JP2005226930A - バイオマス燃料焚き流動層燃焼方法及びその装置 - Google Patents

バイオマス燃料焚き流動層燃焼方法及びその装置 Download PDF

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Abstract

【課題】 燃焼灰中アルカリ成分が高いバイオマス燃料焚き流動層燃焼において、燃焼灰の溶融、流動媒体を凝集(アグロメレーション)を無くし、ボイラ内への灰付着を無くして流動媒体の流動を良好にし、円滑且つ安定した運転を可能ならしめる。
【解決手段】 燃焼炉の流動層断面をフリーボード断面の1/2までに設定すると共に排ガスラインの集塵器後流から燃焼炉の流動層風箱にかけ排ガス再循環ラインを設け、さらに流動層下部側壁に流動媒体排出口を設け、これを流動媒体粒径選別器に接続し、この流動媒体粒径選別器に流動層上部側壁に設けた流動媒体投入口を接続すると共に廃棄口を設けた流動層燃焼装置を利用して、バイオマス燃料を流動層燃焼する。この流動層燃焼において、流動層内の空気比を0.2〜0.9の範囲に設定すると共に、排ガス再循環を行って総空気流量に対する排ガス再循環流量の比率を20〜80%の範囲に設定することで、流動層内の空塔速度と流動化開始速度の比を2〜6に確保しながら、流動層温度を600〜750℃に制御する。
【選択図】 図1

Description

本発明は、化石資源を除く動植物に由来する有機性資源であるバイオマス、とりわけ木質系、農業系、産業系バイオマスの中でも特にアルカリ成分の高いバイオマスを廃棄物燃料として燃焼させる流動層燃焼方法及びその装置に関する。
従来、バイオマスを燃焼させる燃焼装置として、珪砂を流動媒体とした流動層燃焼装置が多く作られてきた。この流動層燃焼装置では、燃焼灰中アルカリ成分が高く、ボイラ内への灰付着トラブルを起こし易いバイオマス廃棄物(パームオイルしぼりかす、オリーブオイルしぼりかす、わら、合板等)燃料を燃焼すると、800℃未満で燃焼灰が溶融し、流動媒体が凝集(アグロメレーション)し、流動不良が発生し、運転が困難となることがあった。
このように高アルカリ成分を含む廃棄物燃料は、灰融点が低いため流動層燃焼装置を800℃以上の流動層温度で運転することが困難であることから、流動層温度を制御する手段として、排ガス再循環系や層内水冷管を流動層燃焼装置に設置しているが、これまでの排ガス再循環系の運用方法は、燃焼空気に排ガスを混ぜて酸素分圧を減らすことにより、排ガス中のNOxを低減させることを目的としており、流動層温度を極めて低い値にまで下げることはできず、流動媒体の凝集(アグロメレーション)対策ではない。また、層内水冷管は流動媒体による摩耗、排ガスによる腐食等の問題があった。
特開昭54−16731号公報 特開平6−323510号公報
解決しようとする課題は、バイオマス廃棄物燃料の流動層燃焼において、流動媒体を凝集させず、流動不良を発生させないようにして、円滑且つ安定した運転を可能ならしめることにある。
上記課題を解決するための本発明のバイオマス燃料焚き流動層燃焼方法の1つは、バイオマス燃料を流動層燃焼するにおいて、流動層内の空気比を0.2〜0.9の範囲に設定すると共に、排ガス再循環を行って総空気流量に対する排ガス再循環流量の比率を20〜80%の範囲に設定することで、流動層内の空塔速度と流動化開始速度の比を2〜6に確保しながら、流動層温度を600〜750℃に制御することを特徴とするものである。
本発明のバイオマス燃料焚き流動層燃焼方法において、流動層内の空気比を0.2〜0.9の範囲に設定する理由は、流動層内に未燃分が蓄積しない限界である、流動層内の空気比0.2を下限とし、流動層温度を750℃よりも低く維持するための限界である流動層内の空気比0.9を上限として運転するためである。また、本発明のバイオマス燃料焚き流動層燃焼方法において、排ガス再循環を行って総空気流量に対する排ガス再循環流量の比率を20〜80%の範囲に設定する理由は、流動層内の空気流量が少ない状態である流動層内の空気比が0.2の時、流動層温度の上限750℃となる20%を下限値とし、流動層内の空気比を0.2に設定したまま、排ガス再循環流量を増加させると、流動層内の空塔速度は増加し、流動層内の空塔速度と流動化開始速度の上限比率6となる80%を上限値として運転するためである。さらに流動層内の空塔速度と流動化開始速度の比を2〜6と設定する理由は、流動層内へ供給する空気または再循環排ガスが減少することにより、層内の流動性が不安定となり、流動媒体の凝集(アグロメレーション)が発生するのを回避すべく、層内の流動性を十分に確保するための限界である2を下限値とし、流動層内へ供給する空気または再循環排ガスが増加することにより、流動層を形成する限界である6を上限値として、運転するためである。さらにまた、流動層温度を600〜750℃に制御する理由は、バイオマス燃料の安定燃焼が可能な下限温度が600℃であり、燃焼灰が溶融せず流動媒体が凝集(アグロメレーション)しない上限温度が750℃であるからである。
本発明のバイオマス燃料焚き流動層燃焼方法の他の1つは、前記流動層燃焼方法の長期間運転により流動媒体の粒径が大きくなった場合、1回につき全体の5〜10%の流動媒体を流動層下部から排出して粒径を選別し、元の平均粒径の1.6倍以上のものを廃棄し、それ以下のものを再び流動層内に投入することを繰り返すことを特徴とするものである。
このバイオマス燃料焚き流動層燃焼方法において、1回につき全体の5〜10%の流動媒体を流動層下部から排出して粒径を選別し、元の平均粒径の1.6倍以上のものを廃棄し、それ以下のものを再び流動層内に投入する理由は、流動層内の空塔速度と流動化開始速度の比2〜6に設定し、流動層温度を600〜750℃に制御しても長期間運転すると、流動媒体に灰が付着して粒子同士が凝集(アグロメレーション)して粒径が大きくなり、これを放置しておくと粒径がさらに大きくなり流動不良を引き起こすことになるのを回避するためである。1回につき全体の5〜10%の流動媒体を排出するのは、流動媒体を1度につき大量に排出せず運転中に流動層温度に影響を与えないためであり、排出した流動媒体の内元の平均粒径の1.6倍以上のものを廃棄し、それ以下のものを流動層内に投入するのは、流動媒体は粒度分布を持っており、流動媒体の最大粒径は平均粒径の1.6倍であるため、平均粒径の1.6倍以上の粒径のものは凝集(アグロメレーション)した流動媒体と判断してこれを廃棄することで、流動不良を発生させず且つ運転停止することなく流動層温度を維持するためである。
本発明のバイオマス燃料焚き流動層燃焼方法のさらに他の1つは、バイオマス燃料を流動層燃焼するにおいて、流動層内の空気比を0.2〜0.9の範囲に維持したままボイラ低負荷運転する場合、排ガス再循環流量の比率を定格運転時の20〜80%の範囲から40〜80%の範囲に変化させ、流動層内の空塔速度と流動化開始速度の比を2〜6に確保しながら、流動層温度を600〜750℃に制御することを特徴とするものである。
このバイオマス燃料焚き流動層燃焼方法において、流動層内の空気比を0.2〜0.9の範囲に維持したままボイラ低負荷運転する場合、排ガス再循環流量の比率を定格運転時の20〜80%から40〜80%の範囲に変化させる理由は、低負荷運転では流動層温度と流動層内の空塔速度が低下するため、流動層内の空気流量が最も少ない状態である流動層内の空気比0.2の時、流動層内の空塔速度と流動化開始速度の下限比率2以上となる40%を下限値とし、流動層温度の下限値を600℃以上となる80%を上限値として運転するためである。
本発明のバイオマス燃料焚き流動層燃焼方法の別の1つは、燃焼するバイオマス燃料が季節による収穫量変動に対し燃料の一部を貯蔵、調整することにより、実際に使用する燃料の発熱量が2500〜3500kcal/kgに変動する農業系バイオマス燃料である場合、流動層内の空気比を0.2〜0.8の範囲に設定し、排ガス再循環流量の比率を35〜75%の範囲で変動させることにより、流動層内の空塔速度と流動化開始速度の比を2〜6に確保しながら、流動層温度600〜750℃に制御することを特徴とするものである。
このバイオマス燃料焚き流動層燃焼方法において、流動層内の空気比を0.2〜0.8の範囲に設定し、排ガス再循環流量の比率を35〜75%の範囲で変動させる理由は、発熱量が3500kcal/kgである場合、流動層温度、流動層内の空塔速度と流動化開始速度の比がともに最も小さくなる流動層内の空気比0.2の運転時において、流動層温度の上限値750℃となる35%を下限値とし、流動層内の空塔速度と流動化開始速度の上限比率6以下となる75%を上限値として運転するためである。
上記の各バイオマス燃料焚き流動層燃焼方法を実施するための流動層燃焼装置は、燃焼炉の流動層断面をフリーボード断面の1/2までに設定すると共に、排ガスラインの集塵器後流から燃焼炉の流動層風箱にかけ排ガス再循環ラインを設け、燃焼炉の流動層下部側壁に流動媒体排出口を設け、この流動媒体排出口を流動媒体粒径選別器に接続し、この流動媒体粒径選別器に流動層上部側壁に設けた流動媒体投入口を接続すると共に廃棄口を設けたことを特徴とするものである。
この各バイオマス燃料焚き流動層燃焼方法を実施するための流動層燃焼装置において、燃焼炉の流動層断面をフリーボード断面の1/2までに設定する理由は、ボイラ規模を維持したまま、流動層の容積を小さくし、流動性を十分に確保するためである。
以上の説明で判るように本発明のバイオマス燃料焚き流動層燃焼方法は、燃焼灰中アルカリ成分が高く、ボイラ内への灰付着トラブルを起こし易いバイオマス燃料を流動層燃焼するにおいて、流動層内に燃料の未燃分が蓄積しない限界である流動層内の空気比0.2を下限とし、流動層温度を750℃よりも低く維持するための限界である流動層内の空気比0.9を上限として設定すると共に、排ガス再循環を行って総空気流量に対する排ガス再循環流量の比率を、流動層内の空気流量が少ない状態である流動層内の空気比が0.2の時、流動層温度の上限750℃となる20%を下限値とし、流動層内の空塔速度と流動化開始速度の上限比率6となる80%を上限値として運転することで、流動層内の空塔速度と流動化開始速度の比を2〜6に維持して、流動層内の流動性を十分に確保しながら流動層温度を600〜750℃に制御して、バイオマス燃料を流動層燃焼するので、流動媒体が凝集(アグロメレーション)せず、ボイラ内への灰付着も発生しなくなり、円滑且つ安定した運転が実現する。
本発明のバイオマス燃料焚き流動層燃焼方法の他の1つは、前記の流動層燃焼方法の長期間運転により流動媒体の粒径が大きくなった場合、1回につき全体の5〜10%の流動媒体を流動層下部から排出して粒径を選別し、元の平均粒径の1.6倍以上のものを廃棄し、それ以下のものを再び流動層内に投入するので、流動媒体に灰が付着して粒子同士が凝集(アグロメレーション)して粒径が大きくなるようなことはなく、流動不良の発生を回避でき、運転中流動層温度を600〜750℃に維持できて、長時間連続運転できる。
本発明のバイオマス燃料焚き流動層燃焼方法のさらに他の1つは、流動層内の空気比を0.2〜0.9に維持したままボイラ低負荷運転する場合、燃料供給量の減少に伴い空気量、排ガス再循環流量も減少し、それにより流動層温度と流動層内の空塔速度が低下し、流動化開始速度との比を2以上に維持できなくなるのを防止するために、排ガス再循環流量の比率を定格運転時の20〜80%から40〜80%の範囲に変化させ、流動層内の空塔速度と流動化開始速度の比を2〜6に確保しながら、流動層温度を600〜750℃に制御するので、バイオマス燃料の流動層燃焼は何ら支障なく行われ、流動媒体の凝集(アグロメレーション)は発生せず、ボイラ内への灰付着も発生しない。
本発明のバイオマス燃料焚き流動層燃焼方法の別の1つは、燃焼するバイオマス燃料が季節による収穫量変動に対し燃料の一部を貯蔵、調整することにより、実際に使用する燃料の発熱量が2500〜3500kcal/kgに変動する農業系バイオマス燃料である場合、流動層内の空気比を0.2〜0.8の範囲に設定し、排ガス再循環流量の比率を35〜75%の範囲で変動させることにより、流動層内の空塔速度と流動化開始速度との比を2〜6に確保しながら、流動層温度を600〜750℃に制御するので、流動媒体の凝集(アグロメレーション)は発生せず、ボイラ内への灰付着も発生せず、季節により実際に使用する燃料の発熱量が2500〜3500kcal/kgと変動する農業系バイオマス燃料を容易且つ確実に燃焼できる。
本発明のバイオマス燃料焚き流動層燃焼装置は、燃焼炉の流動層断面をフリーボード断面の1/2までに設定しているので、ボイラ規模を維持したまま、流動層の容積は小さくなり、流動層内の流動性は十分に確保される。また、排ガスラインの集塵器後流から燃焼炉の流動層風箱にかけ排ガス再循環ラインを設けているので、総空気量に対する排ガス再循環流量の比率を、流動層内の空気比0.2の時流動層内の空塔速度と流動化開始速度の比を2以上に確保する20%を下限値とし、流動層温度が600℃以上となる80%を上限値として、その範囲内で排ガス再循環比率を設定して運転することにより、上記バイオマス燃料焚き流動層燃焼方法を容易且つ確実に実施できる。また流動層下部側壁に流動媒体排出口を設け、この流動媒体排出口に流動媒体粒径選別器に接続し、この流動媒体選別器に流動層上部側壁に設けた流動媒体投入口を接続すると共に廃棄口を設けているので、流動層内から流動媒体を流動媒体粒径選別器に取り出し、粒径を選別して、不要のものを廃棄し、必要なものを流動層内に投入することができる。従って、流動不良を発生させず且つ流動層温度を維持することができて、運転停止することがない。
燃焼炉の流動層断面をフリーボード断面の1/2に設定すると共に排ガスラインの集塵器後流から燃焼炉の流動層風箱にかけ排ガス再循環ラインを設け、さらに流動層下部側壁に流動媒体排出口を設け、これを流動媒体粒径選別器に接続し、この粒径選別器に流動層上部側壁に設けた流動媒体投入口を接続すると共に廃棄口を設けた流動層燃焼装置を利用して、バイオマス燃料を流動層燃焼する。この流動層燃焼において、流動層内の空塔速度と流動化開始速度の比を2〜6、好適には4に設定すると共に、流動層内の空気比を0.2〜0.9、好適には、0.4〜0.6の範囲に設定して、流動層内温度を600〜750℃、好適には650〜700℃に制御し、さらに排ガス循環を行って総空気流量に対する排ガス再循環流量の比率を20〜80%、好適には30〜60%の範囲に設定することにより、流動媒体の凝集(アグロメレーション)を無くし、ボイラ内への灰付着も無くした。
本発明のバイオマス燃料焚き流動層燃焼方法及びその装置の実施例について説明する。先ず、バイオマス燃料焚き流動層燃焼装置を図1の系統図によって説明すると、1は燃焼炉、2はこの燃焼炉1の流動層、3はその上部のフリーボードで、流動層2の断面はフリーボード3の断面の1/2に設定してある。4は流動層2の風箱、5は燃焼炉1への燃料供給機である。フリーボード3からの排ガスライン6は途中にサイクロン7、集塵器8、誘引排風機9が順次設けられて、排ガス放散煙突10に接続されている。11は風箱4への1次空気送風機、12はフリーボード3への2次空気送風機である。13は排ガスライン6の集塵器8の後流から風箱4にかけて設けられた排ガス再循環ラインで、この排ガス再循環ライン13に排ガス送風機14が設けられている。15は流動層2の下部側壁に設けられた流動媒体排出口で、この流動媒体排出口15が流動媒体粒径選別器16に接続されている。この流動媒体粒径選別器16の底には流動層2の上部側壁に設けた流動媒体投入口17が接続されると共に粒径の大きい流動媒体を放出する廃棄口18が設けられている。
次に上記のように構成された流動層燃焼装置を用いるバイオマス燃料焚き流動層燃焼方法の1つについて説明する。図1に示す燃焼炉1内の流動層2に燃料供給機5により燃焼灰中アルカリ成分が高く、燃焼炉内への灰付着トラブルを起こし易いバイオマス廃棄物、本例の場合パームオイルしぼりかすを燃料として供給し、流動層燃焼するにおいて、流動層2内の空気比(層内空気比)を流動層2内に未燃分が蓄積しない層内空気比0.2から流動層2内の温度(流動層温度)を750℃よりも低く維持するための限界である層内空気比0.9の範囲内に設定すると共に、流動層2内への投入空気が減少し、層内の流動性が不安定となって流動媒体の凝集(アグロメレーション)が発生するのを回避し、層内の流動性を確保するため、流動層2内の空塔速度(U)と流動化開始速度(Umf)の比U/Umfを2〜6に設定して、流動層温度を600〜750℃に制御し、上記バイオマス廃棄物(パームオイルしぼりかす)燃料を流動層燃焼する。この流動層燃焼において、排ガス再循環ライン13を通して排ガス送風機14により風箱4に排ガスを押し込んで再循環する。この時の総空気流量に対する排ガス再循環流量の比率(GR比率)は、例えば層内空気比0.4の時流動層温度が750℃以下となる25%を下限値とし、U/Umf<6を確保する70%を上限値として、その範囲内でGR比率を設定する。同様に層内空気比0.6の時、GR比率を30〜60%の範囲に設定することで、U/Umfは6以下、流動層温度は750℃以下となる。この流動層燃焼方法における層内空気比ごとのGR比率と流動層温度、U/Umfの運転範囲は下記の表1に示す通りである。
Figure 2005226930
上記のようにしてバイオマス廃棄物(パームオイルしぼりかす)燃料を流動層燃焼することにより、流動媒体は凝集(アグロメレーション)が発生せず、ボイラ内の灰付着トラブルが生じなくなる。従って、流動媒体の流動は良好で、円滑且つ安定した運転ができる。
バイオマス燃料焚き流動層燃焼方法の他の1つについて説明する。上記の流動層燃焼方法も長期間運転すると、流動層2内の流動媒体に灰が付着して粒径が大きくなり、これを放置しておくとさらに粒径が大きくなって流動不良を引き起こすことになる。これを防ぐため長時間運転した場合、1回につき流動層2内の流動媒体全体の5〜10%(流動層温度に影響しない程度)の量の流動媒体を、流動媒体排出口15より排出して流動媒体粒径選別器16に導入し、ここで粒径を選別して、元の平均粒径の1.6倍以上の流動媒体を廃棄口18より放出して外部に廃棄し、それ以下の流動媒体を流動媒体投入口17より燃焼炉1内の流動層2に投入する。かくして長期間の流動層燃焼において、流動媒体に灰が付着して粒子同士が凝集(アグロメレーション)して粒径が大きくなるようなことはなく、流動不良の発生を回避でき、運転中流動層2内の温度を600〜750℃に維持できて、長期間運転できる。
バイオマス燃料焚き流動層燃焼方法のさらに他の1つについて説明する。バイオマス廃棄物(パームオイルしぼりかす)燃料を流動層燃焼するにおいて、流動層2内の空気比を0.2〜0.9の範囲に維持したままボイラ低負荷運転する場合、例えば定格運転から負荷50%の低負荷運転に変更した場合、燃料供給量の減少に伴い空気量、GR量も減少する。そのため流動層2内の空塔速度(U)も減少し、流動化開始速度(Umf)との比U/Umf=2〜6を維持できなくなる。そこで、本発明では流動層2内の空気比0.4を維持し、排ガス再循環流量(GR流量)の比率を定格運転時の25〜70%の範囲から25〜85%の範囲に変化させることでU/Umf=2〜6を確保しながら、流動層2内の温度(流動層温度)を600〜750℃に制御して運転する。かくしてバイオマス廃棄物(パームオイルしぼりかす)燃料の流動層燃焼は、何ら支障なく行われ、流動媒体の凝集(アグロメレーション)は発生せず、ボイラ内の灰付着トラブルが生じることがない。
バイオマス燃料焚き流動層燃焼方法の別の1つについて説明する。流動層燃焼するバイオマス燃料が季節による収穫量変動に対し燃料の一部を貯蔵、調整することにより、実際に使用する燃料の発熱量が2500〜3500kcal/kgと変動する農業系バイオマス燃料である場合、流動層2内の温度(流動層温度)、流動層2内の空塔速度(U)は発熱量ごとに異なる。そこで、本発明では発熱量3500kcal/kgの場合、流動層2内の空気比を0.2〜0.8に、本例の場合0.4に設定し、排ガス再循環流量の比率(GR比率)を45〜65%の範囲で運転し、U/Umf=2〜6を確保しながら流動層2内の温度(流動層温度)を600〜750℃に制御して運転する。かくして季節により実際に使用する燃料の発熱量が2500〜3500kcal/kg、本例の場合3500kcal/kgの農業系バイオマス廃棄物燃料の流動層燃焼は、何ら支障なく行われ、流動媒体の凝集(アグロメレーション)は発生せず、ボイラ内の灰付着トラブルも生じることがない。
産業廃棄物である紙やプラスチック等の流動層燃焼にも利用でき、またバイオマス発電の実用化に貢献でき、さらに燃焼灰は良質な肥料、土壌改良材などにも利用できる。
本発明のバイオマス燃料焚き流動層燃焼装置の系統図である。
符号の説明
1 燃焼炉
2 流動層
3 フリーボード
4 風箱
5 燃料供給機
6 排ガスライン
7 サイクロン
8 集塵器
9 誘引排風機
10 排ガス放散煙突
11 1次空気送風機
12 2次空気送風機
13 排ガス再循環ライン
14 排ガス送風機
15 流動媒体排出口
16 流動媒体粒径選別器
17 流動媒体投入口
18 廃棄口

Claims (5)

  1. バイオマス燃料を流動層燃焼するにおいて、流動層内の空気比を0.2〜0.9の範囲に設定すると共に、排ガス再循環を行って総空気流量に対する排ガス再循環流量の比率を20〜80%の範囲に設定することで、流動層内の空塔速度と流動化開始速度の比を2〜6に確保しながら、流動層温度を600〜750℃に制御することを特徴とするバイオマス燃料焚き流動層燃焼方法。
  2. 請求項1記載のバイオマス燃料焚き流動層燃焼方法の長期間運転により流動媒体の粒径が大きくなった場合、1回につき全体の5〜10%の流動媒体を流動層下部から排出して粒径を選別し、元の平均粒径の1.6倍以上のものを廃棄し、それ以下のものを再び流動層内に投入することを繰り返すことを特徴とするバイオマス燃料焚き流動層燃焼方法。
  3. バイオマス燃料を流動層燃焼するにおいて、流動層内の空気比を0.2〜0.9の範囲に維持したままボイラ低負荷運転する場合、排ガス再循環流量の比率を定格運転時の20〜80%の範囲から40〜80%の範囲に変化させ、流動層内の空塔速度と流動化開始速度の比を2〜6に確保しながら、流動層温度を600〜750℃に制御することを特徴とするバイオマス燃料焚き流動層燃焼方法。
  4. バイオマス燃料を流動層燃焼するにおいて、バイオマス燃料が季節による収穫量変動に対し燃料の一部を貯蔵、調整することにより、実際に使用する燃料の発熱量が2500〜3500kcal/kgに変動する農業系バイオマス燃料である場合、流動層内の空気比を0.2〜0.8の範囲に設定し、排ガス再循環流量の比率を35〜75%の範囲で変動させることにより、流動層内の空塔速度と流動化開始速度の比を2〜6に確保しながら、流動層温度を600〜750℃に制御することを特徴とするバイオマス燃料焚き流動層燃焼方法。
  5. 燃焼炉の流動層断面をフリーボード断面の1/2までに設定すると共に、排ガスラインの集塵器後流から燃焼炉の流動層風箱にかけ排ガス再循環ラインを設け、燃焼炉の流動層下部側壁に流動媒体排出口を設け、この流動媒体排出口を流動媒体粒径選別器に接続し、この流動媒体選別器に流動層上部側壁に設けた流動媒体投入口を接続すると共に廃棄口を設けたことを特徴とするバイオマス燃料焚き流動層燃焼装置。
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