JP6218448B2 - 竪型粉砕分級装置 - Google Patents

Description

本発明は、燃料として石炭とバイオマスを共用し混焼させるボイラ装置に係わり、特に、ボイラ装置の竪型粉砕分級装置に関するものである。

石炭とバイオマスを共用し混焼させるボイラ装置の従来技術は、図８に示すように、バイオマス用サイロ２１に貯蔵されたバイオマスを石炭用の運炭コンベア２２に搬送し、バンカ２３を介してバイオマス用ミル２４で粉砕し、バイオマス用バーナ２５を通して蒸気発生装置２６でバイオマスを燃焼させるものである。さらに、空気予熱器２８の後流に設置された電気集塵機２９の後流より再循環ガスを抽気し、加えて、一次通風機３３を通して空気予熱器２８で予熱された空気と混合させて混合ガスの酸素濃度及び温度を制御するというようなボイラ装置が提案されている（例えば、特許文献１を参照）。図８は従来技術に関する石炭とバイオマスを共用し混焼させるボイラ装置の系統構成を示す図である。

上記の特許文献１に開示されているように、石炭とバイオマスを混焼させるボイラ装置は、運炭コンベア２２からバーナ２５までの経路は石炭用ボイラ装置と共通しており、石炭用ボイラ装置と異なるのはミル２４の内部構成とバーナ２５の構造である。

ミル２４とバーナ２５は、設備上の不具合又は磨耗部の交換時においてもボイラ負荷を可能な限り維持することを考慮している。具体的には、当該事象時には、石炭ミルと石炭バーナに切り替えることが可能なように、バイオマス専用ミルとバイオマス専用バーナに改造したものではあるが、一時的に石炭専焼への短時間での切り替えが可能なように、切り替え時にボイラ装置の分解などの作業が発生しないようにしたものである。このように、バイオマス用ミル２４は石炭用ミルをバイオマス用に改造したものであり、また、バーナは、粗粒のバイオマスが安定燃焼できるように着火を強化したものである。

また、上記の特許文献１に示すような従来技術において、バイオマスは石炭と比べてミル内で堆積しやすいこと、粉塵爆発し易いこと等を考慮して、バイオマスを取り扱う系統構成の内部の酸素濃度を粉塵爆発しない爆発下限以下にして少なくとも石炭の粉塵爆発リスク以下にして安全性を保つようにしている。

特開２０１０−２４２９９９号公報

上記の特許文献１に示すような従来技術に関するバイオマスと石炭の共用ミル、共用バーナ、共用排ガス再循環系統を用いたボイラ装置では、バイオマス専砕・専焼モードと、石炭専砕・専焼モードが存在する。そして、各々のモードへの切り換えに際して、ミル、バーナ、排ガス再循環系統の改造を不要とするものである。

しかしながら、モード切り換えを実施する場合、特にミル（ミルロール・ミルテーブルと回転分級機とから構成されるものであり、粉砕機とも称する）の運用条件が著しく異なるので、モード切り換えの自動化は容易ではなかった。具体的には、各々のモードにおける運転条件は分かっているが、石炭とバイオマスの燃料の切り換えは瞬時に行うことはできず、特定の時刻における、ミルに投入される燃料のうちバイオマスと石炭の比率が分からないので運転条件が定まらない。この理由は、コスト低減の重要性のためにバンカ２３も共有しているので、燃料の切り換え時においてバンカ２３内部で２種類の燃料（石炭とバイオマス）が一時的に存在し、これらの燃料が偏析すれば、安定してミルへ供給されなくなるからである。

燃料として石炭とバイオマスを共用し混焼させるボイラ装置において、共用できるということは、単に同じミルとバーナにバイオマス又は石炭を供給すればよいというだけではなく、石炭とバイオマスのそれぞれの燃料に対して、それぞれの粉砕性、燃焼性、ハンドリング性の諸条件を勘案して必要に応じて自動的に切り換えることが求められているのである。上記の特許文献１に示すような従来技術には、燃料の切り換えに伴う上記の諸条件を勘案した制御についての詳しい説明がなされていない。

前記課題を解決するために、本発明は主として次のような構成を採用する。
石炭とバイオマスからなる燃料を供給するフィーダと、前記燃料を回転テーブルと粉砕子との噛み込みによって粉砕する粉砕機と、前記回転テーブルの外周側のスロートから噴き上げる気流によって搬送された粉砕物を分級する回転フィンをもつ回転分級機と、前記粉砕機と前記回転分級機とを収容するハウジングと、を備えた竪型粉砕分級装置であって、前記フィーダには前記燃料の供給量を計測する燃料供給量計測手段を設け、前記回転分級機の回転を制御する回転分級機制御手段を設け、前記ハウジング内で、前記気流の流れる前記スロートの上流側、前記スロートの下流側、前記回転分級機の入口側、前記回転分級機の出口側、の内の少なくとも前記スロートの下流側と前記回転分級機の入口側とで圧力を計測し当該計測圧力の部位間の圧力差を計測する差圧計測手段を設け、前記差圧計測手段で計測された前記計測圧力の部位間の圧力差である差圧と、前記燃料供給量計測手段で計測された燃料供給量をもとに計算された適正差圧と、に基づいて、前記計測された差圧が前記適正差圧になるように前記回転分級機制御手段を通じて前記回転分級機の回転を増減制御する演算装置を設け、前記演算装置は、バイオマスの専焼から石炭の専焼に切り換える切り換えモードのときに、石炭専焼に達するときの石炭の燃料供給量を基にした予測差圧値を算出し、算出された予測差圧値と燃料切り換え開始時刻での計測差圧とから前記切り換えモードに亘る前記適正差圧を求め、前記切り換えモード中において前記計測された差圧が前記適正差圧になるように前記回転分級機の回転を増加制御する構成とする。

また、石炭とバイオマスからなる燃料を供給するフィーダと、前記燃料を回転テーブルと粉砕子との噛み込みによって粉砕する粉砕機と、前記回転テーブルの外周側のスロートから噴き上げる気流によって搬送された粉砕物を分級する回転フィンをもつ回転分級機と、前記粉砕機と前記回転分級機とを収容するハウジングと、を備えた竪型粉砕分級装置であって、前記フィーダには前記燃料の供給量を計測する燃料供給量計測手段を設け、前記回転分級機の回転を制御する回転分級機制御手段を設け、前記ハウジング内で、前記気流の流れる前記スロートの上流側、前記スロートの下流側、前記回転分級機の入口側、前記回転分級機の出口側、の内の少なくとも前記スロートの下流側と前記回転分級機の入口側とで圧力を計測し当該計測圧力の部位間の圧力差を計測する差圧計測手段を設け、前記差圧計測手段で計測された前記計測圧力の部位間の圧力差である差圧と、前記燃料供給量計測手段で計測された燃料供給量をもとに計算された適正差圧と、に基づいて、前記計測された差圧が前記適正差圧になるように前記回転分級機制御手段を通じて前記回転分級機の回転を増減制御する演算装置を設け、前記演算装置は、石炭の専焼からバイオマスの専焼に切り換える切り換えモードのときに、バイオマス専焼に達するときのバイオマスの燃料供給量を基にした予測差圧値を算出し、算出された予測差圧値から前記切り換えモードにおける目標制御差圧を設定し、燃料切り換え開始時刻での計測差圧と前記目標制御差圧とから前記切り換えモードに亘る前記適正差圧を求め、前記切り換えモード中において前記計測された差圧が前記適正差圧になるように前記回転分級機の回転を減少制御する構成とする。

本発明によれば、石炭専砕モードとバイオマス専砕モードにおけるモード間の移行のときに、ミルの改造又は部品取り替え無しに、計測したミル差圧が適正差圧になるように制御することによって、燃料の燃焼性を悪化させず、ミル運転に支障を及ぼすこと無く、速やかに両モード間の移行を実施することができる。

本発明の実施形態に係る竪型粉砕分級装置をもつボイラ装置の系統構成を示す図である。 本実施形態に係る竪型粉砕分級装置のミルの構成と内部の圧力測定位置を示す図である。 本実施形態に関する石炭専砕モードからバイオマス専砕モードへ移行する場合の竪型粉砕分級装置の運用に関わる状態量の時間変化を表す図である。 本実施形態に関するバイオマス専砕モードから石炭専砕モードへ移行する場合の竪型粉砕分級装置の運用に関わる状態量の時間変化を表す図である。 本実施形態において石炭からバイオマスへ切り換わる場合、ミル差圧制御はせずに一定のレートで分級機回転数を下げたときの竪型粉砕分級装置運用に関わる状態量の時間変化例を表す図である。 本実施形態においてバイオマスから石炭へ切り換える場合、ミル差圧が一定になるように分級機回転数を制御し、切り換え終了後に分級機回転数を石炭専焼時の分級機回転数へ低下させるときの竪型粉砕分級装置運用に関わる状態量の時間変化例を表す図である。 本実施形態において燃料切り換え時におけるミル差圧及び分級機回転数の制御態様を示す図である。 従来技術に関する竪型粉砕分級装置をもつボイラ装置の系統構成を示す図である。

本発明の実施形態に係る竪型粉砕分級装置をもつボイラ装置の系統構成について、図面を参照しながら以下説明する。本実施形態に関するボイラ装置の系統構成は、石炭焚ボイラにおいてバイオマス混焼を実施するに好適なミル（ミルローラ・ミルテーブルと回転分級機）及びバーナの構成を備えている。すなわち、本実施形態に関するバイオマス混焼の系統構成は、従来技術で用いられていた石炭・バイオマス混焼システムと別異のものではなく、従来システムの特徴であるバイオマスと石炭の共用システムにおいて、通常はバイオマス専用ミルとバイオマス専焼バーナであるが、ミル及びバーナの改造変更なしに、バイオマスから石炭へ又はその逆の自動切換えを効率よく支障なく可能とするシステムである。

まず、従来技術に関する石炭焚ボイラにおけるバイオマス混焼について、図８を参照しながら説明する。図８には、従来のバイオマス・石炭共用ミル及びバーナを使用した石炭焚きボイラにおけるバイオマス混焼システムを記載している。なお、図８に示すミル２４の台数とバーナ２５の台数は実機適用時の台数とは一致しておらず、概念的な機能として図示するものである。

上述した背景技術欄で記載したように、バイオマス用ミル２４は石炭用ミルをバイオマス用に改造したものであり、また、バイオマス用バーナ２５は、粗粒のバイオマスが安定燃焼できるように着火を強化したものである。さらに、バイオマスと石炭の属性等を考慮して、バイオマスを取り扱う系統構成は、その内部の酸素濃度を粉塵爆発しない爆発下限以下にして安全性を保つようにしている。

背景技術欄で述べた従来技術におけるミルとバーナをボイラ装置に適用した場合、バイオマスの発熱量が石炭より低いことと、バイオマスが石炭と比較して粉砕し難いこと等が要因で、ボイラへの入熱が不足するので、ボイラの１００％負荷を維持できなくなるおそれがあり、これを解消するために、別に設置したバイオマス粉砕燃焼システムを追加することが求められていた。また一方で、バイオマス・石炭共用による混焼システムを構築する理由として、省スペースや低コストであることが前提であったので、この前提を満足しさらに混焼率の更なる向上が求められていた。

次に、本発明の実施形態に係る竪型粉砕分級装置をもつボイラ装置の系統構成を用いてバイオマス・石炭の燃料自動切り換え時におけるミル状態量の変化について、図１〜図４を参照しながら以下詳細に説明する。

図１は本発明の実施形態に係る竪型粉砕分級装置をもつボイラ装置の系統構成を示す図であり、図２は本実施形態に係る竪型粉砕分級装置のミルの構成と内部の圧力測定位置を示す図である。また、図３は本実施形態に関する石炭専砕モードからバイオマス専砕モードへ移行する場合の竪型粉砕分級装置の運用に関わる状態量の時間変化を表す図であり、図４は本実施形態に関するバイオマス専砕モードから石炭専砕モードへ移行する場合の竪型粉砕分級装置の運用に関わる状態量の時間変化を表す図である。ここで、上記の状態量とは（図７に示す「項目」を参照）、詳しくは後述するが、燃料、質量流量、１次空気量、ミル差圧、分級機回転数を云う。

図面において、２１はバイオマス用サイロ、２２は運炭コンベア、２３はバンカ、２４はバイオマス用ミル、２５はバイオマス用バーナ、２６は蒸気発生装置、２７は脱硝装置、２８は空気予熱器、２９は電気集塵機、３０は誘引通風機、３１は脱硫装置、３２は煙突、３３は一次通風機、３４はダンパ、３５はガス再循環通風機、４０はロードセル、４１はフィーダ、４２は演算装置、４５は回転分級機モータ、４６は自動ボイラ制御装置、４７は自動プラント制御装置、をそれぞれ表す。

図１において、本実施形態における、バイオマス用サイロ２１、運炭コンベア２２及びバンカ２３からバイオマス・石炭共用ミル２４を経てバイオマス用バーナ２５への燃料経路と、一次通風機３３、空気予熱器２８及びガス再循環通風機３８の燃料搬送用空気経路と、を形成する基本的構成は、図８に示す従来技術のそれと共通している。

本実施形態に係る竪型粉砕分級装置では、ミルの外に、詳細は後述するが、フィーダ４１における燃料の供給量を計測する燃料供給量計測手段と、燃料搬送用空気（１次空気又は気流とも称する）の通るミル２４内部の複数点での圧力を計測してその差圧を求める差圧計測手段と、を設け、さらに、この求めた差圧を基にして回転分級機のモータ４５の回転数を制御する制御手段である自動ボイラ制御装置４６と、差圧計測手段からのミルハウジング内の差圧及びフィーダ４１における燃料供給量計測手段からの燃料供給量等を入力として、この入力に基づいて適正な差圧を演算し、計測差圧が適正差圧になるように自動ボイラ制御手段４６を通じて回転分級機の回転を増減させて制御する演算装置４２と、を備えている。

ここで、差圧計測手段が複数点の圧力を計測し且つその差圧を計算するとしているが、圧力計測と差圧計算とは別個に実施する手段をそれぞれ設けてもよい。図１では、差圧は演算装置４２で演算するように図示しているが、差圧計測手段が、ミルの各部位での圧力計測と、この圧力計測による差圧計算とを行って、その結果を演算装置４２に送給してもよい。

次に、本実施形態に係る竪型粉砕分級装置におけるミル（主として、ミルロール・ミルテーブルと回転分級機とから構成されるものであり、粉砕機とも称する）の構造とミル内部の圧力測定部位について、図２を参照しながら説明する。図２は本実施形態に係る竪型粉砕分級装置におけるミルの構成と内部の圧力測定位置を示す図であり、ミルの簡略構造、静圧測定点、差圧について説明している。ここで、図２は、実際の竪型ミルの構造を正確に反映したものではなく、ミルの構成要素と各々の機能を強調したものである。

図２において、石炭やバイオマスの燃料はミルの上部のフィーダ４１から定量供給され、回転テーブル（ミルテーブル）の上部表面でミルローラで粉砕された後、テーブルの回転によって半径方向外部へ搬送され、一次通風機３３とガス再循環通風機３８から送給されてきた１次空気の流れに同伴されて１次分級部を通過する。１次分級は重力分級なので粗粒は流れに同伴されず、再度テーブル面で粉砕される。

所定粒度まで粉砕された微粒粉は２次分級部へ搬送され、さらに細かい粒子のみが回転分級機を通過してバーナ２５へ気流搬送される。回転分級機は風力分級であり、粒子は気流による抗力と回転分級機の回転数による遠心力のバランスで分級点が決まる。当然、回転数が高ければ遠心力＞抗力になり、細かい粒子しか回転分級機を通過しなくなるので燃料の粒子径は細かくなる。

図２において、Ｐｓは図２に示すような各箇所の静圧でありΔＰは差圧を示す。ΔＰ１はテーブル前後の差圧であり、１次空気量の２乗に比例する。ΔＰ２はミル内部で循環する粒子群による層高さによるもので、粒子の循環量が多いと大きくなる。ΔＰ３は、回転分級機部における差圧であり、回転分級機回転数と正の相関があるが、ΔＰ１，ΔＰ２と比較すると低い数値になる。

本発明の実施形態において称するミル差圧とは、ΔＰ２又は（ΔＰ１＋ΔＰ２）又は（ΔＰ１＋ΔＰ２＋ΔＰ３）を表す。本来、ΔＰ２の方が物理現象と合致するが、ミル内部の流れ変動の影響を受けやすく繊細で変動も大きいため、情報処理の手段として、ΔＰ２に加えて、（ΔＰ１＋ΔＰ２）及び／又は（ΔＰ１＋ΔＰ２＋ΔＰ３）を選択することもある。

このように、石炭及びバイオマス粉砕時のミル差圧は、原料種（燃料種）、供給量、粒度、１次空気量の関数となるため、ミル差圧は関数Ｆ（原料種、供給量、粒度、１次空気量、他）で予測することが可能である。各々の原料（燃料）に対して ミル差圧が存在するが、燃料切り換え時には混合比率が分からないのでミル差圧許容値を想定し、この数値に対して安全をみた制限差圧を与えて、この制限差圧を制御目標として回転分級機の回転数を変化させるフィードバック制御が考えられる。

次に、本実施形態においてバイオマス・石炭の燃料自動切り換え時における動作について、以下のように説明する。本実施形態は従来のバイオマス専用ミル・専焼バーナ、そしてこれらを安全に運用するためボイラ排ガス再循環システムから構成され、ミルからバーナに至る系統の酸素濃度をバイオマスの爆発下限酸素濃度以下、又は石炭専焼時の状態量に相当するバイオマスの運用酸素濃度とするシステムを採用している。ここで、ミルとバーナ間の系統の酸素濃度を低下させることで安全性は保たれるが、一方でバーナでの安定着火が困難になるため、バーナについてはバーナ保炎器近傍の酸素濃度を向上して安定着火が可能な従来の公知技術を採用する。

本実施形態に係る竪型粉砕分級装置の概要は、図８に示す従来の基本的な構成要素を採用した上で、ミル内部のテーブル前後の静圧Ｐ０，Ｐ１と、回転分級機前後の静圧Ｐ２，Ｐ３とを監視して、燃料切り換え時には、ミル差圧のうち炭層差圧（図２に示すΔＰ２）、又は（スロート差圧（図２に示すΔＰ１）＋炭層差圧（図２に示すΔＰ２））に着目し（図２に示すΔＰ１＋ΔＰ２＋ΔＰ３も可）、これらが、燃料切り換え終了後の推定値になるように、燃料切り換え中に回転分級機の回転数を自動制御することを特徴とする制御システムである。または、燃料の切り換え開始時刻とその時の差圧、及び切り換え終了推定時刻とその時の差圧における差圧推定値を基に、切り換え中の時刻に対応する適正差圧になるように回転分級機の回転数を自動制御することを特徴とする制御システムである。そして、回転分級機の回転数の安定状況から燃料の切り換え終了信号（燃料切換が終了して時点で当該燃料による燃焼で必要とされる種々の動作制御において求められる制御信号として利用されるもの）を得るようにしたことを特徴とする制御システムである。

次に、本実施形態における燃料切り換え時に発生する事象と、バイオマス・石炭の燃料自動切換の制御システムを適用したとき状態量の変化と、について、図７を用いて説明する。図７は本実施形態において燃料切り換え時におけるミル差圧及び分級機回転数の制御態様を示す図である。
図７（１）は、石炭専砕からバイオマス専砕へ切り換わる場合の状態量を示しており、図３に示す諸事象に対応している。図７（１）において、ミル入力条件について、石炭専砕時の石炭供給量を１００とした場合、バイオマス専砕時においては７０になる。この理由は、熱量換算で石炭の５０％相当を粉砕燃焼することをベースに考えた。

バイオマスは木質ペレットを考えた場合、当該燃料は石炭のおおよそ７０％の熱量となることから、バイオマスの供給量は５０／０．７＝７０％となる。従って、フィーダも共有可能である。石炭からバイオマスへの切り換えに際して燃料供給質量流量は１００％から７０％まで低下することになる（フィーダの共有を考慮すると、バイオマスの供給質量流量は７０％とせざるを得ない）。ミル入力条件として、燃料搬送ガスである１次空気の流量も、燃料流量低下に応じて低下する。

従来技術において、スタート時の燃料切り換え信号（例えば、運炭コンベア２２にバイオマスを供給するための信号）を得た直後、実際には燃料の切り換えが開始していない状況が続き、一方でミルへの石炭供給量は低下し始めていることから、テーブル上部の炭層レベルが低くなりミル差圧（ΔＰ２）は低下し分級機回転数は切り換え前の状態のままとなっている（従来技術では分級機の回転数を制御していないので）。つまり、燃料切り換え中において、本実施形態において実施するミル差圧制御が無い場合には、石炭粉砕時の回転分級機の回転数が維持されることになる。燃料切り換え時においては、石炭とバイオマスが混合した状態でミルに供給されると推定されるので、バイオマスが回転している分級機を通過しないのでミル内に滞留し、ミル差圧は次第に増加する。そして、バイオマスへ完全に切り替わった際にはミル差圧が制限値（例えば、ミルトリップとなる値）を越えることになるとミルトリップとなってしまう。

これに対して、本実施形態では、ミル差圧を監視しこれによる分級機の回転数を制御して、ミル差圧の適正制御を組み込むことでミル差圧は安定する。バイオマス専砕の場合には回転分級機はほぼ停止とする。

繰り返すと、燃料切り換え時には、分級機回転数を０とすれば燃料切り換え時に石炭の粗粒がバーナへ供給されることになり、着火不安定となって、未燃分増加につながることから、本実施形態において、燃料切り換え中は分級機回転数を０にするのではなく、ミル差圧の制限値以下の値を差圧目標値として、分級機回転数を自動制御する。

そして、燃料が石炭からバイオマスへ完全に切り換われば、分級機回転数が一定になるのでその時点を真の燃料切り換え点として、差圧制御を終了する。その時点で回転分級機回転数が＞０であれば、回転分級機回転数を０に切り換えて、ミル差圧が安定するのを自動監視し、安定した時点で、完全に燃料が切り換わったと評価して、切り換え信号を出力する。ここで、切り換え信号は、燃料の完全切り換えに伴って、バイオマス燃焼に必要とされる諸々の動作態様を実施する上での制御信号として活用されるものである。

次に、本実施形態におけるバイオマス専砕から石炭専砕への切り換えについて、図７（２）を用いて説明する。図７（２）に示す諸態様は図４に示す図示内容に対応する。切り換え中における燃料流量と１次空気量は、石炭からバイオマスへの切り換え時の逆である。

初期状態で回転分級機は停止もしくは微動であり分級機能は無い。切り換え中において、石炭と１次空気を目標石炭時の条件へ向けて増加する。ミル差圧はミル内部のバイオマス粉砕粒子の滞留が減少するので低下する。しかしながら、石炭専砕時のミル差圧以下にする必要は無く、燃焼に必要な粒度を確保したまま、燃料切り換えを実施する必要がある。

従って、ミル差圧は、石炭専砕時のそれ以下になる必要性は無いので、石炭専砕時の差圧を維持するよう制御する。

次に、燃料切り換え時における竪型粉砕分級装置の運用に関わる状態量の時系列変化について、図３と図４を参照しながら説明する。図３は石炭からバイオマスへの切り換え過程を示し、図４はバイオマスから石炭への切り換え過程を示す。

まず、図４のバイオマス専砕から石炭専砕への切り換え状態について説明する。バイオマス専砕時の燃料供給量は石炭時の７０％なので切り換え時、次第に燃料の供給量を１００まで増加することになる。しかし、ミル差圧（ΔＰ２）はバイオマス専砕条件では非常に高い状態であることから（図３でバイオマス専砕の差圧ΔＰ２が高いことを参照）、切り換え開始直後には実際上燃料がバイオマスから石炭に切り換わっていないので、燃料流量を増加することができない。従って、ミル差圧が低下し始める点を、真の燃料切り換え時刻として、この時点から推定燃料切り換え終了時刻まで石炭の燃料供給量を増加する。

ミル差圧が仮に増加するようであれば、石炭の燃料供給量をホールドし、ミル差圧が石炭専砕時のそれに一致した時点で、その差圧を維持するように回転分級機の回転数を増加する。そして、回転分級機の回転数が安定した時点を燃料切り換え終了と判断して、燃料切り換え終了信号を出力する。

ここで、図４を用いて本実施形態に係る竪型粉砕分級装置の具体的構成について以下説明する。バイオマス専焼時と石炭専焼時における差圧は、フィーダ４１に設けられた燃料供給計測手段で計測されたそれぞれの燃料供給量を関数として予測可能なものであり、差圧予測値としてそれぞれ算出され得る。そして、それぞれ算出される差圧予測値をもつそれぞれの燃料の切り換え時においては、燃料が混合されていて混合燃料の差圧予測値を算出することは困難であるので、燃料の切り換え中（切り換えモード）における適正差圧は、石炭への切り換え予想終了時刻における予測可能な石炭専焼時における差圧と、バイオマスから石炭への燃料切り換え開始時刻での計測された差圧と、に基づいて演算する。

図４の例では、切り換えモードにおいて差圧が漸減するカーブをもつ適正差圧を演算しており、この適正差圧と切り換えモードにおいても計測される計測差圧とを比較して、計測差圧が適正差圧になるように回転分級機の回転を制御するのである。図４の例では、回転分級機の回転数は漸増するカーブとなるように制御される（実際の回転数は点線のようになる）。換言すると、図４に示すように、燃料切り換え中において、計測した差圧ΔＰ２と、燃料供給量とを基にして演算された適正差圧と、を求め、差圧ΔＰ２が適正差圧になるように分級機の回転数を漸増するように制御する。

次に、石炭からバイオマスへの燃料切り換えに関する制御プロセスについて図３を用いて説明する。バイオマスの燃料の供給については、燃料の切り換え開始信号と燃料バンカレベルと燃料供給信号とにより、予想燃料切り換え終了時刻を演算推定する。そして、当該時刻に向けて燃料供給量を低下する。燃料搬送用空気も燃料流量に対応して減少する。回転分級機の回転数は切り換え直後は維持する。

そして、ミル差圧が増加し始めた時点を真の燃料切り換え開始時刻として、この時点から、ミルの許容差圧を目標差圧とする差圧適正制御を開始する。回転分級機の回転数を差圧適正制御になるように変化させる。分級機回転数は減少して安定した点が真の燃料切り換え終了点である。この時点ではミル差圧は、バイオマス専砕時の差圧レベルより高いので、ミル差圧制御を終了した後、分級機回転数を０とする。この操作に対応して、ミル差圧は、バイオマス専砕時の定常差圧に収束する。そして、ミル差圧が安定した点を燃料切り換え終了時刻として信号出力する。

図４に示す例では、真の燃料切り換え開始時刻での燃料の差圧と、燃料切り換え予想終了時刻におけるバイオマス専焼時の目標許容差圧と、に基づいて適正差圧を演算し、この適正差圧と切り換え中における計測された計測差圧とを比較して、計測差圧が適正差圧になるように回転分級機の回転を制御するのである。

次に、燃料切り換え時における制御システムの他の構成例を採用することによる竪型粉砕分級装置の運用に関わる状態量の時系列変化について、図５と図６を参照しながら以下説明する。図５は本実施形態において石炭からバイオマスへ切り換わる場合、ミル差圧制御はせずに一定のレートで分級機回転数を下げたときの竪型粉砕分級装置運用に関わる状態量の時間変化例を表す図であり、図６は本実施形態においてバイオマスから石炭へ切り換える場合、ミル差圧が一定になるように分級機回転数を制御し、切り換え終了後に分級機回転数を石炭専焼時の分級機回転数へ低下させるときの竪型粉砕分級装置運用に関わる状態量の時間変化例を表す図である。

図５は、図３と同様に石炭からバイオマスへの燃料切り換え時の状態量を示している。図３と異なるのは燃料切り換え時に、ミル差圧を適正制御するのではなく、分級機回転数を一定のレートで下げ、目標差圧を越えるようであれば、分級機回転数をさらに下げる制御をする。この制御方式は、ミル差圧適正制御方式よりも制御性で安定しているが、分級機による燃料粒度の調整面では、図３に示すミル差圧適正制御方式より劣る。図５において、差圧ΔＰ２で示す点線のカーブは、実際上で予想される特性を表している（分級機回転数を一定のレートで低下制御させたときの実際に予想される差圧の特性を表す）。

図６は、バイオから石炭への切り換えの際、切り換え終了まで、ミル差圧を一定制御する場合を示す。この制御方式は図４の制御方式と比較して石炭の燃料粒度では優れるが、切り換え時間がかかる。

以上述べたように、本実施形態に係る竪型粉砕分級装置の概要は、基本的に切り換え後の燃料（石炭又はバイオマス）の供給量と粒度などから、ミル差圧を予測して、切り換え終了後にはその所定差圧に相当する分級機回転数になるように制御するものである。

燃料切り換え時において発生する一般的な事象について説明すると、バイオマス専砕状態から石炭専砕へ切り換わる場合、バイオマス専用粉砕時のミル条件のままでミル条件を変えずに石炭が投入された場合、バイオマス粉砕時では、ミル内部からバーナへ速やかにバイオマス微粉が排出されるように回転分級機の機能を無くしている（分級機の回転数を０）ので、石炭では、粗粒がバーナへ流れて燃焼性が悪化する。

一方、逆に、石炭専砕条件からバイオマス専砕条件へ移行した場合、回転分級機による分級機能を残したままバイオマスを粉砕することになるため、粉砕されにくいバイオマスの粗粒子がミル内部で循環することになり（分級機が回転しているため軽量であるボイオマスは分級機を通過しないため）、ミル差圧とミル動力が増加しミルトリップを引き起こすことになる。

そこで、切り換え時においてはミル運転に支障（ミルトリップ）がないように制御することが重要であり、バイオマスと石炭が混合した場合、バンカからのそれぞれの燃料の排出状態を正確に予測するのが困難であることから、ミルの運転状態量を監視し、運転状態量のうちミル差圧を適正とする制御として、最も効果的である回転分級機の回転数を変えて、搬送ガスのミル内部における差圧を適正とすることが、本実施形態の特徴である。具体的には、ミル差圧の内で、搬送ガスがミル内部に噴出供給される場合のスロート差圧ΔＰ１とミル内部の燃料粒子の流動に関わる差圧（ΔＰ２）を加えたミル差圧、又はミル内部の燃料粒子の流動に関わる差圧に着目してこの差圧を適正にしようとするものである。

以上説明したいずれの制御方式についてもミル差圧制御という点では共通しているが、長短があるので運用性を確認した上で制御方式を選択できる方式とする。もしくは、あらかじめ、シミュレーションか大型の試験設備でバイオマス別の特性を把握した後に制御方式を選択するようにしてもよい。

さらに、バイオマス種によっては、著しく粉砕特性が異なるものが存在するので、燃料供給量を２段階に切り分けて、燃料を切り換える方式への対応も可能とする。つまり、発熱量によって異なるが、おおよそ石炭１００に対してバイオマスは７０の質量流量比で投入熱量が石炭の１／２となる。これは、ミルの性能からの制限なので、将来変わる可能性もあるがこの条件を基準として考える。

石炭１００からバイオマス７０へ切替える場合、石炭を１００から７０へ低下したあと、同じ質量流量を維持して燃料を切り換える。切り換え操作は図３と図５に準ずる。また、バイオマス７０から石炭１００へ切替える場合は、一旦石炭７０で切り換えた後に、石炭１００へ質量流量を増加する。

このような２段階切り替えに関しては、図に示していないが、変化因子を少なくすれば、安定化につながるので当然の考え方であり、バイオマス種及び石炭の特性に応じて、１段階での直接切り替えの可能性もあり、制御システムの適用において双方が可能である。

２１ バイオマス用サイロ
２２ 運炭コンベア
２３ バンカ
２４ バイオマス用ミル
２５ バイオマス用バーナ
２６ 蒸気発生装置
２７ 脱硝装置
２８ 空気予熱器
２９ 電気集塵機
３０ 誘引通風機
３１ 脱硫装置
３２ 煙突
３３ 一次通風機
３４ ダンパ
３５ ガス再循環通風機
４０ ロードセル
４１ フィーダ
４２ 演算装置
４５ 回転分級機モータ
４６ 自動ボイラ制御装置
４７ 自動プラント制御装置

Claims (5)

1. 石炭とバイオマスからなる燃料を供給するフィーダと、
   前記燃料を回転テーブルと粉砕子との噛み込みによって粉砕する粉砕機と、
   前記回転テーブルの外周側のスロートから噴き上げる気流によって搬送された粉砕物を分級する回転フィンをもつ回転分級機と、
   前記粉砕機と前記回転分級機とを収容するハウジングと、を備えた竪型粉砕分級装置であって、
   前記フィーダには前記燃料の供給量を計測する燃料供給量計測手段を設け、
   前記回転分級機の回転を制御する回転分級機制御手段を設け、
   前記ハウジング内で、前記気流の流れる前記スロートの上流側、前記スロートの下流側、前記回転分級機の入口側、前記回転分級機の出口側、の内の少なくとも前記スロートの下流側と前記回転分級機の入口側とで圧力を計測し当該計測圧力の部位間の圧力差を計測する差圧計測手段を設け、
   前記差圧計測手段で計測された前記計測圧力の部位間の圧力差である差圧と、前記燃料供給量計測手段で計測された燃料供給量をもとに計算された適正差圧と、に基づいて、前記計測された差圧が前記適正差圧になるように前記回転分級機制御手段を通じて前記回転分級機の回転を増減制御する演算装置を設け、
   前記演算装置は、バイオマスの専焼から石炭の専焼に切り換える切り換えモードのときに、石炭専焼に達するときの石炭の燃料供給量を基にした予測差圧値を算出し、算出された予測差圧値と燃料切り換え開始時刻での計測差圧とから前記切り換えモードに亘る前記適正差圧を求め、前記切り換えモード中において前記計測された差圧が前記適正差圧になるように前記回転分級機の回転を増加制御する
   ことを特徴とする竪型粉砕分級装置。
2. 石炭とバイオマスからなる燃料を供給するフィーダと、
   前記燃料を回転テーブルと粉砕子との噛み込みによって粉砕する粉砕機と、
   前記回転テーブルの外周側のスロートから噴き上げる気流によって搬送された粉砕物を分級する回転フィンをもつ回転分級機と、
   前記粉砕機と前記回転分級機とを収容するハウジングと、を備えた竪型粉砕分級装置であって、
   前記フィーダには前記燃料の供給量を計測する燃料供給量計測手段を設け、
   前記回転分級機の回転を制御する回転分級機制御手段を設け、
   前記ハウジング内で、前記気流の流れる前記スロートの上流側、前記スロートの下流側、前記回転分級機の入口側、前記回転分級機の出口側、の内の少なくとも前記スロートの下流側と前記回転分級機の入口側とで圧力を計測し当該計測圧力の部位間の圧力差を計測する差圧計測手段を設け、
   前記差圧計測手段で計測された前記計測圧力の部位間の圧力差である差圧と、前記燃料供給量計測手段で計測された燃料供給量をもとに計算された適正差圧と、に基づいて、前記計測された差圧が前記適正差圧になるように前記回転分級機制御手段を通じて前記回転分級機の回転を増減制御する演算装置を設け、
   前記演算装置は、石炭の専焼からバイオマスの専焼に切り換える切り換えモードのときに、バイオマス専焼に達するときのバイオマスの燃料供給量を基にした予測差圧値を算出し、算出された予測差圧値から前記切り換えモードにおける目標制御差圧を設定し、燃料切り換え開始時刻での計測差圧と前記目標制御差圧とから前記切り換えモードに亘る前記適正差圧を求め、前記切り換えモード中において前記計測された差圧が前記適正差圧になるように前記回転分級機の回転を減少制御する
   ことを特徴とする竪型粉砕分級装置。
3. 請求項１又は２において、
   前記演算装置は、前記計測された差圧が安定し且つ前記回転分級機の回転数が安定した一定値となった時点を以て燃料切り換え終了信号を出力する
   ことを特徴とする竪型粉砕分級装置。
4. 請求項１において、
   前記演算装置は、前記適正差圧になるように前記回転分級機の回転を増減制御する代わりに、前記切り換えモードの開始時刻から終了時刻までに亘る差圧一定値を求め、前記切り換えモード中において前記計測された差圧が前記差圧一定値になるように前記回転分級機の回転を増加制御する
   ことを特徴とする竪型粉砕分級装置。
5. 請求項２において、
   前記演算装置は、前記適正差圧になるように前記回転分級機の回転を増減制御する代わりに、前記回転分級機の回転数を一定レートで低下させ、前記計測された差圧が前記目標制御差圧を超えるときには前記回転分級機の回転数をさらに低下させる制御をする
   ことを特徴とする竪型粉砕分級装置。