JP6229822B1

JP6229822B1 - 石炭火力発電設備におけるボイラの運用方法

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Publication number: JP6229822B1
Application number: JP2017535717A
Authority: JP
Inventors: 英嗣清永; 健治引野; 啓一郎盛田
Original assignee: Chugoku Electric Power Co Inc
Current assignee: Chugoku Electric Power Co Inc
Priority date: 2017-02-17
Filing date: 2017-02-17
Publication date: 2017-11-15
Anticipated expiration: 2037-02-17
Also published as: WO2018150542A1; JPWO2018150542A1

Abstract

クリンカの増大を抑制できる石炭火力発電設備におけるボイラの運用方法を提供すること。石炭火力発電設備１０におけるボイラ４０の運用方法は、アルカリ金属及びアルカリ土類金属の含有量が第１の範囲にある第１の石炭を燃焼させる第１燃焼工程ＳＴ１１と、アルカリ金属及びアルカリ土類金属の含有量が第１の範囲よりも高い含有量の範囲である第２の範囲にある第２の石炭を燃焼させる第２燃焼工程ＳＴ１２と、を含む。第１燃焼工程と、第２燃焼工程とは、交互に２回以上繰り返して行うことが好ましい。

Description

本発明は、ボイラを備える石炭火力発電設備におけるボイラの運用方法に関する。

石炭火力発電設備において石炭を燃焼させる方法としては種々の方式があるが、なかでも、石炭を微粉砕した粒子を炉内に吹き込んで燃焼させる、いわゆる微粉炭燃焼が主に採用されている。そして、燃焼後の残渣となる石炭灰は、資源の有効利用の観点から、コンクリートや土壌改良材等の土木建築材料として一部が使用されているが、余剰分については埋め立て処分されている。

ところで、燃料となる石炭は炭素以外にも、ホウ素、フッ素、セレン、ヒ素、六価クロム等の所定の元素（以下、単に「所定元素」ともいう）を微量ながら含んでいる。石炭灰からの所定元素の溶出について、環境への配慮から、その許容濃度が法律で規定されている。しかしながら、日本に輸出される石炭種は、年間１００炭種以上あり、それらのすべてが、上記の規制値を満足するわけではない。このため、石炭灰に含まれている所定元素の溶出濃度を規制値以下に低減するための技術が検討されている。

そこで、石炭の燃焼時に火炉に添加される所定元素の溶出抑制剤（微量物質溶出抑制剤）が提案されている（例えば、特許文献１）。引用文献１に記載の技術によれば、石灰石等の所定元素の溶出抑制剤により石炭のカルシウム含有量が増加し、所定元素の溶出が抑制される。

特開２００９−２７６００１号公報

しかしながら、石炭のカルシウム含有量が増加することにより、石炭灰の灰融点は低下する。灰融点の低下により、ボイラ内でスラッギング・ファウリングが進行しやすくなり、クリンカが増大してしまうという問題がある。カルシウム以外のアルカリ金属及びアルカリ土類金属（例えば、マグネシウム）の含有量を増加させた場合にも同様の問題がある。

本発明は、クリンカの増大を抑制できる石炭火力発電設備におけるボイラの運用方法を提供することを目的とする。

本発明は、アルカリ金属及びアルカリ土類金属の含有量が第１の範囲にある第１の石炭を燃焼させる第１燃焼工程と、アルカリ金属及びアルカリ土類金属の含有量が前記第１の範囲よりも高い含有量の範囲である第２の範囲にある第２の石炭を燃焼させる第２燃焼工程と、を含む石炭火力発電設備におけるボイラの運用方法に関する。

また、前記第１燃焼工程と、前記第２燃焼工程とを、交互に２回以上繰り返して行うことが好ましい。

また、前記第２の石炭におけるアルカリ金属及びアルカリ土類金属の含有量と、前記第１の石炭におけるアルカリ金属及びアルカリ土類金属の含有量との差は、０．５％以上であることが好ましい。

また、前記第２の石炭におけるカルシウムの含有量と、前記第１の石炭におけるカルシウムの含有量との差は、０．１％以上であることが好ましい。

また、前記第２燃焼工程の時間を、前記第１燃焼工程の時間よりも長く行い、前記第１燃焼工程を１２時間以上行うことが好ましい。

本発明によれば、クリンカの増大を抑制できる石炭火力発電設備におけるボイラの運用方法を提供することができる。

本発明の一実施形態に係る石炭火力発電設備１０を示す概略構成図である。本発明の一実施形態に係るボイラ４０の運用方法の一例を示すフローチャートである。本発明の第１実施形態におけるボイラ４０の内部の模式図である。本発明の第２実施形態におけるボイラ４０の内部の模式図である。

以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら説明する。
［第１実施形態］
図１は、本発明の一実施形態に係る石炭火力発電設備１０を示す概略構成図である。石炭火力発電設備１０は、図１に示すように、石炭バンカ２０と、給炭機２５と、微粉炭機３０と、ボイラ４０と、ボイラ４０の下流側に設けられた排気通路５０と、この排気通路５０に設けられた脱硝装置６０、空気予熱器７０、電気集塵装置９０、熱回収用ガスヒータ８０、誘引通風機２１０、脱硫装置２２０、再加熱用ガスヒータ２３０、脱硫通風機２４０、及び煙突２５０と、を備える。

石炭バンカ２０は、石炭サイロ（図示しない）から運炭設備によって供給された第１の石炭と、第２の石炭とを含む石炭を貯蔵する。給炭機２５は、石炭バンカ２０から供給された石炭を所定の供給スピードで微粉炭機３０に供給する。第１の石炭は、例えば、アルカリ金属及びアルカリ土類金属の含有量が少ない瀝青炭である。第２の石炭は、例えば、アルカリ金属及びアルカリ土類金属の含有量が多い亜瀝青炭である。

なお、本明細書において、「第１の石炭、第２の石炭」には、瀝青炭や亜瀝青炭等の単味の石炭だけでなく、石炭と石灰石等の微量物質溶出抑制剤とが混合された状態のものも含まれる。また、本明細書において、「アルカリ金属及びアルカリ土類金属」は、周期表の第１族元素の一部と、第２族元素全体をいい、具体的には、ナトリウム、カリウム、ベリリウム、マグネシウム、カルシウム、ストロンチウム、バリウム、及びラジウムをいう。

また、本明細書において、「アルカリ金属及びアルカリ土類金属の含有量」とは石炭の質量に対する、アルカリ金属及びアルカリ土類金属の酸化物換算での質量の割合をいう。例えば、カルシウムの含有量とは、石炭の質量に対する、石炭中のカルシウムを酸化カルシウムに換算した場合の質量の割合をいう。

微粉炭機３０は、給炭機２５から供給された石炭を粉砕して微粉炭を製造する。微粉炭機３０として、ローラミル、チューブミル、ボールミル、ビータミル、インペラーミル等が用いられる。

ボイラ４０は、微粉炭機３０から供給された微粉炭となった石炭を、強制的に供給された空気と共に燃焼する。また、ボイラ４０には、押込通風機７５から燃焼用空気が送り込まれる。微粉炭を燃焼することによりクリンカアッシュ及びフライアッシュ等の石炭灰が生成されると共に、排ガスが発生する。本実施形態においては、ボイラ４０は、微粉炭となった第１の石炭と、第２の石炭とを含む石炭を、空気と共に燃焼する。
石炭火力発電設備１０におけるボイラ４０の運用方法及び第１実施形態におけるボイラ４０の内部の状態については後述する。

排気通路５０は、ボイラ４０の下流側に配置され、ボイラ４０で発生した排ガス及び生成された石炭灰（ボイラ４０から排出された石炭灰）を流通させる。この排気通路５０には、上述のように、脱硝装置６０、空気予熱器７０、熱回収用ガスヒータ８０、電気集塵装置９０、誘引通風機２１０、脱硫装置２２０と、再加熱用ガスヒータ２３０、脱硫通風機２４０、及び煙突２５０がこの順で配置される。

脱硝装置６０は、排ガス中の窒素酸化物を除去する。本実施形態においては、脱硝装置６０は、比較的高温（３００℃〜４００℃）の排ガス中に還元剤としてアンモニアガスを注入し、脱硝触媒との作用により排ガス中の窒素酸化物を無害な窒素と水蒸気に分解する、いわゆる乾式アンモニア接触還元法により排ガス中の窒素酸化物を除去する。

空気予熱器７０は、排気通路５０における脱硝装置６０の下流側に配置される。空気予熱器７０は、脱硝装置６０を通過した排ガスと燃焼用空気とを熱交換させ、排ガスを冷却すると共に、燃焼用空気を加熱する。加熱された燃焼用空気は、押込通風機７５によりボイラ４０に供給される。

熱回収用ガスヒータ８０は、排気通路５０における空気予熱器７０の下流側に配置される。熱回収用ガスヒータ８０には、空気予熱器７０において熱回収された排ガスが供給される。熱回収用ガスヒータ８０は、排ガスから更に熱回収する。

電気集塵装置９０は、排気通路５０における熱回収用ガスヒータ８０の下流側に配置される。電気集塵装置９０には、熱回収用ガスヒータ８０において熱回収された排ガスが供給される。電気集塵装置９０は、電極に電圧を印加することによって排ガス中の石炭灰（フライアッシュ）を収集（捕捉）する装置である。電気集塵装置９０において収集（捕捉）されるフライアッシュは、フライアッシュ回収装置１２０に回収される。

誘引通風機２１０は、排気通路５０における電気集塵装置９０の下流側に配置される。誘引通風機２１０は、電気集塵装置９０においてフライアッシュが除去された排ガスを、一次側から取り込んで二次側に送り出す。

脱硫装置２２０は、排気通路５０における誘引通風機２１０の下流側に配置される。脱硫装置２２０には、誘引通風機２１０から送り出された排ガスが供給される。脱硫装置２２０は、排ガスに石灰石と水との混合液を吹き付けることにより、排ガスに含有されている硫黄酸化物を混合液に吸収させて脱硫石膏スラリーを生成させ、この脱硫石膏スラリーを脱水処理することで脱硫石膏を生成する。脱硫装置２２０において生成された脱硫石膏は、この装置に接続された脱硫石膏回収装置２２２に回収される。

再加熱用ガスヒータ２３０は、排気通路５０における脱硫装置２２０の下流側に配置される。再加熱用ガスヒータ２３０には、脱硫装置２２０において硫黄酸化物が除去された排ガスが供給される。再加熱用ガスヒータ２３０は、排ガスを加熱する。熱回収用ガスヒータ８０及び再加熱用ガスヒータ２３０は、排気通路５０における、空気予熱器７０と電気集塵装置９０との間を流通する排ガスと、脱硫装置２２０と脱硫通風機２４０との間を流通する排ガスと、の間で熱交換を行うガスヒータとして構成してもよい。

脱硫通風機２４０は、排気通路５０における再加熱用ガスヒータ２３０の下流側に配置される。脱硫通風機２４０は、再加熱用ガスヒータ２３０において加熱された排ガスを一次側から取り込んで二次側に送り出す。

煙突２５０は、排気通路５０における脱硫通風機２４０の下流側に配置される。煙突２５０には、再加熱用ガスヒータ２３０で加熱された排ガスが導入される。煙突２５０は、排ガスを排出する。

次に、石炭火力発電設備１０におけるボイラ４０の運用方法について、図２を用いて説明する。図２は、本発明の一実施形態に係るボイラの運用方法の一例を示すフローチャートである。

本実施形態においては、石炭火力発電設備１０におけるボイラ４０の運用方法は、図２に示すように、第１燃焼工程としてのステップＳＴ１１と、第２燃焼工程としてのステップＳＴ１２と、を含む。

ステップＳＴ１１は、カルシウム（ＣａＯ）やマグネシウム（ＭｇＯ）等のアルカリ金属及びアルカリ土類金属の酸化物を合わせたアルカリ金属及びアルカリ土類金属の含有量（質量比）が第１の範囲にある第１の石炭を燃焼させる工程である。ステップＳＴ１２は、アルカリ金属及びアルカリ土類金属の含有量が第１の範囲よりも高い含有量の範囲である第２の範囲にある第２の石炭を燃焼させる工程である。

本実施形態においては、第１の範囲は、２％〜６％の範囲である。また、第２の範囲は、２．５％〜５０％の範囲である。また、第２の石炭は、第１の石炭よりもアルカリ金属及びアルカリ土類金属の含有量が多く、本実施形態においては０．５％以上多い。

アルカリ金属及びアルカリ土類金属の含有量がこのような範囲となり、アルカリ金属及びアルカリ土類金属の含有量に０．５％以上の差が生じると、第１の石炭と第２の石炭との灰融点の差が大きくなる。なお、アルカリ金属及びアルカリ土類金属の含有量がこのような範囲となるように、第１の石炭及び第２の石炭が選定、又は混合される。

また、カルシウムの含有量に関して言えば、第１の石炭のカルシウムの含有量が０．１％〜０．５％の範囲である。また、第２の石炭のカルシウムの含有量が０．２％〜４０％の範囲である。また、第２の石炭は、第１の石炭よりもカルシウムの含有量が多く、本実施形態においては０．１％以上多い。

カルシウムの含有量がこのような範囲となり、カルシウムの含有量に０．１％以上の差が生じると、第１の石炭と第２の石炭との灰融点の差が大きくなる。なお、カルシウムの含有量がこのような範囲となるように、第１の石炭及び第２の石炭が選定、又は混合されてもよい。

一般に、シリカ（ＳｉＯ_２）を主成分とする石炭灰の灰融点は、１５００℃程度であり、石炭中のアルカリ金属及びアルカリ土類金属の含有量が多くなるほど灰融点は低くなる。本実施形態においては、第１の石炭灰の灰融点は、１５００℃程度である。これに対して、第２の石炭灰の灰融点は、１３００℃程度である。このように、第２の石炭灰は、第１の石炭灰よりも灰融点が２００℃程度低い。

また、本実施形態においては、ステップＳＴ１２の時間を、ステップＳＴ１１の時間よりも長く行う。具体的には、ステップＳＴ１１を１２時間以上行い、ステップＳＴ１２をステップＳＴ１１の時間よりも長い時間行う。石炭の燃焼に伴って、ボイラ４０の内部で石炭灰が生じる。

クリンカ４４（図３を参照）は、石炭灰がボイラ４０の内部の壁面に付着し、付着した石炭灰が残存することにより形成される。本実施形態においては、ステップＳＴ１１により、灰融点が高い石炭灰がボイラ４０の内部の壁面に付着し、この石炭灰が残存することでクリンカが形成される。また、ステップＳＴ１２により、灰融点が低い石炭灰がボイラ４０の内部の壁面に付着し、この石炭灰が残存することでクリンカが形成される。

このようなボイラ４０の運用方法が行われたボイラ４０の内部の状態について図３を用いて説明する。図３は、第１実施形態におけるボイラ４０の内部の状態を示す模式図である。

図３に示すように、ボイラ４０の内部においてボイラ４０の対向する壁面に、石炭を燃焼させる複数のバーナ４１（バーナ４１ａ、バーナ４１ｂ）が上下方向に複数段配置される。この複数のバーナ４１は、各燃焼工程（ステップＳＴ１１、ステップＳＴ１２）において、微粉炭となった石炭を燃焼させる。すると、ボイラ４０の内面には、ボイラ４０に対して下向きに厚みｈのクリンカ４４（クリンカ層）が形成される。詳細には、ステップＳＴ１１に伴い、灰融点が高い石炭灰に起因する厚みｈ１の第１クリンカ層４４ａがボイラ４０の内面に形成される。また、ステップＳＴ１２に伴い、第１クリンカ層４４ａ上に（図３において下向きに）、灰融点が低い石炭灰に起因する厚みｈ２の第２クリンカ層４４ｂがボイラ４０の内面に形成される。
灰融点が低い石炭灰に起因する第２クリンカ層４４ｂの成長速度は、第１クリンカ層４４ａの成長速度よりも早く、しかも本実施形態においては、ステップＳＴ１２を、ステップＳＴ１１よりも長い時間行うため、第２クリンカ層４４ｂの層の厚みｈ２は、第１クリンカ層４４ａの層の厚みｈ１よりも厚く（ｈ２≧ｈ１）なる。

なお、ボイラ４０の内部で形成されたクリンカ４４が、ボイラ４０の内部で破壊（例えば、自然落下）せずに増大することにより、ボイラ４０の内部を閉塞する場合がある。また、増大したクリンカ４４が、ボイラ４０の内部で破壊（例えば、自然落下）することにより、ボイラ４０を損傷する場合がある。
第１クリンカ層４４ａは、嵩密度が低いため脆く壊れやすいが、軽いため、単層ではボイラ４０の内部で破壊（例えば、自然落下）しにくい。また、第２クリンカ層４４ｂは、嵩密度が高い（重い）が、緻密で固く壊れにくいため、ボイラ４０の内部で破壊（例えば、自然落下）しにくい。このように、単層のクリンカ４４が形成され、ボイラ４０の内部で破壊せずに増大することが問題となる。

ここで、以上の第１実施形態によれば、石炭火力発電設備１０におけるボイラ４０の運用方法は、アルカリ金属及びアルカリ土類金属の含有量が第１の範囲にある第１の石炭を燃焼させるステップＳＴ１１と、アルカリ金属及びアルカリ土類金属の含有量が第１の範囲よりも高い含有量の範囲である第２の範囲にある第２の石炭を燃焼させるステップＳＴ１２と、を含む。
クリンカ４４は、脆く壊れやすい（嵩密度が低い）第１クリンカ層４４ａと、重い（嵩密度が高い）第２クリンカ層４４ｂを含んで形成される。そのため、第２クリンカ層４４ｂ単層のクリンカ４４は固く壊れにくいのに対し、脆く壊れやすい第１クリンカ層４４ａを含むクリンカ４４の強度は、第１クリンカ層４４ａの厚みｈ１に応じて低下する。また、第１クリンカ層４４ａ単層のクリンカ４４は軽いため破壊（例えば、自然落下）しにくいのに対し、重い（嵩密度が高い）第２クリンカ層４４ｂを含むクリンカ４４の嵩密度は、第２クリンカ層４４ｂの厚みｈ２に応じて増加する。そのため、第１クリンカ層４４ａと、第２クリンカ層４４ｂとを含んで形成されたクリンカ４４は、第１クリンカ層４４ａ単層又は第２クリンカ層４４ｂ単層のクリンカよりも、大きく増大することなく破壊（例えば、自然落下）すると考えられる。これにより、クリンカの増大を抑制できる。
また、これにより、ホウ素、フッ素、セレン、ヒ素、六価クロム等の微量物質の溶出を抑制することもできる。

また、ステップＳＴ１１が燃焼工程の初めに行われることにより、脆く壊れやすい第１クリンカ層４４ａがボイラ４０の内部の一層目に形成される。そのため、クリンカ４４が破壊（例えば、自然落下）する場合、クリンカ４４は、一層目の第１クリンカ層４４ａを起点として破壊（例えば、自然落下）する。これにより、クリンカ４４をボイラ４０に残存させずに、クリンカの増大を効率よく抑制できる。

また、第２の石炭におけるアルカリ金属及びアルカリ土類金属の含有量と、第１の石炭におけるアルカリ金属及びアルカリ土類金属の含有量との差は、０．５％以上である。そのため、それぞれの灰融点の差を大きく（例えば、２００℃以上）できる。灰融点に差が生じることにより、第１クリンカ層４４ａと第２クリンカ層４４ｂとの成長速度及び嵩密度に大きな差が生じる。これにより、クリンカの増大を効果的に抑制できる。
また、これにより、微量物質の溶出をより効果的に抑制することもできる。

また、第２の石炭におけるカルシウムの含有量と、第１の石炭におけるカルシウムの含有量との差は、０．１％以上である。そのため、それぞれの灰融点の差を大きく（例えば、２００℃以上）できる。灰融点に差が生じることにより、第１クリンカ層４４ａと第２クリンカ層４４ｂとの成長速度及び嵩密度に大きな差が生じる。特にカルシウムの含有量は灰融点に大きく影響する。これにより、クリンカの増大を効果的に抑制できる。
また、これにより、微量物質の溶出をより効果的に抑制することもできる。

また、石炭火力発電設備１０におけるボイラ４０の運用方法は、ステップＳＴ１２の時間を、ステップＳＴ１１の時間よりも長く行い、ステップＳＴ１１を１２時間以上行う。これにより、破壊の起点となるために十分な厚みｈ１の第１クリンカ層４４ａと、クリンカ４４の全体の重量を重くするために十分な厚みｈ２の第２クリンカ層４４ｂと、を形成できる。これにより、クリンカの増大を更に効果的に抑制できる。

［第２実施形態］
次に、第２実施形態の石炭火力発電設備１０について説明する。第２実施形態については、第１実施形態と異なる点について説明し、第１実施形態と同様な構成については同じ符号を付し、詳しい説明を省略する。第２実施形態において特に説明しない点は、第１実施形態についての説明が適用される。

第２実施形態の石炭火力発電設備１０におけるボイラ４０の運用方法は、図２に示す第１燃焼工程としてのステップＳＴ１１と、第２燃焼工程としてのステップＳＴ１２と、を交互に繰り返して２回以上（例えば３回）行う。

第２実施形態における石炭火力発電設備１０のボイラ４０の内部について、図４を用いて説明する。図４は、本発明の第２実施形態におけるボイラ４０の内部の模式図である。
図４に示すように、ボイラ４０の内面には、ボイラ４０に対して下向きに厚みＨのクリンカ４４が形成される。厚みＨ１の第１クリンカ層４４ａが形成され、第１クリンカ層４４ａ上に（図４においては下向きに）、厚みＨ２の第２クリンカ層４４ｂが形成される。また、第１クリンカ層４４ａと、第２クリンカ層４４ｂとが２層以上ずつ（例えば３層）交互に形成される。

以上、説明したように構成された第２実施形態によれば、石炭火力発電設備１０におけるボイラ４０の運用方法は、ステップＳＴ１１と、ステップＳＴ１２とを交互に２回以上繰り返して行う。
そのため、脆く壊れやすい２層以上（例えば３層）の第１クリンカ層４４ａのいずれか１つの第１クリンカ層４４ａに破壊をきたす要因が生じた場合（例えば、自重に耐えられなくなった場合）であっても、クリンカ４４は、破壊（例えば、自然落下）する。第１クリンカ層４４ａと、第２クリンカ層４４ｂとが２層以上ずつ（例えば３層）交互に形成されたクリンカ４４は、第１クリンカ層４４ａ単層又は第２クリンカ層４４ｂ単層のクリンカよりも、大きく増大することなく破壊（例えば、自然落下）すると考えられる。これにより、クリンカの増大を抑制できる。

なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できる範囲での変形、改良等は本発明に含まれる。

例えば、図３及び図４に示すように、ステップＳＴ１１はバーナ４１ａで行われ、ステップ１２はバーナ４１ｂで行われるといったように、２つの燃焼工程は異なるバーナで行われてもよい。

１０石炭火力発電設備
４０ボイラ
ＳＴ１１ステップ（第１燃焼工程）
ＳＴ１２ステップ（第２燃焼工程）

Claims

アルカリ金属及びアルカリ土類金属の含有量が第１の範囲にある第１の石炭を燃焼させる第１燃焼工程と、
アルカリ金属及びアルカリ土類金属の含有量が前記第１の範囲よりも高い含有量の範囲である第２の範囲にある第２の石炭を燃焼させる第２燃焼工程と、
を含み、
前記第１燃焼工程と、前記第２燃焼工程とを、交互に２回以上繰り返して行い、
前記第２の石炭におけるアルカリ金属及びアルカリ土類金属の含有量と、前記第１の石炭におけるアルカリ金属及びアルカリ土類金属の含有量との差は、０．５％以上である石炭火力発電設備におけるボイラの運用方法。
アルカリ金属及びアルカリ土類金属の含有量が第１の範囲にある第１の石炭を燃焼させる第１燃焼工程と、
アルカリ金属及びアルカリ土類金属の含有量が前記第１の範囲よりも高い含有量の範囲である第２の範囲にある第２の石炭を燃焼させる第２燃焼工程と、
を含み、
前記第１燃焼工程と、前記第２燃焼工程とを、交互に２回以上繰り返して行い、
前記第２の石炭におけるカルシウムの含有量と、前記第１の石炭におけるカルシウムの含有量との差は、０．１％以上である石炭火力発電設備におけるボイラの運用方法。
前記第２燃焼工程の時間を、前記第１燃焼工程の時間よりも長く行い、
前記第１燃焼工程を１２時間以上行う請求項１又は２に記載の石炭火力発電設備におけるボイラの運用方法。