JP6458298B2

JP6458298B2 - 焼却設備

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Publication number: JP6458298B2
Application number: JP2014174380A
Authority: JP
Inventors: 将利勝木; 鈴木　匠; 匠鈴木; 哲哉佐久間
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Environmental and Chemical Engineering Co Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Environmental and Chemical Engineering Co Ltd
Priority date: 2014-08-28
Filing date: 2014-08-28
Publication date: 2019-01-30
Anticipated expiration: 2034-08-28
Also published as: JP2016050679A

Description

本発明は、窒素酸化物を含む排気ガスを発生する焼却炉を有する焼却設備に関する。

都市ごみ等の被焼却物を焼却処理するための焼却設備に関して、特許文献１には、排気ガスを５００℃以上に維持したまま集塵装置に導入し、排気ガス中の塵埃等を高温雰囲気中で除去した後、排気ガスを５００℃以上に維持したまま触媒を用いて脱硝を行う触媒反応装置（ＳＣＲ）に導入し、５００℃以上で排気ガス中の有害物質を分解する装置が記載されている。この装置においては、排気ガスを高温に維持することによって触媒反応装置における反応性が向上するため、再加熱器が不要となり、プラント全体のエネルギー効率が向上する等の効果がある。

また、特許文献２には、触媒反応装置をセラミックフィルター式集塵装置の出口に配置した装置が記載されている。この装置においては、従来、蒸気等にて再加熱していた熱量を発電等に有効利用できるとともに、触媒反応装置を最適温度にて利用できるため、反応効率が向上する。触媒についても、低温活性への考慮や、硫黄酸化物に対する被毒も回避することができる。

特開２００２−１１３２９号公報特開２００１−１１６２３３号公報

ところで、上記特許文献１に記載の装置においては、高温域に触媒反応装置を適用し、触媒の反応性を向上、被毒抑制及びプラント発電効率を向上させているが、高温域に除塵装置を設置しているため、高価な耐熱材料をフィルタに適用する必要がある。また、従来、除塵と同時に実施していた脱硫、脱塩処理ができなくなり、除塵とは別途に排気ガス処理が必要となる。更に、窒素酸化物（ＮＯｘ）の除去（脱硝反応）を触媒反応装置のみで実施するため、プラント全体での排気ガス処理効率が悪いという課題がある。

この発明は、窒素酸化物を含む排気ガスを発生する焼却炉を有する焼却設備において、高効率に窒素酸化物を除去することができる焼却設備を提供することを目的とする。

本発明の第一の態様によれば、焼却設備は、窒素酸化物を含む排気ガスを発生する焼却炉と、前記焼却炉の排気流路に設けられた触媒反応装置と、前記焼却炉の炉内と、前記触媒反応装置の入口の少なくともいずれかに還元剤を供給する還元剤供給装置と、前記焼却炉の炉頂部の排気温度を測定する温度測定装置と、前記焼却炉の排気流路の窒素酸化物濃度を測定する窒素酸化物濃度測定装置と、前記温度測定装置に測定された排気温度が所定の閾値以下の時は、運転状況から推定される脱硝率に基づいて前記還元剤供給装置を制御して前記焼却炉の炉内のみに還元剤を供給し、前記排気温度が所定の閾値を超え、かつ前記窒素酸化物濃度が所定の閾値を超えない時は、前記焼却炉の炉内のみに還元剤を供給し、かつ前記窒素酸化物濃度が所定の閾値となるまで前記焼却炉の炉内に供給される還元剤の供給量を減少させ、前記排気温度と前記窒素酸化物濃度がそれぞれ所定の閾値を超えたことを条件に前記還元剤供給装置を制御して前記焼却炉の炉内と前記触媒反応装置の入口へ還元剤を供給させる制御装置と、を有することを特徴とする。

このような構成によれば、炉内に還元剤を噴霧する無触媒脱硝システムにて消費しきれない還元剤を、触媒反応装置で除去することができるとともに、還元剤と窒素酸化物との反応に有効利用して、窒素酸化物をより低減することができる。
また、炉内に還元剤を噴霧する無触媒脱硝システムと、焼却炉の排気通路に設けられた触媒反応装置を適用する触媒脱硝システムとを組み合わせることで高効率に窒素酸化物を除去することができる。

上記焼却設備において、前記閾値は、前記焼却炉の炉頂部の温度の上昇に伴う窒素酸化物濃度の急変点であってよい。

上記焼却設備において、前記焼却炉の排気流路の酸素濃度を測定する酸素濃度測定装置を備え、前記閾値は、前記酸素濃度の変化に対する前記窒素酸化物濃度の急変する濃度であってよい。

本発明によれば、窒素酸化物を含む排気ガスを発生する焼却炉を有する焼却設備において、高効率に窒素酸化物を除去することができる。

本発明の第一実施形態の焼却設備の概略構成図である。本発明の第一実施形態の焼却設備の焼却炉の炉頂部温度と窒素酸化物濃度との関係を示すグラフである。本発明の第一実施形態の焼却設備の排気通路の酸素濃度と窒素酸化物濃度との関係を示すグラフである。本発明の第二実施形態の焼却設備の制御方法を説明するフローチャートである。本発明の第三実施形態の焼却設備の制御方法を説明するフローチャートである。本発明の第四実施形態の焼却設備の制御方法を説明するフローチャートである。

（第一実施形態）
以下、本発明の第一実施形態の焼却設備１について図面を参照して詳細に説明する。
図１に示すように、本実施形態の焼却設備１は、処理の上流側より順に、ごみ等の被焼却物を燃焼させる焼却炉２（ストーカ炉）と、ボイラ３と、反応蒸発塔４と、集塵装置５（バグフィルタ）と、煙突２０と、制御装置１７と、を有している。
焼却炉２の排気流路６であってボイラ３と反応蒸発塔４との間には、触媒反応装置７（ＳＣＲ）と、エコノマイザ８と、が設けられている。

焼却炉２は、図示しないごみピットから供給されるごみを乾燥・撹拌しながら焼却する炉である。焼却炉２の底部側には、金属製の固定火格子とごみの流れ方向に往復運動する可動火格子を交互に配置してなるストーカ９が設けられている。
焼却炉２は、その内部が燃焼ガス流路１１とされ、燃焼ガス流路１１の焼却炉２内は、ストーカ９の上方が一次燃焼室１２、一次燃焼室１２の上方が二次燃焼室１３とされ、燃焼ガスＲがストーカ９から一次燃焼室１２、一次燃焼室１２から二次燃焼室１３に向け、下方から上方に流通する。

また、焼却炉２には、押込送風機１５から一次燃焼空気をストーカ９の各部に風箱１０を通じて供給する一次燃焼空気供給部１４が設けられている。一次燃焼空気供給部１４は、一次燃焼空気を予熱する蒸気式空気予熱器１６（ＳＡＨ）を有している。一次燃焼空気は、焼却炉２の炉壁に取り付けた一次燃焼空気供給ノズル３０を通じて燃焼ガス流路１１にも供給される（符号Ａ同士が接続されている）。

ボイラ３は、ごみを燃焼させることによって発生した熱を回収する熱源機器である。ボイラ３は、焼却炉２の二次燃焼室１３の燃焼ガスＲの下流側に接続して配置されている。
反応蒸発塔４では、集塵装置５にて塩化水素、硫黄酸化物等を除去するのに適した温度に排ガス温度を冷却する。
集塵装置５は、複数のフィルタを用いて反応蒸発塔４を通過した排気ガスに消石灰と特殊反応助剤を吹き込むことにより、塩化水素、硫黄酸化物を除去するとともにダイオキシン類などの有害物質を除去する設備である。

反応蒸発塔４、及び集塵装置５を通過して処理された排気ガスは、誘引送風機１９を介して、煙突２０から外部に排出される。また、排気ガスは、加熱用送風機２１及び蒸気式空気予熱器２２（ＳＡＨ）によって適宜加熱される（白煙防止用）。

ボイラ３の出口に設けられている触媒反応装置７は、排気ガスに含まれるＮＯｘ等の窒素酸化物を触媒の働きで窒素と水にして除去する設備である。即ち、触媒反応装置７には、ボイラ３にて熱回収された排気ガスが導入される。
触媒反応装置７の下流側に設けられているエコノマイザ８は、ごみを焼却したときの熱エネルギーを使い、ボイラ３に送る水を温める装置である。

焼却設備１には、集塵装置５で処理した後の排気ガスを、再循環排気ガス送風機２５によって還流させ、炉壁に設けられた再循環排気ガス供給ノズル２６を通じ、再循環排気ガスとして供給する再循環排気ガス供給部２４を備えている。再循環排気ガス供給部２４は、炉内の燃焼ガスＲに低温の再循環排気ガスを供給することにより、炉内温度を低下させ、サーマルＮＯｘを低減するものである（符号Ｂ同士が接続されている）。

また、焼却炉２は、ＮＨ_３（アンモニア）等の還元剤（脱硝薬剤）を供給する還元剤供給装置２８を備えている。還元剤供給装置２８は、一次燃焼空気供給ノズル３０及び再循環排気ガス供給ノズル２６よりも燃焼ガスＲの流通方向下流側に設けられた第一還元剤供給ノズル３１と、触媒反応装置７の上流に還元剤を噴霧可能な第二還元剤供給ノズル３２に接続されている。
還元剤供給装置２８から供給される還元剤を炉内に噴霧する第一還元剤供給ノズル３１は、焼却炉２の炉内に還元剤を供給して燃焼ガスＲ（排ガス）中に含まれるＮＯｘを還元して低減・無害化させる無触媒脱硝システムとして機能する。

さらに、焼却炉２の炉頂部には、焼却炉２の炉頂部における炉内温度を測定可能な温度測定装置３３と、焼却炉２の炉頂部における窒素酸化物濃度を測定可能な窒素酸化物濃度測定装置３４とが設けられている。温度測定装置３３と窒素酸化物濃度測定装置３４は、制御装置１７と接続されている。
即ち、温度測定装置３３によって測定された焼却炉２の炉頂部の炉内温度と、窒素酸化物濃度測定装置３４によって測定された炉頂部の窒素酸化物濃度は、制御装置１７に送信される。制御装置１７は、炉頂部の温度と窒素酸化物濃度に基づいて還元剤供給装置２８の制御を行う。
ここで、焼却炉２の炉頂部とは、炉内でごみを燃焼させることにより火炎が発生して炉内温度が最高となる位置であり、フリーボード最上部である。

また、焼却炉２の排気通路６には、排気ガスの酸素濃度を測定する酸素濃度測定装置３６が設けられている。酸素濃度測定装置３６の設置個所は、燃焼炉２の出口より下流側であればよい。

次に、本実施形態の焼却設備１の制御方法、具体的には排気ガスの脱硝方法について説明する。
ここで、炉内に噴霧した還元剤は適切な反応温度であれば脱硝反応に有効に利用される。発明者らが得た知見によれば、炉頂部における炉内温度が所定の温度以上になると、ＮＨ_３が酸化されＮＯｘが生成する反応の方が進行する。
即ち、図２に示すように、炉頂部における炉内温度が所定の閾値Ｔａ（例えば９００℃）を超えると、還元剤を多く供給しても脱硝に寄与せず、還元剤が無駄になる。所定の閾値Ｔａは、焼却炉２の炉頂部の温度の上昇に伴う窒素酸化物濃度の急変点である。

炉頂部における炉内温度の閾値Ｔａを超えると、還元剤を多く供給しても脱硝に寄与せず、窒素酸化物濃度が上昇することになる。よって、上記閾値Ｔａは、窒素酸化物濃度が目標濃度を超える温度であるということもできる。
制御装置１７は、窒素酸化物濃度を監視して、この窒素酸化物濃度が、目標濃度（例えば４０ｐｐｍ）を超えた場合に、炉頂部の温度が閾値Ｔａを超えたと判断してもよい。

また、図３に示すように、再循環排気ガス供給部２４を用いて炉内に再循環排気ガスを導入する場合などは、酸素濃度によっても窒素酸化物濃度は変動する。図３に示すように、酸素濃度が所定の濃度Ｏａよりも低い場合に、窒素酸化物濃度が高くなる傾向がある。発明者らが得た知見によれば、炉内の酸素濃度が所定の濃度以下になると、炉内に噴霧したＮＨ_３が還元されＮ_２が生成する反応の方が進行する。そのため、炉内に噴霧した還元剤は脱硝反応に有効に利用されなくなり、窒素酸化物濃度が増大してしまう。よって、酸素濃度変化に対する窒素酸化物濃度が急変する場合に炉頂部の温度が閾値Ｔａを超えたと判断してもよい。

本実施形態の焼却設備１の制御装置１７は、炉頂部の温度が所定の閾値Ｔａ以上である場合に、第二還元剤供給ノズル３２を介して触媒反応装置７の上流に還元剤を噴霧する制御を行う。また、第一還元剤供給ノズル３１による炉内への還元剤の噴霧を停止する。
なお、炉頂部の温度が閾値Ｔａを超えた場合においても、第一還元剤供給ノズル３１による炉内への還元剤の噴霧を続けてもよい。

また、窒素酸化物濃度を監視し、窒素酸化物濃度が目標濃度を超えた場合に、炉頂部の温度が所定の閾値Ｔａを超えたと判断し、第二還元剤供給ノズル３２を介して触媒反応装置７の上流に還元剤を噴霧する制御を行ってもよい。即ち、窒素酸化物濃度を参照して、炉頂部の温度の閾値Ｔａを用いた制御方法と同様の制御を行ってもよい。

また、窒素酸化物濃度及び排気通路の酸素濃度を監視し、酸素濃度の変化に対して窒素酸化物濃度が急変した場合に炉頂部の温度が所定の閾値Ｔａを超えたと判断し、第二還元剤供給ノズル３２を介して触媒反応装置７の上流に還元剤を噴霧する制御を行ってもよい。即ち、窒素酸化物濃度及び酸素濃度を参照して、炉頂部の温度の閾値Ｔａを用いた制御方法と同様の制御を行ってもよい。

上記実施形態によれば、炉内に還元剤を噴霧する無触媒脱硝システムにて消費しきれない還元剤を、触媒反応装置７で除去することができるとともに、還元剤と窒素酸化物との反応に有効利用して、窒素酸化物をより低減することができる。
また、炉内に還元剤を噴霧する無触媒脱硝システムと、ボイラ３の出口に触媒反応装置７を適用する触媒脱硝システムとを組み合わせることで高効率に窒素酸化物を除去することができる。これにより、プラント運転効率や発電効率が向上し、プラント設備をコンパクトにすることができる。

さらに、炉内温度Ｔが高い状態で触媒反応装置７上流に還元剤を噴霧するため、触媒反応装置７の温度も高く、脱硝反応速度が向上するとともに酸性硫酸アンモニウムの発生が抑制される。これにより、従来と比較してより窒素酸化物を低減できるとともに触媒反応装置７に設置される脱硝触媒の被毒を抑制することができる。

（第二実施形態）
以下、本発明の第二実施形態の焼却設備を図面に基づいて説明する。なお、本実施形態では、上述した第一実施形態との相違点を中心に述べ、同様の部分についてはその説明を省略する。
本実施形態の焼却設備の制御方法は、第一実施形態の制御に加え、窒素酸化物濃度を参照して還元剤の供給を制御することを特徴としている。

具体的には、図４のフローチャートに示すように、炉内温度Ｔを測定するとともに、窒素酸化物濃度ＣＮＯｘを測定した後、炉内温度Ｔが、閾値Ｔａより大きいか否かを判定する。炉内温度Ｔが閾値Ｔａより大きい場合、制御装置１７は、排気ガス流量、触媒反応装置７の温度Ｔ（ＳＣＲ）に基づいて、触媒反応装置７における脱硝率ηＮＯｘ（ＳＣＲ）を推定し、触媒反応装置７へ供給される還元剤（ＮＨ_３）の量を算出する。そして、算出された量に基づき、触媒反応装置７に還元剤を供給する。

炉内温度Ｔが閾値Ｔａより小さい場合、制御装置１７は、燃焼空気、再循環排気ガスの量、酸素濃度等の運転状況より、無触媒脱硝システムの脱硝率ηＮＯｘを推定し、炉内へ噴霧される還元剤の量を算出する。そして、算出された量に基づき、炉内に還元剤を供給する。ここで、制御装置１７は、窒素酸化物濃度ＣＮＯｘを監視し、窒素酸化物濃度ＣＮＯｘが目標ＮＯｘ濃度Ｃａよりも大きい場合は、炉内への還元剤の供給を継続する。

上記実施形態によれば、炉内温度に加え、窒素酸化物濃度ＣＮＯｘを監視することによって、高効率、かつ、確実に窒素酸化物を除去することができる。

（第三実施形態）
本実施形態の制御方法は、第二実施形態の制御方法と比較して、炉内温度Ｔが閾値Ｔａより大きい場合においても、窒素酸化物濃度ＣＮＯｘの監視を行うことを特徴としている。
図５のフローチャートに示すように、炉内温度Ｔが閾値Ｔａより大きい場合においても、窒素酸化物濃度ＣＮＯｘの監視を行い、窒素酸化物濃度ＣＮＯｘが目標ＮＯｘ濃度よりも小さい場合は、触媒反応装置７に対する還元剤の噴霧を行わず、炉内へ供給する還元剤の量を減少させる。還元剤量の減少は、窒素酸化物濃度ＣＮＯｘが目標ＮＯｘ濃度となるまで続けられる。
上記実施形態によれば、触媒反応装置への還元剤の供給を行わない条件が増えるとともに炉内に噴霧する還元剤量を最適量に設定することが可能となり、還元剤の消費量をより低減することができる。

（第四実施形態）
本実施形態の制御方法は、第三実施形態の制御方法と比較して、炉内温度Ｔが閾値Ｔａより大きい場合において、燃焼空気、再循環排気ガスの量、ごみ投入量の調整を行うことを特徴としている。
図６のフローチャートに示すように、炉内温度Ｔが閾値Ｔａより大きい場合においては、燃焼空気、再循環排気ガスの量、ごみ投入量の調整を行う。これによって、炉内温度Ｔの低減が図られる。炉内に水を噴霧することによって、炉内温度Ｔの低減を図ってもよい。

上記炉内温度Ｔの調整を行ったうえで、炉内温度Ｔが閾値Ｔａよりも低くなった場合は、触媒反応装置７への還元剤の供給は行わない。
上記実施形態によれば、触媒反応装置への還元剤の供給を行わない条件が増えることによって、還元剤の消費量をより低減することができ、触媒の被毒も抑制することができる。

なお、本発明の技術範囲は上記の実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において、種々の変更を加えることが可能である。
例えば、焼却設備１の構成は、上記した構成に限ることはなく、適宜変更することが可能である。例えば、ごみを焼却して出た廃熱を用いて発電を行う蒸気タービン発電機を追加してもよい。また、反応蒸発塔４を省略し、エコノマイザ８で熱回収してもよい。

１焼却設備
２焼却炉
３ボイラ
４反応蒸発塔
５集塵装置
６排気流路
７触媒反応装置
８エコノマイザ
９ストーカ
１０風箱
１１燃焼ガス流路
１２一次燃焼室
１３二次燃焼室
１４一次燃焼空気供給部
１５押込送風機
１６蒸気式空気予熱器
１７制御装置
１８蒸気式ガス再加熱器
１９誘引送風機
２０煙突
２１加熱用送風機
２２蒸気式空気予熱器
２４再循環排気ガス供給部
２５再循環排気ガス送風機
２６再循環排気ガス供給ノズル
２８還元剤供給装置
３０一次燃焼空気供給ノズル
３１第一還元剤供給ノズル
３２第二還元剤供給ノズル
３３温度測定装置
３４窒素酸化物濃度測定装置
３６酸素濃度測定装置

Claims

窒素酸化物を含む排気ガスを発生する焼却炉と、
前記焼却炉の排気流路に設けられた触媒反応装置と、
前記焼却炉の炉内と、前記触媒反応装置の入口の少なくともいずれかに還元剤を供給する還元剤供給装置と、
前記焼却炉の炉頂部の排気温度を測定する温度測定装置と、
前記焼却炉の排気流路の窒素酸化物濃度を測定する窒素酸化物濃度測定装置と、
前記温度測定装置に測定された排気温度が所定の閾値以下の時は、運転状況から推定される脱硝率に基づいて前記還元剤供給装置を制御して前記焼却炉の炉内のみに還元剤を供給し、前記排気温度が所定の閾値を超え、かつ前記窒素酸化物濃度が所定の閾値を超えない時は、前記焼却炉の炉内のみに還元剤を供給し、かつ前記窒素酸化物濃度が所定の閾値となるまで前記焼却炉の炉内に供給される還元剤の供給量を減少させ、前記排気温度と前記窒素酸化物濃度がそれぞれ所定の閾値を超えたことを条件に前記還元剤供給装置を制御して前記焼却炉の炉内と前記触媒反応装置の入口へ還元剤を供給させる制御装置と、を有する焼却設備。
前記閾値は、前記焼却炉の炉頂部の温度の上昇に伴う窒素酸化物濃度の急変点であることを特徴とする請求項１に記載の焼却設備。
前記焼却炉の排気流路の酸素濃度を測定する酸素濃度測定装置を備え、
前記閾値は、前記酸素濃度の変化に対する前記窒素酸化物濃度の急変する濃度である請求項１に記載の焼却設備。