JP2006189199A

JP2006189199A - 高イオウ含有燃料と高塩素含有燃料との混合燃焼方法

Info

Publication number: JP2006189199A
Application number: JP2005001536A
Authority: JP
Inventors: Tamotsu Takebayashi; 竹林　　保
Original assignee: Mitsui Engineering and Shipbuilding Co Ltd
Current assignee: Mitsui Engineering and Shipbuilding Co Ltd
Priority date: 2005-01-06
Filing date: 2005-01-06
Publication date: 2006-07-20

Abstract

【課題】塩素を０．５ｗｔ％以上含む高塩素含有燃料と高イオウ含有燃料との混合燃料をトラブルなく、低公害で燃焼する。
【解決手段】火炉２から排出された燃焼ガスｅをサイクロン７に導いて燃焼ガスｅと夾雑物ｆとに分離し、次に、サイクロンによって夾雑物が除去された燃焼ガスを対流伝熱部５に導入し、該対流伝熱部によって燃焼ガスの熱エネルギーを回収するようにした流動層ボイラを用いて廃プラスチックやＲＰＦ燃料等の高塩素含有燃料と、石炭や廃タイヤ等の高イオウ含有燃料とを混合燃焼する。前記火炉２に高塩素含有燃料及び高イオウ含有燃料中のイオウ分に対してモル比が１．０〜３．０となるように必要最小限の石灰石ｊを供給する一方、火炉より温度の低い対流伝熱部に消石灰ｋを供給する。
【選択図】図１

Description

本発明は、高イオウ含有燃料と高塩素含有燃料との混合燃焼方法、より詳しくは、塩素を０．５ｗｔ％以上を含む廃プラスチックやＲＰＦ燃料（Refuse paper ＆ plastices)などの高塩素含有燃料と、石炭や廃タイヤや石油コークスなどの高イオウ含有燃料とを流動層ボイラを使用して混合燃焼（同時燃焼）する高イオウ含有燃料と高塩素含有燃料との混合燃焼方法に関するものである。

従来、流動層ボイラ１は、図４に示すように、火炉２の下部に１次空気ａを供給して流動層３を形成し、この流動層３内に、燃料としての石炭ｂを投入して燃焼させるとともに、石灰石などの脱硫剤ｃを流動層３内に投入して脱硫剤ｃによる脱硫反応が進行するようにしていた。

この流動層ボイラ１は、火炉２の中間部より２次空気ｄを導入するようにしているが、ＮＯｘを抑制のために２次空気ｄを増加させると、流動層３内の空気比が低下し、脱硫反応が起きにくくなるという欠点がある。

上記火炉２を出た燃焼ガスｅは、火炉２の上部の伝熱部４と、この伝熱部４の下流側に位置している対流伝熱部５によって冷却され、図示しない集塵装置を経て大気中へ放出される。

一方、燃焼ガスｅから分離された未燃灰は、未燃灰リサイクルライン６を経て流動層２内に再投入されるようになっている（例えば、特許文献１参照。）。
特許第３０９５４９９号明細書（第２頁、図２）

ところが、流動層ボイラの燃料として、塩素を０．５ｗｔ％以上を含む廃プラスチックやＲＰＦ燃料などの高塩素含有燃料と、石炭や廃タイヤや石油コークスなどの高イオウ含有燃料とを混合燃焼すると、廃プラスチックやＲＰＦ燃料などの高塩素含有燃料に含まれている塩素分（Ｃｌ₂、ＨＣｌ）によって脱硫剤である石灰石（ＣａＣＯ₃）が活性化されて付着性が増大する。そして、石灰石（ＣａＣＯ₃）の活性化によって生じた活性ＣａＯ（活性酸化カルシウム）が煙道壁や伝熱管部に付着し、伝熱管部の伝熱阻害や、煙道の閉塞を起こすなどの問題があった。

すなわち、火炉内に、脱硫剤である石灰石（ＣａＣＯ₃）を過剰に供給すると、石灰石（ＣａＣＯ₃）は、石炭や廃タイヤや石油コークスなどの高イオウ含有燃料の燃焼によって発生するＳＯ₂（亜硫酸ガス）と反応して石膏（ＣａＳＯ₄）となるだけでなく、廃プラスチックやＲＰＦ燃料などの高塩素含有燃料の燃焼によって発生する塩素分（Ｃｌ₂、ＨＣｌ）とも反応して塩化カルシウム（ＣａＣｌ₂）となる。

この塩化カルシウム（ＣａＣｌ₂）が生成すると、燃焼灰自体の融点が低下し、高温の煙道壁や伝熱管部に付着し、伝熱阻害や腐食を引き起したり、煙道が閉塞したりする。

塩素分（Ｃｌ₂、ＨＣｌ）は、２００〜３００℃程度の低温でも消石灰（Ｃａ（ＯＨ）₂）と反応するため、塩化カルシウム（ＣａＣｌ₂）の融点（７７２℃）以下の温度で捕集することが可能であるが、ＳＯ₂（亜硫酸ガス）と石灰石（ＣａＣＯ₃）との反応は、８００℃以上を必要とするため、高温部、すなわち、火炉内に石灰石（ＣａＣＯ₃）を供給せざるを得ない。

塩化カルシウム（ＣａＣｌ₂）は、８００℃以上の高温では安定化せず、分解と反応とを繰り返している。この分解と反応との繰り返しがＣａＯ（酸化カルシウム）の表面積を拡大し（図２参照。）、ＣａＯを活性化させている。この活性ＣａＯは、付着性が高く、高温の煙道や伝熱面に付着し、硬い焼結物を生成するという問題がある。

本発明者は、このような従来の問題について、鋭意、研究した結果、燃料として、廃プラスチックやＲＰＦ燃料などの高塩素含有燃料と、石炭や廃タイヤや石油コークスなどの高イオウ含有燃料とを併用する場合、流動層ボイラの炉内に供給する石灰石の過剰供給を避けて、極力、未反応のＣａＯ（酸化カルシウム）を生成させないような条件で流動層ボイラを運転すれば、ＣａＯ（酸化カルシウム）やＣａＣｌ₂（塩化カルシウム）による伝熱管部の伝熱阻害、腐食や煙道の閉塞問題を解決することができるという知見を得た。

本発明は、このような知見に基づいてなされたものであり、その第１の目的は、塩素を０．５ｗｔ％以上含む高塩素含有燃料と高イオウ含有燃料との混合燃料をトラブルなく、低公害で燃焼できる流動層ボイラ運転方法を提供することにある。

また、本発明の第２の目的は、混合燃料のイオウ分１ｗｔ％、塩素分２ｗｔ％までの燃料においてＳＯ₂を１００ｐｐｍ以下、ＨＣｌを５０ｐｐｍ以下にし得るイオウ含有燃料と塩素含有燃料の併用燃焼方法を提供することある。

上記の課題を解決するため、本発明は、次のように構成されている。

請求項１に記載の発明は、火炉から流出した燃焼ガスをサイクロンに導入し、該サイクロンによって燃焼ガスと当該燃焼ガスに含まれている夾雑物とを分離し、しかる後に、前記サイクロンによって夾雑物が除去された燃焼ガスをサイクロンの下流側に設けた対流伝熱部に導入し、該対流伝熱部によって燃焼ガスが保有している熱エネルギーを回収するようにした流動層ボイラを用いて廃プラスチックやＲＰＦ燃料などの高塩素含有燃料と、石炭や廃タイヤや石油コークスなどの高イオウ含有燃料とを混合燃焼するに際し、前記火炉に、高塩素含有燃料および高イオウ含有燃料中のイオウ分に対してモル比が１．０〜３．０となるように必要最小限の石灰石を供給し、火炉に比して温度の低い対流伝熱部に消石灰を供給することを特徴とする高イオウ含有燃料と高塩素含有燃料の混合燃焼方法である。

請求項２に記載の発明は、対流伝熱部に、高塩素含有燃料およびイオウ含有燃料中の塩素分に対してモル比が１．０〜３．０となるように消石灰を供給することを特徴とする請求項１記載の高イオウ含有燃料と高塩素含有燃料の混合燃焼方法である。

請求項３に記載の発明は、火炉内の温度が８００〜９００℃である請求項１記載の高イオウ含有燃料と高塩素含有燃料の混合燃焼方法である。

請求項４に記載の発明は、対流伝熱部内の消石灰供給部の排ガス温度が１５０〜３５０℃である請求項１記載の高イオウ含有燃料と高塩素含有燃料の混合燃焼方法である。

上記のように、請求項１に記載の発明は、火炉から流出した燃焼ガスをサイクロンに導入し、該サイクロンによって燃焼ガスと当該燃焼ガスに含まれている夾雑物とを分離し、しかる後に、前記サイクロンによって夾雑物が除去された燃焼ガスをサイクロンの下流側に設けた対流伝熱部に導入し、該対流伝熱部によって燃焼ガスが保有している熱エネルギーを回収するようにした流動層ボイラを用いて廃プラスチックやＲＰＦ燃料などの高塩素含有燃料と、石炭や廃タイヤや石油コークスなどの高イオウ含有燃料とを混合燃焼するに際し、前記火炉に、高塩素含有燃料および高イオウ含有燃料中のイオウ分に対してモル比が１．０〜３．０となるように必要最小限の石灰石を供給し、高温の火炉内に供給する石灰石の過剰供給を避けているので、排ガス中の亜硫酸ガス（ＳＯ₂）濃度を基準値以下に抑制する一方、酸化カルシウム（ＣａＯ）や塩化カルシウム（ＣａＣｌ₂）の付着を軽減し、煙道閉鎖や伝熱阻害、伝熱面の腐食を未然に回避することができる。

請求項２に記載の発明は、対流伝熱部に、高塩素含有燃料およびイオウ含有燃料中の塩素分に対してモル比が１．０〜３．０となるように消石灰を供給するので、排ガス中の塩素（ＨＣｌ）濃度を基準値以下に抑制することができる。

以下、本発明の実施の形態を図面を用いて説明する。

図１に示すように、流動層ボイラ１は、火炉２と、サイクロン７と、外部熱交換器８と、空気押し込みファン９と、起動用熱風炉１０と、対流伝熱部５と、バグフィルタ１１と、誘引ファン１２とを備えている。

上記火炉２は、縦長の筒状体から成り、その下部には、ベッド材ｆを搭載するためのグリッド１３を設けている。そして、空気押し込みファン９によって火炉２の下部に１次空気ａを供給すると、グリッド１３上のベッド材ｆが躍動して流動層３を形成するようになっている。上記起動用熱風炉１０は、起動時のみ、１次空気ａを加熱するようになっている。

上記火炉２は、複数本の燃料供給ラインを有しており、第１の燃料供給ライン１４から塩素を０．５ｗｔ％以上含む廃プラスチックやＲＰＦ燃料などの高塩素含有燃料ｇを供給し、第２の燃料供給ライン１５から石炭や廃タイヤや石油コークスなどの高イオウ含有燃料ｈと、木屑ｉと、脱硫剤である石灰石ｊとを供給するようになっている。

ここで、石灰石は、高塩素含有燃料および高イオウ含有燃料中のイオウに対してモル比が１．０〜３．０、より好ましくは、１．５〜２．０となるように供給する。

若し、塩素を０．５ｗｔ％以上含む高塩素含有燃料および高イオウ含有燃料中のイオウ分に対して供給する石灰石のモル比が１．０未満の場合には、上記燃料の燃焼によって生じた亜硫酸ガス（ＳＯ₂）を性状の安定な石膏（ＣａＳＯ₄）に、充分、変換することができないため、排ガス中の亜硫酸ガス（ＳＯ₂）を基準値以下に抑制することが困難になる。

これとは逆に、塩素を０．５ｗｔ％以上含む高塩素含有燃料および高イオウ含有燃料中のイオウ分に対して供給する石灰石のモル比が３．０を超える場合には、石灰石が過剰供給となり、不経済であることに加え、石灰石（ＣａＣＯ₃）の熱分解で発生する酸化カルシウム（ＣａＯ）量が多くなり、煙道閉鎖や伝熱阻害が起こり易くなるという問題がある。さらに、上記燃料の燃焼によって生じた塩素分（Ｃｌ₂、ＨＣｌ）と酸化カルシウム（ＣａＯ）が反応して、付着性の強い塩化カルシウム（ＣａＣｌ₂）が発生するという問題もある。

因みに、高イオウ含有燃料中のイオウ濃度は、「表１」に示すとおり、石炭が０．３〜０．８（ｗｔ％）、石油コークスが１．５〜５．０（ｗｔ％）、廃タイヤが１．５〜２．０（ｗｔ％）程度である。

上記の火炉１から排出された燃焼ガスｅは、煙道１６を経てサイクロン７に流入し、燃焼ガスｅと、この燃焼ガスｅに同伴しているベッド材ｆとに分離される。サイクロン７によって分離されたベッド材ｆは、サイクロン７の下部に接続されたダウンカマー１７を経て外部熱交換器８に導入される。

この外部熱交換器８は、２枚の仕切り板１８及び１９によってホットゾーン２０とコールドゾーン２１とに分離され、ホットゾーン２０内のベッド材ｆは、ホットリサイクルライン２２を経て流動層３に再投入される。他方、コールドゾーン２１内のベッド材ｆは、伝熱管２３によって熱回収が行われた後、コールドリサイクルライン２４を経て流動層３に再投入される。

サイクロン７によって分離された燃焼ガスｅは、煙道２５を経て対流伝熱部５に導入される。そして、この対流伝熱部５を通過する間に燃焼ガスｅが保有している熱エネルギーの回収が行われ、低温（約１５０〜１８０℃）の燃焼ガスとなる。

この対流伝熱部５は、消石灰を供給する消石灰供給ライン２６を備え、対流伝熱部５内に消石灰ｋに導入するようになっている。

ここで、消石灰は、塩素を０．５ｗｔ％以上含む高塩素含有燃料および高イオウ含有燃料中の塩素に対してモル比が１．０〜３．０、より好ましくは、１．５〜２．０となるように供給する。

若し、塩素を０．５ｗｔ％以上含む高塩素含有燃料および高イオウ含有燃料中の塩素に対して供給する消石灰のモル比が１．０未満の場合には、上記燃料の燃焼によって生じた塩素（ＨＣｌ）と消石灰との反応が十分に行われず、排ガス中のＨＣｌ濃度を基準値以下に抑制することが困難になる。

これとは逆に、塩素を０．５ｗｔ％以上含む高塩素含有燃料および高イオウ含有燃料中の塩素に対して供給する消石灰のモル比が３．０を超える場合には、消石灰が無駄になり、不経済である。

因みに、高塩素含有燃料中の塩素濃度は、「表１」に示すとおり、廃プラスチックが０．３〜３．０（ｗt ％）、ＲＰＦが０．１〜１．０（ｗt ％）、ＲＤＦが０．３〜２．０（ｗt ％）程度である。

対流伝熱部５を通過した燃焼ガスｅは、バグフィルタ１１によって燃焼ガスｅ中のフライアッシュｍが除去された後、誘引ファン１２を経て大気中に排出される。

次に、上記流動層ボイラの作用について説明する。

図１に示すように、空気押し込みファン９によって火炉２の下部に１次空気ａを供給すると、グリッド１３上のベッド材ｆが躍動して流動層３を形成する。

この流動層３に、第１の燃料供給ライン１４から廃プラスチックやＲＰＦ燃料などの高塩素含有燃料ｇを供給し、第２の燃料供給ライン１５から石炭や廃タイヤや石油コークスなどの高イオウ含有燃料ｈと、木屑ｉと、脱硫剤である石灰石ｊとを供給すると、石炭や廃タイヤや石油コークスなどの高イオウ含有燃料ｇの燃焼によって発生した亜硫酸ガス（ＳＯ₂ガス）が石灰石（ＣａＣＯ₃）の熱分解によって生じた酸化カルシウム（ＣａＯ）と反応して石膏（ＣａＳＯ₄）となり、フライアッシュとして火炉より排出される。

これを反応式で示すと、次式のようになる。
すなわち、
ＣａＣＯ₃→ＣａＯ＋ＣＯ₂ ・・・・・・（１）
ＣａＯ＋ＳＯ₂＋Ｏ₂／２→ＣａＳＯ₄ ・・・・・・（２）

但し、上記（１）式および（２）式の反応には、８００℃以上、就中、８００〜９００℃の温度が必要である。

上記の石灰石は、高塩素含有燃料および高イオウ含有燃料中のイオウに対してモル比が１．０〜３．０、より好ましくは、１．５〜２．０となるように供給する。

上記の火炉２から排出された燃焼ガスｅは、煙道１６を経てサイクロン７に流入し、燃焼ガスｅと、この燃焼ガスｅに同伴しているベッド材ｆとに分離される。サイクロン７によって分離されたベッド材ｆは、サイクロン７の下部に接続されたダウンカマー１７を経て外部熱交換器８に導入される。

このとき、対流伝熱部５には、消石灰供給ライン２６を経て消石灰ｋが投入される。この消石灰は、高塩素含有燃料および高イオウ含有燃料中の塩素に対してモル比が１．０〜３．０、より好ましくは、１．５〜２．０となるように供給する。

このように、対流伝熱部５に消石灰供給ライン２６を経て消石灰ｋを投入すると、燃焼時に発生した塩素分（Ｃｌ₂、ＨＣｌ）が対流伝熱部５内で消石灰（Ｃａ（ＯＨ）₂）と反応し、ＣａＣｌ₂として灰中に固定され、フライアッシュとして排出される。

これを反応式で示すと、次式のようになる。
すなわち、
Ｃａ（ＯＨ）₂＋２ＨＣｌ→ＣａＣｌ₂＋２Ｈ₂Ｏ・・・・・・（３）

この（３）式の反応は、低温（例えば、約１５０〜３５０℃）で反応が進む。

（実施例）
図１の流動層ボイラを用いてＲＰＦ、廃タイヤ、木屑、及び塩化ビニルの混合燃料の燃焼運転を実施した。

この運転は、混合燃料中のイオウ分を０．５ｗｔ％とし、塩素分を約２ｗｔ％まで上昇させた場合でも排ガス目標値をクリアできることを実証したものである。

ここで、運転条件は、次のように設定した。

すなわち、
（１）混合燃料中のイオウ（Ｓ）分：０．５ｗｔ％
（２）混合燃料中の塩素（Ｃｌ）分：０．１〜２ｗｔ％
（３）火炉燃焼温度：８５０℃
（４）火炉内石灰石供給モル比：亜硫酸ガス（ＳＯ₂）に対し１．５
（５）低温煙道消石灰供給モル比：塩化水素（ＨＣｌ）に対し３．０
である。

尚、排ガス目標値は、亜硫酸ガス（ＳＯ₂）＝１００ｐｐｍ以下（Ｏ₂＝６％換算）、塩化水素（ＨＣｌ）＝５０ｐｐｍ以下（Ｏ₂＝１２％換算）である。

運転結果を図３に、○、△、□で示す。

排ガス計測の結果は、
（ａ）排ガス中の酸素濃度：４〜６ｖｏｌ％
（ｂ）排ガス中の亜硫酸ガス（ＳＯ₂）濃度：６０〜８０ｐｐｍ（Ｏ₂＝６％換算）
（ｃ）排ガス中の塩化水素（ＨＣｌ）濃度：２０〜４０ｐｐｍ（Ｏ₂＝１２％換算）
であり、目標値をクリアできることを実証した。また、ＣａＯやＣａＣｌ₂による閉鎖も起こらなかった。

（比較例）
図１の流動層ボイラを用いてＲＰＦ、廃タイヤ、木屑、及び塩化ビニルの混合燃料の燃焼運転を実施した。

この運転は、混合燃料中のイオウ分を０．５ｗｔ％、塩素分を約２ｗｔ％とし、排ガス目標値をクリアできることを実証したものである。

ここで、運転条件は、次のように設定した。

すなわち、
（１）混合燃料中のイオウ（Ｓ）分：０．５ｗｔ％
（２）混合燃料中の塩素（Ｃｌ）分：２．１ｗｔ％
（３）火炉燃焼温度：８５０℃
（４）火炉内石灰石供給モル比：亜硫酸ガス（ＳＯ₂）に対し４．０
（５）低温煙道消石灰供給モル比：塩化水素（ＨＣｌ）に対し１．５
である。

運転結果を図３に、●で示す。

排ガス計測の結果は、
（ａ）排ガス中の酸素濃度：４〜６ｖｏｌ％
（ｂ）排ガス中の亜硫酸ガス（ＳＯ₂）濃度：６０〜８０ｐｐｍ（Ｏ₂＝６％換算）
（ｃ）排ガス中の塩化水素（ＨＣｌ）濃度：２０〜４０ｐｐｍ（Ｏ₂＝１２％換算）
であり、目標値をクリアできた。ただし、ＣａＯやＣａＣｌ₂による閉鎖が起こり、運転が中断となった。

本発明の方法を実施に適用する流動層ボイラの概略構成図である。石灰とＳＯ₂、ＨＣｌの反応モデル図である。本発明の実施例を示す図である。従来の流動層ボイラの概略構成図である。

符号の説明

２火炉
５対流伝熱部
７サイクロン
ｅ燃焼ガス
ｆ夾雑物
ｇ高塩素含有燃料
ｈ高イオウ含有燃料
ｊ石灰石
ｋ消石灰

Claims

火炉から流出した燃焼ガスをサイクロンに導入し、該サイクロンによって燃焼ガスと当該燃焼ガスに含まれている夾雑物とを分離し、しかる後に、前記サイクロンによって夾雑物が除去された燃焼ガスをサイクロンの下流側に設けた対流伝熱部に導入し、該対流伝熱部によって燃焼ガスが保有している熱エネルギーを回収するようにした流動層ボイラを用いて廃プラスチックやＲＰＦ燃料などの高塩素含有燃料と、石炭や廃タイヤや石油コークスなどの高イオウ含有燃料とを混合燃焼するに際し、前記火炉に、高塩素含有燃料および高イオウ含有燃料中のイオウ分に対してモル比が１．０〜３．０となるように必要最小限の石灰石を供給し、火炉に比して温度の低い対流伝熱部に消石灰を供給することを特徴とする高イオウ含有燃料と高塩素含有燃料の混合燃焼方法。
対流伝熱部に、高塩素含有燃料およびイオウ含有燃料中の塩素分に対してモル比が１．０〜３．０となるように消石灰を供給することを特徴とする請求項１記載の高イオウ含有燃料と高塩素含有燃料の混合燃焼方法。
火炉内の温度が８００〜９００℃である請求項１記載の高イオウ含有燃料と高塩素含有燃料の混合燃焼方法。
対流伝熱部内の消石灰供給部の排ガス温度が１５０〜３５０℃である請求項１記載の高イオウ含有燃料と高塩素含有燃料の混合燃焼方法。