JP2017159229A - 微粉化バイオマスの製造方法、及び微粉化バイオマスの製造装置、並びにボイラ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】バイオマスを少ないエネルギで微粉砕して燃料としての微粉化バイオマスを形成することができる微粉化バイオマスの製造方法、及び微粉化バイオマスの製造装置、並びに、当該微粉化バイオマスを用いることによりボイラの運転コスト低減及び燃焼効率向上を実現することができるボイラ装置を提供する。
【解決手段】微粉化バイオマスの製造方法は、バイオマスＢを密閉して加熱し、バイオマスＢの含有水分でバイオマスＢを水蒸気爆砕して微粉化バイオマスを生成する爆砕工程を含む。
【選択図】図１

Description

本発明は、微粉化バイオマスの製造方法、及び微粉化バイオマスの製造装置、並びにボイラ装置に関する。

特許文献１には、木質系バイオマスを複数のミルで段階的に粉砕して微粉化し、微粉炭炊きボイラに燃料として供給するバイオマス粉砕装置及びバイオマス・石炭混焼システムが開示されている。
また、特許文献２には、有機性廃棄物を容器内に収容し、高温・高圧の水蒸気によって廃棄物を加熱（蒸煮）した後、容器内圧力を瞬間的に開放し、水の断熱膨張のエネルギによって固体成分を粉砕（爆砕）する水蒸気爆砕（蒸煮爆砕）方式の廃棄物処理装置が開示されている。

特開２０１２−８３０１７号公報 特開２０１０−３７５３６号公報

特許文献１に記載の装置及びシステムのように、固形物原料であるバイオマスを例えばハンマーミル、ローラミル、カッターミルといった機械式の粉砕機（ミル）で粉砕し、例えば微粉炭炊きボイラに燃料として供給することがある。このためには、バイオマスの平均粒度を０．５−１．０ｍｍ程度まで微粉化しなければならない。

しかしながら、一般に、ミルでバイオマスを大量粉砕した場合、その最小サイズは２．０ｍｍ程度にしかならず、バイオマスをさらに微粉化するためには、特許文献１のように複数のミルで段階的に粉砕する等の措置が必要であり、ミルを作動させるための電力等のエネルギ消費量が増大するという問題がある。

特に、原料となるバイオマスが水分を多量に含む（例えば５０ｗｔ％）、いわゆる湿潤バイオマスである場合、従来はバイオマスの水分が１０ｗｔ％以下程度になるまで乾燥した乾燥バイオマスを粉砕してバイオマス燃料を生成している。この場合には、バイオマスを乾燥するという前処理が必要となるため、乾燥機を作動させるための電力等のエネルギ消費量が増大するとともに、乾燥機という前処理設備を要する。

そこで、特許文献２に記載の廃棄物処理装置のように、バイオマスの粉砕に要するエネルギ消費量を低減するために、ボイラで大量に発生する水蒸気を有効に活用し、バイオマスを水蒸気爆砕により粉砕することが考えられる。
しかしながら、この水蒸気爆砕では、水蒸気をバイオマスと混合することにより蒸煮するため、水蒸気爆砕後に大量の凝縮水が発生する。この凝縮水は、不純物を含むため、ボイラでの水蒸気生成のための用水として再利用できず、中和処理や分離処理等を行った後に装置の系外に排出設備を経て排出しなければならない。したがって、特許文献２の装置では、水蒸気爆砕後の後処理設備を別途要し、設備コスト、及び当該設備を稼働するためのエネルギ消費量が増大するという問題がある。

本発明はこのような課題に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、バイオマスを少ないエネルギで微粉砕して燃料としての微粉化バイオマスを形成することができる微粉化バイオマスの製造方法、及び微粉化バイオマスの製造装置、並びに、当該微粉化バイオマスを用いることによりボイラの運転コスト低減、設備コスト低減、及び燃焼効率向上を実現することができるボイラ装置を提供することにある。

上記目的を達成するため、本発明の微粉化バイオマスの製造方法は、バイオマスを密閉して加熱し、バイオマスの含有水分でバイオマスを水蒸気爆砕して微粉化バイオマスを生成する爆砕工程を含む。
また、本発明の微粉化バイオマスの製造装置は、バイオマスを密閉して加熱し、バイオマスの含有水分でバイオマスを水蒸気爆砕して微粉化バイオマスを生成する爆砕機を備え、爆砕機は、バイオマスを密閉して収容する容器と、容器を加熱することによりバイオマスを間接的に加熱する加熱源とを具備する。

また、本発明のボイラ装置は、バイオマスを密閉して加熱し、バイオマスの含有水分でバイオマスを水蒸気爆砕して微粉化バイオマスを生成する爆砕機と、微粉化バイオマスを燃焼して水蒸気を発生するボイラと、ボイラで発生する水蒸気により回転される蒸気タービンとを備える。

本発明の微粉化バイオマスの製造方法、及び微粉化バイオマスの製造装置、並びにボイラ蔵置によれば、バイオマスを少ないエネルギで微粉砕して燃料としての微粉化バイオマスを形成することができ、この微粉化バイオマスを用いることによりボイラの運転コスト低減及び燃焼効率向上を実現することができる。

本発明の一実施形態に係るボイラ装置を示す構成図である。 本発明の変形例に係るボイラ装置の要部を示す構成図である。 本発明の別の実施例に係るボイラ装置の要部を示す構成図である。

以下、図面に基づき本発明の一実施形態について説明する。
図１に示すように、本実施形態のボイラ装置１は、石炭焚きボイラ２を備え、火力発電所等に設置される。石炭焚きボイラ２は、例えば微粉炭炊きボイラ（ＰＣボイラ：Pulverized Coal boiler）であって、火炉２ａ、後部伝熱部である過熱器２ｂ、再熱器２ｃ、及び節炭部２ｄを具備している。節炭部２ｄから煙突Ｐに至るまでの排ガス処理煙道３には、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が順次配置されている。

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、石炭焚きボイラ２のバーナー部２ｅに燃焼用空気として送り込む。熱交換器８は、誘引ファン７により導かれて集塵装置６を通過した後の排ガスと、押込みファン１０により導入されて脱硫部９を通過した後の排ガスとを熱交換する。熱交換器８を経た排ガスは煙突Ｐから排出される。

石炭焚きボイラ２には、石炭Ｃを機械式のミル（粉砕機）２０により粉砕処理した微粉炭燃料が供給される。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ー部２ｅを経て石炭焚きボイラ２の火炉２ａに投入されて燃焼される。

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、過熱器２ｂから配管２１を通って高圧タービン（蒸気タービン）２２に送られ、高圧タービン２２を回転させる。高圧タービン２２の仕事に供された蒸気は、配管（流路）２３を通って再熱器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を通って中・低圧タービン（蒸気タービン）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を経て石炭焚きボイラ２に戻される。

また、ボイラ装置１は、バイオマスＢを水蒸気爆砕により微粉化してバイオマス燃料としての微粉化バイオマスを製造する爆砕機３０を備えている。バイオマスＢは、例えば木質バイオマスからなる固形燃料である。爆砕機３０は、ジャケット３０ｂ付きの蒸煮容器（容器）３０ａを備えている。ジャケット３０ｂは蒸煮容器３０ａの外周に設けられ、ジャケット３０ｂには配管２３から分岐する分岐配管（供給路）２８が接続されている。ジャケット３０ｂには、高圧タービン２２を回転させた後に石炭焚きボイラ２の再熱器２ｃに戻る２００−３００℃の蒸気（再熱蒸気）の一部が分岐配管２８を経て導入される。

また、ジャケット３０ｂには、配管２３における分岐配管２８の分岐点の下流側にて配管２３に合流する合流配管（返戻路）２９が接続されている。ジャケット３０ｂを流れて蒸煮容器３０ａひいては蒸煮容器３０ａ内のバイオマスＢの加熱に供した蒸気は合流配管２９を経て配管２３に戻されて再利用される。
以下、本実施形態に係るボイラ装置１の爆砕機３０で行われる水蒸気爆砕について説明する。

先ず、爆砕機３０の蒸煮容器３０ａにバイオマスＢを投入した後、蒸煮容器３０ａを密閉する。バイオマスＢは例えば含水率が３０−６０ｗｔ％程度の湿潤バイオマスである。
次に、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で生成された上記再熱蒸気の一部が爆砕機３０のジャケット３０ｂに分岐配管２８を経て導入される。すなわち、当該蒸気はジャケット３０ｂだけに蒸煮容器３０ａの加熱源として供給されるものであり、蒸煮容器３０ａ内には供給されない。

次に、ジャケット３０ｂを流れる蒸気からの熱が蒸煮容器３０ａ内に徐々に伝達され、蒸煮容器３０ａ内に密閉状態で保持されたバイオマスＢの含有水分が徐々に蒸発する。これにより蒸煮容器３０ａ内に蒸気が発生し、このバイオマスＢの含有水分に基づく蒸気のみがバイオマスＢの水蒸気爆砕に利用される。
蒸煮容器３０ａ内における水蒸気爆砕の条件は、蒸煮容器３０ａの容積、形状等によって異なるが、蒸煮温度は例えば２００−２５０℃程度、保持時間（密閉時間）は例えば１０−３０分程度、蒸煮圧力（密閉圧力）は１．６−４．０ＭＰａ程度である。

次に、ジャケット３０ｂを流れる蒸気によって蒸煮容器３０ａを介してバイオマスＢが間接的に密閉状態で加熱され、バイオマスＢは蒸煮容器３０ａにてバイオマスＢの含有水分のみによって蒸煮される。
次に、上記保持時間の経過後、蒸煮容器３０ａに設けられた図示しないバルブを開弁することにより、蒸煮容器３０ａ内の圧力を瞬時に開放し、蒸煮容器３０ａ内の急速減圧を行うと、水蒸気爆砕によって微粉化されたバイオマス燃料（例えば平均粒度０．５−１．０ｍｍ程度）が生成される。

生成されたバイオマス燃料は、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ー部２ｅを経て石炭焚きボイラ２の火炉２ａに投入され、ミル２０により粉砕処理された微粉炭燃料とともに燃焼される。
以上のように本実施形態では、爆砕機３０にてバイオマスＢを密閉して加熱し、バイオマスＢの含有水分でバイオマスＢを水蒸気爆砕して微粉化バイオマスを生成することができる。したがって、バイオマスＢの乾燥等の前処理が不要となるため、乾燥機等の前処理設備を要さず、当該前処理に要するエネルギ消費を削減することができる。

また、蒸気を蒸煮容器３０ａ内に供給しないことにより、バイオマスＢを蒸煮容器３０ａに投入した後は蒸煮容器３０ａを密閉した状態で水蒸気爆砕を行うことができる。したがって、水蒸気爆砕で発生するのはバイオマスＢの含有水分に基づく少量の凝縮水だけであるため、この凝縮水は微粉化バイオマスとともにそのまま火炉２ａに投入しても、ボイラ２における燃焼効率にそれほど影響しない。

また、ジャケット３０ｂに導入される蒸気はバイオマスＢと接触しないため、ジャケット３０ｂに導入された蒸気は配管２３に戻されて石炭焚きボイラ２の再熱蒸気としてそのまま再利用することができる。したがって、水蒸気爆砕により発生する凝縮水の中和処理、分離処理、排水処理等の後処理が不要となるため、後処理設備を要さず、当該後処理に要するエネルギ消費を削減することができる。このように、本実施形態では、従来の水蒸気爆砕に比して、大幅に少ないエネルギでバイオマスＢを微粉化することができるとともに、ボイラ装置１におけるエネルギ消費及び設備コストを全体として大幅に削減し、ボイラ装置１の運転コストを低減することができる。

図２に示すように、本発明の変形例に係るボイラ装置１Ａは、油炊き又はガス炊きボイラ２Ａと、貯蔵タンク３２とを備え、その他の構成は先の実施形態で説明したボイラ装置１と同じである。貯蔵タンク３２には、配管３３を介して石油や重油等の液体燃料、又は天然ガス等の気体燃料が輸送されて貯蔵されている。

貯蔵タンク３２に貯蔵された液体燃料又は気体燃料、及び蒸煮容器３０ａで生成された微粉化バイオマスは、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ー部２ｅを経てボイラ２Ａの火炉２ａに投入されて燃焼される。この場合であっても、爆砕機３０によって少ないエネルギでバイオマスＢを微粉化することができる。さらに、ボイラ装置１Ａでは、ミル２０を要しないため、ミル２０の消費電力を削減することができ、ボイラ装置１Ａにおけるエネルギ消費及び設備コストをより一層低減することができる。

図３に示すように、本発明の別の変形例に係るボイラ装置１Ｂは、爆砕機３０で生成された微粉化バイオマスの水分を調整する乾燥機（水分調整手段）３４を備え、その他の構成は先の変形例で説明したボイラ装置１Ａと同じである。乾燥機３４には、油炊き又はガス炊きボイラ２Ｂで生じた蒸気の一部が分岐配管２８を経て導入される。

ここで、蒸煮容器３０ａに投入するバイオマスＢが例えば９０ｗｔ％程度の含水率を有する褐炭バイオマス等である場合を想定する。この場合には、先の実施形態で説明した３０−６０ｗｔ％程度の含水率のバイオマスＢを使用する場合に比して、バイオマスＢの含有水分に基づいて蒸煮容器３０ａに発生する凝縮水が多くなる。この凝縮水を微粉化バイオマスとともにそのまま火炉２ａに投入すると、ボイラ２Ｂにおける燃焼効率に少なからず影響を与える。

そこで、蒸煮容器３０ａで生成した微粉化バイオマスを乾燥機３４にて乾燥した後に火炉２ａに投入することにより、高含水率の微粉化バイオマスをそのまま火炉２ａに投入する場合に比して、ボイラ２Ｂにおける燃焼効率を向上させることができる。しかも、乾燥機３４における微粉化バイオマスの加熱源は、油炊き又はガス炊きボイラ２Ｂで生じた蒸気を利用したものであるから、ボイラ装置１Ｂにおけるエネルギ消費及び設備コストをも低減可能である。

以上で本発明の実施形態及び変形例についての説明を終えるが、本発明はこれらに限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々の変更ができるものである。
例えば、図１に示した実施形態のボイラ装置１に、図３の変形例で示した乾燥機３４を設けるようにしても良い。この場合には、含水量の比較的多い湿潤バイオマスをバイオマス原料とする場合であっても、蒸煮容器３０ａで生じる凝縮水によるボイラ２の燃焼効率低下を抑制可能である。

また、蒸煮容器３０ａで生成した微粉化バイオマスを図示しないミルでさらに微細に粉砕してから火炉２ａに投入して燃焼しても良い。この場合、水蒸気爆砕後のバイオマスは熱処理により脆化して粉砕し易い状態となっているため、ミルにてさらに粉砕を行うことで、より多くの微粉化バイオマスを得ることができる。
また、図示しない分級機を設けることにより、微粉化バイオマスが所定の閾値を超えないサイズに微細化されるまで爆砕機３０に戻し、繰り返し破砕してから火炉２ａに投入するようにしても良い。

また、上記実施形態及び変形例では、各ボイラ装置１，１Ａ，１Ｂが備える爆砕機３０で水蒸気爆砕を行うことでバイオマスＢの含水量のみで微粉化バイオマスを生成する場合について説明した。この場合には、各ボイラ２，２Ａ，２Ｂ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を回転させた後に再熱器２ｃに戻る蒸気）の一部を蒸煮容器３０ａや乾燥機３４の加熱源として利用している。これにより、新たな電力消費を要さずに、少ないエネルギでバイオマスＢを微粉化することができる。しかし、これに限らず、上記加熱源として、中・低圧タービン２５の仕事に供された後の蒸気を利用しても良いし、各ボイラ２，２Ａ，２Ｂで発生する水蒸気を直接利用しても良いし、各ボイラ２，２Ａ，２Ｂで発生する排ガスを蒸気で追い焚きして利用しても良い。

また、各ボイラ装置１，１Ａ，１Ｂ以外の他の装置や設備に、爆砕機３０の態様をなす微粉化バイオマス製造装置を設け、蒸気以外の加熱源を利用して蒸煮容器３０ａを加熱して微粉化バイオマスを生成しても良い。
また、本発明で微粉化可能なバイオマスは、水分を含む潤湿バイオマスであれば良く、木質系に限らず草木系を含む未利用バイオマスであっても良いし、廃棄物系バイオマスであっても良い。

１，１Ａ，１Ｂ ボイラ装置
２ 石炭焚きボイラ（ボイラ）
２Ａ，２Ｂ 油炊き又はガス炊きボイラ（ボイラ）
２１，２３，２４，２６ 配管（流路）
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）
２８ 分岐配管（供給路）
２９ 合流配管（返戻路）
３０ 爆砕機
３０ａ 蒸煮容器（容器）
３０ｂ ジャケット
３４ 乾燥機（水分調整手段）
Ｂ バイオマス

Claims (12)

1. バイオマスを密閉して加熱し、前記バイオマスの含有水分で前記バイオマスを水蒸気爆砕して微粉化バイオマスを生成する爆砕工程を含む、微粉化バイオマスの製造方法。
2. 前記微粉化バイオマスの含水量を調整する水分調整工程をさらに含む、請求項１に記載の微粉化バイオマスの製造方法。
3. 前記爆砕工程では、前記バイオマスを非接触で水蒸気により加熱する、請求項１又は２に記載の微粉化バイオマスの製造方法。
4. 前記微粉化バイオマスを機械的に粉砕する粉砕工程をさらに含む、請求項１から３の何れか一項に記載の微粉化バイオマスの製造方法。
5. バイオマスを密閉して加熱し、前記バイオマスの含有水分で前記バイオマスを水蒸気爆砕して微粉化バイオマスを生成する爆砕機を備え、
   前記爆砕機は、
   前記バイオマスを密閉して収容する容器と、
   前記容器を加熱することにより前記バイオマスを間接的に加熱する加熱源と
   を具備する、微粉化バイオマスの製造装置。
6. 前記微粉化バイオマスの含水量を調整する水分調整手段をさらに含む、請求項５に記載の微粉化バイオマスの製造装置。
7. 前記加熱源は、前記バイオマスを非接触で加熱する水蒸気である、請求項５又は６に記載の微粉化バイオマスの製造装置。
8. 前記微粉化バイオマスを機械的に粉砕する粉砕機をさらに含む、請求項５から７の何れか一項に記載の微粉化バイオマスの製造装置。
9. バイオマスを密閉して加熱し、前記バイオマスの含有水分で前記バイオマスを水蒸気爆砕して微粉化バイオマスを生成する爆砕機と、
   前記微粉化バイオマスを燃焼して水蒸気を発生するボイラと、
   前記ボイラで発生する水蒸気により回転される蒸気タービンと
   を備える、ボイラ装置。
10. 前記爆砕機は、
    前記バイオマスを密閉して収容する容器と、
    前記容器の外周に設けられたジャケットと
    を具備し、
    前記ボイラで発生する水蒸気、又は前記蒸気タービンを回転させた後の水蒸気が流れる流路と、
    前記流路から分岐して前記ジャケットに接続され、前記ジャケットに前記流路の水蒸気を供給する供給路と、
    前記ジャケットに接続されて前記流路に合流し、前記ジャケットを流れた水蒸気を前記流路に戻す返戻路と
    をさらに備える、請求項９に記載のボイラ装置。
11. 前記微粉化バイオマスの含水量を調整する水分調整手段をさらに含む、請求項９又は１０に記載のボイラ装置。
12. 前記微粉化バイオマスを機械的に粉砕する粉砕機をさらに含む、請求項９から１１の何れか一項に記載のボイラ装置。

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