(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
加圧流動層燃焼炉内に供給される石灰石により脱硫処理された燃焼排ガスを脱塵するセラミックスフィルタを内蔵する脱塵装置において、脱塵装置入口ガスにＭｇＯ，ＭｇＣＯ３，又はＭｇ（ＯＨ）２のうち少なくとも１種類の鉱物又は物質を石灰石に対するＭｇＯ重量比で２％以上５０％以下供給する手段を設けたことを特徴とする脱塵装置。
【請求項２】
前記供給手段が前記加圧流動層燃焼炉の石灰石供給装置であることを特徴とする請求項１に記載の脱塵装置。
【請求項３】
前記供給手段が前記加圧流動層燃焼炉出口に設置されるサイクロンの入口又は出口に接続されていることを特徴とする請求項１に記載の脱塵装置。
【請求項４】
前記鉱物又は物質が水スラリー状態で前記加圧流動層燃焼炉に供給されるように構成されていることを特徴とする請求項１に記載の脱塵装置。
【請求項５】
前記鉱物又は物質の供給量をセラミックスフィルタの前後差圧又は脱塵装置入口ガス流量に応じて調節することを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の脱塵装置の運転方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はガス中にＣａを含むダストをセラミックスフィルタにて脱塵し、ガスをクリーンアップする脱塵装置およびその運転方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
セラミックスフィルタは高温ガスに含まれるダストを脱塵するのに適している。特に図７に示すような加圧流動層燃焼発電システムにおいてはセラミックスフィルタを設置することによりガスタービンの翼材料の磨耗速度の低減、大気へ放出する燃焼排ガスのダスト低減に有効である。
【０００３】
図７に従って従来の脱塵装置について説明する。図において、石炭１０１、空気１０２、脱硫剤１０３は加圧流動層燃焼炉１に供給する。脱硫剤１０３はバルブ１４を開とし、ホッパ１５に供給し、バルブ１４を閉とした後ホッパ１５をガス（図示せず）にて加圧し、ホッパ１５とホッパ１３の圧力が同じとなったらバルブ１２を開とし、脱硫剤１０３をホッパ１３に落とし込む。脱硫剤１０３はフィーダー１６により定量切り出し、空気１０５で気流搬送して空気と脱硫剤の混合物１０４を加圧流動層燃焼炉１へ供給する。
【０００４】
石炭１０１は供給された空気１０２で流動化されながら燃焼され、燃焼時に発生したＳＯ２  は脱硫剤１０３に反応吸収される。脱硫剤１０３は空気１０５により気流搬送されて空気と脱硫剤の混合物１０４として加圧流動層燃焼炉１へ供給している。
【０００５】
加圧流動層燃焼炉１にて発生する燃焼ガス２０１はサイクロン２にて脱塵される。脱塵されたダスト２０２は系外へ排出される。脱塵後のガス３０１は分岐し、フィルタ容器３ａ，３ｂへ導入する。フィルタ容器３ａ，３ｂ内にはセラミックスフィルタ３１ａ，３１ｂが多数設置されている。本例に於いてはセラミックスフィルタ３１ａ，３１ｂの内側へサイクロン出口ガス３０２，３０３を導入し、内側から外側へ燃焼ガスが貫通するようなガス流れ構造に構成している。
【０００６】
セラミックスフィルタ３１ａ，３１ｂを燃焼ガス３０２，３０３が通過する際に、燃焼ガス３０２，３０３に含まれるダストはセラミックスフィルタ３１ａ，３１ｂ内表面上に捕捉される。セラミックスフィルタに捕集されたダストは周期的に流される逆洗ガス３０６，３０７によりセラミックスフィルタ３１ａ，３１ｂ内表面上から剥離させられて、セラミックスフィルタ３１ａ，３１ｂ内を落下し、フィルタ容器３ａ，３ｂの底部から回収される。バッファタンク３３内にいったん加圧された空気３０４が貯留されており、バルブ３２ａ，３２ｂを周期的に開閉することにより逆洗ガス３０６，３０７はフィルタ容器３ａ，３ｂ内へ供給される。
【０００７】
セラミックスフィルタ３１ａ，３１ｂを貫通した燃焼ガス４０１，４０２をフィルタ容器３の外で合流させ、ガスタービン４へ導入する。燃焼ガス４０３はガスタービン４を駆動し、それにより発電機１０により電気が発生される。ガスタービン出口の燃焼ガス５０１を廃熱回収ボイラ５へ供給され熱交換器９により燃焼ガス５０１の顕熱が水蒸気７０１のエネルギーに転換される。水蒸気７０１は蒸気タービン７を駆動し、それにより発電機１１により電気が発生される。蒸気タービンを出た水蒸気８０１はコンデンサー８により復水され、その水９０１は再び加圧されて廃熱回収ボイラ５の熱交換器９に供給される。廃熱回収ボイラ５を通過した燃焼ガス５０１は煙突６から大気へ放散される。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
加圧流動層燃焼発電システムは負荷を上昇させると、負荷に応じて燃焼ガス３０１の温度が上昇し、したがってセラミックスフィルタ３１ａ，３１ｂの温度が上昇する。一般的には負荷５０％では約６５０℃、負荷７５％では約７５０℃、負荷１００％では約８３０℃程度である。図７に示す従来のシステムで脱硫剤１０３としてＢ石灰石を使用すると、セラミックスフィルタ３１ａ，３１ｂの差圧が６５０℃では経時的な変化が生じなかったのに対し、負荷を上昇させてセラミックスフィルタ３１ａ，３１ｂの温度が７５０℃を越えるとセラミックスフィルタ３１ａ，３１ｂの差圧が経時的に上昇するという現象があらわれた。セラミックスフィルタ３１ａ，３１ｂの差圧上昇が始まる温度に設定すると、セラミックスフィルタ３１ａ，３１ｂの差圧は増大を続け、最終的には運転を停止せざるをえなくなった。
【０００９】
このフィルタ差圧を低減させる方法のひとつとしてフィルタ逆洗圧力の上昇が有効である。しかしながらフィルタ逆洗圧力を上昇させることはセラミックスフィルタ３１ａ，３１ｂのシール部の破壊、あるいはフィルタ容器内の耐圧構造部の破壊を招くので、フィルタ逆洗圧力には上限値がある。許容しうる範囲内の最大逆洗圧力に設定しても、Ｂ石灰石ではフィルタ温度を７５０℃〜８１０℃の間ではフィルタ差圧が時間とともに上昇し、最終的には加圧流動層燃焼発電システムの運転を停止せざるをえないという問題点があった。
【００１０】
そこで、本発明は、加圧流動層燃焼炉内に供給される石灰石により脱硫処理された燃焼排ガスを脱塵するセラミックスフィルタを内蔵する脱塵装置の入口ガスに特定の鉱物又は物質を混入することによりセラミックスフィルタの差圧の上昇速度を抑制し、加圧流動層燃焼発電システムの運転停止が起きないような脱塵装置を提供することを基本的な課題とし、更に、この脱塵装置において、この鉱物の供給量を調節して運転する運転方法を提供することも課題としている。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明は前述の課題を解決するために次の（１），（２），（３），（４）の脱塵装置、及び（５）の脱塵装置の運転方法を提供する。
【００１２】
（１）加圧流動層燃焼炉内に供給される石灰石により脱硫処理された燃焼排ガスを脱塵するセラミックスフィルタを内蔵する脱塵装置において、脱塵装置入口ガスにＭｇＯ，ＭｇＣＯ３，又はＭｇ（ＯＨ）２のうち少なくとも１種類の鉱物又は物質を石灰石に対するＭｇＯ重量比で２％以上５０％以下供給する手段を設けたことを特徴とする脱塵装置。
【００１３】
（２）  上記（１）において、前記供給手段が前記加圧流動層燃焼炉の石灰石供給装置であることを特徴とする脱塵装置。
【００１４】
（３）  上記（１）において、前記供給手段が前記加圧流動層燃焼炉出口に設置されるサイクロンの入口又は出口に接続されていることを特徴とする脱塵装置。
【００１５】
（４）  上記（１）において、前記鉱物又は物質が水スラリー状態で前記加圧流動層燃焼炉に供給されるように構成されていることを特徴とする脱塵装置。
【００１６】
（５）  上記（１）〜（４）のいずれかの脱塵装置において、前記鉱物又は物質の供給量をセラミックスフィルタの前後差圧又は脱塵装置入口ガス流量に応じて調節することを特徴とする脱塵装置の運転方法。
【００１７】
上記の本発明の（１）〜（４）の加圧流動層燃焼炉内に供給される石灰石により脱硫処理された燃焼排ガスを脱塵するセラミックスフィルタを内蔵する脱塵装置においては、ＭｇＯ，ＭｇＣＯ３，又はＭｇ（ＯＨ）２のうち少なくとも１種類の鉱物又は物質が石灰石に対するＭｇＯ重量比で２％以上５０％以下供給手段により脱塵装置に供給される。供給手段は（２）においては加圧流動層燃焼炉の脱硫剤である石灰石供給装置であり、又（３）においてはサイクロンの入口か出口に接続される。又、（４）においては、鉱物又は物質が水スラリー状態で供給される。供給されたＭｇＯを含む鉱物又は物質は燃焼ガスと共にセラミックスフィルタに流入し、ＣａＯを含む粒子の付着性が低減し、フィルタの差圧上昇速度が抑制される。又、ＭｇＯが多量になる程この効果は顕著となる。
【００１８】
又、（５）の発明においては、ＭｇＯ，ＭｇＣＯ３，又はＭｇ（ＯＨ）２のいずれかを含む鉱物又は物質はその供給量が調節できる運転方法であり、セラミックスフィルタの差圧が経時的に安定するように鉱物又は物質の供給量を最適な量にすることができる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について図面に基づいて具体的に説明する。図１は本発明の実施の第１形態に係る脱塵装置を適用した加圧流動層燃焼発電システムの系統図である。図１において、図７に示す従来例と異なる点は、石灰石１０３にＭｇＯあるいはＭｇＣＯ３  を含有する鉱物１０６を混合した混合物１０７を加圧流動層燃焼炉１へ供給する手段を有する点にある。その他の構成は図１と同じであるので、これらの部分の説明は省略する。
【００２０】
上記の混合物１０７中のＭｇＯの含有割合が少ない場合は、差圧上昇速度を低下させる効果を生じさせるが、差圧上昇を停止させるまでの効果はない場合がある。差圧上昇速度に応じて、石灰石中ＭｇＯの割合は変化するが、一般的にはＣａＯに対してＭｇＯの割合が１〜１５％程度で効果が期待できる。
【００２１】
しかしながら差圧上昇速度が非常に大きな場合は、ＭｇＯ濃度を増加させることが望ましいと考えられる。また、図１には図示していないがＭｇＯあるいはＭｇＣＯ３  を含有する鉱物１０６は定量供給できる手段によって供給量が制御することも可能である。
【００２２】
次に、粒子間剪断力測定装置を用いて次のような手順でＣＯ２  雰囲気にて石灰石および石灰石と各種鉱物の混合物の粒子間剪断力を計測した。
【００２３】
図２に粒子間剪断力の計測結果を示す。図２の縦軸はＣａＯのみの場合（図２でＭｇＯ添加率０％のケース）の７９０℃の粒子間剪断力を基準にして表している。ＣａＯのみの場合は７７０℃〜８００℃において粒子間剪断力が増加した。この現象は実機フィルターでの差圧上昇特性に相似していた。各種鉱物をＣａＯに添加した結果、図２に示すようにＭｇＯの添加量を増加させていくと粒子間剪断力が低下していくことを見出した。
【００２４】
上述の剪断力測定装置の結果からＭｇＯの添加が粒子付着力を緩和することが明らかとなったので、この現象とフィルタ差圧の関係を明らかにし、ＭｇＯの効果を証明するために図３に示すようなベンチスケール規模でのフィルタ評価試験装置を実施した。
【００２５】
フィルタ試験装置は加圧流動層燃焼装置１とサイクロン２とフィルタ容器３と系統の圧力を調製する圧力調整弁３９から構成されている。フィルタ容器３内にはセラミックスフィルタ３１ｃ，３１ｄが納められている。セラミックスフィルタ３１ｃ，３１ｄの上部には金属製の重り３４ａ，３４ｂがパッキン３５ａ，３５ｂを介して設置されている。またセラミックスフィルタ３１ｃ，３１ｄとフィルタ保持管４０との間にはシールパッキンとして３６ａ，３６ｂ，３７ａ，３７ｂが設置されている。
【００２６】
シールパッキンとして３６ａ，３６ｂ，３７ａ，３７ｂは燃焼ガス３０１がセラミックスフィルタ３１ｃ，３１ｄをショートカットして流れないようにシールする役目と、セラミックスフィルタ３１ｃ，３１ｄを逆洗する時に逆洗ガス３０６，３０７を導入する際に生じる衝撃でセラミックスフィルタ３１ｃ，３１ｄがフィルタ保持管４０に直接衝突しないように保護する役目を果たしている。小型の実験装置なのでヒートロスが大きいためにセラミックスフィルタ３１ｃ，３１ｄを保温するために環状電気炉３８でセラミックスフィルタ３１ｃ，３１ｄを取り囲んでいる。さらにセラミックスフィルタ３１ｃ，３１ｄはフィルタ容器３に格納している。
【００２７】
フィルタの差圧はガス粘度およびガス流速変化によって差圧が変化する。温度が異なる場合のフィルタのガスが流れる場合の抵抗値の変化を比較するには、ガス粘度とガス流速による変化を補正する必要がある。フィルタ差圧は次の式で表せると仮定して、その式中の汚れ進行速度はフィルタのガスの流れ易さを示すことになり、その大小でフィルタの抵抗の大小を比較することができる。
【００２８】
（セラミックスフィルタの差圧）＝（汚れ進行速度値）×（ガス流速）×（ガス粘度）、また、ＭｇＯ添加の有無とＭｇＯ添加量が汚れ進行速度値に与える影響を調べた実験手順を次に示す。
【００２９】
１）  実験ではＡ炭を約８ｋｇ／ｈ、Ｂ石灰石０．５ｋｇ／ｈ供給して加圧流動層燃焼させて、燃焼ガス約８０Ｎｍ３  ／ｈを発生させた。ＭｇＯを添加する場合はＢ石灰石中に混合して用いる。
【００３０】
２）  サイクロン２で脱塵し、サイクロン２の出口の燃焼ガス３０１のダスト濃度を０．２〜０．５ｇ／Ｎｍ３  とし、フィルタ容器３へ導入する。
【００３１】
３）  フィルタ容器３の圧力を１０ａｔａ  とし、フィルタ温度が６５０℃になるように環状電気炉３８で温調する。
【００３２】
４）  ６５０℃でのフィルタの差圧とガス量を経時的に計測する。図３に示していないが、ガス量の計測は３１０ａおよび３１０ｂの配管ラインにオリフィスを設置し、その抵抗を計測して求める。６５０℃ではフィルタ差圧はほぼ１０００ｍｍＨ２  Ｏで安定した。
【００３３】
５）  次にフィルタ温度を上昇させて７５０℃に設定し、フィルタの差圧とガス量を計測する。７５０℃でのフィルタ差圧の経時変化を計測する。上述のような手順で求めた７５０℃付近におけるＢ石灰石のみの場合と、Ｂ石灰石にＭｇＯを２％、１０％および５０％（いずれも重量％）添加した場合の汚れ進行速度値変化率を図４に示す。
【００３４】
以上の様にして高温のガス雰囲気下に於けるＣａＯのあるいはＣａＯと他の鉱物を混合した混合物粒子の剪断力の測定により、ＣａＯを含む粒子の付着性を低減する添加剤としてＭｇＯを見出し、それを実機を模擬した試験装置でその有効性を見出すに至った訳である。
【００３５】
次に、上記に説明のようにＭｇＯを添加することによるＣａＯを含む粒子の付着性低減の作用について説明する。ＣａＯ粒子あるいはＣａＣＯ３  粒子を分子的に見るとＣａ分子の部分は陽性に、Ｏ分子の部分は陰性に帯電している。このように電気的に正と負に分離した部分には、それぞれ逆に負と正に分離した部分が引きつけやすくなる。ＳｉＯ２  やＡｌ２  Ｏ３  では強度的には異なるが、それぞれ正と負に帯電した部分が生じるので、電気的な引力を緩和するようには働かない。ところがＭｇＯはＭｇ原子がその周囲のＯ原子より格段に小さいために、外からはＯ原子しか見えないような構造となっている。したがってＭｇＯ表面は全体が負に帯電しており、ＭｇＯが陰と陽に電荷が分布している粒子間に入ることによりそれら電荷分布粒子と反発し、ひいてはＣａＯ粒子あるいはＣａＣＯ３  粒子間の付着を防止する効果があると考えられる。
【００３６】
以上説明の実施の第１形態によれば、石灰石１０３にＭｇＯあるいはＭｇＣＯ３  を含む鉱物１０６を混合した混合物１０７を加圧流動層燃焼炉１へ供給し、その排ガス２０１をサイクロン２で脱塵し、脱塵後のガス３０１をフィルタ容器３ａ，３ｂに供給するようにしたので、図４に示すようにＭｇＯを添加することによりフィルタの差圧上昇速度を抑制でき、またＭｇＯをたくさん入れるほどその効果が顕著であることが明らかとなった。
【００３７】
図５は本発明の実施の第２形態に係る脱塵装置を適用した加圧流動層燃焼発電システムの系統図である。図５において、図７に示す従来例と異る部分は、サイクロン２出口にＭｇＯ添加装置としてホッパ１５，１３、バルブ１４，１２とフィーダー１６とからなるロックホッパと定量供給装置１１を設置したものである。また、セラミックスフィルタ３１ａ，３１ｂの差圧を測定する差圧計３９ａ，３９ｂを設けたものである。その他の構成は図７に示す従来例と同じである。
【００３８】
上記の実施の第２形態においては、定量供給装置１１によりＭｇＯ濃度を任意に調節することが可能とした。セラミックスフィルタ３１ａ，３１ｂの差圧を差圧計３９ａ，３９ｂで計測しながら、セラミックスフィルタ３１ａ，３１ｂの差圧が経時的に安定する量のＭｇＯ量を添加する。なお、ガス中のダストとＭｇＯを含んだ鉱物をよく混合するために、ＭｇＯを供給する位置をサイクロン入口としても良い。
【００３９】
図６は本発明の実施の第３形態に係る脱塵装置を適用した加圧流動層燃焼発電システムの系統図である。図６において、図７に示す従来例と異る部分は、Ｍｇ（ＯＨ）２  の水スラリーを加圧流動層燃焼炉１内へ供給するための定量供給ポンプ１７を設置し、セラミックスフィルタ３１ａ，３１ｂの差圧を測定する差圧計３９ａ，３９ｂを設置したものである。その他の構成は図７に示す従来例と同じである。
【００４０】
上記の実施の第３形態においては、加圧流動層燃焼炉１に定量供給ポンプ１７によりＭｇ（ＯＨ）２  水スラリー１０９を供給する。加圧流動層燃焼炉１内にてＭｇ（ＯＨ）２  の水スラリー中のＭｇ（ＯＨ）２  が分解してＭｇＯとＨ２  Ｏが生成し、ＭｇＯの微粒子をセラミックスフィルタ３１ａ，３１ｂへ供給されることになる。また、実施の第２形態と同様にセラミックスフィルタ３１ａ，３１ｂの差圧を差圧計３９ａ，３９ｂで計測しながら、セラミックスフィルタ３１ａ，３１ｂの差圧が経時的に安定する量のＭｇＯ量を添加する。
【００４１】
上記に説明の実施の第２、第３形態においても、実施の第１形態と同様に、図４にも示すようにＭｇＯの添加によりフィルタの差圧上昇を抑制することができ、また、ＭｇＯをたくさん入れるほどその効果が増すものである。
【００４２】
【発明の効果】
本発明の（１）は加圧流動層燃焼炉内に供給される石灰石により脱硫処理された燃焼排ガスを脱塵するセラミックスフィルタを内蔵する脱塵装置において、脱塵装置入口ガスにＭｇＯ，ＭｇＣＯ３，又はＭｇ（ＯＨ）２のうち少なくとも１種類の鉱物又は物質を石灰石に対するＭｇＯ重量比で２％以上５０％以下供給する手段を設けたことを特徴とする脱塵装置であり、（２）の発明は、（１）における前記供給手段が加圧流動層燃焼炉の石灰石供給装置であり、又（３）では加圧流動層燃焼炉出口に設置されるサイクロンの入口又は出口に接続されており、更に（４）の発明では、前記鉱物又は物質が水スラリー状態で加圧流動層燃焼炉に供給されるように構成されている。このような脱塵装置により、ＭｇＯを含む鉱物又は物質が添加されることにより、ＣａＯを含む粒子の付着性が低減し、セラミックスフィルタの差圧上昇速度が抑制され、これにより加圧流動層燃焼発電システムが停止するようなことが避けられる。
【００４３】
本発明の（５）は、上記（１）〜（４）の発明の装置において、前記鉱物又は物質の供給量をセラミックスフィルタの前後差圧又は脱塵装置入口ガス流量に応じて調節することを特徴とする運転方法であり、このように運転することにより供給する鉱物又は物質が適量に調整され、運転状況に応じてセラミックスフィルタの差圧上昇の抑制を適正に制御することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の第１形態に係る脱塵装置を適用した加圧流動層燃焼発電システムの系統図である。
【図２】本発明の脱塵装置に係り、ＣＯ２  雰囲気でＣａＯにＭｇＯを混合した粒子の粒子間剪断力の計測結果を示す図である。
【図３】本発明の脱塵装置に係り、ＭｇＯの添加によりフィルタ差圧が低減することを確認するために行った実験装置を示す系統図と装置構成図である。
【図４】本発明の脱塵装置に係り、石灰石にＭｇＯの添加した場合の差圧変化を汚れ進行速度値上昇速度として表した実験結果を示す図である。
【図５】本発明の実施の第２形態に係る脱塵装置を適用した加圧流動層燃焼発電システムの系統図である。
【図６】本発明の実施の第３形態に係る脱塵装置を適用した加圧流動層燃焼発電システムの系統図である。
【図７】従来の脱塵装置を適用した加圧流動層燃焼発電システムの系統図である。
【符号の説明】
１                          加圧流動層燃焼炉
２                          サイクロン
３，３ａ，３ｂ              フィルタ容器
１２，１４，３２ａ，３２ｂ  バルブ
１３，１５                  ホッパ
１７                        ポンプ
３１ａ，３１ｂ，３１ｃ，３１ｄ  セラミックスフィルタ
３３                        逆洗タンク
３９                        圧力調整弁
３９ａ，３９ｂ              差圧計
１０１                      石炭
１０２，１０５              空気
１０３                      脱硫剤
１０６                      ＭｇＯを含む鉱物
１０７                      脱硫剤とＭｇＯを含む鉱物との混合物
１０８                      脱硫剤とＭｇＯを含む鉱物との混合物と空気
１０９                      Ｍｇ（ＯＨ）２  水スラリー
２０１                      燃焼ガス
３０１〜３０３              燃焼ガス
３０４〜３０７              逆洗ガス
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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