(57)【要約】【課題】燃焼炉からの排ガスに含まれるダイオキシンそれ自体あるいはその前駆体の分解を著しく促進し、熱交換器、排ガス冷却装置等の排ガス処理帯域部に至る前に、その濃度を大幅に低減することが可能で、しかも、簡単な構造でありながら、加熱のための燃料が不要で、設備費や運転経費とも極めて廉価であり、しかも既存の設備にあってはこれを若干の付加改変を行うだけで、また、新設炉にあっては炉本体と簡単に一体化することができる、ダイオキシンの排出が著しく低減された燃焼装置を提供する。【解決手段】燃焼帯域部と該燃焼帯域部から排出される排ガス処理帯域部を少なくとも有する燃焼装置において、燃焼帯域部と排ガス処理帯域との間にダイオキシン分解促進温度保持帯域部を設ける。【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃焼帯域部と該燃焼帯域部から排出される排ガス処理帯域部を少なくとも有する燃焼装置において、燃焼帯域部と排ガス処理帯域部との間にダイオキシン分解促進温度保持帯域部を設けたことを特徴とする燃焼装置。
【請求項２】
ダイオキシン分解促進温度保持帯域部が燃焼帯域部の出口近傍に設けられていることを特徴とする請求項１に記載の燃焼装置。
【請求項３】
ダイオキシン分解促進温度保持帯域部が、600℃以上の温度に保持されていることを特徴とする請求項１または２に記載の燃焼装置。
【請求項４】
排ガス処理帯域部が、冷却器、集じん器および煙突からなることを特徴とする請求項１乃至３何れかに記載の燃焼装置。
【請求項５】
排ガス処理帯域部が、熱交換器、冷却器、集じん器、触媒分解塔及び煙突を含むことを特徴とする請求項１乃至４何れかに記載の燃焼装置。
【請求項６】
燃焼帯域部が、焼却炉であることを特徴とする請求項１乃至５何れかに記載の燃焼装置。
【請求項７】
燃焼装置が、廃棄物焼却装置であることを特徴とする請求項１乃至６何れかに記載の燃焼装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ダイオキシンの排出を低減し得る焼却炉等の燃焼装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
最近、マスコミ等で話題になることの多いダイオキシンは、極めて微量でも強い毒性を示す化学物質である。環境中濃度が低いため急性毒性は通常問題にならないが、動物実験で発ガン性、生殖毒性などの慢性毒性が確認されており、人間の健康にも影響があるとされている。
【０００３】
ダイオキシンは、（1）廃棄物の焼却炉における燃焼に伴って、（2）金属製造の溶解工程等で、（3）除草剤などの製造工程で不純物として、（4）製紙工業の塩素漂白工程で生成することが知られているが、ダイオキシン生成の可能性を持つ化学製品はほとんど製造中止になり、製紙業の漂白工程も塩素使用量を減らす等の対策を行って生成量はごくわずかになっており、現在の排出は（１）と（２）からのものがほとんどである。
【０００４】
（１）のケースの中で、一般廃棄物焼却炉は規制に伴って急速に排出量を減らしつつあるが、産業廃棄物焼却炉を合わせれば全体の90％以上と見込まれる。廃棄物焼却以外で比較的排出量の多い（２）の各種金属製造、金属再生業も、製造工程での原料中の有機物や加熱用燃料の燃焼が主因と考えられている。つまり現状では、発生源はほとんどが燃焼に起因するものと考えて差し支えない。
【０００５】
このような燃焼に伴って生成するダイオキシンの燃焼炉からの排出を抑制する方法を、大別すると以下のようになる。
1)燃焼炉内でのダイオキシン類及びその前駆物質の生成抑制のために、燃焼部分の温度を高めに保ち、供給空気と廃棄物等から生成する熱分解ガスの混合を促進することにより、燃焼効率を上げる方法
2)排ガス処理装置内での生成を抑制するために、炉から出た排ガスを速やかに冷却して、排ガス処理装置の運転温度を、いわゆるデノボ合成の温度範囲をはずれた、おおむね200℃以下に制御する方法
3)生成してしまったダイオキシン類を、集じん機の除去効率を上げたり、触媒分解装置、活性炭吸着装置を付加して排ガスから除去し、煙突から排出されるダイオキシン類を減らす方法
【０００６】
1)の方法は、焼却炉本体の燃焼帯域部では、高温の維持、十分な空気の供給、低い一酸化炭素濃度の維持など、良好な燃焼状態を維持することを求めている。良好な燃焼状態は、確かにダイオキシン類の生成を大幅に抑制するもので、極めて有効である。しかし、廃棄物焼却は固体燃焼であるため、固体表面のごく近傍では、酸素不足での燃焼とならざるを得ないなど、完全燃焼を実現することは極めて困難である。
換言すれば、ダイオキシン類の生成を完全になくすことは、（固体）廃棄物焼却では困難と言える。そのため、高性能排ガス処理装置を付加することにより、排出を抑制することで規制を満足する装置としている。
【０００７】
２）の方法は、すでに多くの焼却炉で実施されているものである。これは、排ガス中でのダイオキシン生成機構が、デノボ合成と呼ばれる比較的低温での反応に起因し、排ガスををデノボ合成以下の温度にすばやく冷却すればダイオキシンの生成が抑制されるとする考えに基づくものである。
【０００８】
このデノボ合成の定義は研究者により異なるが、おおむね、200〜500℃程度の温度域で、すす等の炭素物質を前駆物質として、飛灰表面上で触媒反応によりダイオキシン類が生成すると考えるものである。多くの研究によりこの反応は比較的ゆっくりしたもので、30分〜２時間程度の時間が必要であるとする研究結果が多い。また最も生成が盛んな温度は250〜350℃程度である。従って、この温度域を素早く通過してしまえば、少なくともデノボ合成によるダイオキシン生成は避けることができる。具体的には、たとえば、排ガス処理装置の主要部分（集じん機など）を200℃以下の保持することにより、その部分でのダイオキシン生成を抑制しようとするものである。
【０００９】
迅速な冷却方法としては、大型焼却炉の場合は伝熱面積を大きく取ったボイラーを設置して排ガス温度を急速に下げ、ボイラー出口以降に水噴霧などによりさらに200℃以下まで冷却する装置を設備する。小型焼却炉では、ボイラーを設置せず炉出口直後に冷却装置を設けることが多い。また金属溶解炉など産業用炉では、排ガス流路の途中に空気導入口を設け、低温空気の導入により排ガス温度を下げる場合もある。いずれにしても、炉出口以降で排ガス温度をできるだけ早く200℃以下まで冷却することはほぼ常識となっており、これが排ガス処理装置内でのデノボ合成の防止に効果があるとされている。
【００１０】
しかしながら、排ガス処理装置運転温度の低温下により、排ガス処理装置内でのデノボ合成によるダイオキシン生成がほとんど無くなっても、集じん機入口でのダイオキシン濃度がゼロになる訳ではない。すなわち、炉出口で1〜10ng-TEQ/m3程度のダイオキシン類が存在することが示されており、集じん機入口では若干増えてしまうことも報告されている（非特許文献１）。したがって、２）の燃焼炉から出る排ガスをデノボ合成の温度域に急速に通過させる方法でも排ガス処理装置の集じん機（バグフィルター）入口付近のダイオキシン濃度を、炉出口で1〜10ng-TEQ/m3程度より大幅に下げることが困難であった。
【００１１】
３）の方法は、現在主流とされているものであり、その効果も大きいが、装置の設置、維持管理、消耗品などが比較的高価であり、廃棄物処理のコスト増大の要因となっている。
一方、最近は、発注者の意向などにより、ダイオキシン濃度を規制値よりも一桁程度低い値を実現しなければならない場合が多く、そのための追加対策、例えばバグフィルターへの活性炭吹き込み、触媒分解塔の設置、活性炭吸着塔の設置などが必須となってきている。このような追加対策は、通常、設備費が高価である上、活性炭の経常的な消費、劣化触媒の交換などが必要となり、また焼却の場合には処理コストを押し上げ、生産プロセスでは生産コスト高となるといった問題が生じる。
【００１２】
【非特許文献１】平岡正勝、岡島重伸編著、ダイオキシン類削減対策の手引き、環境新聞社、1998
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
本発明は、燃焼炉からの排ガスに含まれるダイオキシンそれ自体あるいはその前駆体の分解を著しく促進し、熱交換器、排ガス冷却装置等の排ガス処理帯域部に至る前に、その濃度を大幅に低減することが可能で、しかも、簡単な構造であるため設備費は廉価であり、十分な断熱を施すなど適切な設備であれば加熱のための燃料が不要で、運転経費をほとんど必要とせず、しかも既存の設備にあってはこれを若干の付加改変を行うだけで、また、新設炉にあっては炉本体と簡単に一体化することができる、ダイオキシンの排出が著しく低減された燃焼装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明者等は、上記課題を解決するために鋭意検討した結果、燃焼炉などの燃焼帯域部の出口付近にダイオキシンを含む排ガスを高温で一定時間保持できる部分（以下、ダイオキシン分解促進温度保持帯域部あるいは単に保持帯域部ともいう）を設けると、ダイオキシンそのものあるいはその前駆体の分解が著しく高められ、バグフィルターなどの排ガス処理帯域部の入口付近でのダイオキシンの濃度が大幅に低下することを見出し、本発明を完成するに至った。
すなわち、本発明によれば、以下の発明が提供される。
（１）  燃焼帯域部と該燃焼帯域部から排出される排ガス処理帯域部を少なくとも有する燃焼装置において、燃焼帯域部と排ガス処理帯域との間にダイオキシン分解促進温度保持帯域部を設けたことを特徴とする燃焼装置。
（２）  ダイオキシン分解促進温度保持帯域部が燃焼帯域部の出口近傍に設けられていることを特徴とする上記（１）に記載の燃焼装置。
（３）  ダイオキシン分解促進温度保持帯域部が、650℃以上の温度に保持されていることを特徴とする上記（１）または（２）に記載の燃焼装置。
（４）  排ガス処理帯域部が、冷却器、集じん器および煙突からなることを特徴とする上記（１）乃至（３）何れかに記載の燃焼装置。
（５）  排ガス処理帯域部が、熱交換器、冷却器、集じん器、触媒分解塔及び煙突を含むことを特徴とする上記（１）乃至（４）何れかに記載の燃焼装置。
（６）  燃焼帯域部が、焼却炉であることを特徴とする上記（１）乃至（５）何れかに記載の燃焼装置。
（７）  燃焼装置が、廃棄物焼却装置であることを特徴とする上記（１）乃至（６）何れかに記載の燃焼装置。
【発明の効果】
【００１５】
本発明の燃焼装置によれば、燃焼炉からの排ガスに含まれるダイオキシンそれ自体あるいはその前駆体の分解を著しく促進し、熱交換器、排ガス冷却装置等の排ガス処理帯域部に至る前に、その濃度を大幅に低減することが可能である。
また、本発明の燃焼装置は、簡単な構造であるため設備費は廉価であり、十分な断熱を施すなど適切な設備であれば加熱のための燃料が不要で、運転経費をほとんど必要とせず、しかも既存の設備にあってはこれを若干の付加改変を行うだけで、また、新設炉にあっては炉本体と簡単に一体化するだけで、ダイオキシンの排出が著しく低減された燃焼装置とすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
これまでの焼却炉等におけるダイオキシン抑制技術は、前記したように、デノボ合成と呼ばれる300℃付近での生成に関しては、排ガス処理装置の管理温度を200℃以下に設定することで対処している。これは、燃焼炉内、あるいはその直後での生成に関しては、明確な生成メカニズムが分からないため、炉内の燃焼状態を改善することと、炉を出た後は急冷していわゆるデノボ合成の温度域を急速に通過させることが最適とされ、しかもこれが技術的常識となっていることに基因する。
【００１７】
本発明者等は、明確なメカニズムが不明な燃焼炉内、あるいはその直後でのダイオキシン生成機構について長年弛まず研究を積み重ねた結果、ダイオキシン生成メカニズムは、主として燃焼による前駆物質（ここでは、すす、多環芳香族化合物を意味している）生成（第１段階）と、前駆物質からの酸化分解によるダイオキシン構造物質生成（第２段階）の２段階の反応になっていることを知見した。
【００１８】
すなわち、ダイオキシン生成抑制に最も効果的と言われる燃焼改善の効果は、主として上記反応の第１段階に寄与する。燃焼温度の上昇及び局所の酸素濃度の上昇は、燃焼反応（全体としての燃焼ではなく、火炎の近傍での反応）を完結させる方向になるので、すすなどは生成しにくい。一方、燃焼温度の低下や局所的な酸素不足は、燃焼反応が熱分解に近い条件になるために、一酸化炭素の生成、前駆物質の生成を促進することになる。
【００１９】
第２段階では、前駆物質であるすす、多環芳香族化合物が酸化熱分解し、その途中でダイオキシン類炭素骨格が生成する。前記したデノボ合成では、この反応が金属触媒の助けを借りて進行するとともに、同じ触媒（多くは塩化銅）が同じ温度域で強力な塩素化触媒としての機能を持つために、低温でありながらダイオキシン生成が進行する。
【００２０】
本発明者らの検討によれば、この第１段階後の炉内や炉直後の高温域では、触媒が存在しなくても酸化反応が進行するので、やはりダイオキシン類炭素骨格が生成し、また、排ガス中の塩素の形態は、高温ではCl2の分圧が上昇するので、ダイオキシン類炭素骨格の塩素化が可能となり、しかも、塩素化したダイオキシンは分解しにくくなるので、濃度が上昇してしまう可能性が高い。
【００２１】
本発明者らは、この点を改善する方策について検討を重ねた結果、第１段階後の炉内や炉直後の高温域に存在するダイオキシンを含有する排ガスを燃焼帯域部からの排ガスを従来のように急速に冷却するのではなく、一旦これを高温保持帯域部に維持するという新たな条件を付加した場合には、１）第一段階で生成した前駆物質である、すす、多環芳香族化合物の酸化分解が促進され、また分解過程でできるダイオキシン類炭素骨格はあくまでも中間生成物なので、高温であるほどまた滞留時間が長いほど、分解が促進される、  ２）塩素化されたダイオキシン類もまた、塩素化されていない場合に比べれば安定ではあるが、高温で滞留時間が長いほど分解が進む、などの現象が発現することを知見した。
このようなダイオキシンの生成分解メカニズムは、従来の技術常識とは全く異にするものであり、デノボ合成理論と対峙するものであって、本発明者等のダイオキシン生成機構に関する長年の研究により初め見出された特異的な知見といえる。
【００２２】
本発明に係るダイオキシン分解促進温度保持帯域部は、燃焼帯域部と排ガス処理帯域部との間に設ける必要がある。具体的な配置は両者間であれば特に制限はないが、燃焼帯域部の上部に縦置き、燃焼帯域部から冷却部まで横置きなどの配置が可能である。取り付け位置は、燃焼炉から出た直後が望ましいが、スペースの都合で若干離れた場所になることはやむを得ない。その場合は、温度保持部分の入口で温度条件を満足するように、煙道の保温、あるいは加温が必要である。また、保持帯域部の温度は、燃焼帯域部からの排ガスの温度などによって異なるが、燃焼帯域部からの排ガスがまだ高温である場合は特に加熱を要さないが、設置スペースの都合により排ガス温度が若干低下する位置に設置する場合や、保持部分の保温が十分出来ない場合は、加熱装置を併用する必要がある。
【００２３】
保持帯域部の保持温度は、保持帯域部の出口排ガス温度、滞留時間の関係から定められるが、600℃以上の温度、好ましくは650℃以上更に好ましくは700℃以上である。このような観点から、保持帯域部の入り口付近では、拡大管の断熱施工や加熱装置の性能に依存するが、排ガスをある程度高い温度で流入させることが好ましい。
排ガスの滞留時間は、保持帯域部の出口排ガス温度などを考慮して定める必要があるが、一般的には、出来るだけ長い方が望ましいが、650℃の場合、３秒程度その温度を維持すれば相当の効果が期待できる。また、さらに高温を維持できる場合。例えば保持帯域部出口で700℃であれば、１秒程度でも大幅な削減が可能である。
【００２４】
燃焼帯域部とは、耐熱壁等で囲まれた空間で、燃料と空気が供給されることにより燃焼が維持され、高温の排ガスが生成する部分を意味する。廃棄物焼却設備においては、いわゆる焼却炉自体を、金属溶解炉の場合は、地金、スクラップなどを重油バーナーなどの燃焼による高温で溶解する溶解炉、溶解した金属にフラックス等を投入して成分調整を行う保持炉などが相当する。
【００２５】
また、排ガス処理帯域部とは、燃焼帯域部で生成した排ガス中の熱エネルギーの回収設備や排ガス中の有害成分を除去するための設備を含み、排ガスを適切な温度に制御するための設備や、それを連結する煙道や排ガスを大気に放出する煙突が含まれる。この排ガス処理部は、大型処理施設にあっては、図１に示されるように、通常、熱交換器、冷却器、集じん機、触媒分解塔及び煙突から構成される。また、小型処理施設にあっては、図２に示されるように、冷却器、集じん器および煙突から構成される。
本発明に排ガス処理帯域部は、上記のものに限定されるものでなく、たとえば、洗煙塔（酸性ガス中和用）、集じん機、触媒吸着塔および煙突のような構成からなるものでよい。
【００２６】
保持帯域部の材質、構造は特に限定されず、材質としては、たとえば鋼材で壁面構造を構成し、これに断熱用としてセラミックファイバー、キャスタブル等の断熱材を付加することができる。また、構造としては、内部が全く空洞でも良く、整流用の羽根等の構造物、充填物等を有しても良い。形状も任意で、滞留時間が確保できれば、たとえば入口から出口まで直線状の形状、あるいは入口と出口が隣り合ったＵ字状などが可能である。
【００２７】
本発明においては、温度保持帯域部は、炉出口以降の排ガス流路に設置することが基本であるが、新設炉であれば燃焼帯域部（炉本体）と一体化して設置することも可能であるし、条件が合えば煙道をそのまま保温して温度、滞留時間を満足させることも可能である。焼却炉において炉本体と一体化する場合は、焼却炉の構造基準にあわせて炉出口の排ガス温度を決定するとともに、本体と明確に区別できる構造上の工夫をする必要がある。
【００２８】
本発明の燃焼装置は、燃焼帯域部の出口近傍にダイオキシン分解促進温度保持帯域部を設置するだけの単純な装置であるため、適切な設置場所を選択して保温を十分に行えば、加熱のための燃料が不要となり、そのため設備費、運転経費とも非常に低廉と期待される。また、簡単な構造ではあるが、その効果は前記実施例等から明らかであり、また、ダイオキシン生成機構から考えても、従来の有害有機物質熱分解処理の研究成果から考えても、前駆物質の分解を促進する発想は極めて合理的なものである。したがって、本発明の燃焼装置は、燃焼改善、排ガス処理の低温度化、高性能固気分離装置の設置と合わせて使用すれば、排ガス中のダイオキシン類を規制値よりも十分低いレベルまで低下させることが出来るとともに、フライアッシュ中のダイオキシン類も低減できるため、全体の処理コストの低減に寄与することになる。       
【実施例】
【００２９】
以下、実施例により本発明を更に詳細に説明する。
若干のダイオキシン類を生成する小型流動層実験炉（流動層部は直径60φ、高さ300mmの透明石英製。設定燃焼温度は700℃に設定。流動媒体は100〜140μmの珪砂を使用して静止層高100mmとした。フリーボード部は直径45mm、高さ1450mmの透明石英製。設定燃焼温度は900℃に設定。）を用いて、その実験炉出口に温度保持用反応管（横置電気炉内に設置した透明石英製。内径45mm、長さ1100mm、電気炉加熱長1000mm。）を取り付け、電気炉により温度を一定に維持した。温度保持用反応管の入口、中間及び出口でダイオキシン類濃度を測定した（電気炉加熱部入口に採取管１を取り付け入口部濃度を測定する。同様に採取管１から500mmの所に採取管2、1000mmの所に採取管3を取り付け、それぞれ中間、出口とした。電気炉加熱部以外は十分に保温した。）。その結果を図３に示す。図３において、横軸は温度保持用反応管内の滞留時間を、縦軸は滞留時間ゼロすなわち燃焼炉出口におけるダイオキシン濃度を１とした場合の残留率を示す。図１のＡ、Ｂ、Ｃは、保持温度を600℃、650℃、700℃とした時の排ガス滞留時間とダイオキシン残留率をそれぞれ示したものである。保持温度により効果に差はあるものの、何れの場合も排ガス中のダイオキシン類を大幅に減少させることができることが分かる。なお、滞留時間ゼロの時点で温度保持部反応管に排ガスが流入するが、この温度保持部が無ければ、この濃度のダイオキシン類が熱交換器あるいは冷却装置に流入することになり、温度保持部を取り付けることにより、燃焼炉から排出される排ガス中のダイオキシン濃度を熱交換器あるいは冷却装置に導入する前に、大幅に低減できることが分かる。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】本発明の代表的な燃焼装置の説明図
【図２】本発明の他の体表的な燃焼装置の説明図
【図３】ダイオキシン分解促進温度保持帯域部の保持温度―滞留時間とダイオキシンの残留率との関係を測定したグラフ
【図１】
2005114182.tif 000002
【図２】
2005114182.tif 000003
【図３】
2005114182.tif 000004