JP2005291524A

JP2005291524A - バイオマス燃料の燃焼装置及び方法

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Publication number: JP2005291524A
Application number: JP2004102986A
Authority: JP
Inventors: Akira Baba; 彰馬場; Yoshinori Otani; 義則大谷; Shinichiro Nomura; 伸一郎野村; 芳孝 ▲高▼橋; Yoshitaka Takahashi; Hiroshi Yuasa; 博司湯浅; Ryohei Miura; 良平三浦; Manabu Hirata; 学平田
Original assignee: Babcock Hitachi KK; Chugoku Electric Power Co Inc
Current assignee: Chugoku Electric Power Co Inc; Mitsubishi Power Ltd
Priority date: 2004-03-31
Filing date: 2004-03-31
Publication date: 2005-10-20
Anticipated expiration: 2024-03-31
Also published as: JP4282069B2

Abstract

【課題】バイオマス燃料を安定した補助燃料として利用して、既設の石炭焚き燃焼装置を低ＮＯｘ燃焼で運転できるようにすること。
【解決手段】石炭を主燃料とし、バイオマス燃料を副燃料として燃焼用空気と共に火炉内に供給して燃焼させる複数のバーナの中で、石炭を供給して燃焼させる複数個のバーナ４のうち、一部のバイオマスバーナ４ａに石炭に代えてバイオマス燃料を間欠供給する間欠供給手段６を備えたバイオマス燃焼装置であり、既設の微粉炭焚きボイラの個々のバーナの大幅な改造をすることなくバイオマスを燃料として利用でき、低コストで微粉炭焚きボイラの改造ができ、バイオマス燃料のエネルギーリサイクルを廉価に行うことができ、脱硝性能が高くなる。
【選択図】図１

Description

本発明は、石炭焚きボイラの火炉燃焼排ガス中の窒素酸化物を低減するに好適な低ＮＯｘ燃焼技術に関するものである。

本発明でいうバイオマス燃料とは化石燃料以外の植物系燃料であり、その種類を特定のものに限定するものではないが、特に森林や生活リサイクルとして出てくる全ての廃材や汚泥、さらにその二次加工製品等を含む燃料となりうる発熱量を有する植物系燃料をいうものとする。

従来、公害防止の観点から石炭焚きボイラにおける火炉燃焼排ガス中の窒素酸化物（以下ＮＯｘと称す）濃度の低減方法（低ＮＯｘ燃焼法）として、いろいろな手段が施されてきた。

一方、近年多量に排出されるバイオマスを有効に利用するためには、エネルギーへの変換すなわちサーマルリサイクルが望ましい方法という考え方が広まってきている。

バイオマス燃料を有効にエネルギーに変換する場合には、できるだけ手を加えない方法、すなわち、できるだけエネルギーをかけない方法を選択しなければならいない。ここで有望視されているのが、特に既設の高効率ボイラにおいてバイオマス燃料を混焼する燃焼技術である。最新の火力発電所で用いられるボイラ効率は約４０％と高く、従来から利用されているストーカ式ボイラや流動床ボイラなどでのボイラ効率が１０〜２０％であるのに対してボイラ効率が非常に高い。
特開２００２−２４１７６１号公報

バイオマス燃料のサーマルリサイクルに関しては前記した既設の火力発電所用のボイラが有望であることから、バイオマス燃料を有効に既設ボイラに供給する技術を検討する必要がある。通常、既設の石炭焚きボイラにバイオマス燃料を供給する方法として次のような方法がある。

１）主燃料の石炭中にバイオマス燃料を混合し、供給する方法
２）バイオマス燃料供給ノズルをボイラ水壁に設置して火炉へ吹き込む方法
３）石炭燃焼バーナと同軸上のバーナにバイオマス燃料を供給することができるようにバーナを改造する方法
４）既存の二段燃焼用エアポートからバイオマス燃料を供給できるように、同軸構造に変更する（エアポートと同軸にバイオマス燃料を供給するバーナとして用いること）方法
前記１）〜４）のいずれの方法もバイオマス燃料の高効率燃焼には効果があるが、ボイラからの排ガス中のＮＯｘ排出量低減には限界がある。その理由はバイオマスを混焼用の補助燃料として使用した場合、その安定した供給量の確保が難しく、連続的に発電所へ供給できるのは、前記バイオマスの混合比率が５％以下と考えられているからである。

本発明の課題は、バイオマス燃料を安定した補助燃料として利用して、既設の石炭焚き燃焼装置を低ＮＯｘ燃焼で運転できるようにすることである。

本発明の上記課題は、以下の項目で達成される。

請求項１記載の発明は、石炭を主燃料とし、バイオマス燃料を副燃料として燃焼用空気と共に火炉内に供給して燃焼させる複数のバーナを備えたバイオマス燃料の燃焼装置において、石炭を供給して燃焼させる複数個のバーナのうち、一部のバーナに石炭に代えてバイオマス燃料を間欠供給する間欠供給手段を備えたことを特徴とするバイオマス燃焼装置である。

請求項２記載の発明は、石炭を供給して燃焼させるバーナは、火炉内の燃焼ガス流れ方向に複数個設けられており、石炭に代えてバイオマス燃料を供給して燃焼させるバーナは、前記石炭を燃焼させるバーナの最下流以降に配置したバーナである請求項１記載のバイオマス燃料の燃焼装置である。

請求項３記載の発明は、石炭を主燃料とし、バイオマス燃料を副燃料として燃焼用空気と共に火炉内に供給して燃焼させる複数のバーナを備えたバイオマス燃料の燃焼装置において、石炭を供給して燃焼させるバーナと、該石炭燃焼バーナとは別に起動用または補助用バーナである液体またはガス燃料燃焼バーナを設け、前記起動用または補助用のバーナにバイオマス燃料を間欠供給する間欠供給手段を備えたことを特徴とするバイオマス燃焼装置。

請求項４記載の発明は、石炭を供給して燃焼させるバーナは、火炉内の燃焼ガス流れ方向に複数個設けられており、起動用のバーナまたは補助用のバーナは、前記石炭を燃焼させるバーナの最下流以降に配置したバーナである請求項３記載のバイオマス燃料の燃焼装置である。

請求項５記載の発明は、主燃料である粉砕された石炭を火炉内の燃焼ガス流れ方向に複数段と各段の火炉幅方向に複数個設けられたバーナで燃焼用空気と共に火炉内に供給して燃焼させ、副燃料である粉砕されたバイオマス燃料を燃焼用空気と共に火炉内に供給して燃焼させるバイオマス燃料の燃焼方法において、バイオマス燃料の投入熱量を、石炭を燃焼させるために各バーナ段のバーナに投入する熱量と同等とした低ＮＯｘ燃焼モードと、バイオマス燃料の投入熱量を石炭を燃焼させるために各バーナ段のバーナに投入する熱量よりも少なくした低混合率モードとに切り換えて燃焼させるバイオマス燃料の燃焼方法である。

請求項６記載の発明は、石炭を主燃料とし、バイオマス燃料を副燃料として燃焼用空気と共に火炉内に供給して燃焼させるバイオマス燃料の燃焼方法において、石炭を燃焼する複数個設けられたバーナのうち、一部のバーナに石炭と共にバイオマス燃料を供給して同時燃焼し、全バーナの空気比を１以下とし、かつバイオマス燃料を混合投入するバーナの空気比は石炭のみを燃焼するバーナの空気比より低くするバイオマス燃料の燃焼方法である。

請求項７記載の発明は、粉砕したバイオマス燃料を気流搬送しながらバイオマス燃料の濃度の濃い濃縮流と濃度の薄い希薄流とに分離し、前記濃縮流は石炭とバイオマス燃料の同時燃焼バーナからバーナ空気比１以下で火炉内に投入し、前記希薄流は２段燃焼用空気口から火炉内に投入する請求項６記載のバイオマス燃料の燃焼方法である。

請求項８記載の発明は、請求項１または３記載のバイオマス燃料の燃焼装置が蒸気を発生させる火炉から成る石炭焚きボイラである。

請求項１、３記載の発明によれば、従来の微粉炭焚きボイラの個々のバーナの大幅な改造をすることなくバイオマスを燃料として利用でき、低コストで微粉炭焚きボイラの改造ができる。そのため、バイオマス燃料のエネルギーリサイクルを廉価に行うことができ、しかも、通常の微粉炭だけを燃焼する石炭焚きボイラより脱硝性能が高くなる効果がある。また、安定的供給が難しいバイオマス燃料を火力発電所構内で一時的に貯蔵しておき、量が確保できてから、大幅なＮＯｘ低減効果が期待できる混焼率１５％程度で低ＮＯｘバーナで燃焼する方法を採用することができる。

請求項２、４記載の発明によれば、石炭に代えてバイオマス燃料を間欠供給する燃焼させるバーナを石炭用バーナの最下流以降に配置することで、請求項１、３記載の発明の効果に加えて、さらにＮＯｘ低減効果がある。

請求項５記載の発明によれば、バイオマス燃料の火炉内への投入熱量を石炭を燃焼させるために各バーナ段のバーナに投入する熱量と同等とした低ＮＯｘ燃焼モードであれば、バイオマス燃料を廃棄物ではなく、脱硝剤として使用する脱硝モードでは混焼比率約１５％以上のバイオマス燃料をボイラに供給して最大の低ＮＯｘ効果を図ることができる。また、バイオマス燃料の火炉内への投入熱量を石炭を燃焼させるために各バーナ段のバーナに投入する熱量よりも少なくした低混合率モードで燃焼させることにより、バイオマス燃料を０％〜数％、例えば５％等の混焼比率で投入でき、バイオマス燃料を廃棄物として焼却できる。

請求項６記載の発明によれば、バイオマス燃料を石炭と同時に投入するバーナの空気比を１以下で運用するが、さらにバイオマス燃料を投入する混焼バーナの空気比を他の石炭燃焼バーナの空気比より低く設定することで、石炭とバイオマス燃料との同時燃焼火炎領域においてバイオマス燃料の燃焼により低ＮＯｘ燃焼ができ、炉内脱硝効果がある。また、バイオマス燃料の粉砕・搬送など前処理プロセスにおける火災などの危険性に対してもＯ₂濃度の低い燃焼排ガスを利用することで安全且つＣＯ₂排出削減（地球温暖化防止）に寄与することが可能となる。

請求項７記載の発明によれば、バイオマス燃料を気流搬送の途中で濃度の高い濃縮流と低い希薄流に分離して、火炉に面して高さ方向に複数段設けられたバーナのうち、バイオマス燃料の濃縮流を下流側バーナから石炭と同時に投入し、バーナ空気比を１以下で運用すると低ＮＯｘ燃焼ができ、炉内脱硝効果は高まる。またバイオマス燃料の希薄流はエアポートから火炉内に供給すると希薄流内に含有される微量のバイオマス燃料を除去処理するのに集じん装置を設けることなく火炉内部で燃焼できるという効果がある。また、バイオマス燃料の粉砕・搬送など前処理プロセスにおける火災などの危険性に対してもＯ₂濃度の低い燃焼排ガスを利用することで安全且つＣＯ₂排出削減（地球温暖化防止）に寄与することが可能となる。

請求項８記載の発明によれば、石炭焚きボイラの燃料の多様化が図れる。

本発明の実施の形態について図面と共に説明する。
図１は、本発明の実施例に係わる微粉炭焚きボイラの断面略図を示す。図１に示すボイラは２段燃焼を行うボイラであり、ボイラ本体１内の火炉正面から見て前側と後側の炉壁（それぞれ缶前、缶後ということがある）である缶前、缶後には上下方向に複数段の石炭を燃料とする微粉炭バーナ４が対向配置されている。また、前記微粉炭バーナの火炉高さ上方にはエアポート２が対向配置されている。前記缶後の最上段にバイオマス燃料の間欠投入手段からのバイオマス燃料を燃焼させるバイオマスバーナ４ａを設置している。前記微粉炭バーナ４とバイオマス燃料燃焼バイオマスバーナ４ａには共通または個別の風箱３から燃焼用空気が供給される。

また、微粉炭バーナ４には石炭微粉砕機（ミルとも称する）６で粉砕された微粉炭が供給される。またバイオマス燃料燃焼バイオマスバーナ４ａは、炉内脱硝用の低ＮＯｘバーナであり、微粉炭専焼も可能であるが、本実施例の場合はバイオマス燃料微粉砕用の微粉砕機７で粉砕されたバイオマス燃料を供給する。

上記実施例では、発電所構内にバイオマス燃料を一時保管しておき、最も効果的な混焼率（全燃料の投入熱量に対するバイオマス燃料の投入熱量の比）での長時間の連続運転に必要な量が確保された時点で、バイオマス燃料を火炉に供給して燃焼する。すなわちバイオマス燃料が必要量に満たないときには混焼は行わず、必要量が確保されたときに混焼が行える間欠供給手段を備えている。

間欠投入手段としては、例えば休止バーナをバイオマス燃料燃焼バーナとして使用することが可能であり、また起動用バーナや補助バーナを使用してもよい。

通常の石炭焚きボイラでは複数のバーナ４に燃料を供給するために複数の石炭微粉砕機６が設けられているが、このうちの１台を予備の石炭微粉砕機６としてローテーションで順次停止させておき、停止中に当該石炭微粉砕機６の点検と部品交換を行う。予備の石炭微粉砕機６に対応する休止バーナをバイオマス燃料燃焼用バーナとして使用する。

また、図示していないが、通常の石炭焚きボイラでは、その起動から低負荷運転時には火炉内の温度が上昇していないため、最初から石炭専焼による起動を行い、火炉内の温度上昇のためには重油等の油を燃料として起動用バーナや補助用バーナを用いて行っている。本発明では、起動用バーナや補助用バーナをバイオマス燃料燃焼用バーナとして使用する。なお、前記起動用バーナや補助用バーナの火炉内に面して設けられる位置はその目的からしても石炭燃焼用バーナ４の下流側に設けられることが多い。

本実施例によれば、バイオマスを高効率で燃焼させることができるために、高度なサーマルリサイクルシステムを実現できる。加えて通常の既設ボイラにおける燃料の燃焼時に発生する排ガス中のＮＯｘ濃度以下にまで脱硝することができる。

低ＮＯｘ燃焼の原理は、バイオマス燃料が低空気比における燃焼で、ＨＣＮ、ＮＨ₃が発生することである。ＨＣＮ、ＮＨ₃によるＮＯの生成還元反応は極めて複雑であるが、これらの熱分解ガスがＮＯｘの還元に大きく影響していることは良く知られている。酸素が残存する雰囲気ではＨＣＮ、ＮＨ₃はＮＯｘへ転換することから、還元雰囲気でＮＯｘが存在することが必須条件となる。しかし、ＨＣＮ、ＮＨ₃は不安定な物質であることから、ＮＯｘとの混合は迅速でなければならない。

前記混合が遅れると脱硝効果が無くなることに加えて、バーナ４の後流部に供給されるＯＦＡ２からの二段燃焼用空気とこれら還元ガスが反応して、ＮＯｘになってしまう。バイオマスは一般的には固定炭素が少なく揮発分が多いことから、燃焼により高濃度のＨＣＮ、ＮＨ₃生成が可能で、ガス燃料に近い脱硝効果がある。

図２により本実施例のバイオマス燃料の混焼による低ＮＯｘ燃焼技術の基本的な考え方を説明する。石炭焚きボイラの火炉１は、石油やガス焚きボイラと比較して固体燃料を燃焼させる火炉燃焼装置であることから、燃料量に対して過剰な空気が要求される。最近の発電用の石炭焚きボイラにおいては、ボイラ火炉出口部分での酸素濃度が３．５％になるように運転されることが多いため、それを例とすると全空気量として火炉１の天井部付近での空気比λｔを１．１５に設定する。微粉炭バーナ４とバイオマス燃料燃焼バイオマスバーナ４ａの全てのバーナからの投入熱量を一律１７％とした場合、微粉炭バーナ４の空気比λＢＮＲは０．９となり、バイオマス燃料燃焼バイオマスバーナ４ａの空気比λＢＮＲは０．３と大きくバイアスをかけた状態として、微粉炭バーナ４から発生したＮＯｘを選択的に気相でＮ₂へ還元するようにＨＣＮ、ＮＨ₃が発生しやすい状態で燃焼する。微粉炭バーナ４とバイオマス燃料燃焼バイオマスバーナ４ａでは、化学当量比以下の空気量の存在下に燃焼させるので、ボイラ本体１内の後流側で完全燃焼させるために、エアポート２において燃焼に不足した空気を段階的に投入する。そして、微粉炭及びバイオマス燃料は完全燃焼する。

図３は、図２に示す燃焼条件の数値を示す根拠を示す図である。
なお、バイオマス燃料と石炭の構成元素の割合、理論空気量と発熱量は以下の通りである。
バイオマス燃料：Ｃ（５１）、Ｈ（６．４）、Ｏ（４２．１）、Ｓ（０．０１）、理論空気量（４．８４ｍ³Ｎ／ｋｇ）、発熱量（４７６２ｋｃａｌ／ｋｇ）
石炭：Ｃ（６２．３）、Ｈ（４．７）、Ｏ（１１．８）、Ｓ（２．２）、理論空気量（６．４７ｍ³Ｎ／ｋｇ）、発熱量（６１９０ｋｃａｌ／ｋｇ）

図４は図２の燃焼条件で石炭とバイオマス燃料を混焼させた場合の炉内脱硝の効果を示す図である。縦軸にはＮＯｘの除去率（脱硝率）を示し、横軸はバイオマス燃料と石炭の混焼比を示す。バイオマス燃料中にはＮ分がほとんど存在しないため微粉炭だけを燃焼させる場合に比してバイオマス燃料専焼時の方がＮＯｘの生成量は低く、バイオマス燃料の混合比率に応じて直線的にＮＯｘ濃度が減少し、ＮＯｘ除去率も直線的に変化する（点線）。しかし、図１に示す微粉炭バーナ４の一部をバイオマス燃料微粉砕機からのバイオマス燃料の微粉を供給してバイオマス燃料燃焼バイオマスバーナ４ａとして使用する場合、及び図５に示す各微粉炭バーナ４にバイオマス燃料の供給系統を付加し、休止する微粉炭バーナ４にバイオマス燃料微粉砕機７からのバイオマス燃料の微粉を供給するように切り換える場合には低ＮＯｘバーナによる炉内脱硝が行われるため、さらなるＮＯ低減効果があり、図４の曲線（実線）に示す通り炉内脱硝効果が大きくなる。

図４に示したようにバイオマス燃料の投入熱量基準の混焼率とＮＯｘ除去率との関係において混焼率が０％より増加すれば、わずかながらでも低ＮＯｘ効果が得られる。低ＮＯｘバーナを使用しない場合と使用した場合とを点線と実線とで示している。低ＮＯｘバーナを使用した場合、混焼率約１５％で低ＮＯｘバーナを使用しない場合のバイオマス燃料が１００％のときのＮＯｘ除去率とほぼ同じ効果が得られた。さらに混焼率を上げていくとＮＯｘ低減効果は大きくなるが、５０％あたりではＮＯｘ除去率の限界となりさらに増加すると逆に低減効果が減少している。

現状の火力発電所ボイラへバイオマス燃料を供給する場合、その規模にもよるが、バイオマス燃料を安定的に供給できないことから、混焼比率は熱量基準で５％程度が限界といわれている。しかし、これはバイオマスを連続的に供給する場合であって、火力発電所構内で一時的にバイオマス燃料を貯蔵しておき、量が確保できてから、混焼率１５％程度で低ＮＯｘバーナで燃焼する方法を採用することができる。

また、ボイラの運転スケジュールにおいて一定のＮＯｘ低減効果を得ることも必要であるため、ボイラの長期的な運転スパンにおいて間欠投入できるようにしておくことが重要である。通常はバイオマス燃料を０％より大で数％程度混焼させることでわずかながらでも低ＮＯｘ効果を得る燃焼を行ない、バイオマス燃料の投入量が確保されたときには長期的に最大の低ＮＯｘ効果を得るために約１５％程度の混焼率での低ＮＯｘバーナでの燃焼を行うことが望ましい燃焼方法となる。

なお、バイオマス中には多くのカリウム（Ｋ）成分が含まれており、ボイラ火炉水壁と燃焼排ガス流路内の後部伝熱管への灰付着を考えた場合、バイオマス燃料を専焼する方法を用いることは望ましくない。

図５には、本発明の他の実施例として、各微粉炭バーナ４にバイオマス燃料の間欠供給手段（バイオマス燃料微粉砕機７）を付加した例を示す。前記したように複数の石炭微粉砕機６の内の１台はローテーションで順次停止した状態にあるので、必ずしも缶後の最上段バーナ４（図１ではバイオマス燃料用のバイオマスバーナ４ａとして使用していたバーナに相当する）が休止しているとは限らない。したがって、最上段のバーナ４のみにバイオマス燃料を供給する図１に示す場合と比較して、図５に示すバイオマス燃料を用いる燃焼では脱硝効果は若干劣るが、停止中の石炭微粉砕機６に該当する微粉炭バーナ４にバイオマス燃料を間欠供給する手段７からバイオマス燃料を供給しておけば、いかなる休止条件でも炉内脱硝モードを実現できる。

上記実施例によれば、従来の微粉炭焚きボイラの個々のバーナの改造が不要で、またバイオマス燃料燃焼用に新たなバーナを追加することもなく、改造費を安価なものにすることができる。

また、前記発明では石炭バーナ４をバイオマス燃料燃焼バーナに切り換えて使用する場合について記載したが、バイオマス燃料を安定的に確保できない場合に低い混焼比率で石炭との混焼を行う場合には石炭を燃焼するバーナ４にバイオマス燃料も同時に供給して燃焼させることも可能である。

本実施例の石炭バーナ４に石炭とバイオマス燃料を同時に燃焼させる燃焼技術の系統図を図６に示す。微粉炭バーナ４は複数段（図１では下流側バーナ４ａと上流側バーナ４ｂに２分割された例を示す）に分割されている。バイオマス燃料バンカ１３にあるバイオマス燃料はバイオマス燃料微粉砕機７により粉砕されて、バーナ４への搬送流路中に設けた濃縮器１５によって濃縮流と希薄流に分離される。そのうち濃縮流は濃縮ライン１６内を搬送されて下流側のバーナ段（図１では上流側バーナ部４ｂ）から火炉１内へ石炭と同時に供給される。火炉１内へ投入されたバイオマス燃料は揮発分を多く含んでいるため高温雰囲気中で熱分解してＮＯｘ還元ガスを放出する。下流側のバーナ４ａからバイオマス燃料を投入して熱分解させることで、バーナ部から２段燃焼用のエアポート２までに火炉１の内部に形成される還元領域の還元性を強化する。一方、希薄流は希薄ライン１７から２段燃焼用のエアポート２に搬送されて火炉内に供給される。図６に示すように、バイオマス燃料をバイオマス燃料の専用の微粉砕機７単独で粉砕して粒度を調整した後、バイオマス燃料を気流搬送の途中の濃縮器１５で濃度の高い濃縮流と低い希薄流に分離して、前記濃縮流を火炉１に面して高さ方向に複数段、設けられたバーナ４のうち、下流側バーナ４ａから石炭と同時に投入する。

このときバーナ空気比は低ＮＯｘ燃焼を行うために１以下で運用するが、さらにバイオマス燃料を投入する混焼バーナ４の空気比は他の石炭燃焼バーナ４の空気比より低く設定する。前記設定により石炭とバイオマス燃料との同時燃焼火炎においてバイオマス燃料の燃焼によりＮＯｘ還元性を強化することができる。また、希薄流はエアポート２から火炉１内に供給すると希薄流内に含有される微量のバイオマス燃料を除去処理するのに集じん装置を設けることなく火炉内部で燃焼できるという効果がある。

以下に石炭とバイオマス燃料とを同時に燃焼させるバーナ４における石炭供給量、バイオマス燃料の供給量、空気比との関係を述べる。石炭とバイオマス燃料とを同時に燃焼させるバーナ４における混焼率について、熱量ベースの混焼率f_calと重量ベースの混焼率f_wtは次式（１）、（２）で表わされる。

式１

ここで、Ｆ_B、ｑ_Bはバイオマス燃料の供給量と単位重量あたりの熱量、Ｆ_c、ｑ_cは石炭の供給量と単位重量あたりの熱量である。石炭及びバイオマス燃料の性状の差違に基づく発熱量によるが、ｆ_wtはｆ_calの約1.5倍ほどになる。火炉全体の空気比（全空気比と称する）λ_Tと石炭とバイオマス燃料が同じバーナ４から火炉に供給される場合の両燃料供給部近傍の空気比λ_B（ここでは単にバーナ空気比と称す）は次式（３）、（４）で表わされる。

式２

ただし、Ａ_BとＯ_2Bはバイオマス燃料の搬送ガス流量とＯ₂濃度、Ａ_c、Ａ_APはそれぞれ石炭の搬送空気流量、２段燃焼空気流量、α_B、α_cはそれぞれバイオマス燃料と石炭の単位重量あたりの完全燃焼に必要な空気量である。石炭のみ燃焼するバーナ、すなわちバイオマス燃料を投入しないバーナ４ｂの空気比は式（４）のＡ_B、Ｆ_Bをゼロにすればよい。また、βはバイオマス燃料を搬送するときの搬送ガス濃縮比率で（Ａ_B・β）の流量がバイオマス燃料とともに供給される。

全空気比は通常１．１〜１．２前後、バーナ空気比は低ＮＯｘ燃焼では１以下の０．７〜０．９で運用されている。バイオマス燃料の搬送用に空気を用いるとバーナ空気比は上がり気味になるため、搬送流路内に濃縮器１５を設置して濃縮流のみをバイオマス燃料を供給するバーナから投入することでバーナ空気比を抑える。

また、搬送用気体としてボイラ出口からの燃焼排ガスを利用すればＯ₂濃度は低くバイオマス燃料を供給するバーナの空気比をバイオマス燃料を供給しないバーナの空気比より下げることができ、炉内脱硝効果を高めることが可能となる。

図１２に充填したバイオマス燃料の粒子の自然発火温度の測定結果を示すが、充填層高によらず自然発火温度は１８５℃以上であり、バイオマス燃料微粉砕機７の入口における搬送気体の温度を１８５℃未満とすることで火災防止に効果がある結果となった。

また、粉じん爆発の危険性について、本システムで想定される最も危険側として０．０７４ｍｍ通過粒子を用いた爆発下限界粉じん濃度の結果を図１３に示すが、横軸に示す酸素濃度が１１％以下は爆発せず、バイオマス燃料の微粉砕機７の入口における搬送気体の酸素濃度を１１％以下にすれば粉じん爆発の防止に効果がある結果となった。酸素濃度を下げることは自然発火防止にも役立つ。さらにバイオマス燃料を複数段のバーナ４のうち、火炉下流側のバーナ４ａに限定して使用し、これらのバーナ４ａへの空気比をバイオマス燃料を投入しないバーナ４ｂより低い空気比にすれば、炉内脱硝効果は高まる。

バイオマス燃料の搬送用気体としては、図６のガス再循環ファン１９を動力として火炉１から排出した燃料排ガスを用いる。排ガスの温度および酸素濃度調節は流量調整ダンパ１０により行う。燃焼排ガスは酸素濃度が低く、バイオマス燃料の粉砕、搬送ラインでの火災防止に役立つのみでなく、バイオマス燃料を火炉１に供給するバーナの空気比を抑制して低ＮＯｘ燃焼にも役立つ。

図７および図８に石炭とバイオマス燃料とを同時に供給するバーナ部の詳細断面図を示す。図７は石炭を微粉砕し一次空気との混合流体流路２１内の外周に燃焼用空気流路２３、２４が設けられた石炭バーナ４に、さらに前記混合流体流路２１内に外部からバイオマス燃料と搬送気体の混合流体流路２２を貫通挿入して設けバイオマス燃料を火炉１の内部に投入する。図７は石炭燃料の流路２１とバイオマス燃料の気流搬送流路２２とを同軸に設けた例である。また図８は石炭燃料の流路２１の上流にバイオマス燃料の流路２２を挿入し混合した後にバイオマス燃料を石炭との混合流体として火炉内に供給する例を示している。

石炭の系統については、１次空気ファン９で供給された１次空気はミル６で粉砕された微粉炭を同伴して微粉炭バーナ４から火炉１に投入される。また、1次空気以外の燃焼用空気はＦＤＦ（押込み通風機）８で供給して熱交換器５を介して、風箱３に送られ、微粉炭バーナ４からは２次および３次空気として、残りは２段燃焼用エアポート２から炉内へ送入される。

バイオマス燃料を搬送流路内で濃縮する濃縮器１５としては、代表的なものに図９に示すサイクロン４１を用いて旋回流４４を与えて固体と気体の慣性力差を利用して濃縮流４２と希薄流４３に分離するサイクロン方式のもの、あるいは図１０に示す配管４５の曲がり部で曲がりの外側と内側で濃縮流４２と希薄流４３に分離するものがある。

本発明は、石炭焚き燃焼装置をバイオマス燃料用としても利用できるので、低コストで脱硝性能が高いバイオマス燃料燃焼装置及び燃焼方法として利用できる。

本発明の実施例に係わる微粉炭焚ボイラの断面図である。火炉内の空気比配分を示す図である。図２の数値を示す根拠を示す図である。図２の燃焼条件での石炭とバイオマス燃料の混焼においての炉内脱硝の効果を示す図である。本発明の実施例としてバーナにバイオマス燃料の供給系統を付加した例を示す図である。本発明の微粉炭＋木質バイオマス燃焼装置を示す図である。本発明の微粉炭＋木質バイオマス燃焼バーナ装置（１）を示す図である。本発明の微粉炭＋木質バイオマス燃焼バーナ装置(２)を示す図である。本発明の木質バイオマス搬送流濃縮器（１）を示す図である。本発明の木質バイオマス搬送流濃縮器（２）を示す図である。木質バイオマスと石炭の粉砕動力と粒度（５０％通過径）の関係を示す図である。層高の自然発火への影響(1.4mmスクリーン通過バイオマス粒子)を示す図である。爆発下限界粉じん濃度と雰囲気酸素濃度の関係(0.074mmスクリーン通過粒子)を示す図である。

符号の説明

１ボイラ２エアポート
３風箱４微粉炭バーナ
４ａバイオマスバーナ５熱交換器
６石炭微粉砕機７微粉砕機
８ＦＤＦ（押込み通風機）９１次空気ファン
１０流量調整ダンパ１５濃縮器
１６濃縮ライン１９ガス再循環ファン
２１混合流体流路２２気流搬送流路
２３、２４燃焼用空気流路

Claims

石炭を主燃料とし、バイオマス燃料を副燃料として燃焼用空気と共に火炉内に供給して燃焼させる複数のバーナを備えたバイオマス燃料の燃焼装置において、
石炭を供給して燃焼させる複数個のバーナのうち、一部のバーナに石炭に代えてバイオマス燃料を間欠供給する間欠供給手段を備えたことを特徴とするバイオマス燃焼装置。
石炭を供給して燃焼させるバーナは、火炉内の燃焼ガス流れ方向に複数個設けられており、石炭に代えてバイオマス燃料を供給して燃焼させるバーナは、前記石炭を燃焼させるバーナの最下流以降に配置したバーナであることを特徴とする請求項１記載のバイオマス燃料の燃焼装置。
石炭を主燃料とし、バイオマス燃料を副燃料として燃焼用空気と共に火炉内に供給して燃焼させる複数のバーナを備えたバイオマス燃料の燃焼装置において、
石炭を供給して燃焼させるバーナと、該石炭燃焼バーナとは別に起動用または補助用バーナである液体またはガス燃料燃焼バーナを設け、前記起動用または補助用のバーナにバイオマス燃料を間欠供給する間欠供給手段を備えたことを特徴とするバイオマス燃焼装置。
石炭を供給して燃焼させるバーナは、火炉内の燃焼ガス流れ方向に複数個設けられており、起動用のバーナまたは補助用のバーナは、前記石炭を燃焼させるバーナの最下流以降に配置したバーナであることを特徴とする請求項３記載のバイオマス燃料の燃焼装置。
主燃料である粉砕された石炭を火炉内の燃焼ガス流れ方向に複数段と各段の火炉幅方向に複数個設けられたバーナで燃焼用空気と共に火炉内に供給して燃焼させ、副燃料である粉砕されたバイオマス燃料を燃焼用空気と共に火炉内に供給して燃焼させるバイオマス燃料の燃焼方法において、
バイオマス燃料の投入熱量を、石炭を燃焼させるために各バーナ段のバーナに投入する熱量と同等とした低ＮＯｘ燃焼モードと、バイオマス燃料の投入熱量を石炭を燃焼させるために各バーナ段のバーナに投入する熱量よりも少なくした低混合率モードとに切り換えて燃焼させることを特徴とするバイオマス燃料の燃焼方法。
石炭を主燃料とし、バイオマス燃料を副燃料として燃焼用空気と共に火炉内に供給して燃焼させるバイオマス燃料の燃焼方法において、
石炭を燃焼する複数個設けられたバーナのうち、一部のバーナに石炭と共にバイオマス燃料を供給して同時燃焼し、全バーナの空気比を１以下とし、かつバイオマス燃料を混合投入するバーナの空気比は石炭のみを燃焼するバーナの空気比より低くすることを特徴とするバイオマス燃料の燃焼方法。
粉砕したバイオマス燃料を気流搬送しながらバイオマス燃料の濃度の濃い濃縮流と濃度の薄い希薄流とに分離し、前記濃縮流は石炭とバイオマス燃料の同時燃焼バーナからバーナ空気比１以下で火炉内に投入し、前記希薄流は２段燃焼用空気口から火炉内に投入することを特徴とする請求項６記載のバイオマス燃料の燃焼方法。
請求項１または３記載のバイオマス燃料の燃焼装置が蒸気を発生させる火炉から成ることを特徴とする石炭焚きボイラ。