JP2013537299A - 拡張された調節範囲を有する固体発火型高温ガス発生器 - Google Patents

Abstract

本発明は、調節範囲を拡張するために複数の固体燃料バーナ（３、４、５）を備える固体燃料発火型高温ガス発生器に関する。この固体燃料バーナは、拡張された調節範囲を有する固体燃料バーナ群（１０）を形成する。固体燃料供給器（６）及び燃焼空気供給器（７）が各固体燃料バーナに割り当てられ、計量手段により、各固体燃料バーナへの、別個の、計量された固体燃料の供給が保証される。特に、インパルスバーナ群である固体燃料バーナ群の発火出力は、１つの固体燃料バーナによる最小出力から全ての固体燃料バーナによる最大出力まで変動し、これにより、供給されるプラントユニットの全ての必要負荷範囲がカバーされる。

Description

本発明は、例えば、固体燃料を粉砕するためなどの粉砕−乾燥施設で好適に使用できる、拡張された調節範囲を有する固体発火型高温ガス発生器に関する。

例えば、ロエシェ型（ＬＯＥＳＣＨＥ）の垂直粉砕ミル、つり下げ粉砕ミル、又はリング粉砕ミルなどの通気ミルを備え、高温ガスの供給により、湿った原炭に対して粉砕−乾燥処理が行われ原炭が石炭粉末に粉砕され、例えば石炭粉末−ガス混合物が分離されるフィルタなどの分離器を備え、該高温ガスを発生させ、発生されたガスの一部が戻りガスとしてフィードバックされる高温ガス発生器を備える石炭粉砕プラントは、石炭ガス化、ＰＣＩ（微粉炭噴射）処理による銑鉄及び鋼の製造、及びセメント業界において知られている（独国特許第４０３５７３０号、デュッセルドルフのロエシェ社のカタログ（ＬＯＥＳＣＨＥ ＧｍｂＨ， Ｄｕｅｓｓｅｌｄｏｒｆ）「Ｌｏｅｓｃｈｅ−Ｍｕｅｈｌｅｎ ｆｕｅｒ ｆｅｓｔｅ Ｂｒｅｎｎｓｔｏｆｆｅ」、２００８年１月）。

石炭粉末発火型高温ガス発生器はまた、非金属鉱業界において、原料の粗い粉やスラグ、及び高炉水砕スラグ（granulated blast furnace slag）及びセメントを乾燥させるために使われる。褐炭又は無煙炭粉末により発火される高温ガス発生器は、石膏、砂糖、及びカリの各業界において知られている。

空気圧により運搬される燃焼粉末、例えば、無煙炭粉末、褐炭粉末、バイオマス粉末、又はこれらの混合物により、燃焼空気の供給を受けて発火するバーナと、該バーナの出口側に配置されたバーナマフラと、加熱されるガスの供給路と、バーナマフラの後に配置され、ジグザグ配置されたシリンダ部分と加熱されるガスの環状チャネルとして形成された保護ジャケットとを有する穿孔されたジャケット（ＬＯＭＡ）として形成された混合コンポーネントと、を備える高温ガス発生器が、独国特許出願公開第１９７０６０７７号から知られている。

独国特許出願公開第４２０８９５１号に記載される高温ガス発生器はすでに、加熱されるガスの流入のための、金属製の穿孔されたジャケットユニットと、穿孔ジャケットユニットよりも軸方向に実質的に短く形成され耐火材料により内側が覆われたバーナマフラと、を備える。しかしながら、このバーナは、お互いをリーンガス−燃焼空気ノズルが囲む複数の筒を有するバーナである。

独国特許出願公開第１９７２５６１３号は、加熱オイル又は加熱ガス又は石炭粉末を燃焼することにより高温の廃熱ガスを発生させるバーナを開示している。石炭粉末は、気体状のキャリア媒体、好適には空気により運搬され、バーナヘッドから円錐形状の反応室の最大直径の点まで延び出口側の端に偏向フードが設けられた噴射筒により、反応室へと噴射される。燃焼空気は、反応室の先頭側の端におけるラジアルブレードカスケードにより供給される。ブレードカスケード及び反応室の一部は、燃焼空気が留まりここから燃焼空気がブレードカスケードを通って反応室へと移動する空気収拾ハウジングに囲まれている。バーナの流れパターンによって、バーナは、特に広い領域の乱流変動運動を生じる。燃焼粉末は、偏向フードから出た後、空気ガイドブレードに戻され、渦を巻きネジ状の火炎により約１０００℃まで加熱され点火される。火炎ジェットは、強いインパルスを有し、非常に早いガスの再循環を作り出す。

インターネット上の文献「Ｉｍｐｕｌｓ−Ｂｒｅｎｎｅｒ，Ｓｙｓｔｅｍ Ｄｒ．Ｓｃｈｏｐｐｅ，ｆｕｅｒ Ｂｒａｕｎｋｏｈｌｅｎｓｔａｕｂ，Ｈｅｉｚｏｅｌ ｕｎｄ Ｇａｓ ｖｏｎ １００ ｋＷ ｂｉｓ ３５ ＭＷ」において、上記のバーナは、インパルスバーナとして説明されている。

インパルスバーナの更なる発展として、少なくとも２００℃から９００℃の高温ガス温度範囲での火炎の安定性と火炎ジェット速度とが向上したものが、独国特許出願公開第１０２３２３７３号に記載されている。

混合室に関連して使われる固体燃料のためのバーナは、最大１：５の調節範囲を有する。この技術的に実証された調節範囲の限界により、例えば、調節範囲が１：１０までのような、より高い調節範囲を必要とする処理ベースの施設における例えば穿孔ジャケットユニットなどの混合室と共に高温ガス発生器を使うことを難しく又は不可能にしている。このような範囲は、乾燥させる材料の水分量が大きく変動することにより引き起こされることがあり、供給される集合体の処理量を変化させる。

ロエシェ型の垂直粉砕ミルの処理量は、例えば、１００％と４０％との間である。よって、ミルは、１：２．５の調節比を有する。最小処理量が非常に低い水分量及び比較的高い外部気温と一致する場合、比較的低量の熱のみが必要となる。最大の熱消費量は、最大処理量、粉砕及び乾燥させる材料での最大の水分量、及び比較的低い外部温度の場合に発生する。

以下の具体的な例は、全ての「動作点」に近づけることを可能にするためには、約１：８の調節比が必要であることを示している。

例：無煙炭

最大の場合
処理量＝８０ｔ／ｈ
水分量＝１５％
温度＝５℃
熱量＝４９．６６ｘ１０⁶ｋＪ／ｈ（１３．８ＭＷ）

最小の場合
処理量＝３２ｔ／ｈ
水分量＝５％
温度＝３５℃
熱量＝６．１ｘ１０⁶ｋＪ／ｈ（１．６９５ＭＷ）

よって、調節比は、４９．６６：６．１＝１：８．１４となる。

これまで、上述の１：８．１４の調節比は、固体バーナを備える高温ガス発生器無しに達成されてきた。したがって、石炭を粉砕する粉砕−乾燥施設では、処理そのものからの廃熱は利用できない限りにおいて、ガス又はオイルバーナを備える高温ガス発生器が主に使われている。石炭ガス化施設の場合、一般に、合成ガスが燃料として高温ガス発生器に供給され、燃焼のためにＰＣＩプラントのブラスト炉ガスとして供給される。石炭ガス化のため、ＰＣＩプラント内、及びセメント業界の石炭粉砕施設は、少なくとも１：８の調節範囲を必要とする。一般的に、最新式のオイル及びガス発火型高温ガス発生器では、少なくとも１：１０の調節範囲が実現されている。

独国特許第４０３５７３０号明細書 独国特許出願公開第４２０８９５１号明細書 独国特許出願公開第１９７２５６１３号明細書

本発明の目的は、加熱用オイル及びガスを低コストの燃料、例えば、褐炭粉末や無煙炭粉末などによって置き換えることのできるよう、また、高温ガス発生器において高温ガスを生成するときに効率の悪い合成ガスや高炉（blast furnace）ガスの使用を止めることのできるよう、拡張された調節範囲を有する固体発火型高温ガス発生器、特に、石炭粉末発火型高温ガス発生器の作成である。

本発明によれば、上述の目的は、請求項1及び請求項２の特徴により達成される。有効及び有利な実施形態は、従属請求項及び図面の説明に含まれる。

中核となる考え方は、高温ガス発生器に複数のバーナを設けて、調節範囲を拡張することである。

本発明によれば、固体発火型高温ガス発生器は、調節範囲を増大又は拡大するために、複数の固体バーナを備え、これにより、固体バーナ群が形成される。

各固体バーナには、独立した固体供給器及び燃焼空気供給器が割り当てられ、各固体バーナは、他の固体燃料バーナから独立して発火できる。固体バーナ群の発火出力は、１つの固体バーナによる最小出力から、設けられた全ての固体バーナによる最大出力まで変動する。よって、調節範囲が拡張され、高温ガス発生器で生成された高温ガスが供給される集合体の全ての負荷領域をカバーできる。

好適な実施形態においては、バーナマフラと該バーナマフラのバーナプレート内に配置された始動バーナと、加熱されるガスの供給手段と、生成された燃焼ガスが加熱されるガスとその内部で混合され、バーナマフラの後に配置される混合コンポーネントと、を備える高温ガス発生器が、始動バーナを中心とする同一円周上に配置されバーナマフラのバーナプレート内に固定された複数の固体バーナを備える。

バーナの数は、それぞれの必要条件に応じて有益に変更することができる。例えば、２つ、３つ、又は４つ又はそれ以上の固体バーナをバーナマフラのバーナプレートにこれをフランジとして付けることができる。また、同じ大きさ又は異なる大きさのバーナを有益に使用することができ、すなわち、同じような大きさ又は異なる大きさの発火出力を有する複数のバーナを使用することができる。

本発明による高温ガス発生器は、垂直構造に有用に設計され、固体バーナ群は、それぞれの石炭粉末供給器及び反応室を有する固体バーナがバーナマフラへと延びるようにバーナマフラのバーナプレート内に設計及び配置される、

３つの固体バーナがお互いから同じ距離で、かつ、バーナマフラの長手方向シャフト上にバーナプレートを通って案内される始動バーナと同軸に配置されることが好適である。バーナはまた、バーナから出る煙道ガスがバーナマフラの出口の中央に案内されるような形で、規定の角度で配置されていてもよい。固体バーナは灰を含む燃料のために設けられるものであるため、高温ガス発生器のバーナプレート内又はバーナマフラでは、垂直方向又は下方向に傾斜した配置が推奨される。

バーナプレート内に設けられた数の固体バーナに寸法のみ適合する必要のあるバーナマフラを使用できるため有利である。バーナマフラは、耐火材料によりその内側が覆われていてもよい。

バーナマフラが、加熱されるガス用の供給手段に囲まれており、加熱されるガスが、生成された燃焼ガスと混合するための後続の混合コンポーネントに供給できるように構成することが有用である。

穿孔されたジャケットユニットを、鋼製燃焼室として形成された混合コンポーネントとして有益に配置することができ、この穿孔ジャケットユニットは、複数の円筒形及び同軸の穿孔ジャケットをその軸方向に有し、穿孔ジャケットは、その境界部において加熱されるガスを流入させるための環状の間隙を形成し、環状チャネルの形成に伴い、外側の閉じられたシート鋼製ジャケットにより囲まれている。このようなシート鋼製室は、穿孔ジャケット燃焼室（ＬＯＭＡ燃焼室）として知られている。

ゲレトスリード（Ｇｅｒｅｔｓｒｉｅｄ）のカルボテクニックエネルギシステム社（Ｃａｒｂｏｔｅｃｈｎｉｋ Ｅｎｅｒｇｉｅｓｙｓｔｅｍｅ ＧｍｂＨ）のインパルスバーナは、例えば、固体バーナとして有益に使用できる。これは、すでに独国特許出願公開第１９７２５６１３号及び独国特許第１０２３２３７３号及びこの会社のインターネット上の文献に関して説明した。しかしながら、他の固体バーナを使用してもよい。

インパルスバーナは、０．５ＭＷと１００ＭＷの間の出力を有し、本発明の高温ガス発生器のバーナマフラの上部端面バーナプレートに配置することに適しており、これにより、インパルスバーナ群を形成する。

個々の固体バーナの各々を別個に管理及び調節するために、投入手段が設けられ、この投入手段は、個々の固体バーナに、隣接するバーナの動作とは独立して個別に石炭粉末を供給でき、所望の各調節点まで移動できる。

ゲレトスリード（Ｇｅｒｅｔｓｒｉｅｄ）のカルボテクニックエネルギシステム社（Ｃａｒｂｏｔｅｃｈｎｉｋ Ｅｎｅｒｇｉｅｓｙｓｔｅｍｅ ＧｍｂＨ）の、流体化、投入、及び空気運搬のためのＣＴ投入機械が特に適している。

投入機械は、上述の会社のインターネット上の文献及び欧州特許第００５４０１８号及び第０２１０１６２号に記載されている。

以下に、本発明による固体バーナ群又はインパルスバーナ群を備える高温ガス発生器の拡張された又は増大された調節範囲を、最初に説明した例を元に更に説明する。

この例では、１３．８ＭＷの最大熱量が必要とされていた。処理ベースの理由から、また、バーナマフラ内にバーナを組み込むことを考慮し、３つの固体バーナが最適な構成として選択される。各固体バーナは、４．６ＭＷの出力を提供する必要がある。個々の固体バーナの調節範囲が１：４の場合、最小出力は１．１５ＭＷとなる。よって、１．６９５ＭＷである必要熱量にすら届かず、個々の固体バーナの１：４の調節範囲は、本発明による３つの固体バーナを含むバーナ群の調節範囲である１：１２にまで広げられる。

熱必要条件によれば、バーナ群構成のうち、１つの固体バーナのみを動作させる、２つの燃料バーナを動作させる、又は３つ全ての燃料バーナを動作させることができる。よって、３つの固体バーナを備える高温ガス発生器の全体的な調節範囲は、１：１２である。

このような値は、ガスバーナでは、例外的な場合でしか達成できない。

よって、本発明による高温ガス発生器のバーナマフラ上又はバーナマフラ内の固体バーナ群構成は、高温ガスの生成、粉砕−乾燥施設、及び他の熱施設を非常に効率的な形で容易にする。加熱オイル及び燃焼ガスに比べて非常に経済的であり十分な量利用可能でもある固体燃料、例えば、褐炭粉末の使用が特に有利である。ブラスト炉ガス又は合成ガスを使い、乾燥用の高温ガスを生成する場合、特に、石炭粉砕施設において、石炭粉末からの置き換えを実行できる。

本発明は、図面の説明を参照し、以下に更に詳細に説明される。図面は、大きく概略化された表現で以下を示す。

本発明による固体バーナ群を備える高温ガス発生器を通る軸長手方向断面図である。 図１のＩＩ−ＩＩ線に沿った平面図である。

図１及び図２は、固体バーナ群１０を備える高温ガス発生器を示し、この例では、３つの固体バーナ３、４及び５を備える。

２つの固体バーナ３及び４を示す図１から、固体供給器６及び燃焼空気供給器７が、各固体バーナ３、４及び５に対して割り当てられ、固体バーナ３、４及び５は、バーナマフラ２のバーナプレート１２内に配置されていることがわかる。バーナマフラ２及びその後に配置された混合コンポーネント９は、固体バーナ３、４及び５及び始動バーナ８と同様に、垂直向きで配置される。

石炭粉末、例えば、褐炭粉末のためのインパルスバーナが、固体バーナ３、４及び５として使われ、各々が、円錐形に先細となった火炎加速ノズル１７を有し円錐形に延びる反応室１６と、偏向フード１９を有し流体化した石炭粉末を噴射するための噴射筒１８と、ここを通じて反応室１６へ燃焼空気が通っていくバーナヘッド上のラジアルブレードカスケード２５と、を備え、燃焼ガスは、横方向入口開口部７を介して空気ハウジング２８へ入り、このハウジングからラジアルブレードカスケード２５、そして反応室１６へと通過する。

固体燃料により発火するインパルスバーナは、高い火炎ジェット速度を有し、図１に示すように、火炎３０は、バーナマフラ２を通って混合コンポーネント９へと延びる。

固体燃料が利用できない場合、後続の装置の動作を保つために、インパルスバーナをガスに切り換えることができる。図１から見て取れるように、ガス供給器２７は、固体供給器６に並んで図１に見える固体又はインパルスバーナ３及び４に続く。

混合コンポーネント９において、固体バーナ群１０で生成された燃焼ガスと、供給手段１１により供給される加熱する処理ガス１３とが混合及び加熱される。

供給手段１１は、そのラジアルハウジングによってバーナマフラ２を囲み、バーナマフラ２の中に固体バーナ３、４及び５がその反応室１６及び火炎加速ノズル１７と共に延びている。

本実施形態において、バーナマフラ２は、その内側が耐火材料１５で覆われている。この耐火性ライニング材は、設けなくてもよい。穿孔ジャケットユニット２０は、出口側、よって、バーナプレート１２内の固体バーナ群構造体の反対側で、混合コンポーネント９としてバーナマフラ２と接続される。この穿孔ジャケットユニット２０は、鋼製燃焼室の一部であり、円筒形で同軸、かつ直径が大きくなっていく複数の穿孔ジャケット２１から成る。加熱されるガス１３の流入のための環状の間隙２２が、個々の穿孔ジャケット２１の間に形成され、環状チャネル２４が、穿孔ジャケット２１と外側閉鎖シート鋼材２３との間に形成され、加熱されるガス１３が供給手段１１から環状チャネル２４に供給され、環状間隙２２及び穿孔ジャケット２１の穴を介して混合室２６に供給される。形成された高温ガスは、出口開口部２９を通して取り除かれる。

図２は、バーナマフラ２のバーナプレート１２の高さにおける高温ガス発生器の平面図であり、加熱されるガスの供給手段１１の螺旋状のハウジングがバーナマフラ２の周辺に配置される。ガス又はオイルにより動作する始動バーナ８が、バーナプレート１２の中央に配置され、３つの固体バーナ３、４及び５は、同軸でお互いから同じ距離の位置に、始動バーナ８から垂直方向に下に向かって延びる。

インパルスバーナとして使われる固体バーナ３、４及び５はまた、ガスの燃焼にも適している。中断した場合に石炭粉末が利用できない時は、インパルスバーナは、問題なく天然ガス、合成ガス又はブラスト炉ガスに切り換えることができ、これにより、例えば、石炭ガス化の場合のパワーステーション、ＰＣＩプラントのブラスト炉、などの後続の装置の動作を持続することができる。

本発明の燃料バーナ群の本質的な利点は、固体バーナを備える高温ガス発生器の使用分野の拡張である。

複数の燃料バーナ、特に、複数のインパルスバーナを備える高温ガス発生器の使用は、石炭ガス化プラント、鋼業界及び鉄以外の冶金処理におけるＰＣＩプラント、一般的な熱ベースの施設などにおける１つの可能性である。石炭のガス化によって生成された合成ガスを、有益にエネルギ生成業界に使用することや、プラスチック業界での使用を増大させることができる。一方、合成ガスを、粉砕−乾燥処理におけるエネルギキャリアとして分岐させた場合、１０ＭＷから３０ＭＷの間の通常の熱出力において、３３００ｍ_N ³／ｈから１０，０００ｍ_N ³／ｈの合成ガス量と約１１，０００ｋＪ／ｍ_N ³の合成ガス発熱値を必要とする。これは、目的とする使用方法において、相当の損失を意味する。その間、鋼業界における高炉ガスもまた、発電のための特殊なパワーステーションでの使用がより頻繁になっている。高温ガス発生のための石炭粉末の使用により、高温ガス発生器における、上述のガスや、軽油及び重油、天然ガスなどの他の燃料の使用を避けることができ、エネルギ及び投資の面において、非常に優れている。

Claims (11)

1. 拡張された調節範囲を有する固体発火型高温ガス発生器であって、
   複数の固体バーナ（３、４、５）が配置され、固体バーナ群（１０）が形成され、
   独立した固体供給器（６）及び燃焼空気供給器（７）が、各固体バーナ（３、４、５）に割り当てられ、
   前記固体バーナ群（１０）の発火出力が、１つの固体バーナによる最小出力から全ての固体バーナ（３、４、５）による最大出力まで調節でき、後続の施設ユニットの全ての必要負荷領域がカバーされる、ことを特徴とする固体発火型高温ガス発生器。
2. 請求項１に記載の高温ガス発生器であって、更に、
   バーナマフラ（２）と、前記バーナマフラ（２）のバーナプレート（１２）内に配置された始動バーナ（８）と、
   加熱されるガス（１３）のための供給手段（１１）と、
   前記バーナマフラ（２）の後に配置され、生成された燃焼ガスが前記加熱されるガス（１３）と混合される、混合コンポーネント（９）と、
   を備え、
   複数の固体バーナ（３、４、５）が、前記始動バーナ（８）を中心として同一円周上に配置され、前記バーナマフラ（２）の前記バーナプレート（１２）内に固定されている、ことを特徴とする高温ガス発生器。
3. 請求項１又は２に記載の高温ガス発生器であって、
   同じ大きさ又は異なる大きさの固体バーナ（３、４、５）が、固体バーナ群（１０）を形成する、ことを特徴とする高温ガス発生器。
4. 請求項２又は３に記載の高温ガス発生器であって、
   ３つの固体バーナ（３、４、５）が、各々から同じ角距離あけて配置され、前記バーナプレート（１２）内の前記始動バーナ（８）から同じ径方向距離あけて配置されている、ことを特徴とする高温ガス発生器。
5. 先行する請求項のいずれか１つに記載の高温ガス発生器であって、
   前記固体バーナ（３、４、５）が、前記バーナマフラ（２）の長手方向軸に対して規定の角度で配置されている、ことを特徴とする高温ガス発生器。
6. 先行する請求項のいずれか１つに記載の高温ガス発生器であって、
   各固体バーナ（３、４、５）に対する、別個の、分量を定めた固体供給のための投入手段が設けられている、ことを特徴とする高温ガス発生器。
7. 先行する請求項のいずれか１つに記載の高温ガス発生器であって、
   粉末形状の燃料、特に石炭粉末又はバイオマス粉末を、流体化された形状で前記固体バーナ（３、４、５）に供給できる、ことを特徴とする高温ガス発生器。
8. 先行する請求項のいずれか１つに記載の高温ガス発生器であって、
   インパルスバーナ、特に、無煙炭粉末、褐炭粉末、石油コークス粉末、バイオマス粉末及び粉末混合物のためのインパルスバーナが、固体バーナ（３、４、５）として配置され、各々が、円錐状に傾斜した火炎加速ノズル（１７）を有していてもよい、円錐状に延びる反応室（１６）と、流体化され粉末形状の燃料のための偏向フード（１９）を有する噴射筒（１８）と、燃焼空気を供給するためのラジアルブレードカスケード（２５）と、を備える、ことを特徴とする高温ガス発生器。
9. 請求項８に記載の高温ガス発生器であって、
   固体バーナ（３、４、５）として使われる前記インパルスバーナが、ガスに切り換えることができ、例えば、天然ガス、合成ガス、又はブラスト炉ガスで動作できる、ことを特徴とする高温ガス発生器。
10. 先行する請求項のいずれか１つに記載の高温ガス発生器であって、
    複数の円筒形で同軸の穿孔ジャケットを有する穿孔ジャケットユニット（２０）（ＬＯＭＡ）であって、前記穿孔ジャケット（２１）間に環状間隙（２２）が形成され、前記穿孔ジャケット（２１）と外側閉鎖シート鋼ジャケット（２３）との間に環状チャネル（２４）が形成される、穿孔ジャケットユニット（２０）が、混合コンポーネント（９）として配置されている、ことを特徴とする高温ガス発生器。
11. 先行する請求項のいずれか１つに記載の高温ガス発生器であって、
    石炭ガス化プラント、鋼業界及び鉄以外の冶金処理におけるＰＣＩプラント、セメント業界及び一般的な熱ベースの施設において使われる、ことを特徴とする高温ガス発生器。

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