JP2015124981A - ボイラ装置及びボイラへのバイオマス燃料供給方法 - Google Patents

Abstract

【課題】バイオマスを少ないエネルギーで粉砕してバイオマス燃料を生成しつつ、このバイオマス燃料を燃料として使用することができ、その結果、運転コストの低減を実現するボイラ装置及びボイラへのバイオマス燃料供給方法を提供する。
【解決手段】バイオマス燃料及び石炭Ｃを混合燃焼させて蒸気を生じさせる石炭焚きボイラ２と、バイオマスＢを微細化して石炭焚きボイラ２にバイオマス燃料として供給する爆砕機３０と、石炭焚きボイラ２におけるバイオマス燃料及び石炭Ｃの混合燃焼によって生じる蒸気により回転する高圧タービン２２を備え、爆砕機３０は、高圧タービン２２を回転させて石炭焚きボイラ２に戻る蒸気の一部を導入して、バイオマスＢを水蒸気爆砕することでバイオマス燃料を生成する。
【選択図】図１

Description

本発明は、バイオマスを微細化して成るバイオマス燃料を燃焼させて蒸気を生じさせるボイラ装置及びボイラへのバイオマス燃料供給方法に関するものである。

従来、上記したバイオマス燃料を燃焼させるボイラ装置に類するものとしては、例えば、特許文献１に記載された発電システムや、特許文献２に記載されたバイオマス前処理ユニットがある。
特許文献１に記載された発電システムは、有機系廃棄物を水蒸気と接触させて乾燥物として排出する廃棄物処理装置と、この廃棄物処理装置から排出された乾燥物を石炭とともに燃焼させる石炭ボイラを備えており、この発電システムでは、石炭ボイラで得られた水蒸気の一部を廃棄物処理装置に供給して有機系廃棄物と接触させることで水分を蒸発させて、有機系廃棄物を微粒子状の乾燥物として排出するようにしている。

一方、特許文献２に記載されたバイオマス前処理ユニットは、バイオマス粉砕装置と、このバイオマス粉砕装置にバイオマスを供給するバイオマスフィーダを備えており、このバイオマス前処理ユニットでは、バイオマスフィーダにボイラガスの一部を導入してこのフィーダ内でバイオマスを加熱しつつ脆化させるようにしている。

特開2010-101503号公報 特開2013-088033号公報

ところが、前者の発電システムにあっては、有機系廃棄物を乾燥物として排出することができるものの、有機系廃棄物が細かく、且つ容易に粉砕し難いものである場合には、廃棄物処理装置の他に粉砕機及びこれを作動させる動力がさらに必要である。

一方、後者のバイオマス前処理ユニットにあっても、バイオマスを加熱しつつ脆化させることができるものの、ボイラで燃焼させ得るサイズまでバイオマスを微細化するためには脆化させたバイオマスをバイオマス粉砕装置にかける必要がある。

つまり、前者の発電システム及び後者のバイオマス前処理ユニットのいずれの場合も、乾燥とは別に、有機系廃棄物やバイオマスをボイラで燃焼可能なサイズまで粉砕するための設備及びプロセスが必要であり、その分だけ、設備コスト及び動力コストが高くついてしまうという問題を有しており、この問題を解決することが従来の課題となっていた。

本発明は、上記した従来の課題に着目してなされたもので、バイオマスを少ないエネルギーで粉砕、乾燥させてバイオマス燃料を生成しつつ、このバイオマス燃料を燃料として使用することができ、その結果、ボイラの運転コストの低減を実現することが可能であるボイラ装置及びボイラへのバイオマス燃料供給方法を提供することを目的としている。

本発明に係るボイラ装置の第１の態様は、バイオマス燃料を燃焼させて、又は、前記バイオマス燃料及び石炭を混合して燃焼させて蒸気を生じさせるボイラと、バイオマスを乾燥及び微細化して前記ボイラにバイオマス燃料として供給するバイオマス燃料供給部と、前記ボイラにおける前記バイオマス燃料の燃焼、又は、前記バイオマス燃料及び石炭の混合燃焼によって生じる蒸気により回転する蒸気タービンを備え、前記バイオマス燃料供給部は、前記蒸気タービンを回転させる蒸気及び前記蒸気タービンを回転させて前記ボイラに戻る蒸気のうちのいずれかの一部を導入して、前記バイオマスを水蒸気爆砕することで前記バイオマス燃料を生成する構成としている。

また、本発明の第２の態様において、前記バイオマス燃料供給部は、前記蒸気タービンを回転させて前記ボイラに戻る蒸気の一部を導入して、前記バイオマスを水蒸気爆砕することで前記バイオマス燃料を生成する構成としている。

さらに、本発明の第３の態様は、前記ボイラで生じる蒸気の一部及び排ガスのうちの少なくともいずれか一方を導入して、前記バイオマス燃料供給部で生成される微細化した前記バイオマス燃料を乾かす乾燥機と、前記乾燥機で乾かされた微細化した前記バイオマス燃料の分級を行って、前記ボイラで燃焼し尽くし得る大きさの閾値を超えないサイズに微細化された前記バイオマス燃料を前記ボイラに供給すると共に前記大きさの閾値以上のサイズに微細化された前記バイオマス燃料を大きさの閾値を超えないサイズに微細化されるまで前記バイオマス燃料供給部に繰り返し戻す分級機を備えている構成としている。

ここで、ボイラに供給する微細化されたバイオマス燃料のサイズは、例えば木片である場合、大きく設定すると燃焼し尽くすために多くの時間を要したり燃え残ったりし、一方、小さく設定するとそのサイズまで微細化するために多くのエネルギーを必要とする。つまり、ボイラで燃焼し尽くし得る木片の大きさの閾値は、石炭焚きボイラ装置のボイラに微粉炭燃料とともに供給する場合において、微粉炭燃料と燃焼時間が同程度になる大きさとすることが望ましい。

一方、本発明に係るボイラへのバイオマス燃料供給方法は、バイオマス燃料を燃焼させて、又は、前記バイオマス燃料及び石炭を混合燃焼させて蒸気を生じさせるボイラと、バイオマスを微細化して前記ボイラにバイオマス燃料として供給するバイオマス燃料供給部を備えたボイラ装置の前記ボイラに対する前記バイオマス燃料の供給方法であって、前記バイオマス燃料供給部に、前記バイオマスを投入すると共に、前記バイオマス燃料の燃焼、又は、前記バイオマス燃料及び石炭の混合燃焼によって前記ボイラで生じる蒸気の一部を導入して、前記バイオマスを水蒸気爆砕することで前記バイオマス燃料を生成した後、水蒸気爆砕で生成された前記バイオマス燃料を前記ボイラに供給する構成としている。

本発明に係るボイラ装置及びボイラへのバイオマス燃料供給方法において、水蒸気爆砕とは、バイオマス燃料供給部（爆砕機）にバイオマスを投入すると共に高温の蒸気を導いて高圧で保持した後に急速減圧を行うことで、圧縮されていた蒸気及びバイオマスに含まれていた水分を爆発的に膨張させて、外部からの機械的作用によることなくバイオマスを内部から細かく破壊する操作をいう。この膨張行程では、同時にバイオマス内部の水分が揮発するため乾燥も同時に行われる。

本発明の第１の態様に係るボイラ装置及びボイラへのバイオマス燃料供給方法では、バイオマス燃料供給部にバイオマスを投入するのに続いて、バイオマス燃料を単独で燃焼させることによって、又は、バイオマス燃料及び石炭を一緒に燃焼させることによってボイラで生じている高温の蒸気の一部をバイオマス燃料供給部に導入して高圧で保持した後に、バイオマス燃料供給部の急速減圧を行うと、水蒸気爆砕によってバイオマスが粉々に粉砕されてバイオマス燃料が生成されることとなる。

この際、バイオマス燃料供給部に導入される蒸気の量は、ボイラ装置で生じる蒸気の数％であり、ボイラの蒸気のエネルギーを変換して得られる電力を用いてバイオマスを粉砕する場合に比べて、極めて僅かなエネルギーでバイオマス燃料を生成し得ることとなる。

また、第２の態様に係るボイラ装置のように、蒸気タービンを回転させてボイラに戻る蒸気（再熱蒸気）の一部をバイオマス燃料供給部に導入するようにした場合には、蒸気タービンの回転に供する温度及び圧力がいずれも高い蒸気の一部をバイオマス燃料供給部に導入する場合と比較して、温度及び圧力がいずれもより低い蒸気を使用する分だけエネルギー利用の効率化が図られることとなる。

さらに、第３の態様に係るボイラ装置のように、バイオマス燃料供給部で生成される微細化したバイオマス燃料を乾かす乾燥機と、乾かされたバイオマス燃料の分級を行ってボイラで燃焼し尽くし得る大きさの閾値を超えないサイズに微細化されたバイオマス燃料をボイラに供給する分級機を備えている構成を採用した場合には、バイオマス燃料の乾燥を必要かつ十分に行い得ることとなるうえ、燃焼効率向上に適したサイズのバイオマス燃料をボイラに供給し得ることとなる。

本発明に係るボイラ装置では、バイオマスを従来よりも少ないエネルギーで粉砕してバイオマス燃料を生成しながらこのバイオマス燃料を燃料として使用することができるので、発電のためのエネルギー消費の低減を実現することができるという非常に優れた効果がもたらされる。

本発明の一実施例によるボイラ装置を示す概略構成説明図である。 本発明の他の実施例によるボイラ装置の要部を示す構成説明図である。

以下、本発明の実施例を図面に基づいて説明する。
図１は、本発明の一実施例によるボイラ装置を示している。

図１に示すように、このボイラ装置１は、火炉２ａ，後部伝熱部の過熱器２ｂ，再熱器２ｃ及び節炭部２ｄを具備した石炭焚きボイラ（燃焼器）２を備えており、節炭部２ｄから煙突Ｐに至るまでの排ガス処理煙道３に、脱硝部４，エアヒータ５，集塵装置６，誘引ファン７，熱交換器８，脱硫部９及び押込みファン１０を順次配置して成っている。

エアヒータ５は、押込みファン１１により導入される外部空気を脱硝部４から排出される排ガスの熱で暖めて石炭焚きボイラ２のバーナ部２ｅに燃焼用空気として送り込み、熱交換器８は、誘引ファン７により導かれる集塵装置６通過後の排ガスと押込みファン１０により導入される脱硫部９通過後の排ガスとの間で熱交換を行うものとなっている。

このボイラ装置１の石炭焚きボイラ２に対しては、ミル２０により粉砕処理された石炭Ｃが微粉炭燃料として供給されるようになっており、この微粉炭燃料は、押込みファン１１により導入される燃焼用空気とともにバーナ部２ｅを介して石炭焚きボイラ２の火炉２ａに投入されて燃焼するようになっている。

このボイラ装置１の石炭焚きボイラ２で微粉炭燃料が燃焼することで生じる蒸気は、後部伝熱部の過熱器２ｂから配管２１を介して高圧タービン２２に送られ、この高圧タービン２２の仕事に供された後、配管２３を介して後部伝熱部の再熱器２ｃに戻されて、再度加熱される。そして、再度加熱された蒸気は、配管２４を介して中・低圧タービン２５に送られ、この中・低圧タービン２５の仕事に供された後、配管２６及び復水器２７を介して石炭焚きボイラ２に戻るようになっている。

また、このボイラ装置１は、バイオマスＢを微細化してバイオマス燃料を作り出す爆砕機（バイオマス燃料供給部）３０を備えている。この爆砕機３０には、配管２３から分岐する分岐配管２８が接続されており、高圧タービン２２で仕事に供されて後部伝熱部の再熱器２ｃに戻る２００〜３００℃の蒸気の一部が導入されるようになっている。

この爆砕機３０では、分岐配管２８を介して導入される蒸気を高圧（４．５ＭＰａ程度）で保持した後に急速減圧を行うことで、圧縮されていた蒸気及びバイオマスＢに含まれている水分を爆発的に膨張させて、バイオマスＢを細かく破壊するようになっており、これにより生成されたバイオマス燃料を微粉炭燃料と同じようにして、押込みファン１１により導入される燃焼用空気とともにバーナ部２ｅを介して石炭焚きボイラ２の火炉２ａに投入して燃焼させるようになっている。

この実施例に係るボイラ装置１では、まず、爆砕機３０にバイオマスＢを投入する。
次いで、微粉炭燃料及びバイオマス燃料の燃焼によって石炭焚きボイラ２で生じている高温の蒸気のうちの再熱蒸気（高圧タービン２２を回転させて石炭焚きボイラ２の後部伝熱部の再熱器２ｃに戻る蒸気）の一部を爆砕機３０に導入して所定時間高圧で保持する。

この後、爆砕機３０の急速減圧を行うと、水蒸気爆砕によってバイオマスＢが粉々に粉砕されてバイオマス燃料が生成されることとなり、この際、爆砕機３０に導入される蒸気の量は、ボイラ装置１全体で生じる蒸気の数％であり、石炭焚きボイラ２の蒸気のエネルギーを変換して得られる電力を用いてバイオマスＢを粉砕する場合に比べて、極めて僅かなエネルギーでバイオマス燃料を生成し得ることとなる。

また、この実施例では、分岐配管２８を介して再熱蒸気の一部を爆砕機３０に導入するようにしているので、高圧タービン２２の回転に供する蒸気の一部を爆砕機３０に導入する場合と比較して、よりエネルギーの効率化が図られることとなる。

そこで、乾燥及び破砕の二つのプロセスを経てバイオマス燃料を得る場合に必要なエネルギー量（エネルギー）と、この実施例に係るボイラ装置１がバイオマス燃料を得るために必要とするエネルギー量とを比較すると、乾燥及び破砕の二つのプロセスを経てバイオマス燃料を得る場合に必要なエネルギー量は、木質バイオマスからバイオマス燃料（１４ＭＪ／ｋｇ〜１７ＭＪ／ｋｇ）を１ｋｇ生成する場合に換算して、２〜３ＭＪ（乾燥用）＋１．５〜２ＭＪ（破砕用）が必要であると推測されるのに対して、この実施例に係るボイラ装置１がバイオマス燃料を得るために必要なエネルギー量は、１〜１．５ＭＪだけで済むと推測される。

加えて、乾燥及び破砕の二つのプロセスを経てバイオマス燃料を得る場合は、破砕にモータ等を使用する都合上電力を必要とし、この電力を得るのに必要な熱量はその約２．５倍であることから、実質的に破砕には、２．５〜３．８ＭＪのエネルギー量が必要である。

したがって、石炭焚きボイラ２で生じる蒸気を使用するこの実施例に係るボイラ装置１がバイオマス燃料を得るのに必要なエネルギー量は、乾燥及び破砕の二つのプロセスを経てバイオマス燃料を得る場合に比べて大幅に少ないと推測できる。

図２は、本発明の他の実施例によるボイラ装置を示している。

図２に部分的に示すように、このボイラ装置１Ａが先の実施例のボイラ装置１と相違するところは、分岐配管２８を介して石炭焚きボイラ２で生じる蒸気の一部を導入して、爆砕機３０で生成される微細化したバイオマスＢを乾かす乾燥機３１と、この乾燥機３１で乾かされたバイオマスＢの分級を行う分級機３２を備えた点にあり、他の構成は先の実施例のボイラ装置１と同じである。

この場合、乾燥機３１で乾かされたバイオマスＢの分級を行う分級機３２は、予め定めた石炭焚きボイラ２で燃焼し尽くし得る大きさの閾値を超えないサイズに微細化されたバイオマスＢを押し込みファン１１（図２では省略）により導入される燃焼用空気とともにバーナ部２ｅを介して火炉２ａに投入し、一方、大きさの閾値以上のサイズに微細化されたバイオマスＢをこの閾値を超えないサイズに微細化されるまで爆砕機３０に繰り返し戻すようになっている。

ここで、石炭焚きボイラ２に供給する微細化されたバイオマスＢのサイズは、例えば木片である場合、上述したように、大きく設定すると燃焼し尽くすために多くの時間を要したり燃え残ったりし、一方、小さく設定するとそのサイズまで微細化するために多くのエネルギーを必要とするので、木片の大きさの閾値は、この実施例のように、石炭焚きボイラ２に微粉炭燃料とともに供給する場合において、微粉炭燃料と燃焼時間が同程度になる大きさ（バイオマスＢの種類にもよるがおよそ１ｍｍ）とすることが望ましい。

この実施例に係るボイラ装置１Ａでは、バイオマスＢの乾燥を必要かつ十分に行い得ることとなるうえ、燃焼効率向上に適したサイズのバイオマスＢを石炭焚きボイラ２に供給し得ることとなる。

この実施例に係るボイラ装置１Ａの乾燥機３１では、石炭焚きボイラ２で生じる蒸気の一部を導入して、爆砕機３０で生成される微細化したバイオマスＢを乾かすようにしているが、図２に仮想線で示すように、配管３３を介して石炭焚きボイラ２で生じる排ガスを導入して、爆砕機３０で生成される微細化したバイオマスＢを乾かすようにしてもよい。

本発明に係るボイラ装置及びボイラへのバイオマス燃料供給方法の構成は、上記した実施例に限定されるものではない。

１，１Ａ ボイラ装置
２ 石炭焚きボイラ（燃焼器）
２２ 高圧タービン（蒸気タービン）
２５ 中・低圧タービン（蒸気タービン）
３０ 爆砕機（バイオマス燃料供給部）
３１ 乾燥機
３２ 分級機
Ｂ バイオマス
Ｃ 石炭

Claims (4)

1. バイオマス燃料を燃焼させて、又は、前記バイオマス燃料及び石炭を混合燃焼させて蒸気を生じさせるボイラと、
   バイオマスを微細化して前記ボイラにバイオマス燃料として供給するバイオマス燃料供給部と、
   前記ボイラにおける前記バイオマス燃料の燃焼、又は、前記バイオマス燃料及び石炭の混合燃焼によって生じる蒸気により回転する蒸気タービンを備え、
   前記バイオマス燃料供給部は、前記蒸気タービンを回転させる蒸気及び前記蒸気タービンを回転させて前記ボイラに戻る蒸気のうちのいずれかの一部を導入して、前記バイオマスを水蒸気爆砕することで前記バイオマス燃料を生成するボイラ装置。
2. 前記バイオマス燃料供給部は、前記蒸気タービンを回転させて前記ボイラに戻る蒸気の一部を導入して、前記バイオマスを水蒸気爆砕することで前記バイオマス燃料を生成する請求項１に記載のボイラ装置。
3. 前記ボイラで生じる蒸気の一部及び排ガスのうちの少なくともいずれか一方を導入して、前記バイオマス燃料供給部で生成される微細化した前記バイオマス燃料を乾かす乾燥機と、前記乾燥機で乾かされた微細化した前記バイオマス燃料の分級を行って、前記ボイラで燃焼し尽くし得る大きさの閾値を超えないサイズに微細化された前記バイオマス燃料を前記ボイラに供給すると共に前記大きさの閾値以上のサイズに微細化された前記バイオマス燃料を該大きさの閾値を超えないサイズに微細化されるまで前記バイオマス燃料供給部に繰り返し戻す分級機を備えている請求項１又は２に記載のボイラ装置。
4. バイオマス燃料を燃焼させて、又は、前記バイオマス燃料及び石炭を混合燃焼させて蒸気を生じさせるボイラと、バイオマスを微細化して前記ボイラにバイオマス燃料として供給するバイオマス燃料供給部を備えたボイラ装置の前記ボイラに対する前記バイオマス燃料の供給方法であって、
   前記バイオマス燃料供給部に、前記バイオマスを投入すると共に、前記バイオマス燃料の燃焼、又は、前記バイオマス燃料及び石炭の混合燃焼によって前記ボイラで生じる蒸気の一部を導入して、前記バイオマスを水蒸気爆砕することで前記バイオマス燃料を生成した後、水蒸気爆砕で生成された前記バイオマス燃料を前記ボイラに供給するボイラへのバイオマス燃料供給方法。

Images