特許 5848983 微粉炭とバイオマス燃料の混焼方法および微粉炭焚きボイラ火炉

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】5848983

(24)【登録日】2015年12月4日

(45)【発行日】2016年1月27日

(54)【発明の名称】微粉炭とバイオマス燃料の混焼方法および微粉炭焚きボイラ火炉

(51)【国際特許分類】

   F23C 1/00 20060101AFI20160107BHJP

   F23K 3/02 20060101ALI20160107BHJP

【ＦＩ】

   F23C1/00 301

   F23K3/02 305

【請求項の数】2

【全頁数】9

(21)【出願番号】特願2012-34054(P2012-34054)

(22)【出願日】2012年2月20日

(65)【公開番号】特開2013-170733(P2013-170733A)

(43)【公開日】2013年9月2日

【審査請求日】2014年6月27日

(73)【特許権者】

【識別番号】000006655

【氏名又は名称】新日鐵住金株式会社

(73)【特許権者】

【識別番号】000000099

【氏名又は名称】株式会社ＩＨＩ

(74)【代理人】

【識別番号】100089462

【弁理士】

【氏名又は名称】溝上 哲也

(74)【代理人】

【識別番号】100116344

【弁理士】

【氏名又は名称】岩原 義則

(74)【代理人】

【識別番号】100129827

【弁理士】

【氏名又は名称】山本 進

(72)【発明者】

【氏名】束岡 稔

(72)【発明者】

【氏名】三村 朗太

(72)【発明者】

【氏名】伊藤 隆政

【審査官】 藤原 弘

(56)【参考文献】

【文献】 特開２００７−１０１１３５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００５−２９１５３４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 米国特許出願公開第２００９／００７８１７５（ＵＳ，Ａ１）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｆ２３Ｃ １／００

Ｆ２３Ｋ ３／０２

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

高さ方向に多段のバーナが設けられた微粉炭焚きボイラ火炉に、前記多段のバーナから微粉炭とバイオマス燃料を空気と共に供給して混焼させるに際し、
粒子径が３mm以下であって、かつ、４０質量％を超え、８０質量％以内の水分を含み、積算粒度分布が８０％以上の大粒子のバイオマス燃料については、最下段のバーナから鉛直方向で５m以上高い位置に配置されるバーナから供給することを特徴とする微粉炭とバイオマス燃料の混焼方法。

【請求項2】

高さ方向に設けられた多段のバーナから微粉炭とバイオマス燃料を空気と共に供給して混焼させる微粉炭焚きボイラ火炉に、
粒子径が３mm以下であって、かつ、４０質量％を超え、８０質量％以内の水分を含み、積算粒度分布が８０％以上の大粒子のバイオマス燃料については、最下段のバーナから鉛直方向で５m以上高い位置に配置されるバーナへ供給する系統を設けたことを特徴とするバイオマス燃料混焼用の微粉炭焚きボイラ火炉。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、微粉炭焚きボイラ火炉において、水分を多く含むバイオマス燃料を微粉炭とともに混焼する方法、および当該方法に使用するバイオマス燃料混焼用の微粉炭焚きボイラ火炉に関するものである。

【背景技術】

【0002】

二酸化炭素による地球の温暖化を抑制する方法の一つとして、化石燃料の一部をバイオマス燃料によって代替することが注目されている。微粉炭焚きボイラ火炉においても、微粉炭の一部をバイオマス燃料によって代替する技術が提案されている。

【0003】

例えば特許文献１には、木材を粉砕したものを微粉炭と混合してボイラ火炉において燃焼する場合に、最下部のバーナ以外のバーナにバイオマス燃料を供給することを特徴とする微粉炭とバイオマス燃料の混焼方法が提案されている。

【0004】

この特許文献１の方法によれば、粉砕した木粉の燃え残りや灰がボイラ火炉内の伝熱面に付着するいわゆるスラッギング現象により、ボイラの稼動が不安定化することを緩和できるので、木粉の未燃率を１．５質量％程度に低減できることが記載されている。

【0005】

ところで、特許文献１に記載された実施例において使用されたバイオマス燃料は、水分が２．１質量％、平均粒径が０．７mmの木粉である。これは混焼した微粉炭の水分２質量％と同程度の水分であって、大気中で乾燥された状態、またはそれと同程度の水分である。粒径についても微粉炭よりは大きいが、バイオマス燃料としては粉砕等の事前処理を前提としたものである。

【0006】

しかしながら、現在使用が求められているバイオマス燃料の中には、水分を多く含むもの、例えば厨芥（コーヒー粕やお茶がら等）がある。これらは、数１０質量％の水分を含むものであるのと同時に、ミリメータオーダーの粒径を有している。

【0007】

従って、これら数１０質量％の水分を含み、ミリメータオーダーの粒径を有するバイオマス燃料を、特許文献１で提案された方法で燃焼を完結するためには、ボイラ火炉に投入する前にバイオマス燃料を乾燥粉砕するための乾燥設備や粉砕設備等の付帯設備が必要であった。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0008】

【特許文献1】特開２００７‐１０１１３５号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0009】

本発明が解決しようとする問題点は、水分を多く含みミリメータオーダーの粒径を有するバイオマス燃料を、特許文献１で提案された方法で燃焼を完結するには、バイオマス燃料を乾燥粉砕するための乾燥設備や粉砕設備等の付帯設備が必要であるという点である。

【課題を解決するための手段】

【0010】

本発明の微粉炭とバイオマス燃料の混焼方法は、
水分を多く含みミリメータオーダーの粒径を有するバイオマス燃料を微粉炭とともに混焼する際に、乾燥設備や粉砕設備等の付帯設備を必要とすることなく微粉炭焚きボイラ火炉内において燃焼させるために、
高さ方向に多段のバーナが設けられた微粉炭焚きボイラ火炉に、前記多段のバーナから微粉炭とバイオマス燃料を空気と共に供給して混焼させるに際し、
粒子径が３mm以下であって、かつ、４０質量％を超え、８０質量％以内の水分を含み、積算粒度分布が８０％以上の大粒子のバイオマス燃料については、最下段のバーナから鉛直方向で５m以上高い位置に配置されるバーナから供給することを最も主要な特徴としている。

【0011】

上記本発明の微粉炭とバイオマス燃料の混焼方法は、
高さ方向に設けられた多段のバーナから微粉炭とバイオマス燃料を空気と共に供給して混焼させる微粉炭焚きボイラ火炉に、
粒子径が３mm以下であって、かつ、４０質量％を超え、８０質量％以内の水分を含み、積算粒度分布が８０％以上の大粒子のバイオマス燃料については、最下段のバーナから鉛直方向で５m以上高い位置に配置されるバーナへ供給する系統を設けた本発明のバイオマス燃料混焼用の微粉炭焚きボイラ火炉を用いて実施することができる。

【0012】

本発明では、粒子径が３mm以下で、かつ、４０質量％を超え、８０質量％以内の水分を含み、積算粒度分布が８０％以上の大粒子のバイオマス燃料は、最下段のバーナから鉛直方向で５m以上高い位置に配置されるバーナから供給するので、乾燥設備や粉砕設備等の付帯設備を必要としなくても、ボイラ火炉内で燃焼させることができる。

【発明の効果】

【0013】

本発明によれば、水分を多く含みミリメータオーダーの粒径を有するバイオマス燃料であっても、乾燥設備や粉砕設備等の付帯設備を必要とせずに、微粉炭とともに混焼してボイラ火炉内において燃焼させることができる。従って、二酸化炭素の発生を抑制するために、化石燃料に代替するバイオマス燃料の選択肢を大きく広げることが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【0014】

【図1】燃焼特性の調査に使用した一次元層流炉（試験装置）の概略構成図である。

【図2】乾式燃料試験と湿式燃料試験から得られたバイオマス燃料の燃焼率の比較を示した図で、（ａ）は燃焼率に対する粒子径の影響を示した図、（ｂ）は燃焼率に対する炉内温度の影響を示した図である。

【図3】炉内温度が１２００℃の場合におけるコーヒー粕の粒子径と必要滞留時間の関係を示した図である。

【図4】標準的な操業状態の際のボイラ火炉内の空塔速度と各バーナ間等の距離を示した図である。

【図5】粒子径が２mmのコーヒー粕の落下挙動を示した図である。

【図6】粒子の浮遊、落下挙動を示した図で、（ａ）はガス流速が２m／secの場合、（ｂ）はガス流速が５m／secの場合、（ｃ）はガス流速が８m／secの場合である。

【発明を実施するための形態】

【0015】

本発明は、水分を多く含みミリメータオーダーの粒径を有するバイオマス燃料を微粉炭とともに混焼する際に、乾燥設備や粉砕設備等の付帯設備を必要とすることなくボイラ火炉内において燃焼させるという目的を、当該バイオマス燃料を最下段のバーナから鉛直方向で５m以上高い位置のバーナから供給することで実現した。

【実施例】

【0016】

発明者らは、水分を多く含むバイオマス燃料の燃焼特性を調査して、微粉炭焚きボイラ火炉において、水分を多く含むバイオマス燃料を微粉炭とともに混焼するための指針を得ることとした。

【0017】

燃焼特性の調査に使用した試験装置を図１に示す。
１は反応管であるアルミナチューブで、このアルミナチューブ１の高さ方向の上端から、燃料フィーダ２に接続された燃料ノズル３がアルミナチューブ１と同心状に挿入されている。この燃料ノズル３の先端開口の上部外周にはメッシュ材４が設置され、このメッシュ材４の上方に配管５が導入され、この配管５を介してガスボンベ６ａ〜６ｃ内のＯ₂ガス、Ｎ₂ガス、空気を適宜混合し、ヒータ７で予熱した後、燃料ノズル３の外周部に供給するようになっている。

【0018】

また、アルミナチューブ１の外周部には電気炉８が設けられ、この電気炉８で加熱されたアルミナチューブ１内の所要高さ位置の温度を熱電対９で検出し、この検出温度に基づき、温度コントローラ１０によりアルミナチューブ１内の加熱温度を制御する。

【0019】

一方、アルミナチューブ１の高さ方向の下端からは、水冷プローブ１１が同心状に挿入されており、この水冷プローブ１１の昇降により、その先端位置を任意に変更できるようになっている。この水冷プローブ１１の基端には固形粒子を回収するフィルター１２を先端に、吸引ファン１３を基端に備えた吸引管１４が設置されており、この吸引管１４の途中に設置されたガス分析装置１５で吸引ガスの成分を分析するようになっている。

【0020】

そして、試験は、熱電対９で検出し、ＰＣ１６に取り込んだ温度データに基づき、温度コントローラ１０を使用して、電気炉８によりアルミナチューブ１の内部を試験条件の温度まで上昇させた。

【0021】

その後、燃料ノズル３を介してバイオマス燃料を上部より投入し、上部より落下してくるバイオマス燃料の燃焼粒子を水冷プローブ１１によりサンプリングする。その際、粒子のサンプリング位置を変えることで、炉内滞留時間毎のバイオマス燃料の燃焼率を把握する。

【0022】

試験には、バイオマス燃料としてコーヒー粕を使用した。乾式燃料試験に使用したコーヒー粕の水分は６質量％、湿式燃料試験に使用したコーヒー粕の水分は６０質量％であった。

【0023】

図２は図１に示した試験装置を用いて行った乾式燃料試験と湿式燃料試験から得られたバイオマス燃料の燃焼率を比較して示した図である。

【0024】

図２より、湿式燃料試験の場合はバイオマス燃料に含まれる水分の蒸発時間が長くなるため、乾式燃料試験と同程度の燃焼率を得るためには、乾式燃料試験よりも長い滞留時間を必要とすることが分かった。この水分の蒸発に必要な時間は、粒子径と炉内温度に依存すると考えられる。

【0025】

すなわち、炉内温度が１０００℃の場合における試験結果を示した図２（ａ）より、バイオマス燃料であるコーヒー粕の粒子径が７４μmの場合は、乾式燃料試験も湿式燃料試験も滞留時間と燃焼率の関係はほぼ同様であり、ほとんど蒸発時間を考慮する必要がないことが分かった（○印と●印）。一方、コーヒー粕の粒子径が４２８μmの場合は、滞留時間を０．５秒程度考慮する必要があることが分かった（□印と■印）。

【0026】

また、炉内温度が１０００℃と１２００℃の場合における試験結果を示した図２（ｂ）より、炉内温度が１２００℃の場合は、湿式燃料試験でもより短い蒸発時間で乾式と同程度の燃焼率が得られることが分かった（□印と■印）。

【0027】

以上より、バイオマス燃料の粒子径が減少するにつれて、また炉内温度が上昇するにつれて粒子中の水分が蒸発するのに要する時間が減少する傾向があり、少なくとも１２００℃の炉内温度を有するボイラ火炉内であれば、より短い蒸発時間で乾式と同程度の燃焼率を得られることが分かった。

【0028】

次に、炉内温度が１２００℃の場合に、バイオマス燃料であるコーヒー粕が燃焼を完了するのに要する滞留時間を図３に示した。

【0029】

乾燥状態のコーヒー粕の場合は、図３中に細線で示す曲線に沿って粒子径が大きくなるにつれて、燃焼完了に要する滞留時間は長くなり、粒子径が２mm程度の場合は０．６秒程度の滞留時間が必要となることが分かった。

【0030】

一方、未乾燥（湿式）状態のコーヒー粕の場合は、前述したように約０．５秒程度の着火遅れがあるので、図３中に実線で示す曲線に沿って粒子径が大きくなるにつれて、燃焼完了に要する滞留時間は長くなり、粒子径が２mm程度の場合は１．２秒程度の滞留時間が必要となることが分かった。

【0031】

以上の結果を踏まえて、発明者らは、粒子径が２mmのバイオマス燃料であるコーヒー粕を前提として、１．２秒程度の滞留時間を得るために、どのような条件が必要であるかについて検討した。検討対象とした微粉炭焚きボイラ火炉を図４に示す。

【0032】

この図４に示した微粉炭焚きボイラ火炉２１へのコーヒー粕の吹き込み位置は、ボイラ耐圧部を改造することなく吹き込むことができる二次燃焼空気ポート（ＯＡＰ）２２、上段バーナ２３、中段バーナ２４、下段バーナ２５の、高さ方向に異なる４箇所とした。なお、図４中の２３ａ，２４ａ，２５ａは、上段バーナ２３、中段バーナ２４、下段バーナ２５への微粉炭と空気の吹き込み経路を示す。

【0033】

図４には、標準的な操業状態の際のボイラ火炉内の空塔速度を示した。図４に示したように、ボイラ火炉の底部側から上部になるにつれて、通過ガス量が多くなってガス温度が上昇することなどから、空塔速度が大きくなることが分かる。

【0034】

図４の結果より、微粉炭焚きボイラ火炉内に吹き込んだコーヒー粕は、ボイラ火炉内を落下しながら燃焼するため、コーヒー粕の吹き込み位置をボイラ火炉の上部とすれば燃焼を完了させることができることが分かる。

【0035】

水分が６０質量％、粒子径が２mmのコーヒー粕を前記の各吹き込み位置から吹き込んだ場合の落下挙動を図５に、前記４つの位置から粒子径が２mmのコーヒー粕を吹き込んだ場合の評価を下記表１に示す。

【0036】

【表1】

【0037】

次に、下段バーナ〜中段バーナ、中段バーナ〜ＯＡＰ、ＯＡＰより上部の各領域におけるガス流速が図４に示した空塔速度と同程度の２m／sec、５m／sec、８m／secの場合における粒子の浮遊、落下挙動を、水分が６０質量％で、粒子径が１mm、２mm、３mmの場合について調査した。その結果を図６に示す。

【0038】

下段バーナよりボイラ火炉の底部までの領域におけるガス流速は、図４より２m／sec以下であると考えられるので、先の調査結果より判明している、水分が６０質量％、粒子径が２mmのバイオマス燃料の場合、燃焼が完了する１．２秒程度の滞留時間で５m以上の落下距離になることは図６より明らかである。まして、粒子径が３mmの場合は更に落下距離は大きくなる。

【0039】

従って、ボイラ火炉の底部から４m（図４参照）の位置に設置された下段バーナから、水分が６０質量％で粒子径が３mmのバイオマス燃料を吹き込んだ場合や、粒子径が２mmより小さくても、水分の含有量が６０質量％より多い場合は、ボイラ火炉内で燃焼が完了しないことになる。

【0040】

一方、下段バーナ〜ボイラ火炉の底部までの領域におけるガス流速は、図４より２m／sec以下であると考えられるものの、その値は測定できない。

【0041】

そこで、発明者らは、前記図２〜図６の結果から、以下のように考えた。
水分が６０質量％で粒子径が３mmのバイオマス燃料を吹き込む場合は、その吹き込み位置から下段バーナまでの移動距離である鉛直方向の高さが５m以上あれば、下段バーナよりボイラ火炉の底部までの間におけるガス流速がどのような値であっても、バイオマスの粒子の滞留時間を１．２秒程度は確保することができる。

【0042】

仮に水分が８０質量％と増加しても、水分含有量が６０質量％のときに確保すべき滞留時間（１．２秒程度）の８０／６０であり、１．６秒程度である。

【0043】

従って、空塔速度が４．１m／secの下段バーナから鉛直方向に５m高い位置から吹き込んだ場合は、下段バーナに至った際には約１．２secが経過しているので（図６（ｂ）参照）、下段バーナからボイラ火炉の底部に至るまでの時間が０．４sec以上であれば燃焼は完了することになる。

【0044】

ガス流速が２m／secの場合の０．４sec間における移動距離は、図６（ａ）を見れば１mにも満たないので、下段バーナからボイラ火炉の底部までの距離が４mであるボイラ火炉の場合、水分が８０質量％で、粒子径が３mmのバイオマス燃料であっても、下段バーナからボイラ火炉の底部に落下するまでに燃焼が完了すると考えられる。

【0045】

なお、本発明では水分含有量の多いミリメータオーダーの粒径を有するバイオマス燃料の混焼を対象としているので、水分の含有量は４０質量％を超え、３mm以下の粒子の積算粒度分布が８０％以上のものを対象とすることとした。

【0046】

本発明は、発明者らの上記知見に基づいてなされたものであり、
高さ方向に多段のバーナが設けられた微粉炭焚きボイラ火炉に、前記多段のバーナから微粉炭とバイオマス燃料を空気と共に供給して混焼させるに際し、
粒子径が３mm以下であって、かつ、４０質量％を超え、８０質量％以内の水分を含み、積算粒度分布が８０％以上の大粒子のバイオマス燃料については、最下段のバーナから鉛直方向で５m以上高い位置に配置されるバーナから供給することを特徴とする微粉炭とバイオマス燃料の混焼方法である。

【0047】

そして、上記の本発明方法は、
図４に示すように、高さ方向に設けられた、例えば３段のバーナ２３〜２５から微粉炭とバイオマス燃料を空気と共に供給して混焼させる微粉炭焚きボイラ火炉２１に、
粒子径が３mm以下であって、かつ、４０質量％を超え、８０質量％以内の水分を含み、積算粒度分布が８０％以上の大粒子のバイオマス燃料については、下段バーナ２５から鉛直方向で５m以上高い位置に配置される上段バーナ２３へ供給する系統２６を設けた本発明のバイオマス燃料混焼用の微粉炭焚きボイラ火炉を用いて実施することができる。

【符号の説明】

【0048】

１ アルミチューブ
２ 燃料フィーダ
３ 燃料ノズル
４ メッシュ材
５ 配管
６ａ〜６ｃ ガスボンベ
７ ヒータ
８ 電気炉
９ 熱電対
１０ 温度コントローラ
１１ 水冷プローブ
１２ フィルター
１３ 吸引ファン
１４ 吸引管
１５ ガス分析装置
１６ ＰＣ
２１ 微粉炭焚きボイラ火炉
２３ 上段バーナ
２４ 中段バーナ
２５ 下段バーナ
２６ バイオマス燃料と空気の供給系統

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】