JP3866253B2 - 廃棄物焼却炉における燃焼空気の制御方法 - Google Patents

Description

この発明は、都市ごみや産業廃棄物などのごみ（以下、単に廃棄物ともいう）をごみ層でガス化し、そのガスを部分燃焼したのち再燃焼を含めて燃焼を段階的に行う方式の廃棄物焼却炉における操業方法のうちの、とくに燃焼空気の制御方法に関する。

この種の焼却炉の先行技術に関して、例えば流動床式焼却炉の流動化空気量を制御する方法として、温度検出器により炉床温度を測定し、この炉床温度に基づいて流量調整弁の開度を調整し、炉床温度を一定に制御する方法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

他の先行技術としてごみ焼却炉の炉内温度制御方法について、一次燃焼室の上方に二次燃焼室を備えたごみ焼却炉の炉内温度の制御方法で、二次燃焼室を構成する複数の垂直区画ゾーンの各上部において、温度センサにより温度を検知し、検知温度の高低に応じて水噴射ノズルからの噴射水量の制御および二次空気供給ノズルからの冷却空気量の制御を行う方法が提案されている（例えば、特許文献２参照）。
特開２００３−３４３８２３号公報（段落番号００１１、００２０および図１） 特開平７−４９１１１号公報（段落番号００１０、００１３および図２）

しかしながら、上記公報に記載の方法では、次のような問題点がある。すなわち、
1) 特許文献１は流動層式焼却炉に関するもので、流動砂の温度を監視して流動化空気量を制御するので、炉内に投入されるごみ量が変動しても熱容量の大きい大量の砂があることから、炉内での燃焼温度の変動は少ない。しかし、ごみの投入が中断したり、短時間に大量のごみが投入されると、燃焼温度が大きく変動する。こうした変動を抑えるためには、安定した給塵を必要とするが、ごみの給塵を一定に保持するのは困難である。

2) 特許文献２はごみ質が変動する対策として、炉内温度を検知して過剰空気を供給したり水噴射を行ったりすることで不完全燃焼や燃焼温度の上昇し過ぎを制御しようとするものであるが、燃焼温度の変動を吸収するためには、一般に燃焼炉以降の設備に３０％以上の余裕をもたせることによって対応している。このため、設備コストが上がって大型化する。また、燃焼温度を抑えるために常時水を噴射する必要があるので、排ガス中の水分含有量が多く露点が高いので、低い温度まで熱回収できず、回収効率が低い。さらに、煙突から排出される排ガスから白煙が出るので、高温の空気を混合して白煙を防止する必要があり、この点でも無駄なエネルギーを使うことになる。

3) 従来の一般的な廃棄物焼却炉であるストーカ炉（固定段と可動段とを交互に階段状に備えた炉）に関しては、廃棄物は粉砕されず、また水分を絞り取られない状態で炉に投入されるため、ごみ質（発熱量）が低いときには炉内の熱が不足するので、燃焼用空気が過剰になり、焼却温度が低下する。また廃棄物中の含水量にバラツキがあるため、炉内の発生ガス流量が予期せず大きく変動することから、後段に位置する再燃焼炉において燃焼排ガス流量が大きく変動し、良好なガス燃焼が得られにくく、ＮＯｘやＣＯなどの有害ガスの含有量が増大するおそれがある。さらに、廃棄物の性状が不均一で、炉内の廃棄物層を通過するガスが偏流する場合がある。その結果、炉内廃棄物層の一部が加熱不良の状態で下部へ降下し、廃棄物の処理能力が低下する。

本発明は上述の点に鑑みなされたもので、二次燃焼温度および再燃焼温度を安定して制御できる、二次燃焼温度および再燃焼温度の変動が少ないので、異常高温によるクリンカーが発生しにくい、ごみの二次燃焼および再燃焼（三次乃至それ以降の燃焼）が安定するとともに、公害物質の発生が少ない廃棄物焼却炉における燃焼空気の制御方法を提供することを目的としている。

上記の目的を達成するために本発明にかかる燃焼空気の制御方法は、炉内に投入された廃棄物（ごみ）の層内に燃焼ガスを吹き込んでガス化して発生させたガスを、二次燃焼室で部分燃焼したのち三次燃焼室以降へ段階的に送って再燃焼する方式の廃棄物焼却炉における燃焼空気の制御方法において、前記二次燃焼室と前記三次燃焼室間の差圧を測定し同差圧に基づいて(二次燃焼室出口からの排ガス流量を求め、二次燃焼室への散水量および二次燃焼空気量を差し引くことにより）ガス化して発生させた前記ガスの量を演算するとともに、この演算結果から前記二次燃焼室および前記三次燃焼室の燃焼空気量を決定することを特徴とするものである。

上記の構成からなる燃焼空気の制御方法によれば、前記二次燃焼室と前記三次燃焼室間の差圧を測定しガス化して発生させたガス量(以下、ガス化発生ガス量ともいう）を演算するので、タイムラグがなくガス化発生ガス量を正確に演算でき、したがって前記二次燃焼室および前記三次燃焼室の燃焼空気量を決定できる。この結果、二次燃焼温度および再燃焼(三次燃焼）温度を安定して制御できる、二次燃焼温度および再燃焼(三次燃焼）温度の変動が少ないので、クリンカーが発生しにくい、ごみの二次燃焼および再燃焼(三次燃焼）が安定するとともに、公害物質の発生が少なくなる、ごみの供給が変動した場合でも、二次燃焼および再燃焼(三次燃焼）を安定して制御できる、ごみ質の変動を吸収して安定した燃焼を行える、などの効果がある。なお、上記の特許文献１・２に記載の制御方法はいずれも炉内の温度を測定し、その温度が一定になるように燃焼空気を制御したり水噴射量を制御したりするものであるが、温度を一定にするためには、そのほかに炉内へ投入した廃棄物の層内への酸素吹き込み量を制御するなど、種々の方法があり、何をどのように制御するかが重要なことであって、それは言及されていない。この点、本発明では燃焼空気量をガス化発生ガス量に基づき決定するものであり、上記先行技術とは解決手段が全く相違する。

請求項２に記載のように、前記三次燃焼室以降の再燃焼温度に基づいて前記二次燃焼室および前記三次燃焼室の燃焼空気量を補正することができる。

請求項２記載の燃焼空気の制御方法によれば、再燃焼温度が設定温度より高ければ空気量を増やし、過剰空気分によって冷却し温度が降下し、逆に設定温度よりも低ければ空気量を減らすことにより、温度が上昇する。また、空気比を少なくできる。

請求項３に記載のように、前記焼却炉が高濃度酸素吹き込み式直接溶融炉であって、前記二次燃焼室および前記三次燃焼室の燃焼空気量に基づいて前記廃棄物（ごみ）層内への酸素吹き込み量を補正してガス化して発生させる前記ガスの量を制御することができ、もしくは、請求項４に記載のように、排ガス流量と二次燃焼温度から廃棄物発熱量を演算し、この演算結果から前記廃棄物（ごみ）層内への酸素吹き込み量を補正してガス化して発生させる前記ガスの量を制御することができ、あるいは、請求項５に記載のように、前記炉内の前記廃棄物（ごみ）層の差圧を測定し同差圧に基づいて前記廃棄物（ごみ）層内への酸素吹き込み量を補正してガス化して発生させる前記ガスの量を制御することができる。

請求項３〜請求項５記載の燃焼空気の各制御方法によれば、ガス化量すなわちごみ処理量を平均化できる、設備能力一杯の焼却処理ができるので、設備に余裕を持たせる必要がないから、設備がコンパクトになる、燃焼処理が安定するので、運転操作が容易になる、再燃焼温度制御の外乱が減少するので、再燃焼が安定化する、炉内投入前にごみの粉砕や撹拌混合およびごみの脱水ペレット化が不要になる−などの効果がある。

本発明の廃棄物焼却炉における燃焼空気の制御方法は、上記のとおり炉内に投入された廃棄物（ごみ）の層内に燃焼ガスを吹き込んでガス化して発生させたガスを、二次燃焼室で部分燃焼したのち三次燃焼室以降へ段階的に送って再燃焼する方式の廃棄物焼却炉における燃焼空気の制御方法において、前記二次燃焼室と前記三次燃焼室間の差圧を測定し同差圧に基づいてガス化して発生させた前記ガスの量を演算するとともに、この演算結果から前記二次燃焼室および前記三次燃焼室の燃焼空気量を決定することにより燃焼温度を所定の温度範囲に保持するので、次のような優れた効果がある。すなわち、
二次燃焼温度および再燃焼温度（三次燃焼温度）を安定して一定に制御できる。

二次燃焼温度および再燃焼温度（三次燃焼温度）の変動が少ないので、クリンカーが発生しにくい。

ごみの二次燃焼および再燃焼（三次燃焼）が安定するとともに、公害物質の発生が少なくなる。

ごみの供給が変動した場合でも、二次燃焼および再燃焼（三次燃焼）を安定して制御できる。
ごみ質の変動を吸収して安定した燃焼を行える。

以下、本発明にかかる廃棄物焼却炉の燃焼空気量の制御方法について実施の形態を図面に基づいて説明する。

図１は本発明を高濃度酸素吹き込み式ガス化溶融炉に適用した実施例１を示す中央縦断面図である。図１に示すように、本例のガス化溶融炉１は直接溶融方式の溶融炉で、縦型シャフト炉１ａと縦型副燃焼炉１ｂとから構成されている。シャフト炉１ａは円筒状直胴部１１の下端に逆円錐台部１２が一体に連設され、さらに逆円錐台部１２の下端に、燃焼ガス吹込み炉１４が一体に連設され、この燃焼ガス吹込み炉１４に複数の燃焼バーナー（図示せず）が内側に向けて配備されている。各燃焼バーナーからは酸素にＬＰＧや重油などの燃料もしくは酸素にＬＰＧを混合した燃料ガスが、一斉に吹き込まれる。さらに燃焼ガス吹込み炉１４の炉底の一側方に、溶融スラグの取出し口（図示せず）が設けられる。

ガス化溶融炉１の円筒状直胴部１１の上端には、円筒状二次燃焼室部１７が円錐台部１７ａを介して一体に連設され、この二次燃焼室部１７の頂部に排気ダクト１８の一端が接続されている。二次燃焼室部１７の下部には二次空気の吹き込み口１７ｂが開口され、二次燃焼室部１７内の上部に散水ノズル１９が配備されている。さらに、廃棄物Ａの投入口１３が、円筒状直胴部１１の上下方向の中間部に炉壁を内方へ貫通して配設されている。

一方、副燃焼炉１ｂは、上部の円筒状三次燃焼室部２０と下部の円筒状冷却室部２１とから構成されている。排気ダクト１８の他端は三次燃焼室部２０に接続され、この接続位置付近で排気ダクト１８の端部口径がほぼ半分に絞られている。三次燃焼室部２０の上部には三次空気の吹き込み口２０ｂが開口され、冷却室部２１内の上部に別の散水ノズル２２が配備されている。冷却室部２１の下部には別の排気ダクト２３の一端が接続され、排気ダクト２３の他端側には、図示を省略した浄化処理設備、例えばサイクロン、バグフィルタが順に接続され、最終的に煙突に至っている。

排気ダクト１８の壁面に温度センサ２５が装着され、排気ダクト１８内を通過するガス化ガスの温度を測定し、散水ノズル１９に至る散水量を制御する。また、三次燃焼室（再燃焼室）２０Ａにも別の温度センサ２６が装備され、再燃焼温度を測定し、燃焼空気量を調整する。さらに、排気ダクト２３の壁面に温度センサ２７が装着され、排気ダクト２３内を通過する排ガスの温度を測定し、散水ノズル２２に至る散水量を制御する。さらにまた、二次燃焼室１７Ａの内圧と三次燃焼室２０Ａの内圧との差圧を各燃焼室１７Ａ・２０Ａに装備した圧力センサ２８により測定し、発生ガス量を算定する。

上記のようにして本実施例に係るガス化溶融炉１が構成されるが、つづいてこのガス化溶融炉１における燃焼空気量の制御方法について説明する。

図１に示すように、廃棄物Ａは投入口１３からシャフト炉１ａ内に投入される。炉底部の燃焼ガス吹込み炉１４からは、燃焼バーナーよりＬＰＧに酸素を混合した燃焼ガスが吹込まれる。炉１ａ内に投入された廃棄物は、炉１ａの上部で乾燥されたのち、徐々に下降して熱分解され、このとき分解ガスが廃棄物Ａ中の可燃成分から発生する。

二次燃焼室１７Ａでは、吹き込み口１７ｂより二次燃焼空気を吹き込み、前記分解ガスを部分燃焼させるが、散水ノズル１９からの散水および燃焼空気量の制御により部分燃焼温度（二次燃焼温度）が８００〜１０００℃になるように調整する。前記分解ガス（以下、発生ガスという）は、排気ダクト１８をとおって炉１ａから排出され、副燃焼炉１ｂの三次燃焼室２０Ａへ送られる。三次燃焼室２０Ａでは吹き込み口２０ｂより三次燃焼空気を吹き込み、完全燃焼させるが、燃焼空気量の制御により再燃焼温度が８５０〜１０００℃になるように調整する。

本発明の制御方法によれば、シャフト炉１ａ内で発生したガス量と燃焼空気量とが比例関係にあることを利用し、二次燃焼室１７Ａと三次燃焼室２０Ａとの差圧ＤＰ（およびガス密度ＭＷおよびガス温度Ｔ）ならびに二次燃焼室１７Ａ出口の断面積から計算できる。こうして求めた部分燃焼後のガス量から散水量と二次燃焼空気量を差し引くことにより発生ガス量を計算できる。

上記実施例１のガス化溶融炉１では、具体的には、排気ダクト１８の絞り部の出口径をＤ、排ガス分子量をＭＷ、排気ダクト１８内の温度をＴ、差圧をＤＰとし、例えばＤ＝６００ｍｍ，ＭＷ＝２５．２，Ｔ＝９００℃，ＤＰ＝４０ｍｍＨ₂Ｏで、処理量を１００ｔｏｎ／dayとすると、
通過ガス流量：Ｇ１＝π／４×Ｄ²×（ＤＰ×２×ｇ／（ＭＷ／２２．４１４×２７３／（２７３＋Ｔ））^0.5×（２７３／（２７３＋Ｔ））＝３．５８Ｎｍ³／sec（１２８８８８Ｎｍ³／ｈ）
発生ガス流量：Ｇ０＝Ｇ１−二次燃焼室散水量（蒸気量として）−二次燃焼空気量
再燃焼空気量：Ｇａ＝Ｇａ０＋ΔＧ０×Ｋ１＝５３００±５００×０．５（Ｋ１＝０．５の時）＝５０５０〜５５５０ Ｇａ０は基準空気量、Ｋ１は補正係数（０．１〜０．９として任意の値を入れて制御量を実際に調べる。）
↓
二次燃焼空気量の設定値と測定値の差をＰＩＤ制御して
送風機のダンパー制御を行う。

上記実施例１によれば、ガス化ガスの組成（ＣＨ₃・Ｈ₂・ＣＯなどの比率）がおおよそ一定範囲内であるため、上記のようにして必要な燃焼空気量を算定することができる。また、二次燃焼空気と三次燃焼空気の割合を固定した上で、各吹き込み口１７ｂ・２０ｂより吹き込むようにすれば、部分燃焼の割合が一定に保たれる。したがって、部分燃焼が安定化するので、散水量を調整することにより部分燃焼温度を容易に調整できる。この結果、再燃焼温度をほぼ予定の温度である８５０〜１０００℃に設定することができる。二次空気を送風機のダンパで制御すると遅れが生じるが、部分燃焼温度を散水で制御すれば応答が早く精度が高くなる。

しかし、上記のように燃焼空気量を制御しても再燃焼温度が予定温度を超えて高くなり過ぎる場合には、再燃焼空気量を増やすことによって過剰空気で冷却されて温度が低下する。また、逆に再燃焼温度が予定よりも低くなり過ぎる場合には、空気量を絞ることにより温度が上昇する。

廃棄物の性状のばらつきに起因するガス化（ガス発生量）の変動については予知できないから、ガス化が活発なときと低調なときのいずれの場合にも、ガス発生量を調整することが有効である。すなわち、活発なときには酸素吹き込み量を減らし、低調なときには酸素吹き込み量を増やす。二次空気量の計算値が差圧ＤＰによるので、応答の遅れを回復できるから、精度が向上するのである。

また、ごみ質によって必要な酸素量が異なるが、これも予見できないので、結果としてガス発生量に関わるごみ層の差圧、要求される燃焼空気量および排ガス情報から算出可能なガス発生量のいずれか、あるいはそれらの組み合わせによって酸素吹き込み量を制御すれば、ガス発生量が安定化する。

以上のような手順で、廃棄物の焼却処理速度を平均化させられる。

こうして、完全に燃焼したのちの排ガスが排気ダクト２３をとおって排出されるが、排気ダクト２３を通過する排ガス温度が温度センサ２７で測定され、上流側の冷却室２１Ａを通過する際に散水ノズル２２から噴射される水で、通常、２５０℃以下に冷却される。

上記に燃焼空気量の制御方法について一実施例を示したが、下記のように実施することもできる。すなわち、
◎実施例２ 上記実施例１の制御方法において再燃焼温度Ｔｃに基づいて再燃焼空気量を補正する。

再燃焼空気量：Ｇａ＝Ｇａ０＋ΔＧ０×Ｋ１−ΔＴｃ×Ｋ２＝５０００〜５６００Ｎｍ³／ｈ（ΔＧ０≒０の時）
Ｇａ０は基準空気量 Ｋ１・Ｋ２は補正係数（Ｋ２＝２〜４０）
↓
二次燃焼空気量の設定値と測定値の差
再燃焼温度の設定値と測定値の差
送風機のダンパー制御
◎実施例３ 上記実施例１または２の各制御方法において二次燃焼空気量に基づいて酸素吹き込み量を補正することにより、ガス化反応量（ガス発生量）を補正制御する。

酸素吹き込み量：Ｇｓ＝Ｇｓ０＋ΔＧａ×Ｋ３＝６００＋（±３００×０．１）＝５７０〜６３０Ｎｍ³／ｈ（Ｋ３＝０．１の時） Ｇｓ０は基準酸素量 Ｋ３は補正係数（Ｋ３＝０．０２〜０．５）
↓
基準空気量との差
吹き込み酸素量制御
◎実施例４ 上記実施例３の制御方法において排ガス流量と再燃焼温度Ｔｃから演算したごみ発熱量に基づいて酸素吹き込み量を補正することにより、ガス化反応量（ガス発生量）を補正制御する。
酸素吹き込み量：Ｇｓ＝Ｇｓ０＋ΔＧａ×Ｋ３−（基準入熱−排ガス流量（Ｇｅ×ΔＴｃ ×比熱）×Ｋ４ Ｇｓ０は基準酸素量 Ｋ３・Ｋ４は補正係数（Ｋ４＝０．００１〜 ０．００２） ここで、Ｇｅ＝２０００Ｎｍ³／ｈ ΔＴｃ＝±３０℃
比熱＝０．３７ｋｃａｌ／Ｎｍ⁷℃
↓
基準空気量との差
基準入熱量の差
吹き込み酸素量制御
◎実施例５ 上記実施例４の制御方法においてごみ層の差圧に基づいて酸素吹き込み量を補正することにより、ガス化反応量（ガス発生量）を補正制御する。

酸素吹き込み量：Ｇｓ＝Ｇｓ０−ΔＧａ×Ｋ３−（基準入熱−排ガス流量（Ｇｅ×ΔＴｃ×比熱）×Ｋ４−ごみ層差圧（ｄＰｂ×Ｋ５） Ｇｓ０は基準酸素量 Ｋ３・Ｋ４・Ｋ５は補正係数（Ｋ５＝０．１〜０．３） ここで、ｄＰｂ＝２００ｍｍＨ₂Ｏ（０〜 ５００ｍｍＨ₂Ｏ）
↓
基準空気量と二次燃焼空気量の差
基準入熱量と排ガス熱量の差
ごみ層の差圧
吹き込み酸素量制御

◎上記各実施例では、基準値に対し補正係数（Ｋ１〜Ｋ５）で補正を加えるようにしている。現実的な値を基準値と係数を選び、希望する範囲内で調節するためである。

その他の補正項に関しては、上記の他、余剰酸素量、ごみ処理量を組み入れることができる。ごみ処理量を組み込めば、クレーン投入の累積ごみ投入量ないし移動平均値との比較において、その差で酸素吹き込み量を修正し、計画ごみ処理量を調節できる。また余剰酸素濃度を組み込めば、空気比を制御できる。

なお、実際には、二次燃焼空気量や酸素吹き込み量には上限、下限があるので、制御はその範囲内で実施できるようなメカニカルまたはソフト上の制限を設ける。この結果、設備を破損しないように制限される。

二次燃焼空気と三次燃焼空気の分配は、例えば１：１でもよいが、三次燃焼空気により再燃焼する容量が一定になるようにする。合計燃焼負荷が小さいときには、二次燃焼空気を絞るので、三次燃焼空気による三次燃焼負荷が常に一定化し、安定した再燃焼ができる。

このようにするために、要求燃焼空気量に対してそれぞれの空気に応じた分配割合を規定し、対応できる。

最終的な再燃焼が安定すれば、再燃焼温度が８５０℃以上（８５０〜１０００℃）になってダイオキシンを含む公害物質の焼却が十分になされるので、好都合である。また、燃焼が変動しにくいとごみの燃焼やガス化（溶融）の外乱にならないので、焼却処理が安定する。さらに、ごみ処理処理量や発生ガス量が変動するときに比べて、処理効率を向上することができる。

本発明の廃棄物ガス化溶融炉の実施例を示す中央縦断面図である。

符号の説明

１ ガス化溶融炉
１ａ縦型シャフト炉
１ｂ縦型副燃焼炉
１１ 円筒状直胴部
１２ 逆円錐台部
１３ 廃棄物投入口
１４ 燃焼ガス吹込み炉
１７ 二次燃焼室部
１７Ａ二次燃焼室
１７ａ円錐台部
１７ｂ二次燃焼空気吹き込み口
１８・２３ 排気ダクト
１９・２２ 散水ノズル
２０ 三次燃焼室部
２０Ａ三次燃焼室
２０ｂ三次燃焼空気吹き込み口
２５〜２７ 温度センサ
２８ 圧力センサ
Ａ 廃棄物（ごみ）

Claims (5)

1. 炉内に投入された廃棄物の層内に燃焼ガスを吹き込んでガス化して発生させたガスを、二次燃焼室で部分燃焼したのち三次燃焼室以降へ段階的に送って再燃焼する方式の廃棄物焼却炉における燃焼空気の制御方法において、
   前記二次燃焼室と前記三次燃焼室間の差圧を測定し同差圧に基づいてガス化して発生させた前記ガスの量を演算するとともに、この演算結果から前記二次燃焼室および前記三次燃焼室の燃焼空気量を決定することを特徴とする廃棄物焼却炉における燃焼空気の制御方法。
2. 前記三次燃焼室以降の再燃焼温度に基づいて前記二次燃焼室および前記三次燃焼室の燃焼空気量を補正することを特徴とする請求項１記載の廃棄物焼却炉における燃焼空気の制御方法。
3. 前記焼却炉が高濃度酸素吹き込み式直接溶融炉であって、前記二次燃焼室および前記三次燃焼室の燃焼空気量に基づいて前記廃棄物層内への酸素吹き込み量を補正してガス化して発生させる前記ガスの量を制御する請求項１または２記載の廃棄物焼却炉における燃焼空気の制御方法。
4. 前記焼却炉が高濃度酸素吹き込み式直接溶融炉であって、排ガス流量と二次燃焼温度から廃棄物発熱量を演算し、この演算結果から前記廃棄物層内への酸素吹き込み量を補正してガス化して発生させる前記ガスの量を制御する請求項１または２記載の廃棄物焼却炉における燃焼空気の制御方法。
5. 前記焼却炉が高濃度酸素吹き込み式直接溶融炉であって、前記炉内の前記廃棄物層の差圧を測定し同差圧に基づいて前記廃棄物層内への酸素吹き込み量を補正してガス化して発生させる前記ガスの量を制御する請求項１または２記載の廃棄物焼却炉における燃焼空気の制御方法。

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