JP5789146B2 - 微粉炭焚きボイラ設備の運転方法および微粉炭焚きボイラ設備 - Google Patents

微粉炭焚きボイラ設備の運転方法および微粉炭焚きボイラ設備 Download PDF

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Description

本発明は、微粉炭焚きボイラ設備の運転方法に関する。特に、微粉炭焚きボイラ設備を構成する石炭粉砕装置（ミル）へのガス供給方法に関する。
この種の技術に関する文献として例えば特許文献１〜３がある。特許文献１には、空気（燃焼空気）と空気予熱器を通った後のボイラ排ガスとの混合ガス（搬送ガス）を石炭粉砕装置に供給するという技術が記載されている。ボイラ排ガスは空気に比べて酸素濃度が低いので、ボイラ排ガスと空気との混合ガスは空気よりも酸素濃度が低くなる。この混合ガスを石炭粉砕装置に供給することで石炭粉砕装置内での微粉炭の発火を防止することができる。なお、この混合ガスの酸素濃度は１６％以下であることが好ましい旨、記載されている。
また、特許文献２には、微粉炭の発火を防止するために、微粉炭の乾燥・搬送用のガスとして、フレッシュエアではなくボイラの燃焼排ガスのみを用いるという技術が記載されている。ボイラの燃焼排ガスの酸素濃度は２〜５％であることが記載されている。
また、特許文献３には、微粉炭の乾燥およびボイラの熱効率向上のために、高温のボイラ排ガスの一部を空気とともに石炭粉砕装置に供給するという技術が記載されている。
特開平１１−６３４７１号公報 特開平５−２７２７０９号公報 特開昭６２−１３４４１６号公報
引用文献１〜３に記載されているような微粉炭焚きボイラの燃料としては一般に瀝青炭が使用されている。一方、瀝青炭以外の石炭資源としては、瀝青炭よりも石炭化度の低い褐炭・亜瀝青炭といった低品位炭と呼ばれるものがある。これら低品位炭は全石炭資源の約半分を占める。本出願人は、瀝青炭などの一般炭に代わる燃料としてこれら低品位炭を改質して利用すべく研究・開発を行っている。低品位炭の改質とは、例えば低品位炭を乾燥（脱水）することであり、低品位炭を脱水することでその発熱量が高まる。低品位炭の脱水方法としては、低品位炭を油の中で脱水する油中脱水という方法がある。
ここで、低品位炭を改質した改質低品位炭は一般炭に比べて発火温度が低い。低品位炭と発火温度の高い一般炭とを混合することで、引用文献１〜３に記載されているような微粉炭焚きボイラの燃料として改質低品位炭を使用することができる。しかしながら、一般炭に対する改質低品位炭の混合比率が高くなるほど石炭粉砕装置（ミル）内での発火のリスクが高まる。
前記したように、引用文献１には、ボイラ排ガスと空気との混合ガスの酸素濃度が１６％以下であることにより微粉炭の発火を防止することができることが記載されているが、これは改質低品位炭を考慮したものではない。また、引用文献２では、微粉炭の乾燥・搬送用のガスとしてボイラ排ガス（酸素濃度は２〜５％）のみを石炭粉砕装置に供給している。これも改質低品位炭を考慮したものではないが、この方法によると、発火温度の低い改質低品位炭であってもその発火を防止できる。しかしながら、現在稼動している微粉炭焚きボイラの多くは、引用文献１〜３に従来例として記載されているように、微粉炭の乾燥・搬送用のガスとして空気（フレッシュエア）を用いており、空気（フレッシュエア）を用いない引用文献２に記載の上記技術を既設の微粉炭焚きボイラに適用しようとすると煩わしい改造が多く必要となる。なお、引用文献３は、微粉炭の発火防止を課題としたものではなく、石炭粉砕装置に供給するガスの酸素濃度に関する記載は特にない。
本発明は、上記実情に鑑みてなされたものであって、その目的は、微粉炭焚きボイラの燃料として改質低品位炭を安全に使用できるとともに、既設の微粉炭焚きボイラの設備改造が少なくて済む改質低品位炭を燃料とする微粉炭焚きボイラ設備の運転方法を提供することである。
本発明者らは、前記課題を解決すべく鋭意検討した結果、空気にボイラ排ガスを添加して酸素濃度が体積比で１２％未満とした混合ガスを石炭粉砕装置に供給することで、前記課題を解決することができた。この知見に基づき本発明が完成するに至ったのである。
すなわち、本発明は、改質低品位炭を燃料とする微粉炭焚きボイラ設備の運転方法であって、空気にボイラ排ガスを添加した混合ガスが供給される石炭粉砕装置に、前記混合ガスをガス加熱器経由で供給する搬送ガス経路と、前記ガス加熱器を迂回するように、前記搬送ガス経路から分岐した後に当該搬送ガス経路に合流するバイパス搬送ガス経路と、前記搬送ガス経路と前記バイパス搬送ガス経路との分岐点よりも上流側において前記搬送ガス経路に接続され、前記搬送ガス経路に前記ボイラ排ガスを供給する排ガス抽出経路と、を有する微粉炭焚きボイラ設備において、空気にボイラ排ガスを添加して混合ガスとした後、前記ガス加熱器を経由する前記搬送ガス経路と前記ガス加熱器を迂回する前記バイパス搬送ガス経路とに当該混合ガスを分けて流し、その後、前記混合ガスを前記石炭粉砕装置に供給する際、前記石炭粉砕装置に供給される前記混合ガスの酸素濃度を体積比で１２％未満とすることを特徴とする微粉炭焚きボイラ設備の運転方法である。
この構成によると、石炭粉砕装置内での微粉炭（改質低品位炭）の発火を防止することができ、微粉炭焚きボイラの燃料として改質低品位炭を安全に使用することができる。なお、酸素濃度が体積比で１２％以上のガスを用いると改質低品位炭の発火のリスクが急激に高まる。また、本発明では、従来と同様に石炭粉砕装置へ空気を送るという構成をとっているため、既設の微粉炭焚きボイラの設備改造は少なくて済む。
この構成によると、混合ガスの温度制御と酸素濃度制御とを独立して行うことができる。これにより、石炭粉砕装置に供給するガスの温度制御は、既設の制御システムを改造することなくそのまま使用できる。
さらに本発明において、脱硫塔よりも下流側の排ガス経路から前記ボイラ排ガスを取り出すことが好ましい。
この構成によると、石炭粉砕装置に供給する混合ガスの硫黄分が少なくなり石炭粉砕装置の腐食を抑制することができる。
また、本発明は、改質低品位炭を燃料とする微粉炭焚きボイラ設備であって、空気にボイラ排ガスを添加した混合ガスが供給される石炭粉砕装置と、前記石炭粉砕装置に前記混合ガスを供給し、ガス加熱器を経由する搬送ガスダクトと、前記ガス加熱器を迂回するように、前記搬送ガスダクトから分岐した後に当該搬送ガスダクトに合流するバイパス搬送ガスダクトと、前記搬送ガスダクトと前記バイパス搬送ガスダクトとの分岐点よりも上流側において前記搬送ガスダクトに接続され、前記搬送ガスダクトに前記ボイラ排ガスを供給する排ガス抽出ダクトと、を備え、前記石炭粉砕装置に供給される前記混合ガスの酸素濃度が体積比で１２％未満であることを特徴とするものである。
また、本発明において、前記搬送ガスダクトに空気を供給するファンの吸込側に設けられた第１バルブと、前記排ガス抽出ダクトに設けられた第２バルブと、前記搬送ガスダクトのうち、前記バイパス搬送ガスダクトとの分岐点から合流点までの間に設けられた第３バルブと、前記バイパス搬送ガスダクトに設けられた第４バルブと、前記第１バルブ、前記第２バルブ、前記第３バルブおよび前記第４バルブの開度を調整する制御ユニットと、をさらに備えることが好ましい。
さらに、本発明において、前記制御ユニットは、前記第１バルブおよび前記第２バルブの開度を調整することで、前記混合ガスの流量および酸素濃度を制御するとともに、前記第３バルブおよび前記第４バルブの開度を調整することで、前記混合ガスの温度を制御することが好ましい。
本発明によれば、空気とボイラ排ガスとを混合した酸素濃度が体積比で１２％未満の混合ガスを石炭粉砕装置に供給することで、石炭粉砕装置内での微粉炭（改質低品位炭）の発火を防止することができ、微粉炭焚きボイラの燃料として改質低品位炭を安全に使用できるとともに、既設の微粉炭焚きボイラの設備改造を少なく抑えることができる。
本発明の一実施形態に係る微粉炭焚きボイラ設備を示すブロック図である。 乾燥褐炭（改質褐炭）の爆発領域を示す図である。 従来の微粉炭焚きボイラ設備を示すブロック図である。
以下、本発明を実施するための形態について図面を参照しつつ説明する。なお、以下の説明では、従来の一般的な微粉炭焚きボイラ設備を説明した後で、本発明の一実施形態に係る微粉炭焚きボイラ設備を説明している。
（従来の微粉炭焚きボイラ設備）
図３に示したように、従来の一般的な微粉炭焚きボイラ設備２００は、例えば、ボイラ火炉１、節炭器２、脱硝塔３、電気集塵機４、ＩＤＦ５（誘引ファン）、脱硫塔６、煙突７、ホッパ１４、ミル２１（石炭粉砕装置）、ＧＡＨ８（ガス加熱器）、ＦＤＦ９（外気押込ファン）、一次空気ファン１０、および制御ユニット１７を具備している。ミル２１の出口側ダクトのミル出口部にはガス温度計１５が取り付けられ、ミル２１の入口側ダクトのミル入口部にはガス流量計１６が取り付けられている。ＧＡＨ８とミル２１との間のダクトにはバルブ１２が取り付けられ、ＧＡＨ８のバイパスダクトにはバルブ１３が取り付けられている。また、一次空気ファン１０の吸込側にはバルブ１１が取り付けられている。
ホッパ１４からミル２１へ供給された一般炭は、ミル２１内で微粉砕された後、ボイラ火炉１に気流搬送され、ボイラ火炉１内で燃焼する。微粉炭の燃焼により発生した高温のボイラ排ガスは、ボイラ火炉１、節炭器２で熱回収され、脱硝塔３で窒素酸化物除去処理がなされる。その後、ボイラ排ガスは、ミル２１に供給される一次空気およびボイラ火炉１に供給される二次空気をＧＡＨ８で加熱し、電気集塵機４および脱硫塔６で、それぞれ、灰除去処理、硫黄酸化物除去処理がなされた後、煙突７から排出される。
ここで、ミル２１内では、ホッパ１４から供給された一般炭の粉砕および乾燥が行われる。一般炭の乾燥は、一次空気ファン１０からミル２１へ供給される２００〜３００℃程度の一次空気により行われる。この一次空気の流量はバルブ１１の開度により調整される。また、一次空気のミル出口温度はバルブ１２・１３の開度により調整される。制御ユニット１７は、ガス流量計１６からの信号を受けてバルブ１１の開度を調整することで一次空気の流量を制御する。また、制御ユニット１７は、ガス温度計１５からの信号を受けてバルブ１２・１３の開度を調整することで一次空気のミル出口温度を制御する。一次空気のミル出口温度は、例えば６０〜７０℃に制御される。
バルブ１１は一次空気の流量制御用のバルブであり、バルブ１２・１３は一次空気の温度制御用のバルブである。
図３にも示したように、この微粉炭焚きボイラ設備２００で使用される燃料は、瀝青炭などの一般炭であり、褐炭・亜瀝青炭といった低品位炭よりも発火温度が高いので、従来は、ミル２１内での微粉炭の発火はあまり問題とならなかった。しかしながら、今後、発熱量を高めた発火温度の低い改質低品位炭を微粉炭焚きボイラの燃料に使用することを検討した場合、図３に示したような微粉炭焚きボイラ設備２００のままでは、ミル２１内での微粉炭の発火が懸念される。
（本発明に係る微粉炭焚きボイラ設備の一例）
図１は、本発明の一実施形態に係る微粉炭焚きボイラ設備１００を示すブロック図である。図３に示した従来の微粉炭焚きボイラ設備２００の構成機器と同様の構成機器については同じ符号を付している。
（ボイラ排ガスの抽出経路）
図１に示したように、本実施形態の微粉炭焚きボイラ設備１００では、脱硫塔６と煙突７との間の排ガスダクト３１（排ガス経路）からボイラ排ガスの一部を取り出して、ＧＡＨ８よりも上流側（一次空気の流れにおいて上流側）の搬送ガスダクト３３（搬送ガス経路）に取り出したボイラ排ガスを圧入するための排ガス抽出ダクト３２（排ガス抽出経路）を設けている。この排ガス抽出ダクト３２には、排ガス抽出ファン１８およびバルブ１９が取り付けられている。なお、ボイラ排ガスは脱硫塔６を通ることで冷却され低温の排ガスとなっている。
脱硫塔６よりも下流側の排ガスダクト３１から取り出したボイラ排ガスを、後述するようにミル２１に供給することで、ミル２１に供給する混合ガスの硫黄分が少なくなり当該ミル２１の腐食を抑制することができる。
なお、必ずしも脱硫塔６よりも下流側からボイラ排ガスを取り出す必要はない。例えば、電気集塵機４の下流側からボイラ排ガスを取り出してもよいし、さらには、電気集塵機４よりも上流側の排ガスダクトからボイラ排ガスを取り出してもよい。電気集塵機４の下流側からボイラ排ガスを取り出せば、少なくとも灰除去処理されたボイラ排ガスを空気に添加することができる。
（搬送ガスダクトまわりの構成）
一次空気ファン１０とＧＡＨ８との間は搬送ガスダクト３３で接続され、ＧＡＨ８とミル２１との間は搬送ガスダクト３５で接続されている。また、搬送ガスダクト３３と搬送ガスダクト３５とはバイパス搬送ガスダクト３４（バイパス搬送ガス経路）で接続されている。バイパス搬送ガスダクト３４は、一次空気ファン１０からの空気および排ガス抽出ファン１８からのボイラ排ガスをＧＡＨ８を迂回させて流すためのバイパス経路である。搬送ガスダクト３５およびバイパス搬送ガスダクト３４には、それぞれ、バルブ１２、バルブ１３が取り付けられている。なお、バイパス搬送ガスダクト３４は、搬送ガスダクト３３の中途部（分岐点Ｐ）から分岐する経路であり、バルブ１２よりも下流側で搬送ガスダクト３５に接続している。
また、搬送ガスダクト３５のうちミル入口部にはガス流量計１６に加えて酸素濃度計２０が取り付けられている。
本実施形態の微粉炭焚きボイラ設備１００では、搬送ガスダクト３３部で一次空気ファン１０からの空気（外気）に搬送ガスダクト３３から取り出した低温のボイラ排ガスを添加して混合ガスとしている。そして、この混合ガスを、ＧＡＨ８を経由する搬送ガスダクト３３とＧＡＨ８を迂回するバイパス搬送ガスダクト３４とに分けて流し、その後、ミル２１に供給している。混合ガスは、ＧＡＨ８において高温のボイラ排ガスで加熱される。なお、ＧＡＨ８は、ガス・ガス用熱交換器である。ボイラ火炉１に供給されるＦＤＦ９からの空気（二次空気）も高温のボイラ排ガスでＧＡＨ８において加熱される。ミル２１に供給された混合ガスにより、微粉炭（改質褐炭）は乾燥され、ボイラ火炉１に気流搬送される。
（制御ユニット）
ここで、本実施形態の制御ユニット１７は、ガス流量計１６および酸素濃度計２０からの信号を受けてバルブ１１・１９の開度を調整することで混合ガスの流量および酸素濃度を制御するとともに、ガス温度計１５からの信号を受けてバルブ１２・１３の開度を調整することで混合ガスのミル出口温度を制御している。
例えば、制御ユニット１７は、混合ガスの酸素濃度が体積比で１２％未満となるようにバルブ１１・１９の開度を調整する。バルブ１１・１９の開度とバルブ１１・１９を流れるガスの流量との関係が線形である場合、混合ガスの流量を増やすには、バルブ１１・１９の相互間の開度比率をほぼ一定に保ったままバルブ１１・１９の開度を大きくしていく。
また、混合ガスのミル出口温度の制御に関しては、制御ユニット１７は、混合ガスの流量制御および酸素濃度制御用のバルブ１１・１９の開度調整とは別に、バルブ１２・１３の開度を独立調整する。バルブ１２・１３は混合ガスの温度制御用のバルブである。
このように、本実施形態によると、混合ガスの酸素濃度制御および流量制御と温度制御とを独立して行うことができる。そのため、ミル２１に供給するガスの温度制御に関しては、図３に示した従来のボイラ設備２００における制御ユニット１７を改造することなくそのまま使用できる。また、ガスの流量制御に関しては、図３に示した従来の制御ユニット１７に対して微々たる改造を加えるだけでよい。
一方、仮に、排ガス抽出ダクト３２の下流端を、バイパス搬送ガスダクト３４やＧＡＨ８の下流側の搬送ガスダクト３５に接続した場合、混合ガスの酸素濃度制御、流量制御、および温度制御が相互に絡み合った複雑な制御となってしまう。しかしながら、微粉炭の発火防止の観点からは、排ガス抽出ダクト３２の下流端を、バイパス搬送ガスダクト３４やＧＡＨ８の下流側の搬送ガスダクト３５に接続して、バイパス搬送ガスダクト３４の部分で空気にボイラ排ガスを添加しても、ＧＡＨ８の下流側の搬送ガスダクト３５の部分で空気にボイラ排ガスを添加しても問題ない。
なお、バルブ１１・１９・１２・１３は、ダンパであってもよいし、ダンパよりも漏れ量が少ないバタフライ弁（蝶形弁）などであってもよい。また、バルブ１２・１３・１１・１９は、例えば電動とされる。バルブ１１・１９・１２・１３をバタフライ弁とすればそれぞれのバルブを流れるガス流量の調整をより正確に行うことができ、その結果、混合ガスの酸素濃度制御、流量制御、および温度制御の精度が向上する。
（石炭粉砕装置に供給するガスの酸素濃度）
図２は、乾燥褐炭（改質褐炭）の爆発領域を示す図である。図２の縦軸は改質褐炭の粉塵濃度であり、図２の横軸はその粉塵雰囲気ガス中の酸素濃度である。なお、この酸素濃度は体積比で表したものである。また、図２のデータに用いた改質褐炭の粉塵（微粉炭）は、粒径７５μｍ以下の微粉炭が８０％程度の割合で含まれるものである。
改質褐炭とは、褐炭を乾燥（脱水）したもののことをいう。褐炭を脱水することでその発熱量が高まる。褐炭の脱水方法としては、褐炭を油の中で脱水する油中脱水という方法がある。なお、図２の縦軸上限値（２０００ｇ／ｍ３）は通常運転時のミル内粉塵濃度を含んでいる。図２からわかるように、改質褐炭の粉塵雰囲気ガス中の酸素濃度が体積比で１２％以上となると改質褐炭の爆発（発火）のリスクが急激に高まる。したがって、酸素濃度が体積比で１２％未満の、空気とボイラ排ガスとの混合ガスを、改質褐炭からなる微粉炭の乾燥用・搬送用のガスとしてミル２１に供給することでミル２１内での微粉炭の発火を防止することができ、微粉炭焚きボイラの燃料として改質褐炭を安全に使用することができる。また、本実施形態では、従来と同様にミル２１へ空気を送るという構成をとっているため、既設の微粉炭焚きボイラの設備改造は少なくて済む。なお、例えばミル２１内では、粒径７５μｍ以下の微粉炭の割合が７０％以上になるように改質褐炭が微粉砕される。
なお、当然ながらボイラ火炉１の燃料として、１００％改質褐炭を使用する（改質褐炭専焼）必要はなく、改質褐炭と一般炭とを混合した石炭をボイラ火炉１の燃料として使用してもよい。また、褐炭を改質した改質褐炭ではなく、亜瀝青炭を改質した改質亜瀝青炭をボイラ火炉１の燃料として使用してもよい。すなわち、本実施形態によると、改質褐炭などの改質低品位炭を安全に使用することができる。
さらに、酸素濃度が体積比で１０％以下の混合ガスをミル２１に供給するようにした場合には、より安全に改質低品位炭をボイラ火炉１の燃料として使用することができる。また、ボイラ効率を高くするには、酸素濃度が体積比で６％以上の混合ガスをミル２１に供給することが好ましい。
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上述の実施の形態に限られるものではなく、特許請求の範囲に記載した限りにおいて様々に変更して実施することが可能なものである。
１：ボイラ火炉
２：節炭器
３：脱硝塔
４：電気集塵機
５：ＩＤＦ（誘引ファン）
６：脱硫塔
７：煙突
８：ＧＡＨ（ガス加熱器）
９：ＦＤＦ（外気押込ファン）
１０：一次空気ファン
１１、１２、１３、１９：バルブ
１４：ホッパ
１５：ガス温度計
１６：ガス流量計
１７：制御ユニット
１８：排ガス抽出ファン
２０：酸素濃度計
２１：ミル（石炭粉砕装置）
１００：微粉炭焚きボイラ設備

Claims (5)

  1. 褐炭または亜瀝青炭を改質した改質低品位炭を燃料とする微粉炭焚きボイラ設備の運転方法であって、
    空気にボイラ排ガスを添加した混合ガスが供給される石炭粉砕装置に、前記混合ガスをガス加熱器経由で供給する搬送ガス経路と、
    前記ガス加熱器を迂回するように、前記搬送ガス経路から分岐した後に当該搬送ガス経路に合流するバイパス搬送ガス経路と、
    前記搬送ガス経路と前記バイパス搬送ガス経路との分岐点よりも上流側において前記搬送ガス経路に接続され、前記搬送ガス経路に前記ボイラ排ガスを供給する排ガス抽出経路と、を有する微粉炭焚きボイラ設備において、
    空気にボイラ排ガスを添加して混合ガスとした後、前記ガス加熱器を経由する前記搬送ガス経路と前記ガス加熱器を迂回する前記バイパス搬送ガス経路とに当該混合ガスを分けて流し、その後、前記混合ガスを前記石炭粉砕装置に供給する際、
    前記石炭粉砕装置に供給される前記混合ガスの酸素濃度を体積比で１２％未満とするとともに、前記石炭粉砕装置内では粒径７５μｍ以下の微粒炭の割合が７０％以上になるように前記改質低品位炭が微粉砕されることを特徴とする、微粉炭焚きボイラ設備の運転方法。
  2. 請求項１に記載の微粉炭焚きボイラ設備の運転方法において、
    脱硫塔よりも下流側の排ガス経路から前記ボイラ排ガスを取り出すことを特徴とする、微粉炭焚きボイラ設備の運転方法。
  3. 褐炭または亜瀝青炭を改質した改質低品位炭を燃料とする微粉炭焚きボイラ設備であって、
    空気にボイラ排ガスを添加した混合ガスが供給される石炭粉砕装置と、
    前記石炭粉砕装置に前記混合ガスを供給し、ガス加熱器を経由する搬送ガスダクトと、
    前記ガス加熱器を迂回するように、前記搬送ガスダクトから分岐した後に当該搬送ガスダクトに合流するバイパス搬送ガスダクトと、
    前記搬送ガスダクトと前記バイパス搬送ガスダクトとの分岐点よりも上流側において前記搬送ガスダクトに接続され、前記搬送ガスダクトに前記ボイラ排ガスを供給する排ガス抽出ダクトと、
    を備え、
    前記石炭粉砕装置に供給される前記混合ガスの酸素濃度が体積比で１２％未満であるとともに、前記石炭粉砕装置内では粒径７５μｍ以下の微粒炭の割合が７０％以上になるように前記改質低品位炭が微粉砕されることを特徴とする、微粉炭焚きボイラ設備。
  4. 請求項３に記載の微粉炭焚きボイラ設備であって、
    前記搬送ガスダクトに空気を供給するファンの吸込側に設けられた第１バルブと、
    前記排ガス抽出ダクトに設けられた第２バルブと、
    前記搬送ガスダクトのうち、前記バイパス搬送ガスダクトとの分岐点から合流点までの間に設けられた第３バルブと、
    前記バイパス搬送ガスダクトに設けられた第４バルブと、
    前記第１バルブ、前記第２バルブ、前記第３バルブおよび前記第４バルブの開度を調整する制御ユニットと、
    をさらに備える微粉炭焚きボイラ設備。
  5. 請求項４に記載の微粉炭焚きボイラ設備であって、
    前記制御ユニットは、前記第１バルブおよび前記第２バルブの開度を調整することで、前記混合ガスの流量および酸素濃度を制御するとともに、前記第３バルブおよび前記第４バルブの開度を調整することで、前記混合ガスの温度を制御する微粉炭焚きボイラ設備。
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