(57)【要約】【課題】流動層焼却炉は、砂層上に被燃焼物を投入し、１次燃焼空気を砂層底部より供給して１次燃焼過程で流動層を形成する。この１次燃焼に加えて２次燃焼を行うに際して、従来の２次燃焼は輻射で砂層の砂粒子に熱を与えるため、砂への熱エネルギーはさほど期待できない。【解決手段】被燃焼物供給機８を通じて流動層焼却炉本体１内に投入される被燃焼物は、分散板３上に位置する砂層５と１次燃焼過程で流動層を形成する。この流動層において、濃厚層高さＬ３から流動層高さＬ４との間の所謂気泡破裂域に２次燃焼空気を供給するノズルとしての二次供給手段６を備える。これによって、砂層５を形成する砂粒子は、被燃焼物の揮発分と２次燃焼空気との燃焼領域に位置することになり、砂粒子に与えられる熱量が増し、しいては、被燃焼物の燃焼効率を向上させる。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
流動層焼却炉本体と、砂層を支持するとともに１次燃焼空気を前記砂層の下方からその内方に導く手段と、被燃焼物を前記砂層に供給する手段と、２次燃焼空気供給手段とを備えた流動層焼却炉において、前記２次燃焼空気供給手段が、砂層の流動化開始高さから運転時の流動層高さの間において２次燃焼空気を供給するように設けられたことを特徴とする流動層焼却炉。
【請求項２】
前記２次燃焼空気の供給位置が、砂層における下方から上方に向かうに際して砂密度が減少し始める濃厚層高さを超える位置に定められたことを特徴とする請求項１に記載の流動層焼却炉。
【請求項３】
前記２次燃焼空気の供給箇所を焼却炉本体周囲の複数箇所に設けたことを特徴とする請求項１又は２に記載の流動層焼却炉。
【請求項４】
前記２次燃焼空気供給手段が流動層焼却炉本体内の斜め上方に向けて２次燃焼空気を噴射させるように構成されていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の流動層焼却炉。
【請求項５】
前記１次燃焼空気の一部を導管で導き、当該導管の先端部に設けられるとともに水平方向に向けられた分散器によって前記２次燃焼空気として補充したことを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の流動層焼却炉。
【請求項６】
前記１次、２次の各燃焼空気の温度が８００〜１０００℃であることを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の流動層焼却炉。
【請求項７】
前記被燃焼物が下水汚泥であることを特徴とする請求項１乃至６のいずれかに記載の流動層焼却炉。
【請求項８】
流動層焼却炉本体と、砂層を支持するとともに１次燃焼空気を前記砂層の下方からその内方に導く手段と、被燃焼物を前記砂層に供給する手段と、２次燃焼空気供給手段を備えた流動層焼却炉の運転方法において、前記２次燃焼空気供給手段が、砂層の流動化開始高さから運転時の流動層高さの間において２次燃焼空気を供給するようにしたことを特徴とする流動層焼却炉の運転方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、水分の多い低質廃棄物（例えば下水汚泥）を燃焼乃至ガス化しようとする場合において、被燃焼物に対する燃焼に要する熱の供給効率の向上を図るための流動層焼却炉及びその運転方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
下水汚泥などの低質廃棄物処理では、砂の保有熱により安定に処理可能な流動層方式が選ばれることが多い。そして、下水汚泥の燃焼は、多段焼却炉から流動層焼却炉に移り、流動層焼却炉では、流動化空気温度が徐々に引き上げられ、省エネルギー化が推進されてきた。
【０００３】
しかし、水分割合が８０％前後を占める下水汚泥の燃焼では、都市ガス、Ａ重油などの外部燃料を大量に投入され、汚泥燃焼の安定性を確保しているのが現状であり、より安定性の高い流動層燃焼方法あるいはプロセスの改善が期待されている。
【０００４】
ところで、汚泥などの低質廃棄物の燃焼では、流動層の温度を維持することが安定運転で最も重要なこととなる。
そのために、従来、流動層焼却炉は外部燃料を燃焼して流動化温度を上昇させたり、最近では廃熱を回収して流動化空気温度を６００℃レベルまで引き上げている。
また、最近行われている研究開発ではその温度を８００℃以上まで引き上げる努力がなされている。
このような背景の中で、従来の流動層焼却炉は、流動層の底部からの一次燃焼に加えて流動層の上方に位置するフリーボードに２次燃焼空気を供給し、被燃焼物の２次燃焼を行うようにしている。具体的には下記特許文献１、２を参照。
【０００５】
一方、２次燃焼の目的が砂層への熱の付与でなく、ダイオキシン発生防止としている発明も多くなされている。具体的には下記特許文献３、４を参照。
【０００６】
【特許文献１】
特開平９−３０３７３６号公報
【特許文献２】
特開２００１−２４１６１１号公報
【特許文献３】
特開平１０−２０５７３３号公報
【特許文献４】
特開平１１−１９０５０９号公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
前記各特許文献１〜４に開示の構成において、焼却炉のフリーボードに於ける２次燃焼は、その燃焼によって、流動層をなす砂粒子には直接接して当該砂粒子に熱を与えることはない。
すなわち、従来の２次燃焼は、燃焼に伴う輻射によって流動層をなす砂粒子の表面に熱を与える。
したがって、２次燃焼により流動層をなす砂への熱エネルギーはさほど期待することはできない。このため、特に水分割合が大の下水汚泥の燃焼に当っては、かなりの量の外部燃料を流動状態の砂層に投入して、燃焼エネルギーを得るようにする必要があった。
また、外部燃料の必要量を削減するためには、流動層を支持する風箱の面積を大きくするために流動層焼却炉全体の大きさを増すことが強いられていた。
【０００８】
本発明の目的は、流動層焼却炉の２次燃焼空気を、流動層をなす砂に直接接するようにし、流動層への熱エネルギーの付与効率を向上させ、水分の多い低質の被燃焼においても、必要な外部燃料を極力低減し、併せて、燃焼効率の向上に伴い、流動層焼却炉全体の大きさを抑制させることにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
この目的を達成する手段として、請求項１の流動層焼却炉は、流動層焼却炉本体と、砂層を支持するとともに１次燃焼空気を前記砂層の下方からその内方に導く手段としての分散板を有する風箱と、被燃焼物を前記砂層に供給する手段と、２次燃焼空気供給手段を備えた流動層焼却炉において、前記２次燃焼空気供給手段が、砂層の流動化開始高さから運転時の流動層高さの間において２次燃焼空気を供給するように設けられたことを特徴とするものである。
【００１０】
請求項２の流動層焼却炉は、請求項１において、前記２次燃焼空気の供給位置が、砂層における下方から上方に向かうに際して砂密度が減少し始める濃厚層高さを超える位置に定められたことを特徴とするものである。
【００１１】
請求項３の流動層焼却炉は、請求項１又は２において、前記２次燃焼空気の供給箇所を焼却炉本体周囲の複数箇所に設けたことを特徴とするものである。
【００１２】
請求項４の流動層焼却炉は、請求項１乃至３のいずれかにおいて、前記２次燃焼空気供給手段が流動層焼却炉本体内の斜め上方に向けて２次燃焼空気を噴射させるように構成されていることを特徴とするものである。
【００１３】
請求項５の流動層焼却炉は、請求項１乃至４のいずれかにおいて、前記１次燃焼空気の一部を導管で導き、当該導管の先端部に設けられるとともに水平方向に向けられた分散管によって前記２次燃焼空気として補充したことを特徴とするものである。
【００１４】
請求項６の流動層焼却炉は、請求項１乃至５のいずれかにおいて、前記１次、２次の各燃焼空気の温度が８００〜１０００℃であることを特徴とするものである。
【００１５】
請求項７の流動層焼却炉は、請求項１乃至６のいずれかにおいて、前記被燃焼物が下水汚泥であることを特徴とするものである。
【００１６】
請求項８の流動層焼却炉の運転方法は、流動層焼却炉本体と、砂層を支持するとともに１次燃焼空気を前記砂層の下方からその内方に導く手段と、被燃焼物を前記砂層に供給する手段と、２次燃焼空気供給手段を備えた流動層焼却炉の運転方法において、前記２次燃焼空気供給手段が、砂層の流動化開始高さから運転時の流動層高さの間において２次燃焼空気を供給するようにしたことを特徴とするものである。
【００１７】
この請求項１〜８の発明によると、砂層が混在する部分で、被燃焼物の揮発分が２次燃焼空気により燃焼することにより、燃焼熱が流動層を形成する砂粒子に直接戻ることにより流動層に対して有効に熱が付与される。
この結果、被燃焼物が水分の占める割合の多い下水汚泥の燃焼においても外部燃料の必要量を極力低減させることができ、流動層への授熱効率の向上に伴って焼却炉の小形化を図ることができる。
【００１８】
【発明の実施の形態】
次に、本発明に基づく流動層焼却炉を図示する一実施の形態に基づいて具体的に説明する。
図１は本発明に係る流動層焼却炉の正面断面図である。図１において、１は流動層焼却炉本体で、一次燃焼領域１ａと、二次燃焼領域であるフリーボード１ｂとを有する。この炉本体１には、当該フリーボードの適所に被燃焼物（下水汚泥ほか）供給口１ｃを形成している。被燃焼物供給機８からの被燃焼物は、供給口１ｃから流動層の上方へと供給される。
２は風箱で、流動層焼却炉本体１の底部に配置される。３は分散板で、流動層焼却炉本体１の底部と風箱２との間に配置され、全面に亘り分散管３ａを形成している。
４はブロアで、前記風箱２内に１次燃焼空気を供給し、この空気量を所定の量に維持するように作用する。５は砂層で、流動層焼却炉本体１に投入される被燃焼物と、その燃焼に際して流動層を形成する。
前記分散板３を有する風箱２が、砂層を支持するとともに一次燃焼空気を砂層の下方から内方に導く砂層支持手段と一次燃焼空気供給手段を構成する。また、被燃焼物供給口１ｃと被燃焼物供給機８とが、被燃焼物を砂層に供給する供給手段を構成する。
【００１９】
この砂層は、燃焼時に流動層を形成する。この砂層の高さは、静止砂層高さＬ１、流動化開始高さＬ２へと順に変化し、十分に流動化した砂層では、砂の密度が減少し始める濃厚層高さＬ３、砂の密度が殆どなくなる流動層高さＬ４とが定義される。
なお、砂層５の高さＬ（Ｌ１〜Ｌ４）と砂の密度Ｄとの関係は図２に示す通りで、濃厚層高さＬ３から１次燃焼空気の気泡破裂に伴って急激に砂粒子の密度が減少する。
ところで、前記濃厚層高さＬ３及び流動層焼却炉の運転時の流動層高さＬ４は下記（５）式、（６）式にて推論できる。この前提要素としての１次燃焼空気によって生成される気泡の容積分率Ｅｂ濃厚層の空間率ＥＤは下記（１）式〜（４）式にて推論される。なお、下記式に限らず、流動層焼却炉の経験値により、流動層高さＬ４及び濃厚高さＬ３を求めることも可能である。
【００２０】
【数１】
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【００２１】
なお、前記（１）式〜（２）式における使用記号は次の通りの内容を示している。
Ｕ０・・・・・空塔速度［ｍ／ｓ］
Ｕｍｆ・・・・  流動化開始の空塔速度［ｍ／ｓ］
ｇ・・・・・  重力の加速度［ｍ／ｓ２］
Ｄｂ・・・・・気泡径［ｍ］
Ｅｍｆ・・・・流動化開始状態の空間率
ρｇ・・・・・燃焼空気の比重
μ・・・・・  流動層の粘度［Ｐａ・ｓ］
ＸＦ・・・・・砂粒子の質量分率
ｄｐ・・・・・砂粒子径［ｍ］
ρｐ・・・・・砂粒子の比重
Ｌ１・・・・・  静止状態の砂層の高さ［ｍ］
Ｍ・・・・・  流動層の質量［ｋｇ］
Ａｔ・・・・・流動層断面積［ｍ２］
【００２２】
図１に戻って、二次燃焼空気供給手段は、ノズル６により構成される。ノズル６からの２次燃焼空気は、流動層に対して、前記流動化開始高さＬ２から流動層高さＬ４との間、望ましくは前記濃厚高さＬ３を超える位置から吹き込まれる。
ノズル６の吹き込み方向は、図示のように、流動層焼却炉本体１の内方に向かって水平向き又は斜め上方に向けて設けられる。図示例では、ノズル６は、濃厚高さＬ３を超える直上付近に、流動層焼却炉本体１の内方に向かって水平向きに設けられている。
【００２３】
つぎに、上述した二次燃焼空気供給手段のノズル６の配置構造による焼却方法を説明する。
流動層で固体を燃焼させる場合、被燃焼物の固体はまず、砂層の保有している熱をもらい、乾燥され、温度が上昇してその表面から揮発分を放出する。そのあと、チャー燃焼を行う。
【００２４】
この流動層のうちの上部、すなわち、前記流動化開始高さＬ２から流動層高さＬ４との間、望ましくは前記濃厚高さＬ３を超える位置から二次燃焼空気が吹き込まれる。この流動層の上部で、揮発物の燃焼が生じる。この燃焼による発熱により流動層の上部を飛んでいる砂が直接加熱される。
従来例でも、放出される揮発分は砂層で燃焼する分もあるが、大部分は砂層上部のフリーボードで燃焼する。そのため、二次燃焼空気の噴射位置を流動層上部とすることにより、放出される揮発分を流動層の上部で積極的に燃焼させる。砂が混在するなかで揮発分が燃焼するため、燃焼熱が飛ぶ砂に直接戻る。
フリーボードで燃焼し、火炎放射により砂層に戻す場合と比較すると、流動層上部の対流で燃焼熱を砂層に戻すこの運転方法の方が、数倍もの多くの熱を砂層に戻すことを可能にする。
【００２５】
焼却炉の場合、通常の運転では、砂層の空気比は１を超えていることから、砂層直上で燃焼促進のための酸素がない訳ではない。しかし、未燃分との混合、局所での急速燃焼という意味では、砂層直上での燃焼では用を足さない。流動層上部に二次燃焼空気を吹き込むと、少量の空気の導入により着火燃焼を促進させ、また未燃分と酸素の混合を促進させることができる。
【００２６】
この結果、下水汚泥のように低質な被燃焼物を燃焼させる場合には、砂層温度を維持するための外部投入年を減らすことが可能になる。したがって、同一条件で運転すれば、外部燃料が不要な分だけ、焼却炉はコンパクトに出来るし、外部燃料を燃焼する排ガス量が減少するため環境負荷の低減にもなる。
【００２７】
噴射される二次燃焼空気の温度は高温であるほど、上述した効果は大きくなる。そのため、１次、２次燃焼空気の温度は、未燃物の確実な点火、燃焼力の増強、燃焼により生じた灰の液状化を防止するために８００〜１，０００℃に選定することが望ましい。
【００２８】
以上述べた実施の形態は、本発明の基本をなす構成について述べたが、本発明は更なる以下に述べる変形例がある。
（変形例１）
図３は、本発明の構成の要部を示す正断面図、図４は図３のＡ−Ａ断面図である。図３、図４において、１１は流動層焼却炉本体、１２は１次燃焼空気を供給するで風箱である。１３分散板で、その分散器１３ａを通じて風箱１２内の１次燃焼空気を砂層１５に供給し、当該砂層５上に外部より供給される被燃焼物（下水汚泥など）とで流動層を形成する。１６は２次燃焼空気供給用ノズルで、その高さ位置は、前記図２に示す特性図における濃厚層高さＬ３から流動層高さＬ４に至る気泡破裂域Ｚの下方位置に規制する。そして、この２次燃焼空気導入用ノズル１６は例えば、流動層焼却炉本体１１の周囲４箇所に配置する。
【００２９】
上記図３、図４の構成において、特徴的要素の作用・効果について述べる。なお、図１と均等な事項の説明は重複を避け省略する。
まず、４個のノズル１６は、砂層１５の砂密度が減少し始めた高さからほぼ水平に２次燃焼空気を所定の圧力において噴射させる。この際、２次燃焼空気により砂層１５で揮発分等の燃焼が生じることにより、当該砂粒子には、燃焼によって得られる熱エネルギーが作用する。この砂粒子に与えられる熱エネルギーは、燃焼の輻射による熱の伝達に比べて極めて効率的である。
さらに、ノズル１６からの２次燃焼空気は４箇所から流動層焼却炉本体１内に噴射されるため、砂層１５の砂粒子の密度が大で、大きな抵抗を受けることがあってもほぼ全面に均等に供給され、被燃焼物の燃焼効率は向上する。
【００３０】
（変形例２）
図５は、本発明の構成の要部を示す正断面図、図６は図５のＢ−Ｂ断面図である。図５、図６において、それぞれ図３、図４との対応において均等な構成要素については同一符号を付与し、その説明は重複を避け省略する。
さて、この変形例２が変形例１に対して付加した構成について述べると次の通りである。１７は導管としての空気管で、空気を、気泡破裂域Ｚの下方位置まで導く。１８は分散器で、前記空気管１７の上端部に設けられる。そして、この分散器１８は空気管１７を通じて上方に導かれた１次燃焼空気を空気管１７の先端より、水平方向に噴射させるための空気噴射孔１８ａを複数個形成している。
【００３１】
図５、図６に示す構成において、気泡破裂域Ｚの下方部に位置する２次燃焼空気供給ノズル１６から噴射される２次燃焼空気が、砂層１５の砂粒子によって抵抗を受け、流動層焼却炉本体１の内部に深く侵入できない可能性がある。
ところで、この２次燃焼空気が届きにくい気泡破裂域Ｚの下方部中央部において、分散器１８に形成した空気噴射孔１８ａから噴射される１次燃焼空気は、２次燃焼空気として作用する。
そして、この２次燃焼空気として作用する１次燃焼空気は、ノズル１６から噴射される２次燃焼空気とともに、流動層として気泡破裂域Ｚに達した砂粒子全体は２次燃焼空気とほぼ一様に接し、被燃焼物の揮発分の燃焼に必要な空気を与える。
【００３２】
（変形例３）
図７は、本発明の構成の要部を示す正断面図である。図７において、図３、図５との対応において均等な構成要素については同一符号を付与し、その説明は重複を避け省略する。
図７において、２６は２次燃焼空気噴射用ノズルで、気泡破裂域Ｚであって、
流動層焼却炉の運転時に流動状態の砂層が到達する所定の位置に設け、２次燃焼空気を斜め上方に噴射する方向に向けて配置されている。
【００３３】
次に、この変形例３の動作を説明する。まず、砂層１５と被燃焼物との流動層において１次燃焼の過程において前記噴射用ノズル２６に到達した砂粒子は流動層焼却炉本体１の斜め上方に舞い上がる。この過程で砂粒子は揮発分と２次燃焼空気との燃焼燃焼域Ｆにて晒され、砂粒子は加熱される。
このように、２次燃焼空気噴射用ノズル２６から流動層焼却炉本体１内に噴射された２次燃焼空気は、前記ノズル２６の流動層焼却炉１内における開口部に流動する砂粒子に抵抗されることなく、当該砂粒子を連続的に燃焼域Ｆに浮上させる。従って、燃焼域における砂粒子の加熱効率が向上する。
【００３４】
【発明の効果】
以上説明したように、請求項１〜８に係る各発明によると、被燃焼物の揮発分の２次燃焼空気による燃焼が流動層上部で行われ、流動層を形成する砂粒子が直接加熱され、砂粒子に対して有効に熱が付与される。
この結果、被燃焼物が水分の占める割合の多い下水汚泥の燃焼においても外部燃料の必要量を極力低減させることができ、流動層への授熱効率の向上に伴って焼却炉の小形化を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る第１の実施の形態における流動層焼却炉の正断面図である。
【図２】流動層焼却炉内の砂層の高さＬと砂密度図Ｄとの関係を示すグラフである。
【図３】本発明に係る第２の実施の形態における流動層焼却炉の要部正断面図である。
【図４】図３のＡ−Ａ断面図である。
【図５】本発明に係る第３の実施の形態における流動層焼却炉の要部正断面図である。
【図６】図５のＢ−Ｂ断面図である。
【図７】本発明に係る第４の実施の形態における流動層焼却炉の要部正断面図である。
【符号の説明】
１、１１  流動層焼却炉本体
１ｃ  被燃焼物供給供給口（被燃焼物供給手段）
２、１２  風箱
３  分散板（砂層支持及び一次燃焼空気供給手段）
５、１５  砂層
６、１６、２６  ２次燃焼空気供給用ノズル（二次燃焼空気供給手段）
７  ２次燃焼空気供給用ブロア
８  被燃焼物供給機
１７  空気管（導管）
１８  分散器
１８ａ  燃焼空気噴射孔
【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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【図７】
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