(57)【要約】【課題】微粉炭燃焼による多目的ボイラなどの石炭燃焼産業施設からの粒子状エミッションを抑制する。【解決手段】燃料（石炭など）の燃焼は、粒子を含有する排気流を発生させる。流れは、パルス燃焼凝集装置（１２０）を通過する。凝集装置は、燃料と酸化剤の供給物を少なくとも１本の導管へ導入して供給物の燃焼を開始させることにより、周期的に作動する。燃焼は、流れがさらされて粒子の部分的凝集を引き起こす衝撃波を発生させる。流れは粒子除去装置（１０４）を通過して排出される。【選択図】図１
2007160306.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃焼器と、
前記燃焼器から延出する排気流路と、
前記排気流路に沿って設けられた粒子除去装置と、
燃料および酸化剤の供給源と、前記供給源に連結されて前記燃料および酸化剤の供給物を受け入れる複数の燃焼導管と、前記燃焼導管に連結されて前記供給物を点火する複数の点火装置と、を含むとともに、前記燃焼器と前記除去装置との間の前記排気流路に沿って設けられたパルス燃焼粒子凝集システムと、
を含む燃焼装置。
【請求項２】
前記燃焼器が石炭燃焼炉である、
請求項１の燃焼装置。
【請求項３】
さらに、
前記石炭の燃焼から熱を受け取って管内の蒸気を加熱するペンダントボイラ管を含み、前記パルス燃焼粒子凝集システムが前記排気流路に沿って前記管の下流にある、
請求項２の燃焼装置。
【請求項４】
さらに、
前記排気流路に設けられたエコノマイザと、
前記排気流路に設けられた空気予熱器と、を含み、前記パルス燃焼粒子凝集システムが前記エコノマイザと前記空気予熱器との間にある、
を含む、請求項３の燃焼装置。
【請求項５】
さらに、
前記炉へ微粉炭を送出する複数の微粉機、
を含む、請求項２の燃焼装置。
【請求項６】
前記燃焼導管が、前記流路の下流方向に対して横向きに向けられた出口を有する、
請求項１の燃焼装置。
【請求項７】
前記燃焼導管の少なくとも４本が、前記排気流路に沿って本質的に共通の流方向位置に配置される、
請求項１の燃焼装置。
【請求項８】
さらに、
前記流路の大気への出口を形成する煙突、
を含む、請求項１の燃焼装置。
【請求項９】
前記供給源が、
質量の大部分が水素と炭化水素燃料とこれらの混合物とからなる群から選択される燃料からなる前記燃料の第１供給源と、
本質的に空気からなる酸化剤の第２供給源と、
を含む、請求項１の燃焼装置。
【請求項１０】
前記燃焼導管が、少なくとも１．５Ｈｚのサイクル周波数で作動するような構造を持つ、請求項１の燃焼装置。
【請求項１１】
前記燃焼導管が少なくとも６本設けられる、
請求項１の燃焼装置。
【請求項１２】
前記燃焼導管が少なくとも４本設けられ、これらの燃焼導管は、二つのずらして設けられたグループとして配置される、
請求項１の燃焼装置。
【請求項１３】
前記燃焼導管が０．５〜４ｍの長さと５〜１５０ｃｍ2の断面積とを有する、
請求項１の燃焼装置。
【請求項１４】
燃焼器と、
前記燃焼器から延出する排気流路と、
前記排気流路に沿って設けられた粒子除去装置と、
前記燃焼器と前記除去装置との間の前記排気流路に沿って粒子の凝集を促進するパルス燃焼手段と、
を含む燃焼装置。
【請求項１５】
前記燃焼器が化石燃料燃焼炉である、請求項１４の燃焼装置。
【請求項１６】
ボイラシステムである、請求項１４の燃焼装置。
【請求項１７】
設備の燃料を燃焼させて、粒子を含有する流れを発生させ、
前記流れをパルス爆轟粒子凝集装置に通過させ、
前記流れを粒子除去システムに通過させ、
前記流れを排出することを含み、
前記パルス爆轟粒子凝集装置に通過させることは、周期的に燃料および酸化剤の供給物を少なくとも１本の導管へ導入するとともに、前記供給物の燃焼を開始させ、かつパルス爆轟燃焼により発生した衝撃波に燃焼生成物の流れをさらして、前記粒子の凝集を引き起こすことを含む、
設備稼動方法。
【請求項１８】
前記設備の燃料が、石炭と燃料油と炭化水素ガスとバイオマスとゴミとこれらの組合せとからなる群から選択される、
請求項１７の設備稼動方法。
【請求項１９】
さらに、
前記流れの一部を再循環させること、
を含む、請求項１７の設備稼動方法。
【請求項２０】
前記衝撃波にさらすことは、前記流れが複数の前記導管を通過するとともにこれらの導管からの衝撃波にさらされるようにすることを含む、
請求項１７の設備稼動方法。
【請求項２１】
前記衝撃波にさらすことは、前記流れが一つまたはそれ以上の前記導管の対の対向する出口の間を通過するようにすることを含む、
請求項１７の設備稼動方法。
【請求項２２】
前記凝集が、前記粒子除去システムによって取り出される質量を増加させる、
請求項１７の設備稼動方法。
【請求項２３】
前記供給物が、前記燃料の重量の大部分として水素を含む、
請求項１７の設備稼動方法。
【請求項２４】
供給物の各導入の前に、前記少なくとも１本の導管にエアパージが実施される、
請求項１７の設備稼動方法。
【請求項２５】
前記少なくとも１本の導管が、少なくとも１．５Ｈｚのサイクル周波数で作動する、
請求項１７の設備稼動方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、石炭燃焼産業施設に関連する。より詳しく述べると、本発明は、微粉炭燃焼による多目的ボイラなどの石炭燃焼産業施設からの粒子状エミッションを抑制することに関連する。
【背景技術】
【０００２】
石炭燃焼産業施設からの粒子状エミッションは、何世紀にもわたって産業界を悩ませてきた。粒子を除去するための充分に開発された技術には、バグハウス、サイクロン式分離装置、静電集塵装置がある。最近注目を集めている一分野は音波凝集装置である。特許文献１には、変調された音場を使用して粒子の凝集を誘発することが明記されている。所望の音圧レベルと周波数の変調された音場を発生させるのに装置が使用される。音波は細かい粒子を凝集させて、従来装置での捕獲が容易な大きな粒子を形成させる。
【特許文献１】米国特許第６７４９６６６号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
よって、本発明は、石炭燃焼産業施設からの粒子状エミッションを抑制することに関連する。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
産業施設における燃料（例えば石炭）の燃焼は、浮遊粒子を含有する排気流を発生させる。この流れはパルス爆轟粒子凝集装置を通過する。凝集装置は、少なくとも１本の導管へ燃料および酸化物の供給物を導入してこの供給物の燃焼を開始することにより、周期的に作動する。燃焼は、流れがさらされて粒子の凝集を引き起こす衝撃波を発生させる。流れは、従来の粒子除去装置で処理されて排出される。
【０００５】
本発明の一つ以上の実施例の詳細は、添付図面と以下の説明に提示される。本発明の他の特徴、目的、長所は、説明および図面から、そして請求項から明らかとなるだろう。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００６】
図１は、微粉炭燃焼による発電所２０の概略図である。この発電所の例は、蒸気タービン発電機ユニット２４へ蒸気を提供する蒸気発生器２２を有する発電所でよい。燃焼流路に沿って、蒸気発生器２２は、上流放射（炉）ゾーン２６を有し、これに下流対流（後部煙道）ゾーン２８が続く。蒸気発生器２２は、石炭３０と空気３２と水３４の入力流れを受け入れる。
【０００７】
石炭３０は、微粉機システム４０を通過する。空気流３２は、後部煙道２８の下流で空気予熱器５０（後述する）を通過する。後部煙道熱交換器は、垂直／流れ方向または水平／横方向の管列を含む。空気は、混入した微粉炭４４を一部含有する予熱流５２として、炉４２へ入る。炉は、石炭と空気の混合物を燃焼させる燃焼器として機能する。燃焼流５４は、燃焼流路を下流へ通過する。
【０００８】
水流３４は、対流ゾーン２８へ入り、ここで炉４２の垂直壁（水管壁−一般的に垂直方向に延在する管列）５８へ入る前に、エコノマイザ５６で予熱される。燃焼生成物５４との熱交換により、水が沸騰して蒸気が発生する。ガス／燃焼生成物流路と水／蒸気流路の両方において下流方向に、蒸気は高温まで過熱され、そして高圧タービン６０へ送出される。過熱の例は、最初にエコノマイザ５６の上流の対流ゾーンにある一次過熱器６２、次に放射ゾーンのペンダント二次過熱器６４において、二段階プロセスで発生する。放射ゾーン２６では流れは主として上向きであり、対流ゾーンでは主として下向きである。二つのゾーンは、ペンダント熱交換器に隣接するブルノーズ６６により分離されている。
【０００９】
高圧タービン６０からの蒸気は、続いて水／蒸気流路を通り、ボイラへ戻って再加熱される。再加熱の例は、一次再加熱（例えば一次過熱器６２とエコノマイザ５６との間の対流ゾーンの熱交換器７０において）と、二次再加熱（例えば、放射ゾーンと対流ゾーンにわたるペンダント再熱器７２において）による二段階プロセスである。その後、再加熱された蒸気が中間圧タービン８０へ送出される。
【００１０】
中間圧タービン８０を出る蒸気は、低圧タービン８２へ案内される。低圧タービン８２を出る蒸気（任意で水も）は、調整と処理のため（例えば蒸気３４として戻るため）凝縮器８４へ進む。タービンにより抽出されたエネルギーは、発電機９０を駆動して電力を発生させる。
【００１１】
後部煙道領域で水を加熱した後、流れ５４は空気予熱器５０で流入空気を加熱してから、汚染管理システム１００へ進む。システム１００の例は、上流の化学的スクラバ１０２と、下流の粒子除去装置１０４（例えばバッグハウスまたは静電集塵装置）とを含む。その後、燃焼生成物は大気への排出のためスタック１１０を通過する。
【００１２】
これまでに述べたように、このシステムは、本発明が適用される多様な設備構成の単に一つを例示したものである。本発明によれば、一つ以上の粒子凝集システム１２０を空気／燃焼生成物流路に設けることができる。システム１２０は後部煙道領域内、汚染管理システム１００内、または両者の間に設けられると好都合である。
【００１３】
図２は、ボイラ管または他の熱交換要素から離間した燃焼生成物流路に配置された凝集システム１２０の例を示す。システム例１２０は、複数のパルス燃焼装置１２２を含む。各装置１２２は、煙道ダクト１３０の内部１２８と連通状態にある出口１２６を一端部に有する導管１２４を有する。導管１２４は、燃料と酸化剤とを受け取るための一つ以上の入口を含みうる。図２は、共通の燃料および酸化剤供給源１４４，１４６に連結された燃料および酸化剤のライン１４０，１４２の例を示す。装置例１２２はさらに、中央制御システム１５２に接続された制御モジュール１５０を含む。その他の構造および動作の詳細は、特許付与前の米国特許公報２００５−０１１２５１６および２００５−０１９９７４３に示されたようなパルス燃焼洗浄装置のものと類似しており、その開示内容は、ここに参考として取り入れられる。洗浄装置とは異なり、粒子凝集装置としての動作は、本質的には間欠的というよりは連続的であろう。
【００１４】
ダクト１３０の例は、横断面が矩形である。二つの長辺の各々には、関連する装置１２２のグループ１６０，１６２が設けられている。図３は、ダクト１３０の共通の流れ方向位置での二つのグループを示す。
【００１５】
制御システム１５２は、燃料と酸化剤の供給物を繰り返し燃焼させるように装置１２２を作動させる。燃焼の例は、関連する衝撃波１７０を発生させる爆轟を含む。図２は、有効範囲を最大化するためにずらして設けられている二つのグループ１６０，１６２を示す。
【００１６】
衝撃波が煙道ガスを通って伝搬されると、粒子の凝集を誘発して細かい粒子の数密度を低下させることにより、下流の粒子除去装置１０４の有効性を高める。図４〜６は、粒子分布に対する圧力波の作用を示す。図４は、衝撃波が到達する前の、比較的大きい粒子と比較的細かい粒子とを含む分布の例を示す。波が通過すると、質量対断面積の比が小さいために細かい粒子は優先的に加速される（図５）。こうして、これらの粒子を比較的大きな粒子または他の比較的細かい粒子と衝突させる。これらの衝突の一部は結果的に粒子の凝集を引き起こすことにより、さらに大きな粒子を形成する。
【００１７】
大きな粒子の形成はいくつかのメカニズムのいずれでもよい。固体粒子の相互間の純粋に機械的な結合を含む（例えば、隣接粒子の不規則な表面の連結）。液体・固体結合を含んでもよい（例えば、表面張力／湿潤などにより液滴が固体粒子に付着する場合）。液体・液体結合を含んでもよい（例えば、液滴が合体して表面張力を緩め、任意で内部混合して均一構造を形成する場合）。
【００１８】
図６は、上のメカニズムにより、特徴的な粒子サイズがかなり増大して汚染管理システム１００での除去を容易にする分布結果を示す。
【００１９】
装置例１２２は、同時に（例えば、反復的に、そして炉が作動中には中断なく、つまり連続的に）点火されてもよい。所与のサイクルは、システム１２０を通過する煙道ガスのスラグ（ｓｌｕｇ）内での粒子の凝集を誘発する。単にスラグのリフレッシュ（ｒｅｆｒｅｓｈ）を可能にするか、または部分的リフレッシュのみを可能にするように、サイクルタイミングが選択される。タイミングの例は、１Ｈｚを超え、より詳しくは１．５〜１０または２〜６Ｈｚの範囲にある。あるいは、燃焼流路の多数の流れ方向位置（隣接する位置と、他の部品に分離された位置のいずれか）に装置１２２のグループが設けられてもよい。異なる流れ方向位置にあるグループの点火のタイミングは、これらの装置からの少なくとも一組の衝撃波に所与のスラグがさらされるように選択される。例えば、装置１２２の必要リフレッシュ時間が単一の流れ方向位置についての所望のサイクル間隔を超える場合には、これが必要である。あるいは、各対または群の各装置が連続的に点火される対または群を、個々の装置の代わりに設けることにより、このように高い装置の最短リフレッシュ時間に対応してもよい。
【００２０】
特定の物理的および動作関連のパラメータは、所望するエミッション抑制の特徴に左右される。石炭火力発電所については、これは、燃焼される特定の石炭の性質に部分的な影響を受ける。例えば、一方では粒子全般を除去することが望ましいこともあれば、他方では粒子中の一つ以上の特定化学物質を除去するための手段として粒子の除去が望ましいこともある。例えば、水銀などいくつかの汚染物質は、他の粒子（例えばフライアッシュ）に吸着されるかこれと混合される傾向がある。比吸着（粒子質量に対する吸着汚染物質の質量）は、高い比表面積を持つ細かい粒子で最高となるだろう。このような吸着に利用可能な時間を最大化するため、システム１２０を比較的下流に配置することが望ましい。これと凝集の有効性とのバランスが取られる。粒子が比較的高温であるため、実際に液体ではないとしても軟らかくなりやすい上流の方が、凝集の効率は高いだろう。存在する粒子の望ましくない分解を引き起こすほど強力ではないが、所望の凝集を発生させるのに充分な強度を持つように、所望の除去に関して波強度が最適化される。強度の例は、ある範囲にわたって（例えば、（例えば約２．５〜５ｍ離間された）反対側の管表面でおよび／または別の導管からのピーク過圧が等しい位置において）少なくとも約０．３ポンド／平方インチ差圧力（ＰＳＩＤ）または１６０ｄｂの過圧である。導管出口における強度はさらに高くなりやすい。
【００２１】
本発明の一つ以上の実施例について説明した。それにもかかわらず、本発明の趣旨と範囲から逸脱することなく、様々な変形が可能であることは理解できるだろう。例えば、既存のシステム構成またはシステムの再設計または改良で実行される際には、既存の構成の詳細は、特定の装置の詳細に影響する。石炭燃焼発電所に関して説明したが、本発明は、粒子を発生させる他の熱伝達施設にも応用される。主な例をいくつか挙げると、ゴミ焼却炉およびバイオマス／木材バーナである。ゴミ焼却炉では、多様な有毒微量元素の捕獲が可能になるため、特に関連性がある。したがって、他の実施例は請求項の範囲に包含される。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】石炭燃焼ボイラシステムの部分的概略図である。
【図２】図１のボイラシステムの粒子凝集システムの横断面図である。
【図３】図２の粒子凝集システムの長手方向断面図である。
【図４】凝集の前の粒子の概略図である。
【図５】凝集の間の粒子の図である。
【図６】凝集の後の粒子の図である。
【符号の説明】
【００２３】
２０…発電所
２２…蒸気発生器
２４…タービン発電機
２６…上流放射ゾーン
２８…下流対流ゾーン
３０…石炭
３２…空気
３４…水
４０…微粉機
４２…炉
５０…空気予熱器
５２…予熱流
５４…燃焼流
５６…エコノマイザ
６０…高圧タービン
６２…一次過熱器
６４…二次過熱器
６６…ブルノーズ
７０…熱交換器
７２…再熱器
８０…中間圧タービン
８２…低圧タービン
９０…発電機
１００…汚染管理システム
１０２…スクラバ
１０４…粒子除去装置
１１０…スタック
１２０…粒子凝集システム
１２２…パルス燃焼装置
１２４…導管
１２６…出口
１２８…内部
１３０…煙道ダクト
１４０…燃料ライン
１４２…酸化剤ライン
１４４…燃料供給源
１４６…酸化剤供給源
１５０…制御モジュール
１５２…中央制御システム
１６０，１６２…グループ
１７０…衝撃波
【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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