(57)【要約】  排気ガス用の排出口を備えた炉と、排気ガス排出口および排気ガス用の出口ダクトに接続された入口、ならびに分離した固体用の戻りダクトを有する粒子分離装置とを有する循環式流動層反応装置を動作させる方法および装置。この方法は、粒子分離装置を迂回するバイパス・ダクトを配置するステップと、分離装置の後の排気ガス中のフライ・アッシュの含有量を高めるために、排気ガスの部分流をダクトに沿って案内するステップとを含む。バイパス・ダクトは、バイパス・ダクト内の排気ガスの流れを制御する手段を備えていると有利である。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
排気ガス用の排出口を備えた炉と、
前記排気ガスから固体粒子を分離するための粒子分離装置であって、前記排気ガス用の出口ダクトを介して前記排気ガス排出口に接続された入口、および分離した固体粒子用の戻りダクトを含む粒子分離装置と
を有する循環式流動層反応装置を動作させる方法であって、
前記粒子分離装置を迂回するバイパス・ダクトを配置するステップと、
前記粒子分離装置の後の前記排気ガス中の固体粒子の含有量を高めるために、前記排気ガスの部分流を前記バイパス・ダクトに沿って案内するステップと
を含む方法。
【請求項２】
前記粒子分離装置を迂回する固体粒子の量を調整するために、前記バイパス・ダクト内の排気ガスの流れを制御するステップをさらに含む請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記バイパス・ダクト内の排気ガスの流れが、追加のガスを前記バイパス・ダクトに供給することによって制御される請求項２に記載の方法。
【請求項４】
前記バイパス・ダクト内の排気ガスの流れが、該バイパス・ダクト内に配置された制御弁によって制御される請求項２に記載の方法。
【請求項５】
固体粒子の流動層を有する炉と、
前記炉から混入固体粒子を伴う排気ガスを除去するための排出口と、
前記排気ガスから固体粒子を分離するために前記排出口に接続された粒子分離装置であって、排気ガス・ダクトに接続された排気ガス出口、および分離した固体粒子を再循環させて前記炉の底部に戻すために戻りダクトに接続された固体出口を有する粒子分離装置と、
前記粒子分離装置に入る固体粒子の量を減少させるために、前記排気ガスの一部を、前記粒子分離装置を通り越したところに案内する手段と
を有する循環式流動層反応装置。
【請求項６】
前記案内手段が、前記粒子分離装置の上流で接続された第１の端部、および前記粒子分離装置の下流で前記排気ガス・ダクトに接続された第２の端部を有するバイパス・ダクトである請求項５に記載の装置。
【請求項７】
前記バイパス・ダクトの前記第１の端部が前記炉の頂部に接続されている請求項６に記載の装置。
【請求項８】
前記バイパス・ダクトの前記第１の端部が、前記炉の頂部と前記粒子分離装置の間の前記排出ダクトに接続されている請求項６に記載の装置。
【請求項９】
前記バイパス・ダクトが、該バイパス・ダクト内の排気ガスの流れを制御する手段を備えている請求項６に記載の装置。
【請求項１０】
前記制御手段が、前記バイパス・ダクトにガスを導入する追加のガス配管である請求項９に記載の装置。
【請求項１１】
前記追加のガス配管が、前記バイパス・ダクトに導入されるガスの量を調整するための手段を備えている請求項１０に記載の装置。
【請求項１２】
前記制御手段は、前記バイパス・ダクトを閉鎖することが可能な制御弁である請求項９に記載の装置。
【請求項１３】
前記バイパス・ダクトが、温度と該バイパス・ダクト内を流れる固体の両方に耐えるようにライニングされている請求項５に記載の装置。
【請求項１４】
前記粒子分離装置がサイクロン分離装置である請求項５に記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、混入している固体粒子を排気ガスから分離するため、および分離した粒子を燃焼室へ再循環させるための分離装置を有する循環式流動層反応装置を動作させる方法および装置に関する。本発明は特に、層材料の構成に関するものであり、層のインベントリーおよびボトム・アッシュ量の制御に関する問題を解決しようとするものである。
【背景技術】
【０００２】
循環式流動層反応装置は数十年にわたって使用されてきており、例えば発電分野の技術者に周知である。循環式流動層反応装置は、ガス化装置、燃焼器、蒸気発生器、または当業者には理解される他の同様な任意のタイプの装置とすることができる。流動層反応装置は、通常、燃料がその下部に導入される直立型の炉または反応室を有する。通常は空気である一次および二次ガスが、炉の底部および側壁を通して供給される。燃料の燃焼は、燃料粒子に加えて通常は石灰石も含む高速流動層において行われる。
【０００３】
粒子分離装置は、排出口を通して炉の上端と連通している。排出ダクトが、排出口と粒子分離装置とを接続している。炉から高温の排気ガスが排出され、排出口および排出ダクトを通って粒子分離装置に流入する。循環式流動層ボイラの粒子分離装置は、通常、サイクロンである。サイクロンを用いるとき、排出ダクトは、混入固体粒子を伴う排気ガスをサイクロン分離装置の上部へと接線方向に送る。サイクロン分離装置、または例えば衝撃分離装置など他の粒子分離装置は、固体粒子を高温の排気ガスから分離し、固体粒子は重力によって分離装置の下端へ送られる。
【０００４】
固体粒子を収集する粒子分離装置の下端は、垂直な戻りダクトの上端に接続される。戻りダクトの反対側または下側の端部は、分離した固体粒子を粒子分離装置から炉へ戻すために炉に接続された出口を有する。炉の底部から除去される固体粒子はボトム・アッシュと呼ばれ、排気ガスと共に粒子分離装置を出る一部の固体材料はフライ・アッシュと呼ばれる。
【０００５】
混入固体粒子を排気ガスから分離し、分離した粒子を再循環させてボイラの燃焼室に戻すための、例えばサイクロン型の粒子分離装置を有する循環式流動層ボイラがよく知られている。そのようなシステムの例が、米国特許第４７３３６２１号明細書および米国特許第５２８１３９８号明細書に述べられている。前者の特許では、サイクロン分離装置で分離された粒子が、スプリット・ループ・シールを通してボイラへ再循環される。米国特許第５２８１３９８号は、平坦な水管パネルでできた遠心分離機を開示している。このタイプのサイクロンは、炉とサイクロンの間の排出ダクトをなくすように炉と一体化することができる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
循環式流動層反応装置用のサイクロン分離装置は、過去数十年にわたって改善され、きわめて効率的になってきている。通常の運転状態では、排気ガスと共に燃焼室を出る固体材料の約９９．９パーセントを分離することができる。排気ガスからの固体粒子の効率的な分離は、常に努力する価値のある特性である。例えば、分離効率がよくなるほど燃焼効率が高まる。しかし、分離効率がきわめて高くなると、工程にいくつかの問題または欠点を引き起こす可能性もある。例えばそれによってフライ・アッシュに比べてボトム・アッシュの含有量が高くなることがある。ボトム・アッシュの割合が高くなると、適切な状態で必要とされる層のインベントリー（すなわち層材料の構成）を維持するために、効率的なボトム・アッシュの除去が必要になる。
【０００７】
ボトム・アッシュの温度は約６００〜約９００℃程度であるため、アッシュの温度を約３００℃まで低下させてアッシュを反応装置から安全に排出することができるようにするために、アッシュ冷却器が必要である。反応装置から除去しなければならないボトム・アッシュが多いほど、ボトム・アッシュの排出と冷却の両方のための高価な装置（すなわち高容量のもの）が必要になる。
【０００８】
例えば燃料の品質が層内に過剰な量の微粒子の形成をもたらすように変化するときには、きわめて高い分離効率が問題になる可能性もある。粒子分離装置がきわめて高い割合の微粒子を再循環させる場合、結果として生じる微粒子層の高いインベントリーによって、例えば炉内の熱伝達効率がきわめて高くなる可能性がある。熱伝達率が設計値を超えた場合、層がより低い温度まで冷える傾向があり、例えば環境への放出が増加する。
【０００９】
本発明は、循環式流動層反応装置を動作させるための改善された方法および装置を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
１つの観点によれば、本発明は、排気ガス用の排出口を備えた炉と、排出口に接続される粒子分離装置であって、排気ガス用の出口および分離した固体用の戻りダクトを有する粒子分離装置とを有する循環式流動層反応装置を動作させる方法を提供する。この方法は、粒子分離装置を迂回するバイパス・ダクトを配置するステップ、および分離装置の後の排気ガス中のフライ・アッシュの含有量を高めるために、排気ガスの部分流をダクトに沿って案内するステップを含む。
【００１１】
この方法によれば、粒子分離装置を迂回する排気ガスの流れが、分離装置によって分離される固体粒子の量を減少させ、それによって炉内の固体のインベントリーおよびボトム・アッシュの蓄積が減少する。
【００１２】
他の観点によれば、本発明は、層材料の構成が最適な状態に保たれるように、層のインベントリーの調整が可能な装置を提供する。そのような装置は、炉と、炉から混入固体粒子を伴う排気ガスを除去するための排出口と、排気ガスから固体粒子を分離するために排出口に接続された粒子分離装置（好ましくはサイクロン分離装置）であって、排気ガス・ダクトに接続された排気ガス用の出口、および分離した固体材料を再循環させて前記炉の底部に戻すために戻りダクトに接続された固体出口を有する粒子分離装置と、分離装置に入る固体材料の量を減少させるために、排気ガスの一部を粒子分離装置を通り越したところに案内することとを含むことが好ましい。
【００１３】
案内手段は、粒子分離装置の上流に接続された第１の端部、および粒子分離装置の下流で排気ガス・ダクトに接続された第２の端部を有するバイパス・ダクトを含むと有利である。
【００１４】
本発明の好ましい実施例では、バイパス・ダクトの第１の端部は炉の上部に接続される。
【００１５】
本発明の他の好ましい実施例では、バイパス・ダクトの第１の端部は、炉の上部と粒子分離装置の間の排出ダクトに接続される。
【００１６】
したがって有利には、本発明は、ボトム・アッシュの量が許容可能な範囲内に維持されるように、層材料の構成を調節するための新しい改善された方法および装置を提供する。
【００１７】
本発明は、既に言及した、より小型で安価なボトム・アッシュ処理装置に加えて、多くの利点をもたらす。例えば、それは炉に対して操作上のフレキシビリティを与え、したがって、ボトム・アッシュとフライ・アッシュの割合を変えることを可能にし、燃料を変化させることが容易になり、熱損失が少なくなり、またそれを炉内の温度および／または熱伝達を制御するために用いることができる。
【００１８】
前述の簡単な記述、ならびに本発明の他の目的、特徴および利点は、添付図面と共に取り上げる、現在のところ好ましいが、それでもなお例示的である本発明の実施例についての以下の詳細な記述を参照することによって、さらによく理解されるであろう。
【実施例】
【００１９】
次に、各図面についてさらに詳しく言及するが、図１には、典型的な循環式流動層反応装置システム１０の全体的な概略図を示してある。粒子燃料、不活性な層材料、および石灰石などの可能な補助材が、スクリュー・フィーダや空圧式フィーダなど固体材料のフィーダ１４によって、反応装置システム１０の炉１２に導入される。固体材料は、底部格子１８を通して導入される一次ガス１６によって流動化される層を形成する。循環する流動層では、炉内の流動化ガスの速度は通常、約４ｍ／ｓ〜約９ｍ／ｓである。燃焼などの燃料の反応は、炉１２の側壁２２を通して導入される二次ガス２０によって遂行される。
【００２０】
炉１２内の反応は燃焼排気などのガスを発生させ、それらのガスは、ガスに混入した粒子と共に、炉１２から排出口２４を通って排出ダクト２６へ排出され、さらに粒子分離装置２８へ至る。通常はサイクロン分離装置である粒子分離装置２８では、排気ガスに混入した粒子のほとんど（例えば９９．９％）が排気ガスから分離される。分離された粒子は、ループ・シール３２を介して分離装置２８の底部に接続された戻りダクト３０に沿って案内され、炉１２の下部に戻る。
【００２１】
清浄化された排気ガスは、粒子分離装置２８から、通常は分離装置の上部に配置された中央のガス出口３４を通り、排気ガス・ダクト３６へ排出される。排気ガス・ダクト３６では、ガスは通常、熱回収領域３８および集塵装置４０を通って煙突４２へ案内される。排気ガス・ダクト３６は、ガス清浄化用の構成要素など、当業者には周知である他の構成要素を含むこともできるが、そのようなものは図１には示されていない。
【００２２】
炉１２から排出口２４を通って排出される固体粒子の一部（いわゆるフライ・アッシュ）は、粒子分離装置２８では排気ガスから分離されず、ガス出口３４を通って漏れ出る。フライ・アッシュの一部は、排気ガス・ダクト３６に配置されたホッパ４４で収集することができるが、そのほとんどは集塵装置４０によって収集される。ガス出口３４を通って漏れ出ない炉１２内の一部の固体材料は、最終的にはボトム・アッシュ４６として炉から排出される。ボトム・アッシュの温度は通常、約６５０〜約８５０℃であるが、反応装置１０から排出する前に、ボトム・アッシュ冷却器４８によってより低い温度（例えば約３００℃）まで冷却される。
【００２３】
図２に概略的に示した本発明の第１の好ましい実施例では、炉１２、粒子分離装置２８、それらの間の排出ダクト２６、戻りダクト３０、ガス出口３４、および排気ガス・ダクト３６の上流部分を図１と同様に示してある。図２は、炉１２の上部と排気ガス・ダクト３６の間に連結されたバイパス・ダクト５０も示している。炉１２と排気ガス・ダクト３６の間の圧力差によって、ガスおよび混入した細かい固体の流れはダクト５０を通って流れる傾向になり、したがって粒子分離装置２８を迂回する。
【００２４】
図２に示した実施例では、炉１２の上部は、バイパス・ダクト５０の第１の端部に接続された別の出口開口部５２を備えている。他の代替形態として、バイパス・ダクト５０の第１の端部を、例えば分岐管によって排出ダクト２６と同じ出口２４に接続することもできる。さらに他の代替形態として、バイパス・ダクト５０の第１の端部を、出口開口部２４と粒子分離装置２８への入口との間のどこかで排出ダクト２６に接続することもできる。
【００２５】
バイパス・ダクト５０の正確な位置および構造にかかわらず、バイパス・ダクト５０の目的は、炉１２からの排気ガスの一部、および排気ガスに混入した固体粒子の一部を受け入れ、受け入れた部分の排気ガスを粒子分離装置２８の下流の排気ガス・ダクト３６へ運ぶことである。こうすることによって、固体粒子の一部が確実に流動層の循環から取り出され、炉１２に戻されないようになる。それによって、ホッパ４４および集塵装置４０で収集されるフライ・アッシュの量が増加する。それに対応して、炉１２および粒子分離装置２８内を循環する層材料の量が減少する。最終的には、炉１２の底部から排出されるボトム・アッシュ４６の量も減少する。この実施例では、バイパス・ダクト５０のサイズおよび形状によって、サイクロン分離装置の出口の流れに運ばれる固体の量が決まる。
【００２６】
本発明の他の好ましい実施例を図３に示す。この実施例では、バイパス・ダクト５０は、バイパス・ダクト５０内の排気ガスの流れを制御するための追加手段を備えている。この実施例では、その制御手段は、バタフライ弁などの制御ダンパ５６を備えたガス配管５４を含んでいる。追加のガス配管５４は、空気などのガスをバイパス・ダクト５０に導入して、バイパス・ダクト５０を通って炉１２から排気ガス・ダクト３６へ流れる排気ガス、および固体粒子の量を減少させるために用いられる。ダンパ５６を用いることによって、導入されるガスの量、ならびに迂回するガスおよび粒子の量を調整することが可能になる。ガス配管５４を介して導入されるガスが多くなると、粒子分離装置２８を迂回する排気ガスおよび固体粒子は少なくなる。配管５４を通る媒体は、例えば空気や再循環させた燃焼排気とすることができる。
【００２７】
本発明の他の好ましい実施例を図４に示す。この実施例では、制御手段は、バイパス・ダクト５０に直接取り付けられた制御弁５８を有している。この実施例は、排気ガスが流入するとき、バイパス・ダクトを完全に閉鎖した位置と完全に開放した位置との間で調整することができるため、可及的に広範な順応性を与える。他の適切な制御手段は、排気ガスおよび混入粒子が粒子分離装置の上流で燃焼排気チャネルに入ることを可能にする流路およびポートを含むことができる。
【００２８】
当業者には容易に明らかになるように、図３および図４の実施例においても、図２に示した実施例を参照して先に述べたように、バイパス・ダクトの第１の端部を粒子分離装置２８の上流で様々な異なる方法によって接続することが可能である。
【００２９】
第２および第３の実施例における結果は、第１の実施例と比べて層材料の構成をより適切に制御することが可能になっている。すなわち、流動層プロセスの要求をより適切に満たすように、層材料の量および粒子サイズの分布を調整することができる。
【００３０】
バイパス・ダクト５０は、耐火物でライニングされた管または導管で製造することが可能であり、あるいは適切な金属および／またはセラミック材料でライニングされた管または構成要素とすることができる。ライニングが高温と固体の高速の両方に耐えられなければならないことは自明である。適切なライニング材料は、当業者には容易に明らかになろう。
【００３１】
本発明を、現在のところ好ましい実施例と考えられるものを例として記述してきたが、本発明は開示された実施例に限定されず、添付の特許請求の範囲に定められた本発明の範囲に含まれる特徴および用途の様々な組合せ、または変更形態を含むものであることを理解されたい。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】従来技術の燃焼プロセスにおいて排気ガスを処理する方法を示す、循環式流動層反応装置の概略的な側面図である。
【図２】本発明の好ましい実施例を示す、循環式流動層反応装置の上部の概略的な側面図である。
【図３】本発明の他の好ましい実施例を示す、循環式流動層反応装置の上部の概略的な側面図である。
【図４】本発明の他の好ましい実施例を示す、循環式流動層反応装置の上部の概略的な側面図である。
【図１】
2008516186.tif 000003
【図２】
2008516186.tif 000004
【図３】
2008516186.tif 000005
【図４】
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【手続補正書】
【提出日】平成18年8月5日(2006.8.5)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
排気ガス用の排出口（２４）を備えた炉（１２）と、
前記排気ガスから固体粒子を分離するための粒子分離装置（２８）であって、前記排気ガス用の排出ダクト（２６）を介して前記排気ガス排出口（２４）に接続された入口、排気ガス・ダクト（３６）に接続されたガス出口（３４）、および分離した固体を再循環させて前記炉（１２）に戻すために戻りダクト（３０）に接続された固体出口を有する粒子分離装置（２８）と
を有する循環式流動層反応装置を動作させる方法であって、
前記粒子分離装置（２８）を迂回するバイパス・ダクト（５０）を配置するステップと、
前記粒子分離装置の後の前記排気ガス中の固体粒子の含有量を高めるために、排気ガスおよび混入固体粒子の部分流を、前記バイパス・ダクト（５０）に沿って、前記炉（１２）の頂部から前記排気ガス・ダクト（３６）へ案内するステップと
を含む方法。
【請求項２】
前記粒子分離装置を迂回する固体粒子の量を調整するために、前記バイパス・ダクト（５０）内の排気ガスの流れを制御するステップをさらに含む請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記バイパス・ダクト（５０）内の排気ガスの流れが、追加のガスを前記バイパス・ダクトに供給することによって制御される請求項２に記載の方法。
【請求項４】
前記バイパス・ダクト（５０）内の排気ガスの流れが、該バイパス・ダクト内に配置された制御弁（５８）によって制御される請求項２に記載の方法。
【請求項５】
固体粒子の流動層を有する炉（１２）と、
前記炉（１２）から混入固体粒子を伴う排気ガスを除去するための排出口（２４）と、
前記排気ガスから固体粒子を分離するために排出ダクト（２６）を介して前記排出口（２４）に接続された粒子分離装置（２８）であって、排気ガス・ダクト（３６）に接続された排気ガス出口（３４）、および分離した固体粒子を再循環させて前記炉（１２）の底部に戻すために戻りダクト（３０）に接続された固体出口を有する粒子分離装置（２８）と
を有する循環式流動層反応装置であって、
前記粒子分離装置に入る固体粒子の量を減少させるために、前記排気ガスおよび混入固体粒子の一部を、前記炉（１２）の頂部から、前記粒子分離装置（２８）を通り越して前記排気ガス・ダクト（３６）へ案内するための手段（５０）を有することを特徴とする循環式流動層反応装置。
【請求項６】
前記案内手段が、前記粒子分離装置の上流で接続された第１の端部、および前記粒子分離装置（２８）の下流で前記排気ガス・ダクト（３６）に接続された第２の端部を有するバイパス・ダクト（５０）である請求項５に記載の装置。
【請求項７】
前記バイパス・ダクト（５０）の前記第１の端部が前記炉（１２）の頂部に接続されている請求項６に記載の装置。
【請求項８】
前記バイパス・ダクト（５０）の前記第１の端部が、前記炉（１２）の頂部と前記粒子分離装置（２８）の間の前記排出ダクト（２６）に接続されている請求項６に記載の装置。
【請求項９】
前記バイパス・ダクト（５０）が、該バイパス・ダクト内の排気ガスの流れを制御する手段（５４、５６、５８）を備えている請求項６に記載の装置。
【請求項１０】
前記制御手段が、前記バイパス・ダクト（５０）にガスを導入する追加のガス配管（５４）である請求項９に記載の装置。
【請求項１１】
前記追加のガス配管（５４）が、前記バイパス・ダクト（５０）に導入されるガスの量を調整するための手段（５６）を備えている請求項１０に記載の装置。
【請求項１２】
前記制御手段は、前記バイパス・ダクト（５０）を閉鎖することが可能な制御弁（５８）である請求項９に記載の装置。
【請求項１３】
前記バイパス・ダクト（５０）が、温度と該バイパス・ダクト内を流れる固体の両方に耐えるようにライニングされている請求項５に記載の装置。
【請求項１４】
前記粒子分離装置（２８）がサイクロン分離装置である請求項５に記載の装置。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００５
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００５】
混入固体粒子を排気ガスから分離し、分離した粒子を再循環させてボイラの燃焼室に戻すための、例えばサイクロン型の粒子分離装置を有する循環式流動層ボイラがよく知られている。そのようなシステムの例が、米国特許第４７３３６２１号明細書および米穀特許第５２８１３９８号明細書に述べられている。前者の特許では、サイクロン分離装置で分離した粒子が、分割されたループ・シールを通してボイラへ再循環される。米国特許第５２８１３９８号は、平坦な水管パネルでできた遠心分離機を開示している。このタイプのサイクロンは、炉とサイクロンの間の排出ダクトをなくすように炉と一体化することができる。
米国特許第５１５９８８６号は、大気に入るＮ２Ｏの含有量を最小限に抑えるために、燃焼室の下部における炭化によって生じたガスが、サイクロン分離装置の下流の排気ガス・ラインまで案内される循環式流動層反応装置を開示している。
【国際調査報告】
2008516186.tif 000007
2008516186.tif 000008