JPS6316643B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、揮発性アルカリを高含量で含有する
付着性石炭を、炉のスチームにより冷却される管
への灰の付着が最少となるように燃焼させる方法
に係る。さらに、本発明は、付着性石炭粒のサイ
ズ、１次燃焼空気の量および燃焼温度を制御し
て、ナトリウム金属蒸気（該蒸気は反応して、灰
の付着を促進する低融点ケイ酸塩を生成する）の
発生を最少にすることに係わる。

セルロース植物物質からの炭化が十分に進んで
いない石炭では、生成したフミン酸の如き酸が地
下水からのアルカリと結合して活性化合物を生成
し、さらにこの活性化合物から燃焼の際アルカリ
が揮発する。燃焼中、石炭が熱分解される際、こ
れら活性なアルカリは、まず、かなり大きい固形
粒子状の酸化ナトリウム（Na₂O）となり、熱分
解された有機酸の炭素残渣内にしつかりと包含さ
れた状態となる。石炭のこのような無機成分につ
いての燃焼の第１段階は次式で表わされる。

このようにして生成した酸化ナトリウムは、高
沸点約1260℃（2300〓）をもつ比較的耐火性の化
合物である。したがつて、酸化ナトリウムは、燃
焼の初期の低温段階で生成された炭素マトリツク
スから揮発しにくい。これに対して、石炭燃焼の
第２段階において酸化ナトリウムの炭素による
「還元反応」によつてつづいて生成されるナトリ
ウム金属蒸気は沸点約880℃（1620〓）であり、
酸化ナトリウムの沸点よりも約380℃低い。この
燃焼の第２の高温段階におけるアルカリ灰成分に
係る反応は次式で表わされる。

Na₂O（塊状）＋Ｃ→Na₂（蒸気）＋CO（ガス）
……(2) なお、「還元反応」とは還元剤により酸素が取
出される化学反応をいう。上記の場合、酸化ナト
リウムがナトリウム金属蒸気に還元され、炭素は
酸化されて一酸化炭素となる。

通常の高い炉温度では、高揮発性のナトリウム
金属蒸気は、生成されるとすぐに、燃焼している
燃料粒子から強制的に周囲の空気中に吐出され
る。ナトリウム金属蒸気は空気に対して強い反応
性を示し、迅速に燃焼して酸化ナトリウム煙霧を
生成する。この結果は次式で表わされる。

Na₂（蒸気）＋1/2O₂→Na₂O（煙霧） ……(3) この煙霧は非常に細かく、ミクロ以下のサイズ
のダストであり、通常、金属蒸気の燃焼からの固
形灰粒子の区分に属する。反応(3)の酸化ナトリウ
ム煙霧は、反応式(1)によつて示されるフミン酸ナ
トリウムの熱分解の結果生成する初期の塊状酸化
ナトリウムとは著しく異なつている。たとえば、
煙霧は燃焼ガス流中では化学的に反応性に富むエ
ーロゾルとして存在している。その粒子は非常に
大きい比表面積を有し、ボイラ管上に析出する粉
末状のシリカ富有灰の表面と容易に反応して強固
に灰と結合したアルカリケイ酸塩を形成する。こ
れに対して、反応式(1)からの大きい結晶性酸化ナ
トリウム粒子は、還元反応(2)が起るまで炭素マト
リツクスにより燃料粒子内に固定されるため、燃
料ガス流中に分散しない。

燃焼の第３段階が生じ、燃料ガス中で酸化ナト
リウムエーロゾルが生成したとき、管上に粉末状
の灰析出物が生ずる。エーロゾルからのナトリウ
ム化合物の析出により、各シリカ粒子上に、強固
に低融点灰が結合するアルカリケイ酸塩の表面コ
ーテイングが生成される。この結果は次式で表わ
される。

Na₂O（煙霧）＋SiO₂（灰中）→Na₂SiO₃（ケイ酸塩
ガラス） ……(4) 少なくとも米国西部で見られる亜炭および亜歴
青炭の如き石炭化度の低い石炭のいくつかのもの
はアルカリ（ナトリウム）含量が高く、急速に灰
付着による問題点を生ずる。これらの石炭が実用
ボイラで燃焼される際には、伝熱表面に付着する
灰が急速に厚い絶縁層を形成し、その除去は非常
に高価である。したがつて、これらの石灰では灰
付着が避けられず、灰付着層の人の手により除去
するために炉を不定期的に休止する必要を生ずる
この問題を解決するために各種の試み（多くの場
合、機械的な試み）がなされているが、あまり効
果的ではない。問題の解消よりもむしろ改悪の方
向に向つている。

第１に、この付着を軽減する試みとして、熱放
出率および炉（煙道ガス）出口温度の如き炉を設
計する際のパラメータの低減が試みられた。第２
に、スチームまたは水によるすす吹き装置が採用
された。これらの試みは実現可能であり、一時的
に有効ではあるが、根本的な解決策ではない。

石灰中の活性アルカリ（希酸に溶解し、燃焼
時、容易に揮発される）の存在と炉表面における
付着との関係は、基礎的な研究によつて解明され
た。その結果、付着の問題についての第３の解決
策として、希釈した酸水溶液を使用して、細かく
粉砕した石炭から可溶性のアルカリ化合物を浸出
することが試みられた。しかし、この場合にも、
高価であり、石炭中に過剰の水が残留するため、
実用的ではないことが証明された。

提案された第４の解決策は「アルカリ捕集剤」
を使用するものである。特に、揮発されたアルカ
リを結合し、管表面上に析出した灰中で高融点最
終生成物を生成させるための添加剤として、細か
く粉砕したシリカまたはアルミナが使用される。

しかしながら、この場合にも、この解決策は実
用化されなかつた。

第５の解決策は、ケイソウ土に似た多孔性のシ
リカ質添加剤を使用して、灰粒子を相互におよび
管表面に付着させる灰析出物から溶融成分を物理
的に吸収させようとするものであつた。

灰付着の問題の実用的な解決策を求める研究の
中には、石炭の配合によつて問題を解決しようと
するものであつた。しかしながら、この解決策も
煩雑であり、高価なものであつた。以上の試み
は、高ナトリウム含量石炭による重大な灰付着の
問題を緩和するために実施された方法または研究
されつつある方法の具体例である。

灰付着の機構を要約すれば、キーとなる還元反
応２およびこれにつづく反応３の基本的な作用
は、煙道ガス中における高反応性酸化ナトリウム
煙霧のエーロゾルの発生にあり、このエーロゾル
は析出した粉末状の灰における粘着性低融点「接
着剤」を生成し、灰を管に付着させ、灰粒子相互
を結合させる。この「接着剤」の前駆体であるナ
トリウム金属蒸気は、石炭の燃焼中に以下の３つ
のすべての条件が満足される場合にのみ生成され
る。すなわち、(a)石炭粒子―ガスの界面が高度の
還元（酸素不足）雰囲気にあること、(b)反応(2)を
行なうに充分な高温であること、および(c)反応時
間が充分に長いことである。平衡条件下では、こ
の反応は1052℃（1926〓）（限界温度）以上で最
もよく起る。ナトリウム金属蒸気の生成は、炭素
が存在する場合、反応温度がこの値以上に上がる
ため、急速に促進される。石炭の燃焼法において
燃料と遊離酸素との接触を増大させ（還元の度合
および還元雰囲気にさらされる時間を低減させる
ため）かつ燃焼時間を所定の最大値以下に制御す
る場合には、生成するナトリウム金属蒸気の生成
率および量を低減でき、その結果、灰付着を低減
できるであろう。

本発明は、希酸に可溶性のアルカリを高含量で
含有する石炭を燃焼させるにあたり、酸化ナトリ
ウム（Na₂O）の還元およびつづく金属ナトリウ
ム（シリカを含む粘着性の灰付着性化合物を生成
させる）の生成を低減させることを企図するもの
である。

さらに、本発明は、石炭を粉砕して粒子サイズ
を低下させかつ燃焼を促進する一次空気（すなわ
ち遊離酸素）を増加させることにより、高アルカ
リ含量の石炭におけるアルカリ酸化物の還元反応
を最少とし、これにより、熱い酸素欠乏雰囲気お
よび石炭中の炭素との充分な接触時間を要求する
アルカリ酸化物の還元反応を阻止しようとするも
のである。

本発明は、さらに、冷却された煙道ガスを燃焼
温度を所定の最高値以下に維持するに充分な量で
再循環させ、ナトリウム金属蒸気の生成を抑制
し、これにより燃焼中の結合した灰析出物の生成
を抑制しようとするものである。

本発明の他の目的、利点および特徴は、当業者
がこの明細書および図面を検討する際、容易に理
解されるであろう。

高温炉のスチームにより冷却される管における
付着は、過熱器および再熱器における付着と同
様、水壁管のスラツジングとは異なる。付着は、
各粒子を覆う溶融化合物の薄い表面積によつて
個々の灰粒子が相互にかつ炉のスチームにより冷
却される管の表面に接着している灰の塊状物の増
加によつて生ずる。これらの低融点の「にかわ
様」化合物は、管上に析出した粉末状のシリカ質
石炭灰と管の灰収集表面上を断えず流動している
煙道ガスに懸持された反応性粒状物（アルカリ酸
化物煙霧）との環元反応によつて「その場」で生
成される。付着層では析出物が完全には溶融しな
い。これに対して、スラツジングは、灰が完全に
溶融して粘着性のガラス質塊状物となり、これが
より低い温度の水壁管の前面に蓄積することによ
つて生ずる。このスラツジングは、燃焼域の水壁
管における場合の如く、炉のより高いガス温度域
で起る。それが主に本発明に係る付着現象であ
る。

希酸可溶性アルカリを高含量で含有する石炭の
燃焼の際の灰付着を緩和するためには、燃焼の初
期段階で生成する酸化ナトリウム（NaO₂）の還
元反応を低減または阻止するように石炭を燃焼さ
せなければならない。還元反応を低減させること
により、スチームにより冷却される管に灰を結合
させる粘着性シリカ質化合物を生成する一連の化
学反応を中断させることができる。

本発明によれば、石炭の表面積を大きくし、還
元条件下における石炭灰中のアルカリ酸化物の結
合酸素に優先して一次燃焼空気中の遊離酸素によ
る迅速な燃焼を促進させる。同時に、本発明によ
れば、燃焼の温度を、燃焼の初期段階で生成され
た酸化ナトリウムが活ぱつに還元される限界値に
近い低温度レベルに制御する。これらのフアクタ
を制御することにより、つづく反応により管上の
粉末灰析出物のシリカと容易に結合して強固な灰
の結合を生ずるアルカリ金属蒸気の放出が抵減さ
れる。

図面は本発明の方法の実施に係る装置を説明す
るものである。本発明の方法によれば、石炭粒子
のサイズ、遊離酸素および煙道ガスの再循環の３
つの要素が制御される。第１に、石炭の粒子は、
粉砕した石炭の少なくとも90％が200メツシユの
篩を通過するように調整される。第２に、一次空
気（初めに石炭中の炭素との反応に使用される遊
離酸素を提供する）の量が制御される。第３に、
燃焼室に入る再循環不活性煙道ガスの量により、
燃焼温度が調整される。これら３つの要素は炉構
体１内で制御される。

燃焼室２は粉砕機３からの粉砕石炭と燃焼空気
の酸素とを反応させる。燃焼空気源は２つある。
第１は導管４を介して供給される、いわゆる一次
空気である。この一次空気は粉砕機３によつて粉
砕された石炭を担持し、この混合物は導管５を介
して燃焼室に送給される。この一次空気の量の調
整は導管４内のコントロールダンパ６によつて行
なわれる。補助空気（二次空気という）は導管７
を介して供給される。燃焼に利用される遊離酸素
の総量は、導管７を介して供給される二次空気お
よび導管４を介して供給される一次空気の量の差
である。量の調整は一次空気導管４のダンパ６お
よび二次空気導管７のダンパによつて行なわれ
る。いずれにしても、粉砕石炭の炭素との反応に
使用される遊離酸素の量は導管４のダンパ６によ
つて制御される。

室２における燃焼の最高温度は、導管８を通る
不活性煙道ガスの再循環によつて制御される。こ
の再循環不活性ガスの量の制御は導管８のダンパ
９によつて行なわれる。したがつて、３つの要素
の制御は、粉砕機３の操作、ダンパ６の開閉およ
びダンパ９の開閉を介して実現される。

図面から明らかな如く、炉１の他の部材は従来
のとおりである。燃焼生成物は燃焼室２からエコ
ノマイザ１０に入つて流下し、導管１１から排出
される。水壁、過熱器、再熱器、最後にエコノマ
イザによつて冷却された不活性煙道ガスの一部
は、室２における最高燃焼温度を制御するため、
導管８を介して取出される。

使用される遊離酸素と迅速に反応するサイズに
粉砕された石炭を使用する場合には、他の手法で
は上昇してしまう燃焼温度を1052℃（1926〓）の
限界温度に近い低レベルに調整する必要がある。
選択される温度または前もつて定められる温度
は、経済的な熱伝達が可能となるようなものであ
る。たとえば、火炎温度は通常の約1650℃（3000
〓）ではなく、1370℃（2500〓）となるが、正確
な温度は石炭の揮発性ナトリウム含量およびボイ
ラの燃焼率に左右される。量を正確に調整する場
合には、煙道ガスは、燃焼温度を、スラツグおよ
び酸化ナトリウムの還元（スチームによつて冷却
される管上の粉末状灰析出物のシリカと不用の結
合を生ずるナトリウム蒸気を生ずる）の両方を低
減するレベルに維持することを可能にする。

概略的には、本発明は、高アルカリ含量の石炭
を燃焼させる新規な方法として具現化される。重
要なキーは、通常石炭中のアルカリ化合物を還元
しかつつづく一連の反応により容易にシリカと結
合する形状のアルカリ金属成分を放出する燃焼反
応の変更に見られる。新しい燃焼条件下では、石
炭は、含有される炭素が、アルカリと結合した酸
素よりもむしろ、高割合の一次空気中の余剰遊離
酸素と一層迅速に反応する粒子サイズに粉砕され
る。重要な他の要素は、アルカリ酸化物の還元を
付加的に促進する燃焼温度の制御である。このよ
うに、石炭の粒子サイズの制御、火炎エンベロー
プに使用される過剰の遊離酸素および再循環冷煙
道ガスによる燃焼温度の緩和は、石炭灰中のアル
カリ酸化物からのアルカリ金属の放出を制御する
要素のすべてである。したがつて、本発明の方法
では、酸化物中の金属は管表面に析出した粉末状
灰中のシリカと結合することはない。このためケ
イ酸塩は生成されず、灰粒子を相互におよび炉の
スチームで冷却される管に付着させることはな
い。

上述の記載より、本発明は、該方法に固有の他
の利点をもつとともに、前記目的のすべてを達成
するために好適に採用されるものであることが理
解されるであろう。

以上本発明をその具体例について詳述したが、
本発明はこの特定の実施例に限定されるものでは
なく、本発明の精神を逸脱しないで幾多の変化変
形がなし得ることはもちろんである。

【図面の簡単な説明】

図面は本発明方法の具現化に要求されるフアク
タの制御を説明するための蒸気発生器の主要部材
の概略図である。 １……炉、２……燃焼室、３……粉砕機、４，
５，７，８，１１……導管、６，９……ダンパ、
１０……エコノマイザ。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 希酸に可溶性のアルカリを高含量で含有する
   石炭を、灰付着性化合物の生成を最少に抑制して
   燃焼させる方法において、前記石炭を粉砕して粒
   子の少なくとも90％が200メツシユの篩を通過す
   る粒子サイズとすると共に、燃焼域に充分な量の
   燃焼空気を供給して、該石炭の燃焼を促進させ、
   併わせて、低温度の不活性ガス媒体を燃焼域に送
   給して燃焼温度をアルカリ酸化物の還元反応の限
   界温度以下に維持して、前記灰付着性化合物の前
   駆体であるアルカリ金属蒸気の発生を抑制するこ
   とを特徴とする、石炭の燃焼法。