(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
熱を発生させるために、石炭燃焼炉を運転するための方法であって、
ａ）前記炉に前記石炭を提供すること、および
ｂ）前記炉中でスラグ生成を低減する有効量の、第１のスラグ低減成分および第２のスラグ低減成分の存在下、前記石炭を燃焼させることを含み、
前記第１のスラグ低減成分は、１種以上の含酸素マグネシウム化合物であり、
前記第２のスラグ低減成分は、１種以上の含酸素カルシウム化合物からなる群から選択され、
前記石炭は、２．１９〜２．８５のＳｉ／Ａｌ比；０．１２〜０．３２のＦｅ／（Ｓｉ＋Ａｌ）比；および０．０４〜０．０９のＣａ／（Ｓｉ＋Ａｌ）比を示す、
方法。
【請求項２】
前記１種以上の含酸素マグネシウム化合物が、炭酸マグネシウム、水酸化マグネシウム、硫酸マグネシウム、酸化マグネシウム、およびこれらの組合せからなる群から選択される、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記１種以上の含酸素マグネシウム化合物が、水酸化マグネシウムまたは炭酸マグネシウムである、請求項２に記載の方法。
【請求項４】
前記第２のスラグ低減成分が、酸化カルシウム、水酸化カルシウム、炭酸カルシウム、硝酸カルシウムおよび酢酸カルシウムからなる群から選択される１種以上の含酸素カルシウム化合物である、請求項１に記載の方法。
【請求項５】
前記第１および第２のスラグ低減成分が、収容された前記石炭の重量に対して最大２０００重量ｐｐｍまで前記石炭に添加される、請求項１に記載の方法。
【請求項６】
前記第１および第２のスラグ低減成分が、収容された前記石炭の重量に対して１００〜１０００重量ｐｐｍで存在する、請求項１に記載の方法。
【請求項７】
前記第１のスラグ低減成分対前記第２のスラグ低減成分の比が、９５：５〜６０：４０の範囲である、請求項１に記載の方法。
【請求項８】
前記第１のスラグ低減成分対前記第２のスラグ低減成分の比が、９０：１０〜８０：２０の範囲である、請求項１に記載の方法。
【請求項９】
スラグ生成速度が、前記第１のスラグ低減成分単独の存在に比較して１０〜１００倍低下する、請求項１に記載の方法。
【請求項１０】
前記第１および第２のスラグ低減成分が、前記炉に前記石炭を供給する前に前記石炭に添加される、請求項１に記載の方法。
【請求項１１】
前記第１および第２のスラグ低減成分が、前記炉に添加される、請求項１に記載の方法。
【請求項１２】
前記石炭に添加される前記第１のスラグ低減成分対前記第２のスラグ低減成分の比が、６０：４０〜４０：６０の範囲である、請求項１に記載の方法。
【請求項１３】
石炭燃焼炉中でスラグ生成を低減するための方法であって、
前記炉中でスラグ生成を低減する有効量の、第１のスラグ低減成分および第２のスラグ低減成分の存在下、前記炉中で石炭を燃焼させることを含み、
前記第１のスラグ低減成分は、１種以上の含酸素マグネシウム化合物であり、
前記第２のスラグ低減成分は、１種以上の含酸素カルシウム化合物からなる群から選択され、
前記石炭は、２．１９〜２．８５のＳｉ／Ａｌ比；０．１２〜０．３２のＦｅ／（Ｓｉ＋Ａｌ）比；および０．０４〜０．０９のＣａ／（Ｓｉ＋Ａｌ）比を示す、
方法。
【請求項１４】
前記石炭に添加される前記第１のスラグ低減成分対前記第２のスラグ低減成分の比が、６０：４０〜４０：６０の範囲である、請求項１３に記載の方法。
【請求項１５】
石炭を処理するための方法であって、
ある量の第１のスラグ低減成分およびある量の第２のスラグ低減成分を前記石炭に添加することを含み、
前記第１のスラグ低減成分は、１種以上の含酸素マグネシウム化合物であり、
前記第２のスラグ低減成分は、１種以上の含酸素カルシウム化合物からなる群から選択され、
前記石炭は、２．１９〜２．８５のＳｉ／Ａｌ比；０．１２〜０．３２のＦｅ／（Ｓｉ＋Ａｌ）比；および０．０４〜０．０９のＣａ／（Ｓｉ＋Ａｌ）比を示す、
方法。
【請求項１６】
前記石炭に添加される前記第１のスラグ低減成分対前記第２のスラグ低減成分の比が、６０：４０〜４０：６０の範囲である、請求項１５に記載の方法。
【請求項１７】
処理された石炭であって、
前記石炭ならびにある量の外部的に添加された第１のスラグ低減成分およびある量の外部的に添加された第２のスラグ低減成分を含み、
前記第１のスラグ低減成分は、１種以上の含酸素マグネシウム化合物であり、
前記第２のスラグ低減成分は、１種以上の含酸素カルシウム化合物からなる群から選択され、
前記石炭は、２．１９〜２．８５のＳｉ／Ａｌ比；０．１２〜０．３２のＦｅ／（Ｓｉ＋Ａｌ）比；および０．０４〜０．０９のＣａ／（Ｓｉ＋Ａｌ）比を示す、
石炭。
【請求項１８】
前記石炭に添加される前記第１のスラグ低減成分対前記第２のスラグ低減成分の比が、６０：４０〜４０：６０の範囲である請求項１７に記載の処理された石炭。
【請求項１９】
熱を発生させるために、石炭燃焼炉を運転するための方法であって、
ａ）前記石炭燃焼炉内での燃焼に先立って第１のスラグ低減添加剤を適用することにより石炭を処理すること、および
ｂ）少なくとも第２の量の第２のスラグ低減添加剤を適用することにより石炭を処理し、ここで第１および第２のスラグ低減添加剤のそれぞれを、組み合わせて前記炉におけるスラグ生成を低減するために有効な量で個別の添加剤として石炭に適用することを含み、
前記第１のスラグ低減添加剤は、１種以上の含酸素マグネシウム化合物であり、
前記第２のスラグ低減添加剤は、１種以上の含酸素ケイ素化合物、ならびに１種以上の含酸素アルミニウム化合物および含酸素ケイ素化合物の組合せ、のいずれか一方であり、
前記石炭は、２．１９〜２．８５のＳｉ／Ａｌ比；０．１２〜０．３２のＦｅ／（Ｓｉ＋Ａｌ）比；および０．０４〜０．０９のＣａ／（Ｓｉ＋Ａｌ）比を示す、
方法。
【請求項２０】
前記１種以上の含酸素マグネシウム化合物が、炭酸マグネシウム、水酸化マグネシウム、硫酸マグネシウム、酸化マグネシウム、およびこれらの組合せからなる群から選択される、請求項１９に記載の方法。
【請求項２１】
前記１種以上の含酸素マグネシウム化合物が、水酸化マグネシウムまたは炭酸マグネシウムである、請求項２０に記載の方法。
【請求項２２】
前記第２のスラグ低減添加剤が、二酸化ケイ素、一酸化ケイ素、シロキサン、シラノール、シランジオール、ケイ酸およびそれらの組合せからなる群から選択される１種以上の含酸素ケイ素化合物である、請求項１９に記載の方法。
【請求項２３】
前記第２のスラグ低減添加剤が、二酸化ケイ素、一酸化ケイ素、シロキサン、シラノール、シランジオール、ケイ酸、硝酸アルミニウム、酸化アルミニウムおよび水酸化アルミニウムおよびそれらの組合せからなる群から選択される、１種以上の含酸素アルミニウム化合物および含酸素ケイ素化合物の組合せである、請求項１９に記載の方法。
【請求項２４】
前記石炭が瀝青炭である、請求項１９に記載の方法。
【請求項２５】
前記第１および第２のスラグ低減添加剤が、収容された前記石炭の重量に対して最大２０００重量ｐｐｍまで前記石炭に添加される、請求項１９に記載の方法。
【請求項２６】
前記第１および第２のスラグ低減添加剤が、収容された前記石炭の重量に対して１００〜１０００重量ｐｐｍで存在する、請求項１９に記載の方法。
【請求項２７】
前記第１のスラグ低減添加剤対前記第２のスラグ低減添加剤の比が、９５：５〜６０：４０の範囲である、請求項１９に記載の方法。
【請求項２８】
前記第１のスラグ低減添加剤対前記第２のスラグ低減添加剤の比が、９０：１０〜８０：２０の範囲である、請求項１９に記載の方法。
【請求項２９】
スラグ生成速度が、前記第１のスラグ低減添加剤単独の存在に比較して１０〜１００倍低下する、請求項１９に記載の方法。
【請求項３０】
前記第１および第２のスラグ低減添加剤が、前記炉に前記石炭を供給する前に前記石炭に添加される、請求項１９に記載の方法。
【請求項３１】
前記第１および第２のスラグ低減添加剤が、前記炉に添加される、請求項１９に記載の方法。
【請求項３２】
前記石炭に添加される前記第１のスラグ低減添加剤対前記第２のスラグ低減添加剤の比が、６０：４０〜４０：６０の範囲である、請求項１９に記載の方法。
【請求項３３】
石炭燃焼炉中でスラグ生成を低減するための方法であって、
ａ）石炭に第１のスラグ低減添加剤を適用した後、および
ｂ）石炭に第２のスラグ低減添加剤を、第１および第２のスラグ低減添加剤のそれぞれを、組み合わせて前記炉におけるスラグ生成を低減するために有効な量で個別の添加剤として石炭に適用した後
に石炭を燃焼させることを含み、
前記第１のスラグ低減添加剤は、１種以上の含酸素マグネシウム化合物であり、
前記第２のスラグ低減添加剤は、１種以上の含酸素ケイ素化合物、ならびに１種以上の含酸素アルミニウム化合物および含酸素ケイ素化合物の組合せからなる群から選択され、
前記石炭は、２．１９〜２．８５のＳｉ／Ａｌ比；０．１２〜０．３２のＦｅ／（Ｓｉ＋Ａｌ）比；および０．０４〜０．０９のＣａ／（Ｓｉ＋Ａｌ）比を示す、
方法。
【請求項３４】
前記石炭に添加される前記第１のスラグ低減添加剤対前記第２のスラグ低減添加剤の比が、６０：４０〜４０：６０の範囲である、請求項３３に記載の方法。
【請求項３５】
石炭を処理するための方法であって、
ａ）石炭に第１のスラグ低減添加剤を適用すること、
ｂ）石炭に第２のスラグ低減添加剤を適用し、ここで第１および第２のスラグ低減添加剤のそれぞれを、組み合わせて炉におけるスラグ生成を低減するために有効な量で個別の添加剤として石炭に適用することを含み、
前記第１のスラグ低減添加剤は、１種以上の含酸素マグネシウム化合物であり、
前記第２のスラグ低減添加剤は、１種以上の含酸素ケイ素化合物、ならびに１種以上の含酸素アルミニウム化合物および含酸素ケイ素化合物の組合せからなる群から選択され、
前記石炭は、２．１９〜２．８５のＳｉ／Ａｌ比；０．１２〜０．３２のＦｅ／（Ｓｉ＋Ａｌ）比；および０．０４〜０．０９のＣａ／（Ｓｉ＋Ａｌ）比を示す、
方法。
【請求項３６】
前記石炭に添加される前記第１のスラグ低減添加剤対前記第２のスラグ低減添加剤の比が、６０：４０〜４０：６０の範囲である、請求項３５に記載の方法。
【請求項３７】
処理された石炭であって、
前記石炭ならびにある量の外部的に添加された第１のスラグ低減添加剤およびある量の外部的に個別に添加された第２のスラグ低減添加剤を含み、
前記第１のスラグ低減添加剤は、１種以上の含酸素マグネシウム化合物であり、
前記第２のスラグ低減添加剤は、１種以上の含酸素ケイ素化合物、ならびに１種以上の含酸素アルミニウム化合物および含酸素ケイ素化合物の組合せからなる群から選択され、
前記石炭は、２．１９〜２．８５のＳｉ／Ａｌ比；０．１２〜０．３２のＦｅ／（Ｓｉ＋Ａｌ）比；および０．０４〜０．０９のＣａ／（Ｓｉ＋Ａｌ）比を示す、
石炭。
【請求項３８】
前記石炭に添加される前記第１のスラグ低減添加剤対前記第２のスラグ低減添加剤の比が、６０：４０〜４０：６０の範囲である、請求項３７に記載の処理された石炭。
【請求項３９】
熱を発生させるために、石炭燃焼炉を運転するための方法であって、
ａ）前記石炭燃焼炉内での燃焼に先立って石炭に第１のスラグ低減添加剤を適用することにより石炭を処理すること、および
ｂ）第２のスラグ低減添加剤を適用することにより石炭を処理し、ここで第１および第２のスラグ低減添加剤のそれぞれを、組み合わせて前記炉におけるスラグ生成を低減するために有効な量で個別の添加剤として石炭に適用することを含み、
前記第１のスラグ低減添加剤は、１種以上の含酸素アルミニウム化合物であり、
前記第２のスラグ低減添加剤は、１種以上の含酸素ケイ素化合物であり、
ここで前記石炭は、２．１９〜２．８５のＳｉ／Ａｌ比；０．１２〜０．３２のＦｅ／（Ｓｉ＋Ａｌ）比；および０．０４〜０．０９のＣａ／（Ｓｉ＋Ａｌ）比を示す、
方法。
【請求項４０】
石炭燃焼炉中でスラグ生成を低減するための方法であって、
ａ）石炭に第１のスラグ低減添加剤を適用した後、および
ｂ）石炭に第２のスラグ低減添加剤を、第１および第２のスラグ低減添加剤のそれぞれを、組み合わせて前記炉におけるスラグ生成を低減するために有効であるように選択された量で個別の添加剤として石炭に適用した後
に石炭を燃焼させることを含み、
前記第１のスラグ低減添加剤は、１種以上の含酸素アルミニウム化合物であり、
前記第２のスラグ低減添加剤は、１種以上の含酸素ケイ素化合物であり、
前記石炭は、２．１９〜２．８５のＳｉ／Ａｌ比；０．１２〜０．３２のＦｅ／（Ｓｉ＋Ａｌ）比；および０．０４〜０．０９のＣａ／（Ｓｉ＋Ａｌ）比を示す、
方法。
【発明の詳細な説明】
【開示の背景】
【０００１】
１．開示の分野
本開示は、熱を発生させるために、瀝青炭を用いて炉を運転するための方法に関する。本開示は、炉中でのスラグ生成を低減するための方法にも関する。本開示は、石炭を処理するための方法にも関する。本開示はさらに、処理された石炭に関する。
【０００２】
２．関連技術の説明
スラグは、溶融および／または半溶融灰（これは次に凝固することがある）の堆積によって、炉およびボイラの表面および／または壁上に蓄積する。灰の粒子は、これらがボイラまたは炉（本明細書では、用語「炉」および「ボイラ」は、互換性を持って使用される）の火炎ゾーンまたは光輝区域から出るとき、通常溶融されている。灰の融点または凝固速度が低すぎる場合、粒子は、ボイラまたは炉内の表面に衝突または接触するまでに固化するための十分な時間を有していない。これが起こった場合、溶融されたまたはプラスチック様の灰は、表面上に付着して凝固し、スラグ堆積物を生じさせる。灰中の揮発性成分、たとえばアルカリ酸化物が凝縮し、さらなる灰（これは硬い塊に焼結し得る）を捕集した場合、ボイラまたは炉のより低温の対流区域中でファウリングが生じることもある。
【０００３】
ボイラまたは炉のサイズおよび熱力学を設計する場合、典型的には、予定される石炭供給原料に認められる灰の組成および物理的特性が考慮される。石炭供給原料が、それ用に設計されていないボイラまたは炉において使用される場合、スラグ生成は特別な問題であり得る。石炭供給原料中の灰の組成および物理的特性に対するボイラのサイズおよび熱力学は、灰が表面に到達するまでの時間に、それが固体であるかそれとも溶融されているのかを決定する。望ましくは、ボイラまたは炉は、灰がボイラまたは炉内で表面に到達する前に凝固するように設計される。このような凝固した灰は、当技術分野で知られている手段、たとえば、物理的除去または吹き払い（blowing）によって比較的容易に除去することができる。
【０００４】
スラグ生成は、ある程度はすべてのボイラおよび炉システムにおいて起こる。ボイラは、表面および壁上の多少のスラグ蓄積に対して、追加の断熱処置が提供され、したがって、壁を通した熱損失を最小限に抑えるように設計されることが多い。しかし、過剰なスラグ蓄積は、ボイラまたは炉を詰まらせ、および／またはその中が過剰な温度になる傾向がある。
【０００５】
スラグ生成は、ボイラ運転に対して大きな影響を有することがある。有意のスラグ堆積は、ガス流の部分的な閉塞をもたらす可能性があり、場合によってはボイラ負荷の低下が必要となる。スラグは、多量の蓄積を除去することを試みるときに管材への損傷が生じ得る程度までに蓄積することがある。水管壁チューブの断熱は、ボイラ内の熱的不均衡、熱伝達効率の低下、および過熱区域中の過剰な高温をもたらし得る。
【０００６】
ボイラは、通常、予想される燃料の供給源に応じて、特定の石炭特性範囲を中心として設計される。多くの使用者は、石炭に対して強まる要求のために、彼らの通常の供給源を切り替えることを強いられる。さらに、排出物に関するより厳しい規制は、制御システムを追加するより、より望ましい燃料へ変更させる可能性がある。代替の石炭供給品は、灰の溶融温度、灰の組成等に関して、設計燃料と完全に異なる可能性がある。ボイラがそれ用に設計された灰特性とは有意に異なる灰特性を有する石炭への交換は、問題（たとえばスラッギング）を生じる可能性がある。
【０００７】
特定の石炭の灰特性を取扱うことが可能なボイラを設計する場合、多くの要因が考慮される。設計の考察は、特定の燃料が燃焼されるときに堆積物が生成するかどうかを決定するのに非常に重要である。設計の考察は、燃焼方法を最適化し、堆積物を最小限まで低減し、それによって燃料からのエネルギー抽出効率を最大にすることを対象としている。様々なボイラ区域を通して吸収される相対量の注意深い制御が必要である。
【０００８】
オンライン運転中のスラグ生成を低減するための当技術分野で一般に使用されている方法は、すすの吹き払いである。しかし、すすの吹き払いは、通常スラグ生成の問題を部分的にのみ軽減する。
【０００９】
オンライン中のスラグ生成を低減する別の方法は、ボイラまたは炉の負荷を低減することである。ボイラ負荷を低減する間、温度が低下し、溶融灰はより速く、即ち、ボイラ／炉の壁に到達する前に凝固する。また、温度低下は、チューブ中の金属とスラグとの間の収縮速度の差を引き起こし、スラグがチューブ表面から分離される原因となり得る。前述のことにもかかわらず、ボイラ負荷の低減は、能力を失うため経済的に望ましくない。
【００１０】
オンライン中のスラグ生成を低減するための当技術分野で使用されている別の方法は、過熱防止スプレーの使用であり、これは水蒸気温度を低下させる。チューブにスラグ生成が起こり始めると、ボイラまたは炉の過熱および／または再加熱区域中の過剰に高い水蒸気温度は、過熱防止スプレーの使用を必要とし得る。スラッギングが増加し続ける場合、スプレー量を増加させなければならない。過熱防止スプレーの使用レベルは、スラグ生成の程度に比例しているため、スラグ生成の激しさの有用な尺度としての役割を果たすことができる。最大限のスプレーに達したが、水蒸気温度がそれでも高すぎる場合、負荷を低減し、スラグをはぎ落とすまたは除去することによって熱平衡を復帰させることができる。
【００１１】
エネルギーおよび電気の生産の目的にしばしば使用される石炭は、イリノイ盆地（ＩＬＢ）瀝青炭である。ＩＬＢ石炭を使用する欠点は、通常、比較的低い灰の溶融温度を示し、これは石炭燃焼炉中で高レベルのスラグ生成を引き起こし得ることである。
【００１２】
低減されたスラグ生成を示す石炭燃焼炉を運転するための方法を有することが望ましい。石炭燃焼炉中でスラグ生成を低減するための方法を有することも望ましい。石炭を処理するための方法を有することが望ましい。燃焼した場合低減されたスラグ生成を示す、処理された石炭を有することが望ましい。ＩＬＢ石炭に関して前述のことを有することが特に望ましい。
【開示の概要】
【００１３】
本開示によれば、熱を発生させるために、石炭燃焼炉を運転するための方法が提供される。本方法は、ａ）炉に石炭を提供する工程と、ｂ）炉中でスラグ生成を低減する有効量の第１のスラグ低減成分および第２のスラグ低減成分の存在下、石炭を燃焼させる工程とを有する。第１のスラグ低減成分は、炭酸マグネシウム、水酸化マグネシウム、酸化マグネシウム、硫酸マグネシウム、およびこれらの組合せからなる群から選択される。第２のスラグ低減成分は、含酸素カルシウム化合物、含酸素ケイ素化合物、１種以上の含酸素アルミニウム化合物、およびこれらの組合せからなる群から選択される。
【００１４】
さらに、本開示によれば、石炭燃焼炉中でスラグ生成を低減するための方法が提供される。本方法は、炉中でスラグ生成を低減する有効量の第１のスラグ低減成分および第２のスラグ低減成分の存在下、炉中で石炭を燃焼させる工程を有する。第１のスラグ低減成分は、炭酸マグネシウム、水酸化マグネシウム、硫酸マグネシウム、酸化マグネシウム、およびこれらの組合せからなる群から選択される。第２のスラグ低減成分は、１種以上の含酸素カルシウム化合物、１種以上の含酸素ケイ素化合物、１種以上の含酸素アルミニウム化合物、およびこれらの組合せからなる群から選択される。
【００１５】
さらに、本開示によれば、石炭を処理するための方法もある。本方法は、ある量の第１のスラグ低減成分およびある量の第２のスラグ低減成分を石炭に添加する工程を有する。第１のスラグ低減成分は、炭酸マグネシウム、水酸化マグネシウム、硫酸マグネシウム、酸化マグネシウム、およびこれらの組合せからなる群から選択される。第２のスラグ低減成分は、１種以上の含酸素カルシウム化合物、１種以上の含酸素ケイ素化合物、１種以上の含酸素アルミニウム化合物、およびこれらの組合せからなる群から選択される。
【００１６】
さらに、本開示によれば、処理された石炭もある。処理された石炭は、石炭ならびにある量の外部的に添加された第１のスラグ低減成分およびある量の外部的に添加された第２のスラグ低減成分から構成されている。第１のスラグ低減成分は、炭酸マグネシウム、水酸化マグネシウム、硫酸マグネシウム、酸化マグネシウム、およびこれらの組合せからなる群から選択される。第２のスラグ低減成分は、１種以上の含酸素カルシウム化合物、１種以上の含酸素ケイ素化合物、１種以上の含酸素アルミニウム化合物、およびこれらの組合せからなる群から選択される。
【００１７】
さらに、本開示によれば、熱を発生させるために、石炭燃焼炉を運転するための別の方法が提供される。本方法は、ａ）炉に石炭を提供する工程と、ｂ）炉中でスラグ生成を低減する有効量の第１のスラグ低減成分および第２のスラグ低減成分の存在下、石炭を燃焼させる工程とを有する。第１のスラグ低減成分は、１種以上の含酸素ケイ素化合物の中から選択される。第２のスラグ低減成分は、１種以上の含酸素アルミニウム化合物の中から選択される。
【００１８】
さらに、本開示によれば、石炭燃焼炉中でスラグ生成を低減するための別の方法が提供される。本方法は、炉中でスラグ生成を低減する有効量の第１のスラグ低減成分および第２のスラグ低減成分の存在下、炉中で石炭を燃焼させる工程を有する。第１のスラグ低減成分は、１種以上の含酸素ケイ素化合物の中から選択される。第２のスラグ低減成分は、１種以上の含酸素アルミニウム化合物の中から選択される。
【００１９】
さらに、本開示によれば、石炭を処理するための方法もある。本方法は、ある量の第１のスラグ低減成分およびある量の第２のスラグ低減成分を石炭に添加する工程を有する。第１のスラグ低減成分は、１種以上の含酸素ケイ素化合物の中から選択される。第２のスラグ低減成分は、１種以上の含酸素アルミニウム化合物の中から選択される。
【００２０】
さらに、本開示によれば、処理された石炭もある。処理された石炭は、石炭ならびにある量の外部的に添加された第１のスラグ低減成分およびある量の外部的に添加された第２のスラグ低減成分から構成されている。第１のスラグ低減成分は、１種以上の含酸素ケイ素化合物の中から選択される。第２のスラグ低減成分は、１種以上の含酸素アルミニウム化合物の中から選択される。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】石炭のみ、対照である石炭プラス炭酸マグネシウム、ならびに石炭プラス炭酸マグネシウムと炭酸カルシウムまたは硝酸アルミニウムノノハイドレートとの組合せの溶融温度の比較を示す棒グラフ。
【図２】本発明を実施するのに有用なボイラシステムの概略図。
【図３】本発明の処理されたＩＬＢ瀝青炭を燃焼させるボイラシステムのバーナー傾斜姿勢のプロット。
【開示の詳細な説明】
【００２２】
本開示は、石炭燃焼炉の運転において低減されたスラッギングをもたらす。含酸素化合物の組合せは、スラッギングの相乗的低減を達成するために使用される。
【００２３】
スラグ低減剤の組合せは、任意のタイプの石炭、たとえば、無煙炭、瀝青炭、亜瀝青炭、および褐炭で有用である。しばしば使用されるタイプの瀝青炭は、ＩＬＢ（イリノイ盆地）である。しばしば使用されるタイプの亜瀝青炭は、ＰＲＢ（パウダーリバー盆地）である。
【００２４】
第１のスラグ低減成分は、このような第１のスラグ低減成分がない場合の燃焼に比較してスラグ生成を低減する機能を果たす。第１のスラグ低減成分は、石炭の酸化を向上させるための燃焼触媒としても機能し得る。
【００２５】
第２のスラグ低減成分は、第１のスラグ低減成分と共に相乗的に作用して、第１のスラグ低減成分を単独で用いた燃焼に比較して、有意にスラグ生成を低減させる。第２のスラグ低減成分を用いた場合のスラグ生成速度は、第１のスラグ低減成分単独の存在に比較して好ましくは約１０〜約１００倍低下する。スラグ生成およびスラグ生成速度は、当技術分野で知られている技術、たとえば、Ｕ．Ｓ．２００８／０２９１９６５（これは参照により本明細書に組み込まれる）に開示されている高温プローブによって測定することができる。プローブは、スラグ生成および堆積を確認するために、時間の関数として温度差を使用する。
【００２６】
一態様では、第１のスラグ低減成分は、１種以上の含酸素マグネシウム化合物の中から選択される。マグネシウム化合物の例には、炭酸マグネシウム、水酸化マグネシウム、硫酸マグネシウム、酸化マグネシウム、およびこれらの組合せが含まれる。好ましい第１のスラグ低減成分は、水酸化マグネシウムである。第２のスラグ低減成分は、１種以上の含酸素カルシウム化合物、１種以上の含酸素ケイ素化合物、およびこれらの組合せの中から選択される。含酸素カルシウム化合物の例には、酸化カルシウム、水酸化カルシウム、炭酸カルシウム、硝酸カルシウムおよび酢酸カルシウム、ならびに任意の前述のものの組合せが含まれる。含酸素ケイ素化合物の例には、二酸化ケイ素、一酸化ケイ素、シロキサン、シラノール、シランジオール、ケイ酸、およびこれらの組合せが含まれる。
【００２７】
含酸素マグネシウム化合物と含酸素カルシウムおよび／またはケイ素化合物との組合せを使用する上述の態様は、任意のタイプの石炭で有用であるが、ＩＬＢ（イリノイ盆地）瀝青炭で特に有効である。
【００２８】
別の態様では、第１のスラグ低減成分は、１種以上の前述の含酸素ケイ素化合物の中から選択される。第２のスラグ低減成分は、１種以上の含酸素アルミニウム化合物の中から選択される。含酸素アルミニウム化合物の例には、硝酸アルミニウム、酸化アルミニウムおよび水酸化アルミニウムが含まれる。
【００２９】
含酸素ケイ素化合物と含酸素アルミニウム化合物との組合せを使用する上述の態様は、任意のタイプの石炭で有用であるが、褐炭、ならびに褐炭と類似の灰含量および鉱物質組成を有する低ランクの瀝青炭で特に有効である。
【００３０】
いくつかの態様において、スラグ低減成分は、石炭中の灰重量に対して、好ましくは最大約４０００ｐｐｍまで、より好ましくは最大約２０００ｐｐｍまで（これは、通常、石炭の総重量の約２重量％〜約３重量％である）の量で石炭に添加される。石炭中の灰の組成および比率は、石炭試料間で様々である。スラグ低減剤の量に関する示された上限は、経済的な考慮のために好ましいが、より多量でも実施可能であり見込みがある。別の態様では、収容された石炭の重量に対して、約１００ｐｐｍ〜約１０００ｐｐｍのスラグ低減成分を使用することができる。さらに別の態様では、収容された石炭の重量に対して、約５００ｐｐｍ〜約７５０ｐｐｍのスラグ低減成分を使用することができる。スラグ低減成分は、好ましくは石炭灰の溶融温度を上昇させるのに十分な量で使用される。より高い灰の溶融温度は、低減されたスラグ生成に関連付けられる。いくつかの態様では、第１のスラグ低減成分対第２のスラグ低減成分の比は、好ましくは約９５：５〜約６０：４０、より好ましくは約９０：１０〜約５０：５０の範囲である。
【００３１】
特定の態様において、処理される石炭は、典型的には以下の金属比（スラグ低減剤とブレンドする前）を有する瀝青炭である：約２．１９〜約２．８５のＳｉ／Ａｌ比；約０．１２〜約０．３２のＦｅ／（Ｓｉ＋Ａｌ）比；および約０．０４〜約０．０９のＣａ／（Ｓｉ＋Ａｌ）比。金属含量は、ＡＳＴＭ石炭灰鉱物質試験で決定される。金属含量に関するこのような比率は、ＩＬＢ石炭で見られる。この態様では、第１のスラグ低減成分および第２のスラグ低減成分は、好ましくは約６０：４０〜約４０：６０の比で石炭に添加され（この範囲外の比は、好ましさは低いが実施可能である）、第１のスラグ低減成分は、１種以上の含酸素マグネシウム化合物であり、第２のスラグ低減成分は、１種以上の含酸素カルシウム化合物である。スラグ低減成分は、瀝青炭中の灰重量に対して、好ましくは最大約４０００ｐｐｍまで、より好ましくは最大約２０００ｐｐｍまで（これは、通常、瀝青炭の総重量の約２重量%〜約３重量％である）の量で瀝青炭に添加される。瀝青炭中の灰の組成および比率は、石炭試料間で様々である。スラグ低減剤の量に関する示された上限は、経済的な考慮のために好ましいが、より多量でも実施可能であり見込みがある。別の態様では、収容された瀝青炭の重量に対して、約１００ｐｐｍ〜約１０００ｐｐｍのスラグ低減成分を使用することができる。別の態様では、収容された瀝青炭の重量に対して、約５００ｐｐｍ〜約７５０ｐｐｍのスラグ低減成分を使用することができる。スラグ低減成分は、好ましくは瀝青炭の灰の溶融温度を上昇させるのに十分な量で使用される。
【００３２】
スラッギングのさらなる低減およびさらなる相乗効果を達成するために、任意に、追加の含酸素スラグ低減成分を第１のおよび第２の含酸素スラグ低減成分に添加していてもよい。たとえば、３種の異なる金属（Ｍｇ＋Ｓｉ＋Ａｌ）の含酸素化合物の組合せを生成するために、含酸素マグネシウム化合物（複数可）を含酸素ケイ素化合物（複数可）および含酸素アルミニウム化合物（複数可）に添加していてもよい。別の組合せは、３種または４種の異なる金属（Ａｌ＋Ｍｇ＋Ｃａおよび／またはＳｉ）の含酸素化合物の組合せを生成するために、含酸素アルミニウム化合物（複数可）を含酸素マグネシウム化合物（複数可）および含酸素カルシウム化合物（複数可）および／または含酸素ケイ素化合物（複数可）に添加することである。第１および第２の含酸素スラグ低減成分と共に使用していてもよい他のスラグ低減成分には、含酸素銅化合物およびリン酸アンモニウムが含まれる。有用な含酸素銅化合物には、酢酸銅、硝酸銅、酸化銅および炭酸銅が含まれる。
【００３３】
スラグ低減成分は、粉末もしくは液体の形態で炉もしくはボイラ中に直接添加する、または炉またはボイラへの石炭の運搬に先立って収容される石炭に添加していてもよい。所望により、成分を給炭機または給炭パイプを介してバーナー（複数可）において直接火炎（複数可）中に添加していてもよい。適した液体の形態には、溶液およびスラリーが含まれる。好ましい溶媒またはビヒクルは水である。液体は、好ましくは、積み入れに先立って、または粉砕の前もしくはサイクロン化の前の重量計測供給機中で、石炭上にスプレーされる。
【００３４】
本開示の方法の一態様を図１においてボイラシステム１０の形態で説明する。システム１０は、ボイラ１２を有する。供給ストリーム１４は、バーナー１７を介してボイラ１２に石炭、第１の添加剤および第２の添加剤を供給する導管を提供する。供給ストリーム２０および２２は、それぞれ水および空気をボイラ１２中に供給するための導管を提供する。流出ストリーム２４は、ボイラ１２中で生産した水蒸気を送る。流出ストリーム２６は、排気ガスを送る。水蒸気は、熱を送るまたはタービンおよび発電機（図示せず）を駆動させる目的のために使用してもよい。凝縮水および／または廃熱は、ストリーム２０または他の導管（図示せず）を介してボイラシステム１０に再循環していてもよい。
【００３５】
以下のものは、本開示の例であり、限定するものと解釈されるものではない。すべての部および百分率は、別な指示がされた場合を除き重量による。
【００３６】
例
例１
石炭と本開示のスラグ低減成分の組合せとの混合物を調製し、溶融温度について試験をした。結果を、石炭のみ（比較）ならびに石炭と１種のみのスラグ低減剤との混合物（対照）に対して得られた溶融温度と比較した。いずれの理論によっても拘束されるものではないが、石炭の溶融温度の増加は、その燃焼に際しスラグ生成の可能性を低下させるものと考えられる。
【００３７】
使用した石炭は、Ｈｉｇｈｌａｎｄ、ＩＬＢ瀝青炭であった。比較の場合を除いて、スラグ低減剤として炭酸マグネシウム（ＭｇＣＯ3）を使用した。対照の場合を除いて、第２のスラグ低減成分として炭酸カルシウム（ＣａＣＯ3）および硝酸アルミニウムノノハイドレートを交代で使用した。
【００３８】
石炭およびスラグ低減成分をホッパー中でブレンドした。試料を回収して、ＡＳＴＭ灰溶融温度に従って溶融温度（最終溶融温度）について試験をした。
【００３９】
石炭のみおよび石炭＋ＭｇＣＯ3について溶融温度は、同等であった。一方、石炭と本開示の２種のスラグ低減成分（ＭｇＣＯ3およびＣａＣＯ3）との混合物の溶融温度は、１種のみのスラグ低減剤を用いた対照に比較して少なくとも１００°Ｆ明らかに高かった。１種のスラグ低減成分との混合物と、２種のスラグ低減成分との混合物との間の溶融温度の差は、２種のスラグ低減成分を使用することの相乗効果を例示している。結果を図１に示す。
【００４０】
例２
石炭と本開示のスラグ低減成分の組合せとの混合物を調製し、石炭燃焼炉中で燃焼させた。炭酸カルシウムプラス炭酸マグネシウムの組合せ対炭酸マグネシウムのみ（対照）の有効性を評価した。
【００４１】
使用した石炭は、以下の比率に該当する金属含量を有するＩＬＢ瀝青炭であった：約２．１９〜約２．８５のＳｉ／Ａｌ比；約０．１２〜約０．３２のＦｅ／（Ｓｉ＋Ａｌ）比；および約０．０４〜約０．０９のＣａ／（Ｓｉ＋Ａｌ）比。使用したスラグ低減成分は、石炭の重量に対して、１０００ｐｐｍのＣｏａｌ  Ｔｒｅａｔ  ５００（ＣＴ−５００）（炭酸マグネシウム）および１５００ｐｐｍのＣｏａｌ  Ｔｒｅａｔ  ６００（ＣＴ−６００）（炭酸カルシウム）（共にＥＥＳ，Ｉｎｃ．製）であった。運転の初期の部分において、炭酸マグネシウムおよび炭酸カルシウムの両方を石炭に添加した。運転の後期の部分において、炭酸マグネシウムのみを石炭に添加した。
【００４２】
スラグ低減の有効性は、炉中のバーナーの傾斜姿勢（姿勢の角度）を用いて評価した。バーナーが炉の壁に対して垂線方向または垂直である場合の傾斜０°を基準点とし、バーナーの傾斜姿勢を、度単位で測定した。バーナーを上方に傾斜させる場合、角度はプラスであり、バーナーを下方に傾斜させる場合、角度はマイナスである。炉の壁は熱交換チューブを含み、それを通して水が循環される。炉からの熱は、水に水蒸気を生成させ、これは、発電するために発電機に動力を供給するのに使用される。上記チューブ上にスラグが生じた場合、上記チューブへの熱伝達効率が低下する。低下した熱伝達効率を補償するために、炉内の制御システムは、炉の上部における温度を上げるために、バーナー（複数可）を上方に向け直す。傾斜角がプラスに大きいほど、効率の低下が大きい。０またはマイナスの傾斜角は、スラッギングが限定的であるか、またはないことを示している。
【００４３】
図３は、上記の石炭混合物を燃焼させる運転炉中の２個のバーナーの傾斜角のプロットを示す。運転の大部分の間、石炭は、炭酸マグネシウムおよび炭酸カルシウムスラグ低減成分の両方を含んでおり、マイナスの傾斜角またはゼロの近傍におけるプラスの傾斜角によって示されるように、高レベルの熱伝達効率を示した。しかし、運転の後期に、炭酸マグネシウムのみを石炭に添加した（炭酸カルシウムは添加しなかった）。図３に示すように、傾斜角は大部分がプラスになり、実質的な程度のスラッギングが上記チューブ上に起こったことを示した。したがって、炉は、炭酸マグネシウムと炭酸カルシウムの組合せを用いると、炭酸マグネシウムのみを用いるより、低減されたスラグ生成およびより高い効率で運転された。
【００４４】
前述の説明は、本開示を例証するものに過ぎないと理解されるべきである。当業者により、本開示から逸脱することなく様々な代替および修正を考案することができる。したがって、本開示は、添付した特許請求の範囲内に含まれる、すべてこのような代替、修正および変更を包含するものとする。
以下に、本願の出願当初の請求項を実施の態様として付記する。
［１］  熱を発生させるために、石炭燃焼炉を運転するための方法であって、
ａ）前記炉に前記石炭を提供すること、および
ｂ）前記炉中でスラグ生成を低減する有効量の、第１のスラグ低減成分および第２のスラグ低減成分の存在下、前記石炭を燃焼させることを含み、
前記第１のスラグ低減成分は、１種以上の含酸素マグネシウム化合物であり、
前記第２のスラグ低減成分は、１種以上の含酸素カルシウム化合物、１種以上の含酸素ケイ素化合物、１種以上の含酸素アルミニウム化合物、およびこれらの組合せからなる群から選択される方法。
［２］  前記１種以上の含酸素マグネシウム化合物が、炭酸マグネシウム、水酸化マグネシウム、硫酸マグネシウム、酸化マグネシウム、およびこれらの組合せからなる群から選択される、［１］に記載の方法。
［３］  前記１種以上の含酸素マグネシウム化合物が、水酸化マグネシウムまたは炭酸マグネシウムである、［２］に記載の方法。
［４］  前記第２のスラグ低減成分が、酸化カルシウム、水酸化カルシウム、炭酸カルシウム、硝酸カルシウムおよび酢酸カルシウムからなる群から選択される１種以上の含酸素カルシウム化合物である、［１］に記載の方法。
［５］  前記第２のスラグ低減成分が、硝酸アルミニウム、酸化アルミニウムおよび水酸化アルミニウムからなる群から選択される１種以上の含酸素アルミニウム化合物である、請求項１に記載の方法。
［６］  前記第２のスラグ低減成分が、二酸化ケイ素、一酸化ケイ素、シロキサン、シラノール、シランジオール、ケイ酸からなる群から選択される１種以上の含酸素ケイ素化合物である、［１］に記載の方法。
［７］  前記石炭が瀝青炭である、［１］に記載の方法。
［８］  前記第１および第２のスラグ低減成分が、収容された前記石炭の重量に対して最大約２０００重量ｐｐｍまで前記石炭に添加される、［１］に記載の方法。
［９］  前記第１および第２のスラグ低減成分が、収容された前記石炭の重量に対して約１００〜約１０００重量ｐｐｍで存在する、［１］に記載の方法。
［１０］  前記第１のスラグ低減成分対前記第２のスラグ低減成分の比が、約９５：５〜約６０：４０の範囲である、［１］に記載の方法。
［１１］  前記第１のスラグ低減成分対前記第２のスラグ低減成分の比が、約９０：１０〜約８０：２０の範囲である、［１］に記載の方法。
［１２］  スラグ生成速度が、前記第１のスラグ低減成分単独の存在に比較して約１０〜約１００倍低下する、［１］に記載の方法。
［１３］  前記第１および第２のスラグ低減成分が、前記炉に前記石炭を供給する前に前記石炭に添加される、［１］に記載の方法。
［１４］  前記第１および第２のスラグ低減成分が、前記炉に添加される、［１］に記載の方法。
［１５］  前記石炭に添加される前記第１のスラグ低減成分対前記第２のスラグ低減成分の比が、約６０：４０〜約４０：６０の範囲であり、
前記第１のスラグ低減成分は、１種以上の含酸素マグネシウム化合物であり、
前記第２のスラグ低減成分は、１種以上の含酸素カルシウム化合物であり、
前記石炭は、約２．１９〜約２．８５のＳｉ／Ａｌ比；約０．１２〜約０．３２のＦｅ／（Ｓｉ＋Ａｌ）比；および約０．０４〜約０．０９のＣａ／（Ｓｉ＋Ａｌ）比を示す、［１］に記載の方法。
［１６］  石炭燃焼炉中でスラグ生成を低減するための方法であって、
前記炉中でスラグ生成を低減する有効量の、第１のスラグ低減成分および第２のスラグ低減成分の存在下、前記炉中で石炭を燃焼させることを含み、
前記第１のスラグ低減成分は、１種以上の含酸素マグネシウム化合物であり、
前記第２のスラグ低減成分は、１種以上の含酸素カルシウム化合物、１種以上の含酸素ケイ素化合物、１種以上の含酸素アルミニウム化合物、およびこれらの組合せからなる群から選択される方法。
［１７］  前記石炭に添加される前記第１のスラグ低減成分対前記第２のスラグ低減成分の比が、約６０：４０〜約４０：６０の範囲であり、
前記第１のスラグ低減成分は、１種以上の含酸素マグネシウム化合物であり、
前記第２のスラグ低減成分は、１種以上の含酸素カルシウム化合物であり、
前記石炭は、約２．１９〜約２．８５のＳｉ／Ａｌ比；約０．１２〜約０．３２のＦｅ／（Ｓｉ＋Ａｌ）比；および約０．０４〜約０．０９のＣａ／（Ｓｉ＋Ａｌ）比を示す、［１６］に記載の方法。
［１８］  石炭を処理するための方法であって、
ある量の第１のスラグ低減成分およびある量の第２のスラグ低減成分を前記石炭に添加することを含み、
前記第１のスラグ低減成分は、１種以上の含酸素マグネシウム化合物であり、
前記第２のスラグ低減成分は、１種以上の含酸素カルシウム化合物、１種以上の含酸素ケイ素化合物、１種以上の含酸素アルミニウム化合物、およびこれらの組合せからなる群から選択される方法。
［１９］  前記石炭に添加される前記第１のスラグ低減成分対前記第２のスラグ低減成分の比が、約６０：４０〜約４０：６０の範囲であり、
前記第１のスラグ低減成分は、１種以上の含酸素マグネシウム化合物であり、
前記第２のスラグ低減成分は、１種以上の含酸素カルシウム化合物であり、
前記石炭は、約２．１９〜約２．８５のＳｉ／Ａｌ比；約０．１２〜約０．３２のＦｅ／（Ｓｉ＋Ａｌ）比；および約０．０４〜約０．０９のＣａ／（Ｓｉ＋Ａｌ）比を示す、［１８］に記載の方法。
［１９］  処理された石炭であって、
前記石炭ならびにある量の外部的に添加された第１のスラグ低減成分およびある量の外部的に添加された第２のスラグ低減成分を含み、
前記第１のスラグ低減成分は、１種以上の含酸素マグネシウム化合物であり、
前記第２のスラグ低減成分は、１種以上の含酸素カルシウム化合物、１種以上の含酸素ケイ素化合物、１種以上の含酸素アルミニウム化合物、およびこれらの組合せからなる群から選択される石炭。
［２０］  前記石炭に添加される前記第１のスラグ低減成分対前記第２のスラグ低減成分の比が、約６０：４０〜約４０：６０の範囲であり、
前記第１のスラグ低減成分は、１種以上の含酸素マグネシウム化合物であり、
前記第２のスラグ低減成分は、１種以上の含酸素カルシウム化合物であり、
前記石炭は、約２．１９〜約２．８５のＳｉ／Ａｌ比；約０．１２〜約０．３２のＦｅ／（Ｓｉ＋Ａｌ）比；および約０．０４〜約０．０９のＣａ／（Ｓｉ＋Ａｌ）比を示す、［１９］に記載の処理された石炭。
［２１］  熱を発生させるために、石炭燃焼炉を運転するための方法であって、
ａ）前記炉に前記石炭を提供すること、および
ｂ）前記炉中でスラグ生成を低減する有効量の、第１のスラグ低減成分および第２のスラグ低減成分の存在下、前記石炭を燃焼させることを含み、
前記第１のスラグ低減成分は、１種以上の含酸素ケイ素化合物であり、前記第２のスラグ低減成分は、１種以上の含酸素アルミニウム化合物である方法。
［２２］  石炭燃焼炉中でスラグ生成を低減するための方法であって、
前記炉中でスラグ生成を低減する有効量の、第１のスラグ低減成分および第２のスラグ低減成分の存在下、前記炉中で石炭を燃焼させることを含み、
前記第１のスラグ低減成分は、１種以上の含酸素ケイ素化合物であり、前記第２のスラグ低減成分は、１種以上の含酸素アルミニウム化合物である方法。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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