JP2005241066A - 廃棄物焼却炉 - Google Patents

Abstract

【課題】二次燃焼領域内での可燃性ガスの燃焼を効率的に行うことで、排ガス中のダイオキシン類の発生を抑制する廃棄物焼却炉を提供する。
【解決手段】廃棄物燃焼炉３０の二次燃焼領域１７に衝撃波を照射するための衝撃波発生装置３１を備える。
ここで、二次燃焼領域１７の炉内壁の略同一高さ位置に、複数の衝撃波照射口３２を備えることが好ましい。
また、前記衝撃波発生装置３１は、爆轟又は収束爆轟により衝撃波を発生させる装置、又は、高圧ガスを瞬間的に開放することで衝撃波を発生させる装置とすることが好ましい。
【選択図】図１

Description

本発明は、廃棄物焼却炉、特にダイオキシン類の発生を低減できる廃棄物焼却炉に関する。

例えば、都市ごみの大部分は、廃棄物処理炉の一つであるごみ焼却炉によって焼却される。都市ごみを焼却すると、ごみ焼却炉から燃焼排ガスが発生するが、この燃焼排ガス中には、一酸化炭素やＮＯｘ、さらには極めて毒性の強いダイオキシン類等の有害物質が含有されている。

毒性の強いダイオキシン類をはじめとするこれらの物質は、ごみ焼却炉周辺の住民の健康に対して、重大な影響を及ぼすので、有害物質としてその発生を抑制する対策が種々検討され、実施されている。例えば、特開平２−１６６３０６号公報（特許文献１）には、二回流式ごみ焼却炉等におけるダイオキシン等の抑制方法が開示されている。

このような二回流式ごみ焼却炉におけるダイオキシン類の抑制方法を、図面を参照して説明する。

図６は、一般的な、二回流式ごみ焼却炉の一例を示す概略側断面図である。燃焼室１０１の上流側上部には、ごみ投入口１０２が設けられ、燃焼室１０１の下流側上部には、ボイラーに接続する二次燃焼領域１０３が設けられ、燃焼室１０１の下流側下部には、焼却灰排出口１０４が設けられている。そして、燃焼室１０１内には、燃焼室１０１内のガスを分流するための邪魔板（以下、「中間天井」という。）１０５が、ごみ投入口１０２側から焼却灰排出口１０４側にかけて下り勾配となるように設けられている。また、燃焼室１０１の底部には、ごみ投入口１０２側から焼却灰排出口１０４側に向けて下り勾配となるように、乾燥火格子１０６ａ、燃焼火格子１０６ｂ及び後燃焼火格子１０６ｃが階段状に設置されている。そして、乾燥火格子１０６ａ、燃焼火格子１０６ｂ及び後燃焼火格子１０６ｃの下方からは、燃焼用空気が供給される。

乾燥火格子１０６ａでは、ごみの乾燥と着火が行われ、燃焼火格子１０６ｂのごみ移動方向の上流部では、一部燃焼及び熱分解が行われ、燃焼用空気量を抑えることにより二次燃焼時の熱源となるＣＯ、炭化水素類を多量に含むガス（以下「可燃性ガス」という。）が発生する。また、燃焼火格子１０６ｂの下流部及び後燃焼火格子１０６ｃでは、燃焼用空気が十分に供給されて、ごみが完全燃焼され、酸素を多量に含む一次燃焼排ガス（以下「燃焼排ガス」という。）が発生する。

中間天井１０５によって形成される、燃焼室１０１の天井１０１ａと中間天井１０５の前端部１０５ａ間の隙間１０７には、乾燥火格子１０６ａからの熱分解ガスを含有した可燃性ガスの流れＡが、そして、焼却灰排出口１０４側の側壁１０４ａと中間天井１０５の後端部１０５ｂとの間の隙間１０８には、燃焼火格子１０６ｂ及び後燃焼火格子１０６ｃからの残留酸素を含有した燃焼排ガスの流れＢがそれぞれ形成される。

熱分解ガスを含有した可燃性ガスの流れＡと残留酸素を含有した燃焼排ガスの流れＢは、それぞれ中間天井１０５の前端部１０５ａ側の隙間１０７及び後端部１０５ｂ側の隙間１０８を通過して、煙道の入口に位置する二次燃焼領域１０３に流入する。二次燃焼領域１０３に流れ込む際に、可燃性ガスの流れＡと燃焼排ガスの流れＢは、互いに対向流となっているので、二次燃焼領域１０３内で衝突する。この結果、両方のガスが混合され、二次燃焼領域１０３内で可燃性ガスが二次燃焼され、二次燃焼領域１０３内が高温に保持されることにより、排ガス中のダイオキシン類が熱分解され、ダイオキシン類の発生が抑制されるのである。
特開平２−１６６３０６号公報

しかし、上記従来技術に係る二回流式ごみ焼却炉におけるダイオキシン類の抑制方法には、次のような問題点がある。

つまり、中間天井１０５により分流した可燃性ガスの流れと燃焼排ガスの流れを、単に、二次燃焼領域１０３内で衝突させただけでは、可燃性ガスと燃焼排ガスとを完全に混合させることは難しく、可燃性ガスの二次燃焼効率を十分に向上させることができない場合がある。また、二次燃焼効率を十分に向上させることができないことに関連して、二次燃焼領域の温度が低くなる場合がある。そのため、二次燃焼領域内の低温部分でダイオキシン類の再合成が行われ、排ガス中に含まれるダイオキシン類の濃度を低く抑えるには一定の限界を有していた。

本発明は、上記課題を解決するためになされたもので、二次燃焼領域内での可燃性ガスの燃焼を効率的に行うことで、排ガス中のダイオキシン類の発生を抑制する廃棄物焼却炉を提供することを目的とする。

上記の課題は次の発明により解決される。
［１］廃棄物燃焼炉の二次燃焼領域に衝撃波を照射するための衝撃波発生装置を備えたことを特徴とする廃棄物焼却炉。
［２］上記［１］において、二次燃焼領域の炉内壁の略同一高さ位置に、複数の衝撃波照射口を備えたことを特徴とする廃棄物焼却炉。
［３］上記［１］又は［２］において、衝撃波発生装置が、爆轟又は収束爆轟により衝撃波を発生させる装置であることを特徴とする廃棄物焼却炉。
［４］上記［１］又は［２］において、衝撃波発生装置が、高圧ガスを瞬間的に開放することで衝撃波を発生させる装置であることを特徴とする廃棄物焼却炉。

本発明によれば、二次燃焼領域内での可燃性ガスの燃焼を効率的に行うことで、排ガス中のダイオキシン類の発生を抑制する廃棄物焼却炉が提供される。

以下、本発明を実施するための最良の形態の一例を説明する。

図１は本発明に係る廃棄物焼却炉３０の一実施形態を示す概略側断面図である。図1に示す廃棄物焼却炉３０は、燃焼室３と、この燃焼室３の上流側（図１の左側）に配置され廃棄物２を燃焼室３内に投入するためのホッパ１と、このホッパ１と反対側の燃焼室３下流側の上方に連設されるボイラ１２とを有する火格子式の二回流炉である。

燃焼室３の底部には、廃棄物２を移動させながら燃焼させる火格子（ストーカ）が設けられている。この火格子は、ホッパ１から遠ざかるに従って下がるように傾斜して設けられている。この火格子には２つの段差が形成されており、３つの部分に分かれる。この３つの火格子を、ホッパ１に近い方から、乾燥火格子５、燃焼火格子６、後燃焼火格子７と呼んでいる。乾燥火格子５では主として廃棄物２の乾燥と着火が行われる。燃焼火格子６では主として廃棄物２の熱分解、部分酸化が行われ、可燃性ガスが発生し、その一部の燃焼が行われる。燃焼火格子６において廃棄物２の燃焼は実質的に完了する。後燃焼火格子７上では、僅かに残った廃棄物２中の未燃分を完全に燃焼させる。完全に燃焼した後の燃焼灰は、主灰シュート１５より排出される。

上記乾燥火格子５、燃焼火格子６及び後燃焼火格子７の下部には、それぞれ風箱８，９，１０が設けられている。ブロワにより供給される燃焼用一次空気は、燃焼用一次空気供給管を通って前記各風箱８，９，１０に供給され、各火格子５，６，７を通って燃焼室３内に供給される。なお、火格子下から供給される燃焼用一次空気は、火格子上の廃棄物２の乾燥及び燃焼に使われるほか、火格子の冷却作用、廃棄物の攪拌作用を有する。

ホッパ１と反対側の燃焼室３出口には、廃熱ボイラ１２の二次燃焼領域１７が連設されている。そして、燃焼室３内には、燃焼室３の出口近傍に、廃棄物から発生した可燃性ガスと燃焼排ガスを分流するための障壁（中間天井）１１が設けられ、可燃性ガスと燃焼排ガスの流れを主煙道２０と副煙道２１に分流している。前記主煙道２０と副煙道２１に分流された可燃性ガスと燃焼排ガスは、廃熱ボイラ１２に導かれ、廃熱ボイラ１２の一部である二次燃焼領域１７内で混合・攪拌され、二次燃焼し、この二次燃焼により発生した燃焼排ガスは廃熱ボイラ１２で熱回収される。熱回収された後、廃熱ボイラ１２から排出された燃焼排ガスは、除塵と排ガス処理の後、煙突から大気中に放出される。

なお、図１においては、中間天井１１を有し、火格子が傾斜して設けられている炉を図示しているが、本発明はこのような中間天井を有しない炉や火格子が水平に設けられている炉においても適用できることは言うまでもない。

このような装置構成において、本発明は、廃棄物燃焼炉３０の二次燃焼領域１７に衝撃波を照射するための衝撃波発生装置３１を備えるものである。

前記衝撃波発生装置３１により、二次燃焼領域１７に衝撃波を照射することで、二次燃焼領域１７内に存在する可燃性ガス及び燃焼排ガスの攪拌を促進させ、さらに、衝撃波を照射することによる衝撃加熱によりガス温度の高温化が図られる。これにより、二次燃焼領域１７内での完全燃焼の達成及びダイオキシン類やＮＯｘの分解促進が図られ、一酸化炭素等の未燃成分、さらには、ダイオキシン類やＮＯｘ等の有害物質の発生を大幅に抑制することが可能となる。

さらに、二次燃焼領域１７に衝撃波を照射することで、二次燃焼領域１７内、特に内壁近傍の低温領域、に存在する未燃炭素、クロロベンゼン、クロロフェノール等のダイオキシン類の前駆体を含有したダストが衝撃波の通過時に衝撃加熱により急激に加熱され、その後、前記加熱されたダストから低温の内壁、例えばボイラ水管等、への輻射により急冷される。そのため、ダイオキシン類の分解を促進させると共に、ダイオキシン類の再合成が阻止され、ダイオキシン類の発生の抑制を高いレベルで達成することが可能となる。特に、前記ダストのうち、粒径の小さいダストは単位重量あたりの表面積が大きくなるため、ダイオキシン類やその前駆体の吸着率が高くなるが、粒径の小さいダストほど前記衝撃加熱による急熱効果が高く、さらに、輻射による急冷効果も高い。そのため、二次燃焼領域１７内に多く存在する粒径の小さいダストほど急熱、急冷されやすいため、衝撃波の照射によるダイオキシン類の分解及び再合成阻止を、より効果的に作用させることとなる。

さらに、二次燃焼領域１７に衝撃波を照射することで、二次燃焼領域１７内に脈動流が発生し、廃熱ボイラ１２内の伝熱管等に付着したダストの払い落とし効果を有する。これは、伝熱管等とダストとの境界面での衝撃波の反射による剥離効果、構造体等に加わった脈動流による圧力に起因した振動等の作用によるものである。これにより、ダストによるトラブル回避による補修費の低減、及び、ボイラ熱効率の向上による発電量増大等の効果を有する。

前記二次燃焼領域１７に衝撃波を照射する際には、二次燃焼領域１７の炉内壁に設けた１つの衝撃波照射口から衝撃波を照射してもよいが、二次燃焼領域１７の炉内壁の略同一高さ位置に、複数の衝撃波照射口３２を設け、該複数の衝撃波照射口３２から衝撃波を照射することが好ましい。

ここで、前記複数の衝撃波照射口３２から衝撃波を照射する際には、それぞれの照射口３２からの衝撃波の照射が同時に行われるようにすることが好ましい。それぞれの照射口３２からの衝撃波の干渉作用により、ガスの衝撃加熱がより効率的に行われるからである。

なお、前記複数の衝撃波照射口３２から照射される衝撃波の発生タイミングを調節できる手段を備えてもよい。衝撃波照射口３２から照射される衝撃波の発生タイミングを調節することで、衝撃波同士が干渉し強め合う位置を任意に調節可能となるからである。

ここで、前記衝撃波照射口３２の設置位置としては、燃焼空間を有効に活用するために、二次燃焼領域１７の燃焼室３に近い側（上流側）、言い換えると、二次燃焼領域１７での二次燃焼が開始される領域付近の炉壁に設けることが好ましい。

図２に、１つの衝撃波発生装置３１で発生させた衝撃波を、二次燃焼領域１７の炉内壁の略同一高さ位置に複数設けた衝撃波照射口３２から照射する際の方法の一例を示す。なお、図２では、前記衝撃波照射口３２を８個所に設けた場合を示す。衝撃波発生装置３１を、内部に衝撃波を伝達するための溝３４（以下、「トーナメント溝３４」という。）を備えた、例えば、フランジ３３に取り付け、前記衝撃波発生装置３１で発生させた衝撃波を、前記フランジ３３内のトーナメント溝３４を伝達させて、二次燃焼領域１７の炉内壁の略同一高さ位置に複数設けた衝撃波照射口３２から二次燃焼領域１７内に照射する。なお、前記衝撃波照射口３２の設置数及び設置位置は廃棄物焼却炉の規模及び操業条件等により適宜変更され得るものである。

前記フランジ３３内に設けるトーナメント溝３４の伝播距離を等しくすることにより、それぞれの衝撃波照射口３２から同時に、二次燃焼領域１７内に衝撃波を照射することが可能となる。前記衝撃波照射口３２から同時に衝撃波を照射することにより、衝撃波が中心部に伝播する際の衝撃波同士の干渉効果により中心部に近づくほど衝撃波による加熱効果が高まるため、衝撃波の距離減衰による加熱効果の低下を緩和することができる。

また、前記略同一高さ位置に複数設けた衝撃波照射口３２を、廃熱ボイラ１２の高さ方向に複数段設けるようにしてもよい。例えば、前記略同一高さ位置に複数設けた衝撃波照射口３２を、廃熱ボイラ１２に３段設けた場合には、高さ方向における衝撃波の照射位置を順次切り替えて二次燃焼領域１７内への衝撃波の照射を行うこと、又は、全ての照射口からの衝撃波の照射を同時に行うことで、二次燃焼領域１７内の広い範囲においてガスの攪拌及び衝撃加熱を行うことができ、より効率的なガスの攪拌及び衝撃加熱を行うことが可能となる。なお、高さ方向の照射位置を順次切り替えて衝撃波の照射を行うことで、衝撃波発生装置の吸気、排気等の準備期間内に未処理排ガスが衝撃波の照射領域をすり抜けてしまうのを防止する効果がある。但し、この場合には、段数に応じた複数の衝撃波発生装置が必要となる。

前記衝撃波を伝達する手段として、フランジ内にトーナメント溝を設ける方法を用いることで、衝撃波発生装置を複数台設ける必要が無く、簡単且つコンパクトな構成で、衝撃波を二次燃焼領域１７の複数個所から照射可能となり、設備費の大幅な低減が可能となる。

なお、図２に示す例では、フランジ３３内にトーナメント溝３４を設ける方法について記載したが、衝撃波を伝播させる方法はこれに限られるものではなく、例えば、衝撃波発生装置３１と衝撃波照射口３２との間を配管等でつないでもよい。ここで、前記配管としては、例えば、高圧用の鋼管等を用いることができる。

また、二次燃焼領域１７の炉壁形状は、図２に示すような円筒型に限られるものではなく、箱型の炉壁形状においても適用できることはいうまでもない。箱型の炉壁形状の場合、角部において炉壁への輻射の影響でガス温度が低温となり易いが、複数の衝撃波照射口から衝撃波を照射することにより角部で特に干渉が強く起こり、角部のガスを効果的に加熱できるので、箱型の炉壁形状においてより効果的に作用する。

図３に、前記衝撃波発生装置３１の一例として、爆轟により衝撃波を発生させる装置を示す。図３において、衝撃波発生装置３１は、爆轟波を衝撃波に変換するための衝撃波管５２と、前記衝撃波管５２に可燃性ガスを供給するためのガス供給装置５１とを備えている。

前記ガス供給装置５１は、燃料供給源５３からの燃料と酸化剤供給源５４からの酸化剤をそれぞれ流量調節装置５５，５６を介して衝撃波管５２に供給する。ここで、前記燃料及び酸化剤は衝撃波管５２に供給する直前に混合、或いは、衝撃波管５２に別々に供給し、その直後に混合するようにすることが好ましい。なお、前記燃料としてはプロパンガス等、前記酸化剤としては酸素、空気等を用いることができる。

前記衝撃波管５２には、前記燃料と酸化剤の混合ガス（以下、「混合ガス」という。）がその一端側から供給される。前記衝撃波管５２の混合ガスが供給される側の端部近傍には、衝撃波管５２内に充填された混合ガスに着火するための着火装置６１が備えられ、衝撃波制御装置６２からの信号により衝撃波管５２内の混合ガスに着火する。前記着火装置６１としては、例えば、点火プラグ等を用いることができる。

前記着火により衝撃波管５２内の一端側で発生した爆轟波は、前記衝撃波管５２内をその他端側に向かって伝播する途中で衝撃波に変換され、衝撃波管５２の他端側から照射される。

前記衝撃波発生装置３１として、爆轟により衝撃波を発生させる装置を用いることで、図３に示すように簡易な装置で衝撃波を発生させることが可能となるので、設備費及び運転費の低減を図ることが可能となる。

図４に、前記衝撃波発生装置３１の他の一例として、収束爆轟により衝撃波を発生させる装置を示す。図４において、衝撃波発生装置３１は、装置内に供給された可燃性ガスの燃焼により発生する爆轟波をその進行と共に収束させることによって収束爆轟波を発生させるようにした収束爆轟発生装置５０と、前記収束爆轟発生装置５０に可燃性ガスを供給するためのガス供給装置５１と、前記収束爆轟発生装置５０で発生させた収束爆轟波を衝撃波に変換するための衝撃波管５２とを備えている。

前記ガス供給装置５１は、燃料供給源５３からの燃料と酸化剤供給源５４からの酸化剤をそれぞれ流量調節装置５５，５６を介して収束爆轟発生装置５０に供給する。ここで、前記燃料及び酸化剤は収束爆轟発生装置５０に供給する直前に混合、或いは、収束爆轟発生装置５０に別々に供給し、その直後に混合するようにすることが好ましい。なお、前記燃料としてはプロパンガス等、前記酸化剤としては酸素、空気等を用いることができる。

前記収束爆轟発生装置５０は、前記燃料と酸化剤の混合ガス（以下、「混合ガス」という。）がその一端側から供給される管状の誘導室５７と、この誘導室５７の他端側に接続される円板空間状の発散室５８と、この発散室５８と複数の誘導通路５９を介して連通する収束室６０とを有している。

前記誘導室５７の混合ガスが供給される側の端部近傍には、収束爆轟発生装置５０内に充填された混合ガスに着火するための着火装置６１が備えられ、衝撃波制御装置６２からの信号により誘導室５７内の混合ガスに着火する。前記着火装置６１としては、例えば、点火プラグ等を用いることができる。

前記誘導室５７の他端側に接続される円板空間状の発散室５８と複数に分岐する誘導通路５９を介して連通する収束室６０は、２つの円錐により挟まれた空間状の形状を有しており、誘導通路５９側から衝撃波管５２の接続部に向かって通路断面積が小さくなるように形成されている。ここで、前記誘導通路５９は、収束室６０の手前で複数に分岐され、収束室６０内での燃焼が均一に行われるように構成されている。また、前記発散室５８から誘導通路５９を経由して収束室６０の終端部（衝撃波管５２との接続部）に至るまでの各経路の距離は等しくなるように設計されている。混合ガスが着火されて発生した爆轟波は収束室６０で収束されてより高温高圧となり、衝撃波管５２に伝播され、衝撃波管５２の他端側から衝撃波が照射される。

前記衝撃波発生装置３１として、収束爆轟により衝撃波を発生させる装置を用いることで、図４に示すように簡易な装置で高圧を発生させることが可能となるので、設備費及び運転費の低減を図ることが可能となる。

図５に、前記衝撃波発生装置３１の他の一例として、高圧ガスを瞬間的に開放することで衝撃波を発生させる装置を示す。図５に示す衝撃波発生装置３１は、例えば、高圧ガスとして蒸気を瞬間的に開放することによって、高圧ガスを急激に膨張させ、低圧側を圧縮させて衝撃波を発生させるものである。

具体的には、図５（Ａ）に示すように、蒸気室３７を図中左右に移動可能な作動弁３９によって二室４１，４３に仕切り、一方の室４３に先端に向かって断面が収束する収束室４５を設ける。また、収束室４５の基端側に作動弁３９をバネ４７によって押し付けるようにしておく。

そして、図中の左右の蒸気室４１，４３に、例えば、廃熱ボイラ１２で発生した蒸気を左右の蒸気室内の蒸気圧がバランスするように充填しておく。この状態で、作動弁３９の前面、すなわち室４３に高圧の蒸気を注入する。これにより、両室４１，４３の圧力バランスを崩す力を瞬間的に発生させ、作動弁３９を、例えば１ｍｓ前後の瞬間的な時間内で開放することで高圧蒸気を瞬間的に開放して衝撃波を発生させる（図５（Ｂ）参照）。発生した衝撃波は収束室４５内を進み、収束されてより高圧となり、収束室４５の先端から照射される。

前記高圧蒸気として、廃熱ボイラ１２で発生した蒸気の一部を用いることで、新たに高圧蒸気発生装置を設置する必要が無く、設備費及び運転費の低減を図ることが可能となる。

本発明に係る、廃棄物焼却炉の一実施形態を示す概略側断面図である。 本発明に係る、１つの衝撃波発生装置で発生させた衝撃波を、二次燃焼領域の炉内壁の略同一高さ位置に複数設けた衝撃波照射口から照射する際の方法の一例を示す図である。 本発明に係る、衝撃波発生装置の一例として、爆轟により衝撃波を発生させる装置を示す図である。 本発明に係る、衝撃波発生装置の他の一例として、収束爆轟により衝撃波を発生させる装置を示す図である。 本発明に係る、衝撃波発生装置の他の一例として、高圧ガスを瞬間的に開放することで衝撃波を発生させる装置を示す図である。 従来技術に係る、二回流式ごみ焼却炉の一例を示す概略側断面図である。

符号の説明

１ ホッパ
２ 廃棄物
３ 燃焼室
５ 乾燥火格子
６ 燃焼火格子
７ 後燃焼火格子
８，９，１０ 風箱
１１ 障壁（中間天井）
１２ 廃熱ボイラ
１５ 主灰シュート
１７ 二次燃焼領域
２０ 主煙道
２１ 副煙道
３０ 廃棄物焼却炉
３１ 衝撃波発生装置
３２ 衝撃波照射口
３３ フランジ
３４ トーナメント溝
３７ 蒸気室
３９ 作動弁
４１，４３ 室
４５ 収束室
４７ バネ
５０ 収束爆轟発生装置
５１ ガス供給装置
５２ 衝撃波管
５３ 燃料供給源
５４ 酸化剤供給源
５５，５６ 流量調節装置
５７ 誘導室
５８ 発散室
５９ 誘導通路
６０ 収束室

Claims (4)

1. 廃棄物燃焼炉の二次燃焼領域に衝撃波を照射するための衝撃波発生装置を備えたことを特徴とする廃棄物焼却炉。
2. 二次燃焼領域の炉内壁の略同一高さ位置に、複数の衝撃波照射口を備えたことを特徴とする請求項１に記載の廃棄物焼却炉。
3. 衝撃波発生装置が、爆轟又は収束爆轟により衝撃波を発生させる装置であることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の廃棄物焼却炉。
4. 衝撃波発生装置が、高圧ガスを瞬間的に開放することで衝撃波を発生させる装置であることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の廃棄物焼却炉。

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