JP3859926B2

JP3859926B2 - 熱分解ガス化溶融システムにおける燃焼用空気の制御方法及びその装置

Info

Publication number: JP3859926B2
Application number: JP2000014339A
Authority: JP
Inventors: 博之細田; 賢蔵小倉; 正光高橋; 智裕丸山; 直西野
Original assignee: Kobelco Eco Solutions Co Ltd
Current assignee: Shinko Pantec Co Ltd
Priority date: 2000-01-24
Filing date: 2000-01-24
Publication date: 2006-12-20
Anticipated expiration: 2020-01-24
Also published as: JP2001201023A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は熱分解ガス化溶融システムに関し、より詳しくは燃焼溶融炉に供給する燃焼用空気の制御方法及びその装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、都市ごみ等の廃棄物の多くは焼却処理されていたが、最終処分場不足やダイオキシン問題が大きくクローズアップされたことから、焼却処理に代わって、より減容化が可能で且つ有害物質を発生させないより高度な廃棄物処理方法が求められている。
【０００３】
これに対応する技術として廃棄物焼却と灰溶融を同時に行う熱分解ガス化溶融プロセスが開発され、実機として稼働しつつある。この熱分解ガス化溶融プロセスは、排ガス中の有害物質を削減しつつ排ガス量を低減させることにより、廃棄物が保有するエネルギを有効に利用できる点で注目されている。
【０００４】
熱分解ガス化溶融プロセスでは、可燃物は給塵機を介して例えば熱分解ガス化炉としての流動床炉に投入され、砂層温度が500〜600℃に維持された砂層内で低温熱分解が行われ、廃棄物中に含まれるアルミ等の有価金属が砂層下部から抜き出されて回収される。
【０００５】
この流動床炉で発生した可燃性ガス、チャー、灰分は次いで燃焼溶融炉に導入され、1200℃以上の高温燃焼により、灰分を溶融しスラグとして分離するとともにダイオキシン等のガス中の有害物質を分解する。この燃焼溶融炉から排出される排ガスは、熱交換器や廃熱ボイラで熱回収され、排ガス冷却工程で冷却され、最終的にバグフィルタで除塵され清浄化された後、大気に放散される。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
上記燃焼溶融炉で熱分解ガスを完全燃焼させるには、燃焼溶融炉出口の酸素濃度を少なくとも５％（空気比約１．３相当）程度に維持する必要がある。また、燃焼溶融炉における燃焼を安定させるため、ごみピットではごみの撹拌を行うことによりごみ質の均一化を図っており、さらに給塵機はごみを定容積で流動床炉に投入している。
【０００７】
ところが、ごみは密度の異なる雑多な成分、具体的には紙類，プラスチック類，不燃物及びその他の成分から構成されており、それらを均一に混合することは極めて困難である。また、ごみ中に含まれる針金等がごみを塊状にしたまま移動させてしまうことがある。従って、流動床炉に投入するごみ質及び投入量を一定にすることは実質的に不可能である。
【０００８】
このような状況において流動床炉で負荷が急増（ごみのドカ落ちによる）すると、ごみが熱分解されることにより発生する熱分解ガスが多量に燃焼溶融炉に送り込まれ、燃焼溶融炉ではその熱分解ガスを燃焼させるための酸素が不足する。その結果、燃焼溶融炉で不完全燃焼が発生し、有害な一酸化炭素が発生することになる。
【０００９】
従来は、燃焼溶融炉における酸素不足を補うため、燃焼溶融炉出口で酸素濃度を測定し、酸素不足が検出された際に燃焼用空気を補給するという燃焼制御を行っていた。しかしながら、ごみのドカ落ちがあってから酸素濃度の変化が検出されるまでにタイムラグがあり、しかも酸素濃度の低下を検知してから開かれる燃焼用空気補給用のダンパに動作遅れがあることから燃焼制御がリアルタイムで実行されず、急激な燃焼負荷の増加に対し迅速に対応することができない。従って、燃焼溶融炉における不完全燃焼を根本的に解消することはできなかった。
【００１０】
本発明は以上のような従来の燃焼用空気の制御方法における課題を考慮してなされたものであり、熱分解ガス化炉の負荷が急増した場合であっても燃焼溶融炉における完全燃焼を確保することのできる、熱分解ガス化溶融システムにおける燃焼用空気の制御方法及びその装置を提供するものである。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
請求項１の本発明は、投入された廃棄物を熱分解ガス化炉で熱分解し、その熱分解ガス化炉から排出される熱分解ガスを、別に供給される燃焼用空気とともに燃焼溶融炉で燃焼させる熱分解ガス化溶融システムにおける燃焼用空気の制御方法において、熱分解ガス化炉に供給される廃棄物の負荷変動を検出し、その負荷が急増する場合に燃焼用空気の供給量を所定量増加させ、燃焼溶融炉内での不完全燃焼を防止する燃焼用空気の制御方法である。
【００１２】
請求項２の本発明は、燃焼溶融炉出口の酸素濃度に基づいて燃焼溶融炉に供給する燃焼用空気量を調整しつつ、負荷急増時には通常の制御範囲を上回る量の燃焼用空気を供給する燃焼用空気の制御方法である。
【００１３】
請求項３の本発明は、負荷の急増を、熱分解ガス化炉内の圧力変化で検出する燃焼用空気の制御方法である。
【００１４】
請求項４の本発明は、負荷の急増を、熱分解ガス化炉内の輝度変化で検出する燃焼用空気の制御方法である。
【００１５】
請求項５の本発明は、投入された廃棄物を熱分解ガス化炉で熱分解し、その熱分解ガス化炉から排出される熱分解ガスを、燃焼用空気とともに燃焼溶融炉に供給して燃焼させる熱分解ガス化溶融システムにおける燃焼用空気の制御装置において、熱分解ガス化炉に供給される廃棄物の負荷変動を検出する負荷検出手段と、その負荷検出手段によって負荷急増が検出された際に燃焼溶融炉に供給する燃焼用空気の供給量を所定量増加させ、燃焼溶融炉内での不完全燃焼を防止する不完全燃焼防止手段とを備えた燃焼用空気制御装置である。
【００１６】
請求項６の本発明は、燃焼溶融炉出口の酸素濃度に基づいて燃焼溶融炉に供給する燃焼用空気量を調整する調整手段を有し、不完全燃焼防止手段は負荷急増時に調整手段による通常の制御範囲を上回る量の燃焼用空気を供給するように構成されている燃焼用空気制御装置である。
【００１７】
請求項７の本発明は、負荷検出手段が、熱分解ガス化炉内の圧力を検出する圧力センサからなる燃焼用空気制御装置である。
【００１８】
請求項８の本発明は、負荷検出手段が、熱分解ガス化炉内の輝度を測定する光センサからなる燃焼用空気制御装置である。
【００１９】
上記燃焼溶融炉としてはダストを含む熱分解ガスを旋回させて燃焼させる旋回流燃焼溶融炉を使用することが好ましい。
【００２０】
請求項１及び５の本発明に従えば、熱分解ガス化炉の負荷変動を検出し、負荷の急増が検出されると、燃焼溶融炉に対し燃焼用空気の供給量が増加される。それにより、過剰な熱分解ガスが燃焼溶融炉出口に到達する前に、その熱分解ガス量に見合う量の空気を燃焼溶融炉に補給して不完全燃焼の発生を防止することができる。
【００２１】
請求項２及び６の本発明に従えば、燃焼溶融炉出口の酸素濃度に基づいて燃焼溶融炉に供給する燃焼用空気を調整しつつ、負荷が急増した場合には通常の制御範囲を上回る量の燃焼用空気を燃焼溶融炉に供給するため、不完全燃焼をより正確に防止することができる。
【００２２】
請求項３及び７の本発明に従えば、熱分解ガス化炉内の圧力変化を検出することにより負荷の急増を検出することができる。具体的には、負荷が急増すると熱分解ガス化炉内で熱分解ガス化反応が過剰に行われ、密閉された熱分解ガス化炉内の圧力が通常時の圧力よりも上昇する。それにより、負荷の急増を検出することができる。
【００２３】
請求項４及び８の本発明に従えば、熱分解ガス化炉内の輝度変化を検出することによって負荷の急増を迅速に検出することができる。具体的には、負荷が急増すると、熱分解ガス化炉内で黒煙が発生し炉内が暗くなる。従って、例えば光センサで炉内の輝度を測定すれば負荷の急増を検出することができる。
【００２４】
【発明の実施の形態】
以下、図面に示した実施形態に基づいて本発明を詳細に説明する。
【００２５】
図１は、本発明に係る燃焼用空気の制御方法が適用される廃棄物処理設備の全体構成を示したものである。なお、熱分解ガス化炉として流動床炉を用いた。
【００２６】
同図において、廃棄物としてのごみは一旦、ごみピット１に貯留され、クレーン１ａによってホッパ１ｂに投入される。ホッパ１ｂから排出されたごみは、破砕機１ｃに導入されて細かく破砕され、次いでごみ搬送コンベア１ｄを介して給塵機２に送られ、給塵機２はごみを流動床炉３に投入する。
【００２７】
流動床炉３では、空気比0.2〜0.4の条件で部分燃焼が行われ、砂層温度を500〜600℃に維持した低温熱分解が行われる。そして投入されたごみのうち炉床下部より抜き出される不燃物以外はすべて流動床炉３に直結（下流側に）された燃焼溶融炉４に導かれる。
【００２８】
一方、炉床下部から抜き出された不燃物は、スクリューコンベア５及び振動するい６及び図示しない磁選機を経て不燃物、非鉄金属、鉄分、流動砂にそれぞれ分離され、流動砂以外はリサイクル使用され、流動砂は流動床炉３の砂層に戻されて再利用される。
【００２９】
流動床炉３で発生した灰分を含む熱分解ガスは燃焼溶融炉４に導かれ、トータル空気比1.3の条件下でさらに燃焼される。この燃焼溶融炉４では1200℃以上の高温燃焼が行われ、灰分を溶融してスラグとして分離するとともにダイオキシン等のガス中の有害物質が分解される。７はスラグ排出装置であり、８はスラグを冷却固化するためのスラグ水さい搬送装置である。
【００３０】
この燃焼溶融炉４から排出される溶融炉排ガスは、廃熱ボイラ１０で熱回収された後、さらにガス冷却室１１で温度が下げられ、バグフィルタ１２で除塵される。浄化された排ガスは次いで誘引ファン１３を経て脱硝装置１４を通り、煙突１５から排出される。
【００３１】
図２は、上記流動床炉３と燃焼溶融炉４を拡大して示したものである。
【００３２】
同図において、流動床炉３の底部には多数の空気噴射口を備えた分散板３ａが設けられ、その下方に風箱３ｂが形成されている。この風箱３ｂ内に押込送風機３ｃによって流動化空気を導入すると、分散板３ａの空気噴射口を通じて上向きに流動化空気が噴射され、分散板３ａの上方に砂粒子からなる流動層が形成される。
【００３３】
この流動層の上方にはごみ投入口３ｄ及び始動用のメインバーナ（図示しない）が設けられ、その上方にフリーボード３ｅが形成されている。
【００３４】
また、炉頂部には熱分解ガス排出口３ｆと圧力センサ３ｇとが設けられている。圧力センサ３ｇは、流動床炉３内の圧力を常時検出しており、その検出結果は炉圧信号Ｓ₁として後述するコントローラ２０に与えられる。上記圧力センサ３ｇは負荷検出手段として機能する。
【００３５】
一方、燃焼溶融炉４においては、熱分解ガスが一次燃焼領域４ａへ接線方向に流入し旋回しながら燃焼され、灰分が壁面に捕集され溶融スラグ化される。次いで絞り４ｂを通過した燃焼ガスはスラグ分離部底面４ｃに衝突し、微細な灰分を捕集し溶融スラグ化する。そしてこれらのスラグは抜出口４ｄから連続的に排出される。
【００３６】
この燃焼溶融炉４の出口部４ｅには酸素濃度を測定する酸素濃度計４０が設けられ、この酸素濃度計４０から出力される酸素濃度信号Ｓ₂はコントローラ２０に与えられる。
【００３７】
上記一次燃焼領域４ａには送風機４１から第一管路４２を通じて一次空気が導入され、上記出口部４ｅには同じく送風機４１から第二管路４３を通じて二次空気が導入されるようになっている。本発明における燃焼用空気の制御とは、上記二次空気の供給を制御するものである。
【００３８】
第二管路４３には空気の流れ方向において流量計４４及びコントローラ２０によって制御されるダンパ４５がそれぞれ介設されており、流量計４４から出力される流量信号Ｓ₃はコントローラ２０に与えられる。
【００３９】
コントローラ２０は、第１制御部２０ａと第２制御部２０ｂとを有し、第１制御部２０ａは、酸素濃度信号Ｓ₂と流量信号Ｓ₃とを受け、酸素濃度に応じてダンパ４５の開度を調整し二次空気の供給量を調整している。具体的には燃焼溶融炉４の出口部４ｅにおける酸素濃度を常時５％に維持し、それにより、熱分解ガス化炉３が通常負荷である場合には完全燃焼が行われる。
【００４０】
上記第１制御部２０ａ及びその第１制御部２０ａによって制御されるダンパ４５は、調整手段として機能する。
【００４１】
第２制御部２０ｂは、炉圧信号Ｓ₁を受け、予め記憶されている設定炉圧と比較し、設定炉圧を越えたときにその超過量に対応してダンパ４５を段階的に開くようになっている。ただし、第２制御部２０ｂは、第１制御部２０ａに対して割り込み処理を行うものであり、第２制御部２０ｂの処理が終了すると、中断させておいた第１制御部２０ａの処理を再開させるものとする。
【００４２】
上記第２制御部２０ｂ及びその第２制御部２０ｂによって制御されるダンパ４５は不完全燃焼防止手段として機能する。
【００４３】
次に上記コントローラ２０の制御動作について説明する。
【００４４】
流動床炉３に投入されるごみが塊状となって一時的に多量投入されると、投入された過剰のごみがガス化し、ＣＯ，Ｈ₂，ＣＨ₄等を含む熱分解ガスが発生する。このとき流動床炉３の炉圧が急激に高まり、圧力センサ３ｇから出力される炉圧信号Ｓ₁が大きく振れる。
【００４５】
この炉圧信号Ｓ₁のピークは第２制御部２０ｂによって設定炉圧と比較され、設定炉圧を越える場合にコントローラ２０は、ダンパ４５をその時点での開度（第１制御部２０ａによって制御されるダンパ開度）よりもさらに所定開度開け、燃焼溶融炉出口部４ｅの酸素濃度を一時的に例えば５％から８％に増加させる。
【００４６】
ダンパ４５を開けたことによって第２制御部２０ｂの制御は終了し、第１制御部２０ａによる制御が再開される。
【００４７】
このとき、酸素濃度計４０から出力される酸素濃度が高く現れるため、第１制御部２０ａはダンパ４５を閉じようとするが、この時点で流動床炉３から排出される熱分解ガスは既に燃焼溶融炉４に到達している。従って、通常よりも高い酸素濃度雰囲気下で高温燃焼が行われ、それにより、燃焼溶融炉４に導入された熱分解ガスは完全燃焼される。
【００４８】
以降は、第１制御部２０ａが、出口部４ｅの酸素濃度を５％に維持するように制御する。
【００４９】
図３は、燃焼用空気の制御を説明するタイミングチャートであり、同図（ａ）は比較のために示した従来制御であり、同図（ｂ）は本実施形態による制御である。
【００５０】
図３（ａ）において、従来制御では、ごみ投入量が急増した場合（図中Ｂ点）、酸素濃度計がｔ₁秒遅れて反応し、酸素濃度が低下し始める（図中Ｃ点）。酸素濃度の低下に基づいて二次燃焼用空気が補給されるが、ダンパは動作遅れがあるため、図中Ｄ点から二次燃焼用空気の補給が始まる。
【００５１】
このとき、燃焼溶融炉４の出口部にはごみ投入量の急増によって既に熱分解ガスが到達しており、二次燃焼用空気が補給される以前に酸素濃度が低下し始める（図中Ｅ点）。それにより、燃焼溶融炉内で実際には酸素不足が発生する。そして、二次燃焼用空気の供給によって炉内の酸素不足が解消されるまでの期間、高濃度のＣＯが発生することになる。
【００５２】
これに対し、本実施形態による制御では、ごみ投入量が急増すると（図中Ｆ点）、流動床炉３に設けられている圧力センサ３ｇから出力される炉圧信号Ｓ₁が大きく振れ（図中Ｇ点）、その炉圧信号Ｓ₁の大きさに応じてダンパ４５が通常開度よりもさらに開かれ、燃焼溶融炉４の出口部４ｅに対して二次燃焼用空気の補給を開始する（図中Ｈ点）。
【００５３】
それにより、燃焼溶融炉出口部４ｅの酸素濃度が一時的に高くなる（図中Ｉ点）。図（ｂ）からわかるように、ごみ投入量が急増したタイミングと二次燃焼用空気の補給タイミングとがほぼ一致する。
【００５４】
従ってごみ投入量が急増して熱分解ガスが燃焼溶融炉４に到達した時点（ｔ₃秒後）では、既に燃焼溶融炉４に対する二次燃焼用空気の補給が完了しているため、不完全燃焼の発生を防止することができる。
【００５５】
なお、上記実施形態では、燃焼溶融炉４内の酸素濃度に基づいて燃焼溶融炉４に供給する燃焼用空気量を調整する調整手段と、負荷急増を検出して燃焼用空気をさらに補給する不完全燃焼防止手段においてダンパ４５及び二次空気供給用の第二管路４３を共用したが、燃焼溶融炉４に対しは各手段毎に独立して二次空気を供給するように構成することもできる。
【００５６】
また、本発明の負荷検出手段は、上記実施形態では圧力センサで構成したが、これに限らず、例えば図４に示すＣＣＤイメージセンサ、或いはマイクロ波発振器及びマイクロ波受信器で構成することもできる。
【００５７】
図４に示す構成は、流動床炉３の側壁に監視窓３ｈを設け、その監視窓３ｈを通して炉内の輝度を、光センサとしてのＣＣＤイメージセンサ５０で監視するように構成されている。この構成では、ごみ投入量が急増して黒煙が発生すると炉内が暗くなり、輝度の低下がＣＣＤイメージセンサ５０によって検出され、それにより、ごみ投入量の急増を検出することができる。
【００５８】
【発明の効果】
以上説明したことから明らかなように、請求項１及び５の本発明によれば、熱分解ガス化炉に供給される廃棄物の負荷変動を検出し、負荷の急増が検出されると、燃焼溶融炉に対し燃焼用空気の供給量が増加される。従って、過剰な熱分解ガスが燃焼溶融炉に到達する前に、その熱分解ガス量に見合う量の空気を燃焼溶融炉に補給して不完全燃焼の発生を防止することができる。
【００５９】
請求項２及び６の本発明によれば、燃焼溶融炉出口の酸素濃度に基づいて燃焼溶融炉に供給する燃焼用空気を調整しつつ、負荷が急増した場合には通常の制御範囲を上回る量の燃焼用空気を燃焼溶融炉に供給するため、不完全燃焼をより正確に防止することができる。
【００６０】
請求項３及び７の本発明によれば、熱分解ガス化炉内の圧力変化を検出することにより負荷の急増を検出することができる。
【００６１】
請求項４及び８の本発明によれば、熱分解ガス化炉内の輝度変化を検出することによって負荷の急増を迅速に検出することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る排ガス処理方法が適用される廃棄物処理設備の構成を示す説明図である。
【図２】本発明に係る燃焼用空気制御装置の構成を示す説明図である。
【図３】図２に示すコントローラの制御動作を説明するタイミングチャートである。
【図４】負荷検出手段の他の実施形態を示す原理図である。
【符号の説明】
１ごみピット
２給塵機
３流動床炉
３ｇ圧力センサ
４燃焼溶融炉
２０コントローラ
２０ａ第１制御部
２０ｂ第２制御部
４０酸素濃度計
４１送風機
４２第一管路
４３第二管路
４４流量計

Claims

投入された廃棄物を熱分解ガス化炉で熱分解し、その熱分解ガス化炉から排出される熱分解ガスを、別に供給される燃焼用空気とともに燃焼溶融炉で燃焼させる熱分解ガス化溶融システムにおける燃焼用空気の制御方法において、
前記熱分解ガス化炉に供給される廃棄物の負荷変動を検出し、その負荷が急増する場合に前記燃焼用空気の供給量を所定量増加させ、前記燃焼溶融炉内での不完全燃焼を防止することを特徴とする燃焼用空気の制御方法。
前記燃焼溶融炉出口の酸素濃度に基づいて前記燃焼溶融炉に供給する燃焼用空気量を調整しつつ、負荷急増時には通常の制御範囲を上回る量の燃焼用空気を供給する請求項１記載の燃焼用空気の制御方法。
前記負荷の急増を、前記熱分解ガス化炉内の圧力変化で検出する請求項１または２に記載の燃焼用空気の制御方法。
前記負荷の急増を、前記熱分解ガス化炉内の輝度変化で検出する請求項１または２に記載の燃焼用空気の制御方法。
投入された廃棄物を熱分解ガス化炉で熱分解し、その熱分解ガス化炉から排出される熱分解ガスを、燃焼用空気とともに燃焼溶融炉に供給して燃焼させる熱分解ガス化溶融システムにおける燃焼用空気の制御装置において、
前記熱分解ガス化炉に供給される廃棄物の負荷変動を検出する負荷検出手段と、その負荷検出手段によって負荷急増が検出された際に前記燃焼溶融炉に供給する燃焼用空気の供給量を所定量増加させ、前記燃焼溶融炉内での不完全燃焼を防止する不完全燃焼防止手段とを備えたことを特徴とする燃焼用空気制御装置。
燃焼溶融炉出口の酸素濃度に基づいて前記燃焼溶融炉に供給する燃焼用空気量を調整する調整手段を有し、前記不完全燃焼防止手段は負荷急増時に前記調整手段による通常の制御範囲を上回る量の燃焼用空気を供給するように構成されている請求項５記載の燃焼用空気制御装置。
前記負荷検出手段が、前記熱分解ガス化炉内の圧力を検出する圧力センサからなる請求項５または６に記載の燃焼用空気制御装置。
前記負荷検出手段が、前記熱分解ガス化炉内の輝度を測定する光センサからなる請求項５または６に記載の燃焼用空気制御装置。