JP4367768B2 - バイオマス燃料の燃焼方法及び装置 - Google Patents

Description

本発明は石炭焚きボイラなどの燃焼装置において、石炭とバイオマス燃料を混焼させる場合において、バイオマス燃料を経済的に粉砕して高効率に燃焼させるのに好適なバイオマス燃料の粉砕及び燃焼技術に関するものである。

本発明でいうバイオマス燃料とは化石燃料以外の植物系燃料であり、その種類を特定のものに限定するものではないが、特に森林や生活リサイクルとして出てくる全ての廃材や汚泥、さらにその二次加工製品等を含む燃料となりうる発熱量を有する植物系燃料をいうものとする。

従来バイオマス燃料の燃焼には、ストーカ炉や流動床式の燃焼炉が主に使用されてきた。この場合には、バイオマス燃料の乾燥は行われずに、そのまま火炉へ供給する方式が採用されていた。事前にバイオマス燃料の乾燥を行わずに火炉へ供給し燃焼させた場合に、バイオマス燃料中に含まれる水分による顕熱と潜熱分のエネルギーロスにより燃焼効率が悪化する。しかし、これらの火炉の燃焼効率は通常でも２０％から３０％程度と低く、水分の火炉内への持ち込みによる燃焼効率の低下は無視できる範囲であった。

近年、バイオマス燃料を再生可能なエネルギとして、率先的に使用する動きが活発化してきた。特に発電目的のボイラではバイオマス燃料を燃焼させる場合には燃焼効率を高効率に維持して発電することが必須の条件となる。

石炭を微粉砕した後に燃焼用空気と共に火炉内に供給して燃焼させるバーナを設けた発電目的のコンベンショナルな石炭焚きボイラ火炉において、バイオマス燃料を副燃料として火炉に供給して燃焼させる場合、バイオマス燃料を細かく粉砕して、気流にのせてボイラ火炉へ供給する方法が考えられる。

まず、図４に主に発電用に使用される従来の微粉炭焚きボイラの系統図を示す。ボイラ火炉１には火炉１の高さ方向に複数段と幅方向に複数台のバーナ４がそれぞれ火炉１の対向する位置の壁面に設けられており、バーナ４の下流側にはバーナ４と同様に火炉１の対向する位置の壁面に空気噴出口ＯＦＡ（Over Firing Airport）２が設けられている。

図４に示すように前記バーナ４へは各バーナ段に対応する石炭微粉砕機（ミル）６が設けられており、運炭設備１０から燃料バンカ９に一旦貯蔵された石炭を複数の定量供給装置８から切り出して各ミル６に供給している。通常、ミル６は各バーナ段の対向する壁面にあるバーナ段（図４ではバーナ４と記載されている。）毎に微粉炭を供給するように構成されており、図４に示す場合は三段のバーナ４が対向する火炉壁面に配置されているので、６台のミル構成となっている。さらにミル６とバーナ４の運用ではミル６およびバーナ４の点検と部品交換におけるローテーションを考えて、システムが構築されており、ミル６の一台は停止させていても、負荷１００％の運転ができるように設定されている。

前記したように燃料の石炭は屋内または屋外の石炭のストックヤードから運炭設備１０、例えばベルトコンベアにより燃料バンカ９へ送り込まれ、燃料バンカ９の下部に設けられた定量供給装置８で計量されて前記ベルトコンベアなどの上に切り出された後、停止中のミル６を除いて各ミル６に送り込まれ、微粉砕されてバーナ４まで気流搬送され、図示していない燃焼用空気と共に火炉内へ供給されて燃焼される。

前記燃焼用空気は図示していない押込み通風気ＦＤＦ（Force Draft Fan）によって加圧された後、図示していないエアヒータ（熱交換器）により、約３５０℃まで昇温された後、各バーナ段に対応して設けられた燃焼用空気用の風箱３に供給されて各バーナ段毎の複数台のバーナ４へ分配される。その後、前記燃焼用空気は高効率燃焼に必要な速度と旋回強度を与えられ、火炉１内に面したバーナスロートから、火炉１内へ噴出供給され微粉炭燃料と混合して燃焼させる。
特開２００２−２４１７６１号公報

バイオマス燃料を火力発電用の石炭焚きボイラ用の副燃料として使用する場合、特に既設の石炭焚きボイラにおいて混焼（Co-Firing）する場合、発電効率の低下を可能な限り抑制しなければならない。

特に木質系のバイオマス燃料を副燃料として石炭焚きボイラ用に使用する場合に発電効率が低下する原因は主に２つある。１つは木質系バイオマス燃料に含まれる水分であり、もう１つは、木質系バイオマス燃料を粉砕する動力の問題である。前者の問題を解決するには、木質系バイオマス燃料の前処理として乾燥工程が不可欠となる。後者の粉砕動力の問題に関しては、木質系バイオマス燃料の粉砕粒度を１ｍｍアンダーとした場合、粉砕の動力原単位は１００〜２００ｋＷ／ｔとなり、石炭焚きボイラで石炭の粉砕に使用される石炭粉砕機と比較して１０倍以上の粉砕動力が必要となる。

現状では、できるだけ粉砕動力を抑えて効率的に木質系バイオマス燃料を石炭焚きボイラ火炉へ供給することが求められている。従来の石炭焚きボイラへ木質系バイオマス燃料を供給する場合には、木質系バイオマス燃料を浮遊燃焼できる状態であることが必須となる。浮遊燃焼可能か否かは主に木質系バイオマス燃料の粒子径に依存する。具体的には５ｍｍ以下まで粉砕することが必要である。

木質系バイオマス燃料の粉砕装置は大きく２種類ある。まず、ハンマーミルと呼ばれる衝撃粉砕を主体とした粉砕機である。次にカッターミルと呼ばれる刃物を使用した粉砕機である。しかしながらいずれの粉砕機においても、木質系バイオマス燃料の粉砕に必要な動力が石炭用粉砕機と比較して１０倍以上大きく、既設石炭焚きボイラに木質系バイオマス燃料の粉砕供給システムを追設して、石炭と混焼するシステムを構築する場合には、補機動力が増加することから発電効率の低下が予測される。

例えば１０００ＭＷの発電能力がある石炭焚きボイラにおいて、石炭燃料の供給量は、炭種にもよるが約３５０ｔ／ｈであり、これに木質系バイオマス燃料を発熱量ベースで１０％混焼する場合、木質系バイオマス燃料は発熱量が石炭の約５０％であることから約７０ｔ／ｈの供給量が必要となる。
石炭微粉砕機の場合、粉砕動力原単位が約２０ｋＷｈ／ｔなので約３５０ｔ／ｈ×２０ｋＷｈ／ｔ＝７０００ｋＷの動力が必要となる。

一方、木質系バイオマス燃料の場合は、大目にみて約１００ｋＷｈ／ｔとすると、同じく約１００ｋＷｈ／ｔ×７０ｔ／ｈ＝７０００ｋＷの動力が必要であり、石炭の供給量は１０％カットとなるので、約３１５ｔ／ｈ×２０ｋＷｈ／ｔ＝６３００ｋＷとなる。石炭のみの場合には約７０００ｋＷ、石炭と木質系バイオマス燃料の場合は、約６３００＋７０００＝１３３００ｋＷであるので、約２倍の粉砕動力となる。

既存の石炭焚きボイラの専焼システムに対して増分である約６３００ｋＷ（＝１３３００−７０００ｋＷ）となる。これは、発電能力の約０．６３％に相当するため、木質系バイオマス燃料により火炉内に持ち込まれる水分による効率の低下を含めると大きな低下となる。

しかしながら現状のハンマーミルとカッターミルでは、粉砕動力を既存の石炭ミル並にするのは難しく、木質系バイオマス燃料を専用に低粉砕動力で粉砕できる微粉砕ミルの開発を待つか、または粗粒の木質系バイオマス燃料でも完全に燃焼できる燃焼システムを検討する等が必要になっていた。

本発明の課題は、粉砕動力を抑えて効率的に木質系バイオマス燃料を燃焼系に供給して燃焼させる燃焼方法と燃焼装置を提供することである。

請求項１記載の発明は、石炭を主燃料とし、バイオマス燃料を副燃料として燃焼用空気と共に火炉内に供給して燃焼させるバイオマス燃料の燃焼方法において、バイオマス燃料は、投入した量の８０％程度が浮遊燃焼可能な粒度に粗粉砕した後、火炉内に供給し、前記火炉内に供給したバイオマス燃料のうち、火炉の下部に落下したものを回収し、該回収したものを水分５０％以下になるまで乾燥した後に、石炭と混合することなく、新たに受け入れたバイオマス燃料と混合して粉砕し、得られた粉砕物を火炉に供給して燃焼させるバイオマス燃料の燃焼方法である。

本発明によれば、既設の石炭焚きボイラなどの燃焼装置にバイオマス燃料を副燃料として混焼する場合、バイオマス燃料の石炭との混合設備が必要なだけで、大掛かりな改造は必要としない経済的利点がある。このように、本発明はボイラなどの燃焼装置の改造が必要ないので、低コストでかつ効果的なバイオマス燃料燃焼システムを構築できるメリットがある。

石炭焚きボイラなどの燃焼装置の炉底には火炉内から落下してくるクリンカ、スラグ、アッシュ等を受ける湿式のホッパが設けられていることが多く、その場合には落下したバイオマス燃料も水没した後に回収されることになる。また、石炭焚きボイラなどの燃焼装置の炉底に乾式のホッパが設けられていることもあるが、その場合にはホッパへの落下物を外部に運び出すコンベア等の搬送装置の後流側に回収したバイオマス燃料以外のものを比重等を利用して分離する分離装置を設けることが必要となる。いずれにしても回収されたバイオマス燃料を再粉砕する過程で水没等により多量の水分を含有することになる。

請求項１記載の発明によれば、この炉底から回収したバイオマス燃料を水分５０％以下になるまで乾燥させるので、炉底から回収したバイオマス燃料の粉砕が容易になるだけでなく、回収したバイオマス燃料に含まれる水分が火炉内に持ち込まれることを防止することができる。
また、バイオマス燃料用微粉砕機の粉砕動力を低く抑えた場合に炉底に落下し回収したバイオマス燃料を石炭と共に同時粉砕しないので、新たに受け入れたバイオマス燃料の粉砕動力で粉砕することにより各粉砕機からの粉砕物の火炉への供給を安定化する。

以下、本発明の参考例と実施例について図面を用いて説明する。

参考例１

図１に参考例１のバイオマス燃焼技術を適用した石炭焚きボイラについて説明する。
図１に示す構成は、図４の石炭焚きボイラに本参考例のバイオマス燃料の燃焼技術を適用した場合を説明するためのものである。図１では図４に示す装置と同一の装置については、一部の図示と説明を省略する。

木質系バイオマス燃料（以下、単にバイオマス燃料と称することもある）は水分含有量が５０〜６０％の状態でバイオマス燃料貯蔵ヤード１６（例えば貯蔵用のサイロや山積み状に置かれる貯蔵パイル等の場合がある）に船もしくはトラックで輸送された後、一時保管される。石炭焚きボイラにおいてバイオマス燃料と石炭を混焼する場合には石炭焚きボイラの立地場所内のバイオマス燃料バンカ１２に移送供給されてストックされる。

次に、バイオマス燃料用の破砕機１３で石炭焚きボイラ火炉内で全量ではないが、投入した量の８０％程度が浮遊燃焼可能な粒度、例えば５ｍｍ程度に粗粉砕された後、気流搬送により主燃料としての石炭が燃焼されている火炉１内へ供給されて燃焼される。火炉１内へ供給したバイオマス燃料の全量が浮遊燃焼可能になるように粉砕するときの粉砕動力は、前記したように８０％程度が浮遊燃焼可能になるように粉砕するときの粉砕動力に比して指数関数的に増加することが知られているが、本参考例では指数関数的に増加する以前の粉砕動力で粉砕する。

ここでは、バイオマス燃料の粒度は５ｍｍ程度としているが、バイオマス燃料の性状、ボイラ負荷や各段のバーナ５点火パターン等によりボイラ火炉１内の燃焼ガスの流動状態が異なるため一概には決められない。本参考例ではバイオマス燃料の投入量の８０％程度が浮遊燃焼可能である程度の粉砕動力で粉砕したときのバイオマス燃料の粉砕の程度が５ｍｍであった場合に対応する例である。その場合５ｍｍ以上のバイオマス燃料粒子は炉底へ落下する。前記したように石炭焚きボイラ炉底には火炉内から落下してくるクリンカ、スラグ、アッシュ等を受ける湿式のホッパまたは乾式のホッパが設けられている。本参考例の場合には火炉の炉底部には落下物を外部に搬出するコンベア１７のみを図示している。該コンベア１７は、いずれのホッパが設けられた場合にも前記ホッパの底部に設けられている。回収された粒子は比較的粗い粒子であり、部分的又は全量炭化しており、炉底に設けられたコンベア１７によってボイラ外部へ搬出された後、湿式ホッパで液中に回収した場合の二次分離または乾式ホッパの場合には一次分離となる分離装置（湿式による比重分離装置）１４によって分離される。

前記分離後のバイオマス燃料粒子は受け入れホッパ１５へ供給回収された後、火炉に供給する粉砕物を最終的に粉砕する粉砕装置の上流側に定量的に供給する。例えば石炭の運炭設備（ベルトコンベアなど）１０内に一定の混合比率で切り出され、石炭焚きボイラの建屋に隣接して設けられた石炭バンカ１１へ供給され、該石炭バンカ１１の近傍、例えば直下部、に設けられた石炭微粉砕機６で粉砕されて図示していない通風機による気流搬送によりバーナ４へ供給燃焼される。

石炭微粉砕機６では石炭と回収されたバイオマス燃料の炭化物が同時粉砕されることになるが、バイオマス燃料は少なくとも一部が炭化しており、石炭微粉砕機６で石炭を粉砕するときの通常の粉砕動力の範囲内で容易に粉砕される。

このように火炉１の炉底に落下したバイオマス燃料粒子を回収し、再粉砕して火炉１に再投入することを行えば過度な粉砕動力を用いることなく、経済性が高い高効率な石炭とバイオマス燃料との混焼が実現できる。

本参考例１のバイオマス燃料の燃焼方法および装置を用いることにより、木質系のバイオマス燃料を高効率で燃焼させることができ、高度なサーマルリサイクルシステムを実現することができる。さらに通常の既設ボイラにおける燃焼時に発生するＮＯｘを効果的に脱硝することもできる。

本発明者らは、小型の石炭焚き火炉（微粉炭供給量：２００ｋｇ／ｈ）において、発熱量１０％相当の木質系バイオマス燃料を微粉炭と同時燃焼した場合、微粉炭のみの燃焼に比べて約１０％のＮＯｘ低減効果が得られ、木質系バイオマス燃料を混ぜることで脱硝効果が顕著になることを見出した。

木質系バイオマス燃料の燃焼においてＨＣＮ、ＮＨ_３、炭化水素等が発生し、これらの熱分解ガスにはＮＯに対する還元作用があり、ＮＯがＮ_２へ還元する。ＮＯの生成還元反応は極めて複雑であるが、ＨＣＮとＮＨ_３の存在がＮＯの生成還元反応に大きく影響していることは良く知られている。酸素が残存する雰囲気ではＨＣＮ、ＮＨ_３はＮＯへ転換することから、還元雰囲気でＮＯが存在することが必須条件となる。

木質系バイオマス燃料が、ＮＯ還元に有効である理由は次のように考えられる。木質系バイオマス燃料を分析すると、揮発分の比率が多く、着火性を表す燃料比（固定炭素／揮発分）が０．６程度と低く、石炭と比較してみれば褐炭に相当し、きわめて着火しやすい。揮発分が多いことは加熱により容易に可燃性ガスが気相へ放出することを意味している。

加熱されて熱分解した可燃性ガスの種類は加熱速度と加熱温度により異なるが、主にメタン（ＣＨ_４）であり、１，０００℃以上の高温で、かつ酸素が存在しない条件でＮＯを効果的に還元する。すなわち木質系のバイオマス燃料で還元炎を形成すれば、通常の微粉炭燃焼より低ＮＯｘ燃焼が実現可能である。従って、バイオマス燃料を燃焼させる場合には空気比（バイオマス燃料の搬送用空気量にバイオマス燃料の燃焼用空気量を加えたものをバイオマス燃料を完全燃焼するための理論空気量で割った値）を低くして燃焼することにより、より大きな燃焼排ガスの低ＮＯｘ化効果が得られる。

ここでＨＣＮ、ＮＨ₃が不安定な物質であることから、ＮＯとの混合は迅速でなければならない。もしも混合が遅れると脱硝効果が無くなることに加えて、二段燃焼用空気とこれら還元ガスが反応してＮＯになってしまう。従って木質系バイオマス燃料がＮＯの還元剤として有効に作用するためには火炉１内への投入位置は、火炎の内部が望ましい。

参考例２

図２に示す参考例２は、図１の系統のうち、分離装置１４と受け入れホッパ１５間に、乾燥機１８を取り付けた構造を備えている例である。

図示していないが石炭焚きボイラの多くは炉底部に水を張った湿式の炉底ホッパ、すなわち火炉内からのスラグ等落下物の受け入れ装置が設けてあり、このため炉底に落下したバイオマス燃料も同じ受け入れ装置内に落下する。従って、回収したバイオマス燃料には水分が多く含まれるが、バイオマス燃料に含まれる水分が火炉内に持ち込まれることを防止するために乾燥機１８を設ける。また水分が多いとバイオマス燃料が粉砕しにくくなる特性がある。

すなわち、ボイラ火炉１から回収したバイオマス燃料は全部又は部分的に炭化物となっているが、水分を多く含むと部分的に炭化したバイオマス燃料と炭化物との混合過程でバイオマス燃料の非炭化部分の水分が増加することによる。従って、乾燥機１８を火炉１に供給する粉砕物を最終的に８０％が浮遊燃焼できる程度に粉砕する粉砕装置の上流側に設けることで最適な粉砕動力での粉砕が可能となる。炉底から回収したバイオマス燃料を乾燥機１８に導き、乾燥させた後に炭化物受け入れホッパ１５へ回収し、石炭の運炭設備（ベルトコンベアなど）１０内に一定の混合比率で切り出し、石炭焚きボイラの立地場所内に設けられた石炭バンカ１１へ供給し、石炭微粉砕機６で粉砕して火炉内へ供給して燃焼させる。

図３に示す本実施例は、図１の系統とは異なり、回収したバイオマス燃料をバイオマス燃料用の粉砕機１３で同時粉砕し、さらに分離装置１４から受け入れホッパ１５間に乾燥機を取り付けたものである。

図３に示す実施例は特にバイオマス燃料用微粉砕機１３の粉砕動力を低く抑えた場合に炉底に落下し回収したバイオマス燃料を石炭微粉砕機６で同時粉砕しないケースである。同時粉砕する場合には回収したバイオマス燃料の粉砕性による粉砕動力の調整が必要となるが、本実施例の場合は回収したバイオマス燃料の炭化度が悪い場合に対応した例であり、新たに受け入れたバイオマス燃料の粉砕動力で粉砕することにより各粉砕機からの粉砕物の火炉への供給を安定化する。

バイオマス燃料の炭化度の状態を見て、炭化度が良くないと、図３に示すように、再度バイオマス燃料用微粉砕機１３の上流側に供給する経路からバイオ粉砕機１３で粉砕して火炉に供給する。また、炭化度の程度が良いと図２のように石炭微粉砕機６の上流側に供給しても良い。また各粉砕機の上流側に個々に供給する以外に、各粉砕機に直接供給することも可能である。その場合には粉砕機内で始めて混合されることになるが、そのような構成とした場合には特に石炭と回収し定量的に切り出したバイオマス燃料を混合した場合に、バイオマス燃料と石炭とが粉砕機に至る経路中で分離することにより混合率の変動を防止することが可能となる。

さらに図示していないが、炉底に落下し、回収したバイオマス燃料の炭化の程度に応じて図２に示す石炭バンカ１１または図３に示すバイオバンカ１２に炉底に落下し回収したバイオマス燃料の供給先を切り換えるシステムを設けることも可能である。

本発明によればバイオマス燃料を副燃料として既設の石炭焚きボイラに適用でき、低コストでかつ効果的な木質系バイオマス燃料燃焼システムを構築できる。

参考例１の石炭とバイオマス燃料を混焼する石炭焚きボイラの系統図である。 参考例１のバイオマス燃料の回収経路に乾燥機を加え、当該バイオマス燃料を石炭微粉砕機への石炭供給ラインに戻す石炭焚きボイラの系統図である。 本発明になる一実施例を示す同じくバイオマス燃料の回収経路に乾燥機を加え、さらにバイオマス燃料を新たに受け入れたバイオマス燃料の供給ラインに戻す石炭焚きボイラの系統図である。 従来からの石炭焚きボイラの系統図である。

符号の説明

１ 火炉 ２ 空気噴出口
３ 風箱 ４ バーナ
５ バーナ ６ 石炭微粉砕機
８ 定量供給装置 ９、１１ 石炭バンカ
１０ 運炭設備 １２ バイオマスバンカ
１３ バイオマス燃料粉砕機 １４ 分離装置
１５ 受け入れホッパ １６ バイオマス燃料貯蔵ヤード
１７ コンベア １８ 乾燥機

Claims (1)

1. 石炭を主燃料とし、バイオマス燃料を副燃料として燃焼用空気と共に火炉内に供給して燃焼させるバイオマス燃料の燃焼方法において、
   バイオマス燃料は、投入した量の８０％程度が浮遊燃焼可能な粒度に粗粉砕した後、火炉内に供給し、前記火炉内に供給したバイオマス燃料のうち、火炉の下部に落下したものを回収し、該回収したものを水分５０％以下になるまで乾燥した後に、石炭と混合することなく、新たに受け入れたバイオマス燃料と混合して粉砕し、得られた粉砕物を火炉に供給して燃焼させることを特徴とするバイオマス燃料の燃焼方法。

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