JP2008080206A - 石炭−バイオマス混合粉砕装置及びそれを装備したボイラ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ミル動力の適正化を図るのに好適な石炭−バイオマス混合粉砕装置を提供する。
【解決手段】バイオマスを粗粉砕するバイオマス粗粉砕機1、粗粉バイオマスと空気を分けるサイクロンセパレータ2、分別した粗粉バイオマスを供給するバイオマス供給機4、粗粉バイオマスと石炭を粉砕するミル9、ミル粉砕部での粉砕物層厚さを監視する層厚さ検出手段11を備え、検出手段11による検出信号で粗粉砕バイオマスの供給量を調整する。
【選択図】図１

Description

本発明は、石炭と木質系のバイオマスとを同時に粉砕する石炭−バイオマス混合粉砕装置及びそれを装備したボイラ装置に係り、特にミル動力の適正化を図るのに好適な石炭−バイオマス混合粉砕装置に関するものである。

地球温暖化ガスとして二酸化炭素がクローズアップされ、二酸化炭素ニュートラルであるバイオマスを再生可能なエネルギーとして利用する動きが活発になっている。

バイオマス燃料のうち木質系を燃焼する場合の問題点としては、石炭粉砕と比較して大きな粉砕動力が必要なこと、専用粉砕設備のコストが高いことなどが挙げられる。そのために既設の石炭火力のミルを利用して、比較的に設備投資の少ない石炭と木質系バイオマスの混合粉砕を低混合率で実施することが試みられている。

既設のボイラ装置にバイオマスを供給する一般的方法としては、既存の石炭粉砕用ミルで石炭とバイオマスを同時に粉砕して、既設のバーナから石炭とバイオマスの混合物を火炉内へ供給して燃焼する方法がある。

図２は、従来のバイオマスと石炭を同時粉砕する石炭−バイオマス混合粉砕装置の系統図である。

木屑や廃木材などの木質系を主体とするバイオマスをインパクト式の粗粉砕機1により数ｍｍ以下に粗粉砕する。この粗粉砕機１には、バイオマス乾燥用に常温の大気空気が導入される。

粗粉砕機1により粉砕された粗粉砕バイオマスはサイクロンセパレータ２に供給され、そこで粗粉砕バイオマスと空気に分離し、粗粉砕バイオマスはバイオマス供給機４を通りコンベア６上に投下される。一方、粉砕前の石炭はコンベア５によりコンベア６上に投下されて、粗粉砕バイオマスとともにバンカ７、給炭機８を経てミル９に供給される。

ミル９にはミル出口温度調節器（ＴＩＣ）１４が付設され、空気予熱器１２から出る一次空気の温度調節がなされて、ミル９内で被粉砕物（石炭、バイオマス）の含有水分量を低減している。ミル９によって所定の粒度に粉砕された微粉炭と微粉状バイオマスの混合物は前記一次空気によりボイラ本体１０の各バーナ（図示せず）に気相搬送され、火炉内で燃焼される。

前記サイクロンセパレータ２で分離された分離空気は、誘引ファン3から燃焼用空気としてボイラ本体１０に投入される。

バーナの燃焼特性に影響を与えないためには、石炭とバイオマスの粒度を所定の条件内に保つ必要がある。然るに木質系バイオマスは、樹種や部位により粉砕性，比重，水分含有量などが異なり不安定なため、粉砕性が変動し、ミル粉砕物層厚さ，粒度，結果的にミル動力に影響して、安定運転の阻害要因となる。

粒度は、ミル内分級機の回転数及びミル加圧力で調整できる。分級機の回転数を上げると粒度は小さくなり、ミル内循環量が増加してミル動力は大きくなる。

ミルでの粉砕エネルギーは、ミル加圧力と粉砕部での被粉砕物とミル粉砕部材の相対速度で決定される。バイオマスは石炭と比較し弾性係数が小さい。特に水分含有量が多く、バイオマスの混合比率が高いほど、粗粒サイズが大きいほど歪易く、ミル加圧力を吸収するため粉砕され難い。従って粉砕部には石炭よりバイオマスの方が残り易く、バイオマス供給量が多くなると粉砕が進まなくなり粉砕物層が厚くなり、その結果粒度が粗くなる。

従来技術ではこの対策のため、ミル加圧力を大きくし、分級機の回転数を大きくして粒度を必要な細かさまで調整を行なっていたが、そのためにミル動力が増大する。一方、石炭は必要以上に細かく粉砕される状態となる。

石炭木屑混合粉砕装置に関しては、例えば下記のような特許文献を挙げることができる。
特開２００３−３３４４６０号公報

バイオマスの水分含有量が設計値以上に多いことに起因するミル動力増大の対応方法として、従来は短時間であればバイオマスと石炭の混合物をミルへ供給する給炭機からの供給量を減量していたが、それではボイラ装置への燃料供給熱量が少なくなり、発電出力が低下して実用上問題がある。

他の方法として、ミル出口温度調節器（ＴＩＣ）の設定温度を上げることにより、ミルへ供給する一次空気の温度を上げ、被粉砕物の水分を低下させて、粉砕性を上げ、ミル動力を規定値内まで下げる方法がある。しかし、バイオマスの水分だけを選択的には減少できず、石炭も同時に必要以上に乾燥するため、石炭を必要以上に細かく粉砕することになり、ミルの動力増大、効率低下となるため長時間の対応は不経済である。

本発明の目的は、ミル動力の適正化を図るのに好適な石炭−バイオマス混合粉砕装置及びそれを装備したボイラ装置を提供することにある。

前記目的を達成するため本発明の第１の手段は、乾燥用空気を供給しながらバイオマスを粗粉砕するバイオマス粗粉砕機と、そのバイオマス粗粉砕機で粉砕した粗粉砕バイオマスを前記空気から分別するサイクロンセパレータと、そのサイクロンセパレータで分別した粗粉砕バイオマスを供給するバイオマス供給機と、そのバイオマス供給機で供給された粗粉砕バイオマスと石炭とを混合粉砕するミルと、そのミルの粉砕部での粉砕物層の厚さを監視する粉砕物層厚さ検出手段とを備え、
その粉砕物層厚さ検出手段による粉砕物層の厚さ検出信号に基いて前記粗粉砕バイオマスの供給量を調整することを特徴とするものである。

前記目的を達成するため本発明の第２の手段は、乾燥用空気を供給しながらバイオマスを粗粉砕するバイオマス粗粉砕機と、そのバイオマス粗粉砕機で粉砕した粗粉砕バイオマスを前記空気から分別するサイクロンセパレータと、そのサイクロンセパレータで分別した粗粉砕バイオマスを供給するバイオマス供給機と、そのバイオマス供給機で供給された粗粉砕バイオマスと石炭とを混合粉砕するミルと、そのミルの粉砕部での粉砕物層の厚さを監視する粉砕物層厚さ検出手段と、前記サイクロンセパレータで分別した少なくとも一部の空気を加熱するヒータと、そのヒータによって加熱された空気を前記乾燥用空気として前記バイオマス粗粉砕機に供給する導管とを備え、
前記粉砕物層厚さ検出手段による粉砕物層の厚さ検出信号に基いて前記ヒータによる加熱温度を調整することを特徴とするものである。

前記目的を達成するため本発明の第３の手段は、乾燥用空気を供給しながらバイオマスを粗粉砕するバイオマス粗粉砕機と、そのバイオマス粗粉砕機で粉砕した粗粉砕バイオマスを前記空気から分別するサイクロンセパレータと、そのサイクロンセパレータで分別した粗粉砕バイオマスを供給するバイオマス供給機と、そのバイオマス供給機で供給された粗粉砕バイオマスと石炭とを混合粉砕するミルと、そのミルの粉砕部での粉砕物層の厚さを監視する粉砕物層厚さ検出手段と、前記サイクロンセパレータで分別した少なくとも一部の空気を加熱するヒータと、そのヒータによって加熱された空気を前記乾燥用空気として前記バイオマス粗粉砕機に供給する導管と、前記粉砕物層厚さ検出手段による粉砕物層の厚さ検出信号に基いて前記粗粉砕バイオマスの供給量を調整する第１の系統と、前記粉砕物層厚さ検出手段による粉砕物層の厚さ検出信号に基いて前記ヒータによる加熱温度を調整する第２の系統とを備えたことを特徴とするものである。

前記目的を達成するため本発明の第４の手段は、石炭とバイオマスを混合粉砕する石炭−バイオマス混合粉砕装置と、その石炭−バイオマス混合粉砕装置で粉砕された微粉炭と微粉状バイオマスの混合物をバーナに供給して燃焼するボイラ本体とを備えたボイラ装置において、前記石炭−バイオマス混合粉砕装置が前記第１ないし第３の手段の石炭−バイオマス混合粉砕装置であることを特徴とするものである。

本発明によれば、ミル動力を安定化でき、粉砕粒度、粉砕動力、燃焼性を安定化、最適化できる。また、必要以上の空気をボイラ装置に送ることが防止でき、NOｘの発生などボイラ装置の燃焼に悪影響を与えない。

ミル（粉砕機）は、被粉砕物の水分含有量が少ないほど、少ない動力で粉砕粒度を小さくできる特性がある。前述した従来技術の課題を解決するため本発明では、ミル粉砕物層厚さの検出結果により、バイオマスと石炭の混合物ではなく、バイオマス単独の供給量を調整することにより、バイオマスと石炭の混合比率がミル動力の範囲内とすることが可能となる。

また、バイオマスと石炭の混合物を加熱・粉砕するミルへの一次空気ではなく、バイオマスのみを加熱・粉砕する粗粉砕機の循環空気温度を調整することにより、石炭に対して必要以上の熱供給がなくなる。

石炭に対しては従来通り一次空気の温度で調整する。粉砕物層厚さの検出結果に基づく前記対応法は、検出時点で既に石炭との混合物としてバンカに投入されているバイオマス単独に対しては、当然ながら適用できないため、従来の一次空気の温度の調整での対応となる。通常、バンカ容量は石炭使用量の１０時間程度分であるため、満杯の状態であれば本発明の効果が出るのは測定時間の１０時間程度以降となる。バンカの容量が少なければ少ないほど、この時間が短くなり効果の現れは速くなる。

次に本発明の実施形態について図１を用いて説明する。図１は、実施形態に係るバイオマスと石炭を同時粉砕する石炭−バイオマス混合粉砕装置の系統図である。

木屑や廃木材などの木質系を主体とするバイオマスをインパクト式の粗粉砕機1により数ｍｍ以下に粗粉砕する。この粗粉砕機１には、バイオマス乾燥用に大気空気とサイクロンセパレータ2から排出された循環空気が供給されて、粗粉砕したバイオマスを予め乾燥する。

粗粉砕機1により粉砕された粗粉砕バイオマスはサイクロンセパレータ２に供給され、そこで粗粉砕バイオマスと空気に分離し、粗粉砕バイオマスはバイオマス供給機４を通りコンベア６上に投下される。一方、粉砕前の石炭はコンベア５によりコンベア６上に投下されて、粗粉砕バイオマスとともにバンカ７、給炭機８を経てミル９に供給される。ミル９としては、竪型のローラミルあるいはボールミルが使用される。

ミル９には、粉砕部における粉砕物層（粉砕された石炭とバイオマスの混合物層）の厚さを監視する粉砕物層厚さ計（ＬＩＣ）１１が付設されている。粉砕物層厚さ計（ＬＩＣ）１１には種々の構成のものが適用可能であるが、本実施形態ではミル９の入口側と出口側にそれぞれ圧力計を設置して、両圧力計から差圧を検出し、その差圧値に所定の補正係数を掛けて粉砕物層の厚さを検出する手段を採用している。粉砕物層厚さ計（ＬＩＣ）１１からの検出信号は、制御部（図示せず）を介して前記バイオマス供給機４とヒータ１３に制御信号として出力される。図中の１５は制御信号をバイオマス供給機４に送るための第１の制御系統、１６は制御信号をヒータ１３に送るための第２の制御系統である。

モータを駆動源として用いたバイオマス供給機４ではこの制御信号を受けて、前記粉砕物層の厚さが規定値（設定値）となるようにバイオマスの供給量が調整される。具体的には、粉砕物層の厚さが規定値より厚くなればバイオマスの供給量を減少させ、粉砕物層の厚さが規定値より薄くなればバイオマスの供給量を増加させる。

サイクロンセパレータ２で分離された分離空気は誘引ファン3から大半を燃焼用空気としてボイラ本体１０に投入し、残りの分離空気はヒータ１３で加熱して粗粉砕機１に循環供給する。ヒータ１３の温度は、粉砕物層厚さ計１１からの検出信号に基く制御信号により粗粉砕機１が許容する温度範囲内、本実施形態では２００℃程度以下で調整する。具体的には、粉砕物層の厚さが厚くなればヒータ温度を上げ、粗粉砕機１での乾燥を促進させると同時に粉砕粒度を小さくする。その結果、ミル９でのバイオマスの粉砕が促進され、粉砕物層の厚さが減少する。粉砕物層の厚さによりバイオマス供給量とヒータ温度を制御するが、この制御は個別であってもあるいは関連付けても構わない。本実施形態では、粉砕物層の厚さによりバイオマス供給量制御とヒータ温度制御をリンクして行なっている。

またミル９にはミル出口温度調節器（ＴＩＣ）１４が付設され、空気予熱器１２から出る一次空気の温度調節がなされて、ミル９内で被粉砕物（石炭、バイオマス）の含有水分量を低減して、被粉砕物の粉砕性を上げ、ミル動力の削減を図っている。またミル９内の分級機の回転数及びミル加圧力により、粉砕物の粒度が調整される。

ミル９によって所定の粒度に粉砕された微粉炭と微粉状バイオマスの混合物は前記一次空気によりボイラ本体１０の各バーナ（図示せず）に気相搬送され、火炉内で燃焼される。

なお、図中の１０１は粗粉砕機１で粗粉砕したバイオマスをサイクロンセパレータ２に搬送する導管、１０２はサイクロンセパレータ２で分離した空気をファン３に搬送する導管、１０３はファン３からの空気をボイラ本体１０のウインドボックス（図示せず）に搬送する導管、１０４はミル９からの微粉炭と微粉状バイオマスの混合物をボイラ本体１０の各バーナ（図示せず）に搬送する導管、１０５はファン３からの空気の一部を分岐してヒータ１３に搬送する導管、１０６はヒータ１３によって昇温した温空気を粗粉砕機１に搬送する導管である。

この実施形態で示されているように、乾燥用空気を供給しながらバイオマス粗粉砕機１で粉砕したバイオマスをサイクロンセパレータ２で粗粉砕バイオマスと空気に分別し、粗粉砕バイオマスはミル９で石炭と混合粉砕しボイラ本体１０へ供給する。一方、サイクロンセパレータ２で分別した空気はファン３を介し全量または大半をボイラ本体１０のアフターエアポートまたは各バーナへ供給するとともに、残りをバイオマス粗粉砕機１に循環する系統を備えている。そしてミル９内の粉砕部における粉砕物層の厚さにより、ミル９へのバイオマスの供給量を制御し、または（及び）バイオマス粗粉砕機１に供給する空気温度を制御するシステムになっている。

本発明を用いるとバイオマスを適正な安定したミル動力で粉砕することができるために、高度な二酸化炭素ニュートラルなバイオマスリサイクルシステムを実現できる。それに加えて微粉炭とバイオマスを同時燃焼することにより、NOｘ発生量を減少することができる。

また、バイオマス粗粉砕機１では空気温度を上げることによりバイオマスの含有水分量を減少できる。本発明によればミル粉砕物層の厚さの検出結果により、バイオマス供給量または（及び）バイオマス粗粉砕機１の循環空気温度を調整することにより、粉砕物の粒度、粉砕物層の厚さの最適化を図ることができるので、過剰な微粉炭粒度や粗粒子を生成することなく、適正な安定したミル動力で、燃焼に必要な適正粒度を生成できる。特に季節によるバイオマス水分の増減に伴なうミル動力の安定化に有効である。

本発明の実施形態に係る石炭−バイオマス混合粉砕装置の系統図である。 従来技術による石炭−バイオマス混合粉砕装置の系統図である。

符号の説明

１：バイオマス粗粉砕機、２：サイクロンセパレータ、３：誘引ファン、４：バイオマス供給機、５：コンベア、６：コンベア、７：バンカ、８：給炭機、９：ミル、１０：ボイラ本体、１１：粉砕物層厚さ計（ＬＩＣ）、１２：空気予熱器、１３：ヒータ、１４：ミル出口温度調節器（ＴＩＣ）、１５：第１の制御系統、１６：第２の制御系統、１０１〜１０６：導管。

Claims (4)

1. 乾燥用空気を供給しながらバイオマスを粗粉砕するバイオマス粗粉砕機と、
   そのバイオマス粗粉砕機で粉砕した粗粉砕バイオマスを前記空気から分別するサイクロンセパレータと、
   そのサイクロンセパレータで分別した粗粉砕バイオマスを供給するバイオマス供給機と、
   そのバイオマス供給機で供給された粗粉砕バイオマスと石炭とを混合粉砕するミルと、
   そのミルの粉砕部での粉砕物層の厚さを監視する粉砕物層厚さ検出手段とを備え、
   その粉砕物層厚さ検出手段による粉砕物層の厚さ検出信号に基いて前記粗粉砕バイオマスの供給量を調整することを特徴とする石炭−バイオマス混合粉砕装置。
2. 乾燥用空気を供給しながらバイオマスを粗粉砕するバイオマス粗粉砕機と、
   そのバイオマス粗粉砕機で粉砕した粗粉砕バイオマスを前記空気から分別するサイクロンセパレータと、
   そのサイクロンセパレータで分別した粗粉砕バイオマスを供給するバイオマス供給機と、
   そのバイオマス供給機で供給された粗粉砕バイオマスと石炭とを混合粉砕するミルと、
   そのミルの粉砕部での粉砕物層の厚さを監視する粉砕物層厚さ検出手段と、
   前記サイクロンセパレータで分別した少なくとも一部の空気を加熱するヒータと、
   そのヒータによって加熱された空気を前記乾燥用空気として前記バイオマス粗粉砕機に供給する導管とを備え、
   前記粉砕物層厚さ検出手段による粉砕物層の厚さ検出信号に基いて前記ヒータによる加熱温度を調整することを特徴とする石炭−バイオマス混合粉砕装置。
3. 乾燥用空気を供給しながらバイオマスを粗粉砕するバイオマス粗粉砕機と、
   そのバイオマス粗粉砕機で粉砕した粗粉砕バイオマスを前記空気から分別するサイクロンセパレータと、
   そのサイクロンセパレータで分別した粗粉砕バイオマスを供給するバイオマス供給機と、
   そのバイオマス供給機で供給された粗粉砕バイオマスと石炭とを混合粉砕するミルと、
   そのミルの粉砕部での粉砕物層の厚さを監視する粉砕物層厚さ検出手段と、
   前記サイクロンセパレータで分別した少なくとも一部の空気を加熱するヒータと、
   そのヒータによって加熱された空気を前記乾燥用空気として前記バイオマス粗粉砕機に供給する導管と、
   前記粉砕物層厚さ検出手段による粉砕物層の厚さ検出信号に基いて前記粗粉砕バイオマスの供給量を調整する第１の系統と、
   前記粉砕物層厚さ検出手段による粉砕物層の厚さ検出信号に基いて前記ヒータによる加熱温度を調整する第２の系統とを備えたことを特徴とする石炭−バイオマス混合粉砕装置。
4. 石炭とバイオマスを混合粉砕する石炭−バイオマス混合粉砕装置と、
   その石炭−バイオマス混合粉砕装置で粉砕された微粉炭と微粉状バイオマスの混合物をバーナに供給して燃焼するボイラ本体とを備えたボイラ装置において、
   前記石炭−バイオマス混合粉砕装置が請求項１ないし３のいずれか１項記載の石炭−バイオマス混合粉砕装置であることを特徴とするボイラ装置。

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