JP2005077059A - 廃棄物炭化・エネルギー利用システム - Google Patents

Abstract

【課題】廃棄物の炭化装置とガス化溶融炉技術を組合わせ、廃棄物の種類や含まれる水分に影響されず、低ランニングコストで稼動させることができる廃棄物炭化・エネルギー利用システムを提供すること。
【解決手段】廃棄物炭化・エネルギー利用システム１０は、炭化装置２０とガス化溶融炉３０と発電プラント（熱エネルギーの利用系）４０を具え、炭化装置２０が廃棄物を炭化して炭を生成し、ガス化溶融炉３０がこの炭を燃焼させ、その燃焼による熱により、発電プラント４０が発電する。そして、発電した後の排熱を炭化装置２０の炭化処理に再利用することで、ランニングコストの削減を可能とした。
【選択図】図１

Description

本発明は、炭化装置とガス化溶融炉技術を組合わせ、廃棄物の種類や含まれる水分に影響されず、低ランニングコストで稼動させることができる廃棄物炭化・エネルギー利用システムに関する。

近年、生ごみを多く含む都市ごみ等の廃棄物は増大傾向にあり、一方では埋め立て処分場確保が極めて困難な状況にある。特に、都市部における前記した状況は大きな社会問題となっている。そこでこれらの問題及び地球環境問題を解決するために、廃棄物を焼却しその熱を発電等に利用する廃棄物燃焼エネルギー利用システムが提案されている。

図４は、特許文献１に開示されている、このようなシステムの一例である、廃棄物ガス化発電システムである。
この廃棄物ガス化発電システム１００では、ガス化炉１０１は流動層炉であり、廃棄物は給塵機１０２から炉内へ送り込んでいる。ガス化炉１０１で発生した部分酸化ガスはすべてガス排出口から排出された後、サイクロン１０３へ送り込まれ、部分酸化ガスはサイクロン１０３で未燃チャー１０５、ダスト１０４と可燃ガス１２０に分離する。

未燃チャー１０５はガス化炉１０１に循環して可燃物として用いる。ダスト１０４は未燃分と同様に灰溶融炉等で処理する。固形分を分離した可燃ガス１２０は空気予熱器を通過しバーナ１１０へ導入する。空気予熱器で加熱された空気の一部をバーナ１１０へ送り、残りを流動化空気として散気管へ送り込む（図示せず）。バーナ１１０へ送った可燃ガス１２０は、空気とともに燃焼炉で燃焼させ、高温の燃焼ガスを発生させる。

高温の燃焼排ガスはボイラ１１１で蒸気を発生させ、バグフィルタ１１４で除塵後、誘引送風機を経て、煙突１１５から大気へ放出する。バグフィルタ１１４の前では消石灰サイロより消石灰を添加し、塩分、酸性分を除去する。また、ボイラ１１１で過熱された蒸気は蒸気タービン１１３を駆動させ、発電する方式となっている。
特開平１１−１１８１２４号公報

しかし、従来の溶融炉では、廃棄物をダイレクトに投入し、直接的に１５００℃迄温度上昇させる為、大量の燃油を必要とした。また、溶融させ反応を起こすために内圧を加えるので、設備の構造が複雑になり、操作が非常に難しいことから、操作員が製造メーカーから派遣されなければならず、そのため膨大な人件費がかかっていた。その上、水分が含まれていると、１５００℃迄の温度上昇が困難であった。
このように、従来の溶融炉では、構造が複雑であることから設備費が高くなるとともに、膨大な燃料費と人件費を必要とすることから、ランニングコストが高くなっていた。

また、従来の溶融炉では、ボトムアッシュやフライアッシュ等の焼却残渣から発生するダイオキシンを活性炭及び消石灰に吸着させて除去していたが、その結果、これらのダイオキシンを含む廃棄物が増え続け、問題となっている。

さらに、図４の廃棄物発電システム１００では、燃焼灰はサイクロン１０３において除去し、ガス化ガスのみを燃焼炉に供給する構成としているが、サイクロン１０３での灰捕集効率はせいぜい９０％程度であり、或る程度の灰がボイラ１１１に飛散するのは避けることができない。

燃焼灰には多量の塩化物（ＮａＣｌ，ＫＣｌ）と硫酸塩（Ｎａ₂ＳＯ₄，Ｋ₂ＳＯ₄）が含まれ、さらに、燃焼ガス中にはＨＣｌガスが非常に多く、例えば、１０００ｐｐｍ近くも含まれている。
このため、ボイラに設置される熱交換器では５００℃以下の低融点化合物とガス中のＨＣｌの複合作用により激しい高温腐食が発生する。このため、従来の廃棄物発電システムでは蒸気温度を４００℃以下の低温としており、発電効率が低いという問題があった。

これに対して、炉と熱交換器の中間にフィルタ方式の脱塵装置を設ける等、燃焼ガス中に含まれる灰の捕集率を上げることで、熱交換器に使用する材料の腐食を防ぎ、発電効率の向上を図る試みがされてきたが、満足できる結果は得られなかった。

また、近年、資源の有効活用が求められる中、バイオマス（生物資源）の利用が求められてきた。しかし、バイオマスのうち、廃材等の木質系バイオマスや生ごみ等の生活系バイオマスを利用する場合、収集量の安定確保、性状変動、含水率が高いこと等が大きな課題であった。特に、生活系バイオマスにおいては、排出量も膨大であり安定収集が可能であるが、木質系バイオマスは、収集量の安定確保が難しかった。

本発明は、このような問題に鑑み、炭化装置とガス化溶融炉技術を組合わせることにより、激しい高温腐食の原因である焼却灰を発生させることなく、水分の多い生ごみを含むあらゆる種類の廃棄系バイオマスを利用できる、高効率の廃棄物炭化・エネルギー利用システムを提供する。

本発明は、廃棄物を炭化して炭を生成する炭化装置と、
前記炭を燃焼させるガス化溶融炉と、
前記ガス化溶融炉で発生する熱エネルギーの利用系とからなり、
前記熱エネルギーの利用系の排熱を、前記炭化装置の炭化処理に再利用することを特徴とする廃棄物炭化・エネルギー利用システムによって、前記の課題を解決した。

本発明によれば、炭化装置での廃棄物炭化時に焼却灰が一切発生しないので、高温腐食の発生を防ぐことができる。また、これにより、高温での燃焼が可能となるので、水分の多い生ごみを含むあらゆる種類の廃棄系バイオマスを利用することができ、且つ、高いエネルギー利用効率を得ることができる。
また、熱エネルギーを利用した後の排熱を、炭化装置の炭化処理に再利用することにより、稼動初期やカロリーダウンしたとき以外は補助燃料を使用する必要がなくなるので、ランニングコストを低く抑えることができる。

本発明を図１及び図２に基づいて説明する。
本発明の廃棄物炭化・エネルギー利用システム１０は、炭化装置２０とガス化溶融炉３０と発電プラント（熱エネルギーの利用系）４０を具え、炭化装置２０が廃棄物を炭化して炭を生成し、ガス化溶融炉３０がこの炭を燃焼させ、その燃焼による熱により、発電プラント４０が発電を行うものであって、発電した後の排熱を、さらに、炭化装置２０の炭化処理に再利用することで、ランニングコストの削減を可能としたものである。

適宜手段で回収されてきた廃棄物（流動物やプラスチックを含んでいてもよい。）は、給塵機５０から炭化装置２０に供給される。炭化装置２０において、廃棄物はまず、乾燥され、次に炭化され、ガス化溶融炉３０に投入される。
一つのガス化溶融炉３０を取囲んで複数（例えば、４〜６台）の炭化装置２０が設けられており、それぞれの炭化装置２０から、ガス化溶融炉３０に、炭化されて炭となった廃棄物が供給される。
炭化装置２０の炭化処理で発生する有機ガスである炭化ガスは、燃焼炉２４で燃やされて、ガス化溶融炉３０に導入されるようになっている。
一つのガス化溶融炉３０を取囲んで複数（例えば、４〜６台）の炭化装置２０が設けられている理由は、炭化装置２０で廃棄物を炭化するには、通常、４０〜６０分を要するので、複数の炭化装置２０を順次作動させることにより、発電をより円滑にするためである。

炭化された廃棄物は、ガス化溶融炉３０で爆発的に燃焼する。ガス化溶融炉３０内の温度は、１２５０〜１５００℃となる。炭化物が燃焼される下方では、温度は、１５００℃を超える。
この熱エネルギーを利用して、発電プラント４０で蒸気タービンを作動させて発電が行われる。そして、発電した後の排熱は、炭化装置２０の炭化処理に再利用される。なお、発電プラント４０に導かれるガスの温度は１１００℃〜１５００℃であるが、炭化処理に再利用される排熱の温度は約６００℃である。
炭化処理に再利用された排熱は、最後に、減温器６０で約２００℃まで下げられ、集塵機７０を経て、煙突８０から大気に放出される。
なお、熱エネルギーの利用系は、発電プラントに限られず、地域冷暖房システム等である場合もある。

ここで、炭化装置２０は、例えば、特開平１０−１８５１３８号公報に開示されているもので、図２(a)に示すように、加熱媒体（熱風）が内部に供給される炭化槽ジャケット２８、加熱媒体によって加熱される内壁面である炭化槽伝熱面２６、廃棄物を回転させて炭化槽伝熱面２６に遠心力で押付けるための回転羽根２１を具え、内部に、廃棄物が投入される炭化槽２２を有している。炭化槽２２内で発生する有機ガスである炭化ガスＹは、燃焼炉２４において燃焼されて、ガス化溶融炉３０に導入される。

炭化槽伝熱面２６を加熱する加熱媒体は、発電した後の約６００℃の熱風である排気ガスＨであり、排気ガスＨは、炭化槽ジャケット２８に流入して炭化槽伝熱面２６を加熱した後、減温器６０で約２００℃以下まで下げられ、集塵機７０を経て、煙突８０から大気中に放出される。

炭化装置２０の最大の特長は、本体中央下部に取付けられた回転羽根２１にある。これが回転することにより、図２(b)に示すように、廃棄物は炭化槽伝熱面２６に沿って巻上げられると同時に、薄膜状に押付けられる。その際、遠心力の働きによって、より重いもの、すなわち、含水率の高いものが優先的に炭化槽伝熱面２６に押付けられる。そして、加熱されて含水率の低くなった廃棄物は空気と接触する気化面２３に移動し、より一層気化を推進する。

また、廃棄物が薄膜となって炭化槽伝熱面２６に接触することで炭化槽伝熱面２６と気化面２３が限りなく等しくなるとともに、炭化槽伝熱面２６との接触周速度が５〜１５ｍ／ｓと速いことで、従来と比較して、４〜６倍の熱効率が得られる。また、炭化装置２０はスラリー等の流動物でも巻上げ、炭化槽伝熱面２６に薄膜状に接触させることができる。
これに対し、図３に示すような従来の炭化（乾燥）装置２０Ａでは、加熱と気化に時間差があり、廃棄物に保有された熱量が平均に同時気化放散されないので、炭化効率が非常に悪い。

炭化槽２２内部は無酸素状態（１％以下）にしているため、ポリ塩化ビニル等を４００〜４５０℃に加熱しても全く酸化反応が起きず、ポリ塩化ビニルに結合している塩素や、ベンゼンに結合している水素等が別々に分離ガス化し燃焼炉２４に導かれる。燃焼炉２４までの経路にも酸素（一酸化炭素）が介在しておらず、酸化反応は起きない。この状態で約８００℃以上になって燃焼炉２４に入ると瞬時に完全燃焼を起こすため、一酸化炭素を発生させない。また、ダイオキシンも、殆ど発生しない。
なお、前記のとおり、ガス化溶融炉３０内の温度は、１２５０〜１５００℃の高温であるから、仮に、ダイオキシンが、いずれかの前工程で発生したとしても、分解されて無害となる。

このような炭化装置２０により、本発明のシステムは、ランニングコストを低く抑え、高効率を実現することができるものである。
なお、図１には一段式の炭化装置、図２には二段式の炭化装置が描かれているが、これに限るものではなく、三段式、四段式であってもよい。
なお、ガス化溶融炉３０及び発電プラント４０は、従来公知の技術によればよく、当業者には周知であるから、説明は省略する。

最後に、ガス化溶融炉３０の下方にあるのは、炭化装置３０と類似の構造をした冷却装置９０であって、炭が燃えた後の灰が、溶けてスラグ状で出てくるので、これを水で冷却して回収するものである。
この排出物は、最初に投入される廃棄物から見て、大幅に減容される効果があり、路盤等の資材として利用される。

以上説明したように、本発明によれば、炭化装置での廃棄物炭化時において焼却灰が一切発生しないので、高温腐食の発生を防ぐことができる。また、これにより、高温での燃焼が可能となるので、水分の多い生ごみを含むあらゆる種類の廃棄系バイオマスを利用することができ、且つ、高いエネルギー効率を得ることができる。
また、エネルギー利用後の熱を、熱風として、炭化装置の炭化処理に再利用することにより、稼動初期やカロリーダウンしたとき以外は補助燃料を使用する必要がなくなるので、ランニングコストを低く抑えることができるという顕著な効果を奏する。

また、本発明のシステムは、水分の多い生ごみを含むあらゆる種類の廃棄系バイオマスを利用できることから、資源の保護・有効利用、エネルギー、環境保護等の様々な問題を解決することができる。

本発明の廃棄物炭化・エネルギー利用システムの概要図。 本発明の廃棄物炭化・エネルギー利用システムの炭化装置の説明図であって、（ａ）は炭化装置の断面図、（ｂ）は（ａ）のＡ部拡大断面図。 従来の炭化装置の概要図。 従来の廃棄物ガス化発電システムの概要図。

符号の説明

１０：廃棄物炭化・エネルギー利用システム
２０：炭化装置
２１：回転羽根
２２：炭化槽
２４：燃焼炉
２６：伝熱面
２８：ジャケット
３０：ガス化溶融炉
４０：発電プラント（エネルギー利用系）

Claims (4)

1. 廃棄物を炭化して炭を生成する炭化装置と、
   前記炭を燃焼させるガス化溶融炉と、
   前記ガス化溶融炉で発生する熱エネルギーの利用系を具え、
   前記熱エネルギーの利用系の排熱を、前記炭化装置の炭化処理に再利用することを特徴とする、
   廃棄物炭化・エネルギー利用システム。
2. 前記炭化装置の炭化処理で発生する炭化ガスを、燃焼炉で燃焼させて前記ガス化溶融炉に導入する、請求項１の廃棄物炭化・エネルギー利用システム。
3. 前記炭化装置が、前記廃棄物が投入される炭化槽と、該炭化槽を取巻いて加熱媒体が供給されるジャケットと、前記廃棄物を前記炭化槽内面の伝熱面に遠心力で押付けるための回転羽根とを具えた、請求項１又は２の廃棄物炭化・エネルギー利用システム。
4. 前記炭化装置が前記ガス化溶融炉を取囲んで複数設けられている、請求項１から３のいずれかの廃棄物炭化・エネルギー利用システム。
   
   

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