(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公開特許公報(A)
(11)【公開番号】P2024133837
(43)【公開日】2024-10-03
(54)【発明の名称】リサイクルシステム、及びリサイクル方法
(51)【国際特許分類】
B09B 3/80 20220101AFI20240926BHJP
F23J 1/00 20060101ALI20240926BHJP
F23C 10/00 20060101ALI20240926BHJP
【FI】
B09B3/80
F23J1/00 A ZAB
F23J1/00 Z
F23C10/00
【審査請求】未請求
【請求項の数】2
【出願形態】OL
(21)【出願番号】P 2023043820
(22)【出願日】2023-03-20
(71)【出願人】
【識別番号】000004123
【氏名又は名称】JFEエンジニアリング株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】110002147
【氏名又は名称】弁理士法人酒井国際特許事務所
(72)【発明者】
【氏名】多田 光宏
(72)【発明者】
【氏名】中山 剛
【テーマコード(参考)】
3K064
3K161
4D004
【Fターム(参考)】
3K064AB03
3K064AC06
3K064AF02
3K064BB07
3K161AA03
3K161AA40
3K161BA06
3K161CA01
3K161DA52
3K161EA41
3K161HB03
3K161LA02
3K161LA12
3K161LA20
3K161LA33
3K161LA40
3K161LA49
4D004AA36
4D004AA50
4D004BA05
4D004CA13
4D004CA34
4D004CC01
4D004CC12
(57)【要約】
【課題】バイオマス燃料に含まれるアルカリ金属やアルカリ土類金属を利用可能にすること。
【解決手段】炉内で流動媒体により流動層を形成し、アルカリ金属及び/又はアルカリ土類金属を含む燃料を前記流動層で燃焼する燃焼炉から排出された流動媒体及び灰を処理するリサイクルシステムであって、前記燃焼炉から排出された流動媒体及び灰を酸性溶液で酸処理する酸処理装置と、前記流動媒体及び灰を酸処理した酸性溶液と、前記酸性溶液で酸処理された流動媒体及び灰とを分離する第1分離装置と、前記第1分離装置で分離された酸性溶液を炭酸化して炭酸塩を生成する炭酸化装置と、前記炭酸化装置で炭酸化された酸性溶液から前記炭酸塩を分離する第2分離装置と、を備える。
【選択図】
図1
【特許請求の範囲】
【請求項1】
炉内で流動媒体により流動層を形成し、アルカリ金属及び/又はアルカリ土類金属を含む燃料を前記流動層で燃焼する燃焼炉から排出された流動媒体及び灰を処理するリサイクルシステムであって、
前記燃焼炉から排出された流動媒体及び灰を酸性溶液で酸処理する酸処理装置と、
前記流動媒体及び灰を酸処理した酸性溶液と、前記酸性溶液で酸処理された流動媒体及び灰とを分離する第1分離装置と、
前記第1分離装置で分離された酸性溶液を炭酸化して炭酸塩を生成する炭酸化装置と、
前記炭酸化装置で炭酸化された酸性溶液から前記炭酸塩を分離する第2分離装置と、
を備えるリサイクルシステム。
【請求項2】
炉内で流動媒体により流動層を形成し、アルカリ金属及び/又はアルカリ土類金属を含む燃料を前記流動層で燃焼する燃焼炉から排出された流動媒体及び灰を処理するリサイクル方法であって、
前記燃焼炉から排出された流動媒体及び灰を酸性溶液で酸処理し、
前記流動媒体及び灰を酸処理した酸性溶液と、前記酸性溶液で酸処理された流動媒体及び灰とを分離し、
分離された酸性溶液を炭酸化して炭酸塩を生成し、
炭酸化された酸性溶液から前記炭酸塩を分離する
リサイクル方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、リサイクルシステム、及びリサイクル方法に関する。
【背景技術】
【0002】
バイオマスを燃料として発電を行なう方法として流動層炉を用いた方法がある。流動層炉は、吹き上がる流動化空気によって高温の流動媒体を流動させた流動層を形成し、炉内に供給された燃料を流動層の中で燃焼するものである。燃料となるバイオマスとしては、例えば、パーム椰子空果房(EFB:Empty Fruit Bunch)のように植物由来で安価なバイオマスが注目されているが、パーム椰子空果房を流動層炉で燃焼させて発電を行なう際には、以下のような問題が生じる。
【0003】
パーム椰子空果房には、アルカリ金属であるカリウムが多く含まれている。流動層炉の流動媒体としては珪砂が用いられるが、流動層炉内でパーム椰子空果房から放出されたガス状のカリウムと珪砂粒子の酸化ケイ素が反応し、珪砂粒子の表面にSiO2-K2O化合物が生成される。このSiO2-K2O化合物の溶融温度は、流動層炉内の温度より低いため、溶融して珪砂粒子の表面に粘着層が形成される。この粘着層が形成されると、数粒の珪砂粒子同士が融着し、珪砂の凝集と塊化(アグロメレーション)が生じると珪砂が流動しなくなり、流動層炉の正常な運転が妨げられることとなる。
【0004】
付着物によって肥大化した流動媒体を処理する発明としては、例えば特許文献1に開示された装置がある。特許文献1に開示された装置は、流動層炉から抜き出された流動媒体を乾式冷却装置で冷却した後、流動媒体に付着した粘着物を回転ロータの回転によって強制的に剥離させる。粘着物が剥離された流動媒体は、回収されて流動層炉へ戻される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0005】
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0006】
特許文献1に開示された装置では、流動媒体から剥離された粘着物は、集塵機で回収されている。回収された粘着物は、例えば産業廃棄物として埋め立て処分がされており、粘着物に含まれていたアルカリ金属やアルカリ土類金属は有効な利用がされていなかった。
【0007】
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、バイオマス燃料に含まれるアルカリ金属やアルカリ土類金属を利用可能にすることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0008】
本発明の一側面に係るリサイクルシステムは、炉内で流動媒体により流動層を形成し、アルカリ金属及び/又はアルカリ土類金属を含む燃料を前記流動層で燃焼する燃焼炉から排出された流動媒体及び灰を処理するリサイクルシステムであって、前記燃焼炉から排出された流動媒体及び灰を酸性溶液で酸処理する酸処理装置と、前記流動媒体及び灰を酸処理した酸性溶液と、前記酸性溶液で酸処理された流動媒体及び灰とを分離する第1分離装置と、前記第1分離装置で分離された酸性溶液を炭酸化して炭酸塩を生成する炭酸化装置と、前記炭酸化装置で炭酸化された酸性溶液から前記炭酸塩を分離する第2分離装置と、を備える。
【0009】
本発明の一側面に係るリサイクル方法は、炉内で流動媒体により流動層を形成し、アルカリ金属及び/又はアルカリ土類金属を含む燃料を前記流動層で燃焼する燃焼炉から排出された流動媒体及び灰を処理するリサイクル方法であって、前記燃焼炉から排出された流動媒体及び灰を酸性溶液で酸処理し、前記流動媒体及び灰を酸処理した酸性溶液と、前記酸性溶液で酸処理された流動媒体及び灰とを分離し、分離された酸性溶液を炭酸化して炭酸塩を生成し、炭酸化された酸性溶液から前記炭酸塩を分離する。
【発明の効果】
【0010】
本発明によれば、バイオマス燃料に含まれるアルカリ金属やアルカリ土類金属を利用可能にすることができる、という効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【0011】
【
図1】
図1は、実施形態に係る燃焼システムの構成を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【0012】
以下に、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、以下に説明する実施形態により本発明が限定されるものではない。
【0013】
[実施形態]
図1は、本発明の実施形態に係る燃焼システム1000の構成を示す図である。燃焼炉1は、循環流動層式(CFB:Circulating Fluidized Bed)の炉である。燃焼炉1は、内部で流動媒体81を流動させて流動層を形成し、燃焼炉1内へ供給される燃料73を流動層中で燃焼させる炉である。燃焼炉1は、主に炉本体としての燃焼室10と、流動媒体81の一部を捕集して燃焼室10へ戻す外部循環系統20とで構成されている。
【0014】
燃焼室10は、送風機91から供給される一次空気を上方へ向けて吹き込むための分散板11を下部に備えている。また、燃焼室10の下部の側壁には、分散板11の上方で流動媒体81を燃焼室10内に供給する流動媒体供給口12と、燃料貯留槽61から送られてくる燃料73を燃焼室10内に供給するための燃料供給口13と、送風機92から供給される二次空気を燃焼室10内に吹き込むための二次空気吹き込み口14とが下方から順番に設けられている。また、燃焼室10の底部には、燃焼室10内部の流動媒体81と燃料73の灰とを排出する炉底灰排出部15が設けられている。
【0015】
第1貯留槽62は、第1燃料71を貯留する。第1燃料71は、単位量あたりのアルカリ金属成分の含有量が多い燃料であり、例えばパーム椰子空果房である。第1燃料71は、燃料貯留槽61へ供給される。第2貯留槽63は、第2燃料72を貯留する。第2燃料72は、第1燃料71と比較して単位量あたりのアルカリ金属成分の含有量が少ない燃料であり、例えば木質チップである。第2燃料72は、燃料貯留槽61へ供給される。第1燃料71は、アルカリ金属に加え、アルカリ土類金属も含むものであってもよい。また、第2燃料72は、アルカリ金属に加え、アルカリ土類金属も含むものであってもよい。燃料貯留槽61は、燃焼炉1内で燃焼させる燃料73を貯留する。燃料貯留槽61は、第1燃料71と第2燃料72を混合した燃料73を生成する。燃料73は、燃料貯留槽61から燃料供給口13へ送られる。
【0016】
外部循環系統20は、ダクト30で燃焼室10の上部と接続されている。外部循環系統20は、燃焼室10から排ガスとともに送られた流動媒体81を捕集するサイクロン21と、サイクロン21で捕集された流動媒体81を燃焼室10の下部に戻すための戻し管22と、燃焼室10からのガスがサイクロン21内を上昇するのを防止するループシール23とを有している。
【0017】
燃焼炉1の近傍には、流動媒体貯留槽82が設けられている。流動媒体貯留槽82は、流動媒体81の貯留と燃焼室10内への流動媒体81の供給を行なう。流動媒体貯留槽82に貯留されている流動媒体81は、流動媒体供給口12へ送られ、流動媒体供給口12から燃焼室10内へ供給される。本実施形態の流動媒体81は、例えば珪砂である。燃焼室10内へ供給された流動媒体81は、その一部が炉底灰排出部15から排出される。このため、廃棄された分を補うために新たな流動媒体81が流動媒体貯留槽82に補充され、廃棄された分が流動媒体貯留槽82から燃焼室10内へ供給される。
【0018】
また、燃焼炉1の近傍には、炉底灰排出部15から排出された流動媒体81の再生と、炉底灰排出部15から排出された灰及び流動媒体81に付着していたアルカリ金属成分の処理を行なうためのリサイクルライン40が設けられている。リサイクルライン40は、本発明に係るリサイクルシステムの一例である。リサイクルライン40は、流動媒体81を再生する再生ライン40Aと、灰及びアルカリ金属成分を処理する処理ライン40Bを含む。再生ライン40Aは、炉底灰排出部15から順に篩装置41、研磨装置42、選別装置43が配設されている。また、処理ライン40Bには、篩装置41から順に破砕装置44、酸処理装置45、第1分離装置46、乾燥装置47、炭酸化装置48、及び第2分離装置49が配設されている。
【0019】
篩装置41は、炉底灰排出部15から排出された流動媒体81及び灰を受け、所定粒径以下の流動媒体81と、アグロメレーションによって所定粒径より大径となった流動媒体81の塊と、燃料73の燃焼後に生じた灰を分離する。篩装置41は、分離された所定粒径以下の流動媒体81を研磨装置42へ送り、分離された流動媒体81の塊と灰を破砕装置44へ送る。
【0020】
研磨装置42は、篩装置41から供給された流動媒体81としての珪砂を研磨し、流動媒体81に付着しているアルカリ金属成分を除去する。研磨装置42で用いられる研磨方式に限定はなく、例えば、自生破砕方式、せん断摩砕方式、ブラスト方式等が適用可能である。研磨装置42でアルカリ金属成分が除去された珪砂と、珪砂から除去されたアルカリ金属成分は、選別装置43へ送られる。
【0021】
選別装置43は、研磨装置42から送られたアルカリ金属成分、及び珪砂との混合物から珪砂を選別する。選別装置43で用いられる選別方式に限定はなく、例えば、風力選別方式、比重選別方式等が適用可能である。選別装置43で選別された珪砂は、流動媒体貯留槽82へ送られて流動媒体81として再利用される。
【0022】
破砕装置44は、篩装置41から送られた流動媒体81の塊を破砕し、凝集した流動媒体81をほぐす。また、破砕装置44は、篩装置41から送られた灰を破砕する。破砕装置44でほぐされた流動媒体81と灰は、酸処理装置45へ送られる。
【0023】
酸処理装置45は、酸性溶液として塩酸、又は硫酸を収容する容器と、容器内の酸性溶液を撹拌する撹拌翼を有している。破砕装置44から酸処理装置45へ送られた流動媒体81と灰は、容器内の酸性溶液中に投入され、撹拌されて酸処理される。この酸処理により、流動媒体81に付着していたカリウム成分や灰中のカルシウム成分が溶出する。酸処理に用いた酸性溶液と、酸処理された流動媒体81及び灰は、第1分離装置46へ送られる。
【0024】
第1分離装置46は、酸処理装置45から送られた酸性溶液と酸処理された流動媒体81及び灰とを分離する。第1分離装置46においては、酸性溶液と流動媒体81及び灰との分離は、沈降分離、遠心分離、湿式篩などのいずれかの方法で行われる。第1分離装置46で分離された流動媒体81と灰は乾燥装置47へ送られ、分離された酸性溶液は炭酸化装置48へ送られる。
【0025】
乾燥装置47は、第1分離装置46から送られた流動媒体81と灰を乾燥させる。乾燥装置47において乾燥された流動媒体81は、流動媒体貯留槽82へ送られて再利用される。
【0026】
炭酸化装置48は、第1分離装置46から送られた酸性溶液を炭酸化する装置である。炭酸化装置48は、第1分離装置46から送られた溶液に二酸化炭素を接触させて炭酸塩を生成する。炭酸化装置48において酸性溶液の炭酸化に用いられる二酸化炭素は、燃焼室10内での燃料73の燃焼により生じた排ガスであってもよい。酸性溶液と二酸化炭素が接触することにより、例えば酸性溶液中のカリウムイオンと炭酸イオンが反応して炭酸カリウムが生成される。また、酸性溶液と二酸化炭素が接触することにより、例えば酸性溶液中のカルシウムイオンと炭酸イオンが反応して炭酸カルシウムが生成される。炭酸化処理された酸性溶液は、第2分離装置49へ送られる。
【0027】
第2分離装置49は炭酸化装置48から送られた酸性溶液と、炭酸化装置48で生成された炭酸塩とを分離する。酸性溶液と、炭酸塩との分離は、沈降分離、又は遠心分離などで行われる。第2分離装置49で分離された酸性溶液は、例えば廃液処理の設備へ送られて処理される。また、第2分離装置49で分離された炭酸塩は、乾燥されて原料や副原料として利用される。
【0028】
次に燃焼システム1000の動作について説明する。送風機91から送られる一次空気を分散板11から燃焼室10内に吹き込み、送風機92から送られる二次空気を二次空気吹き込み口14から燃焼室10内に吹き込むことにより、流動媒体81を流動化させた流動層が燃焼室10内に形成される。
【0029】
また、燃焼室10内には、燃料73が燃料供給口13から供給される。燃料供給口13から供給される燃料73においては、運用コストの観点から第1燃料71の割合が大きい方が好ましい。燃焼室10内に供給された燃料73は、流動層で燃焼する。
【0030】
具体的には、流動媒体81は、分散板11から吹き込まれる一次空気により流動状態となり、燃焼室10内の下部で流動媒体81が濃厚な濃厚層を形成する。この濃厚層では、高い熱容量および撹拌効果により燃料73の乾燥及び揮発分の放出が促進される。また、燃焼室10内の上部には、一次空気及び二次空気の吹き込みにより流動媒体81が吹き上げられて流動媒体81が希薄な希薄層が形成される。この希薄層では、流動媒体81が保有する熱容量および撹拌効果により燃料73の燃焼が行われる。つまり、燃焼炉1は、燃焼室10内に濃厚層と希薄層とから成る流動層を形成することで、未燃焼の炭素分であるチャーの発生を防止し、効率的にパーム椰子空果房である燃料73を燃焼させる。なお、燃焼室10内の燃焼領域は850~900℃程度に維持される。
【0031】
燃焼室10内での燃料73の燃焼により生じた排ガスは、ダクト30を経て外部循環系統20のサイクロン21に供給される。また、流動媒体81も、その一部が燃焼室10から排ガスとともにサイクロン21へ送られる。サイクロン21では、流動媒体81や比較的粒径の大きな灰などが回収され、ループシール23及び戻し管22を通して燃焼室10の下部へ戻される。また、排ガスや比較的粒径の小さい灰などは外部循環系統20の頂部から排出されて、図示省略した過熱器を介して排ガス処理設備に送られ、過熱器で蒸気を過熱し、排ガス処理設備で除塵後に図示省略した煙突から外部へと放出される。
【0032】
本実施形態では、燃焼室10内で燃焼した燃料73に含まれる第1燃料71(パーム椰子空果房)は、アルカリ金属成分であるガス状のカリウム分を放出する。このガス状のカリウム分と流動媒体81を形成する珪砂粒子の酸化ケイ素が反応すると、珪砂粒子の表面にSiO2-K2O化合物が生成される。このSiO2-K2O化合物は、溶融して珪砂粒子の表面に粘着層を形成する。この粘着層により数粒の珪砂粒子同士が融着し、珪砂の凝集と塊化(アグロメレーション)が生じる。
【0033】
アグロメレーションによって所定粒径より大径となった流動媒体81は、燃焼室10の底部に落下する。融着して落下した流動媒体81は、更に融着して塊となる。この塊を含む流動媒体81と燃料73の燃焼後に残る灰は、単位時間あたりに所定量が炉底灰排出部15から排出されて篩装置41へ送られる。
【0034】
流動媒体81が送られた篩装置41は、分離した所定の粒径以下の流動媒体81を研磨装置42へ送る。また、篩装置41は、分離した灰と所定粒径を超える流動媒体81の塊とを破砕装置44へ送る。研磨装置42では、流動媒体81が研磨され、流動媒体81の表面に粘着層として付着していたアルカリ金属成分やアルカリ土類金属が珪砂の表面から除去される。流動媒体81から除去されたアルカリ金属成分やアルカリ土類金属と、アルカリ金属成分やアルカリ土類金属が除去された珪砂は、選別装置43へ送られる。
【0035】
選別装置43では、流動媒体81を構成していた珪砂が選別されるとともに、アルカリ金属成分やアルカリ土類金属が分離される。この選別された珪砂は、流動媒体81として流動媒体貯留槽82に補充される。なお、分離されたアルカリ金属やアルカリ土類金属の成分は、酸処理装置45へ送られて酸処理されてもよい。
【0036】
破砕装置44は、篩装置41から送られた流動媒体81の塊を破砕して流動媒体81の結びつきをほぐし、粘着層が形成された流動媒体81の径を均一化する。また、破砕装置44は、篩装置41から送られた灰を破砕する。破砕装置44でほぐされた流動媒体81と灰は、酸処理装置45へ送られる。酸処理装置45は、篩装置41から送られた流動媒体81と灰を酸処理する。この酸処理により、流動媒体81に付着していたカリウム成分や灰中のカルシウム成分が酸処理の酸性溶液中に溶出する。酸処理装置45で酸処理された流動媒体及び灰と、酸処理に用いた酸性溶液は第1分離装置46へ送られる。
【0037】
第1分離装置46は、酸処理装置45から送られた酸性溶液と、酸処理された流動媒体81及び灰とを分離する。第1分離装置46で分離された流動媒体81と灰は、乾燥装置47へ送られ、分離された酸性溶液は炭酸化装置48へ送られる。乾燥装置47は、第1分離装置46から送られた流動媒体81と灰を乾燥させる。乾燥装置47において乾燥された流動媒体81は、流動媒体貯留槽82へ送られて再利用される。
【0038】
炭酸化装置48は、第1分離装置46から送られた酸性溶液に二酸化炭素を接触させて炭酸塩を生成する。酸性溶液と二酸化炭素が接触することにより、例えば溶液中のカリウムイオンと炭酸イオンが反応して炭酸カリウムが生成される。また、酸性溶液と二酸化炭素が接触することにより、例えば溶液中のカルシウムイオンと炭酸イオンが反応して炭酸カルシウムが生成される。炭酸化処理された酸性溶液は、第2分離装置49へ送られる。
【0039】
第2分離装置49は炭酸化装置48から送られた酸性溶液と、炭酸化装置48で生成された炭酸塩とを分離する。第2分離装置49で分離された酸性溶液は、例えば廃液処理の設備へ送られて処理される。また、第2分離装置49で分離された炭酸塩は、乾燥されて原料や副原料として利用される。
【0040】
以上説明したように本実施形態によれば、バイオマス燃料に含まれていたアルカリ金属やアルカリ土類金属を回収することができるため、回収したアルカリ金属やアルカリ土類金属を原料や副原料として利用することができる。
【0041】
[変形例]
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上述した実施形態に限定されることなく、他の様々な形態で実施可能である。例えば上述の実施形態を以下のように変形して本発明を実施してもよい。なお、上述した実施形態及び以下の変形例は、各々を組み合わせてもよい。上述した各実施形態及び各変形例の構成要素を適宜組み合わせて構成したものも本発明に含まれる。また、さらなる効果や変形例は、当業者によって容易に導き出すことができる。よって、本発明のより広範な態様は、上記の実施の形態や変形例に限定されるものではなく、様々な変更が可能である。
【0042】
上述した実施形態においては、燃焼炉1は、循環流動層式の炉であるが、バブリング流動層式(BFB:Bubbling Fluidized Bed)の炉であってもよい。
【0043】
本発明においては、新たな流動媒体81の燃焼室10内への供給によって燃焼室10内の温度が下がるのを抑えるため、流動媒体81の供給量に応じて燃料73の燃焼室10内への供給量を増やすようにしてもよい。この場合、アグロメレーションが発生するのを抑えるため、第2燃料72の割合を増やすようにしてもよい。また、流動媒体81の供給量の増加により燃焼室10内の温度が下がるのを抑えるため、補助燃料として灯油又は重油を供給してもよい。
【0044】
本発明においては、燃料73にアブラヤシの実の種の殻(PKS:Palm Kernel Shell)を含めるようにしてもよい。
【0045】
本発明においては、燃焼室10内の温度を測定し、炉底灰排出部15から排出する流動媒体81の量と、流動媒体貯留槽82から燃焼室10へ供給する流動媒体81の量を測定した温度に応じて制御してもよい。
【符号の説明】
【0046】
1 燃焼炉
10 燃焼室
11 分散板
12 流動媒体供給口
13 燃料供給口
14 二次空気吹き込み口
20 外部循環系統
40 リサイクルライン
40A 再生ライン
40B 処理ライン
41 篩装置
42 研磨装置
43 選別装置
44 破砕装置
45 酸処理装置
46 第1分離装置
47 乾燥装置
48 炭酸化装置
49 第2分離装置
81 流動媒体
82 流動媒体貯留槽
1000 燃焼システム