JP3929005B2 - Combustion apparatus and combustion method - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、大気汚染物質になりうる物質を比較的多く含有する石炭・重油などの燃料を、高効率かつ汚染物質を発散することなく燃焼させ、その熱を利用する燃焼装置及び燃焼方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
200 気圧、400 ℃以上の高温・高圧水と石炭などの燃料を反応させて、発生する熱で蒸気を生成して発電を行うプラントは、いわゆる超臨界水の応用技術として研究が進められている。これらのプラントは、燃料中に含まれる不純物質にも関わらず、硫化物などの有害物を大気中に発散せずに酸化反応を実行し、その反応熱を取り出すことができる点で、大きな期待を集めている。しかしながら、地球温暖化の主たる原因物質とされている炭酸ガスの排出については、分離・回収の手だてがなく、また、反応容器が高圧で逐次容器を密閉して酸化反応を進行させることから反応容器内に炭酸ガスが蓄積して反応を阻害するいう問題があった。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】
従来の燃焼装置は、反応容器が高圧で逐次容器を密閉して酸化反応を進行させることから反応容器内に炭酸ガスが蓄積して反応を阻害するいう問題があった。さらには、地球温暖化の主たる原因物質とされている炭酸ガスの排出量が多いという問題があった。
【0004】
本発明は、上記従来の課題を解決するためになされたもので、炭酸ガスを200 気圧、400 ℃以上の高温・高圧水の中から直接回収することによって、燃焼部内の炭酸ガス蓄積を防ぐと共に、炭酸ガスの排出をも抑制する高効率な燃焼装置を提供する事を目的とする。
【0005】
本発明の燃焼装置は、超臨界水と燃料を格納して反応させ熱と炭酸ガスを生成する燃焼部を有する燃焼装置において、前記燃焼部内に、前記炭酸ガスとの反応によって金属炭酸塩を生成する化学吸収材を具備することを特徴とする。
【0006】
前記金属炭酸塩は、炭酸リチウムであり、前記超臨界水は、200気圧以上、400℃以上とすることができる。
【0007】
さらに、前記化学吸収材から炭酸ガスを除去する再生部と、その再生された化学吸収材を前記燃焼部に戻す添加部を備えることができる。
【0008】
前記化学吸収材は、鉄、ニッケル、ジルコニアから選ばれる金属の酸化物を主体とするリチウム化合物を使用することができる。
【0009】
本発明の燃焼方法は、燃焼部において超臨界水と燃料の混合物から反応熱と炭酸ガスを形成する工程と、前記燃焼部において前記炭酸ガスを化学吸収材と反応させて金属炭酸塩に生成する工程とを具備することを特徴とする。
【0010】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に関わる燃焼装置を詳細に説明する。
本発明の燃焼装置は、例えば図1に示すように燃料18と水11を混合する混合部1、燃料と超臨界水の混合物を400 ℃以上、200 気圧以上の高温、高圧状態に保持する燃焼部2、燃焼後の水と燃焼生成物13を分離する分離部3を中心構成要素とし、その周辺に炭酸ガス吸収材の添加部4、除去部5を付加し、さらに除去された炭酸ガス吸収材の再生部6とその再生された吸収材を添加部4に戻すための移送機構を備える。ここで超臨界水とは、例えば200 気圧、400 ℃以上の高温・高圧状態の環境に保持されて水の臨界点を越えた水のことである。
【0011】
ここで、混合部1は微粉状石炭あるいは重油を水と空気と混合するものであればどのような形態であっても構わない。また、燃焼部2は燃料と水の混合物を400 ℃以上、200 気圧以上の高温、高圧状態に保持する容器であって、例えば入口側には昇圧ポンプが、出口側には減圧弁が備えられているような機構が必要となる。この容器の外面には例えば水のような熱媒体の流路71、72が設置され、発熱を除去するとともにその熱を蒸気に変換し、例えば発電などの用に供する。分離部3は、いわゆる気水分離器であって、減圧・降温された水中から固形物13と窒素10を分離し、水11を混合部1に還流させる。この際、燃焼部2から出た高温水との間で熱交換をして熱の有効利用を図っても構わない。ここで、14は吸収材、15は炭酸ガス、16、17は高圧空気である。
【0012】
炭酸ガス吸収材の添加部4では、燃焼装置の温度・圧力条件で炭酸リチウムを生成して炭酸ガスを選択的に吸収する物質を例えば高圧空気と共に添加する。この炭酸ガス吸収材は、選択的に炭酸ガスが吸収できる方法であればどのような物質でも良く、具体的には以下の方法が推奨される。すなわち、鉄、ニッケル、ジルコニアから選ばれる酸化物を主体とするリチウム化合物を化学吸収材として用いる方法であって、前記リチウム化合物が(1)〜(3)式によって炭酸ガスを吸収し、その逆反応によって炭酸ガスを放出する。これを数1として記す。
【0013】
【数1】
ここで(1)式は420℃以下の温度で特に起きやい。
【0014】
(2)式は450℃以下の温度で特に起きやすい。
(3)式は550℃以下の温度で特に起きやすい。
すなわち、これらの炭酸ガス吸収材を燃焼部2に添加することによって、燃焼反応が進行している高温・高圧水中から炭酸ガスを吸収・除去することが出来き、結果的に燃焼反応を促進する事ができる。この超臨界水と燃料が反応ている液体から直接炭酸ガスを除去する事燃焼反応が促進される事は発明者らが新たに発見した事実であり、本発明に至ることができた。こうして反応が促進される事によって、排出される炭酸ガスの総量を、燃焼時に随時炭酸ガスを除去しない場合と比べて大幅に低減する事が出きる。
【0015】
これらの材料は、30%以上50%以下の気孔率を有する多孔質体とすることが好ましく、その多孔質体の形態としては、直径10mm以上50mm以下のディスク状のもの、あるいは一辺の長さが10mm以上50mm以下の立方体に近い形態が挙げられる。除去部5では分離部3で回収した固形物の中から先述した炭酸ガス吸収材のみを回収するために、SiO2,Al2O3などの燃焼に伴う灰の成分を除去する。ここでは、前記炭酸ガス吸収材と灰の成分の比重差を利用しても良いし、形態の差を利用して分離してもよい。望ましくはあらかじめ前記炭酸ガス吸収材を、ディスク状の形態の場合は直径20mm以上50mm以下の大きさに成形し、また、立方体の形態の場合は一辺の長さが20mm以上50mm以下の大きさに成形しておくと、元々微粉状で供給される石炭の燃焼生成物との形態の違いを明確に得ることが出来、例えば前記20mmより小さい開口を有するステンレスの穴明き板の上を流動させるだけで容易に灰の成分だけを除去することが出来る。
【0016】
再生部6は、前記炭酸ガス吸収材を加熱して炭酸ガスを放出させ、再度利用できるように再生させる。一気圧の純ガスとして炭酸ガスを回収することを想定すると、加熱温度としては、500 ℃以上900 ℃以下が望ましく、特に好ましくは700 ℃以上820 ℃以下である。
【0017】
以上の構成によれば、炭酸ガスとの反応によって炭酸リチウムを生成する化合物が燃焼部に添加されていることにより、燃焼排出ガス中から炭酸ガスを効率よく除去することが可能となり、環境中への炭酸ガス放出を大幅に削減することができる。
【0018】
またさらに、前記反応装置内部で炭酸ガスが直ちに除去されることにより、前記反応装置内部での炭酸ガスの蓄積を防ぐことが出来、結果として燃焼反応そのものの進行を促進することが可能となる。
【0019】
【実施例】
(実施例1〜3)
図1に示す構成の燃焼装置を作成した。混合部1での給炭量を毎時270Kgとし、燃焼部2の温度・圧力条件は550 ℃、230 気圧に設定し、表1に示す時間だけ燃料を保持する間欠燃焼とした。保持時間を1分、3分、8分と変えて夫々を実施例1〜3とした。ここで、この温度条件を維持するために燃焼部2の周囲を流通させた冷却水7の流量から蒸気ドラムに提供した熱量を算出し、各実施例の熱出力として表1に示した。添加部4では、気孔率42%、直径25mm、厚さ10mmのディスク状に成形したリチウムジルコネートを炭酸ガスの吸収材として毎時3.2トン添加した。除去部5ではステンレスメッシュによって吸収材と灰分を分離し、分離された灰分については熱重量分析により未反応の燃料成分を定量し表1に併記した。
【0020】
【表1】
【0021】
再生部6では、分離回収した前記炭酸ガス吸収材を810 ℃に昇温し、1気圧の純炭酸ガスとして回収した。分離部3の排気中の炭酸ガス量と再生部6で回収された炭酸ガス量を定量して同じく表1に併記した。
【0022】
(比較例1〜3)
図2に示す構成の燃焼装置を作成した。以下の装置の説明は、図1 と同一部分は同一番号を付しその詳細を省略した。
【0023】
この図2の燃焼装置は、図1で示した燃焼装置とは炭酸ガス吸収材を燃焼部に添加しない構造になっている点が異なる。この燃焼装置を使用して実施例1〜3と同一の保持時間を設定した例を比較例1〜3とした。
【0024】
即ち、混合部1での給炭量を毎時270Kgとし、燃焼部2の温度・圧力条件は550 ℃、230 気圧に設定し、表1に示す時間だけ燃料を保持する間欠燃焼とした。ここで、この温度条件を維持するために燃焼部2の周囲を流通させた冷却水7の流量から蒸気ドラムに提供した熱量を算出し、実施例の熱出力として表1に示した。分離部3では戻り水と灰分を分離し、分離された灰分については熱重量分析により未反応の燃料成分を定量し表1に併記した。分離部3の排気中の炭酸ガス量を定量して同じく表1に併記した。
【0025】
(比較例4)
図3に示す構成の燃焼装置を作成した。混合部1での給炭量を毎時270Kgとし、燃焼部2の温度・圧力条件は550 ℃、230 気圧に設定し、表1に示す時間だけ燃料を保持する間欠燃焼とした。ここで、この温度条件を維持するために燃焼部2の周囲を流通させた冷却水7の流量から蒸気ドラムに提供した熱量を算出し、実施例の熱出力として表1に示した。分離部3では戻り水と灰分を分離し、分離された灰分については熱重量分析により未反応の燃料成分を定量し表1に併記した。アルカノールアミンをもちいる炭酸ガス回収部8を分離部3の排気系に接続して、排気中の炭酸ガスを選択吸収し大気中に放出される炭酸ガス量と回収部8で回収される炭酸ガスを定量して同じく表1に併記した。
【0026】
表1に示すように実施例1〜3の燃焼装置は、比較例1〜4の燃焼装置に比べ、燃料の燃焼部2における滞在時間に相当する燃焼部2における保持時間が短い条件でも未反応の燃料成分が大幅に低減され、燃焼反応の確実な進行が確保され発熱を最大限に回収できることが判る。また、同時に大気中に排出される炭酸ガスの量も大幅に抑制されている事も分かる。
【0027】
【発明の効果】
以上詳述したように、本発明によれば炭酸ガス蓄積を防いで超臨界水と燃料との燃焼反応を促進する事によって、炭酸ガスの総排出を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施例1〜3に用いた燃焼装置のブロック図
【図2】本発明の比較例1〜3に用いた燃焼装置のブロック図
【図3】本発明の比較例4に用いた燃焼装置のブロック図
【符号の説明】
1…混合部
2…燃焼部
3…分解部
4…添加部
5…除去部
6…再生部
7…冷却水[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a combustion apparatus and a combustion method that uses a heat of a fuel such as coal / heavy oil that contains a relatively large amount of substances that can become air pollutants with high efficiency and without releasing the pollutants.
[0002]
[Prior art]
Plants that generate electricity by generating steam from the heat generated by reacting high-pressure and high-pressure water at 200 atmospheres and 400 ° C or higher with coal and other fuels are being studied as an application technology of so-called supercritical water. . These plants have great expectations in that, despite the impurities contained in the fuel, the oxidation reaction can be carried out without releasing harmful substances such as sulfides into the atmosphere and the reaction heat can be extracted. Collecting. However, for carbon dioxide emissions, which are the main cause of global warming, there is no way to separate and recover, and since the reaction vessel is sealed at high pressure and the oxidation reaction proceeds, the reaction vessel proceeds. There is a problem that carbon dioxide accumulates inside and inhibits the reaction.
[0003]
[Problems to be solved by the invention]
The conventional combustion apparatus has a problem that carbon dioxide accumulates in the reaction vessel and inhibits the reaction because the reaction vessel is sealed at a high pressure and the vessel is sequentially sealed to advance the oxidation reaction. Furthermore, there is a problem that the amount of carbon dioxide gas, which is a main cause of global warming, is large.
[0004]
The present invention has been made to solve the above-described conventional problems. Carbon dioxide is directly recovered from high-temperature and high-pressure water at 200 atm and 400 ° C. or more to prevent accumulation of carbon dioxide in the combustion section. An object of the present invention is to provide a highly efficient combustion apparatus that suppresses the discharge of carbon dioxide gas.
[0005]
Combustion apparatus of the present invention, produced in a combustion apparatus having a combustion unit for generating heat and carbon dioxide are reacted by storing supercritical water and fuel to the combustion portion, the metal carbonate by reaction between the carbon dioxide It is characterized by comprising a chemical absorbing material.
[0006]
It said metal carbonate is lithium carbonate, said supercritical water, or 200 atm can be a 400 ° C. or higher.
[0007]
Furthermore, the regeneration part which removes a carbon dioxide gas from the said chemical absorber, and the addition part which returns the reproduced | regenerated chemical absorber to the said combustion part can be provided.
[0008]
As the chemical absorbent, a lithium compound mainly composed of a metal oxide selected from iron, nickel, and zirconia can be used .
[0009]
In the combustion method of the present invention, a reaction heat and carbon dioxide gas are formed from a mixture of supercritical water and fuel in the combustion section, and the carbon dioxide gas is reacted with a chemical absorbent in the combustion section to form a metal carbonate. And a process.
[0010]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, the combustion apparatus according to the present invention will be described in detail.
For example, as shown in FIG. 1, the combustion apparatus of the present invention is a
[0011]
Here, the
[0012]
In the addition section 4 of the carbon dioxide absorbent, a substance that generates lithium carbonate and selectively absorbs carbon dioxide under the temperature and pressure conditions of the combustion apparatus is added together with, for example, high-pressure air. The carbon dioxide absorbing material may be any material as long as it can selectively absorb carbon dioxide. Specifically, the following method is recommended. That is, a method in which a lithium compound mainly composed of an oxide selected from iron, nickel, and zirconia is used as a chemical absorbent, wherein the lithium compound absorbs carbon dioxide according to the formulas (1) to (3) and vice versa. Carbon dioxide is released by the reaction. This is described as
[0013]
[Expression 1]
Here, the expression (1) is particularly easy to occur at a temperature of 420 ° C. or lower.
[0014]
The formula (2) is particularly likely to occur at a temperature of 450 ° C. or lower.
Equation (3) is particularly likely to occur at temperatures of 550 ° C. or lower.
That is, by adding these carbon dioxide absorbents to the
[0015]
These materials are preferably porous bodies having a porosity of 30% or more and 50% or less, and the form of the porous body is a disk-like one having a diameter of 10 mm or more and 50 mm or less, or the length of one side. Is a shape close to a cube of 10 mm or more and 50 mm or less. The
[0016]
The regenerating unit 6 heats the carbon dioxide absorbing material to release carbon dioxide and regenerates it so that it can be used again. Assuming that carbon dioxide gas is recovered as a pure gas at one atmosphere, the heating temperature is preferably 500 ° C. or higher and 900 ° C. or lower, and particularly preferably 700 ° C. or higher and 820 ° C. or lower.
[0017]
According to the above configuration, the compound that generates lithium carbonate by the reaction with carbon dioxide gas is added to the combustion section, so that carbon dioxide gas can be efficiently removed from the combustion exhaust gas, and into the environment. Carbon dioxide emission can be significantly reduced.
[0018]
Furthermore, carbon dioxide gas is immediately removed inside the reaction apparatus, so that accumulation of carbon dioxide gas inside the reaction apparatus can be prevented, and as a result, the progress of the combustion reaction itself can be promoted.
[0019]
【Example】
(Examples 1-3)
A combustion apparatus having the configuration shown in FIG. 1 was prepared. The amount of coal supply in the
[0020]
[Table 1]
[0021]
In the regeneration unit 6, the carbon dioxide gas absorbent separated and recovered was heated to 810 ° C. and recovered as pure carbon dioxide gas at 1 atm. The amount of carbon dioxide in the exhaust of the
[0022]
(Comparative Examples 1-3)
A combustion apparatus having the configuration shown in FIG. 2 was prepared. In the following description of the apparatus, the same parts as those in FIG.
[0023]
The combustion apparatus of FIG. 2 differs from the combustion apparatus shown in FIG. 1 in that the carbon dioxide absorbent is not added to the combustion section. The example which set the same holding time as Examples 1-3 using this combustion apparatus was made into Comparative Examples 1-3.
[0024]
That is, the amount of coal supply in the
[0025]
(Comparative Example 4)
A combustion apparatus having the configuration shown in FIG. 3 was produced. The amount of coal supplied in the
[0026]
As shown in Table 1, the combustion devices of Examples 1 to 3 are unreacted even under conditions where the holding time in the
[0027]
【The invention's effect】
As described above in detail, according to the present invention, the total discharge of carbon dioxide can be suppressed by preventing carbon dioxide accumulation and promoting the combustion reaction between supercritical water and fuel.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a block diagram of a combustion apparatus used in Examples 1 to 3 of the present invention. FIG. 2 is a block diagram of a combustion apparatus used in Comparative Examples 1 to 3 of the present invention. Block diagram of the combustion system used for the above
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