(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
流動層炉の内部を仕切壁で可燃物をガス化するガス化炉とチャーを燃焼する燃焼炉に分割し、
該ガス化炉内と該燃焼炉内に、流動媒体の沈降流と上昇流による旋回流を形成し、
該ガス化炉と該燃焼炉を仕切る仕切壁の連絡口を通して該ガス化炉と該燃焼炉との間に流動媒体の循環流を形成し、
該ガス化炉内における流動媒体の旋回面を該燃焼炉内における流動媒体の旋回面と直角とすることを特徴とする流動層炉によるガス化燃焼方法。
【請求項２】
前記燃焼炉をチャーを燃焼する主燃焼室と流動媒体から熱を回収する熱回収室に仕切壁で分割することを特徴とする請求項１記載の流動層炉によるガス化燃焼方法。
【請求項３】
前記主燃焼室と前記熱回収室を仕切る仕切壁の連絡口を通して該主燃焼室と該熱回収室との間に流動媒体の循環流を形成することを特徴とする請求項２記載の流動層炉によるガス化燃焼方法。
【請求項４】
前記ガス化炉の炉床部分に供給する流動化ガスの酸素含有量は、投入可燃物に対する理論燃焼に必要な酸素量以下であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の流動層炉によるガス化燃焼方法。
【請求項５】
前記ガス化炉の炉床部分に供給する流動化ガスは、空気、水蒸気、酸素、または燃焼排ガスのいずれかであるか、あるいはそれらのうち２つ以上を組み合わせたものであることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の流動層炉によるガス化燃焼方法。
【請求項６】
前記ガス化炉と前記燃焼炉との間の炉床部分に不燃物排出口を設けて不燃物を排出することを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の流動層炉によるガス化燃焼方法。
【請求項７】
前記燃焼炉において、前記主燃焼室と前記熱回収室の間の炉床部分に不燃物排出口を設けて不燃物を排出することを特徴とする請求項２記載の流動層炉によるガス化燃焼方法。
【請求項８】
前記ガス化炉と前記燃焼炉との間の炉床部分に不燃物排出口を設けるとともに前記燃焼炉においては前記主燃焼室と前記熱回収室の間の炉床部分に不燃物排出口を設けて不燃物を排出することを特徴とする請求項２記載の流動層炉によるガス化燃焼方法。
【請求項９】
前記炉床部分を前記不燃物排出口に向かって傾斜下降させることを特徴とする請求項６又は７又は８記載の流動層炉によるガス化燃焼方法。
【請求項１０】
前記燃焼炉において、フリーボード部分に２次空気を投入することを特徴とする請求項１乃至９のいずれか１項に記載の流動層炉によるガス化燃焼方法。
【請求項１１】
前記燃焼炉に補助燃料を投入することを特徴とする請求項１乃至１０のいずれか１項に記載の流動層炉によるガス化燃焼方法。
【請求項１２】
前記ガス化炉及び前記燃焼炉からそれぞれ取り出された排出ガスを、それぞれ溶融炉に導入合流させ、灰分を溶融させることを特徴とする請求項１乃至１１のいずれか１項に記載の流動層炉によるガス化燃焼方法。
【請求項１３】
前記ガス化炉及び前記燃焼炉を大気圧以上で運転することを特徴とする請求項１乃至１２のいずれか１項に記載の流動層炉によるガス化燃焼方法。
【請求項１４】
前記ガス化炉及び前記燃焼炉を大気圧以上で運転し、かつ取り出された排出ガスをそれぞれ集塵し、その後ガスタービンに導入することを特徴とする請求項１乃至１１のいずれか１項に記載の流動層炉によるガス化燃焼方法。
【請求項１５】
大気圧以上で運転するために、圧力容器内に前記流動層炉を内蔵することを特徴とする請求項１乃至１４のいずれか１項に記載の流動層炉によるガス化燃焼方法。
【請求項１６】
前記燃焼炉内における流動媒体の旋回面を、前記主燃焼室と前記熱回収室の間の流動媒体の循環流の旋回面と直角とすることを特徴とする請求項２記載の流動層炉によるガス化燃焼方法。
【請求項１７】
前記ガス化炉及び前記燃焼炉から取り出された排出ガスを燃焼装置に導入することを特徴とする請求項１乃至１１及び１３乃至１６のいずれか１項に記載の流動層炉によるガス化燃焼方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はガス化流動層炉と燃焼流動層炉とを一体化した流動層炉によるガス化燃焼方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
都市ごみ、産業廃棄物などにおいては、ダイオキシンの生成防止や不燃物中の金属類の有効利用、さらには高温燃焼による灰の溶融化などを目的として、特開平７−３３２６１４号に見られるように部分燃焼ガス化を取り入れたシステムが提案されている。
【０００３】
また、石炭などの固形燃料においても、エネルギーの高効率利用を目的として、理論燃焼空気量以下で部分燃焼ガス化し、発生したガスを集塵精製したあとガスタービンに導入したり、あるいは、発生ガスとともに、部分燃焼時に副生した未燃カーボンを燃焼させる別置の燃焼炉から排出された燃焼ガスとを集塵後、同時にガスタービンに導入するトッピングサイクルなどのシステムが提案されている。
【０００４】
いずれにしても部分燃焼ガス化時に生成するチャー（未燃カーボン）の燃焼が課題であり、前記トッピングサイクルシステムにおいては、チャー燃焼用として燃焼炉が独立設置されているが、チャーの移送量の制御や、配管内部の閉塞などの問題、設備の複雑さ、また、独立別置とすることによる設置面積の増大などのほか、チャーの燃焼熱が、ガス化用熱源として寄与しないなどの問題がある。
【０００５】
一方、特開平７−３０１４１１号には部分燃焼ガス化炉とチャー燃焼炉を一体に組み合わせた構造が提案されているが、都市ごみや産業廃棄物に通常含まれている不定形の不燃性物質に関しては課題を残している。また、部分燃焼ガス化炉は単純な沈降移動層であるため、流動層内における可燃性物質の分散混合が不十分であり、均一な部分燃焼ガス化は困難である。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
そこで、本発明は、上記の課題を解消し、別置の燃焼炉を必要とせず、ガス化炉および燃焼炉が一体であることから、必要なスペースが少なくてすみ、また石炭などのチャー発生量の大きな燃料であっても、チャーの移送量を容易に制御でき、しかも配管内部の閉塞などの問題がなく、簡単な設備でチャーを燃焼し、さらにチャーの燃焼熱をガス化用熱源として利用できるほか、不定形の不燃性物質を含む燃料であっても使用することができるなど幅広い燃料を利用可能であり、しかも高効率かつ有害排出物の極めて少ない高度環境対応の流動層炉によるガス化燃焼方法を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上述の目的を達成するため本発明の流動層炉によるガス化燃焼方法においては、流動層炉の内部を仕切壁で可燃物をガス化するガス化炉とチャーを燃焼する燃焼炉に分割し、該ガス化炉内と該燃焼炉内に、流動媒体の沈降流と上昇流による旋回流を形成し、該ガス化炉と該燃焼炉を仕切る仕切壁の連絡口を通して該ガス化炉と該燃焼炉との間に流動媒体の循環流を形成し、該ガス化炉内における流動媒体の旋回面を該燃焼炉内における流動媒体の旋回面と直角とすることを特徴とするものである。
前記燃焼炉をチャーを燃焼する主燃焼室と流動媒体から熱を回収する熱回収室に仕切壁で分割することを特徴とする。
前記主燃焼室と前記熱回収室を仕切る仕切壁の連絡口を通して該主燃焼室と該熱回収室との間に流動媒体の循環流を形成することを特徴とする。
前記ガス化炉の炉床部分に供給する流動化ガスの酸素含有量は、投入可燃物に対する理論燃焼に必要な酸素量以下であることを特徴とする。
前記ガス化炉の炉床部分に供給する流動化ガスは、空気、水蒸気、酸素、または燃焼排ガスのいずれかであるか、あるいはそれらのうち２つ以上を組み合わせたものであることを特徴とする。
前記ガス化炉と前記燃焼炉との間の炉床部分に不燃物排出口を設けて不燃物を排出することを特徴とする。
前記燃焼炉において、前記主燃焼室と前記熱回収室の間の炉床部分に不燃物排出口を設けて不燃物を排出することを特徴とする。
前記ガス化炉と前記燃焼炉との間の炉床部分に不燃物排出口を設けるとともに前記燃焼炉においては前記主燃焼室と前記熱回収室の間の炉床部分に不燃物排出口を設けて不燃物を排出することを特徴とする。
前記炉床部分を前記不燃物排出口に向かって傾斜下降させることを特徴とする。
前記燃焼炉において、フリーボード部分に２次空気を投入することを特徴とする。
前記燃焼炉に補助燃料を投入することを特徴とする。
前記ガス化炉及び前記燃焼炉からそれぞれ取り出された排出ガスを、それぞれ溶融炉に導入合流させ、灰分を溶融させることを特徴とする。
前記ガス化炉及び前記燃焼炉を大気圧以上で運転することを特徴とする。
前記ガス化炉及び前記燃焼炉を大気圧以上で運転し、かつ取り出された排出ガスをそれぞれ集塵し、その後ガスタービンに導入することを特徴とする。
大気圧以上で運転するために、圧力容器内に前記流動層炉を内蔵することを特徴とする。
前記燃焼炉内における流動媒体の旋回面を、前記主燃焼室と前記熱回収室の間の流動媒体の循環流の旋回面と直角とすることを特徴とする。
前記ガス化炉及び前記燃焼炉から取り出された排出ガスを燃焼装置に導入することを特徴とする。
本発明の流動層ガス化燃焼炉の好ましい態様においては、流動層炉であって、第１仕切壁でガス化炉と燃焼炉に分割するとともに、該第１仕切壁は下部と、上部すなわち流動層表面近傍で相互に連絡するように開口を有し、前記ガス化炉においては、流動層内に異なる流動化速度を与えるような散気装置を炉床部分に設け、前記第１仕切壁に近い区域の流動層は実質的に大きな流動化速度を与えられた強流動化域として流動媒体の上昇流を生じさせ、前記第１仕切壁と離れた区域は実質的に小さな流動化速度を与えられた弱流動化域として流動媒体の沈降流を生じさせ、該弱流動化域には可燃物を投入するように構成し、前記強流動化域における前記上昇流の一部は、流動層表面近傍で前記弱流動化域に向かう流れとなって、ガス化炉の流動層内に旋回流を形成するとともに、一部は反転流となって、前記第１仕切壁上部の連絡口から燃焼炉へ流入し、前記第１仕切壁を介した前記燃焼炉においては、さらに第２仕切壁を設けて流動層部分を主燃焼室と、熱回収室とに分割し、前記第２仕切壁は下部の連絡口で主燃焼室と熱回収室を相互に連絡するとともに、上端部は流動層表面近傍までとして、フリーボード部分においては、主燃焼室と熱回収室とを一体化させ、前記主燃焼室においては、流動層内に異なる流動化速度を与えるような散気装置を炉床部分に設け、前記第１仕切壁に近い区域の流動層は実質的に小さな流動化速度を与えられた弱流動化域とし、また第２仕切壁に近い区域は実質的に大きな流動化速度を与えられた強流動化域とする結果、弱流動化域には流動媒体の沈降流を生じさせ、該沈降流の一部は、第１仕切壁の下部連絡口からガス化炉へ還流してガス化炉と主燃焼室との間に循環流を生じ、また強流動化域には流動媒体の上昇流を生じさせ、該上昇流の一部は第１仕切壁側の弱流動化域に向かう流れとなって、主燃焼室流動層内にも旋回流を生じるとともに、一部は反転流となって第２仕切壁を越えて熱回収室に入り、前記熱回収室においては、流動層内に実質的に小さな流動化速度を与えるような散気装置を炉床部分に設けて弱流動化域を形成する結果、主燃焼室から第２仕切壁上部を越えて熱回収室に入った流動媒体が熱回収室で沈降し、該第２仕切壁の下部連絡口を通って主燃焼室に還流するような循環流を構成し、熱回収室流動層内には伝熱面を配置したことを特徴とする。
【０００８】
本発明の上述の態様においては、以下に列挙する作用を奏する。
（１）流動層炉の内部を第１仕切壁でガス化炉と燃焼炉に分割することによって、ガス化機能と燃焼機能が分離され、１つの流動層炉でありながら同時に２つの機能を独立して働かせることが可能となる。
該第１仕切壁は上部の流動層表面近傍及び下部で相互に連絡するように開口を有し、かつガス化炉においては、流動層内に異なる流動化速度を与えるような散気装置を炉床部分に設け、第１仕切壁に近い流動層を実質的に大きな流動化速度を与えられた強流動化域として流動媒体の上昇流を生じさせ、他側の流動層を実質的に小さな流動化速度を与えられた弱流動化域として流動媒体の沈降流を生じさせる。その結果、流動層内に旋回流を形成するとともに、強流動化域の上昇流のうち一部の流動媒体は反転流として第１仕切壁上部連絡口を通して燃焼炉に流入する。
そこで該弱流動化域に可燃物を投入するように構成すれば、可燃物は沈降流に飲み込まれ、旋回流で均一に分散混合し、十分な滞留時間をとって部分燃焼ガス化作用を受ける。一方ガス化しにくいチャーは反転流によって燃焼炉に導入される。
【０００９】
一方、第１仕切壁の向こう側に形成される燃焼炉においては、さらに流動層内に第２仕切壁を設けて、流動層部分を主燃焼室と熱回収室とに分割し、該第２仕切壁は下部の連絡口で主燃焼室と熱回収室を相互に連絡するとともに、上端部は流動層表面近傍までとし、フリーボード部分においては主燃焼室と熱回収室は一体化している。かつ主燃焼室においては、流動層内に異なる流動化速度を与えるような散気装置を炉床部分に設け、主燃焼室においてガス化炉との連絡口付近の流動層は実質的に小さな流動化速度を与えられた弱流動化域として流動媒体の沈降流を生じさせるとともに、第２仕切壁側すなわち熱回収室側の流動層は実質的に大きな流動化速度を与えられた強流動化域として流動媒体の上昇流を生じさせる。
その結果、上昇流の一部は弱流動化域へ向かう流れとなって主燃焼室流動層内に旋回流を生じさせるとともに、一部は第２仕切壁を越えて熱回収室に流入する。そこでガス化炉からの未燃チャーは燃焼炉内の沈降流に飲み込まれ、旋回流で均一に分散混合し十分な滞留時間をとって完全に燃焼する。さらにフリーボードに２次空気を投入することによって、燃焼と脱硫反応を完結させることができる。
【００１０】
一方、発生熱量の一部は高温の流動媒体によって第１仕切壁下部の連絡口からガス化炉へ還流し、ガス化用熱源の一部として寄与する。さらに一部の熱量は高温の流動媒体によって第２仕切壁を越えて熱回収室に流入する。
熱回収室においては、流動層内に実質的に小さな流動化速度を与えるような散気装置を炉床部分に設けて弱流動化域を形成し、主燃焼室から第２仕切壁上部を越えて熱回収室に入った高温の流動媒体が熱回収室で沈降し、該第２仕切壁の下部連絡口を通って主燃焼室に還流するような循環流を構成しており、熱回収室流動層内に配置された伝熱面によって収熱される。
また、熱回収室内は弱流動化域であるため、層内伝熱管の摩耗が少なく、流動媒体として珪砂の使用が可能であり、石灰石の使用量は脱硫反応上の必要最少限でよいため、灰の排出量が少なく環境対策上有利である。また、ガス化炉及び燃焼炉では、通常６５０〜９５０℃の範囲でガス化または燃焼を行う。
【００１１】
（２）投入される可燃物中に不燃性の不定形物質が含まれていても、流動層内の旋回流の方向と不燃物排出方向が一致しており、また炉床も不燃物排出口に向かって傾斜しているため、不燃物は容易に排出できる。
【００１２】
（３）第１仕切壁及び第２仕切壁ともに強流動化域側に倒れるような傾斜面をなすことにより、上昇流を方向転換して旋回流を形成するのに貢献し、また背後の弱流動化域側は垂直面をなすことにより、沈降流が停滞することなく、スムーズに形成される。
【００１３】
（４）ガス化炉の生成ガス及び燃焼炉からの燃焼排ガスを、それぞれ溶融炉に導入合流し、可燃性ガス、可燃分を含む微粒子を１２００℃以上の高温で燃焼、灰分を溶融させることにより、有害ガス成分の高温分解、廃棄物である灰の溶融減容化および重金属類の溶出防止が可能である。
【００１４】
（５）本発明の流動層ガス化燃焼炉を耐圧構造とするか、圧力容器に内蔵して、大気圧以上で運転し、かつ取り出された排出ガスをそれぞれ集塵し、その後ガスタービンに導入することによって、ガスタービン入口温度を１３００℃以上で運転することができ、発電効率を大幅に向上させることができる。
ガス化炉に燃料を供給し、部分燃焼ガス化させ、発生する未燃チャーなどのうち生成ガスと同伴するものは、後段に設置したガス冷却装置で６００℃以下に冷却することによって、例えば、ガスタービンブレードの高温腐食の原因となるＮａ，Ｋなどのアルカリ金属を固化あるいは粒子表面に固定化し、該粒子を集塵機で捕集したあと燃焼炉に導入して完全燃焼させる。
【００１５】
また、燃焼炉の燃焼排ガスは圧力容器を出たあと、後段に設置したガス冷却装置で６００℃以下に冷却し、この冷却によってＮａ，Ｋなどのアルカリ金属を固化あるいは粒子表面に固定化したあと集塵機で捕集し排出する。
高温腐食の原因となるＮａ，Ｋを取り除いて清浄になった燃焼排ガスと、前記ガス化炉を出たあと集塵されて清浄になった生成ガスをガスタービンに導入し、１３００℃以上の高温で燃焼し、ガスタービンを高効率で駆動する。ガスタービンはコンプレッサー及び発電機を駆動する。
【００１６】
一方、燃料として石炭を使用する場合、石灰石を混合あるいは別途供給して、炉内脱硫反応させることができる。すなわち、ガス化炉にて発生する硫化水素Ｈ2 ＳをＣａＯと脱硫反応させてＣａＳとし、生成ガスに同伴させて集塵機で捕集し、主燃焼室に投入するほか、ガス化炉から第１仕切壁上部の連絡口を通る反転流によって、未燃チャーなどと共にＣａＳを主燃焼室に導入する。そこで酸化雰囲気で完全に燃焼し、またＣａＳはＣａＳＯ4 となり、燃焼排ガスに同伴して集塵機で捕集、排出する。
【００１７】
本発明の流動層ガス化燃焼炉の好ましい態様においては、流動層炉であって、第１仕切壁でガス化炉と燃焼炉に分割するとともに、該第１仕切壁は下部と、上部すなわち流動層表面近傍に開口部を有してガス化炉と燃焼炉を相互に連絡し、前記ガス化炉においては、流動層内に異なる流動化速度を与えるような散気装置を炉床部分に設け、前記第１仕切壁に近い側の流動化部分を実質的に大きな流動化速度を与えられた強流動化域として流動媒体の上昇流を生じさせ、前記第１仕切壁と離れた区域は実質的に小さな流動化速度を与えられた弱流動化域として流動媒体の沈降流を生じさせ、該弱流動化域に可燃物を投入するように構成し、前記強流動化域における上昇流の一部は、流動層表面近傍で前記弱流動化域に向かう流れとなって、ガス化炉流動層内に旋回流を形成するとともに、一部は反転流となって、前記第１仕切壁上部の連絡口から燃焼炉へ流入し、前記燃焼炉においては、流動層内に異なる流動化速度を与えるような散気装置を炉床部分に設け、前記ガス化炉との第１仕切壁に近い区域を実質的に小さな流動化速度を与えられた弱流動化域として流動媒体の沈降流を生じさせ、前記第１仕切壁と離れた区域は、実質的に大きな流動化速度を与えられた強流動化域として流動媒体の上昇流を生じさせて、流動層内に旋回流を形成させる結果、前記ガス化炉から仕切壁上部の連絡口を通して燃焼炉に流入した流動媒体は、燃焼炉内の旋回流によって流動層内を下降しつつ、未ガス化成分であるチャーが燃焼し、高温となった流動媒体の一部は炉底付近で第１仕切壁下部の連絡口からガス化炉へ還流することによって、ガス化炉における熱分解ガス化の熱源として作用することを特徴とする。
【００１８】
本発明の上述の態様においては、ガス化炉において、流動層内に異なる流動化速度を与えるような散気装置を炉床部分に設け、第１仕切壁に近い流動層を実質的に大きな流動化速度を与えられた強流動化域として流動媒体の上昇流を生じさせ、他側の流動層を実質的に小さな流動化速度を与えられた弱流動化域として流動媒体の沈降流を生じさせる。その結果、流動層内に旋回流を形成するとともに、強流動化域の上昇流のうち一部の流動媒体は反転流として第１仕切壁上部連絡口を通して燃焼炉に流入する。
そこで該弱流動化域に可燃物を投入するように構成すれば、可燃物は沈降流に飲み込まれ、旋回流で均一に分散混合し、十分な滞留時間をとって部分燃焼ガス化作用を受ける。一方ガス化しにくいチャーは反転流によって燃焼炉に導入される。
【００１９】
一方、第１仕切壁の向こう側に形成される燃焼炉においては、流動層内に異なる流動化速度を与えるような散気装置を炉床部分に設け、ガス化炉との第１仕切壁に近い区域の流動層は実質的に小さな流動化速度を与えられた弱流動化域として流動媒体の沈降流を生じさせるとともに、第１仕切壁側と離れた区域の流動層は実質的に大きな流動化速度を与えられた強流動化域として流動媒体の上昇流を生じさせる。その結果、上昇流の一部は弱流動化域へ向かう流れとなって燃焼炉の流動層内に旋回流を生じさせる。ガス化炉から仕切壁上部の連絡口を通して燃焼炉に流入した流動媒体は、燃焼炉内の旋回流によって流動層内を下降しつつ、未ガス化成分であるチャーが燃焼し、高温となった流動媒体の一部は炉底付近で仕切壁下部の連絡口からガス化炉へ還流することによって、ガス化炉における熱分解ガス化の熱源として作用する。
【００２０】
燃料の熱分解ガス化作用を生じさせるためには、熱エネルギーが必要であり、通常、石炭ガス化の場合、石炭を燃焼させて得られる熱エネルギーを利用している。そこでは、ガス化効率の向上をはかりタール発生の抑制のためには高温化が必要なことから、本来出来るだけガスに転化すべき石炭を無駄に燃焼しているのが実状である。
本発明の上述の態様では、上述したように、未ガス化成分であるチャーの燃焼熱を高温流動媒体によってガス化炉に還元するため、その熱量の分だけ石炭の燃焼を節約することが出来る。その結果、空気の投入量を減らすことができ、ガス化効率の向上と、単位体積あたりのガスの発熱量を増加させることが可能となる。
本発明の流動層炉によるガス化燃焼方法の好ましい態様においては、流動層炉の内部を仕切壁で可燃物をガス化するガス化炉と燃焼炉に分割し、該燃焼炉を仕切壁でチャーを燃焼する主燃焼室と流動媒体から熱を回収する熱回収室に分割し、該熱回収室を該ガス化炉から完全に分離して配置し、該ガス化炉内に、流動媒体の沈降流と上昇流による旋回流を形成し、該ガス化炉と該主燃焼室を仕切る仕切壁の連絡口を通して該ガス化炉と該主燃焼室との間に流動媒体の循環流を形成し、該主燃焼室と該熱回収室を仕切る仕切壁の連絡口を通して該主燃焼室と該熱回収室との間に流動媒体の循環流を形成することを特徴とする。
本発明の流動層炉によるガス化燃焼方法の好ましい態様においては、流動層炉の内部を仕切壁で可燃物をガス化するガス化炉と燃焼炉に分割し、該燃焼炉をチャーを燃焼する主燃焼室と流動媒体から熱を回収する熱回収室に仕切壁で分割し、該熱回収室を該ガス化炉から完全に分離して配置し、該主燃焼室内に、流動媒体の沈降流と上昇流による旋回流を形成し、該ガス化炉と該主燃焼室を仕切る仕切壁の連絡口を通して該ガス化炉と該主燃焼室との間に流動媒体の循環流を形成し、該主燃焼室と該熱回収室を仕切る仕切壁の連絡口を通して該主燃焼室と該熱回収室との間に流動媒体の循環流を形成することを特徴とする。
本発明の流動層炉によるガス化燃焼方法の好ましい態様においては、流動層炉の内部を仕切壁で可燃物をガス化するガス化炉と燃焼炉に分割し、該燃焼炉をチャーを燃焼する主燃焼室と流動媒体から熱を回収する熱回収室に仕切壁で分割し、該熱回収室を該ガス化炉から完全に分離して配置し、該熱回収室内に、流動媒体の沈降流を形成し、該ガス化炉と該主燃焼室を仕切る仕切壁の連絡口を通して該ガス化炉と該主燃焼室との間に流動媒体の循環流を形成し、該主燃焼室と該熱回収室を仕切る仕切壁の連絡口を通して該主燃焼室と該熱回収室との間に流動媒体の循環流を形成することを特徴とする。
本発明の流動層炉によるガス化燃焼方法の好ましい態様においては、流動層炉の内部を仕切壁でガス化炉とチャーを燃焼する燃焼炉に分割し、該ガス化炉に可燃物を供給してガス化し、得られる生成ガスを該ガス化炉のガス排出口から排出し、該ガス化炉と該燃焼炉を仕切る仕切壁の連絡口を通して該ガス化炉と該燃焼炉との間に流動媒体の循環流を形成し、該ガス化炉で得られるチャーを該循環流とともに該燃焼炉に供給して酸化雰囲気で完全に燃焼し、得られる燃焼排ガスを該燃焼炉のガス排出口から排出し、該ガス化炉のガス排出口から排出した該生成ガスと、該燃焼炉のガス排出口から排出した燃焼排ガスをともに溶融炉に導いて灰分を溶融することを特徴とする。
【００２１】
【実施例】
図１は本発明に係る流動層ガス化燃焼炉の縦断面図である。図１に示すように、流動層炉１の内部は第１仕切壁２によってガス化炉３と燃焼炉４に分割されている。第１仕切壁２には上部連絡口３７、下部連絡口３８が設けてあり、ガス化炉３と燃焼炉４とが相互に連絡されている。ガス化炉３と燃焼炉４との境界をなす第１仕切壁２は、ガス化炉側においてはガス化炉側に倒れるような傾斜面２ａをなし、一方燃焼炉側は垂直面になっている。ガス化炉３にはガス排出口４９が設けられ、このガス排出口４９から生成ガス５０が外部に導出される。
【００２２】
一方、燃焼炉４はさらに第２仕切壁５によって、主燃焼室６と熱回収室７とに分割されている。ただし、上方では分割されず、フリーボード部分は主燃焼室と熱回収室とは一体化しており、それぞれの燃焼排ガスはフリーボード部分で混合されたのち、ガス排出口５１から燃焼排ガス５２となって外部に導出される。熱回収室７には伝熱面４６が埋設されており、流動媒体から熱回収することができる。燃焼炉４において、主燃焼室６と熱回収室７との境界をなす第２仕切壁５は、主燃焼室側においては主燃焼室側に倒れるような傾斜面５ａをなし、一方、熱回収室側は垂直面になっている。また第２仕切壁５には、下部連絡口４０が設けてあり、上部開口部３９と合わせ主燃焼室６と熱回収室７相互の流動媒体の移動が可能になっている。
【００２３】
ガス化炉３の下部には炉床２７，２８が構成されており、炉床２７，２８の下部には風箱８，９が設けられている。風箱８，９にはそれぞれ接続口１３，１４を通して、流動化ガス１８，１９が導入される。一方、炉床２７，２８にはそれぞれ散気装置３２，３３が設けられている。散気装置３２からは、実質的に小さな流動化速度を与えるように流動化ガスを噴出し、その結果、炉床２７の上方に弱流動化域４１を形成する。散気装置３３からは、実質的に大きな流動化速度を与えるように流動化ガスを噴出し、炉床２８の上方に強流動化域４２を形成する。
ガス化炉３の流動層内に２つの異なる流動化域が存在する結果、流動媒体が弱流動化域４１で沈降し、強流動化域４２で上昇する旋回流が生じる。
【００２４】
一方、燃焼炉４においても、主燃焼室６の下部には炉床２９，３０が構成されており、炉床２９，３０の下部には風箱１０，１１が設けられている。風箱１０，１１にはそれぞれ接続口１５，１６を通して流動化ガス２０，２１が導入される。一方、炉床２９，３０にはそれぞれ散気装置３４，３５が設けられている。散気装置３４からは、実質的に小さな流動化速度を与えるように流動化ガスを噴出し、その結果、炉床２９の上方に弱流動化域４３を形成する。散気装置３５からは、実質的に大きな流動化速度を与えるように流動化ガスを噴出し、炉床３０の上方に強流動化域４４を形成する。
主燃焼室６の流動層内に２つの異なる流動化域が存在する結果、流動媒体が弱流動化域４３で沈降し、強流動化域４４で上昇する旋回流が生じる。
【００２５】
一方、熱回収室７においても、下部には炉床３１が構成されており、炉床３１の下部には風箱１２が設けられている。風箱１２には接続口１７を通して流動化ガス２２が導入される。また炉床３１には散気装置３６が設けられている。散気装置３６からは、実質的に小さな流動化速度を与えるように流動化ガスを噴出し、その結果、炉床３１の上方に弱流動化域４５を形成する。
【００２６】
上述のように、流動化速度の異なる複数の流動化域を組み合わせることよって、以下のような流れが生じる。
すなわち、ガス化炉３の流動層内においては、弱流動化域４１で流動媒体は沈降流５５にのって下降する。そして炉床２７近くで、強流動化域４２に向かう水平流５６に転じ、強流動化域４２ではさらに上昇流５７となる。一方、上昇流５７は流動層表面近傍で、弱流動化域４１へ向かう流れ５８と第１仕切壁２の連絡口３７を通って燃焼炉４へ向かう反転流５９とに分岐する。
従って、ガス化炉３の流動層内部では弱流動化域４１で沈降し、強流動化域４２で上昇する旋回流が形成される一方で、一部の流動媒体は第１仕切壁上部の連絡口３７を通って主燃焼室６に導入される。
【００２７】
一方、主燃焼室６においても、炉床２９の上方には弱流動化域４３が形成され、また炉床３０の上方には強流動化域４４が形成されているため、主燃焼室６の流動層内においても、弱流動化域４３で流動媒体は沈降流６０にのって下降する。そして炉床２９の近くで、一部は第１仕切壁２の下部連絡口３８を通る還流６７となってガス化炉３に戻るほか、強流動化域４４に向かう水平流６１となり、強流動化域４４ではさらに上昇流６２となる。一方、上昇流６２は流動層表面近傍で、弱流動化域４３へ向かう流れ６３と第２仕切壁５の上部開口部３９を通って、熱回収室７へ向かう反転流６４とに分岐する。
従って、燃焼炉４の流動層内部では弱流動化域４３で沈降し、強流動化域４４で上昇する旋回流が形成される一方で、一部の流動媒体は第２仕切壁５の上部を越えて熱回収室７に導入される。
【００２８】
一方、熱回収室７においては、弱流動化域４５が形成されているので、沈降流６５が生じ、さらに流動媒体は第２仕切壁５の下部連絡口４０を通る還流６６によって主燃焼室６へ戻る。このようにガス化炉３、燃焼炉４の主燃焼室６、燃焼炉４の熱回収室７の流動層においては、それぞれ内部の旋回流と相互の循環流とが形成されている。
従って、ガス化炉３の弱流動化域４１の上方に可燃物投入口４７を設け、可燃物４８を投入すると、沈降流５５によってガス化炉３の流動層内部に飲み込まれ、旋回流によって均一に分散混合し、部分燃焼、ガス化が行われる。ガス化炉３の炉床部分に供給する流動化ガスの酸素含有量は、投入される可燃物４８に対する理論燃焼に必要な酸素量以下に設定されている。この流動化ガスは、空気、水蒸気、酸素、または燃焼排ガスのいずれかであるか、あるいはそれらのうち２つ以上を組み合わせたものからなっている。
【００２９】
一方、未燃チャーを含む流動媒体は反転流５９によって主燃焼室６に導入され、そこで沈降流６０によって流動層内に飲み込まれ、旋回流によって均一に分散混合し、酸化雰囲気で完全に燃焼される。図１に示されるように、必要に応じて弱流動化域４３の上方に燃料投入口６８を設け、補助燃料６９を供給することも可能である。
また、フリーボードに複数のノズル５３を設け、２次空気５４を導入して完全に燃焼させることも必要に応じて行うことができる。
【００３０】
燃焼炉３の主燃焼室６内における燃焼により発生した熱量は、一部が第１仕切壁２の下部連絡口３８を通る還流６７によってガス化炉３に導入されてガス化熱源となるほか、第２仕切壁上部３９を越える反転流６４として熱回収室７に入り、沈降流６５となったのち、第２仕切壁下部連絡口４０から主燃焼室６に戻る流動媒体循環流によって、熱回収室７に運ばれ、伝熱面４６を通じて外部に取り出される。
このように投入された可燃物のエネルギーについて、一部はガスとなって化学エネルギーとして取り出され、ガス化しにくい成分は熱エネルギーとして有効に高効率で回収することが可能である。
【００３１】
また、投入される可燃物の中に不燃分が混入していることも多い。そのため、本実施例においては、ガス化炉３の炉床２８と燃焼炉４の炉床２９との間に不燃物排出口２３が設けられており、この排出口２３から不燃物２５を排出するようにしている。さらに、補助燃料６９に不燃物が混入している場合には、本実施例のように主燃焼室６の炉床３０と熱回収室７の炉床３１の間に不燃物排出口２４を設け、この排出口２４から不燃物２６を排出してもよい。また、不燃物排出を容易にするため、それぞれの炉床が不燃物出口に向かって下降傾斜面をなしていることが好ましい。
【００３２】
図２は図１に示す流動層ガス化燃焼炉の別の形態の実施例を示す。図１に示す実施例においては、ガス化炉３、主燃焼室６、熱回収室７が一直線上に並んで配置されているが、図２に示す実施例では、直角に組み合わせた例を示す。図２は本発明の流動層燃焼ガス化炉の水平断面図を示しており、流動層炉１の内部を第１仕切壁２で、ガス化炉３と燃焼炉４に分割している。
【００３３】
一方、燃焼炉４は、さらに第２仕切壁５によって主燃焼室６と熱回収室７に分割されているが、図１の実施例の場合とは異なり、第１仕切壁２と第２仕切壁５は同一平面上にあり、ガス化炉３と熱回収室７は第３仕切壁７０を隔てて隣り合っている。ただし、第３仕切壁７０には開口部はなく、完全に分離されている。
また、流動層に関しては、図１の実施例と同じように、流動化速度の異なる領域を形成することにより、ガス化炉３の流動層においては弱流動化域４１で沈降し、強流動化域４２で上昇する循環流が構成され、一部は反転流となって主燃焼室６に移行する。
【００３４】
一方、主燃焼室６においても同様に弱流動化域４３で沈降し、強流動化域４４で上昇する循環流が構成され、一部は反転流６４となって熱回収室７に移行するが、図１の実施例の場合とは異なり、主燃焼室６における循環流の旋回面は、ガス化炉３における循環流の旋回面とは直角になっている。また主燃焼室６と熱回収室７の間の循環流の旋回面も、主燃焼室６内における循環流の旋回面とは直角になっている。このように構成することにより、流動層炉１の水平断面形状がより正方形に近くなり、製作上、プラント構成上の利点がある。
【００３５】
図３は廃熱ボイラおよび蒸気タービンと組み合わせて使用される本発明の流動層ガス化燃焼炉の実施例である。図３に示すように、ガス化炉３のガス排出口４９から排出された生成ガスと、燃焼炉４のガス排出口５１から排出された燃焼排ガスは、それぞれ溶融燃焼炉１０１に導かれ、円筒形の１次燃焼室１０２にタンジェンシャル（接線方向）に吹き込まれる。１次燃焼室１０２及び２次燃焼室１０３には、必要に応じて補助燃料１０４が供給され、酸素または空気、あるいはそれらの混合気体が吹き込まれ、１２００〜１３００℃以上で燃焼する。その結果、灰が溶融し、またダイオキシン、ＰＣＢなどの有害物質が高温で分解される。溶融灰１０６は排出口１０５を出た後、水室１０７で急冷され、スラグ１０８となって排出される。
【００３６】
一方、溶融燃焼炉１０１から排出される高温の燃焼ガスは、廃熱ボイラ１０９、エコノマイザー１１０、空気予熱器１１１で順次冷却され、集塵機１１２、誘引送風機１１３を経て大気に放出される。空気予熱器１１１を出た燃焼ガスには、必要に応じて、集塵機１１２の手前で消石灰などの中和剤１１４が添加される。
【００３７】
一方、ボイラ給水１１６はエコノマイザー１１０を経由して廃熱ボイラ１０９にて過熱蒸気１２１となり、蒸気タービンを駆動する。また燃焼用気体１１５は酸素、空気、あるいはそれらの混合気体として、空気予熱器１１１で加熱され、溶融燃焼炉１０１、及び燃焼炉４のフリーボードに供給される。また、本図には図示していないが流動化ガス１８〜２２とすることも可能である。
さらに特に図示はしないが、廃熱ボイラ１０９、エコノマイザー１１０、空気予熱器１１１から排出される灰１１７，１１８は燃焼炉４に戻すことも可能である。
一方、集塵機１１２で捕集された飛灰１１９は、揮散したＮａ，Ｋ等のアルカリ金属塩を含む場合には処理機１２０にて薬品処理される。
【００３８】
図４は、本発明の流動層ガス化燃焼炉を大気圧以上の圧力条件で運転する場合の実施例を示す図である。
図４では図示しないが、流動層炉１そのものを耐圧構造としてもよい。しかし、耐熱機能と耐圧機能を分離したほうが、構造上、有利であるため、本実施例においては、流動層炉１を圧力容器２０１の内部に格納し、ガス化炉３及び燃焼炉４を大気圧以上で運転することを可能にしている。
【００３９】
燃焼炉４からの燃焼ガス排出口５１、ガス化炉３からの生成ガス排出口４９、ガス化炉３への可燃物供給口４７、燃焼炉４の２次空気供給口５３、およびその他の流動化ガス供給ライン、不燃物排出ラインなどは圧力容器２０１を貫通している。
本実施例においては、ガス化炉３に可燃物４８を供給し、部分燃焼ガス化させる。可燃物供給方法は本図に記載のスクリューによる方法の他、空気輸送や、スラリー状態での供給も可能である。
【００４０】
ガス化炉３で発生する未燃チャー等のうち生成ガスと同伴したものは、後段に設置したガス冷却装置２０２で６００℃以下に冷却し、例えばガスタービンブレードの高温腐食の原因となるＮａ，Ｋなどのアルカリ金属を固化あるいは粒子表面に固定化し、該粒子を集塵機２０３で捕集したあと燃焼炉４に導入して完全燃焼させる。燃焼炉４の燃焼排ガスは圧力容器２０１を出たあと、後段に設置したガス冷却装置２０４で６００℃以下に冷却し、この冷却によってＮａ，Ｋなどのアルカリ金属を固化あるいは粒子表面に固定化し、該粒子を集塵機２０５で捕集し排出する。集塵機２０３，２０５にはセラミックフィルタを用いることが多いが、他の形式の集塵機でもよい。
【００４１】
高温腐食の原因となるＮａ，Ｋを取り除いて清浄になった燃焼ガスと、前記ガス化炉３を出たあと集塵機２０３で集塵されて清浄になった生成ガスを燃焼器２０６で混合燃焼させるが、それぞれのガスを冷却した分、燃焼器２０６へ持ちこまれる熱エネルギーが低下するので、燃焼器２０６にて高温燃焼させるためには、燃焼炉４での空気過剰率をなるべく少なくして運転し、燃焼排ガス量を低減する。そして、燃焼器２０６で燃焼に必要な酸素は、別途、酸素２０７として燃焼器２０６に供給する。
【００４２】
燃焼器２０６からの高温高圧燃焼排ガスは、ガスタービン２０９を高効率で駆動する。ガスタービン２０９はコンプレッサ２１０、発電機２１１を駆動する。
ガスタービン２０９を出た排ガスは熱回収装置２１２で冷却されたのち、大気放出される。なお、本実施例においては、タービンブレードの材質が向上すれば、ガス冷却装置２０２，２０４は省略してもよい。
【００４３】
一方、可燃物４８として石炭を使用する場合、石灰石２１４を混合あるいは別途供給して炉内脱硫反応させる。すなわち、ガス化炉３にて発生する硫化水素Ｈ2 ＳをＣａＯと脱硫反応させてＣａＳとし、生成ガスに同伴させて集塵機２０３で捕集し、主燃焼室６に投入する。
【００４４】
また、ガス化炉３から第１仕切壁上部の連絡口を通る反転流によって、未燃チャーなどと共にＣａＳを含む流動媒体が主燃焼室６に導入される。そこで沈降流によって流動層内に飲み込まれ、旋回流によって均一に分散混合し、酸化雰囲気で完全に燃焼され、またＣａＳはＣａＳＯ4 となり、燃焼排ガスに同伴して集塵機２０５で捕集、排出される。さらにガス化炉３における炉内脱硫反応が不十分な場合、ガス化炉を出た後、追加の脱硫反応装置２１３を設けることもよい。
【００４５】
なお、図１乃至図４に示す実施例において、同一の作用及び機能を有する構成要素は同一符号を付して示されている。
【００４６】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明は以下に列挙する効果を奏する。
（１）部分燃焼ガス化したあとチャーを完全に燃焼することができるため、ガス化しにくくチャー発生量が多い可燃物であっても、利用することができ、ガス化溶融システムなどのメリットを生かすことができる。
（２）ガス化炉と燃焼炉が一体化しており、コンパクトである。
（３）未反応チャーの移送が簡便で制御が容易である。即ち、ガス化炉と燃焼炉が一体化していることから、ガス化炉から燃焼炉へのチャーの移送に関しては、配管やＬバルブなど複雑な機械設備が不要であり、しかも移送量はガス化炉、燃焼炉相互の流動化速度の変化によって制御するため、容易かつシンプルである。また、配管内部での閉塞トラブルなどもない。
（４）ガス化炉のガス化熱源として燃焼炉からの還流流動媒体の保有熱量が有効に利用できるため、ガス化炉への空気の投入量を減らすことができ、ガス化効率の向上と、単位体積あたりのガスの発熱量を増加させることが可能となる。
（５）ガス化炉における燃料分散が良好である。即ち、ガス化炉流動層内部における旋回流により、燃料の飲み込みがよく滞留時間を長くとれるほか、分散混合がよいので均一な部分燃焼ガス化が可能であり、また燃料の供給箇所も少なくてよい。
（６）不燃物を含む燃料であっても利用できる。
（７）大気圧以上で運転することにより、さらに高効率を得ることができる。即ち、従来の加圧流動床ボイラにおいては、ガスタービン入口温度が８５０〜９００℃であったのに対し、石炭をガス化炉で部分燃焼によりガス化し、残りの可燃分は燃焼炉で完全燃焼して、それぞれの炉から排出される生成ガスと燃焼排ガスをガスタービンに導入することによって、ガスタービン入口での燃焼ガス温度を１３００℃以上にあげることができる。その結果、送電端効率を４２％〜４６％へと大幅に向上させることができる。
（８）燃焼炉が内部循環流動床ボイラであることにより、以下の効果を奏する。      １）  燃焼炉での発生熱を高効率で回収できる。
２）  負荷変化時の制御について、流動層の層高変化の必要がなく、熱回収室の流動化速度を変化させることで簡単に対応できる。
３）  流動層の層高変化の必要がないので、流動媒体貯留槽や移送配管などの設備が不要であり、設備が簡素化できる。
４）  負荷変化時においても流動層温度および燃焼ガス温度を一定に制御でき、ガスタービン効率が安定している。
５）  熱回収室が弱流動化域であるため、層内伝熱管の摩耗が少なく、そのため流動媒体に硬い珪砂の使用が可能であり、灰の排出量が少なくてすむ。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る流動層ガス化燃焼炉の一実施例を示す縦断面図である。
【図２】本発明に係る流動層ガス化燃焼炉の別の形態を示す平面図である。
【図３】発熱ボイラ及び蒸気タービンと組み合わせて使用される本発明に係る流動層ガス化燃焼炉を示す系統図である。
【図４】本発明に係る流動層ガス化燃焼炉を大気圧以上の圧力条件で運転する場合のシステムを示す系統図である。
【符号の説明】
１                            流動層炉
２                            第１仕切壁
３                            ガス化炉
４                            燃焼炉
５                            第２仕切壁
６                            主燃焼室
７                            熱回収室
８,９,１０,１１,１２          風箱
１３,１４,１５,１６,１７        接続口
１８,１９,２０,２１,２２        流動化ガス
２３,２４                       不燃物排出口
２５,２６                       不燃物
２７,２８,２９,３０,３１        炉床
３２,３３,３４,３５,３６        散気装置
３７                            上部連絡口
３８，４０                      下部連絡口
４１,４３                       弱流動化域
４２,４４                       強流動化域
４６                            伝熱面
４７                            可燃物投入口
４８                            可燃物
４９,５１                       ガス排出口
６８                            燃料投入口
７０                            第３仕切壁
１０１                            溶融燃焼炉
１０２                            １次燃焼室
１０３                            ２次燃焼室
１０７                            水室
１０９                            廃熱ボイラ
１１０                            エコノマイザー
１１１                            空気予熱器
１１２                            集塵機
１１３                            誘引送風機
２０１                            圧力容器
２０２,２０４                     ガス冷却装置
２０３,２０５                     集塵機
２０６                            燃焼器
２０９                            ガスタービン
２１０                            コンプレッサ
２１１                            発電機
２１２                            熱回収装置
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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