JP2005114218A - 流動焼却炉システムの運転方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 空気予熱器を含めた全体システムの熱効率を図った流動焼却炉システムを提供することを課題とする。
【解決手段】 汚泥をケーキ状にして焼却炉本体内部に投入し、該汚泥を前記焼却炉本体内部の流動層部及びフリーボード部で焼却し、該フリーボード部から排出される汚泥の焼却灰を含む排ガスを空気予熱器で冷却した後に、更に白煙防止用熱交換器で冷却して排ガス処理装置に導入すると共に、該空気予熱器で加熱された燃焼空気を該流動焼却炉に供給する流動焼却炉システムにおいて、前記空気予熱器で予熱される燃焼空気の出口温度を摂氏約７００度に予熱し、前記流動層部の温度を摂氏約８００度〜摂氏約８５０度に維持し、前記フリーボード部から排出される排ガス温度を摂氏約８５０度に制御したことを特徴とする。
【選択図】 図１

Description

この発明は、流動焼却炉システムの運転方法の技術分野に属する。

近年汚泥を焼却する焼却炉として流動焼却炉システムが使用されるようになってきている。これ等の焼却炉の運転においても熱効率を上げることが必要であり、廃熱回収用の熱交換器が流動焼却炉システムの中に構成要素として含まれている。この場合の熱交換器として管胴形式熱交換器が利用されている。管胴形式熱交換器は、従来技術として知られているように、円管（管胴）の中に細い管を多数本通して、細管の各端部と管板（又は固定板）を溶接で固定し、管板の間に半円形状の仕切り板を設けて高温ガスの流れ方向と低温ガスの流れ方向とが直交する構造にしたもので、細管の内側に高温ガス（例えば、排出ガス）を、細管の外側に低温ガス（例えば、燃焼空気）を通すようにしたものである。

管胴形式熱交換器は熱媒流量のオンオフ操作を繰り返すと高温ガス入口部側の細管の端部と管板（又は固定板）との溶接部分にヒートショックによる溶接割れが起こりやすく、このために低温ガス（燃焼空気）の温度が摂氏６５０度と低い温度に制約されていた。

流動焼却炉システムでフリーボードからの排ガスの廃熱回収装置を設けた従来システムとしては、例えば特許文献１に開示されているシステム（以下、従来システム１という）、特許文献２に開示されているシステム（以下、従来システム２という）がある。従来システム１には廃熱回収装置が熱交換器１２，１４として図示されているが、運転条件（操作温度等）については何も示されていない。一方、従来システム２では廃熱回収装置が図示省略されているが、操作温度等について記述されている。従って、以下に従来システムとして後者の装置を簡単に説明する。なお、文献に使用されている用語をそのまま使用する。
公開特許公報、平１１−２８７４２０号 公開特許公報、平１０−９５４８号

図５は従来システム２の全体構成を示す。この従来システムでは流動層（流動層部）は低温で燃焼され、フリーボード部が高温で燃焼している。以下このシステムの運転方法について説明する。図５において、流動層焼却炉６１（流動焼却炉に対応）は風箱６１ａ、流動層６１ｂ、燃焼室６１ｃとから構成されている。風箱６１ａには一次空気供給管６２より燃焼空気が供給される。一次空気供給管６２には一次空気供給ブロワ６２ａ、一次空気流量制御弁６２ｂが設けられている。流動層６１ｂには補助燃料供給管６３により燃料が供給される。補助燃料供給管６３には補助燃料制御弁６３ａが設けられている。また、流動層温度計６８により流動層６１ｂの温度が検出される。燃焼室６１ｃには炉頂温度計６５、燃焼室中間温度計６６、燃焼室下部温度計６７が配設されており、これら全ての出力はセレクタ７１の入力端に接続されている。又、燃焼室６１ｃの排ガス出口６１ｄから排ガスダクト６４を通って排ガスが排出される。排ガスダクト６４から排出される排ガスは図示省略の廃熱ボイラ、一次空気供給管６２を介して風箱６１ａに供給する燃焼用空気を加熱する空気加熱器、集塵装置等を経て煙突から大気中に放出される。また、排ガスダクト６４には酸素濃度計６９が設けられている。

セレクタ７１は３つの温度計６５、６６、６７から最高温度、中間温度、最低温度を決定し、中間温度を代表燃焼室温度として選択し、炉内温度調節器７２及び関数発生器７３に出力する。関数発生器７３は代表室内温度を予め設定されている炉内設定温度（通常、摂氏８５０度以上に設定される。）と比較して、それよりも低い場合は排ガス中の酸素濃度設定値を低く設定し、代表室内温度が炉内設定温度よりも高い場合は排ガス中の酸素濃度設定値を高く設定し、酸素濃度調節器７４に出力する。酸素濃度調節器７４は酸素濃度設定値と酸素濃度計６９による検出値と比較して、その差により一次空気流量設定値を決定し、一次空気流量調節器７５に出力する。一次空気流量調節器７５は一次空気流量検出器７０からの計測値と設定値から開度制御信号を決定し、一次空気流量制御弁６２ｂに出力する。

また、炉内温度調節器７２は予め設定されている炉内設定温度とセレクタ７１からの代表燃焼室内温度とを比較して、代表燃焼室内温度が炉内設定温度よりも低い場合は温度差に応じた量の補助燃料供給制御信号Ｂを決定し、加算器７７に出力する。一方、流動層温度調節器７６は流動層温度計６８からの検出値が流動層設定温度（通常、摂氏７００度以上に設定される。）より低いときは，その温度差に応じた補助燃料供給制御信号Ａを決定し、加算器７７に出力する。加算機７７は、代表燃焼室内温度が炉内設定温度よりも高く、また流動層温度が流動層設定温度よりも高いときは補助燃料を供給しないように、何れか一方の検出温度が設定温度よりも低ければその温度差に応じた量の補助燃料を供給するように、また何れの検出温度も設定温度よりも低ければ加算した量の補助燃料を供給するように補助燃料制御弁６３ａを制御する。

従来システム２の焼却炉においては、代表燃焼室内温度と流動層温度とに基づいて流動層への補助燃料供給量が制御され、代表燃焼室内温度を摂氏８５０度になるように制御（炉内設定温度を８５０度以上に設定）すれば燃焼室内の最高温度は必ず摂氏８５０度以上に保持することができる。Ｎ２Ｏ等の有害ガスを分解するためには燃焼室内温度を摂氏８５０度以上（摂氏９００度に近いほうが良い。）にする必要があり、この従来システム２では燃焼室内の最高温度は必ず摂氏８５０度以上に保持していることからＮ２Ｏ等の有害ガスの低減がはかれるとしている。

図６は別の従来システム（以下、従来システム３という）の運転方法を示す。図６において、焼却炉本体７１の下部には風箱７１ａと、その上に設けられた炉床７１ｂと、炉床７１ｂの上方空間には、燃焼室として流動層部７１ｃ及びフリーボード部７１ｄとが設けられている。風箱７１ａの入口には補助燃料装置７３が設けられており、補助燃料装置７３に燃料と、昇圧用ブロア７５で昇圧された空気がパイプ７６によって供給される。風箱７１ａのもう一方の入口８０には空気予熱器７７によって摂氏６５０度に予熱された燃焼空気が供給パイプ９０によって供給される。流動層部７１ｃには燃焼用ノズル７８が設けられており、燃焼用ノズル７８には圧縮空気と補助燃料が供給される。流動層部７１ｃの上方で焼却炉本体７１の側壁に設けられた汚泥投入機８１からケーキ状にされた汚泥が供給される。又、焼却炉本体７１の頭部の排出口８４から摂氏約８００度に熱せられた排出ガスがダクト８５によって空気予熱器７７の高温ガス側入口に供給される。一方、ブロワ８８で圧縮された摂氏５０度の空気がパイプ８９により空気予熱器７７の低温ガス側入口に供給される。なお、図６中の温度はガス温度を示す。

上記の従来システム２においては、燃焼室内の最高温度は必ず摂氏８５０度以上に保持することができるとしているが、高温燃焼ゾーンが狭い場合は十分に有害ガスを分解できないという問題がある。また、流動層温度を通常摂氏７００度以上（摂氏７００度〜摂氏７５０度）に設定しているために流動層でＮ２Ｏガスが生成しやすく、全体としてＮ２Ｏガスが十分に低減できないという課題がある。更に、摂氏９００度のような高温で燃焼するとＮ２Ｏガスの分解は促進されるが、高温に維持するためにはそれだけ補助燃料が多く費やされるために、燃料中のＣＯ２が多く発生する。このために地球温暖化防止の観点から好ましくないという課題が生じる。

又、従来システム３では、流動層の燃焼温度は低温（摂氏７００度〜摂氏７５０度）であり、この流動層でＮ２Ｏガスが多量に発生し、フリーボード部の燃焼温度も摂氏約８００度と比較的低いために発生したＮ２Ｏガスの分解十分に促進されず、地球温暖化の問題に適切に対処できないとい問題がある。

本出願は上記の問題解決（流動層におけるＮ２Ｏガスの十分な発生抑止及びフリーボード部におけるＮ２Ｏガスの十分な分解促進によるＮ２Ｏガスの排出量の削減）だけでなく、空気予熱器を含めた全体システムの熱効率を図った流動焼却炉システムの運転方法（又は、運転システム）を提供することを課題としている。

上記課題を解決するために本発明は以下の手段を採用している。即ち、
請求項１記載の発明は、汚泥をケーキ状にして焼却炉本体内部に投入し、該汚泥を前記焼却炉本体内部の流動層部及びフリーボード部で焼却し、該フリーボード部から排出される汚泥の焼却灰を含む排ガスを空気予熱器で冷却した後に、更に白煙防止用熱交換器で冷却して排ガス処理装置に導入すると共に、該空気予熱器で加熱された燃焼空気を該流動焼却炉に供給する流動焼却炉システムにおいて、前記空気予熱器で予熱される燃焼空気の出口温度を摂氏約７００度に予熱し、前記流動層部の温度を摂氏約８００度〜摂氏約８５０度に維持し、前記フリーボード部から排出される排ガス温度を摂氏約８５０度に制御したことを特徴としている。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、前記空気予熱器における燃焼空気の予熱は、空気予熱器の輻射部で予熱した後に、該空気予熱器の管胴式熱交換部で熱交換することを特徴としている。

以下に説明するように、この発明の構成によれば、システム全体を高温で操作しており、Ｎ２Ｏの発生抑止と分解促進が可能な温度で運転しているので、結果としてＮ２Ｏの排出量を少なくすることができるという効果が得られる。又、燃焼空気を摂氏７００度まで上昇させているので、システム全体としての熱効率の向上を図ることができるという効果も同時に得られる。

図１は本発明を実施した実施形態の全体構成を示し、図２は空気予熱器の構成例を示す。図１において、焼却炉本体１１の下部には風箱１１ａと、その上に設けられた炉床１１ｂと、炉床１１ｂの上部空間に設けられた燃焼室として流動層部１１ｃ及びフリーボード部１１ｄとから構成されている。風箱１１ａの入口には補助燃料装置１３が設けられており、補助燃料装置１３に補助燃料供給パイプ１４並びに昇圧用ブロア１５で昇圧された燃焼補助用空気の供給パイプ１６が接続されている。風箱１１ａのもう一方の入口３０には空気予熱器１７によって予熱される燃焼空気の供給パイプ３９が接続されている。この燃焼空気は流動層を形成すると共に汚泥を燃焼させるために使用される。流動層部１１ｃには燃焼用ノズル１８が設けられており、燃焼用ノズル１８には圧縮空気供給パイプ１９及び補助燃料の供給パイプ２０が接続されている。流動層部１１ｃの上方で焼却炉本体１１の側壁には汚泥ケーキを投入するケーキ投入機２１が設けられており、ケーキ投入機２１にはケーキ移送パイプ２３がケーキ貯留槽２２を介して接続されている。

焼却炉本体１１の頭部の排出口２４から高温に熱せられた排出ガス（汚泥の焼却灰を含んだ空気）がダクト２５を通って空気予熱器１７の高温ガス側入口に供給される。空気予熱器１７の高温ガス側入口温度が摂氏８５０度を超えて高温になると空気予熱器１７が損傷し易くなるので、フリーボード部１１ｄの上方に水冷ノズル３５を設けて、排出ガス温度が所定温度（例えば、約摂氏８５０度）になるように制御している。このために、冷却水供給パイプ３６に制御弁３７を設けると共に、空気予熱器１７の高温ガス側入口に温度計を設けて制御装置３７ａにより排出ガス温度を制御している。

図２は空気予熱器１７とその周辺機器との接続構成を示す。空気予熱器１７は輻射式予熱部７と胴管式熱交換器８とから構成されている。輻射式予熱部７は２重管で構成され、摂氏約８５０度の排ガスと摂氏約５０度の燃焼空気が並行流れとなって上から下に流れる。この間に輻射によって、燃焼空気は排ガスから熱を受ける。なお、燃焼空気はブロワ２８によりパイプ２９を経由して輻射式予熱部７の外側管７ａに導入される。輻射式予熱部７で予熱された燃焼空気は外側に設けられたパイプ９によって胴管式熱交換器８の下部に導かれ、胴管式熱交換器８の内部を図示の実線の如く上向きに（排ガスと対向流として）流れる。胴管式熱交換器８で摂氏約７００度に加熱された燃焼空気は供給パイプ３９を通って焼却炉１１の風箱入り口３０から導入される。一方、輻射式予熱部７を通過した排ガスは胴管式熱交換器８の内部に設けられた複数の細管８ａを下向きに流れ、小室６から白煙防止器２６を経由して排出される。

胴管式熱交換器８の内部に設けられた細管８ａは管胴８ｂの上端及び下端に設けられている缶板８ｃと缶板８ｄに溶接で固定されている。このために缶板８ｃが高温状態になるのを防ぐ必要があり、缶板８ｃの下側に小室５が設けられている。パイプ２９を流れる摂氏約５０度の燃焼空気の一部がブロワ３４によって小室５に導入されて缶板８ｃの溶接部分を冷却し、パイプ４により図示の点線の如く下向きに流れ、図示の実線の燃焼空気と混合して燃焼空気の一部となる。

空気予熱器の運転は以下のように行われる。即ち、排出口２４からダクト２５を通って排出されるガス温度は略摂氏８５０度であり、従って予熱器１７に導入され排ガス温度も略摂氏８５０度である。しかし、予熱器１７に導入され排ガス温度を正確に摂氏８５０度に制御することは困難な場合もあり、排出ガス温度が摂氏２０度〜３０度程度上昇する場合も起こりうる。このために、胴管式熱交換器８に直接導入せずに輻射式予熱部７を設けて排ガス温度を下げ、その後に胴管式熱交換器８に導入している。なお、下端の小室６から排出された排ガス温度は摂氏約５４８度である。一方、流動用ブロワ２８から外側管７ａに導入される燃焼空気温度（冷風）は摂氏約５０度で、風箱１１ａの入口３０に供給される燃焼空気温度（熱風）は摂氏約７００度である。このために、流動層温度を摂氏約７５０度〜８００度に維持することが容易となる。

なお、従来システム３では空気予熱器の高温側入口１７ａにおけるガス温度は摂氏約８００度で、低温側出口１７ｄの燃焼空気温度（熱風）は摂氏約６５０度で、流動層温度は摂氏約７００度〜７５０度で運転されている。

以上に述べた構成により、本実施形態における流動焼却炉システムの運転温度は以下のようになる。即ち、空気予熱器１７によって燃焼空気が摂氏約７００度の高温に加熱され、その結果流動層部１１ｃの温度が少ない燃料消費で摂氏約８００度〜摂氏約８５０度に維持される。また、フリーボード部１１ｄの燃焼温度は摂氏約８５０度又はそれ以上の高温になるが、水冷用ノズル３５等から構成される水冷装置によって空気予熱器１７の高温ガス側入口温度は摂氏約８５０度に制御されている他に、輻射式予熱部７を設けて排ガス温度を下げて水冷装置の制御誤差による問題を解消している。この結果、以下に述べる効果が得られる。

図３、図４は本実施形態における空気予熱器を使用した場合（case２）と従来装置３を使用した場合（case１）のシミュレーションによる比較データを示す。図３は処理能力が５０ｔ／日で小規模の場合で、図４は処理能力が１００ｔ／日で大規模の場合の運転データを示す。これらの比較データから理解できるように、補助燃料使用量は本実施形態におけるシステムの方が従来システム３よりも僅かに大きくなっている。これに伴いＣＯ２の発生量も僅かに増加している。しかし、Ｎ２Ｏの発生量が顕著に（約６５％）減少しており、Ｎ２Ｏ地球温暖化防止係数をＣＯ２換算して、ＣＯ２と合算した全ＣＯ２発生量は大幅に減少している。従って、地球温暖化防止の観点から顕著な効果が得られる。また、燃焼空気を摂氏約７００度の高温に予熱して、システム全体を高温運転しても、輻射による一次熱交換及び缶板冷却構造から空気予熱器が故障しやすくなるという問題もなく、システム全体の寿命を長くできるという効果が得られる。

以上、この発明の実施形態、実施例を図面により詳述してきたが、具体的な構成はこの実施例に限られるものではなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲の設計の変更等があってもこの発明に含まれる。又、上記の実施形態では主に気泡式流動焼却炉について説明してきたが、循環式流動焼却炉についても適用できるものである。又、空気予熱器は輻射式予熱部を設けていない胴管式熱交換器を使用した場合も本発明（請求項１）の技術的範囲に属する。

本発明を実施した実施形態の全体構成を示す。 本実施形態の空気予熱器を示す。 従来システム３との比較を示す。 従来システム３との比較を示す。 従来システム２の全体構成を示す。 従来システム３の構成を示す。

符号の説明

７ 輻射式予熱部
７ａ 外側管
８ 胴管式熱交換器（胴管式熱交換部）
８ａ 細管
８ｂ 管胴
８ｃ、８ｄ 缶板
１１ 流動焼却炉
１１ａ 風箱
１１ｂ 炉床
１１ｃ 流動層部
１１ｄ フリーボード部
１３ 補助燃料装置
１７ 空気予熱器
２２ ケーキ投入器
２６ 白煙防止熱交換器
３４ 昇圧用ブロワ
３５ 水冷用ノズル
３８ 温度計

Claims (2)

1. 汚泥をケーキ状にして焼却炉本体内部に投入し、該汚泥を前記焼却炉本体内部の流動層部及びフリーボード部で焼却し、該フリーボード部から排出される汚泥の焼却灰を含む排ガスを空気予熱器で冷却した後に、更に白煙防止用熱交換器で冷却して排ガス処理装置に導入すると共に、該空気予熱器で加熱された燃焼空気を該流動焼却炉に供給する流動焼却炉システムにおいて、前記空気予熱器で予熱される燃焼空気の出口温度を摂氏約７００度に予熱し、前記流動層部の温度を摂氏約８００度〜摂氏約８５０度に維持し、前記フリーボード部から排出される排ガス温度を摂氏約８５０度に制御したことを特徴とする流動焼却炉システムの運転方法。
2. 前記空気予熱器における燃焼空気の予熱は、空気予熱器の輻射部で予熱した後に、該空気予熱器の管胴式熱交換部で熱交換することを特徴とする請求項１に記載の流動焼却炉システムの運転方法。
   

Images