JP2005241108A

JP2005241108A - バイオマス混焼装置および混焼方法

Info

Publication number: JP2005241108A
Application number: JP2004050178A
Authority: JP
Inventors: Keiji Takeno; 計二武野; Toshimitsu Ichinose; 利光一ノ瀬; Akiyasu Okamoto; 章泰岡元; Yoshinori Kobayashi; 由則小林
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 2004-02-25
Filing date: 2004-02-25
Publication date: 2005-09-08

Abstract

【課題】固体化石燃料とバイオマス燃料とを混焼させるバイオマス混焼装置および混焼方法において、装置の設置コストの低減化と、バイオマス燃料の大量処理と、バイオマスおよび石炭の完全燃焼化と、ＮＯｘ発生の大幅低減化とを同時に図る。
【解決手段】微粉炭バーナーの上部に設置されているアッパーバーナーまたは／およびオーバーファイヤー空気ノズルからバイオマスを混合空気量を少なめに設定して送り込み、さらにその上部に位置する補助空気ノズルから補助空気もしくは低濃度バイオマス混合空気を送り込む。あるいは炉本体の下部側部に設けられた多段の微粉炭燃焼バーナーの中段部分に設けられている補助空気ノズルから低濃度バイオマス混合空気を供給する。
【選択図】図１

Description

本発明は、石炭火力発電システムや産業用ボイラ等において、慣用の石炭等の固体化石燃料の一部を廉価なバイオマス燃料に代替して化石燃料起源のＣＯ₂発生量を抑制しつつ効率的なエネルギー産生を可能にするバイオマス混焼装置および混焼方法に関するものである。

周知のように、固体化石燃料である石炭とバイオマスとの混焼は、産業用ボイラ、事業用ボイラ、さらには各種タービンなどの燃焼によりエネルギーを産生する燃焼装置において、廉価燃料の使用による燃料費の削減が可能であり、さらには化石燃料起源のＣＯ₂発生量の抑制に寄与することができ、ひいてはＣＯ₂排出権取引に活用可能である。そのために、近年、化石燃料とバイオマス燃料との混焼の利用促進が叫ばれており、米国では再生可能利用政策に加えて規制緩和を実施するに至っている。

近年、石炭とバイオマス燃料とを混焼する燃焼装置として様々なものが提案されている。従来提案されている石炭−バイオマス混焼装置は、石炭の供給量に対して可能な限り多量のバイオマス燃料を代替させることを目的に設計されている。それは、燃料費の削減、化石燃料起源のＣＯ₂発生量の抑制という本来の目的を考えれば、当然のことと言える。

バイオマス燃料は、乾燥により着火性、燃焼性が格段に向上するが、微粒化、微粉化しにくいという欠点がある。一方、石炭は、容易に微粉化することができ、従来の石炭燃焼装置で使用している微粉炭は平均粒径は数１０μｍである。これに対して、バイオマス燃料は、石炭に比べて脆性が大きく劣るため、石炭を微粉化する粉砕装置と同等以上の粉砕能力を持つ装置を用いても微粉化の程度は、数ｍｍ程度にとどまる。したがって、バイオマスそれ自体は、乾燥すれば、着火性、燃焼性は十分に高いレベルにあるが、粒径が大きいので、燃料として燃焼装置の炉本体に大量に供給する場合には、微粉度の高い石炭粉末に比べると、遥かに着火性が悪くなる。そのため、炉本体の中で、バイオマス燃料の未燃焼分が多くなり、不完全燃焼状態となり、ＣＯ、ＮＯｘの発生が多くなるという問題が生じる。また、バイオマス燃料は、前述のように粒径が大きいので、炉本体に供給された後、落下しやすく、供給量の一部が炉底に未燃物として残留し、そのため燃焼効率が挙げることができないという問題も生じる。

石炭燃料とバイオマス燃料との混焼装置における前記問題点を解決するために、従来、様々な改良が施された燃焼装置が提案されている。例えば、特許文献１に開示の燃焼装置では、「粉砕された固体化石燃料とバイオマス燃料とを別系統で燃焼炉へそれぞれ供給する燃料供給流路と、両燃料供給流路からの各燃料を燃焼炉に噴出するノズルとして固体化石燃料噴出ノズルを中心側に、バイオマス燃料噴出ノズルを固体化石燃料噴出ノズルの外周側に配した燃焼炉壁面に設けたバーナーと、バイオマス燃料噴出ノズル先端に設けた保炎板とを備える」ことで、前記問題点を解消しようとしている。すなわち、この燃焼装置では、微粉炭を噴出する噴出口の外周にバイオマス燃料を噴出するリング状開口部を有するバイオマス燃料噴出口を形成し、さらに前記バイオマス燃料噴出口の外周に二次空気噴出口を設け、この二次空気の噴出方向を保炎板と称する邪魔板で燃焼火炎に回り込ませることにより、バイオマス燃料の燃焼性を改善しようとしている。

前記特許文献１に開示の燃焼装置では、主燃料である微粉炭の原料の石炭は、温度２００℃程度の搬送用の熱空気とともに石炭ミル内に供給され、内部で乾燥と同時に粉砕が行われて微粉炭となり、熱空気により搬送されて固体化石燃料供給流路に供給される。一方の微粒バイオマス燃料の原料となるバイオマスは、石炭同様に、搬送用の熱ガスとともにバイオマスミル内にて乾燥、粉砕され、微粒バイオマスとなり、熱空気により搬送されてバイオマス燃料供給流路に供給される。
このように従来の燃焼装置では、石炭とバイオマスとは別々に粉砕され、別々に搬送され、別々の燃料バーナーに供給される構成となっている。そのため、旧来の固体化石燃料のみによる燃焼装置と比べると、粉砕装置、燃料供給流路および燃料バーナーからなる一連の燃料供給−燃焼系が一組余分に必要になり、設置コストの低減化のネックとなっている。

さらに、前記特許文献に開示の燃焼装置に限らず、従来の燃焼装置では、微粉炭とバイオマス燃料との着火性、燃焼性、および火炎による浮上性等の燃焼特性が異なっているため、各燃料の供給量および供給割合の制御、炉内の温度制御、炉内への供給空気量の制御が微妙であり、混焼装置における前記問題点、すなわち、バイオマス燃料の落下防止や、バイオマス燃料の燃焼効率の向上、またＣＯ、ＮＯｘ発生の抑制、さらに不完全燃焼を原因とする炉壁へ灰成分の付着（スラッギング）発生の防止等の目的を十分に果たし得ていないのが、現状である。

特開２００３−２２２３１０号公報

前述のように、石炭とバイオマスとを混焼する従来の燃焼装置では、燃料の粉砕および供給系が二組必要としており、設置コストの低減化のネックになっている。また、バイオマス燃料をバーナーから炉内に供給したときの落下問題も十分に解決し得ていない。また、バイオマス燃料の燃焼効率を十分に高めるに至っていない。さらに炉壁へのスラッギングの防止も十分とは言えない。また、燃料であるバイオマスと石炭の完全燃焼化と、ＮＯｘ発生の削減を両立させるための制御が難しく、十分なる解決が図られていない。
すなわち、従来の混焼装置では、（ｉ）設備コストの低減、（ii）バイオマス燃料の大量処理、（iii）燃料であるバイオマスと石炭の完全燃焼化、（iv）ＮＯｘ発生の大幅低減化という複数の要求を同時に満たすことができなかった。
本発明は、係る事情に鑑みてなされたもので、その課題は、固体化石燃料とバイオマス燃料とを混焼させるバイオマス混焼装置および混焼方法において、装置の設置コストの低減化と、バイオマス燃料の大量処理と、バイオマスおよび石炭の完全燃焼化と、ＮＯｘ発生の大幅低減化とを同時に図ることにある。

前記課題を解決するために、本発明者等は鋭意実験検討を重ねたところ、次のような知見を得るに至った。
すなわち、前記（ｉ）の設備コストを低減するためには、現在運転休止中、稼働中の別なく、転用可能な旧来の燃焼装置をコストをかけずに混焼装置に転用することを考える必要がある。このような旧来の燃焼装置の内、前記（ii）バイオマス燃料の大量処理すること、および（iii）燃料であるバイオマスと石炭の完全燃焼化することを実現するためには、燃焼バーナーが多段に設けられた燃焼装置が好適である。さらに前記（iv）ＮＯｘ発生の大幅低減化を実現するためには、微粉炭バーナーの上下に補助空気ノズルや、副燃焼オイルバーナー等の他の噴出口を具備する構造の燃焼装置が好適である。

このような要求に適合する旧来の燃焼装置の供給経路を一部改造し、微粉炭バーナーの上部に設置されているアッパーバーナーまたは／およびオーバーファイヤー空気ノズルからバイオマスを混合空気量を少なめに設定して送り込み、さらにその上部に位置する補助空気ノズルから補助空気もしくは低濃度バイオマス混合空気を送り込むことによって、前記課題を解決することができることが判明した。すなわち、この構成によれば、微粉炭バーナーからの微粉炭か燃焼する炉内下部の上に位置する高温域にアッパーバーナーまたは／およびオーバーファイヤー空気ノズルからバイオマス燃料が低濃度空気とともに送り込まれる。バイオマス燃料は空気が少なくかつ高温な環境下に置かれるため、いわゆる蒸し焼き状態になり、揮発されて還元性を有する炭化水素成分を生成する。この炭化水素成分と微粉炭燃焼炎中のＮＯｘとが反応して、ＮＯｘは還元され、窒素と一酸化炭素に分解する。この一酸化炭素とバイオマス由来の炭化水素とは上昇して前記補助空気ノズルから供給された富裕な空気により完全燃焼される。その結果、石炭とバイオマスともに完全に燃焼させることができ、しかも石炭の燃焼によって生じたＮＯｘも分解することができ、最終排気ガス中にＮＯｘを逃がすことがない。炉の最上部に位置する補助空気ノズルから吹き込む空気に低濃度のバイオマス燃料を混入しておけば、炉中層部の高温化と還元性炭化水素成分の生成がより高めることができる。

さらに他の構成として、前記アッパーバーナーまたは／およびオーバーファイヤー空気ノズルからのバイオマス燃料の供給は行わず、その代わりに、その下部の多段の微粉炭バーナーの中段部分に設けられている補助空気ノズルから低濃度のバイオマス混合空気（空気／バイオマス体積比＞４〜５）を炉全体に散布するように供給することによっても、バイオマスと石炭の完全燃焼化とＮＯｘの低減化を実現できる。この場合のバイオマス燃料の粒径は１００μｍから２００μｍ以下とすることが好ましい。散布されたバイオマスは均一に炉内に分布し、高温に曝されて急速に揮発してガス化し、完全燃焼する。その間に短時間存在するバイオマス揮発ガス（還元性炭化水素成分）がＮＯｘの分解を促す。

本発明は、前記知見に基づいてなされたものである。
すなわち、本発明の［請求項１］にかかるバイオマス混焼装置は、炉本体の下部側部に設けられた多段の微粉炭燃焼バーナーの上部に設置されているアッパーバーナーまたは／およびオーバーファイヤー空気ノズルに高濃度バイオマス混合空気供給流路が接続されるとともに、前記アッパーバーナーの上部に位置する補助空気ノズルに空気供給流路もしくは低濃度バイオマス混合空気供給流路が接続されていることを特徴とする。

本発明の［請求項２］にかかるバイオマス混焼装置は、前記［請求項１］に記載のバイオマス混焼装置において、前記低濃度バイオマス混合空気中のバイオマス燃料の粒径が１００〜２００μｍ未満に調整されていることを特徴とする。

本発明の［請求項３］にかかるバイオマス混焼装置は、炉本体の下部側部に設けられた多段の微粉炭燃焼バーナーの中段部分に設けられている補助空気ノズルに低濃度バイオマス混合空気供給流路が接続されていることを特徴とする。

本発明の［請求項４］にかかるバイオマス混焼装置は、前記［請求項３］に記載のバイオマス混焼装置において、前記低濃度バイオマス混合空気の（空気／バイオマス体積比）が４〜５以上に設定されていることを特徴とする。

本発明の［請求項５］にかかるバイオマス混焼装置は、前記［請求項３］または［請求項４］に記載のバイオマス混焼装置において、前記低濃度バイオマス混合空気中のバイオマス燃料の粒径が１００〜２００μｍ未満に調整されていることを特徴とする。

本発明の［請求項６］はバイオマス混焼方法にかかり、このバイオマス燃焼方法は、微粉炭バーナーの上部に設置されているアッパーバーナーまたは／およびオーバーファイヤー空気ノズルからバイオマスを混合空気量を少なめに設定して送り込み、さらにその上部に位置する補助空気ノズルから補助空気もしくは低濃度バイオマス混合空気を送り込むことを特徴とする。

本発明の［請求項７］にかかるバイオマス混焼方法は、前記［請求項６］に記載のバイオマス混焼方法において、前記低濃度バイオマス混合空気中のバイオマス燃料の粒径を１００〜２００μｍ未満に調整することを特徴とする。

本発明の［請求項８］にかかるバイオマス混焼方法は、炉本体の下部側部に設けられた多段の微粉炭燃焼バーナーの中段部分に設けられている補助空気ノズルから低濃度バイオマス混合空気を供給することを特徴とする。

本発明の［請求項９］にかかるバイオマス混焼方法は、前記［請求項８］に記載のバイオマス混焼方法において、前記低濃度バイオマス混合空気の（空気／バイオマス体積比）を４〜５以上に設定することを特徴とする。

本発明の［請求項１０］にかかるバイオマス混焼方法は、前記［請求項８］または［請求項９］に記載のバイオマス混焼方法において、前記低濃度バイオマス混合空気中のバイオマス燃料の粒径を１００〜２００μｍ未満に調整することを特徴とする。

前記請求項１の装置または請求項８の方法によれば、微粉炭バーナーからの微粉炭か燃焼する炉内下部の上に位置する高温域にアッパーバーナーまたは／およびオーバーファイヤー空気ノズルからバイオマス燃料が低濃度空気とともに送り込まれる。バイオマス燃料は空気が少なくかつ高温な環境下に置かれるため、いわゆる蒸し焼き状態になり、揮発されて還元性を有する炭化水素成分を生成する。この炭化水素成分と微粉炭燃焼炎中のＮＯｘとが反応して、ＮＯｘは還元され、窒素と一酸化炭素に分解する。この一酸化炭素とバイオマス由来の炭化水素とは上昇して前記補助空気ノズルから供給された富裕な空気により完全燃焼される。その結果、石炭とバイオマスともに完全に燃焼させることができ、しかも石炭の燃焼によって生じたＮＯｘも分解することができ、最終排気ガス中にＮＯｘを逃がすことがない。炉の最上部に位置する補助空気ノズルから吹き込む空気に低濃度のバイオマス燃料を混入しておけば、炉中層部の高温化と還元性炭化水素成分の生成をより高めることができる。

また、前記請求項３の装置または請求項８の方法によれば、前記アッパーバーナーまたは／およびオーバーファイヤー空気ノズルからのバイオマス燃料の供給は行わず、その代わりに、その下部の多段の微粉炭バーナーの中段部分に設けられている補助空気ノズルから低濃度のバイオマス混合空気（空気／バイオマス体積比＞４〜５）を炉全体に散布するように供給する構成であり、バイオマスと石炭の完全燃焼化とＮＯｘの低減化を実現できる。この場合のバイオマス燃料の粒径は１００μｍから２００μｍ以下とすることが好ましい。散布されたバイオマスは均一に炉内に分布し、高温に曝されて急速に揮発してガス化し、完全燃焼する。その間に短時間存在するバイオマス揮発ガス（還元性炭化水素成分）がＮＯｘの分解を促す。

以下に、本発明にかかるバイオマス混焼装置および混焼方法の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、以下に説明する実施の形態は、本発明を好適に説明するための例示に過ぎず、なんら本発明を限定するものではない。

なお、本発明において、バイオマスとは生物資源のことを言う。バイオマスとしては、例えば農業生産物または副産物、木材、植物等が例示される。バイオマスの変換目的などにもよるが、燃料・原料の供給面という観点から、大量入手が容易なものや、生育・成長速度が速いものなど、燃料・原料としての供給が安定しているものが好ましい。草木類・木本類の植物性バイオマスの一例を示すと、トウモロコシ類、イネ類、スイートソルガムなどのサトウキビ類、ネピアグラスなどの牧草類、木材類などが挙げられる。また、本発明においては、バイオマスの代替原料として使用可能な有機性廃棄物等を用いてもよい。

（第１の実施の形態）
図１は、本発明にかかるバイオマス混焼装置の第１の実施の形態を示す図である。
図中の符号１は炉本体であり、この炉本体１には燃焼バーナーと補助空気ノズルとが多段に取り付けられている。この炉本体１と多段の燃焼バーナーと補助空気ノズルからなる装置は旧来の石炭燃焼装置の転用である。したがって、低コストにてバイオマス混焼装置が構成できる。

前記燃焼バーナーと補助空気ノズルは、炉本体１の側部において、下部から上部に向けて、第１の微粉炭燃焼バーナー２、第２の微粉炭燃焼バーナー３、補助空気ノズル４、第３の微粉炭燃焼バーナー５、第４の微粉炭燃焼バーナー６、オーバーファイヤー空気ノズル７、アッパーバーナー８、そして最上部の補助空気ノズル９の順に取り付けられている。

前記オーバーファイヤー空気ノズル７およびアッパーバーナー８には高濃度バイオマス混合空気供給流路１０が接続されている。この供給流路１０は高濃度バイオマス粉砕混合機１１に連結している。この高濃度バイオマス粉砕混合機１１にはバイオマス１２が供給されるとともに熱空気１３と再循環ガス１４とが供給可能となっている。再循環ガスは歯路本体１から排気されたガスの一部を再循環ガス送風機１５によって循環されて供給される。前記熱空気１３と再循環ガス１４とは必要に応じてどちらか一方もしくは混合状態でバイオマス混合空気として使用される。

前記最上部に位置する補助ノズル９には低濃度バイオマス混合空気供給流路１６が接続されている。この供給流路１６は低濃度バイオマス粉砕混合機１７に連結している。この低濃度バイオマス粉砕混合機１７にはバイオマス１２が供給されるとともに熱空気１３が供給可能となっている。

前記構成のバイオマス混焼装置による混焼方法は、以下のようである。
すなわち、微粉炭バーナー２，３，５，６からの微粉炭が燃焼する炉本体１内の下部の微粉体燃焼領域２０の上に位置する高温域２１にアッパーバーナー８および／またはオーバーファイヤー空気ノズル７から高濃度のバイオマス燃料が低濃度空気とともに送り込まれる。送り込まれたバイオマス燃料は空気が少なくかつ高温な環境下に置かれるため、いわゆる蒸し焼き状態になり、揮発されて還元性を有する炭化水素成分を生成する。この炭化水素成分と微粉炭燃焼炎中のＮＯｘとが反応して、ＮＯｘは還元され、窒素と一酸化炭素に分解する。この一酸化炭素とバイオマス由来の炭化水素とは上昇して前記補助空気ノズル９から供給された富裕な空気を含む最終燃焼領域２２において完全燃焼される。

このように、本実施の形態によれば、石炭とバイオマスともに完全に燃焼させることができ、しかも石炭の燃焼によって生じたＮＯｘも分解することができ、炉本体１の上布から排出される最終排気ガス中にＮＯｘを逃がすことがない。
なお、炉本体１の最上部に位置する補助空気ノズル９から吹き込む空気に低濃度のバイオマス燃料を混入しておけば、炉本体１の中層部の高温化と還元性炭化水素成分の生成がより高めることができる。

（第２の実施の形態）
図２は、本発明にかかるバイオマス混焼装置の第２の実施の形態を示す図であり、前記図１に示す構成要素と同一構成要素には同一符号を付して説明を簡略化する。
本実施の形態の特徴は、前記第１の実施の形態において、前記アッパーバーナー８およびオーバーファイヤー空気ノズル７からのバイオマス燃料の供給は行わず、その代わりに、その下部の多段の微粉炭バーナーの中段部分に設けられている補助空気ノズル４に低濃度バイオマス粉砕混合機１７に連結する低濃度バイオマス混合空気供給流路３０が接続されていることにある。前記粉砕混合機１７では、空気／バイオマス体積比が４〜５以上となるように混合するとともに、バイオマス燃料の粒径を１００μｍから２００μｍ以下に粉砕する。かかるバイオマス粒径および濃度の混合空気をノズル４から炉本体１内に均一に散布する。散布されたバイオマスは均一に炉内に分布し、高温に曝されて急速に揮発してガス化し、完全燃焼する。その間に短時間存在するバイオマス揮発ガス（還元性炭化水素成分）が微粉炭燃焼炎中のＮＯｘの分解を促す。
このように本第２の実施の形態によっても、前記第１の実施の形態における作用効果と同様の作用効果を得ることができる。

以上説明したように、本発明のバイオマス混焼装置および混焼方法によれば、固体化石燃料とバイオマス燃料とを混焼させるバイオマス混焼装置および混焼方法において、装置の設置コストの低減化と、バイオマス燃料の大量処理と、バイオマスおよび石炭の完全燃焼化と、ＮＯｘ発生の大幅低減化とを同時に図ることができる。

本発明の第１の実施の形態のバイオマス混焼装置の概略構成図である。本発明の第２の実施の形態のバイオマス混焼装置の概略構成図である。

符号の説明

１炉本体
２、３、５，６微粉炭燃焼バーナー
４補助空気ノズル
７オーバーファイヤー空気ノズル
８アッパーバーナー
９補助空気ノズル
１０高濃度バイオマス混合空気供給流路
１１高濃度バイオマス粉砕混合機
１２バイオマス
１３熱空気
１４再循環ガス
１５再循環ガス送風機
１６低濃度バイオマス混合空気供給流路
１７低濃度バイオマス粉砕混合機
２０微粉体燃焼領域
２１高温域
２２最終燃焼領域

Claims

炉本体の下部側部に設けられた多段の微粉炭燃焼バーナーの上部に設置されているアッパーバーナーまたは／およびオーバーファイヤー空気ノズルに高濃度バイオマス混合空気供給流路が接続されるとともに、前記アッパーバーナーの上部に位置する補助空気ノズルに空気供給流路もしくは低濃度バイオマス混合空気供給流路が接続されていることを特徴とするバイオマス混焼装置。
前記低濃度バイオマス混合空気中のバイオマス燃料の粒径が１００〜２００μｍ未満に調整されていることを特徴とする請求項１に記載のバイオマス混焼装置。
炉本体の下部側部に設けられた多段の微粉炭燃焼バーナーの中段部分に設けられている補助空気ノズルに低濃度バイオマス混合空気供給流路が接続されていることを特徴とするバイオマス混焼装置。
前記低濃度バイオマス混合空気の（空気／バイオマス体積比）が４〜５以上に設定されていることを特徴とする請求項３に記載のバイオマス混焼装置。
前記低濃度バイオマス混合空気中のバイオマス燃料の粒径が１００〜２００μｍ未満に調整されていることを特徴とする請求項３または請求項４に記載のバイオマス混焼装置。
微粉炭バーナーの上部に設置されているアッパーバーナーまたは／およびオーバーファイヤー空気ノズルからバイオマスを混合空気量を少なめに設定して送り込み、さらにその上部に位置する補助空気ノズルから補助空気もしくは低濃度バイオマス混合空気を送り込むことを特徴とするバイオマス混焼方法。
前記低濃度バイオマス混合空気中のバイオマス燃料の粒径を１００〜２００μｍ未満に調整することを特徴とする請求項６に記載のバイオマス混焼方法。
炉本体の下部側部に設けられた多段の微粉炭燃焼バーナーの中段部分に設けられている補助空気ノズルから低濃度バイオマス混合空気を供給することを特徴とするバイオマス混焼方法。
前記低濃度バイオマス混合空気の（空気／バイオマス体積比）を４〜５以上に設定することを特徴とする請求項８に記載のバイオマス混焼方法。
前記低濃度バイオマス混合空気中のバイオマス燃料の粒径を１００〜２００μｍ未満に調整することを特徴とする前記請求項８または請求項９に記載のバイオマス混焼方法。