JP4722060B2 - 循環流動層ボイラの高温腐食低減装置 - Google Patents

Description

本発明はガスから液体、固体まで幅広い燃料対応性をもつ循環流動層ボイラの高温腐食低減装置に関し、詳しくは外部熱交換器での高温腐食の問題を解消でき、発電の高効率化を実現できる循環流動層ボイラの高温腐食低減装置に関する。

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。

平成１３年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。

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。

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。
特開平５−５２３０７号公報 特開平５−１３３５０５号公報

従来の循環型流動層ボイラは、図５に示すように、流動層を有する火炉５０と、粒子捕集装置５１と、外部熱交換器５２、循環系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。

火炉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粒子捕集装置５１に送られ粒子が捕集される。

粒子捕集装置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、循環系５３を介して火炉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。粒子捕集装置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。

しかしながら、燃料源である廃棄物中には、塩素やアルカリ金属等の腐食成分が含まれており、これらの濃度が増大して来ると、腐食成分が外部熱交換器に流入し、この部分での高温腐食も無視できないレベルに増大して来るという問題がある。

そこで、本発明は、外部熱交換器での高温腐食の問題を解消でき、発電の高効率化を実現できる循環流動層ボイラの高温腐食低減装置を提供することを課題とする。

本発明の他の課題は、以下の記載により明らかとなる。

本発明者は上記課題を解決すべく鋭意検討した結果、腐食成分は微粒子側に多く存在することを見出し、本発明に至ったものである。

すなわち、上記課題は、以下の各発明によって解決される。

（請求項１）
流動層を有する火炉と、該火炉から燃焼ガスに同伴して排出された粒子を導入し、該粒子を捕集して下方から排出する粒子捕集装置と、該粒子捕集装置により捕集・排出された粒子を外部熱交換器を経由して前記火炉に循環させる循環系を備えた循環流動層ボイラにおいて、
前記循環系に、互いに共通する仕切壁により仕切られた空間からなる第１流動層、第２流動層及び第３流動層を並設しており、
前記第１流動層は、該空間の上部に前記粒子捕集装置下部から送られる粒子を導入する粒子導入口を備え、下部に流動化空気を導入する空気導入口を備えてなり、
前記第２流動層は、該空間の下部に流動化空気を導入する空気導入口を備え、上部に粒子と流動化空気の両方を排出する開口部を備え、前記第１流動層と第２流動層の仕切壁の上部は閉塞され、下部に、第１流動層の粒子が該第２流動層に流入する開口部を備えており、
前記第３流動層は、空間内の下部に前記外部熱交換器を備え、該空間の下部に流動化空気を導入する空気導入口を備え、前記第２流動層と前記第３流動層の仕切壁の上部と下部に上部開口部と下部開口部を各々設けてあり、前記空気導入口から導入される流動化空気は上部開口部を通って前記第２流動層に流入し、第２流動層下部の粒子は下部開口部から第３流動層に流入する構造であり、
前記第２流動層と第３流動層の仕切壁に対向する位置に設けられた側壁の下部に、粒子排出口を備えてなり、
前記第１流動層は、前記空気導入口から供給された空気の流動化ガス流速が、通常の発達した流動層を形成するための前記第２流動層の前記空気導入口から供給される空気の流動化ガス流速に比較して大きく設定され、該空気によって前記粒子捕集装置から導入された粒子中の微粒子をブローアップし、前記空間の上部に位置する前記粒子導入口を通って前記粒子捕集装置内部に流れる構造であることを特徴とする循環流動層ボイラの高温腐食低減装置。

（請求項２）前記第２流動層の上部に設けられた開口部は、循環ラインを介して火炉に連結されていることを特徴とする請求項１記載の循環流動層ボイラの高温腐食低減装置。

（請求項３）前記第３流動層の粒子排出口は、循環ラインを介して火炉に連結されている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の高温腐食低減装置。

（請求項４）前記第３流動層の外部熱交換器は、ボイラの過熱器管や蒸発管を浸漬した構成であることを特徴とする請求項１、２又は３記載の循環流動層ボイラの高温腐食低減装置。

本発明によると、外部熱交換器での高温腐食の問題を解消でき、発電の高効率化を実現できる循環流動層ボイラの高温腐食低減装置を提供できる。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。

図１は、循環流動層ボイラの高温腐食低減装置の一例を示す説明図であり、図２は複数の流動層の配置例を示す平面図である。

同図において、１は流動層（デンスベッド）を有する火炉である。本発明において、火炉１の構造は特に限定されるわけではないが、好ましくは、該火炉１の底部に空塔速度の大きいデンスベッド部１００が形成され、上部に空塔速度の小さい火炉本体１０１が形成されていることが好ましい。

デンスベッド部１００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を供給できる構造になっており、燃焼用空気が供給されると、デンスベッド部１００内は激しく流動化され、混合攪拌される。

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。

補助燃料としては、重油、軽油などの液体燃料や、都市ガス、プロパンガスなどの気体燃料、石炭などの固体燃料を用いることができ、これらの補助燃料は上記の１種を用いてもよいし、２種以上を組み合わせて使用することもできる。液体燃料、気体燃料、固体燃料を各々用意しておいて切り替え可能にしておくことも好ましい。

燃焼用空気は予め予熱されていると燃焼速度を上昇させる上で好ましい。

デンスベッド材としては、砂利や砂、セラミック粒子などを用いることができ、流動状態で燃焼しているときに熱保有をする役割を主に果たしている。

循環ソリッドは、デンスベッド材の一部が火炉１から外部に排出された後熱回収されて再度火炉１に戻される粒子である。

デンスベッド部１００では、廃棄物、補助燃料、デンスベッド材、循環ソリッドなどが燃焼用空気によって流動化された状態で、着火されると、激しく燃焼し、高温燃焼し、火炉１内で９００℃程度の燃焼ガスを発生する。

この燃焼ガスには流動層（デンスベッド）を形成するデンスベッド材の一部が循環ソリッド（粒子）として同伴し、燃焼ガスダクト１０２を介して粒子捕集装置２に導かれる。

粒子捕集装置２で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、粒子捕集装置２をサイクロン２という。

本発明では、サイクロン２で分離された粒子が循環系を介してデンスベッド部１００に戻される過程に、本発明特有の第１流動層３、第２流動層４、第３流動層５を備えている。

なお、本発明は、第１流動層３、第２流動層４及び第３流動層５の３つの流動層を備えただけの態様であるが、以下の説明では４つの流動層３、４、５、６を設けた態様を用いて本発明について説明する。

前記第１流動層３、第２流動層４、第３流動層５及び第４流動層６は、互いに共通する仕切壁３００、４００、５００により仕切られた空間が基本的形態である。

前記第１流動層３は、該空間の上部に前記サイクロン２下部から送られる粒子を導入する粒子導入口３０１を備え、下部に流動化空気を導入する空気導入口３０２を備えている。

該空気導入口３０２から第１流動層３内に供給された空気は、前記粒子導入口３０１を通って前記サイクロン内部に流れる構造である。かかる構造によって、サイクロン２の下部からの空気ブローアップを可能にし、その結果サイクロン２における粒子捕集性能を制御できる。粒子捕集性能を制御するには、空気導入口３０２からの導入空気量を調整することによって実施できる。かかる空気のブローアップによると、粒子中の微粒子（粒径、比重の小さいもの）が、サイクロン２まで上昇し、対流伝熱部に輸送される。外部熱交換器における高温腐食の原因は微粒子の影響が大きいので、微粒子を外部熱交換器の前で排出できれば高温腐食の原因を除去できる効果がある。

第１流動層３の流動化ガス流速は、サイクロン２での捕集する粒子のなかの微粒子をブローアップするため、比較的大きく設定されることが好ましく、具体的には０．３〜０．６ｍ／ｓの範囲である。また第１流動層３内の温度は火炉温度と同じ８５０〜９００℃の範囲である。従って、サイクロン２にブローアップされるガスの温度は８５０〜９００℃程度の範囲である。

前記第２流動層４は、該空間の下部に流動化空気を導入する空気導入口４０１を備え、上部に粒子と流動化空気の両方を火炉に排出する開口部４０２を備えている。そして前記第１流動層３と第２流動層４の仕切壁３００の下部に、第１流動層３の粒子が該第２流動層４に流入する開口部４０３を備えている。

この形態では、開口部４０３は仕切壁３００の下部に形成されているので、第１流動層３から第２流動層４に送られる粒子は、第１流動層３で除去できなかった微粒子であり、これらの粒子は空気導入口４０１から供給される流動化空気によって開口部４０２から排出される。このように第１流動層３で除去できなかった腐食成分である微粒子を第２流動層４でパージ（除去）する構成にしているので、外部熱交換器の高温腐食対策が更に可能になる。開口部４０２は、火炉１のデンスベッド部１００に循環ライン４０４を介して連結されている。このため、腐食成分である循環ソリッド（粒子）は火炉１に送られる。

第２流動層４の流動化ガス流速は、通常の発達した流動層を形成するために０．２〜０．４ｍ／ｓの範囲に設定されることが好ましい。

第２流動層４内の温度は火炉と同じ８５０〜９００℃の範囲である。

前記第３流動層５は、空間内の下部に外部熱交換器５０１を備え、該空間の下部に流動化空気を導入する空気導入口５０２を備えている。前記第２流動層４と前記第３流動層５の仕切壁４００の上部と下部には、上部開口部５０３と下部開口部５０４が各々設けられている。

このような構造であるので、前記空気導入口５０２から導入される流動化空気は上部開口部５０３を通って前記第２流動層４に流入する。この空気の流れを利用して第３流動層５内の腐食成分である微粒子を第２流動層４にパージして除去する作用を呈する。

この第３流動層５では熱交換器５０１によってガス温度は５５０〜６５０℃程度に低下しているので、粒子は溶融状態でなくなっており、粘性が低下している。このため腐食成分である微粒子と、比重の重い比較的大きな粒子は分離し易い。この作用を本発明では効果的に利用できる。

この態様の構造では、第２流動層４内の比較的大きな粒子は下部開口部５０４から第３流動層５に流入する構造となっている。

この外部熱交換器５０１は、特に限定されないが、例えばボイラの過熱器管や蒸発管を浸漬した構成であることが好ましい。本発明ではこれらの過熱器管や蒸発管の高温腐食を低減させることが可能となる。

第３流動層５の流動化ガス流速は、浸漬されている伝熱管の摩耗を防止するため、比較的遅い流速に設定されることが好ましく、具体的には流動化ガス流速は０．２ｍ／ｓ程度に設定されることが好ましい。

第４流動層６は、第３流動層５との仕切壁５００の下部に、開口部６００を備えている。また該開口部６００を介して前記第３流動層５の粒子が第４流動層６に流入する構造になっている。また該第４流動層６空間の下部には流動化空気を導入する空気導入口６０１を備えている。

該第４流動層６の側壁６０２下部には粒子排出口６０３を備えている。そして該第４流動層６の上部には空気出口管６０４を備えており、該空気出口管６０４は対流伝熱部７からバグフィルター８に至る燃焼排ガスダクト７００に接続されている。

第４流動層６の流動化ガス流速は、分離効率アップのため、流速は高く設定されることが好ましく、具体的には０．３〜０．６ｍ／ｓの範囲に設定される。

また第４流動層６内のガス温度は、５００〜６００℃程度と比較的低いので、粒子粘性は少なく、分離がし易い状態にある。このため流動化空気が供給されると、前工程で分離されなかった微粒子と、比較的大きな微粒子は簡単に分離され、大きな粒子は粒子排出口６０３から循環ライン６０５を介して火炉１に循環ソリッドとして送られ循環使用される。一方、空気出口管６０４から排出された微粒子は燃焼排ガスダクト７００を介してバグフィルター８に送られて除去される。

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７に導入される。対流伝熱部７では熱交換器によって分離ガスから熱回収する。分離ガスと灰は熱回収後、該対流伝熱部７から燃焼排ガスダクト７００を介してバグフィルター８に送られ、灰が除去される。分離されたガスはバグフィルター８から系外に排出され、例えば排ガス処理などが行われる。

本発明は、以上の実施の形態で、第４流動層６を設けない態様である。従って、本発明は、第３流動層５の側壁（仕切壁）５００の底部の開口部６００を粒子排出口とすることにより、第３流動層５で分離された粒子は、循環ライン６０５を介して火炉１に送られる構成となる。

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。

実施例１
燃料としてＲＰＦを用いた燃焼試験によって腐食成分と粒子径の関係を調べたところ、表１に示す結果が得られた。尚、表１中、ＥＨＥは外部熱交換器の略称である。

表１の結果から、Ｃｌ、Ｓ、Ｆのような腐食成分は、５３μｍ以下の粒子径の成分比が大きいことがわかる。

実施例２
本発明装置を用いて廃棄物燃焼における過熱器の腐食速度を調べた。また比較のために図５に示す装置を用いて同様の腐食速度を調べた。

その結果を図３に示す。図３は横軸が燃料中の塩素濃度であり、縦軸は過熱器管（材質：ＳＵＳ３１０Ｓ）の最大腐食深さ（ｍｍ／年）を示している。

図３から明らかなように、燃料中の塩素濃度１％程度においても、過熱器管の腐食速度は０．５ｍｍ／年以下に低減されていることがわかる。

これは本発明の装置では外部熱交換器内の塩素濃度が従来装置に比べ小さい値に保持されているからである。このことを更に確認するために、燃料中の塩素濃度と外部熱交換器内の塩素濃度の関係を調べたところ、図４のような結果が得られた。

実施例３
図１に示す装置において、燃料として、建築廃材チップ、下水汚泥、農林廃棄物、食品廃棄物、ＲＤＦ等の再生可能エネルギー及びＲＰＦ、廃タイヤ等の産業廃棄物を混合した廃棄物（塩素濃度：１％含有）燃料を用いて、ボイラ管の腐食実験を行った。

その結果、蒸気圧力：１３０Ｋｇ／ｃｍ^２Ｇ、蒸気温度：５５０℃、発電端効率：３８％クラスの高効率発電が可能である事を確認した。

また過熱器腐食速度は０．５ｍｍ／年以下であり、排ガス中の公害成分を測定したところ、以下のような結果が得られた。

ＮＯ_ｘ＜１００ｐｐｍ（Ｏ_２＝６％）
ＳＯ_２＜１００ｐｐｍ（Ｏ_２＝６％）
ＣＯ ＜５０ｐｐｍ（Ｏ_２＝６％）
ＤＸＮ類０．１ｎｇ／Ｎｍ^３以下

循環流動層ボイラの高温腐食低減装置の一例を示す説明図 複数の流動層の配置例を示す平面図 過熱器の腐食速度を調べた結果を示すグラフ 燃料中の塩素濃度と外部熱交換器内の塩素濃度の関係を調べた結果を示すグラフ 従来の循環流動層ボイラの概略説明図

符号の説明

１：火炉
１００：デンスベッド部
１０１：火炉本体
１０２：燃焼ガスダクト
２：粒子捕集装置（サイクロン）
３：第１流動層
４：第２流動層
５：第３流動層
６：第４流動層
３００、４００、５００：仕切壁
３０１：粒子導入口
３０２：空気導入口
４０１：空気導入口
４０２：開口部
４０３：開口部
４０４：循環ライン
５０１：外部熱交換器
５０２：空気導入口
５０３：上部開口部
５０４：下部開口部
６００：開口部
６０１：空気導入口
６０２：側壁
６０３：粒子排出口
６０４：空気出口管
６０５：循環ライン
７：対流伝熱部
７００：燃焼排ガスダクト
８：バグフィルター

Claims (4)

1. 流動層を有する火炉と、該火炉から燃焼ガスに同伴して排出された粒子を導入し、該粒子を捕集して下方から排出する粒子捕集装置と、該粒子捕集装置により捕集・排出された粒子を外部熱交換器を経由して前記火炉に循環させる循環系を備えた循環流動層ボイラにおいて、
   前記循環系に、互いに共通する仕切壁により仕切られた空間からなる第１流動層、第２流動層及び第３流動層を並設しており、
   前記第１流動層は、該空間の上部に前記粒子捕集装置下部から送られる粒子を導入する粒子導入口を備え、下部に流動化空気を導入する空気導入口を備えてなり、
   前記第２流動層は、該空間の下部に流動化空気を導入する空気導入口を備え、上部に粒子と流動化空気の両方を排出する開口部を備え、前記第１流動層と第２流動層の仕切壁の上部は閉塞され、下部に、第１流動層の粒子が該第２流動層に流入する開口部を備えており、
   前記第３流動層は、空間内の下部に前記外部熱交換器を備え、該空間の下部に流動化空気を導入する空気導入口を備え、前記第２流動層と前記第３流動層の仕切壁の上部と下部に上部開口部と下部開口部を各々設けてあり、前記空気導入口から導入される流動化空気は上部開口部を通って前記第２流動層に流入し、第２流動層下部の粒子は下部開口部から第３流動層に流入する構造であり、
   前記第２流動層と第３流動層の仕切壁に対向する位置に設けられた側壁の下部に、粒子排出口を備えてなり、
   前記第１流動層は、前記空気導入口から供給された空気の流動化ガス流速が、通常の発達した流動層を形成するための前記第２流動層の前記空気導入口から供給される空気の流動化ガス流速に比較して大きく設定され、該空気によって前記粒子捕集装置から導入された粒子中の微粒子をブローアップし、前記空間の上部に位置する前記粒子導入口を通って前記粒子捕集装置内部に流れる構造であることを特徴とする循環流動層ボイラの高温腐食低減装置。
2. 前記第２流動層の上部に設けられた開口部は、循環ラインを介して火炉に連結されていることを特徴とする請求項１記載の循環流動層ボイラの高温腐食低減装置。
3. 前記第３流動層の粒子排出口は、循環ラインを介して火炉に連結されている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の高温腐食低減装置。
4. 前記第３流動層の外部熱交換器は、ボイラの過熱器管や蒸発管を浸漬した構成であることを特徴とする請求項１、２又は３記載の循環流動層ボイラの高温腐食低減装置。