JP2004211970A

JP2004211970A - 可燃性材料の燃焼方法及び装置

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Publication number: JP2004211970A
Application number: JP2002382558A
Authority: JP
Inventors: Saburo Ishiguro; 三郎石黒
Original assignee: NIPPON KANKYO KEIKAKU KK
Current assignee: NIPPON KANKYO KEIKAKU KK
Priority date: 2002-12-27
Filing date: 2002-12-27
Publication date: 2004-07-29

Abstract

【課題】燃料室内において可燃性材料をが完全燃焼し、有害物が残存しないようにする。特に、ダイオキシンの基幹物質であるベンゼン核を分解、酸化してダイオキシンを殆ど生成しない燃焼を実現する。
【解決手段】可燃性材料を燃焼室において衝撃波反応を生成する条件下で燃焼させる。可燃性材料としては、炭素含有物質と水を含むもの、有機物と水を含むもの、有機物含有廃水、水和エマルジョンであってよい。
また、固体と液体の混合物、気体と液体の混合物、気体と固体と液体の混合物であってよく、特に有機塩素化合物を含むもの、農薬を含むものでもよい。
燃焼装置は、一端に水を含む可燃性燃料の導入部と他端に燃焼ガスの排出部を備えた筒形の燃焼室からなり、かつ同筒形の燃焼室は、空孔を有する隔壁により、可燃性燃料導入部側の水蒸気爆発を伴う主燃焼室と燃焼ガス排出部側の副燃焼室とに区画されてなるものが提案される。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、可燃性材料の燃焼方法及び装置に係り、特にダイオキシンを発生させない燃焼方法及び装置に関する。
【０００２】
【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】
ダイオキシンを発生させない燃焼法としてミニ高炉法、灰熔融法などの高温酸化法、超臨界による水熱酸化法、加水燃料による水蒸気酸化法等が提案されている。
しかしながら、ダイオキシンやＰＣＢは熱に強く、酸化してもベンゼン核はなかなか分解しにくい。特に塩素がとれてダイオキシンが分解される温度に達しても、ベンゼン核が残っていると冷却時ダイオキシン再生成の危険がある。従って、前記高温酸化法によりダイオキシンやＰＣＢを完全に熱酸化するには１５００℃以上という高温が必要となり、大規模で高価格の装置を使用しなければならない。
また、上記超臨界による方法では、ＰＣＢ、ダイオキシンは完全に分解するが、前記高温の保持と十分な滞留時間等の条件が必要で、高圧装置の関係でコストが嵩み、量産的には不向きである。
また、前記加水燃料による方法は、噴射口からラッパ状に広がった円筒状の炉を予め６００℃以上に加熱してから加水燃料を噴射して燃焼させる方法であるが、形状が複雑で大型化に問題があった。
【０００３】
【課題を解決するための手段】本発明者は、鋭意研究の結果上記課題を下記構成の発明により解決した。
（１）可燃性材料を燃焼室において衝撃波反応を生成する条件下で燃焼させることを特徴する可燃性材料の燃焼方法。
（２）可燃性材料が、炭素含有物質と水を含むものであることを特徴とする、前記（１）に記載の可燃性材料の燃焼方法。
（３）可燃性材料が、有機物と水を含むものであることを特徴とする、前記（１）に記載の可燃性材料の燃焼方法。
（４）可燃性材料が、有機物含有廃水であることを特徴とする、前記（１）〜（３）のいずれか１項に記載の可燃性材料の燃焼方法。
（５）可燃性材料が、エマルジョンであることを特徴とする、前記（１）〜（４）のいずれか１項に記載の可燃性材料の燃焼方法。
（６）可燃性材料が、固体と液体の混合物であることを特徴とする、前記（１）に記載の可燃性材料の燃焼方法。
（７）可燃性材料が、気体と液体の混合物であることを特徴とする、前記（１）に記載の可燃性材料燃焼方法。
（８）可燃性材料が、気体と固体と液体の混合物であることを特徴とする、前記（１）に記載の可燃性材料の燃焼方法。
【０００４】
（９）可燃性材料が有機塩素化合物を含むものであることを特徴とする、前記（１）〜（８）のいずれか１項に記載の可燃性材料の燃焼方法。
（１０）可燃性材料が、農薬を含むものであることを特徴とする、前記（１）〜（９）のいずれか１項に記載の可燃性材料の燃焼方法。
（１１）一端に水を含む可燃性燃料の導入部と他端に燃焼ガスの排出部を備えた筒形の燃焼室からなり、かつ同筒形の燃焼室は、空孔を有する隔壁により、可燃性燃料導入部側の水蒸気爆発を伴う主燃焼室と燃焼ガス排出部側の副燃焼室とに区画されてなることを特徴とする可燃性材料燃焼装置。
（１２）副燃焼室に空気導入口を設けてなることを特徴とする、前記（１１）に記載の可燃性材料燃焼装置。
（１３）主燃焼室内に触媒層を配設してなることを特徴とする、前記（１１）又は（１２）に記載の可燃性材料燃焼装置。
（１４）主燃焼室内の内壁面に触媒を設けてなることを特徴とする、前記（１１）〜（１３）のいずれか１項に記載の可燃性材料燃焼装置。
（１５）触媒が、酸化鉄−クロム系のものであることを特徴とする、前記（１３）又は（１４）に記載の可燃性材料燃焼装置。
（１６）触媒が、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｒｈ、希土類元素、Ｔｉ、又はＺｒから選ばれる１種又は２種以上であることを特徴とする、前記（１３）又は（１４）に記載の可燃性材料燃焼装置。
【０００５】
【発明の実施の形態】本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
図１は、本発明の可燃性材料燃焼装置の断面説明図である。。
本発明の燃焼装置の主要部である燃焼室１００は筒形のものであり、
図において、１は主燃焼室、２は副燃焼室、３は隔壁、４は噴霧ノズル、５は石油（灯油）等の燃料、６は可燃性材料としての水和エマルジョン又は有機物を含む排水、７、８、１１、１２はバルブ、９、１０は二次空気、１３は可燃性材導入管、１４は送風管、１５はスペクトル分析計センサ、１６はスペクトル分析計、１７は温度計センサ、１８は温度計、１９はノズルカバー、２０は燃焼室炉壁、１００は燃焼室を示す。
以下に本発明の装置を用いる処理操作及び作用について説明する。
まず処理対象とする可燃物である廃油、廃てんぷら油、石油類、有機薬品類等に２〜５倍量の水を加えて混合し必要により界面活性剤を加えて、可燃性材料としての水和エマルジョン６を調製しておく。
次にバルブ７を開き石油、アルコール等の燃料５を噴霧ノズル４より噴射燃焼し、主燃焼室１を加熱する。主燃焼室１が約７００℃に達した時に、バルブ７を閉める１方、バルブ８を開き水和エマルジョン６をノズル４より噴射する。
噴霧ノズル４より噴射された水和エマルジョン６の霧状粒子は主燃焼室１において常温から７００℃に急熱され、１２４０倍に急膨張する（水蒸気爆発という）。
この水蒸気爆発により衝撃波が発生し、１０^−３〜１０^−４秒の間に急激に数千〜一万℃の高温度に達するが、この温度において、水和エマルジョン６中の水はＨ_２Ｏ→２Ｈ＋Ｏ（４０００℃以上）に分解し、また可燃性材料の油もＣ_ｎＨ_２ｎ＋２→ｎＣ＋（２ｎ＋２）Ｈの形に原子状に分解する。
【０００６】
しかし温度上昇は、１０^−３〜１０^−４秒という短時間であるため燃焼雰囲気中の温度は直ぐ７００〜８００℃に戻る。従って、主燃焼室１の平均温度はそれほど上昇せず、耐火物も損傷しない。また、水蒸気爆発も１０〜３０μｍという微粒子の微爆発であって、しかも燃焼室１００の副燃焼室２の一方側が開口しているので圧力がかからず高圧によって燃焼室１００が破壊される危険性はない。
ここで前述の原子状に分解したＣ、Ｈ、Ｏは再結合（酸化）するがその機序を下記に説明する。
図５は酸化物の標準生成自由エネルギーの対温度図である。
図において、Ｍは元素の融点、□内にＭはその酸化物の融点、Ｂは元素の沸騰点、□内にＢはその酸化物の沸騰点を示し、
横軸は温度（℃）、縦軸は酸化物生成自由エネルギーΔＦ（Ｋｃａｌ／ｇｒｍｏｌＯ_２）を示す。
この図ではΔＦの低い方が先に酸化する。例えば、２Ｃａ＋Ｏ_２→２ＣａＯの反応はＳｉ＋Ｏ_２→ＳｉＯ_２の反応より先行する。
すなわち、ＣａとＳｉが１０００℃で共存する場合Ｃａが先に酸化し、Ｓｉは後で酸化する。
言い替えれば、ＳｉＯ_２とＣａが共存した場合、ＳｉＯ_２＋２Ｃａ→２ＣａＯ＋Ｓｉの反応が起こり、ＣａがＳｉＯ_２を還元する。
本発明の場合、図示したように、７００℃以上の温度ではＣ＋Ｏ_２→ＣＯ_２の反応が先に起こり、完全に炭素が酸化した後水素（Ｈ）が酸化する。
従って、本発明の方法が完全に実施されれば炭素が完全に酸化するので、すすやダイオキシンは発生しないこととなる。
【０００７】
本発明の方法を完全に実施するために、可燃性材料の例えば水和エマルジョン６の水蒸気爆発を効率良く行わせる必要があるが、そのためには予熱温度が高いことが望ましく、主燃焼室１には空気を入れず、水蒸気爆発を起こさせた後、副燃焼室２に二次空気を送入して残った水素を燃焼させる。
反応としては、主燃焼室１で水と油、有機物等を原子状に分解し、最初に炭素を酸化しながら副燃焼室２に入って二次空気で水素を酸化燃焼させる形となる。
石油の代わりにＰＣＢを使用するときは、ＰＣＢに３倍の水を混合して界面活性剤を加えて水和エマルジョン６とし、７００℃以上に加熱した主燃焼室に噴射する。噴射された水和エマルジョン６は水蒸気爆発の衝撃波によりＰＣＢを原子状に分解し、炭素から酸化した後、水素が後から酸化するので、すすや、ダイオキシンを発生しない形で燃焼する。
前記ＰＣＢ水和エマルジョン６を製造する際に、ＰＣＢの塩素に相当する苛性ソーダを加えておけばこの反応は更に容易に進展する。
排水を水和エマルジョン６の代わりに噴射して燃焼させることもできるが、
有機物量がＢＯＤ１０万ｐｐｍ以上必要で、それ以下の時は灯油、重油、廃油、廃天ぷら油などを加える必要がある。排水中にダイオキシン、ＰＣＢ、農薬、シアン等の有害物質が含まれていても完全に酸化分解される。
【０００８】
本発明の水を含む可燃性材料を燃焼する方法において、通常の石油の燃焼に比べて、２〜５倍の水蒸気が発生する。
通常の燃焼でダイオキシンが発生するのは、ダイオキシンの基幹物質であるベンゼン核がなかなか酸化分解しにくいためである。ベンゼン核の共鳴構造は熱に強く、完全に酸化するのは１５００℃以上の温度が必要といわれる。
しかし、過熱水蒸気はベンゼン核の２重結合に反応して（水性ガス反応と同じ）２重結合を容易に分解する。
本発明の燃焼ガスは、４０〜４５％は過熱水蒸気であり、このガスでダイオキシンやＰＣＢ汚染物又は汚染土壌を処理すると、水性ガス反応の温度すなわち８５０〜９００℃でベンゼン核を破壊するので、ダイオキシンやＰＣＢは分解され、そのガスを冷却する時でもベンゼン核が存在しないため、ダイオキシンの再生成も生じない。
【０００９】
従来の加水燃料燃焼装置では、構造上大型化が難しくコストも高いが、
本発明では、図２（後記）のように噴射ノズル４を複数設置できるため、大型化が可能で、構造もシンプルでコストも安くなる。
また本発明では、反応を円滑に進めるための触媒として水性ガス反応に使用される酸化鉄触媒、酸化促進の白金触媒、酸化チタン、酸化ジルコニュウム、稀土類等の触媒を炉壁内面に付着又は装着して用いるとよい。
また、稼働時の前記主燃焼室１及び副燃焼室２内の温度は、スペクトル分析計センサ１５及び温度計センサ１７によって検出し、スペクトル分析計１６及び温度計１８によって計測される。
【００１０】
［実施例１］前記図１の本発明の可燃性材料燃焼装置の断面説明図に基づき操作の詳細を説明する。
図１において、当初バルブ７を開き噴霧ノズル４より灯油５を２０Ｌ／Ｈ、空気は３９０Ｍ^３／Ｈを主燃焼室１内に送入して燃焼し、７分後に主燃焼室１の温度は７２０℃に達した。
この時排ガスのＣＯ濃度は５６０ｐｐｍとなった。
その時点でバルブ７を閉じ、バルブ８を開いて灯油１対水２の水和エマルジョン６をノズル４より主燃焼室１内に噴霧した。その時主燃焼室１への空気送入量は１００Ｍ^３／Ｈに抑えた。
水和エマルジョン６を噴霧して５分後に、主燃焼室１の温度は８１５℃に上昇し、排ガスのＣＯ濃度は０ｐｐｍとなった。
主燃焼室１においては、主として水蒸気爆発による衝撃波の生成で瞬間的な高温が生じ、可燃性材料が原子状に分解し、その後、原子状の炭素の酸化（ＣＯ_２生成）が先行する。
次いで、副燃料室２においては二次空気９、１０による原子状の水素の酸化（Ｈ_２Ｏ生成）が行われる。
主燃焼室１と副燃焼室２を分けたのは、主燃焼室１において水蒸気爆発のエネルギーを溜め込んで、衝撃波により瞬間的高温状態を作るためであり、その後、分解生成した原子状の炭素の酸化を優先させながら副燃焼室２へ送り、そこで二次空気により残りの原子状水素を燃焼させる。
【００１１】
【実施例２】図２は本発明の大型可燃性材料燃焼装置の断面説明図、
図３は図２のＡ−Ａ’断面図であり、隔壁３を示す。
図４は図２のＢ−Ｂ’断面図であり、燃焼室入口壁２７を示すものである。
図において、２１、２１’及び２３、２３’は水和エマルジョンに代えた有機含有物を含む排水（有機薬品含有排水）、２２は加熱用ガス又は石油、２４は邪魔板、２５は塗布型触媒、２６は空孔、２７は燃焼室入口壁、２８は水和エマルジョンのノズル挿入口、２９は加熱用のノズル挿入孔を示す。
先ず図２において加熱用の石油２２を主燃焼室１内に噴霧ノズル４’を通して３０Ｌ／Ｈで、噴霧燃焼させる。
１５分後主燃焼室１の温度が７５０℃に達してから複数の排水２１、２１’、２３、２３’の噴霧ノズル４より有機薬品含有排水（ＢＯＤ１０万ｐｐｍ）６０Ｌ／Ｈ×４基を稼働して主燃料室１内に噴霧した。
当初石油２２を噴霧ノズル４’から噴霧して燃焼させ、予熱したときは、排ガス中のＣＯ濃度は３５０〜５４０ｐｐｍを示したが、排水２１，２１’、２３，２３’を噴霧ノズル４より噴霧後は、ＣＯ濃度は０ｐｐｍに低減した。
この時、加熱用ガス又は石油２２は点火したままで行った。温度は排水の噴霧ノズル４の点火により約１００℃上昇し、８５６℃〜８８９℃に達した。
３０分間連続して運転後停止した。停止前の主燃焼室１の温度は８９５℃、副燃焼室２の温度は９４５℃であった。
【００１２】
【発明の効果】本発明によれば次のような優れた効果を発揮する。
燃料室内において、衝撃波により高温が発生するため可燃性材料が、容易に原子状に分解され、炭素が完全燃焼し、有害物が残存しないようになった。
また、ダイオキシンの基幹物質であるベンゼン核が衝撃波、特に水蒸気爆発に伴う衝撃波により分解、酸化され、ダイオキシンを殆ど生成しない燃焼が可能になった。
さらに、従来活性汚泥法等処理に時間とコストのかかった高濃度の有機物を含有する排水を、燃焼により処理し、熱エネルギーとして回収することも可能となった。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の可燃性材料燃焼装置の断面説明図。
【図２】本発明の大型可燃性材料燃焼装置の断面説明図。
【図３】図２のＡ−Ａ’断面図。
【図４】図２のＢ−Ｂ’断面図。
【図５】酸化物の標準生成自由エネルギーの対温度図。
【符号の説明】
１：主燃焼室２：副燃焼室
３：隔壁４、４’：噴霧ノズル
５：石油（灯油）等の燃料６：水和エマルジョン
７、８、１１、１２：バルブ９、１０：二次空気
１３：可燃性材導入管１４：送風管
１５：スペクトル分析計センサ１６：スペクトル分析計
１７：温度計センサ１８：温度計
１９：ノズルカバー２０：燃焼室炉壁
２１、２１’、２３、２３’：有機物を含む排水
２２：加熱用ガス又は石油
２４：邪魔板２５：塗布型触媒
２６：空孔２７：燃焼室入口壁
２８：ノズル挿入孔２９：加熱用ノズル挿入孔
１００：燃焼室

Claims

可燃性材料を燃焼室において衝撃波反応を生成する条件下で燃焼させることを特徴する可燃性材料の燃焼方法。
可燃性材料が、炭素含有物質と水を含むものであることを特徴とする請求項１に記載の可燃性材料の燃焼方法。
可燃性材料が、有機物と水を含むものであることを特徴とする請求項１に記載の可燃性材料の燃焼方法。
可燃性材料が、有機物含有廃水であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の可燃性材料の燃焼方法。
可燃性材料が、エマルジョンであることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の可燃性材料の燃焼方法。
可燃性材料が、固体と液体の混合物であることを特徴とする請求項１に記載の可燃性材料の燃焼方法。
可燃性材料が、気体と液体の混合物であることを特徴とする請求項１に記載の可燃性材料の燃焼方法。
可燃性材料が、気体と固体と液体の混合物であることを特徴とする請求項１に記載の可燃性材料の燃焼方法。
可燃性材料が有機塩素化合物を含むものであることを特徴とする請求項１〜８のいずれか１項に記載の可燃性材料の燃焼方法。
可燃性材料が、農薬を含むものでであることを特徴とする請求項１〜９のいずれか１項に記載の可燃性材料の燃焼方法。
一端に水を含む可燃性燃料の導入部と他端に燃焼ガスの排出部を備えた筒形の燃焼室からなり、かつ同筒形の燃焼室は、空孔を有する隔壁により、可燃性燃料導入部側の水蒸気爆発を伴う主燃焼室と燃焼ガス排出部側の副燃焼室とに区画されてなることを特徴とする可燃性材料燃焼装置。
副燃焼室に空気導入口を設けてなることを特徴とする請求項１１に記載の可燃性材料燃焼装置。
主燃焼室内に触媒層を配設してなることを特徴とする請求項１１又は１２に記載の可燃性材料燃焼装置。
主燃焼室内の内壁面に触媒を設けてなることを特徴とする請求項１１〜１３のいずれか１項に記載の可燃性材料燃焼装置。
触媒が、酸化鉄−クロム系のものであることを特徴とする請求項１３又は１４に記載の可燃性材料燃焼装置。
触媒が、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｒｈ、希土類元素、Ｔｉ、又はＺｒから選ばれる１種又は２種以上であることを特徴とする請求項１３又は１４に記載の可燃性材料燃焼装置。