JP3998302B2 - ごみ焼却炉の二次燃焼方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ごみ焼却炉における排ガス中の残留未燃ガスを再燃させるとともにダイオキシン類の低減を可能とする二次燃焼方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
燃焼に必要な酸素は、通常空気の吹込によって供給される。しかし、空気中に含まれる酸素は、自然の状態で２０．９５％しかなく、残りのほとんどは不活性成分（窒素分：７８．０９％）であるので、燃焼炉の熱効率を低下させる。
そこで、燃焼空気中の酸素濃度を通常の空気よりも増加させて燃焼する方法があり、これを酸素富化燃焼と言う（畑中ほか：省エネルギー燃焼技術，省エネルギーセンター編，１９８４年）。
酸素富化燃焼することにより、通常の空気を使用した燃焼に比べて、下記の利点があり、冶金・精錬・化学工業等の燃焼設備で用いられてきた。
１）不活性成分割合が少なくなるので火炎温度が上昇し、火炎放射熱量が増大する。
２）燃焼に必要な吹込空気量が少なくなり、系外に持ち出される熱量が少なくなる。
酸素富化する方法には、従来液体酸素が利用されてきているが、この方法は酸素自身の価格が高いため、経済効果の発生する高温燃焼場を使った生産工程での利用に止まっていた。
【０００３】
最近では、シリコン系やテフロン系の酸素富化膜を用いた装置や、モレキュラーチューブを利用したＰＳＡ（Pressur Swing Adsorption）装置を用いて空気中の酸素を分離し、高濃度の酸素を製造する技術の進展により、酸素富化燃焼が経済的に有利となるケースが増える可能性が出てきた。
（財）省エネルギーセンターでは、燃焼温度域で、酸素富化を用いた場合とＢ重油を用いた場合の経済的分岐点を図１７のように試算している（畑中ほか：省エネルギー燃焼技術，省エネルギーセンター編，１９８４年）。
図１７に示す曲線よりも下に位置するケースであれば酸素富化燃焼の経済性が見込まれ、燃焼温度域が低くなっても酸素価格が下がれば、経済効果が発生することになる。従って、酸素価格が下がるにつれ、生産分野だけでなく、都市ごみ焼却や産業廃焼却分野においても、酸素富化燃焼による効果に加え経済性が生じてくる。
【０００４】
このような背景の中で、Air Products社のC.H.Shahaniらは、ごみ焼却炉の燃焼空気を酸素富化することよって、以下の効果を期待し、計算モデルでの比較検討およびパイロットテストを実施している（G.H.Shahani,D.P.Bucci,D.M.De Vincentis,S.P.Goff:0xygen enrichiment for waste combustion,Proc 1994 Int Inciner Conf,pp 425-429(1994)）。
・処理量の増加
・熱効率の増加
・排ガス中の未燃分減少
・燃焼設備の操作性向上
・燃焼用空気量、排ガス量の低減化
・低カロリーごみの焼却が可能
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
G.H.Shahaniらは、燃焼空気の酸素富化を行い、焼却施設の効率化の可能性を追求しているが、現状の酸素価格では実用化が困難である。
一方、特許第２６４２５６８号明細書には、燃焼室に一次燃焼空気を供給してごみを燃焼させ、排ガスを炉体に導き、燃焼室で発生する排ガス中の残留未燃ガスを燃焼するに当たり、一次燃焼空気に対応した量の二次燃焼空気を排ガス中の残留未燃ガスに供給して縦方向に混合し、さらに、所定の量の三次燃焼空気を二次燃焼空気の風速の１．５〜２．５倍の風速で排ガス中の残留未燃ガスに供給して水平方向に混合するごみ焼却炉の二次燃焼方法が開示されている。
このごみ焼却炉の二次燃焼方法によれば、まず、一次燃焼空気に対応した量の二次燃焼空気を排ガス中の残留未燃ガスに供給して縦方向に混合するので、高温の燃焼ガスと未燃排ガスとが急激な部分燃焼を起こすことなく緩やかに燃焼し、サーマルＮＯXの発生を抑制しながら未燃ガスの再燃焼を行うことができる。
つぎに、所定の量の三次燃焼空気を二次燃焼空気の風速の１．５〜２．５倍の風速で排ガス中の残留未燃ガスに供給して水平方向に混合するので、残留未燃ガスを水平方向に急激に燃焼して完全燃焼に近づけることが可能となり、ＣＯ濃度を低減することができるという利点がある。
【０００６】
ところが、特許第２６４２５６８号明細書に記載された発明では、三次燃焼空気は、炉出口燃焼ガス温度の制御を行っているため、酸素富化の効果が安定しないという問題がある。
なお、実開昭６３−８６５３０号公報には、ごみ焼却炉の一次空気を酸素富化する技術が開示され、実開平２−７４３４号公報には、ごみ焼却炉の一次空気に酸素濃度の低い空気を供給するとともにを二次空気を酸素富化する技術が開示されている。
しかし、実開昭６３−８６５３０号公報では、一次空気の酸素富化を行っているため、乾燥対応とロストル焼損の問題があり、熱量としては低カロリー対策となるもののダイオキシン対策とは成り得ない。
また、実開平２−７４３４号公報では、酸素と窒素を分離し、一次燃焼空気に窒素を多く、二次燃焼空気に酸素を多く入れる方法を採っているが、燃焼管理、制御性についての開示がないため、現実には、ごみ質変動に対してどのように対応し、制御するのかという問題がある。
【０００７】
本発明は斯かる従来の問題点を解決するためになされたもので、その目的は、確実に燃焼空気の酸素富化を行うことが可能なごみ焼却炉の二次燃焼方法を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
請求項１記載の発明は、燃焼室に一次燃焼空気を供給してごみを燃焼させ、排ガスを燃焼室に続く炉体に導き、燃焼室で発生する排ガス中の残留未燃ガスを燃焼するに当たり、炉体内で一次燃焼空気の０．４〜０．６倍の量の二次燃焼空気を残留未燃ガスを含む排ガス中に供給して鉛直面内の旋回流を生じさせることにより混合し、さらに、一次燃焼空気の０．３〜０．４倍の量の三次燃焼空気を二次燃焼空気の風速の１．５〜２．５倍の風速で残留未燃ガスを含む排ガス中に供給して水平面内の旋回流を生じさせることにより混合するごみ焼却炉の二次燃焼方法において、炉体の燃焼室の後段に位置するガス冷却塔の下流側に、空気予熱器、バグフィルタ、ファンおよび煙突が順に排ガス通路を介して配するとともに、バグフィルタとファンとの間の排ガス通路に、ＣＯ濃度計を介装し、炉体に二次燃焼空気を導入する管路に、酸素発生装置に連絡する酸素富化管路を割り込ませ、酸素富化管路に、ＣＯ濃度計の測定値に基づいて、バグフィルタ出口排ガス中のＣＯ濃度が１０ｐｐｍ以下になるように制御する調整バルブを介装するとともに、酸素富化管路の割り込み部より下流の二次燃焼空気を導入する管路に、酸素計を設け、バグフィルタ出口排ガス中のＣＯ濃度が１０ｐｐｍを下回る場合には、調整バルブの開度を小さくして酸素の供給量を低減し、バグフィルタ出口排ガス中のＣＯ濃度が１０ｐｐｍを超える場合には、酸素計の酸素濃度測定値が２３％を超えないよう設定される酸素富化管路の酸素の供給流最上限まで調整バルブの開度を大きくして酸素の供給量を増やすことで、二次燃焼空気の酸素富化量を制御することを特徴とする。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
図１ないし図５に基づいて本発明に係るごみ焼却炉の二次燃焼方法を説明する。
なお、本実施形態においては、酸素富化に係わる構成を除くと、特許第２６４２５６８号明細書に記載されたごみ焼却炉の二次燃焼方法の図１ないし図４に示す実施例と同様である。
【００１０】
図１において、符号１はごみ焼却炉を示している。
このごみ焼却炉１は、ごみクレーン（図示せず）によりごみが供給されるホッパ２と、このホッパ２からごみを案内するホッパシュート３と、このホッパシュート３のごみを移送するごみ押出機４を有する給塵装置と、給塵装置により供給されたごみを乾燥する乾燥ストーカ５と、乾燥ストーカ５からのごみを燃焼する燃焼ストーカ６と、燃焼ストーカ６からのごみをおき火燃焼させる後燃焼ストーカ７とを備えている。
ごみ押出機４は、ホッパシュート３の下部に設けられている。乾燥ストーカ５，燃焼ストーカ６，後燃焼ストーカ７は、炉体８内に収容され、この炉体８の上端には燃焼ガスを排出する排出口９が形成され、炉体８の側壁面には、冷却水供給口１０と、二次燃焼空気用送風機１１と、冷却水供給口１０と二次燃焼空気用送風機１１の間の三次燃焼空気用送風機１２とが配設され、炉体８の下端には助燃バーナ１３が配設されている。
【００１１】
炉体８の内部は、乾燥ストーカ５，燃焼ストーカ６，後燃焼ストーカ７の上方にある一次燃焼室１４と、二次燃焼空気用送風機１１付近の二次燃焼室１５と、二次燃焼室１５の上方の三次燃焼室１６と、三次燃焼室１６の上方のガス冷却室１７とで構成されている。
二次燃焼空気用送風機１１は炉体８の一次燃焼室１４の直上に設けられている。
二次燃焼空気吹込ノズル１１Ａは、二次燃焼室１５の上部側と下部側に設けられている。
二次燃焼空気吹込ノズル１１Ａの上流側には、酸素発生装置３０に連絡する酸素富化管路３１が取り付けられている。
酸素富化管路３１は、途中に調整バルブ３２を介装し、ガス蒸発器３３に連絡している。ガス蒸発器３３には、液体酸素３４が連絡している。本実施形態では、液体酸素３４とガス蒸発器３３とで構成されている。
【００１２】
調整バルブ３２は、バグフィルタ２４とファン２６との間に介装したＣＯ濃度計３５の測定値に基づいて開度が制御される。例えば、ＣＯ濃度の設定値を１０ｐｐｍとすると、ＣＯ濃度計３５による計測値が１０ｐｐｍを超える場合には、調整バルブ３２の開度を大きくして、酸素の供給量を増やし、ＣＯ濃度計３５による計測値が１０ｐｐｍを下回る場合には、調整バルブ３２の開度を小さくして、酸素の供給量を低減するという開度調整を常に行い、ＣＯ濃度計３５による計測値が１０ｐｐｍ以下となるように制御する。
二次燃焼空気吹込ノズル１１Ａより吹き込まれた二次燃焼空気は、炉体８の二次燃焼室１５の下部から上部に向かってほぼＳ字状（蛇行状）を描きながら縦方向に排ガスの上昇流と混合される。
【００１３】
炉体８の三次燃焼室１６，ガス冷却室１７付近の断面は円形状に構成され、図３に示すように、炉体８の三次燃焼室１６における壁面には、三次燃焼空気用送風機１２から空気が送られる複数の三次燃焼空気吹込ノズル１２Ａが所定の間隔で円周状に設けられている。
各三次燃焼空気吹込ノズル１２Ａの吹込方向は、それぞれ炉体８の壁面に対して所定の傾斜角度で、かつ炉体８の接線方向に対して同一傾斜角度となっており、炉体８内に二次燃焼空気の渦流を生成するようになっている。
なお、三次燃焼室１６の径が大きくなった場合、中心部の吹き抜け防止を行い、混合効率を高めるに、三次空気吹込ノズル１２Ａの吹込角度をそれぞれ変えると良い。
【００１４】
そして、空気供給管１８の一端は、ごみピット１９に接続され、その他端側は途中で分岐して、炉体８の乾燥ストーカ５の下部８Ａに接続する第１分岐管１８Ａ、燃焼ストーカ６の下部８Ｂに接続する第２分岐管１８Ｂ、後燃焼ストーカ７の下部８Ｃに接続する第３分岐管１８Ｃを構成している。
空気供給管１８の途中には、風量調整ダンパ１８Ｄと、一次燃焼空気用送風機２０と、一次燃焼空気温度調整ダンパ２０Ａとが設けられている。第１分岐管１８Ａの途中には一次燃焼空気振分け第１ダンパ２１Ａが、第２分岐管１８Ｂの途中には一次燃焼空気振分け第２ダンパ２１Ｂが、第３分岐管１８Ｃの途中には一次燃焼空気振分け第３ダンパ２１Ｃがそれぞれ設けられている。
【００１５】
また、炉体８の排出口９には、排出管２２が接続され、その途中に空気予熱器２３，バグフィルタ２４が順番に介装され、さらに、バグフィルタ２４の下流側にファン２６を介して煙突２７が連絡している。空気供給管１８の一次燃焼空気温度調整ダンパ２０Ａの両側部分には、空気予熱器２３を通る熱交換用空気管２５，２５が接続されている。空気予熱器２３を介して、排出管２２中の排ガスと、熱交換用空気管２５，２５内の一次燃焼空気が熱交換され、空気供給管１８内の一次燃焼空気が高温になるとともに排出管２２中の排ガスが冷却される。
【００１６】
次に、図１ないし図５に基づいてこのように構成されたごみ焼却炉による燃焼制御方法について説明する。
本実施形態においては、乾燥ストーカ５の下部８Ａに、燃焼ストーカ６の下部８Ｂに、後燃焼ストーカ７の下部８Ｃにそれぞれ高温の一次燃焼空気が吹き込まれ、ごみ供給量，一次燃焼空気量制御により、乾燥ストーカ５，燃焼ストーカ６，後燃焼ストーカ７上のごみが安定燃焼されて排ガスが生成され、この排ガスは炉体８内を上昇し、二次燃焼室１５内に至る。
通常、この排ガスの上昇流の流速は、約２〜３ｍ/ｓｅｃである。
一方、二次燃焼空気用送風機１１から一次燃焼空気に対応した量の二次燃焼空気が、その送風速度を排ガスの上昇流の流速の約６〜８倍程度にして、二次燃焼室１５内に吹き込まれ、二次燃焼室１５の下部において、乾燥ゾーンで発生する未燃ガスと燃焼ゾーンからの高温の燃焼ガスとを縦方向に混合し、急激な部分燃焼によるサーマルＮＯXの発生を抑制しながら未燃ガスの再燃焼を行う。
【００１７】
ここで、二次燃焼空気の吹込量は、一次燃焼空気量を１とすると、１：0.4 〜0.6 とされている。また、二次燃焼空気については、従来炉温冷却としての使用目的のため常温の空気が用いられていたのに対して、本実施形態においては、二次燃焼を主目的に二次燃焼空気を吹き込むので、二次燃焼空気も高温に設定され、二次燃焼をより効果的にしている。
また、二次燃焼空気の吹込速度は、酸素ガスを加えない状態で２５ｍ／ｓｅｃ程度となるよう設定した。
そして、二次燃焼空気の酸素濃度を２３％程度に富化することにより、排ガス中のＣＯ濃度を１０ｐｐｍ以下とした。
また、二次燃焼空気酸素富化量と排ガス中のＣＯ濃度および残存酸素の挙動を見ると、酸素富化により排ガス中の未燃分の酸化の促進が認められるが、二次燃焼空気の酸素濃度を２３％以上にしても末燃分の酸化はそれ以上進んでおらず、排ガス中の残存酸素量が増加していた。
さらに、二次燃焼により生成された排ガスは、一次燃焼により生成された排ガスとともに上昇し、三次燃焼室１６に至る。
【００１８】
一方、三次燃焼空気用送風機１２から複数の三次燃焼空気吹込ノズル１２Ａを介して三次燃焼空気が、その送風速度を二次燃焼空気の吹込風速の１．５〜２．５倍程度の値にして、三次燃焼室１６内に吹き込まれる。
ここで、三次燃焼空気の吹込量は、一次燃焼空気量を１とすると、１：0.3 〜0.4 とされている。
三次燃焼室１６内では、三次燃焼空気と、二次燃焼によってもまだ燃焼していない排ガス中の残留未燃ガスとの混合が促進される。
この場合、三次燃焼空気は常温とされ、排ガスに対する冷却をより効果的にしており、また、複数の三次燃焼空気吹込ノズル１２Ａを介して炉体８内へ常温の三次燃焼空気が渦巻くように吹き込まれるので、三次燃焼空気と排ガス中の残留未燃ガスとの混合の促進を効果的にしている。
かかる状態で、三次燃焼室１６にて、三次燃焼が促進される。
そして、一次燃焼，二次燃焼，三次燃焼により生成された排ガスは、ガス冷却室１７に導かれ、冷却水供給口１０から噴霧された冷却水により冷却され、排出口９に導かれ、さらに、排出管２２から空気予熱器２３を経て冷却され、バグフィルタ２４に至る。なお、炉温上昇時の炉温の冷却操作は、ごみ送り量の操作によって適切に制御されている。
【００１９】
以上の如き構成によれば、排ガス中の残留未燃ガスとの混合を促進するように一次燃焼空気に対応した量の二次燃焼空気が、炉体８内に縦方向に混合するように供給されるので、一次燃焼で生成された排ガス中の残留未燃ガスと高温の燃焼ガスとを緩やかに縦方向に混合し、急激な部分燃焼によるサーマルＮＯXの発生を抑制しながら未燃ガスの再燃焼が行われる。
したがって、排ガス中の未燃ガスの残存率を少なくしてごみをより完全燃焼させることができる。
特に、炉温低下時にも、二次燃焼空気が吹き込まれ、二次燃焼空気の供給量が一次燃焼空気量に対して対応した量となるので、二次燃焼空気の量が不足することなく、あるいは、混合用としての二次燃焼空気の風速を得ることができ、完全燃焼の達成に近くなり、例えば、ＣＯ濃度を低減することができる。
【００２０】
そして、一次燃焼で生成された排ガス中の残留未燃ガスを二次燃焼し、さらに、二次燃焼後の排ガス温度は、約８００℃〜９００℃となるため、二次燃焼した排ガス中に、三次燃焼空気を送り込み、再混合することにより、排ガス中の残留未燃ガスを再燃させることができる。
したがって、排ガス中の未燃ガスの残存率を少なくしてごみをより完全燃焼させることができる。
しかも、二次燃焼した排ガス中に残留未燃ガスがほぼ無くなったとしても、三次燃焼空気吹き込みによる冷却効果を得ることができる。したがって、炉体８のガス冷却室１７への冷却水の供給量を低減し、排ガス中の水分を低減し、ごみ焼却炉１から排出される白煙の量を少なくすることができる。
さらに、ダイオキシン対策として、例えば、既設のごみ焼却炉においても、炉体８の排出管２２の途中に設けた電気集塵器２４の入口の排ガス温度を約３００℃に設備設計した場合、これより低い例えば２５０℃〜２８０℃の目標値に制御しようとすれば、ガス冷却室１７の容量や冷却水供給口１０等からなる冷却水噴霧設備の改修が必要となる場合が多い。
【００２１】
また、二次燃焼空気を酸素富化することによって、炉温低下時においても、二次燃焼未燃ガス促進がなされので、ＣＯ低減、ダイオキシン類低減化ができる。
上記実施形態では、酸素富化を二次燃焼空気の管路に酸素を添加する方法により行ったが、本発明はこれに限らず、例えば、二次燃焼空気を導入する管路の酸素吹込口に酸素計を設け、二次燃焼空気の酸素濃度が２３％となるように制御しても良い。
また、酸素富化した二次燃焼空気の流速が、２３ｍ／ｓに限らず、２０〜２５ｍ／ｓであれば良い。
また、上記実施形態では、ガス冷却室を炉上に設置した場合について説明したが、ガス冷却室が炉上に設置されていない別置き型においても同様の効果が得られる。
【００２２】
（実験）
次に、本発明を実験によりさらに説明する。
実験概要
都市ごみ燃焼炉二次燃焼空気吹込ダクト中に高濃度の酸素ガスを添加することによって、二次燃焼空気の酸素富化実験を行った。酸素富化燃焼の導入には酸素発生装置を設置することが経済的であるが、ここでは液化酸素（酸素濃度９９．５％）を用いた。
実験に用いた燃焼炉は、ストーカ方式のガス冷炉上タイプの施設であり、排ガス処理施設にバグフィルタを用いるＡ施設と、電気集じん器を用いているＢ施設の２ヶ所で実施した。
実験に用いた施設のフローおよび排ガス測定点を図６、図７に示す。
また、二次燃焼空気吹込口から上部における二次燃焼室排ガス滞留時間は、Ａ施設・Ｂ施設共に約１ｓｅｃである。Ａ施設、Ｂ施設共に二次燃焼空気の吹込口の設計は、数個計算を用いたシミュレーション結果を反映させたものであり（長沢，宮田，古橋ほか：「数値計算を用いた焼却炉二次燃焼室排ガス混合シミュレーション」，第４回廃棄物学会研究発表会講演論文集，1993年）、同等の排ガス混合効果を持たせた設備である。
【００２３】
なお、二次燃焼室への酸素ガスの添加は、図８に示すように液体酸素をガス蒸発器にてガス化し、二次燃焼空気ダクトヘ混入させた。酸素ガス混入後の酸素濃度は酸素濃度計にて測定した。
Ａ施設にて酸素富化量と排ガス中のＣＯ濃度の挙動および排ガス中の残存酸素濃度、ＮＯXの挙助について調査し、二次燃焼空気への効果的酸素富化量の検討を基に、二次燃焼空気の酸素富化量を固定して連続運転を行い、ダイオキシン類の分解効果の確認を行った。
なお、ダイオキシン類の分解効果については、Ｂ施設においても同様の実験を行い、再現性の確認を行った。
【００２４】
実験結果および考察
酸素ガス（Ｏ2＝９９．５％）添加量と混合後の酸素濃度
二次燃焼空気量を一定にして、酸素ガスの添加量を圧力調整弁にて変化させ、酸素ガス混合後の二次燃焼空気中の酸素濃度を測定した。
この結果を図９に示す。二次燃焼室空気への酸素ガス添加量と、混合後の酸素濃度の関係は理論線と良く一致していた。
酸素ガス添加量と排ガス中のＣＯ濃度
吹込速度と酸素富化
焼却炉内は定常運転で、自動燃焼システムによりごみの供給・送り・一次燃焼空気量を管理し、安定燃焼状態を保持した運転を行っている（長沢，宮田，松藤ほか：「ファジィ制御を用いたごみ焼却炉自動燃焼システム」，第３回廃棄物学会研究発表会講演論文集，１９９２年）。
【００２５】
ごみ焼却炉に投入されたごみは、乾燥過程を経て、燃焼の初期段階から後段の高温燃焼過程へと移送されていく。燃焼の初期段階で発生する未燃ガスと後段からの高温燃焼ガスを混合し、未燃ガスの燃焼に必要な酸素を供給することにより、排ガス中の未燃分のほとんどを分解させることが、二次燃焼空気吹込の目的である。また、未燃焼ガスの二次燃焼を促進させることが、ダイオキシン低減化において非常に重要であることが知られている（L.P.Nelson,P.Schindler,J.D.Kilgroe:Deveropment of Good Combustion Practices to Minimize Air Emissions from Municipal Waste Combustors,ln Conference Proceedings of Internatiol Conference on Municipal Waste Combustion,pp 8A-61〜8A-80）。
そこで、二次燃焼室に吹込む空気の流速と、吹込空気の酸素濃度を変えて実験を行い、排ガス中ＣＯ農度の低減化に最も効果的な組合せの検討を行った。
【００２６】
測定結果を図１０に示す。
吹込風速を大きくして、混合効率を上げることによりＣＯ濃度は低減され、また酸素富化量を多くすることによってもＣＯ濃度は低減されていた。酸素富化量を大きくするとランニングコストが高くなり、酸素富化導入による経済的メリットが生じるので、吹込風速を２５ｍ／ｓｅｃ程度にして酸素富化量を最小限にすることが、効果的組合せであると考えられた。
【００２７】
酸素ガス添加と排ガス中の残存酸素、ＮＯｘ濃度
二次燃焼空気の吹込速度を、酸素ガスを加えない状態で２５ｍ／ｓｅｃ程度となるよう設定した後、酸素ガス富化量を増加させ、二次燃焼空気の酸素濃度を２１〜２５％程度まで変化した場合の排ガス中のＣＯ、残存酸素、ＮＯXの挙動について測定を行った。なお、酸素富化量を変化させたときの排ガス中のＣＯ濃度の経時変化を測定したところ、通常の空気のみで二次燃焼を行った場合、ＣＯ濃度が４０ｐｐｍ程度を中心に大きな変動をしていたものが、酸素富化を行うことによって低濃度で安定化した。
【００２８】
測定結果を図１１〜図１３に示した。
酸素富化量を変化させたときの二次燃焼空気酸素濃度と、排ガス中のＣＯ濃度の平均値を図１１に示した。
二次燃焼空気の酸素濃度を２３％程度に富化することにより、排ガス中のＣＯ濃度は１０ｐｐｍ以下となり、これ以上の酸素富化を行ってもＣＯ低減化には寄与していなかった。
このときの二次燃焼空気酸素濃度と排ガス中のＮＯX濃度の平均値を図１２に、残存酸素濃度の平均値を図１３に示した。
ＮＯXについては、酸素富化による影響は認められなかった。平均燃焼温度が８６０〜８８０℃の違い程度であったことから、二次燃焼空気酸素富化による異常高温燃焼が発生するほど未燃ガスが存在しないことに起因するものと考えられた。
また、二次燃焼空気酸素富化量と排ガス中のＣＯ濃度および残存酸素の挙動を見ると、酸素富化により排ガス中の未燃分の酸化の促進が認められるが、二次燃焼空気の酸素濃度を２３％以上にしても末燃分の酸化はそれ以上進んでおらず、排ガス中の残存酸素量が増加していた。従って、排ガス中の未燃分量に応じて、酸素富化の適正量が変わるものと考えられた。
【００２９】
酸素富化とダイオキシン類
二次燃焼空気の酸素富化による排ガス中の末燃分酸化促進効果が確認できたので、ダイオキシン類分解効果についての比較実験を行った。
Ａ施設、Ｂ施設において、二次燃焼空気として通常の空気のみを用いた場合と、二次燃焼空気に酸素ガスを添加し酸素濃度を２３％に調節した場合との比較実験を行った。
ここでは、他の運転条件を同等に管理した。Ａ施設・Ｂ施設共に燃焼方式は同じであるが、空気予熱器はＡ施設がプレートタイプで、Ｂ施設はチューブタイプである。また、排ガス処理設備では、Ａ施設・Ｂ施設共に乾式のＨＣｌ除去設備を用いているが、集じん器はＡ施設がバグフィルタ、Ｂ施設が電気集じん器を用いている。
Ａ施設・Ｂ施設の燃焼設備、ガス冷却設備は同等であるので、酸素富化を行った場合についての二次燃焼室ダイオキシン類分解効果を、ガス冷却室出口の測定結果にて比較検討することができる。
【００３０】
図１４に、Ａ施設・Ｂ施設のガス冷却室出ロダイオキシン頬濃度測定結果について、ＰＣＤＤｓ，ＰＣＤＦｓに区分して表示した。
Ａ施設・Ｂ施設共に、通常の空気を用いた場合に比ベ、酸素富化によるダイオキシン類低減化は約６０％であり、ＰＣＤＤｓ，ＰＣＤＦｓも共に同等の割合で低減化されていた。
この結果から、二次燃焼空気を酸素富化することにより、ダイオキシン類の分解が促進されたと考えられ、発生防止に効果があることが確認できた。
また、Ａ施設で得られた低減効果が、別のＢ施設においても同等であったことより、再現性の確認ができた。
また、Ａ施設のガス冷却室出口〜バグフィルタ出口間のダイオキシン類濃度測定結果を図１５に、Ｂ施設の同様の比較実験結果を図１６に示した。
Ａ施設・Ｂ施設共に空気予熱器では、再合成によるダイオキシン類の増加が認められ、Ａ施設のプレート式よりＢ施設のチューブ式の方が再合成が非常に多くなっていた。これは、ガス側の熱交表面のダスト付着量がダスト除去機構の差により、プレート式の方が非常に少ないことに起因しているのではないかと考えられた。
【００３１】
排ガス処理過程では、Ａ施設のバグフィルタはダスト分離能力が高く、フィルタ表面のダスト層での吸着効果も期待できるので、入口より出口が大幅に低くなっている。これに対し、Ｂ施設の電機集じん器では、再合成による増加が大きくなっている。
ここで、共通していることは、熱回収過程・排ガス処理過程での施設の違いによるダイオキシン類再合成の差であっても、二次燃焼空気に酸素富化してダイオキシン頬の分解効率を高くすると、後工程の濃度も確実に低減されていることである。発生源の低減化が、焼却炉から排出されるダイオキシン類の低減化に大きな効果があることが確認できた。
【００３２】
まとめ
二次燃焼空気の酸素富化実験により、以下の知見が得られた。
１）酸素富化により、酸素濃度を高くするよりも二次燃焼空気の流速を速くして混合を優先させることが、ＣＯ低減化に効果的であり、さらに酸素富化して２３％濃度にすることがより効果的であった。
２）適性酸素富化量は、排ガス中の末燃分量により、変わることが考えらた。
３）排ガス中の未燃分量が少ない場合、酸素富化によるＮＯx濃度への悪影響はほとんどなかった。
４）二次燃焼空気の酸素富化により、発生ダイオキシン類の低減化ができ、後工程の設備の違いにより再合成はあるものの、排出ダイオキシン類量の低減化に効果的であることが確認できた。
酸素富化燃焼は、設備のコンパクト化・有害ガスの低減化・エネルギーの有効利用といった多面的での効果が期待されるものであり、溶融等の高温燃焼場では、より有効な技術として発展するように思われる。
【００３３】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば、ごみ焼却炉の二次燃焼室に吹込む二次燃焼空気のみを酸素富化することによって、二次燃焼室での未燃ガスやダイオキシン類の分解効率を高めることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の一実施形態に係るごみ焼却炉の二次燃焼方法を示す説明図である。
【図２】 図１の実施形態に係るごみ焼却炉の構成図である。
【図３】 図２の炉体の三次燃焼空気吹込ノズルを示す炉体の断面図である。
【図４】 図１の実施形態に係るごみ焼却炉の概要を示す斜視図である。
【図５】 図１の実施形態に係るごみ焼却炉のシステム概要図である。
【図６】 実験に用いた施設のフローおよび排ガス測定点を示す説明図である。
【図７】 実験に用いた施設のフローおよび排ガス測定点を示す説明図である。
【図８】 実験に用いた施設のフローおよび二次燃焼室への酸素ガスの添加を示す説明図である。
【図９】 酸素ガス添加量と酸素ガス混合後の二次燃焼空気中の酸素濃度を測定した結果を示すグラフである。
【図１０】 二次燃焼室に吹込む空気の流速と、吹込空気の酸素濃度を変えて実験を行い、排ガス中ＣＯ農度の低減化に最も効果的な組合せの検討を行った測定結果を示すグラフである。
【図１１】 酸素富化量に対する排ガス中のＣＯ濃度の平均値を示すグラフである。
【図１２】 酸素富化量に対する排ガス中のＮＯx濃度の平均値を示すグラフである。
【図１３】 酸素富化量に対する排ガス中の残存酸素濃度の平均値を示すグラフである。
【図１４】 ガス冷却室出口ダイオキシン類濃度を示すグラフである。
【図１５】 Ａ施設の酸素富化によるダイオキシン類低減化効果比較実験を示すグラフである。
【図１６】 Ｂ施設の酸素富化によるダイオキシン類低減化効果比較実験を示すグラフである。
【図１７】 酸素富化燃焼の経済性を示すグラフである。
【符号の説明】
１ ごみ焼却炉
５ 乾燥ストーカ
６ 燃焼ストーカ
７ 後燃焼ストーカ
８ 炉体
１４ 一次燃焼室
１５ 二次燃焼室
１６ 三次燃焼室
２４ バグフィルタ
２７ 煙突
３０ 酸素発生装置
３１ 酸素富化管路
３２ 調整バルブ
３３ ガス蒸発器
３４ 液体酸素
３５ ＣＯ濃度計
【発明の属する技術分野】
本発明は、ごみ焼却炉における排ガス中の残留未燃ガスを再燃させるとともにダイオキシン類の低減を可能とする二次燃焼方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
燃焼に必要な酸素は、通常空気の吹込によって供給される。しかし、空気中に含まれる酸素は、自然の状態で２０．９５％しかなく、残りのほとんどは不活性成分（窒素分：７８．０９％）であるので、燃焼炉の熱効率を低下させる。
そこで、燃焼空気中の酸素濃度を通常の空気よりも増加させて燃焼する方法があり、これを酸素富化燃焼と言う（畑中ほか：省エネルギー燃焼技術，省エネルギーセンター編，１９８４年）。
酸素富化燃焼することにより、通常の空気を使用した燃焼に比べて、下記の利点があり、冶金・精錬・化学工業等の燃焼設備で用いられてきた。
１）不活性成分割合が少なくなるので火炎温度が上昇し、火炎放射熱量が増大する。
２）燃焼に必要な吹込空気量が少なくなり、系外に持ち出される熱量が少なくなる。
酸素富化する方法には、従来液体酸素が利用されてきているが、この方法は酸素自身の価格が高いため、経済効果の発生する高温燃焼場を使った生産工程での利用に止まっていた。
【０００３】
最近では、シリコン系やテフロン系の酸素富化膜を用いた装置や、モレキュラーチューブを利用したＰＳＡ（Pressur Swing Adsorption）装置を用いて空気中の酸素を分離し、高濃度の酸素を製造する技術の進展により、酸素富化燃焼が経済的に有利となるケースが増える可能性が出てきた。
（財）省エネルギーセンターでは、燃焼温度域で、酸素富化を用いた場合とＢ重油を用いた場合の経済的分岐点を図１７のように試算している（畑中ほか：省エネルギー燃焼技術，省エネルギーセンター編，１９８４年）。
図１７に示す曲線よりも下に位置するケースであれば酸素富化燃焼の経済性が見込まれ、燃焼温度域が低くなっても酸素価格が下がれば、経済効果が発生することになる。従って、酸素価格が下がるにつれ、生産分野だけでなく、都市ごみ焼却や産業廃焼却分野においても、酸素富化燃焼による効果に加え経済性が生じてくる。
【０００４】
このような背景の中で、Air Products社のC.H.Shahaniらは、ごみ焼却炉の燃焼空気を酸素富化することよって、以下の効果を期待し、計算モデルでの比較検討およびパイロットテストを実施している（G.H.Shahani,D.P.Bucci,D.M.De Vincentis,S.P.Goff:0xygen enrichiment for waste combustion,Proc 1994 Int Inciner Conf,pp 425-429(1994)）。
・処理量の増加
・熱効率の増加
・排ガス中の未燃分減少
・燃焼設備の操作性向上
・燃焼用空気量、排ガス量の低減化
・低カロリーごみの焼却が可能
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
G.H.Shahaniらは、燃焼空気の酸素富化を行い、焼却施設の効率化の可能性を追求しているが、現状の酸素価格では実用化が困難である。
一方、特許第２６４２５６８号明細書には、燃焼室に一次燃焼空気を供給してごみを燃焼させ、排ガスを炉体に導き、燃焼室で発生する排ガス中の残留未燃ガスを燃焼するに当たり、一次燃焼空気に対応した量の二次燃焼空気を排ガス中の残留未燃ガスに供給して縦方向に混合し、さらに、所定の量の三次燃焼空気を二次燃焼空気の風速の１．５〜２．５倍の風速で排ガス中の残留未燃ガスに供給して水平方向に混合するごみ焼却炉の二次燃焼方法が開示されている。
このごみ焼却炉の二次燃焼方法によれば、まず、一次燃焼空気に対応した量の二次燃焼空気を排ガス中の残留未燃ガスに供給して縦方向に混合するので、高温の燃焼ガスと未燃排ガスとが急激な部分燃焼を起こすことなく緩やかに燃焼し、サーマルＮＯXの発生を抑制しながら未燃ガスの再燃焼を行うことができる。
つぎに、所定の量の三次燃焼空気を二次燃焼空気の風速の１．５〜２．５倍の風速で排ガス中の残留未燃ガスに供給して水平方向に混合するので、残留未燃ガスを水平方向に急激に燃焼して完全燃焼に近づけることが可能となり、ＣＯ濃度を低減することができるという利点がある。
【０００６】
ところが、特許第２６４２５６８号明細書に記載された発明では、三次燃焼空気は、炉出口燃焼ガス温度の制御を行っているため、酸素富化の効果が安定しないという問題がある。
なお、実開昭６３−８６５３０号公報には、ごみ焼却炉の一次空気を酸素富化する技術が開示され、実開平２−７４３４号公報には、ごみ焼却炉の一次空気に酸素濃度の低い空気を供給するとともにを二次空気を酸素富化する技術が開示されている。
しかし、実開昭６３−８６５３０号公報では、一次空気の酸素富化を行っているため、乾燥対応とロストル焼損の問題があり、熱量としては低カロリー対策となるもののダイオキシン対策とは成り得ない。
また、実開平２−７４３４号公報では、酸素と窒素を分離し、一次燃焼空気に窒素を多く、二次燃焼空気に酸素を多く入れる方法を採っているが、燃焼管理、制御性についての開示がないため、現実には、ごみ質変動に対してどのように対応し、制御するのかという問題がある。
【０００７】
本発明は斯かる従来の問題点を解決するためになされたもので、その目的は、確実に燃焼空気の酸素富化を行うことが可能なごみ焼却炉の二次燃焼方法を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
請求項１記載の発明は、燃焼室に一次燃焼空気を供給してごみを燃焼させ、排ガスを燃焼室に続く炉体に導き、燃焼室で発生する排ガス中の残留未燃ガスを燃焼するに当たり、炉体内で一次燃焼空気の０．４〜０．６倍の量の二次燃焼空気を残留未燃ガスを含む排ガス中に供給して鉛直面内の旋回流を生じさせることにより混合し、さらに、一次燃焼空気の０．３〜０．４倍の量の三次燃焼空気を二次燃焼空気の風速の１．５〜２．５倍の風速で残留未燃ガスを含む排ガス中に供給して水平面内の旋回流を生じさせることにより混合するごみ焼却炉の二次燃焼方法において、炉体の燃焼室の後段に位置するガス冷却塔の下流側に、空気予熱器、バグフィルタ、ファンおよび煙突が順に排ガス通路を介して配するとともに、バグフィルタとファンとの間の排ガス通路に、ＣＯ濃度計を介装し、炉体に二次燃焼空気を導入する管路に、酸素発生装置に連絡する酸素富化管路を割り込ませ、酸素富化管路に、ＣＯ濃度計の測定値に基づいて、バグフィルタ出口排ガス中のＣＯ濃度が１０ｐｐｍ以下になるように制御する調整バルブを介装するとともに、酸素富化管路の割り込み部より下流の二次燃焼空気を導入する管路に、酸素計を設け、バグフィルタ出口排ガス中のＣＯ濃度が１０ｐｐｍを下回る場合には、調整バルブの開度を小さくして酸素の供給量を低減し、バグフィルタ出口排ガス中のＣＯ濃度が１０ｐｐｍを超える場合には、酸素計の酸素濃度測定値が２３％を超えないよう設定される酸素富化管路の酸素の供給流最上限まで調整バルブの開度を大きくして酸素の供給量を増やすことで、二次燃焼空気の酸素富化量を制御することを特徴とする。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
図１ないし図５に基づいて本発明に係るごみ焼却炉の二次燃焼方法を説明する。
なお、本実施形態においては、酸素富化に係わる構成を除くと、特許第２６４２５６８号明細書に記載されたごみ焼却炉の二次燃焼方法の図１ないし図４に示す実施例と同様である。
【００１０】
図１において、符号１はごみ焼却炉を示している。
このごみ焼却炉１は、ごみクレーン（図示せず）によりごみが供給されるホッパ２と、このホッパ２からごみを案内するホッパシュート３と、このホッパシュート３のごみを移送するごみ押出機４を有する給塵装置と、給塵装置により供給されたごみを乾燥する乾燥ストーカ５と、乾燥ストーカ５からのごみを燃焼する燃焼ストーカ６と、燃焼ストーカ６からのごみをおき火燃焼させる後燃焼ストーカ７とを備えている。
ごみ押出機４は、ホッパシュート３の下部に設けられている。乾燥ストーカ５，燃焼ストーカ６，後燃焼ストーカ７は、炉体８内に収容され、この炉体８の上端には燃焼ガスを排出する排出口９が形成され、炉体８の側壁面には、冷却水供給口１０と、二次燃焼空気用送風機１１と、冷却水供給口１０と二次燃焼空気用送風機１１の間の三次燃焼空気用送風機１２とが配設され、炉体８の下端には助燃バーナ１３が配設されている。
【００１１】
炉体８の内部は、乾燥ストーカ５，燃焼ストーカ６，後燃焼ストーカ７の上方にある一次燃焼室１４と、二次燃焼空気用送風機１１付近の二次燃焼室１５と、二次燃焼室１５の上方の三次燃焼室１６と、三次燃焼室１６の上方のガス冷却室１７とで構成されている。
二次燃焼空気用送風機１１は炉体８の一次燃焼室１４の直上に設けられている。
二次燃焼空気吹込ノズル１１Ａは、二次燃焼室１５の上部側と下部側に設けられている。
二次燃焼空気吹込ノズル１１Ａの上流側には、酸素発生装置３０に連絡する酸素富化管路３１が取り付けられている。
酸素富化管路３１は、途中に調整バルブ３２を介装し、ガス蒸発器３３に連絡している。ガス蒸発器３３には、液体酸素３４が連絡している。本実施形態では、液体酸素３４とガス蒸発器３３とで構成されている。
【００１２】
調整バルブ３２は、バグフィルタ２４とファン２６との間に介装したＣＯ濃度計３５の測定値に基づいて開度が制御される。例えば、ＣＯ濃度の設定値を１０ｐｐｍとすると、ＣＯ濃度計３５による計測値が１０ｐｐｍを超える場合には、調整バルブ３２の開度を大きくして、酸素の供給量を増やし、ＣＯ濃度計３５による計測値が１０ｐｐｍを下回る場合には、調整バルブ３２の開度を小さくして、酸素の供給量を低減するという開度調整を常に行い、ＣＯ濃度計３５による計測値が１０ｐｐｍ以下となるように制御する。
二次燃焼空気吹込ノズル１１Ａより吹き込まれた二次燃焼空気は、炉体８の二次燃焼室１５の下部から上部に向かってほぼＳ字状（蛇行状）を描きながら縦方向に排ガスの上昇流と混合される。
【００１３】
炉体８の三次燃焼室１６，ガス冷却室１７付近の断面は円形状に構成され、図３に示すように、炉体８の三次燃焼室１６における壁面には、三次燃焼空気用送風機１２から空気が送られる複数の三次燃焼空気吹込ノズル１２Ａが所定の間隔で円周状に設けられている。
各三次燃焼空気吹込ノズル１２Ａの吹込方向は、それぞれ炉体８の壁面に対して所定の傾斜角度で、かつ炉体８の接線方向に対して同一傾斜角度となっており、炉体８内に二次燃焼空気の渦流を生成するようになっている。
なお、三次燃焼室１６の径が大きくなった場合、中心部の吹き抜け防止を行い、混合効率を高めるに、三次空気吹込ノズル１２Ａの吹込角度をそれぞれ変えると良い。
【００１４】
そして、空気供給管１８の一端は、ごみピット１９に接続され、その他端側は途中で分岐して、炉体８の乾燥ストーカ５の下部８Ａに接続する第１分岐管１８Ａ、燃焼ストーカ６の下部８Ｂに接続する第２分岐管１８Ｂ、後燃焼ストーカ７の下部８Ｃに接続する第３分岐管１８Ｃを構成している。
空気供給管１８の途中には、風量調整ダンパ１８Ｄと、一次燃焼空気用送風機２０と、一次燃焼空気温度調整ダンパ２０Ａとが設けられている。第１分岐管１８Ａの途中には一次燃焼空気振分け第１ダンパ２１Ａが、第２分岐管１８Ｂの途中には一次燃焼空気振分け第２ダンパ２１Ｂが、第３分岐管１８Ｃの途中には一次燃焼空気振分け第３ダンパ２１Ｃがそれぞれ設けられている。
【００１５】
また、炉体８の排出口９には、排出管２２が接続され、その途中に空気予熱器２３，バグフィルタ２４が順番に介装され、さらに、バグフィルタ２４の下流側にファン２６を介して煙突２７が連絡している。空気供給管１８の一次燃焼空気温度調整ダンパ２０Ａの両側部分には、空気予熱器２３を通る熱交換用空気管２５，２５が接続されている。空気予熱器２３を介して、排出管２２中の排ガスと、熱交換用空気管２５，２５内の一次燃焼空気が熱交換され、空気供給管１８内の一次燃焼空気が高温になるとともに排出管２２中の排ガスが冷却される。
【００１６】
次に、図１ないし図５に基づいてこのように構成されたごみ焼却炉による燃焼制御方法について説明する。
本実施形態においては、乾燥ストーカ５の下部８Ａに、燃焼ストーカ６の下部８Ｂに、後燃焼ストーカ７の下部８Ｃにそれぞれ高温の一次燃焼空気が吹き込まれ、ごみ供給量，一次燃焼空気量制御により、乾燥ストーカ５，燃焼ストーカ６，後燃焼ストーカ７上のごみが安定燃焼されて排ガスが生成され、この排ガスは炉体８内を上昇し、二次燃焼室１５内に至る。
通常、この排ガスの上昇流の流速は、約２〜３ｍ/ｓｅｃである。
一方、二次燃焼空気用送風機１１から一次燃焼空気に対応した量の二次燃焼空気が、その送風速度を排ガスの上昇流の流速の約６〜８倍程度にして、二次燃焼室１５内に吹き込まれ、二次燃焼室１５の下部において、乾燥ゾーンで発生する未燃ガスと燃焼ゾーンからの高温の燃焼ガスとを縦方向に混合し、急激な部分燃焼によるサーマルＮＯXの発生を抑制しながら未燃ガスの再燃焼を行う。
【００１７】
ここで、二次燃焼空気の吹込量は、一次燃焼空気量を１とすると、１：0.4 〜0.6 とされている。また、二次燃焼空気については、従来炉温冷却としての使用目的のため常温の空気が用いられていたのに対して、本実施形態においては、二次燃焼を主目的に二次燃焼空気を吹き込むので、二次燃焼空気も高温に設定され、二次燃焼をより効果的にしている。
また、二次燃焼空気の吹込速度は、酸素ガスを加えない状態で２５ｍ／ｓｅｃ程度となるよう設定した。
そして、二次燃焼空気の酸素濃度を２３％程度に富化することにより、排ガス中のＣＯ濃度を１０ｐｐｍ以下とした。
また、二次燃焼空気酸素富化量と排ガス中のＣＯ濃度および残存酸素の挙動を見ると、酸素富化により排ガス中の未燃分の酸化の促進が認められるが、二次燃焼空気の酸素濃度を２３％以上にしても末燃分の酸化はそれ以上進んでおらず、排ガス中の残存酸素量が増加していた。
さらに、二次燃焼により生成された排ガスは、一次燃焼により生成された排ガスとともに上昇し、三次燃焼室１６に至る。
【００１８】
一方、三次燃焼空気用送風機１２から複数の三次燃焼空気吹込ノズル１２Ａを介して三次燃焼空気が、その送風速度を二次燃焼空気の吹込風速の１．５〜２．５倍程度の値にして、三次燃焼室１６内に吹き込まれる。
ここで、三次燃焼空気の吹込量は、一次燃焼空気量を１とすると、１：0.3 〜0.4 とされている。
三次燃焼室１６内では、三次燃焼空気と、二次燃焼によってもまだ燃焼していない排ガス中の残留未燃ガスとの混合が促進される。
この場合、三次燃焼空気は常温とされ、排ガスに対する冷却をより効果的にしており、また、複数の三次燃焼空気吹込ノズル１２Ａを介して炉体８内へ常温の三次燃焼空気が渦巻くように吹き込まれるので、三次燃焼空気と排ガス中の残留未燃ガスとの混合の促進を効果的にしている。
かかる状態で、三次燃焼室１６にて、三次燃焼が促進される。
そして、一次燃焼，二次燃焼，三次燃焼により生成された排ガスは、ガス冷却室１７に導かれ、冷却水供給口１０から噴霧された冷却水により冷却され、排出口９に導かれ、さらに、排出管２２から空気予熱器２３を経て冷却され、バグフィルタ２４に至る。なお、炉温上昇時の炉温の冷却操作は、ごみ送り量の操作によって適切に制御されている。
【００１９】
以上の如き構成によれば、排ガス中の残留未燃ガスとの混合を促進するように一次燃焼空気に対応した量の二次燃焼空気が、炉体８内に縦方向に混合するように供給されるので、一次燃焼で生成された排ガス中の残留未燃ガスと高温の燃焼ガスとを緩やかに縦方向に混合し、急激な部分燃焼によるサーマルＮＯXの発生を抑制しながら未燃ガスの再燃焼が行われる。
したがって、排ガス中の未燃ガスの残存率を少なくしてごみをより完全燃焼させることができる。
特に、炉温低下時にも、二次燃焼空気が吹き込まれ、二次燃焼空気の供給量が一次燃焼空気量に対して対応した量となるので、二次燃焼空気の量が不足することなく、あるいは、混合用としての二次燃焼空気の風速を得ることができ、完全燃焼の達成に近くなり、例えば、ＣＯ濃度を低減することができる。
【００２０】
そして、一次燃焼で生成された排ガス中の残留未燃ガスを二次燃焼し、さらに、二次燃焼後の排ガス温度は、約８００℃〜９００℃となるため、二次燃焼した排ガス中に、三次燃焼空気を送り込み、再混合することにより、排ガス中の残留未燃ガスを再燃させることができる。
したがって、排ガス中の未燃ガスの残存率を少なくしてごみをより完全燃焼させることができる。
しかも、二次燃焼した排ガス中に残留未燃ガスがほぼ無くなったとしても、三次燃焼空気吹き込みによる冷却効果を得ることができる。したがって、炉体８のガス冷却室１７への冷却水の供給量を低減し、排ガス中の水分を低減し、ごみ焼却炉１から排出される白煙の量を少なくすることができる。
さらに、ダイオキシン対策として、例えば、既設のごみ焼却炉においても、炉体８の排出管２２の途中に設けた電気集塵器２４の入口の排ガス温度を約３００℃に設備設計した場合、これより低い例えば２５０℃〜２８０℃の目標値に制御しようとすれば、ガス冷却室１７の容量や冷却水供給口１０等からなる冷却水噴霧設備の改修が必要となる場合が多い。
【００２１】
また、二次燃焼空気を酸素富化することによって、炉温低下時においても、二次燃焼未燃ガス促進がなされので、ＣＯ低減、ダイオキシン類低減化ができる。
上記実施形態では、酸素富化を二次燃焼空気の管路に酸素を添加する方法により行ったが、本発明はこれに限らず、例えば、二次燃焼空気を導入する管路の酸素吹込口に酸素計を設け、二次燃焼空気の酸素濃度が２３％となるように制御しても良い。
また、酸素富化した二次燃焼空気の流速が、２３ｍ／ｓに限らず、２０〜２５ｍ／ｓであれば良い。
また、上記実施形態では、ガス冷却室を炉上に設置した場合について説明したが、ガス冷却室が炉上に設置されていない別置き型においても同様の効果が得られる。
【００２２】
（実験）
次に、本発明を実験によりさらに説明する。
実験概要
都市ごみ燃焼炉二次燃焼空気吹込ダクト中に高濃度の酸素ガスを添加することによって、二次燃焼空気の酸素富化実験を行った。酸素富化燃焼の導入には酸素発生装置を設置することが経済的であるが、ここでは液化酸素（酸素濃度９９．５％）を用いた。
実験に用いた燃焼炉は、ストーカ方式のガス冷炉上タイプの施設であり、排ガス処理施設にバグフィルタを用いるＡ施設と、電気集じん器を用いているＢ施設の２ヶ所で実施した。
実験に用いた施設のフローおよび排ガス測定点を図６、図７に示す。
また、二次燃焼空気吹込口から上部における二次燃焼室排ガス滞留時間は、Ａ施設・Ｂ施設共に約１ｓｅｃである。Ａ施設、Ｂ施設共に二次燃焼空気の吹込口の設計は、数個計算を用いたシミュレーション結果を反映させたものであり（長沢，宮田，古橋ほか：「数値計算を用いた焼却炉二次燃焼室排ガス混合シミュレーション」，第４回廃棄物学会研究発表会講演論文集，1993年）、同等の排ガス混合効果を持たせた設備である。
【００２３】
なお、二次燃焼室への酸素ガスの添加は、図８に示すように液体酸素をガス蒸発器にてガス化し、二次燃焼空気ダクトヘ混入させた。酸素ガス混入後の酸素濃度は酸素濃度計にて測定した。
Ａ施設にて酸素富化量と排ガス中のＣＯ濃度の挙動および排ガス中の残存酸素濃度、ＮＯXの挙助について調査し、二次燃焼空気への効果的酸素富化量の検討を基に、二次燃焼空気の酸素富化量を固定して連続運転を行い、ダイオキシン類の分解効果の確認を行った。
なお、ダイオキシン類の分解効果については、Ｂ施設においても同様の実験を行い、再現性の確認を行った。
【００２４】
実験結果および考察
酸素ガス（Ｏ2＝９９．５％）添加量と混合後の酸素濃度
二次燃焼空気量を一定にして、酸素ガスの添加量を圧力調整弁にて変化させ、酸素ガス混合後の二次燃焼空気中の酸素濃度を測定した。
この結果を図９に示す。二次燃焼室空気への酸素ガス添加量と、混合後の酸素濃度の関係は理論線と良く一致していた。
酸素ガス添加量と排ガス中のＣＯ濃度
吹込速度と酸素富化
焼却炉内は定常運転で、自動燃焼システムによりごみの供給・送り・一次燃焼空気量を管理し、安定燃焼状態を保持した運転を行っている（長沢，宮田，松藤ほか：「ファジィ制御を用いたごみ焼却炉自動燃焼システム」，第３回廃棄物学会研究発表会講演論文集，１９９２年）。
【００２５】
ごみ焼却炉に投入されたごみは、乾燥過程を経て、燃焼の初期段階から後段の高温燃焼過程へと移送されていく。燃焼の初期段階で発生する未燃ガスと後段からの高温燃焼ガスを混合し、未燃ガスの燃焼に必要な酸素を供給することにより、排ガス中の未燃分のほとんどを分解させることが、二次燃焼空気吹込の目的である。また、未燃焼ガスの二次燃焼を促進させることが、ダイオキシン低減化において非常に重要であることが知られている（L.P.Nelson,P.Schindler,J.D.Kilgroe:Deveropment of Good Combustion Practices to Minimize Air Emissions from Municipal Waste Combustors,ln Conference Proceedings of Internatiol Conference on Municipal Waste Combustion,pp 8A-61〜8A-80）。
そこで、二次燃焼室に吹込む空気の流速と、吹込空気の酸素濃度を変えて実験を行い、排ガス中ＣＯ農度の低減化に最も効果的な組合せの検討を行った。
【００２６】
測定結果を図１０に示す。
吹込風速を大きくして、混合効率を上げることによりＣＯ濃度は低減され、また酸素富化量を多くすることによってもＣＯ濃度は低減されていた。酸素富化量を大きくするとランニングコストが高くなり、酸素富化導入による経済的メリットが生じるので、吹込風速を２５ｍ／ｓｅｃ程度にして酸素富化量を最小限にすることが、効果的組合せであると考えられた。
【００２７】
酸素ガス添加と排ガス中の残存酸素、ＮＯｘ濃度
二次燃焼空気の吹込速度を、酸素ガスを加えない状態で２５ｍ／ｓｅｃ程度となるよう設定した後、酸素ガス富化量を増加させ、二次燃焼空気の酸素濃度を２１〜２５％程度まで変化した場合の排ガス中のＣＯ、残存酸素、ＮＯXの挙動について測定を行った。なお、酸素富化量を変化させたときの排ガス中のＣＯ濃度の経時変化を測定したところ、通常の空気のみで二次燃焼を行った場合、ＣＯ濃度が４０ｐｐｍ程度を中心に大きな変動をしていたものが、酸素富化を行うことによって低濃度で安定化した。
【００２８】
測定結果を図１１〜図１３に示した。
酸素富化量を変化させたときの二次燃焼空気酸素濃度と、排ガス中のＣＯ濃度の平均値を図１１に示した。
二次燃焼空気の酸素濃度を２３％程度に富化することにより、排ガス中のＣＯ濃度は１０ｐｐｍ以下となり、これ以上の酸素富化を行ってもＣＯ低減化には寄与していなかった。
このときの二次燃焼空気酸素濃度と排ガス中のＮＯX濃度の平均値を図１２に、残存酸素濃度の平均値を図１３に示した。
ＮＯXについては、酸素富化による影響は認められなかった。平均燃焼温度が８６０〜８８０℃の違い程度であったことから、二次燃焼空気酸素富化による異常高温燃焼が発生するほど未燃ガスが存在しないことに起因するものと考えられた。
また、二次燃焼空気酸素富化量と排ガス中のＣＯ濃度および残存酸素の挙動を見ると、酸素富化により排ガス中の未燃分の酸化の促進が認められるが、二次燃焼空気の酸素濃度を２３％以上にしても末燃分の酸化はそれ以上進んでおらず、排ガス中の残存酸素量が増加していた。従って、排ガス中の未燃分量に応じて、酸素富化の適正量が変わるものと考えられた。
【００２９】
酸素富化とダイオキシン類
二次燃焼空気の酸素富化による排ガス中の末燃分酸化促進効果が確認できたので、ダイオキシン類分解効果についての比較実験を行った。
Ａ施設、Ｂ施設において、二次燃焼空気として通常の空気のみを用いた場合と、二次燃焼空気に酸素ガスを添加し酸素濃度を２３％に調節した場合との比較実験を行った。
ここでは、他の運転条件を同等に管理した。Ａ施設・Ｂ施設共に燃焼方式は同じであるが、空気予熱器はＡ施設がプレートタイプで、Ｂ施設はチューブタイプである。また、排ガス処理設備では、Ａ施設・Ｂ施設共に乾式のＨＣｌ除去設備を用いているが、集じん器はＡ施設がバグフィルタ、Ｂ施設が電気集じん器を用いている。
Ａ施設・Ｂ施設の燃焼設備、ガス冷却設備は同等であるので、酸素富化を行った場合についての二次燃焼室ダイオキシン類分解効果を、ガス冷却室出口の測定結果にて比較検討することができる。
【００３０】
図１４に、Ａ施設・Ｂ施設のガス冷却室出ロダイオキシン頬濃度測定結果について、ＰＣＤＤｓ，ＰＣＤＦｓに区分して表示した。
Ａ施設・Ｂ施設共に、通常の空気を用いた場合に比ベ、酸素富化によるダイオキシン類低減化は約６０％であり、ＰＣＤＤｓ，ＰＣＤＦｓも共に同等の割合で低減化されていた。
この結果から、二次燃焼空気を酸素富化することにより、ダイオキシン類の分解が促進されたと考えられ、発生防止に効果があることが確認できた。
また、Ａ施設で得られた低減効果が、別のＢ施設においても同等であったことより、再現性の確認ができた。
また、Ａ施設のガス冷却室出口〜バグフィルタ出口間のダイオキシン類濃度測定結果を図１５に、Ｂ施設の同様の比較実験結果を図１６に示した。
Ａ施設・Ｂ施設共に空気予熱器では、再合成によるダイオキシン類の増加が認められ、Ａ施設のプレート式よりＢ施設のチューブ式の方が再合成が非常に多くなっていた。これは、ガス側の熱交表面のダスト付着量がダスト除去機構の差により、プレート式の方が非常に少ないことに起因しているのではないかと考えられた。
【００３１】
排ガス処理過程では、Ａ施設のバグフィルタはダスト分離能力が高く、フィルタ表面のダスト層での吸着効果も期待できるので、入口より出口が大幅に低くなっている。これに対し、Ｂ施設の電機集じん器では、再合成による増加が大きくなっている。
ここで、共通していることは、熱回収過程・排ガス処理過程での施設の違いによるダイオキシン類再合成の差であっても、二次燃焼空気に酸素富化してダイオキシン頬の分解効率を高くすると、後工程の濃度も確実に低減されていることである。発生源の低減化が、焼却炉から排出されるダイオキシン類の低減化に大きな効果があることが確認できた。
【００３２】
まとめ
二次燃焼空気の酸素富化実験により、以下の知見が得られた。
１）酸素富化により、酸素濃度を高くするよりも二次燃焼空気の流速を速くして混合を優先させることが、ＣＯ低減化に効果的であり、さらに酸素富化して２３％濃度にすることがより効果的であった。
２）適性酸素富化量は、排ガス中の末燃分量により、変わることが考えらた。
３）排ガス中の未燃分量が少ない場合、酸素富化によるＮＯx濃度への悪影響はほとんどなかった。
４）二次燃焼空気の酸素富化により、発生ダイオキシン類の低減化ができ、後工程の設備の違いにより再合成はあるものの、排出ダイオキシン類量の低減化に効果的であることが確認できた。
酸素富化燃焼は、設備のコンパクト化・有害ガスの低減化・エネルギーの有効利用といった多面的での効果が期待されるものであり、溶融等の高温燃焼場では、より有効な技術として発展するように思われる。
【００３３】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば、ごみ焼却炉の二次燃焼室に吹込む二次燃焼空気のみを酸素富化することによって、二次燃焼室での未燃ガスやダイオキシン類の分解効率を高めることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の一実施形態に係るごみ焼却炉の二次燃焼方法を示す説明図である。
【図２】 図１の実施形態に係るごみ焼却炉の構成図である。
【図３】 図２の炉体の三次燃焼空気吹込ノズルを示す炉体の断面図である。
【図４】 図１の実施形態に係るごみ焼却炉の概要を示す斜視図である。
【図５】 図１の実施形態に係るごみ焼却炉のシステム概要図である。
【図６】 実験に用いた施設のフローおよび排ガス測定点を示す説明図である。
【図７】 実験に用いた施設のフローおよび排ガス測定点を示す説明図である。
【図８】 実験に用いた施設のフローおよび二次燃焼室への酸素ガスの添加を示す説明図である。
【図９】 酸素ガス添加量と酸素ガス混合後の二次燃焼空気中の酸素濃度を測定した結果を示すグラフである。
【図１０】 二次燃焼室に吹込む空気の流速と、吹込空気の酸素濃度を変えて実験を行い、排ガス中ＣＯ農度の低減化に最も効果的な組合せの検討を行った測定結果を示すグラフである。
【図１１】 酸素富化量に対する排ガス中のＣＯ濃度の平均値を示すグラフである。
【図１２】 酸素富化量に対する排ガス中のＮＯx濃度の平均値を示すグラフである。
【図１３】 酸素富化量に対する排ガス中の残存酸素濃度の平均値を示すグラフである。
【図１４】 ガス冷却室出口ダイオキシン類濃度を示すグラフである。
【図１５】 Ａ施設の酸素富化によるダイオキシン類低減化効果比較実験を示すグラフである。
【図１６】 Ｂ施設の酸素富化によるダイオキシン類低減化効果比較実験を示すグラフである。
【図１７】 酸素富化燃焼の経済性を示すグラフである。
【符号の説明】
１ ごみ焼却炉
５ 乾燥ストーカ
６ 燃焼ストーカ
７ 後燃焼ストーカ
８ 炉体
１４ 一次燃焼室
１５ 二次燃焼室
１６ 三次燃焼室
２４ バグフィルタ
２７ 煙突
３０ 酸素発生装置
３１ 酸素富化管路
３２ 調整バルブ
３３ ガス蒸発器
３４ 液体酸素
３５ ＣＯ濃度計
Claims (1)
- 燃焼室に一次燃焼空気を供給してごみを燃焼させ、排ガスを燃焼室に続く炉体に導き、燃焼室で発生する排ガス中の残留未燃ガスを燃焼するに当たり、
炉体内で一次燃焼空気の０．４〜０．６倍の量の二次燃焼空気を残留未燃ガスを含む排ガス中に供給して鉛直面内の旋回流を生じさせることにより混合し、
さらに、一次燃焼空気の０．３〜０．４倍の量の三次燃焼空気を二次燃焼空気の風速の１．５〜２．５倍の風速で残留未燃ガスを含む排ガス中に供給して水平面内の旋回流を生じさせることにより混合するごみ焼却炉の二次燃焼方法において、
炉体の燃焼室の後段に位置するガス冷却塔の下流側に、空気予熱器、バグフィルタ、ファンおよび煙突が順に排ガス通路を介して配するとともに、バグフィルタとファンとの間の排ガス通路に、ＣＯ濃度計を介装し、
炉体に二次燃焼空気を導入する管路に、酸素発生装置に連絡する酸素富化管路を割り込ませ、酸素富化管路に、ＣＯ濃度計の測定値に基づいて、バグフィルタ出口排ガス中のＣＯ濃度が１０ｐｐｍ以下になるように制御する調整バルブを介装するとともに、酸素富化管路の割り込み部より下流の二次燃焼空気を導入する管路に、酸素計を設け、
バグフィルタ出口排ガス中のＣＯ濃度が１０ｐｐｍを下回る場合には、調整バルブの開度を小さくして酸素の供給量を低減し、バグフィルタ出口排ガス中のＣＯ濃度が１０ｐｐｍを超える場合には、酸素計の酸素濃度測定値が２３％を超えないよう設定される酸素富化管路の酸素の供給流最上限まで調整バルブの開度を大きくして酸素の供給量を増やすことで、二次燃焼空気の酸素富化量を制御する
ことを特徴とするごみ焼却炉の二次燃焼方法。
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