JP6061472B2 - 二段燃焼炉および二段燃焼方法 - Google Patents

Description

本発明は、一次燃焼炉と二次燃焼炉とを備える二段燃焼炉、および二段燃焼方法に関する。

例えば特許文献１に従来の二段燃焼炉が記載されている。二段燃焼炉は、被焼却物を燃焼させるとともに排ガスを排出する一次燃焼炉と、排ガスの未燃分を燃焼させる二次燃焼炉とを備える燃焼炉である。排ガスの未燃分とは、例えばＣＯ（一酸化炭素）やＮ_２Ｏ（一酸化ニ窒素）などである。Ｎ_２Ｏは温室効果ガスであるとともにオゾン層破壊物質であるので、Ｎ_２Ｏの排出量抑制が望まれている。

特開２００９−１３９０４３号公報

従来の二段燃焼炉では、省エネルギー運転及びＣＯ_２排出量抑制と、排ガスの未燃分の排出量抑制と、の両立が困難であった。さらに詳しくは次の通りである。
排ガスの未燃分は、燃焼用空気との混合により燃焼させる。一般的に、この燃焼には助燃としてバーナが用いられる（バーナの使用は必須ではない）。バーナの火力を強くすれば、排ガスの未燃分の排出量を減らせる。しかし、バーナの火力を強くすると、バーナの燃料消費量が増大するとともに、ＣＯ_２の排出量が増大してしまう。

本発明の目的は、排ガスの未燃分であるＮ_２ＯやＣＯの排出量を抑制できるとともに、未燃分を燃焼させるための燃料消費量を抑制してＣＯ_２の排出量を抑制できる、二段燃焼炉および二段燃焼方法を提供することである。

本発明の二段燃焼炉は、被焼却物を燃焼させて排ガスを排出する一次燃焼炉と、前記一次燃焼炉から排出された前記排ガスの未燃分を燃焼させる二次燃焼炉と、を備える。前記二次燃焼炉は、内部に燃焼室を形成する円筒状の炉本体と、排ガス導入路と、ガス排出路と、空気導入路と、を備える。前記排ガス導入路は、前記炉本体の長手方向の一端側に設けられ、前記一次燃焼炉から前記炉本体の内部に前記排ガスを導入する。前記ガス排出路は、前記炉本体の長手方向の他端側に設けられ、前記炉本体の内部から前記未燃分燃焼後の前記排ガスを排出する。前記空気導入路は、前記炉本体に設けられ、前記炉本体の内部に燃焼用空気を導入する。前記排ガス導入路から前記排ガスが導入される位置、および、前記空気導入路から前記燃焼用空気が導入される位置は、前記炉本体の長手方向に直交する同一平面上である。

本発明の二段燃焼方法は、一次燃焼炉により被焼却物を燃焼させて排ガスを排出する一次燃焼工程と、前記一次燃焼工程で排出された前記排ガスの未燃分を二次燃焼炉で燃焼させる二次燃焼工程と、を備える。前記二次燃焼炉は、内部に燃焼室を形成する円筒状の炉本体を備える。前記二次燃焼工程は、排ガス導入工程と、ガス排出工程と、空気導入工程と、を備える。前記排ガス導入工程は、前記炉本体の長手方向の一端側に設けられる排ガス導入路を介して、前記一次燃焼炉から前記炉本体の内部に前記排ガスを導入する工程である。前記ガス排出工程は、前記炉本体の長手方向の他端側に設けられるガス排出路を介して、前記炉本体の内部から前記未燃分燃焼後の前記排ガスを排出する工程である。前記空気導入工程は、前記炉本体に設けられる空気導入路を介して、前記炉本体の内部に燃焼用空気を導入する工程である。前記排ガス導入工程で前記排ガスが導入される位置、および、前記空気導入工程で前記燃焼用空気が導入される位置は、前記炉本体の長手方向に直交する同一平面上である。

本発明では、排ガスの未燃分であるＮ_２ＯやＣＯの排出量を抑制できるとともに、未燃分を燃焼させるための燃料消費量を抑制してＣＯ_２の排出量を抑制できる。

二段燃焼炉の全体図である。 図１に示す二次燃焼炉の全体図である。 図１に示す二次燃焼炉を上から見た断面図である。 図１に示す二次燃焼炉などを示す図である。 図１に示す内径ｄと内径Ｄとの比ｄ／Ｄと、二次燃焼炉での排ガスの滞留時間との関係を示すグラフである。 図４（ｂ）及び（ｃ）に示す二次燃焼炉の排ガスの流跡線を示す図である。

図１〜図３を参照して本発明の実施形態の二段燃焼炉１について説明する。なお、図１は二段燃焼炉１の断面図である（流動層炉１１の下端部及び循環通路１５の大部分を除く）。図３は、図２に示すIII−III矢視断面図である。以下、二段燃焼炉１の構造を説明した後、二段燃焼炉１の動作等を説明する。

二段燃焼炉１は、図１に示すように、被焼却物を二段階で燃焼させる燃焼炉（焼却炉）である。被焼却物は、廃棄物や汚泥などである。被焼却物は、例えば、Ｃ（炭素）やＮ（窒素）成分を含み、燃焼させたときにＣＯやＮ_２Ｏが発生しうる物である。被焼却物は、具体的には例えば、下水脱水汚泥（脱水ケーキ）、畜産汚泥、工場汚泥などである。二段燃焼炉１は、被焼却物を燃焼させる一次燃焼炉１０と、排ガス通路１９を介して一次燃焼炉１０に接続される二次燃焼炉２０とを備える。なお、上記の「接続」とは、内部を流体が流通可能に接続することを意味する（以下同様）。

（一次燃焼炉）
一次燃焼炉１０は、被焼却物を燃焼させて排ガス（未燃物および灰を含む）を排出する（一次燃焼工程）炉である。一次燃焼炉１０は、流動砂（流動媒体）を循環させながら、被焼却物を燃焼させる。一次燃焼炉１０は、流動層炉１１と、流動層炉に接続される流動砂分離部１３と、流動砂分離部１３及び流動層炉１１に接続される循環通路１５とを備える。

流動層炉１１は、被焼却物を燃焼させるとともに、流動砂を加熱する炉である。流動層炉１１は、底部及び蓋部を有する筒状であり、内部に一次燃焼室が形成される。
流動層炉１１の下端部（「下端部」とは、下端または下端の近傍である。以下同様）は、循環通路１５の下端に接続される。この循環通路１５から流動層炉１１に、流動砂および被焼却物が導入される。
流動層炉１１の下端部には、一次空気導入路１１ａが設けられる。一次空気導入路１１ａを介して、流動層炉１１の外部から内部に一次燃焼用空気が導入される。この一次燃焼用空気の空気比は例えば１．０未満であり、好ましくは０．６〜１．０である。
流動層炉１１の下端部付近には、一次バーナ１１ｂが設けられる。一次バーナ１１ｂの火炎により、被焼却物が燃焼および熱分解されるとともに、流動砂が加熱される。流動層炉１１内部の温度は、例えば７５０℃〜８５０℃に設定される。
流動層炉１１の上端部（「上端部」とは、上端または上端の近傍である。以下同様）は、流動砂分離部１３の上端部に接続される。被焼却物の燃焼により生じた排ガス（未燃分および灰を含む）及び流動砂が、流動層炉１１内部から流動砂分離部１３に排出される。

流動砂分離部１３は、流動砂と排ガスとを分離する部分である。流動砂分離部１３は、円筒状であり、下方ほど内径が狭くなるように形成される。
流動層炉１１から流動砂分離部１３内部に導入された流動砂および排ガスは、流動砂分離部１３の内周に沿う旋回流となる。
流動砂分離部１３の上端部は、排ガス通路１９を介して二次燃焼炉２０に接続される。流動砂分離部１３の上端部から二次燃焼炉２０に、排ガスが排出される。
流動砂分離部１３の下端は、循環通路１５の上端に接続される。流動砂分離部１３の下端から循環通路１５に流動砂が排出される。

循環通路１５は、流動砂分離部１３と流動層炉１１とを接続（連通）する管である。
循環通路１５の下端部付近には、被焼却物入口１５ａが形成される。被焼却物入口１５ａを介して、循環通路１５の外部から内部に被焼却物が導入される。
そして、上述したように、循環通路１５の下端から流動層炉１１の内部に、流動砂および被焼却物が導入される。

排ガス通路１９は、一次燃焼炉１０の流動砂分離部１３と、二次燃焼炉２０とを接続（連通）する管である。なお、排ガス通路１９はなくても良い（二次燃焼炉２０の排ガス導入路３０と流動砂分離部１３とが直接接続されても良い）。

（二次燃焼炉）
二次燃焼炉２０は、一次燃焼炉１０から排出された排ガスの未燃分（例えばＣＯやＮ_２Ｏ）を燃焼させる（二次燃焼工程）炉である。二次燃焼炉２０は、いわば完全燃焼炉である（排ガスの未燃分を０に近づける炉である）。図１及び図２に示すように、二次燃焼炉２０は、炉本体２５と、炉本体２５に設けられるバーナ２７と、炉本体２５の長手方向の一端側（上流側）に設けられる排ガス導入路３０と、炉本体２５の長手方向の他端側（下流側）に設けられるガス排出路３５と、炉本体２５にそれぞれ設けられる絞り部４０及び空気導入路５０と、を備える。

炉本体２５は、内部に燃焼室２５ａ（二次燃焼室）を形成する円筒状の部材である。この「円筒状」の軸方向は、炉本体２５の長手方向である。「円筒状」には、厳密な円筒状だけでなく、例えば略楕円筒状などの略円筒状も含む（後述するように炉本体２５の内周に沿って排ガスが旋回できる程度に内周が丸ければ良い）。また「円筒状」には、上端部に蓋部を備えるものや、下端部に底部を備えるもの（図示なし）を含む。
炉本体２５の内部（特に絞り部４０よりも上流側の部分）は、例えば８５０℃〜９５０℃に設定される。

この炉本体２５は、炉本体２５の長手方向が鉛直方向となるように配置される。すなわち、炉本体２５の長手方向の一端側は上端側であり、他端側は下端側である。炉本体２５の内面には、例えばレンガなどの耐火物（断熱材）が設けられる。なお、内面に耐火物が設けられる点は、後述する絞り部４０の内面も同様である。

この炉本体２５の内径（炉本体２５長手方向から見た炉本体２５内面の直径）を、内径Ｄとする。なお、炉本体２５が略円筒状の場合は、次に述べる「等価内径」を内径Ｄとする。「等価内径」とは、炉本体２５長手方向から見た炉本体２５内面（略円）に囲まれた面積と同じ面積を有する円（厳密な円）の内径である。

バーナ２７（二次バーナ）は、燃料を燃焼させて排ガスの未燃分を燃焼させる装置である。バーナ２７は、排ガス導入路３０の近傍に配置され、炉本体２５の上端部に配置される。バーナ２７の燃料は、例えば天然ガスや液化石油ガス等（都市ガスやプロパンガス等）である（一次バーナ１１ｂの燃料も同様）。なお、排ガスと燃焼用空気とを混合させるのみで排ガスの未燃分が十分燃焼する場合などには、バーナ２７はなくても良い。この場合、排ガスの未燃分が十分燃焼できるように、炉本体２５の内部に導入される排ガスの温度を十分高くしておく（例えば一次バーナ１１ｂ（図１参照）の火力を十分高くする）。

排ガス導入路３０は、一次燃焼炉１０（図１参照）から炉本体２５の内部に排ガスを導入する（排ガス導入工程）通路である。排ガス導入路３０は、炉本体２５の上端側に設けられる。排ガス導入路３０は、筒状に形成される（円筒状でも良く、角筒状などでも良い）。

この排ガス導入路３０は、図３に示すように、炉本体２５の内部で排ガスが旋回流となるように形成される。排ガス導入路３０は、平面視において（炉本体２５の長手方向から見たときに）排ガスの流れが旋回するように形成される。排ガス導入路３０は、平面視において、次に述べる「排ガス導入方向３０ａ」が、炉本体２５の内周の中心Ｏ（円筒状の炉本体２５の中心軸）からずれるように配置（形成）される。「排ガス導入方向３０ａ」とは、平面視において、次に述べる「交点３０ｂ」における排ガス導入路３０の中心軸の方向である。「交点３０ｂ」とは、平面視において、炉本体２５内周の延長線２５ｂと排ガス導入路３０の中心軸との交点である。
また、排ガス導入路３０は、次に述べる「領域３０ｃ」が、炉本体２５の内周の中心Ｏと重ならないように配置（形成）される。「領域３０ｃ」とは、排ガス導入路３０の軸方向に直交する断面を、排ガス導入方向３０ａに沿って、炉本体２５内部側に延長した領域である。

この排ガス導入路３０は、図２に示すように、水平方向（炉本体２５の長手方向に直交する方向）に排ガスを導入するように形成される。すなわち、排ガス導入方向３０ａは水平方向である。排ガス導入路３０は、炉本体２５と一体的に形成される。なお、排ガス導入路３０を炉本体２５と別体として、排ガス導入路３０を炉本体２５に取り付けて（固定して）も良い。また、炉本体２５に対して一体としても別体としても良い点は、後述するガス排出路３５および空気導入路５０についても同様である。排ガス導入路３０から炉本体２５内部に導入される排ガスの流速は例えば１０〜２０［m/s］等である。

ガス排出路３５は、炉本体２５の下端側（例えば下端部）に設けられる。ガス排出路３５は、炉本体２５の内部から外部に、未燃分を燃焼した後の排ガスを排出する（ガス排出工程）通路である。ガス排出路３５は筒状に形成される（円筒状でも良く、角筒状などでも良い）。ガス排出路３５からの未燃分燃焼後の排ガスの排出方向（ガス排出路３５の中心軸）は、例えば鉛直方向であり、また例えば水平方向（図示なし）でも良い。未燃分燃焼後の排ガスの排出方向が水平方向の場合、炉本体２５の下端部に灰が堆積するので、ガス排出路３５から二次燃焼炉２０外部へ灰が排出されることを抑制できる。なお、ガス排出路３５から排出された未燃分燃焼後の排ガスは、例えば燃焼空気等の空気の予熱器、冷却器、フィルタなどを介して、煙突などから排出される。

絞り部４０は、炉本体２５の内部を通る流路を絞る（絞り工程）部分である。絞り部４０は円筒状に形成される。絞り部４０は、下方側に向かうほど内径が小さくなる上流側テーパ部４１と、内径ｄが一定の中央円筒部４２と、下方側に向かうほど内径が大きくなる下流側テーパ部４３とを備える。

この絞り部４０は、炉本体２５に形成され、排ガス導入路３０とガス排出路３５との間、かつ、空気導入路５０とガス排出路３５との間に配置される。絞り部４０は、排ガス導入路３０とガス排出路３５との中央部に配置される（中央部を絞る）。「中央部」とは、厳密な中心だけでなく、略中央も含む。例えば、排ガス導入路３０の下端とガス排出路３５の上端との中心に、絞り部４０の少なくとも一部が配置される。また例えば、排ガス導入路３０の下端とガス排出路３５の上端との中心に、中央円筒部４２が配置される。

この絞り部４０の内径ｄ（中央円筒部４２の内径ｄ）と、炉本体２５の内径Ｄ（絞り部４０よりも特に上流側部分の内径Ｄ）との比を比ｄ／Ｄとする。比ｄ／Ｄは、炉本体２５内部のガスの滞留時間（後述）が長くなるように設定（選択）される。比ｄ／Ｄは、０．７以上０．９５以下、好ましくは０．７以上０．９以下、さらに好ましくは０．７５以上０．８以下、さらに好ましくは０．８である。

上流側テーパ部４１の傾斜角度θ４１（次に述べる）は、例えば６０°、４５°、または３０°等である。「傾斜角度θ４１」とは、炉本体２５長手方向（鉛直方向）に対するテーパの傾斜の角度である。なお、絞り部４０が炉本体２５に形成されない場合（図４（ｃ）参照）は傾斜角度θ４１＝０°であり、上流側テーパ部４１が形成されない場合（炉本体２５と中央円筒部４２とが隣接する場合）は傾斜角度θ４１が９０°である。絞り部４０は上流側テーパ部４１を備えるので、絞り部４０の上端部に灰が堆積しにくい。

空気導入路５０は、炉本体２５の外部から内部に燃焼用空気（二次燃焼用空気）を導入する（空気導入工程）通路である。空気導入路５０は、炉本体２５の上端部付近（詳細は後述）に設けられる。空気導入路５０は、筒状（円筒状でも良く、角筒状などでも良い）に形成されるノズルである。空気導入路５０から炉本体２５内部に導入される燃焼用空気の空気比、流量および流速などは、排ガスの未燃分が十分に燃焼できるように、かつ、排ガスが炉本体２５内部で旋回して滞留時間（詳細は後述）が十分長くなるように設定される。具体的には、空気導入路５０から炉本体２５内部に導入される燃焼用空気の空気比は例えば０．５以下であり、好ましくは０．３〜０．５である。この燃焼用空気の流速は例えば２０〜６０［m/s］等である（空気導入路５０が複数の場合、上記空気比および流量は合計値を示す）。また、一次燃焼用空気と二次燃焼用空気を合算した好ましい空気比は、１．２〜１．５である。

この空気導入路５０は、図３に示すように、炉本体２５に複数（例えば６など）設けられる。空気導入路５０には、炉本体２５に接続される空気導入路５１と、排ガス導入路３０に接続される空気導入路５２（排ガス導入路３０を介して炉本体２５に接続される空気導入路５２）とがある。

（空気導入方向）
この空気導入路５０は、炉本体２５の内部で燃焼用空気が旋回流となるように形成される。空気導入路５０は、平面視において（炉本体２５の長手方向から見たときに）燃焼用空気の流れが旋回するように形成される。空気導入路５０は、平面視において、次に述べる「空気導入方向５０ａ」が、炉本体２５の内周の中心Ｏ（円筒状の炉本体２５の中心軸）からずれるように配置（形成）される。「空気導入方向５０ａ」とは、平面視において、次に述べる「交点５０ｂ」における空気導入路５０の中心軸の方向である。「交点５０ｂ」とは、平面視において、炉本体２５内周の延長線２５ｂと空気導入路５１の中心軸との交点である。ただし、排ガス導入路３０に接続されている空気導入路５２については、交点５０ｂとは、平面視において、次に述べる「直線Ｌ１」と炉本体２５内周の延長線２５ｂとの交点である。「直線Ｌ１」とは、平面視において、次に述べる「交点５２ｂ」における空気導入路５２の中心軸を炉本体２５内部側に延長した線である。「交点５２ｂ」とは、平面視において、空気導入路５２の中心軸と、排ガス導入路３０の内面の延長線３０ｄとの交点である。
また、空気導入路５０は、次に述べる「領域５０ｃ」が炉本体２５の内周の中心Ｏと重ならないように配置（形成）される。「領域５０ｃ」とは、空気導入路５０の軸方向に直交する断面を、空気導入方向５０ａに沿って炉本体２５内部側に延長した領域である。
なお、図３では煩雑を避けるため、延長線２５ｂおよび交点５０ｂの符号を、複数の空気導入路５０のうち一部の空気導入路５０についてのみ付している。

この空気導入路５０は、次に述べる「角度θ５０」が０°より大きく９０°以下となるように配置され、例えば３０°以上６０°以下となるように配置される。「角度θ５０」とは、空気導入方向５０ａと、上述した交点５０ｂと炉本体２５の内周の中心Ｏとを結ぶ線分Ｌ２と、がなす角度である。なお、角度θ５０が０°の場合は炉本体２５の内周の中心Ｏに向かって空気が導入されることになり、角度θ５０が９０°の場合は炉本体２５の内周の接線と空気導入方向５０ａとが一致することになる。角度θ５０が小さすぎる場合は燃焼用空気の旋回が不十分となるおそれがあり、角度θ５０が大きすぎる場合は、炉本体２５に対する空気導入路５０の配置（取り付けや形成）が困難になるおそれがある。角度θ５０の好ましい下限は、例えば２０°、さらに好ましくは３０°とする。角度θ５０の好ましい上限は、例えば７０°、さらに好ましくは６０°とする。

この空気導入路５０は、空気導入路５０から導入される燃焼用空気と、排ガス導入路３０から導入される排ガスとで旋回流の旋回の向きが同じになるように形成される。平面視において（旋回流の旋回の軸方向から見て）、排ガス導入路３０により生じる排ガスの旋回流の旋回の向きが左回りの場合は、空気導入路５０により生じる燃焼用空気の旋回流の旋回の向きも左回りとする（排ガスが右回りの場合は燃焼用空気も右回りとする）。なお、上記のように燃焼用空気と排ガスとで旋回流の旋回の向きが同じ場合、排ガス導入路３０に対する空気導入路５０の向きが「正方向」であるとする（旋回の向きが逆の場合を「逆方向」とする）。

この空気導入路５０は、図２に示すように、水平方向（炉本体２５の長手方向に直交する方向）に燃焼用空気を導入するように形成される。すなわち、空気導入方向５０ａは水平方向である。

（空気導入路の高さ位置）
この空気導入路５０は、排ガス導入路３０と同じ高さ位置に配置される。さらに詳しくは、排ガス導入路３０から排ガスが導入される位置、および、空気導入路５０から燃焼用空気が導入される位置は、同じ高さである（空気導入路５０と排ガス導入路３０とが、炉本体２５の長手方向に直行する方向に並ぶように設置される）。すなわち、上記「同じ高さである」とは、「空気導入高さ範囲５０ｅ」が「排ガス導入高さ範囲３０ｅ」の範囲内に配置されることを意味する。ここで、「空気導入高さ範囲５０ｅ」とは、空気導入路５１の炉本体２５への取り付け位置（又は空気導入路５２の排ガス導入路３０への取り付け位置）における、空気導入路５０内部の上端から下端までの範囲である。「排ガス導入高さ範囲３０ｅ」とは、排ガス導入路３０の炉本体２５への取り付け位置における、排ガス導入路３０内部の上端から下端までの範囲である。排ガス導入路３０および空気導入路５０は、例えば、空気導入方向５０ａおよび排ガス導入方向３０ａが同一平面上の方向となるように配置される（空気導入路５０および排ガス導入路３０それぞれの中心軸が、炉本体２５の長手方向に直交する同一平面上に配置される）。

（複数の空気導入路について）
この空気導入路５０は、上述したように炉本体２５に複数設けられる。複数の空気導入路５０から炉本体２５に均等に燃焼用空気が導入される。複数の空気導入路５０それぞれから導入される燃焼用空気の流速および流量は同じである。複数の空気導入路５０それぞれについての複数の交点５０ｂは、例えば等間隔に配置される。複数の空気導入路５０それぞれについての複数の角度θ５０は、同じ角度に設定される。

（二次燃焼炉の動作）
二次燃焼炉２０は次のように動作する。上述したように、排ガス導入路３０を介して、一次燃焼炉１０（図１参照）から炉本体２５内部に未燃分を含む排ガスが導入される。また、空気導入路５０を介して、燃焼用空気が炉本体２５内部に導入される。バーナ２７により、燃焼用空気と混合された排ガスの未燃分（Ｎ_２ＯやＣＯなど）が燃焼される。排ガス及び燃焼用空気は、炉本体２５の内周面に沿って旋回しながら、下方側（下流側）に向かって流れる。このとき、排ガス及び燃焼用空気の旋回流は、絞り部４０の入口付近で滞留する。このように排ガス及び燃焼用空気が滞留することにより、排ガスの未燃分がより確実に燃焼する。そして、未燃分が燃焼した後の排ガスが、図２に示すガス排出路３５から排出される。

（シミュレーション）
熱流体解析ソフトを用いたシミュレーションにより、下記（ａ）〜（ｃ）の比較を行った。
（ａ）内径ｄと内径Ｄとの比ｄ／Ｄと、排ガスの滞留時間との比較
（ｂ）空気導入路５０の向きと、排ガスの滞留時間との比較
（ｃ）空気導入路５０の高さ位置と、ガスの混合性との比較

シミュレーションは、原則、上記実施形態の二次燃焼炉２０について行った（例外については後述）。シミュレーションの条件の詳細は、原則、次の通りである。
・排ガス導入路３０から導入される排ガスの流量：１４１２５［m³N/h］、流速：１５．８［m/s］
・空気導入路５０から導入される燃焼用空気の流量：３９２５［m³N/h］（６本の合計）、流速：５１．５［m/s］、空気比０．４５
・角度θ５０（図３参照）：６０°
・排ガス導入路３０の中心軸（排ガス導入方向３０ａの高さ位置）と、絞り部４０の中央円筒部４２の上端との高さの差：２．７ｍ
・絞り部４０（中央円筒部４２下端）からガス排出路３５上端までの距離）：５．６ｍ
・絞り部４０の上流側テーパ部４１の傾斜角度θ４１：５３°
・炉本体２５の内径Ｄ：３．０ｍ
・絞り部４０の内径ｄ：２．４ｍ
・比ｄ／Ｄ＝０．８０
・排ガス導入路３０の中心軸（排ガス導入方向３０ａの高さ位置）と、空気導入路５０の中心軸（空気導入方向５０ａの高さ位置）との高さの差：２．１６ｍ
上記実施形態の二次燃焼炉２０では、排ガス導入路３０と空気導入路５０とを同じ高さ位置に配置した（図２の空気導入路５０Ａ参照）。しかし、このシミュレーションでは原則、排ガス導入路３０と絞り部４０との間に空気導入路５０を配置する（図２の空気導入路５０Ｂ参照）（比較（ｃ）の［位置Ａ］の場合を除く）。
これらのシミュレーションの条件を「条件α」とする。条件αに対して条件を変更した場合については後述する。

（ａ）内径ｄと内径Ｄとの比ｄ／Ｄと、排ガスの滞留時間との比較
絞り部４０の内径ｄと炉本体２５の内径Ｄとの比ｄ／Ｄと、排ガスの滞留時間との関係を調べた。排ガスの滞留時間（以下、単に「滞留時間」ともいう）とは、排ガスの任意の一つの粒子が、排ガス導入路３０に入ってから、ガス排出路３５を出るまでの時間である。滞留時間が長いほど、排ガスの未燃分が多く燃焼する。ここでは、表１に示す様々な比ｄ／Ｄの場合について滞留時間を調べた。なお、図４（ａ）にはｄ／Ｄ＝０．６の場合、図４（ｂ）にはｄ／Ｄ＝０．８の場合、図４（ｃ）にはｄ／Ｄ＝１．０の場合の二次燃焼炉２０を示す。

シミュレーションの結果を表１に示す。なお、表１中の「滞留時間の増減（％）」は、比ｄ／Ｄ＝１．００の場合（絞り部４０がない場合）を基準としている。また、図５には、比ｄ／Ｄと、滞留時間との関係を表すグラフを示す。表１及び図５に示すように、比ｄ／Ｄが０．７０〜０．９０の場合に、比ｄ／Ｄが１．００の場合よりも滞留時間が長くなった。特に、比ｄ／Ｄが０．７５〜０．８０の場合に滞留時間が長くなった。なお、図５から明らかなように、比ｄ／Ｄ＝０．９５の場合も、比ｄ／Ｄ＝１．００の場合よりも滞留時間が長くなると予想できる。一方、比ｄ／Ｄが小さすぎても滞留時間は短くなる。これは、比ｄ／Ｄを小さくし過ぎると、上流側テーパ部４１で排ガス圧力が上昇し過ぎて、排ガスが燃焼室２５ａ（二次燃焼室）を高速で通過して排出されてしまう為である。

図６（ａ）にはｄ／Ｄ＝０．８の場合、図６（ｂ）にはｄ／Ｄ＝１．０の場合の二次燃焼炉２０内部の排ガスの流跡線を示す。図６（ａ）と図６（ｂ）とを対比すると、ｄ／Ｄ＝０．８０の場合は、ｄ／Ｄ＝１．００の場合に比べ、絞り部４０の入口付近で排ガスが滞留することが分かった（特に図６（ａ）及び図６（ｂ）に示す部分２５ｃ参照）。

（ｂ）空気導入路５０の向きと、排ガスの滞留時間との比較
図３に示す空気導入路５０から導入される燃焼用空気の旋回流の旋回の向きと、排ガスの滞留時間との関係を調べた。なお、上述したように、滞留時間が長いほど、排ガスの未燃分が多く燃焼する。ここでは、次の３つの場合（条件）について比較した。
・［正方向］排ガス導入路３０に対する空気導入路５０の向きが上記「正方向」の場合（上記条件αの場合）
・［中心軸方向］空気導入方向５０ａが炉本体２５の内周の中心Ｏを向く場合。すなわち、図３の角度θ５０が０°の場合
・［逆方向］排ガス導入路３０に対する空気導入路５０の向きが上記「逆方向」の場合

シミュレーションの結果を表２に示す。表２に示すように、空気導入路５０の向きが「正方向」の場合は、「逆方向」および「中心軸方向」の場合に比べ、滞留時間が長くなった。

なお、空気導入路５０の高さ位置を変えても滞留時間には、ほぼ影響がない。したがって、排ガス導入路３０と同じ高さ位置に空気導入路５０を配置しても（図２の空気導入路５０Ａ参照）、比較（ａ）および（ｂ）については上記と同様の結果が得られる。

（ｃ）空気導入路５０の高さ位置と、ガスの混合性との比較
図２に示す空気導入路５０の高さ位置と、排ガスと燃焼用空気との混合性（標準偏差）と、の関係を比較した。なお、標準偏差が小さいほど、排ガスと燃焼用空気の混合性が良い（より均一である）ことを示し、この混合性が良いほど排ガスの未燃分がより燃焼する。ここでは、次の２つの空気流入位置について比較した。
・［位置Ａ］空気導入路５０（５０Ａ）が排ガス導入路３０と同じ高さ位置に配置される場合。すなわち、上記実施形態の位置に空気導入路５０が配置される場合。
・［位置Ｂ］空気導入路５０（５０Ｂ）が排ガス導入路３０よりも下方の位置に配置される場合。すなわち、上記「条件α」の位置に空気導入路５０が配置される場合。

シミュレーションの結果を表３に示す。表３に示すように、［位置Ａ］の場合、［位置Ｂ］に比べ混合性が良好になることが分かった。

（効果１）
次に、二段燃焼炉１および二段燃焼方法の効果を説明する。図１に示すように、二段燃焼炉１は、被焼却物を燃焼させて排ガスを排出する一次燃焼炉１０と、一次燃焼炉１０から排出された排ガスの未燃分を燃焼させる二次燃焼炉２０と、を備える。二次燃焼炉２０は、内部に燃焼室２５ａを形成する円筒状の炉本体２５と、排ガス導入路３０と、ガス排出路３５と、空気導入路５０とを備える。排ガス導入路３０は、炉本体２５の上端側（長手方向の一端側）に設けられ、一次燃焼炉１０から炉本体２５の内部に排ガスを導入する。ガス排出路３５は、炉本体２５の下端側（長手方向の他端側）に設けられ、炉本体２５の内部から未燃分燃焼後の排ガスを排出する。空気導入路５０は、炉本体２５に設けられ、炉本体２５の内部に燃焼用空気を導入する。

図２に示すように、排ガス導入路３０から排ガスが導入される位置、および、空気導入路５０から燃焼用空気が導入される位置は、炉本体２５の長手方向に直交する同一平面上である。
ここで、排ガス導入路３０付近は、ガス排出路３５付近に比べ、排ガスの流れの乱れが多い（図６（ａ）参照）。上記構成では、排ガスの流れの乱れが多い位置の近傍から燃焼用空気が導入される。よって、排ガスと燃焼用空気が混合されやすい（混合性が良くなる）。よって、排ガスの未燃分が燃焼しやすい環境（条件）となる。具体的には、ＣＯは空気と混合されて燃焼されやすくなり、この燃焼により燃焼室２５ａの温度が上昇するのでＮ_２Ｏの熱分解が進む。その結果、二段燃焼炉１からのＮ_２ＯやＣＯの排出量を抑制できる。

また、排ガスの未燃分を燃焼させるという上記の効果を得るために、未燃分を燃焼させるための燃料の燃料消費量を増やす必要がない。その結果、未燃分を燃焼させるための燃料の燃焼により生じるＣＯ_２の排出量を抑制できる。なお、未燃分を燃焼させるための燃料は、具体的には例えば、図１に示すバーナ２７（二次バーナ）や一次バーナ１１ｂにより消費される。

（効果２）
炉本体２５の長手方向は鉛直方向である。排ガス導入路３０から排ガスが導入される位置、および、空気導入路５０から燃焼用空気が導入される位置は、同じ高さである。
よって、上記（効果１）と同様の効果が得られる。

（効果３）
図３に示すように、排ガス導入路３０は、炉本体２５の内部で排ガスが旋回流となるように形成される。
よって、空気導入路５０から導入される燃焼用空気と排ガスとの混合性がより良くなる。（この構成による他の効果は後述する）。

（効果４）
図１に示すように、二段燃焼方法は、一次燃焼炉１０により被焼却物を燃焼させて排ガスを排出する一次燃焼工程と、一次燃焼工程で排出された排ガスの未燃分を二次燃焼炉２０で燃焼させる二次燃焼工程と、を備える。二次燃焼炉２０は、内部に燃焼室２５ａを形成する円筒状の炉本体２５を備える。二次燃焼工程は、排ガス導入工程と、ガス排出工程と、空気導入工程と、を備える。排ガス導入工程は、炉本体２５の上端側（長手方向の一端側）に設けられる排ガス導入路３０を介して、一次燃焼炉１０から炉本体２５の内部に排ガスを導入する工程である。ガス排出工程は、炉本体２５の下端側（長手方向の他端側）に設けられるガス排出路３５を介して、炉本体２５の内部から未燃分燃焼後の排ガスを排出する工程である。空気導入工程は、炉本体２５に設けられる空気導入路５０を介して、炉本体２５の内部に燃焼用空気を導入する工程である。

図２に示すように、排ガス導入工程で排ガスが導入される位置、および、空気導入工程で前記燃焼用空気が導入される位置は、炉本体２５の長手方向に直交する同一平面上である。これらの工程により、上記（効果１）と同様の効果が得られる。

（効果５）
炉本体２５の長手方向は鉛直方向である。排ガス導入工程で排ガスが導入される位置、および、空気導入工程で燃焼用空気が導入される位置は、同じ高さである。これらの工程により、上記（効果２）と同様の効果が得られる。

（効果６）
図３に示すように、排ガス導入工程は、炉本体２５の内部で排ガスが旋回流となるように排ガスを導入する工程である。この工程により、上記（効果３）と同様の効果が得られる。

（他の効果１−１）
次に、主に空気導入路５０の方向に関する効果を説明する。図３に示すように、排ガス導入路３０は、炉本体２５の内部で排ガスが旋回流となるように形成される。空気導入路５０は、炉本体２５の内部で燃焼用空気が旋回流となるように形成されるとともに、燃焼用空気と排ガスとで旋回流の旋回の向きが同じ（上記「正方向」）になるように形成される。
よって、排ガス及び燃焼用空気が炉本体２５の内部で旋回しやすいので、排ガス及び燃焼用空気の二次燃焼炉２０内での滞留時間が長くなる。よって、排ガスの未燃分がより燃焼しやすい環境（条件）となる。具体的には、Ｎ_２Ｏは滞留時間が長い程熱分解が進み、ＣＯは空気と混合されて燃焼されやすくなる。

（他の効果１−２）
図２に示すように、排ガス導入路３０は、水平方向（炉本体２５の長手方向に直交する方向）に排ガスを導入するように形成される。空気導入路５０は、水平方向（炉本体２５の長手方向に直交する方向）に燃焼用空気を導入するように形成される。
すなわち、排ガスおよび燃焼用空気の炉本体２５内部への導入の向きは、いずれも水平方向である。よって、炉本体２５内部に排ガスまたは燃焼用空気を下向き（炉本体２５の長手方向の一端側から他端側に向かう向き）に導入する場合に比べ、排ガス及び燃焼用空気の二次燃焼炉２０内での滞留時間をより長くできる。

（他の効果１−３）
図３に示すように、空気導入路５０は炉本体２５に複数設けられる。よって、空気導入路５０が炉本体２５に１つのみ設けられる場合に比べ、排ガス及び燃焼用空気が炉本体２５内部でより旋回しやすい。よって、排ガス及び燃焼用空気の二次燃焼炉２０内での滞留時間をより長くできる。

また、複数の空気導入路５０それぞれから導入される燃焼用空気の流速および流量が同じである。よって、排ガス及び燃焼用空気が炉本体２５内部でより旋回しやすいので、排ガス及び燃焼用空気の二次燃焼炉２０内での滞留時間をより長くできる。

（他の効果１−４）
図３に示すように、排ガス導入工程は、炉本体２５の内部で排ガスが旋回流となるように排ガスを導入する工程である。空気導入工程は、炉本体２５の内部で燃焼用空気が旋回流となるように、かつ、燃焼用空気と排ガスとで旋回流の旋回の向きが同じになるように、燃焼用空気を導入する工程である。これらの工程により、上記（他の効果１−１）と同様の効果が得られる。

（他の効果１−５）
図２に示すように、排ガス導入工程は、水平方向（炉本体２５の長手方向に直交する方向）に排ガスを導入する工程である。空気導入工程は、水平方向（炉本体２５の長手方向に直交する方向）に燃焼用空気を導入する工程である。これらの工程により、上記（他の効果１−２）と同様の効果が得られる。

（他の効果１−６）
空気導入工程は、複数の空気導入路５０それぞれから流速および流量が同じ燃焼空気を導入する工程である。この工程により、上記（他の効果１−３）と同様の効果が得られる。

（他の効果２−１ａ）
次に、絞り部４０に関する効果を説明する。図２に示すように、二次燃焼炉２０は絞り部４０を備える。絞り部４０は、炉本体２５に形成され、排ガス導入路３０とガス排出路３５との間、かつ、空気導入路５０とガス排出路３５との間に配置される。
この絞り部４０の上流で排ガス及び燃焼用空気が滞留するので、排ガス及び燃焼用空気の二次燃焼炉２０内での滞留時間が長くなる。よって、排ガスの未燃分をより燃焼させることができる。

（他の効果２−１ｂ）
絞り部４０の内径ｄと炉本体２５の内径Ｄとの比ｄ／Ｄは、０．７以上０．９５以下である、よって、排ガス及び燃焼用空気の二次燃焼炉２０内での滞留時間がより長くなるので（図５参照）、排ガスの未燃分をより燃焼させることができる。

（他の効果２−２）
比ｄ／Ｄは、０．７５以上０．８以下である。よって、排ガス及び燃焼用空気の二次燃焼炉２０内での滞留時間がより長くなるので（図５参照）、排ガスの未燃分をより燃焼させることができる。

（他の効果２−３）
図２に示すように、絞り部４０は、排ガス導入路３０とガス排出路３５との中央部に配置される。
よって、絞り部４０による上記の効果（他の効果２−１ａ、ｂ及び他の効果２−２）を確実に得ることができ、かつ、絞り部４０内面の損傷を抑制できる。この効果の詳細は次の通りである。（ア）バーナ２７は通常、排ガス導入路３０の近傍に配置される。よって、排ガス導入路３０の近傍に絞り部４０を配置した場合、火炎により絞り部４０の内面（の耐火物）が損傷するおそれがある。（イ）また、ガス排出路３５の近傍の排ガスは、燃焼がほぼ終わっている。よって、ガス排出路３５の近傍に絞り部４０を配置しても、燃焼がほぼ終わった段階の排ガスを滞留させるだけで、排ガスの未燃分をより燃焼させる効果が十分に得られない場合がある。（ウ）一方、二段燃焼炉１では、絞り部４０は、排ガス導入路３０とガス排出路３５との中央部に配置されるので、上記（ア）及び（イ）の問題を抑制できる。

（他の効果２−４）
図３に示すように、排ガス導入路３０は、炉本体２５の内部で排ガスが旋回流となるように形成される。
よって、炉本体２５内部をまっすぐに（炉本体２５中心軸に沿うように）排ガスが流れる場合に比べ、排ガスの二次燃焼炉２０内での滞留時間がより長くなる。

（他の効果２−５）
図２に示すように、二次燃焼工程は絞り工程を備える。排ガス導入路３０とガス排出路３５との間、かつ、空気導入路５０とガス排出路３５との間に配置されるとともに、炉本体２５に形成される絞り部４０により、炉本体２５の内部を通る流路を絞る工程が絞り工程である。絞り部４０の内径ｄと前記炉本体の内径Ｄとの比ｄ／Ｄは、０．７以上０．９５以下である。この工程により、上記（他の効果２−１ａ）及び（他の効果２−１ｂ）と同様の効果が得られる。

（他の効果２−６）
この二段燃焼方法では、比ｄ／Ｄは、０．７５以上０．８以下である。この方法により、上記（他の効果２−２）と同様の効果が得られる。

（他の効果２−７）
絞り工程は、炉本体２５の内部を通る流路のうち排ガス導入路３０とガス排出路３５との中央部を絞る工程である。この工程により、上記（他の効果２−３）と同様の効果が得られる。

（他の効果２−８）
図３に示すように、排ガス導入工程は、炉本体２５の内部で排ガスが旋回流となるように排ガスを導入する工程である。この工程により、上記（他の効果２−４）と同様の効果が得られる。

（変形例）
上記実施形態の二段燃焼炉１は様々に変形できる。

図３に示すように、上記実施形態では、排ガス導入路３０および空気導入路５０は、炉本体２５の内部で排ガスおよび燃焼用空気が旋回流となるように形成された。しかし、排ガス導入路３０や空気導入路５０は、排ガスや燃焼用空気が旋回流とならないように形成されても良い。例えば、排ガス導入方向３０ａや空気導入方向５０ａは、炉本体２５の内周の中心Ｏと交わっても良い。また例えば、排ガス導入方向３０ａや空気導入方向５０ａは、鉛直方向などでも良い。

上記実施形態では、排ガス導入路３０に対する空気導入路５０の向きを上記「正方向」としたが、上記「逆方向」としても良い。また、空気導入路５０の向きを上記「中心軸方向」としても良い。なお、空気導入路５０の向きを上記「逆方向」にした場合は、排ガスの滞留時間が短くなり、未燃分が十分燃焼されずに二段燃焼炉１から排出される可能性がある。

上記実施形態では、図２に示す絞り部４０の内径ｄと炉本体２５の内径Ｄとの比ｄ／Ｄを０．７以上０．９５以下などとしたが、比ｄ／Ｄを０．７未満にしても良く、比ｄ／Ｄを０．９５より大きくしても良く、比ｄ／Ｄを１．０としても良い（絞り部４０がなくても良い）。

図２に示すように、上記実施形態では、複数の空気導入路５０の全てが排ガス導入路３０と同じ高さに配置された。しかし、複数のうち一部の空気導入路５０を排ガス導入路３０と同じ高さに配置し、他の空気導入路５０を排ガス導入路３０よりも下方側や上方側に配置しても良い。複数の空気導入路５０を異なる高さ位置に配置した場合、様々な高さ位置で排ガスをより旋回させることができ、滞留時間を長くできる。

上記実施形態では、排ガス導入方向３０ａ及び空気導入方向５０ａを水平方向とした。しかし、排ガス導入路３０や空気導入路５０は、鉛直方向の成分を有しても良い。なお、排ガス導入路３０よりも下方側（炉本体２５下端側）に空気導入路５０を設けた場合に、空気導入方向５０ａを上向きにすれば、炉本体２５内部での排ガスの滞留時間を長くできる。

１ 二段燃焼炉
１０ 一次燃焼炉
２０ 二次燃焼炉
２５ 炉本体
２５ａ 燃焼室
３０ 排ガス導入路
３５ ガス排出路
４０ 絞り部
５０、５１、５２ 空気導入路
ｄ、Ｄ 内径
θ５０ 角度（空気導入角度）

Claims (2)

1. 被焼却物を燃焼させて排ガスを排出する一次燃焼炉と、
   前記一次燃焼炉から排出された前記排ガスの未燃分を燃焼させる二次燃焼炉と、
   を備え、
   前記二次燃焼炉は、
   内部に燃焼室を形成するとともに長手方向が鉛直方向である円筒状の炉本体と、
   前記炉本体の長手方向の一端側かつ上端側に設けられ、前記一次燃焼炉から前記炉本体の内部に前記排ガスを導入する排ガス導入路と、
   前記炉本体の長手方向の他端側かつ下端側に設けられ、前記炉本体の内部から前記未燃分が燃焼した後の前記排ガスを排出するガス排出路と、
   前記炉本体の一端側かつ上端側に設けられ、前記炉本体の内部に燃焼用空気を導入する空気導入路と、
   前記炉本体に形成される絞り部と、
   を備え、
   前記排ガス導入路から前記排ガスが導入される位置、および、前記空気導入路から前記燃焼用空気が導入される位置は、同じ高さであり、
   前記排ガス導入路は、前記炉本体の内部で前記排ガスが旋回流となるように形成され、
   前記空気導入路は、前記炉本体の内部で前記燃焼用空気が旋回流となるように形成されるとともに、前記燃焼用空気と前記排ガスとで旋回流の旋回の向きが同じになるように形成され、
   前記排ガス導入路は、水平方向に前記排ガスを導入するように形成され、
   前記空気導入路は、水平方向に前記燃焼用空気を導入するように形成され、
   前記空気導入路は、前記炉本体に複数設けられ、
   複数の前記空気導入路それぞれから導入される前記燃焼用空気の流速および流量が同じであり、
   複数の前記空気導入路それぞれの空気導入角度は、同じ角度に設定され、
   前記空気導入角度は、前記炉本体の長手方向から見たとき、前記炉本体の内周の延長線と前記空気導入路の中心軸との交点における前記空気導入路の中心軸の方向と、前記交点から前記炉本体の内周の中心までを結ぶ線分と、がなす角度であり、
   前記絞り部の内径ｄと前記炉本体の内径Ｄとの比ｄ／Ｄは、０．７５以上０．８以下であり、
   前記絞り部は、前記排ガス導入路と前記ガス排出路との間の中央部、かつ、前記空気導入路と前記ガス排出路との間の中央部に配置され、
   前記絞り部は、下方側に向かうほど内径が小さくなる上流側テーパ部を備える、
   二段燃焼炉。
2. 一次燃焼炉により被焼却物を燃焼させて排ガスを排出する一次燃焼工程と、
   前記一次燃焼工程で排出された前記排ガスの未燃分を二次燃焼炉で燃焼させる二次燃焼工程と、
   を備え、
   前記二次燃焼炉は、内部に燃焼室を形成するとともに長手方向が鉛直方向である円筒状の炉本体を備え、
   前記二次燃焼工程は、
   前記炉本体の長手方向の一端側かつ上端側に設けられる排ガス導入路を介して、前記一次燃焼炉から前記炉本体の内部に前記排ガスを導入する排ガス導入工程と、
   前記炉本体の長手方向の他端側かつ下端側に設けられるガス排出路を介して、前記炉本体の内部から前記未燃分が燃焼した後の前記排ガスを排出するガス排出工程と、
   前記炉本体の一端側かつ上端側に設けられる空気導入路を介して、前記炉本体の内部に燃焼用空気を導入する空気導入工程と、
   前記炉本体に形成される絞り部により、前記炉本体の内部を通る流路を絞る絞り工程と、
   を備え、
   前記排ガス導入工程で前記排ガスが導入される位置、および、前記空気導入工程で前記燃焼用空気が導入される位置は、同じ高さであり、
   前記排ガス導入工程は、前記炉本体の内部で前記排ガスが旋回流となるように前記排ガスを導入する工程であり、
   前記空気導入工程は、前記炉本体の内部で前記燃焼用空気が旋回流となるように、かつ、前記燃焼用空気と前記排ガスとで旋回流の旋回の向きが同じになるように、前記燃焼用空気を導入する工程であり、
   前記排ガス導入工程は、水平方向に前記排ガスを導入する工程であり、
   前記空気導入工程は、水平方向に前記燃焼用空気を導入する工程であり、
   前記空気導入工程は、複数の前記空気導入路それぞれから流速および流量が同じ前記燃焼用空気を前記炉本体の内部に導入する工程であり、
   複数の前記空気導入路それぞれの空気導入角度は、同じ角度に設定され、
   前記空気導入角度は、前記炉本体の長手方向から見たとき、前記炉本体の内周の延長線と前記空気導入路の中心軸との交点における前記空気導入路の中心軸の方向と、前記交点から前記炉本体の内周の中心までを結ぶ線分と、がなす角度であり、
   前記絞り部の内径ｄと前記炉本体の内径Ｄとの比ｄ／Ｄは、０．７５以上０．８以下であり、
   前記絞り工程は、前記炉本体の内部を通る流路のうち、前記排ガス導入路と前記ガス排出路との間の中央部、かつ、前記空気導入路と前記ガス排出路との間の中央部を絞る工程であり、
   前記絞り部は、下方側に向かうほど内径が小さくなる上流側テーパ部を備える、
   二段燃焼方法。