JP6011295B2 - 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、下流側空間では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、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は（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残る。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、局所的な高温により炉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き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）、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。

特開２００４−８４９８１号公報

廃棄物焼却炉による廃棄物の燃焼において、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に大きく寄与する。特許文献１に記載の廃棄物焼却炉では、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。廃棄物焼却炉に供給される廃棄物の状態によっては、側壁から吹き込まれた高温ガスが、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。

また，廃棄物の焼却処理量が多く、燃焼室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燃焼促進効果や燃焼安定化効果を偏りなく発揮することができない。そのため、低空気比燃焼操業が十分に行えないという問題がある。

本発明は、かかる事情に鑑み、廃棄物焼却炉の燃焼室の大きさにかかわらず、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、燃焼室側壁近傍から中央部までの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。

上記課題を解決するため、本発明の第１の態様は、
火格子式廃棄物焼却炉であって、
火格子を備え、火格子上の廃棄物を燃焼する、高さが３ｍ以下である燃焼室と、
燃焼用一次空気を前記火格子の下から前記燃焼室内に吹込む一次空気吹込み手段と、
高温ガスを前記燃焼室の天井から、前記燃焼室内の燃焼開始領域から主燃焼領域までの間の任意の領域に向かって下向きに吹込む高温ガス吹込み手段と、
二次燃焼用ガスを二次燃焼領域に吹込む二次燃焼用ガス吹込み手段とを備え、
前記高温ガス吹込み手段は、複数の高温ガス吹込口を備え、高温ガスを廃棄物から発生する可燃性ガス及び燃焼ガスの上昇流に対向して吹込み、廃棄物層の直上によどみ領域又は循環領域を形成して平面状燃焼領域を定在させ、平面状燃焼領域の状態を所望の状態にするように燃焼室内の状態に応じて高温ガスの吹込み流速又は吹込み流量を調整することを特徴とする火格子式廃棄物焼却炉を提供する。

本発明の第２の態様は、
火格子式廃棄物焼却炉であって、
火格子を備え、火格子上の廃棄物を燃焼する燃焼室と、
燃焼用一次空気を前記火格子の下から前記燃焼室内に吹き込む一次空気吹込み手段と、
高温ガスを前記燃焼室内の火格子から上方に１〜３ｍ離れた位置から、前記燃焼室内の燃焼開始領域から主燃焼領域までの間の任意の領域に向かって下向きに吹込む高温ガス吹き込み手段と、
二次燃焼用ガスを二次燃焼領域に吹込む二次燃焼用ガス吹込み手段とを備え、
前記高温ガス吹込み手段は、複数の高温ガス吹込口を備え、高温ガスを廃棄物から発生する可燃性ガス及び燃焼ガスの上昇流に対向して吹込み、廃棄物層の直上によどみ領域又は循環領域を形成して平面状燃焼領域を定在させ、平面状燃焼領域の状態を所望の状態にするように燃焼室内の状態に応じて高温ガスの吹込み流速又は吹込み流量を調整することを特徴とする火格子式廃棄物焼却炉を提供する。

以上の本発明の第１及び第２の態様に係る火格子式廃棄物焼却炉において、前記高温ガス吹込み手段は、炉幅方向に複数の高温ガス吹込口を備え、火格子上の廃棄物の状態に応じて、それぞれの高温ガス吹込口の吹込み流速又は吹込み流量を調整することができる。

また、前記火格子式廃棄物焼却炉において、火格子温度又は燃焼室内ガス温度を計測して、燃焼室内の状態又は火格子上の廃棄物の状態を把握する手段と、把握した燃焼室内の状態又は火格子上の廃棄物の状態に応じて高温ガス吹込口の吹込み流速又は吹込み流量を調整する調整手段とを備えることができる。

また、前記高温ガス吹込み手段は、温度が１００〜４００℃の範囲であり、酸素濃度が５〜３０体積％の範囲である高温ガスを吹込むことができる。

更に、前記高温ガス吹込み手段は、高温ガスを、燃焼室内ガス流量を燃焼室内断面積で除した空塔速度の５〜２０倍の流速で吹込むことができる。

更にまた、前記高温ガス吹込み手段は、焼却炉から排出された排ガスの一部を返送した返送排ガス、返送排ガスと空気の混合ガス、空気、酸素を含有するガス及び酸素富化空気のうち少なくとも一つを高温ガスとして供給する高温ガス供給源を備えることができる。

また、二次燃焼領域をその入口近傍に有するボイラが、前記燃焼室の上方に屈曲して連接されることができる。

本発明の第３の態様は、
火格子式廃棄物焼却炉による廃棄物焼却方法であって、
廃棄物を燃焼する燃焼室の高さが３ｍ以下である火格子式廃棄物焼却炉を用い、
燃焼用一次空気を火格子下から前記燃焼室内に吹込み、
高温ガスを前記燃焼室の天井から、前記燃焼室内の燃焼開始領域から主燃焼領域までの間の任意の領域に向かって下向きに吹込み、
二次燃焼用ガスを二次燃焼領域に吹き込み、
高温ガスを複数の高温ガス吹込口から、廃棄物から発生する可燃性ガス及び燃焼ガスの上昇流に対向して吹込み、廃棄物層の直上によどみ領域又は循環領域を形成して平面状燃焼領域を定在させ、平面状燃焼領域の状態を所望の状態にするように燃焼室内の状態に応じて高温ガスの吹込み流速又は吹込み流量を調整することを特徴とする廃棄物焼却方法を提供する。

本発明の第４の態様は、
廃棄物を燃焼する燃焼室を備える火格子式廃棄物焼却炉を用い、
燃焼用一次空気を火格子下から前記燃焼室内に吹込み、
高温ガスを前記燃焼室内の火格子から上方に１〜３ｍ離れた位置から、前記燃焼室内の燃焼開始領域から主燃焼領域までの間の任意の領域に向かって下向きに吹込み、
二次燃焼用ガスを二次燃焼領域に吹き込み、
高温ガスを複数の高温ガス吹込口から、廃棄物から発生する可燃性ガス及び燃焼ガスの上昇流に対向して吹込み、廃棄物層の直上によどみ領域又は循環領域を形成して平面状燃焼領域を定在させ、平面状燃焼領域の状態を所望の状態にするように燃焼室内の状態に応じて高温ガスの吹込み流速又は吹込み流量を調整することを特徴とする廃棄物焼却方法を提供する。

以上の本発明の第３及び第４の態様に係る廃棄物焼却方法において、高温ガスを炉幅方向に備えられた複数の高温ガス吹込口から、火格子上の廃棄物の状態に応じて、それぞれの高温ガス吹込口の吹込み流速又は吹込み流量を調整して吹込むことができる。

また、前記廃棄物焼却方法において、火格子温度又は燃焼室内ガス温度を計測して、燃焼室内の状態又は火格子上の廃棄物の状態を把握し、把握した燃焼室内の状態又は火格子上の廃棄物の状態に応じて高温ガス吹込口の吹込み流速又は吹込み流量を調整して吹込むことができる。

この場合、高温ガスは、温度が１００〜４００℃の範囲であり、酸素濃度が５〜３０体積％の範囲とすることができる。

また、高温ガスを、燃焼室内ガス流量を燃焼室内断面積で除した空塔速度の５〜２０倍の流速で吹込むことができる。

更に、高温ガスは、焼却炉から排出された排ガスの一部を返送した返送排ガス、返送排ガスと空気の混合ガス、空気、酸素を含有するガス及び酸素富化空気のうち少なくとも一つとすることができる。

なお、廃棄物の燃焼に必要な単位時間当りの理論酸素量に対す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の比Ｑ１と、高温ガスにより供給される単位時間当りの酸素量の比Ｑ２と、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の比Ｑ３とが、下記式（１）及び（２）を満足することができる。

式（１）
Ｑ１：Ｑ２：Ｑ３＝０．７５〜１．１０：０．０５〜０．４０：０．１０〜０．４０
式（２）
１．０≦Ｑ１＋Ｑ２＋Ｑ３≦１．５
また、廃棄物の燃焼に必要な単位時間当りの理論酸素量に対す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の比Ｑ１と、高温ガスにより供給される単位時間当りの酸素量の比Ｑ２と、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の比Ｑ３とが、下式（３）及び（４）を満足することができる。

式（３）
Ｑ１：Ｑ２：Ｑ３＝０．８０〜１．００：０．１０〜０．３０：０．１０〜０．３０
式（４）
１．１≦Ｑ１＋Ｑ２＋Ｑ３≦１．３

本発明によれば、廃棄物焼却炉燃焼室の天井に設けた吹込み口から高温ガスを下向きに吹き込み、燃焼室内の状態に応じて高温ガスの吹込み流速又は吹込み流量を調整するので、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対向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、平面状燃焼領域を定在させることができ、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。

さらに、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促進することができるため、火格子に供給する廃棄物量（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における高温ガス吹込み口、二次燃焼用空気吹込み口の配置を示す図である。 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。 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。

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。

まず、焼却炉内の燃焼状態について、図３を参照して、従来の焼却炉と本発明の一態様に係る焼却炉とを比較して説明する。なお、図３（ａ）は、従来の焼却炉（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３（ｂ）は、本発明の一態様に係る焼却炉内の燃焼状態を示す燃焼室幅方向の断面図である。

図３（ａ）に示すように、従来の燃焼炉２０は、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により燃焼するものである。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、燃焼室幅の大きい燃焼炉では、 図３（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、よどみ領域を形成できないため、中央部では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３（ｂ）に示すように、本発明の一態様に係る焼却炉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、対向流場として、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、炉長方向に均一に形成する。これにより、炉幅の大きい燃焼炉でも、均一で安定した燃焼が可能となる。

＜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＞
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き込みにより廃棄物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。

などの作用により、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。

さらに、定在する平面火炎Ｅの輻射などにより廃棄物Ｗの熱分解を促進することができるため、火格子５に供給する廃棄物Ｗの量（火格子負荷）および燃焼室内に供給する廃棄物Ｗ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。

以下、本発明の一実施形態について説明する。
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。

＜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。

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等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という効果が得られる。

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下流側（図１の右側）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、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。

上記乾燥火格子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。

燃焼室２の出口には廃熱ボイラ４が連設され、廃熱ボイラ４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１０となっている。廃熱ボイラの一部である二次燃焼領域１０内で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、廃熱ボイラから排出された燃焼排ガスは、消石灰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。

＜本実施形態に係る廃棄物焼却炉＞
上記の装置が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、
廃棄物を燃焼する燃焼室２の高さが１〜３ｍであり、
燃焼用一次空気を火格子５の下から燃焼室２内に吹込む一次空気吹込み手段と、
高温ガスを燃焼室２の天井から、燃焼室２内の燃焼開始領域から主燃焼領域までの間の任意の領域に向かって下向きに吹込む高温ガス吹込み手段と、
二次燃焼用ガスを二次燃焼領域に吹込む二次燃焼用ガス吹込み手段とを備え、
高温ガス吹込み手段は、複数の高温ガス吹込口を備え、高温ガスを廃棄物から発生する可燃性ガス及び燃焼ガスの上昇流に対向して吹込み、廃棄物層の直上によどみ領域又は循環領域を形成して平面状燃焼領域を定在させ、平面状燃焼領域の状態を所望の状態にするように燃焼室内の状態に応じて高温ガスの吹込み流速又は吹込み流量を調整することを特徴としている。

本実施形態では、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１１が設けられている。

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１２と、燃焼室２へ高温ガスＢを吹込む高温ガス吹込口１３と、高温ガスＢを上記高温ガス供給源から上記高温ガス吹込口へ導く管路１４と、流量調整機構としてのダンパ２５を有している。

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から燃焼火格子５ｂまでの範囲内での火格子直上の任意位置に設けられている。図１の例では、廃棄物の移動方向すなわち燃焼室２の長さ方向で、上記乾燥火格子５ａの下流側位置の火格子直上方と燃焼火格子５ｂの火格子直上方の３列に設けられている。

上記高温ガス吹込口１３は、燃焼室２の幅方向（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。従って、高温ガス吹込口１３は、燃焼室２の長さ方向と幅方向の複数位置に配置される。図２は図１に示す廃棄物焼却炉の主要部の炉壁を省いた斜視図であるが、高温ガス吹込口１３の配置例を示す。即ち、高温ガス吹込口１３は、燃焼開始領域（乾燥火格子５ａの下流側位置の火格子直上方）から主燃焼領域（燃焼火格子５ｂの火格子直上方）にわたって、そして燃焼室の幅方向全域にわたって設けられている。

また、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の向きが定められている。かくして、高温ガスは、乾燥火格子５ａの下流側域と燃焼火格子５ｂの直上に形成される、燃焼開始領域から主燃焼領域に向かって吹き込まれる。

二次燃焼領域１０をその入口近傍に有するボイラ４が、図２に示すように燃焼室２の上方に屈曲して連接される配置としてもよい。このようなボイラ４の形状と配置とすることにより、燃焼室２とボイラ４とからなる焼却炉１の高さを、従来の焼却炉に比べて低くすることができ、焼却設備の費用を低減することができる。

また、焼却炉１は、二次燃焼用ガスをボイラ４の入口近傍に相当する二次燃焼領域１０に吹込む二次燃焼用ガス（二次空気）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１８を経て、二次燃焼領域１０に設けられた二次燃焼用ガス吹込口１５に送り込むようになっており、上記管路１８には、ブロワ１６そして流量調整機構としてのダンパ１７が設けられている。二次燃焼用ガス吹込口１５は、ボイラ４の入口近傍にある二次燃焼領域１０に二次燃焼用ガスＣを吹き込むように、ボイラ４の周壁に設けられている。

なお、上記燃焼用一次空気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。

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、乾燥火格子５ａの上流側範囲には乾燥領域が形成され、乾燥火格子５ａの下流側範囲には燃焼開始領域が形成される。すなわち、乾燥火格子５ａ上の廃棄物は、上流側範囲で乾燥され、下流側範囲で着火して燃焼が開始する。

乾燥火格子５ａから運ばれた燃焼火格子５ｂ上の廃棄物はここで熱分解そして部分酸化が行われ、廃棄物から発生した可燃性ガスと廃棄物中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直上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上に後燃焼領域が形成される。

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、後燃焼火格子５ｃの上方に連接されるボイラ４の入口近傍に相当する二次燃焼領域１０に流入して、ここで二次燃焼用ガスが供給され、二次燃焼する。

＜焼却方法の概要＞
以上のような本実施形態に係る焼却炉は、次の要領で運転され、廃棄物を焼却する。

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の上流側域で乾燥がそして下流側域で着火（燃焼開始）が行われる。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、各火格子５ａ，５ｂ，５ｃの直上空間には、乾燥領域、燃焼開始領域、主燃焼領域そして後燃焼領域がそれぞれ形成される。

既述のごとく、燃焼室２の出口に、廃熱ボイラ４が連設されていて、廃熱ボイラ４の入口近傍が二次燃焼領域１０となっている。したがって、燃焼室２内で発生した可燃性ガスの未燃分である未燃ガスは、二次燃焼領域１０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。

次に、一次燃焼用空気、高温ガス、二次燃焼用ガスの吹き込みについて詳細に説明する。

＜燃焼用一次空気の吹き込み＞
燃焼用一次空気Ａは、ブロワ８から一次燃焼用空気供給管９を通って各乾燥火格子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内に供給される一次燃焼用空気Ａの流量は、一次燃焼用空気供給管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及び一次燃焼用空気Ａを供給するための一次燃焼用空気供給管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、及び循環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。

＜高温ガスの吹き込み＞
＜高温ガス吹き込みの作用効果＞
高温ガスＢは、燃焼室２内の燃焼開始領域から主燃焼領域までの間の任意の領域において，廃棄物層に向かって下向きに吹き込まれる。これは，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である。なお、火格子式廃棄物焼却炉において、可燃性ガスが多く存在する領域は、燃焼開始領域から主燃焼領域までである。

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、部分酸化と燃焼が行われ、可燃性ガスが発生し、火炎を伴って燃焼している領域であり、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。火格子式廃棄物焼却炉では燃焼開始領域は乾燥火格子５ａの上方空間であり、主燃焼領域は燃焼火格子５ｂの上方空間に相当する。

図１において、高温ガス吹込口１３は、燃焼室２内の燃焼開始領域から主燃焼領域に相当する乾燥火格子５ａの上方及び燃焼火格子５ｂの上方において、燃焼室２の天井に設置されている。ここで、廃棄物の熱分解反応は温度が２００℃程度で起こり、温度が４００℃程度となった段階でほぼ完了する。

図１に示す例では、乾燥火格子５ａの下流部及び燃焼火格子５ｂの上方は燃焼開始領域から主燃焼領域に相当するので、これらの位置の上方に高温ガス吹込口１３を設けて高温ガスＢを吹き込んでいる。廃棄物の組成、性状によっては、もっと高い温度で熱分解反応が完了するものがあり、この場合は、図１に示す位置より下流側（図の右側）にも、高温ガス吹込口を設けることが好ましい。

高温ガスＢを燃焼室２内の燃焼開始領域から主燃焼領域までの間の任意の領域に，かつ廃棄物層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の上昇流と対向し、双方のガス流れが衝突し、対向流場となり、廃棄物層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。

このよどみ領域又は循環領域は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安定した燃焼が行われ、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、廃棄物層の直上に平面状燃焼領域が定在するので，この燃焼領域からの熱輻射と顕熱によって廃棄物が加熱され、熱分解・部分酸化が促進される。

＜高温ガス吹込口＞
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から燃焼火格子５ｂの範囲内での火格子直上の任意位置に設けられている。燃焼室２の幅方向と長さ方向との複数の列にそって配置される。高温ガス吹込口１３は、ノズル型でもスリット型でもよい。

高温ガス吹込口１３の配置位置、配置数、配置間隔、吹込み方向、吹込口の形状（吹込まれた高温ガスの広がり形状に関係する）、高温ガスの吹込み流速、吹込み流量などの高温ガス吹込口１３の設定及び操作条件は、廃棄物焼却炉の処理量、容積、形状、廃棄物の性状などに合わせ、平面状燃焼領域の状態を所望の状態にするように、すなわち、平面状燃焼領域が燃焼室内で偏りなく均一で安定的に形成され定在するように設定又は調整される。

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。高温ガスの流れの状況を好ましい状態にするように、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。

高温ガス吹込口１３を燃焼室２の天井に設けることの他に、火格子から１〜３ｍの範囲に設けてもよい。

高温ガス吹込口１３の高さ位置を、燃焼開始領域から主燃焼領域の各領域において、火格子から１〜３ｍの範囲になるようにすることにより、燃焼室２内の廃棄物層直上において、高温ガス吹込口１３から吹き込まれた高温ガスＢと、廃棄物層から発生する可燃性ガスと燃焼ガスの上昇流によって対向流場が生成され、廃棄物層直上に平面状燃焼領域を定在させることができ、廃棄物の燃焼を安定して行うことができる。

高温ガス吹込口１３を火格子から１〜３ｍの範囲に設けるには、燃焼室２内に複数の高温ガス吹込口１３と吹込口１３に高温ガスを供給する管を備えた高温ガス吹込部材を配置するようにする。

図１においては、燃焼室２の天井に高温ガス吹込口１３を設け、ここ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。

＜高温ガスの調製＞
高温ガス吹込口１３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。

前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１０から下流側での排ガスの一部を返送した返送排ガス、返送排ガスと空気の混合ガス、空気、酸素を含有するガス及び酸素富化空気のうち少なくとも一つを用いることが好適である。返送排ガスは、廃棄物焼却炉から排出される排ガスを除塵、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ものである。返送排ガス、返送排ガスと空気の混合ガス、空気、酸素を含有するガス及び酸素富化空気のうち少なくとも一つ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主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、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。

＜高温ガス吹込み流速、吹込み流量＞
高温ガス吹込口１３から吹き込まれる高温ガスＢは、５〜２０ｍ／ｓ程度の吹き込み速度で燃焼室２内の燃焼開始領域から主燃焼領域までの間の任意の領域に吹き込むことが好ましい。５〜２０ｍ／ｓの吹き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、燃焼室内ガス流れによる影響を受けずに、上記対向流場を形成し、よどみ領域又は循環領域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の吹込み流速は、高温ガスＢの吹き込み流量を調整することにより、例えば、高温ガスＢを送るブロワの送風量や流量調整ダンパの開度を調整することなどにより調整される。

＜高温ガス吹込み流速、吹込み流量の調整−吹込口毎の調整＞
高温ガス吹込口１３が複数ある場合，高温ガスＢは各高温ガス吹込口１３から必ずしも等流速で吹き込まれる必要はなく，焼却炉の規模、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からの吹き込み流速は異なるように適宜変更され得る。

図４は本発明の一態様に係る焼却炉１内の燃焼状態を示す燃焼室幅方向の断面図である。廃棄物Ｗが火格子５上に幅方向で均等に堆積していない場合（例えば、図４に示すように左側の火格子５上の廃棄物Ｗの層厚さが厚い場合）、あるいは、堆積している廃棄物Ｗの種類や水分率が異なり廃棄物Ｗの発熱量が幅方向で均一でなく偏っている場合には、廃棄物Ｗの熱分解によって発生する可燃性ガスの発生量や組成が燃焼室内の場所によって不均一になり、高温ガスＢを複数の高温ガス吹込口１３から等流速又は等流量で吹き込むと、高温ガスと可燃性ガス等の上昇流との対向流場が燃焼室幅方向で均一に形成されず、よどみ領域又は循環領域が安定して形成されないため安定した燃焼が行われない可能性がある。

そこで、本実施の形態では、燃焼室幅方向に沿って異なる複数の位置、図４中では２つの位置の高温ガス吹込口１３ａ、１３ｂにそれぞれ連結された個別の高温ガス供給管路１４にそれぞれ個別に流量の調整が可能なダンパ２６ａ、２６ｂを設けている。さらに、燃焼室幅方向に沿って複数位置の火格子温度又は燃焼室内ガス温度を計測し、火格子５上の廃棄物Ｗの状態を把握し、把握した火格子５上の廃棄物Ｗの状態に応じて、対応する位置の高温ガス吹込口１３ａ、１３ｂに連結されるダンパ２６ａ、２６ｂの開度を調整することで、高温ガス吹込口１３ａまたは１３ｂからの高温ガス吹込流速又は吹込流量をそれぞれ個別に調整する。これにより、燃焼室幅方向に沿って火格子５上の廃棄物Ｗの状態に応じて、２つの位置の高温ガス吹込口１３ａ、１３ｂからの高温ガス吹込流速又は吹込流量を個別に調整することにより、安定した燃焼を行う。

例えば、堆積廃棄物Ｗの量が多い場合や廃棄物Ｗの発熱量が高い場合には、発生する可燃性ガスの発生量が多くなり可燃性ガスの燃焼によって生じる燃焼カロリーが高くなり、火格子温度や燃焼室内ガス温度が上昇する。そして、図４に示すように、左側の火格子上の廃棄物Ｗの層厚さが厚く、可燃性ガスの発生量が多く燃焼室内ガス温度が８００〜９００℃と他の領域（図４中で右側の火格子上の廃棄物Ｗの領域）の７００〜８００℃に比べて高くなる場合には、対応する位置の高温ガス吹込口１３ａからの高温ガス吹込流量を他の高温ガス吹込口１３ｂからの高温ガス吹込流量の１．２〜１．５倍の流量に増加するようにダンパ２６ａの開度を調整して、増大した可燃性ガス等の上昇流に対して、十分にバランスのとれる流量の高温ガスを吹き込み、よどみ領域又は循環領域を燃焼室内で均一に安定して形成し、平面状燃焼領域（平面火炎）Ｅを定在させ安定した燃焼を行う。

このようにすることにより、廃棄物Ｗの状態が変動しても燃焼室内で安定した燃焼を維持することができる。

＜燃焼室内状態に応じた高温ガス吹込流速、吹込み流量の調整＞
燃焼室内の状態の変動に応じて高温ガス吹込み流速又は吹込み流量を調整することが好ましい。燃焼室２に供給する廃棄物の量や種類が変動することにより、廃棄物から発生する可燃性ガスと燃焼ガスの発生量や組成が変動するが、この変動に対応して、廃棄物層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の吹込み流速又は吹込み流量を調整することが好ましい。

燃焼室内の状態を把握するには、火格子温度、燃焼室内ガス温度を計測して変動を検知する。また、可燃性ガスの燃焼状態が変化すると、燃焼排ガス中のＣＯ濃度、酸素濃度などが変動するため、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、その変化を検知することにより燃焼室内の状態を把握し、その状態に対応して、高温ガスＢの吹込み流速又は吹込み流量を調整するようにしてもよい。

上記のような高温ガス吹き込みにより、炉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、低空気比燃焼でも安定した燃焼が行われ、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、焼却炉全体に吹き込む空気の量を減少させ、低空気比燃焼を問題なく行うことができる。

＜二次燃焼用ガスの吹き込み＞
二次燃焼用ガスが二次燃焼領域１０に吹き込まれ、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（循環排ガス）のみ、又は前記燃焼用二次空気と循環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。

前記二次燃焼用ガスの吹込口１５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を二次燃焼領域内に旋回流が生じる方向に吹込むことにより、二次燃焼領域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。

前記二次燃焼領域内のガス温度が、８００〜１０５０℃の範囲となるように、前記二次燃焼用ガスの流量を調整することが好ましい。二次燃焼領域内のガス温度が８００℃未満となると燃焼が不十分となり、ＣＯが増加する。また、二次燃焼領域内のガス温度が１０５０℃を超えると二次燃焼領域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＞
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空気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に対する、火格子下から燃焼室内に吹込まれる燃焼用一次空気Ａにより供給される単位時間当りの酸素量の比Ｑ１と、燃焼室内の燃焼開始領域から主燃焼領域までの間の任意の領域に吹込まれる高温ガスＢにより供給される単位時間当りの酸素量の比Ｑ２と、二次燃焼領域に吹込まれる二次燃焼用ガスＣにより供給される単位時間当りの酸素量の比Ｑ３とは、下記式（１）及び（２）、より好ましくは下記式（３）及び（４）を満足するように、それぞれのガスを吹込むことが好ましい。下記式（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以下のより低い低空気比での燃焼を実現できる。

式（１）
Ｑ１：Ｑ２：Ｑ３＝０．７５〜１．１０：０．０５〜０．４０：０．１０〜０．４０
式（２）
１．０≦Ｑ１＋Ｑ２＋Ｑ３≦１．５
式（３）
Ｑ１：Ｑ２：Ｑ３＝０．８０〜１．００：０．１０〜０．３０：０．１０〜０．３０
式（４）
１．１≦Ｑ１＋Ｑ２＋Ｑ３≦１．３
ここで、前記廃棄物の燃焼に必要な単位時間当りの理論酸素量は、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、前記Ｑ１は、火格子５の下から燃焼室２内に供給される一次燃焼用空気Ａにより供給される単位時間当りの酸素量の比であり、前記一次燃焼用空気Ａの流量を増減させることにより調整する。また、Ｑ２は、燃焼室２内の燃焼開始領域から主燃焼領域までの間の任意の領域に吹込まれる高温ガスＢの流量を増減させることにより調整される。また、Ｑ３は、二次燃焼領域に吹込まれる二次燃焼用ガスＣ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。

前記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。

＜より低い低空気比（空気比１．３以下）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、より低い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。

Ｑ１、Ｑ２、Ｑ３、λの具体例を以下に記載する。

Ｑ１：Ｑ２：Ｑ３＝０．９０：０．０５：０．２５、λ＝１．２０
Ｑ１：Ｑ２：Ｑ３＝０．９０：０．１０：０．２０、λ＝１．２０
Ｑ１：Ｑ２：Ｑ３＝０．９０：０．２０：０．１０、λ＝１．２０
Ｑ１：Ｑ２：Ｑ３＝０．９０：０．２５：０．０５、λ＝１．２０
Ｑ１：Ｑ２：Ｑ３＝１．００：０．０５：０．１５、λ＝１．２０
Ｑ１：Ｑ２：Ｑ３＝１．００：０．１０：０．１０、λ＝１．２０
Ｑ１：Ｑ２：Ｑ３＝１．００：０．１５：０．０５、λ＝１．２０
Ｑ１：Ｑ２：Ｑ３＝０．８５：０．１０：０．２５、λ＝１．２０
Ｑ１：Ｑ２：Ｑ３＝０．８５：０．２０：０．１５、λ＝１．２０
Ｑ１：Ｑ２：Ｑ３＝０．８０：０．１５：０．２５、λ＝１．２０
Ｑ１：Ｑ２：Ｑ３＝０．８０：０．２０：０．２０、λ＝１．２０
Ｑ１：Ｑ２：Ｑ３＝０．７５：０．２０：０．２０、λ＝１．１５
Ｑ１：Ｑ２：Ｑ３＝０．８０：０．１５：０．２０、λ＝１．１５
Ｑ１：Ｑ２：Ｑ３＝０．８０：０．１０：０．２０、λ＝１．１０
Ｑ１：Ｑ２：Ｑ３＝０．８０：０．１５：０．１５、λ＝１．１０
Ｑ１：Ｑ２：Ｑ３＝０．８５：０．２０：０．２５、λ＝１．３０
Ｑ１：Ｑ２：Ｑ３＝０．９０：０．１５：０．２５、λ＝１．３０
Ｑ１：Ｑ２：Ｑ３＝１．００：０．１０：０．２０、λ＝１．３０
以下、Ｑ１、Ｑ２、Ｑ３の調整基準について説明する。

［燃焼用一次空気の比率Ｑ１の調整基準］
通常の都市ごみ等の廃棄物を乾燥させ、燃焼させるには、Ｑ１は０．９０を基準とし、灰分の少ない廃棄物や水分の少ない廃棄物、例えばプラスチック等を燃焼する際には、Ｑ１を０．７５〜０．８５程度に減らし、その代わりに高温ガスの比率Ｑ２を増加させる。

［高温ガスの比率Ｑ２の調整基準］
通常の都市ごみ等の廃棄物を燃焼させるには、Ｑ２は０．１５を基準とし、灰分や水分が少なく可燃分が大部分である廃棄物、例えばプラスチック等、或いは、揮発分の大きい廃棄物を燃焼させる場合には、Ｑ２を０．２０〜０．２５程度に増加させる。Ｑ２が少ないと、上述の高温ガス吹込みの効果が十分に得られないため、ＣＯが増加する。なお、上記範囲を超えてＱ２を増加させると、低空気比燃焼が達成できず、高温ガスを調製するための燃料代などが嵩むと共に、燃焼室内の温度が過大となり、内壁にクリンカが生成したり、ＮＯｘが増加するなどの問題が生じるので好ましくない。

［二次燃焼用ガスの比率Ｑ３の調整基準］
まず、廃棄物焼却炉の標準操業基準として、上記基準に基づき、廃棄物の組成や性状等を考慮してＱ１及びＱ２を決定し、次いでＱ３の標準値を設定する。Ｑ３は、０．１５を基準とし、０．１０〜０．４０の範囲で調整する。

Ｑ３の値を調整することで二次燃焼領域内での燃焼状態を調整する。

廃棄物焼却炉の実際の操業では標準操業基準で操業していても、焼却炉内の燃焼状況が変化し、排出される排ガス中の有害物質量が変動することがある。そこで、前記決定したＱ１及びＱ２の値は維持したまま、廃棄物焼却炉内の状況を監視する因子に基づいてＱ３を増減するように調節する。このような燃焼制御方法をとることにより、焼却炉内の燃焼状況が変化しても、燃焼を安定して行うように調整でき、最終的に廃棄物焼却炉から排出される排ガス中の有害物質量を制御しやすくなり、さらに、焼却炉の燃焼制御系を簡単にすることができる。

ここで、前記廃棄物焼却炉内の状況を監視する因子としては、例えば、燃焼室から排出される未燃ガスの二次燃焼を行う二次燃焼領域出口近傍又はボイラ出口における、排ガス温度、排ガス中の酸素濃度、ＣＯ濃度、ＮＯｘ濃度のいずれか一つ以上とすることが好ましい。

計測手段は、下記の通りである。
ガス温度：温度センサ（熱電対、放射温度計）
ガス中Ｏ_２濃度：酸素濃度計
ガス中ＣＯ濃度：ＣＯ濃度計
ガス中ＮＯｘ濃度：ＮＯｘ濃度計
以上説明したように、本発明によれば、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、局所高温領域の発生が抑制され、ＣＯやＮＯｘ等の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することの可能な廃棄物焼却炉及び廃棄物焼却方法が提供される。

特許文献１に示す従来型高温ガス吹き込み焼却炉（比較例）と、本実施形態の焼却炉（実施例）を用いて、焼却量１２０ｔ／日規模で廃棄物を焼却するプロセスの燃焼シュミレーションを行い、排ガス中ＮＯｘ濃度とＣＯ濃度を比較した。

その結果を下記表１に示す。

上記表１から、実施例では、炉容積を比較例に対して１／２程度にでき、空気比をより低くして燃焼操業することができ、ＣＯやＮＯｘ等の有害ガスの発生量を低減できることを確認した。

Claims (15)

1. 火格子式廃棄物焼却炉であって、
   火格子を備え、火格子上の廃棄物を燃焼する燃焼室と、
   燃焼用一次空気を前記火格子の下から前記燃焼室内に吹込む一次空気吹込み手段と、
   高温ガスを前記燃焼室の天井から、前記燃焼室内の燃焼開始領域から主燃焼領域までの間の任意の領域に向かって下向きに吹込む高温ガス吹込み手段と、
   二次燃焼用ガスを二次燃焼領域に吹込む二次燃焼用ガス吹込み手段とを備え、
   前記高温ガス吹込み手段は、複数の高温ガス吹込口を備え、高温ガスを廃棄物から発生する可燃性ガス及び燃焼ガスの上昇流に対向して吹込み、廃棄物層の直上によどみ領域又は循環領域を形成して平面状燃焼領域を定在させ、
   さらに、燃焼室から排出される排ガス中のＣＯ濃度又は酸素濃度を計測しその変化を検知して燃焼室内の状態を把握する手段と、把握した燃焼室内の状態に対応して廃棄物層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の吹込み流速又は吹込み流量を調整する調整手段とを備え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、火格子上の廃棄物を燃焼する燃焼室と、
   燃焼用一次空気を前記火格子の下から前記燃焼室内に吹き込む一次空気吹込み手段と、
   高温ガスを前記燃焼室の天井から、前記燃焼室内の燃焼開始領域から主燃焼領域までの間の任意の領域に向かって下向きに吹込む高温ガス吹込み手段と、
   二次燃焼用ガスを二次燃焼領域に吹込む二次燃焼用ガス吹込み手段とを備え、
   前記高温ガス吹込み手段は、炉幅方向に複数の高温ガス吹込口を備え、高温ガスを廃棄物から発生する可燃性ガス及び燃焼ガスの上昇流に対向して吹込み、廃棄物層の直上によどみ領域又は循環領域を形成して平面状燃焼領域を定在させ、
   さらに、炉幅方向に沿って複数位置の火格子温度又は燃焼室内ガス温度を計測して、火格子上の廃棄物の状態を把握する手段と、
   把握した火格子上の廃棄物の状態に応じて、火格子温度又は燃焼室内ガス温度を計測する位置に対応する位置の高温ガス吹込口の吹込み流速又は吹込み流量をそれぞれ個別に調整する調整手段とを備え、
   前記調整手段は、計測された火格子温度又は燃焼室内ガス温度が他の領域に比べて高い領域が生じるとき、火格子温度又は燃焼室内ガス温度が高くなっている計測位置に対応する位置の高温ガス吹込口の吹込み流速又は吹込み流量を増加して、廃棄物から発生する可燃性ガス及び燃焼ガスの増大した上昇流に対して十分にバランスのとれる高温ガスを吹き込み、よどみ領域又は循環領域を燃焼室幅方向で均一に安定して形成し、廃棄物層の直上に平面状燃焼領域を定在させるように調整することを特徴とする火格子式廃棄物焼却炉。
3. 火格子式廃棄物焼却炉であって、
   火格子を備え、火格子上の廃棄物を燃焼する燃焼室と、
   燃焼用一次空気を前記火格子の下から前記燃焼室内に吹込む一次空気吹込み手段と、
   高温ガスを前記燃焼室の天井から、前記燃焼室内の燃焼開始領域から主燃焼領域までの間の任意の領域に向かって下向きに吹込む高温ガス吹込み手段と、
   二次燃焼用ガスを二次燃焼領域に吹込む二次燃焼用ガス吹込み手段とを備え、
   前記高温ガス吹込み手段は、炉幅方向に複数の高温ガス吹込口を備え、高温ガスを廃棄物から発生する可燃性ガス及び燃焼ガスの上昇流に対向して吹込み、廃棄物層の直上によどみ領域又は循環領域を形成して平面状燃焼領域を定在させ、
   さらに、炉幅方向に沿って複数位置の火格子温度又は燃焼室内ガス温度を計測して、廃棄物が火格子上に幅方向で均等に堆積していない不均等堆積状態又は火格子上に堆積している廃棄物の種類や水分率が幅方向で異なり廃棄物の発熱量が火格子上の幅方向で均一でなく偏っている廃棄物発熱量の不均一状態を把握する手段と、
   把握した火格子上の廃棄物不均等堆積状態又は廃棄物発熱量の不均一状態に応じて、火格子温度又は燃焼室内ガス温度を計測する位置に対応する位置の高温ガス吹込口の吹込み流速又は吹込み流量をそれぞれ個別に調整する調整手段とを備え、
   前記調整手段は、計測された火格子温度又は燃焼室内ガス温度が他の領域に比べて高い領域が生じるとき、火格子温度又は燃焼室内ガス温度が高くなっている計測位置に対応する位置の高温ガス吹込口の吹込み流速又は吹込み流量を増加して、廃棄物から発生する可燃性ガス及び燃焼ガスの増大した上昇流に対して十分にバランスのとれる高温ガスを吹き込み、よどみ領域又は循環領域を燃焼室幅方向で均一に安定して形成し、廃棄物層の直上に平面状燃焼領域を定在させるように調整することを特徴とする火格子式廃棄物焼却炉。
4. 前記高温ガス吹込み手段は、温度が１００〜４００℃の範囲であり、酸素濃度が５〜３０体積％の範囲である高温ガスを吹込むことを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の火格子式廃棄物焼却炉。
5. 前記高温ガス吹込み手段は、高温ガスを、燃焼室内ガス流量を燃焼室内断面積で除した空塔速度の５〜２０倍の流速で吹込むことを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の火格子式廃棄物焼却炉。
6. 前記高温ガス吹込み手段は、焼却炉から排出された排ガスの一部を返送した返送排ガス、返送排ガスと空気の混合ガス、空気、酸素を含有するガス及び酸素富化空気のうち少なくとも一つを高温ガスとして供給する高温ガス供給源を備えることを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の火格子式廃棄物焼却炉。
7. 二次燃焼領域をその入口近傍に有するボイラが、前記燃焼室の上方に屈曲して連接されることを特徴とする請求項１乃至６のいずれかに記載の火格子式廃棄物焼却炉。
8. 廃棄物を燃焼する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前記燃焼室内に吹込み、
   高温ガスを前記燃焼室の天井から、前記燃焼室内の燃焼開始領域から主燃焼領域までの間の任意の領域に向かって下向きに吹込み、
   二次燃焼用ガスを二次燃焼領域に吹き込み、
   高温ガスを複数の高温ガス吹込口から、廃棄物から発生する可燃性ガス及び燃焼ガスの上昇流に対向して吹込み、廃棄物層の直上によどみ領域又は循環領域を形成して平面状燃焼領域を定在させ、
   燃焼室から排出される排ガス中のＣＯ濃度又は酸素濃度を計測しその変化を検知して燃焼室内の状態を把握し、把握した燃焼室内の状態に対応して廃棄物層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の吹込み流速又は吹込み流量を調整することを特徴とする廃棄物焼却方法。
9. 廃棄物を燃焼する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前記燃焼室内に吹込み、
   高温ガスを前記燃焼室の天井から、前記燃焼室内の燃焼開始領域から主燃焼領域までの間の任意の領域に向かって下向きに吹込み、
   二次燃焼用ガスを二次燃焼領域に吹き込み、
   高温ガスを炉幅方向に備えられた複数の高温ガス吹込口から、廃棄物から発生する可燃性ガス及び燃焼ガスの上昇流に対向して吹込み、廃棄物層の直上によどみ領域又は循環領域を形成して平面状燃焼領域を定在させ、
   炉幅方向に沿って複数位置の火格子温度又は燃焼室内ガス温度を計測して、火格子上の廃棄物の状態を把握し、
   把握した火格子上の廃棄物の状態に応じて、火格子温度又は燃焼室内ガス温度を計測する位置に対応する位置の高温ガス吹込口の吹込み流速又は吹込み流量をそれぞれ個別に調整する調整工程を有し、
   前記調整工程は、計測された火格子温度又は燃焼室内ガス温度が他の領域に比べて高い領域が生じるとき、火格子温度又は燃焼室内ガス温度が高くなっている計測位置に対応する位置の高温ガス吹込口の吹込み流速又は吹込み流量を増加して、廃棄物から発生する可燃性ガス及び燃焼ガスの増大した上昇流に対して十分にバランスのとれる高温ガスを吹き込み、よどみ領域又は循環領域を燃焼室幅方向で均一に安定して形成し、廃棄物層の直上に平面状燃焼領域を定在させるように調整することを特徴とする廃棄物焼却方法。
10. 廃棄物を燃焼する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前記燃焼室内に吹込み、
    高温ガスを前記燃焼室の天井から、前記燃焼室内の燃焼開始領域から主燃焼領域までの間の任意の領域に向かって下向きに吹込み、
    二次燃焼用ガスを二次燃焼領域に吹き込み、
    高温ガスを炉幅方向に備えられた複数の高温ガス吹込口から、廃棄物から発生する可燃性ガス及び燃焼ガスの上昇流に対向して吹込み、廃棄物層の直上によどみ領域又は循環領域を形成して平面状燃焼領域を定在させ、
    炉幅方向に沿って複数位置の火格子温度又は燃焼室内ガス温度を計測して、廃棄物が火格子上に幅方向で均等に堆積していない不均等堆積状態又は火格子上に堆積している廃棄物の種類や水分率が異なり廃棄物の発熱量が火格子上の幅方向で均一でなく偏っている廃棄物発熱量の不均一状態を把握し、
    把握した火格子上の廃棄物不均等堆積状態又は廃棄物発熱量の不均一状態に応じて、火格子温度又は燃焼室内ガス温度を計測する位置に対応する位置の高温ガス吹込口の吹込み流速又は吹込み流量をそれぞれ個別に調整する調整工程を有し、
    前記調整工程は、計測された火格子温度又は燃焼室内ガス温度が他の領域に比べて高い領域が生じるとき、火格子温度又は燃焼室内ガス温度が高くなっている計測位置に対応する位置の高温ガス吹込口の吹込み流速又は吹込み流量を増加して、廃棄物から発生する可燃性ガス及び燃焼ガスの増大した上昇流に対して十分にバランスのとれる高温ガスを吹き込み、よどみ領域又は循環領域を燃焼室幅方向で均一に安定して形成し、廃棄物層の直上に平面状燃焼領域を定在させるように調整することを特徴とする廃棄物焼却方法。
11. 高温ガスは、温度が１００〜４００℃の範囲であり、酸素濃度が５〜３０体積％の範囲であることを特徴とする請求項８乃至１０のいずれかに記載の廃棄物焼却方法。
12. 高温ガスを、燃焼室内ガス流量を燃焼室内断面積で除した空塔速度の５〜２０倍の流速で吹込むことを特徴とする請求項８乃至１１のいずれかに記載の廃棄物焼却方法。
13. 高温ガスは、焼却炉から排出された排ガスの一部を返送した返送排ガス、返送排ガスと空気の混合ガス、空気、酸素を含有するガス及び酸素富化空気のうち少なくとも一つであることを特徴とする請求項８乃至１２のいずれかに記載の廃棄物焼却方法。
14. 廃棄物の燃焼に必要な単位時間当りの理論酸素量に対す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の比Ｑ１と、
    高温ガスにより供給される単位時間当りの酸素量の比Ｑ２と、
    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の比Ｑ３とが、
    下記式（１）及び（２）を満足することを特徴とする請求項８乃至１３のいずれかに記載の廃棄物焼却方法。
    式（１）
    Ｑ１：Ｑ２：Ｑ３＝０．７５〜１．１０：０．０５〜０．４０：０．１０〜０．４０
    式（２）
    １．０≦Ｑ１＋Ｑ２＋Ｑ３≦１．５
15. 廃棄物の燃焼に必要な単位時間当りの理論酸素量に対す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の比Ｑ１と、
    高温ガスにより供給される単位時間当りの酸素量の比Ｑ２と、
    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の比Ｑ３とが、
    下式（３）及び（４）を満足することを特徴とする請求項８乃至１３のいずれかに記載の廃棄物焼却方法。
    式（３）
    Ｑ１：Ｑ２：Ｑ３＝０．８０〜１．００：０．１０〜０．３０：０．１０〜０．３０
    式（４）
    １．１≦Ｑ１＋Ｑ２＋Ｑ３≦１．３

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