特開 2024-99365 アルカリ金属含有燃料の燃焼方法及びアルカリ金属含有燃料の燃焼システム

(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】P2024099365

(43)【公開日】2024-07-25

(54)【発明の名称】アルカリ金属含有燃料の燃焼方法及びアルカリ金属含有燃料の燃焼システム

(51)【国際特許分類】

   F23C 10/30 20060101AFI20240718BHJP

   F23C 10/28 20060101ALI20240718BHJP

   F23C 10/02 20060101ALI20240718BHJP

   F23C 10/10 20060101ALI20240718BHJP

【ＦＩ】

F23C10/30

F23C10/28

F23C10/02

F23C10/10

【審査請求】未請求

【請求項の数】5

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2023003261

(22)【出願日】2023-01-12

(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

(72)【発明者】

【氏名】榎本 聖

【テーマコード（参考）】

3K064

【Ｆターム（参考）】

3K064AA20

3K064AB03

3K064AC07

3K064BA07

3K064BA17

3K064BB01

3K064BB05

(57)【要約】

【課題】燃焼炉内で流動層を形成する流動媒体においてアグロメーションによる流動不良を抑える。
【解決手段】炉内で流動媒体により流動層を形成し、アルカリ金属を含む燃料を前記流動層で燃焼する燃焼炉を用いる燃焼方法において、前記燃焼炉から排出された流動媒体に付着したアルカリ金属の濃度を測定装置が蛍光Ｘ線分析により測定し、前記燃焼炉から排出する前記流動媒体の量と、前記燃焼炉へ供給する前記流動媒体の量とを制御装置が前記濃度に応じて制御する。
【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、アルカリ金属を含む燃料を前記流動層で燃焼する燃焼炉を用いる燃焼方法において、
前記燃焼炉から排出された流動媒体に付着したアルカリ金属の濃度を測定装置が蛍光Ｘ線分析により測定し、
前記燃焼炉から排出する前記流動媒体の量と、前記燃焼炉へ供給する前記流動媒体の量とを制御装置が前記濃度に応じて制御する
アルカリ金属含有燃料の燃焼方法。

【請求項2】

前記燃焼炉から排出された前記流動媒体の塊を解砕し、解砕された前記流動媒体に付着したアルカリ金属成分の濃度を蛍光Ｘ線分析により測定する
請求項１に記載のアルカリ金属含有燃料の燃焼方法。

【請求項3】

前記燃焼炉へ供給する前記燃料の量を前記燃焼炉へ供給する前記流動媒体の量に応じて制御する
請求項１に記載のアルカリ金属含有燃料の燃焼方法。

【請求項4】

前記燃焼炉へ供給する前記流動媒体の量に応じて補助燃料を前記燃焼炉へ供給する
請求項１に記載のアルカリ金属含有燃料の燃焼方法。

【請求項5】

炉内で流動媒体により流動層を形成し、アルカリ金属を含む燃料を前記流動層で燃焼する燃焼炉を用いる燃焼システムにおいて、
前記燃焼炉から排出された流動媒体に付着したアルカリ金属の濃度を蛍光Ｘ線分析により測定する測定装置と、
前記燃焼炉から排出する前記流動媒体の量と、前記燃焼炉へ供給する前記流動媒体の量とを前記濃度に応じて制御する制御装置と、
を備えるアルカリ金属含有燃料の燃焼システム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、アルカリ金属含有燃料の燃焼方法及びアルカリ金属含有燃料の燃焼システムに関する。

【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ＳｉＯ_２－Ｋ_２Ｏ化合物が生成される。このＳｉＯ_２－Ｋ_２Ｏ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。そこで、このような問題を解決する発明として、例えば特許文献１、２に開示された発明がある。

【0004】

特許文献１に開示された発明は、流動媒体が粒子状鉱物及び／又は粒子状スラグからなり、石英の含有量を１４質量％以下としている。流動媒体が含有する石英の量が１４質量％以下であるため、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。

【0005】

特許文献２に開示された発明は、流動層炉内部における流動化ガス速度を４ｍ／ｓの近傍になるように制御しながら流動層炉の出口近傍における流動媒体の吹き上げ状況をレーザ監視装置にて検知し、吹き上げ状態に応じた焼却用空気量を燃焼用空気の供給側にフィードバックしている。流動層炉内の流動化ガス速度を４ｍ／ｓ程度まで増大させることにより、流動媒体中の限界塩蓄積量を増大させることができ、これによって流動層での流動不良を起こすことなく処理可能な廃棄物の量を増加させている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0006】

【特許文献1】特開２０２０－１０６２４４号公報

【特許文献2】特許第３２９４１７２号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0007】

特許文献１に開示された発明では、流動媒体としてガーネット、イルメナイト、かんらん石、フェロニッケルスラグ等が挙げられている。しかしながら、特許文献１の表２に記載されているように、これらは安価で汎用的な珪砂より価格が高く、流動媒体の入れ替えにコストが掛かる。特許文献２の発明では、流動媒体中の限界塩蓄積量を増大させることができるものの、アグロメレーションはアルカリ金属のわずかな変化で発生するため、限界塩蓄積量を超えた場合には急激にアグロメレーションが発生して流動不良に至る虞がある。

【0008】

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、燃焼炉内で流動層を形成する流動媒体においてアグロメーションによる流動不良を抑えることを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0009】

本発明の一側面に係るアルカリ金属含有燃料の燃焼方法は、炉内で流動媒体により流動層を形成し、アルカリ金属を含む燃料を前記流動層で燃焼する燃焼炉を用いる燃焼方法において、前記燃焼炉から排出された流動媒体に付着したアルカリ金属の濃度を測定装置が蛍光Ｘ線分析により測定し、前記燃焼炉から排出する前記流動媒体の量と、前記燃焼炉へ供給する前記流動媒体の量とを制御装置が前記濃度に応じて制御する。

【0010】

また、本発明に係るアルカリ金属含有燃料の燃焼方法においては、前記燃焼炉から排出された前記流動媒体の塊を解砕し、解砕された前記流動媒体に付着したアルカリ金属成分の濃度を蛍光Ｘ線分析により測定する。

【0011】

また、本発明に係るアルカリ金属含有燃料の燃焼方法においては、前記燃焼炉へ供給する前記燃料の量を前記燃焼炉へ供給する前記流動媒体の量に応じて制御する。

【0012】

また、本発明に係るアルカリ金属含有燃料の燃焼方法においては、前記燃焼炉へ供給する前記流動媒体の量に応じて補助燃料を前記燃焼炉へ供給する。

【0013】

本発明の一側面に係るアルカリ金属含有燃料の燃焼システムは、炉内で流動媒体により流動層を形成し、アルカリ金属を含む燃料を前記流動層で燃焼する燃焼炉を用いる燃焼システムにおいて、前記燃焼炉から排出された流動媒体に付着したアルカリ金属の濃度を蛍光Ｘ線分析により測定する測定装置と、前記燃焼炉から排出する前記流動媒体の量と、前記燃焼炉へ供給する前記流動媒体の量とを前記濃度に応じて制御する制御装置と、を備える。

【発明の効果】

【0014】

本発明によれば、燃焼炉内で流動層を形成する流動媒体においてアグロメーションによる流動不良を抑えることができる、という効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

【0015】

【図1】図１は、実施形態に係る燃焼システム１０００の構成を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0016】

以下、添付図面を参照しながら、本発明の実施形態を説明する。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。また、図面は模式的なものであり、各要素の寸法の関係などは、現実のものとは異なる場合があることに留意する必要がある。

【0017】

［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ライザ１０と、流動媒体８１の一部を捕集してライザ１０へ戻すダウンカマー２０とで構成されている。

【0018】

ライザ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散気管１１を下部に備えている。また、ライザ１０の下部の側壁には、散気管１１の上方で流動媒体８１をライザ１０内に供給する流動媒体供給口１２と、ライザ１０内に燃料７３を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ライザ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、ライザ１０の底部には、ライザ１０内部の流動媒体８１を排出する排出部１５が設けられている。

【0019】

ダウンカマー２０は、配管３０でライザ１０の上部と接続されている。ダウンカマー２０は、ライザ１０から排ガスとともに送られた流動媒体８１を捕集する捕集部２１と、捕集部２１で捕集された流動媒体８１をライザ１０の下部に戻すための戻し管２２と、ライザ１０からのガスが捕集部２１内を上昇するのを防止するシール部２３とを有している。

【0020】

燃焼炉１の近傍には、排出部１５から排出されて再生処理された流動媒体８１を燃焼炉１へ戻すための循環ライン４０が設けられている。循環ライン４０には、排出部１５から順に篩装置４１、研磨装置４２、選別装置４３、流動媒体供給機４４が配設されている。

【0021】

篩装置４１は、排出部１５から排出された流動媒体８１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の燃焼後に生じた不燃物を分離する。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の塊を解砕機５３へ送る。

【0022】

研磨装置４２は、篩装置４１から供給された流動媒体８１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流動媒体８１と、流動媒体８１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。

【0023】

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と流動媒体８１との混合物から流動媒体８１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で選別された流動媒体８１は、流動媒体供給機４４へ送られる。

【0024】

流動媒体供給機４４は、選別装置４３から送られた流動媒体８１の貯留と、ライザ１０内への流動媒体８１の供給を行なう。本実施形態においては、流動媒体８１は、例えば珪砂である。流動媒体供給機４４に貯留されている流動媒体８１は、その一部が流動媒体供給機４４の下部から廃棄される。流動媒体供給機４４においては、貯留されている流動媒体８１の一部が廃棄されるため、廃棄された分を補うために新たな流動媒体８１が補充される。流動媒体供給機４４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からライザ１０内へ供給される。なお、研磨装置４２又は選別装置４３にて一部の流動媒体８１を廃棄するようにしてもよい。

【0025】

燃料供給機６１は、燃焼炉１内で燃焼させる燃料７３を燃料供給口１３へ送る装置である。燃料供給機６１は、第１燃料７１と第２燃料７２を混合した燃料７３を燃料供給口１３へ送る。第１燃料７１は、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２燃料７２は、第１燃料７１と比較して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。

【0026】

解砕機５３は、篩装置４１から送られた流動媒体８１の塊を解砕し、凝集した流動媒体８１をほぐす。解砕機５３でほぐされた流動媒体８１は、測定装置５２へ送られる。測定装置５２は、解砕機５３から送られた流動媒体８１を蛍光Ｘ線分析により分析し、アルカリ金属成分の濃度を測定する装置である。測定装置５２は、測定したアルカリ金属成分の濃度の測定結果を制御装置５１へ送る。制御装置５１は、排出部１５と流動媒体供給機４４を制御する装置である。制御装置５１は、測定装置５２から送られたアルカリ金属成分の濃度の測定結果に基づいて、排出部１５と流動媒体供給機４４を制御する。

【0027】

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散気管１１からライザ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からライザ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ライザ１０内に形成される。

【0028】

また、ライザ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。ライザ１０内に供給された燃料７３は、流動層で燃焼する。

【0029】

具体的には、流動媒体８１は、散気管１１から吹き込まれる一次空気により流動状態となり、ライザ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、ライザ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、ライザ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、ライザ１０内の燃焼領域は８５０～９００℃程度に維持される。

【0030】

ライザ１０内での燃料７３の燃焼により生じた排ガスは、配管３０を経てダウンカマー２０の捕集部２１に供給される。また、流動媒体８１も、その一部がライザ１０から排ガスとともに捕集部２１へ送られる。捕集部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、シール部２３及び戻し管２２を通してライザ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ダウンカマー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。

【0031】

本実施形態では、ライザ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である珪砂粒子の酸化ケイ素が反応し、珪砂粒子の表面にＳｉＯ_２－Ｋ_２Ｏ化合物が生成される。このＳｉＯ_２－Ｋ_２Ｏ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流動媒体８１同士が融着し、ライザ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の燃焼後に残る不燃物は、単位時間あたりに所定量が排出部１５から排出されて篩装置４１へ送られる。

【0032】

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、分離した流動媒体８１の塊を解砕機５３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が流動媒体８１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と、アルカリ金属成分が除去された流動媒体８１は、選別装置４３へ送られる。

【0033】

選別装置４３では、流動媒体８１が選別されるとともにアルカリ金属成分が分離され、選別された流動媒体８１が流動媒体供給機４４へ送られる。流動媒体供給機４４では、流動媒体８１の一部が流動媒体供給機４４の下部から廃棄され、上部から新たな流動媒体８１が補充される。制御装置５１は、流動媒体供給機４４を制御し、排出部１５から単位時間あたりに排出された流動媒体８１の量に応じて、流動媒体供給機４４に貯留されている流動媒体８１を流動媒体供給口１２へ送り、ライザ１０内に所定量の流動媒体８１を供給する。

【0034】

解砕機５３は、篩装置４１から送られた流動媒体８１の塊を解砕して流動媒体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。解砕機５３でほぐされた流動媒体８１は、測定装置５２へ送られる。測定装置５２は、解砕機５３から送られた流動媒体８１を予め定められた周期で蛍光Ｘ線分析により分析し、アルカリ金属成分の濃度を測定する。測定装置５２は、アルカリ金属成分の濃度の測定結果を制御装置５１へ送る。ここで流動媒体８１は、解砕機５３によって径が均一化されているため、珪砂粒子表面のアルカリ金属成分の濃度の測定を正確に行うことができる。

【0035】

制御装置５１は、測定装置５２から送られた測定結果に基づいて、排出部１５と流動媒体供給機４４を制御することにより、流動媒体８１のライザ１０からの排出量と、流動媒体供給機４４からライザ１０への流動媒体８１の供給量を制御する。例えば制御装置５１は、測定結果が予め定められた閾値以上の場合、排出部１５を制御し、排出部１５から単位時間あたりに排出する流動媒体８１の量を所定量から増加させるとともに、流動媒体供給機４４を制御し、流動媒体供給機４４からライザ１０内へ単位時間あたりに供給する流動媒体８１の量を所定量から増加させる。これにより、流動媒体８１の塊を排出し、流動媒体８１が流動不良となるのを抑えることができる。また、制御装置５１は、測定結果が予め定められた閾値未満の場合、排出部１５を制御し、排出部１５から排出する流動媒体８１の量を所定量に戻すとともに、流動媒体供給機４４を制御し、流動媒体供給機４４からライザ１０へ供給する流動媒体８１の量を所定量に戻す。

【0036】

なお、制御装置５１は、測定結果が表すアルカリ金属成分の濃度に応じて、排出部１５から排出する流動媒体８１の量と、ライザ１０内へ供給する流動媒体８１の量を制御してもよい。制御装置５１は、例えば、測定結果が表すアルカリ金属成分の濃度が増加するにつれて、排出部１５から排出する流動媒体８１の量と、ライザ１０内へ供給する流動媒体８１の量が増加するように排出部１５と流動媒体供給機４４を制御し、測定結果が表すアルカリ金属成分の濃度が減少するにつれて、排出部１５から排出する流動媒体８１の量と、ライザ１０内へ供給する流動媒体８１の量が減少するように排出部１５と流動媒体供給機４４を制御してもよい。

【0037】

［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。

【0038】

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。

【0039】

本発明においては、解砕機５３から送られた流動媒体８１を研磨し、流動媒体８１から除去された粘着層を測定装置５２へ送るようにしてもよい。

【0040】

本発明においては、新たな流動媒体８１のライザ１０内への供給によってライザ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のライザ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ライザ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。

【0041】

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。

【0042】

本発明においては、ライザ１０内の温度を測定し、排出部１５から排出する流動媒体８１の量と、流動媒体供給機４４からライザ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】

【0043】

１ 燃焼炉
１０ ライザ
１１ 散気管
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 ダウンカマー
２１ 捕集部
２２ 戻し管
２３ シール部
３０ 配管
４０ 循環ライン
４１ 篩装置
４２ 研磨装置
４３ 選別装置
４４ 流動媒体供給機
５１ 制御装置
５２ 測定装置
５３ 解砕機
９１、９２ 送風機
１０００ 燃焼システム

【図1】