JP4015842B2

JP4015842B2 - Method for measuring calorific value of fuel slurry and method for controlling combustion apparatus using the same

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Publication number: JP4015842B2
Application number: JP2001360126A
Authority: JP
Inventors: 英作中島; 福夫染矢; 洋一高橋; 士章平山; 達朗原田
Original assignee: Kyushu Electric Power Co Inc
Current assignee: Kyushu Electric Power Co Inc
Priority date: 2001-11-26
Filing date: 2001-11-26
Publication date: 2007-11-28
Anticipated expiration: 2021-11-26
Also published as: JP2003161404A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は燃料スラリーの発熱量測定方法及びこれを用いる加圧流動床燃焼装置の制御方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
炉内脱硫方式を採用した加圧流動床燃焼装置（ＰＢＦＣ）などの燃焼装置では、燃料となる石炭と脱硫剤となる石灰石及び水を所定比率で混合して燃料スラリーとし、これを高圧空気で流動化させて形成した流動床中で燃焼させている。
このような混合燃料においては、石炭や石灰石、水の混合比率のばらつきや、石炭銘柄、その組成の差異等により、燃料スラリーの発熱量が変動するため、発熱量の変化を常時監視して、混合比率や原料の銘柄や組成を適正に調整して、炉内の燃焼状態を安定に維持させることが必要である。
このような燃料スラリーの発熱量を測定する場合、燃料の発熱量は、石炭類及びコークス類発熱量測定方法（ＪＩＳＭ８８１４）等に準拠した以下のような方法で測定されていた。
即ち、燃研式Ｂ形熱量計又は燃研式自動熱量計によって測定試料を燃焼させ、その間の温度上昇を測定し、試料１ｇに対する熱量（２０℃）を求め、発熱量を測定する方法等が採用されていた。なお、石炭類については無水ベース又は気乾ベースの総発熱量をもって発熱量とし、コークス類については無水ベースの総発熱量をもって発熱量としている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来の発熱量の測定方法では以下の課題を有していた。
（１）燃料に石灰石が含まれている場合、測定試料を加熱する際に炭酸カルシウムの熱分解（ＣａＣＯ₃→ＣａＯ＋ＣＯ₂−０．１７９ＭＪ／ｋｇ）に伴う熱により誤差を生じ、発熱量を高精度で求められないという課題があった。
（２）石炭に含まれる水分が変化した場合、この変化の都度、発熱量を繰り返し補正する必要があり、計算誤差が蓄積して精度に劣るという課題があった。
（３）都度の分析が必要なため作業が煩雑で作業性に欠けるという課題があった。
（４）発熱量の測定値にこのような誤差が生じるので、この発熱量のデータを用いて、加圧流動床燃焼装置などの制御システムを構築する場合に支障を生じるという課題があった。
【０００４】
本発明は上記従来の課題を解決するもので、燃料スラリーに含まれる石灰石や水の変動による測定誤差の要因を除くことができ、高精度で燃料スラリーの発熱量を測定できる燃料スラリーの発熱量測定方法を提供し、この発熱量のデータを用いて、加圧流動床燃焼装置などの制御システムを適正に構築することのできる燃焼装置の制御方法を提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために本発明は以下の構成を有している。
請求項１に記載の燃料スラリーの発熱量測定方法は、燃焼装置に供給される石炭及び石灰石、水を含む燃料スラリーを採取するスラリー採取工程と、採取された前記燃料スラリーを酸処理して不溶解分を抽出する酸処理工程と、前記酸処理工程で抽出された前記不溶解分を燃焼させ燃焼前後の温度差を測定して単位質量当たりの発熱量を求める定量工程とを有して構成されている。
この構成によって以下の作用が得られる。
（ａ）燃焼装置に供給される燃料スラリーを所定期間毎に採取するスラリー採取工程を有するので、変化する炉内状況を把握するのに必要な燃料スラリーの発熱量のデータを直接的に取得でき、このデータに基づいて燃焼装置を適正に制御することができる。
（ｂ）酸処理工程を有するので、カルシウム分を予め溶出除去することができ、炭酸カルシウムの熱分解に基づく誤差を排除して、燃料スラリーの発熱量を高精度で測定して評価でき、このデータを用いて燃焼装置の稼動状況の変化を把握することができる。
（ｃ）燃料スラリーの発熱量が適正に管理されるので、燃焼室内の異常燃焼などのトラブルが回避され、燃焼装置を円滑に稼動させることができる。
【０００６】
ここで、燃焼装置には、石炭と石灰石とを含む燃料スラリーや乾燥粒子からなる粉状燃料を燃料として適用し、流動床中で空気を用いて燃焼させる炉内脱硫方式の加圧流動床燃焼装置や、その他の非加圧型のものなどが含まれる。燃料スラリーは、石炭及び石灰石を所定比率で粉砕したものに所定量の水を加えて混合したスラリーである。
スラリー採取工程は、加圧流動床燃焼装置の石炭、石灰石、水をそれぞれ所定比率で混合する燃料スラリーポンプ等で処理された燃料スラリーを燃料スラリーポンプの排出側の配管等に設けられたサンプリング管やサンプリング装置等を介して自動的又は手動で取り出すことにより行われる。
酸処理工程は、塩酸などの所定濃度の酸液中に燃料スラリーや、燃料スラリーを脱水した乾燥試料等を入れ、処理液を所定温度で撹拌しながら試料中のカルシウム分をろ液中に溶解させ、残さを洗浄して不溶解分を得る工程である。
例えばこの酸処理工程は、濃度が１ｍｏｌ／ｌのＨＣｌ２０ｍｌを採取された試料（１０ｇ）に加えて温度９０℃〜１１０℃、時間３０分の条件で加熱処理して、残さを蒸留水で洗浄して１０７℃の温度で乾燥し、気乾条件（温度３０℃、湿度７６％）に保持して発熱量測定用の不溶解分を得ることができる。
定量工程は、不溶解分を空気中等で所定時間、例えば１０〜６０分間燃焼させその間に発生する熱量を水や空気等の媒体に吸収させてその温度上昇を測定して単位質量当たりの発熱量を求める工程であり、これらの手順を発熱量測定装置等を用いて自動化して行うこともできる。
【０００７】
請求項２に記載の燃料スラリーの発熱量測定方法は、請求項１に記載の発明において、前記燃焼装置が前記燃料スラリーを空気流で流動化させて流動床を形成し前記燃料スラリー中の石炭を燃焼させる加圧流動床燃焼装置であるように構成されている。
この構成によって、請求項１の作用の他、以下の作用が得られる。
（ａ）加圧流動床燃焼装置に供給される燃料スラリーの発熱量が常時高精度で把握できるので、流動床におけ石炭の燃焼反応や石炭に含まれる硫黄分を石灰石と反応させる脱硫反応を適切に制御することができ、加圧流動床燃焼装置における生産性に優れている。
【０００８】
請求項３に記載の燃料スラリーの発熱量測定方法は、請求項１又は２に記載の発明において、前記酸処理工程が、前記採取された燃料スラリーの試料に濃度１ｍｏｌ／ｌの塩酸を加えて温度９０℃〜１１０℃、時間２０〜４０分の条件で撹拌しながら加熱するように構成されている。
この構成によって、請求項１又は２の作用の他、以下の作用が得られる。
（ａ）特定濃度の塩酸中に燃料スラリーや、燃料スラリーを脱水した乾燥試料等を入れ、処理液を所定温度、所定時間で撹拌しながら試料中のカルシウム分をろ液中に溶解させ、これによって残さを洗浄して不溶解分を確実に得ることができ、測定のばらつきを少なくして測定されるデータの信頼性に優れている。
（ｂ）測定されるデータの信頼性が上げられるので、これによって制御される燃焼装置をより効率的かつ的確に稼動させることができる。
ここで、撹拌時における温度は、適用する燃料スラリーの量や種類等にもより異なるが、９０〜１１０℃の範囲とすることが好ましい。これは、撹拌温度が９０℃より低いと、溶出量が極端に少なく残さの洗浄が不十分となり、逆に１１０℃を超える温度で処理しても洗浄効果が飽和してエネルギーロス等が大きくなるからである。また、撹拌時間が２０分より少ないと、溶出分が残留する恐れがあり測定データのばらつきが大きくなる、逆に４０分を越えて撹拌しても測定データがほぼ一定値となるので、これを限度としても的確なデータが取得できる。
【０００９】
請求項４に記載の燃焼装置の制御方法は、請求項１乃至３の内いずれか１項に記載の燃料スラリーの発熱量測定方法で測定された燃料スラリーの発熱量と、前記燃焼装置における燃料スラリーの発熱量履歴データとを比較して、前記燃焼装置に供給する前記石炭及び前記石灰石、燃焼用空気のそれぞれの供給量を調整して構成される。
この構成によって、以下の作用が得られる。
（ａ）燃焼装置に供給される燃料スラリーの発熱量を直接測定して、その履歴データに基づいて、石炭及び石灰石、高圧空気のそれぞれの供給量を調整するので、異常燃焼等の操業トラブルなどを防止して、加圧流動床燃焼装置などの燃焼装置の稼動状態を常時適正に維持させることができる。
（ｂ）燃料スラリーの発熱量が変動しても燃焼装置の燃焼状態が安定に制御されるので、エネルギーコストなどを最適化して操業を行うことができ、経済性に優れている。
（ｃ）燃焼装置の操業において蓄積された発熱量の変動パターンを有効に反映させることができるので、変動が抑制され操業をより容易に行うことができる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施の形態に係る燃料スラリーの発熱量測定方法及びこれを用いる燃焼装置の制御方法について説明する。
図１は本発明の一実施の形態の燃料スラリーの発熱量測定方法を適用する燃焼装置の構成図である。
図１において、１０は燃焼装置の一例である加圧流動床燃焼装置、１１は燃料スラリーが燃焼される圧力容器、１２は圧力容器１１内に収容され燃料スラリーを流動化状態で燃焼させる燃焼室、１３は燃焼室１２の上部から排出される燃焼ガスが導入される多段構成のサイクロン、１４は燃焼室１２の下部に石炭、石灰石、水のそれぞれの所定量を混合して燃焼室１２内の下部に供給する燃料スラリーポンプ、１５は燃料スラリーポンプ１４で混合排出され燃焼室１２に供給される燃料スラリーを取り出すためのスラリー採取装置、１６は燃焼室１２内の燃料スラリーを流動化させて流動床を形成させるための高圧空気を供給するコンプレッサ、１７はサイクロン１３の上部から供給される燃焼ガスで駆動されるガスタービン、１８はガスタービン１７で回転される発電機、１９は燃焼室１２内の熱交換用配管を介して加熱された蒸気により駆動される蒸気タービン、２０は蒸気タービン１９で回転される発電機、２１は蒸気タービン１９から供給される蒸気を凝縮させる復水器、２２は燃焼室１２と蒸気タービン１９との間に給水を循環供給させるための給水ポンプ、２３はガスタービン１７から排出されるガスの脱硝を行うための排煙脱硝装置、２４は排煙脱硝装置２３から供給されるガスの熱で燃焼室１２に給水ポンプ２２を介して送られる給水を予熱するための排熱給水加熱器、２５は排熱給水加熱器２４の排ガスに含まれる微細固形分を除去するための電気集塵機、２６は排ガスを大気中に逃がすための煙突、２７はスラリー採取装置１５を介して採取された燃料スラリーの発熱量のデータが入力され燃料スラリーポンプ１４やコンプレッサ１６、給水ポンプ２２を制御するための制御装置である。
【００１１】
スラリー採取装置１５は燃料スラリーポンプ１４から燃焼室１２にスラリー輸送管１４ａ等を介して送られる燃料スラリーの一部を取り出す装置であり、スラリー輸送管１４ａに分岐して取り付けられた枝管や吸引器などからなり、２段に構成された開閉弁などを備えて加圧流動床燃焼装置１０が稼動中でも所定量の燃料スラリーが採取できるようになっている。
制御装置２７は必要に応じて設けられ、加圧流動床燃焼装置１０の全体を制御する制御システムの一部を構成している。この制御装置２７によって、予めメモリに記憶されたプログラムに従って、測定された燃料スラリーの発熱量と、加圧流動床燃焼装置１０の発熱量履歴データとを比較して、加圧流動床燃焼装置１０の燃焼室１２に供給する石炭及び石灰石、コンプレッサ１６によって燃焼室１２の下部に供給される高圧空気等のそれぞれの供給量を調整することができる。
【００１２】
以上のように構成された加圧流動床燃焼装置１０に適用される燃料スラリーの発熱量測定方法について説明する。
スラリー採取工程では、スラリー輸送管１４ａに設けられたスラリー採取装置１５を介して所定量の燃料スラリーを採取する。なお、ここでは加圧流動床燃焼装置１０の７５％負荷運転時において試料となる燃料スラリーを採取した。
必要に応じて燃料スラリー中の水分を乾燥除去して、この粉末状のものを以降の発熱量測定用の試料としてもよい。
【００１３】
酸処理工程では、図２に示す酸処理工程フロー図のように濃度が１ｍｏｌ／ｌのＨＣｌ２０ｍｌを前記採取された試料（１０ｇ）に加えて温度９０℃〜１１０℃、時間３０分の条件で加熱し、Ｃａ分をろ液に溶解させて除去する。次に、残さを蒸留水で洗浄して１０７℃の温度で乾燥し、気乾条件（温度３０℃、湿度７６％）に保持して発熱量測定用の不溶解分を得ることができる。
【００１４】
定量工程では、前記酸処理工程で得られた不溶解分を試料として、ポンプ熱量分析計（ＳＩＭＡＤＺＵ、ＣＡ−４ＰＪ）を用いてその発熱量を測定した。
尚、発熱量の測定と合わせて、試料を石炭工業分析装置（Ｌｅｃｏ、ＴＧＡ−６０１）、ＮＳ分析装置（Ｌｅｃｏ、ＮＳ−２０００）等を用いて試料中の質量差や、灰分、Ｎ分、Ｓ分等を測定した。
定量工程における発熱量の測定は以下のＪＩＳ−Ｍ８８１４の手順に従って行うこともできる。即ち、燃研式Ｂ形熱量計又は燃研式自動熱量計などのボンブ熱量計によって測定試料を燃焼させ、その間の温度上昇を測定し、試料１ｇに対する熱量（２０℃）を求め、発熱量を測定する。
ボンブ熱量計は物質の燃焼熱を測定する熱量計の一種であり、鋼製容器中に一定量の物質と高圧の酸素とを入れ，熱量計の水中に浸し、物質に点火して、燃焼させ時間とともに熱量計の温度上昇を測定し、最高または最低の温度を読みとる。なお、実測に際してあらかじめ熱量計の水当量を知ることが必要である。
燃料スラリーの発熱量は、酸処理後の発熱量、混入石灰石濃度、燃料スラリー濃度を元に以下の補正式を用いて補正して求める。
燃料スラリー発熱量（ＭＪ／ｋｇ）＝（（酸処理後の発熱量（ＭＪ／ｋｇ））／（ｌ００−（混入石灰石濃度（ｗｔ％）））＋０．１７９ＭＪ／ｋｇ×（混入石灰石濃度（ｗｔ％）））×（燃料スラリー濃度（ｗｔ％））／１００
ここで、混入石灰石濃度は以下の式で求める。
混入石灰石濃度（ｗｔ％）＝１００×（（乾燥燃料スラリー重量（ｋｇ））−（酸処理後の乾燥重量（ｋｇ）））／（乾燥燃料スラリー重量（ｋｇ））
なお、燃料スラリー灰分、燃料スラリーＮ分、燃料スラリーＳ分はそれぞれ下式を用いて算出することができる。
燃料スラリー灰分（ＣａＯベース（ｗｔ％））＝（（酸処理後の灰分（ｗｔ％））／（ｌ００−（混入石灰石濃度（ｗｔ％）））＋（（５６（ＣａＯの化学当量）／１００）×（混入石灰石濃度（ｗｔ％）））×（燃料スラリー濃度（ｗｔ％））／１００
燃料スラリーＮ分（ｗｔ％）＝（（酸処理後のＮ分（ｗｔ％））／（ｌ００−（混入石灰石濃度（ｗｔ％）））ｘ（燃料スラリー濃度（ｗｔ％））／１００
燃料スラリーＳ分（ｗｔ％）＝（（酸処理後のＳ分（ｗｔ％））／（ｌ００−（混入石灰石濃度（ｗｔ％）））ｘ（燃料スラリー濃度（ｗｔ％））／１００
これらの補正式を用いれば実際の燃料スラリーからボイラに供給される発熱量、灰分、Ｎ分、Ｓ分を補正して適正に試算できる。
【００１５】
（実施例１）
以下、実施の形態の発熱量測定方法で得られる発熱量データの信頼性を確認するために行った比較実験の結果について説明する。
表１は燃料スラリー中に混合した乾燥ベースの石灰石混入濃度と、乾燥試料の酸処理後の質量減少値とを比較したものである。この表１から石灰石の実際添加量である４．９１％に対して酸処理後の減量が４．９４％とほぼ同様の値を示すことがわかる。
【００１６】
【表１】

【００１７】
表２は酸処理無しと酸処理有りの場合の発熱量及び、灰分、Ｎ分、Ｓ分の測定データを示している。表２から発熱量は使用石炭気乾ベース発熱量２６．３ＭＪ／ｋｇに対して、酸溶解後の気乾べ一ス発熱量は２６．２ＭＪ／ｋｇであり、０．１ＭＪ／ｋｇの誤差で発熱量を測定できることが分かった。
また、灰分は酸処理前気乾ベース測定値１２．３％に対して、酸処理後は１１．９％で０．４％の誤差で測定できた。
Ｎ分、Ｓ分はそれぞれ０．３１％、１．６６％に対して、酸処理後はそれぞれ０．３１％、１．５０％であり、酸処理を行うことにより燃料スラリーから正確に測定できることが分かる。
【００１８】
【表２】

【００１９】
（実施例２）
酸処理工程における酸処理前後の燃料スラリーの構成物質の変化を調べるために行ったＸ線回折（理学電機株式会社製Ｘ線回折装置ＳＡＤ−ＲＢ、Ｒｉｇａｋｕを使用）の結果について説明する。
加圧流動床燃焼装置１０の７５％負荷運転時における燃料スラリーを用いて酸処理工程前後の変化を測定した。
図３（ａ）は石灰石−石炭混合物の粉末Ｘ線回折パターンであり、図３（ｂ）はその酸処理後の粉末Ｘ線回折パターンであり、図３（ｃ）は石灰石の粉末Ｘ線回折パターンである。
図３のデータから石灰石−石炭混合物に見られる石灰石のＸ線回折ピーク（○）は、酸処理により除去されていることが分かった。特にファーストピーク、セカンドピークといったメインピークが完全に消失していることから、高い精度で混合物から石灰石が除去された。一方、石炭に起因すると思われる回折ピ−ク（△）は酸処理後も認められた。
【００２０】
以上のことから、石炭中に混入した石灰石はＨＣｌで処理することで完全に除去できることが分かる。従って、この方法で乾燥した燃料スラリーから石灰石成分を除去することが可能である。また、燃料スラリーポンプ１４に計量コンベアを介して供給される石炭、石灰石の供給値から試算しているモル比（Ｃａ／Ｓ）を実際の燃料スラリーから直接測定することができる。
また、石炭、石灰石混合物から酸処理により石灰石のみ除去できることは、酸処理後の乾燥燃料スラリーは使用している石炭と同じということになる。このことは表２のように発熱量、灰分、Ｎ分およびＳ分が使用石炭と同等の値を示すことでも分かる。
【００２１】
本発明の一実施の形態に係る燃料スラリーの発熱量測定方法及びこれを用いる燃焼装置の制御方法は以上のように構成されているので以下の作用を有する。
（ａ）加圧流動床燃焼装置１０に供給される燃料スラリーを所定期間毎に採取するスラリー採取工程を有するので、変化する炉内状況を把握するのに必要な燃料スラリーの発熱量のデータを直接的に取得でき、このデータに基づいて加圧流動床燃焼装置１０を適正に制御することができる。
（ｂ）酸処理工程を有するので、カルシウム分を予め溶出除去することができ、炭酸カルシウムの熱分解等に基づく誤差を排除して、燃料スラリーの発熱量を高精度で測定して評価できる。
（ｃ）加圧流動床燃焼装置１０に供給される燃料スラリーの発熱量が常時高精度で把握できるので、流動床における石炭の燃焼反応や石炭に含まれる硫黄分を石灰石と反応させる脱硫反応を適切に制御することができ、加圧流動床燃焼装置１０における生産性に優れている。
（ｄ）加圧流動床燃焼装置１０に供給される燃料スラリーの発熱量を直接測定して、その履歴データに基づいて、石炭及び石灰石、高圧空気のそれぞれの供給量を調整するので、異常燃焼等の操業トラブルなどを防止して、加圧流動床燃焼装置などの燃焼装置の稼動状態を常時適正に維持させることができる。
（ｅ）燃料スラリーの発熱量が変動しても燃焼状態が安定に制御されるので、エネルギーコストなどを最適化して操業を行え、経済性に優れている。
（ｆ）燃焼装置の操業において蓄積された発熱量の変動パターンを有効に反映させることができるので、変動が抑制され操業をより容易に行うことができる。
【００２２】
【発明の効果】
請求項１に記載の燃料スラリーの発熱量測定方法によれば、以下の効果を有する。
（ａ）燃焼装置に供給される燃料スラリーを所定期間毎に採取するスラリー採取工程を有するので、変化する炉内状況を把握するのに必要な燃料スラリーの発熱量のデータを直接的に取得でき、このデータに基づいて燃焼装置を適正に制御することができる。
（ｂ）酸処理工程を有するので、カルシウム分を予め溶出除去することができ、炭酸カルシウムの熱分解に基づく誤差を排除して、燃料スラリーの発熱量を高精度で測定して評価でき、このデータを用いて燃焼装置の稼動状況の変化を把握することができる。
（ｃ）燃料スラリーの発熱量が適正に管理されるので、燃焼室内の異常燃焼などのトラブルが回避され、燃焼装置を円滑に稼動させることができる。
【００２３】
請求項２に記載の燃料スラリーの発熱量測定方法によれば、請求項１の効果の他、以下の効果が得られる。
（ａ）加圧流動床燃焼装置に供給される燃料スラリーの発熱量が常時高精度で把握できるので、流動床におけ石炭の燃焼反応や石炭に含まれる硫黄分を石灰石と反応させる脱硫反応を適切に制御することができ、加圧流動床燃焼装置における生産性に優れている。
【００２４】
請求項３に記載の燃料スラリーの発熱量測定方法によれば、請求項１又は２の効果の他、以下の効果が得られる。
（ａ）特定濃度の塩酸中に燃料スラリーや、燃料スラリーを脱水した乾燥試料等を入れ、処理液を所定温度、所定時間で撹拌しながら試料中のカルシウム分をろ液中に溶解させ、これによって残さを洗浄して不溶解分を確実に得ることができ、測定のばらつきを少なくして測定されるデータの信頼性に優れている。
（ｂ）測定されるデータの信頼性が上げられるので、これによって制御される燃焼装置をより効率的かつ的確に稼動させることができる。
【００２５】
請求項４に記載の燃焼装置の制御方法によれば、以下の効果が得られる。
（ａ）燃焼装置に供給される燃料スラリーの発熱量を直接測定して、その履歴データに基づいて、石炭及び石灰石、高圧空気のそれぞれの供給量を調整するので、異常燃焼等の操業トラブルなどを防止して、加圧流動床燃焼装置などの燃焼装置の稼動状態を常時適正に維持させることができる。
（ｂ）燃料スラリーの発熱量が変動しても燃焼装置の燃焼状態が安定に制御されるので、エネルギーコストなどを最適化して操業を行うことができ、経済性に優れている。
（ｃ）燃焼装置の操業において蓄積された発熱量の変動パターンを有効に反映させることができるので、変動が抑制され操業をより容易に行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施の形態の燃料スラリーの発熱量測定方法を適用する燃焼装置の構成図
【図２】酸処理工程のフロー図
【図３】（ａ）石灰石−石炭混合物の粉末Ｘ線回折パターン
（ｂ）石灰石−石炭混合物の酸処理後の粉末Ｘ線回折パターン
（ｃ）石灰石の粉末Ｘ線回折パターンである
【符号の説明】
１０加圧流動床燃焼装置
１１圧力容器
１２燃焼室
１３サイクロン
１４燃料スラリーポンプ
１４ａスラリー輸送管
１５スラリー採取装置
１６コンプレッサ
１７ガスタービン
１８発電機
１９蒸気タービン
２０発電機
２１復水器
２２給水ポンプ
２３排煙脱硝装置
２４排熱給水加熱器
２５電気集塵機
２６煙突
２７制御装置[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a method for measuring a calorific value of a fuel slurry and a control method for a pressurized fluidized bed combustion apparatus using the same.
[0002]
[Prior art]
In a combustor such as a pressurized fluidized bed combustor (PBFC) that employs an in-furnace desulfurization system, coal as a fuel and limestone and water as a desulfurization agent are mixed at a predetermined ratio to form a fuel slurry, which is mixed with high-pressure air. It is burned in a fluidized bed formed by fluidization.
In such a mixed fuel, because the calorific value of the fuel slurry fluctuates due to variations in the mixing ratio of coal, limestone, water, coal brand, differences in the composition, etc., the change in the calorific value is constantly monitored, It is necessary to maintain the combustion state in the furnace stably by appropriately adjusting the mixing ratio and the brand and composition of the raw material.
When measuring the calorific value of such a fuel slurry, the calorific value of the fuel has been measured by the following method based on a method for measuring calorific value of coals and cokes (JIS M8814).
That is, there is a method in which a measurement sample is burned by a NAM type B calorimeter or a NAM type automatic calorimeter, a temperature rise during that time is measured, a heat amount (20 ° C.) for 1 g of the sample is obtained, and a calorific value is measured. It was adopted. For coals, the calorific value is the total calorific value of the anhydrous base or air-dry base, and for the coke, the calorific value is the calorific value of the anhydrous base.
[0003]
[Problems to be solved by the invention]
However, the conventional calorific value measuring method has the following problems.
(1) When limestone is contained in the fuel, an error occurs due to the heat accompanying the thermal decomposition of calcium carbonate (CaCO ₃ → CaO + CO ₂ −0.179 MJ / kg) when heating the measurement sample, and the calorific value is increased. There was a problem that it could not be obtained with accuracy.
(2) When the moisture contained in the coal changes, it is necessary to repeatedly correct the calorific value every time the change occurs, and there is a problem that calculation errors accumulate and the accuracy is inferior.
(3) There is a problem that work is complicated and lacks workability because analysis is required each time.
(4) Since such an error occurs in the measured value of the calorific value, there has been a problem that a trouble occurs when a control system such as a pressurized fluidized bed combustion apparatus is constructed using the calorific value data.
[0004]
The present invention solves the above-described conventional problems, and can eliminate the cause of measurement errors caused by fluctuations in limestone and water contained in the fuel slurry, and the calorific value of the fuel slurry that can measure the calorific value of the fuel slurry with high accuracy. It is an object of the present invention to provide a measurement method, and to provide a control method for a combustion apparatus capable of appropriately constructing a control system such as a pressurized fluidized bed combustion apparatus using the calorific value data.
[0005]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, the present invention has the following configuration.
The method for measuring the calorific value of fuel slurry according to claim 1 includes a slurry collecting step of collecting fuel slurry containing coal, limestone, and water supplied to the combustion device, and an acid treatment of the collected fuel slurry. An acid treatment step for extracting a dissolved component, and a quantitative step for obtaining a calorific value per unit mass by burning the insoluble component extracted in the acid treatment step and measuring a temperature difference before and after combustion. Has been.
With this configuration, the following effects can be obtained.
(A) Since it has a slurry sampling process for sampling the fuel slurry supplied to the combustion device at predetermined intervals, it is possible to directly acquire the calorific value data of the fuel slurry necessary to grasp the changing furnace conditions. Based on this data, the combustion apparatus can be properly controlled.
(B) Since it has an acid treatment step, it is possible to elute and remove calcium in advance, eliminate errors based on the thermal decomposition of calcium carbonate, and measure and evaluate the calorific value of the fuel slurry with high accuracy. Changes in the operating status of the combustion apparatus can be grasped using the data.
(C) Since the calorific value of the fuel slurry is properly managed, troubles such as abnormal combustion in the combustion chamber can be avoided and the combustion apparatus can be operated smoothly.
[0006]
Here, the combustion device uses a fuel slurry containing coal and limestone and powdered fuel consisting of dry particles as fuel, and burns with air in a fluidized bed, using pressurized fluidized bed combustion in a furnace desulfurization method Devices and other non-pressurized types. The fuel slurry is a slurry obtained by adding a predetermined amount of water and mixing coal and limestone pulverized at a predetermined ratio.
The slurry collecting step is a sampling pipe provided in a pipe or the like on the discharge side of the fuel slurry pump with the fuel slurry processed by a fuel slurry pump or the like that mixes coal, limestone, and water in the pressurized fluidized bed combustion apparatus at a predetermined ratio. Or by taking it out automatically or manually via a sampling device or the like.
In the acid treatment process, the fuel slurry or a dried sample obtained by dehydrating the fuel slurry is placed in an acid solution of a predetermined concentration such as hydrochloric acid, and the calcium content in the sample is dissolved in the filtrate while stirring the treatment solution at the prescribed temperature. And the residue is washed to obtain an insoluble matter.
For example, in this acid treatment step, 20 ml of HCl having a concentration of 1 mol / l is added to a sample (10 g), heat-treated at a temperature of 90 ° C. to 110 ° C. for 30 minutes, and the residue is washed with distilled water. It can be dried at a temperature of 107 ° C. and kept under air-drying conditions (temperature 30 ° C., humidity 76%) to obtain an insoluble matter for calorific value measurement.
The determination step is to burn the insoluble matter in the air for a predetermined time, for example, 10 to 60 minutes, absorb the amount of heat generated during that time in a medium such as water or air, measure the temperature rise, and generate heat per unit mass These procedures can be automated and performed using a calorific value measuring device or the like.
[0007]
The calorific value measurement method of the fuel slurry according to claim 2 is the invention according to claim 1, wherein the combustion device fluidizes the fuel slurry with an air flow to form a fluidized bed, and coal in the fuel slurry. It is comprised so that it may be a pressurized fluidized bed combustion apparatus which burns.
With this configuration, in addition to the operation of the first aspect, the following operation can be obtained.
(A) Since the calorific value of the fuel slurry supplied to the pressurized fluidized bed combustor can always be grasped with high accuracy, the combustion reaction of coal in the fluidized bed and the desulfurization reaction that reacts sulfur contained in the coal with limestone It can be appropriately controlled and is excellent in productivity in a pressurized fluidized bed combustion apparatus.
[0008]
The method of measuring the calorific value of the fuel slurry according to claim 3 is the invention according to claim 1 or 2, wherein the acid treatment step adds hydrochloric acid having a concentration of 1 mol / l to the sample of the fuel slurry collected. It is configured to heat with stirring under conditions of a temperature of 90 ° C. to 110 ° C. and a time of 20 to 40 minutes.
With this configuration, in addition to the operation of the first or second aspect, the following operation can be obtained.
(A) A fuel slurry or a dried sample obtained by dehydrating the fuel slurry is placed in a specific concentration of hydrochloric acid, and the calcium content in the sample is dissolved in the filtrate while stirring the treatment liquid at a predetermined temperature for a predetermined time. Thus, the residue can be washed to reliably obtain an insoluble matter, and the reliability of measured data is excellent with less measurement variation.
(B) Since the reliability of the measured data is increased, the combustion apparatus controlled thereby can be operated more efficiently and accurately.
Here, the temperature during stirring varies depending on the amount and type of the fuel slurry to be applied, but is preferably in the range of 90 to 110 ° C. This is because when the stirring temperature is lower than 90 ° C., the amount of elution is extremely small, and the residue is not sufficiently washed. Conversely, even if the treatment is performed at a temperature exceeding 110 ° C., the washing effect is saturated and energy loss is increased. Because. In addition, if the stirring time is less than 20 minutes, there is a possibility that the eluted part may remain, resulting in a large variation in the measurement data. Conversely, even if stirring is performed for more than 40 minutes, the measurement data becomes almost a constant value. Accurate data can be acquired as a limit.
[0009]
According to a fourth aspect of the present invention, there is provided a combustion apparatus control method comprising: a fuel slurry calorific value measured by the fuel slurry calorific value measurement method according to any one of the first to third aspects; and a fuel in the combustion apparatus. Comparing with the calorific value history data of the slurry, each supply amount of the coal, limestone and combustion air supplied to the combustion device is adjusted.
With this configuration, the following effects can be obtained.
(A) The calorific value of the fuel slurry supplied to the combustion device is directly measured, and the respective supply amounts of coal, limestone, and high-pressure air are adjusted based on the history data. Can be prevented, and the operating state of a combustion apparatus such as a pressurized fluidized bed combustion apparatus can be always properly maintained.
(B) Since the combustion state of the combustion device is stably controlled even if the calorific value of the fuel slurry fluctuates, the operation can be performed with the energy cost and the like optimized, and the economy is excellent.
(C) Since the fluctuation pattern of the calorific value accumulated in the operation of the combustion apparatus can be effectively reflected, the fluctuation can be suppressed and the operation can be performed more easily.
[0010]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, a method for measuring a calorific value of a fuel slurry according to an embodiment of the present invention and a method for controlling a combustion apparatus using the method will be described.
FIG. 1 is a configuration diagram of a combustion apparatus to which a fuel slurry calorific value measuring method according to an embodiment of the present invention is applied.
In FIG. 1, 10 is a pressurized fluidized bed combustion apparatus which is an example of a combustion apparatus, 11 is a pressure vessel in which fuel slurry is combusted, 12 is a combustion chamber which is accommodated in the pressure vessel 11 and combusts fuel slurry in a fluidized state. , 13 is a multi-stage cyclone into which combustion gas discharged from the upper part of the combustion chamber 12 is introduced, and 14 is a mixture of a predetermined amount of coal, limestone, and water in the lower part of the combustion chamber 12 in the combustion chamber 12. A fuel slurry pump supplied to the lower part, 15 is a slurry collecting device for taking out the fuel slurry mixed and discharged by the fuel slurry pump 14 and supplied to the

combustion chamber

12, and 16 is a fluidized fuel slurry in the combustion chamber 12 that flows. A compressor for supplying high-pressure air to form a floor, 17 is a gas turbine driven by combustion gas supplied from the upper part of the cyclone 13, and 18 is a gas turbine. A generator rotated by the

bin

17, 19 is a steam turbine driven by steam heated via a heat exchange pipe in the

combustion chamber

12, 20 is a generator rotated by the

steam turbine

19, and 21 is a steam turbine. A condenser for condensing the steam supplied from 19, 22 is a feed water pump for circulating supply of feed water between the combustion chamber 12 and the

steam turbine

19, and 23 is for denitration of gas discharged from the gas turbine 17. A flue gas denitration device 24, an exhaust heat feed water heater 24 for preheating feed water sent to the combustion chamber 12 via the feed water pump 22 by the heat of the gas supplied from the flue

gas denitration device

23, and 25, an exhaust heat An electric dust collector for removing fine solids contained in the exhaust gas of the feed water heater 24, 26 a chimney for releasing the exhaust gas into the atmosphere, and 27 a fuel slurry collected via the slurry collector 15 The heating value of the data is input fuel slurry pump 14 and compressor 16, a control device for controlling the water supply pump 22.
[0011]
The slurry collecting device 15 is a device for taking out a part of the fuel slurry sent from the fuel slurry pump 14 to the combustion chamber 12 via the slurry transport pipe 14a and the like. A predetermined amount of fuel slurry can be collected even when the pressurized fluidized bed combustion apparatus 10 is in operation.
The control device 27 is provided as necessary, and constitutes a part of a control system that controls the entire pressurized fluidized bed combustion device 10. The control device 27 compares the calorific value of the measured fuel slurry with the calorific value history data of the pressurized fluidized bed combustor 10 according to a program stored in the memory in advance, and the pressurized fluidized bed combustor 10. The supply amounts of coal and limestone supplied to the combustion chamber 12 and high-pressure air supplied to the lower portion of the combustion chamber 12 by the compressor 16 can be adjusted.
[0012]
A method of measuring the calorific value of the fuel slurry applied to the pressurized fluidized bed combustion apparatus 10 configured as described above will be described.
In the slurry collection step, a predetermined amount of fuel slurry is collected through a slurry collection device 15 provided in the slurry transport pipe 14a. In addition, the fuel slurry used as a sample at the time of 75% load operation of the pressurized fluidized-bed combustion apparatus 10 was extract | collected here.
If necessary, moisture in the fuel slurry may be removed by drying, and this powder may be used as a sample for subsequent calorific value measurement.
[0013]
In the acid treatment step, as shown in the flow chart of the acid treatment step shown in FIG. 2, 20 ml of HCl having a concentration of 1 mol / l is added to the collected sample (10 g) and heated at a temperature of 90 ° C. to 110 ° C. for 30 minutes. Then, the Ca component is dissolved in the filtrate and removed. Next, the residue is washed with distilled water, dried at a temperature of 107 ° C., and kept under air-drying conditions (temperature 30 ° C., humidity 76%) to obtain an insoluble matter for calorific value measurement.
[0014]
In the determination step, the calorific value was measured using a pump calorimeter (SIMADZU, CA-4PJ) using the insoluble matter obtained in the acid treatment step as a sample.
In addition to the measurement of the calorific value, the sample was analyzed using a coal industry analyzer (Leco, TGA-601), NS analyzer (Leco, NS-2000), etc. S content etc. were measured.
The calorific value in the determination step can also be measured according to the following JIS-M8814 procedure. That is, the measurement sample is burned by a bomb calorimeter such as a MOKEN B-type calorimeter or a MOKEN automatic calorimeter, the temperature rise during that time is measured, and the calorific value (20 ° C.) for 1 g of the sample is obtained. taking measurement.
A bomb calorimeter is a type of calorimeter that measures the heat of combustion of a substance. A fixed amount of substance and high-pressure oxygen are placed in a steel container, immersed in the water of the calorimeter, the substance is ignited and burned. Measure the calorimeter temperature rise over time and read the highest or lowest temperature. Note that it is necessary to know the water equivalent of the calorimeter in advance for the actual measurement.
The calorific value of the fuel slurry is obtained by correcting it using the following correction formula based on the calorific value after acid treatment, the mixed limestone concentration, and the fuel slurry concentration.
Fuel slurry heat value (MJ / kg) = ((heat value after acid treatment (MJ / kg)) / (100− (mixed limestone concentration (wt%))) + 0.179 MJ / kg × (mixed limestone concentration (wt %))) X (fuel slurry concentration (wt%)) / 100
Here, the mixed limestone concentration is obtained by the following equation.
Concentration of limestone (wt%) = 100 × ((dry fuel slurry weight (kg)) − (dry weight after acid treatment (kg))) / (dry fuel slurry weight (kg))
The fuel slurry ash content, the fuel slurry N content, and the fuel slurry S content can be calculated using the following equations.
Fuel slurry ash (CaO base (wt%)) = ((ash content after acid treatment (wt%)) / (100− (concentration of limestone (wt%))) + ((56 (chemical equivalent of CaO) / 100 ) × (Mixed limestone concentration (wt%))) × (Fuel slurry concentration (wt%)) / 100
Fuel slurry N content (wt%) = ((N content after acid treatment (wt%)) / (100− (concentration limestone concentration (wt%))) × (fuel slurry concentration (wt%)) / 100
Fuel slurry S component (wt%) = ((S component after acid treatment (wt%)) / (100− (concentration limestone concentration (wt%))) × (fuel slurry concentration (wt%)) / 100
If these correction equations are used, the calorific value, ash content, N content, and S content supplied from the actual fuel slurry to the boiler can be corrected and properly calculated.
[0015]
Example 1
Hereinafter, the result of a comparative experiment performed to confirm the reliability of the calorific value data obtained by the calorific value measurement method of the embodiment will be described.
Table 1 compares the concentration of dry base limestone mixed in the fuel slurry with the mass loss value after acid treatment of the dried sample. From Table 1, it can be seen that the amount of weight loss after acid treatment is substantially the same as 4.94% with respect to the actual amount of limestone added of 4.91%.
[0016]
[Table 1]

[0017]
Table 2 shows the calorific value and the measured data of ash, N, and S when acid treatment is not performed and acid treatment is performed. From Table 2, the calorific value is 26.3 MJ / kg of the coal-based dry air-based calorific value, and the air-drying calorific value after acid dissolution is 26.2 MJ / kg, with an error of 0.1 MJ / kg. It was found that the calorific value can be measured.
Moreover, ash was measured with an error of 0.4% at 11.9% after acid treatment, compared to 12.3% of the air dry base measurement value before acid treatment.
N and S are 0.31% and 1.66%, respectively, and 0.31% and 1.50% after acid treatment, respectively, and can be accurately measured from the fuel slurry by acid treatment. I understand.
[0018]
[Table 2]

[0019]
(Example 2)
The results of X-ray diffraction (using an X-ray diffractometer SAD-RB manufactured by Rigaku Corporation, Rigaku) performed to examine changes in constituents of the fuel slurry before and after acid treatment in the acid treatment step will be described.
The change before and after the acid treatment step was measured using the fuel slurry during the 75% load operation of the pressurized fluidized bed combustor 10.
3A is a powder X-ray diffraction pattern of a limestone-coal mixture, FIG. 3B is a powder X-ray diffraction pattern after the acid treatment, and FIG. 3C is a powder X-ray diffraction pattern of limestone. It is a pattern.
From the data in FIG. 3, it was found that the X-ray diffraction peak (◯) of limestone found in the limestone-coal mixture was removed by acid treatment. In particular, since the main peaks such as the first peak and the second peak disappeared completely, limestone was removed from the mixture with high accuracy. On the other hand, diffracted peaks (Δ) that were thought to be attributed to coal were also observed after acid treatment.
[0020]
From the above, it can be seen that limestone mixed in coal can be completely removed by treatment with HCl. Therefore, it is possible to remove the limestone component from the fuel slurry dried by this method. Further, the molar ratio (Ca / S) calculated from the supply values of coal and limestone supplied to the fuel slurry pump 14 via the metering conveyor can be directly measured from the actual fuel slurry.
Moreover, the fact that only limestone can be removed from the coal and limestone mixture by acid treatment means that the dry fuel slurry after the acid treatment is the same as the coal used. This can also be seen from the fact that the calorific value, ash content, N content and S content show the same values as used coal as shown in Table 2.
[0021]
The method for measuring the calorific value of the fuel slurry and the method for controlling the combustion apparatus using the fuel slurry according to one embodiment of the present invention are configured as described above and thus have the following operations.
(A) Since there is a slurry sampling step for sampling the fuel slurry supplied to the pressurized fluidized bed combustor 10 every predetermined period, data on the calorific value of the fuel slurry necessary for grasping the changing in-furnace situation The pressurized fluidized bed combustion apparatus 10 can be appropriately controlled based on this data.
(B) Since it has an acid treatment step, it is possible to elute and remove calcium in advance, eliminate errors based on thermal decomposition of calcium carbonate, etc., and measure and evaluate the calorific value of the fuel slurry with high accuracy.
(C) Since the calorific value of the fuel slurry supplied to the pressurized fluidized bed combustor 10 can always be grasped with high accuracy, the combustion reaction of coal in the fluidized bed and the desulfurization reaction in which the sulfur content in the coal is reacted with limestone. It can be appropriately controlled and is excellent in productivity in the pressurized fluidized bed combustion apparatus 10.
(D) Since the calorific value of the fuel slurry supplied to the pressurized fluidized bed combustor 10 is directly measured and the respective supply amounts of coal, limestone and high-pressure air are adjusted based on the history data, abnormal combustion The operation state of a combustion apparatus such as a pressurized fluidized bed combustion apparatus can be maintained properly at all times.
(E) Since the combustion state is stably controlled even if the calorific value of the fuel slurry fluctuates, the operation can be performed by optimizing the energy cost and the like, and the economy is excellent.
(F) Since the fluctuation pattern of the calorific value accumulated in the operation of the combustion apparatus can be effectively reflected, the fluctuation can be suppressed and the operation can be performed more easily.
[0022]
【The invention's effect】
According to the fuel slurry calorific value measuring method of the first aspect, the following effects are obtained.
(A) Since it has a slurry sampling process for sampling the fuel slurry supplied to the combustion device at predetermined intervals, it is possible to directly acquire the calorific value data of the fuel slurry necessary to grasp the changing furnace conditions. Based on this data, the combustion apparatus can be properly controlled.
(B) Since it has an acid treatment step, it is possible to elute and remove calcium in advance, eliminate errors based on the thermal decomposition of calcium carbonate, and measure and evaluate the calorific value of the fuel slurry with high accuracy. Changes in the operating status of the combustion apparatus can be grasped using the data.
(C) Since the calorific value of the fuel slurry is properly managed, troubles such as abnormal combustion in the combustion chamber can be avoided and the combustion apparatus can be operated smoothly.
[0023]
According to the fuel slurry calorific value measuring method of the second aspect, in addition to the effect of the first aspect, the following effects can be obtained.
(A) Since the calorific value of the fuel slurry supplied to the pressurized fluidized bed combustor can always be grasped with high accuracy, the combustion reaction of coal in the fluidized bed and the desulfurization reaction that reacts sulfur contained in the coal with limestone It can be appropriately controlled and is excellent in productivity in a pressurized fluidized bed combustion apparatus.
[0024]
According to the method for measuring the calorific value of the fuel slurry according to claim 3, in addition to the effect of claim 1 or 2, the following effect can be obtained.
(A) A fuel slurry or a dried sample obtained by dehydrating the fuel slurry is placed in a specific concentration of hydrochloric acid, and the calcium content in the sample is dissolved in the filtrate while stirring the treatment liquid at a predetermined temperature for a predetermined time. Thus, the residue can be washed to reliably obtain an insoluble matter, and the reliability of measured data is excellent with less measurement variation.
(B) Since the reliability of the measured data is increased, the combustion apparatus controlled thereby can be operated more efficiently and accurately.
[0025]
According to the control method for the combustion apparatus of the fourth aspect, the following effects can be obtained.
(A) The calorific value of the fuel slurry supplied to the combustion device is directly measured, and the respective supply amounts of coal, limestone, and high-pressure air are adjusted based on the history data. Can be prevented, and the operating state of a combustion apparatus such as a pressurized fluidized bed combustion apparatus can be always properly maintained.
(B) Since the combustion state of the combustion device is stably controlled even if the calorific value of the fuel slurry fluctuates, the operation can be performed with the energy cost and the like optimized, and the economy is excellent.
(C) Since the fluctuation pattern of the calorific value accumulated in the operation of the combustion apparatus can be effectively reflected, the fluctuation can be suppressed and the operation can be performed more easily.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a configuration diagram of a combustion apparatus to which a calorific value measurement method for fuel slurry according to an embodiment is applied. FIG. 2 is a flow diagram of an acid treatment process. FIG. 3A is a powder X-ray diffraction pattern of a limestone-coal mixture. (B) Powder X-ray diffraction pattern after acid treatment of limestone-coal mixture (c) Powder X-ray diffraction pattern of limestone
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Pressurized fluidized bed combustion apparatus 11 Pressure vessel 12 Combustion chamber 13 Cyclone 14 Fuel slurry pump 14a Slurry transport pipe 15 Slurry sampling device 16 Compressor 17 Gas turbine 18 Generator 19 Steam turbine 20 Generator 21 Condenser 22 Water supply pump 23 Exhaust Smoke denitration device 24 Waste heat feed water heater 25 Electric dust collector 26 Chimney 27 Control device

Claims

A slurry collecting step for collecting fuel slurry containing coal, limestone, and water supplied to the combustion device, an acid treatment step for extracting an insoluble component by acid treatment of the collected fuel slurry, and an acid treatment step A method for measuring the calorific value of the fuel slurry, comprising a step of determining the calorific value per unit mass by burning the extracted insoluble matter and measuring a temperature difference before and after the combustion.

2. The combustion apparatus according to claim 1, wherein the combustion apparatus is a pressurized fluidized bed combustion apparatus that fluidizes the fuel slurry with an air flow to form a fluidized bed and combusts coal in the fuel slurry. Of calorific value of fuel slurry in

The acid treatment step is a step in which hydrochloric acid having a concentration of 1 mol / l is added to the collected fuel slurry sample and heated with stirring under conditions of a temperature of 90 ° C. to 110 ° C. and a time of 20 to 40 minutes. The method of measuring the calorific value of the fuel slurry according to claim 1 or 2.

The fuel slurry calorific value measured by the fuel slurry calorific value measurement method according to any one of claims 1 to 3 is compared with the fuel slurry calorific value history data in the combustion device, and A method for controlling a combustion apparatus, comprising: adjusting a supply amount of each of the coal, limestone, and combustion air supplied to the combustion apparatus.