JP4919844B2

JP4919844B2 - 燃料調整装置および燃料調整方法

Info

Publication number: JP4919844B2
Application number: JP2007069166A
Authority: JP
Inventors: 彰馬場; 秀治守
Original assignee: Babcock Hitachi KK
Current assignee: Mitsubishi Power Ltd
Priority date: 2007-03-16
Filing date: 2007-03-16
Publication date: 2012-04-18
Anticipated expiration: 2027-03-16
Also published as: JP2008232466A

Description

本発明は、火力発電用ボイラなどの燃料の調整装置および燃料調整方法に係わり、特に火力発電用ボイラの燃料である石炭に、バイオマス燃料を混合して燃焼させるため、石炭とバイオマス燃料の混合粉砕物を得るのに好適な燃料調整装置および燃料調整方法に関する。

近年、地球温暖化の原因物質である二酸化炭素（以下ＣＯ2という）の排出が問題となっており、なかでも化石燃料消費によるＣＯ2濃度の増加を減らすため、バイオマスを再生可能エネルギーとして有効利用する動きが活発化している。バイオマスとは、一般に生物に由来する資源物質を意味し、光合成による炭素循環のなかで、大気中のＣＯ2を増加させない物質である（ＣＯ2ニュートラル）。すなわち、バイオマスはＣＯ2が発生しても、大気中のＣＯ2をバイオマスが吸収するので大気中のＣＯ2濃度の増加には繋がらないことから、地球温暖化防止対策に対して効果的であると言われている。

また、バイオマスの他に、太陽光や風力、地熱、小規模水力などもエネルギー源として注目されているが、これらのエネルギーの供給を安定化させるためには、設備の整備などの準備期間が必要であり、またコストがかかるなどの問題がある。
したがって、上記エネルギー源のなかでは、バイオマスが最も実用的であると言え、ＣＯ2の排出量を低減できる再生可能エネルギーとして期待されている。

そして、近年、大気中に排出するＣＯ2の排出量の削減のため、例えば従来からある火力発電用石炭焚ボイラにおいて、燃料である石炭に、植物由来のバイオマス、例えば木質系バイオマス燃料を混合して燃焼させることが行われている。バイオマス燃料のうち特に木質系のバイオマスは、安定供給量が他のバイオマスよりも多く価格も安定している。この木質系のバイオマスを例えば発電用ボイラで燃焼する場合の問題点としては、石炭の粉砕と比較して木質系バイオマスの場合は大きい粉砕動力がかかることと、木質系バイオマスの専用粉砕設備の導入コストが高いことである。

すなわち、木質系バイオマスの安定供給は難しく、多量の木質系バイオマスが入手しにくい環境にある。したがって、経済性の観点からは、新たな装置を設けずに、既存の装置をなるべく有効に活用して、できるだけ運転コストをかけずにこれら石炭やバイオマス燃料を燃焼させることが望ましい。

一方、設備の運用面やＣＯ2排出量の削減効果の面からは、様々な木質系バイオマス燃料(以下、単にバイオマスともいう)を多様な混合比(望ましくは高混合比)で燃焼させることが求められている。そして経済性やボイラ全体としての運用性の観点から、従来の微粉炭と粉砕したバイオマスとを混合燃料として気流搬送して同一の燃焼装置で燃焼させる場合がある。ここで、石炭とバイオマスは、粉砕性や燃焼速度等の燃焼性が異なるので、様々なバイオマスを多様な混合比で燃焼させるには、石炭とバイオマス、それぞれ別々の粉砕装置を用いて粉砕・分級し、混合比に応じた最適な粒度分布の燃料を得ることも考えられる。

特許文献３には、微粒試料の粒度分布を測定し、分級翼の回転数の調節を自動化して製品に最適な粒度管理を行う構成が記載されている。更に特許文献２には、微粒炭の粒度分布を連続的に測定できる粒度分布測定装置を備えた構成が記載されている。これらの文献に記載された構成のように石炭とバイオマスをそれぞれ別々に粒度分布を測定して分級翼の回転数を調節したり、粒度分布を連続的に測定することも可能である。

しかし、従来から用いられている石炭の粉砕装置は、燃焼装置６〜１０台ごとに１台必要であり、例えば１０００ＭＷ級のボイラでは、燃焼装置が通常６台程度設置されているので、新たにバイオマス用の粉砕装置や分級装置、粒度分布測定装置などを設置すると、設備費の大幅な増大を招いてしまう。
そこで、下記特許文献１には、バイオマスを石炭と同一の粉砕装置で粉砕・分級して燃焼装置に供給する構成が提案されている。

特開２００５−４２９７０号公報特開２００５−２４１４８０号公報特開昭６２−１３２５５９号公報

特許文献１によれば、石炭などを主燃料とするボイラにおいて、バイオマスなどの炭化燃料を副燃料として混焼して窒素酸化物（ＮＯｘ）の排出量を低減させている。そして、石炭などの主燃料に炭化燃料を副燃料として混焼した際のＮＯｘ排出量の低減効果が確認されている。

ところが、既存の石炭用粉砕装置にバイオマスを投入すると粉砕動力が増大する傾向にあり、バイオマスの混合比を高めていくとミルなどの粉砕装置の動力の余裕度、すなわち粉砕装置の許容範囲を超えてしまう。そして、この場合に単純に粉砕動力を低下させると、燃料全体の粒度が粗くなることから、燃料が効率よく燃焼に使用されず、ＮＯｘや未燃分の排出量が増大するおそれがある。したがって、石炭を主体として、木質系バイオマス燃料を混合した燃焼を行う場合に、バイオマスの混合率（混焼率）を高められないという問題があった。

上記特許文献３に記載の構成のように、単独の試料の場合は粒度を特許文献２に記載の粒度分布測定装置などにより連続的に測定し、最適な粒度になるように調整することは可能である。しかし、混合物試料の場合は性質の違う物質が混在するため、混合物試料全体の粒度をそのまま単純に単独の試料の場合と同様に考えて、混合物の粒度を測定することで試料全体を最適な粒度とすることは難しい。そして、混合粉砕の着目点はバイオマスの最大混焼率のみに集約されており、適正な混合粉砕の運用がなされているとは言えない。

本発明の課題は、燃料の粉砕装置などの設備費を大幅に増大させずに、粉砕動力が多大となることなく、ＮＯｘや未燃分の排出を一定の水準に維持したまま、バイオマス燃料の混合率（混焼率）を高めることができる燃料調整装置及び燃料調整方法を提供することである。

上記課題は、下記の構成を採用することにより達成できる。
請求項１記載の発明は、木質系バイオマス燃料と石炭の混合物を粉砕する粉砕装置と、該粉砕装置により粉砕された粉砕物を分級するための回転機構を有する回転分級装置と、該回転分級装置により分級された粉砕物をボイラを含む燃焼装置に供給する供給装置とを備えた燃料調整装置であって、前記回転分級装置により分級された粉砕物の一部を取り出すサンプリング装置と、該サンプリング装置により取り出された粉砕物のうち石炭の粒度を分析する粒度分析装置と、該粒度分析装置により分析された石炭の粒度に基づいて前記回転分級装置の回転数を制御する制御装置とを備えた燃料調整装置である。

請求項２記載の発明は、前記粒度分析装置は、前記サンプリング装置により取り出された粉砕物のうち前記木質系バイオマス燃料と石炭を重液中に分散させて比重分離する遠心分離装置と、該遠心分離装置により比重分離された石炭の粒度を計測する粒度計測装置とからなり、前記制御装置は、前記粒度計測装置により計測された石炭の粒度が、所定範囲に収まるように前記回転分級装置の回転数を制御する構成を有する請求項１記載の燃料調整装置である。

請求項３記載の発明は、木質系バイオマス燃料と石炭の混合物を粉砕し、得られた粉砕物を回転機構を有する分級手段により分級した後、ボイラを含む燃焼装置に供給する燃料調整方法であって、前記分級手段により分級後の粉砕物中の石炭の粒度を分析し、該分析した石炭の粒度に基づいて前記分級手段の回転数を制御する燃料の調整方法である。

請求項４記載の発明は、前記分級後の粉砕物の一部を重液中に分散させて遠心分離により、前記木質系バイオマス燃料と石炭を比重分離した後、前記石炭の粒度を計測し、該計測した石炭の粒度が所定範囲に収まるように前記分級手段の回転数を制御する請求項３記載の燃料の調整方法である。

（作用）
バイオマスをクリーンなエネルギーとして捉え、バイオマス燃料の燃焼によって、ＮＯｘなどの有害物質を発生するのではなく、ＮＯｘの排出量を低減させて既存の燃焼排ガスをよりクリーンにすることができる点が本発明の特徴である。そして、現状の混合粉砕の着目点はバイオマスの最大混焼率のみに集約されており、ミルなどの粉砕装置の制御に対する考え方が踏襲されておらず、適正な混合粉砕の運用がなされているとは言えないが、本発明によりバイオマスと微粉炭の混合粉砕に関する最適な運用が可能になる。

木質系バイオマス燃料を石炭と共に燃焼炉内で同時に燃焼させるために、両者を同一の粉砕装置で粉砕・分級して燃焼装置に供給すると、それぞれのＮＯｘ、未燃分の低減、すなわちＮＯｘ、未燃分の排出抑制に適した粒度範囲が異なるために、両者の適正な粒度範囲を同時に収めるように粉砕することは難しい。

また、従来技術の問題点で前述したように、石炭を主体燃料として木質系バイオマス燃料を混合した燃焼を行う場合に、バイオマスの混合率（混焼率）を高められないという問題があった。そして、木質系バイオマス燃料をＮＯｘ、未燃分の発生を満足し得る程度にできる必要な粒度に粉砕しようとすると、木質系バイオマス燃料が過粉砕となる傾向があり、粉砕動力が多大となってしまう。

バイオマスと微粉炭を同時に粉砕する場合、バイオマスの粒度と微粉炭の粒度は、混合比に応じて従属的に変化する。
例えば、バイオマスの混合比率が高いと、同時に粉砕した場合のバイオマスの粒度と微粉炭の粒度は、同じ動力でバイオマスの混合比率を低くして同時粉砕した場合に比べて大きくなる。

また、バイオマスの種類によっても、その特性が異なる。同じ木質系バイオマスでも部位によってバイオマスの粒度分布が異なることが分かっている。例えばハーブ（皮の部分）は、石炭と粉砕性が似ており比較的粉砕しやすいので、石炭の粒度分布に近くなる。そして少量のバイオマスによっても、例えばミルなどの粉砕装置の粉砕動力は大きくなり、微粉炭に対するバイオマスの発熱量を基準として５％程度のバイオマスを混合して粉砕した場合の粉砕動力は、微粉炭のみを同じ粒度に調整する場合と比べて２０％以上増大する。

ところで、一般的な例として、図４には、微粉炭とバイオマスをそれぞれ専用粉砕したものについて、燃焼速度がほぼ等価となるサンプルの粒度を微粉炭とバイオマスで比較した例を示す。
図４において、微粉炭については、微粉炭単独で粉砕し、２００メッシュのふるいを通過した累積通過重量が８０％の場合の粒度分布を示し、バイオマスについても、バイオマス単独で粉砕し、トップサイズ(累積通過重量が１００％となる粒径をさす)が２ｍｍアンダーの粒度分布になるように粒度調整した場合の粒度分布を示す。

なお、ここで、微粉炭とバイオマスを粉砕する際のふるいは一種類ではなく、図４は、ある条件で粉砕した試料に対し、ある目開き（試料の粒径に対応）のふるいを通過した試料の累積通過重量を測定し、試料の粒径分布を表示したものである。また、２００メッシュとは、１インチあたりのワイヤー本数を表し、具体的な目開きは７５μｍである。すなわち２００メッシュは、７５μｍ×７５μｍの網目に相当する。図４に示す粒度分布をもつ微粉炭とバイオマスはそれぞれ個別に燃焼した場合に同じ燃焼速度となる。

そして、図４に示すように、燃焼速度が同じ微粉炭とバイオマスではそれぞれの粒径にかなりの差異が見られ、同じ粒径であれば、バイオマスは石炭と比較して累積重量が軽いため、少量でも燃焼しやすいことが分かる。すなわちバイオマスの燃焼速度は、通常の微粉炭よりも大きいことが分かる。

また、図５には、図４と同じ石炭と木質系バイオマスについて、バイオマスの発熱量を基準として石炭にバイオマスを５ｃａｌ％混合粉砕した場合の粒度分布の例を示す。
図５は、バイオマスを石炭に５ｃａｌ％（発熱量基準の混合比率）混合し粉砕して、全体の粒度を粒径７５μｍ以下の（２００メッシュパス）累積通過重量が６５ｗｔ％になるように調整したときの混合物の粒度、混合物中の微粉炭単独の粒度、混合物中のバイオマス単独の粒度（粒径と累積通過重量ｗｔ％の関係）を比較したものである。

ここで、混合物の粒度を粒径７５μｍ以下の累積通過重量が６５ｗｔ％となるように調整した理由は、従来、この石炭のみの燃焼でＮＯｘや未燃分の点で問題なく燃焼するのに必要であった目標粒度、粒径７５μｍ以下の累積通過重量７０ｗｔ％に対し、バイオマス混合粉砕による大幅な動力増加とバイオマス混焼によるＮＯx低減効果を考慮して、混合物としては少し粗めとなる、累積通過重量６５ｗｔ％に設定したのである。

なお、ＮＯｘや未燃分の点で問題なく燃焼するのに必要な目標粒度、粒径７５μｍ以下の累積通過重量の値は炭種に依存して変化する。
燃焼しやすい石炭の場合、粒径７５μｍ以下の累積通過重量６５ｗｔ％程度の粒度でも良いが、燃焼しにくい石炭の場合、粒径７５μｍ以下の累積通過重量８５ｗｔ％程度の粒度を要する。

ここで、石炭とバイオマスの混合物から、石炭単独とバイオマス単独の粒度(図５中の個々の曲線)を得る方法については、石炭とバイオマスに含まれる灰分をベースに、粒径によらずに灰分の含有率が変わらないと仮定したうえで、算術的に各々の分率について算定した。

図５に示すように、混合物は粒径７５μｍ以下の累積通過重量が６５ｗｔ％である。
一方、その混合物を構成する微粉炭の粒径７５μｍ以下の累積通過重量は８０ｗｔ％と粒度が小さく、バイオマスは２０ｗｔ％と粒度が大きくなっていることが分かる。また、バイオマスの粒度は、微粉炭の粒度と比較すると粗いが、そのトップサイズについては、石炭のトップサイズと比較してあまり差がない。

上述のように、石炭のみの燃焼でＮＯｘや未燃分の点で問題なく燃焼するのに必要であった目標粒度、粒径７５μｍ以下の累積通過重量７０ｗｔ％に対し、混合物の累積通過重量としては６５ｗｔ％となるように粉砕したにもかかわらず、その混合物を構成する微粉炭の粒径７５μｍ以下の累積通過重量は８０ｗｔ％と、かなり細かく粉砕されていることが明らかになった。

一方、バイオマスの種類にもよるが、一般にバイオマスがＮＯｘや未燃分の点で問題なく燃焼するのに必要な粒度は、２ｍｍ程度以下である。したがって、図５によれば、バイオマス単独の累積通過重量が１００％となる粒径、すなわちトップサイズは２００μｍ程度であることから２ｍｍに比べて極めて小さく、大幅に粉砕動力を低減してもよいことが分かる。

上記混合物の燃焼時に発生するＮＯｘや未燃分の点を考慮すると、燃料を問題なく燃焼させるには粒子を微粒化すればよいが、微粒化するためには、粉砕動力が多大となる。そして、微粉炭は、混合物の粒度をベースにした場合に比べて上記のように細かくなることが分かるので、混合粉砕物の粒度に着目してミルを制御した場合は過剰粉砕となって、ミルの動力増加に繋がってしまう。すなわち、図５の例によれば、ミルの粉砕動力のかけすぎということになり、適正な粉砕とは言えない。

前述のように、既存の石炭用粉砕装置にバイオマスを投入すると粉砕動力が増大する傾向にあり、バイオマスの混合比を高めていくとミルの動力の余裕度を超えてしまう。したがって、既存の石炭用粉砕装置では、バイオマスの混合比を高められないという問題があった。

しかし、上記のように、混合燃料をＮＯｘや未燃分の点で問題なく燃焼させる条件は、石炭の粒度の影響が支配的であることが分かった。したがって、本発明によれば、混合燃料中の石炭が適正な粒度になるように、ミルの動力、すなわち分級機の回転数を制御することで、ミルの動力の余裕度を超えずにバイオマスの混合燃料を粉砕できる。分級機の回転数の実数値は、回転分級機のスケールによってシフトする。そして実数値は、回転分級機により回転する粒子にかかる遠心力と向心力のバランスで調整するため、スケールが大きい装置では、回転数の絶対値は少なくなる。したがって、例えば具体的には混合物中の石炭の粒度を２００メッシュ累積通過重量が６５ｗｔ％になるように調整できる回転数に制御するためには、前記２００メッシュ累積通過重量７０ｗｔ％に比べて回転分級機の回転数を実施規模に応じて下げると良い。

したがって、バイオマスの混合比を高めることが可能となる。ただし、バイオマスの混合比率はせいぜい５％程度であり微粉炭の割合が９５％と非常に高いため、微粉炭の粒度のみ測定することで、適正な燃料調整ができる。
バイオマスの粉砕性や、バイオマスの混砕率が変化すると、各々の粒度も従属的に変化することから、混合物の粒度を知っただけでは、適正な粒度には調整できない。

しかし、同じ粒径（粒度に同じ）以下の粒子であれば、バイオマスは石炭と比較して累積重量が軽いため、少量でも燃焼しやすいこと、すなわちバイオマスの燃焼速度は、通常の微粉炭よりも大きいことが分かる。また、バイオマスの粒度が２ｍｍを超えない程度の粗さであれば、そのトップサイズについては、石炭のトップサイズと比較してあまり差がないため、大幅に粉砕動力を低減してもよいことが分かる。

すなわち、混合燃料をＮＯｘや未燃分の点で問題なく燃焼させる条件は、バイオマスの粒度よりも石炭の粒度の影響が支配的であることが分かったため、本発明によれば、混合燃料中の石炭が適正な粒度になるように、粉砕装置の動力、すなわち分級機の回転数を制御することで、粉砕装置の動力の余裕度を超えずにバイオマスの混合燃料を粉砕できる。そして、図５の例に示すように、バイオマス単独のトップサイズはＮＯｘや未燃分の点で問題なく燃焼するのに必要なバイオマスのトップサイズよりも一桁以上小さい値であるので、本発明によれば、上記ＮＯｘや未燃分の点で問題なく燃焼するのに必要な粒子サイズのバイオマスを用いることができる。したがって、バイオマスの混合比を高めることが可能となる。

本発明は、粉砕装置の出口部分から、粉砕後の混合物をサンプリングし、取り出した粉砕物の粒子をバイオマスと微粉炭粒子に分離する。このうち微粉炭粒子の粒度を分析し、目標とする粒度になるように回転分級装置の回転数を調整する。通常の石炭のみを粉砕して得られる粒度を基準として、回転分級装置の回転数を制御するものである。

これにより、適正な微粉炭の粒度を得ることが出来るので、過剰に粉砕して細かい微粉炭としたり、反対に粉砕が不十分な粗粒子を生成することなく、適正な粉砕動力で、燃焼に必要な適正粒度の微粉炭を生成できる。

請求項１及び３記載の発明によれば、石炭とバイオマスの粉砕後の混合物のうち、ＮＯｘや未燃分の点で問題なく燃焼させる条件として支配的である微粉炭粒子の粒度を測定することで、容易に、適正な石炭とバイオマスの混合粉砕の運用がなされる。

請求項２及び４記載の発明によれば、請求項１及び３記載の発明の上記作用に加えて、サンプリングしたバイオマスと石炭の粉砕物を重液中に分散させ、両者の比重の差を利用して遠心分離により比重分離することで、容易に混合粉砕物から石炭とバイオマスに分離することができ、石炭のみの粒度を正確に計測できる。そして、当該計測結果に基づいて、石炭の粒度が所定範囲に収まるように分級機の回転数を制御できる。

本発明によれば石炭燃焼の場合、石炭に混合するためのバイオマスの混合設備が必要となるだけで、大掛かりな設備の改造は必要としない。そして、ボイラの本体や燃焼装置の改造が必要ないことから、低コストでかつ効果的なバイオマス燃焼システムを構築できる。また、燃料の粉砕装置などの設備費を大幅に増大させずに、粉砕動力が多大となることなく、ＮＯｘや未燃分の排出を一定の水準に維持したまま、バイオマスの混合率（混焼率）を高めることができる。

請求項１及び３記載の発明によれば、適正な石炭とバイオマスの混合粉砕の運用がなされるため、燃料の粉砕装置などの設備費の増加を防ぎ、粉砕動力を抑えて、ＮＯｘや未燃分の排出を一定の水準に維持したまま、バイオマス燃料の混合率（混焼率）を高めることができる燃料調整が可能となる。

請求項２及び４記載の発明によれば、請求項１及び３記載の発明の上記効果に加えて、簡便、容易に混合燃料の中の石炭のみの粒度を正確に測定できるので、石炭の粒度が所定範囲に収まるように精密な燃料調整制御が可能となる。

図１には、本発明の一実施形態である燃料調整装置のシステムの系統構成図を示す。
図１に示すように、微粉炭焚きボイラのボイラ本体１の水冷壁に、微粉炭を燃焼する複数（図示では６機）の主バーナ４が配設され、主バーナ４を取り囲んで設けられた風箱３から燃焼用空気が供給される。また、主バーナ４の上方にはＯＦＡ（Over Firing Airport）２が設けられている。主バーナ４は従来の微粉炭バーナが用いられている。

主燃料である石炭は、貯炭場から運炭設備１０より、短時間で大量に輸送され、石炭バンカ９に一時貯蔵される。ここで輸送方法として限定はないが、具体的には比較的安価で信頼性の高いベルトコンベア方式が通常使用される。
バイオマス３２（図６）は、ベルトコンベアにて搬送可能な程度の大きさ、例えば５０ｍｍ以下程度に粗破砕された後、バイオマスバンカ７から定量供給装置８により一定量づつコンベア上に供給されて石炭と混合され、バンカ９へ供給される。
ここで混合とは、石炭の搬送ラインと合流する程度の意味であり、ベルトコンベア上の石炭とバイオマス３２の状況を局所的に見ると、石炭層の上部にバイオマス３２が少量載る程度である。

石炭とバイオマス３２の混合燃料は、バンカ９に一時貯蔵された後、バンカ９の底部に設けられた定量供給装置８により一定量切り出され、それぞれ対応する複数のミル６に供給される。定量供給装置８は、例えばフィーダ３３（図６）が回転することで供給量を調整する一般的な微粉炭焚きボイラの石炭定量供給装置で良い。また、各ミル６は混合燃料を微粉砕する粉砕機であり、ミル６内の上部には、モータ１６が駆動することにより回転する回転分級機１１が設置されている（図２）。各ミル６によって微粉砕された混合燃料は、ミル６内を上方に気流搬送されて、ミル６上部に設けられた回転分級機１１により分級された後、気流搬送用の配管３０を介してそれぞれ対応するボイラ本体１の主バーナ４に供給される。そして、主バーナ４によってボイラ本体１に吹き込まれると同時に安定に燃焼する。

通常は図１に示すように、バンカ９とミル６は一対一に組み合わされており、バンカ９内の燃料の残量は、ボイラの運用、すなわち燃焼負荷に応じた各バーナ４のオンオフ状況により、バンカ９毎に異なる。
一方、石炭とバイオマス３２は比重が異なるから、一時貯蔵している間に一方が偏析してくる可能性がある。したがって、コンベア上において石炭とバイオマス３２が混合する際に一定の混合比でバイオマス３２を供給していても、バンカ９からミル６へ切り出される混合燃料の混合比は各ミル６毎に異なるため、この点においても本発明の意義がある。すなわち本発明によれば、各ミル６毎に回転分級機１１の回転数を制御できるため、石炭とバイオマス３２の混合比が各ミル６毎に異なっていても、各ミル６毎に適正な燃料調整制御が可能である。

そして、ミル６の出口部分において、石炭とバイオマス３２の混合粉砕物の一部をサンプリングして試料とし、粒度計測制御システム５により当該試料の粒度を計測して、特に混合物全体の粒度ではなく、石炭の粒度を直接計測する。そして、計測した石炭の粒度から石炭とバイオマス３２を混焼する場合に必要な石炭の粒度を予測する。

そして、ミル６の粒度調整装置のうち粒度調整に係る変数に対して粒度を支配する回転分級機１１の回転数を制御する。すなわち回転分級機１１の回転数を大きくすると粒度が細かくなって微粒子の割合が増え、回転分級機１１の回転数を小さくすると粒度が粗くなって粗粒子の割合が増える。

図２には、図１の粒度計測制御システム５の構成図を示す。更に、図３には粒度計測制御システム５のうち中枢となる微粉炭とバイオマス３２の２成分系の自動粒度計測装置１３の構成図を示す。
粒度計測制御システム５は、図２に示すように、自動粒子サンプリング装置（オートサンプラ）１２、微粒炭とバイオマス３２の個別粒度計測装置１３、ミル回転分級機制御装置１４により構成されている。そして、自動粒子サンプリング装置１２により取り出された試料の微粒炭とバイオマス３２各々の粒度分布を個別粒度計測装置１３により計測し、その計測結果に基づいてミル６内の回転分級機１１の回転数をミル回転分級機制御装置１４により制御する。

図１に示すように、バンカ９の底部に設けられた定量供給装置８により切り出されたバイオマス３２と石炭は、所定の割合で混合された後、ミル６に投入され、微粉砕される。この被粉砕物は、空気により主バーナ４まで搬送されるので、図２に示すように、気流搬送用の配管３０において、その途中から石炭とバイオマス３２の混合粒子を一定時間毎に（例えば、１時間間隔）自動粒子サンプリング装置１２により少量だけ取り出す。そして、取り出した混合粒子を個別粒度計測装置１３により、混合粒子のうち石炭の粒度を計測する。そして、計測した石炭単独の粒度をもとに、適正な分級機１１の回転数を予測し、当該予測した回転数になるようにミル回転分級機制御装置１４によりモータ１６を制御する。

図２では石炭とバイオマス３２の混合粒子を気流搬送用の配管３０から取り出す際のサンプリングに、自動粒子サンプリング装置１２を用いている。この自動粒子サンプリング装置１２は通常良く用いられる装置であるので、図２にはその詳細について特に示していない。

図３には、石炭粒子とバイオマス粒子の混合物が得られた場合の処理について示しており、以下に説明する。
自動粒子サンプリング装置１２により取り出された石炭とバイオマス３２の混合粒子を、下部が容易にカット可能な複数のアンプル１８に入れて、重液中に分散させて遠心分離装置１７により比重分離を行い短時間で（例えば１０分程度）沈降させる。重液は一般的に用いられる比重調整用の透明の物質で良い。

このとき沈降するのは水より比重の高い石炭粒子のみであり、木質バイオマス粒子は一般に水より比重が低いので沈降しないため、石炭粒子とバイオマス粒子はアンプル１８の深さ方向で２極に分離される。ここで石炭粒子の比重は、１．３〜１．５程度、木質系バイオマス粒子の比重は、０．６〜０．８程度（それぞれ一般的な値である）として考える。

バイオマス３２の種類によっては、石炭の比重に近いものもあると考えられる。例えばヤシガラなどがある。その場合は、水に水溶性の添加物を入れて、石炭の比重と一般的なバイオマス３２の比重の中間になるように、すなわち分離が可能なように比重を調整する。
なお、バイオマス３２の比重は予め測定するが、混合物中のバイオマス３２はばらつきがあるので後から添加物の投入が必要になることもある。

そして、アンプル１８の内部において２極分離されたら、アンプル１８の下部をアンプルカッター１９により切断して石炭を自動粒度分析装置５の光学セル（測定セル）２３に送り込むようにして、石炭の粒度を計測する。なお、アンプル１８内の試料溶液のうち流路切替機２２により流路を切り替えて測定側と廃棄側に流す試料溶液を分離する。

石炭の比重は大きいので、アンプル１８の下部に溜まるため、アンプル１８の下部を切断して石炭のみを取り出すことができる。そして石炭の一部は廃棄し、一部を測定試料として用いる。測定試料も測定後は廃棄する。試料の測定には非接触タイプで迅速に測定できるレーザー回折式粒度測定装置２６を用いる。

そして検出部２５により検出された石炭の粒度をもとに、ミル６内の回転分級機１１の回転数を以下の状態になるように自動調整する。調整基準を以下に示す。

１）バイオマス混合粉砕時における微粉炭単独の粒度（２００メッシュ通過重量）は、石炭単独粉砕時の粒度×バイオマス補正係数とする。
２）バイオマス混合粉砕時におけるバイオマス単独の粒度は２ｍｍアンダーとする。

ここに、バイオマス補正係数は、０．９〜１．０とし、バイオマス３２の混焼による燃焼性への影響を考慮した数値を選定する。即ち、バイオマス３２の混合比によって、燃料全体としての燃焼性が変化するため、補正するものである。具体的には、バイオマス３２は石炭に比べて一般に燃えやすいので、バイオマス補正係数を１．０以下に設定している。燃料の粒度は細かい方が燃えやすいが、バイオマス３２の混合比が増えれば、その分、粒度は粗くてもよい。なお、バイオマス３２の種類にも依存することは言うまでもない。

図６には、木質系バイオマスと微粉炭の燃焼速度を比較した結果を示す。
計測にあたっては、図６（ａ）に示す構成のＤＴＦ（Drop Tube Furnace）を使用した。ＤＴＦは、縦型の管状電気炉で、炉頂から固体、試料を落とし、炉内で反応した生成ガスや固体を分析して反応解析を行う装置である。図６（ａ）に示すように、一次空気３１とバイオマス３２はフィーダ３３により、その一定量が加熱器４０の塔頂部から二次空気３５と共に供給される。そして供給されるバイオマス３２を加熱器４０内の火炉３６において燃焼させて、水冷式サンプリングプローグ３７によりサンプリングしたチャーの燃焼効率を分析することで、バイオマス３２の燃焼速度を求める。ガス分析モニター３９は燃焼用空気と燃料（ここではバイオマス）流量比率を調整するための指標として使用する。

図６（ｂ）の縦軸は、燃焼速度であり、１秒間に燃焼する比率を示し、横軸は絶対温度の逆数を示す。そして、粒径が２ｍｍ以下のバイオマス試料と２００メッシュ累積通過重量７０％の微粉炭試料を用いた結果を示している。図６（ｂ）は、バイオマス３２の粒径の最適値を示すものではなく、この図から、温度条件によっては、バイオマス３２の方が微粉炭に比べて燃焼速度が高い場合もあることが分かる。しかし、図６（ｂ）から、粒径が２ｍｍ以下程度のバイオマス粒子であれば、ほぼ２００メッシュの累積通過重量が７０％程度の微粉炭と同等の燃焼性を示すと言える。

図７には、石炭投入量が２００ｋｇ／ｈ規模のパイロット試験で、バイオマス３２（松：水分２１％）を、発熱量を基準として主燃料の１５％混焼した場合の排ガスへの影響について調べた結果を示す。すなわち、図７は、微粉炭の粒度が一定であり、所定粒度のバイオマス３２の混焼率を増加した場合の環境特性を示した図である。図７（ａ）には、ＮＯｘ濃度と混焼率との関係を示し、図７（ｂ）には、灰中未燃分（ＵＢＣ）と混焼率との関係を示す。

図７（ａ）から、バイオマス３２の混焼率が１５ｃａｌ％では、石炭専焼時（混焼率０ｃａｌ％）と比較して、排ガス中のＮＯｘの濃度が約２０％低減することが分かる。また燃焼性能のうち燃え切りを表す項目として灰中未燃分がある。本実施形態によれば、図７（ｂ）から、微粉炭を基準とした灰中の未燃分と比較して、バイオマス３２の１５ｃａｌ％の混焼率では灰中未燃分が６％から４％に低下したことが分かる。したがって、バイオマス３２の混焼率を増加させると、排ガス中のＮＯｘの濃度が低減され、更には灰中の未燃分の割合も低下することが確認された。すなわち、石炭などの主燃料にバイオマス３２を副燃料として混焼すると、ＮＯｘ排出量の低減効果と灰中の未燃分の割合も低減効果があることが分かる。

上記のことから、本発明の実施形態によれば、石炭に混合するためのバイオマスの混合設備が必要となるだけで、大掛かりな設備の改造は必要としない。そして、ボイラの本体や燃焼装置の改造が必要ないことから、低コストでかつ効果的なバイオマス燃焼システムを構築できる。そして、燃料の粉砕装置などの設備費を大幅に増大させずに、粉砕動力が多大となることなく、ＮＯｘや未燃分の排出を一定の水準に維持したまま、バイオマスの混合率（混焼率）を高めることができる。

図８には、本発明の他の実施形態による燃料調整装置のシステムの系統構成図を示す。なお、図１と同一符号を付した部材については説明を省略する。
図８によれば、バイオマス３２用に、独自のバイオマスバンカ７と独自の定量供給装置８を設置し、石炭と混合する前に直接ミル６へバイオマス３２を供給している。図１に示すような石炭との混合比率を保ちながら石炭バンカ９へ供給する方法と比較して、正確な混砕率で制御することが可能となる。図１に示すように、コンベア上で混合する場合は、バンカ９の中で石炭とバイオマス３２の比重の違いにより経時的に偏析することを避けがたい。

しかし、図８に示すように独自のバイオマスバンカ７と独自の供給装置８を設けることで、バイオマス３２の供給方法が高精度となり、上記のような偏析のリスクを回避できるので、より高い混砕率での運転が可能となる。図８には、２台のミル６へのバイオマス供給方法と２台のミル６の制御方法について示しておりすなわち２系統のみを示しているが、６台ミルのシステムへの適用も可能である。

図１に示す燃料調整装置のシステムのフローに基づいてバイオマス３２と石炭の混合燃料を調整した。バイオマス３２には杉（２０ｍｍアンダー）を石炭にはバルガ炭を用いて、バイオマス３２の発熱量を基準として石炭にバイオマス３２を５ｃａｌ％混合して粉砕し、混合燃料を定量供給装置８によりミル６に１．２ｔ／ｈで供給した。回転分級機１１（ＳＬＳ−５０）の回転数は１４０ｒｐｍとし、ミル６の出口部分から石炭とバイオマス３２の混合粉砕物の一部（１０ｍｇ程度）を自動粒子サンプリング装置１２により取り出してアンプル１８に入れ、バイオマス３２と微粉炭混合物を重液（塩化カルシウム水溶液）中に分散させた後、日立製ＣＰ１００ＷＸ型自動遠心分離装置１７を用いて分離を行った。

なお、回転分級機１１で回転する際、粒子には、向心力と遠心力がかかり、大きな粒子は遠心力が向心力を上回り、ミル６側に戻される。すなわち、回転数の大小は、遠心力の大小を与える。遠心力はＭＲω²で表され、Ｍは単一粒子の質量であり、Ｒは回転分級機１１の半径であり、ωは角速度である。回転分級機１１の回転数はωになり、本実施例では１４０ｒｐｍとした。

そして、石炭とバイオマス３２の混合粉砕物粒子をアンプル１８に分散させて、遠心分離したあと、その下部を切断して分離物のみを抽出できる装置の場合、１０分程度で石炭が沈降した後、アンプル１８の下部をアンプルカッター１９により切断して自動粒度分析装置５の光学セル（測定セル）２３に石炭試料を送り込み、レーザー回折式粒度測定装置２６を用いて石炭の粒度を計測した。レーザー回折式粒度測定装置２６としてマルバーンマスタライザ２０００の光学セル２３に遠心分離された微粉炭粒子を導入して、粒径分布を計測した。

また、遠心分離装置１７に自動で遠心分離物を抽出できる機構が付加されている場合は、抽出物（石炭試料）を自動粒度分析装置５の光学セル（測定セル）２３に送り込み、上述のようにレーザー回折式粒度測定装置２６を用いて石炭の粒度を計測すればよい。

この時の石炭の粒度は、２００メッシュ累積通過重量７０ｗｔ％であった。そこで、２００メッシュ累積通過重量が７０ｗｔ％から６５％ｗｔになるように、ミル回転分級機制御装置１４によりモータ１６を制御して回転分級機１１の回転数を１４０ｒｐｍから１１０ｒｐｍに下げて混合燃料の調整を行った。
上記サンプリング、分析操作は１時間毎に行い、サンプリングした石炭の粒度が２００メッシュ累積通過重量６５％ｗｔになるように、回転分級機１１の回転数を適宜調整した。

図９には、ミルの主軸動力（ｋＷ）とミルの負荷率（％）との関係の一例を示し、本発明の実施例１の方法による運用と従来方法による運用とを比較したものである。主軸動力とは、直接粉砕にかかった動力のことで、ミル６の動力伝達系統の機械的な動力損失を排除したものである。

図９に示すミル６は、パイロット規模のテストミルであり、定格ミル動力（前述のミル６の動力の余裕度に相当）が１４ｋＷで、この数値を超えない運用が要求される。そして石炭の粉砕容量が定格で２ｔ／ｈのミル６を使用して、石炭と木質系バイオマスを同時粉砕した場合の結果である。図９の横軸は、ミル６の負荷率であり、石炭やバイオマス３２などの原料供給量を定格粉砕量で割った値である。そして、石炭単独の場合は、７０％負荷率の運転が基準となっている。

図９によれば、石炭ベースと比較して、混合粉砕率が増加した場合は、図９の縦軸に示す主軸動力が増加することが分かる。そして、バイオマス３２を５ｃａｌ％混合粉砕した場合は７０％負荷率の運転で１４ｋWの制限値を超えB点の動力となる。

この場合は、粒度が一定条件、例えば回転分級機の回転数を１４０ｒｐｍ固定で燃料を石炭単独からバイオマス３２を５ｃａｌ％混合した混合燃料に切り替えた場合が相当する。その後、主軸動力を定格動力（１４ｋＷ）以下に押さえ込むために、回転分級機の回転数を１１０ｒｐｍに低下させて動力を図中C点に移動させ、動力をB点から低下させる。

このような燃料調整方法により、図９に示すミル６の負荷率が７０％における定格ミル動力ラインを超えることなく、回転分級機１１の回転数を制御して適正なミル動力を維持して混合燃料の調整を行うことができる。

そして、本実施例による燃料調整方法であれば、混合燃料中の石炭の粒度を分析し、その結果に基づいて動力をすぐに１４０ｒｐｍから１１０ｒｐｍに下げることができる。したがって、回転分級機１１の操作に対して、本実施例による方法では石炭の粒度は瞬時に反映される。しかし、従来法によれば、回転分級機１１の操作に対して、ミル６の動力は、３０分以上遅れて増加する。したがって、本実施例による方法では粒度の測定後に分級機１１の回転数を変えても、負荷が掛かる前に十分に間に合う。

このように、ミル６の動力を上記Ａ点からB点、B点からC点に移動する場合に比べて、実際にミル６の負荷率が７０％に上昇する前に動力を石炭単独の場合のA点から定格ミル動力を超えるB点を通過せずに、直接C点に移動制御できることから、定格動力を超えることによる機器への悪影響やトリップなどの不具合を防止して迅速に制御できるメリットがある。

図１０には回転分級機１１の回転数を調整した一例を示す。
サンプリングした石炭の粒度が目標粒度以下（２００メッシュ累積通過重量が６５％以上）で、微粉炭単独の粉砕の場合に得られている回転分級機回転数ＶＳ.２００メッシュ通過重量特性曲線（実線Ａ）から外れている場合は、微粉炭単独の特性曲線（実線Ａ）を石炭の粒度の実測値（点線Ｂ）に合うようにシフトさせて、目標粒度に達するように回転分級機１１の回転数を補正する。この手順を以下に説明する。

ステップ１：たとえば、回転分級機１１の回転数をＲ０（初期値とする）でスタートする。この時の石炭の粒度から分析される２００メッシュ累積通過重量の実測値を実測値１とする。
ステップ２：そして、微粉炭単独の特性曲線である実線Ａが正しいとして、実測値１に重なるように左側にシフトさせる（点線Ｂ）。

ステップ３：この点線Ｂのカーブで２００メッシュ通過６５％時の回転数Rを予測して（予測値１とする）、点線Ｂから得られる回転数R１を与える。
ステップ４：この時に回転数初期値Ｒ０とＲ１の差分の絶対値は、初期値Ｒ０の１０％を上限として、回転分級機１１の回転数の変化による粒度の著しい変化を与えないようにすると良い。すなわち、｜Ｒ０−Ｒ１｜がＲ０／１０を超えないようにして、超えた場合は、R１＝Ｒ０×０．９（又は１．１）を与えるようにする。

ステップ５：そして、Ｒ１の回転数を与えた場合に、石炭の粒度が２００メッシュ通過６５％（予測値１）から外れた場合は（実測値２とする）、Ｒ０とＲ１から得られる特性をベースに２００メッシュ通過６５％時のＲを予測して（予測値２とする）、Ｒ２の回転数を与える。ここでも、ステップ４のように、｜Ｒ１−Ｒ２｜がＲ１／１０を超えないようにして、超えた場合は、R２＝Ｒ１×０．９（又は１．１）を与えるようにする。そして、実測値３を得ると、ステップ３に戻って再び点線Ｂ（実線Ａ）のカーブを実測値３に重なるようにシフトさせて２００メッシュ通過６５％時の回転数Rを予測して、このステップに従い無限に６５％に近づくように調整する。実施例２では、計測エラーが発生して、急激に回転数が変化しないように一回の回転数の変化幅の最大値１０％を設けている。この変化幅は、装置や実施規模などにより異なるものである。

ボイラなどの燃焼装置に燃料として石炭と共に混焼される副燃料の調整装置、調整方法として、バイオマス燃料に限らず、その他の廃材などを副燃料とする場合にも適用可能である。

本発明の一実施形態である燃料調整装置のシステムの系統構成図である。図１の粒度計測制御システムの構成図である。図２の微粉炭とバイオマスの２成分系の自動粒度計測装置の構成図である。微粉炭とバイオマスをそれぞれ専用粉砕したものについて、燃焼速度がほぼ等価となるサンプルの粒度を微粉炭とバイオマスで比較した例を示した図である。図４と同じ石炭と木質系バイオマスについて、バイオマスの発熱量を基準として５％混合粉砕した場合の粒度を示した図である。木質系バイオマスと微粉炭の燃焼速度を比較した結果を示した図である。図６（ａ）は使用したＤＴＦ（Drop Tube Furnace）の構成を示した図であり、図６（ｂ）は、木質系バイオマスと微粉炭の燃焼速度を示した図である。バイオマスを、発熱量を基準として主燃料の１５％混焼した場合の排ガスへの影響について調べた結果を示した図である。図７（ａ）は、ＮＯｘ濃度と混焼率との関係を示した図であり、図７（ｂ）は、灰中未燃分（ＵＢＣ）と混焼率との関係を示した図である。本発明の他の実施形態による燃料調整装置のシステムの系統構成図である。ミルの主軸動力（ｋＷ）とミルの負荷率（％）との関係の一例を示す図である。本発明の実施例２による回転分級機の回転数を調整した例を示した図である。

符号の説明

１ボイラ本体２ＯＦＡ
３風箱４主バーナ
５粒度計測制御システム６ミル
７バイオマスバンカ８定量供給装置
９石炭バンカ１０運炭設備
１１回転分級機１２自動粒子サンプリング装置
１３粒度計測装置１４回転分級機制御装置
１６モータ１７遠心分離装置
１８アンプル１９アンプルカッター
２２流路切替機２３測定セル
２５検出部２６レーザー回折式粒度測定装置
３０気流搬送用の配管３１一次空気
３２バイオマス３３フィーダ
３５二次空気３６火炉
３７水冷式サンプリングプローグ３９ガス分析モニター
４０加熱器

Claims

木質系バイオマス燃料と石炭の混合物を粉砕する粉砕装置と、
該粉砕装置により粉砕された粉砕物を分級するための回転機構を有する回転分級装置と、
該回転分級装置により分級された粉砕物をボイラを含む燃焼装置に供給する供給装置と
を備えた燃料調整装置であって、
前記回転分級装置により分級された粉砕物の一部を取り出すサンプリング装置と、
該サンプリング装置により取り出された粉砕物のうち石炭の粒度を分析する粒度分析装置と、
該粒度分析装置により分析された石炭の粒度に基づいて前記回転分級装置の回転数を制御する制御装置と
を備えたことを特徴とする燃料調整装置。
前記粒度分析装置は、前記サンプリング装置により取り出された粉砕物のうち前記木質系バイオマス燃料と石炭を重液中に分散させて比重分離する遠心分離装置と、
該遠心分離装置により比重分離された石炭の粒度を計測する粒度計測装置と
からなり、
前記制御装置は、前記粒度計測装置により計測された石炭の粒度が、所定範囲に収まるように前記回転分級装置の回転数を制御する構成を有すること
を特徴とする請求項１記載の燃料調整装置。
木質系バイオマス燃料と石炭の混合物を粉砕し、得られた粉砕物を回転機構を有する分級手段により分級した後、ボイラを含む燃焼装置に供給する燃料調整方法であって、
前記分級手段により分級後の粉砕物中の石炭の粒度を分析し、該分析した石炭の粒度に基づいて前記分級手段の回転数を制御することを特徴とする燃料の調整方法。
前記分級後の粉砕物の一部を重液中に分散させて遠心分離により、前記木質系バイオマス燃料と石炭を比重分離した後、前記石炭の粒度を計測し、該計測した石炭の粒度が所定範囲に収まるように前記分級手段の回転数を制御することを特徴とする請求項３記載の燃料の調整方法。