(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
カリウム成分を含む木質バイオマス燃料を燃焼するための燃焼炉と、
前記燃焼炉の下流側に設けられたボイラーと、
前記ボイラーの下流側に設けられ前記燃焼炉から排出された燃焼灰を除去するバグフィルタと、
前記バグフィルタによって集塵された燃焼灰を分級する分級機と
を備え、
前記分級機によって分級された分級点以下のサイズを有する微粉燃焼灰におけるカリウム成分濃度は、分級点以上のサイズを有する粗粉燃焼灰におけるカリウム成分濃度よりも高く、
前記分級機の分級点は、前記木質バイオマス燃料の性状に基づいて調整するように構成されている、燃焼装置。
【請求項２】
前記木質バイオマス燃料に含まれるカリウム成分が第１の量であるとき、前記分級機の分級点が第１の粒径に調整され、前記木質バイオマス燃料に含まれるカリウム成分が前記第１の量よりも少ない第２の量であるとき、前記分級機の前記分級点が前記第１の粒径よりも小さい第２の粒径に調整される、請求項１に記載の燃焼装置。
【請求項３】
前記ボイラーと前記バグフィルタとの間に配置された前段分級機をさらに備える、請求項１または２に記載の燃焼装置。
【請求項４】
前記分級機によって分級された分級点以上の粗粉燃焼灰を、前記燃焼炉に戻して再燃焼するように構成されている、請求項１から３のいずれかに記載の燃焼装置。
【請求項５】
木質バイオマス燃料に含まれるカリウム成分を濃縮するために、燃焼炉から排出された燃焼灰を粗粉と微粉とに分級し、前記カリウム成分が濃縮された前記微粉を取り出す工程を包含し、
前記木質バイオマス燃料に含まれるカリウム成分の量に応じて、前記粗粉と微粉とに分級する粒子径を調整する、木質バイオマス燃料の燃焼灰処理方法。
【請求項６】
前記木質バイオマス燃料に含まれるカリウム成分が第１の量であるとき、分級点を第１の粒径に調整して分級し、前記木質バイオマスに含まれるカリウム成分が前記第１の量よりも少ない第２の量であるとき、前記分級点を前記第１の粒径よりも小さい第２の粒径に調整して分級する、請求項５に記載の燃焼灰処理方法。
【請求項７】
前記木質バイオマス燃料には重金属成分が含まれており、前記分級された前記微粉には重金属成分が濃縮されており、前記微粉を取り出した後の粗粉を低重金属成分粉として取り出す、請求項５または６に記載の燃焼灰処理方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃焼装置および燃焼灰処理方法に関し、特に、木質バイオマス燃料の燃焼装置および燃焼灰処理方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
再生可能エネルギー資源の１つとして、木質バイオマスが注目されている。木質バイオマスを発電用燃料として利用することによって、化石燃料を用いる場合よりも二酸化炭素の排出量を削減することができる。また、山林の保全性を高め林業の活性化を図ることもできる。木質バイオマス発電に対する期待は大きく、特に、固定価格買い取り制度（ＦＩＴ制度）が制定されていることから、今後、さらなる発電システムの発展と普及が促進されるものと予測されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１０−１０５８５４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ただし、木質バイオマスを含む燃料は灰分を有しているため、バイオマス発電プラントの普及が進むとともに燃焼灰量も増加する。ところが、現在のところ、木質バイオマス発電プラントの燃焼灰については循環利用が図られておらず、産業廃棄物として発電事業者が処分費を負担している状況にある。燃焼灰の処分にかかる費用は、発電売り上げの例えば５〜１０％にも達している。
【０００５】
バイオマス燃料以外の固形燃料の燃焼灰の処理方法としては、例えば、特許文献１に、石炭灰の処理方法が記載されている。特許文献１に記載の処理方法では、粒径が所定値未満（特に２０μｍ未満）の小粒径の改質灰がボイラーに供給され再利用される。
【０００６】
しかしながら、木質バイオマス燃料の燃焼灰については、廃棄以外の具体的な処理方法が提示されていなかった。したがって、木質バイオマス燃焼灰を有効利用し、これによって、廃棄量を可能な限り削減するという課題があった。
【０００７】
本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、木質バイオマス燃焼灰の有効利用に好適な燃焼装置および燃焼灰処理方法を提供することをその目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の実施形態による燃焼装置は、カリウム成分を含む木質バイオマス燃料を燃焼するための燃焼炉と、前記燃焼炉の下流側に設けられたボイラーと、前記ボイラーの下流側に設けられ前記燃焼炉から排出された燃焼灰を除去するバグフィルタと、前記バグフィルタによって集塵された燃焼灰を分級する分級機とを備え、前記分級機によって分級された分級点以下のサイズを有する微粉燃焼灰におけるカリウム成分濃度は、分級点以上のサイズを有する粗粉燃焼灰におけるカリウム成分濃度よりも高く、前記分級機の分級点は、前記木質バイオマス燃料の性状に基づいて調整するように構成されている。
【０００９】
ある実施形態において、前記木質バイオマス燃料に含まれるカリウム成分が第１の量であるとき、前記分級機の分級点が第１の粒径に調整され、前記木質バイオマス燃料に含まれるカリウム成分が前記第１の量よりも少ない第２の量であるとき、前記分級機の前記分級点が前記第１の粒径よりも小さい第２の粒径に調整される。
【００１０】
ある実施形態において、前記ボイラーと前記バグフィルタとの間に配置された前段分級機をさらに備える。
【００１１】
ある実施形態において、前記分級機によって分級された分級点以上の粗粉燃焼灰を、前記燃焼炉に戻して再燃焼するように構成されている。
【００１２】
本発明の実施形態による木質バイオマス燃料の燃焼灰処理方法は、木質バイオマス燃料に含まれるカリウム成分を濃縮するために、燃焼炉から排出された燃焼灰を粗粉と微粉とに分級し、前記カリウム成分が濃縮された前記微粉を取り出す工程を包含し、前記木質バイオマス燃料に含まれるカリウム成分の量に応じて、前記粗粉と微粉とに分級する粒子径を調整する。
【００１３】
ある実施形態において、前記木質バイオマス燃料に含まれるカリウム成分が第１の量であるとき、分級点を第１の粒径に調整して分級し、前記木質バイオマスに含まれるカリウム成分が前記第１の量よりも少ない第２の量であるとき、前記分級点を前記第１の粒径よりも小さい第２の粒径に調整して分級する。
【００１４】
ある実施形態において、前記木質バイオマス燃料には重金属成分が含まれており、前記分級された前記微粉には重金属成分が濃縮されており、前記微粉を取り出した後の粗粉を低重金属成分粉として取り出す。
【発明の効果】
【００１５】
本発明の実施形態にかかる燃焼装置および燃焼灰処理方法によれば、木質バイオマス燃焼灰を有効利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】流動層式燃焼炉で米松を燃焼したときの燃焼灰の粒子径とＫ2Ｏ濃度との関係を示すグラフである。
【図２】ストーカ式燃焼炉で杉を燃焼したときの燃焼灰の粒子径とＫ2Ｏ濃度との関係を示すグラフである。
【図３】本発明の実施形態による燃焼装置を示す模式図である。
【図４】（ａ）は木質バイオマス燃料に含まれるカリウム成分が多いときの燃焼灰の粒度分布およびカリウム濃度を示し、（ｂ）は木質バイオマス燃料に含まれるカリウム成分が少ないときの燃焼灰の粒度分布およびカリウム濃度を示すグラフである。
【図５】木質バイオマス燃料に重金属成分（例えばＰｂ）が含まれているときの、燃焼灰の粒度分布および重金属成分濃度を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
本発明者は、木質バイオマス燃料、すなわち、廃棄木材、間伐材、木質チップ、木質ペレット、ＰＫＳ（ｐａｌｍ  ｋｅｒｎｅｌ  ｓｈｅｌｌ）などの生物由来の木質有機性資源を含む燃料（植物系燃料）を燃やしたときに発生する燃焼灰の有効利用方法について鋭意研究を行った。より具体的には、木質バイオマス燃料には、肥料等に由来するカリウムが多く含まれていることに着目し、燃焼灰に含まれるカリウムを肥料の原料等として再利用することについて鋭意研究を行った。
【００１８】
バイオマス燃料の燃焼灰（飛灰）には、Ｎａ、Ｋ、Ｍｇ、Ｃａなどのアルカリ金属・アルカリ土類金属（ここではＭｇを含むものとする）が比較的高い濃度で含まれていることが知られている。バイオマス燃料に含有されていたアルカリ金属・アルカリ土類金属は、燃焼炉内で揮発して低融点化合物（例えば３００〜６００℃でガス状態をとる）を形成し、その後、温度低下により灰に凝固する過程で濃縮がすすむものと思われる。バイオマス燃料の燃焼灰に含まれる他の元素としては、例えば、Ｓｉ、Ａｌ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｕ、Ｔｉ、Ｐ、Ｐｂ、Ｃｌなどが挙げられるが、その他、燃料由来により種々の元素が含まれ得る。
【００１９】
実験および研究の結果、本発明者は、木質バイオマス燃料を燃やした燃焼灰では、粒子径が小さい燃焼灰においてカリウム成分が濃縮されていることを見出した。また、燃焼灰に残存するカリウム成分の多くは水溶性であり、カリウムが濃縮された燃焼灰を集塵することによって高濃度カリウム含有水溶液が比較的容易に得られることがわかった。
【００２０】
図１は、流動層式燃焼炉で「米松」を燃焼させたときの、燃焼灰の粒子径と、カリウム成分（より具体的にはＫ2Ｏ）の濃度との関係を示すグラフである。また、図２は、ストーカ式燃焼炉で「杉」を燃焼させたときの、燃焼灰の粒子径と、カリウム成分（Ｋ2Ｏ）の濃度との関係を示すグラフである。
【００２１】
図１および図２からわかるように、燃焼炉の態様や燃料材質の違いにかかわらず、木質バイオマス燃料の燃焼灰においては、粒子径の小さい領域でカリウム成分濃度が高く、粒子径の大きい領域でカリウム成分濃度が低い。したがって、燃焼灰を設定した粒子径によって分級し、小粒子径を有する微粉の燃焼灰を取り出すようにすれば、高濃度のカリウムを収集することができる。
【００２２】
ただし、本発明者の知見によれば、燃焼炉に投入される木質バイオマス燃料に含まれるカリウム成分の濃度は一定ではないことから、燃料によらず同じ分級方法で微粉を集塵すると、得られる微粉における質量あたりのカリウム濃度も変動することがあることがわかった。そこで、本発明の実施形態においては、分級器によって分級する粒子サイズ（分級点）を、木質バイオマス燃料の性状（例えばカリウム成分の多寡を左右する各燃料材の混合比率など）に基づいて調整する。このようにすれば、カリウム濃度が安定した微粉灰が得られ、肥料等を製造するための材料として好適に用いることができる。
【００２３】
また、上記のように燃焼灰の分級を行い、カリウムが濃縮された微粉を取り出すとともに、粒子サイズの大きい粗粉の燃焼灰は燃焼炉へと戻して再燃焼させてもよい。このことにより、燃料の利用効率を向上させるだけでなく、粗粉に含まれるカリウム以外の燃焼成分（例えば、炭素や水素など）がさらに燃焼に供され、カリウム濃度が高い微粉をより効率的に得ることが可能になる。木質バイオマス燃料に含まれる水分は石炭などの他の固形燃料に比べても多いので、再度の燃焼がカリウム濃縮の促進に寄与するものと考えられる。また、再燃焼させることによって、排出される灰量を低減することができるので処理費用を抑制することができる。
【００２４】
以下、図面を参照しながら本発明の実施形態を説明するが、本発明は以下の実施形態に限定されない。
【００２５】
図３は、本発明の実施形態による燃焼装置１０を示す模式図である。燃焼装置１０は、木質バイオマス燃料を燃焼するように構成された燃焼炉１と、燃焼炉１の下流側に設けられた排熱ボイラー２と、排熱ボイラー２の下流側に設けられた減温塔３と、減温塔３の下流側に設けられたバグフィルタ４と、バグフィルタ４の下流側に設けられた誘引ファン５および煙突６とを備える。これらの構成は、従来の燃焼装置またはバイオマス発電装置と同様の構成を有していてよく、任意の態様を取り得る。燃焼炉１は、例えば、ストーカ式の燃焼炉であってもよいし、流動層式燃焼炉であってもよい。また、燃焼装置１０は、排熱ボイラー２に接続されたタービン（図示せず）を用いて発電機を駆動して発電するように構成されていてもよい。
【００２６】
燃焼装置１０はさらに、バグフィルタ４によって集塵された灰（バグフィルタ灰）を分級するための分級機７を備える。分級機７は、例えば、サイクロン（遠心力式分級機）であってもよいし、その他、重力式分級機、静電分級機、慣性力分級機、スクリーン分級機などであってもよい。
【００２７】
分級機７によって分級する粗粉および微粉粒径（分級点）は任意に調節することができる。分級機７としてサイクロンを用いる場合、例えば、サイクロンに投入する燃焼灰の入口流速を調整することによって分級点を任意に設定することができる。あるいは、サイクロンの下部に設けられた三角コーンの上下位置（サイクロン下部の排出口に対する相対的な高さ）を調整することによっても分級点を制御できる。
【００２８】
以上のように、分級機７は、バグフィルタ灰を所望の分級点にて粗粉と微粉とに分級するが、燃焼装置１０は、分級機７によって分級する粒子サイズを、燃焼炉１に投入される木質バイオマス燃料の性状に基づいて調整するように構成されている。具体的には、投入する木質バイオマス燃料に含まれるカリウム成分量が多いときには、分級される粗粉の粒径下限を比較的大きく設定し、カリウム成分量が少ないときには、分級される粗粉の粒径下限を比較的小さく設定できるように構成されている。
【００２９】
下記表１は、粉体分級機で運転条件を変えてバグフィルタ灰を分級したときの粗粉および微粉のメディアン径（ｄ５０径）およびカリウム化合物（Ｋ2Ｏ）濃度を示す。
【００３０】
【表１】
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【００３１】
表１からわかるように、サンプル１〜４のいずれにおいても、粗粉におけるＫ2Ｏ濃度よりも微粉におけるＫ2Ｏ濃度は大きくなっている。また、分級機の運転条件を変化させることによって、微粉の粒径およびＫ2Ｏ濃度を調整できることがわかる。
【００３２】
このように分級機７の運転条件を変化させ分級点を調整することによってＫ2Ｏ濃度を制御することができるので、投入される木質バイオマス燃料の性状に応じて分級機７の運転設定を変えて分級点を調整することにより、Ｋ2Ｏ濃度が安定した微粉を得ることができる。また、高濃度カリウム含有微粉を肥料などの原料に用いるために取り出すとともに、粗粉は燃焼炉に再度投入してもよい。集塵した粗粉は、任意の搬送手段（コンベアなど）によって燃焼炉に投入することができる。このようにすれば、燃料利用効率を向上させ廃棄する燃焼灰を削減し、高濃度カリウム含有微粉をより効率的に回収することができる。
【００３３】
図４（ａ）および（ｂ）は、木質バイオマス燃料に含まれるカリウム濃度が多い場合と少ない場合とのそれぞれにおける、燃焼灰の粒度分布（上段）および対応するカリウム濃度（下段）を示す。
【００３４】
図４（ａ）に示すように、燃料に含まれるカリウム濃度が多い場合、比較的大きい粒径Ｄ１以下の粒子が、所定のカリウム濃度Ｃ以上の濃度を有している。他方、図４（ｂ）に示すように、燃料に含まれるカリウム濃度が少ない場合、より小さい粒径Ｄ２以下の粒子しか所定のカリウム濃度Ｃ以上の濃度を有していない。
【００３５】
このため、図４（ａ）に示したように燃料のカリウム濃度が高濃度（第１の量）であるときには、分級点を比較的大きい径Ｄ１として微粉を回収し、図４（ｂ）に示したように燃料のカリウム濃度が低濃度（第２の量）であるときには、分級点を比較的小さい径Ｄ２として微粉を回収することによって、燃料の性状によらず、所定カリウム濃度Ｃ以上の燃焼灰を集めることができる。
【００３６】
また、図５は、燃料にＰｂなどの重金属が含まれている場合における、燃焼灰の粒子径と重金属濃度との関係を示す。重金属は、粒子径が小さいところに濃縮することがわかる。このため、分級により所定の粒径よりも大きい粗粉を収集すれば、重金属濃度が低減された灰分が得られるので、これをセメント材料などとして用いることも可能である。
【００３７】
以上、本発明の実施形態を説明したが、種々の改変が可能であることは言うまでもない。例えば、上記には図３に示すようにバグフィルタ灰を分級する分級機を設ける態様を説明したが、この分級機に加えて、ボイラーと減温塔との間にサイクロン分級機などの前段分級機を介在させ、より大きい粗粉は前段分級機にて回収するようにしてもよい。このような大きい粗粉は、燃焼炉へと戻し再燃焼させることができる。
【産業上の利用可能性】
【００３８】
本発明の実施形態による燃焼装置および燃焼灰処理方法は、木質バイオマス燃料灰の有効利用のために好適に用いられる。
【符号の説明】
【００３９】
１  燃焼炉
２  排熱ボイラー
３  減温塔
４  バグフィルタ
５  誘引ファン
６  煙突
７  分級機
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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