JP4939268B2 - 流動層型ボイラ - Google Patents

Description

本発明は、流動層型の燃焼炉を備える流動層型ボイラに関するものである。

従来、このような分野の技術として、例えば、下記特許文献１に記載のボイラが知られている。このボイラは、廃棄物燃料を燃焼させて発電を行う発電用ボイラである。特に、近年では、廃棄物を燃料として有効利用すべく、この種のボイラの要求が高まっている。
特開２００６−０６４２５１号公報

しかしながら、廃棄物の中には、ボイラでの燃焼に不適な不適物が含まれる場合も多い。このような廃棄物を流動層型のボイラの燃料として用いると、燃焼しきれなかった不適物が燃焼炉内に蓄積することで、燃焼炉内の流動性を悪化させ、良好な燃焼が行われなくなるおそれがある。近年では、不適物が多い廃棄物燃料への対応がますます求められているので、上記の問題解決の必要性は特に高い。

そこで、本発明は、流動層型燃焼炉内の流動性を確保して良好な燃焼を可能とする流動層型ボイラを提供することを目的とする。

本発明の流動層型ボイラは、投入される燃料を燃焼させる流動層型の燃焼炉と、燃焼炉の底部から排出された固形物を再び燃焼炉に返送するように循環させる循環ラインと、循環ライン上に設けられ、当該循環ラインを循環する固形物から燃焼に不適な不適物を選別し除去する選別除去部と、循環ライン上で選別除去部の前段に設けられ燃焼炉に投入される燃料の前処理を行う燃料熱処理部と、循環ライン上で選別除去部の前段に設けられ、循環ラインを通過する固形物を冷却する固形物冷却部と、を備え、燃料熱処理部は、固形物冷却部の後段に設けられ、固形物冷却部と燃料熱処理部とは一体に設けられることを特徴とする。

この流動層型ボイラでは、燃焼炉の底部から排出された固形物は、循環ラインを通じて再び燃焼炉に返送されるように循環し、その循環の途中で、固形物に含まれる不適物が選別され除去される。従って、燃焼しきれなかった不適物が燃焼炉から取り除かれ、燃焼炉内の流動性が確保され、良好な燃焼が可能となる。

また、本発明の流動層型ボイラは、循環ライン上で選別除去部の前段に設けられ燃焼炉に投入される燃料の前処理を行う燃料熱処理部を更に備える。燃料熱処理部は、循環ラインに燃料を投入し当該循環ラインを通過する固形物の熱を利用した熱処理によって前処理を行うこととしてもよい。この場合、固形物が高温状態にある選別除去部の前において、循環ラインに燃料が投入され、燃料が固形物の熱を利用して熱処理される。従って、本来であれば棄てられる固形物の熱が、燃料の前処理に用いる熱として有効利用されるので、全体としてボイラの運転に必要なエネルギーを節約することができる。

また、本発明の流動層型ボイラは、循環ライン上で選別除去部の前段に設けられ、循環ラインを通過する固形物を冷却する固形物冷却部を更に備える。この場合、燃焼炉からの固形物を冷却して選別除去部に導入することができるので、選別除去部の機能が高温によって阻害されることを抑え、効率のよい選別を行うことができる。

また、燃料熱処理部は、固形物冷却部の後段に設けられる。この場合、冷却後の固形物の熱が熱処理に利用されるので、熱処理時の温度が高すぎて原燃料中の燃料成分までが熱分解されてしまうことを抑えることができる。

また、固形物冷却部と燃料熱処理部とは一体に設けられる。この構成により、装置のコンパクト化を図ることができる。

また、本発明の流動層型ボイラは、燃料熱処理部における燃料の熱処理によって発生するガスを処理するガス処理部を更に備え、ガス処理部は、燃料熱処理部からガスを吸引し排出させるガス吸引部と、ガス吸引部で排出させたガスを液体に溶解させるガス溶解部と、を有することとしてもよい。

この構成によれば、燃料の熱処理で発生したガスを燃料熱処理部から取り除き、液体に溶解させることで、後段の処理が容易な形で上記ガスを回収することができる。また、燃料熱処理部では、発生したガスが吸引されて排出されるので、燃料熱処理部内においてガス発生を伴う熱処理を促進することができる。具体的には、ガス吸引部は、液体を噴出する液体エジェクタを有することとしてもよい。

本発明の流動層型ボイラによれば、流動層型燃焼炉内の流動性を確保して良好な燃焼を行うことができる。

以下、図面を参照しつつ本発明に係る流動層型ボイラの好適な実施形態について詳細に説明する。

図１に示す外部循環型（Circulating Fluidized Bed型）の流動層型ボイラ１は、廃プラスチック及びＲＰＦを燃料として用いるボイラであり、縦長円筒形状をなす流動層型の燃焼炉３を備えている。燃焼炉３の中間部には燃料を投入する燃料投入口３ａ、上部には燃焼ガスを排出するガス出口３ｂが設けられている。ガス出口３ｂには固気分離装置として機能するサイクロン７が接続されている。サイクロン７の排出口７ａはガスラインを介して後段のガス処理系に接続されている。また、サイクロン７の底部出口からはダウンカマーと称されるリターンライン９が下方に延びており、リターンライン９の下端は燃焼炉３の中間部側面に接続されている。

燃焼炉３内では、下部の給気ライン３ｃから導入される燃焼・流動用の空気により、上記投入口３ａから投入された燃料を含む固形物が流動し、燃料は流動しながら約８００〜９００℃で燃焼する。サイクロン７には、燃焼炉３で発生した燃焼ガスが固体粒子を同伴しながら導入される。サイクロン７は、遠心分離作用により固体粒子と気体とを分離し、分離された固体粒子をリターンライン９を通して燃焼炉３に戻すと共に、固体粒子が除かれた燃焼ガスを排出口７ａからガスラインを通じて後段のガス処理系に送出する。

この燃焼炉３では「炉内ベット材」と呼ばれる固形物が発生し底部に溜まるが、この炉内ベット材で不純物（低融点物質等）が濃縮されて起こるベット材の焼結及び溶融固化、或いは不燃厨芥物による動作不良を抑制することが必要である。このため、燃焼炉３では、底部の排出口３ｄから炉内ベット材が定期的に外部に排出されている。また排出されたベット材は、循環ライン２３を通じて再び燃焼炉３に返送されている。また、このボイラ１の燃料として用いられる廃プラスチックには、燃焼に不適である金属などの不適物が混入している場合が多く、この不適物を燃焼炉３内から取り除く必要がある。

このため、循環ライン２３上には、篩及び磁気分離装置を有する選別装置２５が設けられており、この選別装置２５では、循環するベット材の中から、燃焼に不適である金属、厨芥類、ガレキ類、クリンカーといったような不適物が選別除去される。このような、ベット材の循環及び選別除去により、選別装置２５によって燃焼炉３内から不適物が除去されるので、燃焼炉３内における燃焼物の流動性が確保され、良好な燃焼が行われると共に、燃焼炉３、サイクロン７、及びリターンライン９における流動不良が抑制される。

上記のガス処理系は、サイクロン７のガス排出口７ａにガスラインを介して接続されたガス熱交換装置１３と、このガス熱交換装置１３の排出口１３ａにガスラインを介して接続されたバグフィルタ（集塵器）１５とを備えている。ガス熱交換装置１３には、排ガスの流路を横切るように水を流動させるボイラチューブ１３ｂが設けられている。サイクロン２４から送られた高温の排ガスがこのボイラチューブ１３ｂに接触することで、排ガスの熱がチューブ内の水に回収され、発生した高温の水蒸気がボイラチューブ１３ｂを通じて発電用のタービンに送られる。バグフィルタ１５は、この可燃性ガスに未だ同伴している飛灰等の微粒子を除去する。バグフィルタ１５の排出口１５ａから排出された清浄なガスはガスライン及びポンプ１７を経由して煙突１９から外部に排出される。

上述のように、ボイラ１では、廃プラスチックやＲＰＦが燃料として用いられている。このような燃料は塩素及び重金属を含むので、燃料を燃焼させた場合には塩素及び重金属を含む排ガスが発生し、このような排ガスがボイラチューブ１３ａの腐食を進行させ寿命を短縮させてしまう。従って、このような原燃料を燃焼炉３に投入する前に改質し、当該原燃料から塩素及び重金属をできるだけ取り除くことが好ましい。

そこで、このボイラ１には、燃焼炉３に投入される前に原燃料を改質する燃料改質機能と、上記したベット材循環ライン２３でベット材を循環させ不適物を選別除去する機能と、改質された燃料を、循環するベット材に合流させて一緒に燃焼炉３内に投入する機能と、を併せ持つ改質燃料生成部２０が設けられている。

改質燃料生成部２０は、燃焼炉３の底部排出口３ｄに接続されたスクリュー搬送装置３１を備えている。このスクリュー搬送装置３１には減圧装置３７が接続されベット材搬送路３１ｂ内が減圧されている。スクリュー搬送装置３１の下流端にある出口３１ｃは、ベット材搬送ライン２３ａを介して燃料投入口３ａに接続されており、ベット材搬送ライン２３ａ上には、搬送されるベット材から燃焼不適物を選別除去するために、前述の選別装置２５が設けられている。このような接続により、スクリュー搬送装置３１及びベット材搬送ライン２３ａは、ベット材を循環させる上述の循環ライン２３を構成する。なお、図１中、選別装置２５直後にあるベット材搬送ライン２３ａ上の”ａ”印は、燃料炉３の燃料投入口３ａ直前の”ａ”印の箇所に繋がっていることを意味している。

上記スクリュー搬送装置３１の上流側の半分は、底部排出口３ｄから排出された高温のベット材を冷却するベット材冷却部３３として機能する。すなわち、スクリュー搬送装置３１の上流側の半分において、搬送路３１ｂを画成する外筒の更に外側に円筒ジャケットが設けられており、上記外筒とジャケットとの間に冷却水を流動・循環させる冷却水流動路３３ａが形成されている。そして、冷却水が、冷却水循環ライン４１を通じて、冷却水流動路３３ａと、クーラ４３ａを有する水タンク４３と、の間を循環している。この構成により、底部排出口３ｄから排出された約８００℃のベット材は、搬送路３１ｂ内をスクリュー搬送されながら上記冷却水に熱を移動させるので、ベット材冷却部３３では高温のベット材が効率よく冷却される。

また、スクリュー搬送装置３１の下流側の半分は、原燃料を熱処理して改質する燃料熱処理部３５として機能する。すなわち、スクリュー搬送装置３１には、上記冷却水流動路３３ａの下流側に、廃プラスチックやＲＰＦ等の原燃料を投入するための原燃料投入部３９が接続されている。原燃料投入部３９は、燃料導入口３９ａから導入された原燃料を、スクリューコンベア部３９ｂにより水平に移動させ、その後、スクリュー搬送装置３１の略中央に連結された投入口３９ｃから、搬送路３１ｂ内に原燃料を投入する。そして、投入された原燃料は、搬送路３１ｂ内でベット材と混合されながら出口３１ｃに向かって水平に搬送されていく。

このベット材は、ベット材冷却部３３で冷却された後ではあるが、ある程度の高温状態である。従って、このベット材に混合された原燃料は、ベット材の熱によって約４００〜６００℃に加熱されながら搬送路３１ｂ内を移動する。そして、加熱及び減圧によって、原燃料中の含有塩素、含有重金属類（Ｐｂ等）、及び若干のタール分が気化し、原燃料から取り除かれていく。気化した含有塩素等は吸引ライン３７ａを介して排出され、減圧装置３７に引き込まれる。なお、燃料熱処理部３５に搬送路３１ｂ内を加熱するヒータを設けると、熱を補うことができ、ベット材の温度が十分に高くない場合にも燃料の熱処理が可能である。

こうして燃料熱処理部３５で改質された燃料は、出口３１ｃから排出された後、ベット材と一緒に磁気分離装置２５に導入され、不適物が取り除かれた後、ベット材搬送ライン２３ａを通じて、燃料投入口３ａから燃焼炉３に投入される。また、この場合、搬送路３１ｂ内で気化しきれなかったタールが燃料に付着しても、混合されたベット材によりタールの固着性が低減され、循環ライン２３での搬送の不具合発生が抑えられる。

以上のように、ボイラ１に導入される原燃料は、燃料熱処理部３５を通過しながら改質されて含有塩素及び含有重金属が低減される。そして、燃焼炉３に投入される燃料が事前に改質されることで、燃焼炉３で発生する排ガス中の塩素、重金属が低減される。その結果、ボイラチューブ１３ｂの腐食を抑制することができ、ボイラ１の寿命も長期化することができる。また、燃料中の塩素及び重金属が低減されることから、排ガス及び灰残渣中のダイオキシン類の量を低減させることが可能であり、灰残渣の土木資材・セメント原料への適応範囲を拡大することができる。なお、副次的な効果ではあるが、燃料熱処理部３５において燃料中の水分も減量されるので、従来のボイラと同等の蒸気仕様のボイラ１が小さいサイズで製作可能である。

また、ボイラ１では、燃料熱処理部３５において、原燃料に混合されるベット材の熱が、原燃料の加熱処理に利用される。すなわち、本来であればベット材の冷却後にボイラ１の系外に棄てられるはずの熱が、燃料熱処理部３５において燃料の改質に用いる熱として有効利用されるので、全体としてボイラ１の運転に必要なエネルギーを節約することができる。

また、スクリュー搬送装置３１では、上流側のベット材冷却部３３でベット材がある程度冷却された後、下流側の燃料熱処理部３５では、ある程度冷却された上記ベット材に原燃料が混合され熱処理される。従って、熱処理時の温度が高すぎて原燃料中の燃料成分までが熱分解されてしまうことを抑えることができる。更にその後、燃料熱処理部３５において、原燃料が混合されることで、温度が低下し、選別装置２５で対応可能な適切な温度になったベット材及び原燃料が選別装置２５に送られるので、選別装置２５の機能が高温で阻害されることなく、効率のよい磁気選別が行われる。更に、ボイラ１では、ベット材冷却部３３と燃料熱処理部３５とを、一体のスクリュー搬送装置３１として構成しているので、装置のコンパクト化を図ることができる。

また、このスクリュー搬送装置３１の搬送路３１ｂは、減圧装置３７によって減圧されているので、原燃料からの塩素、重金属の気化が促進される。その結果、この種の従来の熱処理では４００℃以上の加熱で燃料の脱塩素を行っていたところ、この燃料熱処理部３５では、燃料の脱塩素だけでなく脱重金属処理も行うことができる。従って、燃料の脱重金属処理により、ボイラチューブ１３ｂの腐食がさらに抑制される。また、減圧装置３７で燃料熱処理部３５内を負圧にして、塩素・重金属ガスの外部への漏洩を抑える効果もある。以下、この減圧装置３７の具体的な構成について説明する。

減圧装置３７は、水が貯留された水槽５１を備えており、この水槽５１の上部には水エジェクタ（ガス吸引部）５３が取り付けられている。この水エジェクタ５３は、水槽５１の下部から採取した水を、水面に向かって下方に噴射する。また、この水エジェクタ５３には、上述の吸引ライン３７ａが接続されており、水エジェクタ５３は、上記水の噴射によって吸引力を発生させ、燃料熱処理部３５内の塩素・重金属のガスを、吸引ライン３７ａを通じて引き込む。引き込まれたガスは、噴出される水と一緒に水槽（ガス溶解部）５１の水面に衝突することで、水に溶解する。このように、ガスの吸引手段としてエジェクタ５３を用いているので、ガスの引き込みの動作と、引き込んだガスを水槽５１内の水に送り込む動作とが同時に行われる。また、水槽５１の下部には、ガスが溶解した水を系外に排出する排出ライン５５ａ、及び水を補充する給水ライン５５ｂも設けられている。

この減圧装置３７の構成によれば、燃料熱処理部３５内の燃料改質処理により発生した取扱い困難な高温の塩素・重金属のガスを、水に溶解させ、排水ライン５５ａから容易に回収し、容易に後段での処理を行うことができる。このように、この減圧装置３７は、燃料の改質処理で発生したガスを処理するガス処理部としての機能も兼ね備えている。また、ファンを用いた減圧装置で上記ガスを引き込むと、減圧装置は腐食し易く寿命が短いが、上記減圧装置３７を用いれば、ガスによる腐食が少なく寿命が長い。

本発明は、上述の実施形態に限定されるものではない。例えば、実施形態のボイラ１は、外部循環型の流動層型のものであるが、本発明は、内部循環型の流動層型ボイラや、気泡型流動層ボイラ（Bubbling Bed型ボイラ）又は乱流型流動層ボイラ（Turbulent Bed型ボイラ）にも適用できる。

本発明に係る流動層型ボイラの一実施形態を示す図である。

符号の説明

１…流動層型ボイラ、３…燃焼炉、３ｄ…底部排出口、２３…ベット材循環ライン、２５…磁気選別装置（選別処理部）、３１…スクリュー搬送装置、３３…ベット材冷却部（固形物冷却部）、３５…燃料熱処理部、３７…減圧装置（ガス処理部）、５１…水槽（ガス溶解部）、５３…水エジェクタ（ガス吸引部）。

Claims (4)

1. 投入される燃料を燃焼させる流動層型の燃焼炉と、
   前記燃焼炉の底部から排出された固形物を再び前記燃焼炉に返送するように循環させる循環ラインと、
   前記循環ライン上に設けられ、当該循環ラインを循環する前記固形物から燃焼に不適な不適物を選別し除去する選別除去部と、
   前記循環ライン上で前記選別除去部の前段に設けられ前記燃焼炉に投入される前記燃料の前処理を行う燃料熱処理部と、
   前記循環ライン上で前記選別除去部の前段に設けられ、前記循環ラインを通過する固形物を冷却する固形物冷却部と、を備え、
   前記燃料熱処理部は、前記固形物冷却部の後段に設けられ、
   前記固形物冷却部と前記燃料熱処理部とは一体に設けられることを特徴とする流動層型ボイラ。
2. 前記燃料熱処理部は、前記循環ラインに前記燃料を投入し当該循環ラインを通過する前記固形物の熱を利用した熱処理によって前記前処理を行うことを特徴とする請求項１に記載の流動層型ボイラ。
3. 前記燃料熱処理部における前記燃料の熱処理によって発生するガスを処理するガス処理部を更に備え、
   前記ガス処理部は、前記燃料熱処理部からガスを吸引し排出させるガス吸引部と、前記ガス吸引部で排出させた前記ガスを液体に溶解させるガス溶解部と、を有することを特徴とする請求項１又は２に記載の流動層型ボイラ。
4. 前記ガス吸引部は、前記液体を噴出する液体エジェクタを有することを特徴とする請求項３に記載の流動層型ボイラ。

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