JP2008080285A - バイオマス粉砕装置及びその制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】水分量の変動が大きいバイオマスに対しても、その粉砕性能を維持でき粉砕機の安定運用を達成するとともに粉砕動力の低減を図ることができるバイオマス粉砕装置及びその制御方法を提供する。
【解決手段】バイオマスが載置される粉砕テーブル３４と、バイオマスに押圧力を作用せしめて粉砕するローラ３５と、粉砕機３に空気を供給する空気供給手段とを備えたバイオマス粉砕装置において、粉砕機３の内部におけるバイオマスの含水率を検出する含水率検出手段と、該検出された含水率が繊維飽和点以下で且つ粒子昇温点以上となるように調整する含水率調整制御手段１５を備えた構成とし、具体的には粉砕機出口のバイオマスの含水率を湿度センサ１０により検出し、該含水率に基づいて空気供給手段を制御して供給空気の加熱温度を調整し、粉砕機内部の含水率を上記範囲内に維持するようにした。
【選択図】図１

Description

本発明は、竪型粉砕機を用いて木屑等のバイオマスを粉砕するバイオマス粉砕装置及びその制御方法に関し、特にバイオマスの含水率が変動した場合であっても粉砕性能を維持でき、粉砕機の安定運用を達成するとともに粉砕動力の低減を図ることができるバイオマス粉砕装置及びその制御方法に関する。

近年、発電燃料としてコスト的に石炭火力が見直されつつあり、さらに電気事業者に新エネルギー等から発電される電気を一定割合以上利用することを義務づける法規制（ＲＰＳ法）への対応のために、新エネルギー等（バイオマス（動植物に由来する有機物）発電等）の普及が図られている。
また、ＣＯ_２発生量の抑制から、ひいてはＣＯ_２排出権取引に利用可能であることから、バイオマスの利用促進が図られている。

バイオマス発電システムには、石炭とバイオマスとを混合して燃焼させるバイオマス混焼技術があり、このバイオマス混焼技術には、石炭とバイオマスとを混合してから粉砕する混合粉砕方式と、石炭とバイオマスとをそれぞれを単独で粉砕する単独粉砕方式とが知られている。

前者の混合粉砕方式としては、特許文献１、２で示される技術が知られている。特許文献１には、石炭を粉砕する粉砕機と、石炭を粉砕機に供給する石炭供給管及び石炭バンカを備えた石炭供給装置と、前記石炭供給管にバイオマスを定量的に供給するバイオマス定量供給手段とを備えて、バイオマス定量供給手段からのバイオマスの供給を調整して粉砕機の運転状態を安定化する構成が開示されている。また特許文献２には、前もって所定の大きさに破砕された木屑を石炭と混合した後、混合物を粉砕機で粉砕するようにし、粉砕機の回転テーブルの周速を木屑の混合増加率に応じて増加させて且つローラ荷重を低減する運転方法が開示されている。

後者の単独粉砕方式としては、特許文献３で示される技術が知られている。これは、図７に示すように供給管３１０より粉砕テーブル３１２上に木質原料を供給し、粉砕ローラ３１４で粉砕し、被粉砕物は粉砕テーブル３１２の外周に排出し、テーブル３１２外周下方から噴出される空気流３１６によって上方に搬送されて、被粉砕物を微粉と粗粉に分級する方法である。この方法は、空気流の流量と粉砕テーブル直径の最適な関係を設定することにより、従来の石炭用粉砕機を木質原料の粉砕機として有効利用することを可能としている。

このような単独粉砕方式を採用した一般的な石炭・バイオマス混焼システムを図８に示す。木屑等のバイオマスはある程度大きさを揃えバイオマスチップとしてバイオマス貯蔵設備１０１に貯蔵され、その後、バイオマスホッパ１０２に供給される。バイオマスチップは、バイオマスホッパ１０２から粉砕機１０３に供給され、粉砕テーブル１０４と粉砕ローら１０５により粉砕される。
また、バイオマス粉砕機１０３とは別に、石炭ホッパ１１０ａ、１１０ｂを備えた石炭粉砕機１１１ａ、１１１ｂが設けられている。粉砕後のバイオマス粉体および石炭粉体はボイラ火炉１１２に供給され、ボイラ火炉１１２内でバイオマス粉体と石炭粉体が混合して燃焼するようになっている。

ボイラ火炉１１２の炉本体１１３には、燃料供給ノズルとこれに共働するバーナが配設されている。燃焼により発生した燃焼排ガスは、炉内に配設された伝熱管１１４を加熱して煙道へ送られる。炉本体１１３の炉出口に設けた煙道の途中には空気加熱器（ＡＨ）１１５が配置され、空気加熱器１１５を通った燃焼排ガスは、灰捕集装置等の排ガス処理設備を経て大気放出される。空気加熱器１１５によって外気１１６を加熱して生成した高温空気１１７は石炭粉砕機３ｂ、３ｃに供給され、石炭の乾燥に用いられる。また燃焼排ガスの一部は、誘引ファンによりバイオマス粉砕機１０３に供給され、バイオマスの乾燥に用いられる。

特開２００４−３４７２４１号 特許第３７１２６９１号公報 特開２００５−１１３１２５号公報

しかしながら上記したようなバイオマス粉砕装置では、石炭を粉砕する場合とは異なりバイオマスは含水率の変動が大きく、粉砕機の処理容量が大きく変動したり粉砕動力が大幅に増大したりするため、ボイラの安定運転に支障をきたすという問題があった。特に、単独粉砕方式では、バイオマスのみを粉砕する構成であるため水分変動が粉砕機の運転に大きく影響する。
従って、本発明は上記従来技術の問題点に鑑み、水分量の変動が大きいバイオマスに対しても、その粉砕性能を維持でき粉砕機の安定運用を達成するとともに粉砕動力の低減を図ることができるバイオマス粉砕装置及びその制御方法を提供することを目的とする。

一般に、バイオマスは高水分状態で粉砕を行うと、粉砕粉が粉砕機内部で再凝集をおこし粉砕機系外へ排出困難となったり、材料の弾性が高い状態で難粉砕状態となるため、同一粒径まで粉砕する動力が増加し処理容量が低下する。
図５に、木材の水分量と粉砕機の処理容量、及び動力比の関係を示す。ここで動力比とは粉砕動力原単位（kWh／t）をいう。
図中（Ｉ）靭性低減域は、木材内部にのみ水分が存在する乾燥状態で、破壊応力は低く、粉砕容易である。含水率は約２０％以下であり、この領域では含水率が低くなるにつれ処理容量が増加し、動力比は低減する。（II）不感帯域は、内部水分の他に表面水分、自由水が存在する状態である。含水率は約２０〜４０％の範囲内であり、処理容量と動力比の変化は小さい。（III）凝集域では、上記した水分形態の他に付着水、繊維間隙への水分浸透がみられる。これらの水分により粉砕粉が凝集をおこし、材料の弾性が増加する。含水率は約４０％以上であり、処理容量は低下し動力比は増加する。また、バイオマス粒子の弾性増加により、粉砕が困難な状態となる。
このグラフから、靭性低減域、即ち繊維飽和点以下は粉砕に適した含水率であることがわかる。

また、図６に木材の乾燥特性を表す特性図を示す。図中、破線は木材を自然乾燥させた場合、実線は熱風などにより木材を強制乾燥させた場合を表す。一点鎖線は乾燥時間に対する危険温度域を表す。危険温度域とは、自然発火するときの木材の温度である。区分iは自由水の乾燥領域、区分iiは弱結合水の乾燥領域、区分iiiは強結合水の乾燥領域である。
バイオマスを強制乾燥させると、最初にバイオマス内部の水分が蒸発し、大部分の水分が蒸発した後にバイオマス粒子自体が昇温する。粒子昇温点を越える過剰な乾燥を行うと自然発火を引き起こし危険である。領域Ａは粒子の昇温を伴わない安全な乾燥領域であり、領域Ｂは粒子昇温を伴う危険な乾燥領域である。
従って、粒子昇温点以上の含水率を保つことが安全面、効率面から重要であることがわかる。

そこで上記したバイオマスの特性を鑑みて、
本発明は、竪型粉砕機に供給されるバイオマスが載置される粉砕テーブルと、回転駆動する前記テーブルに連動して作動し前記バイオマスに押圧力を作用せしめて粉砕するローラと、前記粉砕機に空気を供給する空気供給手段とを備えたバイオマス粉砕装置において、
前記粉砕機の内部におけるバイオマスの含水率を検出する含水率検出手段と、該検出された含水率が繊維飽和点以下で且つ粒子昇温点以上となるように調整する含水率調整制御手段を備えることを特徴とする。

これは、粉砕機内部におけるバイオマスの含水率を繊維飽和点以下、即ち、図５に示される（Ｉ）靭性低減域で粉砕を行うことにより、処理容量が高く且つ動力比が低い運転を行うことができる。よって、低ランニングコストで効率よく粉砕機を運転することが可能となる。
また、粉砕機内部におけるバイオマスの含水率を粒子昇温点以上とすることにより、バイオマスの自然酸化を抑制でき、自然発火の危険性を回避できる。
このように、本発明によれば、粉砕機内部におけるバイオマスの含水率を適正値（図６の領域Ｃ）に調整することによって、粉砕機の安定運用を達成するとともに、粉砕動力の低減が図れる。

また、前記含水率調整制御手段は、前記含水率検出手段により検出された含水率に基づいて前記空気供給手段を制御して供給空気の加熱温度を調整するようにしたことを特徴とする。
このように、供給空気の加熱温度を調整することにより、粉砕機内部におけるバイオマスの含水率を適切な値に調整することが可能となる。

さらに、前記空気供給手段により供給される空気の少なくとも一部は前記粉砕機にて得られたバイオマス粉体を含む燃料を燃焼した燃焼排ガスであり、該空気供給手段は、加熱空気を供給する加熱空気供給ラインと、常温空気を供給する常温空気供給ラインと、夫々のライン上に設置されてガス供給量を調節するダンパと、を有しており、
前記含水率調整制御手段は、前記ダンパを開閉制御して供給空気の加熱温度を調整するようにしたことを特徴とする。
上記したようにバイオマス乾燥による粉砕性の維持のため、バイオマス粉砕機には加熱空気を導入するが、バイオマス粒子自身が高温雰囲気での自然酸化昇温特性が顕著であり、粉砕機内火災の要因となることが懸念される。従って、燃焼排ガスのような低酸素ガスを加熱空気に混入させることによって、バイオマスの自然酸化を抑制することができる。

さらにまた、前記粉砕機の前段側に設置されバイオマスを乾燥する予備乾燥装置と、該予備乾燥装置と前記粉砕機の間に設置されバイオマスの含水率を検出する第２の含水率検出手段と、該検出された含水率に基づいて前記空気供給手段を切り替える切替制御手段とを備え、
前記切替制御手段は、前記第２の含水率検出手段にて検出された含水率が基準値以下である場合には供給空気の加熱を停止して常温運転に切り替えることを特徴とする。
本発明によれば、予備乾燥装置を設けることによって粉砕機内部におけるバイオマスの含水率を低くすることができ、これにより粉砕熱によるバイオマス粒子の乾燥が進行するため、加熱空気の導入を不要とすることができる。

また、竪型粉砕機にバイオマスを供給し、該粉砕機内の回転駆動する粉砕テーブル上に載置されたバイオマスを、該テーブルの回転と連動して作動するローラにより押圧して粉砕するバイオマス粉砕装置の制御方法において、
前記粉砕機の内部におけるバイオマスの含水率を検出し、該含水率が繊維飽和点以下で且つ粒子昇温点以上となるように調整することを特徴とする。
さらに、前記粉砕機内部におけるバイオマスの含水率を、前記粉砕機への供給空気の加熱温度により調整することを特徴とする。

以上記載のごとく本発明によれば、粉砕機内部におけるバイオマスの含水率を適正値に調整することによって、処理容量を増大し粉砕機の安定運用を達成するとともに、粉砕動力の低減が図れる。
また、供給空気の加熱温度を調整することにより、粉砕機内部におけるバイオマスの含水率を適切な値に調整することが可能となる。
さらに、供給空気の少なくとも一部を燃焼排ガスとすることで、バイオマスの自然酸化を抑制することができる。

以下、図面を参照して本発明の好適な実施例を例示的に詳しく説明する。但しこの実施例に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対的配置等は特に特定的な記載がない限りは、この発明の範囲をそれに限定する趣旨ではなく、単なる説明例に過ぎない。
図１は本発明の実施例１に係るシステムの全体構成図、図２は竪型粉砕機の概略構成を示す側断面図、図３は粉砕機出口と内部におけるバイオマス粒子の含水率の相関関係を示すグラフ、図４は本発明の実施例２に係るシステムの全体構成図である。

図１に示すように本実施例に係るシステムは、必要に応じて所定粒径以下まで一次破砕（粗破砕）、乾燥されたバイオマス５１が貯蔵されるバイオマス貯蔵設備１と、バイオマス５１が供給されるホッパ２を備えたバイオマス粉砕機３と、石炭を受け入れるホッパ５ａ、５ｂを備えた石炭粉砕機４ａ、４ｂと、バイオマス粉砕機３にて得られたバイオマス粉体及び石炭粉砕機４ａ、４ｂにて得られた石炭粉末が供給されるボイラ火炉６と、を備える。

バイオマス粉砕機３の具体的構成について図２を参照して説明する。
円筒型をしたハウジング３１の下部には、略円形台状の粉砕テーブル３２が備えられ、その粉砕テーブル３２は、ハウジング３１の下部に設置されたモータ３６によって駆動され減速機を介して低速で回転するように構成されている。粉砕テーブル３２の外周縁部にはバイオマス５１が粉砕テーブル３２上で所定の厚さの堆積層を形成できるようにダムリング３３が立設されている。さらに、粉砕テーブル３２の外周部の上面に円周方向に等間隔で位置する部位に、油圧あるいはスプリング等で荷重を付加して、粉砕テーブル３２の回転と連動して回転しながらバイオマスに押圧力を作用せしめて粉砕する粉砕ローラ３４が設けられている。

ホッパ２から供給管２１を介して粉砕テーブル３２の中央部に供給されたバイオマスは、粉砕テーブル３２上において遠心力によって外周方向に移動して、粉砕レース３７と粉砕ローラ３４との間にかみこまれ、粉砕されるようになっている。尚、バイオマス供給管２１には、供給量を検出する供給量検出部２２が設けられ、供給量が監視されている。
ハウジング３１の下部からは空気供給ライン５４を介して空気が供給され、ハウジング内に吹き上げ気流が形成される。粉砕されたバイオマス粉体は、この吹き上げ気流によってハウジング上部に搬送される。ハウジング３１の上部に搬送された粉体のうち粗いものは重力で粉砕テーブル３２上に落下して再度粉砕される。ハウジング３１の上部には、固定式分級機あるいは回転式分級機３５が設けられ、再度分級される。所定の粒径より小さい微粉は吹き上げ気流によって搬出され、ボイラ火炉５に搬送される。分級機３５を貫通しなかった所定粒径より大きい粗粉は、粉砕テーブル３２上に落下して再度粉砕される。空気供給ライン５４より加熱空気を供給する場合は、バイオマスの乾燥にも用いられる。

また図１に示すように、ボイラ火炉６の炉本体６１には、高さ方向に複数段設けられた燃料供給ノズル６２ａ〜６２ｃと、空気ノズル及びこれらのノズルに共働するバーナ（不図示）が配設されている。炉内には加熱器、蒸発器、節炭器等にあたる伝熱管群６３が設置されている。
燃料供給ノズル６２ａ〜６２ｃから炉内に供給されたバイオマス粉体及び石炭粉体は、炉内で混合して燃焼される。燃焼により発生する燃焼排ガスは伝熱管群６３を加熱して煙道へ送られる。炉本体６１の炉出口に設けた煙道の途中には空気加熱器７が配置され、煙道内の燃焼排ガスは誘引ファンで引かれて空気加熱器、灰捕集装置を経て煙突から大気放出される。空気加熱器７により外気５５を加熱して得られた高温空気は空気供給ライン５７を介して石炭粉砕機４ｂ、４ｃに供給される。

またボイラ火炉６の出口から一部分岐させた燃焼排ガス５６は、必要に応じて外気５８を加えて、誘引ファン８により空気供給ライン５３〜５４を介してバイオマス粉砕機３に供給される。
燃焼排ガスを導く空気供給ライン５３は、冷空気供給ライン５３ａと温空気供給ライン５３ｂに分岐され、温空気供給ライン５３ｂ上には空気加熱器１３が設けられている。そして、夫々の空気供給ライン５３ａ、５３ｂ上には空気供給量を調節するダンパ１２、１４が設けられ、ダンパ１２、１４を経た空気は空気供給ライン５４を介して粉砕機３に導入されるようになっている。

さらに本実施例のバイオマス粉砕機３は、粉砕機内におけるバイオマスの含水率を検出する含水率検出手段と、該含水率を調整する含水率調整制御手段１５とを備え、これにより粉砕機内部におけるバイオマスの含水率を、繊維飽和点以下で且つ粒子昇温点以上となるように制御するようになっている。含水率を繊維飽和点以下とすることで、バイオマスの粉砕性が向上し処理容量が高く且つ動力比が低い運転を行うことができる。一方、粒子昇温点以上とすることで、バイオマスの自然酸化を抑制し、自然発火の危険性を回避することができる。好ましくは、粉砕機内部におけるバイオマスの含水率を３〜２３％とする。

含水率検出手段の一例として、図１に示すようにバイオマス粉体供給ライン５２上に設けた湿度センサ１０がある。該湿度センサ１０により粉砕機出口におけるバイオマスの含水率を検出し、該検出した含水率から粉砕機内部の含水率を推定する。この推定は制御装置１５により行われる。制御装置１５内には、粉砕機出口のバイオマスの含水率と粉砕機内部のバイオマスの含水率の相関関係が予め入力されており、該相関関係により粉砕機出口の含水率から粉砕機内部の含水率を導き出すようになっている。この相関関係をグラフ化したものが図３である。例えば、図３に示す相関関係を有する場合、粉砕機内部におけるバイオマスの含水率を３〜２３％とするために、粉砕機出口におけるバイオマスの含水率が２〜１０％となるように制御装置１５により供給空気の加熱温度を調整する。

制御手段１５は、粉砕機内部の含水率に基づいて該粉砕機３に供給する空気の加熱温度を調整する。加熱温度の調整は、ダンパ１２とダンパ１４を開閉制御して、冷空気と温空気の混合率を調節することにより適切な温度に調整できる。
また、バイオマス粉体供給ライン５２に温度センサ１１を設けることが好ましい。温度センサ１１は、粉砕機出口において、バイオマス粒子を一定温度領域に保持するために用いられる。

このように、本実施例によれば、粉砕機内部におけるバイオマスの含水率を適正値に維持することによって、粉砕機の安定運用を達成するとともに、粉砕動力の低減が図れる。
また、バイオマスの含水率に基づいて粉砕機に供給する加熱空気の温度を調整・制御することで、粉砕機内部のバイオマス水分を粉砕に好適な含水率に維持できる。
さらに、供給空気の少なくとも一部を燃焼排ガスとすることにより、バイオマスの自然酸化を抑制することができる。

図４に本実施例２に係るバイオマス混焼システムの全体構成図を示す。以下、実施例１と同様の構成についてはその詳細な説明を省略する。
同図に示すように、本実施例２に係るシステムは、バイオマス貯蔵設備１と、ホッパ２を備えたバイオマス粉砕機３と、ホッパ５ａ、５ｂを備えた石炭粉砕機４ａ、４ｂと、ボイラ火炉６とを備える。
バイオマス粉砕機３及び石炭粉砕機４ａ、４ｂにて得られた粉体燃料は、燃料供給ノズル６２ａ〜６２ｃからボイラ火炉６内に供給され、混合燃焼される。

本実施例では、バイオマス粉砕機３の上流側に予備乾燥機１７を備えている。また、予備乾燥機１７と粉砕機３の間には、湿度センサ１８が設けられる。
湿度センサ１８により検出したバイオマスの含水率に基づいて、制御装置１９により予備乾燥機１７の温度、処理時間等の制御を行う。さらに、検出した含水率が基準値以下である場合には、制御装置１９により粉砕機３に供給する空気の加熱を停止して常温運転に切り替える。尚、図４では図１に示した空気供給ライン５３〜５４は省略してある。
この実施例２によれば、バイオマスを予備乾燥機１７によって事前に調湿（乾燥）しているため、仕上げ乾燥を粉砕機による粉砕熱のみによって行うことができる。その結果、実施例１で記載したような、燃焼排ガスを供給する設備や制御を不要とすることができる。また、加熱空気を供給する必要がなくなるため、粉砕機内の自然発火を防止することが可能となる。

本発明の石炭・バイオマス粉砕装置及びその制御方法によれば、処理対象が水分量変動の大きいバイオマスであっても、その粉砕性能を維持でき粉砕機の安定運用を達成するとともに粉砕動力の低減を図ることができるため、既存の設備へ適用する際にも有益である。

本発明の実施例１に係るシステムの全体構成図である。 竪型粉砕機の概略構成を示す側断面図である。 粉砕機出口と内部におけるバイオマスの含水率の相関関係を示すグラフである。 本発明の実施例２に係るシステムの全体構成図である。 木材含水率に対する処理容量比と動力比の関係を示すグラフである。 木材の乾燥特性を表す特性図である。 従来の単独粉砕方式の粉砕機を示す側断面図である。 従来の単独粉砕方式による混焼システムを示す全体構成図である。

符号の説明

１ バイオマス貯蔵設備
２ ホッパ
３ バイオマス粉砕機
４ａ、４ｂ 石炭粉砕機
６ ボイラ火炉
１０ 温度センサ
１１ 湿度センサ
１２、１４ ダンパ
１３ 空気加熱器
１５ 含水率調整制御装置
１７ 予備乾燥機
１８ 湿度センサ
１９ 制御装置
５３、５４ 空気供給ライン
５３ａ 冷空気供給ライン
５３ｂ 温空気供給ライン

Claims (6)

1. 竪型粉砕機に供給されるバイオマスが載置される粉砕テーブルと、回転駆動する前記テーブルに連動して作動し前記バイオマスに押圧力を作用せしめて粉砕するローラと、前記粉砕機に空気を供給する空気供給手段とを備えたバイオマス粉砕装置において、
   前記粉砕機の内部におけるバイオマスの含水率を検出する含水率検出手段と、該検出された含水率が繊維飽和点以下で且つ粒子昇温点以上となるように調整する含水率調整制御手段を備えることを特徴とするバイオマス粉砕装置。
2. 前記含水率調整制御手段は、前記含水率検出手段により検出された含水率に基づいて前記空気供給手段を制御して供給空気の加熱温度を調整するようにしたことを特徴とする請求項１記載のバイオマス粉砕装置。
3. 前記空気供給手段により供給される空気の少なくとも一部は前記粉砕機にて得られたバイオマス粉体を含む燃料を燃焼した燃焼排ガスであり、該空気供給手段は、加熱空気を供給する加熱空気供給ラインと、常温空気を供給する常温空気供給ラインと、夫々のライン上に設置されてガス供給量を調節するダンパと、を有しており、
   前記含水率調整制御手段は、前記ダンパを開閉制御して供給空気の加熱温度を調整するようにしたことを特徴とする請求項１若しくは２記載のバイオマス粉砕装置。
4. 前記粉砕機の前段側に設置されバイオマスを乾燥する予備乾燥装置と、該予備乾燥装置と前記粉砕機の間に設置されバイオマスの含水率を検出する第２の含水率検出手段と、該検出された含水率に基づいて前記空気供給手段を切り替える切替制御手段とを備え、
   前記切替制御手段は、前記第２の含水率検出手段にて検出された含水率が基準値以下である場合には供給空気の加熱を停止して常温運転に切り替えることを特徴とする請求項２若しくは３記載のバイオマス粉砕装置。
5. 竪型粉砕機にバイオマスを供給し、該粉砕機内の回転駆動する粉砕テーブル上に載置されたバイオマスを、該テーブルの回転と連動して作動するローラにより押圧して粉砕するバイオマス粉砕装置の制御方法において、
   前記粉砕機の内部におけるバイオマスの含水率を検出し、該含水率が繊維飽和点以下で且つ粒子昇温点以上となるように調整することを特徴とするバイオマス粉砕装置の制御方法。
6. 前記粉砕機内部におけるバイオマスの含水率を、前記粉砕機への供給空気の加熱温度により調整することを特徴とする請求項５記載のバイオマス粉砕装置の制御方法。

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