JP5535732B2 - ボイラ設備 - Google Patents

Description

本発明は、バイオマスを用いて生成したガス燃料と石炭や油などの化石燃料とを燃料として併用して燃焼させ、この燃焼により発生した熱を回収することが可能なボイラ設備に関するものである。

バイオマスを燃料としてガス化させることで一酸化炭素や水素などを発生させ、これをガス燃料として生成するガス化炉が各種提案されている。また、石炭や油などの化石燃料を燃料として燃焼させることで熱を発生させ、この発生した熱を回収するボイラが各種提案されている。そして、ガス化炉で生成したガス燃料をボイラに供給し、このガス燃料と化石燃料とを燃料として併用して燃焼させ、熱を回収するようにした設備が、例えば、下記特許文献１に記載されている。

米国特許第４６７６１７７号公報

このようなガス化炉とボイラとを組み合わせた設備にあっては、ボイラ火炉での燃焼の後に、ガス中のＣＯ₂を回収する場合、燃焼後の回収では、その処理ガス量が多く、プラント効率が低下したり、より大きな設備容量が必要となるという、問題がある。

本発明は上述した課題を解決するものであり、ＣＯ₂を回収する際において、設備容量のコンパクト化を図ると共にボイラのシステム効率の向上を図ることができるボイラ設備を提供することを目的とする。

上記の目的を達成するための本発明の第１の発明のボイラ設備は、バイオマスを燃料としてガス化させることでガス燃料を生成するガス化炉と、前記ガス燃料中に含まれる硫黄化合物を除去する脱硫装置と、脱硫後のガス燃料中のＣＯをＣＯ₂とＨ₂に変換するＣＯシフト反応装置と、変換したＣＯ₂を分離するＣＯ₂分離装置と、ＣＯ₂が分離されたＨ₂主体のガス燃料を燃焼させて発生した熱を回収するボイラと、前記ＣＯ ₂ 分離装置で分離されたＣＯ ₂ を前記ガス化炉に供給する第１の供給ラインと、前記ＣＯ ₂ 分離装置で分離されたＣＯ ₂ に酸素を混合して前記ガス化炉へ供給する第２の供給ラインとを備え、前記ガス化炉への前記酸素の供給割合を２０％以上２５％以下にすることを特徴とするボイラ設備にある。

第２の発明は、第１の発明において、前記ボイラにおいて、バイオマスを燃料としてガス化させることで生成したガス燃料と化石燃料とを燃焼させて発生した熱を回収することを特徴とするボイラ設備にある。

第３の発明は、第１又は２の発明において、前記ガス化炉に水蒸気を供給する水蒸気供給ラインを有することを特徴とするボイラ設備にある。

第４の発明は、第１乃至３のいずれか一つの発明において、前記ガス化炉と、前記脱硫装置との間に、ガス燃料中のタール分を除去するタール除去装置と、タール分除去後のガス燃料を冷却する第１の熱交換器と、ＣＯ₂分離装置の後段側にＣＯ₂が分離されたＨ₂主体のガス燃料を加温する第２の熱交換器とを備えることを特徴とするボイラ設備にある。

本発明のボイラ設備によれば、バイオマスを燃料としてガス化させることでガス燃料を生成するガス化炉と、ガス化炉で生成されたガス燃料と化石燃料を燃焼させて発生した熱を回収するボイラとを設けると共に、ボイラの火炉での燃焼前において、ＣＯシフト反応器及びＣＯ₂分離装置とを設け、ＣＯ₂を回収するようにしているので、ボイラ燃焼後に較べ、設備容量のコンパクト化を図ることができる。

図１は、本発明の実施例１に係るボイラ設備を表す概略構成図である。 図２は、本発明の実施例２に係るボイラ設備を表す概略構成図である。

以下に添付図面を参照して、本発明に係るボイラ設備の好適な実施例を詳細に説明する。なお、この実施例により本発明が限定されるものではない。

図１は、本発明の実施例１に係るボイラ設備を表す概略構成図である。

実施例１のボイラ設備は、バイオマスを用いて生成したガス燃料と石炭や油などの化石燃料とを燃料として併用して燃焼させ、この燃焼により発生した熱を回収することが可能なボイラ設備である。

この実施例１のボイラ設備は、図１に示すように、バイオマスを燃焼してガス化することでガス燃料を生成するガス化炉１０と、このガス化炉１０で生成したガス燃料と化石燃料とを燃焼することで発生した熱を回収するボイラ３０を有している。

ここで、バイオマスとは、再生可能な生物由来の有機性資源であって、化石資源を除いたものと定義する。例えば、間伐材、廃材木、流木、草類、廃棄物、汚泥、タイヤ、及びこれらを原料としたリサイクル系燃料(ペレットやチップ)などであり、ここに提示したものに限定されることはない。

ガス化炉１０は、循環流動層形式や気泡型流動層形式のガス化炉であって、ガス化炉本体１１を有している。このガス化炉本体１１は、中空形状をなして鉛直方向に沿って設置され、上下及び周囲の各壁部が全面耐火材料により構成され、外部への放熱が防止可能な構造であり、例えば、５００〜１０００℃で運転可能となっている。このガス化炉本体１１は、流動材としての流動砂と燃料としてのバイオマスを供給可能となっており、内部でバイオマスを燃焼することで流動砂を高温化すると共に、二酸化炭素を主成分とする燃焼ガスが発生し、これをガス化剤としてガス化反応が起こる。ここで、流動砂としては、例えば、珪砂（主成分として、ＳｉＯ_２、Ａｌ_２Ｏ_３など）であり、また、ガス化炉本体１１内で発生したガスから硫黄を除去（脱硫）するために、炭酸カルシウム（ＣａＣＯ_３）を投入してもよい。

燃料供給系として、ホッパ１２、スクリューフィーダ１３、コンベア１４、供給配管１５を有している。ホッパ１２は、所定量のバイオマスを貯留可能であり、スクリューフィーダ１３は、このホッパ１２に貯留されたバイオマスを所定量ずつ供給することができる。コンベア１４は、スクリューフィーダ１３から供給されたバイオマスを搬送可能であり、ここで、図示しない磁選機により釘や蝶番など、混入している金属製の異物を除去する。そして、バイオマスは、供給配管１５を通して側部からガス化炉本体１１内に投入される。

なお、燃料供給系にて、ホッパ１２の上流には乾燥装置１６を設けても良い。この乾燥装置１６は、バイオマスに含まれる水分を除去する。

また、ガス化炉本体１１は、燃焼ガスと流動砂を分離するサイクロン１７が接続されている。即ち、ガス化炉本体１１は、上側部が排出配管１８を介してサイクロン１７の上側部に連結されており、このサイクロン１７は、下部が循環配管１９を介してガス化炉本体１１の下側部に連結されている。

ガス化炉本体１１は、下部にバイオマスに混入していた異物を除去する図示しない異物排出配管が連結されている。

また、サイクロン１７は、上部に生成した可燃性ガス、つまり、ガス燃料を送給するガス燃料配管２４が連結されている。

なお、ガス化炉１０で生成されるガス燃料は、主成分が一酸化炭素（ＣＯ）、水素（Ｈ_２）、二酸化炭素（ＣＯ_２）、窒素（Ｎ）などから構成され、３００〜１１００ｋｃａｌ／Ｎｍ^３程度の低カロリーガスであり、６５０〜８５０℃の範囲に燃焼される。

従って、ガス化炉１０にて、ガス化炉本体１１は、図示しない供給経路から流動砂が供給されており、バイオマスは、乾燥装置１６で乾燥された後にホッパ１２に貯留され、このホッパ１２からスクリューフィーダ１３及びコンベア１４により供給配管１５を通して流動床火炉１１に投入される。また、流動床火炉１１は、空気供給配管２１により下部から燃焼用の高温空気が供給される。すると、ガス化炉本体１１内にて、流動砂とバイオマスとが流動混合すると共に、バイオマスが燃焼して可燃性ガスが発生する。

この燃焼により発生した可燃性ガスは、流動砂と共に排出配管１８を通してサイクロン１７に排出され、このサイクロン１７により可燃性ガスと流動砂とに分離される。そして、分離された可燃性ガスは、ガス燃料としてガス燃料配管２４を通してボイラ３０に供給される。

本実施例のボイラ設備においては、前記ガス火炉１０からのガス燃料中のタール分を除去するタール除去装置６０と、タール分除去後のガス燃料を冷却する第１の熱交換器６１Ａと、前記ガス燃料中に含まれる硫黄酸化物を除去する脱硫装置６２と、脱硫後のガス燃料中のＣＯをＣＯ₂とＨ₂に変換するＣＯシフト反応装置６３と、変換したＣＯ₂を分離するＣＯ₂分離装置６４と、ＣＯ₂分離装置の後段側にＣＯ₂が分離されたＨ₂主体のガス燃料を加温する第２の熱交換器６１Ｂとを設け、ボイラ３０のボイラ本体３１にＨ₂主体のガス燃料を供給するようにしている。

すなわち、ガス化炉１０からのガス燃料は、例えばＮｉ系触媒等によるタール除去装置６０でタール分が除去された後、第１の熱交換器６１Ａで、８５０〜６５０℃のガス温度を２００〜３５０℃程度までガスガス熱交換している。

その後、脱硫装置６２でガス燃料中の硫黄成分（Ｈ₂Ｓ）を除去し、ＣＯシフト反応器６３において、ガス燃料中に含まれるＣＯをＣＯ₂に変換し、下記（１）のＣＯシフト反応により有用成分であるＣＯ₂とＨ₂とを得るようにしている。
ＣＯ＋Ｈ₂Ｏ→ＣＯ₂＋Ｈ₂…（１）
なお、このＣＯシフト反応を促進する触媒として種々のＣＯシフト触媒によりＣＯをＣＯ₂に変換している。

ＣＯシフト反応器６３でＣＯシフト反応がなされたガス燃料は、変換したＣＯ₂を分離するＣＯ₂分離装置６４でＣＯ₂を分離し、Ｈ₂主体のガス燃料を第２の熱交換器６１Ｂで、１２０℃程度のガス温度を４００〜７００℃程度までガスガス熱交換している。
常圧でのＣＯ2の回収としては、吸収法が適しており、この吸収法では、低温（約５０℃）の吸収塔で吸着、高温（約１２０℃）の再生塔で脱着するので、第２の熱交換器６１Ｂでの交換熱量を有効に活用することができる。
このガスガス交換は、第１の熱交換器６１Ａの吸熱量との熱交換により、可能な限り昇温して、プラント効率を向上させるようにしている。

一方、ボイラ３０は、コンベンショナルボイラであって、ガス燃料と化石燃料とを燃焼可能なボイラ本体３１を有している。このボイラ本体３１は、中空形状をなして鉛直方向に設置され、このボイラ本体３１を構成する火炉壁の下部に燃焼装置３２が設けられている。この燃焼装置３２は、火炉壁に装着された複数の化石燃料用の燃焼バーナ３３と、複数のガス燃料用の燃焼バーナ３４とを有している。本実施例にて、化石燃料用の燃焼バーナ３３は、周方向に沿って４個配設されたものが上下方向に４段配置されている。一方、ガス燃料用の燃焼バーナ３４は、複数の化石燃料用の燃焼バーナ３３の下方であって、周方向に沿って４個配設されたものが上下方向に１段配置されている。なお、化石燃料用の燃焼バーナ３３とガス燃料用の燃焼バーナ３４の配置関係は上下逆であってもよい。また、各燃焼バーナ３３,３４にて、周方向の数は４個に限るものではなく、段数も４段や１段に限るものではない。更に、各燃焼バーナ３３，３４対向するように配置してもよい。

そして、化石燃料用の燃焼バーナ３３は、微粉炭供給部３５が供給配管３６を介して連結されると共に、燃料油（または、燃料ガス）供給部３７が供給配管３８を介して連結されており、この場合、化石燃料として、微粉炭または燃料油が切替可能となっている。一方、ガス燃料用の燃焼バーナ３４は、ガス化炉１０からのガス燃料配管２４が連結されている。この場合、ガス燃料配管２４からガス燃料用の燃焼バーナ３４に供給されるガス燃料は、４００℃以上に維持することが望ましい。

また、燃焼装置３２は、各燃焼バーナ３３，３４に燃焼用空気を供給可能な空気供給配管３９を有しており、この空気供給配管３９は、基端部に送風機４０が装着され、先端部がボイラ本体３１の外周側に設けられた風箱４１に連結されている。そのため、この風箱４１に供給された空気を各燃焼バーナ３３，３４に供給することができる。

ボイラ本体３１は、上部に煙道４２が連結されており、この煙道４２に、対流伝熱部として排ガスの熱を回収するための、過熱器４３，４４、再熱器４５，４６、節炭器４７，４８，４９が設けられており、ボイラ本体３１での燃焼で発生した排ガスと水との間で熱交換が行われる。

煙道４２は、その下流側に熱交換を行った排ガスが排出される排ガス配管５０が連結されている。この排ガス配管５０は、空気供給配管３９との間にエアヒータ５１が設けられ、空気供給配管３９を流れる空気と、排ガス配管５０を流れる排ガスとの間で熱交換を行い、燃焼バーナ３３，３４に供給する燃焼用空気を２００〜３００℃の範囲に昇温することが望ましい。

なお、排ガス配管５０は、エアヒータ５１より上流側に位置して、選択還元型触媒５４が設けられ、エアヒータ５１より下流側に位置して、電気集塵機５５、誘引送風機５６、脱硫装置５７が設けられ、下流端部に煙突５８が設けられている。

従って、ボイラ３０にて、送風機４０を駆動して空気を吸引すると、この空気は、空気供給配管３９を通してエアヒータ５１で加熱された後に風箱４１を介して各燃焼バーナ３３，３４に供給される。また、化石燃料としての微粉炭または燃料油は、供給配管３６，３８を通して化石燃料用の燃焼バーナ３３に供給されると共に、ガス化炉１０からのガス燃料は、ガス燃料配管２４を通してガス燃料用の燃焼バーナ３４に供給される。

すると、化石燃料用の燃焼バーナ３３は、燃焼用空気と化石燃料をボイラ本体３１に噴射すると同時に着火し、また、ガス燃料用の燃焼バーナ３４は、燃焼用空気とガス燃料をボイラ本体３１に噴射すると同時に着火する。このボイラ本体３１では、燃焼用空気、化石燃料、ガス燃料が燃焼して火炎が生じる。ボイラ本体３１内の下部で火炎が生じると、燃焼ガスがこのボイラ本体３１内を上昇し、煙道４２に排出される。

このとき、図示しない給水ポンプから供給された水は、節炭器４７，４８，４９によって予熱された後、図示しない蒸気ドラムに供給され火炉壁の各水管（図示せず）に供給される間に加熱されて飽和蒸気となり、図示しない蒸気ドラムに送り込まれる。更に、図示しない蒸気ドラムの飽和蒸気は過熱器４３，４４に導入され、燃焼ガスによって過熱される。過熱器４３，４４で生成された過熱蒸気は、図示しない発電プラント（例えば、タービン等）に供給される。また、タービンでの膨張過程の中途で取り出した蒸気は、再熱器４５，４６に導入され、再度過熱されてタービンに戻される。なお、ボイラ本体３１をドラム型（蒸気ドラム）として説明したが、この構造に限定されるものではない。

その後、煙道４２の節炭器４７，４８，４９を通過した排ガスは、排ガス配管５０にて、選択還元型触媒５４でＮＯｘなどの有害物質が除去され、電気集塵機５５で粒子状物質が除去され、脱硫装置５７により硫黄分が除去された後、煙突５８から大気中に排出される。

このように構成された実施例１のボイラ設備のボイラ３０において、ボイラ３０のボイラ本体３１での燃焼前において、ＣＯ₂を回収するようにしているので、ボイラ燃焼後に較べ、設備容量のコンパクト化を図ることができる。
さらに、ボイラ後流側に設置する脱硫装置５７のコンパクト化を図ることができる。

また、ＣＯ₂分離装置６４で分離されたＣＯ₂を前記ガス火炉１０に供給する供給ラインを７１有している。この際、酸素供給ライン７２からの酸素を混合して供給するようにしている。酸素の供給割合としては、例えば２０〜２５％程度とするのが好ましい。
この結果、ガス化剤分圧の増加に寄与すると共に、反応性が低いバイオマス燃料に対しても炉底部において高酸素雰囲気で反応させることで、反応効率を向上させることができる。

また、コンベンショナルボイラにて生成または排出される水蒸気や排ガス中のＣＯ₂をガス化剤として水蒸気ライン７３により再循環させて使用することも可能となる。
特に、酸素濃度が２１〜２５％以上とする場合には、クエンチ及びガス化材として水蒸気の投入が好ましいものとなる。

図２は、本発明の実施例２に係るボイラ設備を表す概略構成図である。なお、実施例１のボイラ設備と同一部材については、同一符号を付してその説明は省略する。

実施例２のボイラ設備は、バイオマスを用いて生成したガス燃料を単独で用いて燃焼させ、この燃焼により発生した熱を回収することが可能なボイラ設備である。

この実施例２のボイラ設備は、図１に示すボイラ設備において、ガス化炉１０でバイオマス原料を燃焼させてガス燃料を生成させ、ボイラ本体３１での燃焼前において、ＣＯ₂を回収するようにし、従来の化石燃料を供給せずに、ガス燃料のみを燃焼バーナ３４介して供給して、ボイラ本体３１内で燃焼させ、発生した熱を回収するボイラ３０を有している。
これにより、従来の混燃用の図１におけるボイラ３０で設けられた集塵装置５５及び脱硫装置５７を省略することができる。

また、クリーンなガス燃料となるので、脱硝装置５４のコンパクト化又は廃止を図ることもできる。

既存のボイラ設備において、化石燃料の供給を停止して、バイオマス原料由来のクリーンな燃料ガスのみで燃焼するようにしてもよい。また、新規に設置するボイラ設備として、バイオマス原料由来の燃料ガスのみで燃焼させて、システムのコンパクト化を図ると共にシステム効率の向上を図るようにしてもよい。

本発明に係るボイラ設備は、ボイラの火炉での燃焼前において、ＣＯ₂を回収するようにしているので、ボイラ燃焼後に較べ、設備容量のコンパクト化を図ることができ、いずれのボイラ設備にも適用することができる。

１０ ガス化炉
１１ ガス化炉本体
１２ ホッパ
１５ 供給配管
１６ 乾燥装置
１７ サイクロン
２１ 空気供給配管
２４ ガス燃料配管
２５ 除塵装置
２６ サイクロン
３０ ボイラ
３１ ボイラ本体
３２ 燃焼装置
３３ 化石燃料用の燃焼バーナ
３４ ガス燃料用の燃焼バーナ
３９ 空気供給配管
４２ 煙道
５１ エアヒータ
５２ 除塵装置
５３ ブロア
６０ タール除去装置
６１Ａ 第１の熱交換器
６１Ｂ 第２の熱交換器
６２ 脱硫装置
６３ ＣＯシフト反応装置
６４ ＣＯ₂分離装置

Claims (4)

1. バイオマスを燃料としてガス化させることでガス燃料を生成するガス化炉と、
   前記ガス燃料中に含まれる硫黄化合物を除去する脱硫装置と、
   脱硫後のガス燃料中のＣＯをＣＯ₂とＨ₂に変換するＣＯシフト反応装置と、
   変換したＣＯ₂を分離するＣＯ₂分離装置と、
   ＣＯ₂が分離されたＨ₂主体のガス燃料を燃焼させて発生した熱を回収するボイラと、
   前記ＣＯ ₂ 分離装置で分離されたＣＯ ₂ を前記ガス化炉に供給する第１の供給ラインと、
   前記ＣＯ ₂ 分離装置で分離されたＣＯ ₂ に酸素を混合して前記ガス化炉へ供給する第２の供給ラインとを備え、
   前記ガス化炉への前記酸素の供給割合を２０％以上２５％以下にすることを特徴とするボイラ設備。
2. 請求項１において、
   前記ボイラにおいて、バイオマスを燃料としてガス化させることで生成したガス燃料と化石燃料とを燃焼させて発生した熱を回収することを特徴とするボイラ設備。
3. 請求項１又は２において、
   前記ガス化炉に水蒸気を供給する水蒸気供給ラインを有することを特徴とするボイラ設備。
4. 請求項１乃至３のいずれか一つにおいて、
   前記ガス化炉と、前記脱硫装置との間に、ガス燃料中のタール分を除去するタール除去装置と、
   タール分除去後のガス燃料を冷却する第１の熱交換器と、
   ＣＯ₂分離装置の後段側にＣＯ₂が分離されたＨ₂主体のガス燃料を加温する第２の熱交換器とを備えることを特徴とするボイラ設備。

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