微粉炭ボイラー

微粉炭ボイラーは、火室に吹き込まれた微粉炭（化粧品のフェイスパウダーと同じくらい細かいため、粉炭または石炭粉とも呼ばれます）を燃焼させることで熱エネルギーを生成する産業用またはユーティリティ用のボイラーです。

粉砕燃料を用いた燃焼システムの基本的な考え方は、炉の全容積を固体燃料の燃焼に利用することです。石炭は細粒サイズに粉砕され、空気と混合されて排ガス流中で燃焼します。混合物には、バイオマスやその他の物質を添加することもできます。石炭には鉱物質が含まれており、燃焼中に灰に変換されます。灰はボトムアッシュとフライアッシュとして除去されます。ボトムアッシュは炉底で除去されます。

このタイプのボイラーは石炭火力発電所で主流であり、大型タービンを駆動するための蒸気を供給します。

歴史

微粉炭の使用につながる開発が行われる以前は、ほとんどのボイラーは火格子燃焼を利用しており、燃料は部分的に砕かれた砂利のような形で、火室の底にある可動火格子上に機械的に分配されていました。燃焼用の空気は火格子を通して上方に吹き出され、軽い灰と未燃焼の石炭の小さな粒子も一緒に上昇し、その一部は火室の側面に付着しました。1918年、ミルウォーキー電気鉄道会社（後のウィスコンシン電気）は、オナイダストリート発電所で微粉炭の使用に関するテストを実施しました。これらの実験により、フレッド・L・ドーンブルックは、ボイラー給水管ジャケットを使用して火室壁の表面温度を下げ、灰の堆積物を簡単に除去できるようにすることで、微粉炭のタール状の灰残留物を制御する方法を開発しました。この発電所は、米国で初めて微粉炭を使用した中央発電所となりました。

ミルウォーキー市庁舎近くのオナイダ ストリート発電所は 1987 年に廃止され、改修されました。現在はミルウォーキー レパートリー シアターの敷地となっています。

石炭の粉砕

石炭粉砕機は速度によって次のように分類されます。[ 1 ]

  • 低速
  • 中速
  • 高速

低速

ボールミルは、水平に回転するシリンダー (長さは直径の 3 倍まで) で構成され、その中に転がったり滝のように流れ落ちたりする鋼球、小石、または棒が詰め込まれた低速粉砕機です。

チューブ ミルは、鉱石、岩石、およびその他の材料を細かく粉砕するために使用される、長さが最大 ​​5 倍の直径の回転シリンダーです。水と混合された材料は、一方の端からチャンバー内に送り込まれ、もう一方の端からスラリーとして排出されます。

どちらのタイプのミルにも、ミルの円筒構造を摩耗から保護するライナーが備えられています。したがって、これらのミルにおける主な摩耗部品は、ボール自体とライナーです。ボールは摩耗によって「消費」されるため、補充が必要ですが、ライナーは定期的に交換する必要があります。

ボール式粉砕機とチューブ式粉砕機は、回転する水平シリンダー内で鋼球を用いて石炭を粉砕する低速機械です。形状からチューブミル、粉砕に粉砕ボールを使用することからボールミル、あるいは両方の用語でボールチューブミルと呼ばれます。

これらのミルは、例として BBD-4772 のサイズとしても指定されています。

  • B – Broyer（発明者の名前）。
  • B – Boulet（フランス語でボールの意味）。
  • D – 直接射撃。
  • 47 – 殻の直径（デシメートル）、つまり直径 4.7 m。
  • 72 – 殻の長さ（デシメートル単位）、つまり長さ 7.2 m。

ボール＆チューブミルにおける粉砕は、回転する鋼球がチューブの回転によって落下・上昇することで発生します。装填される鋼球は、シェルの全内容積の3分の1から半分を占める場合があります。BBDミルの重要な特徴は、両端操作方式を採用していることです。両端操作はボイラーの1つの高さに対応します。このシステムにより、原炭の投入と粉砕燃料の排出を同じ端から同時に行うことができます。これにより、ユニットあたりの設置数を削減できます。

工場建設の詳細

ボールチューブミルは、鋼板で作られた円筒状の構造で、両端にはそれぞれ独立したヘッドまたはトラニオンが取り付けられており、各トラニオンは機械を支えるための適切なベアリング上に載っています。トラニオンは中空になっており、粉砕中の材料を排出口から排出します。ミルシェルは、チル鉄、炭素鋼、マンガン鋼、または高クロム鋼のライナーで内張りされており、皿ボルトでシェル本体に固定されています。これらのライナーは様々な形状に作られており、ミルの内壁は特定の用途の要件に適合します。

シェルは3ピース構造です。中間シェルはフランジジョイントで端シェルに接続され、全長は7.2mです。ライナーはミルシェル（円筒部）の内側に固定され、鋼球の衝撃からシェルを保護します。1シェルあたり600枚のライナーがあり、10種類のライナーが合計で60.26トンあります。ライナーの揚程は55mmで、最小許容揚程は20mmです。

手術

ボールチューブミルへの一次空気入力は、乾燥と燃料輸送媒体として2つの機能を果たします。一次空気は乾燥と燃料輸送媒体として使用され、その温度を調節することでミルの出力が調整されます。粉砕燃料出口温度の要件に応じて、冷風ダンパーと温風ダンパーが適切な一次空気温度になるように調整されます。ミル内の石炭温度を上昇させて乾燥と粉砕効率を高めることに加え、この一次空気は粉砕された石炭をミルから排出する輸送媒体としても機能します。石炭は固定トラニオンチューブと回転熱風チューブの間の環状空間を通って分級機へと送られます。石炭を含んだ空気は、調整可能な分級羽根を備えたダブルコーン型静的分級機を通過し、所定の粒度に粉砕された燃料と粗粒子に分離されます。粉砕された燃料は、燃焼のために石炭バーナーへと送られます。分級機で除去された粗粒子は、ミルに戻され、次の粉砕サイクルに供されます。

ミルからの過剰な石炭の吹き出しを防ぐため、一次空気はボイラー負荷需要に正比例する量のみミルに導入されます。さらに、粉砕燃料がパイプ内で沈殿するのを防ぐのに十分な速度を確保するため、原炭回路のミキシングボックスに追加の一次空気が供給されます。ミルに流入する一次空気ダクトから供給されるこのバイパス空気は、ミル出口から粉砕燃料を吸い上げて分級機へ送るだけでなく、フラッシュ乾燥効果によって原炭の乾燥に大きく貢献します。

チューブミルの出力（ボイラー負荷需要への対応）は、一次空気流量の調整によって制御されます。この調整は、ミルから粉砕燃料を掃き出すことで行われ、非常に高速で、石油燃焼に匹敵する応答性を備えていますが、ミル内の石炭レベルを維持する必要があります。制御回路はミル内の石炭レベルを監視し、それを維持するために原炭供給装置の速度を制御します。ミル内の石炭レベルを維持することで、粉砕燃料の容量クッションが内蔵され、原炭回路の短時間の中断に対応します。

ミルは加圧されており、回転するトラニオン周囲のプレナムチャンバーに加圧シールエアを充填することで気密性が確保されています。プレナムチャンバーからミルへシールエアを排出することで、ミル内の粉砕燃料と外気との分離が維持されます。シールエアが不足したり、シールエアが不足したりすると、粉砕燃料が外気中に漏れ出します。一方、ミルにシールエアが過剰に漏れると、ミル出口温度に影響を与えます。そのため、シールエアはローカル制御ダンパーによって制御され、シールに必要な差圧を維持します。

リングミルとボールミル

中速に分類されるこのタイプのミルは、スラスト ベアリングのような一連の大きなボールで分離された 2 種類のリングで構成されています。下部のリングが回転し、上部のリングが一連のスプリングおよびアジャスター アセンブリ、または加圧ラムを介してボールを押し下げます。粉砕される材料は、粉砕機の中央または側面 (設計によって異なります) に導入されます。下部のリングが回転すると、ボールは上部リングと下部リングの間を周回し、下部リング上の石炭層の上を転がります。粉砕された材料は、ミルを通過する空気の流れによってミルから運び出されます。ミルの粉砕セクションから放出される粉砕粒子のサイズは、分級セパレータによって決定されます。石炭が空気によって拾えるほど細かい場合は、分級機を通過します。粗い粒子は戻ってさらに粉砕されます。

垂直スピンドルローラーミル

リングミルやボールミルと同様に、垂直スピンドルローラーミルは大きな「タイヤ」を用いて石炭を粉砕します。これも中速ミルに分類されます。これらのミルは通常、公益事業プラントに設置されています。原炭は中央の供給管から重力によって粉砕テーブルに供給され、そこで遠心力によって外側に流れ、ローラーとテーブルの間で粉砕されます。乾燥と石炭輸送のための高温の一次空気は、粉砕テーブル下部の風洞プレナムに入り、粉砕テーブルを囲む複数の傾斜ノズルを備えた旋回リングを通って上昇します。この空気は粉砕ゾーンで石炭と混合・乾燥され、粉砕された石炭粒子は上方の分級機へと運ばれます。

細かく粉砕された石炭は、バーナーにつながる複数の排出石炭管を通って出口セクションから排出され、一方、粗大な石炭粒子は排除され、粉砕ゾーンに戻されてさらに粉砕されます。黄鉄鉱および異物の高密度不純物はノズルリングを通過し、粉砕テーブルに取り付けられたスクレーパブレードによって黄鉄鉱室に押し込まれて除去されます。機械的には、垂直ローラーミルは力を加えるミルに分類されます。ミル粉砕セクションには3つの粉砕ローラーホイールアセンブリがあり、これらはピボットポイントを介してローディングフレームに取り付けられています。各ローラーホイールアセンブリの固定軸ローラーは、セグメントライニングされた粉砕テーブル上で回転します。粉砕テーブルは、モーターに直結された遊星歯車減速機によって支持・駆動されます。石炭を粉砕するための粉砕力は、ローディングフレームによって加えられます。このフレームは、垂直テンションロッドによって、ミル基礎に固定された3つの油圧シリンダーに接続されています。粉砕プロセスで使用されるすべての力は、歯車減速機とローディングエレメントを介して基礎に伝達されます。ローラーホイールの振り子運動により、ホイールが半径方向に自由に移動できるようになり、粉砕プロセス中にミルハウジングに対して半径方向の負荷がかかりません。

必要な石炭の粉末度に応じて、垂直ローラーミル用に選択できる分級機には 2 つのタイプがあります。動的分級機は、回転するベーンアセンブリまたはケージを囲む固定の角度付き入口ベーンアセンブリで構成されており、粒度分布の狭いマイクロメートル単位の微細な微粉炭を生産できます。さらに、回転ケージの速度を調整することで、分級ゾーンの遠心力場の強度を容易に変更できるため、石炭の粉末度をリアルタイムで制御し、燃料やボイラーの負荷条件の変化に即座に対応できます。マイクロメートル単位の微細な微粉炭が不要な用途では、可動部品がないため、調整可能なベーンを備えたコーンで構成される静的分級機が低コストのオプションとなります。十分な粉砕能力があれば、静的分級機を備えた垂直ミルは、石炭の細かさが最大で 99.5% 以上 <50 メッシュ、80% 以上 <200 メッシュまで生産可能であり、動的分級機を備えた垂直ミルは、石炭の細かさが最大で 100% <100 メッシュ、95% <200 メッシュ、またはそれ以上まで生産可能です。

1954年には、垂直粉砕機と同様の動作をするジェット粉砕機が開発されました。これは高速空気の作用によって粉砕対象物を粉砕する点が異なります。例えば、石炭同士を衝突させるような粉砕方法です。[ 2 ]

垂直ローラーミルと同様に、ボウルミルもタイヤを用いて石炭を粉砕します。ボウルミルには、深型ボウルミルと浅型ボウルミルの2種類があります。

高速

アトリションミルは、粉砕対象物質と粗粉砕媒体のスラリーを強力に撹拌することで固体粒子のサイズを機械的に縮小する高速装置です。例えば、10 時間の粉砕で、アルミナと重晶石の比表面積はそれぞれ 38 nm と 56 nm の球相当径に相当し、40 m2/g と 25 m2/g となりました。比較的粗い粒子のサイズ縮小率は一次関数で、ミルへの入力電力に比例して増加しました。最適な粉砕媒体濃度は、媒体粒子が他の粒子と衝突する前に、その直径の約 0.7 倍の距離を移動する値でした。アトリションミルの出力特性は、ラジアルフロータービンミキサーと基本的に同じでした。層流はN Re ≈ 200 で乱され、 N Re > 8000で乱流が発生しました。微粉スラリーは、単相液体と同様に、出力と平均密度の線形依存性を示しました。しかし、大きな粒子では異なる依存性が見られました。

ビーターホイールミル

ビータホイールミルは、石炭火力発電所の炉室で燃焼させるための石炭粉体・空気・燃料混合物を、石炭の乾燥、粉砕、分級、輸送によって製造するように設計されています。その多目的機能は、通常、許容できない振動を伴う運転不安定性をもたらします。これは通常、計画外の停止による重大な問題となります。ビータホイールミルの保守プログラムは、非定常条件下での運転のため、特別な注意が必要です。本論文の目的は、幅広い運転条件下で統計原理を用いて、ビータホイールミルの振動レベルと重大度に同時に影響を与える粉砕プロセスパラメータを特定することです。本論文は、より優れた予知保全プログラムを構築するために、粉砕プロセスパラメータとビータホイールミルの振動の相関関係を調査するための基礎を確立することを目的としています。この目的を達成するために、選択された粉砕プロセスパラメータの異なる組み合わせにおけるビータホイールミルの振動を、統計ツールを使用して分析します。実験は、2台の同一だが離れたビータホイールミルに対して、異なる条件下で実施されました。駆動モーターの電流値、ミル容量、ボイラー生産量、石炭の種類といった粉砕プロセスパラメータがミル振動に与える影響を調査し、ビーターホイールミルとその関連部品の潜在的な故障を特定し、予知保全に役立てます。その結果、選択された粉砕プロセスパラメータはビーターホイールミルの振動強度に大きな影響を与えないことが示されました。粉砕プロセスパラメータを考慮する必要がある多くの石炭ミルとは異なり、ビーターホイールインパクトミルではその必要はなく、標準的な振動状態監視手法を用いて、オフラインまたはオンラインでミルの状態監視を実施できます。

石炭バーナーの仕組み

石炭を細かく粉砕して燃焼させるという発想は、石炭を十分に細かくすれば、ガスとほぼ同等の容易さと効率で燃焼するという考えに基づいています。粉砕された石炭の供給速度はコンピュータ制御されており、ボイラーの需要と、燃料の乾燥・輸送に利用できる空気量に応じて変化します。石炭は、2つの軌道（レース）の間を移動するボールまたは円筒形のローラーの間で粉砕されます。その後、生の石炭は、ボイラーから約340℃（650°F）に加熱された空気とともに粉砕機に送り込まれます。石炭は転がりによって粉砕され、熱風によって乾燥され、燃料として利用可能な微粉炭が吹き出されます。粉砕機から排出された微粉炭は、ボイラー内のバーナーに直接吹き込まれます。バーナーは、空気懸濁液中の微粉炭と予熱された燃焼空気を混合し、ノズルから噴射します。これは、内燃機関の燃料インジェクターによって燃料が霧化されるのと同様の作用です。運転条件下では、燃焼ゾーンには流入する燃料をすべて点火するのに十分な熱が発生します。

灰の除去

炉底の灰の除去には 2 つの方法があります。

フライアッシュは煙道ガスとともに運び去られ、その経路に沿ってさまざまなホッパーで分離され、最終的に ESP またはバグ フィルターで分離されます。

現在の技術

微粉炭火力発電所は、亜臨界微粉炭（SubCPC）、超臨界微粉炭（SCPC）、超々臨界微粉炭（USCPC）の3つのカテゴリーに分類されます。これら3種類の微粉炭ボイラーの主な違いは、運転温度と圧力です。亜臨界発電所は水の臨界点（647.096 K、22.064 MPa）よりも低い温度で運転します。超臨界および超々臨界発電所は臨界点よりも高い温度で運転します。圧力と温度が上昇するにつれて、運転効率も向上します。亜臨界発電所の効率は約37%、超臨界発電所は約40%、超々臨界発電所は42～45%の範囲で運転されます。

微粉炭には、インドネシア炭や鉄鋼用炭（インド炭）など、 発熱量（CV）が異なる多くの種類があります。

蒸気機関車

微粉炭燃焼は、限定的ながら蒸気機関車にも利用されてきた。例えば、プロイセンG12を参照。

商船

In 1929, the United States Shipping Board evaluated a pulverized coal-boiler on the steamship Mercer, a 9,500 ton merchant ship. According to its report, the boiler heated with pulverized coal on the Mercer ran at 95% of the efficiency of its best oil-fuelled journey. Firing pulverized coal was also cheaper to operate and install than ship boilers using oil as fuel. First steps towards using Diesel engines as means of propulsion (on smaller ships) were also undertaken by the end of the 1920s ― see Dieselisation.[3][4]

See also

References

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