特開 2024-139834 処理物焼却装置および処理物焼却方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024139834

(43)【公開日】2024-10-10

(54)【発明の名称】処理物焼却装置および処理物焼却方法

(51)【国際特許分類】

   F23G 5/027 20060101AFI20241003BHJP

   F23C 10/04 20060101ALI20241003BHJP

   F23G 5/30 20060101ALI20241003BHJP

   F23G 5/50 20060101ALI20241003BHJP

   F23G 5/16 20060101ALI20241003BHJP

【ＦＩ】

F23G5/027 B

F23C10/04

F23G5/30 K

F23G5/30 R

F23G5/30 A

F23G5/50 H

F23G5/16 Z

【審査請求】未請求

【請求項の数】8

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2023050748

(22)【出願日】2023-03-28

(71)【出願人】

【識別番号】000004123

【氏名又は名称】ＪＦＥエンジニアリング株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110002147

【氏名又は名称】弁理士法人酒井国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】傳田 知広

(72)【発明者】

【氏名】中山 剛

【テーマコード（参考）】

3K062

3K064

3K078

3K161

【Ｆターム（参考）】

3K062AA11

3K062AB01

3K062AB02

3K062AC01

3K062AC13

3K062AC20

3K062DB06

3K064AB03

3K064AD05

3K064AD08

3K064AE01

3K064AF02

3K064BA07

3K064BB09

3K078AA04

3K078AA06

3K078AA10

3K078CA02

3K161CA01

3K161CA03

3K161DA52

3K161DA53

3K161FA38

(57)【要約】

【課題】空気反応塔および燃料反応塔を備えたケミカルルーピング燃焼システムを採用した処理物焼却装置において、燃料反応塔に熱を供給すること。
【解決手段】流動媒体に対して気体が供給されて形成される流動層によって処理物を流動加熱して焼却可能に構成された燃料反応器、および燃料反応器において生成された熱分解ガスが流動媒体に対して供給されて形成される流動層を有する揮発分反応器が設けられた燃料反応塔と、流動媒体に対して酸素を含む気体が供給されて形成される流動層によって酸素キャリアを酸化可能に構成された空気反応塔と、を備え、酸素キャリアを空気反応塔と燃料反応塔との間で循環可能に構成された処理物焼却装置であって、燃料反応器に対して酸素を供給可能に構成される。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

流動媒体に対して気体が供給されて形成される流動層によって処理物を流動加熱して焼却可能に構成された燃料反応器、および前記燃料反応器において生成された熱分解ガスが流動媒体に対して供給されて形成される流動層を有する揮発分反応器が設けられた燃料反応塔と、
前記流動媒体に対して酸素を含む気体が供給されて形成される流動層によって酸素キャリアを酸化可能に構成された空気反応塔と、を備え、
前記酸素キャリアを前記空気反応塔と前記燃料反応塔との間で循環可能に構成された処理物焼却装置であって、
前記燃料反応器に対して酸素を供給可能に構成される
処理物焼却装置。

【請求項2】

前記燃料反応器における前記流動媒体に対して供給される気体に酸素を添加可能に構成される
請求項１に記載の処理物焼却装置。

【請求項3】

前記燃料反応器に供給する前記酸素の添加量を制御する制御部をさらに備える
請求項１に記載の処理物焼却装置。

【請求項4】

前記処理物が固形燃料からなる
請求項１に記載の処理物焼却装置。

【請求項5】

流動媒体に対して気体が供給されて形成される流動層によって処理物を流動加熱して焼却可能に構成された燃料反応器、および前記燃料反応器において生成された熱分解ガスが流動媒体に対して供給されて形成される流動層を有する揮発分反応器が設けられた燃料反応塔と、前記流動媒体に対して酸素を含む気体が供給されて形成される流動層によって酸素キャリアを酸化可能に構成された空気反応塔との間で、酸素キャリアを循環させつつ前記処理物を焼却する処理物焼却方法であって、
前記燃料反応器に対して酸素を供給する
処理物焼却方法。

【請求項6】

前記燃料反応器における前記流動媒体に対して供給される気体に酸素を添加する
請求項５に記載の処理物焼却方法。

【請求項7】

前記燃料反応器に供給する前記酸素の添加量を制御可能に構成された制御部によって、前記燃料反応器に供給する前記酸素の供給量を制御する
請求項５に記載の処理物焼却方法。

【請求項8】

前記処理物が固形燃料からなる
請求項５に記載の処理物焼却方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、処理物焼却装置および処理物焼却方法に関する。

【背景技術】

【0002】

近年、ケミカルルーピング技術を利用した燃焼炉が開発されている。ケミカルルーピング技術を採用したケミカルルーピング燃焼システム（ＣＬＣ：Chemical Looping Combustion）は、燃料反応塔と空気反応塔との２つの流動層炉から構成され、酸素キャリアと称される粒子が２つの流動層炉間を循環する構成を有する。ケミカルルーピング燃焼システムにおいては、燃料反応塔に廃棄物などの処理物が投入され、酸素キャリアに含まれる酸素（Ｏ₂）によって酸化燃焼される。一方、空気反応塔には空気が投入されて循環されてきた燃料反応塔からの酸素が含まれていないキャリアに酸素を結合させる。酸素が結合されたキャリアは燃料反応塔に再度循環されて処理物を燃焼させる。これを繰り返すことにより、燃料反応塔に投入された処理物の焼却が行われる。燃料反応塔から排出される排ガスは、窒素（Ｎ₂）や酸素（Ｏ₂）が含まれない二酸化炭素（ＣＯ₂）の高濃度の排ガスとなって排出される。

【0003】

特許文献１には、ケミカルルーピング燃焼システムにおいて、二酸化炭素（ＣＯ₂）の分離回収を容易にするために、二酸化炭素の吸収剤を用いる技術が提案されている。特許文献２には、空気反応器、燃料反応器、揮発分反応器、金属粒子とガス成分を分離するサイクロン、各反応器をループ状に接続した金属粒子循環経路を備え、サイクロンの排気ガス出口側に酸素検出部を設け、排ガス中の酸素濃度に基づいて金属粒子の補給を行う金属粒子補給部を金属粒子循環経路上に設ける技術が開示されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特開２０１８－０５８００２号公報

【特許文献2】特許第６２１４３４４号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

上述した従来技術において、燃料反応塔（ＦＲ：Fuel Reactor）は上段の揮発分反応器（ＶＲ：Volatile Reactor）と下段の燃料反応器（ＣＲ：Char Reactor）との上下２段に分かれた流動層が用いられる構成が採用されている。燃料反応塔（ＦＲ）において、石炭、バイオマス、廃棄物などの固形燃料を燃焼させる場合、下段の燃料反応器（ＣＲ）に固形燃料が投入されて、熱分解およびガス化が行われ、熱分解ガスが生成されて、上段の揮発分反応器（ＶＲ）に導入される。上段の揮発分反応器（ＶＲ）においては、導入された熱分解ガスが酸素キャリアの酸素（Ｏ₂）によって燃焼される。

【0006】

下段の燃料反応器（ＣＲ）における流動媒体は、水蒸気（Ｈ₂Ｏ）や二酸化炭素（ＣＯ₂）であって、熱分解およびガス化が主たる反応になるため、吸熱反応が主に発生する。これにより、燃料反応塔、特に下段の燃料反応器（ＣＲ）に熱を供給し続ける必要が生じるという問題がある。

【0007】

また、燃料反応器（ＣＲ）において燃料が熱分解される際に、熱分解ガスとともにチャーが生成される。生成された熱分解ガスおよびチャーは、燃料反応器（ＣＲ）内においてガス化させることが望ましい。しかしながら、チャーは反応速度が比較的遅いため、チャーの一部が酸素キャリアである流動媒体とともに空気反応塔（ＡＲ：Air Reactor）に混入されてしまうという問題もある。

【0008】

そのため、空気反応塔（ＡＲ）と、揮発分反応器（ＶＲ）および燃料反応器（ＣＲ）を有する燃料反応塔（ＦＲ）とを備えたケミカルルーピング燃焼システムを採用した処理物焼却装置において、燃料反応塔（ＦＲ）に熱を供給するとともに、空気反応塔（ＡＲ）に可能な限りチャーを混入させないことが可能な技術が求められていた。

【0009】

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、その目的は、空気反応塔と、揮発分反応器および燃料反応器を有する燃料反応塔とを備えたケミカルルーピング燃焼システムを採用した処理物焼却装置において、燃料反応塔に熱を供給するとともに、空気反応塔へのチャーの混入を抑制することができる処理物焼却装置および処理物焼却方法を提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0010】

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明の一態様に係る処理物焼却装置は、流動媒体に対して気体が供給されて形成される流動層によって処理物を流動加熱して焼却可能に構成された燃料反応器、および前記燃料反応器において生成された熱分解ガスが流動媒体に対して供給されて形成される流動層を有する揮発分反応器が設けられた燃料反応塔と、前記流動媒体に対して酸素を含む気体が供給されて形成される流動層によって酸素キャリアを酸化可能に構成された空気反応塔と、を備え、前記酸素キャリアを前記空気反応塔と前記燃料反応器と前記揮発分反応器との間で循環可能に構成された処理物焼却装置であって、前記燃料反応器に対して酸素を供給可能に構成される。

【0011】

本発明の一態様に係る処理物焼却装置は、上記の発明において、前記燃料反応器における前記流動媒体に対して供給される気体に酸素を添加可能に構成される。

【0012】

本発明の一態様に係る処理物焼却装置は、上記の発明において、前記燃料反応器に供給する前記酸素の添加量を制御する制御部をさらに備える。

【0013】

本発明の一態様に係る処理物焼却装置は、上記の発明において、前記処理物が固形燃料からなる。

【0014】

本発明の一態様に係る処理物焼却方法は、流動媒体に対して気体が供給されて形成される流動層によって処理物を流動加熱して焼却可能に構成された燃料反応器、および前記燃料反応器において生成された熱分解ガスが流動媒体に対して供給されて形成される流動層を有する揮発分反応器が設けられた燃料反応塔と、前記流動媒体に対して酸素を含む気体が供給されて形成される流動層によって酸素キャリアを酸化可能に構成された空気反応塔との間で、酸素キャリアを循環させつつ前記処理物を焼却する処理物焼却方法であって、前記燃料反応器に対して酸素を供給する。

【0015】

本発明の一態様に係る処理物焼却方法は、上記の発明において、前記燃料反応器における前記流動媒体に対して供給される気体に酸素を添加する。

【0016】

本発明の一態様に係る処理物焼却方法は、上記の発明において、前記燃料反応器に供給する前記酸素の添加量を制御可能に構成された制御部によって、前記燃料反応器に供給する前記酸素の供給量を制御する。

【0017】

本発明の一態様に係る処理物焼却方法は、上記の発明において、前記処理物が固形燃料からなる。

【発明の効果】

【0018】

本発明に係る処理物焼却装置および処理物焼却方法によれば、揮発分反応器および燃料反応器を有する燃料反応塔と空気反応塔とを備えたケミカルルーピング燃焼システムを採用した処理物焼却装置において、燃料反応塔に熱を供給するとともに、空気反応塔へのチャーの混入を抑制することが可能になる。

【図面の簡単な説明】

【0019】

【図1】図１は、本発明の一実施形態によるケミカルルーピング燃焼システムを採用した処理物焼却装置の構成を示すブロック図である。

【図2】図２は、従来技術によるケミカルルーピング燃焼システムを採用した処理物焼却装置の構成を示すブロック図である。

【発明を実施するための形態】

【0020】

以下、本発明の一実施形態について図面を参照しつつ説明する。なお、以下の一実施形態の全図においては、同一または対応する部分には同一の符号を付す。また、本発明は以下に説明する一実施形態によって限定されるものではない。

【0021】

まず、本発明の一実施形態を説明するにあたり、本発明の理解を容易にするために、本発明者が従来技術における上述した課題を解決するために行った鋭意検討について説明する。図２は、従来技術によるケミカルルーピング燃焼システムを示すブロック図である。

【0022】

従来技術によるケミカルルーピング燃焼システム（ＣＬＣ：Chemical Looping Combustion）は、例えば２塔式のガス化設備から構成される、いわゆる２塔式ＣＬＣである。２塔式ＣＬＣは、空気反応塔（ＡＲ：Air Reactor）、上段の揮発分反応器（ＶＲ：Volatile Reactor）および下段の燃料反応器（ＣＲ：Char Reactor）が設けられて構成された二段式循環流動層である燃料反応塔（ＦＲ：Fuel Reactor）、およびライザなどによって構成される。空気反応塔（ＡＲ）に空気を供給し、燃料反応器（ＣＲ）に燃料となる処理物が供給される。空気反応塔（ＡＲ）内において空気によって酸化されたキャリアは、ライザによって上に飛ばされて分離器とループシールを経由して、揮発分反応器（ＶＲ）に供給されて熱分解ガスと反応する。キャリアはさらに、内部に設けられたオーバーフロー管に沿って燃料反応器（ＣＲ）に供給される。燃料反応器（ＣＲ）の中においてキャリアは、供給された燃料によってさらに還元される。還元されたキャリアはループシールを経由して再び空気反応塔（ＡＲ）に導入されて、空気によって酸化される。

【0023】

すなわち、図２に示すように、従来技術によるケミカルルーピング燃焼システム１００は、空気反応塔１１０と、燃料反応器１２０および揮発分反応器１３０が設けられた燃料反応塔との２塔を主体に構成されている。燃料反応塔を構成する下段の燃料反応器１２０と上段の揮発分反応器１３０とは、多孔板１３２を介して連結されているとともに、オーバーフロー管１２２によって連通されている。ケミカルルーピング燃焼システム１００はさらに、分離器１４０、除塵装置１５０、および熱交換器１６０を備えて構成される。

【0024】

空気反応塔１１０の下部には空気ブロアなどのブロア１７１が接続されている。ブロア１７１は、空気を空気反応塔１１０の下部から供給する。すなわち、ブロア１７１によって空気反応塔１１０には下部から空気が導入される。空気反応塔１１０内における流動は高速流動であり、導入された空気と酸素キャリアとが反応して酸素キャリアに酸素（Ｏ₂）が結合する酸化反応が生じる。酸化反応に伴って酸化熱が生じることにより、熱交換器１１１内の水が加熱される。空気反応塔１１０の上部には熱回収用の熱交換器１１１が設けられている。熱交換器１１１には、水または水蒸気（Ｈ₂Ｏ）が供給され、熱交換器１１１によって、空気反応塔１１０内において生じる酸素キャリアの反応熱、すなわち酸化熱と熱交換されて空気反応塔１１０内における熱回収が行われる。

【0025】

空気反応塔１１０においては、空気が金属酸化物（Ｍｅ_xＯ_y-1）と酸化反応することによって、酸化された金属酸化物（Ｍｅ_xＯ_y）が生成される。空気反応塔１１０の上部には移送管を介してサイクロンなどから構成される分離器１４０が接続される。分離器１４０は、例えばホットサイクロンから構成される。空気反応塔１１０内において酸化された金属酸化物（Ｍｅ_xＯ_y）は、残存する窒素（Ｎ₂）および酸素（Ｏ₂）を含む排ガスとともに分離器１４０に供給される。分離器１４０は、例えば比重差などによって固体の金属酸化物（Ｍｅ_xＯ_y）を含む排ガスを遠心分離して、窒素（Ｎ₂）ガスを主に含む排ガスを排出する。

【0026】

分離器１４０において分離された、酸素キャリアとしての酸化された金属酸化物（Ｍｅ_xＯ_y）を含む流動媒体は、分離器１４０からループシール１４１を介して揮発分反応器１３０に供給される。揮発分反応器１３０内において、チャーおよび金属酸化物（Ｍｅ_xＯ_y）を含む流動媒体が所定量以上になると、オーバーフロー管１２２を通じて、流動媒体は燃料反応器１２０に供給される。

【0027】

一方、分離器１４０によって分離された排ガスは、例えばバグフィルタなどから構成される除塵装置１５０に供給される。除塵装置１５０においては、供給された排ガスから、分離器１４０によって回収しきれなかった酸素キャリアである流動媒体が除去される。除塵装置１５０からはブロア１７２によってＮ₂ガスが排出され、排出されたＮ₂ガスは煙突１８０に供給されて大気中に放出される。

【0028】

また、燃料反応器１２０内には、高温の酸化された金属酸化物（Ｍｅ_xＯ_y）と還元された金属酸化物（Ｍｅ_xＯ_y-1）とが混在した流動層１２１が形成されている。燃料反応器１２０には下部から、二酸化炭素（ＣＯ₂）および水蒸気（Ｈ₂Ｏ）を含む流動化ガスが供給される。流動化ガスと流動媒体によって処理物の撹拌混合が行われた結果、処理物に対する熱分解およびガス化が行われる。

【0029】

外部から供給される処理物は例えば９００℃程度の高温によって熱分解される。処理物は、例えば粉砕された廃棄物やごみ固形化燃料（ＲＤＦ：Refuse Derived Fuel）である。ＲＤＦは、生ごみや廃プラスチックや古紙などの可燃性の廃棄物を粉砕して乾燥させた後に、石灰を混合して圧縮させて固化したものである。燃料反応器１２０内において、処理物が熱分解されて、チャーおよび熱分解ガスが生成される。チャーは流動化ガスと流動媒体によって熱分解されて、熱分解ガスが生成される。精製された熱分解ガスは、最終的に揮発分反応器に供給される。燃料反応器１２０からは、還元された金属酸化物（Ｍｅ_xＯ_y-1）がループシールを経て排出される。還元された金属酸化物（Ｍｅ_xＯ_y-1）はチャーとともにループシール１４２を通じて空気反応塔１１０に供給される。

【0030】

燃料反応器１２０内において生成された生成ガスは、多孔板１３２を通じて燃料反応器１２０から上段の揮発分反応器１３０に供給される。ここで、生成ガスは、一酸化炭素（ＣＯ）、二酸化炭素（ＣＯ₂）、水素（Ｈ₂）、水蒸気（Ｈ₂Ｏ）、塩化水素（ＨＣｌ）、および硫化水素（Ｈ₂Ｓ）を含む熱分解ガスである。

【0031】

燃料反応器１２０において生成された熱分解ガスを、揮発分反応器１３０における流動層１３１を形成する流動化ガスとして用いることにより、酸素キャリアである金属酸化物（Ｍｅ_xＯ_y）と熱分解ガスとを接触させて反応させることができる。燃料反応器１２０から揮発分反応器１３０に供給された熱分解ガスは、揮発分反応器１３０内の酸化された金属酸化物（Ｍｅ_xＯ_y）を流動させつつ還元反応させる。金属酸化物（Ｍｅ_xＯ_y）は熱分解ガスとの反応によって還元され、還元された金属酸化物（Ｍｅ_xＯ_y-1）となる。燃料反応器１２０における還元反応によって、二酸化炭素（ＣＯ₂）および水蒸気（Ｈ₂Ｏ）が生成される。なお、還元された金属酸化物（Ｍｅ_xＯ_y-1）、および還元反応がされていない未反応の金属酸化物（Ｍｅ_xＯ_y）を含む流動媒体は、所定量以上になるとオーバーフロー管１２２を通じて燃料反応器１２０に供給される。

【0032】

揮発分反応器１３０内において生成された二酸化炭素（ＣＯ₂）および水蒸気（Ｈ₂Ｏ）は、熱交換器１６０に供給されて熱交換されることにより冷却される。熱交換器１６０によって冷却された二酸化炭素（ＣＯ₂）および水蒸気（Ｈ₂Ｏ）の少なくとも一部は、エコノマイザ、消石灰を吹き込む乾式スクラバなどの脱硫装置、およびバグフィルタなどの除塵装置（いずれも図示せず）を介して、熱交換器１６０に返送される。その後、返送された二酸化炭素（ＣＯ₂）および水蒸気（Ｈ₂Ｏ）は熱交換器１６０によって加熱された後、燃料反応器１２０の下部に再循環されて、流動化ガスとして用いられる。また、流動化ガスには、水蒸気（Ｈ₂Ｏ）がさらに追加される。この水蒸気（Ｈ₂Ｏ）には例えば、熱交換器１１１によって加熱された水蒸気（Ｈ₂Ｏ）を追加することも可能である。

【0033】

以上のように、従来の２塔式ＣＬＣなどのケミカルルーピング燃焼システム１００においては、酸素キャリアとしての金属酸化物（Ｍｅ_xＯ_y、Ｍｅ_xＯ_y-1）が、空気反応塔１１０から、分離器１４０、揮発分反応器１３０、燃料反応器１２０、および空気反応塔１１０を循環する。これにより、燃料反応器１２０において処理物の焼却が実行される。

【0034】

上述したように、２塔式ＬＣＣなどのケミカルルーピング燃焼システム１００においては、燃料反応塔は上段の揮発分反応器１３０と下段の燃料反応器１２０との２段に分かれた流動層１２１，１３１が用いられる。石炭やバイオマスや廃棄物などの固形燃料を処理物として燃焼させる場合、下段の燃料反応器１２０に処理物を供給して、熱分解およびガス化反応を行って熱分解ガスを生成させる。上段の揮発分反応器１３０には、生成された熱分解ガスが導かれてガス燃焼が行われる。

【0035】

燃料反応塔の下段の燃料反応器１２０における流動媒体は、Ｈ₂ＯやＣＯ₂を含む気体であり、熱分解やチャーのガス化反応が主たる反応となる。この場合、燃料反応器１２０においては、以下の反応式（１－１），（１－２），（１－３）に示すような反応が生じる。
Ｃ＋Ｈ₂Ｏ → ＣＯ＋Ｈ₂ …（１－１）
ＣＯ＋Ｈ₂Ｏ ←→ ＣＯ₂＋Ｈ₂ …（１－２）
Ｃ＋ＣＯ₂ → ２ＣＯ …（１－３）

【0036】

すなわち、燃料反応器１２０においては、熱分解およびガス化反応が主な反応になるため、吸熱反応となる。また、本発明者の知見によれば、Ｏ₂キャリアは混合および攪拌に寄与するのみであり、燃料反応器１２０に対する熱の供給は、キャリアおよび一部のチャーの燃焼に基づくもののみである。

【0037】

また、揮発分反応器１３０においては、酸素キャリアのガス燃焼による酸化反応が主な反応になる。この場合、揮発分反応器１３０においては、以下の反応式（２－１），（２－２），（２－３）に示すような反応が生じる。
２ＣＯ＋Ｏ₂ → ２ＣＯ₂ …（２－１）
ＣＯ＋Ｈ₂Ｏ ←→ ＣＯ₂＋Ｈ₂ …（２－２）
２Ｈ₂＋Ｏ₂ → ２Ｈ₂Ｏ …（２－３）

【0038】

以上のケミカルルーピング燃焼システム１００における熱の収支においては、空気反応塔１１０における発熱量Ｑ_AR、燃料反応器１２０における発熱量Ｑ_CR（吸熱）、および揮発分反応器１３０における発熱量Ｑ_VRを、空気反応塔１１０の熱交換器１１１によって所定の熱量Ｑによって熱交換するため、以下の（３）式による熱の収支が成立することが望ましいが、熱損失などが生じることにより現実的には完全に成立させることは困難である。
Ｑ_AR＋Ｑ_VR－Ｑ_CR－Ｑ＝０ …（３）

【0039】

そこで、本発明者は、ケミカルルーピング燃焼システム１００の全体で発生した熱を、燃料反応塔の下段の燃料反応器１２０に供給する必要があるという課題を見出した。この課題に基づいて、本発明者が鋭意検討を行い、下段の燃料反応器１２０に対して、流動化ガスとして二酸化炭素（ＣＯ₂）および水蒸気（Ｈ₂Ｏ）に加えて、酸素（Ｏ₂）を供給する方法を案出した。これにより、燃料反応器１２０内の流動媒体における一部において、部分酸化反応による発熱を期待でき、処理物の熱分解反応に対して熱を供給可能になるので熱量アシストが可能になり、反応速度を向上できる。

【0040】

さらに、本発明者は検討を行い、追加する酸素（Ｏ₂）の供給量は、揮発分反応器１３０から排出される排ガスに酸素（Ｏ₂）の過不足がないように制御することを想到した。そのため、燃料反応塔における下段の燃料反応器１２０および上段の揮発分反応器１３０の少なくとも一方に、酸素濃度をモニタする濃度センサを設け、酸素濃度に基づいて燃料反応器１２０に供給する酸素の供給量を制御することを案出した。これにより、上段の揮発分反応器１３０および下段の燃料反応器１２０の少なくとも一方における、酸素（Ｏ₂）の残存量に応じた供給量の制御を行うことが可能になる。以下に説明する一実施形態は、上述した本発明者による鋭意検討によって案出されたものである。

【0041】

図１は、本発明の一実施形態による処理物焼却装置としてのケミカルルーピング燃焼システムを示すブロック図である。図１に示すように、本実施形態においてケミカルルーピング燃焼システム１は、従来技術によるケミカルルーピング燃焼システム１００と同様の構成を有する。すなわち、本実施形態によるケミカルルーピング燃焼システム１は、熱交換器１１ａが設けられた空気反応塔１１と、燃料反応器１２および揮発分反応器１３が設けられた燃料反応塔との２塔を主体に構成される。また、流動層１２ａを有する燃料反応器１２と流動層１３ａを有する揮発分反応器１３とは、多孔板１３ｂを介して連結され、オーバーフロー管１２ｂによって連通されている。下段の燃料反応器１２および上段の揮発分反応器１３によって燃料反応塔が構成される。ケミカルルーピング燃焼システム１はさらに、分離器１４、ループシール１４ａ，１４ｂ、除塵装置１５、熱交換器１６、ブロア１７ａ，１７ｂ、制御部２０、およびセンサ部２１ａ，２１ｂを備えて構成される。ケミカルルーピング燃焼システム１から放出される窒素（Ｎ₂）ガスは、煙突１８を通じて大気中に放出される。

【0042】

空気反応塔１１、燃料反応器１２、揮発分反応器１３、分離器１４、ループシール１４ａ，１４ｂ、除塵装置１５、熱交換器１６、ブロア１７ａ，１７ｂ、および煙突１８はそれぞれ、上述した空気反応塔１１０、燃料反応器１２０、揮発分反応器１３０、分離器１４０、除塵装置１５０、熱交換器１６０、ブロア１７１，１７２、および煙突１８と同様に構成され、稼働する。本実施形態によるケミカルルーピング燃焼システム１においてはさらに、制御部２０およびセンサ部２１ａ，２１ｂを備える。

【0043】

制御部２０は具体的に、ハードウェアを有するＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＤＳＰ（Digital Signal Processor）、ＦＰＧＡ（Field-Programmable Gate Arra_y）などのプロセッサ、およびＲＡＭ（Random Access Memory）やＲＯＭ（Read Only Memory）などの主記憶部（いずれも図示せず）を備える。主記憶部には、制御部２０の動作を実行するための、オペレーティングシステム（Operating System：ＯＳ）、各種プログラム、各種テーブル、各種データベースなどが記憶可能である。ここで、各種プログラムには、本実施形態による処理を実行する学習モデルや学習済みモデルなどのモデルに基づいた処理を実現する、情報処理プログラムも含まれる。これらの各種プログラムは、ハードディスク、フラッシュメモリ、ＣＤ－ＲＯＭ、ＤＶＤ－ＲＯＭ、フレキシブルディスクなどのコンピュータ読み取り可能な記録媒体に記録して広く流通させることも可能である。制御部２０は、後述する燃料反応器１２内に供給する酸素（Ｏ₂）の添加量を制御する制御プログラムに基づいた処理を実行可能に構成される。

【0044】

センサ部２１ａ，２１ｂは、温度センサおよび酸素濃度センサの少なくとも一方を含んで構成されるセンサ群である。センサ部２１ａ，２１ｂによって計測された温度や酸素濃度の計測値は、制御部２０に供給される。なお、センサ部２１ａ，２１ｂはいずれか一方のみ設けても良い。

【0045】

上述した従来技術においては、流動化ガスとして、ＣＯ₂、Ｈ₂Ｏ、またはＣＯ₂とＨ₂Ｏとの混合ガスを使用していたのに対し、本実施形態においては、流動化ガスとして、Ｏ₂およびＣＯ₂の混合ガス、Ｏ₂およびＨ₂Ｏの混合ガス、またはＯ₂とＣＯ₂とＨ₂Ｏとの混合ガスを使用する。これらのうちのＣＯ₂およびＨ₂Ｏは、揮発分反応器１３から排出された排ガスを再循環させた排ガスを用いても、他の系統から供給した気体を用いても良い。流動化ガスとして揮発分反応器１３０から排出される混合ガスの一部を再循環して用いることにより、ケミカルルーピング燃焼システム１におけるランニングコストを低減可能となる。また、Ｈ₂Ｏの供給元として、熱交換器１１ａにおいて加熱された水蒸気を用いても良い。

【0046】

流動層１２ａ，１３ａは、金属酸化物（Ｍｅ_xＯ_y）を主成分として含む流動媒体から構成される。流動媒体は酸素キャリアとして用いられ、酸素を吸収可能、搬送可能、および放出可能な媒体であり、酸素型と還元型とに状態変化する性質を有する。金属酸化物（Ｍｅ_xＯ_y）からなる酸素キャリアとしては、還元によって酸素を放出する遷移金属酸化物を使用可能であり、例えば三酸化二鉄（Ｆｅ₂Ｏ₃）や四酸化三鉄（Ｆｅ₃Ｏ₄）などの酸化鉄（Ｆｅ_xＯ_y）、酸化マンガン（ＭｎＯ）、および酸化銅（II）（ＣｕＯ）などを挙げることができる。Ｆｅ系の酸化物は、安価で反応性が良好であるため、ＣＬＣにおける酸素キャリアとして好適に用いられる。また、酸化マンガン（ＭｎＯ）、酸化銅（II）（ＣｕＯ）は、融点が低く焼結しやすいという利点を有する。なお、酸素キャリアとして、酸化カルシウム（ＣａＯ）や酸化ニッケル（ＮｉＯ）を用いることも可能である。

【0047】

また、流動化ガスに酸素（Ｏ₂）を添加する場合の添加量は、制御部２０によって制御可能に構成される。すなわち、燃料反応器１２の内部の酸素濃度および温度は、センサ部２１ａにより計測される。また、揮発分反応器１３の内部の酸素濃度および温度は、センサ部２１ｂにより計測される。センサ部２１ａ，２１ｂによって計測された酸素濃度および温度の少なくとも一方の計測値は、制御部２０に出力される。制御部２０は、取得した酸素濃度および温度に基づいて、燃料反応器１２に対して下部から供給する流動化ガスに添加する酸素（Ｏ₂）の添加量を導出する。制御部２０は導出した酸素（Ｏ₂）の添加量に基づいて、燃料反応器１２に供給する酸素の添加量を制御する。

【0048】

制御部２０は具体的に、センサ部２１ａによって計測される燃料反応器１２の内部の酸素濃度が所定濃度以上、例えば１％以上になった場合に、酸素（Ｏ₂）の添加量を低減させる。また、センサ部２１ａによって計測される燃料反応器１２の内部のガスの温度が所定温度以上、例えば９５０℃以上の高温になった場合に、酸素（Ｏ₂）の添加量を低減させる。反対に、制御部２０は、センサ部２１ａによって計測される燃料反応器１２の内部のガスの温度が所定温度未満、例えば８００℃未満の低温になった場合に、酸素（Ｏ₂）の添加量を増加させる。

【0049】

また、制御部２０は具体的に、センサ部２１ｂによって計測される揮発分反応器１３の内部の酸素濃度が所定濃度以上になった場合に、酸素（Ｏ₂）の添加量を低減させる。また、センサ部２１ｂによって計測される揮発分反応器１３の内部のガスの温度が所定温度以上、例えば９５０℃以上の高温になった場合に、酸素（Ｏ₂）の添加量を低減させる。反対に、制御部２０は、センサ部２１ｂによって計測される揮発分反応器１３の内部のガスの温度が所定温度未満、例えば８００℃未満の低温になった場合に、酸素（Ｏ₂）の添加量を増加させる。

【0050】

また、酸素（Ｏ₂）の添加は、流動化ガスとは異なる別系統から行っても良い。具体的に、図１に示すように、流動層１２ａの上方のフリーボード部に、酸素（Ｏ₂）を添加しても良く、酸素（Ｏ₂）に水蒸気（Ｈ₂Ｏ）および二酸化炭素（ＣＯ₂）を加えて添加しても良い。この場合においても、制御部２０によって酸素（Ｏ₂）の添加量を制御可能である。

【0051】

以上説明した一実施形態によれば、制御部２０によって燃料反応器１２に酸素（Ｏ₂）を過不足なく供給できるので、揮発分反応器１３および燃料反応器１２を備えたケミカルルーピング燃焼システム１によって構成される処理物焼却装置において、燃料反応器１２に酸素（Ｏ₂）を供給して、一部分で部分酸化反応による発熱が発生して、燃料反応塔における燃料反応器１２内に投入される処理物の熱分解反応に対して熱を供給できるとともに、熱量アシストを実行でき、反応速度を向上させることが可能になる。これによって、燃料反応器１２内においてチャーなどの熱分解残渣を燃焼させることができ、好適な状態として完全燃焼できるので、空気反応塔１１へのチャーの混入を抑制することが可能になる。

【0052】

以上、本発明の実施形態について具体的に説明したが、本発明は、上述の実施形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想に基づく各種の変形が可能である。例えば、上述の実施形態において挙げた数値はあくまでも例に過ぎず、必要に応じてこれと異なる数値を用いても良い。上述した各実施形態および各変形例の構成要素を適宜組み合わせて構成したものも本発明に含まれる。また、さらなる効果や変形例は、当業者によって容易に導き出すことができる。本発明のより広範な態様は、以上のように表しかつ記述した特定の詳細および代表的な実施形態に限定されるものではない。したがって、添付のクレームおよびその均等物によって定義される総括的な発明の概念の精神または範囲から逸脱することなく、様々な変更が可能である。

【符号の説明】

【0053】

１ ケミカルルーピング燃焼システム
１１ 空気反応塔
１１ａ，１６ 熱交換器
１２ 燃料反応器
１２ａ，１３ａ 流動層
１２ｂ オーバーフロー管
１３ 揮発分反応器
１３ｂ 多孔板
１４ 分離器
１４ａ，１４ｂ ループシール
１５ 除塵装置
１７ａ，１７ｂ ブロア
１８ 煙突
２０ 制御部
２１ａ，２１ｂ センサ部

【図1】

【図2】