JP3950999B2 - 旋回流型燃焼・溶融炉の廃熱回収方法及び廃熱回収装置 - Google Patents

Description

本発明は、難燃性物質などの産業廃棄物を燃焼、焼却する旋回流型燃焼・溶融炉の廃熱回収方法及び廃熱回収装置に関する。

廃自動車等から生じるボディ、エンジン等の回収可能物を取り除いた後の大量のシュレッダーダストなどの廃棄物は、耐熱性、難燃性化された樹脂が多く、金属、ガラス、土砂等を含有しているため、細かく粉砕された前記廃棄物を燃焼、焼却する場合において、従来のストーカー式溶融炉などでは、燃焼効率が悪く少量ずつ処理しなければならず、また、公害対策等のために処理設備全体が大型化していた。

このように従来では、廃棄物の焼却処理に時間がかかると共にその処理コストも高くなってしまうため、燃焼効率が高く、かつ処理コストの低減と小型化が可能な燃焼炉、焼却炉、溶融炉が望まれていた。そこで、近年、ストーカー式溶融炉よりも燃焼効率が高く、かつ処理の低コスト化と小型化が可能な燃焼炉、焼却炉、溶融炉として、旋回流方式の燃焼炉、焼却炉、溶融炉（以下、旋回流型燃焼・溶融炉という）が提案され、実用化されている。旋回流型燃焼・溶融炉は、燃焼室内における燃焼を旋回流とすることによって、従来のストーカー式溶融炉に比べて燃焼効率を高めることができる。

ところで、近年エネルギー有効利用の観点から、上記した旋回流溶融炉などの燃焼炉で廃棄物を燃焼、焼却する際に発生する廃熱（燃焼熱）を回収して電気エネルギーとして利用することが注目されている。廃熱（燃焼熱）を回収する構成としては、例えば、燃焼炉から排出される高温の排ガスと熱交換する熱交換機を、燃焼炉の外側の排ガス排出経路に設置して、排ガスから高温の蒸気を回収するようにしている（例えば、特許文献１参照。）。

また、近年では、燃焼炉の炉壁に熱発電素子を組み込み、この熱発電素子により燃焼炉で産業廃棄物を燃焼、焼却する際に発生する廃熱を直接電気エネルギーとして回収する方法も提案されている（例えば、特許文献２参照。）。
特開平１１−１４８６２５号公報 特開平２−８５６０４号公報

ところで、上記特許文献１に記載されているような従来の構成では、燃焼炉の外側の排ガス排出経路に熱交換機を設置することにより、設備全体が大型化すると共に排ガス排出経路中で排ガス温度が低下し、熱交換効率が悪いという問題があった。また、上記特許文献２に記載されているような従来の構成では、燃焼炉の炉壁に熱発電素子を組み込むことによって設備全体を小型化することができるが、熱発電素子は熱電力変換能力が高くないので、熱交換効率が悪かった。

そこで本発明は、設備全体の小型化を図り、かつ発生する廃熱を効率よく回収して熱交換効率の向上を図ることができる旋回流型燃焼・溶融炉の廃熱回収方法及び廃熱回収装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために本発明は、投入される被溶融物又は被焼却物を旋回流の燃焼炎で燃焼、焼却する旋回流型燃焼・溶融炉の燃焼、焼却に伴う廃熱の回収方法であって、前記旋回流型燃焼・溶融炉の少なくとも一部の炉壁を、炉の周方向に間隔をあけて配置された複数の第１細管と、該第１細管に対し前記炉の半径方向内側に第１細管よりも細径に設けられ、第１細管と下部で連通し上端がキャピラリーに形成された複数の第２細管と、該第２細管の上方に設けられ、前記キャピラリーが開口された複数の蒸気発生部とを備える熱交換手段で形成し、前記炉の外部から水を第１細管に供給して第１細管で加熱させ、該第１細管からの水を第２細管に受け入れて、該第２細管で水を更に加熱してキャピラリーから蒸気発生部に噴射させ、該蒸気発生部でキャピラリーから噴射された水を加熱して蒸気を発生することを特徴としている。

また、本発明は、投入される被溶融物又は被焼却物を旋回流の燃焼炎で燃焼、焼却する旋回流型燃焼・溶融炉の燃焼、焼却に伴う廃熱の回収装置であって、前記旋回流型燃焼・溶融炉の少なくとも一部の炉壁を熱交換手段で形成し、該熱交換手段を、外部から水が供給される炉の周方向に間隔をあけて配置された複数の第１細管と、該第１細管に対し前記炉の半径方向内側に第１細管よりも細径に設けられ、第１細管と下部で連通し上端がキャピラリーに形成された複数の第２細管と、該第２細管の上方に設けられ、前記キャピラリーが開口された複数の蒸気発生部とで構成することを特徴としている。

また、被溶融物又は被焼却物の燃焼、焼却時における燃焼温度が最も高くなる炉壁部分を少なくとも含む位置に、前記熱交換手段を設置することを特徴としている。

また、前記熱交換手段を熱伝導性のよい部材で形成し、その表面を耐火材で覆うことを特徴としている。

本発明によれば、旋回流型燃焼・溶融炉の少なくとも一部の炉壁を、炉の周方向に間隔をあけて配置された複数の第１細管と、該第１細管に対し前記炉の半径方向内側に第１細管よりも細径に設けられ、第１細管と下部で連通し上端がキャピラリーに形成された複数の第２細管と、該第２細管の上方に設けられ、前記キャピラリーが開口された複数の蒸気発生部とを備える熱交換手段で形成し、炉の外部から水を第１細管に供給して第１細管で加熱させ、該第１細管からの水を第２細管に受け入れて、該第２細管で水を更に加熱してキャピラリーから蒸気発生部に噴射させ、該蒸気発生部でキャピラリーから噴射された水を加熱して蒸気を発生するようにしのたで、設備全体が大型化することなく、被溶融物又は被焼却物の燃焼、焼却時に発生する廃熱を直接効率よく回収して熱交換効率の向上を図ることができる。

本発明によれば、設備全体を大型化することなく、被溶融物又は被焼却物の燃焼、焼却時に発生する廃熱を直接効率よく回収して熱交換効率の向上を図ることができる。

以下、本発明を図示の実施の形態に基づいて説明する。

図１は、本発明の実施の形態に係る旋回流型燃焼・溶融炉を示す概略図である。なお、本実施の形態における旋回流型燃焼・溶融炉は、燃焼炎が旋回流であるが、燃焼炎が渦流である場合も含んでいる。

本実施の形態における旋回流型燃焼・溶融炉（以下、溶融炉という）１は、断面形状が上下方向に長い略楕円体に形成されている。溶融炉１には、シュレッダーダストなどの廃棄物（不図示）を投入する投入口２と、燃焼のための高圧の大気又は圧縮酸素（以下、大気という）を溶融炉１内に吹き込む複数のエア吹込み口３と、燃焼に伴って発生する排ガスを吸引して外部の処理部（不図示）に排出する排ガス排出口４が設けられている。

溶融炉１は、垂直方向の中心軸線に対して左右対称であり、溶融炉１の中心軸線方向の略中央部における水平方向での径が最も大きい。溶融炉１の最大直径付近より少し上方には、シュレッダーダストなどの廃棄物（不図示）を投入する投入口２が設けられており、この投入口は溶融炉１内の略中央部の最大直径付近に廃棄物が投入されるように斜め下方に向けて傾斜して設けられている。投入口２には、廃棄物を導入するための廃棄物導入管（不図示）が接続されている。

外部から溶融炉１内に大気を導入する複数のエア吹込み口３は、溶融炉１の略中央部の最大直径付近より少し下方に設けられており、本実施の形態では溶融炉１の同一面上の周面に等間隔で３箇所設けられている。なお、エア吹込み口３は３箇所以上設けてもよい。エア吹込み口３には、大気を導入するためのエア導入管（不図示）が接続されている。廃棄物の燃焼によって発生する排ガスを排出する排ガス排出口４は、溶融炉１の上部に設けられている。排ガス排出口４には、排ガスを所定の処理部（不図示）に導入するための排ガス導入管（不図示）が接続されている。

そして、本発明の実施の形態では、溶融炉１の略中央部の最大直径付近から上方の排ガス排出口４の下方近傍にかけての炉壁全体が、熱交換機５によって構成されている。熱交換機５は、図２、図３に示すように、熱交換機５の外周側の周囲に外部から水が供給される複数の第１細管５ａと、熱交換機５の内周（炉壁）側の周囲に各第１細管５ａと連通している複数の第２細管５ｂを備えている。各第２細管５ｂの先端側には、溶融炉１の曲面に沿って蒸気発生部５ｃが形成されている。

本発明の実施の形態では、この熱交換機５により、旋回流の燃焼炎によってシュレッダーダストなどの廃棄物を燃焼、焼却する際に発生する熱（廃熱）を利用して熱交換機５の蒸気発生部５ｃで高温、高圧の蒸気を発生させ、この蒸気を使用して蒸気タービン発電機（不図示）を回転駆動して電気を発生させて、廃棄物の燃焼、焼却時に発生する熱（廃熱）を電気エネルギーとして回収するようにした（詳細は後述する）。

上記構成の溶融炉１では、各エア吹込み口３から溶融炉１の内壁の接線方向に対して５度程度の角度で大気を吹き込むと共に、排ガス排出口４から吸引することによって、溶融炉１内に各エア吹込み口３から吹き込まれた大気は溶融炉１の内壁に沿って旋回する。そして、焼却物や燃焼物が火炎（燃焼炎）となると、この燃焼炎は吹き込まれた大気の旋回によって旋回流となる。

そして、エア吹込み口２から溶融炉１内にシュレッダーダストなどの廃棄物（不図示）を連続的に投入すると、投入した廃棄物は溶融炉１内の中央部付近（溶融炉１の最大直径付近）に放出されることによって、発生している旋回流の燃焼炎と直ぐに反応して燃焼し、投入した廃棄物が溶融炉１内で舞って排ガス排出口４から外に飛散することはない。この際、溶融炉１内の中央部付近から上部にかけては旋回流の燃焼炎によって高温（１３５０℃程度以上）になっているので、投入した廃棄物から可燃性ガスが瞬時に発生する。発生した可燃性ガスは燃焼炎により燃焼されることによって、黒煙や煤などをほとんど発生することなく燃焼処理される。

上記した本発明の実施の形態に係る溶融炉１では、発生する旋回流の燃焼炎によって、溶融炉１内の中央部付近（溶融炉１の最大直径付近）からその上方にかけての炉壁近傍の燃焼温度が最も高くなることにより、この位置における炉壁を熱交換機５で構成し、シュレッダーダストなどの廃棄物の燃焼、焼却時に発生する熱（廃熱）を直接効率よく回収するようにした。

以下、熱交換機５による廃熱回収について説明する。図２、図３に示すように、水供給口５ｄを通して外部から各第１細管５ａ内に水が供給されると、この水は廃棄物の燃焼、焼却による熱が炉壁を通して伝達されることによって加熱され、第１細管５ａと連通している各第２細管５ｂに導入される。そして、図４に示すように、第２細管５ｂの径は第１細管５ａの径よりも細いので、導入された熱水はさらに加圧されて、キャピラリー化された先端５ｅの噴射口から蒸気発生部５ｃにミスト化されて噴射される。

蒸気発生部５ｃにミスト化されて噴射された熱水は、蒸気発生部５ｃの空間及び熱交換機５の炉壁から熱を受け、蒸気化する。蒸気発生部５ｃ内で発生した蒸気６は、蒸気発生部５ｃの空間及び熱交換機５の炉壁から熱によってさらに加熱されて６００℃程度になる。そして、この高温、高圧の蒸気を配管（不図示）を介して蒸気タービン発電機（不図示）に供給し、この蒸気タービン発電機を回転駆動して電気を発生させることによって、廃棄物の燃焼、焼却時に発生する熱（廃熱）を電気エネルギーとして回収することができる。

また、熱交換機５の内側は溶融炉１の炉壁を形成しているので、熱交換機５の炉壁は廃棄物の燃焼、焼却時に発生する熱に対する耐熱性、廃棄物の燃焼によって発生する塩素水素を代表とするハロゲン化水素ガスなどやＮＯｘ等に対する耐食性などを考慮する必要がある。そこで、本発明の実施の形態に係る溶融炉１では、熱交換機５を銅合金で形成し、その表面に数ミリ程度の厚さの耐火材を吹き付けて熱交換機５を覆うようにした。本実施の形態の耐火材は、耐火材のバインダーをポリ燐酸系あるいは珪酸系とし、固化材として消石灰等を用いて固化付着することによって形成した。

このように本実施の形態では、溶融炉１の炉壁を形成するようにして熱交換機５を設置したことにより、設備全体を大型化することなく、シュレッダーダストなどの廃棄物の燃焼、焼却時に発生する熱（廃熱）を直接効率よく回収して熱交換効率の向上を図ることができる。

本発明の実施の形態に係る旋回流型燃焼・溶融炉を示す概略図。 本発明の実施の形態に係る旋回流型燃焼・溶融炉の炉壁に設置した熱交換機を示す概略図。 本発明の実施の形態に係る旋回流型燃焼・溶融炉の炉壁に設置した熱交換機を示す概略断面図。 本発明の実施の形態に係る旋回流型燃焼・溶融炉の炉壁に設置した熱交換機の要部を示す概略断面図。

符号の説明

１ 溶融炉（旋回流型燃焼・溶融炉）
２ 投入口
３ エア吹込み口
４ 排ガス排出口
５ 熱交換機（熱交換手段）
５ａ 第１細管
５ｂ 第２細管
５ｃ 蒸気発生部
６ 蒸気

Claims (5)

1. 投入される被溶融物又は被焼却物を旋回流の燃焼炎で燃焼、焼却する旋回流型燃焼・溶融炉の燃焼、焼却に伴う廃熱の回収方法であって、
   前記旋回流型燃焼・溶融炉の少なくとも一部の炉壁を、炉の周方向に間隔をあけて配置された複数の第１細管と、該第１細管に対し前記炉の半径方向内側に第１細管よりも細径に設けられ、第１細管と下部で連通し上端がキャピラリーに形成された複数の第２細管と、該第２細管の上方に設けられ、前記キャピラリーが開口された複数の蒸気発生部とを備える熱交換手段で形成し、
   前記炉の外部から水を第１細管に供給して第１細管で加熱させ、該第１細管からの水を第２細管に受け入れて、該第２細管で水を更に加熱してキャピラリーから蒸気発生部に噴射させ、該蒸気発生部でキャピラリーから噴射された水を加熱して蒸気を発生することを特徴とする旋回流型燃焼・溶融炉の廃熱回収方法。
2. 被溶融物又は被焼却物の燃焼、焼却時における燃焼温度が最も高くなる炉壁部分を少なくとも含む位置に、前記熱交換手段を設置する、
   ことを特徴とする請求項１に記載の旋回流型燃焼・溶融炉の廃熱回収方法。
3. 投入される被溶融物又は被焼却物を旋回流の燃焼炎で燃焼、焼却する旋回流型燃焼・溶融炉の燃焼、焼却に伴う廃熱の回収装置であって、
   前記旋回流型燃焼・溶融炉の少なくとも一部の炉壁を熱交換手段で形成し、該熱交換手段を、外部から水が供給される炉の周方向に間隔をあけて配置された複数の第１細管と、該第１細管に対し前記炉の半径方向内側に第１細管よりも細径に設けられ、第１細管と下部で連通し上端がキャピラリーに形成された複数の第２細管と、該第２細管の上方に設けられ、前記キャピラリーが開口された複数の蒸気発生部とで構成することを特徴とする旋回流型燃焼・溶融炉の廃熱回収装置。
4. 被溶融物又は被焼却物の燃焼、焼却時における燃焼温度が最も高くなる炉壁部分を少なくとも含む位置に、前記熱交換手段を設置する、
   ことを特徴とする請求項３に記載の旋回流型燃焼・溶融炉の廃熱回収装置。
5. 前記熱交換手段を熱伝導性のよい部材で形成し、その表面を耐火材で覆う、
   ことを特徴とする請求項３又は４に記載の旋回流型燃焼・溶融炉の廃熱回収装置。

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