JP5067653B2

JP5067653B2 - 加圧焼却炉設備及びその運転方法

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Publication number: JP5067653B2
Application number: JP2006201745A
Authority: JP
Inventors: 修一落; 善三鈴木; 均木原; 和由寺腰; 英和長沢
Original assignee: Sanki Engineering Co Ltd; Public Works Research Institute; National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST; Tsukishima Kikai Co Ltd
Current assignee: Sanki Engineering Co Ltd; National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST; Tsukishima Kikai Co Ltd; National Research and Development Agency Public Works Research Institute
Priority date: 2006-07-25
Filing date: 2006-07-25
Publication date: 2012-11-07
Anticipated expiration: 2026-07-25
Also published as: JP2008025965A

Description

本発明は、加圧焼却炉設備、詳しは被処理物を加圧下で燃焼し、この燃焼により発生した排ガスにより駆動されるガスタービンを備え、ガスタービンによって圧縮機が駆動され、この圧縮機の駆動によって生成された圧縮空気を流動床の焼却炉内に供給する構成とされた加圧焼却炉設備及びその運転方法に関する。

バイオマスや下水汚泥等の可燃性廃棄物の焼却において、焼却物の持つエネルギーを有効に取り出すための手段の１つとして、加圧流動焼却方法がある。
これを図４に基づいて説明する。図４は、発電用ガスタービンを運転するための従来の発電用加圧式流動床燃焼設備を示す。
図４において、発電用ガスタービンを運転するための従来の発電用加圧式流動床燃焼設備は、被処理物Ｐを燃焼させる流動床式の焼却炉１と、この燃焼により発生した排ガスＧによって駆動されるタービン６ｂ及びこのタービン６ｂによって駆動され、焼却炉１内に供給する圧縮空気Ａを生成するコンブレッサ６ａを有するガスタービンエンジン６を備えている。

焼却炉１には、粉体状の石炭（発電ボイラーの場合）、バイオマス、都市ゴミや下水汚泥の脱水ケーキ等の被処理物Ｐを供給する供給器２と、内部を徐々に昇温させる昇温バーナ３とを備えている。昇温バーナ３と焼却炉１の下部の燃料供給口とには、燃焼のための燃料を供給する補助燃料供給設備４が連絡している。また、焼却炉１には、圧縮空気Ａが調整弁１１を介して１次空気用として炉内に吹き込まれ、圧縮空気Ａの充填により、焼却炉１内は、加圧されるようになっている。この加圧下で、被処理物Ｐが投入されると、吹き上げられる圧縮空気Ａに起因して高速で流動する砂などの流動媒体によって激しく混合・攪拌され、被処理物Ｐは焼却される。

焼却炉１では被処理物Ｐが加圧下で燃焼され、この燃焼により発生した排ガスＧを駆動ガスとしてタービン６ｂを駆動させるようになっている。タービン６ｂには、コンブレッサ６ａが連結されている。コンプレッサ６ａはタービン６ｂの駆動にともなって、駆動されるようになっており、コンブレッサ６ａにはエアフィルタ８を通した空気が供給されるようになっている。そして、このタービン６ｂによって駆動されたコンブレッサ６ａの駆動によって生成された圧縮空気Ａは、空気供給路１２に設けた調整弁１１を介して送られる。このようにして焼却炉１内には、コンブレッサ６ａによって加圧された高圧の圧縮空気Ａが供給されるので、炉内では常圧よりも高圧の状態（加圧下）で被処理物Ｐが燃焼されることになる。ガスタービンエンジン６は、回転軸を介して起動用電動機兼発電機７と連絡している。起動用電動機兼発電機７は、ガスタービンエンジン６を動作させるため、コンプレッサ作用により空気を圧縮する必要があるため、起動用電動機兼発電機７をそれに供給される電力により回転させ初期駆動される。ガスタービンエンジン６のコンプレッサ６ａは、空気フィルタ８と連絡している。

焼却炉１内は高圧・高温であることから高圧・高温状態のまま排ガスＧが排ガス流路１３を介して排気される。この排ガスＧは、集塵機５に送られる。この集塵機５は、排ガスＧ中の煤塵を除去するためのものである。この集塵機５を設置しないと、排ガスＧ中の煤塵がタービン６ｂに入り込み，タービン６ｂを損傷させ又はタービンに付着し、安定した運転を妨げる慮があり、それを防ぐためのものである。

集塵機５において煤塵の除去された清浄ガス（排ガス）Ｇは、駆動ガスとしてタービン６ｂを駆動させ、圧力（膨張）エネルギーが回収される。その後、排ガス流路１３を介して排ガス処理設備９に送られ、排ガス処理設備９に送られた清浄ガス（排ガス）Ｇは煙突１０から大気放出されるものである。タービン６Ｂの下流側には、タービン６ｂの高温排気からさらにエネルギー回収して総合熱効率を高めるため、廃熱ボイラ（またはガスタービン発電機あるいは蒸気発生ボイラまたは蒸気タービン発電機）１４が設けられている。

次に、図４の発電用ガスタービンを運転するための従来の発電用加圧式流動床燃焼設備の作用を説明する。
定常運転時において、ガスタービンエンジン６のガスタービン６ｂが排ガスで駆動され、同軸に固定されたコンプレッサ６ａの回転により吸い込まれた空気は、ガスタービンエンジン６のコンプレッサ６ａで昇圧され、焼却炉１に送風される。焼却炉１には、通常、粉体状の石炭（発電ボイラーの場合、焼却炉では焼却物）が供給器２から供給され、燃焼する。焼却炉１の排ガスＧは高温の加圧排ガスとなり、排ガス流路１３を介して集塵機５に導かれ、排ガス中の塵埃を取り除かれた後、排ガス流路１３を介してガスタービンエンジン６のガスタービン６ｂに導びかれ、ガスタービンエンジン６のガスタービン６ｂを駆動する。ガスタービンエンジン６のガスタービン６ｂの回転力は、通常このタービン軸に直結されたガスタービンエンジン６のコンプレッサ６ａを駆動し、空気を昇圧する。このコンブレッサ６ａの駆動によって生成された圧縮空気Ａは、空気供給路１２に設けた調整弁１１を介して焼却炉１に送られる。そして、タービン６ｂの下流側で、廃熱ボイラ１４によって蒸気を発生させて各種の用途に使用している。

以上の説明のように、図４の設備は、全体として内燃機関の構成となっており、焼却炉１は発電ガスタービンや、航空機用ガスタービンにおける燃焼缶に当たる作用を受け持っている。タービン６ｂを通過した高温排ガスは、タービン６ｂで圧力エネルギーを放出し、低圧の排ガスとなるが、温度は断熱膨張により多少低下しただけで依然温度大きな温度エネルギーを保有している。このため、この排気熱を有効に活用する廃熱ボイラ１４が熱利用設備に利用されている。また、この廃熱で蒸気ボイラ１４を運転し高圧蒸気を得て、蒸気タービンを駆動・発電するハイブリッド発電を行う場合もある。この場合、最大限の電力エネルギーを設備から取り出すことが可能と考えられる。

しかしながら、図４に示す方式では、ガスタービンエンジン６のタービン６ｂ部分で圧力開放され運動エネルギーを回収された高温の排ガス中には熱エネルギーが残存し、このエネルギーを有効に利用するとエネルギー回収効率の高い設備とすることができる。特に、廃熱ボイラ１４による蒸気発生により蒸気タービンを駆動させ動力エネルギーを回収することが可能であることはすでに述べたが、このようなシステムでは２種類のタービン機関を設けるなど設備が複雑となり、その割には回収エネルギーが少なく小規模な設備では経済的に成り立たない。

また、このような設備では、通常の流動床炉が電動機駆動の送風機・排風機を必要とするのに比べ、送風機動力を自己発生エネルギーで賄い消費電力量を大幅に節約するだけでなく、余剰のエネルギーをガスタービン機関の軸動力として取リ出し、発電することも可能である。このため、廃棄物焼却においてエネルギー回収をする手段として有望な技術であるが、前述のように加圧流動床焼却炉自体だけでなく、ガスタービン発電機や、蒸気発生ボイラ、蒸気タービン発電機の組み合わせとなり、設備が複雑になり必然的に建設コストの高いものとなる。

そこで、本発明者は、図４に示す発電用ガスタービンを用いた加圧焼却炉設備の問題点を解決するため、ガスタービンエンジン（発電用ガスタービン）６の代わりに標準化され大量に市場供給されている内燃機関用の過給機（ターボチャージャ：ＴＣ）を利用することによって、経済的な加圧焼却炉設備を得ることを見出した。これを図５により説明する。

図５は、過給機を用いた通常型加圧焼却装置の概念フローシートを示す。
図５の過給機を使用した加圧式流動床燃焼設備は、図４に示すような本格的なガスタービンエンジン６の代わりに市場で安価に供給されている過給機（ターボチャージャ：ＴＣ）１５を使用している。これにはガスタービンエンジン６を起動するための起動用電動機７が装備されていない。このため、過給機１５のタービン１５ｂの起動は、過給機１５の圧縮機１５ａの空気吸込口上流に設けた起動用送風機１７からの送風により行う。

図５において、過給機１５の圧縮機１５ａの空気吸込口上流に起動用送風機１７が配置されている。焼却炉１には過給機１５の圧縮機１５ａを通じて空気供給路１２を介して圧縮空気Ａを送風し、焼却炉１で昇温された排ガスＧは排ガス流路１３を介して再度過給機１５のタービン１５ｂに導かれる構成としている。
過給機１５が定常運転となった後に起動用送風機１７を通じて空気を吸い込むと、空気の吸い込み抵抗が発生して過給機１５の性能低下を招くため、空気フィルタ８と過給機１５の間をバイパスさせ、起動用送風機１７を迂回して空気を吸い込めるようにバイパス管１９及びバイパス弁２０を配置している。

バイパス弁２０の制御機構としては、１）一方通行型のチャッキ弁により、起動用送風機１７が吸入抵抗要因になった場合、自動的にこの抵抗圧でチャッキ弁が開く方式、２）電気的に圧力を検出して、強制的にバイパス弁２０を開く方式が使用できる。
なお、集塵機５の上流側に熱交換器からなる空気予熱器１６が配置されている。過給機１５の圧縮機１５ａと焼却炉１とを連絡する空気供給路１２には、圧空利用設備２１が調整弁２２を介して配置され、その上流側に空気予熱器１６が配置されている。また、空気供給路１２を介して供給される圧縮空気Ａが下部の調整弁１１を介して１次空気用として炉内に吹き込まれ、その残部が上部の調整弁１８を介して２次空気用として吹込まれるようになっており、圧縮空気Ａの充填により、焼却炉１内は、加圧されるようになっている。この加圧下で、被処理物Ｐが投入されると、吹き上げられる圧縮空気Ａに起因して高速で流動する砂などの流動媒体によって激しく混合・攪拌され、被処理物Ｐは焼却されるものである。なお、調整弁１１と調整弁１８により焼却炉１内に供給する圧縮空気Ａの量が調節されている。

そして、このタービン１５ｂによって駆動されたコンブレッサ１５ａの駆動によって生成された圧縮空気Ａは、空気供給路１２の途中に設けた空気予熱器１６に送られる。この空気予熱器１６において、圧縮空気Ａは予熱され、高温・高圧の圧縮空気（燃焼用空気）Ａとして空気供給路１２から調整弁１１と調整弁１８とに分岐する供給路に送られる。このようにして加庄流動床焼却炉１内には、コンブレッサ１５ａによって加圧された高圧の圧縮空気Ａが供給されるので、炉内では常圧よりも高圧の状態（加圧下）で被処理物Ｐが燃焼されることになる。

図５の加圧焼却炉設備では、焼却炉１には過給機１５の圧縮機１５ａを通じて空気供給路１２を介して圧縮空気Ａを送風し、焼却炉１で昇温された排ガスＧは排ガス流路１３を介して再度過給機１５のタービン１５ｂに導かれる構成としている。これにより、過給機１５の始動用の起動用送風機１７は全体の焼却炉１を始動時に昇温するために必要な燃焼（焼却炉内昇温バーナ３で行う）を維持できるだけの空気を設備に供給するのみでよくなり、加圧状態での焼却を維持するための送風機と比較して小吐出量、圧力、動力の送風機で起動可能となる。

次に、図５の加圧焼却炉設備の立上げ方法を説明する。
１）起動用送風機１７を運転開始すると、起動用送風機１７からの空気は過給機１５の圧縮機１５ａを通じて空気供給路１２を介して圧縮空気Ａが焼却炉１に供給された後、排ガスＧとなって、空気予熱器１６、集塵機５を通り、過給機１５のタービン１５ｂを通過し、タービン１５ｂを駆動した後、排出される。

２）この時、過給機１５の圧縮機１５ａへの通風と、焼却炉１を通過した排ガスＧのタービン１５ｂへの通風により過給機１５のロータに回転力が発生する。これにより、圧縮機１５ａはその回転数に応じて空気を昇圧する。
３）この状態で、昇温バーナ３を運転すると、排ガスＧは次第に昇温され、これにつれてタービン１５ｂの入口ガス温度が上昇し、よって排ガス容積が膨張し、タービン１５ｂの駆動力が増加する。

４）焼却炉１の温度が上昇するに従って、排ガス流路１３を流れる排ガス温度が上昇し、排ガスＧの体積が増加すると、タービン１５ｂのガス通過速度が加速され次第にタービン１５ｂの回転は増加する。
５）タービン１５ｂの回転数の増加に従って、焼却炉１の内圧が上昇するとともに通風量も増加するため、これに応じて昇温バーナ３への供給燃料量を増加させると、さらにタービン１５ｂの回転数が上がり、排ガス流路１３の温度、又は送風量を検知して燃料量を増減することにより安定な運転を維持することができるようになる。そして、焼却炉１の温度が所定の焼却温度（通常８００℃〜１０００℃程度）になる。従って、タービン１５ｂは所定の回転数となり、焼却炉１への圧縮空気Ａは所定圧力及び風量を得ることができる。なお、この時点で起動用送風機１７は停止することが可能となる。

６）排ガス温度、焼却炉１の圧力が所定の状態になった時点で、起動＋昇温運転は完了となるので、以後焼却物を徐々に投入し、昇温バーナ３用補助燃料を絞って行き、運転のバランスを取る。その後、被処理物Ｐを焼却炉１に投入開始し、必要ならば補助燃料を添加して、炉内温度を所定温度に維持することにより、運転を継続できる。
以上のように、図５の加圧焼却炉設備によれば、起動用送風機１７と過給機１５の圧縮機１５ａが同一ラインに直列に配置されているため、起動時のラインの切替操作が不要となり、起動操作、設備が簡素化されるだけでなく、起動用送風機１７で発生させた圧縮空気Ａの運転エネルギーは過給機１５の圧縮機１５ａを通過時及び焼却設備を経由し過給機１５のタービン１５ｂ内を通過時、ともに過給機１５のロータに回転力を発生させるため、動力エネルギー回収が行われ、より小容量の起動用送風機１７で起動可能となる。また、加圧焼却炉設備では、その排ガスＧの保持エネルギーで過給機１５を駆動するため、焼却対象物の保有熱量の変動などにより、炉内温度が低下し一時的に運転が不安定になることがある。この場合、通常は補助燃料の量を制御することで安定運転を維持可能であるが、この加圧焼却炉設備では、起動用送風機１７による過給機供給空気の与圧力を制御することにより、安定な運転を維持することが可能で、補助燃料を使用しない運転制御が可能となる。すなわち、起動用送風機１７を炉内圧力維持のための昇圧装置（ブースタ）として作用させることにより、安定な運転を維持させることが可能となる。また、設備の起動後（起動送風機１７の停止時）の過給機１５単独による送風時に、空気吸入側に直結した起動送風機１７による吸い込み抵抗を減らし、エネルギーロスを減じることができる。
特開２００２−３９５１７号公報特開２００６−８１１号公報

しかし、図５の加圧焼却炉設備では、本格的なガスタービン機関の代わりに市場で安価に供給されている過給機１５を使用するので、運転圧力も２〜４Ｋｇ／ｃｍ²程度と、通常のガスタービン機関に比べて大幅に低い圧力で運転し、余剰エネルギーは加圧空気で回収することにより大幅に設備の簡素化をはかることができるが、エネルギー回収率は相対的に低いきらいがある。

本発明は、斯かる従来の問題点を解決するために為されたもので、その目的は、より簡素な設備によりタービン排気の熱エネルギーを回収できるようにした加圧焼却炉設備及びその運転方法を提供することにある。

請求項１に係る発明は、冷却状態から始動するため炉内部を徐々に昇温する昇温バーナを備えた加圧式流動床焼却炉と、前記加圧式流動床焼却炉から排出される高温排ガスを煙突へ導く排ガス流路と、前記加圧式流動床焼却炉へ向け圧縮空気を、燃焼用空気及び流動媒体を吹き上げて混合攪拌する流動空気として導入する空気供給路と、前記排ガス流路にタービンを、前記空気供給路に前記タービンと同軸で連結したコンプレッサをそれぞれ位置させて、高温排ガスのエネルギを利用して圧縮空気の生成と送風のみを行う過給機とを備えた加圧式流動床焼却炉設備において、前記過給機タービン下流の排ガス流路に廃熱蒸気ボイラを設けるとともに、前記廃熱ボイラで発生する蒸気を前記過給機のタービン入口上流の排ガス流路に排ガスと混合するために切替弁機構を設けて蒸気吹込み点で吹き込む蒸気供給路を設け、さらに、前記排ガス流路の前記タービンの上流で且つ前記蒸気吹込み点より上流に接続し且つ前記コンプレッサ下流の空気供給路を接続する、高温排ガス及び圧縮空気を間接熱交換する空気予熱器を備え、前記加圧式流動床焼却炉の排ガス出口と前記空気予熱器の間の排ガス流路に、切替弁機構を介して前記蒸気供給路から前記廃熱ボイラで発生する蒸気を吹き込むことを特徴とする。

請求項２に係る発明は、請求項１に記載の加圧式焼却炉設備において、前記蒸気供給路に、前記加圧式焼却炉内と連絡する切替弁機構を設けて成ることを特徴とする。
請求項３に係る発明は、請求項１または請求項２に記載の加圧式焼却炉設備において、前記廃熱ボイラにボイラ昇温バーナを設けて成ることを特徴とする。
請求項４に係る発明は、請求項１乃至請求項３の何れか記載の加圧式焼却炉設備において、前記過給機のタービン入口上流に起動用燃焼缶を設けて成ることを特徴とする。

請求項５に係る発明は、冷却状態から始動するため炉内部を徐々に昇温する昇温バーナを備えた加圧式流動床焼却炉と、前記加圧式流動床焼却炉から排出される高温排ガスを煙突へ導く排ガス流路と、前記加圧式流動床焼却炉へ向け圧縮空気を、燃焼用空気及び流動媒体を吹き上げて混合攪拌する流動空気として導入する空気供給路と、前記排ガス流路にタービンを、前記空気供給路に前記タービンと同軸で連結したコンプレッサをそれぞれ位置させて、高温排ガスのエネルギを利用して圧縮空気の生成と送風のみを行う過給機と、前記排ガス流路の前記タービンの下流に位置する廃熱蒸気ボイラと、前記廃熱蒸気ボイラから発生する蒸気を導く蒸気供給路とを備えた加圧式流動床焼却炉設備の運転方法において、冷却状態から炉内部を徐々に昇温する昇温バーナを運転する始動時に、前記タービンを出た排ガスによって前記廃熱ボイラで発生する蒸気を前記タービン入口上流の排ガス流路に吹き込むことでタービン出力を高め、前記加圧式流動床焼却炉の定常運転への時間を短縮することを特徴とする。

請求項６に係る発明は、冷却状態から始動するため炉内部を徐々に昇温する昇温バーナを備えた加圧式流動床焼却炉と、前記加圧式流動床焼却炉から排出される高温排ガスを煙突へ導く排ガス流路と、前記加圧式流動床焼却炉へ向け圧縮空気を、燃焼用空気及び流動媒体を吹き上げて混合攪拌する流動空気として導入する空気供給路と、前記排ガス流路にタービンを、前記空気供給路に前記タービンと同軸で連結したコンプレッサをそれぞれ位置させて、高温排ガスのエネルギを利用して圧縮空気の生成と送風のみを行う過給機と、前記排ガス流路の前記タービンの下流に位置する廃熱蒸気ボイラと、前記廃熱蒸気ボイラから発生する蒸気を導く蒸気供給路とを備えた加圧式流動床焼却炉設備の運転方法において、前記過給機タービン下流に設けたボイラ昇温バーナ付き廃熱ボイラにて前記加圧式焼却炉設備の起動の前に蒸気を発生させ、この蒸気で前記過給機を始動させることを特徴とする。

請求項７に係る発明は、冷却状態から始動するため炉内部を徐々に昇温する昇温バーナを備えた加圧式流動床焼却炉と、前記加圧式流動床焼却炉から排出される高温排ガスを煙突へ導く排ガス流路と、前記加圧式流動床焼却炉へ向け圧縮空気を、燃焼用空気及び流動媒体を吹き上げて混合攪拌する流動空気として導入する空気供給路と、前記排ガス流路にタービンを、前記空気供給路に前記タービンと同軸で連結したコンプレッサをそれぞれ位置させて、高温排ガスのエネルギを利用して圧縮空気の生成と送風のみを行う過給機と、前記排ガス流路の前記タービンの下流に位置する廃熱蒸気ボイラと、前記廃熱蒸気ボイラから発生する蒸気を導く蒸気供給路とを備えた加圧式流動床焼却炉設備の運転方法において、前記過給機タービン下流に設けたボイラ昇温バーナ付き廃熱ボイラにて前記加圧式焼却炉設備の起動の前に蒸気を発生させ、この蒸気で前記過給機を始動させるとともに、前記過給機のタービン入口上流に設けた起動用燃焼缶にて前記過給機のタービン入口側のガス温度を高めて前記過給機の始動を早めることを特徴とする。

本発明によれば、簡素な設備により過給機のタービン排気の熱エネルギーを回収することが可能となる。

以下、図面を参照して本発明に係る加圧焼却炉設備の実施形態について説明する。
図１は、本発明の第一実施形態に係る加圧焼却炉設備を示す。本実施形態に係る加圧焼却炉設備は、図５の加圧焼却炉設備に、廃熱ボイラ２３を設け、過給機１５の排ガス（低圧高温の排ガス）を廃熱ボイラ２３に導き、排ガスから熱エネルギーを回収して水蒸気を発生させ、過給機１５のタービン１５ｂ上流に吹き込むことにより、タービン１５ｂの通過ガス量を増量させてタービン１５ｂの出力の増強を図るものである。具体的には、廃熱ボイラ２３に蒸気供給路２４を設け、この蒸気供給路２４に、過給機１５のタービン１５ｂの直上の排ガス流路１３に水蒸気を吹き込むための切替弁機構２５と、空気予熱器１６と流動床式の焼却炉１とを連絡する空気供給路１２（焼却炉１の空気吹込口）に水蒸気を吹き込むための切替弁機構２６と、焼却炉１の内部に水蒸気を吹き込むための切替弁機構２７と、焼却炉１の直後の排ガス流路１３（焼却炉１の出口）に水蒸気を吹き込むための切替弁機構２８とを設けている。

廃熱ボイラ２３から発生する蒸気の圧力は、焼却炉１の運転圧力より高い必要があるが、本実施形態では、２〜４ｋｇ／ｃｍ²程度と比較的低いため、同程度の圧力の蒸気を発生させればよい。この蒸気はタービン１５ｂ出口の残圧により過熱状態であり、それを過給機１５のタービン１５ｂ上流に切替弁機構２５，２６，２７，２８によって吹き込むことにより、タービン１５ｂを通過するガス量を増大させ、タービン１５ｂの出力を増やすことができる。

本実施形態では、蒸気の吹込位置を変えることによりプロセス運転上、様々な特性を得ることが可能となり、焼却炉１の使用目的によって選択できる。
次に、本実施形態に係る加圧焼却炉設備の作用を説明する。
１）起動用送風機１７を運転開始すると、過給機１５の圧縮機１５ａを通じて焼却炉１に送風される。

２）この時、過給機１５の圧縮機１５ａへの通風と、焼却炉１を通過した排ガスのタービン１５ｂへの通風により過給機１５のロータに回転力が発生する。これにより、圧縮機１５ａはその回転数に応じて空気を昇圧する。
３）焼却炉１の昇温バーナ３を起動し、焼却炉１及び排ガス系統の管路内空気、管路及び装置を昇温させる。

４）焼却炉１の温度が上昇するに従って、排ガスＧの温度が上昇し、排ガスＧの容積が増加すると、タービン１５ｂのガス通過速度が加速され次第にタービン１５ｂ回転は増加する。
５）タービン１５ｂ回転数の増加に従って、焼却炉１の内圧が上昇するとともに通風量も増加するため、これに応じて昇温バーナ３への供給燃料量を増加させると、さらにタービン１５ｂ回転数が上がってくるので、排ガスＧの温度、又は送風量を検知して燃料量を増減することにより安定な運転を維持することができるようになる。なお、この時点で起動用送風機１７は停止することが可能となる。

６）排ガス温度、炉内圧力が所定の状態になった時点で、起動＋昇温運転は完了となるので、以後焼却物を徐々に投入し、昇温バーナ用補助燃料を絞って行き、運転のバランスを取る。
７）一方、過給機１５のタービン１５ｂを通過した低圧高温の排ガスＧは、廃熱ボイラ２３で回収され蒸気を発生させた後、排ガス処理設備９にて処理され煙突１０から大気中に排出される。

８）廃熱ボイラ２３で発生した水蒸気は、切替弁３０を介して蒸気利用段備２９に供給される他、過給機１５のタービン１５ｂの上流部に設けた切替弁機構２５，２６，２７，２８を通じて吹き込まれ、タービン１５ｂの出力増加に寄与する。
９）このとき、蒸気の吹込位置により、プロセスに与える効果が異なるため、目的により選択する。以下、順に説明する。

切替弁機構２５を開いて廃熱ボイラ２３で発生した蒸気を過給機１５のタービン１５ｂの入口側直近に吹き込む方法について説明する。
廃熱ボイラ２３で発生させた蒸気の吹い込みを過給機１５のタービン１５ｂ入口とすることにより、蒸気吹き込みによる排ガス流路１３の通過排ガス量の増大を防ぎ、空気予熱器１６および集塵機５での圧力損失増加、あるいは装置の大型化を抑制しつつタービン１５ｂ出力を高める方法でもっとも簡便な方法である。

切替弁機構２６を開いて廃熱ボイラ２３で発生した蒸気を焼却炉１に燃焼用空気ともに吹き込む方法について説明する。
これは、焼却物の種類・カロリーの変動幅が大きく焼却炉１に吹き込む空気の必要量が燃焼に必要な空気量を大幅に上回る事態が発生する場合に有効な方法である。即ち、焼却炉１の形式が流動床などの場合、焼却物のカロリーが低く燃焼に必要な空気量は比較的少ないが、流動床を維持するために必要な吹込ガス量（通常スペースレートとして規定される流動床内の空塔速度に比例）が比較的大きくなる場合がある。このような場合は、通常は必要以上に空気を吹き込み、空塔速度を維持し、大過剰空気状態での焼却運転を余儀なくされる。その結果、必要以上に空気を吹き込むため、それに応じて余剰圧縮空気の収量が減少し、他用途への利用が制限される。本実施形態では、焼却炉１に蒸気を吹き込むことにより、必要空塔速度を維持するとともに、過給機１５のタービン１５ｂヘのガス量も維持することが可能となる。

切替弁機構２７を開いて廃熱ボイラ２３で発生した蒸気を焼却炉１内部に吹き込む方法について説明する。
この場合は、排ガス系に蒸気を吹き込み、排ガス量を増加させて過給機１５のタービン１５ｂの出力を増大させる目的以外に以下の作用効果が期待できる。
蒸気を焼却炉１内に吹き込む効果としては、流動床の維持及び燃焼のため必要な空気量を吹込ながら、焼却炉１内に直接蒸気を吹き込むことにより焼却炉１内に強い乱流を発生させて、低空気比燃焼時の不完全燃焼を回避させる効果が期待できる。特に、含窒素有機質を焼却時に発生する窒素酸化物（ＮＯｘ）を抑制するためには低空気比での燃焼が効果的であるが、過剰空気の少ない状態での燃焼はＣＯあるいはＣＮなどの生成を促すことがある。このような場合、低空気比での燃焼を達成するために、燃焼火炎に強い攪拌作用を与えることが重要である。このため二次空気を高圧で吹き込み乱流を発生させる方法や、火炎気流への水噴霧などが提案されているが、これらと同様に蒸気を高速で吹き込むことにより火炎に強い攪拌流を与えることは低空気比での焼却に有効な方法である。

切替弁機構２８を開いて廃熱ボイラ２３で発生した蒸気を焼却炉１の排ガス出口近辺に吹き込む方法について説明する。
この方法は、焼却炉１内温度を高い状態（通常８５０℃以上）に維持しつつ、空気予熱器１６への排ガス流入温度を下げ、空気予熱器１６の運転温度を下げる方法である。
前述したように廃棄物等の焼却過程では、燃焼状況により高酸化＋高温状態ではＮＯｘの発生、低空気比＋低温状態ではＣＯ、ＣＮ、ダイオキシンの生成が起きる可能性が高い。これは高温高酸化性状態では燃焼物中の室素分やアンモニアがＮ₂に分解される以上に酸化作用を受け、窒素酸化物ＮＯｘまで酸化されるためで、この反応には焼却物に含まれる灰分の触媒作用も関与しており、単純に温度だけの制御では防止することが困難である。同様にＣＯ、ＣＮは燃焼空気が不足した不完全燃焼が原因であり、また、ダイオキシンは多くの複雑な要因で生成されることがわかってきている。このため、これらの発生を抑制しながら変動する組成の廃棄物などを焼却するためには、低空気比での完全燃焼が求められ、必然的に高温での乱流燃焼が有効な手段となる。しかしながら、低空気比燃焼下では空気予熱器１６への流入排ガス温度が高温になり易く、通常の耐熱鋼の耐熱温度を超え、空気予熱器１６の破損にいたる危険が生じる。このため、通常は空気予熱器１６への排ガス流入温度を８５０℃以下に制限するため、冷却空気の吹き込みを行うが、本実施形態では廃熱ボイラ２３で得た蒸気を吹き込み、空気予熱器１６を冷却するとともに、合わせて排ガス量を増大させ、過給機１５のタービン１５ｂの出力の向上も図ることが可能となる。

１０）蒸気の吹込みにより、過給機１５のタービン１５ｂを通過するガス量が増加し、過給機１５で送給される圧縮空気Ａの量を増やすことができ、他用途に使用できる空気量が増えることとなる。この増加量は、蒸気の吹込位置、燃焼条件で変わってくるが、７５％水分含有量の下水汚泥の焼却運転では１０％程度と効果は低い。これは、高含水物の燃焼では焼却炉１内で大量に水蒸気が発生し、燃焼温度維持のためには、元々過剰空気率の低い運転を行う必要があり、焼却炉１内に別途蒸気を吹き込み加熱する余裕が少ないためである。この場合、蒸気吹込位置は、空気予熱器１６以降とならざるを得ず、蒸気吹込みにより増量されるガス量も、比較的低温の蒸気で希釈され全体の温度が低下するため、過給機１５のタービン１５ｂ入口でのガス容積はあまり増加しないからである。

一方、焼却物にカロリー的に余裕のある場合には、蒸気吹込位置を焼却炉１前、あるいは焼却炉１内部とし、吹込蒸気を加熱することが可能で、過給機１５のタービン１５ｂの入口のガスは高温を維持でき、ガス容積も大きくなるため、蒸気吹込によるタービン１５ｂの出力の増加は顕著なものとなる。
これにより、１）過給機１５の圧縮機１５ａで発生する圧縮空気を増大させることができ、焼却炉１の運転に必要な空気量を差し引いた余剰空気も増やすことが可能となり、水処理設備のための曝気空気として利用する場合など、曝気ブロワ動力の削減率向上に寄与することが可能となる。２）また、蒸気の吹込場所としては、過給機１５のタービン１５ｂの直上だけでなく、焼却炉１の空気吹込口、焼却炉１の内部、焼却炉１の出口など、タービン１５の上流各所に吹き込むことにより、焼却炉１の運転上、様々な効果を得ることが可能となる。

図２は、本発明の第二実施形態に係る加圧焼却炉設備を示す。本実施形態に係る加圧焼却炉設備は、廃熱ボイラ２３で発生した蒸気を使用してこの設備の起動を行うことを可能とした。
本実施形態では、廃熱ボイラ２３に起動用バーナ３１を設置したものである。本実施形態では、第一実施形態と比較して起動用送風機１７を必要としない構成となり、設備の運転に必要な電気設備を大幅に簡素化することが可能となる。特に、大電力を消費するブロワ、ファンなどの電動の空気機器が無く、電力は制御、マテリアルハンドリング機器に必要なだけで運転可能となる。

次に、本施形態に係る加圧焼却炉設備設備の起動方法について説明する。
１）廃熱ボイラ２３内に設置した起動用バーナ３１を運転し、蒸気を発生させる。
２）発生蒸気を切替弁機構２５から吹き込む。このとき切替弁３２を開放すると同時に切替弁３３は閉じておく。
３）蒸気発生量が増加し、過給機１５の圧縮機１５ａで発生する空気圧が焼却炉１の圧力損失をカバーできるほどになると、焼却炉１内の起動バーナ３を点火し、焼却炉１、排ガスダクト系統の昇温を開始する。

４）全体の系統が昇温するにしたがって排ガス温度が上昇し、系内の圧力も上昇する。（過給機１５の回転数が上昇する。）
５）焼却炉１の排ガスの圧力が過給機１５のタービン１５ｂ入口圧力より大きくなった時点で、切替弁３３を開放すると同時に切替弁３２を閉じ、焼却排ガスをタービン１５ｂに導く。

６）以後必要に応じて起動用バーナ３１の出力を（焼却量）を調整して、タービン１５ｂの圧力を調整する。
７）焼却炉１のヒートアップが完了した時点で、焼却物供給を開始し、炉内温度は補助燃料供給路３４への量や、切替弁機構２６からの蒸気吹込量を調整し、炉内温度を制卸する。過給機１５の回転数は、圧空利用設備２１への放風量で制御する。

以上のように、本実施形態によれば、廃熱ボイラ２３内に起動用バーナ３１を、過給機１５のタービン１５ｂ入口側直近に排ガス流路切替弁３２，３３とそれぞれ設けることにより、短時聞での過給機１５のタービン１５ｂの立ち上げを可能としたので、制御用及び焼却物の搬送や水・補助撚料などのユーティリティ供給などを除き全ての動力を自己で賄うことが可能となり、大電力電源の供給の無い地域でも、大きな焼却設備を運転可能となる。

また、本実施形態では、過給機１５のタービン１５ｂの廃熱で蒸気を発生する廃熱ボイラ２３に独自の起動用バーナ３１を設置し、全体段備の起動に先立ち廃熱ボイラ２３を運転し、発生蒸気で過給機１５のタービン１５ｂを駆動、これにより焼却炉１への送風を賄うことにより設備の起動運転を開始することができる。
図３は、本発明の第三実施形態に係る加圧焼却炉設備を示す。

図２に示す加圧焼却炉設備では、過給機１５のタービン１５ｂ廃熱で蒸気を発生する廃熱ボイラ２３に独自のバーナ３１を設置し、全体段備の起動に先立ちボイラ３１を運転し、発生蒸気で過給機１５のタービン１５ｂを駆動し、これにより焼却炉１への送風をまかない、設備の起動運転を開始することができる。しかしながら、送風開始より焼却炉１の起動バーナ（昇温バーナ３）を運転し、徐々に系内の温度を上げ、最終的に過給機１５が自立運転可能な状態になるためには長時間を要する。特に、起動初期は過給機１５の回転速度も遅く十分な空気を焼却炉１に送り込めないため、昇温バーナ３の負荷は小さくして運転しなければならないため、余計に昇温時間が必要となる。

本実施形態に係る加圧焼却炉設備は、図２に示す加圧焼却炉設備の課題を解決するために、焼却炉１と過給機１５のタービン１５ｂ入口との間に燃焼缶３５を設け、設備の起動・昇温を加速することを目的としている。
次に、本施形態に係る加圧焼却炉設備設備の起動方法について説明する。
１）廃熱ボイラ２３内に設置した起動用バーナ３１を運転し、蒸気を発生させる。

２）発生蒸気を切替弁機構２５から吹き込む。このとき切替弁３２を開放すると同時に切替弁３３は閉じておく。
３）蒸気発生量が増加し、過給機１５の圧縮機１５ａで発生する空気圧が焼却炉１の圧力損失をカバーできるほどになると、燃焼缶３５内のバーナを点火し、燃焼缶３５で発生する高温ガスを過給機１５のタービン１５ｂに導入する。

４）過給機１５の回転数が増加するに従って、過給機１５の圧縮機１５ａの発生空気量・圧ともに次第に増加し、焼却炉１に必要な空気量が供給されるようになった時点で、焼却炉１内の昇温バーナ３を点火し、設備の昇温を開始する。
５）焼却炉１の排ガスの圧力が過給機１５のタービン１５ｂ入口圧力より大きくなった時点で、切替弁３３を開放すると同時に切替弁３２閉じ、焼却排ガスをタービン１５ｂに導く。

６）以後必要に応じて起動用バーナ３１の出力及び燃焼缶３５内のバーナ出力を（焼却量）を調整して、タービン１５ｂの圧力を調整する。
７）焼却炉１のヒートアッブが完了した時点で、焼却物供給を開始し、炉内温度は補助燃料供給路３４への量や、切替弁機構２６からの蒸気吹込量を調整し、炉内温度を制御する。過給機１５の回転数は、圧空利用設備２１への放風量で制御する。

以上のように、本実施形態では、過給機１５のタービン１５ｂの上流に焼却炉１とは別の起動用の燃焼缶３５を段置し、過給機１５のタービン１５ｂを蒸気で起動した直後から、燃焼缶２５のバーナに点火して過給機１５のタービン１５ｂ入口側ガス温度を過熱することにより、直ちに過給機１５の回転速度を上げて大量の空気を焼却炉１に送り込めることが可能となり、設備全体の昇温時間を大幅に短くできる。

本発明の第一実施形態に係る加圧焼却炉設備のブロック図である。本発明の第二実施形態に係る加圧焼却炉設備のブロック図である。本発明の第三実施形態に係る加圧焼却炉設備のブロック図である。ガスタービン機関を使用した従来の発電用加圧燃焼設備のブロック図である。過給機を使用した加圧式流動床式燃焼炉設備のブロック図である。

符号の説明

１焼却炉
２供給器
３昇温バーナ
４補助燃料供給設備
５集塵機
９排ガス処理設備
１０煙突
１２空気供給路
１３排ガス流路
１５過給機
１５ａ圧縮機
１５ｂタービン
１６空気予熱器
２３廃熱ボイラ
２４蒸気供給炉
２５，２６，２７，２８切替弁機構
２９蒸気利用段備
３１起動用バーナ
３２，３３切替弁
３４補助燃料供給路
３５燃焼缶
Ａ圧縮空気
Ｇ排ガス

Claims

冷却状態から始動するため炉内部を徐々に昇温する昇温バーナを備えた加圧式流動床焼却炉と、
前記加圧式流動床焼却炉から排出される高温排ガスを煙突へ導く排ガス流路と、
前記加圧式流動床焼却炉へ向け圧縮空気を、燃焼用空気及び流動媒体を吹き上げて混合攪拌する流動空気として導入する空気供給路と、
前記排ガス流路にタービンを、前記空気供給路に前記タービンと同軸で連結したコンプレッサをそれぞれ位置させて、高温排ガスのエネルギを利用して圧縮空気の生成と送風のみを行う過給機と
を備えた加圧式流動床焼却炉設備において、
前記過給機タービン下流の排ガス流路に廃熱蒸気ボイラを設けるとともに、前記廃熱ボイラで発生する蒸気を前記過給機のタービン入口上流の排ガス流路に排ガスと混合するために切替弁機構を設けて蒸気吹込み点で吹き込む蒸気供給路を設け、
さらに、前記排ガス流路の前記タービンの上流で且つ前記蒸気吹込み点より上流に接続し且つ前記コンプレッサ下流の空気供給路を接続する、高温排ガス及び圧縮空気を間接熱交換する空気予熱器を備え、
前記加圧式流動床焼却炉の排ガス出口と前記空気予熱器の間の排ガス流路に、切替弁機構を介して前記蒸気供給路から前記廃熱ボイラで発生する蒸気を吹き込む
ことを特徴とする加圧式焼却炉設備。
前記蒸気供給路に、前記加圧式焼却炉内と連絡する切替弁機構を設けて成ることを特徴とする請求項１に記載の加圧式焼却炉設備。
前記廃熱ボイラにボイラ昇温バーナを設けて成ることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の加圧式焼却炉設備。
前記過給機のタービン入口上流に起動用燃焼缶を設けて成ることを特徴とする請求項１乃至請求項３の何れか記載の加圧式焼却炉設備。
冷却状態から始動するため炉内部を徐々に昇温する昇温バーナを備えた加圧式流動床焼却炉と、
前記加圧式流動床焼却炉から排出される高温排ガスを煙突へ導く排ガス流路と、
前記加圧式流動床焼却炉へ向け圧縮空気を、燃焼用空気及び流動媒体を吹き上げて混合攪拌する流動空気として導入する空気供給路と、
前記排ガス流路にタービンを、前記空気供給路に前記タービンと同軸で連結したコンプレッサをそれぞれ位置させて、高温排ガスのエネルギを利用して圧縮空気の生成と送風のみを行う過給機と、
前記排ガス流路の前記タービンの下流に位置する廃熱蒸気ボイラと、
前記廃熱蒸気ボイラから発生する蒸気を導く蒸気供給路と
を備えた加圧式流動床焼却炉設備の運転方法において、
冷却状態から炉内部を徐々に昇温する昇温バーナを運転する始動時に、
前記タービンを出た排ガスによって前記廃熱ボイラで発生する蒸気を前記タービン入口上流の排ガス流路に吹き込むことでタービン出力を高め、前記加圧式流動床焼却炉の定常運転への時間を短縮する
ことを特徴とする加圧式流動床焼却炉設備の運転方法。
冷却状態から始動するため炉内部を徐々に昇温する昇温バーナを備えた加圧式流動床焼却炉と、
前記加圧式流動床焼却炉から排出される高温排ガスを煙突へ導く排ガス流路と、
前記加圧式流動床焼却炉へ向け圧縮空気を、燃焼用空気及び流動媒体を吹き上げて混合攪拌する流動空気として導入する空気供給路と、
前記排ガス流路にタービンを、前記空気供給路に前記タービンと同軸で連結したコンプレッサをそれぞれ位置させて、高温排ガスのエネルギを利用して圧縮空気の生成と送風のみを行う過給機と、
前記排ガス流路の前記タービンの下流に位置する廃熱蒸気ボイラと、
前記廃熱蒸気ボイラから発生する蒸気を導く蒸気供給路と
を備えた加圧式流動床焼却炉設備の運転方法において、
前記過給機タービン下流に設けたボイラ昇温バーナ付き廃熱ボイラにて前記加圧式焼却炉設備の起動の前に蒸気を発生させ、この蒸気で前記過給機を始動させる
ことを特徴とする加圧式流動床焼却炉設備の運転方法。
冷却状態から始動するため炉内部を徐々に昇温する昇温バーナを備えた加圧式流動床焼却炉と、
前記加圧式流動床焼却炉から排出される高温排ガスを煙突へ導く排ガス流路と、
前記加圧式流動床焼却炉へ向け圧縮空気を、燃焼用空気及び流動媒体を吹き上げて混合攪拌する流動空気として導入する空気供給路と、
前記排ガス流路にタービンを、前記空気供給路に前記タービンと同軸で連結したコンプレッサをそれぞれ位置させて、高温排ガスのエネルギを利用して圧縮空気の生成と送風のみを行う過給機と、
前記排ガス流路の前記タービンの下流に位置する廃熱蒸気ボイラと、
前記廃熱蒸気ボイラから発生する蒸気を導く蒸気供給路と
を備えた加圧式流動床焼却炉設備の運転方法において、
前記過給機タービン下流に設けたボイラ昇温バーナ付き廃熱ボイラにて前記加圧式焼却炉設備の起動の前に蒸気を発生させ、この蒸気で前記過給機を始動させるとともに、
前記過給機のタービン入口上流に設けた起動用燃焼缶にて前記過給機のタービン入口側のガス温度を高めて前記過給機の始動を早める
ことを特徴とする加圧式流動床焼却炉設備の運転方法。