流動床燃焼

流動床燃焼（FBC）は、固体燃料を燃焼させるために使用される燃焼技術です。

最も基本的な形式では、燃料粒子は、灰とその他の粒状物質（砂、石灰石など）の高温で泡立つ流動床に浮遊し、その流動床に空気のジェットが吹き込まれて、燃焼またはガス化に必要な酸素が供給されます。その結果、ガスと固体が迅速かつ緊密に混合され、床内で急速な熱伝達と化学反応が促進されます。FBC プラントは、ほとんどの種類の石炭、石炭廃棄物、木質バイオマスなど、さまざまな低品位の固体燃料を、高価な燃料準備（粉砕など）を必要とせずに、高効率で燃焼できます。さらに、与えられた熱負荷に対して、FBC は同等の従来の炉よりも小型であるため、コストと柔軟性の点で従来の炉よりも大きな利点があります。

_FBCは、 SOx排出物の形で排出される硫黄の量を削減します。燃焼中に硫酸塩を沈殿させるために石灰石が使用され、これにより、ボイラーから熱エネルギーを捕捉するために使用される装置 (通常は水管) への熱伝達がより効率的になります。加熱された沈殿物が管と直接接触 (伝導による加熱) することで、効率が向上します。これにより、石炭火力発電所はより低い温度で燃焼できるため、NOx_の排出も少なくなります。ただし、低温で燃焼すると、多環芳香族炭化水素の排出も増加します。FBC ボイラーは石炭以外の燃料を燃焼でき、燃焼温度が低い (800 °C / 1500 °F) ことで、他の利点もあります。

燃焼器における流動床燃焼の急速な増加には、2 つの理由があります。第一に、他の技術では燃焼しにくい燃料を使用できるだけでなく、燃料全般に関して選択の自由があることが、流動床燃焼の重要な利点です。第二の理由は、ますます重要になってきているもので、燃焼中に窒素酸化物の排出量を低く抑え、床材として石灰石を使用することで硫黄を簡単に除去できる可能性があることです。

流動床燃焼は、外部排出制御（スクラバーによる排ガス脱硫など）なしで汚染物質の排出を制御できる燃焼プロセスを見つけるための取り組みから発展しました。この技術は、窒素酸化物が形成される閾値（約 2,500 °F / 1400 °C で、燃焼空気中の窒素原子と酸素原子が結合して窒素酸化物汚染物質を形成）よりはるかに低い 1,400 ～ 1,700 °F（750 ～ 900 °C）の温度で燃料を燃焼させます。また、高燃焼温度に関連する灰の溶解問題も回避できます。流動床の混合作用により、排ガスは石灰石やドロマイトなどの硫黄を吸収する化学物質と接触します。石炭中の硫黄汚染物質の 95% 以上は、吸着剤によってボイラー内で捕捉できます。ただし、削減効果は見た目ほど大きくない可能性があります。なぜなら、同時に多環芳香族炭化水素、およびおそらく他の炭素化合物の排出が劇的に増加するためです。^[要出典]

商業用 FBC ユニットは、競争力のある効率で動作し、今日の従来のボイラー ユニットよりもコストが低く、SO ₂および NO _{2 の}排出量は連邦基準で義務付けられたレベルを下回っています。ただし、ボイラー内部のチューブの浸食、ベッドの空気入口の詰まりによる温度分布の不均一、場合によっては 48 時間にも及ぶ長い起動時間などの欠点もあります。

1. 通常のボイラーが 850 °C で作動するのに対し、FBC の燃焼温度は 750 °C と低くなります。
2. FBC は焼結プロセス (灰の溶融) が低いです。
3. 温度が低いためNO _{xの生成量が少なくなります。}
4. 石灰岩による捕捉によりSO _{xの生成量が減少します。}
5. 燃焼粒子による熱伝達が他の燃焼プロセスより 10 倍も増加し、燃焼効率が向上します。
6. 対流熱伝達係数が高いため、FBC に必要な面積が少なくて済みます。
7. フリーベルトとアクティブベルトの温度が一定に保たれるため、等温ベッド燃焼が実現します。

FBC システムは、基本的に大気圧システム (FBC) と加圧システム (PFBC) の 2 つの主要グループと、バブリング (BFB) と循環流動床 ( CFB ) の 2 つのマイナー サブグループに分類されます。

常圧流動床では、石炭の燃焼によって放出される硫黄を捕らえるために石灰岩またはドロマイトを使用します。燃焼中に空気の噴流が吸着剤と燃焼中の石炭の混合物を浮遊させ、混合物を液体のように流れる赤熱粒子の懸濁液に変換します。これらのボイラーは大気圧で作動します。

第 1 世代の PFBC システムも、燃焼中に吸着剤と燃焼中の石炭の混合物を浮遊させるために吸着剤と空気の噴流を使用します。ただし、これらのシステムは高圧で動作し、ガスタービンを駆動できる温度の高圧ガス流を生成します。流動床の熱から生成された蒸気は蒸気タービンに送られ、高効率の複合サイクルシステムが作成されます。

• 1½ 世代 PFBC システムでは、PFB 燃焼器からの汚染された空気に加えて天然ガスを使用することで、ガスタービンの燃焼温度が上昇します。この混合物はトッピング燃焼器で燃焼され、より高い入口温度が提供され、複合サイクルの効率が向上します。ただし、これは通常、石炭よりも高価な燃料である天然ガスを使用します。
• APFBC。より高度な第 2 世代 PFBC システムでは、加圧炭化装置が組み込まれ、供給された石炭を燃料ガスと炭化物に処理します。PFBC は炭化物を燃焼させて蒸気を生成し、ガスタービンの燃焼空気を加熱します。炭化装置からの燃料ガスは、ガスタービンにリンクされたトッピング燃焼器で燃焼し、ガスを燃焼タービンの定格燃焼温度まで加熱します。ガスタービンの排気から熱を回収して蒸気を生成し、この蒸気を使用して従来の蒸気タービンを駆動することで、複合サイクル発電出力の全体的な効率が向上します。これらのシステムは、APFBC、つまり高度な循環加圧流動床燃焼複合サイクル システムとも呼ばれます。APFBC システムは完全に石炭を燃料としています。
• GFBCC。ガス化流動床燃焼複合サイクルシステム (GFBCC) には、加圧循環流動床 (PCFB) 部分ガス化炉があり、燃料合成ガスをガスタービン上部燃焼器に供給します。ガスタービンの排気は、PCFB 部分ガス化炉からの炭化物を燃焼させる大気圧循環流動床燃焼器に燃焼空気を供給します。
• CHIPPS。CHIPPS システムも同様ですが、大気圧流動床燃焼器の代わりに炉を使用します。また、ガスタービン サイクル効率を高めるためにガスタービン空気予熱管も備えています。CHIPPS は、燃焼ベースの高性能発電システムの略です。

• 化学ループ燃焼
• 循環流動床
• 流動床反応器
• フューチャージェンのゼロエミッション石炭火力発電所
• 格子焼き
• JEA ノースサイド発電所 (ジャクソンビル)
• 粉砕燃料の燃焼

• 国立エネルギー技術研究所
• EU規制: 大規模燃焼プラントからの汚染
• 商用CFB石炭燃焼器のシミュレーション