JP2005282975A - 火格子式ごみ焼却炉の燃焼制御方法及びごみ焼却炉 - Google Patents

Abstract

【課題】
低空気比下で燃焼を行う場合においても火格子上のごみの安定燃焼を実現でき、排ガス中の有害物質の抑制、熱回収の効率の向上を図ることが可能な火格子式ごみ焼却炉の燃焼制御方法及びごみ焼却炉を提供する。
【解決手段】
二次燃焼用空気の少なくとも一部としてガス混合室内に供給される排ガスの供給量と、二次燃焼用空気の一部として供給される空気の供給量とを、前記排ガス中の酸素濃度に基づいて調整する。
【選択図】図２

Description

本発明は、火格子式のごみ焼却炉の運転制御方法及びごみ焼却炉に関する。

一般に火格子式ごみ焼却炉の燃焼用空気としては、火格子下から供給される一次燃焼用空気と炉内に直接供給される二次燃焼用空気とに分けることができる。これらの燃焼用空気量の制御、及び、火格子の送り速度の調整を行うことでごみの安定燃焼を実現し、ごみ焼却炉から排出される排ガス中のダイオキシン類や窒素酸化物の発生量の抑制、熱回収効率の向上を図っている。

前記炉内に供給される一次燃焼用空気と二次燃焼用空気の合計量は、ごみの燃焼に必要な理論空気量の１．７倍程度（空気比）であり、ごみの燃焼に対して燃焼用空気が過剰な状態で操業されている。このため、空気過剰な状態で燃焼された排ガスからの熱回収となるため、ボイラでの熱回収が効率的に行われないといった問題があった。また、ごみの燃焼によって発生する排ガス量が多くなるため、ごみ焼却プラントの下工程設備にある排ガス処理装置、誘引ブロワ等の設備も排ガス量に対応して大型の設備を必要としていた。

一方、最近では、ダイオキシン類の発生量を抑えるために、燃焼排ガスを高温化させることで完全燃焼させる技術として、供給する燃焼用空気量を減らし、過剰な空気を減らすことで排ガス温度を高温化する方法が用いられている。さらに、供給する燃焼用空気量を減らすことにより、排出される排ガス量が少なくなるため、下工程の排ガス処理設備等の負荷が低減できるとしている（例えば、特許文献１参照）。

しかし、燃料がごみであるため、燃焼用空気量が少ないと、ごみの乾燥、燃焼、灰化までの燃焼プロセスを安定に維持することが困難となる。このため、一次燃焼用空気に酸素を富化し燃焼用空気の酸素濃度を高くする方法や、炉から排出された排ガスを再度炉内に戻し循環させる方法で燃焼を安定化させる方法がある（例えば、特許文献２参照）。

また、他の方法として、燃焼に必要な燃焼用空気の量を減らし、下工程設備の負荷を軽減し、熱回収効率を向上させるために、昇温した高温空気をごみが燃焼している表面上に供給することで、燃焼用空気の合計量を減らし空気比１．３程度で完全燃焼を実現させようとする方法もある（例えば、特許文献３参照）。
特開平１０−３３２１２０号公報 特開２００２−２６７１３２号公報 特開２０００−１９９６２０号公報

ここで、空気比が低い状態で完全燃焼を実現させるために、排ガス循環、酸素富化、高温空気燃焼等の方法を用いる必要がある。しかし、火格子上のごみの発熱量は一定でないために、空気比が低い状態で完全燃焼を実現させることは非常に困難である。

本発明は上記問題点を解決するためになされたもので、低空気比下で燃焼を行う場合においても火格子上のごみの安定燃焼を実現でき、排ガス中の有害物質の抑制、熱回収の効率の向上を図ることが可能な火格子式ごみ焼却炉の燃焼制御方法及びごみ焼却炉を提供することを目的とする。

本発明者らは、低空気比下で燃焼を行う場合においても火格子上のごみの安定燃焼を実現でき、排ガス中の有害物質の発生を効果的に抑制できるごみ焼却炉の燃焼制御方法について検討を行った。ここで、前記低空気比下で燃焼を行う場合とは、ごみの燃焼に必要な理論空気量に対して、１．２倍程度から１．５倍程度、通常は１．３倍程度の空気量でごみの固形分及び排ガス中の未燃成分の完全燃焼を行う場合をいう。

図１は、低空気比下で燃焼を行った場合において、ガス混合室内に供給される二次燃焼用空気中の酸素濃度（Ｏ₂ｓ）と、排ガス中のＣＯ濃度及びＮＯｘ濃度との特性を調べた結果を示した図である。ここで、前記二次燃焼用空気中の酸素濃度（Ｏ₂ｓ）の調整は、炉から排出された排ガスと空気とを混合することにより行った。なお、前記二次燃焼用空気中の酸素濃度（Ｏ₂ｓ）は、次式（１）により算出することができる。
Ｏ₂ｓ＝（Ｇ×Ｏ₂ｇ＋Ｆ×Ｏ₂ａ）／（Ｇ＋Ｆ） （１）
上式（１）において、Ｇ：排ガス循環量（Ｎｍ³／ｈ）、Ｆ：ガス混合室内に供給される空気量（Ｎｍ³／ｈ）、Ｏ₂ｇ：排ガス中酸素濃度（％）、Ｏ₂ａ：空気中酸素濃度（通常は２１％）、Ｏ₂ｓ：ガス混合室に供給される酸素濃度（％）を表す。

図１に示すように、ガス混合室内に供給される二次燃焼用空気中の酸素濃度が低いほど排ガス中のＮＯｘ濃度は低減されることがわかった。一方、排ガス中のＣＯ濃度は、二次燃焼用空気中の酸素濃度が低いとＣＯが二次燃焼しきれずに、未燃のＣＯが発生する。このため、二次燃焼用空気中の酸素濃度を図１中の領域Ａの部分に維持することができれば、低空気比下で燃焼を行った場合においてもＣＯ濃度、ＮＯｘ濃度ともに低く維持することができることがわかった。

また、ガス混合室内に供給される二次燃焼用空気中の排ガスの割合をできるだけ高くすることで、炉から排出される総排ガス量を少なくすることができ、下工程の排ガス処理設備等の負荷が低減できる。

本発明は以上のような検討に基づきなされたもので、以下のような特徴を有する火格子式ごみ焼却炉の燃焼制御方法及びごみ焼却炉である。
［１］ガス混合室内に供給する二次燃焼用空気の全部又は一部に排ガスを用いる火格子式ごみ焼却炉の燃焼制御方法であって、
二次燃焼用空気の少なくとも一部としてガス混合室内に供給される排ガスの供給量と、二次燃焼用空気の一部として供給される空気の供給量とを、前記排ガス中の酸素濃度に基づいて調整することを特徴とする火格子式ごみ焼却炉の燃焼制御方法。
［２］排ガス中の酸素濃度を計測する手段と、
前記排ガス中の酸素濃度を計測する手段により計測された酸素濃度に基づいて、二次燃焼用空気の少なくとも一部としてガス混合室内に供給される排ガスの供給量と、二次燃焼用空気の一部として供給される空気の供給量とを制御する燃焼制御装置とを備えたことを特徴とする火格子式ごみ焼却炉。

本発明によれば、低空気比下で燃焼を行う場合においても火格子上のごみの安定燃焼を実現でき、排ガス中の有害物質の抑制、熱回収の効率の向上を図ることが可能な火格子式ごみ焼却炉の燃焼制御方法及びごみ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２は、本発明に係るごみ焼却炉の一実施形態を示す概略構成図である。

図２に示すごみ焼却炉は、火格子４を有する全連型（２４時間連続運転）の火格子式ごみ焼却炉であり、ホッパ１、燃焼室２、燃焼室２の出口側に設けられたガス混合室３、ガス混合室３の下流側に設置されたボイラ７を備えている。

クレーンでホッパ１に投入されたごみは、給塵装置５によって燃焼室２内の火格子４上に送り込まれる。火格子４は往復運動し、その往復運動によってごみの撹拌および移動が行われる。火格子４下をごみ搬送方向に４つの領域に分割した風箱（上流側からＮｏ.１，Ｎｏ.２，Ｎｏ.３，Ｎｏ.４）から燃焼室２内に一次燃焼用空気が供給される。燃焼室２内に供給された火格子上のごみは、火格子４上を移動しながら、火格子４下から供給される一次燃焼用空気によって、乾燥、燃焼、後燃焼が行われ灰となり、灰落下口６より外部に排出される。

一次燃焼用空気は、一次燃焼用空気ブロワ８により各風箱を介して火格子４の下から燃焼室２内に供給される。また、各風箱に供給される一次燃焼用空気の量は、各風箱に一次燃焼用空気を供給する各配管に設けられた火格子下一次燃焼用空気ダンパ９ａ，９ｂ，９ｃ，９ｄにより調整される。なお、図２に示した例では、火格子４の下をごみ搬送方向に対し４つの風箱（Ｎｏ.１からＮｏ.４）で分割して一次燃焼用空気を供給する構成としているが、ごみ焼却炉の規模及び目的に応じて適宜変更可能であり４つの風箱の場合に限られるものではないことは言うまでもない。

また、燃焼室２内の火格子４上のごみが燃焼している表面上には、灯油等の燃料を燃焼させることによって加熱した高温空気とボイラ７出口から排出される排ガスを混合した空気が供給され、ごみ層から発生した未燃ガスを燃焼させる。

さらに、ガス混合室３内には、二次燃焼用空気として、ボイラ７出口から排出される排ガスと、二次燃焼用空気の酸素濃度を調整する必要がある場合に添加される二次燃焼用空気ブロワ１０からの空気とが供給され、燃焼室２内で燃焼しきれなかった燃焼排ガス中の未燃ガスを完全燃焼させる。ガス混合室３内で二次燃焼させた後の燃焼排ガスは、下流側のボイラ７で熱エネルギーを回収された後に外部に排出される。

ここで、燃焼室２内には図４に示すように中間天井１７を設けることが好ましい。中間天井１７を燃焼室内に設けることにより、燃焼室内のガスを火格子４の上流側のごみ乾燥過程で発生した可燃性ガスと下流側の後燃焼過程で発生した燃焼排ガスに２分して排出することができる。この２分して排出したガスをガス混合室３で再合流させることにより、ガス混合室３内でのガスの攪拌混合がさらに促進され、ガス混合室３内での燃焼がより安定化し、燃焼過程におけるダイオキシン類の発生のさらなる抑制、ごみ未燃の発生防止を図ることができる。なお、中間天井１７を有さないごみ焼却炉においても本発明が適用でいることは言うまでもない。

上記構成のごみ焼却炉において、本発明にかかるごみ焼却炉の一実施形態は、ボイラ７出口から排出される排ガス中の酸素濃度を計測する手段と、前記排ガス中の酸素濃度を計測する手段により計測された酸素濃度に基づいて、二次燃焼用空気の全部又は一部としてガス混合室内に供給される排ガスの供給量と、二次燃焼用空気の酸素濃度を調整する必要がある場合に添加される空気の供給量とを制御する燃焼制御装置１１とを備えたものである。

ここで、前記排ガス中の酸素濃度を計測する手段としては、例えば、ボイラ７出口に設置された酸素濃度計１４を用いることができる。

前記燃焼制御装置１１は、前記酸素濃度計１４により計測された排ガス中酸素濃度を取り込む手段と、前記排ガス中の酸素濃度に基づいて二次燃焼用空気としてガス混合室内に供給される排ガスと空気の供給量をそれぞれ制御する手段とを備えている。なお、燃焼制御装置１１には、例えば、コンピュータを使用することができる。

ボイラ７出口から排出される排ガスのうちの少なくとも一部が、排ガス再循環配管１２によって、二次燃焼用空気の全部又は一部としてガス混合室３内に供給される。

前記酸素濃度計１４により計測された排ガス中の酸素濃度が、ガス混合室３内に供給される二次燃焼用空気の目標酸素濃度範囲内である場合には、酸素濃度の調整は必要無いので、この場合は二次燃焼用空気ブロワ１０からの空気の供給は行わずに、前記排ガスのみを二次燃焼用空気としてガス混合室内に供給する。なお、前記二次燃焼用空気としてガス混合室内に供給する排ガスの循環流量は、ごみ焼却炉全体での燃焼用空気の供給量を考慮して、前記燃焼制御装置１１からの信号により排ガス再循環配管１２の途中に設けられた循環排ガス流量調整用ダンパ１２ａの開度を制御することにより調整される。

ここで、前記二次燃焼用空気の目標酸素濃度範囲としては、図１の領域Ａの範囲であり、４．８±０．５％、より好ましくは、４．８±０．２％とすることが好ましい。

しかし、排ガス中の酸素濃度は、ごみを燃焼しているために、燃焼しているごみ質が変動することにより、排ガス中の酸素濃度も変動する。そのため、前記酸素濃度計１４により計測された排ガス中の酸素濃度が、ガス混合室３内に供給される二次燃焼用空気の目標酸素濃度より低い場合には、目標の酸素濃度範囲となるように酸素濃度を調整する必要がある。

ガス混合室３内に供給される二次燃焼用空気の酸素濃度の調整は、排ガス再循環配管１２によりガス混合室３内に供給される循環排ガスに、二次燃焼用空気ブロワ１０から空気を添加することで、目標の酸素濃度となるように調整を行う。ここでは、二次燃焼用空気として排ガスを最大限含ませるように調整を行うことが好ましい。これにより、炉から排出される総排ガス量を少なくすることができ、下工程の排ガス処理設備等の負荷が低減できるからである。なお、前記添加する空気量の調整は、前記燃焼制御装置１１からの信号によりブロワ１０を制御することにより行われる。

排ガス中の酸素濃度の変動に応じて、循環排ガス量と循環排ガスに添加する空気量の混合割合を調整する場合、次式（２）により行うことができる。
Ｆ＝Ｇ×（Ｏ₂ｓｅｔ―Ｏ₂g）／（Ｏ₂ａ―Ｏ₂ｓｅｔ）） （２）
上式（２）において、Ｆ：循環排ガスに添加する空気量（Ｎｍ³／ｈ）、Ｇ：循環排ガス量（Ｎｍ³／ｈ）、Ｏ₂ｇ：排ガス中酸素濃度（％）、Ｏ₂ａ：空気中酸素濃度（通常は２１％）、Ｏ₂ｓｅｔ：ガス混合室に供給する目標酸素濃度（％）を表す。

なお、ごみ処理量に応じて発生する排ガス量が異なるので、ごみ処理量の設定に応じて、二次燃焼用空気としてガス混合室内に供給される循環排ガス量と空気の供給量を調整する。つまり、ごみの処理量が増えるほど排ガス量も増加し、このため、ごみ処理量に応じて、循環排ガス量、若しくは、添加される空気量を増やすことが好ましい。

以上の実施形態においては、排ガス中の酸素濃度が目標酸素濃度を下回っている場合について説明した。これは、排ガス中の酸素濃度が目標酸素濃度を下回っている場合が、通常の操業においては、最も一般的な状態であるからである。

前記酸素濃度計１４により計測された排ガス中の酸素濃度が、目標酸素濃度を上回っている場合について説明する。このような場合が生ずるのは、燃焼室２内での燃焼が、何らかの理由により、一時的に不活発となり、一次燃焼用空気の酸素消費が少なくなったような場合、もしくは、火格子上のごみ量に対して一次燃焼用空気が多い場合などが考えられる。この場合は、二次燃焼用空気としてガス混合室３内に供給される循環排ガスの流量を設備に支障の無い範囲で極力絞り、さらに、排ガス中酸素濃度（Ｏ₂g）の状態を見ながら排ガスの循環量を減らす。

実際のごみ焼却炉において、低空気比下で燃焼を行った場合において、ガス混合室内に供給される二次燃焼用空気中の酸素濃度（Ｏ₂ｓ）と、排ガス中のＣＯ濃度及びＮＯｘ濃度との特性を調べた結果を示した図である。 本発明に係るごみ焼却炉の一実施形態を示す概略構成図である。

符号の説明

１ ホッパ
２ 燃焼室
３ ガス混合室
４ 火格子
５ 給塵装置
６ 灰落下口
７ ボイラ
８ 一次燃焼用空気ブロワ
９ａ，９ｂ，９ｃ，９ｄ 火格子下一次燃焼用空気ダンパ
１０ 二次燃焼用空気ブロワ
１１ 燃焼制御装置
１２ 排ガス再循環配管
１２ａ 循環排ガス流量調整用ダンパ
１４ 酸素濃度計
１７ 中間天井

Claims (2)

1. ガス混合室内に供給する二次燃焼用空気の全部又は一部に排ガスを用いる火格子式ごみ焼却炉の燃焼制御方法であって、
   二次燃焼用空気の少なくとも一部としてガス混合室内に供給される排ガスの供給量と、二次燃焼用空気の一部として供給される空気の供給量とを、前記排ガス中の酸素濃度に基づいて調整することを特徴とする火格子式ごみ焼却炉の燃焼制御方法。
2. 排ガス中の酸素濃度を計測する手段と、
   前記排ガス中の酸素濃度を計測する手段により計測された酸素濃度に基づいて、二次燃焼用空気の少なくとも一部としてガス混合室内に供給される排ガスの供給量と、二次燃焼用空気の一部として供給される空気の供給量とを制御する燃焼制御装置とを備えたことを特徴とする火格子式ごみ焼却炉。

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