(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
固体化石燃料とバイオマス燃料からなる少なくとも二種類以上の燃料を混焼する火炉と該火炉への燃料供給を行う燃料供給装置を備えた石炭とバイオマス燃料同時燃焼用の燃焼装置において、
粉砕された固体化石燃料を火炉へ供給する固体化石燃料供給流路と、
該固体化石燃料供給流路の先端に設けたバーナと、
先端をバーナの直前の固体化石燃料供給流路に接続する粉砕されたバイオマス燃料を燃焼炉へ供給するバイオマス燃料供給流路とを備え、
該バイオマス燃料供給流路の固体化石燃料供給流路への接続部は固体化石燃料供給流路の側壁面を径方向に４等分する箇所に設置可能であり、 
固体化石燃料供給流路への接続部分の近傍のバイオマス燃料供給流路の内壁面にベンチュリー部を設けたことを特徴とする石炭とバイオマス燃料同時燃焼用の燃焼装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、石炭等の固体化石燃料と植物等生物体を起源とする燃料、廃材、廃棄物、汚泥又はそれらの炭化物を含む化石燃料以外の再生可能な燃料（以下、これらの燃料をバイオマス燃料ということとする。）を混焼させるのに適した石炭とバイオマスを混合して燃焼させる燃焼装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年のＣＯ2による地球温暖化問題から、バイオマスはその生物リサイクルの機構から燃焼した際に発生するＣＯ2が増加しない燃料として、その利用拡大が図られている。特に、従来の固体化石燃料からのＣＯ2の発生増加とそのエネルギー消費を抑えていくためには、木質系などのバイオマス燃料の利用が望まれている。
【０００３】
また、石炭やバイオマス燃料はそれぞれ単独の燃焼では高効率かつ低ＮＯｘ燃焼が困難であるのに対し、双方の燃料の燃焼効率と低ＮＯｘの燃焼を同時に達成できることが知られているので、固体化石燃料とバイオマス燃料を同時に燃焼させる燃焼装置の研究開発が行われている。
【０００４】
これらのことから、当面は固体燃料として主流の石炭を主燃料とする火炉の微粉炭バーナに木質系バイオマスを補助燃料とするバイオマスバーナを併用する技術又は微粉炭に木質系バイオマスを補助燃料として添加して混焼させるバーナの技術を確立することが望まれている。
【０００５】
特許文献１、２には、図６（ａ）に示すように石炭とバイオマスをそれぞれ個別にミルで粉砕して、個別に火炉５のバーナ１０，１１にそれぞれ供給する個別供給方式の燃焼装置が開示されている。主燃料である石炭は搬送用の熱空気とともに石炭ミル１内に供給され、内部で乾燥と同時に粉砕が行なわれて微粉炭として微粉炭配管２を通り、火炉５の微粉炭バーナ１０に供給されて燃焼される。
【０００６】
一方、もう一つの燃料であるバイオマス燃料は、例えば、ここでは木質系のバイオマス燃料を従燃料とし、入熱割合としては数％から１０％程度以内の量で石炭供給系とは別系統のバイオマス配管７から火炉５に供給される。石炭と同様にバイオマスは熱ガスと共にバイオミル６内にて乾燥、粉砕され、微粒バイオとなってバイオマス配管７を通り、バイオマスバーナ１１より火炉５内へ供給されて燃焼に付される。
【０００７】
特許文献３には図６（ｂ）に示すように、石炭とバイオマスをそれぞれ個別にミル１，６で粉砕して、微粉炭とバイオマス燃料からなる少なくとも二種類以上の燃料を別系統で火炉５の混焼バーナ３に供給し、該バーナ３ではバイオマスを中心側のバイオマス噴出ノズル３ａから火炉内に噴出し、石炭を噴出ノズル３ａの外周側から火炉５内に噴出する構成（同軸供給方式）が開示されている。この同軸供給方式のバーナ３を用いることで着火性と安定燃焼性に優れた混焼バーナ３が得られると特許文献３には記載されている。
【０００８】
また、図７（ａ）には石炭とバイオマスをそれぞれ個別にミル１，６で粉砕した後、主配管である微粉炭配管２にバイオマス配管７を接続し、混合された両燃料を混焼バーナ３へ供給する構成（ラインブレンド方式）を備えた燃焼装置が開示されている。このラインブレンド方式の装置として現在唯一実用化されているのはオランダのGelderland社製の燃焼装置である（図８参照）。
【０００９】
さらに、図７（ｂ）には、石炭とバイオマスを同一のミル１２で微粉砕して混合燃料とし、該混合燃料を混合燃料配管１３から混焼バーナ３に供給する構成（同一バーナ方式）の燃焼装置を示す。
【００１０】
なお、図６（ａ）〜図７（ｂ）では簡略化のため石炭ミル１を一台、混焼バーナ３、微粉炭バーナ１０及びバイオマスバーナ１１をそれぞれ一本だけ図示しているが、大型の火炉５になればなるほどミル１，６又は１２の台数が増加し、各ミル１，６又は１２から分配されるバーナ３，１０又は１１の本数も多数設けて起動・負荷変化等への対応が可能な設備とする。
【特許文献１】特開２００５−２９１５３４号公報
【特許文献２】特開２００５−２９１５３９号公報
【特許文献３】特開２００３−２２２３１０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
図８に斜視図で示すようにGelderland社製の燃料搬送配管は微粉炭配管２の側面に約５％の建設廃材からなるバイオマス燃料のバイオマス配管７を直交する方向から取り付けただけの構成であり、合流後の微粉炭とバイオマス粒子が微粉炭配管２内で十分に均一混合されない。
【００１２】
また、石炭とバイオマス燃料を同一のミルで微粉砕して得られた混合燃料をバーナに供給する同一バーナ方式の燃焼装置は既存の装置の改造個所が少なくコストパーフォマンスが高いが、性質の異なる石炭とバイオマスを同一のミルで粉砕するため、粉砕性に制約があり、バイオマス燃料を最大入熱ベースで２％程度しか混入できない。燃料流路の搬送中に発火するおそれがある。
【００１３】
上記特許文献１、２記載の発明では火炉５に設けた別々のバーナ１０，１１からそれぞれ石炭とバイオマスを供給して燃焼させる個別供給方式であり、石炭とバイオマスの各ミル１，６での粉砕および各バーナ１０，１１への供給が互いに影響されない長所があるのに対して、バイオマス配管７、バーナ１１及びエアポート（図示せず）を設けるか、微粉炭バーナ１０の一部を流用する必要がある。
【００１４】
また、同軸供給方式である特許文献３記載の発明は、バーナ３への石炭とバイオマスの供給が相互に干渉を受けない上に単一バーナ３で混焼ができる利点があるがバーナ３の取り替えコストが嵩む。  
また、上記特許文献３記載の方法では石炭燃料とバイオマス燃料を単一の混焼バーナ３の中で均一に混合することで燃焼性が良い燃焼効果が得られると記載されている。特に特許文献３の図６に開示された混焼バーナ上流の燃料流路には、その内壁面にベンチュリ部を設け、さらにその後流側（バーナ側）に濃縮器を設けて、微粉炭とバイオマス粒子の混合を促進させて両粒子の均一な混合を図りながら、バーナ出口部の保炎板部分での燃料濃縮により、安定着火と高温還元炎の形成を可能としている。
【００１５】
しかし、従来のGelderland社製のバイオマス投入方法では、合流部でバイオマス粒子群が微粉炭管の片側に偏るため、この偏りは燃焼バーナの出口部でも保持され、バーナ横断面全体に亘ってバイオマスと微粉炭がまんべんなく分散して流れない（図５（ｂ）参照）。
【００１６】
そこで、本発明の課題は、混焼バーナの上流側の燃料流路で微粉炭とバイオマス微粒子の均一混合性を図ることができる石炭とバイオマス用の燃焼装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
本発明の課題は次の解決手段で解決される。  
すなわち、請求項１記載の発明は、固体化石燃料とバイオマス燃料からなる少なくとも二種類以上の燃料を混焼する火炉と該火炉への燃料供給を行う燃料供給装置を備えた石炭とバイオマス燃料同時燃焼用の燃焼装置において、粉砕された固体化石燃料を火炉へ供給する固体化石燃料供給流路と、該固体化石燃料供給流路の先端に設けたバーナと、先端をバーナの直前の固体化石燃料供給流路に接続する粉砕されたバイオマス燃料を燃焼炉へ供給するバイオマス燃料供給流路とを備え、該バイオマス燃料供給流路の固体化石燃料供給流路への接続部に固体化石燃料供給流路の壁面を径方向に４等分する箇所に設置可能であり、固体化石燃料供給流路への接続部分の近傍のバイオマス燃料供給流路の内壁面にベンチュリー部を設けたことを特徴とする石炭とバイオマス燃料同時燃焼用の燃焼装置である。
【００１８】
本発明の燃料供給配管内と図８に示す燃料供給配管内での両燃料の混合状態を配管断面図で模式的に図５(ａ)と図５（ｂ）にそれぞれ示すが、バイオマス燃料粒子は微粉炭粒子に比較して比重が小さく、図５（ｂ）に示す燃料供給配管内の両燃料の合流部では直ちに微粉炭流の層流に乗って搬送されるために、結果として主供給配管２’の片側の側面にバイオマス燃料流が偏ってしまう。これに対して図５（ａ）に示す本発明の燃料供給配管内の両燃料の合流部の直前のバイオマス燃料配管７の内壁面にあるベンチュリ部７ｂでバイオマス燃料の流速が増加して貫通力が得られる。このバイオマス燃料流の貫通力により微粉炭流との合流後もバイオマス燃料流が微粉炭流を貫通するので、結果としてバイオマス燃料粒子と微粉炭粒子が均一に混合する。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、固体化石燃料供給流路への接続部分の近傍のバイオマス燃料供給流路の内壁面にベンチュリー部を設けたため、バイオマス燃料はベンチュリー部で絞られた後、急拡大するため固体化石燃料供給流路内の固体化石燃料流れの中に容易に分散して、両燃料の均一混合が容易に行え、混焼バーナの上流側の燃料流路で微粉炭とバイオマス微粒子の均一混合性を図ることができるため、固体燃料単独の個々の燃焼よりも、さらに低ＮＯｘ化とバイオマスやごみ・廃材等を利用することで再生エネルギーの有効利用と固体化石燃料節減とＣＯ2発生量抑制が可能である。
さらに、バイオマス燃料流路の固体化石燃料供給流路への取り付け部分を固体化石燃料供給流路の軸心回りに９０度変更できるので、バイオマス燃料供給流路の固体化石燃料供給流路への取り付け箇所を変更できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
本発明の実施例を図面と共に説明する。  
本実施例は図７（ａ）に示すラインブレンド方式の燃焼装置に適用される。  
主燃料である石炭（中国８０ｗｔ％、インドネシア２０ｗｔ％）は空気などの搬送用ガスと共に図７（ａ）に示す石炭ミル１内に供給され、ミル１の内部で乾燥と同時に粉砕が行なわれて２００メッシュパス（約３７ミクロン）８０ｗｔ％、比重０．２の微粉炭となって微粉炭配管２を通り、混焼バーナ３へ供給された後、火炉５内に投入されて燃焼される。
【００２１】
一方、補助燃料であるバイオマスは、本実施例では木質系のバイオマス燃料として２〜３ミリアンダー、比重０．１の樹皮と間伐材からなる混合物の粉砕物をバイオミル６で得て微粉炭配管２とは別系統のバイオ搬送管７から混焼バーナ３にブロワーなどによる搬送空気により供給される。微粉炭に対するバイオマス粒子の混合割合は一般的に入熱比で数％から１０％程度であるが、本実施例では５％とした。
【００２２】
次にバーナ部とその前流側の燃料配管の構成を図１〜図３に示す。  
図１には石炭およびバイオマスからなる２種の燃料を混焼させる火炉への燃料供給配管先端部とその先に接続される混焼バーナ３の一部断面図を示す。図１に示すバーナ３の基部側には微粉炭配管２の側壁面２ａを図示しているが、該側壁面２ａにはバイオマス配管７との接続部２ａ１が設けられている。該バイオマス配管７の微粉炭配管２への取り付け部分を微粉炭配管２の軸心回りに９０度変更できるように、前記接続部２ａ１は微粉炭配管２の側壁面２ａを径方向に４等分する個所に設置可能になっている。
【００２３】
図２は図１の矢印Ａ方向から見た図であり、バイオマス配管７は微粉炭配管２のバーナ基部側の側壁面２ａに設けた接続部２ａ１にＬ字状の曲管から成る接続部７ａを介して設けられている。バイオマス配管７の曲管からなる接続部７ａの断面図を図３に示す。接続部７ａはスペース節約効果を出すために図３に示す前記曲管から構成されている。また微粉炭配管２の側壁面２ａへの接続部分の近傍のバイオマス配管７の内壁面にはベンチュリ部７ｂが設けられ、曲管からなる接続部７ａの上流側から供給されるバイオマス燃料は微粉炭燃料と合流する直前で絞られ、その直後に拡大する構成になっている。そのため、バイオマス配管７を流れるバイオマス燃料はベンチュリ部７ｂで絞られた後、急拡大するため微粉炭配管２内の微粉炭流れの中に容易に分散して、両燃料の均一混合が容易に行える。特に、微粉炭配管２の側壁面２ａへの接続部７ａはバーナ３の近傍に設けたため、微粉炭燃料の気流搬送エネルギーが急激に弱くなる領域であり、バイオマス燃料はバイオマス配管７のベンチュリ部７ｂで絞られた後、急拡大してバイオマス燃料粒子の流れが微粉炭配管２内の微粉炭流れの内部で分散する効果が高い。
【００２４】
また、図４に示すようにバイオマス配管７を微粉炭配管２内の燃料に流れ方向（矢印Ａ）に向けて上流側から９０°以内の傾斜角度で取り付けた構成とした場合においてもバイオマス燃料はベンチュリ部７ｂで絞られた後、急拡大するため微粉炭配管２内の微粉炭流れの中に容易に分散して、より両燃料の均一混合が容易に行える。
【００２５】
図８には前記Gelderland社製の燃焼装置の燃料供給配管の斜視図を示し、微粉炭燃料の主供給配管２’の側面にバイオマス燃料の円筒状の補助供給配管７’を直交する方向から取り付けたラインブレンド方式の燃料配管構造の外観図を示すが、図８に示す燃料配管には本実施例のバイオマス配管７のベンチュリー部（絞り部）７ｂがないため、微粉炭配管２’内に導入されるバイオマスは微粉炭に比べて比重が小さいため微粉炭配管２’の内壁面側に沿って流れ、微粉炭との混合度合いが本実施例に比較して劣る。
【００２６】
微粉炭（重量比で中国炭８３ｗｔ％、インドネシア炭１７ｗｔ％）と、バイオマス燃料１００ｗｔ％と、前記微粉炭とバイオマス燃料の混合物（入熱比で中国炭７９ｗｔ％、インドネシア炭１６ｗｔ％、バイオマス５ｗｔ％）に関する混焼時の特性評価データを表１に示す。
【００２７】
【表１】
0004859851.tif 000002
【００２８】
バイオマス燃料単独の灰軟化温度が１２５０℃程度であり、スラッギングのポテンシャルはあるが、灰分が１％前後で低いため、スラッギング性については微粉炭とバイオマス燃料の混合による悪影響は見られなかった。ファウリング性についてはバイオマス燃料単体では灰中のＮａＯおよびＫ2Ｏの含有量が高く注意が必要であるが、本実施例では問題のないレベルであった。
【００２９】
ＮＯｘ発生量については、バイオマス単体の揮発分（５６％）が多く、窒素分（０．５％）が少ないためＮＯｘの発生量は低く、微粉炭専焼時のベースＮＯｘ値に対して約１５％減少した。
【００３０】
また、上記実施例においては石炭を主燃料、木質性バイオマスを従燃料として２種の燃料供給系統として示したが、さらにごみや廃材・廃棄物等の別種の燃料を同時供給することもある。前記別種の燃料を用いる場合も、基本的に揮発分が主燃料（石炭）に比較して多いものであれば、特にその使用形態が限定されるものではなく、バーナ部の構成を同様とすることにより、高効率で低ＮＯｘの燃焼効果を得ることができる。
【産業上の利用可能性】
【００３１】
本発明は、化石燃料の燃焼による炭酸ガスの排出抑制のためにもバイオマス燃料を石炭と混焼させる技術を確立することに通じて、産業上の利用可能性が高い。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】本発明の一実施例の石炭およびバイオマスからなる２種の燃料の混焼させる火炉への燃料供給配管先端部とその先に接続される混焼バーナの一部断面図を示す。
【図２】図１の矢印Ａ方向から見た図を示す。
【図３】図１の混焼バーナの基部側の微粉炭菅へ接続するバイオマス燃料を供給する配管の接続部分の断面図を示す。
【図４】図２の変形例を示す。
【図５】本発明の燃料供給配管内での微粉炭とバイオマス両燃料の混合状態を模式的に示す配管断面図（図５（ａ））と従来技術の燃料供給配管断面図（図５（ｂ））である。
【図６】石炭とバイオマスをそれぞれ個別にミルで粉砕して、個別に火炉のバーナに供給する個別供給方式の燃焼装置の構成略図（図６（ａ））と石炭とバイオマスを別系統で火炉の混焼バーナに供給し、該バーナではバイオマスを中心側で、石炭をバイオマス噴出ノズルの外周側から火炉内に噴出する燃焼装置の構成略図（図６（ｂ））を示す。
【図７】個別にミルで粉砕した石炭とバイオマスの各供給配管を接続し、混合された両燃料を混焼バーナへ供給する構成（ラインブレンド方式）を備えた燃焼装置の構成略図（図７（ａ））と石炭とバイオマスを同一のミルで粉砕して混合燃料として燃料供給配管からバーナに供給する構成（同一バーナ方式）の燃焼装置の構成略図（図７（ｂ））を示す。
【図８】Gelderland社製の燃焼装置における微粉炭燃料の主供給配管の側面にバイオマス燃料の円筒状の補助供給配管を直交する方向から取り付けたラインブレンド方式の燃料配管構造の外観図を示す。
【符号の説明】
【００３３】
１  石炭ミル                        ２  微粉炭配管
２ａ  側壁面                        ２ａ１  配管接続部
３  混焼バーナ                      ３ａ  バイオマス噴出ノズル
５  火炉                            ６  バイオミル
７  バイオマス配管                  ７ａ  バイオマス配管接続部
７ｂ  バイオマス配管接続部内壁面のベンチュリ部
１０  微粉炭バーナ                  １１  バイオマスバーナ
１２  ミル                          １３  混合燃料配管
【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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【図６】
0004859851.tif 000008
【図７】
0004859851.tif 000009
【図８】
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