JP4393729B2

JP4393729B2 - 流動層炉

Info

Publication number: JP4393729B2
Application number: JP2001274092A
Authority: JP
Inventors: 正樹片岡; 孝久渡辺
Original assignee: Tsukishima Kikai Co Ltd
Current assignee: Tsukishima Kikai Co Ltd
Priority date: 2001-09-10
Filing date: 2001-09-10
Publication date: 2010-01-06
Anticipated expiration: 2021-09-10
Also published as: JP2003083522A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、特に下水汚泥等の水分含有量の高い処理物を燃焼させ、あるいは部分燃焼して熱分解させて処理するのに好適な流動層炉に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
流動床炉は、炉本体内の炉床部に配設されたノズル孔から流動ガス（通常は空気）を噴出させてこの炉本体内に保持した硅砂等の流動媒体を流動させることにより該炉本体内に流動層を形成し、この流動層に供給した処理物を加熱して燃焼させたりするものであって、各種廃棄物の焼却処理等に広く用いられている。ここで、この流動層炉の炉床部に配設されて上記ノズル孔を形成するノズルとしては、各種のものが提案されているが、下水汚泥等の水分が多い処理物を焼却する流動層炉に用いられる方式としては、以下のものが挙げられる。
【０００３】
まず第１の方式は散気管方式と呼ばれるもので、ノズル孔を多数あけた散気管を炉床部に複数本設置してこの散気管に流動ガスを供給することによりノズル孔から噴出させるものである。この散気管方式において散気管は通常３００mm程度の間隔で配列され、ノズル孔のピッチは通常３０〜６０mmであり、従って、散気管方式の流動層床面積当たりのノズル数は５０〜２００ヶ／m²となる。また、第２の方式はキャップ方式と呼ばれるもので、炉本体の炉床部床下に流動ガスが供給される加圧室（プレナム室）を形成するとともに、横向きに開口する複数のノズル孔を放射状に設けたキャップを炉床部に複数個設置して上記加圧室と炉本体内とを連通することにより、このキャップを介してそのノズル孔から流動ガスを噴出させる方式である。また、これら以外にも、床下に加圧室を形成した炉床部に直接ノズル孔を穿設することにより流動ガスを噴出させる多孔板方式も多く用いられている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、このような流動層炉によって処理物を燃焼させる場合、流動層内における処理物の燃焼は、流動媒体の濃度が高い炉床部側の流動部とこれに対して流動媒体の濃度が比較的低い炉頂部側のフリーボード部とで行われるが、上述した下水汚泥等の水分含有量が多い処理物を燃焼させる場合には、特に炉床部側の流動部での燃焼が十分でないと水分の蒸発熱でこの流動部の温度が低下し、ひいては流動層全体の温度低下を招いてしまって、安定した流動層炉の運転を阻害する結果となる。しかるに、このような流動部における処理物の燃焼を十分に促すためには、一つに、この流動部における炉本体内部の容積を大きくすることが考えられるが、このような手段を採った場合には、この容積の増大分に見合う分だけ流動ガスの供給量も増大させたりしなければならなくなり、流動ガス供給のための動力の増大を招く結果となって、経済的ではない。
【０００５】
本発明は、このような背景の下になされたもので、特に処理物が下水汚泥のような水分含有量の多いものであっても、上記流動部における燃焼性の向上を図ることが可能な流動層炉を提供することを目的としている。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
ここで、本発明の発明者らは、このような流動層炉において種々の実験を行うとともに考察を重ねた結果、上述のように流動部における処理物の燃焼性を向上させるには、この流動部が形成される炉床部側のノズル孔から噴出させられる流動ガスの気泡をできるだけ小さくするのが望ましいという知見を得るに至った。これは、この流動ガスの気泡が小さいほど噴出した気泡の総表面積は増大し、処理物との固気の接触効率も増大するため、燃焼性を向上させることができるからである。
【０００７】
ところで、このように流動ガスの気泡を小さくするには流動ガスが噴出させられるノズル孔の径を小さくすればよいのであるが、単にこうしてノズル孔径を小さくしただけでは、流動層に供給される流動ガス量が少なくなって流動媒体を確実に流動させるに十分な空塔速度を得ることができなくなる。このため、このような流動媒体の確実な流動を図りつつ気泡径を小さくするには、ノズル孔の径を小さくするとともにノズル孔数を増加させるとよい。しかしながら、その一方で、ノズル孔数を多くしすぎると、隣接するノズル孔間のピッチが小さくなり、これらのノズル孔から噴出させられた流動ガスの気泡同士が処理物と十分に接触しないうちにすぐに合流して大きな気泡が形成されてしまうため、固気の接触効率を増大させることができなくなってしまう。これは、ノズル孔がキャップに放射状に設けられた上記キャップ式のノズルを用いた場合において、より顕著なものとなる。
【０００８】
そこで、本発明は、このような事情をも考慮して、上記課題を解決して上述の目的を達成するために、炉床部に配設されたノズル孔から流動ガスを噴出させて流動媒体を流動させることにより該炉本体内に流動層を形成して処理物を燃焼させる流動層炉において、上記炉床部に配設される上記ノズル孔の数を、該炉床部の単位床面積当たり２００〜１２００ヶ／m²としたことを特徴とし、これにより、ノズル孔から噴出した流動ガスの気泡同士がすぐに合流するのを防いで、気泡径の小さな流動ガスを十分な供給量および空塔速度で流動部に供給し、処理物との固気の接触効率を向上させることができてその燃焼性を高めることができる。すなわち、上記ノズル孔の数が単位床面積当たり２００ヶ／m²を下回ると、ノズル孔径を大きくしなければ流動層を形成するに十分な供給量や空塔速度の流動ガスを供給することができなくなるおそれがある一方、逆にノズル孔数が１２００ヶ／m²を上回ると、隣接するノズル孔間のピッチが小さくなりすぎて噴出させられた流動ガスの気泡同士がすぐに合流して大きな気泡となってしまうおそれがあり、いずれも固気の接触効率の向上を図ることができなくなってしまう。また、本発明の流動層炉は、上述した下水汚泥のように水分含有量の多い処理物、より具体的には水分含有量が７０wt％以上である処理物の焼却処理等に用いて、より効果的である。
【０００９】
ところで、このような流動層炉の炉床部に配設されるノズルのうち、例えば上述した多孔板方式のノズルにおいてこのようにノズル孔数を増やす場合には、隣接するノズル孔間のピッチが均等になるように千鳥状にノズル孔を炉床部に形成すればよいが、散気管方式や特にキャップ方式の場合には、個々の散気管やキャップにノズル孔を等ピッチで形成しても、隣接する散気管同士やキャップ同士で例えばノズル孔が直線状に向き合っていたり、ノズル孔の中心線が交差するように配設されていたりすると、これらのノズル孔から噴出した流動ガスの気泡がすぐに合流して大きな気泡となってしまうおそれがある。このため、とりわけこれら散気管方式や特にキャップ方式のノズルのようにして、上記炉床部に複数の上記ノズル孔が間隔をあけて配設されている場合には、これらのノズル孔は、上記炉床部に対向する平面視において、該ノズル孔から噴出される上記流動ガスが気泡となるまでの長さの範囲、すなわち当該流動ガスの吹き出しジェット長さの範囲内にあっては、該ノズル孔の中心線同士が交差しないように配設されるのが望ましい。
【００１０】
【発明の実施の形態】
図１および図２は、本発明の第１の実施形態を示すものである。このうち図１は、本実施形態の流動層炉１を用いた廃棄物の焼却処理設備を示すものであって、この流動層炉１は、上部が下部よりも一段大径とされた概略円筒状をなす炉本体２を有し、この炉本体２の上記下部には水平に多孔板３が敷設されて炉床部４が形成されるとともに、この多孔板３よりも下側の底部には、供給口５から後述する流動ガスＧが供給されて、上記多孔板３に形成されたノズル孔から炉床部４に該流動ガスＧを噴出するプレナム室（加圧室）６が設けられている。一方、炉本体２の大径とされた上記上部の側壁には、この炉本体２内に処理物（廃棄物）Ｗを供給するための供給口７が設けられるとともに、炉頂部には炉本体２内から排出される排ガスＥの排出口８が設けられている。なお、この炉本体２の炉頂部と小径の下部から大径の上部に至る部分とは、それぞれこの上部の大径部分に向かうに従い漸次拡径するテーパ状に形成されている。
【００１１】
また、上記焼却処理設備において、流動層炉１頂部の上記排出口８にはサイクロン１１が接続されていて、排出口８から排出された排ガスＥはこのサイクロン１１において固気分離された後に熱回収設備１２に供給される一方、分離された固形分は流動層炉１に戻される。さらに、この熱回収設備１２では、流動用ブロア１３によって昇圧された空気が上記排ガスＥによって予熱されるようになされており、こうして予熱された空気が上記流動ガスＧとして流動層炉１の上記プレナム室６に供給される。また、熱回収設備１２から排出された排ガスＥは、排ガス冷却器１４で冷却水等により冷却された後、排ガス集塵機１５によってダスト分が除去され、誘引ファン１６によって吸引されて大気に放出される。
【００１２】
一方、上記炉本体２内の炉床部４上には流動媒体として硅砂が張り込まれており、多孔板３の上記ノズル孔から噴出させられる流動ガスＧによってこの流動媒体が浮遊させられて流動化することにより、該炉本体２内には流動層Ａが形成され、さらにこの流動層Ａの炉床部４側には上記流動媒体の濃度が高い流動部Ｂが形成されるとともに、炉頂部側にはこれに対して流動媒体の濃度が比較的低いフリーボード部Ｃが形成される。従って、上記供給口７から供給された処理物Ｗは、この流動層Ａの特に流動部Ｂにおいて、激しく流動する流動媒体によって微細に粉砕されるとともに、既に供給された処理物Ｗの燃焼熱と予熱された流動ガス（空気）Ｇとにより燃焼させられて焼却処理され、またこうして処理物Ｗを燃焼させた後の流動ガスＧはフリーボード部Ｃを通って燃焼排ガスＥとして上述のように処理される。
【００１３】
そして、本実施形態では、上記多孔板３に形成されて炉床部４に配設される上記ノズル孔の数が、該炉床部４の単位床面積当たり２００〜１２００ヶ／m²の範囲とされている。なお、本実施形態における上記ノズル孔は、炉床部４を形成する上記多孔板３に穿設された断面円形の貫通孔であって、隣接するノズル孔同士のピッチが互いに等間隔となるように、炉床部４に対向する平面視において千鳥状に配設されている。
【００１４】
ここで、図２は、ノズル孔の数が炉床部の単位床面積当たり２００〜１２００ヶ／m²の範囲とされた上記実施形態の流動層炉（以下、実施例１、２と称する。）と、ノズル孔の数がこの範囲外とされる流動層炉（以下、比較例１〜６と称する。）とで、それぞれのノズル孔の総開口面積が略等しくなるようにして、同一の条件で処理物の燃焼による焼却処理を行った場合の、単位床面積当たりのノズル孔数と処理物の最大処理量との関係を示したものである。なお、このとき流動層炉の炉本体自体は多孔板を除いて実施例と比較例とで互いに等しい形状および寸法であって、流動層の上記流動部の内径、すなわち円形をなす炉床部の径が３００mmとされており、この炉本体内には平均粒径５５０μｍの硅砂を１００kg張り込んで流動層Ａを形成した。また、各実施例および比較例において炉床部に配設したノズル孔数、炉床部の単位床面積当たりのノズル孔数（ヶ／m²）、ノズル孔径、隣接するノズル孔間のピッチ、およびノズル孔から噴出させられた流動ガスによる気泡の平均径は、次表１に示すとおりである。さらに、この流動層炉に供給される処理物は、水分含有量７６wt％、高位発熱量（乾量基準）４２００kcal／kgの下水汚泥であり、その最大処理量は、炉本体から排出される排ガスのＣＯ濃度が５０ｐｐｍ以下であって、上記設備内における最高温度が９００℃以下であり、かつ流動部Ｂの温度が８００℃以上となるような条件下で、安定運転が可能であった最大の処理物の時間当たりの供給量である。
【００１５】
【表１】

【００１６】
しかるに、上記表１および図２の結果より、単位床面積当たりのノズル孔数が２００ヶ／m²を下回る比較例１〜３では最大処理量も６０kg／h未満であるのに対し、２００ヶ／m²に極近い比較例４の辺りで処理量は上昇し、実施例１、２を含む２００〜１２００ヶ／m²の範囲では単位床面積当たりのノズル孔数が増えるに従って処理量も増大していることが分かる。一方、単位床面積当たりのノズル孔数が１２００ヶ／m²を上回る比較例５、６においては、これよりもノズル孔数が少ない実施例２と比べて処理量が低減しているが、これは表１に示したように単位床面積当たりのノズル孔数が１２００ヶ／m²を上回るとノズル孔から噴出した流動ガスによる気泡の径が隣接するノズル孔同士のピッチと略等しくなり、これらのノズル孔から噴出した気泡同士が合流して大きな気泡が形成されることにより、流動部における固気の接触効率が却って悪化して処理物の燃焼性が損なわれたためであると考えられる。従って、このように単位床面積当たりのノズル孔数が２００〜１２００ヶ／m²とされた上記実施形態の流動層炉１によれば、流動層Ａの流動部Ｂにおける固気の接触効率を向上させて処理物Ｗの燃焼性を高めることができ、この処理物Ｗが水分含有量７０wt％以上の下水汚泥等であっても、その水分蒸発熱によって流動部Ｂの温度が低下するのを防いで、この流動部Ｂの容積を大きくしたりすることなく、安定した流動層炉１および焼却設備の運転を可能とすることができる。
【００１７】
次に、図３ないし図５は本発明の第２の実施形態を示すものであって、この第２の実施形態においては、第１の実施形態の多孔板方式によるノズル孔に代えて、キャップ方式が採用されている。なお、図３および図４において上記第１の実施形態と共通する部分については同一の符号を配して説明を省略する。すなわち、この第２の実施形態では、図４に示すように耐火材２１が内張りされた炉床部４の床板２２に、傘形あるいはキノコ形をなすキャップ２３がその頭部２３Ａを炉床部４上に突出させて該床板２２を垂直に貫通するように設けられており、このキャップ２３内には、その下端においてプレナム室６に開口して上向きに延びた後、頭部２３Ａ内において斜め下向きに外周側に延びるように複数に分岐して該頭部２３Ａの裏面に開口するノズル孔２３Ｂが形成されており、プレナム室６に供給された流動ガスＧはこのノズル孔２３Ｂを介して炉本体１内の炉床部４上に噴出させられるようになされている。なお、このキャップ２３の頭部２３Ａ裏面に開口する分岐した上記複数のノズル孔２３Ｂの開口部は、キャップ２３の周方向に等間隔にこの裏面に配設されている。
【００１８】
そして、さらに上記炉床部４には複数のキャップ２３…が互いに間隔をあけて配設されており、これらのキャップ２３…の上記ノズル孔２３Ｂは、炉床部４に対向する平面視において図３に示すように、それぞれのキャップ２３の複数のノズル孔２３Ｂ…から噴出される上記流動ガスＧの吹き出しジェット長さＬの範囲内にあっては、隣接するキャップ２３，２３間で互いのノズル孔２３Ｂ…の中心線Ｏ同士が交差しないように配設されている。すなわち、本実施形態では、上記図３に示すように上記複数のキャップ２３…それぞれの頭部２３Ａに３つのノズル孔２３Ｂ…が分岐して周方向に等間隔に、つまり１２０°間隔で開口するように形成されており、このようなキャップ２３…が、第１の実施形態のノズル孔と同様に、隣接するキャップ２３…同士のピッチＰが互いに等間隔となるように、炉床部４に対向する平面視において千鳥状に配設されている。従って、上記複数のキャップ２３…のうち互いに隣接し合う３つのキャップ２３…は、図３に示すように上記平面視において正三角形の３つの頂点上に配設されることとなる。
【００１９】
そして、本実施形態では、これらのキャップ２３…の頭部２３Ａに開口する各３つずつの上記ノズル孔２３Ｂ…の中心線Ｏが、上記吹き出しジェット長さＬの範囲では隣接する他のキャップ２３のノズル孔２３Ａの中心線Ｏとは交差しないようになされており、より具体的には、上記互いに隣接し合う３つのキャップ２３…間で、これらのキャップ２３…が頂点をなす上記正三角形の３辺上に、各キャップ２３の上記３つのノズル孔２３Ｂ…のうち１つの中心線Ｏが、該正三角形の周回り方向に同じ方向（図３では反時計回り方向）に延びるように配設されている。なお、ここで、上記吹き出しジェット長さＬは、上記平面視においてノズル孔２３Ｂから噴出させられた上記流動ガスＧが気泡Ｄを形成するまでの長さとして定義される。
【００２０】
ここで、図５は、第１の実施形態の図２と同じように、キャップのノズル孔の配置が、炉床部に対向する平面視において、該ノズル孔から噴出される流動ガスの吹き出しジェット長さの範囲内にあっては該ノズル孔の中心線同士が交差しないように上記第２の実施形態の流動層炉（図５における三角点。以下、実施例３、４と称する。）と、同じようにキャップ方式のノズルを用いた流動層炉でもこのようなノズル孔の配置を採らない流動層炉（図５における黒塗り四角点。以下、比較例７〜９と称する。）とで、それぞれのノズル孔の総開口面積が略等しくなるようにして、同一の条件で処理物の燃焼による焼却処理を行った場合の、単位床面積当たりのノズル孔数と処理物の最大処理量との関係を示したものである。なお、このときの処理条件や最大処理量の定義は第１の実施形態における実施例１、２および比較例１〜６と同じであり、ノズル孔の総開口面積も第１の実施形態の場合と同様である。また、次表２は、このときの実施例３、４および比較例７〜９のノズル孔数（ただし、キャップ数×各キャップのノズル孔数で示す）、炉床部の単位床面積当たりのノズル孔数（ヶ／m²）、ノズル孔径、隣接するキャップ間のピッチ、およびノズル孔から噴出させられた流動ガスによる気泡の平均径を示すものであり、さらに吹き出しジェット長さは実施例３、４および比較例７〜９とも平均して約５０mm程度であった。
【００２１】
【表２】

【００２２】
しかるに、この図５の結果より、ノズル孔の配置が上記構成を採らない比較例７〜９においては、比較例７では上記吹き出しジェット長さが隣接するキャップ間のピッチの１／２よりも短いため気泡の合流は生じなかったものの、気泡径自体が大きいため処理量の向上は望めず、また比較例８、９では隣接するキャップ間でノズル孔の中心線が吹き出しジェット長さ内で交差しているため、これらのノズル孔から吹き出した流動ガス同士が合流して大きな気泡が生成され、やはり処理量が低迷しているのに対し、上記構成を採用した実施例３、４では気泡が合流することなく流動部に噴出させられ、その結果比較例７〜９よりも処理量が大幅に増大し、図２に示した多孔板方式による実施例１、２と同程度の燃焼性の向上が認められた。従って、この第２の実施形態においても、流動層の流動部における容積を大きくしたりすることなく、安定した流動層炉の運転を可能とすることが可能となる。
【００２３】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、炉床部に配設されるノズルの単位床面積当たりのノズル孔数を２００〜１２００ヶ／m²とすることにより、処理物が水分含有量７０wt％以上のものであってりしても、流動層の流動部における容積を大きくしたりすることなくその燃焼性の向上を図ることができ、従って従来よりもコンパクトで経済的な流動層炉を提供することが可能となる。また、特にキャップ方式のノズル等においては、隣接するキャップ同士でそのノズル孔の中心線が吹き出しジェット長さの範囲内で交差しないように配設することにより、気泡の合流を確実に防いで一層の燃焼性の向上を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態の流動層炉１を用いた下水汚泥の焼却処理設備を示す図である。
【図２】第１の実施形態に係わる単位床面積当たりのノズル孔数と処理物の最大処理量との関係を示す図である。
【図３】本発明の第２の実施形態における炉床部４に対向する平面図である。
【図４】図３におけるＺＺ断面図である。
【図５】第２の実施形態に係わる単位床面積当たりのノズル孔数と処理物の最大処理量との関係を示す図である。
【符号の説明】
１流動層炉
２炉本体
３多孔板
４炉床部
６プレナム室
２３キャップ
２３Ｂノズル孔
Ｇ流動ガス
Ｗ処理物
Ａ流動層
Ｂ流動部
Ｃフリーボード部
Ｌ吹き出しジェット長さ

Claims

炉床部に配設されたノズル孔から流動ガスを噴出させて流動媒体を流動させることにより該炉本体内に流動層を形成して処理物を燃焼させる流動層炉において、上記炉床部に配設される上記ノズル孔の数を、該炉床部の単位床面積当たり２００〜１２００ヶ／m²としたことを特徴とする流動層炉。
上記処理物の水分含有量が７０wt％以上であることを特徴とする請求項１に記載の流動層炉。
上記炉床部には複数の上記ノズル孔が間隔をあけて配設されており、これらのノズル孔は、上記炉床部に対向する平面視において、該ノズル孔から噴出される上記流動ガスの吹き出しジェット長さの範囲内にあっては該ノズル孔の中心線同士が交差しないように配設されていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の流動層炉。