JP2013221683A

JP2013221683A - 硫黄放出量の推算式の生成方法、推算方法および推算システム

Info

Publication number: JP2013221683A
Application number: JP2012093432A
Authority: JP
Inventors: Hirobumi Tsuji; 博文辻; Yuzo Shirai; 裕三白井; Kenji Tanno; 賢二丹野
Original assignee: Central Research Institute of Electric Power Industry
Current assignee: Central Research Institute of Electric Power Industry
Priority date: 2012-04-16
Filing date: 2012-04-16
Publication date: 2013-10-28
Anticipated expiration: 2032-04-16
Also published as: JP5877542B2

Abstract

【課題】火炉内での石炭の燃焼を模擬して行う実測値に基づき前記石炭からの硫黄の放出量を正確に推算し得る硫黄放出量の推算システムを提供する。
【解決手段】火炉内における微粉炭の燃焼状況を模擬した所定の第１の測定法により得る特定の微粉炭を燃焼させた場合の硫黄放出量を表す硫黄放出量データＤ１と、所定の第２の測定法により得る前記微粉炭の有機硫黄含有量、黄鉄鉱硫黄含有量および硫酸塩硫黄含有量を表す有機硫黄含有量データＤ２，黄鉄鉱硫黄含有量データＤ３，硫酸塩硫黄含有量データＤ４とに基づき、硫黄放出量を推算する推算式を生成する推算式生成部１１と、推算式生成部１１で生成した推算式のデータを記憶する推算式記憶部１２と、新規な微粉炭に関して前記第２の測定法により実測して得る有機硫黄含有量、黄鉄鉱硫黄含有量および硫酸塩硫黄含有量を表すデータＤ１２〜Ｄ１４を推算式記憶部１２から読み出した推算式に代入して前記新規な微粉炭の硫黄放出量を推算する演算処理部１３とを有する。
【選択図】図７

Description

本発明は硫黄放出量の推算式の生成方法、推算方法および推算システムに関し、特に火炉内で微粉炭を燃焼させた場合に放出される硫黄放出量を推算する場合に適用して有用なものである。

図８は微粉炭発電所で一般に使用されているボイラの一例を概念的に示す説明図である。同図に示すように、ローラミル２で粉砕されて燃焼燃料となる微粉炭は、搬送用の空気を兼用する１次空気とともに微粉炭搬送管路４およびバーナ３を介してボイラＩの火炉１に供給される。ボイラＩは、火炉１の上流側に二段燃焼用空気が供給される他のバーナ（図示せず）を有する二段燃焼ボイラであり、さらにバーナ３からは１次空気の他に２次空気および３次空気が旋回流として噴射される。

かかるボイラＩによる微粉炭の燃焼で得られる熱エネルギを利用して発電を行う微粉炭火力発電所では、一層の環境性の向上および脱硝コストの低減のため、低Ｏ_２燃焼や二段燃焼の強化などの低ＮＯｘ運転が行われている。このため、火炉１内のバーナ３の近傍部分から二段燃焼用空気注入位置に至る領域に強い還元性雰囲気が形成され、この還元性雰囲気中に生成した硫化水素（Ｈ_２Ｓ）による蒸発管の硫化腐食が顕在化している。

これに対し、発電所でのＨ_２Ｓ等の濃度測定結果や基礎検討結果をもとに、硫化腐食環境評価技術と発電所での対策技術の確立が図られている。これらを効率的に進めるには、炭種の影響評価や、Ｈ_２Ｓ濃度が高く腐食が懸念される箇所の特定が必要であり、このためＨ_２Ｓ生成特性の数値解析技術の開発も行われている（例えば、非特許文献１）。

一方、火炉１の内部におけるＨ_２Ｓ生成特性は十分に明らかにされているとはいい難い状況にある。かかる火炉１内でのＨ_２Ｓの生成特性が詳細に把握できれば、微粉炭発電所での対策技術や数値解析技術の高度化が期待できる。ここで、Ｈ_２Ｓの生成特性を明らかにするに当たっては、火炉１内での微粉炭の燃焼による硫黄の放出特性を正確に把握することが肝要である。Ｈ_２Ｓはバーナ３の近傍部分から二段燃焼空気注入位置に至る領域で生成するため、この領域内、特にバーナ３の近傍部分での石炭からの硫黄の放出量がＨ_２Ｓ濃度に大きく影響するからである。そこで、バーナ３の近傍部分での硫黄の放出量を正確に推算する技術の出現が待望されている。

「微粉炭燃焼場の数値シミュレーション」電力中央研究所研究報告、Ｑ１００１８（２０１１）

本発明は、上記従来技術に鑑み、火炉内での石炭の燃焼を模擬して行う実測値に基づき前記石炭からの硫黄の放出量を正確に推算し得る硫黄放出量の推算式の生成方法、推算方法および推算システムを提供することを目的とする。

上記目的を達成する本発明は、火炉における石炭（微粉炭）の燃焼に際の硫黄の放出量が硫黄の形態により異なるという知見に基づくものである。

かかる知見を基礎とする本発明の第１の態様は、
火炉内に噴射する微粉炭の燃焼による前記火炉内の燃焼状況を模擬した所定の第１の測定法により特定の微粉炭を燃焼させた場合の硫黄放出量を実測する第１の実測工程と、
所定の第２の測定法により前記微粉炭の有機硫黄含有量、黄鉄鉱硫黄含有量および硫酸塩硫黄含有量を実測する第２の実測工程と、
第１および第２の実測工程により得られた実測データに基づき次式（１）
硫黄放出量＝ａ×有機硫黄含有量＋ｂ×黄鉄鉱硫黄含有量＋ｃ×硫酸塩硫黄含有量
・・・・（１）
の係数ａ，ｂ，ｃを決定する推算式生成工程とを有することを特徴とする硫黄放出量の推算式の生成方法にある。

本発明の第２の態様は、
第１の態様に記載する硫黄放出量の推算式の生成方法において、
前記係数ａ，ｂ，ｃは、最小自乗法により決定することを特徴とする硫黄放出量の推算式の生成方法にある。

本発明の第３の態様は、
第１または第２の態様で生成した推算式に、新規な微粉炭に関して前記第２の測定法により実測した前記微粉炭の有機硫黄含有量、黄鉄鉱硫黄含有量および硫酸塩硫黄含有量を表すデータを代入して当該微粉炭における硫黄放出量を推算することを特徴とする硫黄放出量の推算方法にある。

本発明の第４の態様は、
バーナを介して火炉内に噴射する微粉炭の燃焼による前記火炉内の燃焼状況を模擬した所定の第１の測定法により得る特定の微粉炭を燃焼させた場合の硫黄放出量を表す硫黄放出量データと、所定の第２の測定法により得る前記微粉炭の有機硫黄含有量、黄鉄鉱硫黄含有量および硫酸塩硫黄含有量を表す有機硫黄含有量データ、黄鉄鉱硫黄含有量データおよび硫酸塩硫黄含有量データとが供給され、これら硫黄放出量データ、有機硫黄含有量データ、黄鉄鉱硫黄含有量データおよび硫酸塩硫黄含有量データに基づき次式（１）
硫黄放出量＝ａ×有機硫黄含有量＋ｂ×黄鉄鉱硫黄含有量＋ｃ×硫酸塩硫黄含有量
・・・・（１）
の係数ａ，ｂ，ｃを決定することにより硫黄放出量を推算する推算式を生成する推算式生成手段と、
推算式生成手段で生成した推算式のデータを記憶する記憶手段と、
新規な微粉炭に関して前記第２の測定法により実測して得る有機硫黄含有量、黄鉄鉱硫黄含有量および硫酸塩硫黄含有量を表すデータが供給され、供給された各データを前記記憶手段から読み出した推算式に代入して前記新規な微粉炭の硫黄放出量を推算する演算処理手段とを有することを特徴とする硫黄放出量の推算システムにある。

本発明によれば、火炉における石炭（微粉炭）の燃焼に際し、硫黄の放出量が硫黄の形態に基づき異なるという知見に基づき適確な硫黄放出量の推算式を生成したので、硫黄の放出量を正確に推算することができる。すなわち、新規石炭に含有されている硫黄の形態毎の割合を特定することで、当該新規石炭を火炉内で燃焼した際に放出される硫黄放出量を正確に推算することができる。

この結果、硫黄の生成解析のための有効な基礎データを得ることができ、火炉内でのＨ_２Ｓの生成特性を詳細に把握することが可能になる。これにより、微粉炭発電所での硫化腐食の防止対策技術の提案や数値解析技術の高度化に資することができる。

全硫黄含有率と硫黄放出量との関係を示す特性図である。揮発分含有率と硫黄放出割合との関係を示す特性図である。全硫黄中の形態別硫黄の割合を示す特性図である。全硫黄中の有機硫黄の割合と硫黄放出割合との関係を示す特性図である。硫黄放出割合の推算値と実測値の比較結果を示す特性図である。ＪＩＳ工業分析条件での硫黄放出量と火炉内の硫黄放出量との関係を示す特性図である。本発明の実施の形態に係る硫黄放出量の推算システムを示すブロック図である。微粉炭の燃焼により火炉内に硫黄が放出されるボイラを概念的に示す説明図である。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づき詳細に説明する。

本形態に係る硫黄放出量の推算式の生成方法では、まず火炉１（図８参照;以下同じ）内に噴射する微粉炭の燃焼による火炉１内の燃焼状況を模擬した所定の第１の測定法により特定の微粉炭を燃焼させた場合の硫黄放出量を実測する。ここで、第１の測定法としては、ＪＩＳの工業分析法（ＪＩＳＭ８８１２）を好適に適用し得る。かかる実測工程で特定の微粉炭の硫黄放出量を表すデータが得られる。

次に、所定の第２の測定法により前記微粉炭の有機硫黄含有量、黄鉄鉱硫黄含有量および硫酸塩硫黄含有量を実測することにより有機硫黄含有量、黄鉄鉱硫黄含有量および硫酸塩硫黄含有量を表すそれぞれのデータを得る。かかる第２の測定法による測定は、ＡＳＴＭＤ−２４９２に準拠して好適に行うことができる。

第１および第２の実測工程により得られた実測データに基づき次式（１）
硫黄放出量＝ａ×有機硫黄含有量＋ｂ×黄鉄鉱硫黄含有量＋ｃ×硫酸塩硫黄含有量
・・・・（１）
の係数ａ，ｂ，ｃを決定することで硫黄放出量を推算するための推算式（１）を生成する。係数ａ，ｂ，ｃの決定に際しては、実測した硫黄放出量を表すデータ、有機硫黄含有量を表すデータ、黄鉄鉱硫黄含有量を表すデータおよび硫酸塩硫黄含有量を表すデータを利用して最小自乗法により好適に決定することができる。

この結果、係数ａ，ｂ，ｃの値が、５５．０％、２７．３％および０％となった。したがって、新規な石炭の硫黄放出量は次式（２）の推算式で求めることができる。

硫黄放出量＝（０．５５）×有機硫黄含有量＋（０．２７）×黄鉄鉱硫黄含有量＋（０．００）×硫酸塩硫黄含有量・・・・（２）

かかる実施の形態は次の知見を基礎とするものである。Ｈ_２Ｓはバーナ３（図８参照；以下同じ）の近傍部分から二段燃焼空気注入位置に至る領域で生成するため、この領域内、特にバーナ３の近傍部での石炭からの硫黄の放出量がＨ_２Ｓ濃度に大きく影響する。Ｈ_２Ｓが生成し硫化腐食が生じる箇所は、前述の如く、バーナ３の近傍部分から二段燃焼用空気注入位置に至る領域である。バーナ３の近傍部分では、石炭中の揮発分が火炎を形成しながら燃焼しており、その火炎内で石炭から硫黄が気相に放出される。放出された硫黄化合物はその後、二段燃焼用空気注入位置までの間に気相反応を生じる。したがって、バーナ３の近傍部での硫黄の放出量がＨ_２Ｓ濃度に大きく影響し、その評価が重要である。

そこで、前述の如きＪＩＳの工業分析法（ＪＩＳＭ８８１２）を利用して、石炭からの硫黄の放出量を求めた。具体的には、石炭から揮発分を分離してチャーを調製し、このチャーと原炭の硫黄含有率、および工業分析値から硫黄の放出量を求めた。

図１に、硫黄放出量と硫黄含有率の関係を示す。同図に示すように、硫黄放出量は、炭種によって大きく異なり、平朔およびタニトＭＣＶでは５ｍｇ／ｇ−ｃｏａｌ程度であるのに対し、ニューランズやアダロでは０．５ｍｇ／ｇ−ｃｏａｌ未満であり、炭種によって１０倍以上の差がある。

また、図１から、硫黄含有率が増加すると大まかには硫黄放出量も増大することがわかる。ただし、プロットにはばらつきが見られるとともに、ウィットバンクとモーラ、およびワンボとハンターバレーについては傾向が逆転しており、硫黄放出量の正確な評価には硫黄含有率のみでは不十分であることがわかる。

本計測では、上述のように、硫黄放出量をＪＩＳの工業分析法を利用して求めた。そこで、まず硫黄放出量と工業分析値との相関性を検討した。

図２は、揮発分含有率と全硫黄量（硫黄含有率）に対する硫黄放出量の比率（以下、硫黄放出割合）をプロットした結果である。図２のプロットは、ばらつきが大きく、揮発分含有率と硫黄放出割合の相関性は認められない。すなわち、硫黄の放出割合には揮発分含有率（工業分析値）以外の因子が影響していることがわかった。そこで、硫黄形態に着目して検討を行った。石炭から放出される硫黄の形態は、有機硫黄、黄鉄鉱硫黄および硫酸塩硫黄が知られている。この点を考慮し、硫黄の形態毎の有機硫黄含有量、黄鉄鉱硫黄含有量および硫酸塩硫黄含有量を測定した。これらの形態別硫黄の測定方法としては、複数の方法が存在する。本測定では一般的に広く用いられているＡＳＴＭＤ−２４９２に準拠して測定を行った。この測定方法は、酸抽出によって硫酸塩硫黄と黄鉄鉱硫黄との量を決定し、有機硫黄量は全硫黄量から硫酸塩硫黄と黄鉄鉱硫黄の量を差し引いて求めるものである。

かかる測定による形態別硫黄の測定結果を、図３に示す。全硫黄中の硫酸塩硫黄の割合はニューランズおよびアダロではゼロであり、他の石炭でも小さい。有機硫黄と黄鉄鉱硫黄が石炭中硫黄の大部分を占め、それらの比率は炭種によって異なる。したがって、この有機硫黄と黄鉄鉱硫黄の比率が、硫黄放出割合に影響すると考えられる。

この点を明らかにするため、図４に全硫黄中の有機硫黄の割合と硫黄放出割合の関係をプロットした。同図に示す特性から、硫黄放出割合は有機硫黄の割合に対して直線的に増加し、黄鉄鉱硫黄と比較して有機硫黄は放出されやすいことがわかった。

そこで、硫黄形態毎に放出割合が異なると考え、硫黄形態毎の放出割合の違いを反映した推算式（１）を生成した。

硫黄放出量＝ａ×有機硫黄含有量＋ｂ×黄鉄鉱硫黄含有量＋ｃ×硫酸塩硫黄含有量
・・・・（１）
ここで、係数ａ，ｂおよびｃは各硫黄形態の放出割合を示す。

推算式（１）のａ，ｂ，ｃを決めてやれば、有機硫黄含有量、黄鉄鉱硫黄含有量および硫酸塩硫黄含有量を反映した硫黄放出量を推算し得ると考えられる。そこで、特定の炭種について最小自乗法を用いて係数ａ，ｂおよびｃを決定した。

計算の結果、係数ｃは値が非常に小さかった。これに加え、石炭中の硫酸塩硫黄の含有量が少ないことを考慮し、係数ｃをゼロとして再度計算を行った。その結果、有機硫黄と黄鉄鉱硫黄の放出割合が、それぞれ５５．０％および２７．３％となった。これらの値と有機硫黄および黄鉄鉱硫黄の測定結果から、硫黄の放出割合を推算した。

この場合の推算値と実測値の関係を、図５に示す。同図に示すように、推算値と実測値との間には良い相関（Ｒ^２＝０．８８）が見られ、この推算方法が妥当であることがわかる。これより、硫黄放出量には硫黄含有率に加えて硫黄形態が影響し、硫黄放出量の正確な評価には硫黄形態の測定が重要であることが明らかになった。

以上の検討は、操作温度が９００℃のＪＩＳの工業分析法に基づくものである。一方、実際の微粉炭燃焼場は、粒子温度が１，５００℃を超えるとともに燃焼の影響を受けるなど、本検討とは硫黄の放出条件が異なり、硫黄放出量が変化する可能性がある。そこで、火炉１から燃焼中の粒子をサンプリングして、その硫黄放出量を求め、上記の結果と比較した。粒子のサンプリングは、火炎内の火炉１の中心軸上で、揮発分および硫黄の放出が終了していると考えられる位置で実施した。

図６は、瀝青炭について比較を行った結果である。火炉１内の粒子の硫黄放出量とＪＩＳ工業分析条件での硫黄放出量には、概ね相関性が見られる。このことから、ＪＩＳ工業分析法を利用した方法によって、火炉１内の硫黄の放出量の評価ができること、ならびに火炉１内でも有機硫黄の多い石炭は、硫黄放出量が多いことがわかった。

したがって、上述の如き実施の形態に係る硫黄放出量の推算式の生成方法により生成した推算式（２）に、所定の第２の測定法により実測（ＡＳＴＭＤ−２４９２に準拠して測定）した新規な微粉炭の有機硫黄含有量、黄鉄鉱硫黄含有量および硫酸塩硫黄含有量のデータを代入することにより当該微粉炭が火炉１内で燃焼された場合の硫黄放出量を正確に推算することができる。

次に、上述の如き本発明の実施の形態に係る硫黄放出量の推算方法を実現する推算システムに関する実施の形態を説明する。

図７は、本発明の実施の形態に係る硫黄放出量の推算システムを示すブロック図である。同図に示すように、推算式生成部１１には、データＤ１，Ｄ２，Ｄ３，Ｄ４が供給される。ここでデータＤ１は、バーナ３を介して火炉１内に噴射する微粉炭の燃焼による火炉１内の燃焼状況を模擬した所定の第１の測定法（例えば、ＪＩＳの工業分析に準拠）により得る特定の微粉炭を燃焼させた場合の硫黄放出量を表す。また、データＤ２は、所定の第２の測定法（例えば、ＡＳＴＭＤ−２４９２に準拠）により得る前記微粉炭の有機硫黄含有量を表し、データＤ３は黄鉄鉱硫黄含有量を表すとともにデータＤ４は硫酸塩硫黄含有量を表す。

推算式生成部１１では、データＤ１〜Ｄ４に基づき式（１）で表される推算式の係数ａ，ｂ，ｃを決定することにより硫黄放出量の推算式（２）を生成する。ここで、係数ａ，ｂ，ｃはデータＤ１〜Ｄ４に基づき最小自乗法により演算する。

推算式記憶部１２には、推算式生成部１１で生成した推算式（２）のデータが記憶されている。

演算処理部１３は、新規な微粉炭に関して前記第２の測定法により実測して得る有機硫黄含有量、黄鉄鉱硫黄含有量および硫酸塩硫黄含有量を表すデータＤ１２，Ｄ１３，Ｄ１４が供給され、供給された各データＤ１２〜Ｄ１４を推算式記憶部１２から読み出した推算式（２）に代入して前記新規な微粉炭の硫黄放出量を推算する。

表示部１４では、演算処理部１３における所定の演算により推算された硫黄放出量を表すデータが表示される。

このように、本形態によれば、硫黄放出量を知りたい石炭の有機硫黄含有量、黄鉄鉱硫黄含有量および硫酸塩硫黄含有量を表すデータＤ１２，Ｄ１３，Ｄ１４を演算処理部１３に入力として供給することにより当該石炭の硫黄放出量を表示部１４に表示させることができる。

なお、上記実施の形態においては、第１の測定方法としてＪＩＳＭ８８１２に規定する工業分析法を用い、第２の測定方法としてＡＳＴＭＤ−２４９２に準拠するものを用いたが、これに限るものではない。前者は、火炉１内に噴射する微粉炭の燃焼による火炉１内の燃焼状況を模擬した測定法であれば良く、後者は石炭中の有機硫黄含有量、黄鉄鉱硫黄含有量および硫酸塩硫黄含有量を実測し得るものであれば良い。

また、推算式（１）の係数ａ，ｂ，ｃは最小自乗法により求めたが、ａ，ｂ，ｃを未知数とする三元一次方程式を解くことによっても、その解として決定することができる。

本発明は微粉炭を燃料として火炉内で燃焼させて得る熱エネルギを利用するボイラにおける硫化腐食を防止する必要がある火力発電等の産業分野で有効に利用することができる。

Ｉボイラ
１火炉
２ローラミル
３バーナ
１１推算式生成部
１２推算式記憶部
１３演算処理部
Ｄ１〜Ｄ４データ
Ｄ１２〜Ｄ１４（新規石炭の）データ

Claims

火炉内に噴射する微粉炭の燃焼による前記火炉内の燃焼状況を模擬した所定の第１の測定法により特定の微粉炭を燃焼させた場合の硫黄放出量を実測する第１の実測工程と、
所定の第２の測定法により前記微粉炭の有機硫黄含有量、黄鉄鉱硫黄含有量および硫酸塩硫黄含有量を実測する第２の実測工程と、
第１および第２の実測工程により得られた実測データに基づき次式（１）
硫黄放出量＝ａ×有機硫黄含有量＋ｂ×黄鉄鉱硫黄含有量＋ｃ×硫酸塩硫黄含有量
・・・・（１）
の係数ａ，ｂ，ｃを決定する推算式生成工程とを有することを特徴とする硫黄放出量の推算式の生成方法。
請求項１に記載する硫黄放出量の推算式の生成方法において、
前記係数ａ，ｂ，ｃは、最小自乗法により決定することを特徴とする硫黄放出量の推算式の生成方法。
請求項１または請求項２で生成した推算式に、新規な微粉炭に関して前記第２の測定法で実測した前記微粉炭の有機硫黄含有量、黄鉄鉱硫黄含有量および硫酸塩硫黄含有量を表すデータを代入して当該微粉炭における硫黄放出量を推算することを特徴とする硫黄放出量の推算方法。
バーナを介して火炉内に噴射する微粉炭の燃焼による前記火炉内の燃焼状況を模擬した所定の第１の測定法により得る特定の微粉炭を燃焼させた場合の硫黄放出量を表す硫黄放出量データと、所定の第２の測定法により得る前記微粉炭の有機硫黄含有量、黄鉄鉱硫黄含有量および硫酸塩硫黄含有量を表す有機硫黄含有量データ、黄鉄鉱硫黄含有量データおよび硫酸塩硫黄含有量データとが供給され、これら硫黄放出量データ、有機硫黄含有量データ、黄鉄鉱硫黄含有量データおよび硫酸塩硫黄含有量データに基づき次式（１）
硫黄放出量＝ａ×有機硫黄含有量＋ｂ×黄鉄鉱硫黄含有量＋ｃ×硫酸塩硫黄含有量
・・・・（１）
の係数ａ，ｂ，ｃを決定することにより硫黄放出量を推算する推算式を生成する推算式生成手段と、
推算式生成手段で生成した推算式のデータを記憶する記憶手段と、
新規な微粉炭に関して前記第２の測定法により実測して得る有機硫黄含有量、黄鉄鉱硫黄含有量および硫酸塩硫黄含有量を表すデータが供給され、供給された各データを前記記憶手段から読み出した推算式に代入して前記新規な微粉炭の硫黄放出量を推算する演算処理手段とを有することを特徴とする硫黄放出量の推算システム。