JP2006112714A

JP2006112714A - 廃棄物ガス化改質炉

Info

Publication number: JP2006112714A
Application number: JP2004300952A
Authority: JP
Inventors: Nagahito Hashimoto; 長人橋本; Masuhito Shimizu; 益人清水; Toshiro Tomiyama; 淑朗冨山; Akinori Taira; 明典平
Original assignee: JFE Engineering Corp
Current assignee: JFE Engineering Corp
Priority date: 2004-10-15
Filing date: 2004-10-15
Publication date: 2006-04-27

Abstract

【課題】廃棄物ガス化改質炉の酸素吹込みバーナー周辺の炉壁を保護するための耐火構造を提供すること。
【解決手段】廃棄物を溶融ガス化した後、該発生ガスを酸素濃度８０容量％以上の高濃度の酸素含有ガスでガス改質するための酸素バーナー２を有する廃棄物ガス化改質炉１の耐火構造であって、該酸素バーナー２の１本あたりの酸素吹き込み量が３００Ｎｍ^３／ｈｒ以下とし、該酸素バーナー周りの耐火構造をアルミナ−クロミア質定形耐火物５から構成する。また、前記酸素バーナーは複数本設けられ、隣接する酸素バーナーが各々５００ｍｍ以上離れていることが好ましい。
【選択図】図１

Description

本発明は、都市ごみや産業廃棄物を溶融ガス化処理する廃棄物ガス化改質炉において、炉壁を溶損から保護するための溶融炉の耐火構造に関する。

都市ごみや産業廃棄物などは、廃棄物処理場において焼却処理されて減容化され、最終的に排出される焼却残渣等の固形物は埋め立て処分場で埋め立て処分されている。また、それらの固形物の中でも、焼却又は溶融処理した際に発生する飛灰には亜鉛、鉛などの重金属類が含まれていることから、飛灰は、セメント固化や薬剤処理等によって安定化処理された後に埋め立て処分されている。

しかしながら、このような処分方法は埋め立て処分場を必要とし、近年ではこのような処分場の確保が非常に困難となってきている。また、安定化処理した場合でも、超長期的には、埋め立て処分された飛灰から溶出する重金属が環境汚染の原因となるというリスクを抱えており、環境汚染を防ぐための対策を施す必要がある。

そこで、近年では、上記した焼却処理に代わる廃棄物処理方法として、廃棄物を還元性熱処理炉で熱処理することが行われている。このような処理方法の例としてガス化改質方式によるガス化溶融プロセスが注目されている。

この方法は、廃棄物ガス化溶融炉内で、廃棄物を熱処理することによって、廃棄物を熱分解ガスを含むガスと溶融物とに転換するというものであり、得られたガス中にはダイオキシン等の有害なガス成分が少ないという利点がある。そして、廃棄物から発生する熱分解ガス中には可燃性のガスが含まれているため、これを発電用燃料、工業用燃料及び化学工業用原料等として有効に利用することができる。また廃棄物に含まれていた重金属類等の有害物質は、溶融スラグ中に固定されるので、重金属類が溶出しにくいという特徴がある。

前記の廃棄物ガス化溶融炉では、炉本体内部の温度が高温になり、高温ガスや溶融スラグと接触するため、一般に炉本体は外側の鉄皮を耐火物によって内張するという構造をとっているが、溶損等による消耗が激しく、特に、ガス改質部に酸素含有ガスを供給する酸素ガスバーナーの周辺部の耐火物は損傷が激しい。
耐火物が消耗すれば操業を停止して、耐火物の張り替え等の補修を行う必要があるが、補修を頻繁に行う必要があると処理効率が低下し、コストの上昇につながるので、補修の頻度を低下させるべく、耐火物の消耗を防ぐための手段が講じる必要がある。

高温炉に採用される耐火物又は耐火構造については、製鉄炉でかなりの技術が発達している。このことは、耐火物メーカーにおける国内耐火物生産量の約７０％が鉄鋼業において使用されていることからもうかがえる。

一方、廃棄物の処理炉においては循環型社会形成の観点から従来灰、ばいじんとして最終処分場に廃棄されていたもの灰溶融、ガス化溶融といった技術を利用してスラグ化する設備が増加してきており、灰・ばいじんをスラグ化するため、スラグの溶融工程での耐火物の重要度が増大している。

このような廃棄物ガス化溶融炉の従来例について以下説明する。
特許文献１では、廃棄物ガス化溶融炉において、スラグ排出口周りの耐火物の冷却効率が悪くなるのを防ぐために、スラグ排出口の周りの耐火物を冷却するための水冷ジャケット部を設けることが提案されている。

特許文献２では、低温ガス化炉と高温ガス化炉とを組み合わせたガス化処理装置において、酸素ガスを供給される高温ガス化炉を、外殻としての鉄皮と、この鉄皮の内側に設けられたＳｉＣ系の内層キャスタブルと更にその内側に設けられたＡｌ２Ｏ３系の最内層キャスタブルと、鉄皮の外側に設けられた冷却ジャケットとから構成して耐化炉壁の損耗を低減することが提案されている。

特許文献３では、廃棄物ガス化溶融炉の炉本体の炉壁内部又は炉壁露出部に冷却水が循環する流路を形成して炉壁を冷却することにより炉壁を保護することが提案されている。
しかしながら、特に廃棄物を純酸素に近い高濃度の酸素で燃焼させ、不燃物を溶融する炉では、その環境特有の問題があり、未だ開発段階であると言える。

特開平１−２３４７０９号公報特開２０００−３２９３２３号公報特開２００２−３１０４１７号公報

本発明は、廃棄物ガス化改質炉の酸素吹込みバーナー周辺の炉壁を保護するための耐火構造を提供することを目的とする。

本発明者等は上記課題を解決するべく鋭意検討した結果、下記の構成を有する本願発明によって上記課題が解決できることを見出した。
（１）廃棄物を溶融ガス化した後、該発生ガスを８０容量％以上の高濃度の酸素含有ガスでガス改質するための複数本の酸素バーナーを有する廃棄物ガス化改質炉であって、該酸素バーナーの１本あたりの酸素吹き込み量を３００Ｎｍ^３／ｈｒ以下とすると共に、該酸素バーナー周りの耐火物をアルミナ−クロミア質定形耐火物としたことを特徴とする廃棄物ガス化改質炉。
（２）隣接する酸素バーナーの吹出口が各々５００ｍｍ以上離れていることを特徴とする上記（１）記載の廃棄物ガス化改質炉。
（３）前記酸素バーナーが垂直方向に複数列設けられ、それぞれのバーナーが千鳥状に配設されていることを特徴とする上記（１）又は（２）記載の廃棄物ガス化改質炉。
（４）前記廃棄物ガス化改質炉が縦型炉であって、前記酸素バーナーが炉中心向きから３０度以下偏心していることを特徴とする上記（１）〜（３）記載の廃棄物ガス化改質炉。

本発明によれば、水冷ジャケット構造などを設けることなく、廃棄物ガス化改質炉の酸素バーナー周りの炉壁の損傷を防ぐことができるので、廃棄物ガス化改質炉を長期に安定してかつ効率的に操業することが可能となる。

本願発明は廃棄物ガス化改質炉の酸素バーナー周りの耐火構造として好適に用いることができるが、まず、廃棄物ガス化改質炉の全体構造を図に示すガス化改質方式を例にとって説明する。

図に示されたガス化改質方式は次のプロセスから構成されている。
１．プレス・脱ガスチャンネル
（１）廃棄物の圧縮、（２）乾燥・熱分解
２．高温反応炉・均質化炉
（３）ガス化溶融、（４）スラグ均質化、（５）ガス改質
３．ガス精製
（６）急冷（急冷・酸洗浄、酸洗浄）、（７）ガス精製（アルカリ洗浄、脱硫、除湿）
４．水処理
（８）水処理（沈殿、脱塩等）

この方式の基本的な構成をフローに沿って説明すると次の通りである。
ピットに集積された都市ごみ、産業廃棄物等の廃棄物はプレス機で圧縮された後、乾燥熱分解工程で間接加熱により加熱乾留されて高温反応炉に送られる。高温反応炉の下部には、ランスが配置され、このランスによって炉内に高濃度酸素が導入され、この酸素ガスが乾留物中の炭素をガス化し、一酸化炭素と二酸化炭素が生成する。また、高温水蒸気が存在するため、炭素と水蒸気とによる水性ガス反応が生じて、水素と一酸化炭素が生成される。更に、有機化合物（炭化水素など）も水蒸気と反応して、水素と一酸化炭素が生成する。上記反応の結果、高温反応炉の塔頂部より粗合成ガスが回収される。

一方、高温反応炉下部で生成した溶融物は高温反応炉から均質化炉へ流れ出る。この溶融物には炭素や微量の重金属等が含まれており、均質化炉においては炭素は十分な酸素あるいは水蒸気によってガス化されて水素、一酸化炭素、二酸化炭素を生成する。均質化炉において金属溶融物は比重が大きいため、スラグの下部に溜まる。溶融物は水砕システムに流れ落ちて、冷却固化され、メタル・スラグの混合物は、磁選によりメタルとスラグに分離される。

高温反応炉から発生する粗合成ガスに対して、急冷装置で酸性水を噴射することによってガスの温度を約１２００℃から約７０℃にまで急速冷却し、ダイオキシン類の再合成を阻止する。この時、酸性水によってガスが洗浄され、粗合成ガス中に含まれるＰｂなどの重金属成分と塩素分は洗浄中に溶け込む。

酸洗浄された合成ガスは、必要に応じて更に酸洗浄を施されたのちアルカリ洗浄され、残存する塩化水素ガス等の酸性ガスが中和除去される。次いで、脱硫洗浄装置でガス中の硫化水素が硫黄に転換されて硫黄ケーキとして回収される。次いで合成ガスは低温除湿工程で水分を除去された後、精製された燃料ガスとして利用される。

製鉄炉と廃棄物ガス化改質炉とを対比すると、廃棄物ガス化改質炉固有の特徴・問題点としては次の点を挙げることができる。
（１）廃棄物処理炉では廃棄物を純酸素に近い高濃度の酸素で燃焼させる点。
純酸素に近い高濃度の酸素で燃焼させるのは、燃焼発生ガスを高カロリー副生ガスとして利用したり、燃焼発生ガス量を削減するためである。
（２）廃棄物ガス化改質炉は、リサイクルという観点からするとサーマルリサイクル設備である点。
従って、ごみ１トン当たりの熱または、副生ガスをより効率良く回収するためには炉体の熱損失を低減することも重要課題のひとつとなっている。

（３）廃棄物処理炉では製錬炉に比べて炉に装入されるアルカリ分（ナトリウム、カリウムなど）が多く、それゆえ、アルカリ成分により周辺スラグと低融点スラグを形成したり、または、アルカリ成分が耐火物に浸潤して耐火物成分と低融点スラグを形成することによる耐火物の損傷を回避する必要がある。
（４）コークスなどの炭材を助燃材として用いない廃棄物の溶融処理においては、炉に装入される鉄分がＦｅＯ酸化鉄となり、これが溶融スラグ中に多量に存在することになるため、酸化鉄成分により周辺スラグと低融点スラグを形成したり、または、酸化鉄成分が耐火物に浸潤して耐火物成分と低融点スラグを形成することによる耐火物の損傷を回避する必要がある。
（５）ガス改質用の酸素バーナーは廃棄物ストックライン上のフリーボードに設けられるため、バーナー先端火点の２０００℃を超える輻射熱が直接隣接する酸素バーナー耐火構造にあたり、耐火物が損傷する。

上記の耐火物の損傷を防ぐためには酸素バーナー近辺の耐火構造を水冷ジャケット構造とすることが考えられる。しかしながら、廃棄物ガス化溶融改質炉は、リサイクルという観点からするとサーマルリサイクル設備である。従って、ごみ１トンあたりの熱または、副生ガスをより効率良く回収するためには炉体の熱損失を低減することも重要課題の一つとなっている。この観点からすると、水冷ジャケット構造とすることは熱損失の点から好ましくない。

本願発明者らによる、純酸素に近い高濃度の酸素で燃焼させるための酸素バーナー近辺の耐火物の損傷の広範な調査・研究により、改質部酸素バーナー近辺の耐火構造は炉下部と比較して、水冷ジャケット構造としなくても酸素バーナーの好適条件とそれに適した耐火構造を選択することにより溶損を少なくすることができることが判明した。

本願発明で規定する酸素バーナー側の条件とは次の条件である。
(1)１本あたりの酸素バーナーが担う発熱量（酸素吹き込み量）を限定すること。
(2)隣接する酸素バーナーは一定距離以上離すこと。
また、本願発明で規定する耐火構造側の条件とは次の条件である。
(1)酸素バーナー周りの耐火構造を不定形耐火物構造ではなく定形耐火物構造とすること。
(2)耐火レンガとしてはアルミナ−クロミア質定形耐火物を用いること。

上記の知見に基づいて、本願発明者等は、廃棄物ガス化改質炉の耐火構造を、酸素バーナー側条件として酸素吹き込み量を３００Ｎｍ^３／ｈｒ以下とし、耐火構造側条件として耐火物をアルミナ−クロミア質定形耐火物とすることを基本的な構成としたものである。

本願発明において酸素バーナーに供給する酸素ガスを含有するガスの酸素濃度は８０容量％以上とする。これは、廃棄物をガス化溶融する際に発生する燃焼発生ガスを高カロリー副生ガスとして利用すると共に、燃焼発生ガス量を削減するためである。

本願発明の耐火構造の一例を図１（ａ）、（ｂ）に示す。
図１において廃棄物ガス化改質炉の改質部１の炉壁には酸素バーナー２が複数本設けられている。酸素バーナー２は１列でもよいが、垂直方向に複数列を設けても良い。図示例では、酸素バーナー２が垂直方向に二列設けられ、それぞれの酸素バーナー２が千鳥状となるように配設されている。酸素バーナーを垂直方向に複数列設けてちどり状に配設することにより、バーナー距離を確保し、炉内の一部分が温度上昇しないようにすることができる。

本願発明においては、酸素バーナー１本あたりの酸素吹き込み量を３００Ｎｍ^３／ｈｒ以下とする。改質部では炉内には発生ガスおよび改質ガスといった気体のみが存在するので、吹き込んだ酸素は酸素バーナー対面の炉壁耐火物を直撃し、その部位の温度が上がって耐火物の損傷を誘発する。このため、酸素バーナー１本あたりの酸素吹き込み量を３００Ｎｍ^３／ｈｒ以下に限定することにより、上記耐火物損傷を抑止する。

また、炉壁の耐火物は、酸素バーナー周りの耐火構造をアルミナ−クロミア質定形耐火物５から構成し、それ以外の部分は定形耐火物又は不定形耐火物３から構成する。
発生ガスに同伴して飛散している、アルカリ分、酸化鉄成分および溶融スラグ成分が耐火物表面に付着すると、耐火物に浸潤して低融点スラグを形成し耐火物が損傷する。飛散してきたアルカリ分、酸化鉄成分および溶融スラグ成分が耐火物に浸潤しないようにするためには、耐火物の物性値である気孔率が低く、熱間強度が高いアルミナ−クロミア質定形耐火物を使用することが必要である。

本願発明においては、隣接する酸素バーナーの吹出口が各々５００ｍｍ以上離れていることが好ましい。これは、バーナーの吹出口間の間隔が５００ｍｍ未満であると、バーナーから吹き込まれる酸素による火点が重なって耐火物損傷が大きくなるからである。

本願発明の耐火構造を縦型炉において採用する場合、酸素バーナーは炉中心向きから水平方向に３０度以下偏心させることが好ましい。
酸素バーナーを炉中心から所定角度偏心させることにより、旋回流が発生し被改質ガスと均一に酸素と混合させることができる。その結果、改質部温度を均一にすることができる。その結果、改質部耐火物の損傷を小さくすることができた。

廃棄物ガス化改質炉実証炉において、図２に示すような改質部を不定形耐火物で構築し、酸素バーナーも１段配置として、廃棄物処理操業を実施した。図２（ａ）は改質部の縦断面図であり、図２（ｂ）は炉壁に設けられたバーナの配置状態を示す図である。
酸素濃度９９容量％の高純度酸素を使用し、酸素バーナ１本あたり２５０Ｎｍ^３/ｈｒで操業した結果、３ヶ月の操業で図３の符号４に示すようにバーナ周辺部およびバーナ対面部の耐火物が損傷し鉄皮が露出した。その結果、熱損失量が増大したため耐火物の補修を余儀なくされた。
これに対し、図１に示すように改質部のバーナ周りをアルミナ−クロミア定形耐火物（クロミア含有率１０％）で構築し、バーナを２段ちどり状に設置し、その中心方向からの偏心角を２５度として、同様に廃棄物処理操業を実施したところ、バーナ周囲の耐火物およびバーナ対面耐火物の損傷速度が極めて減少し２年経過しても耐火物が健全な状態を維持できた。

本発明の耐火構造は、廃棄物ガス化改質炉の酸素バーナー周りに適用することができ、これにより、炉壁耐火物の損傷を防いで廃棄物ガス化改質炉を効率良く操業することができる。

本発明の廃棄物ガス化改質炉の酸素バーナー周りの耐火構造を示す図である。従来の廃棄物ガス化改質炉の酸素バーナー周りの耐火構造を示す図である。従来の廃棄物ガス化改質炉の酸素バーナー周りの耐火構造が受けた損傷の状態を示す図である。ガス化改質方式による廃棄物処理の概要を示す図である。

符号の説明

１廃棄物ガス化改質炉の改質部
２バーナー
３不定形耐火物
４耐火物損傷部位
５定形耐火物

Claims

廃棄物を溶融ガス化した後、該発生ガスを８０容量％以上の高濃度の酸素含有ガスでガス改質するための複数本の酸素バーナーを有する廃棄物ガス化改質炉であって、該酸素バーナーの１本あたりの酸素吹き込み量を３００Ｎｍ^３／ｈｒ以下とすると共に、該酸素バーナー周りの耐火物をアルミナ−クロミア質定形耐火物としたことを特徴とする廃棄物ガス化改質炉。
隣接する酸素バーナーの吹出口が各々５００ｍｍ以上離れていることを特徴とする請求項１記載の廃棄物ガス化改質炉。
前記酸素バーナーが垂直方向に複数列設けられ、それぞれのバーナーが千鳥状に配設されていることを特徴とする請求項１又は２記載の廃棄物ガス化改質炉。
前記廃棄物ガス化改質炉が縦型炉であって、前記酸素バーナーが炉中心向きから水平方向に３０度以下偏心していることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の廃棄物ガス化改質炉。