(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層炉を用い、前記流動層炉の下方から供給する一次空気により気泡流動層（濃厚層部）を形成させ、該気泡流動層領域（濃厚層部）の流動砂層面の気泡の破裂に伴なって流動媒体の粒子が吹き上げられるスプラッシュ領域を介して、二次空気により前記吹き上げ粒子をフリーボードより炉外に同伴輸送し、同伴輸送した粒子を外部循環部を介して前記気泡流動領域へ還流させる循環流動層焼却炉において、
前記一次空気の供給量と二次空気量との和である全空気量が、補助燃料を含めた全焼却物に対する理論燃焼空気量の１．１５〜１．４５倍で且つ一次空気及び二次空気混合後のフリーボード部（ライザー部）での排ガスの空塔速度が３〜１０ｍ／ｓになるように設定し、更に前記二次空気の吹込み位置が流動層空気分散板から１．２ｍ以上のスプラッシュ領域に近い気泡流動層領域に設定し、チャー粒子の飛散量を低減させるとともに、前記一次空気量が、前記スプラッシュ領域下方の気泡流動層領域を還元雰囲気に維持して熱分解を行わしめる空気量に設定した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に用いる外部循環流動層炉の運転方法。
【請求項２】
全供給空気量を前述の一次空気と二次空気とに分配するにあたり、一次空気量を全供給空気量の１０〜４０％（体積比）と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に用いる外部循環流動層炉の運転方法。
【請求項３】
前記全供給空気量を前述の一次空気と二次空気とに分配するにあたり、一次空気量を焼却対象物の完全燃焼物の完全燃焼に必要な理論空気量の０．１５〜０．５倍と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に用いる外部循環流動層炉の運転方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、下水汚泥、都市ごみ又は産業排気物等の燃焼媒体を完全燃焼し、一酸化炭素、ダイオキシン類等の発生を低減することのできる循環流動層炉に係り、特に含水率が高く、可燃物中の揮発分が多い、下水汚泥等を低ＣＯ、低ＤＸＮ、低ＮＯｘ、低Ｎ２Ｏ等など、低公害にて安定的に焼却処理する下水汚泥等の高含水率・高揮発性の廃棄物焼却炉に用いる外部循環流動層焼却炉の運転方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、下水汚泥、都市ゴミ又は産業廃棄物等の処理には流動層焼却炉が広く用いられている。流動層焼却炉は瞬時に廃棄物を乾燥、焼却できることが最大の特徴であり、また炉床部が定常的には高温に保持されており、かつ十分に蓄熱されていることから廃棄物の供給の瞬時変動に安定である、等の利点により、廃棄物の中でも、特に高含水率の下水汚泥に適している。
【０００３】
かかる流動層焼却炉は都市ゴミや脱水汚泥等の焼却炉に多く見られる気泡流動層炉と石炭炊き発電ボイラや一部廃棄物との混焼用焼却炉に見られる循環流動層炉とに分類される。
前者の気泡流動層炉の構造を簡単に説明するに、該気泡流動層炉は、炉底に砂等の流動媒体を充填してその下方から高圧空気の吹込みにより流動状態にして該流動媒体中に投入した廃棄物を瞬時に乾燥、焼却するものである。
これにより、流動媒体を高温に維持して連続瞬時燃焼を可能にし、また流動媒体の持つ熱容量が非常に大きいため、停止時の放熱が少なく、間欠運転にも適するという特徴を持っており、さらに該流動媒体の熱伝達率が速いため、汚泥の乾燥能力も高い。
【０００４】
しかしながら、近年の汚泥性状の変化により、汚泥中の揮発分が炉内上部のフリーボードで活発な燃焼を起こす問題が生じており、炉内温度の均一化、また、排ガス量の低下等の目的から、吹き込み空気の速度を上げることにより流動媒体が炉内を循環する循環流動層炉が多用される傾向にある。
かかる循環流動層炉は、炉底から吹き込む一次空気の供給量を全供給空気量の５０％以上とし、投入された汚泥と該流動媒体とが激しく混合しながら飛散し、該飛散した流動媒体や汚泥等を二次空気の吹き込みによりフリーボードへ同伴して、燃焼しながら系内を循環しており、汚泥中水分の乾燥負荷が高く取れるという特徴があった。
【０００５】
ところが、前記流動層炉から排出する排ガス中には一酸化炭素やＨＣＮ、ＮＨ３等の有害物質の濃度が高く、また、地球温暖化の温室効果ガスとして注目を浴びている亜酸化窒素（Ｎ２Ｏ）の濃度が高いという問題点がある。
特に、循環流動床炉の場合、従来の気泡流動炉と比較して空塔速度が大きい為、十分な滞留時間が確保できず、サイクロン出口における、一酸化炭素に代表される未燃ガス濃度が高値であった。
【０００６】
これは、廃棄物の燃料比（固定炭素分／揮発分）に深く係わり、汚泥等の含水率の比率の高い物質が焼却される際に、燃焼物のうち大部分がガス化して流動層上方のフリーボードで燃焼することとなるため、未燃ガスの周囲の物質交換がままならず酸素が十分に供給されず、フリーボード中で燃焼が完結しないという課題がある。
一方、前記、循環流動層炉にて同廃棄物を焼却処理する場合、一次空気及び二次空気混合後の空塔速度が速いため、ガス化途中の汚泥粒子（チャー粒子）までが、ライザー部（フリーボード部）を上昇することになり、未燃チャーから発生する一酸化炭素が燃焼する為の十分な滞留時間が確保できず、前記のようにサイクロン出口における未燃ガス濃度が高くなるといる問題点を有している。即ち、従来の循環流動層では、一次空気量が比較的多くライザー下部での空塔速度が大きいため、汚泥粒子や、乾燥過程の汚泥粒子や、乾燥・ガス化後に生成するチャー粒子の大径物などが吹き上げられ、燃焼時間の確保ができないという問題があった。
【０００７】
また、ライザー下部の空塔速度が大きいと、砂の吹き上げられる量が多くなる為、ライザー下部における砂濃度が小さくなり、高水分汚泥の乾燥に必要な熱量確保が困難となりライザー下部の温度低下などをきたすという問題点があった。
更に、全体の燃焼空気量を一定（空気比一定）とした場合、一次空気量が比較的多い（通常、全体の５０％以上）ため、二次空気量が少なくなり（二次空気吹込み流速が小さくなり）、ライザー部（フリーボート部）での未燃ガスと空気の混合・撹拌力が小さくなるという傾向があった。そのため、サイクロン出口（炉出口）におけるＣＯやＤＸＮ類等の未燃ガスやＮＯｘやＮ２Ｏなどの窒素酸化物が増大するという問題があった。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
従って本発明はかかる従来技術の課題に鑑み、循環流動層炉において、高含水率でかつ高揮発分の下水汚泥を高効率で、低公害燃焼を可能とせしめる循環流動層炉の運転方法の提供を目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明はかかる課題を解決するために、一次空気の供給量と二次空気量との和である全空気量が、補助燃料を含めた全焼却物に対する理論燃焼空気量の１．１５〜１．４５倍で且つ一次空気及び二次空気混合後のフリーボード部（ライザー部）での排ガスの空塔速度が３〜１０ｍ／ｓになるように設定し、前記二次空気の吹込み位置が流動層空気分散板から１．２ｍ以上のスプラッシュ領域に近い気泡流動層領域に設定し、チャー粒子の飛散量を低減させるとともに、前記一次空気量が、前記スプラッシュ領域下方の気泡流動層領域を還元雰囲気に維持して熱分解を行わしめる空気量に設定したことを特徴とする。
【００１０】
そして請求項２記載の発明において、全供給空気量を前述の一次空気と二次空気とに分配するにあたり、一次空気量を全供給空気量の１０〜４０％（体積比）とし、更に請求項３記載の発明において、前記一次空気量が、焼却対象物の完全燃焼物の完全燃焼に必要な理論空気量の０．１５〜０．５倍に設定し、気泡流動層領域を還元雰囲気に維持して熱分解を行わしめることを特徴とする。
【００１１】
即ち本発明は、ライザ下方から供給する一次空気量を全空気量の１０〜４０％と低減させて安定な濃厚層部を形成せしめ、粗大な乾燥汚泥やチャー粒子のフリーボード側への飛散を抑制するとともに、一次空気量が焼却対象物の完全燃焼に必要な理論空気量の０．１５〜０．５倍とすることにより当該濃厚層部である一次燃焼域での下水汚泥の乾燥と還元燃焼によるガス化を積極的に生起せしめ、フリーボード部での二次燃焼域を多段ガス燃焼の場とすることにより燃焼の安定化、効率化を図り、低公害燃焼を達成し得るものである。
【００１２】
従って本発明によれば、一次空気の供給量を全供給空気量の１０〜４０％とすることにより、気泡流動層部（濃厚層部）を安定的に形成せしめ、粗大な乾燥汚泥や熱分解チャー粒子の二次燃焼部（フリーボード部）への飛散を抑制して燃焼し、かつ、高温砂が循環するため、気泡流動層部（濃厚層部）での熱量の確保が出来、汚泥中水分の高負荷乾燥が達成され、一次燃焼域でのチャーの燃焼微細化が可能となり、炉出口での燃焼ガス濃度の大幅低減化、すなわち、完全燃焼を達成することが可能である。
更に本発明は、一次空気量が焼却対象物の完全燃焼に必要な理論空気量の０．１５〜０．５倍とすることにより当該濃厚層部である一次燃焼域での下水汚泥の乾燥と還元燃焼によるガス化を積極的に生起せしめ、一次燃焼部でのガス化燃焼が促進される。下水汚泥のガス化は、高温による揮発性可燃物の熱分解ガス化と、以下に示す下水汚泥から発生した水蒸気とチャーによる水性ガス化反応が同時に生じることになる。
水性ガス化反応：Ｃ＋Ｈ２Ｏ→ＣＯ＋Ｈ２
その結果、ライザ下方の一次燃焼域（濃厚層部）から二次燃焼域であるフリーボード部へは、主に、可燃ガスが移行し、ライザ下方からの飛び出すチャー量が著しく減少した。
【００１３】
【００１４】
そして本発明は、ライザ下方から供給する一次空気量を全空気量の１０〜４０％と低減させて安定な濃厚層部を形成せしめ、粗大な乾燥汚泥やチャー粒子のフリーボード側への飛散を抑制するとともに、前記一次空気の供給量と二次空気量との和である全空気量が、補助燃料を含めた全焼却物に対する理論燃焼空気量の１．１５〜１．４５倍に設定することにより即ち、一次燃焼域での還元燃焼による前記メリットと二次燃焼域での空気量の増大を図って多段ガス燃焼とにより、完全燃焼と高負荷燃焼が達成され、サイクロン出口（炉出口）におけるＣＯやＤＸＮ類等の未燃ガスやＮｏｘやＮ２Ｏなどの窒素酸化物が大幅に抑制される。
【００１５】
【００１６】
更に、本発明は、二次空気の気泡流動層領域（濃厚層部）への吹き込みの高さが空気分散板又は空気分散ノズルから１．２ｍ以上のスプラッシュ領域に近い高さであり、かつ、平均粒径０．５ｍｍ以下の流動媒体を用いることにより、一次空気の空塔速度を低減しても、砂循環の安定化を図り、下水汚泥等の高含水率でかつ高揮発分の焼却物を高効率で低公害燃焼を達成し得るものである。
【００１７】
かかる発明によれば、二次空気吹き込み高さを空気分散板またはノズルから１．２ｍ以上とし、平均粒径０．５ｍｍ以下の流動媒体を使用することにより、砂濃度の高い濃厚層領域が十分に確保されるため、高温砂による乾燥・ガス化が促進される。また、従来のように二次空気吹き込み高さが低い場合には、飛散するチャーも、二次空気吹き込み高さを高くすることでその飛散量を大幅低減することが可能となる。
【００１８】
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寸法、材質、形状、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かかる下水汚泥等の高含水率・高揮発性の廃棄物焼却炉に用いられる外部循環流動層炉の全体概略構成図を示す。
【００１９】
図１において、外部循環流動層炉は、下水汚泥の燃焼反応が行われるライザ１と流動媒体を捕集するサイクロン１１と、ダウンカマー１２と炉内未燃ガスのサイクロンへの吹き抜けを防止するシールポット１３とからなる。前記ライザ１の炉床部には、ライザ風箱２から導入される一次空気１７により該ライザ下部４に充填されている流動媒体が流動化されて気泡流動媒層（濃厚層）１８を、更に該気泡流動層領域（濃厚層部）の流動砂層面の気泡の破裂に伴なって流動媒体の粒子が吹き上げられるスプラッシュ領域２９を形成している。
【００２０】
前記ライザ１に汚泥投入口５から投入される下水汚泥１９は、前記流動層１８にて混合、撹拌されながら流動媒体との衝突を繰り返して微粒化されるとともに、乾燥、熱分化される。そして、前記流動層１８から飛散する含水率や未燃ガス、軽い汚泥粒子は二次空気供給口６から導入される二次空気２０により前記流動媒体と共にフリーボード部８に同伴輸送され、該フリーボード部８にて燃焼する。該フリーボード部８を通過する流動媒体は、ここで過熱され高温化し、サイクロン１１にて捕集され、ダウンカマ−１２を経てシールポット１３に移送され、該シールポット下方風箱１４から供給される空気により移動層を形成し、前記ライザ２の流動層７に還流される。
【００２１】
以下が従来技術と同様の循環流動層炉であるが、本実施形態では、図３及び図４に示すように、投入下水汚泥の性状、量若しくは炉内燃焼状態により、前記一次空気１７及び二次空気２０の分配比を調整し、一次空気量が全空気量の１０〜４０％（体積比）とすることにより、安定な流動層１８（濃厚層部）を形成せしめ、その結果、ライザ下部の一次燃焼域（濃厚層部）から二次燃焼域であるフリーボード部８へは、主に、可燃ガスが移行し、ライザ下部からの飛び出す粗大な乾燥汚泥やチャー粒子量が著しく減少した。
即ち、図３に示すように、一次空気比(一次空気量／理論空気量)が０.２、０．３いずれの場合でも炉下部に十分なる濃厚層が形成されているが、空気比０．６では濃厚層がほとんど形成されず、ライザ全域に亘って５０〜７０ｋｇ／ｍ３の懸濁密度が形成されることとなり、チャー粒子のフリーボード部８への飛散を抑制出来ない。
一次空気比０．２は（一次空気量／全空気量）で表すと１５％、０．３で２３％、０．６で４６％、であるから余裕を見て（一次空気量／全空気量）は１０〜４０％に設定するのがよいことが理解できる。
図２はＣＯ濃度と炉高さとの関係を示す。本図では一次空気比(一次空気量／理論空気量)が０．３でＣＯ濃度が十分低下しているが、一次空気比が０．１（一次空気量／全空気量：８％）０．６（一次空気量／全空気量：４６％）０．７（一次空気量／全空気量：５５％）ではいずれもＣＯ濃度が十分低下しない。
かかる点もからも（一次空気量／全空気量）は１０〜４０％に設定するのがよいことが理解できる。
これにより、気泡流動層部（濃厚層部）を安定的に形成せしめ、粗大な乾燥汚泥や熱分解チャー粒子の二次燃焼部（フリーボード部）への飛散を抑制して燃焼し、かつ、高温砂が循環するため、気泡流動層部（濃厚層部）での熱量の確保が出来、汚泥中水分の高負荷乾燥が達成され、一次燃焼域でのチャーの燃焼微細化が可能となり、フリーボード部８へ移行したガス化ガスは、ここへ供給される二次空気の増大（６０〜９０％）により混合・撹拌力の向上が図れ、よりＨＣＮ、ＤＸＮ等の生成量を大幅に低減する事ができ、即ち、完全燃焼を達成することが可能である。
【００２２】
また、本実施形態によれば、一次空気量が焼却対象物の完全燃焼に必要な理論空気量の０．１５〜０．５倍とすることにより当該濃厚層部である一次燃焼域での下水汚泥の乾燥と還元燃焼によるガス化を積極的に生起せしめ、一方、高温による揮発性可燃物の熱分解ガス化とともに、以下に示す下水汚泥から発生した水蒸気とチャーによる水性ガス化反応を同時に生起させ、ガス燃焼と比べて遅いチャー燃焼（固体燃焼）の加速化を図ることが可能となる。
水性ガス化反応：Ｃ（チャー）＋Ｈ２Ｏ（水蒸気）→ＣＯ＋Ｈ２
その結果、フリーボード部の二次燃焼域を多量の二次空気にて積極的に混合・撹拌し、ガス燃焼の促進を図ることにより、燃焼の安定化、高効率化、低公害燃焼を達成し得る。
【００２３】
次に、本実施形態によれば、二次空気の吹き込み高さを空気分散板またはノズルから１．２ｍ以上のスプラッシュ領域に近い濃厚層部位置とし、且つ平均粒径０．５ｍｍ以下の流動媒体を使用することにより、一次空気の空塔速度を低減しても、砂循環の安定化を図ることが可能となり砂濃度の高い濃厚層領域が十分に確保されるため、高温砂による汚泥などの焼却対象物の乾燥・ガス化が促進され、つまり、下水汚泥等の含水率でかつ高揮発分の焼却物でさえも高効率で低公害燃焼を達成し得る。
実証試験で、二次吹き込み位置を１．２ｍと１．２ｍ以上のスプラッシュ領域に近い濃厚層部位置に設けたが、後者の場合炉下部の圧力勾配が大きく、砂濃度が濃厚層で高く、ＣＯ濃度も２０ｐｐｍと１．２ｍの場合の６０ｐｐｍに比較して大幅に向上している事が理解できる。また、二次空気吹き込み高さが１．２ｍ以上と高くすることでその飛散量を大幅低減することが可能となる。
【００２４】
又本実施形態では、未燃ガスの完全燃焼を達成し、炉出口排ガス量の低減化を図るためには、一次空気と二次空気とを合わせた全供給空気量が、補助燃料を含めた全焼却物に対する理論燃焼空気量の１．１５〜１．４５倍、好ましくは１．２５〜１．３５倍とした。
即ち図５より明らかなように、理論燃焼空気量の１．１５倍では炉出口ＣＯ濃度が４０ｐｐｍ、１．３倍では炉出口ＣＯ濃度が２０ｐｐｍと大幅に低下するとともに、一方Ｎｏｘ濃度は理論燃焼空気量の１．４５倍以上では大幅に増加することが理解される。
【００２５】
また、炉の運転、特に、砂循環を安定化させるためには、一次空気および二次空気混合後のフリーボード部８での排ガスの空塔速度が３〜１０ｍ／ｓ、好ましくは、４〜７ｍ／ｓになるように制御する。これにより、排ガス量の低減化による排ガス処理設備のコンパクト化、高効率燃焼による炉のコンパクト化、砂循環の安定化及び運転操作性の安定化・簡素化が達成させる。
【００２６】
【発明の効果】
以下記載のごとく本発明によれば、一次空気の吹き上げ流速を低減させ、乾燥中の汚泥や熱分解チャーの粗大粒子のフリーボード部（二次燃焼部）への吹上げを抑制することにより未燃焼ガス等の完全燃焼が促進されるため、一酸化炭素、ＨＣＮ、ＮＨ３及びダイオキシン類等の大幅な低減が可能となる。
また、本発明によれば一次燃焼場での乾燥・熱分解ガス化反応が促進されるとともに、水性ガス化反応をも併発せしめ、二次空気による二次燃焼部の混合・撹拌を促進させ、ガス燃焼の高効率化、安定化が達成され低公害燃焼が達成される。
更に、二次空気の気泡流動層領域（濃厚層部）への吹き込み高さを空気分散板または空気分散ノズルからスプラッシュ領域に近い１．２ｍ以上とし、特に平均粒径０．５ｍｍ以下の流動媒体を使用することにより、上述の一次空気量の低減化への対応に余裕度ができ、かつ、砂循環の安定化流速範囲の拡大を図ることが可能となり汚泥などの焼却対象物の乾燥・ガス化が促進され、つまり、下水汚泥等の高含水率でかつ高揮発分の焼却物でさえも高効率で低公害燃焼を達成し得る。
かかる発明の運転操作において、全供給空気量が、理論燃焼空気量の１．１５〜１．４５倍、好ましくは、１．３倍とし、また、フリーボード部での排ガスの空塔速度が３〜１０ｍ／ｓ、好ましくは、４〜７ｍ／ｓになるように制御することにより、排ガス量の低減化による排ガス処理設備のコンパクト化、高効率燃焼による炉のコンパクト化、砂循環の安定化及び運転操作性の安定化・簡素化が達成される。
このように、流動層炉の制御が簡単であるとともに、高含水率の下水汚泥の燃焼においても燃焼速度を損なうことなく、高効率・低公害燃焼が可能となり、ひいては焼却炉のコンパクト化、及び排ガス量の低減化に寄与する。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の実施形態にかかる外部循環流動体層炉の全体概略構成を示す模式図である。
【図２】  前記部循環流動体層炉を用いた一次空気比における炉内軸方向のＣＯ温度分布である。
【図３】  前記部循環流動体層炉を用いた一次空気比における炉内軸方向の懸濁密度分布である。
【図４】  前記部循環流動体層炉を用いた二次空気吹き込み高さと炉内軸方向圧力分布を示す分布図である。
【図５】  前記部循環流動体層炉を用いた空気比と炉出口ＣＯ及びＮｏｘ濃度を示す分布図である。
【符号の簡単な説明】
１      ライザ
３      ライザ分散板
５      汚泥投入口
６      二次空気投入口
８      フリーボード部
９      ライザ頂部
１７    一次空気
１８    濃厚層部
２０    二次空気
２９    スプラッシュ領域
【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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