JP5395062B2 - 廃棄物を予備加熱して廃棄物を焼却する方法及びプラント - Google Patents

Description

本発明は、蒸気膨張タービン（ＴＲＶ）から来る蒸気の蒸気回路による廃棄物を予備加熱して反応炉中で家庭又は産業廃棄物を焼却する方法に関する。

国際公開ＷＯ９７／３７９４４号公報

本発明の目的は、環境を任意の汚染から保護するために、不燃物（unburnt matter）なしに、問題のある残渣なしに、環境にガスを放出せずに焼却装置中での完全燃焼を得ることである。

本発明の他の目的は、放出された熱エネルギーを回収（recuperate）し、電気エネルギーに変換し、プラント自体の中でこのエネルギーの一部を再使用することである。回収される電気エネルギーは、プラントに再注入されるエネルギーを除いて７５％に近づく。

これらの目的は、燃焼反応炉内で家庭又は産業廃棄物を焼却する方法であって、
−前記燃焼が、圧力下で前記炉に純粋酸素を前記反応炉に加えて窒素不存在下で行われ、
−前記廃棄物が前記反応炉に入る前に、前記廃棄物を予備加熱するために膨張タービンから蒸気が取り出され、
−その後、残留ガスがこれらを回収するために凝縮されることを特徴とする方法により達成される。

更に、この方法は、燃焼に必要な酸素が大気から窒素及び酸素を分離することにより生成され、このようにして生成された窒素が前記廃棄物の燃焼により生じるガスの冷却に使用され、酸素が少なくとも１つのポイントで前記反応炉に注入されることで特徴付けられる。

上記方法は、酸化物を生じさせるリン酸塩、炭酸塩、硝酸塩の化合物、不燃物、ダイオキシンの良好な破壊を可能にする。

上記プロセスを実行するために本発明に従うプラントは、
−入口及び出口にシャッターを有し、手段を有する供給ホッパーＴＡと、
−膨張タービンＴＲＶから取出された蒸気を用いて前記廃棄物を予備加熱できる供給スクリューと、
−前記供給ホッパーで再加熱された前記廃棄物を収集して前記反応炉の頂部に導入する中間ホッパーと、
−それぞれ燃料ライン３による燃料及び酸素生成回路５による純粋酸素の供給を受ける主バーナーＢＰ、補助バーナーＢＡ及び燃焼ガス出口の近くに位置する触媒バーナーＢＣの３つのバーナーを備える反応炉を有し、前記反応炉のコアが、強固な性質から選択されたタングステン又はタンタル型の金属ベースのカソード壁を有することにより特徴付けられる。

好ましくは、酸素は、空気を窒素と酸素に分離することで生成される。

本発明は、次の添付図面とともに提供される後述の説明によってより良く理解される。
本発明に従う廃棄物焼却プラントの全体図。 プラントの水蒸気化回路の概略図。 本発明に従う供給ホッパーと供給スクリューの詳細図。

最初に、プラントの全体を示す図１を参照する。このプラントは本質的に、
−焼却ライン１
−蒸気回路２
−燃料供給ライン３
−窒素回路４
−酸素回路
を含んでいる。

焼却ライン１
破壊すべき廃棄物を含むトラックは、放出口にシャッターＯＦ１を装備した供給ホッパーＴＡに重力下で荷下ろしされる。

供給スクリューＶＡは供給ホッパーＴＡから廃棄物を受け取り、これを、シャッターＯＦ２を備える中間ホッパーＴＩの頂部に位置する入口を介して中間ホッパーＴＩに運び、放出する。

供給スクリューＶＡは、後述のように廃棄物が予備加熱されることをも可能にする。中間ホッパーＴＩは、シャッタＯＦ３を備える中央底部出口を有し、中間ホッパーＴＩは、これを介して入口シュート開口から燃焼反応炉ＲＣの頂部にある開口シャッタＯＦ４に廃棄物を重力下で装荷する。

好ましくは、ホッパーＴＩは、焼却炉への廃棄物の排除を容易化するために、ＰＯＰ（複数）からのハロゲン化物の改質及び除去を促進するために、９００℃に近い温度で加圧される。有利には、加圧は、少なくとも１つの適切なオリフィスを介して高圧及び１０００℃を越える高温下でホッパーＴＩに大量の蒸気を導入することで行われる。この高圧のガス塊は、ホッパーＴＩに存在する廃棄物塊を流体化し、その結果、それが早く燃焼反応炉ＲＣに流れていくようにする利点がある。中間ホッパーが充填されている間、中間ホッパーからホッパーＴＡへのガス塊の任意の漏れを防ぐために、ガス塊を導入するオリフィスは遠隔操作バルブと結合される。このバルブは、ホッパーの装荷ハッチが開位置のときはオリフィスを閉じる位置にあり、中間ホッパーの装荷ハッチが閉位置のときはオリフィスが開く位置にある。

それぞれが順次供給ホッパーと接続され、それぞれが順次反応炉ＲＣと接続されたいくつかのホッパーを使用することが可能である。この構成では、他方又は他のホッパーの１つが反応炉ＲＣに荷下ろしの過程にあるときに１の中間ホッパーが供給ホッパーから充填されることを可能にする。

２００℃に近い温度で第１フェーズの酸及び無機分子に結合したハロゲン化物を中和するために、廃棄物を水酸化ナトリウム又は水酸化カリウムベースの添加物と混合させるタンクを供給ホッパーの後に組み込むことが可能である。

ＰＯＰ（持続性有機汚染物／persistent organic pollutants）に存在するハロゲン化物は、１０００℃に近い温度で中間ホッパー内でアルカリ金属水酸化物を用いて除去又は固定化される。

廃棄物の焼却は飛散灰及びガスを発生させる。飛散灰は反応炉ＲＣの底部に落下し、その後、反応炉ＲＣの下に位置する底部灰ホッパーＴＣに落下する。この底部灰ホッパーは、飛散灰をシャッターＯＦ５を介して灰冷却回収器（ash cooling recuperator）ＲＣＥに運ぶ。回収器ＲＣＥは、飛散灰を水と混合し、酸化物と水の間の反応を開始させて溶解性水酸化物を生成する。次に、不溶性の飛散灰は、それを持ち去るためのトラック１ｃに放出される。

大気汚染制御残渣（air pollution control residue）ＡＰＣＲを除くすべての飛散灰は、反応炉からの出口で２００℃と４００℃の間の温度で水を用いて処理される。アルカリ金属酸化物の希釈は放熱性であるためこれらの温度を得るために追加のエネルギは必要でない。

処理回路は可溶性廃棄物を不溶性廃棄物から分離することを可能にし、不溶性廃棄物は堆積の為に送られ、可溶物の一部は結晶化され、再利用することが可能である。可溶部分は、ハロゲン化物の塩の分離及び、カリウムとナトリウムの硫化物の分離の後で、供給ホッパーに再導入される。

燃焼反応炉ＲＣは、良好な熱絶縁のための耐火煉瓦と、１５００〜３０００℃の間の範囲の極めて高温で廃棄物が燃えることを確実にするための反応炉の心臓部のタングステン又はタンタルベースのカソード壁を有し、燃料及び酸素を供給される
−燃焼反応炉ＲＣの基部に位置する主バーナーＢＰ
−燃焼反応炉ＲＣの中間部に位置する補助バーナーＢＡ
−反応炉の上部の、燃焼を完結させて最適化させる燃焼ガスの出口に位置する触媒バーナーＢＣ
の３つのバーナーＢＰ，ＢＡ，ＢＣを用いている。

主及び補助バーナーは、燃焼反応炉の通常の速度より１０から２０倍高い反応率で過剰の酸素によって動作する。

反応炉ＲＣは一定の高圧及び一定の高温で動作するように設計されており、従って、その入口及び出口は熱遮蔽を構成し、封止を提供するハッチを有する。

燃焼反応炉は好ましくは熱酸化反応炉ＴＯＲである。

ホッパーは、圧力下でも動作し、入口及び出口シャッターを有するエアロックからなる。

安全バルブＣＥ１及びＣＥ２もまた反応炉の中及び中間ホッパーの中に設けられている。

シャッターＯＦ１〜ＯＦ５は、これらが取り付けられる要素の外部のモータによって駆動され得る。何らの限定も意味しないが、これらは遠隔操作される電気式、水圧式、空気圧式シリンダアクチュエータから構成され得る。

燃焼ガスは、反応炉ＲＣの頂部において出口１ａから蓋をされ、パイプＳＣＧを通って粒子フィルターＰＦに、そして、膨張タービンＴＲＧＣに向けて熱交換器ＥＣＴ１，ＥＣＴ２の中に送られる。

膨張タービンＴＲＧＣは、好ましくは、電気エネルギー生成器ＧＥ３と結合され、従って、燃焼ガスの熱エネルギーの一部はこのようにして電気に変換される。

水蒸気は凝縮され、ガス状酸化物はＣＧＣに除去される（１ｂ）。浸透圧フィルターを通過したＣＶ２からの水の一部は、コンプレッサー７に再導入される。

蒸気回路２
有利には、凝縮された水の一部は回収されて高圧で高温の乾燥蒸気の形態に気化されて、中間ホッパーに導入される高圧ガス塊を形成することができる。このように、凝縮器ＣＶ１を離れる際には、水は熱交換器６に流れ込み、ここで高圧乾燥蒸気の形態に気化される。有利には、熱交換器は、反応炉から放たれる熱の一部を回収し、これにより反応炉内の温度を安定化させるために反応炉ＲＣと熱接触するチューブ束で構成されることができ、この熱は、水及び膨張タービンＴＲＶに向けられる蒸気の大部分を気化することに使用され、これの他の部分はパイプＴＩに注入される。

ＴＲＶを離れた蒸気は、供給ホッパーＴＡと中間ホッパーＴＩの間に設けられたエンドレスの供給スクリューＶＡに組み込まれた予備加熱装置ＳＰに導入される。この供給スクリューＴＡは、スクリューネジ２ｃが取り付けられた縦シャフト２ｄを有する。任意の公知の型式の駆動部材がスクリューのシャフトに結合される。

予備加熱装置ＳＰは、限定的にではないが、好ましくは、スクリューの下流のガス入口とスクリューの上流のスクリューネジと入口シャッターＯＯＦ１の間のガス出口を有するボックスの形態のスクリューネジ２ｃから構成される図３のものである。上流及び下流の入口は、シャフト２ｄの対応する端部に形成されたブラインドの軸ドリル穴と同シャフトに形成されたラジアルドリル穴でそれぞれ形成され、一端ではブラインドの軸ドリル穴に向けて、スクリューネジ２ｃが示すボックス形状に開口する。コンプレッサー７を通過した蒸気は、スクリューネジの開始部に軸方向に注入され、スクリューネジに沿って進むに従って廃棄物を加熱し、その後、ネジを離れて第１の凝縮器ＣＶ１に送られる。

場合によっては、コンプレッサー７は、水を加圧してこの位置に凝縮器ＣＶ１への蒸気の逆流を防ぐ背圧を生成するために交換器６の上流に配置され得る。スクリューを通る蒸気の循環は、このスクリューにより運ばれる廃棄物の進行に対して逆流であることを指摘することができる。

凝縮器ＣＶ１，ＣＶ２，ＣＧＣは、蒸発器型の冷却装置ＥＦＥからの冷却剤が通るチューブ型の熱交換器を有する通常の型式である。

取出された燃焼ガスは、ダクトＳＧＣにおいてダイオキシン無しに不燃物無しに酸化されて安定化されたガスである。その熱エネルギーの一部は、タービンＴＲＧＣに結合した生成器において電気エネルギーに変換され、そのエネルギーの大半は窒素を加熱するために使用される。

窒素を用いた冷却の後で、燃焼ガスはＥＣT１及びＥＣＴ２に運ばれる。これらのガスは凝縮され、その後、タービンＴＲＧＣに導入される。タービンＴＲＧＣは、燃焼ガスのエネルギーを電気エネルギーに逆変換する。膨張の後で、蒸気が凝縮するため、ガスは蒸気から分離される。

この水回路１ｄは、凝縮器ＣＶ２で凝縮された水を（例えば浸透圧濾過を用いて）不活性化する少なくとも１の手段も有する。

燃料ライン３
ライン３に沿って燃料を供給するために、タンクＲＣＡから燃料を取り出し、高圧で３つのバーナー、すなわち、主バーナーＢＰ、補助バーナーＢＡ及び触媒バーナーＢＣに注入するための設備が設けられる。

窒素回路４
１並びのコンプレッサーＢＣＡは、大気中の空気を１バールから約３００バールに圧縮する。この空気は、各圧縮段階の後で上述の冷却装置ＥＦＦからのパイプ４ａに沿って運ばれる冷却剤を用いた熱交換器の中で冷却される。

ターボコンプレッサーＴＣＡは、空気を３００バールから約５０バールに膨張させる。この膨張は、空気の−４３℃（概略。最後の圧縮段階の熱交換器を離れる際）から約−１３４℃への冷却を伴い、これにより、空気膨張ベッセルＢＤＡ内で液化酸素からガス状窒素を分離することが可能になる。

同じターボコンプレッサーＴＣＡは、ガス状窒素を約５０バールから約２８０バールに再圧縮し、その一部をＲＡＬ内で液化させ、ガス状窒素の残りを窒素タンクＲＡＧに送る。

窒素は、その後タンクＲＡＧから熱交換器ＣＦＦ２に送られ、そこで、約６１℃に再加熱され、その後、燃焼ガスを２００℃に冷却するためにチューブ型の熱交換器ＥＣＴ１，ＥＣＴ２に送り込まれる。

窒素は、約９００℃に再加熱されて燃焼ガスに逆流する。窒素ガスは、その後、発電器ＧＥ３に結合した窒素回収タービンＴＲＡに送り込まれる。このようにして、窒素は熱エネルギーを回収するために使用され、このエネルギーは発電器ＧＥ３によって電気エネルギーに変換される。

比限定的な例として上記された窒素分離回路は、大気中含有量７８％の窒素に関連し、望まれないＮＯｘの生成に関連する厄介を避けることが意図されている。

酸素回路５
常磁性分離器は、膨張ベッセルＢＤＡを離れるガス状窒素から液体酸素を分離する。

液体酸素は、液体酸素タンクＲＯＬに送られる。貯蔵の後に、液体酸素は、交換器ＣＦＦ２の中で−１３４℃から概略０℃に予備加熱され、ガスに変化して、反応炉ＲＣに向けられ、３つのバーナーＢＰ，ＢＡ，ＢＣに供給される。

バーナーに送られた酸素は廃棄物の完全燃焼を助ける。

同様に酸素を供給される追加の触媒バーナー（不図示）は、ダイオキシン分子の分解及び任意の不燃物の除去を可能にする。

空気を酸素と窒素に分離するために説明された手段は、場合によって、本発明に従う大容量焼却装置に使用される。

本発明に従う焼却装置ではあるが小容量のものについては、酸素と窒素を分離するための膜フィルターを用いて動作する空気分離器を用いることが好ましい場合があり、このタイプの分離器は、ガスの形態から直接に酸素と窒素を得ることが可能である。

この焼却装置の新規タイプによりもたらされる利点は次の通りである：
−同量の廃棄物を焼却するために、現在使用されている焼却装置に比べて焼却装置の体積が顕著に小さい。
−空気の代わりに酸素を使用することで、大気中の空気に含まれる窒素の７９％だけ酸化剤（oxidizer）の体積が減少する。焼却装置内での高圧動作（high-pressure operation）は、酸素の存在下での廃棄物の燃焼速度を高速化させ、窒素の不存在が酸化剤との直接接触を可能にする。
−空気の分離から窒素を回収することで、大容量焼却装置において発電器に結合した回収タービンを用いたエネルギー生成が可能になる。
−焼却装置が圧力下で動作するため、発電器とそれぞれ結合した回収タービンの使用を介して燃焼ガスがエネルギーを生成する。
−この新規タイプの焼却装置の動作特性を前提にすると、同量の廃棄物を焼却するために必要な投資が、現在の焼却装置で必要とされるよりも減少する。
−酸化ガスの再循環のおかげで達成できる閉回路動作によって環境へのガスの放出が防がれる。
−このプラントは、例えばアスベストやドリルスラッジを含むすべての種類の廃棄物を焼却できる。

Claims (6)

1. 燃料供給ラインにより給油される少なくとも１つのバーナーを有する反応炉を含む型式の家庭又は産業廃棄物を焼却するためのプラントであって、
   −入口及び出口にシャッターを有し、膨張タービンから取出された蒸気を用いて前記廃棄物を予備加熱できる手段を有する供給ホッパーと、
   −前記供給ホッパーで予備加熱された前記廃棄物を収集して前記反応炉の頂部に導入する中間ホッパーと、
   −それぞれ燃料ラインによる燃料及び酸素生成回路による純粋酸素の供給を受ける主バーナー、補助バーナー及び燃焼ガス出口の近くに位置する触媒バーナーの３つのバーナーを備える反応炉を有し、
   前記廃棄物を再加熱できる前記供給ホッパー手段が、スクリューの下流のガス入口と前記スクリューの上流のガス出口を有するボックスの形態のスクリューネジからなり、前記ガス出口が、前記スクリューネジと前記入口シャッタの間の他の端部にあることを特徴とするプラント。
2. 液化酸素からガス状窒素を分離できる１並びのエアコンプレッサー及びターボコンプレッサーで形成される空気分離器を有し、
   前記酸素生成回路が前記空気分離器及び前記ターボコンプレッサーの後に、酸素を気化して前記３つのバーナーのそれぞれに供給する交換器、液体酸素貯留タンク、膨張ベッセルを有することを特徴とする請求項１に記載のプラント。
3. 液化酸素からガス状窒素を分離できる１並びのエアコンプレッサー及びターボコンプレッサーで形成される空気分離器を有し、
   前記空気分離器及び前記ターボコンプレッサーの後に、膨張ベッセル、窒素タンク、３つの熱交換器、そして、チューブ型熱交換器及び窒素回収タービンを有することを特徴とする請求項１に記載のプラント。
4. 前記中間ホッパーが前記廃棄物の前記燃焼反応炉への排除を容易化するために加圧され、
   前記中間ホッパーの前記加圧が少なくとも１の適切なオリフィスを介して前記ホッパーに高圧下でガス塊を導入することにより成されることを特徴とする請求項１に記載のプラント。
5. 前記中間ホッパーに前記ガス塊を導入する前記オリフィスが、前記中間ホッパーが充填されている間における前記中間ホッパーから前記ホッパーへの前記ガス塊の漏れを防ぐために、遠隔操作バルブと結合していることを特徴とする請求項４に記載のプラント。
6. 前記スクリューの前記スクリューネジを離れたガスが、コンプレッサーを通過した燃焼ガスに含まれる水蒸気を凝縮する目的の第１の凝縮器に送られることを特徴とする請求項１に記載のプラント。
   
   

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