JPH0359327B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、流動床を用いて燃焼物を焼却せしめ
る流動床焼却炉に関するものである。

［従来技術］ 流動床燃焼炉においては、燃焼空気は、主とし
て、流動床を形成する流動砂の流動化のために流
動床面の吹出部から押込むように供給される押込
空気により兼用されることが多い。その場合押込
圧力は、下記の式により近似的に表わすことがで
きる。

［押込圧力］≒［炉内圧力］＋［流動床の層の高さ］×
［流動床のかさ密度］＋［吹出部の圧力損失］ この押込圧力は通常1000mmAgを超え、それに
更にダクト圧損や空気予熱器、コントロールダン
パ等の圧損も見込むため押込空気の送風動力は、
単純な焼却処理設備の場合、全所要動力の３割前
後に達することも珍らしくなかつた。

また、、押込空気による流動砂の流動は、吹上
げる空気に対する抵抗に基づく流動砂の浮遊化に
よるものであつて、押込風量が増加する程空気の
吹上速度も高まり、流動砂の運動も急速に激しく
なる。それに伴つて流動砂自体、流動床部分の壁
および流動床底面の吹上部等における摩耗が急速
に増大する。従つて、流動床の面積は押込風量か
ら決まつてしまう。

そこで、或る程度以上の規模の燃焼炉において
は、燃焼用空気の全量を押込送風機による押込空
気として供給することはせず、その一部を別の風
圧も100〜300mmAg程度の送風機で炉のフリーボ
ード部に二次空気として供給することによつて、
所要の動力と炉床面積とを減少することを図つて
いる。その際、フリーボード部にどのように二次
空気を吹込むかによつてフリーボード部における
燃焼状態が変化し、排ガス中の窒素酸化物の濃度
や流動床の温度に大きく影響することが知られて
いる。

燃焼物が窒素分を多く含む場合や、高発熱量の
ものであるときには、いわゆる低空気比運転を行
なうのが普通である。これは二次空気の比率を特
に高めて押込空気の風量を抑え、流動床部におけ
る空気量を燃焼物の必要とする理論空気量の1.2
倍前後より少なくするもので、この場合には、二
次空気の吹込方法の影響は一層大きくなる。

二次空気の吹込位置の影響をみるに、二次空気
を吹込む場合の吹込位置があまり流動床部に近い
と、流動砂が舞上ることによつてフリーボード部
から熱を回収していたのが、逆に吹込空気によつ
て熱を奪われることになり、そのため流動床部の
熱のバランスが悪化する。流動床燃焼炉において
は流動床の温度は即ち、流動床部における燃焼温
度であつて、燃焼状態に影響する重要なフアクタ
ーであり、それが低すぎるときは燃焼反応速度が
低下して熱のバランスをさらに悪化し、流動床温
度が下がり続けて遂には燃焼を維持できないこと
になる。従つて、流動床の温度は燃焼物によつて
も異なるが500℃以上、一般には600℃以上に保つ
必要があり、600℃以下になると、この熱バラン
スの悪化は、流動床温度を維持するための助燃の
必要性を生ずるに至る。

なお、流動床の温度が高すぎると、流動砂の強
度の低下による消耗や、燃焼物の種類によつては
流動砂の融着といつた事態を招くため、流動砂の
種類や焼却物に含まれる塩類などによつて異なる
が900℃、一般には800℃を超えることは避けなけ
ればならず、流動砂の温度は例えば都市ごみ焼却
炉は一般に600〜800℃の範囲に維持することが必
要である。

上記とは逆に、二次空気が、フリーボード部の
あまり上方の位置から水平に近い方向で吹込まれ
ると、十分燃焼空気として利用されないうちに排
ガスとして炉から排出されてしまう。

さらに、フリーボード部に形成される火炎近傍
の壁から直接火炎に向けて二次空気が吹込まれる
と、二次空気が高温に予熱されていない限り、二
次空気との直接の混合により燃焼ガスの温度が低
下してしまい、燃焼の促進とは逆の結果になつて
しまう。

また、燃焼物に窒素分が多く含まれる場合、流
動床燃焼炉は低空気比運転を行なうことによつ
て、燃焼反応中に還元反応である脱硝反応を進行
させて排ガス中の窒素酸化物濃度を低下させるこ
とができる。しかしながら、流動床を出たガスに
直ぐ二次空気を供給すると、ガスの温度が低下し
て脱硝反応が中途で停止してしまつたり、逆に火
炎温度が上昇しすぎて、二次空気の酸素により窒
素酸化物が生成する恐れもあつた。

さらに、低空気比運転においては、どうしても
多くの未燃焼分がフリーボード部に供給されるた
め、フリーボード部での燃焼が効果的に行なわれ
ないと、未燃焼分がそのまま排出されることにな
り、公害防止上でも問題であり、また熱交換器や
ボイラ等により燃焼熱を回収するようにした設備
の場合には、排出した未燃焼分だけエネルギの利
用ができないことになり、効率の低下は避けられ
なかつた。そのため、低空気比運転とはいいなが
ら、実際には理論空気量程度の空気量を押込空気
として供給せざるを得ず、このため折角の流動床
焼却炉の燃焼速度が大きいという特徴を生かしき
れずに、流動床面積は大となる欠点があつた。

［発明が解決しようとする問題点］ 本発明は、従来のものにおける上記の如き問題
点、即ち、二次空気の吹込位置や方向の影響によ
り焼却炉内の熱バランスの悪化を招き燃焼が阻害
されたり、二次空気が無駄に素通りしたり、窒素
酸化物濃度の低下が阻止されたりすること、或い
は、流動床形成用の押込空気量が過大となつて流
動床面積が燃焼負荷に対して過大となること、な
どの問題点を解決する流動床焼却を提供すること
を目的とするものである。

［問題点を解決するための手段］ 本発明は、下から通ガス面積の狭い流動床部２
と通ガス面積が徐々に拡大するスロート部３及び
通ガス面積が広いフリーボード部４とを順次持つ
た焼却炉１であつて、前記流動床部２の底面５を
流動床形成用空気の吹出部とし、流動床に対向す
るフリーボード部４の炉頂壁６の中央に燃焼物投
入口７を備えた流動床焼却炉において、前記燃焼
物投入口７の周囲に二次空気吹込ノズル８を鉛直
下方に向けて設置して、かつ炉頂壁面に開口した
状態に設けて、前記フリーボード部４に中央部が
下降流で炉壁周辺部が上昇流となる鉛直方向回流
を前記空気吹出部の空気と二次空気吹込ノズルか
らの空気とで形成したことを特徴とする流動床焼
却炉である。

［実施例］ 以下図面に示す実施例に基づいて本発明を説明
する。

第１図はボイラ化壁を備えたフリーボード部を
有する単純な型式の流動床燃焼炉である第１の実
施例を示す。

燃焼炉１は下から通ガス面積の狭い流動床部
２、通ガス面積が徐々に拡大するスロート部３お
よび通ガス面積が広いフリーボード部４の三部分
に大別することができる。流動床部２の底面５は
下方から押込まれる流動床形成用空気の吹出部と
なつており、その上方の浮遊化した流動砂が流動
床部２を形成している。スロート部３はフリーボ
ード部４と流動床部２の中間域であつて、流動砂
は安定した浮動状態でなく流動床部から上昇する
流動砂とフリーボード部４から落下する流動砂と
が激しく交錯し、流動砂がちゆう密に存在する区
域である。フリーボード部４は、流動床部２から
スロート部３を通つて上昇した流動砂が稀薄な区
域である。フリーボード部４の炉頂部の頂壁６
の、流動床中央部の鉛直上方に当る部分には燃焼
物投入口７が設けられ、その付近の周囲に二次空
気吹込ノズル８が鉛直下方に向けて設置されてい
る。また頂壁６の隅に形成された突出部には、燃
焼排ガスノズル９が設けられている。フリーボー
ド部４の下部から燃焼物投入口７、吹込ノズル８
および排ガスノズル９を除く頂壁６に至るまでの
炉の内壁は、水管の設置などにより、いわゆるボ
イラ化壁１０として構成されている。

次に第１実施例の作用を説明する。

流動床部２においては、底面５から流動床用空
気が吹込まれ、それにより流動砂は浮遊状態とな
つている。燃焼物投入口７から投入された燃焼物
は、流動床の中央部に落下する。そこで燃焼物は
流動砂や流動床内のガスによつて加熱され、水分
の蒸発による水蒸気や、燃焼または熱分解による
ガスを発生し、燃焼物自体ガスや流動砂との衝突
により、流動床内に分散する。また、流動床部を
上昇するガスは、それら燃焼物や燃焼物から発生
するガスなどの作用により側方に偏向されて炉壁
に沿う上昇流となり、この上昇流を補う形で炉中
央部には下降流が形成される。そして頂壁６の中
央部に上記下降流を助勢するように吹込ノズル８
から二次空気がほぼ垂直下方に向けて吹込まれる
ため、フリーボード部４には、中央部が下降流で
炉壁に沿う周辺部が上昇流となる鉛直方向回流が
形成される。そこで、投入口７から投入された燃
焼物は効率よく流動床に到達する。

また吹込まれた二次空気は、燃焼がほぼ完了し
たガスと混合し、下降中さらに輻射熱をうけるな
どして十分昇温された後、スロート部３の近傍で
流動床部２から上昇してきた未燃物を多く含むガ
スと衝突するため、衝突後直ちに火炎を形成して
効果的に未燃分の燃焼を行なうことができる。し
かも、燃焼後のガスと予混合されているため、酸
素濃度は比較的低く、火炎部の温度上昇は比較的
小さいために火炎部での窒素酸化物の生成が抑制
される効果もある。又、そこで火炎の位置はスロ
ート部３近傍となり、躍動する流動砂を介して効
率的に流動床を加熱すると共に、輻射熱により下
方の流動床を直接加熱することになる。従つて、
流動床内で燃焼物が燃焼する割合、即ち燃焼率が
低くフリーボード部に排出する未燃分が多い場合
でも、熱収支は良好となる。しかも、流動床２内
での燃焼率が低下すれば、それを補なう形でフリ
ーボード部４における火炎が一層増強され、その
火炎による加熱量が増大するため、流動床の温度
は高く、かつ安定したものとなる。

本実施例によれば、火炎位置を低くすることが
できるので、フリーボード部における燃焼をその
低い部分でほぼ完了させることができ、従つて未
燃分の量に比較してフリーボード部４の容積を小
さくすることができる。その結果、燃焼量が同じ
であれば、下から吹込まれる流動床用空気用、即
ち空気比を下げて流動床面積を縮小し、かつフリ
ーボード容積も従来と同等或いはそれより小さい
全体にコンパクトな燃焼炉を得ることができる。

本実施例は、フリーボード部４の低い部分に火
炎を形成し、そこで燃焼をほぼ完了させてしまう
ことができるため、フリーボード部４において積
極的に外部に熱を取出しても燃焼または流動床温
度に対する悪影響のおそれが少ない。また燃焼済
の高温ガスが壁面に沿つて流れることにより、ボ
イラ化壁１０の伝熱量が多くなるという副次的効
果も生ずる。従つて、廃棄物を燃焼してその熱を
回収し有効利用しようとする場合、本実施例の燃
焼炉は極めて有利である。

第２図は、スロート部３から上方フリーボード
部４までの部分の構造は第１実施例と同じである
が、スロート部３下方の流動床部２が特殊な構造
である本発明の第２実施例を示す。

第２実施例において、流動床部２は移動層部１
１と流動層部１２との二部分から構成され、炉壁
からオーバーハングさせたデフレクタ１３を設け
るなどして、流動床部２内においても旋回流を発
生するようになつている。

移動層部１１では、底面５からの吹込空気量を
流動砂が浮遊するのに必要な最小限のものとし、
流動砂は他律的移動状態に保持される。一方流動
層部１２では底面５からの吹込空気量を多くし、
流動砂は激しく運動してスロート部３から躍り出
してフリーボード部４に舞い上る状態に保持され
る。

移動層部１１は燃焼物が落下してくる流動床の
中央部に形成され、その両側はデフレクタ１３を
備えた流動層部１２となつている。そして、移動
層部１１に落下してきた燃焼物は、スロート部３
から落ちてきた或いは流動層上部から舞込んでき
た流動砂にすみやかに覆われ下降してゆく移動層
にひきずり込まれ、流動床部２に埋没してしま
う。一方、底部の流動層部１２側では、流動砂が
激しく舞上つているため、移動層部１１側流動砂
は流動層部１２側の運動に引摺られ、図のような
旋回運動を行なう。それに伴つて供給燃焼物も分
散し、流動床全体に拡散する。

そのため、第１実施例よりも流動床面積が広い
場合でも燃焼物を特別な方法で供給することなし
に、良好な燃焼状態を得ることができる。

流動床部２の炉壁上端には、内方に向つてオー
バーハング状に傾斜したデフレクタ１３が設けら
れているため、下方から吹込まれた空気を含むガ
スは強い方向性を与えられながら流動床部から噴
出し、スロート部３を通過した後丁度反対側の壁
或いは側壁に衝突するように進行し、衝突後第１
実施例の場合と同様にその運動エネルギーは分散
して炉壁内面に沿う上昇流となる。この上昇流は
流動床部からの噴出がデフレクタ１３によつて強
められているので、フリーボード部４における旋
回流は第１実施例の場合よりさらに強力である。
また上昇するガス流が強くかつ左右交差している
ことから、中央下降流との混合も良好で生じる火
炎が燃焼速度の大きく体積の大きな火炎となるた
め、流動砂との熱交換量や流動床の受熱効率も高
く、第１実施例より一層強い作用を奏する。

ボイラ化壁１０は、第１および第２実施例を通
じて、炉壁近傍を上昇する燃焼ガス流れに加え
て、火炎からの輻射熱によつても加熱される。そ
のため、体積の大きい火炎により高い熱貫流係数
が得られる。また直接炉内において熱交換が行な
われるため、炉頂温度を抑えて水スプレーやダス
トが煙道に溶融付着を防止するための、過剰な二
次空気の吹込みなどによるガスの冷却が回避さ
れ、従つて熱回収の絶対量を増加することができ
る。このように伝熱面積が小さくても多量の熱回
収が可能となる。

流動床の温度が800℃以上にもなると、それを
抑えるため流動床に直接水を注入することが従来
から行なわれてきたが、このような従来の方法で
は熱回収量が減少してしまう。これに対し、流動
床に対する空気の吹込量を減少させて燃焼率を下
げるようにすれば、本実施例の燃焼炉の場合フリ
ーボード部での未燃分の燃焼を確実に行なうこと
ができると共に火炎の効果を増大することができ
るので、熱回収量を低下させずにすむので有利で
ある。

なお、第１および第２の実施例の燃焼炉は、水
平断面を矩形としても或いは円形としてもよい。
また、天井壁は必ずしも水平でなくてもよく、例
えば炉はボイラー化壁とせずフリーボード部が傾
斜し、そのままガス冷却室やボイラに接続する形
のものであつても中央の下降流とスロート部近傍
の状況は本質的に第１、２の実施例と同様であ
り、本発明は有効に適用される。又、特に第２の
実施例で巾が１〜２ｍと狭い流動床の場合、必ず
しも炉頂から燃焼物を供給する必要はなく、炉の
側壁中央から供給してもよい。

［発明の効果］ 本発明は、燃焼物投入口の周囲に二次空気吹込
ノズルを鉛直下方に向けて設置して、かつ炉頂壁
面に開口した状態に設けて、前記フリーボード部
に中央部が下降流で炉壁周辺部が上昇流となる鉛
直方向回流を前記空気吹出部の空気と二次空気吹
込ノズルからの空気とで形成したことにより、フ
リーボード部の低い部分に火炎を形成し、そこで
燃焼をほぼ完了させることができ、フリーボード
部において積極的に外部に熱を取出しても燃焼ま
たは流動床温度に対する悪影響がなく、しかも燃
焼済の高温ガスが壁面に沿つて流れるので炉周壁
のボイラ化壁の伝熱量は多くなり、廃棄物を燃焼
する際に熱回収による有効利用が大幅に高められ
る、即ち、二次空気が吹込口から流動床に達する
までに十分予熱昇温された後に未燃分を含むガス
と衝突して直ちにスロート部近傍において火炎を
形成するため、燃焼中のガスを冷却して熱バラン
スを悪化させることなしに燃焼を促進することが
でき、また流動床用空気量を少なくして流動床面
積を小さくすることが可能となり、コンパクトな
燃焼炉を得ることができる。

例えば、燃焼物の低位発熱量が3000Kcal／Kg
もあれば、流動床底面よりの空気吹込量は余熱な
しに理論空気量の半分程度で間に合い、従つて流
動床面積を半分程度にすることが可能で、そのた
めフリーボード部容積の増加なしでも燃焼上問題
は生じない。しかもボイラー化壁とすれば、小さ
な伝熱面積で大きい熱回収が可能であり、熱貫流
係数を平均80Kcal／m²時℃程度まで上げること
ができる。

本発明により流動床燃焼炉はその性能を大幅に
改善され、特に廃棄物を焼却してその燃焼熱を回
収利用する炉においてその改善が顕著である。

【図面の簡単な説明】

第１図および第２図は、本発明のそれぞれ第１
および第２実施例の縦断側面図である。 １……燃焼炉、２……流動床部、３……スロー
ト部、４……フリーボード部、５……底面、６…
…頂壁、７……燃焼物投入口、８……吹込ノズ
ル、９……排ガスノズル、１０……ボイラ化壁、
１１……移動層部、１２……流動層部、１３……
デフレクタ。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 下から通ガス面積の狭い流動床部２と通ガス
   面積が徐々に拡大するスロート部３及び通ガス面
   積が広いフリーボード部４とを順次持つた焼却炉
   １であつて、前記流動床部２の底面５を流動床形
   成用空気の吹出部とし、流動床に対向するフリー
   ボード部４の炉頂壁６の中央に燃焼物投入口７を
   備えた流動床焼却炉において、前記燃焼物投入口
   ７の周囲に二次空気吹込ノズル８を鉛直下方に向
   けて設置して、かつ炉頂壁面に開口した状態に設
   けて、前記フリーボード部４に中央部が下降流で
   炉壁周辺部が上昇流となる鉛直方向回流を前記空
   気吹出部の空気と二次空気吹込ノズルからの空気
   とで形成したことを特徴とする流動床焼却炉。