JP2006097916A - 焼却炉の燃焼制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 本発明は、ゴミ質に変動があっても、排ガス流量の変動を抑えながら分解ガスを完全燃焼させるような焼却炉の燃焼制御方法を提供することを目的としている。
【解決手段】 投入された廃棄物を熱分解して得られる分解ガスを一次燃焼空間で燃焼させ、一次燃焼空間からの燃焼ガスを二次燃焼空間で燃焼させ、二次燃焼空間出口の排ガスの温度と酸素濃度とが目標値となるように、投入する廃棄物量を調節する焼却炉の燃焼制御方法である。本発明では、二次燃焼空間には一定流量で支燃性ガスを供給することが好ましい。
【選択図】 図１

Description

本発明は、廃棄物焼却炉の燃焼方法に関し、特に二次燃焼空間を有する焼却炉に好適な燃焼方法に関する。

都市ごみや下水汚泥などの廃棄物を焼却処理する焼却設備には、焼却炉として、焼却灰が排出されるストーカー炉や流動床炉、或いは炉内でその残さを溶融スラグとして排出するシャフト炉などのガス化溶融炉が用いられている。いずれの焼却炉でも、最近では、焼却時に発生する燃焼ガスを、人体だけでなく大気など環境に対しても無害化して排出する必要があり、そのためには、焼却炉内で有害物質をできるだけ発生しないように燃焼ガスを完全燃焼させることが望まれている。

燃焼ガスを完全燃焼させることができる焼却炉として、例えば特許文献１に示すような、投入された廃棄物を１次燃焼用ガスを受けて燃焼させる一次燃焼空間と、この一次燃焼空間に連通して一次燃焼空間からの未燃焼ガスを燃焼させる二次燃焼空間を備え、二次燃焼空間に未燃焼ガスを完全燃焼させる二次燃焼用空気供給手段を設けた構成の焼却炉が知られている。特許文献１に記載の焼却炉は、投入されたゴミを搬送しながら乾燥処理する乾燥帯と、乾燥されたゴミを搬送しながら燃焼処理する燃焼帯とを備えたストーカ式の焼却処理帯と、炉出口部に前記焼却処理帯で発生した燃焼ガスを完全燃焼させる二次燃焼用空気供給機構を設けたゴミ焼却炉であって、炉出口部の温度を検出する温度検出機構を設けるとともに、前記炉出口部を通過した排ガス中に含まれる酸素ガス濃度を検出する酸素ガス濃度検出機構を設けて、前記温度検出機構による検出温度が目標温度となり、且つ、前記酸素ガス濃度検出機構による検出酸素ガス濃度が目標酸素ガス濃度となるように、前記二次燃焼用空気供給機構による空気供給量を調節する送風量制御手段を設けたことが特徴である。
特開平７−３３２６４２号公報（段落番号０００４〜０００５、００１７〜００１９）

実際の焼却炉では、発熱量の異なるゴミ質のものが混合され、この混合割合に応じて燃焼温度は絶えず変動する。例えば、ゴムやプラスチックなど発熱量が高位なゴミが多く含まれると、燃焼温度は上昇する。これに対して、特許文献１に開示された焼却炉によれば、炉出口部の温度変化に応じて、供給する二次燃焼用空気量を、目標温度より１００℃高い場合には２００％に増加させ、１００℃低い場合には５０％に減少させて対応している。しかし、二次燃焼用空気量を増加させると、炉内に酸素が増えるのでＮＯｘの発生量が増えてしまう。また、減少させると、炉内の酸素が減るので、ダイオキシンの発生量と相関がある一酸化炭素が燃焼されずに残ってしまう。さらに、二次燃焼用空気の増減に伴って大気に放出される排ガス量が増減するので、二次燃焼炉内や煙道でのガス流速が変化して、飛散ダスト等の堆積が発生する。また、排ガス量の増加を見越して、下流に設けるバグフィルタなどの排ガス処理装置の容量を大きくしなければならず、設備費用が高くなるだけでなくランニングコストも高くなるという問題がある。

従って、本発明は、ゴミ質に変動があっても、排ガス流量の変動を抑えながら分解ガスを完全燃焼させるような焼却炉の燃焼制御方法を提供することを目的としている。

本願第一の発明である焼却炉の燃焼制御方法は、投入された廃棄物を熱分解して得られる分解ガスを一次燃焼空間で燃焼させ、一次燃焼空間からの燃焼ガスを二次燃焼空間で燃焼させ、二次燃焼空間出口の排ガスの温度が目標値になるように、投入する廃棄物量を調節することを特徴とする。排ガスの温度は二次燃焼空間出口にできるだけ近い位置で測定することが好ましい。

本願第二の発明である焼却炉の燃焼制御方法は、投入された廃棄物を熱分解して得られる分解ガスを一次燃焼空間で燃焼させ、一次燃焼空間からの燃焼ガスを二次燃焼空間で燃焼させ、二次燃焼空間出口の排ガスの酸素濃度が目標値になるように、投入する廃棄物量を調整することを特徴とする。排ガスの酸素濃度は冷却後の排ガスで測定することが好ましい。

本願第三の発明である焼却炉の燃焼制御方法は、投入された廃棄物を熱分解して得られる分解ガスを一次燃焼空間で燃焼させ、一次燃焼空間からの燃焼ガスを二次燃焼空間で燃焼させ、二次燃焼空間出口の排ガスの温度と酸素濃度とが目標値となるように、投入する廃棄物量を調節することを特徴とする。

また、本発明においては、二次燃焼空間には一定流量で支燃性ガスを供給することが望ましい。支燃性ガスには空気や酸素富化空気を用いることができる。支燃性ガスは、廃棄物を熱分解して得られた可燃性の分解ガスを一次燃焼空間において燃焼させるためのものと、続く二次燃焼空間で分解ガスを完全燃焼させるためのものとが供給され、標準的廃棄物に対して、一次燃焼空間では還元性燃焼雰囲気となるように、二次燃焼空間では酸化性燃焼雰囲気となるように予め流量が設定されている。少なくとも二次燃焼空間に供給する支燃性ガス流量を維持することで、排ガス流量の変動を抑制するのである。

また、本発明は、廃棄物とコークスとをシャフト炉内に投入して廃棄物を分解ガスと固形物とに熱分解し、固形物を溶融して排出するガス化溶融炉に適用することが好ましい。

本発明によれば、焼却炉内で分解ガスをほぼ完全燃焼させながら、大気へ放出される排ガス量の変動を抑制することができるので、周辺の環境を乱さないとともに、排ガス処理装置の過剰化を抑制することができる。

図１は、本発明に係わる焼却炉１とそれに続く排ガス処理装置１０を備えた焼却システムの概要を示す図である。図２は本発明に係わる焼却炉１の一実施の形態を示す縦断面図である。焼却炉１は、一次燃焼空間をなすシャフト炉２と、それに連なる二次燃焼空間をなす二次燃焼炉３とを有し、廃棄物を分解ガスと固形物とに熱分解するガス化溶融炉である。分解ガスは、制御された雰囲気で燃焼させて有害物質を含まないか含んでも極めて低濃度の排ガスとして焼却炉１から排出され、さらに排ガス処理装置１０を経て無害化されて大気中に放出される。固形物は、溶融状態としてメタルと主に酸化物からなるスラグとに二相分離して炉外に取り出される。取り出されたメタルとスラグは直ちに冷却・固化される。固化したスラグはガラス状であり、水にさらしても含有成分がしみ出すことはなく建設材料などとして再利用可能である。

本シャフト炉２は、炉底部２２にコークス層２５を形成し、この上に廃棄物２６を積層し、コークス層２５を燃焼させてこの熱で廃棄物２６を燃焼及びガス化するものである。本シャフト炉２は、炉底部２２近傍にプラズマトーチ２１と、プラズマトーチ２１の上方に第一の羽口２３と第二の羽口２４を設けている。プラズマトーチ２１は同一高さの円周上に２ヶ所設け、プラズマトーチ２１から吹き出す高温ガスの方向は平面的には炉体の直径方向、立面的には炉底部の底と垂直部の交点方向としている。第一の羽口２３及び第二の羽口２４は同じく円周上６ヶ所としている。第一の羽口２３及び第二の羽口２４から吹き込む空気は、後述する熱交換器１２で二次燃焼後の高温排ガスと熱交換して高温になったものを使用している。

プラズマトーチ２１から吹き出す高温ガスは、窒素などの不活性ガスまたは空気や酸素富化空気などの酸素含有ガスである。コークス層２５及び廃棄物層２６に供給する空気の全てをコークス層２５に設けるプラズマトーチから供給すると、コークス消費量の増大を招くため、第一の羽口２３及び／又は第二の羽口２４は廃棄物層２６に設けることが好ましい。なお、コークス層２５に酸素含有ガスを供給する羽口（図示せず）を設けることで、プラズマトーチ２１を設けないようにすることもできる。

シャフト炉２は、底部には溶融スラグ排出口２７が設けてあり、略中間部には廃棄物２６とコークス２５が投入される材料供給口２８が設けてある。材料供給口２８の上部には第一の空気供給口３１が設けてあり、フアン（図示せず）により燃焼支持ガス（通常は空気）を供給し、廃棄物２６から発生した可燃ガスを燃焼する。第一の空気供給口３１の上部でシャフト炉２の頂部近傍には排ガス口９が設けてあり、排ガス口９と二次燃焼炉３の上部とはダクト８を介して連接してある。材料供給口２８には、スクリューコンベヤ２９を介して廃棄物とコークスを供給するホッパー３０が接続されている。スクリューコンベヤ２９を駆動するモータは、制御手段４からの信号で回転が制御される。

二次燃焼炉３の上部には、第二の空気供給口３２が設けてあり、ここから燃焼支持ガス（通常は空気）を供給して残存している可燃ガスを燃焼する。第二の空気供給口３２は図示しないフアンに連結してあり、このフアンから空気が送られる。図１に示すように、二次燃焼炉３の下流には排ガス処理装置１０が連接され、一次冷却塔１１、熱交換器１２、二次冷却塔１３、集塵機１４や、排煙脱硝装置等が適宜設けられ、排ガスは誘引ファン１８で引かれて煙突１９へと導かれる。

二次燃焼炉３の出口には温度センサー５が設けられ、前記制御手段４に電気的に接続されている。また、二次燃焼炉３の出口に酸素濃度センサー６を設け、前記制御手段４に接続してもよい。酸素濃度センサー６は、一次冷却塔１１で排ガスが４５０℃程度まで冷却されるので、一次冷却塔１１の下流に設けることが好ましい。二次冷却塔１３ではダイオキシンの再合成反応が起きやすい温度領域である４００〜２００℃の温度範囲を急速冷却し再合成を抑えている。熱交換器１２では第一の羽口２３及び第二の羽口２４に送られる空気を熱交換し高温にしている。

次に、上述した焼却炉１における燃焼方法について説明する。
本実施の形態では、シャフト炉２内には、プラズマトーチ２１、第一の羽口２３、第二の羽口２４及び第一の空気供給口３１から空気が供給されるが、この総空気量は、所定量の平均的ゴミ質からなる標準廃棄物とコークス２５の可燃物質を全量酸化するに必要な化学量論量の６０〜９０％の範囲の所定酸素比を維持するような量とする。ここで、プラズマトーチ２１及び第一、第二の羽口２３、２４から供給する空気量は、前記化学量論量の２０〜５０％の範囲の所定酸素比になるような量とする。なお、前記酸素比は下記式による。
酸素比＝（供給酸素量＋廃棄物中の有機酸素量）／（Ｃ×３２／１２＋Ｈ×１６／２）
ここで、供給酸素量は供給空気が含有している酸素量（kg/h）、Ｃは該酸素および廃棄物中の有機酸素と結合する炉内の有機化合物を含む廃棄物とコークス中の炭素量の合計（kg/h）、Ｈは該酸素および廃棄物中の有機酸素と結合する炉内の有機化合物を含む廃棄物とコークス中の水素量の合計（kg/h）である。但し、廃棄物中にハロゲン元素を含む場合にはハロゲン元素は水素と結合するのでその分の水素量は除く。

シャフト炉２の下部には投入された廃棄物２６及びコークスにより廃棄物層が形成される。廃棄物層の下には主にコークスからなる高温炉床がある。シャフト炉２の底部近くに設置されたプラズマトーチ２１は酸素を含む支燃性ガスを２０００〜２５００℃のプラズマガスにして高温炉床に向けて供給する。高温炉床はプラズマトーチ２１から供給されるプラズマガス及びコークスの燃焼により１５００〜１７００℃程度に保たれる。高温炉床における高温ガスは、その一部が炉底部の出滓口２７から溶融物の排出に伴って外部に噴出するが、大部分は廃棄物層中を上昇する。材料供給口２８から投入された廃棄物は廃棄物層の最上部を形成する。廃棄物は下から上昇してくる前述の高温ガスにより加熱され、徐々に降下しながら乾燥が進む。第一の羽口２３と第二の羽口２４から供給される支燃性ガスにより廃棄物の一部は燃焼し部分燃焼熱を発生する。この熱と高温ガスとにより廃棄物は６００〜１０００℃に加熱され可燃性の分解ガスと固形分とに熱分解される。固形分は炭素成分、灰分、金属等の不燃成分とからなる。固形分は更に降下して炭素成分は燃焼して燃焼ガスと灰分になる。灰分と不燃成分は高温炉床に達すると溶融し溶融スラグや溶融金属として出滓口２７から排出される。出滓口２７は閉塞させておき炉底部に溶融物がたまったら開口して出滓する間欠出滓でもよいが、常時開口しておき溶融物を排出し続ける連続出滓が操業の安定化や安全性の点で好ましい。

廃棄物の熱分解により発生した分解ガスは、Ｎ_2、 ＣＯ_2、 Ｈ₂Ｏの他にＣＯ、Ｈ_2、未燃焼炭素、炭化水素、窒素酸化物、窒素化合物などを含んでおり、シャフト炉２内を上昇する。前記したように第一の羽口２３と第二の羽口２４とプラズマトーチ２１から吹き込まれる総空気量は、前記化学量論量の２０〜５０％の範囲の所定酸素比になるような量としているため、発生するガス中には可燃ガスが多量に含まれ、しかも酸素はほとんど無い状態である。そのガスの温度は第一の空気供給口３１の近傍では５００℃を越えているから、第一の空気供給口３１から空気を供給することで、ガスは点火燃料や補助燃料を加えることなく容易に燃焼して、その温度は約９００℃となる。第一の空気供給口３１から供給される空気は、前記したようにシャフト炉２内が化学量論量の６０〜９０％の範囲の所定酸素量を維持するように供給されるので、ガスは還元性燃焼雰囲気にて燃焼される。これによりＮＯxや窒素化合物の多くはＮ_２に分解される。この燃焼は不完全燃焼であるため、燃焼ガスにはＮＯxや窒素化合物の他ＣＯ、炭化水素、Ｈ_２などの還元性可燃成分が残留している。

この燃焼ガスは、排ガス口９からダクト８を通って二次燃焼炉３へ導入される。二次燃焼炉３の上部では、燃焼ガスに残留する前記可燃成分を全量酸化するに必要な化学量論量以上の所定酸素量となるような所定量の空気が第二の空気供給口３２から供給される。この第二の空気供給口３２から供給される空気量は、二次燃焼炉内の可燃成分燃焼温度の目標値Ａに対し、シャフト炉での標準廃棄物における燃焼熱計算等を基にして算出された量に対し、１．１〜１．５倍程度の所定値とすることが好ましい。これは、標準廃棄物に対して、ある程度ゴミ質や処理量が異なった状態の廃棄物に対しても可燃成分を完全燃焼させるためである。前記可燃成分燃焼目標温度Ａは、一酸化炭素を燃焼できかつダイオキシンが分解開始する温度、例えば１０００℃〜１２００℃程度とするとよい。

なお、シャフト炉２と二次燃焼炉３との間をダクト８でほぼ直角状に連結することで、シャフト炉２からの燃焼ガスをこの間で激しく攪拌して均一に混合し、また、ダクト８、第二の空気供給口３２からの各流体を、二次燃焼炉３に旋回流をなすように供給することで良好に混合するようにしているので、可燃成分は二次燃焼炉上部でほぼ燃焼される。なお、ここに送られてきた可燃成分は僅かであり、ＮＯｘが発生するとしても微量である。

前述したように、二次燃焼炉の燃焼温度は投入される廃棄物中のゴミ質で決まる発熱量に応じて変動する。そこで、本発明では、第二の空気供給口３２から供給される空気はその流量を維持したままとし、廃棄物２６の投入量を調整することで二次燃焼炉の燃焼温度を制御する。通常、二次燃焼炉３の出口温度値は、二次燃焼炉上部の可燃成分燃焼温度より低い値となるが、その低下温度は二次燃焼炉の仕様によりほぼ規定されるので、前記可燃成分燃焼温度の目標値Ａをもとに、炉出口温度の目標値Ｂを設定することができる。温度センサー５の測定値がこの目標値Ｂになるように調整することで、前記可燃成分燃焼温度を前記目標値Ａに制御することができる。

例えば、投入された廃棄物２６が、高位発熱性ゴミを多く含み、標準廃棄物の発熱量より高い場合、二次燃焼炉３の燃焼温度は標準廃棄物の場合より高くなり、温度センサー５の検出温度は目標値Ｂ以上となる。制御手段４は、温度センサー５の測定値を受けると、目標値Ｂとの偏差に基づいて、スクリューコンベヤ２９の回転数を減少させるような信号をスクリューコンベヤ駆動モータに出力する。これにより、投入される廃棄物量が減少して発熱量が抑制されるので、二次燃焼炉３内の温度は目標値Ａに近づいていくのである。逆に、測定温度が低い場合は、発熱量を上げるために廃棄物の投入量を増加するような信号がスクリューコンベヤ２９に出力される。

また、酸素濃度センサー６を設けた場合、この検出信号をスクリューコンベヤ２９の回転数制御に用いるようにしてもよい。酸素濃度値が標準廃棄物における場合の所定値に対し下回る場合は、標準廃棄物の燃焼における以上に該廃棄物２６の燃焼に酸素が消費されているということであり、廃棄物の投入量を減らすようにスクリューコンベヤ２９に出力する。逆に、酸素濃度が所定値以上である場合はＮＯｘが発生し易くなるので、酸素をより消費するために、廃棄物の投入量を増やすようにスクリューコンベヤ２９に出力する。

以上、燃焼炉の燃焼方法として、二次燃焼炉３出口の排ガス温度を用いて廃棄物の投入量を調整する方法と、一次冷却塔１１出口の酸素濃度を用いて廃棄物の投入量を調整する方法について説明したが、どちらか一方の燃焼方法を用いてもよいし、両方の燃焼方法を複合して用いてもよい。両方の燃焼方法を複合して用いる場合、単純に各々を加算したような制御とすると操作量が急激となるので、各操作ゲインを半分にするなど適宜調整することが好ましい。また、どちらかの偏差が許容範囲に入ったら、その制御は終了させるようにしてもよい。いずれの燃焼方法であっても、制御に遅れ時間があるので、有害物質抑制という点では精度が劣るが、外部から供給する空気量を変動させないので、排ガス量をほとんど変動させない。

二次燃焼炉３から出た排ガスは、前述したように冷却塔１１、熱交換器１２、１３を通過して冷却され、集塵機１４や脱硝装置、脱塩装置などで有害物質除去処理を施され、煙突１９から大気中に放出されるが、その量はほとんど変動しない。従って、排ガスを誘引するファン１８を排ガス量の変動に合わせて回転数制御させる必要はない。これにより、煙突周辺の騒音や、排ガスの放出に伴う大気の乱れ変動を抑えることができる。また、排ガス処理装置１０は、予め設定した所定量を処理できるものでよく、過剰な設備投資を抑制できる。

本発明に係わる焼却設備の概略構成を示す図である。 本発明に係わる焼却炉の概略構造を示す縦断面図である。

符号の説明

１…焼却炉
２…シャフト炉
３…二次燃焼炉
４…制御手段
５…温度センサー
６…酸素濃度センサー
８…ダクト
１０…排ガス処理設備
１１，１３…冷却塔
１４…集塵機
２１…プラズマトーチ
２３…第一の羽口
２４…第二の羽口
２５…コークス
２６…廃棄物
２９…スクリューコンベヤ
３０…廃棄物供給ホッパ
３１…第一の空気供給口
３２…第二の空気供給口

Claims (5)

1. 投入された廃棄物を熱分解して得られる分解ガスを一次燃焼空間で燃焼させ、一次燃焼空間からの燃焼ガスを二次燃焼空間で燃焼させ、二次燃焼空間出口の排ガスの温度が目標値になるように、投入する廃棄物量を調節することを特徴とする焼却炉の燃焼制御方法。
2. 投入された廃棄物を熱分解して得られる分解ガスを一次燃焼空間で燃焼させ、一次燃焼空間からの燃焼ガスを二次燃焼空間で燃焼させ、二次燃焼空間出口の排ガスの酸素濃度が目標値になるように、投入する廃棄物量を調整することを特徴とする焼却炉の燃焼制御方法。
3. 投入された廃棄物を熱分解して得られる分解ガスを一次燃焼空間で燃焼させ、一次燃焼空間からの燃焼ガスを二次燃焼空間で燃焼させ、二次燃焼空間出口の排ガスの温度と酸素濃度とが目標値となるように、投入する廃棄物量を調節することを特徴とする焼却炉の燃焼制御方法。
4. 前記二次燃焼空間には、一定流量で支燃性ガスを供給することを特徴とする請求項１乃至３の何れかに記載の焼却炉の燃焼制御方法。
5. 廃棄物とコークスとをシャフト炉内に投入して廃棄物を分解ガスと固形物とに熱分解し、固形物を溶融して排出するガス化溶融炉であることを特徴とする請求項１乃至４の何れかに記載の焼却炉の燃焼制御方法。
   

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