JP2019105394A - 廃棄物焼却炉ボイラの閉塞および腐食の抑制方法 - Google Patents

Abstract

【課題】廃棄物焼却炉に付設したボイラの伝熱管に付着する灰を所定値以下に抑制するとともに、伝熱管の腐食を防止する。
【解決手段】伝熱管に付着する灰を圧力波発生装置を稼働させて除去するようにした廃棄物焼却炉ボイラ２０の閉塞および腐食の抑制方法において、廃棄物の燃焼により発生する発熱エネルギー量及びボイラ２０での発生蒸気エネルギー量とから算出されるボイラ収熱効率と、伝熱管に付着する灰の厚みｔの関係を予め求めておき、ボイラ２０の運転を開始したら、算出した前記ボイラ収熱効率から灰の厚みｔを求め、該灰の厚みｔを閾値以下に維持するように圧力波発生装置を制御する。
【選択図】図２

Description

本発明は、廃棄物焼却炉ボイラの閉塞および腐食の抑制方法に係り、特に、廃棄物焼却炉に付設したボイラの伝熱管への灰付着によるボイラの閉塞を抑制するとともに、伝熱管の腐食を防止することが可能な廃棄物焼却炉ボイラの閉塞および腐食の抑制方法に関する。

発電設備を有するごみ焼却施設の運営において、発電量・売電量の維持と向上は、ごみの安定処理に次ぐ最重要項目のひとつである。ごみ焼却施設における発電は、焼却炉でのごみの燃焼から得られる高温の排ガスからボイラにて熱回収を行い、所定の温度・圧力の蒸気を発生させてタービン発電機に導入することにより行われている。ボイラは、排ガスからの放射熱を受けて蒸気を発生させる放射伝熱面を備える放射室、排ガスと伝熱管（過熱器とも称する）の対流伝熱面との熱交換により蒸気を発生し更に過熱する対流伝熱室とを備えている。

放射室には、排ガス流路を囲む鋼製側壁の外側に加温水を流通させ放射加熱により蒸気を発生させる放射伝熱管が放射伝熱面として配設されている。対流伝熱室には、排ガス流路内に排ガスと接触して対流伝熱により蒸気を発生させ更に過熱する伝熱管が対流伝熱面として配設されている。対流伝熱面は水平方向に伝熱管が複数配設された伝熱管群が高さ方向に複数段配設されて構成されている。対流伝熱室には、排ガス流路内に水を加熱して加温水とする伝熱管を有するエコノマイザが配設されることがある。また、ボイラの下流側には、ボイラに供給する水を加熱するために排ガス流路内に水を加熱して加温水とする伝熱管を有する別置エコノマイザが連設されることもある。

ごみ焼却において発生する排ガス中には、塩素・硫黄・重金属類等を含む小粒径のダスト（飛灰）が含まれるが、これらがボイラの放射伝熱面、対流伝熱面に付着すると、その付着ダストが断熱材の役割をするので伝熱効率が低下する。それにより、熱回収効率も低下する。その結果、蒸気発生量が低下し、タービン発電機の発電量が減少する。その他にも、伝熱管表面に付着したダスト層の厚みが増加して伝熱管同士の間隙が付着ダストにより閉塞し、排ガスの流通に支障が生じることもある。さらに、廃棄物焼却炉から排出される排ガスには、廃棄物に含まれる成分と、排ガス中の塩化水素との反応により生成した塩化物が含まれている。この塩化物が伝熱管表面の灰層に付着して、一部が融解して灰層内へ浸透すると、塩化物中の塩素の作用により、伝熱管の腐食、減肉が生じる。更に、灰の厚みが増すと灰による断熱作用が大きくなり、伝熱管内を流送する蒸気との熱交換が低下して灰の表面が高温化し、灰の一部が溶着して強く付着するため、灰が落ちにくくなるという問題がある。

このため、伝熱管に付着した灰を定期的に除去する設備が必要となる。

この問題を解決するために、特許文献１には、石炭ボイラや多くのボイラでのダスト除去に実績のある装置として蒸気式スートブロワが開示されている。

また、特許文献２には、冷却配管の付着物の表面を４００℃以下に維持しながら振動を与え、付着物の厚みを制御することで冷却配管の摩耗防止及び腐食防止を図ることが可能な回転炉床炉の排ガス処理装置が開示されている。

特開２００７−１８３０６９号公報 特開２０１６−８７５６号公報

しかしながら、特許文献１では、ボイラ内の温度が６５０℃以上に上昇した場合、廃棄物に含まれる成分と排ガス中の塩化水素との反応により生成される排ガスに含まれている塩化物が伝熱管表面の付着灰に付着し、伝熱管の腐食を生じさせ、また、塩化物が融解、固着し、固着した塩化物に対しては除去できなくなる場合があるという課題が生じていた。加えて、付着した灰を除去するためにスートブロワ装置の稼働頻度を上げると、伝熱管の腐食減肉が進行してしまうという課題も生じていた。

また、特許文献２では、冷却配管の付着物の表面温度を４００℃以下に維持するという制約のもとで制御を行っていたため、それよりも高温になった場合は、対応できないという課題が生じていた。

本発明は、以上のような問題点に鑑みてなされたものであり、炉内の温度に関係なく、廃棄物焼却炉に付設したボイラの伝熱管への灰の付着を、灰の厚みが所定値以下になるように抑制し、ボイラの閉塞を抑制するとともに、伝熱管の腐食を防止することが可能な廃棄物焼却炉ボイラの閉塞および腐食の抑制方法を提供することを課題とする。

廃棄物焼却炉ボイラ内に伝熱管表面と同温度となるようにした伝熱管と同材質の腐食試験片を設置し、サンプリング時間毎に取り出し、付着灰の厚み（単に灰の厚みとも称する）と腐食減量から求めた腐食速度を測定した。

灰の厚みと伝熱管の腐食速度との関係を図１に示す。

図１から明らかなように、灰の厚みを所定値以下に抑制することで、ボイラの腐食を抑制する効果が得られる。腐食を抑制するためには、灰の厚みを閾値（例えば５ｍｍ）以下に保持することが望ましい。灰の厚みを５ｍｍ以下に保持することにより、腐食速度を１．０ｍｍ／ｙ以下として、腐食を抑制できる。灰の厚みを３ｍｍ以下とすれば、腐食速度を０．３ｍｍ／ｙ以下として、さらに腐食を抑制でき、より好ましい。伝熱管表面に付着した灰の厚みを５ｍｍ以下にすることにより、灰層に浸透した、腐食の原因となる塩化物から塩素の揮発が促進され、塩素と排ガス中の硫黄成分との交換が促進され、硫酸化物となって腐食が抑制される。

一方、廃棄物の燃焼により発生する発熱エネルギー量及びボイラでの発生蒸気エネルギー量とから算出されるボイラ収熱効率と、伝熱管に付着する灰の厚みの間には、相関がある。そこで、ボイラ収熱効率と付着灰の厚みとの関係を予め関係図やデータベースとして保存しておく。

ここで、収熱効率は次のようにして計算する。
（１）ボイラに供給される供給熱エネルギー量として廃棄物の燃焼により発生する発熱エネルギー量を廃棄物の質（水分率、種類）により求められる発熱量（廃棄物の重量当りの熱量）と供給量から算出する。
（２）ボイラで発生する蒸気の熱エネルギー量を、蒸気温度、蒸気発生流量から収熱エネルギー量として算出する。
（３）伝熱管で供給熱エネルギーから収熱エネルギーに熱交換される。収熱効率は収熱エネルギーの供給熱エネルギーに対する比率である。

伝熱管表面に付着した灰が断熱材として作用し、灰の厚みが増大すると伝熱効率が低下するので、収熱効率が低下する。

伝熱管に灰付着がない状態で焼却炉ボイラの運転を開始しても、当初に比べて灰付着が進行すると収熱効率が低下する。

従って、収熱効率の変化と付着灰の厚みとの関係を予め求めておき、データベースとして保存しておけば、（１）（２）（３）で算出した収熱効率値から付着灰の厚みを導くことができる。

本発明は、上記知見に基づいてなされたもので、ボイラの伝熱管に付着する灰を圧力波発生装置を稼働させて除去するようにした廃棄物焼却炉ボイラの閉塞および腐食の抑制方法において、廃棄物の燃焼により発生する発熱エネルギー量及びボイラでの発生蒸気エネルギー量とから算出されるボイラ収熱効率と、伝熱管に付着する灰の厚みの関係を予め求めておき、ボイラの運転を開始したら、算出した前記ボイラ収熱効率から灰の厚みを求め、該灰の厚みを閾値以下に維持するように圧力波発生装置を制御することにより、前記課題を解決するものである。

ここで、前記圧力波発生装置を稼働した後、灰の厚みを確認し、閾値以下になっていない時は再度圧力波発生装置を稼働することができる。

又、前記圧力波発生装置の圧力波放出ノズルがボイラの複数の部位に設けられており、部位毎に、圧力波発生装置の運転条件を変えることができる。

又、前記圧力波発生装置の運転条件を、圧力波の振幅及び発生頻度のうち少なくとも一つを変えることにより変更することができる。

本発明によれば、廃棄物焼却炉に付設したボイラの伝熱管に付着する灰を所定値以下に抑制してボイラの閉塞を抑制するとともに、伝熱管の腐食を防止することが可能となる。

更に、ボイラ稼働中であっても、ボイラ収熱効率から付着灰の厚みを推定し、圧力波発生装置の運転頻度（回数）をリアルタイムに変更することができる。

又、伝熱管に付着した灰の厚みが薄くなることで、腐食の原因となる灰中の塩素成分の揮発およびガス中の硫黄成分との交換が進行し易くなるため、腐食を抑制することができる。

又、灰の付着量は、ボイラの排ガスが流れる方向の上流側が特に多くなるため、上流側に配置された圧力波発生装置の稼働頻度を上げることで、灰の厚みを排ガスが流れる方向にかかわらず所定値以下に保つことができる。

更に、付着灰除去装置として、圧力波発生方式を採用することで、炉内の温度に関係なく、装置を稼働させることができるため、容易に灰の厚みを閾値内に収めることができる。また、部位毎に圧力波の振幅及び発生頻度のうち少なくとも一つを変えることができるため、部位にかかわらず付着する灰の厚みを所定値以下にすることができる。

発明者らの実験により得られた灰の厚みと伝熱管の腐食速度との関係を示す線図 本発明の実施形態を示す図 本発明の第１実施例を示す流れ図 本発明の第２実施例を示す流れ図

以下、図面を参照して、本発明の実施の形態について詳細に説明する。なお、本発明は以下の実施形態及び実施例に記載した内容により限定されるものではない。又、以下に記載した実施形態及び実施例における構成要件には、当業者が容易に想定できるもの、実質的に同一のもの、いわゆる均等の範囲のものが含まれる。更に、以下に記載した実施形態及び実施例で開示した構成要素は適宜組み合わせてもよいし、適宜選択して用いてもよい。

まず、本発明が適用される、廃棄物焼却炉と連設されるボイラについて説明する。図２に示す如く、焼却炉１０に連設され、排ガスから熱回収するためのボイラ２０は、排ガスの流通路を屈曲せしめる２つの変向部２１、２２により区分され、排ガス流れ方向の上流側から、第１放射室２６、第２放射室２８、及び対流伝熱室３０を備えている。焼却炉１０から排ガスを受け入れる第１放射室２６の入口近傍はガス混合室２４となっている。焼却炉１０から導入される排ガスは、第１放射室２６の下方から上方へ、第２放射室２８の上方から下方へ、対流伝熱室３０の下方から上方へ流通される。

前記第１放射室２６及び第２放射室２８は、排ガスからの放射熱を受けて蒸気を発生させる放射伝熱面をそれぞれ備えている。

前記対流伝熱室３０は、排ガス流れ方向の上流側から、スクリーン管３２、３次過熱器３４、２次過熱器３６、１次過熱器３８、及びエコノマイザ４２を備えている。３次過熱器３４、２次過熱器３６、１次過熱器３８は、それぞれ、水平方向に配列した複数の伝熱管を高さ方向に多段に設けた伝熱管群を備え、該伝熱管群が対流伝熱面を構成しており、排ガスとの熱交換により蒸気を発生して更に過熱するようにされている。スクリーン管３２には伝熱管が旗形に備えられ、対流伝熱室３０に導入される排ガスを冷却するようにされている。

本発明を実施するため、本実施形態においては、伝熱管に付着した灰を除去するため、燃料ガスと酸化剤ガスを高圧下で混合し燃焼して圧力波を発生させボイラ２０の対流伝熱室３０内へ圧力波を放出する圧力波発生装置を設け、該圧力波発生装置の圧力波放出ノズル６２、６４を、前記対流伝熱室３０に配設している。

前記圧力波放出ノズル６２、６４はそれぞれ、スクリーン管３２と３次過熱器３４との間、及び、２次過熱器３６と１次過熱器３８との間に設けることができる。また、これらの位置に設けられたマンホール（図示省略）に圧力波放出ノズルを取り付けることもできる。さらに、図２には示していないが、例えば、圧力波放出ノズルをスクリーン管３２と３次過熱器３４との間、３次過熱器３４と２次過熱器３６との間、２次過熱器３６と１次過熱器３８との間、及び１次過熱器３８とエコノマイザ４２との間の４箇所のうち、少なくとも１箇所に設けることとしてもよいし、前記の４箇所に設け、設けたうちの１箇所のみを稼働させる等、設置箇所や設置個数等に関して柔軟に対応することができるのは、言うまでもない。

本実施形態では、圧力波発生装置が圧力波放出ノズルと一体化されているが、別体とすることもできる。

対流伝熱室３０に配設された圧力波放出ノズル６２、６４からの圧力波の発生を制御するため、圧力波発生制御装置７０では、廃棄物投入シュート１２から焼却炉１０に投入される廃棄物の発熱量と供給量からなる廃棄物発熱量情報と、対流伝熱室３０で発生する過熱蒸気の蒸気温度、蒸気発生流量からなる過熱蒸気情報を受けて、収熱効率を算出し、予め求めた収熱効率の変化と付着灰の厚みとの関係から付着灰の厚みを求め、付着灰の厚みを閾値以下に維持するように、圧力波発生装置の運転を制御する。前記圧力波発生制御装置７０は、以下に説明するような手順に従って、圧力波放出ノズル６２、６４から圧力波を放出するように圧力波発生装置を制御する。

圧力波発生装置は、その混合ガスホルダに燃料ガス（例えばメタンガス）と酸化剤ガス（例えば酸素ガス）を高圧下で充填、混合し、前記圧力波発生制御装置７０から与えられる指示により混合ガスを点火プラグで着火し、爆発燃焼させて圧力波を発生させる。爆発燃焼時の混合ガスホルダ内の圧力は例えば最高５３．２ｂａｒに達する。これにより、ボイラ２０の対流伝熱室３０に配設された圧力波放出ノズル６２、６４の先端から対流伝熱室３０内部に圧力波が放出される。これにより、対流伝熱室３０の伝熱管に振動及び風圧が与えられ、付着灰が剥離され除去される。

前記圧力波発生制御装置７０における圧力波放出ノズル６２、６４の制御は、例えば図３に示す第１実施例のように、灰の厚みの推定を連続して行い、灰の厚みが閾値以上となった時、圧力波発生装置を運転することができる。

即ち、焼却炉１０のボイラ２０が運転中のステップ１００において、灰の厚みｔを推定（監視）し、ステップ１１０で閾値以上となった時は、ステップ１２０で圧力波発生装置を運転する。そしてステップ１３０で灰の厚みｔを推定し、ステップ１４０で閾値以上であると判定された時はステップ１２０に戻って、圧力波発生装置を再び運転する。

一方、ステップ１４０で灰の厚みｔが閾値未満となったと判定された時は処理を終了する。

又は、図４に示す第２実施例のように、焼却炉１０のボイラ２０の運転中に、予め定めた時間毎に圧力波発生装置の運転を行うこととしてもよい。

この第２実施例では、焼却炉１０のボイラ２０が運転中のステップ２００において、ステップ２１０で予め定めた所定時間、例えば２時間が経過したと判定された時はステップ２２０に進み、圧力波発生装置を運転する。他の点は第１実施例と同じであるので、同じ符号を付して説明を省略する。

圧力波発生装置で灰を落とし続けても、灰の厚みを閾値（例えば５ｍｍ）以下に保持することが難しいと判断された場合、警告信号等を出すこともできる。これに応じて焼却炉の燃焼条件、ボイラの蒸気発生条件を調整し、灰付着の進行を緩和するように制御する等、適切な措置を行うことができる。

なお、閾値の下限値から上限値に至る範囲を設定し、その範囲内で灰の厚み推定値に応じて圧力波発生装置の運転頻度（間隔／回数）、強度などの運転条件を定めるように適正運転条件のデータベースを作成しておき、自動運転するようにしてもよい。

又、廃棄物焼却炉の過去の運転における廃棄物焼却処理データ（処理量、廃棄物の種類、成分等）と、灰付着状況データとを蓄積しておき、そのデータと本発明の実施形態に係る付着灰除去装置の運転制御と組み合わせて自動運転するようにしてもよい。

又、排ガスが流れる方向の部位毎に圧力波発生装置の運転条件を変えて、例えば圧力波放出ノズル６２、６４から放出される圧力波の条件を変える際には、発生回数を同じにして、圧力波の強弱を変えるだけでなく、強さ一定のもと、部位毎に発生回数を変えることもできる。

加えて、事前の試験により決定した圧力波発生装置の稼働頻度を導入したものの、うまくいかない場合、マニュアルモードへの変更、あるいは様子をみて、適宜稼働頻度を追加することもできたり、灰の厚み如何によっては、燃焼を抑制することもできる。

さらに、ボイラの排ガスが流れる方向の部位毎に閾値（灰の厚みの許容値／許容度）を変えることもできる。例えば、灰がつきやすい上流側のノズル６２の位置では３ｍｍ、灰がつきにくい下流側のノズル６４の位置では５ｍｍ程度として、下流側のノズル６４の閾値を高めることもできる。

前記説明では、本発明を都市ごみ焼却炉に連設されたボイラに適用していたが、本発明の適用対象はこれに限定されない。

１０…焼却炉
１２…廃棄物投入シュート
２０…ボイラ
２６…第１放射室
２８…第２放射室
３０…対流伝熱室
３２…スクリーン管
３４…３次過熱器
３６…２次過熱器
３８…１次過熱器
４２…エコノマイザ
６２、６４…圧力波発生装置（ノズル）
７０…圧力波発生制御装置

Claims (4)

1. ボイラの伝熱管に付着する灰を圧力波発生装置を稼働させて除去するようにした廃棄物焼却炉ボイラの閉塞および腐食の抑制方法において、
   廃棄物の燃焼により発生する発熱エネルギー量及びボイラでの発生蒸気エネルギー量とから算出されるボイラ収熱効率と、伝熱管に付着する灰の厚みの関係を予め求めておき、
   ボイラの運転を開始したら、算出した前記ボイラ収熱効率から灰の厚みを求め、
   該灰の厚みを閾値以下に維持するように圧力波発生装置を制御することを特徴とする廃棄物焼却炉ボイラの閉塞および腐食の抑制方法。
2. 前記圧力波発生装置を稼働した後、灰の厚みを確認し、閾値以下になっていない時は再度圧力波発生装置を稼働することを特徴とする請求項１に記載の廃棄物焼却炉ボイラの閉塞および腐食の抑制方法。
3. 前記圧力波発生装置の圧力波放出ノズルがボイラの複数の部位に設けられており、部位毎に、圧力波発生装置の運転条件を変えることを特徴とする請求項１又は２に記載の廃棄物焼却炉ボイラの閉塞および腐食の抑制方法。
4. 前記圧力波発生装置の運転条件を、圧力波の振幅及び発生頻度のうち少なくとも一つを変えることにより変更することを特徴とする請求項３に記載の廃棄物焼却炉ボイラの閉塞および腐食の抑制方法。