JP6413034B1 - バイオガス燃焼機関を併設した焼却炉の燃焼制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】バイオガス燃焼機関で発生した排ガスから窒素酸化物を効果的に除去することができるとともに、焼却炉内での窒素酸化物の発生を十分に抑制することができるバイオガス燃焼機関を併設した焼却炉の燃焼制御方法を提供する。
【解決手段】投入された廃棄物を乾燥させる乾燥段１６を有するストーカ式燃焼装置１５を備える焼却炉２に、バイオガスを燃焼させるバイオガス燃焼機関６０を併設し、バイオガス燃焼機関６０でのバイオガスの燃焼に伴い発生した排ガスと共に燃焼空気を乾燥段１６へと供給するようにしたバイオガス燃焼機関６０を併設した焼却炉２の燃焼制御方法であって、排ガスの発生量の増加または減少に応じて乾燥段１６への燃焼空気の供給量を減少または増加させるものとする。
【選択図】図２

Description

本発明は、バイオガス燃焼機関で発生した排ガスと共に燃焼空気をストーカ式燃焼装置の乾燥段へと供給するようにされた焼却炉の燃焼制御方法に関するものである。

バイオガス発電施設においては、有機性廃棄物が嫌気性微生物の働きによってメタン発酵することにより発生したバイオガスを燃料としてバイオガス燃焼機関で燃焼させて発電を行うようにされている。バイオガスの燃焼に伴い発生した排ガスは、熱回収や脱硝処理を行った後に大気放出するようにされている。

一方、廃棄物焼却施設においては、廃棄物の燃焼により発生した排ガスに含まれる窒素酸化物を触媒脱硝や無触媒脱硝により除去した後に煙突より大気放出するようにされている。

従来、バイオガス燃焼機関で発生した排ガスを、廃棄物焼却施設の焼却炉へと投入することにより、焼却炉の燃焼促進や炉内脱硝に利用するようにしたものが、例えば特許文献１にて提案されている。

特開２０１３−１３３９８３号公報

バイオガス燃焼機関で発生した排ガスには、ＮＯｘが高濃度（数百〜数千ｐｐｍ）で含まれており、大気汚染防止法上の基準、あるいは地域や施設で個別に定められた上乗せ基準を遵守する必要がある。基準を遵守するためには、触媒脱硝等による脱硝処理や、窒素酸化物発生抑制のための燃焼調節を行う必要があるが、これらは、バイオガス燃焼機関の運転コスト増加や、発電量および発電効率の低下につながるという問題点がある。

一方、廃棄物燃焼施設で発生した排ガスには、窒素酸化物が含まれており、これを除去するためには、脱硝設備の設置や還元用薬剤（アンモニア、尿素水等）の使用が必要となり、施設運転コストの増加につながるという問題点がある。

そこで、上記の特許文献１に係る技術の採用により、すわなち、バイオガス燃焼機関で発生した排ガスを焼却炉へ投入し、当該排ガスに含まれる窒素酸化物と、焼却炉での廃棄物燃焼により発生した未燃ガス（アンモニア、シアン化水素等）とを反応させることにより、両ガス成分を無害な窒素ガスへと分解することが可能であるが、これを実現するためには、両ガス成分の量的バランスの確保、あるいは燃焼空気量（空気比）の最適化が重要である。

しかしながら、バイオガス燃焼機関と燃焼炉との運転は互いに独立しており、それぞれの運転負荷が常に変動するため、バイオガス燃焼機関からの排ガス中の窒素酸化物と、焼却炉内で発生する未燃ガスとの量的バランスの確保が困難であり、バイオガス燃焼機関で発生した排ガスから窒素酸化物を効果的に除去することができず、また、焼却炉内での窒素酸化物の発生を十分に抑制することができないという問題点がある。

本発明は、前述のような問題点に鑑みてなされたもので、バイオガス燃焼機関で発生した排ガスから窒素酸化物を効果的に除去することができるとともに、焼却炉内での窒素酸化物の発生を十分に抑制することができるバイオガス燃焼機関を併設した焼却炉の燃焼制御方法を提供することを目的とするものである。

前記目的を達成するために、本発明によるバイオガス燃焼機関を併設した焼却炉の燃焼制御方法は、
投入された被焼却物を乾燥させる乾燥段を有するストーカ式燃焼装置を備える焼却炉に、バイオガスを燃焼させるバイオガス燃焼機関を併設し、前記バイオガス燃焼機関でのバイオガスの燃焼に伴い発生した排ガスと共に燃焼空気を前記乾燥段へと供給するようにしたバイオガス燃焼機関を併設した焼却炉の燃焼制御方法であって、
前記排ガスの発生量の増加または減少に応じて前記乾燥段への前記燃焼空気の供給量を減少または増加させることを特徴とするものである。

本発明のバイオガス燃焼機関を併設した焼却炉の燃焼制御方法によれば、バイオガス燃焼機関での排ガスの発生量が増加または減少するに伴って焼却炉内における窒素酸化物の量が増加または減少するとすると、ストーカ式燃焼装置における乾燥段への燃焼空気の供給量を減少または増加させて焼却炉内でのＮＨ_３等の未燃ガスの発生を促進または抑制するようにされ、これによって焼却炉内における窒素酸化物と未燃ガスとの量的バランスが確保されるので、バイオガス燃焼機関からの排ガスに含まれる窒素酸化物と、焼却炉内で発生した未燃ガスとの反応により、両ガス成分を無害な窒素ガスへと分解することができる。したがって、バイオガス燃焼機関で発生した排ガスから窒素酸化物を効果的に除去することができるとともに、焼却炉内での窒素酸化物の発生を十分に抑制することができる。

本発明の一実施形態に係るバイオガス燃焼機関を併設した焼却炉の燃焼制御方法が実施される複合施設の概略システム構成図である。 図１の要部拡大図である。

次に、本発明によるバイオガス燃焼機関を併設した焼却炉の燃焼制御方法の具体的な実施の形態について、図面を参照しつつ説明する。

＜複合施設の概略説明＞
図１に示される複合施設１は、バイオガス発電施設と廃棄物焼却施設とが複合化されたものである。この複合施設１において、バイオマスを含むごみ等の廃棄物（被焼却物）は焼却炉２で燃焼される。この焼却炉２での廃棄物の燃焼に伴い発生した燃焼排ガスは、焼却炉２に付設のボイラ３での熱交換に供されるとともに、エコノマイザ４でのボイラ３への給水の加熱に供された後に、減温塔５で所定温度まで冷却されてからバグフィルタを用いた集塵装置６に送られる。この集塵装置６でばいじんが除去された排ガスは、誘引通風機７により、煙突８を介して系外に排出される。

＜焼却炉の説明＞
焼却炉２は、廃棄物が供給されるホッパ１０と、ホッパ１０にシュート１１を介して接続される燃焼室１２とを備えている。ホッパ１０に供給された廃棄物は、シュート１１を通って燃焼室１２へと送られる。燃焼室１２は、一次燃焼室１３と、一次燃焼室１３の下流側に配設される二次燃焼室１４とから構成されている。一次燃焼室１３には、ストーカ式燃焼装置１５が装備されている。

ストーカ式燃焼装置１５は、乾燥段１６、燃焼段１７および後燃焼段１８を有し、一次燃焼室１３内の廃棄物は、まず乾燥段１６に送られる。乾燥段１６に送られた廃棄物は、一次燃焼空気吹込装置２１からの一次燃焼空気および一次燃焼室１３の輻射熱により乾燥される。この乾燥段１６における廃棄物の乾燥および昇温の過程において、廃棄物からは未燃ガス（アンモニア、シアン化水素等）が発生する。乾燥段１６で乾燥された廃棄物は、一次燃焼室１３の輻射熱によって着火され、着火した廃棄物は、燃焼段１７へと送られ、一部が燃焼段１７にて燃焼し、残りの未燃焼分は、後燃焼段１８へと送られる。未燃焼分の廃棄物は、後燃焼段１８でおき燃焼して、燃焼後に残った焼却灰は、シュート１９を介して外部へと排出される。一方、一次燃焼室１３で発生した未燃ガスは、二次燃焼空気吹込装置２２からの二次燃焼空気により二次燃焼室１４にて二次燃焼される。

＜一次燃焼空気吹込装置の説明＞
図２に示されるように、一次燃焼空気吹込装置２１は、一次燃焼空気を送り出す送風機２４と、送風機２４からの一次燃焼空気が流通される主管路２５から分岐してストーカ式燃焼装置１５における乾燥段１６、燃焼段１７および後燃焼段１８へとそれぞれ繋がる第１分岐管路２６、第２分岐管路２７および第３分岐管路２８とを備え、送風機２４からの一次燃焼空気を、主管路２５から第１分岐管路２６、第２分岐管路２７および第３分岐管路２８を介してストーカ式燃焼装置１５における乾燥段１６、燃焼段１７および後燃焼段１８へと吹き込むことができるように構成されている。

第１分岐管路２６、第２分岐管路２７および第３分岐管路２８には、それぞれ第１流量調節ダンパ装置３１、第２流量調節ダンパ装置３２および第３流量調節ダンパ装置３３が介設されている。各流量調節ダンパ装置３１，３２，３３は、信号伝達可能に自動燃焼制御装置４０と接続されている。また、各分岐管路３１，３２，３３には、管路内を流れる一次燃焼空気の流量を検出する流量センサ３６，３７，３８が付設され、各流量センサ３６，３７，３８からの検出信号は自動燃焼制御装置４０に与えられる。

＜二次燃焼空気吹込装置の説明＞
二次燃焼空気吹込装置２２は、二次燃焼空気を送り出す送風機５１と、この送風機５１からの二次燃焼空気を二次燃焼室１４へと導く管路５２とを備え、送風機５１からの二次燃焼空気を、管路５２を通して二次燃焼室１４内に吹き込むことができるように構成されている。管路５２には、流量調節ダンパ装置５３が介設されている。流量調節ダンパ装置５３は、信号伝達可能に自動燃焼制御装置４０と接続されている。また、管路５２には、管路内を流れる二次燃焼空気の流量を検出する流量センサ５４が付設され、流量センサ５４からの検出信号は自動燃焼制御装置４０に与えられる。

＜燃焼排ガスの酸素濃度の測定の説明＞
焼却炉２における燃焼室１２の出口近傍には、燃焼排ガスの酸素濃度を測定する酸素濃度計５５が設けられている。この酸素濃度計５５からの測定信号は自動燃焼制御装置４０に与えられる。

＜自動燃焼制御装置の説明＞
自動燃焼制御装置４０は、ＣＰＵ、ＲＡＭ、ＲＯＭ、インタフェース回路等を有するコンピュータを主体に構成され、所定プログラムに従って所定の演算処理を行い、演算結果に基づく所定の制御信号を各流量調節ダンパ装置３１，３２，３３，５３へと送信する。これにより、乾燥段１６、燃焼段１７および後燃焼段１８へと吹き込まれる一次燃焼空気の流量を流量調節ダンパ装置３１，３２，３３で調節することができるとともに、二次燃焼室１４へと吹き込まれる二次燃焼空気の流量を流量ダンパ装置５３で調節することができる。

＜バイオマス発電施設の説明＞
焼却炉２には、バイオガス発電施設で用いられるバイオガス燃焼機関６０が併設されている。ここで、バイオガス発電施設は、図示による詳細説明は省略するが、例えば、木質バイオマス、下水汚泥、厨芥ごみ等の有機性廃棄物が投入される発酵槽を備え、この発酵槽において嫌気性微生物の働きでメタン発酵させてバイオガスを発生させ、発生したバイオガスを燃料としてバイオガス燃焼機関６０（ガスエンジン、ガスタービン等）で燃焼させ、発電を行うようにしたものである。

バイオガス燃焼機関６０でのバイオガスの燃焼に伴い発生した排ガスは、管路６１を介してストーカ式燃焼装置１５における乾燥段１６の上方に供給されるとともに、管路６１から分岐する分岐管路６２を介してストーカ式燃焼装置１５における乾燥段１６の下部に供給される。バイオガス燃焼機関６０での運転負荷または発生排ガス量の情報等は、自動燃焼制御装置４０に与えられる。

＜自動燃焼制御装置による制御内容の説明＞
通常、自動燃焼制御装置４０は、酸素濃度計５５からの測定信号によって求められる燃焼排ガスの現在の酸素濃度が所定値となる一次燃焼空気と二次燃焼空気との混合比率を一次燃焼空気量と二次燃焼空気量との相関データに基づいて演算し、流量センサ３６，３７，３８からの検出信号によって求められる一次燃焼空気の現在の流量と、流量センサ５４からの検出信号によって求められる二次燃焼空気の現在の流量とが、その演算によって得られる混合比率に合致した流量配分となるように、流量調節ダンパ装置３１，３２，３３，５３に制御信号を送信する。これにより、一次燃焼空気量と二次燃焼空気量とを最適な流量配分とすることができ、燃焼排ガスの酸素濃度（燃焼空気比）を所定値（例えば、１．３）で一定に保つことができる。なお、上記の相関データとしては、例えばシミュレーション等の実施によって予め取得されたものが使用される。

例えばバイオガス燃焼機関６０での運転負荷が変動して発生排ガス量が変動すると、これに伴って焼却炉２内における窒素酸化物の量が変動し、焼却炉２内における窒素酸化物と未燃ガスとの量的バランスが崩れる。

そこで、自動燃焼制御装置４０は、バイオガス燃焼機関６０からの運転負荷または発生排ガス量の情報に基づいて、排ガス発生量の増加または減少の度合に応じて排ガス酸素濃度または燃焼空気比の制御値を変化させ、変化させた制御値に基づいて演算を行い、乾燥段１６への燃焼空気の供給量を減少または増加させる制御信号を流量調節ダンパ装置３１へと送信する。これにより、バイオガス燃焼機関６０の排ガス発生量の増加または減少に応じて、乾燥段１６への燃焼空気の供給量が減少または増加されて、焼却炉２内でのＮＨ_３等の未燃ガスの発生が促進または抑制される。

こうして、焼却炉２内における窒素酸化物と未燃ガスとの量的バランスが確保され、バイオガス燃焼機関６０からの排ガスに含まれる窒素酸化物と、焼却炉２内で発生した未燃ガス（アンモニア、シアン化水素等）との反応により、両ガス成分を無害な窒素ガスへと分解することができる。
なお、アンモニアを例とした窒素酸化物との反応式を以下に示す。
４ＮＯ+４ＮＨ_３+Ｏ_２→４Ｎ_２+６Ｈ_２Ｏ
ＮＯ_２+ＮＯ+２ＮＨ_３→２Ｎ_２+３Ｈ_２Ｏ

本実施形態の焼却炉２の燃焼制御方法によれば、バイオガス燃焼機関６０で発生した排ガスから窒素酸化物を効果的に除去することができると同時に、乾燥段１６での廃棄物の乾燥および昇温の過程において焼却炉２内で発生する未燃ガス成分を除去することができ、未燃ガス成分の酸化反応に由来する窒素酸化物の発生を十分に抑制することができる。

そして、上記の燃焼制御方法の採用により、以下のような利点がある。
（１）バイオガス燃焼機関６０で発生した排ガスに含まれる窒素酸化物の除去のための対応が不要となり、脱硝設備の省略が可能となる。
（２）バイオガス燃焼機関６０の運転において、窒素酸化物発生の制約がなくなることにより、発電量・発電効率の面で最適な運転が可能となる。
（３）焼却炉２における窒素酸化物の発生量を抑えることができるので、廃棄物燃焼排ガス用の脱硝設備の省略あるいは簡略化が可能となる。
（４）バイオガス燃焼機関６０で発生した排ガスの温度は１５０〜７００℃であり、廃棄物燃焼用空気の一部として利用することにより、廃棄物の乾燥および昇温を促進することができる。

以上、本発明のバイオガス燃焼機関を併設した焼却炉の燃焼制御方法について、一実施形態に基づいて説明したが、本発明は上記実施形態に記載した構成に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲において適宜その構成を変更することができるものである。

本発明のバイオガス燃焼機関を併設した焼却炉の燃焼制御方法は、バイオガス燃焼機関で発生した排ガスから窒素酸化物を効果的に除去することができるとともに、焼却炉内での窒素酸化物の発生を十分に抑制することができるという特性を有していることから、バイオガス燃焼機関と焼却炉とを併せ持つ複合施設での窒素酸化物の削減の用途に好適に用いることができ、産業上の利用可能性が大である。

１ 複合施設
２ 焼却炉
１２ 燃焼室
１３ 一次燃焼室
１４ 二次燃焼室
１５ ストーカ式燃焼装置
１６ 乾燥段
１７ 燃焼段
１８ 後燃焼段
２１ 一次燃焼空気吹込装置
２２ 二次燃焼空気吹込装置
４０ 自動燃焼制御装置
３１〜３３ 流量調節ダンパ装置（一次燃焼空気吹込装置用）
５３ 流量調節ダンパ装置（二次燃焼空気吹込装置用）
５５ 酸素濃度計
６０ バイオガス燃焼機関

Claims (1)

1. 投入された被焼却物を乾燥させる乾燥段を有するストーカ式燃焼装置と、前記ストーカ式燃焼装置の燃焼空気比を所定値に保つように前記乾燥段への燃焼空気の供給量を制御する自動燃焼制御装置とを備える焼却炉に、バイオガスを燃焼させるバイオガス燃焼機関を併設し、前記バイオガス燃焼機関でのバイオガスの燃焼に伴い発生した排ガスと共に燃焼空気を前記乾燥段へと供給するようにしたバイオガス燃焼機関を併設した焼却炉の燃焼制御方法であって、
   前記バイオガス燃焼機関からの運転負荷または発生排ガス量の情報に基づいて、前記排ガスの発生量の増加または減少の度合に応じて前記燃焼空気比の制御値を変化させることにより、前記排ガスの発生量の増加または減少に応じて前記乾燥段への前記燃焼空気の供給量を減少または増加させることを特徴とするバイオガス燃焼機関を併設した焼却炉の燃焼制御方法。

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