JP4933134B2 - 産業廃棄物焼却用竪型ごみ焼却炉 - Google Patents

Description

本発明は、ごみ質の変動が大きい産業廃棄物や医療系廃棄物を含む産業廃棄物を焼却する竪型ごみ焼却炉に関する。

産業廃棄物は、有害物質が多く含まれるだけでなく、固体・液体・粘性体とその性状が多種多様であり、高発熱量物質や難燃物あるいは不燃物が混在してごみ質の変動が大きいという特徴がある。さらに、医療系廃棄物の場合、溶融しやすいガラス類や高発熱量のプラスチック性の使い捨て容器、或いは紙おむつ等の高含水性ごみが多量に含まれるうえ、注射針等の鋭利物や感染性廃棄物は所定の梱包状態のままで処理することが義務付けられていることから、攪拌等によって、投入ごみを均質化する前処理も困難となっている。

したがって、ごみ質の変動が大きいことから安定燃焼が難しいだけでなく、高発熱量の易燃物の燃焼による局所的な温度上昇が発生し易いために、溶融した不燃物が炉壁に溶着してクリンカを形成し、成長することにより肥大化し、焼却や灰排出時の障害となりやすく、問題となっていた。

これらの焼却処理には、ロータリーキルン式、傾斜回転炉床式、あるいは攪拌手段付水平回転炉床式等のごみを転回あるいは攪拌しながら燃焼させる方式の炉が、一般に多く使用されているが、これらの方式は、ごみ層が薄くなるために、紙やプラスチック等の燃えやすい物だけ先燃えして難燃物が残る燃えむらが生じ易く、吹抜けによる耐火物の寿命低下と、難燃物の燃焼時間確保のために炉床面積を拡張する必要があり、設置面積が増大するという欠点を有していた。

上述の欠点が解消された燃焼方式である竪型ごみ焼却炉は、竪型の炉内にごみを厚く積み、垂直方向にごみ質を均質化させて燃焼させるという技術思想に基づくものであるが、他方式と同様、高発熱量物質の燃焼による局所的な温度上昇の影響による炉壁（特にごみや灰に常時接する下部炉壁）へのクリンカやガラス類の溶着に対して注意が必要であるために、炉体下部の炉壁を冷却ケーシングにより冷却する対策が採られていた（特許文献１参照）。
特開２００１−３０４５１９号公報（第３〜５頁、図３）

しかしながら、特許文献１に示す従来の竪型ごみ焼却炉の冷却ケーシングは、その内部を区画して上部を空冷式、下部を水冷式とした形式のものが使用されていたが、上部の空冷ジャケット内で加熱された冷却用空気は、大気放出または空気予熱器用空気として利用される一方、下部の水冷ジャケット内で加熱された冷却水は、循環させて再利用するために、冷却設備としてクーリングタワーを設置する必要があり、設備費が嵩むだけでなく、吸熱により得られた熱エネルギーの喪失を招くことから、廃熱の有効利用という面で問題があった。

また、プラスチック類等の高発熱量廃棄物の比率が高まり、近年ますます高発熱量化傾向が顕著となっている産業廃棄物の焼却において、従来の冷却ケーシングによる冷却効果だけでは、下部炉壁付近の高温化を完全に抑制することが難しくなってきており、時として、当該部のクリンカやガラス溶融物の付着防止が不充分となる懸念が生じていた。

そこで、本発明は、上記従来技術の問題を解決し、ジャケット冷却水の吸収熱量を有効に利用するとともに、冷却設備の設置費用を節減でき、さらに、竪型ごみ焼却炉の下部耐火物表面のクリンカやガラス溶融物の溶着・肥大化を完全に防止して、焼却及び焼却灰排出時の障害を解消できる産業廃棄物焼却用竪型ごみ焼却炉を提供することを目的とする。

請求項１に係る発明は、竪型の焼却炉本体の上方に排ガス混合手段を介して再燃焼室が戴置されるとともに、該焼却炉本体の下方には焼却灰排出機構が配置された竪型ごみ焼却炉において、前記焼却炉本体の下部耐火物の外周に配置された水冷ジャケットと、この水冷ジャケットに水を送る冷却水供給手段と、この水冷ジャケットに接続され、該水冷ジャケット内で発生した水蒸気を取り出すための蒸気管路とを備え、前記蒸気管路は、前記下部耐火物と水冷ジャケットを貫通して設けられた１次空気供給管の少なくとも１箇所に接続されて、焼却炉本体内に水蒸気を送入可能に構成されるとともに、前記蒸気管路から余剰蒸気の放出量を調節するための切替手段が設けられ、前記再燃焼室で燃焼された再燃ガスを降温して排ガスとするガス冷却設備と、導入された前記排ガスを、ばいじんや有害ガス成分が中和・濾過された清浄ガスにする排ガス処理設備と、前記ガス冷却設備および排ガス処理設備で捕集された飛灰と、焼却炉本体から排出された焼却灰とを貯留、無害化する灰処理設備と、前記水冷ジャケットから回収される回収蒸気量が、前記１次空気供給管から供給される１次空気に添加して炉内に送入され、高温部の燃焼抑制に寄与する送入蒸気量を下回る場合には、前記水冷ジャケットからの回収蒸気量の不足分を補填する排ガス循環設備とが設けられ、前記排ガス循環設備は、前記排ガス処理設備の清浄ガスを吸引する誘引通風機下流の煙道に接続された循環ダクトと、前記循環ダクトの経路に設けられた切替ダンパと、前記記排ガス処理設備から取り出された一部の清浄ガスを循環ガスとして、前記循環ダクトに還流させる循環ガス送風機と、前記１次空気供給管の少なくとも１箇所に接続される連結ダクトから構成されていることを特徴とする。

以上述べたように、本発明に係る産業廃棄物焼却用竪型ごみ焼却炉によれば、竪型ごみ焼却炉の下部耐火物の背面全周を水冷ジャケットで覆い、供給された冷却水を炉内の燃焼熱で蒸気化して、所定量を１次空気供給管から炉内に送入することにより、回収熱の損失を防止できるとともに、冷却設備の設置費用を節減できる。

また、１次空気供給管の少なくとも１箇所に水蒸気を送入することによって、炉内を抑制燃焼させて高温化を防止できるため、下部耐火物表面のクリンカやガラス溶融物等の溶着・肥大化を防止でき、安定して連続操業を行うことができる。

さらに、水冷ジャケットの供給水に、スケール対策として軟水等を用いる必要がないだけでなく、蒸気回収・消費箇所が近接しているため、給水・配管設備の費用節減効果が顕著である。

以下、本発明の実施の形態について図１を参照して説明する。

図１は、本発明に係る産業廃棄物焼却用竪型ごみ焼却炉の概略構造を示す模式図である。

［以下、本発明の実施形態にかかる構造の説明］
図１において、竪型ごみ焼却炉１は、中央の円筒部２１と連接する漏斗部２２からなる焼却炉本体２と、底部に配設された焼却灰排出機構３及び、該焼却炉本体２の上部に排ガス混合手段４を介して戴置された再燃焼室５を主体に構築されている。

上記焼却炉本体２は、その外殻をなす図示しない鋼製のケーシングと内側の上部耐火物２３（円筒部２１に配置）及び下部耐火物２４（漏斗部２２に配置）から構成され、その側面には、産業廃棄物や所定梱包に収納された感染性廃棄物を炉内に投入するために、二重ダンパ等のシール機構を備えた投入口６が設けられるとともに、炉内で発生したガスの２次燃焼用の複数の２次空気ノズル２５（１個のみ図示）が配置されている。この２次空気ノズル２５には、２次押込送風機２６を介して常温の２次空気ｂが送入される。

焼却炉本体２の中間部から下方の漏斗部２２は、ごみ層を厚くして性状の異なるごみ質を平準化させるために、漏斗状に絞られて形成されており、その側部には、送風機２７を通じてごみ質に応じて調温された１次空気ａを供給するための複数の１次空気供給管７（上側から符号７１〜７４として４本を図示）が、各々流量調節のためのダンパを備えて配置されている。

そして、漏斗部２２に配置された下部耐火物２４の背面には、内部を通過する冷却水によって、下部耐火物２４を徐冷する水冷ジャケット８が全周に渡って設けられるとともに、この水冷ジャケット８に冷却水を送入するための給水ポンプ８１と給水配管８２とからなる冷却水供給手段がその下部に、ジャケット８内で発生した水蒸気ｓを取り出して利用するための蒸気管路８３がその上部に、それぞれ接続されている。

蒸気管路８３の終端は、１次空気供給管７に接続（図１では１次空気供給管７３及び７４に接続された状態を図示）され、水蒸気ｓを１次空気ａに混合できるように構成されている。また、蒸気管路８３の途中には、仕切弁等の流量調節手段８４と、余剰分の水蒸気ｓを大気放出するための三方弁等による切替手段８５が各々設けられている。

上記焼却灰排出機構３は、漏斗部２２下部に設けられ、上側に配置された対向する一対の出没自在なごみ支持板３１，３１と、下側に設けられた開閉自在の焼却灰排出板３２，３２と、図示しないこれらの駆動機構から構成されている。

ごみ支持板３１，３１は、図１のように通常時は焼却炉本体２内から没した状態に配置されているが、焼却灰排出板３２，３２を開放して焼却完結後の焼却灰を排出する時のみ、図１において一点鎖線で示すように、後述の灰層ｚの中に突出させて、ごみ支持板３１，３１より上方にあるごみＲと焼却灰Ａの荷重を支持することにより、下方の焼却灰Ａを焼却灰排出機構３の下方に配置された灰搬出装置３３に排出する動作を行う。

なお、焼却灰排出板３２，３２には、小径の空気孔が複数穿孔されており、最下部の１次空気供給管７４から送入された１次空気ａや水蒸気ｓは、この孔を通って灰層ｚに上昇する。

［以下、本発明の実施形態にかかる炉内燃焼状況とクリンカ防止対策の説明］
次に、このように構成された竪型ごみ焼却炉１におけるごみの燃焼状況と、水冷ジャケット８及び発生した水蒸気を利用したクリンカ対策の方法について、図１により説明する。

ごみＲは、図示しないコンベア式の定量供給装置を介して、所定の間隔で投入口６から焼却炉本体２内に投入される。竪型ごみ焼却炉１の平常操業状態において、焼却炉本体２内では、ごみの燃焼状態により位置が変動するものの、上から火炎層ｔ、ごみ層ｕ、おき燃焼層ｙ、及び灰層ｚの各層が形成されている。

投入されたごみＲは、ごみ層ｕに堆積されるとともに、おき燃焼層ｙから上昇する熱分解ガスｅの保有する熱と、１次空気供給管７１から供給される高温の１次空気ａによって、プラスチック類や紙・繊維等の高発熱量の易燃物が着火されてガス化燃焼し、水分の多いごみや難燃物は乾燥されるとともに炭化燃焼を続け、上述の易燃物とともに熱分解ガスｅを発生させる。

この高温の熱分解ガスｅは、ごみ層ｕ内を通過して上昇し、その熱で上部のごみＲの乾燥・着火及びガス化を促進しながら火炎層ｔに達し、複数の２次空気ノズル２５から火炎層ｔ上方に供給される常温の２次空気ｂによって、２次燃焼されて燃焼ガスｗとなったのち、排ガス混合手段４を通過して再燃焼室５に入り、再燃バーナ５１の加熱により未反応ガスや浮遊炭素粒子の完全焼却とダイオキシン類等有機化合物の熱分解及び燃焼がなされた再燃ガスｒとなって、炉外の処理設備に送られる。

おき燃焼層ｙでは、ごみ層ｕで燃焼できなかった未燃炭化物や難燃物に、下層の灰層ｚから上昇する熱気と、１次空気供給管７２，７３から供給される高温の１次空気ａにより、時間をかけておき燃焼がなされるとともに、この燃焼に伴って熱分解ガスｅが発生する。 灰層ｚでは、１次空気供給管７３，７４から供給される高温の１次空気により、残留する未燃炭化物の燃焼が完結されるとともに、燃焼完結後の焼却灰Ａは、上述のごみ支持板３１，３１と焼却灰排出板３２，３２の交互開閉動作によって、灰搬出装置３３に排出されるまで滞留される。

なお、上述の１次空気ａは、再燃焼室５内に設けた高温用空気予熱器５２で昇温されたものを、ごみ質に応じて調温して使用するが、高温用空気予熱器５２を設けずに、炉外下流の煙道部に空気予熱器を設けて、あるいは、その他の熱源を用いて昇温されたものを利用しても良い。

ここで、漏斗部２２の下部耐火物２４は、その背面に設けられた水冷ジャケット８により徐冷されているため、ごみ層ｕ、おき燃焼層ｙ、及び灰層ｚの各層に接する表面の温度上昇が抑制されて、クリンカやガラス溶融物の溶着・肥大化が防止される。

なお、下部耐火物２４の材質は、通常、炭化珪素質等のキャスタブル耐火物が用いられるが、全体を同一材質としないで、例えば、上部側のみアルミナ質等の熱伝導性の良い材料によって形成すれば、より高温に曝される下部耐火物２４の上部表面の冷却効果が高まるとともに、回収熱量も増加するため、好ましい。

さらに、給水ポンプ８１によって給水配管８２から水冷ジャケット８に供給された常温の水は、下部耐火物２４からの伝熱により昇温され、水冷ジャケット８内で水蒸気ｓとなったのち、蒸気管路８３を通って、灰層ｚまたはおき燃焼層ｙに空気送入する１次空気供給管７２〜７４の少なくとも１箇所（図１には、灰層ｚへの１次空気供給管７３，７４に接続された状態を図示）から、１次空気ａとともに炉内に送入される。

このように、１次空気ａに水冷ジャケット８で発生した水蒸気ｓを添加し、灰層ｚ及び／または、おき燃焼層ｙに送入することにより、吸熱反応である水性ガス化反応（Ｃ＋Ｈ₂ Ｏ→ＣＯ＋Ｈ₂ ）が高温部を中心に生じるため、高発熱量の易燃物の局部的燃焼による異常温度上昇を抑制できるとともに、下部耐火物２４付近での局部的な高温化の発生を回避できる。

すなわち、従来技術に比べ、その面積を拡張した水冷ジャケット８による定常的な徐冷作用と、水性ガス化反応（吸熱反応）による温度上昇抑制作用の相乗効果によって、クリンカやガラス溶融物が下部耐火物２４表面に溶着・成長して発生する排出障害を効果的に防止することができる。また、局部的な異常燃焼が抑制されて緩慢な燃焼状態に移行されることにより、燃焼状態が安定するとともに、窒素酸化物の発生も抑制される。

上記効果を奏するに好適な１次空気供給管７への水蒸気ｓの供給量は、１次空気ａの１割程度（容量）であり、温度抑制効果と排ガス量の増加を勘案すれば、５〜１５％程度の範囲内に供給量を設定、または、調節することが好ましい。

なお、水冷ジャケット８で発生した水蒸気ｓの総量の内、上記の容量を超える余剰分は、蒸気管路８３の途中に設けられた切替手段８５の開度を調節して大気中にそのまま放出することができる。

余剰蒸気を炉内に送入しないことにより、過度の燃焼抑制による炉温降下を防止でき、安定した燃焼状態を維持することができる。

［以下、本発明の実施形態にかかる炉規模と蒸気量の関係の説明］
次に、本発明に係る産業廃棄物焼却用竪型ごみ焼却炉の炉規模と蒸気量の関係について説明する。詳しくは、炉規模に対する、水冷ジャケット８の「伝熱面積」、そこから回収される蒸気の量（以下「回収蒸気量」という）、及び１次空気ａに添加して炉内に送入され、高温部の燃焼抑制に寄与する蒸気の量（以下「送入蒸気量」という）の各関係について説明する。

図２は、竪型ごみ焼却炉１の炉規模と回収・送入蒸気量及び伝熱面積の関係を表わす計算結果の一例を示す線図である。

図２において、送入蒸気量は、基準ごみの低位発熱量を４５００ｋｃａｌ／ｋｇに設定し、空気過剰率０．９として各規模毎に１次空気ａの供給量を求めてから、水蒸気ｓの添加比を約１割として算出されており、炉規模に対してほぼ正比例の関係となっている。

これに対して、回収蒸気量は、下部耐火物２４に接触する水冷ジャケット８の伝熱面積に基づいて算出される右上がりの増加曲線で示される。中小規模の炉では、回収蒸気量が送入蒸気量を上回るため、水蒸気ｓに余剰分が生じている。この余剰分の水蒸気ｓは、上述のように蒸気管路８３に設けられた切替手段８５から大気中に放出処理される。

ところで、容積と面積間では次元が相違することから、炉規模の拡大につれて伝熱面積の増加量は漸次減少し、回収蒸気量の増加曲線も同様な傾向を示すことになる。そのため、所定規模（図２にＰ点として示す、炉規模１１０ｔ／２４ｈ付近）を超えると、回収蒸気量と送入蒸気量の上下関係は逆転し、回収蒸気量に不足分が発生する。このような場合、不足分となる蒸気量を補填するための追加供給設備を設けることが望ましい。

なお、図２に示した線図は、上記の設計条件下における一例であり、ごみ質等の設計条件に応じて見直されるものである。よって、所定規模の数値も固定されたものではない。

［以下、本発明の実施形態にかかる追加供給設備を含む構成の説明］
次に、竪型ごみ焼却炉１が上記の所定規模を超える場合に、追加供給設備を設けて構成した実施形態の一例について、図３を参照して説明する。図３における竪型ごみ焼却炉１は、図１に示したものと同一のため、既に説明した装置や物質と同一のものには同一の符号を付し、詳細説明は省略する。

図３において、竪型ごみ焼却炉１の再燃焼室５で完全燃焼された再燃ガスｒは、水噴射式や廃熱ボイラ等のガス冷却設備９１において、２００℃程度以下に降温された排ガスｇとなったのち、バグフィルタ等の排ガス処理設備９２に導入されて、ばいじんや有害ガス成分が中和・濾過された清浄ガスｐ（水蒸気含有）となり、後続の誘引通風機９３に吸引されて煙突から大気中に放出される。

なお、９４は、ガス冷却設備９１と排ガス処理設備９２で捕集された飛灰Ｆと、焼却炉本体２から排出された焼却灰Ａを貯留、無害化する灰処理設備である。

９５は、上述の追加供給設備として設けられた排ガス循環設備であって、誘引通風機９３下流の煙道に接続された循環ダクト９６と、この循環ダクト９６の経路に設けられた切替ダンパ９７と、上記排ガス処理設備９２から取り出された一部の清浄ガスｐを循環ガスｃとして、循環ダクト９６に還流させる循環ガス送風機９８と、前記１次空気供給管７の少なくとも１箇所に接続される連結ダクト９９（図３では供給管７３，７４の２箇所に分管接続した状態を図示）から構成されている。循環ガスｃは、切替ダンパ９７の開度を調節することにより、回収蒸気の不足分に当たる量だけ、１次空気供給管７に供給される。

なお、上記連結ダクト９９の各分管には、図示しない流量調整のためのダンパが各々配設されている。

また、前述した切替手段８５は、蒸気管路８３から分岐された排出管８５ａに設けられている。

本実施形態において、循環ガスｃの供給量は、循環ガスｃ中の含有水蒸気量が上述の不足分と同量になるように決定すれば良い。この場合において、循環ガスｃ中の含有酸素量に相当する分だけ、１次空気ａを減量するように調整すれば、１次空気ａの空気過剰率（＝「１次空気供給量／理論空気量）が増加しないため好ましい。

また、ガス冷却設備９１として、気化潜熱を利用する水噴射方式を採用した場合の方が廃熱ボイラ方式の場合より、循環ガスｃの供給量が少なく済むが、どちらの方式を採用しても特に問題はない。

本実施形態によれば、水冷ジャケット８の回収蒸気量の不足分を、循環ガスｃによって補っているため、所定規模を超える炉であっても、必要量の水蒸気を１次空気ａとともに炉内に送入することができ、クリンカやガラス溶融物の溶着防止対策を完全に行うことができる。

なお、追加供給設備としては、これに限らず、その他の蒸気発生源（例えば、パッケージボイラ）、あるいは、ガス冷却設備９１として設けた廃熱ボイラで発生させた水蒸気を直接使用し、１次空気供給管７に不足分を供給する供給管路を構成してもよい。

この場合、既存設備や兼用設備を利用して、簡単に追加供給設備を設けることができ、循環ダクトｃを設けた場合と比べて配管費用を節減することができる。

本発明に係る産業廃棄物焼却用竪型ごみ焼却炉の概略構造を示す模式図である。 竪型ごみ焼却炉の炉規模と回収・送入蒸気量及び伝熱面積の関係を表わす計算結果の一例を示す線図である。 竪型ごみ焼却炉が上記の所定規模を超える場合に追加供給設備を設けて構成した実施形態の一例を示す図である。

符号の説明

１ 竪型ごみ焼却炉
２ 焼却炉本体
３ 焼却灰排出機構
４ 排ガス混合手段
５ 再燃焼室際
７（７１〜７４） １次空気供給管
８ 水冷ジャケット
８１ 給水ポンプ
８２ 給水配管
８３ 蒸気管路
８５ 切替手段

Claims (1)

1. 竪型の焼却炉本体の上方に排ガス混合手段を介して再燃焼室が戴置されるとともに、該焼却炉本体の下方には焼却灰排出機構が配置された竪型ごみ焼却炉において、
   前記焼却炉本体の下部耐火物の外周に配置された水冷ジャケットと、この水冷ジャケットに水を送る冷却水供給手段と、この水冷ジャケットに接続され、該水冷ジャケット内で発生した水蒸気を取り出すための蒸気管路とを備え、
   前記蒸気管路は、前記下部耐火物と水冷ジャケットを貫通して設けられた１次空気供給管の少なくとも１箇所に接続されて、焼却炉本体内に水蒸気を送入可能に構成されるとともに、前記蒸気管路から余剰蒸気の放出量を調節するための切替手段が設けられ、
   前記再燃焼室で燃焼された再燃ガスを降温して排ガスとするガス冷却設備と、
   導入された前記排ガスを、ばいじんや有害ガス成分が中和・濾過された清浄ガスにする排ガス処理設備と、
   前記ガス冷却設備および排ガス処理設備で捕集された飛灰と、焼却炉本体から排出された焼却灰とを貯留、無害化する灰処理設備と、
   前記水冷ジャケットから回収される回収蒸気量が、前記１次空気供給管から供給される１次空気に添加して炉内に送入され、高温部の燃焼抑制に寄与する送入蒸気量を下回る場合には、前記水冷ジャケットからの回収蒸気量の不足分を補填する排ガス循環設備とが設けられ、
   前記排ガス循環設備は、前記排ガス処理設備の清浄ガスを吸引する誘引通風機下流の煙道に接続された循環ダクトと、前記循環ダクトの経路に設けられた切替ダンパと、前記記排ガス処理設備から取り出された一部の清浄ガスを循環ガスとして、前記循環ダクトに還流させる循環ガス送風機と、前記１次空気供給管の少なくとも１箇所に接続される連結ダクトから構成されていることを特徴とする産業廃棄物焼却用竪型ごみ焼却炉。

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