JP4979781B2 - ペースト状混合燃料の供給装置 - Google Patents

Description

本発明はペースト状混合燃料の供給装置に係り、特に、ガスタービンやスチームタービンを駆動して複合発電を行う加圧流動層ボイラ発電プラント等で、燃焼用の石炭・水混合燃料により輸送配管内が閉塞するのを防ぐのに好適なペースト状混合燃料の供給装置に関する。

加圧流動層ボイラ発電プラントでは、流動層火炉への石炭の供給方法として、主に湿式供給方式が採用されている。例えば、特開昭６２−１５５４３３号公報に示されているように、破砕された石炭に水を加え、ミキサーにより混合してペースト状の流体燃料（以下、ペーストと略す）とした後、ポンプで流動層火炉に供給する方法である。

以下、ペーストを流動層火炉へ供給する方法を説明する。粉砕炭、石灰石および水を、所定の混合比率で連続的に混練機に供給し、回転翼で撹拌混合して製造されたペーストは、ペーストタンクからペーストポンプにより、縦、横、斜めなどに配置された輸送配管を経て、分散ノズルから圧力容器内の火炉へ供給される。

上述した火炉へのペーストの供給および燃焼操作の前には、以下に詳述する一連の準備操作が行われる。すなわち、（ａ）輸送配管の水濡らし、（ｂ）ペーストの循環運転、（ｃ）分散ノズル内の水濡らし、（ｄ）三方弁の切り替えとペーストの火炉への投入。

ペーストがペーストタンク内に所定量投入された時点で、まず、ペーストの輸送配管の水濡らし操作を行う（上記操作ａ）。つまり、水を輸送配管へ一定時間導入し、次に空気を導入して、先に導入した水を空気によって吹き飛ばす。これを数回繰り返して輸送配管の内面を水で濡らす。

次に、ポンプによりタンク内のペーストが輸送配管へ送られる。配管よりペーストが排出された時点で、ポンプから送り出されたペーストがタンクへ循環運転される（上記操作ｂ）。

燃焼の準備が完了すると、空気および水が輸送配管へ導入され、輸送配管および分散ノズル内が水で濡らされる（上記操作ｃ）。その後、ペーストの火炉への投入が開始される（上記操作ｄ）。火炉に投入したペーストが着火したことを確認した後に、空気および水の供給を停止する。

また、特開昭６２−１５５４３３号公報に開示されているように、輸送配管へ図示されていない石鹸水を供給した後に、ペーストを輸送することもある。いずれの方法も、配管内壁でのペーストの滑りを良くすることを目的とした操作である。

特開昭６２−１５５４３３号公報

上記従来技術において、水濡らし操作後にペーストを輸送する配管の水平部に少量の水が溜まるが、水平部の上面はほとんど濡れていない。従来の水と空気による水濡らし操作では、一旦壁面についた水も重力によって落ちる。

特に、垂直方向の輸送配管では、上述した水や石鹸水での配管濡らし操作を行っても、配管内壁に水分が保持されない箇所が多数発生した。そのような箇所では輸送されるペーストの先行端が滑りにくくなる（摩擦抵抗が大きくなる）ため、ペーストの脱水が促進されて管内閉塞を回避することができなかった。

つまり、配管壁面に水分が保持されていれば、上記の摩擦抵抗力が小さくなるので脱水されずに流動する。しかし、配管壁面での水分の保持が不十分であると、輸送配管内を移動するペーストの先行部分は、配管内壁面から受ける摩擦抵抗力によって脱水される。脱水されて配管内を流れにくくなっても、ペーストポンプの吐出圧によりペーストは押され続けて遂には閉塞に至る。

また、前述の水濡らし操作とは無関係に、ペースト燃料自身は、配管の制作、施工度合いで発生する流路の段差部があると、脱水、閉塞しやすいという特徴がある。特に、ペースト中の石炭粒子と水が分離しやすい炭種では、閉塞が顕著となる。

その結果、配管の分解、清掃等が必要となり、廃スラリが大量に発生して復旧にも多大な時間を要した。また、供給配管の接続や配管の溶接部分など、段差を作らないように製作上の注意も必要であった。

本発明の目的は、上記従来技術の欠点を解決し、石炭と水および脱硫剤等を混練した石炭・水混合燃料などのペースト状混合物が、供給配管内で閉塞するのを防ぐのに好適なペースト状混合燃料の供給装置を提供することにある。

本発明の上記目的は、ペースト状燃料をポンプを用いて加圧された流動層火炉へ輸送する方法において、輸送配管に空気を導入し、空気を同伴した状態でペーストを火炉に供給することによって達成される。

本発明を達成するための装置構成として、輸送配管へ空気を導入する手段を有し、ペースト輸送量に応じて導入する空気量を制御する手段、すなわち配管内での容積比率を制御する手段と、導入した空気量分だけ分散ノズルへの分散空気量を減じる手段を具備するとよい。

上記の制御において、空気の容積比率が６０〜９５ｖｏｌ％の範囲となるようにすると、本発明の効果が顕著になる。また、輸送配管の垂直部、もしくは上方向に立ち上がる配管部分に、空気の導入手段を設けると効果的である。

空気の導入は、常時行う必要はない。空気を輸送配管で導入しながら、ペーストの輸送を開始した後に、空気の導入を停止してポンプのみによる燃料供給に切り替えてもよい。

本発明によれば、輸送配管内へ供給されたペーストが管内を移動する過程で、空気等の気体が同伴するので、管壁面の抵抗が減少する。その結果、ペーストが脱水されにくくなり輸送配管内での閉塞が無くなる。

また、起動時に配管の分解、清掃等が不要になる上に、従来実施してきた配管の水濡らし操作を省略することができるため、ポンプ台数の多い大形ＰＦＢＣ設備において、廃水の発生を大幅に削減することができる。

本発明を実施するに好適なペースト製造供給の系統図である。 ペースト供給時の運転パターンの一例を示す説明図である。 本発明における輸送配管内の観察結果である。 ペースト供給時の運転パターンの一例を示す説明図である。 ペースト製造供給および燃焼設備の一参考例を示す系統図である。 一参考例における配管閉塞状況の説明図である。

以下、詳述するように、本発明のポイントは、輸送配管内にペーストを充満した状態（加圧下では特に充満しやすい）で輸送させない点にある。すなわち、ペーストの輸送時に空気等の気体を同伴させることによって、配管壁面から受ける摩擦抵抗を著しく減少させることを可能とする。

従来法で問題なのは、配管内をペーストが充満して流れると、管壁面から受ける摩擦抵抗によって先端部が脱水される。特に立ち上がり配管部ではその傾向が顕著であった。本発明法によれば、同伴する気体によって、供給配管内のペースト容積比率が減少し、管壁面とペーストとの間に抵抗力が発生しにくくなる。

さらに、空気に同伴してペーストが配管内を移動する間に、供給配管の壁面に微粒石炭粒子とともに水が付着する。その結果、空気の供給を停止した後でも、輸送配管内へ供給されたペーストが管内を移動する過程で、ペーストと管壁面の抵抗が著しく減少し、ペースト先行部分が脱水されることなく閉塞しない。

従来法で問題なのは、水濡らし操作をしても、ペーストの輸送配管の内壁面に水分が保持されにくい点にあった。本発明によって、ペーストをはじめて配管に供給する起動時に供給配管内での閉塞が無くなる。

以下に、本発明の実施形態を、図面を参照して詳細に説明する。
（１）全体の構成
図１は本発明を実施するに好適なペーストの供給装置の系統図である。粉砕炭Ｂ、石灰石Ｃおよび水Ｄが混練機１に供給される。各原料は混練機１内で撹拌混合され、所定の水分を含有するペーストＦとなってペーストタンク３に投入される。

ペーストＦの供給指令信号は、制御装置１４を介してポンプ制御装置１５に信号が出力され、所定の供給量となるようにペーストポンプ４が運転される。一方、制御装置１４より、流量調節弁１６および１７に信号が出力され、所定の空気量となるようにそれぞれの弁開度が調節される。

三方弁９はペーストタンク３側の戻り配管７方向に開く。また、三方弁１０は排出側の配管１２側へ開かれている。排出側の配管１２にペーストＦが循環されてきたことを確認した後、三方弁１０が配管１１へ切り替えられ、ペーストタンク３へペーストＦが循環される。

次に、燃焼の準備が完了すると三方弁９が戻り側の輸送配管７から火炉側の輸送配管８へ切り替えられ、ペーストＦが分散ノズル１００から火炉１０１へ投入され燃焼に入る。

（２）各構成部分の相互関係および作用
ペーストポンプ４による輸送量に対して、制御装置１４に設定されている容積比率（容積流量の比率）となるように、輸送配管６（垂直部）に導入する輸送用空気Ｇ１の量が調節される。

一方、火炉１０１の側壁に設置した分散ノズル１００の先端部に供給される分散用空気Ｇｄは、輸送配管６に導入した量だけ減じられる。すなわち、分散ノズル１００の先端部を通過する空気量が一定となるようにする。

輸送配管６に導入された輸送用空気Ｇｔは、分散ノズル１００を経由して火炉１０１内に供給されるため、分散用空気Ｇｄの量をそのままにしておくと、ペーストＦが必要以上に分散し過ぎて、未燃分の飛散やＮＯｘの増加を招く原因となる。

輸送配管６（垂直部）に選択的に空気を導入するのは、立ち上がり配管部で管壁面から受ける摩擦抵抗によって、ペーストが脱水される傾向が顕著なためである。輸送配管５のペーストポンプ４に近い部分に空気の導入口を設けても、本実施形態で述べる効果を得ることは可能である。

輸送用空気Ｇｔを同伴させて輸送すると、同伴する気体によって輸送配管６内のペーストの容積比率が減少し、管壁面とペーストとの間に抵抗力が発生しにくくなる。

以下、いくつかの実施形態により本発明を詳細に説明する。
（実施形態１）
図１に示した設備を用い、Ｘ炭（豪州炭、灰分１１.５％）のペーストを製造し火炉へ輸送、供給した。

図２に、循環運転および火炉に燃料を投入するまでの運転トレンドを示した。時刻ｔ１でＸ炭ペーストＦの製造を開始する。製造されたＸ炭ペーストＦがペーストタンク３内に一定量貯まった時刻ｔ２で、Ｘ炭ペーストＦの供給指令信号が制御装置１４に出力される。

本実施形態では、Ｘ炭ペーストＦの供給量が１０００ｋｇ／ｈの設定である（トレンドａ）。一方、制御装置１４では、以下の式１で定義する容積比率に相当する輸送用空気Ｇｔの供給量が計算される。
気体容積比率（ｖｏｌ％）＝ ｛気体の容積流量／（気体の容積流量＋ペーストの容積流量）｝×１００ ・・・（式１）

Ｘ炭ペーストの密度ρ＝１２９０ｋｇ／ｍ３で、設定された気体容積比率は８５ｖｏｌ％である。本実施形態では、流量調節弁１６が調節されて４.４ｍ３／ｈの輸送用空気Ｇｔを供給した（トレンドｂ）。同時に、分散用空気Ｇｄが４.４ｍ３／ｈだけ減少するように（トレンドｃ）、制御装置１４からの出力信号によって流量調節弁１７の開度が調節される。

三方弁９はペーストタンク３側の戻り輸送配管７の方向に開く。また、三方弁１０は排出側の輸送配管１２側へ開かれている。排出側の配管１２にＸ炭ぺーストＦが循環されてきたことを確認した後、三方弁１０が輸送配管１１へ切り替えられ、ペーストタンク３へペーストＦが循環される。

次に、燃焼の準備が完了した時刻ｔ３で、ペースト供給指令信号が制御装置１４に出力され、ペースト供給量が燃焼に必要な量まで低下される。同時に、輸送配管６への輸送用空気Ｇｔの供給量、分散ノズル１００への分散用空気Ｇｄの供給量が調節される。三方弁９が戻り側の輸送配管７から火炉側の輸送配管８へ切り替えられ、ペーストＦが分散ノズル１００から火炉１０１へ投入され燃焼に入る。

さらに、ペースト供給指令信号によって、火炉１０１内の運転条件に応じたペースト供給量と成るように制御装置１４が動作し、ペースト供給量を徐々に上昇させる。その都度、前記の輸送用空気Ｇｔ、分散用空気Ｇｄの供給量は調節される。

本実施形態では、輸送配管６（垂直部）で輸送用空気Ｇｔを同伴させてペーストＦを輸送すると、同伴する輸送用空気Ｇｔによって輸送配管６内のペーストＦの容積比率が減少する。すなわち、輸送配管６内を密に充填して移動するのでなく、輸送用空気Ｇｔを同伴してスカスカの状態で移動する。

したがって、本実施形態では、特に立ち上がり配管部（輸送配管６）で管壁面とペースＦとの間に抵抗力が発生しにくい。その結果、閉塞の無い安定した供給が達成された。

図３は、前述の立ち上がり配管部（輸送配管６）に透明部分を設け、後部より光をあてて、輸送される様子を観察した結果である。
（ａ）：輸送用空気Ｇｔを供給しない場合には、配管内をペーストが密に詰まった状態で移動する。
（ｂ、ｃ）：輸送用空気Ｇｔの供給を開始すると、輸送配管６内をペーストＦが占有する容積割合が減少することが分かる。

（実施形態２）
表１は、Ｘ炭（豪州炭、灰分１１.５％）、Ｙ炭（豪州炭、灰分１４.５％）、Ｚ炭（米国炭、灰分８.５％）の３炭種のペーストＦについて、輸送配管６に供給する輸送用空気Ｇｔを変化させ、閉塞発生の有無を調べた結果である。３炭種について、式１で定義した気体の容積比率を変化させた。それ以外の条件、運転手順は実施形態１と同一とした。

輸送配管６に供給する輸送用空気Ｇｔが少なすぎると閉塞を発生する。炭種によって必要量は異なるが、Ｙ炭ペーストの場合、少なくとも空気量０.６ｍ３／ｈ（気体の容積比率として４４ｖｏｌ％相当）までは閉塞のない運転が可能であった。一方、Ｚ炭ペーストの場合には、閉塞させないために少なくとも１.８ｍ３／ｈ（気体の容積比率として７０ｖｏｌ％相当）の輸送用空気Ｇｔが必要である。

（実施形態３）
表２は、Ｘ炭、Ｙ炭およびＺ炭の３炭種のペーストについて、輸送配管６に供給する気体を、輸送用空気Ｇｔに代えて水蒸気とし、水蒸気供給量を変化させて閉塞発生の有無を調べた結果である。水蒸気を利用する以外の条件、運転手順は実施形態２と同一とした。

水蒸気を用いることにより、いずれの炭種についても閉塞を開始するための容積流量が著しく減少する（表１との比較）。これは、水蒸気を用いた場合、輸送配管６内を通過する際に凝縮した水分が微細な水滴となり、ペーストと管壁面との間で発生する摩擦抵抗を軽減するためである。

（実施形態４）
輸送配管６内に供給する気体は、常時流さなくてもよく、閉塞しにくいペーストであれば、空配管に初めてペーストを供給する起動時にのみ供給すればよい。図１に示した設備を用い、Ｙ炭（豪州炭、灰分１４.５％）のペーストＦを製造し火炉１０１へ輸送、供給した。

図４に、循環運転および火炉１０１に燃料を投入するまでの運転トレンドを示した。時刻ｔ４において、製造されたＹ炭ペーストの輸送が、供給量１０００ｋｇ／ｈの設定条件で開始される（トレンドｄ）。一方、気体容積比率６０ｖｏｌ％に相当する輸送用空気Ｇｔが供給される。Ｙ炭ペーストの密度は、ρ＝１２９０ｋｇ／ｍ３である。

本実施形態では、流量調節弁１６が調節されて１.２ｍ３／ｈの輸送用空気Ｇｔを供給した（トレンドｅ）。同時に、分散用空気Ｇｄが１.２ｍ３／ｈだけ減少させるように（トレンドｆ）、制御装置１４からの出力信号によって流量調節弁１７の開度が調節される。

三方弁９はペーストタンク３側の戻り輸送配管７の方向に開く。また、三方弁１０は排出側の輸送配管１２側へ開かれている。排出側の輸送配管１２にＹ炭ペーストが循環されてきたことを確認した後、三方弁１０が輸送配管１１へ切り替えられ、タンク３へペーストが循環される。

次に、燃焼の準備が完了した時刻ｔ５で、ペースト供給指令信号が制御装置１４に出力され、ペースト供給量が燃焼に必要な量まで低下される。同時に、輸送配管６への輸送用空気Ｇｔの供給を停止する。分散ノズル１００への分散用空気Ｇｄが、輸送配管６への空気供給量分だけ増加される。三方弁９が戻り側の輸送配管７から火炉側の輸送配管８へ切り替えられ、ペーストFが分散ノズル１００から火炉１０１へ投入され燃焼に入る。

本実施形態では、空気に同伴してペーストが配管内を移動する間に、供給配管の壁面に微粒石炭粒子とともに水が付着する。その結果、空気の供給を停止した後でも、輸送配管６内へ供給されたペーストが管内を移動する過程で、ペーストと管壁面の抵抗が著しく減少し、先行部分が脱水されず閉塞しない。

従来法で問題なのは、水濡らし操作をしても、ペーストの輸送配管の内壁面に水分が保持されにくい点にあった。本実施形態では、ペーストをはじめて配管に供給する起動時に供給配管内での閉塞が無くなり、安定した供給が達成された。

図５は、本発明の参考例を示す図で、ペーストを製造して流動層火炉へ供給し燃焼する設備の系統図である。図５を用いて、ペーストを流動層火炉へ供給する方法を詳細に説明する。

粉砕炭Ｂ、石灰石Ｃおよび水Ｄが、混練機１へ所定の混合比率で連続的に供給されると、混練機１の回転翼１８で撹拌、混合されペーストＦが製造される。このペーストＦはペーストタンク３に投入され、撹拌翼１９で撹拌される。ペーストタンク３の下部には、開閉弁２０を介してペーストＦを輸送するペーストポンプ４が設けられる。

ペーストポンプ４により輸送されるペーストＦは、輸送配管５（水平部）、輸送配管６（垂直部）および輸送配管８（水平部）を経て、分散ノズル１００から火炉１０１へ供給される。火炉１０１は、圧力容器１０２内に収納されている。

上述した火炉１０１へのペーストＦの供給および燃焼操作の前には、以下に詳述する一連の準備操作が行われる。
ａ．輸送配管５〜７の水濡らし
ｂ．ペーストＦの循環運転
ｃ．分散ノズル１００内の水濡らし
ｄ．三方弁９、１０の切り替え、ペーストＦの火炉１０１への投入

ペーストＦがペーストタンク３内に所定量投入された時点で、まず、ペーストの輸送配管５、６および７の水濡らし操作（上記操作ａ）を行う。この場合、三方弁９はタンク３側の戻り配管７方向に開く。また、三方弁１０は排出側の配管１２側へ開かれ排水層１３へ開閉する。

開閉弁２２を開いて水Ｄ１が導管２６を経由して輸送配管５へ一定時間導入される。次に、開閉弁２２を閉じ開閉弁２１開けて、空気Ｇ１を導管２５を経由して輸送配管５へ導入し、先に導入した水Ｄ１を空気Ｇ１によって吹き飛ばす。これを数回繰り返して輸送配管５６および７の内面を水で濡らす。

次に、ポンプ制御装置１５からの出力信号によりポンプ４を起動してタンク３内のペーストＦが輸送配管５、６および７へ送られる。配管１２よりペーストＦが排出された時点で、三方弁１０はタンク３側へ切り替えられ、ポンプ４から送り出されたペーストＦがタンク３へ循環運転される（上記操作ｂ）。

燃焼の準備が完了すると、開閉弁２３および２４が開いて、空気Ｇ２および水Ｄ２が輸送配管８へ導入され、輸送配管８および分散ノズル１００内が水で濡らされる（上記操作ｃ）。

その後、三方弁９が戻り側の輸送配管７から火炉側の輸送配管８へ切り替えられ、ペーストＦの火炉１０１への投入が開始される（上記操作ｄ）。火炉１０１に投入したペーストＦが着火したことを確認した後に、開閉弁２３、２４を閉じ、空気Ｇ２、水Ｄ２の供給を停止する。

また、特開昭６２−１５５４３３号公報に開示されているように、輸送配管へ図示されていない石鹸水を供給した後に、ペーストＦを輸送することもある。いずれの方法も、配管内壁でのペーストＦの滑りを良くすることを目的とした操作である。

図６は、輸送配管内でのペーストＦの流動状態を示したものである。配管壁面に水分が保持されていれば、上記の摩擦抵抗力が小さくなるので脱水されずに流動する。

しかし、配管壁面での水分の保持が不十分であると、輸送配管内を移動するペーストＦの先行部分Ｆｔは、配管内壁面から受ける摩擦抵抗力によって脱水される。脱水されて配管内を流れにくくなっても、ペーストポンプの吐出圧によりペーストＦは押され続けて遂には閉塞に至る恐れがある。

しかしながら、前述した本発明のいくつかの実施形態によれば、ペーストの輸送時に空気等の気体を同伴させることによって、輸送配管内にペーストを充満した状態（加圧下では特に充満しやすい）で輸送しないので、配管壁面から受ける摩擦抵抗が著しく減少し、ペーストが供給配管内で閉塞するのを防止される。

１ 混練機
４ ペーストポンプ
１４ 制御装置
１６ 流量調節弁
１７ 流量調節弁
１００ 分散ノズル
１０１ 加圧流動層燃焼炉
Ｂ 粉砕機
Ｃ 石灰石
Ｄ 水
Ｆ ペースト

Claims (2)

1. 石炭の粉砕物と水、もしくは、石炭の粉砕物と水と脱硫剤とを混練してペースト状混合燃料を製造し、前記ペースト状混合燃料をペーストポンプを用いて火炉側壁に設けた分散ノズルから加圧された流動層火炉へ供給するペースト状混合燃料の供給装置において、
   前記ペースト状混合燃料を輸送する配管に第１の気体を導入する気体導入手段と、前記ペースト状混合燃料の輸送量に基づいて、前記配管に導入する前記第１の気体の量を制御する第１の制御手段と、前記配管に導入した前記第１の気体の量に基づいて、前記分散ノズルへ供給する分散用の第２の気体の量を制御する第２の制御手段とを具備することを特徴とするペースト状混合物の供給装置。
2. 請求項１に記載のペースト状混合燃料の供給装置において、
   前記配管は、立ち上がり配管部を有してなり、前記気体導入手段は、前記立ち上がり配管部の下端部に前記第１の気体を導入することを特徴とするペースト状混合燃料の供給装置。
   

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