JP5892339B2 - 廃棄物焼却炉及び廃棄物焼却方法 - Google Patents

Description

本発明は、都市ごみ等の廃棄物を焼却する火格子式の廃棄物焼却炉及び廃棄物焼却方法に関する。

都市ごみ等の廃棄物を焼却処理する焼却炉として、火格子式廃棄物焼却炉が広く用いられている。その代表的なものの構成の概要を以下に説明する。

火格子式廃棄物焼却炉は、廃棄物を燃焼する燃焼室の下部に廃棄物の移動方向に配置され三段から成る火格子（乾燥火格子、燃焼火格子そして後燃焼火格子）を有し、後燃焼火格子の上方に位置する燃焼室の出口に二次燃焼室が連設されている。上記燃焼室には乾燥火格子の上方に位置して廃棄物投入口が設けられている。そして後燃焼火格子の廃棄物の移動方向下流側下方には灰落下口が設けられている。通常、上記二次燃焼室は廃熱回収用の廃熱ボイラの一部でもあり、その入口近傍部分である。また、乾燥火格子、燃焼火格子そして後燃焼火格子それぞれの火格子下から燃焼用一次空気を吹き込む燃焼用一次空気吹込み機構が設けられている。

このような火格子式廃棄物焼却炉において、廃棄物投入口から燃焼室内に投入された廃棄物は、乾燥火格子上に堆積され、乾燥火格子の下からの空気と炉内の輻射熱により乾燥されると共に、昇温されて着火する。すなわち、上記乾燥火格子の直上方では、廃棄物の移動方向の上流側空間で乾燥領域が形成され、乾燥火格子の直上方の下流側空間から燃焼火格子の直上方の上流側空間にかけて燃焼開始領域が形成される。燃焼開始領域で着火して燃焼を開始した廃棄物は、乾燥火格子から燃焼火格子上に送られ、廃棄物が熱分解されて可燃性ガスが発生し、燃焼火格子の下から送られる燃焼用一次空気により可燃性ガスと固形分が燃焼し、燃焼火格子の直上方空間で主燃焼領域が形成される。そして、更に後燃焼火格子上で、固定炭素など未燃分が完全に燃焼し、該後燃焼火格子の直上方空間で後燃焼領域が形成される。しかる後、燃焼後に残った灰は、灰落下口より外部に排出される。

かくして、火格子式廃棄物焼却炉では、廃棄物は燃焼室にて三段の火格子の下から吹き込まれる燃焼用一次空気により燃焼する。さらに、燃焼室からの燃焼排ガスに含まれている可燃性ガスの未燃分は、二次燃焼室で二次燃焼用空気を受けて燃焼する。

従来の火格子式廃棄物焼却炉では、実際に焼却炉内に供給する空気量を廃棄物の燃焼に必要な理論空気量で除した比（空気比）は、通常、１．６程度である。これは、一般燃料の燃焼に必要な空気比である１．０５〜１．２に比べて大きくなっている。その理由は、廃棄物には、一般燃料としての液体燃料や気体燃料に比べて不燃分が多く、かつ不均質なため、空気の利用効率が低く、燃焼を行うには多量の空気が必要となるためである。しかし、単に供給空気を多くすると、空気比が大きくなるにしたがって排ガス量も多くなるので、これに伴ってより大きな排ガス処理設備が必要となる。

廃棄物焼却炉において空気比を小さくした状態で、支障なく廃棄物を燃焼することができれば、排ガス量は低減し、排ガス処理設備がコンパクトになり、その結果、廃棄物焼却施設全体が小型化して設備費を低減できる。これに加えて、排ガス処理のための薬剤使用量も低減するので、運転費を低減できる。さらには、排ガス量の低減により廃熱ボイラの熱回収率を向上できるので、熱回収できずに大気に捨てられる熱量を低減させ、これに伴って廃棄物焼却廃熱を利用する発電の効率を上げることができる。

このように、低空気比燃焼を行う利点は大きいが、一方で、空気比が１．５以下の低空気比燃焼では燃焼が不安定になるという問題が生じる。すなわち、低空気比で廃棄物を燃焼させると、燃焼が不安定となり、ＣＯの発生が増加したり、火炎温度が局所的に上昇してＮＯｘが急増したり、煤が大量に発生したりして排ガス中の有害物が増加するという問題が生じ、また、局所的な高温により廃棄物や灰が溶融して炉壁に付着してクリンカが発生したり、炉壁の耐火物の寿命が短くなるという問題点がある。

このような状況のもとで、空気比が１．５以下の低空気比で安定して燃焼することができる廃棄物焼却炉が検討されており、特許文献１に開示されている（段落００６３）。この特許文献１では、廃棄物焼却炉の二次燃焼領域の出口側から高温排ガスを導出し除塵した後、空気と混合し高温ガスとし燃焼室内に吹き込むことにより、以下の効果が得られるとしている。

即ち、高温ガスの顕熱と輻射により廃棄物の熱分解を促進すること、酸素を含んだ高温ガスの吹込みにより廃棄物の熱分解により発生した可燃性ガスの燃焼を促進すること、さらに高温ガスを燃焼室の側壁に設けたノズルから燃焼室内に吹き込み（段落００４０）、この高温ガスの流れと、廃棄物から発生した可燃性ガスと燃焼ガスとの上昇流とを衝突させ、廃棄物層直上に流れの遅いよどみ領域を形成することにより、可燃性ガスの流れが緩やかになり、可燃性ガスが燃焼用一次空気や高温ガスによって供給される酸化剤成分と十分に混合されるため安定した燃焼が行われることなどの効果があり、高温ガスを燃焼室内に吹き込むことにより、低空気比燃焼操業下で廃棄物の燃焼を安定して行わせることができるとしている。そして、廃棄物が熱分解されて発生する可燃性ガスの燃焼を安定して行うことが、燃焼によって発生するＣＯ，ＮＯｘなどの有害物質の発生量を抑制することができるとしている。

特許文献１に開示された廃棄物焼却炉では、燃焼室側壁に設けたノズルから高温ガスを燃焼室内に吹き込むようになっている。燃焼室幅（火格子上での廃棄物の移動方向に対して直角方向での幅）が広い焼却炉の場合には、側壁から吹き込まれた高温ガスが、燃焼室中央付近まで到達せず、側壁近傍から中央部までの燃焼室全般に亘って、上記の効果を偏りなく奏して、低空気比燃焼操業下で廃棄物層から発生する可燃性ガスの燃焼を安定して行うことが、必ずしもできないことがある。

そこで、燃焼室天井に設けたノズルから高温ガスを燃焼室内に下向きに吹き込む廃棄物焼却炉が検討されている。この場合には、下向きの高温ガスの流れと、廃棄物から発生した可燃性ガスと燃焼ガスとの上昇流とを衝突させ、焼却炉の大きさにかかわらず燃焼室内全般に亘って、廃棄物層直上に流れの遅いよどみ領域を形成し、燃焼促進効果や燃焼安定化効果が得られる。

特開２００４−８４９８１号公報

燃焼室天井に設けたノズルから高温ガスを燃焼室内に下向きに吹き込む廃棄物焼却炉では、廃棄物層からの可燃性ガスと燃焼ガスとの上昇流に対して、天井からの下向きの高温ガスの流れを衝突させてよどみ領域を形成することで、上記燃焼促進効果そして燃焼安定効果という性能上の効果が得られるが、廃棄物層直上にこのよどみ領域を効果的に形成するためには、燃焼室天井高さを従来の火格子式焼却炉の高さより低くすることになり、その結果、焼却炉設備の高さを低くすることができ建設費用を低減できるという構造上の効果があるが、燃焼室容積が小さくなり炉内火炉負荷が高くなって、炉内温度が従来より高温化する。炉内温度が高温化すると、廃棄物や空気の窒素分が高温下で反応して発生するＮＯｘ発生量が多くなり排ガス中のＮＯｘ濃度が高くなるという新たな問題が生じる。

本発明は、かかる事情に鑑み、空気比が１．５以下の低空気比燃焼操業を行った場合においても、焼却炉の大きさにかかわらず燃焼室全般に亘って、廃棄物の燃焼を安定して行うことができ、ＣＯ，ＮＯｘ等の有害物質の発生量を抑制でき、低空気比燃焼操業を問題なく行うことが可能な火格子式廃棄物焼却炉及び廃棄物焼却方法を提供することを課題とする。

本発明によれば、上述の課題は、 火格子式廃棄物燃焼炉に関しては次の第一及び第二発明、その廃棄物焼却方法に関しては第三及び第四発明により解決される。

＜火格子式廃棄物焼却炉＞
（１）第一発明
火格子式廃棄物焼却炉であって、火格子を備え該火格子上の廃棄物を燃焼する燃焼室と、燃焼用一次空気を上記火格子の下から上記燃焼室内に吹き込む一次空気吹込み手段と、高温ガスを上記燃焼室の天井から下向きに吹き込む高温ガス吹込み手段とを具備し、上記高温ガス吹込み手段は、火格子上の廃棄物の移動方向である炉長方向に前段と後段の二段の高温ガス吹込口を備え、前段の高温ガス吹込口が、高温ガスを上記炉長方向にて燃焼開始領域から主燃焼領域の前部までの領域に向かって吹き込む位置に配設され、後段の高温ガス吹込口が、高温ガスを上記炉長方向にて主燃焼領域の後部から後燃焼領域の前部までの領域に向かって吹き込む位置に配設されており、燃焼室内のガスを排出する煙道を、燃焼室天井の前段の高温ガス吹込口と後段の高温ガス吹込口との中間に備えていることを特徴とする火格子式廃棄物焼却炉。

（２）第二発明
火格子式廃棄物焼却炉であって、火格子を備え該火格子上の廃棄物を燃焼する燃焼室と、燃焼用一次空気を上記火格子の下から上記燃焼室内に吹き込む一次空気吹込み手段と、高温ガスを上記燃焼室の天井から下向きに吹き込む高温ガス吹込み手段とを具備し、上記高温ガス吹込み手段は、火格子上の廃棄物の移動方向である炉長方向に前段と後段の二段の高温ガス吹込口を備え、前段の高温ガス吹込口が乾燥段火格子の後部から燃焼段火格子の前部までの上記天井に設けられ、後段の高温ガス吹込口が燃焼段火格子の後部から後燃焼段火格子の前部までの上記天井に設けられており、燃焼室内のガスを排出する煙道を、燃焼室天井の前段の高温ガス吹込口と後段の高温ガス吹込口との中間に備えていることを特徴とする火格子式廃棄物焼却炉。

本発明では、第一及び第二発明において、煙道は、該煙道の入口近傍で、燃焼開始領域から主燃焼領域の前部までの領域で発生した還元ガスを含むガスと、主燃焼領域の後部から後燃焼領域の前部までの領域で発生した酸化ガスを含むガスとを混合し燃焼させる位置に設けられているようにすることができる。

また、煙道は、二次燃焼用ガス吹込口を備えることとしてもよい。さらには、燃焼室内の煙道入口直下に、燃焼開始領域から主燃焼領域の前部までの領域で発生した還元ガスを含むガスと、主燃焼領域の後部から後燃焼領域の前部までの領域で発生した酸化ガスを含むガスとを、煙道入口に誘導するガス誘導体を備えることとしてもよい。

本発明では、第一及び第二発明において、高温ガス吹込み手段は、上記高温ガス吹込み手段により吹き込まれる高温ガスと一次空気吹込み手段により吹き込まれる燃焼用一次空気とを合わせた実際に炉内に供給する空気量を、廃棄物の燃焼に必要な理論空気量で除して得られる空気比に関して、燃焼開始領域から主燃焼領域の前部までの領域の局所空気比を０．６〜０．８とするように前段の高温ガス吹込口から吹き込む高温ガスの流量及び酸素濃度のうち少なくとも一つを制御する前段高温ガス吹込制御手段と、主燃焼領域の後部から後燃焼領域の前部までの領域の局所空気比を１．３〜１．６とするように後段の高温ガス吹込口から吹き込む高温ガスの流量及び酸素濃度のうち少なくとも一つを制御する後段高温ガス吹込制御手段とを備えることが好ましい。

本発明では、第一及び第二発明において、高温ガス吹込み手段は、一次空気吹込み手段により吹き込まれる燃焼用一次空気と高温ガス吹込み手段により吹き込まれる高温ガスとを合わせて得られる各領域の酸素濃度に関して、燃焼開始領域から主燃焼領域の前部までの領域の酸素濃度を０〜２vol％ｄｒｙとするように前段の高温ガス吹込口から吹き込む高温ガスの流量及び酸素濃度のうち少なくとも一つを制御する前段高温ガス吹込制御手段と、主燃焼領域の後部から後燃焼領域の前部までの領域の酸素濃度を５〜８vol％ｄｒｙとするように後段の高温ガス吹込口から吹き込む高温ガスの流量及び酸素濃度のうち少なくとも一つを制御する後段高温ガス吹込制御手段とを備えることが好ましい。

また、第一及び第二発明において、高温ガス吹込み手段は、燃焼開始領域から主燃焼領域の前部までの領域での酸素濃度を計測する手段と、主燃焼領域の後部から後燃焼領域の前部までの領域での酸素濃度を計測する手段とを具備し、計測した酸素濃度計測値に基づき、前段の高温ガス吹込口から吹き込む高温ガスの流量及び酸素濃度のうち少なくとも一つと後段の高温ガス吹込口から吹き込む高温ガスの流量及び酸素濃度のうち少なくとも一つとを制御することができる。

さらに、第一及び第二発明において、燃焼室は、室内高さが３ｍ以下であるようにすることができる。

＜火格子式廃棄物焼却方法＞
（３）第三発明
燃焼室を備える火格子式廃棄物焼却炉による廃棄物焼却方法であって、燃焼用一次空気を火格子下から上記燃焼室内に吹き込み、高温ガスを、上記燃焼室の天井に火格子上の廃棄物の移動方向である炉長方向で前段と後段の二段に設けた高温ガス吹込口のうち、前段の高温ガス吹込口から、燃焼開始領域から主燃焼領域の前部までの領域に向かって吹き込み、後段の高温ガス吹込口から、主燃焼領域の後部から後燃焼領域の前部までの領域に向かって吹き込み、燃焼室天井の前段の高温ガス吹込口と後段の高温ガス吹込口との中間に位置する煙道の入口近傍で、燃焼開始領域から主燃焼領域の前部までの領域で発生した還元ガスを含むガスと、主燃焼領域の後部から後燃焼領域の前部までの領域で発生した酸化ガスを含むガスとを混合し燃焼させることを特徴とする廃棄物焼却方法。

（４）第四発明
燃焼室を備える火格子式廃棄物焼却炉による廃棄物焼却方法であって、燃焼用一次空気を火格子下から上記燃焼室内に吹き込み、高温ガスを、上記燃焼室の天井に火格子上の廃棄物の移動方向である炉長方向で前段と後段の二段に設けた高温ガス吹込口のうち、乾燥段火格子の後部から燃焼段火格子の前部までの上記天井に配設した前段の高温ガス吹込口から下向きに吹き込み、燃焼段火格子の後部から後燃焼段火格子の前部までの上記天井に配設した後段の高温ガス吹込口から下向きに吹き込み、燃焼室天井の前段の高温ガス吹込口と後段の高温ガス吹込口との中間に位置する煙道の入口近傍で、燃焼開始領域から主燃焼領域の前部までの領域で発生した還元ガスを含むガスと、主燃焼領域の後部から後燃焼領域の前部までの領域で発生した酸化ガスを含むガスとを混合し燃焼させることを特徴とする廃棄物焼却方法。

本発明では、第三及び第四発明において、燃焼用一次空気と高温ガス吹込口から吹き込まれる高温ガスとを合わせた実際に炉内に供給する空気量を廃棄物の燃焼に必要な理論空気量で除して得られる空気比に関して、燃焼開始領域から主燃焼領域の前部までの領域の局所空気比を０．６〜０．８とするように前段の高温ガス吹込口から吹き込む高温ガスの流量及び酸素濃度のうち少なくとも一つを制御し、主燃焼領域の後部から後燃焼領域の前部までの領域の局所空気比を１．３〜１．６とするように後段の高温ガス吹込口から吹き込む高温ガスの流量及び酸素濃度のうち少なくとも一つを制御することが好ましい。

本発明では、第三及び第四発明において、燃焼用一次空気と高温ガス吹込み口から吹き込む高温ガスとを合わせて得られる各領域の酸素濃度に関して、燃焼開始領域から主燃焼領域の前部までの領域の酸素濃度を０〜２vol％ｄｒｙとするように前段の高温ガス吹込口から吹き込む高温ガスの流量及び酸素濃度のうち少なくとも一つを制御し、主燃焼領域の後部から後燃焼領域の前部までの領域の酸素濃度を５〜８vol％ｄｒｙとするように後段の高温ガス吹込口から吹き込む高温ガスの流量及び酸素濃度のうち少なくとも一つを制御することが好ましい。

また、第三及び第四発明において、燃焼開始領域から主燃焼領域の前部までの領域の酸素濃度を計測した酸素濃度計測値に基づき、前段の高温ガス吹込口から吹き込む高温ガスの流量及び酸素濃度のうち少なくとも一つを制御し、主燃焼領域の後部から後燃焼領域の前部までの領域の酸素濃度を計測した酸素濃度計測値に基づき、後段の高温ガス吹込口から吹き込む高温ガスの流量及び酸素濃度のうち少なくとも一つを制御することができる。

本発明では、以上のように、燃焼室の天井から高温ガスを吹き込むこととし、その吹込みを前段と後段の二段に別けて吹き込むこととしたので、それぞれにより、次のような効果を得る。

（１）高温ガス吹込みによる燃焼安定化効果
廃棄物焼却炉燃焼室の天井に設けた吹込口から高温ガスを下向きに吹き込み、高温ガスの顕熱と輻射により廃棄物の熱分解を促進することができ、廃棄物の熱分解により発生した可燃性ガスの燃焼を促進することができ、さらに、高温ガスの下向きの流れと、廃棄物層から発生する可燃性ガスと燃焼ガスとの上向きの流れとを衝突させ、廃棄物層直上でガス流れが緩やかなよどみ領域又は上下方向に循環する循環領域を燃焼室の幅方向と長さ方向の広い範囲に亘って形成することができるので、可燃性ガスの流れが緩やかになり、可燃性ガスが燃焼用一次空気や高温ガスによって供給される酸化剤成分と十分に混合されるため安定した燃焼が行われ、平面状燃焼領域（火炎）を定在させることができる。また、定在する平面状火炎の輻射などにより廃棄物の熱分解をさらに促進することができる。このように高温ガス吹き込みにより、焼却炉の大きさに関わらず、空気比が１．５以下の低空気比燃焼においても廃棄物と、発生する可燃性ガスを安定して燃焼することができる。そして、燃焼が安定するため、廃棄物焼却炉から排出される排ガス中のＣＯ，ＮＯｘなど有害物の発生量を抑制することができる。

（２）高温ガスの二段吹込みによるＮＯｘ発生量抑制効果
燃焼室の天井から吹き込まれる高温ガスは、前段と後段の二つの高温ガス吹込口に別け個々に制御されて吹き込まれるようにしたので、燃焼空間を燃焼用一次空気と相俟って、前段の領域で低酸素雰囲気そして後段の領域で酸素過剰雰囲気とすることができ、その結果、低酸素雰囲気の前段の領域で廃棄物を熱分解・部分酸化させて、ガス分として可燃性ガスと還元ガスとを得、そして酸素過剰雰囲気の後段の領域で廃棄物が燃焼することで酸化ガスが得られ、さらに、本発明では、前段そして後段の両高温ガス吹込口の間に位置するように煙道（煙道の入口）を設けたので、この煙道には、前段側から、低酸素濃度のもとで得られた、還元ガスを含むガスが誘引され、後段側からは、酸素過剰雰囲気のもとで得られた酸化ガスが誘引されることになり、煙道内で上記還元ガスと酸素ガスが混合されるので、酸化ガス中のＮＯｘが還元ガスと反応して分解されて、かくして、ＮＯｘの量を抑制することができる。

以上、上記（１），（２）で述べたように、高温ガス吹込みにより、例えば、空気比が１．５以下の低空気比燃焼においても、廃棄物と、発生する可燃性ガスを安定して燃焼することができ、廃棄物焼却炉から排出される排ガス中のＣＯの発生量を抑制することができる。さらに、高温ガスの前段そして後段での二段吹込みにより、燃焼室内のガスを煙道に誘引し、発生させた還元ガスによりＮＯｘを分解して、廃棄物焼却炉から排出される排ガス中のＮＯｘの発生量を抑制することができる。また、廃棄物の熱分解、燃焼を促進することができるため、廃棄物焼却処理量に対して燃焼室内容積を小さくすることができ、焼却炉の炉高を低くすることができ、廃棄物焼却設備をコンパクトにすることにより設備費用と運転費用を低減することができる。

本発明の一実施形態に係る廃棄物焼却炉の概要を示す構成図である。 図１に示す廃棄物焼却炉内の燃焼状態を説明する、燃焼室幅方向の断面図である。 図１に示す廃棄物焼却炉内の燃焼状態を説明する、燃焼室長さ方向の断面図である。

以下、本発明の種々の実施形態により本発明を詳細に説明する。なお、本発明の技術的範囲は、これらの実施形態によって限定されるものではなく、発明の要旨を変更することなく様々な形態で実施することができる。また、本発明の技術的範囲は、均等の範囲にまで及ぶものである。

先ず、本実施形態の説明に先立ち、本発明による高温ガス吹込みによる燃焼安定化に関し、従来の廃棄物焼却炉と、本発明の廃棄物焼却炉との構造上の比較、そして本発明により得られる効果を要約して述べておく。

図２（ａ）は、従来の廃棄物焼却炉（特許文献１に記載の廃棄物焼却炉）内の燃焼状態を示し、図２（ｂ）は、本発明の一実施形態に係る廃棄物焼却炉内の燃焼状態を示しており、これを参照して、高温ガス吹込みによる燃焼安定化に関して、廃棄物焼却炉内の燃焼状態について、従来の廃棄物焼却炉と本発明の一実施形態に係る廃棄物焼却炉とを比較して説明する。

図２（ａ）に示すように、従来の廃棄物焼却炉２０は、側壁（火格子５上の廃棄物Ｗの移動方向に直角方向となる炉幅方向で対向する側壁）２１に吹込口２３が設けられ、火格子５上の廃棄物Ｗを、下方からの燃焼用空気Ａにより燃焼する。廃棄物Ｗの燃焼に際しては、燃焼室の側壁２１に設けられた吹込口２３から高温ガスＢを斜め下方に吹込み、高温ガスＢと、火格子５上の廃棄物層Ｗから上昇してくる熱分解により発生した可燃性ガスと燃焼ガスとの上昇流とを衝突させ、廃棄物層Ｗ直上に流れの遅いよどみ領域を形成する。そこで可燃性ガスを燃焼し、平面状燃焼領域（平面火炎）Ｄを形成している。このような従来の焼却炉では、低空気比燃焼操業でも安定な燃焼が得られるが、燃焼室幅（上記側壁同士間距離）の大きい燃焼炉では、 図２（ａ）に示すように、側壁２１の吹込口２３から吹き込まれた高温ガスＢが、燃焼室中央付近まで到達せず、中央部ではよどみ領域を形成できないため、平面状燃焼領域を形成することができず、可燃性ガスが十分に燃焼されず、炉幅方向に不均質な燃焼となってしまうという問題がある。

これに対し、図２（ｂ）に示すように、本発明の一実施形態に係る廃棄物焼却炉１は、天井２２に吹込口１３が炉幅方向に複数設けられ、火格子５上の廃棄物Ｗを、下方からの燃焼用空気Ａにより燃焼するものである。廃棄物Ｗの燃焼に際しては、天井２２に設けられた吹込口１３から高温ガスＢを下向きに吹き込み、高温ガスＢと、廃棄物Ｗから上昇してくる可燃性ガスと燃焼ガスとの上昇流とを衝突させ、廃棄物層Ｗ直上に流れの遅いよどみ領域又は上下方向に循環する循環領域を形成し、平面状燃焼領域（平面火炎）Ｅを炉幅方向、炉長方向（廃棄物の移動方向）に均一に形成する。これにより、炉幅の大きい焼却炉でも、均一で安定した燃焼が可能となる。

このように、本発明では、高温ガスを燃焼室天井から下向きに吹き込むことにより、次のような効果を得る。

高温ガスを燃焼室天井から下向きに吹き込むことの効果を詳しく説明する。

（１）高温ガスの顕熱と輻射により廃棄物Ｗの熱分解を促進する。

（２）酸素を含んだ高温ガスの吹込みにより廃棄物Ｗの熱分解により発生した可燃性ガスの燃焼を促進する。

（３）高温ガスを燃焼室の天井２２に設けた吹込口１３から燃焼室内に下向きに吹き込み、高温ガスの下向きの流れと、廃棄物Ｗから発生する可燃性ガスと燃焼ガスとの上昇流とを対向させ、廃棄物層直上に流れの遅いよどみ領域又は流れが上下方向に循環する循環領域を形成することにより、可燃性ガスの流れが緩やかになり、可燃性ガスが燃焼用一次空気や高温ガスによって供給される酸化剤成分と十分に混合されるため安定した燃焼が行われる。この廃棄物層直上のよどみ領域又は循環領域で可燃性ガスが安定して燃焼し平面状燃焼領域（平面火炎）が形成され、定在する。

（４）定在する平面火炎の輻射により廃棄物Ｗの熱分解を促進する。

かくして、（１）〜（４）の作用により、低空気比燃焼操業下でも廃棄物Ｗの燃焼を安定して行わせることができる。そして、燃焼が安定するため可燃性ガスが十分に燃焼され、焼却炉から排出される排ガス中のＣＯ，ＮＯｘなど有害物の発生量を抑制することができる。

以下、本発明の一実施形態の火格子式焼却炉の基本構成、各構成装置そして作用について説明する。

図１は本発明の一実施形態に係る廃棄物焼却炉を示す概略側断面図である。まず、本発明の一実施形態に係る廃棄物焼却炉の基本構成と焼却方法の概要を説明し、次いで各構成装置の詳細を説明する。この実施形態において、燃焼室内での廃棄物の移動方向における燃焼室の上流側を前部、下流側を後部という。

＜火格子式焼却炉の基本構成＞
図１に示す廃棄物焼却炉１は、廃棄物を燃焼する燃焼室２の高さが１〜３ｍであり、廃棄物焼却量１００ｔｏｎ／日程度の規模の従来型焼却炉の燃焼室高さが５〜６ｍ程度であることに比べて、１／２以下の高さである。また、この廃棄物焼却炉１の一例の容積は、９０ｍ^３であり、従来型焼却炉の１９０ｍ^３の１／２程度以下となる。このように、燃焼室２の高さが３ｍ以下であることと、後述する高温ガスを天井から下向きに吹き込むことにより低空気比燃焼を安定して行うことによって、火格子式廃棄物焼却炉設備をコンパクトにすることができ、設備費用、運転費用を大幅に低減できる。

本実施形態に係る廃棄物焼却炉１は、燃焼室２と、この燃焼室２の廃棄物の流れ方向の上流側（図１の左側）上方に配置され、廃棄物を燃焼室内に投入するための廃棄物投入口３と、燃焼室２の廃棄物の流れ方向の中間部の上方に連設されるボイラ４とを備える火格子式の焼却炉である。

燃焼室２の底部には、廃棄物を移動させながら燃焼させる火格子（ストーカ）５が設けられている。この火格子５は、廃棄物投入口３に近い方から、すなわち、上流側から乾燥火格子５ａ、燃焼火格子５ｂ、後燃焼火格子５ｃの順に設けられている。

乾燥火格子５ａでは主として廃棄物の乾燥と着火が行われる。燃焼火格子５ｂでは主として廃棄物の熱分解、部分酸化が行われ、熱分解により発生した可燃性ガスと固形分の燃焼が行われる。後燃焼火格子５ｃ上では、僅かに残った廃棄物中の未燃分を完全に燃焼させる。完全に燃焼した後の燃焼灰は、灰落下口６より排出される。

このような本実施形態の焼却炉では、乾燥火格子５ａと燃焼火格子５ｂの上に廃棄物の層が形成され、その燃焼により、燃焼室２内の空間には、廃棄物層の直上に、下記のような諸領域が形成される。

乾燥火格子５ａの直上方で廃棄物投入口３の下方に対応して位置する、該乾燥火格子５ａの廃棄物の流れ方向の上流側範囲（前部）の上方には乾燥領域が形成される。

乾燥火格子５ａの下流側範囲（後部）から燃焼火格子５ｂの上流側範囲（前部）の上方には燃焼開始領域が形成される。すなわち、乾燥火格子５ａの廃棄物は、上流側範囲で乾燥され、下流側範囲で着火して、燃焼火格子５ｂの上流側範囲（前部）までの範囲で燃焼が開始する。

燃焼火格子５ｂ上の廃棄物はここで熱分解そして部分酸化が行われ、可燃性ガスが発生し、その可燃性ガスと廃棄物の固形分が燃焼する。廃棄物はこの燃焼火格子５ｂ上で実質的に殆んど燃焼される。こうして、上記燃焼火格子５ｂの上方に主燃焼領域が形成される。

しかる後、僅かに残った廃棄物中の固定炭素など未燃分が後燃焼火格子５ｃ上で完全に燃焼される。この後燃焼火格子５ｃの上方に後燃焼領域が形成される。

廃棄物が焼却される場合、まず水分の蒸発が起こり、次いで熱分解と部分酸化反応が起こり、可燃性ガスが生成し始める。ここで燃焼開始領域とは、廃棄物の燃焼が始まり、廃棄物の熱分解、部分酸化により可燃性ガスが生成し始める領域である。また、主燃焼領域とは、廃棄物の熱分解、部分酸化が行われ可燃性ガスが発生し、その可燃性ガスが火炎を伴って燃焼しているとともに廃棄物の固形分が燃焼する燃焼領域であり、火炎を伴う燃焼が完了する点（燃え切り点）までの領域である。燃え切り点より後の領域では、廃棄物中の固形未燃分（チャー）が燃焼するチャー燃焼領域（後燃焼領域）となる。

上記燃焼室２内の乾燥火格子５ａ、燃焼火格子５ｂ及び後燃焼火格子５ｃの下部には、それぞれ風箱７ａ，７ｂ，７ｃ，７ｄが設けられている。ブロワ８により供給される燃焼用一次空気Ａは、燃焼用一次空気供給管９を通って前記各風箱７ａ，７ｂ，７ｃ，７ｄに供給され、各火格子５ａ，５ｂ，５ｃを通って燃焼室２内に供給される。なお、火格子下から供給される燃焼用一次空気Ａは、火格子５ａ，５ｂ，５ｃ上の廃棄物の乾燥及び燃焼に使われるほか、火格子５ａ，５ｂ，５ｃの冷却作用、廃棄物の攪拌作用を有する。

＜煙道＞
燃焼室２の天井には、後述する前段と後段の二段の高温ガス吹込口の中間位置（火格子上の廃棄物の移動方向における両高温ガス吹込口の中間位置）に煙道１２が接続され、煙道の下流側に設けられた誘引ファン（図示せず）により燃焼室２内のガスが誘引され、排出される。煙道１２には、廃熱ボイラ４が連設され、該廃熱ボイラ４で燃焼排ガスからの廃熱が回収される。煙道１２の入口近傍が燃焼室２から排出されるガス中の未燃ガスを燃焼する二次燃焼領域２５となっている。二次燃焼領域２５内で二次燃焼用ガスを吹き込み未燃ガスを二次燃焼し、この二次燃焼の後に燃焼排ガスは廃熱ボイラ４で熱回収される。
熱回収された後、廃熱ボイラ４から排出された燃焼排ガスは、図示しない排ガス処理装置系で消石灰等による酸性ガスの中和と、活性炭によるダイオキシン類の吸着が行われ、さらに図示しない除塵装置に送られ、中和反応生成物、活性炭、ダストなどが回収される。前記除塵装置で除塵され、無害化された後の燃焼排ガスは、図示しない誘引ファンにより誘引され、煙突から大気中に放出される。

このような基本構成である火格子式焼却炉において、本実施形態に係る廃棄物焼却炉１は、燃焼用一次空気を前記火格子の下から上記燃焼室内に吹き込む一次空気吹込み手段と、炉長方向に二段の高温ガス吹込口を備え、高温ガスを前記燃焼室の天井から下向きに吹き込む高温ガス吹込み手段とを具備している。

＜一次空気吹込み手段＞
本実施形態では、廃棄物焼却炉１は、燃焼用空気となる一次空気の一次空気供給系を備えている。一次空気供給系は、空気供給源からの一次空気Ａを管路９を経て、乾燥火格子５ａ、燃焼火格子５ｂ及び後燃焼火格子５ｃのそれぞれの風箱７ａ，７ｂ，７ｃ，７ｄに分岐供給管から送り込むようになっており、上記管路９には、ブロワ８そして流量調整機構としてのダンパ１０が設けられている。

＜高温ガス吹込み手段＞
本実施形態では、廃棄物焼却炉１は、高温ガスを前記燃焼室の天井から下向きに吹き込む高温ガス吹込み手段を備えている。高温ガス吹込み手段により、前段の高温ガス吹込口から高温ガスを燃焼開始領域から主燃焼領域の前部までの領域に向かって吹き込み、後段の高温ガス吹込口から高温ガスを主燃焼領域の後部から後燃焼領域の前部までの領域に向かって吹き込む。

高温ガス吹込み手段は、燃焼室２の外に設けられた高温ガス供給源１７と、燃焼室２へ高温ガスＢを吹き込む前段の高温ガス吹込口１３、流量調整機構としてのダンパ１４、後段の高温ガス吹込口１５、流量調整機構としてのダンパ１６と、高温ガスＢを上記高温ガス供給源１２から上記高温ガス吹込口１３，１５へ導く管路とを有している。

前段の高温ガス吹込口１３は、燃焼室２の天井の、乾燥火格子５ａの廃棄物の移動方向下流側（後部）から燃焼火格子５ｂの上流側（前部）までの範囲内の火格子直上の位置に設けられている。

後段の高温ガス吹込口１５は、燃焼室２の天井の、燃焼火格子５ｂの廃棄物の移動方向下流側（後部）から後燃焼火格子５ｃの上流側（前部）までの範囲内の火格子直上の位置に設けられている。

高温ガス吹込み手段は、高温ガスＢが下方に吹き込まれるように、高温ガス吹込口１３，１５の向きが定められている。かくして、前段の高温ガス吹込口から高温ガスを燃焼開始領域から主燃焼領域の前部までの領域に向かって吹き込み、後段の高温ガス吹込口から高温ガスを主燃焼領域の後部から後燃焼領域の前部までの領域に向かって吹き込むように設けられている。

上記高温ガス吹込口１３，１５は、炉幅方向（図１にて紙面に対して直角な方向）にも複数箇所に設けられている。また、高温ガス吹込口１３，１５は、上記の範囲内でそれぞれ炉長方向の複数位置に配置されてもよい。

＜二次燃焼用ガス供給手段＞
また、本実施形態の廃棄物焼却炉１は、二次燃焼用ガスを煙道１２の入口近傍に相当する二次燃焼領域２５に吹き込む二次燃焼用ガス供給系を備えている。二次燃焼用ガス供給系は、二次燃焼用ガス供給源からの二次燃焼用ガスＣを管路２８を経て、二次燃焼領域２５に設けられた二次燃焼用ガス吹込口２６に送り込むようになっており、上記管路２８には、ブロワ２７そして流量調整機構としてのダンパ２９が設けられている。二次燃焼用ガス吹込口２６は、煙道１２の入口近傍にある二次燃焼領域２５に二次燃焼用ガスＣを吹き込むように、煙道１２の周壁に設けられている。燃焼室２内で発生した可燃性ガスはそのほとんどが燃焼室２内で燃焼され、残存する未燃ガスは、煙道１２の入口近傍に相当する二次燃焼領域２５に流入して、ここで二次燃焼用ガスが供給され、二次燃焼される。

なお、本発明において、上記燃焼用一次空気、高温ガスそして二次燃焼用ガスを供給するための管路等の構成は図示したものに限定されず、焼却炉の規模、形状、用途等により適宜選択され得る。

次に、このように構成される本実施形態の装置での焼却状況の概要、燃焼用一次空気、高温ガス、燃焼用二次空気の吹込みによる作用について順次説明する。

＜焼却状況の概要＞
先ず、廃棄物投入口３へ廃棄物を投入すると、落下する廃棄物は乾燥火格子５ａ上に堆積され、各火格子の動作により、燃焼火格子５ｂ上そして後燃焼火格子５ｃ上へと移動し、各火格子上に廃棄物の層を形成する。各火格子は、風箱７ａ，７ｂ，７ｃ，７ｄを経て、燃焼用の一次空気を受けており、これにより各火格子の廃棄物は乾燥そして燃焼される。

乾燥火格子５ａ上では主として廃棄物の乾燥と着火が行われる。すなわち、乾燥火格子５ａの廃棄物は、上流側範囲で乾燥され、下流側範囲で着火して、燃焼火格子５ｂの上流側範囲（前部）までの範囲で燃焼が開始する。燃焼火格子５ｂ上では主として廃棄物の熱分解、部分酸化が行われ、可燃性ガスと廃棄物中の固形分の燃焼が行われる。燃焼火格子５ｂ上において廃棄物の燃焼は実質的に完了する。後燃焼火格子５ｃ上では、僅かに残った廃棄物中の固定炭素など未燃分を完全燃焼させる。完全燃焼した後の燃焼灰は、灰落下口６より排出される。このように廃棄物が燃焼している状態で、図１に見られるように、各火格子５ａ，５ｂ，５ｃの直上空間には、乾燥領域Ａ１、燃焼開始領域Ａ２、主燃焼領域Ａ３そして後燃焼領域Ａ４がそれぞれ形成される。

既述のごとく、燃焼室２の天井に、煙道１２が連設されていて、煙道１２の入口近傍が二次燃焼領域２５となっている。したがって、燃焼室２内で発生した未燃ガスは、二次燃焼領域２５に導かれ、そこで二次燃焼用ガスＣと混合・攪拌され、二次燃焼する。二次燃焼の後に燃焼排ガスは廃熱ボイラ４で熱回収される。熱回収された後、廃熱ボイラ４から排出された燃焼排ガスは、消石灰等による酸性ガスの中和と、活性炭によるダイオキシン類の吸着が行われ、さらに除塵装置（図示せず）に送られ、中和反応生成物、活性炭、ダストなどが回収される。上記除塵装置で除塵され、無害化された後の燃焼排ガスは、誘引ファン（図示せず）により誘引され、煙突から大気中に放出される。なお、上記除塵装置としては、例えば、バグフィルタ方式、電気集塵方式等の除塵装置を用いることができる。

＜燃焼用一次空気の吹込み＞
燃焼用一次空気Ａは、ブロワ８から燃焼用一次空気供給管９を通って乾燥火格子５ａ、燃焼火格子５ｂ及び後燃焼火格子５ｃのそれぞれの下部に設けられた風箱７ａ，７ｂ，７ｃ，７ｄに供給された後、各火格子５ａ，５ｂ，５ｃを通って燃焼室２内に供給される。燃焼室２内に供給される燃焼用一次空気Ａの流量は、燃焼用一次空気供給管９に設けられた流量調節ダンパ１１により調整され、さらに、各風箱７ａ，７ｂ，７ｃ，７ｄに供給される流量は、各風箱に分岐して設けられたそれぞれの供給管に備える流量調節ダンパ（図示省略）により調節される。また、風箱７ａ，７ｂ，７ｃ，７ｄ及び燃焼用一次空気Ａを供給するための燃焼用一次空気供給管９等の構成は図示したものに限定されず、焼却炉の規模、形状、用途等により適宜選択され得る。

燃焼用一次空気Ａとしては、温度が常温〜２００℃の範囲であり、酸素濃度が１５〜２１体積％の範囲のガスを用いることが好ましい。燃焼用一次空気Ａとして、空気、酸素を含有するガス及び返送排ガスのいずれかを用いてもよいし、これらの混合ガスを用いてもよい。

＜高温ガス吹込みによる燃焼安定化＞
図１に見られるように、前段の高温ガス吹込口１３から、高温ガスＢが、燃焼開始領域Ａ２から主燃焼領域Ａ３の前部までの領域に向かって吹き込まれ、後段の高温ガス吹込口１５からは、主燃焼領域Ａ３の後部から後燃焼領域Ａ４の前部までの領域に向かって吹き込まれ、合わせて燃焼室２内の燃焼開始領域Ａ２から後燃焼領域Ａ４の前部までの領域において、廃棄物層Ｗに向かって下向きに吹き込まれる。火炎が存在し可燃性ガスが多く存在する領域に、高温ガスを吹き込むことが燃焼を安定させる上で好ましいため、可燃性ガスが多く存在する領域である燃焼開始領域Ａ２から主燃焼領域Ａ３の領域に高温ガスを吹き込む。

前段の高温ガス吹込口１３そして後段の高温ガス吹込口１５から、高温ガスＢを燃焼室２内の燃焼開始領域Ａ２から後燃焼領域Ａ４の前部までの領域に、かつ廃棄物層Ｗ直上に向かって下向きに吹き込むことにより、下向きに吹き込まれる高温ガスＢは、廃棄物の熱分解・部分酸化により生じた可燃性ガスと燃焼ガスとの上昇流と対向し、双方のガス流れが衝突し、廃棄物層Ｗ直上に平面状の流れの遅いよどみ領域または上下方向に循環する循環領域が生じる。これらの領域はガス流れの速度が遅いため、可燃性ガスが燃焼する火炎が定在することになり、すなわち廃棄物層Ｗ直上に平面状燃焼領域（平面火炎）が定在し、可燃性ガスが安定して燃焼される。その結果、低空気比燃焼においてもＣＯ，ＮＯｘ、ダイオキシン類等の有害物質の発生を抑制すると共に煤の生成を抑制することができる。このため、低空気比燃焼を支障なく行うことができる。

また、高温ガスの熱輻射と顕熱によって廃棄物が加熱され、熱分解・部分酸化が促進されることに加えて、廃棄物層の直上に平面状燃焼領域（平面火炎）が定在するので、この平面火炎からの熱輻射と顕熱によって廃棄物が加熱され、熱分解・部分酸化がさらに促進される。

＜高温ガスの二段吹込みによるＮＯｘ発生量抑制＞
廃棄物焼却炉では、廃棄物に含まれる窒素分や空気中の窒素が高温下で反応してＮＯｘが発生する。焼却炉から排出される排ガスを煙突から大気中に排出する際に、ＮＯｘ濃度を規制値以下にしなければならないため、排ガス処理系でＮＯｘを除去しているが、焼却炉内で発生するＮＯｘ量を抑制することが根本的な対策であり、これが要望されている。本実施形態では、高温ガスを前段と後段の二段の高温ガス吹込口から吹き込むこととし、かつ、この二段の高温ガス吹込口の中間位置に煙道を設けることとし、前段の高温ガス吹込口１３から高温ガスを吹き込む際に低酸素雰囲気を形成して還元ガスを生成するようにし、この還元ガスを含むガスを煙道に導き、煙道の入口近傍で還元ガスによりＮＯｘを分解するようにしたので、ＮＯｘ発生量を抑制することができる。本実施形態では、発生したＮＯｘを、以下の要領により、焼却炉内で発生させた還元ガスと反応させ、ＮＯｘを分解して、ＮＯｘ濃度を抑制する。

図３は、廃棄物焼却炉内の燃焼状態を説明するための、燃焼室長さ方向の断面図である。図３に示すように、先ず、前段の高温ガス吹込口１３から高温ガスを吹き込みよどみ領域又は循環領域を形成する際に、高温ガス供給量を調整し、高温ガスと燃焼用一次空気とを合わせた酸化剤の供給量を調整して、燃焼開始領域Ａ２から主燃焼領域Ａ３の前部までの領域を、例えば、局所空気比が０．６〜０．８（酸素濃度２Ｖｏｌ％ｄｒｙ以下）の低酸素雰囲気とする。低酸素雰囲気での廃棄物の熱分解・部分酸化により、ガス分として可燃性ガスと還元ガス（ＣＯ，ＨＣＮ，ＮＨｎ，ＣｍＨｎ）が生ずる（ＣＯ，ＣｍＨｎは可燃性である）。発生した可燃性ガスは前述したように形成された平面状燃焼領域で、均一で安定して燃焼される。低酸素雰囲気を形成するとき、空気比が０．６より小さいと、還元ガスの発生が過剰になり、余剰のＮＨｎから後流側でＮＯｘが生成されたり、可燃性ガスの発生が過剰になり未燃ガスの発生が過剰となるので不適であり、空気比が０．８よりも大きいと低酸素雰囲気とならず、還元ガスの発生量が少なく不適であり、したがって空気比は０．６〜０．８が好ましい。

次に、後段の高温ガス吹込口１５から高温ガスを吹き込みよどみ領域又は循環領域を形成する際に、高温ガス供給量を調整し、高温ガスと燃焼用一次空気とを合わせた酸化剤の供給量を調整して、主燃焼領域Ａ３の後部から後燃焼領域Ａ４の前部までの領域を、例えば、局所空気比が１．３〜１．６（酸素濃度：５〜８ｖｏｌ％ｄｒｙ）の酸素過剰雰囲気とする。酸素過剰雰囲気で廃棄物が燃焼すると酸化ガス（Ｏ_２，ＮＯｘ，ＣＯ_２）を含むガスが発生する。酸素過剰雰囲気を形成するとき、空気比が、１．３よりも小さいと廃棄物の固体燃焼が十分に行われずに未燃となり不適となり、空気比が１．６よりも大きいとＮＯｘ発生量が多くなり不適となるため、空気比は１．３〜１．６が好ましい。

高温ガスの供給量は、例えば、高温ガスを送るブロワの送風量調整やダンパ１４，１６の開度調整などにより調整される。

図１の実施形態の廃棄物焼却炉では、高温ガス吹込み手段は、一つの高温ガス供給源１７から高温ガス吹込口１３，１５へ供給する高温ガスの供給量をそれぞれダンパ１４，１６の開度調整などにより調整して、燃焼開始領域Ａ２から主燃焼領域Ａ３の前部までの領域及び主燃焼領域Ａ３の後部から後燃焼領域Ａ４の前部までの領域における空気比を所定の範囲に制御することとしている。高温ガス吹込口１３，１５のそれぞれに高温ガスを供給する二つの高温ガス供給源を設け、それぞれの高温ガス供給源において調製する高温ガスの酸素濃度を調整して、各領域における空気比を所定の範囲に制御するようにしてもよい。

燃焼室２内の燃焼開始領域Ａ２から主燃焼領域Ａ３の前部までの領域及び主燃焼領域Ａ３の後部から後燃焼領域Ａ４の前部までの領域の酸素濃度を計測する酸素濃度計を設け、計測した酸素濃度に基づき、各領域の酸素濃度（空気比）を所定の範囲内にするように高温ガスの供給量又は酸素濃度を制御するようにしてもよい。

煙道１２の下流に設けられた誘引ファンの作用により、燃焼室２内のガスは煙道１２へ導かれている。したがって、燃焼開始領域Ａ２から主燃焼領域Ａ３の前部の領域で発生した還元ガスを含むガスが前段側から煙道１２内に誘引され、主燃焼領域Ａ３の後部から後燃焼領域Ａ４の前部の領域で発生した酸化ガスを含むガス（ＮＯｘを含むガス）が後段側から煙道１２内に誘引される。上記還元ガスを含むガスと酸化ガスを含むガスが煙道１２内に誘引されると、両ガスは煙道１２の入口近傍で衝突・混合され、酸化ガス中のＮＯｘが還元ガスと反応してＮＯｘが分解され、ＮＯｘ量が低減される。また、ＮＯｘとの反応に寄与する還元ガスのうちＨＣＮ，ＮＨｎの余剰分は、酸化ガスの酸素と反応して分解されたりＮ_２が生成されたりして、そのままでは排出されないので支障が生じない。

煙道１２の入口近傍に相当する二次燃焼領域２５には、還元ガスを含むガスと酸化ガスを含むガスとのガス流れに対向するように二次燃焼用ガスＣが二次燃焼用吹込口２６から吹き込まれ、ここで可燃性ガスの未燃分を二次燃焼する。

燃焼室２内の煙道１２入口直下に、炉内ガスを煙道１２入口に誘導するガス誘導体３０が設けられ、燃焼開始領域から主燃焼領域の前部までの領域で発生した還元ガスを含むガスと、主燃焼領域の後部から後燃焼領域の前部までの領域で発生した酸化ガスを含むガスとを、煙道１２の下流に設けられた誘引ファンの誘引作用と相俟って、煙道入口に円滑に誘導することができる。ガス誘導体３０は耐火物で構成され、必要に応じて冷却構造を設けてもよい。ガス誘導体３０の代わりに中間天井を設け炉内ガスを誘導するようにしてもよい。

また、煙道１２に流路断面積を狭くする絞り部を設けることが好ましい。絞り部で燃焼室からの還元ガスを含むガスと酸化ガスを含むガスとを十分に混合させ、還元ガスによるＮＯｘの分解反応を十分行うことができる。絞り部の燃焼室からのガス流れに対向して二次燃焼用ガスＣを吹き込み、攪拌・混合を促進し可燃性ガスの未燃分を二次燃焼する。

次に、高温ガスについてその調製、吹込口、吹込み流速・吹込量、さらには、二次燃焼用ガスの吹込み、そして低空気比燃焼を実施するための酸素量比配分について、順次説明する。

＜高温ガスの調製＞
高温ガス吹込口１３，１５から吹き込まれる高温ガスＢの温度は、１００〜４００℃の範囲とすることが好ましく、２００℃程度とすることがより好ましい。１００℃未満の温度のガスを吹き込むと炉内温度が低下し、燃焼が不安定となりＣＯ発生量が増加する。４００℃を超えるガスを吹き込むと燃焼室内における火炎温度が著しく高温になり、クリンカの生成が助長されるなど問題が生じる。

また、高温ガスＢの含有する酸素濃度は５〜３０体積％程度、望ましくは５〜１５体積％とすることが好ましい。これにより、上述の効果がより効果的に発揮され、排ガスの低ＮＯｘ化、低ＣＯ化がより促進される。

上記のガス温度及び酸素濃度となるような高温ガスＢとしては、二次燃焼領域２５から下流側で排ガスの一部を抜き出し返送した返送排ガス、返送排ガスと空気の混合ガス、空気及び酸素富化空気のうちいずれかを用いることが好適である。返送排ガスとしては、廃棄物焼却炉から排出された排ガスを除塵、中和処理した排ガス、すなわち、バグフィルタから排出される排ガスの一部を返送して用いることが好ましい。返送排ガス、返送排ガスと空気の混合ガス、空気及び酸素富化空気のうちいずれかを必要に応じて廃熱ボイラで発生させた蒸気により加熱して、温度と酸素濃度が上記所定の条件を満たすような高温ガスとして燃焼室内に吹き込む。

このように、高温ガスを調製する際の返送排ガスと空気の混合割合や、返送排ガス又は返送排ガスと空気の混合ガス等の加熱条件などを調整して、高温ガスの温度、酸素濃度を所望の範囲とする。

＜高温ガス吹込口＞
前段の高温ガス吹込口１３は、燃焼室２の天井の、乾燥火格子５ａの廃棄物の移動方向下流側（後部）から燃焼火格子５ｂの移動方向上流側（前部）までの範囲内での火格子直上の位置に設けられている。

後段の高温ガス吹込口１５は、燃焼室２の天井の、燃焼火格子５ｂの廃棄物の移動方向下流側（後部）から後燃焼火格子５ｃの移動方向上流側（前部）までの範囲内での火格子直上の位置に設けられている。

前段の高温ガス吹込口１３と後段の高温ガス吹込口１５は、それぞれ燃焼室２の幅方向に複数配置される。さらに、燃焼室２の長さ方向に、それぞれの範囲内で複数配置されてもよい。高温ガス吹込口１３，１５は、ノズル型でもスリット型でもよい。

燃焼室内の廃棄物層直上で幅方向と長さ方向の広い範囲に亘って平面状燃焼領域が形成されるように、廃棄物からの上昇流と対向させる高温ガスの流れの状況を好ましい状態に制御するように、高温ガス吹込口の配置位置、配置数、配置間隔、吹込み方向、吹込口の形状、高温ガスの吹込み流速及び吹込み流量のうち少なくとも一つを、設定又は調整する。

図１においては、高温ガス吹込口１３，１５から廃棄物層に向かって下向きに高温ガスＢを吹き込んでいる。ここで、高温ガスＢの吹込み方向としては、廃棄物層に対する垂線から２０°までの角度範囲の吹込み方向で吹き込まれることが望ましい。これは、吹き込んだ高温ガスＢと、廃棄物の熱分解・部分酸化によって生じる可燃性ガスと燃焼ガスの上昇流とが衝突して生じる流れ場を対向流場とするためであり、高温ガスＢの吹込み方向が廃棄物層に対する垂線から２０°より大きい範囲となると、適切な対向流場が形成されなくなるためである。

＜高温ガス吹込み流速、吹込み流量＞
高温ガス吹込口１３，１５から吹き込まれる高温ガスＢは、５〜２０ｍ／ｓ程度の吹込み速度で燃焼室２内に吹き込むことが好ましい。５〜２０ｍ／ｓの吹込み速度とするのは、燃焼室２内における空塔速度（燃焼室内ガス流量を燃焼室内断面積で除した流速、最大１ｍ／ｓ程度）の５〜２０倍の相対速度とすることにより、燃焼室２内のガス流れによる影響を受けずに、上記対向流場を安定して形成することができるためである。

高温ガスＢの吹込み速度は、例えば、高温ガスＢを送るブロワの送風量調整やダンパ１４，１６の開度調整などにより調整される。

高温ガス吹込口１３，１５が燃焼室の炉幅方向又は炉長方向に複数ある場合、高温ガスＢはそれぞれの高温ガス吹込口１３，１５から必ずしも等流速で吹き込まれる必要はなく、焼却炉１の規模、形状、用途或いは廃棄物性状、量、廃棄物層厚さ等により、各高温ガス吹込口１３，１５からの吹込み流速が異なるように適宜変更され得る。

燃焼室２で廃棄物から発生する可燃性ガスと燃焼ガスの発生量の変動に対応して、廃棄物層Ｗの直上に平面状燃焼領域を変動なく定在させるように、高温ガスＢの吹込み流量を調整することが好ましい。平面状燃焼領域の状態が変動すると、可燃性ガスの燃焼状態が変化し燃焼排ガス中のＣＯ濃度、酸素濃度などが変動するため、監視因子としてボイラから排出される排ガスのＣＯ濃度、酸素濃度を計測しその変化に対応して、高温ガスＢの吹込み流量を調整するようにしてもよい。

＜二次燃焼用ガスの吹込み＞
二次燃焼用ガスが二次燃焼領域２５に吹き込まれ、燃焼室２からの未燃ガスが二次燃焼される。二次燃焼用ガスとして、温度は常温〜２００℃の範囲であり、酸素濃度は１５〜２１体積％の範囲のガスを用いることが好ましい。二次燃焼用ガスとして、空気、酸素を含有するガス、返送排ガスを用いてよいし、これらの混合ガスを用いてもよい。

上記二次燃焼用ガス吹込口２６は、二次燃焼領域内に旋回流が生じる方向にガスを吹き込めるように１つ又は複数設置することが好ましい。二次燃焼用ガスＣを二次燃焼領域２５内に旋回流が生じる方向に吹き込むことにより、二次燃焼領域２５内のガス温度及び酸素濃度分布を均一化、平均化でき、未燃ガスの二次燃焼が安定して行われ、局所高温領域の発生を抑制し、排ガスのさらなる低ＮＯｘ化が可能となる。さらに、未燃ガスと酸化剤との混合が促進されるため燃焼安定性が向上し、完全燃焼が達成できるため、排ガスの低ＣＯ化も可能となる。

二次燃焼用ガスＣとしては、ブロワにより供給される燃焼用二次空気のみ、ブロワ供給後の燃焼用二次空気に希釈剤を混合し酸素濃度を調整したガス、除塵装置を通過した後の排ガスの一部を抜き出した返送排ガスのみ、又は上記燃焼用二次空気と返送排ガスを混合したガス等を用いることができる。

希釈剤としては、窒素、二酸化炭素などが考えられる。

上記二次燃焼領域２５内のガス温度が、８００〜１０５０℃の範囲となるように、上記二次燃焼用ガスの流量を調整することが好ましい。二次燃焼領域２５内のガス温度が８００℃未満となると未燃ガスの燃焼が不十分となり、排ガス中のＣＯが増加する。また、二次燃焼領域２５内のガス温度が１０５０℃を超えると二次燃焼領域２５内におけるクリンカの生成が助長され、さらに、ＮＯｘが増加する。

＜低空気比燃焼を実現するための酸素量比配分＞
次に、本実施形態の廃棄物焼却炉において低空気比燃焼を実現するための吹き込むガスの酸素量比配分について説明する。

廃棄物の燃焼に必要な単位時間当たりの理論酸素量（Ｘ）に対する、火格子下から主燃焼室内に吹き込まれる燃焼用一次空気により供給される単位時間当りの酸素量（Ｙ１）の比Ｑ１（＝Ｙ１／Ｘ）と、主燃焼室内の燃焼開始領域から後燃焼領域の前部までの領域に吹き込まれる高温ガスにより供給される単位時間当りの酸素量（Ｙ２）の比Ｑ２（＝Ｙ２／Ｘ）と、二次燃焼領域に吹き込まれる二次燃焼用ガスにより供給される単位時間当りの酸素量（Ｙ３）の比Ｑ３（＝Ｙ３／Ｘ）とは、下式（１）及び（２）、より好ましくは下式（３）及び（４）を満足するように、それぞれのガスを吹き込むことが好ましい。下式（３）及び（４）を満足するように、それぞれのガスを吹き込む比率を制御することにより、焼却炉全体へ供給する空気量を空気比１．３以下のより低空気比での燃焼を実現できる。

Q1：Q2：Q3＝0.75〜1.10：0.05〜0.40：0.10〜0.40 ………（１）
1.0≦Q1＋Q2＋Q3≦1.5 …………………………………………（２）
Q1：Q2：Q3＝0.80〜1.0：0.10〜0.30：0.10〜0.30…………（３）
1.1≦Q1＋Q2＋Q3≦1.3 ……………………………………… （４）
ここで、上記廃棄物の燃焼に必要な単位時間当りの理論酸素量（Ｘ）は、燃焼室内に投入される廃棄物の性状及び成分等から決定される廃棄物の単位質量当りの燃焼に必要な酸素量（Ｎｍ^３／ｋｇ）と、焼却炉における廃棄物の焼却処理速度（ｋｇ／ｈｒ）との積（Ｎｍ^３／ｈｒ）により決定される。

また、上記Ｑ１の値は、火格子の下方から燃焼室内に供給される燃焼用一次空気により供給される単位時間当りの酸素量（Ｙ１）の理論酸素量に対する比であり、上記燃焼用一次空気の流量を増減させることにより調整する。また、Ｑ２の値は、主燃焼室内の燃焼開始領域から後燃焼領域の前部まで領域に吹き込まれる高温ガスの流量を増減させることにより調整される。また、Ｑ３の値は、二次燃焼領域に吹き込まれる二次燃焼用ガスの流量を増減させることにより調整される。

なお、以下において、Ｑ１＋Ｑ２＋Ｑ３をλと記載する。

上記比Ｑ１，Ｑ２，Ｑ３を上式の範囲とすることにより、廃棄物焼却炉において低酸素比燃焼（１．０≦λ≦１．５）（すなわち、低空気比燃焼に相当する）を行った場合においても、ＣＯやＮＯｘ等の有害ガスの発生量が低減でき、焼却炉から排出される排ガス総量を大幅に低減できる。

＜さらなる低空気比（空気比１．３以下で）の燃焼を実現するための酸素量比配分＞
廃棄物の燃え残りや有害物質の発生を抑制して安定した低空気比燃焼を達成させることができるより好ましい配分比としては、Ｑ１：Ｑ２：Ｑ３＝０．９０：０．１５：０１５、λ＝１．２０を基準とし、焼却炉内に投入される廃棄物の組成や性状等に基づきλを１．１〜１．３の範囲でＱ１，Ｑ２，Ｑ３を上記の範囲内で調整する。

以上説明したように、本発明によれば、高温ガス吹き込みにより、燃焼室内の廃棄物層直上付近に安定なよどみ領域又は循環領域を形成させることができ、平面状燃焼領域を定在させ、焼却炉の大きさに関わらず、空気比が１．５以下の低空気比燃焼においても廃棄物と発生する可燃性ガスを安定して燃焼することができる。すなわち、廃棄物焼却炉において低空気比燃焼を行った場合においても燃焼の安定性が維持され、且つ、二段の高温ガス吹込口から高温ガスを吹込むことにより、ＮＯｘの発生が抑制され、有害ガスの発生量の低減が可能な廃棄物焼却炉及び廃棄物焼却方法が提供される。さらに、従来よりさらに低空気比で燃焼を行えるので焼却炉から排出される排ガス総量をさらに大幅に低減でき、また、廃熱の回収効率を向上できる廃棄物焼却炉及び廃棄物焼却方法が提供される。

また、定在する平面火炎の輻射などにより廃棄物の熱分解を促進することができるため、火格子に供給する廃棄物の量（火格子負荷）および燃焼室内に供給する廃棄物の熱量（火炉負荷）を大きくすることができる。このため廃棄物焼却処理量に対して燃焼室内容積を小さくすることができ、焼却炉の炉高を低くすることができ、廃棄物焼却設備をコンパクトにすることにより設備費用及び運転費用を低減することができる。

１ 廃棄物焼却炉
２ 燃焼室
５ａ 乾燥火格子
５ｂ 燃焼火格子
５ｃ 後燃焼火格子
１２ 煙道
１３，１５ 高温ガス吹込み手段

Claims (14)

1. 火格子式廃棄物焼却炉であって、
   火格子を備え該火格子上の廃棄物を燃焼する燃焼室と、
   燃焼用一次空気を上記火格子の下から上記燃焼室内に吹き込む一次空気吹込み手段と、
   高温ガスを上記燃焼室の天井から下向きに吹き込む高温ガス吹込み手段とを具備し、
   上記高温ガス吹込み手段は、火格子上の廃棄物の移動方向である炉長方向に前段と後段の二段の高温ガス吹込口を備え、前段の高温ガス吹込口が、高温ガスを上記炉長方向にて燃焼開始領域から主燃焼領域の前部までの領域に向かって吹き込む位置に配設され、後段の高温ガス吹込口が、高温ガスを上記炉長方向にて主燃焼領域の後部から後燃焼領域の前部までの領域に向かって吹き込む位置に配設されており、
   燃焼室内のガスを排出する煙道を、燃焼室天井の前段の高温ガス吹込口と後段の高温ガス吹込口との中間に備えていることを特徴とする火格子式廃棄物焼却炉。
2. 火格子式廃棄物焼却炉であって、
   火格子を備え該火格子上の廃棄物を燃焼する燃焼室と、
   燃焼用一次空気を上記火格子の下から上記燃焼室内に吹き込む一次空気吹込み手段と、
   高温ガスを上記燃焼室の天井から下向きに吹き込む高温ガス吹込み手段とを具備し、
   上記高温ガス吹込み手段は、火格子上の廃棄物の移動方向である炉長方向に前段と後段の二段の高温ガス吹込口を備え、前段の高温ガス吹込口が乾燥段火格子の後部から燃焼段火格子の前部までの上記天井に設けられ、後段の高温ガス吹込口が燃焼段火格子の後部から後燃焼段火格子の前部までの上記天井に設けられており、
   燃焼室内のガスを排出する煙道を、燃焼室天井の前段の高温ガス吹込口と後段の高温ガス吹込口との中間に備えていることを特徴とする火格子式廃棄物焼却炉。
3. 煙道は、該煙道の入口近傍で、燃焼開始領域から主燃焼領域の前部までの領域で発生した還元ガスを含むガスと、主燃焼領域の後部から後燃焼領域の前部までの領域で発生した酸化ガスを含むガスとを混合し燃焼させる位置に設けられていることとする請求項１又は請求項２に記載の火格子式廃棄物焼却炉。
4. 煙道は、二次燃焼用ガス吹込口を備えることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか一つに記載の火格子式廃棄物焼却炉。
5. 燃焼室内の煙道入口直下に、燃焼開始領域から主燃焼領域の前部までの領域で発生した還元ガスを含むガスと、主燃焼領域の後部から後燃焼領域の前部までの領域で発生した酸化ガスを含むガスとを、煙道入口に誘導するガス誘導体を備えることとする請求項１ないし請求項４のいずれか一つに記載の火格子式廃棄物焼却炉。
6. 高温ガス吹込み手段は、上記高温ガス吹込み手段により吹き込まれる高温ガスと一次空気吹込み手段により吹き込まれる燃焼用一次空気とを合わせた実際に炉内に供給する空気量を、廃棄物の燃焼に必要な理論空気量で除して得られる空気比に関して、燃焼開始領域から主燃焼領域の前部までの領域の局所空気比を０．６〜０．８とするように前段の高温ガス吹込口から吹き込む高温ガスの流量及び酸素濃度のうち少なくとも一つを制御する前段高温ガス吹込制御手段と、主燃焼領域の後部から後燃焼領域の前部までの領域の局所空気比を１．３〜１．６とするように後段の高温ガス吹込口から吹き込む高温ガスの流量及び酸素濃度のうち少なくとも一つを制御する後段高温ガス吹込制御手段とを備えることとする請求項１ないし請求項５のいずれか一つに記載の火格子式廃棄物焼却炉。
7. 高温ガス吹込み手段は、一次空気吹込み手段により吹き込まれる燃焼用一次空気と高温ガス吹込み手段により吹き込まれる高温ガスとを合わせて得られる各領域の酸素濃度に関して、燃焼開始領域から主燃焼領域の前部までの領域の酸素濃度を０〜２vol％ｄｒｙとするように前段の高温ガス吹込口から吹き込む高温ガスの流量及び酸素濃度のうち少なくとも一つを制御する前段高温ガス吹込制御手段と、主燃焼領域の後部から後燃焼領域の前部までの領域の酸素濃度を５〜８vol％ｄｒｙとするように後段の高温ガス吹込口から吹き込む高温ガスの流量及び酸素濃度のうち少なくとも一つを制御する後段高温ガス吹込制御手段とを備えることとする請求項１ないし請求項６のいずれか一つに記載の火格子式廃棄物焼却炉。
8. 高温ガス吹込み手段は、燃焼開始領域から主燃焼領域の前部までの領域での酸素濃度を計測する手段と、主燃焼領域の後部から後燃焼領域の前部までの領域での酸素濃度を計測する手段とを具備し、計測した酸素濃度計測値に基づき、前段の高温ガス吹込口から吹き込む高温ガスの流量及び酸素濃度のうち少なくとも一つと後段の高温ガス吹込口から吹き込む高温ガスの流量及び酸素濃度のうち少なくとも一つとを制御することとする請求項７に記載の火格子式廃棄物焼却炉。
9. 燃焼室は、室内高さが３ｍ以下であることとする請求項１ないし請求項８のいずれか一つに記載の火格子式廃棄物焼却炉。
10. 燃焼室を備える火格子式廃棄物焼却炉による廃棄物焼却方法であって、
    燃焼用一次空気を火格子下から上記燃焼室内に吹き込み、
    高温ガスを、上記燃焼室の天井に火格子上の廃棄物の移動方向である炉長方向で前段と後段の二段に設けた高温ガス吹込口のうち、前段の高温ガス吹込口から、燃焼開始領域から主燃焼領域の前部までの領域に向かって吹き込み、後段の高温ガス吹込口から、主燃焼領域の後部から後燃焼領域の前部までの領域に向かって吹き込み、
    燃焼室天井の前段の高温ガス吹込口と後段の高温ガス吹込口との中間に位置する煙道の入口近傍で、燃焼開始領域から主燃焼領域の前部までの領域で発生した還元ガスを含むガスと、主燃焼領域の後部から後燃焼領域の前部までの領域で発生した酸化ガスを含むガスとを混合し燃焼させることを特徴とする廃棄物焼却方法。
11. 燃焼室を備える火格子式廃棄物焼却炉による廃棄物焼却方法であって、
    燃焼用一次空気を火格子下から上記燃焼室内に吹き込み、
    高温ガスを、上記燃焼室の天井に火格子上の廃棄物の移動方向である炉長方向で前段と後段の二段に設けた高温ガス吹込口のうち、乾燥段火格子の後部から燃焼段火格子の前部までの上記天井に配設した前段の高温ガス吹込口から下向きに吹き込み、燃焼段火格子の後部から後燃焼段火格子の前部までの上記天井に配設した後段の高温ガス吹込口から下向きに吹き込み、
    燃焼室天井の前段の高温ガス吹込口と後段の高温ガス吹込口との中間に位置する煙道の入口近傍で、燃焼開始領域から主燃焼領域の前部までの領域で発生した還元ガスを含むガスと、主燃焼領域の後部から後燃焼領域の前部までの領域で発生した酸化ガスを含むガスとを混合し燃焼させることを特徴とする廃棄物焼却方法。
12. 燃焼用一次空気と高温ガス吹込口から吹き込まれる高温ガスとを合わせた実際に炉内に供給する空気量を廃棄物の燃焼に必要な理論空気量で除して得られる空気比に関して、
    燃焼開始領域から主燃焼領域の前部までの領域の局所空気比を０．６〜０．８とするように前段の高温ガス吹込口から吹き込む高温ガスの流量及び酸素濃度のうち少なくとも一つを制御し、
    主燃焼領域の後部から後燃焼領域の前部までの領域の局所空気比を１．３〜１．６とするように後段の高温ガス吹込口から吹き込む高温ガスの流量及び酸素濃度のうち少なくとも一つを制御することとする請求項１０又は請求項１１に記載の火格子式廃棄物焼却方法。
13. 燃焼用一次空気と高温ガス吹込み口から吹き込む高温ガスとを合わせて得られる各領域の酸素濃度に関して、
    燃焼開始領域から主燃焼領域の前部までの領域の酸素濃度を０〜２vol％ｄｒｙとするように前段の高温ガス吹込口から吹き込む高温ガスの流量及び酸素濃度のうち少なくとも一つを制御し、
    主燃焼領域の後部から後燃焼領域の前部までの領域の酸素濃度を５〜８vol％ｄｒｙとするように後段の高温ガス吹込口から吹き込む高温ガスの流量及び酸素濃度のうち少なくとも一つを制御することとする請求項１０ないし請求項１２のいずれか一つに記載の火格子式廃棄物焼却方法。
14. 燃焼開始領域から主燃焼領域の前部までの領域の酸素濃度を計測した酸素濃度計測値に基づき、前段の高温ガス吹込口から吹き込む高温ガスの流量及び酸素濃度のうち少なくとも一つを制御し、
    主燃焼領域の後部から後燃焼領域の前部までの領域の酸素濃度を計測した酸素濃度計測値に基づき、後段の高温ガス吹込口から吹き込む高温ガスの流量及び酸素濃度のうち少なくとも一つを制御することとする請求項１３に記載の火格子式廃棄物焼却方法。

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