JP4393977B2 - 難燃性炭素粉を燃焼するバーナ構造とそのバーナによる燃焼方法 - Google Patents

Description

本発明は、有機廃棄物から得られる難燃性炭化物を粉砕した炭素粉等を燃料とするバーナとボイラ及びその構造体に関する

従来、ガス、オイル、石炭等の化石燃料を利用するボイラのうち、埋蔵量が多く燃料コストが低い石炭の利用が要望されるが燃料の取り扱い難さ、多量の灰分残渣、および、排煙の環境問題により使用は大きく制限されている。エネルギーコストの上昇から火力発電用の燃料として石油を用いることは難しくなり、天然ガス又は微粉砕した石炭の利用がすすめられている。しかし、石炭の燃料化では揮発ガス成分が多く着火しやすく硫黄分の少ない高品位炭である瀝青炭の実用化が中心になっている。

エネルギー資源とコストに関連して、揮発成分が比較的少なく炭素成分の多い高燃料比炭である一般石炭の燃焼利用技術の開発が求められているが、設備に制限の多い一般の燃焼装置で石炭類を利用することは難しく、エネルギーコストは高いが使い勝手が良く環境対策の易しい灯油や重油が用いられている。

火力発電所等大型ボイラ用として、揮発ガスやオイル成分を大量に含む瀝青炭を粉末燃料にした微粉炭バーナ用の燃焼システムでは、バーナに供給される微粉炭を圧縮空気又は搬送ガスを使ってバーナ先端から噴出させる方法が取られるが、圧縮空気を使って燃料を高温に予熱すると供給管内で燃焼や粉塵爆発による事故を起こすという問題がある。また、不燃性ガスを用いて粉体燃料を搬送しノズルで拡散するには経済性の問題があり使用が難しい。

他方、大きな環境問題である燃えるごみの処理では、埋め立てもしくは焼却による減量化政策が進められているが、環境対策の整った大型の設備が必要になっている。また、焼却設備により炭化処理も行われるが、炭化物の有効利用は限られている。廃タイヤを含む膨大な廃ゴム製品の処理における油分除去後の残渣であるゴム炭や、廃プラスチック油化後の炭化物残渣の有効利用も難しい。このように、従来の環境対策の結果、処理物として得られる炭化物の量は膨大になるが、有用な利用方法が少なく、多くは埋め立て処理されるという問題がある。

廃棄される有機物から得られる上述の炭化物は、微粉炭や一般石炭と異なり、揮発性ガスやオイル成分をほとんど含まず主成分は炭素からなり石炭に比しはるかに難燃性でボイラに使えないという特徴がある。従来技術のボイラでは、灯油や重油、または、高品位石炭のように、安定な着火性が得られないのと燃焼の安定性を維持することが難しいため、炭素燃料の利用が困難であるという重大な欠点があった。
特開２００４−１８３９８４号公報 牧野尚夫編 「微粉炭火力発電技術の高度化研究」 電中研レビュー第46号

解決しようとする問題点は、難燃性炭素燃料の着火性を確保するための燃焼方法及び燃焼の安定性を維持し、炭素を焚くことの出来る条件やバーナ及びボイラの構造が不明であり、炭素を容易に焚くことの出来る汎用的なボイラが得られなかった点である。

本発明は、有機廃棄物の炭化から得られる難燃性炭化物を燃料とするボイラとその構造物に関し、炭化物を50μm以下望ましくは20μm以下の炭素粉に加工して燃焼用燃料とし、燃料の拡散による環境汚染を防ぐため機密性の高いローダ搬送器又はカートリッジにて炭素粉を機械式スクリュウ型フィーダに供給し、炭素粉はフィーダを通して高温に予備加熱されてバーナノズルに供給され且つ燃焼空気は炉本体にて直接750℃〜800℃に予備加熱されてバーナ部に供給される。燃焼空気はノズル部で炭素粉フィーダノズルの周囲の強力な旋回流と最外周の直進流に分かれ、旋回流は炭素粉の気中拡散を胆保し直進流は火炎の抑制機能を与えて、難燃性炭素燃料の安定な着火性と燃焼性を得る。

本発明の有機廃棄物からなる炭化物を燃料とする炭素粉焚きボイラは、豊富なエネルギー源を有効利用できる上、高い熱量が得られ小型から大型ボイラまで一般に利用できるという利点がある。

廃タイヤを乾留し油分を採取した残渣からピアノ線などのスチールコードを除去して得られるゴム炭は二次凝集した1cm〜5cmの炭素塊であるが、容易に解砕することが出来る。タイヤには原材料に使われる充填補強剤としての亜鉛及びシリコンが元素組成として約0.5％添加されているので（日本ゴム協会誌、54巻、１９８１）、タイヤを乾溜した後これらの酸化物が灰分として残ることになるが、石炭の灰分に比べると数１０分の一以下で僅かになる。廃プラスチックや生ごみを乾留・油化して得られる炭化物においてもゴム炭に類似した性質が見られる。

炭化物は解砕機や粉砕機で容易に微細な粉体にすることができるが、微粉は空気中に浮遊し拡散して環境を汚染する。この問題を未然に防ぐため、以下に示す用途には、微粉化及びその後の扱いに関し、機密性の高い加工装置や搬送機器が必要であった。
炭素粉の粒径を数百μｍ〜数μmまで細かくし燃焼実験をすると数１０μm以下の粉体は燃焼し易いことがわかった。しかし、安定した着火性と燃焼性を得るには炭素粉の予熱温度が高く、燃焼空気の温度も高くする必要があり、且つ、粉体は燃焼空気中に良く拡散される必要があった。粉体が燃焼空気中で拡散できないと未燃焼状態で炉低に沈殿してしまう。従って、炭素粉をノズルから空気と共に霧状に噴出できることが望ましい。

炭素粉を安定に着火するには燃料の温度と燃焼空気の温度を共に750℃以上、好ましくは800℃以上にすると良いことがわかった。粉体燃料の供給方法として、石炭の微粉炭焚き火力発電で使われるパルス方式による圧縮空気で粉体をバーナ出口から噴出させ燃焼空気中に拡散させることができるが、上に明らかにしたように炭素粉を750℃の高温に加熱して圧縮空気で粉体を搬送すると、供給管内で燃焼や粉塵爆発を生じ事故原因になるために使うことは出来ない。また、不活性ガスの使用は経済性が悪く、ガス搬送方法は利用できなかった。

炭素粉の高温での予備加熱と安定な粉体搬送を実現するための研修から、図1に示すバーナ構造体を開発した。同図に示すモータの回転速度可変型のスクリュー式フィーダが有用であった。燃料供給源からホッパへ供給される粉体燃料はフィーダ入り口で回転数にあわせて定量的に取り込まれ、供給管内を移動しながら必要な温度まで加熱されバーナ先端のノズルへ運ばれる。この構造は、モータの回転速度に比例して燃料供給量の制御がおこなわれ、フィーダの搬送過程を通して燃焼空気との優れた熱交換構造による炭素粉の予備加熱で高温が得られるが、空気の供給が遮断されているフィーダ内での燃焼や粉塵爆発を誘導する危険は除かれた。粉体搬送で問題になるホッパとフィーダ接続部近傍で起こり易いブリッジングによる粉体流動の停滞現象は、モータをホッパの側面に固定し振動を与えることにより解決できた。ブリッジングを防ぐ方法には振動器やエアーハンマーなども使うことができるので、当該方法に限定されるものではない。

高温に予熱した粉体燃料を安定にバーナから炉内へ供給することは出来たが、バーナから燃焼空気中に拡散する必要がある。当該機械式フィーダを高速で運転しノズルから高速で噴出して第1次燃焼空間へ霧状に拡散するのは、フィーダノズルのサイズや形状を工夫してても噴出速度を数10ｃｍ/sec以上にすることは困難であった。従って、炭素粉を霧状に拡散する方法として燃焼空気をノズル周辺で高速旋回させ密度の低い炭素粉と空気を混合・拡散するのが効果的であった。この旋回流はバーナから離れると急速に拡大するので、バーナノズルの最外周には直進する燃焼空気により、旋回流の広がりを抑制し、燃焼空間を前方へ伸ばすと共に、燃料の滞空時間を延ばし且つ追加燃焼空気による完全燃焼を促進する機能を与えた。

燃焼空気を予熱する機構を図2に示すように、低い位置にある吸気口からフアンにて取り入れた空気を炉本体内のヘリカル構造をした予熱管に導入し、炉内で直接加熱し後、バーナ部にて燃料のフィーダ部を予熱し、バーナに設けた旋回溝と外周部に分かれた通路を経て夫々第1燃焼空間と第2燃焼空間へ吹き出す。

図1に示したバーナには始動時の加熱用補助重油バーナが炭素粉燃料フィーダの下部に設置した。当該補助バーナは、ボイラシステムが十分加熱され上述した燃焼条件が安定するまで作動させる必要がある。補助バーナは、重油用に限ることはなく、それに相当するものならば灯油又はガス等、必要に応じて使い易い燃料を利用することが出来る。

本願では、上述したように、有機廃棄物のリサイクルから得られる炭化物を加工して数１０μm以下の炭素粉に加工し、高温に予備加熱した炭素粉と燃焼空気を用いて、難燃性として知られている炭素粉の燃焼用バーナとボイラシステムを実現した。

廃タイヤ100本を乾溜機（（株）タック製TAC21）に投入し、400℃〜450℃で約2時間乾溜し油分を分離後冷却して得られた残渣から、磁選機にてフェロ金属分を分離し炭化物（ゴム炭）を得た。ゴム炭を機密性のエアーレスローダにて通常粉砕機へ投入し100μmアンダーの炭素粉（１）及び５０μmアンダーの炭素粉（２）を得た。さらに、通常粉砕機の代わりに微粉砕機に投入し２０μmアンダーの炭素粉（３）を作成した。得られた炭素粉の密度は低く、それぞれ、0.52ｇ/ｃｃ、0.49g/ｃｃおよび0.25ｇ/ccであった。

試験ボイラの設計熱量は30万ｋcal/hであり、投入炭素粉燃料は約４０ｋｇ/hである。図１は、本発明装置の１実施例であるバーナの断面図とノズルの側面図であり、１は高温予熱された燃焼空気の投入口であり、２は燃料炭素粉をフィーダに供給するホッパである。３はフィーダ４を駆動するインバータモータであり燃料の供給量を回転数により制御する。また、モータは２のホッパに接続されていてモータの発する振動をホッパに伝える構造にした。

４は機械式スクリュウ型フィーダであり、ホッパから燃料の炭素粉を取り込みノズル部へ搬送するが、搬送する間に燃焼空気で加熱してノズル７に供給する。フィーダによる燃料の供給量はフィーダ直径と回転数により決まる。この場合、フィーダの内径を２４ｍｍ、回転数を1,200ｒｐｍ前後で運転した。フィーダノズルでの炭素粉の噴出速度は約１０ｃｍ/sec程度と遅く、燃焼空気中への十分な拡散が得られないため、燃焼空気に拡散機能を持たせた。

６は大きく低抵抗の螺旋構造をもつ燃焼空気用のノズルであり、燃焼用空気は螺旋部を通過することにより強力で安定な旋回流となり、フィーダの先端位置にある炭素粉ノズル７の周囲を旋回しながら噴出する。こうして炭素粉を霧状に拡散して1次燃焼空間を形成することができた。燃焼用空気が螺旋部を通過する間に高い熱交換機能と低い搬送速度により、フィーダ内にある燃料炭素粉を間接的ではあるが効率よく加熱することが出来た。

５は補助バーナであり、燃料の重油又は灯油の供給口である。補助バーナはボイラ始動時に燃焼用空気とフィーダ部の燃料を高温に予熱する機能を備えており、そのノズル８は炭素粉燃料用のフィーダノズル７の下部に位置している。フィーダの予熱温度を7５0℃〜800℃にすることにより炭素粉燃料の着火性と燃焼性が安定した。

１１は燃焼空気の一部を直進させるためのバーナ構造とノズルである。燃焼空気の約30％が旋回流用ノズルの外周にもうけた直進用流路を経てノズル１１より噴出し、火炎の最外部にあって旋回流による火炎の広がりを抑制し長さ方向に伸ばす機能があり、２次燃焼空間を形成して燃料の完全燃焼を促進する。9は点火器であり10は火炎検出用センサである。
１２は旋回する燃焼用空気が拡散するのを制御するガイド用のボアであり、１３は直進する燃焼用空気が拡散するのを制御するガイド用ボアである。火炎の最高温度は2次燃焼空間で得られ1,100℃〜1,200℃であった。

図2に炉本体の燃焼室の概要を模式的に示した。２０は燃焼空気取り入れ用のダンパー付きフアンであり、炉室への導入管を経て炉本体の燃焼室に設置された長い予熱管２１に接続されている。予熱管の先端は図1に説明したバーナ３０に接続されている。

ボイラの始動時に、重油用の補助バーナを駆動しボイラを加熱した。バーナ部における燃焼用空気の温度が750℃以上に達した後、炭素粉燃料の供給を開始して点火と燃焼性が安定した後補助バーナを停止し、炭素粉燃料の燃焼が継続して維持できることがわかった。燃焼状態は炭素粉の大きさと関係があり、炭素粉のサイズと点火性及び燃焼安定性をまとめて表1に示した。また、完全燃焼条件としての燃焼用空気の定量的な測定は難しいが、推定理論空気・燃料比は1.２〜1.5の範囲となるのが妥当と結論された。

表1に炭素粉燃料のサイズと、炭素粉の予熱温度、および、ボイラの点火性と燃焼安定性の関係を示した。△は不安定で利用に問題がのこり、◎は十分満足できるレベルを示す。

有機廃棄物を乾溜分解した残渣の難燃性炭化物を粉砕して得られる炭素粉等を燃料に用いるバーナとボイラを、省エネルギーと経済性の高い熱源として利用出来る。

炭素粉バーナの断面図とノズルの側面図 炭素粉ボイラの炉本体と燃焼空気の予熱管の配置を示した図

符号の説明

１ 燃焼空気入り口
２ ホッパ
３ インバータモータ
４ スクリュウフイーダ
５ 補助バーナ
６ 螺旋ノズル
７ フィーダノズル
８ 補助バーナノズル
９ イグナイター
１０ 火炎センサ
１１ 直流用ノズル
１２ 旋回流制御用ボア
１３ 直流制御用ボア
２０ 燃焼空気用フアン
２１ 予熱管
２２ 炉低
３０ 炭素粉バーナ

Claims (6)

1. 有機廃棄物から得られる炭素粉をホッパから供給するフィーダと、該フィーダをモータで駆動して前記炭素粉を噴出する炭素粉ノズルと、該炭素粉ノズルに並設してその先端で着火する補助バーナと、これらフィーダから炭素粉ノズル及び補助バーナの各経路とは別経路で高温予熱された燃焼空気の投入口と、該投入口からの燃焼空気を螺旋部を通過することで前記炭素粉ノズルから噴出した炭素粉を霧状に拡散して旋回する旋回流用ノズルと、該ノズルの外周に設けて前記旋回流による火炎の広がりを周りから抑制する直進用ノズルと、からなる難燃性炭素粉を燃焼するバーナ構造。
2. 前記燃焼空気の投入口が、ボイラの炉本体の燃焼室に設置された長い予熱管の先端に接続されている、請求項１に記載の難燃性炭素粉を燃焼するバーナ構造。
3. 有機廃棄物を分解して得られる難燃性炭素化物を微粉化した炭素粉をバーナの点火で燃焼するバーナの燃焼方法において、該方法には、前記炭素粉をスクリュー型フィーダでそのノズルから噴出する工程と、前記炭素粉を高温予熱した燃焼空気で霧状に拡散して旋回流を生じさせる工程と、該工程の旋回流による前記バーナで着火した炭素粉の火炎の広がりを周りから抑制する燃焼空気の直進流を生じさせる工程とを含む、難燃性炭素粉のバーナによる燃焼方法。
4. 前記バーナによる難燃性炭素化物を微粉化した炭素粉をスクリュー型フィーダで移動すると共にその周りから高温で予備加熱する工程と、該工程前におけるボイラの炉本体の燃焼室により、前記炭素粉を予備加熱する燃焼空気を事前に予備加熱する工程とを含む、請求項３に記載の難燃性炭素粉のバーナによる燃焼方法。
5. 前記炭素粉を燃焼するバーナの下部に該炭素粉を燃焼する重油もしくはガスバーナを装着して、始動時の炭素粉と燃焼空気の予備加熱温度を７５０℃以上にして加熱する工程とを含む、請求項３又は４に記載の難燃性炭素粉のバーナによる燃焼方法。
6. 前記炭素粉のサイズを５０μｍ以下にして、これをローダ供給器もしくはカートリッジにより前記スクリュー型フィーダに供給する、請求項３乃至５のいずれかに記載の難燃性炭素粉のバーナによる燃焼方法。

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