(57)【要約】  【課題】  石炭を微粉炭焚きした場合よりもＮＯｘの生成を抑えた燃焼が可能で、かつ、高い混焼比率でバイオマスを燃焼させることができ、さらにハロゲン含有ガスによる伝熱管等の腐食、未燃分やダイオキシン類の発生を抑制し得るバイオマス系燃料の燃焼方法を提供する。  【解決手段】  木質系バイオマスやプランテーションにおいて発生する植物系残渣などから選ばれる少なくとも一種のバイオマスの炭化物を微粉砕した微粉体と、石炭等の微粉炭と、を混合燃焼させることにより、燃焼排ガス中のＮＯｘを低減させる。【選択図】  なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
バイオマスの炭化物と石炭とを混合燃焼させることを特徴とするバイオマス系燃料の燃焼方法。
【請求項２】
微粉砕されたバイオマスの炭化物と石炭とを混合燃焼させる請求項１に記載のバイオマス系燃料の燃焼方法。
【請求項３】
バイオマスの炭化物と石炭とを同一バーナから燃焼炉内へ投入する請求項１または２に記載のバイオマス系燃料の燃焼方法。
【請求項４】
バイオマスが、木質系バイオマスおよび植物系残渣より選ばれる少なくとも一種である請求項１〜３のいずれかに記載のバイオマス系燃料の燃焼方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、バイオマス系燃料の燃焼方法に関し、特に火力発電設備を利用してバイオマス系燃料を石炭と混合燃焼させた時のＮＯｘ生成を抑制し、かつ、環境負荷低減が可能なバイオマス系燃料の燃焼方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
地球温暖化を防止するために、温室効果ガスである二酸化炭素（ＣＯ２）の大気放出の抑制が求められている。特に、火力発電所における石炭、石油、ＬＮＧなどの燃焼排ガスは大量に発生するが、これらの排ガス中にはＣＯ２が１〜４０ｖｏｌ％含有され、さらにＮＯｘやＳＯｘも含まれているため、これらの排ガス成分の低減は必要不可欠である。
【０００３】
ところが、植物、農産物廃棄物、廃木材、家畜排泄物、下水汚泥などバイオマスをエネルギー源に使えば、地球温暖化防止に役立つ。例えば、植物を燃やしてＣＯ２を大気中に放出しても、該ＣＯ２は植物成長過程で大気から取り込んだものであるため、大気中のＣＯ２濃度は変わらない。そのため、都市ゴミなどの固形廃棄物や木材など各種バイオマスエネルギーに関する研究が盛んで、例えば木材等のバイオマスを液化したバイオマス液化燃料、木材等のバイオマスをガス化したバイオマスガス化燃料に関する提案などがなされているが、バイオマス燃料は季節毎の供給量が異なるため、一定の発電量を得るには石炭との混合燃焼（以下、「混焼」と略称することがある。）が望ましいと考えられている。しかし、バイオマスによっては多量の水分が含まれているものがあるため、実際にバイオマスと石炭とを混焼させる場合には、発熱量を確保するため、５〜１０％が限界である。
【０００４】
石炭との混焼に関し、特開平１１−１０８３２４号公報には、ゴミ固形燃料（ＲＤＦ）を解砕して石炭焚等ボイラの火炉内へ投入して浮遊させつつ、微粉炭等の主燃料と一緒に燃焼させる廃棄物混焼方法が提案されている（特許文献１参照）。該方法では廃棄物を主燃料のバーナとは別のポートからボイラの火炉内へ投入することで、主燃料より先に燃焼性の良好な廃棄物が燃焼することによって生じる空気不足の状態を回避し、主燃料の燃焼性低下を防止してダイオキシンの発生を防止している。
【０００５】
また、特開２００２−３４９８２１号公報には、都市ゴミなどの固形廃棄物や木材、木くずなどのバイオマスに代表される、塩素系化合物を含む固体燃料と石炭を混合燃焼するのに適した燃焼装置と燃焼方法が提案されており、該方法は、固形廃棄物とバイオマスの少なくとも一方からなる固体燃料を流動層燃焼する工程と、前記流動層燃焼工程の燃焼ガスを利用して微粉炭を燃焼する粉体燃焼工程とを有するものである（特許文献２参照）。              
【０００６】
しかしながら、前者は、固形廃棄物に含まれる塩素化合物を脱塩するために石炭との混焼に流動層燃焼を用いると、燃焼ガスの温度が約８００℃と低いため、熱効率を上げることができないという問題点を解決したものである。後者は、通常の石炭燃焼で用いられる粉体燃焼（浮遊燃焼）方式で固体燃料と石炭を混焼すると、燃焼ガス温度は１２００℃以上にできるため熱効率は上がるが、固形廃棄物やバイオマスに含まれるハロゲン化物質からハロゲン元素がガス中に放出されるためハロゲン元素が原因で伝熱管を腐食するという問題点を解決するとともに、燃焼温度の低下による未燃分やダイオキシンの発生を抑制するために燃焼方法を改善したものである。バイオマスとして、木くず、木材、モミ殻などが開示されているに過ぎない。
【０００７】
また、特開２００２−２４３１０８号公報には、バイオマス燃料を４０％以上の混焼率で石炭と燃焼させた場合にもＣＯやＮＯｘの生成を抑えた安定した燃焼を維持させることができ、火炉壁への灰付着も低減させるバーナを備えた燃焼装置が提案されている（特許文献３参照）。しかし、使用されているバイオマス燃料は、揮発分が７０％以上で発熱量が４０００ｋｃａｌ程度と低く、水分量も１０％以上であるため、着火遅れや滞留時間不足が生じるとＣＯや未燃焼分が増加する。
【０００８】
【特許文献１】特開平１１−１０８３２４号公報（段落番号００１８〜００１９等）
【特許文献２】特開２００２−３４９８２１号公報（段落番号００２０等）
【特許文献３】特開２００２−２４３１０８号公報（段落番号０００５等）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明は、上記従来の問題点に鑑みてなされたものであり、石炭を微粉炭焚きした場合よりもＮＯｘの生成を抑えた燃焼が可能で、かつ、高い混焼比率でバイオマスを燃焼させることができ、さらにハロゲン含有ガスによる伝熱管等の腐食、未燃分やダイオキシン類の発生を抑制し得るバイオマス系燃料の燃焼方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
前記課題を解決するため、本発明者らは鋭意検討した結果、従来の微粉炭焚条件下にてバイオマスの炭化物を微粉炭と混焼することにより、発熱量が高く、それぞれを専焼した場合よりもＮＯｘが低減されることを見出し、本発明を完成するに至った。
【００１１】
すなわち、本発明のバイオマス系燃料の燃焼方法は、バイオマスの炭化物と石炭とを混合燃焼させることを特徴とする。
【００１２】
また、本発明のバイオマス系燃料の燃焼方法では、前記バイオマスの炭化物および石炭が微粉砕されていることが好ましく、バイオマス系燃料を微粉砕することにより、従来の微粉炭焚ボイラ等の火力発電設備を利用して燃料を燃焼させることが可能となる。
【００１３】
また、本発明のバイオマス系燃料の燃焼方法では、前記バイオマスの炭化物と石炭とを同一バーナから燃焼炉内へ投入しても良い。
【００１４】
本発明のバイオマス系燃料の燃焼方法においては、前記バイオマスが、木質系バイオマスおよび植物系残渣より選ばれる少なくとも一種であることが好ましい。
【００１５】
一般に燃焼時におけるＮＯｘ発生原因としては、燃料に含まれる窒素分によるフューエルＮＯｘ、及び燃焼用空気に含まれる窒素分と炉内温度とによるサーマルＮＯｘがある。従って、燃料として用いるバイオマスの炭化物の窒素分が石炭に比べて少なければ、バイオマス混焼比率が高いほど燃料中の窒素分が少なくなり、フューエルＮＯｘが低下するが、本発明によるバイオマスの炭化物を混焼した場合は、バイオマスの炭化物の窒素分が石炭に比べて多い場合であっても、それぞれを専焼した場合に比較して混焼によりＮＯｘ発生量が低下する。バイオマスの炭化物と石炭との混焼によるＮＯｘ低下原因は明らかではないが、フューエルＮＯｘの影響ではなく、サーマルＮＯｘの影響と推測される。即ち、燃焼状態が異なる２種類の燃料が同時に炉内に投入された場合、火炎の燃え方が異なるために炉内で温度分布が生じ、バイオマスの炭化物に比べて発熱量の低い微粉炭を還元状態で燃焼させることができる。還元状態における燃焼では、窒素酸化物は窒素に還元されるので、燃焼装置出口でのＮＯｘの量が低減されると考えられる。
【発明の効果】
【００１６】
以上説明した通り、本発明のバイオマス系燃料の燃焼方法によれば、石炭専焼よりもＣＯ２の排出量を大幅に低減することが可能で、ＮＯｘを低減させることができるため、環境負荷が低減される。また、バイオマスの炭化物の発熱量が高いため、石炭専焼に比べて燃焼効率を一層向上させることができ、しかも、燃料比の高い石炭を使用した場合でも燃焼効率を高めることができる。さらに、バイオマス系燃料の燃焼によって生じるハロゲン含有ガスによる伝熱管等の腐食や、ダイオキシン類の発生を防止することもできる。
【００１７】
また、本発明のバイオマス系燃料の燃焼方法によれば、既存の微粉炭燃焼炉（石炭焚きボイラ）でバイオマスを燃焼させることができるので、設備付加を最小限に抑えることができて経済性にも優れる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
本発明のバイオマス系燃料の燃焼方法は、バイオマスの炭化物と石炭とを混合燃焼させるものであり、該バイオマスの炭化物はバイオマスの炭化処理により得られる。
【００１９】
本発明において使用されるバイオマスとしては、稲わら、麦わら、バガス等の草類からのバイオマス；木材、間伐材、伐採木、剪定枝、おがくず、樹皮、チップ、端材、流木、竹、笹、木質建築廃材など木質系バイオマス；古紙などのセルロース製品からのバイオマス；植物、モミ殻など植物廃棄物；アブラヤシ（パーム油の原料）のヤシ殻などプランテーションにおいて発生する植物系残渣；下水汚泥、都市ゴミなどを挙げることができる。
【００２０】
バイオマスの炭化処理は、従来公知の炭化処理方法またはそれに準ずる方法に従って行えば良く、炭など従来公知のバイオマス炭化物を使用することもできる。炭化処理は内燃式と外燃式に大別され、内燃式は炉内で原料の一部を燃焼し、その熱によって炭化温度を維持するもので、炭化中に発生するタールや可燃ガスを燃焼する自燃式もこれに含まれる。外燃式は炉の外側を灯油バーナなどで加熱する間接型である。炭化は通常、空気の供給を制限または遮断し、あるいは不活性ガス中で行われる。
【００２１】
炭化処理に使用する炭化炉は、従来公知のもので良い。炭化炉は回分式と連続式に大別され、回分式には簡易式や平炉式等の開放型、炭窯式やトロリー式、かくはん式等の密閉型、連続式にはロータリー式や反復揺動式等の回転型、流動床式や多段かくはん式等の縦型、かくはん式やスクリュー式等の横型などがある。
【００２２】
炭化処理条件は、バイオマスの種類や炭化炉の種類等によって異なるため、特に限定されない。木材の場合、一般に４００〜５００℃で炭化処理することにより乾留炭や平炉炭等が得られ、６００〜７００℃で炭化処理することにより黒炭が得られ、１０００℃前後で炭化処理することにより白炭（ウバメガシの白炭を「備長炭」という）が得られる。木材以外のバイオマスの場合、４００〜６００℃程度で炭化した炭化物が通常用いられる。炭化温度が高い場合は、炭化度合いは進行するが炭化物の収率が低くなったり、揮発分が除去されるため燃えにくくなる等、炭化物を燃料として利用する場合に好ましくないことから、炭化温度は４００〜６００℃の範囲が好ましい。
【００２３】
さらに、上記の炭化処理方法に加えて、バイオマスを高温高圧の熱水中で熱分解させる水熱液化により得られたバイオマス炭化物を使用することもできる。具体的には、バイオマスを、水の存在下、飽和蒸気圧以上の圧力で改質処理してバイオマスを改質する工程、改質工程で得られた改質反応物を固形成分と液体成分に分離する工程により得られるもの等を挙げることができる。この場合、バイオマス原料に添加する水の量は、セルロース系バイオマス原料が元々含有する水分量によっても異なるが、バイオマス原料に対して質量（ドライベース）で、１〜２０倍程度加えるのが好ましく、３〜１５倍程度とするのがより好ましい。
【００２４】
改質工程における処理温度は２５０〜３８０℃であることが好ましく、２７０〜３５０℃であることがより好ましい。操作圧力としては、水の飽和蒸気圧より０．５〜５ＭＰａ高くするのが好ましく、１〜３ＭＰａ高くするのがより好ましい。改質工程における処理時間は特に限定されるものではないが、５分〜１２０分であることが好ましく、１０分〜６０分であることがより好ましい。処理時間は処理時間とのかね合いであり、処理時間が高ければ短い処理時間とし、処理温度が低ければ長い処理時間とすればよい。改質工程は、オートクレーブなどを用いたバッチ処理であってもよく、１つ又は２以上の反応帯域からなる連続式反応装置であってもよい。
【００２５】
改質工程により得られる改質反応物は、分離工程において、固体成分と液体成分とに分離される。分離工程では、固体成分が液体成分から分離され、水分量が多い場合には必要に応じて加熱乾燥される。分離工程により、バイオマス炭化物が固体成分として得られる。
【００２６】
上記のバイオマスの炭化物はそれぞれ単独で使用しても良いが、２種類以上を適宜に組み合わせても良い。これらの中でも、潜在量が大きく、大量調達の可能性がある点より、木材、間伐材、伐採木、剪定枝、おがくず、樹皮、チップ、端材、流木、竹、笹、木質建築廃材など木質系バイオマスの炭化物、及びアブラヤシ（パーム油の原料）のヤシ殻などプランテーションにおいて発生する植物系残渣の炭化物より選ばれる少なくとも一種のバイオマス炭化物が好適に用いられる。
【００２７】
バイオマスの炭化物を混焼させる場合は、燃焼効率を上げるために微粉砕したものを用いるのが良い。微粉砕物としては、２００メッシュ（７４μｍ）篩通過割合が７０〜８０％のものが好ましい。
【００２８】
本発明においてバイオマスの炭化物と混焼させる燃料には、無煙炭、瀝青炭、亜瀝青炭、褐炭などの石炭が使用されるが、石炭以外でも石油コークス、化学プラントから副生するカーボンブラック、有機物を炭化して得られるカーボンブラックなど炭素質エネルギー源として用いられるものを使用することもできる。石炭等はそれぞれ単独で使用しても良いが、２種類以上を適宜に組み合わせても良い。石炭等の燃料は、従来の微粉炭燃料炉に用いる場合と同様に微粉砕してなる微粉炭を用いるのが良い。微粉炭としては、２００メッシュ（７４μｍ）篩通過割合が７０〜８０％のものが好ましい。
【００２９】
本発明においてバイオマスの炭化物（Ａ）及び石炭（Ｂ）の混焼比は制限されるものではないが、好ましくは質量比で（Ａ）／（Ｂ）＝１／９９／５０／５０、より好ましくは１０／９０〜３０／７０とするのが良い。バイオマスの炭化物の比率が低すぎる場合は、ＣＯ２削減効果及びＮＯｘ低減効果が不十分となる。一方、バイオマスの炭化物の比率が高すぎる場合は、バイオマスの調達状況によっては一定の発電量を得ることが困難となり、添加量に見合うＮＯｘ低減効果も得られ難くなる。
【００３０】
本発明では、微粉砕したバイオマスの炭化物と微粉炭を混焼させる場合、燃焼炉への投入方法は特に限定されるものではなく、それぞれ別個の投入口から燃焼炉内に投入しても良く、両者を同一投入口から燃焼炉内に投入しても良い。或いは両者を混合して燃焼炉内に投入しても良い。両者を同一投入口から燃焼炉内に投入する場合、一気に種類の異なる燃料を噴射することで火炎の温度分布が出来易くなると想定されることより、同一バーナから燃焼炉内に投入することが好ましい。同一バーナから投入する場合は、微粉砕したバイオマスの炭化物及び微粉炭は、別個に同一バーナに供給しても良く、予め混合したものを供給しても良い。また、バイオマスの炭化物と石炭等を粉砕時に混合してバイオマスの炭化物の微粉体と微粉炭の混合物を調製しても良い。
【００３１】
バイオマスの炭化物（Ａ）と石炭（Ｂ）との混合物（混炭）を調製する場合は、混合比は制限されるものではないが、上記したのと同様の理由から、好ましくは質量比で（Ａ）／（Ｂ）＝１／９９／５０／５０、より好ましくは１０／９０〜３０／７０とするのが良い。混炭の発熱量はできるだけ高いことが望ましいが、固体成分の発熱量が６，０００ｋｃａｌ／ｋｇ以上であることが好ましく、６，４００ｋｃａｌ／ｋｇ以上であることがより好ましい。
【００３２】
本発明において、使用する燃焼炉は特に限定されるものではないが、既存設備の利用が可能で設備付加も最小限に抑えられことより、微粉炭燃焼炉（石炭焚きボイラ）を使用することが好ましい。燃焼条件は特に制限されるものではなく、通常の微粉炭燃焼条件にしたがって行えば良い。燃焼温度としては１２００〜１５００℃が好ましく、前記温度範囲で混焼させることにより、燃焼効率を高めつつＮＯｘの低減を図ることがより一層可能となる。
【実施例】
【００３３】
以下、実施例及び比較例を用いて本発明を更に具体的に説明するが、本発明は以下の実施例のみに限定されるものではない。
【００３４】
（実施例１）
表１に示す各種のバイオマスの炭化物を微粉砕した微粉体（２００メッシュアンダー）と、石炭（Ａ炭）を微粉砕した微粉炭（２００メッシュアンダー）とを、表２に示す割合で混合して燃料を調製した。この燃料を図１に示す燃料ホッパ４に充填し、燃料供給機５を介して一次空気と共に縦型燃焼炉ドロップチューブファーネス（Drop Tube Furnace）６に送り込み、燃焼用バーナ（微粉炭バーナ）７から燃焼炉内に噴射した。同時に押込ファン１で昇圧されて空気予熱器２ａ及び空気予熱器２ｂを通過して加熱された燃焼用空気を、空気ライン３ａ及び３ｂを介してバーナ及び燃焼炉に導入して、燃焼温度約１３００〜１３５０℃で燃料を燃焼させた。燃焼炉出口８の排ガスをサンプリングし、排ガス中のＯ２、ＮＯｘ、ＳＯ２、ＣＯ、ＣＯ２及びＣＨ４濃度を、排ガス分析計（島津製作所製  ＮＳＡ−３０８型、測定原理：非分散型赤外線吸収法）を使用して測定した。一方、燃焼排ガスは、排ガスライン１０を介して吸引ファン１３で吸引しながらサイクロン１１、バグフィルタ１２を通過させ、水スクラバ１４で処理した後、煙突１５から大気中に放出した。
【００３５】
表１から明らかなように、本発明に係るバイオマスの炭化物は、燃料比（固定炭素／揮発分）が大きく発熱量も燃料として用いるのに十分な値を有していた。また、窒素含有量はバイオマスの種類により異なっていたが、石炭に比べて硫黄分の少ないものが得られていた。
【００３６】
【表１】
2005114261.tif 000002
【００３７】
バイオマスの炭化物と石炭との混合比率と、各混合燃料を燃焼させたときの燃焼排ガス中におけるＮＯｘ濃度及びＳＯ２濃度の測定結果を表２、表３に示す。
【００３８】
【表２】
2005114261.tif 000003
【００３９】
【表３】
2005114261.tif 000004
【００４０】
表２から明らかなように、燃料に含まれる窒素分が多いほど排ガス中のＮＯｘ量は増加するが、石炭とバイオマスの炭化物を混焼した場合は、それぞれを専焼した場合に比べてＮＯｘが低減されていることがわかる。また表３から明らかなように、バイオマスの炭化物の硫黄含有量が少ないことから、石炭を専焼した場合に比べてＳＯ２が低減されていることがわかる。
【００４１】
（実施例２）
表４に示す汚泥炭化物を微粉砕した微粉体（２００メッシュアンダー）と、石炭（Ｂ炭及びＣ炭）を微粉砕した微粉炭（２００メッシュアンダー）とを、表５に示す割合で混合して燃料を調製した。この燃料を用いて、実施例１と同様にして燃焼試験を実施し、燃焼炉出口の排ガスを組成分析した。燃焼排ガス中におけるＮＯｘ濃度及びＳＯ２濃度の測定結果を表５に示す。
【００４２】
【表４】
2005114261.tif 000005
【００４３】
【表５】
2005114261.tif 000006
【００４４】
表５から明らかなように、石炭とバイオマスの炭化物を混焼した場合は、石炭を専焼した場合に比べてＮＯｘが大幅に低減されていることがわかる。
【００４５】
（実施例３）
表４に示す汚泥炭化物を微粉砕した微粉体（２００メッシュアンダー）と、石炭（Ｂ炭及びＣ炭）を微粉砕した微粉炭（２００メッシュアンダー）とを、表６に示す割合で混合して燃料を調製した。この燃料を用いて、実施例１に準じて燃焼試験を実施し、燃焼炉出口の排ガスを組成分析した。なお、本実施例では、燃焼用空気の一部を三次空気（Over Fire Air）として火炎の後段へ吹き込むことにより燃焼試験を実施した。燃焼排ガス中におけるＮＯｘ濃度及びＳＯ２濃度の測定結果を表６に示す。
【００４６】
ＯＦＡ（Over Fire Air）ファクターは、式（１）により求められる。
OFA吹込み位置＝(OFA吹込み位置／有効炉長)×(OFA空気量／全空気量)×100  （１）
【００４７】
【表６】
2005114261.tif 000007
【００４８】
表６から明らかなように、石炭とバイオマスの炭化物を混焼した場合は、石炭を専焼した場合に比べてＮＯｘが大幅に低減されていることがわかる。
【図面の簡単な説明】
【００４９】
【図１】本発明を実施する形態の一例を示す全体概要構成図である。
【符号の説明】
【００５０】
１…押込ファン
２ａ，２ｂ…空気予熱器
３ａ，３ｂ…空気ライン
４…燃料ホッパ
５…燃料供給機
６…燃焼炉
７…バーナ
８…燃焼炉出口
１０…排ガスライン
１１…サイクロン
１２…バグフィルタ
１３…吸引ファン
１４…水スクラバ
【図１】
2005114261.tif 000008