JP2006010199A

JP2006010199A - 廃棄物の溶融処理方法

Info

Publication number: JP2006010199A
Application number: JP2004187612A
Authority: JP
Inventors: Tatsuo Kato; 龍夫加藤
Original assignee: Hitachi Metals Ltd
Current assignee: Proterial Ltd
Priority date: 2004-06-25
Filing date: 2004-06-25
Publication date: 2006-01-12

Abstract

【課題】可燃ゴミを炉内で燃焼及びガス化し、その残さを溶融スラグとして排出する廃棄物の溶融処理方法に関し、処理すべきゴミ排出量に変動が生じても炉の処理能力を変更し高効率の溶融処理を維持することのできる溶融処理方法を提供する。
【解決手段】被処理物の炉内への供給量を増加させたときは支燃性ガス吹き込み手段１を炉の中心部に対して後退させて溶融域ａの面積を増大し、被処理物の炉内への供給量を減少させたときは支燃性ガス吹き込み手段を炉の中心部に対して前進させて溶融域の面積を減少する廃棄物の溶融処理方法。
【選択図】図３

Description

本発明は可燃ゴミを炉内で燃焼及びガス化し、その残さを溶融スラグとして排出する廃棄物の溶融処理方法に関する。
本発明は廃棄物の焼却灰を炉内で溶融し溶融スラグとして排出する廃棄物の溶融処理方法に関する。

従来より都市ゴミや下水汚泥などの有機化合物を含有する可燃ゴミはストーカー炉や流動床炉で焼却処理して、その焼却灰を埋め立て処分することが一般的に行なわれていた。しかし最近埋め立て処分する際に焼却灰の容積が未だ充分に減少していないこと、焼却灰を埋め立て処分するに際に飛散して周囲の環境に悪影響を及ぼすこと等から、焼却灰を溶融スラグ化してそれを埋め立て処分することが推奨されている。

可燃ゴミを乾燥、熱分解及び燃焼溶融するガス化溶融炉は、キルン方式、流動床方式及びシャフト炉方式に大別される。キルン方式と流動床方式は、燃焼補助材料を用いずにゴミの持つ熱量を利用してゴミを溶融するため、運転経費は少なくて済むが、破砕や乾燥等のゴミの前処理が必要でしかも処理フローが複雑であることから、処理設備全体でみると、建設費が高くなるという問題点が有る。また処理フローが複雑なので、運転やメンテナンスに熟練と多くの人手を要するという問題点も有る。

運転やメンテナンスの観点からシャフト炉が好ましい。シャフト炉はコークスを必要とするが、破砕や乾燥等のゴミの前処理が不要で、更に処理フローが比較的簡単であるため、処理設備全体の建設費を低くできるという利点がある。また簡単な設備なので運転やメンテナンスが容易であるという利点もある。

図１及び図２において、シャフト炉体２の底部近傍にプラズマトーチ１と、その上方に第一の空気供給手段３及び第二の空気供給手段４が設けられている。本実施例ではプラズマトーチ１は炉体の同一高さの円周上に２ヶ所に設けられており、プラズマトーチ１から吹き出す熱風の方向は炉体の直径方向でかつ炉底方向である。第一の空気供給手段３及び第二の空気供給手段４は同じく円周上６ヶ所に設けられている。第一の空気供給手段３及び第二の空気供給手段４から吹き込む空気は、二次燃焼炉の高温ガスと熱交換器で熱交換して高温になったものを使用することができる。

炉体２の外殻201の内側には、耐火材202が内貼りされている。また炉体２は炉本体部20と炉底体部21とが結合している。炉体２の垂直方向ほぼ中間部に供給口５が設けてあり、供給口５に連結してプッシャー６が設けてあり、プッシャー６には可燃ゴミ供給装置７とコークス供給装置８が連結している。そして可燃ゴミ供給装置７とコークス供給装置８には二重のバタフライバルブ（図示せず）を設けて、外気の進入を極力遮断している。炉体２の上部近傍に排ガス口９が設けてあり、排ガス口９に連結して二次燃焼炉10、一次冷却塔11、熱交換器12、二次冷却塔13及び集塵機14が連結しており、集塵器14の後は誘引ファン及び排気塔（図示せず）が連結している。炉体２の炉底部22には炉体２内と連通した溶融スラグ排出口23が設けてあり、それに連ねてスラグ樋15とスラグ冷却水槽16とが設けられている。

図１において、可燃ゴミはコークス及び石灰石とともにシャフト炉２に装入され、そこで生成したガスは炉の上部から二次燃焼室10に排出される。二次燃焼室10では、このガスに含まれる可燃成分が還元性雰囲気にて燃焼され、窒素化合物がＮ_２に分解される。ダイオキシンの発生を防ぐために、燃焼温度は850℃以上とし、かつ生成ガスの滞留時間は２秒以上になるように二次燃焼が行われる。この燃焼ガスは、一次冷却室11で500〜700℃に冷却され、次いで熱交換器（空気予熱室）12で熱交換された後二次冷却室13でダイオキシンの再合成温度領域をすばやく通過するために150〜200℃に急速に冷却され、有害ガス（塩素ガス等）を中和するために活性炭と消石灰が混合された集塵機14を経て、無害化された排ガスが大気中に排出される。

シャフト炉体２の昇温を始める際は、炉底部22にコークスを充填してコークス層25を形成した後、プラズマトーチ１を点火して、1000〜2500℃（例えば約1800℃）に加熱された空気等の支燃性ガスをコークス層25に向けて吹き込む。炉底部22及びコークス層25はプラズマトーチ１の加熱空気とコークスが燃焼して生じる燃焼熱により約３時間後に例えば1500℃程度に昇温する。そこに可燃ゴミ供給装置７からプッシヤー６で可燃ゴミを炉体２内に供給するとともにコークス供給装置８からコークスと石灰石の混合物をプッシャー６で供給する。可燃ゴミに対するコークスの重量割合は、例えば２重量％とするのが好ましい。可燃ゴミとコークスを供給すると、コークス層25の上に可燃ゴミとコークスとが交互にほぼ層状になった可燃ゴミ層26が形成される。

炉体２内に供給する空気はプラズマトーチ１、第一の空気供給手段３及び第二の空気供給手段４から供給し、その総空気量は炉体２内にあるコークス及び可燃ゴミの可燃物質に対する化学量論的空気量以下とし、具体的には化学量論的空気量：総空気量の比は１：0.2〜１：0.5の範囲が好ましい。

加熱したコークス層25の上に堆積した可燃ゴミ層26はコークス層25から上昇してくる高温の還元性ガスにより乾燥されてその一部は上記燃焼空気により燃焼し、可燃ゴミ中の有機物は炭化物と炭化水素ガスに熱分解される。炭化物はコークス層25中で又はその手前でプラズマトーチ１から供給される空気中の酸素と反応して還元性ガス（ＣＯ）になる。そして炭化物の残余成分である無機酸化物からなる灰分と可燃ゴミの燃焼によって発生した灰分とは約1500℃に加熱したコークス層25からの熱風で溶融して溶融スラグとなり、コークス層25中を流下して炉底部22に溜る。炉底部22に溜まった溶融スラグは炉底に設けた溶融スラグ排出口23から炉外に排出される。

可燃ゴミの供給とコークスの供給を例えば３：１の回数割合で行なうと、可燃ゴミとコークスはほぼ交互に層状をなす。しかもコークス／可燃ゴミの比率は２重量％程度であるが、可燃ゴミの燃焼はコークスに比してはるかに速やかであるから、上記燃焼空気の大半は可燃ゴミの燃焼に消費されてしまい、コークスは燃焼し難く、よってコークスの消費量は少ない。その結果可燃ゴミ層26の上部はゴミ・リッチ層261となり、可燃ゴミの燃焼及びガス化が進行する可燃ゴミ層26の中部では可燃ゴミ・コークス混在層262となり、可燃ゴミ層26の下部では殆どがコークスとなる層263となる。その結果炉底部22内の所定の高さまではコークス層25が継続的に形成されており、コークスの消費量と供給量とがバランスしている状態ではコークス層25のレベルは維持される。炉内の熱収支における入熱はプラズマトーチ１の熱量、可燃ゴミの燃焼による熱量、及びコークスの燃焼による熱量でまかなわれる。
特開２００２−２９５８１７号公報特開２０００−９７４１７号公報

シャフト炉式ガス化溶融炉は一般的に稼動率や熱効率を高めるためにできるだけ炉の運転を止めずに連続運転を行い、炉の点検や炉壁の補修等の必要時のみ運転を停止する。このような連続運転は土曜日、日曜日、祝祭日等の休日も運転作業者を勤務させなければならず運転・管理コストの増大を招くという問題がある。休日に炉の運転を停止する場合は、例えば土曜日と日曜日に停止させると毎週炉の立ち上げが必要になる。炉底部のコークスは冷えて凝固したスラグで覆われているためコークスに点火し難く、炉が安定して出滓できるようになるまでに長い時間が必要となり、炉の稼動率が大きく低下する。その結果、ゴミ排出量の計画値に対して炉の処理能力を予め大きく設計しておく必要がある。

しかし、処理能力の大きい炉になるほどイニシャルコスト及びランニングコストは高くなるため必要以上に炉の処理能力を大きく設計することは賢明ではない。また、その地域のゴミ排出量は人口の変動や産業構造の変化等により徐々に変動する。従来の炉では設計された処理能力未満の処理量では効率が悪く、またそれを超える量の処理はできなかった。このように炉の処理能力の設定には難しい面があり、設定が不適切であると処理量の割には処理費用が高コストであったり発生するゴミを処理しきれないという問題があった。

したがって本発明の目的は、処理すべきゴミ排出量に変動が生じても炉の処理能力を変更し高効率の溶融処理を維持することのできる溶融処理方法を提供することにある。

本願発明者は鋭意検討の結果、溶融炉における被処理物の溶融処理能力は炉底部内の高温領域（溶融域）の面積により規定されることを見出した。この溶融域は炉底部内で炭化物の残余成分である無機酸化物からなる灰分と可燃ゴミの燃焼によって発生した灰分とが溶融されて溶融スラグとなる高温領域である。

したがって、本発明の廃棄物の溶融処理方法は、被処理物の炉内への供給量を増加させたときは支燃性ガス吹き込み手段を炉の中心部に対して後退させて溶融域の面積を増大し、被処理物の炉内への供給量を減少させたときは支燃性ガス吹き込み手段を炉の中心部に対して前進させて溶融域の面積を減少することを特徴とする。

本発明において支燃性ガス吹き込み手段としてはプラズマトーチを用いることができ、特に非移送式プラズマトーチが好ましい。または通常の羽口を用いることもできる。

本発明で支燃性ガス吹き込み手段を炉の中心部に対して後退させたときはプラズマトーチを用いた場合には、その出力電力と支燃性ガス量を増加させることが好ましい。それにより溶融域の面積を増大し溶融域全体を高温に維持することができる。羽口を用いた場合には、その支燃性ガス量を増加させることが好ましい。

本発明で支燃性ガス吹き込み手段を炉の中心部に対して前進させたときはプラズマトーチを用いた場合には、その出力電力と支燃性ガス量を減少させることが好ましい。それにより高温に維持した溶融域の面積を減少することができる。羽口を用いた場合には、その支燃性ガス量を減少させることが好ましい。

上述のように、本発明の廃棄物の溶融処理方法によれば、処理すべきゴミ排出量に変動が生じてもそれに応じて炉の溶融域すなわち処理能力を変更して高効率の溶融処理を維持することができる。

次に本発明を実施例によって具体的に説明するが、これら実施例により本発明が限定されるものではない。

溶融炉における被処理物の溶融処理能力は炉底部内の高温領域（溶融域）の面積により規定される。図３は図２に示す炉体２の炉底部22のＡ−Ａ矢視断面を示す図である。但し、コークスは図示を省略している。炉体はコークス層や溶融スラグを保持する耐火材202とそれを外側から保護する外殻201からなり４本のプラズマトーチ１は外殻201と耐火材202を貫いて軸方向に前進および後退が自在にできるよう設置される。プラズマトーチ１から空気などの高温の支燃性ガスが耐火材202で囲まれた炉底部の内部空間に供給される。プラズマトーチ１から供給される高温の支燃性ガスが及ぶ範囲とその支燃性ガスによってコークスが燃焼して生じる燃焼熱により形成される高温領域の範囲とを合わせた範囲が点線で示す溶融域ａである。図３は溶融処理能力を最大にするプラズマトーチ１の設置位置を示す。プラズマトーチ１は最も後退した位置にあり溶融域ａは炉の内部空間の断面積にほぼ等しい。プラズマトーチ１の出力電力と支燃性ガス量を増加させて溶融域ａ全体を高温に維持する。この溶融域ａに可燃ゴミ・コークス混在層から炭化物の残余成分である無機酸化物からなる灰分と可燃ゴミの燃焼によって発生した灰分とが供給される。供給される灰分は広い面積の溶融域ａの全域においてコークス層25（図３では図示を省略）からの熱風で溶融して溶融スラグとなり、コークス層25中を流下して炉底部22に溜る。このように灰分は広い面積の溶融域ａで溶融されるため灰分の単位時間あたりの溶融量（溶融処理能力）が大きくなるのである。

図４は図３の炉よりも溶融処理能力を減少させた炉のプラズマトーチ１の設置位置を示す。プラズマトーチ１の位置は図３で示したそれより前進した位置にあり溶融域ａ´は炉の内部空間の断面積より小さい。プラズマトーチ１の出力電力と支燃性ガス流量を減少させて溶融域ａ´のみを高温に維持する。その外側は灰の溶融が行われない比較的低温な非溶融域ｂ´である。この溶融域ａ´及び非溶融域ｂ´に可燃ゴミ・コークス混在層から炭化物の残余成分である無機酸化物からなる灰分と可燃ゴミの燃焼によって発生した灰分とが供給される。灰分は比較的狭い面積の溶融域ａ´のみで溶融されるため溶融処理能力が小さくなるのである。非溶融域ｂ´に供給される灰分は溶融されないためコークス層25中を流下することなくそこに留まる。また、図４の炉では耐火材202は高温ガスに曝されないため寿命が延びる効果もある。

本発明では全ての支燃性ガス吹き込み手段を炉の中心部に対して必ずしも等しい距離で配置する必要はない。例えば図５に示すように距離を不揃いにしてもよい。一部のプラズマトーチ１を最も後退した位置にするとそこで溶融域ａ´´は耐火材202の近傍に達するので、そこに溶融スラグ排出口23を設けるとスラグの凝固を防ぎスラグ出滓をスムーズにする効果がある。

支燃性ガス吹き込み手段であるプラズマトーチ１内部の電極部を図６に示す。本発明では上・下流電極をトーチに内蔵している非移送式プラズマトーチを採用することが好ましい。プラズマトーチ内部は水冷却を行い、電極等構成部品の熱損耗を抑えている。また、電磁コイルで磁場を与え、プラズマアークを回転させてアーク接地点を常に移動させることで局部的な電極の損耗を防いでいる。電極への供給電力と空気供給量を変えることでプラズマ空気の及ぶ範囲を拡大・縮小することができる。

本発明は、可燃ゴミを炉内で燃焼及びガス化し、その残さを溶融スラグとして排出する廃棄物の溶融処理方法に利用出来る。
本発明は廃棄物の焼却灰を炉内で溶融し溶融スラグとして排出する廃棄物の溶融処理方法に利用出来る。

可燃ゴミのガス化溶融装置を示す概略図である。図１の可燃ゴミのガス化溶融炉を示す断面図である。本発明の一実施例による図２のＡ−Ａ矢視断面を示した図である。本発明の別の実施例による図２のＡ−Ａ矢視断面を示した図である。本発明のさらに別の実施例による図２のＡ−Ａ矢視断面を示した図である。非移送式プラズマトーチの構造を示す図である。

符号の説明

ａ，ａ´，ａ´´ 溶融域
ｂ´ 非溶融域
１プラズマトーチ（支燃性ガス吹き込み手段）
２シャフト炉体
３第一の空気供給手段
４第二の空気供給手段
５供給口
６プッシャー
７可燃ゴミ供給装置
８コークス供給装置
９排ガス口
１０二次燃焼炉
１１一次冷却塔
１２熱交換器
１３二次冷却塔
１４集塵機
１５スラグ樋
１６スラグ冷却水槽
２０炉本体部
２１炉底体部
２２炉底部
２３溶融スラグ排出口
２５コークス層
２６可燃ゴミ層
２０１外殻
２０２耐火材
２６１ゴミ・リッチ層
２６２可燃ゴミ・コークス混在層
２６３コークス層

Claims

被処理物の炉内への供給量を増加させたときは支燃性ガス吹き込み手段を炉の中心部に対して後退させて溶融域の面積を増大し、被処理物の炉内への供給量を減少させたときは前記支燃性ガス吹き込み手段を炉の中心部に対して前進させて前記溶融域の面積を減少することを特徴とする廃棄物の溶融処理方法。