JP2010105854A

JP2010105854A - 石炭灰の処理方法

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Publication number: JP2010105854A
Application number: JP2008279809A
Authority: JP
Inventors: Takahiko Terada; 隆彦寺田; Tatsumi Tano; 龍海田野; Akira Onaka; 昭大中; 一浩 ▲さい▼合; Kazuhiro Saiai; Ryunosuke Itokazu; 龍之介糸数; Masahito Tamura; 雅人田村
Original assignee: IHI Corp; Ube Industries Ltd
Current assignee: IHI Corp; Ube Corp
Priority date: 2008-10-30
Filing date: 2008-10-30
Publication date: 2010-05-13
Anticipated expiration: 2028-10-30
Also published as: JP5091084B2

Abstract

【課題】石炭灰の有効利用を図る。
【解決手段】微粉炭と改質剤の混合物を微粉炭ボイラ１０２で燃焼させた結果として生じる改質灰は、分級器１０４により、例えば粒径２０μｍ未満の小粒径の改質灰と粒径２０μｍ以上の大粒径の改質灰とに分別される。分級器１０４を通過した排気ガスは、ＳＯｘ除去装置１０６にて脱硫された後、煙突１０７から排出される。粒径２０μｍ以上の大粒径の改質灰は、セメント材料に混合される。粒径２０μｍ未満の小粒径の改質灰は、微粉炭ボイラ１０２の火炉に戻され、微粉炭と共に燃焼に供される。
【選択図】図１

Description

本発明は、石炭を燃焼させた結果生じる石炭灰の処理方法に関する。

石炭火力発電所では、微紛炭をボイラ内で燃焼させたエネルギーを用いて発電を行っている。この燃焼により大量に発生する石炭灰は、現在まで様々な有効利用技術が開発されている。例えば、特許文献１には、セメントにフライアッシュ（石炭灰）を配合してフライアッシュセメントを製造する方法が記載されている。しかしながら、近年のセメント生産量の減少によるセメント原料としての石炭灰の需要の減少、及び、高灰分炭の利用拡大による石炭灰発生量の増加により、新たな石炭灰の大量有効利用用途の開発が喫緊の課題となっている。
特開平９−２５５３８０号公報

本発明は、このような石炭灰の有効利用を図ることを目的とする。

上記目的の達成のため、本発明に係る石炭灰の処理方法は、微粉炭及びカルシウム化合物を含む改質剤を微粉炭ボイラに供給し燃焼させる工程と、前記微粉炭ボイラから排出された排気ガス中の改質灰を分級する工程と、前記改質灰を分級する工程において分級された前記改質灰のうち、粒径が所定値未満の前記改質灰を前記微粉炭ボイラに供給する工程とを備えたことを特徴とする。

本発明に係る石炭灰の処理方法によれば、石炭灰の有効利用を図ることができる。また、新たに微粉炭ボイラに供給する改質剤の量を削減することができる。そして、最終処分場の延命化を図ることができると共に、地球環境への悪影響を低減することができる。また、セメント製造装置のような大掛かりな装置を使用することなく、フリーライムの量が低減されたセメントクリンカ相当の組成物を安価・簡便に製造することができ産業上有用である。

次に、本発明の実施の形態を、図面を参照して詳細に説明する。図１は、本発明に係る石炭火力発電設備及びセメント製造設備を示すブロック図である。この設備は、火力発電プラント１００と、セメント製造プラント２００とを隣接させて設置して構成される。

火力発電プラント１００は、燃料である石炭を粉砕して微粉炭とする粉砕機１０１、微粉炭を燃焼させるための微粉炭ボイラ１０２、ＮＯｘ分解装置１０３（ＮＯｘガスを分解・除去するための装置）、分級器１０４、ＳＯｘ除去装置１０６（ＳＯｘガスを除去するための装置）、及び煙突１０７を備えている。なお、分級器１０４は例えば微粉炭ボイラ１０２の排気口の一部に形成されるものであってもよい。

一方、セメント製造プラント２００は、セメント原料である石灰石及びその他の副原料（例えば粘土、けい石等）を粉砕する粉砕機２０１、粉砕した石灰石と副原料を予熱し焼成するための予熱・焼成器２０２、焼成したクリンカを空気で冷却するための冷却器２０３、冷却されたクリンカに石膏を混合するための混合器２０４、及び分級器２０５Ａ〜Ｃを備えている。

粉砕機２０１で粉砕されたセメント材料は、予熱・焼成器２０２に予熱された後焼成されてセメントクリンカとなる。セメントクリンカは冷却器２０３で冷却された後、混合器２０４で石膏等と混合されてセメント材料となる。このセメント材料には、後述するように火力発電プラント１００から供給される改質灰も混合される。セメント製造プラントの操業条件は、適宜設定される。例えば、焼成温度は、１０００〜１４００℃であり、冷却器２０３における冷却温度は３００〜６００℃である。

この実施の形態では、火力発電プラント１００側の粉砕機１０１で粉砕された微粉炭と、セメント製造プラント２００から発生するダスト（カルシウムを成分として含有する）からなる改質剤を微粉炭ボイラ１０２に供給し燃焼させる。

微粉炭と改質剤を微粉炭ボイラ１０２に供給する方法としては、微粉炭と改質剤を別々に微粉炭ボイラ１０２に供給する方法や、微粉炭と改質剤を予め混合して微粉炭ボイラ１０２に供給し燃焼する方法が挙げられる。この中で、図１に示すように、微粉炭と改質剤を予め混合して微粉炭ボイラ１０２に供給することがより好ましい。微粉炭と改質剤を予め混合する方法としては、供給配管上で行うことや、石炭と改質剤をともに粉砕機１０１に供給する方法などが挙げられる。

本発明において用いられる石炭の種類は特に制限されることない。微粉炭の粒径は、一般的には７５μｍ以下（全粒子中の７０〜８０％）で平均粒径は３０〜４５μｍである。

微粉炭にカルシウムを含む改質灰を混合してなる混合物の総質量に対するカルシウムを含む改質灰の混合率は、３０〜７０質量％、好ましくは４５〜６５質量％、特に好ましくは４５〜５０質量％である。このときの燃焼温度は、１３００〜１５００℃、好適には１４００〜１５００℃とされる。このダストすなわち改質剤は、例えばセメント製造プラント２００側の粉砕機２０１、冷却器２０３、及び混合器２０４から排出され、分級器２０５Ａ〜Ｃを介して微粉炭ボイラ１０２に供給される。

粉砕機２０１から排出されるダストとは、キルンダストをいい、より具体的にはロータリーキルン、プレヒータ、又は粉砕機の排風ラインに設けられた電気集塵機・バッグフィルター等のダスト分離機において回収されるダストという。カルシウム濃度（ＣａＯとして）は６０〜７０質量％である。

また、冷却器２０３から排出されるダストとは、クリンカークーラーダストをいい、より具体的にはクリンカークーラーの排風ラインに設けられた電気集塵機・バッグフィルター等のダスト分離機において回収されるダストをいう。カルシウム濃度（ＣａＯとして）は６０〜７０質量％である。

さらに、混合器２０４から排出されるダストとは、仕上げ工程ダストをいい、より具体的には仕上げ工程の粉砕機等の排風ラインに設けられた電気集塵機・バッグフィルター等のダスト分離機において回収されるダストをいう。カルシウム濃度（ＣａＯとして）は６０〜７０質量％である。

なお、改質剤は、カルシウムを含むものであればよく、一例としては酸化カルシウム（ＣａＯ）、炭酸カルシウム（ＣａＣＯ_３）等である。石灰石を焼成して得られる生石灰及びその製造工程において発生する生石灰を含むダストも改質剤として使用することができる。

この実施の形態では、微粉炭の平均粒径を３０〜４５μｍ、及び改質剤の平均粒径を１０μｍ以下、好ましくは１〜５μｍとし、微粉炭ボイラ１０２における改質温度は、１０００〜１５００℃、好ましくは１２００〜１３００℃である。

改質灰は微粉炭ボイラ１０２において、２〜５秒の短い反応時間で生成させる。微粉炭ボイラ１０２内の酸素濃度は、一般的に３〜５容量％に保持される。これにより、セメントクリンカ鉱物であるエーライト（３ＣａＯ・ＳｉＯ_２）、及びビーライト（２ＣａＯ・ＳｉＯ_２）を含むセメントクリンカ相当の改質灰を得ることが出来る。これにより、セメント材料の代替品として利用可能である。セメント代替とすることにより、セメント１トン当たりの焼成量が減少し、セメントの生産性が向上すると共に、セメント製造プロセスへの負荷を低減させることができる。これにより、セメント製造設備２００の石灰石焼成の負荷を低減させ、省エネルギー及びＣＯ_２等地球温暖化効果ガスの削減に貢献することができる。

微粉炭と改質剤の混合物を微粉炭ボイラ１０２で燃焼させた結果として生じる改質灰は、分級器１０４により粒径が所定値となるように分級される。例えば、粒径２０μｍ未満の小粒径の改質灰と粒径２０μｍ以上の大粒径の改質灰とに分別される。分級機１０４としては、電気集塵機やサイクロンが挙げられる。分級機１０４を通過した排気ガスは、ＳＯｘ除去装置１０６にて脱硫された後、煙突１０７から排出される。

尚、分級機１０４として電気集塵機を用いて排ガスと改質灰を分級する態様について、電気集塵機は、上流から下流に向かって区画されている。排気ガスの入口側である上流側には比較的粒度が大きい改質灰が、下流にいくに従い粒径が小さな改質灰が捕集される。

本発明者らは、分級した改質灰の物性を詳細に検討している中で、驚くべきことに、大きな粒径の改質灰においてはセメントクリンカ組成物の含有量が多く、逆に小さな粒径の改質灰には微粉炭ボイラに供給したカルシウム化合物を含む改質剤の未反応物であるフリーライム（ｆ−ＣａＯ）が多く存在することを見出した。そこで、分級器１０４で分別された粒径２０μｍ未満の小粒径の改質灰は、微粉炭ボイラ１０２の火炉に戻され、微粉炭と共に燃焼に供される。このような小粒径の改質灰を微粉炭ボイラ１０２に供給することにより、新たに供給される改質剤の供給量はその分減少させることができる。

石炭灰の改質率を維持しながらフリーライムの改質灰中の含有率を低減させるため、フリーライム含有量の大きい小粒径（粒径２０μｍ未満）の改質灰は微粉炭ボイラ１０２で再び燃焼に供し、大粒径（粒径２０μｍ以上）の改質灰のみをセメント材料に用いる。
これにより、分級器１０４で得られる粒径２０μｍ以上の大粒径の改質灰は、そのＣａＯ濃度を４０〜７０％、より好ましくは４５〜５５％の範囲とすることができる。この範囲では、改質灰の組成が、セメントクリンカ鉱物であるエーライト（３ＣａＯ・ＳｉＯ_２）、及びビーライト（２ＣａＯ・ＳｉＯ_２）が生成可能な組成となる。セメントの材料として好適であるので、セメント製造設備２００においてセメント材料と混合され、セメントの材料とされる。

次に、実施例を示すことにより、本発明に係る石炭灰の処理方法を更に詳細に説明する。ただし、本発明の範囲はこれらに限定されるものではない。尚、以下で示す「％」は特に記載がない限り、質量％を示す。

図２に示す装置を使用して改質灰を製造した。この装置は、カルシウムを含む改質剤の微粒子を供給するＣａ微粒子供給装置３０１、微粉炭を供給する微粉炭供給装置３０２、微粉炭を運搬するための気流を発生するブロワ３０３、微粉炭と改質剤を混合する混合器３０４（微粉炭供給装置３０２の微粉炭供給配管に、改質剤の供給配管を傾斜させた形で接続したもの（ラインミキシング））、微粉炭ボイラ３０５、微粉炭ボイラ３０５からの排気ガスを冷却する冷却装置３０７、ガス分析計３０８、冷却装置３０７で冷却された排気ガスを再度加熱するガスエアヒータ３０９、ガスエアヒータ３０９からの排気ガスを再度冷却する冷却装置３１１、バグフィルタ３１２、及びガスエアヒータ３０９およびブロワ３０３に熱気流を供給する熱源３１３を備えている。

微粉炭としては、水分３．７％、灰分１０．８％、揮発分３２．６％、固定炭素５２．９％、発熱量２９，３８０ＫＪ/ｋｇの石炭を使用した。また、改質剤は、セメント原料粉砕機ダスト（平均粒径２μｍ、水分０．４％、灰分６２．９％、灰分中のＣａＯ濃度５７％）のものを使用した。

微粉炭と改質剤を微粉炭ボイラ３０５に供給した。単位時間当たりの供給量は微粉炭が１００ｋｇ/ｈで且つ改質剤が５３ｋｇ/ｈのケース、微粉炭１２０ｋｇ/ｈで且つ改質剤が６４ｋｇ/ｈのケースの２つのケースで行なった。さらに、それぞれのケースについて、図２に示すように微粉炭と改質剤を混合器３０４で混合する方法と、微粉炭と改質剤を予め図示しない竪型ローラミルに供給して混合粉砕したものを微粉炭供給装置３０２を経由して微粉炭ボイラ３０５に供給する方法とを実行し、合わせて４つのケースで検証を行った。後者の竪型ローラミルに供給して混合粉砕する方法においては、Ｃａ微粒子供給装置３０１と混合器３０４は使用されなかった。

微粉炭ボイラ３０５の温度は１２００℃、微粉炭ボイラ３０５の炉内の酸素濃度は３容量％であった。図２の設備における（Ａ）〜（Ｅ）の位置におけるダスト（改質灰）を収集し、分析を行った。（Ａ）は、微粉炭ボイラ３０５内部において収集されたダストであり、（Ｂ）は、微粉炭ボイラ３０５から排出された排気ガスの排気通路で収集されたダストである。また、（Ｃ）は冷却装置３０７で収集されたダストである。（Ｄ）は、ガスエアヒータ３０９の内部から収集されたダストであり、（Ｅ）はバグフィルタ３１２で収集されたダストである。これらのダストの分析結果（平均粒径、全生成灰に対する質量比率、フリーライム（ｆ−ＣａＯ）含有率（α）、炭素含有率（β）、不溶残分含有率（γ）、水硬性分（１００−α−β−γ）、ビーライト含有率）を表１に示す。表１に示すデータは、上記で説明した４つのケースについて取得したデータの平均値を示す。また、ここで用いられる平均粒径とは、質量基準径を指す。

なお、フリーライム含有率は、ＪＣＡＳのＩ−０１−１９９７ｂに示される手法により計測した。また、炭素含有率は、Ｌｅｃｏ社の炭素計ＣＳ−４００を用いて計測した。また、不溶残分含有率は、ＪＩＳＲ５２０２に示される手法により計測した。さらに、水硬性分含有率は、ＸＲＤ／Ｒｉｅｔｖｅｌｄ法により計測した。また、粒度の測定は、レーザー回折・散乱式粒度分布測定装置（堀場製作所株式会社製）によって行なった。

上記Ａ〜Ｅの位置にて収集されたダストについて、（Ａ）と（Ｂ）の位置にて収集されたダストを混合したもの（大粒径灰）と、（Ｃ）、（Ｄ）及び（Ｅ）の位置にて収集されダストを混合したもの（小粒径灰）を作製した（分離回収方式）。（Ａ）〜（Ｅ）をすべて混合したもの（一括回収方式）のデータとともに表２に示す。表２に示すデータは、上記で説明した４つのケースについて取得したデータの平均値を示す。

例えば、２０μｍより大きいダスト（（Ａ）、（Ｂ））と、２０μｍより小さいダスト（（Ｃ）、（Ｄ）、（Ｅ））とをそれぞれ別途分離して回収することにより、水硬性成分の比率が高くｆ−ＣａＯが低いダスト（（Ａ）、（Ｂ））と、水硬性成分の比率が低くｆ−ＣａＯが高いダスト（（Ｃ）、（Ｄ）、（Ｅ））に分離することができることが明かとなった。前者はセメントに混合し、後者は微粉炭燃焼炉に改質剤として再供給することができる。

以上、発明の実施の形態を説明したが、本発明はこれらに限定されるものではなく、発明の趣旨を逸脱しない範囲内において、種々の変更、追加等が可能である。例えば、火力発電プラント、セメント製造プラントの構成は、図１に示されたものに限らず、様々なものが使用し得る。

本発明に係る改質灰を製造するための設備を示すブロック図である。本発明に係る改質灰を製造するための設備の一例である。

符号の説明

１００・・・火力発電プラント、１０１・・・粉砕機、１０２・・・微粉炭ボイラ、１０３・・・ＮＯｘ分解装置、１０４・・・分級機、１０６・・・ＳＯｘ除去装置、１０７・・・煙突、２００・・・セメント製造プラント、２０１・・・粉砕機、２０２・・・予熱・焼成器、２０３・・・冷却器、２０４・・・混合器、２０５Ａ〜Ｃ・・・分級器。

Claims

微粉炭及びカルシウム化合物を含む改質剤を微粉炭ボイラに供給し燃焼させる工程と、
前記微粉炭ボイラから排出された排気ガス中の改質灰を分級する工程と、
前記改質灰を分級する工程において分級された前記改質灰のうち、粒径が所定値未満の前記改質灰を前記微粉炭ボイラに供給する工程と
を備えたことを特徴とする石炭灰の処理方法。
前記改質灰を分級する工程において分級された前記改質灰のうち、粒径が所定値以上の前記改質灰をセメント材料に混合させる工程を備えた請求項１記載の石炭灰の処理方法。
前記改質剤の少なくとも一部は、セメント製造工程で発生するダストである請求項１又は２記載の石炭灰の処理方法。