JP4007389B2 - 廃棄物の処理方法 - Google Patents
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- Gasification And Melting Of Waste (AREA)
Description
近年、廃棄物を燃焼、ガス化又は溶融化する廃棄物の処理炉が多数利用されている。しかし、これらの処理炉は、廃棄物の種類によっては処理に伴って発生する排ガスを流すダクトの内壁にダストが付着及び堆積し、ダクトの閉塞を招くおそれがある。例えば、廃棄物に低沸点物質が多量に含まれていると、これが炉内で蒸発し、蒸発した一部がダクトの内壁面に付着し、その後成長してダクトを閉塞する。このような場合、処理炉の運転停止を余儀なくされ、長期間にわたって安定した操業を行うことができなくなる可能性がある。
廃棄物を、基本のガス化溶融炉により処理する場合、炉内に装入した廃棄物の上端面の高さを所定のレベルに制御することが操業を安定化させるために重要である。このガス化溶融炉の立ち上げでは、バーナーの燃焼を利用して炉内温度が所定温度に到達した後に廃棄物の装入を開始し、その後、徐々に廃棄物を積み上げ、廃棄物上端面の高さを目標レベルに調整する。しかしながら、廃棄物の上端面の高さを所定のレベルまで上げるには、かなりの長時間を要する。
基本のガス化溶融炉の操業では、投入された廃棄物に含まれる炭素の一部が未利用のまま飛散してダクトを通過した後に、除塵装置によりダストとして回収される。未利用炭素を低減するには、水性シフト反応(C+H2O=CO+H2)を利用して未利用炭素をCOガスに転換することが考えられる。
基本のガス化溶融炉は、廃棄物を燃焼させて廃棄物中の有機物をガス化してエネルギーガスとして回収するとともに、廃棄物中の灰分及び金属を溶融物として回収する竪型の炉である。
廃棄物に含まれる塩素や臭素等のハロゲン類は、ダイオキシン類の発生源となる一方で、極めて付加価値の高い物質であって、効率的にマテリアルリサイクルすることが望まれる。しかし、塩素含有率が高い廃棄物の有効な処理方法及びリサイクル方法は確立されていない。現在、塩素等のハロゲン類を含む廃棄物は焼却炉により焼却処理されるが、燃焼温度が低いため、ダイオキシン類の排出を抑制するには高度なガス処理技術が必要である。
基本のガス化溶融炉によれば、医療系廃棄物や汚染土壌、さらにはポリ塩化ビフェニル(PCB)等の有害廃棄物も無害化処理することができる。
国際公開第WO00/45090号では、基本のガス化溶融炉の望ましい態様として、溶融スラグ及び溶融金属を排出する前にそれらを一旦蓄積できる空間を内部に有する湯溜まり室を備えることが開示されている。この湯溜まり室を設けることにより、炉内は常に、炉底に溶融スラグや溶融金属が貯まっていない状態であるドライハースとなり、炉の操業は安定化する。
(1)課題(a)に対する解決手段
炉内で発生した高温の排ガスを、例えば基本のガス化溶融炉等の廃棄物処理炉の炉体からダクトへ流入する前の炉内に存在する段階で冷却する。具体的には、例えば、炉の出口の近傍(ダクトの入口の近傍の炉内)に水、不活性ガス、プロセスガス又は蒸気の少なくとも一つにより構成される冷媒を吹き込むことによって、排ガスを、ダクトの入口の近傍の炉内で冷却する。これにより、ダクトの入口の近傍における排ガス中の低沸点ガス状物質の表面温度を、ダクトの内壁に付着しない温度まで、確実に低下することができる。
基本のガス化溶融炉の炉内に装入された装入物の上端面の高さを早急に操業時の制御レベルまで上げるには、炉の昇温段階から炭材を装入することが有効である。また、装入物の上端面のレベルを上げるために装入する炭材に含まれるハロゲン類の総濃度を0.1%以下とすれば、ダイオキシン類を発生させずに昇温できる。この解決手段によれば、基本のガス化溶融炉の昇温中に、バーナー燃焼を行うこととともに、ハロゲン類の総濃度が低い炭材を投入して装入物の上端面の高さを所定レベルに上げることにより、炉内の填充時間を短縮することができる。
蒸気を充填層より上の部分に吹き込むことにより未利用炭素を低減することを提案する。これにより、蒸気は、炉上部に飛散した未利用炭素とのみ接触し、ガス化する。吹き込まれた蒸気は、充填層内の熱分解残渣炭素とは接触しないため、廃棄物に含まれる灰分及び金属類の溶融化、さらには溶融スラグ及び/又は溶融金属の排出が安定的に行われる。
熱分解残渣炭素が少ない廃棄物を対象とする場合には炭材を投入することにより、充填層の上端面の位置の制御を容易に行うことができる。基本のガス化溶融炉であっても、炭材を廃棄物に混合した後に圧密して1つの塊として炉に装入することが可能である。この場合、細かい粒径の炭材を用いても飛散もなくガス通気性悪化の懸念もない。また、基本のガス化溶融炉は、火点を炉の中心部に集中させるため溶融物の通液性が悪化して安定したスラグの排出ができないといった懸念もない。したがって、炭材として高価なコークスに限定する必然性は全くなく、材木等の熱分解残渣炭素が含まれる炭材を用いることもできる。
基本のガス化溶融炉の炉体のガス排出口に接続されたダクトを介して導かれる排ガスを、(i)除塵した後に除塵された排ガスに含まれるハロゲン化水素ガスを酸回収装置により酸として回収し、回収された酸をハロゲンに転換すること、及び/又は、(ii)100℃以下に冷却して冷却された排ガスに含まれるハロゲン化水素ガスを凝縮させ、排ガスに含まれるハロゲン化水素を酸として回収することによって回収された酸をハロゲンに転換する。これにより、ダイオキシン類の排出や設備の腐食を抑制しながら、廃棄物に含まれるハロゲンをマテリアルリサイクルすることができる。
本発明では、医療系廃棄物、汚染土壌又はポリ塩化ビフェニル等を含む有害廃棄物を基本のガス化溶融炉に装入する場合には、これらの有害廃棄物を密閉容器に封入し、この密閉容器を、廃棄物装入路に直列に配置された二つのバルブを有する上述した装入装置から投入することが有効である。これにより、発生する有害ガスは、炉内で充分な高温条件での滞留時間を経て、完全に分解されて炉外へ排出される。
炉を一時的に休止した後の立ち上げの際に炉内に残留した廃棄物や冷えたスラグ等が炉と湯溜まり室との接続部を閉塞することに起因して湯溜まり室の内部の圧力が過剰に上昇することを防ぐため、湯溜まり室内の圧力が上昇した場合、湯溜まり室で発生するガスを排出するための配管を設置することが有効である。
図1は、本実施の形態で用いる廃棄物のガス化溶融炉1の詳細を説明するための概略図である。
図2は、本実施の形態のガス化溶融炉1において、ダクト6の内壁への付着物を機械的な方法により除去する廃棄物の処理装置である付着物除去装置16を模式的に示す説明図である。
次に、本実施の形態において未利用炭素を低減する手段について説明する。
炭材8及び/又は炭材36は、炉内温度をダイオキシン類が殆ど発生しない条件に昇温した後に投入する。したがって、炭材8及び/又は炭材36に含まれるハロゲン類の濃度は特に限定しない。
図4〜7は、いずれも、本実施の形態のハロゲンを回収するためのシステムフローを示す説明図である。初めに、図4及び図5により示されたシステムについて説明してから、図6及び図7により示されたシステムについて説明する。
図8は、図1に示すガス化溶融炉1に湯溜まり室73を設けたガス化溶融炉1-1を、一部簡略化して模式的に示す説明図である。なお、以降のガス化溶融炉1-1の説明では、ガス化溶融炉1と相違する部分を説明し、共通する部分の説明は省略する。
炉径:2.0m(但し、耐火物2を内張りした後における内径)
炉高:6.0m(但し、耐火物2を内張りした後における炉底から炉頂までの高さ)
溶湯排出口78の上端から廃棄物装入口4の下端までの高さ:2.8m
溶湯排出口78の上端から下段の下部羽口11の下端までの高さ:0.8m
溶湯排出口78の上端から上段の下部羽口11の下端までの高さ:1.6m
溶湯排出口78の上端から下段の上部羽口10までの高さ:3.9m
溶湯排出口78の上端から上段の上部羽口10までの高さ:4.7m
炉底から炉中心ランス9 の先端までの高さ:標準5.Om(但し、上下に可変)
下部羽口11:円周方向に3個、炉高方向に1段
上部羽口10:円周方向に3個、炉高方向に2段
蒸気吹き込み羽口33:円周方向に3個、炉高方向に1段
炉中心ランス9:1個
溶湯排出口78:1個
装入廃棄物の上端面の位置を計測する位置計測装置79:1個
下部羽口11:円周方向に120度毎の等間隔であって、先端を内張り耐火物2の表面より炉内側に100mm突き出して設置
上部羽口10:円周方向に120度毎の等間隔であって、炉軸方向から45度ずらして設置
炉中心ランス9:炉中心(炉軸上)に配置
溶湯排出口78:炉底端に配置
位置計測装置79:炉中心ランス9と側壁の間
試験に使用した廃棄物3は、シュレッダーダスト及び高濃度含塩素プラスチック屑であり、その組成を表1から表3に示す。
(a)炭材32を装入装置28から炉内に装入し、高さ1.5mまで積み上げた。
(c)下部羽口11、上部羽口10からも順次に酸素を流した。
(e)廃棄物3の投入を開始し、炭材32の装入を停止した。
(g)装入された廃棄物3の上端面の近傍の熱電対により測定される温度が600℃以上、かつフリーボード空間の熱電対により測定される温度が1000℃以上1400℃以下を常に維持するように、炉中心ランス9、上部羽口10及び下部羽口11から吹き込む酸素量を調整した。
以下、本実施例での(I)ダクト6の閉塞、(II)炉内填充時間、(III)未利用炭素の低減、(IV)廃棄物の上端面の位置の制御、(V)ハロゲンのマテリアルリサイクルについての試験結果を、以下に列記する。
(1)排ガスへの冷媒12の吹き込み
ダクト6内の閉塞物除去装置16及び閉塞防止装置の効果をみるために、鉛及び亜鉛等の低沸点物質をシュレッダーダストに各々20kg/hr添加して、ダクト6を意図的に閉塞し易くした条件で試験を行った。操業諸元及び試験結果を表4にまとめて示す。
比較例1は、図1に示す冷媒吹き込みノズル13から冷媒12の吹込みを行わなかったケースである。生成したエネルギーガスの温度は炉上部の温度測定装置80で1150℃であり、ダクト6の入口の温度測定装置81で1100℃程度を示した。
解決手段例1では、冷媒吹き込みノズル13から冷媒12として窒素ガスを吹き込み、生成したエネルギーガスがダクト6に流入する前に冷却した。エネルギーガスの温度は、温度測定装置80では1150℃であり、ダクト6の入口の温度測定装置81では950℃程度であった。また、後段のガス冷却装置に流入する直前のエネルギーガス温度は850℃程度であった。回収されるエネルギーガスのカロリーは、窒素ガス吹き込みにより、比較例1と比べ若干低下した。
解決手段例2は、図1に示す冷媒吹き込みノズル13から粒径が200μm以下の霧状化した水(ミスト)を吹き込んだケースである。エネルギーガスの温度は、温度測定装置80では1150℃であり、ダクト9の入口の温度測定装置81では950℃程度であった。また、後段のガス冷却装置に流入する直前のエネルギーガス温度は850℃程度であった。
(2)閉塞物の機械的除去
比較例2及び解決手段例3〜4は、本実施の形態の閉塞物除去装置16の効果を説明するものであり、操業諸元及び試験結果を表5に示す。
比較例2では、図2に示す差圧測定装置18の値を無視して炉内圧力をもとに閉塞度合いを予測した。そして、駆動軸19-1、19-2を昇降し、閉塞物を除去した。
図12に示すように、ダクト6の入口と出口の差圧がベース(OmmH2O)に対して100mmH2O以上増加しても、炉内圧力の上昇は見られなかった。すなわち、炉内圧力の変化は、この差圧に比較して、ダクト6の閉塞に対する反応が鈍いことが分かった。炉内圧力が顕著に増加したのは、ベース(OmmH2O)に対して差圧測定装置18の値が300mmH2O以上増加してからであった。
解決手段例3では、差圧測定装置18の値に基づいて、図2に示す駆動軸19-1、19-2を昇降し、閉塞物を除去した。
図13に示すように、差圧測定装置18の値がベース(OmmH2O)に対して50mmH2O以上増加した時点で駆動軸19-1、19-2を運転したところ、約3分間の作業で差圧測定装置18の値はベース値(OmmH2O)に戻り、その後も安定した操業ができた。この操作は、300回以上行っても駆動軸19-1、19-2の変形、及びガスシール部22からの炉内ガス漏れはなかった。
(解決手段例4)
解決手段例4では、差圧測定装置18及び炉内圧の値とは無関係に8時間に一度、図2に示す駆動軸19-1、19-2を定期的に昇降した。
表6に示す比較例3及び解決手段例5は、いずれも、炭材を用いた炉の昇温について説明するものである。
バーナーの燃焼により炉を昇温した比較例3では、昇温に48時間要した。その後、廃棄物3の装入を開始したが、装入物の上端面の高さレベルを目標値(制御値)である1.5mまで上げるためにさらに48時間を必要とした。すなわち、昇温を開始してから装入物の上端面の高さレベルの調整完了までの時間(炉内填充時間)は96時間を要した。
解決手段例5では、昇温前の段階から炭材を装入し、昇温途中も装入物の上端面の高さレベルを計測しながら、逐次、炭材の装入量を調整した。そのため、昇温完了の時点で装入物の上端面の高さレベルは、目標レベル(制御レベル)に達していた。したがって、昇温開始から装入物の上端面の高さレベルの調整及び昇温が完了し、廃棄物装入開始となるまでに要した時間は48時間となり、比較例3と比較すると半減できた。また、炭材としてハロゲン濃度が0.1%以下であるものを使用した結果、昇温途中におけるダイオキシン類の排出量を極めて低いレベルに抑制することもできた。
表7は、比較例4及び本解決手段例6の試験結果を示す。
比較例4は、図1に示すガス化溶融炉1における装入された廃棄物の上端からガス排出口5の間に設置した炉中心ランス9、上部羽口10及び蒸気吹き込みノズル33のいずれからも蒸気吹き込みを行わなかったケースである。この時の未利用炭素量は15kg-C/hrであった。
本発明例6では、図1に示す蒸気吹き込みノズル33から18kg/hrの蒸気を吹き込んだ時の試験結果を示す。未利用炭素量は3kg-C/hr まで減少した。また、未利用炭素の減少に伴って、COガス発生量が増加すること、及び蒸気が水素に転換されることにより、廃棄物3 の処理量当たりの生成ガス発熱量は増加した。また、ガス1Nm3当たり(ドライガス)のガス発熱量も2058kcal/Nm3から2070kcal/Nm3に増加した。また、炉中心ランス9又は上部羽口33から支燃性ガスとともに蒸気を吹き込んだが、同様の結果が得られた。
比較例5及び解決手段例7は、炭材投入による充填層の高さレベルを制御した結果を示すものである。各々の結果を表8にまとめて示す。
比較例5は、シュレッダーダストをガス化溶融処理した。燃料としては廃材木等の炭材の投入は行わず下部羽口11から8Nm3/hrのLPGを吹き込んだ。表1に示すようにシュレッダーダストに含まれる熱分解残渣中の炭素分(固定炭素)は5.4%と乾燥後の都市ごみと比較すると少ないものである。
解決手段例7は炭材として廃材木を投入したケースである。下部羽口11及び上部羽口10からの支燃性ガスの量は、殆ど変化させることなく、廃棄物3の上端の位置を目標制御範囲に制御できた。
(V)ハロゲンのマテリアルリサイクル
表9には、図4及び図5に示すフローに基づき行ったハロゲン回収試験の諸元及び結果を示す。ここでは、ハロゲンの代表的物質である塩素の回収を例にとって説明する。
解決手段例8では、図4に示すフロー図に基づき、塩素回収試験を行った。すなわち、ガス化溶融炉1の炉内で生成した高カロリーガス40をガス冷却装置42で冷却し、さらにダスト57をガス冷却装置42の下部で、ダスト47を除塵装置46でそれぞれ除塵した後に、塩酸回収を行った。
(解決手段例9)
解決手段例9では、図5に示すフロー図に基づき塩素回収試験を行った。すなわち、炉内で生成した高カロリーガス40を冷却装置42で100℃以下に冷却し、含まれる塩化水素ガスを凝縮することで塩酸回収を行った。
1a 炉体
2 内張り耐火物
3 廃棄物
4 廃棄物装入口
5 ガス排出口
6 ダクト
6a 入口部
6b 出口部
7 プッシャー
8 炭材
9 炉中心ランス
9a 支燃性ガス
10 上部羽口
10a 支燃性ガス
11 下部羽口
11a 支燃性ガス
11b 燃料
12 冷媒
13 冷媒吹き込みノズル
14 ノズル
15 ガス
16 付着物除去装置
17 付着物
18 差圧測定装置
19-1,19-2 駆動軸
20 昇降装置
21 冷却水
22 ガスリーク防止装置
23 バルブ
24 待機位置
25 くぼみ部分
26 前進限
27 ファイバースコープ
28 装入装置
29 二重ゲート弁
29a,29b バルブ
30 炉内監視窓
31 監視窓
32 炭材
33 ノズル
34 蒸気
35 未利用炭素
36 炭材
38 溶融スラグ
39 溶融金属
40 高カロリーガス
41 ダクト
42 ガス冷却装置
43 ノズル
44 ミスト
45 ダクト
46 除塵装置
47 ダスト
48 ハロゲン回収装置
49 水
50 ノズル
51 凝縮水
52 酸
53 他のエネルギーガス
54 ノズル
55 ハロゲン化装置
56 ハロゲン
57 ダスト
58 凝縮水
59 スラッジ
60 濾過装置
61 酸
62 凝縮水
65 除外塔
66 酸
71 苛性ソーダ
72 水
73 湯溜まり室
74 配管
75 弁
76 上端面
77 圧力測定装置
78 接続部
81 湯溜まり室羽口
81a 支燃性ガス
81b 燃料
Claims (1)
- 医療系廃棄物、汚染土壌又はポリ塩化ビフェニルを含む廃棄物を、炉体と、該炉体の上部に配置されたガス排出口と、該炉体の下部に配置された溶融スラグ及び/又は溶融金属の排出口と、該溶融スラグ及び/又は溶融金属の排出口と前記ガス排出口との間に配置された廃棄物装入口と、前記炉体の上部に炉軸に沿って配置されて支燃性ガスを下方へ向けて炉内へ吹き込むための炉中心ランスと、前記廃棄物装入口と前記ガス排出口との間の炉壁に1段以上配置された上部羽口と、前記廃棄物装入口と前記溶融スラグ及び/又は溶融金属の排出口との間の炉壁に1段以上配置された羽口とを備える廃棄物処理炉に装入して、該廃棄物に燃焼、ガス化又は溶融のうちの少なくとも1つの処理を行う際に、
前記廃棄物を密閉容器に封入し、該密閉容器を、前記廃棄物を炉内に装入するための、前記炉体の内部へ向けて斜め下方向きに、前記廃棄物装入口とは別に設けられた廃棄物装入路に直列に設けられた二つのバルブを有し、外部側のバルブを開くとともに内部側のバルブを閉じた状態で該密閉容器を該外部側のバルブと該内部側のバルブとの間の空間に供給され、該外部側のバルブを閉じてから該内部側のバルブを開くことによって、炉内ガスの炉外への洩れ、そして炉外空気の炉内への吸い込みを防止して、該密閉容器を炉内に装入して該密閉容器を充填層の上端面に到達させた後に該密閉容器に孔をあける装入装置を介して、前記廃棄物処理炉に装入すること
を特徴とする廃棄物の処理方法。
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