(57)【要約】【課題】流動層炉の流動層において、流動粒子の融着・凝集（アグロメレーション）を抑制し、草本系バイオマスなど高カリウム含有バイオマスを安定して燃焼することのできる、バイオマスの燃焼方法および燃焼装置を提供する。【解決手段】流動層炉１の炉本体１０にバイオマスを供給するとともに該炉本体１０の下部から酸化性ガスを供給して、ケイ砂粒子を含む流動粒子とともに該バイオマスを流動させて流動層を形成し、該流動層中で上記バイオマスを燃焼させる燃焼方法において、廃棄物ガス化溶融炉にて廃棄物の熱分解残渣を溶融してから冷却して生成した熱分解残渣溶融スラグ、又は灰溶融炉にて廃棄物の灰を溶融してから冷却して生成した灰溶融スラグを添加剤として上記流動層炉１へ供給する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
流動層炉の炉本体にバイオマスを供給するとともに該炉本体の下部から酸化性ガスを供給して、ケイ砂粒子を含む流動粒子とともに該バイオマスを流動させて流動層を形成し、該流動層中で上記バイオマスを燃焼させる燃焼方法において、
廃棄物ガス化溶融炉にて廃棄物の熱分解残渣を溶融してから冷却して生成した熱分解残渣溶融スラグ、又は灰溶融炉にて廃棄物の灰を溶融してから冷却して生成した灰溶融スラグを添加剤として上記流動層炉へ供給することを特徴とするバイオマスの燃焼方法。
【請求項２】
塩基度（スラグ中のＣａＯ／ＳｉＯ２重量比）が０．７〜１．２に調整された熱分解残渣溶融スラグ又は灰溶融スラグを添加剤として流動層炉へ供給することとする請求項１に記載のバイオマスの燃焼方法。
【請求項３】
塩基度（スラグ中のＣａＯ／ＳｉＯ２重量比）が０．９〜１．１に調整された熱分解残渣溶融スラグ又は灰溶融スラグを添加剤として流動層炉へ供給することとする請求項１に記載のバイオマスの燃焼方法。
【請求項４】
熱分解残渣溶融スラグを添加剤として使用する場合に、廃棄物ガス化溶融炉にて廃棄物とともに供給する石灰石の供給量を調整することで熱分解残渣溶融スラグの塩基度を調整することとする請求項２又は請求項３に記載のバイオマスの燃焼方法。
【請求項５】
灰溶融スラグを添加剤として使用する場合に、灰溶融炉にて溶融処理対象である焼却灰とともに供給する生石灰又は石灰石の供給量を調整することで灰溶融スラグの塩基度を調整することとする請求項２又は請求項３に記載のバイオマスの燃焼方法。
【請求項６】
灰溶融スラグを添加剤として使用する場合に、焼却炉からの排ガス中の酸性ガスの除去のために排ガスに吹き込まれ集塵装置で飛灰とともに捕集された石灰石又は消石灰を含むアルカリ飛灰を、灰溶融炉にて溶融処理対象である焼却灰とともに供給し、上記アルカリ飛灰の供給量を調整することで溶融スラグの塩基度を調整することとする請求項２又は請求項３に記載のバイオマスの燃焼方法。
【請求項７】
添加剤としての熱分解残渣溶融スラグ又は灰溶融スラグをケイ砂粒子の１０〜５０ｗｔ％になるような供給比率で上記流動層炉へ供給することとする請求項１ないし請求項６のいずれかに記載のバイオマスの燃焼方法。
【請求項８】
バイオマスが投入されるとともに下部から酸化性ガスが供給されて、ケイ砂粒子を含む流動粒子とともに該バイオマスを流動させて流動層を形成し、該流動層中で上記バイオマスを燃焼させる流動層炉の炉本体を有するバイオマスの燃焼装置において、
廃棄物ガス化溶融炉にて廃棄物の熱分解残渣を溶融してから冷却して生成した熱分解残渣溶融スラグ、又は灰溶融炉にて廃棄物の灰を溶融してから冷却して生成した灰溶融スラグを添加剤として上記流動層炉へ供給する添加剤供給部を有することを特徴とするバイオマスの燃焼装置。
【請求項９】
添加剤供給部は、添加剤が流動層炉の炉本体へバイオマスとともにもしくは別途に供給されるように設けられていることとする請求項８に記載のバイオマスの燃焼装置。
【請求項１０】
流動層炉が、炉本体と、該炉本体の上部からの流動粒子を捕集する捕集部と、該捕集部で捕集された流動粒子を炉本体へ戻すための戻し管とを有する循環流動層炉であり、  添加剤供給部は、添加剤が上記戻し管へ供給されるように設けられていることとする請求項８に記載のバイオマスの燃焼装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、流動層炉の炉本体内にて流動粒子を酸化性ガスにより流動させた流動層中でバイオマスを燃焼させるバイオマスの燃焼方法および燃焼装置に関する。特に、草本系バイオマスなどの高カリウム含有バイオマスの燃焼方法および燃焼装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、地球温暖化の防止対策として、バイオマスエネルギーの利用が注目されている。バイオマスは、化石資源ではなく生物由来の有機性資源であるため、再生可能である。なかでも植物由来のバイオマスは、二酸化炭素排出量を削減する効果が特に期待されている。
【０００３】
バイオマスは有機物であるので、燃焼させると二酸化炭素が発生する。植物由来のバイオマスは、その植物の成長過程で光合成により二酸化炭素から変換された炭素資源を含んでいる。要するに、植物由来のバイオマスの燃焼により発生する二酸化炭素は、その植物が成長過程で大気中から吸収した二酸化炭素に由来している。したがって、バイオマスを燃焼させても、全体としては大気中の二酸化炭素量を増加させていないとみなすことができる。すなわち、バイオマスは、カーボンニュートラルなエネルギー源である。こうした植物由来のバイオマスとして、草本系バイオマス、特にアブラヤシ空果房やスィッチグラスが着目されている。
【０００４】
アブラヤシの空果房は、アブラヤシの果実からパーム油を採取した後に残る一部である。アブラヤシ果房は直径数ｃｍの果実を数百個有しており、果実は果房の芯に強く結合している。この結合を弱めて芯から果実を容易に分離するため、さらに搾油成分の変質を抑制するために、果房は、まず蒸気加熱される。その後、回転篩等により果実が脱果される。果実が脱果された残りの部分が空果房（Ｅｍｐｔｙ  Ｆｒｕｉｔ  Ｂｕｎｃｈ、ＥＦＢ）である。空果房は、大量に排出されるものの水分を多く含んでいるため、有効利用されることなく野外放置や野焼きなどで廃棄されていた。
【０００５】
近年、アブラヤシ空果房をボイラー燃料として利用することが試みられており、そのための装置が提案されている。かかる装置は、蒸気圧力下で回転篩により果実を空果房から分離する蒸熱脱果機、脱果後の空果房を裁断する空果房裁断機、および裁断後の空果房を圧搾する空果房圧搾機を備えている。空果房は空果房裁断機により裁断された後、空果房圧搾機により水分を除去され、ボイラー燃料として使用される。
【０００６】
また、スィッチグラスは、多年生イネ科植物で成長が著しく早いエネルギー作物であり、主に茎部を燃料として用いることが検討されている。
【０００７】
このような草本系バイオマスをボイラー燃料として利用する具体的な技術としては、炉内に供給された粒子状の流動媒体（以下、「流動粒子」という）を、炉下部から酸化性ガスを供給することにより流動させた流動層中で、バイオマスを燃焼させる流動層炉を用いる方法が検討されている。また、流動層炉では、流動粒子として、安価で汎用的なケイ砂粒子が用いられることが多い。
【０００８】
特許文献１には、草本系バイオマスではなく、汚泥や廃棄物などの処理対象物を燃焼するための循環流動層炉が開示されている。この特許文献１の循環流動層炉は、炉本体としてのライザと、流動粒子を捕集してライザへ戻すダウンカマーとで主に構成され、ダウンカマーは、該ライザの上部と接続配管で接続され該ライザから排ガスとともに送られた流動粒子を捕集する捕集部と、該捕集部で捕集された流動粒子をライザの下部に戻すための戻し管と、ライザからのガスが捕集部内を上昇するのを防止するシール部を有している。
【０００９】
上記循環流動層炉では、ライザの下部から上方へ向けて一次空気がそして該ライザの側部から二次空気が供給されていて、該ライザに投入された処理対象物が砂などの流動粒子とともに流動することによりライザ内に流動層が形成されている。上記処理対象物は該流動層中で燃焼され、ライザで発生した排ガスおよび流動粒子の一部がダウンカマーへ送られ、固気分離される。排ガスは、捕集部から外部の排ガス処理設備へと排出される。また、流動粒子は、捕集部で捕集されて降下して、戻し管を経てライザへ戻される。
【００１０】
アブラヤシ空果房やスィッチグラス、竹、籾殻などの草本系バイオマスには、カリウムが多く含まれている。例えば草本系バイオマスにおけるカリウムの含有率は、乾燥ベースで０．７〜３ｗｔ％程度である。したがって、草本系バイオマスなどの高カリウム含有バイオマスを処理対象物として、例えば特許文献１の循環流動層炉などの流動層炉で燃焼させて燃焼熱エネルギーを回収する際には、このカリウムに起因して以下のような問題が生じる。
【００１１】
ケイ砂粒子を流動粒子とする場合、流動層炉では、燃焼により草本系バイオマスから放出されたガス状のカリウム化合物がケイ砂粒子表面に吸着され、ケイ砂粒子表面にＳｉＯ２−Ｋ２Ｏ化合物が生成し、この物質の溶融温度は流動層炉内温度より低いため、溶融状態であってケイ砂粒子表面に融着物が形成される。この結果、ケイ砂粒子同士が融着し、ケイ砂粒子の凝集そして塊化（「アグロメレーション」という）が生じて、ケイ砂粒子の流動状態を維持できなくなり、上記流動層炉の正常な運転が妨げられる。
【００１２】
流動粒子が凝集そして塊化して良好な流動をしていない流動層中に草本系バイオマスを投入すると、該草本系バイオマスは流動粒子中に均等に分散できないため、部分的に集まった状態で燃焼し均一に燃焼できないことになる。これにより、炉内では発熱する領域が偏在することになり、局所的な高温部分であるホットスポットが形成されることになるため、これに起因するＮＯｘ等の有害ガスの発生や、炉内耐火物の損傷、耐用寿命の短縮、ＣＯの発生などの問題が生じ、草本系バイオマスの安定した燃焼が困難となる。
【００１３】
また、流動粒子が凝集する危険性がある場合、流動状態を維持するためには、大量の流動粒子の抜出しと新規流動粒子の補充とを行って流動粒子を入れ替える操作を頻繁に行う必要があることから、連続して運転することができないという問題や、新規流動粒子の購入と抜き出した流動粒子の廃棄に多くの費用が必要となるという問題も生じる。
【００１４】
このような問題に対して、流動層炉の流動層において、流動粒子の凝集を抑制し、草本系バイオマスを安定して燃焼することのできる、草本系バイオマスの燃焼方法として、特許文献２が開示されている。特許文献２では、以下の検討がなされている。
【００１５】
流動粒子の融着、凝集の原因を検討するため、種々のバイオマス、すなわち、木屑、ＰＫＳ（アブラヤシの種子から搾油した残渣）、ＥＦＢ（アブラヤシ空果房）、スィッチグラスの灰分を分析し、灰分中のカリウム含有率の分析結果から乾燥バイオマス中のカリウム含有率を求めた。
【００１６】
バイオマスのうちＥＦＢ（アブラヤシ空果房）やスィッチググラスは、乾燥ベースで０．７〜３ｗｔ％程度のカリウムを含有する。次に、このような高いカリウム含有率の草本系バイオマスを循環流動層炉内で燃焼する際のケイ砂流動粒子の挙動を詳細に検討し、上記草本系バイオマスが流動粒子に融着を生じさせるメカニズムに関して下記のとおりであることが見出された。
【００１７】
循環流動層炉に投入された草本系バイオマスは燃焼し、炉本体の燃焼領域でガス状のカリウム化合物を放出する。燃焼領域に共存するケイ砂粒子表面はこのカリウム化合物を吸着し、カリウムはケイ砂粒子の結晶内部に浸透してガラス状の反応物（ＳｉＯ２−Ｋ２Ｏ化合物）を生成し、生成した反応物はその融点が８００℃以下と炉内温度より低いため溶融状態となる。そして、カリウムが浸透したケイ砂粒子はその表面に溶融状態のＳｉＯ２−Ｋ２Ｏ化合物が生成していて融着物となるため、数粒のケイ砂粒子同士が融着・凝集する。融着・凝集したケイ砂粒子は炉本体の炉底部に落下して更に融着、凝集し、塊を形成する。このようなケイ砂粒子同士の融着、凝集現象を「アグロメレーション」という。このようにして、草本系バイオマスでは放出されたカリウム化合物により流動粒子表面に溶融状態の反応物が生成されて流動粒子が融着することが分かった。なお、草本系バイオマス以外の廃棄物を流動層炉で燃焼する際には燃焼灰が溶融して燃焼灰によって流動粒子が融着する事例もあるが、草本系バイオマスの燃焼灰は炉内温度では溶融せず、飛灰としてガスと共に炉本体から排出されるので、燃焼灰は流動粒子の融着の原因にはならない。
【００１８】
このような、草本系バイオマスをケイ砂流動粒子の流動層炉で燃焼する際の問題に対して、特許文献２には以下のように添加剤を供給することにより、ケイ砂粒子同士の融着・凝集の発生を防止できることが開示されている。特許文献２では、添加剤として、石灰石（ＣａＣＯ３）、消石灰（Ｃａ（ＯＨ）２）、ドロマイト（（ＣａＣＯ３）m（ＭｇＣＯ３）n）のうち少なくとも一つを、流動層炉内に投入された草本系バイオマスに添加し、これらの添加剤から脱離したカルシウム化合物やマグネシウム化合物の微粒子を、草本系バイオマスからカリウム化合物が放出される炉内に共存させる。これによって、このカルシウム化合物やマグネシウム化合物の微粒子が、カリウム化合物の存在の下で溶融物を生成し始めたケイ砂粒子表面に付着し、ＳｉＯ２−Ｋ２Ｏ−ＣａＯ化合物やＳｉＯ２−Ｋ２Ｏ−ＭｇＯ化合物が生成される。これらの反応物は融点が１０００℃以上であって炉内温度より高く溶融していないため、ケイ砂粒子表面に溶融液が存在しないのでケイ砂粒子相互の融着・凝集を防止できる。このように、添加剤を供給することにより、ケイ砂粒子表面に草本系バイオマスから放出されたカリウム化合物により溶融物が生成されることを抑制し、ケイ砂粒子相互の融着・凝集（アグロメレーション）を防止できる。
【００１９】
また、ケイ砂粒子表面へのカルシウム化合物やマグネシウム化合物の微粒子の付着を、ケイ砂粒子相互の融着が進む前に、炉本体中段の最高温度領域で生じさせることにより、ケイ砂粒子表面へ微粒子を相溶させＳｉＯ２−Ｋ２Ｏ−ＣａＯ化合物やＳｉＯ２−Ｋ２Ｏ−ＭｇＯ化合物の生成を効果的に進ませることができる。このとき、炉本体内の温度はケイ砂粒子相互の融着防止のために低下させる必要はなく、８５０〜９００℃に維持することができ、効率よく草本系バイオマスを燃焼することができるとされている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００２０】
【特許文献１】特開２００３−２４０２０９
【特許文献２】特開２０１３−０２９２４５
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００２１】
しかしながら、特許文献２のように石灰石（ＣａＣＯ３）や消石灰（Ｃａ（ＯＨ）２）を添加剤として供給する際に、これらは流動層炉内への供給前あるいは供給後で塊状物又は粗大粒物から割れて比較的大きな粒子で存在して、細かい粒子ではないことが多いため、比表面積が小さく流動層炉内での反応性が低い。したがって、これらの添加剤から脱離したカルシウム化合物の微粒子を、草本系バイオマスからカリウム化合物が放出される炉内に共存させることにより、これらの微粒子が、カリウム化合物の存在の下で溶融を始めたケイ砂粒子表面に付着し、ＳｉＯ２−Ｋ２Ｏ−ＣａＯ化合物を生成するような反応が進みにくい。この結果、比較的大きな粒子の添加剤が未反応のまま流動層炉外へ排出される比率が大きく、ケイ砂粒子表面に草本系バイオマスから放出されたカリウム化合物により溶融物が生成されることを抑制し、ケイ砂粒子相互の融着・凝集（アグロメレーション）を防止することができないことがある。また、流動層炉外へ排出された石灰石や消石灰の比較的大きな粒子はサイクロンで捕集するには小さいため、回収して流動層内へ戻すことができず下流側へ排出されてしまう。
【００２２】
本発明は、かかる事情に鑑みてなされたものであって、流動層炉の流動層において、流動粒子の融着・凝集（アグロメレーション）を抑制し、草本系バイオマスなど高カリウム含有バイオマスを安定して燃焼することのできる、バイオマスの燃焼方法および燃焼装置を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００２３】
本発明によると、上述の課題は、次の第一発明に係るバイオマスの燃焼方法および第二発明に係るバイオマスの燃焼装置により解決される。
【００２４】
＜第一発明＞
第一発明に係るバイオマスの燃焼方法は、流動層炉の炉本体にバイオマスを供給するとともに該炉本体の下部から酸化性ガスを供給して、ケイ砂粒子を含む流動粒子とともに該バイオマスを流動させて流動層を形成し、該流動層中で上記バイオマスを燃焼させる燃焼方法である。
【００２５】
かかる燃焼方法において、第一発明では、廃棄物ガス化溶融炉にて廃棄物の熱分解残渣を溶融してから冷却して生成した熱分解残渣溶融スラグ、又は灰溶融炉にて廃棄物の灰を溶融してから冷却して生成した灰溶融スラグを添加剤として上記流動層炉へ供給することを特徴としている。
【００２６】
第一発明の燃焼方法により燃焼されるバイオマスは、特に草本系バイオマスなどの高カリウム含有バイオマスである。この燃焼方法で添加剤として使用される熱分解残渣溶融スラグ又は灰溶融スラグ（以下、これらを区別する必要がないときには「溶融スラグ」と総称する）は、主成分が酸化ケイ素（ＳｉＯ）、酸化カルシウム（ＣａＯ）、および１０〜３０ｗｔ％程度のアルミナ（Ａｌ２Ｏ３）である。該溶融スラグは、酸化カルシウム（ＣａＯ）を含むため、後述するように、草本系バイオマスを燃焼する際のアグロメレーションを防止する添加剤として好適である。
【００２７】
バイオマスを燃焼する流動層炉におけるアグロメレーションの主な原因は、バイオマス中に含まれるカリウム成分がケイ砂粒子（ＳｉＯ２）からなる流動粒子に固溶そして結合することで、ケイ砂流動粒子表面に低融点化合物が生じることである。そして、生成する低融点化合物が溶融することでカリウム成分がケイ砂粒子にさらに侵入しやすくなり、該カリウム成分の侵入がより大きな速度で進行する。
【００２８】
第一発明では、流動層炉内へ上記溶融スラグを添加剤として供給することにより、該添加剤から脱離したカルシウム化合物の微粒子は、草本系バイオマスからカリウム化合物が放出されている炉内に共存し、カリウム化合物の存在の下で溶融を始めたケイ砂粒子の表面に付着し、その結果、ＳｉＯ２−Ｋ２Ｏ−ＣａＯ化合物を主成分とする反応物が生成される。該反応物は高融点物であって、融点が炉内温度より高く、ケイ砂粒子表面に非溶融状態で存在するので、カリウム由来の低融点化合物が生成されることがない。したがって、ケイ砂粒子表面に溶融液が存在することはないので、ケイ砂粒子相互の融着、凝集（アグロメレーション）を防止できる。
【００２９】
第一発明において、塩基度（スラグ中のＣａＯ／ＳｉＯ２重量比）が０．７〜１．２に調整された熱分解残渣溶融スラグ又は灰溶融スラグを添加剤として流動層炉へ供給することとしてもよい。
【００３０】
ケイ砂流動粒子のアグロメレーションを防止する効果は、溶融スラグ中のＣａ含有率が多いほど大きくなる。塩基度が０．７より小さいと、溶融スラグ中のＣａ含有率が小さいため、アグロメレーションを防止する効果が小さく不適である。
【００３１】
また、溶融スラグのＣａ成分をケイ砂流動粒子表面で十分に反応させてＳｉＯ２−Ｋ２Ｏ−ＣａＯ化合物を生成するためには、溶融スラグが摩砕されて微粒子となっていることが好ましい。微粒子状の溶融スラグは比表面積が大きく高い反応性を有し、ケイ砂流動粒子表面で十分に反応してＳｉＯ２−Ｋ２Ｏ−ＣａＯ化合物を生成するので、溶融スラグが未反応のままで流動層炉外へ流出する比率を極めて小さくことができる。したがって、溶融スラグの強度は、ケイ砂流動粒子と衝突あるいは接触したときに崩壊して（割れて）大きな粒径の溶融スラグ粗大粒子を生じることがなく、かつ、添加供給された溶融スラグ粒子表面が削られて（摩砕され）微粒子が生じるのに適した強度であることが必要である。
【００３２】
溶融スラグの強度特性は、組成成分比率に相関性がある。溶融スラグのような多元素の固溶体は組成成分比率によって異なる結晶構造をとり、強度が大きく変化する。そのため、塩基度、換言すると組成成分比率を調整することで添加剤として好適な強度の溶融スラグを得ることができる。
【００３３】
塩基度が１．２より高いと、溶融スラグ粒子の強度が高くなり過ぎて摩砕されにくくなり、微粒子の生成率が低下するので添加剤としての効果を得にくく不適である。したがって、溶融スラグ中のＣａ含有率を高くしつつ、溶融スラグの強度を十分な量の微粒子を生じさせる強度とするためには、溶融スラグの塩基度を０．７〜１．２に調整することが好ましい。
【００３４】
第一発明において、塩基度（スラグ中のＣａＯ／ＳｉＯ２重量比）が０．９〜１．１に調整された熱分解残渣溶融スラグ又は灰溶融スラグを添加剤として流動層炉へ供給することとしてもよい。
【００３５】
上述したように、添加剤としての溶融スラグの塩基度が０．７〜１．２に調整されているのが好ましい。さらに、塩基度が０．９以上であることにより、溶融スラグ中のＣａ含有率が十分に大きくなりアグロメレーションを防止する作用が確実に発揮され、また、塩基度が１．１以下であることにより、微粒子の生成率が高くなるように溶融スラグ粒子の強度をより好適にすることができる。したがって、添加剤としての溶融スラグの塩基度を０．９〜１．１に調整することがより好ましい。
【００３６】
第一発明において、熱分解残渣溶融スラグを添加剤として使用する場合に、廃棄物ガス化溶融炉にて廃棄物とともに供給する石灰石の供給量を調整することで熱分解残渣溶融スラグの塩基度を調整することとしてもよい。
【００３７】
また、第一発明において、灰溶融スラグを添加剤として使用する場合に、灰溶融炉にて溶融処理対象である焼却灰とともに供給する生石灰又は石灰石の供給量を調整することで灰溶融スラグの塩基度を調整することとしてもよい。
【００３８】
また、第一発明において、灰溶融スラグを添加剤として使用する場合に、焼却炉からの排ガス中の酸性ガスの除去のために排ガスに吹き込まれ集塵装置で飛灰とともに捕集された石灰石又は消石灰を含むアルカリ飛灰を、灰溶融炉にて溶融処理対象である焼却灰とともに供給し、上記アルカリ飛灰の供給量を調整することで溶融スラグの塩基度を調整することとしてもよい。
【００３９】
このように、廃棄物ガス化溶融炉あるいは灰溶融炉にて石灰石、生石灰、アルカリ飛灰の供給量を調整して溶融スラグの塩基度を調整することにより、溶融スラグのＣａ含有率及び強度を適正な範囲のものとして該溶融スラグを添加剤として有効に利用することができる。
【００４０】
第一発明において、添加剤としての熱分解残渣溶融スラグ又は灰溶融スラグをケイ砂粒子の１０〜５０ｗｔ％になるような供給比率で上記流動層炉へ供給することとしてもよい。
【００４１】
ケイ砂粒子に対する溶融スラグの供給比率が、１０ｗｔ％より少ないと、アグロメレーションを防止する作用が十分ではなく、５０ｗｔ％より多いと流動層を構成するケイ砂粒子の比率が小さくなり流動層を適正に形成することに支障が生じることがある。したがって、溶融スラグの供給比率をケイ砂粒子の１０〜５０ｗｔ％とすることで、アグロメレーションを十分に防止するとともに、適正な流動層を確実に形成することができる。
【００４２】
＜第二発明＞
第二発明に係るバイオマスの燃焼装置は、バイオマスが投入されるとともに下部から酸化性ガスが供給されて、ケイ砂粒子を含む流動粒子とともに該バイオマスを流動させて流動層を形成し、該流動層中で上記バイオマスを燃焼させる流動層炉の炉本体を有する。
【００４３】
かかる燃焼装置において、第二発明では、廃棄物ガス化溶融炉にて廃棄物の熱分解残渣を溶融してから冷却して生成した熱分解残渣溶融スラグ、又は灰溶融炉にて廃棄物の灰を溶融してから冷却して生成した灰溶融スラグを添加剤として上記流動層炉へ供給する添加剤供給部を有することを特徴としている。
【００４４】
かかる燃焼装置では、流動層炉内へ上記熱分解残渣溶融スラグ又は灰溶融スラグを添加剤として供給することにより、第一発明について既述したのと同様に、ケイ砂粒子の表面にＳｉＯ２−Ｋ２Ｏ−ＣａＯ化合物を主成分とする反応物（高融点物）が生成され、ケイ砂粒子相互の融着、凝集（アグロメレーション）が防止される。
【００４５】
第二発明において、添加剤供給部は、添加剤が流動層炉の炉本体へバイオマスとともにもしくは別途に供給されるように設けられていてもよい。
【００４６】
第二発明において、また、流動層炉が、炉本体と、該炉本体の上部からの流動粒子を捕集する捕集部と、該捕集部で捕集された流動粒子を炉本体へ戻すための戻し管とを有する循環流動層炉であり、添加剤供給部は、添加剤が上記戻し管へ供給されるように設けられていてもよい。
【発明の効果】
【００４７】
本発明では、流動層炉内へ溶融スラグを添加剤として供給することにより、該添加剤から脱離したカルシウム化合物の微粒子が、バイオマスからカリウム化合物が放出されている炉内に共存し、カリウム化合物の存在の下で溶融物が生成し始めたケイ砂粒子の表面に付着し、ＳｉＯ２−Ｋ２Ｏ−ＣａＯ化合物を主成分とする反応物が生成される。該反応物は高融点物であり融点が炉内温度より高く、ケイ砂粒子表面に溶融液が存在しないためケイ砂粒子相互の融着・凝集を防止できる。したがって、炉本体底部でケイ砂粒子が塊化することもないので、流動粒子が良好に流動し、上記流動層炉の正常な運転を維持でき、バイオマスを安定して燃焼させることができる。また、局所的な高温部分であるホットスポットに起因するＮＯｘ等の有害ガスの発生、炉内耐火物の損傷、耐用寿命の短縮、ＣＯの発生などの問題を回避できる。
【図面の簡単な説明】
【００４８】
【図１】第一実施形態に係るバイオマスの燃焼装置の概略構成図である。
【図２】第二実施形態に係るバイオマスの燃焼装置の概略構成図である。
【図３】ＳｉＯ２−Ｋ２Ｏ−ＣａＯ化合物の組成と融点温度を示す状態図である。
【発明を実施するための形態】
【００４９】
以下、添付図面に基づいて本発明の実施形態を説明する。
【００５０】
＜第一実施形態＞
図１は、本実施形態に係るバイオマスの燃焼装置の概略構成図である。該燃焼装置は、循環流動層炉１と、該循環流動層炉１に後述の添加剤を供給する添加剤供給部４０とを有している。該循環流動層炉１は、炉本体にて流動粒子を酸化性ガスにより流動させた流動層中で、該炉本体内に供給されたバイオマスを燃焼させる。本実施形態では、草本系バイオマスであるアブラヤシ空果房（ＥＦＢ）が供給されるようになっている。また、流動粒子としてはケイ砂粒子が用いられている。
【００５１】
本実施形態では、バイオマスがアブラヤシ空果房である例を説明するが、バイオマスはこれに限られず、例えばスィッチグラス、竹、籾殻等のカリウム含有率が高いバイオマス（乾燥バイオマス中のカリウム含有率が例えば０．７％以上のバイオマス）を用いることができる。また、流動粒子としてのケイ砂粒子は流動粒子の一部に含まれていればよい。
【００５２】
図１に示されるように、循環流動層炉１は、主に、炉本体としてのライザ１０と、流動粒子や添加剤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。該ダウンカマー２０は、上記ライザ１０の上部と接続配管３０で接続され該ライザ１０から排ガスとともに送られた流動粒子や添加剤を捕集する捕集部２１と、該捕集部２１で捕集された流動粒子および添加剤をライザ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。
【００５３】
ライザ１０は、一次空気を上方へ向けて向き込むための散気管１１が炉内の下部に設けられている。また、該ライザ１０の下部の側壁には、炉内に燃料たるアブラヤシ空果房および後述の添加剤としての溶融スラグを供給するための供給口１３と、炉内に二次空気を吹き込むための二次空気吹き込み口１２とが下方から順次設けられている。
【００５４】
添加剤供給部４０は、図１に示されるように、添加剤としての溶融スラグを、供給口１３へ供給されるアブラヤシ空果房へ混入するように供給するようになっている。したがって、本実施形態では、アブラヤシ空果房とともに溶融スラグが上記供給口１３からライザ１０内に直接供給される。添加剤供給部４０が溶融スラグを供給する位置は、これに限られず、例えばライザ１０の側壁に供給口１３とは異なる添加剤の供給口を設けて、該供給口から溶融スラグが供給されるようにしてもよい。
【００５５】
本実施形態では、添加剤として使用される溶融スラグは、廃棄物ガス化溶融炉（図示せず）にて廃棄物の熱分解残渣を溶融してから冷却して生成された熱分解残渣溶融スラグである。該溶融スラグは、主成分が酸化ケイ素（ＳｉＯ）、酸化カルシウム（ＣａＯ）、および１０〜３０ｗｔ％程度のアルミナ（Ａｌ２Ｏ３）である。
【００５６】
溶融スラグを添加剤として供給することにより、該溶融スラグから脱離したカルシウム化合物の微粒子が、アブラヤシ空果房からカリウム化合物が放出されているライザ１０内に共存されることとなる。そして、該微粒子がカリウム化合物の存在の下で溶融を始めたケイ砂粒子（流動粒子）の表面に付着し、その結果、ＳｉＯ２−Ｋ２Ｏ−ＣａＯ化合物を主成分とする反応物が生成される。該反応物は高融点物であり、融点が炉内温度より高く、ケイ砂粒子表面に非溶融状態で存在するので、カリウム由来の低融点化合物が生成されることがない。したがって、ケイ砂粒子表面に溶融液が存在することはないので、ケイ砂粒子相互の融着、凝集（アグロメレーション）が防止される。
【００５７】
添加剤としての熱分解残渣溶融スラグは、上記廃棄物ガス化溶融炉にて廃棄物とともに供給する石灰石の供給量を調整することで、その塩基度が調整されている。このように廃棄物ガス化溶融炉にて石灰石の供給量を調整して熱分解残渣溶融スラグの塩基度を調整することにより、Ｃａ含有率と強度を好適にして、該熱分解残渣溶融スラグを添加剤として有効に利用することができる。
【００５８】
溶融スラグの塩基度は、０．７〜１．２、好ましくは０．９〜１．１に調整されている。溶融スラグの塩基度を０．７以上とすることにより、溶融スラグ中のＣａ含有率を高くなるので、アグロメレーションを良好に防止することができ、また、塩基度を１．２以下とすることにより、溶融スラグ粒子の表面が流動粒子により摩砕されて微粒子が生じやすい強度とすることができる。
【００５９】
また、溶融スラグの塩基度を０．９以上とすることにより、溶融スラグ中のＣａ含有率が十分に大きくなりアグロメレーションを防止する作用を確実に発揮させることができ、また、塩基度を１．１以下とすることで、微粒子の生成率が高くなるように溶融スラグ粒子の強度をより好適にすることができる。
【００６０】
また、アグロメレーション防止の効果の程度の大小は、ケイ砂粒子表面で生成されるＳｉＯ２−Ｋ２Ｏ−ＣａＯ化合物のＳｉＯ２、Ｋ２Ｏ、ＣａＯ各成分の組成比率よって左右される。該組成比率に基づいた具体的な説明は、図３を用いて後述する。
【００６１】
以下、循環流動層炉１の動作を、ライザ１０でのアブラヤシ空果房の燃焼を中心に説明する。該循環流動層炉１では、流動粒子としてのケイ砂粒子がライザ１０に装入されている。そして、該ライザ１０にて、散気管１１及び二次空気吹き込み口１２から炉内に空気を吹き込むことにより、該ライザ１０内に供給されたアブラヤシ空果房および添加剤としての溶融スラグを上記流動粒子とともに流動化させて流動層を形成し、その過程で該流動層にてアブラヤシ空果房を燃焼させる。
【００６２】
具体的には、上記流動粒子であるケイ砂粒子は、ライザ１０内でその下方から吹き込まれる一次空気により流動状態となり、該ライザ１０内の下部で流動粒子による濃厚層を形成し、その保有する高い熱容量および撹拌効果によりアブラヤシ空果房の乾燥及び揮発分の放出を促進させる。また、上記ライザ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吹き上げられて流動粒子による希薄層が形成され、その流動粒子の保有する熱容量および撹拌効果によりアブラヤシ空果房の燃焼を行う。つまり、このような循環流動層炉は、ライザ１０内に流動粒子による濃厚層と希薄層とから成る流動層を形成することで、チャー（未燃炭素分）の発生を防止して、効率的にアブラヤシ空果房を燃焼させる。また、ライザ１０内の燃焼領域は８５０〜９００℃程度に維持される。
【００６３】
ライザ１０でのアブラヤシ空果房の燃焼により生じた排ガスは、接続配管３０を経てダウンカマー２０の捕集部２１に供給されるようになっている。また、流動粒子（ケイ砂粒子）および添加剤（溶融スラグ）も、その一部が上記排ガスとともに上記捕集部２１へ供給される。該捕集部２１では、それらを排ガスや比較的粒径の小さい灰などと、流動粒子、添加剤や比較的粒径の大きな灰などとに分離する。したがって、添加剤としての溶融スラグは、流動粒子と共に循環流動層炉内を循環するのに適した粒径のものであって、上記捕集部２１で捕捉するのに適した粒径（例えば、７０μｍ〜２ｍｍ程度）のものであることが好ましい。添加剤としての溶融スラグの粒径が７０μｍより小さいと、捕集部２１で捕捉されず排ガスに含まれたまま排ガス処理設備へと送られてしまい、回収されないため不適である。溶融スラグの粒径が２ｍｍより大きいと、循環流動層炉内で流動粒子と共に流動させることに支障が生じることがあり不適である。捕集部２１で分離した排ガスは、比較的粒径の小さな灰などを同伴して、該捕集部２１の上部から排ガス処理設備へと送られ、除塵後に煙突から外部へと放出される。捕集部２１で回収した流動粒子、添加剤および比較的粒径の大きな灰などは、シール部２３及び戻し管２２を介してライザ１０の下部へと戻される。
【００６４】
本実施形態では、ライザ１０内で燃焼したアブラヤシ空果房は燃焼領域でガス状のカリウム化合物を放出する。また、アブラヤシ空果房と共にライザ１０内に供給された添加剤としての溶融スラグの粒子表面がケイ砂粒子によって削られる（摩砕される）ことにより、溶融スラグの微粒子、すなわちカルシウム化合物を含む微粒子が生成される。添加剤として溶融スラグを添加しない場合にはガス状のカリウム化合物はケイ砂粒子の表面に吸着され、融点が炉内温度以下である８００℃以下のＳｉＯ２−Ｋ２Ｏ化合物が生成されケイ砂粒子の表面に溶融物が存在しケイ砂粒子相互の融着が生じる。一方、本実施形態のように、溶融スラグを添加することにより、カルシウム化合物を含む微粒子が共存するため、この微粒子が、カリウム化合物が吸着され溶融物の生成を始めたケイ砂粒子表面に付着し、ケイ砂粒子の表面に反応物としてＳｉＯ２−Ｋ２Ｏ−ＣａＯ化合物が生成される。この反応物の融点は、１０００℃以上であり、炉内温度より高く、ケイ砂粒子表面に溶融液が存在しないためケイ砂粒子相互の融着・凝集を防止できる。溶融物が生成し始めたケイ砂粒子の表面にカルシウム化合物の供給が続くため、このＳｉＯ２−Ｋ２Ｏ−ＣａＯ化合物である反応物の融点は、炉内温度より高くなるように維持される。このように、溶融スラグを供給することにより、ケイ砂粒子表面にアブラヤシ空果房から放出されたカリウム化合物により溶融物が生成されることを抑制し、ケイ砂粒子相互の融着・凝集を防止できる。
【００６５】
また、溶融スラグは、ケイ砂流動粒子の１０〜５０ｗｔ％になるような供給比率でライザ１０へ供給することが好ましい。ケイ砂粒子に対する溶融スラグの供給比率が、１０ｗｔ％より少ないと、アグロメレーションを防止する作用が十分ではなく、５０ｗｔ％より多いと流動層を構成するケイ砂流動粒子の比率が小さくなり流動層を適正に形成することに支障が生じることがある。したがって、溶融スラグの供給比率をケイ砂流動粒子の１０〜５０ｗｔ％とすることで、アグロメレーションを十分に防止するとともに、適正な流動層を確実に形成することができる。
【００６６】
このように本実施形態では、添加剤として溶融スラグを、供給口１３へ供給されるアブラヤシ空果房へ混入し、ライザ１０に供給することにより、流動粒子であるケイ砂粒子相互の融着・凝集が防止されるので、ライザ１０の炉本体底部でケイ砂粒子が塊化することもない。したがって、流動粒子は良好に流動し、循環流動層炉１の正常な運転を維持でき、アブラヤシ空果房を安定して燃焼させることができる。また、局所的な高温部分であるホットスポットに起因するＮＯｘ等の有害ガスの発生、炉内耐火物の損傷、耐用寿命の短縮、ＣＯの発生などの問題を回避できる。
【００６７】
さらに、上述したように、本実施形態では流動粒子相互の融着・凝集が防止されるので、流動状態を維持するために従来頻繁に必要だった流動粒子の抜出しや新規流動粒子の補充を行わなくて済む。したがって、循環流動層炉１の確実な連続運転を可能とするとともに、頻繁に必要だった新規流動粒子の購入と抜き出した流動粒子の廃棄に起因する費用の発生を防止できる。
【００６８】
また、流動粒子としてアルミナなどを使用すれば、添加剤を供給しなくとも流動粒子相互の融着・凝集を回避することが可能ではあるが、アルミナ等の流動粒子は高価であり、その分、費用が嵩んでしまう。これに対し、本実施形態では、少量の添加剤の投入により、安価なケイ砂粒子を流動粒子として使用できるので、結果として、費用を抑制することができる。
【００６９】
＜第二実施形態＞
第一実施形態では、添加剤がバイオマスとともに循環流動層炉のライザへ直接供給されることとしたが、添加剤が供給される位置はこれに限られない。図２は、第二実施形態に係る燃焼装置の概略構成図である。この図２に見られるように、本実施形態では、添加剤供給部４０は、添加剤が戻し管２２へ供給されるように設けられており、該添加剤が戻し管２２を介して流動粒子とともにライザ１０内へ供給されるようになっている。
【００７０】
第一および第二実施形態では、添加剤として用いられる溶融スラグが熱分解残渣溶融スラグであることとしたが、添加剤としての溶融スラグはこれに限られず、例えば、灰溶融炉にて廃棄物の灰を溶融してから冷却して生成した灰溶融スラグであってもよい。該灰溶融スラグも主成分が酸化ケイ素（ＳｉＯ）、酸化カルシウム（ＣａＯ）、および１０〜３０ｗｔ％程度のアルミナ（Ａｌ２Ｏ３）であり、酸化カルシウム（ＣａＯ）を含んでいるので、熱分解残渣溶融スラグと同様に、草本系バイオマスを燃焼する際のアグロメレーションを防止する添加剤として好適である。
【００７１】
灰溶融スラグを添加剤として使用する場合には、該灰溶融スラグの塩基度は、灰溶融炉にて溶融処理対象である焼却灰とともに供給する生石灰又は石灰石の供給量を調整することで調整することができる。また、該灰溶融スラグの塩基度は、焼却炉からの排ガス中の酸性ガスの除去のために排ガスに吹き込まれ集塵装置で飛灰とともに捕集された石灰石又は消石灰を含むアルカリ飛灰を、灰溶融炉にて溶融処理対象である焼却灰とともに供給し、上記アルカリ飛灰の供給量を調整することで調整することもできる。このように灰溶融炉にて石灰石、生石灰又はアルカリ飛灰の供給量を調整して灰溶融スラグの塩基度を調整することにより、該灰溶融スラグを添加剤として有効に利用することができる。
【００７２】
また、第一実施形態では、本発明を循環流動層炉に適用した形態を説明したが、これに限らず、本発明はダウンカマーを有さない流動層炉にも適用できる。その場合には、バイオマスとともに添加剤をバイオマス供給口から流動層炉に供給してもよいし、添加剤をバイオマス供給口と異なる供給口から流動層炉に供給してもよい。
【００７３】
次に、アグロメレーションの防止について、流動層炉内で生成される化合物の組成に着目して図３に基づいて説明する。
【００７４】
図３は、ＳｉＯ２を成分とするケイ砂粒子表面にバイオマスから遊離したカリウムが進入してＳｉＯ２−Ｋ２Ｏ化合物が生成して低融点物がケイ砂粒子表面に溶融状態で存在してケイ砂流動粒子が融着、凝集するアグロメレーションが発生するような状況の下で、ＣａＯを含む溶融スラグ粒子が添加されて生成されるＳｉＯ２−Ｋ２Ｏ−ＣａＯ化合物のＳｉＯ２、Ｋ２Ｏ、ＣａＯ各成分の組成比率と融点温度との関係を、ＳｉＯ２、Ｋ２Ｏ、ＣａＯの３相図（Roedder, E. (1959) Silicate Melt Systems. Physics and Chemistry of the Earth, Vol. 3., pp.224-297.）に基づき示す図である。
【００７５】
ケイ砂流動粒子ＳｉＯ２にバイオマスから遊離したカリウムが進入してＫ２Ｏ：ＳｉＯ２の比率が１：０．４のＳｉＯ２−Ｋ２Ｏ化合物が生成するとき、図３における○の位置の組成物であり、融点温度が８００℃以下の低融点化合物が生成されることを示している。
【００７６】
ＣａＯを含む溶融スラグ粒子を添加することによって、低融点化合物を生成する組成物とカルシウムとの反応によりＳｉＯ２−Ｋ２Ｏ−ＣａＯ化合物を生成するようにすると、図３の○の位置の組成からＣａＯ比率が増加するにつれて１００％ＣａＯを示す頂点位置へ向けて直線上を進行する位置の組成となる。図３では、例えば、直線上の点Ａでの組成物の融点は９００℃となり、ＳｉＯ２−Ｋ２Ｏ−ＣａＯ化合物を生成することによりケイ砂流動粒子表面に高融点化合物が生成されることが示されている。そのため、ＳｉＯ２−Ｋ２Ｏ−ＣａＯ化合物の融点温度より低い炉内温度の流動層炉内では溶融状態とならず、ケイ砂流動粒子の融着・凝集（アグロメレーション）が発生しないことを明らかに示している。
【符号の説明】
【００７７】
１  循環流動層炉
１０  ライザ（炉本体）
２１  捕集部
２２  戻し管
４０  添加剤供給部
【図１】
2019190686.tif 000003
【図２】
2019190686.tif 000004
【図３】
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