JP6030913B2 - ストーカ式焼却炉 - Google Patents

Description

本発明は、ごみなどの廃棄物を焼却するストーカ式焼却炉に関する。

一般的に、ストーカ式焼却炉では、ホッパーに投入された廃棄物が給じん装置により燃焼室内に送り込まれ、燃焼室内では廃棄物がストーカにより搬送されながらストーカ越しに供給される一次空気およびストーカの上方で供給される二次空気と共に燃焼される。また、ストーカ式焼却炉は燃焼室から排出される排ガスから熱を回収するボイラを含み、ボイラを通過した排ガスは無害化処理された後に大気中へ放出される。

このようなストーカ式焼却炉では、設備のコンパクト化およびボイラでの熱回収の高効率化の観点から、排ガス量を低減させることが望まれる。排ガス量を低減させるには、ごみの燃焼に必要な理論空気量に対する一次空気量と二次空気量の合計の比、いわゆる空気比を小さくすることが有効である。従来のストーカ式焼却炉では空気比が１．７〜１．９程度であるが、近年では空気比を１．３程度と小さくする技術が開発されてきている。

例えば、特許文献１には、ボイラを通過した排ガスの一部を燃焼室に戻すように構成されたストーカ式焼却炉が開示されている。特許文献１には、低空気比での燃焼には炉出口での排ガス中の酸素濃度を正確に把握して酸素供給量および燃焼速度を制御することが重要であることが記載されている。しかし、従来の酸素濃度計はダスト環境下で使用することが困難であり、かつその応答速度が遅いために、特許文献１に開示されたストーカ式焼却炉は、ボイラに設けた複数の温度検出器を使用することにより酸素濃度の測定を不要とした制御を可能にしている。

具体的には、設計上のガス燃焼完了位置に基準温度検出器を配置するとともに、ガスの流れ方向において基準温度検出器の上流側および下流側にそれぞれ温度検出器を配置する。そして、下流側温度検出器の計測値が基準温度検出器の計測値とほぼ等しいかそれよりも大きい場合は、ガス燃焼完了位置が設計位置よりもガス流れの下流側にあると判断して、二次空気量を増やすとともに給じん速度を下げる。一方、上流側温度検出器の計測値が基準温度検出器の計測値よりも十分に大きい場合は、ガス燃焼完了位置が設計位置よりもガス流れの上流側にあると判断して、二次空気量を減らすとともに給じん速度を上げる。また、特許文献１には、温度検出器として応答速度が５秒以下のガス温度計を用いることが望ましいことが記載されている。

特開２００５−３０８３６２号公報

しかしながら、ボイラ内を流れる排ガスの温度は当該排ガス中の酸素濃度と完全に一致して変動するわけではない。従って、温度検出器の測定値に基づいた制御では、二次空気量を精密に調整することができず、空気比をあまり下げることができない。一方で、ボイラよりも下流側に酸素濃度計を設置し、この酸素濃度計により測定される排ガス中の酸素濃度に基づいて二次空気量を制御した場合には、排ガスが測定位置まで到達するのにかかる時間が応答遅れとなるため、その応答遅れ時間分だけ余裕を見て空気比を決定する必要がある。

そこで、本発明は、燃焼状態を悪化させることなく従来よりも空気比を下げることができるストーカ式焼却炉を提供することを目的とする。

前記課題を解決するために、本発明のストーカ式焼却炉は、廃棄物を供給側から排出側に移動させるストーカと、前記廃棄物の流れと同方向の燃焼ガスの流れを形成するように前記ストーカに沿って延び、前記ストーカ越しに一次空気が供給されるとともに前記ストーカの上方で二次空気が供給される主燃焼室と、前記主燃焼室から流出する排ガスを前記燃焼ガスに対して反転させるとともに前記排ガスの燃焼を完結させる再燃焼室と、前記再燃焼室と連続する放射室を含むボイラと、前記ボイラを通過した前記排ガスの一部を前記主燃焼室に戻す循環路と、前記主燃焼室に供給される前記二次空気の量を調整する二次空気調整装置と、前記再燃焼室または前記放射室に設けられた、前記排ガス中の酸素濃度を測定する酸素濃度計と、前記酸素濃度計の測定値に基づいて前記二次空気調整装置を制御する制御装置と、を備える。

上記の構成によれば、主燃焼室に隣接する再燃焼室またはこれと連続する放射室に酸素濃度計が設けられているので、二次空気量を調整する際の応答遅れを短くすることができる。これにより、測定された酸素濃度に基づいて二次空気量を精密に調整することができるため、燃焼状態を悪化させることなく空気比を可能な限り小さくすることができる。しかも、主燃焼室は廃棄物と燃焼ガスが同方向に流れるいわゆる並行流が形成されるように構成されているので、燃焼ガスからの輻射熱により廃棄物の乾燥および熱分解が効率よく行われるとともに、循環路から主燃焼室に戻される排ガス（循環ガス）によって燃焼ガスが撹拌され、さらに主燃焼室から再燃焼室にかけての燃焼ガスに対する排ガスの反転によって燃焼ガスと循環ガスの混合物である排ガスが撹拌される。その結果、再燃焼室での排ガスの燃焼が主燃焼室に近い位置で完結する。従って、酸素濃度計が再燃焼室または放射室に設けてられていても、燃焼完結後の排ガス中の酸素濃度を測定することができる。

前記酸素濃度計は、応答速度が５秒以下のものであることが望ましい。例えば、前記酸素濃度計は、レーザ式ガス分析計である。

前記酸素濃度計は、前記排ガスが前記再燃焼室に流入してから当該酸素濃度計に到達するまでの時間が２秒以上となる位置に配置されてもよい。この構成によれば、酸素濃度計が配置される位置での酸素濃度を安定させることができ、酸素濃度を高精度に測定することができる。

前記制御装置は、前記酸素濃度計の測定値から、サンプリング時間を１０秒〜１分として前記酸素濃度の移動平均値を算出し、算出した前記移動平均値が第１設定値を上回ったときに前記二次空気量が減少するように前記二次空気調整装置を操作し、算出した前記移動平均値が前記第１設定値よりも低い第２設定値を下回ったときに前記二次空気量が増大するように前記二次空気調整装置を操作してもよい。この構成によれば、二次空気量をスムーズに変化させながら排ガス中の酸素濃度の変動幅を規制することができる。

前記ストーカは、上流側から下流側に並ぶ乾燥段、燃焼段および後燃焼段を含み、上記のストーカ式焼却炉は、前記乾燥段、前記燃焼段および前記後燃焼段に別々に前記一次空気を導く一次空気流路と、前記後燃焼段に導かれる前記一次空気の量を調整する後燃焼段用一次空気調整装置と、をさらに備え、前記制御装置は、算出した前記移動平均値が前記第１設定値を上回ったときに前記後燃焼段に導かれる一次空気量が減少するように、あるいは算出した前記移動平均値が前記第２設定値を下回ったときに前記後燃焼段に導かれる一次空気量が増加するように、前記後燃焼段用一次空気調整装置も操作してもよい。この構成によれば、一次空気量を減少（あるいは増加）させるときに、乾燥段および燃焼段に導かれる一次空気量は変更せずに後燃焼段に導かれる一次空気量のみを減少（あるいは増加）させることにより、廃棄物の燃焼を妨げることなく排ガス中の酸素濃度を迅速に低下（あるいは上昇）させることができる。

上記のストーカ式焼却炉は、前記ストーカ上に廃棄物を送り込む、所定のインターバルで間欠的に駆動する給じん装置をさらに備え、前記制御装置は、算出した前記移動平均値が前記第２設定値よりも低い第３設定値を下回っている期間は、前記給じん装置の駆動を禁止してもよい。この構成によれば、給じん装置による廃棄物の投入時に酸素不足となることを防ぐことができる。

前記ストーカは、所定のインターバルで一定の動作を繰り返すように構成されており、前記制御装置は、算出した前記移動平均値が前記第２設定値よりも低い第３設定値を下回っている期間は、前記ストーカの駆動を禁止してもよい。この構成によれば、ストーカの駆動による燃焼促進時に酸素不足となることを防ぐことができる。

本発明によれば、燃焼状態を悪化させることなく従来よりも空気比を下げて排ガス量を低減することができる。

本発明の一実施形態に係るストーカ式焼却炉の概略構成を示す図 酸素濃度計の一例であるレーザ式ガス分析計を示す図 ジルコニアセンサを用いた酸素濃度計を示す図 本実施形態および従来技術における酸素濃度の時間平均値の経時的変化を示すグラフ

以下、図面を参照して、本発明の実施形態を説明する。

図１に、本発明の一実施形態に係るストーカ式焼却炉１を示す。この焼却炉１は、廃棄物を燃焼させる燃焼炉２と、燃焼炉２から排出される排ガスによって水蒸気を生成するボイラ３を備えている。燃焼炉２の前工程側には、ホッパー１１および給じん装置１２が配置されており、ボイラ３の後工程側には、エコノマイザ１３、集塵機１４、誘引送風機１５および煙突１６が配置されている。また、焼却炉１は、全ての機器を総合的に制御する制御装置９（図１では一部の信号線のみを図示）を備えている。

ホッパー１１には、図略のピットに貯められた廃棄物が図略のクレーンにより投入される。給じん装置１２は、所定のインターバル（例えば、０．５〜３分）で間欠的に駆動することにより、ホッパー１１に投入された廃棄物を燃焼炉２内に送り込む。

燃焼炉２は、廃棄物を搬送するストーカ４と、ストーカ４に沿って延びる主燃焼室２１と、主燃焼室２１の末端の上部に接続された再燃焼室２２とを含む。すなわち、主燃焼室２１の床面はストーカ４により構成されている。また、主燃焼室２１の末端の下部には、ストーカ４から送り出される廃棄物の燃焼後の灰を排出するための排出口２３が設けられている。

ストーカ４は、所定のインターバル（例えば、０．５〜１０分）で一定の動作を繰り返すことにより、給じん装置１２から当該ストーカ４上に送り込まれた廃棄物を供給側から排出側（図１の左側から右側）に移動させる。より詳しくは、ストーカ４は、乾燥段４１、燃焼段４２および後燃焼段４３を含んでおり、これらの段４１〜４３はこの順に上流側から下流側に並んでいる。本実施形態では、全ての段４１〜４３が水平であり、乾燥段４１と燃焼段４２が同位置、後燃焼段４３が少し下方に位置している。ただし、後燃焼段４３は、乾燥段４１および燃焼段４２と同位置に位置していてもよい。あるいは、乾燥段４１、燃焼段４２および後燃焼段４３は、全てが傾斜した姿勢でそれらの間に段差が形成されるように並んでいてもよい。また、乾燥段４１、燃焼段４２および後燃焼段４３のそれぞれがさらに複数の段に分かれていてもよい。

主燃焼室２１は、ストーカ４上の廃棄物の流れと同方向の燃焼ガスの流れを形成するようにストーカ４に沿って延びている。燃焼ガスは、主燃焼室２１における廃棄物の燃焼により排ガスに変わる。再燃焼室２２は、主燃焼室２１から流出する排ガスの燃焼が完結するまでの滞留時間を確保するためのものである。再燃焼室２２は、燃焼ガスの流れ方向において主燃焼室２１の下流側端部から主燃焼室２１と重なるように斜め上向きに延びている。すなわち、主燃焼室２１および再燃焼室２２は、ガスの流れ方向を反転させる流路を形成する。

主燃焼室２１には、ストーカ４越しに一次空気が供給されるとともにストーカ４の上方で二次空気が供給される。一次空気は第１ブロア５１により一次空気流路５を通じて供給され、二次空気は第２ブロア６１により二次空気流路６を通じて供給される。なお、第１ブロア５１と第２ブロア６１とは１台のブロアで兼用されていてもよい。

一次空気流路５は、ストーカ４の乾燥段４１、燃焼段４２および後燃焼段４３に別々に一次空気を導くように構成されており、一次空気流路５の下流側部分が乾燥段４１、燃焼段４２および後燃焼段４３に対応して３つの分岐路に分岐している。それらの分岐路には、乾燥段用第１ダンパ５２、燃焼段用第１ダンパ５３および後燃焼段用第１ダンパ（本発明の後燃焼段用一次空気調整装置に相当）５４が設けられている。第１ダンパ５２〜５４は、対応する段に導かれる一次空気の量を調整するものである。

主燃焼室２１には、二次空気を吹き出すための吹出口Ａ〜Ｅが適所に設けられている。二次空気流路６の下流側部分は、吹出口Ａ〜Ｅに対応して複数の分岐路に分岐している。各分岐路には、主燃焼室２１に供給される二次空気の量を、対応する吹出口ごとに調整する第２ダンパ（本発明の二次空気調整装置）６２〜６６が設けられている。

燃焼炉２に併設されたボイラ３は、再燃焼室２２の上方に配置された放射室３１と、放射室３１の側方に配置された第１煙道３２および第２煙道３３を含む。第１煙道３２および第２煙道３３は共に上下に延びており、その下部同士がつながっている。放射室３１は再燃焼室２２と連続しており、主燃焼室２１から流出した排ガスは再燃焼室２２を通って放射室３１に流入する。放射室３１は、斜めに延びる再燃焼室２２の上部から鉛直上向きに立ち上がっている。

さらに、ボイラ３は、放射室３１、第１煙道３２および第２煙道３３で構成される排ガス経路を区画する壁上に設けられた水管３５と、水管３５内に水を供給するとともに水管３５内で発生した水蒸気を収集するボイラドラム３６を含む。ボイラドラム３６に収集された水蒸気は、第２煙道３３中に配置された過熱器３７に送られて過熱され、その後に発電機１８と連結されたタービン１７に送られて発電に利用される。

ボイラ３を通過した排ガスは、エコノマイザ１３、集塵機１４および誘引送風機１５を経て、煙突１６から大気中へ放出される。本実施形態では、集塵機１４と誘引送風機１５の間の流路から循環路７が分岐している。この循環路７は、ボイラ３を通過した排ガスの一部を主燃焼室２１に戻すためのものである。すなわち、循環路７の先端は、主燃焼室２１に設けられた循環ガス吹出口７１に接続されている。

さらに、本実施形態では、再燃焼室２２または放射室３１に、排ガス中の酸素濃度を測定する酸素濃度計８が設けられている。酸素濃度計８としては、応答速度が５秒以下のものを用いることが望ましい。本実施形態では、応答速度が５秒以下の酸素濃度計８として、図２に示すような発光器８１および受光器８２を有するレーザ式ガス分析計が用いられている。レーザ式ガス分析計を再燃焼室２２または放射室３１に取り付けるには、それらの互いに対向する壁部にフランジ付きの開口を設ければよい。

あるいは、応答速度が５秒以下の酸素濃度計としては、図３に示すようなジルコニアセンサ８３を用いた酸素濃度計８０を用いることも可能である。この酸素濃度計８０は、先端が斜めにカットされた筒状のケース８４を有し、このケース８４内にジルコニアセンサ８３が収容される。ケース８４には、ジルコニアセンサ８３の上方に開口８５が設けられており、ケース８４の先端から内部に流れ込んだ排ガスがジルコニアセンサ８３に接触した後に開口８５からケース８４外に流出する。

酸素濃度計８は再燃焼室２２と放射室３１のどちらに設けられてもよいが、排ガスが再燃焼室２２に流入してから酸素濃度計８に到達するまでの時間が２秒以上となる位置に配置されることが望ましい。これは、酸素濃度計８が配置される位置での酸素濃度を安定させることができ、酸素濃度を高精度に測定することができるからである。

前記制御装置９は、酸素濃度計８の測定値に基づいて第２ダンパ６２〜６６を制御する。具体的に、制御装置９は、まず、酸素濃度計８の測定値から、サンプリング時間を１０秒〜１分として酸素濃度の移動平均値を算出する。そして、制御装置９は、図４に示すように、算出した移動平均値が第１設定値Ｖ１を上回ったときに二次空気量が減少するように第２ダンパ６２〜６６を操作し、算出した移動平均値が第１設定値Ｖ１よりも低い第２設定値Ｖ２を下回ったときに二次空気量が増大するように第２ダンパ６２〜６６を操作する。なお、第２ダンパ６２〜６６を操作する場合は、予め設定した割合に基づいてそれぞれのダンパを調整する。

本実施形態の焼却炉１では、酸素濃度計８が主燃焼室２１に隣接する再燃焼室２２またはこれと連続する放射室３１に設けられているので、二次空気量を調整する際の応答遅れを短くすることができる。これにより、測定された酸素濃度に基づいて二次空気量を精密に調整することができるため、燃焼状態を悪化させることなく空気比を可能な限り小さくすることができる。しかも、主燃焼室２１は廃棄物と燃焼ガスが同方向に流れるいわゆる並行流が形成されるように構成されているので、燃焼ガスからの輻射熱により廃棄物の乾燥および熱分解が効率よく行われるとともに、循環路７から主燃焼室２１に戻される排ガス（循環ガス）によって燃焼ガスが撹拌され、さらに主燃焼室２１から再燃焼室２２にかけての燃焼ガスに対する排ガスの反転によって燃焼ガスと循環ガスの混合物である排ガスが撹拌される。その結果、再燃焼室２２での排ガスの燃焼が主燃焼室２１に近い位置で完結する。従って、酸素濃度計８が再燃焼室２２または放射室３１に設けてられていても、燃焼完結後の排ガス中の酸素濃度を測定することができる。

ここで、本実施形態の効果を検証するために、エコノマイザ１３の出口に酸素濃度計を設けた仮想例を想定する。この仮想例では、排ガスが再燃焼室２２、ボイラ３およびエコノマイザ１３を通過するのに要する時間が応答遅れとなり、酸素濃度計による応答遅れ時間が長くなる。図４に示すように、排ガスの燃焼を完結させるためには排ガス中の酸素濃度を常に下限値ＶＬよりも高く保つ必要がある。酸素濃度計による応答遅れ時間が長い場合、酸素濃度計で下限値ＶＬに近い酸素濃度を測定したときには主燃焼室２１出口では排ガス中の酸素濃度が下限値ＶＬを下回っている可能性がある。従って、二次空気量を増大させる第２設定値を下限値ＶＬからある程度高くする必要がある。その結果、仮想例の酸素濃度の平均値ＡＣも高くなり、これが空気比および排ガス量の増加を招くことになる。

これに対し、本実施形態では、酸素濃度計による応答遅れ時間が短いために、第２設定値Ｖ２を下限値ＶＬ近くに設定することができる。それ故に、酸素濃度の平均値ＡＥが低くなり、空気比および排ガス量を低減することができる。

さらに、本実施形態では、酸素濃度の移動平均値を算出し、算出した移動平均値を第１設定値Ｖ１および第２設定値Ｖ２と比較して第２ダンパ６２〜６６を操作することにより、二次空気量をスムーズに変化させながら排ガス中の酸素濃度の変動幅を規制することができる。

ところで、制御装置９は、算出した酸素濃度の移動平均値が第１設定値Ｖ１を上回ったときにストーカ４の後燃焼段４３に導かれる一次空気量が減少するように後燃焼段用第１ダンパ５４も操作してもよい。あるいは、制御装置９は、算出した酸素濃度の移動平均値が第２設定値Ｖ２を下回ったときにストーカ４の後燃焼段４３に導かれる一次空気量が増加するように後燃焼段用第１ダンパ５４も操作してもよい。このようにすれば、一次空気量を減少または増加させるときに、乾燥段４１および燃焼段４２に導かれる一次空気量は変更せずに後燃焼段４３に導かれる一次空気量のみを減少または増加させることにより、廃棄物の燃焼を妨げることなく排ガス中の酸素濃度を迅速に低下または上昇させることができる。

また、制御装置９は、算出した酸素濃度の移動平均値が第２設定値Ｖ２よりも低い第３設定値Ｖ３（図４参照）を下回っている期間は、給じん装置１２とストーカ４の少なくとも一方の駆動を禁止してもよい。給じん装置１２の駆動を禁止すれば、給じん装置１２による廃棄物の投入時に酸素不足となることを防ぐことができ、ストーカ４の駆動を禁止すれば、ストーカ４の駆動による燃焼促進時に酸素不足となることを防ぐことができる。

１ ストーカ式焼却炉
１２ 給じん装置
２ 焼却炉
２１ 主燃焼室
２２ 再燃焼室
３ ボイラ
３１ 放射室
４ ストーカ
４１ 乾燥段
４２ 燃焼段
４３ 後燃焼段
５ 一次空気流路
５２ 乾燥段用第１ダンパ
５３ 燃焼段用第１ダンパ
５４ 後燃焼段用第１ダンパ（後燃焼段用一次空気調整装置）
６ 二次空気流路
６２〜６６ 第２ダンパ（二次空気調整装置）
７ 循環路
８，８０ 酸素濃度計
９ 制御装置

Claims (6)

1. 廃棄物を供給側から排出側に移動させるストーカであって、上流側から下流側に並ぶ乾燥段、燃焼段および後燃焼段を含むストーカと、
   前記廃棄物の流れと同方向の燃焼ガスの流れを形成するように前記ストーカに沿って延び、前記ストーカ越しに一次空気が供給されるとともに前記ストーカの上方で二次空気が供給される主燃焼室と、
   前記主燃焼室から流出する排ガスを前記燃焼ガスに対して反転させるとともに前記排ガスの燃焼を完結させる再燃焼室と、
   前記再燃焼室と連続する放射室を含むボイラと、
   前記ボイラを通過した前記排ガスの一部を前記主燃焼室に戻す循環路と、
   前記主燃焼室に供給される前記二次空気の量を調整する二次空気調整装置と、
   前記再燃焼室または前記放射室に設けられた、前記排ガス中の酸素濃度を測定する酸素濃度計と、
   前記酸素濃度計の測定値に基づいて前記二次空気調整装置を制御する制御装置と、
   前記乾燥段、前記燃焼段および前記後燃焼段に別々に前記一次空気を導く一次空気流路と、
   前記後燃焼段に導かれる前記一次空気の量を調整する後燃焼段用一次空気調整装置と、を備え、
   前記制御装置は、前記酸素濃度計の測定値から前記酸素濃度の移動平均値を算出し、算出した前記移動平均値が第１設定値を上回ったときに前記二次空気の量が減少するように前記二次空気調整装置を操作し、算出した前記移動平均値が前記第１設定値よりも低い第２設定値を下回ったときに前記二次空気の量が増大するように前記二次空気調整装置を操作するとともに、算出した前記移動平均値が前記第１設定値を上回ったときに前記後燃焼段に導かれる前記一次空気の量が減少するように、あるいは算出した前記移動平均値が前記第２設定値を下回ったときに前記後燃焼段に導かれる前記一次空気の量が増加するように、前記後燃焼段用一次空気調整装置も操作する、ストーカ式焼却炉。
2. 前記酸素濃度計は、応答速度が５秒以下のものである、請求項１に記載のストーカ式焼却炉。
3. 前記酸素濃度計は、レーザ式ガス分析計である、請求項２に記載のストーカ式焼却炉。
4. 前記酸素濃度計は、前記排ガスが前記再燃焼室に流入してから当該酸素濃度計に到達するまでの時間が２秒以上となる位置に配置される、請求項１〜３の何れか一項に記載のストーカ式焼却炉。
5. 前記ストーカ上に廃棄物を送り込む、所定のインターバルで間欠的に駆動する給じん装置をさらに備え、
   前記制御装置は、算出した前記移動平均値が前記第２設定値よりも低い第３設定値を下回っている期間は、前記給じん装置の駆動を禁止する、請求項１〜４の何れか一項に記載のストーカ式焼却炉。
6. 前記ストーカは、所定のインターバルで一定の動作を繰り返すように構成されており、
   前記制御装置は、算出した前記移動平均値が前記第２設定値よりも低い第３設定値を下回っている期間は、前記ストーカの駆動を禁止する、請求項１〜５の何れか一項に記載のストーカ式焼却炉。

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