JP2013155955A - 二段燃焼炉および二段燃焼方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】二段燃焼炉1は、被焼却物を燃焼させて排ガスを排出する一次燃焼炉10と、一次燃焼炉10から排出された排ガスの未燃分を燃焼させる二次燃焼炉20と、を備える。二次燃焼炉20は、炉本体25と、排ガス導入路30と、ガス排出路35と、空気導入路50とを備える。排ガス導入路30は、炉本体25の内部で排ガスが旋回流となるように形成される。空気導入路50は、炉本体25の内部で燃焼用空気が旋回流となるように形成されるとともに、燃焼用空気と排ガスとで旋回流の旋回の向きが同じになるように形成される。
【選択図】図3
Description
排ガスの未燃分は、燃焼用空気との混合により燃焼させる。一般的に、この燃焼には助燃としてバーナが用いられる(バーナの使用は必須ではない)。バーナの火力を強くすれば、排ガスの未燃分の排出量を減らせる。しかし、バーナの火力を強くすると、バーナの燃料消費量が増大するとともに、CO2の排出量が増大してしまう。
一次燃焼炉10は、被焼却物を燃焼させて排ガス(未燃物および灰を含む)を排出する(一次燃焼工程)炉である。一次燃焼炉10は、流動砂(流動媒体)を循環させながら、被焼却物を燃焼させる。一次燃焼炉10は、流動層炉11と、流動層炉に接続される流動砂分離部13と、流動砂分離部13及び流動層炉11に接続される循環通路15とを備える。
流動層炉11の下端部(「下端部」とは、下端または下端の近傍である。以下同様)は、循環通路15の下端に接続される。この循環通路15から流動層炉11に、流動砂および被焼却物が導入される。
流動層炉11の下端部には、一次空気導入路11aが設けられる。一次空気導入路11aを介して、流動層炉11の外部から内部に一次燃焼用空気が導入される。この一次燃焼用空気の空気比は例えば1.0未満であり、好ましくは0.6〜1.0である。
流動層炉11の下端部付近には、一次バーナ11bが設けられる。一次バーナ11bの火炎により、被焼却物が燃焼および熱分解されるとともに、流動砂が加熱される。流動層炉11内部の温度は、例えば750℃〜850℃に設定される。
流動層炉11の上端部(「上端部」とは、上端または上端の近傍である。以下同様)は、流動砂分離部13の上端部に接続される。被焼却物の燃焼により生じた排ガス(未燃分および灰を含む)及び流動砂が、流動層炉11内部から流動砂分離部13に排出される。
流動層炉11から流動砂分離部13内部に導入された流動砂および排ガスは、流動砂分離部13の内周に沿う旋回流となる。
流動砂分離部13の上端部は、排ガス通路19を介して二次燃焼炉20に接続される。流動砂分離部13の上端部から二次燃焼炉20に、排ガスが排出される。
流動砂分離部13の下端は、循環通路15の上端に接続される。流動砂分離部13の下端から循環通路15に流動砂が排出される。
循環通路15の下端部付近には、被焼却物入口15aが形成される。被焼却物入口15aを介して、循環通路15の外部から内部に被焼却物が導入される。
そして、上述したように、循環通路15の下端から流動層炉11の内部に、流動砂および被焼却物が導入される。
二次燃焼炉20は、一次燃焼炉10から排出された排ガスの未燃分(例えばCOやN2O)を燃焼させる(二次燃焼工程)炉である。二次燃焼炉20は、いわば完全燃焼炉である(排ガスの未燃分を0に近づける炉である)。図1及び図2に示すように、二次燃焼炉20は、炉本体25と、炉本体25に設けられるバーナ27と、炉本体25の長手方向の一端側(上流側)に設けられる排ガス導入路30と、炉本体25の長手方向の他端側(下流側)に設けられるガス排出路35と、炉本体25にそれぞれ設けられる絞り部40及び空気導入路50と、を備える。
炉本体25の内部(特に絞り部40よりも上流側の部分)は、例えば850℃〜950℃に設定される。
また、排ガス導入路30は、次に述べる「領域30c」が、炉本体25の内周の中心Oと重ならないように配置(形成)される。「領域30c」とは、排ガス導入路30の軸方向に直交する断面を、排ガス導入方向30aに沿って、炉本体25内部側に延長した領域である。
この空気導入路50は、炉本体25の内部で燃焼用空気が旋回流となるように形成される。空気導入路50は、平面視において(炉本体25の長手方向から見たときに)燃焼用空気の流れが旋回するように形成される。空気導入路50は、平面視において、次に述べる「空気導入方向50a」が、炉本体25の内周の中心O(円筒状の炉本体25の中心軸)からずれるように配置(形成)される。「空気導入方向50a」とは、平面視において、次に述べる「交点50b」における空気導入路50の中心軸の方向である。「交点50b」とは、平面視において、炉本体25内周の延長線25bと空気導入路51の中心軸との交点である。ただし、排ガス導入路30に接続されている空気導入路52については、交点50bとは、平面視において、次に述べる「直線L1」と炉本体25内周の延長線25bとの交点である。「直線L1」とは、平面視において、次に述べる「交点52b」における空気導入路52の中心軸を炉本体25内部側に延長した線である。「交点52b」とは、平面視において、空気導入路52の中心軸と、排ガス導入路30の内面の延長線30dとの交点である。
また、空気導入路50は、次に述べる「領域50c」が炉本体25の内周の中心Oと重ならないように配置(形成)される。「領域50c」とは、空気導入路50の軸方向に直交する断面を、空気導入方向50aに沿って炉本体25内部側に延長した領域である。
なお、図3では煩雑を避けるため、延長線25bおよび交点50bの符号を、複数の空気導入路50のうち一部の空気導入路50についてのみ付している。
この空気導入路50は、排ガス導入路30と同じ高さ位置に配置される。さらに詳しくは、排ガス導入路30から排ガスが導入される位置、および、空気導入路50から燃焼用空気が導入される位置は、同じ高さである(空気導入路50と排ガス導入路30とが、炉本体25の長手方向に直行する方向に並ぶように設置される)。すなわち、上記「同じ高さである」とは、「空気導入高さ範囲50e」が「排ガス導入高さ範囲30e」の範囲内に配置されることを意味する。ここで、「空気導入高さ範囲50e」とは、空気導入路51の炉本体25への取り付け位置(又は空気導入路52の排ガス導入路30への取り付け位置)における、空気導入路50内部の上端から下端までの範囲である。「排ガス導入高さ範囲30e」とは、排ガス導入路30の炉本体25への取り付け位置における、排ガス導入路30内部の上端から下端までの範囲である。排ガス導入路30および空気導入路50は、例えば、空気導入方向50aおよび排ガス導入方向30aが同一平面上の方向となるように配置される(空気導入路50および排ガス導入路30それぞれの中心軸が、炉本体25の長手方向に直交する同一平面上に配置される)。
この空気導入路50は、上述したように炉本体25に複数設けられる。複数の空気導入路50から炉本体25に均等に燃焼用空気が導入される。複数の空気導入路50それぞれから導入される燃焼用空気の流速および流量は同じである。複数の空気導入路50それぞれについての複数の交点50bは、例えば等間隔に配置される。複数の空気導入路50それぞれについての複数の角度θ50は、同じ角度に設定される。
二次燃焼炉20は次のように動作する。上述したように、排ガス導入路30を介して、一次燃焼炉10(図1参照)から炉本体25内部に未燃分を含む排ガスが導入される。また、空気導入路50を介して、燃焼用空気が炉本体25内部に導入される。バーナ27により、燃焼用空気と混合された排ガスの未燃分(N2OやCOなど)が燃焼される。排ガス及び燃焼用空気は、炉本体25の内周面に沿って旋回しながら、下方側(下流側)に向かって流れる。このとき、排ガス及び燃焼用空気の旋回流は、絞り部40の入口付近で滞留する。このように排ガス及び燃焼用空気が滞留することにより、排ガスの未燃分がより確実に燃焼する。そして、未燃分が燃焼した後の排ガスが、図2に示すガス排出路35から排出される。
熱流体解析ソフトを用いたシミュレーションにより、下記(a)〜(c)の比較を行った。
(a)内径dと内径Dとの比d/Dと、排ガスの滞留時間との比較
(b)空気導入路50の向きと、排ガスの滞留時間との比較
(c)空気導入路50の高さ位置と、ガスの混合性との比較
・排ガス導入路30から導入される排ガスの流量:14125[m3N/h]、流速:15.8[m/s]
・空気導入路50から導入される燃焼用空気の流量:3925[m3N/h](6本の合計)、流速:51.5[m/s]、空気比0.45
・角度θ50(図3参照):60°
・排ガス導入路30の中心軸(排ガス導入方向30aの高さ位置)と、絞り部40の中央円筒部42の上端との高さの差:2.7m
・絞り部40(中央円筒部42下端)からガス排出路35上端までの距離):5.6m
・絞り部40の上流側テーパ部41の傾斜角度θ41:53°
・炉本体25の内径D:3.0m
・絞り部40の内径d:2.4m
・比d/D=0.80
・排ガス導入路30の中心軸(排ガス導入方向30aの高さ位置)と、空気導入路50の中心軸(空気導入方向50aの高さ位置)との高さの差:2.16m
上記実施形態の二次燃焼炉20では、排ガス導入路30と空気導入路50とを同じ高さ位置に配置した(図2の空気導入路50A参照)。しかし、このシミュレーションでは原則、排ガス導入路30と絞り部40との間に空気導入路50を配置する(図2の空気導入路50B参照)(比較(c)の[位置A]の場合を除く)。
これらのシミュレーションの条件を「条件α」とする。条件αに対して条件を変更した場合については後述する。
絞り部40の内径dと炉本体25の内径Dとの比d/Dと、排ガスの滞留時間との関係を調べた。排ガスの滞留時間(以下、単に「滞留時間」ともいう)とは、排ガスの任意の一つの粒子が、排ガス導入路30に入ってから、ガス排出路35を出るまでの時間である。滞留時間が長いほど、排ガスの未燃分が多く燃焼する。ここでは、表1に示す様々な比d/Dの場合について滞留時間を調べた。なお、図4(a)にはd/D=0.6の場合、図4(b)にはd/D=0.8の場合、図4(c)にはd/D=1.0の場合の二次燃焼炉20を示す。
図3に示す空気導入路50から導入される燃焼用空気の旋回流の旋回の向きと、排ガスの滞留時間との関係を調べた。なお、上述したように、滞留時間が長いほど、排ガスの未燃分が多く燃焼する。ここでは、次の3つの場合(条件)について比較した。
・[正方向]排ガス導入路30に対する空気導入路50の向きが上記「正方向」の場合(上記条件αの場合)
・[中心軸方向]空気導入方向50aが炉本体25の内周の中心Oを向く場合。すなわち、図3の角度θ50が0°の場合
・[逆方向]排ガス導入路30に対する空気導入路50の向きが上記「逆方向」の場合
図2に示す空気導入路50の高さ位置と、排ガスと燃焼用空気との混合性(標準偏差)と、の関係を比較した。なお、標準偏差が小さいほど、排ガスと燃焼用空気の混合性が良い(より均一である)ことを示し、この混合性が良いほど排ガスの未燃分がより燃焼する。ここでは、次の2つの空気流入位置について比較した。
・[位置A]空気導入路50(50A)が排ガス導入路30と同じ高さ位置に配置される場合。すなわち、上記実施形態の位置に空気導入路50が配置される場合。
・[位置B]空気導入路50(50B)が排ガス導入路30よりも下方の位置に配置される場合。すなわち、上記「条件α」の位置に空気導入路50が配置される場合。
次に、二段燃焼炉1および二段燃焼方法の効果を説明する。図1に示すように、二段燃焼炉1は、被焼却物を燃焼させて排ガスを排出する一次燃焼炉10と、一次燃焼炉10から排出された排ガスの未燃分を燃焼させる二次燃焼炉20と、を備える。二次燃焼炉20は、内部に燃焼室25aを形成する円筒状の炉本体25と、排ガス導入路30と、ガス排出路35と、空気導入路50とを備える。排ガス導入路30は、炉本体25の上端側(長手方向の一端側)に設けられ、一次燃焼炉10から炉本体25の内部に排ガスを導入する。ガス排出路35は、炉本体25の下端側(長手方向の他端側)に設けられ、炉本体25の内部から未燃分燃焼後の排ガスを排出する。空気導入路50は、炉本体25に設けられ、炉本体25の内部に燃焼用空気を導入する。
よって、排ガス及び燃焼用空気が炉本体25の内部で旋回しやすいので、排ガス及び燃焼用空気の二次燃焼炉20内での滞留時間が長くなる。よって、排ガスの未燃分が燃焼しやすい環境(条件)となる。具体的には、N2Oは滞留時間が長い程熱分解が進み、COは空気と混合されて燃焼されやすくなる。その結果、二段燃焼炉1からのN2OやCOの排出量を抑制できる。
図2に示すように、排ガス導入路30は、水平方向(炉本体25の長手方向に直交する方向)に排ガスを導入するように形成される。空気導入路50は、水平方向(炉本体25の長手方向に直交する方向)に燃焼用空気を導入するように形成される。
すなわち、排ガスおよび燃焼用空気の炉本体25内部への導入の向きは、いずれも水平方向である。よって、炉本体25内部に排ガスまたは燃焼用空気を下向き(炉本体25の長手方向の一端側から他端側に向かう向き)に導入する場合に比べ、排ガス及び燃焼用空気の二次燃焼炉20内での滞留時間をより長くできる。
図3に示すように、空気導入路50は炉本体25に複数設けられる。よって、空気導入路50が炉本体25に1つのみ設けられる場合に比べ、排ガス及び燃焼用空気が炉本体25内部でより旋回しやすい。よって、排ガス及び燃焼用空気の二次燃焼炉20内での滞留時間をより長くできる。
図1に示すように、二段燃焼方法は、一次燃焼炉10により被焼却物を燃焼させて排ガスを排出する一次燃焼工程と、一次燃焼工程で排出された排ガスの未燃分を二次燃焼炉20で燃焼させる二次燃焼工程と、を備える。二次燃焼炉20は、内部に燃焼室25aを形成する円筒状の炉本体25を備える。二次燃焼工程は、排ガス導入工程と、ガス排出工程と、空気導入工程と、を備える。排ガス導入工程は、炉本体25の上端側(長手方向の一端側)に設けられる排ガス導入路30を介して、一次燃焼炉10から炉本体25の内部に排ガスを導入する工程である。ガス排出工程は、炉本体25の下端側(長手方向の他端側)に設けられるガス排出路35を介して、炉本体25の内部から未燃分燃焼後の排ガスを排出する工程である。空気導入工程は、炉本体25に設けられる空気導入路50を介して、炉本体25の内部に燃焼用空気を導入する工程である。
図2に示すように、排ガス導入工程は、水平方向(炉本体25の長手方向に直交する方向)に排ガスを導入する工程である。空気導入工程は、水平方向(炉本体25の長手方向に直交する方向)に燃焼用空気を導入する工程である。これらの工程により、上記(効果2)と同様の効果が得られる。
空気導入工程は、複数の空気導入路50それぞれから流速および流量が同じ燃焼空気を導入する工程である。この工程により、上記(効果3)と同様の効果が得られる。
次に、絞り部40に関する効果を説明する。図2に示すように、二次燃焼炉20は絞り部40を備える。絞り部40は、炉本体25に形成され、排ガス導入路30とガス排出路35との間、かつ、空気導入路50とガス排出路35との間に配置される。
この絞り部40の上流で排ガス及び燃焼用空気が滞留するので、排ガス及び燃焼用空気の二次燃焼炉20内での滞留時間をより長くできる。よって、排ガスの未燃分をより燃焼させることができる。
絞り部40の内径dと炉本体25の内径Dとの比d/Dは、0.7以上0.95以下である、よって、排ガス及び燃焼用空気の二次燃焼炉20内での滞留時間がより長くなるので(図5参照)、排ガスの未燃分をより燃焼させることができる。
比d/Dは、0.75以上0.8以下である。よって、排ガス及び燃焼用空気の二次燃焼炉20内での滞留時間がより長くなるので(図5参照)、排ガスの未燃分をより燃焼させることができる。
図2に示すように、絞り部40は、排ガス導入路30とガス排出路35との中央部に配置される。
よって、絞り部40による上記の効果(他の効果1−1a、b及び他の効果1−2)を確実に得ることができ、かつ、絞り部40内面の損傷を抑制できる。この効果の詳細は次の通りである。(ア)バーナ27は通常、排ガス導入路30の近傍に配置される。よって、排ガス導入路30の近傍に絞り部40を配置した場合、火炎により絞り部40の内面(の耐火物)が損傷するおそれがある。(イ)また、ガス排出路35の近傍の排ガスは、燃焼がほぼ終わっている。よって、ガス排出路35の近傍に絞り部40を配置しても、燃焼がほぼ終わった段階の排ガスを滞留させるだけで、排ガスの未燃分をより燃焼させる効果が十分に得られない場合がある。(ウ)一方、二段燃焼炉1では、絞り部40は、排ガス導入路30とガス排出路35との中央部に配置されるので、上記(ア)及び(イ)の問題を抑制できる。
図2に示すように、二次燃焼工程は絞り工程を備える。排ガス導入路30とガス排出路35との間、かつ、空気導入路50とガス排出路35との間に配置されるとともに、炉本体25に形成される絞り部40により、炉本体25の内部を通る流路を絞る工程が絞り工程である。絞り部40の内径dと前記炉本体の内径Dとの比d/Dは、0.7以上0.95以下である。この工程により、上記(他の効果1−1a、b)及び(他の効果1−2)と同様の効果が得られる。
この二段燃焼方法では、比d/Dは、0.75以上0.8以下である。この方法により、上記(他の効果1−2)と同様の効果が得られる。
絞り工程は、炉本体25の内部を通る流路のうち排ガス導入路30とガス排出路35との中央部を絞る工程である。この工程により、上記(他の効果1−3)と同様の効果が得られる。
次に、主に空気導入路50の高さ位置に関する効果を説明する。図2に示すように、排ガス導入路30から排ガスが導入される位置、および、空気導入路50から燃焼用空気が導入される位置は、炉本体25の長手方向に直交する同一平面上である。
ここで、排ガス導入路30付近は、ガス排出路35付近に比べ、排ガスの流れの乱れが多い(図6(a)参照)。上記構成では、排ガスの流れの乱れが多い位置の近傍から燃焼用空気が導入される。よって、排ガスと燃焼用空気が混合されやすい(混合性が良くなる)。よって、排ガスの未燃分がより燃焼しやすい。
炉本体25の長手方向は鉛直方向である。排ガス導入路30から排ガスが導入される位置、および、空気導入路50から燃焼用空気が導入される位置は、同じ高さである。
よって、上記(他の効果2−1)と同様の効果が得られる。
図2に示すように、排ガス導入工程で排ガスが導入される位置、および、空気導入工程で前記燃焼用空気が導入される位置は、炉本体25の長手方向に直交する同一平面上である。これらの工程により、上記(他の効果2−1)と同様の効果が得られる。
炉本体25の長手方向は鉛直方向である。排ガス導入工程で排ガスが導入される位置、および、空気導入工程で燃焼用空気が導入される位置は、同じ高さである。これらの工程により、上記(他の効果2−2)と同様の効果が得られる。
図3に示すように、排ガス導入工程は、炉本体25の内部で排ガスが旋回流となるように排ガスを導入する工程である。この工程により、上記(他の効果2−3)と同様の効果が得られる。
上記実施形態の二段燃焼炉1は様々に変形できる。
10 一次燃焼炉
20 二次燃焼炉
25 炉本体
25a 燃焼室
30 排ガス導入路
35 ガス排出路
40 絞り部
50、51、52 空気導入路
d、D 内径
Claims (6)
- 被焼却物を燃焼させて排ガスを排出する一次燃焼炉と、
前記一次燃焼炉から排出された前記排ガスの未燃分を燃焼させる二次燃焼炉と、
を備え、
前記二次燃焼炉は、
内部に燃焼室を形成する円筒状の炉本体と、
前記炉本体の長手方向の一端側に設けられ、前記一次燃焼炉から前記炉本体の内部に前記排ガスを導入する排ガス導入路と、
前記炉本体の長手方向の他端側に設けられ、前記炉本体の内部から前記未燃分燃焼後の前記排ガスを排出するガス排出路と、
前記炉本体に設けられ、前記炉本体の内部に燃焼用空気を導入する空気導入路と、
を備え、
前記排ガス導入路は、前記炉本体の内部で前記排ガスが旋回流となるように形成され、
前記空気導入路は、前記炉本体の内部で前記燃焼用空気が旋回流となるように形成されるとともに、前記燃焼用空気と前記排ガスとで旋回流の旋回の向きが同じになるように形成される、二段燃焼炉。 - 前記排ガス導入路は、前記炉本体の長手方向に直交する方向に前記排ガスを導入するように形成され、
前記空気導入路は、前記炉本体の長手方向に直交する方向に前記燃焼用空気を導入するように形成される、請求項1に記載の二段燃焼方法。 - 前記空気導入路は、前記炉本体に複数設けられ、
前記複数の空気導入路それぞれから導入される燃焼用空気の流速および流量が同じである、請求項1または2に記載の二段燃焼炉。 - 一次燃焼炉により被焼却物を燃焼させて排ガスを排出する一次燃焼工程と、
前記一次燃焼工程で排出された前記排ガスの未燃分を二次燃焼炉で燃焼させる二次燃焼工程と、を備え、
前記二次燃焼炉は、内部に燃焼室を形成する円筒状の炉本体を備え、
前記二次燃焼工程は、
前記炉本体の長手方向の一端側に設けられる排ガス導入路を介して、前記一次燃焼炉から前記炉本体の内部に前記排ガスを導入する排ガス導入工程と、
前記炉本体の長手方向の他端側に設けられるガス排出路を介して、前記炉本体の内部から前記未燃分燃焼後の前記排ガスを排出するガス排出工程と、
前記炉本体に設けられる空気導入路を介して、前記炉本体の内部に燃焼用空気を導入する空気導入工程と、
を備え、
前記排ガス導入工程は、前記炉本体の内部で前記排ガスが旋回流となるように前記排ガスを導入する工程であり、
前記空気導入工程は、前記炉本体の内部で前記燃焼用空気が旋回流となるように、かつ、前記燃焼用空気と前記排ガスとで旋回流の旋回の向きが同じになるように、前記燃焼用空気を導入する工程である、二段燃焼方法。 - 前記排ガス導入工程は、前記炉本体の長手方向に直交する方向に前記排ガスを導入する工程であり、
前記空気導入工程は、前記炉本体の長手方向に直交する方向に前記燃焼用空気を導入する工程である、請求項4に記載の二段燃焼方法。 - 前記空気導入工程は、複数の前記空気導入路それぞれから流速および流量が同じ前記燃焼空気を導入する工程である、請求項4または5に記載の二段燃焼方法。
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