JP5950299B2 - ストーカ式焼却炉及びその燃焼方法 - Google Patents

Description

本発明は、ストーカ式焼却炉及びその燃焼方法に関する。

ストーカ式焼却炉は、一般に、ごみに含まれる水分を乾燥させる乾燥ストーカ、ごみの揮発成分を揮発・燃焼させる燃焼ストーカ、固定炭素分を完全燃焼させる後燃焼ストーカを備え、ごみの燃焼に必要な空気はストーカ下部から一次空気として、また二次燃焼室側壁から二次空気として供給される。

ごみは、ピット内で攪拌・混合されるものの、その性質上、形状・性状が一定でなく、ごみを完全燃焼させるためにはストーカ上で極力均一に燃焼させる必要がある。

従来、ストーカ燃焼は、乾燥ストーカや燃焼ストーカ上流側で発生する一酸化炭素や炭化水素類の濃度が高い「未燃リッチガス」と、後燃焼ストーカで発生する燃焼に寄与しない空気由来で酸素濃度が高い「空気リッチガス」が二次燃焼室に入り、二次空気により混合攪拌され完全燃焼する。これまでのストーカ燃焼技術は、この「未燃リッチガス」と「空気リッチガス」とを効率良く混合攪拌して燃焼を促進させることを重点に技術開発されていた。

例えば、後燃焼ストーカ上方から「空気リッチガス」を引き抜き、その引き抜いたガスを二次燃焼室に吹込むことで、燃焼を促進させる技術が知られている（特許文献１）。

また、二次燃焼空気の混合／攪拌には、二次空気として空気を数十ｍ／秒で吹込む以外にも、上記特許文献１のように後燃焼ストーカ上方のガスや、さらに排ガス処理設備で除塵された排ガスが用いられる場合もある（特許文献２〜４等）。

特開２００７−８１０７７号公報 特開２００１−２４１６２９号公報 特開２００４−２００７１号公報 特開２０１０−２４９４７８号公報

ストーカ燃焼は、一次空気比が０．７〜１．５程度であり、これが一次燃焼室での燃焼量を表す指標と捉えるならば、燃焼物の７０％以上は一次燃焼室で燃焼していることになる。

しかしながら、燃焼ストーカ上で一次空気はごみ層部分の吹き抜け易い箇所から吹抜け、その部分で局所的な燃焼が発生する、あるいはストーカ上のごみが崩れ、被燃焼物の表面が急に燃焼雰囲気に曝されることで局所的な燃焼が起こるなど、局所的燃焼箇所が発生しており、局所的に見れば安定燃焼しているとは言い難い。

そこで本発明は、一次燃焼室の燃焼をより均一な燃焼へと改善し、窒素酸化物やダイオキシン類を抑制することのできるストーカ式焼却炉及びその燃焼方法を提供することを主たる目的とする。

上記目的を達成するため、本発明に係るストーカ式燃焼炉は、第１の手段として、燃焼ストーカと、該燃焼ストーカの上流側から下流側にかけて該燃焼ストーカの下部に設けられた複数室の風箱と、該複数の風箱の各々に一次空気を供給する複数の一次空気供給管と、該複数の一次空気供給管に各々接続されて一次空気に再循環ガスを混合するための複数の再循環ガス供給管と、前記燃焼ストーカ上の局所的燃焼箇所を検出する局所的燃焼箇所検出手段と、該局所的燃焼箇所検出手段によって検出された局所的燃焼箇所を含む風箱に接続された前記一次空気供給管内を流れる一次空気に前記再循環ガス供給管を流れる再循環ガスが所定混合比で混合されるように制御する制御手段と、を備えることを特徴とする。

また、本発明に係るストーカ式燃焼炉は、第２の手段として、燃焼ストーカと、該燃焼ストーカの上流側から下流側にかけて該燃焼ストーカの下部に設けられた複数室の風箱と、前記燃焼ストーカの上流側から下流側にかけて炉の側壁に設けられて焼却物の火炎に向けてボイラの蒸気を吹込むための複数の蒸気吹込み口と、前記燃焼ストーカ上の局所的燃焼箇所を検出する局所的燃焼箇所検出手段と、該局所的燃焼箇所検出手段によって検出された局所的燃焼箇所に最も近い前記蒸気吹込み口から蒸気を吹込むように制御する制御手段と、を備える。

また、本発明に係るストーカ式燃焼炉は、第３の手段として、燃焼ストーカと、該燃焼ストーカの上流側から下流側にかけて該燃焼ストーカの下部に設けられた複数室の風箱と、該複数の風箱の各々に一次空気を供給する複数の一次空気供給管と、該複数の一次空気供給管に各々接続されて一次空気に再循環ガスを混合するための複数の再循環ガス供給管と、前記燃焼ストーカの上流側から下流側にかけて炉の側壁に設けられて焼却物の火炎に向けてボイラの蒸気を吹込むための複数の蒸気吹込み口と、前記燃焼ストーカ上の局所的燃焼箇所を検出する局所的燃焼箇所検出手段と、該局所的燃焼箇所検出手段によって検出された局所的燃焼箇所を含む風箱に接続された前記一次空気供給管内を流れる一次空気に前記再循環ガス供給管を流れる再循環ガスが所定混合比で混合されるように制御するとともに検出された局所的燃焼箇所に最も近い前記蒸気吹込み口から蒸気を吹込むように制御する制御手段と、を備えることを特徴とする。

また、上記目的を達成するため、本発明に係るストーカ式焼却炉の燃焼方法は、第１の手段として、燃焼ストーカ上の局所的燃焼箇所を検出するステップと、検出された局所的燃焼箇所に供給される一次空気に再循環ガスを所定混合比で混合するステップと、を含むことを特徴とする。

また、本発明に係るストーカ式焼却炉の燃焼方法は、第２の手段として、燃焼ストーカ上の局所的燃焼箇所を検出するステップと、検出された局所的燃焼箇所にボイラの蒸気を吹込むステップと、を含むことを特徴とする。

さらに、本発明に係るストーカ式焼却炉の燃焼方法は、第３の手段として、燃焼ストーカ上の局所的燃焼箇所を検出するステップと、検出された局所的燃焼箇所に供給される一次空気に再循環ガスを所定混合比で混合するとともに該局所的燃焼箇所にボイラの蒸気を吹込むステップと、を含むことを特徴とする。

本発明によれば、局所的燃焼箇所を検出し、その部分に供給している一次空気にのみ再循環ガスを混合することで、供給する空気の酸素濃度が下がって緩慢燃焼となり、空気の吹き抜け部分等の局所的に立ち上がる大きな炎が小さくなり、局所的燃焼が抑制されるとともに、排ガス循環量を最小化し、ストーカ炉から発生する排ガス量を多大に増加させることなく、良好な燃焼を維持することができる。

また、局所的燃焼箇所を検出し、局所的燃焼箇所の焼却物の火炎に向けて蒸気を高速で吹込むことにより、高速蒸気によって局所的な火炎は隣のごみ焼却物に燃え移るとともに、ごみ層が厚いために空気が通らず燃焼が進んでいないごみ部分にも吹き抜け部分を通る空気を送ることができるため、火炎及び空気と蒸気との撹拌混合により、燃焼ストーカの全面に亘り燃焼を均一化させることができる。

本発明に係るストーカ式焼却炉を含むごみ焼却施設を示す概要図である。 本発明に係るストーカ式焼却炉の一実施形態を示す概要図である。 ストーカ式焼却炉内の燃焼状態を示す撮像図である。 本発明に係るストーカ式焼却炉の制御フローの一例を示すフローチャートである。

本発明の一実施形態について、以下に図１〜図４を参照しつつ説明する。なお、全図を通し、同一又は類似の構成部分には同符号を付した。

図１は、ストーカ式焼却炉１を含むごみ処理施設の概要を示す概要図である。図１に示すように、ごみ処理施設では、ストーカ式焼却炉１で排出された燃焼排ガスが、ボイラ２、節炭器３、減温塔４、除塵設備（バグフィルタ）５、再加熱器６、触媒脱硝塔７、誘引通風機８を介して煙突９から放出される。ストーカ式焼却炉には、一次空気供給管１０と二次空気供給管１１が接続されるとともに、後で詳述するように、ボイラ２で発生した蒸気を一次燃焼室に導入する蒸気供給管１２と、除塵設備５で除塵された後の排ガスを一部抜き出して再循環ガスとして一次空気に混合する再循環ガス供給管１３が接続されている。図中、符号１４は排ガス循環ファンを示している。

図２に示すように、ストーカ式焼却炉１は、ホッパー１５、乾燥ストーカ１６、燃焼ストーカ１７、後燃焼ストーカ１８を備えている。

乾燥ストーカ１６の下部には、風箱２０_１が設けられている。燃焼ストーカ１７の下部は、上流側から下流側にかけて、複数室の風箱２０_２、２０_３、２０_４、２０_５が設けられている。後燃焼ストーカ１８の下部には、風箱２０_６が設けられている。

風箱２０_１、２０_２、２０_３、２０_４、２０_５、２０_６の各々に、一次空気を供給する一次空気供給管１０_１、１０_２、１０_３、１０_４、１０_５、１０_６が接続されている。一次空気供給管１０_１、１０_２、１０_３、１０_４、１０_５、１０_６の各々には、流量制御弁２１と流量計２２が介在されている。

また、燃焼ストーカ１７の風箱２０_２、２０_３、２０_４、２０_５に接続された一次空気供給管１０_２、１０_３、１０_４、１０_５の各々に、それら一次空気供給管内を流れる一次空気に再循環ガスを混合するための複数の再循環ガス供給管１３_２、１３_３、１３_４、１３_５が接続されている。再循環ガス供給管１３_２、１３_３、１３_４、１３_５の各々には、流量計２３と流量制御弁２４が介在されている。

また、一次燃焼室２５において、燃焼ストーカ１７の上流側から下流側にかけて焼却炉の側壁２６に、焼却物の火炎に向けてボイラ２で発生した蒸気を吹込むための複数の蒸気吹込み口２７_１、２７_２、２７_３、２７_４、２７_５が設けられている。ボイラ２（図１）では、高温・高圧（例えば、３００〜４５０℃、３〜４ＭＰａ）の蒸気が発生しており、その圧力を利用して、蒸気吹込み口２７_１、２７_２、２７_３、２７_４、２７_５から蒸気を高速で吹込むことができる。蒸気吹込み口２７_１、２７_２、２７_３、２７_４、２７_５は、焼却炉の一方の側壁２６又は両側の側壁に設けることができ、ストーカ上の側方から蒸気を吹込むように配設され得る。

後燃焼ストーカ１８の天井部に撮像装置３０が設置され、燃焼画像が撮影される。撮像装置３０の画像データは、制御装置（図示せず。以下同じ。）に送られ、そこで画像解析処理がなされ、燃焼ストーカ１７上の燃焼が盛んな局所的燃焼箇所を判別し、局所的燃焼箇所の位置を特定する。このように撮像装置３０で得られたデータから局所的燃焼箇所を判別してその位置を特定することにより局所的燃焼箇所を検出する局所的燃焼箇所検出手段２８が構成される（図４）。撮像装置３０は、例えばＣＣＤカメラ３０ａとレンズ３０ｂとで構成することができ、レンズ３０ｂは例えば広角レンズを用いることができる。

局所的燃焼箇所とは、燃焼ストーカ上で一次空気はごみ層部分の吹き抜け易い箇所から吹抜け、その部分で局所的な燃焼が発生する、あるいはストーカ上のごみが崩れ、被燃焼物の表面が急に燃焼雰囲気に曝されることで発生する、局所的に燃え過ぎ状態が生じている燃焼が盛んな箇所のことである。この燃焼が盛んな局所的燃焼箇所は、供給ごみ量が少ない場合やゴミ中の水分含有率が低い等でごみのカロリーが高い場合は上流側へ移動し、ごみ量が多い場合やごみ中の水分含有率が高い等でごみのカロリーが低い場合は下流側へ移動する傾向があり、ごみ質やごみ供給量によって燃焼が盛んな局所的燃焼箇所は燃焼ストーカ１７上で絶えず変化する。

図３は、ＣＣＤカメラ３０ａで炉内の燃焼状態を撮像した画像である。ＣＣＤカメラ３０ａは、連続撮影にしてもよいが、画像解析処理にかかる計算機負担を軽減するために定期的（例えば５分毎）に画像データを取り出すように設定することが好ましい。図３に示すように、燃焼ストーカの幅方向において炎（火柱）が上がっているところとそうでないところがあり、炎の上がっているところが局所的燃焼箇所である。

ＣＣＤカメラ３０ａで得られた画像データ（カラー画像データ）は制御装置に送られ、そこで例えば、グレースケール処理或いは２値化処理等により画像の輝度データを数値化し、数値化した輝度データを位置情報の座標データと関係づけることにより、燃切り点や局所的燃焼箇所を判別し、その位置を特定することができる。なお、この種の燃焼状態画像解析ソフトは種々開発されているものがある。局所的燃焼箇所の検出には、カメラによる映像の他に、放射温度計、輝度計、光度計等を用いることもできる。

こうして局所的燃焼箇所が判別され、その位置が特定されて、例えば局所的燃焼箇所に１次空気を送る風箱が風箱２０_３、２０_４であったとすると、制御装置の指令により、再循環ガス供給管１３_３、１３_４の流量制御弁２４が開かれ、風箱２０_３、２０_４に接続された一次空気供給管１０_３、１０_４に再循環ガス供給管１３_３、１３_４を通じて再循環ガスが送られ、一次空気と混合して風箱２０_３、２０_４に送られる。再循環ガスの混合と同時に、制御装置の制御下で、特定された局所的燃焼箇所に最も近い蒸気吹込み口２７_２、２７_３から高温・高圧の蒸気が吹込まれる。蒸気吹込み口２７_１、２７_２、２７_３、２７_４、２７_５の各々に通じる蒸気供給管１２に制御弁３１（図１）が介在され、図外の制御装置により各々の制御弁３１が制御される。

再循環ガスと一次空気との混合比は、一次空気量に対して３〜５０％とすることができ、例えば、一次空気に対して予め設定した比率とするか、或いは、混合後の酸素濃度が所望値になるように混合することができ、制御装置において混合比が決定される。一次空気に対して予め設定した比率とする場合、例えば、制御装置は、一次空気供給管１０_３、１０_４の各流量計２２から計測された流量信号を受け取り、その流量信号と予め設定した混合比率とから混合すべき再循環ガスの流量を演算し、演算により得られた再循環ガス流量に流量計２３の出力がなるように各々の流量制御弁２４を制御することにより所望流量の再循環ガスを一次空気供給管１０_３、１０_４に供給し混合させる。また、混合後の酸素濃度が所望値になるように再循環ガスを一次空気に混合する場合、例えば、図示しない酸素濃度計で再循環ガスの酸素濃度を検出し、混合後の酸素濃度が所望値になるように制御装置において混合すべき再循環ガスの流量を演算し、演算で得られた所望流量に流量計２３の出力がなるように流量制御弁２４を制御する。

再循環ガスの酸素濃度は５〜１０%程度であり、約２１％の酸素濃度の一次空気と混合すると、混合気体の酸素濃度が下がる。例えば酸素濃度５％の再循環ガスを一次空気に対して２０％混合すると、１７．８％の酸素濃度となる。燃焼は可燃物が空気中の酸素と反応する酸化反応であるので、供給する空気の酸素濃度が下がると燃焼が抑制され、緩慢燃焼となる。緩慢燃焼にすることで、空気の吹き抜け部分等の局所的に立ち上がる大きな炎が小さくなり、局所的燃焼が抑制される。

このように局所的燃焼箇所を検出し、その部分に供給している一次空気にのみ再循環ガスを混合することで、再循環ガスの排ガス循環量を最小化し、ストーカ炉から発生する排ガス量を多大に増加させることなく、良好な燃焼を維持することができる。

また、ストーカ上の燃焼を緩慢にすることで、ストーカ（火格子）温度を低下させることができ、ストーカ自体の損耗を抑制することもできる。

さらに、ストーカ直上の燃焼が激しい場合にはごみ中の灰分が溶融して側壁にクリンカーとなって付着・成長する問題があったが、燃焼を緩やかにすることにで、クリンカーの成長を抑制できる。

一次空気に再循環ガスを混合すれば、例えば空気の吹抜け部分の大きな炎は小さくなって局所的燃焼は抑制されるが、燃焼ストーカの全面を見た時、吹抜けがある部分が点在し、吹抜けが無い部分ではごみの燃焼があまり起こっていない場合がある。

そこで、上記したように、蒸気吹込み口２７_３、２７_４から、局所的燃焼箇所の焼却物の火炎に向けて蒸気を高速で吹込むことにより、高速蒸気によって局所的な火炎は隣のごみ焼却物に燃え移るとともに、ごみ層が厚いために空気が通らず燃焼が進んでいないごみ部分にも吹き抜け部分を通る空気を送ることができるため、火炎及び空気と蒸気との撹拌混合により、燃焼ストーカ１７の全面に亘り燃焼を均一化させるができる。

蒸気吹込み口２７_１、２７_２、２７_３、２７_４、２７_５のうちのどの蒸気吹込み口から蒸気を吹込むかは、例えば、制御装置により、局所的燃焼箇所の位置座標と、蒸気吹込み口２７_１、２７_２、２７_３、２７_４、２７_５の予め記憶させた位置座標とから、最も近い蒸気吹込み口を求めることにより決定することができる。

蒸気吹込み口２７_１、２７_２、２７_３、２７_４、２７_５には、蒸気の流速を上げるためのノズルを設けても良い。蒸気は、０．２ＭＰａＧ以上の圧力があればよく、圧力が高ければ吹込むノズル流速をより高速にすることができ、良好な撹拌混合が可能となる。蒸気吹込み口２７_１、２７_２、２７_３、２７_４、２７_５は、蒸気吹込み量をゼロとして蒸気の吹込みを完全に停止すると、吹き出し口或いはノズルが閉塞する恐れもあるため、高速での吹込みを行わない場合でも、１０ｍ／秒程度の流量で蒸気を流すように制御装置の指令により蒸気供給管の制御弁（図示せず。）を制御することによりパージしておくことが好ましい。

蒸気の吹込みにより、炉側壁で成長するクリンカーを抑制することも可能となり、また、すす等の未燃炭素が蒸気によりガス化するため二次燃焼が速やかで確実に進行し得る。

上記実施形態においては、再循環ガスと蒸気の双方を利用する態様を示したが、何れか単独で利用する態様を採用することもできる。

１ ストーカ式焼却炉
２ ボイラ
１０ 一次空気供給管
１３ 再循環ガス供給管
１７ 燃焼ストーカ
２０ 風箱
２７ 蒸気吹込み口

Claims (6)

1. 燃焼ストーカと、該燃焼ストーカの上流側から下流側にかけて該燃焼ストーカの下部に設けられた複数の風箱と、該複数の風箱の各々に一次空気を供給する複数の一次空気供給管と、該複数の一次空気供給管に各々接続されて一次空気に再循環ガスを混合するための複数の再循環ガス供給管と、前記燃焼ストーカの上流側から下流側にかけて炉の側壁に設けられて焼却物の火炎に向けて前記燃焼ストーカ上で側方からボイラの蒸気を吹込むための複数の蒸気吹込み口と、前記燃焼ストーカ上の局所的燃焼箇所を検出する局所的燃焼箇所検出手段と、該局所的燃焼箇所検出手段によって検出された局所的燃焼箇所を含む風箱に接続された前記一次空気供給管内を流れる一次空気に前記再循環ガス供給管を流れる再循環ガスが所定混合比で混合されるように制御するとともに、検出された局所的燃焼箇所に最も近い前記蒸気吹込み口から蒸気を吹込むように制御する制御手段と、を備えることを特徴とするストーカ式焼却炉。
2. 前記複数の蒸気吹き込み口は、前記燃焼ストーカの上方においてストーカ面に沿うようにして互いに間隔を開けて配置されている、請求項１に記載のストーカ式焼却炉。
3. 前記燃焼ストーカの上流側に設けられた乾燥ストーカと、前記燃焼ストーカの下流側に設けられた後燃焼ストーカとをさらに備え、前記乾燥ストーカおよび後燃焼ストーカの下部に設けられた風箱に設けられた一次空気供給管には再循環ガス供給管が設けられていない請求項１または２に記載のストーカ式焼却炉。
4. 前記制御手段は、蒸気吹込み時以外のときにも、前記局所的燃焼箇所に対して蒸気吹込み時より少ない流量で蒸気を流す、請求項１から３のいずれかに記載のストーカ式焼却炉。
5. 燃焼ストーカ上の局所的燃焼箇所を検出するステップと、検出された局所的燃焼箇所に供給される一次空気に再循環ガスを所定混合比で混合するとともに該局所的燃焼箇所に前記燃焼ストーカ上で側方からボイラの蒸気を吹込むステップと、を含むことを特徴とするストーカ式焼却炉の燃焼方法。
6. 前記ボイラの蒸気を吹込むステップにおいて、前記燃焼ストーカの上方においてストーカ面に沿うようにして互いに間隔を開けて配置された複数の蒸気吹き込み口を介して側方から前記局所的燃焼箇所に蒸気を吹き込む、請求項５に記載のストーカ式焼却炉の燃焼方法。