石炭火力用灰処理設備

小特集

火力発電新技術

石炭火力用灰処理設

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Handling

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Coal-Fired

ThermalPower

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石炭が火力発電所の主要な燃料としての地位を確保Lた現在,灰処理設備をいか に計画するかが重要な課題となっている｡国内実績の灰処理方式は,大谷葺化に伴 うホ･ソパ数,輸送距離の増加により複雑化する傾向にある｡石炭灰による摩耗,閉

そくなどを考慮すると,構造,制御共に単純で,信相性に富む必要があるとの観点

から,火力発電用として, (1)チェーンコンベヤを用いたクリンカ処理 (2)エアスライドを用いたフライアッシュ処理 (3)エアユダクタを用し､たシンダ灰処理 の新しいシステムの技術を確立した｡プラント条件によっては, 由でも従来の方式に比較して合理的な面があることを紹介する｡ ロ

緒

言 従来の国内の灰処理方式は水i充輸送を主体としたものであ ったが,石炭火力の大容量化に伴い,省動力,節水,灰の有

効利用などを考慮した灰処理システムが求められている｡

これらのニーズに対応するため,バブコック日立株式会社 では,昭和55年に英国BHP社(パブコック･ハイドロ･ニュー マナ･ソク社)との技術提携を基にして,欧州の経験･口立の最 新技術を取り入れて新しい灰処理システムの開発を完了L, 各種各様の条件に応じたシステムの選択,設計を可能とした｡ 灰処理設備の計画に当たっては､灰量,配置,灰捨方法, 灰の有効利用など各プラントの条件を考慮するとともに､次 の観点から最も合理的なシステムを選択することが必要であ ると考えられる｡

(1)石尿灰の性質(摩耗,閉そくなど)を考慮して,

(a)機器構造､制御共に単純で信相性に富むこと｡ (b)緊急時のバ､ソクアップを考慮Lておく とともに,メン テナンスが容易であること｡ (2)所要動力,用水量が少ないこと｡ (3)自動化が容易であること｡ 以下,本稿では上記の観点から,各種灰処理方式の概要を 述べるとともに,従来の国内実績である,プ【ル式ホッパを 用いたグリンカ処理方式,真空式又は圧ノJ式を用いたプライ ア､ソシュ処理方式に対比して,欧州を中心として実績のある チェーンコンペヤ,エアスライド及びエアユダクタを採用L た灰処理方式を説明し,プラント条件によっては､従来方式 に比べて合理的であり,優位性をもてることを紹介する｡ 臣l 灰処理システム 火力発電用燃料として使用される石炭は,炭種によって異 なるが,5∼30%の灰分を含んでいる｡ボイラ火炉での微粉 炭燃焼により区=に示すように,種々の粒径の石炭灰が生成 され､火炉及び煙道に設けられた各ホッパに落下又は摘果さ れる｡石炭灰は,高温燃焼下の炉内で溶融結合Lて成長し炉 底に落下するクリンカと,燃焼ガスに随伴して煙道各部及び

EP(電気式集塵装置)で捕集さゴtる微粒のフライアッシュ(粒

径の比較的粗いものをシンダ灰と呼んで区別する場合もあ 省動力,省用水の 節炭器 ホイラ クリンカ ホッパ 排煙脱硝装置

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EP灰 名 称 クリンカ _シンダ灰 フライアッシュ 分布例 10% 3% 6% 3ヲら 3% 75% 粒 径 1--500｢†川1 0.11mm 10､-100り[1 区= _{石炭灰手非出箇所及び分布} 石炭灰の種顆,分布,粒径例を示す.-る｡)に大別される｡ 灰処理設備はこれらの石炭灰を,間欠的あるし､は連続的に ボイラ及び煙道系外に排出し,ボイラの正常運転を保持する ことを目的とした設備である｡排出の手段により各種方式に 分類される｡更に,灰捨場所,灰拾方法,サイロの有無,灰 の有効利用,用水の循環再使用の有無などによって各種各様 の恢処理システムが実用に供されている｡図2,3に各々, クリンカ処理,フライアッシュ処王里設備系統の主要機器構成 を示す｡ 図2,3中の破線は従来国内で主とLて採用されてきた灰 処≡哩方式を,実線は本稿で紹介する欧州を中心に実績のある 新方式の灰処理方式を示す｡ 田 クリンカ処理システム ボイラ火炉から落下するクリンカを処王里するクリンカ処理 * パブコ‥ノクR￣iヒ株式会社呉+二場 *ホ _{′くブコ･ソグ日立株式会社}

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1 1 重力水洗式 チェーンコンペヤ 図2 クリンカ処理設備系統主要機器構成 すシステムが本稿で紹介する新方式を表わす.〕 空 莫

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(1)プール式ホッパ(湿式)

(2)チェーンコンーヾヤ式 がある｡クリンカホッパの形式によって必要火炉下スペース, すなわちグリンカホッパ設置高さが変化し,また灰輸送設備 が変化するので､設備計画の上で最も重要な選択と言える｡ 表lに各クリンカホッ/珊ラ式の比較を示すが,寅内事業用 火力での実績はすべてプール式であり,特に最近の大容量火 力ではW形が採用されている｡ チェーンコンベヤ式は,欧州だけでなく米国でも実績があ ること,設置スペースが′トさいこと,省水･省動力の面など から,国内大容量火力でもその採用は検討に値する方式であ ると考える｡

3.1プール式ホッパ(j量式)

図4にプール式ホッパの一例としてW形ホッパの構造を 示す｡プール式ホッパは,火炉下に設置したホッパ内にため た水の中に,クリンカを落下させ急冷破砕,貯灰するもので,

表lクリンカホッパの比!較 _{ブール式ホッパとチェーンコンベヤ式の} 比較を示す(, 項目 形式 ブール式ホッパ チェーンコンベヤ式 灰 出 し 方 法 制 御 火炉下設置スヘース!

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大 手動で処置可能 運転中は不可 +ほとんどメンテナンス不要i

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l 連続,機械かき出し

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_ ′ト ￣￣フ+1 小 ′卜 ●500汀川1角以下に限定 ●ボイラ運用で大径グノンカ発 生の抑制留意 運転中も可能 国内実績なし(たたし,産業 用では実績あり)〔) 欧州を中心に実績大て,近 年米国でも]采用が目立つ_. 定期的にアッシュゲートを開き,ホッパ内の水及びジュソテ ングノズルから噴射する水で,灰出しを行なう形式である｡ 現在国内でほこの方式が採用されており,小容量ボイラに 対しては船底形のホッパ,大容量ボイラに対Lては,図4に 示すようにすべての壁面に傾斜を付け,灰の自重で排出を可

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図4 プール式ホッパ(W形) 緊急ゲート

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駆動装置 移動車輪/ り/ 取T =二､､+⊥′ ▲け† ウ =≡∃≡≡三=二一 石炭火力用灰処理設備137 能としたW形ホッパが採用されている｡ W形ホッパは,自動化も可能であり,またホッパの構造上, 万一,内部に大径のグリンカが残留した場合でも,ホッパ壁 面に設けた突つき窓,あるいはアッシュゲート部に設けたマ ンホールから手動で破砕処理することが可能である｡ボイラ の正常運転保持の面からは,実績上,最も信索引生の高い形式 と言える｡ プール式ホッパの場合,灰出しに大量の用水を必要とする こと,また灰と大量の水が混合しスラリとなることから,脱 水槽及び水を循環使用するための灰沈降槽,貯水槽とその付 帯設備が大きなものになr),更に循環水量が多いため,運転 動力も他の形式に比較して大きなものとなる｡ 3.2 チェーンコンベヤ方式 図5にチェーンコンベヤの構造を示す｡チェーンコンベヤ は,耐火材を内張r)したドライホッパの下に設置され,上下 2段のトラフ構造となっている｡上部トラフには,火炉シー ル及びクリンカ冷却のため,常時水を一定レベルで貯留して いる｡火炉から上部トラフに落￣Fしたタリンカは,急冷破砕 されてチェーンに連結されたフライトによr)上部トラフ内を 水平に運ばれた後,コンベヤ傾斜部に達し,ここで脱水され てタリンカタラッシャ入口に連続的に運び出される｡ 図5に示すようにチェーンコンベヤと火炉間に,一時的な 貯灰が可能な緊急ドライホッパを設置することにより,万一 ポイラ +卜㌣ +■･lモー十 オーバフロー

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アッシュゲート クリンカクラッシヤ クタ や 一 ー+

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ー _{レ 一フフ} シ ジエッチングノズル 大容量火力に採用されるプール式ホッパの構造例を示す｡ ポイラ シールトラフ

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ユ オーバフローボックス 下部トラフ 図5 _{チェーンコンペヤ(ドライホッパ付き)} 緊急用ドライホッパ付きのチェーンコンベヤの構造を示す｡近年.ドライホッパを設けない例が多い｡

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テ空 プール式ホッパ 水涜L直接灰捨て チェーンコンペヤ＋ベルトコンベヤ 加湿直接灰捨て 500 発電設備容量(MW) プール式ホッパ 水流L直接灰捨て 1,000 チェーンコンベヤ十ベルトコンベヤ 加湿直接灰捨て 500 発電設備容量(MW) 1,000 図6 タリンカ処理設備のユーティリティ比較 灰輸送距離l川00 mの場合のプール式ホッパとチェーンコンベヤとの用水量及び消費動力の比重交 例を示す｡ 70-ル式ホッパ 10 5 言L)､叫 仙帽他紙卜県東

転封

チェーンコンペヤ(緊急ドライホッパ付き)

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チェーンコンペヤ(緊急ドライホッパなL) 500 発電設備容量(MW) 1,000 図7 クリンカホッパ火炉下設置高さの比較 プール式ホッパとチ ェーンコンベヤとの火炉下設置高さの比重交例を示す｡ のチェーン切断などのトラブル時,ドライホッパ出口ゲート を閉として,チェーンコンベヤ全体を火炉下から抜き出すこ とによりボイラ運転中でもメンテナンスが可能となっている ため,信頼性の高い方式と言える｡ 近年,実缶での緊急ドライホッパの使用を余儀なくされる トラブルは極めて少ないことから,緊急ドライホッパなしで 直接チェーンコンベヤを火炉下に設置するケースが増加し, 現在米国で採用されているチェーンコンベヤの多くがこのタ イプである｡ 本方式は前述のプール式ホッパと異なり,連続排出である ことから,制御はチェーン速度の調節だけとなり,単純で自 動化には最適な方式である｡ また,図6に直接灰捨する場合のユーティリティ消費量の 比較を,図7に火炉下設置高さの比較を示す｡図6から基本

的に用水量,消費動力の面で,設備容量が大きいほど優位性

をもつことが分かる｡更に,脱水槽,灰沈降槽,貯水槽など の付帯設備が不要となるばかりでなく,火炉下設置高さが小 さいことにより,ボイラ建屋を低くすることができる｡ 本方式は,国内事業用火力での採用実績はないが,欧州を 中心に多くの実績があり,更に近年米国でも,多く使用され てきている｡ 本方式の採用に当たっては,排出クリンカの大きさに制限 があることからボイラの運用との協調をとること,ベルトコ ンベヤなどの設置に伴う配￣置面の協調をとることが必要とな るが,上記したように,省動力の面からも,国内火力で】采用 が検討されている｡ 【】 _{フライアッシュ処理システム} フライアッシュ処理システムとして先の図3に示すよう に,基本的なものとして, (1)真空式 (2)圧力式 (3)ェアエダクタ･圧力式 (4)エアスライド式 の方式及びこれらの組ノ合せ方式が実用に供されている｡ 従来の寅内実績の多くは,真空式であr),真空空気i原とし て,高圧水を使用したハイドロバクタ(水エゼクタ)が多く採 用されている｡近年,灰処理用水に含まれる灰がフライアッ シュで細かく,後処理が困難なことから,バグフィルタを用 いて後流に真空ブロワを設ける例が多くなっている｡ この真空方式は輸送圧力(真空度)に限界があるため,輸送 距離,輸送容量の面で大容量火力ヘの単独での適用は合理的 でないことから,最近の国内大容量火力では各部灰ホッパ下 に二重ダンパで仕切られたブロータンクを直接設置し,高圧 空気で圧力輸送する圧力式が採用されている｡ いずれの方式も国内で十分実証された方式ではあるが,原 理的に,灰供給部及び灰の分離部でのダストシール弁が多数 必要である｡このダストシール弁は,開閉制御が複雑であり, リークにより運転不能トラブルを引き起こすことから,ダス トシール部のメンテナンス管理が,プラントの正常運転保持 のかなめとなる｡設備の大容量化に伴い,ダストシール面の ぐbTノ 注:･:至ノ輸送室,しbノ空気室,せ〕ヰヤンバス 囲8 エアスライド

石炭火力用灰処理設備139

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中継タンク ブロークンク フライアッシュ サ イ ロ 図9 _{エアスライド,エアエダクタ系統} シンダ灰にエア工ダクタ, EP灰にエアスライドを用いたフライアッシュ処理系統例を示す｡ 100

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-R 50 扁i 軟 テ竺 100

望

fく 50 扁 軟 禁 0 500 発電設備容量(MW) (a)サイロ回収方式(輸送距離500m) ェァスライド 1,000 0 ₅₀₀ 発電設備容量(MW) (b)直接灰捨方式(輸送距離1,000m) 1.000 図川 _{フライアッシュ処王里設備の消費動力の比較} 真空･圧力空気 輸送方式とエアスライド方式との直接灰捨て及びサイロ回収する場合の消費動 力の比較を示す｡ 数が増加し,その管理を困難なものとしている｡ 以上のような従来方式の問題点を解決する方式として,エ アスライド,エアユダクタを採用した灰処理方式がある｡こ れらの方式はダストシール部を必要とせず,構造及び制御が 単純であり,信頼性が向上するとともに,消費動力の低減が 図れることからも,今後の大容量火力にその採用を検討する に値する方式と考えるので,以下に紹介する｡

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エアスライト 靡 図II _{EPホッパ部エアスライド配置例} 緊急灰捨てトラック通路を 考慮したEPホッパ部のエアスライド配置例を示す.-. 4.1 _{エアスライド} 図8にエアスライドの構造を,図9にエアユダクタと組み 合わせた系統例を示す｡エアスライドは,キャンバスを通じ て低圧･低流量の空気で灰を手充動化し,傾斜によって灰を連 続的にi充下移送する方式である｡ エアスライドの採用により,他方式に比べ,消費動力の大 幅な低i戒が図れる｡灰供給部に可動部品及びダストシール部 がないので,信頼性が高く,制御不要であることなどから, 欧州を中心に大容量石炭火力に対し多くの実績をもつ方式で ある｡ エアスライドは原理上取合ホッパ高さを高くするなど配置 上の制約を受け,かつ移送距離に制限があるのでホッパ近傍 に中継タンクを設ける｡ 直接灰捨ての場合は,中継タンク部で加湿して/ヾルトコン ベヤにより輸送する｡ サイロ捕集の場合は,エアスライドにより各ホッパの灰を

中継タンクに集め,ブロータンクでサイロに再輸送するシス

テムが採用される｡ブロータンクのj采用により空気輸送方式 としては最高の効率が得られ,全体として消費動力の低減が 図れる｡また,ブロータンクのダストシール面だけのメンテ ナンス管理で運用が可能であるため,エアスライドとブロー タンクの組合せは,輸送距離,輸送答量及びメンテナンスの 面で大容量火力のEP灰処理に適した方式と言える｡ 図川に従来の方式とエアスライドをj采用した方式との消費 動力の比較を示すが,容量が大きいほど有利であることが分 かる｡ 図11はEPホッパ下エアスライドの配置例を示す｡エアスラ イドによってう垂続的に排出された灰は,中継タンク部で加湿 機によi=J口湿され,ベルトコンベヤで灰捨てされる例である｡ また,EPホッパを高く設置し,下部にトラックの通れるス

フライアッシュ 空気

＼

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フライアッシュ混合空気 図ほ _{エア工ダクク ェァェダクタの断面構造を示す｡} ペースを確保するとともに,各ホッパには緊急灰出しシュ山 トを設けてバックアップとした例である｡ 4.2 _{エアエダクタ} 先の図9にシンダ灰処理用としてエアユダクタを使用した 系統例を,図12にエアユダクタの構造を示す｡ エアユダクタはゲージ圧0.5∼1kg/cm2の中庄空気を使用 した空気エゼクタ灰供給機であり,灰の入口部は負庄で,ホ

=軒

文

論

･.-1＼:ノ

2∼ノー)ノ

ッパへ空気を吹き上げることなく,良好な灰落ちが確保でき る｡灰供給部に可動部品がないため信相性が高く,制御はホ ッパ弁及び空気供給弁の開閉だけで単純である｡なお,輸送 可能距離が短く,エアスライド同様,ホッパ近傍に中継タン クの設置が必要である｡ エアエダクタは,配置及び温度の面でエアスライドの設置 が困難な節炭器(Eco),空気予熱器(AH)ホッパなどのシンダ 灰処理用としてj采用される｡EP灰用としても,エアユダクタ の使用ほ可能であるが,消費動力はエアスライドよr)大きい ので,エアスライドと組み合わせて,全体の省動力を図るの が合理的である｡ 切 結 言 石炭燃焼火力発電所の灰処理方式は,発電プラントの経済 性を左右する重要な課題の一つであり,多種多様な方式が実 用に供されている｡ 前項までに説明した新方式の灰処理設備は,構造,制御が 単純であり,システム上,省動九 _{省用水,灰の有効利用な} どの点で極めて有利な特徴をもっていることから,今後の新 規プラントに対しては,これらの方式を採用するよう提案し ていきたい｡ 石炭灰の有効利用,省動力などの観点から,本稿が灰処理 設備計画の一助になれば幸いである｡ 参考文献 1)長井,外:灰処理システムと灰の有効利用,日立評論,62,4, 297∼300(昭55-4) 2)玉貫,外:石炭灰処理システムと有効利用技術,フジ･テクノシス テム社,石炭火力発電所における灰処理設備,217∼251(昭56-9)

量子力学における最近の話題

日立製作所

外村

彰

電子通信学会誌

_{67-9,982∼984(昭59-9)}

電場とか磁場とかいうものは,一休何な のだろうか｡例えば､空間の一一.-.耳に電場E があるということは,そこがどのような状 態にな一ンているのか亡､残念なからその素 朴な問いにうま〈答えることはできない｡ せいぜい,｢そこに電場というものがあって. 単位電荷をもってくると,亡の力が働〈二:+ とし､う程度である｡ しかL,これは古典力学の範囲での説明 であるこ∵電子を披と見る量J′･力学では通用 しない｡電子波にノJが働〈と言われても, 波がどのような姜卓う響を′受けるのか分からな い｡ここで登場するのが,ポテンシャルで ある｡ポテンシャルならば,｢ノJ+を持ち出 すことなく,電子波の位相を変化させる量 として理解できるu これまでポテンシャルは,電磁気の問題 を解くための数学的な道具と思われてきた が､ニのように考えてくると,電場や磁場 と同じ資格で実在すると考えなければなら ないのではないだろうか｡いや,それどこ ろではない｡/今では,ポテンシャルのほう が,より基本的な量と考えられている.コ そ う考えぎるを得ない証拠もそろっている｡ それは,AB(アハラノフ･ボーム)効果で ある｡磁場のない場所を通る電子波が,ベ クトル･ポテンシャルによって,｢位相差+ の形で物理的な影響を受ける,というもの で理論･実験の両面から確かめられている｡ このAB効果は1970年の後半になると, 急に重要性を増す｡自然界のあらゆる現象 を統一的に取り扱う｢ゲージ場の理論+が 登場し,その理論を裏づける現象と見なさ れるようになったのである｡この理論では, ベクトル･ポテンシャルは拡張されて｢ゲ 【ジ場+と呼ばれ,最も基本的な物理量に なる｡ ところが,AI∋効果を子細に検討し直し た結果,理論上からは存在し得ないと主張 する人が現われた｡昔の実験も決定的では ないと言う｡近くに置いたソレノイドから 磁場が漏れていた可能性があり,ベクトル･ ポテンシャルの効果で位相差が生じたとは 断定できない( この論争が激しくなったころ,ちょうど 軍者らは干渉性の良い電了一線を開発し,電 子線ホログラフィーと呼ばれる技術を実現 したところであった｡この手法では,わず かな磁場の漏れも,1王墓的に観測すること ができる｡そこで,AB効果の存否を確か める決定的な実験を計1和した〔,まず,ソレ ノイドでは,端から磁場がi■削′してしまうの で,極めて′トさなドーナツ状の磁石を半導 体の微細加工技術で作製した｡磁力線はド ーナツの内部を回転して外には出てこない｡ 万一漏れたときには,電子線ホログラフィ ーでその量を測定できる｡そして,このド ーナツの穴の中と,外側の空間を通った電 子線の位相差を実測Lた結果,2本の電子 線はいずれも磁場のない所を通ってきたに もかかわらず,両者の間に位相差が検出さ れた｡ベクトル･ポテンシャルによって影 響を受けたと考えるほかなし､｡