(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
炉体の下方部分を、空気比が０.７以上、１.０未満の流動用空気を燃料とともに供給して汚泥を流動媒体とともに砂層内で流動させつつ熱分解する熱分解ゾーンとし、その直上部分を空気比が０．１〜０.３の二次燃焼用空気のみを供給することにより、局所高温場を形成して熱分解ガス中に含まれるＮ２Ｏを分解する層上燃焼ゾーンとした流動焼却炉であって、砂層よりも上方であって炉高の１/３を超えない高さに炉体の中央部まで延びる二次燃焼用空気供給管を配置し、局所高温場を砂層直上部の全面にわたって形成したことを特徴とする流動焼却炉。
【請求項２】
炉体の最上部を、未燃分を完全燃焼させる完全燃焼ゾーンとしたことを特徴とする請求項１記載の流動焼却炉。
【請求項３】
二次燃焼用空気供給管が、基部を炉壁に支持された片持構造であることを特徴とする請求項１記載の流動焼却炉。
【請求項４】
二次燃焼用空気供給管が、両端部を炉壁に支持された両端支持構造であることを特徴とする請求項１記載の流動焼却炉。
【請求項５】
二次燃焼用空気供給管が、井桁状構造であることを特徴とする請求項１記載の流動焼却炉。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、温暖化ガスであるＮ２Ｏの発生を抑制しながらＮ分を含む汚泥を焼却することができる流動焼却炉に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
下水汚泥に代表される汚泥中には蛋白質に由来する多量のＮ分が含有されているので、焼却により各種の窒素酸化物が生成され、大気中に放出されている。これらの窒素酸化物の中でも特に、Ｎ２Ｏ（亜酸化窒素）はＣＯ２に比べて３１０倍の温暖化効果を示すガスであるため、その削減が特に強く求められている。
【０００３】
従来から汚泥の焼却にはダイオキシンを発生させにくい流動焼却炉が広く使用されており、一般的に約８００℃で焼却が行われてきた。しかし焼却温度を８５０℃まで高めるとＮ２Ｏの発生量が数分の一にまで減少することが分り、これを「高温焼却法」と呼んでＮ２Ｏの抑制に有効な方法と評価されている。
【０００４】
ところが、焼却温度を８５０℃にまで高めるためには補助燃料の使用量を従来の１.４〜１．６倍にまで増加させる必要があり、省エネルギの観点から好ましくない。また燃料コストが上昇している昨今の状況から、ランニンゴコストの大幅な増加を招くという問題を生ずる。このように「高温焼却法」はＮ２Ｏの抑制には有効であるが、実用上の問題が残されている。
【０００５】
このようなＮ２Ｏの抑制という課題は、都市廃棄物を燃料とする流動層燃焼ボイラにおいても発生している。そこで特許文献１には、流動層の空気比を０.９〜１.０としてＮ２Ｏ及びＮＯＸの発生量を抑制し、その上段で付加燃料とその燃焼用空気を供給して高温燃焼させることによって高温でＮ２Ｏを分解させ、さらに最上段で十分な量の空気を吹き込んで完全燃焼させるという流動層燃焼ボイラの多段燃焼方法が提案されている。
【０００６】
しかしこの特許文献１の多段燃焼方法は、流動層の上段に付加燃料とその燃焼用空気を供給し、Ｎ２Ｏを分解することができる高温場を形成するために多量の補助燃料を必要としている。もっとも特許文献１の多段燃焼方法はボイラに関するものであるから、補助燃料の熱量を回収することができ、補助燃料の使用量はさほど大きな問題ではない。しかしこれをそのまま汚泥焼却炉に適用した場合には、補助燃料の使用量が問題となり、省エネルギの観点から満足できない点があった。
【特許文献１】特許第３０５９９９５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は上記した従来の問題点を解決し、Ｎ分を含む汚泥を焼却する際のＮ２Ｏの発生量を「高温焼却法」と同等レベルまで抑制することができ、しかも補助燃料の使用量を「高温焼却法」に比べて大幅に低下させることができる流動焼却炉を提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記の課題を解決するためになされた本発明の汚泥の流動焼却炉は、炉体の下方部分を、空気比が０.７以上、１.０未満の流動用空気を燃料とともに供給して汚泥を流動媒体とともに砂層内で流動させつつ熱分解する熱分解ゾーンとし、その直上部分を空気比が０．１〜０.３の二次燃焼用空気のみを供給することにより、局所高温場を形成して熱分解ガス中に含まれるＮ２Ｏを分解する層上燃焼ゾーンとした流動焼却炉であって、砂層よりも上方であって炉高の１/３を超えない高さに炉体の中央部まで延びる二次燃焼用空気供給管を配置し、局所高温場を砂層直上部の全面にわたって形成したことを特徴とするものである。なお請求項２のように、炉体の最上部を、未燃分を完全燃焼させる完全燃焼ゾーンとすることが好ましい。
【０００９】
本発明の二次燃焼用空気供給管は、基部を炉壁に支持された片持構造とすることができ、あるいは両端部を炉壁に支持された両端支持構造とすることができる。また本発明の二次燃焼用空気供給管は平行に配置するほか、井桁状に配置することもできる。
【発明の効果】
【００１０】
本発明の汚泥の流動焼却炉は、投入された汚泥を空気比が０.７以上１.０未満の流動用空気が燃料とともに供給される熱分解ゾーンで流動させつつ熱分解する。この熱分解ゾーンでは空気比が１.０未満であって酸素が少ないので、Ｎ分の酸化が進みにくくＮ２Ｏの生成が抑制される。それにもかかわらず汚泥は５５０〜７５０℃の温度場で流動媒体によって激しく撹拌され、汚泥中の可燃分は十分に熱分解される。
【００１１】
また本発明では熱分解ゾーンである砂層の直上位置で、熱分解ガスに二次燃焼用空気供給管から空気比が０．１〜０.３の二次燃焼用空気を吹き込んで８５０〜１０００℃の局所高温場を形成し、熱分解ガス中のＮ２Ｏを分解する。酸素濃度の低い部分に空気のみを吹き込んで熱分解ガスを局所燃焼させるので、層上燃焼ゾーンでは補助燃料を全く必要としない。また、熱分解ゾーンから排出される熱分解ガス量が通常燃焼における燃焼排ガスよりも少量であり加温のための必要熱量が少ないことや高温場が局所的であること、さらには流動層部の温度が低いことから、補助燃料の使用量を、「高温焼却法」に比べて大幅に低下させることができる。
【００１２】
しかも二次燃焼用空気供給管は炉体の中央部まで延びているので、内径が５ｍを越えるような大型の焼却炉においても、炉内の中心部まで二次燃焼用空気を均一に供給することができる。このために熱分解ゾーンで発生した熱分解ガスは炉の中心部においても二次燃焼用空気と接触し、８５０〜１０００℃の局所高温場を炉の断面全体にわたって形成することにより熱分解ガス中のＮ２Ｏを分解することができる。このため熱分解ガス中のＮ２Ｏがそのまま放出されることがない。さらにこの二次燃焼用空気によって炉内ガスの撹拌が促進され、未燃ガスが十分に酸化されるので排ガス性状が向上する。
【００１３】
また請求項２のように炉体の最上部を未燃分を完全燃焼させる完全燃焼ゾーンとしておけば、排ガス中に有害成分が含まれることがなくなる。
【００１４】
なお請求項３のように二次燃焼用空気供給管を、基部を炉壁に支持された片持構造としておけば、自由に熱膨張できるので、熱応力による二次燃焼用空気供給管の変形を防止することができる。また請求項４のように両端部を炉壁に支持された両端支持構造とした場合には、片側をスライド自在とすることにより、熱応力による二次燃焼用空気供給管の変形を防止することができる。
【００１５】
以下に本発明の好ましい実施形態を示す。
図１は本発明の第１の実施形態を示す断面図であり、１は流動焼却炉の炉体、２は炉体１の側壁に形成された汚泥の投入口であり、汚泥はこの投入口２から直接炉体１内に投入される。汚泥は下水脱水汚泥が代表的なものであるが、Ｎ分を含む畜産汚泥、工場汚泥等であってもよい。この実施形態では、炉体１の内部を高さ方向に３つに分割する。炉体１の下方から順に、熱分解ゾーン３、層上燃焼ゾーン４、完全燃焼ゾーン５である。
【００１６】
熱分解ゾーン３は炉体１の最も下方部分に形成されるゾーンであり、流動用空気供給管６と燃料供給管７とを備えている。流動用空気供給管６からは流動用空気が供給され、公知の流動媒体とともに汚泥を流動させている。また燃料供給管７からは補助燃料が供給され、流動用空気により燃焼されて熱分解ゾーン３の温度を５５０〜７５０℃に維持している。投入された汚泥は流動用空気により激しく撹拌されながら加熱される。
【００１７】
本発明では、流動用空気の供給量は補助燃料及び汚泥を燃焼させるために必要な理論空気量を基準として、空気比が１.０未満、好ましくは０.７〜１.０となるように設定されている。このため汚泥は熱分解されるが、空気比が低く酸素量が不十分であるので、通常の流動燃焼を行わせる場合に比較してＮ２Ｏの発生量を抑制することができる。次に説明するように、本発明では熱分解ゾーン３の直上位置に局所高温場を形成するため、その輻射熱によって砂層の温度維持を図り易くなり、熱分解ゾーンの空気比を０.７程度まで下げることが可能となる。なお空気比が０.７未満であると流動層部での部分燃焼による発熱量が、汚泥水分蒸発熱や熱分解熱、放熱などの出熱量よりも少なくなり、流動層部の温度維持が困難となるうえ、シアンや一酸化炭素などの有毒ガスが生成されるおそれがあるので、０.７以上１.０未満とすることが好ましい。
【００１８】
熱分解ゾーン３の直上位置、すなわち砂層の直上部には、層上燃焼ゾーン４が形成されている。この層上燃焼ゾーン４は、二次燃焼用空気供給管８から空気比が０．１〜０.３となる量の二次燃焼用空気のみを供給するゾーンである。熱分解ゾーン３から上昇して来る熱分解ガスはこの空気と接触して燃焼され、温度が８５０〜１０００℃の局所高温場（ホットスポット）を形成する。このため熱分解ガス中に含まれるＮ２Ｏはこの局所高温場において分解され減少する。ここで二次燃焼用空気供給管８が設けられる砂層の直上部とは、砂層よりも上方であるが炉高の1／3を越えない高さをいうものとする。
【００１９】
なお二次燃焼用空気供給管８から供給される空気比が０．１未満では８５０〜１０００℃の局所高温場を形成することができず、０.３を越えると空気量が増加し８５０〜１０００℃の局所高温場を形成するには補助燃料の供給が必要となるので、空気比は０．１〜０.３とすることが必要である。このように本発明では還元雰囲気中に少量の空気のみを吹き込んでホットスポットを形成し、Ｎ２Ｏを分解する点に大きな特徴があり、流動層の温度維持に必要な量以上の補助燃料を使用する必要がない利点がある。
【００２０】
この二次燃焼用空気供給管８として、本発明では炉体の中央部まで延びる二次燃焼用空気供給管を用いる。図２に示す実施形態のように、二次燃焼用空気供給管８は基部９を炉壁１０に支持された片持構造とすることができる。図２ではＵ字条に屈曲させた管の基部に直管１１を取り付け、二次燃焼用空気を供給しているが、直管状であってもよい。図２には中心線から右側のみを図示したが、左側も同様である。なお二次燃焼用空気供給管８には多数の開口が形成されているが、流動媒体の侵入をさけるために開口を下向きとしておくものとする。このような片持構造としておけば、熱応力による二次燃焼用空気供給管の変形を防止することができる。
【００２１】
また図３に示すように、二次燃焼用空気供給管８を直管状として両端部を炉壁１０に支持させた構造とすることもできる。この場合には片側の支持部をスライド自在とすることにより、熱応力を避けることが好ましい。このほか図示しないが、直管状の二次燃焼用空気供給管８を井桁状に配置することも可能である。
【００２２】
このように本発明では砂層の直上部に炉体の中央部まで延びる二次燃焼用空気供給管８を配置したので、大型炉においても、炉中心部まで二次燃焼用空気を均一に供給することができる。このために熱分解ゾーンで発生した熱分解ガスは炉の中心部においても二次燃焼用空気と接触し、局所高温場を砂層直上部の全面にわたって形成することにより、熱分解ガス中のＮ２Ｏを分解することができる。またこの二次燃焼用空気供給管８から供給される二次燃焼用空気には、炉内ガスを撹拌する効果もあり、未燃分の酸化を促進することができる。
【００２３】
なお二次燃焼用空気供給管８から供給される空気比が０．１未満では８５０〜１０００℃の局所高温場を形成することができず、０.３を越えると空気量が増加し８５０〜１０００℃の局所高温場を形成するには補助燃料の供給が必要となるので、空気比は０．１〜０.３とすることが必要である。このように本発明では還元雰囲気中に少量の空気のみを吹き込んでホットスポットを形成し、Ｎ２Ｏを分解する点に大きな特徴があり、流動層の温度維持に必要な量以上の補助燃料を使用する必要がない利点がある。なお、流動空気として供給される１次空気と層上燃焼ゾーンに供給される２次空気の合計の空気比を１．０〜１．３とすることが好ましい。
【００２４】
炉体１の最上部は、未燃分を完全燃焼させる完全燃焼ゾーン５である。この完全燃焼ゾーン５には未燃分燃焼用空気供給管９が配置され、空気を供給する。その供給量は空気比が０．１〜０.３となる量とする。この完全燃焼ゾーン５の温度は８００〜８５０℃であり、層上燃焼ゾーン４において分解されなかったＮ２Ｏはさらに分解されるとともに、ＣＯはＣＯ２に酸化され、炉外に排出されて通常の排ガス処理が行われる。
【００２５】
なお、上記した流動用空気供給管６と二次燃焼用空気供給管８と未燃分燃焼用空気供給管９とから供給される空気量の合計は、トータル空気比が１.５以下、好ましくは１．２以下となるように設定する。このように空気比を絞り、かつ補助燃料を熱分解ゾーン３の燃料供給管７のみから供給するようにした結果、補助燃料の使用量をほぼ従来レベルとしながら、Ｎ２Ｏの発生量を従来よりも大幅（約１/３）に削減することができた。なお本発明によるＮ２Ｏの抑制効果は「高温焼却法」と同様あるいはそれ以上であるが、「高温焼却法」では補助燃料の使用量が従来レベルの１.４〜１.６倍となる。このように本発明によれば、Ｎ２Ｏの発生量を「高温焼却法」と同等レベル以下まで抑制することができ、しかも補助燃料の使用量を「高温焼却法」に比べて大幅に低下させることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】本発明の実施形態を示す炉体の縦断面図である。
【図２】片持構造の二次燃焼用空気供給管を示す水平断面図である。
【図３】両端支持構造の二次燃焼用空気供給管を示す水平断面図である。
【符号の説明】
【００２７】
１  流動焼却炉の炉体
２  汚泥の投入口
３  熱分解ゾーン
４  層上燃焼ゾーン
５  完全燃焼ゾーン
６  流動用空気供給管
７  燃料供給管
８  二次燃焼用空気供給管
９  未燃分燃焼用空気供給管
１０  炉壁
１１  直管
【図１】
0005525138.tif 000002
【図２】
0005525138.tif 000003
【図３】
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