JP2001132937A - 焼却炉排気ガスの急速冷却方法とその装置 - Google Patents

焼却炉排気ガスの急速冷却方法とその装置

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cooling
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泰三 長岡
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 ゴミ焼却施設からのダイオキシンの大気中へ
の拡散を防止する上で、現在大きなネックとなっている
排気ガスの急速冷却を確実に実現できる実用性の高い方
法と、その装置を提供すること。 【解決手段】 焼却炉1からの排気ガスが通過する減温
塔3内において、壁面より排気ガス中に加圧高温水を噴
霧し、その水滴を凝集させないで完全に蒸発させ、その
時に排気ガスから気化熱を奪って冷却する。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は焼却炉の排気ガスか
らダイオキシンを発生させないために、高温の排気ガス
を急速に冷却する方法とその装置に関するものである。
【0002】
【従来の技術】近年、ゴミ焼却施設から発生すると見ら
れる猛毒のダイオキシンに対して大きな感心が寄せられ
ており、ゴミ焼却施設の周辺に住む住民はその汚染の実
体を把握できないままに、過熱するマスコミの報道に左
右され大きな不安を抱えながら生活している。ダイオキ
シンは有機塩素化合物が不完全燃焼した時に発生するこ
とはよく知られているが、完全燃焼させても塩化水素と
ともに微量のエチレン、アセチレン等の低級ハイドロカ
ーボンが残り、排気ガスが熱交換機や集塵機を通過する
過程で排気ガスの温度が320℃〜450℃付近に達し
た時に、煤塵中のCu,Zn,Feの塩化物が触媒とな
り、デノボ合成反応によってダイオキシンが再合成され
ることが分かってきた。ダイオキシン生成のメカニズム
が解明されるのに伴い、国はその主要な発生源と見られ
るゴミ焼却施設の構造や維持、管理について法律によっ
て厳しく規制することとなった。ゴミ焼却施設の構造に
ついては三つの重要な項目がある。一番目は焼却炉にお
いて燃焼ガスを800℃以上に2秒間以上とどめること
(そのような温度ではダイオキシンは分解される。)。
二番目は焼却炉から出た排気ガスを800℃から200
℃まで速やかに冷却すること(ダイオキシンが再合成さ
れる得る300〜400℃付近の温度域に排気ガスをと
どめないため。)。三番目は排気ガスの出口に高性能の
集塵装置や温度計を設けて排気ガスの管理を行うこと。
【0003】上記の3項目のうち、一番目と三番目は比
較的たやすくクリアできる。しかし、二番目の排気ガス
を800℃から200℃まで速やかに冷却するというの
は技術的に極めて困難なものであった。これまでこれを
行うために、以下に述べる2種類の方法が取られてい
る。まず一つは熱交換器を用いて冷却する方法である。
この熱交換器は膨大な仕事量が要求されるために焼却炉
自体よりも大きくなることも少なくないが、いかに大型
の熱交換器をもってしても、800℃の排気ガスを僅か
2〜3秒のうちに200℃まで冷却することなど不可能
である。それどころか排気ガスの温度が300〜400
℃の合成適温状態に入った時、伝熱面に付着した飛散灰
中の重金属塩化物が触媒となってダイオキシンが生成さ
れる恐れがあり、この方法は好ましい方法とは言えな
い。
【0004】もう一つは排気ガスを冷却装置である減温
塔に導き、その内部で冷水をノズルで噴霧して冷却する
方法であり、これまで急速冷却のためにはこの方法が最
も効果的であると考えられていた。しかしながらこの方
法を以てしても200℃までの急速冷却は不可能なのが
現状である。冷水の噴霧による冷却作用について理論的
に説明すると、水滴はその粒径によって同じ温度の水が
持つ蒸気圧よりも高い蒸気圧を持つことがケルビンの式
等から分かっており、高温の排気ガス中に噴霧された水
滴は温度は低いながら、それより高い温度の水が持つ蒸
気圧を持っており、排気ガスによって過熱されて水滴の
表面から蒸発が始まる。しかし水滴は充分に温まらない
内に過飽和蒸気になるため、過飽和解消のため水滴同士
の凝集が起こり、その凝集が連鎖反応となって大粒の水
滴となり落下してゆく。この現象は自然界で雨が降るの
と同じ現象である。この方法によると排気ガスの冷却が
不十分となるばかりでなく、減温塔の底に水が溜まり、
煤塵等と混ざってドロドロの有害堆積物が生まれ、その
処分に多大な労力と費用が必要となっている。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】このように今のところ
排気ガスを急速冷却する決定的な手段が確立されておら
ず、多くのゴミ焼却施設では冷却が不十分の状態のま
ま、やむなく排気ガスを大気中に放出しているのが現状
である。本発明は以上に述べたような実情に鑑みて成さ
れたものであって、ゴミ焼却施設からのダイオキシンの
大気中への拡散を防止する上で、現在大きなネックとな
っている排気ガスの急速冷却を確実に実現できる実用性
の高い方法と、その装置を提供することを目的とする。
【0006】
【課題を解決するための手段】上記の課題を達成するた
めに、本発明による焼却炉排気ガスの急速冷却方法は、
焼却炉からの排気ガスが通過する減温塔内において、壁
面より排気ガス中に加圧高温水を噴霧し、その水滴を凝
集させないで完全に蒸発させ、その時に排気ガスから気
化熱を奪って冷却するものである。
【0007】熱い物を冷やすのに熱い温水を用いる本発
明の方法は、一見どこか矛盾しているようにも見える
が、実は自然法則の理にかなった優れた方法と言える。
高温水を用いることの利点は大きく分けて2点ある。1
点目は高温水であるために水滴粒子が過飽和蒸気圧にな
ることが無く、よって水滴同士の凝集が発生せず、その
まま蒸発消滅して排気ガスの急速冷却が可能となる点で
ある。2点目は高温水にすることで水の粘度が常温時の
約1/3程度迄下がることから、水滴の粒が非常に細か
い状態で噴霧できる点である。噴霧液体の粒径は、その
液体の粘度によって支配され、他の条件が殆ど無視でき
ることが棚沢、小林氏らの行った実験によって明らかと
なっている。同氏らは寸法が異なり、流量がほぼ等しい
うず巻噴射弁で、うず巻室、噴出孔の各種寸法、噴射液
の性質、噴射圧力などをそれぞれ変えて沈降塔で粒度分
析を行い、次のような平均粒径の実験式を求めた。
【0008】
【数1】
【0009】f1(ν,ξ1),f2(ν,ξ2),f
3(ν,ξ3),f4(ν,ξ4)は、数1の(1b)式か
ら(1f)式に示すように粘度のみの関数である。水の
場合は上記の数1の(1a)式中に(1b)式が代入さ
れる。(1a)式から平均粒径が粘度の関数であること
が分る。ちなみに常温の水をいくら高い圧力を加えてノ
ズルから噴霧しても水滴の粒径はせいぜい20〜50μ
mであるが、高温水を同じ条件で噴霧するとその粒径は
5〜20μmにまで細かくなる。水滴が細かくなれば、
当然のことながら表面積が増えて蒸発しやすくなり冷却
能力が増すことになる。加圧高温水を噴霧した場合に
は、上記の二つの作用により800℃の高温排気ガスを
瞬時に200℃程度まで冷却することが可能である。高
温水の温度は最低でも60℃以上とする。
【0010】加圧高温水の温度が大気圧における沸点、
すなわち100℃以上であるとより一層効果的である。
ノズルから噴霧された100℃以上の水の粒は、大気圧
中では一瞬のうちに破裂してサブミクロンの微細な粒に
分離する、いわゆるフラッシングと呼ばれる現象が起こ
るためである。このことから加圧高温水の温度は120
℃前後が最適であると言える。
【0011】一方、本発明の焼却炉排気ガスの急速冷却
装置は、一方に排気ガスの導入口、他方に排出口を設け
て内部を排気ガスが通過するようにした減温塔と、加圧
高温水の発生手段と、減温塔の壁面より内部を通過する
排気ガスに向けて加圧高温水を噴霧する噴霧手段と、排
気ガスの冷却状況を検知して噴霧する加圧高温水の流量
を調節する制御手段とから構成される。
【0012】加圧高温水の発生手段としては、焼却炉の
周囲を循環して冷却している温水(約90℃)をそのま
ま引き込んでポンプで加圧するものであっても良いし、
焼却炉の後に廃熱ボイラーが設置してある場合には、廃
熱ボイラーのスチームによって水を加熱するものであっ
ても良い。ゴミ焼却施設には、様々な形で熱源が豊富に
あるわけで、これらを利用して加圧高温水を得ることは
いたって容易なことである。
【0013】
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図面
に基づいて説明する。図1に示したのが本発明の排気ガ
スの急速冷却装置を組み込んだゴミ焼却施設の全容であ
る。各装置の構造と働きについて順に説明を加えると、
焼却炉1はゴミを800℃以上の高温で完全燃焼させる
装置であり、焼却炉1の壁面は循環ポンプ10で冷却水
11を循環させて冷却している。焼却炉1を出た800
℃の高温排気ガスは廃熱ボイラー12に送られる。廃熱
ボイラー12では排気ガスの熱を奪ってスチーム13を
発生させ、これを暖房や発電等に利用するものである。
廃熱ボイラー12を通過した排気ガスは600〜700
℃程度まで減温される。
【0014】続いて排気ガスは、本発明の要部であると
ころの急速冷却を行う減温塔3に送られる。減温塔3は
2本の円筒体を底の部分で繋いだような形になってい
て、長い方の円筒体の上部に形成された導入口4から入
った高温排気ガスは、冷却されながらいったん下降し、
もう一方の円筒体の上部に形成された排出口5から吸引
されて出ていく。減温塔3の壁面には多数の温水噴射ノ
ズル6を備えており、同じ高さ位置のノズル6は図2に
示すように円環状のパイプ14で繋がっている。上下数
段に渡って設けた各パイプ14を流れる温水の流量は、
流量制御バルブ15によって個別に制御されている。
【0015】流量制御バルブ15へは焼却炉1の壁面を
冷却している冷却水11(約90℃前後)をポンプ16
で加圧してそのまま供給するか、あるいは加圧高温水発
生装置7によって得た120℃前後の加圧高温水を供給
する。加圧高温水発生装置7は、例えば前述の廃熱ボイ
ラー12のスチーム13を、アトマイザー18によって
直接水に送り込むといった方法によって加圧高温水を得
るものである。
【0016】また、減温塔3前後の排気ガスの経路には
温度計19a、19bが取り付けてあり、検出した実際
の排気ガスの温度を目標値と比較演算し、その演算結果
から流量制御バルブ15にフィードバックを掛けて流量
を調節して目標の排気ガス温度に近付ける温度コントロ
ール制御(TIC)を行う。
【0017】上記のように構成された減温塔3では、通
過する高温の排気ガスに対して120℃の加圧高温水が
サブミクロンオーダーの微細な水滴粒子となって多量に
噴霧され、該水滴粒子は瞬時に蒸発して排気ガスの熱を
奪うので、僅か2〜3秒の内に排気ガスの温度を200
℃程度まで確実に冷却することができる。800℃の排
気ガスを廃熱ボイラー12を通さずに直接減温塔3に通
しても同じように冷却可能である。
【0018】減温塔3によって200℃程度まで冷却さ
れた排気ガスは集塵機(バグフィルター)20に通さ
れ、微量ながらも生成されてしまったダイオキシンが窒
素酸化物や硫黄酸化物等とともに、微量の石灰および活
性炭を吹き付けて、濾布21によってほぼ完全に吸着除
去される。集塵機20を通った排気ガスは、排気ファン
22によって誘引されて煙突23から大気中に放出され
る。放出されるガス中のダイオキシンの量は、厚生省策
定のガイドラインによる許容値0.1ナノグラム/立方
メートルを楽にクリアできるものである。
【0019】
【発明の効果】以上に述べたように、本発明の方法並び
に装置によればゴミ焼却炉からの800℃の高温排気ガ
スを速やかに200℃程度まで冷却することが可能であ
り、ダイオキシンが生成されやすい300℃〜400℃
の温度域をごく短時間で通過することから、ダイオキシ
ンの生成を極力抑えることができる。また、従来の冷水
噴霧方式の冷却装置のように装置内部が水浸しになるこ
とが無く、保守・管理がいたって容易である。さらに本
発明は、そうした現在主流となっている冷水噴霧式の冷
却装置においても、冷水を温水に切り替えることによっ
て冷却能力の飛躍的な向上が期待できることを掲示して
いるのに他ならないのであって、本発明によって持たら
される効果は計り知れない。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明による急速冷却装置を組み込んだゴミ焼
却施設全体の概略図である。
【図2】減温塔の横断面図である。
【符号の説明】
1 焼却炉 3 減温塔 4 導入口 5 排出口 6 温水噴射ノズル(噴霧手段) 7 加圧高温水発生装置(加圧高温水の発生手段)
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Fターム(参考) 3K062 AA18 AB02 AC01 BA02 BB02 CA01 CB09 DA01 DA21 DB28 3K065 AA18 AB02 AC01 BA02 BA06 JA02 JA05 JA18 3K070 DA05 DA37 DA58 4D002 AA21 BA04 BA13 BA14 CA01 DA05 DA12 DA35 DA41 EA02 EA05 GA02 GA03 GB03 GB04 GB06 GB20 4K056 AA05 AA12 CA20 DB05 DB07 FA08

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 焼却炉(1)からの排気ガスが通過する
    減温塔(3)内において、壁面より排気ガス中に加圧高
    温水を噴霧し、その水滴を凝集させないで完全に蒸発さ
    せ、その時に排気ガスから気化熱を奪って冷却する焼却
    炉排気ガスの急速冷却方法。
  2. 【請求項2】 一方に排気ガスの導入口(4)、他方に
    排出口(5)を設けて内部を排気ガスが通過するように
    した減温塔(3)と、加圧高温水の発生手段(7)と、
    減温塔(3)の壁面より内部を通過する排気ガスに向け
    て加圧高温水を噴霧する噴霧手段(6)と、排気ガスの
    冷却状況を検知して噴霧する加圧高温水の流量を調節す
    る制御手段と、から構成される焼却炉排気ガスの急速冷
    却装置。
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