この規格 プレビューページの目次
※一部、英文及び仏文を自動翻訳した日本語訳を使用しています。
導入
粉砕特性は、エネルギー変換プロセスのための固体バイオ燃料の調製において基本的に重要であり、予測可能な粒径分布が必要です。粒子が大きすぎる、または分布範囲が広すぎると、燃料が変換プロセスを通過するだけでなく、供給の問題が発生する可能性があります。また、前処理のためにバイオマスを加工する場合、粒径の一貫性がそのような前処理の収量と最終的な固体バイオ燃料の品質を決定します。
粉砕燃料炉での燃焼の有効性は、とりわけ粉砕燃料の反応性と粒度分布に大きく依存します。石炭の場合、ハードグローブ粉砕性指数 (HGI) テストは、事前に決定された石炭の標準品質 (ASTM D409) に対する特定の品質の石炭の相対的な粉砕性を特徴付けるために開発されました。 HGI テストは、石炭ミルとも呼ばれるボール、テーブル、またはチューブ タイプの工業用石炭粉砕機の連続粉砕および粉砕操作をシミュレートする経験的なバッチ法です。 HGI 値は、効果的な燃焼に必要な特定の粒子サイズを達成するために必要な粉砕の程度を示します。
石炭燃焼プラントで燃焼するための微粉炭を準備するための石炭粉砕機のメーカーは、石炭の HGI, トン/時間単位の石炭ミル能力、および kW 単位の石炭ミル出力の間の関係を示す曲線を提供しています。これはボイラー契約と保証の一部として行われます。また、これは、あらかじめ定められた標準特性を持つさまざまな石炭を粉砕するときに、ミルをどのように操作するかについての最初の指示としても機能します。標準的な業界慣例である HGI 50 は、75 ミクロン未満が 70%、300 ミクロン未満が 99.5% の石炭で、時間あたりのトン数で表した 100% の生産能力 (示されているとおり) が達成できることを意味します。石炭の HGI が 50 未満の場合は、ある程度の粉砕機の能力が低下していることを意味し、一方、50 を超える HGI は、ある程度の粉砕機の能力が向上していることを示します。 HGI 法は国際的に受け入れられており、国際取引用の石炭仕様の一部として引用されています。
粉砕性は、石炭ミルで粉砕するために、ペレットなどの熱前処理された圧縮バイオマス材料にも適用できます。焙焼、水蒸気処理、水熱炭化 (HTC) などのバイオマス燃料の前処理方法は、バイオマスの特性を向上させ、燃料としての効率を高めます。このような前処理されたバイオマス燃料を従来の微粉炭ボイラーでの直接混焼用途に使用することへの関心が高まる中、この方法は、粉末燃料を調製するための前処理されたバイオ燃料の粉砕性を決定するための実験室手順を説明します。
HGI の測定には、さまざまな鉱物含有量、マセラル成分、成熟度レベルから生じる石炭の不均一な特性の影響を測定が受けにくいという事実など、多くの制限があります。熱前処理されたバイオマス燃料への適用可能性を拡張するために、標準的な HGI メソッドに 3 つの関連する適応が適用されます。適応とその正当化は次のとおりです。
- 検査の決定に使用されるサンプルの量。
- 粉砕性を定義する基準として使用される粒子サイズ。
- 検量線を作成するための参考資料です。
0.1 検査の判定に使用されるサンプルの量
石炭粉砕機は容積測定装置ですが、石炭の密度はほぼ同じであるため、これらの装置の能力は 1 時間あたりの質量単位で表されます。対照的に、バイオマス材料が異なれば密度も異なります。したがって、サンプル量は投入材料の体積 (75 ± 0.5) cm 3に変更されました。これは、粒径 1.18 mm ～ 600 μm の標準参照石炭サンプルのかさ体積に近似します。
0.2 粉砕性を定義する基準として使用される粒子サイズ
石炭の標準 HGI 試験では、粉砕性とその結果得られる HGI 値を決定するための基準として、口径 75 μm のふるいを通過した粒子の質量が使用されます。炉容積は、完全燃焼のための適切な滞留時間を提供するために、利用される石炭の知識に基づいて設計されています。特に微粉炭炉の場合、燃焼効率は燃料の粒子サイズに部分的に依存します。燃焼効率は燃料の揮発性物質含有量に関連する反応性にも依存するため、熱処理されたバイオマスなどの高揮発性燃料の粒径は、必ずしも石炭粉末の厳密な粒度要件を満たす必要はありません。したがって、熱処理バイオマスの粉砕性の判定には、目開き500μmの篩が使用されます。この適応は、測定の再現性にもプラスの影響を及ぼします。
0.3 検量線作成のための参考資料
石炭の標準 HGI テストでは、HGI ミルの校正に 4 つの基準石炭が必要です。これにより、異なるラボ間で結果を再現できるようになります。熱処理されたバイオマスの粉砕性指数の決定では、これがまさに最初のステップです。熱処理バイオマス粉砕性指数は、バイオマス由来の材料の指数です。バイオマス材料のふるい分け挙動は、石炭粒子の真球度の違いにより、石炭のふるい分け挙動とは根本的に異なります。熱処理されたバイオマスを含むバイオマス材料は、石炭と比較して繊維質が多く、ダスト粒子が長くなります。焙焼などの熱処理プロセスは、バイオマスを木炭に近づけることによってバイオマスの特性を変更します。木炭はゆっくりとした熱分解の生成物であり、バイオマスの繊維状の性質を分解します。これにより、粉砕性が向上し、粉砕燃料の真球度も向上します。
適応された粉砕性方法では、木質ペレット (ISO 17225-2:2021 A1 クラス ペレット) および木炭 (ISO 17225-1:2021, 表 14) を校正基準物質として使用します。これらのバイオマス標準物質には、付録 A に記載されている手順の結果として、熱処理バイオマス粉砕指数 (TTBGI) 値が割り当てられます。物質は測定用に市販されています。
Introduction
Grindability characteristics are of fundamental importance during solid biofuel preparation for energy conversion processes, requiring a predictable particle size distribution. Particles that are too large or too wide in their distribution may result in feeding problems as well as un-burnt fuel passing through the conversion process. Also, in case of processing of biomass for pre-treatment, consistency in particle size determines the yield of such pre-treatment as well as the quality of the final solid biofuel.
The effectiveness of combustion in a pulverized fuel furnace depends strongly on the reactivity and particle size distribution of the pulverized fuel among other factors. For coal, the Hardgrove Grindability Index (HGI) test was developed to characterize the relative grindability of a particular quality of coal relative to a pre-determined standard quality of coal (ASTM D409). The HGI test is an empirical batch method that simulates the continuous grinding and crushing operation of a ball, table or tube type of industrial coal pulverizer, herein also called coal mill. The HGI value is an indication of the degree of grinding required to reach a particular particle size necessary for effective combustion.
Manufacturers of coal pulverizers for preparation of pulverized coal for combustion in coal burning plants provide curves that show the relationships between the HGI for coal, coal mill capacity in terms of tonne/h and coal mill power in kW. This is done as part of the boiler contract and guarantees. It also serves as a first indication as to how to operate a mill when pulverizing different coals with predetermined standard properties. A HGI of 50, which is standard industry convention, implies that 100 % capacity in tonnes per hour (as indicated) can be reached for the coal at a fineness of 70 % less than 75 microns and 99,5 % less than 300 microns. If a coal has a HGI of less than 50 it implies some level of pulverizer capacity loss while on the other hand, a HGI higher than 50 indicates some level of pulverizer capacity gain. The HGI method is internationally accepted and quoted as part of the specification of coal for international trade.
Grindability may also be applied to thermally pre-treated compressed biomass materials, such as pellets, for pulverization in coal mills. Pre-treatment methods for biomass fuels such as torrefaction, steam treatment or hydro-thermal carbonization (HTC) upgrade the properties of biomass making it more effective as a fuel. With increasing interest in the use of such pre-treated biomass fuels for direct co-firing applications in conventional pulverized coal boilers, this method herein describes a laboratory procedure for determination of the grindability of pre-treated biofuels for powder fuel preparation.
The HGI determination is subject to many limitations, including the fact that measurements can be insensitive to the heterogeneous properties of coal that arise from different mineral contents, maceral constituents and levels of maturity. Three relevant adaptations are applied to the standard HGI method in order to extend its applicability to thermally pre-treated biomass fuels. The adaptations and their justification are as follows:
- Amount of sample used for the test determination.
- Particle size used as basis for defining grindability.
- Reference materials for establishing the calibration curve.
0.1 Amount of the sample used for test determination
Coal pulverizers are volumetric devices but with the densities of coals being fairly similar, the capacity of these devices is expressed in mass units per hour. In contrast different biomass materials have different densities. Therefore, the sample amount was changed to the volume (75 ± 0,5) cm3 of input material, which approximates the bulk volume of the standard reference coal samples with a particle size between 1,18 mm and 600 μm.
0.2 Particle size used as basis for defining grindability
The standard HGI test for coal uses the mass of particles passing a sieve with an aperture size of 75 μm as criteria for determining the grindability and the resulting HGI value. The furnace volume is designed from the knowledge of coals to be utilized so as to provide an adequate residence time for complete combustion. Combustion efficiency depends in part on fuel particle size especially for pulverized coal furnaces. As the combustion efficiency also depends on the reactivity, which is linked to volatile matter content of fuels, the particle size for high-volatile fuels, such as thermally treated biomass, would not necessarily need to meet the strict fineness requirements for coal powders. Therefore, a sieve with an aperture size of 500 μm is used for determination of grindability of thermally treated biomass. This adaptation also has positive implications on the repeatability of the determination.
0.3 Reference materials for establishing the calibration curve
In the standard HGI test for coal, four references coals are needed for calibrating a HGI mill. This enables reproducibility of the results across different labs. For the thermally treated biomass grindability index determination, this is the very first step. The thermally treated biomass grindability index is an index for materials originating from biomass. The sieving behavior of biomass materials differs fundamentally from that of coals due to the difference in the sphericity of the coal particles. Biomass materials, including thermally treated biomass, are more fibrous and have lengthy dust particles compared to coals. Thermal treatment processes, such as torrefaction, modifies the property of biomass by making biomass more like charcoal. Woody charcoal is a product of slow pyrolysis, which degrades the fibrous nature of the biomass. This consequently improves its grindability as well as the sphericity of the pulverized fuel.
The adapted grindability method uses wood pellets (ISO 17225-2:2021 A1 class pellets) and wood based charcoal (ISO 17225-1:2021, Table 14) as calibration reference materials. These biomass reference materials will be given assigned Thermally Treated Biomass Grindability Index (TTBGI) values as a result of the procedures described in Annex A. The materials are available commercially for the determination.