JP2015218979A - 蒸気ボイラー装置 - Google Patents

Abstract

【課題】廃棄物固形燃料を効率良く燃焼可能な蒸気ボイラー装置を提供することを目的としている。【解決手段】本発明の蒸気ボイラー装置１０は、燃焼室２１と、前記燃焼室２１の上部に室内で発生した燃焼ガスの煙道２２を備えた燃焼炉２０と、前記煙道２２の内部に配置し前記燃焼ガスと熱交換可能な伝熱管槽４０と、前記燃焼炉２０の架台上部から前記伝熱管槽４０に接続して冷却水を給水可能とし、前記伝熱管槽４０で加熱された蒸気が流入可能な蒸気ボイラー５０と、を備え、前記燃焼炉２０の炉壁は前記伝熱管槽４０と接続させて前記蒸気ボイラー５０からの前記冷却水が流入可能な水冷ジャケット構造２７とし、前記燃焼炉２０の炉壁下部と前記蒸気ボイラー５０の間に接続して前記炉壁と前記伝熱管槽４０と前記蒸気ボイラー５０の間で前記冷却水を循環可能な循環手段６０を設けたことを特徴とする。【選択図】 図１

Description

本発明は、廃棄物固形燃料を燃焼させて排熱を二次利用する蒸気ボイラー装置に関する。

従来、生ごみやプラスチックごみなどの廃棄物を固形燃料にしたＲＤＦ（Ｒｅｆｕｓｅ Ｄｅｒｉｖｅｄ Ｆｕｅｌ）、又は紙や木、廃プラスチックから塩素分、発熱量が調整されたＲＰＦ（Ｒｅｆｕｓｅ Ｐａｐｅｒ ＆ Ｐｌａｓｔｉｃ Ｆｕｅｌ）などの廃棄物固形燃料は、蒸気発電、蒸気ボイラーなどの燃料に利用されている。

一般にゴミの燃焼過程において、難分解性で有害な環境汚染物資となるダイオキシン類が発生することが知られている。このため、前述の廃棄物固形燃料を燃焼させる場合には、ダイオキシン類が発生しないように焼却物を完全燃焼させるために、焼却物を燃焼炉内で８００℃以上で２秒以上保持して焼却することが義務づけられている。しかし、燃焼によって発生した燃焼ガスの冷却過程において、３００℃〜５００℃程度の温度範囲では、デノボ合成によりダイオキシン類が生成してしまう。このため、燃焼ガスは、３００℃〜５００℃の温度範囲で滞留する時間を低減して、急速に（一例として１８０℃まで）冷却することが求められている。

また、急速冷却工程で燃焼ガスの温度が低下しすぎると、燃焼時の廃プラスチックなどから生成される塩酸により、約７２℃以下で塩酸凝結が開始されて燃焼炉に使用されている鋼材が腐食してしまう塩酸露点腐食、又は約１３６℃以下で硫酸凝結が開始されて腐食してしまう硫酸露点腐食の問題があった。

特許文献１に開示の固形燃料燃焼装置は、燃焼炉と、火格子台と、火格子台の上方で燃焼ガスと流体との熱交換を行う熱交換部と、火格子台と熱交換部との間を仕切り上流側に燃焼ガスの通過口を形成する仕切壁と、を備え、燃焼効率を向上させている。

特開２００６−２０７８６５号公報

しかしながら、廃棄物固形燃料は、高発熱量のため、一般的な空気比で燃焼させると炉内が高温となり、灰が溶融してクリンカリングが発生してしまう。このため、炉内に大量の空気を導入して燃焼温度を下げていた。そうすると、高空気比となり排ガス処理設備の処理容量が大型化し、排ガス処理設備の燃料も増加してしまうという問題があった。

そこで上記従来技術の問題点に鑑み、本発明は廃棄物固形燃料を効率良く燃焼可能な蒸気ボイラー装置を提供することを目的としている。
また、本発明は装置全体の小型化、軽量化が図れる蒸気ボイラー装置を提供することを目的としている。

本発明は、上記の課題を解決するための第１の手段として、燃焼室と、前記燃焼室の上部に室内で発生した燃焼ガスの煙道を備えた燃焼炉と、前記煙道の内部に配置し前記燃焼ガスと熱交換可能な伝熱管槽と、前記燃焼炉の架台上部から前記伝熱管槽に接続して給水可能とし、前記伝熱管槽で加熱された蒸気が流入可能な蒸気ボイラーと、を備え、前記燃焼炉の炉壁は、前記伝熱管槽と接続させて前記蒸気ボイラーからの冷却水が流入可能とし、前記燃焼室を覆う水冷ジャケット構造とし、前記燃焼炉の炉壁下部と前記蒸気ボイラーの間に接続して前記炉壁と前記伝熱管槽と前記蒸気ボイラーの間で前記冷却水を循環可能な循環手段を設けたことを特徴としている。

本発明は、上記の課題を解決するための第２の手段として、前記燃焼炉に炉内の温度を測定可能な温度センサーを設け、前記循環手段及び前記温度センサーと電気的に接続して、前記冷却水を前記炉壁に供給して前記炉内の温度を８００℃〜９００℃に制御する制御手段を備えたことを特徴としている。

上記のような本発明によれば、燃焼炉の炉壁を伝熱管槽の冷却水を供給可能な水冷ジャケット構造（二重構造）としているので、燃焼炉内の温度を設定温度に制御することができる。これにより、炉内が高温となって灰が溶融して炉内に付着するクリンカリングの発生を抑制することができる。また低空気比の運転が可能となり、炉内に供給する燃焼空気を低減できるため発生する排ガスも低減でき、後段のバグフィルター、ファン、ダクトなどの排ガス処理設備の容量を小型化できる。また、使用する燃料費も低減できる。

上記のような本発明によれば、燃焼炉の架台上部に蒸気ボイラーを接続させた構成としているので、燃焼炉と蒸気ボイラーをユニット化（一体化）することができるため、装置の据え付け工数を削減でき、装置全体の小型化及び軽量化を図ることができる。

上記のような本発明によれば、伝熱管槽及び蒸気ボイラーの冷却水を二重構造の炉壁に供給しているので、簡易構造で炉壁の温度を制御することができる。また、新たな給水設備を設けることなく装置全体の小型化を図ることができる。

上記のような本発明によれば、炉内の温度を約８００℃〜９００℃に制御する制御手段を備えているので、炉内を燃焼に最適な温度に制御でき、低空気比の運転が可能となる。

本発明の蒸気ボイラー装置の構成概略を示す断面図である。 伝熱管及び伝熱管槽の斜視図である。

本発明の蒸気ボイラー装置の実施形態を添付の図面を参照しながら、以下詳細に説明する。

［蒸気ボイラー装置１０］
図１は本発明の蒸気ボイラー装置の構成概略を示す断面図である。図２は伝熱管及び伝熱管槽の斜視図である。
図１に示すように、本発明の蒸気ボイラー装置１０は、燃焼炉２０と、温度センサー３０と、伝熱管槽４０と、蒸気ボイラー５０と、循環手段６０と、制御手段７０を主な基本構成としている。

［燃焼炉２０］
燃焼炉２０は、ＲＤＦ、ＲＰＦなどの廃棄物固形燃料である焼却物を所定温度に加熱して燃焼ガスを発生させる炉である。本実施形態の燃焼炉２０は一例としてストーカ炉を用いている。燃焼炉２０は、下部に燃焼室２１と、上部に燃焼室２１で発生した燃焼ガスの煙道２２を設けた構成である。
燃焼室２１は、側面に焼却物の供給口２３と、炉内で焼却物に着火する着火バーナー２４ａと、焼却物を所定温度で加熱燃焼させる昇温バーナー２４ｂと、発生した燃焼ガスを煙道２２へ送風する空気ファン２５が設けられ、底面にストーカ２６と、灰排出口２８が形成されている。ストーカ２６は可動段２６ａと固定段２６ｂが交互に階段状に形成された構成である。可動段２６ａは水平方向に移動可能とし、供給口２３からストーカ２６上に供給された焼却物が、可動段２６ａ及び固定段２６ｂ上を供給口２３が設けられた壁面側から対向する灰排出口２８が設けられた壁面側へ向かって移動しながら燃焼される。

また燃焼室２１は、炉壁の全面に水冷ジャケット構造２７、換言すると炉壁の内部に水層を形成し、後述する伝熱管槽４０から冷却水が流入可能な構造に形成している。このような水冷ジャケット構造２７は、室内を覆うように形成されて、内部の冷却水によって炉内を所定温度に冷却することができる。
このような構成の燃焼室２１は、燃焼室２１の温度が８００℃〜９００℃となるように設定されている。そして、水冷ジャケット構造２７により炉内を所定温度に冷却することにより、燃焼ガスが煙道２２に導入される温度を約８００℃〜９００℃に制御することができる。

煙道２２は、燃焼室２１の上部に設けられている。煙道２２は、燃焼室２１で発生した燃焼ガスの通路であり、空気ファン２５の送風によって燃焼室２１内の燃焼ガスが炉壁に沿って上昇し、煙道２２に導入される。煙道２２は、水平方向に配置されている。燃焼ガスは後述する伝熱管槽４２の伝熱管４２内部を通過し、伝熱管４２周囲の冷却水を加熱し、熱交換した後に排出口２９より排出される。

［温度センサー３０］
温度センサー３０は、燃焼炉２０の炉内の温度を測定可能なセンサーである。温度センサー３０は、後述する制御手段７０と電気的に接続させてあり、制御手段７０へ測定値を送信可能な構成である。

［伝熱管槽４０］
伝熱管槽４０は、燃焼炉２０の上部で水平方向に延出する煙道に沿って長手方向に配置した水槽である。伝熱管槽４０は、煙道２２内に複数本、所定間隔を開けて並列に伝熱管４２が取り付けられている。伝熱管４２の両端は、煙道２２側に開口し、この伝熱管４２の内部を燃焼ガスが通過する構成となっている。そして、複数の伝熱管４２の両端は、それぞれ煙道２２と直交する側壁に接続させている。この伝熱管４２の外側は、六面を覆った容器状に形成した伝熱管槽４０になる。伝熱管槽４０は煙道２２と分離し、槽内に伝熱管４２の外表面が表れて冷却水を貯水できる構造となっている。このような伝熱管槽４０は、炉壁の水冷ジャケット構造２７に接続させている。また伝熱管槽４０は、上部を後述する蒸気ボイラー５０と接続させており、蒸気ボイラー５０からの冷却水が流入可能とし、かつ煙道２２を通過する燃焼ガスによって冷却水が加熱されて発生した蒸気が蒸気ボイラー５０へ排出可能な構成としている。

このような構成の伝熱管槽４０に蒸気ボイラー５０からの冷却水が流入すると、接続する燃焼炉２０の水冷ジャケット構造２７も冷却水で満たされる。そして、煙道２２を通過する燃焼ガスによって伝熱管４２が加熱されて周囲（伝熱管槽４０内）の冷却水が蒸気となる。伝熱管槽４０の内部で発生した蒸気は、上方に接続する蒸気ボイラー５０へ排出される。

［蒸気ボイラー５０］
蒸気ボイラー５０は、冷却水と蒸気を貯留可能な容器であり、燃焼炉２０の架台（ケーシング）上部に取り付けて、伝熱管槽４０と接続させている。蒸気ボイラー５０は、側方に冷却水の注水口５２が設けられ、下部に伝熱管槽４０へ冷却水を供給可能とし、かつ伝熱管槽４０内の伝熱管４２で加熱された蒸気を受け入れ可能な接続口５４が設けられている。

このような構成の蒸気ボイラー５０は、注水口５２から注水された冷却水を下方の伝熱管槽４０及び、水冷ジャケット構造２７へ供給して、水冷ジャケット構造２７及び伝熱管槽４０に冷却水を貯水した状態を維持できる。そして、伝熱管槽４０で発生した蒸気がボイラー内に導入されて貯留できる。また、燃焼炉２０の架台上部に取り付けているので、従来のように離れた個所から接続する長いダクトを設ける必要がなく、装置構成を小型化して、排熱を効率的に利用できる。

［循環手段６０］
循環手段６０は、蒸気ボイラー５０と水冷ジャケット構造２７の下部を直に接続する配管６２と、配管上に取り付けたポンプ６４を主な基本構成としている。
配管６２は、一端を蒸気ボイラー５０の下部（注水口５２よりも下方）に接続し、他端を燃焼炉２０の水冷ジャケット構造２７の下部に接続させている。

ポンプ６４は、配管６２上に取り付けて、蒸気ボイラー５０の冷却水を水冷ジャケット構造２７の下部へ供給可能な構成である。
このような構成の循環手段６０は、水冷ジャケット構造２７の下部から冷却水を供給することにより、燃焼炉２０の炉内温度を所定温度に冷却することができる。

［制御手段７０］
制御手段７０は、温度センサー３０と循環手段６０と電気的に接続させている。制御手段７０は、温度センサー３０による炉内温度の測定値に基づいて、炉内温度が設定温度となるように、循環手段６０のポンプ６４へ冷却水の供給量を制御する信号を送信可能な構成としている。

［作用］
上記構成による本発明の蒸気ボイラー装置の作用について以下説明する。
あらかじめ蒸気ボイラー５０の注水口５２から冷却水を注水して、水冷ジャケット構造２７及び伝熱管槽４０に冷却水を満たして貯水させている。

燃焼炉２０の着火バーナー２４ａで着火した後、昇温バーナー２４ｂにより炉内を加熱する。そして燃焼室２１の供給口２３から焼却物を供給する。供給口２３からストーカ２６上へ供給された焼却物は、ストーカ２６上を移動しながら加熱燃焼されて燃焼ガスが発生する。燃焼ガスは、空気ファン２５によって燃焼室２１から煙道２２へ導入される。このとき、温度センサー３０による炉内温度の測定値が制御手段７０に送信される。制御手段７０は、炉内温度が約８００℃〜９００℃となるように循環手段６０のポンプ６４へ制御信号を送り、冷却水を水冷ジャケット構造２７へ供給するようにしている。このように燃焼炉２０の水冷ジャケット構造２７により炉内温度を８００℃〜９００℃に制御されているため、煙道２２へ導入される燃焼ガスのガス温度も約８００℃〜９００℃の温度範囲に冷却されている。

煙道２２の内部で燃焼ガスは、伝熱管槽４０との熱交換により急速冷却されて、煙道２２の出口温度が約１８０℃となる。排出口２９を通過した燃焼ガスは図示しない後段の排ガス処理設備へ導入される。燃焼ガスにより加熱された伝熱管槽４０は、冷却水が蒸気となり、伝熱管槽４０の上方から蒸気ボイラー５０へ導入される。蒸気ボイラー５０の蒸気は一時貯留され、図示しない蒸気利用設備へ供給されて利用される。

このような本発明の蒸気ボイラー装置によれば、燃焼炉の炉壁を伝熱管槽の冷却水を供給可能な水冷ジャケット構造としているので、燃焼炉内の温度を設定温度に制御することができる。これにより、炉内が高温となって灰が溶融して炉内に付着するクリンカリングの発生を抑制することができる。炉壁内の冷却水は、燃焼温度約１３００℃を冷却し、炉内温度を約８００℃〜９００℃にすることでダイオキシン対策とクリンカリング発生抑制の機能を得ることができる。炉壁内の冷却水は、約５００℃の熱交換によって炉上部付近では蒸気状態になっているので、伝熱管手前で蒸気化するプレヒーティングの効果が得られ、ボイラー効率を向上させている。また低空気比の運転が可能となり、炉内に供給する燃焼空気を低減できるため発生する排ガスも低減でき、後段のバグフィルター、ファン、ダクトなどの排ガス処理設備の容量を小型化できる。また、使用する燃料も低減できる。

本発明は、高発熱量の廃棄物固形燃料を燃焼する蒸気ボイラー装置として、産業上有効に利用することができる。

１０………蒸気ボイラー装置、２０………燃焼炉、２１………燃焼室、２２………煙道、２３………供給口、２４ａ………着火バーナー、２４ｂ………昇温バーナー、２５………空気ファン、２６………ストーカ、２６ａ………可動段、２６ｂ………固定段、２７………水冷ジャケット構造、２８………灰排出口、２９………排出口、３０………温度センサー、４０………伝熱管槽、４２………伝熱管、５０………蒸気ボイラー、５２………注水口、５４………接続口、６０………循環手段、６２………配管、６４………ポンプ、７０………制御手段。

Claims (2)

1. 燃焼室と、前記燃焼室の上部に室内で発生した燃焼ガスの煙道を備えた燃焼炉と、
   前記煙道の内部に配置し前記燃焼ガスと熱交換可能な伝熱管槽と、
   前記燃焼炉の架台上部から前記伝熱管槽に接続して給水可能とし、前記伝熱管槽で加熱された蒸気が流入可能な蒸気ボイラーと、を備え、
   前記燃焼炉の炉壁は、前記伝熱管槽と接続させて前記蒸気ボイラーからの冷却水が流入可能とし、前記燃焼室を覆う水冷ジャケット構造とし、前記燃焼炉の炉壁下部と前記蒸気ボイラーの間に接続して前記炉壁と前記伝熱管槽と前記蒸気ボイラーの間で前記冷却水を循環可能な循環手段を設けたことを特徴とする蒸気ボイラー装置。
2. 前記燃焼炉に炉内の温度を測定可能な温度センサーを設け、
   前記循環手段及び前記温度センサーと電気的に接続して、前記冷却水を前記炉壁に供給して前記炉内の温度を８００℃〜９００℃に制御する制御手段を備えたことを特徴とする請求項１に記載の蒸気ボイラー装置。