(57)【要約】  汚泥が投入される炉体１の内部を高さ方向に分割し、下方部分を空気比が１.１以下の流動用空気を燃料とともに供給して燃焼させ、汚泥を流動させつつ熱分解する熱分解ゾーン３とし、その直上部分を空気比が０．１〜０.３の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Ｎ２Ｏを分解する層上燃焼ゾーン４とし、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５とする。補助燃料の使用量を従来の焼却方法と同等レベルに維持しつつ、汚泥焼却時に発生するＮ２Ｏの量を大幅に削減できる。なお、熱分解ゾーン３と層上燃焼ゾーン４との間に、補助燃料のみを供給してＮ２Ｏを分解する補助燃料反応ゾーン１０を形成すれば、Ｎ２Ｏの発生量をさらに削減できる。
2009060885.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
汚泥が直接投入される炉体内部を高さ方向に分割し、炉体の下方部分を空気比が１.１以下の流動用空気を燃料とともに供給して汚泥を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２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Ｎ２Ｏを分解する層上燃焼ゾーンとし、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汚泥の流動焼却炉。
【請求項２】
熱分解ゾーンと層上燃焼ゾーンの間に、補助燃料のみを供給してＮ２Ｏを分解する補助燃料反応ゾーンを形成したことを特徴とする請求項１記載の汚泥の流動焼却炉。
【請求項３】
熱分解ゾーンの空気比を０.７〜１.１、温度を５５０〜７５０℃、層上燃焼ゾーンの温度を８５０〜１０００℃としたことを特徴とする請求項１または２記載の流動焼却炉。
【請求項４】
流動空気として供給される１次空気と層状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としたことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の流動焼却炉。
【請求項５】
完全燃焼ゾーンに供給される空気の空気比を０．１〜０.３とし、全体での空気比を１．５以下としたことを特徴とする請求項１または２記載の流動焼却炉。
【請求項６】
汚泥を流動炉に投入し、空気比が１.１以下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５５０〜７５０℃の温度で熱分解し、その直上位置で熱分解ガスに空気比が０．１〜０.３の燃焼用空気を吹き込んで８５０〜１０００℃の局所高温場を形成することにより熱分解ガス中のＮ２Ｏを分解し、さらに最上部で空気を吹き込んで未燃分を完全燃焼させることを特徴とする汚泥の流動焼却方法。
【請求項７】
汚泥を流動炉に投入し、空気比が１.１以下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５５０〜７５０℃の温度で熱分解し、その直上位置で熱分解ガスに空気比が０．１〜０.３の燃焼用空気を吹き込んで８５０〜１０００℃の局所高温場を形成することにより熱分解ガス中のＮ２Ｏを分解し、次にその上方の補助燃料反応ゾーンで補助燃料のみを供給して残余のＮ２Ｏを分解し、さらに最上部で空気を吹き込んで未燃分を完全燃焼させることを特徴とする汚泥の流動焼却方法。
【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及びこれを用いた汚泥の流動焼却方法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及びこれを用いた汚泥の流動焼却方法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、汚泥が投入される炉体内部を高さ方向に分割し、炉体の下方部分を空気比が１.１以下の流動用空気を燃料とともに供給して燃焼させ、汚泥を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Ｎ２Ｏを分解する層上燃焼ゾーンとし、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ものである。【０００９】
なお請求項２のように、熱分解ゾーンと層上燃焼ゾーンの間に、補助燃料のみを供給してＮ２Ｏを分解する補助燃料反応ゾーンを形成することができる。また請求項３のように、熱分解ゾーンの空気比を０.７〜１.１、温度を５５０〜７５０℃、層上燃焼ゾーンの温度を８５０〜１０００℃とすることができる。また請求項４のように、流動空気として供給される１次空気と層状燃焼ゾーンに供給される２次空気の合計の空気比を０．１〜０.３とし、請求項５のように全体での空気比を１．５以下、好ましくは１．３以下とすることができる。【００１０】
また請求項６に記載の本発明の汚泥の流動焼却方法は、汚泥を流動炉に投入し、空気比が１.１以下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５５０〜７５０℃の温度で熱分解し、その直上位置で熱分解ガスに空気比が０．１〜０.３の燃焼用空気を吹き込んで８５０〜１０００℃の局所高温場を形成することにより熱分解ガス中のＮ２Ｏを分解し、さらに最上部で空気を吹き込んで未燃分を完全燃焼させることを特徴とするものである。【００１１】
さらに請求項７に記載の本発明の汚泥の流動焼却方法は、脱水汚泥を流動炉に直接投入し、空気比が１.１以下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５５０〜７５０℃の温度で熱分解し、その直上位置で熱分解ガスに空気比が０．１〜０.３の燃焼用空気を吹き込んで８５０〜１０００℃の局所高温場を形成することにより熱分解ガス中のＮ２Ｏを分解し、次にその上方の補助燃料反応ゾーンで補助燃料のみを供給して残余のＮ２Ｏを分解し、さらに最上部で空気を吹き込んで未燃分を完全燃焼させることを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、汚泥を流動炉に投入し、空気比が１.１以下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１.１以下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。【００１３】
また本発明ではその直上位置で熱分解ガスに空気比が０．１〜０.３の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を分解するが、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。なお、Ｎ２Ｏの生成は主として砂層直上部で行われるが、本発明ではこのＮ２Ｏの生成領域に高温場を形成するため、砂層直上部（砂層〜炉高の1/3まで）に２次燃焼用空気が供給される。さらに砂層直上部に２次燃焼用空気を投入することによって放熱が妨げられ、より局所高温場を形成し易くなる。本発明では、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。そしてさらに最上部で空気を吹き込んで未燃分を完全燃焼させるので、排ガス中に有害成分は含まれない。【００１４】
なお熱分解ゾーンは空気比を１.１以下として運転されるが、空気比を下げて行くと次第に砂層の温度維持が難しくなるという問題が発生し、汚泥直投による通常の流動式熱分解炉では空気比を０.８よりも下げることは困難である。しかし本発明のようにその直上位置で局所高温場を形成すると、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。またこれに伴って、流動炉の全体の空気比も下げることが可能となる。ただし熱分解ゾーンの空気比を下げすぎると流動不良となり、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程度が下限である。【００１５】
また請求項７のように、層上燃焼ゾーンの上方の補助燃料反応ゾーンで補助燃料のみを供給した場合には、燃料中の水素がラジカル化し残余のＮ２Ｏをアタックして分解させるので、Ｎ２Ｏの生成がより確実に抑制される。しかも補助燃料の供給量は微量でよいので、この場合にも補助燃料の使用量は「高温焼却法」に比べて大幅に低下させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の第１の実施形態を示す断面図である。
【図２】本発明の第２の実施形態を示す断面図である。
【符号の説明】
【００１７】
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  燃焼用空気供給管
９  未燃分燃焼用空気供給管
１０  還元ゾーン
１１  第２の補助燃料供給管
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
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。【００１９】
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。補助燃料としては都市ガスやプロパンガスのようなガスや、Ａ重油のような燃料油が使用される。【００２０】
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１.１以下、好ましくは０.７〜１.１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１.１以下とすることが好ましい。【００２１】
熱分解ゾーン３の直上位置には、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、燃焼用空気供給管８から空気比が０．１〜０.３となる量の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。【００２２】
なお燃焼用空気供給管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次空気と層状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。【００２３】
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。【００２４】
なお、上記した流動用空気供給管６と燃焼用空気供給管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１．３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（実施例では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。【００２５】
図２は本発明の第２の実施形態を示す断面図である。図２においては、熱分解ゾーン３と層上燃焼ゾーン４との間に、補助燃料のみを供給してＮ２Ｏを分解する補助燃料反応ゾーン１０が形成される。このため炉体１の内部は高さ方向に４分割されることとなる。【００２６】
この補助燃料反応ゾーン１０には第２の補助燃料供給管１１が配置されており、ごく少量の補助燃料が添加される。補助燃料の炭化水素が熱分解して水素ラジカルが発生し、汚泥の熱分解ガス中に含有されるＮ２Ｏをアタックして分解する。またこのゾーンでは補助燃料が添加されることによってより強い還元雰囲気が形成されるので、Ｎ２Ｏの生成が抑制される。【００２７】
このように、補助燃料反応ゾーン１０を形成することによって前記した実施形態の場合に比較してＮ２Ｏの発生量は更に抑制される（実施例では従来の1/4）。この場合前記した実施形態よりも余分に補助燃料を添加することとなるが、実施例に示すように微量で大きな効果を得ることができる。
(実施例１)【００２８】
実験用の流動炉を使用して、条件を変更しながら汚泥の焼却実験を行った。汚泥の投入量は全て８０ｋｇ/ｈであり、補助燃料としてはＡ重油を使用した。実験は従来から行われている通常の流動焼却、焼却温度を高めた高温焼却、本発明の図１に示した方法、本発明の図２に示した方法の４種類である。なお本発明の図２に示した方法では、補助燃料供給管からの補助燃料として排ガス量の３００ｐｐｍに相当する量のプロパンガスを使用した。それぞれの焼却方法について、補助燃料使用量（汚泥１ｋｇ当たりの補助燃料の発熱量で表示）、フリーボード部温度、炉出口温度、Ｎ２Ｏを含む排ガス成分の濃度、トータル空気比を測定し、表１に示した。【００２９】
【表１】
2009060885.tif 000003
【００３０】
上記のデータから明らかなように、本発明によれば補助燃料の使用量を従来の焼却方法と同等レベルに維持しつつ、汚泥焼却時に発生するＮ２Ｏの量を大幅に削減することができる利点がある。
(実施例２)
実施例１と同様に、実験用の流動炉を使用し、補助燃料の使用量を更に減少させるように条件を変更しながら汚泥の焼却実験を行った。汚泥の投入量は全て８０ｋｇ/ｈであり、補助燃料としてはＡ重油を使用した。それぞれの焼却方法について、補助燃料使用量（汚泥１ｋｇ当たりの補助燃料の発熱量で表示）、フリーボード部温度、炉出口温度、Ｎ２Ｏを含む排ガス成分の濃度、トータル空気比、１次空気比、２次＋３次空気比を測定し、表２に示した。【００３１】
【表２】
2009060885.tif 000004
【００３２】
表２には、図１の方法においてトータル空気比を一定に保ちながら１次空気比を１．２から０．９まで順次低下させたデータが示されている。本発明のように１次空気比を１．１以下とすると、１．２とした場合に比較して排ガス中のＮ２Ｏ濃度が顕著に低下することが分かる。上記のデータから明らかなように、実施例２においても補助燃料の使用量を従来の焼却方法と同等レベルに維持しつつ、汚泥焼却時に発生するＮ２Ｏの量を大幅に削減することができる利点がある。
【図１】
2009060885.tif 000005
【図２】
2009060885.tif 000006
【手続補正書】
【提出日】平成21年9月14日(2009.9.14)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
汚泥が直接投入される炉体内部を高さ方向に分割し、炉体の下方部分を空気比が０．９〜１.１の流動用空気を燃料とともに供給して汚泥を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２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Ｎ２Ｏを分解する層上燃焼ゾーンとし、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汚泥の流動焼却炉。
【請求項２】
層上燃焼ゾーンと完全燃焼ゾーンとの間に、補助燃料のみを供給してＮ２Ｏを分解する補助燃料反応ゾーンを形成したことを特徴とする請求項１記載の汚泥の流動焼却炉。
【請求項３】
熱分解ゾーンの空気比を０.９〜１.１、温度を５５０〜７５０℃、層上燃焼ゾーンの温度を８５０〜１０００℃としたことを特徴とする請求項１または２記載の流動焼却炉。
【請求項４】
流動空気として供給される１次空気と層状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としたことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の流動焼却炉。
【請求項５】
完全燃焼ゾーンに供給される空気の空気比を０．１〜０.３とし、全体での空気比を１．５以下としたことを特徴とする請求項１または２記載の流動焼却炉。
【請求項６】
汚泥を流動炉に投入し、空気比が０．９〜１.１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５５０〜７５０℃の温度で熱分解し、その直上位置で熱分解ガスに空気比が０．１〜０.３の燃焼用空気を吹き込んで８５０〜１０００℃の局所高温場を形成することにより熱分解ガス中のＮ２Ｏを分解し、さらに最上部で空気を吹き込んで未燃分を完全燃焼させることを特徴とする汚泥の流動焼却方法。
【請求項７】
汚泥を流動炉に投入し、空気比が０．９〜１.１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５５０〜７５０℃の温度で熱分解し、その直上位置で熱分解ガスに空気比が０．１〜０.３の燃焼用空気を吹き込んで８５０〜１０００℃の局所高温場を形成することにより熱分解ガス中のＮ２Ｏを分解し、次にその上方の補助燃料反応ゾーンで補助燃料のみを供給して残余のＮ２Ｏを分解し、さらに最上部で空気を吹き込んで未燃分を完全燃焼させることを特徴とする汚泥の流動焼却方法。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【書類名】明細書
【発明の名称】流動焼却炉及びこれを用いた汚泥の流動焼却方法
【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及びこれを用いた汚泥の流動焼却方法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及びこれを用いた汚泥の流動焼却方法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、汚泥が直接投入される炉体内部を高さ方向に分割し、炉体の下方部分を空気比が０．９〜１.１の流動用空気を燃料とともに供給して汚泥を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２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Ｎ２Ｏを分解する層上燃焼ゾーンとし、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ものである。
【０００９】
なお請求項２のように、層上燃焼ゾーンと完全燃焼ゾーンとの間に、補助燃料のみを供給してＮ２Ｏを分解する補助燃料反応ゾーンを形成することができる。また請求項３のように、熱分解ゾーンの空気比を０.９〜１.１、温度を５５０〜７５０℃、層上燃焼ゾーンの温度を８５０〜１０００℃とすることができる。また請求項４のように、流動空気として供給される１次空気と層状燃焼ゾーンに供給される２次空気の合計の空気比を０．１〜０.３とし、請求項５のように全体での空気比を１．５以下、好ましくは１．３以下とすることができる。
【００１０】
また請求項６に記載の本発明の汚泥の流動焼却方法は、汚泥を流動炉に投入し、空気比が０．９〜１.１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５５０〜７５０℃の温度で熱分解し、その直上位置で熱分解ガスに空気比が０．１〜０.３の燃焼用空気を吹き込んで８５０〜１０００℃の局所高温場を形成することにより熱分解ガス中のＮ２Ｏを分解し、さらに最上部で空気を吹き込んで未燃分を完全燃焼させることを特徴とするものである。
【００１１】
さらに請求項７に記載の本発明の汚泥の流動焼却方法は、脱水汚泥を流動炉に直接投入し、空気比が０．９〜１.１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５５０〜７５０℃の温度で熱分解し、その直上位置で熱分解ガスに空気比が０．１〜０.３の燃焼用空気を吹き込んで８５０〜１０００℃の局所高温場を形成することにより熱分解ガス中のＮ２Ｏを分解し、次にその上方の補助燃料反応ゾーンで補助燃料のみを供給して残余のＮ２Ｏを分解し、さらに最上部で空気を吹き込んで未燃分を完全燃焼させることを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、汚泥を流動炉に投入し、空気比が０．９〜１.１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１.１以下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。
【００１３】
また本発明ではその直上位置で熱分解ガスに空気比が０．１〜０.３の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を分解するが、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。なお、Ｎ２Ｏの生成は主として砂層直上部で行われるが、本発明ではこのＮ２Ｏの生成領域に高温場を形成するため、砂層直上部（砂層〜炉高の1/3まで）に２次燃焼用空気が供給される。さらに砂層直上部に２次燃焼用空気を投入することによって放熱が妨げられ、より局所高温場を形成し易くなる。本発明では、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。そしてさらに最上部で空気を吹き込んで未燃分を完全燃焼させるので、排ガス中に有害成分は含まれない。
【００１４】
なお熱分解ゾーンは空気比を１.１以下として運転されるが、空気比を下げて行くと次第に砂層の温度維持が難しくなるという問題が発生し、汚泥直投による通常の流動式熱分解炉では空気比を０.８よりも下げることは困難である。また熱分解ゾーンの空気比を下げすぎると流動不良となり、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、本発明では実施例に示すように０.９を下限とした。
【００１５】
また請求項７のように、層上燃焼ゾーンの上方の補助燃料反応ゾーンで補助燃料のみを供給した場合には、燃料中の水素がラジカル化し残余のＮ２Ｏをアタックして分解させるので、Ｎ２Ｏの生成がより確実に抑制される。しかも補助燃料の供給量は微量でよいので、この場合にも補助燃料の使用量は「高温焼却法」に比べて大幅に低下させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の第１の実施形態を示す断面図である。
【図２】本発明の第２の実施形態を示す断面図である。
【符号の説明】
【００１７】
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  燃焼用空気供給管
９  未燃分燃焼用空気供給管
１０  還元ゾーン
１１  第２の補助燃料供給管
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
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。
【００１９】
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。補助燃料としては都市ガスやプロパンガスのようなガスや、Ａ重油のような燃料油が使用される。
【００２０】
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０．９〜１.１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る。しかし、熱分解ゾーンの空気比を下げすぎ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、０.９以上１.１以下とすることが好ましい。
【００２１】
熱分解ゾーン３の直上位置には、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、燃焼用空気供給管８から空気比が０．１〜０.３となる量の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。
【００２２】
なお燃焼用空気供給管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次空気と層状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。
【００２３】
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。
【００２４】
なお、上記した流動用空気供給管６と燃焼用空気供給管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１．３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（実施例では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。
【００２５】
図２は本発明の第２の実施形態を示す断面図である。図２においては、熱分解ゾーン３と層上燃焼ゾーン４との間に、補助燃料のみを供給してＮ２Ｏを分解する補助燃料反応ゾーン１０が形成される。このため炉体１の内部は高さ方向に４分割されることとなる。
【００２６】
この補助燃料反応ゾーン１０には第２の補助燃料供給管１１が配置されており、ごく少量の補助燃料が添加される。補助燃料の炭化水素が熱分解して水素ラジカルが発生し、汚泥の熱分解ガス中に含有されるＮ２Ｏをアタックして分解する。またこのゾーンでは補助燃料が添加されることによってより強い還元雰囲気が形成されるので、Ｎ２Ｏの生成が抑制される。
【００２７】
このように、補助燃料反応ゾーン１０を形成することによって前記した実施形態の場合に比較してＮ２Ｏの発生量は更に抑制される（実施例では従来の1/4）。この場合前記した実施形態よりも余分に補助燃料を添加することとなるが、実施例に示すように微量で大きな効果を得ることができる。
【実施例１】
【００２８】
実験用の流動炉を使用して、条件を変更しながら汚泥の焼却実験を行った。汚泥の投入量は全て８０ｋｇ/ｈであり、補助燃料としてはＡ重油を使用した。実験は従来から行われている通常の流動焼却、焼却温度を高めた高温焼却、本発明の図１に示した方法、本発明の図２に示した方法の４種類である。なお本発明の図２に示した方法では、補助燃料供給管からの補助燃料として排ガス量の３００ｐｐｍに相当する量のプロパンガスを使用した。それぞれの焼却方法について、補助燃料使用量（汚泥１ｋｇ当たりの補助燃料の発熱量で表示）、フリーボード部温度、炉出口温度、Ｎ２Ｏを含む排ガス成分の濃度、トータル空気比を測定し、表１に示した。
【００２９】
【表１】
2009060885.tif 000007
【００３０】
上記のデータから明らかなように、本発明によれば補助燃料の使用量を従来の焼却方法と同等レベルに維持しつつ、汚泥焼却時に発生するＮ２Ｏの量を大幅に削減することができる利点がある。
【実施例２】
実施例１と同様に、実験用の流動炉を使用し、補助燃料の使用量を更に減少させるように条件を変更しながら汚泥の焼却実験を行った。汚泥の投入量は全て８０ｋｇ/ｈであり、補助燃料としてはＡ重油を使用した。それぞれの焼却方法について、補助燃料使用量（汚泥１ｋｇ当たりの補助燃料の発熱量で表示）、フリーボード部温度、炉出口温度、Ｎ２Ｏを含む排ガス成分の濃度、トータル空気比、１次空気比、２次＋３次空気比を測定し、表２に示した。
【００３１】
【表２】
2009060885.tif 000008
【００３２】
表２には、図１の方法においてトータル空気比を一定に保ちながら１次空気比を１．２から０．９まで順次低下させたデータが示されている。本発明のように１次空気比を１．１以下とすると、１．２とした場合に比較して排ガス中のＮ２Ｏ濃度が顕著に低下することが分かる。上記のデータから明らかなように、実施例２においても補助燃料の使用量を従来の焼却方法と同等レベルに維持しつつ、汚泥焼却時に発生するＮ２Ｏの量を大幅に削減することができる利点がある。
【国際調査報告】
2009060885.tif 000009
2009060885.tif 000010
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