(57)【要約】【課題】産業用ボイラ等において、石炭代替燃料廉価燃料であるバイオマスをスラッギングの発生がなく効率よく燃焼させることができる燃焼装置及び方法を提供する。【解決手段】バイオマス１１を炉本体１２内に供給して燃焼させる燃焼装置であって、粒径が大きいバイオマス１１Ａを中心にし、その周囲に粒径が小さいバイオマス１１Ｂを炉内に供給するバーナ１３を具備するものであり、粒径が小さいバイオマス１１Ｂの安定した着火火炎１４の輻射熱により、粒径が大きなバイオマス１１Ａも良好に着火・燃焼することができる。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
バイオマスを炉本体内に供給して燃焼させる燃焼装置であって、
粒径が大きいバイオマスを中心にし、その周囲に粒径が小さいバイオマスを炉内に供給するバーナを具備することを特徴とする燃焼装置。
【請求項２】
バイオマスを炉本体内に供給して燃焼させる燃焼装置であって、
粒径が大きいバイオマスを炉内に供給する第１バーナと、粒径が小さいバイオマスを炉内に供給する第２バーナとを具備することを特徴とする燃焼装置。
【請求項３】
請求項２において、
前記第１バーナを、炉本体の燃焼ガス上流位置に設けると共に、
前記第２バーナを、炉本体の燃焼ガス下流位置に設けることを特徴とする燃焼装置。
【請求項４】
請求項２において、
前記第１バーナを、炉本体の燃焼ガス下流位置に設けると共に、
前記第２バーナを、炉本体の燃焼ガス上流位置に設けることを特徴とする燃焼装置。
【請求項５】
請求項２乃至４のいずれか一つにおいて、
前記第１バーナ及び第２バーナに供給するバイオマスを分級する分級手段を設けたことを特徴とする燃焼装置。
【請求項６】
請求項２乃至５のいずれか一つにおいて、
前記第１バーナ及び第２バーナを複数段設け、第１及び第２バーナを水平方向に対して傾斜するように噴射角度を設定して備えたことを特徴とする燃焼装置。
【請求項７】
請求項２乃至６のいずれか一つにおいて、
前記第１バーナ及び第２バーナの吹き込みを旋回させつつ行い、
第１バーナの仮想円径比が、第２バーナの仮想円径比よりも小さいことを特徴とする燃焼装置。
【請求項８】
請求項２乃至７のいずれか一つにおいて、
前記炉底部に火格子を設けたことを特徴とする燃焼装置。
【請求項９】
請求項８において、
前記炉底部に火格子と最下段側のバーナとの間に、炉内に熱空気を供給する熱空気供給口を設けたことを特徴とする燃焼装置。
【請求項１０】
バイオマスを炉本体内に供給して燃焼させる燃焼方法であって、
粒径が大きいバイオマスを中心にし、その周囲に粒径が小さいバイオマスを炉内に供給して燃焼することを特徴とする燃焼方法。
【請求項１１】
請求項１０において、
前記バイオマスの噴射を旋回させつつ行い、粒径の大きいバイオマスの噴射による仮想円径比が、粒径の小さいバイオマスの噴射による仮想円径比よりも小さいことを特徴とする燃焼方法。
【請求項１２】
バイオマスを炉本体内に供給して燃焼させる燃焼方法であって、
第１バーナから粒径が大きいバイオマスを炉内に供給し、第２バーナから粒径が小さいバイオマスを炉内に供給する、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、産業用ボイラ等において、石炭代替燃料廉価燃料であるバイオマスを効率よく燃焼させることができる燃焼装置及び方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
石炭とバイオマスの混焼は、産業用ボイラ、事業用ボイラ更には各種タービンにおいて、廉価燃料使用による燃料費削減、更には化石燃料起源のＣＯ２発生量の抑制、ひいてはＣＯ２排出権取引に活用可能であるために、近年その利用促進が叫ばれており、米国では再生可能利用政策に加えて規制緩和を実施している。
【０００３】
図７に石炭を微粉にして燃焼させる石炭燃焼設備の一例を示す。
図７に示すように、ボイラの炉本体２０１には微粉炭ノズル及び空気ノズルと共働するバーナ２０２が配設されており、炉内２０３には加熱器、蒸発器、節炭器等に当たる伝熱管群２０４が設置されている。そして、炉内２０３での微粉炭の燃焼により発生する燃焼排ガス２０５は該伝熱管群２０４を加熱して煙道２０６へと送られる。前記煙道２０６の途中には空気加熱器（ＡＨ）２０７が配置され、煙道２０６内の燃焼排ガス２０５は誘引通風機（ＩＤＦ）２０８で引かれて空気加熱器（ＡＨ）２０７、灰捕集装置２０９を経て煙突２１０から大気に放出される。
【０００４】
そして、石炭を燃焼させるには、図示省略の外部設備から石炭供給ライン２１１で供給される石炭２１２を石炭バンカ２１３から石炭粉砕機２１４へ供給し、この石炭粉砕機２１４にて石炭を微粉炭に粉砕し、空気加熱器２０７で加熱された熱空気２１５により乾燥されている。その後、粉砕された微粉炭は該熱空気２１５によって石炭粉砕機２１４から搬送され、該微粉炭混合気２１６として微粉炭供給ライン２１７から前記バーナ２０２内の微粉炭ノズルへ供給され、炉内２０３で燃焼される（特許文献１）。
【０００５】
なお、２１８は炉底用の再循環ガスラインで、煙道２０６から分岐し、燃焼排ガス２０５の一部を炉底用再循環ガス（ＧＲ）２１９として炉底用再循環ガス送風機（ＧＲＦ）２２０で送り、ボイラ本体２０１の底部に供給している。
【０００６】
また、２２１は燃焼用空気で、押込み通風機（ＦＤＦ）２２２により引かれて、燃焼用空気ライン２２３から主バーナ空気ライン２２４を経由し、前記空気加熱器（ＡＨ）２０７で加熱されて主バーナ燃焼用空気として前記バーナ２０２内の空気ノズルから炉内２０３内へ供給される。
また、燃焼用空気ライン２２３から分岐して送風機２２５により石炭粉砕用熱空気ライン２２６へ送られ、途中前記空気加熱器（ＡＨ）２０７で加熱されて石炭粉砕用熱空気２１５として温調用冷空気２２６と混合され、石炭粉砕機２１４へ供給されている。
【０００７】
【特許文献１】
特開２０００−２８１２９号公報
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述した石炭燃料設備を用い、単に石炭に代えてバイオマスを供給して炉内２０３で燃焼させようとすると、バイオマスの粒径は数ｍｍ程度と大きく、従来の石炭を粉砕ミルで粉砕した微粉炭のような１０μｍと細かくないので、着火性が悪いという問題がある。
この結果、未燃焼分が多くなると共に、不完全燃焼によりＣＯ，ＮＯｘの発生が多くなるという問題がある。
【０００９】
バイオマスの粒径を細かくできないのは、バイマスが石炭のように脆性材料でないために、粉砕手段により粉砕しても効率よい粉砕ができないことによる。
このため、炉底部内に浮遊できない大粒径のバイオマスが落下し、スラグの原因となる、という問題がある。
このため、バイオマスの炉内での着火性を向上した技術の出現が切望されている。
【００１０】
これは、石炭とバイオマスとを併用して炉内で燃焼する際にも問題があるので、石炭・バイオマス混焼炉においても重要な課題である。
【００１１】
本発明は、前記問題に鑑み、バイオマスを燃焼設備にて効率よく燃焼させることができる燃焼装置及び方法を提供することを課題とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
前述した課題を解決する第１の発明は、バイオマスを炉本体内に供給して燃焼させる燃焼装置であって、粒径が大きいバイオマスを中心にし、その周囲に粒径が小さいバイオマスを炉内に供給するバーナを具備することを特徴とする燃焼装置にある。
【００１３】
第２の発明は、バイオマスを炉本体内に供給して燃焼させる燃焼装置であって、粒径が大きいバイオマスを炉内に供給する第１バーナと、粒径が小さいバイオマスを炉内に供給する第２バーナとを具備することを特徴とする燃焼装置にある。
【００１４】
第３の発明は、第２の発明において、前記第１バーナを、炉本体の燃焼ガス上流位置に設けると共に、前記第２バーナを、炉本体の燃焼ガス下流位置に設けることを特徴とする燃焼装置にある。
【００１５】
第４の発明は、第２の発明において、前記第１バーナを、炉本体の燃焼ガス下流位置に設けると共に、前記第２バーナを、炉本体の燃焼ガス上流位置に設けることを特徴とする燃焼装置にある。
【００１６】
第５の発明は、第２乃至４のいずれか一つの発明において、前記第１バーナ及び第２バーナに供給するバイオマスを分級する分級手段を設けたことを特徴とする燃焼装置にある。
【００１７】
第６の発明は、第２乃至５のいずれか一つの発明において、前記第１バーナ及び第２バーナを設け、第１及び第２バーナを水平方向に対して傾斜するように噴射角度を設定して備えたことを特徴とする燃焼装置にある。なお、第１及び第２のバーナはそれぞれ複数段設けることもできる。また、バーナの噴射角度を変更する調節手段を設け、バーナの噴射角度を適宜調整できるようにすることもできる。
【００１８】
第７の発明は、第２乃至６のいずれか一つの発明において、前記第１バーナ及び第２バーナの吹き込みを旋回させつつ行い、第１バーナの仮想円径比が、第２バーナの仮想円径比よりも小さいことを特徴とする燃焼装置にある。
【００１９】
第８の発明は、第２乃至７のいずれか一つの発明において、前記炉底部に火格子を設けたことを特徴とする燃焼装置にある。
【００２０】
第９の発明は、第８の発明において、前記炉底部に火格子と最下段側のバーナとの間に、炉内に熱空気を供給する熱空気供給口を設けたことを特徴とする燃焼装置にある。
【００２１】
第１０の発明は、バイオマスを炉本体内に供給して燃焼させる燃焼方法であって、粒径が大きいバイオマスを中心にし、その周囲に粒径が小さいバイオマスを炉内に供給して燃焼することを特徴とする燃焼方法にある。
【００２２】
第１１の発明は、第１０の発明において、前記バイオマスの噴射を旋回させつつ行い、粒径の大きいバイオマスの噴射による仮想円径比が、粒径の小さいバイオマスの噴射による仮想円径比よりも小さいことを特徴とする燃焼方法にある。
【００２３】
第１２の発明は、バイオマスを炉本体内に供給して燃焼させる燃焼方法であって、第１バーナから粒径が大きいバイオマスを炉内に供給し、第２バーナから粒径が小さいバイオマスを炉内に供給する、燃焼方法にある。
【００２４】
【発明の実施の形態】
本発明の形態を以下に説明するが、本発明はこれらの実施の形態に限定されるものではない。
【００２５】
［第１の実施の形態］
図１を参照して本実施の形態にかかる燃焼装置について説明する。
図１に示すように、本実施の形態にかかる燃焼装置は、バイオマス１１を炉本体１２内に供給して燃焼させる燃焼装置であって、粒径が大きいバイオマス（大径バイオマス）１１Ａを中心にし、その周囲に粒径が小さいバイオマス（小径バイオマス）１１Ｂを炉内に供給するバーナ１３を具備するものである。
【００２６】
前記バーナ１３はその中心にバイオマス１１を炉内に噴出する大径バイオマス噴出部１３ａと、その外側に設けられ、小径のバイオマス１１Ｂを炉内に噴出する小径バイオマス噴出部１３ｂと、最外周に位置し、炉内に熱空気３５を送給する熱空気噴出部４１ｃから構成されている。
【００２７】
バイオマスは数ｍｍ程度に粉砕手段により粉砕されるが、その中には１ｍｍ以下の細かな粒子が存在する。その細かな粒子を分級手段により分級することで、１ｍｍ以上の粒径が大きいバイオマス１１Ａと、１ｍｍ未満の粒径の小さいバイオマス１１Ｂとする。
【００２８】
前記１ｍｍ以上の粒径が大きいバイオマス１１Ａの平均粒径は数ミリ程度であり、好ましくは２〜３ｍｍとするのがよい。また、１ｍｍ未満の粒径の小さいバイオマス１１Ｂの平均粒径は０．５ｍｍ程度とするのがよい。
【００２９】
本発明において、バイオマスとは生物資源のことをいう。バイオマスとしては、例えば農業生産物又は副産物、木材、植物等が例示される。バイオマスの変換目的などにもよるが、燃料・原料の供給面という観点から、大量入手が容易なものや、生育・成長速度が速いものなど、燃料・原料としての供給が安定しているものが好ましい。草本類・木本類の植物性バイオマスの一例を示すと、トウモロコシ類、イネ類、スイートソルガムなどのサトウキビ類、ネピアグラスなどの牧草類、木材類などが例示される。また、本発明においてはバイオマスの代替原料として使用可能な有機性廃棄物を用いてもよい。
【００３０】
この分級手段としては、公知の分級手段を用い、例えば図１に示す場合では、斜めに傾斜した振動篩２１を用いている。
【００３１】
前記構成のバーナ１３とすることで、まず着火性のよい粒径の小さなバイオマス１１Ｂが着火し、安定した火炎１４を形成する。次いで、火炎１４の輻射熱により。着火性に劣る粒径の大きなバイオマス１１Ａも安定して着火することができるので、粒径の大きなバイオマス１１Ａも確実に完全燃焼することができる。
【００３２】
［第２の実施の形態］
図２を参照して本実施の形態にかかる燃焼装置について説明する。
図２に示すように、本実施の形態にかかる燃焼装置は、バイオマス１１を炉本体１２内に供給して燃焼させる燃焼装置であって、粒径が大きいバイオマス１１Ａを炉内に供給する第１バーナ３１と、粒径が小さいバイオマス１１Ｂを炉内に供給する第２バーナ３２とを具備するものである。なお、符号３０は燃焼ガスを図示する。
【００３３】
本実施の形態では、第１及び第２バーナ３１、３２は２段式のものを用いたが、本発明はこれに限定されるものではない。また、第１及び第２バーナ３１、３２には図示しない熱空気が導入され、効率的な燃焼を行うようにしている。
【００３４】
また、本実施の形態では、前記粒径が大きいバイオマス１１Ａを供給する第１バーナ３１を炉本体１２の燃焼ガス３０の下流位置（炉低部側）に設けると共に、前記粒径が小さいバイオマス１１Ｂを供給する第２バーナ３２を炉本体１２の燃焼ガス３０の下流位置（炉上部側）に設けるようにしている。
【００３５】
これにより、粒径の小さいバイオマス１１Ｂは炉内を上昇して燃焼することができる。また、粒径の大きなバイオマス１１Ａは炉底部に落下する際に、バイオマス燃焼輻射熱により粒径が小さくなり、一部は燃焼する。また、落下した残渣３４は別途導入される熱空気３５により火格子３６にて燃焼される。
【００３６】
また、火格子３６と第１バーナ３１との間に、別途炉内に熱空気３５を供給する熱空気供給口３７を設け、沈降途中の粒径の大きなバイオマス１１Ａを燃焼させるようにしてもよい。
【００３７】
［第３の実施の形態］
図３を参照して本実施の形態にかかる燃焼装置について説明する。
図３に示すように、本実施の形態にかかる燃焼装置は、バイオマス１１を炉本体１２内に供給して燃焼させる燃焼装置であって、粒径が大きいバイオマス１１Ａを炉内に供給する複数段の第１バーナ３１−１、３１−２と、粒径が小さいバイオマス１１Ｂを炉内に供給する複数段の第２バーナ３２−１、３２−２とを具備すると共に、燃焼ガス下流側（炉上部側）の第２バーナ３２−１を下方に傾斜させ、燃焼ガス上流側（炉低部側）の第１バーナ３１−２を上方に傾斜させている。傾斜させた各バーナの噴射角度は、第２バーナ３２−１は水平面に対し−θ１に設定され、第１バーナ３１−２は水平面に対し＋θ２に設定されている。
【００３８】
この結果、複数段の炉上部側の第２バーナ３２−１を下方に傾斜させることにより、粒径が小さいバイオマス１１Ｂのショートパスを防止している。
また、複数段の炉低部側の第１バーナ３１−２を上方に傾斜させることにより、粒径が大きいバイオマス１１Ａの落下滞留時間を増加させ、輻射熱による燃焼により、粒子が大きいバイオマスの燃焼を促進するようにしている。
【００３９】
［第４の実施の形態］
図４を参照して本実施の形態にかかる燃焼装置について説明する。
図４に示すように、本実施の形態にかかる燃焼装置は、バーナの供給するバイマスの分級をバーナ直前で行うものである。
前記粒径が大きいバイオマス１１Ａと粒径が小さいバイオマス１１Ｂとの分級を行うサイクロン４１を炉近傍に設け、該サイクロン４１で分級するようにしている。前記サイクロン内に配設した内筒４２からは粒径が小さいバイオマス１１Ｂを排出し、一方、サイクロン下端部からは粒径が大きなバイオマス１１Ａを排出する。そして、サイクロン下部に設けた供給管４３には、熱空気３５等を供給する気送搬送手段を設けるようにしている。
【００４０】
なお、この気送搬送手段は、熱空気、水蒸気、酸素濃度の低いガス（燃焼設備からの排ガス）等を用いるようにすればよい。ここで、熱空気を用いる場合には、バイオマスは石炭のような発火温度が高くない（発火温度が２５０℃と低い）ので、着火する場合があるが、送給先はバーナであるので、問題はない。
【００４１】
［第５の実施の形態］
図５を参照して本実施の形態にかかる燃焼装置について説明する。
図５（ａ）〜（ｃ）に示すように、炉本端１２の各コーナ部に前記第１バーナ３１及び第２バーナ３２を設け、該バーナからの吹込みを旋回させつつ行うと共に、第１バーナ３１の仮想円径比Ｋ１（図５（ａ））を第２バーナの仮想円径比Ｋ２（図５（ｂ））よりも小さいくなるようにしている。この結果、炉壁方向へ偏芯させ、粒径の小さいバイオマス火炎５１を粒径が大きいバイオマス火炎５２で包み込むようにし（図５（ｃ））、壁面近傍を高融点粒子が多い雰囲気とすることで、スラッギングを回避させるようにしてもよい。
【００４２】
［第６の実施の形態］
図６を参照して本実施の形態にかかる燃焼装置について説明する。
図６に示すように、本実施の形態にかかる燃焼装置は、前記粒径が大きいバイオマス１１Ａを供給する第１バーナ３１を炉本体１２の燃焼ガス３０の上流位置（炉上部側）に設けると共に、前記粒径が小さいバイオマス１１Ｂを供給する第２バーナ３２を炉本体１２の燃焼ガス３０の上流位置（炉低部側）に設けるようにしている。
【００４３】
これにより、粒径の小さいバイオマス１１Ｂは炉内を上昇して燃焼することができる。
また、粒径の大きなバイオマス１１Ａは炉底部に落下するまでの滞留時間が長くなるので、バイオマス燃焼輻射熱により粒径が徐々に小さくなり、落下バイオマスの一部は燃焼する。また、落下した残渣は別途導入される熱空気により火格子にて燃料される。
【００４４】
【発明の効果】
本発明によれば、バイオマスを炉本体内に供給して燃焼させる燃焼装置であって、粒径が大きいバイオマスを中心にし、その周囲に粒径が小さいバイオマスを炉内に供給するバーナを具備するので、バイオマスの燃焼を効率よく行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１の実施の形態にかかる燃焼装置の概略図である。
【図２】第２の実施の形態にかかる燃焼装置の概略図である。
【図３】第３の実施の形態にかかる燃焼装置の概略図である。
【図４】第４の実施の形態にかかる燃焼装置の概略図である。
【図５】バイオマスの燃料の仮想円径比と燃焼状態を示す模式図である。
【図６】第６の実施の形態にかかる燃焼装置の概略図である。
【図７】石炭燃焼装置の概略図である。
【符号の説明】
１１  バイオマス
１１Ａ  粒径の大きいバイオマス
１１Ｂ  粒径の小さいバイオマス
１２  炉本体
１３  バーナ
【図１】
2004347270.tif 000003
【図２】
2004347270.tif 000004
【図３】
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【図４】
2004347270.tif 000006
【図５】
2004347270.tif 000007
【図６】
2004347270.tif 000008
【図７】
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