JP2005213460A - ガス化炉の操業方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 廃棄プラスチックを主体とする廃棄物に適したガス化炉の操業方法を提供する。
【解決手段】 コークスベッド方式のガス化炉は、縦長の炉の底部にコークスの充填層、コークスの充填層の上に廃棄物の堆積層を有し、投入される廃棄物を酸素含有ガスで部分燃焼して可燃ガスを得る。このガス化炉の操業方法において、廃棄物の堆積層の上部が流動化されない固定層であり、固定層の直上に設けた羽口から酸素含有ガスを吹き込むことを特徴とする。
【選択図】 図１

Description

本発明は、廃棄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の操業方法に関する。

近年、廃棄物中の可燃物の燃焼を部分燃焼で止めて、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ている。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。可燃物を扱いやすい可燃ガスに転換することから、この方法は、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。

廃棄物中の可燃物を可燃ガスに転換する方法には、種々の方法が考案されている。

一般的なガス化炉では、投入口から投入されて炉下部に堆積する廃棄物は、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する。生成したＣＯ、Ｈ_２、ＣＨ_４等の可燃ガスは、炉頂部に設けた可燃ガス出口から回収される。

本出願人は、従来のガス化炉に比べて、格段にタール及びチャーの少ない可燃ガスを得るべく、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ガス化炉において、酸素濃度９０％以上の酸素を用いて廃棄物の流動層の温度を約８００℃以上に制御するガス化炉の操業方法を提案している（特許文献１、請求項１参照）。

特願２００３−２８４２１７号明細書

本出願人が提案した特願２００３−２８４２１７号に記載の技術では、廃棄物が水分を含むような場合、水分を早く蒸発させるために、堆積層の上部に羽口を配置し、羽口から酸素を吹き込むことによって堆積層の上部を攪拌、すなわち流動化させていた。しかし、廃棄プラスチックを主体とする廃棄物の場合、水分が少ないので、廃棄物を乾燥させなくても、すぐに廃棄物が部分燃焼ガス化する。むしろ廃棄物の上部を流動化させると、廃棄物中の小粒子がチャーになって飛散し易い状況になってしまう。

そこで、本発明は、廃棄プラスチックを主体とする廃棄物に適したガス化炉の操業方法を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、請求項１の発明は、縦長の炉の底部にコークスの充填層、コークスの充填層の上に廃棄物の堆積層を有し、投入される廃棄物を酸素含有ガスで部分燃焼して可燃ガスを得るコークスベッド方式のガス化炉の操業方法において、廃棄物の堆積層の上部が流動化されない固定層であり、固定層の直上に設けた羽口から酸素含有ガスを吹き込むことを特徴とする。

請求項２の発明は、請求項１に記載のガス化炉の操業方法において、廃棄物の堆積層の直上に設けた羽口から酸素濃度９０体積％以上の酸素を吹き込むか、前記酸素と一緒に水又は水蒸気を吹き込むことにより、廃棄物の堆積層の直上の温度を、８００℃以上に制御することを特徴とする。

この発明によれば、廃棄物の上部を流動化（攪拌）させていないので、廃棄物中の小粒子がチャーになって飛散するのを抑制することができる。また、廃棄物が熱分解すると、タールとかチャーが発生するが、堆積層の直上から酸素を送風することで、一旦発生したタールとかチャーを直ちに分解することができる。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。

図１は、本発明で使用されるガス化炉の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。炉の側壁部には、廃棄物の投入口１が設けられ、炉の上部には、生成ガス出口２が設けられ、炉の側壁部には、酸素含有ガスを吹き込む羽口３〜５が設けられている。炉の上部には、コークス及び石灰石等の副資材が投入されるコークス投入口６が設けられる。なお、廃棄物の投入口１は炉の側壁部の代わりに上部に設けられることもあるし、コークス投入口６からはコークスのみで石灰石が投入されない場合もある。

ガス化炉には、廃棄物として、一般的には廃棄プラスチックを主体とした廃棄物、例えば産業廃棄物、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が投入される。

廃棄物は投入口１から炉の内部に投入される。炉内に投入された廃棄物は、高温による熱分解と羽口４から送風された送風ガス中の酸素による燃焼反応でガス化する。酸素流量は完全燃焼に満たない量に調整され、ＣＯ，Ｈ₂，ＣＨ₄等可燃成分を含むガスが生成される。生成した可燃ガスは生成ガス出口２から排出される。

ガス化炉の内部は、灰分及び無機物の溶融分離領域である炉底部のコークス充填層７、コークス充填層７の上に充填される廃棄物の堆積層８、堆積層８の上方の、生成された可燃ガスの改質帯である炉頂部（以下フリーボード部９という）から構成される。堆積層８の内部はさらに、廃棄物の乾燥及び熱分解帯である固定層８ａ（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８ｂ（廃棄物の堆積層の下部）に分けられる。

コークス充填層７には、コークスを燃焼するための主羽口３が設けられる。コークス充填層７部分に主羽口３から酸素又は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。主羽口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。また、コークス充填層７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１０より連続的又は間欠的に排出される。

堆積層８の直上には、副羽口４が設けられる。この実施形態では、副羽口４は上下に複数段設けられる。そして、変動する堆積層８の上端の高さに応じて、堆積層８の上端の高さよりも高い副羽口４のみから、廃棄物の堆積層の直上に酸素濃度９０体積％以上の酸素が吹き込まれる。

本出願人が提案した特許文献１に記載の技術では、廃棄物が水分を含むような場合、水分を早く蒸発させるために、堆積層の上部に副羽口を配置し、該副羽口から酸素を吹き込むことによって、堆積層の上部を攪拌、すなわち流動化させていた。しかし、廃棄プラスチックを主体とする廃棄物の場合、水分が少ないので、廃棄物を乾燥させなくても、すぐに廃棄物が部分燃焼ガス化する。むしろ廃棄物の上部を流動化させると、廃棄物中の小粒子がチャーになって飛散し易い状況になってしまう。このため、本実施形態では、堆積層８の上部を流動化させない固定層とし、堆積層８の直上の羽口から酸素を送風する。廃棄物が熱分解すると、タールとかチャーが発生するが、堆積層８の直上から酸素を送風することで、一旦発生したタールとかチャーを直ちに分解することができる。

ここで堆積層８の直上とは、本実施形態のように廃棄物の投入口１が炉の側壁に設けられる場合には、堆積層８と投入口１との間をいい、廃棄物の投入口１が炉の上部に設けられる場合は、堆積層８とフリーボード部９との間をいう。

副羽口４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、廃棄物の堆積層８の直上の温度を、８００℃以上に制御できるように設定される。

堆積層８の上部の固定層８ａにおいて、廃棄物の揮発分はガス化し、固定炭素及び灰分は炉底へ移動する。固定層８ａよりも下方で主羽口３よりも上方の領域は移動層８ｂと呼ばれる。移動層８ｂでは、廃棄物の熱分解後の灰分及び無機物が溶融される。

本実施形態の操業方法では、副羽口４から酸素濃度９０体積％以上の酸素を吹き込み、廃棄物がガス化する部分である固定層８ａの直上の温度（以下単に固定層８ａの温度という）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。タールやチャーが発生すると、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。

図２は、酸化剤として酸素を用いた場合における廃棄物のガス化温度がチャー（煤）生成率に与える影響を表すグラフである。この図２から廃棄物のガス化温度の上昇に伴いチャー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％がチャー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固定層８ａの温度を８００℃以上にすると、チャーの生成率を大幅に低減できるのがわかる。チャー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、固定層８ａ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、固定層８ａ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固定層８ａの温度を８００〜１０００℃に設定しても、チャーが生成されやすくなってしまう。チャーの生成を低減させるのには、固定層８ａ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。

酸素のみでは固定層８ａが高温になるおそれがある。このため固定層８ａ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。固定層８ａ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。

従来のガス化炉では、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可燃ガスとして回収している。副羽口４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部９の容積も大きくする必要がなくなる。

主羽口３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３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３から空気ではなく、酸素を吹き込むのが望ましい。また、移動層８ｂで燃焼したガスが固定層８ａに上昇していくので、固定層８ａを窒素フリーにするために、主羽口３から空気ではなく酸素を吹き込むのが望ましい。

投入口１のほぼ直上から上方の炉側壁部は、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。傾斜した側壁部よりも上方の空間がフリーボード部９と呼ばれる。生成された可燃ガスは、このフリーボード部９を下方から上方に向かって通過する。すり鉢状のフリーボード部９は、可燃ガスを均質及び低流速化してチャーの飛散を防止する。このフリーボード部９では、フリーボード部９に設けた三段羽口５から、酸素濃度９０体積％以上の酸素を吹き込むか、酸素と一緒に水又は水蒸気を吹き込むことにより、フリーボード部の温度を１１００℃を超え１２００℃以下に制御している。

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。三段羽口からの酸素の供給により、フリーボード部の雰囲気温度は、１１００℃を超え１２００℃以下に制御される。なぜなら、一旦発生すると分解の困難なチャーも、上記温度範囲では、Ｃ＋Ｏ₂→ＣＯ₂の燃焼反応や、Ｃ＋Ｈ₂Ｏ→ＣＯ＋Ｈ₂の水性ガス反応が充分に進行するからである。

以下、フリーボード部を、１１００℃を超え１２００℃以下に制御した理由について説明する。

１０００℃未満では、チャー及びタールの生成が多く、生成ガスを利用するに際して洗浄に多大な負荷がかかる。１０００℃を超えると、１０００℃未満よりはチャー及びタールの生成は少なくなる。ただし、チャー及びタールの生成に変動があり、一時的に多量生成することがある。変動の原因は、廃棄物の性状の一時的変化（プラスチックの増加）と推定される。性状が一定になるように制御しようとしても、廃棄物ゆえにある程度の変動は避けがたい。１１００℃を超えると、チャー及びタールの生成はさらに少なくなり、変動もほとんどなくなる。この点１０００℃より明らかに優位である。１２００℃を超えると、チャー及びタールの生成はさらに少なくなる。しかし、１１００℃との相違はわずかである。１２００℃を超えると、耐火物の損傷が著しく早くなり、好ましくない。

なおこのガス化炉では、上下に３段の羽口３，４，５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。

固定層の温度を変化させた場合のチャーの生成量、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３〜図５は表１に基づいて作成したグラフである。図３は固定層温度と投入される廃棄物Ｃに対するチャー生成量の割合の関係を示し、図４は固定層温度とタール生成量の関係を示し、図５は固定層温度と生成ガスの熱量の関係を示す。図３及び図４から固定層温度が８００℃以上になると、チャー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５から固定層温度が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。チャー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。

固定層に酸素を吹き込んだ場合と空気を吹き込んだ場合とで、チャーの生成量、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。固定層の温度は実施例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、チャー生成量及びタール生成量いずれも増大してしまい、また、チャー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。

フリーボード部の温度を変化させた場合のチャーの生成量、タールの生成量及び生成ガスの熱量を表３に示し、本発明の範囲内である実施例と本発明から外れる比較例１及び２とを比較している。

図６及び図７は表１に基づいて作成したグラフである。図６はフリーボード部温度と投入される廃棄物Ｃに対するチャー生成量の割合の関係を示し、図７はフリーボード部温度とタール生成量の関係を示す。図６及び図７からフリーボード部が１１００℃を超えると、チャー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。図６から、１１００℃におけるチャー生成量と１２００℃におけるチャー生成量とでは違いが僅かであり、また図７からタール生成量は温度が高くなるとどんどん低下していくのがわかる。

本発明で使用されるガス化炉を示す構造図。 反応温度とチャー生成率との関係を示すグラフ。 固定層温度と投入される廃棄物Ｃに対するチャー生成量の割合の関係を示すグラフ。 固定層温度とタール生成量の関係を示すグラフ。 固定層温度と生成ガスの熱量の関係を示すグラフ。 フリーボード部温度と投入される廃棄物Ｃに対するチャー生成量の割合の関係を示すグラフ。 フリーボード部温度とタール生成量の関係を示すグラフ。

符号の説明

１…投入口
２…生成ガス出口
３…主羽口
４…副羽口
５…三段羽口
６…コークス投入口
７…コークス充填層
８…堆積層
８ａ…固定層
８ｂ…移動層
９…フリーボード部
１０…出滓口

Claims (2)

1. 縦長の炉の底部にコークスの充填層、コークスの充填層の上に廃棄物の堆積層を有し、投入される廃棄物を酸素含有ガスで部分燃焼して可燃ガスを得るコークスベッド方式のガス化炉の操業方法において、
   廃棄物の堆積層の上部が流動化されない固定層であり、固定層の直上に設けた羽口から酸素含有ガスを吹き込むことを特徴とするガス化炉の操業方法。
2. 廃棄物の堆積層の直上に設けた羽口から酸素濃度９０体積％以上の酸素を吹き込むか、前記酸素と一緒に水又は水蒸気を吹き込むことにより、廃棄物の堆積層の直上の温度を、８００℃以上に制御することを特徴とする請求項１に記載のガス化炉の操業方法。

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