JPH0799250B2 - 流動層式燃焼方法及び流動層式燃焼装置 - Google Patents

流動層式燃焼方法及び流動層式燃焼装置

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JPH0799250B2
JPH0799250B2 JP60201971A JP20197185A JPH0799250B2 JP H0799250 B2 JPH0799250 B2 JP H0799250B2 JP 60201971 A JP60201971 A JP 60201971A JP 20197185 A JP20197185 A JP 20197185A JP H0799250 B2 JPH0799250 B2 JP H0799250B2
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    • F23C10/10—Fluidised bed combustion apparatus with means specially adapted for achieving or promoting a circulating movement of particles within the bed or for a recirculation of particles entrained from the bed the particles being circulated to a section, e.g. a heat-exchange section or a return duct, at least partially shielded from the combustion zone, before being reintroduced into the combustion zone characterised by the arrangement of separation apparatus, e.g. cyclones, for separating particles from the flue gases the separation apparatus being located outside the combustion chamber
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Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は流動層式燃焼方法およびこの燃焼方法の実施に
使用される流動層式燃焼装置に関するものである。
（従来の技術） 流動層を利用して硫黄を多量に含んだ石炭を燃焼する燃
焼装置が既に提案されている。この従来の流動層式燃焼
装置においては、流動層はいわゆる泡立ち流動層法（bu
bblig bet technology）が採用されており、この流動層
の空塔速度すなわち流動層内を流れる燃焼用空気の単位
時間当たりの流量を流動層の断面積で除した商は４〜12
フィート／秒（約120〜360cm/秒）にされ、平均粒径が
約1000ミクロンの粒子になっている。石炭粒子は流動層
内で燃焼される。このとき硫黄酸化物の放出を抑制する
ため石灰岩やドロマイトが吸収剤として流動層に加えら
れる。この吸収剤は、粒径が1000〜3000ミクロンの粒子
として流動層に加えられ、流動層は主に石炭の灰分、反
応した吸収剤、部分反応した吸収剤および一部燃焼され
た燃料粒子から成っている。また流動層内には熱をスチ
ームに伝達する冷却管が配設され、且つ燃焼した熱ガス
から熱を除去し熱ガスの温度を低下させるため、流動層
の上部のフリーボード部に別の管が取り付けられてい
る。運転中流動層から半成コークス（チヤー）、灰およ
び部分反応した吸収剤の各微粒子が分別放出される。
燃料粒子を完全に燃焼し、且つ反応していない吸収剤に
硫黄酸化物を更に効果的に吸収させるため、これらの微
粒子の大半が、対流式の熱交換器の下流に配設された再
循環サイクロンにより捕捉され、そして流動層へ再び戻
される。このとき、極めて細かい粒子のみがサイクロン
からオーバフローとしてフィルタ装置へ送られ捕捉され
る。また再循環路における流量は、燃焼装置内へ供給さ
れる燃料および吸収剤の全固形分流量にほぼ等しくなる
ように設けられている。
しかしながら、上述の従来の燃焼装置にはいくつかの問
題点がある。先ず燃焼されていない燃料微粒子が、燃焼
装置から放出されてしまい、燃焼効率が約97％程度に低
下している。これは炭素成分が42％の石炭に比べ炭素成
分が90％の石油コークスのような揮発成分の低い燃料を
燃焼する場合に極めて顕著になっている。２番目に、吸
収剤の利用率も低く、90％の硫黄酸化物を抑制する必要
のある通常の大気汚染規制の要件を満足させるには、カ
ルシウムと硫黄とのモル比を少なくとも３対１に維持す
る必要がある。このため、比較的大粒の吸収剤粒子の表
面のみに硫黄酸化物が吸収され、粒子の内部の大半は未
使用状態で放出されている。３番目の欠点は、これらの
ボイラーが窒素酸化物を汚染物質として排出することで
あり、その窒素酸化物は、燃料に含まれる窒素から発生
する。米国国内のいくつかの地域では、窒素酸化物の排
出量はその地域の規制値を越えないが、南部カリフォル
ニアのような地域では規制値を越えてしまう。
これに対し、米国特許第4,177,741号には、従来の流動
層ボイラーの燃焼効率を上げるため、循環粒子を泡立ち
流動層へ戻す前に凝集させる構成が開示されている。凝
集された粒子は、流動層から吹出ることが防止され、燃
焼される。米国特許4,259,911号には、石炭粒子と循環
粒子とを流動層に入れる前に凝集させる構成が示されて
いる。米国特許4,329,234号は、吸収剤の使用率を改善
するため、流動層の一部を取り出し、吸収前粒子の直径
を50ミクロンに粉砕する構成を開示している。
更に、ドイツ国特許第3,023,480号には、吸収剤の利用
率を高め燃焼ガスから生ずる硫黄酸化物を抑制する別の
構成が開示されている。この場合、燃焼ガスを粒径30〜
200ミクロンの吸収剤粒子からなる流動層に通過させて
いる。流動層の空塔速度が３〜30フィート／秒（約90〜
900cm/秒）となるようにし、且つ流動層の粒子密度は0.
1〜10kg/m3とされている。高流速のガスに随伴する粒子
は、サイクロンによって除去され、温度が1300〜2000°
Ｆ（約704〜1093℃）の流動層に戻されると共に、時間
当たりの再循環流量が流動層の重量の約５倍にされてい
る。
また、米国特許第4,111,158号には、循環流動層の原理
に基づいた流動層燃焼炉の燃焼効率、硫黄酸化物および
窒素酸化物の抑制又は除去を増進する構成が開示されて
いる。この場合、泡立ち流動層燃焼炉の空塔速度がが４
〜12フィート／秒であれば泡立ち流動層の上面は明確に
区分されているが、空塔速度が15〜45フィート／秒（約
450〜1350cm/秒）になると、流動層の上面は明確に区分
されず、粒子密度が燃焼装置の底部から頂部に向かって
次第に変化する傾向を示した。
燃焼装置内のガス流に含まれる粒子は、燃焼装置の下流
に配設された再循環サイクロンにより分離され、流動層
の底部に導入される。粒径は30〜250ミクロンに、及び
粒子密度は燃焼装置の上部で10〜40kg/m3になる。この
場合、燃焼装置および再循環路内の粒子およびガスから
熱は回収されない。燃焼装置内の管が摩耗を受けやす
く、そして管が設けられている箇所の粒子密度が、泡立
ち流動層（500kg/m3）の粒子密度に比べ低いので、効果
的に管に熱伝導がされない。そこで、この発明では燃焼
装置の底部から流動層の一部を取り出し、プロセスを最
善に活用した別の流動層熱交換器で冷却することにより
熱が回収されている。
米国特許第3,900,554号には、触媒を用いることなくア
ンモニアを噴射して窒素酸化物を抑制する構成が開示さ
れている。この場合、アンモニアの基本的なガス反応に
より、1742〜1832゜F（約950〜1000℃）において窒素酸
化物が所望に応じ低減され、アンモニアと窒素酸化物と
のモル比を２にしたとき20％抑制されるとしている。
（発明が解決しようとする課題） 上記の米国特許第4,177,741号によると循環粒子は凝集
され、また米国特許4,259,911号によると、石炭粒子と
循環粒子は凝集されているので、これらの粒子が流動層
から吹出ることは防止される。また、米国特許4,329,23
4号によると、粒子は粉砕されるので、硫黄酸化物のさ
らなる吸収は認められる。しかしながら、これらの米国
特許は前述した旧式な流動層燃焼装置の単純な改良にと
どまっている。
また、ドイツ国特許第3,023,480号によると、大きな表
面積を有し活発に混合される微粒子を用いて硫黄酸化物
を好適に抑制し得るが、流動層に冷却管を配設し、熱を
流動層から回収する技術思想には至っていない。
また、米国特許第4,111,158号には、循環流動層の原理
に基づいた流動層燃焼炉の燃焼効率、硫黄酸化物および
窒素酸化物の抑制又は除去を増進する構成が開示されて
いるが、この米国特許によると、燃焼装置および再循環
路内の粒子およびガスから熱は回収されない。燃焼装置
内の管は摩耗を受け易いだろし、そして管が設けられる
箇所の粒子密度が、泡立ち流動層（500kg/m3）の粒子密
度に比べ低いので、効果的に管に熱伝導がされない恐れ
がある。したがって燃焼装置の底部から流動層の一部を
取り出しプロセスを最善に活用した別の流動層熱交換器
で冷却することにより熱が回収されている。これによ
り、燃焼装置および再循環路内の良好に混合された小径
の燃料粒子を完全に燃焼することにより、高い燃焼効率
は得られ、また、細かな吸収剤粒子を用い、燃焼装置お
よび再循環路全体にわたって温度を有効レベルに維持す
ることにより、吸収剤の利用率が高められる。また燃焼
装置の全長にわたって燃焼空気を順次導入することによ
り、窒素酸化物の発生を抑制し得る特徴がある。しかし
ながら、この燃焼装置においては、特に流動層と別の熱
交換器を必要とする上、大型の再循環用サクロンを必要
とする問題点がある。
また、米国特許第3,900,554号によると、アンモニアの
基本的なガス反応により、1742〜1832゜F（約950〜1000
℃）において窒素酸化物を選択的に低減することがで
き、アンモニアと窒素酸化物とのモル比を２にしたとき
20％抑制されるとしている。この点は認められるが、こ
の米国特許はアンモニアと窒素酸化物とのモル比が同様
に２であるとき、再循環サイクロン内におけるように良
好に混合すると、95％の窒素酸化物を除去することがで
きることには、思い至っていない。
本発明は、上記したような従来の流動層式燃焼方法ある
いは流動層式燃焼装置の欠点、問題点等を鑑みてなされ
たものであって、高い燃焼効率が得られると共に、吸収
剤が有効に利用され、それによって硫黄酸化物と窒素酸
化物とが燃焼ガスから効果的に除去される、流動層式燃
焼方法およびこの方法の実施に使用される流動層式燃焼
装置を提供することを目的としている。また、流動層内
に配設される冷却管の熱伝達係数が増大すると共に、冷
却管の摩耗も少ない、流動層式燃焼方法およびこの方法
の実施に使用される流動層式燃焼装置を提供することも
目的としている。
他の発明は、上記目的に加えて硫黄酸化物の捕捉が顕著
に向上し、窒素酸化物の放出が抑制される、流動層式燃
焼方法およびこの方法の実施に使用される流動層式燃焼
装置を提供することを目的としている。
（課題を解決するための手段） 本発明は、上記目的を達成するために、固形燃料および
不純物を含む液体燃料を大気圧の流動層式燃焼装置内へ
供給する工程と、不活性粒子、灰粒子および部分燃焼し
た燃料粒子を燃焼装置内で燃焼させるより粉砕し、そし
て0.5〜７フィート／秒（15〜210cm/秒）の空塔速度で
運転し、燃焼装置の上方に配置された篩点が12ミクロン
以下の再循環用のサイクロンで流動層との間を循環させ
て、平均粒径が100〜800ミクロンの流動層を形成する工
程と、流動層式燃焼装置からの排気ガスに含まれる粒子
を再循環サイクロンで捕捉し流動層の重量の１〜５倍の
１時間当たりの戻し流量をもって流動層に戻す工程と、
流動層内に配設された冷却管並びに再循環用のサイクロ
ンの下流の排気ガスから熱を回収する工程と、熱回収さ
れた排気ガス流から粉塵を除去する工程とを包有するよ
うに構成される。
特許請求の範囲の第２項に記載の発明は、第１項に記載
の、固形燃料を供給する工程時に硫黄酸化物用の吸収剤
を供給し、それによって流動層が、部分反応した硫黄酸
化物用の吸収剤粒子も含むように構成され、特許請求の
範囲の第３項に記載の発明は、特許請求の範囲の第１項
に記載の工程に、再循環用のサイクロンの直上流の高温
燃焼ガス流内にアンモニアを導入する工程を包含するよ
うに、特許請求の範囲の第４項に記載の発明は、特許請
求の範囲の第１項に記載の、流動層に戻す工程時に再循
環用のサイクロンで捕捉した粒子を燃焼室の内部を通し
て直接流動層へ戻すように構成され、特許請求の範囲の
第５項に記載の発明は、特許請求の範囲の第１項に記載
の、熱を回収する工程時には流動層式燃焼装置内におい
ては流動層からのみ熱を回収するように構成され、特許
請求の範囲の第６項に記載の発明は、特許請求の範囲の
第１項に記載の各工程を実施するとき、流動層式燃焼装
置を1400〜1500゜F（760〜816℃）で運転し、それによっ
て燃料粒子の燃焼による窒素酸化物の生成を抑制すると
共に、流動層並びに再循環内で半成コークスにより窒素
酸化物を抑制しながら半成コークを生成するように、そ
して特許請求の範囲の第７項に記載の発明は、特許請求
の範囲の第１項に記載の、流動層を形成する工程時に、
流動層の粒子の40〜20％を200ミクロン以下に維持し、
それによって流動層内の冷却管の熱伝達係数を100〜200
BTU/FT2・HR・Ｆまで上昇させるように構成される。
特許請求の範囲の第８項に記載の発明は、大気圧の流動
層式燃焼器と、固体燃料及び不純物を含む液体燃料を前
記流動層式燃焼器内へ供給する燃料供給装置と、前記流
動層式燃焼器内で燃焼することにより粉砕され、そして
排気ガスに含まれる不活性粒子、灰粒子および部分燃焼
した燃料粒子を捕捉し、流動層の重量の１〜５倍に等し
い１時間当たりの戻し流量で流動層に戻す、篩点が12ミ
クロン以下の再循環用のサイクロンと、前記流動層式燃
焼器内に0.5〜７フィート／秒（15〜210cm/秒）のみの
空塔速度を与える空塔速度付与装置と、前記流動層式燃
焼器の流動層並びに排気ガス流から熱を回収する、熱回
収装置と、熱回収された排気ガス流から粉塵を集めるフ
イルタ装置とから構成されている。特許請求の範囲の第
９項に記載の発明は、特許請求の範囲の第８項に記載の
熱回収装置が、流動層内に配置されている冷却管と、再
循環用のサイクロンの下流側に配置されている熱交換器
とから構成され、特許請求の範囲の第９項に記載の発明
は、特許請求の範囲の第８または第９項に記載の再循環
用のサイクロンは、燃焼装置の上方に配置されていると
共に、該再循環用のサイクロンのアンダーフロー管は燃
焼室内を流動層まで延びているように構成されている。
（作用） 固形燃料あるいは不純物を含む液体燃料を流動層式燃焼
装置内へ供給する。不活性粒子、灰粒子および部分燃焼
した燃料粒子を燃焼装置内で焼く。そうすると、これら
の粒子は燃焼し粉砕される。そして例えば流動層式燃焼
室の下方から燃焼用空気を空塔速度が0.5〜７フィート
／秒（15〜210cm/秒）の範囲になるように供給する。排
気ガスに含まれる粉砕された不活性粒子、灰粒子および
部分燃焼した燃料粒子は、篩点が12ミクロン以下の再循
環用のサイクロンで流動層と燃焼装置の上方に配置され
たサイクロンとの間を循環する。この間に、平均粒径が
100〜800ミクロンの範囲内にある流動層が形成される。
そして、燃料は燃焼する。粒子を含んだ熱排ガスは、再
循環用のサイクロンに供給され、所定粒径以上の粒子は
再循環用のサイクロンでアンダーフローとして捕捉さ
れ、流動層の重量の１〜５倍の１時間当たりの戻し流量
という多量の粒子が流動層に戻される。この結果、熱排
ガスに含まれる大部分の粒子が燃焼室と、燃焼装置の上
方に配置された再循環用のサイクロンとの間を多数回循
環する。これにより燃料が充分燃焼室に滞留することに
なり、炭素粒子は完全に燃焼する。
オーバーフローの排気ガスは、粉塵が除去されて、大気
に放出される。一方、流動層内に配設された冷却管並び
に再循環用のサイクロンの下流の排気ガスから熱を回収
する。
特許請求の範囲の第２項に記載の発明では、固形燃料を
供給するとき、硫黄酸化物用の吸収剤を供給する。この
ときも、燃料が充分燃焼室に滞留することになるので、
硫黄酸化物と吸収剤との反応が充分に行われる。これに
より、硫黄酸化物が抑制される。特許請求の範囲の第３
項に記載の発明では、再循環用のサイクロンの直上流の
高温燃焼ガス流内にアンモニアを導入して、窒素酸化物
を分解する。特許請求の範囲の第４項に記載の発明は、
再循環用のサイクロンで捕捉した粒子を燃焼室の内部を
通して直接流動層へ戻す。これにより、燃焼又は硫黄吸
収にとって理想的な温度で作動する。
特許請求の範囲の第５項に記載の発明は、熱を回収する
工程時には流動層式燃焼装置内において流動層からのみ
熱を回収し、例えば流動層の上方のフリーボート部には
熱回収用の冷却管等を設けない。これにより、等温の再
循環路を形成する。
特許請求の範囲の第６項に記載の発明は、流動層式燃焼
装置を1400〜1500゜F（760〜816℃）で運転し、それによ
って燃料粒子の燃焼による窒素酸化物の生成を抑制する
と共に、流動層並びに再循環内で半成コークスにより窒
素酸化物を抑制しながら半成コークを生成するようす
る。そして特許請求の範囲の第７項に記載の発明は、流
動層の粒子の40〜20％を200ミクロン以下に維持し、そ
れによって流動層内の冷却管の熱伝達係数を100〜200BT
U/FT2・HR・Ｆまで上昇させる。
（実施例） 以下、図面に沿って本発明の実施例を説明する。図面に
は流動層式燃焼装置10からなるシステムの実施例が示さ
れている。流動層式燃焼装置10は、燃焼室11を有し、燃
焼室11の内部には分散プレート12の上に支持されている
粒子からなる流動層Ｂが形成されている。また、流動層
式燃焼装置10は、流動層Ｂ内に位置するように配設され
た冷却管13と、燃焼供給路14と、吸収剤供給路15と、流
動層ドレン16とを備えている。さらには、流動層式燃焼
装置10の底部には流動化空気導入口17が設けられ、粒子
を流動化する空気は、この流動化空気導入口17から分散
プレート12の下方の室に導入される。流動層Ｂの表面か
ら放出される熱排ガスおよび微粒子は、フリーボート部
18を通り導管19を経て流動層Ｂの上方に配設された再循
環用のサイクロン21へ送られる。サイクロン21から下方
へ延びる直線上のアンダーフロー管22は、十分にヘッド
が与えれていて微粒子が流動層Ｂへ円滑に戻される。こ
の場合、再循環用のサイクロン21の篩点は、約12ミクロ
ンである。
窒素分含有の燃料が燃焼されるとき生じる窒素酸化物を
抑制するため、再循環用のサイクロン21の直上流の導管
19に、アンモニア噴射器23が配設されている。そして、
このアンモニア噴射器23からアンモニアが導管19内を流
れる熱排ガス流に噴射される。アンモニアは、アンモニ
ア供給タンク24からアンモニア噴射器23へ供給されてい
る。再循環用のサイクロン21から出た熱排ガスは、導管
25を経て対流式の熱交換器26へ送られ、熱交換器26にお
いて熱排ガスは熱交換器26からバックハウスフィルタ等
のフィルタ装置27へ送られ、粉塵が除去されて煙突28か
ら大気中へ放出されるようになっている。
さらに、詳述するに本発明の実施例による流動層式燃焼
方法および流動層式燃焼装置においては、泡立ちする流
動層Ｂの空塔速度すなわち流動層Ｂを流れる燃焼用空気
の単位時間当たりの流量を流動層Ｂの断面積で除した商
は、0.5〜７フィート／秒（約15〜210cm/秒）の範囲内
に選定され、流動層Ｂの粒子の直径は45〜2000ミクロン
の範囲内にされると共に、流動層Ｂの粒子の40〜20％は
夫々直径200ミクロンより小さい状態で運転される。流
動層Ｂの粒子の粒径分布は、使用する供給原料のドロマ
イトの大きさにより定まる。流動層Ｂの粒子を、燃焼装
置内で燃焼することにより粉砕し、そして0.5〜７フィ
ート／秒（約15〜210cm/秒）の空塔速度で運転し、燃焼
装置の上方に配置された篩点が12ミクロン以下の再循環
用のサイクロンで流動層との間を多数回循環させて、平
均粒径が100〜800ミクロンの流動層を形成する。また、
高温の流動層Ｂ内に配設される冷却管13を介し流動層Ｂ
から熱が一部除去されるように設けられ、冷却管13の外
側の熱伝達係数は、流動層Ｂ内が微粒子からなるので、
100〜200BTU/FT2・HR・Ｆ（ビーティーユー毎時平方フ
ィート度エフ、1BTU/FT2・HR・Ｆ＝1/0.2048 kcal/h・m
2・℃）の範囲となる。
また、固体燃料又は液体燃料が流動層Ｂ内に固体燃料と
共に直接供給される。石灰石あるいはドロマイトのよう
な硫黄吸収剤も流動層Ｂ内に直接供給される。
流動式燃焼装置10の燃焼室11の高温のフリーボード部18
は、熱伝達面あるいはフリーボード部18内における２次
的な空気流を調整する手段は、設けられていない。多量
の微粒子が流動層Ｂからフリーボード部18へ放出され、
熱排ガスと微粒子とが混合さた状態でフリーボード部18
内に充分長時間滞留し化学反応を行う。流動層Ｂからフ
リーボード部18へ放出された微粒子の大半は、再び流動
層Ｂに戻されるが、相当量の微粒子が熱排ガス流と共に
再循環用のサイクロン21へ送られ、このサイクロン21に
おいて熱ガスと分離され、流動層Ｂの温度とほぼ同一温
度の状態で戻される。再循環用のサイクロン21に導入さ
れる熱ガスに含まれる微粒子の量は、約0.5kg/m3程度で
ある。フリーボード部18および再循環用のサイクロン21
において、細かな炭素粒子と酸素を多く含んだ燃焼ガス
を充分に混合せしめ充分な時間滞留させることにより、
混合気中の炭素粒子が完全に燃焼されて再循環用のサイ
クロン21から放出される。この半成コークス粒子の循環
により窒素酸化物の生成が、1,400゜F（約760℃）以下の
温度において極めて効果的に抑制される。同様にフリー
ボード部18およびサイクロン21内で燃焼ガスに含まれる
硫黄酸化物と細かな吸収剤粒子とが充分に混合され長時
間滞留することにより、吸収剤による硫黄酸化物の吸収
が好適に行われる。
吸収剤微粒子の滞留時間は、流動層Ｂ内において約１
秒、フリーボード部18及びサイクロン21において約３秒
となる。再循環用のサイクロン21は、篩点が５ミクロン
で設計され、再循環用のサイクロン21のアンダーフロー
管22を介して５ミクロンより実質的に大きな粒子の大半
が円滑に流動層Ｂに再循環されるよう構成されており、
フィルタ装置27へ５ミクロン以上の粒子が放出するのを
防止し得る。再循環過程において捕捉される粒子の流量
は、燃料と吸収剤との混合流が流動層Ｂ内に供給される
流量の約20倍であり、その時間当たり流量は流動層Ｂの
重量の２倍になる。
燃料には燃料と結合した窒素が含まれ、且つ窒素酸化物
を抑制する必要がある場合、再純化循環用のサイクロン
21の入口部の直上流において、燃焼熱ガス流にアンモニ
アが噴射される。触媒を用いることなく、1743〜1832゜F
（約950〜1000℃）の範囲内において、アンモニアによ
り窒素酸化物が所望に応じて最大効率で低減され得る
が、1450〜1650゜F（約788〜899℃）で流動層Ｂを運転
し、流動層Ｂの上部のフリーボード18におけるあと燃
え、すなわちアフターバーニングによる温度上昇を０〜
150゜F（約０〜83℃）の間に抑えられることにより、窒
素酸化物が更に効果的に低減される。アンモニアと窒素
酸化物とのモル比が1.5〜２の割合になるようにアンモ
ニアを噴射すると、再循環用のサイクロン21内で良好な
混合が得られるので、80〜95％の窒素酸化物が抑制され
る。ある条件下では窒素酸化物はアンモニアを噴射する
ことなく抑制される。すなわち、燃焼温度が1450゜F（約
788℃）程度に低くされ、燃料に高割合の固定炭素が含
まれているときは、再循環される粒子の大半が半成コー
クス（チヤー）であり、本実施例においては特にこの高
温の半成コークス粒子により86％の窒素が抑制され窒素
酸化物が低減される。このことは、燃料に含まれる窒素
に起因する窒素酸化物の放出を減少させたことになる。
これに加えて次のことは良く知られている。すなわち1,
450゜F（788℃）で生成する半成コークス（チヤー）は、
酸素の存在下で窒素酸化物を減少させる働きがある。1,
450゜F（788℃）の温度において、大量の半成コークスが
流動層から分別されて循環回路内を循環する。86％の窒
素酸化物のイオンの一部は、高温の半成コークス（チヤ
ー）が反応することに寄与し得る。
再循環用のサイクロン21から放出される燃焼熱ガス及び
粉塵は、対流式の熱交換器26へ送られ、熱交換器26にお
いて熱排ガスが放出温度まで冷却される。最終的に熱排
ガスは、熱交換器26からフィルタ装置27へ送られ、粉塵
が除去されて大気中に放出される。
この場合、本実施例においては燃焼しにくいもの、例え
ば固定炭素90％を含む揮発分の低い石油コークスを含む
各種固形および液体燃料、又は硫黄、窒素およびその混
合物（いずれも大気汚染物質）を含む燃料を清浄に燃焼
することにある。そこで、本発明では、燃料を微粒子成
分でなる泡立ち流動層Ｂの上方の高温の再循環路を介し
て、微粒子中の大径粒子を再循環させつつ燃焼させる。
固定炭素90％の石油コークスを用い、カルシウム／硫黄
のモル比を1.8にした場合、燃焼効率は99.4％が達成さ
れ、硫黄酸化物の98％が抑制された。アンモニア／窒素
のモル比は2.0のとき95％の窒素酸化物が抑制された。
これらの効果は、流動層及び循環機構の全体構成の中で
同時的に発生する。
本発明の他の特徴は流動化範囲を15:1まで広げることに
ある。流動層Ｂが微粒子でなっているので、流動層Ｂの
最小流動化速度は0.5フィート／秒（約15cm/秒）程度で
ある。
実験例Ｉ（石油コークスを用いた場合） 図面で示した構成の流動層燃焼装置10の燃焼室11におい
て石油コークスを空気で燃焼した。燃焼室11は耐火構造
にし直径を３フィート（約90cm）高さ12フィート（約36
0cm）とすると共に、燃焼室11の上部に再循環用のサイ
クロン21を装着した。流動層Ｂは、深さ3.5〜４フィー
ト（約105〜120cm）で運転し、流動層Ｂ内に熱取り出し
用の冷却管13を配設した。本実験例において使用した石
油コークスの成分および発熱量は以下の通りである。
固定炭素 89.7 重量％ 窒素 1.9 重量％ 硫黄 2.1 重量％ 他の揮発分 4.4 重量％ 灰分 0.3 重量％ 水分 1.6 重量％ 発熱量（HHV） 14,270 BTU/LB（ビーティーユー毎ポ
ンド、1BTU/LB＝1/1.8kcal/kg） この石油コークスは、固定炭素が多く揮発分は少ないの
で燃焼しにくい。又この石油コークスは大気汚染物質と
しての窒素酸化物および硫黄酸化物を発生する窒素およ
び硫黄を含んでいる。この石油コークスは燃焼供給路14
から流動層Ｂへ導入され、燃料の粒径は大部分50〜400
ミクロンの範囲内にあった。硫黄吸収剤としてのドロマ
イトが吸収剤供給路15から流動層Ｂに導入された。ドロ
マイトの成分は以下の通りである。
炭酸カルシウム 56.6（〜53.6）重量％ 炭酸マグネシウム 45.5（〜43.5）重量％ 不活性成分 0.9 重量％ ドロマイトの粒径は、4700〜1200ミクロンの範囲内にあ
った。流動層Ｂ内で燃焼して微粒子になった。
流動層Ｂは、当初平均粒径が800ミクロンのドロマイト
で構成されていた。約500時間の燃焼後、流動層Ｂには
灰分、使用済み吸収剤および部分的に吸収した吸収剤と
が含まれ、平均粒径は約300ミクロンに落ち着いてい
た。流動層Ｂの平均空塔速度は４フィート／秒（約120c
m/秒）であった。流動層深さを一定レベルに保つため
に、周期的に流動層Ｂの構成材料を排出する必要があっ
た。再循環用のサイクロン21は、流動層燃焼室11内の５
ミクロンより大きい粒子の大半を捕捉するよう設計さ
れ、アンダーフロー管22も粒子が実質的に抵抗を受けず
に自在に流動層Ｂに回収されるように設計された。この
結果、微粒子の再循環流量が大となり、時間当たりの再
循環流量は流動層Ｂの重量の２倍になると共に、固形分
供給流量の20倍になった。燃料粒子と吸収剤の粒子は、
極めて小さな粒径になるまでガス流と共に流動層Ｂから
離れず、流動層Ｂの作用により流動層Ｂ内に保持され粉
砕される。燃焼室11から燃料粒子が逃げるのを防止する
ことにより、固定炭素を約90％含む燃焼困難な燃料も高
効率で完全に燃焼された。
再循環系を等温に保つことにより、燃焼効率を更に高め
得た。燃料粒子は流動層Ｂ内で燃焼温度まで完全に加熱
され、フリーボード部18又はサイクロン21内のいずれに
おいても冷却されない。流動層Ｂの温度を1600゜F（約87
1℃）にし、20〜30％の過剰の空気をもって燃焼したと
き、燃焼効率は99.4％であった、この場合あと燃えによ
る温度上昇は流動層の温度より50〜100゜F（約28〜55
℃）高い値を示した。
吸収剤粒子が粉砕され、流動層内に保持されることが燃
焼室11においてガスから硫黄を吸収するため吸収剤の大
きな表面積をもたらした。カルシウムと硫黄のモル比を
1.8にした時98％の硫黄酸化物が抑制された。燃焼室11
内の粒子の粒径が微細であることのもう一つの利点は、
流動層Ｂ内に配設された冷却管13の表面における熱伝達
率が増大することにある。この冷却管13の表面の熱伝達
率は、従来の流動層ボイラーでは40〜60BTU/HR・FT2・
Ｆであったのに対し、100〜200BTU/HR・FT2・Ｆになっ
た。
米国南カルフオルニアにおける大気汚染規制に合格する
ように窒素酸化物の放出レベルを抑制するため、再循環
用のサイクロン21の上流においてアンモニア（NH3）を
噴射し燃焼ガスと混合し、よく知られている反応で窒素
酸化物（NO）を窒素と水に変換した。NH3とNOのモル比
を２にした時約95％のNOが抑制された。
実施例II（燃料としてユタ州産の石炭を用いる場合） 実施例Ｉと同一の燃焼室11を用いて同様にユタ州産の石
炭を燃焼した。この石炭の成分および発熱量は、以下の
通りである。
固定炭素 43 重量％ 窒素 1.3重量％ 硫黄 0.6重量％ 他の揮発分 37.1重量％ 灰分 8.0重量％ 水分 10.0重量％ 発熱量（HHV）11,500BTU/LB ユタ州産石炭は、固定炭素の含有量が大幅に少なく揮発
分が多いので、石油コークスより容易に燃焼された。ユ
タ州産石炭の大きさは、１×5/8インチ（4.12cm）以下
であった。硫黄吸収剤は、実験Ｉと同じドロマイトを使
用した。その成分は以下の通りである。
炭酸カルシウム 56.6（〜53.6）重量％ 炭酸マグネシウム 45.5（〜43.5）重量％ 不活性成分 0.9重量％ 挿入するときのドロマイトの粒径は、1,200〜4,700ミク
ロンの範囲内にあり、流動層Ｂ内で燃焼し、微粒子にな
った。この石炭が20％の過剰の空気および流動層Ｂの温
度が1600゜F（約871℃）のとき燃焼効率が99.8％であっ
た。この石炭の場合、僅かに20％程度の過剰空気と、14
00゜F（約760℃）のような低温で燃焼でき、且つ燃焼特
性も良好であった。石油コークスの場合は、過剰空気を
60％まで増加し、1450゜F（約788℃）の温度をもっての
み所望の燃焼特性が維持できた。燃焼が石炭で、流動層
Ｂの温度が1600゜F（約871℃）の場合、流動層Ｂの上部
の後燃えによる温度上昇の値は、10〜20゜F（約６〜11
℃）の範囲に抑えられた。本実施例においても、石油コ
ークスの場合と同様に、硫黄酸化物および窒素酸化物が
抑制された。
（発明の効果） 上述のように、本発明によれば、流動層の平均粒径が10
0〜800ミクロンの範囲内にあり、空塔速度が0.5〜７フ
ィート／秒（約15〜210cm/秒）という低い速度で運転さ
れるので、流動層から吹き上がる微粒子の粒径も良く選
別されたものとなり、燃焼効率が向上する。
また、熱は流動層内に配設された冷却管と再循環用のサ
イクロンの下流の排気ガスから回収され、従来の燃焼装
置のように流動層と再循環用のサイクロンとの間に熱排
ガスおよび粒子を冷却する熱伝達面か存在しないので、
等温の再循環路が形成される。したがって、本発明によ
ると、燃焼又は硫黄吸収にとって理想的な温度で作動す
る。この効果は、特許請求の範囲の第４項に記載された
発明によっても、再循環用のサイクロンで捕捉された粒
子を燃焼室の内部を通して直接流動層へ戻す工程を包含
しているので、得られる。
さらには、流動層の平均粒径が100〜800ミクロンのよう
に小さいので、流動層内に配設された冷却管の熱伝達係
数が増大する。また、空塔速度が小さいので、冷却管の
摩耗も軽減される。
また、空塔速度が0.5〜７フィート／秒（約15〜210cm/
秒）という低い速度で運転し、燃焼装置の上方に配置さ
れた篩点が12ミクロン以下の再循環用のサイクロトロン
で流動層との間を循環させるので、流動層の平均粒径を
100〜800ミクロンという、極めて小さくすることがで
き、その結果、特許請求の範囲の第２項に記載されてい
る発明のように、硫黄酸化物用の吸収剤を供給すると、
硫黄酸化物の捕捉が顕著に向上する。
また、特許請求の範囲の第３項に記載された発明による
と、再循環用のサイクロンの入口部でアンモニアが噴射
されるので、再循環用のサイクロン内でアンモニアと窒
素酸化物が良好に混合され、極めて有効に窒素酸化物の
放出が抑制される、という効果が付加される。
特許請求の範囲の第６項に記載された発明によると、流
動層式燃焼装置を1400〜1500゜F（760〜816℃）で運転す
るので、燃料粒子の燃焼による窒素酸化物の生成が抑制
されると共に、流動層並びに再循環系内で半成コークス
により窒素酸化物を抑制しながら半成コークが生成され
る効果が更に付加される。さらには、特許請求の範囲の
第７項に記載の発明によると、流動層の粒子の40〜20％
を200ミクロン以下に維持するので、流動層内の冷却管
の熱伝達係数を100〜200BTU/FT2・HR・Ｆまで上昇させ
ることができる。
【図面の簡単な説明】
第１図は、本発明の１実施例を示す模式図である。 10……流動層式燃焼装置、11……燃焼室、12……分散プ
レート、13……冷却管、14……燃料供給路、15……吸収
剤供給路、16……流動層ドレン、17……流動化空気導入
口、18……フリーボート部、19……導管、21……再循環
用のサイクロン、22……アンダーフロー管、23……アン
モニア噴射器、24……アンモニア供給タンク、25……熱
排ガス導管、26……熱交換器、27……フィルタ装置、28
……煙突、Ｂ……流動層
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ジエリイ エル．クーパー アメリカ合衆国 カリフオルニア州 94041 マウンテン ビユウ シー・カル デロン279 (72)発明者 ジヨン ルイス グイロリイ アメリカ合衆国 カリフオルニア州 94019 ハーフ ムーン ベイ スピンド リフト ウエイ 534 (56)参考文献 特開 昭54−23225（ＪＰ，Ａ) 特開 昭55−165402（ＪＰ，Ａ) 特開 昭58−173312（ＪＰ，Ａ) 特公 昭60−29847（ＪＰ，Ｂ２)

Claims (10)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】固形燃料および不純物を含む液体燃料を大
    気圧の流動層式燃焼装置内へ供給する工程と、 不活性粒子、灰粒子および部分燃焼した燃料粒子を燃焼
    装置内で燃焼することにより粉砕し、そして0.5〜７フ
    ィート／秒（15〜210cm/秒）の空塔速度で運転し、燃焼
    装置の上方に配置された篩点が12ミクロン以下の再循環
    用のサイクロンで流動層との間を循環させて、平均粒径
    が100〜800ミクロンの流動層を形成する工程と、 流動層式燃焼装置からの排気ガスに含まれる粒子を再循
    環サイクロンで捕捉し流動層の重量の１〜５倍の１時間
    当たりの戻し流量をもって流動層に戻す工程と、 流動層内に配設さた冷却管並びに再循環用のサイクロン
    の下流の排気ガスから熱を回収する工程と、 熱回収された排気ガス流から粉塵を除去する工程とを包
    有する、固体燃料および不純物を含む液体燃料を燃焼す
    る、流動層式燃焼方法。
  2. 【請求項２】特許請求の範囲の第１項に記載の、固形燃
    料を供給する工程時に硫黄酸化物用の吸収剤を供給し、
    それによって流動層が、部分反応した硫黄酸化物用の吸
    収剤粒子も含む、流動層式燃焼方法。
  3. 【請求項３】特許請求の範囲の第１項に記載の工程に、
    再循環用のサイクロンの直上流の高温燃焼ガス流内にア
    ンモニアを導入する工程を包含する、流動層式燃焼方
    法。
  4. 【請求項４】特許請求の範囲の第１項に記載の、流動層
    に戻す工程時に再循環用のサイクロンで捕捉した粒子を
    燃焼室の内部を通して直接流動層へ戻す、流動層式燃焼
    方法。
  5. 【請求項５】特許請求の範囲の第１項に記載の、熱を回
    収する工程時には流動層式燃焼装置内においては流動層
    からのみ熱を回収する、流動層式燃焼方法。
  6. 【請求項６】特許請求の範囲の第１項に記載の各工程を
    実施するとき、流動層式燃焼装置を1400〜1500゜F（760
    〜816℃）で運転し、それによって燃料粒子の燃焼によ
    る窒素酸化物の生成を抑制すると共に、流動層並びに再
    循環経路内で半成コークスにより窒素酸化物を抑制しな
    がら半成コークを生成する、流動層式燃焼方法。
  7. 【請求項７】特許請求の範囲の第１項に記載の、流動層
    を形成する工程時に、流動層の粒子の40〜20％を200ミ
    クロン以下に維持し、それによって流動層内の冷却管の
    熱伝達係数を100〜200BTU/FT2・HR・Ｆまで上昇させ
    る、流動層式燃焼方法。
  8. 【請求項８】大気圧の流動層式燃焼器と、 固体燃料及び不純物を含む液体燃料を前記流動層式燃焼
    器内へ供給する燃料供給装置と、 前記流動層式燃焼器内で燃焼することにより粉砕され、
    そして排気ガスに含まれる不活性粒子、灰粒子および部
    分燃焼した燃料粒子を捕捉し、流動層の重量の１〜５倍
    に等しい１時間当たりの戻し流量で流動層に戻す、篩点
    が12ミクロン以下の再循環用のサイクロンと、 前記流動層式燃焼器内に0.5〜７フィート／秒（15〜210
    cm/秒）のみの空塔速度を与える空塔速度付与装置と、 前記流動層式燃焼器の流動層並びに排気ガス流から熱を
    回収する、熱回収装置と、 熱回収された排気ガス流から粉塵を集めるフイルタ装置
    とを備えていることを特徴とする流動層式燃焼装置。
  9. 【請求項９】特許請求の範囲の第８項に記載の熱回収装
    置が、流動層内に配置されている冷却管と、再循環用の
    サイクロンの下流側に配置されている熱交換器である流
    動層式燃焼装置。
  10. 【請求項１０】特許請求の範囲の第８または９項に記載
    の再循環用のサイクロンは、燃焼装置の上方に配置され
    ていると共に、該再循環用のサイクロンのアンダーフロ
    ー管は燃焼室内を流動層まで延びている流動層式燃焼装
    置。
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