JP2019158229A - 流動層熱回収装置 - Google Patents

Abstract

【課題】不燃物を含む固形状物質を均一に燃焼し、かつ不燃物を円滑に排出しつつ安定して熱エネルギーを回収することが可能な流動層熱回収装置を提供する。【解決手段】流動層反応炉１において、流動層内にそれぞれ異なる流動化速度を与えるような散気装置を炉床部分に設け、相対的に小さな流動化速度を与えられた第１の弱流動化域ＷＦを形成して該第１の弱流動化域ＷＦでは流動媒体の沈降流を生じさせ、相対的に大きな流動化速度を与えられた強流動化域ＳＦを形成して該強流動化域ＳＦでは流動媒体の上昇流を生じさせて流動層内部に流動媒体の旋回流を形成し、強流動化域ＳＦの外側に、相対的に小さな流動化速度を与えられた第２の弱流動化域ＷＦを形成して該第２の弱流動化域ＷＦでは流動媒体の沈降流を生じさせて強流動化域ＳＦから一部の流動媒体が流入するようにし、該第２の弱流動化域ＷＦに伝熱面を有した熱回収装置１０を配置する。【選択図】図１

Description

本発明は、都市ごみ、産業廃棄物、石炭その他の不燃物を含む固形状物質を均一に燃焼またはガス化などの酸化反応をさせ、かつ不燃物を円滑に排出しつつ安定して熱エネルギーを回収するための熱回収室機能を備えた流動層熱回収装置に関するものである。

経済発展に伴い、一般廃棄物は年間約４４００万トン、産業廃棄物も約４億トン排出され処理されている。これらの廃棄物の一部は焼却処理され、焼却の際に発生する排ガスの熱エネルギーは、発電などに有効に活用されている。環境問題への配慮から、これらの熱エネルギーを効率よく回収することが求められている。
しかしながら、廃棄物なかでも産業廃棄物においては、廃棄物の形状や性状が実に多様であり、しかも一定しておらず、さらに不定形の様々な不燃物が混入していることから、安定した燃焼および処理が困難であり、廃棄物エネルギーの有効利用を阻んでいる。

一般廃棄物および産業廃棄物のエネルギーの有効利用を図るため、焼却等の酸化反応による熱エネルギー回収を目的として、様々なシステムが開発されてきている。なかでも、流動層ボイラは不燃物を含む固形状物質を均一に燃焼させ、かつ不燃物を円滑に排出しつつ安定して熱エネルギーを回収することが可能なシステムとして期待されているが、以下のような課題が存在する。

流動媒体が上下に活発に流動するバブリング流動層においては、流動媒体の流動が上下方向だけであるため、焼却物の分散が不十分であり、均一で安定した燃焼は困難である。また、流動媒体より比重が大きい不燃物は炉床に広範囲に堆積し、その結果、不燃物の排出が困難となり、運転に支障をきたす場合もある。そのため、濃厚流動層内で流動化速度に変化をつけて流動媒体の旋回流を形成することによって、焼却物の混合分散を良好にして、均一で安定した燃焼を行わせる方式が開発されてきた。
しかしながら、従来構造の内部循環流動層ボイラ（ＩＣＦＢ）のように、熱回収室出口近傍に流動媒体および不燃物の排出口があると、排出口上部が固定層（非流動化領域）になってしまい、熱回収室から主燃焼室への流動媒体の循環が円滑に行われなくなる可能性があり、その解決が求められてきた。

特公平７−５６３６１号公報

本発明は、上述の事情に鑑みなされたもので、熱回収室（熱回収領域）から主燃焼室（主燃焼領域）への流動媒体の循環を円滑に行い、不燃物を含む固形状物質を均一に燃焼し、かつ不燃物を円滑に排出しつつ安定して熱エネルギーを回収することが可能な流動層熱回収装置を提供するものである。

上述した目的を達成するために、本発明の一態様は、流動層反応炉において、流動層内にそれぞれ異なる流動化速度を与えるような散気装置を炉床部分に設け、相対的に小さな流動化速度を与えられた第１の弱流動化域を形成して該第１の弱流動化域では流動媒体の沈降流を生じさせ、相対的に大きな流動化速度を与えられた強流動化域を形成して該強流動化域では流動媒体の上昇流を生じさせて流動層内部に流動媒体の旋回流を形成し、前記強流動化域の外側に、相対的に小さな流動化速度を与えられた第２の弱流動化域を形成して該第２の弱流動化域では流動媒体の沈降流を生じさせて前記強流動化域から一部の流動媒体が流入するようにし、該第２の弱流動化域に伝熱面を有した熱回収装置を配置したことを特徴とする流動層熱回収装置である。

本発明の好ましい態様は、前記散気装置は、前記第１の弱流動化域を形成するために相対的に小さな流動化速度を与える散気板からなる第１の散気装置と、前記強流動化域を形成するために相対的に大きな流動化速度を与える複数の散気管を１段もしくは上下に複数段設けて構成された第２の散気装置からなることを特徴とする。
本発明の好ましい態様は、前記散気装置は、さらに、前記第２の弱流動化域を形成するために相対的に小さな流動化速度を与える複数の散気管を１段もしくは上下に複数段設けて構成されるか又は下方に傾斜した散気板から構成された第３の散気装置を備えることを特徴とする。

本発明の好ましい態様は、前記第１の弱流動化域に被処理物としての固形状物質を投入し、前記固形状物質中に含まれる不燃物を前記散気装置の下方に設けられた流動媒体抜き出しコンベヤにより排出するようにしたことを特徴とする。
本発明の好ましい態様は、前記強流動化域と前記第２の弱流動化域の間に仕切り壁を設けたことを特徴とする。

本発明の好ましい態様は、前記第２の弱流動化域から前記強流動化域に流動媒体を戻す流路を、複数の散気管を上下に複数段設けて構成された前記第２の散気装置の段間に形成するようにしたことを特徴とする。
本発明の好ましい態様は、前記第２の弱流動化域から前記強流動化域に流動媒体を戻す流路を、複数の散気管を一段設けて構成された前記第２の散気装置の上方に形成するようにしたことを特徴とする。
本発明の好ましい態様は、前記第１の散気装置は、強流動化域に向かって下方に傾斜している散気板からなることを特徴とする。

本発明は、以下に列挙する効果を奏する。
（１）被処理物（例えば、焼却物）が投入される主燃焼室（主燃焼領域）において被処理物の均一な分散に適した流動化状態を保ち、かつ熱回収装置を設けた熱回収室（熱回収領域）内の弱流動化域を熱回収に適した流動化状態に保つことができる。したがって、主燃焼室（主燃焼領域）において被処理物を均一に燃焼させ、かつ熱回収室（熱回収領域）において安定して熱エネルギーを回収することが可能となる。
（２）熱回収室（熱回収領域）内の弱流動化域から主燃焼室（主燃焼領域）内の強流動化域に戻る流動媒体の流動化状態を最適な状態にすることができ、熱回収室（熱回収領域）から主燃焼室（主燃焼領域）への流動媒体の循環を円滑に行うことができる。したがって、不燃物を円滑に排出しつつ主燃焼室（主燃焼領域）と熱回収室（熱回収領域）の流動媒体の良好な循環および制御を可能とし、安定して熱エネルギーを回収することが可能となる。

図１は、本発明に係る流動層熱回収装置の第１の実施形態を示す縦断面図である。 図２は、本発明に係る流動層熱回収装置の第２の実施形態を示す縦断面図である。 図３は、本発明に係る流動層熱回収装置の第３の実施形態を示す縦断面図である。 図４は、本発明に係る流動層熱回収装置の第４の実施形態を示す縦断面図である。

以下、本発明に係る流動層熱回収装置の実施形態を図１乃至図４を参照して説明する。
図１乃至図４において、同一または対応する部材については同一の符号を付して、重複する説明を省略する。
図１は、本発明に係る流動層熱回収装置の第１の実施形態を示す縦断面図である。図１に示すように、流動層反応炉１は、略四角筒形状の炉本体２を備えており、炉本体２内には流動媒体が流動する流動層が形成されている。炉本体２内は左右一対の仕切り壁３，３によって、中央部にある１つの主燃焼室４と、両側部にある２つの熱回収室５，５とに分割されている。主燃焼室４の炉底部分に、中央が高く両側縁に向かうにつれ徐々に低くなった山形状をなし、流動化ガスとしての流動化空気を炉内に噴出するための散気板７が配置されている。散気板７は、流動化ガスとしての流動化空気を炉内に噴出する多数の開口（ノズル）を備えた板状体からなり、散気板７は第１の散気装置を構成している。

散気板７の両側には、流動化ガスとしての流動化空気を炉内に噴出するための複数の散気管８，９が上下に２段配置されている。散気管８，９は、それぞれ、流動化ガスとしての流動化空気を炉内に噴出する多数の開口（ノズル）を備えたパイプからなり、散気管８，９は第２の散気装置を構成している。これら上下２段の散気管８，９は、上下に重なって配置されるか、もしくは上下に互い違いに千鳥状に配置されるなど、不燃物の量などによって自由に定めることが可能である。山形状の散気板７は、相対的に小さな流動化速度を与えるように流動化空気を噴出する。その結果、散気板７の上方に流動媒体が比較的ゆっくりした速度で流動する弱流動化域ＷＦ（図１において点線で区切った矩形状の領域）を形成する。主燃焼室４内の弱流動化域ＷＦは第１の弱流動化域を構成する。上下２段の散気管８，９は、相対的に大きな流動化速度を与えるように流動化空気を噴出する。その結果、散気管８，９の上方に流動媒体が活発に流動する強流動化域ＳＦ（図１において点線で区切った矩形状の領域）を形成する。

一方、仕切り壁３で隔てた熱回収室５内には、伝熱管などからなる熱回収装置１０が設置されている。また、熱回収室５の炉底部分には、流動化ガスとしての流動化空気を炉内に噴出するための複数の散気管１１が１段配置されている。散気管１１は、流動化ガスとしての流動化空気を炉内に噴出する多数の開口（ノズル）を備えたパイプからなり、散気管１１は第３の散気装置を構成している。１段の散気管１１は、相対的に小さな流動化速度を与えるように流動化空気を噴出する。その結果、散気管１１の上方に流動媒体が比較的ゆっくりした速度で流動する弱流動化域ＷＦ（図１において点線で区切った矩形状の領域）を形成する。熱回収室５内の弱流動化域ＷＦは第２の弱流動化域を構成する。

本実施形態では、第１の散気装置から第１の弱流動化域に供給する流動化空気の空気量を０．５〜３ｕ_０／ｕ_ｍｆ、好ましくは１〜２．５ｕ_０／ｕ_ｍｆ、第２の散気装置から強流動化域に供給する流動化空気の空気量を４〜２０ｕ_０／ｕ_ｍｆ、好ましくは６〜１２ｕ_０／ｕ_ｍｆ、第３の散気装置から第２の弱流動化域に供給する流動化空気の空気量を０〜３ｕ_０／ｕ_ｍｆ、好ましくは０．５〜２ｕ_０／ｕ_ｍｆとしている。ここで、ｕ_０は空塔速度であり、ｕ_ｍｆは最低流動化空塔速度である。

主燃焼室４の弱流動化域ＷＦにある散気板７は、上下２段の散気管８，９の上方の強流動化域ＳＦに向かって下降傾斜（下方に傾斜）している。また、強流動化域ＳＦの散気管８，９、熱回収室５の散気管１１の下方は、ともに流動媒体抜き出しコンベヤ１３につながっており、流動媒体抜き出しコンベヤ１３により流動媒体および焼却物に含まれる不燃物が外部に排出されるようになっている。散気板７、散気管８，９および散気管１１の下方には、炉本体２の水平断面積が下方に向かって徐々に小さくなっていくシュートが形成され、該シュートによって不燃物を流動媒体とともに流動媒体抜き出しコンベヤ１３に導くようにしている。散気板７には空気管１５、強流動化域ＳＦの上段の散気管８には空気管１６、下段の散気管９には空気管１７、また熱回収室５の炉底部分の散気管１１には空気管１８が、それぞれつながっている。

上述のように構成された流動層反応炉１において、炉本体２に形成された投入口（図示せず）から焼却物Ｗを主燃焼室４の弱流動化域ＷＦに投入すると、焼却物Ｗは流動媒体の沈降流２１に飲み込まれながら低酸素状態のため還元性雰囲気で燃焼する。その後、流動媒体は散気板７の傾斜面に沿って強流動化域ＳＦに向かう流れとなる。流動媒体とともに強流動化域ＳＦに流入した焼却物Ｗは、多量の酸素による酸化雰囲気の中で十分に燃焼しつつ流動媒体の上昇流２２により上昇する。
流動媒体および焼却物Ｗは、矢印で示すように、その後再び弱流動化域ＷＦに戻り、沈降流２１に飲み込まれる。すなわち、このように流動媒体の旋回流によって焼却物Ｗは流動層の中で分散し、均一に安定燃焼することが可能である。
一方、強流動化域ＳＦにおける流動媒体の上昇流２２の一部は、仕切り壁３を越えて、熱回収室５内のもう１つの弱流動化域ＷＦに流れ込み、流動媒体は、その弱流動化域ＷＦの中を沈降しつつ熱回収室５内に配置された熱回収装置１０に熱を与え、仕切り壁３の下部の開口部６から強流動化域ＳＦに戻る。

熱回収装置１０が設けられた弱流動化域ＷＦは、強流動化域ＳＦで十分に燃焼した後の流動媒体が流入してくるため、酸化雰囲気であり、熱回収装置１０の伝熱面の還元腐食の恐れは少ない。また熱回収室５内は弱い流動状態なので、熱回収装置１０の伝熱面の摩耗も少ない。
一方、焼却物Ｗに含まれる不燃物は、投入された主燃焼室４の弱流動化域ＷＦにおいて流動媒体の沈降流２１に飲み込まれ、その後、流動媒体は方向を転じて強流動化域ＳＦに向かうが、その際、強流動化域ＳＦにおいて多くの不燃物は分離沈降する。しかし、この強流動化域ＳＦは散気管構造となっているため、不燃物は、堆積することなく散気管８，９の間をすり抜けて、流動層反応炉１の下部に設置された流動媒体抜き出しコンベヤ１３によって流動媒体とともに外部に搬出される。

上下２段の散気管８，９は、水平方向に互い違いに千鳥状に配列してもよく、また格子状に配列してもよい。上下２段の散気管８，９を設けることにより、散気管８，９の水平方向ピッチを大きくしてもこの領域を十分に流動化させることができる。また、散気管８，９のピッチを大きくすることで、より大きな不燃物でも排出することができるようになる。

図１において仕切り壁３を越えて熱回収室５に流入した流動媒体と不燃物は、弱流動化域ＷＦ内を沈降していき、炉底近くで不燃物が分離沈降するが、熱回収室５内も散気管構造であるため、不燃物は堆積することなく流動媒体とともに散気管５の間をすり抜けて、強流動化域ＳＦからの流動媒体や不燃物とともに流動層反応炉１の下部に設置された流動媒体抜き出しコンベヤ１３によって外部に搬出される。

仕切り壁３の下部の開口部６を強流動化域ＳＦの下部の上下２段の散気管８，９の間に設け、下段の散気管９を開口部６よりも下方に設置して、流動化空気もしくは流動化ガスを調整する。すなわち、熱回収室５内の弱流動化域ＷＦから主燃焼室４内の強流動化域ＳＦに流動媒体を戻す流路としての開口部６を、上下２段の散気管８，９の段間に形成している。これにより、下段の散気管９により、熱回収室５内の弱流動化域ＷＦから主燃焼室４内の強流動化域ＳＦに戻る流動媒体の流動化状態を最適な状態にすることができる。また、上段の散気管８により、主燃焼室４内の強流動化域ＳＦにおける流動媒体の流動化状態を最適な状態に維持することができる。

図２は、本発明に係る流動層熱回収装置の第２の実施形態を示す縦断面図である。図１に示す第１の実施形態においては、主燃料室４に投入された焼却物が未燃のまま熱回収室５に進入し、熱回収室５内で燃焼することにより局所的に高温となり、伝熱管に悪影響を及ぼすことなどを防ぐために仕切り壁３を設けている。しかしながら、投入される焼却物の性状によっては仕切り壁３をなくすことも可能であるため、図２に示す第２の実施形態では、仕切り壁３をなくすことにより、図１に示す第１の実施形態における主燃焼室４は主燃焼領域４’になり、熱回収室５は熱回収領域５’になる。図２に示す実施形態の場合、高温流動層内の構造物が減り、シンプルな構造とすることができる。また、主燃焼領域４’の強流動化域ＳＦと熱回収領域５’の弱流動化域ＷＦの間に流動媒体の旋回流が生じ、第１の実施形態における仕切り壁３を設けた場合よりも強流動化域ＳＦと弱流動化域ＷＦの間での高温の燃焼ガスや流動媒体の出入りが活発となり、弱流動化域ＷＦに配置した熱回収装置１０の効率を高くすることができる。

図３は、本発明に係る流動層熱回収装置の第３の実施形態を示す縦断面図である。図１に示す第１の実施形態においては、熱回収室５の下部に散気管１１を設けていたが、図３に示すように散気管１１の代わりに熱回収室散気板２５を設けることも可能である。熱回収室散気板２５は開口部６に向かって下降傾斜（下方に傾斜）しており、熱回収室５内の流動媒体が開口部６に向かって移動することが促進されるので、主燃焼室４と熱回収室５との間の流動媒体の循環がより円滑に行われる。

図４は、本発明に係る流動層熱回収装置の第４の実施形態を示す縦断面図である。図１に示す第１の実施形態においては、散気板７の両側に上下２段の散気管８，９を設けていたが、図４に示すように１段の散気管９のみ配置することも可能である。散気管９には空気管１７がつながっている。本実施形態では、熱回収室５内の弱流動化ＷＦから主燃焼室４内の強流動化域ＳＦに流動媒体を戻す流路としての開口部６は、散気管９の上方に形成している。散気管９により、熱回収室５内の弱流動化域ＷＦから主燃焼室４内の強流動化域ＳＦに戻る流動媒体の流動化状態を最適な状態にすることができる。

これまで本発明の実施形態について説明したが、本発明は上述の実施形態に限定されず、その技術思想の範囲内において、種々の異なる形態で実施されてよいことは勿論である。

１ 流動層反応炉
２ 炉本体
３ 仕切り壁
４ 主燃焼室
４’ 主燃焼領域
５ 熱回収室
５’ 熱回収領域
６ 開口部
７ 散気板
８，９，１１ 散気管
１０ 熱回収装置
１３ 流動媒体抜き出しコンベヤ
１５，１６，１７，１８ 空気管
２１ 沈降流
２２ 上昇流
２５ 熱回収室散気板
Ｗ 焼却物
ＳＦ 強流動化域
ＷＦ 弱流動化域

Claims (8)

1. 流動層反応炉において、流動層内にそれぞれ異なる流動化速度を与えるような散気装置を炉床部分に設け、
   相対的に小さな流動化速度を与えられた第１の弱流動化域を形成して該第１の弱流動化域では流動媒体の沈降流を生じさせ、相対的に大きな流動化速度を与えられた強流動化域を形成して該強流動化域では流動媒体の上昇流を生じさせて流動層内部に流動媒体の旋回流を形成し、
   前記強流動化域の外側に、相対的に小さな流動化速度を与えられた第２の弱流動化域を形成して該第２の弱流動化域では流動媒体の沈降流を生じさせて前記強流動化域から一部の流動媒体が流入するようにし、該第２の弱流動化域に伝熱面を有した熱回収装置を配置したことを特徴とする流動層熱回収装置。
2. 前記散気装置は、前記第１の弱流動化域を形成するために相対的に小さな流動化速度を与える散気板からなる第１の散気装置と、
   前記強流動化域を形成するために相対的に大きな流動化速度を与える複数の散気管を１段もしくは上下に複数段設けて構成された第２の散気装置からなることを特徴とする請求項１記載の流動層熱回収装置。
3. 前記散気装置は、さらに、前記第２の弱流動化域を形成するために相対的に小さな流動化速度を与える複数の散気管を１段もしくは上下に複数段設けて構成されるか又は下方に傾斜した散気板から構成された第３の散気装置を備えることを特徴とする請求項２記載の流動層熱回収装置。
4. 前記第１の弱流動化域に被処理物としての固形状物質を投入し、前記固形状物質中に含まれる不燃物を前記散気装置の下方に設けられた流動媒体抜き出しコンベヤにより排出するようにしたことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の流動層熱回収装置。
5. 前記強流動化域と前記第２の弱流動化域の間に仕切り壁を設けたことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載の流動層熱回収装置。
6. 前記第２の弱流動化域から前記強流動化域に流動媒体を戻す流路を、複数の散気管を上下に複数段設けて構成された前記第２の散気装置の段間に形成するようにしたことを特徴とする請求項２記載の流動層熱回収装置。
7. 前記第２の弱流動化域から前記強流動化域に流動媒体を戻す流路を、複数の散気管を一段設けて構成された前記第２の散気装置の上方に形成するようにしたことを特徴とする請求項２記載の流動層熱回収装置。
8. 前記第１の散気装置は、強流動化域に向かって下方に傾斜している散気板からなることを特徴とする請求項２記載の流動層熱回収装置。

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