JP7572046B2 - 焼却システム及び焼却方法 - Google Patents

Description

本発明は、焼却システム及び焼却方法に関する。

下水汚泥焼却炉等の焼却炉において、焼却炉から排出される高温の排ガスを熱交換器に通すことによって排熱の一部を回収してから、集塵機においてダストを分離除去し、さらに、排煙処理塔に通して水洗浄を行うことによって排ガス中のＳＯ_ＸやＨＣｌ等の成分を除去する排ガス処理が行われている（特許文献１を参照）。

特開２０１７－２２７４４１号公報

ここで、上記のような焼却炉では、炉内の温度を予め定められた目標温度に保って運転するのが一般的である。これは、炉内の温度が目標温度を超えると、例えば、燃焼時にＮＯ_Ｘが生成され易くなり、また、灰分が溶融して炉壁や配管に付着する等の問題が発生するためである。

そこで、本発明は、焼却炉内の温度上昇を抑制する焼却システム及び焼却方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するための本発明における焼却システムは、コンプレッサ及びタービンを有する過給機と、焼却炉から排出された排ガスにより前記コンプレッサによって圧縮された圧縮ガスを昇温し、昇温された前記圧縮ガスを供給する第１熱交換器と、前記第１熱交換器から供給された前記圧縮ガスを流体により冷却し、冷却された前記圧縮ガスを前記タービンに供給する第２熱交換器と、を有し、前記タービンは、前記第２熱交換器から供給された前記圧縮ガスを前記焼却炉に供給する。

本発明における焼却システム及び焼却方法によれば、焼却炉内の温度上昇を抑制することが可能になる。

図１は、第１の実施の形態における焼却システム１００の構成例を説明する図である。 図２は、第２の実施の形態における焼却システム２００の構成例を説明する図である。 図３は、第３の実施の形態における焼却システム３００の構成例を説明する図である。 図４は、第４の実施の形態における焼却システム４００の構成例を説明する図である。 図５は、第５の実施の形態における焼却システム５００の構成例を説明する図である。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。しかしながら、かかる実施の形態例が、本発明の技術的範囲を限定するものではない。

［第１の実施の形態］
初めに、第１の実施の形態における焼却システム１００について説明を行う。図１は、第１の実施の形態における焼却システム１００の構成例を説明する図である。なお、以下に示すライン（配管）やポンプの配置位置や数は、例示であり、これに限られるものではない。

焼却システム１００は、図１に示すように、例えば、焼却炉１と、過給機２と、流動空気予熱器３と、空気冷却器４と、冷却塔６と、集塵機７と、排煙処理塔８と、煙突９とを有する。なお、以下、流動空気予熱器３を第１熱交換器３とも呼び、空気冷却器４を第２熱交換器４とも呼ぶ。

焼却炉１は、汚泥を焼却する流動焼却炉である。焼却炉１は、いわゆる流動層１ａを有する。また、前記した汚泥は、脱水ケーキとも呼ばれる。以下、焼却炉１を流動焼却炉として説明を行う。

ここで、近年では、汚泥の脱水機の能力向上によって、汚泥の含水率が以前よりも低下している。また、脱水した汚泥を乾燥させて汚泥の含水率をより低下させることによって、焼却炉１における汚泥燃焼の効率をより高めている。そのため、焼却炉１では、汚泥の含水率の低下に伴って、汚泥の燃焼が活発に行われ易くなり、炉内の温度が目標温度よりも高温になる場合がある。

そこで、以下の各実施の形態における焼却システム（焼却システム１００、２００、３００、４００及び５００）では、流動空気予熱器３の出口側に空気冷却器４を設けて、焼却炉１に供給する燃焼用空気の温度を下げることにより、焼却炉１内の温度上昇を抑制する。

過給機２は、回転軸２ｃを介して接続されたコンプレッサ２ａ及びタービン２ｂを有する。具体的に、コンプレッサ２ａは、吸引した空気を圧縮して圧縮ガスを生成し、生成した圧縮ガスを流動空気予熱器３に供給する。また、タービン２ｂは、空気冷却器４を介して流動空気予熱器３から供給された圧縮ガスのエネルギーを利用して回転軸２ｃを回転させる。

ここで、コンプレッサ２ａは、タービン２ｂによる回転軸２ｃの回転に伴って駆動することにより、吸引した空気を圧縮して圧縮ガスを生成し、生成した圧縮ガスを流動空気予熱器３に供給する。

流動空気予熱器３は、焼却炉１から排出された排ガスと、ラインＬ１１を介してコンプレッサ２ａから供給された圧縮ガスとの間において熱交換を行う。具体的に、流動空気予熱器３は、焼却炉１から排出された排ガスを用いることによって、コンプレッサ２ａが圧縮した圧縮ガスを昇温し、ラインＬ１２を介して昇温後の圧縮ガスを空気冷却器４に供給する。また、流動空気予熱器３は、焼却炉１から排出された排ガスを冷却し、冷却した排ガスを冷却塔６に供給する。

空気冷却器４は、ラインＬ１２を介して流動空気予熱器３から供給された圧縮ガスと、流体の供給先（図示しない）から供給される流体との間において熱交換を行う。具体的に、空気冷却器４は、流動空気予熱器３から供給された圧縮ガスを用いることによって流体を昇温し、昇温した流体を前記した供給先に供給する。また、空気冷却器４は、流動空気予熱器３から供給された圧縮ガスを冷却し、ラインＬ１３を介して冷却後の圧縮ガスをタービン２ｂに供給する。そして、タービン２ｂは、ラインＬ１３を介して空気冷却器４から供給された圧縮ガスのエネルギーを利用して回転軸２ｃを回転させるとともに、エネルギーを利用した後の圧縮ガスを焼却炉１に供給する。

なお、冷却後の圧縮ガスを焼却炉１の流動層１ａに供給する場合、この圧縮ガスは、流動層１ａを流動させ、かつ、汚泥を燃焼するための空気として利用される。また、冷却後の圧縮ガスを流動層１ａ上部のいわゆるフリーボードに供給してもよい。冷却後の圧縮ガスをフリーボードに供給する場合、この圧縮ガスは、燃焼用空気として利用される。

冷却塔６は、流動空気予熱器３の後段に配置され、冷却塔６の内部に設けられた散水ノズル（図示しない）から散水される水と接触させることによって、流動空気予熱器３から供給された排ガスを冷却する。そして、冷却塔６は、冷却した排ガスを集塵機７に供給する。

集塵機７は、冷却塔６の後段に配置され、冷却塔６から供給された排ガスの不純物を除去する。なお、集塵機７は、例えば、耐熱性の優れたセラミック集塵機であってもよい。

排煙処理塔８は、集塵機７の後段に配置され、例えば、塔の下部から排ガスを導入する。そして、排煙処理塔８は、上部の散水ノズル（図示しない）から散水される水に接触させることによって、排ガス中のＳＯ_ＸやＨＣｌ等の成分を水に含ませて除去する。また、排煙処理塔８の上部には、排煙処理塔８において洗浄された排ガスを大気に放出する煙突９が配置される。

誘引機Ｐ１は、焼却炉１から排出された排ガスを排煙処理塔８まで誘引するファンまたはブロアであり、排煙処理塔８において洗浄された排ガスを煙突９に送出する。

このように、第１の実施の形態における焼却システム１００には、流動空気予熱器３の出口側とタービン２ｂの入口側との間において空気冷却器４が設けられている。そして、焼却炉１には、空気冷却器４において冷却した圧縮ガスがタービン２ｂを介して供給される。

すなわち、第１の実施の形態における焼却システム１００は、回転軸２ｃを介して接続されたコンプレッサ２ａ及びタービン２ｂを有する過給機２と、焼却炉１から排出された排ガスによりコンプレッサ２ａによって圧縮された圧縮ガスを昇温し、昇温された圧縮ガスを空気冷却器４に供給する流動空気予熱器３と、流動空気予熱器３から供給された圧縮ガスを流体により冷却し、冷却された圧縮ガスをタービン２ｂに供給する空気冷却器４とを有する。そして、タービン２ｂは、空気冷却器４から供給された圧縮ガスを焼却炉１に供給する。

第１の実施の形態における焼却システム１００は、流動空気予熱器３から供給された流動空気予熱器３から供給された高温の圧縮ガスをそのままタービン２ｂに供給するのではなく、この高温の圧縮ガスを空気冷却しているので、焼却炉１における温度上昇を抑制することが可能になる。そのため、焼却システム１００では、焼却炉１においてＮＯ_Ｘ等が生成され易くなることの防止が可能になる。また、焼却システム１００では、例えば、温度上昇に伴う耐火物の損傷の防止や、溶融した焼却灰が付着することによる配管等の閉塞の防止が可能になる。

［第２の実施の形態］
次に、第２の実施の形態における焼却システム２００について説明を行う。図２は、第２の実施の形態における焼却システム２００の構成例を説明する図である。以下、図１で説明した焼却システム１００と異なる構成について説明を行う。

第２の実施の形態における焼却システム２００は、図１で説明した焼却システム１００に加え、発電システム１０を有する。

発電システム１０は、空気冷却器４との間を循環する流体の熱エネルギーを回収して他のエネルギーに変換する機能を有し、例えば、低沸点のフロン、代替フロン、シリコンオイル、石油系の有機化合物、アンモニアまたはアンモニアと水との混合流体等の低沸点媒体を作動媒体として循環させるランキンサイクルやカリーナサイクル等の熱サイクルを形成する。

空気冷却器４は、ラインＬ１２を介して流動空気予熱器３から供給された圧縮ガスと、ラインＬ２１を介して発電システム１０から供給される流体との間において熱交換を行う。具体的に、空気冷却器４は、流動空気予熱器３から供給された圧縮ガスを用いることによって流体を昇温し、ラインＬ２２を介して昇温後の流体を発電システム１０に供給する。また、空気冷却器４は、流動空気予熱器３から供給された圧縮ガスを冷却し、ラインＬ１３を介して冷却後の圧縮ガスをタービン２ｂに供給する。

すなわち、第２の実施の形態における焼却システム２００では、空気冷却器４において回収された熱エネルギーを発電システム１０に供給する。

これにより、発電システム１０は、空気冷却器４において回収された熱エネルギーを用いることによって発電を行うことが可能になる。

なお、ラインＬ２１及びラインＬ２２を流れる流体は、例えば、熱媒油であってよく、水（水蒸気）や空気等の他の液体または気体であってもよい。

また、ラインＬ２１及びラインＬ２２を流れる流体は、循環ポンプであるポンプＰ２によって、空気冷却器４と発電システム１０との間を循環する。

［第３の実施の形態］
次に、第３の実施の形態における焼却システム３００について説明を行う。図３は、第３の実施の形態における焼却システム３００の構成例を説明する図である。以下、図２で説明した焼却システム２００と異なる構成について説明を行う。

第３の実施の形態における焼却システム３００では、ラインＬ２１及びラインＬ２２を介して空気冷却器４と乾燥機２０とが接続している。

乾燥機２０は、例えば、焼却炉１において焼却される前の汚泥の乾燥を行う。具体的に、乾燥機２０は、例えば、空気冷却器４において回収された熱エネルギーを用いることによって汚泥の乾燥を行う。

これにより、乾燥機２０は、例えば、排ガスの保有熱を利用することによって汚泥の乾燥を行うことが可能になる。すなわち、焼却システム３００では、空気冷却器４を発電システム１０以外の機器と接続することによって、排ガスの保有熱を発電以外の用途に利用することが可能になる。

［第４の実施の形態］
次に、第４の実施の形態における焼却システム４００について説明を行う。図４は、第４の実施の形態における焼却システム４００の構成例を説明する図である。以下、図２で説明した焼却システム２００と異なる構成について説明を行う。

焼却システム４００は、図４に示すように、例えば、図１で説明した焼却システム１００に加え、熱媒ヒータ５を有する。なお、以下、熱媒ヒータ５を第３熱交換器５とも呼ぶ。

流動空気予熱器３と熱媒ヒータ５とは、いわゆる並列接続され、焼却炉１から排出された排ガスがラインにより２つに分岐され、排ガスの中の一部の排ガスは、流動空気予熱器３に供給され、他の一部の排ガスは、熱媒ヒータ５に供給される。

ポンプＰ２から吐出された流体（換言すれば、発電システム１０から供給された流体）は、ラインＬ２３を介して熱媒ヒータ５に供給され、熱媒ヒータ５により昇温され、ラインＬ２２に合流するラインＬ２４を介して、発電システム１０に供給される。また、ポンプＰ２から吐出された流体は、ラインＬ２１を介して、空気冷却器４に供給され、空気冷却器４により昇温され、ラインＬ２２を介して、発電システム１０に供給される。

熱媒ヒータ５は、焼却炉１から排出された排ガスと、ラインＬ２３を介して発電システム１０から供給される流体との間において熱交換を行う。具体的に、熱媒ヒータ５は、焼却炉１から排出された排ガスを用いることによって流体を昇温し、ラインＬ２４を介して昇温後の流体を発電システム１０に供給する。また、熱媒ヒータ５は、焼却炉１から排出された排ガスを冷却し、冷却後の排ガスを冷却塔６に供給する。

なお、ラインＬ２３及びラインＬ２４を流れる流体は、ラインＬ２１及びラインＬ２２を流れる流体と同様に、例えば、熱媒油であってよく、水（水蒸気）や空気等の他の液体または気体であってもよい。

また、ラインＬ２１及びラインＬ２３は、図４に示すように、発電システム１０の近傍において合流しているものであってよく、それぞれが互いに独立した２つのラインからなるものであってもよい。同様に、ラインＬ２２及びラインＬ２４は、図４に示すように、発電システム１０の近傍において合流しているものであってよく、それぞれが互いに独立した２つのラインからなるものであってもよい。

すなわち、第４の実施の形態における焼却システム４００では、空気冷却器４において回収された熱エネルギーと熱媒ヒータ５において回収された熱エネルギーとのそれぞれを発電システム１０に供給する。

これにより、発電システム１０は、空気冷却器４において回収された熱エネルギーと熱媒ヒータ５において回収された熱エネルギーとを用いることによって発電を行うことが可能になる。そのため、発電システム１０は、焼却炉１から排出された排ガスの保有熱を利用することによる発電をより効率的に行うことが可能になる。

なお、図４に示す例では、空気冷却器４と発電システム１０との間において流体が循環するラインＬ２１及びラインＬ２２と、熱媒ヒータ５と発電システム１０との間において流体が循環するラインＬ２３及びラインＬ２４とが並列に設けられている。すなわち、図４に示す例では、発電システム１０からの流体の一部がラインＬ２２を介して空気冷却器４に供給され、他の一部がラインＬ２３を介して熱媒ヒータ５に供給される。

これにより、焼却システム４００では、後述する焼却システム５００の場合よりも、吐出圧の小さい循環ポンプ（ポンプＰ２）を用いることが可能になる。また、焼却システム４００では、後述する焼却システム５００の場合よりも、熱媒ヒータ５における伝面を小さくすることが可能になる。

また、図４に示す例では、流動空気予熱器３と冷却塔６との間のラインにおいて弁Ｖ１が設けられており、熱媒ヒータ５と冷却塔６との間のラインにおいて弁Ｖ２が設けられている。さらに、図４に示す例では、空気冷却器４と発電システム１０との間のラインＬ２１において弁Ｖ３（弁Ｖ３ａ及び弁Ｖ３ｂ）が設けられている。

これにより、焼却システム４００では、例えば、弁Ｖ１、弁Ｖ２及び弁Ｖ３によって流量の調整を行うことで、発電システム１０に対する熱エネルギーの供給量の調整を行うことが可能になる。具体的に、図示しない制御機器は、例えば、焼却炉１の温度が閾値を超えた場合、空気冷却器４に供給する流体の割合を増やしてタービン２ｂからの圧縮ガスの熱をより多く回収するため、弁Ｖ３ｂの開度を下げ、弁Ｖ３ａの開度を上げる。また、図示しない制御機器は、焼却炉１の温度が閾値以下になる場合、弁Ｖ３ｂの開度を上げ、弁Ｖ３ａの開度を下げる。

また、図４に示す例では、流動空気予熱器３及び熱媒ヒータ５が並列に配置されているが、流動空気予熱器３及び熱媒ヒータ５は、直接に配置されるものであってもよい。具体的に、図４に示す例では、焼却炉１から排出された排ガスの一部が流動空気予熱器３に供給され、他の一部が熱媒ヒータ５に供給されているが、焼却炉１から排出された排ガスの全てが流動空気予熱器３に供給され、さらに、流動空気予熱器３を通過した排ガスの全てが熱媒ヒータ５に供給されるものであってもよい。また、焼却炉１から排出された排ガスの全てが熱媒ヒータ５に供給され、さらに、熱媒ヒータ５を通過した排ガスの全てが流動空気予熱器３に供給されるものであってもよい。

［第５の実施の形態］
次に、第５の実施の形態における焼却システム５００について説明を行う。図５は、第５の実施の形態における焼却システム５００の構成例を説明する図である。以下、図４で説明した焼却システム４００と異なる構成について説明を行う。

第５の実施の形態における焼却システム５００では、図４で説明した場合と異なり、ラインＬ２１、ラインＬ２２、ラインＬ２３及びラインＬ２４に代えて、空気冷却器４と熱媒ヒータ５と発電システム１０とを直列に接続するラインＬ２５、ラインＬ２６及びラインＬ２７が設けられている。すなわち、図５に示す例では、発電システム１０から空気冷却器４に対して流体が供給された後、空気冷却器４から熱媒ヒータ５に対して流体が供給される。そして、図５に示す例では、さらに、熱媒ヒータ５から発電システム１０に対して流体が供給される。

これにより、焼却システム５００では、例えば、図４で説明した焼却システム４００の場合よりも、発電システム１０に供給される流体の温度制御を容易に行うことが可能になる。

また、図５に示す例では、ラインＬ２５及びラインＬ２６において、空気冷却器４が設けられている位置の前後を接続するバイパスＬ２８が設けられている。

これにより、焼却システム５００では、例えば、バイパスＬ２８に設けられた弁Ｖ４（弁Ｖ４ａ及び弁Ｖ４ｂ）を調整することによって、空気冷却器４に供給される流体の量を調整することが可能になる。具体的に、図示しない制御機器は、例えば、焼却炉１の温度が閾値を超えた場合、空気冷却器４で回収する熱エネルギーを上げるために、弁Ｖ４ａの開度を下げ、弁Ｖ４ｂの開度を上げる。一方、図示しない制御機器は、例えば、焼却炉１の温度が閾値以下になる場合、空気冷却器４で回収する熱エネルギーを下げるために、弁Ｖ４ａの開度を上げ、弁Ｖ４ｂの開度を下げる。

また、図５に示す例では、ラインＬ２６及びラインＬ２７において、熱媒ヒータ５が設けられている位置の前後を接続するバイパスＬ２９が設けられている。

これにより、焼却システム５００では、例えば、バイパスＬ２９に設けられた弁Ｖ５（弁５ａ及び弁Ｖ５ｂ）を調整することによって、熱媒ヒータ５に供給される流体の量を調整することが可能になる。具体的に、図示しない制御機器は、例えば、熱媒ヒータ５の出口温度が目標の温度となるように、弁Ｖ５ａ及び弁Ｖ５ｂの開閉を制御する。

なお、ラインＬ１２及びラインＬ１３において、例えば、空気冷却器４が設けられている位置の前後を接続するバイパス（図示しない）が設けられるものであってもよい。これにより、焼却システム５００では、焼却炉１に供給される圧縮ガスの量を調整することが可能になる。

１：焼却炉 １ａ：流動層
２：過給機 ２ａ：コンプレッサ
２ｂ：タービン ２ｃ：回転軸
３：流動空気予熱器 ４：空気冷却器
５：熱媒ヒータ ６：冷却塔
７：集塵機 ８：排煙処理塔
９：煙突 １０：発電システム
２０：乾燥機 １００：焼却システム
２００：焼却システム ３００：焼却システム
４００：焼却システム ５００：焼却システム
Ｐ１：誘引機 Ｐ２：ポンプ
Ｌ１１：ライン Ｌ１２：ライン
Ｌ１３：ライン Ｌ２１：ライン
Ｌ２３：ライン Ｌ２４：ライン
Ｌ２５：ライン Ｌ２６：ライン
Ｌ２７：ライン Ｌ２８：バイパス
Ｌ２９：バイパス Ｌ３１：ライン
Ｖ１：弁 Ｖ２：弁
Ｖ３：弁 Ｖ４：弁
Ｖ５：弁

Claims (8)

1. コンプレッサ及びタービンを有する過給機と、
   焼却炉から排出された排ガスにより前記コンプレッサによって圧縮された圧縮ガスを昇温し、昇温された前記圧縮ガスを供給する第１熱交換器と、
   前記第１熱交換器において昇温された前記圧縮ガスを流体との熱交換により冷却し、冷却された前記圧縮ガスを前記タービンに供給する第２熱交換器と、を有し、
   前記タービンは、前記第２熱交換器において冷却された前記圧縮ガスを前記焼却炉に供給し、
   前記流体は、前記第２熱交換器と他のシステムとの間を循環する流体である、焼却システム。
2. 請求項１において、
   前記第２熱交換器は、前記第１熱交換器から供給された前記圧縮ガスにより前記流体を昇温し、昇温された前記流体を前記焼却システム以外の他のシステムに供給する、焼却システム。
3. 請求項２において、さらに、
   前記排ガスにより前記流体を昇温し、昇温された前記流体を前記他のシステムに供給する第３熱交換器を有する、焼却システム。
4. 請求項３において、
   前記他のシステムから供給される前記流体を前記第２熱交換器及び前記第３熱交換器に供給する供給ラインを有する、焼却システム。
5. 請求項４において、
   前記供給ラインは、前記第２熱交換器及び前記第３熱交換器を並列に接続するラインであって、前記他のシステムから供給された前記流体のうちの一部を前記第２熱交換器に供給するラインと、前記他のシステムから供給された前記流体のうちの他の一部を前記第３熱交換器に供給するラインとを有する、焼却システム。
6. 請求項４において、
   前記供給ラインは、前記第２熱交換器及び前記第３熱交換器を直列に接続するラインであって、前記他のシステムから供給された前記流体を前記第２熱交換器に供給するラインと、前記第２熱交換器から供給された前記流体を前記第２熱交換器の下流側の前記第３熱交換器に供給するラインとを有する、焼却システム。
7. 焼却炉と、
   コンプレッサ及びタービンを有する過給機と、
   前記焼却炉から排出された排ガスにより前記コンプレッサによって圧縮された圧縮ガスを昇温し、昇温された前記圧縮ガスを供給する第１熱交換器と、
   流体を介して供給された熱により動作する他のシステムと、
   前記流体を前記第１熱交換器において昇温された前記圧縮ガスとの熱交換により昇温し、昇温された前記流体を前記他のシステムに供給するとともに、前記第１熱交換器において昇温された前記圧縮ガスを前記流体との熱交換により冷却し、冷却された前記圧縮ガスを前記タービンに供給する第２熱交換器と、を有し、
   前記タービンは、前記第２熱交換器において冷却された前記圧縮ガスを前記焼却炉に供給し、
   前記流体は、前記第２熱交換器と他のシステムとの間を循環する流体である、焼却システム。
8. 第１熱交換器が、コンプレッサによって圧縮された圧縮ガスを焼却炉から排出された排ガスにより昇温し、昇温された前記圧縮ガスを供給し、
   第２熱交換器が、前記第１熱交換器において昇温された前記圧縮ガスを流体との熱交換により冷却し、冷却された前記圧縮ガスを供給し、
   タービンが、前記第２熱交換器において冷却された前記圧縮ガスを前記焼却炉に供給し、
   前記流体は、前記第２熱交換器と他のシステムとの間を循環する流体である、焼却方法。

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