特許 5998216 循環型多層燃焼炉

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】5998216

(24)【登録日】2016年9月2日

(45)【発行日】2016年9月28日

(54)【発明の名称】循環型多層燃焼炉

(51)【国際特許分類】

   F23G 5/027 20060101AFI20160915BHJP

   F23G 5/50 20060101ALI20160915BHJP

【ＦＩ】

   F23G5/027 B

   F23G5/50 H

【請求項の数】2

【全頁数】9

(21)【出願番号】特願2014-521440(P2014-521440)

(86)(22)【出願日】2013年6月14日

(86)【国際出願番号】JP2013066511

(87)【国際公開番号】WO2013191109

(87)【国際公開日】20131227

【審査請求日】2016年2月26日

(31)【優先権主張番号】特願2012-137091(P2012-137091)

(32)【優先日】2012年6月18日

(33)【優先権主張国】JP

(73)【特許権者】

【識別番号】507214083

【氏名又は名称】メタウォーター株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100089118

【弁理士】

【氏名又は名称】酒井 宏明

(72)【発明者】

【氏名】竹下 知志

(72)【発明者】

【氏名】服部 修策

(72)【発明者】

【氏名】水野 陽一朗

(72)【発明者】

【氏名】井上 正將

【審査官】 黒石 孝志

(56)【参考文献】

【文献】 特開２００９−２２９０４２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平８−２１９４１３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００３−４２４２２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００４−２７９０１５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００４−２７８９９２（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｆ２３Ｇ ５／０２７

Ｆ２３Ｇ ５／５０

Ｆ２３Ｇ ５／１６

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

流動媒体を循環させる空気を供給しつつ汚泥を燃焼する循環部と、前記循環部からの熱分解ガスに空気を供給して完全燃焼させる後燃焼部とを有し、投入汚泥量に対応する完全燃焼に必要な空気流量の空気を、前記循環部と前記後燃焼部とに対して所定の比率に分けて供給する第一の制御を行う循環型多層燃焼炉であって、
前記第一の制御では前記循環部に供給されるべき空気の空気流量が前記流動媒体を循環させるのに必要な空気流量未満になる場合に、前記第一の制御に代えて、前記完全燃焼に必要な空気流量の空気のうち、前記循環部において前記流動媒体を循環させるのに必要な最低限の空気流量以上の空気を前記循環部に供給するとともに、残部の空気を前記後燃焼部に供給する、第二の制御を行う
ことを特徴とする循環型多層燃焼炉。

【請求項2】

前記第二の制御は、前記完全燃焼に必要な空気流量の空気のうち、前記循環部において前記流動媒体を循環させるのに必要な最低限の空気流量の空気を前記循環部に供給するとともに、残部の空気を前記後燃焼部に供給する制御であることを特徴とする請求項１に記載の循環型多層燃焼炉。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

この発明は、流動媒体を循環させる空気を供給しつつ汚泥を燃焼する循環部と循環部からの熱分解ガスに２次空気及び３次空気を供給して完全燃焼させる後燃焼部とを有した循環型多層燃焼炉に関する。

【背景技術】

【0002】

循環式流動焼却炉は、特許文献１に開示されているように、ライザーに充填された硅砂等からなる流動媒体を流動空気により流動させ、燃焼排ガスに同伴されてライザーから排出された流動媒体をサイクロンで回収し、ダウンカマーを介してライザー下部へ循環させながら廃棄物を焼却する循環部を有するものである。そして、その後段において燃焼排ガス中の完全燃焼を確保する予備燃焼部を有するものがある。この循環式流動焼却炉は、含水率や発熱量等の異なる幅広い廃棄物を安定して焼却できるため、下水汚泥等の廃棄物の焼却処理に用いられている。

【0003】

さらに、特許文献２に開示されているように、流動媒体を循環させ燃料及び１次空気を供給して汚泥を燃焼する循環部と前記循環部の後段に設けられ前記循環部からの燃焼排ガスに２次空気及び３次空気を供給して完全燃焼させる後燃焼部とを有した循環型多層燃焼炉もある。この循環型多層燃焼炉の循環部では上述した循環式流動焼却炉よりも低温で抑制燃焼させて温室効果ガスであるＮ_２Ｏの発生量を抑え、後段の後燃焼部で高温場ゾーンを形成してＮ_２Ｏを分解するとともに未燃焼分を完全燃焼するようにしている。

【0004】

さて、従来の循環型多層燃焼炉では、投入汚泥量に対応する完全燃焼に必要な全空気量を、循環部で抑制燃焼させるとともに後燃焼部で完全燃焼させるのに最適な比率で、循環部と後燃焼部とに分けて供給している。この循環型多層燃焼炉においては、単位時間当たりの焼却処理量が減少した場合において、循環部に供給されるべき１次空気量が最低１次空気量未満となり、低負荷運転後に、炉の停止を強いられる場合がある。この場合は、循環型多層燃焼炉を停止した上で、汚泥のストックを、循環部に供給されるべき１次空気量が最低１次空気量以上となる通常運転が可能になるまで増加させてから、循環型多層燃焼炉の運転を再開する方法が採られていた。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【特許文献1】特開２００１−２６３６３４号公報

【特許文献2】特開２００９−１３９０４３号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

しかしながら、上述した方法においては、循環型多層燃焼炉において、立ち上げ作業が極めて煩雑で相当な時間を要することから、時間的に非効率であった。さらに、冷却してしまった炉を再度昇温させる必要があり、この昇温に膨大な補助燃料が必要になることから、補助燃料の使用量に関しても極めて非効率的であった。

【0007】

また、循環型多層燃焼炉の停止を回避する方法として、投入汚泥量の不足分を補助燃料で補完することによって、循環部に供給されるべき１次空気量が最低１次空気量未満にならないようにする方法が採用されることもあるが、この場合には補助燃料の使用量が増加してしまい、やはり非効率であった。

【0008】

この発明は、上記に鑑みてなされたものであって、その目的は、循環型多層燃焼炉の運転が通常運転から低負荷運転に移行する場合においても、循環型多層燃焼炉の停止を回避できるとともに使用する補助燃料の単位汚泥処理量当たりの使用量を増加させることなく運転を継続することができる循環型多層燃焼炉を提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0009】

上述した課題を解決し、目的を達成するために、この発明にかかる循環型多層燃焼炉は、流動媒体を循環させる空気を供給しつつ汚泥を燃焼する循環部と、循環部からの熱分解ガスに空気を供給して完全燃焼させる後燃焼部とを有し、投入汚泥量に対応する完全燃焼に必要な空気流量の空気を、循環部と後燃焼部とに対して所定の比率に分けて供給する第一の制御を行う循環型多層燃焼炉であって、第一の制御では循環部に供給されるべき空気の空気流量が流動媒体を循環させるのに必要な空気流量未満になる場合に、第一の制御に代えて、完全燃焼に必要な空気流量の空気のうち、循環部において流動媒体を循環させるのに必要な最低限の空気流量以上の空気を循環部に供給するとともに、残部の空気を後燃焼部に供給する、第二の制御を行うことを特徴とする。

【0010】

この発明にかかる循環型多層燃焼炉は、上記の発明において、第二の制御は、完全燃焼に必要な空気流量の空気のうち、循環部において流動媒体を循環させるのに必要な最低限の空気流量の空気を循環部に供給するとともに、残部の空気を後燃焼部に供給する制御であることを特徴とする。

【発明の効果】

【0011】

この発明による循環型多層燃焼炉によれば、通常運転から低負荷運転に運転が移行する場合においても、循環型多層燃焼炉の停止を回避できるとともに使用する補助燃料の単位汚泥処理量当たりの使用量を増加させることなく運転を継続することができる。

【図面の簡単な説明】

【0012】

【図1】図１は、この発明の実施の形態にかかる循環型多層燃焼炉の構成を示す模式図である。

【図2A】図２Ａは、図１に示した制御装置による、単位時間当たりの焼却処理量に対する単位焼却処理量当たりの燃料使用量の変化の一例を示す説明図である。

【図2B】図２Ｂは、図１に示した制御装置による、単位時間当たりの焼却処理量に対する空気比の変化の一例を示す説明図である。

【図2C】図２Ｃは、図１に示した制御装置による、単位時間当たりの焼却処理量に対する１次空気流量の変化の一例を示す説明図である。

【図2D】図２Ｄは、図１に示した制御装置による、単位時間当たりの焼却処理量に対する循環部出口温度の変化の一例を示す説明図である。

【発明を実施するための形態】

【0013】

以下、添付図面を参照してこの発明を実施するための形態について説明する。

【0014】

図１は、この発明の実施形態である循環型多層燃焼炉の構成を示す図である。図１に示すように、この循環型多層燃焼炉１は、循環部２と、循環部２の後段に設けられた後燃焼部３とを有する。循環部２は、ライザー１０とサイクロン２０とダウンカマー２１とを有する。ライザー１０は、略円筒形状をなし、炉内には、上部に希薄層１１と、下部に濃厚層１２と称される、充填された硅砂等流動媒体の粒子留まりの部分とが形成される。

【0015】

ライザー１０の下部に充填される流動媒体は、流動空気（１次空気）により炉内で流動され、投入された汚泥を激しく攪拌しつつ６００〜９００℃程度で燃焼させる。燃焼排ガス（熱分解ガス）は、流動媒体とともにサイクロン２０に送られて固気分離され、流動媒体は、ダウンカマー２１を介してライザー１０の下部に循環させながら汚泥を焼却する。サイクロン２０によって固気分離された熱分解ガスは、後段に設けられた後燃焼部３に送られる。

【0016】

後燃焼部３は、２次空気によって上流に形成される局所高温場ゾーンと３次空気によって下流に形成される完全燃焼ゾーンとを形成し、局所高温場ゾーンで、サイクロン２０から送られた熱分解ガス中のＮ_２Ｏを分解して温室効果ガスの削減を行い、完全燃焼ゾーンで、未燃分を完全燃焼する。

【0017】

ライザー１０の下部には、汚泥供給ポンプ６０を介して汚泥が供給され、汚泥供給量は、燃焼処理量として制御装置１００に送られる。また、ライザー１０の下部には、バルブ５１、燃料使用量検出部７１を介して燃料７０が供給される。バルブ５１は、燃料使用量調節器（ＦＩＣ）４１により、燃料使用量検出器７１で検出された燃料使用量が制御装置１００から指示された制御量となるように開度制御される。

【0018】

ライザー１０の下部には一次空気ブロワ８０からバルブ５２を介して、汚泥の完全燃焼に必要な空気流量の空気のうちの一部の空気としての１次空気Ａ１が供給される。また、後燃焼部３の上部又は中部には、二次空気ブロワ９０からバルブ５３を介して２次空気Ａ２が供給され、局所高温場ゾーンが形成される。さらに、後燃焼部３の中部又は下部には、二次空気ブロワ９０からバルブ５４を介して３次空気Ａ３が供給され、完全燃焼ゾーンが形成される。これらの２次空気Ａ２及び３次空気Ａ３は、汚泥の完全燃焼に必要な空気流量の空気のうちの残部の空気である。

【0019】

１次空気流量調節器４２は、制御装置１００によって指示された制御量の１次空気Ａ１をライザー１０の下部の濃厚層１２に供給するように、不図示の１次空気流量検出器の検出結果をもとにバルブ５２の開度を制御する。２次空気流量調節器４３は、制御装置１００から指示された制御量の２次空気Ａ２を、後燃焼部３の上部又は中部に供給するように、不図示の２次空気流量検出器の検出結果をもとにバルブ５３の開度を制御する。３次空気流量調節器４４は、制御装置１００から指示された制御量の３次空気Ａ３を後燃焼部３の中部又は下部に供給するように、不図示の３次空気流量検出器の検出結果をもとにバルブ５４の開度を制御する。

【0020】

ライザー１０及び後燃焼部３には、複数の熱電対１３，３３がそれぞれ分散配置され、それぞれの炉内温度が計測されるようになっている。

【0021】

この循環型多層燃焼炉１では、ライザー１０において、下部に供給された汚泥を、同じく下部から供給される燃料７０及び１次空気Ａ１によって燃焼させ、後燃焼部３において、ライザー１０及びサイクロン２０を介してから排出される熱分解ガスに対し、上部又は中部に供給される２次空気Ａ２によって局所高温場ゾーンで燃焼させて燃焼排ガス中のＮ_２Ｏを分解し、同じく下部では、３次空気Ａ３によって完全燃焼ゾーンで不燃分を完全燃焼させる。

【0022】

制御装置１００には、燃料使用量検出器７１、汚泥供給流量検出器６１、１次空気流量検出器、２次空気流量検出器、３次空気流量検出器から、それぞれ燃料使用量、汚泥処理量、１次空気流量、２次空気流量、３次空気流量が入力されるとともに、熱電対１３、３３からそれぞれ、ライザー１０の炉内温度、及び後燃焼部３の炉内温度が入力される。また、制御装置１００には、後燃焼部３から、ガスセンサ３５により検出されるＯ_２やＮ_２Ｏ等の排ガス成分値も入力される。そして、制御装置１００は、燃料使用量調節器４１、１次空気流量調節器４２、２次空気流量調節器４３、及び３次空気流量調節器４４にそれぞれ、制御量としての、燃料使用量、１次空気流量、２次空気流量、及び３次空気流量を出力する。

【0023】

ここで、循環部２では、上述したように、ライザー１０の炉内容量に応じて、炉内で流動媒体を分散させて適度な流動媒体密度を確保するため、一定値以上の１次空気流量を循環部２内に流入させる必要がある。したがって、循環部２への１次空気流量は、一定値の１次空気流量（最低１次空気流量）未満となることはない。

【0024】

制御装置１００は、循環部２に供給される１次空気流量が流動媒体を分散させるための最低１次空気流量を超える、いわゆる通常運転状態の場合、循環部２において汚泥の単位焼却処理量当たりの燃料使用量を一定値とし、かつ１次空気比が１未満となる抑制燃焼を行い、後燃焼部３において２次空気Ａ２及び３次空気Ａ３を供給して循環部２からの熱分解ガスをさらに燃焼させて完全燃焼させる第一の制御による第１多層燃焼処理を行う。

【0025】

また、制御装置１００は、循環部２に供給される１次空気流量が最低１次空気流量となった、いわゆる低負荷運転状態の場合、循環部２において汚泥の単位焼却処理量当たりの燃料使用量を第１多層燃焼処理と同じ値とし、かつ循環部２に供給される単位時間当たりの汚泥の焼却処理量の減少に伴って１次空気比を循環型多層燃焼炉１全体の全空気比の値まで徐々に増大させ、後燃焼部３において循環部２に供給される単位時間当たりの汚泥の焼却処理量の減少に伴って２次空気比及び３次空気比を０の値まで徐々に減少させる第二の制御による第２多層燃焼処理を行う。そして、循環部２に供給される１次空気流量が最低１次空気流量であり、循環部２に供給される１次空気比が全空気比となった場合、循環部２のみで汚泥を完全燃焼させる循環部完全燃焼処理を行う。

【0026】

ここで、図２Ａ，図２Ｂ、図２Ｃ、及び図２Ｄを参照して、制御装置１００による燃焼制御処理を具体的に説明する。図２Ａは、循環型多層燃焼炉１の負荷である、単位時間当たりの焼却処理量Ｂｒに対する単位焼却処理量（１ｔ−ｃａｋｅ）当たりの燃料使用量Ｆｒ（Ｎｍ^３／ｔ−ｃａｋｅ）を示す。図２Ｂは、単位時間当たりの焼却処理量Ｂｒに対する空気比（１次空気比ｍ１，２次空気比ｍ２，３次空気比ｍ３，全空気比ｍ）の変化を示す。また、図２Ｃは、単位時間当たりの焼却処理量Ｂｒに対する１次空気流量Ａ１Ｖ、図２Ｄは、単位時間当たりの焼却処理量Ｂｒに対する循環部出口温度Ｔの変化を示す。なお、１００％負荷の焼却処理量Ｂｒは、具体的には例えば１００ｔ／日である。したがって、７５％負荷及び５０％負荷の焼却処理量Ｂｒはそれぞれ、具体的には例えば７５ｔ／日及び５０ｔ／日である。

【0027】

図２Ｃに示すように、この循環部２の最低１次空気流量Ａ１Ｖｍｉｎは、焼却処理量Ｂｒが７５％負荷のときである。この最低１次空気流量Ａ１Ｖｍｉｎを超えて最大１次空気流量Ａ１Ｖｍａｘまでの区間、すなわち、７５％負荷から１００％負荷の間では、上述した第１多層燃焼処理Ｂ１が行われる。また、最低１次空気流量Ａ１Ｖｍｉｎである区間、すなわち、７５％負荷から５０％負荷の間では、上述した第２多層燃焼処理Ｂ２が行われ、特に、５０％負荷時では、循環部完全燃焼処理Ｂ３が行われる。

【0028】

（第１多層燃焼処理）
図２Ｂに示すように、第１多層燃焼処理Ｂ１の区間では、循環部２での１次空気比ｍ１が１未満、例えば０．９とする抑制燃焼処理が行われる。また、後燃焼部３での２次空気比ｍ２を例えば０．１及び３次空気比ｍ３を例えば０．３として循環部２からの熱分解ガスを完全燃焼させる。そして、循環型多層燃焼炉１全体の全空気比は例えば１．３に設定される。この状態においては、汚泥の処理量が多く、循環部２が抑制燃焼状態であるとともに、後燃焼部３において局所高温場ゾーンが形成されており、Ｎ₂Ｏガスが低減される。そして、循環部２が抑制燃焼であるため、図２Ｄに示すように、第１多層燃焼処理Ｂ１の区間では、循環部出口温度Ｔは、例えば７５０℃となる。なお、後燃焼部出口温度は、例えば８５０℃となる。

【0029】

また、図２Ａに示すように、第１多層燃焼処理Ｂ１の区間では、１次空気比ｍ１を維持するために、単位焼却処理量当たりの燃料使用量は、一定値Ｆｒ１（例えば、２０（Ｎｍ^３／ｔ−ｃａｋｅ））となる。なお、一定値Ｆｒ１は、単位焼却処理量に対応するため、焼却処理量Ｂｒが増えれば、燃料使用量の絶対量は増大する。

【0030】

（第２多層燃焼処理及び循環部完全燃焼処理）
図２Ｂに示すように、第２多層燃焼処理Ｂ２の区間では、循環部２での１次空気比ｍ１は、１未満とすることに拘らず、負荷の減少に伴って単調に増大させ、５０％負荷において全空気比ｍの値となるようにしている。一方、後燃焼部３の２次空気比ｍ２及び３次空気比ｍ３は、負荷の減少に伴って単調に減少させ、５０％負荷において０となるようにしている。すなわち、５０％負荷では、循環部２のみが完全燃焼し、後燃焼部３は、完全燃焼を確保する予備燃焼部の役割となる。ここで、第２多層燃焼処理Ｂ２の区間の７５％負荷において、１次空気比ｍ１を直ちに１．３、２次空気比ｍ２及び３次空気比ｍ３を直ちに０にして不連続に制御すると、循環部２に急速に多くの空気が供給されることになる。この場合、循環部２に余剰の空気を供給することになるので、循環部２においては、この余剰の空気を昇温させる必要が生じ、燃料の使用量が増加してしまう。そのため、第２多層燃焼処理Ｂ２の区間においては、負荷の減少に従って、１次空気比ｍ１、２次空気比ｍ２、及び３次空気比ｍ３のそれぞれを単調かつ連続的に変化させる。

【0031】

また、第２多層燃焼処理Ｂ２の区間において、循環部２における１次空気比ｍ１が１．０未満の場合、第１多層燃焼処理Ｂ１の区間と同様に、循環部２が抑制燃焼状態であるとともに、後燃焼部３において局所高温場ゾーンが形成されて、Ｎ₂Ｏが低減される。そして、汚泥の処理量が少なくなり負荷が減少するのに伴い、循環部２における１次空気比ｍ１が連続的に増加して１．０以上になると、循環部２においては、温度が上昇するが完全燃焼まではいかない程度の燃焼状態になる。この場合、後燃焼部３においては、第１多層燃焼処理Ｂ１の場合に比して温度が低下するが、Ｎ₂Ｏは循環部２において完全燃焼させるよりも低い状態となる。

【0032】

上述した第１多層燃焼処理Ｂ１では、負荷が増減しても、循環部２と後燃焼部３と燃焼処理比率は変化させていないが、この第２多層燃焼処理Ｂ２では、負荷の減少に伴って、循環部２での燃焼処理比率を直ちに変更することなく、徐々に高めるようにしている。そして、５０％負荷では、循環部２での燃焼処理比率を１００％とする循環部完全燃焼処理Ｂ３を行っている。この結果、図２Ｄに示すように、第２多層燃焼処理Ｂ２の区間では、循環部出口温度Ｔは、７５％負荷から５０％負荷に近づくにしたがって、例えば７５０℃から８５０℃に高温化する。なお、後燃焼部出口温度は、例えば７００℃となる。

【0033】

ここで、従来の循環型多層燃焼炉では、図２Ｂの破線で示すように、７５％負荷から５０％負荷の間でも、１００％負荷から７５％負荷の間の第１多層燃焼処理と同様に、負荷とは無関係に１次空気比ｍ１、２次空気比ｍ２、３次空気比ｍ３を一定とする制御を行っていた。この結果、図２Ｄの破線で示すように、７５％負荷から５０％負荷の間でも、循環部２は、循環部出口温度Ｔが７５０℃となる抑制燃焼が行われ、後燃焼部出口温度が８５０℃となっていた。しかし、図２Ｃに示すように、７５％負荷から５０％負荷の間では、負荷の減少に伴って、絶対量である１次空気流量Ａ１Ｖが減少しないため、１次空気流量Ａ１Ｖが余剰となり、図２Ａの破線で示すように、この余剰分の空気に対応して強制的に１次空気比ｍ１を０．９に維持して汚泥の抑制燃焼を行わせるための単位焼却処理量当たりの燃料使用量が、負荷の減少（１次空気流量Ａ１Ｖの余剰量の増大）に伴って増大していた。

【0034】

これに対し、この実施の形態では、図２Ｂの７５％負荷から５０％負荷の間で、負荷の減少に伴って、１次空気比ｍ１を増大させ、循環部２の抑制燃焼（多層燃焼状態）から、循環部２による汚泥の完全燃焼状態（高温状態）に移行させているため、１次空気流量Ａ１Ｖの余剰量の増大という状態が発生せず、無駄な燃料増大を抑えることができる。

【0035】

なお、上述した７５％負荷や５０％負荷は、一例であり、循環部２の炉容量によって決定されるものである。

【0036】

以上、実施形態を用いてこの発明を説明したが、この発明の技術的範囲は上記実施形態に記載の範囲には限定されないことは言うまでもない。上記実施形態に、多様な変更または改良を加えることが可能であることが当業者に明らかである。またその様な変更または改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれ得ることが、特許請求の範囲の記載から明らかである。

【符号の説明】

【0037】

１ 循環型多層燃焼炉
２ 循環部
３ 後燃焼部
１０ ライザー
１１ 希薄層
１２ 濃厚層
１３，３３ 熱電対
２０ サイクロン
２１ ダウンカマー
３５ ガスセンサ
４１ 燃料使用量調節器
４２，４３，４４ 空気流量調節器
５１，５２，５３，５４ バルブ
６０ 汚泥供給ポンプ
６１ 汚泥供給流量検出器
７０ 燃料
７１ 燃料使用量検出器
８０ 一次空気ブロワ
９０ 二次空気ブロワ
１００ 制御装置
Ａ１ １次空気
Ａ２ ２次空気
Ａ３ ３次空気

【図1】

【図2A】

【図2B】

【図2C】

【図2D】