JP2022043107A

JP2022043107A - 汚泥焼却装置及び汚泥焼却方法

Info

Publication number: JP2022043107A
Application number: JP2021196310A
Authority: JP
Inventors: 啓二戸村; Keiji Tomura; 敦平山; Atsushi Hirayama; 純宮田; Jun Miyata
Original assignee: JFE Engineering Corp
Current assignee: JFE Engineering Corp
Priority date: 2019-09-11
Filing date: 2021-12-02
Publication date: 2022-03-15
Also published as: JP2021046543A

Abstract

【課題】流動層全体への着熱効率を高めるとともに、流動層温度を高温に維持しながら被焼却物の安定燃焼に寄与することが可能な汚泥焼却装置及び汚泥焼却方法を提供することを課題とする。
【解決手段】流動層式焼却炉１と、前記流動層式焼却炉１の流動層より上方から前記流動層式焼却炉１内へ汚泥を供給する汚泥供給部である被焼却物供給装置２及び被焼却物供給部１６と、少なくとも廃プラスチックを含む可燃物と砂とを一体に固化した固形化燃料Ｂを、前記流動層式焼却炉１の流動層より上方から前記流動層式焼却炉１内へ供給する供給部である燃料供給装置３及び燃料供給部１７と、を有する。
【選択図】図１

Description

従来から、汚泥等の可燃物である被焼却物を効率よく燃焼させる焼却炉として流動層式焼却炉が多用されている。この流動層式焼却炉は、助燃材を用い、流動層に対し、炉底部からノズルを介して流動・燃焼用空気を吹き込んで、この流動層を構成する砂層を流動させ、砂層の流動と砂の優れた伝熱特性を利用して被焼却物を解砕・ガス化させるとともに、発生した可燃ガスを燃焼させる燃焼室であるフリーボードを流動層の上方の空間に形成する。とりわけ、被焼却物の含有水分量が多い場合、被焼却物はそれ単体では自燃しないため、天然ガスや重油などの助燃材を砂層内で燃焼させることにより砂層を十分に加熱すれば、被焼却物を燃焼させることができる。

ところで、近年、廃プラスチックの処理が課題となっており、それを有効利用できる場が求められているのは、周知の事実である。そこで、特許文献１では、流動層式汚泥焼却炉で、廃プラスチックと汚泥とを混在した状態で焼却させることを提案している。この特許文献１によれば、汚泥の焼却に際して、廃プラスチックを助燃材として有効利用することができるとともに、従来、流動層式汚泥焼却炉の助燃材として使用されていた化石燃料の削減に寄与するため、被焼却物としての汚泥の焼却の際のコストの削減になるという長所もある。

特開平１１－１８２８３４

しかしながら、特許文献１に開示された技術に使用される廃プラスチックは、それ自体の密度が低く、汚泥と単に混合しても、廃プラスチックが砂層内へ降下する前に、砂層表面（層上面）付近で速やかに燃焼してしまうため、フリーボード部の温度は上がるものの砂層全体への着熱が良好とはいえず、ひいては砂層温度の低下を招き汚泥の燃焼に支障が出るという課題があった。また、廃プラスチックと汚泥を流動層式焼却炉への投入前に混合すると、廃プラスチックが汚泥搬送設備内でコンベアスクリューなどにからまり、詰まりを生ずるという課題もあった。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、流動層全体への着熱効率を高めるとともに、流動層温度を高温に維持しながら被焼却物の安定燃焼に寄与することが可能な汚泥焼却装置及び汚泥焼却方法を提供することを課題とする。

本発明に係る汚泥焼却装置は、流動層式の焼却炉と、前記焼却炉の流動層より上方から前記焼却炉内へ汚泥を供給する汚泥供給部と、少なくとも廃プラスチックを含む可燃物と砂とを一体に固化した固形化燃料を、前記焼却炉の流動層より上方から前記焼却炉内へ供給する供給部と、を有する。

本発明に係る汚泥焼却方法は、流動層式の焼却炉を用いる汚泥焼却方法であって、前記焼却炉の流動層より上方から前記焼却炉内へ汚泥を供給し、少なくとも廃プラスチックを含む可燃物と砂とを一体に固化した固形化燃料を、前記焼却炉の流動層より上方から前記焼却炉内へ供給する。

本発明によれば、流動層全体への着熱効率を高めるとともに、流動層温度を高温に維持しながら被焼却物の安定燃焼に寄与することが可能な汚泥焼却装置及び汚泥焼却方法を提供できる。

本発明の固形化燃料を助燃材として用いて被焼却物を焼却処理する流動層式焼却炉及び関連設備を示す構成図である。実施例１の実験結果を示すグラフである。実施例２の実験結果を示すグラフである。

以下、添付図面に基づき本発明の実施形態を説明する。

図１は、本発明の固形化燃料を助燃材として被焼却物を焼却処理する流動層式焼却炉及びその関連設備を示す概要構成図である。

図１において、符号１は被焼却物を焼却する流動層式焼却炉（以下、「焼却炉」）であり、焼却炉１には、焼却炉１に汚泥等の被焼却物Ａを供給する被焼却物供給装置２、焼却炉１に助燃材としての固形化燃料Ｂを供給する燃料供給装置３、焼却炉１内で流動砂としての硅砂からなる流動層Ｃを形成する流動ガスとしての空気を供給するブロワ等の空気供給装置４、焼却炉１からの排ガスＥを処理する排ガス処理装置５、空気供給装置４からの空気を排ガスＥと熱交換して昇温させる熱交換器６が接続されている。なお、本実施形態では、流動砂として硅砂を使用することとしたが、他の砂を使用してもよい。

焼却炉１は、縦長の炉本体１１の底部に、空気透過材で形成される透気床１２が設けられ、透気床１２の下方を風箱１３として形成している。風箱１３の側壁には、空気供給装置４からの空気が熱交換器６で昇温された後にこの風箱１３に送入されるための空気送入部１４が設けられている。

焼却炉１は、透気床１２の上方が燃焼空間１５として形成され、燃焼空間１５には、流動砂が投入されていて、風箱１３に空気供給装置４から空気が供給されている状態で、燃焼空間１５に被焼却物Ａと固形化燃料Ｂとが投入されると、透気床１２の直上となる燃焼空間１５の下部には、流動砂の流れにより流動層Ｃが形成され、また、流動層Ｃの上方には、フリーボード部Ｄが形成される。

焼却炉１の高さ方向中間部には、流動層Ｃの上層部よりも上方位置に被焼却物供給装置２から被焼却物Ａを炉内に供給する被焼却物供給部１６が設けられ、同様に流動層Ｃの上層部よりも上方位置に固形化燃料Ｂを炉内に供給する燃料供給部１７が設けられている。さらに、焼却炉１の頂部には、フリーボード部Ｄからの排ガスＥを熱交換器６へ導入する管路が接続された排ガス排気部１８が設けられている。

被焼却物供給装置２は、多湿な廃棄物の被焼却物Ａとして、例えば汚泥あるいは汚泥を含む他の廃棄可燃物を適宜混合して、被焼却物供給部１６から炉内へ供給するようになっている。被焼却物供給装置２は、被焼却物Ａを混合し貯留する被焼却物貯留部２Ａと、被焼却物Ａを搬出して被焼却物供給部１６へ向け搬出するフィーダ部２Ｂとを有している。ここで汚泥とは、流動層式焼却炉で焼却される多湿の廃棄物を指し、例えば、下水処理場から排出される下水汚泥、工場排水等の処理により排出される汚泥である。

燃料供給装置３は、砂と廃プラスチック含有可燃物の供給を受けこれを加圧して固形化燃料Ｂを成形する燃料成形装置３１と、燃料成形装置３１から固形化燃料Ｂを受けて貯留し、この固形化燃料Ｂを所定量だけ搬出して焼却炉１の燃料供給部１７へ向け搬出する燃料貯留搬出装置３２とを有している。燃料貯留搬出装置３２は、固形化燃料Ｂを貯留する槽状の燃料貯留部３２Ａと固形化燃料Ｂを所定量だけ切り出して搬出するスクリューフィーダ等のフィーダ部３２Ｂとを有しており、フィーダ部３２Ｂが燃料供給部１７に管路を経て接続されている。

燃料成形装置３１は、固形化燃料Ｂの原料として、砂の供給を受けるとともに、廃プラスチック含有可燃物、すなわち廃プラスチックと他の可燃物（例えば、古紙、廃繊維、廃畳等）、あるいは廃プラスチックのみを受けて、廃プラスチック含有可燃物を適宜破砕しながら砂と混合し、この混合物を加圧して適度な大きさの粒塊状に圧縮成形して固形化燃料Ｂとするように構成されている。ここで、固形化燃料Ｂに使用される砂は、一般砂の他に、硅砂、さらに、鉄分含有粒体等であってもよい。本実施形態では、固形化燃料Ｂに使用される砂は硅砂、すなわち流動砂と同質の砂であることとする。なお、燃料成形装置３１は焼却炉１の機側に設置され、燃料成形装置３１に接続された燃料貯留搬出装置３２から固形化燃料Ｂが焼却炉１へ供給されるようになっていても良いが、燃料成形装置３１が焼却炉１とは別の敷地に設置され、焼却炉１が設置された敷地まで製造された固形化燃料Ｂを運搬し供給するようにしても良い。

次に、図１に示された本実施形態の装置を用いた固形化燃料の製造要領、そしてこの固形化燃料を助燃材として用いた被焼却物の焼却要領を説明する。

先ず、焼却炉１には、被焼却物Ａとしての汚泥あるいは汚泥と他の廃棄物が被焼却物供給装置２で混合された状態で被焼却物供給部１６から供給される。汚泥等の被焼却物Ａは可燃物を含有しているので、外部から十分加熱することで燃焼する。

一方、燃料供給装置３の燃料成形装置３１には、砂及び廃プラスチック含有可燃物が投入される。廃プラスチック含有可燃物は、廃プラスチックのみの場合もある。廃プラスチック含有可燃物は、燃料成形装置３１内で適宜破砕されて砂と混合して混合物が形成され、混合物が加圧を受けて適度な大きさの粒塊状に圧縮成形されて固形化燃料Ｂを形成するようになる。この固形化燃料Ｂは、砂と一体に固化されているので比重が大きく、炉内の流動層Ｃ内を降下しやすくなっている。かかる固形化燃料Ｂは、燃料供給装置３の燃料貯留搬出装置３２における燃料貯留部３２Ａに貯留されてから、適量がフィーダ部３２Ｂで切り出されて搬出され、燃料供給部１７から助燃材として炉内へ供給される。そして、焼却炉１内では、風箱１３へ送入された空気が透気床１２を透気して上昇し、透気床１２上にある被焼却物Ａと固形化燃料Ｂとが、流動砂による流動層Ｃ内で流動する。

被焼却物Ａは、可燃物を含むので、焼却炉１の炉内で一旦着火すると、継続して燃焼することが可能であるが、被焼却物Ａの含有水分量が多い場合には燃焼性が低い。そのため、被焼却物Ａを燃焼させるために、助燃材としての固形化燃料Ｂが用いられ燃焼を促進させる。本実施形態では、固形化燃料Ｂは、砂と廃プラスチック含有可燃物とが加圧されて粒塊状をなしており、比重が大きいため、流動層Ｃの表面で燃え尽きることなく、速やかに降下し流動層Ｃの内部にまで達する。したがって、この固形化燃料Ｂは流動層Ｃ全体で燃焼し、流動層Ｃ全体の流動砂を加熱し流動砂への着熱効率を高める。その結果、被焼却物Ａは流動砂により加熱され、流動層Ｃの内部で燃焼するとともに、可燃ガスと未燃物としての灰分を生じ、可燃ガスはフリーボード部Ｄで燃焼して高温の排ガスＥを生じ排ガス排気部１８から排気され、灰分は炉底部の排出口（図示せず）から炉外へ排出され、適宜処分される。また、流動層Ｃで固形化燃料Ｂの廃プラスチック含有可燃物が燃焼すると、固形化燃料Ｂを構成していた砂が残存する。本実施形態では、廃プラスチック含有可燃物と混合されて固形化燃料Ｂを構成している砂は、既述したように、硅砂である。つまり、廃プラスチック含有可燃物の燃焼後に残存する砂は硅砂であり、これは流動層Ｃを形成する流動砂である硅砂と同質であり、そのまま流動層Ｃ内に流動砂として留まっても、流動層の機能を何ら損なうことはない。

高温の排ガスＥは熱交換器６へもたらされ、空気供給装置４からの空気との熱交換により空気を昇温させ、排ガスＥ自体は降温し排ガス処理装置５で無害化された後、大気へ放出される。

熱交換器６で排ガスＥとの熱交換により昇温した空気は、空気送入部１４から風箱１３に送入された後、透気床１２を透気上昇して、透気床１２より上方の燃焼空間１５で、流動砂による流動層Ｃの形成に寄与するとともに、フリーボード部Ｄでの可燃ガスの燃焼に寄与する。

固形化燃料Ｂに使用される砂は、本実施形態では流動砂と同質の砂である硅砂であることとしたが、流動砂と同質であることは必須ではない。例えば、流動砂よりも比重の大きい砂を固形化燃料Ｂに使用した場合には、この砂は、流動層Ｃ内で固形化燃料Ｂが燃焼した後、流動砂として炉内に留まることなく、灰分とともに炉底部の排出口から炉外へ排出されることとなる。

また、本発明は図1に示す流動層式焼却炉への適用に限定されるものではなく、焼却炉出口にサイクロンとサイクロンで捕捉された流動砂の炉への循環路を兼ね備えた循環流動層式焼却炉への適用も可能である。

以下、固形化燃料に含まれる砂が硅砂である場合の実施例を「実施例１」として、また、固形化燃料に含まれる砂が鉄分含有粒体としての製鉄ダストである場合の実施例を「実施例２」として説明する。

＜実施例１＞
次の設定条件にて汚泥と固形化燃料を流動層式焼却炉で混焼する実験を行った。
（１）運転条件
・流動層寸法：直径５００ｍｍ（流動層式焼却炉の炉本体内径）
・流動砂：硅砂５．５号
・ガス空塔速度：０．３ｍ／ｓ（炉本体底部への注入空気速度）
・被焼却物：汚泥と固形化燃料（汚泥は、脱水した下水汚泥である）
・汚泥の熱量（低位発熱量）：５ＭＪ／ｋｇ
・固形化燃料の熱量（低位発熱量）：３２ＭＪ／ｋｇ
・固形化燃料の組成：プラスチック及び硅砂（プラスチックは、ポリエチレン、ポリプロピレン、ＰＥＴ等、多種のプラスチックの混合物であり、硅砂は流動砂と同じものであり、硅砂の混合比率は表１に記載されている）
・固形化燃料の形状：円柱状成形物
（外径は、２０ｍｍもしくは３０ｍｍであり、長さは３０～６０ｍｍである）

（２）運転方法および評価方法
・炉本体の炉頂より汚泥と固形化燃料を流動層に向けて投入した。
・各種外径、長さの固形化燃料に対する各条件とも、時間当たりの汚泥投入量を等しくした。
・固形化燃料は、時間当たりの供給熱量が等しくなるように供給速度を調整した。すなわち、硅砂は熱量をもたないため、プラスチック部分の供給量を一定とした。
・炉本体底部から流動層下部へ供給する空気量も一定とし、空気比１．３５で供給した。
・各条件についての設定条件では、燃焼熱により流動層の砂層の温度が経時的に上昇していく。そこで、砂層の温度を一定値（７５０℃）に制御するために、便宜的に砂層内に連続的に水を供給した。その水の供給量を「冷却水供給量」とした。
・供給する固形化燃料の砂層への着熱効率が高いほど、冷却水供給量は増加する。そのため、冷却水供給量を着熱効率の指標とすることとした。すなわち、固形化燃料の砂混合比率０％の条件での冷却水供給量を１とし、これに対する相対値（着熱効率相対値）で各条件の冷却水供給量を評価した。

（３）実験結果

砂混合比率（重量％）＝（固形化燃料中の砂重量）／（固形化燃料中の砂重量＋固形化燃料中のプラスチック重量）

この表１の結果は、図２のごとくである。表１、図２からは、次のことがわかる。
・実験結果として、砂混合比率が０の場合に比べ、砂混合比率が５重量％～７０重量％の範囲で着熱効率が上昇した。
・特に、砂混合比率が０の場合に比べ、砂混合比率が５重量％～６０重量％の範囲では、着熱効率の上昇が顕著であった。

着熱効率が向上することは、実際には炉に供給しなければならない固形化燃料の供給量を少なくすることに繋がり、コスト削減や二酸化炭素排出量の抑制等に寄与する効果がある。

＜実施例２＞
次の設定条件にて汚泥と固形化燃料を流動層式焼却炉で混焼する実験を行った。
（１）運転条件
・流動層寸法：直径５００ｍｍ（流動層式焼却炉の炉本体内径）
・流動砂：硅砂５．５号
・ガス空塔速度：０．３ｍ／ｓ（炉本体底部への注入空気速度）
・被焼却物：汚泥と固形化燃料（汚泥は、脱水した下水汚泥である）
・汚泥の熱量（低位発熱量）：５ＭＪ／ｋｇ
・固形化燃料の熱量（低位発熱量）：３２ＭＪ／ｋｇ
・固形化燃料の組成：プラスチック及び製鉄ダスト（プラスチックは、ポリエチレン、ポリプロピレン、ＰＥＴ等、多種のプラスチックの混合物であり、製鉄ダストは鉄が主成分で粒径は０．２～０．５ｍｍであり、製鉄ダストの混合比率は表２に記載されている）
・固形化燃料の形状：円柱状成形物
（外径は、３０ｍｍであり、長さは３０～６０ｍｍである）

（２）運転方法および評価方法
実施例１と同様とした。

（３）実験結果

製鉄ダスト混合比率（重量％）＝（固形化燃料中の製鉄ダスト重量）／（固形化燃料中の製鉄ダスト重量＋固形化燃料中のプラスチック重量）

この表２の結果は、図３のごとくである。表２、図３からは、次のことがわかる。
・実験結果として、製鉄ダスト混合比率が０の場合に比べ、製鉄ダスト混合比率が５重量％～７０重量％の範囲で着熱効率が上昇した。
・特に、製鉄ダスト混合比率が０の場合に比べ、製鉄ダスト混合比率が５重量％～６０重量％の範囲では、着熱効率の上昇が顕著であった。

１流動層式焼却炉
Ａ被焼却物
Ｂ固形化燃料

Claims

流動層式の焼却炉と、
前記焼却炉の流動層より上方から前記焼却炉内へ汚泥を供給する汚泥供給部と、
少なくとも廃プラスチックを含む可燃物と砂とを一体に固化した固形化燃料を、前記焼却炉の流動層より上方から前記焼却炉内へ供給する供給部と、
を有する汚泥焼却装置。
流動層式の焼却炉を用いる汚泥焼却方法であって、
前記焼却炉の流動層より上方から前記焼却炉内へ汚泥を供給し、
少なくとも廃プラスチックを含む可燃物と砂とを一体に固化した固形化燃料を、前記焼却炉の流動層より上方から前記焼却炉内へ供給する、
汚泥焼却方法。