(57)【要約】　　　（修正有）【課題】循環流動層燃焼装置を用いて、低融点金属を含有する燃料を燃焼させるときに、サイクロン内に灰が付着しない燃焼方法を提供する。【解決手段】内部に流動材粒子を収納し、高速流動層を形成するコンバスタ１と、該コンバスタ１の出口に設けられ、該コンバスタ１から排出された粒子と排ガスとを分離するサイクロン２とを備え、該サイクロン２で捕集した未燃分を上記コンバスタ１に循環投入する形式の循環流動層燃焼装置を用いて、低融点金属を含有する燃料を燃焼させる燃焼方法であって、燃料の低融点金属の含有量が多い程、コンバスタ１の差圧を増加させることで、該サイクロン２内に灰が付着しない燃焼方法を提供する。【選択図】　　　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
内部に流動材粒子を収納し、高速流動層を形成するコンバスタと、該コンバスタの出口に設けられ、該コンバスタから排出された未燃分と排ガスとを分離するサイクロンとを備え、該サイクロンで捕集した未燃分を上記コンバスタに循環投入する循環流動層燃焼装置を用いた、低融点金属含有燃料の燃焼方法であって、
燃料中の低融点金属の含有量が多い程、コンバスタの差圧を増加させることで、該循環流動層燃焼装置内の付着物の堆積を防止する燃焼方法。
【請求項２】
前記コンバスタの差圧Ｐ（ｋＰａ）を、前記燃料の低融点金属の含有量Ｘ（重量％）に対して、Ｐ≧２×Ｘ＋３．５により与えられる範囲に定める、請求項１に記載の燃焼方法。
【請求項３】
前記含有量Ｘが１重量％の場合には前記差圧を７ｋＰａ以上のある値とし、前記含有量Ｘが１重量％より大きく３重量％以下である場合には、前記差圧を該ある値より大きな値とする請求項１に記載の燃焼方法。
【請求項４】
前記コンバスタの燃焼温度が、７００℃以上８７０℃以下である、請求項１〜３のいずれかに記載の燃焼方法。
【請求項５】
前記低融点金属が、アルミニウムである請求項１〜４のいずれかに記載の燃焼方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、循環流動層燃焼装置を用いた、低融点金属含有燃料の燃焼方法に関する。特に、サイクロン内に低融点金属に由来する付着物が付着するのを防止する燃焼方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、例えばＲＤＦ（Ｒｅｆｕｓｅ　Ｄｅｒｉｖｅｄ　Ｆｕｅｌ：ゴミ固化燃料）や、都市ごみ、産業廃棄物を効率的に燃焼させるための燃焼装置として、循環流動層燃焼装置が用いられている。
図１は、循環流動層燃焼装置の概念図である。図１に示すように循環流動層燃焼装置は、コンバスタ１、サイクロン２を主要な要素とする。このような燃焼装置は、以下の特許文献１〜３に記載されている。
【０００３】
コンバスタ１には、例えば珪砂等の流動材の粒子を収納する。また、コンバスタ１の底部からコンバスタ１内に空気を送り込む。この空気のコンバスタ下部から上部への流れにより、コンバスタ１内に投入された燃料は上記粒子と共に巻き上げられ、いわゆる高速流動層を形成する。燃料は、高速流動層において粒子との接触を繰り返し、効果的に燃焼する。このときの燃焼温度は、通常８００℃から９００℃である。
上記コンバスタ内で高速流動層を形成している粒子等は、サイクロン２に送られ、ここで、流動材等の粒子と排ガスに分離される。分離された未燃分はシールポット３にてさらに分離され、流動層熱交換手段４を経てコンバスタ１に循環するもの（低温粒子循環ライン５）と、コンバスタ１に直接循環されるもの（高温粒子循環ライン６）とに配分される。流動層熱交換手段４により冷却した粒子等をコンバスタ１に戻すことで、コンバスタ１内の燃焼温度を調節する。
【０００４】
コンバスタ１内で生成した灰は必要に応じて抜き出し、系外に排出し、別途処理する。また、サイクロン２により未燃分を分離された排ガスは排ガス熱交換手段７で熱交換され、その後該ガス中の煤塵を除去するバグフィルタ８を通過した後、誘引ファン９により、煙突１０を介して大気に放出する。
【０００５】
ところで、このような燃料の中には、アルミニウム等の低融点の金属を含むものがある。例えば、気密度を上げるため、紙容器の内側にアルミニウム層を設けることが行われているが、そのような紙容器を含む廃棄物中のアルミニウムを別途除去することは実用的に不可能である。このような低融点金属を含む燃料を燃焼させるとき、燃料に含まれる低融点の金属が、上記サイクロン２内、特にサイクロン２の出口に設けられたサイクロンの内筒に灰として付着することがある。
【０００６】
このような付着物は非常に硬く、これを除去するには、サイクロン２を形成する耐火材ごと打ち壊さなければならないことがある。一般的に、このような燃焼装置で発生するエネルギーは発電装置やその他の熱源として利用されているため、このような付着物の除去作業に伴い燃焼装置を停止させることは、プラント全体の操業に影響を与えるため、非常に非経済的である。さらに、このような付着物が落下した場合、サイクロン２がつまり、燃焼装置を運転できなくなる恐れもある。
【０００７】
【特許文献１】
特開平９−８９２１４号公報
【特許文献２】
特開２００２−５４１３号公報
【特許文献３】
特開２００２−１６２００２号公報
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、循環流動層燃焼装置を用いて、低融点金属を含有する燃料を燃焼させるときに、サイクロン内に低融点金属に由来する付着物の付着を防止する燃焼方法を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明は、内部に流動材粒子を収納し、高速流動層を形成するコンバスタと、該コンバスタの出口に設けられ、該コンバスタから排出された未燃分と排ガスとを分離するサイクロンとを備え、該サイクロンで捕集した未燃分を上記コンバスタに循環投入する循環流動層燃焼装置を用いた、低融点金属含有燃料の燃焼方法であって、燃料中の低融点金属の含有量が多い程、コンバスタの差圧を増加させることで、該循環流動層燃焼装置内の付着物の堆積を防止する燃焼方法を提供する。
【００１０】
ここで、コンバスタの「差圧」とは、コンバスタの底部の圧力とコンバスタの出口の圧力の差であり、コンバスタの粒子保有量に対応する。つまり、コンバスタの出口と比べて、コンバスタの底部にはコンバスタ内部に収納されている流動材粒子の重さの分だけ高い圧力がかかっている。このため、コンバスタ内の粒子の量をコンバスタの差圧として表すことができる。例えば、コンバスタ内の差圧が１４ｋＰａとは、コンバスタ内に１ｍ２当たり約１．４ｔの砂が存在することに相当する。
【００１１】
また、特に限定されるものではないが、低融点の金属としてアルミニウム、鉛、亜鉛等が挙げられる。一般的にＲＰＦ（Ｒｅｆｕｓｅ　Ｐａｐｅｒ　ａｎｄ　Ｐｌａｓｔｉｃ　Ｆｕｅｌ）と呼ばれる、廃紙や廃プラスチックを成形した燃料には、このような低融点の金属が含まれる。
【００１２】
本発明によると、燃料の低融点金属の含有量が多い程、コンバスタの差圧を増加させることで、サイクロン内に低融点金属に由来する灰が付着することなく、循環流動層燃焼装置の運転を続けることができる。
【００１３】
なお、燃料の低融点金属の含有量Ｘ（重量％）に対して、コンバスタの差圧Ｐ（ｋＰａ）を、以下に示す式（１）により与えられる範囲に定めるのが、好ましい。
Ｐ≧２×Ｘ＋３．５・・・（１）
また、燃料の低融点金属の含有量Ｘ（重量％）に対して、コンバスタの差圧Ｐ（ｋＰａ）を、以下に示す式（２）により与えられる範囲に定めると、さらに好ましい。
Ｐ≧３．５×Ｘ＋３．５・・・（２）
【００１４】
また、前記含有量Ｘが１重量％の場合には前記差圧を７ｋＰａ以上のある値とし、前記含有量Ｘが１重量％より大きく３重量％以下である場合には、前記差圧を該ある値より大きな値とすることもできる。
【００１５】
なお、ＲＰＦ等の燃料に含まれる低融点金属の量は、通常１重量％程度、多くても３重量％程度であるので、コンバスタの差圧を約１０ｋＰａ、さらに好ましくは約１４ｋＰａとすれば十分に本発明による効果を得ることができる。
【００１６】
本発明にかかる燃焼方法によると、燃料に含まれていた低融点金属はサイクロン内部に付着しない。
これは、本発明者らの、ＥＰＭＡ分析（Ｅｌｅｃｔｒｏｎ　Ｐｒｏｂｅ　Ｍｉｃｒｏ−Ａｎａｌｙｓｉｓ：Ｘ線マイクロアナライザ）や、ＸＲＤ分析（Ｘ−ｒａｙ　Ｄｉｆｆｒａｃｔｉｏｎ：Ｘ線回折）による結果から、以下のように説明できる。すなわち、燃料に含まれていた低融点金属は、燃焼装置内で以下のように挙動するものと考えられるが、本発明はこのようなメカニズムに限定されるものではない。なお、説明の便宜上、低融点金属がアルミニウム（以下「Ａｌ」と記す）である場合について説明する。
【００１７】
１．コンバスタ内の温度は通常８００〜９００℃であり、金属Ａｌの融点は６６０℃とこれよりも低い。このため、炉内に投入された燃料に含まれる金属Ａｌは溶解する。同時に、その表面にはＡｌ２Ｏ３の酸化皮膜が形成される。
２．高速流動層において、表面は酸化皮膜で覆われ、内部は溶解しているＡｌに流動材粒子が衝突すると、溶解しているＡｌは流動材粒子に付着する。あるいは、Ａｌは破砕され微小な粒子となる。
３．流動材粒子の表面に付着した金属Ａｌは、Ｃａ等と共晶塩を形成し皮膜を作る。また、流動材粒子のくぼんだ部分に入り込んだ金属Ａｌは、露出している表面しか酸化されず、金属形態を維持する。
４．Ａｌ等は、サイクロンへ流入するまで、このような微小粒子化等のプロセスを高速流動層内で繰り返す。本発明によると、コンバスタに高い差圧をかけるため、高速流動層においてＡｌは１０〜２０μｍ程度にまで十分に微小粒子化する。
５．サイクロン内では粒子の流れが激しいため、流動材粒子に付着していた金属Ａｌは遊離する。遊離した金属ＡｌはＡｌ２Ｏ３の酸化皮膜を作り、もし形成されるＡｌ粒子が十分に小さければ、サイクロン後部の煙道へと飛散する。高速流動層内で十分に微小粒子化されたＡｌはサイクロンにて捕集されず、後部の煙道へと飛散する。
【００１８】
しかしながら、コンバスタの差圧が低い場合、高速流動層内でのＡｌのかたまりの縮小化が十分に行われないことがあると考えられる。このとき、Ａｌ粒は煙道へと飛散できずにサイクロンに捕集される。このようなＡｌがサイクロンに蓄積し、頑強な付着物を形成すると考えられる。
【００１９】
ここで、温度の変化に対する金属Ａｌの粘性係数の変化を８５０℃における粘性係数を基準として図３に示す。図３に示すように、温度を高くすると、溶融している金属Ａｌの粘性が減少する。このため、コンバスタの燃焼温度を高くすると、金属Ａｌの粘性は減少し、金属Ａｌはコンバスタ内において流動材の凹内へ入り込みやすくなる。
【００２０】
実際に、高いコンバスタ温度で流動床ボイラを運転したとき、コンバスタ上部の粒子中に大型の金属Ａｌが存在していることが、本発明者らのＥＰＭＡによる分析結果から分かった。この粒子がサイクロンに入った時、旋回、衝突による衝撃で金属Ａｌは遊離するが、十分に微小粒子化せずにサイクロンへ付着すると考えられる。逆に言えば、コンバスタ温度が比較的に低いと、金属Ａｌは、流動材その他のコンバスタ上部に見られる粒子から独立した微小粒子となって、サイクロンを通過しやすくなるものと考えられる。
【００２１】
このように、コンバスタの燃焼温度が高い場合には灰の付着性が増加するために、サイクロン内筒を通過する時に灰がサイクロン内筒の壁面に取り込まれる可能性が高くなる。また、あまり温度が低いと燃料の燃え切り性が低下するので、好ましくない。このため、前記コンバスタの燃焼温度は、７００℃以上８７０℃以下であると好ましく、特に８４０℃以上８６０℃以下が好ましい。
【００２２】
なお、本発明にかかる燃焼方法によると、粒子が造粒するという問題もない。粒子の造粒とは、循環流動層燃焼装置の運転に伴い、高速流動層を形成する流動材粒子が巨大化していく現象をいう。この現象の原因は、次のように考えることができる。溶解したＡｌがバインダとして働き、流動材粒子同士が結合することで、造粒する。あるいは、燃焼の過程で、流動在粒子表面へのＡｌとＣａ等による皮膜の形成が繰り返されることで、流動材粒子が大きくなり、造粒する。
【００２３】
本発明によると、コンバスタに高い差圧をかけるため、高速流動層における粒子の濃度が高く、また粒子の流動状態が良好となる。このため、粒子同士は激しく、かつ多数回にわたり衝突を繰り返す。このため、粒子同士の結合は破壊され、あるいは、粒子に形成した皮膜は磨耗し、造粒しないと考えられる。
【００２４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を説明するが、本発明はこれに限定されるものではない。
本発明にかかる燃焼方法は、上記した循環流動層燃焼装置を用いて行うことができる。上記したものと同じ要素に関しては、重複を避けるためにここでは説明しない。
【００２５】
本発明における燃料として、日本工業規格（ＪＩＳ　Ｍ８８１２）に定められる石炭類及びコークス類工業分析法（当該規格で定められていない固形燃料に関しては準用）に基づき測定された、揮発成分（ＶＭ）と固定炭素（ＦＣ）の比率（ＦＣ／ＶＭ）が０．５以下の燃料が好ましい。このような燃料には、例えば、都市ゴミを固化してなるＲＤＦや、ＲＰＦが含まれる。これらの燃料に含まれる低融点金属の量は、ＩＣＰ分析（Ｉｎｄｕｃｔｉｖｅｌｙ　Ｃｏｕｐｌｅｄ　Ｐｌａｓｍａ）等の方法で測定することができる。
【００２６】
燃料の低融点金属の含有量Ｘ（重量％）に対して、コンバスタの差圧Ｐ（ｋＰａ）を、好ましくは、上記した式（１）により与えられる範囲に定め、さらに好ましくは、上記した式（２）により与えられる範囲に定める。
【００２７】
なお、上記したように、ＲＰＦ等の燃料に含まれる低融点金属の量は、通常１重量％程度、多くても３重量％程度であるので、コンバスタの差圧を約１０ｋＰａ、さらに好ましくは約１４ｋＰａとすれば十分である。
【００２８】
なお、コンバスタの底部とコンバスタの上部出口にそれぞれ圧力測定器を設け、これらにより、コンバスタの底部とコンバスタの上部出口での圧力を測定することで、コンバスタの差圧を測定、あるいは監視することができる。
【００２９】
なお、このときのコンバスタ内の燃焼温度は、差圧の値とも関係するが、通常約７００〜約１０００℃とし、好ましくは約８００〜約９００℃、さらに好ましくは約８３０〜約８７０℃とする。下記の実験例によれば、差圧が１４ｋＰａの場合に、確実に低融点金属のサイクロンへの付着を防止するための温度条件としては８３０〜８７０℃が好適である。また、コンバスタ内を流れる空気の速度（以下「空塔速度」と呼ぶ）は、通常約１〜約１０ｍ／秒とし、好ましくは約２〜約８ｍ／秒、さらに好ましくは約４〜約６ｍ／秒とする。また、空気比は、通常約１．０〜約２．０とし、好ましくは、約１．１〜約１．６、さらに好ましくは、約１．２〜約１．４とする。
【００３０】
また、コンバスタに収納する流動材の粒子として、珪砂、燃料の燃焼灰等が利用できる。これらの粒子の平均粒径は、通常０．００１〜０．５ｍｍとし、好ましくは０．１〜０．３ｍｍ、さらに好ましくは０．１５〜０．２５ｍｍとする。
【００３１】
【実施例】
上記した実施の形態に基づいて、燃焼試験を行った。
本試験では、高さ２１ｍ、断面形状４００ｍｍ×４００ｍｍで、全面耐火材構造の循環流動層燃焼装置を用いた。また、燃料として２種類のＲＰＦを使用した。これらはいずれも直径約８ｍｍ、長さ約１０ｍｍのペレット状であり、それぞれ３．０重量％、１．０重量％の金属Ａｌを含有していた。
【００３２】
本試験は、表１に示すように、それぞれのＲＰＦに応じて、コンバスタ差圧を１４ｋＰａ、あるいは７ｋＰａとし、コンバスタ温度８５０℃、あるいは９００℃、空気比１．２程度、添加剤投入なしで、それぞれ２０時間の燃焼試験を行った。このとき、空塔速度は５．５ｍ／ｓであった。なお、流動材粒子として、平均粒径０．２ｍｍの珪砂を用いた。
【００３３】
【表１】
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【００３４】
図２は、燃料のアルミニウム含量とコンバスタの差圧とサイクロン内への灰の付着との関係を表す。
図２に示すように、３％とＲＰＦの金属Ａｌの含有量が多い場合、７ｋＰａとコンバスタ差圧を低くして燃焼試験を行った場合、サイクロンの内塔に灰の付着が観察された（条件２）。この付着物は灰色で非常に硬く、ガスの流れの方向に向かって成長していた。
しかし、３％とＲＰＦの金属Ａｌの含有量が多い場合でも、１４ｋＰａとコンバスタ差圧を高くとするとサイクロン内に付着物の堆積は観察されなかった（条件１）。また、１％とＲＰＦの金属Ａｌの含有量が低い場合には、７ｋＰａとコンバスタ差圧を低くしても、サイクロン内に付着物の堆積は観察されなかった（条件３）。
【００３５】
また、図４は、燃料のアルミニウム含量とコンバスタの温度とサイクロン内への灰の付着との関係を表す。図４に示すように、３％とＲＰＦの金属Ａｌの含有量が多く、コンバスタ差圧が１４ｋＰａと高い場合でも、コンバスタの温度を８５０℃とするとサイクロン内に付着物の堆積は観察されなかった（条件１）。
しかし、同様に３％とＲＰＦの金属Ａｌの含有量が多く、コンバスタ差圧が１４ｋＰａと高い場合でも、コンバスタの温度を９００℃とするとサイクロン内に若干の付着物の堆積が観察された（条件４）。
【００３６】
以上の結果は、コンバスタ差圧が低い場合は、溶解、衝突破砕によるＲＰＦ中の溶融した金属Ａｌの微小粒子化が進行しにくいという、上記した本発明者らの見解を裏付けるものである。また、コンバスタ温度が高すぎる場合、サイクロンに灰が付着しやすいという、上記した本発明者らの見解を裏付けるものである。
【００３７】
なお、本試験における運転状況は、ＲＰＦ中の金属Ａｌの量によらず、安定していた。また、燃焼温度は、燃焼炉の高さ方向に対し、均一に温度が分布していた。その他ガス性状等、特に問題は見つからなかった。
【００３８】
【発明の効果】
上記したところから明らかなように、本発明は、循環流動層燃焼装置を用いて、低融点金属を含有する燃料を燃焼させるときに、サイクロン内に灰が付着しない燃焼方法を提供する。
【図面の簡単な説明】
【図１】循環流動層燃焼装置の概念図である。
【図２】燃料のアルミニウム含量とコンバスタの差圧とサイクロン内への灰の付着との関係を表す図である。
【図３】温度の変化に対する金属Ａｌの粘性係数の変化を表すグラフである。
【図４】燃料のアルミニウム含量とコンバスタの温度とサイクロン内への灰の付着との関係を表す図である。
【符号の説明】１　　コンバスタ
２　　サイクロン
３　　シールポット
４　　流動層熱交換手段
５　　低温粒子循環ライン
６　　高温粒子循環ライン
７　　排ガス熱交換手段
８　　バグフィルタ
９　　誘引ファン
１０　煙突
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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