| 【発明の名称】 |
焼却炉排気ガスの急速冷却方法とその装置 |
| 【発明者】 |
【氏名】長岡 泰三
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| 【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。 |
【特許請求の範囲】
【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。
【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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【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），ｆ3（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２０〜５０μｍ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。
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| 【出願人】 |
【識別番号】５９９１５７４８０
【氏名又は名称】株式会社エヌ・イー・プロジェクト
【識別番号】５９９１５７４９１
【氏名又は名称】篠田 弘信
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| 【出願日】 |
平成１１年１１月８日（１９９９．１１．８） |
| 【代理人】 |
【識別番号】１０００９０２０６
【弁理士】
【氏名又は名称】宮田 信道
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| 【公開番号】 |
特開２００１−１３２９３７（Ｐ２００１−１３２９３７Ａ） |
| 【公開日】 |
平成１３年５月１８日（２００１．５．１８） |
| 【出願番号】 |
特願平１１−３１７０４６ |
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