JP5177965B2 - 排ガス中の有害微量元素を捕捉する方法。 - Google Patents

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本発明は、火力発電システムにおいて石炭の燃焼によって発生する排ガス中の有害微量元素を捕捉する方法に関する。

火力発電システムの一例である石炭火力発電システムにおいて石炭を燃焼させる方法としては種々の方式があるが、中でも、石炭を微粉砕した粒子を火炉内に吹き込んで燃焼させる、いわゆる微粉炭燃焼が主に採用されている。

ところで、原料となる石炭は炭素以外にも、硫黄化合物や窒素化合物を含み、さらには、ホウ素、フッ素、セレン、ヒ素などの有害な元素を微量ながら含んでいる（以下、上記有害な元素を「有害微量元素」という。）。

石炭の燃焼とともに、石炭に含まれる硫黄化合物が火炉内で燃焼すると、硫黄酸化物が生成する。この硫黄酸化物を石炭火力発電システムの下流に設けられた脱硫装置で除去することによって、硫黄酸化物が大気へ放出されることを防止している。例えば、石灰スラリーを硫黄酸化物の吸収剤として使用する脱硫装置では、硫黄酸化物と石灰スラリーとが反応して石こうスラリーが生成される。脱硫装置では、この石こうスラリーを脱水処理することにより、石こうが回収される。この脱水処理後の排水（以下、「脱硫排水」という。）の一部は循環して脱硫処理に利用されるが、その他の脱硫排水は排水処理設備に送られて排水処理された後、処理水として放流口から一般河川や海域に放流される。放流される処理水中の有害微量元素の含有量は、水質汚濁防止法のような法令順守のために定められた各自治体の規制値よりも厳しい自主規制値が定められている。

一方、石炭の燃焼後においては、石炭に含まれていた有害微量元素の化合物は、石炭の燃焼後の残渣である石炭灰に含有された状態で、又は、排ガス中に固体状（粒体状）又はガス状の状態で存在する。

脱硫装置の上流に設けられた集塵装置では、排ガス中に固体状で存在する有害微量元素の化合物のほとんどが石炭灰と一緒に除去される。一方で、排ガス中にガス状で存在する有害微量元素の化合物は脱硫装置において脱硫排水に溶解する。したがって、有害微量元素の含有率が高い石炭種が使用され、脱硫排水に有害微量元素の化合物が予想以上に溶解（溶出）した場合、既存の排水処理設備では処理しきれずに、各自治体の規制値以上の有害微量元素が含有された処理水が一般河川や海域等に排出されてしまう恐れがある。

このため、石炭火力発電システムにおいて有害微量元素の含有率が低い石炭種を燃料として使用することが望ましいが、その一方で、燃料費のコスト削減の要請から、有害微量元素の含有率が高い安価な石炭種を使用できることが好ましい。

処理水が定められた規制値を遵守し、かつ、有害微量元素の含有率が高い安価な石炭種を使用可能とする一つの方策として、新たな排水処理設備（排水処理方法）を導入することが考えられる。有害微量元素を処理可能な排水処理方法として、例えば、特許文献１では、消石灰や硫酸アルミニウムにより有害微量元素の一種であるホウ素を不溶性沈殿物として除去する方法が開示されており、特許文献２では、ホウ素吸着樹脂によりホウ素化合物を吸着除去する方法が開示されている。
特開平１０−２２５６８２号公報 特開２００３−１１２９１７号公報

しかしながら、上記いずれの方法も、ホウ素を含有する排水を大量に処理するためには、薬剤やホウ素吸着樹脂を多量に使用しなければならない。この場合、初期費用が増大するなど処理コストの問題が発生する。

上記に示したように、排水処理設備に流入した有害微量元素の処理コストは高い。このため、有害微量元素が排水処理設備に流入する前に、さらには、脱硫装置に流入する前に有害微量元素の濃度を低減させることが可能であれば、有害微量元素の含有率が高い安価な石炭種を使用できる。

その方策としては、排ガス中の有害微量元素を石炭灰等に捕捉させ、有害微量元素を捕捉した石炭灰等を脱硫装置に流入する前に除去する方法等が考えられる。

本発明は、上述の課題に鑑みてなされたものであり、多額の初期投資及び大規模な追加設備を必要とせずに排ガス中の有害微量元素を捕捉する方法を提供することを目的とする。

（１） 石炭を燃焼させる燃焼ボイラと、前記燃焼ボイラの下流に設けられ前記石炭の燃焼残渣のうち煤塵を集塵する集塵装置と、を備えた石炭火力発電システムにおいて、前記石炭を前記燃焼ボイラに供給する石炭供給工程から前記集塵装置によって煤塵が集塵される工程までの系内に前記石炭の燃焼残渣を移送して、前記石炭の燃焼によって発生する排ガス中の有害微量元素を捕捉する方法。

（１）の発明によれば、石炭を燃焼ボイラに供給する石炭供給工程から集塵装置によって煤塵が集塵される工程までの間の系内に、石炭の燃焼残渣を移送するだけなので、既存の設備の改良で簡単に適用できる。

また、酸化カルシウムは、石炭灰中に含有された有害微量元素の化合物、例えば、酸化セレン、三酸化二ヒ素、及び酸化ホウ素などと反応して、それぞれ亜セレン酸カルシウム、ヒ酸カルシウム、ホウ酸カルシウムなどの難溶性又は不溶性の化合物（以下、「難溶性不溶性化合物」という）を生成する。すなわち、有害微量元素は酸化カルシウムによって化学的に捕捉され難溶性不溶性化合物となっている。このため、有害微量元素が脱硫排水に流入したとしても、有害微量元素は難溶性不溶性化合物となっているため、脱硫排水への有害微量元素の溶出を抑制することが可能である。

（１）の発明によれば、石炭を燃焼ボイラに移送する工程から集塵装置によって煤塵が集塵される工程までの間の系内に、石炭の燃焼残渣が移送されるので、石炭の燃焼残渣中に含まれている酸化カルシウム量が増加する。すなわち、移送された石炭の燃焼残渣中の酸化カルシウム量が増えたことによって、有害微量元素の化合物と有害微量元素の化合物とが接触する機会が増加する。このため、有害微量元素は酸化カルシウムに化学的に捕捉され難溶性不溶性化合物となっている可能性が高く、脱硫排水への有害微量元素の溶出がより抑制される。

また、（１）の発明のように、石炭の燃焼残渣を、燃焼中又は燃焼前の石炭の段階に移送した場合、炉内の熱で移送された石炭の燃焼残渣の表面が溶融する。石炭の燃焼残渣の表面には、有害微量元素の化合物が接触する。有害微量元素の化合物は、石炭の燃焼残渣の表面が徐々に固化（ガラス固化）されることにより、石炭の燃焼残渣に取り込まれる。すなわち、有害微量元素の化合物は系内に移送された石炭の燃焼残渣に物理的に捕捉される。物理的に捕捉された有害微量元素の化合物は、脱硫排水に流入する前に、石炭の燃焼残渣とともに集塵装置などによって系外に除去されるため、除去脱硫排水への有害微量元素の溶出をより抑制することができる。

以上のように、（１）の発明によれば、石炭の燃焼残渣が有害微量元素の化合物を化学的及び物理的に捕捉することによって、脱硫排水への有害微量元素の溶出をより抑制することができる。したがって、新たな排水処理設備が不要であり、多額の初期投資及び大規模な追加設備を必要とせずに有害微量元素の含有率が高い安価な石炭種を使用することが可能である。

また、（１）の発明によれば、有害微量元素の溶出防止のためのカルシウム化合物、具体的には、石灰石、消石灰、生石灰等を使用していた場合、その使用量を低減させることができる。

なお、「有害微量元素」とは、ホウ素、ヒ素、臭素、シアン、塩素、ヨウ素、硫黄、窒素、リン、シリカ、スズ、チタン、バナジウム、タングステン、セレン、フッ素、ニッケル、マグネシウム、マンガンなどの石炭中に含有する、人間にとって有害となり得る元素である。

また、石炭の燃焼残渣とは、後述するように、クリンカアッシュ、シンダアッシュ、フライアッシュ等をいう。

（２） 前記石炭の燃焼残渣を、前記燃焼ボイラ内より上流に移送する（１）記載の排ガス中の有害微量元素を捕捉する方法。

（３） 前記石炭の燃焼残渣を、前記燃焼ボイラのバーナーゾーン付近に移送する（１）の排ガス中の有害微量元素を捕捉する方法。

（４） 前記石炭の燃焼残渣を、前記燃焼ボイラ内で添加する（１）記載の集塵装置の集塵効率を向上する方法。

（５） 前記石炭の燃焼残渣を、前記燃焼ボイラ内の下流に配置される熱交換ユニット付近に移送する（１）記載の排ガス中の有害微量元素を捕捉する方法。

（６） 前記石炭の燃焼残渣を、前記燃焼ボイラ内の出口から前記集塵装置までの系内に前記石炭の燃焼残渣を移送する（１）記載の排ガス中の有害微量元素を捕捉する方法。

（２）から（６）の発明は、石炭の燃焼残渣の添加位置を具体的に規定したものである。石炭の燃焼残渣の添加位置の条件としては、石炭の燃焼残渣が有害微量元素を物理的又は化学的に捕捉させることが可能な添加位置である必要がある。

（２）から（５）の発明に規定された石炭の燃焼残渣の移送位置は、いずれも石炭の燃焼残渣の表面を溶融することが可能な温度領域、具体的には、８５０℃以上の温度を有する位置である。このため、石炭の燃焼残渣の表面が溶融されることにより、有害微量元素の化合物等を物理的に捕捉ことが可能である。

また、（２）から（６）の発明で規定された石炭の燃焼残渣の移送位置は、いずれも移送された石炭の燃焼残渣と排ガス中の有害微量元素の化合物を含んだ石炭の燃焼残渣とが接触可能な位置である。このため、移送された石炭の燃焼残渣中の酸化カルシウムが有害微量元素の化合物と接触して、有害微量元素の化合物を化学的に捕捉させることが可能である。

したがって、（２）から（６）の発明によれば、移送された石炭の燃焼残渣が有害微量元素の化合物を化学的又は物理的に捕捉することによって、脱硫排水への有害微量元素の溶出をより抑制することができる。その結果、新たな排水処理設備が不要であり、多額の初期投資及び大規模な追加設備を必要とせずに有害微量元素の含有率が高い安価な石炭種を使用することが可能である。

なお、（２）の発明における「燃焼ボイラ内より上流」とは、例えば、後述する石炭供給部、微粉炭生成部である。（４）の発明における「燃焼ボイラ内」とは、燃焼ボイラが排ガスの再循環を行っている場合には、その配管への移送も含まれるものである。

また、（５）の発明では、石炭の燃焼残渣を、燃焼ボイラの下流に配置される熱交換ユニット付近に移送する。この熱交換ユニットは、過熱器、再熱器、節炭器又はエコノマイザー（ＥＣＯ）等とも呼ばれ、８５０℃から９００℃前後が維持されている領域である。

（７） 前記石炭火力発電システムが微粉炭燃焼方式システムであり、前記石炭の燃焼残渣として、クリンカアッシュを移送する（１）から（６）いずれか記載の排ガス中の有害微量元素を捕捉する方法。

（８） 前記石炭火力発電システムが微粉炭燃焼方式システムであり、前記石炭の燃焼残渣として、節炭器から排出された前記石炭の燃焼残渣、空気予熱器から排出された前記石炭の燃焼残渣、脱硝装置から排出された前記石炭の燃焼残渣からなる群より選ばれる少なくとも一種以上を含むシンダアッシュを移送する（１）から（６）いずれか記載の排ガス中の有害微量元素を捕捉する方法。

（９） 前記石炭火力発電システムが微粉炭燃焼方式システムであり、前記石炭の燃焼残渣として、フライアッシュを移送する（１）から（６）いずれか記載の排ガス中の有害微量元素を捕捉する方法。

（７）から（９）の発明は、石炭の燃焼残渣を具体的に規定したものである。この場合、クリンカアッシュ、シンダアッシュ、フライアッシュの移送は、既存の設備の改良で簡単に適用できる。

（７）から（９）の発明によれば、石炭の燃焼残渣を石炭に添加すると、石炭灰中に含まれる酸化カルシウムによって、石炭灰の低融点化を起こす。

また、（７）の発明によれば、石炭の燃焼残渣であるクリンカアッシュを、石炭を燃焼ボイラに供給する石炭供給工程から集塵装置によって煤塵が集塵される工程までの間の系内に移送する。クリンカアッシュは、アモルファス物質であるため、高温である炉内温度（例えば、約１３００℃から１５００℃）に対して比較的低い温度（例えば、約１０００℃）で粘性を有し、さらに、高温になると流体化する。すなわち、クリンカアッシュは、炉内において比較的低い温度で再溶融化される。

また、（８）の発明によれば、石炭の燃焼残渣であるシンダアッシュは、一部アモルファス物質であるため、高温である炉内温度（例えば、約１３００℃から１５００℃）に対して比較的低い温度（例えば、約１０００℃）で粘性を有し、さらに、高温になると流体化する。すなわち、シンダアッシュは、炉内において比較的低い温度で再溶融化される。

また、（９）の発明によれば、石炭の燃焼残渣であるフライアッシュを、炉内に添加することが考えられる。炉内に移送されたフライアッシュは炉内の熱によりその表面が溶融される。

以上のメカニズムにより、移送された各石炭の燃焼残渣を溶融化させることが可能となる。軟化した石炭の燃焼残渣の表面には、有害微量元素の化合物が接触して凝縮する。有害微量元素の化合物は、石炭の燃焼残渣の表面が徐々に固化（ガラス固化）されることにより、石炭の燃焼残渣に取り込まれる。すなわち、微小な鉱物粒子や揮発成分は石炭の燃焼残渣に物理的に捕捉される（取り込まれる）ことになる。

また、（７）から（９）の発明によれば、移送されたいずれもの石炭の燃焼残渣も有害微量元素の化合物を化学的に捕捉させることが可能である。

したがって、（７）から（９）の発明によれば、石炭の燃焼残渣が有害微量元素の化合物を化学的又は物理的に捕捉することによって、脱硫排水への有害微量元素の溶出をより抑制することができる。その結果、新たな排水処理設備が不要であり、多額の初期投資及び大規模な追加設備を必要とせずに有害微量元素の含有率が高い安価な石炭種を使用することが可能である。

本発明によれば、添加された石炭の燃焼残渣中の酸化カルシウムの分だけ酸化カルシウム量が増えたことによって、有害微量元素は酸化カルシウムに化学的に捕捉され難溶性不溶性化合物となっている可能性が高く、脱硫排水への有害微量元素の溶出をより抑制することが可能である。また、石炭の燃焼残渣を、燃焼中又は燃焼前の石炭の段階に移送した場合、炉内の熱で移送された石炭の燃焼残渣の表面が溶融し、石炭の燃焼残渣の表面に接触した有害微量元素の化合物は、石炭の燃焼残渣の表面が徐々に固化（ガラス固化）されることにより、石炭の燃焼残渣に取り込まれる。すなわち、有害微量元素の化合物は系内に移送された石炭の燃焼残渣に物理的に捕捉され、除去脱硫排水への有害微量元素の溶出をより抑制することができる。

以上のように、本発明によれば、石炭の燃焼残渣が有害微量元素の化合物を化学的及び物理的に捕捉することによって、脱硫排水への有害微量元素の溶出をより抑制することができる。したがって、新たな排水処理設備が不要であり、多額の初期投資及び大規模な追加設備を必要とせずに有害微量元素の含有率が高い安価な石炭種を使用することが可能である。

＜Ａ：石炭火力発電システムにおける微粉炭燃焼施設の構成＞
以下、本発明の一例を示す実施形態について、図面に基づいて説明する。図１は、石炭火力発電システムにおける微粉炭燃焼施設１を示すブロック図である。ここで、図１に示すように、微粉炭燃焼施設１は、石炭を供給する石炭供給部１２と、供給された石炭を微粉炭にする微粉炭生成部１４と、微粉炭を燃焼する微粉炭燃焼部（燃焼ボイラ）１６と、微粉炭の燃焼により生成された排ガスを処理し、さらに、後述する脱硫装置から排出される脱硫排水を処理する排ガス・排水処理部１８と、石炭の燃焼残渣である石炭灰を混合する石炭灰混合部２０と、を備える。また、図２は、微粉炭燃焼部１６における火炉１６１付近の拡大図である。図３は、微粉炭燃焼施設１の概要構成図の一例である。

＜Ａ−１：石炭供給部＞
石炭供給部１２は、石炭を貯蔵する石炭バンカ１２１と、この石炭バンカ１２１に貯蔵された石炭を供給する給炭機１２２と、を備える。石炭バンカ１２１は、給炭機１２２へ供給する石炭を貯蔵する。給炭機１２２は、石炭バンカ１２１から供給された石炭を連続して石炭微粉炭機１４１へ供給するものである。また、この給炭機１２２は、石炭の供給量を調整する装置を備えており、これにより、石炭微粉炭機１４１に供給される石炭量が調整される。また、これら石炭バンカ１２１と給炭機１２２との境界には石炭ゲートが設けられており、これにより、給炭機からの空気が石炭バンカへ流入するのを防いでいる。

＜Ａ−２：微粉炭生成部＞
微粉炭生成部１４は、石炭を微粉炭燃焼が可能な微粉炭にする石炭微粉炭機（ミル）１４１と、この石炭微粉炭機１４１に空気を供給する通風機１４２と、を備える。

石炭微粉炭機１４１は、給炭機１２２から給炭管を介して供給された石炭を、微細な粒度に粉砕して微粉炭を形成するとともに、この微粉炭と、通風機１４２から供給された空気とを混合する。このように、微粉炭と空気とを混合することにより、微粉炭を予熱及び乾燥させ、燃焼を容易にする。形成された微粉炭には、エアーが吹き付けられて、これにより、微粉炭燃焼部１６に微粉炭を供給する。

石炭微粉炭機１４１の種類としては、ローラミル、チューブミル、ボールミル、ビータミル、インペラーミル等が挙げられるが、これらに限定されるものではなく微粉炭燃焼で用いられるミルであればよい。

＜Ａ−３：微粉炭燃焼部＞
微粉炭燃焼部１６は、微粉炭生成部１４で生成された微粉炭を燃焼する火炉１６１と、この火炉１６１を加熱する空気予熱器１６２（熱交換ユニット）と、火炉１６１に空気を供給する通風機１６３と、を備える。

火炉１６１は、図示しない加熱機により加熱されて、石炭微粉炭機１４１から微粉炭管を介して供給された微粉炭を、通風機１６３から供給された空気とともに燃焼する。空気予熱器１６２（熱交換ユニット、ＡＨ）は火炉１６１に送られる空気（未処理ガス）と排ガスの熱交換を行う。空気予熱器１６２は後述するＡＨ灰が排出される灰処理ホッパ１６２ｆを有する。

微粉炭を燃焼することにより、クリンカアッシュ及びフライアッシュなどの石炭灰（石炭の燃焼残渣）が副生物として生成される。

クリンカアッシュは火炉１６１から炉底に落下して水により冷却されたもので、ボトムアッシュとも称される。クリンカアッシュは多孔質であり、排水性（透水性）、通気性を有する。

また、フライアッシュは残りの煤塵であり、後述する集塵装置１８２で捕集（集塵）される。

また、集塵装置１８２以外に、後述する、１次節炭器１６１ｄ、２次節炭器１６１ｅ、空気予熱器１６２、及び、脱硝装置１８１からも少量（合計約１％〜２％）ではあるが石炭灰が捕集される。１次節炭器１６１ｄ、２次節炭器１６１ｅ、空気予熱器１６２（ＡＨ）、及び、脱硝装置１８１から捕集される石炭灰をそれぞれＥＣＯ灰、ＡＨ灰、脱硝装置灰といい、これらをまとめてシンダアッシュという。シンダアッシュは、Ｆｅ分を多く含み、かつ、発生量が少ないため、フライアッシュやクリンカアッシュとは異なって、従来有効活用されてこなかった。本発明によれば、このシンダアッシュの有効活用を図ることが可能である。なお、シンダアッシュは、ＥＣＯ灰、ＡＨ灰、脱硝装置灰の群より選ばれる少なくとも１種以上を含むものであればよい。

また、以上の石炭灰とともに、二酸化硫黄（ＳＯ_２）及び三酸化硫黄（ＳＯ_３）等の硫黄酸化物（ＳＯｘ）、及び、窒素酸化物（ＮＯｘ）等の排ガスが発生する。さらには、石炭中に含有されていたホウ素、フッ素、セレン、ヒ素などの有害微量元素のうち、ホウ素、フッ素、セレンは、酸化ホウ素、フッ化水素、酸化セレンのように、ガス状の化合物として排ガス中に存在することになる。これら有害微量元素の化合物は、排ガスやフライアッシュとともに、排ガス・排水処理部１８に送られる。

図２及び図３を参照して、火炉１６１について詳しく説明すると、図２において、火炉１６１は全体として略逆Ｕ字状をなしており、図中上向きの矢印に沿って燃焼ガスが逆Ｕ字状に移動した後、２次節炭器１６１ｅを通過後に、再度小さくＵ字状に反転し、火炉１６１の出口（図２における矢印の最後）は、脱硝装置１８１、集塵装置１８２に接続されている。本実施形態に係る微粉炭燃焼施設１においては、火炉１６１の高さは４０ｍから６０ｍであり、排ガスの流路の全長は２００ｍから８００ｍに及ぶ。

火炉１６１の下方には、火炉１６１内のバーナーゾーン１６１ａ’付近で微粉炭を燃焼するためのバーナー１６１ａと、クリンカアッシュが排出される灰処理ホッパ１６１ｆと、が配置されている。灰処理ホッパ１６１ｆから排出されたクリンカアッシュは、石炭灰混合部２０に送られる。また、火炉１６１内のＵ字頂部付近には、火炉上部分割壁１６１ｂ、最終過熱器１６１ｂ’、第１の再熱器１６１ｆ（いずれも熱交換ユニット）が配置されており、さらにそこから横置き１次過熱器１６１ｃ（熱交換ユニット）が続いて配置されている。さらに、横置き１次過熱器１６１ｃと平行して第２の再熱器１６１ｆ’が設けられており、横置き１次過熱器１６１ｃの終端付近からは、１次節炭器１６１ｄ（熱交換ユニット）、２次節炭器１６１ｅ（熱交換ユニット）が２段階に設けられている。ここで、節炭器（ＥＣＯとも呼ばれる）は、燃焼ガスの保有する熱を利用してボイラ給水を予熱するために設けられた伝熱面群であり、その下方には、慣性衝突により捕集される石炭灰、いわゆるＥＣＯ灰を排出するための灰処理ホッパ１６１ｇが設けられている。灰処理ホッパ１６１ｇから排出されたＥＣＯ灰は、シンダアッシュとして石炭灰混合部２０に送られる。なお、本実施形態においては、火炉１６１中、１次節炭器１６１ｄと２次節炭器１６１ｅとは、２段階に分離して設置されているが、このような形態に限定されない。即ち、火炉１６１は単一の節炭器のみを有するものであってもよい。

＜Ａ−４：排ガス・排水処理部１８＞
排ガス・排水処理部１８は、微粉炭燃焼部１６から排出された排ガス中の窒素酸化物を除去する脱硝装置１８１と、微粉炭燃焼部１６から排出された排ガス中のフライアッシュを除去する集塵装置１８２と、排ガス中の硫黄酸化物を除去する脱硫装置１８３と、この脱硫装置１８３から排出される脱硫排水を処理する排水処理設備１８４と、を備える。

脱硝装置１８１は、排ガス中の窒素酸化物を除去するものである。すなわち、比較的高温（３００〜４００℃）の排ガス中に還元剤としてアンモニアガスを注入し、脱硝触媒との作用により排ガス中の窒素酸化物を無害な窒素と水蒸気に分解する、いわゆる乾式アンモニア接触還元法が好適に用いられる。

集塵装置１８２は、排ガス中のフライアッシュを電極で捕集する装置である。集塵装置１８２は複数段設けられていることが好ましい。この集塵装置１８２により捕集されたフライアッシュは、図示しない石炭灰回収サイロに搬送される。

脱硫装置１８３は、排ガス中の硫黄酸化物を除去するものである。すなわち、脱硫装置１８３は、排ガスに石灰石と水との混合液（石灰石スラリー）を吹き付けることにより、排ガスに含まれる硫黄酸化物を混合液に吸収させて石こうスラリーを生成させる。脱硫装置１８３は、この石こうスラリーを脱水処理することで石こうを生成させる。この脱硫装置１８３から排出される脱硫排水は、一部循環され、その他は排水処理設備１８４に送られる。また、脱硫された排ガスは図示しない煙突から排出される。

排水処理設備１８４は、図示しない曝気槽、凝集沈殿槽等の排水処理装置により脱硫排水を含んだ排水を処理する設備である。排水処理設備１８４によって処理された排水（処理水）は放流口から一般河川や海域に放流される。

＜Ａ−５：石炭灰混合部＞
石炭灰混合部２０は混合槽２０１を備える。混合槽２０１は、微粉炭燃焼部１６の火炉１６１の灰処理ホッパ１６１ｆから排出されたクリンカアッシュと、微粉炭燃焼部１６の火炉１６１（１次節炭器１６１ｄ及び２次節炭器１６１ｅ）の灰処理ホッパ１６１ｇから排出されたＥＣＯ灰、微粉炭燃焼部１６の空気予熱器１６２の灰処理ホッパ１６２ｆから排出されたＡＨ灰、及び、排ガス・排水処理部１８の脱硝装置１８１の灰処理ホッパ１８１ｆから排出された脱硝装置灰をまとめたシンダアッシュと、排ガス・排水処理部１８の集塵装置１８２の灰処理ホッパ１８２ｆから排出されたフライアッシュと、を混合させる槽である。

なお、本実施形態において、石炭灰は、クリンカアッシュ、シンダアッシュ、フライアッシュの群より選ばれる少なくとも１種以上を含むものであればよい。

＜Ｂ：本発明の集塵装置の集塵効率を向上する方法＞
本発明の排ガス中の有害微量元素を捕捉する方法は、石炭を燃焼させる燃焼ボイラと、前記燃焼ボイラの下流に設けられ前記石炭の燃焼残渣のうち煤塵を集塵する集塵装置と、を備えた石炭火力発電システムにおいて、前記石炭を前記燃焼ボイラに移送する工程から前記集塵装置によって煤塵が集塵される工程までの系内に前記石炭の燃焼残渣を移送して、前記石炭の燃焼によって発生する排ガス中の有害微量元素を捕捉する方法であるが、これを、上記の微粉炭燃焼施設１を用いて説明する。好ましくは後述する石炭供給工程Ｓ１０、微粉炭生成工程Ｓ２０、微粉炭燃焼工程Ｓ３０、排ガス・排水処理工程Ｓ４０のいずれかで行われる。

この工程は、石炭を供給する石炭供給工程Ｓ１０と、供給された石炭を粉砕して微粉炭を生成する微粉炭生成工程Ｓ２０と、この微粉炭を燃焼する微粉炭燃焼工程Ｓ３０と、排ガス中の窒素酸化物、フライアッシュ、及び、硫黄酸化物を除去し、脱硫排水を含む排水を処理する排ガス・排水処理工程Ｓ４０と、石炭灰混合工程Ｓ４５と、を含み、これら各工程は、それぞれ、上述の微粉炭燃焼施設１の石炭供給部１２、微粉炭生成部１４、微粉炭燃焼部１６、及び排ガス・排水処理部１８、石炭灰混合部２０と、において行われる。そして、本発明の特徴である石炭灰添加工程Ｓ５０は、好ましくは上記の石炭供給工程Ｓ１０、微粉炭生成工程Ｓ２０、微粉炭燃焼工程Ｓ３０、排ガス・排水処理工程Ｓ４０のいずれかで行われる。

＜石炭供給工程Ｓ１０＞
まず、石炭供給工程では、石炭バンカ１２１に貯蔵された石炭が、給炭機１２２により、石炭微粉炭機１４１に供給される。なお、この石炭微粉炭機１４１に供給される石炭は、具体的には瀝青炭、亜瀝青炭、又は、褐炭等であるが、これらの石炭に限定されるものではなく微粉炭燃焼が行える石炭であればよい。

＜微粉炭生成工程Ｓ２０＞
次に、微粉炭生成工程では、給炭機１２２から供給された石炭が石炭微粉炭機１４１により粉砕されて、これにより、微粉炭が生成される。生成された微粉炭は、火炉１６１に供給される。このとき、この微粉炭生成工程で粉状に形成された微粉炭の平均の粒度は、微粉炭燃焼で一般的に用いられる粒径範囲であればよく、一般的には、７４μｍアンダー８０ｗｔ％以上の粉砕度である。なお、この範囲は移送された石炭灰が添加された場合にも適用できる。

＜微粉炭燃焼工程Ｓ３０＞
次に、微粉炭燃焼工程では、石炭微粉炭機１４１で生成された微粉炭が、火炉１６１により燃焼される。図２に示すように、バーナーゾーン１６１ａ’においては微粉炭が燃焼されるが、このときの温度は１３００℃から１５００℃に及び、燃焼によって生成される石炭灰のうち、クリンカアッシュは下向きの矢印の方向に沿って下降し、灰処理ホッパ１６１ｆから排出される。フライアッシュは上向きの矢印の方向に沿って上昇して排ガスとともに過熱器（熱交換ユニット）１６１ｂ、１６１ｃを通過し、１次節炭器１６１ｄ（熱交換ユニット）、２次節炭器１６１ｅ（熱交換ユニット）を順次通過する。

上記のように、この節炭器付近は、８５０℃から９００℃前後が維持されている領域であり、この燃焼ガスの保有する熱を利用してボイラ給水を予熱するために設けられた伝熱面群を通過することによって熱交換され、温度が低下する。排ガスがバーナーゾーン１６１ａ’から過熱器付近まで到達するまでに要する時間は、おおむね５秒から１５秒である。そして、その後、後段の集塵装置１８２、脱硫装置１８１に送られる。この微粉炭燃焼工程で生成される石炭灰は、通常、その平均の粒度が１μｍから１００μｍの範囲内の粉末状である。

＜排ガス・排水処理工程Ｓ４０＞
その後、微粉炭の燃焼によって発生した排ガスは、脱硝装置１８１に送られて脱硝され、さらに、集塵装置１８２によって排ガス中のフライアッシュが集塵される。集塵装置１８２によって集塵された排ガスは、脱硫装置１８３に送られて脱硫され、その後図示しない煙突によって大気に放出される。脱硫装置１８３から排出された脱硫排水は、排水処理設備１８４に送られ、他の排水とともに処理される。

＜石炭灰混合工程Ｓ４５＞
石炭灰混合工程Ｓ４５では、クリンカアッシュと、シンダアッシュと、フライアッシュとが混合槽２０１にて混合され、次工程の石炭灰添加工程Ｓ５０によって、石炭供給部１２、微粉炭生成部１４、微粉炭燃焼部１６、及び、排ガス・排水処理部１８のいずれかに移送される。

＜石炭灰移送工程Ｓ５０＞
本発明の特徴である石炭灰を移送する工程である石炭灰移送工程Ｓ５０は、図１に示すように、好ましくは上記の石炭供給工程Ｓ１０、微粉炭生成工程Ｓ２０、微粉炭燃焼工程Ｓ３０、排ガス・排水処理工程Ｓ４０のいずれかに対して行われる。

なお、石炭灰の移送場所は、集塵装置までの系内であれば限定されず、例えば、石炭供給工程Ｓ１０と微粉炭生成工程Ｓ２０との間の移送路や、微粉炭生成工程Ｓ２０と微粉炭燃焼工程Ｓ３０との間の移送路、微粉炭燃焼工程Ｓ３０と排ガス・排水処理工程Ｓ４０との間の移送路などで行われてもよい。

具体的には、例えば、給炭機１２２から石炭微粉炭機１４１に輸送する際の移送中のベルトコンベア上に燃焼灰を供給して混合する方法、燃焼灰を石炭微粉炭機１４１の石炭ホッパ（図示せず）に直接投入する方法、石炭微粉炭機１４１と火炉１６１の間の配管に剤投入口を設けて供給する方法、火炉１６１（バーナーゾーン１６１ａ’）へ燃焼用空気とともに直接投入する方法、火炉１６１の一部を構成する、火炉上部分割壁１６１ｂ、最終過熱器１６１ｂ’、第１の再熱器１６１ｆ、横置き１次過熱器１６１ｃ、第２の再熱器１６１ｆ’、横置き１次過熱器１６１ｃ、１次節炭器１６１ｄ、２次節炭器１６１ｅなどの熱交換ユニット付近に添加する方法、などが挙げられるがこれらに限定されるものではない。このように、本発明の方法は新たな設備を必要とせず、既存の設備の軽微な改良で適用可能であるため、既存設備を有効利用することができ、コスト的にも有利である。

本発明の石炭の燃焼残渣である石炭灰は、微粉炭燃焼部１６の火炉１６１の灰処理ホッパ１６１ｆから排出されたクリンカアッシュ、微粉炭燃焼部１６の火炉１６１（１次節炭器１６１ｄ及び２次節炭器１６１ｅ）の灰処理ホッパ１６１ｇから排出されたＥＣＯ灰と、微粉炭燃焼部１６の空気予熱器１６２の灰処理ホッパ１６２ｆから排出されたＡＨ灰と、排ガス・排水処理部１８の脱硝装置１８１の灰処理ホッパ１８１ｆから排出された脱硝装置灰とをまとめたシンダアッシュ、排ガス・排水処理部１８の集塵装置１８２の灰処理ホッパ１８２ｆから排出されたフライアッシュ、の少なくとも一種以上を含む石炭灰であることが好ましい。また、石炭灰は粒状又は粉末状であることが好ましく、具体的には、平均粒径が１μｍから１００μｍであることが好ましく、５μｍから７０μｍであることがより好ましい。

上記の石炭灰が移送されることにより、本発明においては、排ガス中に含まれる有害微量元素の種類に関わりなく、脱硫排水への有害微量元素の流入を抑制することが可能である。具体的に脱硫排水への流入を抑制することができる有害微量元素としては、特に限定されないが、ホウ素、ヒ素、臭素、シアン、塩素、ヨウ素、硫黄、窒素、リン、シリカ、スズ、チタン、バナジウム、タングステン、セレン、フッ素、ニッケル、マグネシウム、マンガンなどを挙げることができる。この中でも特に、ガス状化合物となり得る、ホウ素、フッ素及び砒素等の脱硫排水への流入を、より抑制することができる。

本発明によって、脱硫装置１８３の脱硫排水への有害微量元素の流入を抑制することが可能である。本発明における、脱硫装置１８３の脱硫排水への有害微量元素の流入を抑制することができるメカニズムは以下のとおりである。

集塵装置１８２までの系内に石炭灰を移送することによって、石炭灰中に含まれている酸化カルシウム量が増加する。ここで、酸化カルシウムは、石炭灰中に含有された有害微量元素の化合物、例えば、酸化セレン、三酸化二ヒ素、及び酸化ホウ素などと反応して、それぞれ亜セレン酸カルシウム、ヒ酸カルシウム、ホウ酸カルシウムなどの難溶性又は不溶性の化合物（以下、「難溶性不溶性化合物」という）を生成する。すなわち、有害微量元素は酸化カルシウムによって化学的に捕捉され難溶性不溶性化合物を生成する。

したがって、集塵装置１８２までの系内に石炭灰を移送することにより、系内の石炭灰渣中の酸化カルシウム量が増えたことによって、有害微量元素は酸化カルシウムに化学的に捕捉され難溶性不溶性化合物となっている可能性が高く、脱硫排水への有害微量元素の溶出がより抑制される。

また、石炭灰を、燃焼中又は燃焼前の石炭の段階に移送した場合、炉内の熱で移送された石炭灰の表面が溶融する。移送された石炭灰の表面には、有害微量元素の化合物が接触する。有害微量元素の化合物は、石炭灰の表面が徐々に固化（ガラス固化）されることにより、石炭灰に取り込まれる。すなわち、有害微量元素の化合物は系内に移送された石炭灰に物理的に捕捉される。物理的に捕捉された有害微量元素の化合物は、脱硫排水に流入する前に、石炭灰とともに集塵装置１８２などによって系外に除去されるため、除去脱硫排水への有害微量元素の溶出をより抑制することができる。

以上のように、石炭灰を集塵装置１８２までの系内に移送させることにより、石炭灰が有害微量元素の化合物を化学的及び物理的に捕捉することによって、脱硫排水への有害微量元素の溶出をより抑制することができる。したがって、新たな排水処理設備が不要であり、多額の初期投資及び大規模な追加設備を必要とせずに有害微量元素の含有率が高い安価な石炭種を使用することが可能である。

以下、本発明を参考例によってさらに具体的に説明する。

＜参考例＞
図１及び図２に示すような装置を用い、中国産、オーストラリア産、インドネシア産等の少なくとも１種類の石炭を燃焼させた。単位時間あたりの石炭中の灰分（％）をＸ軸に、そのときの脱硫排水中のホウ素濃度（ｐｐｍ）をＹ軸にとり、累乗近似曲線を作成した。このグラフを図４に示す。

なお、脱硫排水中のホウ素の濃度は、ＪＩＳＫ０１０２のメチレンブルー吸光光度法にて実施した。ＩＣＰ質量分析装置としては分光光度計Ｕ−３３１０（ＨＩＴＡＣＨＩ社製）を用いて測定した。灰分の質量のサンプリング場所は、石炭火力発電所の石炭消費系統及び石炭灰は払出し系統である。

図４の結果によれば、灰分が少ない場合（Ｘ軸０方向）、脱硫排水中のホウ素濃度が高くなっている。これは、灰分が燃焼反応又は煙道中に多いと、有害微量元素は集塵装置１８１を超えて脱硫装置１８２に移行しないことを示している。すなわち、集塵装置１８１で有害微量元素が回収されていることを示している。

以上の結果、微粉炭燃焼施設において、石炭中の灰分が多いほど、有害微量元素が、集塵装置１８１を超えて脱硫装置１８２に移行しないことがわかる。これは、石炭中の灰分、すなわち、石炭灰が有害微量元素を化学的及び物理的に捕捉しているため脱硫排水への有害微量元素の溶出をより抑制していると考えられる。

以上の結果、石炭を燃焼ボイラに移送する工程から集塵装置によって煤塵が集塵される工程までの間の系内に、石炭の燃焼残渣が移送されると、石炭灰が有害微量元素の化合物を化学的及び物理的に捕捉することによって、脱硫排水への有害微量元素の溶出をより抑制することができる。したがって、新たな排水処理設備が不要であり、多額の初期投資及び大規模な追加設備を必要とせずに有害微量元素の含有率が高い安価な石炭種を使用することが可能である。

なお、図４に示す脱硫排水はそのまま一般河川や海域に放流されるものではなく、排水処理設備で処理されるため、十分に規制値を遵守することが可能である。

本発明は、火力発電所に設置された火炉、空気予熱器、脱硝装置、脱硫装置から排出される石炭灰を添加することにより、脱硫排水への有害微量元素の溶出をより抑制することができる。すなわち、本発明は、多額の初期投資及び大規模な追加設備を必要とせずに有害微量元素の含有率が高い安価な石炭種を使用することを可能とする技術である。

本発明の一実施形態を示す石炭火力発電システムにおける微粉炭燃焼施設の概略構成図である。 図１における火炉付近の拡大図である。 石炭火力発電システムにおける微粉炭燃焼施設の概略構成図の一例である。 単位時間あたりの石炭中の灰分（％）をＸ軸に、そのときの脱硫排水中のホウ素濃度（ｐｐｍ）をＹ軸にとり、累乗近似曲線を作成したグラフである。

符号の説明

１ 微粉炭燃焼施設
１２ 石炭供給部
１２１ 石炭バンカ
１２２ 給炭機
１４ 微粉炭生成部
１４１ 石炭微粉炭機
１４２ 通風機
１６ 微粉炭燃焼部
１６１ 火炉
１６２ 空気予熱器
１６３ 空気供給機
１８ 排ガス・排水処理部
１８１ 脱硝装置
１８２ 集塵装置
１８３ 脱硫装置
１８４ 排水処理設備
２０１ 混合槽
Ｓ１０ 石炭供給工程
Ｓ２０ 微粉炭生成工程
Ｓ３０ 微粉炭燃焼工程
Ｓ４０ 排ガス・排水処理工程
Ｓ４５ 石炭灰混合工程
Ｓ５０ 石炭灰添加工程

Claims (1)

1. 石炭を燃焼させる燃焼ボイラと、前記燃焼ボイラの下流に設けられ前記石炭の燃焼残渣のうち煤塵を集塵する集塵装置と、を備えた石炭火力発電システムにおいて、前記燃焼ボイラ内の出口から前記集塵装置までの系内に前記石炭の燃焼残渣を移送して、前記石炭の燃焼によって発生する排ガス中の有害微量元素を捕捉する方法であって、
   前記石炭火力発電システムが微粉炭燃焼方式システムであり、前記石炭の燃焼残渣として、節炭器から排出された前記石炭の燃焼残渣、空気予熱器から排出された前記石炭の燃焼残渣、脱硝装置から排出された前記石炭の燃焼残渣からなる群より選ばれる少なくとも一種以上を含むシンダアッシュを移送する、排ガス中の有害微量元素を捕捉する方法。

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