CFD シミュレーションによる溶融炉二次空気供給方法の最適化
Optimization of Melting Furnace Secondary Air Supply Method by Simulations
using Computational Fluid Dynamics（CFD）

福富裕太＊
Yuta Fukutomi

多田俊哉＊
Toshiya Tada

当社主力メニューの一つであるガス化溶融炉において燃焼における総空気比を低減することで大きなライフサイクルコスト低減効果が期待できることから，より安定した低空気比燃焼運転の実現は重要な課題である。
本報では，ガス化溶融炉の低空気比燃焼を実現するための重要な因子である溶融炉二次空気供給方法を，CFD（Computational Fluid Dynamics）によるシミュレーションを活用して検討した結果について報告する。検討の結果，最適な二次燃焼空気の供給方法として，旋回流の形成と炉中心への燃焼空気供給を兼ね備えたノズル配置を上下段とも同じ旋回方向に設置する方式が最適であった。
さらに，実稼働中のガス化溶融炉を用いた燃焼試験を行い，CFD で最適であったノズル配置を模擬した二次空気供給方法が CO 低減にもっとも効果があることが確認できた。
Low excess air ratio operation can reduce the life-cycle costs of a gasiﬁcation and melting furnace, which isone of our leading products. The melting furnace secondary air supply method is an important factor of low
excess air ratio combustion. By simulations using Computational Fluid Dynamics（CFD）, a nozzle position
has been optimized that can achieve both generation of swirl ﬂow and air supply to the center of the boiler.
Furthermore, a combustion test was conducted at an operating plant equipped with a gasiﬁcation and meltingfurnace. It was conﬁrmed that the CFD-optimized method of supplying secondary air for melting furnace isthe most effective way to reduce CO.

Key Words：
ガ ス 化 溶 融 炉

Gasiﬁcation and Melting Furnace

数 値 流 体 力 学Computational Fluid Dynamics

低空一酸

二次化気比

Low Excess Air Ratio

炭素Carbon Monoxide

燃焼Secondary Combustion【セールスポイント】
・最適な溶融炉二次空気供給方法
・CFD シミュレーションの予測精度向上

Vol. 14 No. 2（2018 ／ 3）＊

技術開発センター プロセス技術開発部 基盤技術室

神鋼環境ソリューション技報

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まえがき

飛灰を廃棄物自体の熱量を利用して溶融スラグ化す

当社環境プラント関連の主力メニューの一つである。溶融スラグは重金属類が閉じ込められるため，るガス化溶融炉は2000年に初号機が稼働して以来，路盤材などに利用可能である。溶融炉からの高温排国内15カ所で順調に稼働しており，２カ所で新規建ガスは二次空気で完全燃焼させたのち，廃熱ボイラ設が進められている。これら多くの実績の下，環境で熱回収し，回収した熱は発電などに利用される。

負荷の少ない安定操業の実現にむけて，ガス化溶融

2.

炉の性能向上に取組んでいる。燃焼改善に関する取組みでは，レーザ O2 計を用いた溶融炉燃焼空気制御等により，より高度な燃焼安定性を達成できるこ
１）

シミュレーションによる溶融炉二次空気供給方法の検討

2. 1

シミュレーション方法

燃焼方法の適正化において，CFD シミュレーシとを報告している 。ここで，ガス化溶融炉は灰がョンは非常に有効なツールであり，これまでにも多溶融することを前提として設計されており，温度調くの成果２，３）を上げている。今回は，ケーススタデ整のための排ガス再循環設備が不要である。排ガスィによってボイラ内の流れと CO 燃焼挙動を可視化

循環がなくとも低空気比運転が可能なのでボイラ内して比較することで，二次空気のノズル配置や供給の排ガス量が少なく，ボイラをコンパクトに設計す方法の最適化を行った。

ることができる。このようなメリットがあるガス化

シ ミュレーションには汎用熱流体解析ソフト

溶融炉において，燃焼における総空気比を低減する

ANSYS® Fluent®（アンシス・ジャパン㈱の商標）をことでさらなるライフサイクルコスト低減効果が期

使用し，解析領域は溶融炉入口からボイラ１パス出待できることから，より安定した低空気比燃焼運転口までとした。シミュレーションで使用したモデルの実現は重要な課題である。

等の設定内容を表１に示す。

今回，ガス化溶融炉の低空気比燃焼を実現するた

図２に解析形状を模式的に示す。溶融炉入口からめの重要な因子である溶融炉二次空気供給方法を，解析領域に流入するガス化ガスの流量と組成（C，CFD によるシミュレーションを活用して検討し，CO，CO2，H2，H2O，N2）は，ごみの性状と発熱量供給方法を最適化した。さらに，実稼働中のガス化および押込空気量から決定した。流入したガス化ガ溶融炉を用いて実施した燃焼試験結果についても報告する。

1.

表１

ガス化溶融プロセスの概要

ガス化溶融炉の概要を図１に示す。ガス化炉は気泡流動層炉であり，供給された廃棄物は押込空気で部分燃焼され，速やかにガス化される。ガス化炉で発生したガス化ガスおよびチャー・タールは溶融炉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 モデル領域
時
間乱流モデル
燃焼モデル
輻射モデルに導入され，一次空気によって燃焼することで溶融炉を高温化する。溶融炉では，ガス化炉で発生する
１パス出口

廃棄物

ガ ス 化 炉

押込空気

ガス化ガス
二次空気

一次空気

二次燃焼部
上段
下段

溶融炉

二次空気

溶融スラグ

図１
22

溶 融 炉

一次空気

ボイラ

後壁

前壁

廃熱ボイラ

図２

ガス化溶融炉の概要

神鋼環境ソリューション技報解析形状Vol. 14 No. 2（2018 ／ 3）

スは溶融炉溶融部に供給される一次空気とボイラ入シミュレーションでは，各ノズル配置でのボイラ口の二次燃焼部で供給される二次空気によって燃焼内の流れと CO 濃度分布を可視化して燃焼挙動を把する。溶融炉～ボイラ部分の壁面には伝熱条件を与握し，図２に示した１パス出口での CO 濃度で最適えており，対流と輻射による伝熱を考慮した。

なノズル配置を評価した。

2. 2

二次空気供給条件

2. 3

シミュレーション結果

低空気比運転を可能とする二次空気供給方法の最まず，シミュレーション結果から，ボイラ内排ガ適化を行うために，図２に示した二次燃焼部のノズス流れの状況を確認した。各条件での下段，上段ノル配置についてケーススタディを行った。検討に当ズル高さの水平断面における流速ベクトル図を図３

たっては，ボイラ内を流れる排ガス流量に対して，～６ に示す。また，S-3，ST-1に ついては，下 段，二次空気量が少ないことに留意する必要があった。

上段ノズル高さ断面の Z（垂直方向）成分の流速コすなわち，低空気比運転条件として総空気比1.3をンタ図を図７，８に示す。

想定した場合では，二次空気流量は供給する全空気

T-1では，下段ノズルにおいて二次空気を交差す量の25～30 ％の少流量で効果的な燃焼を実現するるように供給したが，ボイラ内排ガスの流れは不規必要があった。したがい，三段以上にすると一段当則な状態になった。これは，二次空気に比べて排ガたりの空気量が少なくなるので，ノズル段数は二段ス主流の流れの方が強かったためと思われる。一を採用することとした。

方，後流の上段ノズル高さでは二次空気は交差する

表２に，ケーススタディをおこなったノズル配置の中で代表的なものを示す。各条件において供給さように流れており，ボイラ内全面に空気を供給できていたものと思われる。

れる二次空気の総量は同じであり，全てのノズルにS-3では，上段・下段とも同じノズル配置で壁面均等に分配されて供給される。また，それぞれのノ寄りに二次空気を吹込んだことにより，ボイラ内のズル配置の狙いを以下に示す。

周方向に排ガスの強い旋回流が形成された。しかT-1： ボイラ内への均一な燃焼空気の供給のたし，ボイラ中心部には水平方向の流速の小さい領域

め，下段・上段とも全面に二次空気を供給が形成されており，図７に示すように，その領域のする。

排ガスは上向きの流速が大きく，吹抜けが生じていS-3： 強い旋回流での攪拌を狙って，炉壁４面から下段・上段とも同じ方向に二次空気を供ることがわかった。
ST-1では，下段ノズル高さにおいて中心部も含めたボイラ全体で排ガスの旋回流が形成された。これ給する。
ST-1： 旋回流形成だけでなく，排ガスが吹抜け易は，ボイラ中心部へも二次空気を供給するノズルをい炉中心部への燃焼空気を供給する。

配置した効果と考えられる。さらに，上段ノズルでST-3： ST-1と同じ思想で，下段と上段で旋回方向も下段ノズルと同じ旋回方向に二次空気を供給したを逆にすることで攪拌効果向上を狙う。

ことで，下段ノズル高さと同じように全体を撹拌するような旋回流が維持された。その結果，図８に示表２T-1

されるように，排ガスの上向きの流れが上段・下段ノズル配置
S-3

ST-1

ST-3

ノズル高さで一部分に集中することはなく，十分に混合できていたものと思われる。
ST-3では，下段ノズル高さにおいて ST-1と同様上段の旋回流が形成された。しかし，逆旋回させる方向に二次空気を吹込んだ上段ノズル高さでは，不規則な流れとなった。これは上段の二次空気によって，下段ノズルで形成された旋回流が打消されてしまったためだと考えられる。
次に，CO 燃焼挙動を確認することで，最適な二下段次空気の供給方法を検討した。ボイラ中心を通る垂直断面における乾きガスベースの CO 濃度コンタ図を図９に示す。

※左側がボイラ前壁側

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流速
大小流速
大

下段ノズル

二次空気不規則
図３流速ベクトル図（T-1）

下段ノズル

上段ノズル

交差

流速小さい

上段ノズル

二次空気

旋回流

小旋回流
流速ベクトル図（S-3）

図４

流速
大

下段ノズル

二次空気

上段ノズル 旋回流

旋回流

小図５
流速
大流速ベクトル図（ST-1）

下段ノズル

二次空気

上段ノズル

旋回流

小図６24流速ベクトル図（ST-3）

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不規則

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下段ノズル

流速
大上段ノズル
二次空気

吹抜け
吹抜け
小図７
流速
大Z 方向成分速度コンタ図（S-3）

下段ノズル

二次空気

上段ノズル

小図８

Z 方向成分速度コンタ図（ST-1）

CO濃度
高偏流

１パス出口
吹抜け

低T-1

S-3

図９

残存ST-1ST-3CO 濃度コンタ図

T-1では，ボイラ前壁側に CO 濃度の高い排ガス大きくなったため，ここを CO 濃度の高い排ガスがが流れ，それによって１パス出口において高濃度の吹抜けて，１パス出口においても高濃度の CO が残CO が残存する結果となった。対向するノズルから存する結果となった。

全面に空気を吹込んで均一な燃焼を期待したが，壁一方，旋回流の形成と炉中心への燃焼空気供給を際のノズル間に燃焼空気が不足する部分が発生し，兼ね備えたノズル配置である ST-1では排ガスの偏ボイラ１パス内での混合も不十分であったため，も流や吹抜けはなく，二次燃焼部での CO の燃焼状況

っとも CO が残存する結果となったと思われる。

は非常に良好な結果であった。上段と下段で同じ方

S-3では，前述したとおり，ボイラ内に強い旋回流が形成されたことでボイラ中心部の上向き流速がVol. 14 No. 2（2018 ／ 3）向に旋回させることで，中心部も含めてボイラ全体を撹拌するような旋回流が維持されたためと考えられる。

神鋼環境ソリューション技報

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また，旋回方向を上段と下段で逆にしたノズル配略プロセスフローを示す。試験を行った溶融炉の二置である ST-3では，CO がボイラ後壁側でやや残存次燃焼部には上段に８カ所，下段に10カ所の二次空した。前述したとおり，下段ノズルで形成された旋気ノズルを有しており，これらを組合わせて使用す回流が上段ノズルによって打ち消されたことによっることによって表４に示した３つの二次空気供給パて流れが不規則になったことが原因と考えられる。

ターンで試験を行った。

各条件における１パス出口断面平均の CO 濃度を

ここで，試験を行ったガス化溶融設備の形状はシ表３に示す。CO 濃度は乾きガスベースであり，酸ミュレーションとは異なる形状であるため，シミュ素濃度換算していない。もっとも CO 濃度が低い結レーションと実機試験結果の比較は相対的なもので果となったのは ST-1であり，旋回流の形成と炉中ある。燃焼試験のパターン１では下段ノズル R4～5

心への燃焼空気供給を兼ね備えたノズル配置を上下と L4～5，上段ノズル R1～2と L1～2を使うことで段とも同じ旋回方向に設置することが，低空気比条同じ方向に旋回流を形成し，さらに上段および下段件下で CO 濃度を抑制するのに最適であることがわ

ノズルの R3と L3で炉中心に燃焼空気を供給した。

かった。

これはシミュレーションの ST-1を模擬した供給方

3.

3. 1実機を用いた燃焼試験法である。

燃焼試験内容パターン２は，下段では全てのノズルを用いて均燃焼試験は処理規模100 t/day のガス化溶融設備に一に二次空気を供給した後に上段で旋回吹込みを行て行った。図10に試験を行った廃棄物処理施設の概った。これはシミュレーションの T-1の模擬に近い

表３

供給方法と言える。

各ノズル配置における１パス出口 CO 濃度

CO 濃度［ppm］

パターン３では下段をパターン１と同様に旋回吹

T-1

S-3

ST-1

ST-3込みを行うが，上段では逆方向に旋回するようにノ236

178

1147

ズル R2～4と L2～4を使用した。これはシミュレー

表４

二次空気供給パターンと使用したノズル

パターン１
使用したノズル

パターン２

パターン３

上段旋回L1～3，R1～3旋回

L1～3，R1～3逆旋回

L2～4，R2～4

下段

旋回

L3～5，R3～5

全面

L1～5，R1～5旋回

L3～5，R3～5L1ノズル配置図⇨：使 用×：不使用

L2L3L4L1

R1R4×

上段

×
R4
L5××

R1

R2L2

L3R2L4L3L2×

L1L5×

シュミレーション
条件 との 対応

L1L2

R2

R1

R4

R3L4L3R2L4L3L2L1

L5下段
R4R5

R1

R2ST-1

R3R4R5×
R2×
R1
L2×

L1×

下段
R3R4R5ST-3EC
ボイラ

減温塔

溶融炉

押込空気

L4煙突

ガス化炉

ごみ×
R1T-1近似

１パス出口
サンプリング場所一次空気

L3
上段

R3

下段
R3×

上段×

R3

L4×

二次燃焼部
（二次空気）

BF

触媒塔

飛灰IDF

スラグ
不燃物

図1026

概略プロセスフロー

神鋼環境ソリューション技報

Vol. 14 No. 2（2018 ／ 3）

ションの ST-3を模擬した供給方法となる。

形成と炉中心への燃焼空気供給を兼ね備えたノズル

また，燃焼試験では二次燃焼部での最適な燃焼空配置を上下段とも同じ旋回方向に設置する方式が気の供給方法を確認するために，図10中に示したボ

CO 低減にもっとも効果があることが確認できた。

イラ１パス出口における排ガス中 CO 濃度を測定した。測定時間は１時間とし，プローブから排ガスを連続的に吸引して分析計に通し，CO 濃度を測定した。
3. 2

燃焼試験結果むすび

ガス化溶融炉の安定した低空気比燃焼運転を実現するための溶融炉二次空気供給方法をシミュレーシ
ョンで検討し，旋回流の形成と炉中心への燃焼空気各二次空気供給パターンでの排ガス中 CO 濃度測供給を兼ね備えたノズル配置を上下段とも同じ旋回定結果を表５に示す。CO 濃度は実測された濃度方向に設置する方式が最適であった。さらに，実稼（１時間平均値）であり，酸素濃度換算していない。

働中のガス化溶融炉を用いた燃焼試験を行うこと

測定の結果，上段・下段とも同じ方向に旋回させるで，提案したノズル配置を模擬した二次空気供給方とともに炉中心にも燃焼空気を吹込むパターン１に法が CO 低減にもっとも効果があることが確認できた。

おける CO 濃度は 7 ppm となり，良好な結果が得ら今回のように CFD シミュレーションで検討したれた。一方，下段で二次空気を全面に供給し，上段結果が実機での性能向上に役立つ例は多く，有効なを旋回させたパターン２では74 ppm，下段と上段をツールとして活用が定着している。今後もシミュレ逆方向に旋回させたパターン３では62 ppm となり，ーションの予測精度向上を図り，魅力ある当社製品

ボイラ１パス出口での CO 濃度を低く抑えることはの提供に貢献していく。

できなかった。
実機による燃焼試験結果は，先のシミュレーション結果と整合性があった。これより，ガス化溶融炉における二次燃焼空気の供給方法として，旋回流の表５

１パス出口における CO 濃度測定結果
パターン１ パターン２ パターン３

CO 濃度［ppm］

7

Vol. 14 No. 2（2018 ／ 3）7462［参考文献］
１）砂田浩志ほか：神鋼環境ソリューション技報“ガス化溶融炉の燃焼改善”，Vol.8, No.2（2012）p23-30
２）井上尚子ほか：神鋼環境ソリューション技報“機器設 計 に お け る 熱 流 体 解 析 の 活 用 事 例 ”，Vol.11, No.1
（2014）p38-42
３）井上尚子ほか：神鋼環境ソリューション技報“流動床式焼却炉における低 NOx 燃焼技術の検証”，Vol.13,No.2（2017）p11-16

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