(57)【要約】  本発明は、循環質量式反応器（１）の作動を高める方法に関する。循環質量式反応器（１）は、流動床（１０８）を備えた流動床チャンバ（８）と、流動材料（８０）を煙道ガスから分離する分離手段と、戻り導管システム（１５，１６，１９）を有する。流れ導管（１０）、分離手段、戻り導管システム（１５，１６，１９）は、下側燃焼チャンバ（８９）と上側燃焼チャンバ（１１）の間に配置される。燃焼チャンバ（８９、１１）は、上側燃焼チャンバ（１１）からの煙道ガスの放出前に燃料の燃焼を本質的に完了させることができるように寸法決めされ、上側燃焼チャンバ内の煙道ガスの平均遅れ時間は０．３〜３．０秒である。上側燃焼チャンバ（１１）の下流において、流動材料（８０）を煙道ガスから分離し、所望の比で冷却戻り導管（１５，１６）及び／又は非冷却戻り導管システム（１９）を介して流動床チャンバ（８）に戻す。
2014510248.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
循環質量式反応器（１）の作動を高める方法であって、
前記循環質量式反応器（１）では、前記循環質量式反応器（１）内に形成された煙道ガスが含んでいる熱の少なくとも一部分を、前記循環質量式反応器（１）内を循環するように構成された流動材料（８０）に伝達し、
前記循環質量式反応器（１）は、流動床チャンバ（８）と、流動材料（８０）を煙道ガスから分離する分離手段と、戻り導管システム（１５，１６，１９）と、を有し、流動材料を収容する流動床（１０８）が、前記流動床チャンバの下側部分に設けられ、流動材料は、前記戻り導管システムを介して前記流動床チャンバ（８）に戻され、前記戻り導管システムは、少なくとも１つの冷却戻り導管（１５，１６）を含み、
前記戻り導管システムにおいて、前記戻り導管システムの中を通る流動材料（８０）が含んでいる熱エネルギーの一部分を、前記戻り導管（１５，１６）内に設けられた熱交換器（１１５，１１６）によって、前記循環質量式反応器の中を循環している熱伝達液体体に伝達する、方法において、
前記循環質量式反応器（１）内で起こる燃料の燃焼のために、流動床チャンバ（８）を含む下側燃焼チャンバ（８９）と、上側燃焼チャンバ（１１）と、前記下側燃焼チャンバと前記上側燃焼チャンバを互いに連結する流れ導管（１０）とが設けられ、
前記流れ導管（１０）、前記分離手段、及び、前記戻り導管システム（１５，１６，１９）は、その少なくともほとんどが下側燃焼チャンバ（８９）よりも上に且つ前記上側燃焼チャンバ（１１）よりも下に位置するように、前記下側燃焼チャンバ（８９）と前記上側燃焼チャンバ（１１）の間に配置され、
前記下側燃焼チャンバ（８９）及び前記上側燃焼チャンバ（１１）は、前記上側燃焼チャンバ（１１）からの煙道ガスの放出前に燃料の燃焼を本質的に完了させることができるように寸法決めされ、前記上側燃焼チャンバ内の煙道ガスの平均遅れ時間は、最も好ましくは、０．３〜３．０秒であり、
前記上側燃焼チャンバ（１１）の下流において、前記流動材料（８０）を煙道ガスから分離し、所望の比で冷却戻り導管（１５，１６）及び／又は非冷却戻り導管システム（１９）を介して前記流動床チャンバ（８）に案内して戻す、方法。
【請求項２】
燃料の有効発熱量に基づいて計算したときの前記下側燃焼チャンバ（８９）の比容積は、最も好ましくは、２．０〜０．３ｍ3／ＭＷである、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記下側燃焼チャンバ（８９）、前記上側燃焼チャンバ（１１）、及び前記下側燃焼チャンバと前記上側燃焼チャンバを互いに連結する前記流れ導管（１０）の冷却を、前記下側燃焼チャンバ（８９）、前記上側燃焼チャンバ（１１）及び前記流れ導管（１０）の中を循環する流動材料（８０）によって、主として断熱的に行われる、請求項１又は２に記載の方法。
【請求項４】
前記下側燃焼チャンバ（８９）の上側部分（９）の縦断面の平均自由表面積に対する、前記上昇導管（１０）の平均流れ断面積の比は、０．５未満であり、好ましくは０．１〜０．４であり、最も好ましくは０．１５〜０．３である、請求項１〜３のいずれか１項に記載の方法。
【請求項５】
前記循環質量式反応器（１）の公称負荷の場合において前記燃焼チャンバ（８９）の垂直断面の流れ断面積に基づいて計算した前記ガスの水平方向速度成分は、２〜１５ｍ／ｓ、好ましくは４〜１２ｍ／ｓ、最も好ましくは５〜１０ｍ／ｓである、請求項１〜４のいずれか１項に記載の方法。
【請求項６】
燃料供給装置（７）、及び、前記上昇導管（１０）の前記下側燃焼チャンバ（８９）側の端部（１１０）は、前記下側燃焼チャンバ（８９）の本質的に互いに反対側に位置する、請求項１〜５のいずれか１項に記載の方法。
【請求項７】
分離器（１２０）が、流動材料（８０）を煙道ガスから分離する前記分離手段として設けられ、前記分離器（１２０）は、その下側部分から本質的に開口する分離器チャンバ（２０）を有する、請求項１〜６のいずれか１項に記載の方法。
【請求項８】
前記上側燃焼チャンバ（１１）からの煙道ガスの流れ、及び、流動材料（８０）の熱媒体粒子は、スワールが前記分離器チャンバ（２０）内で本質的に水平方向のシャフトの周りに形成される仕方で、本質的に真下に前記分離器（１２０）まで案内される、請求項７に記載の方法。
【請求項９】
前記循環質量式反応器（１）の公称負荷の状態で、前記下側燃焼チャンバ（８９）の垂直断面の流れ断面積に基づいて計算した前記ガスの水平方向速度成分は、２〜１５ｍ／ｓであり、好ましくは４〜１２ｍ／ｓであり、最も好ましくは５〜１０ｍ／ｓであるように設定される、請求項１〜８のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１０】
前記戻り導管（１５，１６）内において、流動材料（８０）は、少なくとも前記熱交換器（１１５，１１６）のところで押し固め状態で流れるよう構成される、請求項１〜９のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１１】
循環質量式反応器（１）であって、
前記循環質量式反応器（１）では、前記循環質量式反応器（１）内に形成された煙道ガスが含んでいる熱の少なくとも一部分を、前記循環質量式反応器（１）内を循環するように構成された流動材料（８０）に伝達し、
前記循環質量式反応器（１）は、流動床チャンバ（８）と、流動材料（８０）を煙道ガスから分離する分離手段と、戻り導管システム（１５，１６，１９）と、を有し、流動材料を収容する流動床（１０８）が、前記流動床チャンバの下側部分に設けられ、流動材料は、前記戻り導管システムを介して前記流動床チャンバ（８）に戻され、前記戻り導管システムは、少なくとも１つの冷却戻り導管（１５，１６）を含み、
前記戻り導管システムにおいて、前記戻り導管システムの中を通る流動材料（８０）が含んでいる熱エネルギーの一部分を、前記戻り導管（１５，１６）内に設けられた熱交換器（１１５，１１６）によって、前記循環質量式反応器の中を循環している熱伝達液体体に伝達する、方法において、
前記循環質量式反応器（１）内で起こる燃料の燃焼のために、流動床チャンバ（８）を含む下側燃焼チャンバ（８９）と、上側燃焼チャンバ（１１）と、前記下側燃焼チャンバと前記上側燃焼チャンバを互いに連結する流れ導管（１０）とが設けられ、
前記流れ導管（１０）、前記分離手段、及び、前記戻り導管システム（１５，１６，１９）は、下側燃焼チャンバ（８９）よりも上に且つ前記上側燃焼チャンバ（１１）よりも下に位置するように、前記下側燃焼チャンバ（８９）と前記上側燃焼チャンバ（１１）の間に本質的に配置され、
前記下側燃焼チャンバ（８９）及び前記上側燃焼チャンバ（１１）は、前記上側燃焼チャンバ（１１）からの煙道ガスの放出前に燃料の燃焼を本質的に完了させることができるように寸法決めされ、前記上側燃焼チャンバ内の煙道ガスの平均遅れ時間は、最も好ましくは、０．３〜３．０秒であり、
前記上側燃焼チャンバ（１１）の下流において、前記流動材料（８０）を煙道ガスから分離し、所望の比で冷却戻り導管（１５，１６）及び／又は非冷却戻り導管システム（１９）を介して前記流動床チャンバ（８）に案内して戻す、循環質量式反応器（１）。
【請求項１２】
燃料の有効発熱量に基づいて計算したときの前記下側燃焼チャンバ（８９）の比容積は、最も好ましくは、２．０〜０．３ｍ3／ＭＷである、請求項１１に記載の循環質量式反応器（１）。
【請求項１３】
前記下側燃焼チャンバ（８９）、前記上側燃焼チャンバ（１１）、及び前記下側燃焼チャンバと前記上側燃焼チャンバを互いに連結する前記流れ導管（１０）の冷却を、前記下側燃焼チャンバ（８９）、前記上側燃焼チャンバ（１１）及び前記流れ導管（１０）の中を循環する流動材料（８０）によって、主として断熱的に行われるように構成される、請求項１２に記載の循環質量式反応器（１）。
【請求項１４】
前記下側燃焼チャンバ（８９）の上側部分（９）の縦断面の平均自由表面積に対する、前記上昇導管（１０）の平均流れ断面積の比は、０．５未満であり、好ましくは０．１〜０．４であり、最も好ましくは０．１５〜０．３である、請求項１１〜１３のいずれか１項に記載の循環質量式反応器（１）。
【請求項１５】
前記循環質量式反応器（１）の公称負荷の場合において前記燃焼チャンバ（８９）の垂直断面の流れ断面積に基づいて計算した前記ガスの水平方向速度成分は、２〜１５ｍ／ｓ、好ましくは４〜１２ｍ／ｓ、最も好ましくは５〜１０ｍ／ｓである、請求項１１〜１４のいずれか１項に記載の循環質量式反応器（１）。
【請求項１６】
燃料供給装置（７）、及び、前記上昇導管（１０）の前記下側燃焼チャンバ（８９）側の端部（１１０）は、前記下側燃焼チャンバ（８９）の本質的に互いに反対側に位置する、請求項１１〜１５のいずれか１項に記載の循環質量式反応器（１）。
【請求項１７】
分離器（１２０）が、流動材料（８０）を煙道ガスから分離する前記分離手段として設けられ、前記分離器（１２０）は、その下側部分から本質的に開口する分離器チャンバ（２０）を有する、請求項１１〜１６のいずれか１項に記載の循環質量式反応器（１）。
【請求項１８】
前記上側燃焼チャンバ（１１）からの煙道ガスの流れ、及び、流動材料（８０）の熱媒体粒子は、スワールが前記分離器チャンバ（２０）内で本質的に水平方向のシャフトの周りに形成される仕方で、本質的に真下に前記分離器（１２０）まで案内される、請求項１７に記載の循環質量式反応器（１）。
【請求項１９】
前記循環質量式反応器（１）の公称負荷の状態で、前記下側燃焼チャンバ（８９）の垂直断面の流れ断面積に基づいて計算した前記ガスの水平方向速度成分は、２〜１５ｍ／ｓであり、好ましくは４〜１２ｍ／ｓであり、最も好ましくは５〜１０ｍ／ｓであるように設定される、請求項１１〜１８のいずれか１項に記載の循環質量式反応器（１）。
【請求項２０】
前記循環質量式反応器（１）の公称負荷の状態で、前記下側燃焼チャンバ（８９）の垂直断面の流れ断面積に基づいて計算した前記ガスの水平方向速度成分は、４〜２５ｍ／ｓ、好ましくは５〜２０ｍ／ｓ、最も好ましくは５〜１５ｍ／ｓであるように設定される、請求項１１〜１８のいずれか１項に記載の循環質量式反応器（１）。
【請求項２１】
前記戻り導管（１５，１６）内において、流動材料（８０）は、少なくとも前記熱交換器（１１５，１１６）のところで押し固め状態で流れるよう構成される、請求項１１〜１９のいずれか１項に記載の循環質量式反応器（１）。
【請求項２２】
燃焼ガスと前記熱媒体粒子の本質的に水平方向の矩形の分離器（１２０）の入口（１２）は、前記上側燃焼チャンバ（１１）の下方部分内に設けられる、請求項１１〜２１のいずれか１項に記載の循環質量式反応器（１）。
【請求項２３】
前記スワールチャンバの最大水平方向断面積に対する、前記スワールチャンバ２０を前記戻り導管システムの上側部分（１４）に連結する開口の自由表面積の比は、最も好ましくは、０．７よりも大きい、請求項１１〜２２のいずれか１項に記載の循環質量式反応器（１）。
【請求項２４】
前記混合スペース（９）の本質的の上方に差し向けられた前記二次空気ノズル（６）は、最も好ましくは、前記混合スペースの底部に且つ前記流動床チャンバ（８）の両側に設けられる、請求項１１〜２３のいずれか１項に記載の循環質量式反応器（１）。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、循環質量式反応器の作動を高める方法であって、循環質量式反応器内に生じた煙道ガスに含まれる熱の少なくとも一部を循環質量式反応器内で循環するよう配置された流動材料に伝達し、循環質量式反応器が流動床チャンバを有し、流動床チャンバの下側部分内には流動材料を収容した流動床が設けられ、循環質量式反応器が煙道ガスから流動材料を分離する手段と、戻り導管システムを更に有し、戻り導管システムを通って流動材料を流動床チャンバに戻すことができ、戻り導管システムは、少なくとも１つの冷却戻り導管を含み、戻り導管システム内において戻り導管システム中を通っている流動材料に含まれている熱エネルギーの一部を戻り導管内に設けられた熱交換器によって循環質量式反応器中を循環している熱伝達液体に伝達する形式の方法に関する。本発明は又、この方法を実施するための循環質量式反応器に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃焼技術において煙道ガスの温度に対する固体粒子の安定化及び平衡化効果は、既に数十年間にわたって流動床反応器に広く利用されている。流動床反応器とも呼ばれている流動床を備えた反応器では、燃焼用空気が燃焼チャンバの底部上に形成された砂床を通って炉の下方部分から供給される。炉に供給される燃料は、燃焼用空気という助けと混合し、砂床は、バブリング（bubbling）方式で作用し、砂床は、乾燥と点火を行う。燃料と流動床の砂、燃焼空気及びアッシュの連続混合により、熱とガスの混合及び伝達が促進される。さらに、流動床中の砂材料は、熱を結合し、かくして燃焼プロセス中における温度を平衡化すると同時に燃料の点火を促進する。
【０００３】
流動床を備えた反応器は、流動床反応器と循環流動床反応器の両方を意味している。反応器の概念は、他方において、熱媒体への実際の熱伝達がそれ自体の中では実施されないプレーン反応器と、蒸気ボイラの両方に及び、蒸気ボイラ内で発生した熱は、このボイラと関連してボイラ内で循環している水又はそれに対応する熱伝達液体に伝達される。しかしながら、以下において、「ボイラ」という用語は、本発明の各内容を制限して単に蒸気ボイラ手段に関係させようとしているものでは必ずしもない。
【０００４】
特に、循環流動床反応器では、その目的は、本質的に垂直方向反応キャンバの下側区分内のガス流速を、流動材料を流動化する最小ガス流速と運搬のためのガス流速との間に調節することにある。典型的には、その目的は、流動化状態にある粉末状態の個体、即ち、流動材料が１０〜４０％の体積割合を有するようにすることにある。流動材料の瞬間速度が、時間平均の両側における時間と位置の両面における流動材料の瞬時速度の変化に起因して、ゼロよりも下の値とゼロよりも上の値との間で変化するということが流動材料の流動材料の特性である。その結果、流動材料は又、実際の流動床の上方に運ばれる。
【０００５】
流動床の上方では、一般に、流動材料の空気圧による運搬の限界速度よりも高いガス速度が用いられる。この場合、流動材料の放出が燃焼チャンバからのガス流により行われる。燃焼チャンバの空気圧運搬領域内の流動材料の体積割合が小さい場合（この場合、燃焼チャンバから放出される流動材料の流れも又低い）、反応器は、バブリング流動床反応器と呼ばれる。一般的に用いられる用語は、流動床の砂が主として床それ自体内に且つこの真上のガス空間内に位置している場合、流動床ボイラ（ＦＢＢ）である。
【０００６】
循環流動床ボイラ（ＣＦＢ）、即ち循環質量式反応器では、ガス速度は、その代わり、熱媒体粒子として働く砂チップの大部分が反応チャンバからのガス流及び放出物により流動床から上方にスイープされるように寸法決めされる。材料の流れは、サイクロン又は他の戻し装置によって反応チャンバに戻される。
【０００７】
流動材料が上昇するガス流中で流動化され又運搬される場合にはいつでも、垂直圧力勾配がガス流中に生じて圧力が垂直方向に減少する。ガス流中の圧力勾配の絶対値は、流動材料の体積割合に正比例する。
【０００８】
他方、水平方向では、圧力勾配は、本質的にゼロである。ゼロの水平方向速度維持圧力差が上述した流れ状態においてガス中に生じる場合、反応チャンバの壁に設けられている供給口から供給されるガスの水平方向速度成分は、流動材料とガスとの間の摩擦の作用に起因して急減する。かくして、当初水平方向のガス流は、垂直になる。このために、流動床反応器では、壁から供給される燃焼用空気は、主要な流れとの混合度が貧弱である。
【０００９】
それと同時に、ガス温度の制御のために全体として反応チャンバ内の流動材料の相当多くの体積割合が必要なので、良好な水平方向混合及び良好な温度制御の要件は、あらゆる流動床反応器において相互に両立しないほど整合性に欠ける。この非整合性は、事実、流動床技術を利用した燃焼反応器の避けられない且つ基本的な問題である。
【００１０】
貧弱な水平方向混合の問題は、特に、流動床中の燃料の熱分解の結果として生じるガスに関連している。ガスは、流動化空気と殆ど混合しない垂直低酸素ジェットして、燃料供給手段の付近の流動床から出る。特に、バブリング流動床反応器の機能上の欠点は、特に蒸発可能な化合物を多く含んでいる汚れ状態の湿った燃料では、温度が上昇するのを阻止するほんの僅かの量の流動材料が存在する流動床の上方の領域に燃焼がシフトすることにある。その結果、燃焼チャンバの上側部分内の温度は、過度に増大し、流動床中の温度は、低すぎるままであり、その結果、アッシュが燃焼チャンバの上側部分内で燃えると共に／或いは燃焼チャンバの消火が生じる場合がある。
【００１１】
バブリング流動床反応器では、温度制御に関する問題も又、燃料が粗いサイズの粒子を有すると共にほんの僅かな量の蒸発可能な化合物を含む場合に直面し、その場合、燃焼が主として流動床中で起こる。この場合、流動床の温度の過度の上昇は、問題になる。上述した理由で、バブリング流動床を利用した燃焼装置では、上述した問題を制御できる形式の燃料しか燃焼できず、それにより、経済的な燃料の使用が阻止され又は制限される。燃焼プロセスの貧弱な制御も又、ボイラのモニタ及び保守費用を増大させると共に使用において過度の中断を生じさせる。
【００１２】
特許文献１には、バブリング流動床反応器からの未燃焼ガスと酸素の混合の問題をなくすことを目的とする解決手段が開示されている。この解決手段では、絞りが垂直燃料チャンバの中心に配置され、絞りは、燃焼チャンバの水平方向断面積を減少させ、次いで、燃焼チャンバは、２つの重ね合わされた区分の状態に分割されると考えられる。絞りによって、その目的は、ガス流を上側区分内での混合が向上するように案内することである。かくして、本発明により反応器からのガス放出中の未燃焼化合物の濃度を減少させることができるが、それにもかかわらず、これは、バブリング流動床反応器の上述した基本的な欠点を解決するわけではない。
【００１３】
他方、循環質量式反応器では、その目的は、燃焼チャンバの上側区分内の流動材料の体積割合を注意深く増大させることによってバブリング流動床反応器の上述した問題を軽減することにあり、この場合、燃焼チャンバから逃げ出る流動材料を流動床に戻されなければならない。この場合、分離及び戻し装置を反応器に追加する必要がある。バブリング流動床反応器の温度制御の問題は、流動材料の循環質量流量が十分である限り、公称出力の近くでの作動時に回避できる。
【００１４】
循環質量式反応器では、水平方向断面に従って計算される好ましいガス速度は、典型的には５〜６ｍ／ｓである。このことは、既に５０％の部分負荷では、循環質量流量は、取るに足りないレベルまで低下し、循環質量式反応器は、バブリング流動床反応器のように機能し始めるが、上述した問題があることを有している。
【００１５】
循環質量式反応器では、流動材料の相当多くの体積割合は、燃焼チャンバの上側部分内でも、温度差を平衡化するようにしなければならないので、循環質量式反応器の燃焼チャンバ内のガスの貧弱な水平方向混合が問題になる。バブリング流動床反応器の場合のように、豊富な微細フラクション及び／又は蒸発可能な化合物を含む燃料を燃やす際に混合の問題が強調される。
【００１６】
加うるに、上述した形式の反応器において、温度が実際には燃料の品質及び量によってのみ定められることは上述した形式の反応器の両方の特徴であり、本質的に調整手段によってこれらに影響を及ぼすことが可能であるわけではない。特に、バイオマスに特に良く見られる湿度の変化により、バブリング流動床ボイラと循環質量ボイラの両方に問題が生じる。
【００１７】
これらに共通する別の基本的な欠点は、炉の冷却が熱伝達表面によって起こり、それにより、典型的には、循環水を蒸発させるために用いられる燃焼チャンバの冷却状態の壁面が制御できない熱損失をもたらすことである。これにより、相当多く用いられる燃料の許容可能な最も低い有効発熱量が増大し、それによりボイラで利用可能な燃料の範囲、即ち、燃料の融通性が制限される。
【００１８】
反応器のもう１つの共通する基本的な欠点は、これら反応器において、熱伝達表面、特に過熱器（スーパーヒータ）が燃料アッシュの腐食性化合物と直接的に接触することにある。過熱器の腐食を減少させるためには、過熱蒸気の温度を制限しなければならず、その結果、発電所の電力供給が減少する。また、この点において、とりわけバイオマスが問題となる。現行形式のボイラでは、追加の硫黄燃料、即ち、フィンランド国では通常ピートがアッシュ腐食から過熱器を保護するためにバイオマスを燃やす場合に用いられなければならない。上述した欠点は、廃棄物として分類される材料を燃やす場合に特に問題になる。
【００１９】
ＣＦＢボイラの炉の直接冷却に関する別の問題は、炉の高さと流動材料の運搬との間に不十分な妥協策を見出さなければならないことにあり、しかも炉の出力密度（ＭＷ／ｍ3）が低いままであり、それにより炉が不必要に大型且つ高価になるということにある。妥協策の結果として、炉は、高くなり、所要の流動材料循環を公称出力の近くにしか維持することができない。ＣＦＢボイラの別の欠点は、炉に並んで取付けられる外部分離器又は戻り導管がスペース上の要件及びボイラの価格を著しく高くすることにある。
【００２０】
循環質量式反応器の温度制御具合を向上させるため、種々の熱交換器を循環材料の戻り導管と関連して連結する提案がなされた。加うるに、循環材料の戻り導管内に設けられた手段は、流動床技術を利用しており、それにより幾つかの問題を生じ、これら問題については以下において列記する。
【００２１】
第１に、循環質量式反応器において循環材料の戻り導管内に設けられた熱交換器の基本的な問題は、流動材料の循環質量流量が不十分なことである。この問題は、燃焼により必要とされる遅れ時間と循環材料の運搬によって設定される要件との間の垂直燃焼チャンバにおける回避できない不一致性に起因している。この問題は、ボイラが部分負荷で、即ち部分電力出力で使用されなければならない場合に特に過酷になる。
【００２２】
第２に、戻り導管内に設けられた上述した熱交換器が公称出力の近くで満足の行くほど作動するようになっている場合であっても、かかる熱交換器は、ボイラ内で用いられる燃料の許容できる最小の有効発熱量について炉内に設けられた熱伝達表面の制限をなくすことはない。燃焼チャンバ内に設けられた冷却面は、ボイラの燃料の融通性を不可避的に制限し、汚損、摩耗及び腐食の影響を受けやすい。
【００２３】
さらに、流動床冷却器は、それ自体、機器の技術的観点から見て高価且つ複雑であり、そのパイプ系は、極めて強力な腐食を受ける。循環材料流れの調整は又、流動床冷却器内で機能的に実施するのが困難である。
【００２４】
さらに、流動床冷却器の内部消費量は、高く、必要な流動ガスは、熱交換器内において追加の熱的要件を生じさせる。これは、循環材料流れが既に不十分であるという問題を一段と悪化させる。追加の課題は、戻り導管内に設けられた熱交換器中の流動化ガスをこれが粒子分離器の作動を本質的に妨げることがないような仕方で熱交換器から運び去らなければならないということによって提供される。
【００２５】
とりわけ上述した理由で、一般的に言って、循環質量式反応器の戻り導管内に収納されるプロセス技術的に賢明な流動床熱交換器の使用を放棄することが必要であった。
【００２６】
特許文献２には、循環質量式反応器において温度制御を向上させる技術的思想が開示されている。この反応器は、それ自体知られている復熱式冷却燃焼チャンバを利用している。かかる反応器内では、循環質量は、２つの平行な戻り導管に分割され、これら導管のうちの一方は、熱伝達表面を有する。良くてもこの手段は、循環質量式反応器の温度制御に部分的な向上をもたらすことができるに過ぎない。しかしながら、この手段は、上述した循環質量式反応器の他の基本的な欠点をなくし又は軽減することができない。
【００２７】
特許文献２によれば、戻り導管中の冷却戻り導管内における循環質量は、戻り導管の上方部分内に設けられた機械的装置によって調節される。これにより、多くの問題が生じる。第１に、機械的アクチュエータは、強力な摩耗及び腐食を受ける。第２に、自由に落下する循環質量の速度は、高くなり、それにより熱伝達表面の迅速な摩耗が生じる。さらに、戻り導管内の温度制御の観点から見て著しい熱伝達表面の量に適合することができるようにするためには、冷却戻り導管の断面積が大きいことが必要である。戻り導管を通ってサイクロンに至るガスの流れは、次に、問題のある比率まで増大し、ガスと一緒に運ばれるアッシュ成分により、特に過熱器の熱伝達表面の腐食が生じる。循環質量を冷却器の断面の上方に十分に均等に分割することは、実際問題としては可能ではない。せいぜい本発明の冷却装置は、５０％を超える部分負荷で作動したときに機能するに過ぎない。と言うのは、低い出力では、冷却戻り導管内に十分な循環材料が存在しないからである。
【００２８】
しかしながら、特許文献２に開示された解決手段の更に大きな欠点は、熱伝達面が反応器の炉内に設けられていることである。これら熱伝達面は、特に部分負荷の場合に燃料の融通性を減少させることが避けられない。例えば図１から明らかなように、炉の壁は、冷却状態のパネル構造体として具体化されており、このことから反応器の冷却は、主として炉の壁面を介して起こるようになっていることが分かる。かかる解決手段は、燃焼制御の上述した基本的且つ本質的な問題を何ら解決しない。さらに、特許文献２に記載された反応器の使用の結果として、大幅な保守を必要とする高価な装置が必要になる。
【００２９】
特許文献３及び特許文献４には、本質的に軸対称循環質量式反応器（以下、ＣＴＣ反応器（Constant Temperature Combustion：一定温度燃焼）という）が開示されており、この場合、２本又は３本以上の平行な流動材料戻り導管内には復熱中間循環冷却器が設けられ、戻っている循環材料からの熱が液体、蒸気又はガスに伝達される。中間循環冷却器では、循環材料は、熱交換器内では押し固め状態にあり、中間循環冷却器によって、反応器の冷却は、反応器内の選択された箇所のところの設定温度値として調節される。熱を受け入れる流れの初期温度は、他の中間循環冷却器によって調節される。
【００３０】
ＣＴＣ反応器では、循環材料の燃焼及び運搬は、同じ垂直燃焼チャンバ内で起こり、かくして、反応器の高さを制限するためには、燃焼の観点から見て十分な遅れ時間と循環材料の運搬にとって必要なガス速度との間に不十分な妥協策が見出されなければならない。妥当な部分負荷範囲内においても十分な固体の流れを得るようにするためには、燃焼チャンバ後にＣＴＣ反応器の中央内に設けられる上昇導管中の燃料粒子の遅れ時間は、燃焼に不十分なレベルまで制限されなければならない。
【００３１】
したがって、ＣＴＣ反応器の満足の行く作動の前提条件は、燃焼がサイクロンの前にほぼ完全に起こることが可能であるということである。サイクロンチャンバ中への燃焼のシフトの結果として、ガス温度の好ましからざる増大が生じる。と言うのは、流動材料の体積割合がほぼゼロだからである。サイクロンに伝達されるアフターファイヤからの熱エネルギーも又、反応器の燃焼チャンバ内の温度を維持するのに利用できない。この結果、燃料の融通性の制限が生じ、特に、強力なアフターファイヤを生じさせる湿り気のある材料の自然燃焼をこの材料の発熱量がかかる燃焼を許容する場合であってもＣＴＣ反応器内実施させることができない。サイクロン中のアフターファイヤも又、反応器の構造の保守費を増大させると共にこれらの寿命を短くする。この問題は、ＣＴＣ反応器の軸対称構造によって悪化し、これに起因して、燃料の熱分解の結果として燃料供給手段の付近に生じたコークス及び炭化水素含有ガスとノズルベース全体にわたって均等に分布する酸素ガスが上昇導管前に貧弱に混合する。
【００３２】
ＣＴＣ反応器であっても、熱伝達を公称出力の近くで調節することができると共に過熱器の汚損及び腐食の問題を解決したが、ＣＴＣ反応器の上述した欠点は、炉を燃焼プロセスの一貫性のない要件と断熱的冷却の妥協策として設計されなければならないということにある。流動材料の単一ステップ分離は、ＣＴＣ反応器の欠点であると考えることができる。と言うのは、サイクロン中に入るガスの大きな体積割合が構造体の腐食を生じさせると共に固形物の侵入を増大させるからである。ＣＴＣ反応器の構造に関する問題は、上昇導管が特に小型反応器内において冷却形態で具体化されるのが困難であり、しかも、特に腐食性のアッシュ含有物質を燃やす場合に未冷却状態である場合、反応器の点検整備及び保守費を増大させることにある。
【００３３】
化石燃料の価格の上昇に続き、発電所は、利用可能な低品質燃料を用いると費用効果が良いが、これは、上述した理由で可能ではない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００３４】
【特許文献１】米国特許第５，２５７，５８５号明細書
【特許文献２】米国特許第４，６７２，９１８号明細書
【特許文献３】フィンランド国特許出願公開第２００３１５４０号明細書
【特許文献４】国際公開第２００９／０２２０６０号パンフレット
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００３５】
本発明の目的は、先行技術の上述した欠点（これらのうちで最も重大なものは、燃料の不十分な融通性及び過熱器の腐食である）を減少させ又は完全になくすことができる解決手段を提供することにある。本発明の別の目的は、循環質量式反応器のサイズ及び製造費を減少させることにある。
【課題を解決するための手段】
【００３６】
この目的を達成する本発明の方法の特徴が請求項１の特徴記載部分に開示されている。本発明の方法を実施する循環質量式反応器は、請求項１０の特徴記載部分に開示されている内容によって特徴付けられる。さらに、本発明の好ましい実施形態は、従属形式の請求項に開示されている。
【００３７】
上述したＣＦＢ反応器又はＣＴＣ反応器の問題は、基本的に、これらが上述した本質的に垂直燃焼チャンバ内で循環質量の燃焼、冷却及び運搬を実施することを目的とし、その結果、上述した欠点との不完全な妥協策が得られることが不可避であるということに起因したものである。
【００３８】
本発明は、本質的に、上述した既知の燃焼装置及び方法の欠点を本質的になくす。即ち、上述した欠点を回避するため、熱媒体粒子の運搬が流動材料の熱媒体粒子として働く燃焼プロセス及び炉の冷却が今や互いに別個独立の別々の機能として構成されている。これを達成するため、燃料の酸化が本質的に完全に起こる反応器炉を２つの別々の燃焼チャンバ、即ち下側の燃焼チャンバと上側の燃焼チャンバに分割して効果的な混合及び十分な遅れ時間がこれらに達成されるようにする。
【００３９】
下側燃焼チャンバの主要な機能は、点火及び混合であり、上側燃焼チャンバの主要な機能は、燃焼の完了である。燃焼チャンバを互いに連結する上昇導管の目的は、燃焼チャンバの断熱的冷却に必要な流動材料流れを下側燃焼チャンバから上側燃焼チャンバに上昇させることであるに過ぎない。燃焼チャンバの冷却は、燃焼チャンバの外部で冷却された流動材料によって断熱的に起こり、それにより、燃焼チャンバ内に配置されることが必要な熱伝達面の汚損、摩耗及び腐食が生じず、燃焼チャンバの温度は、冷却された流動材料の流れを調節することによって制御できる。
【００４０】
建設的な意味において、本発明は、一方において下側及び上側燃焼チャンバ並びに他方において流動材料と流動材料の戻り導管を分離する分離装置が層状に、即ち、互いに上下に位置決めされて下側燃焼チャンバが最も下に位置し、その頂部上に且つ互いに平行に、上昇導管が設けられ、全体が分離器装置及び戻り導管で構成され、最も上には上側燃焼チャンバが設けられることを特徴としている。このように、製造技術の観点から見て有利且つ特にコンパクトな構成が達成される。
【００４１】
燃焼空間内における燃焼ガス及び最終的には煙道ガスの十分な冷却は、熱媒体粒子によって本質的に断熱的に起こる。したがって、燃焼チャンバと関連して、少なくとも本質的な程度までは熱伝達面が設けられず、燃焼チャンバ並びに燃焼チャンバ相互間の流れ導管は、最も好ましくは薄いガンニング（gunning ）によって摩耗及び燃料の融通性に有害な冷却から保護される。システムの外部の熱伝達は、本質的に、煙道ガスから分離された流動材料から循環質量式反応器の戻り導管内に設けられた熱交換器内を流れる媒体に向かって起こり、媒体は、通常、水及び／又は水蒸気である。熱は又、ガス又は粉末中に伝達される場合がある。
【００４２】
本発明の構成では、燃焼又は熱交換に関する技術的な要件が上昇導管について適用される必要なく、上昇導管は、この場合、熱媒体粒子の運搬要件の点での寸法決めされるのが良い。上昇導管中のガスの流速は、断熱冷却の要件において定められた流動材料流れをこの場合も又低い部分負荷で維持することができるよう自由に寸法決め可能である。
【００４３】
本発明の構成によって、燃料の最大融通性が達成されると共に反応器を冷却するのに必要な熱伝達面が、汚損、摩耗及び腐食から保護される。本発明の技術的思想を利用した循環質量式反応器は又、構造的に極めて簡単であると共に特にコンパクトであり、かくして製造するのが経済的である。
【００４４】
本発明の解決手段により提供される利点のうちの多くは、本発明の以下の好ましい実施形態から明らかになる。
【００４５】
図面を参照して本発明を以下において詳細に説明する。
【図面の簡単な説明】
【００４６】
【図１】本発明の循環質量式反応器を横から見た断面図である。
【図２】Ａ‐Ａ線に沿って見た図１の循環質量式反応器の縦断面図である。
【図３】Ｂ‐Ｂ線に沿って上から見た図１の循環質量式反応器の横断面図である。
【図４】図２のＣ‐Ｃ線に沿って上から見た図１の循環質量式反応器の横断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００４７】
図１は、循環質量式反応器１を示し、循環質量式反応器１は、先行技術にしたがって、空気流動化チャンバ２と、その中にある空気を流動化する分配ノズル３を有し、一次空気が、分配ノズル３から流動床チャンバ８に吹込まれ、流動床チャンバ８の底部に配置された流動床１０８の中を通る。二次空気が、二次空気チャンバ５及び空気分配ノズル６を通って、流動床１０８の上方に位置する燃焼ゾーン９に供給される。
【００４８】
燃料の供給は、流動床チャンバ８の端部から適当な燃料供給手段７を通して行われる。化石燃料と再生可能な燃料の両方、及びこれらの混合物を利用した任意の既知の材料を、燃料として用いることができる。循環質量式反応器１は、燃焼用空気を予熱するために及び燃焼反応器のその他の既知の使用のために、熱伝達液体循環装置（図示せず）の中を流れるよう構成された熱伝達液体を加熱し、蒸発させ、並びに過熱させるのに使用される。
【００４９】
燃焼チャンバ１１から放出している煙道ガス及び流動材料の流れは、最終的に、分離器に案内され、分離器のところで、流動材料は、煙道ガスから分離される。流動材料は、流動床チャンバ８に戻され、煙道ガスは、反応器から手段２１を通して除去される。図１は、更に、耐負荷構造体２２及び断熱継手２３を示している。
【００５０】
以下に、本発明の主要な特徴、特に循環質量式反応器の問題として且つ本発明の解決目的の対象である上述した問題による特徴を詳細に説明する。流動材料の運搬の問題に加えて、燃焼反応器の共通の課題及びそれと同時に解決すべき問題は、加熱技術に関する観点と流れ技術に関する観点の両方から以下に提供される良好な燃焼制御の前提条件に関する。
１  次第に変わる燃料の品質及び燃焼反応器の出力、即ち部分負荷に基づいて１つ又は複数の燃焼チャンバの冷却を調節する可能性
２  流動化反応器を用い上記部分出力の場合の、燃焼チャンバ内の圧力温度を安定化させるのに必要な熱媒体粒子の体積割合を維持する可能性
３  燃焼チャンバ内の燃料と酸素の効率的な混合、及び、熱媒体粒子の燃焼のための十分な遅れ時間
【００５１】
ポイント１の観点から推定されることは、燃焼チャンバの冷却が、反応器の燃料の融通性を損なわないでガス及びガス媒体粒子から燃焼チャンバ内に設けられた冷却面への直接的な放射及び対流による熱交換を利用することができない。本発明の燃焼方法の重要な特徴は、この問題に関する。
【００５２】
本発明は、第１に、燃焼にかかわる空間、即ち、流動床チャンバ８を備えた下側燃焼チャンバ８９とその上に位置する燃焼ゾーン９、上昇導管１０、上側燃焼チャンバ１１、及び好ましくは分離チャンバ内での流動材料の分離のために用いられる分離器１２０は、本質的に冷却されず、換言すると、これらの中の流れは、断熱的に行われることを特徴としている。したがって、本発明は又、これら空間内の温度制御が、流動材料を利用すること、即ち、熱媒体粒子により引き起こされる冷却を利用することを特徴とする。他方において、熱媒体粒子の冷却は、流動材料戻り導管１５，１６内に位置するまでは行われず、循環水又は他の適当な熱伝達剤の蒸発及び／又は過熱が、熱交換器１１５，１１６によって行われる。したがって、これら反応器部分内では、懸濁液と熱伝達表面との間の直接的な接触が起こりえず、それにより、１００ｋＷ／ｍ2オーダーの熱損失が生じ、それにより反応器の燃料の融通性が低くなる。
【００５３】
上述したポイント２及びポイント３に記載された要件は又、基本的に相互に整合性がない。ポイント２に必要な高いガス速度は、ポイント３に必要な十分な遅れ時間と整合性が取れないことは避けられない。本発明は、この問題に対しても解決手段を提供する。具体的に説明すると、燃焼プロセス及び熱媒体粒子の運搬は、互いに独立した別々の手順になる。
【００５４】
燃料は、流動床チャンバ８及びこの上に位置する燃焼空間９内で着火され、燃焼用空気、ガス化燃料及びコークス粒子が効率的に混じり合う。流動化チャンバ８及び燃焼空間９は一緒になって、下側燃焼チャンバ８９を形成する。流動床チャンバの明らかに上に差し向けられたガス流は、この上に位置する燃焼空間９内で本質的に上昇導管１０に向かう水平方向に向く。ガス及び熱媒体粒子は、上昇導管１０中に導かれる。下側燃焼チャンバ８９の主要な機能は、燃料に点火すること及び酸素とガス化燃料とコークスの良好な混合を行うことにある。例えば、特許文献２及び特許文献４に開示されている構成と比較すると、下側燃焼チャンバ８９の構成の利点は、今や、流動床中の燃料粒子の予想最短遅れ時間が最長になるということにある。燃焼は、上側燃焼チャンバ１１内で完了する。かくして、上昇導管１０は、この場合、熱媒体粒子の運搬上の必要性の面でのみ寸法決め可能である。
【００５５】
かくして、燃焼技術上の要件、主として遅れ時間を、上昇導管に対して事実上無視することができるので、導管中のガス速度は、純粋に、十分な熱媒体流をこの場合も又部分負荷で運搬し、それにより煙道ガスの流れ及びかくして流速が公称出力でガス流に対して必然的に低下するということにより寸法決めされるのが良い。
【００５６】
上昇導管１０に続く燃焼チャンバ１１内の燃焼プロセスの完了は、その十分な寸法決めにより行われる。
【００５７】
本発明の全体的な構成上の観点は、図１から最も良く明らかになる。反応器の全体的構造に関し、本発明の反応器は、ライザー通路１０及び他方において分離器装置１２０及び下側及び上側燃焼チャンバ８９，１１を互いに連結する戻り導管システム１５，１６，１９により形成された全体は、本質的に燃焼チャンバ相互間で垂直に且つかくして取付け及び互いに平行に配置されることを特徴としている。好ましい構成では、分離器装置１２０の分離器又はスワールチャンバ２０及び開放底面又は底部上で本質的にその下側全体にわたってこれに取付けられた戻り導管システム１４，１５，１６，１９は、下側燃焼チャンバ９、下側燃焼チャンバ９の上方に位置する戻り導管システム１４，１５，１６，１９、戻り導管システムの上方に位置するスワールチャンバ２０及び燃焼チャンバ１１が底部から始まって上述した順序で４層、本質的に互いに重ね合わされた構造体を形成するよう本質的に垂直方向の上昇導管１０に平行に設けられる。
【００５８】
下側燃焼チャンバ８９及び上側燃焼チャンバ１１をこれらが一緒になって燃焼を完了させるのに十分であるように設計されると共に寸法決めした場合、燃焼チャンバの端を互いに連結する上昇導管１０は、上側及び下側燃焼チャンバよりも非常に細く作られており、それにより下側燃焼チャンバと上側燃焼チャンバとの間に利用できるようになっていて、本質的に水平方向に延びる分離器装置１２０及び戻り導管システム１５，１６，１９を配置する空間を利用することができる。これは、図１に更に示されており、想像上の境界部が原理的に参照符号２０１，２０２を備えている。かくして、反応器は、３つのゾーンに分割され、スペース間ゾーンが原理的に下側燃焼チャンバ８９とスペース間ゾーンとの間の境界部２０１と、原理的に上側燃焼チャンバ１１と燃焼相互間のスペース間ゾーンとの間の対応の境界部２０１との間に位置したままであり、かかるスペース間ゾーンは、今や、上昇導管１０、分離器装置１２０及び戻り導管システム１５，１６，１９を配置するために上述したように使用できる。
【００５９】
さらに、煙道ガス及び流動材料の二方向流れを利用する燃焼チャンバの好ましい構造によって、混合具合を向上させると共に予定懸濁液流路１６１によって示されているように全体として循環質量式反応器により必要とされるスペースを減少させることが一層可能である。水平方向構成が分離器装置１２０について用いられた場合に更に一層コンパクトな構造体が得られ、この場合、遠心力に基づいた分離器チャンバ内で生じる乱流が本質的に水平方向に延びるシャフト周りに前進する。
【００６０】
このように、特にコンパクトな構成が達成されると同時に、かかる特にコンパクトな構成により、煙道ガスのための遅れ時間を十分に長くすることができると共に他方においてあらゆる作動状況において流動材料の効率的且つ妨害されることのない運搬を保証するのに十分な高い煙道ガス流速を保証することができる。
【００６１】
以下において、本発明の構成の重要な作動上の技術的思想及びその主要な特徴について説明する。以下において、本発明の燃焼反応器の個々の装置を詳細に説明すると同時に本発明の種々の実施形態の特徴及びこれらがもたらす利点を開示する。かくして、上記の内容に従って、本発明の燃焼方法の好ましい実施形態は、基本的に、以下の主要な段階を有する。
１．燃料を流動床チャンバ８中に供給して、燃料を流動床チャンバ８及びその流動床１０８中でガス化する段階。
２．第１の燃焼チャンバ８９内でガス化燃料を部分的に又は特に部分負荷状態で完全に酸化する段階、第１の燃焼チャンバは、流動床チャンバ８及び好ましくはこの上に位置した混合・燃焼スペース９を有する。
３．上昇導管１０内の煙道ガス流によって燃焼ガス及び熱媒体粒子を空気圧の作用で上側燃焼チャンバ１１に運ぶ段階。
４．特に少なくとも燃焼チャンバ１１内における部分負荷の場合に燃焼を完了させる段階。
５．分離チャンバ１３，１４内でガスと熱媒体粒子を分離する段階。
６．分離した熱媒体粒子を戻り導管１５，１６，１９により流動床８に戻す段階。
７．熱媒体粒子中の熱を熱の伝達目的で戻り導管内に設けられた熱交換器１１５，１１６内において循環水に伝達する段階。
【００６２】
流動床チャンバ８の主要な機能は、戻り導管１５，１６，１９から来た粉末状熱媒体材料８０を上昇導管１０の方向に水平方向に運搬する機能及び供給装置７を通って来た固体燃料をコークス化微粒子に処理する機能である。装置技術的に見て、流動床チャンバ８は、それ自体知られている断熱チャンバであり、最も好ましくは本質的に、矩形プリズムの形態をしている。流動化空気を流動床チャンバの下側部分内に設けられた流動化空気ノズル３中に導く。
【００６３】
図１〜図４に示されている実施形態では、燃料供給装置７は、好ましくは、上昇導管１０に関して下側燃焼チャンバ８９の反対側の端部に取付けられ、それにより、流動床１０８中の燃料粒子の予想最短遅れ時間が最長にされる。非冷却戻り導管１９を通って流動床に戻る熱媒体流は、最も好ましくは、燃料供給装置７のすぐ近くに案内され、ここにおいては、熱エネルギーの消費量が燃料の乾燥及び熱分解に起因して最高である。
【００６４】
この構成の別の利点は、燃料の熱分解及び微細なフラクションの結果として供給装置７の付近で生じるガスの大部分が流動床チャンバ８からこの上に位置する燃焼スペース９に迅速に運ばれることである。燃焼スペース９内において、流れは、既に本質的に水平方向の流れに変えられている。かくして、燃焼チャンバ８９内におけるこれらの遅れ時間が最長化され、燃焼スペースと関連して提供される二次空気との混合が可能な限り効率的になる。この混合スペース９内に設けられた二次空気ノズル６は、多くの仕方で混合スペースの内面に取付け可能である。図３は、一例として、混合スペースの底部のところで流動床チャンバ８の互いに反対側の側部への二次空気ノズル６の配置状態を示している。
【００６５】
流動床チャンバ８内において、ガスの垂直流動化速度は、十分な遅れ時間が燃料粒子について得られるよう設定される。燃料の完全なガス化に必要な流動化空気流量は、代表的には、全空気流量の２０〜３０％である。流動床チャンバ８の水平方向面の断面積は、これに基づいて計算されたガスの流動化速度が０．５〜１．５ｍ／ｓであるように設定される。
【００６６】
かくして、本発明の循環質量式反応器型燃焼装置では、下側燃焼チャンバ８９は、流動床チャンバ８及び好ましくはこの真上に取付けられた混合・燃焼スペース９で構成される。燃焼スペース内では、流動材料の体積割合は、本質的に、流動床中の場合よりも少なく、最も好ましくは１〜５％である。注目されるべきこととして、流動材料の体積割合は、上昇導管１０内では好ましくは１％未満であり、上側チャンバ１１内では３％未満である。燃焼空間９は、断熱された本質的に水平方向なチャンバであり、これは、好ましくは、垂直面上で断面が本質的に長方形であり、このチャンバの高さは、流動床チャンバ８からの垂直ガス流及び二次空気ノズルからの空気が上昇導管１０の下端部に向かう燃焼スペース９内の相当多くの水平方向速度成分を提供するよう寸法決めされている。
【００６７】
混合チャンバ９の重要な仕事は、流動床チャンバ８から立ちのぼる特にガス化された燃料と上昇導管１０の前の二次空気の効率的な混合を保証することにある。
【００６８】
本明細書は、流動床チャンバ８と燃焼又は混合チャンバ９を別々に説明しているが、問題は、図１に示されているように、好ましくは、一様スペースに関する問題であり、即ち、これらの中に配置された特定の１つ又は複数の機能部に基づいて、機能的に幾つかのゾーンに分割された下側燃焼チャンバ８９に関する問題である。分かりやすくするために、本明細書は、流動床１０８が収納された流動床チャンバ８及び二次空気の供給及び燃焼ガスとのその混合が燃焼チャンバ内におけるガス混合物を均質化すると共に主として上側燃焼チャンバ１１内で起こる燃焼プロセスを促進するために起こる燃焼又は混合チャンバ９について説明する。
【００６９】
かくして、ガスの主流れ方向は、混合チャンバ９内では水平方向であり、ガスの水平方向速度は、二次空気の分布状態に応じて燃料供給装置７から上昇導管１０の方向に進むときに混合チャンバ９内で増大する。ガス水平方向速度は、事実上ゼロの速度から最も好ましくは毎秒５〜１０メートルの値まで増大する。この速度は、これよりも高く、即ち２０ｍ／ｓという高い速度である場合があり、部分負荷では、これに対応して低く、約３ｍ／ｓという低い場合がある。
【００７０】
水平方向圧力は、混合チャンバ９内では、本質的で一定であり、このことはノズル６により生じる自由ジェットの貫通性が二次空気と流動床チャンバから立ち上がるガス化燃料の効率的な混合を生じさせるのに十分であることを意味している。下側燃焼チャンバ８９の容積は、最も好ましくは、熱の有効発熱量に基づいて計算した下側燃焼チャンバの比容積（容積／出力）が最も好ましくは４．０〜０．４ｍ3／ＭＷであるように設定される。
【００７１】
上昇導管１０の唯一の機能は、出力範囲全体にわたって燃焼チャンバ１１への十分な熱媒体流を運ぶことであり、かくして、上昇導管は、流れに関する技術的な基準でのみ寸法決めされるのが良い。この種の流れ導管１０は、構造的に、本質的には長方形又は他の適当な形状の断面を有する垂直断熱導管であり、この導管は、所要の最小出力で上昇導管中のガス速度が熱媒体粒子の空気圧による運搬の限界速度よりも高いように寸法決めされる。上昇導管中の熱媒体粒子の流量は、反応器内の熱媒体粒子の量を調節することによって燃焼プロセスの温度制御に十分であるように設定される。
【００７２】
熱媒体粒子を上昇導管１０内で運ぶには、所要の最も低い部分出力でガスの速度が熱媒体粒子の自由落下速度（終端速度）よりも高いことが必要である。実際には、終端速度は、２〜３ｍ／ｓのオーダーものであり、したがって、燃焼装置が予定された仕方で、例えば２０％の部分出力動作で動作する場合、上昇導管の水平方向流れ断面積は、ガス速度が１０〜１５ｍ／ｓの公称出力に落ち着くように設定されるべきである。
【００７３】
上昇導管１０は、実際には、好ましくは、その水平方向（横）断面の平均自由面積と下側燃焼チャンバ８９の上側部分９の垂直（縦）断面の平均自由面積の比が０．５未満、最も好ましくは０．３〜０．１５であるように寸法決めされる。上昇導管の高さ又は長さは、構成及びレイアウトに関する以下の内容に従ってこれらの値を採用することによって決定される。上昇導管の公称出力では、高いガス速度に起因して必要な熱媒体流は、低い圧力損で達成され、これにより、ボイラの内部消費量が最小限に抑えられる。
【００７４】
上側燃焼チャンバ１１の機能は、とりわけ、上昇導管１０に続く燃焼プロセスを終わらせることにある。したがって、その容積は、上昇導管１０から燃焼チャンバに運ばれているまだ燃焼していない状態のガス及びコークス粒子があらゆる負荷状況において且つ漸変する燃料品質の状態で完全に酸化状態になるのに必要な時間を有するように設定されなければならない。
【００７５】
かくして、完全な酸化は、一般に燃焼反応器及び蒸気ボイラ内で達成される燃料粒子酸化の通常のレベルを意味している。燃焼をいったん終わりまで完全に行うと、反応スペース内に供給された材料流量、温度及び圧力により定まる熱力学的平衡に達するが、実際には、この平衡は、漸近的に接近できるに過ぎない。燃料材料の基本的に酸化可能な量のうちの僅かな部分（１％未満）が常時未燃焼状態のままである。したがって、技術的な意味において、燃焼は、反応器から放出されるガスの化合物の全ての濃度が所要の精度で平衡に適合した濃度に一致したときに完了したと考えることができ、十分な精度は、大抵の場合、約１〜２％である。
【００７６】
完全な酸化を保証するために、上側燃焼チャンバの容積は、上側燃焼チャンバ内の煙道ガスの平均遅れ時間（燃焼チャンバの容積／ガスの体積流量）が公称出力時に最も好ましくは１．０〜３．０秒であるように設定される。燃焼チャンバの設計では、それと同時に、十分な熱媒体流れが所要の最小出力で燃焼チャンバを通って分離器装置１２０までずっと運ばれるようにすることが保証されるべきである。燃焼ガス及び熱伝達粒子が燃焼チャンバ１１の上側部分内に設けられた出口を通って万一除去されると、所要の燃焼遅れ時間と熱媒体流れとの上述した基本的な不整合性に上昇導管後に直面する。
【００７７】
この不整合性を回避するため、本発明の燃焼装置では、ガス及び熱媒体粒子を燃焼チャンバ１１の下側部分内に設けられた手段１２を通って放出する。上側燃焼チャンバは、好ましくは、流れがチャンバからの放出前に供給方向に関して本質的に逆の方向に向くことができるよう作られる。上昇導管１０からの煙道ガス及び熱媒体粒子の流れは先ず最初に、本質的に垂直方向上方に差し向けられ、その後、流れの垂直方向が最終的に、燃焼チャンバ上側部分内の分離器装置１２０に向かって垂直方向上方に向く。
【００７８】
上昇導管１０から来た垂直流は、燃焼チャンバ１１内では本質的に自由ジェットのように挙動し、その結果、燃焼チャンバ１１内のガス圧力は、本質的に一定である。この燃焼チャンバ１１の構成によって、煙道ガス及び流動材料の効率的な混合が達成され、これに起因して酸化が効率的となり、しかも体積割合及び熱媒体粒子の流量は、燃焼チャンバ全体中のガスの温度制御にとって十分なままである。
【００７９】
さらに、燃焼チャンバ１１内の遅れ時間は、煙道ガス及び流動材料が分離器装置１２０に案内される前に燃焼を完了させるのに十分長くなる。燃焼チャンバ１１は、好ましくは、燃焼を分離器装置手段１２の前に燃焼チャンバ１１内で本質的に完了させることができるよう寸法決めされ、通常の負荷では、反応器内で燃やされる燃料の燃焼によって生じた熱エネルギーの３０％を超える量に上側燃焼チャンバ１１内に至るまでは放出されない。部分負荷では、この割合は、明らかに小さい。この場合、燃料を完全に酸化させ、その後上側燃焼チャンバ１１内に至らせることが可能である。
【００８０】
本発明の構成の別の本質的な観点は、煙道ガス及び流動材料の流れの断熱性にある。換言すると、燃焼チャンバ８９、上側燃焼チャンバ１１及びこれらを互いに連結する上昇導管１０の冷却は、これらの中で循環していて戻り導管１５，１６内で冷却された流動材料によって主として断熱的に起こる。主として壁を介してシステムの外側に伝達される熱の量は、極めて僅かであり、代表的には１ｋＷ／ｍ2のオーダーのものであり、熱交換器を備えた従来手段の燃焼チャンバでは、熱伝達量は、１００ｋＷ／ｍ2のオーダーのものである。チャンバ及びこれらチャンバ相互間の流れ導管は、とりわけ伝導及び放射によって反応器部分の壁に伝達される正味の熱流量は、例えば反応器から放出される煙道ガス又は流動床の温度を所望の設定値に維持するために必要な熱出力の５０％未満、好ましくは３０％未満、最も好ましくは１０％未満であるように寸法決めされると共に断熱される。
【００８１】
分離器装置１２０の機能は、それ自体、熱媒体粒子を煙道ガスから分離すること、分離した熱媒体粒子を戻り導管１５，１６，１９中に案内すること及び例えば熱回収及び浄化のために煙道ガスを燃焼装置から放出することにある。粒子分離器１２０は、好ましくは、本質的に水平方向の延びる分離器チャンバ２０で構成され、この分離器チャンバの一方の端部又は両方の端部のところにはガス出口２１が設けられる。
【００８２】
分離器装置の好ましくは長方形の入口１２は、好ましくは燃焼チャンバ内で下方に差し向けられた流れが分離器チャンバ２０内に直接流れ続けることができるよう燃焼チャンバ１１の下側部分内に設けられる。この構成の利点は、分離されるべき流動材料の速度が手段１２内においてガスの速度よりも高いということにある。この流れは、更に好ましくは、この流れがチャンバ２０の入口を通って本質的に接線方向に差し向けられるよう配置されるよう構成される。これは、乱流の生成を促進すると共に他方において流動材料の流れをチャンバ２０の開放底部を通って前方に差し向けて戻り導管システムの上側部分１４内に至らせるのを容易にする。スワールチャンバ２０を戻り導管システムの上側部分１４に連結する開口部の自由表面積とスワールチャンバの最大水平方向断面積の比は、その最も小さい箇所であっても、好ましくは０．７を超える。導管の断面積は、好ましくは、本質的に一定である。
【００８３】
さらに、分離器の下の入口は、適当な空気デフレクタ１３であるのが良く、この空気デフレクタにより、スワールチャンバ内で生じる本質的に水平方向の乱流に影響を及ぼすことができる。本発明のこの実施形態によれば、粒子分離器は、更に、これが上昇導管１０と並んだ状態で図１を参照して上述したように上側燃焼チャンバ１１と下側戻り導管１５，１６，１９との間に設けられることを特徴としている。
【００８４】
スワールチャンバ２０の縁に接線方向に設けられた入口１２から最も好ましくは５〜１５ｍ／ｓの速度で来たガス及び熱媒体粒子の下向きの流れは、出口２１に差し向けられているときに水平方向スワールチャンバ２０内に強力な本質的に水平方向の乱流を生じさせる。スワールチャンバ内における乱流の効果に起因して、分離器チャンバの下側部分内には別個の遅い流れ誘導乱流が形成され、この流れの速度は、低く、したがって戻り導管システムの上側部分１４は、効率的な沈降チャンバとして働く。
【００８５】
入口１２から来た熱媒体粒子の大部分（９９％を超える）は、事実、慣性及び重力の作用に起因して、道筋を表す矢印１８０によって示されているように戻り導管システムの上側部分に直接移動し続ける。粒子のほんの僅かな部分が生じた乱流１７０によりスワールチャンバ２０中に運ばれる。ここで、粒子は、スワールチャンバ２０の壁表面上に働く遠心加速力の作用に起因して濃縮され、そしてここから重量及び遠心加速力の作用によりスワールチャンバ２０の底部に運ばれ、スワールチャンバ２０は、その下方側部が戻り導管システムの上側部分１４に対して完全に開いている。上述した構成の利点は、とりわけ、分離されるべき粒子の速度が入口１２のところでガスの速度よりも高く（４〜７ｍ／ｓ以上）、かかる速度とスワールチャンバ２０の上側部分１４の完全に開いた断面表面は、一緒になって、熱媒体粒子の効率的な分離を生じさせ、これは流れモデル化試験によって確認できるということにある。
【００８６】
戻り導管システムの上側部分１４内では、戻り導管１５，１６中への流れは熱交換器内に必要な熱の量に従ってアクチュエータ１７，１８によって調節可能に制御できる。戻り導管１５内において、熱媒体材料の流れを押し固め状態で蒸発させる熱伝達表面を備えた熱交換器１１５が戻り導管の下側部分内に設けられたアクチュエータ１７によって案内されてガスの温度が分離器の中央パイプ２１後にその設定値のままであるようになる。同様に、戻り導管１６内において、熱媒体材料の流れを押し固め状態で過熱する熱伝達表面を備えた熱交換器１１６が過熱戻り導管の下側部分内に設けられたアクチュエータ１８によって案内されて過熱蒸気の温度がその設定値のままであるようになる。
【００８７】
非冷却戻り導管１９は、好ましくは、オーバーフロー導管として働き、それにより、意図的には戻り導管１５，１６中に案内されない熱媒体粒子の部分は、非冷却戻り導管１９を通って自己調節流として流動床チャンバ８中に直接案内される。能動的制御も又、非冷却戻り導管１９に関して利用できる。浄化された煙道ガス１７１は、中央パイプ２１を通って分離器１２０から放出される。
【００８８】
本発明の反応器の耐荷構造体２２は、最も好ましくは、ガス密水冷及び／又は蒸気冷却パネルとして具体化される。本発明の反応器のヒートインシュレータ２３の目的は、耐荷構造体を摩耗及び腐食から保護すること及びこれらに導かれる熱流量を制限して燃焼チャンバの冷却要件に関して低くすることにある。ヒートインシュレータは、最も好ましくは、例えば従来型セラミック材料で具体化されるのが良い。
【００８９】
本発明の図１〜図４に示されている単一の実施形態に関して上述したが、しかしながら、本発明は、この説明及びこれらの図には制限されず、特許請求の範囲に記載された本発明の範囲内で種々の改造を想到することができ、別の実施形態と関連して開示した特徴は、本発明の基本的な思想の範囲内で他の実施形態と関連して利用することができると共に／或いは提供した特徴を組み合わせて種々の形態にすることができ、このための技術的手段が存在する。したがって、本発明の実施形態は、本発明の思想の範囲内で実施できる。本明細書は、主として循環質量式反応器への本発明の利用を開示しているが、本発明は、従来型流動床反応器と関連して並びに他形式の蒸気ボイラにも利用できることは明らかであると言える。
【００９０】
燃料を循環質量式反応器内で燃焼させる本発明の方法は、図１〜図４に示されている実施形態としての装置によって実施でき、これらの図の参照符号が以下に列記されている。
【符号の説明】
【００９１】
１  循環質量式反応器
２  空気流動化チャンバ
３  空気を流動化するための分配ノズル
４  二次空気供給手段
５  二次空気チャンバ
６  二次空気チャンバ用の空気分配ノズル
７  燃料供給手段
８  流動床チャンバ
９  下側燃焼チャンバ内に設けられた上側燃焼スペース及び混合チャンバ
１０  上昇導管
１１  上側（下流側）燃焼チャンバ
１２  分離器入口
１３  分離器空気デフレクタ
１４  戻り導管システムの上側部分
１５  蒸発戻り導管
１６  過熱戻り導管
１７  蒸発戻り導管のアクチュエータ
１８  過熱戻り導管のアクチュエータ
１９  非冷却戻り導管
２０  分離器のスワールチャンバ
２１  中央パイプ
２２  荷重支持構造体
２３  ヒートインシュレータ
８０  流動材料
８９  第１の燃焼チャンバ
１０８  流動床
１１０  上昇導管１０供給開口部
１１５  過熱器熱交換器
１１６  蒸発器熱交換器
１２０  分離器
１３８  流動床中を通る一次空気の流れ
１５３  一次空気流
１５６  二次空気流
１６０  上昇導管中を通る流れ
１６６  上側の燃焼チャンバ１１中の計画主流路
１７０  分離器チャンバ内の煙道ガス及び流動材料懸濁液のスワール
１７１  分離器から出る煙道ガス
１８０  分離器チャンバ中を通る流動材料の好ましい経路
１８９  煙道ガス及び流動材料懸濁液の経路
２０１  上側燃焼チャンバとスペース間ゾーンの境界層
２０２  下側燃焼チャンバとスペース間ゾーンの境界層
２０３  スペース間ゾーン
２０４  冷却された戻り導管を越える流動材料のオーバーフロー
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【国際調査報告】
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