JP2017190268A - Ｅｆｂを原料としたケイ酸カリ肥料の製造装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ケイ酸カリ肥料の製造に当たり、パームヤシの空果房（ＥＦＢ）の燃焼によるＥＦＢ中の塩素及びカリウムからボイラチューブの腐食の抑制及び得られるケイ酸カリ肥料の緩効性と速効性を付与する、く溶性と水溶性を併せ持つケイ酸カリ肥料の製造方法の提供。【解決手段】石炭を投入する装置３とＥＦＢを投入する装置４と層内伝熱管セル５と層内伝熱管セルへ流動媒体を循環させる流動媒体循環セル６を有する内部循環流動層ボイラ２を用い、石炭投入量とＥＦＢ投入量を制御することにより石炭由来のケイ酸とＥＦＢ由来のカリウムの配合比を所定の範囲に調整し、流動媒体循環セル６により燃焼セル２と層内伝熱管セル５との間の流動媒体循環量を制御して燃焼温度を所定の範囲（６５０〜９５０℃）に調整し、混合しなが焼成して、く溶性と水溶性を併せ持つケイ酸カリ肥料を製造する方法。【選択図】図１

Description

本発明は、水稲や野菜の肥料として使用されているケイ酸カリ肥料の製造装置に関する。

石炭火力発電所から産出する石炭灰の有効利用法の一つとして、石炭灰に水酸化カリウム（苛性カリ）等を混合して焼成し、ケイ酸カリ肥料を製造する利用法がある。

開発肥料社が製造・販売しているケイ酸カリ肥料は、石炭灰と苛性カリを主原料として混合し、９５０〜１１００℃で焼成したものである。ケイ酸カリ肥料は、く溶性カリと可溶性ケイ酸を含有することにより、肥効が持続する機能を有する肥料である（特許文献１参照）。

ケイ酸カリ肥料に適用できるカリ原料には、一般的なカリ鉱石組成の塩化カリをさらに電気分解させて製造した苛性カリを使用しており、高価格な原材料となっている。また、カリ鉱石はカナダ、ロシア、ベラルーシ等に偏在し、供給は非常に寡占化されており、産出国が価格決定権を握って価格上昇しやすい環境にある。

一方、マレーシア、インドネシア等におけるアブラヤシのプランテーションにおいて発生する空果房（Ｅｍｐｔｙ Ｆｒｕｉｔ Ｂｕｎｃｈ、以下「ＥＦＢ」という）は利用されずに廃棄されている。近年、バイオマス発電での利用が検討されているが、アブラヤシは多量にカリウムを必要とする作物であり、塩化カリウムを肥料として使用していることもあり、ＥＦＢに多量のカリウムと塩素を取り込んでいる。

ＥＦＢに含まれる塩素とカリウムはボイラチューブの腐食の原因となり、ＥＦＢのバイオマス燃料としての利用が進んでいない。また、灰中のカリウムには塩化カリウムの形態が多いことから、汎用的な肥料としての利用にも制約があった。

特開２００４−２２４６５６号

ＥＦＢにはカリウムが多く含まれており、ケイ酸カリ肥料の原料として使用できる可能性がある。通常のケイ酸カリ肥料では、９５０〜１１００℃で焼成することによりＫＡｌＳｉＯ_４（Ｐｏｔａｓｓｉｕｍ Ａｌｕｍｉｎｕｍ Ｓｉｌｉｃａｔｅ）が生成されている。

ＫＡｌＳｉＯ_４のカリウムは、く溶性であるために緩効性で肥効が持続し、我が国では主として栽培期間の長い水稲等に利用されている。

一方、東南アジアでは作物の成長が早く、緩効性のみならず速効性のカリウムも必要な場合があり、く溶性と水溶性を併せ持つケイ酸カリ肥料の適用が有効と考えられる。

また、ＥＦＢをバイオマス燃料として利用し、ボイラ内で９５０〜１１００℃の範囲で燃焼すると、ＥＦＢ中の塩素及びカリウムにより、ボイラチューブの腐食が増大するという課題がある。

本発明は、これらの事情に鑑みてなされたものである。

上記課題を解決するために、本発明に係るケイ酸カリ肥料製造装置は、石炭及びＥＦＢを燃料とする内部循環流動層ボイラであって、燃焼セルと、前記燃焼セルに前記石炭を投入する装置と、前記燃焼セルに前記ＥＦＢを投入する装置と、層内伝熱管セルと、流動媒体循環セルとを有し、前記石炭投入量と前記ＥＦＢ投入量とを制御することにより前記石炭由来のケイ酸と前記ＥＦＢ由来のカリウムの配合比を所定の範囲に調整し、前記流動媒体循環セルにより前記燃焼セルと前記層内伝熱管セルとの間の流動媒体の循環量を制御して燃焼温度を所定の範囲に調整することを特徴とする。

本発明のケイ酸カリ肥料製造装置は、内部循環流動層ボイラの内部に石炭及びＥＦＢを投入して燃焼するため、内部循環流動層ボイラ内部で石炭とＥＦＢとを灰化して混合することができる。また、内部循環流動層ボイラでは、層内伝熱管セルへの流動媒体の循環量を制御することにより、燃焼温度を制御することができる。そのため、所定の温度範囲で石炭灰とカリウムとを混合しながら焼成することが可能となる。

ＥＦＢをカリ源として使用する場合は、通常の焼成温度（９５０〜１１００℃）より低い温度範囲（６５０〜９５０℃）で焼成することにより、く溶性カリと水溶性カリとを同時に生成させることができる。それにより、比較的低温度で焼成しても、通常の製法のケイ酸カリ肥料と同程度の肥効を発揮できる、く溶性カリと水溶性カリとを併せ持った肥料の製造が可能となる。また、焼成温度を低減することにより、ボイラチューブの腐食を低減することができる。

以上から、本発明のケイ酸カリ肥料製造装置を用いることにより、ＥＦＢと石炭とを所定の温度範囲で混合しながら焼成することによりケイ酸カリ肥料を製造でき、かつ、ボイラチューブの腐食の問題を軽減することができる。

本発明を適用した一実施形態であるＥＦＢを使用したケイ酸カリ肥料製造装置の断面図である。 インドネシア炭灰、ＥＦＢ１灰、インドネシア炭、及びＥＦＢ１の等量混合物灰及びＥＦＢ野焼き灰のＸ線回折チャートである。 インドネシア炭、及びＥＦＢ１の等量混合物の６５０℃〜８５０℃、５０分での焼成灰のＸ線回折チャートである。 インドネシア炭、及びＥＦＢ１の等量混合物の７５０℃、１０〜５０分焼成灰のＸ線回折チャートである。 インドネシア炭、及びＥＦＢ１とＥＦＢ２との混合物の等量混合物の６５０℃〜９５０℃、５０分での焼成灰のＸ線回折チャートである。（２θが２５deg〜３５degの間を通常の半分の速度で遅くスキャンしたもの） インドネシア炭、及びＥＦＢ１とＥＦＢ２との混合物の等量混合物の６５０℃〜９５０℃、５０分での焼成灰の、く溶性カリ、水溶性カリ、及び可溶性ケイ酸の含有量を示す図である。

以下、本発明を適用した一実施形態であるＥＦＢを使用したケイ酸カリ肥料製造装置の構成について、この肥料製造装置を用いたケイ酸カリ肥料製造方法と併せて、図面を用いて詳細に説明する。なお、以下の説明で用いる図面は、特徴をわかりやすくするために、便宜上特徴となる部分を拡大して示している場合があり、各構成要素の寸法比率などが実際と同じであるとは限らない。

先ず、本発明を適用した一実施形態である肥料製造装置１（以下、「ボイラ」ということがある）について説明する。図１は、本発明を適用した一実施形態である肥料製造装置１の構成を示す断面図である。

図１に示すように、本実施形態の肥料製造装置１は、燃焼セル２と、石炭供給装置３と、ＥＦＢ供給装置４と、層内伝熱管セル５と、流動媒体循環セル６と、空気分散板７と、灰抜き出し装置８とを備えて、概略構成されている。簡略化のため図中省略しているが、燃焼セル２、層内伝熱管セル５及び流動媒体循環セル６には石灰石、ドロマイト、珪砂等の流動媒体が充填されている。また、この流動媒体は、燃焼セル２内の流動層の高さが低下すると、外部から供給する（図中省略）。

空気分散板７には、空気分散ノズル７１が多数設置されている（以下、単に「空気分散板」という場合は、「空気分散ノズル」を含む）。空気分散ノズル７１は、風箱に流動媒体が落下することを防止している。

空気分散板７の下部には、空気分散ノズル７１を通じて、燃焼セル２に燃焼用空気を供給する風箱７２と、流動媒体循環セル６に流動媒体循環用空気を供給する風箱７３と、層内伝熱管セル５に空気を供給する風箱７４とが、設置されている。各風箱の空気量は独立に変化することができ、燃焼温度、流動媒体循環量を制御することができる。

燃焼セル２は空気分散板７と、燃焼セル側隔壁６１と、流動媒体抜出装置８と、排気煙道９と、流動媒体（図中省略）とから概略構成されている。

燃焼セル２には、石炭供給装置３により石炭（図中省略）が供給される。石炭は、空気分散板７から供給される空気により、流動媒体中で燃焼する。燃焼セル２の温度は、石炭供給量及び層内伝熱管セル５に循環させる流動媒体の量により制御することができる。即ち、石炭供給量を増加することにより燃焼セル２の温度は上昇する。また、流動媒体の循環量を増加することにより燃焼セル２の温度を低減することができる。

燃焼セル２には、ＥＦＢ供給装置４によりＥＦＢ（図中省略）が供給される。燃焼セル２内に供給されたＥＦＢは、石炭及びＥＦＢの燃焼熱により灰化される。また、石炭灰とＥＦＢ灰とは、空気分散板７から供給される流動空気により燃焼セル２の流動層内で主として混合される。また、燃焼排ガスは排気煙道９を通じて外部に排気される。

流動媒体抜出装置８は、流動媒体抜出管８１と、流動媒体抜出バルブ８２とから概略構成される。流動媒体抜出バルブ８２は、一例として、ロータリーバルブを用いることができる。流動媒体抜出バルブ８２により、流動媒体は燃焼セル２からボイラの外部へ排出される。流動媒体の抜出量を変化させることにより、燃焼セル２の流動層高を制御することができる。また、フレッシュな流動媒体の供給量と、流動媒体の抜出量を調節することにより、流動媒体の層内での滞留時間を制御することができる。

流動媒体循環セル６は、燃焼セル側隔壁６１と、層内伝熱管セル側隔壁６２と、空気分散板７とから概略構成されている。

流動媒体循環セル６には、風箱７３から空気分散板７を介して循環用の空気が供給される。循環用の空気が供給されると、流動媒体循環セル６の内部の流動媒体は流動媒体循環セル６の中を上昇していき、層内伝熱管セル５へ供給される。流動媒体循環セル６の内部の流動媒体が減少すると、燃焼セル２から、燃焼セル側隔壁６１の底部側の間隙を通じて、流動媒体循環セル６に流動媒体が供給される。さらに流動媒体の循環供給量は、循環用の空気を増加すると増加し、当該空気を減少させると低下し、当該空気を停止すると流動媒体の循環供給も停止する。また、流動媒体の循環用として供給された空気は、燃焼セル側隔壁６１の上部側の間隙を通じて燃焼セル２の上部に排気される。

層内伝熱管セル５は、層内伝熱管５１と、層内伝熱管セル側隔壁６２と、空気分散板７と、から概略構成されている。層内伝熱管５１は、ボイラ外部に設けられた上部ヘッダ５２及び下部ヘッダ５３に接続されている。層内伝熱管５１には、流動媒体を冷却するために、下部ヘッダ５３から上部ヘッダ５２に向けて、温水や飽和水や蒸気等の冷却媒体が供給される。

層内伝熱管５１の内部を流れる冷却媒体の温度を、腐食性の塩素とアルカリ金属（カリウム等）との錯塩が溶融する温度より低く保つことにより、ＥＦＢに含まれる塩素による層内伝熱管５１の腐食を防止することができる。

また、層内伝熱管を備えているので、発生した蒸気を用いて発電したり、温水供給することにより、これまで廃棄されていたＥＦＢを燃焼して得られる熱を有効に活用することができる。

循環セル６から層内伝熱管セル５に循環供給された流動媒体は、自重により下方向に移動していく。空気分散板７からは、流動化開始速度程度の空気が供給される。流動媒体は、層内伝熱管５１により冷却され、層内伝熱管セル側隔壁６２の下部から循環セル６側及び燃焼セル２側に移動する。層内伝熱管５１内部には飽和水や飽和蒸気を供給することができる。これらの飽和水や飽和蒸気は、温水として利用したり、発電用の過熱蒸気として利用することができる。

カリウムを多量に含むＥＦＢを安価なカリ源として利用することを目的として、石炭灰とＥＦＢの野焼き灰とを混合し、電気炉で６００℃から１，１００℃にて焼成することにより、ケイ酸カリ肥料を製造できることが確認されている。そこで、石炭とＥＦＢを流動層ボイラで混焼することを模擬し、インドネシア炭の微粉と、乾燥して微粉砕したＥＦＢを等量混合したものを電気炉で焼成することによりケイ酸カリ肥料が製造できるか確認する試験を行った。

次に、実施例、比較例に関する試験結果を述べる。

表１にインドネシア炭、ＥＦＢ１、ＥＦＢ２、及びＥＦＢの野焼き灰の分析値を示す。ここで、ＥＦＢについては恒湿ベースの項目は気乾ベースで示し、インドネシア炭及びＥＦＢの灰組成は、電気炉で８１５℃、１時間灰化したものをベースとして示している。

ＥＦＢは無水ベースでカリウムを２．４〜２．８重量％、塩素を０．５５〜０．５７重量％含有しており、灰分が５．１〜５．３％であるため、灰中では約１９倍に濃縮されるはずである。しかしながら表１を参照すると、灰化試料中にはカリウムが２０．２〜２１．４％、塩素が１．８０〜２．８０％となっている。これは、カリウムでは約６割、塩素では約８割が８１５℃での灰化、焼成中に揮散したものと考えられる。一方、ＥＦＢの野焼き灰ではカリウムは３０．７〜４１．７％、塩素は４．３３〜６．４１％含有されていることから、燃焼、焼成温度が低いために揮散割合が低いものと思われる。

図２に、実施例１としてインドネシア炭とＥＦＢ１との等量混合物を電気炉で８１５℃、１時間焼成したときの、Ｘ線解析チャートを示す。また、比較例１としてインドネシア炭単体を、比較例２としてＥＦＢ１単体を電気炉で８１５℃、１時間焼成したときの、Ｘ線解析チャートを示す。さらに、比較例３としてＥＦＢの野焼き灰のＸ線回折チャートを示す。

＜比較例１＞
インドネシア炭の焼成灰では、石炭灰に見られるＳｉＯ_２（石英、図中では「Ｑｕａｒｔｚ」ともいう）およびＦｅ_２Ｏ_３（ヘマタイト）は存在するが、焼成温度が低いためか、３Ａｌ_２Ｏ_３・２ＳｉＯ_２（ムライト）は存在せず、代わりに硫酸カルシウムが存在している。

＜比較例２、及び比較例３＞
ＥＦＢ１の焼成灰及びＥＦＢの野焼き灰ではＫ_２ＣＯ_３（炭酸カリウム）およびＫＣｌ（塩化カリウム）が主成分となっている。

＜実施例１＞
一方、インドネシア炭とＥＦＢ１の等量混合物の焼成灰では、ケイ酸カリ肥料の主成分であるＫＡｌＳｉＯ_４が生成していることがわかる。

次に、インドネシア炭とＥＦＢ１の等量混合物を焼成温度及び時間を変化させてＫＡｌＳｉＯ_４の生成状況を確認した。

＜実施例２＞
図３に、インドネシア炭とＥＦＢ１の等量混合物を６５０℃〜８５０℃で５０分焼成した場合のＸ線回折チャートを示す。
焼成温度６５０℃〜８５０℃においてＫＡｌＳｉＯ_４の生成が確認され、焼成温度の上昇とともにＳｉＯ_２および塩化カリウムの割合が減少していることがわかる。

＜実施例３＞
図４に、インドネシア炭とＥＦＢ１の等量混合物を７５０℃で１０〜５０分焼成した場合のＸ線回折チャートを示す。
焼成時間の増加とともにＳｉＯ_２及び塩化カリウムの割合が減少していることがわかる。

＜実施例４＞
図３及び図４において、２θが２８．５deg付近でＫＡｌＳｉＯ_４のピークと塩化カリウムのピークが重なっている。両者のピークの変化を確認しやすくするため、インドネシア炭、及びＥＦＢ１とＥＦＢ２との混合物の等量混合物を焼成温度を変化させた焼成灰を、２８．５deg前後で通常よりも半分のスキャン速度でのＸ線回折にて確認を行った。

図５に６５０℃〜９５０℃で５０分焼成した焼成灰の遅いスキャン速度でのＸ線回折チャートを示す。焼成温度の上昇とともに、塩化カリウムが減少し、ＫＡｌＳｉＯ_４が増加していることが確認できる。

＜実施例５＞
次に、インドネシア炭、及びＥＦＢ１とＥＦＢ２との混合物の等量混合物を焼成温度を変化させて肥料成分（く溶性カリ、水溶性カリ、及び可溶性ケイ酸）の生成状況がどのように変化するかを確認した。

図６に６５０℃〜９５０℃で５０分焼成した灰の各肥料成分含有量を示す。焼成温度の上昇とともにく溶性カリ及び水溶性カリ含有量は減少し、可溶性ケイ酸は増加している。これは、焼成温度の上昇によりカリウムが揮散するとともに塩化カリウムに対するＫＡｌＳｉＯ_４の割合が増加していることを示している。また、焼成温度の上昇によりケイ酸が反応し可溶性になったことを示している。

以上をまとめると、流動層炉にてケイ酸カリ肥料を製造した場合の本技術の特徴は以下の通りである。

流動層ボイラにてＥＦＢと石炭をそれぞれの灰分合計量に対してＫ_２Ｏとして１０％〜３０％となる範囲で混焼し、流動層内温度（焼成温度）を６５０〜９００℃で運転することにより、カリウムと塩素に起因するボイラでの障害が緩和されるとともに、流動層ボイラがケイ酸カリ肥料の焼成炉の役割を果たし、ボイラから排出される灰としてケイ酸カリ肥料が製造される。

また、流動層内温度（焼成温度）を調整することにより、各肥料成分（く溶性カリ、水溶性カリ、及び可溶性ケイ酸）の含有量を変化させ、作物に合わせた様々なスペックのケイ酸カリ肥料が製造可能である。

本ケイ酸カリ肥料は、アブラヤシのプランテーションで現在カリ肥料として使われている塩化カリウムの代替として使用すれば、塩素使用量を低減したカリウムの循環サイクルが確立できる。また、本来、灰として排出される廃棄物が肥料として利用できるものであり、低価格のカリ肥料として現地の他の作物にも利用拡大が期待できる。

１ ケイ酸カリ肥料製造装置（ボイラ）
２ 燃焼セル
３ 石炭供給装置
３１ 石炭供給管
３２ 石炭供給バルブ
４ ＥＦＢ供給装置
４１ ＥＦＢ供給管
４２ ＥＦＢ供給バルブ
５ 層内伝熱管セル
５１ 層内伝熱管
５２ 上部ヘッダ
５３ 下部ヘッダ
６ 流動媒体循環セル
６１ 燃焼セル側隔壁
６２ 層内伝熱セル側隔壁
７ 空気分散板
７１ 空気分散ノズル
７２ 燃焼セル用風箱
７３ 循環セル用風箱
７４ 層内伝熱管セル用風箱
８ 流動媒体抜出装置
８１ 流動媒体抜出管
８２ 流動媒体抜出バルブ
９ 排気煙道

Claims (1)

1. 石炭及びＥＦＢを燃料とする内部循環流動層ボイラであって、
   燃焼セルと、前記燃焼セルに前記石炭を投入する装置と、前期燃焼セルに前記ＥＦＢを投入する装置と、層内伝熱管セルと、流動媒体循環セルとを有し、
   前記石炭投入量と前記ＥＦＢ投入量とを制御することにより前記石炭由来のケイ酸と前記ＥＦＢ由来のカリウムの配合比を所定の範囲に調整し、
   前記流動媒体循環セルにより前記燃焼セルと前記層内伝熱管セルとの間の流動媒体の循環量を制御して燃焼温度を所定の範囲に調整すること
   を特徴とするケイ酸カリ肥料製造装置。

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