JPWO2014119612A1

JPWO2014119612A1 - 流動床燃焼炉及び流動床燃焼炉の運転方法

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Publication number: JPWO2014119612A1
Application number: JP2014559714A
Authority: JP
Inventors: 阿川　隆一; 隆一阿川; 裕司森下; 長尾　亙; 亙長尾
Original assignee: Sumitomo Heavy Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Heavy Industries Ltd
Priority date: 2013-01-31
Filing date: 2014-01-29
Publication date: 2017-01-26
Anticipated expiration: 2034-01-29
Also published as: WO2014119612A1; JP6125543B2; PH12015501682B1; JP6208388B2; JP2017106713A; MY175763A; PH12015501682A1

Abstract

原料及び流動材が流動床を形成しながら原料を燃焼する燃焼室（６）を備えた流動床燃焼炉（１）において、原料継続燃焼可能温度まで流動材を加熱する電気式バーナー（４）を備え、電気式バーナー（４）の出力方向は流動材の流動方向と交差する方向である、流動床燃焼炉。

Description

本発明は、流動床燃焼炉及び流動床燃焼炉の運転方法に関する。

従来、例えば石炭等の燃料及び例えば珪砂等の流動材が流動する流動床を形成しながら燃料を燃焼する流動床燃焼炉が知られている。この流動床燃焼炉を起動する場合の運転方法として、以下の特許文献１には、炉内に流動材を供給し、燃焼空気を炉内に供給して流動材を流動させながら、例えば重油等の化石燃料を燃料としたバーナーを作動させ、バーナーの火炎により流動材を所定温度まで加熱し、その後、燃料を炉内に投入し燃焼に供すると共にバーナーの作動を停止する炉起動時の運転方法が記載されている。

また、以下の特許文献２には、炉外に、起動用燃料（化石燃料）を燃焼することにより熱空気を発生する起動用燃焼器を設け、この起動用燃焼器からの熱空気を炉内に供給し、この熱空気により、炉内の流動材を流動させながら加熱し、流動材が燃料の自然着火可能な温度に達したら、燃料を炉内に投入し燃焼に供する炉起動時の運転方法が記載されている。

特開２００９−２５０５７１号公報特開平５−１８７６１５号公報

しかしながら、上記何れの特許文献にあっても、流動材を加熱する際に化石燃料を用いて燃焼する、詳しくは、特許文献１ではバーナーの作動に化石燃料を用いて燃焼し、又、特許文献２では起動用燃焼器の作動に化石燃料を用いて燃焼するため、ＣＯ_２が発生する。ここで、ＣＯ_２は地球温暖化の原因とされているため、ＣＯ_２を低減することが求められている。また、例えば重油等の化石燃料を、流動床燃焼炉が設置された現地（現場）まで運搬して使用するため、取り扱い及び維持管理が面倒である。

本発明は、このような課題を解決するために成されたものであり、炉起動時の流動材の加熱時を始めとしてＣＯ_２を削減でき、加えて、取り扱い及び維持管理が容易となる流動床燃焼炉及び流動床燃焼炉の運転方法を提供することを目的とする。

本発明の一形態に係る流動床燃焼炉は、原料及び流動材が流動する流動床を形成しながら原料を燃焼する燃焼室を備えた流動床燃焼炉において、原料の継続した燃焼を可能とする原料継続燃焼可能温度まで、流動材を加熱する電気式バーナーを備え、電気式バーナーの出力方向は流動材の流動方向と交差する方向である。

また、本発明の一形態に係る流動床燃焼炉の運転方法は、原料及び流動材が流動する流動床を形成しながら原料を燃焼する燃焼室を備えた流動床燃焼炉の運転方法であって、電気式バーナーにより、原料の継続した燃焼を可能とする原料継続燃焼可能温度まで流動材を加熱し、電気式バーナーの出力方向は流動材の流動方向と交差する方向である。

このような本発明によれば、流動材を原料継続燃焼可能温度まで加熱する電気式バーナーは、化石燃料を用いずに電気を用いて熱を発するため、ＣＯ_２を削減できる。加えて、この電気式バーナーでは、化石燃料の運搬等が必要なく電気を使用するため、取り扱い及び維持管理が容易となる。また、電気式バーナーの出力方向は流動材の流動方向と交差する方向であるため、流動材によるバーナー閉鎖や摩耗損耗を抑制できる。

流動床燃焼炉は、流動材を炉内に供給するための流動材供給路と、流動材供給路に設けられた電気式バーナーと、を備えてよい。このような構成を採用した場合、流動材が炉内に供給される前段階で、電気式バーナーが流動材を加熱することができる。

流動床燃焼炉は、流動材供給路の電気式バーナーより上流側に接続され高水分燃料を供給する高水分燃料供給路を備えてよい。

このような構成を採用した場合、流動材は、流動材供給路において電気式バーナーにより加熱されて炉内に供給され、高水分燃料は、高水分燃料供給路から流動材供給路に供給され当該流動材供給路において電気式バーナーにより加熱されて炉内に供給される。このため、高水分燃料が加熱されずに炉内に供給される場合に比して、高水分燃料の水分がある程度蒸発することから発熱量の低下が抑止されて燃料の継続した燃焼が可能とされ、その結果、流動床燃焼炉を安定して運転できる。

流動床燃焼炉は、炉内から排出される排ガスから流動材を固気分離し炉内に戻し循環させる流動材循環路を備え、流動材供給路は、流動材循環路に接続されてよい。

流動床燃焼炉において、電気式バーナーは、燃焼室に進入するように炉壁を貫通して配置されていてよい。このような構成を採用した場合、電気式バーナーは、燃焼室内に貯められている流動材を加熱することができる。

ここで、電気式バーナーは、炉の起動時に使用されるものとすると、特に上記作用・効果を好適に奏することができる。

このような構成を採用した場合、上記と同様にして電気式バーナーにより加熱された流動材や高水分燃料が、上記とは別ルートを経由して炉内に供給される。これによっても、高水分燃料が加熱されずに炉内に供給される場合に比して、高水分燃料の水分がある程度蒸発することから発熱量の低下が抑止されて燃料の継続した燃焼が可能とされ、その結果、流動床燃焼炉を安定して運転できる。

ここで、電気式バーナーは、プラズマトーチであると、プラズマトーチによる電気エネルギーを用いた少量の高温ガス体によって、流動材を効率良く容易に加熱することができる。

このような本発明によれば、ＣＯ_２を削減でき、加えて、取り扱い及び維持管理が容易となる。

本発明の第１実施形態に係る流動床燃焼炉の要部を示す概略断面構成図である。本発明の第２実施形態に係る流動床燃焼炉の要部を示す概略断面構成図である。本発明の第３実施形態に係る流動床燃焼炉の要部を示す概略断面構成図である。本発明の第４実施形態に係る流動床燃焼炉の要部を示す概略断面構成図である。

以下、本発明による流動床燃焼炉及び流動床燃焼炉の運転方法の好適な実施形態について図面を参照しながら説明する。なお、同一又は相当要素には同一符号を付し重複する説明は省略する。

図１は、本発明の第１実施形態に係る流動床燃焼炉の要部を示す概略断面構成図であり、この流動床燃焼炉は、ここでは、流動床ボイラであって、発電所に用いられるものである。

図１に示すように、流動床ボイラ１００は、上下端を閉じた筒状の炉１を備え、炉１を構成する炉壁５内が燃焼室６とされる。この流動床ボイラ１００は、燃焼室６に例えば珪砂等の流動材７を予め収容し、燃焼室６の底部に設けた複数の開口９から当該燃焼室６に燃焼空気を導入し、さらに、外部から燃焼室６に燃焼対象の原料を導入し、これらを燃焼空気により流動させながら流動床８を形成して原料を燃焼するものであり、燃焼の際に、炉壁５に配設された水管により熱交換を行うと共に炉１の上部から燃焼ガス（排ガス）を後段に排出する。

なお、ここでは、燃焼対象の原料を、特に好ましいとして、例えばバイオマスや石炭等の燃料としているが、例えば廃タイヤやごみ等の焼却目的の廃棄物とすることもできる。

ここで、特に本実施形態においては、上記流動材７を加熱し炉１内の燃焼室６に供給するための流動材供給装置２が、炉１に対して付設されている。

流動材供給装置２は、流動材７の流路となる流動材供給路３を備える。この流動材供給路３は、上方から下方に向かって鉛直に延びる第１供給路１０と、この第１供給路１０の下端から傾いて下方に延び炉壁５を貫通して燃焼室６に進入する第２供給路１１と、を有する。そして、流動材供給路３内の流動材７は、第１供給路１０内を下方に向かって移動し、第２供給路１１内を傾斜に従い移動し、燃焼室６に供される。

第１供給路１０の途中は、流動材７を加熱するための加熱路１２とされている。この加熱路１２は、流動材７を加熱するためのものであり、電気式バーナーの一種であるプラズマトーチ４を備える。

プラズマトーチ４は、電気を用いて約４０００〜２００００°Ｃの高温のプラズマジェット（高温ガス体）を出力するものである。このプラズマトーチ４は、その先端のノズルが、加熱路１２内に進入するように路壁を略水平方向に貫通して設置され、そのノズルから略水平方向に出力されるプラズマジェットによるプラズマフレームＰＦが、下方に移動する流動材７の傍（側）を横切る配置とされている（交わらない配置とされている）。そして、プラズマトーチ４は、プラズマフレームＰＦにより、加熱路１２内を移動する流動材７を、燃焼室６において上記原料の継続した燃焼を可能とする原料継続燃焼可能温度まで加熱する。この原料継続燃焼可能温度は、ここでは、５００°Ｃ〜７００°Ｃとされている。プラズマトーチ４の出力方向は流動材７の流動方向と交差する方向である。すなわち、プラズマトーチ４は、落下する流動材７に対して横方向からプラズマジェットを出力することができる。

プラズマトーチ４としては、移行型（ＴＲ）トーチ又は非移行型（ＮＴＲ）トーチの何れも採用することができるが、ここでは、プラズマフレームＰＦを長くすることができる移行型トーチが採用されている。

次に、このような構成を有する流動床ボイラ１００の運転方法について説明する。

先ず、炉１の起動時、具体的には、原料を燃焼室６に投入する前の炉１の起動時に、流動材７を流動材供給路３内に流し、移動する流動材７を、プラズマトーチ４により前述した原料継続燃焼可能温度まで加熱し、必要量の加熱済みの流動材７を燃焼室６に供給する。このとき、燃焼空気を開口９を通して燃焼室６に供給し流動材７を満遍なく流動させる。次いで、原料を燃焼室６に投入し、原料及び流動材７を流動させながら流動床８を形成し、原料を燃焼させる手順となる。

このように、本実施形態においては、原料を燃焼室６に投入する前の炉１の起動時に、プラズマトーチ４により、流動材７を原料継続燃焼可能温度まで加熱するようにしており、このプラズマトーチ４は、化石燃料を用いずに電気を用いて熱を発するため、ＣＯ_２を削減することができる。加えて、このプラズマトーチ４では、化石燃料の運搬等が必要なく電気を使用するため、取り扱い及び維持管理が容易となる。また、プラズマトーチ４の出力方向は流動材７の流動方向と交差する方向であるため、流動材７によるバーナー閉鎖や摩耗損耗を抑制できる。また、燃焼バーナーを用いた場合は、高温の燃料燃焼ガスと流動材との間で伝熱による熱交換によって流動材の温度を上げる。これに対して、電気式バーナー（プラズマトーチ４）を用いた場合、プラズマフレームＰＦと流動材７との間で輻射による熱交換を行うことができるため、流動材７の温度を上げやすい。

また、本実施形態によれば、プラズマトーチ４による電気エネルギーを用いた少量の高温ガス体によって、流動材７を効率良く容易に加熱することができる。また、このように、流動材７を効率良く容易に加熱することができるため、流動材７を原料継続燃焼可能温度まで一早く加熱できる。

また、本実施形態では、流動床ボイラ１００が配された場所が発電所（発電設備がある設備）のため、発電設備で生じた電気をそのまま利用できる。

また、本実施形態に係る流動床ボイラ１００は、流動材７を炉１内に供給するための流動材供給路３と、流動材供給路３に設けられたプラズマトーチ４と、を備えている。このような構成を採用した場合、流動材７が炉１内に供給される前段階で、プラズマトーチ４が流動材７を加熱することができる。

図２は、本発明の第２実施形態に係る流動床燃焼炉の要部を示す概略断面構成図である。

この第２実施形態の流動床ボイラ２００が第１実施形態の流動床ボイラ１００と違う点は、プラズマトーチ４を、その先端のノズルが、燃焼室６に進入するように炉壁５を貫通させて設置し、このプラズマトーチ４により、燃焼室６に予め収容されている流動材７を、上記原料継続燃焼可能温度まで加熱するようにした点である。

具体的な運転方法は、先ず、原料を燃焼室６に投入する前の炉１の起動時に、燃焼室６に常温の流動材７を外部から供給し、次いで、燃焼空気を開口９を通して燃焼室６に供給し流動材７を満遍なく流動させながら、プラズマトーチ４により、流動材７を前述した原料継続燃焼可能温度まで加熱し、流動材７が原料継続燃焼可能温度に達した後に原料を燃焼室６に投入し、原料が着火し燃焼し始めたらプラズマトーチ４の出力を徐々に下げ、その後、プラズマトーチ４の出力を停止する手順となる。プラズマトーチ４の出力方向は流動材７の流動方向と交差する方向である。すなわち、プラズマトーチ４は、開口９を通る燃焼空気によって流動する流動材７に対して横方向からプラズマジェットを出力することができる。なお、本実施形態において流動材の流動方向とは燃焼空気が供給される方向（鉛直方向）のことを言い、流動材が水平方向に移動するものは流動材の流動方向に含まない。

なお、プラズマトーチ４としては、移行型トーチ又は非移行型トーチの何れも採用することができるが、ここでは、バーナーと似たフレームを形成できる非移行型トーチとするのが好ましい。

このような第２実施形態においても、第１実施形態と同様に、原料を燃焼室６に投入する前の炉１の起動時に、プラズマトーチ４により、流動材７を原料継続燃焼可能温度まで加熱するため、第１実施形態と同様な効果を得ることができるというのはいうまでもない。

また、本実施形態に係る流動床ボイラ２００において、プラズマトーチ４は、燃焼室６に進入するように炉壁５を貫通して配置されている。このような構成を採用した場合、プラズマトーチ４は、燃焼室６内に貯められている流動材７を加熱することができる。

図３は、本発明の第３実施形態に係る流動床燃焼炉の要部を示す概略断面構成図である。

この第３実施形態の流動床ボイラ３００が第１実施形態の流動床ボイラ１００と違う点は、燃料として燃え難い高水分燃料を用いる場合、当該高水分燃料をプラズマトーチ４により加熱してから炉１内に供給するようにした点である。具体的には、流動材供給装置２に代えて、高水分燃料を供給する高水分燃料供給路２３が、上記流動材供給路３のプラズマトーチ４より上流側に接続された流動材供給装置２２を用いた点である。

ここでいう高水分燃料とは、含水率が５０％を越える燃料であり、具体的には、例えば山林系の未利用バイオマス等が挙げられる。この場合の含水率は７０％程度である。

このような第３実施形態にあっては、第１実施形態と同様に、原料を燃焼室６に投入する前の炉１の起動時において、流動材７が流動材供給路３内に流され、移動する流動材７がプラズマトーチ４により原料継続燃焼可能温度まで加熱されて炉１内に供給される。従って、第1実施形態と同様な効果を得ることができる。

これに加えて、炉１の起動時において、高水分燃料は、高水分燃料供給路２３から流動材供給路３内に供給され、流動材７と共にプラズマトーチ４により加熱されて炉１内に供給される。このため、高水分燃料が加熱されずに炉１内に投入される場合に比して、高水分燃料の水分がある程度蒸発することから、発熱量の低下が抑止されて燃料の継続した燃焼が可能とされ、その結果、流動床ボイラ３００を安定して運転できる。

なお、高水分燃料供給路２３に供される高水分燃料は、高水分燃料の全部であっても一部であっても良く、燃料の継続した燃焼が可能となれば良い。

また、高水分燃料は、炉１の起動時以外の例えば通常運転時に、プラズマトーチ４により加熱されて炉１内に供給されても良い。

因みに、プラズマトーチ４により、高水分燃料の含水率が５０％程度に下げられれば、発熱量の低下が抑止されて燃料の継続した燃焼が可能とされるため、好ましい。

図４は、本発明の第４実施形態に係る流動床燃焼炉の要部を示す概略断面構成図である。

この第４実施形態では、流動床ボイラが循環流動床ボイラ４００とされている。循環流動床ボイラ４００は、炉１内からの排ガスから流動材７（灰等を含む）を分離し炉１内に戻し循環させる流動材循環路２５を備える。この流動材循環路２５は、サイクロン３０、ダウンカマー３１、ループシール３２、戻し管３３をこの順に接続して成る。

サイクロン３０は、炉１に接続され、炉１内から排出された排ガスから流動材７を固気分離するものである。

ダウンカマー３１は、サイクロン３０の底部に接続され、当該サイクロン３０で分離した流動材７を下方に送るものである。

ループシール３２は、ダウンカマー３１の下端に接続され、当該ダウンカマー３１から送られた流動材７を、炉１内のガス等がサイクロン３０側に逆流するのを防止すべく、サイクロン３０からの流動材７を一時的に貯留して炉１内の流動床８とサイクロン３０との間を遮断しシールすると共に、ラインＬ２を通して適宜供給される流動用空気により、貯留した流動材７を流れやすく流動化させて順次下方に送るものである。なお、流動用空気をループシール３２に供給するラインＬ２は、前述した燃焼用空気を炉１底部の複数の開口９に供給するためのラインＬ１から分岐されている。

戻し管３３は、ループシール３２と炉１下部とに接続され、ループシール３２からの流動材７を炉１内の燃焼室６に戻すものである。

この第４実施形態では、前述した流動材供給装置２２が炉１下部に接続される点は第３実施形態と同様である。この第４実施形態が第３実施形態と違う点は、第３実施形態の流動材供給装置２２と同様な構成の流動材供給装置４２を、ループシール３２に接続した点である。

このように構成された循環流動床ボイラ４００によれば、流動材供給装置２２による第３実施形態と同様な作用・効果に加えて、流動材７や高水分燃料が、上記とは別ルートのループシール３２、戻し管３３を経由して炉１内に供給される。これによっても、高水分燃料が加熱されずに炉１内に供給される場合に比して、高水分燃料の水分がある程度蒸発することから発熱量の低下が抑止されて燃料の継続した燃焼が可能とされ、その結果、循環流動床ボイラ４００を安定して運転できる。

なお、高水分燃料は、第３実施形態で述べたのと同様に、炉１の起動時以外の例えば通常運転時に、プラズマトーチ４により加熱されて炉１内に供給されても良い。

また、第４実施形態では、流動材供給装置４２をループシール３２に接続しているが、例えばダウンカマー３１や戻し管３３等の流動材循環路２５に接続していれば良い。

因みに、第２実施形態も、上述した循環流動床ボイラに対して適用できる。

以上、本発明をその実施形態に基づき具体的に説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、例えば、流動材７を収容するためのホッパを設け、ホッパ出口のダンパを閉にした状態でホッパ内に流動材７を供給して収容し、このホッパ内の流動材７を第２実施形態のようなプラズマトーチ４により原料継続燃焼可能温度まで加熱し、加熱後に出口ダンパを開にして加熱済みの流動材７を燃焼室６に供給するようにしても良い。なお、第３、第４実施形態に関しては、高水分燃料もホッパ内に供給することになる。

また、上記実施形態においては、高温ガス体を効率良く容易に出力できるとして、特にプラズマトーチ４を用いているが、化石燃料を用いずに電気を用いて熱を発し、流動材７を原料継続燃焼可能温度まで加熱できる電気式バーナーであれば他のものであっても良い。

また、上記実施形態においては、循環流動床を含む流動床ボイラに対する適用を述べているが、熱交換を行う水管を炉に備えていない流動床火炉に対しても適用可能であり、要は、原料及び流動材が流動する流動床を形成しながら原料を燃焼する燃焼室を備えた流動床燃焼炉全てに対して適用できる。

１…炉、２，２２，４２…流動材供給装置、３…流動材供給路、４…プラズマトーチ（電気式バーナー）、６…燃焼室、７…流動材、８…流動床、２３…高水分燃料供給路、２５…流動材循環路、１００，２００，３００，４００…流動床ボイラ（流動床燃焼炉）。

ループシール３２は、ダウンカマー３１の下端に接続され、当該ダウンカマー３１から送られた流動材７が、炉１内のガス等によりサイクロン３０側に逆流するのを防止すべく、サイクロン３０からの流動材７を一時的に貯留して炉１内の流動床８とサイクロン３０との間を遮断しシールすると共に、ラインＬ２を通して適宜供給される流動用空気により、貯留した流動材７を流れやすく流動化させて順次下方に送るものである。なお、流動用空気をループシール３２に供給するラインＬ２は、前述した燃焼用空気を炉１底部の複数の開口９に供給するためのラインＬ１から分岐されている。

Claims

原料及び流動材が流動する流動床を形成しながら前記原料を燃焼する燃焼室を備えた流動床燃焼炉において、
前記原料の継続した燃焼を可能とする原料継続燃焼可能温度まで、前記流動材を加熱する電気式バーナーを備え、
前記電気式バーナーの出力方向は前記流動材の流動方向と交差する方向である、流動床燃焼炉。
前記流動材を炉内に供給するための流動材供給路と、
前記流動材供給路に設けられた前記電気式バーナーと、を備える請求項１に記載の流動床燃焼炉。
前記流動材供給路の前記電気式バーナーより上流側に接続され高水分燃料を供給する高水分燃料供給路を備える、請求項２に記載の流動床燃焼炉。
炉内から排出される排ガスから前記流動材を固気分離し前記炉内に戻し循環させる流動材循環路を備え、
前記流動材供給路は、前記流動材循環路に接続される、請求項２又は３に記載の流動床燃焼炉。
前記電気式バーナーは、前記燃焼室に進入するように炉壁を貫通して配置されている、請求項１に記載の流動床燃焼炉。
前記電気式バーナーは、炉の起動時に使用される、請求項１〜５の何れか一項に記載の流動床燃焼炉。
前記電気式バーナーは、プラズマトーチである、請求項１〜６の何れか一項に記載の流動床燃焼炉。
原料及び流動材が流動する流動床を形成しながら前記原料を燃焼する燃焼室を備えた流動床燃焼炉の運転方法であって、
電気式バーナーにより、前記原料の継続した燃焼を可能とする原料継続燃焼可能温度まで前記流動材を加熱し、
前記電気式バーナーの出力方向は前記流動材の流動方向と交差する方向である、流動床燃焼炉の運転方法。