JP2005201595A - 高温空気発生装置及び焼却炉 - Google Patents

Abstract

【課題】 未燃ガスに含まれる未燃分のエネルギーの回収を、高温空気として効率的に回収できる高温空気発生装置を提供する。
【解決手段】 小型パルスバーナ２が、１／４波長管１に取り付けられており、１／４波長管１の長さの焼却炉側から１／４のところに火炎を発生するようになっている。この火炎により、１／４波長管１の端から１／４の場所が加熱される。一方、１／４波長管１の他端はサイクロン３に結合されているが、その他端から１／４の長さの場所には冷却水配管４が設けられて、１／４波長管１を冷却するようになっている。これにより１／４波長管１が形成され、この１／４波長管１は、常に気柱振動を発生している。よって、廃棄物焼却炉からサイクロン３までの配管には、ダストが付着しにくくなる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、焼却炉から発生する未燃成分を含んだガスを燃焼させて、熱交換により高温空気を発生させる高温空気発生装置、及びこの高温空気を利用した焼却炉に関するものである。

灰溶融炉付廃棄物焼却炉においては、廃棄物が廃棄物焼却炉本体内で焼却され、残った灰が、灰溶融炉で溶融されて排出されるようになっている。このような廃棄物焼却炉は、例えば特開２０００−１９９６１９号公報（特許文献１）に記載されている。その概要を図３に示す。ホッパ４１に装入されたごみ４２は、主燃焼室４３で火格子下からの熱風又は主燃焼室４３内に設置された助燃バーナ（図示せず）により着火し燃焼する。燃焼により生成された焼却灰４４は、先細煙道４５を通過し、溶融不適物検出・除去部４６に入る。溶融不適物検出・除去部４６には、溶融不適物の検出器と、検出された溶融不適物を炉外に排出する装置が設けられている。溶融不適物を除去された焼却灰４４は、格子４７を通って落下し、灰溶融炉４８で溶融されて溶融スラグ４９となり、スラグコンベア５０上に落下して、スラグ溜め５１に溜められる。スラグコンベア５０とスラグ溜め５１を設けず、溶融スラグを水中に落下させ、水砕スラグとすることもできる。

灰溶融炉４８内には、ガス吹出し口６０が設けられ、Ａ−Ａ’断面図に示されるように、このガス吹出し口６０からは、廃棄物焼却炉内で発生した可燃性ガス（焼却炉内未燃ガス）と高温空気の混合気体が、高速で炉内に吹き込まれている。この高温混合気体の吹き込み方向は、Ａ−Ａ’断面図に見られるように灰溶融炉４８の内壁の接線方向とされているので、吹き込まれた高温混合気体により、灰溶融炉４８内で図示されているように旋回火炎又は管状火炎が生成される。

よって、これらの火炎からの輻射又は直接伝熱により炉の内壁がほぼ均一に加熱される。従って、ダストやスラグの部分固化、あるいは内壁の過熱による焼損トラブルが抑制される。

主燃焼室４３内には、中間天井５６が設けられており、これにより排ガスの流れが図の矢印のように２つに分けられる。そして、中間天井５６の上部を通過する排ガスは未燃ガスを多く含み、中間天井５６の下部を通過する排ガスは未反応酸素を多く含んでおり、しかもこれらの組成は比較的安定している。

中間天井５６を迂回した排ガスの大部分は、二次燃焼室５７に導かれ、ここで、炉内攪拌気体の出口５９から吹出される攪拌気体により攪拌されて旋回流となり、二次燃焼を効率的に行う。そして、排熱ボイラ５８により熱交換を行った後、その大部分は、除塵器、排ガス処理装置に送られ、ダストや有害物質を除去された後に煙突から大気中に放散される。

灰溶融炉４８に吹込まれる高温空気は、図示されていない高温空気発生装置により空気を加熱して製造される。一般的には、燃料を燃焼させ、その熱により空気を加熱する。

特開２０００−１９９６１９号公報 特開２００２−８９８３５号公報

図３に示されるような廃棄物焼却炉においては、排ガスに含まれる未燃分のエネルギーの回収を、主として排熱ボイラ５８により行っている。しかしながら、排熱ボイラ５８による熱回収率は必ずしも良くない。又、このような炉において、例えば灰溶融炉４８における燃料の燃焼に使用するために、高温空気が必要である場合があり、かつ、廃棄物焼却炉自体に吹き込む空気も高温化することが好ましい。

このような目的のためには、例えば、灯油等の燃料を燃焼するバーナ加熱器により高温空気を作り出すことが考えられる。しかしながら、燃料費がかさみ、運転費が増大するという問題点があった。

本手段はこのような事情に鑑みてなされたもので、安価に高温空気を発生させる高温空気発生装置、及びこの高温空気発生装置を使用した焼却炉を提供することを課題とする。

前記課題を解決するための第１の手段は、焼却炉内の未燃成分を含むガスを取り出し、燃焼装置によって燃焼させ、熱交換器で燃焼排ガスと空気との熱交換を行って高温空気を発生させることを特徴とする高温空気発生装置（請求項１）である。

本手段においては、燃焼炉内で発生する未燃成分を含むガスを燃焼するため、燃料を用いる必要が無く、安価に高温空気を発生させることができる。

前記課題を解決するための第２の手段は、前記第１の手段であって、前記燃焼装置の前に除塵装置が設けられていることを特徴とするもの（請求項２）である。

前記課題を解決するための第３の手段は、前記第２の手段であって、前記除塵装置と前記焼却炉のガス取り出し口との間が、１／４波長管で連結されていることを特徴とするもの（請求項３）である。

焼却炉内で発生するガスは多くのダストを含んでおり、通常これを利用するために配管で炉外に引き出すと、その配管が短時間のうちに詰まってしまうという問題点がある。本手段においては、除塵装置と焼却炉のガス取り出し口との間を１／４波長管（Rijke Tube）で結合している。

１／４波長管とは、その長さのうち一端から１／４の場所を加熱し、他の１端から１／４の場所を冷却することにより、気柱振動を発生させることができる配管である。そのため、本手段においては、ガスの取り出し口から除塵装置までの配管において、配管内の気柱振動によってにダスト詰まりが発生しにくくなり、前述のようなトラブルを回避できる。除塵装置としてはサイクロン、セラミックフィルタ等を用いることができる。

前記課題を解決するための第４の手段は、前記第１から第３の手段のいずれかであって、前記熱交換器が交番式熱交換器であることを特徴とするもの（請求項４）である。

交番式熱交換器は、気体流通孔を有する蓄熱体を複数個使用し、あるタイミングでは所定の蓄熱体に燃焼排ガスを通すことにより当該蓄熱体を加熱して蓄熱し、別のタイミングでは蓄熱された蓄熱体に空気を通すことによって当該蓄熱体からの放熱によって、高温空気を発生させ、蓄熱を行う蓄熱体と放熱を行う蓄熱体とを順次切り換えて使用する方式の熱交換器である。

交番式熱交換器は、耐火物製蓄熱体を用いているので、通常のレキュペレータと呼ばれる金属製伝熱面を有する対流式の熱交換器に比して、高温での熱交換が可能となり、その結果として、熱交換効率を高めることができる。よって、これを使用することにより、高い温度の空気を得ることが可能となる。

前記課題を解決するための第５の手段は、前記第１の手段から第４の手段のいずれかであって、前記燃焼装置が、パルスバーナであることを特徴とするもの（請求項５）である。

パルスバーナを使用することにより、燃焼排ガスに脈動が発生し、熱交換器にダストが付着するのを防止すると共に、燃焼排ガスの流れが強乱流となり、伝熱面近傍の温度境界層が小さくなって、伝熱効率を格段に増大させることができる。

前記課題を解決するための第６の手段は、前記第４の手段であって、前記熱交換器が前記燃焼装置と一体化され、かつ、それ自身が１／４波長管を構成し、前記燃焼装置が１／４波長管の加熱部、前記熱交換器の蓄熱部が１／４波長管の冷却部を構成していることを特徴とするもの（請求項６）である。

本手段においては、熱交換器自身が１／４波長管を構成しているので、その気柱振動により熱交換器にダストが付着することを低減する共に、燃焼排ガスの流れが強乱流となり、伝熱面近傍の温度境界層が小さくなって、伝熱効率を格段に増大させることができる。又、燃焼装置が１／４波長管の加熱部、熱交換器の蓄熱部が１／４波長管の冷却部を構成しているので、特別の加熱部と冷却部を必要としない。

前記課題を解決するための第７の手段は、自身が発生する未燃成分を含むガスの一部を、前記第１の手段から第６の手段のいずれかの高温空気発生装置に供給し、発生した前記高温空気を、自身の燃焼用空気の少なくとも一部として使用していることを特徴とする焼却炉（請求項７）である。

本手段においては、自身が発生するガス中の未燃成分が有するエネルギーを、自身が使用する燃焼用空気の熱エネルギーとして回収することができるので、炉全体の熱効率を高めることができる。

前記課題を解決するための第８の手段は、灰熱処理炉又は灰溶融炉が付属した廃棄物焼却炉であり、自身が発生する未燃成分を含むガスの一部を、前記第１の手段から第６の手段のいずれかの高温空気発生装置に供給し、発生した高温空気を前記灰熱処理炉又は灰溶融炉の、熱処理用空気又は溶融用空気の少なくとも一部として使用していることを特徴とする焼却炉（請求項８）である。

本手段においては、自身が発生するガス中の未燃分が有するエネルギーを、灰熱処理炉又は灰溶融炉が使用する熱処理用空気又は溶融用空気の熱エネルギーとして回収することができるので、炉全体の熱効率を高めることができる。特に、高温空気を灰熱処理炉又は灰溶融炉に使用することにより、灰熱処理炉用又は灰溶融炉の燃料として低質燃料が使用可能となる。かつ、燃焼領域を広くすることができるので、炉内温度が均一化し、操業が安定する。

以上説明したように、本発明によれば、安価に高温空気を発生させる高温空気発生装置、及びこの高温空気発生装置を使用した焼却炉を提供することができる。

以下、本発明の実施の形態の例を、図を用いて説明する。図１は、本発明の実施の形態の１例である高温空気発生装置の概要を示す図である。この高温空気発生装置は、１／４波長管１により焼却炉と結合され、ダストと未燃成分を含むガス（以下「含塵未燃ガス」という）が導入される。焼却炉がストーカ式廃棄物焼却炉の場合、燃焼開始領域においては、廃棄物の熱分解、部分酸化が起こり、未燃成分を１０〜２０％程度含むガスが発生し、温度は700〜1000℃程度である。

１／４波長管は、Rijke Tubeとして公知のものであり、その長さのうち一端から１／４の場所を加熱し、他の１端から１／４の場所を冷却することにより、気柱振動を発生させることができる配管である。この場合、小型パルスバーナ２が、１／４波長管１に取り付けられており、１／４波長管１の長さの焼却炉側から１／４のところに火炎を発生するようになっている。この火炎により、１／４波長管１の端から１／４の場所が加熱される。一方、１／４波長管１の他端はサイクロン３に結合されているが、その他端から１／４の長さの場所には冷却水配管４が設けられて、１／４波長管１を冷却するようになっている。これにより１／４波長管１が形成され、この１／４波長管１は、常に気柱振動を発生している。よって、廃棄物焼却炉からサイクロン３までの配管には、ダストが付着しにくくなる。

小型パルスバーナ２は、それ自身のパルス燃焼効果により、バーナ自身にダストが付着するのを防止すると共に、焼却炉から含塵未燃ガスを誘引するエジェクタ効果をも有している。なお、１／４波長管１を加熱するバーナは必ずしも小型パルスバーナである必要はなく、通常のバーナであってもよい。さらには、バーナでなくても、例えば１／４波長管１を外部から電熱加熱するようにしてもよい。

サイクロン３に導かれた含塵未燃ガスは、そこでダスト分が遠心分離され、バルブ６ａを介してダストコレクタ５に集められて、その下にあるバルブ６ｂを開にすることにより外部に取り出される。そのとき、ダストコレクタ５とサイクロン３の間にあるバルブ６ａは閉じられることは言うまでもない。

サイクロン３によってダストを取り除かれたガスは、開閉弁７を介して熱交換装置８と一体化したバーナ９に導かれる。そして、バーナ９において空気と混合されて燃焼する。バーナ９としては、炎の状態が管状になる管状火炎バーナを用いることが好ましい。又、バーナ９には、パイロットバーナ９ａが設けられている。

熱交換装置８は、２つの空間１０ａ、１０ｂに分けられており、その中間にバーナ９の燃焼排ガス管９ｂが設けられている。２つの空間１０ａ、１０ｂには、それぞれハニカム構造をした蓄熱体１１ａ、１１ｂが設けられている。２つの空間１０ａ、１０ｂには、それぞれ配管１２ａ、１２ｂが接続されており、この配管１２ａ、１２ｂは、切替弁１３を介して、ブロア１４、誘引ファン１５につながっている。ブロア１４によって加圧された空気の一部は、流量制御装置１６を介して、バーナ９の燃焼用空気として使用される。

図１に示す状態では、ブロア１４からの空気は、切替弁１３によって配管１２ｂに接続され、空間１０ｂに入るようになっている。一方、誘引ファン１５には、切替弁１３を介して配管１２ａが接続され、空間１０ａ側が負圧になるようになっている。従って、燃焼排ガス管９ｂから排出される高温排ガス１７は、空間１０ａ側に誘引され、蓄熱体１１ａ中を通って、蓄熱体１１ａを加熱する。よって、高温排ガス１７により蓄熱体１１ａに熱が蓄積される。蓄熱体１１ａを通過した燃焼排ガスの温度は120〜150℃程度まで低下しているが、さらなる廃熱回収のため、廃熱ボイラに供給される。

一方、蓄熱体１１ｂは、その前の段階によって既に加熱された蓄熱状態になっており、そこを通った空気は蓄熱体１１ｂによって加熱され、熱交換装置８の下部から高温空気として取り出される。この高温空気の温度は1000℃程度まで高めることができる。

蓄熱体１１ａと蓄熱体１１ｂの蓄熱と放熱がある程度進むと、切替弁１３を切り換え、蓄熱体１１ａ側に空気を流し、蓄熱体１１ｂ側に燃焼排ガスを供給するようにする。このようにして切替弁１３による流路の変更により蓄熱体１１ａ、１１ｂの蓄熱と放熱を交互に繰り返すことにより、熱効率の良い熱交換が可能である。

なお、このような蓄熱体１１ａ、１１ｂとしては、例えば特開２００２−８９８３５号公報（特許文献２）に使用されているようなものを使用することができる。蓄熱体１１ａ、１１ｂには燃焼排ガスや空気が流通する孔があることが必要であるが、必ずしもハニカム構造をしている必要はない。しかし、ハニカム構造とすることにより、強度的にも、蓄熱効率の点からも良好な結果を得ることができる。

図２に本発明の実施の形態に使用される熱交換器の例を示す。この熱交換器は、燃焼バーナと交番式熱交換器が一体となったものである。交番式熱交換器本体部２１の上部と下部には、それぞれバッファタンク２２、２３が取り付けられ、交番式熱交換器本体部２１とは別空間とみなせるような断面積の大きな空間を形成している。交番式熱交換器本体部２１は２つの空間２１ａ、２１ｂに区分されているが、それぞれの空間には、それぞれ燃焼バーナ２４ａ、２４ｂが取り付けられている。取り付け位置は、交番式熱交換器本体部２１の下から、交番式熱交換器本体部２１の長さの１／４付近の位置に火炎が形成されるような位置とされている。又、交番式熱交換器本体部２１には、蓄熱体２５ａ、２５ｂが、その中心が交番式熱交換器本体部２１の長さの上から１／４の位置付近に位置するように設けられている。これにより交番式熱交換器本体部２１は１／４波長管を構成するようになる。

図２に示すような状態では、切替弁２７の働きにより、ブロワ（図示せず）からの空気は燃焼バーナ２４ａ側に供給され、空間２１ａに入って、蓄熱体２５ａにより加熱され、高温空気となって切替弁２６を介して高温空気として供給される。

焼却炉からの未燃成分を含むガスは、切替弁２７を通って燃焼バーナ２４ｂに供給され、燃焼用空気と混合されて燃焼する。そして、前述のように火炎が、交番式熱交換器本体部２１の下から１／４付近の位置に形成される。燃焼排ガスは蓄熱体２５ｂを通過して蓄熱体２５ｂを加熱し、蓄熱が行われる。蓄熱体２５ｂを通過した排ガスは、切替弁２６を通して排出される。なお、バッファタンク２２は、空間２１ａ、２ｂに対応して２つの空間に分けられている。

交番式熱交換器本体部２１内で発生したダストは、ダストシュータ２８を通して集められ、灰として回収される。本実施の形態においては、熱交換器自身が１／４波長管を構成するようになっているので、気柱振動が発生し、伝熱面近傍での温度境界層が小さくなって、伝熱効率が増大すると共に、熱泳動効果によるダストの伝熱面や壁面への移動が防止されるので、その壁部にダストが付着するのを減少させることができる。

なお、図１及び図２に示すように、ハニカム構造の蓄熱体の通気のための通路が鉛直方向であり、かつ、バーナの吹き出し口を蓄熱体の下方に設けることにより、ダストの滞留、付着を防止すると共に、ダストの落下、排出を円滑に行うことができる。

このようにして形成された高温空気は、図３における灰溶融炉４８用の燃焼用空気として使用してもよいし、廃棄物焼却炉の燃焼室４３に吹き込む空気として使用してもよい。勿論、これらとは違った目的に使用することも自由である。

本発明の実施の形態の１例である高温空気発生装置の概要を示す図である。 本発明の実施の形態に使用される熱交換器の例を示す図である。 従来の灰熱処理炉付廃棄物焼却炉の概要を示す図である。

符号の説明

１…１／４波長管、２…小型パルスバーナ、３…サイクロン、４…冷却水配管、５…ダストコレクタ、６ａ，バルブ６ｂ…バルブ、７…開閉弁、８…熱交換装置、９…バーナ、９ａ…パイロットバーナ、９ｂ…燃焼排ガス管、１０ａ，１０ｂ…空間、１１ａ，１１ｂ…蓄熱体、１２ａ，１２ｂ…配管、１３…切替弁、１４…ブロア、１５…誘引ファン、１６…流量制御装置、１７…高温排ガス、２１…交番式熱交換器本体部、２１ａ，２１ｂ…空間、２２，２３…バッファタンク、２４ａ，２４ｂ…燃焼バーナ、２５ａ，２５ｂ…蓄熱体、２６…切替弁、２７…切替弁、２８…ダストシュータ

Claims (8)

1. 焼却炉内の未燃成分を含むガスを取り出し、燃焼装置によって燃焼させ、熱交換器で燃焼排ガスと空気との熱交換を行って高温空気を発生させることを特徴とする高温空気発生装置。
2. 前記燃焼装置の前に除塵装置が設けられていることを特徴とする請求項１に記載の高温空気発生装置。
3. 前記除塵装置と前記焼却炉のガス取り出し口との間が、１／４波長管で連結されていることを特徴とする請求項２に記載の高温空気発生装置。
4. 前記熱交換器が、交番式熱交換器であることを特徴とする請求項１から請求項３のうちいずれか１項に記載の高温空気発生装置。
5. 前記燃焼装置が、パルスバーナであることを特徴とする請求項１から請求項４のうちいずれか１項に記載の高温空気発生装置。
6. 前記熱交換器が前記燃焼装置と一体化され、かつ、それ自身が１／４波長管を構成し、前記燃焼装置が１／４波長管の加熱部、前記熱交換器の蓄熱部が１／４波長管の冷却部を構成していることを特徴とする請求項４に記載の高温空気発生装置。
7. 自身が発生する未燃成分を含むガスの一部を、請求項１から請求項６のうちいずれか１項に記載の高温空気発生装置に供給し、発生した前記高温空気を、自身の燃焼用空気の少なくとも一部として使用していることを特徴とする焼却炉。
8. 前記焼却炉が、灰熱処理炉又は灰溶融炉が付属した廃棄物焼却炉であり、自身が発生する未燃成分を含むガスの一部を、請求項１から請求項６のうちいずれか１項に記載の高温空気発生装置に供給し、発生した高温空気を前記灰熱処理炉又は灰溶融炉の、熱処理用空気又は溶融用空気の少なくとも一部として使用していることを特徴とする焼却炉。
   
   

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