JP2013210123A

JP2013210123A - 木質バイオマス発電システム

Info

Publication number: JP2013210123A
Application number: JP2012079843A
Authority: JP
Inventors: Masatoshi Ouchi; 正年大内
Original assignee: KORIYAMA CHIP INDUSTRY CORP
Current assignee: KORIYAMA CHIP INDUSTRY CORP
Priority date: 2012-03-30
Filing date: 2012-03-30
Publication date: 2013-10-10

Abstract

【課題】チップダストに含まれる放射性物質の飛散を回避できるとともに、発電用ボイラが発生する蒸気を熱風に変換して熱風乾燥手段に帰還可能にする。
【解決手段】放射性物質汚染木材を破砕したチップを、熱風乾燥手段１１により加熱乾燥し、乾燥したチップを、発電用ボイラ１２にて前記熱風乾燥手段１１から排出される排気に含まれるチップダストともに燃焼し、発電用ボイラ１２が発生する蒸気圧力を蒸気タービン１３で受けて発電機２８を駆動し、該蒸気タービン１３から排出される蒸気を熱風供給手段１４により所定温度の乾燥した温風に変換し、これを熱風乾燥手段１１に帰還するという構成である。
【選択図】図１

Description

本発明は、放射性物質汚染バイオマス、例えば、放射線物質汚染木材の燃焼熱を熱源として発生させた蒸気によりタービンを駆動して電力を発生させる木質バイオマス発電システムに関し、詳しくは放射線物質の回収を可能にする木質バイオマス発電システムに関するものである。

従来から、廃木材や間伐材などをチップ化したバイオマス燃料を燃焼させることで発電用ボイラを加熱し、発生した高圧蒸気で蒸気タービンを回転させて発電機を駆動する、バイオマス発電システムが知られている（例えば、特許文献１参照）。かかる蒸気タービン方式のバイオマス発電システムは、例えば木材をチップ化して乾燥処理することにより、これをそのまま燃料として発電用ボイラの加熱に利用できる点で有利である。また、この蒸気タービン方式は熱慣性が大きいため、起動、停止に時間が掛かり、従って長時間運転の発電システムに適する。

ところで、震災等による原子力発電所の事故発生によって、この原子力発電所周辺地域には放射性物質が飛散することがあり、この地域の廃木材や間伐材が放射性物質により汚染される。かかる放射性物質によって汚染された廃木材や間伐材は、放置すると人の健康に悪影響を及ぼす。このため、かかる廃木材や間伐材の減容化処理、特に焼却処理によって焼却灰で回収することが望まれている。一方、このように放射性物質によって汚染された廃木材や間伐材を単に燃焼炉で焼却処分するのではなく、その焼却熱を有効利用して電力を発生させる木質バイオマス発電への利用が望まれている。

特開２００７−３２１５２０号公報

しかしながら、放射性物質で汚染された廃木材、間伐材、樹皮、燃焼可能ながれき、等を燃料とするバイオマス発電では、燃焼後に生ずる燃焼灰にも放射性物質が含まれるため、所定の指針に従った処理が必要であるし、燃焼時に発生する煙にも放射性物質が付着した飛灰が含まれているため、その除去処理（清浄化処理）も必要となる。また、廃木材や間伐材をバイオマス燃料とするバイオマス発電では、燃焼効率を上げるために乾燥装置を用いたバイオマス（例えば、木材のチップ）の熱風乾燥処理が必要であり、前記廃木材や間伐材が放射性物質により汚染されていると、乾燥されるバイオマス（例えば、木材のチップ）から発生する放射性物質を含むダストがバイオマス（例えば、木材のチップ）の乾燥に関与した高温の乾燥気とともに乾燥手段（乾燥装置）の外に放出されて周辺に飛散、拡散するという問題があった。また、従来の木質バイオマス発電システムでは前述のようなバイオマス（例えば、木材のチップ）の乾燥に熱風発生装置を別途用意する必要があり、システムの大型化、コストアップを招くという不都合があった。

本発明はかかる従来の問題点に着目してなされたものであり、その目的とするところは、バイオマス（例えば、木材チップ）の熱風乾燥手段内で飛散するチップダストの全てを燃焼処理することによって、放射性物質を含む燃焼灰として回収可能にし、チップダストに含まれる放射性物質の周辺への飛散を回避できるとともに、発電用ボイラが発生する蒸気を乾燥した高温の熱風に変換することで、この熱風をバイオマス（例えば、木材チップ）の乾燥用として有効利用することができる木質バイオマス発電システムを得ることにある。

前述した目的を達成するために、本発明に係る木質バイオマス発電システムは、放射性物質汚染バイオマスを熱風乾燥する熱風乾燥手段と、該熱風乾燥手段で乾燥された放射性物質汚染バイオマスを燃焼する発電用ボイラと、該ボイラの加熱により発生する蒸気圧力で発電機を駆動する蒸気タービンと、該タービンから排出される蒸気を熱交換器に送り空気と熱交換し、乾燥した熱風に変換し、前記熱風乾燥手段に供給する熱風供給手段と、を備え、
前記熱風乾燥手段には、前記発電用ボイラに連通し、熱交換器から供給された熱風で放射性物質汚染バイオマスを熱風乾燥した後の熱風を、発電用ボイラに排出する排出通路を設け、該熱風中の放射性物質を含むダストを放射性物質汚染バイオマスと共に発電用ボイラで燃焼させ、発電用ボイラの煙道には、放射性物質汚染バイオマスおよびダストの燃焼で発生する飛灰を捕捉する集塵器を設け、前記発電用ボイラから生ずる主灰と前記集塵器に捕捉された飛灰を、所定の指針に従って最終処分可能とすることを特徴とする。

この構成によれば、熱風乾燥手段においてバイオマス（例えば、木材チップ）の加熱乾燥に関与した加熱乾燥気に含まれるダストを、熱風乾燥手段の外部へ排出せずに、発電用ボイラの燃焼炉に送り、前記熱風乾燥手段で乾燥したバイオマス（例えば、木材チップ）とともに燃焼することで、放射性物質を燃焼灰に閉じ込めて回収可能にするとともに、放射性物質を含むダストが発電システムの周辺に飛散することを確実に防止することができる。

一方、発電用ボイラの燃焼炉では前記ダストおよびバイオマス（例えば、木材チップ）が焼却され、放射性物質を含む焼却灰が発生するとともに、この焼却灰のうち主灰は焼却炉から回収するとともに、焼却炉内で飛散する飛灰は集塵器にて回取し、前記主灰とともに最終処分する。これにより木質バイオマス発電システム周辺への放射性物質の飛散を確実に防止しながら、所期の発電電力を得ることができる。

また、蒸気タービンを通過した高圧の蒸気は加熱乾燥気に変換され（熱交換され）、熱風乾燥手段へ返してバイオマス（例えば、木材チップ）の加熱乾燥に利用可能にするとともに、その蒸気の高熱を利用して外部から供給される冷水を温水に変換（昇温）することができる。
なお、本発明で対象とする放射性物質汚染バイオマスは、放射性物質で汚染された廃木材、間伐材、樹皮および燃焼可能ながれき、等を指す。以下では、放射性物質汚染バイオマスを、単に「チップ」と略称して説明する。

本発明のバイオマス発電システムによれば、次のような効果を奏する。
（１）チップは燃焼させるとき燃焼効率を上げるため発電用ボイラに投入する前に乾燥が必要であるが、本発明では、このチップの乾燥の熱源に蒸気タービンで使われた蒸気を再利用し、熱交換器で空気と熱交換し熱風を取り出しチップを乾燥する熱風乾燥手段に吹き込み、チップを乾燥させる。この時、熱風乾燥手段から排出される熱風には、放射性物質を含むチップダストも含まれている。この排出された熱風を全て回収し発電用ボイラに導入し乾燥されたチップと一緒に燃焼する。この燃焼によって発生する排ガスは、放射性物質を含む飛灰と一緒に集塵器（例えば、バグフィルタ）へ送られ、そこで飛灰を回収する。これによってチップに付着した放射性物質は飛灰として回収され、発電用ボイラから出る主灰も回収される。従って、放射性物質で汚染された廃木材、間伐材、樹皮および燃焼可能ながれき、等は減容化できると共に、この減容化するためにバイオマス発電で燃焼させるとき放射性物質の飛散も防止できる。
（２）蒸気タービンで使われた蒸気を再利用し、熱交換器で空気と熱交換し熱風を取り出し、チップを乾燥させる熱風乾燥手段に供給しチップを乾燥させている。また、熱交換器で使用した蒸気は、外部から供給された水を温水に変換する温水変換手段で、再利用している。従って、発電用ボイラでのチップの燃焼熱を有効利用することができる。

以上、本発明について簡潔に説明した。更に、以下に説明される発明を実施するための最良の形態を添付の図面を参照して詳細に説明する。

本発明の実施形態にかかる木質バイオマス発電システムを示すブロック図である。図１に示す木質バイオマス発電システムの動作の流れを示す概念図である。

以下、本発明の実施の形態にかかる木質バイオマス発電システムを、図１および図２について説明する。

図１に示す本実施形態の木質バイオマス発電システムは、熱風乾燥手段１１と、発電用ボイラ１２と、蒸気タービン１３と、発電機２８と、熱風供給手段１４と、温水変換手段（例えば、復水器）１５と、集塵器１６と、を備えて構成される。これらのうち、熱風乾燥手段１１は、例えば図２に示すような形態の熱風乾燥装置１１Ａとして構成され、これがモータ等によって駆動される回転ドラム２１と、この回転ドラム２１の一端に臨み、廃木材や間伐材などのチップを回転ドラム２１内に投入するホッパ２２と、回転ドラム２１の一端に設けられた加熱乾燥気（熱風）の給気口２３と、回転ドラム２１の他端に設けられ、チップに接触した加熱乾燥気（熱風）を回転ドラム２１の外へ排出する排気口２４と、乾燥を終えたチップを回転ドラム２１内から取り出すチップ取り出し口２５と、を備える。

この熱風乾燥装置１１Ａは、ホッパ２２から回転ドラム２１内に投入された放射性物質で汚染されたチップを、給気口２３から導入された加熱乾燥気（熱風）によって乾燥させる。またこの熱風乾燥装置１１Ａは、そのチップの乾燥に寄与した加熱乾燥気（熱風）を排気口２４から、熱風乾燥装置１１Ａの外に放出させないで、全てを後述の発電用ボイラ１２に供給するように機能する。また、この熱風乾燥装置１１Ａにおいて乾燥されたチップは、チップ取り出し口２５から取り出され、チップ収納サイロ２６に一旦収納される。

前記発電用ボイラ１２は、乾燥した放射性物質を含むチップを直接燃焼する燃焼炉を持ち、そのチップの燃焼により発生させた燃焼熱によって高温高圧蒸気を発生する。このチップの燃焼によって燃焼灰（主灰）が残留するが、この焼却灰には放射性物質が含まれている。また、このチップの燃焼によって燃焼炉内に飛灰が発生するが、この飛灰は冷却煙道２７を通して冷却され、さらに後述の集塵器１６に供給される。

一方、熱風乾燥装置１１Ａの排気口２４と発電用ボイラ１２との間には排出通路１７が連結され、発電用ボイラ１２の燃焼炉には、熱風乾燥装置１１Ａの排気口２４からチップの乾燥に使用した熱風が排出され発電用ボイラ１２の燃焼炉に送られる。この熱風には、放射性物質を含むチップダストも含まれる。このチップダストは熱風乾燥装置１１Ａにおけるチップの乾燥中に、乾燥した熱風がこのチップに接触することにより発生し、飛散する。従って、このチップダストもまた前記チップとともに燃焼炉で焼却され、一部は前記燃焼炉において灰となって回収され、他の一部は飛灰となって、冷却煙道２７を通して後述の集塵器１６に供給される。

前記蒸気タービン１３は発電用ボイラ１２が発生する高温高圧の蒸気を受けて高速回転し、この回転によって発電機２８を駆動する。このため、発電機２８は電力を発生する。つまり、この発電機２８はチップをバイオマス燃料として発生させた蒸気圧により駆動され、電力を発生する木質バイオマス発電機を構成している。

前記熱風供給手段１４は熱交換器１４ａを含み、蒸気タービン１３を通過した高温、高圧の蒸気を高温の乾燥気に熱交換して熱風として供給するように機能する。この熱風供給手段１４は、その高温の乾燥気（熱風）を図示しないファン等により前記熱風乾燥装置１１Ａの給気口２３へ送出する。

前記温水変換手段１５は、前記蒸気タ−ビン１３で使用され、熱交換器１４ａを通過した高温、高圧の蒸気により、外部から供給された冷水を熱交換によって加熱（加温）するように機能する。この加熱された温水は、例えば、温泉、温水プール等に使用できる。なお、この温水変換手段１５が復水器を兼ねる構成とした場合には、蒸気タービン１３から送出される蒸気自体を冷水または湯に戻して、各種の用途に利用可能とすることができる。
前記温水変換手段１５は復水器の機能を持っており、前記蒸気タ−ビン１３で使用され、熱交換器１４ａを通過した高温、高圧の蒸気は、外部から供給された冷水を熱交換によって加熱（加温）するように機能する。この加熱された温水は、例えば、温泉、温水プール等に使用できる。温水変換手段１５を通過した高温、高圧の蒸気は水に戻され（復水）、図示していないが水処理され再度ボイラーに戻され再利用する。

前記集塵器１６は、発電用ボイラ１２の燃焼炉内で発生した排ガスとともに飛灰を受け入れ、飛灰はバグフィルタ等により分離して回収するとともに、飛灰を分離し浄化した排ガスは煙道２９を通じて集塵器１６外へ排出する。ここで回収された飛灰は、発電用ボイラ１２の燃焼室内で回収された主灰とともに放射性物質を含む。この回収された主灰および飛灰は、それぞれ発電用ボイラ１２および集塵器１６の外に取り出され、セシウムなどの放射性物質の含有量がチェックされる。そして、その放射性物質の含有量が、例えば８０００Ｂｑ／ｋｇ以上である場合には、指定の収納庫などに保管され、所定の処理、例えば、国の指示に従って所定の最終処理がなされる。

また、前記収納庫などに保管された放射性物質を含む燃焼灰の排出量は、時間とともに増大し、その保管場所の確保に限界が生じる。これを解決するために、焼却灰を酸水溶液内に混入し、焼却灰中の放射性物質を酸水溶液内で溶出させ、放射性物質が溶け込んだ酸水溶液中にプルシアンブルーを混入し、このプルシアンブルーにその放射性物質を吸着させ、放射性物質を吸着したプルシアンブルーを含む酸水溶液に凝集剤を混入して、この放射性物質を吸着したプルシアンブルーを沈殿させ、放射性物質を吸着したプルシアンブルーを、前記酸水溶液から分離して取り出し、分離して取り出した高濃度放射性固形物を最終処分可能にする方法を採用することが望ましい。

この方法によれば、放射性物質の含量が少なくなった焼却灰をそのまま埋め立て処分可能にして焼却灰専用のドラムやその保管場所、敷地を確保する必要を排除できる。一方、高濃度の放射性物質を含む高濃度放射性固形物は小形化（減容化）するため、これを保管するための収納庫や敷地などを容易に確保でき、かつ早期に満杯になるのを回避できることとなる。

かかる構成になる木質バイオマス発電システムでは、特に、放射線物資で汚染された木材の燃焼によって、放射線物質の周辺への飛散を確実に防止する。従って、放射線物質汚染木材をチップ化（粉砕化を含む）し、そのチップを熱風乾燥装置１１Ａに投入して加熱乾燥することによって発生する放射線物質を含む全てのチップダストを、その熱風乾燥装置１１Ａから発電用ボイラ１２へ導き、燃焼炉でチップとともに焼却するようにしている。これにより汚染した廃木材や間伐材などの木材の減容化を図るとともに、焼却による放射性物質を含む焼却灰の回収が可能になる。

また、焼却炉内で飛散する放射性物質を含む飛灰は冷却煙道を通過して冷やされ、集塵器１６に送られて集塵器（バグフィルタ）にて分離回収される。一方、集塵器（バグフィルタ）を用いて飛灰を分離回収した後の放射線物質を含まない排気（排ガス）は、煙道２９を介してシステム周辺へ放出される。

発電用ボイラ１２で発生した高温高圧の蒸気は、蒸気タービン１３を回転させて発電機２８を駆動するとともに、熱風供給手段１４で高温高圧の蒸気を乾燥気に変換して、これを前記熱風乾燥装置１１Ａに高温高圧の熱風を供給する。このような熱エネルギの循環サイクルにより、熱風乾燥装置１１Ａにおけるチップの加熱乾燥専用の熱風供給手段を用意することなく、ローコストにて実現できる。

また、前記高温の蒸気内に熱交換用パイプ等を敷設した温水変換手段１５を設けることで、このパイプに供給する冷水を温水（または熱湯）に変換して様々な用途（例えば、温泉、温水プール等）に利用することができる。また、復水作用により蒸気を冷却すれば所定温度の水に変換することもできる。

さらに、発電用ボイラ１２の燃焼炉で発生する飛灰は放射線物質を含み、冷却煙道２７を通して所定温度以下に冷やされた後、集塵器１６へ送られる。集塵器１６ではバグフィルタによってその放射線物質を含む飛灰が回収される。一方、回収した飛灰とは分離して、放射性物質が除かれた排気は、煙道２９を介して周辺へ放出される。一方、前記のように回収された飛灰および発電用ボイラで回収された主灰には、放射線物質が含まれ、主にセシウムの含有量がチェックされ、その含有量が所定レベルを超える燃焼灰は一時収納庫などに保管され、所定の処理、例えば、国の指示に従って最終処理が行われる。

以上のように、本実施形態では、例えば、放射性物質汚染木材を破砕したチップを、熱風乾燥手段１１により加熱乾燥し、乾燥したこのチップを、発電用ボイラ１２にて前記熱風乾燥手段１１から排出されるチップダストと共に燃焼し、発電用ボイラ１２が発生する蒸気圧力により蒸気タービン１３を回転させて発電機２８を駆動し、該蒸気タービン１３から排出される蒸気を熱風供給手段１４により所定温度の乾燥した熱風に変換し、これを熱風乾燥手段１１に供給し、さらに、温水変換手段１５により外部から供給された水を前記高温の蒸気を用いて温水に変換し、前記発電用ボイラ１２でチップおよびチップダストを燃焼したことにより発生する飛灰を、集塵器１６により集塵し、浄化した排ガス（煙）として取り出し、発電用ボイラ１２から排出される主灰と集塵器１６で回収された飛灰を、国の指針に従って最終処分可能にした構成である。

従って、チップの加熱乾燥に関与した放射性物質を含む熱風（高温乾燥気）は、全て発電用ボイラに排出し、チップとともに発電用ボイラで燃焼する。これにより前記チップダストに含まれる放射性物質が発電システムの周辺に飛散することを回避できる。また、チップダストおよびチップの焼却により放射性物質を含む焼却灰が発生し、この焼却灰のうち主灰を焼却炉から回収すると共に、焼却炉内で飛散する飛灰を集塵器１６にて回取し、前記主灰とともに最終処分する。従ってバイオマス発電システムを放射線物質の飛散を防止しながら運用できる。

また、高温の蒸気は加熱乾燥気（熱風）に変換することで、熱風乾燥手段１１内部のチップの熱風乾燥に利用でき、また、その蒸気の高熱を利用して外部から供給される冷水を温水に変換（昇温）することもできる。

本発明の木質バイオマス発電システムは、チップダストに含まれる放射性物質の飛散を回避できるとともに、発電用ボイラが発生する蒸気を熱風に変換して、バイオマス燃料としてのチップの乾燥に用いることができるという効果を有し、放射性物質に汚染された木質バイオマス燃料を利用した木質バイオマス発電システム等に有用である。

１１熱風乾燥手段
１１Ａ熱風乾燥装置
１２発電用ボイラ
１３蒸気タービン
１４熱風供給手段
１５温水変換手段
１６集塵器
１７排出通路
２１回転ドラム
２２ホッパ
２３給気口
２４排気口
２５チップ取り出し口
２６チップ収納サイロ
２７冷却煙道
２８発電機
２９煙道

Claims

放射性物質汚染バイオマスを熱風乾燥する熱風乾燥手段と、該熱風乾燥手段で乾燥された放射性物質汚染バイオマスを燃焼する発電用ボイラと、該ボイラの加熱により発生する蒸気圧力で発電機を駆動する蒸気タービンと、該タービンから排出される蒸気を熱交換器に送り空気と熱交換し、乾燥した熱風に変換し、前記熱風乾燥手段に供給する熱風供給手段と、を備え、
前記熱風乾燥手段には、前記発電用ボイラに連通し、熱交換器から供給された熱風で放射性物質汚染バイオマスを熱風乾燥した後の熱風を、発電用ボイラに排出する排出通路を設け、該熱風中の放射性物質を含むダストを放射性物質汚染バイオマスと共に発電用ボイラで燃焼させ、発電用ボイラの煙道には、放射性物質汚染バイオマスおよびダストの燃焼で発生する飛灰を捕捉する集塵器を設け、前記発電用ボイラから生ずる主灰と前記集塵器に捕捉された飛灰を、所定の指針に従って最終処分可能とすることを特徴とする木質バイオマス発電システム。
前記熱風供給手段の熱交換器には、該熱交換器で使用された蒸気を用いて、外部から供給された水を温水に変換する温水変換手段が連結されていることを特徴とする請求項１記載の木質バイオマス発電システム。