JP5560815B2 - クリンカーの付着防止剤及びクリンカー付着防止方法 - Google Patents

Description

本発明はクリンカー付着防止剤及びクリンカーの付着防止方法に係り、特に廃棄物焼却炉、廃棄物溶融炉（特にガス化溶融炉）、廃棄物発電施設等の燃焼炉内や、排ガス煙道、熱交換部（廃熱ボイラ、スーパーヒーター、空気予熱器）等における付着物（以下「クリンカー」と称す。）を効果的に防止ないしは低減して、当該熱交換部等におけるクリンカーに起因する腐食や閉塞、伝熱阻害の低減、冷房設備における負荷の低減を図るクリンカー付着防止剤及びクリンカーの付着防止方法に関する。

廃棄物焼却炉、廃棄物溶融炉（特にガス化溶融炉）、廃棄物発電施設（廃プラスチック、シュレッダー、廃タイヤ等の廃棄物、ＲＤＦ／ＲＰＦ等のゴミ固形燃料又はバイオマス発電等の廃棄物由来の燃料による発電施設）等の燃焼炉やその排ガス煙道、特に、これらの熱交換部（廃熱ボイラ、スーパーヒーター、空気予熱器）においては、排ガス中の成分に由来する付着物が付着、成長して堆積することにより、様々な障害をもたらす。

このクリンカーの付着現象は、被燃焼原料由来の成分と燃焼助剤の成分などが反応して生成した化合物が周辺温度より低い融点を持った場合に、灰分が溶融、溶着して、ボイラ内壁などの熱交換部に付着、成長することによるものである。特に、熱交換部への付着物は、主に排ガス中のＳＯｘ、特にＳＯ_２が酸化されてＳＯ_３、ＳＯ_４になることにより生成した硫酸化合物（芒硝、石膏など）が３００〜９００℃付近に融点を持つため、熱交換部で溶融、溶着することが原因と考えられている。これらクリンカーの付着現象は、伝熱阻害、熱交換部チューブの腐食、チューブ間の閉塞など種々の障害を引き起こし、安定運転を阻害する原因となり得る現象であることから、従来より大きな問題となっていた。

この問題に対して、特に廃棄物焼却施設などでは、数週間に一度、設備の運転を止めてボイラ内などに作業員が入り、付着している灰分を剥離する清掃作業を行っている。しかし、この清掃作業の頻度が上がることで清掃によるコストも高騰する上に、設備停止による熱交換器の熱回収効率が低下し、本来の発電効率が得られない等の問題が生じている。また、このような清掃作業を行っていても、場合によっては熱交換器のチューブ等のクリンカー付着部に腐食が生じ、運転の停止を余儀なくされるケースも見受けられる。

近年、燃焼設備において、煙道にクリンカー付着防止剤を噴霧したり、燃料にクリンカー付着防止剤を添加して燃焼させたりすることによって、クリンカーの付着性の低減やクリンカーの剥離や脆弱化の促進を図り、クリンカー付着による障害を低減する試みがなされている。

例えば、特許文献１においては、廃棄物焼却炉、廃棄物溶融炉又は廃棄物発電施設において、マグネシウム、鉄、及びケイ素よりなる群から選ばれる１種又は２種以上を含む排ガス処理剤を、煙道、ボイラ、空気予熱器、減温塔、及び空気加熱器のいずれかの部位に注入することにより、排ガスライン、特に熱交換部（廃熱ボイラ、スーパーヒーター、空気予熱器）等における排ガス中成分に由来する付着物を効果的に低減する方法が開示されている。

また、特許文献２においては、粒径０．１〜１０μｍのＭｇ化合物、Ｓｉ化合物又はＦｅ化合物の粉末と、粒径３〜２００ｎｍの超微粒子状のシリカ化合物と、アルカリ金属化合物とを水及び／又は油に分散させた組成物よりなるスラッギング防止用の燃料添加剤が開示されている。

特開２００６−１０５５７８号公報 特開２００３−２６１８９０号公報

しかし、上記従来のクリンカー防止技術だけでは未だ十分かつ確実なクリンカー付着抑制効果が得られているとはいえない。

本発明は、燃焼炉又は燃焼炉からの排ガスに添加して、クリンカー付着防止ないし抑制効果を有効に発揮するクリンカー付着防止剤と、このクリンカー付着防止剤を用いたクリンカーの付着防止方法を提供することを目的とする。

本発明者は、上記課題を解決すべく鋭意検討した結果、従来技術では十分なクリンカー付着防止効果が得られない理由として、次のようなことを見出した。
即ち、従来においてはクリンカー付着防止剤の粒子径の最適化がなされていないため、燃焼炉又は燃焼炉排ガスに添加されたクリンカー付着防止剤は、排ガス流に乗ってボイラ水管等のクリンカー付着箇所に到達するものの、薬剤のほとんどがクリンカー付着箇所やクリンカーに堆積することなくガス流に乗ったまま通り抜けてしまい、薬剤のクリンカーへの混入量が少なく、効果的にクリンカー付着が抑制できないという問題が生じていた。
また、クリンカー付着防止剤がクリンカーに混入されても、クリンカーと薬剤の比重の差が小さい場合には、クリンカーの脆弱化効果が小さいものとなっていた。

本発明者は、上記知見に鑑み、クリンカー付着防止剤の粒子径と嵩密度を調整することにより、クリンカー付着防止剤をスムーズに排ガス流に乗せてクリンカー付着箇所に到達させ、かつ効率良くクリンカー付着箇所やクリンカーに堆積させて、クリンカーへのクリンカー付着防止剤の混入量をより多くすると共に、優れた焼結遅延効果を得ることができることを見出した。
本発明はこのような知見に基いて達成されたものであり、以下を要旨とする。

［１］ 燃焼炉又は燃焼炉からの排ガスに添加してクリンカーの付着を防止するクリンカー付着防止剤において、マグネシウム化合物を含み、ＪＩＳ Ｒ １６２８における嵩密度が０．１〜０．９ｇ／ｍｌで、平均粒子径ｄ５０が１〜２０μｍであることを特徴とするクリンカー付着防止剤。

［２］ ［１］において、予め６００℃以上で加熱処理されていることを特徴とするクリンカー付着防止剤。

［３］ ［２］において、６００℃以上での加熱処理により、加熱処理前の嵩密度に対して嵩密度が２５％以上低下することを特徴とするクリンカー付着防止剤。

［４］ マグネシウム化合物を含み、ＪＩＳ Ｒ １６２８における嵩密度が０．１〜０．９ｇ／ｍｌで、平均粒子径ｄ５０が１〜２０μｍであるクリンカー付着防止剤を、燃焼炉又は燃焼炉からの排ガス中に添加することを特徴とするクリンカー付着防止方法。

［５］ ［４］において、前記クリンカー付着防止剤は、予め６００℃以上で加熱処理されたものであることを特徴とするクリンカー付着防止方法。
［６］ ［５］において、前記クリンカー付着防止剤は、６００℃以上の加熱処理により、加熱処理前の嵩密度に対して嵩密度が２５％以上低下することを特徴とするクリンカーの付着防止方法。

粒子径と嵩密度が適切に制御された本発明のクリンカー付着防止剤であれば、次のような作用効果により、優れたクリンカー付着防止ないし抑制効果を得ることができる。

即ち、所定の粒子径の本発明のクリンカー付着防止剤は、燃焼炉又は燃焼炉からの排ガスに添加された際、排ガス流に乗って円滑にクリンカー付着箇所に到達し、かつ効率良くクリンカー付着箇所やクリンカーに堆積して、クリンカーにより多く混入して本来のクリンカーの付着抑制効果を有効に発揮させることができる。
また、嵩密度が適切に制御された本発明のクリンカー付着防止剤では、以下のようなクリンカーの焼結遅延効果で従来品と比較してクリンカーをより柔らかく改質することができ、改質したクリンカーは、自重やスートブローで簡単に剥離し、クリンカーが容易に崩壊するため、クリンカーが堆積することによる閉塞トラブルも減少させることができる。
即ち、クリンカーが炉内で硬くなる要因は焼結による影響が大きいが、本発明のクリンカー付着防止剤を添加することにより、クリンカー内で良好な焼結遅延効果が得られる。そのメカニズムは、薬剤粒子の嵩密度が小さいため、クリンカー中の空隙率を大きくすることができることによる。焼結は粒子と粒子の空間を小さくしようとする現象であるため、空隙率が大きいほど焼結速度は遅くなる。本発明のクリンカー付着防止剤では、この現象を利用してクリンカーが焼結により固化する速度を遅延させてクリンカーを柔らかく改質する。

本発明のクリンカー付着防止剤では、このように、適切な粒子径であることによるクリンカーへの歩留り向上効果と、適切な嵩密度であることによる優れたクリンカーの焼結遅延効果とで、従来よりも少ない添加量でより高いクリンカーの付着防止ないし抑制効果を得ることができる。

本発明によれば、焼却炉、溶融炉、回収炉、発電設備の煙道や熱交換部（廃熱ボイラ、スーパーヒーター、空気予熱器）へのクリンカーの付着を低減ないし抑制し、特に熱交換部におけるクリンカーに起因する腐食や伝熱阻害の低減、冷却設備における負荷低減、とりわけ、熱交換器伝熱面における伝熱阻害や基材腐食の抑制、及び灰分の付着によるプラント内の閉塞防止を図ることができ、長期に亘り、安定した運転を維持することが可能となる。

以下に本発明の実施の形態を詳細に説明する。

本発明のクリンカー付着防止剤は、マグネシウム化合物を含むものであり、そのマグネシウム化合物としては、例えば炭酸マグネシウム、酸化マグネシウム、水酸化マグネシウム、酢酸マグネシウム、ドロマイト等が挙げられるが、これらのうち、炭酸マグネシウム、酸化マグネシウムがクリンカー付着防止効果が高く、好ましい。
これらのマグネシウム化合物は、１種を単独で用いてもよく、２種以上を併用してもよい。

本発明のクリンカー付着防止剤は、マグネシウム化合物を必須成分とするものであるが、マグネシウム化合物以外の他の薬剤、例えば、シリカや鉄系化合物、その他酸性ガス中和剤等を含有していても良い。ただし、本発明のクリンカー付着防止剤は、マグネシウム化合物によるクリンカーの焼結防止効果を有効に得る上で、全クリンカー付着防止剤の５０重量％以上はマグネシウム化合物であることが好ましい。

マグネシウム化合物、或いは必要に応じて配合されるマグネシウム化合物以外の薬剤を含む本発明のクリンカー付着防止剤は、ＪＩＳ Ｒ １６２８における嵩密度が０．１〜０．９ｇ／ｍｌであることを特徴とする。この嵩密度が大き過ぎると、本発明によるクリンカーの焼結遅延効果を十分に得ることができない。ただし、嵩密度が過度に小さいとクリンカー付着防止剤がクリンカー付着箇所にて慣性衝突しにくくなり、クリンカー付着箇所へ効率良く歩留まらなくなる。クリンカー付着防止剤の嵩密度は、０．１５〜０．８５ｇ／ｍｌであることが好ましく、０．２〜０．６ｇ／ｍｌであることがさらに好ましい。

また、マグネシウム化合物、或いは必要に応じて配合されるマグネシウム化合物以外の薬剤を含む本発明のクリンカー付着防止剤は、平均粒子径ｄ５０が１〜２０μｍであることを特徴とする。この平均粒子径ｄ５０が大き過ぎても小さ過ぎても本発明によるクリンカーへの歩留り向上効果を十分に得ることができない。クリンカー付着防止剤の平均粒子径ｄ５０は、０．１〜２０μｍであることが好ましく、１〜１２μｍであることがさらに好ましい。

本発明のクリンカー付着防止剤は燃焼炉又は燃焼炉の排ガスへの添加に先立ち、６００℃以上、好ましくは６００〜１２００℃で予め加熱処理されたものであってもよい。即ち、本発明のクリンカー付着防止剤は加熱処理により、上記嵩密度に調整されたものであってもよく、加熱処理により嵩密度を小さくしてより一層良好なクリンカー付着防止効果を得ることができる。この加熱温度が低過ぎると加熱処理による嵩密度低減効果を十分に得ることができず、高過ぎると加熱コストが高騰し好ましくない。

この場合、加熱処理は空気中でも不活性ガス中でもよく、真空中であってもよい。また、加熱処理時間には特に制限はないが、短か過ぎると加熱処理による嵩密度低減効果を十分に得ることができず、長過ぎてもそれに見合う嵩密度の低減効果は得られないことから、０．５〜２時間程度とすることが好ましい。

このような加熱処理を行う場合、加熱処理により、加熱処理前の嵩密度に対して、嵩密度が２５％以上低下する薬剤であることが好ましい（以下、この加熱処理による嵩密度の低下率を「嵩密度の加熱処理低下率」と称す。）。この嵩密度の加熱処理低下率が２５％未満の薬剤では、加熱処理による嵩密度低下の効果が低く、加熱処理コストに見合う効果が得られない。嵩密度の加熱処理低下率は大きい程、加熱処理を行う薬剤として好適であり、より好ましくは嵩密度の加熱処理低下率は３５％以上であるが、通常のマグネシウム系薬剤の嵩密度の加熱処理低下率の上限は１０％程度である。

本発明のクリンカーの付着防止方法では、上述のような嵩密度及び平均粒子径ｄ５０を有するマグネシウム化合物を含むクリンカー付着防止剤を、粉末状又はスラリー状で燃焼炉又は燃焼炉からの排ガスに添加する。

クリンカー付着防止剤は、通常、クリンカー付着が問題となる箇所又はその前段（排ガス流路の上流側）に添加される。その添加箇所としては、具体的には、燃焼炉内、排ガス煙道、ボイラ、空気予熱器、減温塔、空気加熱器等のいずれか１以上が挙げられるが、特には、クリンカーの生成防止対象箇所の直前の煙道に添加するのが好ましい。

クリンカー付着防止剤の添加量は、クリンカーの付着傾向や添加箇所等によっても異なるが、排ガス煙道に添加する場合は、排ガス中の飛散煤塵量の５〜３０重量％とすると好ましい。また、燃焼炉に投入される燃料に添加する場合は燃料の灰分に対して５〜３０重量％とするのが好ましい。クリンカー付着防止剤の添加量が少な過ぎると十分なクリンカー付着防止ないし抑制効果を得ることができず、多過ぎても添加量に見合う効果を得ることができず、不経済である。

クリンカー付着防止剤の添加方法は連続添加でも良いし、１日当たり１〜１０回、１回当たり数分〜数時間の間欠注入でも良い。本発明のクリンカー付着防止剤は付着物の脆化効果、剥離効果でクリンカーの付着堆積を防止するものであるため、間欠注入でもクリンカー付着防止剤を添加することで、嵩密度が低く、付着力の弱い付着層が形成されれば、その上に形成された嵩密度が高く、付着力の強いクリンカーの自重でクリンカーが剥離するという効果が狙える。また、連続添加することで付着物を脆化させることができれば、例えばボイラ等ではスートブローによる物理的作用を併用することでクリンカーを容易に剥離することが可能になる。

クリンカー付着防止剤の添加装置の設置には、予め設備内のクリンカー付着箇所を確認しておき、その近辺にノズル設置口を加工して設ける。但し、予めスートブローのライン、点検用のフランジなど、ノズル設置口に代用できるものがあれば加工の必要はない。ノズルの設置口を確保したら、炉を立ち上げる前にクリンカー付着防止剤の添加装置を設置し、炉が立ち上った後、暫くして炉内の運転が安定した段階でクリンカー付着防止剤を噴霧し始める。

クリンカー付着防止剤は、これを定量供給した後、コンプレッサー、ブロアなどでクリンカー付着防止剤を圧送するか、又は既設の冷却用空気、助燃用空気を用いる場合もコンプレッサー、ブロアなどで冷却用空気、助燃用空気配管にライン注入して移送する方法を採用することができる。また、ロードセル等で重量測定し、測定値からフィーダーなどの供給部を制御するフィードバック方式で所定量のクリンカー付着防止剤の供給を行っても良い。

本発明のクリンカー付着防止剤は、他の粉末状又は液体状のクリンカー付着防止剤と共に使用することができるが、その場合、特定の平均粒子径ｄ５０及び嵩密度の薬剤を用いることによる本発明の効果を有効に発揮させるために、平均粒子径ｄ５０や嵩密度が異なる他の粉末状の薬剤や液体状の薬剤とは別に添加することが好ましい。

以下に、実際の燃焼炉又は燃焼炉からの排ガスへの添加を模擬する、クリンカー破砕物の焼結防止効果を評価する実施例及び比較例を挙げて本発明をより具体的に説明する。

［実施例１〜９、比較例１〜３］
クリンカー破砕物に、表１に示す平均粒子径ｄ５０及び嵩密度のマグネシウム化合物を、表１に示す割合（クリンカー破砕物に対する重量割合）で添加混合し、８ｋｇｆ／ｃｍ^２の圧力をかけて圧縮成型したものを加熱炉で８００℃（クリンカー付着箇所雰囲気温度）で１時間加熱した。
その後、常温に冷却した各サンプルを山中式土壌硬度計を用いて侵入深さを測定した。侵入深さｍｍを圧力に換算したものを圧縮強度（ｋｇｆ／ｃｍ^２）として求め、結果を表１に示した。

表１より、平均粒子径ｄ５０及び嵩密度が本発明の範囲内にあるマグネシウム化合物を用いることにより、クリンカー破砕物との圧縮成型焼結物の焼結強度を著しく低下させることができ、クリンカーを脆弱化してクリンカーの付着、堆積を有効に防止することができることが分かる。

［実施例１０〜１２］
比較例１、実施例５及び比較例３で用いたマグネシウム化合物を、１０００℃で１時間加熱したところ、表２に示すように嵩密度が低下した（平均粒子径ｄ５０はいずれも同等である。）。このように加熱処理により嵩密度が低下したマグネシウム化合物をクリンカー破砕物に添加したこと以外はそれぞれ比較例１（実施例１０）、実施例５（実施例１１）及び比較例３（実施例１２）と同様にして圧縮成型、加熱及び圧縮強度の評価を行い、結果を表２に示した。

表２より、加熱処理を行うことにより嵩密度が低減するマグネシウム化合物を予め加熱処理を行って嵩密度を小さくして用いることにより、クリンカー付着防止効果を向上させることができることが分かる。

Claims (6)

1. 燃焼炉又は燃焼炉からの排ガスに添加してクリンカーの付着を防止するクリンカー付着防止剤において、マグネシウム化合物を含み、ＪＩＳ Ｒ １６２８における嵩密度が０．１〜０．９ｇ／ｍｌで、平均粒子径ｄ５０が１〜２０μｍであることを特徴とするクリンカー付着防止剤。
2. 請求項１において、予め６００℃以上で加熱処理されていることを特徴とするクリンカー付着防止剤。
3. 請求項２において、６００℃以上での加熱処理により、加熱処理前の嵩密度に対して嵩密度が２５％以上低下することを特徴とするクリンカー付着防止剤。
4. マグネシウム化合物を含み、ＪＩＳ Ｒ １６２８における嵩密度が０．１〜０．９ｇ／ｍｌで、平均粒子径ｄ５０が１〜２０μｍであるクリンカー付着防止剤を、燃焼炉又は燃焼炉からの排ガス中に添加することを特徴とするクリンカー付着防止方法。
5. 請求項４において、前記クリンカー付着防止剤は、予め６００℃以上で加熱処理されたものであることを特徴とするクリンカー付着防止方法。
6. 請求項５において、前記クリンカー付着防止剤は、６００℃以上の加熱処理により、加熱処理前の嵩密度に対して嵩密度が２５％以上低下することを特徴とするクリンカーの付着防止方法。