JP2013234835A - ガス化溶融炉、及びこれを用いた可燃性物質の処理方法 - Google Patents

Abstract

【課題】大量の廃棄物を効率的に処理できるガス化溶融炉とこれを用いた可燃性物質の処理方法を提供する。
【解決手段】可燃性物質が投入されるガス化部１０と、前記ガス化部１０の下部に連通する堆積部６０と、前記堆積部６０の側面に連通して加熱手段を備える溶融部２０とを備え、前記堆積部６０には前記可燃性物質が満たされて、前記溶融部２０で生成したガスは前記可燃性物質を通過して前記ガス化部１０に投入されることにより、安全で迅速に可燃性物質を処理する。
【選択図】図２

Description

本発明は、ガス化溶融炉に関するものであって、より詳しくは、廃棄物を含む可燃性物質を処理し、且つエネルギー化する際に使用されるガス化溶融炉に関するものである。

可燃性廃棄物をエネルギーに変換する反応は、酸素の多い雰囲気下で処理する焼却（燃焼）と、酸素の少ない雰囲気下で処理するガス化とに分類することができる。多くの廃棄物は、焼却によって高温の排ガスが生成され排ガスの廃熱からスチーム回収する方式であるが、焼却過程において大量の大気汚染物質（ＳＯｘ、ＮＯｘ、ダイオキシンなど）、及び投入物の１０〜２０％の量の重金属が溶出されて埋め立てが必要である焼却灰が発生し、また、スチームのエネルギー活用度が低いため、これに対する代案になり得るガス化方式による廃棄物の処理技術も共に検討されている。

一般的にガス化は、酸素の少ない還元性雰囲気下の６００℃で、可燃性物質中の炭素、水素、酸素などのガス状に変換され得る物質が、一酸化炭素、水素、水、炭化水素に変換される過程を意味する。そして、１０００℃以上では、この物質が更に熱分解されて一酸化炭素及び水素に変換されるようになる。ガス化反応は吸熱反応であり、外部からある程度の熱源が供給されなければならず、この熱源は、合成ガスの一部が更に酸化して二酸化炭素に変化しながら発生する熱によって、ガス化反応が進行する特徴を有する。これによって、ガス化されても排ガス中には二酸化炭素が一部含まれており、二酸化炭素が生成されながら発生した熱は、ガス化のための吸熱反応に使用されたことを意味する。ガス化反応を経る場合、酸化反応によって発生する大気汚染物質（ＳＯｘ、ＮＯｘ、ダイオキシン）の発生を抑制することができ、ガスエンジン／タービン発電など、スチームより高効率の電力生産が可能となるか、或いは水素及びエタノールなどの燃料に変換できる合成ガスが得られ、高温のガス化によって、可燃性物質中に含まれる非可燃性成分を灰（ａｓｈ）ではなくガラス状のスラグに変換できる長所がある。

しかしながら、現在までに開発された多くのガス化反応では、投入物の均一度及び熱量が低い廃棄物の特性上、ガス化反応に必要なエンタルピーが投入物の一部の酸化反応によって安定して供給されることに、多大な困難を伴うようになる。また、ガス化温度の熱平衡温度も低く設定され、１０００℃以上の高温を安定的に得ることが非常に困難である。また、排ガス中に未燃分や分解されていない汚染物質が多く排出される可能性も高くなる。そして、温度が低いため、スラグではなく灰（ａｓｈ）が得られるようになる。

廃棄物の完全な処理、灰のスラグへの変換、及び高温条件の安定的な提供のために、プラズマトーチを廃棄物の処理及びエネルギー化に適用させるため、多大な努力がなされてきた。数千度のプラズマトーチから供給されるエネルギーで廃棄物を溶融／ガス化した後、非可燃分はスラグに変換させ、可燃分は合成ガスに変換してエネルギー化するプラズマガス化溶融炉について、多くの開発が進められてきている。特に、プラズマに投入される電力量を最小限にしながらエネルギー効率を向上させるための努力が続けられている。

一般的なプラズマガス化溶融において、プラズマは、金属及び灰分のような非可燃性物質の溶融であるか、或いはガス化した後の合成ガス中における未燃炭素及び炭化水素類を除去するための洗浄のために、主に温度を高める役割を果たしている。また、既存のプラズマガス化溶融炉は、垂直方向に一字形のシャフト炉が最も一般的であって、廃棄物は、シャフト炉の上部から投入されて溶融反応の起こる下端部に移動することになり、シャフト炉の下端部には、複数のプラズマトーチが設置される構造を有する。プラズマトーチは、溶融部の下部面側に移動する廃棄物を溶融する役割を果たす。また、コークスなどの高熱量の燃料をさらに供給し、安定的なガス化反応が起こるようにする。溶融部の底面には溶融物による溶湯が形成され、合成ガスは、溶融部の上部に上昇して溶融部の外に排出される。

このような既存のプラズマガス化溶融炉は、垂直方向に一字形構造を有するため、溶融部内部に投入された廃棄物が、連続して一定の速度で溶融部の底面側に移動してこそ安定的に溶融及びガス化が進行するが、廃棄物の移動速度の調整は容易ではない。また、廃棄物の溶融部の底面側への移動速度に変化が発生する場合、廃棄物の処理速度、溶融、及びガス化に問題が発生し得る。特に、廃棄物の投入量が多くなると、廃棄物とガスとの接触が効率的に行われず、反応速度が低下する問題点が発生し得る。

これと共に、既存のプラズマガス化溶融炉は１６００℃で溶融反応が起こるが、ガス化温度は格段に低い１２００℃以下であり、合成ガスの排出される温度は１０００℃以下である。これにより、合成ガス中に数パーセント程度の炭化水素類及びタールが含まれ、後工程にてダイオキシンが再合成される可能性も存在する。そのため、後工程にて高温の合成ガスを直ちに冷却させて汚染物質の発生を抑制することになるが、これによりエネルギー効率が低下する問題点が発生するようになる。また、後工程の合成ガス精製工程が多段階で進行されるため複雑に構成され、設備が過度なものになり得る。現在は、これを解決するために、プラズマで合成ガスの温度を再度高めて洗浄する場合もあるが、全体的な効率が低下する短所がある。

従って、本発明の目的は、大量の廃棄物を効率的に処理できるガス化溶融炉、及びこれを用いた可燃性物質の処理方法を提供することにある。

本発明の他の目的は、１２００℃以上の高温ガス化反応を遂行し、タールやダイオキシンのような有害物質が除去された合成ガスが得られるガス化溶融炉、及びこれを用いた可燃性物質の処理方法を提供することにある。

本発明の更に他の目的は、タールやダイオキシンのような有害物質が除去された合成ガスが得られるガス化溶融炉、及びこれを用いた可燃性物質の処理方法を提供することにある。

本発明の更に他の目的は、プラズマトーチの電力効率を向上させ、プラズマトーチの電力消費量を最小限にできるガス化溶融炉を提供することにある。

１．可燃性物質が複数の空隙をおいて堆積する堆積部と、前記堆積部から流入される可燃性物質を溶融する溶融部と、前記溶融部で生成したガスが前記堆積部の空隙を通過して到逹するガス化部とを備える、ガス化溶融炉。

２．前記項目１において、前記堆積部に、前記可燃性物質を供給する可燃性物質投入口を更に備える、ガス化溶融炉。

３．前記項目１において、前記溶融部は前記堆積部の側面に連通し、前記ガス化部は前記堆積部の上部に連通する、ガス化溶融炉。

４．前記項目１において、前記溶融部の加熱手段はプラズマトーチである、ガス化溶融炉。

５．前記項目１において、前記溶融部は、第１の酸化剤投入口を備える、ガス化溶融炉。

６．前記項目１において、前記溶融部の下部には、溶融物が排出される出湯口が備えられる、ガス化溶融炉。

７．前記項目１において、前記堆積部は、堆積した可燃性物質を前記溶融部に移送するプッシング部を備える、ガス化溶融炉。

８．前記項目１において、前記ガス化部は、第２の酸化剤投入口を備える、ガス化溶融炉。

９．前記項目８において、前記第２の酸化剤投入口は、酸化剤が前記ガス化部内で旋回できる位置に備えられる、ガス化溶融炉。

１０．前記項目１において、前記ガス化部は、内部に合成ガスの着火及び燃焼状態の維持のためにパイロットバーナを更に備える、ガス化溶融炉。

１１．前記項目１において、前記ガス化部の上部には、合成ガスを排出する排出口が備えられる、ガス化溶融炉。

１２．前記項目４において、前記プラズマトーチは、少なくとも一の非移送式プラズマトーチと少なくとも一の移送式プラズマトーチとを備える、ガス化溶融炉。

１３．前記項目１２において、前記溶融部の下部面には、前記移送式プラズマトーチのための電極が備えられる、ガス化溶融炉。

１４．前記項目１２において、前記プラズマトーチは、移送式プラズマトーチの両側に非移送式プラズマトーチが配置された構造である、ガス化溶融炉。

１５．前記項目１２において、前記プラズマトーチは、移送式及び非移送式の運転が共に可能な混合式プラズマトーチを備える、ガス化溶融炉。

１６．前記項目１２において、前記プラズマトーチは、移送式トーチ及び非移送式トーチの運転を交互に遂行する、ガス化溶融炉。

１７．溶融部で生成したガスを、複数の空隙をおいて堆積した可燃性物質の堆積体に通過させる段階を備える、可燃性物質の処理方法。

１８．前記項目１７において、前記ガスは、前記可燃性物質が前記溶融部に流入された後に加熱されて発生するものである、可燃性物質の処理方法。

１９．前記項目１７において、前記可燃性物質の堆積体を通過したガスの一部を酸化する段階を更に備える、可燃性物質の処理方法。

２０．前記項目１７において、前記溶融部でガス生成時に、第１の酸化剤を投入する段階を更に備える、可燃性物質の処理方法。

２１．前記項目１７において、前記ガスは、可燃性物質をプラズマトーチで加熱して生成されるものである、可燃性物質の処理方法。

２２．前記項目２１において、前記加熱は、少なくとも一の非移送式プラズマトーチと少なくとも一の移送式プラズマトーチとで遂行される、可燃性物質の処理方法。

２３．前記項目２１において、前記加熱は、非移送式プラズマトーチ及び移送式プラズマトーチの運転を交互にして遂行される、可燃性物質の処理方法。

２４．前記項目１７において、堆積した可燃性物質を前記溶融部に移送する段階を更に備える、可燃性物質の処理方法。

２５．前記項目１７において、前記ガスは、１４００℃以上の温度を有する、可燃性物質の処理方法。

２６．前記項目１９において、前記酸化段階を経たガスは、１２００℃以上の温度を有する、可燃性物質の処理方法。

２７．前記項目１９において、前記酸化段階は、第２の酸化剤投入によって遂行される、可燃性物質の処理方法。

本発明のガス化溶融炉は、ガス化部と溶融部とが直接連通していないため、ガス化部から溶融部へ廃棄物が急激に移動することを防ぐことができ、一字形の構造に比べると安定的に可燃性物質を処理できる。

また、本発明のガス化溶融炉は、溶融部で生成した合成ガスが堆積部に満たされた可燃性物質を必ず通過することになるため、可燃性物質のガス化反応を充分に進行させて可燃性物質の処理速度を向上させることができる。

また、本発明のガス化溶融炉は、可燃性物質が満たされた堆積部に満たされる可燃性物質によって溶融及びガス化反応が起こる領域と、合成ガスの部分酸化反応が起こる領域とが分離されているため、ガス化溶融炉を安定的に駆動することができる。即ち、本発明のガス化溶融炉は、溶融部とガス化部とを堆積部に満たされた可燃性物質で分離することによって、加熱手段の高熱を溶融に集中的に活用し、そこから発生する高温のガスを堆積部の可燃性物質に通過させることによって、可燃性物質が効率的にガス化するよう誘導し、堆積部から放出される高熱量のガスを、再度部分酸化して温度を１２００℃以上に上昇させることによって、タールやダイオキシンのような有害物質が除去された合成ガスが得られる。

また、本発明のガス化溶融炉は、溶融部で生成した合成ガスが可燃性物質を通過してガス化室の上部に移動する間、低下した温度を上昇させるために、可燃性物質を通過した合成ガスに酸化剤を供給して部分酸化反応を起こすことにより、可燃性物質をガス化して１２００℃以上の高温合成ガスを生産すると共に、加熱手段のエネルギー消費量を最小限にすることができる。

このように、本発明のガス化溶融炉は、ガス化反応の温度を１２００℃以上で安定的に維持することにより、合成ガス中の不純物及び大気汚染物質の発生を最小限にすることができる。即ち、１２００℃以上の高温でガス化する場合、排出される合成ガスの性状中の炭化水素及び灰などの発生を最小限にすることができ、窒素酸化物、硫酸化物などの酸化物系の大気汚染物質及びダイオキシン発生を抑制することができる。

また、本発明の実施形態に係るガス化溶融炉は、堆積部にプッシング部を設けて溶融部側へ可燃性物質を移送することにより、可燃性物質が安定的に溶融部に供給され、可燃性物質の処理速度を向上させることができる。また、プッシング部の駆動制御によって、可燃性物質の処理速度を容易に制御することができる。

そして、本発明に係るガス化溶融炉は、一日当たり１００トン以上の大量の廃棄物を安定的に処理しながら１２００℃以上の高温合成ガスを生産して、ガスエンジン及び燃料電池の発電に用いることができる。

また、本発明の他の実施形態に係るガス化溶融炉は、移送式及び非移送式が複合されたプラズマトーチ部を備えるため、稼動初期、或いは溶融部の温度がある理由によって低いことから溶湯が形成されていない場合には、移送式トーチが動作できないため、非移送式トーチのみで溶融部の温度を高めて溶湯を形成し、溶湯が形成されて溶融物を通じて電気を通せる状態になると、移送式トーチを動作させて高効率且つ継続的に溶融が行われるようにすることにより、プラズマトーチ部の電力効率を向上させて全体的に用いられる電力量を低減することができる。移送式トーチによって供給されるエンタルピーは、非可燃性廃棄物の溶融を促進するために活用される。

そして、投入される廃棄物の熱量が急に増加するか或いは減少しても、プラズマトーチから印加される電力量を調節することによって、円滑にガス化反応を進行させることができる。

また、移送式トーチの代わりに移送式及び非移送式の運転が共に可能な混合式トーチを使用することもできる。混合式トーチが使用される場合、稼動初期又は溶湯が安定的に形成されていない場合には非移送式モードで運転をして、溶湯が充分に形成された場合には移送式モードに転換して運転することができる。

本発明の第１の実施形態に係るガス化溶融炉を示す図である。 図１のガス化溶融炉を示す断面図である。 図１のガス化部を示す断面図である。 本発明の第２の実施形態に係るガス化溶融炉を示す図である。 図４のガス化部を示す断面図である。 本発明の第３の実施形態に係るガス化溶融炉を示す図である。 図６のガス化溶融炉を示す断面図である。 本発明の第４の実施形態に係るプラズマトーチモジュールの概略的な構造を示す図である。 本発明の第４の実施形態に係るプラズマガス化溶融炉を示す図である。 図９のプラズマガス化溶融炉を示す断面図である。 図９のガス化部を示す断面図である。

本発明は、可燃性物質が複数の空隙をおいて堆積する堆積部と、前記堆積部から流入される可燃性物質を溶融する溶融部と、前記溶融部で生成したガスが前記堆積部の空隙を通過して到逹するガス化部とを備えることにより、安定的且つ迅速に可燃性物質を処理して、加熱手段のエネルギー消費を軽減し、有害物質の少ない合成ガスを提供できる、ガス化溶融炉に関するものである。

以下、図面を参照して本発明を詳しく説明する。本明細書及び特許請求の範囲にて使用される用語又は単語は、通常的且つ辞書的な意味に限定して解析されるべきではなく、発明者は、本発明を最善の方法で説明するために用語の概念を適切に定義できるという原則に基づき、本発明の技術的思想に符合する意味及び概念で解釈されるべきである。

第１の実施形態
図１は、本発明の第１の実施形態に係るガス化溶融炉を示す図である。図２は、図１のガス化溶融炉を示す断面図である。図３は、図１のガス化部を示す断面図である。

図１乃至図３を参照すると、本発明の第１の実施形態に係るガス化溶融炉１００は、ガス化部１０と、溶融部２０と、堆積部６０とを備える。ガス化部１０から投入された可燃性物質５０は堆積部６０に堆積し、溶融部２０の加熱手段によって可燃性物質中の可燃性成分が合成ガス５３に変換され、生成された合成ガス５３は、可燃性物質５０の堆積体を通過してガス化部１０に移動する。

ここで、第１の実施形態に係るガス化溶融炉１００で生じるガス化反応及び部分酸化反応は、下記の化学式１乃至５のとおりである。ここで、化学式１及び２はガス化反応を示し、化学式３乃至５は酸化反応を示す。

このように、第１の実施形態に係るガス化溶融炉１００について詳しく説明すると、以下の通りである。

溶融部２０は、可燃性物質５０の溶融、及びガス化と合成ガスとの熱交換が行われる部であって、第１の酸化剤投入口２５及び加熱手段３０を備える。

溶融部２０は、一側が堆積部６０と連通し、一側と対向する他側の下部に溶融物５１が排出される出湯口２３が備えられている。従って、溶融部２０は、底面に可燃性物質５０のうち非可燃性成分である灰分が溶融されて形成される溶融物５１が溶湯を形成し、溶融物５１が一定量以上になると、出湯口２３を通して外部に排出することができる。例えば、灰分が含まれる可燃性物質５０が投入される場合、当該可燃性物質５０の溶融物５１で溶湯を形成し、一定量の溶融物５１が溶融部２０内に残存するようにできる。即ち、灰分のような非可燃分は１２００℃以上で溶融されるが、溶融物５１を直ちに外部に排出せず、内部に一定時間溶湯を形成することにより、ガス化反応に対するヒートシンク（ｈｅａｔ ｓｉｎｋ）の役割を果たし、溶融部２０の内部温度をある程度均一に維持することができる。好ましくは、溶融室内部で形成される合成ガスが１４００℃以上の温度を有するように内部温度を維持することができる。

また、溶融部２０は、注入される酸化剤が内部で旋回できるように可能な限り正方形、例えば、直方体又は正六面体で備えられることが好ましい。

第１の酸化剤投入口２５は、溶融部２０の一側面又は上部に設けられ、この第１の酸化剤投入口２５から溶融部２０が還元雰囲気を維持できるように酸化剤を注入する。このような側面から、第１の酸化剤投入口２５は、酸化剤が溶融部２０内部で容易に旋回できるように、地面に対して所定の角度を有するように傾斜して設けられることが好ましく、投入口の方向は堆積部６０の方に向けることができる。

第１の酸化剤投入口２５を通して注入される酸化剤は、溶融室内部の温度低下を防止するために、３００乃至５００℃の温度に予熱された酸化剤であることが好ましい。ここで、第１の酸化剤投入口２５の注入速度は、４０乃至８０ｍ／ｓである。この際、酸化剤としては、空気又は酸素が使用され得る。

加熱手段３０は、溶融部２０の側壁に設けられ、可燃性物質５０を溶融及びガス化する熱エネルギーを提供する。可燃性物質５０及び溶融物５１に効果的に熱を伝達するため、加熱手段３０は、底面に向けて設けられ得る。加熱手段３０は、当分野において通常的に使用される加熱手段が特に制限なく使用され得、例えばプラズマトーチが挙げられる。

加熱手段３０の一例示としてプラズマトーチを使用した場合、プラズマトーチモジュール３０は、複数のプラズマトーチ３５を備えることができる。プラズマトーチ３５から放出されるプラズマジェットによる溶融部２０の劣化及び耐火物の損傷を抑制するために、プラズマジェットが直接溶融部２０の底面に接触しないように、プラズマジェットの長さ及びプラズマトーチ３５の設置角度を調節する必要がある。プラズマトーチ３５は、プラズマ源として圧縮空気、酸素、スチームなどを使用することができる。

堆積部６０は、可燃性物質が複数の空隙をおいて堆積して形成される部分であって、溶融部２０とガス化部１０とを介して、溶融部２０とガス化部１０とが直接連通しないようにする。従って、溶融部２０、堆積部６０、及びガス化部１０の具体的な位置関係は、堆積部６０によって溶融部２０とガス化部１０とが直接連通しないのであれば、特に制限されない。

本発明の第１の実施形態では、ガス化部１０が堆積部６０の上部に位置するように連通するが、堆積部６０とガス化部１０とが連通する具体的な角度は、特に制限されない。また、溶融部２０の一側面に堆積部６０が位置するように連通するが、堆積部６０の側面と溶融部２０とが連通する具体的な角度は特に制限されない。ここで、溶融部２０、堆積部６０、及びガス化部１０の各断面は、互いに同一であるか又は異なり得る。

本発明の第１の実施形態によると、ガス化部１０の下部に堆積部６０が連通する構造を有するため、ガス化部１０から投入される可燃性物質５０が堆積部６０に堆積する。また、堆積部６０の側面に溶融部２０が連通するため、溶融物５１が溶融部２０の下部に一定量存在するように調節することができる。

図２には、堆積部６０に形成される可燃性物質５０の堆積体の任意的な形態が概略的に示されている。堆積部６０に形成される可燃性物質５０の堆積体が溶融部２０と堆積部６０とが連通する開口を塞ぎ、溶融部２０で生成した合成ガス５３が堆積体を通過するようにして、合成ガス５３が壁面に沿って可燃性物質５０と接触することなく、直ちにガス化部１０に進入することを防ぐ。

堆積体は、多孔性構造を有する。従って、溶融部２０で生成した合成ガス５３が、多孔性構造の堆積体を通過しながら可燃性物質５０を予熱させ、また、堆積した可燃性物質５０の一部とガス化反応を起こすことにより、可燃性物質５０の処理速度を向上させ、加熱手段３０のエネルギー消費を軽減できる。また、堆積体によって溶融及びガス化反応が起こる溶融部２０と、合成ガスの部分酸化反応が起こるガス化部１０とが分離されるため、ガス化溶融炉１００を安定的に駆動することができる。ここで、堆積部６０では、化学式１及び２に該当するガス化反応が起こる。

プッシング部４０は、溶融部２０が連通する方向と対向する方向の堆積部６０の外側に設けられ、堆積部６０に堆積した可燃性物質５０を溶融部２０側へ移送するプッシャ４１を備え、可燃性物質５０が溶融及びガス化できるようにする。プッシャ４１としては、シリンダー方式が使用され得る。このように、プッシング部４０は、溶融部２０側へ可燃性物質５０を移送することによって、可燃性物質５０を安定的に溶融部２０側へ供給し、可燃性物質５０の処理速度を向上させることができる。また、プッシング部４０の駆動制御によって、可燃性物質５０の処理速度を容易に制御することができる。

ガス化部１０は、可燃性物質５０の投入と、合成ガス５３の温度を１２００℃以上に維持するための部分酸化反応とが起こる部分であって、堆積部６０の上部と連通し、可燃性物質５０が投入される投入口１３が備えられている。また、側面に、酸化剤を投入する複数の第２の酸化剤投入口１５が設けられており、上部に、合成ガス５３が排出される排出口１７が備えられている。ここで、酸化剤としては、酸素又は空気が使用され得る。

ここで、ガス化部１０は、垂直方向に設けられ、管状構造、例えば上下方向に延長された筒状構造を有し、堆積部６０側へ下がるにつれて内部空間が狭くなるように備えることもできる。図１には、ガス化部１０を円筒管状で具現する例を開示したが、その断面の形態が特に制限されるものではない。

第２の酸化剤投入口１５は、ガス化部１０内での酸化反応を誘導するため、酸化剤を投入するための手段である。ガス化部１０の外周面に、可燃性物質５０の投入口１３より高い位置に設けられ得る。

第２の酸化剤投入口１５は、必要に応じて複数設けられ得、この場合、互いに等間隔で配置され得、また、同一平面上に備えられ得る。例えば、第１の実施形態では、４個の第２の酸化剤投入口１５が設けられる例を開示したが、これに限定されるものではない。即ち、複数の第２の酸化剤投入口１５は、ガス化部１０の直径に応じて適当な数が設けられ得る。

第２の酸化剤投入口１５は、好ましくは酸化剤を、ガス化部１０の中心軸から外れるようにガス化部１０の内部に投入することにより、投入される酸化剤の旋回を容易にすることができる。このように酸化剤を投入する理由は、ガス化部１０に移動した合成ガスとの部分酸化反応が安定的に起こるようにするためである。

また、必要に応じて、ガス化部１０は第２の酸化剤投入口１５の位置付近に、合成ガス５３の着火及び燃焼状態を維持するためにパイロットバーナが共に設けられ得る。

ここで、第２の酸化剤投入口１５は、注入されるガスが旋回するように中心に対して一定の角度で設けられることが好ましい。そうすることによって、未燃分のガス化部１０内の滞留時間を延長し、ガス化部１０から抜け出すことが低減できる。全体的な酸化剤の投入量は、ガス化部１０の温度を１２００℃以上に維持する条件を満たすと共に、化学量論的に完全燃焼に必要な酸化剤量の５０〜７０％を維持することが好ましい。

また、第１の実施形態では、ガス化部１０を通じて合成ガス５３を含む排ガスが抜け出す排出口１７を、軸路や高さ問題などのような現実的な制約条件を考慮してガス化部１０の上部の側部に備える例を開示したが、これに限定されるものではない。

このように、第１の実施形態に係るガス化溶融炉１００は、加熱手段３０が溶融及びガス化反応に必要な熱源を供給し、また、堆積部６０を通過した合成ガスに酸化剤を投入し、部分酸化反応によって熱を提供することにより、１２００℃以上の高温ガス化反応を円滑に遂行することができる。また、可燃性物質５０に対するガス化反応が円滑に遂行されることによって、プラズマの電力消費を軽減することができる。

第２の実施形態
第１の実施形態では、ガス化部１０が円筒管として設けられる例を開示したが、これに限定されるものではない。図４及び図５に示すように、ガス化部１１０を四角管として設けることができる。ここで、図４は、本発明の第２の実施形態に係るガス化溶融炉２００を示す図である。そして、図５は、図４のガス化部１１０を示す断面図である。

図４及び図５を参照すると、第２の実施形態に係るガス化溶融炉２００は、ガス化部１１０が四角管として設けられることを除けば、第１の実施形態に係るガス化溶融炉（図１の１００）と同一の構造を有するため、ここでは、ガス化部１１０を中心に説明する。

ガス化部１１０は、堆積部１６０の上部に連通しており、側面に酸化剤を投入する複数の第２の酸化剤投入口１１５が設けられており、上部に合成ガスが排出される排出口１１７を備える。ここで、複数の第２の酸化剤投入口１１５は、ガス化部１１０の側面に互いに等間隔で配置され、ガス化部１１０の中心から外れるように酸化剤をガス化部１１０の内部に投入して、旋回させることができる。このように酸化剤を投入する理由は、ガス化部１１０に移動した合成ガスとの部分酸化反応が安定的に起こるようにするためである。ここで、複数の第２の酸化剤投入口１１５は、同一平面上に備えられ得る。例えば、この第２の実施形態では、複数の第２の酸化剤投入口１１５がガス化部１１０の四つの側面にそれぞれ備えられる例を開示したが、これに限定されるものではない。

第３の実施形態
また、第１の実施形態では、ガス化部１０を通して合成ガス５３を含む排ガスが抜け出す排出口１７を、軸路や高さ問題などのような現実的な制約条件を考慮してガス化部１０の上部の側部に備える例を開示したが、これに限定されるものではない。例えば、図６及び図７に示すように、未燃分又は灰分が抜け出すことを抑制するため、ガス化部１０の排出口１７は、ガス化部１０の頂部の中心に位置するように備えることができる。ここで、図６は、本発明の第３の実施形態に係るプラズマガス化溶融炉３００を示す図である。そして、図７は、図６のガス化溶融炉３００を示す断面図である。

図６及び図７を参照すると、第３の実施形態に係るプラズマガス化溶融炉３００は、第１の実施形態と、溶融部２０及びガス化部１０は同一であるが、排ガスがガス化部１０の上部ドーム中央から排出されるように、排出口１７の排出位置が異なる特性を有する。排出口１７の中央から排出される場合、ガス化部１０の高さは更に高くなるが、ガス化部１０内で堆積部６０を通過した可燃性物質中に含まれる炭化物の部分酸化反応が充分に起こり、未燃炭素成分が排ガス中に含まれて排出される可能性を更に抑制することができる。特に、第２の酸化剤投入口１５によって形成されるガス化部１０内の旋回流により、炭化物の排出の抑制が更に容易になるため、排ガス中の炭化物の排出量抑制及び部分酸化反応進行が更に円滑な特性を有するようになる。

第４の実施形態
その一方で、本発明のプラズマトーチは、図８乃至図１１に示すように、移送式プラズマトーチ及び非移送式プラズマトーチを共に備えることができる。

図８乃至図１１に示すように、第４の実施形態に係るガス化溶融炉４００は、移送式プラズマトーチ及び非移送式プラズマトーチを共に備えることを除けば、第１の実施形態に係る溶融炉（図１の１００）と同一の構造を有することができるため、その差異点を中心に説明する。

プラズマトーチモジュール３０は、複数のプラズマトーチ３５を備えることができ、複数のプラズマトーチ３５は、ガス化部１０と対向する溶融部２０の側壁に設けられ得る。複数のプラズマトーチ３５は、少なくとも一の非移送式プラズマトーチ３５ａと、少なくとも一の移送式プラズマトーチ３５ｂとを備えて構成され得る。非移送式プラズマトーチ３５ａと移送式プラズマトーチ３５ｂとの配列方式には特に制限はなく、例えば、移送式プラズマトーチ３５ｂが中央部に配置され、前記移送式プラズマトーチ３５ｂの両側に前記非移送式プラズマトーチ３５ａが配置され得る。

このようなプラズマトーチモジュール３０は、電源３１と、プラズマ源供給部３３と、複数のプラズマトーチ３５とを備え、移送式の場合、トーチ移送部３９及び下部電極３７を更に備えることができる。電源３１は、プラズマトーチ３５にプラズマアーク発生に必要なエネルギーを供給する。プラズマ源供給部３３は、プラズマ源をプラズマトーチ３５に供給する。プラズマトーチ３５は、電源３１が印加された状態で、プラズマ源供給部３３から供給されたプラズマ源をアーク放電してプラズマアークを発生させる。そして、トーチ移送部３９は、プラズマトーチ３５を溶融部２０の底側へ移動させるか、或いは底側から離れるように移動させる。

プラズマ源供給部３３は、プラズマ源として圧縮空気、酸素、スチームなどを使用することができる。

本発明の他の側面から、プラズマトーチモジュール３０は、移送式及び非移送式の運転が共に可能な混合式プラズマトーチであることができる。図８には、混合式プラズマトーチモジュール３０の一具現例が概略的に示されている。

混合式プラズマトーチにおいて、非移送式モードは、第１のスイッチ３６がオフになっており、後方電極３２と前方電極３４との間の放電によってプラズマが形成されるモードである。このプラズマによって溶融炉の底が加熱されて溶融状態になると、下部電極３７に電気が流れ得るようになるが、ここで、第１のスイッチ３６をオンにすると電気が後方電極３２から下部電極３７に流れるようになる。これを移送式モードという。

必要に応じて、非移送式モードと移送式モードとを交互に運転でき、好ましくは、非移送式モードで運転している途中に移送式モードに転換することになるが、運転初期、又は他の理由によって溶融部２０の下部に溶湯が形成されていない場合、或いは移送式モードの運転が困難である場合は、非移送式モードで運転をして、その後、溶湯が形成されるか或いは移送式モードの運転が可能になると移送式モードで運転することになるが、その理由は、移送式モードの場合には、底にアークスポットが形成されてトーチのエネルギー伝達効率が向上するためである。この場合、第２のスイッチ３８は、常にオフになっている。

このような第４の実施形態に係るプラズマガス化溶融炉４００の特性を見出すため、第４の実施形態に係るプラズマガス化溶融炉４００を用いたプラズマガス化設備を、３トン／日処理できる規模で製作し、表１及び表２の造成を有する廃棄物を水素回収する実験を遂行した。

前述した廃棄物を表３の条件で投入し、プラズマガス化設備を運転した。プラズマガス化溶融炉４００の運転は、炉内の圧力と温度とが一定に維持される条件で進行したが、特に、圧力は全体工程の安全性を確保する最も重要なパラメータであって、この圧力を可能な限り一定に維持することが重要である。これは、インバータを以ってして誘引送風機の回転数を調節することで行われる。また、プラズマガス化溶融炉４００の温度は、廃棄物の投入量によって決められる。プラズマガス化溶融炉４００内の温度が上昇すると廃棄物の投入を中止し、温度が低下すると廃棄物を投入する方式で廃棄物の投入量を調整した。廃棄物の投入量のみで温度を維持し難い場合には、プラズマトーチ３５の出力を変化させて調節した。また、水素生産を目標とするため、酸化剤中の水素濃度を高めるために酸素ＰＳＡで生産した９３％の酸素濃度を有する酸化剤を注入した。ここで、表３はプラズマガス化溶融炉４００の運転条件を示す。

以上のような条件にて運転するため、表４に記載したように、プラズマガス化溶融炉４００の実施例１は、５０ｋＷ級の混合式１基（移送式及び非移送式運転が共に可能なトーチ）、非移送式プラズマトーチ１基の計２基を設置して運転した。また、比較例１として、５０ｋＷ級の非移送式プラズマトーチ２基を設置して、それぞれ２回ずつ運転した。ここで、実施例１及び比較例１に係るプラズマガス化溶融炉は、複数のプラズマトーチの構成のみが異なり、それ以外の構造は、第４の実施形態に係るプラズマガス化溶融炉４００の構造を有する。表４は、プラズマトーチの運転条件を示す。

実験過程で、プラズマトーチの媒質供給は、最初の溶融炉予熱時には圧縮空気を使用し、廃棄物を投入して合成ガスの生産時点では空気の代わりに酸素を適用した。そして、４回に亘って各回別の廃棄物の処理時に、最初の５時間の溶融炉内部平均温度は、１４００℃程度を維持した。

このように実験した時、廃棄物の処理による合成ガスの性状は、表５のとおり、ほぼ同一の程度に観察された。ここで、表５は実験運転中における合成ガス中のＣＯ、Ｈ_２の組成分布を示す。

上記の通り、ＣＯ＋Ｈ_２の濃度平均値をみると、実施例１と比較例１とに大差はなく、７１〜７５％程度の値を示していることが確認できる。時間による平均値の変化はあるが、これは対象廃棄物の性状の変化と共に、廃棄物の自然乾燥時間の差に起因する水気含量の差が最も大きな原因であるとみられる。

プラズマガス化溶融炉から出た排ガスは、以後湿式スクラバーのみで浄化されるが、排出ガスを捕集してダイオキシンを測定した結果、実施例１及び比較例１から共に、０．０２ｎｇＴＥＱ／Ｎｍ^３程度の低い数値を観察することができる。この結果は、吸着塔など別途のダイオキシン除去設備及び薬品の投入無く得られた値であり、プラズマガス化溶融プロセスによって、プラズマガス化溶融炉内のダイオキシンの生成を完全に抑制することができることを意味する。

また、実施例１と比較例１とを比較すると、実質的な合成ガス生成結果の差は殆どないが、表４に示したように、投入された電力量が異なることが確認できる。即ち、比較例１の場合、総消費電力量が７００ｋＷであるのに対して、実施例１の場合、総消費電力量が６５０ｋＷであって、比較例１と比較して消費電力量が少ないことが分かる。これにより、移送式プラズマトーチと非移送式プラズマトーチとを共に備える第４の実施形態に係るプラズマガス化溶融炉４００は、電力使用量を低減すると共に、溶融炉運転が可能であることを確認できる。

その一方で、本明細書及び図面に開示された実施形態は、理解を助けるために特定例を提示したものに過ぎず、本発明の範囲を限定するものではない。ここに開示された実施形態の他にも、本発明の技術的思想に基づく他の変形例が実施可能であるということは、本発明が属する技術分野における通常の知識を有する者には自明なことである。

１０、１１０：ガス化部
１３、１１３：可燃性物質投入口
１５、１１５：第２の酸化剤投入口
１７、１１７：排出口
２０、１２０：溶融部
２３：出湯口
２５、１２５：第１の酸化剤投入口
３０、１３０：プラズマトーチモジュール（加熱手段）
３５、１３５：プラズマトーチ
３７：下部電極
３６、３８：スイッチ
３９：プラズマトーチ移送部
４０、１４０：プッシング部
５０：可燃性物質
５１：溶融物
５３：合成ガス
６０、１６０：堆積部 １００、２００、３００、４００：ガス化溶融炉

Claims (27)

1. 可燃性物質が複数の空隙をおいて堆積する堆積部と、
   前記堆積部から流入される可燃性物質を溶融する溶融部と、
   前記溶融部で生成したガスが前記堆積部の空隙を通過して到逹するガス化部と
   を備える、ガス化溶融炉。
2. 前記堆積部に、前記可燃性物質を供給する可燃性物質投入口を更に備える、請求項１に記載のガス化溶融炉。
3. 前記溶融部は前記堆積部の側面に連通し、前記ガス化部は前記堆積部の上部に連通する、請求項１に記載のガス化溶融炉。
4. 前記溶融部の加熱手段はプラズマトーチである、請求項１に記載のガス化溶融炉。
5. 前記溶融部は、第１の酸化剤投入口を備える、請求項１に記載のガス化溶融炉。
6. 前記溶融部の下部には、溶融物が排出される出湯口が備えられる、請求項１に記載のガス化溶融炉。
7. 前記堆積部は、堆積した可燃性物質を前記溶融部に移送するプッシング部を備える、請求項１に記載のガス化溶融炉。
8. 前記ガス化部は、第２の酸化剤投入口を備える、請求項１に記載のガス化溶融炉。
9. 前記第２の酸化剤投入口は、酸化剤が前記ガス化部内で旋回できる位置に備えられる、請求項８に記載のガス化溶融炉。
10. 前記ガス化部は、内部に合成ガスの着火及び燃焼状態の維持のためにパイロットバーナを更に備える、請求項１に記載のガス化溶融炉。
11. 前記ガス化部の上部には、合成ガスを排出する排出口が備えられる、請求項１に記載のガス化溶融炉。
12. 前記プラズマトーチは、少なくとも一の非移送式プラズマトーチと少なくとも一の移送式プラズマトーチとを備える、請求項４に記載のガス化溶融炉。
13. 前記溶融部の下部面には、前記移送式プラズマトーチのための電極が備えられる、請求項１２に記載のガス化溶融炉。
14. 前記プラズマトーチは、移送式プラズマトーチの両側に非移送式プラズマトーチが配置された構造である、請求項１２に記載のガス化溶融炉。
15. 前記プラズマトーチは、移送式及び非移送式の運転が共に可能な混合式プラズマトーチを備える、請求項１２に記載のガス化溶融炉。
16. 前記プラズマトーチは、移送式トーチ及び非移送式トーチの運転を交互に遂行する、請求項１２に記載のガス化溶融炉。
17. 溶融部で生成したガスを、複数の空隙をおいて堆積した可燃性物質の堆積体に通過させる段階を備える、可燃性物質の処理方法。
18. 前記ガスは、前記可燃性物質が前記溶融部に流入された後に加熱されて発生するものである、請求項１７に記載の可燃性物質の処理方法。
19. 前記可燃性物質の堆積体を通過したガスの一部を酸化する段階を更に備える、請求項１７に記載の可燃性物質の処理方法。
20. 前記溶融部でガス生成時に、第１の酸化剤を投入する段階を更に備える、請求項１７に記載の可燃性物質の処理方法。
21. 前記ガスは、可燃性物質をプラズマトーチで加熱して生成されるものである、請求項１７に記載の可燃性物質の処理方法。
22. 前記加熱は、少なくとも一の非移送式プラズマトーチと少なくとも一の移送式プラズマトーチとで遂行される、請求項２１に記載の可燃性物質の処理方法。
23. 前記加熱は、非移送式プラズマトーチ及び移送式プラズマトーチの運転を交互にして遂行される、請求項２１に記載の可燃性物質の処理方法。
24. 堆積した可燃性物質を前記溶融部に移送する段階を更に備える、請求項１７に記載の可燃性物質の処理方法。
25. 前記ガスは、１４００℃以上の温度を有する、請求項１７に記載の可燃性物質の処理方法。
26. 前記酸化する段階を経たガスは、１２００℃以上の温度を有する、請求項１９に記載の可燃性物質の処理方法。
27. 前記酸化する段階は、第２の酸化剤投入によって遂行される、請求項１９に記載の可燃性物質の処理方法。

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