ダイオキシン抑制型充填層式廃棄物溶融処理炉の炉内現象解析と操業最適化の研究

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本研究ではダイオキシン抑制型充填層式廃棄物溶融処理炉を対象として、要素現象の実験的検討と数学的モデルによる数値シミュレーションにより、炉内の気・固・液3相の流動、伝熱、物質移動および反応など諸現象を解明し、装置設計の改善と最適操業条件を得ることを目的とした。この目的を達成するために、今年度はモデルの適用性の拡大および精度の向上に関する項目について研究を行った。まず、種々の廃棄物を処理できることを特徴とする充填層式廃棄物溶融処理炉に対して、各廃棄物の種類に対応する反応機構を新たに開発した。処理対象となる固体の装入物については、燃料となるコークス、融点調整のための石灰石は不可欠なもので、装入した廃棄物は焼却灰、都市ごみ、家電類などである。すべての固体装入物の組成は可燃分、水分および灰分(石灰石に炭酸カルシウムも含有)で構成される。化学反応と相変化は廃棄物の種類と組成によって異なり、可燃分の燃焼、水分の蒸発、灰分と金属の溶融、石灰中の炭酸カルシウムの熱分解などを考慮した。可燃分の燃焼に関しては、コークスの反応として水性ガス反応およびソリューションロス反応を考慮し、他の固体物質の燃焼時にはその化学組成に対応する燃焼ガスが生成するものとした。気相反応としては一酸化炭素および水素の燃焼および水性ガスシフト反応を考慮した。すべての反応は化学反応速度論に基づき同時にモデルに導入した。また、軸対称二次元の条件下で溶融炉の不規則な形状も考慮可能にした。このモデルに対して、炉体形状,装入物および送風条件を入力すれば、温度,ガス組成,圧力などの各分布および気・固・液三相の流動特性などが結果として得られる。また、本モデルは複数種類の装入物の同時装入にも対応可能なものとした。以上のように拡張した新しいモデルを用いて、都市ごみと焼却灰の処理を重点として炉内の数値解析を行い、その結果に基づいて、送風条件と固相装入条件が炉内の諸特牲に及ぼす影響を検討した。一方、モデルの妥当性は代表的な操業条件下での実炉内の温度、速度、組成などの測定値との比較により検証した。