流動床式焼却炉における低 NOx 燃焼技術の検証
Verification of Low NOx Combustion Technology in Fluidized Bed Incinerator

井上尚子＊
Naoko Inoue

多田俊哉＊
Toshiya Tada

砂田浩志＊＊
Hiroshi Sunada

伊藤 正＊＊
Tadashi Ito

木下民法＊＊
Taminori Kinoshita

NOx に対し厳しい管理目標値を定めている廃棄物焼却処理施設の多くは触媒脱硝設備を有しているが，焼却炉での低 NOx 燃焼が実現すれば設備の簡素化と発電効率の向上が期待できる。今回，実稼働中の流動床式焼却炉にて燃焼試験を行い，低空気比燃焼（空気比1.32）と排ガス再循環（EGR）を組合わせることで NOx 濃度を40 ppm 程度まで低減できることを確認した。また，熱流体シミュレーションにより NOx 発生状況を考察した結果，空気比低減が低 NOx 燃焼にもっとも効果があることが示唆された。
Most of the municipal solid waste incineration plants with strict regulations imposed on NOx emissions
have a selective catalytic reduction（SCR）process. However, low NOx combustion can simplify thisprocess and improve power generation efﬁciency. We conducted combustion tests at an operating plantwith a ﬂuidized bed incinerator. It was found that low excess air ratio operation（1.32）using the exhaustgas recirculation（EGR）system was able to reduce NOx to approximately 40 ppm. Furthermore, after
observing the NOx generation status in simulations using computational ﬂuid dynamics（CFD）, it wassuggested that low excess air ratio operation is the most effective approach to low NOx incineration.

Key Words：
流動床式焼却炉

Fluidized Bed Incinerator

窒 素 酸 化 物（NOx）

Nitrogen Oxides（NOx）

排 ガ ス 再 循 環Exhaust Gas Recirculation

低Low Excess Air Ratio

空気比数 値 流 体 力 学Computational Fluid Dynamics【セールスポイント】
・総空気比1.32程度の低空気比燃焼と排ガス再循環を組合わせることで，実稼働中の流動床式焼却炉において触媒脱硝設備がなくとも NOx 濃度を40 ppm 程度まで低減できた。

まえがきが低下するというデメリットがある。そのため，窒素酸化物（NOx）について厳しい管理目標値をSCR 設備を用いずに NOx の低減を行うことができ設定している焼却施設では，脱硝効率の高い触媒脱れば，設備の簡素化や発電効率の向上が期待できる。

硝（SCR） 設 備 を 設 置 す る 場 合 が 多 い。 し か し，我々はこれまでに流動床式焼却炉において，燃焼SCR 設備設置に伴う建設費用増加に加え，排ガスをの総空気比低減および押込／二次空気の供給割合の加熱する場合には蒸気が使用されるため，発電効率最適化により NOx の発生を抑制できることを確認

神鋼環境ソリューション技報

Vol. 13 No. 2（2017 ／ 3）＊

技術開発センター プロセス技術開発部 基盤技術室＊＊

環境プラント技術本部 技術統括部

11

した １）。今回，さらなる NOx 低減を目的に実稼働空気比1.6）と同程度になるよう EGR ガス量を決定

中の焼却炉にて燃焼試験を行った。また，得られたした。試験中は排ガス測定を行い，低 NOx 燃焼の運転状況と排ガス性状から熱流体シミュレーション状況を確認した。図１に試験を行った焼却炉の概略を実施し，NOx 発生状況を考察した。

プロセスフローを示す。図１には，併せて排ガス測

1.

1. 1

実機試験

定を行った位置（SP 1：二次燃焼部入口，SP 2：二試験方法次燃焼部出口，SP 3：バグフィルタ出口）も示して試験は処理規模46 t/day の流動床式焼却炉にて行った。試験を行った炉は，低 NOx 燃焼技術の一ついる。表１に排ガスの測定項目および分析方法を示す。

として知られている排ガス再循環（EGR）を行うた

NOx，O2，CO，CO2 についてはプローブから連続め，バグフィルタ排ガスの一部を炉内へ供給できる的に排ガスを吸引して分析計に通し，連続測定を行よう改造を施している。EGR ガスを炉内に供給すった。なお，連続測定はそれぞれのポイントで約２ることは，炉内温度を下げる効果もある。したがっ時間ずつ行った。ただし，二次燃焼部入口，出口て，これまで炉内が高温になるため実施できなかっ（SP 1，2）では排ガス中にダストが多いため，ダスた，より低い空気比での運転が可能となる。本試験

トによるプローブの詰まりがしばしば生じる。そのでは炉内で発生する NOx の低減を目的に，EGR を際はデータ取得を停止し，圧縮空気で逆洗すること用いた低空気比運転を行った。試験中の総空気比はで都度対応した。その他のガス種については，それ1.3とし，監視している炉内温度が通常運転時（総ぞれのポイントで２回のバッチ分析を行った。

バグフィルタ
ボイラ
SP 2

●

SP 3
排ガス
再加熱器

●
ガス冷却塔

ごみホッパ

二次空気供給機

押込空気

触媒
反応塔

EGRガス
●

煙突

SP 1
流動床
焼却炉

図１

表１

概略プロセスフロー

排ガス測定項目および分析方法

項目

SP 1

SP 2

SP 3NOx
O2
NH3HCN
CO
CO2
H 2O
H2
CH4

○
○
○
○
○
○
○
○
○

○
○
○
○
○
○
○
○
○

○
○
―――――――

方法

化学発光法
磁気風式／ジルコニア式 *インドフェノール青吸光光度法
4- ピリジンカルボン酸―ピラゾロン吸光光度法
赤外線式
赤外線式
吸 収 管
TCD- ガスクロマトグラフ
TCD- ガスクロマトグラフ*SP 3 でのみジルコニア式を使用

12神鋼環境ソリューション技報

Vol. 13 No. 2（2017 ／ 3）

表２項

1. 2目

単位

測定結果と運転条件
試験時（低空気比運転時）

通常運転時

SP 1

SP 2

SP 3

SP 3

NOx

ppm-dry
ppm@O2＝12 ％1787744624083
64

O2％-dry

1.2

5.1

7.2

9.6

NH3ppm-dry

1 100

4―

―

HCN

ppm-dry

71

＜0.5―

―

CO％-dry
ppm-dry
ppm@O2＝12 ％

2.9―
―

―
5028―
―
―

―
―
―

H2％-dry

1

＜0.1―

―

CH4％-dry

0.5＜0.1――

押込空気比―0.320.38

総空気比―1.321.59

EGR 率％

190

試験結果

表３

低空気比運転時の排ガスの測定結果を表２に示

次元時
間乱流モデル
燃焼モデル
輻射モデル

す。連続測定の結果はプローブの清掃時間などを除外した測定値の平均値である。また，表２には通常運転時の SP 3（バグフィルタ出口）での排ガス測定結果および測定時の運転条件も併せて示している。ここで，EGR 率は BF 出口での総排ガス流量に対する EGR ガス流量の割合で定義される。

シミュレーション設定
三次元定常k-ω SST
渦消散モデル
DO モデル抑えられることがわかった。通常運転時の NOx 濃度である64 ppm@O2＝12 ％に対して明確な差があ

ガス測定の結果，還元雰囲気である SP 1（二次り，流動床式焼却炉において EGR を用いた低空気燃焼部入口）では Fuel NOx の前駆体となる NH3 と比運転が NOx 低減に効果があることが確認できた。

HCN が存在しており，NOx も17 ppm と微量ながら存在している。この結果から，砂層の内部でごみの2.

2. 1

熱流体シミュレーション
シミュレーション方法

熱分解による NH3，HCN の発生と押込空気との反炉内の NOx 分布や発生要因が分かれば，炉の設応による NOx 生成，および NH3，HCN による NOx

計や燃焼方法の改善に役立てることができる。このの還元が複雑に起こっていることが窺える。また，

ような検討において，シミュレーションは非常に有NH3 は HCN に比べ砂層での発生量が非常に多いこ効な手段である。そこで，実機から得たデータを参とが分かった。

照してシミュレーションによる NOx 生成挙動の把SP 2（二次燃焼部出口）における O2 濃度は5.1 ％握を試みた。

-dry であり，空気比1.3での低空気比運転が実現でシミュレーションには汎用熱流体解析ソフトきていることがわかる。このとき，CO 濃度は28ANSYS Fluent（アンシス・インコーポレイテッドppm@O2＝12 ％であった。しかしながら，同時刻のの商標）を使用し，解析領域は砂層表面からボイラ煙突での測定値は平均5.9 ppm@O2＝12 ％であり，２パス出口までとした。熱流体シミュレーションで

CO の酸化反応はボイラ下流でも継続しているもの

使用したモデル等の条件を表３に示す。砂層表面かと 思 わ れ る。 一 方 で，NH3 は 4 ppm，HCN，H2，

ら解析領域に流入する熱分解ガスの流量と組成は，CH4 は検出限界以下となり，二次燃焼部の燃焼状況

ごみの性状と発熱量および押込空気量から決定しは良好であったと言える。

た。ガス種には CO，CO2，CH4，O2，H2O，C を考SP 3での測定の結果，EGR を用いた低空気比運慮した。流入したガス化ガスはボイラ内の二次燃焼転を行うことで NOx 濃度を40 ppm@O2＝12 ％まで領域に吹込まれる二次空気によって燃焼する。焼却

Vol. 13 No. 2（2017 ／ 3）

神鋼環境ソリューション技報

13炉部分とボイラ部分の壁面には伝熱条件を与えてお度分布の計算結果を図４に示す。シミュレーション

り，対流と輻射による伝熱を考慮した。NOx シミュにより得られた SP 2における低空気比運転での O2

レーションは解析ソフトに搭載されている NOx モ

濃度は5.1 ％ -dry であり，測定値と一致している。

デ ル（Fuel NOx，Thermal NOx，Prompt NOx） を 使

これより，シミュレーション結果は実機の炉内環境用した。今回使用した NOx モデルは燃焼シミュレを良好に再現していると評価し，本計算結果に NOxーションの結果に対しポスト処理として用いられモデルを適用した。

る。通常運転時の流動床式焼却炉において，シミュNOx モデルによるシミュレーションにより得られ

レ ー シ ョ ン 上 の 発 生 NOx の 大 部 分 を 占 め る の はた NOx 濃度の分布図を図５に示す。また，SP 2にFuel NOx である。Fuel NOx の前駆体としては NH3おおける NOx 濃度の計算結果と測定結果の比較を図よび HCN が挙げられる。簡略化のため前駆体を６に示す。ここで，通常運転時の測定結果は SP 3NH3 のみとした場合，Fuel NOx モデルの反応速度は以下の式で与えられる２）。

［℃］
1 300
1 250⑴⑵
ここに，

SP2

1 200
1 150
1 100
1 050

［s-1］
：NOx 生成速度

1 000［s-1］：NOx 消失速度

950［K］：温度

900［-］：モル分率850
800［-］：酸素の反応次数［s-1］：頻度因子750700650［J/mol］：活性化エネルギー

600［J/K･mol］：一般気体定数

550

砂層表面

500

デフォルトの定数を用いた場合の NOx モデルでは実機の測定結果を再現できなかった。そのため，

低空気比運転図２

通常運転

計算結果（温度コンタ図）

実機測定結果に合うように上式の定数を調整し，反応速度式を決定した。砂層内で発生する NOx および NH3 については，二次燃焼部入口での測定によ

シミュレーション結果
実機測定結果り得られたデータと砂層の運転状況を鑑みて決定−SP 2

し，砂層表面を入口とし流入条件として設定した。
2. 2

シミュレーション結果
実機測定結果シミュレーション結果の結果得られた炉内温度の分布図を図２に示す。分
布図から EGR を用いることで低空気比にも関わらず局所的な高温化が抑制されていることが示された。図３に炉内温度の計算結果と実測値の比較を示

高さ位置

燃焼シミュレーションを行った。シミュレーション

高さ位置

本試験（低空気比運転）および通常運転の条件で二次空気吹込み領域

二次空気吹込み領域

す。グラフは横軸に炉内温度を，縦軸に砂層表面からの高さをとっている。白いプロットはシミュレー
ションにより得られた各高さ位置での断面平均温度であり，一方の黒いプロットは熱電対での温度測定結果である。図３より，温度の測定値と実測値は比較的良く一致していることが分かる。次に，O2 濃14−砂層表面
500

1 000

炉内温度［℃］（a）低空気比運転
図３

神鋼環境ソリューション技報

500

1 000

炉内温度［℃］（b）通常運転

炉内温度の計算結果と実測値の比較
Vol. 13 No. 2（2017 ／ 3）

［％-dry］
20［ppm-dry］
160150SP 218130161201411012100108090708605064043020210

砂層表面0低空気比運転

図４0通常運転図５

計算結果（Ｏ2 濃度コンタ図）

図５より，NOx 生成は SP 2の位置でほぼ完結して70いることが分かる。図６より，本 NOx モデルによる計算結果は低空気比運転時，通常運転時のどちら60の測定値とも概ね一致することが確認できた。な50

お，SP 2での NH3 濃度の計算結果は両条件とも 040ppm であり，実機に近い結果であった。図７にシ30ミュレーションにより得られた NOx 濃度のグラフ20を示す。図７から，NOx は主に二次空気吹込み領域の後半にて発生しており，とくに通常運転ではこの0低空気比運転図６領域で急激に NOx 濃度が上昇していることが分か通常運転る。NOx 生成に影響を与える因子として，図８，９

SP 2における NOx 濃度の比較にシミュレーションにより得られた炉内温度，O2
試験時
通常運転時

高さ位置

高さ位置

試験時
通常運転時

二次空気吹込み領域

50

二次空気吹込み領域

100500NOx 濃度の計算結果

図８

NOx 濃度［ppm@O2＝12 ％］Vol. 13 No. 2（2017 ／ 3）

試験時
通常運転時

高さ位置

NOx濃度［ppm@O2＝12 ％］

計算結果（NOx 濃度コンタ図）

8010

図７

砂層表面
通常運転

低空気比運転（バグフィルタ出口）での NOx 濃度から算出した。

シミュレーション結果
実機測定結果0SP2140二次空気吹込み領域

1 0000.0

炉内温度の計算結果

図９

炉内温度［℃］

神鋼環境ソリューション技報

5.0

O2 濃度［％-dry］

10.0

O2 濃度の計算結果
15濃度を示す。一般的に炉内温度が高いと NOx 発生２）シミュレーションにより NOx 発生状況につい量も増加するが，図８に示されるように NOx が生て検討した結果，NOx は主に二次空気吹込み領域の成する二次空気吹込み領域の後半では炉内温度に大後半で発生しており，空気比低減が低 NOx 燃焼にきな差は見られなかった。一方，図９において，通もっとも効果があることが示唆された。

常運転では二次空気吹込み領域の後半で O2 濃度が本試験により，低空気比燃焼と EGR を組合わせ急激に増加しており，NOx の発生挙動と一致していることで，流動床式焼却炉において触媒反応塔がなることが分かった。以上のことから，O2 濃度の抑

くとも NOx 濃度を40 ppm 程度まで低減できること制，すなわち総空気比の低減が NOx 抑制にもっとが確認された。

も効果があることがシミュレーションによる検討でまた，今回対象とした流動床式焼却炉において，示唆された。

低空気比運転を含む通常の運転範囲であればシミュ

むレーションにより発生 NOx を予測できる見込みをす

び

流動床式焼却炉での発生 NOx 低減を目的とし，得た。本シミュレーション手法は NOx 生成挙動の実稼働中の焼却炉にて EGR を用いた低空気比運転把握に有効な手段であると考えており，今後更なる試験を実施した。また，得られた運転状況と排ガスブラッシュアップを進めていく。

性状から熱流体シミュレーションを実施し，NOx 発生状況を考察した。それにより，以下の結果が得られた。
１）EGR を用いた低空気比運転を行うことで，バグフィルタ出口での NOx 濃度を40 ppm@O2＝12 ％まで抑えることができた。

16［参考文献］
１）砂田浩志ほか：流動床焼却炉における低 NOx 燃焼の取 組 み， 第36回 全 国 都 市 清 掃 研 究・ 事 例 発 表 会，（2015），216-218
２）De Soete G.G.：15th Symposium（International）onCombustion，（1974），1093-1102

神鋼環境ソリューション技報

Vol. 13 No. 2（2017 ／ 3）