JP5372713B2 - 流動層の流動媒体再生装置及びその方法 - Google Patents

Description

本発明は、流動層式燃焼炉の流動層を形成する流動媒体を再生する流動層の流動媒体再生装置及びその方法に関する。

近年、バイオマス燃料を用いた流動層式ボイラの運用が求められている。バイオマス燃料のうち、モミ殻やＥＦＢ（Empty Fruit Bunches）などの低品位のバイオマス燃料はアルカリ成分を多く含み、このアルカリ成分は低融点の化合物を生じさせる。このような低融点の化合物は流動媒体に付着して流動不良を引き起こす可能性があるため、化合物の付着した流動媒体を流動層から抜き出す必要がある。流動層から抜き出した流動媒体は、付着物と分離させることで再生され、再び流動層内に戻すことが可能となる。

特許文献１には、流動層式燃焼炉の流動層から砂などの流動媒体を抜き出して気体輸送を行う気体輸送管及び気体輸送装置を備えた流動媒体選別装置が記載されている。この流動媒体選別装置によれば、流動媒体を気体輸送する過程で流動媒体を管路壁面や他の流動媒体と衝突させることにより、流動媒体と付着物とを分離することができるとされている。

特開２００１−１９３９１２号公報

しかしながら、上述した流動媒体選別装置においては、砂などの流動媒体の気体輸送時に、衝突で付着物を分離できるほどの十分な勢いを流動媒体に与えるため莫大なエネルギーが消費される上、付着物の部位が適切な角度で衝突して分離する可能性は高いとは言えず、非効率的であるという問題があった。

そこで、本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、効率良く流動媒体から付着物を分離することができる流動層の流動媒体再生装置及びその方法を提供することを目的とする。

本発明は、流動層式燃焼炉の流動層より抜き出した流動媒体から付着物を分離すること
で流動媒体を再生する流動層の流動媒体再生装置であって、燃焼炉の流動層より抜き出し
た流動媒体を水中に投入して冷却することにより、流動媒体と付着物との収縮差を利用し
て流動媒体から付着物を分離する冷却水槽と、冷却水槽に投入する前に流動媒体を所定の適正温度まで冷却する中間冷却手段と、を備え、適正温度は２００℃〜４５０℃の中に含まれ、冷却水槽内の水温は４０℃〜８０℃に調節されていることを特徴とする。

本発明に係る流動層の流動媒体再生装置によれば、燃焼炉の流動層より抜き出した流動媒体を水中に投入して冷却させることにより、流動媒体と付着物との収縮差に起因する付着物の剥離を生じさせ、これによって流動媒体と付着物との分離を実現することができる。このように、流動媒体及び付着物の冷却時における収縮差を利用することで、物理的衝突を利用する従来と比べて非常に効率良く流動媒体から付着物を分離することができる。

本発明に係る流動層の流動媒体再生装置においては、流動層より抜き出した流動媒体を冷却水槽へ搬送するスクリュー搬送機を更に備え、中間冷却手段は、スクリュー搬送機の周囲に形成された冷却媒体流動路と、冷却媒体流動路の両端に接続され、冷却媒体を循環させるための循環用管路と、循環用管路に設けられ、冷却媒体を流動させるポンプと、循環用管路に設けられ、冷却媒体を冷却する冷却機と、を有することが好ましい。

また、本発明に係る流動層の流動媒体再生装置においては、付着物を分離した流動媒体を回収して流動層に戻す返送手段を更に備えることが好ましい。
これにより、流動層から抜き出した分の流動媒体を流動層に戻して自動的に補充することが可能となり、流動媒体の補充に係る労力の低減を図ることができる。

本発明は、流動層式燃焼炉の流動層より抜き出した流動媒体から付着物を分離することで流動媒体を再生する流動層の流動媒体再生方法であって、燃焼炉の流動層より抜き出した流動媒体を水中に投入して冷却することにより、流動媒体と付着物との収縮差を利用して流動媒体から付着物を分離し、流動層より抜き出した流動媒体は水中に投入する前に所定の適正温度まで冷却され、適正温度は２００℃〜４５０℃の中に含まれ、冷却水槽内の水温は４０℃〜８０℃に調節されていることを特徴とする。

本発明に係る流動層の流動媒体再生方法によれば、燃焼炉の流動層より抜き出した流動媒体を水中に投入して冷却させることにより、流動媒体と付着物との収縮差に起因する付着物の剥離を生じさせ、これによって流動媒体と付着物との分離を実現することができる。このように、流動媒体及び付着物の冷却時における収縮差を利用することで、物理的衝突を利用する従来と比べて非常に効率良く流動媒体から付着物を分離することができる。

本発明によれば、効率良く流動媒体から付着物を分離することができる。

第１の実施形態に係る流動層の流動媒体再生装置を備えた燃焼設備を示す断面図である。 アグロメの形成メカニズムを示す説明図であり、（ａ）はコーティング誘発メカニズムを示す図であり、（ｂ）は、溶融誘発メカニズムを示す図である。 Ｋ２Ｏ−ＳｉＯ２状態図である。 第２の実施形態に係る流動層の流動媒体再生装置を備えた燃焼設備を示す断面図である。

以下、本発明に係る流動層の流動媒体再生装置及びその方法について、図面を参照して詳細に説明する。なお、図面の説明においては同一要素には同一符号を付し、重複する説明を省略する。
［第１の実施形態］

図１に示すように、第１の実施形態に係る流動媒体再生装置３は、流動層式の燃焼炉２を備えた燃焼設備１に組み込まれ、燃焼炉２の流動層Ｆより抜き出した砂などの流動媒体Ｆａから付着物を分離することで流動媒体Ｆａの再生を行うためのものである。

燃焼設備１は、モミ殻やＥＦＢ（Empty Fruit Bunches）などのバイオマス燃料を燃焼し、密閉容器内の水を加熱して蒸気を生成する燃焼炉２を備えている。燃焼炉２は、外部循環型の流動層式燃焼炉であり、いわゆるＣＦＢ（Circulating Fluidized Bed）ボイラである。燃焼炉２の中間部には燃料を投入する燃料投入口が設けられ、この燃料投入口からバイオマス燃料が投入される。

また、燃焼炉２には、石英粒子を主成分とする砂などの流動媒体Ｆａが投入されており、この流動媒体Ｆａ中に下部から空気が供給され、流動媒体Ｆａが流動して流動層Ｆが形成される。この流動層Ｆの形成によりバイオマス燃料の燃焼が促進される。燃焼の結果として生じる燃焼ガスは、流動媒体Ｆａの一部を随伴しながら燃焼炉２内を上昇する。

燃焼炉２の上部には、燃焼ガスを排出するガス出口２ａが設けられている。ガス出口２ａには、固気分離装置として機能するサイクロン分離機４が接続されている。サイクロン分離機４には、燃焼炉２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。サイクロン分離機４は、遠心分離作用により捕集固体粒子と燃焼ガスとを分離する。分離された捕集固体粒子は、リターンライン５を通じて燃焼炉２に戻される。一方、捕集固体粒子が除かれた燃焼ガスは、排出口４ａを通じて熱回収装置６へと送り込まれる。

リターンライン５は、燃焼炉２の下部に接続された管路からなり、その途中にはループシール５ａが設けられている。ループシール５ａは、燃焼ガスが燃焼炉２に逆流することを防止する設備である。ループシール５ａ内には、サイクロン分離器４から送り込まれた流動媒体Ｆａが蓄積され、流動媒体Ｆａはループシール５ａの出口となるリターンシュート部５ｂから燃焼炉２内に投入される。

熱回収装置６は、燃焼ガスの流路を形成すると共に、熱媒体としての水を流動させるボイラチューブを有している。ボイラチューブは、熱回収装置６内で燃焼ガスの流路を横切るように設けられ、サイクロン分離機４から送られた燃焼ガスの熱をチューブ内の水によって回収する。ボイラチューブ内では、回収した熱によって高温の水蒸気が発生し、発生した水蒸気はボイラチューブを通じて発電用のタービンなどに送られる。熱回収装置６は、排出口６ａを通じて熱回収後の燃焼ガスをバグフィルタ７に送り込む。

バグフィルタ７は、燃焼ガスに未だ同伴しているフライアッシュなどの微粒子を除去する。バグフィルタ７により濾過された燃焼ガスは、吸引ポンプ８に吸引されて煙突９から外部に排出される。

燃焼炉２では、バイオマス燃料の燃焼の過程で、燃焼によって生じた燃焼灰や燃料の一部が周辺の流動媒体Ｆａと溶融して塊が形成される。この塊はアグロメと呼ばれ、燃焼炉２の底部に蓄積して流動層Ｆの流動不良を引き起こすため、流動媒体Ｆａと共に定期的に抜き出す必要がある。燃焼炉２の排出口２ｂから抜き出された流動媒体Ｆａは、流動媒体再生装置３へと送られる。

次に、燃焼炉２内におけるアグロメの形成メカニズムについて説明する。

流動層Ｆの流動不良の主たる原因であるアグロメは、ほとんどが低融点化合物の融体、すなわちバイオマス燃料中の成分により形成される物質の融体が流動媒体Ｆａ表面へ付着したり、流動媒体Ｆａの表面での共晶形成、すなわちバイオマス燃料中の成分が流動媒体Ｆａの表面で化学反応したりして引き起こされる。アグロメの形成には、コーティング誘発及び溶融誘発の二つのメカニズムがあることが知られている。

（コーティング誘発メカニズム）
図２（ａ）に、コーティング誘発によるアグロメＸの形成を示す。コーティング誘発によるアグロメＸの形成は、バイオマス燃料中のアルカリ成分（カリウムやナトリウムなど）の蒸気Ｎと流動媒体Ｆａの主成分である石英粒子との化学反応により引き起こされる。この化学反応により、流動媒体Ｆａの表面には粘着性のある共晶コーティング（Ｋ２Ｏ−ＳｉＯ２：アルカリ珪酸塩相）Ｃが形成される。その後、共晶コーティングＣが形成された流動媒体Ｆａ同士は、流動層Ｆ内で接合と離散とを繰り返す。その結果、粒子凝集が開始され、徐々にネック（流動阻害要因）になるアグロメＸの形成に到る。

このメカニズムの主要な制御因子は、共晶コーティング厚さ（接合離間のし易さ）、共晶コーティング組成（接合強度）および局所温度である。また、バイオマス燃料中に含まれる成分としては、アルカリ成分の他にリンもアグロメＸの形成における重要因子であることが確認されている。

なお、共晶コーティングＣは、図３のＫ２Ｏ−ＳｉＯ２状態図に示されるように約７００℃で溶融し始める。このため、燃焼炉２内の温度（約８００℃〜９００℃）では、共晶コーティングＣは溶融状態となり、流動媒体Ｆａ同士が容易に凝集する。これに対して、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）を流動媒体Ｆａ中に添加することによって共晶コーティングＣの融点を高め、共晶コーティングＣの溶融に起因するアグロメの形成を抑制できることが確認されている。

（溶融誘発メカニズム）
図２（ｂ）に、溶融誘発によるアグロメＸの形成を示す。溶融誘発によるアグロメＸは、バイオマス燃料中のアルカリ成分により形成された低融点化合物（アルカリ珪酸塩）の融体Ｍの流動媒体Ｆａの表面への付着により引き起こされる。融体Ｍが付着した流動媒体Ｆａ同士は、流動層Ｆ内で次第に凝集し、アグロメＸの形成に到る。このメカニズムの制御因子は、局部温度と燃料灰組成とであり、高濃度のアルカリ成分と塩素とが含まれた燃焼灰では、溶融誘発メカニズムを通してアグロメＸが形成される傾向にある。

次に、流動媒体Ｆａからアルカリ珪酸塩相などの付着物を分離して再生する流動媒体再生装置３について説明する。

図１に示すように、流動媒体再生装置３は、燃焼炉２の流動層Ｆから抜き出した流動媒体Ｆａを搬送するスクリュー搬送機１０と流動媒体Ｆａを冷却するための冷却水槽１１とを備えている。スクリュー搬送機１０は、燃焼炉２の排出口２ｂに接続されており、排出口２ｂから抜き出された高温（例えば７００℃）の流動媒体Ｆａを冷却水槽１１へと搬送する。スクリュー搬送機１０は、搬送した高温の流動媒体Ｆａを冷却水槽１１内に投入する。

冷却水槽１１の内部には、投入された高温の流動媒体Ｆａを急速に冷却するための大量の水が貯留されている。冷却水槽１１には、冷却水槽１１内の水を循環させることにより攪拌を行う排水ライン１２ａ、循環ポンプ１３、及び投入ライン１２ｂが接続されている。また、冷却水槽１１内の水温は、所定の温度範囲内となるように調節されている。この水温は、低温であるほど水の蒸発防止に有利であり、図られ、高温であるほど流動媒体Ｆａの割れ防止に有利である。水温は、４０〜８０℃の範囲内となるように調節されることが好ましい。また、冷却水槽１１の下部には、水を補充する給水ライン１１ａ及び水を排出する排水ライン１１ｂが設けられている。

冷却水槽１１において水中に投入された流動媒体Ｆａ及び付着物は、高温の状態から急速に冷却される。このとき、水中では流動媒体Ｆａと付着物との熱膨脹差に起因する付着物の剥離や付着物の水への溶解が生じ、これによって流動媒体Ｆａと付着物との分離が実現する。

また、冷却水槽１１には、付着物と分離した流動媒体Ｆａを回収して燃焼炉２の流動層Ｆに戻す返送ライン（返送手段）１４が接続されている。図１中、返送ライン１４の矢印示す”ａ”印は、燃焼炉２の側方の”ａ”印の箇所と繋がっており、返送ライン１４で回収された流動媒体Ｆａが燃焼炉２の燃料投入口から流動層Ｆに戻されることを意味している。この返送ライン１４の途中には、流動媒体Ｆａと付着物などの燃焼不適物とを選別する選別装置（図示せず）が設けられている。

以上説明した第１の実施形態に係る流動媒体再生装置３によれば、燃焼炉２の流動層Ｆの底部より抜き出した高温の流動媒体Ｆａを水中に投入して急速に冷却させることにより、流動媒体Ｆａと付着物との収縮差に起因する付着物の剥離や付着物の水への溶解を生じさせる。これは、Ｋ２Ｏ−ＳｉＯ２などのアルカリ珪酸塩相と砂などの流動媒体Ｆａとの物理的性状が異なるため急速な冷却により収縮差が生じること、及び、Ｋ２Ｏ−ＳｉＯ２などが水に融解することに起因し、結果として流動媒体Ｆａと付着物との分離が実現される。このように、流動媒体再生装置３では、流動媒体Ｆａと付着物との物理的性状の差異に基づき収縮差及び水への溶解性を利用することで、物理的衝突を利用する従来装置と比べて、非常に効率良く流動媒体Ｆａから付着物を分離して流動媒体Ｆａを再生することができる。

また、この流動媒体再生装置３によれば、返送ライン１４によって付着物と分離した流動媒体Ｆａを回収して流動層Ｆに戻すことができるので、流動層Ｆから抜き出した分の流動媒体Ｆａを流動層Ｆに戻して自動的に補充することが可能となり、流動媒体Ｆａの補充に係る労力の低減を図ることができる。
［第２の実施形態］

図４に示すように、第２の実施形態に係る燃焼設備２１の流動媒体再生装置２２は、スクリュー搬送機１０による流動媒体Ｆａの搬送時に流動媒体Ｆａを冷却する点のみが第１の実施形態と異なる。以下、第１の実施形態と同じ構成の部材には同じ符号を付し、その説明を省略する。

第２の実施形態に係る流動媒体再生装置２２では、スクリュー搬送機１０の周囲にオイルなどの冷却媒体を流動させる冷却媒体流動路（中間冷却手段）２３が形成されている。冷却媒体流動路２３の両端は、冷却媒体を循環させるための循環用管路と接続されており、この管路の途中には冷却媒体を貯留する冷却媒体タンク２４と冷却媒体を円滑に流動させるためのポンプ２６とが設けられている。また、タンク２４の下方には、タンク２４内の冷却媒体を冷却する冷却機２５が設けられている。

燃焼炉２の排出口２ｂから排出された高温（約８５０℃）の流動媒体Ｆａは、スクリュー搬送機１０により搬送されつつ、冷却媒体流動路２３中の冷却媒体に熱を移動させることで冷却される。流動媒体Ｆａは、冷却水槽１１に投入される直前の温度が所定の適正温度となるまで冷却される。この適正温度は、水中で流動媒体Ｆａと付着物との収縮差に起因する付着物の剥離を適切に発生させることができると共に、急速な冷却により流動媒体Ｆａ自体にクラックが生じない温度である。適正温度は、冷却水槽１１の水量や水温、流動媒体Ｆａの投入量などに応じて、例えば２００〜４５０℃の中から適切に選択される。

以上説明した第２の実施形態に係る流動媒体再生装置２２によれば、冷却媒体流動路２３によって高温の流動媒体Ｆａを適正温度まで冷却してから冷却水槽１１内に投入することで、流動媒体Ｆａの投入による水の蒸発や水温の大幅な変化を抑えることが可能になる。その結果、水温の変化を抑えるために大量の水を貯留したり、頻繁に水温調節を行ったりする事態を避けることが可能になり、これによって冷却水槽１１の小型化や運用コストの低下を図ることができる。

本発明は、上述した実施形態に限定されるものではない。

例えば、本発明は、ＣＦＢボイラ以外の流動層式燃焼炉に対しても適用可能である。また、燃焼炉で使用される燃料は、バイオマス燃料に限られない。流動媒体Ｆａに付着する付着物が水に溶解する成分となる燃料や付着物と流動媒体Ｆａとの間で十分な収縮差が生じる燃料であれば良い。特に高アルカリ成分を含む燃料を使用する場合に、本発明を好適に適用することができる。

また、特許請求の範囲に記載の中間冷却手段は、第２の実施形態に記載の冷却媒体流動路２３に限られず、例えば空冷によって流動媒体Ｆａを冷却する態様であっても良い。なお、冷却媒体流動路２３で回収された熱を他の設備で利用する構成とすることもできる。

また、返送ライン１４を必ずしも備える必要はない。

１，２１…燃焼設備、２…燃焼炉、３，２２…流動媒体再生装置、１０…スクリュー搬送機、１１…冷却水槽、１４…返送ライン（返送手段）、２３…冷却媒体流動路（中間冷却手段）、Ｆ…流動層。

Claims (4)

1. 流動層式燃焼炉の流動層より抜き出した流動媒体から付着物を分離することで前記流動媒体を再生する流動層の流動媒体再生装置であって、
   前記燃焼炉の前記流動層より抜き出した前記流動媒体を水中に投入して冷却することにより、前記流動媒体と前記付着物との収縮差を利用して前記流動媒体から前記付着物を分離する冷却水槽と、
   前記冷却水槽に投入する前に前記流動媒体を所定の適正温度まで冷却する中間冷却手段と、を備え、
   前記適正温度は２００℃〜４５０℃の中に含まれ、
   前記冷却水槽内の水温は４０℃〜８０℃に調節されていることを特徴とする流動層の流動媒体再生装置。
2. 前記流動層より抜き出した前記流動媒体を前記冷却水槽へ搬送するスクリュー搬送機を更に備え、
   前記中間冷却手段は、
   前記スクリュー搬送機の周囲に形成された冷却媒体流動路と、
   前記冷却媒体流動路の両端に接続され、冷却媒体を循環させるための循環用管路と、
   前記循環用管路に設けられ、前記冷却媒体を流動させるポンプと、
   前記循環用管路に設けられ、前記冷却媒体を冷却する冷却機と、
   を有することを特徴とする請求項１に記載の流動層の流動媒体再生装置。
3. 前記付着物を分離した前記流動媒体を回収して前記流動層に戻す返送手段を更に備えることを特徴とする請求項１又は２に記載の流動層の流動媒体再生装置。
4. 流動層式燃焼炉の流動層より抜き出した流動媒体から付着物を分離することで前記流動媒体を再生する流動層の流動媒体再生方法であって、
   前記燃焼炉の前記流動層より抜き出した前記流動媒体を水中に投入して冷却することにより、前記流動媒体と前記付着物との収縮差を利用して前記流動媒体から前記付着物を分離し、
   前記流動層より抜き出した前記流動媒体は前記水中に投入する前に所定の適正温度まで冷却され、
   前記適正温度は２００℃〜４５０℃の中に含まれ、
   前記冷却水槽内の水温は４０℃〜８０℃に調節されていることを特徴とする流動層の流動媒体再生方法。

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