JP4321797B2 - 含水物燃焼処理設備およびその方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、処理に先立って乾燥を要する下水汚泥や生ごみ等の含水物の燃焼処理設備及びその方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年の廃棄物処理設備においては、省エネルギー化の要請により、焼却や溶融に伴って発生する排熱を回収し、同設備内の熱源として又は発電機により電気エネルギーとして有効利用している。
【０００３】
例えば含水廃棄物処理設備において排熱の有効利用を図るものとしては、特公平７−２４７３３号公報に開示される技術がある。この従来技術は、蒸気と含水廃棄物とを直接接触させて乾燥を行う蒸気直接乾燥機と、この乾燥機により乾燥した乾燥廃棄物を燃焼する燃焼炉とを備え、熱交換器を用いて乾燥機により使用した使用済み蒸気を燃焼炉の排ガスとの熱交換により加熱し、再び乾燥機に循環供給するように構成したものである。
【０００４】
また、かかる処理設備における燃焼炉としては、自然放冷式のものが一般的に使用される。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、自然放冷式の燃焼炉は放熱量が極端に少なく、過熱状態となり易く炉内耐火材が損傷し易いという問題点があった。
【０００６】
そこで、本発明の主たる課題は、炉内温度を効率良く低下させて耐火材を効果的に保護する技術を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決した本発明は、蒸気と含水物とを直接接触させて乾燥を行う蒸気直接乾燥機と、この乾燥機により乾燥した乾燥物を燃焼する自然放冷型燃焼炉とを備え、前記乾燥機により使用した使用済み蒸気を前記燃焼炉の排ガスとの熱交換により加熱し、再び前記乾燥機に循環供給するように構成した含水物燃焼処理設備であって、
前記循環蒸気の一部を前記燃焼炉に供給して燃焼炉の過熱を防止するように構成した、
ことを特徴とする含水物燃焼処理設備である。
【０００８】
本発明では、前記熱交換後に前記乾燥機に供給される蒸気の一部を、前記燃焼炉に供給するように構成するのが望ましい。前記循環蒸気の一部を、予め加熱した空気と混合した後に前記燃焼炉に供給するのも好ましい。特に、前記乾燥機内圧を測定する圧力計と、この圧力計の測定結果に応じて前記燃焼炉へ供給する循環蒸気量を制御する手段とを備えたものとするのも好ましい。
【０００９】
他方、本発明の含水物燃焼処理方法は、蒸気と含水物とを直接接触させて乾燥を行い、この乾燥した乾燥物を燃焼炉で燃焼する一方で、前記乾燥に使用した使用済み蒸気を前記燃焼炉の排ガスとの熱交換により加熱し、再び前記乾燥に利用する燃焼処理方法であって、
前記循環蒸気の一部を前記燃焼炉に供給して燃焼炉の過熱を防止する、
ことを特徴とするものである。
【００１０】
（作用効果）
含水物に蒸気を直接接触させて乾燥する場合、乾燥時の水分の蒸発により循環蒸気は経時的に増加するため、これを必要に応じて系外に排出する必要がある。他方、燃焼炉が自然放冷式の場合、過熱を防ぐためには多量の空気を炉内に供給しなければならない。しかるに、本発明に従って炉内に循環蒸気の一部を吹き込むことにより、循環蒸気量の調節を行えるだけでなく、蒸気の比熱が空気の倍程度あるために、空気のみの場合と比較して著しく少ない吹き込み量で炉内温度を調節できるのである。特に汚泥等の廃棄物においては、循環蒸気に多量の悪臭成分が含まれているが、燃焼炉内に吹き込まれると悪臭成分が熱分解されるという副次的な利点もある。ただし、燃焼炉内に吹き込む蒸気が低温の場合には、炉内温度が急激に下がり温度調節は困難となるので、そのような場合には前述のように予め加熱した空気と混合してから炉内に吹き込むのが好ましい。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明について、下水汚泥処理設備の例を引いて詳説する。
図１及び図２は、本発明を適用した下水汚泥処理設備例のフロー図を示している。図１中の符号１は、汚泥ピットを示しており、ここに貯留された汚泥Ｓは、図示しないクレーン等により図示しないホッパーに移送されそこに付属する汚泥供給ポンプ２により乾燥機３に供給される。
【００１２】
乾燥機３においては、後述する排ガスとの熱交換によって加熱済みの約４００℃程度の蒸気を乾燥熱源として汚泥が乾燥される。この乾燥機３としては、本発明に従って蒸気と含水廃棄物とを直接接触させて乾燥を行う蒸気直接乾燥タイプのものが用いられる。
【００１３】
汚泥との熱交換により減温した蒸気は、約１５０℃程度となって集塵機３Ｃに対して供給され、ここで乾燥汚泥ダストが分離回収された後、蒸気循環ファン３Ｆにより後述の一段目の蒸気加熱器８に供給される。なお、なお、集塵機３Ｃとしてはバグフィルタまたはサイクロンを複数段設けるのが好ましい。
【００１４】
乾燥機３により乾燥され排出された乾燥汚泥、および集塵機３Ｃにより回収した乾燥汚泥ダストは、次いで乾燥汚泥輸送ブロワ４による空気輸送にて溶融炉５へ供給され、燃焼溶融される。燃焼溶融炉５は、本発明では特に限定されないが、図示例の場合、竪型旋回式の予備燃焼炉５０と、その下端に一端が接続された横型主燃焼炉５１と、その他端にスラグシュート５２を介して接続された竪型の混合冷却器５３とから構成された自然放冷式のものであり、乾燥汚泥は予備燃焼炉５０の上部に吹き込まれる。予備燃焼炉５０の上部にはバーナー５４が設けられ、このバーナー５４に対して都市ガス、重油、灯油、廃油等の燃料、ならびにファン５５からの燃焼空気が供給されるように構成されており、予備燃焼炉５０内に旋回方向に沿って吹き込まれた乾燥汚泥は、旋回降下しながらバーナー５４による燃焼フレームにより燃焼溶融され、主燃焼炉５１内を経て、スラグシュート５２から溶融スラグとして排出される。排出した溶融スラグは、水冷スラグコンベヤ６により冷却固化された後に取り出される。
【００１５】
他方、溶融炉５の排ガスは約１３５０〜１４５０℃となっており、これが混合冷却器５３を経て約８５０℃程度まで放冷された後に、空気予熱器７および複数段の蒸気加熱器８〜１０からなる排熱回収部に送られる。本例では、空気予熱器７および一段目の蒸気加熱器８がそれぞれ輻射式熱交換器からなり、二段目および三段目の蒸気加熱器９，１０がシェルアンドチューブ式熱交換器からなるものとされているが、本発明においてはかかる種類及び組み合わせに限定されず、他の公知の熱交換器を用いることもできる。
【００１６】
空気予熱器７は、約２０〜２００℃程度の空気を炉内過熱防止のために主燃焼炉５１内に吹き込むにあたり極端な温度低下を避けるべく、予め溶融炉排ガスとの熱交換により予熱するための熱交換器であり、より詳細には図３に示すように、上部供給口７ｉから下端排出口７ｅへ向けて溶融炉排ガスが流通される縦置き配置の筒状部７Ｔ（例えば、内径１５００〜２５００ｍｍ程度）と、筒状部７Ｔ内の流通排ガスを取り囲むように設けられ、燃焼空気が上端部供給口７ｍから下端部排出口７ｎへ流通される筒状ジャケット部７Ｊとから構成されている。そして、例えば図示のように大気を空気予熱器７に対して直接供給し、供給された空気はジャケット部７Ｊ内を下側へ流通する過程で、筒状部７Ｔ内を並流する溶融炉排ガスとの間接熱交換により、約５００℃程度まで予熱された後、主燃焼炉５１に送られ、炉内温度が適温に抑制される。この予熱空気は予備燃焼炉５０に対しても供給することができる。また、予備燃焼炉５０の上部冷却ジャケットから取り出した約２００℃程度の冷却空気を、大気とともに或いは大気に代えて単独で空気予熱器７に対して供給することもできる。
【００１７】
空気予熱器７を通過した溶融炉排ガスは、約８１１℃程度となって排ガス連通路７０を介して一段目の蒸気加熱器８に供給される。一段目の蒸気加熱器８は、空気予熱器７と基本的には同様の構造とされている。すなわち一段目の蒸気加熱器８は、図３に詳細示すように、下端供給口８ｉから上部排出口８ｅへ向けて溶融炉排ガスが流通される縦置き配置の筒状部８Ｔと、筒状部８Ｔ内の流通排ガスを取り囲むように配置され、乾燥機３から排出された蒸気が下端部供給口８ｍから上端部排出口８ｎへ向けて流通される筒状ジャケット部８Ｊとから構成されている。乾燥機３から排出された約１５０℃程度の蒸気は、ジャケット部８Ｊ内を流通する過程で、筒状部８Ｔ内を流通する溶融炉排ガスとの間接熱交換により約１８１℃程度に加熱される。一方、これにより溶融炉排ガスは約７５０度程度まで冷却される。
【００１８】
次いで本例では、一段目の蒸気加熱器８を通過した蒸気は二段目の蒸気加熱器９、三段目の蒸気加熱器１０の順に流通され、反対に溶融炉排ガスは三段目の蒸気加熱器１０、二段目の蒸気加熱器９の順に流通され、相互に逆流する形態で間接熱交換がなされるようになっている。そしてこれら二段目及び三段目の蒸気加熱器９，１０は、図３に詳細に示すように、シェル９Ｓ，１０Ｓ内に多数のチューブ９Ｔ，１０Ｔを備えたいわゆるシェルアンドチューブ式の熱交換器であり、蒸気がシェル９Ｓ，１０Ｓ内面とチューブ９Ｔ，１０Ｔ外面との間に、および溶融炉排ガスがチューブ９Ｔ，１０Ｔ内にそれぞれ流通され、その過程で蒸気が溶融炉排ガスとの間接熱交換により加熱されるようになっている。
【００１９】
蒸気の流れに沿って詳説すると、先ず二段目の蒸気加熱器９に対しては、一段目の蒸気加熱器８において加熱を終えた約１８１℃程度の蒸気が蒸気連通路８０を介して、および三段目の蒸気加熱器１０において熱交換を終えた約４００℃程度の溶融炉排ガスが排ガス連通路７２を介してそれぞれ供給される。これにより、シェル９Ｓ内を流通する蒸気が、チューブ９Ｔ内を流通する排ガスとの間接熱交換により約２３２℃程度まで加熱される。また溶融炉排ガスは約２５０℃程度まで冷却される。次に、三段目の蒸気加熱器１０には、二段目の蒸気加熱器９において加熱を終えた約２３２℃程度の蒸気が蒸気連通路８１を介して、および一段目の蒸気加熱器８において熱交換を終えた約７５０℃程度の溶融炉排ガスが排ガス連通路７１を介してそれぞれ供給される。これにより、シェル１０Ｓ内を流通する蒸気が、チューブ１０Ｔ内を流通する排ガスとの間接熱交換により約３６９℃程度まで加熱される。また溶融炉排ガスは約４００℃程度まで冷却される。
【００２０】
他方、溶融炉排ガスに含まれるダストは、空気予熱器７、一段目〜３段目の蒸気加熱器８〜１０の下端部に堆積して回収され、図示しない飛灰処理設備で異物除去等の処理を行った後に安定化して外部処分するか、あるいは乾燥汚泥輸送ブロワ４の入側に戻し、乾燥汚泥に混入する。
【００２１】
このように、溶融炉排ガスの排熱回収を順次行う複数段の熱交換器７〜１０のうち、蒸発金属の再固化によるダストが発生し易い前段側熱交換器（空気予熱器７及び一段目の蒸気加熱器８）として、前述構成の輻射式熱交換器を用いたことにより、筒状部の内周面に多少ダストが付着しても、排ガスの流通を阻害又は閉塞するような事態までは至りにくく、清掃も容易であり、かつ高温耐性も十分に確保される。しかも、単にかかる輻射式熱交換器を用いるだけでは熱交換効率が低いために排熱回収部全体の設置スペースが過大となってしまうが、本例では更に、蒸発金属によるダストが発生しにくい後段側熱交換器（二段目及び三段目の蒸気加熱器９，１０）として、単位設置面積あたりの熱交換効率が非常に高くかつ高温耐性も十分にあるシェルアンドチューブ式熱交換器を組み合わせることによって、ダストによる排ガス流通系の閉塞のおそれを少なくしながらも、排熱回収部の設置スペースを最小限に抑えることができる。
【００２２】
ただし、以上のような組み合わせ構成を採用したとしても、熱交換器７〜１０内にダストが付着するのを完全に抑えることはできず、定期的な清掃が必要である。しかし清掃が必要であるとしても、複数段ある熱交換器の全てにダストが付着するのでは、清掃作業が非常に煩雑となる。そこで好適には、図４に示すように、少なくとも蒸発金属によるダストが発生し易い最上流側の熱交換器（空気予熱器７）からの排ガスを次段の熱交換器（一段目蒸気加熱器８）へ送給する排ガス連通路７０に、内部の排ガス流速がその上流側の熱交換器７よりも低速となるように、例えば排ガス流通方向に対する横断面積が上流側の熱交換器７よりも大きいダスト捕捉スペース７０Ｓ，７０Ｓを形成するのが望ましい。特に好適には、ダスト捕捉スペース７０Ｓ，７０Ｓ内における流速が、当該ダスト捕捉スペース７０Ｓ，７０Ｓよりも上流の全ての排ガス流路（すなわち本例の場合、熱交換器７、およびこれと混合冷却器５３との連通路７２）内よりも低速となるように構成するのが望ましい。このダスト捕捉スペース７０Ｓ，７０Ｓにおける流速低下度合いは、一概にはいえないが例えば約２〜５ｍ／秒であるのが望ましい。より具体的には、連通路７２内の流速が５〜１０ｍ／秒、熱交換器７内の流速が３〜６ｍ／秒、およびダスト捕捉スペース７０Ｓ内の流速が２〜５ｍ／秒となるように設計するのが望ましい。
【００２３】
これにより、最上流側の熱交換器７における冷却により発生したダストを伴う排ガスの流速が、次段への排ガス連通路７０内のダスト捕捉スペース７０Ｓ，７０Ｓにおいて低下し、そこに含まれるダストが捕捉スペース７０Ｓ，７０Ｓ内において集中的に捕捉される。よって、最上流側の熱交換器７内にはダストが多少付着するかもしれないが、当該排ガス連通路７０以降の熱交換器８〜１０内ではダストが発生・付着しにくく、流路閉塞のおそれも少なくなり、また清掃作業が著しく容易になる。
【００２４】
また図示のように、空気予熱器７と蒸気加熱器８とをつなぐ横向き排ガス連通路（ダクト）７０が、一端部上壁の供給口７０ｉにおいて空気予熱器７の筒状部の下端排出口７ｅと着脱自在に接続され、他端部上壁の排出口７０ｅにおいて蒸気加熱器８の筒状部の下端供給口８ｉと接続されていると排ガス連通路７０内の清掃が容易となる利点がある。
【００２５】
特に排ガス連通路７０は、図４に詳細に示すように、空気予熱器７の下端排出口７ｅと直列接続される筒状上側部分ｔ１および下端頂点部にダスト排出口ｘ１を有する円錐状下側部分ｃ１からなる入側竪型筒状部７０Ａと、蒸気加熱器８の下端供給口８ｉに直列接続される筒状上側部分ｔ２および下端頂点部にダスト排出口ｘ２を有する円錐状下側部分ｃ２からなる出側竪型筒状部７０Ｂと、入側が入側竪型筒状部７０Ａの側部に及び出側が出側竪型筒状部７０Ｂの側部にそれぞれ連通され、入側部分内の下面ｅｎが入側竪型筒状部の下端排出口ｘ１まで及び出側部分内の下面ｅｘが出側竪型筒状部の下端排出口ｘ２までそれぞれ連続的に下向き傾斜した横向きダクト部７０Ｃとを一体的に形成したものが好ましい。この排ガス連通路７０では、横向きダクト部７０Ｃ中央の縮径部ｃｅの両側全体がそれぞれダスト捕捉スペースとなる。このように構成するとで、縮径部ｃｅを除く連通路７０の略全体がダスト捕捉スペースとなるだけでなく、下側部分の略全てｃ１，ｅｎ，ｅｘ，ｃ２が下向き傾斜面で形成されるため、下面の略全体にわたり水平面がなく、流速が低下し降下したダストの略全部がいずれかの排出口ｘ１，ｘ２に滑り落ちることになる。よって、排ガス連通路７０内でのダスト捕捉能力がより高くなるとともに、降下ダストの略全てを排出口ｘ１，ｘ２に収集して排出させることができるようになる。
【００２６】
他方、溶融炉排ガスとの熱交換により加熱された蒸気は乾燥機３に対して循環供給される。この際、必要に応じて補助加熱器１１（間接熱交換器）において、都市ガス等の燃料を燃焼する補助炉１２からのクリーン排ガスとの熱交換により所定温度、例えば４００℃まで加熱した後に、乾燥機３に対して供給するのが望ましい。このため、図示しないが、乾燥機３に対して戻される蒸気の温度を測定する温度測定装置を設け、この温度測定装置による測定結果に基づいて加熱器１１へのクリーン排ガス送風量や補助炉１２の燃焼度合いを調節するように構成することができる。符号１３は、補助炉へ燃焼空気を送り込む補助炉ファンを示している。
【００２７】
そして本例では、以上の構成のもと、本発明に従って乾燥機３に対して戻される蒸気の一部を溶融炉５内に供給し、過熱防止を図るように構成している。このように本発明に従って炉５内に循環蒸気の一部を吹き込むことにより、循環蒸気量の調節を行えるだけでなく、蒸気の比熱が空気の約４倍程度あるために、空気のみの場合と比較して著しく少ない吹き込み量で炉内温度を調節できるのである。また循環蒸気には多量の悪臭成分が含まれているが、溶融炉５内に吹き込まれると悪臭成分が熱分解されるという副次的な利点もある。ただし、本例のように溶融炉５内に吹き込む蒸気が低温（約３７０℃程度）の場合には、炉内温度が急激に下がり温度調節に支障が生じるので、そのような場合には図示のように予熱器７から溶融炉５内に吹き込まれる空気と混合してから炉内に吹き込むのが好ましい。本例の溶融炉５の場合、上記利点を得るためには、循環蒸気を主燃焼炉５１に吹き込みその余りを混合冷却器５３に吹き込むようにするのが望ましい。また図示しないが、循環蒸気量の調節のために、乾燥機３内圧を測定する圧力計と、この圧力計の測定結果に応じて溶融炉５へ供給する循環蒸気量を制御する手段とを設けるのが望ましい。
【００２８】
他方、蒸気との熱交換により約２５０℃程度まで冷却した溶融炉排ガスは、排ガス冷却器１００において冷却水および冷却エアの噴霧により、約２００℃程度まで冷却され、次いでバグフィルタ１０１により除塵される。またこれら排ガス冷却器１００およびバグフィルタ１０１で回収されるダストも、図示しない飛灰処理設備で異物除去等の処理を行った後に安定化して外部処分するか、あるいは乾燥汚泥輸送ブロワ４の入側に戻し、乾燥汚泥に混入する。バグフィルタ１０１を経た排ガスは、次いで排煙処理塔１０２（スクラバー）に供給され、洗浄水により洗浄集塵される。またその過程で約５０℃程度まで冷却された後、誘引ファン１０３により脱硝処理部１１０に導入される。
【００２９】
脱硝処理部１１０は、溶融炉排ガスを脱硝予熱器（間接熱交換器）１１１において排熱との熱交換により予め２５０℃程度まで予熱し、次いで都市ガス等の燃料を用いる加熱炉１１２により約３５０℃の反応塔供給温度まで加熱した後、尿素水、エア及び希釈水等を添加して反応塔１１３内において脱硝反応による脱硝処理を行うものである。予熱器１１１で用いる排熱媒体としては、本例では、蒸気循環系の補助加熱器１１において使用したクリーン排ガスが適温（約４００℃）となるのでその全部（一部でも良い）と、脱硝処理後の排ガスが適温（約３５０℃）となるのでその全部とを合流混合した後に用いるように構成されている。もちろん、いずれか一方でも良い。この混合ガスは、予熱器１１１での熱交換後、煙突１１４から大気放出される。特に、このように補助加熱器１１において使用したクリーン排ガスを脱硝処理後の排ガスに混入することにより、大気放出する際の白煙の発生を防止することができる利点がある。なお、符号１１５は加熱炉に空気を送り込む空気ファンを示している。
【００３０】
＜その他＞
（イ）上記例では溶融炉排ガスを加熱媒体とする熱交換器は４段設けられているが、熱交換機の段数は、排熱回収度合いに応じて適宜定めることができる。
【００３１】
（ロ）本発明において、燃焼炉に供給する蒸気と混合する空気を予熱する場合、上記例のように溶融炉排ガスとの熱交換により予熱する必要は必ずしもなく、例えば上記例の蒸気補助加熱器１１と同様に、燃料を使用する加熱装置を用いて加熱しても良い。
【００３２】
（ハ）上記例では溶融炉排ガスとの熱交換により加熱済みの循環蒸気の一部を溶融炉５に供給するように構成しているが、本発明においては加熱前（乾燥機３から取り出した直後の）または加熱途中の循環蒸気を溶融炉５に供給するように構成することもできる。
【００３３】
（ニ）さらに上記例は下水汚泥の溶融処理設備であるが、本発明はこれに限定されず、含水物であれば他の廃棄物や非廃棄物などの処理にも適用でき、また溶融までは行わない焼却設備等の燃焼処理設備にも適用することができる。
【００３４】
【発明の効果】
以上のとおり本発明によれば、燃焼炉内温度を効率良く低下させて耐火材を効果的に保護できるようになる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明に係る汚泥処理設備例の前段フロー図である。
【図２】 後段フロー図である。
【図３】 排熱回収部の拡大図である。
【図４】 排ガス連通路の拡大斜視図である。
【符号の説明】
１…汚泥ピット、２…汚泥供給ポンプ、３…乾燥機、４…乾燥汚泥輸送ブロワ、５…溶融炉、６…水冷スラグコンベヤ、７…空気予熱器、８，９，１０…蒸気加熱器、１１…補助加熱器、１２…補助炉、７０，７１，７２…排ガス連通路、８０，８１…蒸気連通路、１００…排ガス冷却器、１０１…バグフィルタ、１０２…排煙処理塔、１１１…脱硝予熱器、１１２…加熱炉、１１３…反応塔、１１４…煙突。

Claims (5)

1. 蒸気と含水物とを直接接触させて乾燥を行う蒸気直接乾燥機と、この乾燥機により乾燥した乾燥物を燃焼する自然放冷型燃焼炉とを備え、前記乾燥機により使用した使用済み蒸気を前記燃焼炉の排ガスとの熱交換により加熱し、再び前記乾燥機に循環供給するように構成した含水物燃焼処理設備であって、
   前記循環蒸気の一部を前記燃焼炉に供給して燃焼炉の過熱を防止するように構成した、
   ことを特徴とする含水物燃焼処理設備。
2. 前記熱交換後に前記乾燥機に供給される蒸気の一部を、前記燃焼炉に供給するように構成した、請求項１記載の含水物燃焼処理設備。
3. 前記循環蒸気の一部を、予め加熱した空気と混合した後に前記燃焼炉に供給する、請求項１または２記載の含水物燃焼処理設備。
4. 前記乾燥機内圧を測定する圧力計と、この圧力計の測定結果に応じて前記燃焼炉へ供給する循環蒸気量を制御する手段とを備えたことを特徴とする、請求項１〜３のいずれか１項に記載の含水物燃焼処理設備。
5. 蒸気と含水物とを直接接触させて乾燥を行い、この乾燥した乾燥物を燃焼炉で燃焼する一方で、前記乾燥に使用した使用済み蒸気を前記燃焼炉の排ガスとの熱交換により加熱し、再び前記乾燥に利用する燃焼処理方法であって、
   前記循環蒸気の一部を前記燃焼炉に供給して燃焼炉の過熱を防止する、
   ことを特徴とする含水物燃焼処理方法。

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