JP6251892B2

JP6251892B2 - 燃焼システム

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Publication number: JP6251892B2
Application number: JP2015523819A
Authority: JP
Inventors: 直彌吉川
Original assignee: GGI JAPAN INC.
Current assignee: GGI JAPAN INC.
Priority date: 2013-06-25
Filing date: 2013-06-25
Publication date: 2017-12-27
Anticipated expiration: 2033-06-25
Also published as: CN204704819U; US20160195269A1; MY189078A; US10746399B2; WO2014207944A1; AU2013396485A1; PH12015502859A1; JPWO2014207944A1

Description

本発明は、燃焼システムに関する。より詳しく述べると過熱水蒸気を用いた燃焼システムに関する。

燃焼装置、例えば熱分解炉を用いて廃棄物等の炭素源を熱分解してオイルを取得するような燃焼システムにおいて、補助熱源として過熱水蒸気が用いられている。

例えば、特許文献１には、固形廃棄物を一つの炉内で炭化と同時に効率良く簡単にガス化及びガス改質できるとともに、その際に、熱量調整が容易で安定してガス化でき、炭化物と有用ガスと液体燃料とを装置規模が小さくとも効率良く再生できる、中小規模施設向きの廃棄物再生処理方法及び廃棄物再生処理システムを提供する目的で、固形廃棄物を過熱水蒸気と共に入口側から出口側へ向かって下向きに傾斜させた炭化・ガス化炉内に投入し、この炭化・ガス化炉内で電気ヒータにより空気遮断状態で間接的に加熱して燃焼させることなく熱分解により炭化させるとともに、その炭化物の炉内での滞積量を出口側へ向かって多くしてその熱で水性ガスシフト反応を起こし、水素と一酸化炭素を主体とした乾留ガスを生成する熱分解炭化・ガス化工程と、この乾留ガスをフィッシャ・トロプシュ合成触媒を用いて液体燃料化する液体燃料化工程とを有することを特徴とする廃棄物再生処理方法が開示されている。
過熱水蒸気は、一般にボイラで１００℃近傍に加熱し、沸騰させた水を過熱水蒸気発生装置により更に所定温度まで過熱した高温ガスとして燃焼装置である熱分解炉に送り込まれ、キャリアガスおよび補助的加熱手段として使用される。
この際に、ボイラとして、重油等のオイルを熱源として用いる方式や電気により加熱する方式のボイラが用いられている。
そして、水源から供給される常温の水をかなりのエネルギを消費して１００℃近傍まで加熱することとなる。
そのため、特許文献２では潜熱を利用したボイラの燃費改善システムが開示されている。高温の排ガスを高温用の熱交換器を使わずにチタン製潜熱回収熱交換器の耐熱性の限界内まで低下させるとともに、高温排ガスの顕熱も有効に利用することを課題として、潜熱回収熱交換器の入り口側または出口側で高温排ガスに散水することにより、散水した水は排ガスの熱により加熱されて水蒸気となり、ガス温度が低下すると共に、散水から發生した水蒸気も潜熱回収装置の特長を活かして排ガスの元々の水蒸気と共に凝縮させ、その増量された凝縮潜熱も高温水として例えばボイラ給水に活用する
しかし、特許文献１のシステムは、過熱水蒸気を作るのに多量のエネルギを必要とし、得られるオイルの量と差し引きするとむしろマイナスとなってしまう。
また、特許文献２に記載の技術は、百数十℃の熱を利用するものであり、効率は高くない。
特に、日量数１０トンの廃棄物を油化する熱分解装置等の燃焼系の場合には、時間当たり数百リットルの常温の水を沸騰させる必要があり、巨大なボイラを用いて多大なエネルギをかけないと必要量の沸騰水を過熱水蒸気発生装置に供給ができないという欠点がある。

特開２００８−２６０８３２号公報特開２０１１−７４７４号公報

したがって、本発明の課題は、エネルギ効率よく過熱水蒸気を発生させなおかつ燃焼系の燃焼効率を上げた燃焼システム、特に熱分解システム、プラズマ溶融システムを提供することである。

上記課題を解決する本発明は、次の各項目に関する。
１ボイラからの熱水を過熱水蒸気発生装置で過熱水蒸気として燃焼系に供給する燃焼システムであって、
前記燃焼システムは
３５０から１０００℃で炭素質固体を燃焼し、前記炭素素質固体からオイルを回収する油化炉である燃焼系と、
前記燃焼系からの排熱を蓄熱する蓄熱装置と、
前記蓄熱装置からの熱を熱輸送媒体により熱交換可能に接続され、前記ボイラへ供給する水を加温する熱交換水槽と、
を備え、前記ボイラに給水する水を加温するとともに、
前記燃焼システムは、さらに
酸素／水素混合ガスを供給するための酸水素ガス供給系と、
前記過熱水蒸気発生装置で発生した過熱水蒸気と前記酸水素ガス供給系からの酸素／水素混合ガスとを混合するミキサとを備え、
前記過熱水蒸気を酸水素ガスと混合して前記燃焼系に供給し、そして
前記蓄熱装置は、前記燃焼系から排出される排熱を配管を介して捕捉する集熱炉と、前記集熱炉で蓄熱された熱を前記蓄熱装置に熱輸送する熱輸送媒体が充填された熱交換配管と、から構成され、
前記油化炉の後段にキャリアガスとして、前記ミキサからの酸水素混合ガスを含む過熱水蒸気を導入する過熱水蒸気導入口と、
前記粗製炭化水素を加熱する加熱手段と、
前記加熱した粗製炭化水素をガス成分と液体成分に分離する分離手段と、
前記分離したガス成分を排出するガス排出口と、
前記分離した液体成分を排出する液体排出口と、
を備えた第１の精製装置と、
前記第１の精製装置の液体排出口から排出した液体を精製する後段の精製装置と、
精製したオイルを回収・保存するためのオイル保存タンクと、
を備えた粗製炭化水素の精製システムを備えたことを特徴とする燃焼システム。

２前記ボイラからの水蒸気は前記蓄熱装置内を経由した配管により過熱されて前記過熱水蒸気発生装置内へ導入されることを特徴とする１に記載の燃焼システム。

３前記炭素質固体が廃棄物、バイオマス原料または汚泥であることを特徴とする１に記載の燃焼システム。
４前記蓄熱装置は、二次側として発電システムを備えていることを特徴とする１に記載の燃焼システム。
５前記発電システムは、ピストンモータと、冷却装置と、前記蓄熱装置とこれらの間を循環する循環ガスの流路から主として構成されており、前記蓄熱装置により加温膨張した循環ガスによる圧力が前記ピストンモータにより回転力に変換されて前記発電機により発電する構成を有していることを特徴とする４に記載の燃焼システム。
６前記発電システムは、スクリュー型発電システムまたはスターリングエンジン型発電システムであることを特徴とする４に記載の燃焼システム。
７前記過熱水蒸気発生装置は、２またはそれ以上の過熱水蒸気発生装置が直列に配置されて構成され、前段の過熱水蒸気発生手段と後段の過熱水蒸気発生手段との間に水蒸気タービン式発電機、スクリュー型発電装置またはスターリングエンジン型発電装置を備えていることを特徴とする１に記載の燃焼システム。

本発明の燃焼システムは、燃焼物である炭素質固体を燃焼するに当たって過熱水蒸気を助燃剤およびキャリアガスとして使用する。この際に、燃焼系から排出される排熱を蓄熱装置に蓄熱し、これを過熱水蒸気を発生する元となる常温の水を常時加温することとなる。そのため、非常に効率よく過熱水蒸気を発生させることが可能となり、大容量の常温の水から安定量で過熱水蒸気を発生することが可能となる。また、過熱水蒸気は、酸水素混合ガスと混合されて燃焼系に供給されるので、燃焼系内を効率よく高温に保つことが可能となる。
本発明の好ましい実施形態では、燃焼系は、炭素質固体からオイルを回収する油化炉である。この場合、水素分の少ない炭素質固体を原料としても過熱水蒸気内に含まれる水素が作用してオイルを高い回収率で回収可能となる。
本発明の別の好ましい実施形態では、蓄熱装置に発電系が接続されている。そのため、燃焼系からの排熱を利用して効率よくなおかつ安定して発電が可能となる。

本発明の燃焼システムの概略を説明する概略図である。本発明の燃焼システムの一実施形態を示す図面である。本発明の燃焼システムの別の一実施形態を示す図面である。本発明の燃焼システムのさらに別の一実施形態を示す図面である。（ａ）から（ｃ）は、各々本発明の燃焼システムで用いる酸素水素供給源の一例を示す図面である。図５で用いられる電気分解装置の構成を示す図面である。本発明の燃焼システムの利用形態を示す概念図である。本発明の燃焼システムを油化システムに適用した例を示す図面である。図８の油化システムの精製システムの一例を示す図面である。図８の油化システムの精製システムの別の一例を示す図面である。本発明の燃焼システムをプラズマ溶融装置に適用した例を示す図面である。本発明の燃焼システムを低温誘導過熱処理装置に適用した例を示す図面である。本発明の燃焼システムに発電システムを組み込んだ一例を示す図面である。本発明の燃焼システムに発電システムを組み込んだ別の一例を示す図面である。

以下、本発明の実施の形態を添付図面に基づいて説明する。
なお、本発明で使用する用語「燃焼系」とは、炭素質原料（都市ゴミ、排プラスチック、汚泥、バイオマス原料等）を熱分解して油化または炭化する熱分解装置やこれらの炭素質原料を焼却または溶融する溶融システム、例えばプラズマ溶融装置）を含むものと解釈される。
（概要）
本発明の燃焼システムは、図１に示す通り、ボイラ１１からの熱水を過熱水蒸気発生装置２０で過熱水蒸気として燃焼系５０に供給する燃焼システムである。そして、燃焼システムは、３５０から１０００℃で炭素質固体を燃焼する燃焼系５０と、燃焼系５０からの排熱を蓄熱装置と、蓄熱装置からの熱を熱輸送媒体により熱交換可能に接続され、ボイラへ供給する水源１３水を加温する熱交換水槽１２と、から主として構成されている。

燃焼系５０から排出される高温の排熱を蓄熱装置６０に蓄熱し、蓄熱した熱を水源１３からの常温の水を熱交換水槽１２で加温している（例えば、７０℃から１００℃、好ましくは７０℃から９８℃）。
熱交換水槽１２で加温された温水は、ボイラ１１でさらに加熱し、過熱水蒸気発生装置２０に送られる。
そのため、常温の水を必要量だけ絶えずボイラ１１で加熱するよりもボイラ１１に負荷がかからずまたエネルギ消費量も激減する。従来技術の潜熱式のボイラと比較して少量のエネルギですむ。

なお、本発明の燃焼システムにおける蓄熱装置７０は、図２に示す通り、集熱炉６０を介して燃焼系５０からの熱を蓄熱してもよい。この際に使用される集熱炉６０として、例えば珪藻土からなるブロックを使用することができる。そして、燃焼系５０からの排熱は集熱路６０内に接触面積を大きくした配管（排熱流路５３）が蛇行して設けられた排熱配管５３内を通過する際に熱を集熱した後に大気に放出される。

また、集熱炉６０で補足された熱は、集熱炉６０から熱輸送媒体を介して蓄熱装置７０に蓄熱される。
蓄熱装置７０に用いられる蓄熱材は、２００から４００℃程度の温度帯域を蓄熱する例えば、比熱の高い鉱物油であることができ（例えば、特開２０１１−２５７１２１号公報に記載の油）、この鉱物油は集熱路６０で集熱した熱を蓄熱装置７０に輸送する熱輸送媒体として使用することができる。
蓄熱装置７０は、図３に示すように燃焼系５０からの排熱を蓄熱装置７０内に設けられた蛇行する配管を通過することによって蓄熱する構成にすることもできる。

以上説明した通り、図２および図３に示すように燃焼系５０からの大容量の熱を蓄熱装置７０に蓄熱することが可能である。このようにして蓄熱された熱を熱交換水槽１２と熱交換することにより水源１３からの常温の水を所定温度に加温することが可能となる。なお、本発明の好ましい実施形態においては蓄熱装置７０と熱高温水槽１２との間の熱交換は、集熱装置６０と蓄熱装置７０の熱交換と同様な熱輸送媒体を使用する。
このようにして、熱交換水槽１２内で加温された温水（７０℃から１００℃）は、ボイラ１１により沸騰され過熱水蒸気発生装置２０へと送られ、所定温度、例えば３５０℃から１０００℃、好ましくは５００℃から１０００℃に過熱され所定圧力で後段のミキサ３０へと送られる。

本発明で使用可能な過熱水蒸気発生装置２０は、当該技術分野に周知の装置から適宜選択されるが、図２および図３に示す通り水蒸気配管内に誘導過熱装置が設けられたインバータータイプの過熱水蒸気発生装置が好ましい。
また、図４に示す通り、ボイラ１１からの水蒸気を蓄熱装置７０で予め過熱してから過熱水蒸気発生装置２０に導入することもできる。
このようにして所定温度、例えば３５０℃から１０００℃、好ましくは５００℃から１０００℃に過熱され所定圧力で後段のミキサ３０へと送られた過熱水蒸気は酸水素供給源からの酸素／水素混合ガスと混合されて燃焼系５０へ供給される。

本発明における酸素／水素供給源としての酸素／水素供給装置４０は、図５および図６に示す通り、水の電気分解装置４１から主として構成されている。
水の電解装置は、図６に示す通り、水（電解質水溶液）に陽極と陰極を設け、所定の電圧を負荷することにより水を酸素と水素とに分離する周知の装置である（通常、酸素１：水素１）。
この際発生した酸素と水素を、例えば図５（ａ）に示すように酸素／水素混合液としてミキサ３０へ供給することもできるが、例えば図５（ｂ）に示すように酸素と水素を予め各々酸素タンク４２と水素タンク４３へ保存しておいて、これらの保存した酸素・水素を別途混合してミキサ３０へ供給することもできる。さらに、図５（ｃ）に示す通り、別々に保存して酸素と水素に加えて、酸素濃縮装置であるＰＳＡ４４や水素ボンベらの水素供給源４５により濃縮酸素を別途添加してミキサ３０に加えることも可能である。

本発明では、酸素・水素混合ガスをミキサ３０を介して燃焼系５０に供給することにより燃焼系５０の炉内温度を迅速に均一にすることが特徴である。本発明においては、処理物である炭素質原料を投入時に燃焼系５０の炉内温度が低下し炉内で温度むらが発生する。その際に、所定量の酸素／水素混合ガスを導入することにより酸素／水素混合ガスが助燃剤として作用し、炉内温度を均一にすることが可能である。
本発明における酸素／水素ガス混合ガス供給装置４０における酸素／水素ガス混合ガスにおける酸素／水素の混合比（モル比、以下同様）は、１：２であるのが一般的であるが、酸化炎の発生を防ぐために水素量を過剰（通常は１：４〜５）にすることもできる。
酸素／水素混合ガスは温度が発火点になると自発的に燃焼する。酸素と水素が１：２の混合ガス（水素爆鳴気）は、常圧において発火点が約５７０℃となる。そのような混合気体へ着火するのに必要なスパークの最小エネルギは、約２０マイクロジュールである。常温常圧では、水素が体積の４％から９５％を占めている場合、酸水素ガスは燃焼可能である。

ひとたび着火すると、酸素／水素混合ガスは発熱反応により水蒸気へと変わり、その発熱によって反応が持続する。１モルの水素の燃焼につき２４１．８ｋＪのエネルギー（低発熱量）を発生する。発生する熱エネルギの量は燃焼の形式に影響されないが、炎の温度は変化する。酸素と水素の組成を正確に調整すると炎は最高で約２８００℃となり、大気中で水素ガスを燃やしたときより７００℃も高い。混合比率が２：１でない場合や、窒素のような不活性気体が混ざっている場合、熱がより大きな体積へ拡散するため、温度が低くなる。

本発明の燃焼系５０が例えば熱分解装置である場合、その炉内は、処理物、例えば廃棄物は、その組成が一定でないため溶融処理中の酸素：水素比は、一定でない。そのため、本発明の好ましい実施形態では、炉内における酸素：水素比を２：１に近づけるように酸素：水素の添加量を変化させて水素：酸素比を調整する。
酸素：水素の混合比の調整は、例えば図５（ｂ）または好ましくは図５（ｃ）に記載の通り、酸素ガス、水素ガスを別々に蓄え、所定の混合比で混合してから熱分解装置３０へ導入することにより実施することができる。
燃焼系５０の炉内の酸素・水素の混合比を２：１に近づけるためには、炉内温度（温度分布）を監視することが重要である。炉内温度の監視のために、熱分解装置３０は、所定箇所に図示しない温度測定手段を設置することが好ましい。温度測定手段としては、赤外線高温測定カメラ、熱伝対、特に金属炭素系熱伝対などを利用することが可能である。これらを用いることにより炉内温度を監視することが可能である。

酸素・水素の混合比に加えて、酸素・水素混合ガスの供給量も重要な因子である。すなわち、酸素・水素混合ガスの導入量が少ないと酸素・水素混合ガスによる助燃作用が十分でなく、多すぎると酸素・水素混合ガスの消費量が無駄となる。
このような酸素／水素混合ガスの比率および供給量を変化させて、特に炉内温度の変化状況に応じて酸素／水素混合ガス供給源４０からミキサ３０を介して燃焼系５０に投入することにより、処理物の投入時等の炉内環境の変化に追従して炉内温度を適正に保つことが可能である。

このように構成された本発明の燃焼システムは、燃焼物である炭素質固体を燃焼するに当たって過熱水蒸気を助燃剤およびキャリアガスとして使用する。この際に、燃焼系から排出される排熱を蓄熱装置に蓄熱し、これを過熱水蒸気を発生する元となる常温の水を常時加温することとなる。そのため、非常に効率よく過熱水蒸気を発生させることが可能となり、大容量の常温の水から安定量で過熱水蒸気を発生することが可能となる。また、過熱水蒸気は、酸水素混合ガスと混合されて燃焼系に供給されるので、燃焼系内（炉内）を効率よく均一に高温に保つことが可能となる。
以上、本発明の燃焼システムの実施形態について説明したが、本発明はこれらの実施形態に限定されるものではない。例えば、図５および図６で示した酸水素混合ガスを過熱水蒸気と別ラインで供給することも可能であり、また酸水素混合ガスを供給しなくともよい。
次に、本発明の燃焼システムを組み込んだ応用例を説明する。
すなわち、本発明の燃焼システムは、熱分解炉（油化装置、炭化装置）、プラズマ溶融装置、その他誘導過熱を用いた燃焼炉など種々の燃焼系に使用することが可能である（図７参照）。
また、本発明の好ましい実施形態においては、本発明の燃焼システムで蓄熱した熱を有効利用する発電システム、給湯システムまたはこれらを組み合わせたコジェネレーションシステムが提供される。
以下、これらの応用例について説明する。
（応用例１Ａ：熱分解装置）

本発明の燃焼システムの好ましい実施形態において、図８に示す通り燃焼系５０は、熱分解装置５００であることができる。
熱分解装置５００は、都市ゴミ（ＭＳＷ）や汚泥等の廃棄物や、藻類、木材、農業残渣等のバイオマス原料等の炭素質原料を熱分解して油化する装置や炭化する装置として知られている。
本発明においては、燃焼系として、このような熱分解装置５００を適用することが可能である。
図８に示す熱分解装置５００は、これらの炭素質原料を５００℃以上、好ましくは約１０００℃の温度で熱分解してガス化する装置であり、熱分解炉本体５０１、炭素質原料を熱分解炉本体５０１に投入するための投入口５０２、熱分解炉本体５０１内部を加熱するためのバーナー５０３、熱分解により生じた残渣を排出する排出口５０４、ミキサ３０（図１から６参照）からの酸水素ガスと混合された過熱水蒸気を供給するための混合ガス供給口５０５、熱分解したガスを排出する油化物輸送ライン５０６、排熱を蓄熱装置７０（図１から６参照）サイドに放出する排熱ライン５０７から主として構成されている。

このように構成された熱分解装置５００は、キャリアガスとしての高温の過熱水蒸気を主体とする混合ガス（例えば、９５０℃）がミキサ３０から供給される。
そのため、炭素質原料を加熱するのに要するバーナー５０３からの熱量を削減可能である。また、炭素：水素比で炭素が多量の炭素質原料（例えば紙）等を熱分解する際に、酸水素混合ガス中の水素分により油化効率が上昇するとともに、炭素質原料中の炭素分と酸素とが反応しシンガス成分であるＣＯの量も増加可能である。このシンガスは、リサイクルして燃料として用いることができるので、熱分解に要するエネルギの削減に役立つ。

また、本発明の特定の実施形態では、熱分解により生じた炭化水素ガスを例えば図９および図１０に示すような精製装置により精製することが好ましい。図９に示す装置は、熱分解により生じた炭化水素を蒸留精製する装置の一例を示しており、熱分解により生成した粗製炭化水素を精製して所望の範囲（分子量範囲）の炭化水素を回収するシステムである。
精製装置６０１は、熱分解装置５００から排出された粗製炭化水素を導入する粗製炭化水素導入口６０２と、キャリアガスとしてのミキサ３０からの酸水素混合ガスを含む過熱水蒸気を導入する過熱水蒸気導入口６０３（粗製炭化水素を加熱する加熱手段を兼ねる）と、加熱した粗製炭化水素をガス成分と液体成分に分離する分離手段である多孔質プレート６０４と、分離したガス成分を排出するガス排出口６０５と、前記分離した液体成分を排出する液体排出口６０６と、を備えた第１の精製装置と、図１０に示す第１の精製装置６０１の液体排出口から排出した液体を精製する後段の精製装置６１０〜６１６とを備えており、そして精製したオイルを保存するオイル保存タンク６０７から構成されている。
また、加熱温度も、精製目的とするオイルに依存するが、一般には３５０℃から６００℃、好ましくは５００℃前後である。また、所望に応じて、気液分離する前に不純物を除去する不純物除去手段（例えば、フィルタ・触媒）を設けてもよい。

このようにして、熱分解装置５００から導入された粗製炭化水素は、過熱水蒸気導入口２から導入された酸水素混合ガスを含む過熱水蒸気と混合し、多段式（図１の例では４段）に設けられた多孔式プレート６０４を通過する際に、比重の重い液体成分と気体成分とに分離される。
気体成分は、一般に低級炭化水素ガスであり、そしてガス排出口６０５から排出され、通常は燃料源として熱分解装置５００に戻される。
一方、分離した液体成分は、液体排出口６０６を通過して図１０に示す後段の精製装置を介して繰り返し精製されてオイル分としてオイル保存タンクで保存される。
本発明の粗製炭化水素精製システムは、このようにして、熱分解装置から排出される粗製炭化水素を所望のオイル、例えば、軽油、灯油グレードまたはディーゼルオイルグレードに精製して回収するシステムが本発明の粗製炭化水素精製システムであるが、通常、第１の精製装置の後段に、図１０に示すような精製装置を設けるのが好ましい。

図１０に示す例では、第１の精製装置で気液分離した液体成分（粗製炭化水素）を第２から第６の精製装置６１０−６１６で精製して所望のオイルとしてオイル保存タンク１７へ保存する例を示している。
第２の精製装置６１０は、第１の精製装置６０１からの液体成分を加圧・加熱により流速を増加させる急速ろ過を行って不純物を除去する装置である。なお、流速の増加条件、すなわち、加圧・加熱条件は、液体の粘度・沸点などに依存して適宜設定されるもので特に限定されるものではない。また、温度差などを利用して所定範囲のオイル分をそのままオイル保存タンク６０７に回収してもよい。
このようにして、不純物が分離された液体成分（炭化水素）は、次いで、第３の精製装置６１１で、固体成分、気体成分および液体成分に分離される（沸点差により分離）。固体成分は、一般にタール分やレジン分と呼ばれる高分子炭化水素であり、分離除去される。
分離された液体成分は、次いで第４の精製装置６１２、第５の精製装置６１３により所望の範囲のオイル分に精製されてオイル保存タンク６０７に回収・保存される。なお、本実施形態では、第４の精製装置６１２、第５の精製装置６１３の二つの精製装置を用いたが本発明はこれに限定されるものではなく、一つであっても三つ以上であってもよい。

一方、第３の精製装置６１１で分離された気体成分は、比較的分子量の大きい低級炭化水素と水分の混合物であり、再加熱装置段６１５と分離タンク６１６から構成された第６の精製装置により沸点差により水分とオイル分に分離される。
分離された水分は、ボイラ１１に送られ、そして過熱水蒸気として再び利用してもよい。一方、分離されたオイル分はオイル保存タンク６０７へ送られ回収・保存される。
このように、過熱水蒸気を用いた分離装置を設けることにより、本発明における装置を有効活用可能となる。

（応用例２：プラズマ溶融装置）
次に、本発明の燃焼システムをプラズマ溶融装置に適用した例を示す。
図１１に示す通り、本発明のプラズマ溶融装置７００は、溶融処理する処理物を導入する導入口７１４と、炉頂に位置するプラズマトーチ（主電源）７０２と、炉底のプラズマトーチに相当する位置に配置された底部電極７１２と、排ガス出口７１５から主として構成されている溶融炉本体７０１と、酸素・水素混合ガスを含有する過熱水蒸気を溶融炉本体１００に導入管を導入する過熱水蒸気導入口７０３とから主として構成されている。
本発明におけるプラズマ溶融装置７００における溶融炉本体７０１は従来公知のプラズマ溶融炉から適宜選択して使用することができ、特に限定されるものではないが、図１１に示す通り、溶融炉本体１の炉壁部分に補助電極７１３を設けることが好ましい。

このようにして個性されたプラズマ溶融装置７００は、導入口７０２から導入された処理物が主電源７１１と底部電極７１２との間で発生した高温のプラズマにより加熱溶融する仕組みである。加熱溶融した処理物は、焼却灰層７１８Ａ、溶融電離層７１８Ｂ、金属層７１８Ｃに分離され、各々スラグ排出口７１６および金属排出口７１７を介してスラグ回収部７１９Ａ、金属回収部７１９Ｂへと分離回収される。
本発明は、このようなプラズマ溶融装置７００において、溶融炉本体７０１に図１から図６に示すミキサ３０を介して酸水素混合ガスを含有する高温の過熱水蒸気が導入される。
一般に、溶融炉本体７０１は、主電極７１１と底部７１２との間で高温となり炉壁側に向かうに従って温度が低温となる。そのために溶融装置本体７０１の炉壁に補助電極７１３を設けているが、補助電極７１３の設置だけでは炉内温分布を均一にするのは困難である。
そこで、本実施形態では、酸素・水素混合ガスを含有する過熱水蒸気を所定量プラズマ溶融炉本体７０１に供給することにより炉内温度を迅速に均一にすることが特徴である。
本実施形態においては、処理物を導入口７１４から投入時にプラズマ溶融炉本体７０１の炉内温度が低下し炉内で温度むらが発生する。その際に、所定量の酸素／水素混合ガスを含有する高温の過熱水蒸気を導入することにより酸素／水素混合ガスが助燃剤として作用し、高温の過熱水蒸気により炉内温度を下げることなしに炉内温度を均一にすることが可能である。

本実施形態における酸素／水素ガス混合ガス供給装置における酸素／水素ガス混合ガスにおける酸素／水素の混合比（モル比、以下同様）は、１：２であるのが一般的であるが、酸化炎の発生を防ぐために水素量を過剰（通常は１：４〜５）にすることもできる。
酸素／水素混合ガスは温度が発火点になると自発的に燃焼する。酸素と水素が１：２の混合ガス（水素爆鳴気）は、常圧において発火点が約５７０℃となる。そのような混合気体へ着火するのに必要なスパークの最小エネルギは、約２０マイクロジュールである。常温常圧では、水素が体積の４％から９５％を占めている場合、酸水素ガスは燃焼可能である。

ひとたび着火すると、酸素／水素混合ガスは発熱反応により水蒸気へと変わり、その発熱によって反応が持続する。１モルの水素の燃焼につき２４１．８ｋＪのエネルギー（低発熱量）を発生する。発生する熱エネルギーの量は燃焼の形式に影響されないが、炎の温度は変化する。酸素と水素の組成を正確に調整すると炎は最高で約２８００℃となり、大気中で水素ガスを燃やしたときより７００℃も高い。混合比率が２：１でない場合や、窒素のような不活性気体が混ざっている場合、熱がより大きな体積へ拡散するため、温度が低くなる。
本実施形態のプラズマ溶融装置７００の炉内は、処理物、例えば廃棄物は、その組成が一定でないため溶融処理中の酸素：水素比は、一定でない。そのため、好ましい実施形態では、炉内における酸素：水素比を２：１に近づけるように酸素：水素の添加量を変化させて水素：酸素比を調整する。
プラズマ溶融炉本体７００の炉内の酸素・水素の混合比を２：１に近づけるためには、炉内温度（温度分布）を監視することが重要である。炉内温度の監視のために、プラズマ溶融炉本体１は、所定箇所に図示しない温度測定手段を設置することが好ましい。温度測定手段としては、赤外線高温測定カメラ、熱伝対、特に金属炭素系熱伝対などを利用することが可能である。これらを用いることにより炉内温度を監視することが可能である。
酸素・水素の混合比に加えて、酸素・水素混合ガスの供給量も重要な因子である。すなわち、酸素・水素混合ガスの導入量が少ないと酸素・水素混合ガスによる助燃作用が十分でなく、多すぎると酸素・水素混合ガスの消費量が無駄となる。
このような酸素／水素混合ガスの比率および供給量を変化させて、特に炉内温度の変化状況に応じて酸素／水素混合ガス装置２からプラズマ溶融炉本体７０１に投入することにより、処理物の投入時等の炉内環境の変化に追従して炉内温度を適正に保つことが可能である。

以上説明した通り、本実施形態にかかるプラズマ溶融装置は、炉内状況の変化に追従して迅速かつ効率的に炉内温度を高温かつ均一に保つことが可能であるので、炉内容量に対して処理量を増加させることが可能となる。そのため、同一内容量で多量の処理物を処理することが可能となる。従って、本実施形態のプラズマ溶融装置は、装置を小型化することが可能となる。また、炉内温度を常に高温で一定に保つことができるので、本発明のプラズマ溶融装置は、安定した処理を行うことが可能となる。
従って、本実施形態にかかるプラズマ溶融装置は、処理物を連続導入したり、組成が不安定な廃棄物、特にいわゆる都市ゴミを処理したりするのに好適に利用することが可能となる。
しかも、使用する過熱水蒸気は、発熱量の高いプラズマ溶融装置からの排熱を蓄熱して発生させた水蒸気を基にしているのでエネルギ消費量が抑えられる。

（応用例３：その他燃焼系）
本発明の燃焼システムにおいて、上記の熱分解装置５００やプラズマ溶融装置７００に加えて、例えば図１１に示す低温誘導過熱処理装置８００を燃焼系に適用することができる。
この低温誘導過熱装置８００は、耐熱性の誘導過熱装置本体８０１の上側に設けられ、プラズマ溶融装置７００のスラグ排出口８１６からのスラグを投入する廃棄物投入口８０２と、本体内にミキサ３０（図１から図６参照）からの酸素／水素混合ガスを含有する過熱水蒸気を導入するために誘導過熱装置本体８０１の上側に設けられた導入口８０３と前記スラグを誘導過熱するための誘導コイル８０４と、誘導過熱処理によりガラス化されたスラグを排出する処理物出口８０５とから主として構成されている誘導過熱処理装置である。
このようにして排出される熱は、図１から図６に示す蓄熱装置７０に蓄えられる。

（応用例４：発電システム）
本発明の好ましい実施形態では、燃焼系５０で発生し、蓄熱装置７０で蓄熱された熱は、従来公知の発電システム、例えばスクリュー式発電装置で電力に変換することも可能であり、あるいは排熱を蓄熱装置で蓄熱した後に有効利用することも可能である。
図１３に示す通り、発電システムは、集熱炉６０と蓄熱装置７０と、集熱炉６０と蓄熱装置７０の間で熱を輸送する排熱流路５３から構成される本発明の蓄熱系と、蓄熱装置７０で蓄熱された熱を利用して発電する発電系９００とから構成されている。
発電系９００は、ピストンモータ９０１と冷却装置９０２と蓄熱装置７０とこれらの間を循環する循環ガス（膨張係数の高い不燃ガス）の流路（ガス循環ライン９０４）から主として構成されており、蓄熱装置７０により加温膨張した循環ガスによる圧力（例えば０．５Ｍｐａ）がピストンモータ９０１により回転力に変換されて発電機９０３により発電する構成を有している。なお、ピストンモータ９０１と発電機９０３の間には図示しない増速装置を介して回転数を増加させる構成とすることが好ましい。
このようにして発電に使用された循環ガスは、冷却装置９０２で冷却され（例えば０．０５Ｍｐａ）再び蓄熱装置７０で加熱される。このように、本発明の発電システムは、循環ガスの差圧による新規の発電システムであり、本発明はこのような発電システムにまで拡張される。

また、図１４に示す通り、過熱水蒸気発生装置２０を直列で複数本設け過熱水蒸気発生装置２０と過熱水蒸気２０’との間にスクリュー式発電装置１０００を切り替えバルブで切り替え可能にかませて発電を行うことも可能である。
このように本発明の燃焼システムは、燃焼系５０からの熱を蓄熱装置７０で蓄熱し、過熱水蒸気製造のためのエネルギ消費量を抑えるとともに、蓄熱装置７０に蓄熱した熱を有効利用可能である。
特に、廃棄物等の安価（あるいは処理に費用をとれる）炭素質原料を燃焼するシステムの場合、多量の電力を提供することが可能となる。

本発明の燃焼システムは、燃焼物である炭素質固体を燃焼するに当たって過熱水蒸気を助燃剤およびキャリアガスとして使用する。この際に、燃焼系から排出される排熱を蓄熱装置に蓄熱し、これを過熱水蒸気を発生する元となる常温の水を常時加温することとなる。そのため、非常に効率よく過熱水蒸気を発生させることが可能となり、大容量の常温の水から安定量で過熱水蒸気を発生することが可能となる。また、過熱水蒸気は、酸水素混合ガスと混合されて燃焼系に供給されるので、燃焼系内を効率よく高温に保つことが可能となる。
本発明の好ましい実施形態では、燃焼系は、炭素質固体からオイルを回収する油化装置である。この場合、水素分の少ない炭素質固体を原料としても過熱水蒸気内に含まれる水素が作用してオイルを高い回収率で回収可能となる。
本発明の別の好ましい実施形態では、蓄熱装置に発電系が接続されている。そのため、燃焼系からの排熱を利用して効率よくなおかつ安定して発電が可能となる。

１１ボイラ
１２熱交換水槽
１３水源
２０過熱水蒸気発生装置
３０ミキサー
４０水素／酸素供給系
５０燃焼系
７０蓄熱装置
５００油化装置
６０１粗製ガス精製装置
７００プラズマ溶融装置
８００低温誘導過熱処理装置
９００発電系

Claims

ボイラからの熱水を過熱水蒸気発生装置で過熱水蒸気として燃焼系に供給する燃焼システムであって、
前記燃焼システムは
３５０から１０００℃で炭素質固体を燃焼し、前記炭素素質固体からオイルを回収する油化炉である燃焼系と、
前記燃焼系からの排熱を蓄熱する蓄熱装置と、
前記蓄熱装置からの熱を熱輸送媒体により熱交換可能に接続され、前記ボイラへ供給する水を加温する熱交換水槽と、
を備え、前記ボイラに給水する水を加温するとともに、
前記燃焼システムは、さらに
酸素／水素混合ガスを供給するための酸水素ガス供給系と、
前記過熱水蒸気発生装置で発生した過熱水蒸気と前記酸水素ガス供給系からの酸素／水素混合ガスとを混合するミキサとを備え、
前記過熱水蒸気を酸水素ガスと混合して前記燃焼系に供給し、そして
前記蓄熱装置は、前記燃焼系から排出される排熱を配管を介して捕捉する集熱炉と、前記集熱炉で蓄熱された熱を前記蓄熱装置に熱輸送する熱輸送媒体が充填された熱交換配管と、から構成され、
前記油化炉の後段にキャリアガスとして、前記ミキサからの酸水素混合ガスを含む過熱水蒸気を導入する過熱水蒸気導入口と、
前記粗製炭化水素を加熱する加熱手段と、
前記加熱した粗製炭化水素をガス成分と液体成分に分離する分離手段と、
前記分離したガス成分を排出するガス排出口と、
前記分離した液体成分を排出する液体排出口と、
を備えた第１の精製装置と、
前記第１の精製装置の液体排出口から排出した液体を精製する後段の精製装置と、
精製したオイルを回収・保存するためのオイル保存タンクと、
を備えた粗製炭化水素の精製システムを備えたことを特徴とする燃焼システム。
前記ボイラからの水蒸気は前記蓄熱装置内を経由した配管により過熱されて前記過熱水蒸気発生装置内へ導入されることを特徴とする請求項１に記載の燃焼システム。
前記炭素質固体が廃棄物、バイオマス原料または汚泥であることを特徴とする請求項１に記載の燃焼システム。
前記蓄熱装置は、二次側として発電システムを備えていることを特徴とする請求項１に記載の燃焼システム。
前記発電システムは、ピストンモータと、冷却装置と、前記蓄熱装置とこれらの間を循環する循環ガスの流路から主として構成されており、前記蓄熱装置により加温膨張した循環ガスによる圧力が前記ピストンモータにより回転力に変換されて前記発電機により発電する構成を有していることを特徴とする請求項４に記載の燃焼システム。
前記発電システムは、スクリュー型発電システムまたはスターリングエンジン型発電システムであることを特徴とする請求項４に記載の燃焼システム。
前記過熱水蒸気発生装置は、２またはそれ以上の過熱水蒸気発生装置が直列に配置されて構成され、前段の過熱水蒸気発生手段と後段の過熱水蒸気発生手段との間に水蒸気タービン式発電機、スクリュー型発電装置またはスターリングエンジン型発電装置を備えていることを特徴とする請求項１に記載の燃焼システム。