JP3962308B2

JP3962308B2 - コークス乾式消火設備におけるバイオマスの処理方法

Info

Publication number: JP3962308B2
Application number: JP2002293197A
Authority: JP
Inventors: 淳藤川; 宏志植松; 晴是汐田; 康孝紫原
Original assignee: Nippon Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 2002-09-10
Filing date: 2002-10-07
Publication date: 2007-08-22
Anticipated expiration: 2022-10-07
Also published as: JP2004155800A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、コークス乾式消火設備にて木材、下水汚泥ケーキ等のバイオマスを処理して有効利用するバイオマスの処理方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
コークス乾式消火設備におけるバイオマスの処理方法として、コークス乾式消火設備の冷却塔のプレチャンバにバイオマス（下水汚泥ケーキ）を装入して熱分解処理する方法が例えば特許文献１に開示されている。
【０００３】
特許文献１に開示されている熱分解処理方法は、赤熱コークスの顕熱を利用しプレチャンバ内で下水汚泥ケーキの有機成分を熱分解するとともに、下水汚泥ケーキ中の水分と赤熱コークスとを水性ガス化反応させ、ＣＯ、Ｈ_２等の可燃ガスとして煙道に導き、煙道にて燃焼用空気を導入し燃焼させるものである。
【０００４】
コークス乾式消火設備の煙道には、ダストキャッチャーと呼ばれる重力沈降式の固気分離機構が、ボイラー保護のために設けられている。重力沈降式の固気分離機構は、固体の慣性力を利用し沈降させるものであり、ガス流れを乱流にすると固体の慣性力が阻害され、固気分離効率が著しく低下するため、コークス乾式消火設備の煙道ではガス流速を極力低下させ、ガスを層流状態に保っている。そのため、固気分離性能を維持したまま煙道にて可燃ガスと燃焼用空気を混合し燃焼させるのは非常に困難であり、また滞留時間も短いため、その燃焼量には限界があった。また、可燃ガスが完全燃焼せずに可燃ガスが残留すると、Ｈ_２Ｓ等の腐食成分が生成し、ボイラー及び冷却塔下部等にて金属が腐食し、大きな設備トラブルを引き起こす。
【０００５】
木材、下水汚泥ケーキ等のバイオマス中には、固定炭素と呼ばれる炭素分が存在する。固定炭素とは、無酸素雰囲気下で原料を熱分解した際に、ガス化せずに固体の炭素として残渣となる炭素分である。通常のバイオマスには２０重量％程度の固定炭素が含まれている。コークス乾式消火設備のプレチャンバにてバイオマス原料を熱分解させると、バイオマス中の固定炭素分は、ダストとして可燃ガスとともに煙道に導かれる。前述のように、煙道では燃焼効率が悪いため、飛散したダスト（固定炭素）は燃焼せずにダストキャッチャーにて捕集され、固定炭素分の燃焼による発熱量は有効利用されていなかった。固定炭素分の発熱量は、全てが炭素であるため非常に高く、バイオマスの発熱量のうち４０％程度を占めている。
【０００６】
【特許文献１】
特許第２７８９９８８号公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
本発明が解決しようとする課題は、可燃ガスの残留による設備の腐食トラブルを生じることなくバイオマスを大量に有効利用することができ、且つ、装入したバイオマスの固定炭素をダストとして回収することなしに熱として回収し有効利用することができるコークス乾式消火設備におけるバイオマスの処理方法を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明のコークス乾式消火設備におけるバイオマスの処理方法は、冷却塔上部のコークス装入口より赤熱コークスをプレチャンバに装入し、冷却塔下部より不活性ガスを導入して赤熱コークスを冷却するコークス乾式消火設備にて木材、下水汚泥ケーキ等のバイオマスを処理するにあたり、前記コークス乾式消火設備の上部で前記プレチャンバに設けた１又は２以上のバイオマス装入口から前記プレチャンバ内にバイオマスを装入し、このバイオマスをプレチャンバ内で可燃ガスとバイオマス粉化固定炭素とに熱分解し、装入したバイオマスの完全燃焼に必要な空気量の燃焼用空気をプレチャンバ内に吹き込むことを特徴とする。
【０００９】
本発明では、熱分解後のバイオマス粉化固定炭素と可燃ガスとを燃焼させた後の排ガスを再度燃焼させるための燃焼用空気を環状ダクト及び／又は煙道内に吹き込み、未燃ガスの発生を防止するようにしても良く、前記プレチャンバ内に熱分解後のバイオマス粉化固定炭素と可燃ガスの燃焼によって上昇するプレチャンバ内の温度を制御するための水及び／又は蒸気を吹き込むようにしても良い。
【００１１】
さらに本発明では、バイオマスを２箇所以上のバイオマス装入口よりプレチャンバ内に装入することができ、また、バイオマスをバイオマス装入口の近傍に設けた、回転式羽根を備えた切出し分散装置、或いは、傾斜角及び／又は方向が変更可能なシュートによりプレチャンバ内に分散装入することもできる。
【００１２】
また本発明では、プレチャンバへの赤熱コークス装入等によるコークス装入口の蓋開放期間中に、コークス装入口からのガス漏洩を防止するため、前記バイオマスのプレチャンバへの装入を停止若しくは装入量を低減するようにすることができる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面に示す実施例に基づき説明する。
【００１４】
実施例１
図１は、本発明のバイオマスの処理方法を実施するコークス乾式消火設備の構成図である。コークス乾式消火設備では、赤熱コークス１を冷却塔２上部のコークス装入口３から、蓋３ａを開放した後プレチャンバ４に装入して下降させ、冷却塔２下部の冷却ガス管１４から供給する冷却ガスとしての不活性ガスを赤熱コークス１と熱交換させ、赤熱コークス１の熱を回収した高温の不活性ガスを環状ダクト５から煙道１０を経由してボイラー１３に導入して熱交換した後、循環ブロワ１５で冷却塔２下部へ圧送して循環させるようになっている。冷却されたコークスは冷却塔２最下部のコークス排出口６から排出される。
【００１５】
プレチャンバ４には、木材、下水汚泥ケーキ等のバイオマス装入口７と、燃焼用空気導入口８が設けられている。バイオマスのうち、木材は１０〜５０ｍｍ程度にハンマークラッシャー等（図示せず）により粗粉砕してバイオマス装入口７より連続的に装入される。煙道１０には、燃焼用空気導入口９と、衝突壁１１と、衝突壁１１によって分離されたダストを回収するためのダストキャッチャ１２が設けられている。また、ボイラー１３と循環ブロワ１５との間の配管にはダスト分離のためのサイクロン１６が設けられている。
【００１６】
このコークス乾式消火設備においてバイオマスは以下のように処理される。
【００１７】
バイオマス装入口７よりプレチャンバ４に装入されたバイオマスは、赤熱コークス１の顕熱により可燃ガスとバイオマス固定炭素とに熱分解される。熱分解にて生じた可燃ガスは燃焼用空気導入口８より連続的に導入される燃焼用空気によりプレチャンバ４内にて燃焼する。燃焼用空気は、装入したバイオマスの完全燃焼に必要な空気量（以下「必要空気量」という。）を導入する。熱分解により生じたバイオマス固定炭素も同様に燃焼用空気にて燃焼する。バイオマス固定炭素は強度がコークスに比べ著しく低いため、赤熱コークス１の充填層内にて粉化する。粉化したバイオマス固定炭素は、比表面積が赤熱コークス１に比べ著しく大きく、且つ、熱分解により多孔質になっているため、燃焼性が非常に良い。その結果、赤熱コークス１が燃焼するより先に優先的に燃焼される。また、プレチャンバ４内での滞留時間は、煙道１０内の滞留時間に比べ非常に長く、赤熱コークス１の充填層によりガスは乱流状態となっているため、確実に混合され、燃焼が効率的に行われる。
【００１８】
燃焼を終えた排ガスは、その水分による平衡反応により少量の可燃分を含有し、環状ダクト５を経由して煙道１０に導かれる。煙道１０では、燃焼用空気導入口９より再度燃焼用空気が連続的に導入される。可燃分は少量であるため、短い滞留時間中でも完全燃焼し、煙道１０内に設置されている衝突壁１１に排ガスが到達するまでの間で完全に燃焼され、未燃のバイオマス固定炭素が衝突壁１１に衝突することはない。このように、バイオマス原料中の固定炭素は全て燃焼して排ガス顕熱に変換されており、有効にボイラー１３にて熱交換され熱回収される。これにより、大量のバイオマスをコークス乾式消火設備にて処理し、バイオマスが所持している熱量を全量、熱として回収し有効利用することが可能となる。
【００１９】
ここで、熱分解後のバイオマス固定炭素と可燃ガスとを燃焼させた後の排ガスを再度燃焼させるための燃焼用空気は、上記実施例のように煙道１０内に導入するほか、環状ダクト５内に導入しても良く、その両方に導入しても良い。
【００２０】
一方、赤熱コークスの装入時などに蓋３ａを開放すると、冷却塔２頂部のコークス装入口３から大量の空気が流入する。そのため、プレチャンバ４内に可燃ガスが充満していると爆発の危険性がある。また、バイオマスは８割以上が揮発分であるため、大量のガスを放出する。その放出ガス量とコークス装入口３から流入した空気量との総量が循環ブロワ１５の許容量を超えると、冷却塔２頂部は正圧となりコークス装入口３よりガスが漏れ出す。そこで、バイオマスを処理するにあたり、コークス装入口３の蓋３ａを開放している間は、バイオマスのプレチャンバ４への装入を停止若しくは装入量を低減するようにする。これによって、循環ブロワ１５の能力を増強することなしに、ガスの漏洩等を回避できる。
【００２１】
実施例２
図２は、本発明の他の実施例を実施するコークス乾式消火設備の構成図である。図２のコークス乾式消火設備のプレチャンバ４には、バイオマス装入口７及び燃焼用空気導入口８に加え、水及び／又は蒸気の導入口１７が設けられている。
【００２２】
前述のように、バイオマスをプレチャンバ４にて大量に燃焼処理し、有効利用する場合、プレチャンバ４で温度上昇が生じる。この温度上昇は機器に対する影響もさることながら、灰の溶融という深刻な問題を生じる。一般的にバイオマスに含まれる灰分の融点は石炭灰の融点に比べて低い。そのため、高温燃焼すると灰が半溶融状態にて飛散し、壁、伝熱管などに付着し弊害を起こす。そのため、燃焼温度管理を行う必要がある。そこで、大量のバイオマスをプレチャンバ４にて燃焼させた場合の温度制御用として、導入口１７より水／蒸気を必要に応じて吹き込みその温度制御を行う。吹き込まれた水／蒸気は、プレチャンバ４内にて炭素分と水性ガス化反応（吸熱反応）を生じ、プレチャンバ４を冷却する。この温度制御により、灰の溶融を生じることなく、未燃ガスを発生することもなく、さらに回収可能な熱量をダストとして系外に排出することなく、バイオマスを最大限有効利用することが可能となる。
【００２３】
参考例１
図３は、本発明のバイオマス処理方法の一部を実施するコークス乾式消火設備の構成図である。図３のコークス乾式消火設備では、熱分解後のバイオマス固定炭素と可燃ガスとを燃焼させる燃焼用空気を導入するための燃焼用空気導入口１８をプレチャンバ４には設けずに、環状ダクト５と煙道１０に設けている。
【００２４】
バイオマスの熱分解により発生したバイオマス固定炭素を燃焼させるにあたり、煙道１０に燃焼用空気を導入するだけでは滞留時間が短すぎることから、完全燃焼させることが困難であることは前述のとおりである。そこで、本実施例では、環状ダクト５に燃焼用空気を導入し、燃焼用空気によりバイオマス固定炭素を燃焼させるための時間を長くするようにしている。その意味からすれば、必要空気量の全量を環状ダクト５から導入することが好ましいが、大量の燃焼用空気を環状ダクト５に導入すると、その燃焼熱により環状ダクト５の温度が著しく上昇し、環状ダクト５での温度上昇により、前述のとおり、バイオマス灰分の溶融・付着が生じる。また、一般的に環状ダクト５の内壁は煉瓦単体構造であるため高温での強度がないため局部高温を避ける必要があり、環状ダクト５の内壁の温度は許容温度以下に維持する必要がある。そこで、本実施例では、環状ダクト５内のガス温度を温度センサ（図示せず）にて計測し、そのガス温度が許容温度（例えば１０００℃）を超えないように、環状ダクト５からの燃焼用空気の吹き込み量を制御し、必要空気量の残量は煙道１０内に吹き込むようにしている。
【００２５】
この燃焼用空気の吹き込み方法により、プレチャンバ４に空気を導入した時に少量生じているコークス燃焼を防止することが可能となり、製品となるコークスのロスを生じることなく、灰の溶融を生じることなく、未燃ガスを発生することなく、さらに回収可能な熱量をダストとして系外に排出することなく、バイオマスを最大限有効利用することが可能となる。
【００２６】
参考例２
図４は、本発明のバイオマス処理方法の一部を実施するコークス乾式消火設備の構成図である。
【００２７】
バイオマスの処理量を高めていくと、伝熱効率が低下しバイオマスの温度が上昇しないため確実に熱分解・燃焼が行われず、熱効率が低下する部分が発生する。そして、その部分は低温となり、その部分が冷却塔２の内壁付近に存在すれば、内壁を構成する煉瓦にも悪影響を与える。伝熱効率を低下させる要因の一つは、バイオマスの充填厚みである。すなわち、充填厚みに局部的に厚い部分が存在すると、バイオマスの断熱効果により温度が低下し、その部分の熱効率が低下する。
【００２８】
したがって、熱効率を低下させずにバイオマスの処理量を高めるためには、バイオマスをプレチャンバ４内に均等に装入する必要がある。そのため、図４のコークス乾式消火設備には、バイオマス装入口７を２箇所以上設け、これによって、バイオマスをプレチャンバ４内に分散させ、極力均等に装入できるようにしている。
【００２９】
また、図５に示すように、バイオマス装入口７の近傍に回転式羽根を備えた切出し分散装置１９を設ければ、プレチャンバ４内にバイオマスをより一層均等に装入することができる。
【００３０】
また、図６に示すように、バイオマス装入口７の近傍に傾斜角及び／又は方向が変更可能なバイオマス装入用のシュート２０を設けることによっても、プレチャンバ４内にバイオマスをより一層均等に装入することができる
【００３１】
【発明の効果】
本発明のコークス乾式消火設備におけるバイオマスの処理方法では、熱分解後のバイオマス固定炭素と可燃ガスとを燃焼させるための燃焼用空気をプレチャンバ内に吹き込むので、未燃ガスの大部分はプレチャンバ内で燃焼される。したがって、可燃ガスの残留による設備の腐食トラブルを生じることなくバイオマスを大量に有効利用することができる。また、バイオマス固定炭素も燃焼用空気によりプレチャンバ内で優先燃焼するので、装入したバイオマスの固定炭素をダストとして回収することなしに熱として回収し有効利用することができる。
【００３２】
また、環状ダクト及び／又は煙道内に燃焼用空気を吹き込むことにより、バイオマス固定炭素を完全に燃焼することが可能となり、バイオマスが所持している熱量を全量、熱として回収し有効利用することが可能となる。さらに、プレチャンバに温度制御用の水及び／又は蒸気を吹き込むことにより、プレチャンバでの温度上昇を抑制することができ、融点の低いバイオマス中の灰の溶融による付着等の弊害を生じることなく、大量のバイオマスの処理が可能となり、バイオマスが所持している熱量を全量、熱として回収し有効利用することが可能となる。
【００３４】
また、ブレチャンバへのバイオマスの装入を２箇所以上の装入口より行うことや、バイオマス装入口近傍に回転式羽根を備えた切出し分散装置を設けることや、バイオマス装入口近傍に傾斜角及び／又は方向が変更可能なバイオマス装入用のシュートを設けることにより、バイオマスをプレチャンバ内に分散させ、均等に装入することができ、バイオマスの断熱効果による温度低下を防止し、温度変動による耐火物への悪影響を生じさせることなく、バイオマスの熱分解・燃焼不足による熱効率の低下を招くことなく、大量のバイオマスの処理が可能となり、バイオマスが所持している熱量を全量、熱として回収し有効利用することが可能となる。
【００３５】
また、赤熱コークスの装入時等の蓋開放時にバイオマスのプレチャンバへの装入を停止若しくは装入量を低減することにより、ガスの漏洩を回避することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のバイオマスの処理方法を実施するコークス乾式消火設備の構成図である。
【図２】本発明の他の実施例を実施するコークス乾式消火設備の構成図である。
【図３】本発明のバイオマス処理方法の一部を実施するコークス乾式消火設備の構成図である。
【図４】本発明のバイオマス処理方法の一部を実施するコークス乾式消火設備の構成図である。
【図５】バイオマス装入口の近傍に設けた切出し分散装置を示す図である。
【図６】バイオマス装入口の近傍に設けたバイオマス装入用のシュートを示す図である。

Claims

冷却塔上部のコークス装入口より赤熱コークスをプレチャンバに装入し、冷却塔下部より不活性ガスを導入して赤熱コークスを冷却するコークス乾式消火設備にて木材、下水汚泥ケーキ等のバイオマスを処理するにあたり、前記コークス乾式消火設備の上部で前記プレチャンバに設けた１又は２以上のバイオマス装入口から前記プレチャンバ内にバイオマスを装入し、このバイオマスをプレチャンバ内で可燃ガスとバイオマス粉化固定炭素とに熱分解し、装入したバイオマスの完全燃焼に必要な空気量の燃焼用空気をプレチャンバ内に吹き込むことを特徴とするコークス乾式消火設備におけるバイオマスの処理方法。
熱分解後のバイオマス粉化固定炭素と可燃ガスとを燃焼させた後の排ガスを再度燃焼させるための燃焼用空気を環状ダクト及び／又は煙道内に吹き込み、未燃ガスの発生を防止することを特徴とする請求項１に記載のコークス乾式消火設備におけるバイオマスの処理方法。
前記プレチャンバ内に熱分解後のバイオマス粉化固定炭素と可燃ガスの燃焼によって上昇するプレチャンバ内の温度を制御するための水及び／又は蒸気を吹き込むことを特徴とする請求項１又は２に記載のコークス乾式消火設備におけるバイオマスの処理方法。
前記バイオマスをバイオマス装入口の近傍に設けた、回転式羽根を備えた切出し分散装置によりプレチャンバ内に分散装入することを特徴とする請求項１乃至３の何れか１項に記載のコークス乾式消火設備におけるバイオマスの処理方法。
前記バイオマスをバイオマス装入口の近傍に設けた、傾斜角及び／又は方向が変更可能なシュートによりプレチャンバ内に分散装入することを特徴とする請求項１乃至３の何れか１項に記載のコークス乾式消火設備におけるバイオマスの処理方法。
プレチャンバへの赤熱コークス装入等によるコークス装入口の蓋開放期間中に、コークス装入口からのガス漏洩を防止するため、前記バイオマスのプレチャンバへの装入を停止若しくは装入量を低減することを特徴とする請求項１乃至３の何れか１項に記載のコークス乾式消火設備におけるバイオマスの処理方法。