JP6506673B2 - 焼却施設における脱硝方法およびそのシステム - Google Patents
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Description
本発明は、一般廃棄物や産業廃棄物を焼却処理する焼却施設における脱硝方法およびそのシステムに関するものである。
従来、この種の焼却施設においては、例えば、液化アンモニアガスボンベなどからアンモニアガスを焼却炉内または脱硝触媒に供給したり、尿素水を焼却炉内または脱硝触媒に供給したりして、排ガス中の窒素酸化物（ＮＯｘ）を除去するようにした脱硝方法が実施されている。
一方、都市ごみ等の焼却に伴って生成される焼却灰は、水と接触すると水酸化物イオンを生成してアルカリ性を示す傾向にあり、また焼却灰には、金属アルミニウムが含有されていることから、焼却灰の冷却工程などにおいて、焼却灰中の金属アルミニウムがアルカリ条件で水と反応し、水素が発生することが知られている（例えば、特許文献１，２参照）。なお、焼却灰から回収した水素ガスは燃料として用いることが考えられている。
しかしながら、上記の脱硝方法では、アンモニアガスまたは尿素水を別途購入しなければならないため、アンモニアガスまたは尿素水の購入費用が嵩むという問題点がある。
一方、アルカリ条件での水との反応にて焼却灰から発生する水素ガス量は、所定の実験条件（８〜４５Ｌ／ｋｇ−灰／２０日間、４０℃、振とう：２００ｒｐｍ、Ｌ／Ｓ（水／焼却灰の重量比）：５）で、１日０．４〜２．５Ｌ／ｋｇ−灰程度（ごみ処理量１００ｔ／日規模で焼却灰の発生量が１０ｔ／日と仮定すると水素発生量は４〜２５ｍ３／日）であり、回収して燃料として用いる場合、わずかな熱量しか得られないという問題点がある。
現状は、焼却灰から発生した水素は有効な用途がなく、灰冷却装置内や灰ピット内に滞留すると爆発事故が起こる危険性があるため、排ガス処理施設や焼却炉に排気処理している。
現状は、焼却灰から発生した水素は有効な用途がなく、灰冷却装置内や灰ピット内に滞留すると爆発事故が起こる危険性があるため、排ガス処理施設や焼却炉に排気処理している。
本発明は、前述のような問題点に鑑みてなされたもので、焼却灰から発生した水素を有価物として利用することができ、脱硝処理に必要とされるアンモニア等の薬剤の購入費用を大幅に低減もしくは不要にすることができる焼却施設における脱硝方法およびそのシステム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、第１発明による焼却施設における脱硝方法は、
廃棄物を焼却炉で焼却するに伴い発生する焼却灰とその焼却灰を冷却するための冷却水との反応で水素を発生させ、発生させた水素と空気中の窒素とからアンモニアを合成し、合成したアンモニアを、前記焼却炉内に噴霧して脱硝処理する、あるいは前記焼却炉からの排ガスの流れ経路途中に設置されるアンモニアを還元剤とする脱硝触媒に供給して脱硝処理することを特徴とするものである。
廃棄物を焼却炉で焼却するに伴い発生する焼却灰とその焼却灰を冷却するための冷却水との反応で水素を発生させ、発生させた水素と空気中の窒素とからアンモニアを合成し、合成したアンモニアを、前記焼却炉内に噴霧して脱硝処理する、あるいは前記焼却炉からの排ガスの流れ経路途中に設置されるアンモニアを還元剤とする脱硝触媒に供給して脱硝処理することを特徴とするものである。
また、第２発明による焼却施設における脱硝方法は、
廃棄物を焼却炉で焼却するに伴い発生する焼却灰とその焼却灰を冷却するための冷却水との反応で水素を発生させ、発生させた水素を、前記焼却炉からの排ガスの流れ経路途中に設置される水素を還元剤とする脱硝触媒に供給して脱硝処理することを特徴とするものである。
廃棄物を焼却炉で焼却するに伴い発生する焼却灰とその焼却灰を冷却するための冷却水との反応で水素を発生させ、発生させた水素を、前記焼却炉からの排ガスの流れ経路途中に設置される水素を還元剤とする脱硝触媒に供給して脱硝処理することを特徴とするものである。
次に、第３発明による焼却施設における脱硝システムは、
廃棄物を焼却炉で焼却するに伴い発生する焼却灰を冷却するための冷却水を収容し前記焼却灰と前記冷却水との反応で水素を発生させる水素ガス発生槽と、この水素ガス発生槽で発生させた水素と空気中の窒素とからアンモニアを合成するアンモニア合成装置とを備え、
前記アンモニア合成装置によって合成されたアンモニアを、前記焼却炉内に噴霧して脱硝処理する、あるいは前記焼却炉からの排ガスの流れ経路途中に設置されるアンモニアを還元剤とする脱硝触媒に供給して脱硝処理することを特徴とするものである。
廃棄物を焼却炉で焼却するに伴い発生する焼却灰を冷却するための冷却水を収容し前記焼却灰と前記冷却水との反応で水素を発生させる水素ガス発生槽と、この水素ガス発生槽で発生させた水素と空気中の窒素とからアンモニアを合成するアンモニア合成装置とを備え、
前記アンモニア合成装置によって合成されたアンモニアを、前記焼却炉内に噴霧して脱硝処理する、あるいは前記焼却炉からの排ガスの流れ経路途中に設置されるアンモニアを還元剤とする脱硝触媒に供給して脱硝処理することを特徴とするものである。
また、第４発明による焼却施設における脱硝システムは、
廃棄物を焼却炉で焼却するに伴い発生する焼却灰を冷却するための冷却水を収容し前記焼却灰と前記冷却水との反応で水素を発生させる水素ガス発生槽を備え、
前記水素ガス発生槽で発生させた水素を、前記焼却炉からの排ガスの流れ経路途中に設置される水素を還元剤とする脱硝触媒に供給して脱硝処理することを特徴とするものである。
廃棄物を焼却炉で焼却するに伴い発生する焼却灰を冷却するための冷却水を収容し前記焼却灰と前記冷却水との反応で水素を発生させる水素ガス発生槽を備え、
前記水素ガス発生槽で発生させた水素を、前記焼却炉からの排ガスの流れ経路途中に設置される水素を還元剤とする脱硝触媒に供給して脱硝処理することを特徴とするものである。
第１発明および第３発明によれば、焼却灰と冷却水との反応で発生させた水素と空気中の窒素とからアンモニアが合成され、合成されたアンモニアが、焼却炉内に噴霧されることによって脱硝処理が行われる、あるいは焼却炉からの排ガスの流れ経路途中に設置されるアンモニアを還元剤とする脱硝触媒に供給されることによって脱硝処理が行われるので、焼却灰から発生した水素を有価物として利用することができ、脱硝処理に必要とされるアンモニア等の薬剤の購入費用を大幅に低減もしくは不要にすることができる。
第２発明および第４発明によれば、焼却灰と冷却水との反応で発生させた水素が、焼却炉からの排ガスの流れ経路途中に設置される水素を還元剤とする脱硝触媒に供給されることによって脱硝処理が行われるので、第１発明および第３発明と同様の作用効果を得ることができるのは勿論のこと、第１発明および第３発明と比べて脱硝処理の工程やシステムを簡素化することができる。
次に、本発明による焼却施設における脱硝方法およびそのシステム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。
〔第１の実施形態〕
＜焼却施設の概略説明＞
図１に示される焼却施設１において、都市ごみ等の廃棄物は、焼却炉２で燃焼される。焼却炉２での廃棄物の燃焼に伴い発生する排ガスは、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でダストが除去された排ガスは、排ガス加熱装置７で加熱された後に触媒脱硝装置８に送られる。この触媒脱硝装置８で脱硝処理された排ガスは、誘引通風機（図示省略）により、煙突９を介して系外に排出される。
＜焼却施設の概略説明＞
図１に示される焼却施設１において、都市ごみ等の廃棄物は、焼却炉２で燃焼される。焼却炉２での廃棄物の燃焼に伴い発生する排ガスは、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でダストが除去された排ガスは、排ガス加熱装置７で加熱された後に触媒脱硝装置８に送られる。この触媒脱硝装置８で脱硝処理された排ガスは、誘引通風機（図示省略）により、煙突９を介して系外に排出される。
触媒脱硝装置８としては、アンモニア（ＮＨ３）を還元剤とする脱硝触媒（成分：酸化チタン、バナジウムなど）上でアンモニアとＮＯｘとの反応を起こさせ、ＮＯｘをＮ２とＨ２Ｏに分解する形式のものが使用される。
一方、焼却炉２での廃棄物の焼却に伴い発生した焼却灰は、焼却炉２からの焼却灰を冷却するための冷却水を収容する水槽としての役目と、焼却灰と冷却水とを反応させて水素を発生させる水素ガス発生槽としての役目を兼ねる処理槽を備える灰冷却装置１１に導入される。
灰冷却装置１１としては、湿式のものと半湿式のものとがある。湿式のものは、焼却炉２からの焼却灰を処理槽内の冷却水で冷却し、冷却した焼却灰を処理槽の底部に設置された灰コンベヤで灰ピットへと搬出する方式のものである。一方、半湿式のものは、焼却炉２からの焼却灰を処理槽内の冷却水で冷却し、冷却した焼却灰を例えば油圧式のプッシャーを備えてなる灰押し装置で水切りを行いながら灰ピットへと搬出する方式のものである。
灰冷却装置１１において、処理槽内に投入された焼却灰は、冷却水と接触すると水酸化物イオンを生成してアルカリ性を示す傾向にあり、また焼却灰には、金属アルミニウムが含有されていることから、焼却灰を冷却水で冷却する際に、焼却灰に含まれる金属アルミニウムと冷却水とがアルカリ条件（ｐＨ＞１２）で反応して水素ガスが発生する。
灰冷却装置１１の下流側には、アンモニア合成装置１２が設置され、このアンモニア合成装置１２には、灰冷却装置１１で発生した水素ガスと、窒素ガス発生装置１３で空気から精製した窒素ガスとが導入される。
ここで、アンモニア合成装置１２としては、一般的に、鉄を主体とした触媒上で水素と窒素とを、圧力２０〜３５ＭＰａ程度、温度５００℃程度の高温高圧条件で反応させる、いわゆるハーバーボッシュ法によりアンモニアを合成する形式のものが使用されるが、省エネルギー・低コスト化の観点から、水素と窒素とをルテニウム担持エレクトライド触媒による常圧３００℃域で反応させてアンモニアを合成する形式のものを採用してもよい。
また、窒素ガス発生装置１３としては、例えば分子篩炭等の吸着剤を使用し、空気中の窒素と酸素の分子の大きさの違いによる吸着速度差を利用して空気中から高純度の窒素を分離して精製する形式のものが好適である。
ここで、アンモニア合成装置１２としては、一般的に、鉄を主体とした触媒上で水素と窒素とを、圧力２０〜３５ＭＰａ程度、温度５００℃程度の高温高圧条件で反応させる、いわゆるハーバーボッシュ法によりアンモニアを合成する形式のものが使用されるが、省エネルギー・低コスト化の観点から、水素と窒素とをルテニウム担持エレクトライド触媒による常圧３００℃域で反応させてアンモニアを合成する形式のものを採用してもよい。
また、窒素ガス発生装置１３としては、例えば分子篩炭等の吸着剤を使用し、空気中の窒素と酸素の分子の大きさの違いによる吸着速度差を利用して空気中から高純度の窒素を分離して精製する形式のものが好適である。
なお、ごみ処理量１００ｔ／日規模の焼却施設に必要な還元剤（アンモニア）の量を一例として求める。
脱硝処理前８０ｐｐｍ 脱硝処理後３０ｐｐｍ、ガス量２４０００ｍ３ Ｎ−ｄｒｙ／ｈとすると、
脱硝反応 ４ＮＯ＋４ＮＨ３＋Ｏ２→４Ｎ２＋６Ｈ２Ｏ
アンモニア合成 Ｎ２＋３Ｈ２→２ＮＨ３
であるから、必要なアンモニア量は、（８０−３０）／１００００００×２４０００×２４≒２８．８ｍ３／日となる。
アンモニア合成の転化率を５０％と仮定すると、必要な水素量は２８．８÷２×３÷０．５＝８６．４ｍ３／日となる。
脱硝処理前８０ｐｐｍ 脱硝処理後３０ｐｐｍ、ガス量２４０００ｍ３ Ｎ−ｄｒｙ／ｈとすると、
脱硝反応 ４ＮＯ＋４ＮＨ３＋Ｏ２→４Ｎ２＋６Ｈ２Ｏ
アンモニア合成 Ｎ２＋３Ｈ２→２ＮＨ３
であるから、必要なアンモニア量は、（８０−３０）／１００００００×２４０００×２４≒２８．８ｍ３／日となる。
アンモニア合成の転化率を５０％と仮定すると、必要な水素量は２８．８÷２×３÷０．５＝８６．４ｍ３／日となる。
前述のように焼却灰を冷却水に浸しただけでは水素ガスの発生量は少なく、上記の例では場内で使用するアンモニア製造に必要な水素量（８６．４ｍ３／日）に満たない。しかし、焼却灰中には金属アルミニウムが平均４ｍａｓｓ％程度含まれていることが知られており、特許文献１のようにアルカリ剤を添加するなどして焼却灰に含まれる金属アルミニウム全量を水素ガス発生に用いた場合には、下記の反応式より１０ｔの焼却灰から５００ｍ３の水素ガスが発生する。したがって、必要に応じて水素ガスの発生量を増加させ、アンモニア製造に必要な水素ガス全量を焼却灰から発生させることが可能である。
２Ａｌ＋３Ｈ２Ｏ→Ａｌ２Ｏ３＋３Ｈ２
２Ａｌ＋４Ｈ２Ｏ→２ＡｌＯ（ＯＨ）＋３Ｈ２
２Ａｌ＋６Ｈ２Ｏ→２Ａｌ（ＯＨ）３＋３Ｈ２
ここで、Ａｌ：１ｍｏｌ＝２７ｇ→Ｈ２：１．５ｍｏｌ＝３３．６Ｌ発生の場合、１０ｔ×４％÷２７ｇ×３３．６Ｌ≒５００ｍ３−Ｈ２となる。
２Ａｌ＋３Ｈ２Ｏ→Ａｌ２Ｏ３＋３Ｈ２
２Ａｌ＋４Ｈ２Ｏ→２ＡｌＯ（ＯＨ）＋３Ｈ２
２Ａｌ＋６Ｈ２Ｏ→２Ａｌ（ＯＨ）３＋３Ｈ２
ここで、Ａｌ：１ｍｏｌ＝２７ｇ→Ｈ２：１．５ｍｏｌ＝３３．６Ｌ発生の場合、１０ｔ×４％÷２７ｇ×３３．６Ｌ≒５００ｍ３−Ｈ２となる。
アンモニア合成装置１２で合成されたアンモニアガスは、焼却炉２内に噴霧される、あるいは触媒脱硝装置８に供給されることによって脱硝処理が行われる。こうして、焼却灰から発生した水素を有価物として利用することができ、脱硝処理に必要とされるアンモニア等の薬剤の購入費用を大幅に低減もしくは不要にすることができる。
〔第２の実施形態〕
図２には、本発明の第２実施形態に係る脱硝システムを具備する廃棄物焼却施設の概略システム構成図が示されている。なお、本実施形態において、先の第１の実施形態と同一または同様のものについては図に同一符号を付すに留めてその詳細な説明を省略することとし、以下においては、本実施形態に特有の部分を中心に説明することとする。
図２には、本発明の第２実施形態に係る脱硝システムを具備する廃棄物焼却施設の概略システム構成図が示されている。なお、本実施形態において、先の第１の実施形態と同一または同様のものについては図に同一符号を付すに留めてその詳細な説明を省略することとし、以下においては、本実施形態に特有の部分を中心に説明することとする。
第１の実施形態においては、灰冷却装置１１で発生した水素ガスと、窒素ガス発生装置１３で空気から精製した窒素ガスとをアンモニア合成装置１２に導入してアンモニアガスを合成し、合成したアンモニアガスを焼却炉２内に噴霧する、あるいはアンモニアを還元剤とする触媒脱硝装置８に供給することによって脱硝処理を行うようにされている。
これに対し、本実施形態においては、第１の実施形態におけるアンモニアを還元剤とする触媒脱硝装置８に代えて、水素を還元剤とする脱硝触媒（成分：白金、パラジウムなど）上で反応を起こさせてＮＯｘを分解・除去する形式の触媒脱硝装置８Ａを採用し、この触媒脱硝装置８Ａに灰冷却装置１１からの水素ガスを直接供給することによって脱硝処理を行うようにされている。
これに対し、本実施形態においては、第１の実施形態におけるアンモニアを還元剤とする触媒脱硝装置８に代えて、水素を還元剤とする脱硝触媒（成分：白金、パラジウムなど）上で反応を起こさせてＮＯｘを分解・除去する形式の触媒脱硝装置８Ａを採用し、この触媒脱硝装置８Ａに灰冷却装置１１からの水素ガスを直接供給することによって脱硝処理を行うようにされている。
なお、前述と同様に必要な還元剤（水素）の量を一例として求める。
脱硝反応 ２ＮＯ＋２Ｈ２→２Ｈ２Ｏ＋Ｎ２
であるから、必要な水素量は２８．８ｍ３／日、必要なＨ２／ＮＯ＝４とすると２８．８×４＝１１５．２ｍ３／日となる。
従来の脱硝触媒では、水素は酸素が共存すると還元剤としては効果がないことが知られているが、近年、白金やパラジウムを主成分とし、酸素が共存していても水素を還元剤として用いることができる触媒の開発が進められている。現状では触媒コストが非常に高価であるが、還元性能が向上すれば触媒使用量は低減するので経済的にも成り立つシステムとなる。
脱硝反応 ２ＮＯ＋２Ｈ２→２Ｈ２Ｏ＋Ｎ２
であるから、必要な水素量は２８．８ｍ３／日、必要なＨ２／ＮＯ＝４とすると２８．８×４＝１１５．２ｍ３／日となる。
従来の脱硝触媒では、水素は酸素が共存すると還元剤としては効果がないことが知られているが、近年、白金やパラジウムを主成分とし、酸素が共存していても水素を還元剤として用いることができる触媒の開発が進められている。現状では触媒コストが非常に高価であるが、還元性能が向上すれば触媒使用量は低減するので経済的にも成り立つシステムとなる。
本実施形態によれば、第１の実施形態と同様の作用効果を得ることができるのは勿論のこと、第１の実施形態では必要とされるアンモニア合成装置１２や窒素ガス発生装置１３が不要になるので、第１の実施形態と比べて脱硝処理のシステムを簡素化することができる。
以上、本発明の焼却施設における脱硝方法およびそのシステムについて、複数の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、各実施形態に記載した構成を適宜組み合わせる等、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。
本発明の焼却施設における脱硝方法およびそのシステムは、焼却灰から発生した水素を有価物として利用することができ、脱硝処理に必要とされるアンモニア等の薬剤の購入費用を大幅に低減もしくは不要にすることができるという特性を有していることから、一般廃棄物や産業廃棄物を焼却処理する焼却施設におけるＮＯｘ除去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。
１，１Ａ 焼却施設
２ 焼却炉
８，８Ａ 触媒脱硝装
１１ 灰冷却装置（水素ガス発生槽）
１２ アンモニア合成装置
１３ 窒素ガス発生装置
２ 焼却炉
８，８Ａ 触媒脱硝装
１１ 灰冷却装置（水素ガス発生槽）
１２ アンモニア合成装置
１３ 窒素ガス発生装置
Claims (4)
- 廃棄物を焼却炉で焼却するに伴い発生する焼却灰とその焼却灰を冷却するための冷却水との反応で水素を発生させ、発生させた水素と空気中の窒素とからアンモニアを合成し、合成したアンモニアを、前記焼却炉内に噴霧して脱硝処理する、あるいは前記焼却炉からの排ガスの流れ経路途中に設置されるアンモニアを還元剤とする脱硝触媒に供給して脱硝処理することを特徴とする焼却施設における脱硝方法。
- 廃棄物を焼却炉で焼却するに伴い発生する焼却灰とその焼却灰を冷却するための冷却水との反応で水素を発生させ、発生させた水素を、前記焼却炉からの排ガスの流れ経路途中に設置される水素を還元剤とする脱硝触媒に供給して脱硝処理することを特徴とする焼却施設における脱硝方法。
- 廃棄物を焼却炉で焼却するに伴い発生する焼却灰を冷却するための冷却水を収容し前記焼却灰と前記冷却水との反応で水素を発生させる水素ガス発生槽と、この水素ガス発生槽で発生させた水素と空気中の窒素とからアンモニアを合成するアンモニア合成装置とを備え、
前記アンモニア合成装置によって合成されたアンモニアを、前記焼却炉内に噴霧して脱硝処理する、あるいは前記焼却炉からの排ガスの流れ経路途中に設置されるアンモニアを還元剤とする脱硝触媒に供給して脱硝処理することを特徴とする焼却施設における脱硝システム。 - 廃棄物を焼却炉で焼却するに伴い発生する焼却灰を冷却するための冷却水を収容し前記焼却灰と前記冷却水との反応で水素を発生させる水素ガス発生槽を備え、
前記水素ガス発生槽で発生させた水素を、前記焼却炉からの排ガスの流れ経路途中に設置される水素を還元剤とする脱硝触媒に供給して脱硝処理することを特徴とする焼却施設における脱硝システム。
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