JP2622299B2 - 流動床燃焼装置および方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、石炭等の固体燃料やCWM、重質油等の液体
燃料の燃焼に適用される装置および方法に関する。

〔従来の技術〕

従来、石灰石やドロマイト等を流動媒体として、石炭
等を燃焼させると同時に脱硫も行なうという流動床燃焼
装置および方法が実用化されている。そのような従来の
代表的な例を第７図に基づいて説明する。

流動床（11）は、水冷壁（５）に囲まれた、分散板
（６）上に形成されている。流動床とは分散板の下方か
ら供給されるガスによって粒子が浮遊し、ガスにより混
合撹拌されている状態であり、その上方には粒子の存在
割合が流動床よりも１桁以上小さくなったフリーボード
（12）が存在する。石炭（102）と石灰石（103）は供給
ノズル（２），（３）からそれぞれ流動床（11）へ供給
され、空気（101）は空気供給ノズル（１）から風箱（1
0）を経て、多数の小孔を有する分散板（６）から流動
床（11）へ供給される。水冷壁（５）と流動床（11）内
に設置された冷却管（４）には、流動床（11）内の反応
熱を除去するため、それぞれ冷却水（105），（104）が
供給されている。流動床（11）内の粗大粒子は排出管
（９）から排出される。燃焼ガスはフリーボード（12）
で燃焼ガスに随伴された未燃粒子および脱硫剤粒子を重
力分級により分離した後、排出口（７）からダストを含
んだ燃焼排ガス（107）として排出される。

低NO_x燃焼を指向しない場合、空気比は1.1〜1.2であ
る。

低NO_x燃焼を指向する場合は、空気（101）の量を減少
させて流動床の空気比（供給空気量／完全燃焼に必要な
空気量の比）を1.0〜1.05に小さくすることにより、NO_X
（NO,NO₂等）の発生量を低く抑えている。流動床の空気
比を小さくしたことにより、低NO_X燃焼を指向しない場
合に較べると、発生するガス中のCOおよびガスに随伴さ
れた未燃粒子が増加する。そこで、ノズル（16）から空
気（106）を供給して、COおよび未燃粒子をフリーボー
ド（12）において燃焼させ、燃焼効率の低下を防いでい
る。

〔発明が解決しようとする課題〕

従来の流動床燃焼装置では、低NO_X燃焼を実現するた
めに空気比を小さくすると燃焼効率が低下し、SO_Xが増
大した。また空気比を小さくしても、N₂Oの発生量まで
は低下させることができなかった。更に、フリーボード
へ空気を吹き込んで流動床で発生した未燃粒子を燃焼す
る場合でも、フリーボードに未燃粒子が滞留する時間が
短いので、高い燃焼効率で未燃粒子を燃焼させることは
難しかった。加えて、フリーボードの周壁が水冷壁で構
成されているので、フリーボードの温度を容易に高温化
できなかった。

〔課題を解決するための手段〕

本発明は、前記従来の課題を解決するために、側壁が
冷却水のチューブで構成され、空気供給口、固体燃料ま
たは液体燃料の供給口、脱硫剤供給口および燃焼残渣排
出口を有する第１の反応室と、同第１の反応室の上端に
連通してその上方に配され、周壁が耐火断熱材で構成さ
れるとともに、上部にガスの出口を有する第２の反応室
と、上記第１の反応室の内部に設けられた冷却水管と、
上記第２の反応室の入口部に固着された旋回羽根と、上
記第２の反応室内に開口し、上記旋回羽根の旋回方向と
同方向に空気を噴出する空気供給管とを備えたことを特
徴とする流動床燃焼装置：ならびに上記流動床燃焼装置
において、第１の反応室でカルシウムを含む脱硫剤を空
気により流動化させて流動床を形成するとともに、その
流動床中で燃料を800℃ないし870℃で燃焼させ、発生し
たガスを次に第２の反応室内で旋回させてランキン渦を
発生させ、更に同第２の反応室内に吹込まれた空気によ
りガス中の未燃粒子を880℃ないし1000℃で燃焼させる
ことを特徴とする流動床燃焼方法を提案するものであ
る。

〔作用〕

本発明においては、従来のフリーボード部に相当する
第２の反応室を耐火断熱構造とすることにより、伝熱に
より壁から系外へ放散される発生ガスの顕熱量を減少さ
せることができ、そこで発生するガスの温度を容易に高
温化することができる。

また、第２の反応室の入口に設けられた旋回羽根と第
２の反応室に吹き込まれる空気とによって第２の反応室
内のガスを旋回でき、その旋回流を、旋回方向流速が半
径方向で一定となるような、ランキン渦とすることによ
り、粒子は第２の反応室の空間内を旋回するのが粒子が
壁に近づく速度は非常に遅いという状態が出現し、粒子
濃度の高い領域が旋回流中に生じる。このように第２の
反応室のガスをランキン渦の旋回流とすることにより、
粒子の滞留時間をガスよりも長くすることが可能とな
る。

更に本発明では第２の反応室内の温度を第１の反応室
内の流動床よりも高くするので、N₂Oの分解量が増大す
る。しかし、その上昇値によっては、カルシウムを含む
脱硫剤が温度上昇により再分解してSO₂の放出が生じ
る。流動床と同一温度にすると、常圧では加圧した場合
よりも脱硫剤からのSO₂放出量が多くなるので、加圧状
況やN₂O,SO₂,未燃分の発生量に応じて第２の反応室の温
度を選定し、N₂Oの分解量が大きくSO₂の再放出が小さな
温度を選定する。

〔実施例〕

第１図は本発明の一実施例を示す流動床燃焼装置の縦
断面図、第２図は第１図のII−II断面図、第３図は第２
図のIII−III断面図、第４図は第１図のIV−IV断面図で
ある。

まず第１図において、Ａは第１の反応室であって、そ
の側壁は冷却水のチューブで構成されて水冷壁（５）を
形成している。そして空気供給ノズル（１）、石炭供給
ノズル（２）、石灰石供給ノズル（３）および燃焼残渣
の排出管（９）が設けられている。またＢは第２の反応
室であって、上記第１の反応室Ａの上端に連通してその
上方に配され、周壁（15）が耐火断熱材で構成されてい
て、上部に排出ガス管（17）が設けられている。

流動床（11）は、水冷壁（５）に囲まれた上記第１の
反応室Ａ内の分散板（６）上に形成されている。石炭
（102），石灰石（103）は石炭供給ノズル（２），石灰
石供給ノズル（３）から流動床（11）へ供給され、空気
（101）は空気供給ノズル（１）から風箱（10）を経て
多数の小孔を有する分散板（６）を通り流動床（11）へ
供給される。流動床（11）内に設置された冷却管（４）
および水冷壁（５）には、流動床（11）内の反応熱を除
去するため、それぞれ冷却水（104），（105）が供給さ
れている。流動床（11）内の粗大粒子は排出管（９）か
ら排出される。

燃焼ガスは、第２の反応室Ｂの入口に設置された旋回
羽根（13）で、旋回を与えられて第２の反応室内Ｂへ導
入される。旋回羽根は、第２図および第３図に示したよ
うな構造をしている。旋回羽根は、第２の反応室Ｂの外
壁（15）とは連結しておらず、間隙ｄがあるので、第２
の反応室の外壁（15）側のガスは旋回羽根（13）から旋
回力を受けない。したがって、旋回方向流速は中心部が
速く外周部が遅い流速分布とすることができる。第２図
に示されて旋回羽根（13）と第２の反応室外壁（15）と
の間のこのような間隙ｄは、第２の反応室Ｂ内のランキ
ン渦形成に大きな影響を与える。また、旋回方向流速
は、第３図に示されている旋回羽根（13）と軸心のなす
角度θも、第２の反応室Ｂ内のランキン渦形成に大きな
影響を与える。したがって、ｄとθは第２の反応室Ｂ内
の未燃粒子の燃焼効率を左右する因子であるので、最適
な値となるよう実験により決定する。

第２の反応室Ｂの軸心部には、空気供給管（116）が
配され、フリーボード空気の供給ノズル（14）が開口し
ている。この空気供給ノズル（14）は、第４図に示され
るように、半径方向に対して角φをなすような方向に吹
出口が設置されている。このような角度φを有するの
で、フリーボード空気の吹き出しにより、第２の反応室
Ｂ内の燃焼ガス（108）の旋回が助長される。したがっ
て角度φは、最適な値となるよう実験的に決定する。

第５図（ａ），（ｂ）は第２の反応室Ｂ内の旋回方向
流速分布を示す図である。第５図（ａ）は、第５図
（ｃ）の（ａ）部（第１図のIV−IV鎖線部）、すなわち
空気の供給ノズル（14）部付近における旋回方向流速の
分布を示し、第５図（ｂ）は第５図（ｃ）の（ｂ）部、
すなわち第２の反応室Ｂの上部における旋回方向流速の
分布を示す。まず（ａ）部では、旋回方向流速が半径方
向にほぼ一様であり、ランキン渦が生じている。この部
分では、大部分の粒子の軌跡は第１図中に一点鎖線（10
9）で示すように旋回している。そして、点線（110）の
ように壁まで移動して壁近傍のガスの下降流に乗り、再
度流動床へ落下する粒子の割合は少ない。また（ｂ）部
（第２図の反応室Ｂの上部）では、第５図（ｂ）に示さ
れるように、旋回流速は全体に低下するが、ランキン渦
はまだ保持されている。第２の反応室Ｂ内における燃焼
ガス主流（108）の平均滞留時間は約３秒であるが、粒
子はランキン渦に乗って同一高さの位置を旋回している
時間が長くなり、粒子の平均滞留時間は10秒以上とな
る。粒子の平均滞留時間が延びることにより、第２の反
応室Ｂ内のフリボードにおける粒子の燃焼効率が上昇す
る。試験によれば、16ataの加圧状態では粒子の燃焼速
度が上昇したので、流動床温度850℃，フリーボード温
度900℃で燃焼効率99.5％,SO₂ 40ppm,NO_x 40ppm,N₂O 5p
pmという低公害で、かつ高い燃焼効率を達成することが
できた。

なお、燃焼ガス（108）は最後に排出ガス管（17）よ
り系外に排出される。

第２の反応室Ｂにおいて、旋回ガス流の旋回方向流速
が半径方向で均一となるような、ランキン渦を発生させ
るためには、３つの条件を考慮して、第２の反応室への
空気の吸込方法が選定される。その３つの条件とは、
空気供給ノズル（14）の軸方向位置、空気供給ノズル
（14）の吹き込み方向が半径方向に対してなす角度φ、
フリーボードへ吹き込む空気の吹き込み角度である。

第６図は本発明の第２実施例を示す流動床燃焼装置の
縦断面図である。本実施例では、燃焼ガスが、空気供給
管（216）と同心でその外方を囲んで設けられた排出ガ
ス管（27）から、系外に取り出される。その他の構成お
よび作用・効果は前記第１の実施例と同様なので、詳し
い説明を省く。

〔発明の効果〕

本発明においては、第２の反応室Ｂの入口に旋回羽根
を設けるとともに、その旋回方向と同方向に空気を吹込
むことにより、第２の反応室Ｂ内に形成されたフリーボ
ードにランキン渦型の旋回流を発生させ、フリーボード
での未燃粒子を従来よりも高効率で燃焼することが可能
となった。したがって、流動床の空気比を1.0〜1.05と
しても装置全体の燃焼効率は低下せず、かつフリーボー
ドでの燃焼効率が上昇するため容易にフリーボードのガ
ス温度が上昇し、N₂Oを分解することが可能となった。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の一実施例を示す流動床燃焼装置の縦
断面図、第２図は第１図のII−II断面図、第３図は第２
図のIII−III断面図、第４図は第１図のIV−IV断面図で
ある。第５図は第２図の反応室内における旋回方向流速
の半径方向分布を示す図である。第６図は本発明の第２
の実施例を示す流動床燃焼装置の縦断面図である。第７
図は従来の流動床燃焼装置の一例を示す縦断面図であ
る。 Ａ……第１の反応室,B……第２の反応室， （１）……空気供給ノズル，（２）……石炭供給ノズ
ル， （３）……石灰石供給ノズル，（４）……冷却管， （５）……水冷壁，（６）……分散板， （７），（17），（27）……排出ガス管， （８）……風箱壁，（９）……排出管， （10）……風箱，（11）……流動床， （12）……フリーボード，（13）……旋回羽根， （14）……空気供給ノズル，（15）……第２の反応室の
周壁， （16），（116）……空気供給管，（101）……空気， （102）……石炭，（103）……石灰石， （104），（105）……冷却水，（106）……フリーボー
ド空気， （107）……燃焼排ガス，（108）……燃焼ガス。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 藤間 幸久 長崎県長崎市飽の浦町１番１号 三菱重 工業株式会社長崎研究所内 (72)発明者 園田 圭介 長崎県長崎市飽の浦町１番１号 三菱重 工業株式会社長崎研究所内 (72)発明者 甕 聰樹 東京都千代田区丸の内２丁目５番１号 三菱重工業株式会社内 (72)発明者 石神 重泰 東京都千代田区丸の内２丁目５番１号 三菱重工業株式会社内 (56)参考文献 実開 昭61−34329（ＪＰ，Ｕ) 実開 昭58−175342（ＪＰ，Ｕ)

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】側壁が冷却水のチューブで構成され、空気
   供給口、固体燃料または液体燃料の供給口、脱硫剤供給
   口および燃焼残渣排出口を有する第１の反応室と、同第
   １の反応室の上端に連通してその上方に配され、周壁が
   耐火断熱材で構成されるとともに、上部にガスの出口を
   有する第２の反応室と、上記第１の反応室の内部に設け
   られた冷却水管と、上記第２の反応室の入口部に固着さ
   れた旋回羽根と、上記第２の反応室内に開口し、上記旋
   回羽根の旋回方向と同方向に空気を噴出する空気供給管
   とを備えたことを特徴とする流動床燃焼装置。
2. 【請求項２】請求項１）記載の流動床燃焼装置におい
   て、第１の反応室でカルシウムを含む脱硫剤を空気によ
   り流動化させて流動床を形成するとともに、その流動床
   中で燃料を800℃ないし870℃で燃焼させ、発生したガス
   を次に第２の反応室内で旋回させてランキン渦を発生さ
   せ、更に同第２の反応室内に吹込まれた空気によりガス
   中の未燃粒子を880℃ないし1000℃で燃焼させることを
   特徴とする流動床燃焼方法。