JP3829643B2 - 排ガスの冷却方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、廃棄物の焼却炉等で発生する排ガスの流量が、炉内での荷崩れ（堆積された廃棄物が崩壊することをいう）等が原因で急激に増加した場合においても、ダイオキシン類の再合成を抑制し、排ガス冷却装置の露点腐食および濾過式除塵機のダスト目詰まり等を防止する排ガスの冷却方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
廃棄物の焼却炉またはガス化溶融炉を使用した場合に、８００℃以上の排ガスが発生し、この排ガスは散水冷却方式の排ガス冷却装置、例えば減温塔等で２００℃以下に急冷されることによりダイオキシン類の再合成が抑制される。
【０００３】
減温塔出口の排ガス温度が２００℃を超えると、排ガスの冷却過程においてダイオキシンの再合成を引き起こす原因となるばかりでなく、排ガス冷却装置以降の排ガス処理設備、例えば、濾過式除塵機の濾布の焼損等を引き起こす原因にもなる。
【０００４】
安定した操業時においては、ガス化溶融炉から発生する排ガス流量および温度の変動幅が小さく、排ガス冷却装置の冷却水についての流量調節弁の開度を排ガス冷却装置の出側温度を基に制御することにより、排ガス温度を２００℃以下に冷却することが可能である。
【０００５】
例えば、特開平１１-２４８１２４号公報には、９００℃程度の高温で、かつ硫黄酸化物や塩化水素あるいは重金属類等の有害物質を含有する廃棄物燃焼排ガスを２００℃以下でしかも露点腐食が起こらない温度範囲に急冷し、排ガス中の水分量と硫黄酸化物または、塩化水素等の濃度を演算し、排ガスを露点よりわずかに高い温度となるように、流量調節弁を用いて減温塔からの散水流量を制御する方法が開示されている。
【０００６】
このような安定した操業時においては、排ガス流量および温度の変動が小さく、その変動に対して散水流量が十分に追従でき、減温塔出側での排ガス温度を２００℃以下に維持できる。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、ガス化溶融炉内での荷崩れ等により、排ガス流量が瞬時に急増（爆発的な酸化反応や分解反応等によるガス流量の増加）した場合には、減温塔出側での排ガス温度も急激に高くなり、流量調節弁の開度を調整して制御することが困難となる。
【０００８】
このように、ガス化溶融炉内でガスが急激に発生し減温塔出側温度が上昇した場合には、ダイオキシンの再合成や、後工程にある濾過式除塵装置の濾布焼損等を防止するために、ガス化溶融炉の操業を即座に停止するという事態となる。ガス化溶融炉の操業を即座に停止するということは、炉内に溶融スラグを蓄積した状態でガス化溶融炉を冷却するため、溶融スラグが固化し、再昇温後のガス化溶融炉の操業を不安定にする原因となる。一方、ガス化溶融炉を再昇温するための準備作業にも多大な時間と労力を費やし、ガス化溶融炉の稼働率低下にもつながる。
【０００９】
図１〜３は、散水流量調整手段として流量調節弁のみを使用したときのガス化溶融炉内で発生する生成ガス流量比と、減温塔散水流量比と、減温塔出口温度との経過時間に対する関係をそれぞれ示すグラフである。
【００１０】
すなわち、図１は、経過時間と生成ガス流量比との関係を示すグラフであり、図２は、図１と同一経過時間における減温塔散水流量比との関係を示すグラフであり、図３は、図１と同一経過時間における減温塔出口温度との関係を示すグラフである。
【００１１】
なお、生成ガス流量比は、通常操業時における生成ガス流量（ｍ³（標準状態）／min）を１としたときの生成ガス流量を示し、減温塔散水流量比は、前記経過時間が０秒について、減温塔出口温度が目標温度１７０℃であるときの減温塔散水流量（ｍ³／min）を１としたときの減温塔散水流量をそれぞれ示す。
【００１２】
図１〜３に示すように、ガス化溶融炉から発生する排ガス流量が安定しているときには、流量調節弁の開度をＰＩ制御に従い調節することで減温塔出口温度を１８０℃以下に制御することができる。
【００１３】
しかしながら、図１に示すように、炉内で発生するガス流量が突然、急激に増加した場合には、図２に示すように、流量調節弁の開度調整では間に合わないため、必要な散水流量の確保が困難となり、図３に示すように、減温塔出口温度が２００℃超となり、この結果、後段のガス処理設備の焼損防止やダイオキシン再合成抑制の観点から、ガス化溶融炉の操業を停止する必要がある。
【００１４】
本発明の目的は、廃棄物を焼却処理する際に発生する排ガスの流量が、炉内での荷崩れ等が原因で急激に増加した場合においても、ダイオキシン類の再合成を抑制することができる、例えば２００℃以下に排ガスを冷却する方法を提供することにある。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、廃棄物を焼却処理する設備としてガス化溶融炉と、ガス化溶融炉で発生した排ガスを散水ノズル方式で急冷処理する排ガス冷却装置と、排ガス冷却装置で急冷処理された排ガス中のダストおよび有害ガスを除去する排ガス清浄装置とを備えた廃棄物処理量２０質量トン／日のパイロットプラントを使用して試験をした結果、以下の知見を得た。
【００１６】
（Ａ）排ガス冷却装置の出側排ガス温度の目標温度を、例えば１７０℃としてＰＩ制御されているプロセスにおいて、出側排ガス温度が上昇し、所定値（以下、異常検出温度ともいう）例えば１８０℃を超えたときには、ガス化溶融炉で荷崩れ等の異常が考えられる。この場合に、例えば出側排ガス温度を管理上限値（例えば２００℃）以下にするためには、散水ノズルの冷却水量をコントロールする流量調節弁の開度調節では追従が困難であるため、他の手段により大流量の水を散水ノズルに供給する必要がある。
【００１７】
（Ｂ）荷崩れ等が小規模のものであるとき、あるいは投入廃棄物の性状変化などの場合には、例え１８０℃を超えることがあっても、流量調節弁の追随速度で制御可能である。このような場合に、むやみに大流量の冷却水を散水ノズルに供給するのは、プロセスの安定操業を阻害することにもなる。
【００１８】
しかしながら、大規模な荷崩れ等では、排ガス温度も急上昇するが、温度センサーの検出遅れが大きく、出側排ガス温度計で１８０℃を超えたときにアクションを取っても、実際のプロセスではガス温度が２００℃を超えているおそれがある。従って、極力早期にプロセスの異常を検出する必要がある。
【００１９】
（Ｃ）発明者らは、大規模荷崩れ等が発生した場合に、排ガス量が急増することに着目し、排ガス流量の急増またはガス圧力（流量またはガス圧力は、ガス化溶融炉内またはガス化溶融炉と次工程の排ガス冷却設備との間の煙道で検出するのが望ましい）が急増することを検出すれば、温度センサーよりも早く確実に異常状態を検出できることに想到した。
【００２０】
（Ｄ）排ガス流量またはガス圧力の急増のみで異常と検出するのでは低温時（例えばスタートアップ時）にも過度に検出するおそれがあるため、温度条件と組み合わせればよい。すなわち、排ガス温度の管理上限値（上記例では２００℃）よりやや低い温度で、かつ目標温度（上記例では１７０℃）より高い温度を異常検出温度（上記例では１８０℃）として、この異常検出温度を超えた条件と組み合わせれば、確実に異常を検出することができる。
【００２１】
本発明は、以上の知見に基づいてなされたもので、その要旨は、下記のとおりである。
廃棄物を焼却処理またはガス化溶融した際に発生する排ガスを散水ノズル方式の排ガス冷却装置で冷却する方法において、前記排ガス冷却装置の出側排ガス温度が所定値を超え、かつ前記排ガス冷却装置の入側排ガス流量、入側排ガス流量の変化速度、入側ガス圧力もしくは入側ガス圧力変化速度が所定値を超えた場合に、前記排ガス冷却装置の散水ノズルに供給する冷却水量を増加させる処置を行い、前記出側排ガス温度が所定値以下になったとき、冷却水を減少させる処置を行うことを特徴とする排ガスの冷却方法。
【００２２】
【発明の実施の形態】
図４は、本発明の方法例を示すブロック図である。
同図に示すように、廃棄物はガス化溶融炉１でガス化溶融処理され、発生した排ガスの温度は約８００℃〜１４００℃である。この排ガスは、排ガス冷却装置である、例えば減温塔２の中心に位置する散水ノズル３から冷却水４が噴霧されることにより冷却される。
【００２３】
給水調整弁１１は、最大流量を大まかに開度設定するための手動弁である。
減温塔２の出側の排ガス温度制御は通常のＰＩ調節計Ａによって行われる。すなわち、このＰＩ調節計Ａによって、目標温度（例えば１７０℃）の設定に対する温度計５の温度測定値の偏差に対応した弁開度指令を演算し、流量調節弁７に与えられる。この場合に、散水ノズル３の流量を増加させるには、流量調節弁７の開度を閉方向に調節する。
【００２４】
ガス化溶融炉１での荷崩れ等が原因で排ガス流量が増加した場合には、温度計５の測定値が急激に増大する。一方、温度計の検出遅れおよびＰＩ調節計ＡのＩ（積分）動作によって流量調節弁７の開度は急速には動作せず遅れが発生する。すなわち、温度計５が異常検出温度（例えば１８０℃超）に至ったときには排ガス温度はそれ以上の温度になっているおそれがあり、しかも流量調節弁７の動作の遅れにより出側排ガス温度はさらに上昇して管理上限温度（例えば２００℃）を超えるおそれがある。
【００２５】
本発明においては、ガス化溶融炉１の排ガスの流量変動または圧力変動を検出し所定値を超えたときに異常と判定する。但し、排ガス温度が所定値以下（すなわち、異常検出温度以下）では問題とならないため、排ガス温度が例えば１８０℃という異常検出温度を超え、かつ排ガスの流量変動または圧力変動とを組み合わせて荷崩れ等の異常の判定を行う。
【００２６】
圧力変動は、例えば煙道内の圧力を圧力計Ｂ１で検出し、圧力変化速度演算器Ｂ２で圧力変化速度を演算し、しきい値処理器Ｂ３で所定値を超えた圧力変化速度であることを検出する。
【００２７】
一方、温度計５の指示値が異常検出温度を超えたとき、異常検出温度判定器Ｃ２と先の圧力変化検出信号との論理積を開指令演算器Ｃ１で演算し開指令信号とする。すなわち、出側排ガス温度が異常検出温度を超えていて、しかも圧力が急増したときに、散水ノズル流量を最大とする制御である。また、出側排ガス温度が異常検出温度以下のときに、反転器Ｃ３にて閉指令信号とする。すなわち、圧力の上昇または下降に関係なく、出側排ガス温度が異常検出温度以下に下がったときに閉指令となる。Ｃ４は、開閉指令演算器であって、前記開指令または閉指令信号をホールドし、開閉弁９に指令を与える。但し、開閉指令は、散水ノズルの開閉指令を意味しており、Ｃ４からの開指令（異常の検出）によって、開閉弁９は閉となる。このような構成にすることによって、温度計５が異常検出温度（１８０℃超）を検出し、しかも圧力変化速度が所定値を超えているときには、冷却水の全量を散水ノズルに供給する。一方、温度計５の指示値が異常検出温度以下に低下したときには、開閉弁９は開となり、冷却水ピット６へのリターン量が増加して、散水ノズルへの流量は、流量調節弁７による制御に戻る。
【００２８】
開閉弁９が閉となったとき（異常状態）のノズルへの最大供給量は、給水調整弁１１の開度（手動設定）によって決まり、開閉弁９が開かつ流量調節弁７が全開となったとき（排ガス温度が目標値より低い）の散水ノズルへの最小供給量は戻水調整弁１０の開度（手動設定）によって決まる。従って、操業開始時等において、排ガス温度が下限値（例えば１３０℃）以下あるいは目標温度に対して−１０℃以下の場合には、給水ポンプＰを停止する等の別の制御シーケンスにより措置をとるのが望ましい。
【００２９】
荷崩れ等の異常時には、煙道内圧力自体が高くなるため、前述の通り圧力変化速度が所定値を超えることを検出する。この圧力変化速度の代わりに圧力のしきい値処理（圧力スイッチ等）によって異常を検出する方法もある。但し、後段のバグフィルター等の集塵機が目詰まり気味で操業を続行している場合には煙道内圧力が高いまま操業することになり、過度に異常を検出することになるので、問題となる場合もある。集塵機が他のタイプであって、詰まり等の問題が殆ど発生しない場合（正常運転時に煙道内圧力がそれほど上昇しないプロセス）には、圧力のしきい値処理でもよい。
【００３０】
また、荷崩れ等の異常時には、排ガス流量が急増することから、圧力変化速度または圧力のしきい値の代わりに、排ガス流量の変化速度を検出してもよい。あるいは、排ガス流量自体のしきい値を検出するようにしてもよい。
【００３１】
図４に示すｂ１は流量計を、ｂ２は流量変化速度演算器を、ｂ３は流量しきい値処理器をそれぞれ示す。
但し、流量の検出は、圧力の検出に比べて、測定装置が複雑高価であり、しかもオリフィスまたはベンチュリー管等の絞りを管路に設置することは、圧力損失が増大したり、ダスト堆積の問題があってメンテナンス費用等が嵩み、圧力検出方式に比べて不利である。
【００３２】
図５は、本発明の別の方法例を示すブロック図である。
なお、前記図４と同一要素は、同一符号で示す。
また、前記図４で表した温度異常検出と圧力変化速度との組み合わせによる異常検出方法は同じであり、図５は給水系統が図４と異なっている。
【００３３】
同図に示すように、流量調節弁７と開閉弁９とが並列配置されており、通常は開閉弁が閉となっており、流量調節弁７の開度調節によって排ガス温度を制御する。図５の系統図では、図１に対して流量調節弁７の動作が逆である。すなわち、減温塔出側排ガス温度が高い場合には、流量調節弁７は開方向となって、ノズルの散水量が増加する。
【００３４】
荷崩れ等の異常時には、開閉指令演算器Ｃ４から開指令が出され、開閉弁９は開となる。その結果、流量調節弁７の開度にかかわらず、給水ポンプＰの吐出水量の全量がノズルから散水される。この場合の散水量は、給水調整弁１１の開度（手動調整）によって決まる。
【００３５】
図５の系統においては、操業開始時のように排ガス温度が目標温度（例えば１７０℃）より極端に低い場合に、給水ポンプＰを運転してもノズルから散水されることはなく、給水ポンプＰの運転・停止を別系統で制御する必要がない。
【００３６】
また、図５の給水系統は熱負荷が小さいときに流量調節弁７の開度を小さくする必要があるため、開度領域として線形性の低い領域（弁の開度と流量との関係が直線近似できない領域）では、水量が一般的に不安定となる。一方、図４の給水系統は熱負荷が小さいときに流量調節弁７の開度を逆に大きく必要があるため、開度領域として線形性の高い領域（弁の開度と流量との関係が直線近似できる領域）では、水量が一般的に安定となる。従って、このような流量調節弁７の特性を考慮して給水系統を選択することが望ましい。
【００３７】
図６〜８は、流量調節弁の前段に開閉弁を設置（前記図４参照）したときのガス化溶融炉内で発生する生成ガス流量比と、減温塔散水流量比と、減温塔出口温度との経過時間に対する関係をそれぞれ示すグラフである。
【００３８】
すなわち、図６は、経過時間と生成ガス流量比との関係を示すグラフであり、図７は、図６と同一経過時間における減温塔散水流量比との関係を示すグラフであり、図８は、図６と同一経過時間における減温塔出口温度との関係を示すグラフである。
【００３９】
図６に示すように、生成ガス流量比が増加し、減温塔出口温度が高くなる傾向にあっても、図７に示すように、流量調節弁の前段にある開閉弁を閉とすることにより、瞬時に冷却水流量を大きくすることが可能となり、図８に示すように、減温塔出口温度を管理上限値の２００℃以下に制御することができる。
【００４０】
ここで、ガス化溶融炉１で発生するガス流量の上昇傾向は、煙道１３内における圧力変化速度で予測することも可能である。
ところで、圧力変化速度が高くなるのは、炉内での荷崩れ等により排ガス流量が瞬時に急増する場合だけでなく、例えば、後段の除塵設備内でのダスト目詰まり等が原因となっても起こる。ただし、この場合には、減温塔出側温度が管理上限値を超える事態とならないため、流量調節弁の使用のみで減温塔出側温度を制御することが可能である。また、焼却炉内に原料が投入された直後もガス発生により圧力変化速度が高くなることがあるが、この場合にも減温塔出側温度が管理上限値を超える事態とならないため、流量調節弁の使用のみで減温塔出側温度を制御することが可能である。
【００４１】
【発明の効果】
本発明により、廃棄物を焼却処理する際に発生する排ガスの流量が、炉内での荷崩れ等が原因で急激に増加した場合においても、ダイオキシン類の再合成を抑制することができる、例えば２００℃以下に排ガスを冷却することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】散水流量調整手段として流量調節弁のみを使用したときの経過時間と生成ガス流量比との関係を示すグラフである。
【図２】散水流量調整手段として流量調節弁のみを使用したときの経過時間と減温塔散水流量比との関係を示すグラフである。
【図３】散水流量調整手段として流量調節弁のみを使用したときの経過時間と減温塔出口温度との関係を示すグラフである。
【図４】本発明の方法例を示すブロック図である。
【図５】本発明の別の方法例を示すブロック図である。
【図６】流量調節弁の前段に開閉弁を設置したときの経過時間と生成ガス流量比との関係を示すグラフである。
【図７】流量調節弁の前段に開閉弁を設置したときの経過時間と減温塔散水流量比との関係を示すグラフである。
【図８】流量調節弁の前段に開閉弁を設置したときの経過時間と減温塔出口温度との関係を示すグラフである。
【符号の説明】
１：ガス化溶融炉、
２：減温塔、
３：散水ノズル、
４：冷却水、
５：温度計、
６：冷却水ピット、
７：流量調節弁、
８：バグフィルター、
９：開閉弁、
１０：戻水流量調整弁、
１１：給水流量調整弁、
１２：熱回収設備、
１３：煙道、
Ａ：ＰＩ調節計、
Ｂ１：圧力計、
Ｂ２：圧力変化速度演算器、
Ｂ３：しきい値処理器、
ｂ１：流量計、
ｂ２：流量変化速度演算器、
ｂ３：流量しきい値処理器、
Ｃ１：開指令演算器、
Ｃ２：異常検出温度判定器、
Ｃ３：反転器、
Ｃ４：開閉指令演算器、
Ｐ：給水ポンプ。

Claims (1)

1. 廃棄物を焼却処理またはガス化溶融した際に発生する排ガスを散水ノズル方式の排ガス冷却装置で冷却する方法において、前記排ガス冷却装置の出側排ガス温度が所定値を超え、かつ前記排ガス冷却装置の入側排ガス流量、入側排ガス流量の変化速度、入側ガス圧力もしくは入側ガス圧力変化速度が所定値を超えた場合に、前記排ガス冷却装置の散水ノズルに供給する冷却水量を増加させる処置を行い、前記出側排ガス温度が所定値以下になったとき、冷却水を減少させる処置を行うことを特徴とする排ガスの冷却方法。

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