JP3906174B2 - 循環流動層ボイラにおける対流伝熱部の高温腐食対策及びクリーニングシステム - Google Patents
循環流動層ボイラにおける対流伝熱部の高温腐食対策及びクリーニングシステム Download PDFInfo
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は運転コストが安く、持続的なクリーニング効果が得られ、高温腐食を効果的に防止できる循環流動層ボイラにおける対流伝熱部の高温腐食対策及びクリーニングシステムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
廃棄物発電は、従来の化石燃料に替わる再生可能エネルギーの安定供給源として、また地球温暖化防止対策として、さらには最終処分場の延命につながる埋め立て量の削減対策等として大きく貢献し、その結果、地球のエネルギー問題、地球の環境問題、そして地域社会問題の改善に寄与するものと期待されている。
【０００３】
平成１３年に６月に提出された２０１０年度の廃棄物発電導入目標として、新エネルギー全体の３割に相当する４１７万ＫＷの目標が掲げられている。１９９９年度の実績が９０万ＫＷ程度であることから、５倍の設備容量の増加を図る必要があるとされている。
【０００４】
また、循環型社会構築に向けた法体系も着々と整備され、見直しが実施され、２００３年４月から新エネルギー等の利用に関する特別措置法（ＲＰＳ制度）が完全施行されることから、都市ごみ、下水汚泥、食品廃棄物、農林水産廃棄物、製紙黒液、建築廃材などの廃棄物を対象とした新エネルギー発電の推進が図られるものと予想される。
【０００５】
新エネルギー発電の推進において、近年、廃棄物発電分野の核となる廃棄物燃焼からの超高効率発電を可能とする循環流動層ボイラが注目されている。
【０００６】
従来の循環型流動層ボイラは、図４に示すように、流動層を有するコンバスタ５０と、サイクロン５１と、外部熱交換器５２、循環ライン５３、対流伝熱部５４、燃焼排ガスダクト５５、バグフィルター５６を備えている。
【０００７】
コンバスタ５０の底部に供給される廃棄物などの燃料、補助燃料、砂利や砂などのデンスベッド材、循環ソリッドなどが燃焼空気によって流動化されている状態で燃焼を開始すると、高温の燃焼ガスが発生し、その燃焼ガスはデンスベッド材の一部の粒子を同伴してサイクロン５１に送られ粒子が捕集される。
【０００８】
サイクロン５１で捕集された粒子は、下方に排出され外部熱交換器５２に送られて、熱回収される。外部熱交換器５２を経由した粒子は、冷固体になり、循環ライン５３を介してコンバスタ底部のデンスベッド部に循環ソリッドとして送られ、循環使用される。サイクロン５１から分離された分離ガスと灰は対流伝熱部５４に送られ、該ガスから熱回収する。その後、灰は燃焼排ガスダクト５５を介してバグフィルター５６に送られ分離収集される。かかる装置において、外部熱交換器５２及び対流伝熱部５４で回収された熱を利用して高温高圧の蒸気を発生させている。
【０００９】
しかしながら、燃料源である廃棄物中のアルカリ金属濃度が増大すると、サイクロンから対流伝熱部にわたって灰付着、クリンカ生成、閉塞の問題が顕在化してくる。著しい場合は、ボイラを停止して清掃する必要があった。また対流伝熱部内の伝熱管の汚れが増加すると、伝熱不良により排ガス温度が上昇し熱効率が低下する問題がある。
【００１０】
このため、サイクロンから対流伝熱部にわたる部位や、対流伝熱部内の伝熱管のクリーニング対策が望まれていた。
【００１１】
従来、かかるクリーニング手段の一つとして、蒸気式スス吹き装置が知られている。
【００１２】
しかし、蒸気式スス吹き装置では、粘着性のある廃棄物燃焼灰に対し、効果が不十分であり、高価な蒸気を消費し、運動経費が高い問題があり、機械的故障が多い難点がある。
【００１３】
また、スチールボールショット方式も知られているが、１０ｍｍ程度の金属製ボールを落下させて管に衝突させるため、ボールのあたらない部分にクリーニング効果のむらが生じる問題や、管の裏側に付着した灰を除去できない問題があり、また長時間の使用で管に損傷を与える場合があるなどの問題がある。
【００１４】
更に音波や衝撃波を使用してクリーニングする方式も知られているが、粘着性のある廃棄物燃焼灰に対し、効果が少ない欠点があり、一般の石炭燃焼においても効果が無い場合があるなどの問題がある。
【００１５】
また特許文献１には、系内で捕集された粒子（ソリッド）の一部を対流伝熱部の上流側に導き、対流伝熱部に設けられている伝熱管の表面に供給して衝突させ、表面付着物を剥離する粒子クリーニング方式が開示されている。
【００１６】
しかし、捕集された粒子（ソリッド）を構成する成分は石炭燃焼灰や石炭石、石膏などで構成されているが、これらの粒子は、燃料の変化などに影響されて粒子サイズや強度が変化するため、安定したクリーニング効果が得られにくい課題が残されている。
【００１７】
また硅砂を供給した場合、硅砂は６００℃程度で結晶構造が変化すると共に、強度が低下し、摩耗し易くなる。
【００１８】
一方、廃棄物燃焼灰中の溶融塩が対流伝熱部の伝熱管に付着すると、高温腐食を引き起こす問題がある。
【００１９】
特許文献２には、灰中のＡｌ２Ｏ３とＳｉＯ２の酸化物の量を増加させて腐食を低減する技術が開示されている。
【００２０】
しかし、特許文献２の技術では、Ａｌ２Ｏ３とＳｉＯ２の酸化物を添加する手法であるため、常時消耗され、連続的に添加する必要があり、ランニングコストが高くなる問題がある。また特許文献２の技術では、持続的な高温腐食効果が得られない問題がある。
【００２１】
【特許文献１】
特開平４−４８１８５号公報
【特許文献２】
特開昭５８−２１３８８２号公報
【００２２】
【発明が解決しようとする課題】
そこで、本発明の課題は、運転コストが安く、持続的なクリーニング効果が得られ、持続的な高温腐食防止を可能にする循環流動層ボイラ対流伝熱部の高温腐食対策及びクリーニングシステムを提供することにある。
【００２３】
【課題を解決するための手段】
上記課題は、以下の各発明によって解決される。
【００２４】
（請求項１）各種廃棄物を燃焼し、蒸気を発生して熱回収を行う循環流動層ボイラにおける対流伝熱部の高温腐食対策及びクリーニングシステムにおいて、
燃焼ガスが流入する対流伝熱部の上部入口側に、セラミック粒子の貯蔵器を設け、
該貯蔵器下部に、セラミック粒子の供給機を設け、
該供給機は、粒子供給管に接続されており、該粒子供給管は対流伝熱部内部に前記セラミック粒子が供給されるよう連結されており、
前記貯蔵器上部には、セラミック粒子返送管が連結されており、
前記対流伝熱部の下流には、バグフィルターが設けられ、
該バグフィルターの下部には少なくとも燃焼灰とセラミック粒子の分級器を備え、
該分級器で分級されたセラミック粒子は前記セラミック粒子返送管を介して前記貯蔵器に戻される構成であり、
前記循環するセラミック粒子が、粒径範囲の異なる少なくとも２種類以上の粒子であることを特徴とする循環流動層ボイラにおける対流伝熱部の高温腐食対策及びクリーニングシステム。
【００２５】
（請求項２）前記分級器が風力式分級器であることを特徴とする請求項１記載の循環流動層ボイラにおける対流伝熱部の高温腐食対策及びクリーニングシステム。
【００２６】
（請求項３）前記セラミック粒子が、１０〜１００μｍの範囲の小粒子と、１００〜５００μｍの範囲の大粒子の両方を含むことを特徴とする請求項１又は２記載の循環流動層ボイラにおける対流伝熱部の高温腐食対策及びクリーニングシステム。
【００２７】
（請求項４）小粒子のセラミック粒子が、アルミナ粒子又はジルコニア粒子であり、大粒子のセラミック粒子が、前記小粒子のセラミック粒子より比重が小さいことを特徴とする請求項３記載の循環流動層ボイラにおける対流伝熱部の高温腐食対策及びクリーニングシステム。
【００２８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
【００２９】
図１は、本発明に好ましく用いられる循環流動層ボイラにおける対流伝熱部のクリーニングシステムの一例を示す説明図である。
【００３０】
同図において、１は流動層（デンスベッド）を有するコンバスタである。コンバスタ１の下部には、燃料源となる廃棄物、補助燃料、燃焼用空気、循環ソリッド、デンスベッド材などが供給され、燃焼用空気が供給されると、これらは激しく流動化され、混合攪拌される。流動化された状態で、着火されると、激しく高温燃焼し、燃焼ガスや灰などを発生する。
【００３１】
この燃焼ガスには流動層（デンスベッド）を形成する粒子が、循環ソリッド（粒子）として同伴し、燃焼ガスダクト１００を介して粒子捕集装置２に導かれる。
【００３２】
粒子捕集装置２では燃焼ガスに同伴して排出された粒子 が分離される。粒子捕集装置２としては、粒子を捕集できる例えばサイクロンを用いることができる。以下、この粒子捕集装置２をサイクロン２という。
【００３３】
サイクロン２で捕集された粒子は、外部熱交換器３で熱回収されて再度コンバスタ１に循環ソリッドとして戻される。
【００３４】
サイクロン２から排出された分離ガスと灰は、対流伝熱部４に導入される。
【００３５】
対流伝熱部４の内部には、伝熱管４０を備え、分離ガスから熱回収するように構成されている。伝熱管４０の配置等は図示に限定されず、回収した熱から効率的なボイラ蒸気を得るように設計されていることが好ましい。
【００３６】
図１において、４００はサイクロン２で分離された分離ガス（以下、燃焼ガスという場合がある）が流入する対流伝熱部４の入口であり、該入口４００の上部に、セラミック粒子を貯蔵する貯蔵器であるホッパー４０１が設けられている。
【００３７】
本発明では、セラミック粒子が後述のバグフィルター（ＢＡＧ）を経由してホッパー４０１に戻ってくるまでに数分の時間を必要とすることから、ホッパー容量を決定する上では、運転初期の使用分として、５〜１０分程度のセラミック粒子供給量を保有するだけの容量が最低限必要である。また運転過程で消耗することがあるので、その消耗分を補充できるようにしておくこともホッパー容量に考慮しておく必要がある。
【００３８】
ホッパー４０１下部には、セラミック粒子の供給機４０２が設けられ、該供給機４０２としてはセラミック粒子を一定量切り出す複数の定量供給機が好ましい。なお、図面では１つの定量供給機４０２が示されている。定量供給機４０２の構成は特に限定されるわけではないが、ロータリーバルブやスクリューフィーダなどを用いることができる。
【００３９】
定量供給機４０２の出口は、複数の粒子供給管４０３に分岐されている。図示では２つの分岐管４０３が例示的に示されている。
【００４０】
個々の粒子供給管４０３は対流伝熱部４の入口ダクト４０４に連結され、入口ダクト４０４に落下供給するようにしてもよいし、対流伝熱部４の入口４００に落下供給してもよい。
【００４１】
このようにして対流伝熱部４の上部に設置されたホッパー４０１に貯留されたセラミック粒子は、定量供給機４０２、分岐管４０３を経由して対流伝熱部４内に供給される。
【００４２】
セラミック粒子の対流伝熱部４内への供給量を調整する場合には、ホッパー下部の供給機４０２の供給スピードによって調整することができる。
【００４３】
尚、４０５は、後述のバグフィルター（ＢＡＧ）５を経由してホッパー４０１に戻ってくるためのセラミック粒子返送管である。
【００４４】
本発明で用いられるセラミック粒子は、粒径範囲を異にする少なくとも２種以上の粒子であり、好ましい態様としては、１０〜１００μｍ（平均２０〜４０μｍ）の範囲の小粒子と、１００μｍ〜５００μｍ（平均３００μｍ）の範囲の大粒子の両方を含むことである。
【００４５】
小粒子のセラミック粒子は、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）粒子（比重３．３）又はジルコニア（ＺｒＯ２）粒子（比重５．３）で、耐食性、耐摩耗性のある比重の重い粒子である。
【００４６】
本発明において、小粒子は焼却灰量に対し１〜６倍の量を添加することが好ましく、また大粒子は燃焼灰の１〜４倍量を添加することが好ましい。腐食成分濃度が４％の場合、小粒子の同量添加によって２％となることが好ましい。
【００４７】
セラミック粒子の対流伝熱部４への供給量は、燃焼灰中に含まれるアルカリ金属類や重金属類からなる腐食成分濃度が２％以下になるように調整されることがクリーニング効果及び高温腐食防止効果をより発揮する上で好ましい。
【００４８】
アルカリ金属類としては、Ｎa、Ｋなどが挙げられ、重金属類としては、Ｚｎ、Ｐｂなどが挙げられる。腐食成分濃度は灰、腐食成分、セラミック粒子の量を全量としたときの濃度であり、腐食成分というのは塩素と反応して低融点の溶融塩を生成し、腐食を加速させる成分である。廃棄物中の燃焼灰は、腐食成分、イナート（アルミナ、シリカ、その他）が主な成分であり、これにセラミック粒子を加えてイナート成分濃度を上昇し、腐食成分濃度を低下させる。
【００４９】
本発明において、クリーニング効果と高温腐食防止効果を発揮させる上では、セラミック粒子を対流伝熱部内で均一分散することが好ましい。伝熱管に満遍なくセラミック粒子を衝突させたり、あるいは伝熱管に付着堆積する腐食成分濃度を相対的に減少させることができるからである。かかる観点から、本発明では、上述したように複数の供給機４０２と、その下部に接続する分岐管４０３を設けることは好ましいことである。
【００５０】
本発明において、セラミック粒子は、組成原料とバインダー等を混合し、焼成、成型された粒子であり、耐磨耗性に優れる性質を備えている。セラミック小粒子は、アルミナ粒子又はジルコニアを組成原料とし、またセラミック大粒子は、Ａｌ２Ｏ３とＳｉＯ２などを組成原料とする。
【００５１】
セラミック大粒子におけるセラミック粒子を構成するＡｌ２Ｏ３とＳｉＯ２の組成比は、Ａｌ２Ｏ３＝５０〜８０％、ＳｉＯ２＝２０〜５０％の範囲が好ましい。
【００５２】
本発明で更に好ましいセラミック大粒子は、Ａｌ２Ｏ３＝６１％、ＳｉＯ２＝３７％のムライト質の球形セラミック粒子である。硅砂は６００℃程度で結晶構造が変化すると共に、強度が低下し、摩耗し易くなるが、上記のセラミック粒子は、硅砂より強度が高く、熱的にも安定している。また球形のため、それ自身耐摩耗性があり、かつボイラ管を摩耗させない効果がある。
【００５３】
対流伝熱部４を通過した燃焼灰とセラミック粒子は、バグフィルター（ＢＡＧ）５に流入して、捕集される。
【００５４】
対流伝熱部４下流に設けられたバグフィルター５の下部には、各セルの燃焼灰を排出する複数の排出口５００を有しており、該排出口５００には、ダンパーなどの開閉弁を備えていてもよい。５０３は燃焼排ガスの吸引ブロアである。
【００５５】
複数の排出口５００は排出管５０１を介して集合コンベア５０２に連結されている。
【００５６】
バグフィルター５で捕集された粒子は、バグフィルター５の各セルの下部に設けられた排出口５００から、集合コンベア５０２に乗り、移送コンベア６００を介して分級器の好ましい態様である風力分級器６に運ばれる。
【００５７】
風力分級器６の内部には空気分散板６０が設けられ、空気分散板から吹き出す空気によりセラミック粒子と灰とに分離された後、セラミック粒子は、振動篩器６０１にかけられる。
【００５８】
振動篩器６０１では、例えばクリーニングにより叩き落とされたクリンカなどの大きな固まりが分離される。図示の例では排出口６０２から排出されて堆積している状態が示されている。
【００５９】
風力分級器６においては、ブロア６０３によってセラミック粒子や灰を浮遊状態にして、流動層を形成し、比重差によって、セラミック粒子と灰に分離する。
【００６０】
セラミック小粒子は、比重が通常の廃棄物燃焼灰に比べて比重が２〜３倍と重く、サイズが同じであっても、分離が容易である。したがって、バグフィルターで捕集後に風力分級器６で分離することが可能である。
【００６１】
また大粒子のセラミック粒子は、灰との分離が可能な程度の比重があるので、灰との分離は可能である。
【００６２】
本発明において、燃焼灰とセラミック粒子の分離手段として、風力分級器（流動層分級器）を使用しているが、本発明において、風力分級器の流動層の空気分散板をコーン形状として中央部から粒子を抜き出すことは好ましい態様である。
【００６３】
かかる形態の流動層を形成することにより、下部空気流速を０．０６〜０．２ｍ／ｓｅｃ（好ましくは０．１ｍ／ｓｅｃ程度）と高く設定すると、活発な乱流流動層を形成でき、セラミック粒子は飛び出さないが、燃焼灰は飛び出すようにすることができる。このようにすると、セラミック粒子に付着した付着・腐食成分も剥離し、飛び出させることが可能になる。
【００６４】
振動篩器６０１を通過した大粒子と小粒子のセラミック粒子は、輸送器６０４によって空気輸送され、セラミック粒子供給管４０５を介してホッパー４０１に送られ、循環使用される。
【００６５】
風力分級器６で分離された灰は、上部に出口６０５から風力分級器６内部に分級用の空気を供給するブロア６０３によって灰サイロ７に送られる。
【００６６】
ブロア６０３から供給する空気はヒーターによって予熱されていることが分級を促進する上で好ましい。
【００６７】
本発明では、灰付着性や腐食性が全くないセラミック粒子を対流伝熱部４からバグフィルター５までを循環させ、対流伝熱部を通過する燃焼灰中の付着・腐食成分の濃度を大幅に低下させる事により、伝熱管上の堆積する灰組成を変化させて、管の付着・腐食を低減することができる。
【００６８】
具体的には、セラミック粒子のうちの大粒子は、対流伝熱部４内に供給することによって、対流伝熱部４内で燃焼灰を含む排ガスと接触混合し、分散し、伝熱管４０群と衝突を繰り返して、管上に付着、堆積した燃焼灰をクリーニングしていくことができる。また小粒子のセラミック粒子は、対流伝熱部を通過する燃焼灰中の付着・腐食成分の濃度を大幅に低下させることにより、伝熱管上に堆積する灰組成を変化させて、管の腐食を低減することができる。このように大粒子と小粒子のセラミック粒子の相乗作用によって、伝熱管のクリーニングと高温腐食の防止効果を発揮できる。つまり、付着・腐食成分による底流伝熱部の汚れ、腐食問題を同時に解決することが可能となるのである。
【００６９】
本発明において、セラミック粒子は大粒子であっても小粒子であっても、耐磨耗性に優れるので、循環使用による長期の持続的な運転ができ、運転コストが大幅に低減される。磨耗によって灰と分離できなかった粒子は、灰サイロ７に送られることになる。
【００７０】
以上、本発明の実施の形態を説明したが、本発明の実施の形態は上記に限定されず、例えば本発明に用いられる循環流動層ボイラは、各種廃棄物を燃焼し、蒸気を発生して熱回収を行う構造であれば特に限定されない。各種廃棄物としては、建築廃材チップ、下水汚泥、農林廃棄物、食品廃棄物、ＲＤＦ（Rufuse Derived Fuel）等の再生可能エネルギー及びＲＰＦ（Rufuse Paper & Plastic Fuel）、廃タイヤ等の産業廃棄物などが挙げられる。
【００７１】
また以上の実施形態では、対流伝熱部４に伝熱管４０を備えた例を説明したが、過熱器、蒸発管、節炭器、空気予熱器を備えていてもよい。
【００７２】
【実施例】
以下、実施例によって本発明を更に詳細に説明するが、本発明はかかる実施例によって限定されない。
【００７３】
実施例１
図１に示す装置において、ＲＰＦを燃料とした循環流動層ボイラを用いて、対流伝熱部への燃焼灰に対するセラミック粒子供給量と、ＢＡＧ出口温度との関係を調べ、セラミック粒子のクリーニング効果を確認した。
【００７４】
その結果を図３に示した。
【００７５】
図３に示すように、セラミック粒子の対流伝熱部内への供給量は、焼却灰量に対して、１．０〜４．０ｋｇ／焼却灰量Ｋｇの範囲で、クリーニング効果を発揮することがわかる。
【００７６】
実施例２
図１に示す装置において、ＲＰＦを燃料とした循環流動層ボイラを用いて、対流伝熱部への燃焼灰に対するセラミック粒子供給量と、伝熱管の腐食速度の関係を調べ、セラミック粒子の腐食防止効果を確認した。
【００７７】
その結果を図４に示した。
【００７８】
図４に示すように、セラミック粒子の対流伝熱部内への供給量は、焼却灰量に対して、１．５〜６．０ｋｇ／焼却灰量Ｋｇの範囲で、腐食防止効果を発揮することがわかる。
【００７９】
【発明の効果】
本発明によると、運転コストが安く、持続的なクリーニング効果が得られ、持続的な高温腐食防止を可能にする循環流動層ボイラ対流伝熱部の高温腐食及びクリーニングシステムを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施の形態を示す説明図
【図２】本発明のクリーニング効果を確認した結果を示すグラフ
【図３】本発明の腐食低減効果を確認した結果を示すグラフ
【図４】従来例を示す図
【符号の説明】
１：コンバスタ
１００：燃焼ガスダクト
２：粒子捕集装置
３：外部熱交換器
４：対流伝熱部
４０：伝熱管
４００：入口
４０１：ホッパー
４０２：定量供給機
４０３：粒子供給管
４０４：入口ダクト
４０５：セラミック粒子返送管
５：バグフィルター（ＢＡＧ）
５００：排出口
５０１：排出管
５０２：集合コンベア
５０３：吸引ブロア
６：風力分級器
６００：移送コンベア
６０１：振動篩器
６０：空気分散板
６０２：排出口
６０３：ブロア
６０４：輸送器
６０５：出口
７：灰サイロ
【発明の属する技術分野】
本発明は運転コストが安く、持続的なクリーニング効果が得られ、高温腐食を効果的に防止できる循環流動層ボイラにおける対流伝熱部の高温腐食対策及びクリーニングシステムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
廃棄物発電は、従来の化石燃料に替わる再生可能エネルギーの安定供給源として、また地球温暖化防止対策として、さらには最終処分場の延命につながる埋め立て量の削減対策等として大きく貢献し、その結果、地球のエネルギー問題、地球の環境問題、そして地域社会問題の改善に寄与するものと期待されている。
【０００３】
平成１３年に６月に提出された２０１０年度の廃棄物発電導入目標として、新エネルギー全体の３割に相当する４１７万ＫＷの目標が掲げられている。１９９９年度の実績が９０万ＫＷ程度であることから、５倍の設備容量の増加を図る必要があるとされている。
【０００４】
また、循環型社会構築に向けた法体系も着々と整備され、見直しが実施され、２００３年４月から新エネルギー等の利用に関する特別措置法（ＲＰＳ制度）が完全施行されることから、都市ごみ、下水汚泥、食品廃棄物、農林水産廃棄物、製紙黒液、建築廃材などの廃棄物を対象とした新エネルギー発電の推進が図られるものと予想される。
【０００５】
新エネルギー発電の推進において、近年、廃棄物発電分野の核となる廃棄物燃焼からの超高効率発電を可能とする循環流動層ボイラが注目されている。
【０００６】
従来の循環型流動層ボイラは、図４に示すように、流動層を有するコンバスタ５０と、サイクロン５１と、外部熱交換器５２、循環ライン５３、対流伝熱部５４、燃焼排ガスダクト５５、バグフィルター５６を備えている。
【０００７】
コンバスタ５０の底部に供給される廃棄物などの燃料、補助燃料、砂利や砂などのデンスベッド材、循環ソリッドなどが燃焼空気によって流動化されている状態で燃焼を開始すると、高温の燃焼ガスが発生し、その燃焼ガスはデンスベッド材の一部の粒子を同伴してサイクロン５１に送られ粒子が捕集される。
【０００８】
サイクロン５１で捕集された粒子は、下方に排出され外部熱交換器５２に送られて、熱回収される。外部熱交換器５２を経由した粒子は、冷固体になり、循環ライン５３を介してコンバスタ底部のデンスベッド部に循環ソリッドとして送られ、循環使用される。サイクロン５１から分離された分離ガスと灰は対流伝熱部５４に送られ、該ガスから熱回収する。その後、灰は燃焼排ガスダクト５５を介してバグフィルター５６に送られ分離収集される。かかる装置において、外部熱交換器５２及び対流伝熱部５４で回収された熱を利用して高温高圧の蒸気を発生させている。
【０００９】
しかしながら、燃料源である廃棄物中のアルカリ金属濃度が増大すると、サイクロンから対流伝熱部にわたって灰付着、クリンカ生成、閉塞の問題が顕在化してくる。著しい場合は、ボイラを停止して清掃する必要があった。また対流伝熱部内の伝熱管の汚れが増加すると、伝熱不良により排ガス温度が上昇し熱効率が低下する問題がある。
【００１０】
このため、サイクロンから対流伝熱部にわたる部位や、対流伝熱部内の伝熱管のクリーニング対策が望まれていた。
【００１１】
従来、かかるクリーニング手段の一つとして、蒸気式スス吹き装置が知られている。
【００１２】
しかし、蒸気式スス吹き装置では、粘着性のある廃棄物燃焼灰に対し、効果が不十分であり、高価な蒸気を消費し、運動経費が高い問題があり、機械的故障が多い難点がある。
【００１３】
また、スチールボールショット方式も知られているが、１０ｍｍ程度の金属製ボールを落下させて管に衝突させるため、ボールのあたらない部分にクリーニング効果のむらが生じる問題や、管の裏側に付着した灰を除去できない問題があり、また長時間の使用で管に損傷を与える場合があるなどの問題がある。
【００１４】
更に音波や衝撃波を使用してクリーニングする方式も知られているが、粘着性のある廃棄物燃焼灰に対し、効果が少ない欠点があり、一般の石炭燃焼においても効果が無い場合があるなどの問題がある。
【００１５】
また特許文献１には、系内で捕集された粒子（ソリッド）の一部を対流伝熱部の上流側に導き、対流伝熱部に設けられている伝熱管の表面に供給して衝突させ、表面付着物を剥離する粒子クリーニング方式が開示されている。
【００１６】
しかし、捕集された粒子（ソリッド）を構成する成分は石炭燃焼灰や石炭石、石膏などで構成されているが、これらの粒子は、燃料の変化などに影響されて粒子サイズや強度が変化するため、安定したクリーニング効果が得られにくい課題が残されている。
【００１７】
また硅砂を供給した場合、硅砂は６００℃程度で結晶構造が変化すると共に、強度が低下し、摩耗し易くなる。
【００１８】
一方、廃棄物燃焼灰中の溶融塩が対流伝熱部の伝熱管に付着すると、高温腐食を引き起こす問題がある。
【００１９】
特許文献２には、灰中のＡｌ２Ｏ３とＳｉＯ２の酸化物の量を増加させて腐食を低減する技術が開示されている。
【００２０】
しかし、特許文献２の技術では、Ａｌ２Ｏ３とＳｉＯ２の酸化物を添加する手法であるため、常時消耗され、連続的に添加する必要があり、ランニングコストが高くなる問題がある。また特許文献２の技術では、持続的な高温腐食効果が得られない問題がある。
【００２１】
【特許文献１】
特開平４−４８１８５号公報
【特許文献２】
特開昭５８−２１３８８２号公報
【００２２】
【発明が解決しようとする課題】
そこで、本発明の課題は、運転コストが安く、持続的なクリーニング効果が得られ、持続的な高温腐食防止を可能にする循環流動層ボイラ対流伝熱部の高温腐食対策及びクリーニングシステムを提供することにある。
【００２３】
【課題を解決するための手段】
上記課題は、以下の各発明によって解決される。
【００２４】
（請求項１）各種廃棄物を燃焼し、蒸気を発生して熱回収を行う循環流動層ボイラにおける対流伝熱部の高温腐食対策及びクリーニングシステムにおいて、
燃焼ガスが流入する対流伝熱部の上部入口側に、セラミック粒子の貯蔵器を設け、
該貯蔵器下部に、セラミック粒子の供給機を設け、
該供給機は、粒子供給管に接続されており、該粒子供給管は対流伝熱部内部に前記セラミック粒子が供給されるよう連結されており、
前記貯蔵器上部には、セラミック粒子返送管が連結されており、
前記対流伝熱部の下流には、バグフィルターが設けられ、
該バグフィルターの下部には少なくとも燃焼灰とセラミック粒子の分級器を備え、
該分級器で分級されたセラミック粒子は前記セラミック粒子返送管を介して前記貯蔵器に戻される構成であり、
前記循環するセラミック粒子が、粒径範囲の異なる少なくとも２種類以上の粒子であることを特徴とする循環流動層ボイラにおける対流伝熱部の高温腐食対策及びクリーニングシステム。
【００２５】
（請求項２）前記分級器が風力式分級器であることを特徴とする請求項１記載の循環流動層ボイラにおける対流伝熱部の高温腐食対策及びクリーニングシステム。
【００２６】
（請求項３）前記セラミック粒子が、１０〜１００μｍの範囲の小粒子と、１００〜５００μｍの範囲の大粒子の両方を含むことを特徴とする請求項１又は２記載の循環流動層ボイラにおける対流伝熱部の高温腐食対策及びクリーニングシステム。
【００２７】
（請求項４）小粒子のセラミック粒子が、アルミナ粒子又はジルコニア粒子であり、大粒子のセラミック粒子が、前記小粒子のセラミック粒子より比重が小さいことを特徴とする請求項３記載の循環流動層ボイラにおける対流伝熱部の高温腐食対策及びクリーニングシステム。
【００２８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
【００２９】
図１は、本発明に好ましく用いられる循環流動層ボイラにおける対流伝熱部のクリーニングシステムの一例を示す説明図である。
【００３０】
同図において、１は流動層（デンスベッド）を有するコンバスタである。コンバスタ１の下部には、燃料源となる廃棄物、補助燃料、燃焼用空気、循環ソリッド、デンスベッド材などが供給され、燃焼用空気が供給されると、これらは激しく流動化され、混合攪拌される。流動化された状態で、着火されると、激しく高温燃焼し、燃焼ガスや灰などを発生する。
【００３１】
この燃焼ガスには流動層（デンスベッド）を形成する粒子が、循環ソリッド（粒子）として同伴し、燃焼ガスダクト１００を介して粒子捕集装置２に導かれる。
【００３２】
粒子捕集装置２では燃焼ガスに同伴して排出された粒子 が分離される。粒子捕集装置２としては、粒子を捕集できる例えばサイクロンを用いることができる。以下、この粒子捕集装置２をサイクロン２という。
【００３３】
サイクロン２で捕集された粒子は、外部熱交換器３で熱回収されて再度コンバスタ１に循環ソリッドとして戻される。
【００３４】
サイクロン２から排出された分離ガスと灰は、対流伝熱部４に導入される。
【００３５】
対流伝熱部４の内部には、伝熱管４０を備え、分離ガスから熱回収するように構成されている。伝熱管４０の配置等は図示に限定されず、回収した熱から効率的なボイラ蒸気を得るように設計されていることが好ましい。
【００３６】
図１において、４００はサイクロン２で分離された分離ガス（以下、燃焼ガスという場合がある）が流入する対流伝熱部４の入口であり、該入口４００の上部に、セラミック粒子を貯蔵する貯蔵器であるホッパー４０１が設けられている。
【００３７】
本発明では、セラミック粒子が後述のバグフィルター（ＢＡＧ）を経由してホッパー４０１に戻ってくるまでに数分の時間を必要とすることから、ホッパー容量を決定する上では、運転初期の使用分として、５〜１０分程度のセラミック粒子供給量を保有するだけの容量が最低限必要である。また運転過程で消耗することがあるので、その消耗分を補充できるようにしておくこともホッパー容量に考慮しておく必要がある。
【００３８】
ホッパー４０１下部には、セラミック粒子の供給機４０２が設けられ、該供給機４０２としてはセラミック粒子を一定量切り出す複数の定量供給機が好ましい。なお、図面では１つの定量供給機４０２が示されている。定量供給機４０２の構成は特に限定されるわけではないが、ロータリーバルブやスクリューフィーダなどを用いることができる。
【００３９】
定量供給機４０２の出口は、複数の粒子供給管４０３に分岐されている。図示では２つの分岐管４０３が例示的に示されている。
【００４０】
個々の粒子供給管４０３は対流伝熱部４の入口ダクト４０４に連結され、入口ダクト４０４に落下供給するようにしてもよいし、対流伝熱部４の入口４００に落下供給してもよい。
【００４１】
このようにして対流伝熱部４の上部に設置されたホッパー４０１に貯留されたセラミック粒子は、定量供給機４０２、分岐管４０３を経由して対流伝熱部４内に供給される。
【００４２】
セラミック粒子の対流伝熱部４内への供給量を調整する場合には、ホッパー下部の供給機４０２の供給スピードによって調整することができる。
【００４３】
尚、４０５は、後述のバグフィルター（ＢＡＧ）５を経由してホッパー４０１に戻ってくるためのセラミック粒子返送管である。
【００４４】
本発明で用いられるセラミック粒子は、粒径範囲を異にする少なくとも２種以上の粒子であり、好ましい態様としては、１０〜１００μｍ（平均２０〜４０μｍ）の範囲の小粒子と、１００μｍ〜５００μｍ（平均３００μｍ）の範囲の大粒子の両方を含むことである。
【００４５】
小粒子のセラミック粒子は、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）粒子（比重３．３）又はジルコニア（ＺｒＯ２）粒子（比重５．３）で、耐食性、耐摩耗性のある比重の重い粒子である。
【００４６】
本発明において、小粒子は焼却灰量に対し１〜６倍の量を添加することが好ましく、また大粒子は燃焼灰の１〜４倍量を添加することが好ましい。腐食成分濃度が４％の場合、小粒子の同量添加によって２％となることが好ましい。
【００４７】
セラミック粒子の対流伝熱部４への供給量は、燃焼灰中に含まれるアルカリ金属類や重金属類からなる腐食成分濃度が２％以下になるように調整されることがクリーニング効果及び高温腐食防止効果をより発揮する上で好ましい。
【００４８】
アルカリ金属類としては、Ｎa、Ｋなどが挙げられ、重金属類としては、Ｚｎ、Ｐｂなどが挙げられる。腐食成分濃度は灰、腐食成分、セラミック粒子の量を全量としたときの濃度であり、腐食成分というのは塩素と反応して低融点の溶融塩を生成し、腐食を加速させる成分である。廃棄物中の燃焼灰は、腐食成分、イナート（アルミナ、シリカ、その他）が主な成分であり、これにセラミック粒子を加えてイナート成分濃度を上昇し、腐食成分濃度を低下させる。
【００４９】
本発明において、クリーニング効果と高温腐食防止効果を発揮させる上では、セラミック粒子を対流伝熱部内で均一分散することが好ましい。伝熱管に満遍なくセラミック粒子を衝突させたり、あるいは伝熱管に付着堆積する腐食成分濃度を相対的に減少させることができるからである。かかる観点から、本発明では、上述したように複数の供給機４０２と、その下部に接続する分岐管４０３を設けることは好ましいことである。
【００５０】
本発明において、セラミック粒子は、組成原料とバインダー等を混合し、焼成、成型された粒子であり、耐磨耗性に優れる性質を備えている。セラミック小粒子は、アルミナ粒子又はジルコニアを組成原料とし、またセラミック大粒子は、Ａｌ２Ｏ３とＳｉＯ２などを組成原料とする。
【００５１】
セラミック大粒子におけるセラミック粒子を構成するＡｌ２Ｏ３とＳｉＯ２の組成比は、Ａｌ２Ｏ３＝５０〜８０％、ＳｉＯ２＝２０〜５０％の範囲が好ましい。
【００５２】
本発明で更に好ましいセラミック大粒子は、Ａｌ２Ｏ３＝６１％、ＳｉＯ２＝３７％のムライト質の球形セラミック粒子である。硅砂は６００℃程度で結晶構造が変化すると共に、強度が低下し、摩耗し易くなるが、上記のセラミック粒子は、硅砂より強度が高く、熱的にも安定している。また球形のため、それ自身耐摩耗性があり、かつボイラ管を摩耗させない効果がある。
【００５３】
対流伝熱部４を通過した燃焼灰とセラミック粒子は、バグフィルター（ＢＡＧ）５に流入して、捕集される。
【００５４】
対流伝熱部４下流に設けられたバグフィルター５の下部には、各セルの燃焼灰を排出する複数の排出口５００を有しており、該排出口５００には、ダンパーなどの開閉弁を備えていてもよい。５０３は燃焼排ガスの吸引ブロアである。
【００５５】
複数の排出口５００は排出管５０１を介して集合コンベア５０２に連結されている。
【００５６】
バグフィルター５で捕集された粒子は、バグフィルター５の各セルの下部に設けられた排出口５００から、集合コンベア５０２に乗り、移送コンベア６００を介して分級器の好ましい態様である風力分級器６に運ばれる。
【００５７】
風力分級器６の内部には空気分散板６０が設けられ、空気分散板から吹き出す空気によりセラミック粒子と灰とに分離された後、セラミック粒子は、振動篩器６０１にかけられる。
【００５８】
振動篩器６０１では、例えばクリーニングにより叩き落とされたクリンカなどの大きな固まりが分離される。図示の例では排出口６０２から排出されて堆積している状態が示されている。
【００５９】
風力分級器６においては、ブロア６０３によってセラミック粒子や灰を浮遊状態にして、流動層を形成し、比重差によって、セラミック粒子と灰に分離する。
【００６０】
セラミック小粒子は、比重が通常の廃棄物燃焼灰に比べて比重が２〜３倍と重く、サイズが同じであっても、分離が容易である。したがって、バグフィルターで捕集後に風力分級器６で分離することが可能である。
【００６１】
また大粒子のセラミック粒子は、灰との分離が可能な程度の比重があるので、灰との分離は可能である。
【００６２】
本発明において、燃焼灰とセラミック粒子の分離手段として、風力分級器（流動層分級器）を使用しているが、本発明において、風力分級器の流動層の空気分散板をコーン形状として中央部から粒子を抜き出すことは好ましい態様である。
【００６３】
かかる形態の流動層を形成することにより、下部空気流速を０．０６〜０．２ｍ／ｓｅｃ（好ましくは０．１ｍ／ｓｅｃ程度）と高く設定すると、活発な乱流流動層を形成でき、セラミック粒子は飛び出さないが、燃焼灰は飛び出すようにすることができる。このようにすると、セラミック粒子に付着した付着・腐食成分も剥離し、飛び出させることが可能になる。
【００６４】
振動篩器６０１を通過した大粒子と小粒子のセラミック粒子は、輸送器６０４によって空気輸送され、セラミック粒子供給管４０５を介してホッパー４０１に送られ、循環使用される。
【００６５】
風力分級器６で分離された灰は、上部に出口６０５から風力分級器６内部に分級用の空気を供給するブロア６０３によって灰サイロ７に送られる。
【００６６】
ブロア６０３から供給する空気はヒーターによって予熱されていることが分級を促進する上で好ましい。
【００６７】
本発明では、灰付着性や腐食性が全くないセラミック粒子を対流伝熱部４からバグフィルター５までを循環させ、対流伝熱部を通過する燃焼灰中の付着・腐食成分の濃度を大幅に低下させる事により、伝熱管上の堆積する灰組成を変化させて、管の付着・腐食を低減することができる。
【００６８】
具体的には、セラミック粒子のうちの大粒子は、対流伝熱部４内に供給することによって、対流伝熱部４内で燃焼灰を含む排ガスと接触混合し、分散し、伝熱管４０群と衝突を繰り返して、管上に付着、堆積した燃焼灰をクリーニングしていくことができる。また小粒子のセラミック粒子は、対流伝熱部を通過する燃焼灰中の付着・腐食成分の濃度を大幅に低下させることにより、伝熱管上に堆積する灰組成を変化させて、管の腐食を低減することができる。このように大粒子と小粒子のセラミック粒子の相乗作用によって、伝熱管のクリーニングと高温腐食の防止効果を発揮できる。つまり、付着・腐食成分による底流伝熱部の汚れ、腐食問題を同時に解決することが可能となるのである。
【００６９】
本発明において、セラミック粒子は大粒子であっても小粒子であっても、耐磨耗性に優れるので、循環使用による長期の持続的な運転ができ、運転コストが大幅に低減される。磨耗によって灰と分離できなかった粒子は、灰サイロ７に送られることになる。
【００７０】
以上、本発明の実施の形態を説明したが、本発明の実施の形態は上記に限定されず、例えば本発明に用いられる循環流動層ボイラは、各種廃棄物を燃焼し、蒸気を発生して熱回収を行う構造であれば特に限定されない。各種廃棄物としては、建築廃材チップ、下水汚泥、農林廃棄物、食品廃棄物、ＲＤＦ（Rufuse Derived Fuel）等の再生可能エネルギー及びＲＰＦ（Rufuse Paper & Plastic Fuel）、廃タイヤ等の産業廃棄物などが挙げられる。
【００７１】
また以上の実施形態では、対流伝熱部４に伝熱管４０を備えた例を説明したが、過熱器、蒸発管、節炭器、空気予熱器を備えていてもよい。
【００７２】
【実施例】
以下、実施例によって本発明を更に詳細に説明するが、本発明はかかる実施例によって限定されない。
【００７３】
実施例１
図１に示す装置において、ＲＰＦを燃料とした循環流動層ボイラを用いて、対流伝熱部への燃焼灰に対するセラミック粒子供給量と、ＢＡＧ出口温度との関係を調べ、セラミック粒子のクリーニング効果を確認した。
【００７４】
その結果を図３に示した。
【００７５】
図３に示すように、セラミック粒子の対流伝熱部内への供給量は、焼却灰量に対して、１．０〜４．０ｋｇ／焼却灰量Ｋｇの範囲で、クリーニング効果を発揮することがわかる。
【００７６】
実施例２
図１に示す装置において、ＲＰＦを燃料とした循環流動層ボイラを用いて、対流伝熱部への燃焼灰に対するセラミック粒子供給量と、伝熱管の腐食速度の関係を調べ、セラミック粒子の腐食防止効果を確認した。
【００７７】
その結果を図４に示した。
【００７８】
図４に示すように、セラミック粒子の対流伝熱部内への供給量は、焼却灰量に対して、１．５〜６．０ｋｇ／焼却灰量Ｋｇの範囲で、腐食防止効果を発揮することがわかる。
【００７９】
【発明の効果】
本発明によると、運転コストが安く、持続的なクリーニング効果が得られ、持続的な高温腐食防止を可能にする循環流動層ボイラ対流伝熱部の高温腐食及びクリーニングシステムを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施の形態を示す説明図
【図２】本発明のクリーニング効果を確認した結果を示すグラフ
【図３】本発明の腐食低減効果を確認した結果を示すグラフ
【図４】従来例を示す図
【符号の説明】
１：コンバスタ
１００：燃焼ガスダクト
２：粒子捕集装置
３：外部熱交換器
４：対流伝熱部
４０：伝熱管
４００：入口
４０１：ホッパー
４０２：定量供給機
４０３：粒子供給管
４０４：入口ダクト
４０５：セラミック粒子返送管
５：バグフィルター（ＢＡＧ）
５００：排出口
５０１：排出管
５０２：集合コンベア
５０３：吸引ブロア
６：風力分級器
６００：移送コンベア
６０１：振動篩器
６０：空気分散板
６０２：排出口
６０３：ブロア
６０４：輸送器
６０５：出口
７：灰サイロ
Claims (6)
- 各種廃棄物を燃焼し、蒸気を発生して熱回収を行う循環流動層ボイラにおける対流伝熱部の高温腐食対策及びクリーニングシステムにおいて、
燃焼ガスが流入する対流伝熱部の上部入口側に、セラミック粒子の貯蔵器を設け、
該貯蔵器下部に、セラミック粒子の供給機を設け、
該供給機は、粒子供給管に接続されており、該粒子供給管は対流伝熱部内部に前記セラミック粒子が供給されるよう連結されており、
前記貯蔵器上部には、セラミック粒子返送管が連結されており、
前記対流伝熱部の下流には、バグフィルターが設けられ、
該バグフィルターの下部には少なくとも燃焼灰とセラミック粒子の分級器を備え、
該分級器で分級されたセラミック粒子は前記セラミック粒子返送管を介して前記貯蔵器に戻される構成であり、
前記循環するセラミック粒子が、粒径範囲の異なる少なくとも２種類以上の粒子であることを特徴とする循環流動層ボイラにおける対流伝熱部の高温腐食対策及びクリーニングシステム。 - 前記分級器が風力式分級器であることを特徴とする請求項１記載の循環流動層ボイラにおける対流伝熱部の高温腐食対策及びクリーニングシステム。
- 前記セラミック粒子が、１０〜１００μｍの範囲の小粒子と、１００〜５００μｍの範囲の大粒子の両方を含むことを特徴とする請求項１又は２記載の循環流動層ボイラにおける対流伝熱部の高温腐食対策及びクリーニングシステム。
- 小粒子のセラミック粒子が、アルミナ粒子又はジルコニア粒子であり、大粒子のセラミック粒子が、前記小粒子のセラミック粒子より比重が小さいことを特徴とする請求項３記載の循環流動層ボイラにおける対流伝熱部の高温腐食対策及びクリーニングシステム。
- 小粒子のセラミック粒子は、燃焼灰の１〜６倍量を添加し、大粒子のセラミック粒子は燃焼灰に対して１〜４倍量添加することを特徴とする請求項３又は４記載の循環流動層ボイラにおける対流伝熱部の高温腐食対策及びクリーニングシステム。
- セラミック粒子の対流伝熱部への供給量が、燃焼灰中に含まれるアルカリ金属類や重金属類からなる腐食成分濃度が２％以下になるように調整されることを特徴とする請求項１〜５の何れかに記載の循環流動層ボイラにおける対流伝熱部の高温腐食対策及びクリーニングシステム。
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