JP7251978B2

JP7251978B2 - 流動床炉

Info

Publication number: JP7251978B2
Application number: JP2018247383A
Authority: JP
Inventors: 実五十嵐; 祐司小川; 敬哲清水; 貞行武藤; 元清瀧; 雄介飯田
Original assignee: Kawasaki Jukogyo KK
Current assignee: Kawasaki Motors Ltd
Priority date: 2018-12-28
Filing date: 2018-12-28
Publication date: 2023-04-04
Anticipated expiration: 2038-12-28
Also published as: BR112021012320A2; JP2020106244A; CN113227652A; WO2020138484A1

Description

本発明は、アルカリ金属を含む燃料を燃焼させる流動床炉に関する。

近年、バイオマスは、有力な再生可能エネルギーの一つとして考えられている。例えば、バイオマス発電では、バイオマス燃料を燃やして出る水蒸気やガスを使って、タービンを回すことで発電する。バイオマス燃料を燃やすために、例えば、流動床炉が用いられる。流動床炉は、吹き上がる加圧空気によって高温の流動媒体を流動させた流動層を備え、流動層の中で供給された燃料を燃焼するものである。上記の流動媒体として、一般的に、珪砂が用いられる。珪砂とは、主に石英粒からなる砂である。

バイオマスの中でも、従来は廃棄されていたパーム椰子空果房（ＥＦＢ：Empty Fruit Bunches）の利用が注目されている。ＥＦＢは、含水量が約６０質量％で、発熱量が約４０００ｋｃａｌ/ｋｇの有効な燃料であるが、乾燥ベースで約２質量％のカリウム（Ｋ）を含む。流動媒体が珪砂である流動床炉において、カリウムやナトリウム（Ｎａ）などのアルカリ金属成分を含有する燃料を用いた場合には、アルカリ金属成分と珪砂粒子（即ち、石英粒子）との間の化学反応により、アルカリ金属の珪酸塩が形成される。この珪酸塩は、炉内温度（約８００～９００℃）よりも低い７００℃程度で溶融する低融点化合物であり、珪砂粒子表面に粘着層を形成する。この粘着層を介して珪砂粒子同士が固着して、珪砂の凝集や塊化が生じる。このように流動媒体が塊化すると、流動層の良好な流動が妨げられ、燃料の安定した燃焼が困難となる。このような課題に対し、特許文献１～３では、流動床炉において流動媒体の凝集を防止する技術が提案されている。

特許文献１では、酸化マグネシウムを３０質量％程度含む製錬スラグを流動媒体として利用し、流動層に投入された燃料中のアルカリ金属成分と製錬スラグとを反応させて、製錬スラグの表面に高融点のコーティングを形成させながら燃料を燃焼させることが開示されている。

また、特許文献２では、泥炭、褐炭及び亜瀝青炭のようにナトリウム分が多い炭素質燃料をガス化する流動層ガス化炉において、流動媒体として生石灰を用い、Ｈ_２、ＣＯ_２及びＨ_２Ｏを含むガス化剤で流動媒体を流動させることが開示されている。

また、特許文献３では、泥炭、褐炭及び亜瀝青炭のようにナトリウム分が多い炭素質燃料をガス化する流動層ガス化炉において、流動媒体として酸化アルミニウムを用い、Ｈ_２、ＣＯ_２及びＨ_２Ｏを含むガス化剤で流動媒体を流動させることが開示されている。

特許第５５３６０６３号公報特開２０１７－０８８８３１号公報特開２０１７－０７１６９２号公報

特許文献１に記載された技術は、流動媒体を構成する粒子の表面に、炉内温度よりも融点の高い化合物を付着させることにより、粒子の凝集や塊化を抑制している。また、特許文献２，３に記載された技術は、流動媒体の粒子とナトリウムとの反応によって炉内温度よりも融点の低いソーダガラスの生成を抑制している。

流動媒体として酸化アルミニウムを採用すると、酸化アルミニウムは珪砂と比較して高価であり、費用が嵩む。また、流動媒体として生石灰を採用すると、生石灰は水分と反応しやすいことから、バイオマス燃料のように水分の多い燃料を燃やす場合には適さない。

本発明は以上の事情に鑑みてされたものであり、その目的は、アルカリ金属を含む燃料を燃焼させる流動床炉において、比較的安価且つ入手容易な流動媒体を用いて、流動媒体の塊化を抑制することにある。

本発明の一態様に係る流動床炉は、流動媒体を流動させて供給された燃料を燃焼する流動層を備え、前記燃料は、アルカリ金属を含有し、前記流動媒体は、ガーネット又はクロマイトであることを特徴とするものである。

上記構成の流動床炉では、流動媒体の石英の含有量が１４質量％以下であるので、流動媒体中の石英と燃料中のアルカリ金属成分とが反応して粒子表面に粘着層が形成されても、流動媒体の凝集や塊化が生じない又は生じても僅かであり、流動層は良好な流動を維持することができる。そして、上記に例示されるように、石英の含有量が１４質量％以下の流動媒体には、比較的安価で且つ容易に入手可能なものがある。

本発明によれば、アルカリ金属を含む燃料を燃焼させる流動床炉において、比較的安価且つ入手容易な流動媒体を用いて、流動媒体の塊化を抑制することができる。

図１は、本発明の一実施形態に係る流動床炉の概略構成図である。図２は、流動加熱試験装置の概略構成図である。

次に、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。図１は本発明の一実施形態に係る流動床炉１の概略構成図である。図１に例示される流動床炉１は、内部循環流動層式の流動床炉１である。但し、本発明において流動床炉１に制約はなく、内部循環流動層式の他に、一般的な、気泡流動層式、高速流動層式、及び、外部循環流動層式などの公知の各種形式の流動床炉に本発明を適用できる。

流動床炉１は、燃焼容器１０を備える。流動床炉１には、燃焼容器１０の下部を３種のセル６１，６２，６３に仕切る仕切壁４１，４２と、各セル６１，６２，６３に充填された流動媒体４と、各セル６１，６２，６３に流動媒体４を流動させる流動化ガス１１０を供給する流動化ガス供給装置７とによって、内部循環流動層２が形成されている。

燃焼容器１０内下部は、中央に位置する「燃焼セル６１」、燃焼セル６１の外側に位置する「循環セル６２」、及び、循環セル６２の外側に位置する「収熱セル６３」の３種類のセルに仕切られている。

第１仕切壁４１は、燃焼セル６１と循環セル６２との間を仕切る。第１仕切壁４１の下端と燃焼容器１０の底とは離間しており、燃焼セル６１から第１仕切壁４１の下を通過して循環セル６２への流動媒体４の移動が許容される。第２仕切壁４２は、循環セル６２と収熱セル６３との間を仕切る。第２仕切壁４２の下端と燃焼容器１０の底とは離間しており、収熱セル６３から第１仕切壁４１及び第２仕切壁４２の下を通過して燃焼セル６１への流動媒体４の移動が許容される。第２仕切壁４２の上端は、燃焼容器１０に収容された流動媒体４の表面レベル又はその近傍にあり、循環セル６２から第２仕切壁４２を飛び越えて収熱セル６３への流動媒体４の移動が許容される。

燃焼セル６１の上方には、燃料投入口１１が設けられている。燃料投入口１１へは、図示されない燃料供給装置により定量的に燃料３が供給される。燃料投入口１１から炉内へ投入された燃料３は、燃焼セル６１に落下する。また、燃料投入口１１の近傍には、二次燃焼ガス１２０を吹き込む二次燃焼ガス供給口１２が設けられている。更に、二次燃焼ガス供給口１２よりも上方には、三次燃焼ガス１３０を吹き込む三次燃焼ガス供給口１３が設けられている。

収熱セル６３には、過熱器や蒸発器などの伝熱管６４が設けられている。この伝熱管６４を通過する熱媒体により熱回収が行われる。

流動化ガス供給装置７は、燃焼セル６１、循環セル６２、及び収熱セル６３の各々に独立して流量が調整された流動化ガス１１０を供給する。燃焼容器１０の底部は、多数の気孔が設けられた分散板で構成されている。燃焼容器１０の下方には、気孔を通じて燃焼容器１０の内部と連通された風箱７１，７２，７３が設けられている。風箱７１，７２，７３は、各セル６１，６２，６３に対応して設けられている。各風箱７１，７２，７３には、図示されない押込みファンから高温の流動化ガス１１０が圧送される。各風箱７１，７２，７３へ供給される流動化ガス１１０の流量は、図示されない弁又はダンパによって調整されてよい。

流動化ガス供給装置７では、各セル６１，６２，６３の流動化ガス１１０の空塔速度が流動媒体４に循環流動を生じさせる所定の相関関係となるように、各風箱７１，７２，７３へ供給される流動化ガス１１０の流量が調整される。ここで、「所定の相関関係」とは、各セル６１，６２，６３の流動化ガス１１０の空塔速度が流動媒体４の流動化速度よりも大きいことを前提として、循環セル６２の流動化ガス１１０の空塔速度が燃焼セル６１の流動化ガス１１０の空塔速度よりも大きく、且つ、燃焼セル６１の流動化ガス１１０の空塔速度が収熱セル６３の流動化ガス１１０の空塔速度よりも大きい、各セル６１，６２，６３の流動化ガス１１０の空塔速度の関係を意味する。これにより、燃焼セル６１の流動媒体４は第１仕切壁４１の下方を通って循環セル６２へ移動し、循環セル６２の流動媒体４は第２仕切壁４２の上方を通って収熱セル６３へ移動し、収熱セル６３の流動媒体４は第１仕切壁４１及び第２仕切壁４２の下方を通って燃焼セル６１へ循環する。

上記構成の流動床炉１では、流動層２において低空気比燃焼が行われる。酸素濃度の低い還元雰囲気の流動層２では、燃料３の緩慢な乾燥と熱分解によって、可燃性熱分解ガスと熱分解残渣が生じる。熱分解残渣や燃料３の燃え残りは、燃焼セル６１の底部に設けられた流動媒体４及び不燃物の抜出口１５から炉外へ排出される。循環セル６２及び収熱セル６３を吹き抜けた流動化ガス１１０、並びに、循環セル６２及び収熱セル６３で生じた熱分解ガスは、二次燃焼ガス１２０として、二次燃焼ガス供給口１２から吹き出す。燃焼セル６１で生じた熱分解ガスは二次燃焼ガス１２０で燃焼し、その燃焼ガス中の未燃分は、三次燃焼ガス１３０で完全燃焼し、その燃焼排ガスが炉外へ排出される。

上記の流動床炉１では、燃料３として、カリウムやナトリウムなどのアルカリ金属を含有するバイオマス燃料や低品位炭が用いられてよい。そのために、流動媒体４は、粒子状鉱物及び／又は粒子状スラグからなり、石英の含有量が１４質量％以下である。

上記の鉱物は、ガーネット（ざくろ石）、イルメナイト（ＦｅＴｉＯ_３）、かんらん石（（Ｍｇ，Ｆｅ）_２ＳｉＯ_４）、及び、クロマイト（（Ｆｅ，Ｍｇ）Ｃｒ_２Ｏ_４）よりなる群から選択される少なくとも１種の鉱物であってよい。これらの鉱物は、含有する石英が珪砂と比較して十分に少ない。ガーネットは、一般式Ａ_３Ｂ_２（ＳｉＯ_４）_３、又は、Ａ_３Ｂ_２Ｃ_３Ｏ_１２と表される。主成分は、Ａとしてカルシウム，マグネシウム，鉄（II），マンガンなど、Ｂとして鉄（III），アルミニウム，クロム，チタンなど、Ｃとしてケイ素，アルミニウム，鉄（III）などが入る。

また、上記のスラグは、フェロニッケルスラグ、及び、銅スラグよりなる群から選択される少なくとも１種のスラグであってよい。これらのスラグは、含有する石英が珪砂と比較して十分に少ない。フェロニッケルスラグは、ステンレス鋼などの原料となるフェロニッケルを製錬する際に発生する残留物である。フェロニッケルスラグは、ＳｉＯ_２（シリカ）とＭｇＯを主な成分とする。銅スラグは、銅を製錬する際に発生する残留物である。銅スラグは、ＦｅＯ，ＳｉＯ_２，ＣａＯ，Ａｌ_２Ｏ_３を主な成分とする。

流動媒体４の石英の含有量は、Ｘ線回折法で測定され得る。流動媒体４中の石英と燃料３中のアルカリ金属成分とが反応して、粒子表面に粘着層が形成される結果、流動媒体４の凝集や塊化が生じる。石英の含有量が１４質量％を超えると、流動媒体４の凝集や塊化により流動層２の流動が妨げられて、燃料３の安定した燃焼が困難となる。石英の含有量が１４質量％以下では、流動媒体４の凝集や塊化が生じない又は生じても僅かであり、流動層２は良好な流動を維持することができる。流動媒体４は石英を含有しなくてもよい。このような観点から、流動媒体４の石英の含有量は、０質量％以上１４質量％以下とする。なお、流動媒体４の元素としてのＳｉＯ_２の含有量は特に制限されない。

試料１：ガーネット（インド産ガーネットサンド（アルミナ系のアルマンダイト（Ｆｅ_３Ａｌ_２（ＳｉＯ_４）_３）），株式会社ＭＡＣ）、
試料２：フェロニッケルスラグ（ＮＥサンド６号，山川産業株式会社）、
試料３：イルメナイト（豪州産イルメナイト，岩谷産業株式会社）、
試料４：クロマイト（クロマイトサンド、山川産業株式会社）
試料５：かんらん石（オリビンサンド，東邦オリビン工業株式会社）、
比較試料：珪砂（竹折硅砂５号，有限会社竹折砿業所）、
の各試料を用意した。表１には、試料１～３及び比較試料の元素分析結果を示す。なお、表１には、ガーネット（アルマンダイト）、フェロニッケルスラグ、及び、イルメナイトの標準的組成も併せて示す。また、表２に、試料１～５及び比較試料の価格、Ｘ線回折の分析結果、耐久性試験結果、及び流動加熱試験結果を示す。比較試料の珪砂では、含まれるＳｉＯ_２の殆どが石英として存在している。一方、試料１～３にはＳｉＯ_２が含まれるものの、その殆どが石英として存在せず、石英の含有量が１４質量％以下である。試料４，５には石英が殆ど含まれない。また、試料１～３の価格は、珪砂の価格の１０倍以下に抑えられている。なお、酸化アルミニウムの価格は、珪砂の価格の１０倍以上である。

流動媒体４の平均粒子径は、流動層内の流動媒体の流速（目標流速）に応じて適切な範囲が設定される。表３に、内部循環流動床ボイラ（ＩＣＦＢ）及び循環流動床ボイラ（ＣＦＢ）の各々について、流動層内の流動媒体の流速と粒径との関係を示す。好適な流動媒体４の平均粒子径は、例えば、流動層の層温度：５５０～１０００℃、流動媒体４の比重：２．５～５．０を仮定して、流動化開始速度Ｕｍｆが０．１２９ｍ／ｓ以下となる粒子径の最小値から最大値までの範囲として計算され得る。このような流動媒体４の平均粒子径は、概ね０．３７ｍｍ以上０．６１ｍｍ以下の範囲に収まる。例えば、層温度が８００℃、流動媒体（試料１）の比重が４ｇ／ｃｍ^３である場合、粒子径が０．４８ｍｍのときにＵｍｆが約０．１２９ｍ／ｓとなる。そこで、流動媒体（試料１）の平均粒子径を、好ましくは０．４８ｍｍとする。また、例えば、層温度が８００℃、流動媒体（試料２）の比重が２．８ｇ／ｃｍ^３である場合、粒子径が０．５８ｍｍのときにＵｍｆが約０．１２９ｍ／ｓとなる。そこで、流動媒体（試料２）の平均粒子径を、好ましくは０．５８ｍｍとする。また、例えば、層温度が８００℃、流動媒体（試料３）の比重が４．７ｇ／ｃｍ^３である場合、粒子径が０．４４ｍｍのときにＵｍｆが約０．１２９ｍ／ｓとなる。そこで、流動媒体（試料３）の平均粒子径を、好ましくは０．４４ｍｍとする。

なお、流動媒体４の平均粒子径は、ふるい分け法によって測定されてよい。具体的には、ＪＩＳＺ８８０１に規定するふるいを用いてふるい分け、それぞれのふるい上に残った試料の質量を計測し、グラフに累積分布を記載して、累積分布（粒度分布）の体積基準の相対粒子量が５０％になる粒子径（ｄ５０）を平均粒子径として求める。

〔流動加熱試験及びその結果〕
ここで、流動媒体４の凝集抑制効果を評価するための、流動加熱試験について説明する。

図２は、流動加熱試験装置８の概略構成を示す図である。流動加熱試験装置８は、ＳＵＳ製の炉心管８１、炉心管８１を加熱する管状炉８０、流動化ガス源であるＡｒガスボンベ８２及びＰＲガスボンベ８３、流動化ガスを加熱するエアヒータ８４、並びに、炉心管８１からの排ガス系統に設けられた集塵用サイクロン８８及びコールドトラップ８９を備える。炉心管８１には、流動媒体４の試料が静止層高６０ｍｍとなるように充填されている。Ａｒガスボンベ８２からのＡｒガス供給量は第１マスフローコントローラ８５により調整され、ＰＲガスボンベ８３からのＰＲガス供給量は第２マスフローコントローラ８６により調整される。流動加熱試験装置８は、流動層２の層内圧力を検出する第１圧力センサ９１、炉心管８１の出口圧力を検出する第２圧力センサ９２、流動層２の温度を検出する温度センサ９５、及び、流動層２の層内圧力と炉心管８１の出口圧力との差である流動層差圧ΔＰ２を計測する流動層差圧計９４を更に備える。

上記構成の流動加熱試験装置８では、Ａｒガスボンベ８２及びＰＲガスボンベ８３からのガスは、マスフローコントローラ８５，８６により流量調整されたのち合流して、エアヒータ８４で２００℃まで加熱され、流動化ガスとして炉心管８１の底部入口に流入する。流動化ガスは炉心管８１を下方から上方へ向けて通過し、これにより流動媒体４が流動して、流動層２が形成される。流動するうちに割れて微細となった流動媒体４は、流動層２から飛散してフリーボード層を通過し、排ガスに同伴して炉心管８１から排出される。炉心管８１からの排ガスはサイクロン８８を通過し、ここで排ガスに同伴する微細な流動媒体が分離回収される。サイクロン８８を通過した排ガスは、コールドトラップ８９で冷却されて放散される。

流動加熱試験は、以下の（１）～（６）の手順で行う。
（１）１１．５ｇの模擬灰（Ｋ_２ＣＯ_３）を測り取り、流動層２中の模擬灰体積濃度が０．１１７ｇ/ｍＬとなるように、ビーカー内で流動媒体の試料と模擬灰とを混合する。
（２）炉心管８１に、初期静止層高が６０ｍｍとなるように、試料と模擬灰との混合物を充填する。
（３）２．０ＮＬ/ｍｉｎのＡｒガスで通気しながら、管状炉８０で炉心管８１を昇温させる。流動層２内の温度が７５０℃付近になれば、Ａｒガスの流量をＵ/Ｕｍｆ＝５．０相当となるように調整する。
（４）流動層２内の温度が７５０℃に安定してから、ＡｒガスにＰＲガス（ＣＨ_４１０％＋ＡｒベースのProportional Gas）を添加することにより、ＣＨ_４濃度が４％となるように調整して、試験を開始する。
（５）流動媒体が凝集して流動しなくなると、流動層差圧ΔＰ１が低下する。そこで、流動層差圧ΔＰ１の変化を波形チャートに基づいて観察し、流動層差圧ΔＰ１が急激に減少した時点で試験を終了する。流動層差圧ΔＰ１の急激な変化が観察されない場合には、５時間で試験を終了する。
（６）試験終了後、炉心管８１を降温し、炉心管８１内の状況（凝集物生成によるブリッジ、管内付着状況等）を確認する。更に、炉心管８１の内容物を取り出し、目開き５００μｍの篩を用いて、分級後の各重量を測定する。

流動加熱試験の結果を表２に示す。篩で５００μｍ以上に分級された流動媒体を「凝集した流動媒体」とし、初期の流動媒体の全質量に対する凝集した流動媒体の質量の割合［％］を凝集率とした。試料１～３，５は、いずれも比較試料である珪砂よりも著しく低い凝集率が得られ、且つ、流動層２の流動不良は観察されなかった。

〔耐久試験及びその結果〕
流動媒体４は、所定の耐久性を備えることが好ましい。流動媒体４の耐久性は、流動加熱後の残留率で評価することができる。耐久性の評価の基準は、例えば、一般的に流動媒体として使用されてきた珪砂の耐久性としてよい。

耐久試験は、前述の流動加熱試験と同時に行われる。具体的には、流動加熱試験において、サイクロン８８で回収された流動媒体の質量を測定する。そして、試験開始時に炉心管８１に充填された流動媒体の質量とサイクロン８８で回収された流動媒体の質量との差を、試験開始時に炉心管８１に充填された流動媒体の質量で割って、これに１００を掛けた値を残留率［％］とする。

耐久試験の結果を表２に示す。試料１～３，５は、いずれも比較試料である珪砂よりも高い残留率が得られた。よって、試料１～３，５は、流動媒体としての所定の耐久性を備えるといえる。

以上から、本発明に係る流動床炉１では、アルカリ金属を含む燃料３を燃焼させる場合に、比較的安価且つ入手容易な流動媒体を用いて流動媒体の塊化を抑制することができることが明らかである。

１：流動床炉
２：流動層
３：燃料
４：流動媒体
７：流動化ガス供給装置
８：流動加熱試験装置
１０：燃焼容器
１１：燃料投入口
１２：二次燃焼ガス供給口
１３：三次燃焼ガス供給口
１５：抜出口
４１，４２：仕切壁
６１：燃焼セル
６２：循環セル
６３：収熱セル
６４：伝熱管
７１，７２，７３：風箱
８０：管状炉
８１：炉心管
８２：Ａｒガスボンベ
８３：ＰＲガスボンベ
８４：エアヒータ
８５，８６：マスフローコントローラ
８８：サイクロン
８９：コールドトラップ
９１，９２：圧力センサ
９４：流動層差圧計
９５：温度センサ
１１０：流動化ガス
１２０：二次燃焼ガス
１３０：三次燃焼ガス

Claims

流動媒体を流動させて供給された燃料を燃焼する流動層を備え、
前記燃料は、アルカリ金属を含有し、
前記流動媒体は、ガーネットである、
流動床炉。
流動媒体を流動させて供給された燃料を燃焼する流動層を備え、
前記燃料は、アルカリ金属を含有し、
前記流動媒体は、クロマイトである、
流動床炉。