JP3557912B2 - 燃焼溶融炉と燃焼溶融方法及び廃熱利用発電システム - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、都市ごみを熱分解して得られた固体物質或いは石炭などの可燃性固体物質よりなる燃料粒子を燃焼し、灰分をスラグ化して回収する燃焼溶融炉に関する。また本発明は、燃料粒子の燃焼と灰分の溶融を行う燃焼溶融方法および燃料粒子の燃焼熱を利用した発電システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
ごみの増加に伴って、焼却灰の埋め立て処分場の容量がひっ迫している。そのため、焼却炉から排出される灰を溶融して減容化する設備の開発が進められている。
【０００３】
しかし、灰を再度溶融するためには外部からのエネルギーが必要となる。この問題に対し、ごみの持つエネルギーを直接利用して灰を溶融する様々なシステムが考えられている。特に、ごみを熱分解装置に投入して還元雰囲気で加熱して熱分解ガスと固体残さとを生成し、固体残さから不燃物を除いた燃料粒子を燃焼溶融炉に投入して燃焼し、灰分を溶融させてスラグ化して回収するシステムが注目されている。本システムは、たとえば特公平６−５６２５３号公報に記載されている。燃焼溶融炉に関しては、燃料粒子及び空気を旋回させて燃焼する方式のものが多く見られ、たとえば特開平２−１５０６１１ 号公報に示されている。
【０００４】
特開平２−１５０６１１ 号公報に記載の燃焼溶融炉は、炉本体の下部に廃棄物バーナ装置と助燃バーナ装置を有する。各バーナ装置は炉体周方向に複数のノズルを有し、これらのノズルが旋回流を形成すべく配置されている。
【０００５】
該公開特許公報には、廃棄物バーナ装置及び助燃バーナ装置から供給された廃棄物と助燃料はそれぞれ上向きの旋回流となって炉内を流れ、溶融したスラグはスラグ排出口から排出され、一方、燃焼ガスは炉上部の燃焼ガス排出口から排出されることが記載されている。また、溶融炉（一次燃焼室）内の空気比は１．０ないし０．６ に絞り、残りの空気を燃焼ガス排出口の上部に設けた二次燃焼室の空気吹き込み孔から吹き込み、未燃焼分を含む燃焼ガスと混合して完全に燃焼させることが記載されている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
特開平２−１５０６１１ 号公報に記載の燃焼溶融炉によれば、一次燃焼室において空気比１未満で廃棄物の燃焼が行われ、未燃焼分を含む燃焼ガスが二次燃焼室に導入され空気が供給されて空気比１以上にして完全燃焼が行われる。
【０００７】
このように、空気比１未満の一次燃焼と空気比１以上の完全燃焼とを行うために、二つの燃焼室が設けられている。一つの燃焼室で空気比１未満の一次燃焼と空気比１以上の二次燃焼とを行うことができれば、燃焼溶融炉の構造を簡略化することができ、実用上の効果はきわめて大きい。
【０００８】
本発明は、一つの燃焼室において、空気比１未満の一次燃焼と空気比１以上の二次燃焼とを行うことができるようにした溶融燃焼炉を提供することにある。また、一つの燃焼室で一次燃焼と二次燃焼とを行うのに適した燃焼方法を提供することにある。また、燃焼溶融炉の燃焼熱を利用した発電システムを提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明は、以下の（１）ないし（１５）に記載の燃焼溶融炉，燃焼溶融方法及び発電システムにある。
【００１０】
（１）可燃性固体物質よりなる燃料粒子を燃焼する燃焼室と、該燃焼室で生じた燃焼ガスを該燃焼室から排出する燃焼ガス排出口と、該燃焼室で生じた溶融スラグを該燃焼室から排出するスラグ排出口と、該燃焼室へ燃料粒子を供給する燃料粒子供給ノズルと、該燃焼室へ燃焼用空気を供給する空気供給ノズルとを有する燃焼溶融炉において、前記空気供給ノズルを複数個備え、前記スラグ排出口が空気比１未満の還元雰囲気になり、前記燃焼ガス排出口が空気比１以上の酸化雰囲気になるように配置したことを特徴とする燃焼溶融炉。
【００１１】
本発明によれば、一つの燃焼室で空気比が１未満の一次燃焼を行い、引き続いて空気比が１以上の二次燃焼を行うことができる。また、本発明の燃焼溶融炉は、スラグの排出口と燃焼ガスの排出口とが別になっているので、スラグと燃焼ガスとを分離することができる。
【００１２】
（２）可燃性固体物質よりなる燃料粒子を燃焼する燃焼室と、該燃焼室で生じた燃焼ガスを該燃焼室から排出する燃焼ガス排出口と、該燃焼室で生じた溶融スラグを該燃焼室から排出するスラグ排出口と、該燃焼室へ燃料粒子を供給する燃料粒子供給ノズルと、該燃焼室へ燃焼用空気を供給する空気供給ノズルとを有し、前記スラグ排出口が前記燃焼室の内径よりも狭められている燃焼溶融炉において、前記燃焼室内を前記スラグ排出口の方向へ向かって空気が流れるようにした第１の空気供給ノズルと、該燃焼室内を燃焼ガス排出口の方向へ向かって空気が流れるようにした第２の空気供給ノズルとを備えたことを特徴とする燃焼溶融炉。本発明の燃焼溶融炉は、第１の空気供給ノズルにより供給された空気が、燃焼ガス排出口に向かって流れるのではなく、スラグ排出口に向かって流れるので、燃焼室内における燃料粒子の滞留時間が長くなり燃焼性が高められる。また、スラグ排出口の近くで燃料粒子の一次燃焼が進むので、スラグ排出口は高温に保持され、溶融スラグが排出されやすいという効果もある。
【００１３】
（３）可燃性固体物質よりなる燃料粒子を燃焼する燃焼室と、該燃焼室で生じた燃焼ガスを排出する燃焼ガス排出口と、該燃焼室で生じた溶融スラグを排出するスラグ排出口と、該燃焼室へ燃料粒子を供給する燃料粒子供給ノズルと、該燃焼室へ燃焼用空気を供給する空気供給ノズルとを有し、前記スラグ排出口の口径が前記燃焼室の内径よりも小さくなっている燃焼溶融炉において、
前記燃焼室の内周面に沿って一次空気の旋回流を形成するための一次空気供給ノズルと、
前記燃焼室の中心部へ向かって或は前記一次空気の旋回方向へ二次空気を噴出するための二次空気ノズルと、
前記一次空気供給ノズルから前記スラグ排出口に至る間に設けられ、前記燃焼室の内周面に沿って燃料粒子の旋回流を形成する前記燃料粒子供給ノズルとを備えたことを特徴とする燃焼溶融炉。
【００１４】
本発明の燃焼溶融炉によれば、一次空気及び燃料粒子の旋回流或は更に二次空気の旋回流が形成されることにより、燃焼室内での燃料粒子の滞留時間はより長くなり、燃焼性がより高められる。
【００１５】
（４）可燃性固体物質よりなる燃料粒子を燃焼するための断面円形の燃焼室と、該燃焼室の上部に設けられた燃焼ガス排出口と、該燃焼室の下部に設けられた溶融スラグ排出口と、該燃焼室へ燃料粒子を供給する燃料粒子供給ノズルと、該燃焼室へ燃焼用空気を供給する空気供給ノズルとを有し、前記スラグ排出口の口径が前記燃焼室の内径よりも小さくなっている燃焼溶融炉において、
前記燃焼室の内周面に沿って旋回する一次空気流を形成するために該燃焼室の内周面の接線方向に一次空気を噴出するようにした一次空気供給ノズルと、
該燃焼室の中心部を通り前記燃焼ガス排出口へ向かって上昇する燃焼ガスの流れに対して二次空気を混合させるために、該燃焼室の中心へ向かって或は前記一次空気の旋回方向へ二次空気を噴出する二次空気供給ノズルと、
前記一次空気供給ノズルから前記スラグ排出口に至る間に設けられ、該燃焼室の内周面の接線方向へ燃料粒子を噴出するようにした前記燃料粒子供給ノズルとを備えたことを特徴とする燃焼溶融炉。
【００１６】
本発明は、竪型燃焼溶融炉において、一つの燃焼室で空気比１未満の一次燃焼に引き続いて空気比１以上の二次燃焼を行う場合に好適な炉構成を示したものである。
【００１７】
燃焼室は、断面が円形になっているので、一次空気及び燃料粒子の旋回流或は更に二次空気の旋回流が形成されやすい。この燃焼室の内周面の接線方向へ向けて、一次空気供給ノズルにより一次空気を噴出すると、燃焼室の壁面に沿って旋回しながら、スラグ排出口の方向へと流れる旋回流が形成される。この状態において、一次空気供給ノズルとスラグ排出口との間から燃料粒子を供給すると、燃料粒子は一次空気の旋回流に同伴してスラグ排出口の方向へと流れるようになる。燃料粒子を旋回流が形成されるように噴出すると、なお一層、一次空気の旋回流に同伴されやすくなる。なお、一次空気の旋回流の方向と燃料粒子の旋回流の方向とは、同一方向であることが望ましい。
【００１８】
スラグ排出口の口径は、燃焼室の内径よりも小さくなっているので、燃焼室内をスラグ排出口へ向かって下降してきた一次空気及び燃料粒子の旋回流は、スラグ排出口の部分で停滞する。これにより、スラグ排出口の付近で燃料粒子の一次燃焼が進みやすくなる。スラグ排出口において燃料粒子が燃焼することによって生じた燃焼ガスは、燃焼室の中心を通り燃焼ガス排出口へ向かって上昇していく。この燃焼ガスの上昇流に対して二次空気を供給することにより、燃焼ガスに含まれる未燃焼分及び残存する燃料粒子を二次燃焼することができる。
【００１９】
燃焼室の中心部を上方へ向かって流れる燃焼ガスの輻射熱により、壁面付近に存在する可燃物が加熱され、燃焼性が高まるという効果もある。
【００２０】
（５）前記（４）に記載の燃焼溶融炉において、前記二次空気供給ノズルが前記一次空気供給ノズルから前記燃焼ガス排出口に至る間に設けられていることを特徴とする燃焼溶融炉。
【００２１】
本発明によれば、二次空気供給ノズルと燃焼ガス排出口の間で二次燃焼を行うことができる。
【００２２】
（６）前記（４）に記載の燃焼溶融炉において、前記二次空気供給ノズルが前記燃料粒子供給ノズルから前記スラグ排出口に至る間に設けられていることを特徴とする燃焼溶融炉。
【００２３】
本発明によれば、燃焼溶融炉の中央付近で二次燃焼を行うことができる。
【００２４】
（７）前記（４）において、前記二次空気供給ノズルが前記スラグ排出口の下方に設けられ、二次空気が該スラグ排出口を通って前記燃焼室に供給されるようにしたことを特徴とする燃焼溶融炉。
【００２５】
本発明によれば、燃焼溶融炉の中央付近で二次燃焼を行うことができるようになり、また、炉内の旋回流を阻害せずに二次空気を供給できる。
【００２６】
（８）前記（４）において、前記スラグ排出口の口径が前記燃焼ガス排出口の口径よりも小さいことを特徴とする燃焼溶融炉。
【００２７】
本発明によれば、スラグ排出口から未燃の可燃物を排出しにくくすることができるという効果がある。
【００２８】
（９）前記（４）において、前記スラグ排出口の断面形状が円形であることを特徴とする燃焼溶融炉。
【００２９】
本発明によれば、スラグ排出口周辺の温度低下を抑制する効果がある。
【００３０】
（１０）前記（４）において、前記スラグ排出口の断面形状がスリット形であることを特徴とする燃焼溶融炉。
【００３１】
本発明によれば、燃焼室内の旋回流によってスラグの飛沫が発生するのを抑制できる効果がある。
【００３２】
（１１）可燃性固体物質よりなる燃料粒子を燃焼する燃焼室と、該燃焼室で生じた燃焼ガスを排出する燃焼ガス排出口と、該燃焼室で生じた溶融スラグを排出するスラグ排出口と、該燃焼室へ燃料粒子を供給する燃料粒子供給ノズルと、該燃焼室へ燃焼用空気を供給する空気供給ノズルとを有し、前記スラグ排出口の口径が前記燃焼室の内径よりも小さくなっている燃焼溶融炉において、
前記燃焼室の内周面に沿って一次空気の旋回流を形成するための一次空気供給ノズルと、
該燃焼室の中心方向へ向けて或は一次空気の旋回方向へ二次空気を噴出するための二次空気供給ノズルと、
前記一次空気供給ノズルから前記スラグ排出口へ至る間に設けられ、前記燃焼室の内周面に沿って燃料粒子の旋回流を形成するための前記燃料粒子供給ノズルと、
前記一次空気供給ノズルから前記スラグ排出口へ至る間に設けられ、前記燃焼ガス排出口から炉外へ排出された燃焼ガスより回収した可燃性固体物質或は灰を該燃焼室内に戻す燃焼ガス回収物質戻し手段とを備えたことを特徴とする燃焼溶融炉。
【００３３】
本発明によれば、燃焼ガスとともに炉外へ排出された可燃物或は灰を回収して、再び燃焼溶融炉に戻して燃焼することができる。
【００３４】
（１２）可燃性固体物質よりなる燃料粒子を燃焼する燃焼室と、該燃焼室で生じた燃焼ガスを排出する燃焼ガス排出口と、該燃焼室で生じた溶融スラグを排出するスラグ排出口と、該燃焼室へ燃料粒子を供給する燃料粒子供給ノズルと、該燃焼室へ燃焼用空気を供給する空気供給ノズルとを有し、前記スラグ排出口の口径が前記燃焼室の内径よりも小さくなっている燃焼溶融炉において、
前記燃焼室の内周面に沿って一次空気の旋回流を形成するための一次空気供給ノズルと、
該燃焼室の中心方向へ向けて或は一次空気の旋回方向へ二次空気を噴出するための二次空気供給ノズルと、
前記一次空気供給ノズルから前記スラグ排出口へ至る間に設けられ、前記燃焼室の内周面に沿って燃料粒子の旋回流を形成するための前記燃料粒子供給ノズルと、
前記燃焼室へ助燃剤を供給する助燃剤供給ノズルと、
該助燃剤の点火装置とを備えたことを特徴とする燃焼溶融炉。
【００３５】
本発明によれば、助燃剤で燃焼したガスが旋回流により燃焼室の壁面に沿って流れるようになる。旋回流は滞留時間が長く、強い乱流となるので、燃料粒子の燃焼性を高めることができる。
【００３６】
（１３）一端に燃焼ガスの排出口を有し、他端に溶融スラグの排出口を有する筒状の燃焼室に可燃性固体物質よりなる燃料粒子と空気を供給し、該燃料粒子を燃焼して燃焼ガスを前記燃焼ガス排出口から排出し、該燃料粒子の燃焼に伴って生じた溶融スラグを前記スラグ排出口から排出するようにした燃焼溶融方法において、
前記燃焼室内に空気比が１未満の還元雰囲気と空気比が１以上の酸化雰囲気とからなる二つの雰囲気を形成し、前記スラグ排出口が空気比１未満の還元雰囲気にあり、前記燃焼ガス排出口が空気比１以上の酸化雰囲気にあるようにしたことを特徴とする燃焼溶融方法。
【００３７】
本発明により、一つの燃焼室で空気比１以下の一次燃焼に引き続いて空気比１以上の二次燃焼を行うことができる。空気比１未満の一次燃焼により、窒素酸化物が生成するのを抑制することができる。また、空気比１以上の二次燃焼により、一次燃焼で生じた一酸化炭素或いは炭化水素などの可燃ガスを燃焼することができる。また、一次燃焼にて残存した燃料粒子を燃焼することができる。
【００３８】
（１４）上部に燃焼ガスの排出口を有し、下部に溶融スラグの排出口を有する断面円形の燃焼室に可燃性固体物質よりなる燃料粒子と空気を供給し、該燃料粒子を燃焼して燃焼ガスを前記燃焼ガス排出口から排出し、該燃料粒子の燃焼に伴って生じた溶融スラグを前記スラグ排出口から排出するようにした燃焼溶融方法において、
前記燃焼室の内周面に沿って一次空気の旋回流を形成し、該一次空気の旋回流が前記スラグ排出口の方向へ向かう流れに対して前記燃料粒子を供給し、該燃焼室の中心部を通り前記燃焼ガス排出口の方向へ向かって上昇する燃焼ガスの流れに対して二次空気を供給し、前記燃焼ガス排出口での酸素濃度を高めたことを特徴とする燃焼溶融方法。
【００３９】
本発明により、燃焼室内における燃料粒子の滞留時間をより長くして、燃焼性を高めることができる。
【００４０】
（１５）可燃性固体物質よりなる燃料粒子の燃焼と灰分の溶融を行う燃焼溶融炉と、該燃焼溶融炉で発生した燃焼ガスの保有熱を回収して蒸気タービンを駆動して発電する発電装置とを具備した発電システムであって、前記燃焼溶融炉が燃料粒子を燃焼する燃焼室と、
該燃焼室で生じた燃焼ガスを排出する燃焼ガス排出口と、
該燃焼室で生じた溶融スラグを排出するスラグ排出口と、
該燃焼室の内周面に沿って一次空気の旋回流を形成するための一次空気供給ノズルと、
該燃焼室の中心部へ向かって或は一次空気の旋回方向へ二次空気を噴出するための二次空気ノズルと、
該一次空気ノズルから前記スラグ排出口に至る間に設けられ、前記燃焼室の内周面に沿って被処理物質の旋回流を形成するための燃料粒子供給ノズル
とを備えていることを特徴とする燃焼溶融炉廃熱利用発電システム。
【００４１】
本発明により、溶融燃焼炉の燃焼熱を利用した発電システムを構築できる。
【００４２】
本発明の燃焼溶融炉及び燃焼溶融方法において、燃料粒子は、燃焼性を高めるために粉末或いは粒子にして供給される。粒子の形状は、球形が望ましいが、これに限定されない。都市ごみ或いは汚泥を燃料粒子の原料とする場合には、これらを熱分解装置で乾燥してから燃焼溶融炉へ供給することが望ましい。
【００４３】
一次空気供給ノズルにより供給される一次空気によって、スラグ排出口を空気比が１未満、０．８ 以上の還元雰囲気にすることが望ましい。炉内の温度は、空気比によって影響され、空気比が１前後、特に０．９ 程度の時に最も炉内の温度が高くなる。空気比がこれより高くなってもまた低くなっても温度は低下する。スラグ排出口を含む炉内底部の空気比を前記範囲内にすれば、都市ごみを熱分解して得られた燃料粒子を燃焼する場合に、スラグ排出口の温度を１２００℃以上１３００℃程度に高めることができるので、燃料粒子に含まれる灰分を溶融させて、スラグ排出口から排出させることができる。また、スラグ排出口でのスラグの固化を抑制することができる。
【００４４】
一方、燃焼ガス排出口の空気比は、１．０乃至１．３の範囲にすることが望ましい。この範囲の空気比であれば、一次燃焼によって生成した燃焼ガスに含まれる可燃物を燃焼し、また、ダイオキシンの生成を抑制することができる。
【００４５】
なお、本発明において、空気比とは、ある量の燃料を完全燃焼させる空気量と、実際に存在する空気量との比のことである。たとえば、プロパン１ｍ３ を完全燃焼させるには２３．８２ｍ３の空気が必要である。このとき、プロパン１ｍ３ に対して６７．６４ｍ３ の空気が実際に存在していれば、空気比は２となる。
【００４６】
【発明の実施の形態】
＜実施例１＞
本発明の一実施例を図１に示す。破砕されたごみ１をロータリーキルンや流動層を用いた熱分解炉２に投入し、還元雰囲気で加熱して熱分解した後、熱分解ガスと燃料粒子を生成する。燃料粒子は、燃焼溶融炉３に投入して燃焼して灰分を溶融スラグ化し、スラグ１２は冷却後、スラグ回収装置４で回収する。燃焼溶融炉３にて発生した燃焼ガスは、廃熱回収ボイラ５で熱交換した後、脱塵装置６で脱塵し、煙突７から大気中へ排出される。廃熱回収ボイラ５で得られた蒸気は、蒸気タービン１００に導入され、発電機９９にて電気エネルギーに変換される。脱塵装置６で回収された飛灰や未燃燃料粒子は、再度、燃焼溶融炉３に戻して燃焼することも可能である。
【００４７】
ここでは、燃焼溶融炉３において、一次空気供給ノズル８とスラグ排出口１３との間に燃料粒子供給ノズル９が配置され、一次空気供給ノズル８と燃焼ガス排出口１５との間に二次空気供給ノズル１０が配置された場合について説明する。燃焼溶融炉３には、図２に示すように二次空気供給ノズル１０が設置され、図３に示すように一次空気供給ノズル８が設置されている。また、図４に示すように燃料粒子供給ノズル９が設置されている。燃焼溶融炉の燃焼室１７は、断面を円形にして、一次空気及び燃料粒子の旋回流を形成しやすくしてある。一次空気供給ノズル８は、燃焼室１７の内周面に沿って一次空気を噴出するように設置されている。燃料粒子供給ノズル９も、一次空気供給ノズルと同様に、燃焼室１７の内周面に沿って燃料粒子１１を供給するように設置されている。二次空気供給ノズル１０は、断面円形の燃焼室１７の中心部へ向けて、対向する二方向から二次空気を供給するように設置されている。なお、二次空気は旋回流とすることもできる。
【００４８】
燃焼室１７には、一次空気供給ノズル８から投入される一次空気によって、旋回しながら下降する流れが形成される。一次空気供給ノズル８の下方に設置された燃料粒子供給ノズル９により空気搬送されて燃焼室に供給された燃料粒子１１は、一次空気の旋回流に同伴されて下降する。
【００４９】
燃料粒子１１は、燃焼溶融炉の炉内が予熱されていれば、まず揮発分を放出する。揮発分はすぐに燃焼する。その後、燃料粒子１１および灰は遠心力の影響で壁面付近を降下し、炉底のスラグ排出口１３の上部付近で旋回しながら滞留する。この際に燃料粒子が一次燃焼し、その燃焼熱で灰分が溶融する。溶融した灰はスラグ１２となって壁面から炉底面に沿って流れ、スラグ排出口１３から排出される。スラグ排出口１３の下にはスラグ冷却容器１４が設置されており、スラグ冷却容器には水槽が設けられている。スラグ排出口から滴下したスラグ１２は水槽へ落下して急冷された後、スラグ回収装置４へ回収される。
【００５０】
一方、燃焼ガスは燃焼溶融炉３の底部で反転し、中央部を通って上昇する。この上昇してきた燃焼ガスに対して、二次空気供給ノズル１０により二次空気を吹き込んで残存する可燃物、具体的には一酸化炭素或いは炭化水素などの可燃ガス及び未燃の燃料粒子を二次燃焼する。
【００５１】
スラグ排出口１３の周辺では空気比が１未満の還元雰囲気が形成されるように一次空気の量を調整する。本実施例の場合には、一次空気供給ノズルから下方の領域が空気比１未満の還元雰囲気になる。図１において、燃焼室内の薄く灰色を帯びたようになっている領域が還元雰囲気であることを示している。
【００５２】
また、燃焼ガス排出口１５の周辺に空気比１以上の酸化雰囲気が形成されるように二次空気の量を調整する。本実施例の場合には、二次空気供給ノズルから上方の領域が、空気比１以上の酸化雰囲気になる。図１において、燃焼室内の白色になっている領域が酸化雰囲気であることを示している。
【００５３】
一次空気供給ノズル８と二次空気供給ノズル１０により吹き込む空気の総量は、空気比で１．０ないし１．３程度がよい。二次空気供給ノズル１０により供給される二次空気のうち、燃焼室の壁面に沿って上昇する分は燃焼ガス排出口１５の付近の壁面を冷却するため、炉出口配管壁の保護や燃焼ガス排出口の灰付着防止に効果がある。
【００５４】
燃料粒子供給ノズル９が一次空気供給ノズル８よりも下部側にあれば、燃料粒子は必ずスラグ排出口１３の方向へ下降するので、上方へショートカットして未燃の燃料粒子が炉外に流出するのを防止できる。また、燃料粒子は、炉底のスラグ排出口１３の上部付近で旋回しながら滞留するため、燃料粒子の燃焼によってスラグ排出口１３のまわりの温度は常に高温に保たれる。
【００５５】
空気比１未満の還元雰囲気で一次燃焼することで、窒素酸化物の生成を抑制でき、また炉内の温度が１３００℃程度の高温となることでダイオキシンの生成を抑制できる。
【００５６】
なお、各ノズルには熱分解炉２で発生した熱分解ガスを混合してもよい。
【００５７】
＜実施例２＞
燃焼溶融炉３において、一次空気供給ノズル８とスラグ排出口１３の間に燃料粒子供給ノズル９を配置し、燃料粒子供給ノズル９とスラグ排出口１３の間に二次空気供給ノズル１０を設置した実施例を図５に示す。一次空気供給ノズルと二次空気供給ノズル及び燃料粒子供給ノズルの構成は、いずれも実施例１のときと同じである。二次空気供給ノズル１０により二次空気を供給すると、燃焼室の中央部を上昇する燃焼ガスに含まれる可燃分を再度燃焼できる。炉壁付近と炉底部では、燃料粒子の濃度が高く空気比１未満の還元雰囲気となり、燃焼室の中央部及び上部では空気比１以上の酸化雰囲気となる。
【００５８】
＜実施例３＞
燃焼溶融炉３において、一次空気供給ノズル８とスラグ排出口１３の間に燃料粒子供給ノズル９を配置し、二次空気供給ノズル１０をスラグ冷却容器１４の内部に配置した実施例を図６に示す。二次空気供給ノズル１０から二次空気を燃焼室内に投入すると、スラグ冷却容器１４内で二次空気と燃焼ガスとが混合し、可燃分を含む燃焼ガスを再度燃焼できる。炉壁付近は燃料粒子の濃度が高く、空気比１未満の還元雰囲気となり、燃焼室の中央部は空気比１以上の酸化雰囲気となる。
【００５９】
＜実施例４＞
図１では、脱塵装置６で回収された飛灰や未燃燃料粒子を、燃料粒子供給ノズルから再び炉内に供給したが、図７に示すように一次空気供給ノズル８とスラグ排出口１３の間に回収粒子供給ノズル１８を設けて、回収粒子を炉内に投入してもよい。これにより、脱塵装置６で回収された飛灰や未燃燃料粒子は、燃料粒子と共に再度燃焼される。
【００６０】
＜実施例５＞
燃焼溶融炉３において、スラグ排出口１３の径ｒｓ を燃焼ガス排出口の径ｒｅ よりも小さくした実施例を図８の（Ａ）および（Ｂ）に示す。（Ｂ）には、炉内の水平断面での周方向速度分布もあわせて示した。周方向速度分布は、燃焼室の垂直方向ではほとんど変わらない。旋回流の中心付近は剛体渦、その外側は自由渦の組み合わせ渦であり、その境界付近で最大となる。周方向速度Ｖθが大きいと炉内を飛行する燃料粒子や灰に働く遠心力Ｆも大きくなる。
【００６１】
【数１】
【００６２】
ここで、ｍは粒子の質量、ｒは中心軸からの距離である。
【００６３】
この時、スラグ排出口１３の径ｒｓ が燃焼ガス排出口１５の径ｒｅ より大きいと、スラグ排出口１３の端の周方向速度が低下するため、燃料粒子に働く遠心力が小さくなる。すると、燃料粒子はスラグ排出口１３の端からスラグ冷却容器
１４内に進入し易くなり、炉内で滞留する時間が短くなる。また、スラグ冷却容器１４内からの未燃燃料粒子の再飛散や下部の水面と粒子の接触などの問題も発生する。そこで、スラグ排出口１３の径ｒｓ を燃焼ガス排出口１５の径ｒｅ より小さくすると、燃料粒子は周方向速度の大きな領域、すなわち遠心力の大きな領域を通らなければスラグ冷却容器内へ進入できず、前記の問題を回避できる。
【００６４】
なお、スラグ排出口１３が円形でないときは、孔の中心からスラグ排出口１３の端まで最も長い所の距離をスラグ排出口１３の径ｒｓ として考えればよい。ただし、スラグの排出の観点から極端にスラグ排出口１３を小さくすることは好ましくない。
【００６５】
＜実施例６＞
燃焼溶融炉３において、燃焼ガス排出口１５の径ｒｅ を、より小さくした場合の実施例を図９の（Ａ）および（Ｂ）に示す。燃焼ガス排出口１５の径ｒｅ が大きい時と小さい時の周方向速度もあわせて示した。（Ｂ）から分かるように、燃焼ガス排出口の径を小さくすると角運動量の保存によって周方向速度の最大値は大きくなり、径が大きい時に比べ遠心力の強い領域が炉内に広がる。そのため、粒子を滞留する能力が向上し、燃焼率の向上につながる。燃焼ガス排出口１５の径ｒｅ は炉径ｒと同じ大きさまで広げることができるが、燃焼ガス排出口１５の径ｒｅ を大きくすると、旋回力が減少するため粒子が中心方向に移動しやすく、未燃分の流出量が増加する事が予想される。
【００６６】
ただし、燃焼ガス排出口１５の径ｒｅ を小さくすると炉内の圧力損失が大きくなるので、炉径ｒ：燃焼ガスの排出口の径ｒｅ＝２〜３：１ ぐらいが好ましい。＜実施例７＞
燃焼溶融炉３において、スラグ冷却容器１４内に粉体１９を浮遊させた実施例を図１０に示す。スラグ冷却容器内の水は、炉内からの輻射熱で蒸発し、炉内のガス温度を低下させる原因となる。そこで、スラグ冷却容器１４内に粉体１９を浮遊させて輻射の吸収体とすると、下部の水面に輻射束が届かないので、水の蒸発を抑制できる効果がある。粉体としては、燃焼ガス排出口から飛散した灰或いはスラグ排出口を加熱するためのバーナから発生する煤などを用いることができる。飛灰も煤も粒径は小さく数μｍ程度であり、スラグ冷却容器内で浮遊させることができる。
【００６７】
＜実施例８＞
燃焼溶融炉３における起動方法を図１１および図１２を用いて説明する。一次空気供給ノズルから投入された一次空気は、一次空気供給ノズルと同じ高さか或いは下側に設置された助燃剤供給ノズル２０から投入された助燃剤と混合される。ここで、助燃剤にはプロパン等の高発熱量の気体を用いると良い。助燃剤と空気とが混合したガスは、旋回しながら壁面付近を降下し、炉壁に取り付けた点火装置２１で点火される。点火したガスは燃焼によって高温となり、更に壁面に沿って降下を続ける。燃焼溶融炉内の旋回流は滞留時間が長く、強い乱流となるので、燃焼ガスの熱量を炉に効率的に伝える。このため、予熱時間を短くすることが可能となる。
【００６８】
スラグ排出口１３での温度が低下し、スラグ１２の固化の問題が生じる可能性がある時は、助燃剤を補助燃料とし、スラグ排出口１３の周辺の温度を調整する。
【００６９】
助燃剤供給ノズル２０は、図１３に示すように１次空気供給ノズル内に設置することも可能である。
【００７０】
なお、以上の実施例では、すべて燃焼室が竪型に設置されている場合について説明したが、燃焼室が水平方向を向いて設置されている横型の場合或は燃焼室が斜め方向に設置されている場合にも本発明は適用可能である。
【００７１】
【発明の効果】
本発明により、一つの燃焼室内に空気比が１未満の還元雰囲気よりなる一次燃焼域と空気比が１以上の酸化雰囲気よりなる二次燃焼域を形成することが可能になった。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の燃焼用溶融炉及び発電装置を組み込んだ廃棄物処理プラントの一実施例を示す概略図。
【図２】図１の燃焼溶融炉に設置された二次空気供給ノズルの平面断面図。
【図３】図１の燃焼溶融炉に設置された一次空気供給ノズルの平面断面図。
【図４】図１の燃焼溶融炉に設置された燃料粒子供給ノズルの平面断面図。
【図５】二次空気供給ノズルを燃料粒子供給ノズルとスラグ排出口の間に配置した燃焼溶融炉の側面断面図。
【図６】二次空気ノズルをスラグ冷却容器に配置した燃焼溶融炉の側面断面図。
【図７】脱塵装置にて回収した可燃性固体粒子を燃焼室に戻す手段を備えた燃焼溶融炉の側面断面図。
【図８】（Ａ）は、燃焼ガス排出口の径をスラグ排出口の径より小さくした場合の効果を説明するための燃焼溶融炉概略図であり、（Ｂ）は燃焼溶融炉の水平断面における周方向速度分布を示した図。
【図９】（Ａ）は、燃焼ガス排出口の径を更に絞った場合の効果を示す燃焼溶融炉概略図であり、（Ｂ）は燃焼溶融炉の水平断面における周方向速度分布を示した図。
【図１０】スラグ冷却容器内に粉体を浮遊させた燃焼溶融炉の側面断面図。
【図１１】助燃剤供給ノズルと点火装置を設置した燃焼溶融炉の側面断面図。
【図１２】一次空気供給ノズルと助燃剤供給ノズルと点火装置が設置された位置を示す平面断面図。
【図１３】助燃剤供給ノズルを一次空気供給ノズル内に設置した例を示す平面断面図。
【符号の説明】
１…破砕されたごみ、２…熱分解炉、３…燃焼溶融炉、４…スラグ回収装置、５…廃熱回収ボイラ、６…脱塵装置、７…煙突、８…一次空気供給ノズル、９…燃料粒子供給ノズル、１０…二次空気供給ノズル、１１…燃料粒子、１２…スラグ、１３…スラグ排出口、１４…スラグ冷却容器、１５…燃焼ガス排出口、１７…燃焼室、１８…回収粒子供給ノズル、１９…粉体、２０…助燃剤供給ノズル、２１…点火装置、９９…発電機、１００…蒸気タービン。
【発明の属する技術分野】
本発明は、都市ごみを熱分解して得られた固体物質或いは石炭などの可燃性固体物質よりなる燃料粒子を燃焼し、灰分をスラグ化して回収する燃焼溶融炉に関する。また本発明は、燃料粒子の燃焼と灰分の溶融を行う燃焼溶融方法および燃料粒子の燃焼熱を利用した発電システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
ごみの増加に伴って、焼却灰の埋め立て処分場の容量がひっ迫している。そのため、焼却炉から排出される灰を溶融して減容化する設備の開発が進められている。
【０００３】
しかし、灰を再度溶融するためには外部からのエネルギーが必要となる。この問題に対し、ごみの持つエネルギーを直接利用して灰を溶融する様々なシステムが考えられている。特に、ごみを熱分解装置に投入して還元雰囲気で加熱して熱分解ガスと固体残さとを生成し、固体残さから不燃物を除いた燃料粒子を燃焼溶融炉に投入して燃焼し、灰分を溶融させてスラグ化して回収するシステムが注目されている。本システムは、たとえば特公平６−５６２５３号公報に記載されている。燃焼溶融炉に関しては、燃料粒子及び空気を旋回させて燃焼する方式のものが多く見られ、たとえば特開平２−１５０６１１ 号公報に示されている。
【０００４】
特開平２−１５０６１１ 号公報に記載の燃焼溶融炉は、炉本体の下部に廃棄物バーナ装置と助燃バーナ装置を有する。各バーナ装置は炉体周方向に複数のノズルを有し、これらのノズルが旋回流を形成すべく配置されている。
【０００５】
該公開特許公報には、廃棄物バーナ装置及び助燃バーナ装置から供給された廃棄物と助燃料はそれぞれ上向きの旋回流となって炉内を流れ、溶融したスラグはスラグ排出口から排出され、一方、燃焼ガスは炉上部の燃焼ガス排出口から排出されることが記載されている。また、溶融炉（一次燃焼室）内の空気比は１．０ないし０．６ に絞り、残りの空気を燃焼ガス排出口の上部に設けた二次燃焼室の空気吹き込み孔から吹き込み、未燃焼分を含む燃焼ガスと混合して完全に燃焼させることが記載されている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
特開平２−１５０６１１ 号公報に記載の燃焼溶融炉によれば、一次燃焼室において空気比１未満で廃棄物の燃焼が行われ、未燃焼分を含む燃焼ガスが二次燃焼室に導入され空気が供給されて空気比１以上にして完全燃焼が行われる。
【０００７】
このように、空気比１未満の一次燃焼と空気比１以上の完全燃焼とを行うために、二つの燃焼室が設けられている。一つの燃焼室で空気比１未満の一次燃焼と空気比１以上の二次燃焼とを行うことができれば、燃焼溶融炉の構造を簡略化することができ、実用上の効果はきわめて大きい。
【０００８】
本発明は、一つの燃焼室において、空気比１未満の一次燃焼と空気比１以上の二次燃焼とを行うことができるようにした溶融燃焼炉を提供することにある。また、一つの燃焼室で一次燃焼と二次燃焼とを行うのに適した燃焼方法を提供することにある。また、燃焼溶融炉の燃焼熱を利用した発電システムを提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明は、以下の（１）ないし（１５）に記載の燃焼溶融炉，燃焼溶融方法及び発電システムにある。
【００１０】
（１）可燃性固体物質よりなる燃料粒子を燃焼する燃焼室と、該燃焼室で生じた燃焼ガスを該燃焼室から排出する燃焼ガス排出口と、該燃焼室で生じた溶融スラグを該燃焼室から排出するスラグ排出口と、該燃焼室へ燃料粒子を供給する燃料粒子供給ノズルと、該燃焼室へ燃焼用空気を供給する空気供給ノズルとを有する燃焼溶融炉において、前記空気供給ノズルを複数個備え、前記スラグ排出口が空気比１未満の還元雰囲気になり、前記燃焼ガス排出口が空気比１以上の酸化雰囲気になるように配置したことを特徴とする燃焼溶融炉。
【００１１】
本発明によれば、一つの燃焼室で空気比が１未満の一次燃焼を行い、引き続いて空気比が１以上の二次燃焼を行うことができる。また、本発明の燃焼溶融炉は、スラグの排出口と燃焼ガスの排出口とが別になっているので、スラグと燃焼ガスとを分離することができる。
【００１２】
（２）可燃性固体物質よりなる燃料粒子を燃焼する燃焼室と、該燃焼室で生じた燃焼ガスを該燃焼室から排出する燃焼ガス排出口と、該燃焼室で生じた溶融スラグを該燃焼室から排出するスラグ排出口と、該燃焼室へ燃料粒子を供給する燃料粒子供給ノズルと、該燃焼室へ燃焼用空気を供給する空気供給ノズルとを有し、前記スラグ排出口が前記燃焼室の内径よりも狭められている燃焼溶融炉において、前記燃焼室内を前記スラグ排出口の方向へ向かって空気が流れるようにした第１の空気供給ノズルと、該燃焼室内を燃焼ガス排出口の方向へ向かって空気が流れるようにした第２の空気供給ノズルとを備えたことを特徴とする燃焼溶融炉。本発明の燃焼溶融炉は、第１の空気供給ノズルにより供給された空気が、燃焼ガス排出口に向かって流れるのではなく、スラグ排出口に向かって流れるので、燃焼室内における燃料粒子の滞留時間が長くなり燃焼性が高められる。また、スラグ排出口の近くで燃料粒子の一次燃焼が進むので、スラグ排出口は高温に保持され、溶融スラグが排出されやすいという効果もある。
【００１３】
（３）可燃性固体物質よりなる燃料粒子を燃焼する燃焼室と、該燃焼室で生じた燃焼ガスを排出する燃焼ガス排出口と、該燃焼室で生じた溶融スラグを排出するスラグ排出口と、該燃焼室へ燃料粒子を供給する燃料粒子供給ノズルと、該燃焼室へ燃焼用空気を供給する空気供給ノズルとを有し、前記スラグ排出口の口径が前記燃焼室の内径よりも小さくなっている燃焼溶融炉において、
前記燃焼室の内周面に沿って一次空気の旋回流を形成するための一次空気供給ノズルと、
前記燃焼室の中心部へ向かって或は前記一次空気の旋回方向へ二次空気を噴出するための二次空気ノズルと、
前記一次空気供給ノズルから前記スラグ排出口に至る間に設けられ、前記燃焼室の内周面に沿って燃料粒子の旋回流を形成する前記燃料粒子供給ノズルとを備えたことを特徴とする燃焼溶融炉。
【００１４】
本発明の燃焼溶融炉によれば、一次空気及び燃料粒子の旋回流或は更に二次空気の旋回流が形成されることにより、燃焼室内での燃料粒子の滞留時間はより長くなり、燃焼性がより高められる。
【００１５】
（４）可燃性固体物質よりなる燃料粒子を燃焼するための断面円形の燃焼室と、該燃焼室の上部に設けられた燃焼ガス排出口と、該燃焼室の下部に設けられた溶融スラグ排出口と、該燃焼室へ燃料粒子を供給する燃料粒子供給ノズルと、該燃焼室へ燃焼用空気を供給する空気供給ノズルとを有し、前記スラグ排出口の口径が前記燃焼室の内径よりも小さくなっている燃焼溶融炉において、
前記燃焼室の内周面に沿って旋回する一次空気流を形成するために該燃焼室の内周面の接線方向に一次空気を噴出するようにした一次空気供給ノズルと、
該燃焼室の中心部を通り前記燃焼ガス排出口へ向かって上昇する燃焼ガスの流れに対して二次空気を混合させるために、該燃焼室の中心へ向かって或は前記一次空気の旋回方向へ二次空気を噴出する二次空気供給ノズルと、
前記一次空気供給ノズルから前記スラグ排出口に至る間に設けられ、該燃焼室の内周面の接線方向へ燃料粒子を噴出するようにした前記燃料粒子供給ノズルとを備えたことを特徴とする燃焼溶融炉。
【００１６】
本発明は、竪型燃焼溶融炉において、一つの燃焼室で空気比１未満の一次燃焼に引き続いて空気比１以上の二次燃焼を行う場合に好適な炉構成を示したものである。
【００１７】
燃焼室は、断面が円形になっているので、一次空気及び燃料粒子の旋回流或は更に二次空気の旋回流が形成されやすい。この燃焼室の内周面の接線方向へ向けて、一次空気供給ノズルにより一次空気を噴出すると、燃焼室の壁面に沿って旋回しながら、スラグ排出口の方向へと流れる旋回流が形成される。この状態において、一次空気供給ノズルとスラグ排出口との間から燃料粒子を供給すると、燃料粒子は一次空気の旋回流に同伴してスラグ排出口の方向へと流れるようになる。燃料粒子を旋回流が形成されるように噴出すると、なお一層、一次空気の旋回流に同伴されやすくなる。なお、一次空気の旋回流の方向と燃料粒子の旋回流の方向とは、同一方向であることが望ましい。
【００１８】
スラグ排出口の口径は、燃焼室の内径よりも小さくなっているので、燃焼室内をスラグ排出口へ向かって下降してきた一次空気及び燃料粒子の旋回流は、スラグ排出口の部分で停滞する。これにより、スラグ排出口の付近で燃料粒子の一次燃焼が進みやすくなる。スラグ排出口において燃料粒子が燃焼することによって生じた燃焼ガスは、燃焼室の中心を通り燃焼ガス排出口へ向かって上昇していく。この燃焼ガスの上昇流に対して二次空気を供給することにより、燃焼ガスに含まれる未燃焼分及び残存する燃料粒子を二次燃焼することができる。
【００１９】
燃焼室の中心部を上方へ向かって流れる燃焼ガスの輻射熱により、壁面付近に存在する可燃物が加熱され、燃焼性が高まるという効果もある。
【００２０】
（５）前記（４）に記載の燃焼溶融炉において、前記二次空気供給ノズルが前記一次空気供給ノズルから前記燃焼ガス排出口に至る間に設けられていることを特徴とする燃焼溶融炉。
【００２１】
本発明によれば、二次空気供給ノズルと燃焼ガス排出口の間で二次燃焼を行うことができる。
【００２２】
（６）前記（４）に記載の燃焼溶融炉において、前記二次空気供給ノズルが前記燃料粒子供給ノズルから前記スラグ排出口に至る間に設けられていることを特徴とする燃焼溶融炉。
【００２３】
本発明によれば、燃焼溶融炉の中央付近で二次燃焼を行うことができる。
【００２４】
（７）前記（４）において、前記二次空気供給ノズルが前記スラグ排出口の下方に設けられ、二次空気が該スラグ排出口を通って前記燃焼室に供給されるようにしたことを特徴とする燃焼溶融炉。
【００２５】
本発明によれば、燃焼溶融炉の中央付近で二次燃焼を行うことができるようになり、また、炉内の旋回流を阻害せずに二次空気を供給できる。
【００２６】
（８）前記（４）において、前記スラグ排出口の口径が前記燃焼ガス排出口の口径よりも小さいことを特徴とする燃焼溶融炉。
【００２７】
本発明によれば、スラグ排出口から未燃の可燃物を排出しにくくすることができるという効果がある。
【００２８】
（９）前記（４）において、前記スラグ排出口の断面形状が円形であることを特徴とする燃焼溶融炉。
【００２９】
本発明によれば、スラグ排出口周辺の温度低下を抑制する効果がある。
【００３０】
（１０）前記（４）において、前記スラグ排出口の断面形状がスリット形であることを特徴とする燃焼溶融炉。
【００３１】
本発明によれば、燃焼室内の旋回流によってスラグの飛沫が発生するのを抑制できる効果がある。
【００３２】
（１１）可燃性固体物質よりなる燃料粒子を燃焼する燃焼室と、該燃焼室で生じた燃焼ガスを排出する燃焼ガス排出口と、該燃焼室で生じた溶融スラグを排出するスラグ排出口と、該燃焼室へ燃料粒子を供給する燃料粒子供給ノズルと、該燃焼室へ燃焼用空気を供給する空気供給ノズルとを有し、前記スラグ排出口の口径が前記燃焼室の内径よりも小さくなっている燃焼溶融炉において、
前記燃焼室の内周面に沿って一次空気の旋回流を形成するための一次空気供給ノズルと、
該燃焼室の中心方向へ向けて或は一次空気の旋回方向へ二次空気を噴出するための二次空気供給ノズルと、
前記一次空気供給ノズルから前記スラグ排出口へ至る間に設けられ、前記燃焼室の内周面に沿って燃料粒子の旋回流を形成するための前記燃料粒子供給ノズルと、
前記一次空気供給ノズルから前記スラグ排出口へ至る間に設けられ、前記燃焼ガス排出口から炉外へ排出された燃焼ガスより回収した可燃性固体物質或は灰を該燃焼室内に戻す燃焼ガス回収物質戻し手段とを備えたことを特徴とする燃焼溶融炉。
【００３３】
本発明によれば、燃焼ガスとともに炉外へ排出された可燃物或は灰を回収して、再び燃焼溶融炉に戻して燃焼することができる。
【００３４】
（１２）可燃性固体物質よりなる燃料粒子を燃焼する燃焼室と、該燃焼室で生じた燃焼ガスを排出する燃焼ガス排出口と、該燃焼室で生じた溶融スラグを排出するスラグ排出口と、該燃焼室へ燃料粒子を供給する燃料粒子供給ノズルと、該燃焼室へ燃焼用空気を供給する空気供給ノズルとを有し、前記スラグ排出口の口径が前記燃焼室の内径よりも小さくなっている燃焼溶融炉において、
前記燃焼室の内周面に沿って一次空気の旋回流を形成するための一次空気供給ノズルと、
該燃焼室の中心方向へ向けて或は一次空気の旋回方向へ二次空気を噴出するための二次空気供給ノズルと、
前記一次空気供給ノズルから前記スラグ排出口へ至る間に設けられ、前記燃焼室の内周面に沿って燃料粒子の旋回流を形成するための前記燃料粒子供給ノズルと、
前記燃焼室へ助燃剤を供給する助燃剤供給ノズルと、
該助燃剤の点火装置とを備えたことを特徴とする燃焼溶融炉。
【００３５】
本発明によれば、助燃剤で燃焼したガスが旋回流により燃焼室の壁面に沿って流れるようになる。旋回流は滞留時間が長く、強い乱流となるので、燃料粒子の燃焼性を高めることができる。
【００３６】
（１３）一端に燃焼ガスの排出口を有し、他端に溶融スラグの排出口を有する筒状の燃焼室に可燃性固体物質よりなる燃料粒子と空気を供給し、該燃料粒子を燃焼して燃焼ガスを前記燃焼ガス排出口から排出し、該燃料粒子の燃焼に伴って生じた溶融スラグを前記スラグ排出口から排出するようにした燃焼溶融方法において、
前記燃焼室内に空気比が１未満の還元雰囲気と空気比が１以上の酸化雰囲気とからなる二つの雰囲気を形成し、前記スラグ排出口が空気比１未満の還元雰囲気にあり、前記燃焼ガス排出口が空気比１以上の酸化雰囲気にあるようにしたことを特徴とする燃焼溶融方法。
【００３７】
本発明により、一つの燃焼室で空気比１以下の一次燃焼に引き続いて空気比１以上の二次燃焼を行うことができる。空気比１未満の一次燃焼により、窒素酸化物が生成するのを抑制することができる。また、空気比１以上の二次燃焼により、一次燃焼で生じた一酸化炭素或いは炭化水素などの可燃ガスを燃焼することができる。また、一次燃焼にて残存した燃料粒子を燃焼することができる。
【００３８】
（１４）上部に燃焼ガスの排出口を有し、下部に溶融スラグの排出口を有する断面円形の燃焼室に可燃性固体物質よりなる燃料粒子と空気を供給し、該燃料粒子を燃焼して燃焼ガスを前記燃焼ガス排出口から排出し、該燃料粒子の燃焼に伴って生じた溶融スラグを前記スラグ排出口から排出するようにした燃焼溶融方法において、
前記燃焼室の内周面に沿って一次空気の旋回流を形成し、該一次空気の旋回流が前記スラグ排出口の方向へ向かう流れに対して前記燃料粒子を供給し、該燃焼室の中心部を通り前記燃焼ガス排出口の方向へ向かって上昇する燃焼ガスの流れに対して二次空気を供給し、前記燃焼ガス排出口での酸素濃度を高めたことを特徴とする燃焼溶融方法。
【００３９】
本発明により、燃焼室内における燃料粒子の滞留時間をより長くして、燃焼性を高めることができる。
【００４０】
（１５）可燃性固体物質よりなる燃料粒子の燃焼と灰分の溶融を行う燃焼溶融炉と、該燃焼溶融炉で発生した燃焼ガスの保有熱を回収して蒸気タービンを駆動して発電する発電装置とを具備した発電システムであって、前記燃焼溶融炉が燃料粒子を燃焼する燃焼室と、
該燃焼室で生じた燃焼ガスを排出する燃焼ガス排出口と、
該燃焼室で生じた溶融スラグを排出するスラグ排出口と、
該燃焼室の内周面に沿って一次空気の旋回流を形成するための一次空気供給ノズルと、
該燃焼室の中心部へ向かって或は一次空気の旋回方向へ二次空気を噴出するための二次空気ノズルと、
該一次空気ノズルから前記スラグ排出口に至る間に設けられ、前記燃焼室の内周面に沿って被処理物質の旋回流を形成するための燃料粒子供給ノズル
とを備えていることを特徴とする燃焼溶融炉廃熱利用発電システム。
【００４１】
本発明により、溶融燃焼炉の燃焼熱を利用した発電システムを構築できる。
【００４２】
本発明の燃焼溶融炉及び燃焼溶融方法において、燃料粒子は、燃焼性を高めるために粉末或いは粒子にして供給される。粒子の形状は、球形が望ましいが、これに限定されない。都市ごみ或いは汚泥を燃料粒子の原料とする場合には、これらを熱分解装置で乾燥してから燃焼溶融炉へ供給することが望ましい。
【００４３】
一次空気供給ノズルにより供給される一次空気によって、スラグ排出口を空気比が１未満、０．８ 以上の還元雰囲気にすることが望ましい。炉内の温度は、空気比によって影響され、空気比が１前後、特に０．９ 程度の時に最も炉内の温度が高くなる。空気比がこれより高くなってもまた低くなっても温度は低下する。スラグ排出口を含む炉内底部の空気比を前記範囲内にすれば、都市ごみを熱分解して得られた燃料粒子を燃焼する場合に、スラグ排出口の温度を１２００℃以上１３００℃程度に高めることができるので、燃料粒子に含まれる灰分を溶融させて、スラグ排出口から排出させることができる。また、スラグ排出口でのスラグの固化を抑制することができる。
【００４４】
一方、燃焼ガス排出口の空気比は、１．０乃至１．３の範囲にすることが望ましい。この範囲の空気比であれば、一次燃焼によって生成した燃焼ガスに含まれる可燃物を燃焼し、また、ダイオキシンの生成を抑制することができる。
【００４５】
なお、本発明において、空気比とは、ある量の燃料を完全燃焼させる空気量と、実際に存在する空気量との比のことである。たとえば、プロパン１ｍ３ を完全燃焼させるには２３．８２ｍ３の空気が必要である。このとき、プロパン１ｍ３ に対して６７．６４ｍ３ の空気が実際に存在していれば、空気比は２となる。
【００４６】
【発明の実施の形態】
＜実施例１＞
本発明の一実施例を図１に示す。破砕されたごみ１をロータリーキルンや流動層を用いた熱分解炉２に投入し、還元雰囲気で加熱して熱分解した後、熱分解ガスと燃料粒子を生成する。燃料粒子は、燃焼溶融炉３に投入して燃焼して灰分を溶融スラグ化し、スラグ１２は冷却後、スラグ回収装置４で回収する。燃焼溶融炉３にて発生した燃焼ガスは、廃熱回収ボイラ５で熱交換した後、脱塵装置６で脱塵し、煙突７から大気中へ排出される。廃熱回収ボイラ５で得られた蒸気は、蒸気タービン１００に導入され、発電機９９にて電気エネルギーに変換される。脱塵装置６で回収された飛灰や未燃燃料粒子は、再度、燃焼溶融炉３に戻して燃焼することも可能である。
【００４７】
ここでは、燃焼溶融炉３において、一次空気供給ノズル８とスラグ排出口１３との間に燃料粒子供給ノズル９が配置され、一次空気供給ノズル８と燃焼ガス排出口１５との間に二次空気供給ノズル１０が配置された場合について説明する。燃焼溶融炉３には、図２に示すように二次空気供給ノズル１０が設置され、図３に示すように一次空気供給ノズル８が設置されている。また、図４に示すように燃料粒子供給ノズル９が設置されている。燃焼溶融炉の燃焼室１７は、断面を円形にして、一次空気及び燃料粒子の旋回流を形成しやすくしてある。一次空気供給ノズル８は、燃焼室１７の内周面に沿って一次空気を噴出するように設置されている。燃料粒子供給ノズル９も、一次空気供給ノズルと同様に、燃焼室１７の内周面に沿って燃料粒子１１を供給するように設置されている。二次空気供給ノズル１０は、断面円形の燃焼室１７の中心部へ向けて、対向する二方向から二次空気を供給するように設置されている。なお、二次空気は旋回流とすることもできる。
【００４８】
燃焼室１７には、一次空気供給ノズル８から投入される一次空気によって、旋回しながら下降する流れが形成される。一次空気供給ノズル８の下方に設置された燃料粒子供給ノズル９により空気搬送されて燃焼室に供給された燃料粒子１１は、一次空気の旋回流に同伴されて下降する。
【００４９】
燃料粒子１１は、燃焼溶融炉の炉内が予熱されていれば、まず揮発分を放出する。揮発分はすぐに燃焼する。その後、燃料粒子１１および灰は遠心力の影響で壁面付近を降下し、炉底のスラグ排出口１３の上部付近で旋回しながら滞留する。この際に燃料粒子が一次燃焼し、その燃焼熱で灰分が溶融する。溶融した灰はスラグ１２となって壁面から炉底面に沿って流れ、スラグ排出口１３から排出される。スラグ排出口１３の下にはスラグ冷却容器１４が設置されており、スラグ冷却容器には水槽が設けられている。スラグ排出口から滴下したスラグ１２は水槽へ落下して急冷された後、スラグ回収装置４へ回収される。
【００５０】
一方、燃焼ガスは燃焼溶融炉３の底部で反転し、中央部を通って上昇する。この上昇してきた燃焼ガスに対して、二次空気供給ノズル１０により二次空気を吹き込んで残存する可燃物、具体的には一酸化炭素或いは炭化水素などの可燃ガス及び未燃の燃料粒子を二次燃焼する。
【００５１】
スラグ排出口１３の周辺では空気比が１未満の還元雰囲気が形成されるように一次空気の量を調整する。本実施例の場合には、一次空気供給ノズルから下方の領域が空気比１未満の還元雰囲気になる。図１において、燃焼室内の薄く灰色を帯びたようになっている領域が還元雰囲気であることを示している。
【００５２】
また、燃焼ガス排出口１５の周辺に空気比１以上の酸化雰囲気が形成されるように二次空気の量を調整する。本実施例の場合には、二次空気供給ノズルから上方の領域が、空気比１以上の酸化雰囲気になる。図１において、燃焼室内の白色になっている領域が酸化雰囲気であることを示している。
【００５３】
一次空気供給ノズル８と二次空気供給ノズル１０により吹き込む空気の総量は、空気比で１．０ないし１．３程度がよい。二次空気供給ノズル１０により供給される二次空気のうち、燃焼室の壁面に沿って上昇する分は燃焼ガス排出口１５の付近の壁面を冷却するため、炉出口配管壁の保護や燃焼ガス排出口の灰付着防止に効果がある。
【００５４】
燃料粒子供給ノズル９が一次空気供給ノズル８よりも下部側にあれば、燃料粒子は必ずスラグ排出口１３の方向へ下降するので、上方へショートカットして未燃の燃料粒子が炉外に流出するのを防止できる。また、燃料粒子は、炉底のスラグ排出口１３の上部付近で旋回しながら滞留するため、燃料粒子の燃焼によってスラグ排出口１３のまわりの温度は常に高温に保たれる。
【００５５】
空気比１未満の還元雰囲気で一次燃焼することで、窒素酸化物の生成を抑制でき、また炉内の温度が１３００℃程度の高温となることでダイオキシンの生成を抑制できる。
【００５６】
なお、各ノズルには熱分解炉２で発生した熱分解ガスを混合してもよい。
【００５７】
＜実施例２＞
燃焼溶融炉３において、一次空気供給ノズル８とスラグ排出口１３の間に燃料粒子供給ノズル９を配置し、燃料粒子供給ノズル９とスラグ排出口１３の間に二次空気供給ノズル１０を設置した実施例を図５に示す。一次空気供給ノズルと二次空気供給ノズル及び燃料粒子供給ノズルの構成は、いずれも実施例１のときと同じである。二次空気供給ノズル１０により二次空気を供給すると、燃焼室の中央部を上昇する燃焼ガスに含まれる可燃分を再度燃焼できる。炉壁付近と炉底部では、燃料粒子の濃度が高く空気比１未満の還元雰囲気となり、燃焼室の中央部及び上部では空気比１以上の酸化雰囲気となる。
【００５８】
＜実施例３＞
燃焼溶融炉３において、一次空気供給ノズル８とスラグ排出口１３の間に燃料粒子供給ノズル９を配置し、二次空気供給ノズル１０をスラグ冷却容器１４の内部に配置した実施例を図６に示す。二次空気供給ノズル１０から二次空気を燃焼室内に投入すると、スラグ冷却容器１４内で二次空気と燃焼ガスとが混合し、可燃分を含む燃焼ガスを再度燃焼できる。炉壁付近は燃料粒子の濃度が高く、空気比１未満の還元雰囲気となり、燃焼室の中央部は空気比１以上の酸化雰囲気となる。
【００５９】
＜実施例４＞
図１では、脱塵装置６で回収された飛灰や未燃燃料粒子を、燃料粒子供給ノズルから再び炉内に供給したが、図７に示すように一次空気供給ノズル８とスラグ排出口１３の間に回収粒子供給ノズル１８を設けて、回収粒子を炉内に投入してもよい。これにより、脱塵装置６で回収された飛灰や未燃燃料粒子は、燃料粒子と共に再度燃焼される。
【００６０】
＜実施例５＞
燃焼溶融炉３において、スラグ排出口１３の径ｒｓ を燃焼ガス排出口の径ｒｅ よりも小さくした実施例を図８の（Ａ）および（Ｂ）に示す。（Ｂ）には、炉内の水平断面での周方向速度分布もあわせて示した。周方向速度分布は、燃焼室の垂直方向ではほとんど変わらない。旋回流の中心付近は剛体渦、その外側は自由渦の組み合わせ渦であり、その境界付近で最大となる。周方向速度Ｖθが大きいと炉内を飛行する燃料粒子や灰に働く遠心力Ｆも大きくなる。
【００６１】
【数１】
ここで、ｍは粒子の質量、ｒは中心軸からの距離である。
【００６３】
この時、スラグ排出口１３の径ｒｓ が燃焼ガス排出口１５の径ｒｅ より大きいと、スラグ排出口１３の端の周方向速度が低下するため、燃料粒子に働く遠心力が小さくなる。すると、燃料粒子はスラグ排出口１３の端からスラグ冷却容器
１４内に進入し易くなり、炉内で滞留する時間が短くなる。また、スラグ冷却容器１４内からの未燃燃料粒子の再飛散や下部の水面と粒子の接触などの問題も発生する。そこで、スラグ排出口１３の径ｒｓ を燃焼ガス排出口１５の径ｒｅ より小さくすると、燃料粒子は周方向速度の大きな領域、すなわち遠心力の大きな領域を通らなければスラグ冷却容器内へ進入できず、前記の問題を回避できる。
【００６４】
なお、スラグ排出口１３が円形でないときは、孔の中心からスラグ排出口１３の端まで最も長い所の距離をスラグ排出口１３の径ｒｓ として考えればよい。ただし、スラグの排出の観点から極端にスラグ排出口１３を小さくすることは好ましくない。
【００６５】
＜実施例６＞
燃焼溶融炉３において、燃焼ガス排出口１５の径ｒｅ を、より小さくした場合の実施例を図９の（Ａ）および（Ｂ）に示す。燃焼ガス排出口１５の径ｒｅ が大きい時と小さい時の周方向速度もあわせて示した。（Ｂ）から分かるように、燃焼ガス排出口の径を小さくすると角運動量の保存によって周方向速度の最大値は大きくなり、径が大きい時に比べ遠心力の強い領域が炉内に広がる。そのため、粒子を滞留する能力が向上し、燃焼率の向上につながる。燃焼ガス排出口１５の径ｒｅ は炉径ｒと同じ大きさまで広げることができるが、燃焼ガス排出口１５の径ｒｅ を大きくすると、旋回力が減少するため粒子が中心方向に移動しやすく、未燃分の流出量が増加する事が予想される。
【００６６】
ただし、燃焼ガス排出口１５の径ｒｅ を小さくすると炉内の圧力損失が大きくなるので、炉径ｒ：燃焼ガスの排出口の径ｒｅ＝２〜３：１ ぐらいが好ましい。＜実施例７＞
燃焼溶融炉３において、スラグ冷却容器１４内に粉体１９を浮遊させた実施例を図１０に示す。スラグ冷却容器内の水は、炉内からの輻射熱で蒸発し、炉内のガス温度を低下させる原因となる。そこで、スラグ冷却容器１４内に粉体１９を浮遊させて輻射の吸収体とすると、下部の水面に輻射束が届かないので、水の蒸発を抑制できる効果がある。粉体としては、燃焼ガス排出口から飛散した灰或いはスラグ排出口を加熱するためのバーナから発生する煤などを用いることができる。飛灰も煤も粒径は小さく数μｍ程度であり、スラグ冷却容器内で浮遊させることができる。
【００６７】
＜実施例８＞
燃焼溶融炉３における起動方法を図１１および図１２を用いて説明する。一次空気供給ノズルから投入された一次空気は、一次空気供給ノズルと同じ高さか或いは下側に設置された助燃剤供給ノズル２０から投入された助燃剤と混合される。ここで、助燃剤にはプロパン等の高発熱量の気体を用いると良い。助燃剤と空気とが混合したガスは、旋回しながら壁面付近を降下し、炉壁に取り付けた点火装置２１で点火される。点火したガスは燃焼によって高温となり、更に壁面に沿って降下を続ける。燃焼溶融炉内の旋回流は滞留時間が長く、強い乱流となるので、燃焼ガスの熱量を炉に効率的に伝える。このため、予熱時間を短くすることが可能となる。
【００６８】
スラグ排出口１３での温度が低下し、スラグ１２の固化の問題が生じる可能性がある時は、助燃剤を補助燃料とし、スラグ排出口１３の周辺の温度を調整する。
【００６９】
助燃剤供給ノズル２０は、図１３に示すように１次空気供給ノズル内に設置することも可能である。
【００７０】
なお、以上の実施例では、すべて燃焼室が竪型に設置されている場合について説明したが、燃焼室が水平方向を向いて設置されている横型の場合或は燃焼室が斜め方向に設置されている場合にも本発明は適用可能である。
【００７１】
【発明の効果】
本発明により、一つの燃焼室内に空気比が１未満の還元雰囲気よりなる一次燃焼域と空気比が１以上の酸化雰囲気よりなる二次燃焼域を形成することが可能になった。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の燃焼用溶融炉及び発電装置を組み込んだ廃棄物処理プラントの一実施例を示す概略図。
【図２】図１の燃焼溶融炉に設置された二次空気供給ノズルの平面断面図。
【図３】図１の燃焼溶融炉に設置された一次空気供給ノズルの平面断面図。
【図４】図１の燃焼溶融炉に設置された燃料粒子供給ノズルの平面断面図。
【図５】二次空気供給ノズルを燃料粒子供給ノズルとスラグ排出口の間に配置した燃焼溶融炉の側面断面図。
【図６】二次空気ノズルをスラグ冷却容器に配置した燃焼溶融炉の側面断面図。
【図７】脱塵装置にて回収した可燃性固体粒子を燃焼室に戻す手段を備えた燃焼溶融炉の側面断面図。
【図８】（Ａ）は、燃焼ガス排出口の径をスラグ排出口の径より小さくした場合の効果を説明するための燃焼溶融炉概略図であり、（Ｂ）は燃焼溶融炉の水平断面における周方向速度分布を示した図。
【図９】（Ａ）は、燃焼ガス排出口の径を更に絞った場合の効果を示す燃焼溶融炉概略図であり、（Ｂ）は燃焼溶融炉の水平断面における周方向速度分布を示した図。
【図１０】スラグ冷却容器内に粉体を浮遊させた燃焼溶融炉の側面断面図。
【図１１】助燃剤供給ノズルと点火装置を設置した燃焼溶融炉の側面断面図。
【図１２】一次空気供給ノズルと助燃剤供給ノズルと点火装置が設置された位置を示す平面断面図。
【図１３】助燃剤供給ノズルを一次空気供給ノズル内に設置した例を示す平面断面図。
【符号の説明】
１…破砕されたごみ、２…熱分解炉、３…燃焼溶融炉、４…スラグ回収装置、５…廃熱回収ボイラ、６…脱塵装置、７…煙突、８…一次空気供給ノズル、９…燃料粒子供給ノズル、１０…二次空気供給ノズル、１１…燃料粒子、１２…スラグ、１３…スラグ排出口、１４…スラグ冷却容器、１５…燃焼ガス排出口、１７…燃焼室、１８…回収粒子供給ノズル、１９…粉体、２０…助燃剤供給ノズル、２１…点火装置、９９…発電機、１００…蒸気タービン。
Claims (9)
- 一端に燃焼ガスの排出口を有し他端に溶融スラグの排出口を有する燃焼室と、該燃焼室へ可燃性固体物質よりなる燃料粒子を供給する燃料粒子供給ノズルと、該燃焼室へ燃焼用空気を供給する空気供給ノズルとを有する燃焼溶融炉において、
前記燃焼室内を前記スラグ排出口の方向へ向かって一次空気が流れるようにした一次空気ノズルと、前記燃焼室内を前記燃焼ガス排出口の方向へ向かう燃焼ガスの流れに対して二次空気が混合されるようにした二次空気ノズルを有し、前記一次空気ノズルにより供給される一次空気の流れに前記燃料粒子が同伴されるように前記燃料粒子供給ノズルを有し、前記一次空気ノズルにより供給される一次空気により前記スラグ排出口が空気比１未満の還元雰囲気になり、前記二次空気ノズルにより供給される二次空気により前記燃焼ガス排出口が空気比１以上の酸化雰囲気になるようにし、前記一次空気ノズルから前記スラグ排出口に至る間に前記燃料粒子供給ノズルを設けたことを特徴とする燃焼溶融炉。 - 請求項１において、前記燃焼室の内周面に沿って一次空気の旋回流が形成されるように前記一次空気ノズルを有することを特徴とする燃焼溶融炉。
- 請求項１において、前記燃焼室の内周面に沿って前記燃料粒子の旋回流が形成されるように前記燃料粒子供給ノズルを有することを特徴とする燃焼溶融炉。
- 請求項２において、前記燃焼室が断面円形であり、該燃焼室の内周面の接線方向に一次空気を噴出するように前記一次空気ノズルを有することを特徴とする燃焼溶融炉。
- 一端に燃焼ガスの排出口を有し他端に溶融スラグの排出口を有する燃焼室と、該燃焼室へ可燃性固体物質よりなる燃料粒子を供給する燃料粒子供給ノズルと、該燃焼室へ燃焼用空気を供給する空気供給ノズルとを有する燃焼溶融炉において、
前記燃焼室内を前記スラグ排出口の方向へ向かって一次空気が流れるようにした一次空気ノズルと、前記燃焼室内を前記燃焼ガス排出口の方向へ向かう燃焼ガスの流れに対して二次空気が混合されるようにした二次空気ノズルを有し、前記一次空気ノズルにより供給される一次空気の流れに前記燃料粒子が同伴されるように前記燃料粒子供給ノズルを有し、前記一次空気ノズルにより供給される一次空気により前記スラグ排出口が空気比１未満の還元雰囲気になり、前記二次空気ノズルにより供給される二次空気により前記燃焼ガス排出口が空気比１以上の酸化雰囲気になるようにし、前記燃焼室の上部に前記燃焼ガス排出口を有し、前記燃焼室の下部に前記スラグ排出口を有し、前記燃焼室の中心部を通り前記燃焼ガス排出口へ向かって上昇する燃焼ガスの流れに対して二次空気が噴出されるように前記二次空気ノズルを有し、前記二次空気ノズルが前記一次空気ノズルから前記燃焼ガス排出口に至る間に設けられていることを特徴とする燃焼溶融炉。 - 一端に燃焼ガスの排出口を有し他端に溶融スラグの排出口を有する燃焼室に可燃性固体物質よりなる燃料粒子と空気を供給し、該燃料粒子を燃焼して燃焼ガスを前記燃焼ガス排出口から排出し、該燃料粒子の燃焼によって生じた溶融スラグを前記スラグ排出口から排出するようにした燃焼溶融方法において、
前記燃焼室内を前記スラグ排出口の方向へ向かって一次空気が流れるように該一次空気を一次空気ノズルから供給し、前記一次空気の流れに同伴されるように前記燃料粒子を燃料粒子供給ノズルから供給し、前記一次空気ノズルから前記スラグ排出口に至る間に前記燃料粒子供給ノズルが設けられ、前記燃料粒子の燃焼ガスが前記燃焼ガス排出口に向かう流れに対して二次空気が混合されるように該二次空気を供給し、前記一次空気により前記スラグ排出口を空気比１未満の還元雰囲気にし、前記二次空気の混合により前記燃焼ガス排出口を空気比１以上の酸化雰囲気にしたことを特徴とする燃焼溶融方法。 - 請求項６において、前記燃焼室は上部に前記燃焼ガス排出口を有し、下部に前記溶融スラグ排出口を有するようにし、前記燃焼室の内周面に沿って前記一次空気の旋回流を形成し、該一次空気の旋回流が前記溶融スラグ排出口へ向かう流れに対して前記燃料粒子を供給し、前記一次空気によって燃焼された前記燃料粒子の燃焼ガスが前記燃焼ガス排出口に向かう流れに対して前記二次空気を供給するようにしたことを特徴とする燃焼溶融方法。
- 一端に燃焼ガスの排出口を有し他端に溶融スラグの排出口を有する燃焼室に可燃性固体物質よりなる燃料粒子と空気を供給し、該燃料粒子を燃焼して燃焼ガスを前記燃焼ガス排出口から排出し、該燃料粒子の燃焼によって生じた溶融スラグを前記スラグ排出口から排出するようにした燃焼溶融方法において、
前記燃焼室内を前記スラグ排出口の方向へ向かって一次空気が流れるように該一次空気を一次空気ノズルから供給し、前記一次空気の流れに同伴されるように前記燃料粒子を燃料粒子供給ノズルから供給し、前記燃焼室の上部に前記燃焼ガス排出口を有し、前記燃焼室の下部に前記スラグ排出口を有し、前記燃焼室の中心部を通り前記燃焼ガス排出口へ向かって上昇する燃焼ガスの流れに対して二次空気が噴出されるように前記二次空気ノズルを有し、前記二次空気ノズルが前記一次空気ノズルから前記燃焼ガス排出口に至る間に設けられ、前記燃料粒子の燃焼ガスが前記燃焼ガス排出口に向かう流れに対して二次空気が混合されるように該二次空気を供給し、前記一次空気により前記スラグ排出口を空気比１未満の還元雰囲気にし、前記二次空気の混合により前記燃焼ガス排出口を空気比１以上の酸化雰囲気にしたことを特徴とする燃焼溶融方法。 - 請求項１記載の燃焼溶融炉と、該燃焼溶融炉で発生した燃焼ガスの保有熱を回収して蒸気タービンを駆動して発電する発電装置とを具備した燃焼溶融炉廃熱利用発電システム。
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