JP4861872B2 - 流動層型ボイラ - Google Patents

Description

本発明は、流動層型の燃焼炉を備える流動層型ボイラに関するものである。

従来、このような分野の技術として、下記特許文献１に記載の廃棄物処理装置が知られている。この装置は、塩素含有プラスチック廃棄物を処理する装置であり、当該廃棄物を燃焼させる循環流動層コンバスタと、当該コンバスタに導入する廃棄物を前処理する熱分解炉とを備えている。熱分解炉には、加熱砂や加熱ガスからなる加熱媒体が投入され、廃棄物に混合されて搬送されている。そして、加熱媒体の熱により廃棄物を熱分解し廃棄物中の塩素を予め除去することとしている。
特開２０００−４４７２６号公報

このように、特に近年では、廃プラスチック等を燃料とする燃焼炉が求められているが、多くの廃プラスチックには塩素が含まれている。そして、コンバスタで塩素を含む燃料を燃焼させると、排ガスの熱を回収するためのボイラチューブの腐食を進行させ短寿命化させるので、燃料から塩素を低減することが必要となる。また、燃焼による公害物質発生を抑えるためにも、燃料からの塩素の低減は重要である。ここで、上述の装置においては、塩素除去の工程で高温の加熱媒体を投入しているので、加熱媒体の加熱のために大きなエネルギーが必要であるが、この種の装置においては、運転に必要なエネルギーを極力節約することが望まれる。

そこで、本発明は、運転のエネルギーの節約を図ることができる流動層型ボイラを提供することを目的とする。

本発明の流動層型ボイラは、投入される燃料を燃焼させる流動層型の燃焼炉と、燃焼炉の底部から排出された固形物を再び燃焼炉に返送するように循環させる循環ラインと、循環ライン上に設けられ、当該循環ラインを循環する固形物から燃焼に不適な不適物を選別し除去する選別除去部と、循環ライン上に設けられ、当該循環ラインを循環する固形物の熱を熱媒体に回収する熱回収部と、熱回収部で得られる熱媒体の熱を利用した熱処理によって、燃焼炉に投入される燃料の前処理を行う燃料熱処理部と、を備えたことを特徴とする。

この流動層型ボイラでは、燃焼炉の底部から排出された固形物は、循環ラインを通じて再び燃焼炉に返送されるように循環し、その循環の途中で、固形物に含まれる不適物が選別され除去される。また、この循環ライン上の熱回収部において、この固形物の熱が熱媒体に移される。そして、燃料熱処理部では、この熱媒体の熱を利用して燃料の熱処理が行われる。このように、本来であれば棄てられる熱が、燃料の前処理に用いる熱として有効利用されるので、全体としてボイラの運転に必要なエネルギーを節約することができる。

また、燃料熱処理部で処理された燃料は、循環ラインに導入されることとしてもよい。この場合、燃料は、燃料熱処理部で熱処理された後、循環ラインで返送される固形物と一緒に燃焼炉に投入される。

また、本発明の流動層型ボイラは、燃料熱処理部における燃料の熱処理によって発生するガスを処理するガス処理部を更に備え、ガス処理部は、燃料熱処理部からガスを吸引し排出させるガス吸引部と、ガス吸引部で排出させたガスを液体に溶解させるガス溶解部と、を有することとしてもよい。

この構成によれば、燃料の熱処理で発生したガスを燃料熱処理部から取り除き、液体に溶解させることで、後段の処理が容易な形で上記ガスを回収することができる。また、燃料熱処理部では、発生したガスが吸引されて排出されるので、燃料熱処理部内においてガス発生を伴う熱処理を促進することができる。具体的には、ガス吸引部は、液体を噴出する液体エジェクタを有することとしてもよい。

本発明の流動層型ボイラによれば、運転のエネルギーを節約することができる。

以下、図面を参照しつつ本発明に係る流動層型ボイラの好適な実施形態について詳細に説明する。

図１に示す外部循環型の流動層型（Circulating Fluidized Bed型）のボイラ１は、廃プラスチック及びＲＰＦを燃料として用いるボイラであり、縦長円筒形状をなす流動層型の燃焼炉３を備えている。燃焼炉３の中間部には燃料を投入する燃料投入口３ａ、上部には燃焼ガスを排出するガス出口３ｂが設けられている。ガス出口３ｂには固気分離装置として機能するサイクロン７が接続されている。サイクロン７の排出口７ａはガスラインを介して後段のガス処理系に接続されている。また、サイクロン７の底部出口からはダウンカマーと称されるリターンライン９が下方に延びており、リターンライン９の下端は燃焼炉３の中間部側面に接続されている。

燃焼炉３内では、下部の給気ライン３ｃから導入される燃焼・流動用の空気により、上記投入口３ａから投入された燃料を含む固形物が流動し、燃料は流動しながら約８００〜９００℃で燃焼する。サイクロン７には、燃焼炉３で発生した燃焼ガスが固体粒子を同伴しながら導入される。サイクロン７は、遠心分離作用により固体粒子と気体とを分離し、分離された固体粒子をリターンライン９を通して燃焼炉３に戻すと共に、固体粒子が除かれた燃焼ガスを排出口７ａからガスラインを通じて後段のガス処理系に送出する。

この燃焼炉３では「炉内ベット材」と呼ばれる固形物が発生し底部に溜まるが、この炉内ベット材で不純物（低融点物質等）が濃縮されて起こるベット材の焼結及び溶融固化、或いは不燃厨芥物による動作不良を抑制することが必要である。このため、燃焼炉３では、底部の排出口３ｄから炉内ベット材が定期的に外部に排出されている。また排出されたベット材は、循環ライン２３を通じて再び燃焼炉３に返送されている。また、このボイラ１の燃料として用いられる廃プラスチックには、燃焼に不適である金属などの不適物が混入している場合が多く、この不適物を燃焼炉３内から取り除く必要がある。

このため、循環ライン２３上には、篩及び磁気分離装置を有する選別装置２５が設けられており、この選別装置２５では、循環するベット材の中から、燃焼に不適である金属、金属、厨芥類、ガレキ類、クリンカーといったような不適物が選別除去される。このような、ベット材の循環及び選別除去により、選別装置２５によって燃焼炉３内から不適物が除去されるので、燃焼炉３内における燃焼物の流動性が確保され、良好な燃焼が行われると共に、燃焼炉３、サイクロン７、及びリターンライン９における流動不良が抑制される。

上記のガス処理系は、サイクロン７のガス排出口７ａにガスラインを介して接続されたガス熱交換装置１３と、このガス熱交換装置１３の排出口１３ａにガスラインを介して接続されたバグフィルタ（集塵器）１５とを備えている。ガス熱交換装置１３には、排ガスの流路を横切るように水を流動させるボイラチューブ１３ｂが設けられている。サイクロン２４から送られた高温の排ガスがこのボイラチューブ１３ｂに接触することで、排ガスの熱がチューブ内の水に回収され、発生した高温の水蒸気がボイラチューブ１３ｂを通じて発電用のタービンに送られる。バグフィルタ１５は、この可燃性ガスに未だ同伴している飛灰等の微粒子を除去する。バグフィルタ１５の排出口１５ａから排出された清浄なガスはガスライン及びポンプ１７を経由して煙突１９から外部に排出される。

上述のように、ボイラ１では、廃プラスチックやＲＰＦが燃料として用いられている。このような燃料は塩素及び重金属を含むので、燃料を燃焼させた場合には塩素及び重金属を含む排ガスが発生し、このような排ガスがボイラチューブ１３ａの腐食を進行させ寿命を短縮させてしまう。従って、このような原燃料を燃焼炉３に投入する前に改質し、当該原燃料から塩素及び重金属をできるだけ取り除くことが好ましい。

そこで、このボイラ１には、燃焼炉３に投入される前に原燃料を改質する燃料改質機能と、上記したベット材循環ライン２３でベット材を循環させ不適物を選別除去する機能と、改質された燃料を循環するベット材に合流させて一緒に燃焼炉３内に投入する機能と、を併せ持つ改質燃料生成部２０が設けられている。

改質燃料生成部２０は、燃焼炉３の底部排出口３ｄに接続されたスクリューコンベア型のベット材冷却装置３１と、その後段に設けられたスクリュー搬送装置３３と、を備えている。ベット材冷却装置３１の下流端に設けられた出口３１ｃとスクリュー搬送装置３３の上流端とは、ベット材搬送ライン２３ａを介して接続されており、ベット材搬送ライン２３ａ上には、搬送されるベット材から燃焼不適物を選別除去するために、前述の選別装置２５が設けられている。また、スクリュー搬送装置３３の下流端にある出口は、ベット材搬送ライン２３ｂを介して燃焼炉３の燃料投入口３ａに接続されている。このような接続により、ベット材冷却装置３１、ベット材搬送ライン２３ａ、スクリュー搬送装置３３、及びベット材搬送ライン２３ｂは、ベット材を循環させる上述の循環ライン２３を構成する。なお、図１中、スクリュー搬送装置３３直後にあるベット材搬送ライン２３ｂ上の”ａ”印は、燃料炉３の燃料投入口３ａ直前の”ａ”印の箇所に繋がっていることを意味している。

上記ベット材冷却装置３１には、ベット材の搬送路を画成する外筒の更に外側に円筒ジャケットが設けられており、上記外筒とジャケットとの間に熱媒体を流動・循環させる熱媒体流動路３１ａが形成されている。底部排出口３ｄから排出された約８００℃のベット材は、ベット材冷却装置３１の搬送路内をスクリュー搬送されながら、上記熱媒体に熱を移動させるので、高温のベット材が効率よく冷却される。そして、選別装置２５で対応可能な適切な温度に冷却されたベット材が選別装置２５に送られるので、選別装置２５の機能が高温で阻害されることなく、効率のよい磁気選別が行われる。一方、高温となった熱媒体は、後述するように、熱媒体循環ライン４１を通じてシャフト炉３５に送られる。この熱媒体としては、例えば、オイルが用いられる。

更に、改質燃料生成部２０は、導入される廃プラスチックやＲＰＦ等の原燃料から塩素及び重金属を除去するための縦長円筒形状のシャフト炉（燃料熱処理部）３５を備えている。このシャフト炉３５には、原燃料の搬送路を画成する外筒を取り囲む円筒ジャケットが設けられており、上記外筒とジャケットとの間には、高温の熱媒体を流動・循環させる熱媒体流動路３５ａが形成されている。この熱媒体流動路３５ａは、熱媒体循環ライン４１を介して上記ベット材冷却装置３１の熱媒体流動路３１ａｔと接続されており、熱媒体は、この熱媒体循環ライン４１を通じて熱媒体流動路３１ａと熱媒体流動路３５ａとの間を循環している。

また、熱媒体循環ライン４１上には、熱媒体を円滑に流動させるためのポンプｐ１，ｐ２と、循環する熱媒体を貯留する熱媒体タンク４３と、タンク４３内の熱媒体を更に加熱するヒータ４５とを備えている。ベット材冷却装置３１における熱媒体の昇温が十分でない場合には、上記ヒータ４５により熱媒体が更に加熱され、シャフト炉３５での加熱処理に使用可能な温度することが可能である。なお、シャフト炉３５内を加熱するヒータを直接シャフト炉３５に設けてもよい。

シャフト炉３５の上方には、燃料導入口３９ａから導入された原燃料を、スクリューコンベア３９ｂでシャフト炉３５内に送り込む原燃料投入部３９が設けられている。また、シャフト炉３５の下端は、上記スクリュー搬送装置３３に接続されている。このようにシャフト炉３５は、上下端ともスクリュー搬送機構によりシールされており、更に、このシャフト炉３５内部は減圧装置３７に接続され減圧されている。

このような構成に基づき、原燃料投入部３９によりシャフト炉３５上端から投入された原燃料は、熱媒体の熱によって約４００〜６００℃に加熱されながらシャフト炉３５内部を下方に移動する。そして、加熱及び減圧によって、原燃料中の含有塩素、含有重金属類（Ｐｂ等）、及び若干のタール分が気化し、原燃料から取り除かれていく。気化した含有塩素等は吸引ライン３７ａを介して排出され減圧装置３７に引き込まれる。こうして改質された燃料は、シャフト炉３５の下端に到達し、スクリュー搬送装置３３によりベット材と混合されながら搬送される。その後、燃料は、ベット材搬送ライン２３ｂを通じてベット材と一緒に燃料投入口３ａから燃焼炉３に投入される。また、この場合、シャフト炉３５内で気化しきれなかったタールが燃料に付着しても、混合されたベット材によりタールの固着性が低減され、循環ライン２３での搬送の不具合発生が抑えられる。

このように、ボイラ１に導入される原燃料は、シャフト炉３５内を通過しながら改質されて含有塩素及び含有重金属が低減され、その後、循環ライン２３を循環するベット材に合流し、ベット材と一緒に燃焼炉３に投入される。そして、燃焼炉３に投入される燃料が事前に改質されることで、燃焼炉３で発生する排ガス中の塩素、重金属が低減される。その結果、ボイラチューブ１３ｂの腐食を抑制することができ、ボイラ１の寿命も長期化することができる。また、燃料中の塩素及び重金属が低減されることから、排ガス及び灰残渣中のダイオキシン類の量を低減させることが可能であり、灰残渣の土木資材・セメント原料への適応範囲を拡大することができる。なお、副次的な効果ではあるが、シャフト炉３５において燃料中の水分も減量されるので、従来のボイラと同等の蒸気仕様のボイラ１が小さいサイズで製作可能である。

また、ここでは、ベット材冷却装置３１とシャフト炉３５との間を熱媒体が循環するので、燃焼炉３の底部排出口３ｄからの高温のベット材の熱が、ベット材冷却装置３１での冷却処理によって熱媒体に回収され、高温となった熱媒体がシャフト炉３５に移動して、熱媒体の熱が原燃料の加熱処理に利用される。すなわち、本来であればベット材の冷却後にボイラ１の系外に棄てられるはずの熱が、シャフト炉３５で燃料の改質に用いる熱として有効利用されるので、全体としてボイラ１の運転に必要なエネルギーを節約することができる。

なお、エネルギーを有効利用するためには、燃焼炉３及びサイクロン７を循環する循環媒体に原燃料を接触させて原燃料の熱処理を行う方法を考えることもできる。しかし、このような方法では、循環媒体自体の固着性が高く、また、熱処理で発生するタール分が循環媒体に付着することから、循環媒体の流動や搬送に不具合が生じるおそれがある。更に、ボイラ全体のプロセス制御が複雑化してしまうという欠点もある。このような方法に比較して、上記ボイラ１では、上記循環媒体とは切り離された熱媒体を用いてシャフト炉３５における加熱処理を行っているので、循環媒体の流動・搬送や全体プロセス制御に与える影響が少ない。

また、このシャフト炉３５内部は、減圧装置３７によって減圧されているので、原燃料からの塩素、重金属の気化が促進される。その結果、この種の従来のシャフト炉では４００℃以上の加熱で燃料の脱塩素を行っていたところ、このシャフト炉３５では、燃料の脱塩素だけでなく脱重金属処理も行うことができる。従って、燃料の脱重金属処理により、ボイラチューブ１３ｂの腐食がさらに抑制される。また、減圧装置３７でシャフト炉３５内を負圧にして、塩素・重金属ガスの外部への漏洩を抑える効果もある。以下、この減圧装置３７の具体的な構成について説明する。

減圧装置３７は、水が貯留された水槽５１を備えており、この水槽５１の上部には水エジェクタ（ガス吸引部）５３が取り付けられている。この水エジェクタ５３は、水槽５１の下部から採取した水を、水面に向かって下方に噴射する。また、この水エジェクタ５３には、上述の吸引ライン３７ａが接続されており、水エジェクタ５３は、上記水の噴射によって吸引力を発生させ、シャフト炉３５内の塩素・重金属のガスを、吸引ライン３７ａを通じて引き込む。引き込まれたガスは、噴出される水と一緒に水槽（ガス溶解部）５１の水面に衝突することで、水に溶解する。このように、ガスの吸引手段としてエジェクタ５３を用いているので、ガスの引き込みの動作と、引き込んだガスを水槽５１内の水に送り込む動作とが同時に行われる。また、水槽５１の下部には、ガスが溶解した水を系外に排出する排水ライン５５ａ、及び水を補充する給水ライン５５ｂも設けられている。

この減圧装置３７の構成によれば、シャフト炉３５内の燃料改質処理により発生した取扱い困難な高温の塩素・重金属のガスを、水に溶解させ、排水ライン５５ａから容易に回収し、容易に後段での処理を行うことができる。このように、この減圧装置３７は、燃料の改質処理で発生したガスを処理するガス処理部としての機能も兼ね備えている。また、ファンを用いた減圧装置で上記ガスを引き込むと、減圧装置は腐食し易く寿命が短いが、上記減圧装置３７を用いれば、ガスによる腐食が少なく寿命が長い。

本発明は、上述の実施形態に限定されるものではない。例えば、実施形態のボイラ１は、外部循環型の流動層型のものであるが、本発明は、内部循環型の流動層型ボイラや、気泡型流動層ボイラ（Bubbling Bed型ボイラ）又は乱流型流動層ボイラ（Turbulent Bed型ボイラ）にも適用できる。

本発明に係る流動層型ボイラの一実施形態を示す図である。

符号の説明

１…流動層型ボイラ、３…燃焼炉、３ｄ…底部排出口、２３…ベット材循環ライン、２５…磁気選別装置（選別処理部）、３１…ベット材冷却装置（熱回収部）、３５…シャフト炉（燃料熱処理部）、３７…減圧装置（ガス処理部）、５１…水槽（ガス溶解部）、５３…水エジェクタ（ガス吸引部）。

Claims (4)

1. 投入される燃料を燃焼させる流動層型の燃焼炉と、
   前記燃焼炉の底部から排出された固形物を再び前記燃焼炉に返送するように循環させる循環ラインと、
   前記循環ライン上に設けられ、当該循環ラインを循環する前記固形物から燃焼に不適な不適物を選別し除去する選別除去部と、
   前記循環ライン上に設けられ、当該循環ラインを循環する前記固形物の熱を熱媒体に回収する熱回収部と、
   前記熱回収部で得られる前記熱媒体の熱を利用した熱処理によって、前記燃焼炉に投入される前記燃料の前処理を行う燃料熱処理部と、を備えたことを特徴とする流動層型ボイラ。
2. 前記燃料熱処理部で処理された前記燃料は、前記循環ラインに導入されることを特徴とする請求項１に記載の流動層型ボイラ。
3. 前記燃料熱処理部における前記燃料の熱処理によって発生するガスを処理するガス処理部を更に備え、
   前記ガス処理部は、前記燃料熱処理部からガスを吸引し排出させるガス吸引部と、前記ガス吸引部で排出させた前記ガスを液体に溶解させるガス溶解部と、を有することを特徴とする請求項１又は２に記載の流動層型ボイラ。
4. 前記ガス吸引部は、前記液体を噴出する液体エジェクタを有することを特徴とする請求項３に記載の流動層型ボイラ。
   

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