JP5898217B2 - 流動床炉及び流動床炉を用いた廃棄物の処理方法 - Google Patents

Description

本発明は、廃棄物を処理する流動床炉に係り、特に廃棄物の乾燥および熱分解を緩慢に行うことにより、廃棄物の質や量が変動しても廃棄物の処理を継続的に安定して行うことができる流動床炉に関する。また、本発明は斯かる流動床炉を用いた廃棄物の処理方法に関する。

流動床炉は、流動層中で処理対象物との熱反応を行わせる装置として廃棄物処理分野において用いられている。流動床炉は流動媒体（砂等）の大きな熱容量を利用して、高温に熱した流動媒体中に廃棄物を投入し、廃棄物の乾燥、熱分解および燃焼を短時間に行わせるもので、焼却炉やガス化炉として用いられている。流動床炉は、流動媒体から処理対象物への熱伝達率が高く、処理対象物は高温に熱せられた流動媒体から瞬時に熱を受けて短時間で十分に反応が進むという特長および焼却残渣には未燃分が含まれずきれいであり、残渣から金属類の回収が容易に行えるという特長を有している。
上述した特長を生かすために、従来の流動床炉では、流動床の全体を有効に利用して反応を行わせるために、流動床の全体にわたって流動媒体の良好な流動化状態を保ち、流動化不良が生ずる領域がないようにしている。

しかしながら、特許文献１に示されるように、流動床の外周側の底部等の特定の領域に、炉床形状によっては不可避的に流動化不良部が生じることが知られている。このような流動化不良部には不燃物が堆積し易いため、焼却処理（またはガス化処理）を継続して行うことができない場合がある。そのため、特許文献２に示されるように、流動媒体が滞留しないように、炉底部の周囲に傾斜壁を設け、炉底部の傾斜底面に沿って傾斜面ブローノズルを設け、さらに炉底部の排出溝の対向する側壁に横吹きノズルを設けるといった工夫がなされている。

特開昭５７−１６６４１１号公報 特開平１−２０３８１４号公報

上述したように、従来の流動床炉にあっては、流動床の全体にわたって流動媒体の良好な流動化状態を保ち流動化不良が生ずる領域がないようにするために、種々の工夫がなされていた。

本発明者らは、流動床炉において都市ごみ等の質や量が不均一な廃棄物を焼却処理する際に、流動床炉では熱伝達率が高く短時間に反応が進むため、供給される廃棄物の質や量の変動に合わせて燃焼の条件を最適に維持することが困難であるという欠点を克服するために、廃棄物の乾燥および熱分解を緩慢に行うことにより、供給される廃棄物の質や量が変動しても廃棄物の焼却処理を安定して行うことができることに着目し、流動床炉内に乾燥および熱分解等の反応を時間をかけてゆっくり行うような機能を有する層を形成することを着想し、本発明の創案に至ったものである。

すなわち、本発明は、流動床炉内に流動層に隣接して流動媒体が静止状態を保っている固定層を形成することにより、流動層の上部における流動媒体の跳ね上げ作用を利用して流動媒体とともに廃棄物を固定層の上面に移動させて廃棄物の乾燥および熱分解等の反応を時間をかけてゆっくり行うようにし、炉全体として廃棄物の乾燥および熱分解を緩慢に行うことができる流動床炉を提供することを目的とする。
また、本発明は上記流動床炉を用いた廃棄物の処理方法を提供することを目的とする。

上述の目的を達成するため、本発明の流動床炉は、廃棄物を処理する流動床炉において、水平断面が略矩形又は円形に形成された筒状の炉本体と、前記炉本体の底部に配置され、流動化ガスを供給して流動媒体を流動させる気体供給口を設けた床板と、前記炉本体内で前記床板の上方に形成され、流動する流動媒体中に廃棄物を取り込んで熱分解させる流動床とを備え、前記床板の気体供給口から噴出される流動化ガスの供給量を領域毎に差を設け、少なくとも１つの領域の流動化速度を他の領域の流動化速度より大きくし、前記他の領域に流動媒体が沈降する移動層を形成し、前記少なくとも１つの領域に流動媒体が上昇する流動層を形成し、前記移動層に廃棄物を供給するように構成し、前記流動床は前記炉本体の炉壁側に形成され流動媒体が静止状態を保っている固定層を備え、前記移動層及び前記流動層は前記炉本体の炉壁より離間しかつ前記固定層に隣接しており、前記移動層に隣接する前記固定層の幅は前記流動層に隣接する前記固定層の幅よりも大きく形成され、前記固定層の上面は前記流動層から飛散する流動媒体による傾斜面により形成されることを特徴とする。

本発明によれば、流動床炉内に流動層に隣接して固定層を形成することにより、流動層中に廃棄物を取り込んで乾燥および熱分解をさせるとともに、流動層の流動媒体の跳ね上げ作用により流動層から飛散する流動媒体を固定層上に供給し、固定層上に供給された流動媒体は一定の傾斜を形成して滑り落ち、いわゆる安息角を形成する。廃棄物の一部は流動媒体とともに固定層の上面に降り注ぎ、傾斜に沿って滑り落ちる、いわゆるタンブリングアクションを行いながら、廃棄物の乾燥および熱分解がゆっくり進行する。このように、流動層の上部における流動媒体の跳ね上げ作用を利用して流動媒体とともに廃棄物を固定層に移動させて廃棄物の乾燥および熱分解等の反応を時間をかけてゆっくり行うようにし、炉全体として廃棄物の乾燥および熱分解を緩慢に行うことができる。
本発明によれば、移動層に供給された廃棄物は、移動層に飲み込まれて流動媒体と共に下方に移動し、このとき、流動媒体の熱によって廃棄物の乾燥及び熱分解が行われて、廃棄物中の水分が蒸発し、廃棄物中の可燃分から可燃ガスが発生して、脆い熱分解残渣となる。熱分解残渣は、典型的には、不燃物及び熱分解によって脆くなった未燃物を含んでいる。移動層で生成される熱分解残渣は、流動媒体と共に、床板に至ると、傾斜した床板に沿って流動層底部に向かう。流動層に至った熱分解残渣は、流動化空気により未燃物が不燃物から剥離し、未燃物が剥離して残った不燃物は一部の流動媒体と共に不燃物排出口に向かう。流動層においては、未燃物の燃焼に伴って徐々に温度が上昇して行くので、下部から上部に行くにつれて温度が比例的に上昇して行く。そして、流動層および移動層の上部における流動媒体の跳ね上げ作用により、流動床炉に投入された廃棄物の一部は流動媒体とともに固定層の上面に供給される。廃棄物の一部は、固定層上面の傾斜面に沿って滑り落ちる、いわゆるタンブリングアクションを行いながら、廃棄物の乾燥および熱分解がゆっくり進行し、移動層に飲み込まれる。

本発明の好ましい態様によれば、前記固定層は、流動化ガスを供給しないことにより形成するか又は流動媒体が固定層を形成する範囲内の流動化ガスを供給することにより形成することを特徴とする。
本発明によれば、床板の気体供給口の一部を閉止して床板の上方にある一部の領域に流動化ガスを供給しないようにすることにより、この領域に固定層を形成することができる。また、気体供給口を閉止することなく、気体供給口の孔径を絞る等の調整を行って流動媒体が流動化もせず移動もせずに固定層が維持できる範囲内の少ない流量の流動化ガスを炉内に供給することによっても、固定層を形成することができる。

本発明の好ましい態様によれば、前記少なくとも１つの領域と前記他の領域に、前記移動層と前記流動層との間を流動媒体が循環する循環流が形成されることを特徴とする。
本発明の好ましい態様によれば、前記固定層は、前記移動層および前記流動層の片側に形成されるか又は前記移動層および前記流動層の両側に形成されることを特徴とする。
本発明によれば、移動層および流動層に隣接して固定層を形成しているため、流動媒体が流動層の上部から移動層の上部に反転しやすくなるようにデフレクタを設けることにより、デフレクタによる絞りで、流動床の表面は面積が縮小されているため、流動床の表面での気泡の爆裂は移動層の上部においても比較的活発となり、移動層に隣接して形成された固定層の上部には廃棄物の一部とともに、流動媒体も飛来し、緩やかなタンブリングアクションにより廃棄物の一部の乾燥・ガス化が進行することになる。移動層に流入した流動媒体は、再び供給された廃棄物を受け入れて、移動層及び流動層における熱反応を繰り返す。

本発明の実施形態によれば、前記流動層は、流動媒体が上下動を繰り返すバブリング流動層であり、前記バブリング流動層に廃棄物を供給するようにした。
上記実施形態によれば、バブリング流動層の流動媒体の跳ね上げ作用によりバブリング流動層から飛散する流動媒体が固定層上に供給され、固定層上に供給された流動媒体は、一定の傾斜を形成して滑り落ち、いわゆる安息角を形成する。廃棄物の一部は、流動媒体とともに固定層の上面に降り注ぎ、傾斜に沿って滑り落ちる、いわゆるタンブリングアクションを行いながら、廃棄物の乾燥および熱分解がゆっくり進行する。

本発明の実施形態によれば、前記固定層は、前記バブリング流動層を囲むように形成される。
上記実施形態によれば、バブリング流動層の周囲を囲むように固定層を形成することができるため、広い面積の固定層を確保することができる。したがって、バブリング流動層の流動媒体の跳ね上げ作用により、廃棄物の一部を広い面積の固定層上面に飛散させることができ、広い面積の固定層上面に飛散した比較的多量の廃棄物を時間をかけて乾燥および熱分解させることができる。

本発明の廃棄物の処理方法は、流動床に供給する流動化ガスの供給量を領域毎に差を設け、少なくとも１つの領域の流動化速度を他の領域の流動化速度より大きくし、前記他の領域に流動媒体が沈降する移動層を形成し、前記少なくとも１つの領域に流動媒体が上昇する流動層を形成し、前記移動層及び前記流動層に隣接して流動媒体が静止状態を保っている固定層を形成し、前記移動層に隣接する前記固定層の幅を前記流動層に隣接する前記固定層の幅よりも大きく形成し、前記移動層に廃棄物を供給し、前記廃棄物を前記固定層上部の流動媒体により形成される一定の傾斜を流動媒体とともに滑り落とし、流動媒体の跳ね上げ効果により再度固定層上部に供給するタンブリングアクションを繰り返して緩やかに乾燥熱分解させることを特徴とする。
本発明によれば、廃棄物は、流動媒体とともに固定層の上面に降り注ぎ、傾斜に沿って滑り落ちる、いわゆるタンブリングアクションを行いながら、廃棄物の乾燥および熱分解がゆっくり進行される。

本発明によれば、流動床炉内に流動層に隣接して流動媒体が静止状態を保っている固定層を形成することにより、流動層の上部における流動媒体の跳ね上げ作用を利用して流動媒体とともに廃棄物を固定層の上面に供給して廃棄物の乾燥および熱分解等の反応を時間をかけてゆっくり行うようにし、炉全体として廃棄物の乾燥および熱分解を緩慢に行うことができる。したがって、廃棄物の質や量が変動しても廃棄物の処理を継続的に安定して行うことができる。

図１は、本発明の流動床炉の全体構成を示す模式的縦断面図である。 図２は炉本体の底部に設けられた床板の構成を示す斜視図である。 図３は、図２に示すように構成された散気ノズルを有する床板を備えた流動床の平面図である。 図４は、図３に示す流動床のIV-IV線断面図である。 図５Ａは、本発明に係る流動床炉の１態様を示す模式的平面図である。 図５Ｂは、本発明に係る流動床炉の１態様を示す模式的平面図である。 図５Ｃは、本発明に係る流動床炉の１態様を示す模式的平面図である。 図５Ｄは、本発明に係る流動床炉の１態様を示す模式的平面図である。 図６Ａは、バブリング型流動床炉に固定層を形成した例を示し、図６Ａは模式的平面図である。 図６Ｂは、バブリング型流動床炉に固定層を形成した例を示し、図６Ｂは模式的縦断面図である。 図６Ｃは、矩形のバブリング型流動床炉に固定層を形成した例を示す模式的平面図である。

以下、本発明に係る流動床炉の実施形態を図１乃至図６を参照して説明する。図１乃至図６において、同一または相当する構成要素には、同一の符号を付して重複した説明を省略する。
図１は、本発明の流動床炉の全体構成を示す模式的縦断面図である。図１に示すように、流動床炉１は、廃棄物を処理する炉本体１０と、導入した廃棄物を熱反応させる流動床２０と、流動床２０を支える床板３０とを備えている。流動床２０は、典型的には珪砂等の砂である流動媒体が集積して形成されたベッドである。炉本体１０は、概ね水平断面が矩形に形成された略四角筒形状の炉本体からなっている。

図１に示すように、略四角筒形状の炉本体１０は、一部が内側に窪んだ対向する一対の側壁１１ａ，１１ａと、一対の側壁１１ａ，１１ａに接続された対向する一対の側壁（図３中１１ｂ）とから構成されている。炉本体１０の窪みは、側壁１１ａ，１１ａが下方から上方に向かって炉本体１０の内側に傾斜した傾斜部１１Ｓ１と、傾斜部１１Ｓ１の上方に設けられ下方から上方に向かって外側に傾斜した傾斜部１１Ｓ２とによって形成されている。傾斜部１１Ｓ１は、上昇する流動媒体が炉本体１０の内部側に反転しやすくなるデフレクタとして機能する。

図１に示すように、一方の側壁１１ａには、処理対象物（廃棄物）を炉内に投入するための投入口１５が形成されており、他方の側壁１１ａの上部には、廃棄物を熱反応させた際に生じるガスを排出する排気口１６が形成されている。炉本体１０内の流動床２０の上方にある空間はフリーボード１７になっている。炉本体１０が焼却炉の場合にはフリーボード１７に２次空気を供給して可燃ガスを燃焼させることにより燃焼ガスが排気口１６から排出される。炉本体１０がガス化炉の場合には可燃ガスが排気口１６から排出される。投入口１５は傾斜部１１Ｓ２の上端よりも上方の側壁１１ａに設けられており、投入口１５より投入された廃棄物が流動床２０の中央部に落下するように廃棄物を案内するシュートが形成されている。炉本体１０内に設置された床板３０は、中央が高く、両側縁に向かうにつれ徐々に低くなった山形状をなしている。そして、床板３０の両側縁と側壁１１ａ，１１ａとの間には、不燃物排出口１８，１８が形成されている。

図２は炉本体１０の底部に設けられた床板３０の構成を示す斜視図である。図２において、幅方向をＸ方向とし、奥行き方向をＹ方向として説明する。図２に示すように、床板３０はＸ方向の中央が最も高く、両側縁に向かうにつれて徐々に低くなるような下り勾配を有して設けられている。床板３０はＹ方向には傾斜はなく平面になっている。床板３０には、流動化ガスとしての流動化空気を炉内に噴出するための多数の散気ノズル４０が配置されている。散気ノズル４０は流動化ガスとしての流動化空気を炉内に供給して流動媒体を流動させる気体供給口を構成する。

図１および図２に示すように、床板３０の下方には、床板３０から間隔をあけて底板３３が設けられており、床板３０と底板３３との間の空間は、床板３０から底板３３まで延びる３つの仕切板３４によって４つの空間に分割されている。このように床板３０と底板３３との間の空間が３つの仕切板３４で分割されることにより、床板３０の下方に、中央部の２つの空気箱３５，３５と両側部の２つの空気箱３６，３６が形成されることとなる。図１および図２において、中央部の２つの空気箱３５，３５を形成する２つの床板と両側部の２つの空気箱３６，３６を形成する２つの床板とを峻別するために、空気箱３５，３５用の床板を床板３１，３１と表し、空気箱３６，３６用の床板を床板３２，３２と表す。

図１に示すように、４つの空気箱３５，３５，３６，３６には、炉外から流動化空気を導く空気管５１Ａ，５１Ｂ，５２Ａ，５２Ｂがそれぞれ接続されている。空気管５１Ａ，５１Ｂ，５２Ａ，５２Ｂには、内部を流れる空気流量を調節する調節弁Ｖ１−１，Ｖ１−２，Ｖ２−１，Ｖ２−２がそれぞれ配設されている。４つの空気管５１Ａ，５１Ｂ，５２Ａ，５２Ｂは最上流部で合流して１つの空気管５５となり、空気管５５には流動化空気を圧送する空気ブロワ５６が配設されている。なお、４つの空気管５１Ａ，５１Ｂ，５２Ａ，５２Ｂにそれぞれブロワを設けてもよい。

図２に示すように、床板３０に配置された散気ノズル４０のうち、Ｙ方向において床板３０の両端部から所定範囲ｙ１，ｙ２までにある散気ノズル４０は閉止されている。すなわち、Ｙ方向において、床板３０を構成する床板３１，３１および床板３２，３２の両端部から所定範囲ｙ１，ｙ２（ｙ１＝ｙ２）までにある散気ノズル４０は閉止されており、流動化ガスとしての流動化空気が炉内に供給されないようになっている。

図３は、図２に示すように構成された散気ノズル４０を有する床板３０を備えた流動床２０の平面図である。図３では固定層２３はその上面を示しており、散気ノズル４０は図示を省略している。図１に示すように構成された流動化空気供給系統において、調節弁Ｖ１−１，Ｖ１−２の開度を調節して空気管５１Ａ，５１Ｂを流れる空気流量を調節することにより、中央部の２つの床板３１，３１に配置された散気ノズル４０からは、実質的に小さな流動化速度を与えるように流動化空気を噴出する。その結果、図３に示すように、中央部の２つの床板３１，３１の上方に流動媒体が比較的ゆっくりした速度で流動する弱流動化域ＷＦを形成する。また、調節弁Ｖ２−１，Ｖ２−２の開度を調節して空気管５２Ａ，５２Ｂを流れる空気流量を調節することにより、両側部の２つの床板３２，３２に配置された散気ノズル４０からは、実質的に大きな流動化速度を与えるように流動化空気を噴出する。その結果、図３に示すように、両側部の２つの床板３２，３２の上方に流動媒体が活発に流動する強流動化域ＳＦを形成する。

図３に示すように、中央部の２つの床板３１，３１の上方に形成された弱流動化域ＷＦ，ＷＦと、両側部の２つの床板３２，３２の上方に形成された強流動化域ＳＦ，ＳＦとがそれぞれ相隣接して存在する結果、弱流動化域ＷＦで流動媒体が比較的ゆっくりした速度で上方から下方に移動する移動層２１が形成されて、強流動化域ＳＦで流動媒体が下方から上方に移動する流動層２２が形成される。したがって、図１に示されるように、弱流動化域ＷＦと強流動化域ＳＦとが相隣接する領域全体においては、流動媒体が、下部では弱流動化域ＷＦから強流動化域ＳＦ（移動層２１から流動層２２）へ、上部では強流動化域ＳＦから弱流動化域ＷＦ（流動層２２から移動層２１）へ移動することで、弱流動化域ＷＦと強流動化域ＳＦ（移動層２１と流動層２２）との間を流動媒体が循環する循環流が左右に形成される。

一方、床板３１，３１および床板３２，３２の両側壁１１ｂから所定範囲ｙ１，ｙ２までにある散気ノズル４０は閉止されており、流動化空気が炉内に供給されないため、床板３１，３１および床板３２，３２の両端部では流動媒体が静止状態を保っている固定層２３が形成される。なお、床板３１，３１および床板３２，３２の両側壁１１ｂから所定範囲ｙ１，ｙ２までにある散気ノズル４０は閉止することなく、ノズルの孔径を絞る等の調整を行って流動媒体が固定層を維持する範囲内の空気量を炉内に供給して、固定層２３を形成することもできる。ここで、ｙ１（＝ｙ２）は、３００〜６００ｍｍに設定されている。３００ｍｍ未満では流動層の上面より上方に側壁１１ｂから安息角による傾斜面（固定層上面）を有する固定層２３を形成できなくなることがあるためであり、６００ｍｍを越えると側壁１１ｂから安息角による傾斜面（固定層上面）を有する固定層２３の幅が広くなり不燃物が側壁１１ｂ側の固定層２３の上面に堆積しやすくなるためである。
なお、図３においては、模式的に、弱流動化域ＷＦと強流動化域ＳＦのそれぞれに隣接する固定層２３の幅を一定として直線で示しているが、後述するように、詳細には弱流動化域ＷＦに隣接する固定層２３の上面の幅は強流動化域ＳＦに隣接する固定層２３の範囲より若干大きくなる。また、弱流動化域ＷＦと隣接する部分の固定層２３の床板面における幅を、強流動化域ＳＦと隣接する部分の固定層２３の床板面における幅より大きくしても良い。このように廃棄物の乾燥および熱分解が行われる弱流動化域ＷＦと隣接する部分での固定層２３の床板端部からの距離を大きくして、弱流動化域ＷＦと隣接する部分での固定層２３の幅を広くすることにより、廃棄物の乾燥および熱分解がより緩慢化される。

固定層２３は、床板３１，３１および床板３２，３２の両側壁１１ｂから所定範囲ｙ１，ｙ２までにある散気ノズル４０を閉止して、床板３１，３１および床板３２，３２の両端部に形成する。固定層２３の範囲ｙ１およびｙ２は３００〜６００ｍｍの間で任意に設定することができるので、ごみ量に合わせて流動床炉の炉床に形成する流動層の面積を調節することが可能となる。即ち、ごみ量が減った場合には、固定層２３を広げて、流動層の面積を縮小することにより、流動化空気量をごみ量に合わせて減らすことができる。ごみ量に対して設備能力が過大となる場合には、ごみ受け入れ量に合わせて運転停止を頻繁に行うことを余儀なくされ、立ち上げ、立ち下げのために余分な電力や昇温のための燃料を使用することになるが、流動層の面積を縮小することにより、ごみ量に合わせて、必要最小量の流動化空気により動力消費を最小化して、連続運転を継続して行うことができる。

旋回流型流動床炉では、流動媒体が流動層２２の上部から移動層２１の上部に反転しやすくするようにデフレクタ（図１に示す傾斜部１１Ｓ１により構成される）が設けられる。この場合には、移動層２１に隣接して形成される固定層２３の上部にも流動層２２から流動媒体が飛散してくる。また、デフレクタによる絞りで、流動床２０の上面は面積が縮小されているため、流動床２０の表面での気泡の爆裂は移動層２１の上部においても比較的活発となる。これらのことから、移動層２１に隣接して形成される固定層２３の上部には処理対象物とともに、流動媒体も飛来し、緩やかなタンブリングアクションにより処理対象物の乾燥・ガス化がゆっくり進行することになる。

次に、流動床２０に形成される固定層２３について図４を参照して説明する。
図４は、図３に示す流動床２０のIV-IV線断面図である。図４に示すように、流動床２０に形成される固定層２３と流動層２２の境界線ＢＬの角度（θ）は、流動化空気量の増加とともに増大するが、数度〜１５°程度である。したがって、弱流動化域ＷＦに隣接する固定層の上面の幅は強流動化域ＳＦに隣接する固定層の範囲より若干大きくなる。また、境界線ＢＬは流動化空気の層内拡散の揺らぎにより固定されることなく揺らいでいる。このため、不燃物は境界線ＢＬに滞留することはないので境界線ＢＬを起点として不燃物が堆積することはない。また、固定層２３が流動層２２の上面と交わる点より上部（図中Ａ）では、流動層２２の流動媒体の跳ね上げ作用により流動層２２から飛散する流動媒体が固定層２３上に供給される。固定層２３上に供給された流動媒体は、一定の傾斜を形成して滑り落ち、いわゆる安息角を形成する。流動媒体はこの固定層２３の上面に降り注ぎ、傾斜に沿って滑り落ちる、いわゆるタンブリングアクションを行う。この繰り返しにより、不燃物も固定層２３の上面から流動層２２に滑り落ちるため、固定層２３の上面に堆積することはない。不燃物を含む処理対象物（廃棄物）は、図中ＴＡで示される流動媒体の動きと同様のタンブリングアクションを行いながら、廃棄物の乾燥および熱分解がゆっくり進行する。

このように、傾斜面を有した固定層２３を流動層２２に隣接して形成することにより、処理対象物に流動媒体と同様のタンブリングアクションが生ずるのであり、この傾斜面を壁で形成した場合、傾斜が急すぎると処理対象物が傾斜面にとどまることなく瞬時に流動層２２に滑り落ちてしまい、何の効果も発揮しなくなり、逆に傾斜が緩やかな場合には、傾斜面上に処理対象物がとどまってしまい不燃物堆積の起点となってしまう。傾斜面を形成する安息角は流動媒体の粒径、形状、密度等により変化するが流動媒体により固定層を形成させることにより、流動媒体の性状に応じて傾斜面が自動的に形成される。
また、固定層２３が流動層２２の上面と交わる点より上部（図中Ａ）に流動媒体の安息角からなる傾斜面を形成する必要があるが、流動層２２に供給される流動化空気量により流動層２２のボイド率（気泡割合）が変わり上面位置も上下に変動するが、流動媒体により固定層を形成させることにより、流動層２２の上面より上方に傾斜面が自動的に形成される。
流動層２２の上面より上方に固定層上部の傾斜面が流動媒体により形成され、流動媒体のタンブリングアクションにより常に傾斜面が緩やかに更新されることが重要であり、固定壁で代替することはできない。

図４に示すように、本発明の流動床炉は、流動層２２と固定層２３を同時に形成し、固定層２３の上部に処理対象物（廃棄物）の乾燥・熱分解ゾーンを形成し、固定層２３の上部に飛来する流動媒体により処理対象物の乾燥および熱分解に要する熱供給を行い、処理対象物の乾燥および熱分解を緩慢に行わせ、流動層２２を熱分解残渣の燃焼ゾーンとして可燃物の燃焼を確実に行わせるようにしたものである。
また、流動床の温度は移動層２１で４５０〜６００℃、流動層２２で５５０〜６５０℃となるように流動空気量の他に炉床注水量を調節して制御されるが、流動床２０の温度検出を行う炉床温度計を炉本体１０の側壁から挿入する場合には、温度検出部を固定層２３から５０〜１５０ｍｍ程度流動床内に挿入するのがよく、床板から３００ｍｍ以上上方で、静止時の砂層上面から１００ｍｍ以上下方に設置するのが良い。
流動床炉の特長の一つに、起動停止が容易であることがあり、特に炉床温度が５００℃程度以上に維持されている場合には、そのまま炉床を流動化させて廃棄物を投入すれば起動できるが、本発明によれば、流動化する炉床と炉壁の間に流動媒体による固定層２３が形成されており、この固定層が流動床温度の保護層として作用し、停止持の炉床温度の低下を抑制する。この結果、流動床２０の温度を移動層２１で４５０〜６００℃、流動層２２で５５０〜６５０℃と比較的低温で運転しても、停止後の再起動が容易に行え、再起動に必要な助燃料の使用量を大幅に削減できる。

図１乃至図４に示す実施形態においては、流動媒体による固定層２３を床板３０の上に形成したが、床板３０より上方の位置であって流動層の上面より下方の位置に炉の側壁１１ｂから内側に突出する壁を形成し、この突出した壁の上に、流動層の流動媒体の跳ね上げ作用を利用して流動媒体を積層することにより固定層を形成してもよい。
図１乃至図３に示す実施形態においては、床板３０の下方の空間を仕切板３４によって４つの空気箱３５，３５，３６，３６に分割したが、分割仕切板３４を省略し、１つの空気箱としてもよい。その場合には、単位面積当たりの散気ノズルの個数を領域毎に差をつけるようにすればよい。また、空気箱３５、３６を更に分割してもよい。

次に、図１乃至図４に示すように構成された流動床炉１の作用を説明する。流動床炉１で処理される処理対象物としての廃棄物は、典型的には、都市ごみ、汚泥、木くず等の、質や量が不均一であって、燃焼が不安定になりがちなものを想定しており、本実施の形態では都市ごみであるとして説明する。廃棄物は、概ね、水分と可燃分と灰分（不燃物を含む）とからなり、熱反応によって、水分は蒸発し、可燃分は一部が可燃ガス（熱分解ガス）として揮発し、熱分解残渣となる。廃棄物から水分が蒸発し可燃ガスが揮発したもの、すなわち未燃物（チャー）および不燃物が熱分解残渣である。熱分解残渣中の未燃物（チャー）は、流動層２２内で不燃物と分離されたうえで流動層２２内で一部が燃焼して燃焼ガスや微細な未燃物（チャー）として流動化空気と共にフリーボード１７に送られるのが好ましい。

廃棄物は、投入口１５から移動層２１に供給される。このとき、調節弁Ｖ１−１，Ｖ１−２，Ｖ２−１，Ｖ２−２の開度を調節して移動層２１および流動層２２に供給する流動化空気の流量を調節している。移動層２１に供給する流動化空気の質量流量が流動層２２に供給する流動化空気の質量流量よりも小さくなるように調節し、本実施の形態では移動層２１に供給する流動化空気の質量流量を０．５〜１．５Ｇｍｆ、流動層２２に供給する流動化空気の質量流量を１．５〜５Ｇｍｆ程度としている。なお、流動媒体が流動化を開始する質量流量が１Ｇｍｆとなる。

移動層２１に供給された廃棄物の一部は、流動床の流動媒体の跳ね上げ作用により流動床から飛散する流動媒体とともに固定層２３上に供給される。固定層２３の上面に供給された廃棄物は固定層上面の流動媒体とともに傾斜面に沿って滑り落ちる、いわゆるタンブリングアクションを行いながら、廃棄物の乾燥および熱分解がゆっくり進行する。流動媒体によって跳ね上げられなかった廃棄物は移動層２１に飲み込まれて流動媒体と共に下方に移動する。このとき、流動媒体の熱によって廃棄物の乾燥及び熱分解が行われて、廃棄物中の水分が蒸発し、廃棄物中の可燃分から可燃ガスが発生して、脆い熱分解残渣となる。熱分解残渣は、典型的には、不燃物及び熱分解によって脆くなった未燃物（チャー）を含んでいる。移動層２１で生成される熱分解残渣は、流動媒体と共に、床板３０に至ると、傾斜した床板３０に沿って流動層２２に向かう。流動層２２に至った熱分解残渣は、激しく流動する流動媒体と接触し未燃物（チャー）が不燃物から剥離し、未燃物（チャー）が剥離して残った不燃物は一部の流動媒体と共に不燃物排出口１８に向かう。不燃物は、一部の流動媒体と共に不燃物排出口１８へ流入して流動床炉１外へ排出され、不燃物分離装置（不図示）において未酸化かつ未燃物（チャー）の付着がない状態で回収される。不燃物分離装置（不図示）で不燃物が分離された後の流動媒体は、流動媒体循環装置（不図示）を介して炉本体１０内に戻される。

一方、流動層２２内で不燃物から剥離した未燃物は、流動化空気が供給されることに伴って流動する流動媒体と共に上方に移動する。このとき、未燃物は、供給された流動化空気によって燃焼が行われ、流動媒体を加熱しつつ燃焼ガスを発生し、気体に搬送される程度の微細な未燃物及び灰分の粒子となる。また、熱分解されないで残った一部の廃棄物の熱分解も行われる。流動層２２においては、未燃物の燃焼に伴って徐々に温度が上昇して行くので、下部から上部に行くにつれて温度が比例的に上昇して行く。そして、流動層２２の上部における流動媒体の跳ね上げ作用により、未燃物の一部は流動媒体とともに固定層２３の上面に供給され、残部は移動層上面に供給され再び移動層に飲み込まれる。固定層２３の上面に供給された未燃物は廃棄物の一部とともに、固定層２３の上面の傾斜面に沿って滑り落ちる、いわゆるタンブリングアクションを行いながら、乾燥および熱分解がゆっくり進行する。流動媒体が流動層２２の上部から移動層２１の上部に反転しやすくするようにデフレクタ（図１に示す傾斜部１１Ｓ１により構成される）が設けられているため、移動層２１に隣接して形成される固定層２３の上部にも流動層２２から流動媒体が飛散してくる。また、デフレクタによる絞りで、流動床２０の上面は面積が縮小されているため、流動床２０の表面での気泡の爆裂は移動層２１の上部においても比較的活発となる。これらのことから、移動層２１に隣接して形成される固定層２３の上部には廃棄物の一部および未燃物とともに、流動媒体も飛来し、緩やかなタンブリングアクションにより未燃物および廃棄物の一部の乾燥・ガス化が時間をかけてゆっくり進行することになる。移動層２１に流入した流動媒体は、再び供給された廃棄物を受け入れて、上述の移動層２１及び流動層２２における熱反応を繰り返す。

都市ごみ等の廃棄物は、その性質上、保有熱量にばらつきがあるため、燃焼が安定しにくいという事情がある。単位時間当たりに流動床炉１に導入される廃棄物の質や量が安定していないと、乾燥に伴う水蒸気、熱分解に伴う可燃ガスおよび燃焼ガスの発生量が変動するため、流動床炉１内の圧力が変動し、流動床炉１の安定した運転が困難となる。発生する水蒸気や可燃ガス等の量の変動を抑制するために、流動床２０における廃棄物の乾燥及び熱分解をできるだけ緩やかに行わせることが好ましい。
本発明においては、流動層２２と固定層２３を同時に形成し、固定層２３上部に処理対象物（廃棄物）の乾燥・熱分解ゾーンを形成し、固定層２３の上部に飛来する流動媒体により乾燥および熱分解に要する熱供給を行い、処理対象物（廃棄物）の乾燥および熱分解を緩慢に行わせ、流動層２２を熱分解残渣の燃焼ゾーンとして可燃物の燃焼を確実に行わせるようにしたものである。

図５Ａ，５Ｂ，５Ｃ，５Ｄは、本発明に係る流動床炉の種々の態様を示す模式的平面図である。
図５Ａは、円筒形の炉本体１０の内部に矩形の流動床２０を配置した旋回流型流動床炉を示す。図５Ａに示すように、円筒形の炉本体１０の中央部に移動層２１が形成され、移動層２１の両側に流動層２２，２２が形成されている。移動層２１および流動層２２の両側に固定層２３，２３が形成されている。また、流動層２２，２２の外側に不燃物排出口１８が形成されている。本実施形態の流動床炉は、炉本体が円筒形状であるため、構造的に最もシンプルとなり炉本体の製作が容易となり、また炉壁が円筒形状であるため、耐火物の耐久性が向上する。流動床２０における熱反応は、図３に示す流動床炉と同様に行なわれる。

図５Ｂは、移動層２１および流動層２２の片側に固定層２３を形成した流動床２０を有する旋回流型流動床炉を示す。図５Ｂに示すように、炉本体１０の中央部に移動層２１が形成され、移動層２１の両側に流動層２２，２２が形成されている。移動層２１および流動層２２の片側に固定層２３が形成されている。また、流動層２２，２２の外側に不燃物排出口１８が形成されている。移動層２１、流動層２２および固定層２３における熱反応は、図３に示す流動床炉と同様に行なわれる。

図５Ｃおよび図５Ｄは、片旋回流型流動床炉に固定層２３を形成した例を示す。図５Ｃに示す例においては、炉本体１０内に移動層２１、流動層２２とがそれぞれ一層ずつ形成され、移動層２１および流動層２２の両側に固定層２３，２３が形成されている。また、流動層２２の外側に不燃物排出口１８が形成されている。移動層２１、流動層２２および固定層２３における熱反応は、図３に示す流動床炉と同様に行なわれる。
図５Ｄに示す例においては、炉本体１０内に移動層２１と流動層２２とがそれぞれ一層ずつ形成され、移動層２１および流動層２２の片側に固定層２３が形成されている。また、流動層２２の外側に不燃物排出口１８が形成されている。移動層２１、流動層２２および固定層２３における熱反応は、図３に示す流動床炉と同様に行なわれる。

図６Ａおよび図６Ｂは、バブリング型流動床炉に固定層２３を形成した例を示し、図６Ａは模式的平面図であり、図６Ｂは模式的縦断面図である。
図６Ａおよび図６Ｂに示す例においては、円筒形の炉本体１０の中心部に不燃物排出口１８が形成され、炉本体１０の底部にある床板３０は不燃物排出口１８を中心として概略逆円錐状（すり鉢状）に形成されており、床板３０には流動化ガスとしての流動化空気を炉内に噴出するための多数の散気ノズル（図示せず）が配置されている。これらの散気ノズルからは均一な空気量の流動化空気が噴出されるようになっている。円筒形の炉壁１１から所定範囲ｙ１までにある散気ノズルは閉止されており、流動化空気が炉内に供給されないため、炉壁１１からｙ１の範囲にある円環状の領域では流動媒体が静止状態を保っている固定層２３が形成される。したがって、炉内には、不燃物排出口１８を中心とした円形断面のバブリング流動層２４と、バブリング流動層２４の外側に略円環状断面の固定層２３とからなる流動床２０が形成される。なお、炉壁１１から所定範囲ｙ１までにある散気ノズルは閉止することなく、ノズルの孔径を絞る等の調整を行って流動媒体が移動も流動もしない所謂固定層が維持される範囲内の少量の空気を炉内に供給して、固定層２３を形成することもできる。

図６Ｂに示すように、流動床２０に形成される固定層２３とバブリング流動層２４の境界線ＢＬの角度（θ）は、流動媒体の形状や流動化空気量によって変化し、流動化空気量の増加とともに増大するが、数度〜１５°程度である。境界線ＢＬは流動化空気の層内拡散の揺らぎにより固定されることなく揺らいでいる。このため、不燃物は境界線ＢＬに滞留することはないので境界線ＢＬを起点として不燃物が堆積することはない。また、固定層２３がバブリング流動層２４の上面と交わる点より上部（図中Ａ）では、バブリング流動層２４の流動媒体の跳ね上げ作用によりバブリング流動層２４から飛散する流動媒体が固定層２３上に供給される。固定層２３上に供給された流動媒体は、一定の傾斜を形成して滑り落ち、いわゆる安息角を形成する。流動媒体はこの固定層２３の上面に降り注ぎ、傾斜に沿って滑り落ちる、いわゆるタンブリングアクションを行う。この繰り返しにより、不燃物も固定層２３の上面からバブリング流動層２４に滑り落ちるため、固定層２３の上面に堆積することはない。不燃物を含む処理対象物（廃棄物）は、図中ＴＡで示される流動媒体の動きと同様のタンブリングアクションを行いながら、廃棄物の乾燥および熱分解がゆっくり進行する。固定層上部に形成される傾斜(いわゆる安息角)は流動媒体の粒径や流動媒体の形状によって変化する。流動床炉においては、流動媒体の一部が処理対象物に含まれる珪素を主体とする灰分に置き換わり、安息角も変化するが、本件発明においては、固定層上部に流動媒体により傾斜を形成させるため、流動媒体の性状（粒径、形状等）に応じた安息角に自動的に調整され、タンブリングアクションが継続される。
また、固定層２３が流動層２４の上面と交わる点より上部（図中Ａ）に流動媒体の安息角からなる傾斜面を形成する必要があるが、流動層２４に供給される流動化空気量により流動層２４のボイド率（気泡割合）が変わり上面位置も上下に変動するが、流動媒体により固定層を形成させることにより、流動層２４の上面より上方に傾斜面が自動的に形成される。

図６Ｃは、矩形のバブリング型流動床炉に固定層２３を形成した例を示す模式的平面図である。図６Ｃに示す例においては、矩形の炉本体１０の中心部に不燃物排出口１８が形成され、炉本体１０の内壁からｙ１の範囲にある領域では流動媒体が静止状態を保っている固定層２３が形成される。固定層２３の内側には略矩形断面のバブリング流動層２４が形成される。固定層２３およびバブリング流動層２４における熱反応は、図６Ａおよび図６Ｂに示す流動床炉と同様に行われる。

これまで本発明の実施形態について説明したが、本発明は上述の実施形態に限定されず、その技術思想の範囲内において、種々の異なる形態で実施されてよいことは勿論である。

本発明は、廃棄物の乾燥および熱分解を緩慢に行うことにより、廃棄物の質や量が変動しても廃棄物の処理を継続的に安定して行うことができる流動床炉及び流動床炉を用いた廃棄物の処理方法に利用可能である。

１ 流動床炉
１０ 炉本体
１１ａ 側壁
１１ｂ 側壁
１１Ｓ１，１１Ｓ２ 傾斜部
１５ 投入口
１６ 排気口
１７ フリーボード
１８ 不燃物排出口
２０ 流動床
２１ 移動層
２２ 流動層
２３ 固定層
２４ バブリング流動層
３０，３１，３２ 床板
３３ 底板
３４ 仕切板
３５，３６ 空気箱
４０ 散気ノズル
５１Ａ，５１Ｂ，５２Ａ，５２Ｂ 空気管
５５ 空気管
５６ 空気ブロア
Ｖ１−１，Ｖ１−２，Ｖ２−１，Ｖ２−２ 調節弁

Claims (5)

1. 廃棄物を処理する流動床炉において、
   水平断面が略矩形又は円形に形成された筒状の炉本体と、
   前記炉本体の底部に配置され、流動化ガスを供給して流動媒体を流動させる気体供給口を設けた床板と、
   前記炉本体内で前記床板の上方に形成され、流動する流動媒体中に廃棄物を取り込んで熱分解させる流動床とを備え、
   前記床板の気体供給口から噴出される流動化ガスの供給量を領域毎に差を設け、少なくとも１つの領域の流動化速度を他の領域の流動化速度より大きくし、前記他の領域に流動媒体が沈降する移動層を形成し、前記少なくとも１つの領域に流動媒体が上昇する流動層を形成し、前記移動層に廃棄物を供給するように構成し、
   前記流動床は前記炉本体の炉壁側に形成され流動媒体が静止状態を保っている固定層を備え、前記移動層及び前記流動層は前記炉本体の炉壁より離間しかつ前記固定層に隣接しており、前記移動層に隣接する前記固定層の幅は前記流動層に隣接する前記固定層の幅よりも大きく形成され、
   前記固定層の上面は前記流動層から飛散する流動媒体による傾斜面により形成されることを特徴とする流動床炉。
2. 前記固定層は、流動化ガスを供給しないことにより形成するか又は流動媒体が固定層を形成する範囲内の流動化ガスを供給することにより形成することを特徴とする請求項１記載の流動床炉。
3. 前記少なくとも１つの領域と前記他の領域に、前記移動層と前記流動層との間を流動媒体が循環する循環流が形成されることを特徴とする請求項１又は２記載の流動床炉。
4. 前記固定層は、前記移動層および前記流動層の片側に形成されるか又は前記移動層および前記流動層の両側に形成されることを特徴とする請求項１又は２記載の流動床炉。
5. 流動床に供給する流動化ガスの供給量を領域毎に差を設け、少なくとも１つの領域の流動化速度を他の領域の流動化速度より大きくし、前記他の領域に流動媒体が沈降する移動層を形成し、前記少なくとも１つの領域に流動媒体が上昇する流動層を形成し、
   前記移動層及び前記流動層に隣接して流動媒体が静止状態を保っている固定層を形成し、前記移動層に隣接する前記固定層の幅を前記流動層に隣接する前記固定層の幅よりも大きく形成し、
   前記移動層に廃棄物を供給し、前記廃棄物を前記固定層上部の流動媒体により形成される一定の傾斜を流動媒体とともに滑り落とし、流動媒体の跳ね上げ効果により再度固定層上部に供給するタンブリングアクションを繰り返して緩やかに乾燥熱分解させることを特徴とする廃棄物の処理方法。

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