JP2682848B2

JP2682848B2 - 硫黄を含有する微粒状炭質燃料の燃焼装置及び燃焼方法

Info

Publication number: JP2682848B2
Application number: JP63190477A
Authority: JP
Inventors: リンフラワーズイージェンスアンドレア; ディヴィッドクーンズリジョン
Original assignee: ティアールダブリューインコーポレーテッド
Priority date: 1987-07-30
Filing date: 1988-07-29
Publication date: 1997-11-26
Anticipated expiration: 2012-11-26
Also published as: KR950007382B1; JPH01111108A; ES2009994A6; KR890002607A; DK400788A; DK400788D0; EP0301714A3; CN1036069A; EP0301714A2

Description

【発明の詳細な説明】従来の石炭燃焼ボイラ装置及び産業用炉では、直接炉
内の反応領域内で石炭を燃焼していた。これらのボイラ
や炉は、通常、全化学量論が１より大きいところで作動
される。これにより煙の発生を無くすことはできるが、
かなりの量の窒素酸化物や硫黄酸化物並びに比較的大量
の微粒子の発生を招くため、バッグハウスのような高効
率の粒子収集装置を使用する必要がある。また、これら
の炉は、単位体積当たりのエネルギ放出量が比較的小さ
いので、燃料を燃焼させかつ炎からエネルギを抽出する
のに大容積の「ファイヤボックス（火室）」が必要にな
る。

最近になって原油の価格が約７倍にも上昇している。
このため、多くの火力発電所や産業用の炉では、コスト
的に圧迫されてきている。これらのボイラや炉を、重油
又はガスを燃料とするものではなく石炭を燃料とするも
のに転換すれば、エネルギコストを非常に節約できるで
あろう。しかしながら、本来重油又はガス用に設計され
かつ構成された数メガワットの出力のボイラ内で石炭を
燃焼することを試みるとすると、克服が困難であると考
えられてきた幾つかの困難性に遭遇する。これらの困難
性とは、ボイラ内での石炭の燃焼により生じたスラグ及
びフライアッシュが炉及び対流チューブを覆ってしま
い、このため効率が著しく低下してしまうこと、硫黄酸
化物（SO_Xとも表す）及び／又は窒素酸化物（NO_Xとを表
す）を無秩序に排出することは、都市及び一般に発電ボ
イラプラントが設置されている中都市における連邦政府
機関及び地方機関によって禁止されていること、石炭を
取り扱いかつ燃焼する装置の設置に利用できるスペース
が殆どの場合に制限されていること、及び、本来重油及
びガスの燃焼用に設計されたボイラには、灰収集装置や
灰廃棄装置が設けられていないこと、等である。

本発明者らは、現存するボイラや炉に装着するのに適
した方法及び装置を開発した。これらの方法及び装置
は、燃料（例えば石炭）中の不燃性鉱物質成分の大部分
を除去できると共に、これまで実現不可能とされていた
出力密度で燃料を燃焼でき、かつ酸性雨の原因物質であ
るSO_XやNO_Xの過剰発生を避けることができるものであ
る。本発明の性能的特徴は次の通りである。

高出力密度一次燃焼室の体積１立方フィート当たり約100万Btu/h
our。

低NO_X 450ppmvよりかなり低い値（好ましくは、大気に排出
されたガスにおいて250ppmv以下）。

不燃性物質の除去最終用途としての装置（ボイラその他の熱利用装置）
の要求に基づいて、ガス状の燃焼生成物がこれらの装置
に導かれる前に、ガス状の燃焼生成物から、燃料の不燃
性鉱物質成分の80〜90％を捕捉しかつ除去する。

炭素のキャリーオーバガス状生成物がボイラその他の熱利用装置に導入され
る前に、実質的に全ての炭素が炭素酸化物に変換され
る。

信頼性燃焼器の壁の有害な腐食及び／又は侵食が商業的に受
け入れられる限度内に保たれるように、燃焼器の壁を保
護する。

熱効率最終用途としての装置に対し、炭質燃料の化学的潜在
エネルギの約85〜90％をもつガス状生成物の流れを供給
する。好ましくはこのエネルギを、その一部を顕熱とし
て供給し、他の一部をガス状生成物に含有された一酸化
炭素及び水素として供給して、最終用途としての装置内
で完全燃焼が行われるようにする。

硫黄の捕捉ガス状生成物が熱利用装置から大気中に排出される前
に、燃料中の硫黄含有成分の80〜90％をガス状生成物か
ら除去する。

米国特許第4,217,132号には、不燃性鉱物質成分を含
有する炭質燃料を燃焼する装置が開示されており、該装
置では、かような不燃性鉱物質成分を液状スラグとして
分離し、熱い燃焼生成物の流れをボイラのような熱利用
装置に導くようになっている。この装置では、固体の炭
質燃料（例えば粉末炭）が燃焼室内に噴射され、同時
に、酸化剤（例えば予熱された空気）が燃焼室内に導入
されて該燃焼室内に高速の旋回流状態が作られる。この
高速旋回流状態は、液状スラグの大部分を燃焼室の内壁
に向けて遠心力によって追いやるのに適している。上記
目的の一部に合致する別の装置が、係属中の米国特許出
願第788,929号に記載されている。

この米国特許出願第788,929号に記載の装置は、本来
的に重油及び／又は天然ガスを使用するように設計及び
構成された各種産業用の炉及び発電用ボイラに対しスラ
グ燃焼装置を適用することに固有の条件を認識しつつ広
範囲に研究開発した結果得ることのできたスラグ燃焼装
置の改良に関するものである。

本発明は、前記米国特許第4,217,132号及び米国特許
出願第788,929号に記載のスラグ燃焼装置と同格のスラ
グ燃焼装置を更に改良したものであり、より詳細には、
上記目的に合致すると同時に、SO_X及びNO_Xの排出量を低
減できるように構成されたスラグ燃焼装置に関する。

本発明によれば、熱くてフュエルリッチなガス状燃焼
生成物の流れ（米国特許出願第788,929号に記載されて
いるような装置からの流れが好ましい）が、従来のボイ
ラ又は炉へ流入する熱エネルギ搬送燃料ガスとして供給
される。これらのガス状生成物は、燃料の不燃性成分の
灰溶融温度と同じかこれよりも高く、約2,600〜3,200゜
F（約1,430〜1,760℃）の範囲内の温度であるのが好ま
しい。このガス状生成物の流れが炉に流入する所におい
て、この流れは、（１）微粉砕された石炭石のような、
アルカリ土類金属を含有した硫黄収着剤と、（２）装置
の全体的化学量論を約1.1〜1.3に増大させるのに充分な
量の補完酸化剤とに混合される。硫黄収着剤は高温のガ
ス状生成物と親密に接触しかつ混合されるため、千分の
数秒のオーダの時間内にフラッシュ焼成されて高多孔質
の固体粒子が形成される。これらの多孔性粒子は、硫黄
収着剤のアルカリ土類金属とガス状生成物に含有された
硫黄成分との反応を促進する。従って、燃料中の殆どの
硫黄含有物は、アルカリ土類金属の硫酸塩に変換され、
ガス状生成物がボイラ又は炉から大気中に排出される前
に、該ガス状生成物から除去される。本発明の方法及び
装置を使用することにより、首尾一貫してかつ反復し
て、煙道ガス内のSO_X濃度を80〜90％低減することがで
きる。本発明者らの知ることによれば、従来の発電用ボ
イラ及び産業用の炉に用いる他の石炭燃焼方法及び装置
には、硫黄酸化物の排出量をかなり低減できるものは存
在しない。

本発明の好ましい実施例においては、粉末炭のような
粉状炭質燃料が、燃焼領域の一端の中央部近くで燃焼領
域内に導入される。燃焼室の壁に隣接して酸化物と燃焼
生成物との混合物の高速旋回流を確立する方向に、酸化
剤の流れが燃焼領域内に噴射される。高出力密度の燃焼
によって、燃料が、一酸化炭素及び水素からなるガス状
の燃焼生成物と、燃料の不燃性鉱物質成分の溶融により
生じる溶融スラグとに変換される。高速の旋回流によっ
て、燃焼領域の壁の内表面に向かって殆どの溶融スラグ
が遠心力により追いやられる状況が作り出される。

燃焼領域内での状態を制御するため、酸化剤及び粉末
燃料の双方の流入速度及びマスフロー流量が独立変数と
して調整される。より詳細には、これらの独立変数を制
御することによって、本発明の装置は次のように調節さ
れる。

（ａ）燃焼領域内の燃焼温度を、燃料の不燃性鉱物質成
分の灰溶融温度より高い温度に維持すること。通常この
温度は、特定の燃料の特性によって定まり、約2,600〜
3,200゜F（約1,430〜1,760℃）の範囲内にある。

（ｂ）ガス状の燃焼生成物内の揮発したスラグ及び／又
は液状スラグの小滴のキャリーオーバを最小にするこ
と。

（ｃ）燃焼領域の全体的化学量論を約0.7〜0.9の範囲内
に維持すること。

（ｄ）燃料に含有される実質的に全ての炭素を炭素の酸
化物（例えば、CO及びCO₂）に変換すること。

（ｅ）ガス状の燃焼生成物から殆どの灰を、溶融スラグ
として分離すること。

硫黄化合物を含むガス状の燃焼生成物がスラグ収集領
域に導かれ、ここから適当なダクトを介して、従来の炉
又はボイラのような関連の熱利用装置に導かれる。燃焼
生成物が熱利用装置に導かれる時又はその直前に、補完
酸化剤及び硫黄収着剤が燃焼生成物と結合されて、約1.
1〜1.3（好ましくは約1.2）の化学量論を達成する。急
速混合の結果、付帯温度は、最大限の硫黄捕捉が行われ
る、少なくとも約2,300゜F（約1,260℃）の温度に下降
する。導入すべき硫黄収着剤の好ましい量は、アルカリ
土類金属／硫黄のモル比を約２〜５にするのに充分な量
であり、これは、石炭内の硫黄含有量及び減少させるべ
きSO_Xの度合によって定められる。上記モル比は、約2.5
〜3.5の範囲にするのがより好ましい。使用する石炭の
種類によっては、60〜90％の範囲内でSO_Xを減少させる
ことができる。二次酸化生成物から熱が抽出され、消費
された硫黄収着剤は少量のフライアッシュと共に、バッ
クハウスのような適当な手段によって収集される。

補完酸化剤は、ガス状生成物がスラグ回収領域から出
る後まではガス状生成物に付加しないのが好ましい。ス
ラグ回収室内の化学量論は、約0.7〜0.9の範囲内のフュ
エルリッチに維持され、これにより、窒素酸化物の形成
が最小限になる。また、スラグ回収室内の温度が灰溶融
温度以上の温度に維持されるため、残留不燃性物質を溶
融スラグの形で容易に除去することができる。従って、
実質的に全てのスラグが除去されたガス状生成物は、ス
ラグ回収室から関連する熱利用装置に流入し、このとき
ガス状生成物は、顕熱の形をなす運動エネルギとCO及び
H₂の実質的な濃度の形をなす位置エネルギの双方を運ぶ
燃料ガスの高速旋回流の形をなしている。この旋回流が
スラグ回収室を出るときの温度は、燃料の不燃性成分の
灰溶融温度以上の温度であり、使用される燃料の特性に
基づいて、約2,600〜3,200゜F（約1,430〜1,760℃）の
範囲内にある。

ガス状生成物が熱利用装置に流入する所で、２つの目
的のために補完酸化剤が付加される。第１の目的は、燃
料のガスを完全燃焼させて炉又はボイラ内の全体的化学
量論を約1.1〜1.3にすることであり、このため充分な量
の補完酸化剤（例えば空気）が付加される。第２の目的
は、硫黄収着剤がガス状生成物と混合される前又は混合
のしばらく後において、硫黄収着剤の粒子の死焼を避け
るのに充分低い温度レベルまでガス状生成物の温度を下
げることである。ガス状生成物の温度は、ガス状生成物
が熱利用装置内に導かれた僅かに後で、少なくとも約2,
300゜F（約1,260℃）まで下降される。勿論、補完酸化
剤の付加によって、ガス状生成物内に含有されているCO
及びH₂が燃焼され、これに付随して、炎の温度を上昇さ
せる傾向をもたらす熱エネルギが放散される。この傾向
は、ガス状生成物からの熱エネルギがボイラのより冷た
い水管壁に放射伝達されること、及びボイラ又は炉内を
循環する冷たいガスと混合されることによって相殺され
る。本発明の重要な特徴は、硫黄収着剤の迅速焼成を行
うのに最適な条件下で、硫黄収着剤（例えば、粉末石灰
石）と実質的にスラグが存在しないガス状生成物とを急
速混合させて、硫黄収着剤を、ガス状生成物内に含まれ
た硫黄化合物の捕捉を行うための反応性を高めることが
できる物理的性状にすることである。スラグ回収室から
流出する比較的スラグの少ないガス状生成物は、強力な
トーチのような放射エネルギ源として機能する。導入さ
れた硫黄収着剤（例えば、炭酸カルシウム）がガス状生
成物と親密に混合されない場合には、硫黄収着剤は殆ど
瞬間的に焼成されて、千分の数秒のオーダの通過時間内
にCa0とSO₂とに分解される。この急速焼成の結果、表面
積／重量の比が非常に大きなカルシウム酸化物の高多孔
質粒子が形成され、このため、Ca0とSO₂及び他の硫黄種
との接触能力が向上し、従って、ガス状生成物が熱利用
装置から大気中に排出される前に、ガス状生成物から硫
黄を除去する能力が飛躍的に向上する。

本発明の方法及び装置によれば、炭質燃料の燃焼によ
るエネルギの発生中に非常に効率良く硫黄を回収するこ
とができ、できる限り高レベルで固体の不燃性物質を除
去すると同時に窒素酸化物の発生を最小にし、かつ、ガ
ス状生成物が関連の熱利用装置（該熱利用装置の中で、
ガス状生成物の硫黄含有成分と硫黄収着剤とが反応す
る）に導入される前に、溶融スラグの80〜90％を収集か
つ除去することができる。

本発明によるこれらの改良点は、微粒状の炭質燃料及
びオキシダントを使用し、オキシダントによって炭質燃
料を迅速着火しかつ動流体力学的場の中で反応させる、
本発明の方法及び装置によって達成される。

本発明の好ましい実施例による装置は、次の機械的ユ
ニット、すなわち、予燃焼器と、一次燃焼室と、スラグ
収集ユニット及び炉に連結されたダクトと、二次酸化バ
ーナに補完オキシダントを導入する手段と、スラグ収集
ユニットから流出するガス状生成物が炉の中に流入する
とき又はその僅かに前に、ガス状生成物に硫黄収着剤を
付加する手段とを有している。

本願明細書において使用する「微粒状炭質燃料」なる
用語には、不燃性鉱物質を含有する炭素含有物質であっ
て、自由粒子としてキャリヤ流体内に懸架されるか、ス
ラリのような分散状態の燃料として与えられるものを意
味している。代表的な炭質燃料としては、石炭、チャ
ー、固形廃棄物回収作業の有機残留物、液体中に分散可
能なタリーオイル等がある。原理上、炭質燃料は、一次
燃焼室内で分離した小滴又は粒子として素直に分散する
ことができかつ一次燃焼室内で燃焼してH₂及びCOを含む
ガス状生成物の高速流を形成する全ての材料を含んでい
る。典型的な炭質燃料としては、粉末炭がある。

「オキシダント」なる用語は、空気又は酸素濃縮空気
を意味する。

「キャリヤ流体」なる用語は、不活性なガス又は流
体、或いはオキシダントを意味する。オキシダントは好
ましいキャリヤガスであり、水は好ましいキャリヤ液体
である。

「スラグ燃焼装置」なる用語は、米国特許第4,217,13
2号明細書及び米国特許出願第788,929号明細書に示され
ているような汎用の燃焼装置であって、ガス状生成物か
ら大部分の灰を溶融スラグとして分離除去できる条件下
で、炭質燃料（例えば粉末炭）を燃焼できる燃焼装置を
意味する。

「アルカリ土類金属」なる用語は、周期表のII（ａ）
族に属する元素、特にカルシウム及びマグネシウムを意
味する。

「硫黄収着剤」なる用語は、ガス状生成物内に含有さ
れる硫黄化合物と反応するのに適した材料であって、従
来のバッグハウス又は煙道ガスが大気中に排出される前
に該煙道ガスから微粒状の固形物を除去する他のサブシ
ステムにより収集できる固形物の形で、硫黄含有成分の
殆どを除去できる材料を意味する。アルカリ土類金属と
しては、ガス状の燃焼生成物内に含有される硫黄化合物
と反応するあらゆるアルカリ土類金属を使用することが
でき、例えば、微粉砕された石灰石のようなカルシウム
化合物、ドロマイト、炭酸マグネシウムのようなマグネ
シウム化合物等を使用することができる。好ましい硫黄
収着剤としては、粒子の約70％が200メッシュの篩を通
ることができる粒子サイズをもつ粉状石灰石がある。

第１図、第２図、第2A図及び第３図は、本発明による
好ましい作動装置を示すものであり、短くてコンパクト
な円筒状の予燃焼器10内ではオキシダクトのプリコンデ
ィショニングが行われ、予燃焼器10には実質的に全ての
第１オキシダントが供給される。第１オキシダントの一
部は導管12に導入され、その一部は、全炭質物供給量の
約10〜25％を燃焼するのに使用され、第１反応生成物が
形成される。第１オキシダントの第２部分は、導管14か
ら予燃焼器10に流入して第１反応生成物と混合し、制御
された方法で一次燃焼室（又は、一次燃焼器）16へと向
かって流される、熱くてオキシダントの濃いガス流を形
成する。このオキシダントの濃いガス流は、予燃焼器10
の燃料及び不燃性物質（該ガス流の体積全体に亘って分
散された、現に燃焼中の炭質物粒子をも含む）のあらゆ
る残留物を捕捉して流れる。予燃焼器10の出口温度は約
1,500〜2,000゜F（約800〜1,100℃）の範囲内又はそれ
以上の温度になるであろう。

作動に際し、予燃焼器10内の微粒状炭質物（殆どの場
合、固体である）は、予燃焼器10のヘッド端における強
い旋回ガスの場（フィールド）の中に導入される。この
導入は、中央に配置されたインジェクタ（図示せず）を
通して行われ、該インジェクタによって、第１オキシダ
ントの旋回流の場の中に混入される微粒状炭質物の円錐
状の流れが作り出される。一旦点火がなされた場合、第
１オキシダント（すなわち一次オキシダント）及び結果
として生じる反応生成物の旋回流の場によって、熱いガ
スと燃焼粒子との強い循環領域が形成される。予燃焼器
10の形状は、オキシダントとして空気が使用されかつ該
空気が約300゜F（約150℃）以上の温度で導入される場
合には、予燃焼器10が自燃できる形状になっている。予
燃焼器10は、該予燃焼器10内にいかなる固形物又は液状
スラグも残留しないようにするため、あらゆる流れが予
燃焼器10のヘッド端から、矩形の出口18に向かって流れ
るように構成するのが望ましい。予燃焼器10の上記出口
温度を維持するため、第１オキシダントの流れに流入す
る微粒状炭質物のマスフロー流量を制御することによっ
て、すべての化学量論（atoichiometry）が調節され
る。

予燃焼器10内で生成された、加熱された第１オキシダ
ント及び反応体は、矩形の出口18を通って、予燃焼器10
と同様に円筒状の形状をもつ一次燃焼器16内に流入す
る。この予燃焼器10からの排出流は、一次燃焼器16の内
壁に対して実質的に接線方法に導入される。予燃焼器10
の矩形の出口18のサイズは、一次燃焼器16の軸線に平行
な方向の寸法の方が、一次燃焼器16の軸線に垂直な方向
の寸法よりも大きくなるように定められている。矩形の
出口18の長・短片の長さ比は、2.5:1とするのが望まし
い。予燃焼器10の矩形の出口18の中心線は、該予燃焼器
10の長手方向軸線と整合する位置で、かつ、一次燃焼器
16のヘッド端20から孔あきバッフル22に至る距離の約1/
3〜1/2の長さだけ、一次焼成器16の長手方向軸線の中間
点から上流側に配置するのが望ましい。

予燃焼器10の矩形の出口18の位置を上記のように配置
することによって、予燃焼器10からの排出流によって旋
回運動を引き起こし、この旋回運動を一次燃焼器16内の
流れに伝達させることができる。予燃焼器10の矩形の出
口18の領域内に配置されたダンパプレート24を用いて、
予燃焼器10からの出口速度を330f/s（約100m/s）に制御
することによって、一次燃焼器16への広範囲の燃料供給
量に亘って満足のいく燃焼結果が得られることが判明し
ている。第２図に示すように、予燃焼器10の矩形の出口
18を上記位置に配置することによって更に、予燃焼器10
殻の排出流を２つのほぼ同じ流れ、すなわち、一次燃焼
器16のヘッド端20に向いて内壁に沿って旋回する第１の
流れと、一次燃焼器16の出口に向いて内壁に沿って全体
として螺旋状に移動する第２の流れとに分割することが
できる。ヘッド端20に向かって流れる旋回流の軸線方向
の速度成分は、ほぼ50f/s（約15m/s）の比較的小さな速
度である。この流れは、一次燃焼器16のヘッド端20にお
いて内方に反転され、次いで、一次燃焼器16の出口に向
かって軸線方向に逆流するが、この間、一貫して螺旋状
に流れる。一次燃焼器16の出口端には、該一次燃焼器16
の長手方向軸線に対して垂直に配置されたバッフルプレ
ート22が設けられており、該バッフルプレート22のほぼ
中央には孔が形成されている。

炭質物燃料の大部分は、燃料噴射装置28を介して、ヘ
ッド端20のほぼ中央部から一次燃焼器16内に導入され
る。燃料噴射装置28は、ヘッド端20から、矩形の出口18
の僅かに上流側の位置に向かって、一次燃焼器16内に延
入している。この燃料噴射装置28は、微粒状の炭質物
を、ガス又は液体のキャリヤ内の固形物として、旋回流
の場の中に円錐状の流れパターンをなして導入させるこ
とができる。

上記のように、一次燃焼器16内に流入する加熱された
第１酸化剤の流れは２つの流れに分割される。すなわ
ち、予燃焼器10からの排出流の約50％が一次燃焼器16の
ヘッド端20に向かって流れ、ここでのフュエルリッチ領
域において、約0.4〜0.5の全ヘッド端化学量論で燃料の
点火が行われる。流入する酸化剤の残部は、一次燃焼器
16の出口端すなわちバッフルプレート22に向かって流れ
る。高速で旋回する流れの場に対して円錐状のパターン
で燃料噴射を行なうことによる相互作用によって、燃料
と、加熱された酸化剤と、燃焼生成物とを迅速かつ緊密
に混合することができる。燃料の可燃性物質の大部分
は、加熱された酸化剤の流れの場を通って飛行するとき
に酸化され、反応熱の形態のエネルギを出して、結果と
して生じる燃焼生成物を更に加熱する。自由に飛行する
粒子は、一次燃焼器16の内壁に沿うようにして出口端に
向かって全体として螺旋状に流れるが、この点に関して
は、係属中の米国特許出願第788,929号においてより広
範囲に亘って記載されている。

一般的な作動において、燃料の炭素含有量の一部（12
％以上にならないことが望ましい）が、未燃焼カーボン
（通常は燃焼可能な炭）の形態をなして一次燃焼器16の
内壁に到達し、燃焼し続ける。250ボアズの粘度をもつ
溶融スラグの層が、空気力学的な牽引力及び重力に応答
して、一次燃焼器16の出口端のバッフル22に向かって該
一次燃焼器16の内壁に沿って螺旋状に流れる。一般に燃
料の燃焼は粒子の迅速加熱により行われ、これにより、
全可燃性物質の30〜50重量％のオーダで存在する揮発性
有機物がガス化される。残余の部分は、主として一次燃
焼器16内を飛行中に燃焼されて、実質的に微粒炭とな
る。

一次燃焼器16のヘッド端20において発生されたフュエ
ルリッチなガスは、旋回流を維持しつつ出口端のバッフ
ルプレート22に向かって流れ、最終的には該バッフルプ
レート22により一次燃焼器16の中心に向かって追いやら
れて、燃料とフュエルリッチなガスとが反応する。これ
により、一次燃焼器16の全化学量論が約0.7〜0.9のレベ
ル（好ましくは約0.7〜0.8のレベル）になり、一次燃焼
器16の排出生成物として、CO及びH₂に富む熱い燃焼生成
物の流れを産出し、ここから、不燃性物質の大部分が液
体状スラグとして除去される。

一次燃焼器16の内部での混合及び反応は、該一次燃焼
器16の中心線に沿って流れる強い二次循環液（この二次
循環流は、全体として、一次燃焼器16のヘッド端20に向
かってその中心線に沿って流れる）によって更に高めら
れる。この二次循環流も螺旋状に旋回して流れ、その軸
線方向の速度成分は一次燃焼器16のヘッド端20の方を向
いている。更にこの二次循環流は、一次燃焼器16内にフ
ュエルリッチな核部を形成する。反対方向に流れるこの
核部の平均直径及びマスフロー流量は、予燃焼器10の出
口の流速及び一次燃焼器16のバッフル22の孔26の直径の
選定によって決定され且つ制御される。予燃焼器10の好
ましい出口速度は、約330f/s（約100m/s）である。一次
燃焼器16の直径に対するバッフル22の孔26の直径の比
は、約0.5以上にするのが望ましく、これにより、一次
燃焼器16内での点火制御及び全体の燃焼を向上させる理
想的な二次循環流を生じさせることができる。

バッフル22の孔26のほぼ半径の位置から、一次燃焼器
16の中心線の位置まで内方に向かって、接線方向の速度
は実質的にゼロに減少する。この旋回流の場は、燃料の
粒子をその燃焼の早期段階において半径方向に加速し、
同時に、約10ミクロンまで燃え尽きた粒子を溶融スラグ
として一次燃焼器16に捕捉させる。

燃料噴射装置28は、溶融スラグをその外表面に沿って
ヘッド端20から、微粒状炭質物燃料の噴射点に向かって
流すことができるように設定されている。燃料噴射装置
28の外表面が溶融スラグによって非常に高温になってい
るため、保炎体（フレームホルダ）として機能し、燃料
粒子が燃料噴射装置から噴射されたときに該燃料粒子を
確実に瞬間的に着火し、従って、燃焼を促進して完全燃
焼が行われるようにする。作動に際し、燃料噴射装置28
に沿って流れるスラグは、固体粒子の噴射点に届かない
位置で剥がれ落ち、ヘッド端で発生されたフュエルリッ
チなガスの強い放射及び着火を行う小さな点中心を与え
る。

ガス状のキャリヤ流体が使用されるとき、微粒状の炭
質物燃料が、密度相移送（dense−phase transport）に
よって一次燃焼器16内に運ばれる。このとき、通常の出
力レベルにおける、キャリヤ流体に対する固体の比は、
重量で約3:1〜約10:1の範囲内にある。キャリヤ流体に
対する固体の比を上記範囲内で調節することによって、
一次燃焼器16内での燃焼状態を制御するための別の独立
可変手段が与えられる。燃料が液体スラリーとして供給
される場合には、キャリヤ流体に対する燃料の重量比と
して、2:1以上の比率を用いることができる。一次燃焼
器16内での燃焼生成物は、溶融スラグ層の温度を燃料の
灰溶融温度以上の温度に維持するのに充分な程に高く、
250ボアズの粘度をもつ溶融スラグ層を充分に維持でき
る温度にするのが望ましい。これにより、スラグは一次
燃焼器16の内壁に沿って自由に流れることができる。一
次燃焼器16の金属壁へのクーラントすなわち冷却材の流
れが制御され、微粒状燃料のマスフロー流量が制御さ
れ、予燃焼器10からの酸化剤のマスフロー流量及び速度
も又独立的に制御される。これらの独立変量を調和して
調節することにより、スラグの蒸発を避けることがで
き、一次燃焼器16の金属壁上にスラグの保護層を維持で
き、かつ、このスラグ保護層の上を液体スラグがスラグ
処理装置に向かって連続的に流れることができる温度範
囲に、一次燃焼領域の温度範囲を保ことができる。一次
燃焼器16のヘッド端領域及び核部でのフュエルリッチな
燃焼により、NO_Xを環境基準レベルまで容易に下げるこ
とができる。

予燃焼器10及び一次燃焼器16の壁は、チューブを全体
として円周方向に巻回した、水冷形のチューブ・膜構造
として作るのが望ましい。このチューブ・膜構造には更
に、スラグ保持スタッドが設けられる。予燃焼器10及び
一次燃焼器16の内壁は、約0.5インチ（約13mm）を有し
かつ前記スラグ保持スタッドで止められた犠牲耐火材料
で最初にライニングしておく。作動に際し、この犠牲耐
火材料は、溶融スラグを薄い凍結層として該犠牲耐火材
料に密接させ、残りのスラグがこの凍結スラグ層の上を
流れることができるようにするために使用される。長期
間の作動後は、この犠牲耐火材料が侵食される（すなわ
ち、犠牲になる）。しかし、そのように侵食されたすべ
ての部分は、直ちに凝結スラグと置換される。犠牲耐火
材料の層と、凍結スラグの層と、溶融スラグの層とのこ
の組み合わせによって、溶接されたチューブ・膜構造の
熱的保護及び化学的保護がなされる。失われた全ての犠
牲耐火材料は、局部的なスラグの流れによって自己補充
される。冷却回路を適宜設計することによって、壁の温
度を約325〜600゜F（約163〜316℃）に制御することが
でき、これにより酸性化合物の凝縮を防止し、従って腐
食を最小限に留めることができる。

スラグが適度に流れるようにして、一次燃焼器16の底
部に過剰のスラグが堆積しないようにするため、一次燃
焼器16の長手方向軸線を水平に対して或る角度で傾斜さ
せておくのが望ましい。全体的にスラグは、空気力学的
な牽引力により、一次燃焼器16の壁に沿ってその出口の
バッフル22に向かって螺旋を描くようにして移動させら
れる。しかしながら、空気力学的牽引力よりも重力の方
が大きいために、スラグが壁に向かって流れるとき、大
部分の溶融スラグは一次燃焼器16の底部に流れ、底部に
集められたスラグはバッフルプレート22に向かって流れ
る。バッフルプレート22には、その孔26から一次燃焼器
16の底壁まで延在している、「キー溝」のような矩形の
スロット（図示せず）が設けられている、この矩形のス
ロットにより、スラグは、一次燃焼器16の底壁に隣接し
つつバッフルプレート22を通過して流れることができ
る。200メッシュの石炭を燃焼するとき、ガス状の燃焼
生成物の流れから石炭の不燃性含有物の80〜95％が除去
されかつ液状スラグとして捕捉されて、バッフルプレー
ト22の下流側に設けられたスラグ回収チャンバ30の底部
に配置されたスラグ取り出しサブシステムを通して処理
される。

一次燃焼器16の直径に対する長さの比を、公称的に2:
1とし、一次燃焼器16の直径に対するバッフル22の直径
の比を0.5以上とし、上記のように200メッシュの石炭を
自由飛行燃焼させることによって、燃料が一次燃焼器16
を通過する前に、燃料の実質的に全ての炭素成分がCO及
びCO₂に変換されるため、実際上、未燃焼カーボンが一
次燃焼器16の外部に排出されることはない。一次燃焼器
16からの燃焼生成物及び液状スラグは、スラグ回収チャ
ンバ30内に流入する。スラグ回収チャンバ30の直径を、
一次燃焼器16の直径と同じ又はそれ以上の大きさにし、
スラグ回収チャンバ30の軸線方向長さを、その直径にほ
ぼ等しくするのが望ましい。スラグ回収チャンバ30の底
部にはスラグ取り出し孔32が設けられてあり、その頂部
には円形の孔設けられている。この円形の孔は、最終用
途としての装置36まで延びているダクト34に連結できる
移行部の形状を形成している。図示のように、ダクト34
は一次燃焼器16の軸線に対して或る角度をなしてスラグ
回収チャンバ30から延びており、かつ、燃焼生成物の流
れを最終用途としての装置36に向かって水平に方向転換
する前の部分が、約１〜２の直径に対する長さ比をもっ
て延在している。スラグ回収ユニット（セクション）す
なわちスラグ回収チャンバ30は更に、一次燃焼器16のバ
ッフル22と出口40との間に充分な距離を与えていて、バ
ッフル22から出るガス状の燃焼生成物内の残留スラグの
小滴の大部分をスラグ回収チャンバ30の壁上に捕捉でき
るようになっている。

スラグ回収セクションすなわちスラグ回収チャンバ30
は、バッフルプレート22と共働して、一次燃焼器16の核
部の中に螺旋状に逆流する熱い循環ガス源を作り出して
いる。通常、このフュエルリッチな核部は、一次燃焼器
16のバッフルプレート22の孔26の直径の約70〜75％であ
る。これにより、バッフルプレート22の孔26から出る燃
焼生成物の流れの接線方向速度及び軸線方向速度が増大
する。この流れの中のスラグの小滴は、スラグ回収チャ
ンバ30の壁に向かって更に加速され、溶融スラグとして
捕捉される。より重要なことは、フュエルリッチガス
（これらのフュエルリッチガスは、最終用途としての装
置36に供給されかつ本発明による硫黄回収技術の一体部
として作用する）の高速旋回流が、スラグ回収チャンバ
30内に維持されることである。捕捉されたスラグは、ス
ラグタンク38内に収集される。減少された状態にある燃
焼生成物がスラグ回収チャンバ30を出て、最終用途とし
ての装置36（図面には、最終用途としての装置36として
の炉又はボイラの前壁42が示してある）に導かれる移行
ダクト（すなわち出口）40に流入する。

移行ダクト40のまわりにはウインドボックス（風箱）
44が配置されており、該ウインドボックス44には補完オ
キシダントのダクト48が連結されている。ダクト40を出
る燃焼ガスは、炉タイル46に隣接する環状の開口部50か
らの二次オキシダントと結合して、熱利用装置内の燃料
ガスの燃焼を完全に行うのに適した混合物を形成する。
オキシダントエアのドア52により、収斂ダクト54へのオ
キシダントの流れが制御され、これにより、炉を、約1.
1〜1.3（好ましくは約1.2）の範囲内の所望の化学量論
に維持する。

接線方法の噴射装置56（第２図）又は単一の管状噴射
装置58（第2A図）のような適当な手段を用いて、本発明
の装置内に硫黄収着剤が導入される。管状噴射装置装置
58としては、例えば米国特許第4,386,443号に開示され
ている形式の同軸ピントルインジェクタ組立体を用いる
ことができる。

燃焼ガスは種々の形の硫黄成分を含んでおり、主成分
は二酸化硫黄（SO₂）である。存在する可能性のある他
の成分は、三酸化硫黄（SO₃）、カルボニル塩化物（CO
S）、酸化水素（H₂S）及び二硫化炭素（CS₂）である。
これらが補完オキシダントと結合するとき、これらは二
酸化硫黄に変換される。

硫黄収着剤のアルカリ土類金属は、有効温度が非常に
高くなる前に（すなわち、運動エネルギによって逆反応
が生じる前に）、二酸化硫黄と反応する。従って、有効
温度が約2,300゜F（約1,260℃）以下の状況下で、硫黄
収着剤と、補完オキシダントと、硫黄成分とを結合させ
ることが要求される。

カルシウム化合物の場合、2,300゜F（約1,260℃）以
下の温度で「か焼」（カルシネーション）すると、二酸
化硫黄に対して非常に強い反応性をもつ材料が形成され
る。これは、次のようにして行われる。すなわち、ダク
ト40を出る燃焼ガスは、硫黄収着剤及び補完オキシダン
トの双方と完全に混合される。補完オキシダント（例え
ば空気）をガス状の生成物と混合すると、ガス状生成物
の平均温度が、1,600〜2,300゜F（約870〜1,260℃）、
好ましくは約2,000゜F（約1,090℃）に低下する。これ
らの事象は、１〜10秒のオーダの粒子通過時間内で、か
つ、ガス状生成物が炉36内に流入する点から約３〜12フ
ィート（約0.9〜3.6m）以内の距離の所で行われるのが
望ましい。この領域においては、次のような簡単な反応
によって、硫黄の捕捉が行われる。

CaCO₃加熱CaO＋CO₂（か焼） 2CaO＋2SO₂＋O₂→2CaSO₄（硫酸塩の形成）この硫黄捕捉反応は、温度に正比例する運動エネルギ
によって可逆的に反応するため、温度が約2,300゜F（約
1,260℃）以上に上昇することは好ましくない。

石灰石のようなカルシウム化合物は、か焼の工程中
に、ガスの発生と硫黄捕捉のための最大面積に露呈され
る熱応力との組み合わせによって、細分化される。石灰
石は最も安価なアルカリ土類金属の硫黄収着剤であって
好ましいものであるが、他の適当な硫黄収着剤として
は、ドロマイト、水和石灰石、圧力水和石灰石等があ
る。

熱利用装置（例えばボイラ又は炉）36への流入時にお
いて、スラグ回収チャンバ30からのガス状生成物は、ボ
イラ又は炉への全流入量の約75〜85％を構成している。
従って、かようなガス状生成物は、硫黄収着剤の急速か
焼を行うための豊富な熱エネルギを形成する。また、か
ようなガス状生成物は、硫黄収着剤と補完オキシダント
とを完全に混合してガス状の流れにすることを助ける旋
回流の運動エネルギをも与える。従って、ガス状生成物
の中に含まれる硫黄成分は、炉又はボイラに流入後数秒
のオーダの時間内に、約1,600〜2,300゜F（約870〜1,26
0℃）、より好ましくは約1,800〜2,000゜F（約980〜1,0
90℃）の温度範囲内で硫黄収着剤と接触する。

別の方法として、第2A図に示すように、ガス状生成物
がスラグ回収チャンバ30から出た直ぐ後の所でピントル
弁すなわち管状噴射装置58によって硫黄収着剤をガス状
生成物の中に導入してもよい。この間これらのガス状生
成物の温度は、灰溶融温度以上の温度にある。このこと
は、2/1000〜20/1000秒のオーダの時間内で迅速なか焼
を行うのに都合がよい。また、この間、硫黄収着剤は、
数分の１秒の通過時間内で低温度の環境（すなわち、炉
又はボイラ）内に運ばれるため、硫黄収着剤の格子構造
すなわちマトリックス構造における「死焼」（dead bur
ning）又は構造変化を避けることができる。

このタイムフレームにおいて、粒子はバルクガス温度
に到達する機会がなく、かつ、粒子の周囲の状況は約2,
300゜F（約1,260℃）以下の有効温度に維持される。ボ
イラにおいては、幾つかの冷却メカニズムの組み合わせ
によって、ガス状生成物が約1,800〜2,000゜F（約980〜
1,090℃）の低い温度状況に迅速に冷却される。幾つか
の冷却メカニズムとは、より冷たいボイラの水管壁への
放射熱の伝播、ボイラ又は炉内を循環する冷たいガスと
の対流による混合、及び、硫黄収着剤と同時又は別個に
導入されかつボイラ内でガス状の燃焼生成物と混合され
た付加的な二次オキシダントとの混合等である。

2,300゜F（約1,260℃）以上の高温では、逆反応（CaS
O₄からSO₂への分解）が活発になるため、炉内の温度を
2,300゜F（約1,260℃）以上にすることは避けるべきで
ある。しかしながら、本発明者らの経験によれば、硫黄
を捕捉するための多孔質が維持され、硫黄収着剤の能力
に悪影響を与えない限り、2,300゜F（約1,260℃）の短
時間のエクスカーションは許容できることが分かってい
る。硫黄収着剤としては、ほぼ200メッシュより小さい
サイズの石灰石の粒子を使用するのが望ましい。硫黄の
捕捉能力は、粒子のサイズによって特に影響を受けるこ
とはないことが分かっているが、約0.5〜70ミクロンの
範囲の粒径の粉末硫黄収着剤によって良い結果を得るこ
とができる。

本発明の重要な特徴は、スラグ燃焼装置によって、ガ
ス状生成物がダクト40を通って炉36に流入する前に、こ
のガス状生成物から不燃性鉱物質の80〜90％を除去でき
ることである。このことは、もしも硫黄収着剤にフライ
アッシュのような固体物質が接触するようなことがある
と、硫黄収着剤が奪活されて硫黄を有効に捕捉できなく
なってしまうことを考慮すれば、極めて重要な効果であ
るといえる。混合及び希釈による冷却に加え、炉壁への
放射及び冷たい炉ガスの逆流によって、所望の温度への
付加的な冷却が生じる。二次オキシダントの導入は、回
転流或いはダクト40を出る燃焼ガスの流れ方向に対して
並流又は向流のいずれか任意の方向で行うことができ
る。

硫黄収着剤は、粒子の滞留時間を短くして粒子が「死
焼」することがないようにするため、オキシダント又は
燃焼生成物と一緒に導入することができる。第４図に
は、硫黄の捕捉をCa/Sのモル比の関数として示してあ
る。第４図に示された曲線は、第2A図に示したような硫
黄収着剤噴射装置を備えた装置の数回の運転結果と良く
合致するものである。使用された硫黄収着剤は、Vicron
^TM200石灰石及び等級が異なる石炭である。これらの硫
黄収着剤を比較したところ、互いに同程度の性能を有し
ており、約2.5〜3.5のCa/Sモル比において硫黄を80〜90
％減少させることができた。石炭の硫黄含有量が小さい
とき、等量のSO₂を減少させるためには、より大きなCa/
Sモル比が必要になる。従って、Ca/Sモル比の範囲は、
約２〜５以上（好ましくは約2.5〜3.5）になる。

第2A図に示すように、燃焼生成物の中に直接硫黄収着
剤を噴射するときは、二次オキシダントの中に硫黄収着
剤を噴射する場合に比べ、他のすべてのファクタを同じ
としても、硫黄捕捉能力が僅かに大きいように思われ
る。硫黄の捕捉は、ボイラ34への二次オキシダントの導
入点から４〜12フィート（約1.2〜3.6m）の間の領域に
おいて完全に行われる。

第３図は、40MM BTU/hourの公称電力定格をもつスラ
グ燃焼装置を示すものであり、該スラグ燃焼装置は、水
冷形の内・外壁をもつ熱抽出モジュール58の組立体を備
えているボイラシミュレータ56に連結されている。内壁
は、典型的な炉の放射特性を良くシミュレート（模擬）
することができる。一次燃焼器16からのダクト34が熱抽
出モジュール58の一端すなわち前壁42に連結されてとお
り、一次燃焼器16では第１段階の燃焼が行われて、約0.
7〜0.9の酸素対燃料比（酸素／燃料）をもつフュエルリ
ッチな燃焼生成物の旋回流を生じさせる。一般に、以下
に述べる試験に用いられるように、スラグ燃焼装置は次
のことを行うように制御された。すなわち、（ａ）ガス状生成物から、約70〜80％の不燃性鉱物質を
除去すること、及び、（ｂ）ボイラシミュレータ56に、約2,600〜3,200゜F
（約1,430〜1,760℃）の温度のガス状生成物の流れを与
えることである。

オキシダント・硫黄収着剤噴射装置44と一体化された
ダクト34は、約1.1〜1.3（好ましくは約1.2）の化学量
論で作動するボイラに供給する。

SO₂の減少のための適正な条件を得るには、化学量論
を入念に制御することが重要である。

一般に燃焼ガスは、約2,600〜3,200゜F（約1,430〜1,
760℃）の温度でかつ約0.7〜0.9の化学量論で、高速旋
回流をなしてボイラに流入する。全体的な化学量論を約
1.2に増大するには、充分な量のオキシダントを導入す
る。また、燃料の硫黄含有量に基づいて硫黄収着剤を導
入すれば、約２〜５（好ましくは、約2.5〜3.5）のCa/S
モル比を得ることができる。硫黄収着剤による硫黄化合
物の除去が迅速に行われる場合には、硫黄収着剤及び補
完オキシダントの希釈と、放射熱伝達と、冷たい炉ガス
の逆流との組み合わせによって、ガス温度は約2,000゜F
（約1,090℃）以下に低下する。ボイラシミュレータ56
を通過した後のガスは対流セクション60に流入し、ここ
で付加熱が除去された後、急冷チャンバ62に流入して水
噴射により冷却される。ガスは最後にスクラバ64に流入
する。ここでは、これまでに消費（又は部分的に消費）
された硫黄収着剤及びスラグ粒子であって、未だ回収を
免れている硫黄収着剤及びスラグ粒子が、排気生成物が
大気中に排出される前に、収集される。本発明による硫
黄捕捉効果を、次に示す実際の試験例で実証するが、こ
の試験例は本発明の範囲を制限するものではない。

例１２種類の石炭が評価された。一方の石炭は、Pittsbur
gh No.8であり、約２％の硫黄を含有しており、他方の
石炭は、Wyoming Rosebudであり、約0.6％の硫黄を含有
している。試験に供された硫黄収着剤は、Pfizer社の製
造・販売に係る炭酸カルシウムについてのVicron^TMの商
標名をもつ粉末石灰石、及び加圧水和ドロマイト石灰で
ある。第１の試験は、Pittsburgh No.8石炭と粉末石灰
石について行った。二酸化硫黄（SO₂）減少率は、３のC
a/Sモル比において約90％であった。この試験は繰り返
して行ったが、同一の結果が得られた。次に、Vicron^TM
の硫黄収着剤を使用したところ、３のCa/Sモル比におい
て二酸化硫黄を同様の減少率で減少させることができ
た。

次の試験では、Wyoming Rosebudの石炭と、Vicron^TM
の硫黄収着剤とを使用した。約0.6％の比較的少ない硫
黄成分をもつこのWestern石炭であっても、約70〜90％
の優れた硫黄捕捉能力が得られることが分かった。

前述のように、40MM BTU/hourの公称電力定格をもつ
スラグ燃焼装置に、第３図に示すボイラシミュレータ56
を連結した。予燃焼器10への空気供給温度は、100〜500
゜F（約38〜260℃）であった。1,500〜2,000゜F（約810
〜1,090℃）のオキシダント（空気）を供給するため、
予燃焼器10で約25％の粉末石炭を消費した。スラグ燃焼
装置すなわち一次燃焼器16には、熱い空気が接線方向に
導入された。

石炭は、予燃焼器10及び一次燃焼器16の全体に稠密相
をなして、約1.5トン／時間の割合で供給された。ボイ
ラシミュレータ56内でのバルクガスの流れ抵抗は、約4.
5秒であった。一次燃焼器16に流入する燃焼生成物の温
度は、3,000゜F（約1,650℃）であった。流入する二次
空気の温度は約450゜F（約230℃）であり、生成された
排気生成物の出口温度は、1,800〜2,000゜F（約980〜1,
090℃）であった。

例２上記例１において説明しかつ第３図に示したように組
み合わされたスラグ燃焼装置及びボイラシミュレータを
作動し、かつ２つの硫黄収着剤すなわちVicron^TMとMarb
lewhite^TMとを用いて、Ohio No.6石炭についての硫黄捕
捉試験を行った。両試験共、条件を一定不変にして行っ
た。Vicron^TMの一般分析結果とVicron^TM及びMarblewhit
e^TM200の化学分析結果とを表１に示してある。Ohio No.
6の平均粒子サイズは、約５ミクロンであった。篩分け
試験によるVicron^TMとMarblewhite^TM200の平均粒子サイ
ズは約50ミクロンであった。予備試験では、Vicron^TMと
Marblewhite^TM20とが同じ振る舞いをすることを示して
おり、両者共に、約２のCa/Sモル比において45〜80％の
硫黄を除去し、約３のCa/Sモル比において55〜90％の硫
黄を除去した。この場合、硫黄の捕捉は、二次空気がボ
イラシミュレータに流入する点から４〜12フィート（約
1.2〜3.6m以内の所、及び第３図に示されたボイラシミ
ュレータの長さの50％以内の所で行われた。

【図面の簡単な説明】

第１図は、二次空気及び硫黄収着剤噴射装置を備えたス
ラグ燃焼装置の斜視図である第２図は、第１図の装置をより詳細に示す断面図であ
り、燃焼ガスの運動の状態を部分的に示すものである。第2A図は、最終用途としての装置に導びかれるガス流に
硫黄収着剤を添加するための噴射装置の別の配置を示す
ものである。第３図は、ボイラシミュレータと組み合わせて作動され
ている第１図及び第２図の装置を示す側面図である。第４図は、Vicron^TM及びMarblewhite^TM200石灰石を用い
て種々の運転を行った場合の、カルシウム対硫黄（Ca/
S）モル比を関数とした硫黄捕捉率をプロットしたグラ
フである。 10……予燃焼器、16……一次燃焼器、 18……矩形の出口、22……バッフルプレート、 28……燃料噴射装置、30……スラグ回収チャンバ、40…
…出口（移行ダクト）、 56……ボイラシミュレータ。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者ジョンディヴィッドクーンズリアメリカ合衆国カリフォルニア州 90277 レドンドビーチヴィアラサーキュラ 131 (56)参考文献特開昭61−208411（ＪＰ，Ａ) 特開昭61−96319（ＪＰ，Ａ) 特開昭58−190606（ＪＰ，Ａ) 特開昭58−190605（ＪＰ，Ａ)

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】硫黄を含有する微粒状炭質燃料の燃焼装置
であって、実質的に円筒状の一次燃焼室内に酸化剤ガス
及び微粒状燃料が導入され、ガス状の排出燃焼生成物内
での揮発されたスラグ及び液状スラグの濃度が最小とな
るように、マスフロー流量及び燃焼温度が調節され、固
形化したスラグの層を前記一次燃焼室の壁の内面上に保
持できる温度範囲内に、前記一次燃焼室の壁の温度が維
持されるように構成された、硫黄を含有する微粒状炭質
燃料の燃焼装置において、（ａ）前記酸化剤ガスを予熱しかつ予熱された酸化剤
ガスを、酸化剤と前記一次燃焼室内での燃焼生成物との
混合ガスの高速旋回流を形成するようにして、前記一次
燃焼室に導入する手段と、（ｂ）微粒状燃料の実質的に全ての粒子が前記旋回流
に遮られかつこれらの粒子が前記一次燃焼室の壁に到達
する前に、これらの粒子に含有される炭素の殆どが炭素
の酸化物に変換されるように、前記一次燃焼室の一端の
中央部近くで前記一次燃焼室内に微粒状燃料を噴射する
手段と、（ｃ）前記一次燃焼室内の一次燃焼領域の長手方向に
延在する中央部分内に比較的フュエルリッチな燃焼状況
を維持すべく酸化剤、燃料流入速度及びマスフロー流量
を調節する手段であって、一次燃焼室の壁に隣接して比
較的酸素リッチな環状領域を形成し、燃料の実質的に全
てのスラグ含有物を一次燃焼室の壁に追いやり、ガス状
生成物の温度を燃料の不燃性成分の灰溶融温度よりも実
質的に高い温度に維持する手段と、（ｄ）前記一次燃焼室からの燃焼生成物を受けるべく
連結されたスラグ回収室を備えたスラグ回収手段であっ
て、前記燃焼生成物に捕捉された実質的に全ての液状ス
ラグを収集し、燃焼装置内で収集された全てのスラグを
別々に配置し、かつ関連する熱利用装置に熱エネルギを
運ぶガス状生成物を導くスラグ回収手段と、（ｅ）前記熱利用装置にガス状生成物が流入する所で
該ガス状生成物と、（ｉ）約２〜５の範囲のCa/Sモル比を与えるべく、充
分な量のカルシウムを含有している収着剤及び、（ii）該収着剤が前記ガス状生成物の硫黄成分と最初
に接触する温度を約1,600〜2,300゜F（約870〜1,260
℃）の温度範囲内に維持するための充分な量の補完酸化
剤とを結合する硫黄捕捉手段とを有しており、（ｆ）前記硫黄捕捉手段が、ガス状生成物が前記熱利
用装置に流入する前にガス状生成物にカルシウム含有収
着剤を導入するための収着剤噴射手段と、前記ガス状生
成物から実質的に全ての不燃性鉱物質成分が除去された
後、ガス状生成物に補完オキシダントを付加するための
オキシダント付加手段とを備えており、前記収着剤噴射
手段及びオキシダント付加手段は、硫黄収着剤が約2,30
0゜F（約1,260℃）以下の有効捕捉温度における硫黄成
分の優勢量と反応しかつ捕捉するように、前記熱利用装
置を通過する収着剤粒子の時間−温度分布を維持し、一
方、前記熱利用装置内の化学量論を約1.1〜1.3に維持す
ることを特徴とする硫黄を含有する微粒状炭質燃料の燃
焼装置。
【請求項２】硫黄を含有する微粒状炭質燃料を燃焼室内
で燃焼させる装置であって、炭素の殆どが炭素の酸化物
に変換されかつ不燃性物質の殆どが液状スラグとして堆
積されるように燃焼条件を維持すべく、酸化剤の流入量
に対する燃料の流入量を調節する、硫黄を含有する微粒
状炭質燃料を燃焼室内で燃焼する装置において、（ａ）ガス状の燃焼生成物から不燃性物質の殆どを分
離して、関連する熱利用装置に対し比較的灰分が少ない
ガス状生成物を供給する手段と、（ｂ）前記ガス状生成物を前記熱利用装置に導くため
の手段と、（ｃ）前記熱利用装置に入る手前のガス状生成物の経
路に設けられ、ガス状生成物が熱利用装置から大気中に
排出される前に、ガス状生成物から殆どの硫黄を除去す
るために、（ｉ）約２〜５の範囲Ca/Sモル比を与えるのに充分な
量のカルシウムを含有している収着剤を噴射し、（ii）該収着剤が前記ガス状生成物の硫黄成分と最初
に接触する温度を約1,600〜2,200゜F（約870〜1,204
℃）の温度範囲内に維持するのに充分な量の補完酸化剤
を噴射する噴射装置を含む硫黄捕捉手段と、を有するこ
とを特徴とする硫黄を含有する微粒状炭質燃料を燃焼室
内で燃焼する装置。
【請求項３】前記ガス状の燃焼生成物から不燃性物質の
殆どを分離して、関連する熱利用装置に対し比較的灰分
が少ないガス状生成物を供給する手段が、サブ化学量論
のスラグ回収室を備えており、該スラグ回収室が、ガス
状生成物の化学量論を約0.7〜0.9の範囲内に維持しつつ
燃料中のすべての不燃性鉱物質成分のうちの80〜90％を
分離除去して、NOxの生成を最小限にし、不燃性鉱物質
が実質的に存在しないフュエルリッチなガス状生成物の
流れを生じさせ、硫黄を含有した成分と硫黄収着剤との
反応を高め、前記熱利用装置から大気中へのNOx及びSOx
の排出量を低減させることを特徴とする請求項２に記載
の装置。
【請求項４】前記硫黄捕捉手段が、前記硫黄収着剤とフ
ュエルリッチなガス状生成物とが混合される前に前記硫
黄吸着剤と補完酸化剤とを結合する手段を備えているこ
とを特徴とする請求項２に記載の装置。
【請求項５】前記硫黄捕捉手段が、カルシウムを含有す
る収着剤を前記ガス状生成物内に導入するための収着剤
噴射手段と、補完オキシダントを前記硫黄収着剤と結合
させかつこの結果生じた結合生成物を、実質的に全ての
不燃性鉱物質成分がガス状生成物から除去された後に、
ガス状生成物内に導入するオキシダント付加手段とを備
えていることを特徴とする請求項２に記載の装置。
【請求項６】前記硫黄捕捉手段が、ガス状生成物を前記
熱利用装置に導く手段を包囲している環状の導管を備え
ており、該導管は前記熱利用装置と直接連通しているこ
とを特徴とする請求項２に記載の装置。
【請求項７】前記硫黄捕捉手段が、前記燃焼生成物に炭
酸カルシウムを付加する手段と、前記燃焼生成物に炭酸
カルシウムを付加した後に前記燃焼生成物の温度を少な
くとも約2,200゜F（約1,204℃）に下降させるのに充分
な量の補完酸化剤と前記燃焼生成物とを混合する手段と
を備えていることを特徴とする請求項２に記載の装置。
【請求項８】前記硫黄捕捉手段が、関連する熱利用装置
の上流側で前記燃焼生成物内に硫黄収着剤を導入する手
段と、充分な量の補完酸化剤を付加して装置の全体の化
学量論を少なくとも約1.1に上昇させるのに充分な量の
補完酸化剤を付加する手段とを備えていることを特徴と
する請求項２に記載の装置。
【請求項９】硫黄を含有する微粒状炭質酸燃料の燃焼方
法であって、実質的に円筒状の燃焼領域内に酸化剤ガス
及び微粒状燃料を導入し、燃焼によるガス状生成物内で
の揮発されたスラグ及び液状スラグの濃度を最小に維持
しつつ、前記燃焼領域内の燃焼温度を燃料の不燃性成分
の灰溶融温度以上の温度に保つべく、流入速度、相対マ
スフロー流量及び温度を調節するように構成された硫黄
を含有する微粒状炭質燃料の燃焼方法において、（ａ）前記酸化剤ガスを予熱しかつ予熱された酸化剤
ガスを、酸化剤と前記燃焼領域内での燃焼生成物との混
合ガスの高速旋回流を形成するようにして、前記燃焼領
域に導入する工程と、（ｂ）微粒状燃料の実質的に全ての粒子が前記旋回流
に遮られかつこれらの粒子が前記燃焼領域から出る前に
これらの粒子に含有される炭素の殆どが炭素の酸化物に
変換されるように、前記燃焼領域の一端の中央部近くで
前記燃焼領域内に微粒状燃料を噴射する工程と、（ｃ）前記燃焼領域の長手方向に延在する中央部分内
に比較的フュエルリッチな燃焼状況を維持すべく酸化
剤、燃料の流入温度及び速度、及びマスフロー流量を調
節する工程であって、前記燃焼領域の周囲に隣接して比
較的酸素リッチな環状領域を形成し、燃料の実質的に全
てのスラグ含有物を前記燃焼領域の周囲に追いやり、ガ
ス状生成物の温度を燃料の不燃性成分の灰溶融温度より
も実質的に高い温度に維持する工程と、（ｄ）前記燃焼生成物に捕捉された実質的に全ての液
状スラグを収集し、全てのスラグを別々に配置し、かつ
関連する熱利用装置に熱エネルギを運ぶガス状生成物を
導く工程と、（ｅ）前記熱利用装置にガス状生成物が流入する所
で、前記ガス状生成物と、（ｉ）約２〜５の範囲のCa/Sモル比を与えるべく、充
分な量のカルシウムを含有している収着剤及び、（ii）該収着剤が前記ガス状生成物の硫黄成分と最初
に接触する温度を約1,600〜2,300゜Ｆ（約870〜1,260
℃）の温度範囲内に維持するための充分な量の補完酸化
剤とを結合する工程とを有しており、（ｆ）ガス状生成物が前記熱利用装置に流入する前
に、前記カルシウムを含有している収着剤を前記ガス状
生成物に導入し、前記ガス状生成物から実質的に全ての
不燃性鉱物質成分が除去された後、ガス状生成物と補完
酸化剤とを混合し、（ｇ）硫黄収着剤が約2,300゜F（約1,260℃）以下の
有効捕捉温度における硫黄成分の優勢量と反応しかつ捕
捉するように、前記熱利用装置を通過する収着剤粒子の
時間−温度分布を維持し、一方、前記熱利用装置内の化
学量論を約1.1〜1.3に維持することを特徴とする硫黄を
含有する微粒状炭質燃料の燃焼方法。
【請求項１０】硫黄を含有する微粒状炭質燃料を燃焼領
域内で燃焼させる方法であって、炭素の殆どが炭素の酸
化物に変換されかつ不燃性物質の殆どが液状スラグとし
て堆積されるように燃焼条件を維持すべく、酸化剤の流
入マスフロー流量に対する燃料の流入マスフロー流量を
調節する、硫黄を含有する微粒状炭質燃料を燃焼領域内
で燃焼する方法において、（ａ）ガス状の燃焼生成物から液状のスラグを分離
し、関連する熱利用装置に対し不燃性物質のうちの80〜
90％が除去されたガス状生成物を供給する工程と、（ｂ）硫黄成分と硫黄収着剤との反応が促進される1,
600〜2,200゜F（約870〜1,204℃）の温度範囲内で、前
記ガス状生成物を、該ガス状生成物が前記熱利用装置に
流入する所で硫黄収着剤と接触させて、ガス状生成物が
熱利用装置から大気中に排出される前に、ガス状生成物
から殆どの硫黄を除去する工程とを有することを特徴と
する硫黄を含有する微粒状炭質燃料を燃焼領域内で燃焼
する方法。
【請求項１１】（ａ）前記硫黄収着剤が粒状をなして
おり、硫黄収着剤の粒子が、ガス状生成物に導入後１〜
10秒のオーダの粒子通過時間内にガス状生成物と混合さ
れ、（ｂ）補完酸化剤が、前記硫黄収着剤とガス状生成物
との混合の場合と実質的に同じ時間又は前記硫黄吸着剤
とガス状生成物との混合後１〜10秒のオーダの時間内
に、前記ガス状生成物と混合され、（ｃ）前記硫黄収着剤の粒子が、熱利用装置に流入す
る所で、隣接するガスの温度が時間の関数として低下す
る環境に曝され、温度−時間分布は、約2,300゜F（約1,
260℃）以下の温度で前記硫黄収着剤の粒子が迅速に焼
成され、前記ガス状生成物の硫黄含有成分の大部分と反
応してこれを捕捉するようになっており、前記ガス状生
成物が前記熱利用装置から大気中に排出される前に、前
記ガス状生成物から大部分の硫黄を除去することを特徴
とする請求項10に記載の方法。
【請求項１２】ガス状生成物と硫黄収着剤と補完酸化剤
との混合体は、関連する熱利用装置に流入後10秒のオー
ダの時間内に約1,600〜2,000゜F（約870〜1,090℃）の
範囲内の温度に低下されることを特徴とする請求項10に
記載の方法。
【請求項１３】前記硫黄吸着剤が炭酸カルシウムであ
り、該炭酸カルシウムが、ガス状生成物に導入後2/1,00
0〜20/1,000秒のオーダの時間内にガス状生成物から熱
エネルギを吸収して焼成されることを特徴とする請求項
10又は11に記載の方法。
【請求項１４】前記硫黄収着剤及び補完酸化剤は、前記
ガス状生成物に付加される前に結合されることを特徴と
する請求項10に記載の方法。
【請求項１５】前記硫黄収着剤は、前記熱利用装置に流
入する前に前記ガス状生成物に付加され、前記熱利用装
置へのほぼ入口の所で補完酸化剤と結合されることを特
徴とする請求項10又は11に記載の方法。
【請求項１６】前記熱利用装置内に結果として生じる温
度は、約1,600〜2,000゜F（約870〜1,090℃）の範囲内
にあることを特徴とする請求項10又は11に記載の方法。