新燃 焼 方 式 に よる小型 焼 却 炉 の 開発

長崎大学総合環境研究 第 7 巻 第 1 号 pp. 25‑35 2005 年 1 月

新燃 焼 方 式 に よる小型 焼 却 炉 の 開発

武 政 剛 弘 * ､ 川 口 聡 * * * ､ 奥 村 佳 代 * ､ 田平 泰 広 * * ､ 石 橋 康 弘 * *

De ve l opme ntofSma l lSi z e dl nc i ne r a t orUs i ngt heNe wCombus t i on Sys t e m

Take hi r oTAKEMASA *, Sat os hiKAWAGUCH Ⅰ … ,KayoOKUMURA* ,Yas uhi r o I SHI BASHI H a ndYas uhi r oTABI RAH

* ^{Fac ul t yofEnvi r onment alSt udi es ,Nagas akiUni ve r s l t y,Nagas a ki ,852‑ 8521,J a pan}

* * Envi r onment alPr ot ect i onCent er ,Nagas a kiUni ver s l t y,Nagas a ki ,852‑ 8521,J a pa n

* * * ^{Ka nkyo‑ s angyoLt d. ,Nagas aki ,851 ‑ 0111 ,J a pan}

Abs t ract

Thegener at i onofdi oxi nsi nt hewas t ei nci ner at i onbecameapr obl em,a nd"l aw on pr oces s i ngandcl eani ngofawas t e"wasr evi s edbyt heJ a panes egover nmenti n 1997i n J a pa n."Di oxi nscount e r meas ur es peci almeas ur el aws " wasenf or cedi n2000i nJ a pan.The f ol l owi ngwer es ever el yl nS t i t ut edbyt hel aw :Di oxi nsconcent r at i ondi s c har gedf r om t he i nci ner a t orands t r uct ur eoft hei nci ner a t ora ndmai nt enances t a ndar d.Thes mal li nci ner at or e ve rus ed became a n ob j ec toft he l aw r egul a t i on.The s mal li nci ner at ori n i ndus t r y , educat i onali ns t i t ut i on,gover nment ,hos pi t al ,or di nar yhomescoul dnots at i s f yt hi ss t a nda r d.

Thedi s pos alcos tofawas t ebecomest heeconomi caloppr es s i onoft hes mal landmedi um e nt er pr l S eaSt her es ul t .

I ti sneces s ar yt odot hecompl e t ecombus t i onwhi c hs at i s f i eshi ghcombus t i ongas t emper a t ur e ( Temper at ur e) ,r es i dence t i me oft he gas( Ti me) , mi xi ng bet ween gasa nd s econdar yai ri ni ns i deoff ur nace( Tur bul e nce)i nor dert os uppr es st hege ner a t i onofdi oxi ns . Thi si scal l ed"3‑ T".I nt hi ss t udy,t hedevel opmenti scar r i edouti nr es pectoft hes mal l i nci ner at orwhi c hs a t i s f i es3‑ Tbyt henew combus t i on,a ndi tai msatt hecont r olofdi oxi ns wi t ht heachi eveme ntofcompl et ecombus t i oni nt hes mal li nci ner at o r .

1.緒言

現在 の社会経 済活動 にお け る大量生産 ､大量 消費 は大量 の産業廃 棄物 を排 出 してお り､その 総排 出量 は約 4 億 トン となってい る 1 ) ｡さらに

受領年月 日 2 0 04( 平成 1 6 年 受理年月 日 2 00 4( 平成 1 6 年

* :長崎大学環境科学部

** :長崎大学環境保全セ ン

***:有限会社 環境産業

廃棄物 質 の多様化 に よ り､ 焼却処分 出来 ない多 くの廃 棄物 が生 じ､これ までその ほ とん どが埋 め立て処分 され てい るた めに､ 最終処分場 の逼 迫 が生 じてい る｡焼却 処分 可能 な廃 棄物 もまた 年 々増加 の一途 を辿 る一方 ､ 廃棄物 の燃 焼過程

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武政 剛弘 ･川口 聡 ･奥村佳代 ･田平 泰広 ･石橋 康弘

等 で非意 図的 にダイオキシン類 が生成 され､ 燃 焼排 ガスや排 ガス洗浄水 の不純 物 と して環境 中に排 出 され､こ うしたダイオ キシン類 による 環境汚染 は 日本各地 で問題 となった｡ダイオキ シン類 は人 に対 し急性毒性 ､ 慢性 毒性等多岐 に わた る毒性 を有 してい る為､人 に対す る健康 の 保護 を図 ることが急務 となった 2､3 ) ｡これ に対 応 して､ダイオ キシン類 に よる環境 の汚染 の防 止及 びその除去等 をすす めるため､ダイオ キシ ン類 に関す る施策 の基本 とす べ き基 準 が定 め られ ､必要 な規制 ､汚染土壌 に係 る措置等 を 目 的 と した ｢ ダイオキシン類対策特別措置法｣が 平成 1 4 年 1 2 月に完全施行 され た｡この規制の 強化 に よって工場 ､教育機 関､官庁 ､病院及 び 一般家庭 に設置 され た従来の小型焼却炉 では､

新基準 を満 たす事 が出来 ないた め､ 廃棄物 の焼 却処 理 を 自主規制 あ るい は廃止 せ ざるを得 な い状況 となってい る｡この結果 ､廃棄物処理 を 業者 に委託す るこ とにな り､ 社 内焼却費 に比べ 数倍 の コス ト高 とな り､中小企業 に とっては経 済的圧迫 が大 き くなってい る｡

燃 焼過 程 にお け るダイオ キシ ン類生成 は､

5 0 0 ℃ か ら 9 0 0 ℃ の高温域 では ク ロロフェノー ル類や ク ロロベ ンゼ ン類 等 の前躯体形成 を経 由 してお り､ 3 0

℃ か ら 5 0 0 ℃ の低温域 ではフ ライ ア ッシ ュ中の金 属類 を触媒 と した反応 に よってい る 4 ) ｡この事か ら､ダイオ キシン類 の 発生 を抑制 させ るには､ 炉 内温度 が この よ うな ダイオ キシン類生成 温度域 にな らない よ う､ 炉 内温度 を迅 速 に 8 0 0 ℃ 以上 に高 めて完全燃 焼 させ る必要がある｡完全燃焼 を達成す る条件 は､

1)高 い燃焼 ガス温度 ( Temperat ure)､ 2)十 分 なガスの滞留時間 ( Ti me)､ 3)炉 内での十 分 な ガ ス 授 拝 ･及 び 二 次 空 気 と の 混 合 ( Turbul ence)の ｢ 3‑T｣である 5) ｡ これ らの 条件 が燃 焼 ガス 中の未燃 炭化水 素お よび前躯 体物質 を減 らす ための必要条件 である｡ダイオ キシ ンを発 生 させ ない完全燃 焼 の条件 を満 た す大型 焼却炉 6) は幾つか開発 され てい るが､小

型焼却 炉 で完全燃 焼 す る技術は 確 立 され て い ない｡さらに焼却処理 では､ダイオ キシン類対 策 以外 に も低公 害化 を考慮 しな けれ ばな らな い｡

本研 究 では､ 小型焼却炉 でダイオ キシン低減 化 をす るため完全燃 焼 に必要 な ｢ 3‑T｣ を達 成す る方法 として､連続投入式流動層 ､水蒸気 噴射 を組 み合 わせ ､さらに二重 円筒構造 に よ り 耐火煉 瓦 を使 わ な くて も高温燃 焼 で き る新燃 焼方式 の小型焼却炉 の試 作 を行 ない､小型焼却 炉 での完全燃焼 の実現 を 目指 してい る｡この焼 却 炉 の実現 は 中小企 業 に とって非 常 に有効 で あ り､ 環境保全 に も大 き く貢献 で き る と考 え ら れ る｡

2 . 廃 棄物焼却 に係 るダイオ キ シ ン削減 のた めの規制措置

2 . 1 . 焼却炉 の構造 ･維持管理基準 の強化

平成 1 3 年 3 月の ｢ 廃棄物処理及 び清掃 に関 す る法律施行規則｣の改正 に よ り､許 可対象施 設 の構 造基 準及 び維 持 管理 基準 の強化 を 目的 とし､ 新 たに基準が定 め られ平成 1 4 年 1 2 月 に 施行 され た｡

改正後 の構造基準 の主な ものは､ ①外気 と遮 断 され た状態 で定量ずつ連続 的 に廃 棄 物 を燃 焼 室 に投入 で きる供 給装置 の設 置② 空気 取入 口･ 煙 突 の先端以外 に焼却設備 と外気 とが接す ることな く､燃焼室の温度 が 8 00 ℃ 以上の状態 で､定量ずつ廃棄物 を焼却 できるもの③外気 と 遮 断 され た状態 で､ 廃 棄物 を燃焼室 に投入 で き る もの④燃 焼 室 中の燃 焼 ガスの温度 を測 定す るた めの装置 が設 け られ てい る こ と⑤燃 焼 ガ スの温度 を保 つ た め に必 要 な助燃 装置 が設 け

られ てい ることが加 え られ た｡

維持管理基準で昼､ ①燃焼室‑の廃棄物 の投

入 は､定量ずつ連続 的 に行 うこ と､②燃焼室 中

の燃焼温度 を . 8 0 0 ℃ 以上 に保 つ こ と､( 参焼却灰

の熱灼減 量 を 1 0 w t % 以下 とす るこ と､④運転

新燃焼方式による小型焼却炉の開発

開始時 には炉温 を速やかに上昇 させ ､ 運転停止 時 には炉温 を高温 に保 ち廃棄物 を焼却 し尽 く す こと､ ⑤集塵器 に流入す る燃焼 ガスの温度 を 概ね 2 0 0 ℃ 以下に冷却す ること､⑥冷却設備等 に堆積 した煤塵 を除去す ること､ ⑦排 ガス中の 一酸化炭素濃度 を , l O O p p m , 以下 とす ること､㊨

燃焼 ガ ス温度及 び排 ガス 中の一酸化炭 素 を連 続的に測定 ･記録す ること､( 9排 ガス中のダイ オキシン濃度 を年一回以上測定 ･ 記録す るこ と､

⑩煤塵 を焼却灰 と分離 して排 出･ 貯留す ること な どが主に改正 され た基準であ り､ 焼却炉の規 模 にかかわ らず適用 され る｡

2. 2. ダイオキシン類特別措置法

従来 ､ 排 出ガス濃度 が規制 され ていなかった 小型廃 棄物焼却炉 につ いて も火床 面積 0. 5 m 2

以上又 は焼却能力 5 0 k g / h r 以上の ものについ ては､ 平成 1 4 年 1 2 月 に施行 され たダイオキシ ン類対策 特別措置法 によ り規制 が行 われ る事 となった｡

ダイ オ キシン類対策特別措置法 で強化 され た大 気 に係 わ る特 定施 設 ‑ の排 出基 準 を表 2 . 1 に示す 9) ｡

4 t / h r 以上 の新設 炉 につ いては国際的な 基 準 と同 じ 0･1ng‑ T E Q/ m ³ N であ り､既設炉の

暫定基準の 1/ 8 0 0 になってい る｡ これ よ り小 規模 の新設炉では 1 ‑5ng‑ T E Q/ m 3 N であ り､

既設炉では､ 1 ‑l ong‑ T E Q/ m 3 N である｡将 来的 には技術基準 と して国際的 に共通 の基準 とな りつつある 0.1ng‑ T E Q/ m ³ N を 目指 した 焼却炉が必要 になって くると考 え られ る｡

3 . 水性 ガス反応

水性 ガ ス反応 は コー クスのガス化 に利用 さ れ てきた｡平成 1 3 ､ 1 4 年度 に試作 した小型焼 却炉 1 0) では､送風機 によ り空気 を送風 して炉 内に旋回流 を発生 させ た｡これ によ り､炉の中 心付近 に比べて内壁近傍 の静圧 が高く, な り( ベ ルヌイの定理)､火炎 は静圧 の低 い部分 に ドー ナ ッツ状 に旋 回 しなが ら存在す ることになる｡

火炎 は内壁 か らある程度離れ るため､ 炉壁 か ら の伝導 に よる熱損失が低減 され る｡通常､ 水 ( 演 体)を火炎 に直接注入す ると､蒸発潜熱 ( 吸熱 反応)に よ り莫大な熱損失が生 じる｡本焼却炉 では､火炎か らの幅射 によ り温度が 2 5 ⁰ ℃ か ら 5 0 0 ℃ 程度 に加熱 され た炉壁 ( 内壁) を伝 わ る よ うに水 を流す ことに よ り､炉壁 を冷却 ( 再生 冷却) . しなが ら水蒸気化 された水が高温火炎帯

‑注入 され る構造 になってい る｡ したがって､

ごみ焼却 によ り発生す る熱 を奪 うことな く､ 水 蒸気 を生成､注入できる｡

表 2.1 大 気 に係 わ る 特 定 施 設 ‑ の ダ イ オ キ シ ン類 排 出 基 準 (2002) ■

特 定施設 の種類 新設施設 の準値値 '既 設 施 設 の 基 準 値 .

施設規模 ー m2 m3 . . 1 . 1 . 1 5 1 4 . ‑ m3 Ⅲ 4 . . 1 l . l 1 . 5 3 ‑ 〕 m 41 2 . 1 ‑

廃 棄 物

焼却炉 4t /hr 以上 0 . 1 新 応を猶予 通 一 80 p l

Zt /hr〜4t /hr 1 5

Zt /hr 未満 5 10

製鋼 用電気炉 0. 5 20 5

鉄鋼 業焼結施設 0.1 ･ 2 1

亜鉛 回収施設 1 40 10

( 単位: ng‑ T 印/ m 3 N)

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一般 的 な,ガス化の基本反応式 を次 に示す｡

1 )熱分解

ゴ ミ ( 有機物)‑ メタン等ガス成分 +タール 等 +チ ャー [ 1 ] 2) 酸素 との反応

C+ 02 → C O Z

C+ 1 / 202 ‑ C O

[ 2 ] [ 3 ]

C+ c o z ‑ 2 C O ( 発生炉ガス反応) [ 4 ] 3) 水蒸気 との反応

C+ H2 0‑ C O十 Hz ( 水性 ガス反応) [ 5 ]

C+2 H 2 0 ‑ C O Z + 2 H z [ 6 ]

c o 十 H z 0 ‑ C o ∑+ H Z(シフ ト反応) [ 7]

4 ) 水素 との反応

C+ 2 H z ‑ C H ｡ ( メタン反応) [ 8 ]

c o+ 3 H 2‑C H ｡ + H 2 0 [ 9 ] 式 [ 2 ]は,完全酸化 あるいは燃焼,式 [ 3 ]は部 分燃 焼 あ るいは不完全燃 焼 と呼 ばれ る式 で両 式 とも熱 を発生す る発熱反応 である｡これ らの 発生熱 が,固形燃料 ガス化 にお け る発生炉ガス 反応 ,水性 ガス反応 を主 とす る吸熱反応 に対す る熱 を供 給 す る

式 [ 4 ]は 発 生 炉 ガ ス 反 応 ( B o u d o u a r d 反応 とも呼ばれ る),式 [ 5 ]は水性 ガス反応 で,ともに吸熱反応 であ り固形燃料 ガ ス化 の主反応 ともいわれ る｡ 式 [ 6 ]は,式 [ 5 ] に付随 して起 こる反応 である｡

式 [ 7]は発熱反応 であ りシフ ト反応 と言われ 特 に高温 ( 9 0 0℃以上)で反応 は早 く ( 平衡 に 達す る時間が短 く)ガス化炉出 口組成 を決定す

る重要 な式の一つ である｡

式 [ 8 ]は,メタン化反応 と呼ばれ メタンを生 成す る反応 である

式 [ 9 ]は一酸化炭素 と水素

か らメタンを合成す る反応 である｡ いずれ も, 発熱反応 で しか も分子数 を減少 させ る反応 で

あ るか ら常圧 のガス化 では余 り問題 とされ な いが,加圧 下で比較 的低温度領域 で進行す る｡

4 . 実験装置

本研 究 では廃棄物 の連続投入 可能 なダイオ キシン低減化小型焼却炉 を実現さ せ るため､ 廃 棄物 を一次燃焼室 にて燃焼 させ､二次燃焼室に 設 置 した二基 のバーナー で完全 に熱分解 ガス を燃焼 させ る､ 連続投入熱分解焼却炉実証プラ ン トを試作 した｡本研 究の実証 プラン トを図 4.

1 に示す｡

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送 風 機 害

図 4. 1 実証プ ラン ト概略図

炉 内は､残壇流動分解室､一次燃焼室､二次燃

焼室で構成 され てい る｡二次燃焼室内には L P G

ガスバーナーが二基設置 され てお り､ 燃焼 中は

常時点火 してい る｡二次燃焼室内筒 と外筒 の間

に循環水冷パイプを設置 してい る｡循環水冷パ

イプ内の水温が上昇す る と水蒸気 が発生 し､ そ

新燃焼方式 による小型焼却炉の開発

れ を二次燃焼室下部か ら炉内に噴射 し､ 水性ガ ス化反応 を燃焼 に利用 している｡送風機 はイ ン バー タ制御 に よ り送風空気量 を調節す る事 が でき内筒 と外筒 の間に送風 し､ 炉床か ら炉内に 空気 を送 り込む仕組みになってお り､同時に内 筒の冷却 を行 ってい る｡また通常高温燃焼 をす る焼却炉 では炉壁 が高温 に耐 えるため耐熱煉 瓦を使用 しているが､ 本実証プラン トでは内筒 内部 は トルネー ド状 の強旋 回流 に よ り炎が直 接内筒 に触れ ない構造になってい るので､内筒 のメタル温度が低 く 1 2 ) 耐火煉 瓦を使用 しな く ても高温燃焼できる｡それ ゆえダイオキシン低 減化が可能な燃焼 を行 うことがで きる ｡

5 . 排 ガス分析及び温度測定

実験 は､建築廃木材 と廃プラスチ ックを 1 00 m m前後 のチ ップ状 に破砕 した模擬 ごみ を作成

し､廃木材専焼､廃プ ラスチ ック専焼及び廃木 材､ 廃 プラスチ ック混焼の 3種類 の実験 を行 っ

た｡条件等 を表 5.1に示す｡

燃焼実験では L P G ガスバーナー を点火 し､送 風機 を稼動 させ､ 実験炉内部に十分 な空気 をパ ージ した｡その後､灯油を模擬 ごみに少量散布 し､点火 した｡着火 と同時に排ガス分析､温度 測定を開始 した｡廃 プラスチ ック と廃木材 の混 合比は低位発熱量 ( 3. 燃焼理論参照)か ら ､1:

1として､総量 1 kgと 1 ･5 k gの袋詰 め模擬 ゴミ を作成 し､実験 を行 った｡温度測定､排ガス測

表 5. 1

定の位置 はグラン ドの高 さ 32 0( mm)､1 81 0( mm)､

31 6 0( m m)､5 31 0( mm)､の位置 にサ ンプ リング ロを設 け､それぞれ を① ､④､⑥ ､⑨ とした｡

① ､ ④ は炉 内中心ガス温度 を測定 し⑥ は炉内内 壁のメタル温度の測定点である.また､( 勤にて サ ンプ リングプルーブを差 し込み､ 排ガス分析 を行 った｡

6. 結果及び考察

実証プ ラン トにおける廃木材 1 kgずつ を連 続投入 させ た廃木材 のみの燃焼実験 の炉 内各 位置のガス､ 炉壁 の温度計測 と排ガス分析結果 をそれぞれ図 6.1と図 6. 2に示 した｡図中の 1 次燃焼ガス温度 は､ 点火 か ら 7 00秒 間点火剤 の 灯油を散布 していない為､ 模擬 ごみが煉 った状 態であ り 1 00℃以下の温度で推移 してい る｡

その後､7 00秒〜900秒間に､炉内一次燃焼 ガス温度が 800℃ に上昇 し､同時に C b､ HC ガ ス濃度がそれぞれ 1 4 00ppm､ 800ppmに上昇 して いる｡この原因は､送風機 による送風量が少な かったため､ 不完全燃焼状態であった と考 えら れ る｡ 1 000秒〜2 4 00秒 間は､一次燃焼ガス温 度 ( T4 ) は 900℃以上 を保 ってお り､ C O ガス 濃度 は､ 平均値 53 ppmであ り良好な燃焼状態で ある｡ しか し､模擬 ごみ投入時に一時的に C O ガス濃度が 2 00ppm程度上昇 してい る｡これ は､

炉内温度 が高温な為､模擬 ごみ投入直後か ら 急激 にガス化 している と考 え られ る｡ さらに､

実験条件

模擬 ゴミ LPG ーナー出力 ガスバ 水蒸気噴射 対応 グラフ 木屑 廃 プラ

実験 1 1 k g ‑ 一

4 ノ 旺 ヽ ヽ ヽ 図 6. 1､図 6. 2 実琴 2 ‑ 0. 5k g 一定 4 ノ 証 ヽ ヽ ヽ 図 6. 3､図 6. 4 実験 3 2‑ k g ‑ 微調整 4 ノ 旺 ヽ ヽ ヽ 図 6. 5､図 6. 6 実験 4 1k g 0. 3k g 微調整 有 1 図 6. 7､図 6. 8 実験 5 1k g 0. 5k g‑ 微甲整 有 図 6. 9､図 6. 1 0

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･ 4. 叫

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0 5 00

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控過持間 幻

図 6 .1 各測定点における温度の経時変化 ( 廃木材 1 k g 専焼)

T l:サ ンプ リングロ① にお ける炉内中 心ガス温度

T ｡:サ ンプ リングロ④ にお ける炉内中 心ガス温度 ( 一次燃焼ガス温度) T 6 :サ ンプ リングロ⑥ にお ける炉内内

壁のメタル温度

T 9 :サ ンプ リングロ⑨ にお ける排ガス 温度

40｡ 20 ｡ oOO ⁝ 伽 4

V ; 00 ゆ 15 同 時 過 提 0加

図 6 . 2 C O , H C の経時変化 ( 廃木材 1 k g 専焼)

2 4 0 0 秒 か ら模擬 ごみ投入時に､一次燃焼ガス 温度が 2 0 0 ℃〜4 0 0 ℃ 程度低下 し､流動分解ガ スが 1 0 0 ⁰ ℃ に上昇す る顕著な温度変動が生 じ ている｡炉下部の流動分解 ガスの上昇は､炉内 温度が高温にな り､さらに幅射熱 で炉内内壁温 度が上昇 し､ 模擬 ごみ投入 と同時に模擬 ごみが ガス化 した結果 と考 え られ る｡一方､一次燃焼 ガス温度の変動は､ 投入 口に設 けた外気 を遮断 す るス ライ ド ( S US 3 0 4 ) が熱膨張を起 こし､ゴ ミ投入 時 にその隙間か ら外気 が炉 内に流入 し たためにヾ 一次燃焼ガス温度が低下 した と考 え

られ る｡

廃 プ ラスチ ック専焼実験 は廃 プ ラスチ ック 0 . 5 k g をパ ックに した ゴ ミを連続投入 に よ り 行 った｡廃木材燃焼実験 と同 じ位置での温度計 測 と排 ガス分析結果 をそれぞれ図 6. 3 と図 6 . 4 に示す｡ 同図か ら廃木材 と同様 に､点火 か ら 5 0 0 秒 間は模擬 ごみが煉 った状態で､ C O ､ H C ガス濃度がそれぞれ 3 5 0 p p m､ 2 2 0 0 p p m の高濃度 のガスが検 出 されていることがわかる｡その時 の炉 内一次燃焼ガス温度 は 2 0 0℃ 以 下であ り ダイオ キシン生成の危険性が十分 ある｡発火 し た 5 0 0 秒か ら模擬 ごみの連続投入 を開始 した｡

ゴ ミ投入 開始後 の一次燃焼 ガス温度 は廃木材 の焼却 と同様 に大 き く温度変動 を している｡温 度変化は高温域で 9 0 0 ℃ か ら 1 0 5

℃ であ り､ 焼 却炉構造基準 を満た しているが､低温域では､

4 0 0 ℃ か ら 6 0 0 ℃ になっている｡ この現象は廃

プ ラスチ ックはガス化速度 が速 く燃焼 時間が

短いために､ 廃プラスチ ックのみ を燃焼 させ た

場合 は急激 な温度上昇､ 急激 な温度下降がみ ら

れ､燃焼状態が不安定あると考 え られ る｡さら

に､ この現象 に連動 して､発生す る C O ガスが

一時的に 5 0 0 p p m まで上昇す る時 もあ り ､H C 濃

度 も平均値 1 0 0 0 p p m 程度で推移 してお り､ダイ

オキシ ン類生成 の危険性 が非常 に高 くなって

いる｡したがって､この よ うな現象が定常的に

発生す るのであれば､当焼却炉はプラスチ ック

の専焼 には適 さない と考え られ る｡

新燃焼方式 による小型焼却炉の開発

0 5 0 0 1 0 0 0 1 5 0 0 2 0 00 25 0 0 3 0 0 0 3 5 0 0 4 0 0 0 45 0 0 5 0 0 0 5 5 0 0 6 0 00 6 5 0 0 7 0 00

図 6. 3 各 測 定 点 にお け る温 度 の径 時 変 化 ( 廃 プ ラスチ ック 0･ 5 k g 専 焼 )

T l :サ ンプ リング ロ① にお ける炉内中心ガス 温度

以下､ . ゴ ミの構成 を変えた場合の燃焼 につい て､一次焼却温度 ( セ ンサ 丁番号 4) と C O 濃 度 の経時変化を示 して考察 を加 える｡

廃木材 2k g のパ ック を連続投入 した場合 を 図 6. 5 と図 6. 6 に示す｡ この場合 は点火 か ら 9 0 0 秒 は緩や かな温度上昇であ り､不完全燃焼 のため C ^{Oガス濃度 は 5 0 0 p p m} を検 出 してい る｡

完全燃焼 となった 1 2 5 0 秒後 に一次燃焼ガス温 度 は 8 0 0 ℃ に上昇 し､それ に伴い ･ C O ガス濃度 は 1 5 0 p p m に減少 してい る ｡2 5 0 0 秒後の一次燃 焼ガス温度が 5 0 0 ℃ に低下 した ときも､火炎温 度 を上 げるために L P G ガスバーナーの出力 を

1000 900 800 700

00

T ｡:サ ンプ リング ロ④ にお ける炉内中心ガス

温度

00

T 6 :サ ンプ リング ロ⑥ にお ける炉内内壁 のメ 200

タル温度

T ⁹ :サ ンプ リング ロ⑨ にお ける排 ガス温度

Hl c n I

皿 押匪両 伊

V

喜̲Ai 幽 魂 鮎 転 心

0 5 0 0 1 0 0 0 1 5 0 0 2 0 0 0 2 5 0 0 3 0 0 03 5 0 0 4 0 0 0 4 5 0 0 5 0 u 5 5 0 0 6 0 0 0 6 5 0 0 7 0 0 0 姪過 時間 6)

図 6. 4 C O, HC の経時変化 ( 廃 プ ラスチ ック 0. 5 k g 専焼)

‑

3 1 ‑

500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 5000

聞軸

図 6. 5 1 次燃焼ガス温度 の経時変化 ( 廃木 材 2 k g 専焼)

5 5 0 5 0 0 4 5 0 4 0 0 3 5 0 E . 3 0 0 也 馬 2 5 0 2 0 0

1 5 0 1 0 0 5 0 0

0 5 0 0 1 0 0 0 1 5 0 0 2 00 0 I2 5 0 0 3 0 0 0 3 5 0 0 1 1 0 0 0 4 5 0 0 5 0 0 0 桂過時間 i )

図 6 ･ 6 C O の経時変化 ( 廃木材 2 k g 専焼)

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武政 剛弘 ･川 口 聡 ･奥村佳代 ･田平 泰広 ･石橋 康弘

調整 して完全燃焼 を促 して､ C O ガス濃度の上 昇 を未然に防 ぐ効果 が確認 され る 1 3) ｡ この よ うに､廃木材 の専焼の場合､一回の投入容積が 大 きい時には木材 の燃焼 カ ロ リーが小 さいた めに L P G ガスによって完全燃焼 を補助す る必 要がある｡

廃木材 1k g と廃 プラスチ ック 0 ･ 3 k g をパ ッ クに したゴミを連続投入 して､ 燃焼 中は常時一 次燃焼室 に水蒸気 を噴射 した場合 の計測結果 を図 6 . 7 と図 6 . 8 示す.点火か ら 7 8 0 秒で一次 燃焼ガス温度 は 8 2 0 ℃ に到達 し､温度変化 も小 さく安定 した燃焼 を している｡完全燃焼 となっ た 1 0 0 0 秒後か ら､一次燃焼ガス温度 は 8 5 0 ℃

か ら 9 0 0 ℃ を保 ってお り､安定 した燃焼 を継続 している｡ また この時の C O ガス濃度 は平均値 3 0 p p m であ り､基準値 を満足 してい声｡さらに､

廃 プ ラスチ ックの燃焼 に よ り炉 内ガス温度 が 1 0 0 0 ℃ を超 えると発生す るサーマル Ⅳ 0 Xは､ 水 蒸気 を噴射す ることで低減 できるこ とを確認

してい る｡

廃木材 1 k g と廃 プラスチ ック 0･ 5 k g をそれ ぞれパ ック した ゴ ミを交互 に投入 し燃焼実験 を行 った｡この場合､焼却炉で予 め廃木材 を燃

0 5 0 0 1 0 0 0 1 5 0 0 2 0 0 0 2 5 0 0 3 0 0 0 3 5 0 0 4 0 0 0 4 5 0 0 5 000

6 )

図 6 . 7 一次燃焼 ガス温度経時変化 ( 廃木材 1 k g+ 廃 プ ラ 0. 3 k g 混合燃焼) 焼 させ炉 内温度 を上昇 させ た状態か らの実験

であ り､ 一次燃焼室‑水蒸気 を常時噴射 してい る｡以下に示す 2 ケースの実験 も本燃焼実験 と 同様 の状況で行 ってい る｡ その結果 を図 6 . 9 と図 6 .1 0 に示す

実験開始直後 の 0秒 〜7 5 0 秒間は､模擬 ごみ投入 を停止 した状態で､一次 燃焼ガス温度 は 1 0 0 0 ℃ か ら 5 0 0 ℃ に低下 して いる｡ これ に連動 して C O ガス濃度 は最高値 5 7 0 p p m を示 してい る ｡ ゴ ミの投入 を開始 した 8 0 0 秒以降は､一次燃焼ガス温度は 8 0 0 ℃ ^以上

を保持 してお り､基準を満 た している｡ C O ガ ス濃度 は平均値 3 5 p p m で､ 1 0 0 p p m を超 えるピ

00 00 4 3 (∈ 長 軸F‑

0 5 0 0 1 0 0 0 1 5 0 0 2 0 0 0 2 5 0 0 3 0 0 0 3 5 0 0 4 0 0 0 4 5 0 0 5000

図 6. 8 C O の経時変化 ( 廃木材 1 k g+ 廃プラ 0 ･ 3 k g 混合燃焼)

‑クは 3 回だけであ り､良好 な燃焼であると判 断できる｡廃木材 0･ 5 k g ､ 廃 プラスチ ック 0･ 5 k g をそれ ぞれパ ック した ゴ ミを交互 に投入 の場 合 の計測結果 を図 6.1 1と図 6. 1 2 に示す｡同図 か ら実験開始か ら 1 0 0 0 秒付近で C O ガス濃度が 2 0 2 0 p p m になっているが､この原因はゴミ投入 時期が遅れたため､ゴ ミに引火す るまでに時間 を要 し､ 炉内温度が低下 し不完全燃焼 を引き起 こしたため と考 え られ る｡この結果か らゴミの 連続投入 には細心の注意が必要であ り､ 今後は､

ゴ ミ投入 を 自動化 して均一化す る工夫 が必要 である｡その後は､一次燃焼ガス温度は 8 0 0 ℃

以上 を保持 し､ C O ガス濃度 は平均値 5 8 p p m と

新燃焼方式 による小型焼却炉の開発

0 5 0 0 1 0 0 0 1 5 0 0 2 0 0 0 2 5 0 0 3 0 0 0 3 5 0 0 4 0 0 0 4 5 0 0 5 ∝ 氾 5 5 0 0

軽過時間 i)

図 6 . 9 一次燃焼ガス温度の経時変化 ( 廃木 材 1 k g と廃 プラ 0. 5 k g 交互に投入)

0 5 00 1 000 15 00 2000 2500 3 000 3500 4000 4500 5 000 提過時冊 i)

図 6 . 1 0 C O の経時変化 ( 廃木材 1 k g ､ 廃 プ ラ 0. 5 k g 交互に投入)

(3 ) 地 相

2 5 0 5 0 0 7 5 0 1 0 0 0 12 5 0 15

1 7 5 0 2 00 0 22 50 2 50 0 2 7 5 0 3 0 0 0

捷 遇 時 r n i)

図 6 . 1 2 C O の経時変化 ( 木屑 0･ 5 k g ､ 廃プラ 0･ 5 k g 交互 に投入)

なってお. り､基準 を満足 している｡

最後 に､水性ガス反応 を判定す る実験結果 を図 6 . 1 3 示す｡ 同図に示す よ うに水蒸気噴霧 を した場合､ 火炎温度 に 5℃〜3 0 ℃ 程度 の昇温 効果 が見 られ た｡ また雰 囲気温度 は 9 0 0℃〜

1 0 0 0 ℃ での水蒸気噴霧 であ り､これ以下の雰囲 気温度での水蒸気噴霧 は､ 逆に温度降下をもた

らした｡

000 llL

0 500 1 000 1500 2000 2500 3000

軽過時間

i )

図 6.ll ‑次燃焼ガス温度経時変化 ( 廃木材 0. 5 k g ､廃 プラ 0･ 5 k g 交互に投入)

‑ 3 3 ‑

0 5 1 0 15 2 0 25 3 0 35 4 0 45 5 0 時間 ( S )

図 6 . 1 3 水蒸気添加有無による温度変化

総合環境研究 第 7 巻 第 1 号

武政 剛弘 ･川一 口 聡 ･奥村佳代 ･田平 ,泰広 ･石橋 康弘

7. 結論

今回の実験 で､ 新燃焼方式 による連続投入式 小型焼却炉 は一次燃 焼 ガス温度 を 800℃以上 に保持 した燃焼が可能であ り､ 構造基準 を満 た す ことができた｡

今回の研究では､ 廃木材 の専焼 と廃木材 と廃 プラスチ ック混合比が 2:1 では安定燃焼 が可 能であることが確認 できた｡また水蒸気噴射 に よ り燃焼温度上昇 ､ 安定燃焼の効果 も確認 で き た｡しか し､廃 プ ラスチ ックの専焼では炉内温 度が 1 000 . ℃〜1 2 00℃ になるため､炉内内壁 の 腐食や､熱歪が発生す る恐れがある｡また燃焼 も非 常 に早 く進行 し不安定 であ るた め安 定燃 焼 させ るためには さらなる工夫が必要である｡

なお ､廃木材 と廃 プ ラスチ ック混合比が 2:

1? ゴ ミを連続 投入 した場合 の燃 焼 ガス分析 結果 は表･ 7:1 y J ‑7 . . 3に示す とお りであ争｡依

分析 の総合結果 は ｢ 排 出ガスのダイオキシン類 濃度 は､基準値 を下回 る結果 であった｡ また､

C O ガス濃度 については､｢ 廃棄物処理法維持管 理基準｣に定め られ てい る 1 00ppmを十分 に下 回 る結果 であった｡実施 したその他 の大気質 に ついてのばい煙測定 は､ 各 々で定 め られてい る 基準値 を下回 る結果 であった｡また､焼却灰 の 熱灼減量 も 1 0%以下であった｡｣となってい る｡

さらに必要 に応 じ ､L P G . ガスバーナー を使用･

す ることで､ C O ､ H C の未燃炭化物 は完全燃焼 させ ることが可能 であった｡また､水性 ガス反 応 によ り､熱灼減量が 2.1 % と基準値 を完全 に

表 7.1 排 出ガスの測定結果 と基準値

分析項 目 単位 測定結果値 基準値

表 7. 2 各大気質の測定結果 と基準値

分析項 目 単位 測定結果値 基準値

一酸化炭素濃度 p p m 4 8 1 00

酸素濃度 % 1 6.1 ‑

ばい じん濃度 g / N m 3 0.1 6 9 0. 2 5 全硫黄酸化物量 m 3 / h 0. 03 0. 7

窒素酸化物濃度 c m 3 / m 3 95 2 5 0 塩化水素濃度 m g / N m 3 1 00 7 0 0

表 7. 3 焼却灰 の灼熱減量分析結果 と基準値

分析項 目 単位 測定結果値 基準値

新燃焼方式による小型焼却炉の開発

ク リアす る事ができた｡

しか し､ 今 回の実験 において廃棄物投入方法､

熱量の変化 ､ 人為的要因によって燃焼状態が大 きく左右 され ､ そのため C O ガス濃度や H C ガス 濃度 に大 き く影響 した｡したがって市販炉 とし て誰 もが使 えるよ うにす るには運転や廃棄物 投入 の 自動化 な どの課題 があげ られ る｡

また本焼却炉では初期燃焼 にお いて､ 炉 内ガ ス温度 が高温域 に達す るまでに時間 を要す る こ とか らダイオ キシ ン発 生 の危 険性 が示唆 さ れ るために､ 初期の完全燃焼 を達成 させ る工夫 が必要 である｡

今後 ､ 小型焼却炉 を製 品化 して市場 に出すた めには､細部 の改良が必要であるが､今 回の一 連 の実験 でダイオキ シン低減化小型焼却炉 の 開発 に必要 な基礎資料 は得 られ た と考 え られ る｡

8.参考文献

1 )環境省総合環境政策局,環境統計集 , ぎょ うせい,第 3 章 ,p p. 2 3 ‑52 , 2 002

2 ) 清水剛夫,関西新技術研究所 ,ダイオキシンー 化学 ･分析 ･毒性 ‑,株式会社 N TS ,第 1 章, 第 1 節 ,pp. 3 ‑4 ,第 1 章,第 2 節 ,5 ‑ 6,1 99 9 3) 酒井伸一, ゴミと化学物質,岩 波新書,第

3 章,第 1 項 ,pp. 62 ‑ 67 , 1 9 9 8

4) 本 田尚士,創造工学研究所 ,環境 圏の新 しい燃 焼工学,フジ ･テ クノシステム,第 1 篇 ,第 4 章,第 4節 ,pp. 35 7 ‑35 8,1 9 99

5) 本 田尚士,創造工学研究所,環境 圏の新 しい燃 焼 工学,フジ ･テ クノシステム,第 1 篇 ,第 4 章,第 4節 ,p p･ 35 9 ‑3 63,1 9 99

6) 本 田尚士,創造工学研究所 ,環境 圏の新 しい燃 焼 工学,フジ ･テ クノシステム,第 2 篇 ,第 4 章,第 2 節 ,p p. 91 8‑91 9,1 9 99

7) 本 田尚士,創造工. 学研 究所,環境圏の新 しい燃 焼 工学,フジ ･テ クノシステム,第 1 篇 ,第 4 章,第 4 節 ,p p. 35 7,1 9 99

8) 田中勝,廃棄物処理総論 一廃棄物工学の原理 と 廃棄物処理 の問題 ‑, 株式会社 N TS , 第 13章, 第 5 項 ,pp. 5 71 ‑5 78,1 99 8

9) 株式会社 N TS ,飛灰対策 一有害物質 除去 ･無害 化 ･再資源化技術 ‑,第 5 講 ,pp.1 43 ‑1 44,1 9 9 8 1 0) 長崎大学環境科学部 ､工学部､環境保全セ ンタ

ー,福 岡大学資源循環環境制御 システム研究所 , 平成 15 年度廃棄物処理等科学研 究,総合研究 報告書,新燃焼方式 によるダイオキシンフ リー の小型焼却炉の開発 ,pp 8‑1 9,2 004

ll) 環境省総合環境政策局,環境統計集 ,ぎ ょ うせ い,第 3 章,pp. 42,2002

1 2 ) 長崎大学環境科学部 ､工学部､環境保全セ ンター,福 岡大学 資源循環環境制御 システ ム 研究所 ,平成 15 年度廃棄物処理等科学研究, 総合報 告書,新燃焼 方式 に よるダイ オ キシン フ リーの小型焼却炉 の開発 ,p4 9,2 004 1 3) 長崎大学環境科学部 ､工学部､環境保全セ

ンター,福 岡大学 資源循環環境制御 システ ム 研 究所,平成 15 年度廃棄物処理等科学研究, 総合研 究報告書,新燃 焼方式 に よるダイオ キ シ ン フ リー の小型 焼 却 炉 の 開発 ,pp3 7 ‑4 8 , 2 0 04

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