JP4037354B2

JP4037354B2 - 廃棄物処理装置

Info

Publication number: JP4037354B2
Application number: JP2003386186A
Authority: JP
Inventors: 弘松本; 強柴田; 啓信小林; 知弘和田; 文夫水木; 悟大橋; 壽昭池内; 敏夫岩崎
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2003-11-17
Filing date: 2003-11-17
Publication date: 2008-01-23
Anticipated expiration: 2023-11-17
Also published as: JP2005147532A

Description

本発明は、廃棄物処理装置に関する。

近年、廃棄物処理装置の一つとして、ガス化溶融装置が、次世代型廃棄物処理装置として注目されている。ガス化溶融装置は、都市ごみ，産業廃棄物，汚泥など、廃棄物の性状及び処理量が大幅に変動する廃棄物を乾燥熱分解して、可燃性ガス（以下、熱分解ガスと称する）と残留物としてのチャーを生成し、これらを燃焼させたときに得られる熱を乾燥熱分解や、チャー中の不燃物の溶融スラグ化や、発電等に利用するものである。ガス化溶融装置が注目されている大きな理由は、最終廃棄物の排出量の最小化と無害化が可能で、且つ燃焼排ガス中のダイオキシン，窒素酸化物，一酸化炭素等の有害物質も極めて低レベルに抑制できるなど、廃棄物処理に伴う環境負荷を軽減するための多くの長所を有することにある。

しかしながら、含水率や流量が大幅に時間変動する一般廃棄物を処理対象とする場合、本装置の上記長所を十分に引き出すためには、装置全体の熱効率を上げることで大気への排熱及び排ガス量を抑制し、環境負荷を低減するが重要となる。また、経済性の面からも装置を小型化することで設備コストを低減することも望まれる。さらに、装置の稼動率や安全性の低下につながる乾燥熱分解時の廃棄物発火を防止する必要がある。

従来の廃棄物処理装置としては、例えば、特開平９−３２９３１１号公報に記載のように、熱分解反応器から排出される乾留ガスを燃焼させ、燃焼時の熱により熱分解反応容器を加熱するための加熱空気を生成するものが知られている。しかしながら、特開平９−３２９３１１号公報記載のものでは、乾留ガスの燃焼では不足する熱を、追い炊き装置を用いて補っており、追い炊き装置の熱源として外部燃料を使う必要がある。しかし、外部燃料を使用する場合、排ガス量が増加することになり、環境負荷の軽減に対して逆効果となる。また、燃焼設備や安全装置を付加することも必要となり、設備コストや運転費が嵩むといった欠点がある。

それに対して、例えば、”木谷，茂木著、「熱分解ガス化溶融システム」、産業機械(平成１１年５月)、60〜62頁”に記載のように、熱分解反応器（外熱キルン）を加熱した後の、熱分解ガスの燃焼ガスを乾燥機の熱源として使用することにより、外部熱源を使用しないものも提案されている。

特開平９−３２９３１１号公報

木谷，茂木著、「熱分解ガス化溶融システム」、産業機械、１９９９年５月、ｐ．６０−６２

しかしながら、、”木谷，茂木著、「熱分解ガス化溶融システム」、産業機械(平成１１年５月)、60〜62頁”に記載のように、熱分解反応器（外熱キルン）を加熱した後の燃焼ガスを乾燥機の熱源として使用するものでは、次の問題がある。すなわち、熱分解反応器を加熱するために必要な温度は、７００度程度であるのに対して、乾燥機に供給する高温ガスの温度はもっと低温にする必要がある。これは、あまり高温のガスを乾燥機に供給すると、乾燥機内で廃棄物が発火するためである。そこで、一般には、熱分解器を加熱した後のガスと、外部のフレッシュエアと混合して、温度を低下させる。燃焼ガスは、低酸素濃度であるため、乾燥機で乾燥させるために用いるガスとしては好適であるが、通常の酸素濃度のフレッシュエアと混合すると酸素濃度が高くなり、発火点が高くなるため、乾燥機が大型になるという問題があった。

本発明の目的は、外部燃料を使用することなく、しかも、設備を小型化することで設備コストを低減できる廃棄物処理装置を提供することにある。

（１）上記目的を達成するために、本発明は、廃棄物に含まれる水分を加熱空気により除去するための乾燥機と、この乾燥機で乾燥させた乾燥廃棄物を熱分解ガスとチャーに熱分解するためのガス化炉と、この熱分解ガスを燃焼させて得られる高温の燃焼ガスをこのガス化炉に導いて熱分解のための熱源として使用するためのバーナと、このガス化炉を加熱したあとの排ガスにより空気を加熱してこの加熱空気を得るための空気加熱器とからなる廃棄物処理装置において、前記乾燥機に導かれる前の前記加熱空気に前記空気加熱器を通過した排ガスの一部を混入するための第一の再循環排ガス経路を備えるようにしたものである。
かかる構成により、外部燃料を使用することなく、しかも、設備を小型化することで設備コストを低減し得るものとなる。

（２）上記（１）において、好ましくは、前記チャーを燃焼させてチャー中不燃物を溶融するための燃焼溶融炉と、この燃焼溶融炉の排ガスの保有熱を利用して蒸気を発生させるための排熱回収ボイラと、前記空気加熱器を通過した排ガスにより前記排熱回収ボイラから発生した蒸気を過熱するための蒸気過熱器とを備え、前記第一の再循環排ガス経路は、前記空気加熱器の後段に配置された蒸気過熱器を通過した排ガスの一部を前記加熱空気に混入する経路としたものである。

（３）上記（１）において、好ましくは、前記熱分解ガスを還元雰囲気で燃焼させるための一次空気を前記バーナに供給する一次空気供給経路と、前記バーナの排ガス出口部に前記空気加熱器を通過した排ガスの一部を混入するための第二の再循環排ガス経路とを有し、前記バーナの燃焼状態を検出し、この検出された状態に基づき、前記加熱空気の流量と、前記第一の再循環排ガスの流量と、前記一次空気の流量と、前記第二の再循環排ガスの流量を調整する制御手段とを備えるようにしたものである。

（４）上記（３）において、好ましくは、前記制御手段は、バーナの燃焼状態が所定状態となるように、前記加熱空気の流量と前記一次空気の流量とを、共に増加するか共に減少して調整するようにしたものである。

（５）上記（３）において、好ましくは、前記制御手段は、バーナの燃焼状態が所定状態となるように、前記第一の再循環排ガスの流量と前記第二の再循環排ガスの流量とを、一方を増加する時は他方を減少するように調整するようにしたものである。

（６）上記（１）において、好ましくは、前記バーナの燃焼状態として、バーナの燃焼温度を検出し、前記制御手段は、バーナの燃焼温度が所定値となるように、前記加熱空気の流量と、前記第一の再循環排ガスの流量と、前記一次空気の流量と、前記第二の再循環排ガスの流量を調整するようにしたものである。

（７）上記（３）において、好ましくは、前記バーナの燃焼状態として、バーナの燃焼ガスの酸素濃度を検出し、前記制御手段は、バーナの燃焼ガスの酸素濃度が所定値となるように、前記加熱空気の流量と、前記第一の再循環排ガスの流量と、前記一次空気の流量と、前記第二の再循環排ガスの流量を調整するようにしたものである。

本発明によれば、外部燃料を使用することなく、しかも、設備を小型化することで設備コストを低減できる。

最初に、図１〜図３を用いて、本発明の第１の実施形態による廃棄物処理装置の構成について説明する。なお、以下の実施形態では、廃棄物処理装置として、廃棄物ガス化溶融装置を例にして説明する。
図１は、本発明の第１の実施形態による廃棄物処理装置の構成を示すシステムブロック図である。図２は、本発明の第１の実施形態による廃棄物処理装置による効果とその物理的根拠の説明図である。図３は、本発明の第１の実施形態による廃棄物処理装置に用いるバーナ燃焼温度制御手段のブロック図である。

通常の廃棄物処理装置としては種々の制御手段を有するが、図１では、主として本実施形態の説明で必要となるバーナ燃焼温度制御手段４００を示している。バーナ燃焼温度制御手段４００への入力は検出信号を、出力は制御のための目標流量指令を示す。但し、ここでは制御方法を理解し易くするために制御手段をブロックで示したが、実際には制御室内に設置されるメインコンピュータ若しくは各機器の傍等に配置されたコントローラで実現されている。

最初に、図１を用いて、本実施形態のガス化溶融装置の各機器の働きについて説明する。廃棄物ピット１に蓄積された廃棄物２は、コンベアやスクリューフィーダ等（図示しない）を介して、まずロータリ式の乾燥機３の一端から投入される。投入された廃棄物２は、乾燥機内を搬送される間に、次の３つの加熱媒体が混合された高温の乾燥用空気４により乾燥される。まず、第一の加熱媒体は、一次空気供給経路Ｐ２から供給される媒体であり、廃棄物ピット１から取り込んだ空気（排ガスとの対比でフレッシュエアと呼ぶこともある）の一部で第一空気加熱器５で予め加熱された第一加熱空気６である。第二の加熱媒体は、第二の再循環排ガス経路Ｐ３から供給される媒体であり、第二空気加熱器７で加熱された再循環空気８である。第三の加熱媒体は、第一の再循環排ガス経路Ｐ１から供給される媒体であり、後述する蒸気過熱器９を通過した蒸気過熱器排ガス１０の一部である再循環排ガス１１である。ここで、加熱空気の一部に、再循環排ガス１１を用いること、しかも、空気加熱器５，７の後段に配置された蒸気過熱器９を通過した排ガスの一部を用いることが、本実施形態の第１の要点である。このようにする理由については、後述する。

乾燥機３に投入された廃棄物２は、乾燥用空気４から熱エネルギーを受けて、廃棄物中の水分が１５％程度となるまで乾燥され、乾燥廃棄物１２として排出される。

ここで、図２を用いて、本実施形態の効果とその物理的根拠について説明する。図２（ａ）は、乾燥機入口空気４の温度と湿度の関係において、乾燥機に投入された廃棄物２の発火限界を示している。本図から理解されるように、乾燥機４を小型にするためには空気温度を高くする必要があるが、単に温度を上げただけでは発火の恐れがある。発火に至らないようにするには、空気温度を上げずに前記第一空気加熱器５や第二空気加熱器７を大型化して空気流量の増加で対処する必要があり、小型化の要求に相反する。また、従来技術のように外部燃料を使用した空気加熱では運転コストが嵩むことになる。

一方、図２（ａ）から理解されるように、乾燥機入口空気湿度を上げても発火を防止できる。湿度を上げる方法としては、図２(ｂ)に示すように、再循環空気８の流量を増加するか、乾燥機入口空気へスプレイを投入する方法がある。しかしながら、再循環空気８の流量増加は再循環空気ファン４０の容量限界があり、また、装置の大型化も必要となる。また、スプレイ投入は乾燥効率の低下を招くため、熱効率の向上という要求に反するものである。

上述の方法以外で、発火を防止する方法として、本実施形態では、図２（ｃ）に示すように、乾燥機入口空気４の酸素濃度を下げる方法を採用している。図２（ｃ）に示すように、酸素濃度を下げられれば、空気温度を上げても発火を防止できる。これを実現するために、本実施形態では、第１の要点として上述したように、蒸気過熱器排ガス１０の一部を再循環排ガス１１として乾燥用空気４に混入する。この方法によれば、外部燃料を使用することもなく、空気加熱器を大型化することもなく、再循環空気ファンを大型化することもなく、スプレイを使用することもなく、発火限界に至ることなく乾燥機の小型化が可能となる。

本実施形態の第１の要点である再循環排ガス１１を用いること，しかも、空気加熱器５，７の後段に配置された蒸気過熱器９を通過した排ガスの一部を用いることによる利点について説明する。このように、再循環排ガスを用いることにより低酸素状態の乾燥用空気４が得られるため、廃棄物が発火することなく高温での乾燥が可能となる。即ち、乾燥機３の熱負荷を高くとれるため乾燥機を小型化でき、設備コストの低減が可能となる。

ここで、乾燥機３に供給される乾燥用空気４の温度を、Ｔ４とすると、本実施形態では、例えば、３５０℃である。蒸気過熱器９を通過した再循環排ガス１１の温度Ｔ１１は、例えば、５００℃である。また、空気加熱器５で加熱された第一加熱空気６の温度Ｔ６は、例えば、２５０℃とする。ここで、説明を簡単にするために、再循環空気８が供給されずに、再循環排ガス１１（温度５００℃）と第一加熱空気６（温度２５０℃）とを混合して、３５０℃の乾燥用空気４を得る場合、再循環排ガス１１の流量Ｑ１１と第一加熱空気６の流量Ｑ６の比率（Ｑ１１：Ｑ６）は、２：３となる。また、この流量比率で混合したとき、再循環排ガス１１の酸素濃度を５％とし、第一加熱空気６の酸素濃度を２１％とすると、乾燥用空気４の酸素濃度は、約１４％となる。このような低酸素濃度であるため、乾燥用空気４の温度を例えば３５０℃としても、乾燥機３の内部を発火点以下の状態とすることができる。

一方、例えば、ガス化炉１００から排出されるガス化炉排ガス２５を、第三の加熱媒体として使用した場合について検討する。ガス化炉排ガス２５の温度Ｔ２５は、例えば、７５０℃である。ガス化炉排ガス２５（温度７５０℃）と第一加熱空気６（温度２５０℃）とを混合して、３５０℃の乾燥用空気４を得る場合、ガス化炉排ガス２５の流量Ｑ２５と第一加熱空気６の流量Ｑ６の比率（Ｑ２５：Ｑ６）は、１：４となる。また、この流量比率で混合したとき、ガス化炉排ガス２５の酸素濃度を５％とし、第一加熱空気６の酸素濃度を２１％とすると、乾燥用空気４の酸素濃度は、約１８％となる。この場合、上述の場合よりも酸素濃度が高いため、発火点が低くなり、乾燥用空気４の温度を例えば３５０℃では発火の恐れもあるため、さらに、低温度化する必要があり、第一加熱空気６を増加すると、さらに、酸素濃度が低くなる。したがって、この場合には、乾燥機３が大型化することになる。

以上のように、ガス化炉１００から排出されるガス化炉排ガス２５を乾燥用空気の一部として直接用いることなく、ガス化炉排ガス２５を空気加熱器５，７や蒸気過熱器９の熱源として利用し、これらの装置の熱交換によって低温化した排ガスを乾燥用空気の一部として用いることにより、乾燥機３の熱負荷を高くとれるため乾燥機を小型化でき、設備コストの低減が可能となる。

再び、図１において、本乾燥廃棄物１２は、更にスクリューフィーダやプッシャ等（図示しない）を介してロータリ式のガス化炉１００の一端から投入される。投入された乾燥廃棄物１２は、ガス化炉内を搬送される間にドラム１３の外周に設けたジャケット１４へ流入する高温の燃焼ガス１５（熱分解用加熱媒体としてのジャケット流入ガス）から熱エネルギーを受けて残留水分が蒸発されると共に、熱分解により可燃性ガス（熱分解ガス）１６と不燃物を含む残留物であるチャー１７に分離され、他端から排出される。

可燃性ガス１６には、可燃ガスとしての一酸化炭素、水素、軽質ガス及び重質ガスの他に、不燃ガスとしての二酸化炭素、蒸発水及び熱分解生成水等も含まれる。一方、チャー１７は可燃物としての炭素、水素、酸素の他に、不燃物としての灰分、ガレキ、金属等からなる。

ガス化炉１００から発生した可燃性ガス１６はバーナ１８に導かれ、次に述べる２種の燃焼用空気により燃焼される。第一の燃焼用空気は、可燃性ガス１６を還元雰囲気で燃焼させるための一次空気１９（廃棄物ピット１から取り込んだフレッシュエアの一部）である。第二の燃焼用空気は、前記還元雰囲気で燃焼したガスをさらに酸化雰囲気で燃焼させるための二次空気２０（乾燥機出口空気１５から前記の再循環空気８を差し引いたもの）である。二次空気２０は、循環空気ファン４０によってバーナ１８に送られる。

本実施形態の第２の要点は、酸素濃度の高い一次空気１９を用いて可燃性ガス１６を還元雰囲気で安定燃焼させ、廃棄物から蒸発した水分を多量に含んだ二次空気２０を酸化雰囲気での燃焼に活用することであり、これによって、燃焼に伴うＮＯｘ生成を大幅に抑制することができる。

還元雰囲気で燃焼したガスは、バーナ排ガス温度制御用再循環排ガス２１（前記蒸気過熱器出口排ガス１０の一部）と混合されることで、所定の温度まで冷却され、バーナ排ガス２２となる。

バーナ排ガス２２の一部は、ジャケット１４に導かれて実際の熱分解に寄与するジャケット流入ガス１５となり、残りはジャケットをバイパスするジャケットバイパスガス２３となる。ジャケットバイパスガス２３は、ジャケット出口ガス２４と合流してガス化炉排ガス２５となる。

ガス化炉排ガス２５の一部は、第一空気加熱器５における第一加熱空気６と、第二空気加熱器７における再循環空気８を加熱するための空気加熱用ガス２６として利用される。また、ガス化炉排ガス２５のうち、空気加熱用ガス２６を分流した残りの空気加熱器バイパスガス２７は、２つの空気加熱器５，７を通過することで温度低下した空気加熱後排ガス２８と合流し、蒸気過熱器用排ガス２９となる。

蒸気過熱器用排ガス２９は、後述の排熱回収ボイラ２００から発生する蒸気３７を過熱する蒸気過熱器９を通過することで温度低下し、蒸気過熱器排ガス１０となる。この蒸気過熱器排ガス１０の一部は、前記のように廃棄物乾燥用としての再循環排ガス１１とバーナ排ガス温度制御用再循環排ガス２１として利用される。残りは後述の燃焼溶融炉３１の上部に導入されて、燃焼溶融炉３１でのチャー燃焼排ガスを急冷するためのクエンチガス３２として利用される。

ガス化炉１００から排出されたチャー１７は、チャー処理装置３３により金属が除去されると共に、粉砕されて微粉チャー３４となり、チャーホッパ３５に蓄積される。チャーホッパ３５に蓄積された微粉チャーは、搬送用空気と共に、燃焼溶融炉３１での燃焼用チャー３６として炉内に吹き込まれる。

燃焼溶融炉３１に吹き込まれた燃焼用チャー３６は、チャー燃焼用空気３０により燃焼される。このチャー燃焼用空気３０は、押込み空気ファン３８により乾廃棄物ピット１から取り込んだファン供給空気３９の一部であり、残りは前述の第一加熱空気６とバーナ１８の還元雰囲気で熱分解ガスを燃焼させるための一次空気１９である。

燃焼溶融炉３１に導入されるクエンチガス３２は、排ガス中のスラグが炉壁や排熱回収ボイラ２００の伝熱管に付着固化（スラッギング）しないように、チャー燃焼排ガスを急冷するためのものである。

排熱回収ボイラ２００は、ボイラ給水４１を受けて燃焼溶融炉３１で発生する熱を回収して蒸気を発生させためのものである。ボイラドラム４２で汽水分離された蒸気３７は、蒸気過熱器９に導かれ、過熱蒸気４３となり、タービン発電装置３００の蒸気タービン４４に導入されて発電機４５を駆動することで発電出力を得る。

排熱回収ボイラ２００を通過した排ガス４６は、排ガス処理装置４７により脱塵，脱硫，脱硝されて、無害化され、煙突４８から系外に排出される。

蒸気タービン４４からの排気蒸気は、復水器４９を経て、ボイラ給水ポンプ５０によりボイラ２００に給水される。

次に、図１及び図３を用いて、本実施形態のガス化溶融装置の制御方法について説明する。

図１に示したバーナ燃焼温度制御手段４００は、バーナ１８に設置した温度計５１により検出されたバーナ燃焼温度信号（ＴＣ）５２を入力し、これが所定値となるように次なる４つの目標流量指令を出力する。

第１の目標流量指令としては、バーナ１８に対する一次空気１９の流量を調整するための信号であり、一次空気流量調整弁装置５３に対して必要な一次空気流量を確保するための目標流量指令（Ｆ１）５４を出力する。第２の目標流量指令としては、第一加熱空気６の流量を調整するための信号であり、第一加熱空気ファン装置５５に対して必要な第一加熱空気流量を確保するための目標流量指令（Ｆ２）５６を出力する。第３の目標流量指令としては、再循環排ガス１１の流量を調整するための信号であり、再循環排ガスファン装置５７に対して必要な再循環排ガス流量を確保するための目標流量指令（Ｆ３）５８を出力する。第４の目標流量指令としては、バーナ排ガス温度制御用再循環排ガス２１の流量を調整するための信号であり、バーナ排ガス温度制御用再循環排ガス流量調整弁装置５９に対して必要な再循環排ガス流量を確保するための目標流量指令（Ｆ４）６０を出力する。

次に、図３を用いて、バーナ燃焼温度制御手段４００における制御方法をさらに詳しく説明する。但し、ここでは制御方法を理解し易くするために制御手段をブロックで示したが、実際には制御室内に設置されるメインコンピュータ若しくは各機器の傍等に配置されたコントローラで実現されている。

図３に示すように、バーナ燃焼温度制御手段４００は、バーナ燃焼温度目標値（Ｔ_ＣＲ）を設定するためのバーナ燃焼温度設定手段６１と、前記バーナ燃焼温度信号（Ｔ_Ｃ）５２との偏差（Ｅ）を求めるための減算手段６２と、偏差（Ｅ）を時間的に比例積分する比例積分手段６３と、比例積分手段６３により得られた基本流量指令値（Ｒ_Ｆ）に対して比例定数Ｋ１，Ｋ２，Ｋ３，Ｋ４を乗算して各々上記目標流量指令（Ｆ１，Ｆ２，Ｆ３，Ｆ４）を得るための乗算手段６４，６５，６６，６７とからなる。また、比例積分手段６３は、上記偏差（Ｅ）対して比例定数ＫＰ，ＫＩを乗算して各々Ｒ１、Ｒ２を得るための乗算手段６３a，６３bと、さらにＲ２を時間積分してＲ３を得るための積分手段６３cと、Ｒ１，Ｒ３を加算して、基本流量指令値（Ｒ_Ｆ）を得るための加算手段６３dからなる。

尚、目標流量指令Ｆ４はＦ３を相殺するためのものでＫ４ =−Ｋ３として演算される。即ち、再循環排ガス流量（Ｆ３）と等しい流量をバーナ排ガス温度制御用再循環排ガス流量制御手段（図示しない）からの目標流量指令値から差し引くことにより、乾燥機３及びガス化炉１００関係を循環する空気及びガスの流量の安定化を図るためのものである。

例えば、可燃性ガス１６が変動している場合、バーナ１８の温度Ｔｃを安定にするには、一次空気流量調整弁装置５３と第一加熱空気ファン装置５５を調整し、一次空気１９と二次空気２０の流量をともに増加するか、または、ともに減少するように、制御手段４００は、目標流量指令（Ｆ１）と目標流量指令（Ｆ２）を出力する。また、バーナ１８を流れる全体の流量に関しては、再循環排ガスファン装置５７を調整して、再循環ガス１１の流量を制御する。このとき、再循環ガス１１を増やす場合にはバーナ排ガス温度制御用再循環排ガス２１を減らすように、制御手段４００は、目標流量指令（Ｆ３）と目標流量指令（Ｆ４）を出力する。

以上は、バーナ燃焼温度制御手段４００によるバーナ燃焼温度を目標値（Ｔ_ＣＲ）とするための制御であり、他の流量制御について簡単に説明する。乾燥機３に流入する乾燥空気４の流量を一定にするためには、再循環空気８の流量を調整弁により調整される。また、乾燥機３から排出される乾燥空気の温度を一定とするには、空気加熱器バイパスガス２７と空気加熱後排ガス２８の流量を制御する。乾燥機３から排出される乾燥空気の温度が上がった場合には、空気加熱器バイパスガス２７の流量を増加し、空気加熱後排ガス２８の流量を減少するように制御する。

以上説明したように、本実施形態によれば、空気加熱器５，７の後段に配置された蒸気過熱器９を通過した再循環排ガス１１を加熱空気の一部として用いることにより、乾燥機３の熱負荷を高くとれるため乾燥機を小型化でき、設備コストの低減が可能となる。

次に、図４を用いて、本発明の第２の実施形態による廃棄物処理装置の構成について説明する。
図４は、本発明の第２の実施形態による廃棄物処理装置の構成を示すシステムブロック図である。なお、図１と同一符号は、同一部分を示している。

図１に示した実施形態では、再循環ガス１１として蒸気過熱器９の出口から引き出しているが、本実施形態では、図中太線で示すように、再循環ガス１１を蒸気過熱器９の手前であって、空気加熱器５，７の後段から引き出している点に特徴がある。

ここで、空気加熱器５を通過した再循環排ガス１１の温度Ｔ１１は、例えば、６００℃である。また、空気加熱器５で加熱された第一加熱空気６の温度Ｔ６は、例えば、２５０℃とする。ここで、説明を簡単にするために、再循環空気８が供給されずに、再循環排ガス１１（温度６００℃）と第一加熱空気６（温度２５０℃）とを混合して、３５０℃の乾燥用空気４を得る場合、再循環排ガス１１の流量Ｑ１１と第一加熱空気６の流量Ｑ６の比率（Ｑ１１：Ｑ６）は、２：５となる。また、この流量比率で混合したとき、再循環排ガス１１の酸素濃度を５％とし、第一加熱空気６の酸素濃度を２１％とすると、乾燥用空気４の酸素濃度は、約１６．５％となる。この場合、図１の例の場合よりも酸素濃度が高いため、発火点が低くなり、乾燥用空気４の温度を例えば３５０℃では発火の恐れもあるため、さらに、低温度化する必要があるが、それでも、ガス化炉１００から排出されるガス化炉排ガス２５を、そのまま第三の加熱媒体として使用した場合に比べれば発火点を低くでき、乾燥機を小型化できる。

燃焼溶融炉３１や、排熱回収ボイラ２００や、タービン発電機３００，および蒸気過熱器９など、図中一点鎖線で示す枠内にある装置は、廃棄物ガス化溶融装置として必要な構成であるが、燃焼溶融炉３１をもたず、ガス化炉１００にて生成されたチャー１７を他の燃焼装置にて利用する形態の廃棄物処理装置では、タービン発電機３００も備えておらず、また、上記タービン４４に加熱蒸気４３を供給する蒸気過熱器９も不要である。このような構成の廃棄部処理装置においては、図１に示した実施形態の構成を取ることはできず、本実施形態のように、空気加熱器５を通過した排ガスの一部を乾燥用空気の一部として利用することにより、乾燥機を小型化できる。

以上説明したように、本実施形態によれば、空気加熱器５，７を通過した再循環排ガス１１を乾燥用空気の一部として用いることにより、乾燥機３の熱負荷を高くとれるため乾燥機を小型化でき、設備コストの低減が可能となる。

なお、再循環ガス１１の引き出し方としては、上記２つの実施形態で示した以外にも種々の方法が考えられるが、要するに廃棄物の熱分解により得られた可燃ガス１６の燃焼により得られる熱エネルギーを活用することが本発明の本質的な特徴である。したがって、実施に当たっては各機器の配置条件、排ガスの量や温度条件に応じて臨機応変に本発明を適用すればよいものである。

次に、図５〜図７を用いて、本発明の第３の実施形態による廃棄物処理装置の構成について説明する。
図５は、本発明の第３の実施形態による廃棄物処理装置の構成を示すシステムブロック図である。なお、図１と同一符号は、同一部分を示している。図６は、バーナ１８の燃焼温度（TC）と酸素濃度（Ｏ_２Ｃ）の関係の説明図である。また、図７は、本発明の第３の実施形態による廃棄物処理装置に用いる酸素濃度制御手段のブロック図である。なお、図３と同一符号は、同一部分を示している。

本実施形態では、図１に示した実施形態におけるバーナ燃焼温度制御手段４００に代えて、バーナ燃焼ガス酸素濃度制御手段５００を用いている。それ以外の構成は、図１に示したものと同様である。

図５に示すバーナ燃焼ガス酸素濃度制御手段５００は、バーナ１８に設置した酸素濃度計６８により検出されたバーナ燃焼ガス酸素濃度信号（Ｏ_２Ｃ）６９を入力し、これが所定値となるように次の４つの目標流量指令を出力する。但し、４つの目標流量指令については、第１，２，３の実施形態で示したものと同じものである。即ち、第１の目標流量指令は、一次空気流量調整弁装置５３に対して必要な一次空気流量を確保するための目標流量指令（Ｆ１）５４である。第２の目標流量指令は、第一加熱空気ファン装置５５に対して必要な第一加熱空気流量を確保するための目標流量指令（Ｆ２）５６である。第３の目標流量指令は、再循環排ガスファン装置５７に対して必要な再循環排ガス流量を確保するための目標流量指令（Ｆ３）５８である。第４の目標流量指令は、バーナ排ガス温度制御用再循環排ガス流量調整弁装置５９に対して必要な再循環排ガス流量を確保するための目標流量指令（Ｆ４）６０である。

ここで、バーナ１８において燃焼温度（TC）と酸素濃度（Ｏ_２Ｃ）の間には、図６に示すような相関がある。したがって、酸素濃度に基づいて制御した図１の実施形態と同様に、燃焼温度によっても、流量制御が可能である。

次に、図７を用いて、バーナ燃焼ガス酸素濃度制御手段５００における制御方法をさらに詳しく説明する。バーナ燃焼ガス酸素濃度制御手段５００は、バーナ燃焼ガス酸素濃度目標値（Ｏ_２ＣＲ）を設定するためのバーナ燃焼ガス酸素濃度設定手段７０と、バーナ燃焼ガス酸素濃度信号（Ｏ_２Ｃ）６９との偏差（Ｅ）を求めるための減算手段６２Ａと、偏差（Ｅ）を時間的に比例積分する比例積分手段６３と、比例積分手段６３により得られた基本流量指令値（ＲＦ）に対して比例定数Ｋ１，Ｋ２，Ｋ３，Ｋ４を乗算して各々上記目標流量指令（Ｆ１，Ｆ２，Ｆ３，Ｆ４）を得るための乗算手段６４，６５，６６，６７とからなる。比例積分手段６３および乗算手段６４，６５，６６，６７は、図３に示したものと同様である。

なお、減算器６２Ａについては、検出信号と出力信号の関係で演算符号が、図３の減算器６２と逆になっている。

なお、図５に示した実施形態は、図１に示した実施形態におけるバーナ燃焼温度制御手段４００に代えて、バーナ燃焼ガス酸素濃度制御手段５００を用いたものであるが、図４に示した実施形態におけるバーナ燃焼温度制御手段４００に代えて、バーナ燃焼ガス酸素濃度制御手段５００を用いてもよいものである。

なお、本発明は上述の第１〜第３の実施形態に限定されるものでなく、以下に述べる実施形態においても、その本質を何ら変えることなく適用可能である。

まず、本発明の第１〜第３の実施形態は、いずれも燃焼溶融炉３１を有する装置として構成された廃棄物ガス化溶融装置を対象としたが、燃焼溶融炉３１をもたず、ガス化炉１００にて生成されたチャー１７を他の燃焼装置にて利用する形態の廃棄物処理装置にも、本発明はその本質を何ら変えることなく適用可能である。例えば、燃焼溶融炉３１の代わりに、通常の燃焼ボイラにて微粉チャー３６を燃焼させる廃棄物処理装置や、全く別置きで遠隔地に設置された燃焼ボイラや、セメント製造などに必要となる材料加熱用燃料などに流用される場合においても、本発明の本質を何ら逸脱するものではない。

また、本発明の第１〜第３の実施形態は、いずれも排熱回収ボイラ２００と別置された蒸気過熱器９を有する装置として構成された廃棄物ガス化溶融装置を対象としたが、必ずしもこの装置構成に限定する必要は無く、蒸気過熱器を内蔵した排熱回収ボイラを採用することも可能である。この場合は本発明の第２の実施形態に似て、排熱回収ボイラへ供給される排ガスの一部を再循環すればよく、本発明の本質を何ら逸脱するものではない。

また、本発明の第１〜第３の実施形態は、バーナ１８に供給する一次空気１９と二次空気２０をそれぞれ還元雰囲気及び酸化雰囲気での燃焼用として規定しているが、必ずしもこのように厳密に規定する必要はなく、それぞれを更に分流するなどして、複数箇所から供給し、両雰囲気にまたがった部分流を持つ供給方法としても、本発明の実施形態で説明したと同様の効果を達成できることは勿論である。

また、本発明の第１〜第３の実施形態は、乾燥用空気加熱器として第一空気加熱器５と第二空気加熱器７に分離された機器構成としたが、必ずしも分離する必要はなく、第一加熱空気と再循環空気を合流させたあとで一つの空気加熱器に導く構成としても本発明の本質を何ら逸脱するものではない。

また、本発明の第１〜第３の実施形態は、制御方法として目標流量指令のＦ１〜Ｆ２を演算出力するために、基本流量指令値ＲＦに対して、それぞれ乗算手段６４〜６７にて定数Ｋ１〜Ｋ４を掛ける方法としたが、必ずしも定数に限定する必要はなく、装置設計の条件に応じた関数計算により決定する方法としても本発明はその本質を何ら変更されることなく実施できる。

また、本発明の第１〜第３の実施形態は、制御方法として偏差（Ｅ）を比例積分手段６３にて演算した結果を基本流量指令値ＲＦとして使用しているが、必ずしも比例積分手段に限定する必要はなく、微分動作を追加した比例積分微分手段を用いる方法や比例手段のみを用いる方法など、装置の動特性に応じて適宜選定すれば良い。

このように、本発明の廃棄物のガス化溶融装置とその制御方法は、排ガスを乾燥用熱源として利用するため熱効率を高くでき、外部燃料が不要となり排ガスによる環境負荷も大幅に低減できる。また、高温かつ低酸素の加熱媒体による乾燥が可能なため乾燥機を小型にできるという利点がある。さらに、乾燥機内部で廃棄物の発火を防止できるため運転の安全性が向上し、装置の稼働率向上にも寄与する。

本発明の第１の実施形態による廃棄物処理装置の構成を示すシステムブロック図である。本発明の第１の実施形態による廃棄物処理装置による効果とその物理的根拠の説明図である。本発明の第１の実施形態による廃棄物処理装置に用いるバーナ燃焼温度制御手段のブロック図である。本発明の第２の実施形態による廃棄物処理装置の構成を示すシステムブロック図である。本発明の第３の実施形態による廃棄物処理装置の構成を示すシステムブロック図である。バーナ１８の燃焼温度（TC）と酸素濃度（Ｏ_２Ｃ）の関係の説明図である。本発明の第３の実施形態による廃棄物処理装置に用いる酸素濃度制御手段のブロック図である。

符号の説明

１…廃棄物ピット
２…廃棄物
３…乾燥機
４…乾燥用空気
５…第一空気加熱器
６…第一加熱空気
７…第二空気加熱器
８…再循環空気
９…蒸気過熱器
１０…蒸気過熱器排ガス
１１…再循環排ガス
１２…乾燥廃棄物
１３…ドラム
１４…ジャケット
１５…燃焼ガス
１６…可燃性ガス
１７…チャー
１８…バーナ
１９…一次空気
２０…二次空気
２１…バーナ排ガス温度制御用再循環排ガス
２２…バーナ排ガス
２３…ジャケットバイパスガス
２４…ジャケット出口ガス
２５…ガス化炉排ガス
２６…空気加熱用ガス
２７…空気加熱器バイパスガス
２８…空気加熱後排ガス
２９…蒸気過熱器用排ガス
３０…チャー燃焼用空気
３１…燃焼溶融炉
３２…クエンチガス
３３…チャー処理装置
３４…微粉チャー
３５…チャーホッパ
３６…燃焼用チャー
３８…空気ファン
３７…蒸気
３９…ファン供給空気
４０…循環空気ファン
４１…ボイラ給水
４２…ボイラドラム
４３…過熱蒸気
４４…蒸気タービン
４５…発電機
４６…排ガス
４７…排ガス処理装置
４８…煙突
４９…復水器
５０…ボイラ給水ポンプ
５１…温度計
５２…バーナ燃焼温度信号（Ｔ_Ｃ）
５３…一次空気流量調整弁装置
５４…目標流量指令（Ｆ１）
５５…第一加熱空気ファン装置
５６…目標流量指令（Ｆ２）
５７…再循環排ガスファン装置
５８…目標流量指令（Ｆ３）
５９…バーナ排ガス温度制御用再循環排ガス流量調整弁装置
６０…目標流量指令（Ｆ４）
６１…バーナ燃焼温度設定手段
６２…減算手段
６３…比例積分手段
６３a…乗算手段
６３b…乗算手段
６３c…積分手段
６３d…加算手段
６４…乗算手段
６５…乗算手段
６６…乗算手段
６７…乗算手段
６８…酸素濃度計
６９…バーナ燃焼ガス酸素濃度信号（Ｏ_２Ｃ）
７０…バーナ燃焼ガス酸素濃度設定手段
１００…ガス化炉
２００…排熱回収ボイラ
３００…タービン発電装置
４００…バーナ燃焼温度制御手段
５００…バーナ燃焼ガス酸素濃度制御手段

Claims

廃棄物に含まれる水分を加熱空気により除去するための乾燥機と、この乾燥機で乾燥させた乾燥廃棄物を熱分解ガスとチャーに熱分解するためのガス化炉と、この熱分解ガスを燃焼させて得られる高温の燃焼ガスをこのガス化炉に導いて熱分解のための熱源として使用するためのバーナと、このガス化炉を加熱したあとの排ガスにより空気を加熱してこの加熱空気を得るための空気加熱器とからなる廃棄物処理装置において、
前記乾燥機に導かれる前の前記加熱空気に前記空気加熱器を通過した排ガスの一部を混入するための第一の再循環排ガス経路を備えたことを特徴とする廃棄物処理装置。
請求項１記載の廃棄物処理装置において、さらに、
前記チャーを燃焼させてチャー中不燃物を溶融するための燃焼溶融炉と、
この燃焼溶融炉の排ガスの保有熱を利用して蒸気を発生させるための排熱回収ボイラと、
前記空気加熱器を通過した排ガスにより前記排熱回収ボイラから発生した蒸気を過熱するための蒸気過熱器とを備え、
前記第一の再循環排ガス経路は、前記空気加熱器の後段に配置された蒸気過熱器を通過した排ガスの一部を前記加熱空気に混入する経路であることを特徴とする廃棄物処理装置。
請求項１記載の廃棄物処理装置において、さらに、
前記熱分解ガスを還元雰囲気で燃焼させるための一次空気を前記バーナに供給する一次空気供給経路と、
前記バーナの排ガス出口部に前記空気加熱器を通過した排ガスの一部を混入するための第二の再循環排ガス経路とを有し、
前記バーナの燃焼状態を検出し、この検出された状態に基づき、前記加熱空気の流量と、前記第一の再循環排ガスの流量と、前記一次空気の流量と、前記第二の再循環排ガスの流量を調整する制御手段とを備えたことを特徴とする廃棄物処理装置。
請求項３記載の廃棄物処理装置において、
前記制御手段は、バーナの燃焼状態が所定状態となるように、前記加熱空気の流量と前記一次空気の流量とを、共に増加するか共に減少して調整することを特徴とする廃棄物処理装置。
請求項３記載の廃棄物処理装置において、
前記制御手段は、バーナの燃焼状態が所定状態となるように、前記第一の再循環排ガスの流量と前記第二の再循環排ガスの流量とを、一方を増加する時は他方を減少するように調整することを特徴とする廃棄物処理装置。
請求項３記載の廃棄物処理装置において、
前記バーナの燃焼状態として、バーナの燃焼温度を検出し、
前記制御手段は、バーナの燃焼温度が所定値となるように、前記加熱空気の流量と、前記第一の再循環排ガスの流量と、前記一次空気の流量と、前記第二の再循環排ガスの流量を調整することを特徴とする廃棄物処理装置。
請求項３記載の廃棄物処理装置において、
前記バーナの燃焼状態として、バーナの燃焼ガスの酸素濃度を検出し、
前記制御手段は、バーナの燃焼ガスの酸素濃度が所定値となるように、前記加熱空気の流量と、前記第一の再循環排ガスの流量と、前記一次空気の流量と、前記第二の再循環排ガスの流量を調整することを特徴とする廃棄物処理装置。