JP6243805B2 - 汚泥の燃焼方法および汚泥用の燃焼炉 - Google Patents
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Description
本発明は、下水汚泥等の汚泥を、熱分解炉と二次燃焼炉とを用いて燃焼させる燃焼方法および燃焼炉に関する。
例えば特許文献１には、廃棄物を熱分解炉および二次燃焼室にて二段階で燃焼させる二段燃焼炉が開示されている。この二段燃焼炉では、熱分解炉での燃焼により生じた熱分解ガスが、熱分解炉から排出されて二次燃焼室に導入され、二次燃焼室で二次燃焼がなされる。このとき、熱分解ガス中のＣＯ（一酸化炭素）濃度や二次燃焼室におけるＣＯ濃度が基準値よりも高い場合には、熱分解炉への廃棄物の供給量を減少させる。こうすることで、熱分解炉における燃焼負荷を低減し、廃棄物の完全燃焼を促進させて、ＣＯ等の有害物質を排出しないようにしている。
ところで、下水汚泥等の生物性の有機固形物を含む汚泥には多量の窒素が含まれており、この窒素から生成されるＮ2Ｏ（一酸化二窒素）は、二酸化炭素の３１０倍もの温室効果があることが知られている。つまり、汚泥を燃焼させる場合には、いかにＮ2Ｏの排出量を低減するかが大きな課題となっている。しかしながら、特許文献１には、Ｎ2Ｏの排出量を低減させる具体的方法については示されていない。
本発明は、上記実情に鑑みてなされたものであって、汚泥の燃焼技術において、一酸化二窒素の排出量を低減させることを目的とする。
本発明にかかる汚泥の燃焼方法は、汚泥を熱分解して熱分解ガスを排出する熱分解炉と、前記熱分解炉から排出された前記熱分解ガスが導入され、前記熱分解ガスに含まれる未燃物を燃焼させて排ガスを排出する二次燃焼炉と、を有する燃焼炉における汚泥の燃焼方法であって、前記排ガス中の一酸化二窒素の許容量に応じて、前記二次燃焼炉に導入される前記熱分解ガス中の一酸化炭素の濃度の目標値を設定する工程と、前記二次燃焼炉に導入される前記熱分解ガス中の一酸化炭素の濃度の測定値を得る工程と、前記測定値が前記目標値よりも小さい場合、前記熱分解炉に供給する補助燃料の量、空気の量および汚泥の量の少なくともいずれか１つを制御することで、前記測定値を増大させる工程と、を備えることを特徴とする。
また、本発明にかかる汚泥用の燃焼炉は、汚泥を熱分解して熱分解ガスを排出する熱分解炉と、前記熱分解炉から排出された前記熱分解ガスが導入され、前記熱分解ガスに含まれる未燃物を燃焼させて排ガスを排出する二次燃焼炉と、を備え、前記二次燃焼炉に導入される前記熱分解ガス中の一酸化炭素の濃度の測定値が、前記排ガス中の一酸化二窒素の許容量に応じて設定される目標値よりも小さい場合、前記熱分解炉に供給する補助燃料の量、空気の量および汚泥の量の少なくともいずれか１つを制御することで、前記測定値を増大させることを特徴とする。
本発明（汚泥の燃焼方法および汚泥用の燃焼炉）によれば、二次燃焼炉に導入される一酸化炭素の濃度の測定値が目標値よりも小さい場合、一酸化炭素の濃度を増大させる制御がなされる。一酸化炭素は可燃性ガスであるため、導入される一酸化炭素が増加することで、二次燃焼炉内の温度が上昇する。こうして温度が上昇した二次燃焼炉では、一酸化二窒素の分解が促進され、最終的に一酸化二窒素の排出量を低減させることができる。
以下、本発明にかかる汚泥用の燃焼炉（以下、単に「燃焼炉」と称する）の実施形態について図面を参照しつつ説明する。図１に示す燃焼炉１は、下水汚泥等の汚泥を二段階で燃焼させるものであり、主に、一段階目の燃焼炉である熱分解炉１０と、二段階目の燃焼炉である二次燃焼炉２０と、熱分解炉１０から排出された熱分解ガスＧ１を二次燃焼炉２０へ導入する熱分解ガス管３０と、二次燃焼炉２０から排ガスＧ２を排出する排ガス管４０と、を具備して構成される。
（熱分解炉）
熱分解炉１０は、汚泥を抑制燃焼させて、熱分解ガスＧ１を熱分解ガス管３０へ排出する燃焼炉である。熱分解ガスＧ１には例えばＣＯ、ＣＯ2、ＮＯx、Ｎ2Ｏ等が含まれるが、このうちＣＯは、炭素が不完全燃焼することにより生じる未燃物である。このような未燃物は、後述する二次燃焼炉２０にて、完全燃焼させられる。
熱分解炉１０は、汚泥を抑制燃焼させて、熱分解ガスＧ１を熱分解ガス管３０へ排出する燃焼炉である。熱分解ガスＧ１には例えばＣＯ、ＣＯ2、ＮＯx、Ｎ2Ｏ等が含まれるが、このうちＣＯは、炭素が不完全燃焼することにより生じる未燃物である。このような未燃物は、後述する二次燃焼炉２０にて、完全燃焼させられる。
熱分解炉１０は、鉛直方向に延びる筒状の形状をしており、その下部に高温の流動砂からなる流動砂層１０ａを有する、いわゆる「流動床型燃焼炉」である。流動砂層１０ａに汚泥を投入することで、汚泥の安定的な燃焼が可能となる。なお、熱分解炉１０は流動床型燃焼炉に限定されず、他の型の燃焼炉としてもよい。
熱分解炉１０には、補助燃料供給手段１１、空気供給手段１２、および汚泥供給手段１３がそれぞれ設けられる。補助燃料供給手段１１は、例えば都市ガス等の補助燃料を、熱分解炉１０に供給するための装置である。空気供給手段１２は、熱分解炉１０に空気を供給するための装置であり、空気比（＝供給空気量／完全燃焼に必要な理論空気量）を変更可能に構成されている。また、汚泥供給手段１３は、例えばスクリューフィーダ等からなり、熱分解炉１０に汚泥を供給するための装置である。なお、熱分解炉１０の空気比を０．９〜１．０、熱分解炉１０の温度を７５０〜８００℃とするように設定されている。
（二次燃焼炉）
二次燃焼炉２０は、熱分解ガス管３０から導入される熱分解ガスＧ１に含まれる未燃物を燃焼させて、排ガスＧ２を排ガス管４０へ排出する燃焼炉である。具体的には、例えば未燃物としてのＣＯを、二次燃焼炉２０で完全燃焼させてＣＯ2にする。ただし、熱分解ガスＧ１に含まれる未燃物はＣＯに限定されるものではない。
二次燃焼炉２０は、熱分解ガス管３０から導入される熱分解ガスＧ１に含まれる未燃物を燃焼させて、排ガスＧ２を排ガス管４０へ排出する燃焼炉である。具体的には、例えば未燃物としてのＣＯを、二次燃焼炉２０で完全燃焼させてＣＯ2にする。ただし、熱分解ガスＧ１に含まれる未燃物はＣＯに限定されるものではない。
二次燃焼炉２０は、鉛直方向に延びる筒状の形状をしており、その上部に熱分解ガス管３０が接続され、その下部に排ガス管４０が接続される。二次燃焼炉２０内に十分な空気があれば、熱分解ガス管３０から導入された熱分解ガスＧ１が空気と混合することで燃焼が起こる。なお、二次燃焼炉２０の空気比は０．３〜０．４、二次燃焼炉２０の温度は８５０〜９００℃とするように設定されている。
二次燃焼炉２０での燃焼状態を把握するため、二次燃焼炉２０内の温度を測定する温度計２１が設けられている。また、二次燃焼炉２０の上部にはバーナー２２が設けられている。温度計２１で測定された温度が低く、二次燃焼炉２０で十分な燃焼が行われていないと判断される場合には、バーナー２２に都市ガス等の補助燃料を供給したり、補助燃料の供給量を増やすことで、二次燃焼炉２０での燃焼を促進させることができる。
二次燃焼炉２０の上部には、空気供給手段２３が設けられる。また、排ガス管４０には、酸素濃度測定器４２が設けられる。酸素濃度測定器４２で測定された酸素濃度が低く、二次燃焼炉２０で十分な燃焼が行われていないと判断される場合には、二次燃焼炉２０における空気不足が原因で、上述のように温度計２１で測定された温度が低い場合もある。このような場合には、空気供給手段２３により二次燃焼炉２０へ空気を供給することで、燃焼を促進させることができる。
なお、バーナー２２や空気供給手段２３の操作は、温度計２１で測定された温度に基づいて、後述の制御部５０によって自動的に行ってもよいし、作業者によって人為的に行ってもよい。また、二次燃焼炉２０での燃焼状態を把握するための指標は、二次燃焼炉２０内の温度に限定されず、例えば排ガスＧ２の温度や組成を利用することも可能である。
（熱分解ガス導入管）
熱分解ガス管３０は、熱分解炉１０と二次燃焼炉２０とを接続し、熱分解炉１０から排出された熱分解ガスＧ１を二次燃焼炉２０に導入するための配管である。熱分解ガス管３０には、ＣＯ濃度測定器３１が設けられており、熱分解ガスＧ１中のＣＯ濃度を測定できるようになっている。
熱分解ガス管３０は、熱分解炉１０と二次燃焼炉２０とを接続し、熱分解炉１０から排出された熱分解ガスＧ１を二次燃焼炉２０に導入するための配管である。熱分解ガス管３０には、ＣＯ濃度測定器３１が設けられており、熱分解ガスＧ１中のＣＯ濃度を測定できるようになっている。
（排ガス排出管）
排ガス管４０は、その一端が二次燃焼炉２０に接続されており、その他端は不図示の排ガス処理装置に接続されている。二次燃焼炉２０から排出された排ガスＧ２は、排ガス管４０を経由して、排ガス処理装置に取り込まれ、最終的には不図示の煙突から外部に排出される。排ガス管４０には、Ｎ2Ｏ濃度測定器４１が設けられており、排ガスＧ２中のＮ2Ｏ濃度を測定できるようになっている。なお、排ガスＧ２中のＮ2Ｏ濃度をスポット的に測定できるように、排ガス管４０にサンプリング口（図示せず）が設けられていてもよい。
排ガス管４０は、その一端が二次燃焼炉２０に接続されており、その他端は不図示の排ガス処理装置に接続されている。二次燃焼炉２０から排出された排ガスＧ２は、排ガス管４０を経由して、排ガス処理装置に取り込まれ、最終的には不図示の煙突から外部に排出される。排ガス管４０には、Ｎ2Ｏ濃度測定器４１が設けられており、排ガスＧ２中のＮ2Ｏ濃度を測定できるようになっている。なお、排ガスＧ２中のＮ2Ｏ濃度をスポット的に測定できるように、排ガス管４０にサンプリング口（図示せず）が設けられていてもよい。
（Ｎ2Ｏの排出量を低減するための制御方法）
本発明は、排ガスＧ２中のＮ2Ｏが所定の許容量以下となるように、二次燃焼炉２０に導入される熱分解ガスＧ１中のＣＯ濃度の測定値を、所定の目標値以上に維持するように制御するものである。本実施形態では、熱分解ガスＧ１中のＣＯ濃度を目標値以上とするための制御は、制御部５０によって実行される。
本発明は、排ガスＧ２中のＮ2Ｏが所定の許容量以下となるように、二次燃焼炉２０に導入される熱分解ガスＧ１中のＣＯ濃度の測定値を、所定の目標値以上に維持するように制御するものである。本実施形態では、熱分解ガスＧ１中のＣＯ濃度を目標値以上とするための制御は、制御部５０によって実行される。
制御部５０は、ＣＯ濃度測定器３１と接続されており、ＣＯ濃度測定器３１によって測定された熱分解ガスＧ１中のＣＯ濃度の測定値が、適宜のタイミングで制御部５０へ送られる。また、制御部５０は、補助燃料供給手段１１、空気供給手段１２、および汚泥供給手段１３のそれぞれに接続されており、制御部５０から各手段１１、１２、１３へ作動のための指令信号を送ることができる。
Ｎ2Ｏの排出量を低減するための制御を実行する前に、まず前提条件として、排ガスＧ２中のＮ2Ｏの許容量が設定される。そして、この許容量に応じて、二次燃焼炉２０に導入される熱分解ガスＧ１中のＣＯ濃度の目標値が設定される。例えば、Ｎ2Ｏの許容量を０．１ｋｇ／ｔ−ｗｅｔとする場合には、上記目標値を３００００ｐｐｍ、Ｎ2Ｏの許容量を０．２ｋｇ／ｔ−ｗｅｔとする場合には、上記目標値を１５０００ｐｐｍというように、Ｎ2Ｏの許容量が大きくなるほど目標値は小さくなる傾向にある。なお、ｋｇ／ｔ−ｗｅｔという単位は、汚泥１トン（湿ベース）当たりのＮ2Ｏの排出重量を示すものである。このようにして設定された熱分解ガスＧ１中のＣＯ濃度の目標値は、あらかじめ作業者によって制御部５０に入力され、Ｎ2Ｏの排出量を管理・低減するための制御に使用される。
上述の目標値は、排ガスＧ２中のＮ2Ｏの許容量に応じて設定される、熱分解ガスＧ１中のＣＯ濃度の下限値の意味合いを持つものであるが、本実施形態では、下限値（目標値）とともに上限値も設定している。熱分解ガスＧ１中のＣＯ濃度の上限値を設定することで、ＣＯが二次燃焼炉２０で完全燃焼されないまま排出されてしまうことを回避できる。
図２を参照しつつ、Ｎ2Ｏの排出量を低減するための制御方法について説明する。制御部５０は、図２に示した制御を、例えば所定時間ごとに繰り返し実行する。なお、この制御を実行するタイミングは自由に設定することが可能である。また、制御方法としては、例えばＰＩＤ制御などの他の制御としてもよい。
制御部５０は、ＣＯ濃度測定器３１から熱分解ガスＧ１中のＣＯ濃度の測定値を受け取ると（ステップＳ１０１）、当該測定値をあらかじめ入力されている目標値と比較する（ステップＳ１０２）。その結果、測定値が目標値よりも小さかった場合には、熱分解ガスＧ１中のＣＯ濃度を増大させるために、空気供給手段１２から熱分解炉１０への空気の供給量を減少させ（空気比を小さくし）、不完全燃焼を生じやすくする（ステップＳ１０３）。
一方、ステップＳ１０２において測定値が目標値以上であった場合には、測定値をあらかじめ入力されている上限値と比較する（ステップＳ１０４）。その結果、測定値が上限値よりも大きかった場合には、熱分解ガスＧ１中のＣＯ濃度を減少させるために、空気供給手段１２から熱分解炉１０への空気の供給量を増加させ（空気比を大きくし）、完全燃焼させやすくする（ステップＳ１０５）。一方、測定値が上限値以下であった場合には、空気供給手段１２から熱分解炉１０への供給空気量を現状維持とする。
（効果）
以上のような制御を所定時間ごとに繰り返し実行することで、熱分解ガスＧ１中のＣＯ濃度を目標値以上かつ上限値以下の適正な範囲に維持することができる。ＣＯ濃度を目標値以上に維持することで、可燃性ガスであるＣＯの二次燃焼炉２０への導入量が一定以上に保たれ、二次燃焼炉２０内の温度を例えば９００℃程度の高温に維持することができる。高温の二次燃焼炉２０では、Ｎ2Ｏが分解される反応が促進され、Ｎ2Ｏの排出量を低減させることができる。同時に、ＣＯ濃度を上限値以下に維持することで、二次燃焼炉２０における負荷を適正な状態に保ち、ＣＯが完全燃焼しないまま排出されてしまうことを抑制できる。
以上のような制御を所定時間ごとに繰り返し実行することで、熱分解ガスＧ１中のＣＯ濃度を目標値以上かつ上限値以下の適正な範囲に維持することができる。ＣＯ濃度を目標値以上に維持することで、可燃性ガスであるＣＯの二次燃焼炉２０への導入量が一定以上に保たれ、二次燃焼炉２０内の温度を例えば９００℃程度の高温に維持することができる。高温の二次燃焼炉２０では、Ｎ2Ｏが分解される反応が促進され、Ｎ2Ｏの排出量を低減させることができる。同時に、ＣＯ濃度を上限値以下に維持することで、二次燃焼炉２０における負荷を適正な状態に保ち、ＣＯが完全燃焼しないまま排出されてしまうことを抑制できる。
なお、本実施形態では、熱分解ガスＧ１中のＣＯ濃度を、空気供給手段１２から熱分解炉１０への空気の供給量を調整することで制御しているが、制御方法はこれに限定されない。例えば、熱分解ガスＧ１中のＣＯ濃度の測定値が目標値よりも小さい場合に、補助燃料供給手段１１から熱分解炉１０への補助燃料の供給量を増加させ、熱分解炉１０における負荷を大きくすることで、熱分解炉１０での不完全燃焼を生じやすくさせ、熱分解ガスＧ１中のＣＯ濃度を大きくすることができる。この方法によれば、迅速に熱分解ガスＧ１中のＣＯ濃度を大きくすることができるので、応答性を優先する場合には好適である。なお、ＣＯ濃度の測定値が上限値よりも大きい場合には、補助燃料供給手段１１から熱分解炉１０への補助燃料の供給量を減少させてもよい。
あるいは、熱分解ガスＧ１中のＣＯ濃度の測定値が目標値よりも小さい場合に、汚泥供給手段１３から熱分解炉１０への汚泥の供給量を増加させ、熱分解炉１０における負荷を大きくすることで、熱分解炉１０での不完全燃焼を生じやすくさせ、熱分解ガスＧ１中のＣＯ濃度を大きくすることもできる。なお、ＣＯ濃度の測定値が上限値よりも大きい場合には、汚泥供給手段１３から熱分解炉１０への汚泥の供給量を減少させればよい。
ただし、補助燃料の供給量を増加させると、燃焼炉１の燃費は悪化することになる。また、汚泥の供給量を調整するという手法は、時間当たりの汚泥処理量が一般的に決められているという状況を鑑みると、適切でない場合もある。そこで、本実施形態のように、熱分解ガスＧ１中のＣＯ濃度を、熱分解炉１０への空気の供給量を調整することで制御すれば、燃焼炉１の燃費を悪化させることなく、汚泥の供給量を一定に維持することができるので好適である。なお、空気供給手段１２から熱分解炉１０に供給する空気量を減らした場合、汚泥や補助燃料を完全燃焼させるのに必要な空気が不足する場合もあり得るが、その場合には、空気供給手段２３から二次燃焼炉２０に供給する空気量を増加させればよい。
本実施形態では、熱分解ガス管３０を二次燃焼炉２０の上部に接続しているため、熱分解ガスＧ１中のＣＯ濃度を大きくすることで、特に二次燃焼炉２０の上部の温度を局所的に上昇させることができる。このため、二次燃焼炉２０の内部全体にわたって温度を上昇させる場合と比べ、効率よく温度を上昇させることができ、Ｎ2Ｏの分解を一層促進しやすいものとなっている。また、二次燃焼炉２０における燃焼を促進させるためのバーナー２２や空気供給手段２３も二次燃焼炉２０の上部に設けられているため、これらを使用した場合にも、やはり局所的な温度上昇を図ることができる。ただし、熱分解ガス管３０の接続位置や、バーナー２２や空気供給手段２３の配設位置は、必ずしも二次燃焼炉２０の上部である必要はない。
（変形例）
本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない限りにおいて上記実施形態の要素を適宜組み合わせまたは種々の変更を加えることが可能である。
本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない限りにおいて上記実施形態の要素を適宜組み合わせまたは種々の変更を加えることが可能である。
例えば、上記実施形態では、熱分解炉１０に供給する補助燃料の量、空気の量および汚泥の量のいずれか１つを制御するものとしたが、複数のものを組み合わせて制御するようにしてもよい。
また、上記実施形態では、制御部５０により空気供給手段１２の制御が行われるものとしたが、制御部５０により制御を実行することは必須ではない。例えば、ＣＯ濃度測定器３１によるＣＯ濃度の測定値を表示手段（不図示）に表示するように構成し、表示手段に表示された測定値に応じて、作業者が空気供給手段１２を適宜操作するようにしてもよい。補助燃料供給手段１１や汚泥供給手段１３を制御する場合についても同様である。
また、上記実施形態では、排ガスＧ２中のＮ2Ｏの許容量に応じて、熱分解ガスＧ１中のＣＯ濃度の目標値（または上限値）が制御部５０に作業者により入力されるものとした。しかしながら、例えば制御部５０に、Ｎ2Ｏの許容量とＣＯ濃度の目標値（または上限値）との関係を示す数式やマップを記憶させておき、作業者により入力されたＮ2Ｏの許容量に応じて、ＣＯ濃度の目標値（または上限値）が自動的に設定されるようにしてもよい。
また、上記実施形態では、制御部５０は、ＣＯ濃度測定器３１による熱分解ガスＧ１中のＣＯ濃度の測定値のみに基づいて制御を行うものとしたが、これに加えて他の要素も勘案して制御を行うようにしてもよい。他の要素としては、例えば温度計２１による二次燃焼炉２０内の測定温度、Ｎ2Ｏ濃度測定器４１による排ガスＧ２中のＮ2Ｏの測定濃度、あるいは酸素濃度測定器４２による排ガス管Ｇ２の酸素濃度等を採用することができる。
１：燃焼炉
１０：熱分解炉
１１：補助燃料供給手段
１２：空気供給手段
１３：汚泥供給手段
２０：二次燃焼炉
Ｇ１：熱分解ガス
Ｇ２：排ガス
１０：熱分解炉
１１：補助燃料供給手段
１２：空気供給手段
１３：汚泥供給手段
２０：二次燃焼炉
Ｇ１：熱分解ガス
Ｇ２：排ガス
Claims (4)
- 汚泥を熱分解して熱分解ガスを排出する熱分解炉と、前記熱分解炉から排出された前記熱分解ガスが導入され、前記熱分解ガスに含まれる未燃物を燃焼させて排ガスを排出する二次燃焼炉と、を有する燃焼炉における汚泥の燃焼方法であって、
前記排ガス中の一酸化二窒素の許容量に応じて、前記二次燃焼炉に導入される前記熱分解ガス中の一酸化炭素の濃度の目標値を設定する工程と、
前記二次燃焼炉に導入される前記熱分解ガス中の一酸化炭素の濃度の測定値を得る工程と、
前記測定値が前記目標値よりも小さい場合、前記熱分解炉に供給する補助燃料の量、空気の量および汚泥の量の少なくともいずれか１つを制御することで、前記測定値を増大させる工程と、
を備えることを特徴とする汚泥の燃焼方法。 - 前記測定値が前記目標値よりも小さい場合、前記熱分解炉に供給する空気の量を減少させる請求項１に記載の汚泥の燃焼方法。
- 前記測定値が前記目標値以上に設定された上限値よりも大きい場合、前記熱分解炉に供給する空気の量を増加させる請求項２に記載の汚泥の燃焼方法。
- 汚泥を熱分解して熱分解ガスを排出する熱分解炉と、
前記熱分解炉から排出された前記熱分解ガスが導入され、前記熱分解ガスに含まれる未燃物を燃焼させて排ガスを排出する二次燃焼炉と、
を備え、
前記二次燃焼炉に導入される前記熱分解ガス中の一酸化炭素の濃度の測定値が、前記排ガス中の一酸化二窒素の許容量に応じて設定される目標値よりも小さい場合、前記熱分解炉に供給する補助燃料の量、空気の量および汚泥の量の少なくともいずれか１つを制御することで、前記測定値を増大させることを特徴とする汚泥用の燃焼炉。
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