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みがねこいまる
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1 日本産業機械工業会会長賞次世代型ストーカ式焼却炉 JFE 環境ソリューションズ株式会社 1. 開発経過当社では廃棄物の多様性不均一性に起因する本質的な燃焼不安定性を改善する目的で工業炉の高性能化に有効である高温空気燃焼技術を廃棄物焼却炉へ適用することに着目し基本検討を行った 1999 年通商産業省 ( 現経済産業省 ) の補助のもと特殊法人 ( 現独立行政法人 ) 新エネルギー産業技術総合開発機構 (NEDO) により委託を受けた ( 財 ) 省エネルギーセンターから再委託を受け高温空気燃焼技術を応用した焼却炉への高温混合気吹込み低空気比安定燃焼技術について開発研究を開始し廃棄物の焼却から灰処理まで一貫した高効率環境負荷低減型の廃棄物処理システムを開発することを目的として系統的な試験を実施した初期の基礎的試験の結果を踏まえ当社内に建設した 12t/d 規模の実証試験プラントにおいて一般廃棄物を試料とした低空気比燃焼試験と灰処理炉を焼却炉へ一体化した灰処理試験を実施した後それらの研究成果に基づき実際の焼却炉における効果の実証と操業上の知見を得ることを目的として次世代型ストーカ式焼却炉の技術を 105 t/d 規模の実炉へ適用し検証を実施した実施した炉の設備概要を表 1-1にフローを図 1-1に示すが検証においては既存の従来型ストーカ式焼却炉に排ガス再循環ラインと高温混合気発生装置および灰処理炉を追設し次世代型設備へ改造した後燃焼安定性熱回収効率焼却灰処理燃費燃焼ガススラグ性状等の比較検証を実施し各種の改善効果知見を得るに至った表 1-1 プラント設備概要焼却炉形式全連続式ストーカ炉試験対象炉 1 号炉処理能力 105 t/day 2 炉炉寸法幅 :3.2m 高 :6.2m 奥行 :8m 排ガス冷却設備自然循環ボイラ (2.8MPa,300 )+ 減温塔排ガス処理設備バグフィルタ + 消石灰活性炭吹込み発電設備復水タービン (2.6MPa,295 ) 出力 2000kW -87-

灯油バーナ高温混合気発生装置排ガス再循環炉温制御用空気 (CDF) 減温塔再循環ファンろ過式集じん器排ガス分析計 O2,CO,NOx 希釈空気タイオキシン類排ガス採取類 1 消石灰活性炭 E 誘引ファン煙突ボイラタービン発電機二次燃焼空気 (MDF) 1 灰処理装置一次燃焼空気 (FDF) 灰処理炉灯油バーナスラグ図 1-1 試験設備フロー概要図 2.

2 灯油バーナ高温混合気発生装置排ガス再循環炉温制御用空気 (CDF) 減温塔再循環ファンろ過式集じん器排ガス分析計 O2,CO,NOx 希釈空気タイオキシン類排ガス採取類 1 消石灰活性炭 E 誘引ファン煙突ボイラタービン発電機二次燃焼空気 (MDF) 1 灰処理装置一次燃焼空気 (FDF) 灰処理炉灯油バーナスラグ図 1-1 試験設備フロー概要図 2. 装置説明本システムの基本コンセプトは長年の実績により信頼性が高く運転安定性に優れるストーカ炉において 1 廃熱回収効率の大幅向上 2 環境負荷の低減 3 設備のコンパクト化 4 操業コストの低減を実現する事である本システムは二回流式焼却炉やハイブリッドACC( 自動燃焼制御 ) システムなどの当社ストーカ炉既存技術と排ガス再循環高温混合気吹込み焼却炉一体型灰処理炉などの新技術を高度に組み合わせる事により上記コンセプトの達成を図っている本システムの概念図を図 1-2に示す高温混合高温空灰処理炉からの廃熱回平成 11~13 年 NEDO 高温空気燃焼制御技術図 1-2 次世代型ストーカ式焼却炉 -88-

3 本システムでは図 1-3に示すように高温空気と再循環排ガスを混合させた高温混合気を二回流式焼却炉の燃焼開始領域に供給しているこれによりゴミ層直上の空間に安定燃焼領域を形成させここに安定した定常対向流の拡散火炎を定在させているその結果従来のストーカ炉では達成できない低空気比条件 ( 空気比 1.3) 下での安定燃焼を実現しているこの低空気比安定燃焼により排ガス量の低減とそれに伴う熱損失の低減および NOx, ダイオキシン類の排出低減といった廃熱回収率の向上と環境負荷の低減が可能となる次世代型の高温混合気吹込みによる火炎形態概念図高温混合気ノズル高温空気 + 再循環排ガスよどみ領域形成定常対向流火炎形成高輻射ゴミ熱分解促進火炎ゴミ層燃焼空気火格子安定した低空気比燃焼を実現図 1-3 燃焼開始領域での火炎安定化イメージ本システムにおけるもうひとつの特徴である焼却炉一体型灰処理炉の概念図を図 1-4に示すこのシステムでは焼却炉から排出される焼却灰を複雑な前処理設備や搬送設備を介することなく灰処理炉に投入することが可能でありさらに灰処理炉の排ガスを焼却炉に付帯したボイラにより熱回収すると共に排ガス処理設備により処理することが可能であるこれらにより灰処理炉設備の簡素化が図られ設備費および設置面積の低減に有効であるだけではなくランニングコスト削減や運転要員の削減につながるさらに焼却灰の持込み熱および灰処理炉の廃熱を有効に利用することが可能となりシステム全体としての熱効率向上の面でも大きな効果が得られる焼却炉灰排ガス ( ボイラにて熱回収 ) 焼却炉一体型灰処理炉 ( 回転キルン式 ) 灰処理炉バーナ灰供給装置スラグ水砕コンベヤ図 1-4 焼却炉一体型灰処理炉 -89-

4 3. 成果 3-(1) 性能 1 低空気比燃焼従来燃焼時と低空気比燃焼時の排ガス濃度の経時変化を図 3-1に示す従来燃焼時の炉出口 O 2 濃度が平均 8.1%( 空気比 λ=1.6) に対して低空気比燃焼時の炉出口 O 2 濃度は平均 4.8% であり空気比 λ=1.3 を達成していることがわかる低空気比燃焼時の CO 濃度は平均値 5ppm 未満かつ 20ppm を超えるピークも無く従来燃焼時と同様に低く抑えられており低空気比燃焼時においても完全燃焼が達成できていることが確認できるまた従来燃焼時の NOx 濃度は平均 86.3ppm であるのに対し低空気比燃焼時は炉内水噴霧を行わずに約半分の平均 46.2ppm を実現している従来燃焼炉出口 O 2 濃度 ave. 8.1 % 低空気比燃焼 10 CO,NOx 濃度 (ppm_12% O 2 ) 煙突 NOx 濃度 ave ppm 煙突 CO 濃度 ave. 3.2 ppm 8 炉出口 O 2 濃度 ave. 4.8 % 0 0:00 2:00 4:00 6:00 2:00 4:00 6:00 8:00 時刻注記 ) 炉出口 O 2 濃度は, 煙突 O 2 濃度から消石灰, 活性炭吹き込み用空気等, ボイラ出口からバグフィルター出口の間で供給される空気の酸素増加分を引いて算出図 3-1 排ガス濃度の経時変化煙突 NOx 濃度 ave ppm 0 煙突 CO 濃度 ave. 4.7 ppm O2 濃度 (%_dry) 焼却炉への総投入熱量と排ガス排出量の関係を図 3-2に示す本グラフにより低空気比燃焼時は従来燃焼時と比べて煙突排ガス量が 17% 低減しており煙突排ガスの持ち出しによる熱損失が低減していることがわかる ( 廃熱回収の向上率については 3-(4). 経済性を参照 ) 煙突排ガス量 (km 3 N/h) Conventional 従来燃焼 Advanced 低空気比燃焼 26.0 km 3 N/h λ= % 減 21.7 km 3 N/h λ= ,000 35,000 40,000 45,000 50,000 55,000 総入熱量 (MJ/h) 注記 ) 低空気比燃焼の総熱量には高温空気用燃料 ( 灯油 ) の熱量を含む図 3-2 総入熱量と煙突排ガス量の関係 -90-

5 2 焼却炉一体型灰処理炉焼却炉一体型灰処理炉による焼却灰 ( ボイラ灰減温塔灰を含む ) の無害化処理は灯油バーナーによる加熱溶融処理である溶融スラグの管理温度は 1300~ 1400 とした本溶融試験で得られた水砕スラグの性状を表 3-1に示すが道路用溶融スラグの骨材 (TR-A -0017) の規格および重金属類等の土壌含有量基準のいずれについても満足しており路盤材やコンクリート二次製品などへの再利用が可能な性状であることが確認されたまた水砕コンベヤ出口より採取した溶融スラグの外観も従来の灰溶融炉やガス化溶融炉のスラグとほぼ同等であった表 3-1 水砕スラグ性状道路用溶融スラグ骨材 (TR A 0017) 試験結果重金属等含有量分析結果規定値試験項目結果 TR A 0017 元素含有量試験 (mg/kg) FM2.5 分析値含有量基準単位容積質量 (kg/l) カドミウム <5 150 絶乾密度 (g/cm3) 以上鉛吸水率 (%) 以下六価クロム <2 250 金属鉄 (%) < 以下砒素 <5 150 粒度分布 4.75mm 総水銀 < 通過質量 2.36mm 90 85~100 セレン <5 150 百分率 (%) 0.075mm 2 0~10 シアン <5 50 カドミウム < 以下フッ素 36 4,000 溶出試験鉛 < 以下ホウ素 150 4,000 (mg/l) 六価クロム < 以下環告 19 号による砒素 < 以下総水銀 < 以下セレン < 以下 3 ダイオキシン類濃度高温混合気吹込みを適用した焼却炉単独運転 ( 低空気比燃焼時 ) および焼却炉と灰処理炉を同時運転した場合の排ガス及び溶融スラグ中のダイオキシン類濃度を表 3-2に示す低空気燃焼時のボイラ出口排ガス中のダイオキシン類濃度は従来燃焼時に対し約 70% 低減し 0.15~0.24ng-TEQ/m 3 N という結果が得られた灰処理炉を同時運転した場合においても同様に 0.17~0.23ng-TEQ/m 3 N と約 70% のダイオキシン類濃度の低減が確認されたまた溶融スラグ中のダイオキシン類濃度は定量下限以下という結果を得た表 3-2 燃焼ガス溶融スラグ中のダイオキシン類濃度ボイラ出口ガス従来燃焼 0.72 ng-teq/m3n 低空気比燃焼 0.15~0.24 ng-teq/m3n 溶融スラグ - - 低空気比燃焼 + 灰処理 0.17~0.23 ng-teq/m3n N.D. ng-teq/g -91-

6 (2) 特許の有無以下に主要な出願特許を記載出願中特許 1 名称 : 高温気体吹込みによる焼却炉の燃焼方法出願番号 : 特願平出願日 : 平成 10 年 1 月 26 日出願中特許 2 名称 : 廃棄物焼却炉の操業方法及び廃棄物焼却炉出願番号 : 特願出願日 : 平成 14 年 8 月 15 日出願中特許 3 名称 : 廃棄物焼却炉の操業方法及び廃棄物焼却炉出願番号 : 特願出願日 : 平成 14 年 8 月 15 日出願中特許 4 名称 : 廃棄物焼却炉の操業方法出願番号 : 特願出願日 : 平成 14 年 8 月 15 日出願中特許 5 名称 : 廃棄物焼却炉及びその操業方法出願番号 : 特願出願日 : 平成 14 年 11 月 18 日出願中特許 6 名称 : 廃棄物焼却炉の燃焼制御方法及び廃棄物焼却炉出願番号 : 特願出願日 : 平成 15 年 2 月 5 日出願中特許 7 名称 : 火格子式廃棄物焼却炉及びその燃焼制御方法出願番号 : 特願出願日 : 平成 16 年 4 月 13 日 ( 国際出願日 ) -92-

7 出願中特許 8 名称 : 廃棄物焼却システムの操業方法及び廃棄物焼却システム出願番号 : 特願出願日 : 平成 14 年 11 月 13 日出願中特許 9 名称 : 焼却炉の操業方法及び焼却炉出願番号 : 特願出願日 : 平成 13 年 4 月 26 日出願中特許 10 名称 : 廃棄物焼却炉出願番号 : 特願出願日 : 平成 14 年 8 月 23 日出願中特許 11 名称 : 火格子式廃棄物焼却炉及びその操業方法出願番号 : 特願出願日 : 平成 16 年 2 月 16 日出願中特許 12 名称 : 廃棄物処理設備出願番号 : 特願出願日 : 平成 16 年 2 月 23 日 (3) 維持管理本システムの特徴のひとつに焼却炉一体型灰処理炉が挙げられるが本システムにおいては分離独立していた焼却炉と灰処理炉を一体化することで従来必要としていた焼却灰の搬送設備前処理設備貯留設備および灰処理炉ガスの処理設備が不要となり設備の大幅な簡素化を実現している一方もうひとつの特徴である低空気比燃焼を実現する上で送風機および高温混合気発生装置といった新たな機器が必要となってくるが機器点数の増加は軽微でありトータルとして大幅な設備費の削減は勿論のことランニングコスト削減と日常点検に要す労力削減の効果が得られる (4) 経済性 1 廃熱回収率向上焼却炉単独運転 ( 低空気比燃焼時 ) および焼却炉と灰処理炉の同時運転における焼却炉ボイラによる廃熱の回収結果を図 3-3に示す従来燃焼時に比べて低空気比燃焼時には蒸気回収量が約 9% 増加した灰処理炉同時運転時ではさらに約 4% -93-

8 増加し合計約 13% 増加する結果を得たこれは熱量に換算すると約 1,400 MJ/h となり従来では回収不能であった灰処理炉への投入熱量 ( 定格処理にて約 3,400 MJ/h) の約 40% が蒸気として回収されていることになる従来燃焼低空気比燃焼低空気比燃焼 + 灰処理 14.6t/h 15.2t/h 蒸気量 (t/h) ,388MJ/h 13.4t/h 従来運転低空気比単独運転約 9% 増低空気比 + 灰処理約 13% 増 ,000 40,000 45,000 50,000 55,000 総入熱量 (MJ/h) 注記 ) 低空気比運転には高温空気用燃料 ( 灯油 ) の熱量を含み灰溶融用燃料の熱量を含まない図 3-3 廃熱回収量 2 焼却灰処理燃費の向上灰溶融処理における従来方式と本システムの消費エネルギー ( 灯油換算値 ) の比較を第 8 図に示す焼却炉と灰処理炉を一体化した本システムの場合使用エネルギーの一部を廃熱ボイラにて回収できるため総合的なエネルギー燃費としてみると従来の別置きの燃料式と比べ約 34% また電気抵抗式と比較した場合でも約 21% の処理燃費向上を実現している灰溶融燃費 ( 灯油 l/ ごみ t) 燃料式電気抵抗式本システム従来方式約 34% 削減約 21% 削減図 3-4 灰溶融処理燃費比較ボイラによる廃熱回収による低減分 ( 発電電力として回収した場合 ) 年間ごみ処理量 200t/d 280 日 =56,000t/ 年とした場合燃料式と比較 476,000 litter/ 年削減電気式と比較 252,000 litter/ 年削減 (5) 将来性近年地球温暖化をはじめとした環境問題への関心が世界的に強まる中廃棄物処理分野においてもゴミを廃棄物として考えるのではなく燃料として捕らえる傾向が今後ますます強くなる傾向があるこうした世論の変化に対し廃棄物の焼却処理において低空気比下における安定した燃焼が実現可能なシステムを提供できることおよび廃棄物発電における廃熱回収率の大幅向上有害物質排出量の大幅削減といった環境への負荷軽減を実現したことは国内のみならず世界的な環境問題の改善に大きく貢献できるシステムであるといえる -94-

9 また本システムは新設の焼却炉のみならず既設の焼却炉に適用することも可能であり各要素技術は用途に応じた組み合わせが可能であるため低コストで最適な廃棄物処理システムの提供が可能である (6) 独創性廃棄物の焼却処理においてボイラによる廃熱回収率を向上させるためには低空気比下での燃焼が有効な手段であることは以前から言われていることであるが多種多様なゴミを燃料としている廃棄物焼却炉においてはこれまで低空気比下における安定した燃焼を継続するためのシステムが存在せずまたその実現は非常に困難であると言われてきた以上のように JFEハイパー 21ストーカシステムは独自技術である高温空気燃焼制御技術を応用した低空気比安定燃焼技術と焼却炉一体型灰処理による灰の無害化技術により環境負荷物質の低減とエネルギー回収率の大幅向上さらにランニングコストの低減を実現した (7) 今後の規制に対する対応策現在規制強化等に向けた動きは特にない 4. 応用分野本システムの要素技術のひとつである高温空気を使用した低空気比燃焼技術は廃棄物発電分野に限らず通常では比較的高空気比下で燃焼させる必要がある各種燃料を低空気比下で燃焼させ発電高効率を上げる有効な手段である近年地球温暖化の原因のひとつとなっているCO 2 排出削減が叫ばれる中化石燃料に変わるものとしてカーボンニュートラルの性質をもつバイオマス燃料による発電が見直されており今後この分野における発電の高効率化に応用が期待される 5. 第 1 号機 (1) 装置の仕様 1 焼却炉形式:JFEハイパー火格子焼却炉処理能力:105t/d 2 低空気比燃焼炉出口 O2 濃度 :5%_dry( 空気比 =1.3) 高温混合気温度:200~400 高温混合気吹込み量: 約 2000Nm 3 /h 再循環排ガス量: 最大約 4500Nm 3 /h 3 灰処理炉形式: 焼却炉一体型燃料式 ( 回転キルン式 ) 処理能力:500kg/h 使用燃料: 灯油 -95-

10 (2) 装置の納入先苫小牧市沼ノ端クリーンセンター 1 号炉 (3) 納入時期 2003 年 2 月 ( 既存の従来型焼却炉を次世代型設備に改造 ) (4) 稼動状況 2003 年 2 月 ~2005 年 6 月 ( 実稼働日数 : 約 190 日 ) ( 実炉における効果検証終了後次世代設備については解体撤去 ) (5) トラブル発生の有無特になし -96-

Microsoft Word - 整備基本計画0319[1]

Microsoft Word - 整備基本計画0319[1] 第 10 章新ごみ焼却施設の処理フロー第 10 章新ごみ焼却施設の処理フロー... 79 第 1 節排ガス処理方式別の標準プロセスの考え方... 80 1. 排ガス処理方式別の標準プロセスの考え方... 80 第 2 節新ごみ焼却施設の標準処理フロー... 83 第 3 節技術委員会より示された技術的留意事項... 85 1. 標準処理フローに関する技術的留意事項... 85 第 10 章新ごみ焼却施設の処理フロー