JP6079939B2

JP6079939B2 - ホウ素溶出抑制方法

Info

Publication number: JP6079939B2
Application number: JP2016540071A
Authority: JP
Inventors: 健治引野; 啓一郎盛田; 英嗣清永
Original assignee: Chugoku Electric Power Co Inc
Current assignee: Chugoku Electric Power Co Inc
Priority date: 2014-10-30
Filing date: 2015-03-27
Publication date: 2017-02-15
Anticipated expiration: 2035-03-27
Also published as: JPWO2016067651A1; WO2016067651A1

Description

本発明は、石炭を燃焼させて発電を行う火力発電所等において、燃料として用いる石炭の燃焼残渣（石炭灰）からのホウ素の溶出を抑制するホウ素溶出抑制方法に関する。

従来、発電所等の燃焼炉において石炭を燃焼させる場合に、石灰石等のカルシウム含有物質を添加剤として添加することで、石炭に含まれるホウ素等の微量物質を、燃焼残渣である石炭灰から溶出しにくくする微量物質の溶出抑制方法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００８−１７０１１０号公報

しかしながら、石炭に添加剤を添加して燃焼させる場合、石炭の量に比して添加剤の量が少ないため、石炭と添加剤とを均一に混合した状態で燃焼させることが困難となる場合が生じ、燃焼残渣からのホウ素の溶出抑制効果が安定しないおそれがある。

従って、本発明は、より安定的に石炭の燃焼残渣からのホウ素の溶出を抑制できるホウ素溶出抑制方法を提供することを目的とする。

本発明は、ホウ素濃度が質量比で５０ｐｐｍ以上の第１の石炭と、前記第１の石炭以外の１種又は２種以上のその他の石炭とを含む、複数種類の石炭を混合して燃焼させることで、石炭の燃焼残渣からのホウ素の溶出を抑制するホウ素溶出抑制方法であって、混合後の全石炭中における、全ホウ素量に対する、酸化物換算の全アルカリ土類金属量の質量比Ｐ_０が１００以上となるように混合するホウ素溶出抑制方法に関する。

また、前記第１の石炭における、ホウ素量に対する、酸化物換算のアルカリ土類金属量の質量比Ｐ_１が１００未満であることが好ましい。

また、前記その他の石炭における、全ホウ素量に対する、酸化物換算の全アルカリ土類金属量の質量比Ｐ_２が１００以上であることが好ましい。

また、前記質量比Ｐ_２とＰ_１の差であるΔＰ＝Ｐ_２−Ｐ_１が１００以上であることが好ましい。

また、前記第１の石炭を１０％以上９０％以下含むことが好ましい。

また、ホウ素溶出抑制方法は、更にホウ素溶出防止剤を添加することが好ましい。

本発明のホウ素溶出抑制方法によれば、より安定的に石炭の燃焼残渣からのホウ素の溶出を抑制できる。

本発明の一実施形態を示す石炭火力発電プラント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。

＜Ａ：石炭火力発電プラント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、本発明が適用される石炭火力発電プラント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１６と、微粉炭の燃焼により生成された石炭灰を処理する石炭灰処理部１８と、を備える。

＜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。この石炭バンカ１２１は、例えば、互いに区画された複数の貯炭槽を備えて構成され、複数の貯炭槽には、それぞれ、異なる炭種の石炭を貯蔵して管理できる。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１２３へ供給する。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１２３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に空気を供給する空気供給機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、空気供給機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、エアーが吹きつけられて、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を加熱する加熱機１６２と、火炉１６１に空気を供給する空気供給機１６３と、を備える。

火炉１６１は、加熱機１６２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、空気供給機１６３から供給された空気とともに燃焼する。火炉１６１において、微粉炭が燃焼されることにより石炭灰が生成される。火炉１６１において生成される石炭灰は、排ガスとともに浮遊粒子として石炭灰処理部１８側に移動するフライアッシュと、複数の粒子が相互に凝集することで火炉１６１の底部に落下堆積するクリンカアッシュとに大別される。

図２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、図中矢印に沿って燃焼ガスが逆Ｕ字状に移動した後、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、図１における脱硝装置１８１、集塵機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３０ｍから７０ｍであり、排ガスの流路の全長は３００ｍから１０００ｍ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１６１ａが配置されている。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、更にそこから横置き１次過熱器１６１ｃ（熱交換ユニット）が続いて配置されている。更に、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：石炭灰処理部＞
石炭灰処理部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、排ガス中の煤塵（石炭灰）を除去する集塵機１８２と、この集塵機１８２で収集された石炭灰を一次貯蔵する石炭灰回収サイロ１８３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。即ち、比較的高温（３００〜４００度）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。

集塵機１８２は、排ガス中の石炭灰を電極で収集する装置である。この集塵機１８２により収集された石炭灰は、石炭灰回収サイロ１８３に搬送される。また、石炭灰が除去された排ガスは、図示しない脱硫装置を介した後に煙突から排出される。

石炭灰回収サイロ１８３は、集塵機１８２により収集された石炭灰を一次貯蔵する。

＜Ｂ：本発明のホウ素溶出抑制方法＞

燃料として用いられる石炭は、主成分である炭素の他、灰分としてケイ素、アルミニウム、カルシウム、マグネシウム等を含む。また、石炭には、セレン、フッ素、ホウ素、ヒ素等の有害な元素が微量ながら含まれる。
ここで、石炭に含まれる各種成分は、炭種によって大きく異なる。そのため、燃料として用いる石炭の種類によっては、燃焼残渣である石炭灰から溶出する有害な元素の濃度が上昇し、環境に影響を与えてしまうおそれがある。

これに対して、石灰石等のカルシウム含有物質を添加剤として添加することで、石炭に含まれるホウ素等の微量物質を、燃焼残渣である石炭灰から溶出しにくくする微量物質の溶出抑制方法が提案されている。しかしながら、石炭に添加剤を添加して燃焼させる場合、石炭の量に比して添加剤の量が少ないため、石炭と添加剤とを均一に混合した状態で燃焼させることが困難となる場合が生じ、燃焼残渣からの有害な元素の溶出抑制効果が安定しないおそれがある。

本発明者らは、石炭の炭種によって各種成分の含有率が大きく異なることに着目するとともに、燃焼させる石炭に含まれる全ホウ素量に対する酸化物換算の全アルカリ土類金属量の質量比が所定の範囲内である場合に石炭灰からのホウ素の溶出が抑制されることを見出し、ホウ素濃度の高い石炭を用いた場合であっても、この石炭を特定の成分組成を満たす他の石炭と混合して燃焼させることで、安定的に燃焼残渣からのホウ素の溶出を抑制できる本発明に到達した。

より具体的には、本発明のホウ素溶出抑制方法は、ホウ素濃度が質量比で５０ｐｐｍ以上の第１の石炭と、前記第１の石炭以外の１種又は２種以上のその他の石炭とを含む、複数種類の石炭を混合して燃焼させることで、石炭の燃焼残渣（石炭灰）からのホウ素の溶出を抑制するホウ素溶出抑制方法であって、混合後の全石炭中における、全ホウ素量に対する、酸化物換算の全アルカリ土類金属量の質量比Ｐ_０（Ｐ_０＝酸化物換算の全アルカリ土類金属量／全ホウ素量）が１００以上となるように混合するものである。以下、本発明を上記の微粉炭燃焼施設１を用いて説明する。

本発明のホウ素溶出抑制方法は、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、この微粉炭を燃焼して石炭灰を生成する微粉炭燃焼工程Ｓ３０と、この石炭灰を集塵しこれを収容する石炭灰処理工程Ｓ４０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、及び石炭灰処理部１８、において行われる。
そして、本発明の特徴である複数種類の石炭の混合は、好ましくは上記の石炭供給工程Ｓ１０において行われる。

＜石炭供給工程Ｓ１０＞
まず、石炭供給工程Ｓ１０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。
本発明では、石炭微粉炭機１４１には、混合後の全石炭中における、全ホウ素量に対する、酸化物換算の全アルカリ土類金属量の質量比Ｐ_０（Ｐ_０＝酸化物換算の全アルカリ土類金属量／全ホウ素量）が１００以上となるように複数種類の石炭が混合されて供給される。

石炭供給工程Ｓ１０における石炭の混合は、例えば、石炭バンカ１２１における複数の貯炭槽に、ホウ素濃度が質量比で５０ｐｐｍ以上の第１の石炭を含む複数種の石炭を貯蔵しておき、第１の石炭を貯炭槽から払い出す場合に、他の貯炭槽に貯蔵されている石炭を、第１の石炭に対して所定の割合となるように同タイミングで払い出し、これら第１の石炭及び他の石炭をベルトコンベア上等で合流させて石炭微粉炭機１４１に供給することで行われる。これにより、石炭微粉炭機１４１には、複数種類の石炭が略均等な比率で供給される。

第１の石炭としては、ホウ素濃度が質量比で５０ｐｐｍ以上と高く、従来、火力発電プラントにおいては、燃料として使用することが困難であった炭種を用いることができる。そのなかでも、本発明では、第１の石炭として、ホウ素量に対する、酸化物換算のアルカリ土類金属量の質量比Ｐ_１（Ｐ_１＝酸化物換算のアルカリ土類金属量／ホウ素量）が１００未満である、比較的アルカリ土類金属量の少ない石炭も用いることができる。

その他の石炭としては、第１の石炭と混合した場合に、混合後の石炭における全ホウ素量に対する酸化物換算の全アルカリ土類金属量の質量比Ｐ_０（Ｐ_０＝酸化物換算の全アルカリ土類金属量／全ホウ素量）を好適な範囲に保つ観点から、全ホウ素量に対する酸化物換算の全アルカリ土類金属量の質量比Ｐ_２（Ｐ_２＝酸化物換算の全アルカリ土類金属量／全ホウ素量）が１００以上である石炭を用いることが好ましい。

また、複数種類の石炭を均一に混合しやすくする観点から、混合後の石炭中に含まれる第１の石炭の割合は、質量比で１０％以上９０％以下であることが好ましい。

また、上述の質量比Ｐ_２とＰ_１の差（ΔＰ＝Ｐ_２−Ｐ_１）は、１００以上であることが好ましい。第１の石炭に対して、ΔＰが１００以上となるような組み合わせで他の石炭を選択することで、第１の石炭を燃料として用いた場合において、石炭灰からのホウ素の溶出を効果的に抑制できる。

＜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。

＜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。この微粉炭燃焼工程で生成される石炭灰（フライアッシュ）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。

＜石炭灰処理工程Ｓ４０＞
その後、微粉炭を燃焼することにより生成された石炭灰は、排ガスとともに脱硝装置１８１に排出され、集塵機１８２を経て石炭灰回収サイロ１８３に送られる。

以上の工程を経て石炭灰回収サイロ１８３に回収された石炭灰は、ホウ素の溶出量が低く抑えられたものとなる。これは、石炭中に含まれるアルカリ土類金属元素が火炉１６１内の高温によって石炭灰の表面を軟化させ、粘性をもった石炭灰粒子がホウ素と接触してホウ素を石炭灰の内部に取り込むことに起因すると推定される。
また、本実施形態では、炭種毎に異なるアルカリ土類金属含有量及びホウ素含有量に着目し、複数種類の石炭を混合することで、安定的にホウ素の溶出を抑制できる。これは、石灰石等を添加剤として添加する場合に比して、より均一にアルカリ土類金属を分布させられることに起因すると考えられる。この効果は、混合後の石炭中に含まれる第１の石炭の割合を質量比で１０％以上９０％以下とすることでより向上させられる。
なお、混合後の全石炭中における全ホウ素量に対する酸化物換算の全アルカリ土類金属量の質量比Ｐ_０（Ｐ_０＝酸化物換算の全アルカリ土類金属量／全ホウ素量）を調整するために、石灰石等からなるホウ素溶出防止剤を少量添加してもよい。

以下、本発明を実施例によって更に具体的に説明する。
［炭種毎の成分組成］
以下の表１〜表４に示す３６種類の石炭１〜石炭３６につき、灰分中のアルカリ土類金属（酸化カルシウム及び酸化マグネシウム）量、灰分率、石炭中のホウ素量を測定した。また、全ホウ素量に対する酸化物換算の全アルカリ土類金属量の質量比Ｐ_０を求めた。表１〜表４に示すように、炭種によって、各種成分の含有量は大きく異なることが分かる。

尚、石炭中のホウ素濃度は、前処理後、ＩＣＰ質量分析法により、元素分析を行って求めた。また、石炭中のアルカリ土類金属量は、石炭中の灰分率を求めた後、灰分組成を蛍光Ｘ線分析法により分析し、酸化カルシウム及び酸化マグネシウムの総量として求めた。

［石炭灰からのホウ素の溶出試験］
＜実施例１〜１２、比較例１〜８＞
表５、７、９、１１に示すように、第１の石炭とその他の石炭とを選択した。そして、上述の石炭供給部１２において、表６、８、１０、１２に示す混炭割合で２種類の石炭を混合し、微粉炭燃焼部１６で燃焼させた。その後、石炭灰回収サイロ１８３で回収された石炭灰について、ホウ素の溶出濃度を測定した。結果を表６、８、１０、１２に示す。

なお、以下に示す溶出濃度の測定結果は環境庁告示４６号による溶出操作を行い、検液を作成し、この検液中のホウ素の濃度を測定したものである。また、ホウ素の濃度測定はＩＣＰ質量分析法で行った。

表５から１２に示すように、混合後の全石炭中における、全ホウ素量に対する、酸化物換算の全アルカリ土類金属量の質量比Ｐ_０が１００以上の実施例１〜１２では、Ｐ_０が１００未満の比較例１〜８に比して、ホウ素の溶出濃度３ｍｇ／ｌ未満に抑制されていることが分かる。特に、Ｐ_０が２００以上の実施例４、５では、ホウ素の溶出濃度が０．５ｍｇ／ｌ以下に大きく抑制されていることが分かる。

［石炭灰からのホウ素の溶出試験２］
石炭火力発電プラントにおける微粉炭燃焼によるフライアッシュに近い性状の石炭灰を、小型燃焼試験装置を用いて生成し、この生成された石炭灰からのホウ素の溶出につき、更に検討を行った。

＜実施例１３、比較例９＞
以下の表１３に示す２種類の石炭３７及び石炭３８につき、灰分中のアルカリ土類金属（酸化カルシウム及び酸化マグネシウム）量、灰分率、石炭中のホウ素を測定した。また、全ホウ素量に対する酸化物換算の全アルカリ土類金属量の質量比Ｐを求めた。

［石炭灰の生成］
表１４に示すように、石炭３７を第１の石炭とし石炭３８をその他の石炭として、同じく表１４に示す混炭割合で２種類の石炭を混合し、小型燃焼試験装置で燃焼させ、生成された石炭灰を回収した。

小型燃焼試験装置として、内径が５０ｍｍΦ×１２００ｍｍＬのジルコニア製の燃焼管を備える縦型管状炉を使用した。
試験に用いる石炭は、まず、微粉炭の状態で規定温度（１０７℃±２℃）に調節してある乾燥装置に入れ、乾燥減量が１時間につき０．１％未満となるまで乾燥を続けた。その後、乾燥した微粉炭を所定の割合で混合した。次いで、燃焼管の上部に配置したステンレス製燃料ホッパーに混合した微粉炭を充填し、電動スクリューフィーダーにより１４５０℃に加熱した燃焼管の上部に２ｇ／ｍｉｎで供給して燃焼させた。微粉炭の燃焼管への供給は窒素ガスの燃焼管への供給と共に行い、これにより、燃焼管の内部での逆火を防止した。また、燃焼用空気（大気）を燃焼管の上部及び下部の二箇所から、２００ｃｃ／ｍｉｎで供給した。
燃焼管の内部で燃焼されて生成された石炭灰は、燃焼管の下部側面から吸引して採取した。そして、回収された石炭灰について、ホウ素の溶出濃度を測定した。結果を表１４に示す。
尚、結果は、実施例１３の溶出濃度を１００とした場合の相対値で示す。

表１３及び表１４の結果から、小型燃焼試験装置を用いて簡易的に生成した石炭灰においても、混合後の全石炭中における、全ホウ素量に対する酸化物換算の全アルカリ土類金属量の質量比Ｐ_０が大きい実施例１３では、Ｐ_０が１００未満の比較例９に比して、ホウ素の溶出濃度が抑制されていることが確認された。

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空気供給機
１６微粉炭燃焼部
１６１火炉
１６２加熱機
１６３空気供給機
１８石炭灰処理部
１８１脱硝装置
１８２集塵機
１８３石炭灰回収サイロ

Claims

ホウ素濃度が質量比で５０ｐｐｍ以上の第１の石炭と、前記第１の石炭以外の１種又は２種以上のその他の石炭とを含む、複数種類の石炭を混合して燃焼させることで、石炭の燃焼残渣からのホウ素の溶出を抑制するホウ素溶出抑制方法であって、
混合後の全石炭中における、全ホウ素量に対する、酸化物換算の全アルカリ土類金属量の質量比Ｐ_０が１００以上となるように混合するホウ素溶出抑制方法。
前記第１の石炭における、ホウ素量に対する、酸化物換算のアルカリ土類金属量の質量比Ｐ_１が１００未満である請求項１に記載のホウ素溶出抑制方法。
前記その他の石炭における、全ホウ素量に対する、酸化物換算の全アルカリ土類金属量の質量比Ｐ_２が１００以上である請求項１又は２に記載のホウ素溶出抑制方法。
前記質量比Ｐ_２とＰ_１の差であるΔＰ＝Ｐ_２−Ｐ_１が１００以上である請求項３に記載のホウ素溶出抑制方法。
前記第１の石炭を１０％以上９０％以下含む請求項１から４のいずれかに記載のホウ素溶出抑制方法。
更にホウ素溶出防止剤を添加する請求項１から５のいずれかに記載のホウ素溶出抑制方法。