JP6300666B2 - 熱分解ガスの燃焼方法、及び燃焼装置 - Google Patents

Description

本発明は、熱分解ガスの燃焼方法、及び燃焼装置に関する。

廃棄物ガス化溶融炉では、廃棄物を熱分解して得られたガスを燃焼して生じる高温の燃焼排ガスを廃熱ボイラで熱交換して熱エネルギーを回収している。このようにしてエネルギーの有効利用が図られている。このような廃熱ボイラで発生した蒸気は、発電に用いられる場合が多い。そこで、廃熱ボイラの発電効率を上げるために、蒸気温度を高くすることが求められる。しかしながら、蒸気温度を高くすると、廃熱ボイラの過熱器管が高温腐食を起こすことが懸念される。この腐食の要因としては、ＮａＣｌ，ＫＣｌ等の金属塩化物が過熱器管に付着して溶融し、塩素が過熱器管の金属表面の酸化膜を溶解することが挙げられる。

そこで、特許文献１では、燃焼排ガス中に硫酸塩等を加えて、廃棄物に含まれる金属塩化物を硫酸塩に変化させて、腐食性を低減する技術が提案されている。また、特許文献２では、煙道ガスに硫酸含有添加剤を添加して、煙道ガスに含まれる気体状アルカリ塩化物を硫酸化する技術が提案されている。

特許第３００４５５７号明細書 特許第４０２８８０１号明細書

しかしながら、特許文献１では、実際の設備における硫黄塩等の硫黄含有化合物の供給方法について何ら検討がなされていない。また、特許文献２の方法では、燃焼排ガスが燃焼室から廃熱ボイラに移動する短時間の間に、燃焼排ガスに含まれる金属塩化物と硫黄化合物との反応が十分に進行しないことが懸念される。このように、従来の技術では、廃熱ボイラの過熱器管の腐食を十分に低減することが難しい状況にある。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、廃熱ボイラの過熱器管の腐食を十分に抑制することが可能な熱分解ガスの燃焼方法、及び、廃熱ボイラの過熱器管の腐食を十分に抑制することが可能な熱分解ガスの燃焼装置を提供することを目的とする。

本発明者らは、燃焼排ガスに含まれる金属塩化物を十分に低減できない理由を種々検討した。その結果、燃焼排ガスと硫黄化合物との混合が十分でなく、両者の反応が十分に進行していないことが原因であることが分かった。

そこで、本発明では、一つの側面において、廃熱ボイラを備える廃棄物ガス化溶融炉から発生する熱分解ガスの燃焼方法であって、縦型円筒形状を有する燃焼室に設置されるバーナから、燃焼室の内壁の接線方向と平行方向に熱分解ガスを吐出して、燃焼室内において燃焼排ガスの旋回流を形成する工程と、旋回流に硫黄含有化合物を供給する工程と、を有する燃焼方法を提供する。

上記本発明によれば、燃焼室において燃焼排ガスの旋回流を形成し、その旋回流に硫黄含有化合物を供給している。これによって、燃焼排ガスと硫黄含有化合物との混合状態の均一性が向上し、短時間の間に、燃焼排ガスに含まれる塩化物と硫黄含有化合物との反応を十分に進行させることができる。これによって、燃焼排ガスに含まれる金属塩化物の含有量が十分に低減され、廃熱ボイラの過熱器管の腐食を十分に抑制することができる。

上記硫黄含有化合物は、硫酸、硫酸アンモニウム、及び硫酸水素アンモニウムからなる群より選ばれる少なくとも一種を含むことが好ましい。これらは比較的安価であることから、低コストで廃熱ボイラの過熱器管の腐食を十分に抑制することができる。また、硫酸アンモニウム、及び硫酸水素アンモニウムを含有する場合、アンモニアによる還元反応によって、燃焼排ガスに含まれる窒素酸化物（ＮＯｘ）含有量を低減することができる。

上記燃焼方法では、硫黄含有化合物と圧縮ガスとを２流体ノズルを用いて混合し、硫黄含有化合物を霧状にして供給することが好ましい。霧状にして供給することによって、硫黄含有化合物が気化し易くなって、金属塩化物との反応を一層促進することができる。

上記バーナにおいて、熱分解ガスの一部を一次空気によって燃焼し、一次空気とは別の二次空気を、旋回流に対して順方向になるように、燃焼室の内壁の接線方向と平行方向に吐出して、熱分解ガスの一部を燃焼することによって、熱分解ガスを２段階で燃焼することが好ましい。このような方法であれば、二次空気が旋回流の旋回方向に沿って、燃焼室の内壁の接線方向と平行方向に吐出されていることから、旋回流を乱すことなく二次空気を吐出することができる。また、一次空気と二次空気とを分けて吐出して供給することによって、燃焼室内のバーナ近傍における局所的な温度上昇が抑制されて、ＮＯｘを低減することができる。

二次空気の供給流路又は二次空気の吐出部において、硫黄含有化合物をノズルから吐出して旋回流に供給してもよい。これによって、燃焼排ガス中への硫黄含有化合物の分散の均一性を向上させることができる。

上記燃焼方法は、燃焼排ガスの硫黄酸化物の測定結果に基づいて、硫黄含有化合物の供給量を調節する工程を有することが好ましい。これによって、過剰に硫黄含有化合物を供給することが抑制されて、排ガス中に含まれるＳＯｘの量を低減することができる。

上記燃焼方法は、燃焼室と廃熱ボイラとの間における燃焼排ガスのＮａＣｌガス濃度及び／又はＫＣｌガス濃度の測定結果に基づいて、硫黄含有化合物の供給量を調節する工程を有することが好ましい。これによって、燃焼排ガス中に未反応の塩化物が残存して、廃熱ボイラの過熱器管の腐食を引き起こすことを十分に抑制することができる。

本発明では、別の側面において、廃熱ボイラを備える廃棄物ガス化溶融炉から発生する塩化物を含む熱分解ガスを燃焼する燃焼装置であって、縦型円筒形状を有する燃焼室と、燃焼室に設置され、熱分解ガスを燃焼するバーナと、燃焼室に硫黄含有化合物を供給する硫黄供給部と、を備えており、バーナは、燃焼室の内壁の接線方向と平行方向に熱分解ガスを吐出して、燃焼室内において燃焼排ガスの旋回流を形成し、硫黄供給部は、旋回流に硫黄含有化合物を供給する燃焼装置を提供する。

上記本発明では、燃焼室に設置されたバーナが燃焼室の内壁の接線方向と平行方向に熱分解ガスを吐出して、燃焼室内において燃焼排ガスの旋回流を形成する。そして、その旋回流に硫黄供給部が硫黄含有化合物を供給する。これによって、燃焼排ガスと硫黄含有化合物との混合状態の均一性が向上し、短時間の間に、燃焼排ガスに含まれる塩化物と硫黄含有化合物との反応を十分に進行させることができる。これによって、燃焼排ガスに含まれるアルカリ塩化物ガスの含有量が十分に低減され、廃熱ボイラの過熱器管でのアルカリ塩化物の析出を抑制して、溶融塩による過熱器管の腐食を十分に抑制することができる。

上記硫黄供給部は、硫黄含有化合物と圧縮空気とを混合し硫黄含有化合物を霧状にして供給する２流体ノズルを有することが好ましい。このように、硫黄含有化合物を、２流体ノズルを用いて霧状にして供給することによって、硫黄含有化合物が気化し易くなって、塩化物との反応を一層促進することができる。

上記燃焼装置は、燃焼室の、バーナとは異なる位置に空気供給部を有し、空気供給部は、記旋回流に対して順方向に、燃焼室の内壁の接線方向と平行方向に熱分解ガスの一部を燃焼する空気を吐出し、燃焼室において熱分解ガスを２段階で燃焼するように構成されることが好ましい。このような燃焼装置であれば、空気供給部が旋回流の旋回方向に沿って、燃焼室の内壁の接線方向と平行方向に空気が吐出されている。このため、空気供給部は、旋回流を乱すことなく空気を吐出することができる。そして、空気供給部は、バーナとは別に、空気を吐出して供給していることから、燃焼室内のバーナ近傍における局所的な温度上昇が抑制されて、ＮＯｘを低減することができる。

硫黄供給部は、空気供給部の供給流路又は吐出部に硫黄含有化合物を吐出するノズルを有していてもよい。これによって、燃焼排ガス中への硫黄含有化合物の分散の均一性を向上させることができる。

上記燃焼装置は、燃焼室の下流側に、燃焼排ガスの硫黄酸化物濃度を測定する第１測定部と、第１測定部の測定結果に基づいて、硫黄含有化合物の供給量を調節する第１調節部と、を有することが好ましい。これによって、硫黄供給部から、過剰な硫黄含有化合物の供給を抑制することが可能となり、排ガス中に含まれるＳＯｘの量を低減することができる。

上記燃焼装置は、燃焼室と廃熱ボイラとの間における燃焼排ガスのＮａＣｌガス濃度及び／又はＫＣｌガス濃度を測定する第２測定部と、第２測定部の測定結果に基づいて、硫黄含有化合物の供給量を調節する第２調節部と、を有することが好ましい。これによって、燃焼排ガス中に未反応の塩化物が残存して、廃熱ボイラの過熱器管の腐食を引き起こすことを十分に抑制することができる。

本発明の熱分解ガスの燃焼方法によれば、廃熱ボイラの過熱器管の腐食を十分に抑制することができる。また、本発明の燃焼装置によれば、廃熱ボイラの過熱器管の腐食を十分に抑制することができる。

図１は、本発明の燃焼装置の一実施形態が適用された廃棄物ガス化溶融設備を示す概略図である。 図２は、図１の燃焼装置に備えられる燃焼室の縦断面図である。 図３は、図２に示す燃焼室のＩＩＩ−ＩＩＩ線断面図である。 図４は、実施例６の排気ガス中におけるＮＯｘ濃度の経時変化を示す図である。 図５（Ａ）は、実施例７のサンプル管の断面の電子顕微鏡による画像の写真である。図５（Ｂ）は、図５（Ａ）の画像に対応する、鉄元素の分布を示す画像の写真である。図５（Ｃ）は、図５（Ａ）の画像に対応する、酸素元素の分布を示す画像の写真である。 図６（Ａ）は、比較例２のサンプル管の断面の電子顕微鏡による画像の写真である。図６（Ｂ）は、図６（Ａ）の画像に対応する、鉄元素の分布を示す画像の写真である。図６（Ｃ）は、図６（Ａ）の画像に対応する、酸素元素の分布を示す画像の写真である。

以下、場合により図面を参照して、本発明の好適な実施形態について説明する。なお、各図面において、同一または同等の要素には同一の符号を付与し、重複する説明を省略する。

図１は、本実施形態の燃焼装置が適用された廃棄物ガス化溶融設備を示す概略図である。廃棄物ガス化溶融設備１００は、廃棄物ガス化溶融炉８０、燃焼装置９０、廃熱ボイラ２０、排ガス減温塔３０、バグフィルタ４０、脱硝塔５０及び煙突６０を備える。燃焼装置９０は、廃棄物ガス化溶融炉８０から発生する塩化物を含む熱分解ガスを燃焼する。廃棄物ガス化溶融炉８０は、廃棄物の灰分を溶融するとともに廃棄物の可燃分から熱分解ガスを発生する。廃棄物としては、都市ごみなどの一般廃棄物のみならず、工業廃棄物、木材、バイオチップ、わら、樹皮、おがくず、汚物等が挙げられる。このような廃棄物をガス化して得られる熱分解ガスには、例えば、一酸化炭素、二酸化炭素、水素、メタンなどの炭化水素、及び窒素を主成分として含有する。

熱分解ガスは、ガス状成分以外に、ガス状成分に同伴される少量のダストを含む。このダストには、炭素分、ＮａＣｌ，ＫＣｌ，ＺｎＣｌ，ＰｂＣｌ等の金属塩化物等を含む。

燃焼装置９０は、縦型円筒形状を有する燃焼室１０と、燃焼室１０に設置され、廃棄物ガス化溶融炉８０で発生した熱分解ガスを燃焼するバーナ１２と、燃焼室１０に硫黄含有化合物を供給する硫黄供給部１４と、を備える。バーナ１２は、燃焼室１０の横断面でみたときに、燃焼室１０の内壁の接線方向と平行方向に熱分解ガスを吐出して、燃焼室１０内において燃焼排ガスの旋回流１１を形成する。

硫黄供給部１４は、バーナ１２からの熱分解ガスが燃焼して生じた燃焼排ガスの旋回流１１に、硫黄含有化合物を供給する。バーナ１２及び硫黄供給部１４は、本実施形態では燃焼室１０の下部に設けられている。燃焼排ガスは、燃焼室１０内を旋回しながら上昇する。硫黄供給部１４から供給される硫黄化合物を、燃焼排ガスの旋回流１１に添加することによって、燃焼排ガスと硫黄化合物との混合の均一性を十分に高くすることができる。これによって、熱分解ガスに由来する塩素化合物と硫黄化合物とを十分に反応させて硫酸塩とし、廃熱ボイラ２０の過熱器管２２における塩化物の析出を十分に抑制することができる。

硫黄供給部１４は、バーナ１２と同様に、燃焼室１０の下部に設けられている。このため、燃焼室１０において、塩素化合物と硫黄含有化合物との反応時間を十分に長くすることができる。燃焼室１０における、塩素化合物と硫黄含有化合物の反応時間は、例えば２〜３秒間である。

硫黄含有化合物は、熱分解ガスに含まれる塩素化合物と反応する化合物である。硫黄含有化合物は、硫酸化合物、硫酸、金属硫化物、硫黄酸化物、有機硫黄化合物等が挙げられる。これらのうち、良好な反応性を有する観点、及びコストの観点から、硫酸及び硫酸化合物であることが好ましい。また、燃焼排ガス中のＮＯｘ低減及びハンドリングの容易性の観点、並びに一層良好な反応性を有しつつ設備の腐食が低減する観点から、硫酸化合物のうち、硫酸水素アンモニウム及び硫酸アンモニウムが好ましい。これらの化合物の熱分解によって生成するアンモニアガスによって、燃焼排ガス中のＮＯｘを低減することができる。

硫黄含有化合物は、水溶液として硫黄供給部１４から供給することが好ましい。これによって、ハンドリングが容易であり、容易に霧状にして供給することができる。また、供給量の調節を容易に行うことができる。硫黄含有化合物の供給量は、廃棄物中のナトリウム化合物及びカリウム化合物等の金属塩化物の量に応じて、変更してもよい。廃棄物に含まれるＮａ及びＫの総量に対する、硫黄含有化合物の硫黄換算の供給量の重量比は、例えば０．１〜０．４としてもよい。このような範囲で硫黄含有化合物を供給することによって、過熱器管２２の腐食を十分に抑制しつつ、後工程における脱硫の負荷を軽減することができる。

図２は、燃焼装置９０における燃焼室１０の縦断面図である。燃焼室１０の下部に、バーナ１２と、バーナ１２とは異なる位置に硫黄供給部１４とが設けられている。燃焼室１０の下部に、バーナ１２と硫黄供給部１４とを設けることによって、塩化物と硫黄含有化合物との反応時間を確保することができる。バーナ１２には、熱分解ガス化溶融炉からの熱分解ガス８２と一次空気１２ａとが供給される。熱分解ガス８２の温度は、例えば３００〜５００℃である。熱分解ガス８２は、バーナ１２によって燃焼されて、燃焼排ガスとなる。燃焼排ガスは、縦型円筒形状の内部を旋回しながら上昇する。

硫黄供給部１４は、圧縮ガスによって液状の硫黄含有化合物を燃焼排ガスの旋回流１１に向けて噴霧する２流体ノズルで構成されている。２流体ノズルでは、内側流路から液状の硫黄含有化合物１４ａを、外側の流路から圧縮空気等の圧縮ガス１４ｂを供給する。これによって、圧縮ガスと硫黄含有化合物とが十分に混合され、硫黄含有化合物が霧状になって吐出される。２流体ノズルが霧状の硫黄含有化合物を吐出することによって、旋回流１１において硫黄含有化合物が気化し易くなり、塩化物と硫黄含有化合物との反応を一層促進することができる。硫黄含有化合物を気化し易くする観点から、霧状の硫黄含有化合物の液滴径は、例えば、２００μｍ以下である。圧縮ガスとしては、空気、酸素、又は窒素等を用いることができる。圧縮ガスの圧力は、例えば０．３〜０．４ＭＰａである。

硫黄供給部１４は、二次空気１５ａの供給流路１５（空気供給部）に配置され、二次空気１５ａ中に硫黄供給部１４を供給してもよい。また、硫黄供給部１４は、二次空気１５ａの吐出部１５ｂに硫黄含有化合物を供給してもよい。供給流路１５又は吐出部１５ｂに硫黄含有化合物を供給することによって、硫黄供給部１４からの硫黄含有化合物を燃焼排ガスの旋回流１１に合流させたときに、燃焼排ガス中への硫黄含有化合物の分散の均一性を一層向上させることができる。また、二次空気１５ａが硫黄供給部１４を冷却することができるため、温度上昇に伴う２流体ノズルの閉塞や、熱変形等を抑制することができる。

図３は、図２に示す燃焼室１０のＩＩＩ−ＩＩＩ線断面図であり、燃焼室１０の横断面図である。燃焼室１０の横断面（水平方向断面）でみたときに、バーナ１２は、バーナ１２からの熱分解ガス８２及び一次空気１２ａの吐出方向Ｄ１が、縦型円筒形状の燃焼室１０の中心軸Ｐからずれるように設けられている。すなわち、バーナ１２は、燃焼室１０にタンデンシャルに設けられている。これによって、燃焼室１０の横断面でみたときに、バーナ１２から、燃焼室１０の内壁の接線方向Ｌ１と平行方向に熱分解ガス及び一次空気が吐出される。バーナ１２からの熱分解ガス８２及び一次空気１２ａの吐出方向Ｄ１は、バーナ１２の長手方向に一致する。バーナ１２からの熱分解ガス８２の少なくとも一部は、一次空気１２ａによって燃焼され、燃焼排ガスが生成する。

二次空気の供給流路１５も、燃焼室１０の横断面でみたときに、二次空気１５ａの吐出方向Ｄ２が燃焼室１０の中心軸Ｐからずれるように設けられている。すなわち、二次空気の供給流路１５も、燃焼室１０にタンデンシャルに設けられている。これによって、燃焼室１０の横断面でみたときに、供給流路１５から、燃焼室１０の内壁の接線方向Ｌ２と平行方向に二次空気１５ａが供給される。供給流路１５からの二次空気の吐出方向Ｄ２は、供給流路１５の長手方向に一致する。

供給流路１５に配置された２流体ノズル１４は、燃焼室１０の横断面でみたときに、霧状の硫黄含有化合物の吐出方向Ｄ３が燃焼室１０の中心軸Ｐからずれるように設けられている。すなわち、２流体ノズル１４も、燃焼室１０にタンデンシャルに設けられている。これによって、燃焼室１０の横断面でみたときに、２流体ノズル１４から、燃焼室１０の横断面における内壁の接線方向Ｌ２と平行方向に霧状の硫黄含有化合物が供給される。２流体ノズル１４からの硫黄化合物の吐出方向Ｄ３は、２流体ノズル１４の長手方向に一致する。２流体ノズル１４からの硫黄化合物の吐出方向Ｄ３は、供給流路１５からの二次空気１５ａの吐出方向Ｄ２に一致している。

二次空気１５ａ及び霧状の硫黄含有化合物は、それぞれ、燃焼室１０の横断面でみたときに、供給流路１５及び２流体ノズル１４から、燃焼排ガスの旋回流１１の進行方向に対して、順方向に供給される。これによって、二次空気１５ａ及び硫黄含有化合物は、旋回流１１の旋回を妨げることなく、旋回流１１の燃焼排ガスに合流する。したがって、硫黄含有化合物と燃焼排ガスとの混合状態の均一性を一層高くすることができる。硫黄含有化合物は、バーナ１２からの火炎中、又は火炎の終端付近に噴霧することが好ましい。

二次空気１５ａは、バーナ１２で燃焼されなかった熱分解ガスを完全燃焼させる。霧状の硫黄含有化合物は、旋回流１１に含まれる金属塩化物と反応する。熱分解ガス８２及び燃焼室１０における燃焼排ガスの組成の一例を表１に示す。表１に示すとおり、熱分解ガス８２は、ガス状成分とダストとを含有している。熱分解ガス８２及び燃焼排ガスには、微量成分として金属塩化物が含まれる。この金属塩化物は、主にダストに含まれるが、蒸気圧に応じてガス状成分にも含まれ得る。ただし、表１には金属塩化物はダストに含まれる前提での組成を示している。燃焼装置９０では、燃焼排ガスの旋回流１１に硫黄供給部１４から硫黄含有化合物を吹き込んでいる。このため、硫黄含有化合物と燃焼排ガス中の金属塩化物とを反応させることによって、燃焼排ガスに含まれる金属塩化物を低減することができる。

表１のガス状成分は、ｄｒｙベースの値である。熱分解ガスは、水分を３０〜５０体積％含有する。燃焼排ガスは、水分を２０体積％含有する。熱分解ガスに含まれるダストは、炭素を３０〜５０質量％含有する。その他に、元素換算で、Ｓを０．６質量％、Ｃｌを２〜１０質量％、Ｏを５〜１０質量％含有する。熱分解ガス及び燃焼排ガスのダストには、ＮａＣｌ，ＫＣｌ等の金属塩化物が含まれる。

硫黄含有化合物は、燃焼室１０内に供給されると、加熱分解されてＳＯｘを発生させる。このＳＯｘが、燃焼排ガスに含まれる金属塩化物と反応する。反応式の一例を、下記式（１）〜（４）に示す。
２ＫＣｌ＋ＳＯ_２＋Ｈ_２Ｏ＋１／２Ｏ_２ → Ｋ_２ＳＯ_４＋２ＨＣｌ （１）
ＺｎＣｌ_２＋ＳＯ_２＋Ｈ_２Ｏ＋１／２Ｏ_２
→ ＺｎＳＯ_４＋２ＨＣｌ （２）
ＳｎＣｌ_２＋ＳＯ_２＋Ｈ_２Ｏ＋１／２Ｏ_２
→ ＳｎＳＯ_４＋２ＨＣｌ （３）
ＰｂＣｌ_２＋ＳＯ_２＋Ｈ_２Ｏ＋１／２Ｏ_２
→ ＰｂＳＯ_４＋２ＨＣｌ （４）

上述のような反応によって生じる硫酸塩は、当該硫酸塩に対応する塩化物よりも高い融点を有する。また、各塩化物の蒸気圧に比べて、硫酸塩化によって大幅に蒸気圧を低下することができる。これによって、ガス状塩類の濃度を低減することができる。その結果、廃熱ボイラ２０の過熱器管２２への塩の析出が抑制されるとともに、析出した塩が容易に溶融しないことから、過熱器管における腐食を十分に抑制することができる。

燃焼室１０で生じた燃焼排ガスは、図１に示すとおり、燃焼室１０の上部から連結管２１を経由して廃熱ボイラ２０に導入される。燃焼装置９０は、熱分解ガスに含まれるＮａＣｌ，ＫＣｌなどの金属塩化物を、廃熱ボイラ２０の過熱器管２２の上流側において、硫黄化合物と、上記式（１）〜（４）のような反応式で反応させる。これによって、下流側の過熱器管２２に付着する塩化物を低減し、腐食を抑制する。

図１に示すように、硫黄供給部１４には、硫黄含有化合物が貯留された貯留槽１７が連結されている。硫黄含有化合物は、貯留槽１７から配管１９を経由して硫黄供給部１４に供給される。

燃焼室１０で生じた９００〜１０００℃程度の温度を有する燃焼排ガスは、旋回流１１となって燃焼室１０内を上昇し、燃焼室１０の上部に連結された連結管２１を流通して、廃熱ボイラ２０に導入される。廃熱ボイラ２０は、複数の過熱器管２２を有している。過熱器管２２において、例えば３００〜４５０℃の過熱蒸気としている。廃熱ボイラ２０の底部からは、燃焼排ガスに同伴されたダスト２５を排出することができる。

連結管２１には、燃焼排ガスに含まれるガス状のＮａＣｌ及び／又はＫＣｌの濃度を測定する第２測定部２６を設けてもよい。第２測定部２６における燃焼排ガス中のＮａＣｌ及び／又はＫＣｌの濃度の測定結果に基づいて、硫黄供給部１４からの硫黄含有化合物の供給量を調節してもよい。これによって、廃棄物に含まれる塩化物の量が変動して、燃焼排ガスに含まれるＮａＣｌ，ＫＣｌの含有量が変動した場合にも、硫黄供給部１４からの硫黄含有化合物の供給量を調節することによって、廃熱ボイラ２０の過熱器管２２にこれらの塩化物が析出することを抑制することができる。第２測定部２６としては、測定するガスの吸収波長特性を利用したレーザ式測定装置を用いることができる。

硫黄含有化合物の供給量は、第２測定部２６におけるＮａＣｌ及び／又はＫＣｌの濃度の測定結果に基づいて、硫黄含有化合物の供給量を調節する第２調節部３６をフィードバック制御することによって調節することができる。第２調節部３６の一例として、硫黄化合物を硫黄供給部１４に供給する配管１９にバルブが設けられている。なお、第２測定部２６の位置は、燃焼室１０と廃熱ボイラ２０の過熱器管２２との間であれば、特に限定されない。

廃熱ボイラ２０では、燃焼排ガスは、熱交換によって１７０〜２５０℃まで冷却される。廃熱ボイラ２０で熱エネルギーが回収された燃焼排ガスは、排ガス減温塔３０で、例えば１５０〜１７０℃に冷却される。廃熱ボイラ２０を流通した燃焼排ガスには、塩化水素（ＨＣｌ）及び硫黄酸化物（ＳＯｘ）が含まれている。このため、排ガス減温塔３０の下流側で消石灰３４を加えて、塩化水素及び硫黄酸化物と反応させ、カルシウム化合物として除去することができる。

廃熱ボイラ２０の下流側、且つ消石灰３４の添加箇所よりも上流側の燃焼排ガスの流路には、燃焼排ガスの硫黄酸化物の濃度を測定する第１測定部３２を設けてもよい。第１測定部３２における燃焼排ガス中の硫黄酸化物濃度の測定結果に基づいて、硫黄供給部１４からの硫黄含有化合物の供給量を調節してもよい。これによって、硫黄供給部１４から、過剰に硫黄含有化合物が供給されることを抑制することができる。また、廃棄物の質、量の変動に伴って、燃焼排ガス中の金属塩化物濃度が変動した場合に、金属塩化物濃度の変動に応じて、硫黄含有化合物の供給量を調節することができる。

硫黄含有化合物の供給量は、第１測定部３２における硫黄酸化物濃度の測定結果に基づいて、硫黄含有化合物の供給量を調節する第１調節部３７をフィードバック制御することによって調節することができる。第１調節部３７の一例として、硫黄化合物を硫黄供給部１４に供給する配管１９にバルブが設けられている。第１調節部３７と第２調節部３６は、同一のバルブであってもよく、別々のバルブであってもよい。なお、第１測定部３２の位置は、消石灰３４を添加する位置よりも上流側であれば、特に限定されない。

排ガス減温塔３０及び消石灰３４の添加箇所よりも下流側には、バグフィルタ４０が設けられている。硫黄酸化物と消石灰の反応によって生じた石膏は、バグフィルタ４０によって捕集される。硫黄酸化物が低減された燃焼排ガスは、脱硝触媒が充填された脱硝塔５０を流通した後、煙突６０から大気中に放出される。

本実施形態の燃焼装置９０では、燃焼室１０の横断面でみたときに、燃焼室１０に設置されたバーナ１２が燃焼室１０の内壁の接線方向Ｌ１と平行方向に熱分解ガスを吐出して、燃焼室１０内において燃焼排ガスの旋回流１１を形成する。硫黄供給部１４は、旋回流１１に硫黄含有化合物を供給する。これによって、燃焼排ガスと硫黄含有化合物との混合状態の均一性が向上し、短時間の間に、燃焼排ガスに含まれる塩化物と硫黄含有化合物との反応を十分に進行させることができる。したがって、燃焼排ガスに含まれるガス状金属塩化物の含有量が十分に低減され、廃熱ボイラ２０の過熱器管２２の腐食を十分に抑制することができる。

上述の燃焼装置９０を用いる熱分解ガスの燃焼方法は、例えば、バーナ１２から、燃焼室１０の内壁の接線方向Ｌ１と平行方向に熱分解ガスを吐出して、燃焼室１０内において燃焼排ガスの旋回流１１を形成する第１工程と、旋回流１１に硫黄含有化合物を供給する第２工程とを有する。

この燃焼方法では、燃焼室１０において燃焼排ガスの旋回流１１を形成し、旋回流１１に硫黄含有化合物を供給している。これによって、燃焼排ガスと硫黄含有化合物との混合状態の均一性が向上し、短時間の間に、燃焼排ガスに含まれるガス状金属塩化物と硫黄含有化合物との反応を十分に進行させることができる。したがって、燃焼排ガスに含まれるガス状アルカリ塩化物の含有量が十分に低減され、廃熱ボイラ２０の過熱器管２２の腐食を十分に抑制することができる。

第１工程では、バーナ１２において、熱分解ガスの一部を一次空気１２ａによって燃焼し、燃焼室１０の横断面でみたときに、二次空気１５ａを、旋回流１１の旋回方向に対して順方向に、燃焼室１０の内壁の接線方向Ｌ２と平行方向に吐出して、熱分解ガスの一部を燃焼することができる。すなわち、熱分解ガスを２段階で燃焼させている。

この燃焼方法は、第１測定部３２における燃焼排ガスの硫黄酸化物の測定結果に基づいて、硫黄供給部１４からの硫黄含有化合物の供給量を調節する工程をさらに有していてもよい。また、第２測定部２６における燃焼排ガスのＮａＣｌガス濃度及び／又はＫＣｌガス濃度の測定結果に基づいて、硫黄含有化合物の供給量を調節する工程をさらに有していてもよい。これらの燃焼方法は、燃焼装置９０についての上述の説明内容と同様にして実施することができる。

以上、本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に何ら限定されるものではない。上記実施形態では、二次空気の供給流路１５に硫黄供給部１４を配置したが、別の幾つかの実施形態では、硫黄供給部１４は、二次空気の供給流路１５とは別の位置に設置してもよい。硫黄供給部１４、供給流路１５、及びバーナ１２は、それぞれ位置の高さが異なっていてもよい。燃焼室１０に設けられるバーナ１２、二次空気の供給流路１５及び硫黄供給部１４は、それぞれ一つであってもよく複数であってもよい。硫黄供給部１４は、２流体ノズルに限定されず、通常のノズルで供給してもよい。硫黄含有化合物は、水溶液に限定されず、例えば粉末状のものを、旋回流１１に供給してもよい。

以下、実施例及び比較例を用いて、本発明の内容をより詳細に説明する。ただし、本発明は以下の実施例に何ら限定されるものではない。

（実施例１〜５）
図１に示す燃焼装置９０において、燃焼室１０における燃焼排ガスの旋回流１１に、硫黄供給部１４から、硫酸アンモニウム（硫安）の水溶液（硫酸アンモニウム濃度：４０質量％）を噴霧した。燃焼室１０の出口における燃焼排ガスの温度は９００〜１０００℃であり、鉛直方向に沿った燃焼排ガスの流速は４ｍ／秒であった。廃熱ボイラ２０の過熱器管２２の上流側にサンプル管（ＳＵＳ３１０Ｓ、外径：３８ｍｍ、厚み：３．５ｍｍ）を設置した。このチューブ内にヒータにより温度を制御された空気を導入し、サンプル管の温度を４５０℃にコントロールした。

各実施例では、表２に示すとおり、硫酸アンモニウム水溶液を、４８〜２４０ｋｇ／日の流量で供給した。各実施例では、２４時間運転を行った後、サンプル管の腐食量を評価した。また、運転期間中、第１測定部３２によって、燃焼排ガス中の硫黄酸化物（ＳＯｘ）濃度の測定を行った。測定結果は表２に示すとおりであった。サンプル管の減肉厚みは、サンプル管の表面に生じた錆（酸化鉄）の厚さとした。この錆の厚さは、以下の手順で求めた。

サンプル管をエポキシ樹脂に埋め込み、ドーナツ型に切断して切断面を研磨した。研磨面の外周面側を、ＥＰＭＡ（エレクトロンプローブマイクロアナリシス）によって面分析を行って、鉄元素及び酸素元素の分布を調査し、酸化鉄の厚みを求めた。鉄：酸化鉄の体積比を１：４として、酸化鉄の厚みから、腐食による減肉厚みを計算（酸化鉄の厚み／４）により求めた。結果は表２に示すとおりであった。また、２４時間の減肉厚みの結果に基づいて、１年間の減肉厚みを算出した。この結果も表２に併せて示す。

（比較例１）
硫酸アンモニウム（硫安）の水溶液を噴霧しなかったこと以外は、実施例１〜５と同様にして燃焼装置９０の運転を行った。燃焼排ガス中の硫黄酸化物の濃度及びサンプル管の減肉量は表２に示すとおりであった。

表２には、硫酸アンモニウム水溶液の硫黄換算の供給量を示している。廃棄物ガス化溶融炉８０にて４０トン／日の廃棄物処理を行う場合、そのうちの約５質量％が飛灰となる。飛灰におけるＮａ及びＫの比率が６〜８質量％とすると、Ｎａ及びＫの総量は、１２０〜１６０ｇ／日となる。Ｎａ及びＫの原子量は約２３及び約３９であることから、平均の原子量を３０とすると、Ｎａ及びＫの総量は、１４０（ｋｇ）／３０（ｇ／ｍｏｌ）＝４．６ｋｍｏｌ／日と概算される。この概算値に基づいて、表２には、（Ｎａ及びＫの総量）／（硫酸アンモニウム水溶液の硫黄換算の供給量）の値を、Ｓ／（Ｎａ＋Ｋ）として示した。

表２に示すとおり、比較例１に比べて、硫酸アンモニウム水溶液を供給した実施例１〜５では、サンプル管の減肉量を十分に低減することができた。また、実施例１〜５では、硫酸アンモニウム水溶液の添加量の増加に伴ってＳＯｘ濃度が増加する傾向にあった。ＳＯｘ濃度を１５０ｖｏｌ ｐｐｍ以下にするためには、廃棄物に含まれるＮａ及びＫの総量に対する、硫黄含有化合物の硫黄換算量の重量比率は、０．３２以下とすることが好ましい。なお、生成したＳＯｘは、排ガス減温塔３０の下流側で供給される消石灰３４と反応し、バグフィルタ４０にて硫酸カルシウムとして回収される。

（実施例６）
図１に示す燃焼装置９０に、硫酸アンモニウム水溶液を１３８ｋｇ／日で断続的に供給して、第３測定部２４におけるＮＯｘ濃度の経時変化を測定した。第３測定部２４として、化学発光式ＮＯｘ計を用いた。図４は、ＮＯｘ濃度とＯ_２濃度の経時変化を示している。図４中、「吹込」の時間帯では硫酸アンモニウム水溶液を供給し、その他の時間帯では硫酸アンモニウム水溶液を供給しなかった。図４の結果から、硫酸アンモニウム水溶液を供給することによって、燃焼排ガス中のＮＯｘも低減できることが確認された。

（実施例７）
図１に示す燃焼装置に硫酸アンモニウム水溶液を９０ｋｇ／日で供給しながら、１９時間継続して運転を行い、実施例１〜５と同様にしてサンプル管の評価を行った。図５は、ＥＰＭＡ（エレクトロンプローブマイクロアナリシス）による画像の写真（倍率：１００倍）である。図５（Ａ）は、サンプル管の断面の電子顕微鏡像の写真である。図５（Ｂ）は、図５（Ａ）と同じ位置における鉄元素の分布を示す画像の写真である。図５（Ｃ）は、図５（Ａ）と同じ位置における酸素元素の分布を示す画像の写真である。各画像の中央部に、サンプル管の外周面付近の断面が拡大して映し出されている。

図５（Ａ）の白い部分が、鉄を主成分とするサンプル管の内部の断面である。この断面の上、すなわち、サンプル管の外周部には、Ｎａ，Ｋ等のアルカリ金属、Ｃａ等のアルカリ土類金属、及びＰｂ，Ｚｎ等の重金属等の塩化物、並びにこれらの硫酸塩を含む付着物が付着している。図５（Ｂ）及び図５（Ｃ）の写真から、サンプル管の外周面に酸化鉄が生成していることが確認された。そして、酸化鉄は、鉄を主成分とする部分に隣接して生成していることが確認された。酸化鉄の厚みを、任意に選択した１０箇所で測定し、その平均値を求めたところ、２０μｍであった。この酸化鉄の厚みから、腐食による減肉厚みを計算（酸化鉄の厚み／４）により求めた。その結果、減肉厚みは５μｍであった。

（比較例２）
硫酸アンモニウム水溶液を供給しなかったこと以外は、実施例７と同様にして、１９時間継続して運転を行い、実施例１〜５と同様にしてサンプル管の評価を行った。図６は、ＥＰＭＡによる画像の写真（倍率：１００倍）である。図６（Ａ）は、サンプル管の断面の電子顕微鏡像の写真である。図６（Ｂ）は、図６（Ａ）と同じ位置における鉄元素の分布を示す画像の写真である。図６（Ｃ）は、図６（Ａ）と同じ位置における酸素元素の分布を示す画像の写真である。各画像の中央部に、サンプル管の外周面付近の断面が拡大して映し出されている。

図６（Ａ）の白い部分が、鉄を主成分とするサンプル管の内部の断面である。この断面の上、すなわち、サンプル管の外周部には、Ｎａ，Ｋ等のアルカリ金属、Ｃａ等のアルカリ土類金属、及びＰｂ，Ｚｎ等の重金属等の塩化物、並びにこれらの硫酸塩を含む付着物が付着している。図６（Ｂ）及び図６（Ｃ）の写真から、サンプル管の外周面に酸化鉄が生成していることが確認された。この酸化鉄は、図５（Ｂ）及び図５（Ｃ）に比べて、鉄を主成分とする部分から離れて生成していた。このことは、比較例２の方が実施例７よりも腐食が進行していることを示している。比較例２において、酸化鉄の厚みを、任意に選択した１０箇所で測定し、その平均値を求めたところ、４４μｍであった。この酸化鉄の厚みから、腐食による減肉厚みを計算（酸化鉄の厚み／４）により求めた。その結果、減肉厚みは１１μｍであった。

図５と図６との対比から、実施例７の方が比較例２よりも、腐食が十分に抑制されることが確認された。

（実施例８）
図１に示す燃焼装置に硫酸アンモニウム水溶液を９０ｋｇ／日で供給しながら、実施例１〜５と同様の運転条件で、１００日間継続して運転を行った、この間、実施例１〜５と同様にして、サンプル管を設置して運転を行った。なお、設置前のサンプル管の径方向に沿う厚みを、１２箇所においてノギスを用いて測定した。具体的には、サンプル管の長手方向に沿って、互いに異なる（１）、（２）、（３）の３つの位置を選択した。（１）、（２）、（３）のそれぞれの位置において、径方向断面の厚みを４箇所（Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ）で測定した。このとき、径方向断面において、Ａ，Ｂを結ぶ線分とＣ，Ｄを結ぶ線分とが直交するように測定箇所を選定した。それぞれの測定箇所における厚みは表３に示すとおりであった。

１００日間継続して燃焼装置の運転を行った後、サンプル管を取り出して、サンプル管の表面に付着していた錆を真鍮ブラシで磨いて除去した。除去後のサンプル管のそれぞれについて、上記１２箇所の厚みを、ノギスで用いて測定した。測定結果は表３に示すとおりであった。なお、表３に示す厚みの単位はｍｍである。サンプル管のそれぞれについて、設置前の厚みの測定値から１００日経過後の厚みの測定値を引いて、腐食による減肉量を算出した。この結果から、サンプル管の減肉量は０．２３〜０．４３ｍｍであった。なお、減肉量の大きさは、位置（１）、位置（２）、位置（３）の順番であった。これは、位置（１）の外表面温度が最も高く、位置（３）の外表面温度が最も低いことに起因していると考えられる。

（比較例３）
硫酸アンモニウム水溶液を供給しなかったこと、及び４４日間継続して燃焼装置の運転を行ったこと以外は、実施例７と同様にして、運転を行い、実施例８と同様にしてサンプル管の厚みの測定を行った。測定結果は表３に示すとおりであった。サンプル管の減肉量は０．２５〜０．４５ｍｍであった。

表３に示すとおり、全ての位置において、硫酸アンモニウム水溶液を供給した実施例８の方が、比較例３よりも運転期間が長いにもかかわらず、減肉量が小さかった。すなわち、硫黄含有化合物を供給した実施例８では、サンプル管の腐食を十分に抑制することができた。

本発明の熱分解ガスの燃焼方法によれば、廃熱ボイラの過熱器管の腐食を十分に抑制することができる。また、本発明の燃焼装置によれば、廃熱ボイラの過熱器管の腐食を十分に抑制することができる。

１０…燃焼室、１１…旋回流、１２…バーナ、１２ａ…一次空気、１４…硫黄供給部（２流体ノズル）、１５…供給流路、１５ａ…二次空気、１５ｂ…吐出部、１７…貯留槽、１９…配管、２０…廃熱ボイラ、２１…連結管、２２…過熱器管、２４…第３測定部、２５…ダスト、２６…第２測定部、３０…排ガス減温塔、３２…第１測定部、３４…消石灰、３６…第２調節部、３７…第１調節部、４０…バグフィルタ、５０…脱硝塔、６０…煙突、８０…廃棄物ガス化溶融炉、８２…熱分解ガス、９０…燃焼装置、１００…廃棄物ガス化溶融設備。

Claims (10)

1. 廃熱ボイラを備える廃棄物ガス化溶融炉から発生する熱分解ガスの燃焼方法であって、
   縦型円筒形状を有する燃焼室に設置され、前記熱分解ガスの一部を一次空気によって燃焼するバーナから、前記燃焼室の内壁の接線方向と平行方向に前記熱分解ガスを吐出して、前記燃焼室内において燃焼排ガスの旋回流を形成し、前記一次空気とは別の二次空気を前記旋回流に対して順方向になるように、前記燃焼室の内壁の接線方向と平行方向に吐出して、前記熱分解ガスの一部を燃焼することによって、前記熱分解ガスを２段階で燃焼する工程と、
   前記二次空気の供給流路に内設されるノズルから、前記二次空気の吐出部に硫黄含有化合物を吐出して、前記旋回流に向けて硫黄含有化合物を供給する工程と、を有する燃焼方法。
2. 前記硫黄含有化合物は、硫酸、硫酸アンモニウム、及び硫酸水素アンモニウムからなる群より選ばれる少なくとも一種を含む、請求項１に記載の燃焼方法。
3. 前記ノズルは２流体ノズルであり、前記硫黄含有化合物と圧縮ガスとを前記２流体ノズルを用いて混合し、前記硫黄含有化合物を霧状にして供給する、請求項１又は２に記載の燃焼方法。
4. 前記燃焼排ガスの硫黄酸化物濃度の測定結果に基づいて、前記硫黄含有化合物の供給量を調節する工程を有する、請求項１〜３のいずれか一項に記載の燃焼方法。
5. 前記燃焼排ガスのＮａＣｌガス濃度及び／又はＫＣｌガス濃度の測定結果に基づいて、前記硫黄含有化合物の供給量を調節する工程を有する、請求項１〜４のいずれか一項に記載の燃焼方法。
6. 廃熱ボイラを備える廃棄物ガス化溶融炉から発生する塩化物を含む熱分解ガスを燃焼する燃焼装置であって、
   縦型円筒形状を有する燃焼室と、
   前記燃焼室に設置され、前記熱分解ガスの一部を一次空気によって燃焼するバーナと、
   前記燃焼室の、前記バーナとは異なる位置に空気供給部と、
   前記燃焼室に硫黄含有化合物を供給する硫黄供給部と、
   を備えており、
   前記バーナは、前記燃焼室の内壁の接線方向と平行方向に前記熱分解ガスを吐出して、前記燃焼室内において燃焼排ガスの旋回流を形成し、
   前記空気供給部は、前記旋回流に対して順方向になるように、前記燃焼室の内壁の接線方向と平行方向に前記熱分解ガスの一部を燃焼する二次空気を吐出し、前記燃焼室において前記熱分解ガスを２段階で燃焼し、
   前記硫黄供給部は、前記二次空気の供給流路に内設されるノズルから、前記二次空気の吐出部に硫黄含有化合物を吐出し、前記旋回流に向けて前記硫黄含有化合物を供給する燃焼装置。
7. 前記硫黄含有化合物は、硫酸、硫酸アンモニウム、及び硫酸水素アンモニウムからなる群より選ばれる少なくとも一種を含む、請求項６に記載の燃焼装置。
8. 前記硫黄供給部における前記ノズルは２流体ノズルであり、前記２流体ノズルは、前記硫黄含有化合物と圧縮ガスとを混合し前記硫黄含有化合物を霧状にして供給する、請求項６又は７に記載の燃焼装置。
9. 前記燃焼排ガスの硫黄酸化物濃度を測定する第１測定部と、
   前記第１測定部の測定結果に基づいて、前記硫黄含有化合物の供給量を調節する第１調節部と、を有する、請求項６〜８のいずれか一項に記載の燃焼装置。
10. 前記燃焼排ガスのＮａＣｌガス濃度及び／又はＫＣｌガス濃度を測定する第２測定部と、
    前記第２測定部の測定結果に基づいて、前記硫黄含有化合物の供給量を調節する第２調節部と、を有する、請求項６〜９のいずれか一項に記載の燃焼装置。