JP2004116993A - 回転蓄熱式バーナ装置から発生する一酸化炭素の発生量を抑制する方法 - Google Patents

Abstract

【課題】　回転蓄熱式バーナ装置から発生する一酸化炭素の発生量を抑制する方法を提供する。
【解決手段】　回転蓄熱式バーナ装置３９からの排気ガスの排気経路４９に燃焼用空気に混入される排気ガスの量を調整する風量調整器５３，５５を配置する。回転蓄熱式バーナ装置３９に供給される燃焼用空気中の酸素濃度を測定し、測定した濃度が１５〜２１％となるように風量調整器５３，５５を調整する。
【選択図】　図１

Description

　本発明は、回転蓄熱式バーナ装置から発生する一酸化炭素の発生量を抑制する方法に関するものである。

　公知の回転蓄熱式バーナ装置としては、例えば特開平１−２２２１０２号公報，特開平６−２４１４３６号，特開平６−３３７１１０号公報，特開平６−２２１５４５号，特開平７−１１３５０９号公報等にその構造が詳細に示されている。これらの回転蓄熱式バーナ装置は、通気性を有する蓄熱体と、蓄熱体の内部に独立過熱器の燃焼室から排出される排気ガスが流れる排気流路と燃焼室に燃焼用空気を供給する給気流路とを形成する流路形成用構造部とを具備し、流路形成用構造部が蓄熱体の通気方向に延びる中心線を中心にして排気通路と給気通路とを連続的にまたは間欠的に回転させるように構成されている。
特開平１−２２２１０２号公報 特開平６−２４１４３６号公報 特開平６−３３７１１０号公報 特開平６−２２１５４５号公報 特開平７−１１３５０９号公報

　前述の特開平１−２２２１０２号公報等の公知特許文献に記載の回転蓄熱式バーナ装置では、特に回転蓄熱式バーナ装置から発生する一酸化炭素の発生を抑制する技術は工夫はなされていない。

　本発明の目的は、回転蓄熱式バーナ装置から発生する一酸化炭素の発生量を抑制する方法を提供することにある。

　本発明は、回転蓄熱式バーナ装置から排出された排気ガスの一部を前記回転蓄熱式バーナ装置に供給される燃焼用空気に混入させて回転蓄熱式バーナ装置から発生する一酸化炭素の発生量を抑制する。そこで本発明では、燃焼用空気中の酸素濃度を２１％以下、特に１５〜２１％とするように、燃焼用空気への排気ガスの混入量を定めると、燃焼用空気の温度を高くすることができ且つ低酸素燃焼となり、一酸化炭素の発生量を抑制することができる。

　なお回転蓄熱式バーナ装置からの排気ガスの排気経路に燃焼用空気に混入される排気ガスの量を調整する風量調整器を配置し、燃焼用空気中の酸素濃度が１５〜２１％となるように風量調整器を調整すると、排気ガスの混入量を簡単に調整できる。

　具体的には、回転蓄熱式バーナ装置に供給される燃焼用空気中の酸素濃度を測定し、測定した前記濃度が１５〜２１％となるように風量調整器を調整してもよいし、排気ガス中の酸素濃度を測定し、この測定した酸素濃度と空気中の酸素濃度とから燃焼用空気中の酸素濃度を計算により求め、計算結果に基づいて風量調整器を調整してもよい。

　本発明によれば、燃焼用空気の温度を高くすることができ且つ低酸素燃焼となるため、回転蓄熱式バーナ装置からの一酸化炭素の発生量を抑制することができる。

　以下図面を参照して、本発明の好ましい実施の形態の一例を詳細に説明する。実施の形態の詳細を説明する前に、本発明の方法で制御される回転蓄熱式バーナ装置を用いた発電設備を備えた焼却装置を説明する。

　この焼却装置は、焼却炉で発生した熱を利用して水を蒸気にし、この蒸気を独立過熱器を用いて更に所定の温度まで過熱して蒸気タービンに供給して発電する発電設備を備えている。独立過熱器をバーナ装置からの炎の輻射伝熱で蒸気が通る加熱管を主として加熱するように構成する。

　輻射伝熱で加熱管を加熱して蒸気を過熱すると、次のような効果が得られる。まずバーナ装置からの高温の火炎による輻射伝熱によって蒸気を過熱すると、対流伝熱と比べて、冷却空気や低温排ガスを必要としないため、大型の押込送風機や循環送風機を不要とすることができる。また対流伝熱と比べて、輻射伝熱で加熱管を加熱すると、加熱管の外表面あたりの吸収熱量（熱流速）を高めることができるため、伝熱面積を小さくできて、その分加熱管の全長を短くすることができる。そのため独立過熱器内における蒸気の圧力損失を低減できる。また火炎に近い位置に加熱管を配置することができ、構造をコンパクトにすることができ、しかも独立過熱器の出口における蒸気の温度の制御を比較的短い時間で行える。更に、輻射伝熱で蒸気を過熱する構成を採用すると、独立過熱器の構造が簡単になり、建設費、運転費、及び保守費を低減できる。

　バーナ装置はどのようなバーナ装置を用いてもよい。しかしながら空気予熱器等の付属の設備が少なくてすみ、しかも設置面積が少なくてもすむバーナ装置を用いるのが好ましい。このようなバーナ装置としては、独立過熱器から排出される排気ガスの熱を蓄熱する蓄熱器を備えてこの蓄熱器に蓄熱した熱で燃焼用空気を加熱する熱交換装置を備えた蓄熱式バーナ装置を用いるのが好ましい。蓄熱式バーナ装置の代表的なものとしては、１台のバーナに対して２台の熱交換器を用意して２台の熱交換器に交互に排気ガスと燃焼用空気を流す交番式の蓄熱式バーナ装置と、いわゆる回転蓄熱式バーナ装置がある。前者の蓄熱式バーナ装置は、特開平１−１５９５１１号公報や特開平５−２５６４２３号公報等に示されている。

　バーナ装置として回転蓄熱式バーナ装置を用いると、次のような効果がある。すなわち蓄熱体での伝熱効率がきわめて高いためバーナ装置がコンパクトになる。例えば１００万Ｋｃａｌ／Ｈ程度の燃焼で、９０％の熱効率を達成するために必要な回転蓄熱式バーナ装置で用いる蓄熱体の寸法は、外径寸法が６００ｍｍで高さが３００ｍｍで十分である。また回転蓄熱式バーナ装置を用いると、別置きの空気予熱器を必要としないため、独立過熱器以外に必要となる機器はダクトだけで、独立過熱器の設置に必要な敷地面積を大幅に低減できる。更に高温の燃焼用空気を用いて燃焼できるため、過剰空気率を低くすることができ、触媒を用いない場合で過剰空気率を５％程度とすることができ、また触媒を用いる場合には、過剰空気率を０％とすることができる。

　また回転蓄熱式バーナ装置を複数台設けると、１台の回転蓄熱式バーナ装置にトラブルが発生したとしても、残りの健全な回転蓄熱式バーナ装置を用いて熱交換運転をすることができる。これに対して空気予熱器を用いる場合には、空気予熱器でトラブルが発生した場合には、その時点で熱交換運転ができなくなる。

　回転蓄熱式バーナ装置を用いる場合に、燃焼炉に燃焼用空気を供給する押込送風機から吐出される燃焼用空気の一部を回転蓄熱式バーナ装置に供給し、燃焼炉から排気ガスを排出するための誘引送風機の誘引力を用いて回転蓄熱式バーナ装置から排気ガスを排出するように、回転蓄熱式バーナ装置の給気経路及び排気経路が構成すると、燃焼炉のために設けた押込送風機と誘引送風機を回転蓄熱式バーナ装置の給排気のために利用することができて、機器点数が減り設備が簡単になる。また建設費用及び保守費用等を安くすることができる。

　更に回転蓄熱式バーナ装置から排出された排気ガスの一部を押込送風機に吐出される燃焼用空気に混入するように排気経路を構成すると、低酸素燃焼を実現することができる。好ましくは、燃焼用空気の酸素濃度を２１％以下、特に１５〜２１％とするように排気ガスを燃焼用空気に混入する。低酸素燃焼にすると、火炎温度が下がり、独立過熱器のみならず焼却炉自体でも低ＮＯｘ化を図ることができる。

　そして排気経路に燃焼用空気に混入されるように排気ガスの量を調整する風量調整器を配置すれば、排気ガスの混入量を簡単に調整できる。

　更に蒸気タービンに供給される蒸気の量が予め定めた量以下になると独立過熱器内の加熱管に不足分を補うための水を供給する補水装置を更に設ければ、蒸気の不足を簡単かつ確実に補うことができる。

　また焼却炉の熱及び排気ガスの熱を利用して水を蒸気にする蒸気発生装置から出力される蒸気の温度が３００℃以下となるように焼却炉の燃焼を制御し、独立過熱器の回転蓄熱式バーナ装置で用いる燃料として塩化物が含まれていないかまたは塩化物がほとんど含まれていない燃料を用い、燃料の供給量を制御して独立過熱器から出力される蒸気の温度を３００℃以上としても、加熱管を腐食させることなく、蒸気タービンに発電に必要な蒸気を供給することができる。

　図１は、本発明の方法を用いるゴミ焼却装置の一例の構成図である。図１において、１は焼却炉であり、３は焼却炉１に併設されたゴミピットであり、焼却炉１とゴミピット３の上に配置されたクレーン装置５を用いてゴミが焼却炉１に投入される。焼却炉１は、下部から燃焼用空気が供給されてゴミが焼却される焼却炉本体１ａと、焼却炉本体１ａから出た排気ガスの熱を利用して水を蒸気に変えるための蒸気発生装置７の伝熱設備が配置される伝熱設備収納部１ｂとから構成される。燃焼炉本体１ａの下部からは、焼却炉１の外部に設けた押込送風機９を用いて燃焼用空気が供給され、焼却炉本体１ａから出た排気ガスは伝熱設備収納部１ｂを通り、また第１の排気ガス通路１１を通って、排気ガス処理装置１３へと流れ、排気ガス処理装置１３で処理された排気ガスは誘引送風機１５の誘引力により第２の排気ガス通路１７を通って煙突１９から排出される。

　伝熱設備収納部１ｂの内部の第１の部分１ｂ1 には、燃焼炉本体１ａから出る熱の輻射伝熱を利用して水を加熱蒸発させるための炭素鋼製の管からなる加熱管路２１が配置され、また第２の部分１ｂ2 には排気ガスの熱で水を予熱するかまたは３００℃以下に蒸気過熱する第１及び第２の対流伝熱部２３及び２５が配置されている。２７は蒸気発生タンクである。蒸気タービン２９から排出された蒸気は管路３０を通って給水装置３１に戻る。給水装置３１は、蒸気タービン２９から戻った水と補充用の水を管路３３を通して第１の対流伝熱部２３へと供給する。第１の対流伝熱部２３で加熱された水は蒸気発生タンク２７へと供給され、蒸気発生タンク２７に供給された水は加熱管路２１で一部が蒸発する。そして蒸気発生タンク２７内の蒸気は、管路３５を通って第２の対流伝熱部２５で更に加熱され（約３００℃まで加熱され）て独立過熱器３９へと供給される。

　独立過熱器３９は、複数台のバーナ装置４１（図には１台のバーナ装置だけを図示してある）からの炎の輻射伝熱で蒸気が通る加熱管４３を加熱するように構成されている。これらのバーナ装置４１は、独立過熱器３９から排出される排気ガスの熱を蓄熱する蓄熱器４１ａを備えてこの蓄熱器４１ａに蓄熱した熱で燃焼用空気を加熱する熱交換装置を備えた蓄熱式バーナ装置であり、より具体的には、特開平１−２２２１０２号公報，特開平６−２４１４３６号，特開平６−３３７１１０号公報，特開平７−１１３５０９号公報などに示された回転蓄熱式バーナ装置などに示された回転蓄熱式バーナ装置である。周知の通り、回転蓄熱式バーナ装置は、通気性を有する蓄熱体４１ａと、蓄熱体４１ａの中心を貫通するように配置されたバーナ４１ｂと、蓄熱体４１ａの内部に独立過熱器３９の燃焼室から排出される排気ガスが流れる排気流路と燃焼室に燃焼用空気を供給する給気流路とを形成する流路形成用構造部（図示せず）とを具備している。この流路形成用構造部は、蓄熱体４１ａの通気方向に延びる中心線を中心にして排気通路と給気通路とを連続的にまたは間欠的に回転させるように構成されている。なお回転蓄熱式バーナ装置の詳細は、前述の公報に詳しく説明されているので省略する。

　回転蓄熱式バーナ装置４１の燃焼用空気供給ダクト４１ｄは、管路４５を介して焼却炉１に燃焼用空気を供給する管路４７に接続されている。この管路４７には、押込送風機９から燃焼用空気が供給されるため、回転蓄熱式バーナ装置４１には、焼却炉１に供給される燃焼用空気の一部が供給されていることになる。言い換えると、焼却炉１の燃焼のために設けた押込送風機９が独立過熱器３９に燃焼用空気を供給する用途に兼用されている。

　また回転蓄熱式バーナ装置４１の排気ガス排出ダクト４１ｅは管路４９に接続されている。この管路４９は、一端が押込送風機９の吸い込み側に配置された空気導入管路５１に接続され、他端が排気ガス処理装置１３から排出された処理済みの排気ガスを排出する管路１７に接続されている。そしてこの管路４９の途中（排気ガス排出ダクト４１ｅと管路４９の接続点の両側）には、風量調節器を構成する第１及び第２の調整弁５３及び５５が配置されている。第１の調整弁５３は、回転蓄熱式バーナ装置４１から排出された排気ガスの一部を押込送風機から吐出される燃焼用空気に混入するように排気経路を構成して、低酸素燃焼を実現する。好ましくは、燃焼用空気の酸素濃度を１５〜２１％とするように回転蓄熱式バーナ装置４１から排出される排気ガスを燃焼用空気に混入するべく、第１及び第２の調整弁５３及び５５の開度が調節される。低酸素燃焼にすると、火炎温度が下がり、独立過熱器３９のみならず焼却炉１自体でも低ＮＯｘ化を図ることができる。また排気ガスの一部を燃焼用空気に混入すると、回転蓄熱式バーナ装置４１に供給される燃焼用空気の温度も高くすることができ、回転蓄熱式バーナ装置４１からのＣＯの発生はほとんどなくなる。排気ガスの混入量を制御するためには、押込送風機９の送風側に酸素計を配置し、この酸素計で酸素濃度を測定して、酸素濃度が所望の値になるように第１及び第２の調整弁５３及び５５の開度を調節すればよい。また回転蓄熱式バーナ装置４１から排出される排気ガス中の酸素濃度を測定し、この測定値と空気中の酸素濃度とから押込送風機９から供給する燃焼用空気中の酸素濃度を計算により求めて、この計算結果に基づいて第１及び第２の調整弁５３及び５５の開度を決定してもよい。

　回転蓄熱式バーナ装置４１からの排気ガスの残りは、管路４９を通して誘引送風機１５の誘引力で排出される。したがって回転蓄熱式バーナ装置４１に対しては、２つの排気系統が設置されていることにより、焼却炉１に対して設けた押込送風機９と誘引送風機１５の２台の送風機が排気用の誘引送風機として兼用されている。

　この例では、独立過熱器３９の回転蓄熱式バーナ装置４１で用いる燃料として塩化物が含まれていないかまたは塩化物がほとんど含まれていないクリーンな燃料を用いている。そしてこの燃料の供給量を制御して独立過熱器３９から出力される蒸気の温度を５００℃以上にしている。なおこの例では、火炎の安定性を促進するために、モーチブ蒸気または空気をバーナ４１ｂ近傍に供給している。

　独立加熱器３９のケーシング３９ａは、鋼鉄製であり、その内側には耐火断熱材が内張されている。そして加熱管４０は、炭素鋼製であり、ケーシング３９の内部には加熱管４０を支持するための鋳物製の支持構造部が配置されている。なお加熱管４０の配置または支持構造は任意であり、例えばボイラの蒸発器で用いられている加熱管のように、耐火断熱材（または耐火断熱壁）と加熱管とを一体化し、加熱管をひれ付きの加熱管とした構造で、加熱管を配置するようにしてもよい。回転蓄熱式バーナ装置４１は、ケーシング３９の底壁または側壁のいずれに固定してもよい。

　この例では、加熱管４０の途中に、独立過熱器３９内の加熱管に蒸気の不足分を補うための水を供給する補水装置５７が設置されている。この補水装置５７には、管路５９を通して給水装置３１から補水に必要な水が供給される。そして独立過熱器３９から蒸気タービン２９に蒸気を供給する管路６１の途中に蒸気量を測定する計器（図示せず）を設置し、この計器の測定値に基づいて、蒸気タービン２９に供給される蒸気の量が予め定めた量以下になると補水装置５７のバルブ５７ａを開かれて蒸気量が調整される。

　この実施の形態の設備において、独立過熱器３９及び補水装置５７並びにこれらに付随する配管を除いては、すべて既設の焼却装置の設備である。したがって本発明は、既設の焼却装置の設備に簡単に適用することができる。特に、独立過熱器３９が本例のように、蓄熱式バーナ装置の輻射伝熱を利用して蒸気を過熱する構造の独立過熱器３９を用いると、新たに設置する機器のスペースは僅かですみ、既存の焼却装置に新たな機器設置スペースを確保する必要性はない。

　この実施の形態の発電設備を備えた焼却装置では、焼却炉１で焼却されて発生する熱及び排気ガスの熱を利用して水を蒸気にする蒸気発生装置（２１〜３５）を利用して、まず３００℃以下の蒸気を発生させる。言い換えれば、焼却炉１での焼却は、蒸気の温度が３００℃以下になるように制御される。そして独立過熱器３９では、燃料として塩化物が含まれていないかまたは塩化物がほとんど含まれていない燃料を用いて回転蓄熱式バーナ装置４１で燃焼を行い、その燃焼の熱の輻射伝熱で加熱管４０を過熱して蒸気を過熱する。なお回転蓄熱式バーナ装置４１に供給する燃料の供給量を制御して独立過熱器３９から出力される蒸気の温度を５００℃以上にしている。独立過熱器３９から出力された５００℃以上の蒸気は蒸気タービン２９に供給されて発電が行われる。したがって焼却炉１においては、塩化水素の発生による加熱管の腐食を防ぎ、しかも蒸気タービン２９に供給される蒸気の温度を５００℃以上にして、発電効率を高めることができる。

　また輻射伝熱で加熱管を加熱すると、加熱管の外表面あたりの吸収熱量（熱流速）を高めることができるため、伝熱面積を小さくできて、その分加熱管の全長を短くすることができる。その結果、独立過熱器内における蒸気の圧力損失を低減でき、しかも独立過熱器の出口における蒸気の温度の制御を比較的短い時間で行える。また独立過熱器の構造が簡単になり、建設費，運転費，及び保守費を低減できる利点がある。

　また独立過熱器に回転蓄熱式バーナ装置を用いると、別置きの空気予熱器を必要としないため、独立過熱器以外に必要となる機器はダクトだけでよく、独立過熱器の設置に必要な敷地面積を大幅に低減できる利点がある。

　更に回転蓄熱式バーナ装置から排出された排気ガスの一部を押込送風機から吐出される燃焼用空気に混入するように排気経路を構成すると、低酸素燃焼を実現することができる利点がある。

本発明をゴミ焼却装置に適用した実施の形態の一例の構成図である。

符号の説明

１　焼却炉
７　蒸気発生装置
９　押込送風機
１３　排気ガス処理装置
１５　誘引送風機
１９　煙突
２１　加熱管路
２３，２５　対流伝熱部
２７　蒸気発生タンク
２９　蒸気タービン
３９　独立過熱器
４１　回転蓄熱式バーナ装置
５３，５５　調整弁

Claims (4)

1. 回転蓄熱式バーナ装置から排出された排気ガスの一部を前記回転蓄熱式バーナ装置に供給される燃焼用空気に混入させて前記回転蓄熱式バーナ装置から発生する一酸化炭素の発生量を抑制する方法であって、
   　前記燃焼用空気中の酸素濃度を２１％以下とするように、前記燃焼用空気への前記排気ガスの混入量を定めることを特徴とする回転蓄熱式バーナ装置から発生する一酸化炭素の発生量を抑制する方法。
2. 前記回転蓄熱式バーナ装置からの前記排気ガスの排気経路に前記燃焼用空気に混入される前記排気ガスの量を調整する風量調整器を配置し、
   　前記燃焼用空気中の酸素濃度が１５〜２１％となるように前記風量調整器を調整することを特徴とする請求項１に記載の回転蓄熱式バーナ装置から発生する一酸化炭素の発生量を抑制する方法。
3. 前記回転蓄熱式バーナ装置に供給される前記燃焼用空気中の酸素濃度を測定し、測定した前記酸素濃度が１５〜２１％となるように前記風量調整器を調整することを特徴とする請求項２に記載の回転蓄熱式バーナ装置から発生する一酸化炭素の発生量を抑制する方法。
4. 前記排気ガス中の酸素濃度を測定し、この測定した酸素濃度と空気中の酸素濃度とから前記燃焼用空気中の酸素濃度を計算により求め、計算結果に基づいて前記風量調整器を調整することを特徴とする請求項２に記載の回転蓄熱式バーナ装置から発生する一酸化炭素の発生量を抑制する方法。

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