JP2005187610A - ガス化炉廃棄物ガス化溶融炉の操業方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 ガス化対象物を酸素含有ガスで部分燃焼して可燃ガスを得るガス化炉において、ガス化対象物の投入口付近における付着物の成長を抑制し、もって、安定して運転を継続するガス化炉を提供する。
【解決手段】 ガス化対象物の投入口１を、鉛直方向に直立する炉側壁部分に、投入口１の先端１ａが炉側壁の内表面４からガス化炉内部に突出しないように配置する。投入口の上方の炉側壁に付着物が成長するのを抑制できるように、投入口１のほぼ直上から上方の炉側壁を鉛直から外側に広がるように傾斜させる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、例えば、石炭・合成樹脂・草木・紙・ゴム等の可燃物、または、廃棄物の内の可燃物を部分燃焼し、可燃ガスを得るガス化炉に関する。

石炭・合成樹脂・草木・紙・ゴム等の可燃物、または、廃棄物の内の可燃物を完全燃焼し、その熱量を蒸気で回収して、蒸気タービンにより発電する方法は広く普及している。例えば、石炭焚きボイラー発電は、燃料である石炭を電力にエネルギー転換する技術である。廃棄物焼却炉は廃棄物の焼却を第一の目的としているが、一部の施設は、蒸気ボイラー・蒸気タービンを備え発電している。

近年、上記可燃物の燃焼を部分燃焼に留め、生成したガスを可燃ガスとして回収し利用する方法が稼動を始めた。生成ガス中の可燃成分はＣＯ、Ｈ₂、ＣＨ₄等であり、高効率のガスタービン発電やガスエンジン発電に供されたり、または、燃料ガス・化学合成原料に利用されたりしている。この方法は、固形状可燃物を扱いやすい可燃ガスに転換することから、多様な形態で多様な需要に応じることができる利点を有している。

固形状可燃物を可燃ガスに転換する方法は、種々の方法が考案されている。

例えば、特許文献１（特開平１０−１３２２４２号公報）には、「廃棄物を燃焼させ、廃棄物中の有機物をガス化してエネルギーガスとして回収するとともに、廃棄物中の灰分と金属類を溶融物として回収する竪型の廃棄物のガス化溶融炉であって、上部に前記廃棄物を装入する廃棄物装入口と生成するガスを排出するガス排出口を有し、下部に溶融スラグおよび溶融金属の排出口を有し、さらに、支燃性ガス及び補助燃料を吹き込むことができるランスが、炉の上部から炉内に向けて昇降可能に取り付けられていることを特徴とする廃棄物のガス化溶融炉」が開示されている。当該公報は、ガス化対象物の投入口である「廃棄物装入口」を炉の上部に配置することを規定している。実施例では、「廃棄物装入口」は縦長の炉の上部側面に配置されている。

同一発明者による特許文献２（特開平１０−１４８３１７号公報）では、送風方法の詳細が開示されているが、ガス化対象物の投入口については、特許文献１と同様に炉の上部に配置することしか規定されていない。実施例では、特許文献１と同様に縦長の炉の上部側面に配置されている。

別の方法に、例えば特許文献３（特開平１１−２１８３１３号公報）では、「廃棄物を回分的に加圧、圧縮する工程と、得られた圧縮成型物を、トンネル式加熱炉内に装入し、乾燥、熱分解、炭化する工程と、得られた炭化生成物を、高温反応器内に装入し、燃焼し、不燃分を溶融する工程を有する廃棄物処理方法において、前記廃棄物とは別個に、廃棄物を、前記トンネル式加熱炉内の炭化領域に直接装入することを特徴とする廃棄物処理方法」が開示されている。当該公報では、ガス化対象物投入口に相当する「トンネル式加熱炉」と炉本体に相当する「高温反応器」の位置関係は規定されていないが、実施例では、ガス化対象物投入口は縦長の炉の中間部側面に配置されている。

さらに別の方法に、例えば、特許文献４（特開２００２−３９５１８号公報）では、「シャフト炉内に塵芥もしくは塵芥及び補助燃料を供給して、炉底部に熱供給源を設けて塵芥を燃焼及びガス化し、その残さを溶融して出滓口から排出する塵芥のガス化溶融炉であって、塵芥もしくは塵芥及び補助燃料の供給口をシャフト炉の側面に設け、該供給口真下の炉内にノッチを設けたことを特徴とする塵芥のガス化溶融炉」が開示されている。当該公報は、ガス化対象物投入口である「供給口」を炉の側面に配置し、かつ、供給口の真下の炉内にノッチを配置することを規定している。

上記先行事例の実施例では、1)炉は縦長であること、2)炉の側面は略鉛直であること、3)ガス化対象物投入口は炉の側面に配置されていることが共通している。

前述の特許文献４は、ガス化対象物投入口である「供給口」の構造を規定したものであるが、その特徴は、「該供給口真下の炉内にノッチを設けたこと」である。ガス化対象物投入口より上部の構造については規定されていない。実施例では、ガス化対象物投入口より上部の側面は鉛直である。同一発明者による特許文献５（特開２００１−２８９４２０号公報）では、ガス化対象物投入口付近の側面は、上部及び下部共に鉛直である。

特開平１０−１３２２４２号公報 特開平１０−１４８３１７号公報 特開平１１−２１８３１３号公報 特開２００２−３９５１８号公報 特開２００１−２８９４２０号公報

ガス化対象物は投入口から炉に投入され、炉下部に落下し、自身の熱分解でガス化するとともに、送風ガス中の酸素により部分燃焼ガス化される。生成したＣＯ、Ｈ₂、ＣＨ₄等の可燃成分を含むガスは、生成位置である炉下部から投入口付近を経由して炉上部に向けて上昇する。軽量のガス化対象物の一部は落下することなく、ガスに同伴して、炉上部に向けて上昇する。

炉壁面は炉内部のガスより低温度であるため、半溶融状の非ガス物質が冷却され、炉壁面上に付着物として成長することがある。付着物は炉の断面積を減じ、上昇ガス流れを阻害し、ひいてはガス化炉の運転を悪化させる。大きく成長すると運転を中断して付着物を除去する必要があり、稼働率の低下、コストの上昇など深刻な障害をもたらす。

付着物が成長する位置は、付着物の性状（特に融点）、炉内温度等に依存して一定しないが、投入口上部においては、自身の熱分解で生成したタール成分がバインダーのように機能して、付着物が確実に成長し、上述の問題をもたらしている。

本発明は、ガス化対象物を酸素含有ガスで部分燃焼して可燃ガスを得るガス化炉において、ガス化対象物の投入口付近における付着物の成長を抑制し、もって、安定して運転を継続するガス化炉を提供する。

上記課題を解決するために、請求項１の発明は、縦長の炉にガス化対象物を投入し、ガス化対象物を酸素含有ガスで部分燃焼して可燃ガスを得るガス化炉であって、ガス化対象物の投入口を、鉛直方向に直立する炉側壁部分に、投入口の先端が炉側壁の内表面からガス化炉内部に突出しないように配置し、投入口の上方の炉側壁に付着物が成長するのを抑制できるように、投入口のほぼ直上から上方の炉側壁を鉛直から外側に広がるように傾斜させることを特徴とする。

請求項２の発明は、請求項１に記載のガス化炉において、前記炉側壁の傾斜角度は、鉛直に対して１５度以上３０度以下であることを特徴とする。

請求項３の発明は、請求項１又は２に記載のガス化炉において、前記炉側壁の傾斜部分の高さは、前記投入口の位置における前記炉の内径に対して０．５倍以上の大きさであることを特徴とする。

尚、本発明におけるガス化対象物とは、石炭・合成樹脂・草木・紙・ゴム等の可燃物、または、廃棄物の内の可燃物である。また、これらに不燃物が含まれることは自明であり、ガス化対象物は一部成分に不燃物を含む。

コークス等を補助燃料として付加的に用いる事例があるが、本発明では、ガス化対象物以外にコークス等を用いるか否かは任意である。

本発明により、ガス化対象物を酸素含有ガスで部分燃焼して可燃ガスを得るガス化炉において、側面に配置されたガス化対象物の投入口の上部における付着物の成長を抑制でき、もって安定して運転を継続するガス化炉とそのガス化炉を用いるガス化方法を提供することができる。

以下、本発明を実施の形態に基づいて詳細に説明する。

図１は、本発明の一実施形態を示す概略縦断面図である。炉は縦長の形状であり、耐火物で内張りされている。この種の炉はシャフト型の炉と呼ばれる。炉の側面にガス化対象物の投入口１が、炉の上部に生成ガス出口２が、炉の下部に送風口３が設けられている。

投入口１からガス化対象物が投入され、炉の頂部からコークスが投入される。炉の底部にはコークスの充填層が作られ、その上にガス化対象物が充填される。

送風口３は上下２段の一次送風口と二次送風口から構成される。コークス充填層部分に一次送風口から酸素、空気を単独又は混合して送風し、コークスを部分燃焼ガス化する。また、二次送風口からガス化対象物充填層の内部又は直上に酸素、空気を単独又は混合して送風し、ガス化対象物を部分燃焼ガス化する。送風口３からは、水蒸気または水が同時に送風されることもある。これらのガス種の選定や流量は、炉の運転目的・状況等により柔軟に決定される。この実施形態では、下段の一次送風口と上段の二次送風口を設けているが、送風口の段数及び個数はガス種の選定や流量と同様に柔軟に決定される。

ガス化対象物は投入口１から炉の内部に投入され、高温による熱分解と送風口から送風された送風ガス中酸素による燃焼反応でガス化される。酸素流量は完全燃焼に満たない量に調整され、ＣＯ，Ｈ_２，ＣＨ_４等可燃成分を含むガスが生成される。炉に投入される前のガス化対象物は熱分解されておらず、炉に投入された後に熱分解される。生成した可燃ガスは生成ガス出口２から排出される。

投入口１以下の炉の下部は鉛直円筒形状である。投入口１は鉛直方向に直立する炉側壁部分に配置される。またこの投入口１は水平方向に細長く伸びている。投入口１内の上流側には、ガス化対象物を炉内に押し出すピストン等の押出し機構が設けられる。

投入口１の先端１ａは、炉側壁の内表面からガス化炉内部に突出しないように、炉側壁の内表面４とほぼ一致する。仮に投入口１の先端１ａを炉の中心付近まで伸ばすと、ガス化対象物を炉の中心付近に投入することができ、これにより半溶融状の非ガス物質が炉側壁に付着するのを抑制することができる。しかし、炉の内部に突出する投入口が上昇ガス流れを阻害したり、投入口に半溶融状の非ガス物質が付着・成長したりするという問題が生じる。尚、投入口１の先端１ａが炉側壁の内表面４にほぼ一致するとは、厳密に一致する場合のみならず、施工上僅かな段差が生じる場合も含まれる。

投入口１のほぼ直上から上方の炉側壁は、鉛直から外側に広がるように傾斜しており、すり鉢状の形状をしている。投入口１の直上から炉側壁を傾斜させるのが望ましいが、投入口１の周囲の炉側壁は耐火物で内張りされるので、施工上投入口１の直上から炉側壁を傾斜させることが困難になる場合が多い。このため、僅かな垂直部分を経て炉側壁を傾斜させてもよい。

炉側壁の傾斜角度は鉛直に対して１５度以上３０度以下に設定される。また、炉側壁の傾斜部分の高さは、投入口の位置における炉の内径に対して０．５倍以上の大きさである。

（実施例１）
以下ガス化炉の具体的な実施例について説明する。図１に示される投入口、生成ガス出口、送風口の数量は、投入口：１、生成ガス出口：１、送風口：円周方向３×２段＝６である。炉の下部内径は６００ｍｍ、上部内径は８２０ｍｍである。傾斜部分の鉛直からの角度は２０度、高さは３００ｍｍで炉の下部内径６００ｍｍの０．５倍である。炉の全高さは３０００ｍｍである。

炉壁面の付着物を除去した後、表１に示す条件で３６時間連続の運転を行った。ガス化対象物には、一般廃棄物を固化したＲＤＦ（ごみ固形化燃料）を用いた。３６時間経過後、ガス化対象物の投入と送風をほぼ同時に瞬間的に停止し、１次送風口から窒素を送風して、炉内を冷却した。この方法により、付着物は炉壁面から剥離・脱落することなく、保持される。

完全に冷却後、投入口上部における付着物の状況を確認した。付着物は投入口の上端にわずかに付着する程度であった。

（比較例１）
図２は、従来の炉の概略縦断面図である。基本的な構成は実施例と同様であるが、炉の形状が最上部から最下部まで鉛直円筒状である点が相違する。炉の内径は６００ｍｍ、高さは３０００ｍｍである。

実施例と同様に、炉壁面の付着物を除去した後、表１に示す条件で３６時間連続の運転を行い、冷却後、投入口上部における付着物の状況を確認した。付着物は投入口の上部全体に付着しており、その厚さは最大約４０ｍｍであった。

以上は運転時間36時間後の結果であり、より長時間運転すれば、より大きな付着物が生成するものと考えられる。

（比較例２）
図３は、傾斜部分の角度の適正範囲を検証するために製作した炉の概略縦断面図である。

基本的な構成は実施例と同様であるが、傾斜部分より上部の寸法が異なる。即ち、傾斜部分の鉛直からの角度は１０度で、実施例１より小さくしている。傾斜部分の高さは３００ｍｍで、実施例１と同一である。付随して、炉上部内径は７０５ｍｍとなっている。

実施例と同様に、炉壁面の付着物を除去した後、表１に示す条件で３６時間連続の運転を行い、冷却後、投入口上部における付着物の状況を確認した。付着物は比較例１と同様に投入口の上部全体に付着しており、その厚さは最大約３５ｍｍであった。この結果から、傾斜部分の角度が１０度では、投入口上部における付着物の生成は、鉛直の場合とほとんど変わらないことが判明した。

逆に、傾斜部分の適正な角度には上限もある。即ち、傾斜部分の角度が大きくなると、炉上部内径も増大し、炉上部におけるガス上昇速度は小さくなる。この結果、飛散しないガス化対象物が増加し、傾斜部分に堆積する。これが、傾斜部分の付着物に成長する。

以上の実施例・比較例から、傾斜部分の角度は１５度以上３０度以下が望ましい。

（比較例３）
図４は、傾斜部分の高さの適正範囲を検証するために製作した炉の概略縦断面図である。

基本的な構成は実施例と同様であるが、傾斜部分の高さが異なる。即ち、炉の下部内径は６００ｍｍ、炉の全高さは３０００ｍｍ、傾斜部分の鉛直からの角度は２０度であり、実施例と同一であるが、傾斜部分の高さは１５０ｍｍで、炉の下部内径６００ｍｍの０．２５倍である。付随して、上部内径は７１０ｍｍとなっている。

実施例と同様に、炉壁面の付着物を除去した後、表１に示す条件で３６時間連続の運転を行い、冷却後、投入口上部における付着物の状況を確認した。付着物は比較例１よりは少ないものの投入口の上部全体に付着しており、その厚さは最大約２５ｍｍであった。この結果から、傾斜部分の適正な高さは下限があることが判明した。即ち、傾斜部分の鉛直方向高さは投入口位置における相当直径に対して０．５以上の大きさであることが望ましい。

尚、相当直径は、流体力学の分野で一般に定義される次式で与えられる。炉の断面形状は円形が一般的であるが、矩形や楕円であってもよい。相当直径は、円形でない断面の代表長さを与えるものである。

相当直径＝４×断面積÷断面の周長

炉上部の径は傾斜部分の角度と高さを規定すると自ずと決まる。炉上部の径を所定値にしたいときは、角度と高さを上述の望ましい範囲内で選定することにより、所定値を得ることができる。

本発明の一実施形態のガス化炉を示す概略縦断面図。 従来の炉の概略縦断面図。 傾斜部分の角度の適正範囲を検証するための炉の概略縦断面図。 傾斜部分の高さの適正範囲を検証するための炉の概略縦断面図。

符号の説明

１…投入口
１ａ…投入口の先端
２…生成ガス出口
３…送風口
４…炉側壁の内表面

Claims (3)

1. 縦長の炉にガス化対象物を投入し、ガス化対象物を酸素含有ガスで部分燃焼して可燃ガスを得るガス化炉であって、
   ガス化対象物の投入口を、鉛直方向に直立する炉側壁部分に、投入口の先端が炉側壁の内表面からガス化炉内部に突出しないように配置し、
   投入口の上方の炉側壁に付着物が成長するのを抑制できるように、投入口のほぼ直上から上方の炉側壁を鉛直から外側に広がるように傾斜させることを特徴とするガス化炉。
2. 前記炉側壁の傾斜角度は、鉛直に対して１５度以上３０度以下であることを特徴とする請求項１に記載のガス化炉。
3. 前記炉側壁の傾斜部分の高さは、前記投入口の位置における前記炉の内径に対して０．５倍以上の大きさであることを特徴とする請求項１又は２に記載のガス化炉。

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