成果報告書詳細
管理番号20100000001958
タイトル平成21年度-平成22年度成果報告書 クリーン・コール・テクノロジー推進事業 CO2排出量削減のための産業用石炭ボイラの利用状況把握及び効率改善手法の検討
公開日2010/10/26
報告書年度2009 - 2010
委託先名出光興産株式会社
プロジェクト番号P92003
部署名環境部
和文要約 本調査では国内産業用石炭ボイラの利用状況を把握すると共に、CO2排出量削減のために効率改善やバイオマス利用の可能性を検討した。
 国内産業用石炭ボイラの総蒸発量はおよそ45千t/hrであり、76%は鉄鋼、化学、紙パ業界が保有している。この内3/4を微粉炭ボイラが占め、微粉炭ボイラに限っては、35%が鉄鋼、29%が化学、15%が紙パ業界と3業種で79%を占める。
 化学業界は単機能力が大きく平均で約300t/hrであり、400t/hr以上の大型ボイラ基数が最も多い。一方、紙パ業界では平均250t/hrであり、100-200t/hrの小型ボイラが全体の40%を占める。又全業種計で1990年以前に運開したボイラが全体の50%を占める。
 近年、高水分で低発熱量の亜瀝青炭の使用比率が増加している。特に、IPPや化学業界等、石炭消費量が大きな業種で顕著であり、水分の増加によるボイラ効率の低下が懸念される。
 化学工場と製紙工場の微粉炭ボイラの現状を調査した。ボイラ効率は時間変化(=ボイラ負荷変化)により大きく変化する一方、炭種によっても大きく変動する。運転管理により、ボイラ効率の改善が期待できることがわかった。
 本調査では、運転改善と設備改造の二つの観点からボイラ効率改善の可能性を検討した。運転改善による高効率化ではコンピュータシミュレーションを用いた効率改善事例を調査した結果、ボイラ毎に程度は異なるが、運転改善により未燃率の低減は可能であり、CO2排出量の0.2%-1.2%の低減が可能であることが示唆された。
 一方、設備改造では、蒸発量300-700t/hの微粉炭ボイラを対象に、排ガス温度の低減、空気予熱器漏洩空気量の低減、バーナーの取替え、微粉炭粒度の微粉化、石炭中水分低減等の対策等を取ることにより、1.0-3.0%程度の効率改善の可能性が示唆された。
 CO2排出量低減策として、バイオマスの導入が紙パルプ業界を中心に進んでいる。現在は技術的に容易な循環流動層ボイラでの石炭との混焼が中心であるが、微粉炭ボイラにおいても混焼比率の増加が検討されている。微粉炭ボイラでの木質系バイオマスの混焼には特に粉砕性について十分な検討が必要である。
 既設ミルの上流側で石炭燃料と木質系バイオマス燃料を混合し、ミルで両燃料を一緒に混合粉砕するケースでは木材チップなどは入熱比で約3cal%まで、また比較的、粉砕性の優れた木質ペレットでは入熱比で約10cal%までの混焼が可能と考えられる。また、専用粉砕機を追設することで、更なる混焼比率の増加が可能である。
 燃料コストが競争力に直結する一般産業分野では、石炭の利用を増やすと共に、省エネ努力によって世界的にも高いエネルギー効率を達成してきた。一方で、多炭種化や設備の老朽化による効率低下、製品需給に合わせた負荷変動による効率低下等が懸念されている。本調査において「運転改善」と「設備改造」の両面からボイラ効率を改善することで、4-5%程度の改善が見込め、これを国内の産業用既設微粉炭ボイラに適用した場合、340万t- CO2 /年の削減が可能であることが示唆された。
 産業用石炭ボイラの規模や製造時期は様々であり、画一的な対応は困難であることから、ボイラ個々の現状を踏まえた木目細かな対策が必要である。バイオマス混焼の更なる併用と相まって、これらを多方面の産業分野に普及していくためには政策的な展開が望まれる。
英文要約In this study, in addition to understanding the usage situations of domestic industrial coal boilers, we reviewed methods to improve their efficiency or the possibility of the use of biomass for the purpose of CO2 emission reduction,
Total capacity of domestic industrial coal boilers is approximately 45,000t/hr, and 76% of them are owned by the steel, chemical, paper pulp industries. Out of the boilers, 3/4 is occupied by pulverized coal boilers. Regarding the pulverized coal boilers, 35% of them is occupied by the steel industry, 29% by the chemical industry, and 15% by the paper pulp industry, and that is, 79% is occupied by three industries.
As for the chemical industry, its industrial boilers are relatively large-capacity ones, and their average capacity is approx. 300t/hr (per unit). In addition, the largest numbers of large boilers with a capacity of 400t/hr or more are owned by the chemical industry. On the other hand, as for the industrial boilers of the paper pulp industry, their average capacity is 250t/hr, and 40% of them are occupied by compact boilers with a capacity of 100-200t/hr. Furthermore, as for the boilers of all industries, 50% of them are occupied by the boilers manufactured before 1990.
Recently, the ratio of use of subbituminous coal with high moisture content and low calorific value has increased. The increasing tendency is noticeable in industries where a lot of coals are consumed, especially, in IPP and the chemical industry and so on, and the decrease in boiler efficiency is a concern because of the increase in moisture( in general, the use of high-moisture coal increases the sensible heat of moisture and the loss of latent heat).
In a chemical factory and a paper factory, the current conditions of pulverized coal boilers were investigated. The boiler efficiencies were greatly changed depending on not only time variation (=the change of boiler load) but also the grade of coal. This led to the conclusion that improvements in boiler efficiency can be expected under the appropriate operational control of a boiler.
In this study, the possibility of improvements in boiler efficiency was studied from two standpoints, “Operational Improvements” and “Modifications of Equipments”. In the high efficiency of a boiler caused by operational improvements, through computer simulations, the cases of improvements in boiler efficiency were investigated. As a result, it was found that the reduction in the ratio of unburned coal and a 0.2-1.2% reduction in CO2 emission were possible through improvements in operations although the reduction rate varied depending on the boiler.
On the other hand, regarding improvements in boiler efficiency caused by the modifications of equipments, it was found that through countermeasures such as the lowering of exhaust gas temperature, the reduction in leakage of air from an air preheater, the replacement of burners, the particle size reduction of pulverized coal, the reduction of moisture in coal, and so on, an approx. 1.0-3.0% efficiency improvement was possible for coal combustion boilers with a steam flow of 300-700t/hr.
One of the measures for CO2 emission reduction, the introduction of biomass has spreaded mainly in paper pulp industries. Currently, a multi-fuel combustion in which biomass is combusted together with coal in a circulating fluidized bed boiler is popular since the firing is technically easy. On the other hand, regarding pulverized coal boilers, the rise in the ratio of co-combusted materials is under review. When wood-based biomass is combusted together with coal in a pulverized coal boiler, especially, it is necessary to consider the grindability of those fuels carefully.
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