JP2004100679A

JP2004100679A - 複合プラントの運転方法

Info

Publication number: JP2004100679A
Application number: JP2002364807A
Authority: JP
Inventors: Masatake Arai; 新井　正剛; Shigetoshi Tsujita; 辻田　繁俊; Takayuki Kondo; 近藤　隆幸; Mitsuyoshi Suzuki; 鈴木　光芳; Yoshinori Kawamura; 河村　好則; Masashi Yamashita; 山下　政志
Original assignee: MIYOUJIYOU CEMENT KK; Taiheiyo Cement Corp
Current assignee: MIYOUJIYOU CEMENT KK; Taiheiyo Cement Corp
Priority date: 2002-07-16
Filing date: 2002-12-17
Publication date: 2004-04-02

Abstract

【課題】発電設備と、セメント焼成キルン等の燃焼設備とを備えた複合プラントの効率的で安定な運転を図る。
【解決手段】発電設備２と、燃焼設備９とを備えた複合プラント１を運転する際に、複合プラント１に、発電設備２で発生した電力により水を電気分解する電気分解装置４を設け、発電設備２によって、電気分解装置４を含む複数の供給先３に電力を供給し、燃焼設備９において、電気分解装置４において発生した酸素を利用して酸素富化燃焼を行う。発電設備２は、電気分解装置４以外の供給先３に優先して送電してもよく、燃焼設備９において、難燃性物質を燃料として活用することもできる。燃焼設備９をセメント焼成キルンまたは廃棄物焼却炉とし、低品位炭及び／または難燃性廃棄物を有効利用することができる。燃焼設備３２の燃焼排ガスの一部を燃焼設備３２に戻し、戻した燃焼排ガスを酸素富化し、燃料使用量、総排出ＣＯ_２量を低減することもできる。
【選択図】　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、複合プラントの運転方法に関し、特に、発電設備と、燃焼設備とを備えた複合プラントの運転方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、セメント工場においては、廃熱発電を含めた自家発電が行われ、発生した電力は、セメント工場内または工場に付設された設備の運転等に利用されていた。また、自家発電に伴う石炭の焼却灰をセメント工場で自家消費することができる等の利点もあり、１９９５年４月の電気事業法の改正に伴って電力会社への電力卸供給制度が新設されたことを受け、セメント製造各社は、積極的に電力卸供給事業を展開している。
【０００３】
一方、セメント工場においては、従来、下水汚泥、廃プラスチック、石炭灰等様々な産業廃棄物をセメント原料あるいはセメント焼成の燃料として再資源化している。また、最近では、飼料としての使用が禁止された肉骨粉等についても、セメント焼成キルンにおいて高温焼成した後、セメント原料として利用している。さらに、これらの産業廃棄物に加え、燃焼性に劣る低品位炭等の資源についても、セメント工場において燃料等として用い、環境負荷の低減に努めている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記自家発電によって発生した電力は、併設するセメント工場等で利用したり、売電を行っているが、需要電力量は一定ではなく、特に、昼間と夜間とで大きく変動する。昼間には、需要が発電能力を上回って買電をする場合もある一方、夜間においては、需要が不足し、発電設備の能力を落として運転せざるを得ず、効率的な運転を継続できないという問題があった。
【０００５】
一方、セメント工場において再資源化している産業廃棄物等の中で、廃プラスチック、肉骨粉等は、燃焼性が悪いため、セメント焼成装置の安定運転を維持しながらこれらの廃棄物を円滑に処理するのが困難であった。また、低品位炭等についても、燃焼速度が遅いため、同様の問題があった。
【０００６】
そこで、本発明は、上記従来技術における問題点に鑑みてなされたものであって、発電設備と、セメント焼成キルン等の燃焼設備とを備えた複合プラントにおいて、発電設備の効率的な運転を確保すると同時に、燃焼設備において、難燃性廃棄物、低品位炭等の難燃性物質を円滑に処理すること等が可能な運転方法を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明は、発電設備と、燃焼設備とを備えた複合プラントの運転方法であって、該複合プラントに、前記発電設備で発生した電力により水を電気分解する電気分解装置を設け、前記発電設備によって、該電気分解装置を含む複数の供給先に電力を供給し、前記燃焼設備において、前記電気分解装置において発生した酸素を利用して酸素富化燃焼を行うことを特徴とする。
【０００８】
そして、本発明によれば、発電設備で発生した電力を利用して電気分解装置で酸素を発生させ、この酸素を燃焼設備の酸素富化燃焼に利用することにより、発電設備の効率的な運転を維持しながら、燃焼設備の燃焼性能を向上させることができる。
【０００９】
前記発電設備は、前記電気分解装置以外の供給先に優先して送電するようにしてもよい。これによって、例えば、電気分解装置以外の供給先の需要電力量が夜間に低下するような場合には、夜間に電気分解装置へ送電することにより、昼夜を通じて発電設備の効率的な運転を維持することができる。
【００１０】
また、酸素富化燃焼によって、前記燃焼設備において、難燃性物質を燃料として活用することができ、燃焼設備には、セメント焼成キルンまたは廃棄物焼却炉を用いることができる。
【００１１】
上記難燃性物質には、低品位炭、難燃性廃棄物等があり、これらの物質をセメント焼成キルンのバーナで使用する場合には、セメント焼成キルンのキルン１次空気を酸素富化し、難燃性物質を窯前または仮焼炉に導入する場合には、クーラー冷却風車から酸素を導入し、セメント焼成キルンの窯前または窯尻から大径の難燃性廃棄物を使用する場合には、セメント焼成キルンの窯前または窯尻に酸素を導入することが好ましい。また、難燃性物質の投入位置に拘らず、セメント焼成キルンのバーナの火炎の適切な位置に酸素を吹き付ける酸素ランスに酸素を導入し、バーナの火炎の適切な位置に酸素を吹き付け、その部分の火炎温度を上昇させ、クリンカの熱伝達量を増大させることにより、セメント焼成キルンの安定運転を継続するようにしてもよい。
【００１２】
また、前記燃焼設備の燃焼排ガスの少なくとも一部を該燃焼設備に戻し、該燃焼設備に戻した燃焼排ガスを酸素富化することもできる。酸素富化した燃焼排ガスをボイラ等に戻すことにより、外部排出ＣＯ_２量、燃料使用量を減少させ、設備投資額の低減、ボイラの熱回収率の向上等を図ることができる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。
図１は、本発明にかかる運転方法を実施する複合プラントの一例を示し、この複合プラント１は、大別して、発電設備２と、燃焼設備としてのセメント焼成キルン（以下、「キルン」と略称する）９を備えたセメント焼成装置７と、電気分解装置４とで構成される。
【００１４】
発電設備２は、石炭等を燃料とし、発生した電力は、供給先３に売電するとともに、電気分解装置４に供給することができる。
【００１５】
電気分解装置４は、発電設備２からの電力を利用して水を水素と酸素に分解し、水素を水素タンク５に、酸素を酸素タンク６に貯蔵する。
【００１６】
セメント焼成装置７は、予熱機８、仮焼炉１４、キルン９、クリンカ冷却機１０等からなる。
【００１７】
予熱機８は、仮焼炉１４からの高温ガスによって原料を予熱するため、複数のサイクロンを多段に備える。また、最上段サイクロンから排出された排ガスを系外に排出するための主排気風車１１が配置される。
【００１８】
仮焼炉１４は、予熱機８によって予熱された原料を仮焼するため、微粉炭を吹き込むバーナ１５を備え、仮焼炉１４には、クーラー抽気ダクト１８を介してクリンカ冷却機１０からの抽気が導入される。
【００１９】
キルン９は、仮焼炉１４によって仮焼された原料を焼成してセメントクリンカを生成するため、微粉炭を吹き込むバーナ１７を備える。クリンカ冷却機１０は、上記のようにして焼成されたクリンカを冷却するため、キルン９の下流側に配置される。
【００２０】
次に、上記構成を有する複合プラント１の運転方法について説明する。
発電設備２は、発電能力の範囲内で優先的に供給先３に売電するとともに、残りの電力を電気分解装置４に供給する。ここで、供給先３における需要電力量は、昼間と夜間とで大きく変動し、従来、夜間においては、発電設備の能力を落として運転せざるを得ず、効率が低下した状態で運転を行っていた。
【００２１】
そこで、発電設備２を夜間においても昼間と同様に運転し、供給先３への供給分を差し引いた余剰の電力で電気分解装置４を稼働し、水の電気分解を行う。これによって、昼夜を問わず発電設備２の効率的な運転を継続することができる。
【００２２】
電気分解装置４は、主に夜間の発電設備２からの電力を利用して水を水素と酸素に分解する。そして、発生した水素を水素タンク５に、酸素を酸素タンク６に貯蔵する。水素タンク５に貯蔵された水素は、クリーンなエネルギーとして販売する。一方、酸素タンク６内の酸素は、セメント焼成装置７において利用する。
【００２３】
セメント焼成装置７では、従来、種々の廃棄物を処理しているが、特に、廃プラスチック、肉骨粉等は、燃焼性が悪く、これらを処理するためには、セメント焼成装置７の安定運転が阻害されることが多く、燃費の増加に繋がっていた。
【００２４】
そこで、本発明では、上記電気分解装置４において発生した酸素を利用して酸素富化燃焼を行い、セメント焼成装置７の安定運転を確保しながら、上記難燃性廃棄物や低品位炭等の難燃性物質を燃料として利用する。
【００２５】
ここで、セメント焼成装置７における酸素富化燃焼には以下の方法がある。
（１）難燃性物質Ｍ１をキルン９のバーナ１７で使用し、酸素をキルン石炭吹込風車１３を介して吹き込み、キルン９のキルン１次空気を酸素富化する。
（２）難燃性物質Ｍ２、Ｍ３を窯前２０または仮焼炉１４に導入し、クーラー冷却風車１２から酸素を導入してキルン９または仮焼炉１４の燃焼用２次空気を酸素富化する。
（３）キルン９の窯前２０または窯尻２１に大径の難燃性廃棄物Ｍ４、Ｍ５を投入し、窯前２０または窯尻２１から酸素を導入する。
（４）難燃性物質の投入位置に拘らず、酸素ランス１６を用い、バーナ１７の火炎の適切な位置に酸素を吹き付け、その部分の火炎温度を上昇させ、クリンカの熱伝達量を増大させる。
【００２６】
上記いずれかの方法、または複数の方法を組み合わせることにより、難燃性物質を有効利用しながらセメント焼成装置７の安定運転を維持することができる。また、酸素富化燃焼により、通常時はもとより、燃焼開始時及び終了時の燃料量の変動にも高温燃焼が可能となり、ダイオキシン等の有害物質の排出も抑制することができる。さらに、酸素富化燃焼によって、燃焼排ガス量を増加させることなく難燃性物質を燃焼させることが可能となり、燃焼の効率化、燃費の低減により大気汚染の減少、ＣＯ_２の排出量の削減に繋がる。
【００２７】
次に、本発明にかかる複合プラントの運転方法の実施例について説明する。
表１は、発電設備２の運転時間の内訳を示し、１日を昼間（午前８時〜午後１０時）と、夜間（午後１０時〜午前８時）に分けて一年間で３３５日の運転を行う。尚、土曜日、日曜日、祝日は、一日中すべて夜間運転とみなしている。これによって、通年すると夜間の運転時間が昼間の運転時間の１．５倍となっている。
【００２８】
【表１】

【００２９】
表２は、発電設備２の平均負荷を示し、送電端における発電設備２の能力は４４ＭＷであるが、同表より明らかなように、売電については、夜間において平均負荷が小さく、その分セメント工場内への送電を多くして負荷を上げているが、全体的に見て、夜間の平均負荷は、昼間の２分の１に過ぎず、平均負荷が昼間と夜間とで大きく変動することが判る。そして、上述のような通年の運転形態を考慮すると、この平均負荷の影響は大きく、発電設備２の効率的な運転が阻害されていた。
【００３０】
【表２】

【００３１】
そこで、夜間において、発電設備２の送電端の能力４４ＭＷまで負荷を上げることによって、４４−２０．２＝２３．８ＭＷの平均負荷分を電気分解装置４における水の電気分解に利用する。
【００３２】
これによって、表３に示すように、水素が２，９８０Ｎｍ^２／ｈ、酸素が１，４９０Ｎｍ^２／ｈ発生し、通年における夜間の運転時間４，７５０時間を乗じると、年間で、１４，１５４×１，０００Ｎｍ^３の水素、及び７，０７７×１，０００Ｎｍ^３の酸素が得られる。
【００３３】
【表３】

【００３４】
電気分解装置４で発生した酸素をセメント焼成装置７で酸素富化燃焼に用いる。酸素の利用方法は、上述のように種々存在するが、一例として、年産１２０万トン程度のセメント焼成装置７において、電気分解装置４で発生した酸素をクーラー冷却風車１２に導入し、キルン２次空気の酸素富化に利用し、燃焼性の悪い低品位炭を燃料として使用可能とし、石炭の一部に代替させる場合について、表４を参照しながら説明する。同表において、酸素富化燃焼を行った場合を実施例、酸素富化燃焼を行わない従来の場合を比較例とする。
【００３５】
【表４】

【００３６】
同表に示すように、実施例では、酸素を８０Ｎｍ^３／ｍｉｎの割合でクーラー冷却風車１２に導入すると、キルン２次空気の酸素濃度を２４％に上昇させることができ、これによって、比較例で使用することができなかった低品位炭を、クリンカ１ｋｇ当たり４０２ｋＪ使用することができるようになった。すなわち、熱量比で約２０％の石炭を低品位炭に置き換えることが可能となり、低品位炭の価格が石炭の４分の１程度であるため、１トンのセメントを生産するにあたって、５０円程度燃料費を低減することができる。尚、上述の規模の発電設備２を用いた場合には、７，０７７×１，０００Ｎｍ^３の酸素が得られるため、このようなセメント焼成装置７の運転は、年間約６０日間行うことができる。尚、発電設備２の能力を大きくすることによって、セメント焼成装置７において酸素富化燃焼を実施することのできる期間を長くし、低品位炭の使用量を増加させることももちろん可能である。
【００３７】
また、セメント焼成装置７において、低品位炭の代わりに、廃棄物を使用すると、上記燃料費の低減効果に加え、処理費を見込むことができるため、経済的な面でより効果が大きい。
【００３８】
さらに、発電設備２も、夜間において最適運転をすることによって、従来と比較して運転効率が向上し、これによって、発電単価を低減することができる。もちろん、電気分解装置４で発生した水素を販売することによる利益もある。
【００３９】
尚、上記実施の形態及び実施例においては、複合プラントの燃焼設備がセメント焼成装置７のキルン９である場合について説明したが、発電設備２と廃棄物焼却炉等からなる複合プラントについても同様に本発明を適用することができる。
【００４０】
また、発電設備２において、廃木材等を燃焼させてバイオマス発電を行うことにより、ＣＯ_２の増加の抑制に寄与することもできる。
【００４１】
次に、本発明にかかる運転方法を実施する複合プラントのもう一つの例について、図２を参照しながら説明する。
【００４２】
この複合プラント３１は、大別して、発電設備２と、燃焼設備としてのボイラ３２と、電気分解装置４とで構成され、発電設備２乃至酸素タンク６の構成は、図１に示した複合プラント１の場合と同様である。
【００４３】
本実施例では、図１のセメント焼成装置７の代わりに、石炭焚き発電設備の循環流動層ボイラ等のボイラ３２及び熱交換器３３を設置し、ボイラ３２の燃焼排ガスの一部Ｗ’をボイラ３２に戻し、戻した燃焼排ガスＷ’を酸素富化することを特徴とする。すなわち、ボイラ３２に燃焼排ガスの循環ルート３４を設け、この循環ルート３４に酸素タンク６から酸素を導入することを特徴としている。
【００４４】
次に、上記構成を有する複合プラント３１の運転方法について詳細に説明する。
【００４５】
発電設備２は、図１の実施例の場合と同様に、発電能力の範囲内で優先的に供給先３に売電し、残りの電力を電気分解装置４に供給する。供給先３における需要電力量は、夜間に大幅に低下するため、夜間に電気分解装置４を稼働し、水の電気分解を行う。これによって、昼夜を問わず発電設備２の効率的な運転を継続することができる。電気分解装置４で発生した水素を水素タンク５に、酸素を酸素タンク６に貯蔵し、水素タンク５に貯蔵された水素は、クリーンなエネルギーとして販売し、酸素タンク６内の酸素をボイラ３２で利用する。
【００４６】
従来、ボイラ等の燃焼設備において燃焼排ガスの再循環が実施されているが、燃焼設備に戻された燃焼排ガスの酸素濃度が低いため、循環量には限度があった。そこで、燃焼排ガスの酸素富化を行うことで、循環率を上昇させ、後述するような種々の効果を得ることができる。
【００４７】
ボイラ３２に付設された熱交換器３３には、フレッシュエアＦが導入される一方、熱交換器３３には、ボイラ３２の燃焼排ガスＷが導入され、フレッシュエアＦと燃焼排ガスＷの熱交換により、フレッシュエアＦの温度が１９０℃程度に上昇した後、ボイラ３２に導入される。
【００４８】
ボイラ３２には、燃料として石炭Ｃが供給され、この石炭Ｃがボイラ３２内で燃焼し、これによって、図示しない給水設備より供給された水が蒸発して蒸気が発生する。この蒸気は、自家発電設備等に利用される。
【００４９】
ボイラ３２の燃焼排ガスＷは、熱交換器３３を経て大気に放出されるとともに、その一部Ｗ’は、循環ルート３４を介してボイラ３２に戻される。ここで、循環ルート３４に酸素タンク６からの酸素が導入され、燃焼排ガスＷ’が酸素富化される。表５は、排ガスを循環しない場合（比較例）と、排ガスを３０％及び５０％循環させた場合（実施例１、２）とでボイラ３２の運転を比較した結果を示す。
【００５０】
【表５】

【００５１】
同表より、例えば、排ガス循環率を５０％とした場合（実施例２）には、排ガスを循環しない場合（比較例）に比べて外部排出ＣＯ_２量が約４０％減少し、使用石炭量も約２％減少したことが判る。これによって、排ガス設備をその分だけコンパクトにすることができて設備投資額を低減することができるとともに、ボイラ３２の熱回収率が上昇し、ＣＯ等の未燃分も減少する。
【００５２】
尚、上記実施例においては、燃焼設備がボイラの場合について説明したが、上述のセメント焼成キルン、廃棄物焼却炉等のその他の燃焼設備についても、燃焼排ガスの一部を同燃焼設備に戻し、戻した燃焼排ガスを酸素富化することによって、同様の効果を奏することはもちろんである。
【発明の効果】
以上説明したように、本発明にかかる運転方法によれば、発電設備と、セメント焼成キルン等の燃焼設備とを備えた複合プラントの効率的で安定な運転を継続することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明にかかる複合プラントの運転方法を実施するプラントの一例を示すフローチャートである。
【図２】本発明にかかる複合プラントの運転方法を実施するプラントのもう一つの例を示すフローチャートである。
【符号の説明】
１　　　　複合プラント
２　　　　発電設備
３　　　　供給先
４　　　　電気分解装置
５　　　　水素タンク
６　　　　酸素タンク
７　　　　セメント焼成装置
８　　　　予熱機
９　　　　キルン
１０　　クリンカ冷却機
１１　　主排気風車
１２　　クーラー冷却風車
１３　　キルン石炭吹込風車
１４　　仮焼炉
１５　　バーナ
１６　　酸素ランス
１７　　バーナ
１８　　クーラー抽気ダクト
２０　　窯前
２１　　窯尻
３１　　複合プラント
３２　　ボイラ
３３　　熱交換器
３４　　循環ルート

Claims

発電設備と、燃焼設備とを備えた複合プラントの運転方法であって、
該複合プラントに、前記発電設備で発生した電力により水を電気分解する電気分解装置を設け、
前記発電設備によって、該電気分解装置を含む複数の供給先に電力を供給し、
前記燃焼設備において、前記電気分解装置において発生した酸素を利用して酸素富化燃焼を行うことを特徴とする複合プラントの運転方法。
前記発電設備は、前記電気分解装置以外の供給先に優先して送電することを特徴とする請求項１に記載の複合プラントの運転方法。
前記燃焼設備において、難燃性物質を燃料として活用することを特徴とする請求項１に記載の複合プラントの運転方法。
前記燃焼設備が、セメント焼成キルンまたは廃棄物焼却炉であることを特徴とする請求項１、２または３に記載の複合プラントの運転方法。
前記難燃性物質が、低品位炭及び／または難燃性廃棄物であることを特徴とする請求項３または４に記載の複合プラントの運転方法。
前記セメント焼成キルンのキルン１次空気を酸素富化することを特徴とする請求項４または５に記載の複合プラントの運転方法。
前記セメント焼成キルンのクーラー冷却風車から酸素を導入することを特徴とする請求項４、５または６に記載の複合プラントの運転方法。
前記セメント焼成キルンの窯前から酸素を導入することを特徴とする請求項４乃至７のいずれかに記載の複合プラントの運転方法。
前記セメント焼成キルンの窯尻に酸素を導入することを特徴とする請求項４乃至８のいずれかに記載の複合プラントの運転方法。
前記セメント焼成キルンのバーナの火炎の適切な位置に酸素を吹き付ける酸素ランスに酸素を導入することを特徴とする請求項４乃至９のいずれかに記載の複合プラントの運転方法。
前記燃焼設備の燃焼排ガスの少なくとも一部を該燃焼設備に戻し、該燃焼設備に戻した燃焼排ガスを酸素富化することを特徴とする請求項１または２に記載の複合プラントの運転方法。
前記燃焼設備は、ボイラであることを特徴とする請求項１１に記載の複合プラントの運転方法。