JP5627441B2 - バイオマス・石炭混焼システム - Google Patents

Description

本発明は、木屑などのバイオマスを粉砕したバイオマス粉体を燃料とする混焼ボイラを備えたバイオマス・石炭混焼システムに関する。

近年、地球温暖化の観点からＣＯ₂排出の削減が推進されている。特に、発電用ボイラなどの燃焼設備においては、燃料として石炭や重油などの化石燃料が用いられることが多いが、この化石燃料は、ＣＯ₂排出の問題から地球温暖化の原因となり、地球環境保全の見地からその使用が規制されつつある。また化石燃料の枯渇化の観点からもこれに代替するエネルギ資源の開発、実用化が求められている。そこで、化石燃料の代替として、バイオマスを用いた燃料の利用促進が図られている。バイオマスとは、光合成に起因する有機物であって、木質類、草木類、農作物類、厨芥類などのバイオマスがある。このバイオマスを燃料化処理することにより、バイオマスをエネルギ源又は工業原料として有効に利用することができる。

再生可能エネルギであるバイオマスの高効率利用の観点から、バイオマスを燃料として用いることが行われている。燃料として用いる方法の一つに、バイオマス固形物を粉砕して微粉化し、微粉炭焚きボイラに供給して燃料として用いるものがある。これは、石炭とバイオマスとをそれぞれを単独で粉砕する単独粉砕方式と、石炭とバイオマスとを混合してから粉砕する混合粉砕方式とが知られている。

従来のバイオマスを石炭焚きボイラ用の粒径に粉砕し、燃料として用いる石炭・バイオマス混焼システムの一例として、バイオマスの単独粉砕を行う第１の粉砕機と、石炭の単独粉砕若しくは石炭とバイオマスの混合粉砕を行う第２の粉砕機とを設け、バイオマス性状の変動にかかわらず安定した運転を行うようにしつつ、粉砕機動力を抑えて微粉化を可能としている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００８−８２６５１号公報

しかしながら、バイオマスの燃焼灰は低融点であり、混焼率の増大により灰付着（スラッギング、ファウリング）及び腐食等の発生が問題となる。
特に、バイオマス燃料中のカリウム（Ｋ）、ナトリウム（Ｎａ）等のアルカリ元素は、灰中成分と反応し、低融点化合物を生成するので問題となる。さらに、この低融点化合物はバインダー作用を呈するため、灰付着を誘発し、伝熱阻害等に発展する可能性がある。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、バイオマスを燃焼させる際においても、灰付着の少ないバイオマス・石炭混焼システムを提供することを目的とする。

上述した課題を解決するための本発明の第１の発明は、バイオマス・石炭混合粉体が供給されるボイラ火炉と、前記ボイラ火炉へのバイオマス燃焼灰の付着を防止する石炭灰を添加しつつ、バイオマス及び石炭を混合粉砕して前記バイオマス・石炭混合粉体を得るバイオマス粉砕装置と、前記バイオマス・石炭混合粉体の燃焼排ガスに含まれる石炭灰を集塵する電気集塵機と、前記電気集塵機で集塵された石炭灰を所定粒径に選別する粒径選別機とを具備し、前記バイオマス粉砕装置に、前記電気集塵機で集塵され前記粒径選別機で所定粒径に選別した石炭灰を添加することを特徴とするバイオマス・石炭混焼システムにある。

第２の発明は、第１の発明において、前記石炭灰の添加量が、前記バイオマス燃焼灰の灰量の２倍以上であることを特徴とするバイオマス・石炭混焼システムにある。

第３の発明は、第１又は第２の発明において、前記添加物の粒径が、前記ボイラ火炉の煙道のガス流速に応じて変更されることを特徴とするバイオマス・石炭混焼システムにある。

第４の発明は、第１乃至第３の発明の何れか一つにおいて、前記バイオマス・石炭混合粉体が前記ボイラ火炉の最上段バーナより供給されることを特徴とするバイオマス・石炭混焼システムにある。

本発明によれば、バイオマスを燃焼する際に、ボイラ火炉の壁面への灰の付着を防止することができる。

図１は、本発明による実施例１に係るバイオマス・石炭混焼システムの構成を簡略に示す図である。 図２は、本発明による実施例２に係るバイオマス・石炭混焼システムの構成を簡略に示す図である。 図３は、添加物の粒径と燃焼ガスのガス流速との関係図である。 図４は、煙道内での灰と添加物との挙動を示す模式図である。 図５は、煙道内での灰と添加物との挙動を示す他の模式図である。

以下、本発明の好適な実施例につき、図面を参照しつつ詳細に説明する。本発明は以下の実施例に記載した内容により限定されるものではない。また、以下に記載した実施例における構成要素には、当業者が容易に想定できるもの、実質的に同一のもの、いわゆる均等の範囲のものが含まれる。さらに、以下に記載した構成要素は適宜組み合わせることが可能である。

本発明による実施例１に係るバイオマス・石炭混焼システムについて、図面を参照して説明する。図１は、本発明による実施例１に係るバイオマス・石炭混焼システムの構成を簡略に示す図である。図１に示すように、バイオマス・石炭混焼システム１０Ａは、石炭１１を粉砕し、石炭粉体１２を得る石炭粉砕装置１３と、バイオマス１４を粉砕し、バイオマス粉体１５を得るバイオマス粉砕装置１６と、前記石炭粉体１２とバイオマス粉体１５とが各々供給されるボイラ火炉１７とを有し、前記バイオマス粉砕装置１６での粉砕の際に、前記バイオマス１４に添加物１８を添加しつつ混合粉砕するものである。

バイオマス１４とは、再生可能な生物由来の有機性資源であって、化石資源を除いたものである。バイオマスとしては、例えば、間伐材、廃材木、流木、草類、廃棄物、汚泥、タイヤ及びこれらを原料としたリサイクル燃料（ペレットやチップ）などが挙げられるが、これらに限定されるものではない。

石炭１１は、石炭貯蔵設備２１から石炭ホッパ２２を介して供給されている。

石炭粉砕装置１３は、ホッパ２２から供給された石炭１１を粉砕するものであって、例えば、数μｍから数百μｍ程度の所望の粒径に粉砕し、石炭粉体（微粉炭）とするものである。石炭粉砕装置１３は、ハウジング１３ａと、粉砕テーブル１３ｂと、粉砕ローラ１３ｃと、を備える。

本実施例では、石炭粉砕装置１３として、竪型粉砕機を用いた場合について説明しているが、本実施例は、特にこれに限定されるものではなく、例えば、チューブミル、ボールミル、ローラミルなど圧砕する形式のものなど石炭１１を粉砕することができるものであれば用いることができる。

バイオマス１４は、バイオマス貯蔵設備３１からバイオマスホッパ３２を介して供給されている。

バイオマス粉砕装置１６は、ホッパ３２から供給されたバイオマス１４を粉砕するものであって、例えば、平均粒径を０．５ｍｍ〜１ｍｍの所望の粒径に粉砕し、バイオマス粉体とするものである。バイオマス粉砕装置１６は、ハウジング１６ａと、粉砕テーブル１６ｂと、粉砕ローラ１６ｃと、を備える。

本実施例では、バイオマス粉砕機１６にはバイオマス１４が供給され、粉砕するようにしているが、この粉砕において、クリンカ灰、シンダアッシュ、フライアッシュなどの石炭灰を添加物１８として供給し、石炭灰を混合するようにしている。

図３は、添加物の粒径と燃焼ガスのガス流速との関係図である。
添加物１８を添加することにより、バイオマス燃焼灰の付着を防止することができるからである。特に、一般的な後部煙道ではガス流速は約１０ｍ／ｓ程度であり、その場合、図３に示す添加物の粒径と燃焼ガスのガス流速との関係図より、約２０μｍ以上の粒径を投入するのが好ましい。

これは、粒径が小さい粒子であると、煙道の壁面に衝突する慣性反発力よりも液架橋による付着力が相対的に大きくなり付着しやすいからである。これらの粒子の付着を抑制するためには、ガス流速を増大させる必要がある。一方、粒径が大きくなると慣性反発力の方が大きくなり、付着しにくくなる。

図４は、煙道内での灰と添加物との挙動を示す模式図である。図５は、煙道内での灰と添加物との挙動を示す他の模式図である。
図４に示すように、燃焼ガスＧが流れる煙道の壁面１００に付着したバイオマス灰１０１は、添加物１８が壁面に衝突する際に、その反発の際に、灰と共に煙道内に剥離することとなる。これにより、煙道壁面へのバイオマス灰１０１の付着の低減となる。

また、図５に示すように、添加剤１８と灰１０１とが煙道内で結合すると、その灰結合物１０２の粒子径が大きくなり、壁面に衝突した際においても、慣性反発力で煙道に付着せずに、再度ガス中に浮遊することとなり、煙道壁面へのバイオマス灰の付着の低減となる。

特に、バイオマス１４の混焼率が大きくなると、単独粉砕されたバイオマス粉体１５の燃焼の際に、そのバーナー周りがバイオマス燃料１００％の環境となってしまい、灰付着が発生するおそれが大きくなる。
このために、バイオマス粉体燃焼用の燃料バーナ１７ｂを最上段に設置するのが好ましい。このように、最上段にバイオマス粉体用のバーナ１７ｂを設置することで、下段の微粉炭燃料の灰に希釈され、灰付着が低減されることとなる。

バイオマス燃料中の灰分は１％程度であり、そのうちの１０％程度が低融点化を誘発し、悪影響をおよぼす。
そこで、本発明のように、添加物１８として石炭灰を灰量換算で２倍以上投入し、希釈作用により灰付着を防止するようにしている。

一般にバーナ部の吹き出し流速は２０ｍ／ｓ以上であり、その場合には数μｍ程度の添加物粒子用いることが好ましい。
バイオマス燃料中に含有される低融点灰の作用を粒子径をコントロールした手法で添加灰量を最小限にして抑制することができる。

本実施例では、石炭粉体１２、バイオマス粉体１５は、ボイラ火炉１７から排出される燃焼排ガス（図示せず）により石炭粉砕装置１３、バイオマス粉砕装置１６から各々搬送するようにしているが、本実施例は、これに限定されるものではなく、燃焼排ガスの一部を１次空気に代えて搬送されるようにしてもよい。

ボイラ火炉１７は、炉本体１７ａと、燃焼バーナ１７ｂ、１７ｃと、煙道１７ｄと、伝熱管群１７ｅとを、備える。燃焼バーナ１７ｂ、１７ｃは、燃料供給ノズルの数に応じて炉本体１７ａの高さ方向に複数設けられている。

バイオマス粉体１５及び微粉炭１３は、各々、燃焼バーナ１７ｂから別々に１次空気と共に、ボイラ火炉１７内に供給され、ボイラ火炉１７内で混合して燃焼される。ボイラ火炉１７内に供給された微粉炭１３及びバイオマス粉体１５は燃焼することにより燃焼排ガスＧを発生する。

炉本体１７ａの上部には、煙道１７ｃが連結されている。ボイラ火炉１７内で燃焼により発生した燃焼排ガスＧは、煙道１７ｄへ送給される。煙道１７ｄには、伝熱管群１７ｅが設けられている。伝熱管群１７ｅは、燃焼排ガスＧから熱を回収するための対流伝熱部である。

煙道１７ｄは、熱交換を行った燃焼排ガスＧが排出される排ガス配管１７ｆと連結されている。排ガス配管１７ｆには、脱硝装置５１、空気加熱器５２、排ガス処理設備５３が設けられている。伝熱管群１７ｅで熱交換された燃焼排ガスＧは、脱硝装置５１へ送給され、ここでＮＯｘなど有害物質が除去された後、空気加熱器５２に送給される。空気加熱器５２において、燃焼排ガスＧは外気５４と熱交換され、排ガス処理設備である電気集塵器５３に送給される。外気５４は、石炭粉砕装置１３に送給される空気や燃焼バーナ１７ｂ、１７ｃに供給する燃焼用空気として２００℃から３００℃の範囲に昇温することが望ましい。

排ガス処理設備の電気集塵機５３は、燃焼排ガスＧ中に含まれる粒子状物質を除去するものである。燃焼排ガスＧは、電気集塵機において、燃焼排ガスＧ中に含まれる粒子状物質が除去された後、図示しない脱硫装置に送られ、脱硫処理された後、浄化された燃焼排ガスは、煙突から放出される。
電気集塵器５３で集塵された石炭灰を、粒径選別機４２で所定粒径に選別された後、添加物１８として添加するために、添加物貯蔵設備４１に搬送されている。

このように、本実施例に係るバイオマス・石炭混焼システム１０Ａによれば、バイオマス粉砕装置での粉砕の際に、前記バイオマスに添加物を添加しつつ混合粉砕するので、バイオマスを燃焼する際における、ボイラ火炉及び煙道の壁面への灰の付着を防止することができる。その結果、バイオマス・石炭混焼システムにおける運転の信頼性の向上を図ることができる。

本発明による実施例２に係るバイオマス・石炭混焼システムについて、図面を参照して説明する。図２は、本発明による実施例２に係るバイオマス・石炭混焼システムの構成を簡略に示す図である。なお、実施例１に係るバイオマス粉砕装置の構成と同一部材には同一符号を付してその説明は省略する。図２に示すように、本実施例に係るバイオマス・石炭混焼システム１０Ｂは、実施例１に係るバイオマス・石炭混焼システム１０Ａにおいて、前記バイオマス粉砕装置１６が、バイオマス１４と共に、石炭１１を供給してバイオマス１４と混合粉砕するものである。

実施例１では、バイオマス１４単独の粉砕であったが、実施例２では、バイオマス１４と石炭１１との混合粉砕を行うようにしている。
この際、添加物１８と同時に添加して、バイオマス・石炭混合粉砕物１５Ａに添加物が混合されることとなる。この結果、バイオマス・石炭混合粉砕物１５Ａを燃焼する際に、ボイラ火炉１７の壁面への灰の付着を防止することができる。

上記各実施例では、バイオマス１４と石炭１１とを混焼するシステムについて説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、バイオマス１４と石炭１１以外の液体燃料（例えば重油）等とを混焼するシステムについても同様に適用可能である。

以上のように、本発明に係るバイオマス・石炭混焼システムは、バイオマス燃焼灰の付着を軽減したバイオマス・石炭混焼システムに適している。

１０Ａ、１０Ｂ バイオマス・石炭混焼システム
１１ 石炭
１２ 石炭粉体
１３ 石炭粉砕装置
１４ バイオマス
１５ バイオマス粉体
１６ バイオマス粉砕装置
１７ ボイラ火炉

Claims (4)

1. バイオマス・石炭混合粉体が供給されるボイラ火炉と、
   前記ボイラ火炉へのバイオマス燃焼灰の付着を防止する石炭灰を添加しつつ、バイオマス及び石炭を混合粉砕して前記バイオマス・石炭混合粉体を得るバイオマス粉砕装置と、
   前記バイオマス・石炭混合粉体の燃焼排ガスに含まれる石炭灰を集塵する電気集塵機と、
   前記電気集塵機で集塵された石炭灰を所定粒径に選別する粒径選別機とを具備し、
   前記バイオマス粉砕装置に、前記電気集塵機で集塵され前記粒径選別機で所定粒径に選別した石炭灰を添加することを特徴とするバイオマス・石炭混焼システム。
2. 請求項１において、
   前記石炭灰の添加量が、前記バイオマス燃焼灰の灰量の２倍以上であることを特徴とするバイオマス・石炭混焼システム。
3. 請求項１又は２において、
   前記石炭灰の粒径が、前記ボイラ火炉の煙道のガス流速に応じて変更されることを特徴とするバイオマス・石炭混焼システム。
4. 請求項１乃至３の何れか一つにおいて、
   前記バイオマス・石炭混合粉体が、前記ボイラ火炉の最上段バーナより供給されることを特徴とするバイオマス・石炭混焼システム。

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