JP6816361B2 - 微粉炭焚きボイラ設備 - Google Patents

Description

本発明は、例えば石炭の微粉炭を燃焼させるボイラ設備、特に、木質バイオマスと微粉炭の混焼を行うボイラ設備に関するものである。

石炭（微粉炭）を燃料とするボイラ設備においては、石炭をバーナで燃焼させるのに適した粒度にするために、石炭サイロに貯留した石炭を給炭機により微粉炭機に供給して所望の粒度以下に粉砕する。微粉炭機で粉砕された石炭は、一次通風機により微粉炭機に供給される燃焼空気に随伴して微粉炭機から排出される。そしてこの微粉炭はバーナに供給され、ボイラ設備の火炉内に供給されて燃焼される。

ところで近年、温暖化ガス排出削減の観点から、間伐材や廃木材から得られた木質ペレットや木くずといった、いわゆる木質バイオマスをボイラ設備で燃焼させることで、化石燃料の消費量低減を図る技術の開発が進められている。

この木質バイオマスをボイラ設備の燃料として用いるにあたっては、微粉炭機で石炭と共に粉砕してボイラ設備で燃焼させるのが最も効率的である。また通常、微粉炭機の設備容量には１０％〜２０％程度の余裕があるため、微粉炭機に木質バイオマスを追加で投入しても設備容量的には特に支障はない。

しかしながら、木質バイオマスは石炭と異なり圧縮性があり、また石炭と比重も異なるため、石炭粉砕用の微粉炭機では所望の粒度（燃焼に適した粒度）に粉砕しにくいという問題がある。かかる場合、所望の粒度に粉砕されなかった木質バイオマスは、一次通風機からの燃焼空気により微粉炭機から排出されず、微粉炭機内に残留してしまう。その結果、微粉炭機の運転が継続できなくなり、ボイラ設備の負荷を低下させる必要が生じる恐れがある。

そこで特許文献１では、木質バイオマスを燃焼に適した粒度に粉砕すると共に効率よく燃焼させるために、石炭粉砕用の微粉炭機とは別に木質バイオマス粉砕用の粉砕手段及び木質バイオマスを燃焼させるバーナを設けることが提案されている。また、特許文献１には、木質バイオマスを加熱してから粉砕手段で粉砕し、粉砕後の粒度が基準値を満たしていない場合、再度粉砕手段で粉砕することも提案されている。

また、特許文献２にも、バイオマス専焼バーナを設けたバイオマス混焼ボイラが開示されている。さらに、特許文献３には、竹を含む木質バイオマスを効率的に利用するための加工方法が開示され、特許文献４には、リグニン分解能を有する白色腐朽菌を用いた木質バイオマスの前処理方法が開示されている。

特開２０１４−３７８９７号公報 特開２０１３−１３３９４４号公報 特開２０１２−２１９１３０号公報 特開２００８−６３７２号公報

しかしながら、上記各特許文献のように木質バイオマスの粉砕及び燃焼のために専用の装置を設けるには多大なコストが掛かる。また、木質バイオマスは石炭と比較して燃料としての発熱量が非常に低く、エネルギー効率が悪い。そのため、木質バイオマス専用の設備を稼働させることはエネルギー効率の観点からもメリットが大きいとは言えない。

したがって、現状のボイラ設備における木質バイオマスの燃料としての利用は、微粉炭機の内部に残留したとしても微粉炭機の運転継続に支障が無い程度、具体的には２〜３ｍａｓｓ％程度を微粉炭機に供給して、微粉炭と共にバーナで混焼する程度に留まっている。そのため、ボイラ設備における木質バイオマスの効率的な燃焼方法の開発が求められている。

本発明はかかる点に鑑みてなされたものであり、微粉炭焚きボイラ設備において、木質バイオマスを効率的に燃焼させることを目的としている。

前記の目的を達成するための本発明は、石炭の微粉炭をバーナで燃焼させる微粉炭焚きのボイラ設備であって、前記石炭を粉砕して微粉炭を生成する微粉炭機と、前記微粉炭機に石炭を供給する石炭供給装置と、前記微粉炭機に規定値以下の粒度の木質バイオマスを供給する木質バイオマス供給装置と、前記微粉炭機で生成された微粉炭と、前記微粉炭機に供給された木質バイオマスを、混合した状態で前記バーナに導入する燃料供給管と、を有することを特徴としている。

本発明者らが鋭意検討した結果、木質バイオマスは主にセルロースと呼ばれる繊維質により構成されており、このセルロースが石炭粉砕用の微粉炭機において木質バイオマスの粉砕が困難となる原因の一つであるとの知見を得た。そして本発明者らはこの知見に基づいて、石炭粉砕用の微粉炭機で木質バイオマスを効率的に粉砕する方法について鋭意検討し、微粉炭機に供給する木質バイオマスの粒度を規定値以下とする、即ち、木質バイオマスのセルロースを所定の寸法以下に寸断しておけば、木質バイオマスが微粉炭機内で粉砕されやすくなり、木質バイオマスが残留することを防止できるとの着想を得た。本発明はこの着想に基づくものであり、本発明によれば、微粉炭機に規定値以下の粒度の木質バイオマスを供給する木質バイオマス供給装置を有しているので、微粉炭機に木質バイオマスを供給しても微粉炭機の運転継続が困難となることがない。したがって、微粉炭機に供給する木質バイオマスの量を従来よりも増加させることができる。その結果、木質バイオマス専用の燃焼設備等を設けることなく、微粉炭焚きボイラ設備において効率的に木質バイオマスを燃焼させることができる。

前記微粉炭焚きボイラ装置において、前記木質バイオマス供給装置が、さらに乾燥機能を有してもよい。また、前記微粉炭機に供給される木質バイオマスの粒度の規定値は、ふるいのメッシュ数で４メッシュ以上であってもよい。なお、粒度がふるいのメッシュ数で４メッシュであるとは、ふるいの目開きが概ね４．７６ｍｍのふるいを通過する程度の粒度をいう。

本発明によれば、微粉炭焚きボイラ設備において、木質バイオマスを効率的に燃焼させることができ、混焼率を増やすことができる。

本実施の形態にかかる微粉炭焚きボイラ設備の構成の概略を示す系統図である。

以下、本発明の実施の形態について説明する。図１は本実施の形態にかかるボイラ設備１の構成の概略を示す説明図である。なお、本実施の形態におけるボイラ設備１は、石炭を粉砕した微粉炭を燃料とする微粉炭焚きボイラである。

ボイラ設備１は、石炭を燃焼させる火炉２と、火炉２に燃料としての石炭及び木質バイオマスを供給する燃料供給系統３と、火炉２に石炭燃焼用の燃焼空気を供給すると共に、火炉２から石炭燃焼後の排ガスを排出する通風系統４と、を有している。

燃料供給系統３には、石炭を粉砕して微粉炭を生成する複数の微粉炭機１０と、微粉炭機１０に供給する石炭を一時的に貯留する石炭バンカ１１と、石炭バンカ１１から微粉炭機１０に所定量の石炭を供給する石炭供給装置としての給炭機１２と、例えば運炭船などから石炭を受け入れて貯蔵する受入ホッパ１３と、受入ホッパ１３内の石炭を各石炭バンカ１１に搬送する搬送コンベヤ１４が設けられている。なお図１では、２台の微粉炭機１０が設けられ、各微粉炭機１０に対して石炭バンカ１１と給炭機１２がそれぞれ設けられているが、微粉炭機１０などの設置数は本実施の形態に限定されるものではなく、任意に設定できる。

各微粉炭機１０には、火炉２に設けられたバーナ１５に微粉炭を供給する燃料供給管１６が接続されている。図１に示すように、バーナ１５は微粉炭機１０と同数設けられており、燃料供給管１６はバーナ１５と微粉炭機１０を一対一で接続している。

また、燃料供給系統３には、木質バイオマスを切削して規定値以下の粒度で木質バイオマスを供給する木質バイオマス供給装置２０と、木質バイオマス供給装置２０から供給された木質バイオマスを一旦貯留すると共に、搬送コンベヤ１４に木質バイオマスを払い出す木質バイオマスホッパ２１が設けられている。木質バイオマスホッパ２１から払い出された木質バイオマスは、搬送コンベヤ１４を介して石炭バンカ１１に搬送される。したがって、石炭バンカ１１内には石炭と木質バイオマス供給装置２０で所定の粒度に切削された木質バイオマスが混在した状態となり、微粉炭機１０には石炭と木質バイオマスとが供給される。

なお、本実施の形態において、木質バイオマス供給装置２０から供給される木質バイオマスの粒径は概ね５ｍｍ以下である。木質バイオマス供給装置２０から供給される木質バイオマスの粒径の設定根拠については後述する。また、木質バイオマス供給装置２０としては、例えば間伐材や廃木材を回転するカッターにより規定値以下の粒径に切断するカッターミルなどを用いることができる。

また、図１においては、受入ホッパ１３と木質バイオマスホッパ２１に共通して搬送コンベヤ１４が設けられているが、受入ホッパ１３及び木質バイオマスホッパ２１から石炭バンカ１１に対してどのような経路で石炭及び木質バイオマスを搬送するかについては本実施の形態の内容に限定されるものではない。例えば木質バイオマスホッパ２１を設けずに、木質バイオマス供給装置２０から直接搬送コンベヤ１４に切削した木質バイオマスを払い出してもよいし、受入ホッパ１３及び木質バイオマスホッパ２１に対してそれぞれ搬送コンベヤ１４を設け、受入ホッパ１３及び木質バイオマスホッパ２１から石炭バンカ１１に対して別個に搬送するようにしてもよい。

さらに、本実施形態では、図１に示すように、木質バイオマス供給装置２０に乾燥機能３８が設けられている。これにより木質バイオマスの水分を３０ｍａｓｓ％以下に乾燥させ、さらに所定の粒度以下とすることにより、微粉炭機１０内への木質バイオマスの滞留を抑制することができる。乾燥機能３８としては、ボイラからの排熱による乾燥、タービン抽気による乾燥、新規乾燥設備による乾燥などがあるが、タービン抽気による乾燥は、既存設備の大幅な改造および燃料の追加投入を実施せずに済むため、経済性の観点で好ましい。

通風系統４は、火炉２に空気ダクト３０を介して燃焼用空気を供給する押込通風機３１と、一次空気管３２を介して微粉炭機１０に一次空気を供給する一次空気通風機３３と、排ガスダクト３４を介して火炉２から排出される排ガスと燃焼空気及び一次空気との間で熱交換を行う空気予熱器３５と、排ガス中に含まれる窒素酸化物を除去する脱硝装置３６と、排ガスに含まれるフライアッシュを捕集する電気集塵機３７と、を有している。電気集塵機３７によりフライアッシュが除去された排ガスは、誘引通風機（図示せず）により脱硫設備（図示せず）に送り込まれて排ガス中に含まれる硫黄酸化物が除去され、その後煙突（図示せず）から大気中放出される。

一次空気管３２は各微粉炭機１０の底部に接続されている。微粉炭機１０に供給された一次空気は、微粉炭機１０の上部に接続された燃料供給管１６からバーナ１５に供給される。

本実施の形態にかかるボイラ設備１は以上のように構成されている。次に、このボイラ設備１の運用について説明する。なお、本実施の形態では、石炭バンカ１１には予め木質バイオマス供給装置２０から供給された木質バイオマスが混在している場合を例に説明する。

ボイラ設備１の運転にあたっては、先ず通風系統４の押込通風機３１及び図示しない誘引通風機を起動させると共に、例えば図示しない燃料ポンプ等からボイラ設備１起動用の軽油などの燃料をバーナ１５に供給してボイラ設備１を所定の負荷まで上昇させる。次いで、ボイラ設備１が所定の負荷に到達して排ガス温度が所定の値以上になると、一次空気通風機３３を起動して微粉炭機１０の暖気運転を行う。

微粉炭機１０の暖気運転が完了すると、次いで給炭機１２により石炭バンカ１１から微粉炭機１０に対して所定量の石炭が供給される。この際、石炭バンカ１１には予め木質バイオマス供給装置２０から供給された木質バイオマスが混在しており、微粉炭機１０には石炭と共に木質バイオマスも供給される。

給炭機１２及び微粉炭機１０の運転により石炭バンカ１１内に貯留する石炭及び木質バイオマスのレベルが低下すると、木質バイオマスホッパ２１及び受入ホッパから随時木質バイオマス、石炭が搬送コンベヤ１４に払い出されて石炭バンカ１１内に補給される。

石炭バンカ１１から微粉炭機１０に供給された石炭は、当該微粉炭機１０内で所定の粒度に粉砕されて、微粉炭機１０に供給された一次空気と共に、微粉炭機１０の上部に接続された燃料供給管１６からバーナ１５に供給される。またこの際、微粉炭機１０に供給される木質バイオマスは、木質バイオマス供給装置２０で規定値以下の粒度、本実施の形態では概ね５ｍｍ以下の粒径に切削されているので、微粉炭と同様に微粉炭機１０により粉砕され、一次空気に随伴して微粉炭機１０から排出され、バーナ１５を介して火炉２内で燃焼される。

木質バイオマスの水分が３０ｍａｓｓ％以下の場合は、木質バイオマスの粒度を規定値以下として微粉炭機１０に供給することにより、微粉炭機１０の粉砕能力を低下させることなく、安定的に火炉２へ燃料を供給することができる。ところが、木質バイオマスの水分が３０ｍａｓｓ％を超える場合は、木質バイオマスの粒度を規定値以下として微粉炭機１０に供給しても、木質バイオマスが粉砕されず微粉炭機１０内に滞留する場合があり、微粉炭機１０の運転継続が困難になることがある。水分が３０ｍａｓｓ％を超える木質バイオマスを用いる場合は、図１に示すように木質バイオマス供給装置２０に乾燥機能３８を設け、水分を３０ｍａｓｓ％以下まで乾燥することが好ましく、２０ｍａｓｓ％以下とすることがさらに好ましい。乾燥機能３８の具体的な構成としては、例えば図１に示すように、木質バイオマス供給装置２０の内部に配管を張り巡らせ、タービン抽気を流すことで伝熱による乾燥を促すものでもよい。水分が３０ｍａｓｓ％超、４５ｍａｓｓ％未満の木質バイオマスの場合は、自然乾燥でも木質バイオマスの水分を３０ｍａｓｓ％以下にできるが、時間がかかるため、乾燥機能３８を用いることが好ましい。さらに、水分が４５ｍａｓｓ％以上の木質バイオマスの場合は、自然乾燥で木質バイオマスの水分を３０ｍａｓｓ％以下にするのは困難であるため、本実施形態のように乾燥機能３８を用いて乾燥させることが好ましい。このように、木質バイオマスの水分が３０ｍａｓｓ％以下となるように乾燥させることにより、微粉炭機１０内への木質バイオマスの滞留を抑制する事ができ、運転継続が可能となる。なお、水分が３０ｍａｓｓ％以下の木質バイオマスを用いる場合は、木質バイオマス供給装置２０に乾燥機能３８を設けない、もしくは乾燥機能３８を稼働させなくてもよい。

また、品質を担保するため、水分の測定は、４時間に１回の乾燥前と乾燥後の木質バイオマスの水分測定に加え、木材の種類、形状が変更される場合に乾燥前と乾燥後の木質バイオマスの水分測定を実施するのが好ましい。

ここで、木質バイオマス供給装置２０から供給される木質バイオマスの粒径、即ち粒度の規定値の設定根拠について説明する。本発明者によれば、粒径が概ね５ｍｍを超える木質バイオマスは微粉炭機１０で粉砕されにくいため、微粉炭機１０に供給されてから燃料供給管１６により排出されるまでの時間（滞留時間）が石炭に比べて非常に長くなることが確認されている。そのため、粒径が概ね５ｍｍを超える木質バイオマスの微粉炭機１０への供給量を増加させた場合、具体的には、概ね３ｍａｓｓ％よりも多い木質バイオマスを供給した場合、微粉炭機１０の内部に滞留する木質バイオマスが徐々に増加してしまう。その結果、微粉炭機１０内の差圧が徐々に上昇し、最終的に微粉炭機１０の運転が継続できなくなってしまう。そこで、本実施の形態のように、予め木質バイオマス供給装置２０で５ｍｍ以下の粒径に切削しておくことで、木質バイオマスが微粉炭機１０で粉砕されやすくなる。即ち、木質バイオマスを５ｍｍ以下の粒径で微粉炭機１０に供給することで、微粉炭機１０内での滞留時間を短くして微粉炭機１０の差圧が上昇することを防止できる。したがって、微粉炭機１０への木質バイオマスの供給量を、必要に応じて例えば８〜１０ｍａｓｓ％程度まで増やすことができる。かかる場合、増加させた木質バイオマスの発熱量の総量に相当する量の石炭を減少させることで、ボイラ設備１の負荷を一定に維持することができる。なお、木質バイオマス供給装置２０で切削後の木質バイオマスの形状は均一ではなく、一辺が長い（細長い）直方体形状になりやすいが、本発明者らによれば、例えば標準ふるいのメッシュ数で４メッシュ（ふるいの目開きで４．７６ｍｍ）のふるいを通過する程度の粒度を有する木質バイオマスは、その粒径（長径）が概ね５ｍｍ以下であり、微粉炭機１０に供給しても問題ないことが確認されている。したがって、微粉炭機に供給される木質バイオマスは、標準ふるいのメッシュ数で４メッシュ以上（ふるいの目開きで４．６７ｍｍ以下）の粒度を有していればよい。標準ふるいのメッシュ数の上限は特に規定しないが、あらかじめ切削する工程の負荷が増大するため制限される。

バーナ１５で燃焼された微粉炭及び木質バイオマスの燃焼灰は、排ガスダクト３４を通って電気集塵機３７に導入される。電気集塵機３７では、燃焼灰が捕集されると共に、排ガスは下流の誘引通風機（図示せず）などを介して煙突から排出される。

以上の実施の形態によれば、木質バイオマス供給装置２０により木質バイオマスを規定値以下の粒度に切削し、当該切削した木質バイオマスを微粉炭機１０に供給するため、微粉炭機１０に木質バイオマスを供給しても微粉炭機１０の運転が継続できる。さらに、木質バイオマス供給装置２０に乾燥機能３８を設けることにより、木質バイオマスの水分が３０ｍａｓｓ％超、特に４５ｍａｓｓ％以上の場合は、木質バイオマスを水分が３０ｍａｓｓ％以下となるように乾燥させるとともに、規定値以下の粒度に切削し、当該乾燥、切削した木質バイオマスを微粉炭機１０に供給するため、微粉炭機１０の継続運転ができる。したがって、従来は２〜３ｍａｓｓ％が限界であった木質バイオマスの混焼率を、必要に応じて例えば８〜１０ｍａｓｓ％程度まで増やすことができる。その結果、木質バイオマス専用の燃焼設備等を設けることなく、微粉炭焚きボイラ設備１において効率的に木質バイオマスを燃焼させることができる。

また、供給した木質バイオマスの発熱量の総量に相当する量の石炭を減少させることで、ボイラ設備１の負荷を一定に維持しつつ、木質バイオマスよりも高価な石炭の消費量を低減することができる。したがって、ボイラ設備１のランニングコストを低減することができる。

なお、以上の実施の形態では、木質バイオマス供給装置２０としては、例えば間伐材や廃木材を回転するカッターにより規定値以下の粒径に切断するカッターミルを用いたが、木質バイオマス供給装置２０としては、木質バイオマスを規定値以下の粒径に切断、粉砕して供給することができるものであれば、任意に選定が可能である。例えば、粒径が十数ｍｍ程度の木質チップを規定値以下の粒径（約５ｍｍ）に粉砕するシュレッダーなどを用いてもよい。

以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施の形態について説明したが、本発明はかかる例に限定されない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された思想の範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。

本発明は、微粉炭焚きボイラ設備で木質バイオマスを燃焼させる際に有用である。

１ ボイラ設備
２ 火炉
３ 燃料供給系統
４ 通風系統
１０ 微粉炭機
１１ 石炭バンカ
１２ 給炭機
１３ 受入ホッパ
１４ 搬送コンベヤ
１５ バーナ
１６ 燃料供給管
２０ 木質バイオマス供給装置
２１ 木質バイオマスホッパ
３０ 空気ダクト
３１ 押込通風機
３２ 一次空気管
３３ 一次空気通風機
３４ 排ガスダクト
３５ 空気予熱器
３６ 脱硝装置
３７ 電気集塵機
３８ 乾燥機能

Claims (1)

1. 石炭の微粉炭をバーナで燃焼させる微粉炭焚きのボイラ設備であって、
   微粉炭機に石炭を供給する石炭供給装置と、
   微粉炭機に対し、規定値以下の粒度を有し、かつ、水分量が３０質量％以下となるまで乾燥された木質バイオマスを供給する、粉砕機能および乾燥機能を有した木質バイオマス供給装置と、
   供給された前記石炭を粉砕して微粉炭を生成するとともに、供給された前記木質バイオマスを粉砕する微粉炭機と、
   前記微粉炭機で生成された微粉炭と、前記微粉炭機に供給されて粉砕された前記木質バイオマスを、混合した状態で燃焼空気を用いて搬送することで前記バーナに導入する燃料供給管と、
   を有し、
   前記微粉炭機に供給される木質バイオマスの粒度の規定値は、ふるいのメッシュ数で４メッシュ以上であり、
   前記微粉炭機に供給される前記木質バイオマスの供給量を、前記微粉炭機に供給される前記石炭および前記木質バイオマスの合計質量に対して、８〜１０質量％とする、微粉炭焚きボイラ設備。
   

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