JP7341669B2 - 固体燃料粉砕装置及びこれを備えた発電プラント並びに固体燃料粉砕方法 - Google Patents
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Description
ボイラの運転範囲は、運用時に用いられる運転範囲を意味し、例えば、ボイラの最低負荷運転から過負荷(例えば最高負荷)運転までの範囲を意味する。
また、搬送ガス供給量の目標値は、空気過剰による燃焼装置での不安定な燃焼を回避するように決定しても良い。例えば、搬送ガス供給量をA(t/h)、微粉バイオマス燃料の供給量をF(t/h)とした場合、A/Fが2以上5以下とされた上限値を超えないように搬送ガス供給量の目標値が決定される。
なお、最低負荷から定格運転までの運転範囲にわたって、または最低負荷から過負荷運転までの全運転範囲にわたって、バイオマス燃料粉砕モード時に用いる搬送ガス供給量を、石炭粉砕モード時に用いる搬送ガス供給量よりも多くしても良い。
本実施形態に係る発電プラント1は、固体燃料粉砕装置100とボイラ200とを備えている。
なお、本実施形態では、上方とは鉛直上側の方向を、上部や上面などの“上”とは鉛直上側の部分を示している。また同様に“下”とは鉛直下側の部分を示している。
ここで、バイオマス燃料とは、再生可能な生物由来の有機性資源であり、例えば、間伐材、廃材木、流木、草類、廃棄物、汚泥、タイヤ及びこれらを原料としたリサイクル燃料(ペレットやチップ)などであり、ここに提示したものに限定されることはない。バイオマス燃料は、バイオマスの成育過程において二酸化炭素を取り込むことから、地球温暖化ガスとなる二酸化炭素を排出しないカーボンニュートラルとされるため、その利用が種々検討されている。
ハウジング11の天井部42の中央部には、燃料供給部17が取り付けられている。この燃料供給部17は、バンカ21から導かれた固体燃料をハウジング11内に供給するものであり、ハウジング11の中心位置に上下方向に沿って配置され、下端部がハウジング11の内部まで延設されている。
回転テーブル12は、平面視円形の部材であり、燃料供給部17の下端部が対向するように配置されている。回転テーブル12の上面は、例えば、中心部が低く、外側に向けて高くなるような傾斜形状をなし、外周部が上方に曲折した形状をなしていてもよい。燃料供給部17は、固体燃料(本実施形態では例えば石炭やバイオマス燃料)を上方から下方の回転テーブル12に向けて供給し、回転テーブル12は供給された固体燃料をローラ13との間で粉砕するもので、粉砕テーブルとも呼ばれる。
図1では、ローラ13が代表して1つのみ示されているが、回転テーブル12の上面を押圧するように、周方向に一定の間隔を空けて、複数のローラ13が対向して配置される。例えば、外周部上に120°の角度間隔を空けて、3つのローラ13が周方向に均等な間隔で配置される。この場合、3つのローラ13が回転テーブル12の上面と接する部分(押圧する部分)は、回転テーブル12の回転中心軸からの距離が等距離となる。
回転式分級機16によって分級された微粉燃料は、出口19から供給流路100bへ排出され、一次空気とともに後工程へと搬送される。供給流路100bへ流出した微粉燃料は、ボイラ200のバーナ220へ供給される。
したがって、ダウンスパウト部24内のバイオマス燃料のチップやペレットの間には隙間があることから、ミル10内部から吹き上げる一次空気と微粉燃料が各バイオマス燃料間に形成される隙間を通過して、ミル10内部の圧力が低下する可能性がある。また、一次空気がバンカ21の貯留部へと吹き抜けると、バイオマス燃料の搬送性の悪化や粉塵発生、ダウンスパウト部24の着火、また、ミル10内部の圧力が低下すると、微粉燃料の搬送量が低下するなど、ミル10の運転に種々の問題が生じる可能性がある。このため、給炭機20から燃料供給部17の途中にロータリバルブ(図示省略)を設けて、一次空気と微粉燃料の吹き上げによる逆流を抑制するようにしてもよい。
送風部30は、ハウジング11へ送風される一次空気を適切な温度に調整するために、熱ガス送風機30aと、冷ガス送風機30bと、熱ガスダンパ30cと、冷ガスダンパ30dとを備えている。
また、熱ガス送風機30aが送風する一次空気に、ガス再循環通風機を介して電気集塵機など環境装置を通過したボイラ200から排出された燃焼ガスの一部を導き、混合気とすることで、一次空気流路100aから流入する一次空気の酸素濃度を調整してもよい。
また、本実施形態の状態検出部40は、例えば、温度計測手段であり、ローラ13により粉砕された固体燃料を回転式分級機16へ供給するための一次空気を、ハウジング11の内部に送風する送風部30により温度調整される一次空気のハウジング11での温度を検出して、上限温度を超えないように送風部30を制御する。なお、一次空気は、ハウジング11内において、粉砕物を乾燥しながら搬送することによって冷却されるので、ハウジング11の上部空間の温度は、例えば約60~80℃程度となる。
ボイラ200は、火炉210とバーナ220とを備えている。
ボイラ200の各熱交換器への給水は、エコノマイザ(図示省略)において加熱された後に、蒸発器(図示省略)および過熱器(図示省略)によって更に加熱されて高温高圧の蒸気が生成され、発電部である蒸気タービン(図示省略)へと送られて発電機(図示省略)を回転駆動して発電が行われる。
次に、送風部30からミル10内に供給される一次空気供給量(搬送ガス供給量)Aの制御について説明する。一次空気供給量Aの制御は、図2に基づいて制御部50によって行われる。制御部50は、ミル10の運用時に、ミル10に供給する固体燃料として主として石炭を粉砕して微粉炭をバーナ220へ供給する石炭粉砕モードと、主としてバイオマス燃料を粉砕して微粉バイオマス燃料をバーナ220供給するバイオマス燃料粉砕モードとを切り換えて制御する。
横軸において、1.0をボイラ200の定格運転時として燃料供給量Fを規格化している。そして、一例として、ボイラ200の最低負荷運転時の燃料供給量Fを0.4とし、ボイラ200の過負荷運転時の燃料供給量Fを1.25としている。したがって、ボイラ200の運転範囲は、0.4以上1.25以下となる。なお、ボイラ200の最低負荷運転時と過負荷運転時の数値は、あくまでも例示であって、ボイラ200に応じて種々設定される。
縦軸において、バイオマス燃料粉砕モード時の最低負荷運転時の一次空気供給量A1を1.0として一次空気供給量Aを規格化している。
石炭粉砕モードにおける一次空気供給量A2は、図2において破線で示すように、例えば燃料供給量Fが最低負荷運転時である0.4よりも小さい領域では、0.65で一定とされている。なお、一次空気供給量A2の0.65という値は、あくまでも例示であって、バイオマス燃料粉砕モード時の一次空気供給量A1(すなわち1.0)よりも小さいことを意味する。なお、最低負荷運転時から定格運転時までの運転範囲にわたって、または最低負荷時から過負荷運転時までの全運転範囲にわたって、バイオマス燃料粉砕モード時に用いる一次空気供給量A1を、石炭粉砕モード時に用いる一次空気供給量A2よりも多くしても良い。
バイオマス燃料粉砕モードにおける一次空気供給量A1は、図2において実線で示すように、ボイラ200の運転範囲の全体にわたって、すなわち最低負荷運転である0.4から過負荷運転である1.25までにわたって、1.0で略一定とされている。その理由は以下のとおりである。
粉砕されたバイオマス燃料は、石炭由来の微粉燃料である微粉炭燃料に比べて粒径が大きく回転式分級機16のブレード16a間を通過しにくいために、回転式分級機16を通過して出口19から排出されてバーナ220へと搬送されにくい。また、バイオマス燃料の粉砕燃料は、ミル10内部の隙間や気流の淀み域で堆積し易く、さらに、比重が小さく、回転式分級機16の回転速度も遅く設定される為、例えば回転式分級機16内に一次空気の気流が滞留した領域が発生し、バイオマス燃料の粉砕燃料が回転式分級機16内に堆積しても、回転式分級機16の遠心力によって除去、排出することが困難である。このため、一次空気の気流が滞留した領域を作らないこと、すなわち一次空気の流量つまり搬送力を十分確保することが必要であり、ボイラ200が最低負荷運転などの低負荷運転であっても粉砕されたバイオマス燃料の搬送に必要な搬送力を確保するために所定値以上の一次空気供給量A1が必要となる。一方、バイオマス燃料は、微粉炭燃料に比べて含水率が低いので、一次空気による乾燥という必要性が比較的少ない。したがって、ボイラ200が定格運転などの高負荷運転となっても燃料中の水分を乾燥させるために一次空気供給量A1を増加させる必要がない。
なお、一次空気供給量A1は、略一定とされていれば良く、厳密に一定とされていなくても良い。ここで、略一定とは、例えば、ボイラ200の負荷の増加減少に対応する燃料供給量Fの増加減少の変化の前後に対して、一次空気供給量A1の増加減少の変化量の割合が±10%以下となる範囲内であれば良い。
図3に示すように、目標粒径d1は、バーナ220の燃焼性と粉砕に必要な回転テーブル12の回転動力などから決定される。また、搬送される微粉バイオマス燃料の粒径は、一次空気供給量A1を増大させるほど搬送力が増大するので搬送される粒径が増大する。一方、一次空気供給量A1を減少させるほど搬送力が減少するので搬送される粒径が減少する。したがって、一次空気供給量A1を増減させることによって、目標粒径d1に対応して搬送する一次空気供給量A1を得ることができる。
図4には、燃料供給量Fに対するA/Fが示されている。同図において、実線がバイオマス燃料粉砕モードを示し、一点鎖線が石炭粉砕モードを示す。
同図に示すように、石炭粉砕モード時及びバイオマス燃料粉砕モード時のいずれにおいても、燃料供給量Fが増加するにつれてA/Fが減少する。ただし、図2に示したように、バイオマス燃料粉砕モード時の方が石炭粉砕モード時よりも一次空気供給量Aが多いので、同じ燃料供給量Fで比較するとバイオマス燃料粉砕モード時の方が石炭粉砕モード時よりもA/Fが大きい。
次に、回転式分級機16の回転速度の制御について説明する。回転式分級機16の回転速度の制御は、制御部50によって行われる。制御部50は、ミル10の運用時に、石炭粉砕モードと、バイオマス燃料粉砕モードとを切り換えて制御する。
図5には、石炭粉砕モードにおける回転式分級機16の回転速度制御が示されている。横軸は燃料(石炭)供給量Fを示し、縦軸は回転式分級機16の回転速度を示している。
横軸において、1.0をボイラ200の定格運転時の燃料供給量Fとして規格化している。そして、一例として、ボイラ200の最低負荷運転時の燃料供給量Fを0.4とし、ボイラ200の過負荷運転の燃料供給量Fを1.25としている。したがって、ボイラ200の運転範囲は、0.4以上1.25以下となる。なお、ボイラ200の最低負荷運転時と過負荷運転時の数値は、あくまでも例示であって、ボイラ200に応じて種々設定される。
縦軸において、後述するバイオマス燃料粉砕モードにおけるボイラ200の最低負荷運転時の回転式分級機16の回転速度を1.0として規格化されている。
すなわち、最低負荷運転よりも小さい負荷運転の場合には、最低負荷運転時よりも大きい負荷運転時の回転式分級機16の回転速度(8.0)と同様の回転速度を用いて石炭を粉砕すると、回転式分級機16を通過できるよう粉砕されたミル10内の石炭が細かくなりすぎ、石炭に含まれる炭素が個体潤滑剤の働きをして摩擦力が低下し、回転テーブル12に対してローラ13がスリップをして振動を発生するなど所望の粉砕ができなくなる可能性があるからである。このために、石炭粉砕モード時には、最低負荷運転よりも小さい場合には回転式分級機16の回転速度を下げて、本実施形態では回転速度を5.0程度とすることとしている。
また、図2で示した通り、燃料供給量Fが増大すると一次空気供給量A2が増加させることで粉砕された石炭の搬送性が高くなるため、バーナ220へ供給する微粉炭燃料が所定粒径となる(分級できる)ように、燃料供給量Fが0.4から定格運転である1.0を超えた1.1までは、一次空気供給量A2の増加に応じて、回転式分級機16の回転速度を少しずつ増加させて、バーナ220へ供給する微粉炭燃料中の粗粉の増加を抑制するようにしてもよい。
燃料供給量Fの上限を、定格運転を超えた1.1としているが、定格運転である1.0でも良く、運用に応じて適宜設定される。
図6には、バイオマス燃料粉砕モードにおける回転式分級機16の回転速度制御が示されている。横軸と縦軸は図5と同様である。
図6に示したように、バイオマス燃料粉砕モードでは、回転式分級機16の回転速度は、燃料供給量Fが最低負荷である0.4から過負荷である1.25までにわたって、1.0で略一定とされている。これは、粉砕されたバイオマス燃料は、石炭由来の微粉炭燃料に比べて粒径が大きく回転式分級機16のブレード16a間を通過しにくい。このため、回転式分級機16の回転速度を小さく設定している。また、比重が小さいので、気流の淀み域で堆積したものは、回転式分級機16によって遠心力を与えても遠心力が小さく回転式分級機16から除去、排出することができないため、回転式分級機内に留まり蓄積しやすく、ミル10から回転式分級機16を通過して出口19より排出されにくい。このため、ボイラ200の負荷運転が増大するに従いバイオマス燃料の投入量を増大させた場合に、回転式分級機16の回転速度を増大して粗粒の分級を促進すると、回転式分級機16からボイラ200側へ供給される微粉バイオマス燃料の供給量が負荷に見合ったように増大することはなく、むしろミル10内部で回転式分級機16により叩き落された粗粒バイオマス燃料の密度が増加して、ミル10の負荷だけが上昇する可能性がある。また、バイオマス燃料粉砕モードにおける回転式分級機16の回転速度は小さいために、回転式分級機16の回転速度の制御に必要な単位は0.1rpmから1rpmレベルと細かくなり実質的な制御を行うことが困難である。そこで、ボイラ200の負荷が増大しても略一定の回転速度で回転式分級機16を運用しながら、ボイラ200の負荷の増大に見合った微粉バイオマス燃料を供給することとした。
図6は、縦軸において、バイオマス燃料粉砕モードにおけるボイラ200の最低負荷運転時の回転式分級機16の回転速度が最も少ない回転速度として選定されるので、最低負荷運転時の回転式分級機16の回転速度を1.0として規格化されている。
粉砕されたバイオマス燃料は、石炭由来の微粉燃料である微粉炭燃料に比べて粒径が大きく回転式分級機16のブレード16a間を通過しにくい。また、比重が小さく、軽量であるため、一旦回転式分級機16内に入って搬送ガスの気流が滞留した領域では、粉砕されたバイオマス燃料への遠心力が小さいために、蓄積されて排出されにくい。従い、回転式分級機16を通過して後流のバーナ220へ搬送して供給されにくい。このため、ボイラ200が低負荷であっても粉砕されたバイオマス燃料が所望の搬送力を確保するために所定値以上の一次空気供給量A1が必要となる。一方、粉砕された後に回転式分級機16で分級された微粉バイオマス燃料とするにあたり、バイオマス燃料は、燃料としての製造過程で乾燥を伴うために微粉炭燃料に比べて含水率が低いので、一次空気による乾燥の必要性が比較的少ない。したがって、ボイラ200が高負荷となっても燃料中の水分を乾燥させるために一次空気供給量A1を増加させる必要がない。そこで、ボイラ200の運転範囲にわたって一次空気供給量A1を略一定に制御することとした。これにより、ボイラ200の運転範囲にわたって粉砕されたバイオマス燃料の搬送力を維持しつつ、一次空気供給量A1を簡便に制御することができる。
10 ミル
11 ハウジング
12 回転テーブル
13 ローラ(粉砕ローラ)
14 駆動部
16 回転式分級機
16a ブレード
17 燃料供給部
18 モータ
19 出口
20 給炭機
21 バンカ
22 搬送部
23 モータ
24 ダウンスパウト部
30 送風部(搬送ガス供給部)
30a 熱ガス送風機
30b 冷ガス送風機
30c 熱ガスダンパ
30d 冷ガスダンパ
40 状態検出部
41 底面部
42 天井部
45 ジャーナルヘッド
47 支持アーム
48 支持軸
49 押圧装置
50 制御部
100 固体燃料粉砕装置
100a 一次空気流路
100b 供給流路
200 ボイラ
210 火炉
220 バーナ(燃焼装置)
A 一次空気供給量
A1 (バイオマス燃料粉砕モード時の)一次空気供給量
A2 (石炭粉砕モード時の)一次空気供給量
d1 (バイオマス燃料の)目標最大粒径
F 燃料供給量
Claims (8)
- 回転テーブルと、
前記回転テーブルとの間でバイオマス燃料を粉砕する粉砕ローラと、
前記粉砕ローラによって粉砕されたバイオマス燃料を分級して微粉バイオマス燃料を選別する回転式分級機と、
前記回転テーブル側から前記回転式分級機に向かう搬送ガスを供給する搬送ガス供給部と、
前記搬送ガス供給部から供給される搬送ガス供給量を制御する制御部と、
を備え、
前記回転式分級機から分級後の前記微粉バイオマス燃料が供給されるボイラの最低負荷運転と最高負荷運転との間で、前記微粉バイオマス燃料の供給量が変化し、
前記制御部は、前記最低負荷運転から前記最高負荷運転までの運転範囲にわたって前記搬送ガス供給量を変化させずに略一定に制御する固体燃料粉砕装置。 - 前記制御部は、前記ボイラの負荷の増減量に対する前記搬送ガス供給量の増減量の割合が±10%以下となるように、前記搬送ガス供給量を略一定に制御する請求項1に記載の固体燃料粉砕装置。
- 前記制御部によって制御される前記搬送ガス供給量の目標値は、前記ボイラの燃焼装置が必要とする前記微粉バイオマス燃料の粒径によって決定される請求項1又は2に記載の固体燃料粉砕装置。
- 前記バイオマス燃料を粉砕して前記微粉バイオマス燃料を供給するバイオマス燃料粉砕モードに加えて、石炭を粉砕して微粉炭を供給する石炭粉砕モードを備え、
前記制御部は、前記バイオマス燃料粉砕モード時に用いる前記搬送ガス供給量と、前記石炭粉砕モード時に用いる前記搬送ガス供給量と、を切り換える請求項1から3のいずれかに記載の固体燃料粉砕装置。 - 前記制御部は、前記バイオマス燃料粉砕モード時に用いる前記搬送ガスの温度を、前記石炭粉砕モード時に用いる前記搬送ガスの温度よりも低くする請求項4に記載の固体燃料粉砕装置。
- 前記制御部は、前記ボイラの最低負荷運転時に、前記バイオマス燃料粉砕モード時に用いる前記搬送ガス供給量を、前記石炭粉砕モード時に用いる前記搬送ガス供給量よりも多くする請求項4又は5に記載の固体燃料粉砕装置。
- 請求項1から6のいずれかに記載された固体燃料粉砕装置と、
前記固体燃料粉砕装置にて粉砕された固体燃料を燃焼装置で燃焼して蒸気を生成する前記ボイラと、
前記ボイラによって生成された前記蒸気を用いて発電する発電部と、
を備えている発電プラント。 - 回転テーブルと、
前記回転テーブルとの間で固体燃料であるバイオマス燃料を粉砕する粉砕ローラと、
前記粉砕ローラによって粉砕されたバイオマス燃料を分級して微粉バイオマス燃料を選別する回転式分級機と、
前記回転テーブル側から前記回転式分級機に向かう搬送ガスを供給する搬送ガス供給部と、
を用いた固体燃料粉砕方法であって、
前記回転式分級機から分級後の前記微粉バイオマス燃料が供給されるボイラの最低負荷運転と最高負荷運転との間で、前記微粉バイオマス燃料の供給量が変化し、
前記最低負荷運転から前記最高負荷運転までの運転範囲にわたって搬送ガス供給量を変化させずに略一定に制御する固体燃料粉砕方法。
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