1．は じ め に
一般ごみの焼却施設においては，既存の施設を長期間 有効に活用するストックマネジメントの取り組みが環境 省主導で進められており，既設焼却施設のCO2排出量を 3%以上削減する場合には関連装置の改造費用の1/3，削 減率が20%以上の場合には関連装置改造費用の1/2に対 して循環型社会形成推進交付金が交付される。 この施策のもとで，既存の焼却施設では，主要設備の 更新時期に合わせた延命化工事において，CO2排出量を 削減する工事を併せて実施する基幹的設備改良工事が行 われている。 ボイラ・タービン発電機付の流動床焼却施設における 基幹的設備改良工事例については既に報告1）した。ここ では，既設流動床焼却施設のうち，発電設備をもたない 水噴霧式排ガス冷却施設の基幹的設備改良工事の事例に ついて紹介する。2．基幹的設備改良工事のメニュー
図1に基幹的設備改良工事におけるCO2削減のメニュー を示す。 CO2削減の方策としては，エネルギー回収対策と省エ ネルギー対策とがある。発電設備を有する場合にはエネ ルギー回収の増強余地が大きいが，水噴霧式排ガス冷却 施設の場合には省エネルギー対策が有効である。 焼却施設においては通風系の動力が全体の消費動力に 占める割合が大きい。流動床焼却施設では，燃焼用の空 気供給は，流動床の流動化空気及びフリーボード（焼却 炉の流動床の上部空間）への二次空気があり，排ガス処 理の後段に誘引送風機を設置して焼却炉から排ガス処理 に至る系内を負圧に保つ平衡通風が行われている。 流動化空気は流動層における圧力損失をまかなう吐出 し圧を必要とするため，消費動力が大きい。 また，流動床焼却炉では，ごみと流動層との熱交換が 短時間で行われるため，焼却炉に供給されるごみの質や 量の変動に応じて，ごみの乾燥による水蒸気や熱分解に よる可燃ガスの発生量が変動しやすい。このため，燃焼 に必要な酸素（空気）の供給が不足しないように燃焼用既設流動床焼却施設の基幹的設備改良工事
－水噴霧式排ガス冷却施設の事例－
成 田 敬 治
＊吉 川 純 弘
＊石 川 龍 一
＊山 口 繁
＊ ＊ 荏原環境プラント㈱Improvement Work for Existing Fluidized-Bed MSW Incineration Plants
– Examples of Such Plants with Water Spraying Exhaust Gas Cooling Systems –
by Takaharu NARITA, Sumihiro YOSHIKAWA, Ryuichi ISHIKAWA, & Shigeru YAMAGUCHI
Improvement work, which aims to prolong the life of the facilities while improving their functions, is being carried out at existing MSW incineration plants. The improvement of functions is for reducing CO2 emissions as a measure to prevent global warming. For this purpose, there are improvements with heat use and the reduction of energy consumption at the plants. The fluidized-bed incinerator is equipped with features to slash power consumption, based on the results of the fluidized-bed gasification and ash melting system. It is now being reported that the improvement work was carried out at the fluidized-bed incineration plants with a water spraying exhaust gas cooling system, with which the improvement of heat use is difficult, and achieved a 20~30% reduction in plant power consump-tion.
の二次空気を多めに供給して完全燃焼の促進を図る。こ のため，二次送風機や誘引送風機の消費動力も大きくな りがちであった。 特に，ほとんどの既設流動床焼却施設では，従来流動 床炉の欠点とされていたごみの破砕前処理を不要とし， 無破砕でも焼却処理が可能な炉として開発された旋回流 式流動床炉が採用されている。しかし，無破砕で供給さ れるごみの質や量は変動が大きい。したがって，供給さ れるごみの質や量の変動下で，可燃ガスの発生をいかに 安定させるかが空気比低減の限界を決めるため，基幹的 設備改良工事において特に重要な検討項目となる。 水噴霧式排ガス冷却施設の基幹的設備改良工事では， 省エネルギー対策が主体となり，そのメニューは次のと おりである。 （1）流動化空気量の削減 散気面積縮小，単位散気面積当たり空気量削減 （2）炉床温度の低温化 （3）通風機器へのインバータモータの導入 （1）は，ごみ処理量に対する流動空気供給量を大幅に 削減することによって，流動化に要する消費動力を削減 するものである。 既設の流動床焼却炉では，炉床単位面積・単位時間当 たりのごみ処理量（炉床負荷）は450 kg/(m2·h)で計画さ れ，ごみ処理量に対する流動化空気の量が比較的多く， 燃え殻に含まれる未燃分をなくすために流動床中で積極 的にごみを燃焼させ，ごみの燃焼熱によって炉床温度を 容易に維持できるようにしていた。 一方，流動床ガス化溶融炉では，炉床負荷を1000 kg/(m2·h) 程度にまで増加させ，また，ごみ処理量に対する流動空 気量を大幅に減少させている。流動床中ではごみの熱分 解を行わせて多量の可燃ガスを発生させ，後段の溶融炉 でこの可燃ガスを低空気比で燃焼させて高温を得るよう にしている。流動床中での燃焼は炉床温度維持に必要な 量だけ行われる。この場合にも，燃え殻には未燃分はほ とんど含まれない。 すなわち，ガス化溶融炉では，低空気比高温燃焼を行 わせるために，ごみ処理量に対する流動化空気量を従来 の流動床焼却炉の1/2以下にしている。 このガス化溶融炉における実績を適用して，既設流動 床焼却炉における流動化空気量の削減ができる。 基幹的設備改良工事においては，流動化空気量を削減 しても流動化を適正に維持させるために，炉床散気ノズ ルのうち壁際から複数列のノズルを閉止し，閉止ノズル 上方の炉床を固定層として散気面積を縮小している。 また，従来は炉床単位面積当たりの流動化空気量は 700 ～ 1000 m3/(m2·h)程度として活発な流動を行わせる エネルギー回収対策
Energy recovery measures
省エネルギー対策
Energy-saving measures
熱回収設備 Heat recovery facilities
受入・搬送設備
Waste receiving and conveying facilities インバータモータ，制御装置の導入 Introduction of an inverter motor and control devices
ごみクレーン Waste crane 給じん装置 Waste feeder 押込送風機 Pressure blower エコノマイザ Economizer 減温塔
Exhaust cooler 集じん装置Bag filter
煙突 Stack 誘引通風機 Induced-draft fan 触媒反応塔 Denitrification reactor 消石灰 Hydrated lime ごみピット Waste pit 発電設備 Power-generation facilities 通風設備 Ventilation facilities 建築設備 Construction facilities 排ガス処理設備
Exhaust gas treatment equipment その他Other
特別高圧受電，逆潮流装置の導入 Introduction of extra high-voltage power reception and reverse-flow devices 低温触媒の導入
Introduction of low-temperature catalyst
白煙防止装置の運用停止と熱回収増強 Suspension of the smoke preventer and increase in heat recovery
雑設備 Other facilities インバータモータの導入 Introduction of an inverter motor 照明，空調，換気設備省エネ機器導入
Introduction of energy-saving devices in lighting, air-conditioning, and ventilation facilities 低空気比運転による通風設備の能力低減 Reduction in ventilation capacity by low air ratio operation インバータモータ，制御装置の導入 Introduction of an inverter motor and control devices
蒸気タービン・発電機 Steam turbine and generator
廃熱ボイラ Waste heat boiler
流動床焼却炉 Fluidized-bed incinerator
復水タービンの導入 Introduction of a condensing turbine 発電機の能力増強 Capacity in power generation capacity 廃熱ボイラの設置（水噴霧ガス冷却設備）
Installation of a waste heat boiler (water spray gas cooler) 低温エコノマイザの導入
Introduction of a low-temperature economizer
高温・高圧蒸気 High-temperature, high-pressure steam
飛灰 Fly ash
鉄・アルミ・不燃物 Ferrous metals, aluminum and non-combustible materials
アンモニア水 Ammonia water
図 1 基幹的設備改良工事におけるCO2削減メニュー
とともに流動床内での燃焼割合を高めていた。しかしな がら，2000年前後に実施されたダイオキシン類削減のた めの排ガス高度処理において，完全燃焼を促進するため に，炉床温度を600 ℃程度に低温化するとともに，流動 化空気量を500 ～ 700 m3/(m2·h)程度に減らして，流動床 中の熱反応を抑制して緩慢に行わせ，水分蒸発量や可燃 ガスの発生量を安定化させ，フリーボードで二次空気を 不足することのないように供給して完全燃焼を行わせる 運用が行われてきた。 当社の旋回流式流動床炉では，炉底から炉床に供給す る流動化空気量を，炉床中央部で少なく，炉床の両側縁 部で多くして，流動床内に流動媒体が循環する旋回流を 形成させている。基幹的設備改良工事においては，次の （3）に記すように，それぞれの部位に対応させて個別に ルーツブロワを設け，旋回流の形成と，炉床各部の温度 維持に必要な量の流動化空気を供給させている。 （2）は，炉床温度を低温化して，炉床における熱反応 を緩慢化させることによって，流動床炉に供給されるご みの質や量が変動しても可燃ガスの発生量を安定させ て，低空気比であっても完全燃焼が促進できるようにし て，排ガス量を減少させ誘引送風機の消費動力を削減す るものである。 従来は，炉床温度を600 ℃以上として流動床中で燃焼 を促進させていた。特に，毎日立ち上げを行う准連続式 の焼却施設においては，炉床温度を600 ℃以上として， 翌朝の立ち上げ時の燃料消費量を削減する運用が行われて いた。 一方，流動床ガス化溶融炉では，炉床温度を550 ℃程 度まで低温化して，流動床中でごみの乾燥・熱分解及び 部分燃焼を緩やかに行わせることによって，熱分解ガス を安定して発生させ，後段の溶融炉で低空気比高温燃焼 を行わせている。この流動床ガス化溶融炉の運用実績を 基幹的設備改良工事に取り込んでいる。 （3）は，流動化空気供給用の送風機を流動層の領域ご とにインバータモータによって駆動されるルーツブロワ を設置して，流量調節用弁（ダンパ）を設けずにルーツ ブロワの回転速度を制御して流量を調節する。流動化空 気の供給にルーツブロワを使用することによって，立ち 上げ時に必要な流動化空気量を確保するとともに，定常 運転時はブロワの回転速度を調節して必要最小量の流動 化空気を供給し，消費動力を最小化する。さらに炉内圧 力の調節も，誘引送風機にインバータモータを使用して， 流量調節用ダンパと誘引送風機の回転速度とを組み合わ せて制御し，誘引送風機の動力も削減する。
3．改 良 事 例
3-1 A 施設改良工事（大規模施設） A施設は1炉の処理能力は24時間換算で150 t/24 hの 大規模な水噴霧式排ガス冷却方式の施設である。設備仕 様の概要は，次のとおりである。 施設規模：100 t/16 h×2系列 排ガス冷却方式：水噴霧式 給じん方式：破袋給じん式（無破砕式） 改良工事の主要な項目は以下のとおりである。 ①散気面積の縮小：14 m2から10.8 m2に縮小 炉床散気ノズル26列のうちごみ供給側の壁から1列， 反ごみ供給側壁から5列の計6列を閉止した。 ②単位散気面積当たり流動化空気量：約600 m3/(m2·h) ③炉床温度：約600 ℃ ④押込み用送風機の変更 改良前：ターボファン 13300 m3/h×26.5 kPa×170 kW×1台 改良後：ルーツブロワ 3300 m3/h×25.5 kPa×45 kW×3台 3-2 B 施設改良工事（小規模施設） B施設は1炉の処理能力が24時間換算で約41 t/24 hの 小規模な水噴霧式排ガス冷却方式の施設である。設備仕 様の概要は，次のとおりである。 施設規模：27.5 t/16 h×2系列 排ガス冷却方式：水噴霧式 給じん方式：破袋給じん式（無破砕式） 改良工事の主要な項目は以下のとおりである。 ①散気面積の縮小：3.36 m2から2.6 m2に縮小 炉床散気ノズル10 列のうち両壁から1列，合計 2列 を閉止した。 ②単位散気面積当たり流動化空気量：約600 m3/(m2·h) ③炉床温度：約560 ℃ ④押込み用送風機の変更 改良前：ターボファン 3700 m3/h×26.4 kPa×50 kW×1台 改良後：ルーツブロワ 1200 m3/h×31.4 kPa×18.5 kW×2台 750 m3/h×24.7 kPa×11 kW×1台 3-3 改良後の運転状況 A及びB施設の改良工事後の運転状況について，炉内 温度，排ガスCO濃度及び排ガス酸素濃度の2時間のトレン ドデータを図2に示す。A施設では処理規模が大きいた め，炉床温度が 600 ℃，酸素濃度が10%程度でもCOの発生はほとんど見られなかった。一方，B施設では処理 規模が小さいため，炉床温度を560 ℃程度に下げ，酸素 濃度も12% 程度とすることによってCOピークの発生を 抑制できた。 炉頂温度は，排ガス酸素濃度の低いA施設では930 ℃ 程度を維持できたが，B施設では870 ℃程度とやや低目 に推移した。 酸素消費量は燃焼量の指標となるが，上記条件におけ る酸素消費量の振れ幅は，A施設では平均酸素消費量の 約 5/7 程度であった，処理規模が A 施設の約 1/3 の B 施 設では振れ幅が平均酸素消費量の約5/4倍であった。 すなわち，無破砕でごみを処理している既設炉におい ては，処理規模が小さくなってもごみ供給量の変動は小 さくならない。このため，処理規模が小さくなるほど平 均的な酸素消費量に対する変動幅の割合が増大する。し たがって，処理規模の小さな施設でCO濃度の発生を抑 制するためには，炉床温度をより低温化して炉床での反 応をより緩慢にし燃焼量の変動に酸素供給量を適切に追 随させるとともに，空気過剰率を高めに設定して燃焼に 必要な酸素供給量に対して余裕をもたせた酸素供給を行 う必要がある。 A施設及びB施設の基幹的設備改良工事前後のプラン ト消費電力量の推移を表に示す。 A施設は2炉構成であるが，通常の運転パターンであ る 1 炉の准連続運転における立ち上げ・立ち下げを含 むプラントの消費電力量は改良工事によって約 20% 削 減し 104 kWh/ごみtにまで低減できた。 処理規模の小さなB施設では，同様に立ち上げ・立ち 図 2 改良工事後のトレンドデータ Fig. 2 Trend data after improvement work
A施設温度データ
Temperature data for plant A 500 550 600 650 700 750 800 850 900 950 1000 15:00:00 15:04:07 15:08:14 15:12:21 15:16:28 15:20:35 15:24:42 15:28:49 15:32:56 15:37:03 15:41:10 15:45:17 15:49:24 15:53:31 15:57:38 16:01:45 16:05:52 16:09:59 16:14:06 16:18:13 16:22:20 16:26:27 16:30:34 16:34:41 16:38:48 16:42:55 16:47:02 16:51:09 16:55:16 16:59:23 時刻 Time 温度 ℃ Temperature 流動床温度 1※ Fluidized-bed temperature 1 流動床温度 2※ Fluidized-bed temperature 2 流動床温度 3※ Fluidized-bed temperature 3 炉頂温度
Furnace top temperature
B施設温度データ
Temperature data for plant B
時刻 Time 温度 ℃ Temperature 500 550 600 650 700 750 800 850 900 950 1000 18:30:00 18:34:42 18:39:24 18:44:06 18:48:48 18:53:30 18:58:12 19:02:54 19:07:36 19:12:18 19:17:00 19:21:42 19:26:24 19:31:06 19:35:48 19:40:30 19:45:12 19:49:54 19:54:36 19:59:18 20:04:00 20:08:42 20:13:24 20:18:06 20:22:48 20:27:30 流動床温度 1 Fluidized-bed temperature 1 流動床温度 2 Fluidized-bed temperature 2 流動床温度 3 Fluidized-bed temperature 3 炉頂温度
Furnace top temperature
A施設排ガスデータ
O2 & CO concentrations of exhaust gas for plant A
時刻
Time
排ガス酸素濃度 %
Oxygen concentration of exhaust gas
排ガスCO濃度（生値）ppm
CO concentration of exhaust gas (raw value)
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 15:00:00 15:04:42 15:09:24 15:14:06 15:18:48 15:23:30 15:28:12 15:32:54 15:37:36 15:42:18 15:47:00 15:51:42 15:56:24 16:01:06 16:05:48 16:10:30 16:15:12 16:19:54 16:24:36 16:29:18 16:34:00 16:38:42 16:43:24 16:48:06 16:52:48 16:57:30 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 排ガスO2濃度
O2 concentration of exhaust gas
排ガスCO濃度（生値）
CO concentration of exhaust gas (raw value)
B施設排ガスデータ
O2 & CO concentrations of exhaust gas for plant B
時刻
Time
排ガス酸素濃度 %
Oxygen concentration of exhaust gas 排ガスCO濃度（生値）ppm
CO concentration of exhaust gas (raw value)
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 18:30:00 18:34:39 18:39:18 18:43:57 18:48:36 18:53:15 18:57:54 19:02:33 19:07:12 19:11:51 19:16:30 19:21:09 19:25:48 19:30:27 19:35:06 19:39:45 19:44:24 19:49:03 19:53:42 19:58:21 20:03:00 20:07:39 20:12:18 20:16:57 20:21:36 20:26:15 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 排ガスO2濃度
O2 concentration of exhaust gas
排ガスCO濃度（生値）
CO concentration of exhaust gas (raw value)
※流動床温度1：炉床両側縁 流動床温度2：炉床両側縁 流動床温度3：炉床中央部
発生を抑制することができた。基幹的設備改良工事によ るプラントの消費電力量の削減率は20 ～ 30%であった。
4．お わ り に
既設流動床焼却炉においては 2000 年前後にダイオキ シン類対策の高度排ガス処理の改良工事が行われ，2010 年頃から延命化工事が行われている。基幹的設備改良工 事は，施設の機能回復とともに延命化工事の後，長期間 使用される施設のCO2排出量を削減するものである。 無破砕式で水噴霧式ガス冷却方式の既設流動床焼却炉 において，省エネ対策を徹底することによってプラント の消費電力量を大幅に削減するとともに，処理規模に応 じて必要な対処方法も確認することができた。 今後とも既設炉の延命化と同時に温暖化防止機能の強 化に継続的して対応する所存である。 最後に基幹的設備改良工事の実施に当たり，多大な御 指導，御協力を戴いた自治体の関係各位に深く感謝の意 を表する。 参 考 文 献 1） 橋本恭二，柴田巧，齊藤寛，早野努：厚木市環境センターに おける基幹的設備改良工事，エバラ時報No.241，30-34（2013.10）. 下げを含む2炉准連続運転時のプラントの消費電力量を 約30%削減し，140 kWh/ごみtにまで低減できた。 3-4 改良工事まとめ 既設水噴霧式排ガス冷却施設において省エネ対策とし て流動化空気量の削減を含む基幹的設備改良工事を実施 した。既設炉では，ごみは無破砕で焼却処理されている が，炉床温度の低温化と流動化空気量の低減によって流 動床内の熱反応が緩慢化し，COピークの発生を抑制し た運転が行われた。処理規模が150 t/24 hの場合には炉 床温度が約600 ℃でCOピークの発生は見られなかった。 また処理規模が約41 t/24 hと小さい場合には，炉床温度 を約560 ℃にまで低下させることによって，COピークの 表 改良工事前後のプラントの消費電力量Table Plant’s power consumption before/after improvement work
単位 Unit Ａ施設 Plant A Plant BB施設 1 炉運転 1 Incinerator operated 2 炉運転 2 Incinerators operated 改良工事前 Before kWh/ Waste tkWh/ごみｔ 134 204 改良工事後 After kWh/ Waste tkWh/ごみｔ 104 140
