JPH04504465A - ガススクラバーの後に後燃焼と熱回収とを行う一段焼却炉を用いたスラッジ焼却方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ガススクラバーの後に後燃焼と熱回収とを行う一段焼却炉を用いたスラッジ焼却 方法 発明の分野 本発明は一般に、有機廃棄スラッジの焼却処理と、焼却ＩＪ伴って生じる灰の除 去と、大気中に放出される排ガスの浄化とに関するものであり、特に、流動床反 応装置、並流ロータリーキルン、火床型炉、廃棄物ボイラーまたはオーブン等の 一段式焼却ユニットを用いたシステムでのスラッジ処理方法に関するものである 。

発明の背景 廃棄スラッジの焼却は世界的に大きな問題となっている。一般には焼却炉でスラ ッジを焼却して灰とガスにする。また、スクラバーで微粒子と凝縮物とを除去す る前に、アフターバーナーでガスを燃焼して残留有機物および／またはその他の 不純物を分解する。

焼却炉は基本的に２種類あり、１つの基本型はロータリーキルンや多段炉床式炉 のように、導入されたスラッジと燃焼ガスとが向流に流れるカウンタースローの 炉であり、もう１つの基本型はほぼ均質なスラッジの塊を通してガス流を流して スラッジを焼却する一段式ユニットであり、流動床反応装置、並流ロータリーキ ルン、単格子燃焼器または廃棄物ボイラーなどが典型として挙げられる。

流動床反応装置は耐火材でライニングされた単一のチャンバーを有し、その内部 ではシ「Ｊ力砂、アルミナまたはセラミック材料などの熱的に不活性な細かな物 質のベッド（床）がブ１７ナム（加圧空間）、、Ｊニー１こ配置された有孔金属 板または耐火プレート上に支持されている。プレナｌ、に導入された燃焼・流動 化用の空気は有孔金属とベッドとを通って上向きに流れる。ベッドの体積はこの 空気によ−って３０〜６０％膨張され、微粒子の層は流動化され、激しく撹拌さ れて、あたかも沸騰液体のような挙動をする。この状態のベッドは極めて均質な 温度さ熱密度（ｔｈｅｒｍａｌ　ｄｅｎｓｉｔｉｙ）を有している。流動化に必 要なガス量はベッドの材料によ−、て異なるが、一般には上向きのガス流を作り 出すのに必要な量ずなわぢ空間レー　ト（ｓｐａｃｅ　ｒａｔｅ）が２〜４ｆｐ ｓとなるような量にする。この空間レートはガスがベッドと同じ断面積の空の容 器を通過すると仮定して測定される。

現在用いられている流動層スラッジ焼却法では１、燃料を加えて流動ベッドを予 め１３００〜１５００″Ｆにしておく。その後、ベッドの上部に投入された、ま たはベッド中に噴射されたスラ・フジをベッド中で燃焼させて、ベッド温度をス ラッジ燃焼レベルに維持する。

スラッジが燃焼温度を維持できない場合には自動燃料供給システムを用いてベッ ドの温度を最低限の燃焼温度に維持する。ベッドから出てくるガスには可燃性有 機物がいくらか含まれており、この可燃性有機物がベッドの上方のフリーボード （ｆ　ｒｅｅｂｏａｒｄ）内で燃焼するので、フリーボード温度はベッド温度よ りも一般に２００〜３００″Ｆ程度高くなる。

ベッドおよび／またはフリルボードが過熱されるという危険は水の散布および／ または湿ったウェットガスまたは空気の散布でコントロールする。灰、その他の ガスに随伴する粒子は排出ガス流と一緒に炉から出る。

流動炉の操作では一般に、炉から出できたガス流は、先ず間接熱交換で導入され る流動化燃焼空気を予備過熱するのに使われ、その後、ベンチュリスクラバーお よび／または電気集塵器で浄化され、冷却され、浄化されてから大気中に放出さ れる。

流動層燃焼装置は極めて有効なものであったが、スラッジに重金属や低融点共融 混合物（ｅｕｔｅｃｔ　１ｃｓ）等の廃棄物成分が含まれている場合には、最終 ガス浄化に必要な温度よりも低い温度で炉の運転をしなければならないため、こ のような場合には欠点を有することになる。特に、新しい規制では燃焼温度を１ ６００〜１８００°Ｆにすることが要求されているので、この問題が次第に大き くなりつつある。すなわち、ダイオキシン、ジエルドリン、ＰＣＢ等の耐熱性有 機物がスラッジ中に存在する場合には２．３００°Ｆ程度の高温が必要になろう 。

炭酸すｌ−１，１ウムや炭酸カリウドのような低融点共融混合物は流動床の固化 ・閉塞の原因となり、また、低融点共融混合物が高温排出ガスに随伴する過程で 融解するとスラッジ化したり、炉壁やダクトや熱交換暮の一部に付着してしまう 。この問題は、バルブ工場と製紙工場の黒液燃焼器で行われているように、ベッ ドとフリーボードとを灰の融点以下の温度で運転すれば解決できるが、黒液燃焼 器は１３００〜１３５０’　Ｆで運転されるので、排出ガスを完全に酸化するこ とはできない。

カドミウム、クロミウム、銅、鉛または亜鉛のような重金属は約１３００°Ｆで ヒユーム化（燻化）し始め、１４００〜１５００°Ｆ以」二ではヒユーｌ、化が ひどくなる。このヒユーム化は、金属がベッド中にある場合でもフリーボード中 でガスに随伴して存在する場合でも、温度が高くなれば起こる。金属が一部ヒュ ーム化すると、そらをガスから除去するのは極めて困難である。しかし、これを 除去しないと、金属が大気中に放出され、国または地方の大気汚染規則に違反す ることになる。

要約すると、単一の部屋を有する一段式炉にとって不利な状況で運転しなければ ならない場合がある。その典型的な状況は、スラッジ中にヒユーム化可能な重金 属または粘着してベッドの使用を不可能にする炭酸ナトリウムや炭酸カリウムの ような共融混合物が含まれ、しかも、１７００〜２３００°Ｆという高温のガス 燃焼温度でなければ地域の条例を満足しないような場合である。このような高温 では随伴する重金属がヒユーム化するのが必至であり、共融混合物によってスラ グ化するのが必至である。こうＬ７た場合には共融混合物によってベッドが使用 不可能になるか、装置壁面にスケールが生じる。また、重金属ガスが処理システ ムの一部へ排出されたり、大気中に放出された場合には、当局から工場の閉鎖が 命ぜられる。

発明の概要 本発明の第１の目的は重金属のヒユーム化／または共融混合物のスラッジ化を防 き、しかも、ガスの後燃焼を高温で行えるようにしたー・段式炉とガス浄化シス テムとを用いたスラッジ処理手段および方法を提供して、スラッジ処理用の一段 式炉の運転を簡単にし、しかも、システムから排出されるガスの品質を高い基準 を満足するようにすることにある。

本発明の他の目的は、後燃焼時の熱回収が最大で且つシステムの全燃料消費量が 最小となるような、上記スラッジ処理手段の運転方法を提供することにある。

本発明のさらに他の目的は、重金属や共融混合物を、それらが所望の高温度の後 燃焼に付される前に、ガスから除去するシステムとその運転方法とを提供するこ とにある。

本発明のさらに他の重要な目的は、共融混合物のスラグ化と重金属のヒユーム化 とが防止され、しかも、現在のガス品質規準を全て満足するような高温でのガス 燃焼が行えるような条件で、既存の一段式炉を運転できるようにする方法と手段 とを提供することにある。

上記およびその他の本発明の目的は、スラッジ燃焼帯域の上部にフリーボードを 有し、燃焼ガスがスラッジ燃焼帯域を通ってフリーボードへと上昇する形式の単 一チャンバーの炉と、スラッジ燃焼帯域およびフリーボードの温度をコントロー ルする手段と、フリーボード中でガスをスクラビング・冷却して微粒子、湿分、 無機および有機凝縮物を除去する手段と、こうしてコンディショニングされたガ スを排出規準に見合った最終ガス浄化度に要求される温度で燃焼するアフターバ ーナーとをを組合わせて用いたシステムによって達成される。

本発明は、単一の燃焼ベッドおよびその上部のフリーボードの温度を、望ましく ない重金属のヒユーム化および／または共融混合物の溶解またはスラッジ化が起 こる温度よりも低温に維持した後に得られる汚れたガスを、直ちに冷却・スクラ ビングして重金属と共融混合物とを含む凝縮物および随伴微粒子を除去し、こう して得られたガスをアフターバーナーで２３００°Ｆ以上を含む予想される任意 の高温度で後燃焼して乾燥・清浄なガスとし、この乾燥・清浄なガスを熱を回収 するために冷却すれば、大気中に放出することができるという発見に基づいてい る。

共融混合物や重金属が存在する場合には、ベッド温度をスラッジ化＄よび／また はヒユーム化を防ぐためにできるだけ低くし、しかも、最低の燃料供給で燃焼温 度を維持するために初期の燃焼段階での熱放出の大部分が起こるのに十分な温度 に維持する必要がある。

比較的低温でベッドを運転すると、多機の揮発性可燃性物質に重金属粒子と残留 灰とが随伴した燃焼ガスが生じる。こうして随伴した重金属はベッド温度以上の 一定温度でフリーボード中でヒユーム化するため、フリーボードの温度はヒユー ム化が起こる温度以下に保つ必要がある。換言すれば、フリーボードの温度はベ ッド温度付近またはそれ以下でなければならない。これは水、湿ったガス、空気 等の冷却媒体を用いるか、間接熱交換手段を用いて行うことができる。ガスに随 伴した物質と凝縮物は冷却とスクラビングとによって除去され、８０〜１２０° Ｆの乾燥したガス流となる。こうして得られたガス流は、その後に再加熱してそ れより高温で後燃焼するのに適した状態にコンディショニングされている。

２３００’　Ｆあるいはそれ以上のアフターバーナーと多投式炉とを組合わせて 運転する方法は公知である。この運転方法では、中程度の温度の湿った汚い排ガ スが炉で生じ、この排ガスを直ちに冷却・スクラビングし、その後アフターバー ナーで再加熱した後に高温でガス浄化を行う。このような運転方法では有害物質 は随伴後に酸化またはヒユーム化瀬図にスクラビングによって除去されるので、 ＮＯ，の生成は最少となり、重金属のヒユーム化も最少となる。この改良システ ムでは、ガスが予め冷却・スクラビングされているのでアフターバーナーでの熱 回収に高効率熱交換器を使用することができ、従って、系全体の総燃料消費は大 幅に減少する。

本発明は、単一の燃焼ベッドとその上部のフリーボードとを従来法でスラッジが 効率良く燃焼する通常の温度よりも意図的に低い温度で運転して得られた上記の 教訓を生かしたものである。この方法では、従来より汚れたガスが生じ、上昇ガ スに重金属や共融混合物が随伴するが、ＮＯ，の生成および重金属のヒユーム化 および共融混合物の融解は少なくなる。本発明では、炉からのガスを高温度で後 燃焼する前に、先ずスクラビング・冷却して微粒子を除去し、約８０〜１２０° Ｆに冷却されたコンディショニング済のガスを得る。このスクラビング・冷却処 理の後に初めてガスを排出規準を満足するような高温の後燃焼で浄化する。ガス は既にスクラビング済みであるため蓄熱式交換器のような高効率の熱交換器と組 み合わせたシステム中でナー後燃焼することができ、その後、大気中に放出する ことができる。後燃焼は現在の全ての規制に合った任意の高温で行える。現在、 いくつかの自治体では後燃焼温度として１６００〜１８００°Ｆを要求している 。今後、規制がさらに厳しくなるのは必至である。しかし、本発明では、初めの 冷却とスクラビングによって高温で問題になる物質を除去でることができるので 、任意の高温にも対応できる。本発明はＰＣＢ、ダイオキシン等の燃焼に２３０ ０°Ｆ以上の高温を必要とする耐熱性有機物にも適用することができる。

簡単に言えば、本発明では、単一の燃焼帯域と、その上部に設けられたフリーボ ードとを、炭酸ナトリウムや炭酸カリウムのような共融混合物が融解せずおよび ／または重金属がヒユーム化しない温度で運転する。最適な温度制御は湿ったス ラッジをフリーボードを通してベッド上に送り込むことによって行うことができ る。また、フリーボードへの冷却媒介の注入を自動制御で行い、ベッドへの燃焼 ガスの導入を注意深くコントロールすることによってさらに温度を制御し且つＮ Ｏｏの生成を制御することができる。これらの対策によって、ベッドとフリーボ ードとはほぼ同じ温度で運転され、後燃焼の前に微粒子および凝縮物をスクラビ ング・冷却によって除去することができる。

本発明では、流動化ベッドをスラッジの燃焼を維持するのに十分な高温で、しか じ共融混合物の融点以下且つ重金属がヒユーム化する温度以下あるいはＮＯｗが 生成する温度以下に維持する。

一般に、このことはベッドが１２００〜１４００°Ｆの低い温度範囲にあるとい うことを意味している。例えば、前記の黒液燃焼では流動床反応器を１２００〜 １３００’　Ｆの温度で運転するが、フリーボードの温度は１１００〜１２００ °Ｆに維持しなければならない。これとは対照的に、現在の大部分の都市スラッ ジ炉はベッドが１３００〜１４００″Ｆ１フリーボードが１５５０〜１６５０° Ｆで運転されている。

本発明ではベッド温度を制御するとともに、フリーボード内での共融混合物の融 解と重金属のヒユーム化および／またはＮＯやの生成を防ぐために、フリーボー ドの温度も制御する必要がある。

これは重要な条件である。すなわち、フリーボードの温度制御を行わないと、ガ スから発生する可燃性物質が燃焼して、フリーボードガスの温度を少なくともベ ッド温度以上に上昇させてしまう。

その結果、ベッド温度を低くして制御している共融混合物の溶融、重金属のヒユ ーム化およびＮＯｗの生成がフリーボード内で起こる。一般に、フリーボードの 温度制御は、ベッド温度の上下１５０°Ｆという広い範囲で行うことができる。

本発明をより容易に理解し実施できるようにするために、以下添付図面を参照し て本発明の詳細な説明する。しかし、本発明は以下の実施例に限定されるもので はなく、また、本発明の範囲は以下の記載ではなく、請求の範囲とその均等物に よって解釈されなければならない。

図面の説明 図１は本発明を採用した流動床型反応炉を有する一つのシステムを示している。

発明の詳細な説明 この焼却炉はハウジングエ１を有する流動床型反応炉１ｏであり、ハウジング１ １は水平な有孔る炉床１２によって上部燃焼帯域と、底部ブレナムすなわちウィ ンドボックス１３とに仕切られている。炉床１２上に支持された砂またはその他 の不活性物質からなるベッド１４の上部にはフリーボード　（自由空間）１６が ある。このフリーボード１６を通って上向きに流れたガス流は排出用導管１７を 通って排出され、その後、下向きに流れて間接熱交換器１８を通り、その後ベン チュリスクラバ／冷却器部１９と電気集塵器２１へと導かれ、最後にアフターバ ーナー／熱回収ステーション２２へ導入される。冷却・凝縮されたガスはここで 再加熱されて、ガスの浄化に必要な２３００°Ｆあるいはそれ以上の温度で後加 熱・後燃焼され、熱回収が行われる。こうして得られた清浄で比較的低温のガス が大気中に放出される。

上記集塵器から排出されるガスは低温で比較的乾燥しており、凝縮物や随伴微粒 子を含んでいない。このガスがガス再燃焼炉に導入されて再加熱・再燃焼される 。

上記アフターバーナー／熱回収ステーション２２はそのブレナム２４中に適当な バーナ２３を備えている。このバーナ２３にはダクト２６を通って燃焼空気が導 入され、一方、適当なバルブ付ダクト２８を介して補助燃料が供給される。熱は 、一般にセラミックエレメント３１と適当なバルブとダクト３２．３３とを備え た高効率の蓄熱式熱交換器２９によって効率良く回収される。最終ガスの大気中 への放出はファン３４と煙突３５とによって行われる。

本発明の方法では燃焼ベッドから出たガスを後燃焼する前に冷却し、スクラビン グしても、高効率の蓄熱式または再熱式熱交換器が使用できるということは重要 である。すなわち、炉の温度を低くし、冷却およびスクラビングを行うことによ って、有害な共融混合物、ＮＯ，、ヒユーム化する重金属がガス中に存在しない よにすることができる。

運転開始時には、熱交換器１８を予備加熱した後に、流動化空気をポンプ３６か らブレナムに導入してベッドを通して上昇させる。

バーナ３７と燃料ダクト３８を開いて炉の上部人口３９から導入されるスラッジ を乾燥・燃焼させるのに十分な温度までベッドを予備加熱する。最低限のベッド 温度を保つために、必要に応じて燃料を３０からベッドへ自動的に導入する。ベ ッドおよびフリーボードの温度の制御にスラッジの含水量とコンシスチンシー（ 硬さ）を用いることができる。さらに、湿式集塵器から適当なバルブ付きダクト ４１とポンプ４２とを介して低温のガスを再循環することによって追加の温度制 御を行うこともできる。さらに必要な場合には、ポンプ／ノズル組立体４３から 水を注入する。

ポンプ３６から導入される流動化空気の大部分はダクト４４を通って熱交換器１ ８に入り、排出口１７からの１１００〜１４００°Ｆのガスと間接熱交換されて 予備加熱される。予備加熱されたガスはダクト４６を通じて導入チャンバー４７ に入り、続いてブレナム１３へと送られる。

上記の最初の熱交換器から呂だ予備冷却後のガスの温度は５００〜１２００″Ｆ である。この予備冷却後のガスは続いてベンチュリスクラバー１９と湿式電気集 塵器２１とを通って８０−１２０°Ｆとなり、その大部分はダクト３３とバルブ ３２とを経てアフターバーナーへと流れる。

スクラバー水中のスラリー状の灰は適当な排出口５１．５２から排出される。

冷却後のガスは上記熱交換器中を上下に流れる。先ず、交換器５３を下から上に 流れてアフターバーナーを有するブレナム２４へ入り、ここで燃焼されて高温、 例えば１７０ｏから約２０００”　Ｆになる。

こうして後加熱された高温ガスはアフターバーナーから第２の交換器５４を下向 きに流れて２００〜３５０″Ｆに冷却され、マニホールド５５に入り、そこから ファン３４を通って煙突３５へと流れる。流下する高温のガスによって熱交換器 のエレメントが所定の温度まで加熱されると、湿式集塵器からの低温のガスが加 熱済みの熱交検器のエレメントの中を上向きに流れるようにバルブが切替えられ る。それと同時に、アフターバーナー２４からの高温のガスが別の熱交換器の冷 却されたエレメントを下向きに流れるようにバルブが切替えられる。通常は、２ つの熱交換器５３．５４のみが同時に使用され、５６は待機している。このよう に、低温のガスは熱交換器５３を上向きに流れ、アフターバーナー２４で予備加 熱され、加熱が進むと低温の熱交換器５４を通って流下する。この操作は熱交換 器５３が冷却され、熱交換器５４が加熱されるまで続き、最後にこの流れが逆に なる。この操作は、高効率の熱交換器を用いた場合には燃料効率を特に大幅に向 上させる。通常、蓄熱式熱交換器は導入した熱の９０〜９５％を回収することが 可能で、一方、復熱式熱交換器は８０〜８５％まで回収することができる。こう して得られたガスは比較的低温（２００〜３００°Ｆ）で、乾燥しており、大気 中に放出しても煙を出さない。

以上のことから、本発明は、焼却する廃棄スラッジが低融点共融混合物やヒユー ム化する重金属が存在しない場合にスラッジを一段燃焼炉で燃焼し、それによっ て生じたガスを一段燃焼炉の直ぐ上のフリーボードで後燃焼できるような温度で は、溶解したりヒユーム化するという問題のある物質を含む場合に適用できると いうことは理解できよう。

明細書では、燃料の添加、ガスの再循環、水の注入、熱交換の切替えシーケンス 等を制御することによって温度コントロール用の自動システムを用いた場合ある いは用いる場合を説明したが、その詳細な説明は不必要であろうと考えて省略し た。もちろん、現在利用可能な任意の制御方法を用いることが可能である。

国際調査報告

Claims (11)

【特許請求の範囲】
1. １．スラッジの焼却とその結果生じる排ガスの燃焼浄化とを行うのに必要な最高 温度で好ましくない挙動を示す特定の廃棄物質を少なくとも一種類含む有機廃棄 物スラッジの処理方法において、上部にガスで充満されたフリーボードを有する 燃焼器本体で上記スラッジを燃焼して、含有された可燃性固体の実質的に全てを 焼却すると同時に、ガスに随伴した粒子と、可燃性および不燃性成分、揮発性物 質および凝縮可能物とを含む湿ったガスを生成させ、上記燃焼器本体およびその 上部のフリーボードの温度を上記特定の廃棄物質が好ましくない挙動を示す温度 よりも低温に保ち、フリーボードからガスを排出し、スクラビング・冷却して温 度が８０〜１２０°Ｆの範囲にあるコンディショニング済みのガスを生成させ、 燃焼による浄化に必要な温度までこのガスを再加熱して清浄な高温ガスを生成さ せ、次いで、得られた清浄な高温ガスを冷却して大気中に放出する各段階によっ て構成される方法。
2. ２．燃焼器本体およびフリーボードの温度を１２００〜１４００°Ｆの範囲に維 持し、コンディショニング済みのガスを予熱し、約１４００°Ｆ以上で且つ上記 特定の廃棄物質が好ましくない挙動を示す温度以上で焼却する請求項１に記載の 方法。
3. ３．特定の廃棄物質が約１３５０°Ｆ以上で軟化して害を及ぼす不燃性の低融点 共融混合物であり、燃焼器本体およびフリーボードの温度をこの物質が軟化する 温度以下に維持する請求項１に記載の方法。
4. ４．燃焼器本体の温度を、燃料の供給、スラッジ燃焼用空気および水分量の制御 で維持する請求項３に記載の方法。
5. ５．フリーボード内の温度制御を補助するための冷却ガスをフリーボード内に注 入する請求項３に記載の方法。
6. ６．特定の廃棄物質が燃焼器本体での完全なスラッジ燃焼とフリーボード内での ガスの燃焼に必要な温度以下ではヒューム化して害を及ぼすような金属によって 構成される群の中から選択される少なくとも一つの重金属であり、燃焼器本体お よびフリーボードの温度を上記重金属がヒューム化する温度以下に維持する請求 項３に記載の方法。
7. ７．燃焼器本体の温度を、供給するスラッジ、水分、燃焼空気および補助燃料の 量の制御で調節する請求項６に記載の方法。
8. ８．フリーボードの温度を水を注入して制限する請求項６に記載の方法。
9. ９．フリーボードから排出されたガスを浄化・冷却して得た比較的低温のコンデ ィショニング済みのガスをフリーボードに注入して少なくとも温度制御の一部分 を行う請求項８に記載の方法。
10. １０．スラッジを燃焼する単一の燃焼ベッドと、この燃焼ベッドの上部に位置す る燃焼によって生じるガスを焼却するガスが充満したフリーボードとを有する炉 と、炉に導入される燃焼空気をフリーボードから排出されたガスで予備加熱する ための予備加熱器と、この予備加熱器からのガスを受けて且つ浄化・冷却したガ スを大気中に放出するガススクラバー／冷却器とを含む廃棄有機スラッジを焼却 し、その結果生じた排ガスを燃焼処理するための装置において、 燃焼ベッドおよびその上部のフリーボードの温度をその中で燃焼させるスラッジ に含まれる全ての共融混合物の融点以下且つ全ての重金属のヒューム化濃度以下 に制限するための濃度制御手段と、適当な燃料供給系と燃料バーナとを備えた後 燃焼チャンバーによって構成されるガスの後燃焼装置と、上記ガススクラバー／ 冷却器の出口と後燃焼チャンバーの内部を連結している第１のダクトと、後燃焼 チャンバーからのガスを最終的に大気中へ放出する第２のダクトと、後燃焼チャ ンバーの手前で浄化・冷却されたガスを予備加熱し且つ後燃焼チャンバーから第 ２のダクトによって導かれるガスを大気中に放出する手前で冷却する第１および 第２ダクトと組合された熱交換手段とによって構成される、低融点の共融混合物 および／またはヒューム化する好ましくない重金属を含むスラッジの燃焼が行え る装置。
11. １１．上記の炉が単一のベッドの流動床反応炉であり、燃焼ベッドおよびフリー ボードの温度制御手段が水および／またはガスをフリーボードおよび／または燃 焼ベッドに選択的に注入するノズルを含む請求項１０に記載の装置。