JP2004132563A

JP2004132563A - 焼却炉及び焼却炉の運転方法

Info

Publication number: JP2004132563A
Application number: JP2002294993A
Authority: JP
Inventors: Takahiro Marumoto; 丸本　隆弘; Naoki Fujiwara; 藤原　直機
Original assignee: Babcock Hitachi KK
Current assignee: Mitsubishi Power Ltd
Priority date: 2002-10-08
Filing date: 2002-10-08
Publication date: 2004-04-30

Abstract

【課題】廃棄物焼却炉において、廃棄物の供給量が一時的に変動しても、燃焼性を良好な状態に維持する。
【解決手段】焼却炉３に供給された廃棄物の下方から該廃棄物を乾燥及び燃焼させるための１次空気を供給し、更に炉の上部から燃焼用の２次空気と３次空気を供給して廃棄物を焼却する焼却炉の運転方法において、特定波長域の輻射熱線のみを検知できる放射温度計７を用い、廃棄物の燃焼過程における乾燥工程で生成したガスの特定波長域の輻射熱線のみを測定した熱流束からガス吸収係数を計算し、得られたガス吸収係数からガス中のＨ_２Ｏ含有量を計算し、求められたＨ_２Ｏ含有量に基づいて廃棄物の供給量を算定し、算定された廃棄物の供給量に見合った空気量になるように、２次空気量および３次空気量を制御する。
【選択図】　　　　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は廃棄物等の焼却炉とその運転方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
廃棄物等の焼却炉では、通常、燃料である廃棄物に１次空気を供給して部分燃焼させ、その後、炉の下流側に２次空気や３次空気を供給して未燃ガスを完全に燃焼させる方式が採用されている。これは流動床式焼却炉でもストーカ式焼却炉でも同様である。この方式により、燃料のある程度のカロリー変動や、供給量変動に起因する燃焼状況の変動を緩和し、燃焼性を良好な状態に維持することが可能になっている。
【０００３】
しかし、廃棄物等の焼却炉では、しばしば燃料（廃棄物）の供給量が一時的に大幅に増大する現象（どさ落ち現象）を生じるため、供給量変動に応じた空気量制御等を行う必要がある。従来、燃料供給量の変化を検知するため、焼却炉出口における酸素濃度を測定し、得られた酸素濃度に応じて１次空気又は２次空気の供給量を変化させる技術が知られている（例えば特許文献１参照）。また、熱電対で炉内温度を監視し、検知された炉内温度に応じて１次空気又は２次空気の供給量を変化させる技術も知られている。
【０００４】
【特許文献１】
特開平１０−３３２１２２号公報
【発明が解決しようとする課題】
炉出口の酸素濃度を測定することで、数秒〜数十秒前の燃料供給量の変動を知ることができる。この情報を用いて、炉に供給する空気量を制御した場合、炉出口の酸素濃度を測定した時点とその情報に基づいて制御された量の空気が吹きこまれる時点での燃料供給量が必ずしも同じではないため、場合によっては燃焼状況が悪化することがある。
【０００５】
また、炉内温度を熱電対で監視する場合、得られる温度は正確なガス温度ではなく、熱電対が炉内各所から受けた輻射熱を含む温度であるため、熱電対で検出した温度に基づいて燃料供給量の変動を知ることは困難である。
【０００６】
本発明の課題は、廃棄物等を燃焼させる焼却炉において、廃棄物である燃料の供給量が一時的に変動しても、燃焼性を良好な状態に維持することである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決するには、燃料供給量の変動をできるだけ早く、かつ変動量をできるだけ正確に検出することが必要である。発明者等は、燃料供給量の変動にともなって変動する物理量（炉内状態量）につき、種々検討した結果、廃棄物の燃焼の前段階の乾燥過程で発生する水分量、具体的には炉内ガス中のＨ_２Ｏ含有量が、燃料供給量の変動を検出するのに適切であることを見出した。
【０００８】
ごみ供給量が変動すると、ごみと共に持ちこまれる焼却炉内の水分の絶対量も変化するため、炉内のＨ_２Ｏの分圧が変化する。図４に示すように、Ｈ_２Ｏの分圧に応じて、炉内のガスの吸収係数が変化するため、ガス吸収係数を測定することで炉内のガスの水分量を知ることができる。炉内のガスの水分量は、ごみ供給量の変動とともに変動するから、水分量の変動によりごみ供給量の変動を検知できる。
【０００９】
通常、放射温度計は壁面温度の測定に使用され、壁面及びガス体からの放射熱線量をデイテクタで検知し、温度に換算するものである。壁面の温度を測定する場合、壁面からの輻射熱線を、該壁面と放射温度計の間にあるガス体が一部吸収、放射するため、その影響を避けるために、特定波長域の輻射熱線のみを検知している。これは、図５に示すように輻射熱線に対し不透明なガスであるＨ_２Ｏ及びＣＯ_２は特定波長のみで熱線を吸収、放射するため、これらの波長域を避けるためである。逆に言えば、Ｈ_２Ｏ及びＣＯ_２は特定波長域でのみ輻射熱線を吸収、放射するため、その波長域のみの熱線を検知することで、ガス体のガス吸収係数を測定できる。
【００１０】
ごみ焼却炉では炉の寸法が大きいため、対向壁からの輻射熱線が放射温度計に到達せず、ガス体のみの輻射熱線量を検知できるため、精度良くガス体の吸収係数を測定することが可能となる。
【００１１】
ここで、ガス吸収係数の算出方法について述べる。放射温度計ではデイテクタで熱流束の値、すなわち放射熱量ｑ［Ｗ／ｍ^２］を測定し、その値から対象物の温度Ｔ［Ｋ］を算出する。この際、対象物の放射率εを仮定し、次式（１）が成立する。
【００１２】
ｑ＝σε（Ｔ^４−Ｔ_０ ^４）　　　　　　　　（１）
ここで、σはステファン・ボルツマン定数と呼ばれる一定値であり、Ｔ_０は検出器の温度である。また、ガス吸収係数αと放射率εには次式（２）の関係がある。
【００１３】
α＋ε＝１　　　　　　　　　　　　　　（２）
式（１）において、ｑは測定量であり、σ、Ｔ_０は既知の値である。また、εを仮定すると、α及びＴが算出できる。ここで、瞬間的なごみ供給量変動時にはガス体の温度がほぼ一定とみなせるので、初期条件として、ε及びＴを求めておけば、ごみ供給量の変動に対し、ε及びαが変動することになり、ガス吸収係数の測定が可能となる。ガス吸収係数は前述のようにガス中の水分量により決まるから、予め、ガス吸収係数とガス中の水分量の関係をデータとして保有しておけば、測定したガス吸収係数に基づいてガス中の水分量を算定することができる。また、ガス中の水分量は、焼却炉に投入されるごみの種類、量（ごみ供給量）により変動するが、ごみの種類、内容に大きな変化がなければ、ガス中の水分量は、ごみ供給量で決まる。すなわち、ガス中の水分量が分かれば、焼却炉に供給されたごみの量が算定できる。
【００１４】
一方、燃焼を安定化させるためには、ごみ供給量に応じた適切な量の空気を炉内に投入する必要がある。したがって、２次空気または３次空気投入位置よりも上流側のガス吸収係数を測定し、測定したガス吸収係数に基づいて算定したごみ供給量に応じて２次空気量または３次空気量、あるいはその双方を制御することで、ごみ供給量に応じた適切な量の空気を炉内に投入することができ、常に最適な燃焼状態を保つことができる。２次空気量または３次空気量、あるいはその双方を制御する際は、一次空気量を考慮に入れて制御を行う必要がある。
【００１５】
なお、ガス吸収係数とガス放射率は一対一の関係があるため、ガス吸収係数の代わりにガス放射率を測定してもよい。
【００１６】
すなわち、上記の課題は、以下の構成を用いることで解決できる．
焼却炉に供給された廃棄物の下方から該廃棄物を乾燥及び燃焼させるための１次空気を供給し、更に炉の上部から燃焼用の２次空気あるいは２次空気と３次空気を供給して廃棄物を焼却する焼却炉の運転方法において、廃棄物の燃焼過程における乾燥工程で生成したガスの特定波長域の輻射熱線のみを検知できる検知手段を用いて測定した熱流束の値からガス吸収係数を計算し、得られたガス吸収係数からガス中のＨ_２Ｏ含有量を計算し、求められたＨ_２Ｏ含有量に基づいて廃棄物の供給量を算定し、算定された廃棄物の供給量に見合った空気量になるように、２次空気量または３次空気量または２次空気量および３次空気量を制御する。
【００１７】
前記検知手段によりガスの特定波長域の輻射熱線を検知する位置は、前記乾燥工程でガスが生成する位置の直後から２次空気又は３次空気を吹き込む位置との間とする。
【００１８】
前記検知手段としては、廃棄物の燃焼過程における乾燥工程で生成したガスの特定波長域の輻射熱線のみを検知できる放射温度計、もしくは廃棄物の燃焼過程における乾燥工程で生成したガスの特定波長域の輻射熱線のみが通過することが可能な光学フィルタ及び熱流束測定装置を用いることができる。
【００１９】
上記課題はまた、焼却炉に供給された廃棄物の下方から該廃棄物を乾燥及び燃焼させるための１次空気を供給し、更に炉の上部から燃焼用の２次空気あるいは２次空気と３次空気を供給して廃棄物を焼却する焼却炉において、廃棄物の燃焼過程における乾燥工程で生成したガスの特定波長域の輻射熱線のみを検知できる検知手段と、該検知手段から出力される熱流束の値からガス吸収係数を計算しガス吸収係数からガス中のＨ_２Ｏ含有量を計算しガス中のＨ_２Ｏ含有量から廃棄物の供給量を演算する演算手段と、この演算手段からの信号により廃彙物の供給量に見合った２次空気量または３次空気量または２次空気量及び３次空気量を制御する制御手段を設けることによって達成される。
【００２０】
前記検知手段は、前記乾燥工程でガスが生成する位置の直後から２次空気または３次空気を吹き込む位置との間に設ける。
【００２１】
廃棄物等には多量の水分（全質量の３０％〜６０％）が含まれるため、廃棄物等の供給量が変動すれば必然的に焼却炉内の水分量も変動する。したがって、焼却炉内の水分量を測定できれば、供給量を知ることができる。ごみ供給量が変動すれば、必然的に焼却炉内の水分の絶対量も変化するため、炉内のガスのＨ_２Ｏの分圧が変化する。ガスの吸収係数はＨ_２Ｏの分圧に依存して変化するため、ガス吸収係数を測定することでガスの水分量を知ることができる。ガスの水分量を知ることができれば、ごみ供給量の変動を検知できる。
【００２２】
上記解決手段によれば、廃棄物の燃焼過程における乾燥工程で生成したガスの特定波長域の輻射熱線のみを検知して特定波長域のガス吸収係数を算出でき、特定波長域のガス吸収係数からガス中のＨ_２Ｏ含有量を計算できる。ガス中のＨ_２Ｏ含有量により、廃棄物の供給量が算出され、算出された廃棄物の供給量に見合った燃焼空気量になるように、２次空気量または３次空気量または２次空気量および３次空気量が制御されるから、廃棄物供給量が一時的に変動しても該廃棄物の燃焼時点で必要な燃焼空気が供給されるから、燃焼性を常に良好に保つことができる。
【００２３】
【発明の実施の形態】
本発明の第１の実施の形態を図１を参照して説明する。図１は、本発明を流動床式ごみ焼却炉に適用した例を示す断面図である。図示の焼却装置は、焼却炉３と、焼却炉３の給じん口３ａに下流端を接続して配置され搬送した燃料であるごみ（以下、燃料という）を前記給じん口３ａに供給する供給装置２と、供給装置２の上流端の上方に配置され供給装置２に燃料を供給する供給ホッパ１と、を含んで構成されている。
【００２４】
焼却炉３は、上下方向の中間部がくびれて上部と下部が膨らんだ形状に形成された炉体と、炉体下部に配置された流動床と、この流動床の下方から流動床にダンパ制御装置６ａで制御された１次空気を供給する１次空気供給手段である１次空気ノズルと、前記流動床の上方のくびれた部分にダンパ制御装置６ｂで制御された２次空気を供給する２次空気供給手段である２次空気ノズルと、その上方にダンパ制御装置６ｃで制御された３次空気を供給する３次空気供給手段である３次空気ノズルと、前記流動床と２次空気ノズルの間の部分燃焼領域に配置されて特定波長域の輻射熱線のみを検知する検知手段をなすガス吸収係数測定装置である放射温度計７と、放射温度計７の出力を入力として制御手段である前記ダンパ制御装置６ｂ、６ｃを制御する演算手段である演算装置５と、を含んで構成されている。前記給じん口３ａは、流動床の上方の炉壁に取付けられ、放射温度計７は、前記給じん口３ａに対向する炉壁に取り付けられている。
【００２５】
上記装置において、ごみは供給ホッパ１から供給装置２に供給され、供給装置２は供給されたごみを搬送して給じん口３ａから炉内に投入する。投入されたごみは流動床（流動媒体）の上に落下し、流動床の下方から上方に向かって吹出される１次空気により、流動媒体とともに流動化される。ごみは燃焼に先だって流動層内で乾燥され、水分が蒸発する。その後、ごみ中の可燃物である揮発分及び固定炭素の燃焼が始まる。ただし、流動層内では空気不足の状態で燃焼するため、未燃のガスは上部に設置された２次空気ノズル及び３次空気ノズルから吹き込まれる燃焼用空気により、完全燃焼する。
【００２６】
部分燃焼領域（２次空気ノズル設置位置と流動床の間の領域）に設置された放射温度計７は、部分燃焼したガス体からの熱流束を測定している。ごみの供給量が定常供給量（定量）より増加した場合、ごみ中に含まれて炉内に入ってくる水分量も増加する。したがって、部分燃焼したガス体、云いかえると部分燃焼領域の雰囲気には、ごみが定量供給されている状態のときよりも多くの水蒸気が含まれている。このため、ガス体に吸収される輻射熱線が増加し、放射温度計７で検知される熱流束は小さくなる。
【００２７】
演算装置５は、放射温度計７から入力される熱流束の値からガス吸収係数を算出し、さらに、ガス吸収係数とＨ_２Ｏの分圧の関係から、ガス体中のＨ_２Ｏの割合を算出する。演算装置５は次いで、あらかじめ測定したごみ定量供給時のガス体中のＨ_２Ｏの割合と、算出されたガス体中のＨ_２Ｏの割合に基づいてその時点（正確にはやや前の時点）でのごみ供給量を算出し、算出したごみ供給量に基づいて前記ダンパ制御装置６ｂ、６ｃを制御して、２次空気ノズルおよび３次空気ノズルから算出したごみ供給量に見合う量の燃焼用空気を、炉内に供給する。このとき、一次空気ノズルから供給された空気も燃焼に寄与するから、１次空気量も考慮に入れてダンパ制御装置６ｂ、６ｃを制御する。
【００２８】
図２に、本実施の形態において測定した部分燃焼領域の水分量の時間変化のデータを、縦軸に水分量と酸素濃度（％）、横軸に経過時間をとって示す。酸素濃度は炉出口で測定した値である。図示のように、水分量は通常ほぼ一定となっているが、途中で急激に増加して再び減少している。これに対して酸素濃度はほぼ一定に推移しており、燃焼用空気の供給量がごみ供給量の一時的な増加に応じて増加あるいは減少されていることが確認できる。
【００２９】
本実施の形態によれば、廃棄物の燃焼過程における乾燥工程で生成したガスのガス吸収係数を測定し、測定したガス吸収係数に基づいて乾燥工程で生成した水分量を算出して焼却炉に投入されたごみ供給量を把握し、その供給量にみあった２次空気量または３次空気量、あるいはその双方を応答遅れのないように制御して燃焼を行わせることができる。従って、ごみ供給量が一時的に変動しても常に最適な燃焼状態を保つことができる
また、本発明を適用したことにより、炉出口のダイオキシン濃度を約１／１０に低減できた。また、ごみ供給量の変動に備えて常時過剰な空気量を炉に供給しておく必要がないため、排ガス量が低減でき、排ガス処理設備等の小型化が可能になった。
【００３０】
本発明の第２の実施の形態を、図３を参照して説明する。本実施の形態は、ストーカ式ごみ焼却炉に本発明を適用した例である。図示のストーカ式ごみ焼却炉は、炉の下部に下流側が低くなるように傾斜して配置されごみの水分を蒸発させて乾燥させる乾燥段８と、この乾燥段８の下流端に接続して同じく下流側が低くなるように傾斜して配置され乾燥したごみを部分燃焼させる燃焼段９と、この燃焼段９の下流端に接続して同じく下流側が低くなるように傾斜して配置され燃え残りのごみを燃焼させる後燃焼段１０と、乾燥段８、燃焼段９および後燃焼段１０にそれぞれ独立に、ダンパ制御装置６ａにより制御された一次空気を下方から供給する一次空気ノズルと、前記乾燥段８の上流端にごみを供給する給じん口３ａと、前記乾燥段８の上方に塔状に形成された完全燃焼領域と、この完全燃焼領域にダンパ制御装置６ｂにより制御された２次空気を供給する２次空気ノズルと、完全燃焼領域の前記２次空気ノズルの上方に配置されダンパ制御装置６ｃにより制御された３次空気を供給する３次空気ノズルと、前記乾燥段８の上流端上部の空間に対向する前記給じん口３ａ下方壁面に装着されたガス吸収係数測定装置である放射温度計７と、この放射温度計７の出力に基づいてダンパ制御装置６ｂおよびダンパ制御装置６ｃを制御する演算装置５と、を含んで構成されている。
【００３１】
本実施の形態においては、給じん口３ａから投入されたごみは、乾燥段８を下流側に向かって移送されつつ下方から吹き上げる１次空気により乾燥され、水分を蒸発させる。乾燥段８で乾燥されたごみは燃焼段９を下流側に向かって移送されつつ燃焼され、さらに後燃焼段１０で完全に燃焼される。燃焼段９および後燃焼段１０で発生した未燃ガスは完全燃焼領域に上昇し、供給される２次空気および３次空気で燃焼される。演算装置５は放射温度計７の出力に基づいてごみの供給量を算出し、算出されたごみ量に対応した空気量を供給するよう、ダンパ制御装置６ｂ、６ｃを制御する。このとき、一次空気ノズルから供給された空気も燃焼に寄与するから、１次空気量も考慮に入れてダンパ制御装置６ｂ、６ｃを制御する。
【００３２】
本実施の形態によっても、廃棄物の燃焼過程における乾燥工程で生成したガスのガス吸収係数を測定し、測定したガス吸収係数に基づいて乾燥工程で生成した水分量を算出して焼却炉に投入されたごみ供給量を把握し、その供給量にみあった２次空気量または３次空気量、あるいはその双方を応答遅れのないように制御して燃焼を行わせることができる。従って、常に最適な燃焼状態を保つことができるとともに未燃分の発生やダイオキシンの発生を抑制できる。
【００３３】
なお、乾燥工程で生成したガスのガス吸収係数を測定し、乾燥工程で生成した水分量を素早く検知して応答遅れがない最適な制御を行うには、ガス吸収係数を測定する装置は、水分が発生した直後すなわち流動層炉の場合は層上の近傍に、ストーカ炉の場合は乾燥段に設けることが必要である。
【００３４】
熱流束の測定装置としては、前記放射温度計のほかに、特定波長域の輻射熱線のみが通過することが可能な光学フィルタ及び熱流束測定装置を用いることもできる。この方法によっても、本発明と同等の効果が得られる。
【発明の効果】
【００３５】
本発明によれば、供給されるごみの量が一時的に変動しても、焼却炉内の燃焼を常に安定した良好な状態に保てる効果がある。このため、ダイオキシン等の有害物質の発生量を大幅に低減できる。また、常時過剰な空気量を炉に供給しておく必要がないため、排ガス量が低減でき、排ガス処理設備等の小型化が可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態を示す断面図である。
【図２】本発明の実施の形態における残存酸素濃度と焼却炉ないの水分量の関係を示す概念図である。
【図３】本発明の第２の実施の形態を示す断面図である。
【図４】炉内のＨ_２Ｏの分圧と炉内のガスのガス吸収係数の関係を示す概念図である。
【図５】Ｈ_２Ｏ及びＣＯ_２は特定波長のみで輻射熱線を吸収、放射することを示す概念図である。
【図６】廃棄物焼却炉の概略構成を示す断面図である。
【図７】従来技術の例を示す断面図である。
【符号の説明】
１　供給ホッパ
２　供給装置
３　焼却炉
３ａ　給じん口
４　酸素濃度計
５　演算装置
６、６ａ〜６ｃ　ダンパ制御装置
７　ガス吸収係数測定装置
８　乾燥段
９　燃焼段
１０　後燃焼段

Claims

焼却炉に供給された廃棄物の下方から該廃棄物を乾燥及び燃焼させるための１次空気を供給し、更に炉の上部から燃焼用の２次空気あるいは２次空気と３次空気を供給して廃棄物を焼却する焼却炉の運転方法において、廃棄物の燃焼過程における乾燥工程で生成したガスの特定波長域の輻射熱線のみを検知できる検知手段を用いて測定した熱流束の値から前記ガスのガス吸収係数を計算し、得られたガス吸収係数からガス中のＨ_２Ｏ含有量を計算し、求められたＨ_２Ｏ含有量に基づいて廃棄物の供給量を算定し、算定された廃棄物の供給量に見合った空気量になるように、２次空気量または３次空気量または２次空気量および３次空気量を制御することを特徴とする焼却炉の運転方法。
請求項１記載の焼却炉の運転方法において、前記検知手段によりガスの特定波長域の輻射熱線を検知する位置は、前記乾燥工程でガスが生成する位置の直後から２次空気又は３次空気を吹き込む位置との間とすることを特徴とする焼却炉の運転方法。
請求項１または２記載の焼却炉の運転方法において、前記検知手段は、廃棄物の燃焼過程における乾燥工程で生成したガスの特定波長域の輻射熱線のみを検知できる放射温度計、もしくは廃棄物の燃焼過程における乾燥工程で生成したガスの特定波長域の輻射熱線のみが通過することが可能な光学フィルタ及び熱流束測定装置であることを特徴とする焼却炉の運転方法。
焼却炉に供給された廃棄物の下方から該廃棄物を乾燥及び燃焼させるための１次空気を供給し、更に炉の上部から燃焼用の２次空気あるいは２次空気と３次空気を供給して廃棄物を焼却する焼却炉において、廃棄物の燃焼過程における乾燥工程で生成したガスの特定波長域の輻射熱線のみを検知できる検知手段と、該検知手段から出力される熱流束の値から前記ガスのガス吸収係数を計算しガス吸収係数からガス中のＨ_２Ｏ含有量を計算しガス中のＨ_２Ｏ含有量から廃棄物の供給量を演算する演算手段と、この演算手段からの信号により廃彙物の供給量に見合った２次空気量または３次空気量または２次空気量及び３次空気量を制御する制御手段を設けたことを特徴とする焼却炉。
請求項４記載の焼却炉において、前記検知手段は、前記乾燥工程でガスが生成する位置の直後から２次空気または３次空気を吹き込む位置との間に設けられていることを特徴とする焼却炉。