【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、燃焼方法に関し、さらに具体的には固形プラスチックあるいは流体燃料の燃焼方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】プラスチックは、周知のように金属、セラミックスと並んで基幹材料として多量に生産され、あらゆる分野で利用されている。そしてその廃棄量も膨大な量になっている。プラスチックの廃棄処理法としては、回収して再生利用する方法、埋立材料として利用する方法、燃焼して熱エネルギとして利用する方法等があるが、熱エネルギ利用方法が有望視されている。固体状のプラスチックの燃焼装置には、固定床と流動床とがあるが、国内外において実施されている例は非常に少ない。流動床炉燃焼装置においては燃焼熱は回収もされている。流動床炉燃焼装置は、図には示されていないが、燃焼炉を備えている。燃焼炉の下方に空気分散板が配置され、そして空気分散板の下方が空気室になっている。空気分散板の上には、流動床構成材料すなわちけい砂等からなる耐火性粉体が入れらている。そして、耐火性粉体の上方空間はフリーボード部となっている。したがって、押込ファンにより空気室か

【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、燃焼方法に関し、さらに具体的には固形プラスチックあるいは流体燃料の燃焼方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】プラスチックは、周知のように金属、セラミックスと並んで基幹材料として多量に生産され、あらゆる分野で利用されている。そしてその廃棄量も膨大な量になっている。プラスチックの廃棄処理法としては、回収して再生利用する方法、埋立材料として利用する方法、燃焼して熱エネルギとして利用する方法等があるが、熱エネルギ利用方法が有望視されている。固体状のプラスチックの燃焼装置には、固定床と流動床とがあるが、国内外において実施されている例は非常に少ない。流動床炉燃焼装置においては燃焼熱は回収もされている。流動床炉燃焼装置は、図には示されていないが、燃焼炉を備えている。燃焼炉の下方に空気分散板が配置され、そして空気分散板の下方が空気室になっている。空気分散板の上には、流動床構成材料すなわちけい砂等からなる耐火性粉体が入れらている。そして、耐火性粉体の上方空間はフリーボード部となっている。したがって、押込ファンにより空気室から空気分散板を通して耐火性粉体に空気を吹き込むと、固定層をしていた耐火性粉体は、沸騰状態に似た運動をする流動層になる。そこで、適当な大きさに切断した固形プラスチックを燃焼炉に供給すると、熱せられている耐火性粉体により加熱され、揮発分の放出が開始される。揮発分は空気分散板の直上で燃焼され、燃焼にともない窒素酸化物濃度が上昇する。固形プラスチックは粒子濃厚相内で気化され燃焼される。更に、生成ガスはフリーボード部へ達して燃焼される。
【０００３】一方、気体又は液体燃料燃焼装置の内部に被加熱管を配置し、被加熱管の中の液体を加熱あるいは予熱するようになっている燃焼装置も知られている。このような燃焼装置は、例えば原油等を予熱する管式加熱炉として知られている。管式加熱炉９０は、図４に示されているように、燃焼炉９２と、その内部に配置されているバーナ９３とから構成されている。燃焼炉９２内には内壁に沿って油管９６が設けられている。したがって、バーナ９３に流体燃料供給管９４から燃料用のガス又は油を供給すると共に、燃焼用の空気を空気管９５から供給すると、流体燃料は燃焼し、油管９６中の原油等が予熱される。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】従来の流動床炉燃焼装置についても、上記のようにして固形プラスチックを燃焼することはできる。しかしながら、従来の燃焼方法あるいは装置には問題もある。例えば、固形プラスチックを流動床炉燃焼装置で燃焼すると、炉内で固体相と気体相とが混在し、すなわち炉内に還元域と酸化域とが混在し、燃焼効率が劣る。その結果、完全に燃焼することができず、また熱エネルギが多く存在する酸化域が還元域中に混在しているので、４.０００〜６.５００ｋｃａｌ／ｋｇ程度の発熱量が見込まれているが、充分な熱の回収ができていない状況下にあり、新しい技術の開発が期待されている。また、廃棄プラスチックの中には塩化ビニール樹脂も含まれ、この塩化ビニール樹脂から塩素系の有毒ガスが発生することもある。さらに、塩化ビニール樹脂を６５０°Ｃ程度で燃焼すると、炉内配管材料の腐食が激しいことが知られている。
【０００５】一方、気体又は液体燃料燃焼装置の内部に被加熱管を配置し、被加熱管の中の液体を加熱あるいは予熱するようになっている燃焼装置により燃焼すると、ヒートスポットが生じ窒素酸化物が生じるので、脱硝設備等のイニシャルコストが大きくなる欠点がある。また、ヒートスポットが生じるので、例えば原油等を予熱する管式加熱炉９０の場合は、油管９６がコーキングすなわち焼付を起こすことがある。焼付を起こすと、配管の交換等のメインテナンスの問題も生じる。また、焼付を起こすと伝熱抵抗が増大し、予熱が充分にできないことにもなる。さらには、原油等を予熱する管式加熱炉９０においては、図４に示されているように、油管９６は炎Ｈの輻射熱により加熱されるので、必ずしも加熱効率は高くない。また、油管９６を均等に加熱するためには、管式加熱炉９０内に等温線Ｔ、Ｔ、…を維持するようにして燃焼する必要があるが、そのためには管式加熱炉９０の容積がある程度必要で、炉壁材料が増大する等の問題もある。
【０００６】本発明は、上記したような問題あるいは欠点を解消した燃焼方法を提供しようとするもので、具体的には固形プラスチックを完全に燃焼することができると共に、充分な熱の回収もできる燃焼方法を提供することを目的としている。また、他の発明は窒素酸化物の発生が少なく、原油等を予熱する管式加熱炉の燃焼に適用するときはコーキングの問題がなく、燃焼炉は比較的小型で伝熱量の大きい燃焼方法を提供することを目的としている。
【０００７】
【課題を解決するための手段】本発明の上記目的は、固体状のプラスチックを別の炉で気化してからガス専用の炉で燃焼するように構成することにより達成される。あるいは塩素分を塩酸にして回収してから、ガス化しそして燃焼するように構成される。また他の発明は希薄流動床炉で燃焼することにより達成される。すなわち、本発明は上記目的を達成するために、固形プラスチックを燃焼するとき、固形プラスチックをガス化炉に導いて気化する１段処理と、該１段処理で気化したガスをガス燃焼炉に導き、そして燃焼用空気と混合して燃焼する２段処理とにより燃焼するように構成される。請求項２記載の発明は、請求項１記載の１段処理に固定床を使用するように、請求項３記載の発明は、請求項１記載の１、２段処理に酸化触媒流動床炉を使用するように、請求項４記載の発明は、請求項１〜３のいずれかの項に記載の１段処理前に比較的低温の補助ガス化炉に導いて塩素分をガス化して除去するように、請求項５記載の発明は、請求項４記載のガス化した塩素ガスを水に溶解して塩酸として回収するように、そして請求項６記載の発明は、請求項１〜５のいずれかの項に記載の１、２段処理中に発生する熱を蒸気タービンに利用するように構成される。請求項７記載の発明は、流体燃料を燃焼するとき、流動床炉内に液体加熱用の被加熱管を配置すると共に、酸化アルミナ等のポーラスな流動床構成材料を浮遊状態にして燃焼するように、そして請求項８記載の発明は、請求項７記載の被加熱管が、原油等を予熱する油管であるように構成される。
【０００８】
【発明の実施の形態】以下、本発明の方法の実施に使用される燃焼装置の実施の形態について説明する。図１に示されている第１の実施の形態に係わる燃焼装置は、廃棄プラスチックあるいは固形プラスチックを気化するガス化炉１、このガス化炉１で気化したガスを燃焼するガス燃焼炉２０、塩素系の樹脂材料をガス化するための補助ガス化炉５０、ガス化炉１とガス燃焼炉２０とから回収した熱を利用する蒸気タービン４０、その他廃棄プラスチックを貯蔵しているサイロ６０等から構成されている。
【０００９】ガス化炉１は、燃焼炉２を備えた固定床または流動床炉燃焼装置から構成されているが、以下流動床炉燃焼装置を例に採って説明する。燃焼炉２内の下方には、従来周知のように空気分散板３が設けられている。空気分散板３の下方は、空気室４となって、この空気室４には空気供給管６が接続され、押込ファン５により燃焼用の空気が押し込まれるようになっている。燃焼炉２には固形プラスチックの供給管７が接続され、塩素分が除去された固形プラスチックが適宜供給されるようになっている。
【００１０】燃焼炉２の上方に連なっている生成ガス排出管９には、サイクロン１０が接続されている。このサイクロン１０は、生成ガスと生成ガス中に含まれる固形物とを分離するもので、そのアンダーフロー管１１は後述する流動層１２の中まで延びている。オーバフロー管１３は、次に述べるガス燃焼炉２０の方へ延びている。なお、図１中の他の符号１４は、流動層１２内に配置されている冷却管を示し、この冷却管１４にはポンプ１５によりタービン水が供給されるようになっているている。
【００１１】空気分散板３の上には流動床構成材料Ｍが入れられる。流動床構成材料Ｍは、従来周知のけい砂等の耐火性粉体でも実施できるが、本実施の形態によると、流動床構成材料Ｍは、ＢａＯ・６Ａｌ₂Ｏ₃、ＳｒＯ・６Ａｌ₂Ｏ₃、ＣａＯ・６Ａｌ₂Ｏ₃、ＭｇＡｌ₂Ｏ₄₊α、ＺｒＯ₂₊α、Ｋ₂Ｏ・１１Ａｌ₂Ｏ₃、Ｌａ₂Ｏ₃・１１Ａｌ₂Ｏ₃のうち少なくとも１種が選ばれる。これらの流動床構成材料Ｍの組成、焼成温度、Ｓ／Ｓ（Ａｌ₂Ｏ₃）（添加系材料とアルミナ単独との表面比）および結晶相は下記の表１の通りである。
表１ 組成 焼成温度°Ｃ Ｓ／Ｓ 結晶相（ＢａＯ）_0.14（Ａｌ₂Ｏ₃）_0.86 １４５０ ４.３ ＢａＯ・６Ａｌ₂Ｏ₃（ＳｒＯ）_0.14（Ａｌ₂Ｏ₃）_0.86 １４５０ ３.０ ＳｒＯ・６Ａｌ₂Ｏ₃（ＣａＯ）_0.14（Ａｌ₂Ｏ₃）_0.86 １４５０ ３.６ ＣａＯ・６Ａｌ₂Ｏ₃（ＭｇＯ）_0.10（Ａｌ₂Ｏ₃）_0.90 １４５０ ０.８ ＭｇＡｌ₂Ｏ₄₊α（ＺｒＯ）_0.10（Ａｌ₂Ｏ₃）_0.90 １４５０ ０.７ ＺｒＯ₂₊α（Ｋ₂Ｏ）_0.08（Ａｌ₂Ｏ₃）_0.92 １３００ ５.０ Ｋ₂Ｏ・１１Ａｌ₂Ｏ₃（Ｌａ₂Ｏ₃）_0.08（Ａｌ₂Ｏ₃）_0.92 １３００ ３.０ Ｌａ₂Ｏ₃・１１Ａｌ₂Ｏ₃（Ｌａ₂Ｏ₃）_0.05（Ａｌ₂Ｏ₃）_0.95 １２００ ８.０ Ｌａ₂Ｏ₃・１１Ａｌ₂Ｏ₃表１に示すＩＡ、ＩＩＡ、ＩＩＩＢあるいはＩＶＢ の酸化物は、酸化アルミニウムに焼成担持され、白金と同様に酸化触媒作用を奏する。このような酸化触媒は、０.２〜１０ｍｍφの多孔質アルミナを担体とし、添加物を焼成するため安価に得られる。
【００１２】ガス燃焼炉２０は、ガス化炉１と同様に燃焼炉２２を備えた流動床炉燃焼装置から構成されている。燃焼炉２２内の下方には空気分散板２３が設けられている。空気分散板２３の下方は、空気室２４となって、この空気室２４に押込ファン２５により空気供給管２６を介して燃焼用空気が供給されるようになっている。
【００１３】燃焼炉２２の上方に連なっている排気管２９には、サイクロン３０が接続されている。このサイクロン３０は、燃焼排気ガスと燃焼排気ガス中に含まれる固形物とを分離するもので、そのアンダーフロー管３１は流動層３２の中まで延びている。サイクロン３０のオーバーフロー管３３には熱交換器３４が接続され、燃焼排気ガス中の熱が回収されるようになっている。熱が回収された燃焼排気ガスは、煙突等により大気中へ放出される。なお、空気分散板２３の上には、前述したガス化炉１と同様に酸化触媒作用をする流動床構成材料Ｍが入れられている。
【００１４】燃焼炉２２内には、蒸気管４１が配置されている。この蒸気管４１とスチームドラム４２とは管４３で接続され、蒸気タービン４０とは管４４で接続されている。また、蒸気管４１の上方には加熱管４５が配置され、この加熱管４５にはスチームドラム４２中の加熱水がポンプ４６により管４７を介して供給され、加熱されたタービン水は管４８によりスチームドラム４２に戻るようになっている。なお、ガス化炉１の冷却管１４とスチームドラム４２は、管１６で接続されている。
【００１５】補助ガス化炉５０も、流動床炉燃焼装置で構成することもできるし、また他の従来周知の燃焼方式を適用することもできる。さらには、廃棄プラスチックの中の例えば塩化ビニール樹脂の塩素分は、２５０〜３００°Ｃでガス化するので、ガス燃焼炉２０で得られる５５０〜１０００°Ｃの熱により適宜加熱することもできる。したがって、補助ガス化炉５０を加熱するための構造は具体的には示されていない。補助ガス化炉５０の上方には、横向きに設置されたガス溶解管５１が接続されている。そしてこのガス溶解管５１は、立ち上った排気管５２に接続されている。ガス溶解管５１の上壁には多数の散水ノズル５３、５３、…が設けられている。また、ガス溶解管５１の底壁は勾配が付けられ、その最下位置には塩酸排出管５４が接続されている。なお、符号５５は塩酸を受ける容器を、６０は廃棄プラスチックを貯えているサイロを、そして６１は固形プラスチック供給管をそれぞれ示している。
【００１６】次に、上記実施の形態の燃焼作用について説明する。サイロ６０中の固形プラスチックを固形プラスチック供給管６１により補助ガス化炉５０に供給する。そしてこの補助ガス化炉５０を２５０〜３５０°Ｃ程度に加熱する。固形プラスチックの中に塩化ビニール樹脂等が含まれているときは、塩素ガスが発生する。発生した塩素ガスはガス管溶解５１の方へ上昇する。ガス溶解管５１において散水ノズル５３、５３、…から水を塩素ガスに向けて噴霧する。そうすると、塩素ガスは水に溶けて塩酸となり容器５５に受けられる。塩素ガスが除去されたガスは、排気管５２から大気中に排出される。
【００１７】有毒な塩素ガスを発生させる樹脂成分が除去された固形プラスチックを、供給管７によりガス化炉１の燃焼炉２内へ供給する。供給された固形プラスチックを従来周知のようにして燃焼する。このとき、プラスチックは４００°Ｃ程度で気化するので、押込ファン５による燃焼用の空気の押し込み量を制御するなどして、燃焼温度を４００°Ｃ以上５００°Ｃ程度に維持する。これにより固形プラスチックは、ガス化され気体になる。気化した生成ガスは、サイクロン１０のオーバフロー管１３からガス燃焼炉２０の空気室２４に送られる。この空気室２４から燃焼用空気と共に、空気分散板２３を介して流動層２２へ押し込まれ、燃焼する。この時の燃焼温度は９００°Ｃ程度になるように制御する。燃焼排気ガス中の流動床構成材料Ｍは、サイクロン３０で分離され流動層３２中へ戻される。流動床構成材料Ｍが除去された燃焼排気ガスは、熱交換器３４に導かれ、熱が回収され、そして大気中の放出される。回収された熱は、燃焼用空気の予熱等に利用する。
【００１８】上記のようにして、ガス化炉１およびガス燃焼炉２０で燃焼しているときに、ポンプ１５によりタービン水をガス化炉１の冷却管１４に圧送する。流動層１２内で加熱されたタービン水は、スチームドラム４２に圧送される。スチームドラム４２からポンプ４６によりタービン水が加熱管４５に圧送され、加熱されたタービン水は、スチームドラム４２に戻る。このようにして生じる蒸気は、スチームドラム４２からガス燃焼炉２０内の蒸気管４１に送られ、さらに加熱され、そして蒸気タービン４０を駆動する。この蒸気タービン４０により例えば発電機を駆動する。復水は復水管４９によりスチームドラム４２に戻される。
【００１９】本実施の形態によると、固形プラスチックを一旦ガス化して燃焼するので、従来のように酸化域と還元域とが混在することなく、完全燃焼する。したがって、廃棄プラスチックから効率的に熱エネルギを取り出すことができる。また、本実施の形態によると、流動層構成材料Ｍが酸化触媒作用をするので、少ない空気で燃焼する。したがって、ガス化炉１で生成される生成ガス中の不燃ガス量が少なくなる。また、ガス燃焼炉２０の熱効率が高くなる。なお、上記実施の形態では、補助ガス化炉５０で発生した塩素ガスを除去した残りの気体は大気中に放出されているが、ガス化炉１で生成される生成ガスと共に、ガス燃焼炉２０に供給することもできる。また、ガス化炉１内の温度をガス燃焼炉２０の熱で５００°Ｃ程度に維持してプラスチックをガス化することができることは明らかである。さらには、廃棄プラスチックの中に塩化ビニール樹脂等の塩素ガスを発生する樹脂材料が含まれていないときは、サイロ６０から直接ガス化炉１へ供給することもできる。
【００２０】次に、第２の実施の形態の燃焼装置を、図２により石油精製プラントにおける原油やその他の中間精製油を予熱する予熱燃焼炉７０を例に採って説明する。予熱燃焼炉７０は、燃焼炉７２を備えた流動床炉燃焼装置から構成されている。そしてこの燃焼炉７２内の下方に従来周知のように空気分散板７３が設けられている。空気分散板７３の下方は空気室７４となって、この空気室７４に空気供給管７６が接続され、押込ファン７５により燃焼用の空気が押し込まれるようになっている。燃焼炉７２内の空気分散板７３の上方には燃料供給管７７が設けられている。
【００２１】本実施の形態による予熱燃焼炉７０は、希薄流動床炉燃焼装置であるので、流動床構成材料ｍは、燃焼中に燃焼排気ガス中に混じって飛散する。そこで燃焼炉７２の上方に連なっている管路７８に、サイクロン８０が接続されている。このサイクロン８０は、燃焼排気ガス中から流動床構成材料ｍを分離回収するもので、そのアンダーフロー管８１は空気分散板７３の近くまで延びている。サイクロン８０のオーバフロー管８３は、図には示されていないが、熱交換器、バックフイルタ等を介して煙突に接続されている。
【００２２】本実施の形態によると、流動床構成材料ｍは、ポーラスな例えば酸化アルミニウムの直径が０.２〜１０ｍｍ程度の微細な粒子から構成されている。したがって、空塔速度を制御するなどして流動床構成材料ｍを、燃焼炉７２内一杯に広げることができる。そこで、油管７９は燃焼炉７２内一杯を蛇行するようにして設けられている。
【００２３】次に、第２の実施の形態の燃焼作用を説明する。押込ファン７５により燃焼用空気を空気分散板７３を介して流動床構成材料ｍ中に押し込む。このとき、空塔速度を調節して流動層８２が燃焼炉７２内一杯に広がるようにする。これにより、流動床構成材料ｍが浮遊状態になった希薄流動層８２が形成される。燃料供給管７７から流体燃料例えば気体燃料を供給する。希薄流動床燃焼が続行する。燃焼排気ガスと共にサイクロン８０に達した流動床構成材料ｍは、サイクロンで分離され、そしてアンダーフロー管８１により流動層８２へ戻される。燃焼排気ガスは、オーバフロー管８３から煙突を介して大気中へ放出される。上記のように燃焼しているときに、原油等を油管７９に供給する。原油等は、油管７９を出ていく間に所定温度に予熱される。
【００２４】第２の実施の形態によると、色々な効果が得られる。図３は、本実施の形態による燃焼温度と、図４に示されている従来の燃焼温度とを、縦軸に燃焼炉の高さを、そして横軸に温度を採って示すグラフであるが、同図に示されているように本実施の形態によると燃焼炉７２内の燃焼温度Ａは、燃焼炉７２内の平均燃焼温度Ａ’と大した差はなく、燃焼炉７２の高さに関係なく略一定であることが判る。これに対し、従来の燃焼装置では燃焼温度Ｂは、平均燃焼温度Ｂ’は低くて、炉の高さの略中間点で△Ｔ°Ｃだけ突出的に高くなっている。このように、従来の燃焼装置では燃焼温度が突出的に高くなったヒートスポットが生じるので、窒素酸化物が発生するが、本実施の形態によると、ヒートスポットが生じないので、窒素酸化物の発生量は少ない。したがって、脱硝設備が不要でイニシアルおよびランニングコストの低減が達成される。また、ヒートスポットが生じないので、原油等が焼け付けを起こすようなこともない。さらには、従来の油管９６を等温加熱するためには、ある程度の炉の大きさを必要としているが、本実施の形態によると、燃焼温度Ａが燃焼炉７２内全体に略均一であるので、燃焼炉７２を小さく構成することができる。さらには、油管７９は、希薄流動層８２中に配置され、燃焼、流動床構成材料ｍ等に直接接触して加熱されるので、従来の輻射加熱に比較して高い熱効率が得られる。
【００２５】流動床構成材料ｍは、酸化触媒作用を奏するＢａＯ・６Ａｌ₂Ｏ₃、ＳｒＯ・６Ａｌ₂Ｏ₃、ＣａＯ・６Ａｌ₂Ｏ₃、ＭｇＡｌ₂Ｏ₄₊α、ＺｒＯ₂₊α、Ｋ₂Ｏ・１１Ａｌ₂Ｏ₃、Ｌａ₂Ｏ₃・１１Ａｌ₂Ｏ₃の中から少なくとも１種を適用することもできる。このときは、担持体として比重の小さいポーラスな例えば酸化アルミニウムの直径が０.２〜１０ｍｍの微細な粒子を使用する。これにより、希薄流動床炉による酸化触媒燃焼が可能となる。そうすると、燃焼用空気量が少なくて燃焼することができる。燃焼用空気量が少ないので、９００°Ｃ以上の高温燃焼でも熱エネルギのロスは小さい。
【００２６】
【発明の効果】以上のように、本発明によると、固形プラスチックを燃焼するとき、固形プラスチックをガス化炉に導いて気化する１段処理と、該１段処理で気化したガスをガス燃焼炉に導き、そして燃焼用空気と混合して燃焼する２段処理とにより燃焼するので、従来の固形プラスチックを燃焼するときのように還元域と酸化域とが混在するようなことはない。したがって、本発明によると燃焼効率も熱回収効率も高くなるという、本発明特有の効果が得られる。また、他の発明によると、酸化触媒流動床炉を使用するので、燃焼用空気量が少なくて燃焼することができ、熱エネルギのロスの少ない燃焼が可能となる。さらに他の発明によると、塩素分をガス化して除去するので、塩素ガスによる環境の汚染が未然に防止できる。また、他の発明によると、流体燃料を燃焼するとき、流動床炉内に液体加熱用の被加熱管を配置すると共に、酸化アルミナ等のポーラスな流動床構成材料を浮遊状態にして燃焼するので、従来のようにヒートスポットは生じない。したがって、窒素酸化物の発生量は少なく、脱硝設備が不要でイニシアルおよびランニングコストの低減が達成される。被加熱管が原油等を予熱する油管である発明によると、原油等が焼け付けを起こすようなこともない。

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