JP2005147534A - バブリング流動層燃焼炉とその層内温度制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 発熱量の変動する可燃性廃棄物を燃料として可燃性廃棄物以外の燃料をほとんど必要とせずに層内温度を所望の温度範囲に制御でき、かつ主蒸気圧力と主蒸気温度を保持したまま負荷指令に応じて燃焼量を制御できるバブリング流動層燃焼炉とその層内温度制御方法を提供する。
【解決手段】 粒子を流動用空気で流動させその内部および上部で燃料を燃焼させる流動層１２と、流動層内に燃料を直接供給する層内燃料供給手段１４と、流動層の上面に燃料を供給する層上燃料供給手段１６と、流動層で発生した熱で水蒸気を発生させる蒸気発生手段１８と、蒸気発生手段で発生した水蒸気の圧力と温度を保持したまま層内温度を所望の温度範囲に制御しかつ負荷指令に応じて燃焼量を制御する燃料制御装置２０とを備える。
【選択図】 図２

Description

本発明は、バブリング流動層燃焼炉とその層内温度制御方法に関する。

下水汚泥、バイオマス、都市ゴミ、産業廃棄物等の可燃性廃棄物を燃料とする流動層焼却炉として、特許文献１、２等が開示されている。また加圧流動層を用いて複合発電するシステムとして特許文献３が開示されている。

特許文献１の「流動床式焼却炉の燃焼制御方法」は、砂層部およびフリーボード部の温度に対する燃料流量を最適化して、砂層部、フリーボード部の温度を一定範囲内に維持することを目的とし、図５に示すように、砂層部５２とフリーボード部５３とからなる流動床式焼却炉の砂層部５２への燃料供給量を調節することにより砂層部５２の温度を制御する流動床式焼却炉の燃焼制御方法において、砂層部５２の温度を温度検出器５５で測定し、該測定値を砂層部温度演算器５４に入力して砂層部５２の単位時間あたりの温度変化率を求める一方、フリーボード部５３の温度を温度検出器５６で測定して該測定値をフリーボード部温度演算器５７に入力し、予め演算器５７に入力されているフリーボード部５３の基準温度と前記測定値との温度偏差を求め、砂層部５２の温度変化率とフリーボード部５３の温度偏差とに基づき前記燃料流量を制御するものである。

特許文献２の「流動床式焼却炉の燃焼制御方法およびその装置」は、フリーボード部を砂層温度とは別個に独立して制御することを目的とし、図６に示すように、下水汚泥を焼却対象とし、炉体６１の内部に砂層部６２とフリーボード部６３の燃焼領域を形成した流動床式焼却炉において、砂層部６２の上部に配置した砂層上部バーナ６４を操作してフリーボード部温度を制御し、砂層部６２の下部に配置した砂層下部バーナ６５を操作して砂層温度を制御するものである。

特許文献３の「加圧流動層複合発電システムとその制御方法および制御装置」は、蒸気温度に基づいて燃料量を操作する系と層温に基づいて層高を操作する系との間に関連性を持たせ層温によっても燃料量を操作するものであり、図７に示すように、関数発生器７４から発生する燃料量設定値７６に基づいて燃料量目標値７８を生成し、この燃料量目標値７８にしたがって燃料量指令値７９を生成し、この燃料量指令値７９によって燃料供給ラインへの石炭の投入量を操作し、この操作量を実際の蒸気温度と設定値との偏差がゼロとなるように制御器７２からの出力によって補正する。さらに関数発生器８１から発生する層高設定値を実際の層温と設定値との偏差に応じて加算器８２で補正し、補正された層高指令値８３に基づいて層高を操作する。そして負荷の変化に伴って層高が上昇する操作が行われたときには、条件判定器８４からの切替信号８５に応答して実際の層温と設定値との偏差に応じた信号を制御器８６から加算器８７に出力して燃料量指令値８８を補正するものである。
特開平１１−９４２２４号公報、「流動床式焼却炉の燃焼制御方法」 特開２００１−７４２２２号公報、「流動床式焼却炉の燃焼制御方法およびその装置」 特開平１１−４４４１０号公報、「加圧流動層複合発電システムとその制御方法および制御装置」

上述した特許文献１、２の流動床式焼却炉では、廃棄物は流動層の上面に供給するが、別個に流動層内に燃料を供給する燃料供給系を備え、燃料供給系から供給する燃料の燃焼熱で流動層内の温度を制御するようになっている。そのため、層内温度の制御に可燃性廃棄物以外の燃料を必要とする問題点がある。

また、特許文献３の加圧流動層複合発電システムでは、石炭を燃料とし、層温に基づいて層高を操作する系を備えるため、流動層内の温度を制御することができるが、可燃性廃棄物を燃料とするのは困難である。

さらに、流動床式焼却炉と蒸気発生器（ボイラ等）とを組み合わせる場合、従来、廃棄物の燃料流量は、主蒸気条件（温度、圧力）を制御しており、層温度は制御していない。従って、層温度は投入された廃棄物の流量や発熱量と、火炉の設計条件（冷却量）等から一義的に決まり、成り行きとなる。

また、特許文献３のように層高を上下させることで、層内温度を変化させることは可能であるが、層高を上下させるための火炉からのベッド材の排出および供給に時間がかかることから、層内温度制御の応答性が低い問題点がある。

一方、バイオマスのうち、パーム油工場から排出されるパーム滓（エンプティフルーツバンチ、ファイバ、シェルの混在物）を燃料とする場合、パーム滓自体の発熱量は十分高いにもかかわらず、発熱量の変動が大きい問題点がある。例えば、貯蔵場に貯蔵してあるパーム滓が雨で濡れると、燃料（パーム滓）の発熱量が低下し、層温も低下する。また逆に、燃料が乾燥し発熱量が上昇すると層温も上昇する。

またその他のバイオマス燃料の場合でも、異なる性状を持った数種類の燃料を混合燃焼する場合、混合燃焼比率が変わると層温が変わる。特に揮発分はフリーボードで燃焼しやすいため、揮発分が多くなると層温が低下し、揮発分が少なくなると層温が上昇する。

バイオマス燃料の灰成分にＮａやＫなどの低融点化合物を形成しうる元素を多量に含む場合、層温が上昇し、灰の融点を超えるとベッド材中にアグロメと呼ぶ塊が生成され、流動不良を引き起こす。

また逆に、層温が低下し、燃料が良好な燃焼を維持するための温度を下回ると、自燃焼が進行せず、燃焼不良を引き起こす。

本発明はかかる問題点を解決するために創案されたものである。すなわち、本発明の目的は、発熱量の変動する可燃性廃棄物を燃料として可燃性廃棄物以外の燃料をほとんど必要とせずに層内温度を所望の温度範囲に制御でき、かつ主蒸気圧力と主蒸気温度を保持したまま負荷指令に応じて燃焼量を制御できるバブリング流動層燃焼炉とその層内温度制御方法を提供することにある。

本発明によれば、粒子を流動用空気で流動させその内部および上部で燃料を燃焼させる流動層と、該流動層内に燃料を直接供給する層内燃料供給手段と、流動層の上面に燃料を供給する層上燃料供給手段と、流動層で発生した熱で水蒸気を発生させる蒸気発生手段と、該蒸気発生手段で発生した水蒸気の圧力と温度を保持したまま層内温度を所望の温度範囲に制御しかつ負荷指令に応じて燃焼量を制御する燃料制御装置と、を備える、ことを特徴とするバブリング流動層燃焼炉が提供される。

本発明の構成によれば、層内燃料供給手段により流動層内に直接投入した場合と、層上燃料供給手段により層上に供給した場合とでは、層内燃焼率が異なるので、燃料制御装置により、層内燃料供給手段と層上燃料供給手段を制御することにより、必要な蒸気条件を保ちながら、最適な層温度、ひいては最適な流動状態と燃焼状態に維持することが可能となる。

本発明の好ましい実施形態によれば、前記燃料制御装置は、流動層内の温度を検出する層温検出手段を有し、検出された層温が所望の温度範囲になるように層内燃料供給手段を制御し流動層内に直接供給する燃料の層内供給量を調節する。

この構成により、層内燃料供給手段により流動層内に直接投入した場合は層内での燃焼率が高いので、燃料の層内供給量の調節により検出された層温を所望の温度範囲に維持することができる。

また本発明によれば、層内温度を所望の温度範囲に維持するように流動層内に直接供給する燃料の層内供給量を調節し、かつ主蒸気圧力と主蒸気温度を保持するように流動層の上面に供給する燃料の層上供給量を調節する、ことを特徴とするバブリング流動層燃焼炉の層内温度制御方法が提供される。

この方法によれば、燃料を流動層内に直接投入した場合は層内での燃焼率が高いので、燃料の層内供給量の調節により検出された層温を所望の温度範囲に維持することができる。

一方、この層内供給量の調節により、流動層上部のフリーボード部の温度が変化し、負荷指令により主蒸気圧力と主蒸気温度も変化するが、本発明の方法によれば、この変動に追従して層上供給量を調節するので、主蒸気圧力と主蒸気温度を保持することができる。

また別の発明によれば、主蒸気圧力と主蒸気温度を保持するように燃料の総供給量を算出し、層内温度を所望の温度範囲に維持するように流動層内に直接供給する燃料の層内供給量を決定し、総供給量から層内供給量を減算して流動層の上面に供給する燃料の層上供給量を決定する、ことを特徴とするバブリング流動層燃焼炉の層内温度制御方法が提供される。

この方法によれば、層内温度を所望の温度範囲に維持するように流動層内に直接供給する燃料の層内供給量を決定するので、層温を所望の温度範囲に維持することができる。

また、主蒸気圧力と主蒸気温度を保持するように燃料の総供給量を算出し、総供給量から層内供給量を減算して流動層の上面に供給する燃料の層上供給量を決定するので、主蒸気圧力と主蒸気温度を保持したまま負荷指令に応じて燃焼量を制御できる。

上述したように本発明のバブリング流動層燃焼炉とその層内温度制御方法は、発熱量の変動する可燃性廃棄物を燃料として可燃性廃棄物以外の燃料をほとんど必要とせずに層内温度を所望の温度範囲に制御でき、かつ主蒸気圧力と主蒸気温度を保持したまま負荷指令に応じて燃焼量を制御できる、等の優れた効果を有する。

以下、本発明の好ましい実施形態を図面を参照して説明する。なお、各図において共通部分には同一の符号を付し、重複した説明を省略する。

図１は、ある燃料（この例ではコーヒー滓）を流動層の層内と層上に供給した場合の層内と層上の燃焼割合を示す図である。ここで「層内燃焼率」とは、燃料の発熱による総入熱のうち、流動層の温度上昇に寄与する熱量の割合をいう。一方、フリーボードの温度上昇に寄与する熱量の割合を「フリーボード燃焼率」とする。層内燃焼率＋フリーボード燃焼率＝１となる。

この図から、層内燃焼率は、燃料を流動層の層内に直接供給した方が、燃料を流動層の層上に供給した場合よりも高く、逆にフリーボード燃焼率は、燃料を流動層の層上に供給した場合の方が高くなることがわかる。この傾向は、燃料の種類にかかわらず流動層燃焼では一般的と考えることができる。

発熱量の変動する可燃性廃棄物を燃料とする場合、燃料の発熱量が大きく変化しても、流動不良にも燃焼不良にもならず、常に最適な流動状態と燃焼状態を保つためには、常に最適な層温度に制御できることが望ましい。

本発明は、燃料であっても、図１に示したように、流動層内に直接投入した場合と、層上に供給した場合とでは、層内燃焼率が異なることに着目し、燃料層内供給系統と燃料層上供給系統を併設し、層温と主蒸気条件を制御することで、必要な蒸気条件を保ちながら、最適な層温度、ひいては最適な流動状態と燃焼状態に維持するものである。

図２は、本発明のバブリング流動層燃焼炉の全体構成図である。この図に示すように、本発明のバブリング流動層燃焼炉１０は、流動層１２、層内燃料供給手段１４、層上燃料供給手段１６、蒸気発生手段１８、および燃料制御装置２０を備える。

流動層１２は、耐熱粒子（例えば平均粒径１ｍｍ程度の珪砂）を流動用空気で流動させその内部および上部（フリーボード部１３）で燃料１を燃焼させる流動層であり、流動層燃焼炉１１の内部に形成される。

層内燃料供給手段１４は、流動層１２内に燃料１（例えばパーム滓）を直接供給する燃料供給手段（例えば空気輸送やスクリュウコンベア）であり、燃料制御装置２０からの制御信号により燃料の層内供給量を可変に調節できる。

層上燃料供給手段１６は、流動層１２の上面に燃料１を供給する燃料供給手段（例えばホッパーやスクリュウコンベア）であり、燃料制御装置２０からの制御信号により燃料の層内供給量を可変に調節できる。

蒸気発生手段１８は、この例では、流動層燃焼炉１１の炉壁を構成する水管壁を有する蒸気ドラム１８ａと、蒸気ドラム１８ａで発生した飽和蒸気２を加熱して過熱蒸気にする過熱器１８ｂとを備え、流動層で発生した熱で水蒸気（この場合、過熱蒸気３）を発生させる。

また本発明のバブリング流動層燃焼炉１０において、過熱蒸気３は、蒸気タービン２２に供給され発電機２３を駆動して発電する。また流動層燃焼炉１１を出た排ガス４はサイクロン２４で灰５を回収された後に排気される。

燃料制御装置２０は、流動層１２内の温度を検出する層温検出手段２０ａ（例えば温度センサ）と、蒸気発生手段１８で発生した水蒸気の圧力と温度を検出する圧力検出手段２０ｂ（例えば圧力センサ）と温度検出手段２０ｃ（例えば温度センサ）とを備える。この燃料制御装置２０は、層温検出手段２０ａで検出された層温が所望の温度範囲になるように層内燃料供給手段１４を制御して流動層１２内に直接供給する燃料１の層内供給量を調節すると共に負荷指令に応じて燃焼量を制御する。

上述したように、本発明では、燃料について、層上に供給する系統と層内に供給する系統とを併設する。すなわち流動層燃焼炉１１において、フリーボード部１３に燃料を供給する燃料層上供給系統（層上燃料供給手段１６）と流動層１２内に燃料を供給する燃料層内供給系統（層内燃料供給手段１４）を併設し、主蒸気条件（主蒸気温度、主蒸気圧力、等）および層温を監視しながら、各々が最適な状態になるように、一つの燃料供給ラインから、燃料層上供給系統と燃料層内供給系統へ燃料を分配して流動層燃焼炉１１に供給する。

図３は、本発明の方法の第１実施形態を示す図である。この第１方法では、主蒸気条件（主蒸気圧力と主蒸気温度）および層内温度を監視し、燃料の層内供給量と層上供給量を調節する。

すなわち図３において、マスタ１０１より発せられた負荷指令が関数発生器１０２により層上燃料流量指令へと変換される。一方、マスタ１０１より発せられた負荷指令が関数発生器１０３により、主蒸気圧力指令へ変換され、比較器１０８にて、主蒸気圧力計測値１０９との偏差を計算し、制御器１０７にて補正信号へと変換され、加算器１０６にて、層上燃料流量指令が補正される。

同様に、マスタ１０１より発せられた負荷指令が関数発生器１０４により、主蒸気温度指令へ変換され、比較器１１２にて、主蒸気温度計測値１１３との偏差を計算し、制御器１１１にて補正信号へと変換され、加算器１１０にて、層上燃料流量指令が補正される。

そして、最終的に層上燃料流量指令１１９となる。

一方、マスタ１０１より発せられた負荷指令が関数発生器１０５により、層内燃料流量指令へと変換され、比較器１１６にて、層温設定値１１７と層温計測値１１８との偏差を計算し、制御器１１５にて補正信号へと変換され、加算器１１４にて、層内燃料流量指令が補正される。そして、最終的に層内燃料流量指令１２０となる。

図４は、本発明の方法の第２実施形態を示す図である。この第２方法では、主蒸気条件（主蒸気圧力と主蒸気温度）および層内温度を監視し、燃料の総供給量と層内供給量及び層上供給量をそれぞれ調節する。

すなわち図４において、マスタ２０１より発せられた負荷指令が関数発生器２０２により総燃料流量指令へと変換される。一方、マスタ２０１より発せられた負荷指令が関数発生器２０３により、主蒸気圧力指令へ変換され、比較器２０８にて、主蒸気圧力計測値２０９との偏差を計算し、制御器２０７にて補正信号へと変換され、加算器２０６にて、総燃料流量指令が補正される。

同様に、マスタ２０１より発せられた負荷指令が関数発生器２０４により、主蒸気温度指令へ変換され、比較器２１２にて、主蒸気温度計測値２１３との偏差を計算し、制御器２１１にて補正信号へと変換され、加算器２１０にて、総燃料流量指令が補正される。

一方、マスタ２０１より発せられた負荷指令が関数発生器２０５により、層内／層上燃料分配率へと変換され、乗算器２１５により総燃料流量指令と乗算されることで、層上燃料流量指令に変換される。また、層内／層上燃料分配率は、比較器２１４で１より減ぜられ、乗算器２１６により総燃料流量指令と乗算されることで、層内燃料流量指令に変換される。

一方、比較器２１８にて、層温設定値２１９と層温計測値２２０との偏差を計算し、制御器２１７にて補正流量へと変換され、加算器２２１にて層上燃料流量指令が、比較器２２２にて層内燃料流量指令が、それぞれ補正される。そして、最終的に層上燃料流量指令２２３、層内燃料流量指令２２４となる。

図３又は図４に示した方法で、主蒸気条件および層温とも最適な状態とすることが可能となる。

本発明では、燃料の発熱量が大きく変化する場合を想定している。燃料の発熱量は、例えば雨ざらしになった場合などは低下するし、乾燥された場合などは増加する。また、発熱量の異なる数種の燃料を混合燃焼する場合、その混合燃焼比率が変わると、燃料全体の発熱量も変わってくる。従ってある層温度、主蒸気流量（主蒸気圧力）で静定している状態から、燃料の発熱量が低下した場合、層温が低下し、主蒸気圧力も低下してくる。

このような場合、従来技術では、主蒸気圧力を維持するため燃料量は増加するが層温は増加しない。

これに対して本発明では、例えば図３に示す構成により、層温を最適温度とするよう層内供給燃料量が増加し、さらに主蒸気圧力、温度が所定の条件となるように、層上供給燃料量が調整される。

また図４に示す構成により、主蒸気圧力、温度が所定の条件となるように、総燃料流量が設定され、層内／層上燃料分配率により、層内燃料流量、層上燃料流量に分配され、さらに層温が最適温度となるように、各燃料流量が微調整される。

なお、本発明は上述した実施の形態に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々変更できることは勿論である。

層内と層上の燃焼割合を示す図である。 本発明のバブリング流動層燃焼炉の全体構成図である。 本発明の方法の第１実施形態を示す図である。 本発明の方法の第２実施形態を示す図である。 特許文献１の「流動床式焼却炉の燃焼制御方法」の模式図である。 特許文献２の「流動床式焼却炉の燃焼制御方法およびその装置」の模式図である。 特許文献３の「加圧流動層複合発電システムとその制御方法および制御装置」の模式図である。

符号の説明

１ 燃料、２ 飽和蒸気、３ 水蒸気（過熱蒸気）、４ 排ガス、５ 灰、
１０ バブリング流動層燃焼炉、１１ 流動層燃焼炉、１２ 流動層、１３ フリーボード部、
１４ 層内燃料供給手段、１６ 層上燃料供給手段、
１８ 蒸気発生手段、１８ａ 蒸気ドラム、１８ｂ 過熱器、
２０ 燃料制御装置、２０ａ 層温検出手段、２０ｂ 圧力検出手段、
２０ｃ 温度検出手段、２２ 蒸気タービン、２３ 発電機

Claims (4)

1. 粒子を流動用空気で流動させその内部および上部で燃料を燃焼させる流動層と、該流動層内に燃料を直接供給する層内燃料供給手段と、流動層の上面に燃料を供給する層上燃料供給手段と、流動層で発生した熱で水蒸気を発生させる蒸気発生手段と、該蒸気発生手段で発生した水蒸気の圧力と温度を保持したまま層内温度を所望の温度範囲に制御しかつ負荷指令に応じて燃焼量を制御する燃料制御装置と、を備える、ことを特徴とするバブリング流動層燃焼炉。
2. 前記燃料制御装置は、流動層内の温度を検出する層温検出手段を有し、検出された層温が所望の温度範囲になるように層内燃料供給手段を制御し流動層内に直接供給する燃料の層内供給量を調節する、ことを特徴とする請求項１に記載のバブリング流動層燃焼炉。
3. 層内温度を所望の温度範囲に維持するように流動層内に直接供給する燃料の層内供給量を調節し、かつ主蒸気圧力と主蒸気温度を保持するように流動層の上面に供給する燃料の層上供給量を調節する、ことを特徴とするバブリング流動層燃焼炉の層内温度制御方法。
4. 主蒸気圧力と主蒸気温度を保持するように燃料の総供給量を算出し、層内温度を所望の温度範囲に維持するように流動層内に直接供給する燃料の層内供給量を決定し、総供給量から層内供給量を減算して流動層の上面に供給する燃料の層上供給量を決定する、ことを特徴とするバブリング流動層燃焼炉の層内温度制御方法。
   
   

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