JP4663933B2

JP4663933B2 - 熱分解反応装置及びその運転方法

Info

Publication number: JP4663933B2
Application number: JP2001295827A
Authority: JP
Inventors: 健宮地; 寛奥薗; 真人板井
Original assignee: Mitsui Engineering and Shipbuilding Co Ltd; Mitsui E&S Holdings Co Ltd; Mitsui Zosen Environment Engineering Corp
Current assignee: Mitsui Engineering and Shipbuilding Co Ltd; Mitsui E&S Holdings Co Ltd; Mitsui Zosen Environment Engineering Corp
Priority date: 2001-09-27
Filing date: 2001-09-27
Publication date: 2011-04-06
Anticipated expiration: 2021-09-27
Also published as: JP2003096468A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、廃棄物等の原料を熱分解して熱分解ガスを発生させる熱分解反応装置の技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
熱分解反応装置は、一般ごみなどの廃棄物、産業廃棄物、プラスチック廃棄物、木材チップ、石炭等の原料を熱分解して、熱分解ガスを生成する装置である。
このような熱分解反応装置は、還元雰囲気で原料を加熱して熱分解させる熱分解反応容器と、この熱分解反応容器内に原料を供給する供給装置と、熱分解反応容器内で生成される熱分解ガスを吸引する誘引送風機などを備えて構成される。また、熱分解反応容器内の圧力を負圧に保持するために、熱分解反応容器内の圧力を検出し、検出圧力が設定負圧になるように誘引送風機の回転数やサクションダンパーの開度をフィードバック制御するPIまたはPIDなどの制御器が設けられている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、廃棄物などの原料を熱分解反応容器内に投入する供給装置として、原料を連続的に供給する方式と、間欠的に供給する方式とが考えられている。原料が連続的に投入される場合は、熱分解反応も定常的になるため、熱分解反応容器内で発生するガスの発生量に大きな変動はない。しかし、原料を間欠的に供給する場合は、原料の投入のたびに、熱分解反応容器内におけるガスの発生量が大きく変動し、熱分解反応容器内の圧力が大きく変動する場合がある。
【０００４】
すなわち、原料を間欠的に熱分解反応容器内に投入する方式の場合、常温の原料の投入によって熱分解反応容器内の温度が一時的に低下する。例えば、一般ごみなどの廃棄物の場合、反応容器の入口側では水分の蒸発が起こっており、温度低下によって発生蒸気が減少し、熱分解反応容器内の圧力が低下する。
【０００５】
このような熱分解反応容器内の圧力の低下に対して、従来では、熱分解反応容器内の圧力が設定負圧の範囲を維持するように、フィードバック制御により誘引送風機の回転数を下げるか、もしくはサクションダンパー開度を絞ることにより圧力の低下を抑えるようにしている。
【０００６】
しかしながら、圧力の低下が大きい場合に制御が遅れると、熱分解反応容器内の負圧が過大になり、熱分解反応容器内に周囲の空気が洩れ込んで、熱分解反応容器内を還元雰囲気に維持できない場合がある。このような問題に対して、制御器の制御演算式を適切に調整しようとしても、原料投入時から定常状態時にかけて熱分解反応容器内で発生するガスの発生量が線形でないため、１つの制御演算式では対応することができない。つまり、原料投入直後のモードに合わせて制御演算式を設定すると、それ以外のときには不適切な設定になる。また、その逆も同様である。
【０００７】
本発明が解決しようとする課題は、間欠的に原料を投入する場合に、熱分解反応容器内の負圧が過大になることを抑制することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明は、原料を加熱して熱分解する熱分解反応容器と、該熱分解反応容器内に間欠的に原料を供給する供給装置と、前記熱分解反応容器内のガスを吸引する誘引送風機と、熱分解反応容器内の圧力が設定負圧になるように前記誘引送風機の回転数もしくはサクションダンパー開度を制御する制御信号を出力する制御器とを備えた熱分解反応装置を対象とする。
【０００９】
そして、上記課題を解決するために、前記原料が熱分解反応容器内に投入される際に、前記制御信号に予め設定された補正信号を加算することを特徴とする。
【００１０】
すなわち、原料投入による圧力低下を予測し、フィードフォワード制御によって制御信号に予め設定された補正信号を加算することにより、制御遅れを解消する。これにより、間欠的に原料が投入される場合であっても、熱分解反応容器内の負圧が過大になることを抑制することができる。
【００１１】
ここで、前記補正信号は、熱分解反応容器内に原料が投入されることによる圧力制御の遅れを補償するように、加算のタイミング、信号の大きさまたは信号のパターン、補正時間幅などを設定することが好ましい。
【００１２】
加算のタイミングは、供給装置の間欠動作に同期させて、原料が熱分解反応容器に実際に投入されるタイミングに合わせるのが好ましい。例えば、供給装置が、ピストンにより原料を押し出す方式の場合は、ピストンが前進端位置または一定位置手前に達するタイミングに設定する。また、誘引送風機の回転数を低下させてから又はサクションダンパー開度を絞ってから、実際にその効果が現れるまでの時間の遅れを考慮して、実際に原料が投入されるタイミングよりも早いタイミングに合わせることができる。
【００１３】
また、補正信号の大きさまたはパターン、補正時間幅などは、シミュレーションや実機による事前試験により、原料の投入による熱分解反応容器内の圧力低下を求め、その圧力低下を吸収するように調整して設定する。補正信号のパターンは、例えば、矩形波、三角波、正弦波など、様々な波形を形成することができる。さらに、補正信号を可変にし、実際に合わせて調整するようにすることが好ましい。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を適用してなる熱分解反応装置の第１の実施形態について図１及び図２を参照して説明する。図１は、本発明を適用してなる熱分解反応装置の構成を示した図である。図２は、本発明を適用してなる熱分解反応装置が設けられた廃棄物処理プラントを示した系統図である。
【００１５】
図２に示すように、廃棄物処理プラントに搬入された廃棄物aは、図示していない破砕機などによって破砕（例えば150mm以下）された後、供給装置５の供給ホッパ１７へ投入される。廃棄物aは、供給装置５により、熱分解反応容器３内に供給され、内部で例えば300乃至600℃（通常は450℃）程度に加熱され、これにより熱分解される。この加熱は、熱分解反応容器３の内周壁に沿って配設された複数の加熱管２９により行われ、その加熱管２９内には、加熱空気Ｇ２がラインＬ２を介して供給されている。また、熱分解反応容器３の内部圧力は、後述するように大気圧以下の雰囲気に保持されている。
【００１６】
熱分解反応にて発生した熱分解ガスＧ１と熱分解残渣ｂは、熱分解残渣室３０へ導かれ、熱分解残渣ｂはラインＬ３を介して分離部３２へ送られる。分離部３２では熱分解残渣ｂから、金属成分、非金属成分などが、例えば、櫛、磁選式、うず電流式、遠心式または風力選別式などの公知の分離方法で分離されて排出され、熱分解カーボンや灰分などはラインＬ４を介して燃焼溶融炉３４へ供給されるようになっている。熱分解残渣室３０からラインＬ１を介して燃焼溶融炉３４のバーナ３６に供給される熱分解ガスＧ１は、送風機３８からラインＬ５を介して供給される燃焼用空気Ｆによって燃焼する。
【００１７】
このとき熱分解ガスＧ１と燃焼用空気Ｆとの混合気は、燃焼溶融炉３４内に旋回流を形成しながら燃焼する。その燃焼温度は灰分の溶融温度よりも高い1300℃程度の高温域に設定される。この燃焼温度により熱分解ガスＧ１に同伴して導入される不燃性の灰分及び分離部３２より供給される灰分などは、溶融されながら炉壁に捕捉され、溶融スラグ４０が形成される。溶融スラグ４０は燃焼溶融炉３４の低部に設けられた排出口を介して、下方に配置されている水槽４２へ落下し、冷却されて固化される。
【００１８】
燃焼溶融炉３４内で発生した高温の燃焼排ガスＧ３は、空気加熱器４４に導かれ、熱分解反応容器３の加熱管２９に通流する加熱空気Ｇ２を加熱した後、ラインＬ１１を介して廃熱ボイラ４６へ供給される。廃熱ボイラ４６は燃焼排ガスＧ３の熱により蒸気を発生させ、これにより蒸気タービン発電機４８を回転させて電力を回収する。廃熱ボイラ４６から排出される燃焼排ガスＧ３は、減温塔５３で低温化され、集塵器５０に導かれて除塵された後、ガス浄化装置５２で清浄な燃焼排ガスＧ４とされ、誘引送風機７を介して煙突５４から大気中へ放出される。また、集塵器５０で捕集されたダストは、燃焼溶融炉３４内へ戻して、溶融スラグ化するようにしている。廃熱ボイラ４６及び減温塔５３で捕集されたダストも同様に燃焼溶融炉３４へ戻すようにしてもよい。
【００１９】
次に、本発明の特徴を備えた熱分解反応装置について詳細に説明する。熱分解反応装置１は、図１に示すように、原料である廃棄物aを熱分解する熱分解反応容器３、廃棄物aを熱分解反応容器３へ間欠的に供給する供給装置５、熱分解反応容器３内のガスを吸引する誘引送風機７、熱分解反応容器３内の圧力に基づいて誘引送風機７の回転数を制御する制御器９、供給装置５の間欠動作に同期させて制御器９が出力する制御信号Ｍを補正する補正信号ｍを出力する補正器１１などを含んで構成されている。
【００２０】
供給装置５は、内部にピストン１９が挿入された搬送筒１５と、ピストン１９を搬送筒１５の軸方向に往復駆動させる駆動装置２１などを備えて構成されている。搬送筒１５の先端は、図示していないシール機構を介して熱分解反応容器３内に連結され、熱分解反応容器３内部に開口している。搬送筒１５の筒の途中に廃棄物ａを供給する供給ホッパ１７が連結されている。搬送筒１５内には、廃棄物aが滞留するようになっており、大気と熱分解反応容器３内との間のシールが保たれている。また、搬送筒１５には、ピストン１９の位置を検出する位置センサー６３が設けられている。この位置センサー６３は、廃棄物aが投入されるピストン１９位置（例えば、前進端位置の一定寸法手前）を検出するようになっている。
【００２１】
熱分解反応容器３内の圧力は圧力計２３によって計測される。比較器２５は、圧力計２３によって検出された検出圧力Ｐと、予め設定された設定負圧Ｐ_０（例えば−5乃至−25mmAQの一点に設定される）とを比較して偏差ΔＰ（＝Ｐ−Ｐ_０）を求め、この求めた偏差ΔＰを制御器９に入力するようになっている。制御器９は、例えばＰＩＤ演算器を有してなり、入力される偏差ΔＰを０に、つまり、Ｐ＝Ｐ_０となるように、誘引送風機７の回転数を制御する制御信号Ｍを算出して、誘引送風機７の制御装置に出力するようになっている。例えば、偏差ΔＰが負（Ｐ＜Ｐ_０）の場合、制御器９は、制御信号Ｍを小さくして誘引送風機７の回転数を低下させ、偏差ΔＰが正（Ｐ＞Ｐ_０）の場合、制御信号Ｍを大きくして誘引送風機７の回転数を上昇させる。また、補正器１１は、位置センサー６３が検出するピストン１９の位置の検出信号に基づいて、予め設定された補正信号ｍを加算器２８へ出力するように構成されている。なお、Ｐ_０は一定の不感帯をもって設定されている。
【００２２】
補正信号ｍは、誘引送風機７の回転数を早めに下げるものであり、例えば、矩形波状の信号を用いることができる。この矩形波の時間幅は、廃棄物aが熱分解反応容器３内に投入されてから、圧力が低下している時間を考慮して設定する。加算器２８は、出力された補正信号ｍを制御信号Ｍに加算するようになっている。
【００２３】
このような構成の熱分解反応装置１内圧の制御動作について説明する。熱分解反応装置１の運転中、制御器９は比較器２５から出力される圧力の偏差ΔＰの幅を低減すべく、制御信号Ｍが誘引送風機７の制御装置に出力される。誘引送風機７の制御装置は制御信号Ｍに基づいて回転数を制御し、これにより熱分解反応容器３内の圧力は、設定負圧Ｐ_０近傍に維持制御される。なお、制御器９は、検出圧力Ｐが設定負圧P_０の不感帯の範囲内であれば制御動作を行わないようになっている。
【００２４】
次に、本発明の特徴である廃棄物aを間欠投入した場合の制御について説明する。駆動装置２１によりピストン１９が前進されると、供給ホッパ１７から搬送筒１５内に投入された廃棄物aは、熱分解反応容器３の方へ押し出される。そして、位置センサー６３によってピストン１９が検知されると、補正器１１に信号が発信される。信号を受けた補正器１１は補正信号ｍを加算器２８へ出力し、これによって制御信号Ｍに補正信号ｍが加算される。その結果、誘引送風機７の制御装置は回転数を低下させて吸引力を低下させ、熱分解反応容器３内の圧力の低下が抑制される。
【００２５】
このような特徴を有する本実施形態と、従来との間欠投入した場合の熱分解反応容器３内の圧力の変化を図３と図４とを比較して説明する。図３は、縦軸に検出圧力Ｐ、制御信号及びピストンの動作信号を、横軸に時間を表し、曲線Aは制御器より出力される制御信号、曲線B１は検出圧力Ｐを示したグラフである。図４は、縦軸に検出圧力Ｐ、制御信号及びピストンの動作信号を、横軸に時間を表し、曲線Cは加算器より出力される制御信号、曲線B２は検出圧力Ｐを示したグラフである。
【００２６】
図３に示すように、従来では、時刻t０においてピストンが前進を開始し、時刻t１において廃棄物ａが熱分解反応容器３内に投入される。これによって、熱分解反応容器３内の圧力が低下しはじめるが、設定負圧P_０の不感帯のために一定時間経過した時刻t２において、制御器９は誘引送風機７の制御装置に制御信号Ｍを出力する。この制御の遅れΔｔ（＝t２−t１）のために、熱分解反応容器３内の圧力の低下が進み、負圧が過大になる。これに対して本実施形態では、図４に示すように、時刻t０においてピストンが前進を開始した後、廃棄物ａが熱分解反応容器３内に投入されるタイミングt１において、位置センサー６３から補正器１１に検知信号が出力され、これによって制御信号が補正される。その結果、誘引送風機７の回転数が速やかに低下され、廃棄物投入に伴なう圧力の低下を抑える。このように、本実施形態では、制御の遅れΔｔをなくすことができ、熱分解反応容器３内の負圧が過大になることを抑制することができる。
【００２７】
上述した実施形態の変形例を以下に記載する。
【００２８】
図１に示す実施形態では、誘引送風機７の回転数を低下させてから実際に熱分解反応容器３内の圧力にその効果が現れるまでに時間遅れが生じる場合がある。この場合は、この時間遅れを考慮して、位置センサー６３の位置を設定位置よりも手前に設定することが好ましい。また、図１に示す実施形態では、廃棄物が実際に熱分解反応容器３内に投入されるピストン１９の位置に、位置センサー６３を設置したが、これに代えて、駆動装置２１の駆動から一定時間を計測して、補正器１１を動作させるようにしてもよい。
【００２９】
また、補正信号ｍの大きさ又はパターン、補正時間などは、実機やシミュレーションによる事前試験により、一定量の廃棄物aの投入による熱分解反応容器３内の圧力低下を吸収するように設定する。さらに、補正信号ｍは、可変可能に設定され実際の運転に合わせて調整することが好ましい。また、廃棄物aが投入されることによる熱分解反応容器３内の圧力低下の程度は、投入される廃棄物aの量、廃棄物aが投入される前の熱分解反応容器３内の温度、廃棄物aに含まれる水分量の季節毎の差、及び廃棄物aの質などにより変化するため、これらの要因を考慮して補正信号ｍの大きさ又はパターン、補正時間、加算のタイミングを調整する。
【００３０】
また、図１に示す実施形態では、熱分解反応容器３内の圧力を上昇させる手段として、誘引送風機７の回転数を低下させる構成としたが、回転数の低下に限らず、サクションダンパーの開度を絞る構成とすることができる。さらに、熱分解反応容器として回転ドラム式（キルン式）の熱分解反応容器を用いたが、流動床式、固定床式などの様々な熱分解反応容器を備えた熱分解反応装置に適用することができる。また、廃棄物に限らず、石炭などの原料を熱分解する熱分解反応装置に適用することができる。
【００３１】
【発明の効果】
本発明によれば、間欠的に原料を投入する場合に、熱分解反応容器内の負圧が過大になることを抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明を適用してなる熱分解反応装置の実施形態の構成を示したブロック図である。
【図２】本発明を適用してなる熱分解反応装置が適用されてなる廃棄物処理プラントの構成を示したブロック図である。
【図３】従来の熱分解反応容器内の圧力、誘引送風機の回転数の制御信号及びピストンの動作信号と、時間との関係を示したグラフである。
【図４】本発明を適用してなる熱分解反応容器内の圧力、誘引送風機の回転数の制御信号及びピストンの動作信号と、時間との関係を示したグラフである。
【符号の説明】
１熱分解反応装置
３熱分解反応容器
５供給装置
７誘引送風機
９制御器
１１補正器
１９ピストン
２１駆動装置
２８加算器
６３位置センサー
Ｍ制御信号
ｍ補正信号

Claims

原料を加熱して熱分解する熱分解反応容器と、該熱分解反応容器内に間欠的に前記原料を供給する供給装置と、前記熱分解反応容器内のガスを吸引する誘引送風機と、前記熱分解反応容器内の圧力が設定負圧になるように前記誘引送風機の回転数もしくはサクションダンパー開度を制御する制御信号を出力する制御器とを備え、
前記原料が前記熱分解反応容器内に投入される際に、前記制御信号に予め設定された補正信号を加算することを特徴とする熱分解反応装置。
原料を加熱して熱分解する熱分解反応容器と、該熱分解反応容器に連結され原料を容器内に導く搬送筒と、該搬送筒内を往復運動するピストンと、前記搬送筒内の前記ピストンが往復する部分に前記原料を供給する供給ホッパと、前記熱分解反応容器内のガスを吸引する誘引送風機と、前記熱分解反応容器内の圧力が設定負圧になるように前記誘引送風機の回転数もしくはサクションダンパー開度を制御する制御信号を出力する制御器と、予め設定された補正信号を出力する補正器と、該補正器が出力した前記補正信号を前記制御信号に加算する加算器と、前記ピストンが設定位置に来たときに信号を出力する位置センサーとを備え、
前記補正器は、前記位置センサーの出力信号に基づいて前記補正信号を出力することを特徴とする熱分解反応装置。
廃棄物を熱分解して熱分解ガスと熱分解残留物を生成する熱分解反応容器と、前記熱分解反応容器内に間欠的に前記廃棄物を供給する供給装置と、前記熱分解残留物の一部と前記熱分解ガスとを燃焼して溶融スラグと燃焼排ガスとを生成する燃焼溶融炉と、該燃焼溶融炉から排出される燃焼排ガスの熱を回収する熱回収装置と、前記燃焼排ガスを清浄化する清浄装置と、該清浄装置に清浄化された燃焼排ガスを吸引して大気中へ排出する誘引送風機と、前記熱分解反応容器内の圧力が設定負圧になるように前記誘引送風機の回転数もしくはサクションダンパー開度を制御する制御信号を出力する制御器とを備え、
前記廃棄物が前記熱分解反応容器内に投入される際に、前記制御信号に予め設定された補正信号を加算することを特徴とする廃棄物処理プラント。