JP3611307B2

JP3611307B2 - 溶融炉の排ガス冷却装置

Info

Publication number: JP3611307B2
Application number: JP2001084439A
Authority: JP
Inventors: 匡之馬渡; 鉄雄佐藤; 和彦冨脇
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 2001-03-23
Filing date: 2001-03-23
Publication date: 2005-01-19
Anticipated expiration: 2021-03-23
Also published as: JP2002276924A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、下水汚泥、都市ごみ及び産業廃棄物等の焼却灰を溶融する灰溶融炉等で発生した排ガスを連結ダクト中で冷却する溶融炉の排ガス冷却装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、下水汚泥、都市ごみ及び産業廃棄物等の焼却灰は、その資源化、減容化及び無害化を図るために、例えば、図３に示すようなプラズマアーク式灰溶融炉５１によって溶融され、炉本体５２の出滓口５３から出滓樋５４を通って排出され、スラグ５５として取り出されている。
また通常、灰溶融炉５１の炉本体５２内で発生した排ガス５６は、図３に示すように、排ガスダクト５７より二次燃焼室５８を経て、連結ダクト５９より下流側のガス冷却塔６０、除じん装置のバグフィルタ６１、洗煙塔６２及び煙突６３などからなる排ガス処理設備に導かれるようになっている。
【０００３】
ところで、灰溶融炉５１の下流側に設置される二次燃焼室５８、ガス冷却塔６０及びバグフィルタ６１などは、炉本体５２から排出されるダスト（主として溶融塩類）を多量に含む排ガス５６中の未燃分（ＣＯガス、水素ガス）の燃焼及びダイオキシン（ＤＸＮ）の分解を目的として設けられている。
また、二次燃焼室５８からガス冷却塔６０までの連結ダクト５９の寸法が長い場合、連結ダクト５９の途中でダイオキシンが再合成（温度２５０〜４００℃）することがある。そこで、従来は、ダイオキシンの再合成を回避するため、二次燃焼室５８の出口付近に常温の冷却空気６４を吹き込み、該冷却空気６４によって連結ダクト５９を流れる排ガス５６が上記した温度領域以下となるように冷却している。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述した従来の排ガス冷却方法は、単に二次燃焼室５８の出口付近に冷却空気６４を吹き込んでいるに過ぎないので、冷却空気６４の吹き込み方によって、排ガス５６の冷却を十分にかつ急速に行えず、連結ダクト５９の壁面に溶融塩類が付着して連結ダクト５９が閉塞したり、あるいはダイオキシンが再合成するおそれがあった。また、従来の排ガス冷却方法では、冷却空気６４が上流側へ逆流することによって、二次燃焼室５８の上部が冷却され、低温領域が拡大するおそれもあるので、ダイオキシンを分解するのに十分な滞留時間（温度８００〜１０００℃の雰囲気で、２〜４秒程度）を確保できなくなるという問題が生じた。
【０００５】
本発明はこのような実状に鑑みてなされたものであり、その目的は、溶融炉で発生した排ガスを小さな空間で急冷することにより、ダイオキシンの排出を抑制し、かつ溶融塩類のダクト壁面への付着堆積を防ぎ、ダクトの閉塞を確実に防止することが可能な溶融炉の排ガス冷却装置を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記従来技術の有する課題を解決するために、本発明は、溶融炉で発生した排ガスが導かれる二次燃焼室と下流側のガス冷却塔との間を連結する連結ダクトに設けられる溶融炉の排ガス冷却装置において、前記連結ダクトの上流側に冷却空気を排ガスの主流に対して直交方向へ吹き込む直交ノズル段を設けると共に、前記連結ダクトの下流側に冷却空気を接線方向へ吹き込む少なくとも１つの接線ノズル段を設けている。
【０００７】
また、本発明において、前記直交ノズル段と前記接線ノズル段の組が、前記連結ダクトに少なくとも１つ以上配設されている。
そして、本発明において、前記連結ダクトの径が、前記二次燃焼室の径と同一に形成されている。
【０００８】
さらに、本発明において、前記排ガス流の流速と前記直交ノズルの空気流の流速との比が１対１５〜２５であり、前記排ガス流の流速と前記接線ノズルの空気流の流速との比が１対５〜４０である。
また、本発明において、前記直交ノズル段の空気流量と前記接線ノズル段の空気流量との比が１〜５対１である。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を図示の実施の形態に基づいて詳細に説明する。ここで、図１は本発明の実施形態に係る溶融炉の排ガス冷却装置を示す概略図、図２は図１の排ガス冷却装置の直交ノズル段と接線ノズル段を示す概略図である。
本発明の実施形態の排ガス冷却装置は、図１に示す如く、プラズマアーク式灰溶融炉１において発生した排ガス２が排ガスダクト３を介して導かれる二次燃焼室４と下流側のガス冷却塔５との間を連結する比較的寸法の長い連結ダクト６に設けられている。このうち、二次燃焼室４は、導かれた排ガス２を再度燃焼するために設けられ、ガス冷却塔５は、排ガス２を断熱冷却温度まで下げると共に、排ガス２中の煤じん等を除去するために設けられている。
なお、灰溶融炉１を使用して炉本体７内で焼却灰を溶融する場合には、ごみ焼却炉から排出された焼却灰を乾式灰出装置よりスクリーン、灰コンベヤ、計量器及び灰供給コンベヤ等の前処理系を経て、灰供給ホッパ８から炉本体７内に投入し、投入された焼却灰をプラズマ電極９の高温プラズマで溶融する。この灰溶融炉１で生成された溶融スラグ１０は、出滓口１１から出滓樋１２を通って排出され、排出コンベヤ１３などを介してスラグ排出系に導かれ、種々の利用に供されている。
【００１０】
上記連結ダクト６は、図１及び図２に示す如く、途中で折曲げられた円筒状体を用い、中間部６ａを頂点とするほぼ山形の形状に形成されており、二次燃焼室４から中間部６ａへ向かって上り傾斜に配置されていると共に、中間部６ａからガス冷却塔５へ向かって下り傾斜に配置されている。また、この連結ダクト６の直径Ｄは、二次燃焼室４の直径Ｄと同一に形成されており、これによって排ガス２の流路に段差を無くし、排ガス２を円滑に流通させて溶融塩類の付着堆積による連結ダクト６の閉塞を防止している。
そして、連結ダクト６の中間部６ａ付近の下側壁面には、本実施形態の排ガス冷却装置により急冷されて落下する排ガス２中の溶融塩類１４を回収するホッパ１５が設けられている。このホッパ１５の上部開口面積は、傾斜面に沿って落ちてくる溶融塩類１４を確実に受け取れるように大きく形成されており、その下方には、図示しない搬出コンベヤ等が設置され、回収した溶融塩類１４を系外に搬出するようになっている。
【００１１】
一方、上記連結ダクト６の上流側（図中破線で示す二次燃焼室４の出口付近側）には、図２に示す如く、常温ないし約５０℃の冷却空気１６を排ガス２の主流に対して直交方向へ吹き込む複数本（本実施形態では５本）の直交ノズル１７ａから成る直交ノズル段１７が配設されており、これら直交ノズル１７ａは、吹込口がダクト中心に向けられた状態で、連結ダクト６の同一円周方向へ沿って一定の間隔を置いて設けられている。すなわち、直交ノズル段１７では、吹き込んだ冷却空気１６が連結ダクト６の中心付近で衝突して衝突噴流を形成し、衝突噴流により排ガス２との混合を促進するように設定されている。
また、連結ダクト６の下流側（ガス冷却塔５側）であって、直交ノズル段１７から下流側へやや離れた傾斜位置には、冷却空気１６を排ガス２の主流に対して接線方向へ吹き込む複数本（本実施形態では４本）の接線ノズル１８ａから成る接線ノズル段１８が配設されており、これら接線ノズル１８ａは、吹込口がダクト内壁面に向けられた状態で、連結ダクト６の同一周方向へ沿って一定の間隔を置いて設けられている。すなわち、接線ノズル段１８では、吹き込んだ冷却空気１６が連結ダクト６の内部で旋回流となり、連結ダクト６の内壁面を洗うと共に、壁表面温度を低下させるように設定されている。
【００１２】
したがって、二次燃焼室４の出口付近下流側の連結ダクト６には、冷却空気１６を直交方向と接線方向へ二段にわたって吹き込む１組のノズル段１７，１８によって構成される排ガス冷却装置が設けられていることになる。これら直交ノズル段１７及び接線ノズル段１８により吹き込まれる冷却空気１６は、ダイオキシンの再合成防止と溶融塩類１４による連結ダクト６の閉塞防止の観点から、排ガス２の温度が約２５０℃程度以下まで冷却可能な量が供給されるように設定されている。その理由として、ダイオキシンの再合成は３００℃付近が最も顕著であると言われており、更に溶融塩類１４の融点が３００〜８００℃付近にあるので、このような温度領域を避けたものである。
【００１３】
一方、排ガス２の主流の流速と、直交ノズル段１７を構成する直交ノズル１７ａの空気流の流速との比は、１対１５〜２５の範囲に設定するのが好ましい。この範囲以外の流速比では、直交ノズル１７ａから吹き込んだ冷却空気１６による衝突噴流が形成されなかったり、逆に衝突噴流圧が高くなり過ぎて排ガス２が二次燃焼室４側に押し戻されることになるからである。
そして、排ガス２の主流の流速と、接線ノズル段１８を構成する接線ノズル１８ａの空気流の流速との比は、１対５〜４０の範囲に設定するのが好ましい。この範囲以外の流速比では、接線ノズル１８ａから吹き込んだ冷却空気１６による旋回流で連結ダクト６の中心付近の静圧が低下して流速が増大し、排ガス２の主流方向に循環流が形成されることにより壁面付近の上流側への低温領域が拡大してしまい、ダイオキシンの分解に悪影響を及ぼすからである。
【００１４】
また、直交ノズル段１７の空気流量と、接線ノズル段１８の空気流量との比は、１〜５対１の範囲に設定するのが好ましい。このため、直交ノズル段１７を構成する直交ノズル１７ａの直径ｄは、連結ダクト６の直径Ｄの１／１０程度とするのが好ましい。この範囲以外の流量比では、連結ダクト６の中心付近における排ガス２と冷却空気１６との混合が促進されず、かつ壁面付近の冷却が十分に行われなかったりするからである。なお、直交ノズル段１７では、二次燃焼室４からの排ガス２の全圧と、直交ノズル１７ａからの冷却空気１６が上流方向へ押し戻そうとする全圧との差が所定の値（例えば、０．９〜０．９５）となるような流量とし、接線ノズル段１８では、接線ノズル１８ａからの冷却空気１６による角運動量流量と、排ガス２による並進運動量流量との比、すなわちスワール数が所定の値（例えば、３．１４）となるような流量とすることが可能である。
【００１５】
ここで、排ガス主流とノズル空気流との流速比、直交ノズル段１７と接線ノズル段１８との流量比についての解析結果を示す。解析は次の条件で実施したものである。すなわち、連結ダクト６のダクト径は内径で１０００ｍｍ、直交ノズル１７ａは１００Ａ配管（内径１０５．３ｍｍ）のノズル径を５本使用、接線ノズル１８ａは６５Ａ配管（内径６７．９ｍｍ）のノズル径を４本使用している。
ただし、ここでの流速比は主流速（ダクト入口流量／ダクト断面積）を基準（基準値＝１）とした場合の、各ノズルでの断面平均流速を採用している。
【００１６】
【表１】

本解析では、実施例２の結果が最も良好であり、実施例１及び実施例３はどちらも実施例２に比較して、連結ダクト６の上流側へ温度の低い領域が拡大し、より小さな空間での排ガス２の急速冷却を達成することができなかった。
【００１７】
このような排ガス冷却装置を備えた灰溶融炉１の排ガス処理系では、まず、焼却灰を灰供給ホッパ８から灰溶融炉１の炉本体７内に投入し、高温プラズマで加熱して溶融するに伴い、排ガス２が炉本体７内で発生する。この発生した排ガス２が、出滓口１１から排ガスダクト３及び二次燃焼室４を通って傾斜配置の連結ダクト６に導かれると、当該排ガス２の主流に対して、直交ノズル段１７の各直交ノズル１７ａから冷却空気１６を直交方向へ吹き込んで衝突噴流を形成し、排ガス２と冷却空気１６との混合を行う。そして、直交ノズル段１７の冷却空気１６によって冷却された排ガス２が下流側に導かれると、当該排ガス２の主流に対して、接線ノズル段１８の各接線ノズル１８ａから冷却空気１６を接線方向へ吹き込んで旋回流を形成し、ダクト壁面付近の溶融塩類１４を吹き飛ばしながら、壁面温度を低下させると共に、排ガス２と冷却空気１６との更なる混合を行う。また、連結ダクト６の中心付近の静圧低下により、直交ノズル段１７にて形成される衝突噴流が上流側へ逆流するのを抑制できる。
【００１８】
次いで、本実施形態の排ガス冷却装置により急冷された排ガス２が下流側のガス冷却塔５へ向かって流れると、その中の溶融塩類１４が連結ダクト６の下側内壁面に付着堆積しようとする。ところが、連結ダクト６は傾斜しているため、溶融塩類１４は傾斜面に沿って流れ、途中のホッパ１５に導かれながら落ちて回収されることになる。その後、排ガス２は、溶融塩類１４が除去された状態でガス冷却塔５、バグフィルタ１９、洗煙塔２０及び煙突２１などの排ガス処理設備に導かれ、大気中に排出される（図１参照）。
【００１９】
本発明の実施形態に係る排ガス冷却装置では、二次燃焼室４と下流側のガス冷却塔５との間を連結する連結ダクト６が比較的長い場合に、二次燃焼室４の出口付近で連結ダクト６の上流側から下流側にわたって、冷却空気１６を直交方向へ吹き込む直交ノズル段１７と、冷却空気１６を接線方向へ吹き込む接線ノズル段１８との組が１つ設けられ、二段のノズル配置となっているため、連結ダクト６の中心付近での排ガス２と冷却空気１６との混合を促進させ、ダクト壁面付近の冷却効果を最大限に発揮させることができる。
したがって、本実施形態の排ガス冷却装置によれば、小さな空間で排ガス２の急冷却を達成することが可能となり、ダイオキシンの分解を十分に行い、その後のダイオキシンの再合成がなく、ダイオキシンの排出を抑制できると共に、ダクト壁面への溶融塩類１４の付着を少なくして連結ダクト６の閉塞を確実に防止することができる。しかも、二次燃焼室４と連結ダクト６とが同一径に形成され、排ガス２の流路に段差が無いため、連結ダクト６の内部を流れる排ガス２中の溶融塩類１４がダクト壁面に付着堆積するのを妨げ、連結ダクト６の閉塞を一層効果的に防ぐことができる。
【００２０】
以上、本発明の実施形態につき述べたが、本発明は既述の実施形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想に基づいて各種の変形及び変更が可能である。
【００２１】
例えば、既述の実施形態では、直交ノズル段１７と接線ノズル段１８の組を１つ設けたが、連結ダクト６の長さなどに応じて２組以上設けても良い。また、既述の実施形態では、直交ノズル段１７の下流に１つの接線ノズル段１８を設けたが、適用設備によっては２以上の接線ノズル段１８を設けることは可能である。さらに、直交ノズル段１７及び接線ノズル段１８を構成するノズル数は、既述した流速比や流量比に合わせて適宜選択することができる。
【００２２】
【発明の効果】
上述の如く、本発明に係る溶融炉の排ガス冷却装置は、溶融炉で発生した排ガスが導かれる二次燃焼室と下流側のガス冷却塔との間を連結する連結ダクトに設けられるものであって、前記連結ダクトの上流側に冷却空気を排ガスの主流に対して直交方向へ吹き込む直交ノズル段を設けると共に、前記連結ダクトの下流側に冷却空気を接線方向へ吹き込む少なくとも１つの接線ノズル段を設けているので、溶融炉で発生した排ガスを小さな空間で急冷することができ、その結果、排ガス中に含まれるダイオキシンの排出を抑制できると共に、溶融塩類のダクト壁面への付着を防止でき、連結ダクトの閉塞を無くし、生産性の向上を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態に係る溶融炉の排ガス冷却装置を示す概略図である。
【図２】図１の排ガス冷却装置を構成するもので、連結ダクトに設けられる直交ノズル段と接線ノズル段との配置関係を示す概略図である。
【図３】従来の溶融炉が適用される設備を示す概略図である。
【符号の説明】
１灰溶融炉
２排ガス
３排ガスダクト
４二次燃焼室
５ガス冷却塔
６連結ダクト
７炉本体
１１出滓口
１４溶融塩類
１５ホッパ
１６冷却空気
１７直交ノズル段
１７ａ直交ノズル
１８接線ノズル段
１８ａ接線ノズル

Claims

溶融炉で発生した排ガスが導かれる二次燃焼室と下流側のガス冷却塔との間を連結する連結ダクトに設けられる溶融炉の排ガス冷却装置において、前記連結ダクトの上流側に冷却空気を排ガスの主流に対して直交方向へ吹き込む直交ノズル段を設けると共に、前記連結ダクトの下流側に冷却空気を接線方向へ吹き込む少なくとも１つの接線ノズル段を設けたことを特徴とする溶融炉の排ガス冷却装置。
前記直交ノズル段と前記接線ノズル段の組が、前記連結ダクトに少なくとも１つ以上配設されていることを特徴とする請求項１に記載の溶融炉の排ガス冷却装置。
前記連結ダクトの径が、前記二次燃焼室の径と同一に形成されていることを特徴とする請求項１に記載の溶融炉の排ガス冷却装置。
前記排ガス流の流速と前記直交ノズルの空気流の流速との比が１対１５〜２５であり、前記排ガス流の流速と前記接線ノズルの空気流の流速との比が１対５〜４０であることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の溶融炉の排ガス冷却装置。
前記直交ノズル段の空気流量と前記接線ノズル段の空気流量との比が１〜５対１であることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の溶融炉の排ガス冷却装置。