JP5143037B2

JP5143037B2 - 流動床ボイラへの木質系バイオマス供給方法

Info

Publication number: JP5143037B2
Application number: JP2009021447A
Authority: JP
Inventors: 英樹藤重; 大生藤井
Original assignee: Chugoku Electric Power Co Inc
Current assignee: Chugoku Electric Power Co Inc
Priority date: 2009-02-02
Filing date: 2009-02-02
Publication date: 2013-02-13
Anticipated expiration: 2029-02-02
Also published as: JP2010175214A

Description

この発明は、木質系バイオマスを燃料として流動床ボイラに供給する流動床ボイラへの木質系バイオマス供給方法に関する。

近年、電気事業者による新エネルギ等の利用に関する特別措置法（ＲＰＳ法）の施行などに伴い、バイオマスを燃料として活用する試みや実運用が広く行われている。このような状況の下、間伐材や建築廃木材などの木質系バイオマスを燃料としてボイラに供給する燃料供給システムが知られている（例えば、特許文献１参照。）。この燃料供給システムは、木質系バイオマスを炭化させた後に粉砕機で粉砕して細粉化し、細粉化した木質系バイオマスを造粒機により造粒してペレット化する。さらに、ペレット化した木質系バイオマスを解砕機で細粉化してボイラに投入する。そして、ペレット化することで保管性と輸送性に優れ、また、細粉化してボイラに投入することで燃焼効率が向上する、というものである。

特開２００７−０９１８９３号公報

ところで、加圧流動床複合発電（ＰＦＢＣ：ＰｒｅｓｓｕｒｉｚｅｄＦｌｕｉｄｉｚｅｄＢｅｄＣｏｍｂｕｓｔｉｏｎ）などでは、下側から空気を吹き付けて燃料と流動媒体（ベッドマテリアル）とを浮遊（流動）させ、浮遊状態の燃料を燃やす流動床（流動層）ボイラが用いられている。このような流動床ボイラに木質系バイオマスを燃料として使用する試みは、これまでなされていなかった。そして、流動床ボイラに木質系バイオマスを燃料として使用しようとする場合、炉内の圧力が高いため、木質系バイオマスを炉内に直接投入、供給することが困難である。また、流動床ボイラでは、石炭と石灰石と水などを混合した湿式でペースト状の燃料（ＣＷＰ：ＣｏａｌＷａｔｅｒＰａｓｔｅ）を使用する、という特徴を有する。

このため、このような流動床ボイラに対して木質系バイオマスを燃料として供給する技術が求められるが、上記特許文献１に記載されたシステムでは、ペレット化した木質系バイオマスを細粉化してボイラに直接投入するため、流動床ボイラに適用することができない。しかも、木質系バイオマスを炭化しなければならないため、多大な費用とエネルギを要する。

そこでこの発明は、木質系バイオマスを燃料として流動床ボイラに供給することが可能な流動床ボイラへの木質系バイオマス供給方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために請求項１に記載の発明は、木質系バイオマスをチップ状に粉砕し、発電設備内の余剰空気によって前記チップ状の木質系バイオマスを搬送して、このチップ状の木質系バイオマスと石炭と水などとを混合、撹拌してペースト状の燃料とし、このペースト状の燃料を流動床ボイラに供給する、ことを特徴とする流動床ボイラへの木質系バイオマス供給方法である。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の木質系バイオマス供給方法において、前記ペースト状の燃料が前記流動床ボイラへの供給に適した粘度になるように、前記チップ状の木質系バイオマスと石炭と水などとを混合、撹拌する、ことを特徴とする。

請求項３に記載の発明は、請求項１または２に記載の木質系バイオマス供給方法において、木質系バイオマスを前記流動床ボイラへの供給に適した大きさに粉砕する、ことを特徴とする。

請求項１に記載の発明によれば、チップ状の木質系バイオマスと石炭と水などとを混合、撹拌したペースト状の燃料を流動床ボイラに供給する。つまり、木質系バイオマスを直接流動床ボイラに投入せずに、流動床ボイラに適したペースト状にして供給する。しかも、木質系バイオマスと石炭と水などとを混合、撹拌した均一性状の燃料を流動床ボイラに供給する。このため、木質系バイオマスが燃料として適正に流動床ボイラに供給され、木質系バイオマスが適正に燃焼可能となる。

請求項２に記載の発明によれば、ペースト状の燃料が流動床ボイラへの供給に適した粘度にされているため、木質系バイオマスを燃料として適正に流動床ボイラに供給することが可能となる。

請求項３に記載の発明によれば、流動床ボイラへの供給に適した大きさに木質系バイオマスが粉砕されているため、木質系バイオマスを燃料として適正に流動床ボイラに供給することが可能となる。

また、請求項１に記載の発明によれば、発電設備内の余剰空気によってチップ状の木質系バイオマスを搬送するため、既存の設備、資源を活用して、簡易かつ低コストで木質系バイオマスを燃料として流動床ボイラに供給することが可能となる。

この発明の実施の形態に係る流動床ボイラへの木質系バイオマス供給設備とその周辺設備を示す概略構成図である。図１の木質系バイオマス供給設備の一部を示す図である。図１の木質系バイオマス供給設備の竹破砕機による破砕工程を示す図である。図３の破砕工程において１０ｍｍ以下チップを貯蔵する工程を示す図である。図４の工程で貯蔵された１０ｍｍ以下チップをチップホッパに投入する工程を示す図である。図５の工程の後に、１０ｍｍ以下チップを混練機用給炭機側に送る工程を示す図である。この発明の実施の形態における発電所内の空気系統を示す図である。図１の木質系バイオマス供給設備以降の設備の一部を示す図である。

以下、この発明を図示の実施の形態に基づいて説明する。

図１は、この発明の実施の形態に係る流動床ボイラへの木質系バイオマス供給設備（以下、「木質系バイオマス供給設備」という）とその周辺設備を示す概略構成図である。この木質系バイオマス供給設備は、木質系バイオマスを燃料として加圧流動床ボイラ（流動床ボイラ）７に供給する設備であり、主として、混練機用給炭機１と、竹破砕機（粉砕手段）２と、混練機（混練手段）３と、粘度計４と、ＣＷＰタンク５と、ＣＷＰポンプ（搬送手段）６とを備えている。ここで、木質系バイオマスには間伐材や建築廃木材、コーヒーかすなどが含まれ、この実施の形態では、木質系バイオマスが竹の場合について説明する。

混練機用給炭機１は、中継ホッパから供給された粗粉砕炭（石炭）と、石灰石コンベヤを介して石灰石バンカから供給された石灰石とを受け入れて、これらを混練機３に供給するコンベヤである。すなわち、図２に示すように、混練機用給炭機１のコンベヤ１１の一端側で粗粉砕炭と石灰石とを受け入れ、他端側から粗粉砕炭と石灰石とを混練機３に供給するものである。

竹破砕機２は、木質系バイオマスである竹をチップ状に破砕（粉砕）する装置であり、図３に示すように、１次破砕装置２１と、選別機２２と、２次破砕装置２３とを備えている。１次破砕装置２１は、素材である竹Ｍを破砕する装置であり、この実施の形態では、移動式のカッターミルから構成されている。すなわち、まず２枚のチッパーナイフで竹Ｍを切断し、続いて複数枚のハンマーナイフと固定刃で、切断した竹Ｍをさらに細かく粉砕するものである。選別機２２は、１次破砕装置２１で破砕して生成された竹チップを大きさにより選別するふるい（スクリーン）である。この実施の形態では、直径が２ｍｍ以下で長さが１０ｍｍ以下の竹チップ（以下、「１０ｍｍ以下チップ」という）と、それよりも大きい竹チップ（以下、「１０ｍｍ超チップ」という）とに選別できるように、ふるいの目の大きさが設定されている。

２次破砕装置２３は、１次破砕装置２１で生成された竹チップ（１０ｍｍ超チップ）をさらに細かく粉砕する装置であり、この実施の形態では、加湿式のロッドミルから構成されている。すなわち、円筒形のドラム内に複数の鋼棒が配設され、ドラム内に竹チップを収容した状態でドラムに円振動を与えることで、鋼棒が竹チップに激しく衝突し、竹チップを細かく粉砕するものである。

このような竹破砕機２により、まず、竹Ｍを１次破砕装置２１に投入して竹チップを生成し、この竹チップを選別機２２で選別する。そして、１０ｍｍ以下チップはそのままフレキシブルコンテナバッグ（以下、「フレコンバッグ」という）に入れて保管し、１０ｍｍ超チップは２次破砕装置２３でさらに粉砕して、１０ｍｍ以下チップにした後にフレコンバッグに入れて保管するものである。すなわち、図４に示すように、１０ｍｍ超チップを収容したフレコンバッグ１００を、搬送モノレール２４によって２次破砕装置２３まで搬送し、１０ｍｍ超チップを投入シュート２３１から２次破砕装置２３に投入する。そして、２次破砕装置２３で粉砕した竹チップを選別機２２で選別し、１０ｍｍ以下チップのみを保管するものである。なお、１０ｍｍ以下チップは、ユニック車１０１などで保管場所（積揚げ場所）まで搬送する。

このように１０ｍｍ以下チップのみを保管して、後述するように燃料として使用するのは、１０ｍｍ以下チップが加圧流動床ボイラ７への供給に適した大きさだからである。具体的には、後述する混練機３において、所定の粘度かつ均一性状のペースト状の燃料が得られ、ＣＷＰポンプ６などによる搬送が円滑に行われ、かつ加圧流動床ボイラ７による燃焼が適正に行われるためである。このため、木質系バイオマスが竹Ｍ以外の場合には、その性状などに応じて、加圧流動床ボイラ７への供給に適した大きさに粉砕する。例えば、建設廃材の場合、直径が２ｍｍ以下で長さが６ｍｍ以下のチップとする。また、コーヒーかすなど、素材の状態で加圧流動床ボイラ７への供給に適した大きさになっている場合には、竹破砕機２で破砕する必要はない。従って、このようなコーヒーかすなどの場合には、前工程（前段階）でチップ状に粉砕されているとして、本発明の適用範囲に含まれる。

次に、竹チップ（１０ｍｍ以下チップ）の搬送経路について説明する。まず、図５に示すように、竹チップを収容したフレコンバッグ１００を、クレーン車１０２などによってチップホッパ１０３の上方に運び、竹チップをチップホッパ１０３に投入する。投入された竹チップは、チップホッパ１０３の下側に配設されたサークルフィーダ１０４によって２つのシュート１０５に送られる。各シュート１０５の排出側には、空気輸送機（ジェクタ）１０６が配設され、この空気輸送機１０６には、図６に示すように、後述する所内用エアヘッダ１３２からの空気（発電設備内の余剰空気）が供給されるようになっている。

また、空気輸送機１０６の排出口には輸送管１０７が接続され、この輸送管１０７の他端部は集塵装置（サイクロンセパレータ）１０８に接続されている。これにより、シュート１０５から排出された竹チップが、空気輸送機１０６から噴出された空気によって輸送管１０７内に流入し、輸送管１０７を通って集塵装置１０８に送られる（空気圧送される）ようになっている。また、集塵装置１０８の排出口１０８ａは、混練機用給炭機１のコンベヤ１１の前記他端よりも外側で混練機用給炭機１に接続され、排出口１０８ａから排出された竹チップが、コンベヤ１１上に載らないようになっている。これは、竹チップをコンベヤ１１上に載せると、コンベヤ１１の可動部に竹チップが詰まり、コンベヤ１１の稼働に支障が生じる場合があるからである。そして、図２に示すように、混練機用給炭機１内の粗粉砕炭と石灰石と竹チップとが、供給口１２から混練機３に供給されるものである。なお、集塵装置１０８には排気ダクト１０９が接続され、集塵装置１０８からの排気が排気ダクト１０９を通って屋外に排出されるようになっている。

上記のように、竹チップは所内用エアヘッダ１３２からの空気によって混練機３側に搬送されるが、この空気は、次のような発電設備内の余剰空気となっている。すなわち、図７に示すように、発電所内には、制御用空気圧縮機と所内用空気圧縮機とを複数備えている。制御用空気圧縮機は、空気式自動制御機器で使用される高圧空気を供給する圧縮機で、生成された高圧空気が制御用エアヘッダ１３１に送られ、この制御用エアヘッダ１３１内の高圧空気が必要に応じて所内ボイラや軸油受入装置などに供給されるようになっている。所内用空気圧縮機は、各系統で使用される高圧空気や作業用空気を供給する圧縮機で、生成された空気が所内用エアヘッダ１３２に送られ、この所内用エアヘッダ１３２内の空気が必要に応じてボイラ・タービン作業用や石灰石搬送用などに供給されるようになっている。

このような制御用空気圧縮機や所内用空気圧縮機、エアヘッダ１３１、１３２は既存の設備であり、この既存の設備を利用して竹チップを混練機３（集塵装置１０８）側に搬送している。すなわち、図６、７に示すように、既存の所内用エアヘッダ１３２と各空気輸送機１０６とをエアホース１３３で接続し、エアホース１３３を介して所内用エアヘッダ１３２から各空気輸送機１０６に空気を供給することで、上記のようにして竹チップを集塵装置１０８側に搬送するものである。ここで、制御用空気圧縮機と所内用空気圧縮機としては、例えば、低圧段圧縮エレメントで圧縮された空気をインタクーラで冷却し、高圧段圧縮エレメントで再度圧縮してアフタークーラで冷却するものが挙げられる。

混練機３は、１０ｍｍ以下チップと粗粉砕炭と石灰石と水などとを混合、撹拌（混練）してペースト状の燃料を生成する装置である。すなわち、図２に示すように、主軸３１に複数の羽根３２が配設され、投入口から投入された１０ｍｍ以下チップ、粗粉砕炭、石灰石、水およびスラリを、羽根３２の回転によって混練するものである。ここで、粗粉砕炭、石灰石、水およびスラリによって、加圧流動床ボイラ７への燃料として通常使用されるＣＷＰが生成され、このＣＷＰに竹Ｍの１０ｍｍ以下チップが混合されたペースト状の燃料となる。また、１０ｍｍ以下チップの割合は、後述するペースト状の燃料の粘度や燃焼性などを考慮して、この実施の形態では、２重量％に設定されている。

粘度計４は、混練機３から排出されるペースト状の燃料の粘度を測定する計器であり、混練機３の稼働中に粘度を測定できるようになっている。すなわち、混練機３から排出されたペースト状の燃料を燃料容器に受け入れ、燃料容器が燃料で満たされるとそれ以降流入する燃料は後述するＣＷＰタンク５側に流れる。そして、燃料容器内の燃料をロータで撹拌し、一定の回転数で撹拌するのに要するトルクを測定することで、燃料の粘度を測定するものである。

このような粘度計４による測定結果は制御装置（図示せず）に送信され、燃料の粘度が規定粘度外の場合には、混練機３に供給する水量が調整されるようになっている。例えば、規定粘度が４〜１０Ｐａ・Ｓで、ペースト状の燃料の粘度が１０Ｐａ・Ｓを超える場合には、水量を調整する制御弁４１（図１参照）が開閉制御され、水量が調整される。このように、粘度計４と制御弁４１と制御装置とによって粘度調整手段が構成され、混練機３で生成される燃料の粘度が規定粘度内になるように調整される。ここで、規定粘度とは、加圧流動床ボイラ７への供給に適した粘度であり、具体的には、混練機３において均一性状のペースト状の燃料が得られ、ＣＷＰポンプ６や配管などによる搬送が詰まりなどなく円滑に行われ、かつ加圧流動床ボイラ７による燃焼が適正に行われる粘度である。

以上のようにして混練機３で生成されたペースト状の燃料は、図２に示すように、第１の分配コンベヤ８１上に排出され、第１の分配コンベヤ８１によって第２の分配コンベヤ８２と第３の分配コンベヤ８３とに送られる。さらに、第２の分配コンベヤ８２と第３の分配コンベヤ８３とから、複数のＣＷＰタンク５に対して燃料が投入されるようになっている。これらの分配コンベヤ８１〜８３は、回転方向を替えることにより搬送方向を替え、燃料を目的の分配コンベヤ８２、８３やＣＷＰタンク５に送るようになっている。また、ＣＷＰタンク５はペースト状の燃料を貯留するタンクであり、モータによって回転する回転軸５１に複数の羽根５２が配設され、投入された燃料を羽根５２の回転によって撹拌しながら貯留するようになっている。

このようなＣＷＰタンク５の排出口にＣＷＰポンプ６が取り付けられている。このＣＷＰポンプ６は、排出口から排出されたペースト状の燃料を、加圧流動床ボイラ７側に搬送するポンプである。すなわち、ＣＷＰポンプ６の吐出口と加圧流動床ボイラ７内に配設された燃料ノズルとが輸送管を介して接続され、ＣＷＰポンプ６から送られたペースト状の燃料が、燃料ノズルから噴射して加圧流動床ボイラ７内に供給され、燃焼されるようになっている。

加圧流動床ボイラ７で燃料が燃焼され発電が行われると、図８に示すように、加圧流動床ボイラ７から排出された排ガスが、無触媒脱硝装置１４１で脱硝（窒素酸化物が除去）された後、サイクロン１４２、１４３で集塵される。さらに、有触媒脱硝装置１４４で脱硝され、粉塵を除去するバグフィルタ１４５を介して、煙突１４６から排出されるようになっている。

次に、このような構成の木質系バイオマス供給設備の作動および、流動床ボイラへの木質系バイオマス供給方法について説明する。まず、竹破砕機２で竹Ｍがチップ状に破砕され、１０ｍｍ以下チップが上記のようにして空気圧送されて、混練機３に投入される。同時に、混練機用給炭機１を介して粗粉砕炭と石灰石とが混練機３に投入されるとともに、水およびスラリなどが混練機３に投入される。次に、混練機３によって１０ｍｍ以下チップと粗粉砕炭と石灰石と水などとが、均一性状になるように混練され、ペースト状の燃料が生成される。このとき、上記のようにして粘度計４で燃料の粘度が測定され、燃料の粘度が規定粘度内になるように、水量が調整される。

続いて、ペースト状の燃料が、分配コンベヤ８１〜８３を介してＣＷＰタンク５内に投入、貯留され、ＣＷＰポンプ６によって燃料ノズルに送られる。そして、燃料が燃料ノズルから加圧流動床ボイラ７内に供給（噴射）され、燃焼される。その後、加圧流動床ボイラ７から排出された排ガスが、上記のような無触媒脱硝装置１４１やサイクロン１４２、１４３などを介して、煙突１４６から排出されるものである。

以上のように、この木質系バイオマス供給設備および供給方法によれば、竹Ｍを直接加圧流動床ボイラ７に投入せずに、チップ状の竹ＭとＣＷＰとを混合、撹拌し、加圧流動床ボイラ７に適したペースト状の燃料として加圧流動床ボイラ７に供給する。しかも、チップ状の竹ＭとＣＷＰとを混合、撹拌した均一性状の燃料を加圧流動床ボイラ７に供給するため、竹Ｍが燃料として適正に加圧流動床ボイラ７に供給され、竹Ｍが適正に燃焼可能となる。

また、加圧流動床ボイラ７への供給に適した大きさに竹Ｍが粉砕され、しかも、加圧流動床ボイラ７への供給に適した粘度にペースト状の燃料が混合、撹拌されているため、竹Ｍを燃料として適正に加圧流動床ボイラ７に供給することができる。つまり、所定の粘度かつ均一性状のペースト状の燃料が得られ、ＣＷＰポンプ６や配管などによる搬送が円滑に行われ、かつ加圧流動床ボイラ７による燃焼が適正に行われる。さらに、発電設備内の余剰空気によってチップ状の竹Ｍを搬送するため、既存の設備、資源を活用して、簡易かつ低コストで竹Ｍを燃料として加圧流動床ボイラ７に供給することができる。

実際に、この木質系バイオマス供給設備および供給方法により、竹Ｍが燃料として適正に加圧流動床ボイラ７に供給され、竹Ｍが適正に燃焼されることが確認されている。すなわち、ＣＷＰポンプ６の吐出圧力や制御油圧力などに異常（チップ状の竹Ｍを供給しない場合と比較しての大きな変化）がなくＣＷＰポンプ６が適正に稼動し、混練機３のモータ電流値にも異常がないことが確認された。また、混練機３から排出されたペースト状の燃料の粘度および水分量、ＣＷＰタンク５内のペースト状の燃料の粘度および水分量が、ともに適正な範囲内にあることが確認された。さらに、加圧流動床ボイラ７内の流動床の層高、層温度および層温度分布などにも異常がなく、また、燃焼効率に大きな変化もなく、加圧流動床ボイラ７による燃焼が適正に行われていることが確認された。加えて、サイクロン１４２、１４３における粉塵の粒径などにも異常がないことが確認された。

以上、この発明の実施の形態について説明したが、具体的な構成は、上記の実施の形態に限られるものではなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲の設計の変更等があっても、この発明に含まれる。例えば、上記の実施の形態では、混練機用給炭機１を介して竹チップを混練機３に供給しているが、直接供給してもよい。また、１次破砕装置２１を移動式のカッターミルで構成し、２次破砕装置２３を加湿式のロッドミルで構成しているが、その他の切断機、粉砕機などで構成してもよい。

１混練機用給炭機
１１コンベヤ
２竹破砕機（粉砕手段）
２１１次破砕装置
２２選別機
２３２次破砕装置
３混練機（混練手段）
４粘度計（粘度調整手段）
４１制御弁（粘度調整手段）
５ＣＷＰタンク
６ＣＷＰポンプ（搬送手段）
７加圧流動床ボイラ（流動床ボイラ）
８１〜８３分配コンベヤ
１００フレコンバッグ
１０３チップホッパ
１０４サークルフィーダ
１０５シュート
１０６空気輸送機
１０８集塵装置
１３１制御用エアヘッダ
１３２所内用エアヘッダ
Ｍ竹（木質系バイオマス）

Claims

木質系バイオマスをチップ状に粉砕し、発電設備内の余剰空気によって前記チップ状の木質系バイオマスを搬送して、このチップ状の木質系バイオマスと石炭と水などとを混合、撹拌してペースト状の燃料とし、このペースト状の燃料を流動床ボイラに供給する、ことを特徴とする流動床ボイラへの木質系バイオマス供給方法。
前記ペースト状の燃料が前記流動床ボイラへの供給に適した粘度になるように、前記チップ状の木質系バイオマスと石炭と水などとを混合、撹拌する、ことを特徴とする請求項１に記載の流動床ボイラへの木質系バイオマス供給方法。
木質系バイオマスを前記流動床ボイラへの供給に適した大きさに粉砕する、ことを特徴とする請求項１または２のいずれか１項に記載の流動床ボイラへの木質系バイオマス供給方法。