JP2009293878A - 流動床式焼却炉による汚泥焼却方法 - Google Patents

Abstract

【課題】砂層部とフリーボード部から構成される流動床式焼却炉において、各燃料供給ガンへの燃料の供給量制御と併せて、燃料供給ガンの使用本数増減によるΔＴの制御を行い、フリーボード部の温度をダイオキシン成分の完全分解に必要な一定温度としながら、砂層部での燃焼効率を最適に維持する技術を提供すること。
【解決手段】砂層部２に多数の燃料供給ガン１３を備えた流動床式焼却炉１で汚泥を焼却する際に、フリーボード部３の温度がダイオキシン成分の完全分解に必要な一定温度となるように各燃料供給ガン１３への燃料供給量の合計量を制御しながら、砂層部温度（Ｔｓ）とフリーボード部温度（Ｔｆ）との温度差ΔＴｐ（実測値）が目標値ΔＴｓとなるように燃料供給ガン１３の使用本数を増減する。
【選択図】図２

Description

本発明は流動床式焼却炉による汚泥焼却方法に関するものである。

従来から下水汚泥の焼却にはダイオキシンを発生させにくい流動床式焼却炉が広く使用されており、一般的に約８００度での焼却が行われてきた。焼却対象となる汚泥の水分含有率変化や有機成分等の変化に起因して汚泥の燃焼状態が変動した際には、燃焼炉内の温度管理が必要となるが、炉内温度管理の従来方式としては、図１に示すように、制御切替え装置１６で、砂層部２温度又はフリーボード部３温度の何れか一方を制御対象として選択し、制御対象温度を目標温度に近づけるように燃料流量を制御する方法が一般的であった。特に、燃料供給ガン１３は砂層部２に燃料供給を行うものであるため、燃料コントロールにより砂層部２の温度を制御する炉内温度管理方法が一般的であった（特許文献１、特許文献２）。

しかし、近年ダイオキシン類対策措置法に基づく排出基準を満たすために、流動床式焼却炉１のフリーボード部３で排ガスを２秒以上８５０度以上に保つことが必要となり、前記炉内温度管理の内、フリーボード部３温度を検出し、フリーボード部３温度を前記目標温度に近づけるように燃料流量を助燃料制御部７でフィードバック制御する方法が主流となっている。

図１に示すように、助燃料制御部７は、流量指示調節計（ＦＩＣ）９と温度指示調節計（ＴＩＣ）８と、助燃料演算器１２とで構成されている。温度指示調節計（ＴＩＣ）８は、入力された設定炉頂部温度ＳＶ１とフリーボード部温度計６の測定した炉頂部温度ＰＶ１の偏差に応じて、助燃料演算器１２に対して制御出力ＭＶ１を出力する。助燃料演算器１２は受信した制御出力ＭＶ１に基づき、炉頂部温度ＰＶ１が設定炉頂部温度ＳＶ１に近づくように、フィードバック制御を実行するための演算を行う。

助燃料演算器１２には、所定のデータ記憶領域に、予め熱収支計算により導出し、または当該計算結果を実際の運転データを基に修正した相関関係式（以下、「第１相関関係式」という。）が格納されており、第１相関関係式を用いて必要助燃料使用量を演算している。演算された必要助燃料使用量は、流量指示調節計（ＦＩＣ）９に助燃料使用量の設定値ＳＶ２として入力され、流量指示調節計９は、助燃料流量計１０の測定値である測定助燃料使用量ＰＶ２が設定助燃料使用量ＳＶ２となるように制御出力ＭＶ２を行い、助燃料供給バルブの開閉を操作し、流量調整が行われる。

但し、図１に示す燃料流量の制御方法は、前記のように砂層部２温度又はフリーボード部３温度の何れか一方を検出し、目標温度に近づけるように燃料流量を制御する方法であるため、フリーボード部３温度を制御対象とした場合、砂層部２での温度コントロールは行われず、砂層部温度は前記フリーボード部温度制御の成り行きのままとなっていた。

流動焼却炉１における汚泥の燃焼工程は、主に汚泥水分蒸発工程と熱分解工程と燃焼工程とからなり、汚泥水分蒸発工程と熱分解工程では吸熱反応が生じ、燃焼工程では発熱反応が生じている。前記各工程の進行は、炉内温度、汚泥の含水量等の性状、空気量等が律速条件となり、汚泥の含水量等の性状は変動するため、砂層部での温度コントロールが行われないまま、前記フリーボード部温度のみを制御因子とする焼却炉の運転を行うと、結果として過剰な空気や燃料が投入されてしまう問題や、反対に砂層部温度が低下しすぎて失火を招く問題も生じていた。

したがって、過剰な空気量や燃料消費量投入を回避し、下水処理施設におけるＣＯ_２排出量を削減する観点や、焼却炉の失火を防止し、安定した運転を実現するという観点から、砂層部での燃焼効率を制御することへの需要があった。なお、本発明における「砂層部での燃焼効率」とは、砂層部へ供給した汚泥と燃料がφ％反応し発熱することで、その結果、砂層部温度がＴになる、とみなして、砂層部入口熱量と砂層部出口熱量との熱収支をとり、砂層部入口熱量＝砂層部出口熱量として求めた値であり、具体的には、砂層燃焼効率（φ）は、砂層部入口熱量を（固形分の燃焼熱×φ）＋（燃料の燃焼熱×φ）＋（供給した空気の保有熱量）で近似し、砂層部出口熱量を（燃焼により生じた排ガスの保有熱量）＋（燃焼反応しなかった汚泥の残保有熱量（固形分の燃焼熱×(1-φ)））＋（反応により生じた水蒸気の保有熱量）で近似し、砂層部入口熱量＝砂層部出口熱量としてφを求めた値である。

なお、特許文献３には、砂層部とフリーボード部３の温度に基づくフィードフォワード制御により、燃料使用料を制御する技術が開示されているが、前記ＣＯ_２排出量削減の観点から空気や燃料の投入量制御のみによらず、砂層部２での燃焼効率の制御により炉内全体での燃焼効率を最適に維持する技術への需要もあった。
特許第３２３５６４３号公報 特許第３２３５６４６号公報 特許第３９４６１７０号公報

本発明の目的は、砂層部とフリーボード部から構成される流動床式焼却炉において、各燃料供給ガンへの燃料の供給量制御と併せて、燃料供給ガンの使用本数増減によるΔＴの制御を行い、フリーボード部の温度をダイオキシン成分の完全分解に必要な一定温度としながら、砂層部での燃焼効率を最適に維持する技術を提供することである。

上記課題を解決するためになされた本発明に係る流動床式焼却炉による汚泥焼却方法は、砂層部に多数の燃料供給ガンを備えた流動床炉で汚泥を焼却する際に、フリーボード部の温度がダイオキシン成分の完全分解に必要な一定温度となるように各燃料供給ガンへの燃料供給量の合計量を制御しながら、砂層部温度（Ｔｓ）とフリーボード部温度（Ｔｆ）との温度差ΔＴｐ（実測値）が目標値ΔＴｓとなるように燃料供給ガンの使用本数を増減することを特徴とするものである。

請求項２記載の発明は、請求項１記載の流動床式焼却炉による汚泥焼却方法において、ΔＴｐ（実測値）が目標値ΔＴｓよりも小さい場合には、燃料供給ガンの使用本数を減少させ、ΔＴｐ（実測値）が目標値ΔＴｓよりも大きい場合には、燃料供給ガンの使用本数を増加させることを特徴とするものである。

請求項３記載の発明は、請求項２記載の流動床式焼却炉による汚泥焼却方法において、Ｔｓが５８０〜８５０℃、Ｔｆが８５０〜９５０℃であることを特徴とするものである。

請求項４記載の発明は、請求項２記載の流動床式焼却炉による汚泥焼却方法において、燃料供給ガンの使用本数の増減は燃料供給ガン用遮断弁の開閉により行うことを特徴とするものである。

請求項５記載の発明は、請求項１〜４何れか１項に記載の流動床式焼却炉による汚泥焼却方法において、ΔＴと燃料供給ガンの使用本数との相関関係式を予め導出し、当該相関関係式にしたがってフィードバック制御を行うことを特徴とする。

本発明によれば、フリーボード部の温度がダイオキシン成分の完全分解に必要な一定温度となるように各燃料供給ガンへの燃料供給量の合計量を制御しながら、砂層部温度（Ｔｓ）とフリーボード部温度（Ｔｆ）との温度差ΔＴｐ（実測値）が目標値ΔＴｓとなるように燃料供給ガンの使用本数を増減するので、空気や燃料の投入量制御によらず、砂層部２の燃焼効率を制御することが可能となる。

ΔＴｐ（実測値）が目標値ΔＴｓよりも小さい場合には、燃料供給ガンの使用本数を減少させ、ΔＴｐ（実測値）が目標値ΔＴｓよりも大きい場合には、燃料供給ガンの使用本数を増加させるΔＴ制御を行う請求項２記載の発明によれば、例えば砂層部温度（Ｔｓ）が過度に上昇し、ΔＴｐ（実測値）が低下した際には、燃料供給ガンの使用料を減らすことで、砂層部での燃焼効率を低下させることができ、従来、砂層部の温度が過度に上昇した際に空気量や燃料消費量が過剰となっていた問題が解消可能となり、燃費向上や、下水処理施設におけるＣＯ_２排出量削減が可能となる。一方、砂層部温度（Ｔｓ）が過度に低下し、ΔＴｐ（実測値）が上昇した際には、燃料供給ガンの使用料を増やすことで、砂層部での燃焼効率を上昇させることができるため、突然の失火が防止され、焼却炉の安定運転が可能となる。

請求項５記載の発明によれば、ΔＴと燃料供給ガンの使用本数との相関関係式を予め導出し、当該相関関係式にしたがって行うフィードバック制御とすることにより、焼却炉の安定運転が可能となる。

以下、図２により本発明に係る汚泥焼却方法に適した流動床式焼却炉を説明し、図３及び表１により本発明に係る汚泥焼却方法を説明する。なお、図２は、本発明の流動床式焼却炉の炉内温度制御系統を模式的に示す構成図であって、本発明の制御対象とならない焼却炉構造（空気供給管等）は図示を省略している。

図２において、１は流動床式焼却炉、２は砂層部、３はフリーボード部、４は排ガス排出口、５は砂層部温度計、６はフリーボード部温度計、１３は燃料供給ガン、７は助燃料制御部であり、制御切替え装置１６で選択したフリーボード部温度に基づき助燃料制御部７により、助燃料流量を制御する方法は前記図１に示した従来法と同様である。本発明に係る汚泥焼却方法に使用する流動床式焼却炉は、燃料制御部７による助燃料流量制御手段に加えて、ΔＴ制御部１５によるΔＴ制御手段が備えられている。なお、図２において、複数の燃料供給ガン１３は図面記載の便宜上、焼却炉高さ方向に重なるように配置するように図示されているが、実際の焼却炉においては、図４の焼却炉砂層部断面図が示すように焼却炉砂層部の周方向に配置されている。

ΔＴ制御手段は、砂層部温度計５と、フリーボード部温度計６と、ΔＴ制御部１５と、複数の燃料供給ガン１３、及び各燃料供給ガン１３ごとに備えられた燃料供給ガン開閉バルブ１４とから構成される。ΔＴ制御部１５には、砂層部温度計５で測定された温度（Ｔｓ）データ値ＰＶ３とフリーボード部温度計６で測定された温度（Ｔｆ）データ値ＰＶ１とが入力される。また、ΔＴ制御部１５の所定のデータ記憶領域には、入力設定されたΔＴの目標値（ΔＴｓ）と、ΔＴとガスガン使用本数の相関関係を表わす相関関係式（以下、「第２相関関係式」という。）が格納されており、これらの格納データと、前記の測定データ（ＰＶ１、ＰＶ３）を用いて助燃料供給バルブ１３使用本数が演算決定される。演算決定された必要使用本数は、燃料供給ガン開閉バルブ１４の開閉操作信号ＭＶ３として出力され、燃料供給ガン開閉バルブ１４の開閉操作により助燃料供給ガン１３使用本数の調整が行われる。なお、ΔＴ制御の制御幅を大きくとる為には、流動床式焼却炉１に予め設置される燃料供給ガン１３の数を必要能力以上の本数とすることが好ましい。ここで、必要能力とは焼却炉を継続的に補燃運転するために必要となる燃料供給能力を有する事を示す。

第２相関関係式は、各流動床式焼却炉において、汚泥性状等の燃焼反応律速条件の変動に従って、最適な関係式を求める事が好ましい。以下に、第２相関関係式を求めた実施例を示す。

図２に示すように、各々に燃料供給ガン開閉バルブ１４を備えた燃料供給ガン１３を１２本備えた流動床式焼却炉（炉径６．９ｍ）を用い、燃料供給ガン開閉バルブ１４の開閉により、使用する燃料供給ガン７の本数を６本、８本、１２本と変化させて、焼却炉の運転を行い、以下の表１に示すデータを取得した。なお、運転条件は、汚泥焼却処理量を７２００ｋｇ／ｈ、フリーボード部温度の目標値を８５０度とし、燃料制御は自動制御とした。下記の表１でＦＢとはフリーボード部、ＳＢとは砂層部を意味している。燃料供給ガン７としてはガスガンを使用し、燃料は都市ガスを使用した。

図３は、上記表１から、ガスガン使用本数とΔＴの関係、ガスガン使用本数と砂層燃焼効率の関係を抽出してグラフ化したものである。図３より、以下の線形近似式を導くことができる。

焼却炉の特性により数１、数２の線形近似式は変動するが、各焼却炉で上記と同様の予備実験を行うことにより、砂層燃焼効率と燃料供給ガン１３の使用本数、及び、ΔＴと燃料供給ガン１３の使用本数との線形近似式を求めることができる。このうち、ΔＴと燃料供給ガン１３の使用本数との線形近似式を第２相関関係式としてΔＴ制御部１５に格納して、ΔＴの制御を行う。

ΔＴの制御とは、具体的には、ΔＴｐ（実測値）がΔＴの目標値（ΔＴｓ）よりも小さい場合には、燃料供給ガン１３の使用本数を減少させ、ΔＴｐ（実測値）が目標値ΔＴｓよりも大きい場合には、燃料供給ガン１３の使用本数を増加させる制御である。燃料供給ガン１３の使用本数の増減は、前記のように各燃料供給ガン１３ごとに設けられた助燃料供給バルブ１４の開閉操作によって行われるが、ここで、燃料供給ガン開閉バルブ１４は遮断弁の機能を併用するものとすることができる。遮断弁とは、従来から炉内の圧力異常や、砂層部失火を感知した際に、燃料供給を遮断するために、燃料供給路に設けられていた弁である。

なお、図３より、燃料供給量の合計量を一定量とした場合、ガスガンの使用本数増加に従って、砂層部の燃焼効率が上昇し、ΔＴが低下（＝砂層部温度が上昇）していることが読み取れる。当該ΔＴの低下は、図４に示すように、燃料供給量の合計量が一定の場合、ガスガンの使用本数が増加するほど、ガスガン１本当たりの燃料供給量が低下し、焼却炉への供給ガス流速が低下することにより砂層内滞留時間が確保され、かつ、ガスガンの使用本数が増加するほど、砂層部における燃焼ゾーンが増加するため、砂層部内での反応率すなわち砂層燃焼効率が上昇したことに起因するものと考えられる。すなわち、本発明における、ガスガンの使用本数増減によるΔＴの制御とは、ガスガンの使用本数増減による砂層部の燃焼効率の制御を意味するものであり、本発明はΔＴという可視パラメータの制御により、間接的に砂層部の燃焼効率を制御可能としたものである。なお、燃焼効率の観点から、図４に示すように、対称に配置されているガスガンを一対の制御単位として制御を行うことが好ましい。

従来の流動床式焼却炉の燃焼制御装置の制御系統を模式的に示す構成図である。 本発明の流動床式焼却炉の燃焼制御装置の制御系統を模式的に示す構成図である。 ガスガン使用本数とΔＴ、ガスガン使用本数と砂層燃焼効率の関係式を示す図である。 砂層部断面の燃焼ゾーン変動を示すモデル図である。（使用燃料量を同一とし、ガスガンの使用本数を変動させた場合）

符号の説明

１ 流動床式焼却炉
２ 砂層部
３ フリーボード部
４ 排出口
５ 砂層部温度計
６ フリーボード部温度計
７ 助燃料制御部
８ 温度指示調節計（ＴＩＣ）
９ 流量指示調節計（ＦＩＣ）
１０ 助燃料流量計１０
１１ 燃料流量調節バルブ
１２ 助燃料演算器
１３ 燃料供給ガン
１４ 燃料供給ガン開閉バルブ
１５ ΔＴ制御部
１６ 制御切替え装置
１７ 砂層部における燃焼ゾーン

Claims (5)

1. 砂層部に多数の燃料供給ガンを備えた流動床式焼却炉で汚泥を焼却する際に、
   フリーボード部の温度がダイオキシン成分の完全分解に必要な一定温度となるように各燃料供給ガンへの燃料供給量の合計量を制御しながら、
   砂層部温度（Ｔｓ）とフリーボード部温度（Ｔｆ）との温度差ΔＴｐ（実測値）が目標値ΔＴｓとなるように燃料供給ガンの使用本数を増減することを特徴とする流動床式焼却炉による汚泥焼却方法。
2. ΔＴｐ（実測値）が目標値ΔＴｓよりも小さい場合には、燃料供給ガンの使用本数を減少させ、ΔＴｐ（実測値）が目標値ΔＴｓよりも大きい場合には、燃料供給ガンの使用本数を増加させることを特徴とする請求項１記載の流動床式焼却炉による汚泥焼却方法。
3. Ｔｓが５８０〜８５０℃、Ｔｆが８５０〜９５０℃であることを特徴とする請求項２記載の流動床式焼却炉による汚泥焼却方法。
4. 燃料供給ガンの使用本数の増減は燃料供給ガン用遮断弁の開閉により行うことを特徴とする請求項３記載の流動床式焼却炉による汚泥焼却方法。
5. ΔＴと燃料供給ガンの使用本数との相関関係式を予め導出し、当該相関関係式にしたがってフィードバック制御を行うことを特徴とする請求項１〜４何れか１項に記載の流動床式焼却炉による汚泥焼却方法。
   

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