JP2009226237A - 廃棄物の処理方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ごみ処理量の低下と補助燃料の増加をすることなく、ガス改質炉出口の連結管の閉塞を抑制し、安定的な処理を達成することが可能なガス化溶融・改質炉の操業方法を提供すること。
【解決手段】廃棄物をガス化溶融・改質炉でガス化溶融し、発生したガスを改質炉でガス改質するガス化溶融・改質炉の操業方法において、灰分の塩基度（ＣａＯ／ＳｉＯ_２）が１．０以上である場合に、溶融促進剤としてＳｉＯ_２リッチの粉粒剤を、ガス化溶融炉の炉前で廃棄物に添加するか、改質炉の炉前でガス化溶融炉の発生ガスに添加することを特徴とする廃棄物のガス化溶融・改質炉の操業方法。
【選択図】なし

Description

本発明は、種々の廃棄物をガス化、溶融処理するガス化溶融・改質炉の操業方法に関する。

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・改質炉内で、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。

上記のガス化溶融・改質炉においては、ガス改質炉出口の連結管内壁に、ガスに随伴されるごみ中の灰分（ミネラル）が付着する状況が度々発生する。
これを図２に基づいて説明すると、高温反応塔１と冷却装置２の間に設けられた発生ガス送給用の高温反応塔−冷却装置接続管（連結管）４の内壁４Ｗに付着物５が付着して管路が狭まり、連結管４における発生ガスの圧力損失（以下、圧損と略す）が増大し、炉内の圧力が上昇する。安全上の理由から炉内の圧力を所定値以下に抑えるためには、連結管の通過ガス量を低下させる必要があり、結果として処理量が低下することになる。

また、特許文献１には、廃棄物をガス化、溶融処理する廃棄物処理方法において、高温反応塔−冷却装置接続管の内壁温度を１１９０℃超１３００℃以下に保持することによって高温反応塔から発生ガスによって飛来するダストが接続管内壁に付着して固化するのを防ぐこと及びこれにより冷却装置への溶融物の持ち込み量が増加して冷却装置における付着物の固着量が増加するため冷却装置に、冷却装置の発生ガス流路の壁面（管内壁）に付着した付着物を掻き取るための掻き取り装置を配設することが記載されている。

特許文献２では、ガス化改質炉から発生するガスの温度又は該連結管の内壁温度を該連結管に付着する付着物の溶融温度以上に制御することによってガス化改質炉と冷却装置とを連接する連結管内での付着物による詰まりを防ぐことができること、及び、ガス化改質炉に運転開始時から溶融促進剤（石灰石、消石灰）を添加することにより、連結管内で付着物が形成された場合でも、その付着物の溶融温度を低いものとすることにより、ガス化改質炉から発生するガスの制御指標温度を低めることが記載されている。
しかしながら、上記の方法によっても連結管の閉塞が解消できなかった。

特許第３６２２６２５号公報 特開２００５−２２６０２７号公報

本発明は、ごみ処理量の低下と補助燃料の増加をすることなく、ガス改質炉出口の連結管の閉塞を抑制し、安定的な処理を達成することが可能なガス化溶融・改質炉の操業方法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ために鋭意検討を進めた結果、実際の操業においては、その立地や廃棄物構成によって、廃棄物の塩基度が異なり、塩基度が高い場合には石灰石又は消石灰等の溶融促進剤の添加ではダクトの閉塞が解消しないこと、そして、溶融促進剤としてＳｉＯ_２リッチの粉粒剤を用いることにより上記課題を克服することができるとの知見を得て本願発明を完成させた。
すなわち、本願発明は以下に記載するとおりのガス化溶融・改質炉の操業方法に係るものである。

（１）廃棄物をガス化溶融・改質炉でガス化溶融し、発生したガスを１０００〜１３００℃の温度の改質炉でガス改質するガス化溶融・改質炉の操業方法において、灰分の塩基度（ＣａＯ／ＳｉＯ_２）が１．０以上である場合に、溶融促進剤としてＳｉＯ_２リッチの粉粒剤を、ガス化溶融炉の炉前で廃棄物に添加するか、改質炉の炉前でガス化溶融炉の発生ガスに添加することを特徴とする廃棄物のガス化溶融・改質炉の操業方法。
（２）前記溶融促進剤として、更にＦｅＯ及び／又はアルカリ酸化物リッチの粉粒剤を加えることを特徴とする（１）記載の廃棄物のガス化溶融・改質炉の操業方法。
（３）前記灰分の塩基度（ＣａＯ／ＳｉＯ_２）が改質炉の下流に配設された改質ガスの冷却装置内で採取された付着物の分析値に基づいて求めたものであることを特徴とする（１）又は（２）に記載の廃棄物のガス化溶融・改質炉の操業方法。
（４）前記灰分の塩基度（ＣａＯ／ＳｉＯ_２）がガス化溶融炉から排出されたスラグ成分の分析値に基づいて推定されたものであることを特徴とする（１）又は（２）に記載の廃棄物のガス化溶融・改質炉の操業方法。
（５）前記灰分の塩基度（ＣａＯ／ＳｉＯ_２）が装入前の廃棄物の分析値に基づいて推定されたものであることを特徴とする（１）又は（２）に記載の廃棄物のガス化溶融・改質炉の操業方法。

本発明のガス化溶融・改質炉の操業方法を実施するガス化溶融・改質炉の全体構造を図１に基づいて以下、説明する。
図１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と反応し、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。
この粗合成ガスは、急冷酸洗浄工程、ガス精製工程を経て製品として排出される。

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。均質化炉において金属溶融物は比重が大きいため、スラグの下部を流れる。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。

本発明者等は、ガス改質炉出口の連結管閉塞の原因を特定するために、連結管に付着した灰分の組成分析を行ったところ、廃棄物処理場の立地や廃棄物構成によって灰分の塩基度（ＣａＯ／ＳｉＯ_２）が異なり、塩基度が高い場合には、灰分が酸性である場合には効果的であった石灰石又は消石灰の溶融促進剤の添加によってもダクトの閉塞が解消しないとの知見を得た。

そして、更に検討したところ、閉塞が起きている炉においては、廃棄物の灰分の塩基度が高く、ＦｅＯ濃度、Ｎａ_２Ｏ濃度、Ｋ_２Ｏ濃度が低い傾向があり、熱力学平衡計算により灰分の溶融温度を計算した結果、従来連結管を通過しているガス温度が１２００℃であるのに対し、灰分の溶融温度がそれ以上であり、従って、付着した灰分が溶融しないために連結管が閉塞していくことがわかった。

さらに、灰分の成分により、溶融温度がどのように変化していくか熱力学平衡計算を行った。その結果を図３に示す。
図３は、横軸に塩基度、縦軸に溶融温度（熱力学平衡計算による計算値）を採って、グラフの右端の値が実操業の廃棄物処理場における灰分分析値（塩基度１．４程度、溶融温度１３００℃程度）の値であり、この灰分にＳｉＯ_２を添加して塩基度を下げていったときの組成を計算で求め、その組成に基づき熱力学平衡計算でそのときの溶融温度を求めたものである。このときのＦｅＯ濃度は２％に維持した。
このグラフから、塩基度が１．０以上になると溶融温度の上昇が顕著になり、１．１以上では灰分の溶融温度が１２００℃以上になることが分かった。

また図４は、横軸に灰分中のＦｅＯ濃度（質量％）、縦軸に溶融温度を採って両者の関係を調べたものであるが、塩基度１．４、１．１、０．８の組成にＦｅＯを添加した際の組成を計算で求め、その組成に基づき熱力学平衡計算でそのときの溶融温度を求めたものである。Ｃ／Ｓ＝１．４のグラフの左端の値が図４のグラフの右端の値に対応している。
このグラフからＦｅＯ添加による溶融温度の低下効果はＦｅＯ濃度が１２％くらいまであることが分かる。

同様にして灰分中のＮａ_２Ｏ濃度と溶融温度との関係を調べたものを図５に示す。この図は、塩基度１．４、１．２、１．１、１．０、０．８の組成にＮａ_２Ｏを添加した際の組成を計算で求め、その組成に基づき熱力学平衡計算でそのときの溶融温度を求めたものである。Ｃ／Ｓ＝１．４のグラフの左端の値が図４のグラフの右端の値に対応している。

上記のことから、本発明者等は、高い塩基度を有する灰分を生成する廃棄物を処理する場合には、連結管の閉塞を防止するため、連結管に到達する灰分の溶融温度を低下させることが有効であるとの結論に達した。

本発明では高い塩基度を有する灰分を生じる廃棄物を処理するに際して、溶融促進剤として、従来の石灰石又は消石灰に代えてＳｉＯ_２リッチの粉粒剤（以下単に「粉粒剤という」を用いる。
ＳｉＯ_２リッチとはＣａＯよりもＳｉＯ_２を多く含むということである。ＳｉＯ_２リッチの粉粒剤を添加する目的は灰分の塩基度（ＣａＯ／ＳｉＯ_２）を下げることにある。従って、粉粒剤のＳｉＯ_２とＣａＯの割合において、例えばＳｉＯ_２が５０％であっても、残りの５０％がＣａＯであっては灰分の塩基度は下がらない。また、ＳｉＯ_２の割合がＣａＯの割合よりも大きければ塩基度は下がる方向には行くが、その差が小さいと添加量が増大するので、好ましくない。

本発明における粉粒剤としては、ＳｉＯ_２が１００％のものが好ましいが、コスト面からはＳｉＯ_２が５０％以上で、ＣａＯが１５％以下である粉粒剤を用いることが好ましく、より好ましいのはＳｉＯ_２が６５％以上で、ＣａＯが１０％以下のものである。この粉粒剤を塩基度の面から規定すると（ＣａＯ／ＳｉＯ_２）≦０．３のものである。またこの粉粒剤は廃棄物となるので、添加する粉粒剤も廃物を利用することが好ましく、例えば廃ガラスカレットはＳｉＯ_２が７０％程度でＣａＯが１０％程度のものがあるので本発明で用いるＳｉＯ_２リッチのＣ粉粒剤としては好ましい。

本発明においては、溶融促進剤であるＳｉＯ_２リッチの粉粒剤は、ガス化溶融炉の炉前又はガス改質炉の炉前で添加する。
これは、粉粒剤を改質炉の出口で供給すると、粉粒剤自体の温度が上がる前に連結管に到達してしまい元々入っている灰分の成分と混合しにくくなる為である。ガス化溶融炉の炉前又はガス改質炉の炉前で添加して粉粒剤が連結管に到達する前に粉粒剤の温度を上げて元々の灰分と混合しておくことによって混合灰の溶融温度が低下するため効果的である。

粉粒剤の具体的な添加方法としては、例えば、（ａ）ガス化溶融炉前で炉装入物である廃棄物に粉粒剤を混合して装入物に同伴させて添加する方法及び（ｂ）ガス化溶融炉の発生ガスに改質炉前で粉粒剤を吹き込む方法を挙げることができる。
前記（ａ）の場合には、例えば、粉粒剤をごみの上に散布してこれをホッパーに投入して炉に装入するか、粉粒剤を予め規定量のごみと混ぜてピットの一角に粉粒剤混合ごみを作っておき、これをホッパーに供給して他のごみと一緒に炉に装入する。この方法であると、クレーンを使用してごみピットで混合するだけであるので設備改造が不要である。
また、前記（ｂ）の場合には、改質炉前でノズルから粉粒剤をガス中に吹込むことになる。此の方法では設備改造が必要となるが、粉粒剤をごみと一緒に供給する方法では粉粒剤がスラグに移行する割合が多いため粉粒剤の連結管付着物への歩留まりが悪いが、（ｂ）の場合には歩留まりが上がるという利点がある。

また、前記図４、５に示したように、灰分中のＦｅＯ濃度を上げること及びＮａ_２Ｏ，Ｋ_２Ｏ濃度を上げることによっても灰分の溶融温度を低下させることができるので、ＳｉＯ_２リッチの粉粒剤と共にＦｅＯ及び／又はアルカリ酸化物リッチの粉粒剤を加えることがより好ましい。
Ｆｅリッチの粉粒剤としては、ＦｅＯが４０％以上、ＣａＯが１０％以下のものを使用できる。より好ましくは、ＦｅＯが５０％以上で、ＣａＯが２％程度である。具体的には製鋼ダストが好ましく用いられる。
アルカリ酸化物リッチの粉粒剤としてはアルカリ酸化物が２０％以上、ＣａＯが１０％以下のものを使用することができ、具体的にはケイ酸ソーダ粉末を用いることができる。

なお、改質炉出口で溶融した状態でガスに同伴された灰分は冷却装置に移行して冷却装置の入口で溶融温度以下になり、冷却装置入口ダクト内壁に付着するか、固化した状態で冷却装置を通過し、冷却装置下部の排出口から排出される。冷却装置入口ダクトに付着した付着物は書き取り装置を定期的に作動することにより冷却装置下部に到達し、排出口から排出される。

本発明の実施の態様としては次の二つが考えられる。
（１）灰分の塩基度（ＣａＯ／ＳｉＯ_２）を分析し、塩基度が１．０以上となる場合に本発明を実施する。
（２）灰分の塩基度（ＣａＯ／ＳｉＯ_２）が定常的に１．０以上となる廃棄物を処理するガス化溶融炉において本発明を実施する。
前者の場合、灰分の塩基度を分析によって求めるか推定する必要がある。これは具体的には改質炉の下流に配設される改質ガスの冷却装置内で採取された付着物成分から求める方法と、ガス化溶融炉から排出されたスラグ成分、廃棄物の代表サンプルの分析値に基づいて推定する方法とがある。
前者の場合について説明を加えると、冷却装置から定期的に付着ミネラル分を取出し、組成を分析すればよい。スラグ成分、廃棄物の代表サンプルの分析値から推定する場合は、予めスラグ、廃棄物の塩基度と冷却装置の付着物の塩基度との相関を採っておいて、それに基づき推定する。廃棄物に含まれる灰分はほとんどスラグへ移行するため、スラグの組成と廃棄物中灰分の組成はほとんど同じと考えて問題ない。

装置としては図１に示される高温反応炉とガス改質炉を有するガス化装置を用いて廃棄物を４．２ｔ／ｈの処理量でガス化改質処理を行った。改質炉出口のガス温度は１２００℃に設定した。改質処理中に冷却装置下部から排出される灰分の成分を測定したところ、塩基度が１．４で、ＦｅＯ濃度が３％であった。本操業を継続したところ、改質炉出口の連結管の圧損が上昇したため、改質炉出口のガス温度を１３５０℃に昇温し、連結管に付着した灰分を溶融する操業が５日に８時間程度必要であった。
そこで、ごみピットに溶融促進剤として、カレット粉、製鋼ダストを投入し、廃棄物に規定量混合し、この溶融促進剤混合ごみを高温反応炉に供給した。
その結果、改質炉出口のガス温度を１２００℃に設定したままでも改質炉出口の連結管の圧損は安定し、上昇することは起きなくなった。このときの冷却装置下部から排出される灰分の成分を測定したところ、塩基度が１．０まで下がり、ＦｅＯ濃度が８％に上がっていた。

本発明の方法によれば、ガス化溶融・改質炉における高温反応塔−冷却装置接続管（連結管）の内壁に付着物が付着することによる連結管の閉塞が生じないので、して管路が狭まることがないため、ガス化溶融・改質炉を高い稼働率で安定的に操業することができるので、廃棄物処理において好適に使用できる。

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。 ガス化改質方式による廃棄物処理設備の連結杆部分の様子を示す図である。 灰分の塩基度と灰分の溶融温度との関係を示す図である。 灰分中のＦｅＯ濃度と灰分の溶融温度との関係を示す図である。 灰分中のＮａ_２Ｏ濃度と灰分の溶融温度との関係を示す図である。

符号の説明

１ 高温反応塔
２ 冷却装置
３ 改質炉の発生ガス排出口
４ 連結管（高温反応塔−冷却装置接続管）
４Ｗ 連結管の内壁
５ 付着物

Claims (5)

1. 廃棄物をガス化溶融・改質炉でガス化溶融し、発生したガスを１０００〜１３００℃の温度の改質炉でガス改質するガス化溶融・改質炉の操業方法において、灰分の塩基度（ＣａＯ／ＳｉＯ_２）が１．０以上である場合に、溶融促進剤としてＳｉＯ_２リッチの粉粒剤を、ガス化溶融炉の炉前で廃棄物に添加するか、改質炉の炉前でガス化溶融炉の発生ガスに添加することを特徴とする廃棄物のガス化溶融・改質炉の操業方法。
2. 前記溶融促進剤として、更にＦｅＯ及び／又はアルカリ酸化物リッチの粉粒剤を加えることを特徴とする請求項１記載の廃棄物のガス化溶融・改質炉の操業方法。
3. 前記灰分の塩基度（ＣａＯ／ＳｉＯ_２）が改質炉の下流に配設された改質ガスの冷却装置内で採取された付着物の分析値に基づいて求めたものであることを特徴とする請求項１又は２に記載の廃棄物のガス化溶融・改質炉の操業方法。
4. 前記灰分の塩基度（ＣａＯ／ＳｉＯ_２）がガス化溶融炉から排出されたスラグ成分の分析値に基づいて推定されたものであることを特徴とする請求項１又は２記載の廃棄物のガス化溶融・改質炉の操業方法。
5. 前記灰分の塩基度（ＣａＯ／ＳｉＯ_２）が装入前の廃棄物の分析値に基づいて推定されたものであることを特徴とする請求項１又は２に記載の廃棄物のガス化溶融・改質炉の操業方法。

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