JP3734177B2 - 塵芥の溶融方法 - Google Patents

Description

本発明は塵芥をガス化溶融する塵芥のガス化溶融方法に関する。

塵芥を焼却する分野において、近年ダイオキシンの発生抑制や灰処理の簡易性の面から塵芥をガス化し、その残渣を溶融スラグ化して排出するガス化溶融炉が使用されてきている。
このガス化溶融炉の一つにシャフト炉型ガス化溶融炉があり特公昭５３−１６６３３号公報および特公昭６０−２２２４４号公報等に記載されている。炉体の下部にコークスベッドを設けて、その上部に塵芥を堆積させてコークスベッドの熱で塵芥を酸素欠乏状態でガス化および一部燃焼し、残渣はコークスベッドで溶融されてスラグ化させる。そのスラグ化した残渣を炉外へ排出して急冷し、セラミック状態となったものを適宜埋め立て処分するものである。

上記したガス化溶融炉は、塵芥の堆積高さを大きくすることにより、熱ガスと塵芥との接触時間が長くできて、熱ガスと塵芥との熱交換が充分に行なえるようにしている。その結果炉頂から排出される熱ガスの温度は２００〜３００℃であるとされている。
特公昭５３−１６６３３号公報 特公昭６０−２２２４４号公報

しかし上記したガス化溶融炉は、炉体の内径に比して塵芥の堆積高さが大きいために、そこの通風抵抗が大きくなって、炉底部における炉内圧が正圧で１５００ｍｍＡｑ程度に大きくなる。その結果溶融スラグを排出するときに溶融スラグの吹き出しが生じて危険であるという課題がある。
本発明は上記した課題を解決して、炉底部の炉内圧を小さくできて、溶融スラグの吹き出しを防止できる塵芥のガス化溶融方法を提供することを目的とする。

本発明の塵芥の溶融方法は、炉体内に塵芥を投入して塵芥層を形成し、炉底からの高温ガスにより塵芥をガス化し残渣を溶融スラグ化して、炉底に設けた溶融スラグ排出口から排出する塵芥の溶融方法において、炉底から堆積した塵芥層の上面までの高さをＨとし塵芥層の上面が臨む炉体の内径をＤとしたときＨ／Ｄを２以下とし、溶融スラグ排出口を大気に開放し該溶融スラグ排出口に臨む炉底部の圧力を５ｋＰａ以下の正圧とすることを特徴とするものである。本発明においてＨ／Ｄは１．５以下であることが好ましい。また、塵芥の堆積高さＨを比較的低く抑えることでコークス層から塵芥層上面までの距離を小さくして、塵芥層を通過するガスの温度を５００〜１０００℃にすることが好ましい。

本発明は上記の構成としたから、棚吊り現象の発生を抑制し、かつ炉底部の炉内圧が小さくできて熱風や溶融スラグの激しい噴き出しを防止できる塵芥のガス化溶融炉を提供することができる。
発明の実施の形態においては加熱源としてコークスとプラズマトーチとを併用したシャフト炉型の塵芥のガス化溶融炉について説明したが、コークスとプラズマトーチの何れか一方を用いた炉でも本発明の効果に変わりはない。

本発明に係わる塵芥の溶融炉はシャフト炉の炉底部にコークス層を形成し、このコークス層をプラズマトーチから吹き込む熱風で加熱し、且つコークス層の一部を燃焼させて、この熱でコークス層の上に積層している塵芥を化学量論的空気量以下の雰囲気下で燃焼及びガス化して、それによって生じる残さである灰をコークス層で溶融スラグ化して炉外に排出するものである。
灰及びチャーは溶融スラグ化するから、それを冷却したときは溶融スラグはガラス状物質になって灰及びチャーの体積が約１／５に減ずると共に、重金属等がガラス状物質の中に閉じ込められて溶出することがない。
本発明に係わる溶融炉はコークス層に向けてプラズマトーチの熱空気を吹き込むのであるが、プラズマトーチからの熱空気の温度は１０００〜２５００℃の温度となり、それでコークス層を加熱すると共に熱空気中の酸素でコークス層の一部が燃焼するからコークス層中の温度を約１５００℃に安定的に保つことができる。

本発明の溶融炉は炉体内径Ｄに対する塵芥の堆積高さＨの比（Ｈ／Ｄ）が２以下と小さくしてある。したがって本発明の塵芥の溶融方法は、空気の流通抵抗が小さくなって、炉底部における炉内圧は従来のものに比して小さくなる。即ちプラズマトーチのプラズマエアー及びシュラウドエアーの吹き出し圧は１４．７ｋＰａの正圧であるが、コークス層のある炉底部は５ｋＰａを越えない正圧になる。
この炉底部の炉内圧が５ｋＰａを越えると、溶融スラグ排出口が炉内と連通したとき炉内の約１５００℃の熱風が強く噴出するようになり、これによって炉内の熱量を多量に炉外に持ち出すという不利益が生ずると共に、炉まわりで作業する人に火傷を与える危険がある。

塵芥の堆積高さＨを比較的低く抑えることでコークス層から塵芥層上面までの距離を小さくして、塵芥層を通過するガスの温度を５００〜１０００℃にすることができるので樹脂は溶融しブリッジを形成することはない。また、樹脂が融着して大きな塊を形成した場合でも炉体内径Ｄを大きくとることでブリッジを形成しにくいのである。

しかしＨ／Ｄの値が小さ過ぎるとき、すなわち塵芥の堆積高さＨが小さ過ぎる場合は塵芥層を通過するガスの温度が高くなり過ぎるため塵芥のガス化反応が不安定になったり、塵芥の堆積高さＨの変動幅が大きくなる等の不都合が生じる。また炉体内径Ｄが大きすぎる場合は半径方向のごみ質や塵芥の安息角による塵芥の堆積高さにばらつきが生じ易くなるため、半径方向におけるガス化溶融反応を均一に維持することが困難になる。したがってＨ／Ｄの値は０．８以上が好ましく、１．０以上が更に好ましい。

次に本発明の塵芥の溶融炉の一実施の形態を図面を参照して説明する。
図１は本発明のガス化溶融炉を示す断面図であり、塵芥の溶融炉のシステムを示す概略図であり、図２は本発明に係わるガス化溶融炉のシステムを示す概略図である。
図１および図２において２は炉体で、その炉底部近傍にプラズマトーチ１とプラズマトーチ１の上方に第一の羽口３と第二の羽口４が設けてある。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、プラズマトーチから吹き出す熱風の方向は平面的には炉体の直径方向、立面的には炉底部の底と垂直部の交点方向とした。第一の羽口３及び第二の羽口４は同じく円周上６ヶ所とした。第一の羽口３及び第二の羽口から吹き込む空気は後述する二次燃焼炉空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。
炉体２は外殻２０１の内側に耐火材２０２を内貼りしたものである。

炉体２の立面的な略中間部には供給口５が設けてあり、供給口５に連接してプッシャー６が設けてあり、プッシャー６には塵芥供給装置７とコークス供給装置８が連設してある。そして塵芥供給装置７とコークス供給装置８には図示はしないが二重のバタフライ弁を設けて外気の侵入を極力遮断するようにした。
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に連設して二次燃焼炉１０、一次冷却塔１１、熱交換器１２、二次冷却塔１３、集塵機１４が連設してあり、集塵器１４の後は図示しない誘引ファン及び排気塔が連設してある。
炉体２の炉底部２１には炉体２内と連通した溶融スラグ排出口２２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とが設けてある。

次に本発明の溶融炉の操炉及び運転状況について説明する。
まず常温状態の炉体２の昇温を始める際は、炉底部２１にコークスを充填してコークス層２５を形成し、そのうえでプラズマトーチ１を点火して約１８００℃の熱空気をコークス層２５に向けて吹き込む。炉底部２１及びコークス層２５はプラズマトーチ１の熱空気とコークスが燃焼する燃焼熱で約３時間後に１５００℃程度に昇温する。そこに塵芥供給装置７からプッシヤー６で塵芥を炉体２内に供給すると共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。本実施例では塵芥に対するコークスの重量割合は２％とした。
塵芥とコークスを供給すると、コークス層２５の上に塵芥とコークスが交互に略層状になった塵芥層２６が形成される。

この塵芥層２６の高さＨを概略２０００ｍｍとなるように初期の投入量を調節し、以後は定量的に投入することで供給量と消耗量がバランスして、前記したＨのレベルを保つことができる。これにより塵芥の堆積高さＨと炉体内径Ｄとの比Ｈ／Ｄを２以下に保持する。こうすることで前記したように塵芥の棚吊り現象を抑制できると共に、炉底部における炉内圧を５ＫＰａ以下にすることができる。
本実施の形態では炉体２内に供給する空気はプラズマトーチ１及び第一、第二の羽口３、４から供給し、その総空気量は炉体２内にあるコークスや塵芥の可燃物質に対する化学量論的空気量以下にし、実際的には化学量論的空気量：総空気量の比は１：０．２〜０．５とした。

加熱したコークス層２５の上に堆積した塵芥層２６は乾燥されてその一部は上記燃焼空気により燃焼し、他の一部は前記燃焼によって燃焼空気が消費されるためガス化する。そして塵芥の燃焼によって発生した灰とガス化によって発生したチャーは約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２６中を流下して炉底部２１に溜る。炉底部２１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２２から炉外に排出される。
前記したように塵芥の供給とコークスの供給を３：１の回数割合で行なうから塵芥とコークスは概略交互に層状をなすと考えられ、しかも量的な比率は２％程度であるが、塵芥の燃焼はコークスに比してはるかに速やかであるから、上記した燃焼空気の大半は塵芥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耗は少ない。その結果塵芥層２６の上部は塵芥がリッチなゾーン２６１となり、塵芥の燃焼およびガス化が進行する塵芥層２６の中部では塵芥とコークスが混在したゾーン２６２となり、塵芥層２６の下部では殆どがコークスとなるゾーン２６３となる。その結果炉底部２１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、コークスの消耗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ものである。

次に図１の本発明の溶融炉を用いて塵芥をガス化溶融処理した実施例について説明する。
本実施例に使用した塵芥の性状を以下に示す。
塵芥種類 ：一般廃棄物（家庭ごみが主）
水分率 ：５５ｗ％
樹脂含有率 ：１２ｗ％
低位発熱量 ：３５８ｋＪ／ｋｇ
上記した性状の塵芥を以下に示す条件でガス化溶融処理した。
塵芥供給量 ：１０００ｋｇ／ｈ
コークス供給量 ： ２０ｋｇ／ｈ
総合空気量 ：７００Ｎｍ^３／ｈ
プラズマトーチからの空気量 ：１５０Ｎｍ^３／ｈ
プラズマトーチからの空気圧 ：１４．７ＭＰａ
Ｈ／Ｄ ：２．０
上記した条件で実施したが、投入された塵芥の棚吊り現象は発生しなかった。また炉底部２１の圧力は平均的に正圧で５ｋＰａであった。

実施例１と同じ性状の塵芥で、以下に示す条件でガス化溶融処理した。
塵芥供給量 ：１０００ｋｇ／ｈ
コークス供給量 ： ２０ｋｇ／ｈ
総合空気量 ：７００Ｎｍ^３／ｈ
プラズマトーチからの空気量 ：１５０Ｎｍ^３／ｈ
プラズマトーチからの空気圧 ：１４．７ＭＰａ
Ｈ／Ｄ ：１．５
上記した条件で実施したが、投入された塵芥の棚吊り現象は発生しなかった。また炉底部２１の圧力は平均的に正圧で１．５ｋＰａであった。

実施例１、２において炉体２内における各部の温度は、コクース層中で約１５００℃で大略一定しており、塵芥層２６の上部の空間では５００〜９００℃であった。
塵芥を供給し始めてから約６０分経過後に溶融スラグ排出口から溶融スラグが出始めた。溶融スラグの排出量は平均的に１時間当たり約８０ｋｇであった。

本実施例ではプラズマトーチから吹き込むシュラウドエアーの吹き込み圧を１４．７ｋＰａとしたが、上記したコークス層２５及び塵芥層２６の通風抵抗で炉底部２１近傍における圧力は５ｋＰａから１．５ｋＰａ程度となっており、溶融スラグ排出口２２から溶融スラグを押し出すには充分な差圧として作用する。しかし溶融スラグの液面が下がって炉内の熱風が噴き出してもその勢いは弱く、溶融スラグを激しく噴出させるものではない。

（比較例）
実施例１と同じ性状の塵芥で、以下に示す条件でガス化溶融処理した。
塵芥供給量 ：１０００ｋｇ／時間
コークス供給量 ： ２０ｋｇ／時間
総合空気量 ：７００Ｎｍ^３／時間
プラズマトーチからの空気量 ：１５０Ｎｍ^３／時間
プラズマトーチからの空気圧 ：１４．７ＭＰａ
Ｈ／Ｄ ：２．５
上記した条件で実施したが、炉底部２１の炉内圧は平均的に正圧で８ｋＰａであった。また炉内の塵芥層部で棚吊り現象が発生した。塵芥の堆積層の高さが高いために炉底部からの高温ガスが炉内上昇時に温度低下をきたし、塵芥層上部では２００〜３５０℃程度の温度になる。この温度では塵芥中に含まれている樹脂類が半溶融状態となるため互いに融着し合って大きな塊となり、ブリッジを形成し易くなるものと考えられる。

本発明は、塵芥をガス化溶融する塵芥のガス化溶融方法に関し、炉底部の炉内圧を小さくできて、溶融スラグの吹き出しを防止できる塵芥のガス化溶融方法に利用できる。

本発明のガス化溶融炉を示す断面図である。 本発明に係わるガス化溶融炉のシステムを示す概略図である。

符号の説明

１ プラズマトーチ、２ 炉本体、３、４ 羽口、５ 供給口、
７ 、塵芥供給装置、８ コークス供給装置、９ 排ガス口、
２１ 炉底部、 ２２ 溶融スラグ排出口、２５ コークス層、
２６ 塵芥層

Claims (2)

1. 炉体内に塵芥を投入して塵芥層を形成し、炉底からの高温ガスにより塵芥をガス化し残渣を溶融スラグ化して、炉底に設けた溶融スラグ排出口から排出する塵芥の溶融方法において、
   炉底から堆積した塵芥層の上面までの高さをＨとし塵芥層の上面が臨む炉体の内径をＤとしたときＨ／Ｄを２以下とし、溶融スラグ排出口を大気に開放し該溶融スラグ排出口に臨む炉底部の圧力を５ｋＰａ以下の正圧とすることを特徴とする塵芥の溶融方法。
2. 塵芥層を通過するガスの温度を５００〜１０００℃とする請求項１に記載の塵芥の溶融方法。

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