JP5255980B2 - 微粉状燃料の燃焼制御方法および燃焼制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、微粉炭などの微粉状燃料を燃料とするボイラにおける燃焼制御技術に関する。

石炭は、その燃料比の高いほうからから順に、無煙炭、瀝青炭、亜瀝青炭、褐炭に大きく分類されるが、現状の微粉炭燃焼ボイラでは、主に瀝青炭など燃料比が１．０〜１．５の範囲にある高品位の石炭が利用されている。ここで、石炭の評価指数である燃料比は、固定炭素／揮発分（質量比）で定義される値であり、低品位と呼ばれる褐炭になるほど燃料比は小さくなる。

微粉炭の燃焼において問題となるのはＮＯｘやＳＯｘの発生であるが、特に低ＮＯｘ化は最も重要な課題の一つであり、従来から種々の対策が行われてきた。

例えば、特許文献１、２で提案されるように、微粉炭燃焼バーナ部の構造を工夫することにより低ＮＯｘ化が実現されてきた。

一方、将来における高品位資源の枯渇や供給コストの上昇の観点から、瀝青炭以外の石炭をもボイラで使用することが要請されている。

しかしながら、燃料比の高い石炭を燃焼する場合には、揮発分に比べて固定炭素分の割合が高いことから、着火性や燃焼性が劣る問題がある。そこで、特許文献３には、固定炭素分の多い高燃料比炭と固定炭素分の低い低燃料比炭を混焼する燃焼方法において、高燃料比炭の粒径を低燃料比炭の粒径よりも細かくして燃焼を促進させる方法が提案されているが、粉砕に要するエネルギが増大し、コストが上昇する課題が残っている。

他方、燃料比の低い石炭の種類には褐炭が含まれるが、褐炭はその水分含有量の高さから実用に至っていないのが現状である。しかしながら、例えば特許文献４に開示された油中脱水技術を用いれば、褐炭から上記高含有水分を除去して、低水分含有量で低燃料比の燃料に改質することができ、このような改質褐炭の利用技術が検討されている。

また、特許文献５には、多種類の石炭を混焼させる燃焼炉において、石炭の燃料比や燃料中Ｎ分を制御回路にインプットし、排ガス中のＯ_２濃度、灰分の未燃分、ＮＨ_３注入量の因子から二段燃焼用空気量を制御することで、ＮＯｘを制御する方法が開示されている。しかしながら、この技術は決められた燃料配合条件の下で二段燃焼用空気量を制御することでＮＯｘを制御するものであり、本発明のように燃料配合条件そのものを制御手段とするものではなく、両者の技術思想は全く異なるものである。
特開２００１−８２７０６号公報 特開平６−２７２８１０号公報 特公平５−１７４４５号公報 特開平７−２３３３８３号公報 特開昭６３−２０７８９４号公報

そこで本発明の目的は、複数種類の固体燃料からなる微粉状燃料を混焼するボイラにおいて、実用上、従来十分に利用されて来なかった、瀝青炭以外の固体燃料を有効に活用しつつ、低ＮＯｘ燃焼を実現しうる微粉状燃料の燃焼制御方法および燃焼制御装置を提供することにある。

発明者らは、上記課題を解決すべく、先ず、微粉炭燃焼試験炉（炉内径４００ｍｍ、炉内有効高さ３６５０ｍｍ）にて、固体燃料の投入熱量は６００ｋＷ一定の条件下で、一次空気および３００℃に予熱した二次空気を用いて、基準燃料としての瀝青炭Ａに、これと燃料比の異なる４種類の固体燃料（Ｂ、Ｃ、Ｄ、Ｅ）を、それぞれ配合割合を順次変更して混焼する試験を実施し、炉出口において採取した排ガス中のＮＯｘ濃度の変化を調査した。

下記表１に、燃焼試験に用いた各固体燃料の燃料比と燃料中Ｎ分とを示す。

燃焼試験の結果を図２および図３に示す。図２は、混合後の微粉状燃料の燃料比と排ガス中のＮＯｘ濃度との関係を示すものであり、図３は、混合後の微粉状燃料の燃料中Ｎ分と排ガス中のＮＯｘ濃度との関係を示すものである。ここに、混合後の微粉状燃料の燃料比および燃料中Ｎ分は、配合された各固体燃料の燃料比および燃料中Ｎ分をそれぞれ加重平均して求めた値である。また、排ガス中のＮＯｘ濃度（Ｏ_２：６容量％換算）は、排ガス中の実測のＮＯｘ濃度とＯ_２濃度より下記式（１）を用いて換算したものである。

［ＮＯｘ濃度（Ｏ_２：６容量％換算）（ｐｐｍ）］＝［実測ＮＯｘ濃度（ｐｐｍ）］×（２１−６）／（２１−［実測Ｏ_２濃度（容量％）］） …式（１）

図２に示すように、微粉状燃料の燃料比と排ガス中のＮＯｘ濃度とは、混焼する燃料の種類に拠らず、ほぼ一定の関係にあることが認められる。そして、排ガス中のＮＯｘ濃度は、微粉状燃料の燃料比が１．０〜１．５の間（本例では約１．２）でピーク値を示し、燃料比がピーク値を示す燃料比から遠ざかるほど（燃料比の低い側、高い側とも）ＮＯｘ濃度が低下することがわかった。

一方、図３に示すように、排ガス中のＮＯｘ濃度は、微粉状燃料の燃料中Ｎ分にほとんど影響されないことがわかる。

上記図２および図３に示す結果を総合的に考察すると、Ｎ分の少ない改質褐炭Ｃ、Ｄの配合割合を増加させた場合に排ガス中のＮＯｘ濃度が低下するのは、単に混合後の微粉状燃料の燃料中Ｎ分が減少したことによるものではなく、混合後の微粉状燃料の燃料比が低下することに起因するものと判断できる。

一方、混合後の微粉状燃料の燃料比が、ＮＯｘ濃度がピーク値を示す燃料比よりも高くなる側でもＮＯｘ濃度が低下しているが、この試験結果は、微粉炭（微粉状燃料）の燃料比が高くなるほど排ガス中のＮＯｘ濃度が上昇するという従来の技術常識（例えば、上記特許文献５の第７図、上記特許文献３の第２頁左欄２０〜２８行参照）とは逆の傾向になっている。このように従来の技術常識と異なる試験結果が得られた理由は、以下のように想定される。

すなわち、上記特許文献３および５の当時には、ボイラのバーナ部において、微粉炭を１段の空気吹込みで完全燃焼させるようにしていたため、微粉炭の燃料比が高くなると揮発分が少なくなり雰囲気の還元性が低下してＮＯｘ生成が増加する傾向を示していた（上記特許文献３の第２頁左欄２０〜２８行参照）。

これに対し、近年では、ＮＯｘの生成を抑制するため、バーナ部において空気を多段（通常２段または３段）に分けて吹き込むことが行われている（例えば、上記特許文献１参照）。これにより、１段目の空気吹込み部で微粉炭を不完全燃焼させて雰囲気をより還元性にすることでＮＯｘの生成を抑制している。そして、このような条件下で操業されているボイラにて高燃料比微粉炭を混焼すると、１段目の空気吹込み部で発生したＮＯｘと燃焼し切れなかった高燃料比微粉炭由来の未燃チャーとが、２段目以降の空気吹込み部に持ち込まれ、該未燃チャーを還元材としてＮＯｘが還元される（２ＮＯｘ＋ｘＣ→Ｎ_２＋ｘＣＯ）ため、排ガス中のＮＯｘ濃度が低下するものと考えられる。

上記知見に基づき、さらに検討を進めた結果、以下の発明を完成させるに至った。

請求項１に記載の発明は、複数種類の固体燃料からなる微粉状燃料を混焼する空気多段吹き込みボイラにおいて、過去の操業結果から得られた、前記微粉状燃料の燃料比と前記ボイラの排ガス中のＮＯｘ濃度との関係より、該ＮＯｘ濃度のピーク値（以下、「ＮＯｘピーク濃度」という。）と、該ＮＯｘピーク濃度を示す燃料比（以下、「ＮＯｘピーク燃料比」という。）とを求め、前記ＮＯｘピーク濃度に基づいて前記ＮＯｘ濃度の許容値（以下、「ＮＯｘ許容濃度」という。）を予め設定しておき、現状の操業にて測定された前記排ガス中のＮＯｘ濃度が前記ＮＯｘ許容濃度を超えたときには、前記複数種類の固体燃料の配合割合を変更して前記微粉状燃料の燃料比を前記ＮＯｘピーク燃料比から遠ざける方向に調整することにより前記排ガス中のＮＯｘ濃度を前記ＮＯｘ許容濃度以下に低下させる燃焼制御方法であって、前記微粉状燃料が、燃料比１．０〜１．５の主燃料と、燃料比１．５超の副燃料とからなり、前記微粉状燃料の燃料比の調整を、前記副燃料の配合割合を高めることにより行うことを特徴とする微粉状燃料の燃焼制御方法である。

請求項２に記載の発明は、複数種類の固体燃料からなる微粉状燃料を混焼する空気多段吹き込みボイラにおいて、前記ボイラの排ガス中のＮＯｘ濃度を測定するガス分析手段と、過去の操業における、前記微粉状燃料の燃料比（以下、「過去燃料比」という。）と、前記ガス分析手段で測定された排ガス中のＮＯｘ濃度（以下、「過去ＮＯｘ濃度」という。）とをデータとして集積し、該過去燃料比と該過去ＮＯｘ濃度との関係より該過去ＮＯｘ濃度のピーク値（以下、「ＮＯｘピーク濃度」という。）と、該ＮＯｘピーク濃度を示す燃料比（以下、「ＮＯｘピーク燃料比」という。）とを求め、前記ＮＯｘピーク濃度に基づいて前記排ガス中のＮＯｘ濃度の許容値（以下、「ＮＯｘ許容濃度」という。）を予め設定するとともに、現在の操業にて前記ガス分析手段で測定されたＮＯｘ濃度（以下、「現在ＮＯｘ濃度」という。）と、前記ＮＯｘ許容濃度とを比較し、該現在ＮＯｘ濃度が前記ＮＯｘ許容濃度を超えたときには、前記微粉状燃料の燃料比を前記ＮＯｘピーク燃料比から遠ざける方向に調整することにより前記排ガス中のＮＯｘ濃度を前記ＮＯｘ許容濃度以下に低下させるように前記複数種類の固体燃料の配合割合を変更する指令を発する演算手段と、該指令に基づいて、前記複数種類の固体燃料の供給量を変更する燃料供給量調節手段と、を備えた燃焼制御装置であって、前記微粉状燃料が、燃料比１．０〜１．５の主燃料と、燃料比１．５超の副燃料とからなり、前記微粉状燃料の燃料比の調整を、前記副燃料の配合割合を高めることにより行うことを特徴とする微粉状燃料の燃焼制御装置である。

本発明によれば、複数種類の固体燃料の配合割合を変更して微粉状燃料の燃料比を調整することにより排ガス中のＮＯｘ濃度のピーク値から遠ざけるように制御することで、多様な固体燃料を有効に活用しつつ、より確実に低ＮＯｘ燃焼を実現できる。

以下、本発明の実施形態について図１を参照しつつ詳細に説明する。

図１は、本発明に係る微粉状燃料燃焼装置の一実施形態を示す概略フロー図である。

符号１，２は、燃料比の異なる２種類の石炭Ａ，Ｂをそれぞれ保持する石炭ホッパ、符号３，３は、石炭ホッパ１，２からの石炭Ａ，Ｂの切り出し量を調整する石炭供給量調節装置（燃料供給量調節手段）、符号４は切り出された２種類の石炭Ａ，Ｂを混合する混合機、符号５は、混合後の石炭を粉砕して微粉炭Ｃとする粉砕機、符号６は、空気とともに吹き込まれた微粉炭Ｃを燃焼するボイラ、符号７は、ボイラ７からの排ガスＤ中のＮＯｘ濃度を測定するガス分析器（ガス分析手段）である。

また、符号８は演算器（演算手段）であって、過去の操業における、微粉炭Ｃの燃料比（以下、「過去燃料比」という。）と、ガス分析器７で測定された排ガスＤ中のＮＯｘ濃度（以下、「過去ＮＯｘ濃度」という。）とをデータとして集積し、該過去燃料比と該過去ＮＯｘ濃度との関係より得られた、該ＮＯｘ濃度のピーク値（以下、「ＮＯｘピーク濃度」という。）と、該ピーク値を示す燃料比（以下、「ＮＯｘピーク燃料比」という。）とを求め、前記ＮＯｘピーク濃度に基づいて排ガスＤ中のＮＯｘ濃度の許容値（以下、「ＮＯｘ許容濃度」という。）を設定するとともに、現在の操業にてガス分析器７で測定されたＮＯｘ濃度（以下、「現在ＮＯｘ濃度」という。）と、前記ＮＯｘ許容濃度とを比較し、該現在ＮＯｘ濃度が前記ＮＯｘ許容値を超えたときには、微粉炭Ｃの燃料比を前記ＮＯｘピーク燃料比から遠ざける方向に調整することにより排ガスＤ中のＮＯｘ濃度を前記ＮＯｘ許容濃度以下に低下させるように石炭Ａ，Ｂの配合割合を変更する指令を石炭供給量調節装置３，３に発する演算器（演算手段）である。

例えば、石炭ホッパ１には、主燃料として燃料比が１．０〜１．５の瀝青炭Ａを保持し、石炭ホッパ２には、副燃料として燃料比１．０未満の改質褐炭Ｂを保持しておく。そして、石炭ホッパ１，２から主燃料Ａと副燃料Ｂとを、石炭供給量調節装置３，３にて配合割合を調整して切り出し、混合機４で混合した後、粉砕機５で所定の粒度に粉砕し微粉炭Ｃとする。微粉炭Ｃは空気とともにボイラ６内に吹き込まれ燃焼する。

燃焼後の排ガスＤは、ガス分析器７によりＮＯｘ濃度（現在ＮＯｘ濃度）が測定される。

ここで、演算器８には、過去の操業における、微粉炭Ｃの燃料比（過去燃料比）と、ガス分析器７で測定された排ガスＤ中のＮＯｘ濃度（過去ＮＯｘ濃度）とがデータとして集積されており、該過去燃料比と該過去ＮＯｘ濃度との関係より該過去ＮＯｘ濃度のピーク値（ＮＯｘピーク濃度）と、該ピーク値を示す燃料比（ＮＯｘピーク燃料比）が求められ（図４の模式図参照）、該ＮＯｘピーク濃度に基づいて排ガスＤ中のＮＯｘ濃度の許容値（ＮＯｘ許容濃度）が予め設定されている。

該ＮＯｘ許容濃度は、当該微粉状燃料燃焼装置の設置場所における環境規制値等を考慮して適宜設定すればよいが、該ＮＯｘピーク濃度の一定割合（例えば８０％）に設定してもよいし、該ＮＯｘピーク濃度から一定濃度を差し引いた値に設定してもよい。また、図４の模式図に示すように、過去燃料比と過去ＮＯｘ濃度との関係は、使用する固体燃料の種類の組合せ等により多少変動し一定の幅を持つので、該ＮＯｘ許容濃度は、ＮＯｘピーク燃料比における、最大ＮＯｘ濃度（ＮＯｘピーク濃度に一致）と最小ＮＯｘ濃度の範囲内に入るように設定してもよい。

そして、さらに演算器８は、現在の操業にてガス分析器７で測定されたＮＯｘ濃度（現在ＮＯｘ濃度）と、前記ＮＯｘ許容濃度とを比較し、該現在ＮＯｘ濃度が前記ＮＯｘ許容濃度を超えたときには、微粉炭Ｃの燃料比を前記ＮＯｘピーク燃料比から遠ざける方向に調整することにより排ガスＤ中のＮＯｘ濃度を前記ＮＯｘ許容濃度以下に低下させるように石炭Ａ，Ｂの配合割合を変更する指令を発する。

演算器８からの指令を受けた石炭供給量調節装置３，３は、該指令に基づいて石炭Ａ，Ｂの切り出し量を調整する。

以上の結果、排ガスＤ中のＮＯｘ濃度は常に前記ＮＯｘ許容濃度以下に維持されるように制御されるので、瀝青炭以外の固体燃料をも有効に活用しつつ、より確実に低ＮＯｘ燃焼を実現できる。

（変形例）
上記実施形態では、副燃料として、燃料比が１．０未満の石炭（本例では改質褐炭）を例示したが、これに代えて燃料比が１．５超の瀝青炭や無煙炭を使用することもできる。

また、上記実施形態では、固体燃料として、瀝青炭と改質褐炭を例示したが、これらに限定されるものではなく、炭化水素を含有する固体状の燃料であればいずれも使用することができ、例えば木材チップ、バイオマス、廃プラスチック、廃棄物等も使用することができる。

また、上記実施形態では、２種類の固体燃料を混焼する場合を例示したが、３種類以上を混焼する場合にも適用できる。例えば３種類の固体燃料を混焼する場合には、このうちの２種類の配合比率を一定にしてこれらを主燃料とし、残りの１種類を副燃料として、上記実施形態と同様の制御を行えばよい。

また、上記実施形態では、２種類の固体燃料を混合した後に粉砕する例を示したが、例えば２種類の固体燃料のうち１種類がもともと微粉状である場合には、他の１種類だけを粉砕した後に混合すればよいし、例えば２種類とも微粉状である場合には、粉砕を省略して混合だけすればよい。

本発明に係る微粉状燃料燃焼装置の一実施形態を示す概略フロー図である。 微粉状燃料の燃料比と排ガス中のＮＯｘ濃度との関係を示すグラフ図である。 微粉状燃料の燃料中Ｎ分と排ガス中のＮＯｘ濃度との関係を示すグラフ図である。 微粉状燃料の過去燃料比と排ガス中の過去ＮＯｘ濃度との関係より、ＮＯｘピーク濃度およびＮＯｘピーク燃料比を求める方法を模式的に示すグラフ図である。

符号の説明

１，２：石炭ホッパ
３：石炭供給量調節装置（燃料供給量調節手段）
４：混合機
５：粉砕機
６：ボイラ
７：ガス分析器（ガス分析手段）
８：演算器（演算手段）
Ａ，Ｂ：石炭（固体燃料）
Ｃ：微粉炭（微粉状燃料）
Ｄ：排ガス

Claims (2)

1. 複数種類の固体燃料からなる微粉状燃料を混焼する空気多段吹き込みボイラにおいて、
   過去の操業結果から得られた、前記微粉状燃料の燃料比と前記ボイラの排ガス中のＮＯｘ濃度との関係より、該ＮＯｘ濃度のピーク値（以下、「ＮＯｘピーク濃度」という。）と、該ＮＯｘピーク濃度を示す燃料比（以下、「ＮＯｘピーク燃料比」という。）とを求め、前記ＮＯｘピーク濃度に基づいて前記ＮＯｘ濃度の許容値（以下、「ＮＯｘ許容濃度」という。）を予め設定しておき、
   現状の操業にて測定された前記排ガス中のＮＯｘ濃度が前記ＮＯｘ許容濃度を超えたときには、前記複数種類の固体燃料の配合割合を変更して前記微粉状燃料の燃料比を前記ＮＯｘピーク燃料比から遠ざける方向に調整することにより前記排ガス中のＮＯｘ濃度を前記ＮＯｘ許容濃度以下に低下させる燃焼制御方法であって、
   前記微粉状燃料が、燃料比１．０〜１．５の主燃料と、燃料比１．５超の副燃料とからなり、前記微粉状燃料の燃料比の調整を、前記副燃料の配合割合を高めることにより行うことを特徴とする微粉状燃料の燃焼制御方法。
2. 複数種類の固体燃料からなる微粉状燃料を混焼する空気多段吹き込みボイラにおいて、
   前記ボイラの排ガス中のＮＯｘ濃度を測定するガス分析手段と、
   過去の操業における、前記微粉状燃料の燃料比（以下、「過去燃料比」という。）と、前記ガス分析手段で測定された排ガス中のＮＯｘ濃度（以下、「過去ＮＯｘ濃度」という。）とをデータとして集積し、該過去燃料比と該過去ＮＯｘ濃度との関係より該過去ＮＯｘ濃度のピーク値（以下、「ＮＯｘピーク濃度」という。）と、該ＮＯｘピーク濃度を示す燃料比（以下、「ＮＯｘピーク燃料比」という。）とを求め、前記ＮＯｘピーク濃度に基づいて前記排ガス中のＮＯｘ濃度の許容値（以下、「ＮＯｘ許容濃度」という。）を予め設定するとともに、現在の操業にて前記ガス分析手段で測定されたＮＯｘ濃度（以下、「現在ＮＯｘ濃度」という。）と、前記ＮＯｘ許容濃度とを比較し、該現在ＮＯｘ濃度が前記ＮＯｘ許容濃度を超えたときには、前記微粉状燃料の燃料比を前記ＮＯｘピーク燃料比から遠ざける方向に調整することにより前記排ガス中のＮＯｘ濃度を前記ＮＯｘ許容濃度以下に低下させるように前記複数種類の固体燃料の配合割合を変更する指令を発する演算手段と、
   該指令に基づいて、前記複数種類の固体燃料の供給量を変更する燃料供給量調節手段と、
   を備えた燃焼制御装置であって、
   前記微粉状燃料が、燃料比１．０〜１．５の主燃料と、燃料比１．５超の副燃料とからなり、前記微粉状燃料の燃料比の調整を、前記副燃料の配合割合を高めることにより行うことを特徴とする微粉状燃料の燃焼制御装置。

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