(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
内部に柱状の空間が設けられたライザと、一端が前記ライザの上部に接続された接続配管と、前記接続配管の他端及び前記ライザの下部に接続されたダウンカマーとを具備し、流動媒体を前記ライザ内に設けた空間の下部からその空間の上部へと上昇させるとともに前記空間の上部に達した流動媒体を前記接続配管及び前記ダウンカマーを経て前記空間の下部へと戻しながら、前記空間内で処理対象物の燃焼及び／またはガス化処理を行う循環流動層炉であって、前記接続配管の前記ライザ側の開口上端に対して前記ライザ内に設けた空間の頂部は２００ｍｍ以上高く、前記ライザ内に設けた空間の断面積は、前記接続配管の前記ライザ側の開口上端よりも下方に比べ、前記接続配管の前記ライザ側の開口上端よりも上方においてより大きいことを特徴とする燃焼安定性に優れた循環流動層炉。
【請求項２】
請求項１に記載の循環流動層炉を具備し、前記ライザ内に設けた空間内での燃焼により生じた熱を流体の蒸発に利用することを特徴とする循環流動層ボイラ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、循環流動層炉及び循環流動層ボイラに関する。
【０００２】
【従来の技術】
循環流動層炉や循環流動層ボイラは、石炭やオイルコークスなどの燃料、都市ごみや廃プラスチックや汚泥や製紙スラッジなどの廃棄物、ＲＤＦ（燃料固形化ごみ）などを燃焼或いはガス化させて焼却処理や熱回収などを行うのに広く用いられている。
【０００３】
図５は、従来の代表的な循環流動層炉を概略的に示す図である。図５に示す循環流動層炉は、処理対象物を焼却或いはガス化させるライザ１と、流動媒体である循環粒子を捕集してライザ１へと戻すダウンカマー２とで主に構成されている。
【０００４】
ライザ１は炉本体１１からなり、炉本体１１内の下部には炉内に一次空気を吹き込む散気管１２が設けられている。また、炉本体１１の側壁には、炉内に二次空気を吹き込むための二次空気吹き込み口１３と、炉内に処理対象物を投入するための投入口１５とが下方から順次設けられている。
【０００５】
ライザ１では、散気管１２及び二次空気吹き込み口１３から炉内に空気を吹き込んで、投入口１５から炉内に投入した処理対象物を砂などの流動媒体とともに上昇させる。その過程で、処理対象物は、乾燥され、揮発分を発散し、燃焼する。なお、含水率が高い処理対象物を専焼する場合や混焼割合が高く処理対象物の自燃が困難である場合は、炉本体１１の側壁に補助燃料供給口１４を設け、この補助燃料供給口１４からオイルガンやガスガンなどにより炉内に補助燃料を供給する。
【０００６】
ダウンカマー２は、流動媒体などを捕集する捕集部２１と、捕集した流動媒体などをライザ１に戻す循環粒子戻し管２２とを備えている。ダウンカマー２には、多くの場合、ライザ１からのガスが捕集部２１内を上昇するのを防止するシール部２３が設けられている。
【０００７】
ダウンカマー２には、処理対象物の燃焼などにより生じた排ガスや未燃分並びに流動媒体などが、ライザ１の上部から接続配管３を介して供給される。捕集部２１では、それらを排ガスと流動媒体や比較的粒径の大きな灰などとに分離する。捕集部２１で分離した排ガスは、比較的粒径の小さな灰などを同伴して排ガス処理設備へと送り、除塵後に煙突から外部へと放出する。また、捕集部２１で回収した流動媒体や比較的粒径の大きな灰などは、循環粒子として、シール部２３及び循環粒子戻し管２２を介してライザ１の下部へと戻して未燃分の再燃焼などを行う。
【０００８】
ところで、このような循環流動層炉では、処理対象物として湿潤物質（例えば、含水率３０〜９０％）を燃焼させる場合、湿潤物質中の水分が蒸発することにより炉内で吸熱反応が起こる。そのため、炉内の燃焼状況が空間的及び／または時間的に不安定になり易い。
【０００９】
燃焼状況を安定化させるためには、ライザ１内に存在している流動媒体の量（或いは、粒子懸濁濃度）を増加させることにより炉内温度を安定化させればよい。そのため、一般に、循環流動層炉内に存在している流動媒体の量を増加させるという手法が採用されているが、この手法には以下の問題点がある。
【００１０】
すなわち、粒子懸濁濃度を高めるべく循環流動層炉内に存在している流動媒体の量を増加させると、ダウンカマー２内に存在している流動媒体の量も増加する。ダウンカマー２内での流動媒体の量が増加すると、流動媒体はシール部２３よりも上方にまで貯留され、流動媒体がライザ１へと戻るのにより長い時間が必要となる。その結果、流動媒体は過剰に冷却された状態でライザ１へと戻ることとなる。
【００１１】
このような温度低下は、処理対象物が湿潤物質である場合に特に顕著である。これは、処理対象物が湿潤物質である場合、処理対象物が石炭などの固定炭素分が多い物質である場合と比較して、ダウンカマー２内に存在する未燃炭素分が少ないためである。このような理由から、処理対象物として湿潤物質を燃焼させる場合、循環流動層炉内に存在している流動媒体の量を増加させるという手法では、炉内の燃焼状況を安定化することは困難である。
【００１２】
流動媒体の温度低下を抑制する方法としては、シール部２３での搬送空気量を増加させることやシール部２３を省略することなどにより、ダウンカマー２内に存在している流動媒体の量を減少させることが考えられる。しかしながら、この場合、ダウンカマー２内を燃焼空気や排ガスが逆流し、排ガス中の有害ガス濃度が増加するおそれがある。また、搬送空気量を著しく増加させた場合には、搬送空気に基づく流動媒体の温度低下が顕著になる。
【００１３】
粒子懸濁濃度を高めるべく循環流動層炉内に存在している流動媒体の量を増加させた場合、上記の問題に加え、さらに他の問題を生ずる。すなわち、粒子懸濁濃度を高めるべく循環流動層炉内に存在している流動媒体の量を増加させると、捕集部２１で捕集できない粒子が増加する。この場合、排ガスとともに煙道を流れる粒子が増加するため、排ガス処理設備（例えば、バグフィルタなどの集塵装置）への負担が高くなる。また、循環流動層炉から失われた流動媒体を補充する必要があるため、運転費用も高くなる。
【００１４】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであり、処理対象物が湿潤物質である場合であっても炉内の燃焼状況を空間的及び時間的に安定化させることが可能な循環流動層炉及び循環流動層ボイラを提供することを目的とする。
【００１５】
また、本発明は、処理対象物が湿潤物質である場合であっても、排ガス中の有害ガス濃度の上昇や排ガスに同伴される流動媒体量の増加を生じることなく、炉内の燃焼状況を空間的及び時間的に安定化させることが可能な循環流動層炉及び循環流動層ボイラを提供することを目的とする。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明は、内部に柱状の空間が設けられたライザと、一端が前記ライザの上部に接続された接続配管と、前記接続配管の他端及び前記ライザの下部に接続されたダウンカマーとを具備し、流動媒体を前記ライザ内に設けた空間の下部からその空間の上部へと上昇させるとともに前記空間の上部に達した流動媒体を前記接続配管及び前記ダウンカマーを経て前記空間の下部へと戻しながら、前記空間内で処理対象物の燃焼及び／またはガス化処理を行う循環流動層炉であって、前記接続配管の前記ライザ側の開口上端に対して前記ライザ内に設けた空間の頂部は２００ｍｍ以上高く、前記ライザ内に設けた空間の断面積は、前記接続配管の前記ライザ側の開口上端よりも下方に比べ、前記接続配管の前記ライザ側の開口上端よりも上方においてより大きいことを特徴とする燃焼安定性に優れた循環流動層炉を提供する。
【００１７】
また、本発明は、循環流動層炉を具備し、前記ライザ内に設けた空間内での燃焼により生じた熱を流体の蒸発に利用することを特徴とする循環流動層ボイラを提供する。
【００１８】
従来の循環流動層炉では、ライザ内の空間の下部から頂部に達したガスは、流動媒体及び未燃分の粒子を同伴して速やかにダウンカマーへと向かって流れる。これに対し、本発明では、ライザ内空間の頂部から接続配管のライザ側の開口上端の高さまでの距離を所定値以上としているため、ライザ内空間の下部から頂部に達したガスの少なくとも一部は、一旦、ライザ内空間の頂部に滞留し、その後、ダウンカマーへと向かって流れる。このようにライザ内空間の頂部でガスを滞留させた場合、そのガスとともにライザ内空間の頂部に達した流動媒体及び未燃分の粒子の一部は、比較的流速の遅いライザ側壁近傍からライザ内空間の下部に向けて落下する。それゆえ、本発明によると、ライザからダウンカマーへと流れるガス流に同伴される流動媒体及び未燃分の粒子の量を減少させるとともに、ライザ内の粒子懸濁濃度を高めることができる。
【００１９】
このように、本発明では、ダウンカマー内の流動媒体量を増加させることなくライザ内の粒子懸濁濃度を高めることができる。換言すれば、本発明によると、循環流動層炉内の流動媒体量を増加させることなく、ライザ内の粒子懸濁濃度を高めることができる。そのため、本発明によると、循環流動層炉内の流動媒体量を増加させることに伴う上記問題を生ずることがない。
【００２０】
また、本発明では、複雑な機構や制御は必要ではなく、単純に、ライザ内空間の頂部から接続配管のライザ側の開口上端の高さまでの距離を所定値以上とすればよいので、循環流動層炉や循環流動層炉ボイラの製造コストが大きく上昇することはない。さらに、本発明は、既設の循環流動層炉や循環流動層炉ボイラに対しても、低いコストで適用することができる。
【００２１】
上記のように、本発明において、ライザ内に設けた空間の頂部から接続配管のライザ側の開口上端の高さまでの距離ｄは２００ｍｍ以上である。距離ｄを２００ｍｍ以上としたのは、以下の理由による。
【００２２】
ライザ内空間頂部では、流動媒体がライザの頂部内壁に衝突し、それ自身が持つ運動エネルギーによって跳ね返る。距離ｄが短い場合、ライザ内空間の頂部に達した流動媒体を落下させてライザ内の粒子懸濁濃度を高めることは困難である。循環流動層炉では、通常、ライザ内でのガス流速は２〜８ｍ／ｓ程度であり、本発明者らの実験によると、このような条件のもとでは、距離ｄを１５０ｍｍとしても粒子懸濁濃度を高めることは困難であるが、距離ｄを２００ｍｍ以上とすることにより粒子懸濁濃度を高める効果を常に得ることができることが判明した。
【００２３】
本発明において、距離ｄは３００ｍｍ以上であることが好ましい。この場合、粒子懸濁濃度を高める効果がより顕著となる。
【００２４】
本発明において、距離ｄは５００ｍｍ以下であることが好ましい。距離ｄが長い場合、ライザ内の粒子懸濁濃度を高めることができる。しかしながら、炉内の燃焼状況を安定化させるうえで重要なのは、ライザ内空間の接続配管よりも上方における粒子懸濁濃度ではなく、ライザ内空間の接続配管よりも下方における粒子懸濁濃度である。本発明者らの実験によると、後者の粒子懸濁濃度は、距離ｄが５００ｍｍを超えると大きくは変化しないことが判明した。なお、製造コストの観点からも、距離ｄを過剰に長くすることは好ましくない。
【００２５】
本発明において、ライザ内に設けた空間の断面積は、接続配管のライザ側の開口上端よりも下方に比べ、接続配管のライザ側の開口上端よりも上方においてより大きい。なお、「ライザ内に設けた空間の断面積」は、ライザ内に設けた空間の水平面に平行な断面を意味する。
【００２６】
このような構造によると、ライザ内空間の接続配管よりも上方に位置した部分の体積，すなわち、ガスが滞留する空間の体積，を増加させることができる。したがって、その空間内での流速がより遅くなり、上述した効果がより顕著となる。なお、上記の構造を採用する場合、ライザ内空間の頂部から落下した流動媒体の不所望な堆積を防止するために、ライザ内空間の断面積を変化させる部分には、例えば４５°程度のテーパ部を設けることが好ましい。
【００２７】
本発明において、ダウンカマーは、サイクロンのような捕集部と循環粒子戻し管とで構成することができるが、好ましくは、ループシールのようなシール部をさらに含む。
【００２８】
【発明の実施の形態】
図１は、参考例に係る循環流動層炉を概略的に示す図である。図１に示す循環流動層炉は、ライザ１とダウンカマー２とで主に構成されている。ライザ１とダウンカマー２とは下部同士を接続されており、上部同士は接続配管３を介して接続されている。
【００２９】
ライザ１は、内部に柱状の空間が設けられた炉本体１１を備えている。炉本体１１の内部空間の断面形状は、例えば、矩形或いは円形である。炉本体１１内の下部には炉内に一次空気を吹き込む散気管１２が設けられている。また、炉本体１１の側壁には、必要に応じてオイルガンやガスガンなどにより炉内に補助燃料を供給するための補助燃料供給口１４と、炉内に二次空気を吹き込むための二次空気吹き込み口１３と、炉内に処理対象物を投入するための投入口１５とが下方から順次設けられている。接続配管３の一端は、ライザ１に対して、ライザ１内に設けられた空間の頂部から距離ｄ（ｄ≧２００ｍｍ）だけ低い位置で接続されている。
【００３０】
ダウンカマー２は、流動媒体などを捕集するサイクロンのような捕集部２１と、捕集した流動媒体などをライザ１に戻す循環粒子戻し管２２と、ライザ１からのガスが捕集部２１へと逆流するのを防止するシール部（ループシール）２３とを備えている。接続配管３の他端は捕集部２１に接続されており、捕集部２１はシール部２３及び循環粒子戻し管２２を順次介してライザ１の下部に接続されている。
【００３１】
図１に示す循環流動層炉を用いた処理は、例えば、以下のように行う。ここでは、距離ｄを３００ｍｍとし、この循環流動層炉を湿潤物質である汚泥を処理する循環流動層式汚泥焼却炉として利用する場合を例に説明する。
【００３２】
処理対象物である汚泥は、例えば、投入機を用いて投入口１５からライザ１内に投入する。なお、汚泥の投入に先立ち、ライザ１１内に散気管１２及び二次空気吹き込み口１３から一次及び二次空気をそれぞれ供給することにより、砂などの流動媒体を伴う空気の上昇流を形成しておく。また、炉内温度は、補助燃料供給口１４から炉内に補助燃料を供給してそれを燃焼させることにより所定の温度としておく。
【００３３】
ライザ１内に投入した汚泥は、昇温し、水分などの蒸発を生じ、着火する。汚泥や補助燃料の燃焼などによって生じた排ガスや未燃分並びに流動媒体などは、ライザ１の内部空間内を上昇し、一旦、頂部で滞留する。このとき、ライザ１の内部空間頂部に達した流動媒体及び未燃分の粒子の一部は、ライザ１の内部空間下部に向けて落下する。したがって、ライザ１内の粒子懸濁濃度は十分に高く、また、排ガスとともにライザ１から接続配管３を経てダウンカマー２へと送られる流動媒体の量は適量に維持される。
【００３４】
ダウンカマー２に供給された排ガスや未燃分並びに流動媒体などは、先に説明したように、捕集部２１で、排ガスと流動媒体や比較的粒径の大きな灰などとに分離する。捕集部２１で分離した排ガスは、比較的粒径の小さな灰などを同伴して排ガス処理設備へと送り、除塵後に煙突から外部へと放出する。また、捕集部２１で回収した流動媒体や比較的粒径の大きな灰などは、循環粒子として、シール部２３及び循環粒子戻し管２２を介してライザ１の下部へと戻して未燃分の再燃焼などを行う。
【００３５】
このとき、本参考例では、上述のように、ダウンカマー２へと送られる流動媒体の量は適量に維持されているので、シールに十分な量は保持されるが、必要以上に上方まで貯留されることがない。したがって、ライザ１から排ガスとともにダウンカマー２へと供給された流動媒体は、比較的短い時間でライザ１へと戻ることができる。すなわち、本参考例によると、流動媒体が過剰に冷却された状態でライザ１へと戻るのを防止することができ、炉内温度を安定化させることができる。
【００３６】
また、本参考例では、シール部２３での搬送空気量を増加させることやシール部２３を省略することなく流動媒体の温度低下を抑制することができる。そのため、ダウンカマー２内を燃焼空気や排ガスが逆流して排ガス中の有害ガス濃度が増加するおそれがない。
【００３７】
したがって、本参考例によると、処理対象物が湿潤物質である場合であるにも拘らず、排ガス中の有害ガス濃度の上昇や排ガスに同伴される流動媒体量の増加を生じることなく、炉内の燃焼状況を空間的及び時間的に安定化させることが可能となる。
【００３８】
図２は、本発明の一実施形態に係る循環流動層炉を概略的に示す図である。図２に示す循環流動層炉は、ライザ１の内部空間が接続配管３よりも上部で拡径していること以外は図１に示す循環流動層炉と同様の構造を有している。このような構造によると、参考例で説明したのと同様の効果が得られるのに加え、ライザ１内の粒子懸濁濃度を高める効果がより顕著となる。
【００３９】
上記の実施形態では、循環流動層炉を循環流動層式汚泥焼却炉として利用することについて説明したが、他の用途に利用することも可能である。例えば、都市ごみや廃プラスチックや製紙スラッジなどの他の廃棄物を処理するのにも利用することができる。また、上記の実施形態では、循環流動層炉を廃棄物の処理に利用することについて説明したが、ボイラとしても利用可能である。すなわち、ライザ１内に設けた空間内での燃焼により生じた熱を流体の蒸発に利用することができる。この場合、ライザ１には、石炭やオイルコークスなどの燃料を投入してもよいし、上記の廃棄物を投入してもよいし、ＲＤＦを投入してもよいし、それらの混合物を投入してもよい。但し、上記の実施形態で説明した技術は、湿潤物質，特には含水率が３０〜９０％の湿潤物質，を専焼もしくは混焼する場合に特に有用である。
【００４０】
【実施例】
以下、本発明の実施例について説明する。
【００４１】
まず、図１に示す循環流動層炉を循環流動層式汚泥焼却炉として利用し、距離ｄとライザ１内の差圧（ライザ内差圧）との関係を調べた。なお、「ライザ内差圧」は、ライザ１内の頂部における圧力とライザ１内の底部における圧力との差である。結果を図３に示す。
【００４２】
図３は、距離ｄとライザ内差圧との関係を示すグラフである。図中、横軸は距離ｄを示し、縦軸はライザ内差圧を示している。図３に示すように、ライザ内差圧は、距離ｄを２００ｍｍ程度以上とすることにより著しく増加した。すなわち、ライザ１の内部空間頂部でガスを滞留させてライザ１内の粒子懸濁濃度を高める効果は、距離ｄを２００ｍｍ程度以上とした場合に顕著であった。
【００４３】
次に、距離ｄを２００ｍｍに設定して、ライザ１の内部空間下部における温度（ライザ下部温度）の経時変化を調べた。また、比較のため、距離ｄを０ｍｍに設定してライザ下部温度の経時変化を調べた。その結果を図４に示す。
【００４４】
図４は、ライザ１の内部空間下部における温度の経時変化を示すグラフである。図中、横軸は経過時間を示し、縦軸はライザ下部温度を示している。また、曲線５１は距離ｄを２００ｍｍに設定した場合に得られたデータを示し、曲線５２は距離ｄを０ｍｍに設定した場合に得られたデータを示している。
【００４５】
曲線５２で示すように、距離ｄを０ｍｍに設定した場合、ライザ下部温度は不安定であり、燃焼状況を安定化させることはできなかった。それに対し、曲線５１で示すように、距離ｄを２００ｍｍに設定した場合、ライザ下部温度をほぼ一定に維持することができ、燃焼状況を安定化させることができた。
【００４６】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明では、接続配管のライザ側の開口上端に対してライザ内に設けた空間の頂部が２００ｍｍ以上高い構造を採用するため、ダウンカマー内の流動媒体量を増加させることなくライザ内の粒子懸濁濃度を高めることができる。また、本発明では、シール部での搬送空気量を増加させることやシール部を省略することなく流動媒体の温度低下を抑制することができるため、ダウンカマー内を燃焼空気や排ガスが逆流して排ガス中の有害ガス濃度が増加するおそれがない。
【００４７】
すなわち、本発明によると、処理対象物が湿潤物質である場合であっても、排ガス中の有害ガス濃度の上昇や排ガスに同伴される流動媒体量の増加を生じることなく、炉内の燃焼状況を空間的及び時間的に安定化させることが可能な循環流動層炉及び循環流動層ボイラが提供される。
【図面の簡単な説明】
【図１】  参考例に係る循環流動層炉を概略的に示す図。
【図２】  本発明の一実施形態に係る循環流動層炉を概略的に示す図。
【図３】  距離ｄとライザ内差圧との関係を示すグラフ。
【図４】  ライザの内部空間下部における温度の経時変化を示すグラフ。
【図５】  従来の代表的な循環流動層炉を概略的に示す図。
【符号の説明】
１…ライザ、２…ダウンカマー、３…接続配管、１１…炉本体、１２…散気管、１４…補助燃料供給口、１３…二次空気吹き込み口、１５…投入口、２１…捕集部、２２…循環粒子戻し管、２３…シール部、５１，５２…曲線。
【図１】
0003800099.tif 000002
【図２】
0003800099.tif 000003
【図３】
0003800099.tif 000004
【図４】
0003800099.tif 000005
【図５】
0003800099.tif 000006