(57)【要約】【課題】温室効果ガスの発生、特に亜酸化窒素の発生を防止した流動床式汚泥焼却炉を提供することを課題としている。【解決手段】焼却炉本体の下部から空気を噴出させて浮遊砂による流動床を形成し、該流動床内部で汚泥を燃焼させると共にフリーボード内部で上昇空気中の残りの可燃分を燃焼させるようにした汚泥焼却装置において、亜酸化窒素の発生を抑制するために砂層温度を所定の一定温度に制御し、かつ、該流動床の砂層中における汚泥の滞留時間又は砂層との接触時間を長くして砂層中における汚泥の燃焼分を増大するように構成した。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
焼却炉本体の下部から空気を噴出させて浮遊砂による流動床を形成し、該流動床内部で汚泥を燃焼させると共にフリーボード内部で上昇空気中の残りの可燃分を燃焼させるようにした汚泥焼却装置において、亜酸化窒素の発生を抑制するために砂層温度を所定の一定温度に制御し、かつ、該流動床の砂層中における汚泥の滞留時間又は砂層との接触時間を長くして砂層中における汚泥の燃焼分を増大するように構成したことを特徴とする汚泥焼却装置。
【請求項２】
前記所定の一定温度は汚泥の焼却が十分に行われ、亜酸化窒素の発生を抑制できる温度を選択したことを特徴とする請求項１に記載の汚泥焼却装置。
【請求項３】
前記流動床に供給する空気の供給は散気ノズルの先端部に略水平方向散気口を設けて周囲四方に向けて噴射するようにしたことを特徴とする請求項１又は請求項２の何れか１に記載の汚泥焼却装置。
【請求項４】
前記散気ノズルを前記流動床全面に均一に配置すると共に高密度に配置して砂の混合攪拌能力を増大させたことを特徴とする請求項１〜請求項３の何れか１に記載の汚泥焼却装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、下水処理おいて発生する汚泥の焼却装置に関し、特に、排ガス中における公害ガスの排出濃度を低減することを目的とした焼却装置の技術分野に属する。
【０００２】
【従来の技術】
従来から下水処理場において大量の汚泥が汚泥焼却装置によって焼却され、処分されている。ところが、汚泥焼却装置は汚泥に含まれている成分や燃料とする重油の中に含まれている成分のために公害ガスが発生し、その大部分が大気中に放出されていた。汚泥焼却装置としては流動床式焼却装置が使用されており、従来から種々の改良がなされてきた。例えば、１例として、公開特許公報、特開平８−３５６３７号に開示されている流動床式焼却炉がある。この焼却炉は焼却むら、不完全燃焼の発生をなくした焼却炉である。
【０００３】
また、公害ガスの発生の抑制を目的とした流動床式焼却装置としては、公開特許公報、特開平８−１２１７３０号（以下、従来装置１という）、同特開平５−２８８３２６号（以下、従来装置２という）に開示された従来装置等がある。以下に、従来装置１，２について簡単に説明する。従来装置１は流動床式焼却装置で、ファジイ制御（あいまい制御又はいい加減制御）によってＮＯｘとＣＯガスの両方を低く抑えることを目的としている。この従来装置１では、図５に示すように、各温度計の検出値（入力ｄ〜ｊ）、各濃度計からの検出値（入力ａ〜ｃ）をファジイ制御装置５１に入力し、各種の制御目標値（出力１〜７）をファジイ制御装置５１により推論するものである。ファジイ制御装置５１は前記検出値（ａ〜ｊ）に基づいて焼却炉５２内における燃焼状態を評価して、燃焼状態を好適に維持するに必要な各調節計（５５〜６１）における供給量の必要増減量を推論し、出力するものである。
【０００４】
調節器５５はフリーボード加熱用燃料の調節器、調節器５６は砂層加熱用燃料の調節器、調節器５７は空気加熱用燃料調節器、調節器５８は冷却用空気調節器、調節器５９は２次燃焼空気量調節器、調節器６０は１次燃焼空気量調節器、全燃焼空気量調節器である。焼却炉５２はフリーボード６３、流動床６４から構成されており、焼却炉５２の底部にはウインドボックス６５が連結されており、熱風発生炉６６により１次燃焼空気を加熱してウインドボックス６５を介して流動床６４に供給される。
【０００５】
従来装置１は設定濃度を上回る窒素酸化物濃度（ＮＯｘ）、一酸化炭素濃度（ＣＯ）、酸素濃度（Ｏ２）の増加傾向に対する幾つかの制御ルールを定めて、この制御ルールに従ってファジイ推論により各種の温度、流量の増減を決定して制御を行っている。
【０００６】
従来装置２について、図６を参照して説明する。図６（Ａ）は平面図、（Ｂ）は正面の断面図を示す。この装置は汚泥及び／又はヒューマス（以下、汚泥等という）と液物とを併燃焼し、汚泥等の焼却時におけるＮＯｘの発生量を低減することを目的としている。ここで、液物は発酵廃液のような液物で、硫酸ナトリウム（Ｎａ２Ｏ４）のようなアルカリ金属塩を含有する溶液及びアルカリ金属塩に加えてアンモニウム塩及び有機体窒素を含有する溶液である。液物はノズル７３から流動砂床７１の上方に噴霧され、摂氏８００〜９００度の熱雰囲気の中で燃焼される。また、汚泥はノズル７４により流動砂床７１内に直接（又はその上方で表面近くに）投入されて砂層焼却される。ヒューマス（例えば、糖とアミノ酸から生じるもの）は炉７０上部より炉内へ又は流動砂床７１へ直接投入されて砂層焼却される。
【０００７】
このように発酵廃液と汚泥及び／又はヒューマスと併燃焼すると汚泥又はヒューマスを単独燃焼させた場合に比べて燃焼状態（砂温度及びガス温度）によりＮＯｘの発生量を低減させることができる。ここでは、砂温度は摂氏７６０度〜８１０度でガス温度は摂氏７５０〜８５０度の場合について５つの組合せ温度の場合について実施例が開示されている。
【０００８】
しかし、近年公害の一つとして地球温暖化の影響が問題視されるようになってきた。地球温暖化現象は地球から宇宙に放出されるべき熱エネルギー（赤外線）が大気中の「温室効果ガス」と呼ばれる気体に吸収され、地表面に再放射されるからである。温室効果ガスには、２酸化炭素（ＣＯ２）、オゾン（Ｏ３）、フロンガス（ＣＦＣ）、亜酸化窒素（Ｎ２Ｏ）、メタンガス（ＣＨ４）があり、フロンガスの温室効果は２酸化炭素の約１万倍と言われている。しかし、フロンガスは汚泥焼却の際には発生しない。汚泥焼却によって発生するガスは２酸化炭素（ＣＯ２）と亜酸化窒素（Ｎ２Ｏ）であり、亜酸化窒素は２酸化炭素の約１００倍〜３１０倍もの温室効果があると言われており、毒性もある。２酸化炭素は毒性もなく、温室効果も小さいが、しかし、発生量が多いために２酸化炭素の放出を抑制する必要が有る。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
以上に説明した事情から明らかなように大量の汚泥を処理している汚泥焼却炉にも温室効果ガスを発生しないように工夫した焼却炉が望まれている。しかし、未だ温室効果ガスの発生を有効に防止した汚泥焼却炉は利用可能な状況に至っていない。本発明は温室効果ガスの発生、特に亜酸化窒素の発生を防止した流動床式汚泥焼却炉を提供することを課題としている。
【００１０】
上記課題を解決するため対策として以下のことが考えられる。亜酸化窒素の発生は摂氏７００度近辺で汚泥を焼却した場合に最も多く発生し、摂氏８００度近辺以上で汚泥を焼却した場合には殆ど発生しない。また、発生した亜酸化窒素を分解するために摂氏８５０〜９００度の高温部を作って分解を促進させても分解率は高々５割以下である。また、高温部を作るために補助燃料の消費量を増やすと２酸化炭素の発生量が大きくなり、また費用も増大する。従って、炉内全体を略摂氏８００度又はそれ以上の所定温度に維持することが望ましく、又、炉内に低温部を作らないようにすれば効果的に温室効果ガスの発生を防止することができると考えられる。又、供給される汚泥の温度、供給量、外気温度、その他の外乱によって炉内温度が変動し、低温になったり、高温になったりするのは亜酸化窒素の分解を促進する上からも燃料費を下げる上からも好ましくない。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
そこで、本願発明は炉内温度を一様に亜酸化窒素の発生を抑制する所定の温度に維持すると共に、温度変動を抑えるために、砂層の温度を制御し、かつ、砂層内での燃焼を促進し、フリーボード部における燃焼分を少なくして安定的に汚泥を完全燃焼させて温室効果ガスの発生を効果的に防止した。また、砂層内の燃焼を促進するために、砂層内の砂の攪拌能力を高めて砂の温度の均一化を図ると共にと砂と汚泥（被焼却物）との接触を改良した。具体的には以下のような手段を採用した。
【００１２】
請求項１記載の発明は、焼却炉本体の下部から空気を噴出させて浮遊砂による流動床を形成し、該流動床内部で汚泥を燃焼させると共にフリーボード内部で上昇空気中の残りの可燃分を燃焼させるようにした汚泥焼却装置において、亜酸化窒素の発生を抑制するために砂層温度を所定の一定温度に制御し、かつ、該流動床の砂層中における汚泥の滞留時間又は砂層との接触時間を長くして砂層中における汚泥の燃焼分を増大するように構成したことを特徴としている。
【００１３】
請求項２記載の発明は、請求項１に記載の発明において、前記所定の一定温度は汚泥の焼却が十分に行われ、亜酸化窒素の発生を抑制できる温度を選択したことを特徴とする。
【００１４】
請求項３記載の発明は、請求項１または請求項２の何れか１に記載の発明において、前記流動床に供給する空気の供給は散気ノズルの先端部に略水平方向散気口を設けて周囲四方に向かって噴射するようにしたことを特徴とする。
【００１５】
請求項４記載の発明は、請求項１〜請求項３の何れか１に記載の発明において、前記散気ノズルを前記流動床全面に均一に配置すると共に高密度に配置して砂の混合攪拌能力を増大させたことを特徴とする。
【００１６】
【発明の実施形態】
以下に本発明を実施した実施形態について図面を利用して説明する。図１は本実施形態の主要部の構成を示す。図１において、焼却炉の炉本体１０の底部に空気室１１を設けてあり、大気中の空気が送風機２０によって空気導入路２１に導入され、導入路２１の途中に設けられた予熱器２２によって予熱され、空気室１１に導入される。空気室１１に導入された空気は空気室１１の上部に設けられた炉床１２に配設されている多数の散気ノズル１３から炉本体１０の内部に噴出される。なお、炉本体１０及び炉床１２は耐火煉瓦によって構成されている。また、送風機２０は駆動モータ２３によって回転駆動される。
【００１７】
炉床１３の上部には砂が積載されて砂層を形成している。砂層の砂に散気ノズル１３から噴出された空気が砂を浮遊状態にして流動床１５が形成される。また、流動床１５を加熱するための燃料噴射ノズル１６及び砂層温度を検出する温度検出器１７が炉本体１０の側壁の適宜な位置に設けられている。更に、流動床１５の内部へ汚泥を噴射する汚泥噴射ノズル１８が炉本体１０の適宜な位置に設けられている。例えば、流動床１５の上方、フリーボード２５（後述する）の下部側壁に設けて流動砂との衝撃による磨耗を防止するようにしてもよいし、或いは、炉本体１０の上部壁に設けて流動床１５に向けて落下するようにしてもよい。
【００１８】
なお、流動床１５の上部にはフリーボードと言われる空間２５が設けられており、噴射された汚泥の燃焼分と未燃焼分が上昇する空気流れ（以下、上昇ガスという）に乗ってフリーボードを通過して炉本体１０の出口２６から排出される。フリーボード２５内部の温度を計測するための温度計測器１９が炉本体１０の側壁の適宜な位置に設けられている。汚泥の未燃焼分はフリーボード２５を通過する際にも燃焼される。なお、焼却残渣は炉床１２の中央部に設けられた孔２４から排出される。
【００１９】
図２（Ａ）は散気ノズル１３の構造の断面図を示し、同図（Ｂ）は散気ノズル１３からの空気の噴出方法の例を示す。散気ノズル１３は炉床１２から頭部１３ａを突出させた状態で配設される。散気ノズル１３の頭部１３ａには略水平方向に空気を噴出する散気口１３ｂが頭部１３ａの側壁の四方に設けられている。従って、炉床１２上に積載されていた砂は下側に薄い非浮遊層３１を形成すると共にその上側に厚い浮遊層３２を形成する。又、多数の散気ノズル１３が図２（Ｂ）に示すように濃密に配置されており、散気口１３ｂが向き合って配置されている。従って、散気ノズル１３から噴出された空気は衝突しあって複雑な流れを形成しながら上方に向かって流れる気流を形成する。この気流はそこに積層されている砂を浮遊させながら上方に流れ、流動床を形成する。
【００２０】
図３は炉本体１０の側壁を破断した炉床１２の上面斜視図で、散気ノズル１３の配置例を示す。散気ノズル１３は炉床１２の上表面に均一に配置すると共に多数個配置して高密度の配置を実現している。配置密度は散気口１３ｂの口径にも依存するが、少なくとも１平方メートル当り２００個以上とするのが好ましい。このように、多数個の散気口１３ｂを高密度に配置し、かつ、散気口１３ｂの噴出方向を略水平方向（又は、水平方向やや下向きに）に設けたので流動床１５内の砂層は活発に活動し、浮遊した砂と汚泥との良好な接触状態が得られる。なお、中央の穴２４は燃焼残渣を排出するための穴を示す。
【００２１】
なお、炉本体１０内を上昇する空気速度（空塔速度）は、流動床式焼却炉では通常０．５（メートル／秒）〜１．５（メートル／秒）の速度が採用されている。しかし、本実施形態では空塔速度を遅め（例えば、０．６メートル／秒以下）にしている。空塔速度自体の速度制御の代わりに炉内ガス滞留時間（例えば、炉内ガス滞留時間１０秒以上）を制御してもよい。滞留時間は、例えば浮遊層３２の厚さ（又は高さ）と供給する空気の風量、炉床の有効断面積などから近似的に求められる。滞留時間の制御は風量制御により行う。風量制御は従来から使用されている制御技術を使用して実現できる。例えば、駆動モータ２３としてインバータモータを利用し、インバータモータ２３の回転数を制御して滞留時間（又は風量）が設定値になるようにフィードバック制御を行うようにしてもよい。
【００２２】
図４は、炉本体１０内部の温度制御の構成例を示す。図４において、砂層の目標温度３５を所定温度に設定する。一方流動床１５内の砂層温度を温度検出器１７で検出し、これを偏差検出器（加算機）３８に入力し、偏差を求める。燃料コントローラ４１は偏差に基づいて燃料流量を決定し、その信号を燃料流量弁４２に入力する。燃料流量弁４２からの燃料（重油）が燃料噴射ノズル１６により流動床１５内に噴射される。又、流動床１５内には汚泥噴射ノズル１８から噴射される汚泥の量、汚泥の発熱量、その他の変動が外乱として印加される。流動床１５から上昇する上昇ガスはフリーボード２５を通って、その出口２６から排気管２７を通って次の段階へ排出される。
【００２３】
フリーボード２５の温度は流動床１５内の砂層温度に略等しいことが望ましいので、フリーボード設定温度４５は砂層の目標温度３５と同じ温度に設定してもよい。フリーボード２５内のガス温度を温度検出器１９によって検出し、偏差検出器４６に入力する。フリーボード２５内の温度が異常な高温になるのは望ましくないので、この場合はフリーボード２５内に冷却水を霧状にして注水を行う。炉注水流量コントローラ４７は偏差検出器４６からの偏差に基づいて炉注水流量を決定し、炉注水流量弁４８に出力する。炉注水流量弁４８は図示省略の注水ノズルから冷却用の注水を霧状にしてフリーボード２５内に噴射する。又、フリーボード２５内には砂層温度の変動、その他の変動が外乱として印加される。
【００２４】
燃焼コントローラ４０は燃焼空気流量の変化、汚泥投入量の変化、排出ガス酸素濃度等の燃焼条件の変化を検出器３９により検出し、大幅な変動がある場合はこの変動を打ち消すために予測制御を行う。この予測制御はファジイ制御を使用してもよい。なお、上記砂層の目標設定温度３５は汚泥の燃焼による焼却が十分に行われ、亜酸化窒素の発生を抑制できる適宜な温度を選択する。この温度としては摂氏８００度前後又はこれよりも高い温度（例えば摂氏８５０度）が望ましい。しかし、目標設定温度４５（所定温度）はこれに限定されるものではない。
【００２５】
又、砂層温度は一定の値に維持することが望ましい。しかし、流動床の温度は汚泥噴射ノズル１８から噴射される汚泥の量、汚泥の性質や送風機２０から供給される空気温度等の変動が外乱４３として加わるために流動床１５の内部温度は変動する。又、同様にフリーボード２５内部の温度は流動床１５からの空気温度、汚泥の未燃焼割合等の変動による外乱４４が加わることによってフリーボード内の温度が変動する。このために、本実施形態では、これらの外乱４３及び外乱４４による変動の影響を小さくするために流動床１５内の砂の浮遊運動を活発化し、砂と汚泥の接触時間（又は、流動床１５内の汚泥の滞留時間）を大きくして汚泥の流動床１５内における燃焼割合を高めている。これによって砂層温度を一定に維持し、流動床１５内の温度変動を小さくできるだけでなく、フリーボード内の温度を砂層温度に近い温度に容易に維持することができる。
【００２６】
以上に説明したように、本実施形態によれば、炉本体の内部、即ち、流動床部とフリーボード部の両方を一様に亜酸化窒素の発生を抑制する温度に維持するようにしたので、亜酸化窒素が発生しにくいだけでなく熱効率も良くなるという効果が得られる。更に、流動床内の汚泥の燃焼を促進するように空塔速度を抑え、流動層の砂層の動きを活発にして汚泥と加熱砂との接触時間を長くするようにしたので、汚泥の供給量の変化等による外乱に対しても温度変動が小さくなる。また、これによってフリーボード部の温度も容易に一定になるという効果が得られる。
【００２７】
【発明の効果】
以上説明したように、この発明の構成によれば、炉本体の内部を一様に亜酸化窒素の発生を抑制する所定温度に維持するようにしたので、亜酸化窒素が発生しにくいだけでなく熱効率も良くなるという効果が得られる。また、流動床内の汚泥の燃焼を促進するようにしたので、温度変動を小さくできるという効果も得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施形態の流動床式汚泥焼却炉の主要な構成を示す図である。
【図２】散気ノズルの構造（Ａ）と配置構成（Ｂ）を示す。
【図３】散気ノズルの全体配置例を示す。
【図４】温度制御系のブロック図を示す。
【図５】従来の流動床式汚泥焼却炉を示す。
【図６】別の従来の流動床式汚泥焼却炉を示す。
【符号の説明】
１０      流動床式汚泥焼却炉
１１      空気室
１２      炉床
１３      散気ノズル
１５      砂層（流動層又は流動床）
１６      燃料噴射ノズル
１７、１９    温度検出器
１８      汚泥噴射ノズル
２０      送風機
２２      熱交換器
２３      駆動モータ
２５      フリーボード部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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