JP2000074338A - 燃焼溶融炉と燃焼溶融方法及び廃熱利用発電システム - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】一つの燃焼室内に、空気比１未満の還元雰囲気
と空気比１以上の酸化雰囲気を形成する。 【解決手段】スラグ排出口１３と燃焼ガス排出口１５を
設けた一つの燃焼室１７からなる燃焼溶融炉３におい
て、一次空気供給ノズル８と二次空気供給ノズル１０を
備え、一次空気を旋回流にしてスラグ排出口１３付近に
空気比１未満の還元雰囲気よりなる一次燃焼域を形成す
る。一次燃焼ガスに二次空気を供給して、燃焼ガス排出
口１５付近を酸化雰囲気の二次燃焼域を形成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、都市ごみを熱分解
して得られた固体物質或いは石炭などの可燃性固体物質
よりなる燃料粒子を燃焼し、灰分をスラグ化して回収す
る燃焼溶融炉に関する。また本発明は、燃料粒子の燃焼
と灰分の溶融を行う燃焼溶融方法および燃料粒子の燃焼
熱を利用した発電システムに関する。

【０００２】

【従来の技術】ごみの増加に伴って、焼却灰の埋め立て
処分場の容量がひっ迫している。そのため、焼却炉から
排出される灰を溶融して減容化する設備の開発が進めら
れている。

【０００３】しかし、灰を再度溶融するためには外部か
らのエネルギーが必要となる。この問題に対し、ごみの
持つエネルギーを直接利用して灰を溶融する様々なシス
テムが考えられている。特に、ごみを熱分解装置に投入
して還元雰囲気で加熱して熱分解ガスと固体残さとを生
成し、固体残さから不燃物を除いた燃料粒子を燃焼溶融
炉に投入して燃焼し、灰分を溶融させてスラグ化して回
収するシステムが注目されている。本システムは、たと
えば特公平6−56253号公報に記載されている。燃焼溶融
炉に関しては、燃料粒子及び空気を旋回させて燃焼する
方式のものが多く見られ、たとえば特開平2−150611 号
公報に示されている。

【０００４】特開平2−150611 号公報に記載の燃焼溶融
炉は、炉本体の下部に廃棄物バーナ装置と助燃バーナ装
置を有する。各バーナ装置は炉体周方向に複数のノズル
を有し、これらのノズルが旋回流を形成すべく配置され
ている。

【０００５】該公開特許公報には、廃棄物バーナ装置及
び助燃バーナ装置から供給された廃棄物と助燃料はそれ
ぞれ上向きの旋回流となって炉内を流れ、溶融したスラ
グはスラグ排出口から排出され、一方、燃焼ガスは炉上
部の燃焼ガス排出口から排出されることが記載されてい
る。また、溶融炉（一次燃焼室）内の空気比は１.０な
いし０.６ に絞り、残りの空気を燃焼ガス排出口の上部
に設けた二次燃焼室の空気吹き込み孔から吹き込み、未
燃焼分を含む燃焼ガスと混合して完全に燃焼させること
が記載されている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】特開平2−150611 号公
報に記載の燃焼溶融炉によれば、一次燃焼室において空
気比１未満で廃棄物の燃焼が行われ、未燃焼分を含む燃
焼ガスが二次燃焼室に導入され空気が供給されて空気比
１以上にして完全燃焼が行われる。

【０００７】このように、空気比１未満の一次燃焼と空
気比１以上の完全燃焼とを行うために、二つの燃焼室が
設けられている。一つの燃焼室で空気比１未満の一次燃
焼と空気比１以上の二次燃焼とを行うことができれば、
燃焼溶融炉の構造を簡略化することができ、実用上の効
果はきわめて大きい。

【０００８】本発明は、一つの燃焼室において、空気比
１未満の一次燃焼と空気比１以上の二次燃焼とを行うこ
とができるようにした溶融燃焼炉を提供することにあ
る。また、一つの燃焼室で一次燃焼と二次燃焼とを行う
のに適した燃焼方法を提供することにある。また、燃焼
溶融炉の燃焼熱を利用した発電システムを提供すること
にある。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明は、以下の（１）
ないし（１５）に記載の燃焼溶融炉，燃焼溶融方法及び
発電システムにある。

【００１０】（１）可燃性固体物質よりなる燃料粒子を
燃焼する燃焼室と、該燃焼室で生じた燃焼ガスを該燃焼
室から排出する燃焼ガス排出口と、該燃焼室で生じた溶
融スラグを該燃焼室から排出するスラグ排出口と、該燃
焼室へ燃料粒子を供給する燃料粒子供給ノズルと、該燃
焼室へ燃焼用空気を供給する空気供給ノズルとを有する
燃焼溶融炉において、前記空気供給ノズルを複数個備
え、前記スラグ排出口が空気比１未満の還元雰囲気にな
り、前記燃焼ガス排出口が空気比１以上の酸化雰囲気に
なるように配置したことを特徴とする燃焼溶融炉。

【００１１】本発明によれば、一つの燃焼室で空気比が
１未満の一次燃焼を行い、引き続いて空気比が１以上の
二次燃焼を行うことができる。また、本発明の燃焼溶融
炉は、スラグの排出口と燃焼ガスの排出口とが別になっ
ているので、スラグと燃焼ガスとを分離することができ
る。

【００１２】（２）可燃性固体物質よりなる燃料粒子を
燃焼する燃焼室と、該燃焼室で生じた燃焼ガスを該燃焼
室から排出する燃焼ガス排出口と、該燃焼室で生じた溶
融スラグを該燃焼室から排出するスラグ排出口と、該燃
焼室へ燃料粒子を供給する燃料粒子供給ノズルと、該燃
焼室へ燃焼用空気を供給する空気供給ノズルとを有し、
前記スラグ排出口が前記燃焼室の内径よりも狭められて
いる燃焼溶融炉において、前記燃焼室内を前記スラグ排
出口の方向へ向かって空気が流れるようにした第１の空
気供給ノズルと、該燃焼室内を燃焼ガス排出口の方向へ
向かって空気が流れるようにした第２の空気供給ノズル
とを備えたことを特徴とする燃焼溶融炉。本発明の燃焼
溶融炉は、第１の空気供給ノズルにより供給された空気
が、燃焼ガス排出口に向かって流れるのではなく、スラ
グ排出口に向かって流れるので、燃焼室内における燃料
粒子の滞留時間が長くなり燃焼性が高められる。また、
スラグ排出口の近くで燃料粒子の一次燃焼が進むので、
スラグ排出口は高温に保持され、溶融スラグが排出され
やすいという効果もある。

【００１３】（３）可燃性固体物質よりなる燃料粒子を
燃焼する燃焼室と、該燃焼室で生じた燃焼ガスを排出す
る燃焼ガス排出口と、該燃焼室で生じた溶融スラグを排
出するスラグ排出口と、該燃焼室へ燃料粒子を供給する
燃料粒子供給ノズルと、該燃焼室へ燃焼用空気を供給す
る空気供給ノズルとを有し、前記スラグ排出口の口径が
前記燃焼室の内径よりも小さくなっている燃焼溶融炉に
おいて、前記燃焼室の内周面に沿って一次空気の旋回流
を形成するための一次空気供給ノズルと、前記燃焼室の
中心部へ向かって或は前記一次空気の旋回方向へ二次空
気を噴出するための二次空気ノズルと、前記一次空気供
給ノズルから前記スラグ排出口に至る間に設けられ、前
記燃焼室の内周面に沿って燃料粒子の旋回流を形成する
前記燃料粒子供給ノズルとを備えたことを特徴とする燃
焼溶融炉。

【００１４】本発明の燃焼溶融炉によれば、一次空気及
び燃料粒子の旋回流或は更に二次空気の旋回流が形成さ
れることにより、燃焼室内での燃料粒子の滞留時間はよ
り長くなり、燃焼性がより高められる。

【００１５】（４）可燃性固体物質よりなる燃料粒子を
燃焼するための断面円形の燃焼室と、該燃焼室の上部に
設けられた燃焼ガス排出口と、該燃焼室の下部に設けら
れた溶融スラグ排出口と、該燃焼室へ燃料粒子を供給す
る燃料粒子供給ノズルと、該燃焼室へ燃焼用空気を供給
する空気供給ノズルとを有し、前記スラグ排出口の口径
が前記燃焼室の内径よりも小さくなっている燃焼溶融炉
において、前記燃焼室の内周面に沿って旋回する一次空
気流を形成するために該燃焼室の内周面の接線方向に一
次空気を噴出するようにした一次空気供給ノズルと、該
燃焼室の中心部を通り前記燃焼ガス排出口へ向かって上
昇する燃焼ガスの流れに対して二次空気を混合させるた
めに、該燃焼室の中心へ向かって或は前記一次空気の旋
回方向へ二次空気を噴出する二次空気供給ノズルと、前
記一次空気供給ノズルから前記スラグ排出口に至る間に
設けられ、該燃焼室の内周面の接線方向へ燃料粒子を噴
出するようにした前記燃料粒子供給ノズルとを備えたこ
とを特徴とする燃焼溶融炉。

【００１６】本発明は、竪型燃焼溶融炉において、一つ
の燃焼室で空気比１未満の一次燃焼に引き続いて空気比
１以上の二次燃焼を行う場合に好適な炉構成を示したも
のである。

【００１７】燃焼室は、断面が円形になっているので、
一次空気及び燃料粒子の旋回流或は更に二次空気の旋回
流が形成されやすい。この燃焼室の内周面の接線方向へ
向けて、一次空気供給ノズルにより一次空気を噴出する
と、燃焼室の壁面に沿って旋回しながら、スラグ排出口
の方向へと流れる旋回流が形成される。この状態におい
て、一次空気供給ノズルとスラグ排出口との間から燃料
粒子を供給すると、燃料粒子は一次空気の旋回流に同伴
してスラグ排出口の方向へと流れるようになる。燃料粒
子を旋回流が形成されるように噴出すると、なお一層、
一次空気の旋回流に同伴されやすくなる。なお、一次空
気の旋回流の方向と燃料粒子の旋回流の方向とは、同一
方向であることが望ましい。

【００１８】スラグ排出口の口径は、燃焼室の内径より
も小さくなっているので、燃焼室内をスラグ排出口へ向
かって下降してきた一次空気及び燃料粒子の旋回流は、
スラグ排出口の部分で停滞する。これにより、スラグ排
出口の付近で燃料粒子の一次燃焼が進みやすくなる。ス
ラグ排出口において燃料粒子が燃焼することによって生
じた燃焼ガスは、燃焼室の中心を通り燃焼ガス排出口へ
向かって上昇していく。この燃焼ガスの上昇流に対して
二次空気を供給することにより、燃焼ガスに含まれる未
燃焼分及び残存する燃料粒子を二次燃焼することができ
る。

【００１９】燃焼室の中心部を上方へ向かって流れる燃
焼ガスの輻射熱により、壁面付近に存在する可燃物が加
熱され、燃焼性が高まるという効果もある。

【００２０】（５）前記（４）に記載の燃焼溶融炉にお
いて、前記二次空気供給ノズルが前記一次空気供給ノズ
ルから前記燃焼ガス排出口に至る間に設けられているこ
とを特徴とする燃焼溶融炉。

【００２１】本発明によれば、二次空気供給ノズルと燃
焼ガス排出口の間で二次燃焼を行うことができる。

【００２２】（６）前記（４）に記載の燃焼溶融炉にお
いて、前記二次空気供給ノズルが前記燃料粒子供給ノズ
ルから前記スラグ排出口に至る間に設けられていること
を特徴とする燃焼溶融炉。

【００２３】本発明によれば、燃焼溶融炉の中央付近で
二次燃焼を行うことができる。

【００２４】（７）前記（４）において、前記二次空気
供給ノズルが前記スラグ排出口の下方に設けられ、二次
空気が該スラグ排出口を通って前記燃焼室に供給される
ようにしたことを特徴とする燃焼溶融炉。

【００２５】本発明によれば、燃焼溶融炉の中央付近で
二次燃焼を行うことができるようになり、また、炉内の
旋回流を阻害せずに二次空気を供給できる。

【００２６】（８）前記（４）において、前記スラグ排
出口の口径が前記燃焼ガス排出口の口径よりも小さいこ
とを特徴とする燃焼溶融炉。

【００２７】本発明によれば、スラグ排出口から未燃の
可燃物を排出しにくくすることができるという効果があ
る。

【００２８】（９）前記（４）において、前記スラグ排
出口の断面形状が円形であることを特徴とする燃焼溶融
炉。

【００２９】本発明によれば、スラグ排出口周辺の温度
低下を抑制する効果がある。

【００３０】（１０）前記（４）において、前記スラグ
排出口の断面形状がスリット形であることを特徴とする
燃焼溶融炉。

【００３１】本発明によれば、燃焼室内の旋回流によっ
てスラグの飛沫が発生するのを抑制できる効果がある。

【００３２】（１１）可燃性固体物質よりなる燃料粒子
を燃焼する燃焼室と、該燃焼室で生じた燃焼ガスを排出
する燃焼ガス排出口と、該燃焼室で生じた溶融スラグを
排出するスラグ排出口と、該燃焼室へ燃料粒子を供給す
る燃料粒子供給ノズルと、該燃焼室へ燃焼用空気を供給
する空気供給ノズルとを有し、前記スラグ排出口の口径
が前記燃焼室の内径よりも小さくなっている燃焼溶融炉
において、前記燃焼室の内周面に沿って一次空気の旋回
流を形成するための一次空気供給ノズルと、該燃焼室の
中心方向へ向けて或は一次空気の旋回方向へ二次空気を
噴出するための二次空気供給ノズルと、前記一次空気供
給ノズルから前記スラグ排出口へ至る間に設けられ、前
記燃焼室の内周面に沿って燃料粒子の旋回流を形成する
ための前記燃料粒子供給ノズルと、前記一次空気供給ノ
ズルから前記スラグ排出口へ至る間に設けられ、前記燃
焼ガス排出口から炉外へ排出された燃焼ガスより回収し
た可燃性固体物質或は灰を該燃焼室内に戻す燃焼ガス回
収物質戻し手段とを備えたことを特徴とする燃焼溶融
炉。

【００３３】本発明によれば、燃焼ガスとともに炉外へ
排出された可燃物或は灰を回収して、再び燃焼溶融炉に
戻して燃焼することができる。

【００３４】（１２）可燃性固体物質よりなる燃料粒子
を燃焼する燃焼室と、該燃焼室で生じた燃焼ガスを排出
する燃焼ガス排出口と、該燃焼室で生じた溶融スラグを
排出するスラグ排出口と、該燃焼室へ燃料粒子を供給す
る燃料粒子供給ノズルと、該燃焼室へ燃焼用空気を供給
する空気供給ノズルとを有し、前記スラグ排出口の口径
が前記燃焼室の内径よりも小さくなっている燃焼溶融炉
において、前記燃焼室の内周面に沿って一次空気の旋回
流を形成するための一次空気供給ノズルと、該燃焼室の
中心方向へ向けて或は一次空気の旋回方向へ二次空気を
噴出するための二次空気供給ノズルと、前記一次空気供
給ノズルから前記スラグ排出口へ至る間に設けられ、前
記燃焼室の内周面に沿って燃料粒子の旋回流を形成する
ための前記燃料粒子供給ノズルと、前記燃焼室へ助燃剤
を供給する助燃剤供給ノズルと、該助燃剤の点火装置と
を備えたことを特徴とする燃焼溶融炉。

【００３５】本発明によれば、助燃剤で燃焼したガスが
旋回流により燃焼室の壁面に沿って流れるようになる。
旋回流は滞留時間が長く、強い乱流となるので、燃料粒
子の燃焼性を高めることができる。

【００３６】（１３）一端に燃焼ガスの排出口を有し、
他端に溶融スラグの排出口を有する筒状の燃焼室に可燃
性固体物質よりなる燃料粒子と空気を供給し、該燃料粒
子を燃焼して燃焼ガスを前記燃焼ガス排出口から排出
し、該燃料粒子の燃焼に伴って生じた溶融スラグを前記
スラグ排出口から排出するようにした燃焼溶融方法にお
いて、前記燃焼室内に空気比が１未満の還元雰囲気と空
気比が１以上の酸化雰囲気とからなる二つの雰囲気を形
成し、前記スラグ排出口が空気比１未満の還元雰囲気に
あり、前記燃焼ガス排出口が空気比１以上の酸化雰囲気
にあるようにしたことを特徴とする燃焼溶融方法。

【００３７】本発明により、一つの燃焼室で空気比１以
下の一次燃焼に引き続いて空気比１以上の二次燃焼を行
うことができる。空気比１未満の一次燃焼により、窒素
酸化物が生成するのを抑制することができる。また、空
気比１以上の二次燃焼により、一次燃焼で生じた一酸化
炭素或いは炭化水素などの可燃ガスを燃焼することがで
きる。また、一次燃焼にて残存した燃料粒子を燃焼する
ことができる。

【００３８】（１４）上部に燃焼ガスの排出口を有し、
下部に溶融スラグの排出口を有する断面円形の燃焼室に
可燃性固体物質よりなる燃料粒子と空気を供給し、該燃
料粒子を燃焼して燃焼ガスを前記燃焼ガス排出口から排
出し、該燃料粒子の燃焼に伴って生じた溶融スラグを前
記スラグ排出口から排出するようにした燃焼溶融方法に
おいて、前記燃焼室の内周面に沿って一次空気の旋回流
を形成し、該一次空気の旋回流が前記スラグ排出口の方
向へ向かう流れに対して前記燃料粒子を供給し、該燃焼
室の中心部を通り前記燃焼ガス排出口の方向へ向かって
上昇する燃焼ガスの流れに対して二次空気を供給し、前
記燃焼ガス排出口での酸素濃度を高めたことを特徴とす
る燃焼溶融方法。

【００３９】本発明により、燃焼室内における燃料粒子
の滞留時間をより長くして、燃焼性を高めることができ
る。

【００４０】（１５）可燃性固体物質よりなる燃料粒子
の燃焼と灰分の溶融を行う燃焼溶融炉と、該燃焼溶融炉
で発生した燃焼ガスの保有熱を回収して蒸気タービンを
駆動して発電する発電装置とを具備した発電システムで
あって、前記燃焼溶融炉が燃料粒子を燃焼する燃焼室
と、該燃焼室で生じた燃焼ガスを排出する燃焼ガス排出
口と、該燃焼室で生じた溶融スラグを排出するスラグ排
出口と、該燃焼室の内周面に沿って一次空気の旋回流を
形成するための一次空気供給ノズルと、該燃焼室の中心
部へ向かって或は一次空気の旋回方向へ二次空気を噴出
するための二次空気ノズルと、該一次空気ノズルから前
記スラグ排出口に至る間に設けられ、前記燃焼室の内周
面に沿って被処理物質の旋回流を形成するための燃料粒
子供給ノズルとを備えていることを特徴とする燃焼溶融
炉廃熱利用発電システム。

【００４１】本発明により、溶融燃焼炉の燃焼熱を利用
した発電システムを構築できる。

【００４２】本発明の燃焼溶融炉及び燃焼溶融方法にお
いて、燃料粒子は、燃焼性を高めるために粉末或いは粒
子にして供給される。粒子の形状は、球形が望ましい
が、これに限定されない。都市ごみ或いは汚泥を燃料粒
子の原料とする場合には、これらを熱分解装置で乾燥し
てから燃焼溶融炉へ供給することが望ましい。

【００４３】一次空気供給ノズルにより供給される一次
空気によって、スラグ排出口を空気比が１未満、０.８
以上の還元雰囲気にすることが望ましい。炉内の温度
は、空気比によって影響され、空気比が１前後、特に
０.９ 程度の時に最も炉内の温度が高くなる。空気比が
これより高くなってもまた低くなっても温度は低下す
る。スラグ排出口を含む炉内底部の空気比を前記範囲内
にすれば、都市ごみを熱分解して得られた燃料粒子を燃
焼する場合に、スラグ排出口の温度を１２００℃以上１
３００℃程度に高めることができるので、燃料粒子に含
まれる灰分を溶融させて、スラグ排出口から排出させる
ことができる。また、スラグ排出口でのスラグの固化を
抑制することができる。

【００４４】一方、燃焼ガス排出口の空気比は、１.０
乃至１.３の範囲にすることが望ましい。この範囲の空
気比であれば、一次燃焼によって生成した燃焼ガスに含
まれる可燃物を燃焼し、また、ダイオキシンの生成を抑
制することができる。

【００４５】なお、本発明において、空気比とは、ある
量の燃料を完全燃焼させる空気量と、実際に存在する空
気量との比のことである。たとえば、プロパン１ｍ³ を
完全燃焼させるには２３.８２ｍ³の空気が必要である。
このとき、プロパン１ｍ³ に対して６７.６４ｍ³ の空
気が実際に存在していれば、空気比は２となる。

【００４６】

【発明の実施の形態】＜実施例１＞本発明の一実施例を
図１に示す。破砕されたごみ１をロータリーキルンや流
動層を用いた熱分解炉２に投入し、還元雰囲気で加熱し
て熱分解した後、熱分解ガスと燃料粒子を生成する。燃
料粒子は、燃焼溶融炉３に投入して燃焼して灰分を溶融
スラグ化し、スラグ１２は冷却後、スラグ回収装置４で
回収する。燃焼溶融炉３にて発生した燃焼ガスは、廃熱
回収ボイラ５で熱交換した後、脱塵装置６で脱塵し、煙
突７から大気中へ排出される。廃熱回収ボイラ５で得ら
れた蒸気は、蒸気タービン１００に導入され、発電機９
９にて電気エネルギーに変換される。脱塵装置６で回収
された飛灰や未燃燃料粒子は、再度、燃焼溶融炉３に戻
して燃焼することも可能である。

【００４７】ここでは、燃焼溶融炉３において、一次空
気供給ノズル８とスラグ排出口１３との間に燃料粒子供
給ノズル９が配置され、一次空気供給ノズル８と燃焼ガ
ス排出口１５との間に二次空気供給ノズル１０が配置さ
れた場合について説明する。燃焼溶融炉３には、図２に
示すように二次空気供給ノズル１０が設置され、図３に
示すように一次空気供給ノズル８が設置されている。ま
た、図４に示すように燃料粒子供給ノズル９が設置され
ている。燃焼溶融炉の燃焼室１７は、断面を円形にし
て、一次空気及び燃料粒子の旋回流を形成しやすくして
ある。一次空気供給ノズル８は、燃焼室１７の内周面に
沿って一次空気を噴出するように設置されている。燃料
粒子供給ノズル９も、一次空気供給ノズルと同様に、燃
焼室１７の内周面に沿って燃料粒子１１を供給するよう
に設置されている。二次空気供給ノズル１０は、断面円
形の燃焼室１７の中心部へ向けて、対向する二方向から
二次空気を供給するように設置されている。なお、二次
空気は旋回流とすることもできる。

【００４８】燃焼室１７には、一次空気供給ノズル８か
ら投入される一次空気によって、旋回しながら下降する
流れが形成される。一次空気供給ノズル８の下方に設置
された燃料粒子供給ノズル９により空気搬送されて燃焼
室に供給された燃料粒子１１は、一次空気の旋回流に同
伴されて下降する。

【００４９】燃料粒子１１は、燃焼溶融炉の炉内が予熱
されていれば、まず揮発分を放出する。揮発分はすぐに
燃焼する。その後、燃料粒子１１および灰は遠心力の影
響で壁面付近を降下し、炉底のスラグ排出口１３の上部
付近で旋回しながら滞留する。この際に燃料粒子が一次
燃焼し、その燃焼熱で灰分が溶融する。溶融した灰はス
ラグ１２となって壁面から炉底面に沿って流れ、スラグ
排出口１３から排出される。スラグ排出口１３の下には
スラグ冷却容器１４が設置されており、スラグ冷却容器
には水槽が設けられている。スラグ排出口から滴下した
スラグ１２は水槽へ落下して急冷された後、スラグ回収
装置４へ回収される。

【００５０】一方、燃焼ガスは燃焼溶融炉３の底部で反
転し、中央部を通って上昇する。この上昇してきた燃焼
ガスに対して、二次空気供給ノズル１０により二次空気
を吹き込んで残存する可燃物、具体的には一酸化炭素或
いは炭化水素などの可燃ガス及び未燃の燃料粒子を二次
燃焼する。

【００５１】スラグ排出口１３の周辺では空気比が１未
満の還元雰囲気が形成されるように一次空気の量を調整
する。本実施例の場合には、一次空気供給ノズルから下
方の領域が空気比１未満の還元雰囲気になる。図１にお
いて、燃焼室内の薄く灰色を帯びたようになっている領
域が還元雰囲気であることを示している。

【００５２】また、燃焼ガス排出口１５の周辺に空気比
１以上の酸化雰囲気が形成されるように二次空気の量を
調整する。本実施例の場合には、二次空気供給ノズルか
ら上方の領域が、空気比１以上の酸化雰囲気になる。図
１において、燃焼室内の白色になっている領域が酸化雰
囲気であることを示している。

【００５３】一次空気供給ノズル８と二次空気供給ノズ
ル１０により吹き込む空気の総量は、空気比で１.０な
いし１.３程度がよい。二次空気供給ノズル１０により
供給される二次空気のうち、燃焼室の壁面に沿って上昇
する分は燃焼ガス排出口１５の付近の壁面を冷却するた
め、炉出口配管壁の保護や燃焼ガス排出口の灰付着防止
に効果がある。

【００５４】燃料粒子供給ノズル９が一次空気供給ノズ
ル８よりも下部側にあれば、燃料粒子は必ずスラグ排出
口１３の方向へ下降するので、上方へショートカットし
て未燃の燃料粒子が炉外に流出するのを防止できる。ま
た、燃料粒子は、炉底のスラグ排出口１３の上部付近で
旋回しながら滞留するため、燃料粒子の燃焼によってス
ラグ排出口１３のまわりの温度は常に高温に保たれる。

【００５５】空気比１未満の還元雰囲気で一次燃焼する
ことで、窒素酸化物の生成を抑制でき、また炉内の温度
が１３００℃程度の高温となることでダイオキシンの生
成を抑制できる。

【００５６】なお、各ノズルには熱分解炉２で発生した
熱分解ガスを混合してもよい。

【００５７】＜実施例２＞燃焼溶融炉３において、一次
空気供給ノズル８とスラグ排出口１３の間に燃料粒子供
給ノズル９を配置し、燃料粒子供給ノズル９とスラグ排
出口１３の間に二次空気供給ノズル１０を設置した実施
例を図５に示す。一次空気供給ノズルと二次空気供給ノ
ズル及び燃料粒子供給ノズルの構成は、いずれも実施例
１のときと同じである。二次空気供給ノズル１０により
二次空気を供給すると、燃焼室の中央部を上昇する燃焼
ガスに含まれる可燃分を再度燃焼できる。炉壁付近と炉
底部では、燃料粒子の濃度が高く空気比１未満の還元雰
囲気となり、燃焼室の中央部及び上部では空気比１以上
の酸化雰囲気となる。

【００５８】＜実施例３＞燃焼溶融炉３において、一次
空気供給ノズル８とスラグ排出口１３の間に燃料粒子供
給ノズル９を配置し、二次空気供給ノズル１０をスラグ
冷却容器１４の内部に配置した実施例を図６に示す。二
次空気供給ノズル１０から二次空気を燃焼室内に投入す
ると、スラグ冷却容器１４内で二次空気と燃焼ガスとが
混合し、可燃分を含む燃焼ガスを再度燃焼できる。炉壁
付近は燃料粒子の濃度が高く、空気比１未満の還元雰囲
気となり、燃焼室の中央部は空気比１以上の酸化雰囲気
となる。

【００５９】＜実施例４＞図１では、脱塵装置６で回収
された飛灰や未燃燃料粒子を、燃料粒子供給ノズルから
再び炉内に供給したが、図７に示すように一次空気供給
ノズル８とスラグ排出口１３の間に回収粒子供給ノズル
１８を設けて、回収粒子を炉内に投入してもよい。これ
により、脱塵装置６で回収された飛灰や未燃燃料粒子
は、燃料粒子と共に再度燃焼される。

【００６０】＜実施例５＞燃焼溶融炉３において、スラ
グ排出口１３の径ｒ_s を燃焼ガス排出口の径ｒ_eよりも
小さくした実施例を図８の（Ａ）および（Ｂ）に示す。
（Ｂ）には、炉内の水平断面での周方向速度分布もあわ
せて示した。周方向速度分布は、燃焼室の垂直方向では
ほとんど変わらない。旋回流の中心付近は剛体渦、その
外側は自由渦の組み合わせ渦であり、その境界付近で最
大となる。周方向速度Ｖ_θが大きいと炉内を飛行する燃
料粒子や灰に働く遠心力Ｆも大きくなる。

【００６１】

【数１】

【００６２】ここで、ｍは粒子の質量、ｒは中心軸から
の距離である。

【００６３】この時、スラグ排出口１３の径ｒ_s が燃焼
ガス排出口１５の径ｒ_e より大きいと、スラグ排出口１
３の端の周方向速度が低下するため、燃料粒子に働く遠
心力が小さくなる。すると、燃料粒子はスラグ排出口１
３の端からスラグ冷却容器１４内に進入し易くなり、炉
内で滞留する時間が短くなる。また、スラグ冷却容器１
４内からの未燃燃料粒子の再飛散や下部の水面と粒子の
接触などの問題も発生する。そこで、スラグ排出口１３
の径ｒ_s を燃焼ガス排出口１５の径ｒ_e より小さくする
と、燃料粒子は周方向速度の大きな領域、すなわち遠心
力の大きな領域を通らなければスラグ冷却容器内へ進入
できず、前記の問題を回避できる。

【００６４】なお、スラグ排出口１３が円形でないとき
は、孔の中心からスラグ排出口１３の端まで最も長い所
の距離をスラグ排出口１３の径ｒ_s として考えればよ
い。ただし、スラグの排出の観点から極端にスラグ排出
口１３を小さくすることは好ましくない。

【００６５】＜実施例６＞燃焼溶融炉３において、燃焼
ガス排出口１５の径ｒ_e を、より小さくした場合の実施
例を図９の（Ａ）および（Ｂ）に示す。燃焼ガス排出口
１５の径ｒ_e が大きい時と小さい時の周方向速度もあわ
せて示した。（Ｂ）から分かるように、燃焼ガス排出口
の径を小さくすると角運動量の保存によって周方向速度
の最大値は大きくなり、径が大きい時に比べ遠心力の強
い領域が炉内に広がる。そのため、粒子を滞留する能力
が向上し、燃焼率の向上につながる。燃焼ガス排出口１
５の径ｒ_e は炉径ｒと同じ大きさまで広げることができ
るが、燃焼ガス排出口１５の径ｒ_e を大きくすると、旋
回力が減少するため粒子が中心方向に移動しやすく、未
燃分の流出量が増加する事が予想される。

【００６６】ただし、燃焼ガス排出口１５の径ｒ_e を小
さくすると炉内の圧力損失が大きくなるので、炉径ｒ：
燃焼ガスの排出口の径ｒ_e＝２〜３：１ ぐらいが好まし
い。 ＜実施例７＞燃焼溶融炉３において、スラグ冷却容器１
４内に粉体１９を浮遊させた実施例を図１０に示す。ス
ラグ冷却容器内の水は、炉内からの輻射熱で蒸発し、炉
内のガス温度を低下させる原因となる。そこで、スラグ
冷却容器１４内に粉体１９を浮遊させて輻射の吸収体と
すると、下部の水面に輻射束が届かないので、水の蒸発
を抑制できる効果がある。粉体としては、燃焼ガス排出
口から飛散した灰或いはスラグ排出口を加熱するための
バーナから発生する煤などを用いることができる。飛灰
も煤も粒径は小さく数μｍ程度であり、スラグ冷却容器
内で浮遊させることができる。

【００６７】＜実施例８＞燃焼溶融炉３における起動方
法を図１１および図１２を用いて説明する。一次空気供
給ノズルから投入された一次空気は、一次空気供給ノズ
ルと同じ高さか或いは下側に設置された助燃剤供給ノズ
ル２０から投入された助燃剤と混合される。ここで、助
燃剤にはプロパン等の高発熱量の気体を用いると良い。
助燃剤と空気とが混合したガスは、旋回しながら壁面付
近を降下し、炉壁に取り付けた点火装置２１で点火され
る。点火したガスは燃焼によって高温となり、更に壁面
に沿って降下を続ける。燃焼溶融炉内の旋回流は滞留時
間が長く、強い乱流となるので、燃焼ガスの熱量を炉に
効率的に伝える。このため、予熱時間を短くすることが
可能となる。

【００６８】スラグ排出口１３での温度が低下し、スラ
グ１２の固化の問題が生じる可能性がある時は、助燃剤
を補助燃料とし、スラグ排出口１３の周辺の温度を調整
する。

【００６９】助燃剤供給ノズル２０は、図１３に示すよ
うに１次空気供給ノズル内に設置することも可能であ
る。

【００７０】なお、以上の実施例では、すべて燃焼室が
竪型に設置されている場合について説明したが、燃焼室
が水平方向を向いて設置されている横型の場合或は燃焼
室が斜め方向に設置されている場合にも本発明は適用可
能である。

【００７１】

【発明の効果】本発明により、一つの燃焼室内に空気比
が１未満の還元雰囲気よりなる一次燃焼域と空気比が１
以上の酸化雰囲気よりなる二次燃焼域を形成することが
可能になった。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の燃焼用溶融炉及び発電装置を組み込ん
だ廃棄物処理プラントの一実施例を示す概略図。

【図２】図１の燃焼溶融炉に設置された二次空気供給ノ
ズルの平面断面図。

【図３】図１の燃焼溶融炉に設置された一次空気供給ノ
ズルの平面断面図。

【図４】図１の燃焼溶融炉に設置された燃料粒子供給ノ
ズルの平面断面図。

【図５】二次空気供給ノズルを燃料粒子供給ノズルとス
ラグ排出口の間に配置した燃焼溶融炉の側面断面図。

【図６】二次空気ノズルをスラグ冷却容器に配置した燃
焼溶融炉の側面断面図。

【図７】脱塵装置にて回収した可燃性固体粒子を燃焼室
に戻す手段を備えた燃焼溶融炉の側面断面図。

【図８】（Ａ）は、燃焼ガス排出口の径をスラグ排出口
の径より小さくした場合の効果を説明するための燃焼溶
融炉概略図であり、（Ｂ）は燃焼溶融炉の水平断面にお
ける周方向速度分布を示した図。

【図９】（Ａ）は、燃焼ガス排出口の径を更に絞った場
合の効果を示す燃焼溶融炉概略図であり、（Ｂ）は燃焼
溶融炉の水平断面における周方向速度分布を示した図。

【図１０】スラグ冷却容器内に粉体を浮遊させた燃焼溶
融炉の側面断面図。

【図１１】助燃剤供給ノズルと点火装置を設置した燃焼
溶融炉の側面断面図。

【図１２】一次空気供給ノズルと助燃剤供給ノズルと点
火装置が設置された位置を示す平面断面図。

【図１３】助燃剤供給ノズルを一次空気供給ノズル内に
設置した例を示す平面断面図。

【符号の説明】

１…破砕されたごみ、２…熱分解炉、３…燃焼溶融炉、
４…スラグ回収装置、５…廃熱回収ボイラ、６…脱塵装
置、７…煙突、８…一次空気供給ノズル、９…燃料粒子
供給ノズル、１０…二次空気供給ノズル、１１…燃料粒
子、１２…スラグ、１３…スラグ排出口、１４…スラグ
冷却容器、１５…燃焼ガス排出口、１７…燃焼室、１８
…回収粒子供給ノズル、１９…粉体、２０…助燃剤供給
ノズル、２１…点火装置、９９…発電機、１００…蒸気
タービン。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 山本 研二 茨城県日立市大みか町七丁目１番１号 株 式会社日立製作所日立研究所内 (72)発明者 荒戸 利昭 茨城県日立市大みか町七丁目１番１号 株 式会社日立製作所日立研究所内 (72)発明者 柴田 強 茨城県日立市大みか町七丁目１番１号 株 式会社日立製作所日立研究所内 (72)発明者 谷口 正行 茨城県日立市大みか町七丁目１番１号 株 式会社日立製作所日立研究所内 (72)発明者 森原 淳 茨城県日立市大みか町七丁目１番１号 株 式会社日立製作所日立研究所内 (72)発明者 宇津野 英明 茨城県日立市幸町三丁目１番１号 株式会 社日立製作所日立工場内 Ｆターム(参考） 3K061 AA11 AB03 AC01 BA04 BA09 DA02 DA12 DA18 DB16 NB03 NB20 3K065 AA11 AB03 AC01 BA04 BA09 EA09 EA15 EA43 EA57 GA03 GA08 GA12 GA22 GA23 GA34 GA43 GA46 HA03 HA05

Claims (15)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】可燃性固体物質よりなる燃料粒子を燃焼す
   る燃焼室と、該燃焼室で生じた燃焼ガスを該燃焼室から
   排出する燃焼ガス排出口と、該燃焼室で生じた溶融スラ
   グを該燃焼室から排出するスラグ排出口と、該燃焼室へ
   燃料粒子を供給する燃料粒子供給ノズルと、該燃焼室へ
   燃焼用空気を供給する空気供給ノズルとを有する燃焼溶
   融炉において、 前記空気供給ノズルを複数個備え、前記スラグ排出口が
   空気比１未満の還元雰囲気になり、前記燃焼ガス排出口
   が空気比１以上の酸化雰囲気になるように配置したこと
   を特徴とする燃焼溶融炉。
2. 【請求項２】可燃性固体物質よりなる燃料粒子を燃焼す
   る燃焼室と、該燃焼室で生じた燃焼ガスを該燃焼室から
   排出する燃焼ガス排出口と、該燃焼室で生じた溶融スラ
   グを該燃焼室から排出するスラグ排出口と、該燃焼室へ
   燃料粒子を供給する燃料粒子供給ノズルと、該燃焼室へ
   燃焼用空気を供給する空気供給ノズルとを有し、前記ス
   ラグ排出口が前記燃焼室の内径よりも狭められている燃
   焼溶融炉において、 前記燃焼室内を前記スラグ排出口の方向へ向かって空気
   が流れるようにした第１の空気供給ノズルと、該燃焼室
   内を燃焼ガス排出口の方向へ向かって空気が流れるよう
   にした第２の空気供給ノズルとを備えたことを特徴とす
   る燃焼溶融炉。
3. 【請求項３】可燃性固体物質よりなる燃料粒子を燃焼す
   る燃焼室と、該燃焼室で生じた燃焼ガスを排出する燃焼
   ガス排出口と、該燃焼室で生じた溶融スラグを排出する
   スラグ排出口と、該燃焼室へ燃料粒子を供給する燃料粒
   子供給ノズルと、該燃焼室へ燃焼用空気を供給する空気
   供給ノズルとを有し、前記スラグ排出口の口径が前記燃
   焼室の内径よりも小さくなっている燃焼溶融炉におい
   て、 前記燃焼室の内周面に沿って一次空気の旋回流を形成す
   るための一次空気供給ノズルと、 前記燃焼室の中心部へ向かって或は前記一次空気の旋回
   方向へ二次空気を噴出するための二次空気ノズルと、 前記一次空気ノズルから前記スラグ排出口に至る間に設
   けられ、前記燃焼室の内周面に沿って被処理物質の旋回
   流を形成する前記燃料粒子供給ノズルとを備えたことを
   特徴とする燃焼溶融炉。
4. 【請求項４】可燃性固体物質よりなる燃料粒子を燃焼す
   る断面円形の燃焼室と、該燃焼室の上部に設けられた燃
   焼ガス排出口と、該燃焼室の下部に設けられた溶融スラ
   グ排出口と、該燃焼室へ燃料粒子を供給する燃料粒子供
   給ノズルと、該燃焼室へ燃焼用空気を供給する空気供給
   ノズルとを有し、前記スラグ排出口の口径が前記燃焼室
   の内径よりも小さくなっている燃焼溶融炉において、 前記燃焼室の内周面に沿って旋回する一次空気流を形成
   するために該燃焼室の内周面の接線方向に一次空気を噴
   出するようにした一次空気供給ノズルと、 該燃焼室の中心部を通り前記燃焼ガス排出口へ向かって
   上昇する燃焼ガスの流れに対して二次空気を混合するた
   めに、該燃焼室の中心へ向かって或は前記一次空気の旋
   回方向へ二次空気を噴出する二次空気供給ノズルと、 前記一次空気供給ノズルから前記スラグ排出口に至る間
   に設けられ、該燃焼室の内周面の接線方向へ燃料粒子を
   噴出するようにした前記燃料粒子供給ノズルとを備えた
   ことを特徴とする燃焼溶融炉。
5. 【請求項５】請求項４に記載の燃焼溶融炉において、前
   記二次空気供給ノズルが前記一次空気供給ノズルから前
   記燃焼ガス排出口に至る間に設けられていることを特徴
   とする燃焼溶融炉。
6. 【請求項６】請求項４に記載の燃焼溶融炉において、前
   記二次空気供給ノズルが前記燃料粒子供給ノズルから前
   記スラグ排出口に至る間に設けられていることを特徴と
   する燃焼溶融炉。
7. 【請求項７】請求項４において、前記二次空気供給ノズ
   ルが前記スラグ排出口の下方に設けられ、二次空気が該
   スラグ排出口を通って前記燃焼室に供給されるようした
   ことを特徴とする燃焼溶融炉。
8. 【請求項８】請求項４において、前記スラグ排出口の口
   径が前記燃焼ガス排出口の口径よりも小さいことを特徴
   とする燃焼溶融炉。
9. 【請求項９】請求項４において、前記スラグ排出口の断
   面形状が円形であることを特徴とする燃焼溶融炉。
10. 【請求項１０】請求項４において、前記スラグ排出口の
    断面形状がスリット形であることを特徴とする燃焼溶融
    炉。
11. 【請求項１１】可燃性固体物質よりなる燃料粒子を燃焼
    する燃焼室と、該燃焼室で生じた燃焼ガスを排出する燃
    焼ガス排出口と、該燃焼室で生じた溶融スラグを排出す
    るスラグ排出口と、該燃焼室へ燃料粒子を供給する燃料
    粒子供給ノズルと、該燃焼室へ燃焼用空気を供給する空
    気供給ノズルとを有し、前記スラグ排出口の口径が前記
    燃焼室の内径よりも小さくなっている燃焼溶融炉におい
    て、 前記燃焼室の内周面に沿って一次空気の旋回流を形成す
    るための一次空気供給ノズルと、 該燃焼室の中心方向へ向けて或は前記一次空気の旋回方
    向へ二次空気を噴出するための二次空気供給ノズルと、 前記一次空気供給ノズルから前記スラグ排出口へ至る間
    に設けられ、前記燃焼室の内周面に沿って燃料粒子の旋
    回流を形成するための前記燃料粒子供給ノズルと、 前記一次空気供給ノズルから前記スラグ排出口へ至る間
    に設けられ、前記燃焼ガス排出口から炉外へ排出された
    燃焼ガスより回収した可燃性固体物質或は灰を該燃焼室
    内に戻す燃焼ガス回収物質戻し手段とを備えたことを特
    徴とする燃焼溶融炉。
12. 【請求項１２】可燃性固体物質よりなる燃料粒子を燃焼
    する燃焼室と、該燃焼室で生じた燃焼ガスを排出する燃
    焼ガス排出口と、該燃焼室で生じた溶融スラグを排出す
    るスラグ排出口と、該燃焼室へ燃料粒子を供給する燃料
    粒子供給ノズルと、該燃焼室へ燃焼用空気を供給する空
    気供給ノズルとを有し、前記スラグ排出口の口径が前記
    燃焼室の内径よりも小さくなっている燃焼溶融炉におい
    て、 前記燃焼室の内周面に沿って一次空気の旋回流を形成す
    るための一次空気供給ノズルと、 該燃焼室の中心方向へ向けて或は前記一次空気の旋回方
    向へ二次空気を噴出するための二次空気供給ノズルと、 前記一次空気供給ノズルから前記スラグ排出口へ至る間
    に設けられ、前記燃焼室の内周面に沿って燃料粒子の旋
    回流を形成するための前記燃料粒子供給ノズルと、 前記燃焼室へ助燃剤を供給する助燃剤供給ノズルと、 該助燃剤の点火装置とを備えたことを特徴とする燃焼溶
    融炉。
13. 【請求項１３】一端に燃焼ガスの排出口を有し、他端に
    溶融スラグの排出口を有する筒状の燃焼室に可燃性固体
    物質よりなる燃料粒子と空気を供給し、該燃料粒子を燃
    焼して燃焼ガスを前記燃焼ガス排出口から排出し、該燃
    料粒子の燃焼に伴って生じた溶融スラグを前記スラグ排
    出口から排出するようにした燃焼溶融方法において、 前記燃焼室内に空気比が１未満の還元雰囲気と空気比が
    １以上の酸化雰囲気とからなる二つの雰囲気を形成し、
    前記スラグ排出口が空気比１未満の還元雰囲気にあり、
    前記燃焼ガス排出口が空気比１以上の酸化雰囲気にある
    ようにしたことを特徴とする燃焼溶融方法。
14. 【請求項１４】上部に燃焼ガスの排出口を有し、下部に
    溶融スラグの排出口を有する断面円形の燃焼室に可燃性
    固体物質よりなる燃料粒子と空気を供給し、該燃料粒子
    を燃焼して燃焼ガスを前記燃焼ガス排出口から排出し、
    該燃料粒子の燃焼に伴って生じた溶融スラグを前記スラ
    グ排出口から排出するようにした燃焼溶融方法におい
    て、 前記燃焼室の内周面に沿って一次空気の旋回流を形成
    し、該一次空気の旋回流が前記スラグ排出口の方向へ向
    かう流れに対して前記燃料粒子を供給して燃焼し、該燃
    焼室の中心部を通り前記燃焼ガス排出口の方向へ向かっ
    て上昇する燃焼ガスの流れに対して二次空気を供給し、
    前記燃焼ガス排出口での酸素濃度を高めたことを特徴と
    する燃焼溶融方法。
15. 【請求項１５】可燃性固体物質よりなる燃料粒子の燃焼
    と灰分の溶融を行う燃焼溶融炉と、該燃焼溶融炉で発生
    した燃焼ガスの保有熱を回収して蒸気タービンを駆動し
    て発電する発電装置とを具備した発電システムであっ
    て、前記燃焼溶融炉が燃料粒子を燃焼する燃焼室と、 該燃焼室で生じた燃焼ガスを排出する燃焼ガス排出口
    と、 該燃焼室で生じた溶融スラグを排出するスラグ排出口
    と、 該燃焼室の内周面に沿って一次空気の旋回流を形成する
    ための一次空気供給ノズルと、 該燃焼室の中心部へ向かって或は前記一次空気の旋回方
    向へ二次空気を噴出するための二次空気ノズルと、 該一次空気供給ノズルから前記スラグ排出口に至る間に
    設けられ、前記燃焼室の内周面に沿って燃料粒子の旋回
    流を形成するための燃料粒子供給ノズルとを備えている
    ことを特徴とする燃焼溶融炉廃熱利用発電システム。