JP3132831B2 - 熱エネルギの生成を伴う廃棄物燃焼方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、請求の範囲第１項の前提部の記載に従った
熱エネルギの生成を伴って廃棄物を燃焼する方法に関す
る。

炉（例えば火格子燃焼炉）を、廃棄物の完全燃焼にと
って化学量的（stoichiometrically）に必要な空気量
で、又は、過剰空気量で作動させる形式の廃棄物燃焼方
法及びプラントは知られている。

この１次空気供給空間内での不均一分散のため、比較
的多量の過剰酸素で炉を作動させることは、止むを得な
いことである。炉内に導入される廃棄物の完全燃焼は、
この方法によってのみ確実に行なわれる。従って、例え
ば、廃棄物用の火格子燃焼炉からのスラグが含有できる
揮発性物質は、僅かに３重量％（550℃での燃焼時の損
失として測定）に過ぎない。

また、いくらかの物質が、炉の煙道ガス側に未燃焼状
態で出る。１次空気供給空間内での不均一分散及び炉チ
ャンバ内の煙道ガスの不完全混合により、これらの未燃
焼ガス及び固形物粒子が同様に形成され、そして、流れ
の形態をなして炉チャンバを出る。これらの物質は、ア
フターバーニング（後燃焼）チャンバ内で再燃焼させな
ければならない。これまで、慣習的に行なわれてきたこ
とは、追加燃焼空気、いわゆる２次空気をアフターバー
ニングチャンバ内に導入してアフターバーニングを強化
すること、及び、煙道ガスのクロスミキシングを改善す
ることである。

クロスミキシングが劣っているので、法律で規定され
ている煙道ガスの燃焼度を確保するには、アフターバー
ニングチャンバ内での煙道ガスの比較的長い滞留時間を
確保し且つ比較的多量の２次空気を混合しなければなら
ない。これにより、２次空気の追加により全体積流量が
増大するため、アフターバーニングチャンバのサイズが
非常に大形化しそして、熱回収装置及びガス浄化装置用
ボイラ等の下流側装置サイズが大きくなる。また、これ
により、煙道ガス体積の増大は、廃棄ガスの熱損失を増
加させることになるのでボイラ効率、従って燃焼プラン
トの達成可能な電気効率が低下する。熱い煙道ガスから
冷却面への伝熱、特にボイラの熱輻射部分における伝
熱、は比較的乏しいので、ボイラについても、これと同
様な結果が非常に大規模に生じる。

また、廃棄物の燃焼時における困難な問題は、ボイラ
部分で腐食問題を生じさせる腐食性煙道ガスである。こ
れらの問題は、特に、最も熱い伝熱面すなわち過熱器の
加熱面に生じる。腐食には２つの主要メカニズムがあ
り、１つのメカニズムは、煙道ガス中の腐食性物質によ
る伝熱面の直接的な高温腐食であり、他のメカニズム
は、炉からの付着し易い腐食性物質を含有するフライア
ッシュによる伝熱面上の堆積物形成であり、これらの堆
積物の下には激しい腐食が生じる。伝熱面上のこれらの
激しい腐食現象は、得られる蒸気温度、従って、蒸気を
発電に使用する場合には燃焼プラントの電気的効率を制
限する。更に、腐食は、プラントの周期的休止及びボイ
ラの複雑なオーバーホールを招き、伝熱面上の堆積物を
除去するには多大な費用を要する。

廃棄物の燃焼時における他の問題は、窒素酸化物の形
成である。環境保護の理由から、窒素酸化物を大気中に
自由に放出することはできない。これまでにも多数の方
法が開示されており、例えば米国特許第3,970,739号に
開示のSNCR法（Selective Noncatalytic Reduction Pro
cess、選択的無触媒還元法）がある。この方法では、煙
道ガス中の窒素酸化物が、アンモニア溶液又は他の適当
な還元剤を噴霧することにより、酸素の存在下で、窒素
に還元される。この目的のためのアンモニアは、適当な
時点で煙道ガス流中に慣用的に導入される。この導入時
点での煙道ガス温度は、重要な役割を演じる。この温度
は700〜1,000℃の間になくてはならない。煙道ガス温度
が低過ぎると、非常に多量の過剰アンモニアが必要にな
る。煙道ガス中の未反応アンモニアはスリップ（slip）
と呼ばれ、環境汚染物質となる。煙道ガス温度が高過ぎ
ると、幾分かのアンモニアが燃焼する。いずれの場合
も、必要とされるアンモニアの量は不必要に大きくな
る。アフターバーニングチャンバ及びボイラを通る煙道
ガス経路に沿って、煙道ガスの温度は連続的に低下す
る。アンモニアは、煙道ガスの最適温度点で導入され
る。しかしながら、これには、煙道ガスの温度分布がプ
ラントの作動像体及び焼却される廃棄物に依存するとい
う問題がある。これは、最適導入点が、炉の作動状態に
基づいていることを意味する。

本発明の目的は、温度分布の制御が可能な、冒頭に述
べた形式のより効率的な方法を提供することにある。

上記目的は、本発明に従って、請求の範囲第１項の特
徴部に記載の特徴により達成される。

ドイツ国特許公用DE−A 33 07 848には、比較的少量
の可燃性ガスが生じる冶金の場合には、可燃性成分を含
有するプロセス廃棄ガスのアフターバーニング及び浄化
を行なう循環流動床を使用することが開示されている。
流動化ガスとしてのプロセスガスに加え、この方法で
は、酸素含有燃焼ガスを別に流動床に導入する。この方
法は、あらゆる点で悪影響を及ぼす煙道ガスを増大させ
るので、廃棄物の燃焼には欠点を有する。

国際公用WO−Ａ−95/00804は、直列に連結された２つ
のアフターバーニング段階を、燃焼チャンバ内での固形
物の燃焼の下流側に設けることを教示している。この場
合には、化学量（stoichiometrc−ic amount）の２次空
気の供給により、上昇管の形態の流動床リアクタ内で第
１アフターバーニングが起こる。アフターバーニングを
改善するため、又はガスの完全燃焼のため、上昇管の下
流側のサイクロン内で第２アフターバーニングが行なわ
れる。

国際公用WO−Ａ−88/05144は、アフターバーニング段
階の下流側で追加補助燃焼を行なうことを開示し、この
補助燃焼は、ガス浄化、より詳しくは、脱硫のための最
適温度を設定するため、流動床リアクタ内に追加燃料を
噴射することにより行なわれる。この流動床リアクタ内
では、熱の除去は行なわれず、ガス浄化のみが行なわれ
る。

本発明により達成される長所は、特に、再循環される
固形物により、アフターバーニングチャンバ内に高度に
均一な温度分布が形成されることである。これにより、
アフターバーニングのための最適且つ均一な反応条件が
得られる。

本発明には、次のような他の長所がある。

第１の長所は、２次酸素の付加を回避でき、これによ
り、一方ではサイズを縮小でき、他方では廃棄ガスの体
積流量を小さくでき、従って、廃棄ガスの熱損失が小さ
くなるため優れたボイラ効率が得られる。

第２の長所は、循環流動床が、アフターバーニングチ
ャンバ内に流入する熱い煙道ガスを高効率で冷却できる
ことであり、これは、煙道ガスが流動床内でより低温の
固形物粒子と接触し、次いで、これらの粒子のみが、伝
熱面と接触するという事実による。粒子と煙道ガスとの
間の高効率の熱交換のため、煙道ガスは、アフターバー
ニングチャンバ内への流入後に、アフターバーニングチ
ャンバ内を支配する混合温度に瞬間的に冷却される。流
動床リアクタ内のガス／固形物の流れは、ガス流よりも
非常に優れた熱交換を行なうので、伝熱面、従って、ボ
イラサイズを大幅に減少できる。

第３の長所は、アフターバーニングチャンバを循環流
動床として設計することにより、腐食問題を解決できる
ことである。

一方では、ガス／固形物の流れの侵食作用により、流
動床の伝熱面上の腐食性堆積物の形成が防止され、他方
では、アフターバーニングチャンバ内に導入される付着
性の強いフライダストは、これらが伝熱面と接触する前
でも、アフターバーニングチャンバ内で循環する固形物
と結合する。より高い蒸気温度への変換も、本発明の他
の特徴によってのみ行なうことができる。すなわち、伝
熱面のいくらかは、煙道ガス経路から外れて外部の流動
床クーラに移される。固形物粒子は、アフターバーニン
グチャンバから流動床クーラへの伝熱を行なう中間媒体
として作用する。すなわち、アフターバーニングチャン
バ内を循環する固形物のいくらかは流動床クーラ内に通
される。流動床クーラからの冷却された固形物はアフタ
ーバーニングチャンバに再循環され、ここで、固形物は
煙道ガス流から熱を吸収する。本発明の状況において
は、腐食による最も大きな影響を受ける伝熱面は流動床
クーラ内、すなわち、煙道ガス経路外に配置されてい
る。これらは最も高温の伝熱面、すなわち過熱器面であ
る。これによる腐食速度を大幅に低下させることができ
る。これにより可能となる、より高温の蒸気温度への変
換は、燃焼プラントの電気的効率をかなり向上させるこ
とができる。同時に、これらの手段は、堆積及び腐食の
傾向を低下させるため、必要とされるオーバーホールの
程度を減少させ、従ってプラントの有効利用性を増大さ
せる。

第４の長所は、循環流動床としてアフターバーニング
チャンバを設計したことにより、煙道ガスの脱硝のため
のアンモニア導入点の選択の問題を解決できることであ
る。循環流動床は、温度定常性に加え、温度制御挙動が
良好であるという特徴を有する。かくして、例えば、流
動床クーラ内に導入される固形物の流れを制御すること
ができる。これにより、炉の作動状態とは独立して、ア
フターバーニングチャンバから除去される熱流の制御、
従って、アフターバーニングチャンバ内の温度の正確な
制御が可能になる。この手段により、一定点でのアンモ
ニア導入を選択できる。なぜならば、アフターバーニン
グチャンバ及びボイラ内の煙道ガスの温度分布は、もは
や炉の作動状態とは無関係だからである。また、これに
より、炉の作動状態とは独立してアフターバーニングチ
ャンバ内の最適温度を選択することにより、窒素酸化物
を減少させるためのアンモニア消費量を最少にすること
ができる。

以下、添付図面を参照して、本発明をより詳細に説明
する。

添付図面には本発明の方法の３つの実施例が示されて
おり、以下、詳細に説明する。

図面において、 第１図は、本発明の方法の第１実施例の流れ図であ
る。

第２図は、本発明の方法の第２実施例の流れ図であ
る。

第３図は、本発明の方法の第３実施例の流れ図であ
る。

第１図乃至第３図において、参照番号１は、廃棄物燃
焼プラントの炉チャンバを示し、この廃棄物燃焼プラン
ト自体は既知のものであり、該プラント内で廃棄物は、
例えば火格子上に燃焼空気を供給する既知の方法で燃焼
される。１次空気の供給が参照番号２で示されている。
この場合、炉は、（完全燃焼に必要な最少酸素量に基づ
いて）酸素富化空気及び1.0〜3.0の間の固有酸素比で
（specific oxygen ratio）作動される。燃焼により形
成されたガスは、炉チャンバを通り、該炉チャンバの上
方に配置されたアフターバーニングチャンバ５内に流入
し、アフターバーニングチャンバ５は、本発明に従っ
て、流動床リアクタとして設計されており追加酸素の供
給なしで作動される。炉チャンバ１からアフターバーニ
ングチャンバ５への移動が矢印３で示されている。

アフターバーニングチャンバ５内では、流れ中の未燃
焼物質及び酸素をも含有しており、非均質である燃焼ガ
スが、流動化された固形物粒子と接触する。固形物とし
て、とりわけ、石灰及び砂を使用できる。しかしなが
ら、流動床の床材料の、少なくとも一部又は大部分を、
炉から出るフライアッシュで形成する設計が好ましい。
これにより、付加残留物の防止、従って、埋立てコスト
（landfill costs）等のこのプロセスの必要コストの低
減化を助ける。

ガス／固形物の流れからアフターバーニングチャンバ
５の壁への良好な伝熱により、流動床からの効率的な熱
除去が可能になる。壁が冷却面として設計されているか
らである。適当な場合には、流動床に別の冷却面11を更
に設けることができる。かくして、除去すべき熱量は、
アフターバーニングに最適な温度（好ましくは、700〜
1,100℃）が流動床内で得られるように選択される。

流動床リアクタは、少なくとも固形物粒子のいくらか
が煙道ガス流と一緒に流動床から排出されるのに充分な
高いガス速度（２〜10m/sの表面速度）で作動される。
例えばサイクロン、ダストフィルタ又は静電集塵器のよ
うなダストセパレータ９で、アフターバーニングチャン
バ５から出る煙道ガスから帯同固形物が除去される。固
形物はライン10を介してアフターバーニングチャンバ５
に再循環され、これにより循環流動床が形成される。流
動床は、炉１から流入するガス流の非常に良好なクロス
ミキシングを行えるという特徴を有する。この手段によ
り、追加酸素を供給することなく、煙道ガスの完全燃焼
を達成できる。

固形物が除去された煙道ガスは、煙道ガス浄化装置
（図示せず）を介してスタック（排気包）25に入る前
に、ダストセパレータ９から、ライン６を通って熱回収
のため、冷却面８を備えた慣用的な廃棄熱ボイラ７に導
かれる。この廃棄熱ボイラ７では、煙道ガスを、100〜3
00℃の間の温度まで冷却するのが好ましい。

燃焼のために酸素富化ガス又は純粋酸素を使用するこ
とによって結果として生じる煙道ガス体積をかなり減少
されることができるので、ボイラ効率を更に向上でき
る。

第１図から知られた流れ図の部品及び残余の同一部品
が同一の参照番号で示されている第２図では、プラント
は外部流動床クーラ12により拡張されている。これによ
り、熱除去のいくらかをアフターバーニングチャンバ５
の外部で行なうことができる。ダストセパレータ９内で
分離された固形物のいくらか（又はダストセパレータ９
内で生じたあらゆる固形物）は、ライン17を介して流動
床クーラ12内に導かれる。ここで、固形物は、直接又は
間接的な伝達（流動床クーラ12の対応する伝熱面が参照
番号15で示されている）により静止流動床内で冷却さ
れ、次に、ライン14を通ってアフターバーニングチャン
バ５に戻される。アフターバーニングチャンバ５内で
は、これらの固形物は、熱い燃焼ガスから熱を吸収し
て、アフターバーニングチャンバ５内を支配する混合温
度まで昇温する。

流動床クーラ12の作動に必要な流動化ガスは、ライン
13を通って流動床クーラ12に供給される。第２図に示さ
れる本発明の実施例では、流動床クーラ内の流動化に酸
素含有ガスが使用され、この酸素含有ガスは、再び流動
床の上方から取り出され、１次空気の一部としてライン
16を通って炉チャンバ１内に導入される。

この実施例は、アフターバーニングチャンバ５から特
に効率的な熱回収を行なうことができる。また、流動床
クーラ12内に、腐食現象による影響を最も受ける伝熱面
15を設けることにより、ボイラ腐食を大幅に減少でき
る。流動床クーラ12内では、腐食作用の強い煙道ガスが
全く使用されないため、伝熱面15は殆ど腐食に曝されな
い。

第３図の実施例では、更に冷却を行なうため、流動床
クーラ12内で冷却された固形物のいくらかを、ライン18
を介して、ダストセパレータ９から出る煙道ガスに付加
する。この目的のため、煙道ガス流中に固形物を浮遊さ
せ、固形物が煙道ガス流から熱を吸収する。これは、空
気搬送セクション19又は浮遊形熱交換段階20において行
なうことができる。好ましくは、この仕事のために多段
サイクロン熱交換器を使用する。固形物は、浮遊形熱交
換段階20から、ライン21を通ってアフターバーニングチ
ャンバ５に再循環される。本発明のこの実施例により、
下流側の慣用的な廃棄熱ボイラ７のサイズを更に縮小で
き、或いは該廃棄熱ボイラ７を全く設けないこともでき
る。

この実施例では、流動床クーラ12の作動に必要な流動
化ガス、好ましくは空気が、再び流動床の上方から取り
出され、次いで、熱交換器22内で冷却されると同時に熱
回収が行なわれる。ガスは、冷却され、必要ならば除塵
されて、流動床クーラ12内の流動化ガスとして、ライン
13を介して直接再使用される。

第２図及び第３図に示す実施例では、アフターバーニ
ングチャンバ５内の温度を、流動床クーラ12内で冷却さ
れた固形物の流入を制御することにより、炉の作動条件
とは独立して正確に制御できる。これにより、窒素酸化
物除去用の還元剤としてのアンモニアを、アフターバー
ニングチャンバ５又はダストセパレータすなわちサイク
ロン９内に理想的に導入でき、且つ最少のアンモニア消
費量で窒素酸化物の除去が行なえるように温度を選択で
きる。アンモニアは、サイクロン入口に導入するのが好
ましい。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 リューエッグ ハンス スイス ツェーハー5610 ヴォーレン ブレームガルテルシュトラーセ 55アー (56)参考文献 特開 昭50−133995（ＪＰ，Ａ) 特開 平６−241424（ＪＰ，Ａ) 特開 昭49−64974（ＪＰ，Ａ) 実開 平２−14531（ＪＰ，Ｕ) 特公 平３−41729（ＪＰ，Ｂ２) 米国特許4936230（ＵＳ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) F23G 5/16 ZAB F23G 5/30 ZAB

Claims (19)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】廃棄物を酸素の存在下で燃焼させ、次い
   で、燃焼から生じたガスを循環流動床でのアフターバー
   ニング（５）に供給し、該流動床から排出された固形物
   を煙道ガスから分離（９）して再循環し、該固形物の少
   なくともいくらかを外部流動床クーラで冷却し前記流動
   床に戻す、熱エネルギを生成させて廃棄物を燃焼させる
   方法において、燃焼（１）からのガスの完全なアフター
   バーニング（５）がガス中に存在する酸素だけで行なわ
   れ、アフターバーニング（５）の温度が、前記流動床ク
   ーラ（12）内に導入される固形物の質量流量を制御する
   ことによって制御され、また、燃焼（１）の状態とは独
   立して、アフターバーニング（５）から除去される熱量
   を制御することにより制御されることを特徴とする燃焼
   方法。
2. 【請求項２】アフターバーニングの温度が、700〜1,100
   ℃であり且つ燃焼の作動状態とは独立して制御される、
   請求の範囲第１項に記載の方法。
3. 【請求項３】アフターバーニング（５）内での酸素含有
   煙道ガスのガス速度（表面速度）が、２〜10m/sであ
   る、請求の範囲第１項または第２項に記載の方法。
4. 【請求項４】酸素含有ガスが流動床クーラ（12）の流動
   化に使用され、酸素含有ガスが流動床の上方から取り出
   されて、１次空気の一部として燃焼（１）に導引かれ
   る、請求の範囲第１項に記載の方法。
5. 【請求項５】流動床クーラ（12）内で使用される流動化
   ガス好ましくは空気が、流動床の上方から取り出され、
   熱回収により冷却され、且つ流動床クーラ（12）内の流
   動化ガスとして直接再使用される、請求の範囲第１項に
   記載の方法。
6. 【請求項６】流動床クーラ（12）内で冷却された固形物
   のいくらかが、アフターバーニング（５）の下流側で、
   固形物が除去された煙道ガスに付加され、この煙道ガス
   流を冷却し、少なくとも１つの浮遊形熱交換段階段（2
   0）内で分離され、次いでアフターバーニング（５）に
   再循環される、請求の範囲第１項に記載の方法。
7. 【請求項７】流動床の固形物は、その少なくとも一部分
   が、燃焼（１）から生じたフライアッシュにより形成さ
   れている、請求の範囲第１項乃至第６項のいずれか１項
   に記載の方法。
8. 【請求項８】窒素酸化物の除去のために、還元剤好まし
   くはアンモニアをアフターバーニング（５）内に導入す
   る、請求の範囲第１項乃至第７項のいずれか１項に記載
   の方法。
9. 【請求項９】アフターバーニングの下流側での固形物
   （９）の除去時に、窒素酸化物の除去のために、還元剤
   好ましくはアンモニアを導入する、請求の範囲第１項乃
   至第７項のいずれか１項に記載の方法。
10. 【請求項１０】固形物（９）の除去の下流側の煙道ガス
    は、慣用的な廃棄熱ボイラ（７）内での熱回収により10
    0〜300℃の間の温度に冷却される、請求の範囲第１項乃
    至第９項のいずれか１項に記載の方法。
11. 【請求項１１】燃焼（１）は、完全燃焼のための理論的
    最小要求量に基づき、1.0〜3.0の酸素比で作動される、
    請求の範囲第１項乃至第10項のいずれか１項に記載の方
    法。
12. 【請求項１２】燃焼（１）が酸素富化空気で行なわれ
    る、請求の範囲第１項乃至第10項のいずれか１項に記載
    の方法。
13. 【請求項１３】炉チャンバ（１）及び該炉チャンバ
    （１）に連結されたアフターバーニングチャンバ（５）
    を有する、請求の範囲第１項に記載の方法を実施する装
    置において、アフターバーニングチャンバ（５）は流動
    床リアクタとして設計されており、アフターバーニング
    チャンバ（５）の下流側はダストセパレータ（９）に連
    結され、ダストセパレータ（９）内で分離された固形物
    を再循環させるため、ダストセパレータ（９）がアフタ
    ーバーニングチャンバ（５）に再連結されていることを
    特徴とする廃棄物燃焼装置。
14. 【請求項１４】流動床リアクタの壁が伝熱面（６）とし
    て設計されている、請求の範囲第13項に記載の装置。
15. 【請求項１５】ダストセパレータ（９）内で分離された
    固形物を再循環させるため、外部の流動床クーラ（12）
    を介してアフターバーニングチャンバ（５）に導かれる
    再連結（17、14）がなされている、請求の範囲第13項ま
    たは第14項に記載の装置。
16. 【請求項１６】ダストセパレータ（９）を出る煙道ガス
    を冷却するため、ダストセパレータ（９）と慣用的な廃
    棄熱ボイラ（７）とが連結部（６）が設けられている、
    請求の範囲第13項乃至第15項のいずれか１項に記載の装
    置。
17. 【請求項１７】少なくとも１つの浮遊形熱交換段階（2
    0）がダストセパレータ（９）の下流側に連結され、流
    動床クーラ（12）内で冷却された固形物のいくらかを供
    給するライン（18）が、ダストセパレータ（９）と浮遊
    形熱交換段階（20）とを連結する煙道ガス搬送セクショ
    ン（19）に開口しており、浮遊形熱交換段階（20）内で
    分離された固形物を再循環させるため、浮遊形熱交換段
    階（20）とアフターバーニングチャンバ（５）とが再連
    結（21）されている、請求の範囲第15項または第16項に
    記載の装置。
18. 【請求項１８】流動床クーラ（12）を出る酸素含有ガス
    を１次燃焼空気の一部として炉チャンバ（１）内に供給
    するため、流動床クーラ（12）と炉チャンバ（１）とが
    ライン（16）により連結されている、請求の範囲第15項
    乃至第17項のいずれか１項に記載の装置。
19. 【請求項１９】流動床クーラ（12）を出る流動化ガスを
    冷却し且つ再循環させるため、追加熱交換器（22）がラ
    イン（16、13）を介して流動床クーラ（12）に連結され
    ている、請求の範囲第15項乃至第17項のいずれか１項に
    記載の装置。