JP3852040B2 - 廃棄物ガス化焼却炉の燃焼方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、廃棄物の熱分解を行う抑制燃焼ロータリキルンと、ロータリキルンから排出された固形廃棄物を燃焼させる後燃焼ストーカ炉を備えた廃棄物ガス化焼却炉の燃焼方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ストーカ炉を用い、炉内に水噴霧を行う廃棄物の焼却炉としては、例えば、特開昭６０−１６２１１６号公報記載のごみ焼却炉や、実用新案登録第２５５４７７６号公報記載の水噴霧ノズルを備えたごみ焼却炉が提案されている。
前記特開昭６０−１６２１１６号公報記載のごみ焼却炉は、水噴射を燃焼炎に向けて行い局部的な温度低下による不安定燃焼を解消し、更に、排ガス中酸素濃度を適正範囲にするよう燃焼空気を噴射し、燃焼炎と水のジェット噴流と燃焼空気間で十分な混合ガスを発生させ、これによって、低酸素濃度で、排ガス中に未燃分を出さずにＮＯ_x を低減することを目的とするものである。
一方、前記実用新案登録第２５５４７７６号記載の水噴霧ノズルを備えたごみ焼却炉は、噴口が扇形噴霧を形成するように、スリット状に開口した高圧気流水噴霧ノズルを燃焼室に配置したごみ焼却炉からなっている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前記特開昭６０−１６２１１６号公報記載のごみ焼却炉においては、燃焼炎に向けて常時安定して水噴射することが困難であり、未燃分が排出されることがあるという問題がある。
また、前記実用新案登録第２５５４７７６号記載の水噴霧ノズルを備えたごみ焼却炉においては、水噴射ノズルを改善し、燃焼炉内の適正部位へ均一に水噴霧すべく、特殊な水噴霧ノズルを提供しているが、可燃分を完全燃焼させる空間（燃焼室）へ水噴霧するため、煤等の未燃分を水性ガス反応で改質（Ｃ＋Ｈ₂ Ｏ→ＣＯ＋Ｈ₂ ）できる反面、燃焼室の本来の機能である酸化燃焼を損なわないようにするには、水噴霧位置や水噴霧ノズル形式に制約が生じ、仮に特定の燃焼対象物によって決定されたとしても、汎用の水噴霧ノズルでは困難となる。
【０００４】
一方、本出願人は先に特開平９−２８０５２４号公報に示すように、抑制燃焼を行うロータリキルンと、これに後続するストーカ炉を組み合わせたロータリキルン抑制燃焼方法を提案しており、ロータリキルン内で熱分解された未燃炭素分（例えば、煤）は、そのまま、ストーカ炉の上部空間で可燃ガスと共に燃焼するようになっている。ところが、煤等の固形炭素が燃焼するには時間がかかり、結果として排ガス中に未燃成分が混入し易いという問題がある。
本発明はかかる事情に鑑みてなされたもので、抑制燃焼を行うロータリキルンから排出される未燃炭素分の燃焼を極力を押さえ、後段の燃焼室で燃焼を行う過程において、生成する燃焼排ガス中の未燃成分の発生を減少した廃棄物ガス化焼却炉の燃焼方法を提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
前記目的に沿う請求項１記載の廃棄物ガス化焼却炉の燃焼方法は、不足する空気で、投入された廃棄物の抑制燃焼を行うロータリキルンと、該ロータリキルンから排出される固形廃棄物を燃焼させる後燃焼ストーカ炉とを組み合わせた廃棄物ガス化焼却炉の燃焼方法であって、
前記後燃焼ストーカ炉の上部空間には、前記ロータリキルンから発生する自燃性を有する可燃ガスを燃焼させる燃焼室を、前記ロータリキルンの出口空間と一体共通化して形成し、
前記ロータリキルン内を８００〜１２００℃に維持した状態で、該ロータリキルン内に噴霧水及び／又は水蒸気を供給して、該ロータリキルン内にて水性ガス反応を行い、
しかも、前記ロータリキルン内を８００〜１２００℃に維持することは、１）２流体噴霧ノズルからの噴射空気による燃焼熱、２）噴霧水中への油分の添加、３）抑制燃焼空気の増量による燃焼熱増のいずれか一つ又はこれらを組合せることによって行われ、
更に、前記燃焼室の内部側面の少なくとも１箇所以上から２次燃焼用空気を室内に吹き込んで該燃焼室内の温度を８００〜１２００℃の範囲に制御し、
更に、前記燃焼室の上部にガス冷却室を設け、該ガス冷却室内に噴霧水を供給して排ガス温度を下げる。
ここで、ロータリキルン内を８００〜１２００℃に維持する理由としては、８００℃以上（好ましくは９００℃以上）にすると、化学反応速度の点から炭素分が実用上問題なくＣＯ、Ｈ₂に改質され、また、１２００℃以下にすることによって、異常高温による灰分融着トラブルが防止され、設備上耐熱限界以下としている。
【０００６】
請求項１記載の廃棄物ガス化焼却炉の燃焼方法においては、ロータリキルン内に噴霧水及び／又は水蒸気を供給して水性ガス反応を行っている。この経緯について説明すると、後燃焼を行う後燃焼ストーカ炉の燃焼室へ直接水噴霧すると燃焼性を損なう弊害が大きいので、本発明では、抑制燃焼ロータリキルン内の酸素が不足する運転条件下での還元雰囲気下の熱分解空間へ噴霧水及び／又は水蒸気を噴射するようにした。このロータリキルン内において、水の蒸発熱や水性ガス反応の吸熱に相当する加熱源として、（１）２流体噴霧ノズルからの噴射空気による燃焼熱、（２）噴霧水中への油分の添加、（３）抑制燃焼空気の増量による燃焼熱増があり、これらのいずれか一つ又はこれらを組合せて発熱させ、全体の熱バランスを確保するようにする。
一方、ロータリキルン内の熱分解空間では、内部が高温化する程、クラッキングにより炭素が発生し易く、そのままで燃焼室へ排出すると未燃成分が生じ易い。そこで、これらの未燃炭素を水性ガス反応で改質し（Ｃ＋Ｈ₂Ｏ→ＣＯ＋Ｈ₂）、冷ガス効果を向上させ燃焼室での抑制燃焼性を高める。そして、抑制燃焼空間が廃棄物の発熱量変動等によって、高温になりすぎた場合、水性ガス反応による吸熱反応が促進されるので、自動制御性が発揮される。
ここで、ロータリキルンの温度が８００℃未満になると、廃棄物の熱分解が阻害されると共に、水性ガス反応も抑制される。また、ロータリキルン内が１２００℃を超えると、ロータリキルン内で灰分が融着して、キルン側壁に付着して成長する。
【０００７】
また、後燃焼ストーカ炉の上部空間には、ロータリキルンから発生する可燃ガスを燃焼させる燃焼室が形成されているので、水性ガス反応によって発生したＣＯ、Ｈ₂が、熱分解生成ガスの燃料としての品位を向上させることにより燃焼室での燃焼安定化が図られ、可燃分が略完全に燃焼し、燃焼室から排出される未燃成分が最小限となる。
ここで、噴霧水が所定量の空気でアトマイズされた油分を含む水とすると、含まれる油が燃焼してロータリキルン内を所定温度に維持できる他、含まれている水の噴霧蒸発によって、水性ガス反応が促進される。そして、油を含む水として、動植物油脂を含む厨房用排水であっても同じ効果が得られるので、厨房用排水の処理も同時に行える。
【０００８】
【発明の実施の形態】
続いて、添付した図面を参照しつつ本発明を具体化した実施の形態につき説明し、本発明の理解に供する。
ここに、図１は本発明の一実施の形態に係る廃棄物ガス化焼却炉の燃焼方法の工程を示す説明図、図２はロータリキルンの展開図、図３はロータリキルン内のリフターピンの説明図である。
【０００９】
まず、本発明の一実施の形態に係る廃棄物ガス化焼却炉の燃焼方法に使用する廃棄物ガス化焼却炉１０の概略について説明する。
図１に示すように、廃棄物ガス化焼却炉１０は、廃棄物の抑制燃焼を行うロータリキルン１１と、これに後続する後燃焼ストーカ炉１２と、ロータリキルン１１からの熱分解生成ガスを燃焼させる燃焼室１２ａと、ロータリキルン１１内に廃棄物、空気及び水分を供給する炉前設備１３と、燃焼室１２ａから発生する排ガスを処理する排ガス処理装置１４とを有している。以下、これらについて詳しく説明する。
【００１０】
前記ロータリキルン１１は、アルミナシリカ質等の耐火物で内張りされた円筒状の回転体であり、図示しない回転駆動源によって、０．３〜３ｒｐｍの範囲で回転駆動されている。そして、ロータリキルン１１内のガス温度を測定するための温度測定装置がロータリキルン１１、炉前フード２７及び炉尻燃焼室１２ｂの内壁に突出して配置されており、炉内ガスの温度を測定することができるようになっている。また必要に応じて、光高温計あるいは輻射式温度計等を用いて炉内温度を測定することもできる。
このロータリキルン１１の炉前設備１３は、廃棄物の搬入を行う廃棄物投入装置１５を有している。この廃棄物投入装置１５は、廃棄物を搬送するバケットコンベア１６と、スイング弁１７及びプッシャ１８付きの投入ホッパー１９を備え、廃プラスチックやその他の廃棄物をロータリキルン１１内に徐々に投入できる構造となっている。
【００１１】
また、前記炉前設備１３には、油タンク２０からポンプ２１によって供給される油に、給水タンク２２からのポンプ２３によって供給される水を加えて、圧縮エアでアトマイズして噴射する２流体ノズル２４及び油焚バーナー３５を備え、これらによって投入された廃棄物の着火及び不足する燃料の供給とを行っている。そして、炉前設備１３は、燃焼空気用ファン２５を含み、ロータリキルン１１内に燃焼用空気を送り込んでいる。なお、この燃焼空気用ファン２５によって、後続する後燃焼ストーカ炉１２及びその上に形成される燃焼室１２ａにも必要な空気を供給している。ロータリキルン１１の前部（即ち、入口側）には回転するロータリキルン１１と僅少の隙間を有して設けられた炉前フード２７を備え、前記２流体ノズル２４、油焚バーナー３５、投入ホッパー１９、燃焼用空気の接続口、及びロータリキルン１１内に蒸気を供給するノズル等はこの炉前フード２７に取付けられている。
【００１２】
ロータリキルン１１から排出される固形廃棄物である燃焼残渣２８を受ける後燃焼ストーカ炉１２が設けられている。この後燃焼ストーカ炉１２は、階段型の火格子２９を内部に備え、ロータリキルン１１から排出される燃焼残渣２８を火格子２９上に落下、搬送して、火格子２９の下部から送入される残渣燃焼用空気を用いて燃焼させている。この後燃焼ストーカ炉１２の底部には、残渣を外部に排出するコンベア１２ｃが設けられている。
この後燃焼ストーカ炉１２の上部空間にロータリキルン１１の出口空間と一体共通化して形成される燃焼室１２ａは、円筒形状あるいは四角型の断面の燃焼装置であり、その内部側面の少なくとも１箇所以上から２次燃焼用空気を室内に吹き込んで燃焼室１２ａ内の温度を８００〜１２００℃の範囲に制御している。なお、燃焼室１２ａの上部には、ガス冷却室２６が設けられ、冷却水ポンプ３０によって供給される水を噴霧するノズルにより、ガス冷却室２６内に噴霧水を供給し、排ガス温度を１８０℃程度に下げることができるようになっている。
【００１３】
前記排ガス処理装置１４は、排ガスの除塵を行うバッグフィルター３１と、発生する塩化水素ガスやＳＯｘ等を中和吸収する消石灰供給装置３２と、誘引ファン３３と、これに続く煙突３４とを有している。この誘引ファン３３によって、燃焼室１２ａ、後燃焼ストーカ炉１２及びロータリキルン１１内の圧力を常時負圧に制御し、内部ガスの漏洩を防止している。消石灰供給装置３２は消石灰を貯留するタンク３４ａと、エジェクター３５ａと、これに接続される押し込みブロワー３６とを備えている。
【００１４】
続いて、この廃棄物ガス化焼却炉１０の燃焼処理方法について説明する。
廃棄物投入装置１５によって、廃プラスチック等のごみをロータリキルン１１内に徐々に供給し、ロータリキルン１１内で抑制燃焼を行う。この場合、ロータリキルン１１内の温度は８００〜１２００℃に保持する必要があるので、不足する燃料は、油焚バーナー３５から補助燃料を追加し、又は抑制燃焼空気量を増量し燃焼熱量を増加するように補うことになる。また、更にロータリキルン１１内に噴霧水又は水蒸気の供給も行う。
ロータリキルン１１内に、水蒸気や噴霧水を供給しないで、抑制燃焼を行うロータリキルンの運転を高温（８００〜１２００℃）で、且つ不足酸素状態にすると、処理物の熱分解が促進されると共にクラッキングにより煤に代表される炭素分の生成が多くなる。ところが、本実施の形態に係る方法においては、ロータリキルン１１内に適当量の水噴霧又は水蒸気の供給を行っているので、以下の式によって示される水性ガス反応が発生する。
【００１５】
【化１】

【００１６】
（１）、（２）式に示す水性ガス反応は、前２式の左から右への反応においていづれも吸熱反応であり、その吸熱は−２８．２ｋｃａｌ／ｍｏｌ、−１８．２ｋｃａｌ／ｍｏｌである。従って、水性ガス反応の進行と共に雰囲気温度が低下するため、水性ガス反応を持続させるため吸熱量に見合う相当分の熱量と給水量の蒸発潜熱に相当する熱量を補い雰囲気温度を維持する必要がある。通常は、廃棄物の燃焼熱によってこれを供給するが、廃棄物の種類によっては燃焼熱の小さいものもあるので、油焚バーナー３５から供給される油や、２流体ノズル２４の噴霧水に含まれている油を燃焼させることによって、その不足分を補うことになる。
【００１７】
また、水噴霧する場合は極力ロータリキルン空間への分散効果の高い噴霧ノズルで噴霧すべきで、極力均一な水性ガス反応がロータリキルン空間全域で進行するようにする。噴霧ノズルで噴射する場合には、複数ノズルにしたり、空気との混合拡散により分散効果を高めることができる。
【００１８】
ロータリキルン１１から発生する改質され、発熱量が増加し自燃性を有する可燃ガスは、そのまま後燃焼ストーカ炉１２の上部空間に形成された燃焼室１２ａ内に導き、燃焼用空気を供給して、燃焼室１２ａ内で燃焼させる。また、ロータリキルン１１内で発生した固形廃棄物である燃焼残渣２８は、従来通り（即ち、特開平９−２８０５２４号公報）に後燃焼ストーカ炉１２内で燃焼させる。
ロータリキルン１１から燃焼室１２ａに供給されるガスには、煤等の未燃炭素分が少なく、水性ガス反応で転換・改質されたＣＯやＨ₂ を大量に含むので、周囲から供給される燃焼用空気と混合して略完全に燃焼し、排ガス中の未燃成分が著しく減少する。種々の条件を変えて、実験したデータを表１に示す。実験４がロータリキルン１１に噴霧水や水蒸気を供給しない場合の実験例であるが、未燃炭素分（ＣＯ）の濃度が高くなっていることが分かる。なお、本発明の効果は、燃焼室の出口排ガス中に存在する未燃成分の多少により判断される。即ち未燃成分を代表するものとしてＣＯ濃度の多少により評価されものである。
【００１９】
【表１】

【００２０】
前記実施の形態において、ロータリキルン１１の内壁にリフターを設け、円滑に投入された廃棄物を持ち上げて落下するようにすることも可能である。このリフターの詳細を図２、図３に示すが、炉壁４０を貫通するようにして複数のリフターピン４１が設けられている。このリフターピン４１は廃棄物の進行方向ｂに対して逆螺旋ｃ上に配置され、しかも、基部には取付けフランジ４２を有し、ロータリキルン１１の鉄皮４３の外側に支持部材４４を介して設けられた取付けフランジ４５にボルト４６及びナット４７によって固定できる構造となっている。なお、矢印ａはロータリキルン１１の回転方向を示す。これによって、ロータリキルン１１内に投入された廃棄物の攪拌効果が促進されるので、均一な熱分解が達成できる。なお、４８は耐火物である。
【００２１】
また、ロータリキルン及び後燃焼ストーカ炉は内部を負圧にしているので、漏洩空気の進入があり、これによって、燃焼が促進されるので、その分を考慮して燃焼用空気を制御するのは当然である。
【００２２】
【発明の効果】
請求項１記載の廃棄物ガス化焼却炉の燃焼方法は、高温の無酸素空間へ水分を供給し、多量に存在する炭素分を水性ガス反応によりＣＯ、Ｈ₂ガスに改質し、発生する煤等の炭素分を極力抑えることができる。
また、後燃焼ストーカ炉の上部空間には、ロータリキルンから発生する自燃性を有する可燃ガスを燃焼させる燃焼室を形成しているので、排ガス中の未燃成分の放出を最小限にすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施の形態に係る廃棄物ガス化焼却炉の燃焼方法の工程を示す説明図である。
【図２】ロータリキルンの展開図である。
【図３】ロータリキルン内のリフターピンの説明図である。
【符号の説明】
１０ 廃棄物ガス化焼却炉 １１ ロータリキルン
１２ 後燃焼ストーカ炉 １２ａ 燃焼室
１２ｂ 炉尻燃焼室 １２ｃ コンベア
１３ 炉前設備 １４ 排ガス処理装置
１５ 廃棄物投入装置 １６ バケットコンベア
１７ スイング弁 １８ プッシャ
１９ 投入ホッパー ２０ 油タンク
２１ ポンプ ２２ 給水タンク
２３ ポンプ ２４ ２流体ノズル
２５ 燃焼空気用ファン ２６ ガス冷却室
２７ 炉前フード ２８ 燃焼残渣
２９ 火格子 ３０ 冷却水ポンプ
３１ バッグフィルター ３２ 消石灰供給装置
３３ 誘引ファン ３４ 煙突
３４ａ タンク ３５ 油焚バーナー
３５ａ エジェクター ３６ 押し込みブロワー
４０ 炉壁 ４１ リフターピン
４２ 取付けフランジ ４３ 鉄皮
４４ 支持部材 ４５ 取付けフランジ
４６ ボルト ４７ ナット
４８ 耐火物

Claims (1)

1. 不足する空気で、投入された廃棄物の抑制燃焼を行うロータリキルンと、該ロータリキルンから排出される固形廃棄物を燃焼させる後燃焼ストーカ炉とを組み合わせた廃棄物ガス化焼却炉の燃焼方法であって、
   前記後燃焼ストーカ炉の上部空間には、前記ロータリキルンから発生する自燃性を有する可燃ガスを燃焼させる燃焼室を、前記ロータリキルンの出口空間と一体共通化して形成し、
   前記ロータリキルン内を８００〜１２００℃に維持した状態で、該ロータリキルン内に噴霧水及び／又は水蒸気を供給して、該ロータリキルン内にて水性ガス反応を行い、
   しかも、前記ロータリキルン内を８００〜１２００℃に維持することは、１）２流体噴霧ノズルからの噴射空気による燃焼熱、２）噴霧水中への油分の添加、３）抑制燃焼空気の増量による燃焼熱増のいずれか一つ又はこれらを組合せることによって行われ、
   更に、前記燃焼室の内部側面の少なくとも１箇所以上から２次燃焼用空気を室内に吹き込んで該燃焼室内の温度を８００〜１２００℃の範囲に制御し、
   更に、前記燃焼室の上部にガス冷却室を設け、該ガス冷却室内に噴霧水を供給して排ガス温度を下げることを特徴とする廃棄物ガス化焼却炉の燃焼方法。

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