JP6523007B2

JP6523007B2 - 流動層焼却設備

Info

Publication number: JP6523007B2
Application number: JP2015064522A
Authority: JP
Inventors: 俊樹小林; 長沢　英和; 英和長沢; 友寛川端
Original assignee: Tsukishima Kikai Co Ltd
Current assignee: Tsukishima Kikai Co Ltd
Priority date: 2015-03-26
Filing date: 2015-03-26
Publication date: 2019-05-29
Anticipated expiration: 2035-03-26
Also published as: JP2016183616A

Description

本発明は、流動層焼却炉に供給される流動用空気によって被処理物を流動しつつ焼却する流動層焼却設備に関するものである。

このような流動層焼却設備として、例えば特許文献１には、下水汚泥等の被処理物を流動用空気によって流動しつつ燃焼する流動層炉と、この流動層炉から排出された燃焼排ガスと流動用空気との間で熱交換を行う空気予熱器と、この空気予熱器から排出された燃焼排ガスの除塵を行う集塵機と、この集塵機で除塵された燃焼排ガスによって圧縮空気を発生する過給機（ターボチャージャ）を備えた加圧流動炉設備が記載されている。上記過給機によって発生した圧縮空気は、上記空気予熱器を経て流動層炉に流動用空気として供給される。

特開２０１４−１９０５７２号公報

ところで、このような流動層焼却設備では、流動層炉から排出された燃焼排ガスや空気予熱器から排出された燃焼排ガスの保有熱を廃熱ボイラーによって熱回収したり、除塵された燃焼排ガスを外部に排出するための処理を行う排煙処理塔の循環水から熱回収をしたりしている。

ところが、特に被処理物が下水汚泥である場合に脱水設備の能力向上によって脱水汚泥の水分が低下した場合、流動層炉において補助燃料が不要な自燃運転が可能となり、このとき流動層炉における燃焼温度が高くなりすぎて燃焼排ガスから回収可能な熱量が多くなることがある。こうして燃焼排ガスの熱量が多くなると、空気予熱器において予熱された流動用空気の温度も上昇し、さらなる流動層炉の燃焼温度上昇を招く結果となる。

ここで、このような焼却熱量の増加に対応する手段としては、例えば流動層炉内に水を噴霧して燃焼温度を抑制することが考えられるが、蒸発した噴霧水によって燃焼排ガス量が増加するため、上記集塵機等の排ガス処理設備を大型化せざるを得なくなる。また、空気予熱器において予熱される流動用空気の温度を下げる手段もあるが安定して運転制御することが難しく、さらに流動層炉内をボイラー構造として熱回収量を増やす手段では設備が複雑化するとともにコストの増大を招く。

さらにまた、下水汚泥は集約処理されることが多くなってきていて、含水率や発熱量などの汚泥性状の変動が従来よりも大きくなっており、流動層焼却設備を安定して運転することが難しくなってきている。そして、これらの問題は、特に燃焼排ガスによって発生した圧縮空気を流動用空気として流動層炉に供給する上述した加圧流動炉設備において一層顕著となる。

本発明は、このような背景の下になされたもので、設備の大型化や複雑化、コスト増大を招くことなく、被処理物の性状が変動しても安定的かつ容易に運転制御することが可能な流動層焼却設備を提供することを目的としている。

上記課題を解決して、このような目的を達成するために、本発明は、流動用空気によって被処理物を流動しつつ燃焼する流動層焼却炉と、この流動層焼却炉から排出された燃焼排ガスと上記流動用空気との間で熱交換を行う空気予熱器と、この空気予熱器において熱交換された上記流動用空気を上記流動層焼却炉に供給する予熱空気ダクトとを備え、上記予熱空気ダクトには複数のスターリングエンジン発電機が、上記予熱空気ダクトにおける上記流動用空気の供給方向に間隔をあけるとともに、上記流動用空気の供給方向に隣接する上記スターリングエンジン発電機同士が、上記予熱空気ダクトの周方向に異なる位置になるように、螺旋状に配置されて取り付けられていることを特徴とする。

スターリングエンジン発電機は、周知の通り、例えばシリンダー内に収容したディスプレーサピストンとパワーピストンとをクランクシャフトに連結し、このシリンダーの一端部をヒータ部（加熱部）とするとともに他端部を冷却部として、その温度差によるシリンダー内のガスの体積変化によってクランクシャフトを回転させ、このクランクシャフトに連結した発電機により発電を行うものであり、起動時間が短いという特長を有している。

従って、このようなスターリングエンジン発電機を、空気予熱器において熱交換された流動用空気を流動層焼却炉に供給する予熱空気ダクトに複数取り付けた上記構成の流動層焼却設備では、流動層焼却炉における燃焼温度が上昇して燃焼排ガスの熱量が増大したときには、このスターリングエンジン発電機を起動させることにより、流動用空気を冷却して流動層焼却炉における燃焼温度や燃焼排ガスの排ガス温度を速やかに安定させるとともに、余剰熱を電力として回収することができる。

また、起動させるスターリングエンジン発電機の数を燃焼温度に応じて調整することにより、被処理物の性状の変動によって燃焼温度が変化しても容易かつ細やかに対応することが可能である。しかも、予熱空気ダクトに複数のスターリングエンジン発電機を取り付ければよいので、流動層焼却炉内に水を噴霧する場合のように大型の排ガス処理設備を要したり、流動層焼却炉内をボイラー構造とする場合のように設備の複雑化を招いたりすることも少ない。

さらに、スターリングエンジン発電機が取り付けられるのは、空気予熱器によって予熱された清澄な流動用空気であるので、スターリングエンジン発電機のヒータ部を直接流動用空気に晒して加熱しても、例えば燃焼排ガスに加熱部を晒して熱回収する場合のように燃焼排ガス中の粒子成分によって摩耗等の損傷等が生じることがない。このため、予熱空気ダクト内に加熱部を貫通させてスターリングエンジン発電機を取り付けることができ、効率的な発電による熱回収を図ることが可能となる。

また、複数のスターリングエンジン発電機を、予熱空気ダクトにおける流動用空気の供給方向に間隔をあけて取り付けることにより、予熱空気ダクトの内径が小さいときに上述のように予熱空気ダクト内にスターリングエンジン発電機の加熱部を貫通させて取り付けた場合でも、加熱部同士が干渉するのを防いで一層効率的な熱回収を行うことができるとともに、予熱空気ダクト内の流動用空気の流れを妨げることもない。

さらに、このように複数のスターリングエンジン発電機を流動用空気の供給方向に間隔をあけて取り付ける場合には、流動用空気の供給方向に隣接するスターリングエンジン発電機同士を、予熱空気ダクトの周方向に異なる位置に取り付けることにより、供給方向側に位置するスターリングエンジン発電機への流動用空気による加熱が妨げられるのを防ぐとともに、予熱空気ダクト内の流動用空気の流れを一層安定させることができる。また、同じく複数のスターリングエンジン発電機を流動用空気の供給方向に間隔をあけて取り付ける場合に、これら複数のスターリングエンジン発電機のうち、最も空気予熱器側に位置するスターリングエンジン発電機から流動層焼却炉側に向けて、流動用空気の供給方向に順次スターリングエンジン発電機を起動する制御手段を備えることにより、より高温の流動用空気から熱回収を図ることができて効率的であるとともに、スターリングエンジン発電機を追加起動した際に、既に起動しているスターリングエンジン発電機に供給される流動用空気の熱量が変動することがないため、安定した発電を行うことが可能となる。

従って、特に本発明の上記構成は、流動用空気が空気予熱器から排出された燃焼排ガスによって駆動される過給機を介して空気予熱器に供給される、特許文献１に記載されたような加圧流動炉設備に適用して、流動層焼却炉内の燃焼温度が高温になりがちであるために効果的である。

なお、本発明では、予熱空気ダクトには複数のスターリングエンジン発電機が取り付けられていることが必須であるが、他の箇所にスターリングエンジン発電機を取り付けることを妨げるものではない。例えば、予熱空気ダクトの他に、流動層焼却炉に他のスターリングエンジン発電機が取り付けて、予熱された流動用空気の温度が低いにも関わらず、被処理物の性状によって燃焼排ガスの温度が高い場合には、この他のスターリングエンジン発電機を起動して熱回収を行ってもよい。

以上説明したように、本発明によれば、設備の大型化や複雑化を招くことなく、被処理物の性状の変動等による流動層焼却炉の燃焼温度の変化に容易かつ速やかに対応して、安定した流動層焼却設備の運転制御を行うことが可能となる。

本発明の一実施形態を示す流動層焼却設備の概略図である。図１に示す実施形態における予熱空気ダクトの（ａ）平面図、（ｂ）側面図である。

図１および図２は、本発明の流動層焼却設備の一実施形態を示すものである。なお、開示の技術は以下の実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができる。図１において符号１で示すのは被処理物を流動させつつ燃焼する加圧式の流動層焼却炉であり、この流動層焼却炉１内には流動媒体が充填されていて、流動層焼却炉１内に供給された下水汚泥、し尿汚泥、食品廃棄物、生ごみや都市ゴミ等の被処理物が、炉床部から供給される高温、高圧の流動用空気Ａによって流動媒体と流動させられつつ加熱されて燃焼させられる。流動層焼却炉１には、図示されない補助燃焼装置や始動用バーナと、炉内の燃焼温度や排ガス温度、圧力等の状態を測定し、同じく図示されない焼却設備の制御手段に出力する温度計や圧力計等の計装機器が備えられる。

流動層焼却炉１において被処理物が燃焼させられて発生した高温の燃焼排ガスＢは、例えばシェルアンドチューブ式の空気予熱器２に供給され、流動層焼却炉１に供給される流動用空気Ａとの間で熱交換されることにより、この流動用空気Ａを加熱して高温に昇温する。流動層焼却炉１の燃焼排ガス出口と空気予熱器２とを連結する燃焼排ガス用ダクトには、燃焼排ガス温度を測定し、上記制御手段に出力する図示しない温度計が備えられている。

こうして空気予熱器２において流動用空気Ａを加熱した燃焼排ガスＢは、集塵機３に供給されて該燃焼排ガスＢに含有されたダスト等が除塵される。この集塵機３は、例えば有底筒状のセラミックフィルターを多数備えたバグフィルターであり、微小な細孔を有するこのセラミックフィルターを燃焼排ガスＢが通過する際に、燃焼排ガスＢ中のダスト等が捕集されて除塵されることにより、燃焼排ガスＢを清浄化するものである。

この集塵機３において清浄化された燃焼排ガスＢは、過給機４に供給される。この過給機４は、清浄化された燃焼排ガスＢが供給されて高速回転させられるタービンと、このタービンに同軸に連結されて一体に高速回転することにより高圧の圧縮空気を発生するコンプレッサーとを備えた周知の、いわゆるターボチャージャーである。この過給機４のコンプレッサーには大気Ｃがフィルター等を介して吸引されて供給され、該コンプレッサーにおいて発生した圧縮空気は上記流動用空気Ａとして空気予熱器２に供給されて、上述のように燃焼排ガスＢとの間で熱交換される。

こうして過給機４において圧縮空気を発生させた燃焼排ガスＢは、白煙防止熱交換器５に供給されて白煙防止用空気Ｄとの間で熱交換された後、排煙処理塔６において苛性ソーダ水および水が噴霧されることにより、不純物等が除去されるとともに冷却処理される。さらに、冷却された燃焼排ガスＢは煙突７に供給されて、白煙防止熱交換器５で熱交換した白煙防止用空気Ｄと混合されて加熱され、白煙の発生が防止された状態で外部に排出される。

そして、上記空気予熱器２において熱交換された流動用空気Ａを流動層焼却炉１に供給する供給管８に予熱空気ダクト９が直列に接続されて設けられており、この予熱空気ダクト９には複数のスターリングエンジン発電機１０が取り付けられている。予熱空気ダクト９は、供給管８の管径がスターリングエンジン発電機１０のヒータ部１０Ａの長さに対して小さい場合や圧力損失が大きくなりすぎる場合に、供給管８の途中に取り付けられるものであって、中央部が供給管８より大径の円筒状に形成されるとともに、両端部は先細りとなる円錐台状に形成されて供給管８に気密に接続される。

また、スターリングエンジン発電機１０は、例えば上述のようにクランクシャフトに連結されたディスプレーサピストンとパワーピストンがシリンダー内に収容されて、このシリンダーの一端部が上記ヒータ部（加熱部）１０Ａとされるとともに、他端部は冷却水が供給されて冷却される冷却部１０Ｂとされ、またクランクシャフトが収容されたケース１０Ｃには発電機１０Ｄが連結されている。本実施形態のスターリングエンジン発電機１０は、上記ヒータ部１０Ａを予熱空気ダクト９の外部から内部に貫通させるとともに、冷却部１０Ｂ、ケース１０Ｃ、および発電機１０Ｄは予熱空気ダクト９の外部に位置させて、予熱空気ダクト９に気密に取り付けられている。

さらに、本実施形態では、複数（例えば図２に示すように４つ）のスターリングエンジン発電機１０は、図２（ｂ）に示すように予熱空気ダクト９における流動用空気Ａの供給方向Ｆに間隔をあけて取り付けられている。また、このうち流動用空気Ａの供給方向Ｆに隣接するスターリングエンジン発電機１０同士は、予熱空気ダクト９の周方向に異なる位置に取り付けられている。

具体的に、本実施形態の複数のスターリングエンジン発電機１０は、図２に示すように上記供給方向Ｆに等間隔に配設されるとともに、この供給方向Ｆに隣接するもの同士は予熱空気ダクト９の周方向にも等間隔に位置をずらして配設されている。しかも、これらのスターリングエンジン発電機１０は、供給方向Ｆに向けて一方の周方向（本実施形態では供給方向Ｆ側から見て時計回り方向）に位置をずらして予熱空気ダクト９を一周するように配設されていて、すなわち螺旋状に配置されている。

このような流動層焼却設備では、通常運転の際には、空気予熱器２から一定の予熱温度（例えば６５０℃）に予熱された流動用空気Ａが供給管８および予熱空気ダクト９を通して流動層焼却炉１に供給され、被処理物が一定の燃焼温度で燃焼させられることにより、やはり一定の排ガス温度の燃焼排ガスＢが発生する。なお、こうして各温度が一定で安定した通常運転が行われているときは勿論、当該流動層焼却設備の始動時にはスターリングエンジン発電機１０は停止して始動時の補助燃料使用量を削減する。

ここで、供給される被処理物の性状の変動などにより、流動層焼却炉１の燃焼温度が上記一定の燃焼温度より高い温度（例えば８５０℃以上）になったり、燃焼排ガスＢの排ガス温度が上記一定の排ガス温度よりも高い温度（例えば８４０℃以上）となったりしたときには、これを流動層焼却炉１、または燃焼排ガス用ダクトに備えられた上記温度計によって検知して、上記制御手段により、複数のスターリングエンジン発電機１０のうち、まず最も空気予熱器２側の１つのスターリングエンジン発電機１０を起動し、流動用空気Ａを熱源として発電を行うとともに流動用空気Ａの温度を上記一定の予熱温度に維持する、もしくは上記一定の予熱温度よりも下げる。

また、こうして最も空気予熱器２側のスターリングエンジン発電機１０を起動しても燃焼温度や排ガス温度が低下しない場合や、燃焼温度や排ガス温度の上昇が止まらず、さらに高い燃焼温度（例えば８６０℃以上）や排ガス温度（例えば８５０℃以上）となったときには、最も空気予熱器２側のスターリングエンジン発電機１０の次に空気予熱器２側に位置する１つのスターリングエンジン発電機１０を起動して流動用空気Ａの温度を下げる。このように、流動層焼却炉１の燃焼温度や燃焼排ガスＢの排ガス温度に応じて空気予熱器２側からスターリングエンジン発電機１０を順次起動して流動用空気Ａの温度を下げることにより、燃焼温度や排ガス温度を上述した一定の燃焼温度や排ガス温度に戻す。

このようなスターリングエンジン発電機１０は、クランクシャフトの回転が止まって停止している状態から起動するまでの起動時間が短く、温度制御の追従性が高いため、上記構成の流動層焼却設備では燃焼温度や排ガス温度が上昇しても速やかに対応することができる。また、予熱空気ダクト９には複数のスターリングエンジン発電機１０が取り付けられているので、起動させるスターリングエンジン発電機１０の数を燃焼温度や排ガス温度に応じて調整することにより、燃焼温度や排ガス温度の変化にも容易かつ細やかに対応して安定させることができる。さらに、排ガス処理設備の大型化や流動層焼却炉１の構造の複雑化を招くこともなく、しかも余剰な熱を電力として効率的に回収できる。

そして、さらに上記構成の流動層焼却設備では、このようなスターリングエンジン発電機１０が、流動層焼却炉１から空気予熱器２への燃焼排ガスＢの排出路に設けられて排ガス温度を低下させることにより流動用空気Ａの予熱温度を低下させるのではなく、空気予熱器２から流動層焼却炉１への流動用空気Ａの供給管８に設けられた予熱空気ダクト９に取り付けられていて、燃焼前の清澄な流動用空気Ａを熱源としている。

このため、本実施形態のようにヒータ部１０Ａを予熱空気ダクト９内に貫通させて直接燃焼用空気Ａに晒しても、燃焼排ガスＢに晒される場合のように燃焼排ガスＢ中の粒子成分によってヒータ部１０Ａが摩耗して損傷するようなこともなく、長期に亙って安定した燃焼温度や排ガス温度の制御を図ることができる。また、こうしてヒータ部１０Ａを燃焼用空気Ａに直接晒して発電を行うことができるので、効率的な熱回収を促すことも可能となる。

特に、本実施形態のように、流動用空気Ａが空気予熱器２から排出された燃焼排ガスＢによって駆動される過給機４を介して空気予熱器２に供給される加圧流動炉設備では、過給機４によって加圧された流動用空気Ａが流動層焼却炉１に供給されるので、流動層焼却炉１内の燃焼温度や燃焼排ガスＢの排ガス温度が高温になりがちで変動も大きい。このため、そのような加圧流動炉設備に上記構成を適用して燃焼温度や排ガス温度の安定化を図ることは効果的である。

一方、本実施形態では、複数のスターリングエンジン発電機１０が、予熱空気ダクト９における流動用空気Ａの供給方向Ｆに間隔をあけて取り付けられており、予熱空気ダクト９の内径が小さい場合にスターリングエンジン発電機１０のヒータ部１０Ａを貫通させて取り付けても、供給方向Ｆに隣接するスターリングエンジン発電機１０のヒータ部１０Ａが干渉し合うのを防ぐことができる。

このため、特に図２（ａ）に示したようにヒータ部１０Ａが予熱空気ダクト９の中心を超えて突出するように貫通している場合でも、干渉を生じることなく複数のスターリングエンジン発電機１０を配設して確実な熱回収を図ることができる。しかも、供給方向Ｆの同じ位置にヒータ部１０Ａが突出している場合のように予熱空気ダクト９内の流動用空気Ａの安定した流れが妨げられるのも防ぐことができる。さらに、こうして供給方向Ｆに間隔をあけたスターリングエンジン発電機１０を、上述のように最も空気予熱器２側のスターリングエンジン発電機１０から起動するように上記制御手段によって制御することにより、より高温の流動用空気Ａから熱回収を図ることができるので効率的である。加えて、最も空気予熱器２側に位置するスターリングエンジン発電機１０から流動層焼却炉１側に向かって位置するスターリングエンジン発電機１０を順に起動させることで、スターリングエンジン発電機１０が追加起動した際に、既に起動しているスターリングエンジン発電機１０に供給される流動用空気Ａの熱量が変動することがないため、安定した発電を行うことが可能となる。

また、本実施形態では、こうして複数のスターリングエンジン発電機１０が流動用空気Ａの供給方向Ｆに間隔をあけて取り付けられているのに併せて、この供給方向Ｆに隣接するスターリングエンジン発電機１０同士が、予熱空気ダクト９の周方向にも異なる位置に取り付けられている。従って、供給方向Ｆの手前側（空気予熱器２側）のスターリングエンジン発電機１０のヒータ部１０Ａによって供給方向Ｆ側（流動層焼却炉１側）に隣接するスターリングエンジン発電機１０のヒータ部１０Ａへの流動用空気Ａによる加熱が妨げられるような事態を防いで、さらに確実な熱回収を図ることができる。また、予熱空気ダクト９内の流動用空気Ａの流れを一層安定化することもできる。

特に、本実施形態では、上述したようにスターリングエンジン発電機１０が予熱空気ダクト９に螺旋状に配設されており、この螺旋が１周するまでは、供給方向Ｆ側のスターリングエンジン発電機１０の供給方向Ｆと反対側に次のスターリングエンジン発電機１０のヒータ部１０Ａが突出することはない。このため、スターリングエンジン発電機１０のシリンダーの少なくとも他端部側においては、ヒータ部１０Ａを高温の流動用空気Ａに晒すことができて、一層効率的な熱回収を図ることができる。

なお、本実施形態では、空気予熱器２から流動層焼却炉１に流動用空気Ａを供給する供給管８の途中に、この供給管８よりも大径の予熱空気ダクト９が接続されて複数のスターリングエンジン発電機１０が取り付けられているが、供給管８が十分に大径であれば、このような予熱空気ダクト９を別に接続することなく、供給管８自体を予熱空気ダクトとして複数のスターリングエンジン発電機１０を取り付けてもよい。

さらに、図１および図２では予熱空気ダクト９が垂直方向に延びているが、水平方向に延びる予熱空気ダクト９に複数のスターリングエンジン発電機１０が取り付けられていてもよい。

また、このように空気予熱器２において熱交換された流動用空気Ａを流動層焼却炉１に供給する予熱空気ダクト９に複数のスターリングエンジン発電機１０を取り付けるのに併せて、図１に符号１１で示すように流動層焼却炉１に他のスターリングエンジン発電機を取り付けてもよい。

例えば、図示のように流動層焼却炉１の上部の、燃焼排ガスＢの排出部付近に他のスターリングエンジン発電機１１を取り付ければ、予熱された流動用空気Ａの温度は低いにも関わらず、被処理物の性状によって燃焼排ガスＢの温度が高い場合に、この他のスターリングエンジン発電機１１を起動することにより、必要以上に流動用空気Ａの温度を低下させることなく、燃焼排ガスＢの温度を低下させることともに熱回収を行うことができる。

なお、本実施形態では、スターリングエンジン発電機１０の起動条件を、流動層焼却炉１の燃焼温度、または、燃焼排ガス用ダクト内の排ガス温度としているが、予熱空気ダクト９や供給管８に流動用空気Ａの温度を測定する温度計を備え、この流動用空気Ａの温度を起動条件とすることもできる。

１流動層焼却炉
２空気予熱器
３集塵機
４過給機
５白煙防止熱交換器
６排煙処理塔
７煙突
８流動用空気Ａの供給管
９予熱空気ダクト
１０スターリングエンジン発電機
１０Ａヒータ部
１０Ｂ冷却部
１０Ｃケース
１０Ｄ発電機
１１他のスターリングエンジン発電機
Ａ流動用空気
Ｂ燃焼排ガス
Ｃ大気
Ｄ白煙防止用空気
Ｆ供給方向

Claims

流動用空気によって被処理物を流動しつつ燃焼する流動層焼却炉と、この流動層焼却炉から排出された燃焼排ガスと上記流動用空気との間で熱交換を行う空気予熱器と、この空気予熱器において熱交換された上記流動用空気を上記流動層焼却炉に供給する予熱空気ダクトとを備え、上記予熱空気ダクトには複数のスターリングエンジン発電機が、上記予熱空気ダクトにおける上記流動用空気の供給方向に間隔をあけるとともに、上記流動用空気の供給方向に隣接する上記スターリングエンジン発電機同士が、上記予熱空気ダクトの周方向に異なる位置になるように、螺旋状に配置されて取り付けられていることを特徴とする流動層焼却設備。
上記複数のスターリングエンジン発電機のうち、最も上記空気予熱器側に位置するスターリングエンジン発電機から上記流動層焼却炉側に向けて、上記流動用空気の供給方向に順次上記スターリングエンジン発電機を起動する制御手段を備えていることを特徴とする請求項１に記載の流動層焼却設備。
上記流動用空気は、上記空気予熱器から排出された上記燃焼排ガスによって駆動される過給機を介して上記空気予熱器に供給されることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の流動層焼却設備。
上記流動層焼却炉には、他のスターリングエンジン発電機が取り付けられていることを特徴とする請求項１から請求項３のうちいずれか一項に記載の流動層焼却設備。