JP4343931B2

JP4343931B2 - 燃焼溶融炉及び燃焼溶融炉の運転方法

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Publication number: JP4343931B2
Application number: JP2006208139A
Authority: JP
Inventors: 小林　　実; 強柴田; 輝幸岡崎
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2006-07-31
Filing date: 2006-07-31
Publication date: 2009-10-14
Anticipated expiration: 2026-07-31
Also published as: JP2008032345A

Description

本発明は、都市ごみを熱分解して得られた可燃性の燃焼粒子を燃焼して燃焼ガスを生成し、燃焼粒子が燃焼した灰分を溶融してスラグ化して回収する燃焼溶融炉及び燃焼溶融炉の運転方法に関する。

近年、都市ごみの増加に伴ってごみを燃焼して生じた焼却灰の埋め立て処分場の容量が逼迫している。そのため、焼却炉から排出される灰をごみの持つエネルギーを直接利用して溶融し減容化するごみ処理施設が考えられている。

特に、ごみを熱分解装置にて還元雰囲気で加熱して熱分解ガスと固体残渣とを生成し、固体残渣から不燃物を除いた燃料粒子を燃焼溶融炉にて燃焼し、この燃料粒子の燃焼で発生した熱を利用して燃料粒子の焼却灰を溶融しスラグ化して回収する燃焼溶融炉を備えたごみ処理施設が注目されている。

燃焼溶融炉には、燃焼粒子及び燃焼用の空気を燃焼室の内部で旋回させて燃焼する旋回型の燃焼溶融炉の方式が多く見られる。旋回型の燃焼溶融炉では燃焼溶融炉の燃焼室の内部に燃焼用空気によって高速の旋回流を形成し、その旋回流の中でごみから生成した燃料粒子を燃焼させると共に、ごみの燃焼で生じた焼却灰を旋回流の遠心力によって燃焼室の壁面に捕捉させて溶融スラグ化させている。

この溶融スラグは燃焼溶融炉の燃焼室の壁面を下方に流下して燃焼室の底面に設けられたスラグ排出口から炉外に排出されるので、燃焼溶融炉の運転を長時間安定に保つには燃焼室の壁面の温度をスラグの溶融点以上に保つことが重要である。

特許第３，５５７，９１２号公報には、ごみから生成した燃料粒子を燃焼させる旋回型の燃焼溶融炉において、空気比が１未満の還元雰囲気よりなる一次燃焼と空気比が１以上の酸化雰囲気よりなる二次燃焼とを一つの燃焼室で燃焼させるように構成して、燃焼溶融炉の構造を簡素化した技術が開示されている。

特許第３，５５７，９１２号公報

ところで、都市ごみを熱処理して得られる燃料粒子の熱量は一定ではない。即ち、ごみの組成が不均一であることに起因した燃料粒子の熱量の変動と、熱処理するごみの量の変化に応じて生成される燃料粒子の量の増減によって、ごみを熱処理して得られる燃料粒子の全体の熱量は変化する。

このため、特許第３，５５７，９１２号公報に記載された構成のごみから生成した燃料粒子を燃焼させる燃焼溶融炉では、燃料粒子の全体の熱量の変化により燃料粒子を燃焼して発生する熱負荷が変動することになり、以下の課題が生じる。

（１）燃焼溶融炉の燃焼室内で熱負荷が減少した場合は、燃焼室内の平均温度は低下して燃焼室壁面が冷却されるため、焼却灰を溶融スラグ化する燃焼溶融性が低下して燃焼溶融炉の長期安定運転が困難となる。このため、熱負荷が減少した場合の燃焼溶融性を確保するために灯油等の助燃が必要となり燃料費が増加する。

（２）燃焼溶融炉の燃焼室内で熱負荷が増加した場合は、燃焼室内の平均温度は上昇して燃焼室壁面の温度が上昇するため、燃焼室を構成する燃焼室壁面の耐火材の溶損速度が速くなる。また、燃焼室内に供給される燃料粒子が増量して熱負荷が増加した場合は、燃焼室内の壁面を流下する溶融スラグが増量するため、耐火材の溶損速度は更に速くなる。

燃焼室壁面の耐火材の溶損はごみ処理施設の連続運転時間の制約となるばかりではなく、高額で長期の耐火材補修頻度が増えるため極めて重大な障害である。

また、燃焼溶融炉の補修にはごみ処理施設を構成する他の機器も降温が必要となるため、降温、昇温に起因する腐食等の問題によって他の機器の寿命が短くなる問題もある。

以上説明したように、ごみを熱処理して得られる燃料粒子を燃料とする燃焼溶融炉の燃焼室内の熱負荷に変動が生じて熱負荷が減少した場合は燃焼溶融炉の長期安定運転が困難となる課題があり、一方、熱負荷が増加した場合は燃焼室壁面の耐火材の溶損速度が速くなる課題がある。

本発明の目的は、燃焼溶融炉の燃焼室内での熱負荷変動に起因する不安定要因を緩和して燃焼溶融炉の長期安定運転の実現と、燃焼室壁面の耐火材の溶損速度の抑制とを両立させた燃焼溶融炉を提供することにある。

本発明の燃焼溶融炉は、ごみから生成された燃料粒子を供給する燃料配管と燃焼用空気を供給する第一の空気配管とが配設された燃焼室を備え、燃焼室で燃料粒子を燃焼して燃料粒子に含まれた灰分を溶融する燃焼溶融炉において、燃焼溶融炉の燃焼室で燃料粒子を燃焼して発生した燃焼ガスを燃焼室から排出する排ガス煙道に燃焼ガスから熱量を回収する熱交換器を設置し、燃焼用空気を燃焼室に供給する第一の空気配管にこの第一の空気配管から分岐した分岐空気配管を設けてこの分岐空気配管の一部を伝熱管として熱交換器に配設し、熱交換器で熱交換されて加熱された燃焼用空気を流下させる分岐空気配管を第一の空気配管に連通させて分岐空気配管を流下する加熱した燃焼用空気と第一の空気配管を流下する低温の燃焼用空気とを混合させ、混合して温度が所望の温度範囲に調整された燃焼用空気を分岐空気配管と連通した下流側の第一の空気配管を通じて燃焼室に供給するように構成し、燃焼室に燃焼室の壁面温度を計測する温度計を設置し、分岐空気配管が連通した位置より上流側の第一の空気配管に流量調整用のバルブを設置し、温度計で検出した燃焼室の壁面温度に基づいて第一の空気配管に設置した流量調整用のバルブの流量を調整して第一の空気配管を通じて燃焼室に供給する燃焼用空気の温度を所望の温度範囲に制御する制御装置を設置するように構成したことを特徴とする。

本発明の燃焼溶融炉の運転方法は、ごみから生成された燃料粒子と燃焼用空気を燃焼室に供給して燃焼させて燃焼ガスを生成すると共に燃料粒子に含まれた灰分を溶融する燃焼溶融炉の運転方法において、燃焼溶融炉の燃焼室で燃料粒子を燃焼して発生した燃焼ガスを燃焼室から排出する排ガス煙道に設置した熱交換器によって燃焼室から排出された燃焼ガスから熱量を回収し、燃焼室に供給する低温の燃焼用空気の一部を分岐して熱交換器に供給してこの分岐した燃焼用空気を燃焼ガスから回収した熱量で加熱し、加熱された分岐した燃焼用空気を低温の燃焼用空気と混合させて燃焼用空気の温度を所望の温度範囲に調整し、この所望の温度範囲に調整された燃焼用空気を燃焼室に供給するようにし、更に燃焼溶融炉の燃焼室の壁面温度を検出し、検出した燃焼室の壁面温度に基づいて燃焼室から排出された燃焼ガスの熱量を回収して加熱された分岐した燃焼用空気に混合させる低温の燃焼用空気の流量を調整して、燃焼室に供給するこの混合させた燃焼用空気の温度を所望の温度範囲に調節することを特徴とする。

本発明によれば、燃焼溶融炉の燃焼室内での熱負荷変動に起因する不安定要因を緩和して燃焼溶融炉の長期安定運転の実現と、燃焼室壁面の耐火材の溶損速度の抑制とを両立させた燃焼溶融炉が実現できる。

本発明の実施例であるごみを処理する燃焼溶融炉について図面を参照して以下に説明する。

図１は本発明の一実施例であるごみを処理する燃焼溶融炉の構成を示す。

図１において、燃焼溶融炉１を構成する主要機器の燃焼室１aは、燃焼室１aの内壁面を耐火材で構成している。

燃焼室１aを内側の空間部に形成する燃焼溶融炉１の胴部には、都市ごみを熱分解して得られた固体物質或いは石炭などの可燃性固体物質を粉砕して生成した燃料粒子を燃焼室１の内部に供給する燃料粒子供給口２と、燃焼用空気を燃焼室１に供給する燃焼用空気供給口３と、助燃用の燃料を燃焼室１aに供給する助燃バーナ５とが夫々設置されている。

そして、燃焼溶融炉１の燃焼室１aにて燃料粒子供給口２から供給された燃料粒子を、燃焼用空気供給口３から供給された燃焼用空気、及び助燃バーナ５から供給された助燃用の燃料によって燃焼させるように構成されている。

燃焼室１aの胴部の上部には燃焼室１aの内部にて供給された燃料粒子を燃焼して生じた燃焼ガスを燃焼溶融炉１から外部に排出する燃焼ガス排出口６が設けられている。

燃焼溶融炉１の胴部の内側で燃焼室１aの下部には、燃焼室１aで燃料粒子を燃焼させることにより生成した灰分が溶融して溶融スラグとなるので、この溶融スラグを燃焼室１aから排出するスラグ排出口４と、このスラグ排出口４から排出されたスラグを冷却した後に外部に排出するスラグ水槽１３が設置されている。

燃料粒子供給口２に供給される燃料粒子は、燃料供給装置１２に貯蔵した都市ごみ等のこみを熱分解して得られた固体物質或いは石炭などの可燃性固体物質を粉砕して生成した燃料粒子を燃料配管５７に導き、燃料配管５７の上流側に設置した空気送風機１１から送給される空気によって燃料粒子を搬送することにより燃料配管５７を通じて燃料粒子供給口２に供給される。

燃焼用空気供給口３に供給される燃焼用空気は、空気送風機７から空気配管５３を通じて供給される。

助燃バーナ５に供給される灯油等の助燃用の燃料は、助燃燃料供給装置１４から燃料配管５９を通じて供給される。助燃バーナ５に供給される燃焼用空気は、空気送風機１１から空気配管５８を通じて供給される。

燃焼溶融炉１の燃焼室１aにて燃料供給装置１２から供給された燃料粒子を燃焼して発生した高温の燃焼ガスは、燃焼ガス排出口６から排ガス煙道５１を通じて排出される。

排ガス煙道５１の経路の途中には熱交換器８が設置され、この熱交換器８の下流側には排ガス処理装置１６が設置されて燃焼ガスに含まれる有害分を除去している。

排ガス処理装置１６を経た燃焼ガスは排ガス煙道５１を流下して煙突１７から大気に放出される。

排ガス煙道５１の経路途中に熱交換器８を設置することにより、燃焼溶融炉１の燃焼室１aで生じた燃焼ガスが保有する廃熱を有効利用できる。

即ち、送風機７から燃焼用空気を燃焼用空気供給口３に供給する空気配管５３の上流側部分で空気配管５３から空気配管５５が分岐しており、空気配管５５には送風機７から送給された燃焼用空気の一部が流下する。

この空気配管５５はその一部が伝熱管として熱交換器８に配設されており、送風機７から送給された燃焼用空気の一部が熱交換器８に配設された空気配管５５を流下する。

熱交換器８において排ガス煙道５１を流れる高温の燃焼ガスと空気配管５５を流下する燃焼用空気とが熱交換されて燃焼用空気が加熱され、この加熱された燃焼用空気は熱交換器８の下流側の空気配管５５を流下して空気配管５３と合流点２７で合流する。

そして、この合流点２７にて空気配管５５を流下して加熱された燃焼用空気と、送風機７から送給されて空気配管５３を流下する低温の燃焼用空気とが混合され、温度調節された燃焼用空気が合流点２７の下流側の空気配管５３を更に流下して燃焼用空気供給口３に供給されることによって、温度調節された燃焼用の空気を燃焼溶融炉１の燃焼室１aに流入させている。

熱交換器８にて排ガス煙道５１を流下する燃焼ガスとの熱交換によって加熱された燃焼用空気が流れる熱交換器８の下流側の空気配管５５には、バルブ９と流量計１８とが設置されている。

また、非加熱の低温の燃焼用空気が流れる合流点２７より上流側の空気配管５３には、バルブ１０と流量計１９が設置されている。

そして、空気配管５５に設置したバルブ９及び空気配管５３に設置したバルブ１０の各バルブ開度を調整して空気配管５５及び空気配管５３を夫々流下する燃焼用空気の流量配分を調節することにより、燃焼用空気供給口３から燃焼室１aに供給される燃焼用空気の温度を適正な約１５０〜３５０℃の温度範囲に調整することが可能となっている。

燃焼溶融炉１には燃焼用空気供給口３から燃焼室１aの内部の壁面に沿って流入させる燃焼用空気の温度を、燃焼室１aの壁面を構成する耐火材の溶損速度が長期間使用できる低い耐火材溶損速度に低減するように、約１５０〜３５０℃の温度範囲に調整する制御装置３０が設置されている。

この制御装置３０には、検出器である流量計１８で検出した熱交換器８の下流側の空気配管５５を流下する加熱された燃焼用空気の流量と、流量計１９で検出した合流点２７より上流側の空気配管５３を流下する低温の燃焼用空気の流量の検出信号が入力される。

燃焼室１aの内部の壁面には燃焼室１aの壁面の温度を検出する温度計２１が設置されているが、温度計２１で検出する壁面の温度は燃焼溶融炉１の熱負荷と、燃焼室１aで燃焼する燃料粒子に対する燃焼用空気の比である空気比とに依存するので、熱負荷のみの指標とはならない。

燃焼室１aの内部で燃料粒子供給口２から供給された燃料粒子を燃焼させた燃焼室内の燃焼温度は約１４００℃であり、温度計２１で検出される燃焼室１aの壁面温度は約９００〜９５０℃にもなる。そこで、温度計２１で検出した燃焼室１aの壁面温度の検出信号を制御装置３０に入力させ、燃焼室１aの壁面を構成する耐火壁の溶損速度の進展を抑制するためにこの制御装置３０によって燃焼室１aに流入させる燃焼用空気の温度制御を行う。

また、合流点２７より下流側の空気配管５３を流下して燃焼用空気供給口３に供給される燃焼用空気の温度は、合流点２７の下流側の空気配管５３に設置された温度計２０により測定される。

この温度計２０で検出される空気の温度は、空気配管５５で導かれた熱交換器８で加熱した燃焼用空気と、合流点２７より上流側の空気配管５３を流下する低温の燃焼用空気とを合流点２７で混合して温度が調整されて、合流点２７の下流側の空気配管５３を流れる燃焼用空気の温度をモニターするものであり、温度計２０の検出信号も監視用に制御装置３０に入力される。

そして、制御装置３０では、温度計２１によって測定された燃焼室１aの壁面の温度の検出信号をメインの検出値として、燃焼溶融炉１の燃焼室１aの壁面を構成する耐火材の溶損速度が長期間使用できる低い耐火材溶損速度に低減するように、燃焼用空気供給口３に供給される燃焼用空気の流量を調節してこの燃焼用空気の温度を所望の温度範囲に制御する。

即ち、温度計２１で検出した燃焼室１aの壁面温度に基づいて制御装置３０によって空気配管５３のバルブ１０の開度を制御して燃焼用空気の流量を調節し、燃焼用空気供給口３を通じて燃焼室１aに供給する燃焼用空気の温度を約１５０〜３５０℃の所望の温度範囲となるように調整する。

尚、熱交換器８の伝熱管となる空気配管５５の耐熱性を考慮して常時一定流量の燃焼用空気を空気配管５５に流す必要があるので、熱交換器８で加熱された燃焼用空気を流す空気配管５５に設置したバルブ９は制御装置３０によって一定開度に制御する。

したがって、制御装置３０では燃焼用空気の流量に対応した空気配管５３のバルブ１０の開度を温度計２１で測定した燃焼室１aの壁面温度の検出信号に基づいて演算し、このバルブ１０に対する弁開度の指令信号を制御装置３０から出力して、バルブ９は一定開度に、バルブ１０は燃焼室１aの壁面温度の変化に対応した適切な開度に夫々操作して、燃焼用空気供給口３を通じて燃焼室１aの壁面に沿って流入させる燃焼用空気の温度を所望の温度範囲の約１５０〜３５０℃に制御するようにしている。

ところで、燃焼用空気供給口３の配設位置は、図２に示したように燃焼溶融炉１の燃焼室１aの断面に対して例えば燃焼室１aの外周の接線方向に沿って４箇所の燃焼用空気供給口３a、３b、３c、３dを相互に離間させて設置することによって、燃焼室１aの内部には空気配管５３を通じて供給され流入した燃焼用空気を燃焼室１aの内壁に沿って流下する旋回流が形成できる。

燃焼溶融炉１の燃焼室１aの内部では燃焼用空気供給口３a、３b、３c、３dから流入させた燃焼用空気によって壁面に沿って流下する旋回流を形成させているので、燃料粒子供給口２から燃焼室１aの内部に供給された燃料粒子は燃焼用空気による旋回流の中で約１４００℃で燃焼して燃焼ガスを生成する。

また、燃焼室１aの内部に供給された燃料粒子は燃焼ガスの生成と同時に焼却灰も生成し、この焼却灰が燃焼用空気の旋回流による遠心力で燃焼室１aの壁面に捕捉されて溶融スラグとなる。

生成した溶融スラグは燃焼室１aからスラグ排出口４を経由して排出されて、燃焼室１aの下方に設置されたスラグ水槽１３に流入して冷却される。

次に、本実施例の燃焼溶融炉１によって燃焼用空気を所望の温度範囲の約１５０〜３５０°に温度調整して燃料粒子の燃焼試験を実施した結果を説明する。

燃焼試験では、熱交換器８を流下する燃焼ガスによって加熱された燃焼用空気の流量が一定になるようにバルブ９の開度を調整し、燃焼室１aの熱負荷の変動を燃焼室１aの壁面に設置した温度計２１で検出した所望の温度範囲から変動した温度偏差に基づいて、制御装置３０によってバルブ１０の開度を調整して非加熱の燃焼用空気の空気量を調節し、この加熱された燃焼用空気と非加熱の燃焼用空気とを混合し、燃焼用空気供給口３から燃焼室１aの内部に供給する燃焼用空気としての温度を所望の温度の範囲に自動調整した。

即ち、燃焼室１aの内部の壁面に設置した温度計２１によって燃焼室１aの内部の熱負荷に連動した燃焼室１aの壁面の温度を検出して制御装置３００にその検出信号を入力させる。

制御装置３００では、予め定めた例えば７３０℃の設定温度の比較して温度計２１で検出した燃焼室１aの壁面温度との偏差信号に基づいて、燃焼用空気が所望の約１５０〜３５０℃の温度範囲となるように温度制御を行う。

即ち、温度計２１で検出する燃焼室１aの壁面温度が７３０℃を越えて燃焼室１aの壁面を構成する耐火材が長期間使用できる低い耐火材溶損速度の上限に上昇した場合には、空気配管５３に設けられたバルブ１０の開度を開けて非加熱の燃焼用空気の流量を増やし、燃焼用空気供給口３に供給する燃焼用空気の温度を約１５０〜３５０℃の範囲の中で下限の約１５０℃に近い温度に低下するように調節して供給する。

逆に、温度計２１で検出する燃焼室１aの壁面温度が７３０℃を下回って燃焼室１aの壁面を構成する耐火材が長期間使用できる低い耐火材溶損速度の下限に低下した場合には、空気配管５３に設けられたバルブ１０の開度を減じて非加熱の燃焼用空気の流量を減少させ、燃焼用空気供給口３に供給する燃焼用空気の温度を約１５０〜３５０℃の範囲の中で上限の約３５０℃に近い温度に上昇するように調節して供給する。

このような燃焼用空気の温度制御を制御装置３００によって行うことによって燃焼用空気供給口３に供給される燃焼用空気の温度を、燃焼室１aの壁面を構成する耐火材が長期間使用できる低い耐火材溶損速度に低減し得る所望の温度範囲の約１５０〜３５０℃に制御し、燃焼室１aの壁面の温度を、例えば約７３０℃に一定に維持することによって燃焼室壁面の耐火材の溶損速度の進行を抑制する。

また、この燃焼用空気の温度制御の利点は、燃焼室１aの内部の熱負荷が上がった場合には燃焼用空気の総量が増えるので空気比が上がり、一方、燃焼室１aの内部の熱負荷が下がった場合には空気比が下げることが出来ると共に、燃焼用空気の温度を所望の温度範囲に自動的に調整できることにより、燃焼室１aの熱負荷変化に起因する燃焼室１aの運転温度である約１４００℃からの変動を抑制できることにある。

ここで空気比とは、燃料粒子を完全に酸化させるのに必要な酸素量に対して実際の燃焼に使用した酸素量の比である。

上記した燃焼試験の結果、燃焼室１aの内部の熱負荷が低下して燃焼室１aの壁面温度が低下した場合には、燃焼用空気の温度を自動的に上昇させるように調整することによって助燃を増大させずに燃焼溶融炉の長期安定運転を確保することができた。

また、燃焼室１aの内部の燃負荷が増加して燃焼室１aの壁面温度上昇した場合には、燃焼用空気の温度を自動的に低下させるように調整することによって燃焼室１aの壁面の耐火材の溶損速度を抑制できることが確認できた。

次に、本実施例における燃焼溶融炉で、燃焼室１aの壁面温度に基づいて燃焼室１aの内壁に沿って流入させる燃焼用空気を所望の温度範囲の約１５０〜３５０℃に制御させることによって燃焼室１aの壁面を構成する耐火材の溶損速度を抑制する実験の結果を説明する。

燃焼室１aの内部の熱負荷増加によって生じる燃焼室壁面の耐火材の溶損速度が速くなる課題に対して、本実験では燃焼室１aとして試験炉を用いて耐火材の溶損速度の影響を検討し、燃焼室１aとなる試験炉に流入させる燃焼用空気としてヒータで加熱した空気と非加熱の空気とを混合した混合空気を用いて検討した。

図７は、この試験炉に流入させる混合空気を所定の流量に保ち、試験炉の壁面温度を変化させた場合の壁面を構成する耐火材の溶損速度を実験した結果である。

図７では、壁面温度が９５０℃の場合の耐火材の溶損速度を１００として規格化して耐火材の溶損速度を評価したものであり、図７に示した通り燃焼用空気温度を約１５０〜３５０℃の範囲に調節して試験炉に供給した場合に耐火材の溶損速度は著しく減ずることを実験により確認できた。

ここで、壁面温度が約９５０℃の場合とは、通常の燃焼溶融炉で燃焼ガスを熱源として熱交換器にて熱回収した加熱空気を燃焼用空気にそのまま用いて非加熱の空気を混合しない場合の上限の温度である。

この熱回収した加熱空気を燃焼用空気として用いると、燃焼室１aを構成する試験炉で燃料粒子を燃焼して所定の約１４００℃の温度を維持するのに必要な助燃燃料を不要、或いは減少させることが出来る。

また、燃焼用空気として非加熱の空気を加熱空気に対して混合させ過ぎて燃焼用空気の温度をより低い温度に低下させてしまうと、燃焼室１aを構成する試験炉での燃料粒子の燃焼温度が所定の約１４００℃を維持できなくなり、安定燃焼に支障をきたすことになる。

また、燃焼溶鉱炉１に備えられた燃料粒子を製造する前処理設備であるゴミピットの異臭拡散を防止するため、ゴミピットの空気を吸引して負圧にしている。そして、ゴミピットから吸引した空気を燃焼室１aに供給して燃料粒子の燃焼用空気として利用している。

ところで、ゴミピットから吸引した空気をそのまま使用すると、ごみに含まれた硫酸成分によって酸露点腐食が生じるので、酸露点腐食を回避するためにも燃焼用空気の温度を約１５０℃以上に調節する必要があります（硫酸の結露点：約１５０℃）。

そこで、燃焼室１aを構成する試験炉の壁面温度を、例えば約９３０℃程度に維持するために試験炉に流入させる燃焼用空気の温度を約１５０〜３５０℃の範囲に温度調整させることが必要となる。

即ち、燃焼室１aの壁面の耐火材溶損速度を抑制するためには、燃焼室１aの内部に供給する燃焼用空気の温度を約１５０〜３５０℃の範囲に調整しないと効果が得られないことになる。

一方、燃焼室１aの内部の熱負荷減少によって生じる燃焼不安定の課題に対して、燃焼空気の温度を上げることにより燃焼室１aの壁面の温度を上昇させた長期安定運転の可能性を検討した。

この場合、燃焼空気の温度は高い方が理想的であるが、実用的には、通常の熱交換器の効率で得られる温度の範囲内であることと、耐熱性を満足する配管材料が３５０℃を超えると著しく高価になるコストの制約から燃焼空気の上限温度は３５０℃となる。

試験炉を用いて熱負荷を低下させ、３５０℃に加熱した燃焼用空気で燃焼試験の実験を行ったところ、試験炉の場合では熱負荷が低下した場合も助燃を必要とせずに燃焼が安定し長期安定運転が可能であることが確認できた。

以上の実験の結果により、熱負荷変動に起因する燃焼室壁面の耐火材の溶損速度を抑制すると同時に熱負荷変動に起因する不安定要因を緩和し燃焼溶融炉の長期安定運転を実現するには、熱負荷変動で変化する燃焼室の壁面温度を検出し、この検出した壁面温度に基づいて燃焼室に供給する燃焼用空気の温度を所望の温度範囲に調整することによって、燃焼室壁面を適正温度に保ち耐火材の溶損速度を抑制することが効果的である。

そこで本実施例では、燃料粒子を燃焼して燃料粒子内の灰分を溶融する燃焼溶融炉１の燃焼室１aで燃料粒子を燃焼して発生した燃焼ガスを燃焼室１aの燃焼ガス排出口から排出する排ガス煙道５１の経路に熱交換器を設置して燃焼ガスから熱を回収して空気を加熱し、この加熱された空気と非加熱の空気とを混合して所望の温度範囲に調整した燃焼用空気を燃焼溶融炉１の燃焼室１aの燃焼用空気供給口３に供給するように構成した。

また、本実施例では、燃焼溶融炉１の燃焼室１aの壁面温度を計測する温度計２１を設置して、この温度計２１で検出した燃焼室１aの壁面温度に基づいて制御装置３０によってバルブ１０を操作して熱交換器８を介して加熱された燃焼用空気と非加熱の燃焼用空気を混合して約１５０℃〜３５０℃の所望の温度範囲に調整し、この所望の温度範囲に調整した燃焼用空気を燃焼溶融炉１の燃焼室１aの燃焼用空気供給口３に供給するように構成したので、燃焼室の壁面温度を適正温度に保ち耐火材の溶損速度を抑制することが可能となる。

従って、本実施例によれば、燃焼溶融炉の燃焼室内での熱負荷変動に起因する不安定要因を緩和して燃焼溶融炉の長期安定運転の実現と、燃焼室壁面の耐火材の溶損速度の抑制とを両立させた燃焼溶融炉が実現できる。

図３は本発明の他の実施例であるごみを処理する燃焼溶融炉の構成を示す。

本実施例における燃焼溶融炉は図１乃至図２に示した実施例と基本的な構成は同じであるので、共通した構成及び作用の説明は省略して相違した部分のみ説明する。

図３の燃焼溶融炉において、図１に示した実施例の燃焼溶融炉と異なる点は、燃焼溶融炉１の燃焼室１aの内部に燃料粒子を燃焼して生じた燃焼ガスを燃焼ガス排出口６から外部に排出する排ガス煙道５１が排ガス煙道５１に設置したバルブ２２の上流側で分岐して丁度、熱交換器８をバイパスする排ガス煙道５２が配設されている。

この排ガス煙道５２にもバルブ２３を設置して、排ガス煙道５２を熱交換器８の下流側にて排ガス煙道５１に合流するように構成している。

図１に示した実施例の構成では燃焼溶融炉１の燃焼室１aから排出された燃焼ガスは全て熱交換器８を通過するため、熱交換器８の伝熱管となる空気配管５５の耐熱性を考慮して常時一定流量の燃焼用空気を空気配管５５に流す必要があり、よって燃焼溶融炉１の燃焼室１aに供給する燃焼用空気の温度を低下させる必要が生じた際にその自由度が制限される。

特に、燃焼溶融炉１の燃焼室１aでの熱負荷が小さく、つまり全燃焼用空気の流量が少ない条件の場合において燃焼用空気の温度を低下させる自由度が制限される状況は顕著となる。

これに対して図３に示した本実施例では、熱交換器８が設置される排ガス煙道５１にバルブ２２を、排ガス煙道５１から分岐した排ガス煙道５２にバルブ２３を夫々設置し、これらのバルブ５１、及びバルブ５２の開度を制御装置３０からの指令信号によって夫々調整することによって、熱交換器８をバイパスして排ガス煙道５２を流下するガスの流量を増加し、排ガス煙道５１を流下して熱交換器８を流れる燃焼ガスの流量を減少させることが出来るので、実施例１の排ガス煙道５１を流れる燃焼ガスの流量よりも本実施例の排ガス煙道５１を流れる燃焼ガスの流量を少なくすることが可能となる。

これにより、熱交換器８を介して排ガス煙道５１を流れる燃焼ガスによって加熱される燃焼用空気の温度を図１に示す実施例よりも容易に所望の約１５０〜３５０℃の温度範囲に調整することができ、よって燃焼用空気の温度を調節する自由度が増加する。

よって、燃焼溶融炉１の燃焼室１aにおける全ての熱負荷に亘って燃焼用空気の温度を適切な温度範囲に調整でき、燃焼溶融炉１の助燃量を増大させずに燃焼溶融炉１の燃焼室１aの壁面を構成する耐火材の溶損速度を長期間使用できる温度にまで十分に低下させることができる。

図４に本発明の更に他の実施例であるごみを処理する燃焼溶融炉の構成を示す。

図４の燃焼溶融炉１において、図１に示した実施例の燃焼溶融炉と異なる点は、燃焼溶融炉１の燃焼室１aの壁面に低温の冷却空気を供給する壁面冷却用空気口２４を設置し、この壁面冷却用空気口２４に冷却空気を導く空気配管５４を配設するように構成したことである。

空気配管５４は空気送風機７から空気を導く空気配管５５の上流側部分で分岐させて配設しても良いし、或いは空気配管５５とは独立して配設させても良い。いずれであっても低温の冷却空気を空気送風機７から空気配管５４を通じて壁面冷却用空気口２４に供給し燃焼室１aの内部に流下させて燃焼室１aの壁面を冷却できれば良い。

この空気配管５４には、空気配管５４を流下する冷却空気の流量を調節するバルブ２５と流量を検出する流量計２６が夫々設置されており、制御装置３０からの指令信号によってバルブ２５の開度を操作して壁面冷却用空気口２４から燃焼室１aに流入する冷却空気の流量を調節するようになっている。

また、燃焼室１aの壁面に設置した壁面冷却用空気口２４の位置は、空気配管５３を通じて流下した所望の約１５０〜３５０℃の温度範囲に調整された燃焼用空気を燃焼室１aに流入させる燃焼用空気供給口３と、燃料配管５７を通じて供給される燃料粒子を燃焼室１aに供給する燃焼粒子供給口２とに対する壁面冷却用空気口２４の相対的な位置関係が重要である。

図５は、燃焼溶融炉１の燃焼室１aの壁面に設けた燃焼用空気供給口３と、燃料粒子供給口２及び壁面冷却用空気口２４の相対的な配置関係を表したものであり、図５の（a）は燃焼溶融炉１の配設方向に沿ってこれらの相対的な配置関係を示し、図５の（ｂ）は、燃焼溶融炉１の燃焼室１aをＡ−Ａ方向に断面してこれらの相対的な配置関係を示す断面図を、図５の（ｃ）は燃焼室１aの外壁に沿って展開してこれらの相対的な配置関係を示す展開図である。

燃焼用空気供給口３、燃料粒子供給口２及び壁面冷却用空気口２４を図５に示すような相対的な配置関係で配置したことによって、燃焼用空気供給口３より燃焼溶融炉１の燃焼室１aに供給される燃焼用空気は燃焼室１aの内部で内壁面に沿った旋回流を形成しながら壁面をスラグ排出口４に向かって下降して、図５の（ｃ）に示した展開図の矢印方向に主流れを形成する。

燃料粒子供給口２より燃焼室１aの内部に供給される燃焼粒子を燃焼させやすくするために、燃焼用空気供給口３より燃焼用空気の主流れ方向の前方位置に燃料粒子供給口２が配置されている。

壁面冷却用空気口２４は、燃焼用空気が形成する主流れ方向の前方で、かつ燃焼用空気供給口３と燃料粒子供給口２の中間位置に位置するように配置される。

そして、この壁面冷却用空気口２４には非加熱の低温の空気が空気送風機７から空気配管５４を通じて供給される。壁面冷却用空気口２４から燃焼室１aの内部に供給される壁面冷却用空気の量は、燃焼用空気量の数％でよい。

壁面冷却用空気口２４から燃焼室１aの内部に供給される壁面冷却用空気は下記の点から、燃焼室１aの壁面近傍を冷却する効果が高い。

（１）熱交換器８を介して加熱された燃焼用空気が燃焼溶融炉１の燃焼室１aの内部で形成する主流れは、流量の少ない壁面冷却用空気を覆うように流れるため、壁面冷却用空気口２４から燃焼室１aの内部に供給される壁面冷却用空気は燃焼室１aの内壁面の近傍を流れやすくなる。

図６にこれらの燃焼用空気と壁面冷却用空気との流れの状況を模式的に示す。

（２）壁面冷却用空気口２４から供給される壁面冷却用空気は非加熱の低温の空気であり、燃焼用空気供給口３から供給される加熱された燃焼用空気と混合されにくい。このため、壁面冷却用空気は燃焼室１aの内壁面の近傍に沿って流れ易くなる。

（３）壁面冷却用空気口２４から供給される壁面冷却用空気は温度が低いために燃焼用空気供給口３から供給される燃焼用空気よりも空気の密度が大きく、よって供給された壁面冷却用空気は壁面冷却用空気口２４から燃焼室１aの内壁面を伝って下降しやすい。

本発明は、都市ごみを熱分解して得られた可燃性の燃焼粒子を燃焼して燃焼ガスを生成し燃焼粒子を燃焼した灰分を溶融してスラグ化して回収する構成の燃焼溶融炉、及びこの燃焼溶融炉を効果的に運転する燃焼溶融炉の運転方法に適用可能である。

本発明の一実施例である燃焼溶融炉の構成を示す系統図。図１に記載した実施例である燃焼溶融炉の燃焼室内に旋回流を形成する燃焼空気供給口の配置を示す燃焼室の断面図。本発明の他の実施例である燃焼溶融炉の構成を示す系統図。本発明の更に他の実施例である燃焼溶融炉の構成を示す系統図。図４に記載した実施例である燃焼溶融炉の燃焼室における燃焼用空気口と燃料粒子の供給口に対する壁面冷却用空気供給口の配置を示す構成図。図４に記載した実施例である燃焼溶融炉の燃焼室における燃焼用空気と壁面冷却用空気の流れを示す模式図。本発明の実施例における燃焼用空気の温度と燃焼溶融炉の燃焼室の壁面の耐火材溶損速度との関係を示す図。

符号の説明

１：燃焼溶融炉、１a：燃焼室、２：燃料粒子供給口、３：燃焼用空気供給口、４：スラグ排出口、５：助燃バーナ、６：燃焼ガス排出口、７、１１、１５：空気送風機、８：熱交換器、９、１０、２２、２３、２５：バルブ、１２：燃料供給装置、１３：スラグ水槽、１４：助燃燃料供給装置、１６：排ガス処理装置、１７：煙突、１８、１９、２６：流量計、２０、２１：温度計、２４：壁面冷却用空気口、２７：合流点、３０：制御装置、５１、５２：排ガス煙道、５３、５４、５５、５８：空気配管、５７、５９：燃料配管。

Claims

ごみから生成された燃料粒子を供給する燃料配管と燃焼用空気を供給する第一の空気配管とが配設された燃焼室を備え、燃焼室で燃料粒子を燃焼して燃料粒子に含まれた灰分を溶融する燃焼溶融炉において、燃焼溶融炉の燃焼室で燃料粒子を燃焼して発生した燃焼ガスを燃焼室から排出する排ガス煙道に燃焼ガスから熱量を回収する熱交換器を設置し、燃焼用空気を燃焼室に供給する第一の空気配管にこの第一の空気配管から分岐した分岐空気配管を設けてこの分岐空気配管の一部を伝熱管として熱交換器に配設し、熱交換器で熱交換されて加熱された燃焼用空気を流下させる分岐空気配管を第一の空気配管に連通させて分岐空気配管を流下する加熱した燃焼用空気と第一の空気配管を流下する低温の燃焼用空気とを混合させ、混合して温度が所望の温度範囲に調整された燃焼用空気を分岐空気配管と連通した下流側の第一の空気配管を通じて燃焼室に供給するように構成し、燃焼室に燃焼室の壁面温度を計測する温度計を設置し、分岐空気配管が連通した位置より上流側の第一の空気配管に流量調整用のバルブを設置し、温度計で検出した燃焼室の壁面温度に基づいて第一の空気配管に設置した流量調整用のバルブの流量を調整して第一の空気配管を通じて燃焼室に供給する燃焼用空気の温度を所望の温度範囲に制御する制御装置を設置するように構成したことを特徴とする燃焼溶融炉。
請求項１に記載の燃焼溶融炉おいて、燃焼ガスを燃焼室から排出した燃焼ガスが流下する排ガス煙道から熱交換器をバイパスする第二の排ガス煙道を分岐させて配設し、排ガス煙道及び第二の排ガス煙道に燃焼ガスの流量を調節するバルブを夫々設置して排ガス煙道及び第二の排ガス煙道を流下する燃焼ガスの流量を夫々調節し得るように構成したことを特徴とする燃焼溶融炉。
請求項１に記載の燃焼溶融炉おいて、第一の空気配管を通じて燃焼室に供給する燃焼用空気は約１５０〜３５０℃の温度範囲に調整するように構成したことを特徴とする燃焼溶融炉。
ごみから生成された燃料粒子と燃焼用空気を燃焼室に供給して燃焼させて燃焼ガスを生成すると共に燃料粒子に含まれた灰分を溶融する燃焼溶融炉の運転方法において、燃焼溶融炉の燃焼室で燃料粒子を燃焼して発生した燃焼ガスを燃焼室から排出する排ガス煙道に設置した熱交換器によって燃焼室から排出された燃焼ガスから熱量を回収し、燃焼室に供給する低温の燃焼用空気の一部を分岐して熱交換器に供給してこの分岐した燃焼用空気を燃焼ガスから回収した熱量で加熱し、加熱された分岐した燃焼用空気を低温の燃焼用空気と混合させて燃焼用空気の温度を所望の温度範囲に調整し、この所望の温度範囲に調整された燃焼用空気を燃焼室に供給するようにし、更に燃焼溶融炉の燃焼室の壁面温度を検出し、検出した燃焼室の壁面温度に基づいて燃焼室から排出された燃焼ガスの熱量を回収して加熱された分岐した燃焼用空気に混合させる低温の燃焼用空気の流量を調整して、燃焼室に供給するこの混合させた燃焼用空気の温度を所望の温度範囲に調節することを特徴とする燃焼溶融炉の運転方法。
請求項４に記載の燃焼溶融炉の運転方法おいて、更に低温の空気を燃焼用空気とは独立させて冷却用空気として燃焼室に供給するようにしたことを特徴とする燃焼溶融炉の運転方法。
請求項４に記載の燃焼溶融炉の運転方法おいて、燃焼室に供給する燃焼用空気を約１５０〜３５０℃の温度範囲に調整して燃焼室に供給させたことを特徴とする燃焼溶融炉の運転方法。