JP2006170609A - 固形廃棄物のガス化並びにガス化燃焼方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 運転操作が容易で安全性に優れ、コンパクトで熱効率のよい固形廃棄物のガス化並びにガス化燃焼方法を提供する。
【解決手段】 固形廃棄物ａを流動層ガス化炉２に供給して、該流動層ガス化炉の流動層部４で熱分解ガス化し、生成する炭化物を該流動層の撹乱運動により微粉砕してチャーｆとし、該流動層ガス化炉のフリーボード部６に空気、酸素富活空気、酸素の中から適宜選択して供給して該チャーのガス化を行い、得られる生成ガスｅを該フリーボード部の上部から排出することとしたものであり、前記流動層ガス化炉の流動層部は、温度が４５０〜７００℃、該流動層ガス化炉のフリーボード部は、温度が７００〜１０５０℃であるのがよく、また、得られる生成ガスと該チャーを合流して燃焼炉に供給することができる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、固形廃棄物のガス化並びにガス化燃焼に係わり、特に、都市ごみ、廃プラスチック、廃ＦＲＰ、廃車シュレッダーダスト、廃バイオマス等の固形廃棄物をガス化あるいはガス化燃焼し、廃棄物中に含有される灰分を溶融スラグ化して回収する方法に関する。
上記で、ＦＲＰは繊維強化プラスチックのことであり、また、廃バイオマスには、上下水廃棄物（夾雑物、下水汚泥）、農産廃棄物（もみがら、稲わら）、林産廃棄物（のこくず、バーク、間伐材）、産業廃棄物（パルプチップダスト）、あるいは建築廃材等を含む。

現在、焼却処理に代わる新たな環境保全型の廃棄物処理技術として、「ガス化燃焼システム」の開発が行われている。本システムの特長を以下に列挙する。
（ａ） 排ガス量が大幅に低減される。
（ｂ） ダイオキシン類はほとんど発生しない。
（ｃ） 廃棄物中の灰分は無害なスラグとして回収される。このため、埋立地の延命化が 図れるとともに、路盤材等への利用も可能となる。
（ｄ） ガス化炉で生成するガス、タールのエネルギーを灰溶融に有効活用できる。
（ｅ） システム中にダイオキシン処理や灰溶融の機能が組み込まれるため、装置全体がコンパクト化され、建設コストもそれぞれの機能を在来型の焼却設備に付与したより安価となる。

現在、本システムにおいて開発が先行しているのは、ガス化炉に竪型のシャフト炉を用いた方式（以下、Ｓ方式）とロータリーキルン炉を用いた方式（以下、Ｒ方式）である。前者のＳ方式では、炉内に乾燥・予熱ゾーン（２００〜３００℃）、熱分解ゾーン（３００〜１０００℃）、燃焼・溶融ゾーン（１５００℃以上）が上から順に層状に形成され、炉上部より投入された廃棄物は、熱分解ゾーンで発生したガスと熱交換しながら炉内を下降する。炉内を上昇した生成ガスは、後段の燃焼炉にて約９００℃で燃焼される。熱分解ゾーンで生成した炭化物は、装入されたコークスとともに溶融・燃焼ゾーンに下降し、羽口から供給される空気により高温燃焼し、灰分と無機物の全量を溶融する。
後者のＲ方式では、廃棄物は破砕後、高温空気により外熱されたドラム型の回転炉に供給され、４５０℃でゆっくりと熱分解ガス化される。この時生成する炭化物は炉から排出され、微粉砕後旋回式溶融炉に供給され、ガス化炉から直接供給された生成ガスとともに１３００℃で高温燃焼し、灰分は溶融スラグ化される。

こうした技術が登場した背景には、以下のような事情がある。
（ａ） ダイオキシンや灰溶融といった問題に個別に対応していたのでは、処理施設全体
の建設コストが高くなる。一方、排ガス量が低減されればガス処理設備の縮小が可
能となる。
（ｂ） 近い将来予測されるダイオキシン規制強化に対応する必要があること。
（ｃ） 払底する埋立地の延命化、並びに灰の無害化とリサイクル利用のため、灰溶融の
ニーズが急速に高まってきたこと。
（ｄ） 廃棄物の保有するエネルギーを最大限に活用するとともに、運転費の低減が必要
となってきたこと。

開発が先行している２方式の課題について述べる。Ｓ方式のシャフト炉は、１７００〜１８００℃の溶融ゾーンをガス化炉内に形成するため、コークス等副資材の大量使用が避けられず、このため運転費が上昇し、二酸化炭素の排出量も増加する。また、廃棄物中の金属のほぼ全量が溶融するため、リサイクル利用が出来ないといった問題がある。さらに、本方式のガス化炉は固定床炉というタイプに属するが、形状が様々な廃棄物を処理する上に、最下部に溶融ゾーンを有するため、安定運転が困難となる。すなわち、固定床炉のポイントである層内にガスを均一に流すことが難しいため、ガスの吹き抜けや偏流が起きやすくまたガス流量には大幅な変動を伴う等の問題がある。

一方、Ｒ方式の回転炉では、伝熱の良くない外熱式のため、炉の甚だしい大型化が避けられず、実用化する際スケールアップの問題があった。また、生成する炭化物をいったん回転炉から取り出して微粉砕した後に燃焼炉に供給し、回転炉から直接供給されるガスと合わせて高温燃焼する。このため、排出、粉砕、貯留、供給といった炭化物用のハンドリング設備が必要である。また、ハンドリング中に炭化物の保有熱が冷却や放熱により失われるが、これはエネルギー利用の観点から望ましくない。炭化物を外部に抜き出すと、空気と接触した際に発火する恐れもある等の問題もある。
特開平７−３２４７１６号公報 特公昭５７−３５２３２号公報 特公昭５５−５１４７５号公報

本発明は、上記従来技術の問題点を解消し、運転操作が容易で安全性に優れ、コンパクトで熱効率のよい固形廃棄物のガス化並びにガス化燃焼方法を提供することを課題とする。

上記課題を解決するために、本発明は、固形廃棄物を流動層ガス化炉に供給して、該流動層ガス化炉の流動層部で熱分解ガス化し、生成する炭化物を該流動層の撹乱運動により微粉砕してチャーとし、該流動層ガス化炉のフリーボード部に空気、酸素富活空気、酸素の中から適宜選択して供給して該チャーのガス化を行い、得られる生成ガスを該フリーボード部の上部から排出することを特徴とする固形廃棄物のガス化並びにガス化燃焼方法としたものである。
前記ガス化並びにガス化燃焼方法において、流動層ガス化炉の流動層部は、温度を４５０〜７００℃、フリーボード部は、温度を７００〜１０５℃とするのがよい。
また、本発明では、固形廃棄物を流動層ガス化炉に供給して、該流動層ガス化炉の流動層部で熱分解ガス化し、生成する炭化物を該流動層の撹乱運動により微粉砕してチャーとし、該流動層ガス化炉のフリーボード部を７００〜１０５０℃として、該チャーのガス化を行い、得られる生成ガスと該チャーを合流して燃焼炉に挙給することを特徴とする固形廃棄物のガス化並びにガス化燃焼方法としたものである。
前記ガス化並びにガス化燃焼方法において、燃焼炉は温度を１２００〜１４００℃とするのがよい。

本発明の固形廃棄物のガス化燃焼方法に適用した場合、次のような効果を奏する。
（ａ） 従来の固体燃焼に代わるガス燃焼であるため、１．３程度の低空気比燃焼が実現し、その結果排ガス量は大幅に低減される。
（ｂ） 有害なダイオキシン類は、高温燃焼によりほぼ完全に分解される。
（ｃ） 廃棄物中の灰分は無害なスラグとして回収される。このため、埋立地の大幅な延
命化が図れるとともに、路盤材等への利用も可能となる。
（ｄ） ガス化炉で生成するガス、タール、チャーのエネルギーを灰溶融に有効に活用で きる。従って、灰溶融用のエネルギー（例えば電力）が不要となる。

（ｅ） システム中にダイオキシン処理や灰溶融の機能が組み込まれているため、装置全
体がコンパクト化され、建設コストもそれぞれの機能を在来型の焼却設備に付与し
たより安価となる。
（ｆ） 鉄、銅、アルミといった金属は、リサイクル可能な酸化を受けない状態で回収さ
れる。
本発明は、ガス化炉に流動層炉を、後段の燃焼炉に旋回式溶融炉を採用し、流動層部にて４５０〜７００℃で一次燃焼した後に、フリーボード部にて７００〜１０５０℃で二次燃焼し、しかる後に後段の燃焼炉にて１２００〜１４００℃で三次燃焼し、灰分を溶融スラグ化して燃焼炉の炉底より排出することにより、シンプル性、コンパクト性、マテリアルリサイクル、エネルギーリサイクル、さらに運転の容易性・安全性を向上させた付加価値の高い環境適応型の廃棄物処理技術を提供するものである。

以下、本発明を詳細に説明する。
本発明は、前記のＲ方式に工夫を加え、ガス化炉に運転操作の容易な流動層炉を用いる方式（以下、Ｆ方式）としたものである。廃棄物はガス化炉に供給され、硅砂等の流動媒体が形成する流動層部にて４５０〜７００℃で一次燃焼後、フリーボード部にて７００〜１０５０℃で二次燃焼し、しかる後に後段の燃焼炉にて１２００℃以上で三次燃焼し、溶融スラグ化した灰分は燃焼炉の炉底より排出する。本方式では空気、酸素富活空気、酸素＋スチームの中から適宜選択して、ガス化炉に供給し流動化と一次燃焼を行う。従って、廃棄物の熱分解ガス化に必要な熱量は、原料を部分燃焼することにより迅速かつ効率良く供給される。こうした熱の供給方法を一般には内熱式と呼ぶが、内熱式の炉はコンパクト性並びに熱効率の点で外熱式より優れている。

Ｆ方式では、一次燃焼の際に生成した炭化物は流動媒体の攪乱作用により微砕化されてチャーとなる。チャーは多孔質で軽いため、硅砂等の流動層の上にチャーの流動層を形成する。この時、フリーボード部の下部に設けた排出口よりチャーをオーバーフローさせ、燃焼炉に直接供給してやると、チャーの流動層の層高を制限することが出来る。チャー専用のオーバーフロー口を設けないと、チャーの流動層はフリーボード部の上部まで達してしまい、流動層の圧力損失を著しく大きくしてしまう。廃棄物のガス化炉供給部がプラス圧になると、ガスが供給装置から外部へリークする恐れを生ずる。チャー用のオーバーフロー口設置は、こうした危険性を回避する上から重要な技術である。なお、流動媒体に固い硅砂を用いることで、炭化物の粉砕が一層促進される。

本発明の流動層ガス化炉の流動層部は、流動媒体として硅砂、オリビン砂等の砂、アルミナ、ドロマイト、石灰石等を用いることができ、前記流動層ガス化炉の炉底からは、廃棄物中に含有する金属、例えば、鉄、銅、アルミニウム等を未酸化でクリーンな状態で回収することができる。
また、本発明の流動層ガス化炉には、固形廃棄物と共に他の従来型焼却設備で発生する炉下灰や飛灰を一緒に供給することもできる。

廃棄物に含まれる金属のうち融点が流動層温度より高いものは、ガス化炉の炉底より取り出すことが可能である。例えば、アルミニウムを回収するためには、流動層温度をアルミの融点である６６０℃より低くすればよい。ところが、こうした低いガス化温度では燃焼速度の遅いタールが多量に発生するので、後段の燃焼炉の容積を大きくする必要を生ずる。燃焼炉の炉容積を小さくするには、流動層温度を出来れば８００℃以上に引き上げて、水素、一酸化炭素、メタンといった低分子ガス主体のガス組成とする必要があるが、しかし、この温度ではアルミの回収は断念しなければならない。何故なら、ガス化温度がアルミの融点より高いために、アルミの大部分が気化し、さらに酸化するからである。

このような問題点を改善し、しかもガス化炉のフリーボード部の容積を有効活用するために、本発明では、フリーボード部に空気、酸素富活空気、酸素の中から適宜選択して供給することにより、４５０〜７００℃の低温で一次ガス化燃焼した後で、７００〜１０５０℃の二次燃焼すなわち第二段階のガス化を行うようにしている。一次燃焼後ではタールが圧倒的に多かった生成ガスは、この二次燃焼により水素、一酸化炭素、メタン主体のガスとなる。こうして、燃焼炉の負荷低減と燃焼速度の上昇による燃焼炉の小型化を実現することが可能となった。燃焼炉での三次燃焼の酸素源に、空気、酸素富活空気、酸素の中から適宜選択して供給する。本発明のＦ方式では、Ｓ方式のような１７００〜１８００℃という高温部は存在しないので、コークス等の副資材は一切不要である。廃棄物の質や目標とするガス性状に応じて、一次〜三次燃焼に供給する空気、酸素富活空気、酸素、スチームを適宜選択使用すればよい。

このように、流動層炉をガス化炉に用いた本発明のＦ方式は、運転操作の容易さの点、コークス等副資材が不要な点、二酸化炭素の発生量を増やさない点、さらに、多くの金属が未酸化の状態で回収できる点において、前記のＳ方式に優り、また、ガス化炉が極めてコンパクトでしかも稼働部が存在しない点、炭化物の微粉砕等のハンドリング設備が不要である点において、前記のＲ方式より有利である。
従来型の焼却設備の中には、灰溶融設備を保有しないかあるいは近隣に灰溶融設備の無い所があり、焼却炉や廃熱ボイラから排出される炉下灰や灰の処理に困窮している。こうした灰を本設備に受け入れて他の固形廃棄物とともに処理することにより、未燃分を含まない良質なスラグとして、回収利用することが可能である。

次に、本発明を図面を用いて具体的に説明する。
図１に、本発明のガス化並びにガス化燃焼方法に用いる装置の一例の概略構成図を示す。
図１において、１は定量供給装置、２はガス化炉、３は分散板、４は硅砂の流動層、５はチャーの流動層、６はフリーボード、７は旋回式溶融炉、８は一次燃焼室、９は二次燃焼室、１０はスラグ分離部である。ａは廃プラスチック、ｂは一次空気、ｃは二次空気、ｄは不燃物、ｅは生成ガス、ｆはチャー、ｇは燃焼排ガス、ｈはスラグ、ｉは三次空気である。
ここで用いる廃プラスチックａは、通常都市ごみの中で燃焼不適ごみとして分別収集されるものを想定している。

廃プラスチックａは、必要に応じて破砕、選別などの前処理を施した後、スクリュー式の定量供給装置１により、ガス化炉２に供給される。ガス化炉２の下方からは一次空気ｂが送入され、分散板３上に硅砂の流動層４を形成する。廃プラスチックａは流動層４の上方に投入され、４５０〜７００℃に保持した流動層４内で一次空気ｂと接触し、速やかに熱分解ガス化される。ガス化炉２の炉底からは不燃物ｄを回収する。不燃物ｄ中には金属が含まれるが、実用的には流動層温度を５００〜６００℃とすることにより、鉄、銅、アルミといった金属を、未酸化でクリーンな状態で回収することが出来る。
ガス化時にはガス、タール、炭化物が生成する。炭化物は流動層４の攪乱運動により微粉砕されてチャーとなり、硅砂の流動層４の上にチャー自身の流動層５を形成する。フリーボード６には二次空気が吹き込まれ、７００〜１０５０℃にて第二段階のガス化が行われる。こうして、ガス成分の低分子化、タール、チャーのガス化が促進される。

一方、流動化したチャーは、連続的にフリーボード６下部の排出口よりオーバーフローする。オーバーフローしたチャーｆは、フリーボード６上部からの生成ガスｅと合流し、旋回式溶融炉７の一次燃焼室８に供給され、予熱された三次空気ｉと旋回流中で混合しながら、１２００〜１４００℃で高速燃焼する。燃焼は次の二次燃焼室９で完結し、燃焼排ガスｇはスラグ分離部１０から排出される。チャーに含まれる灰分は高温のためにスラグミストとなり、旋回流の遠心力により一次燃焼室８の炉壁上の溶融スラグ相に捕捉され、炉壁を流れ下って二次燃焼室９に入り、スラグ分離部１０の底部より排出される。なお、旋回式溶融炉７を出た燃焼排ガスｇは、廃熱ボイラ、節炭器、空気予熱器といった一連の熱回収装置を経て大気放出される。また、旋回式溶融炉７の一次燃焼室８と二次燃焼室９には、始動用並びに補助用のオイルバーナ１１が設置されている。

本発明のガス化並びにガス化燃焼方法に用いる装置の一例を示す概略構成図。

符号の説明

１：定量供給装置、２：ガス化炉、３：分散板、４：流動層、５：チャーの流動部、６：フリーボード、７：旋回式溶融炉、８：一次燃焼室、９：二次燃焼室、１０：スラグ分離部、ａ：廃プラスチック、ｂ：一次空気、ｃ：二次空気、ｄ：不燃物、ｅ：生成ガス、ｆ：チャー、ｇ：燃焼排ガス、ｈ：スラグ、ｉ：三次空気

Claims (4)

1. 固形廃棄物を流動層ガス化炉に供給して、該流動層ガス化炉の流動層部で熱分解ガス化し、生成する炭化物を該流動層の撹乱運動により微粉砕してチャーとし、該流動層ガス化炉のフリーボード部に空気、酸素富活空気、酸素の中から適宜選択して供給して該チャーのガス化を行い、得られる生成ガスを該フリーボード部の上部から排出することを特徴とする固形廃棄物のガス化並びにガス化燃焼方法。
2. 前記流動層ガス化炉の流動層部は、温度が４５０〜７００℃、該流動層ガス化炉のフリーボード部は、温度が７００〜１０５０℃であることを特徴とする請求項１記載の固形廃棄物のガス化並びにガス化燃焼方法。
3. 固形廃棄物を流動層ガス化炉に供給して、該流動層ガス化炉の流動層部で熱分解ガス化し、生成する炭化物を該流動層の撹乱運動により微粉砕してチャーとし、該流動層ガス化炉のフリーボード部を７００〜１０５０℃として、該チャーのガス化を行い、得られる生成ガスと該チャーを合流して燃焼炉に供給することを特徴とする固形廃棄物のガス化並びにガス化燃焼方法。
4. 前記燃焼炉は、温度が１２００〜１４００℃であることを特徴とする請求項３記載の固形廃棄物のガス化並びにガス化燃焼方法。
   

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