JP2011106790A - ボイラ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】石炭及びバイオマスの微粉度を下げてバイオマス混焼率を向上させた混焼が可能になるボイラ装置を提供する。
【解決手段】混合粉砕した石炭及びバイオマスを酸素／二酸化炭素燃焼ボイラに投入して高酸素濃度で燃焼させるボイラ装置において、酸素／二酸化炭素燃焼ボイラとした石炭焚きボイラ２０から排出される灰中未燃分量を計測する灰中未燃分計測装置５０を設け、灰中未燃分量の計測値に応じて、石炭焚きボイラ２０の上流側へ戻す燃焼排ガス循環量、及び／または、石炭焚きボイラ２０の１次空気及び２次空気に対する酸素分配比率の制御を行うようにした。
【選択図】図１

Description

本発明は、微粉砕した石炭及びバイオマスの粉体燃料を混焼させるボイラ装置に係り、特に、バイオマスの混焼率を高めることができるボイラ装置に関する。

従来、石炭焚き等の既設ボイラ設備においては、バイオマスを混焼させる方法として、たとえば図９に示すような混合粉砕方式が知られている。この混合粉砕方式は、石炭とともにバイオマスを微粉炭機（ミル）１０に投入し、微粉砕されたバイオマス及び微粉炭を混合した状態で石炭焚きボイラ２０の石炭バーナより火炉内に投入して混焼させるものである。
石炭焚きボイラ２０では、石炭及びバイオマスを微粉炭機１０で微細な粒子に粉砕して空気中に浮遊させながら燃焼させる。石炭焚きボイラ２０に好適な微粉炭及びバイオマスの微粉度（粒度）は、通常２００メッシュパス７０％（重量平均径５０μｍ）程度〜２００メッシュパス９０％（重量平均径３０μｍ）程度である。

上述した微粉炭及びバイオマスの微粉度は、図１０に示すように、微粉度を下げて重量平均径が大きくなると、石炭焚きボイラ２０で発生する未燃分が増加する。
一方、微粉度を上げて微粉炭の重量平均径を小さくするためには、微粉炭機１０の負荷が増大することに伴って動力消費も大きくなる。特に、バイオマスの主成分が弾性材料であることから、石炭と比較すれば動力消費の少ない効率的な粉砕は困難である。従って、図１１に示すように、石炭専焼時からバイオマスの混合割合が増すにつれて、すなわち、バイオマス混焼率が高くなるにつれて微粉炭機１０の動力比も大きくなる。

また、燃焼用空気から分離した酸素を用いて石炭等の燃料を燃焼させることにより、ボイラから排出される燃焼排ガス中の二酸化炭素濃度を高濃度に高める酸素／二酸化炭素燃焼ボイラが知られている。
さらに、既存のボイラに容易に適用し、燃焼を安定かつ容易に制御するために有効な酸素燃焼ボイラの燃焼制御方法及び装置が提案されている。この従来技術には、ボイラ本体の収熱量が目標値となるように、燃焼排ガスの再循環量を制御してボイラ全体に導入される全ガス中の酸素濃度を調節することが記載されている。（たとえば、特許文献１参照）

特開２００７−１４７１６２号公報

上述したように、既設等の石炭焚きボイラでバイオマスを混焼させるためには、バイオマスも細かく粉砕する必要がある。しかし、微粉炭機による混合粉砕方式では、既設の微粉炭機を流用できることから設備構造がシンプルになるというメリットを有する反面、粉砕効率の問題を有するバイオマス（弾性材料）を石炭と混合粉砕する際には、微粉炭機の粉砕能力による制約を受ける。すなわち、石炭と混合粉砕できるバイオマス量は微粉炭機の粉砕能力によって制限されるため、自ずとバイオマス混焼比率の上限にも制約を受けることとなる。

このように、既設等の微粉炭機を使用する混合粉砕方式においては、バイオマス混焼比率をより高い値に設定しようとすると、微粉炭機に設定された最大動力の上限により、微粉炭及びバイオマスの微粉度を下げる（粒径を大きくする）ことが必要となる。しかし、微粉度を下げた微粉炭及びバイオマスの粉体燃料は、燃焼性の悪化による未燃分増加という問題を有している。
また、無煙炭や半無煙炭、石油コークスといった燃料は、石炭火力発電用の燃料として最も多く使用されている瀝青炭と比較すると、揮発分が少なく固定炭素分が多いため、着火性や燃焼性が劣る。

このような背景から、石炭とバイオマスとを混合粉砕して混焼させるボイラ装置においては、できるだけ微粉度を下げてバイオマスの混焼率を高めた混焼を可能にする技術が望まれる。
本発明は、上記の事情に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、石炭及びバイオマスの微粉度を下げてバイオマス混焼率を向上させた混焼が可能になるボイラ装置を提供することにある。

本発明は、上記の課題を解決するため、下記の手段を採用した。
本発明の請求項１に係るボイラ装置は、混合粉砕した石炭及びバイオマスを酸素／二酸化炭素燃焼ボイラに投入して高酸素濃度で燃焼させるボイラ装置において、前記酸素／二酸化炭素燃焼ボイラから排出される灰中未燃分量を計測する未燃分計測手段を設け、前記灰中未燃分量の計測値に応じて、前記酸素／二酸化炭素燃焼ボイラの上流側へ戻す燃焼排ガス循環量、及び／または、前記酸素／二酸化炭素燃焼ボイラの１次空気及び２次空気に対する酸素分配比率の制御を行うことを特徴とするものである。

このようなボイラ装置によれば、酸素／二酸化炭素燃焼ボイラから排出される灰中未燃分量を計測する未燃分計測手段を設け、灰中未燃分量の計測値に応じて、酸素／二酸化炭素燃焼ボイラの上流側へ戻す燃焼排ガス循環量、及び／または、酸素／二酸化炭素燃焼ボイラの１次空気及び２次空気に対する酸素分配比率の制御を行うので、１次空気及び２次空気の酸素濃度を適切に調整して、灰中未燃分量を低い値に維持することができる。
すなわち、「燃焼排ガス循環量」及び「１次空気／２次空気に対する酸素分配比率」について、少なくともいずれか１つを灰中未燃分量の計測値に応じて適切な値に調整することにより、微粉度を下げた粉体燃料の良好な燃焼を促進し、灰中未燃分を規定値以下の低い値に維持した運転が可能になる。

この場合、石炭及びバイオマスを混合粉砕して酸素／二酸化炭素燃焼ボイラへ供給するミルの動力（初期値）を石炭専焼時と略同等に設定し、「燃焼排ガス循環量」及び「１次空気／２次空気に対する酸素分配比率」を調整した後に燃焼状況等の変化を見て必要と判断した場合には、ミル動力を段階的あるいは一気に上限値まで引き上げて微粉度を高くすることが望ましい。
このようにすれば、混合粉砕した石炭及びバイオマスの粒径が小さくなり、粉体燃料の燃焼性が向上するので、ミルが有する動力の裕度を利用して、灰中未燃分を規定値以下の低い値に維持する運転が可能になる。

上記の発明において、前記燃焼排ガス循環量は、前記灰中未燃分量の計測値が増加した場合に減少するように調整されることが好ましく、これにより、１次空気及び２次空気の酸素濃度を相対的に高めることができる。

上記の発明において、前記酸素／二酸化炭素燃焼ボイラの１次空気及び２次空気に対する酸素分配比率は、前記灰中未燃分量の計測値が増加した場合に前記１次空気側の分配量を増すように調整されることが好ましく、これにより、燃料に近い１次空気の酸素濃度を増して良好な燃焼を促進することができる。

本発明の請求項４に係るボイラ装置は、混合粉砕した石炭及びバイオマスを酸素／二酸化炭素燃焼ボイラに投入して高酸素濃度で燃焼させるボイラ装置において、前記ミルの出口部に出口温度計測手段を設け、該出口温度計測手段の計測値に応じて、前記酸素／二酸化炭素燃焼ボイラの１次空気及び２次空気に対する酸素分配比率の制御を行うことを特徴とするものである。

請求項４に記載されたボイラ装置によれば、ミルの出口部に出口温度計測手段を設け、該出口温度計測手段の計測値に応じて、酸素／二酸化炭素燃焼ボイラの１次空気及び２次空気に対する酸素分配比率の制御を行うので、１次空気中の酸素濃度を適切に調整することにより、ミル内で混合粉砕される石炭及びバイオマスの自然発火を防止して良好な着火性を得ることができる。

請求項４に記載のボイラ装置において、前記酸素／二酸化炭素燃焼ボイラの１次空気及び２次空気に対する酸素分配比率は、前記出口温度計測手段の計測値が所定値以上とならないように調整されることが好ましく、これにより、ミル内の酸素濃度が高まると温度上昇により発生しやすくなる自然発火を確実に防止することができる。

上述した本発明によれば、酸素／二酸化炭素燃焼の酸素濃度を最適に制御することにより、微粉度を下げた粉体燃料の良好な燃焼が可能になるので、粉砕効率に問題を有するバイオマスの高混焼率燃焼を実現することができ、かつ、二酸化炭素の排出量も大幅に削減できるボイラ装置を提供することができる。なお、本発明のボイラ装置は、無煙炭、半無煙炭及び石油コークスといった難燃性燃料や、粉砕性が悪く微粉度が低下した石炭の燃焼性向上にも有効である。

また、本発明のボイラ装置は、石炭焚き等の既設ボイラに対して、酸素分離装置や二酸化炭素回収設備等を増設する改造を行い、燃焼排ガスの一部を酸素と混合させて石炭及びバイオマスを混合粉砕した粉体燃料の酸化剤として使用する場合にも適用可能である。
そして、ミルの動力（初期値）を石炭専焼時と略同じ値に設定すれば、微粉炭及びバイオマスの微粉度を下げて（粉砕粒径を粗くして）バイオマス混焼比率を高め、あるいは、必要に応じてミルが有する動力の裕度を利用し、微粉度を上げて灰中未燃分を規定値以下の低い値に維持する運転も可能になる。

さらに、本発明のボイラ装置は、ミルの出口部に出口温度計測手段を設けて出口温度を計測し、この計測値に応じて酸素／二酸化炭素燃焼ボイラの１次空気及び２次空気に対する酸素分配比率の制御を行うようにしたので、１次空気中の酸素濃度を適切に調整し、ミル内で混合粉砕される石炭及びバイオマスの自然発火を防止して、良好な着火性を安全に得ることができる。

本発明に係るボイラ装置の一実施形態（第１の実施形態）を示す構成図である。 図１の制御部が実施する制御例を示すフローチャートである。 図２の酸素濃度制御に係る制御例を示すフローチャートである。 本発明に係るボイラ装置の一実施形態（第２の実施形態）を示す構成図である。 酸素／二酸化炭素燃焼ボイラの第１構成例を示す構成図であり、酸素分離装置で空気から分離した酸素を２次空気のみに混合する方式が示されている。 酸素／二酸化炭素燃焼ボイラの第２構成例を示す構成図であり、酸素分離装置で空気から分離した酸素を１次空気及び２次空気に混合する第１の方式が示されている。 酸素／二酸化炭素燃焼ボイラの第３構成例を示す構成図であり、酸素分離装置で空気から分離した酸素を１次空気及び２次空気に混合する第２の方式が示されている。 酸素／二酸化炭素燃焼ボイラの第４構成例を示す構成図であり、酸素分離装置で空気から分離した酸素を１次空気及び２次空気に混合する第３の方式が示されている。 石炭及びバイオマスを混合粉砕して石炭焚きボイラで燃焼させる従来のボイラ装置を示す構成図である。 微粉炭及びバイオマスの微粉度（重量平均径）を横軸とし、石炭焚きボイラで発生する灰中未燃分を縦軸に示した図である。 バイオマス混焼率を横軸とし、微粉炭機における動力比を縦軸に示した図である。

以下、本発明に係るボイラ装置の一実施形態を図面に基づいて説明する。
本実施形態のボイラ装置は、石炭とバイオマスとを高混焼率で燃焼させるため、酸素／二酸化炭素燃焼ボイラに微粉度を下げた粉体燃料（石炭及びバイオマスの微細粒子）を投入して高酸素濃度で燃焼させるものである。このような酸素／二酸化炭素燃焼ボイラは、たとえば既設の石炭焚きボイラから容易に改造することができる。

ここで、酸素／二酸化炭素燃焼ボイラについて、図５〜図８に基づいて説明する。
酸素／二酸化炭素燃焼ボイラは、燃焼用の空気から窒素を取り除いて酸素を分離させ、この酸素とボイラ出口から排出された燃焼排ガスの一部とを混合した酸化剤を高酸素濃度の燃焼に使用するとともに、燃焼排ガス中の二酸化炭素を回収する燃焼方式である。すなわち、上述した燃焼排ガスの主成分は二酸化炭素であるから、ボイラ出口から排出された燃焼排ガスの一部をボイラ上流側へ導入して再循環させることにより、燃焼用空気に代えて二酸化炭素と酸素との混合ガス（酸化剤）をボイラへ投入する高酸素濃度の燃焼が可能になる。

上述した酸素／二酸化炭素燃焼ボイラでは、燃焼用空気から分離した酸素で石炭を燃焼させることにより、燃焼排ガス中の二酸化炭素濃度を９０％程度まで高めることができるので、燃焼排ガスの二酸化炭素分離プロセスが不要となり、圧縮・冷却での二酸化炭素回収が可能となる。
このような酸素／二酸化炭素燃焼ボイラには下記の４方式があり、燃焼用空気から分離させた酸素の混合先が異なっている。

図５に示す第１構成例の酸素／二酸化炭素燃焼ボイラは、石炭及びバイオマスを微粉炭機１０で混合粉砕した粉体燃料が燃料流路１１を通って石炭焚きボイラ２０へ投入され、この粉体燃料を燃焼用空気の１次空気及び２次空気により燃焼させる装置である。
この場合の１次空気は、石炭焚きボイラ２０から排ガス流路２１を通って排出される燃焼排ガスの一部であり、脱塵装置４０の下流側で分岐する排ガス循環流路２２及び１次用排ガス流路２３を介して微粉炭機１０へ導入される。従って、微粉炭機１０へ供給される１次空気の主成分は二酸化炭素となり、この１次空気は、微粉炭機１０内で混合粉砕した粉体燃料の搬送ガスとして使用される。

この場合の２次空気は、石炭焚きボイラ２０から排出される燃焼排ガスの一部と、燃焼用空気を酸素分離装置３０に導入して窒素を除去した酸素との混合ガスであり、酸素濃度の高い燃焼用空気となる。２次空気として使用される燃焼排ガスは、排ガス循環流路２２から分岐する２次用排ガス流路２４を通って石炭焚きボイラ２０に投入される。また、酸素分離装置３０から酸素を供給する酸素供給流路３１は、２次用排ガス流路２４に合流している。
すなわち、この第１構成例は、酸素分離装置３０から供給される酸素を２次空気側にのみ混合する方式である。なお、ここで再循環させる燃焼排ガスは、脱塵装置４０を通過した脱塵後の一部であり、残りの燃焼排ガスについては、下流側に設けられた二酸化炭素回収装置（不図示）へ導かれて処理される。

図６に示す第２構成例の酸素／二酸化炭素燃焼ボイラは、酸素分離装置３０から供給される酸素を１次空気及び２次空気に分配して混合する方式である。この場合、１次空気に対する酸素の混合位置は微粉炭機１０の上流側となり、酸素供給流路３１から分岐した１次用酸素流路３２が１次用排ガス流路２３に合流している。なお、他の構成については、上述した第１構成例と同じであり、従って、同一箇所には同じ符号を付し、その詳細な説明は省略する。

図７に示す第３構成例の酸素／二酸化炭素燃焼ボイラは、酸素分離装置３０から供給される酸素を１次空気及び２次空気に分配して混合する方式であり、１次空気に対する酸素の混合位置を微粉炭機１０の下流側とした点が第２構成例と異なっている。すなわち、酸素供給流路３１から分岐した１次用酸素流路３３が、粉体燃料を石炭焚きボイラ２０へ投入する燃料流路１１に合流している。なお、他の構成については、上述した第１構成例と同じであり、従って、同一箇所には同じ符号を付し、その詳細な説明は省略する。

図８に示す第４構成例の酸素／二酸化炭素燃焼ボイラは、酸素分離装置３０から供給される酸素を１次空気及び２次空気に分配して混合する方式であり、１次空気に対する酸素の混合位置が第２構成例及び第３構成例と異なっている。この場合、微粉炭機１０の下流側に設けられた燃料流路１１に燃焼排ガスを追加供給する排ガス分岐流路２５を設け、この排ガス分岐流路２５に１次用酸素流路３４を合流させることで、１次空気用の燃焼排ガスに酸素を混合させている。なお、他の構成については、上述した第１構成例と同じであり、従って、同一箇所には同じ符号を付し、その詳細な説明は省略する。

＜第１の実施形態＞
以下では、本発明に係るボイラ装置について、第１の実施形態を図１から図３に基づいて説明する。
図１に示すボイラ装置は、微粉炭機１０で混合粉砕した石炭及びバイオマスの粉体燃料を石炭焚きボイラ２０に投入して高酸素濃度で燃焼させる装置である。従って、粉体燃料を燃焼させる酸化剤は、酸素とボイラ出口から排出された燃焼排ガスの一部とを混合した混合ガスとなる。なお、図示の石炭焚きボイラ２０は、図６に示した第２構成例の酸素／二酸化炭素燃焼ボイラを採用しているが、これに限定されることはない。

この実施形態では、酸素／二酸化炭素燃焼ボイラとした石炭焚きボイラ２０から排出される灰中未燃分量の計測を行う灰中未燃分計測装置５０を設け、制御部６０が灰中未燃分量の計測値に応じた制御を行うように構成されている。
灰中未燃分計測装置５０は、石炭焚きボイラ２０の燃焼排ガス出口に接続された排ガス流路２１において、脱塵装置４０の上流側に設置されている。この灰中未燃分計測装置５０は、たとえばサンプリングした灰をレーザ照射によりプラズマ化させ、プラズマ光を分光分析することにより灰の組成成分濃度を計測するＬＩＢＳ法（レーザ誘起ブレークダウン法；Laser Induced Breakdown Spectroscopy）を用いたものがあり、リアルタイムで計測した計測値を制御部６０に入力することができる。

一方、酸素分離装置３０から供給される酸素は、酸素供給流路３１及び１次用酸素流路３２に分配される。図示の構成例では、酸素供給流路３１に酸素流量調整弁３５を設けて２次用排ガス流路２４へ供給する酸素量を調整することにより、１次用排ガス流路２３へ供給する酸素との分配比率が制御される。すなわち、制御部６０が出力する制御（開度）信号に基づいて酸素流量調整弁３５の開度調整を行うことにより、酸素分離器３０から供給される酸素量を石炭焚きボイラ２０の１次空気（１次用排ガス流路２３）側及び２次空気（２次用排ガス流路２４）側へ所望の比率で分配することができる。
なお、酸素流量調整弁３５の設置位置については、酸素供給流路３１に限定されることはなく、１次用酸素流路３２側に設けても同様の制御を行うことができる。

また、排ガス流路２１から分岐した排ガス循環流路２２には、制御部６０から出力される制御（開度）信号に基づいて燃焼排ガス循環量を調整する排ガス流量調整弁２６が設けられている。この排ガス流量調整弁２６は、１次用排ガス流路２３及び２次用排ガス流路２４との分岐点より上流側に配置されている。なお、排ガス循環流路２２に導入された燃焼排ガスは、流路の圧力損失など諸条件に応じて１次用排ガス流路２３及び２次用排ガス流路２４に分配されるが、流量制御弁による分配をしてもよい。
従って、図１に示すボイラ装置は、灰中未燃分計測装置５０で計測した灰中未燃分量に応じて制御部６０が排ガス流量調整弁２６及び酸素流量調整弁３５の制御信号を出力し、酸素／二酸化炭素燃焼ボイラとした石炭焚きボイラ２０の上流側へ戻す燃焼排ガス循環量、及び／または、酸素／二酸化炭素燃焼ボイラとした石炭焚きボイラ２０の１次空気及び２次空気に対する酸素分配比率の制御を行うことができるようになっている。

以下では、制御部６０が実施する制御例について、図２及び図３のフローチャートを参照して説明する。
最初のステップＳ１で制御フローがスタートすると、次のステップＳ２では、石炭焚きボイラ２０で混焼させる石炭及びバイオマスの混焼率を設定する。すなわち、ステップＳ２では、微粉炭機１０に投入する石炭及びバイオマスの重量比を設定して次のステップＳ３に進む。ここで設定されるバイオマス混焼率は、たとえば５〜２０％程度の初期値となる。

ステップＳ３では、設定した混焼率（重量比）に基づいて石炭及びバイオマスを微粉炭機１０に投入し、所定の微粉度に粉砕された粉体燃料とする。この微粉炭機１０には、混合粉砕された粉体燃料の搬送用ガス（１次空気）として、排ガス循環流路２２及び１次用排ガス流路２３を通って燃焼排ガスが導入され、さらに、この燃焼排ガスには、酸素分離装置３０から供給される酸素が１次用酸素流路３２を通って合流する。従って、この場合の搬送用ガス（１次空気）は、燃焼排ガスと酸素との混合ガスとなる。

ここで、石炭とバイオマスを混合粉砕する微粉炭機１０の動力は、石炭単独で粉砕する場合（石炭専焼時）と略同じ値を初期値に設定する。従って、石炭と比較して粉砕が困難となるバイオマスの混合割合を増すほど、石炭焚きボイラ２０に投入される粉体燃料の微粉度は低くなる。
微粉炭機１０が竪型ローラミルの場合、微粉度を定める分級器には、回転式分級器、固定式分級器及び回転式／固定式分級器の組合せがある。微粉度を上げて粒径を小さくする対策として、回転式分級器においては、回転羽根の回転数を上げることやローラ荷重を上げることが必要であり、固定式分級器においては、固定羽根の開度を広げることやローラ荷重を上げることが必要である。従って、回転式／固定式分級器を組合せた分級器は、回転式分級器及び固定式分級器と同様の対策が必要になり、いずれの対策も動力の増加を伴うものである。

ステップＳ３で混合粉砕された石炭及びバイオマスの粉体燃料は、次のステップＳ４において燃焼排ガスの１次空気により石炭焚きボイラ２０まで搬送され、図示しない石炭バーナから火炉内へ投入される。
こうして石炭ボイラ２０内で燃焼させる粉体燃料は、次のステップＳ５で着火安定性の確認が行われる。この場合の着火安定性確認は、バーナ先端から着火点までの着火距離を目視または画像処理により確認し、着火距離がしきい値以下かどうかにより判断される。

ステップＳ５の着火安定性確認において、粉体燃料に安定して着火していると判断された「着火安定」の場合には、次のステップＳ６に進んで灰中未燃分は規定値以下か否かの判断を行うこととなる。
一方、ステップＳ５の着火安定性確認において、粉体燃料の着火が不安定と判断された「着火不安定」の場合には、次のステップＳ７に進んで１次空気／２次空気の酸素分配比率制御を実施する。
なお、ステップＳ５における着火安定の確認及びステップＳ７における１次空気／２次空気の酸素分配比率制御は、たとえば図５に示す酸素／二酸化炭素燃焼ボイラ（第１構成例）のように、１次空気に酸素を混合しない場合は省略される。

ステップＳ７で実施する１次空気／２次空気の酸素分配比率制御は、粉体燃料近傍の酸素量を増して着火を安定させるため、１次空気に対する酸素分配比率を上げて酸素濃度を高めるものである。
すなわち、排ガス循環流路２２から導入する燃焼排ガス量を調整しない場合には、酸素流量調整弁３５の開度を絞る方向に変更する制御信号を出力する。この結果、相対的に流路断面積比が増大した１次用酸素流路３２側では、酸素分離装置１０から供給される酸素の分配量も増加する。

こうして酸素の分配比率を調整した後には、再度ステップＳ５に戻って着火安定性の確認を繰り返し、着火が安定するまで酸素分配率を繰り返し調整する。このとき、酸素流量調整弁３５の開度を絞る制御信号は、複数段階の開度を１段階ずつ絞って酸素分配率を徐々に調整するものでもよいし、あるいは、灰中未燃分量の計測値に応じて予め定めた開度まで絞るように調整するものでもよい。

ステップＳ５で着火の安定が確認された後には、灰中未燃分計測装置５０で計測した灰中未燃分の量が規定値（たとえば１〜５％程度）以下か否かを判断する。
この結果、灰中未燃分が規定値以下になる「ＹＥＳ」の場合には、ステップＳ８に進んで良好な燃焼が行われている状態の「ＯＫ」と判断して制御を終了する。なお、良好な燃焼が行われている場合には、バイオマス混焼率を高めることも可能と考えられるため、必要に応じてステップＳ１におけるバイオマス混焼率の設定を上げる方向に変更し、再度同様の制御フローを実施してもよい。
一方、灰中未燃分が規定値より多い「ＮＯ」の場合には、次のステップＳ１０に進んで酸素濃度制御を実施する。

続いて、ステップＳ１０の酸素濃度制御について、図３のフローチャートに基づいて説明する。この酸素濃度制御は、排ガスの再循環量を制御するものであり、排ガス再循環量を少なくして酸素濃度を規定値（たとえば３０％程度）まで高めることにより、再循環する排ガス中の酸素量を調整する。
ステップＳ１０の酸素濃度制御が開始されると、規定値より多い灰中未燃分の計測値に応じて、排ガス流量調整弁２６の開度を絞る方向の制御信号が出力される。この結果、排ガス循環流路２２を通って微粉炭機１０や石炭焚きボイラ２０へ供給される排ガス再循環量が減少するので、相対的に１次空気及び２次空気の酸素濃度が上昇する。
この後、次のステップＳ１１に進み、灰中未燃分量は規定値（たとえば１〜５％程度）以下か否かの判断が行われる。この場合の灰中未燃分の計測値は、上述したステップＳ６と同様に、灰中未燃分計測装置５０で計測した値が用いられる。

この結果、灰中未燃分が規定値以下になる「ＹＥＳ」の場合には、ステップＳ１６に進んで良好な燃焼が行われている状態の「ＯＫ」と判断して制御を終了する。この場合においても、バイオマス混焼率を高めることも可能と考えられるため、必要に応じてステップＳ１におけるバイオマス混焼率の設定を上げる方向に変更し、再度同様の制御フローを実施してもよい。
一方、灰中未燃分が規定値より多い「ＮＯ」の場合には、次のステップＳ１２に進み、微粉炭機１０の動力を石炭専焼時と同等の初期値から上限の許容値まで引き上げることにより、粉体燃料の微粉度を最大限に上昇させる。すなわち、石炭焚きボイラ２０に投入される粉体燃料をより微細な粒子に粉砕するため、微粉炭機１０は最大の動力を消費する運転に変更される。

こうして微粉度を上げた粉体燃料は、次のステップＳ１３において、石炭焚きバーナ２０に投入して燃焼させる。
この後、次のステップＳ１４に進み、微粉度を上げた粉体燃料を燃焼させた場合の灰中未燃分量について、上述したステップＳ６及びステップＳ１４と同様の判断が行われる。

この結果、灰中未燃分が規定値以下になる「ＹＥＳ」の場合には、ステップＳ１７に進んで良好な燃焼が行われている状態の「ＯＫ」と判断して制御を終了する。
一方、灰中未燃分が規定値より多い「ＮＯ」の場合には、次のステップＳ１５に進む。このステップ１５では、良好な燃焼が行われていない「ＮＧ」と判断し、バイオマスの混焼率を下げる必要がある。すなわち、微粉炭機１０を最大限の動力で運転し、最大限に微粉化した粉体燃料でも良好な燃焼が得られないため、同じ微粉炭機１０を用いて良好な燃焼が可能となる微粉度を得るため、微粉度を上げる障害となるバイオマスの混合割合を下げることが必要と判断される。

ところで、上述した説明では、ステップＳ１２で微粉炭機１０の動力を石炭専焼時から許容値まで一気に上げているが、ステップＳ１４で灰中未燃分が規定値より多い「ＮＯ」と判断された場合、石炭専焼時から許容値までの間において段階的に微粉炭機１０の動力を上げ、その都度ステップＳ１３，ステップＳ１４及びステップＳ１５の判断を繰り返してもよい。

このように、石炭焚きボイラ２０から排出される灰中未燃分量が増加した場合には、排ガス循環量を少なくして石炭焚きボイラ２０に投入される１次空気及び２次空気の酸素濃度を高める調整、あるいは、１次空気の酸素量配分を増加して粉体燃料の近傍に酸素を多めに投入する調整のうち、少なくとも１つの調整を実施することにより、排ガス循環量や１次空気及び２次空気の酸素分配比率を最適に制御して、灰中未燃分を規定値より低く維持することができる。

＜第２の実施形態＞
以下では、本発明に係るボイラ装置について、第２の実施形態を図４に基づいて説明する。なお、上述した実施形態と同様の部分には同じ符号を付し、その詳細な説明は省略する。
図４に示すボイラ装置は、第１の実施形態と同様に、微粉炭機１０で混合粉砕した石炭及びバイオマスの粉体燃料を石炭焚きボイラ２０に投入して高酸素濃度で燃焼させる装置である。図示の石炭焚きボイラ２０は、図６に示した第２構成例の酸素／二酸化炭素燃焼ボイラを採用した場合について説明するが、本実施形態は、１次空気及び２次空気の両方に酸素を分配する第３構成例及び第４構成例にも適用可能である。
また、石炭及びバイオマスを混合粉砕して石炭焚きボイラ２０へ供給する微粉炭機１０の動力は、石炭専焼時と略同等に設定されている。

この実施形態では、微粉炭機１０に接続された燃料流路１１の接続部に、すなわち微粉炭機１０の出口部に出口温度計測装置７０を設け、この出口温度計測装置７０で検出した粉体燃料及び搬送ガス（１次空気）の出口温度を制御部６０Ａに入力する。
制御部６０Ａは、出口温度計測装置７０の計測値（出口温度）に応じて、酸素／二酸化炭素燃焼ボイラとした石炭焚きボイラ２０の１次空気及び２次空気に対する酸素分配比率の制御を実施する。

石炭焚きボイラ２０の１次空気及び２次空気に供給する酸素分配比率は、出口温度計測装置７０の計測値が所定値以上とならないように調整するものである。
１次空気に酸素を混合する方式の石炭焚きボイラ２０は、燃焼排ガスのみを１次空気とする第１構成例（図５参照）と比較して、良好な着火性を得られる。しかし、バイオマスは瀝青炭に比べて揮発分が多く、自然発火性が高いため、微粉炭機１０内での自然発火に注意が必要である。このため、微粉炭機１０内の酸素濃度が高まると、微粉炭機１０内の温度が上昇し、より自然発火しやすい状況となる。

そこで、微粉炭機１０の出口温度を監視し、出口温度が規定値以上の高温まで上昇しないように、１次空気に混合する酸素量を制御する。
この場合の酸素量制御は、酸素分離装置３０から２次用排ガス流路２４に酸素を供給する酸素供給流路３１に設けた酸素流量調整弁３１に対し、制御部６０Ａが出口温度計測装置７０の計測値に応じて最適な開度信号を出力して行われる。すなわち、出口温度計測装置７０の計測値が所定値以上に高くなると、制御部６０Ａは、酸素流量調整弁３５の開度を増して２次空気側へ流れる酸素量が増加するような開度指令を出力する。この結果、１次用酸素流路３２に分岐して流れる酸素量が減少し、微粉炭機１０に供給される１次空気の酸素濃度を低下させて最適化することができる。
このようにして１次空気側の酸素濃度を最適に調整すれば、微粉炭機１０内を自然発火しない状態に保ちながら１次空気にも酸素を混合させることで、安全性を確保して着火性の向上を図ることができる。

上述したように、混合粉砕した石炭及びバイオマスの粉体燃料を酸素／二酸化炭素燃焼ボイラに投入して高酸素濃度で燃焼させるボイラ装置においては、酸素／二酸化炭素燃焼の酸素濃度を最適に制御することにより、微粉度を下げて粒径が大きいバイオマスの高混焼率燃焼を高酸素濃度で実現可能となり、しかも、二酸化炭素の排出量も大幅に削減することができる。具体的な微粉度としては、少なくとも２００メッシュパス４０％（重量平均径７０μｍ）程度まで下げることが可能になる。
なお、このようなボイラ装置は、無煙炭や半無煙炭、石油コークスといった難燃性燃料や、粉砕性が悪く微粉度が低下した石炭の燃焼性向上にも有効である。

また、上述した酸素／二酸化炭素燃焼ボイラのボイラ装置は、新設は勿論のこと、石炭焚き等の既設ボイラに対して酸素分離装置３０や二酸化炭素回収設備等を増設し、燃焼排ガスの一部を酸素と混合させて石炭及びバイオマスを混合粉砕した粉体燃料の酸化剤として使用するボイラ装置に改造した場合も同様に適用可能である。
そして、既設の微粉炭機１０を使用する場合には、石炭専焼時の微粉炭機動力を初期値に設定して微粉炭及びバイオマスの微粉度を下げ（粉砕粒径を粗くして）、バイオマス混焼比率を高めることが可能となる。すなわち、酸素／二酸化炭素燃焼ボイラにおいて、粉砕性指数（ＨＧＩ）が低く粉砕性の悪い燃料の微粉度を下げることで、微粉炭機１０等のミル容量を低減し、酸素濃度を最適に制御して、微粉度を下げた粉体燃料を最適に燃焼させることができる。換言すれば、従来はミル粉砕動力の上限により使用が困難であった低粉砕性指数の燃料についても、微粉度の低い粉体燃料として使用可能になる。

さらに、上述した酸素／二酸化炭素燃焼ボイラのボイラ装置は、酸素濃度を最適に制御することにより、微粉度を変えた粉体燃料を最適に燃焼させることができる。なお、粉体燃料の微粉度を変えて粒径が粗くなる場合には、酸素濃度を高くする運用となる。

このように、本実施形態のボイラ装置によれば、酸素／二酸化炭素燃焼において、通常の粒度の微粉炭を最適に燃焼させる時と同一の酸素濃度条件下では、微粉炭及びバイオマスの微粉度が下がれば燃焼性が悪化して未燃分は増加するが、燃料近傍に投入する１次空気の酸素濃度を高めることで燃焼性（着火特性、燃え切り特性）が改善される。このように、微粉度が低い粉体燃料の安定した燃焼を実現できるので、バイオマス混焼比率を現状よりも高めることが可能となる。
なお、本発明は上述した実施形態に限定されることはなく、その要旨を逸脱しない範囲内において適宜変更することができる。

１０ 微粉炭機（ミル）
１１ 燃料流路
２０ 石炭焚きボイラ
２１ 排ガス流路
２２ 排ガス循環流路
２３ １次用排ガス流路
２４ ２次用排ガス流路
２５ 排ガス分岐流路
２６ 排ガス流量調整弁
３０ 酸素分離装置
３１ 酸素供給流路
３２，３３，３４ １次用酸素流路
３５ 酸素流量調整弁
４０ 脱塵装置
５０ 灰中未燃分計測装置
６０，６０Ａ 制御部
７０ 温度計測装置

Claims (5)

1. 混合粉砕した石炭及びバイオマスを酸素／二酸化炭素燃焼ボイラに投入して高酸素濃度で燃焼させるボイラ装置において、
   前記酸素／二酸化炭素燃焼ボイラから排出される灰中未燃分量を計測する未燃分計測手段を設け、前記灰中未燃分量の計測値に応じて、前記酸素／二酸化炭素燃焼ボイラの上流側へ戻す燃焼排ガス循環量、及び／または、前記酸素／二酸化炭素燃焼ボイラの１次空気及び２次空気に対する酸素分配比率の制御を行うことを特徴とするボイラ装置。
2. 前記燃焼排ガス循環量は、前記灰中未燃分量の計測値が増加した場合に減少するように調整されることを特徴とする請求項１に記載のボイラ装置。
3. 前記酸素／二酸化炭素燃焼ボイラの１次空気及び２次空気に対する酸素分配比率は、前記灰中未燃分量の計測値が増加した場合に前記１次空気側の分配量を増すように調整されることを特徴とする請求項１または２に記載のボイラ装置。
4. 混合粉砕した石炭及びバイオマスを酸素／二酸化炭素燃焼ボイラに投入して高酸素濃度で燃焼させるボイラ装置において、
   前記ミルの出口部に出口温度計測手段を設け、該出口温度計測手段の計測値に応じて、前記酸素／二酸化炭素燃焼ボイラの１次空気及び２次空気に対する酸素分配比率の制御を行うことを特徴とするボイラ装置。
5. 前記酸素／二酸化炭素燃焼ボイラの１次空気及び２次空気に対する酸素分配比率は、前記出口温度計測手段の計測値が所定値以上とならないように調整されることを特徴とする請求項４に記載のボイラ装置。
   

Images