から５０％までのセレンを含んでいることを特徴とする請求の範 囲第１項に記載の方法。
7. ７．分解ガスと空気の混合物の燃焼が１つまたは複数のセラミック層より成り、 該セラミック層の小孔の長さが小孔の直径と比べ１０倍から１００倍までの大き さであることを特徴とする請求の範囲の第６項に記載の方法。
8. ８．ガス化装置の燃焼装置と熱交換器とより成る前記方法を実施する装置であっ て、熱交換面とガス浄化部がガス化部と燃焼部との間に配置されていて、燃焼室 が燃焼用セラミック材を備えており、燃焼用セラミック材のうしろに配置された 室が熱交換面を備えていることを特徴とする装置。
9. ９．給水予熱器と蒸発器の熱交換面がアキュームレーターボイラーと適宜接続さ れていることを特徴とする請求の範囲第８項に記載の装置。
10. １０．触媒で被覆されたセラミック材が燃焼室の中に保持されていることを特徴 とする請求の範囲第８項に記載の装置。
11. １１．独立して循環を行なうガス浄化のまえとガス浄化のあとの熱交換面が高温 用ポンプと組み合わされて互に接続されていることを特徴とする請求の範囲第８ 項に記載の装置。