JP2019190687A - バイオマスの燃焼方法および燃焼装置 - Google Patents

Abstract

【課題】流動層炉の流動層において、流動粒子の融着・凝集を抑制し、草本系バイオマスなど高カリウム含有バイオマスを安定して燃焼することのできる、バイオマスの燃焼方法および燃焼装置を提供する。【解決手段】流動層炉１の炉本体１０にバイオマスを供給するとともに該炉本体１０の下部から酸化性ガスを供給して、流動粒子とともに該バイオマスを流動させて流動層を形成し、該流動層中で上記バイオマスを燃焼させる燃焼方法において、廃棄物ガス化溶融炉にて廃棄物の熱分解残渣を溶融してから冷却して生成した熱分解残渣溶融スラグ、又は灰溶融炉にて廃棄物の灰を溶融してから冷却して生成した灰溶融スラグを流動粒子として使用する。【選択図】図１

Description

本発明は、流動層炉の炉本体内にて流動粒子を酸化性ガスにより流動させた流動層中でバイオマスを燃焼させるバイオマスの燃焼方法および燃焼装置に関する。特に、草本系バイオマスなどの高カリウム含有バイオマスの燃焼方法および燃焼装置に関する。

近年、地球温暖化の防止対策として、バイオマスエネルギーの利用が注目されている。バイオマスは、化石資源ではなく生物由来の有機性資源であるため、再生可能である。なかでも植物由来のバイオマスは、二酸化炭素排出量を削減する効果が特に期待されている。

バイオマスは有機物であるので、燃焼させると二酸化炭素が発生する。植物由来のバイオマスは、その植物の成長過程で光合成により二酸化炭素から変換された炭素資源を含んでいる。要するに、植物由来のバイオマスの燃焼により発生する二酸化炭素は、その植物が成長過程で大気中から吸収した二酸化炭素に由来している。したがって、バイオマスを燃焼させても、全体としては大気中の二酸化炭素量を増加させていないとみなすことができる。すなわち、バイオマスは、カーボンニュートラルなエネルギー源である。こうした植物由来のバイオマスとして、草本系バイオマス、特にアブラヤシ空果房やスィッチグラスが着目されている。

アブラヤシの空果房は、アブラヤシの果実からパーム油を採取した後に残る一部である。アブラヤシ果房は直径数ｃｍの果実を数百個有しており、果実は果房の芯に強く結合している。この結合を弱めて芯から果実を容易に分離するため、さらに搾油成分の変質を抑制するために、果房は、まず蒸気加熱される。その後、回転篩等により果実が脱果される。果実が脱果された残りの部分が空果房（Ｅｍｐｔｙ Ｆｒｕｉｔ Ｂｕｎｃｈ、ＥＦＢ）である。空果房は、大量に排出されるものの水分を多く含んでいるため、有効利用されることなく野外放置や野焼きなどで廃棄されていた。

近年、アブラヤシ空果房をボイラー燃料として利用することが試みられており、そのための装置が提案されている。かかる装置は、蒸気圧力下で回転篩により果実を空果房から分離する蒸熱脱果機、脱果後の空果房を裁断する空果房裁断機、および裁断後の空果房を圧搾する空果房圧搾機を備えている。空果房は空果房裁断機により裁断された後、空果房圧搾機により水分を除去され、ボイラー燃料として使用される。

また、スィッチグラスは、多年生イネ科植物で成長が著しく早いエネルギー作物であり、主に茎部を燃料として用いることが検討されている。

このような草本系バイオマスをボイラー燃料として利用する具体的な技術としては、炉内に供給された粒子状の流動媒体（以下、「流動粒子」という）を、炉下部から酸化性ガスを供給することにより流動させた流動層中で、バイオマスを燃焼させる流動層炉を用いる方法が検討されている。また、流動層炉では、流動粒子として、安価で汎用的なケイ砂粒子が用いられることが多い。

特許文献１には、草本系バイオマスではなく、汚泥や廃棄物などの処理対象物を燃焼するための循環流動層炉が開示されている。この特許文献１の循環流動層炉は、炉本体としてのライザと、流動粒子を捕集してライザへ戻すダウンカマーとで主に構成され、ダウンカマーは、該ライザの上部と接続配管で接続され該ライザから排ガスとともに送られた流動粒子を捕集する捕集部と、該捕集部で捕集された流動粒子をライザの下部に戻すための戻し管と、ライザからのガスが捕集部内を上昇するのを防止するシール部を有している。

上記循環流動層炉では、ライザの下部から上方へ向けて一次空気がそして該ライザの側部から二次空気が供給されていて、該ライザに投入された処理対象物が砂などの流動粒子とともに流動することによりライザ内に流動層が形成されている。上記処理対象物は該流動層中で燃焼され、ライザで発生した排ガスおよび流動粒子の一部がダウンカマーへ送られ、固気分離される。排ガスは、捕集部から外部の排ガス処理設備へと排出される。また、流動粒子は、捕集部で捕集されて降下して、戻し管を経てライザへ戻される。

アブラヤシ空果房やスィッチグラス、竹、籾殻などの草本系バイオマスには、カリウムが多く含まれている。例えば草本系バイオマスにおけるカリウムの含有率は、乾燥ベースで０．７〜３ｗｔ％程度である。したがって、草本系バイオマスなどの高カリウム含有バイオマスを処理対象物として、例えば特許文献１の循環流動層炉などの流動層炉で燃焼させて燃焼熱エネルギーを回収する際には、このカリウムに起因して以下のような問題が生じる。

ケイ砂粒子を流動粒子とする場合、流動層炉では、燃焼により草本系バイオマスから放出されたガス状のカリウム化合物がケイ砂粒子表面に吸着され、ケイ砂粒子表面にＳｉＯ_２−Ｋ_２Ｏ化合物が生成し、この物質の溶融温度は流動層炉内温度より低いため、溶融状態であってケイ砂粒子表面に融着物が形成される。この結果、ケイ砂粒子同士が融着し、ケイ砂粒子の凝集そして塊化（「アグロメレーション」という）が生じて、ケイ砂粒子の流動状態を維持できなくなり、上記流動層炉の正常な運転が妨げられる。

流動粒子が凝集そして塊化して良好な流動をしていない流動層中に草本系バイオマスを投入すると、該草本系バイオマスは流動粒子中に均等に分散できないため、部分的に集まった状態で燃焼し均一に燃焼できないことになる。これにより、炉内では発熱する領域が偏在することになり、局所的な高温部分であるホットスポットが形成されることになるため、これに起因するＮＯｘ等の有害ガスの発生や、炉内耐火物の損傷、耐用寿命の短縮、ＣＯの発生などの問題が生じ、草本系バイオマスの安定した燃焼が困難となる。

また、流動粒子が凝集する危険性がある場合、流動状態を維持するためには、大量の流動粒子の抜出しと新規流動粒子の補充とを行って流動粒子を入れ替える操作を頻繁に行う必要があることから、連続して運転することができないという問題や、新規流動粒子の購入と抜き出した流動粒子の廃棄に多くの費用が必要となるという問題も生じる。

このような問題に対して、流動層炉の流動層において、流動粒子の凝集を抑制し、草本系バイオマスを安定して燃焼することのできる、草本系バイオマスの燃焼方法として、特許文献２が開示されている。特許文献２では、以下の検討がなされている。

流動粒子の融着、凝集の原因を検討するため、種々のバイオマス、すなわち、木屑、ＰＫＳ（アブラヤシの種子から搾油した残渣）、ＥＦＢ（アブラヤシ空果房）、スィッチグラスの灰分を分析し、灰分中のカリウム含有率の分析結果から乾燥バイオマス中のカリウム含有率を求めた。

バイオマスのうちＥＦＢ（アブラヤシ空果房）やスィッチググラスは、乾燥ベースで０．７〜３ｗｔ％程度のカリウムを含有する。次に、このような高いカリウム含有率の草本系バイオマスを循環流動層炉内で燃焼する際のケイ砂粒子の挙動を詳細に検討し、上記草本系バイオマスがケイ砂粒子に融着を生じさせるメカニズムに関して下記のとおりであることが見出された。

循環流動層炉に投入された草本系バイオマスは燃焼し、炉本体の燃焼領域でガス状のカリウム化合物を放出する。燃焼領域に共存するケイ砂粒子表面はこのカリウム化合物を吸着し、カリウムはケイ砂粒子の結晶内部に浸透してガラス状の反応物（ＳｉＯ_２−Ｋ_２Ｏ化合物）を生成し、生成した反応物はその融点が８００℃以下と炉内温度より低いため溶融状態となる。そして、カリウムが浸透したケイ砂粒子はその表面に溶融状態のＳｉＯ_２−Ｋ_２Ｏ化合物が生成していて融着物となるため、数粒のケイ砂粒子同士が融着・凝集する。融着・凝集したケイ砂粒子は炉本体の炉底部に落下して更に融着、凝集し、塊を形成する。このようなケイ砂粒子同士の融着、凝集現象を「アグロメレーション」という。このようにして、草本系バイオマスでは放出されたカリウム化合物により流動粒子表面に溶融状態の反応物が生成されて流動粒子が融着することが分かった。なお、草本系バイオマス以外の廃棄物を流動層炉で燃焼する際には燃焼灰が溶融して燃焼灰によって流動粒子が融着する事例もあるが、草本系バイオマスの燃焼灰は炉内温度では溶融せず、飛灰としてガスと共に炉本体から排出されるので、燃焼灰は流動粒子の融着の原因にはならない。

特許文献３では、マグネシウム含有率の高いフェロニッケルスラグなどの製錬スラグを流動粒子（流動粒子）として利用することで、低融点化合物の生成を抑えられることを報告している。

特開２００３−２４０２０９ 特開２０１３−０２９２４５ 国際公開２０１１−００７６１８

しかしながら、フェロニッケルスラグなどの製錬スラグのような、副産物のスラグとして入手できるものにおいてマグネシウムを含有するものはごく一部であり、入手が困難なものが多く、流動層炉の流動粒子として用いるには不向きであることが多い。

本発明は、かかる事情に鑑みてなされたものであって、流動層炉の流動層において、流動粒子の融着・凝集を抑制し、草本系バイオマスなど高カリウム含有バイオマスを安定して燃焼することのできる、バイオマスの燃焼方法および燃焼装置を提供することを課題とする。

本発明によると、上述の課題は、次の第一発明に係るバイオマスの燃焼方法および第二発明に係るバイオマスの燃焼装置により解決される。

＜第一発明＞
第一発明に係るバイオマスの燃焼方法は、流動層炉の炉本体にバイオマスを供給するとともに該炉本体の下部から酸化性ガスを供給して、流動粒子とともに該バイオマスを流動させて流動層を形成し、該流動層中で上記バイオマスを燃焼させる燃焼方法である。

かかる燃焼方法において、第一発明では、廃棄物ガス化溶融炉にて廃棄物の熱分解残渣を溶融してから冷却して生成した熱分解残渣溶融スラグ、又は灰溶融炉にて廃棄物の灰を溶融してから冷却して生成した灰溶融スラグを流動粒子として使用することを特徴としている。

第一発明の燃焼方法により燃焼されるバイオマスは、特に草本系バイオマスなどの高カリウム含有バイオマスである。この燃焼方法で流動粒子として使用される熱分解残渣溶融スラグ又は灰溶融スラグ（以下、これらを区別する必要がないときには「溶融スラグ」と総称する）は、主成分が酸化ケイ素（ＳｉＯ）、酸化カルシウム（ＣａＯ）、および１０〜３０ｗｔ％程度のアルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）である。該溶融スラグは、酸化カルシウム（ＣａＯ）を含むため、後述するように、草本系バイオマスを燃焼する際のアグロメレーションを防止する流動粒子として好適である。

上述したように、溶融スラグは、その成分に酸化ケイ素（ＳｉＯ）とともに、酸化カルシウム（ＣａＯ）を含んでいる。流動層炉の流動粒子として溶融スラグを用いることにより、溶融スラグ流動粒子から脱離したカルシウム化合物の微粒子が、草本系バイオマスからカリウム化合物が放出されている炉内に共存し、このカルシウム化合物微粒子が、カリウム化合物の存在の下で溶融物を生成し始めた酸化ケイ素を含む溶融スラグ流動粒子の表面に付着し、ＳｉＯ_２−Ｋ_２Ｏ−ＣａＯ化合物を主成分とする反応物が生成される。該反応物は高融点物であって融点が炉内温度より高く、溶融状態とならないため溶融スラグ流動粒子表面に溶融液が存在することがなく、溶融スラグ流動粒子相互の融着、凝集（アグロメレーション）を防止できる。

第一発明において、塩基度（スラグ中のＣａＯ／ＳｉＯ_２重量比）が１．０〜２．０に調整された熱分解残渣溶融スラグ又は灰溶融スラグを流動粒子として使用することとしてもよい。

溶融スラグの強度特性は、組成成分比率に相関性がある。溶融スラグのような多元素の固溶体は組成成分比率によって異なる結晶構造をとり、強度が大きく変化する。そのため、塩基度、換言すると組成成分比率を調整することで流動粒子として好適な強度の溶融スラグを得ることができる。

溶融スラグの塩基度が１.０より小さいと、溶融スラグの強度が低く流動粒子として用いる際に崩壊したり磨耗してしまうため不適であり、溶融スラグの塩基度が２.０より大きいと、結晶性が低下し強度が低下するので好ましくない。したがって、流動粒子として使用する溶融スラグの塩基度を１．０〜２．０に調整することが好ましい。

第一発明において、塩基度（スラグ中のＣａＯ／ＳｉＯ_２重量比）が１．２〜１．５に調整された熱分解残渣溶融スラグ又は灰溶融スラグを流動粒子として使用することとしてもよい。

溶融スラグの塩基度が１．２以上であると、溶融スラグの結晶性が高くなり強度が十分に高くなり、流動粒子として最適な強度を確保できる。また、溶融スラグの塩基度が１.５より高いと、溶融状態の溶融スラグの溶融粘度が高くなるため、廃棄物ガス化溶融炉又は灰溶融炉の排出口から排出させることができる程度に流動性を有するように、溶融スラグ排出温度（出滓温度）を１５００℃以上としてスラグの溶融粘度を小さくさせることが必要となる。この結果、排出口周辺の温度を高くすることとなり、耐火物の損耗が増加したり、また、過剰に高温となっているスラグを良好な粒子状に水砕するためには水砕装置にその対応が必要となり問題が生じる。このように溶融スラグの塩基度が１.５より大きくなることは溶融スラグの出滓や水砕の点で好ましくない。したがって、流動粒子として使用する溶融スラグの塩基度を１．２〜１．５に調整することがより好ましい。

第一発明において、熱分解残渣溶融スラグを流動粒子として使用する場合に、廃棄物ガス化溶融炉にて廃棄物とともに供給する石灰石の供給量を調整することで熱分解残渣溶融スラグの塩基度を調整することとしてもよい。

また、第一発明において、灰溶融スラグを流動粒子として使用する場合に、灰溶融炉にて溶融処理対象である焼却灰とともに供給する生石灰又は石灰石の供給量を調整することで灰溶融スラグの塩基度を調整することとしてもよい。

また、第一発明において、灰溶融スラグを流動粒子として使用する場合に、焼却炉からの排ガス中の酸性ガスの除去のために排ガスに吹き込まれ集塵装置で飛灰とともに捕集された石灰石又は消石灰を含むアルカリ飛灰を、灰溶融炉にて溶融処理対象である焼却灰とともに供給し、上記アルカリ飛灰の供給量を操作することで溶融スラグの塩基度を調整することとしてもよい。

このように、廃棄物ガス化溶融炉あるいは灰溶融炉にて石灰石、生石灰、アルカリ飛灰の供給量を調整して溶融スラグの塩基度を調整することにより、溶融スラグのＣａ含有率及び強度を適正な範囲のものとして該溶融スラグを流動粒子として有効に利用することができる。

＜第二発明＞
第二発明に係るバイオマスの燃焼装置は、バイオマスが投入されるとともに下部から酸化性ガスが供給されて、流動粒子とともに該バイオマスを流動させて流動層を形成し、該流動層中で上記バイオマスを燃焼させる流動層炉の炉本体を有する。

かかる燃焼装置において、第二発明では、上記流動粒子は、廃棄物ガス化溶融炉にて廃棄物の熱分解残渣を溶融してから冷却して生成した熱分解残渣溶融スラグ、又は灰溶融炉にて廃棄物の灰を溶融してから冷却して生成した灰溶融スラグであることを特徴としている。

かかる燃焼装置では、流動層炉にて上記熱分解残渣溶融スラグ又は灰溶融スラグ（以下、溶融スラグと総称することがある）を流動粒子として使用することにより、第一発明について既述したのと同様に、溶融スラグ媒体粒子の表面にＳｉＯ_２−Ｋ_２Ｏ−ＣａＯ化合物を主成分とする反応物（高融点物質）が生成され、流動粒子相互の融着、凝集（アグロメレーション）が防止される。

本発明では、流動層炉にて溶融スラグを流動粒子として使用することにより、該溶融スラグ流動粒子から脱離したカルシウム化合物の微粒子が、バイオマスからカリウム化合物が放出されている炉内に共存され、酸化ケイ素を含む流動粒子の表面に付着し、ＳｉＯ_２−Ｋ_２Ｏ−ＣａＯ化合物を主成分とする反応物が生成される。該反応物は高融点物であって融点が炉内温度より高く、流動粒子表面に溶融液が存在しないため流動粒子相互の融着・凝集を防止できる。したがって、炉本体底部で流動粒子が塊化することもないので、流動粒子が良好に流動し、上記流動層炉の正常な運転を維持でき、バイオマスを安定して燃焼させることができる。また、局所的な高温部分であるホットスポットに起因するＮＯｘ等の有害ガスの発生、炉内耐火物の損傷、耐用寿命の短縮、ＣＯの発生などの問題を回避できる。

本発明の実施形態に係るバイオマスの燃焼装置の概略構成図である。 ＳｉＯ_２−Ｋ_２Ｏ−ＣａＯ化合物の組成と融点温度を示す状態図である。

以下、添付図面に基づいて本発明の実施形態を説明する。

図１は、本実施形態に係るバイオマスの燃焼装置の概略構成図である。該燃焼装置は、循環流動層炉１を有している。該循環流動層炉１は、炉本体にて流動粒子（流動粒子）を酸化性ガスにより流動させた流動層中で、該炉本体内に供給されたバイオマスを燃焼させる。本実施形態では、バイオマスとして草本系バイオマスであるアブラヤシ空果房（ＥＦＢ）が供給されるようになっている。また、流動粒子としては溶融スラグが用いられている。本実施形態では、該溶融スラグは、廃棄物ガス化溶融炉にて廃棄物の熱分解残渣を溶融してから冷却して生成された熱分解残渣溶融スラグである。該溶融スラグは、主成分が酸化ケイ素（ＳｉＯ）、酸化カルシウム（ＣａＯ）、および１０〜３０ｗｔ％程度のアルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）である。

本実施形態では、バイオマスがアブラヤシ空果房である例を説明するが、バイオマスはこれに限られず、例えばスィッチグラス、竹、籾殻等等のカリウム含有率が高いバイオマス（乾燥バイオマス中のカリウム含有率が例えば０．７％以上）を用いることができる。また、流動粒子としての溶融スラグは流動粒子の一部に含まれていることとしてもよい。

図１に示されるように、循環流動層炉１は、主に、炉本体としてのライザ１０と、流動粒子の一部を捕集してライザ１０へ戻すダウンカマー２０とで構成されている。該ダウンカマー２０は、上記ライザ１０の上部と接続配管３０で接続され該ライザ１０から排ガスとともに送られた流動粒子を捕集する捕集部２１と、該捕集部２１で捕集された流動粒子をライザ１０の下部に戻すための戻し管２２と、ライザ１０からのガスが捕集部２１内を上昇するのを防止するシール部２３とを有している。

ライザ１０は、一次空気を上方へ向けて向き込むための散気管１１が炉内の下部に設けられている。また、該ライザ１０の下部の側壁には、炉内に燃料たるアブラヤシ空果房を供給するための供給口１３と、炉内に二次空気を吹き込むための二次空気吹き込み口１２とが下方から順次設けられている。

流動層炉の流動粒子として溶融スラグを用いることにより、該溶融スラグ流動粒子から脱離したカルシウム化合物の微粒子が、アブラヤシ空果房からカリウム化合物が放出されているライザ１０内に共存されることとなる。そして、該微粒子がカリウム化合物の存在の下で溶融を始めた酸化ケイ素を含む溶融スラグ流動粒子の表面に付着し、その結果、ＳｉＯ_２−Ｋ_２Ｏ−ＣａＯ化合物を主成分とする反応物が生成される。該反応物は、高融点物であって、融点が炉内温度より高く、溶融スラグ流動粒子表面に非溶融状態で存在するので、カリウム由来の低融点化合物が生成されることがない。したがって、流動粒子表面に溶融液が存在することはないので、流動粒子相互の融着、凝集（アグロメレーション）が防止される。

既述したように、本実施形態で流動粒子として使用される溶融スラグは廃棄物ガス化溶融炉で生成された熱分解残渣溶融スラグである。通常の廃棄物処理操業を行っている廃棄物ガス化溶融炉では、溶融スラグの塩基度は０．４〜１．０であり、出滓温度は１３５０℃以下で運転されていたが、この塩基度のスラグでは、強度が低く、流動粒子として適用することができない。本実施形態では、流動粒子として用いることができる溶融スラグを得るために、次のように運転して塩基度を調整する。

本実施形態では、流動粒子として使用される溶融スラグは、上記廃棄物ガス化溶融炉にて廃棄物とともに供給する石灰石の供給量を調整することで、その塩基度が後述されるように調整されている。具体的には、廃棄物ガス化溶融炉において、石灰石供給量を増加して塩基度を増加するようにし、溶融スラグの塩基度増加に伴う粘度増加に対応して溶融スラグ排出温度を上昇させるため、コークス供給量と主羽口から吹き込む酸素富化空気の酸素流量を増やしコークス燃焼を促進し溶融スラグ温度を上げ、溶融スラグの粘度を低下させ、流動粒子として適した強度を有するような組成（塩基度）に調整した溶融スラグを円滑に排出できるようにする。また、溶融スラグの塩基度を調整することにより溶融スラグの融点が上昇するので、スラグ排出を円滑に行うために、融点の上昇に対応してスラグ排出温度（出滓温度）を１３５０℃以上とする。そして、排出された溶融状態のスラグを水槽に落下させ水砕するか、空冷し、冷却されたスラグを磨砕処理により粒度調整して好ましい粒度範囲の溶融スラグ粒子を生成する。

このように、廃棄物ガス化溶融炉では、廃棄物とともに供給する石灰石の供給量を調整し、スラグの塩基度を調整してスラグの強度を十分に高くすることができ、溶融スラグを流動粒子として有効に利用することができる。

本実施形態では、溶融スラグの塩基度は、１．０〜２．０に、より好ましくは１．２〜１．５に調整されている。溶融スラグの塩基度を１．０以上とすることにより、流動粒子として用いる際の崩壊や磨耗が起こらない程度に溶融スラグの強度を大きくすることができる。また、塩基度を２．０以下とすることにより、結晶性の低下を防止して、十分な強度を維持することができる。

また、溶融スラグの塩基度を１．２以上とすることにより、溶融スラグの結晶性が高くなり強度が十分に高くなり、流動粒子として最適な強度を確保できる。溶融スラグの塩基度を１.５以下とすることで、溶融状態の溶融スラグの溶融粘度が過剰に高くなることがなく、廃棄物ガス化溶融炉の排出口から円滑に排出させることができる程度に溶融スラグの流動性を確保できる。つまり、スラグの溶融粘度を小さくするために溶融スラグ排出温度（出滓温度）を過剰に高くする（例えば、１５００℃以上とする）必要がなくなる。したがって、廃棄物ガス化溶融炉の排出口周辺の温度が過剰に高くなることがなく、耐火物の損耗の増加を回避できる。また、排出される溶融スラグが過剰に高温になることがないので、溶融スラグを良好な粒子状に水砕することができる。

また、アグロメレーション防止の効果の程度の大小は、流動粒子表面で生成されるＳｉＯ_２−Ｋ_２Ｏ−ＣａＯ化合物のＳｉＯ_２、Ｋ_２Ｏ、ＣａＯ各成分の組成比率よって左右される。該組成比率に基づいた具体的な説明は、図２を用いて後述する。

以下、循環流動層炉１の動作を、ライザ１０でのアブラヤシ空果房の燃焼を中心に説明する。該循環流動層炉１では、塩基度が調整された溶融スラグが流動粒子としてライザ１０に装入されている。そして、該ライザ１０にて、散気管１１及び二次空気吹き込み口１２から炉内に空気を吹き込むことにより、該ライザ１０内に供給されたアブラヤシ空果房を上記流動粒子とともに流動化させて流動層を形成し、その過程で該流動層にてアブラヤシ空果房を燃焼させる。

具体的には、上記流動粒子は、ライザ１０内でその下方から吹き込まれる一次空気により流動状態となり、該ライザ１０内の下部で流動粒子による濃厚層を形成し、その保有する高い熱容量および撹拌効果によりアブラヤシ空果房の乾燥及び揮発分の放出を促進させる。また、上記ライザ１０内の上部には、一次空気及び二次空気の吹き込みにより吹き上げられて流動粒子による希薄層が形成され、その流動粒子の保有する熱容量および撹拌効果によりアブラヤシ空果房の燃焼を行う。つまり、このような循環流動層炉１は、ライザ１０内に流動粒子による濃厚層と希薄層とから成る流動層を形成することで、チャー（未燃炭素分）の発生を防止して、効率的にアブラヤシ空果房を燃焼させる。また、ライザ１０内の燃焼領域は８５０〜９００℃程度に維持される。

ライザ１０でのアブラヤシ空果房の燃焼により生じた排ガスは、接続配管３０を経てダウンカマー２０の捕集部２１に供給されるようになっている。また、流動粒子（溶融スラグ）も、その一部が上記排ガスとともに上記捕集部２１へ供給される。該捕集部２１では、流動粒子や比較的粒径の大きな灰などを捕捉し、排ガスや比較的粒径の小さい灰などと分離する。したがって、流動粒子としての溶融スラグは、循環流動層炉内を循環するのに適した粒径のものであって、上記捕集部２１で捕捉するのに適した粒径（例えば、７０μｍ〜１ｍｍ程度）のものであることが好ましい。溶融スラグの粒径が７０μｍより小さいと、捕集部２１で捕捉されず排ガスに含まれたまま排ガス処理設備へと送られてしまい、回収されないため不適である。溶融スラグの粒径が１ｍｍより大きいと、循環流動層炉内で流動させることに支障が生じることがあり不適である。捕集部２１で分離した排ガスは、比較的粒径の小さな灰などを同伴して、該捕集部２１の上部から排ガス処理設備へと送られ、除塵後に煙突から外部へと放出される。捕集部２１で回収した流動粒子および比較的粒径の大きな灰などは、シール部２３及び戻し管２２を介してライザ１０の下部へと戻される。

本実施形態では、ライザ１０内で燃焼したアブラヤシ空果房は燃焼領域でガス状のカリウム化合物を放出する。また、溶融スラグ流動粒子からカルシウム化合物の微粒子が脱離する。仮に流動粒子としてケイ砂粒子が使用されている場合には、ガス状のカリウム化合物はケイ砂粒子の表面に吸着され、融点が炉内温度以下である８００℃以下のＳｉＯ_２−Ｋ_２Ｏ化合物が生成されケイ砂粒子の表面に溶融物が存在しケイ砂粒子相互の融着が生じる。一方、本実施形態のように、流動粒子として溶融スラグを用いることにより、カルシウム化合物を含む微粒子が共存するため、この微粒子が、カリウム化合物が吸着され溶融物が生成し始めた酸化ケイ素を含む溶融スラグ流動粒子表面に付着し、反応物としてＳｉＯ_２−Ｋ_２Ｏ−ＣａＯ化合物が生成される。この反応物の融点は、１０００℃以上であり、炉内温度より高く、溶融スラグ流動粒子表面に溶融液が存在しないため溶融スラグ流動粒子相互の融着・凝集を防止できる。溶融物が生成し始めた溶融スラグ流動粒子の表面にカルシウム化合物の供給が続くため、このＳｉＯ_２−Ｋ_２Ｏ−ＣａＯ化合物である反応物の融点は、炉内温度より高くなるように維持される。このように、溶融スラグを流動粒子として用いることにより、流動粒子表面にアブラヤシ空果房から放出されたカリウム化合物により溶融物が生成されることを抑制し、流動粒子相互の融着・凝集を防止できる。

このように本実施形態では、溶融スラグを流動粒子として使用することにより、流動粒子相互の融着・凝集が防止されるので、ライザ１０の炉本体底部で流動粒子が塊化することもない。したがって、流動粒子は良好に流動し、循環流動層炉１の正常な運転を維持でき、アブラヤシ空果房を安定して燃焼させることができる。また、局所的な高温部分であるホットスポットに起因するＮＯｘ等の有害ガスの発生、炉内耐火物の損傷、耐用寿命の短縮、ＣＯの発生などの問題を回避できる。

さらに、上述したように、本実施形態では流動粒子相互の融着・凝集が防止されるので、流動状態を維持するために従来頻繁に必要だった流動粒子の抜出しや新規流動粒子の補充を行わなくて済む。したがって、循環流動層炉１の確実な連続運転を可能とするとともに、頻繁に必要だった新規流動粒子の購入と抜き出した流動粒子の廃棄に起因する費用の発生を防止できる。

また、流動粒子としてアルミナなどを使用すれば、添加剤を供給しなくとも流動粒子相互の融着・凝集を回避することが可能ではあるが、アルミナ等の流動粒子は高価であり、その分、費用が嵩んでしまう。これに対し、本実施形態では、少量の添加剤の投入により、安価な溶融スラグを流動粒子として使用できるので、結果として、費用を抑制することができる。

本実施形態では、流動粒子として用いられる溶融スラグが熱分解残渣溶融スラグであることとしたが、流動粒子としての溶融スラグはこれに限られず、例えば、灰溶融炉にて廃棄物の灰を溶融してから冷却して生成した灰溶融スラグであってもよい。該灰溶融スラグも主成分が酸化ケイ素（ＳｉＯ）、酸化カルシウム（ＣａＯ）、および１０〜３０ｗｔ％程度のアルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）であり、酸化カルシウム（ＣａＯ）を含んでいるので、熱分解残渣溶融スラグと同様に、草本系バイオマスを燃焼する際のアグロメレーションを防止する流動粒子として好適である。

灰溶融スラグを流動粒子として使用する場合には、該灰溶融スラグの塩基度は、灰溶融炉にて溶融処理対象である焼却灰とともに供給する生石灰又は石灰石の供給量を調整することで調整することができる。また、該灰溶融スラグの塩基度は、焼却炉からの排ガス中の酸性ガスの除去のために排ガスに吹き込まれ集塵装置で飛灰とともに捕集された石灰石又は消石灰を含むアルカリ飛灰を、灰溶融炉にて溶融処理対象である焼却灰とともに供給し、上記アルカリ飛灰の供給量を調整することで調整することもできる。このように灰溶融炉にて石灰石、生石灰、アルカリ飛灰の供給量を調整して灰溶融スラグの塩基度を所定範囲内に調整することにより、該灰溶融スラグを流動粒子として有効に利用することができる。

このように灰溶融炉にて処理対象の灰に生石灰、石灰石またはアルカリ飛灰の供給量を調整して塩基度を所定範囲とする場合、溶融スラグの塩基度増加に伴う粘度増加に対応して溶融スラグ排出温度を上昇させるため、電気抵抗、プラズマ加熱、コークス燃焼などにより灰溶融のために与える熱量を増加させ溶融しているスラグの温度を上げ、流動粒子として適した強度を有するような組成（塩基度）に調整したスラグを円滑に排出できるようにする。また、溶融スラグの塩基度を調整することにより、溶融スラグの融点が上昇するので、スラグが円滑に排出するように融点の上昇に対応してスラグ排出温度（出滓温度）を１３５０〜１５００°とする。そして、排出された溶融状態のスラグを水槽に落下させ水砕するか、空冷し、冷却されたスラグを磨砕処理により粒度調整して好ましい粒度範囲の溶融スラグ粒子を生成する。

また、本実施形態では、本発明を循環流動層炉に適用した形態を説明したが、これに限らず、本発明はダウンカマーを有さない流動層炉にも適用できる。

次に、アグロメレーションの防止について、流動層炉内で生成される化合物の組成に着目して図２に基づいて説明する。

図２は、ＳｉＯ_２、ＣａＯを成分とする溶融スラグにバイオマスから遊離したカリウムが進入してＳｉＯ_２−Ｋ_２Ｏ−ＣａＯ化合物が生成するとき、ＳｉＯ_２、Ｋ_２Ｏ、ＣａＯ各成分の組成比率と融点温度との関係を、ＳｉＯ_２、Ｋ_２Ｏ、ＣａＯの３相図（Roedder, E. (1959) Silicate Melt Systems. Physics and Chemistry of the Earth, Vol. 3., pp.224-297.）に基づき示す図である。

ＳｉＯ_２、ＣａＯを成分とし塩基度（ＣａＯ／ＳｉＯ_２重量比）が１．２の溶融スラグは図の○の位置の組成物であり、融点温度は１５００℃である。バイオマスから遊離するカリウムはこの組成の溶融スラグにほとんど侵入しないが、高温の火炎中などでカリウムが侵入した場合には、ＳｉＯ_２−Ｋ_２Ｏ−ＣａＯ化合物の組成が、○の位置から線上をＫ_２Ｏ比率が増加するにつれて１００％Ｋ_２Ｏを示す位置へ向けて直線上を進行する位置の組成となる。仮にＫ_２Ｏが３０％程度の組成となるまでカリウムの侵入があっても融点は１５００℃であり、ＳｉＯ_２−Ｋ_２Ｏ−ＣａＯ化合物の融点温度は変化せず融点降下が生じない。そのため、１５００℃より低い炉内温度の流動層炉内では溶融状態とならず、流動粒子の融着・凝集（アグロメレーション）が発生しないことを明らかに示している。

１ 循環流動層炉
１０ ライザ（炉本体）
２１ 捕集部
２２ 戻し管

Claims (7)

1. 流動層炉の炉本体にバイオマスを供給するとともに該炉本体の下部から酸化性ガスを供給して、流動粒子とともに該バイオマスを流動させて流動層を形成し、該流動層中で上記バイオマスを燃焼させる燃焼方法において、
   廃棄物ガス化溶融炉にて廃棄物の熱分解残渣を溶融してから冷却して生成した熱分解残渣溶融スラグ、又は灰溶融炉にて廃棄物の灰を溶融してから冷却して生成した灰溶融スラグを流動粒子として使用することを特徴とするバイオマスの燃焼方法。
2. 塩基度（スラグ中のＣａＯ／ＳｉＯ_２重量比）が１．０〜２．０に調整された熱分解残渣溶融スラグ又は灰溶融スラグを流動粒子として使用することとする請求項１に記載のバイオマスの燃焼方法。
3. 塩基度（スラグ中のＣａＯ／ＳｉＯ_２重量比）が１．２〜１．５に調整された熱分解残渣溶融スラグ又は灰溶融スラグを流動粒子として使用することとする請求項１に記載のバイオマスの燃焼方法。
4. 熱分解残渣溶融スラグを流動粒子として使用する場合に、廃棄物ガス化溶融炉にて廃棄物とともに供給する石灰石の供給量を調整することで熱分解残渣溶融スラグの塩基度を調整することとする請求項２又は請求項３に記載のバイオマスの燃焼方法。
5. 灰溶融スラグを流動粒子として使用する場合に、灰溶融炉にて溶融処理対象である焼却灰とともに供給する生石灰又は石灰石の供給量を調整することで灰溶融スラグの塩基度を調整することとする請求項２又は請求項３に記載のバイオマスの燃焼方法。
6. 灰溶融スラグを流動粒子として使用する場合に、焼却炉からの排ガス中の酸性ガスの除去のために排ガスに吹き込まれ集塵装置で飛灰とともに捕集された石灰石又は消石灰を含むアルカリ飛灰を、灰溶融炉にて溶融処理対象である焼却灰とともに供給し、上記アルカリ飛灰の供給量を調整することで溶融スラグの塩基度を調整することとする請求項２又は請求項３に記載のバイオマスの燃焼方法。
7. バイオマスが投入されるとともに下部から酸化性ガスが供給されて、流動粒子とともに該バイオマスを流動させて流動層を形成し、該流動層中で上記バイオマスを燃焼させる流動層炉の炉本体を有するバイオマスの燃焼装置において、
   上記流動粒子は、廃棄物ガス化溶融炉にて廃棄物の熱分解残渣を溶融してから冷却して生成した熱分解残渣溶融スラグ、又は灰溶融炉にて廃棄物の灰を溶融してから冷却して生成した灰溶融スラグであることを特徴とするバイオマスの燃焼装置。

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