JP2005066591A - 未燃炭素分離装置および分離方法 - Google Patents

Abstract

【課題】未燃炭素を効率よく回収することでエネルギーコスト削減を行うことができるうえ、未燃炭素を分離・除去した石炭灰を例えばコンクリートの副原料として再利用することができる未燃炭素分離装置および分離方法を提供する。
【解決手段】石炭灰に含まれる未燃炭素を分離する装置であって、電圧を印加してプラスに帯電させた篩網と該篩網を振動させる振動枠とを備えた超音波篩と、電圧を印加してプラスに帯電させた電極を備えた電気集塵機とを有することを特徴とする未燃炭素分離装置および分離方法。
【選択図】図２

Description

本発明は、石炭灰に含まれる未燃炭素を分離する装置および分離方法に関する。
具体的には、例えば石炭焚火力発電所のボイラーなどで発生する石炭灰に含まれる未燃炭素を分離する装置および分離方法に関する。

例えば石炭焚火力発電所のボイラーなどで発生する石炭灰には約２０％以上の未燃炭素が含まれており、この未燃炭素を分離・回収してエネルギー源として用いることが検討されており、従来から種々の提案がなされている。
例えば、特開２００３−１２６８３２号公報の第００１３欄には、静電向流ベルト式の分離装置が開示されている。
この分離装置は、隙間を隔てて上下対方向に配置された電極の中を、有孔の無端ベルトを循環移動させながら、電極の隙間に投入した石炭灰の粒子を表面接触により研磨帯電させ静電気力で未燃炭素を分離するものである。
しかし、特開２００３−１２６８３２号公報に開示された装置は、無端ベルトを循環移動させながら石炭灰の粒子と表面接触させているためにベルトの磨耗が激しく１回/月の頻度で取り替える必要がありメンテナンスコストが高くなるという問題点があった。

また、同じく、特開２００３−１２６８３２号公報の第０１０４欄〜第１０５欄には、サイクロン式の分離装置が開示されている。
この分離装置は、円筒円錐形のケーシングとその内部に設けられ高速回転する分級羽根とから構成されており、上部投入口から投入された石炭灰は遠心力と分級羽根の内部へ向かう空気流の抗力との釣り合い粒径の違いにより未燃炭素を分級するものである。
しかし、この方式についても駆動部があり磨耗の問題が発生する。更には、粒径の違いを利用した分級方式であるので積極的に未燃炭素を分離するものではなく、本発明者らの実験によると、炭素濃度が３４％以上の分離効率を達成することは原理的に困難だった。
特開２００３−１２６８３２号公報

本発明は、前述のような従来技術の問題点を解決し、未燃炭素を効率よく回収することでエネルギーコスト削減を行うことができるうえ、未燃炭素を分離・除去した石炭灰を例えばコンクリートの副原料として再利用することができる未燃炭素分離装置および分離方法を提供することを課題とする。

本発明は、前述の課題を解決するために、鋭意検討の結果なされたものであり、電圧を印加してプラスに帯電させた篩網と該篩網を振動させる振動枠とを備えた超音波篩と、電圧を印加してプラスに帯電させた板電極とマイナスに帯電させた棒電極または板電極を備えた電気集塵機とを設けることにより、未燃炭素を効率よく回収することでエネルギーコスト削減を行うことができるうえ、未燃炭素を分離・除去した石炭灰を例えばコンクリートの副原料として再利用することができる未燃炭素分離装置および分離方法を提供するものであり、その要旨とするところは、特許請求の範囲に記載した通りの下記内容である。
（１）石炭灰に含まれる未燃炭素を分離する装置であって、電圧を印加してプラスに帯電させた篩網と該篩網を振動させる振動枠とを備えた超音波篩と、電圧を印加してプラスに帯電させた電極を備えた電気集塵機とを有することを特徴とする未燃炭素分離装置。
（２）前記電極が屈曲路または湾曲路を形成していることを特徴とする（１）に記載の未燃炭素分離装置。
（３）さらに、電圧を印加してプラスに帯電させた網電極フィルターを有することを特徴とする（１）または（２）に記載の未燃炭素分離装置。
（４）前記振動枠を振動させる振動子に絶縁体を装入することを特徴とする請（１）乃至（３）に記載の未燃炭素分離装置。
（５）（１）または（２）に記載の未燃炭素分離装置を用いる未燃炭素分離方法であって、前記石炭灰を前記篩網に通過させることにより、該石炭灰に含まれる未燃炭素をプラスに帯電させ、炭素以外の鉱物の表面に分極を発生させることにより、該鉱物のみを前記電極に捕捉することを特徴とする未燃炭素分離方法。
（６）（３）または（４）に記載の未燃炭素分離装置を用いる未燃炭素分離方法であって、前記石炭灰を前記網電極フィルターに通過させることにより、前記未燃炭素と炭素以外の鉱物とを引き離して該鉱物のみを前記網電極フィルターに捕捉することを特徴とする未燃炭素分離方法。

本発明によれば、電圧を印加してプラスに帯電させた篩網と該篩網を振動させる振動枠とを備えた超音波篩と、電圧を印加してプラスに帯電させた板電極とマイナスに帯電させた棒電極または板電極を備えた電気集塵機とを設けることにより、未燃炭素を効率よく回収することでエネルギーコスト削減を行うことができるうえ、未燃炭素を分離・除去した石炭灰を例えばコンクリートの副原料として再利用することができる未燃炭素分離装置および分離方法を提供することができる。
また、本発明の未燃炭素分離装置は、従来のように駆動部がない静電機器のみで構成されているため、ベルトなどの交換の必要がなくメンテナンスコストを著しく低減できるなど、産業上有用な著しい効果を奏する。

本発明の実施形態について、図１乃至図８を用いて詳細に説明する。
図１および図２は、本発明の未燃炭素分離装置の実施形態を例示する図であり、図１は上面から見た平面図を示し、図２は側面図を示す。
図１および図２において、１は超音波篩、２は電気集塵機、３は網電極フィルター、４はサイクロン、５は篩網、６は振動枠、７は棒電極、８は板電極、９は振動子を示す。

まず、石炭焚火力発電所のボイラーなどで発生する未燃炭素を約２０％以上含む石炭灰を、超音波篩１に通過（接触）させる。
超音波篩１には、電圧を印加してプラスに帯電させた篩網５と該篩網５を振動させる振動枠６とが備えられており、振動子９が振動することによって、振動枠６および篩網５が微小振動して、凝縮している石炭灰を分散させるとともに、未燃炭素をプラスに帯電させることができる。
本発明においては、超音波篩１の目開きおよび振動周波数は問わないが、粒径の小さい石炭灰を効率よく分散させるためには、目開きは２００μｍ以下、振動周波数は２０ｋＨｚ程度が好ましい。
次に、分散された石炭灰は、電圧を印加してプラスに帯電させた板電極８とマイナスに帯電させた棒電極７とを備えた電気集塵機２に導入される。
プラスに帯電した未燃炭素は、プラスに帯電した板電極８と反発して電気集塵機２を通過するが、未燃炭素以外の鉱物の表面には分極が発生するため、鉱物のみがプラスに帯電した板電極８に吸引されて捕捉される。

図３は、本発明によって未燃炭素が分離されるメカニズムを説明する模式図である。
石炭灰に含まれる未燃炭素（Ｃ）は導電率の高い物質（良導体）なので、篩網５と接触した際に接地した篩網５を通じて良導体中の動電子（マイナスの電荷）が漏洩するため、図３に示すように、プラスの電荷が表面を支配することになる。
プラスに帯電した未燃炭素（Ｃ）は、プラスに帯電した板電極８と反発することによって、電気集塵機２を通過する。
一方、未燃炭素（Ｃ）以外の鉱物は、非常に電気を通しにくい物質（絶縁体）なので、マイナスの電荷の漏洩が瞬時に行われず、その結果、絶縁体表面にプラスとマイナスの電荷が存在する分極が発生し、図３に示すように、板電極８に吸引されて捕捉される。
また、鉱物の一部は、篩網５を通過後すでにプラスに帯電した未燃炭素（Ｃ）に吸引されて結合するため、板電極８に捕捉されないで電気集塵機２を通過してしまう。
そこで、未燃炭素（Ｃ）の分離効率をさらに高めるためには、さらに、電圧を印加してプラスに帯電させた網電極フィルター３を設けることが好ましい。

図４は、網電極フィルター３によって、未燃炭素（Ｃ）が分離されるメカニズムを説明する模式図である。
電気集塵機２を通過した未燃炭素（Ｃ）と結合した鉱物は、プラスに帯電した網電極フィルター３に接触しながら通過する際に、未燃炭素（Ｃ）から切り離されて、網電極フィルター３に吸引されて捕捉され、分離された未燃炭素（Ｃ）は、プラスに帯電しているため、プラスに帯電した網電極フィルター３と反発して通過する。
本発明においては、この網電極フィルター３の目開きは問わないが、石炭灰が通過する際の圧損を小さくするため、この目開きは２〜３ｍｍが好ましい。
分離された未燃炭素（Ｃ）は、サイクロン４によって、さらに空気と分離されて炭素粉として回収することができ、エネルギー源として利用することができる。
また、未燃炭素が除去された鉱物は、例えばコンクリートの副原料として再利用することができる。
なお、本発明に用いる超音波篩、電気集塵機、網電極フィルターの印加電圧は問わないが、未燃炭素（Ｃ）の分離効率を高めるためには、１ＫＶ〜５０ＫＶが好ましい。

図５は、本発明に用いる振動枠を振動させる振動子の取り付け状況を示す詳細図である。
図５において、６は振動枠、９は振動子、１０は絶縁体を示す。
振動枠６を振動させる振動子９に高電圧を印加すると、超音波篩用直流電源と振動子用の直流電源との間に電流路が発生し電源を破損する場合がある。
そこで図５に示すように、振動子９の中央部に絶縁体１０を装入することによって、超音波篩用直流電源と振動子用の直流電源との間の電流路を遮断することができ、電源の破損を防止することができる。
絶縁体の種類は問わないが、強度および耐電圧の観点からセラミックスを用いることが好ましい。

図６乃至図８は、本発明に用いる電気集塵機の電極を、くの字にして屈曲路を形成した実施形態を示す図であり、図６は平面図、図７は側面図、図８は電極の模式図である。
図６乃至図８において、１は超音波篩、２は電気集塵機、４はサイクロン、５は篩網、６は振動枠、９は振動子、１１はくの字電極を示す。
図６および図７に示すように、電気集塵機２に設置する電極に曲げ加工を加えた複数のくの字電極１１にして屈曲路を形成し、プラス電極（＋）とマイナス電極（−）を交互に配置する。
図８は、くの字電極の内部の石炭灰および炭素の動きを示す模式図である。
図８に示すように、炭素はくの字電極と反発するため、電極を通り抜けて回収されるが、石炭灰はくの字に曲がった電極の間を通る際に電極面に衝突して捕捉されるため、炭素の分離回収率を向上させることができる。
本実施形態では、図６に示すように電極をくの字にして屈曲路を形成しているが、炭素灰および炭素が電極に衝突すればよいので、例えばＳ字状にして湾曲路を形成させても同等の効果が得られる。

なお、電極に捕捉された石炭灰が堆積していくと炭素の分離効果が現象するので、図９に示すような振動子９、９´および簡易ノッカー１２を設けることにより、くの字電極に超音波振動または単発的振動を加えることによって捕捉された石炭灰を除去することが好ましい。
具体的には、電極が3枚以上の場合には、中間部の電極への振動付与が非常に困難であるため、図１０に示すように超音波振動子９と簡易ノッカー１２による単発的振動との併用で実施することが好ましい。
更には、電極が2枚の場合には、図１１に示すように、くの字電極の側面に超音波振動子９´を設けて両サイドから超音波振動を付与することが好ましい。
但し、図１０、図１１での超音波振動子を取付ける場合には、振動子に絶縁体を挿入て絶縁対策を行うことが好ましい。

本発明の未燃炭素分離装置および分離方法を、下記条件にて実施した。
＜実験条件１＞
・石炭灰の粒径：10〜150μｍ
・超音波篩の目開き：80μｍ
・超音波篩の周波数：20KHｚ
・超音波篩の印加電圧：10KV
・くの字電極の電圧：18KV
・くの字電極のキ゛ャッフ゜：35ｍｍ
上記の実験条件で電極が3枚の場合について、超音波振動と簡易ノッカーに
よる単発的振動確認実験を行なった結果を表１に示す。
実験方法として、超音波篩部から100ｇを投入して、篩上、電極付着、電極下、サイクロンでの回収量を測定することで評価を行なった。その結果、超音波振動だけでは電極に２８ｇ付着しており、除去効果が不充分であり、簡易ノッカーによる単発的振動を付与することで大幅に除去が可能なことが判明した。
また、同様に上記の実験条件で電極が2枚の場合について、両サイドから超
音波振動を付与する実験を行なってみた。この場合には、超音波振動のみで殆
ど除去できていることが理解できる。

＜実験条件２＞

・石炭灰の粒径：１０〜１５０μｍ
・超音波篩の目開き：８０μｍ
・超音波篩の周波数：２０ｋＨｚ
・超音波篩、電気集塵機、網電極フィルターの印加電圧：４．７ＫＶ
・電気集塵機のサイズ：Ｌ３００ｍｍ×Ｗ３００ｍｍ×Ｈ２００ｍｍ
・網電極フィルターの目開き：２ｍｍ
上記の実施条件で実施した結果を表３に示す。
表３において、石炭灰（原粉）は、本発明を実施する前の石炭灰を示し、未燃炭素を２４％含んでいた。
本発明例１は、超音波振動網および電気集塵機を用いて未燃炭素を分離した結果であり、分離後の粉中の炭素（Ｃ）が４３．２％まで上昇させることができた。
本発明例２は、超音波振動網、電気集塵機、および、網電極フィルターを用いて未燃炭素を分離した結果であり、分離後の粉中の炭素（Ｃ）が５５．７％まで上昇させることができ、さらに、本発明例３は、電気集塵機中にくの字電極を用いた結果であり、分離後の粉中の炭素（Ｃ）が７３％に達した。

本発明の未燃炭素分離装置の実施形態を例示する平面図である。 本発明の未燃炭素分離装置の実施形態を例示する側面図である。 本発明によって未燃炭素が分離されるメカニズムを説明する模式図である。 網電極フィルター３によって、未燃炭素（Ｃ）が分離されるメカニズムを説明する模式図である。 本発明に用いる振動枠を振動させる振動子の取り付け状況を示す詳細図である。 本発明に用いる電気集塵機の電極を、くの字にした実施形態を示す平面図である。 本発明に用いる電気集塵機の電極を、くの字にした実施形態を示す側面図である。 くの字電極の内部の石炭灰および炭素の動きを示す模式図である。 くの字電極に設置する超音波振動子および簡易ノッカーの配置図である。 くの字電極が３枚の場合の振動装置の模式図である。 くの字電極が２枚の場合の振動装置の模式図である。

符号の説明

１ 超音波篩、
２ 電気集塵機、
３ 網電極フィルター、
４ サイクロン、
５ 篩網、
６ 振動枠、
７ 棒電極、
８ 板電極
９ 振動子
１０ 絶縁体
１１ くの字電極
１２ 簡易ノッカー
１３ 振動子取付け台

Claims (6)

1. 石炭灰に含まれる未燃炭素を分離する装置であって、
   電圧を印加してプラスに帯電させた篩網と該篩網を振動させる振動枠とを備えた超音波篩と、
   電圧を印加してプラスに帯電させた電極を備えた電気集塵機とを有することを特徴とする未燃炭素分離装置。
2. 前記電極が屈曲路または湾曲路を形成していることを特徴とする請求項１に記載の未燃炭素分離装置。
3. さらに、電圧を印加してプラスに帯電させた網電極フィルターを有することを特徴とする請求項１または２に記載の未燃炭素分離装置。
4. 前記振動枠を振動させる振動子に絶縁体を装入することを特徴とする請求項１乃至請求項３に記載の未燃炭素分離装置。
5. 請求項１または請求項２に記載の未燃炭素分離装置を用いる未燃炭素分離方法であって、前記石炭灰を前記篩網に通過させることにより、該石炭灰に含まれる未燃炭素をプラスに帯電させ、炭素以外の鉱物の表面に分極を発生させることにより、該鉱物のみを前記電極に捕捉することを特徴とする未燃炭素分離方法。
6. 請求項３または請求項４に記載の未燃炭素分離装置を用いる未燃炭素分離方法であって、前記石炭灰を前記網電極フィルターに通過させることにより、前記未燃炭素と炭素以外の鉱物とを引き離して該鉱物のみを前記網電極フィルターに捕捉することを特徴とする未燃炭素分離方法。
   

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