JP2004077118A - 廃棄物ガス化溶融炉の操業方法 - Google Patents

Abstract

【課題】　廃棄物のガス化において、高カロリーで且つタール及びチャーの発生の少ないガスが得られる新たな廃棄物ガス化溶融炉の操業方法を提供する。
【解決手段】　廃棄物の堆積層の上部が流動層で下部が移動層の竪型のコークスベッド方式の廃棄物ガス化溶融炉において、酸素濃度９０％以上の酸素を用いて流動層の温度を約８００℃以上に制御する。これにより、廃棄物のガス化に際してタール及びチャーの発生を抑制する。
【選択図】　　　図１

Description

　本発明は、廃棄物を熱分解及び溶融する廃棄物ガス化溶融炉の操業方法に関する。

　近年、焼却灰の処分対策、ダイオキシンの削減対策、リサイクル等の観点から、廃棄物の処理プラントとして廃棄物ガス化溶融炉が用いられることが多くなってきている。

　廃棄物ガス化溶融炉の一種であるコークスベッド式の廃棄物ガス化溶融炉は、熱分解炉と溶融炉とを一体にした構造になっていて、その原理は高炉の原理と同じであり、灼熱するコークス層から上昇する熱で廃棄物をガス化し、炉床部で残渣を溶融する。

　特開平９−１６６３０９号公報には、コークスベッド式の廃棄物ガス化溶融炉の操業方法が記載されている。この操業方法では、溶融炉の炉頂部内の温度を８００〜１１００℃の高温雰囲気に保持し、炉内で発生する熱分解ガス中のタールをガス化させることにより、タールの生成量を減少させ、発生ガス量及び発生カロリーを高くしている。そして、廃棄物から生成される熱分解ガスを製鉄所の燃料として利用している。

　また本出願人は、廃棄物の堆積層の上部が流動層で下部が移動層のコークスベッド式のガス化溶融炉において、廃棄物の堆積層の上部が流動状態を保つように、副羽口の送風量を操作し、かつベースとなる送風空気に蒸気、燃焼排ガス及び酸素の少なくとも一つを添加するガス化溶融炉の操業方法（特開平１０−１６０１４４号公報参照）を提案している。このガス化溶融炉の操業方法では、堆積層の上部を流動化させることにより、廃棄物が炉の下側に移動しにくくなる棚吊り状態を防止することができる。

特開平９−１６６３０９号公報 特開平１０−１６０１４４号公報

　コークスベッド式の廃棄物ガス化溶融炉では、堆積層の上部の流動層において、主に廃棄物がガス化される。廃棄物から生成されるガスを製鉄所等の工業用ガスとして利用するにあたって、高カロリーで且つタール及びチャーの発生の少ないガスが望まれるが、従来、廃棄物のガス化が行なわれる流動層に着目して、高カロリーで且つタール及びチャーの発生の少ないガスを得る技術は存在していない。

　特開平９−１６６３０９号公報に記載の廃棄物ガス化溶融炉の操業方法は、流動層におけるタールやチャーの発生を抑制することに重点を置いておらず、一旦発生したタールやチャーを後から炉頂部の８００〜１１００℃の高温雰囲気で完全に分解しようとする技術である。この場合もともとのタールやチャーの発生量が多いと、完全には分解できない、また完全に分解するために大きなスペースを必要とするという問題が生じる。

　特開平１０−１６０１４４号公報には、ベースとなる送風空気に蒸気、燃焼排ガス及び酸素の少なくとも一つを添加し、流動層の温度を５００℃〜１０００℃に制御する技術が記載されているが、その目的はあくまで流動層を流動化させることにある。またこの技術では、廃棄物をガス化するのに蒸気、燃焼排ガス、酸素を付加した酸素分の低い送風空気を用いているので、発生するガスのカロリーが低くなり、回収ガスを燃料として利用する場合の価値が低下する。また発生ガスをダイオキシン対策で急冷する必要があるが、窒素含有率が高い分、ガスの顕熱ロスが大きくなる。

　そこで本発明は、廃棄物のガス化において、高カロリーで且つタール及びチャーの発生の少ないガスが得られる新たな廃棄物ガス化溶融炉の操業方法を提供することを目的とする。

　本発明者は堆積層の上部の流動層の温度を所定の範囲に制御し、且つ流動層に充分な酸素を供給することで、廃棄物のガス化に際してタール及びチャーの発生を最初から抑制できることを知見した。

　すなわち本発明は、廃棄物の堆積層の上部が流動層で下部が移動層の竪型のコークスベッド方式の廃棄物ガス化溶融炉において、酸素濃度９０％（より正確には９０体積％）以上の酸素を用いて流動層の温度を約８００℃以上に制御することにより、廃棄物のガス化に際してタール及びチャーの発生を抑制することを特徴とする廃棄物ガス化溶融炉の操業方法により、上述した課題を解決する。

　この発明によれば、廃棄物がガス化する際に最初からタール及びチャーの発生が抑制されているので、タール及びチャーの少ない工業用ガスが得られる。また酸素を用いて廃棄物をガス化することで、タール及びチャーの発生を抑制できる他、ガスのカロリーを高くしてガスの付加価値を高めることができ、また無駄なガス量を発生させない（例えば水で急冷する際のガスのボリュームを低減する）ことができる。

　ここで酸素のみでは流動層が高温になるおそれがあるので、流動層の雰囲気温度を上記温度範囲に調整するために、水又は水蒸気を併用するのが望ましい。

　以下添付図面に基づいて本発明の廃棄物ガス化溶融炉の操業方法について説明する。図１はガス化溶融炉の構造を示す。廃棄物ガス化溶融炉には、産業廃棄物、一般廃棄物、建設廃棄物、廃車や廃家電等の処理施設から発生するシュレッダーダスト、廃棄プラスチック、汚泥、汚染土壌などの難廃棄物等、多種の廃棄物が投入される。廃棄物ガス化溶融炉の上部からは、廃棄物と共にコークス及び石灰石等の副資材が投入される。なお石灰石は投入されない場合もある。

　廃棄物ガス化溶融炉の内部構成は、上から生成されたガスの改質領域であるフリーボード１、廃棄物の乾燥及び熱分解領域である流動層２（廃棄物の堆積層の上部）、廃棄物の高温燃焼及び溶融領域である移動層３（廃棄物の堆積層の下部）と、溶融分離領域であるコークス充填層４という構成になっている。

　フリーボード１では、三段羽口５より部分燃焼用酸素を送り、フリーボード１の出口を所定の温度に制御する。フリーボード１における高温還元雰囲気により、ダイオキシン類、タールが分解され、また大きなフリーボード１は排出ガスを均質及び低流速化してダストの飛散を防止する。

　副羽口６から燃焼用酸素を吹き込むことによって堆積層の上部（すなわち副羽口６の付近とその上方の領域）が流動化し、流動層２になる。流動層２の熱分解温度が８００℃以上になるように副羽口６から吹き込まれる燃焼用酸素の流量を調整する。この流動層２において、廃棄物の水分は蒸発し、揮発分はガス化し、固定炭素及び灰分は炉底へ移動する。また流動層２を流動させることで廃棄物の棚吊り（例えば融着・閉塞）を防止している。

　副羽口６よりも下方で主羽口７よりも上方の領域を移動層３と呼ぶ。移動層３では、主羽口７から燃焼用酸素を吹き込み、コークス及び固定炭素を高温燃焼させ、灰分を溶融させる。消費されたコークスは上部から補充される。

　コークス充填層４では、コークスの間を溶けたスラグが流下する。スラグは出滓口８より連続的又は間欠的に排出される。

　本実施形態の操業方法では、副羽口６から酸素濃度９０％以上の酸素を吹き込み、廃棄物がガス化する部分である流動層２の温度を８００℃以上に制御している。これにより、廃棄物がガス化する最初の時点において、タール及びチャーの発生を抑制している。タールやすすが発生すると、その分工業用ガスとして有効利用できないばかりか、その処理も必要になってしまう。本実施形態では、廃棄物がガス化する時点においてタール及びチャーを発生させないことに重点を置いている。

　図２は、酸化剤として酸素を用いた場合におけるガス化温度がすす生成率に与える影響を表すグラフである。この図２からガス化温度の上昇に伴いすす生成率が減少するのがわかる。従来の操業方法では流動層２の温度を６００〜８００℃に設定し、この温度域で廃棄物をガス化させるので、廃棄物のカーボン中の数十％がすすになりガス化されなくなる。これに対し、本実施形態のように流動層２の温度を８００℃以上にすると、すすの生成率を大幅に低減できるのがわかる。すすの生成率は温度が高ければ高いほど低減できるが、８００℃以上にすることで効果的に低減できる。また１０００℃以上にすると、廃棄物の一部が溶融し、副羽口６上の流動層２部分の炉壁にクリンカーが成長して棚つりの原因になってしまうので１０００℃以下が望ましい。

　タール及びチャーの発生を低減させるには、流動層２の温度を８００〜１０００℃に設定する以外に酸素を供給することも必要である。例えば単なる乾留ではたとえ流動層２の温度を８００〜１０００℃に設定しても、すすが生成されやすくなってしまう。すすの生成を低減させるのには、流動層２の温度を所定の範囲に設定すると共に、酸素を供給して廃棄物と反応させて分解させることも必要である。

　酸素のみでは流動層２が高温になるおそれがある。このため流動層２の雰囲気温度を上記温度範囲に調整するために、酸素に水又は水蒸気を併用してもよい。なお流動層２の温度は例えば炉壁から炉内に僅かに出た熱電対で直接測定することができる。

　従来の廃棄物ガス化溶融炉では、廃棄物をガス化させ、そのガスを完全燃焼させ、その熱で蒸気を回収してタービンを回すのが一般的であった。これに対して本実施形態では、廃棄物をガス化させ、そのガスを製鉄所等に利用される高カロリーの工業用ガスとして回収している。副羽口６から空気ではなく酸素を吹き込むことで、窒素分が減り、高カロリーガスを回収することができる。また回収されたガスは後工程で、ダイオキシン対策のため水等で急冷されるが、酸素を用いることで生成されるガスのボリュームを低減することができるので、冷却水も節約できる。さらにガスのボリュームを低減することで、空搭速度も小さくなり、ダストの飛散を防止するフリーボード１の容積も大きくする必要がなくなる。

　主羽口７からも酸素が吹き込まれるのが望ましい。コークスを燃焼させるために主羽口７からの送風量は大きく設定される。回収されるガスのボリュームを下げるためにも、主羽口７から空気ではなく、酸素を吹き込むのが望ましい。またすすの生成率からみても、移動層３で燃焼したガスが流動層２に上昇していくので、流動層２を窒素フリーにするために、主羽口７から空気ではなく酸素を吹き込むのが望ましい。

　三段羽口５からも、生成されるガスのボリュームを下げ、高カロリーのガスを得るために酸素を吹き込むのが望ましい。三段羽口５及び主羽口７からは、各層の温度を調整するために酸素と共に水又は水蒸気が吹込まれることもある。

　図３はガス化溶融炉の他の例を示す。このガス化溶融炉では、廃棄物を副羽口６の直上、具体的には副羽口６と三段羽口５との中間の側壁から投入する点が上記図１に示されるガス化溶融炉と相違するが、他の構成は上記図１に示されるガス化溶融炉と同一である。

　廃棄物をフリーボード１の上部から投入する場合、廃棄物がフリーボード１に投入された瞬間に熱分解を受け、十分にガス化される前にバイパスして（すなわち流動層２に到達しないで）工業用ガスとともに回収されてしまうおそれがある。この例のように廃棄物を副羽口６の直上から投入することでこの問題を解決することができる。

　なおこの廃棄物ガス化溶融炉では、上下に３段の羽口５，６，７を設け、またコークスを浅く積み、廃棄物の高さが最上段の三段羽口５の高さ以下になるように調整しているが、羽口の段数、廃棄物の高さは様々に設定されてよい。例えば羽口は上下に２段に設けられてもよく、廃棄物の高さは上段の羽口よりも上方に位置してもよい。

　流動層２の温度を変化させた場合のすすの生成量、タールの生成量及び生成ガスの熱量を表１に示し、本発明の範囲内である実施例１〜３と本発明から外れる比較例１とを比較している。

　図４〜図６は表１に基づいて作成したグラフである。図４は流動層温度と投入される廃棄物Ｃに対するすす生成量の割合の関係を示し、図５は流動層温度とタール生成量の関係を示し、図６は流動層温度と生成ガスの熱量の関係を示す。図４及び図５から流動層温度が８００℃以上になると、すす生成量の割合及びタール生成量が極めて低減することがわかる。また図６から流動層温度が８００℃以上になると、生成ガスのガス熱量も安定して高くなることがわかる。すす及びタールがガス化した分、回収したガス熱量が増大するためである。

　流動層２に酸素を吹き込んだ場合と空気を吹き込んだ場合とで、すすの生成量、タールの生成量及び生成ガスの熱量を比較した。表２はその結果を示す。流動層２の温度は実施例２及び比較例２とも略９００℃で一致させている。

　表２から空気を吹き込んだ場合には、すす生成量及びタール生成量いずれも増大してしまい、また、すす生成量及びタール生成量が増大した分、回収したガス熱量が落ちているのがわかる。空気を吹き込んだ場合には、窒素分が含まれるので生成ガスのボリュームが大きくなり、発熱量が低減する。

本発明の廃棄物ガス化溶融炉を示す構造図。 反応温度とすす生成率との関係を示すグラフ。 本発明の廃棄物ガス化溶融炉の他の例を示す構造図。 流動層温度と投入される廃棄物Ｃに対するすす生成量の割合の関係を示すグラフ。 流動層温度とタール生成量の関係を示すグラフ。 流動層温度と生成ガスの熱量の関係を示すグラフ。

符号の説明

　　２…流動層
　　３…移動層

Claims (2)

1. 　廃棄物の堆積層の上部が流動層で下部が移動層の竪型のコークスベッド方式の廃棄物ガス化溶融炉において、
   　酸素濃度９０％以上の酸素を用いて流動層の温度を約８００℃以上に制御することにより、廃棄物のガス化に際してタール及びチャーの発生を抑制することを特徴とする廃棄物ガス化溶融炉の操業方法。
2. 　前記流動層の温度を調整できるように、前記酸素と一緒に水又は水蒸気を羽口から吹き込むことを特徴とする請求項１に記載の廃棄物ガス化溶融炉の操業方法。

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