JP3438860B2 - 焼却炉の燃焼制御装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、例えば廃棄物（ご
み）のような被燃焼物を焼却する焼却炉の燃焼制御装置
であって、より詳しくは前記被燃焼物の焼却時に、天然
ガス等の炭化水素系燃料を供給し、前記被燃焼物の燃焼
生成物中の窒素酸化物，一酸化炭素等を除去させるよう
にした焼却炉の燃焼制御装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】近年、都市等においてごみの処理量は増
加する傾向にあり、これらごみの多くはごみ焼却プラン
トにて焼却処分されているのが実情である。このごみ焼
却プラントでごみを焼却する際に、窒素酸化物（Ｎ
Ｏ_X ），ダイオキシン類等の空気汚染物質が排出され、
これら空気汚染物質が都市環境に少なからず影響を及ぼ
している。

【０００３】従来、このような空気汚染物質の排出量を
抑制するために、例えば特公平７−６２５２４号公報に
開示されているように、天然ガス等の炭化水素系燃料
（以下「天然ガス」で代表する。）を用いて焼却排ガス
を再燃焼させる方法（天然ガス再燃焼法（リバーニング
法））が提案されている。この天然ガス再燃焼法は、被
燃焼物を一次燃焼空気により主燃焼させる一次燃焼ゾー
ンの上方に天然ガスを吹き込み還元性雰囲気（リバーニ
ングゾーン）を形成してＮＯ_X を除去するとともに、こ
の天然ガスによる還元後の残留炭化水素と燃焼室にて発
生した炭化水素および一酸化炭素（ＣＯ）を二次燃焼空
気により完全燃焼させるものである。この天然ガス再燃
焼法によれば、天然ガスを用いない場合と比較してＮＯ
_X ，ＣＯの排出量を同時にそれぞれ最大で６０％，５０
％の低減率で抑制していることが実証されている。

【０００４】ここで、ＮＯ_X の除去機構は次のとおりで
ある。すなわち、リバーニングゾーンでは次のような反
応が進行していると考えられる。 Ｃ_n Ｈ_m ＋Ｏ₂ →Ｃ_n ’Ｈ_m ’＋ＣＯ＋Ｈ₂ Ｏ ＮＯ＋Ｃ_n ’Ｈ_m ’→Ｃ_n ”Ｈ_m ”＋Ｎ₂ ＋ＣＯ＋Ｈ₂ Ｏ ｏｒ ＮＯ＋Ｃ_n ’Ｈ_m ’→Ｃ_n ”Ｈ_m ”＋ＮＨ_i ＋ＣＯ＋Ｈ₂ Ｏ （但し、’は化学反応初期のラジカルを示し、ＮＨ_i は
窒素化合物を示す。）

【０００５】この反応式からもわかるように、炭化水素
（Ｃ_n Ｈ_m ）と一次燃焼空気中の残存酸素（Ｏ₂ ）との
反応により生成される炭化水素ラジカル（Ｃ_n ’
Ｈ_m ’）が窒素酸化物（ＮＯ）と反応することによりそ
のＮＯが還元されて結果として除去されることになる。

【０００６】ところで、前述のような天然ガス再燃焼法
を用いる場合に、被燃焼物の種類により燃焼室内に供給
される天然ガスの供給量に過不足を生じることから、特
開平６−３０７６１９号公報において、リバーニングゾ
ーンにて発生するＣＯの濃度とそのリバーニングゾーン
から排出されるＮＯ_X の濃度とをそれぞれ検出し、これ
ら濃度が所定値になるように天然ガスおよび一次燃焼空
気の供給量を制御するようにした焼却炉の燃焼制御装置
が提案されている。この燃焼制御装置によれば、常に安
定した燃焼が可能となり不完全燃焼の指標（ダイオキシ
ン類発生の指標）とされるＣＯおよび空気汚染物質であ
るＮＯ_X の排出量を低減することが可能となる。

【０００７】さらに、より現実的な燃焼制御方法とし
て、被燃焼物の発熱量および供給量がある制御範囲内で
あって、その焼却炉に付設されているボイラからの蒸発
量が低下した場合には、その蒸発量の低下は被燃焼物の
燃焼不良に基づくものとして、一次燃焼空気量を増加し
て一次燃焼を旺盛にするという燃焼制御方法がある。す
なわち、蒸発量が低下すれば一次燃焼空気量を増し、蒸
発量が復元すれば一次燃焼空気量を減じるようにされ
る。また、蒸発量が増加すれば一次燃焼空気量が減少さ
れ、蒸発量が復元すれば一次燃焼空気量を増加するよう
にされている。この方法は蒸発量の変化を鋭敏に感知
し、被燃焼物の燃焼状態を回復する正確で安価な燃焼制
御装置であり、すでに大型燃焼プラントにおいて実用化
されている手段である。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、前述の
ようにボイラの蒸発量を検出することにより一次燃焼空
気量を制御する燃焼制御方法では、一次燃焼空気量が増
加された瞬時の燃焼状態は改善されるが、一次燃焼ガス
中の酸素量が急激に増すために、一次燃焼ガス中のＮＯ
_X が増加してしまう。このため、一次燃焼ゾーンの上方
に供給される天然ガスの量を以てしても還元雰囲気（リ
バーニングゾーン）を保つことができなくなり、二次燃
焼ゾーンにＮＯ_X を持ち越してしまい燃焼排ガス中のＮ
Ｏ_X 量が増加してしまうという問題点がある。一方、蒸
発量が増加して一次燃焼空気量を低下させた場合には、
一次燃焼ガス中の酸素量が急激に減少するため不完全燃
焼となりＣＯが発生したり、有害な有機塩素化合物が増
加するという問題点がある。

【０００９】このようなＮＯ_X の増加や不完全燃焼の傾
向は、一時的なものであって永続するものではないが、
厳密な有害ガス抑制という環境上の要請からは好ましく
ない。

【００１０】本発明は、このような問題点を解消するた
めになされたものであり、被燃焼物の燃焼状態を安定に
保ちつつ、一次燃焼空気量の増加に伴い瞬発的に増加す
る排ガス中のＮＯ_X および一次燃焼空気量の減少に伴う
不完全燃焼により発生するＣＯ，有害な有機塩素化合物
を抑制することのできる焼却炉の燃焼制御装置を提供す
ることを目的とするものである。

【００１１】

【課題を解決するための手段および作用・効果】本発明
による焼却炉の燃焼制御装置は、前記目的を達成するた
めに、被燃焼物を一次燃焼空気により主燃焼させる一次
燃焼ゾーンの上方のリバーニングゾーンの下部に炭化水
素系燃料を供給してそのリバーニングゾーンに還元性雰
囲気を形成し、このリバーニングゾーンの上方の二次燃
焼ゾーンの下部に二次燃焼空気を供給して前記炭化水素
系燃料による還元後の未燃物もしくは不完全燃焼物を完
全燃焼させ、発生する排ガスを熱回収装置を通して排出
する焼却炉の燃焼制御装置において、 （ａ）前記熱回収装置から発生する蒸気量を検出する蒸
気量検出手段および （ｂ）この蒸気量検出手段により検出される蒸気量を所
定値に維持させて前記リバーニングゾーンを還元性雰囲
気に維持させるために、前記蒸気量が減少した場合には
前記一次燃焼空気の供給量を増やすとともに、前記炭化
水素系燃料の供給量を増やし、前記蒸気量が増加した場
合には前記一次燃焼空気の供給量を減らすとともに、前
記炭化水素系燃料の供給量を減らすようにそれら炭化水
素系燃料および一次燃焼空気の供給量を制御する供給量
制御手段を備えることを特徴とするものである。

【００１２】本発明においては、被燃焼物が一次燃焼空
気により一次燃焼ゾーンで主燃焼され、この一次燃焼ゾ
ーンの上方に炭化水素系燃料が供給されて還元雰囲気が
形成される。この還元雰囲気中で被燃焼物の主燃焼によ
り発生するＮＯ_X が炭化水素系燃料により還元され、こ
の還元後の未燃物もしくは不完全燃焼物が還元雰囲気の
上方に二次燃焼空気が供給されることにより完全燃焼さ
れて熱回収装置を通して排出される。この熱回収装置か
ら発生する蒸気量は蒸気量検出手段により検出され、こ
の検出された蒸気量が所定値より低下する場合に前記供
給量制御手段により、炭化水素系燃料および一次燃焼空
気の供給量を増加させるように制御される。

【００１３】このような蒸気量の低下は、被燃焼物の燃
焼不良によるものと考えられるため、一次燃焼空気を増
加させて燃焼状態が改善されるようにされているが、一
次燃焼空気とともに、炭化水素系燃料が増加されている
ために蒸発量の復元が早く、一次燃焼空気が過剰に増加
することなく一次燃焼ゾーンの上方に還元性雰囲気を形
成することができる。

【００１４】一方、本発明において、前記蒸気量検出手
段により検出された蒸気量が所定値より増加する場合
は、前記供給量制御手段により、炭化水素系燃料および
一次燃焼空気の供給量が減少するように制御される。

【００１５】このような蒸発量の増加は、被燃焼物の燃
焼過剰によるものと考えられるため、一次燃焼空気を減
少させて燃焼状態が低下されるようにされている。この
一次燃焼空気供給量の減少に伴って不完全燃焼を生じて
ＣＯが発生する可能性があるため、炭化水素系燃料も減
少されて完全燃焼できるとともに一次燃焼ゾーンの上方
には適当な還元性雰囲気を形成することができる。

【００１６】こうして、一次燃焼空気量の増加によるＮ
Ｏ_X の増加および一次燃焼空気量の減少による不完全燃
焼に伴って発生するＣＯや有害な有機塩素化合物は、還
元性雰囲気により還元され、二次燃焼により完全燃焼さ
れるためこれら有害汚染物質が焼却炉外に排出するのを
抑制することができる。

【００１７】本発明において、前記供給量制御手段は、
前記炭化水素系燃料を前記一次燃焼空気に先行して増加
もしくは一次燃焼空気と同時に減少させるように制御す
るのが好ましい。

【００１８】

【発明の実施の形態】次に、本発明による焼却炉の燃焼
制御装置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。

【００１９】図１には、本発明の一実施例に係るごみ焼
却炉の概略構成図が示されている。

【００２０】本実施例のごみ焼却炉１においては、被燃
焼物としてのごみ２が投入されるホッパー３と、このホ
ッパー３から投入されたごみ２を燃焼させるストーカ４
と、このストーカ４の上方に設けられ炉壁５により画定
される燃焼室６と、このストーカ４を通して燃焼室６内
に一次燃焼空気を供給する一次燃焼空気供給装置７と、
燃焼後の焼却灰を取り出す灰排出口８とが設けられてい
る。前記燃焼室６の上部には、このごみ焼却炉１の熱回
収装置としてのボイラ９が付設されている。

【００２１】前記ストーカ４は、ホッパー３に連通して
順に乾燥ストーカ４ａ，燃焼ストーカ４ｂおよび後燃焼
ストーカ４ｃにより構成され、これらストーカ４ａ，４
ｂ，４ｃに対応して一次燃焼空気供給装置７の各空気導
管７ａ，７ｂ，７ｃがそれぞれ設けられている。なお、
これら空気導管７ａ，７ｂ，７ｃには押込送風機７ｄか
ら一次燃焼空気が供給される。

【００２２】また、前記燃焼室６は、乾燥ストーカ４ａ
および燃焼ストーカ４ｂの上方および後燃焼ストーカ４
ｃの上方の一次燃焼ゾーン６ａ，６ｂと、この一次燃焼
ゾーン６ａ，６ｂの上方のリバーニングゾーン６ｃと、
このリバーニングゾーン６ｃの上方の二次燃焼ゾーン６
ｄとにより構成されている。前記リバーニングゾーン６
ｃ下部の炉壁５には供給口５ａが設けられ、この供給口
５ａには天然ガス供給管１０と水蒸気供給管１１とが混
合器１２を介して連設されている。また、前記二次燃焼
ゾーン６ｄ下部の炉壁５には供給口５ｂが設けられ、こ
の供給口５ｂには二次燃焼空気供給管１３が連設されて
いる。このように天然ガス供給管１０を通して供給され
る天然ガスに水蒸気を混合させるのは、燃焼室６内に十
分な撹乱を生ぜしめて天然ガスとの混合を旺盛にし、Ｎ
Ｏ_X 低減反応を推進させるためである。

【００２３】さらに、前記ボイラー９には、このボイラ
９から発生する水蒸気量を検出する蒸気流量計１４が設
けられており、前記天然ガス供給管１０には天然ガス供
給量を調節する天然ガス調節計１６が設けられ、前記一
次燃焼空気供給装置７には一次燃焼空気供給量を調節す
る一次燃焼空気調節計１７が設けられている。さらに、
前記蒸気流量計１４からの信号により、天然ガス調節計
１６および一次燃焼空気調節計１７を制御する制御装置
１８が設けられている。前記天然ガス供給管１０には、
天然ガス流量計１６ａおよび天然ガスバルブ１６ｂが設
けられ、前記天然ガス調節計１６は、制御装置１８から
の信号を受けて天然ガス流量計１６ａによる計測値が設
定される天然ガス量になるように天然ガスバルブ１６ｂ
を操作する。同様に、押込送風機７ｄの上流側には一次
燃焼空気流量計１７ａおよび押込送風機７ｄの下流側に
一次燃焼空気ダンパ１７ｂが設けられている。前記一次
燃焼空気調節計１７は、制御装置１８からの信号を受け
て一次燃焼空気流量計１７ａによる計測値が設定される
一次燃焼空気量になるように一次燃焼空気ダンパ１７ｂ
を操作する。

【００２４】このように構成されるごみ焼却炉１におい
て、まずホッパー３から投入されたごみ２は、乾燥スト
ーカ４ａ上を通過する。この乾燥ストーカ４ａ上のごみ
２は、後段の燃焼ストーカ４ｂ，後燃焼ストーカ４ｃで
の燃焼により生じる高温燃焼ガスによって乾燥された
後、このごみの一部において燃焼が始まる。しかし、乾
燥ストーカ４ａに供給される一次燃焼空気は、一次燃焼
空気中の酸化性物質の量を最小限にするために少量に抑
制されているために、この乾燥ストーカ４ａ上のごみ２
から発生するガスは、水分の蒸発による水蒸気，乾留に
よって生じる炭化水素ガス，不完全燃焼によって生じる
ＣＯなどである。

【００２５】次いで、前記乾燥ストーカ４ａを通過して
乾燥されたごみ２は、燃焼ストーカ４ｂ上で空気導管７
ｂから供給される一次燃焼空気により主たる燃焼が行わ
れる。燃焼ストーカ４ｂに供給されている一次燃焼空気
はごみ燃焼に必要十分な量であるために、この燃焼スト
ーカ４ｂ上からのごみ２から発生するガスには、ＮＯ _X
が高濃度で含まれている。

【００２６】次いで、前記乾燥ストーカ４ａおよび燃焼
ストーカ４ｂを通過したごみ２は、後燃焼ストーカ４ｃ
に供給される。この後燃焼ストーカ４ｃ上のごみ２は、
焼却灰中に多量の未燃固形物もしくは不完全燃焼固形物
が残存することのないように、乾燥ストーカ４ａ部分お
よび燃焼ストーカ４ｂ部分に比べて比較的大きな空燃比
となるように一次燃焼空気が供給されて、燃焼されてい
る。

【００２７】したがって、この後燃焼ストーカ４ｃの上
方の一次燃焼ゾーン６ｂにおける燃焼ガスは、温度５０
０〜８００℃付近で、かつ１５〜１９％程度の酸素が残
存しており酸化性雰囲気を有している。ただし、この燃
焼ガスは比較的低温であることと、ごみ中の窒素成分が
ほぼなくなってしまっているために、この後燃焼ストー
カ４ｃの部分で発生するＮＯ_X は少なく抑えられた状態
にある。最近では、焼却灰中のダイオキシン類を抑制す
るため、できるだけ高温に保つ燃焼が行われている。

【００２８】このようにして燃焼室６下部の一次燃焼ゾ
ーン６ａ，６ｂにおける燃焼ガスは混合されることによ
り、温度分布が均一となり、また比較的低酸素の雰囲気
を保っている。ここに、前記天然ガス供給管１０を通し
て供給される天然ガスおよび水蒸気供給管１１を通して
供給される水蒸気が混合器１２により混合され、この混
合ガスが供給口５ａから噴出されているため、リバーニ
ングゾーン６ｃでは完全な還元性雰囲気が形成されてい
る。このため、一次燃焼中に発生したＮＯ_X もリバーニ
ングゾーン６ｃで還元されて最大６０％以上の低減率で
低減されている。

【００２９】こうして、一次燃焼によって燃焼ガス中に
生成される炭化水素ガス，ＣＯガスあるいは余剰の炭化
水素ガスなどが、この二次燃焼ゾーン６ｄにおいて二次
燃焼空気（新鮮空気）によって完全燃焼され、燃焼室６
頂部より排出されて前記ボイラ９および図示されない排
ガス処理装置を経て煙突により大気に放出される。な
お、前記二次燃焼ゾーン６ｄにおいては、天然ガスの吹
き込みによって既にＮＯ _X は低減されている上に、８０
０〜１０００℃の比較的低温で燃焼が行われているため
に、新たなＮＯ_X の発生はほとんどなく、排ガス中のＮ
Ｏ_X は５０ｐｐｍ以下に抑えられている。

【００３０】このような状態において、ごみ２はほぼ一
定の一次燃焼空気，天然ガスおよび二次燃焼空気がそれ
ぞれ供給されて安定した燃焼状態が保たれており、この
安定した燃焼状態においては、蒸気流量計１４より検出
されるボイラ９からの水蒸気量はほぼ一定である。

【００３１】この蒸気流量計１４により検出されるボイ
ラ９からの水蒸気量が前記燃焼安定状態時に検出される
水蒸気量より低下した場合、前記制御装置１８により天
然ガス調節計１６および一次燃焼空気調節計１７が同時
にあるいは天然ガスが先行して天然ガス供給量および一
次燃焼空気供給量を増加させるように制御される。

【００３２】このように、水蒸気量が低下した場合に
は、従来のように一次燃焼空気量を増加するだけでな
く、水蒸気量の低下に見合っただけの天然ガス供給量を
増加させているため、一次燃焼空気量の増加が最小限に
抑えられ、一次燃焼ゾーン６ａ，６ｂの酸素量の増加が
少なく、リバーニングゾーン６ｃを還元性雰囲気に維持
することができ、ＮＯ_X の瞬時増加を抑制できる。

【００３３】一方、前記蒸気流量計１４により検出され
るボイラ９からの水蒸気量が前記燃焼安定状態時に検出
される水蒸気量より増加した場合、前記制御装置１８に
より天然ガス調節計１６および一次燃焼空気調節計１７
が同時に天然ガス供給量および一次燃焼空気供給量を減
少させるように制御される。

【００３４】このように、水蒸気量が増加した場合に
は、従来のように一次燃焼空気量を減らすだけでなく、
水蒸気量の増加に見合っただけの天然ガス供給量を減少
させている。一次燃焼空気量とともに、天然ガス量が減
少するため急激なＣＯの発生がなく、リバーニングゾー
ン６ｃを適当な還元性雰囲気に維持することができる。

【００３５】本実施例においては、前記水蒸気供給管１
１を通して供給される水蒸気は蒸気流量計１４で水蒸気
量が検出された後の水蒸気を循環利用してもよく、また
天然ガスを燃焼室６内へ撹乱混入させる媒体としては、
水蒸気に限らず、例えば煙道ガス（酸素を６〜１２％残
有），一次燃焼ガス（酸素を約２％残有），煙道ガスお
よび一次燃焼ガスの混合ガス等を用いてもよい。

【００３６】本実施例において、天然ガスの燃焼室６へ
の吹き込み箇所である供給口５ａは、二次燃焼空気の供
給口５ｂよりも少なくとも下方の位置にあれば良く、ま
たその供給口５ａの数は１か所に限らず、２か所以上あ
っても良い。また、二次燃焼空気の供給口５ｂの数も１
か所に限らず、２か所以上あっても良い。

【００３７】本実施例においては、天然ガス供給量およ
び一次燃焼空気供給量はそれぞれの調節計１６，１７に
より同時に増加または減少されているが、天然ガス供給
量が一次燃焼空気に先行して増加または減少されてもよ
い。

【００３８】本実施例においては、天然ガス供給量およ
び一次燃焼空気供給量はそれぞれの調節計１６，１７に
よりバルブ１６ｂ，ダンパ１７ｂが制御されているが、
調節計を介さず直接制御装置１８よりバルブ，ダンパを
制御してもよい。

【図面の簡単な説明】

【図１】図１は、本発明の一実施例に係るごみ焼却炉の
概略構成図である。

【符号の説明】 １ ごみ焼却炉 ２ ごみ ３ ホッパー ４ ストーカ ４ａ 乾燥ストーカ ４ｂ 燃焼ストーカ ４ｃ 後燃焼ストーカ ５ 炉壁 ５ａ 供給口（天然ガス，水蒸気） ５ｂ 供給口（二次燃焼空気） ６ 燃焼室 ６ａ，６ｂ 一次燃焼ゾーン ６ｃ リバーニングゾーン ６ｄ 二次燃焼ゾーン ７ 一次燃焼空気供給装置 ７ａ，７ｂ，７ｃ 空気導管 ７ｄ 押込送風機 ８ 灰排出口 ９ ボイラ １０ 天然ガス供給管 １１ 水蒸気供給管 １２ 混合器 １３ 二次燃焼空気供給管 １４ 蒸気流量計 １６ 天然ガス調節計 １６ａ 天然ガス流量計 １６ｂ 天然ガスバルブ １７ 一次燃焼空気調節計 １７ａ 一次燃焼空気流量計 １７ｂ 一次燃焼空気ダンパ １８ 制御装置

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 澤地 實 奈良県生駒市軽井沢町５−59 Ｂ−１ (72)発明者 伊藤 尚夫 兵庫県西宮市上ケ原十番町６番16号 (72)発明者 鮫島 良二 兵庫県尼崎市金楽寺町２丁目２番33号 株式会社タクマ内 (72)発明者 麻生 知宣 兵庫県尼崎市金楽寺町２丁目２番33号 株式会社タクマ内 (72)発明者 山本 和久 大阪市住之江区南港北１丁目７番89号 日立造船株式会社内 (72)発明者 近藤 守 大阪市住之江区南港北１丁目７番89号 日立造船株式会社内 (56)参考文献 特開 平４−76307（ＪＰ，Ａ) 特開 平９−79555（ＪＰ，Ａ) 特開 平７−217843（ＪＰ，Ａ) 特開 平６−307619（ＪＰ，Ａ) 特開 平９−184609（ＪＰ，Ａ) 特開 平10−61930（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) F23G 5/50

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 被燃焼物を一次燃焼空気により主燃焼さ
   せる一次燃焼ゾーンの上方のリバーニングゾーンの下部
   に炭化水素系燃料を供給してそのリバーニングゾーンに
   還元性雰囲気を形成し、このリバーニングゾーンの上方
   の二次燃焼ゾーンの下部に二次燃焼空気を供給して前記
   炭化水素系燃料による還元後の未燃物もしくは不完全燃
   焼物を完全燃焼させ、発生する排ガスを熱回収装置を通
   して排出する焼却炉の燃焼制御装置において、 （ａ）前記熱回収装置から発生する蒸気量を検出する蒸
   気量検出手段および （ｂ）この蒸気量検出手段により検出される蒸気量を所
   定値に維持させて前記リバーニングゾーンを還元性雰囲
   気に維持させるために、前記蒸気量が減少した場合には
   前記一次燃焼空気の供給量を増やすとともに、前記炭化
   水素系燃料の供給量を増やし、前記蒸気量が増加した場
   合には前記一次燃焼空気の供給量を減らすとともに、前
   記炭化水素系燃料の供給量を減らすようにそれら炭化水
   素系燃料および一次燃焼空気の供給量を制御する供給量
   制御手段を備えることを特徴とする焼却炉の燃焼制御装
   置。
2. 【請求項２】 前記供給量制御手段は、前記炭化水素系
   燃料を前記一次燃焼空気に先行して増加もしくは減少さ
   せるように制御するものである請求項１に記載の焼却炉
   の燃焼制御装置。