(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
下水汚泥等の高含水率・高揮発性の廃棄物焼却炉に外部循環流動炉を用い、該循環流動炉のフリーボード部内温度を８５０〜９５０℃に維持するように、圧力計によりフリーボード懸濁密度を監視し、一次空気、二次空気及び外部循環域で投入される循環用空気の３種の空気吹き込みバランスにより、これを４〜１６ｋｇ／ｍ３にコントロールすることを特徴とする下水汚泥等の高含水率・高揮発性の廃棄物焼却炉。
【請求項２】
前記炉内の脱硫における脱硫材である石灰石（ＣａＣＯ３）を、下水汚泥の廃棄物にあらかじめ混合し、前記外部循環流動炉の砂層部に適宜投入することを特徴とする請求項１記載の下水汚泥等の高含水率・高揮発性の廃棄物焼却炉。
【請求項３】
前記炉内の脱硫における脱硫材である石灰石（ＣａＣＯ３）を、少なくとも炉内脱硫時に、理論必要量より当量比１．５〜３．５倍程度多めに投入し、後段の排ガス処理設備でこの余剰分の脱硫剤で脱硫反応を生ぜしめることを特徴とする請求項１記載の下水汚泥等の高含水率・高揮発性の廃棄物焼却炉。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は下水汚泥等の高含水率・高揮発性の廃棄物焼却炉に係り、特に下水汚泥の廃棄物を焼却するために外部循環型流動層炉を用いて下水汚泥を処理する装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、産業廃棄物や都市ゴミ、下水汚泥等の焼却処理には、流動層焼却炉が広く用いられている。流動層焼却炉は、流動層（砂層）の熱吸収力が強いため、汚泥の様な高含水率の廃棄物の燃焼に適している。
【０００３】
ここで、流動層焼却炉は、気泡流動層炉と循環型流動層炉とに分類される。このうち、気泡流動層炉は、炉床に砂等の流動砂を敷き、一次空気の吹き込みにより砂を流動化させて層内を沸騰（バブリング）状態にし、流動層上部約１〜１．５ｍのところから汚泥等の廃棄物を投入して燃焼させるように構成されている。
【０００４】
しかし、この気泡流動層炉では、廃棄物燃焼の一部をフリーボードに頼っており、フリーボードの過熱を招く傾向があった。これは、下水汚泥のように高含水率・高揮発性の廃棄物を焼却する場合には、炉砂層部（濃厚層部）で廃棄物中の水分を蒸発させるため温度が低下傾向となり、反対にフリーボード部では砂層部でガス化した可燃分が燃焼し過熱傾向となり、結果として、フリーボード容積を大きくとる必要があった。
そこで、炉内温度差が小さく、かつ流動砂を循環させることによって、排ガス量の低減や設備のコンパクト化を図ることが可能な循環流動炉が提案された。
【０００５】
このような循環流動炉の一例について、図２を参照しながら説明する。
この循環流動炉は、フリーボード１と流動層２とからなる流動層炉本体３と、該フリーボード１に吹き上げられた流動砂を出口ダクト４を介して捕集するホットサイクロン５と、流動砂を返送するダウンカマー６と、炉内の未燃ガスのホットサイクロン５への吹き抜けを防止するシールポット７と、戻し管８とから構成されている。
【０００６】
かかる流動炉においては、一次空気投入口９から導入される一次空気により流動化されている流動層２に、廃棄物を投入口１０から供給すると、廃棄物は流動層２内で混合攪拌されつつ、流動砂との接触により微細化され、該流動砂と混合状態で流動しつつ乾燥及び熱分解しながら燃焼される。一方、前記流動層２から吹き上げる流動砂と汚泥中の未燃ガスや揮発分等の軽い廃棄物は、二次空気投入口１１より供給された二次空気とともにフリーボード１へ導かれ、該フリーボード１でその未燃分が燃焼される。この後、流動砂は、出口ダクト４を介してサイクロン５で流動砂が捕集され、ダウンカマー６、シールポット７及び戻し管８を経て流動層炉本体３に還流される。
【０００７】
また、流動層２の上部約１〜１．５ｍのところには、廃棄物の投入口１０が設けられている。この投入口１０から供給された汚泥等の廃棄物は、循環流動炉の下部の濃厚層部（砂層部）において水分が蒸発され、その揮発分がガス化された後、燃焼される。なお、このガス化した揮発分の一部は、フリーボード１において流動砂による攪拌効果により完全燃焼され、ホットサイクロン５において流動砂が回収されて、炉外へ排出される。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このような循環流動炉においては、ダイオキシン類対策措置法や地球温暖化防止推進法等の法規制が強化される中、廃棄物中の成分が燃焼過程で転換する一酸化二窒素（Ｎ２Ｏ）や硫黄酸化物（ＳＯｘ）、ダイオキシン類（ＤＸＮｓ）等の有害ガスや温室効果ガスを低減化することが求められている。
【０００９】
本発明は、かかる課題に鑑み、一酸化二窒素（Ｎ２Ｏ）や硫黄酸化物（ＳＯｘ）、ダイオキシン類（ＤＸＮｓ）等の有害ガスや温室効果ガスを低減化することが出来る下水汚泥等の高含水率・高揮発性の廃棄物焼却炉を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記したような課題を解決するためになされたものであり、外部循環型流動炉において、石灰石（ＣａＣＯ３）を投入し、炉内脱硫すること、更に循環砂の濃度（顕濁濃度）管理による炉内温度均一化、更には高温化燃焼を行うことにより、有害ガスや温室効果ガスの低減を図るものである。
即ち請求項１記載の発明は、下水汚泥等の高含水率・高揮発性の廃棄物焼却炉に外部循環流動炉を用い、該循環流動炉のフリーボード部内温度を８５０〜９５０℃に維持するように、圧力計によりフリーボード懸濁密度を監視し、一次空気、二次空気及び外部循環域で投入される循環用空気の３種の空気吹き込みバランスにより、これを４〜１６ｋｇ／ｍ３、好ましくは５〜１０ｋｇ／ｍ３にコントロールすることを特徴とする。
【００１１】
かかる発明によれば、前記外部循環流動炉で、高温の砂が炉内全域に分散しているため、然も焼却炉全域において約８５０〜９５０℃の均一な高温場が形成されており、地球温暖化係数が二酸化炭素（ＣＯ２）の３１０倍である一酸化二窒素（Ｎ２Ｏ）を図６の通り低減化するができる。更に、この傾向は炉内温度を８５０→９００〜９５０℃と高温化するほど顕著になる。
尚、８５０℃以下ではダイオキシンが発生し、好ましくない。
又本発明によれば、前記外部循環流動炉では、高温の砂が炉内に分散し、焼却炉全域で均一な高温場となり燃焼効率が高いため、燃焼に必要な空気比が低く、助燃料が低減化でき燃焼過程で発生する温暖化ガスである二酸化炭素（ＣＯ２）の排出量を低減化できる。
【００１３】
又かかる発明によれば前記発明の効果に加えて炉内（フリーボード部）温度分布を５０℃以内にする事が出来、一酸化二窒素（Ｎ２Ｏ）を低減化効果が一層効果的に達成できる。
【００１４】
請求項２記載の発明は、請求項１記載の発明に加えて、前記の炉内脱硫における脱硫材である石灰石（ＣａＣＯ３）を、下水汚泥の廃棄物にあらかじめ混合し、外部循環流動炉の砂層部に適宜投入することを特徴とする。
【００１５】
かかる発明によれば、高効率炉内脱硫を行い有害ガスである硫黄酸化物（ＳＯｘ）を高効率で低減可能であるとともに、記の炉内脱硫時に投入した石灰石（ＣａＣＯ３）により、脱塩素（ＨＣｌ除去）し、ダイオキシンおよびその前駆体の発生を防止する。
【００１６】
請求項３記載の発明は、前記の炉内脱硫における脱硫材である石灰石（ＣａＣＯ３）を、少なくとも炉内脱硫時に、少なくとも炉内脱硫時に、理論必要量より当量比１．５〜３．５倍程度多めに投入し、後段の排ガス処理設備でこの余剰分の脱硫剤で脱硫反応を生ぜしめることを特徴とする。
【００１７】
かかる発明によれば前記発明の効果に加えて、後段の排ガス処理設備でこの余剰分の脱硫剤で脱硫反応を生ぜしめ、一層効果的に石灰石（ＣａＣＯ３）の脱硫効果を達成することが出来る。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を図に示した実施例を用いて詳細に説明する。但し、この実施例に記載される構成部品の種類、温度、その相対配置などは特に特定的な記載がない限り、この発明の範囲をそれのみに限定する趣旨ではなく単なる説明例に過ぎない。
図１は本発明の実施形態に係る外部循環型流動層炉を用いた下水汚泥の廃棄物焼却炉である。
図１に示した外部循環型流動層炉を用いた下水汚泥の廃棄物焼却炉は、フリーボード１と流動層２とからなる流動層炉本体３と、該流動層炉本体３の上部と出口ダクト４を介して繋がり、フリーボード１に吹き上げられた流動砂を捕集するホットサイクロン５と、流動砂を返送するダウンカマー６と、炉内未燃ガスのホットサイクロン５への吹き抜けを防止するシールポット７と戻し管８とから構成されている。なお、この炉の高さは、一次空気投入口９から測って約１５ｍ〜２０ｍ程度である。
【００１９】
かかる循環流動層炉に下水汚泥を供給する、汚泥ポンプ１３には、脱硫材である石灰石（ＣａＣＯ３）が汚泥とともに混合可能に供給されている。ここで、汚泥と石灰石は一定の比率で汚泥ポンプに供給、混合された後、循環流動炉に供給される。また、循環流動炉には、フリーボード１部の圧力差を監視するための圧力計１４と温度差を監視するための温度計１５が取り付けられ、これらの計装機器により、フリーボード１内の砂濃度（顕濁濃度）と温度を、流動ブロワ１６からの燃焼空気を一次空気ダンパ１７、二次空気ダンパ１８、シールポット空気ダンパ１９を調整するとともに、更に助燃料調整弁２０により制御している。
【００２０】
図３は砂層部とフリーボード部の温度を炉高さ方向の位置で示したもので、フリーボード部では８７０℃〜８８０℃の範囲に維持されている。
【００２１】
更に、同操作により、フリーボード空間に高温の循環砂や脱硫剤がまんべんなく分散することになり、燃焼場、反応場として良好な状態となり、良好な排ガス性状が得られることになる。
【００２２】
また、フリーボード温度及び温度差は、温度計１５で監視し、懸濁密度を向上させても規定の（８５０〜９５０℃）の温度とならない場合には、助燃料調整弁２０を調整し、助燃料を制御する。
【００２３】
また、ホットサイクロン５から排出される排ガスは、熱回収設備２１で約６５０℃の流動空気として熱回収され、その後排ガス処理設備２２で有害ガスを除去後排出するものとする。
【００２４】
更に、排ガス処理設備は、ガス冷却塔２３とバグフィルタ２４から構成され、炉内脱硫時の余剰石灰石（ＣａＣＯ３）が熱分解した生石灰（ＣａＯ）をもとに、ガス冷却塔２３で噴霧した水が、亜硫酸生成反応、消石灰生成反応を引き起こし、二次脱硫可能となる。
【００２５】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明に係る外部循環流動炉によれば、脱硫剤が高温の循環砂とともに炉内全域に分散しているので、高効率の炉内脱硫率を達成可能である。これを、図４に示すが、従来の気泡型流動炉では、炉内脱硫率は、当量比２で約３０％程度であったものが、循環流動炉では約８０％の高脱硫率を達成可能である。即ち、有害ガスである硫黄酸化物（ＳＯｘ）を高効率で低減をさせることができる。
【００２６】
即ち、図４では従来の気泡型流動炉では、当量比２の石灰石を投入しても炉内脱硫率は約３０％程度であったものが、循環流動炉では約８０％の高脱硫率を達成可能である。これにより石灰石投入量が当量比１．５〜３．５程度でも十分なる脱硫効果を上げることが出来、石灰石の投入量を少なくすることが出来るとともに、結果としてその分下水汚泥の投入量が増加して燃焼効率の向上が図れる。
【００２７】
また、上記炉内脱硫においては、脱硫材である石灰石（ＣａＣＯ３）を、あらかじめ汚泥ホッパで下水汚泥等の廃棄物に混合し、これを循環流動炉砂層部に投入する。これは砂層部での燃焼効率（層内燃焼率）は、約７０〜９０％と高いため、この燃焼過程で発生する硫黄酸化物（ＳＯｘ）は、砂層部で激しく攪拌されるため、脱硫効率が高くなる。
【００２８】
さらに、本発明では、前記の炉内脱硫時に投入した石灰石（ＣａＣＯ３）が、高温の循環砂とともに炉内全域に分散することにより、脱塩素（ＨＣｌ除去）可能であり、ダイオキシンおよびその前駆体の発生を防止することができる。
特に石灰石（ＣａＣＯ３）は８００℃以上でないと生石灰石（ＣａＯ）に分解されないが、本発明はフリーボード内温度を８５０℃に維持しているために問題がない。
【００２９】
さらにまた、前記外部循環流動炉では、高温の砂が炉内に分散し、焼却炉全域で均一な高温場となり燃焼効率が高いため、図５の通り燃焼に必要な空気比が低く（完全燃焼の指標である一酸化炭素（ＣＯ）がミニマムとなる空気比）、結果として助燃料が低減化でき、結果として燃焼過程で発生する温暖化ガスである二酸化炭素（ＣＯ２）の排出量を低減化できる。即ち図５に示すように燃焼に必要な空気比は１．２〜１．４でＣＯ濃度を最小に出来る。
【００３０】
逆に二酸化炭素（ＣＯ２）の排出量を低減化できるために、生石灰石（ＣａＯ）とＣＯ２に分解される石灰石（ＣａＣＯ３）を用いても問題なく、これにより安価な石灰石（ＣａＣＯ３）を用いることが出来るために、大幅なコスト削減が可能となる。
【００３１】
加えて、本発明によれば、前記外部循環流動炉で、高温の砂が炉内全域に分散しているため、焼却炉全域において約８５０〜９５０℃の均一な高温場が形成されており、地球温暖化係数が二酸化炭素（ＣＯ２）の３１０倍である一酸化二窒素（Ｎ２Ｏ）を図６の通り低減化するができる。更に、この傾向は炉内温度を８５０→９００℃と高温化するほど顕著になる。
【００３２】
即ち、図６では気泡流動炉の従来炉が、フリーボード温度が８５０℃で一酸化二窒素（Ｎ２Ｏ）濃度が２００ｐｐｍであったものが、本発明の外部循環流動炉ではフリーボード温度が８５０℃で１３０ｐｐｍに、更にフリーボード温度が９００℃で５０ｐｐｍに低減し、９５０℃で更に低減することが予想される。
【００３３】
ここで、社団法人日本下水道協会編「下水道における地球温暖化防止実行計画策定の手引き」により温室効果ガス総排出量を処理量：１５０ｔ／ｄ、稼働日数３００ｄの下水汚泥焼却設備において試算する。この試算結果は、従来型気泡流動炉で表１の通りとなり、更に、循環流動炉は表２〜３の通りとなる。更に図７にその結果を示す。
即ち、図７では気泡流動炉の従来炉が、フリーボード温度が８５０℃で温室効果ガス総排出量が１９、０５５ｔ／年であったものが、本発明の外部循環流動炉ではフリーボード温度が８５０℃で温室効果ガス総排出量が１２、９９０ｔ／年に、更にフリーボード温度が９００℃で温室効果ガス総排出量が８、６４１ｔ／年に低減し、９５０℃で更に低減することが予想される。
【００３４】
表１〜３および図７から循環流動炉において９００℃の運転を行った場合、従来型気泡流動炉と比較し温室効果ガス総排出量は約５５％低減可能となる。この傾向は炉内温度を８５０→９００℃と高温化するほど顕著になる。
【００３５】
尚、表１は１５０ｔ／ｄ規模の従来型気泡流動炉（燃焼温度８５０℃）の温室効果ガス排出量を試算した表。
表２は１５０ｔ／ｄ規模の本発明の外部循環流動炉（燃焼温度８５０℃）の温室効果ガス排出量を試算した表である。
表３も１５０ｔ／ｄ規模の本発明の外部循環流動炉（燃焼温度９００℃）の温室効果ガス排出量を試算した表である。
【００３６】
【表１】
0003771791.tif 000002
【表２】
0003771791.tif 000003
【表３】
0003771791.tif 000004
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の実施例に係る外部循環型流動層炉の一実施形態を概略的に示す図である。
【図２】  従来技術にかかる外部循環型流動層炉を概略的に示す図である。
【図３】  本発明の実施例に係る外部循環型流動層炉の実証機での温度分布、圧力分布のデータを表す図である。
【図４】  本発明の実施例に係る外部循環型流動層炉の実証機での炉内脱硫のデータを表す図である。
【図５】  本発明の実施例に係る外部循環型流動層炉の実証機での空気比とＣＯ濃度の実機データを示す図である。
【図６】  本発明の実施例に係る外部循環型流動層炉の実証機の実機データでのＮ２Ｏ低減効果を示す図である。
【図７】  １５０ｔ／ｄ下水汚泥焼却設備における従来型気泡流動炉と本発明の実施例に係る外部循環型流動層炉の温室効果ガス試算結果を表す図である。
【符号の説明】
１      フリーボード
２      流動層
３      流動炉本体
４      出口ダクト
５      ホットサイクロン
６      ダウンカマー
７      シールポット
８      戻し管
９      一次空気投入口
１０    廃棄物投入口
１１    二次空気投入口
１２    助燃バーナ
１３    汚泥ポンプ
１４    圧力計
１５    温度計
１６    流動ブロワ
１７    一次空気ダンパ
１８    二次空気ダンパ
１９    シールポット空気ダンパ
２０    助燃料調整弁
２１    熱回収設備
２２    排ガス処理設備
２３    ガス冷却塔
２４    バグフィルタ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
0003771791.tif 000008
【図５】
0003771791.tif 000009
【図６】
0003771791.tif 000010
【図７】
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