JP4243764B2 - 熱分解ガス化溶融システムとその昇温方法 - Google Patents

Description

本発明は、一般ごみや産業廃棄物等を熱分解する熱分解ガス化炉及びガス化炉で生成した熱分解ガス及びチャーを燃焼し、高温場を得てチャー中の灰を溶融する溶融炉を具備した熱分解ガス化溶融システムとその昇温方法に関する。

一般ごみ、産業廃棄物等の熱分解ガス化溶融システムは、燃料であるごみや廃棄物を流動床式ガス化炉へ供給し、空気不足の状態で熱分解ガス化させ、生成した熱分解ガス及び未燃カーボンと灰を主成分とするチャーを溶融炉で燃焼させることで、高温場を得てチャー中の灰を溶融スラグ化するものである。この過程でごみは減容化され、ダイオキシン類は高温場で完全に分解・無害化される。

ガス化炉及び溶融炉にはそれぞれガス化炉起動バーナ及び溶融炉起動バーナが設置されており、システム起動時は灯油などを燃料とする起動バーナを用いて昇温する。通常、起動バーナは燃料に対して供給される空気量が予め設定されており（一般に空気比１.２程度）、出力調整器によって燃料量を増減し、炉内温度を上昇させる。

ごみガス化溶融システムの特徴はごみの持つエネルギーによるガス化炉及び溶融炉の温度の維持にあるが、起動時には、灯油等の補助燃料を使用してガス化炉及び溶融炉を昇温する必要がある。これは、ガス化炉の温度を６００℃程度まで上昇させないと、ごみが安定に熱分解ガス化されないためと、ごみ中の灰を溶融するために予め溶融炉の温度を灰の溶融温度（１３００℃程度）以上に昇温する必要があるためである。

ここで、ガス化炉の昇温時には、ガス化炉起動バーナ用の燃焼空気及び流動化空気がガス化炉に供給され、ガス化炉起動バーナからの燃料と反応することで燃焼し、ガス化炉から多量の燃焼排ガス（通常６００〜９００℃）が排出される。この多量の燃焼排ガスは、ガス化炉と熱分解ガス流路で直結された溶融炉にそのまま流入する。一方、溶融炉においても溶融炉起動バーナへ燃焼用空気が供給されており、ガス化炉から送り込まれる燃焼排ガスと相まって、炉の温度が上昇しにくいという問題がある。これらの問題を解決する手段として下記の方法が考えられているが、何れも効果がないか、運用上の問題を抱えている。

(１)起動時にガス化炉の燃焼排ガスを溶融炉に流入させないようにバイパスして、２つの炉を独立に昇温する方法：この方法によると、短時間かつ少ない燃料量で溶融炉の温度を１３００℃以上にすることができる。しかしながら、起動時のガス化炉燃焼排ガスの温度及びごみガス化時の熱分解ガスの温度が６００〜９００℃と高い上、熱分解ガス中にはごみから発生する腐食性のある塩化水素が含まれているため、ガスの流路切り替えに使用できるような弁やダンパがなく、現実には使用できない。

（２）溶融炉起動バーナの燃焼用空気を酸素富化して温度を上げる方法：高酸素用のバーナ及び酸素ボンベ、あるいは酸素富化装置が必要となるためコスト高となる。

（３）ガス化炉燃焼排ガス中の酸素を溶融炉の燃焼に使用する方法：ガス化炉へはバーナ燃焼用空気以外に流動化空気等の多量の空気が供給されているため、ガス化炉の残酸素濃度は十数％と高い。ガス化炉燃焼排ガスの酸素を溶融炉の燃焼用酸素として利用すれば、溶融炉起動バーナの空気比を１未満に下げて全体のガス量を減らすことが可能となり、灯油量を増やさなくても溶融炉温度を上昇させることが可能である。しかしながら、通常のバーナは燃料に対して供給される空気比を予め設定しており（空気比１．２程度）、燃料量と空気量を独立して変えるためには、実際に現場でバーナの空気比設定を機械的に変えなければならないため、調節が難しく、臨機応変の対応ができない。

（４）ガス化炉側に燃料を供給する方法：特許文献１に開示されているように、ガス化炉側に燃料を供給すれば、溶融炉の起動バーナを廃止でき、かつ、バーナ用空気を供給する必要がなくなるので、溶融炉の昇温が容易となる。しかしながら、ガス化炉へ燃料を供給する場合には、ガス化炉の温度を溶融炉並みに高くする必要があり、耐熱温度が溶融炉よりも低い耐火材を施工しているガス化炉では耐火材の溶損度合いが大きくなるという問題がある。

なお、特許文献２には、ごみガス化溶融装置において、ガス化炉と溶融炉それぞれの起動バーナにおける空気量を燃料量とは独立して調整する技術が開示されている。しかし、溶融炉に起動バーナを設置する費用を要する。

特開平９-２３６２２０号公報（第２頁〜第３頁） 特開２００１-２９６０１３号公報（第５頁）

本発明の課題は、上記の従来のごみガス化溶融システム起動時の課題に鑑み、システムの昇温を短時間で完了し、ごみ以外の燃料の使用量を少なくすることである。

上記の課題は、廃棄物を熱分解する熱分解ガス化炉と、前記熱分解ガス化炉に熱分解ガス流路を介して接続され、前記熱分解ガス化炉で生成された熱分解ガス及びチャーを燃焼し、高温場を得てチャー中の灰を溶融する溶融炉と、前記熱分解ガス流路へ補助燃料を供給する手段と、を具備してなり、前記熱分解ガス流路は水冷方式と空冷方式に切替えて冷却可能に構成されている熱分解ガス化溶融システムにより達成される。

溶融炉の型式は旋回式とするのが望ましい。

上記構成によれば、溶融炉の起動バーナが不要となり、溶融炉の燃焼ガス量を低減できる。さらに、熱分解ガス化炉（以下、ガス化炉という）から排出される酸素濃度の高い燃焼排ガスに補助燃料を供給することで、溶融炉に流入する排ガスの温度を効果的に上昇できるため、溶融炉を短時間で昇温することが可能となる。ガス化炉から排出される排ガス中には酸素が多く含まれており、熱分解ガス流路へ補助燃料を供給することで、高温のガスが得られる。しかしながら、熱分解ガス流路の耐火材が溶損する危険性があるので、起動時には、熱分解ガス流路の冷却方式を水冷方式に切替えて、耐火材の溶損を防止する。なお、ごみ単独運転、すなわち、熱分解ガス化運転時には、熱分解ガス流路を流通する熱分解ガスの温度が６００〜８００℃程度と低いので、熱分解ガス流路の冷却方式を空冷方式に切替えて放散熱量を低減する。

溶融炉の型式を旋回式とすれば、溶融炉の内壁に高温ガスを効果的に流通させることが可能となるので、上記効果に加え、溶融炉の昇温時間をさらに短縮できる。

本発明によれば、ガス化溶融システムの起動時間の短縮が図れると共に、燃料使用量が低減され、燃料費を節減できる。また、溶融炉へのバーナ設置が不要となるので、設備費を低減できる。

以下、本発明の実施の形態につき、説明する。図１は、本発明を一般ごみ用の熱分解ガス化溶融システムに適用した場合の要部構成を示す系統図である。本実施の形態に係る熱分解ガス化溶融システムは、供給ホッパ１と給じん装置２を備えた流動床式熱分解ガス化炉（以下、ガス化炉という）３と、ガス化炉３に熱分解ガス流路５で接続された旋回式溶融炉６と、旋回式溶融炉（以下、溶融炉という）６後段に排ガスの完全燃焼のために設けられた２次燃焼室７と、２次燃焼室７に接続して設けられ排ガスからの熱回収を目的とする廃熱ボイラ８と、廃熱ボイラ８に接続して設けられた、ダイオキシン類の再合成を抑制するための排ガス温度減温装置９と、排ガス温度減温装置９の排ガス出側に接続して設けられた、ダストの捕集装置である集塵装置１０と、集塵装置１０の排ガス出側に、煙道を介して接続され、排ガスを大気に放出する煙突１１と、を含んで構成されている。

熱分解ガス流路５は、その周囲を空冷／水冷切替式ジャケット１５で囲まれており、空冷／水冷切替式ジャケット１５には、水供給設備１７、空気供給設備１８がそれぞれ流量調整弁１６を介して接続されていて、水冷方式と空冷方式を切替えて冷却できる構造となっている。また、熱分解ガス流路５には、燃料調整弁２０を介装した補助燃料供給管２１が接続され、溶融炉入口部において溶融炉６へ流入するガス温度を測定して出力する温度測定装置１２と、温度測定装置１２の出力を入力として前記燃料調整弁２０の開度を制御する制御装置１３が設けられている。補助燃料供給管２１は、図示されていない補助燃料（灯油）供給源及び圧縮空気源に接続されている。

ガス化炉３、溶融炉６には、それぞれ温度測定装置１２が設けられている。

ごみは供給ホッパ１から給じん装置２によりガス化炉３へ供給され、ガス化炉３へ供給されたごみは、ガス化炉底部に設置された散気管４から供給される流動化空気ａにより流動媒体と共に流動化する。この過程でごみは部分燃焼し、熱分解されることで熱分解ガス及び未燃カーボンと灰を主成分とするチャーが生成される。生成された熱分解ガス及びチャーは熱分解ガス流路５を経て溶融炉６へ送られ、別途溶融炉６に供給される燃焼空気ｂと反応し燃焼する。溶融炉６内は灰の溶融温度以上に保たれており、チャー中の灰は溶融し、スラグｃとなって回収される。

図２に本システムの起動操作及び各機器の温度変化を示すと共に、下記に起動操作方法を示す。
ａ・熱分解ガス流路５の冷却方式を水冷方式に切替え
ｂ・ガス化炉３にごみを供給せずに、流動化空気ａを供給しガス化炉起動バーナ１４を起動
ｃ・熱分解ガス流路５内の熱分解ガス温度が４００℃を超えた時点で、熱分解ガス流路５に燃料ｆ（灯油）を供給
ｄ・溶融炉６内の温度が１３００℃以上になるまで昇温
ｅ・ガス化炉３の層温度が６００℃を超えた時点でごみをガス化炉へ供給
ｆ・ガス化炉起動バーナ１４及び熱分解ガス流路５への燃料の供給を停止
ｇ・通常のガス化運転へ移行後、熱分解ガス流路５内のガス温度が８００℃以下で、熱分解ガス流路５を空冷方式に切替え

熱分解ガス化炉３における安定な熱分解反応を維持するためには、あらかじめガス化炉流動層部を流動化させる必要がある。このため、ごみが供給されない起動時においてもガス化炉３へ流動化空気を供給する必要がある。起動直後は層温度が低く、層内媒体である砂の流動化に必要な空気の上昇速度を確保できないため、層は流動化していない。次に、ガス化炉起動バーナ１４を起動する。ガス化炉起動バーナ１４は層部分を効率的に加熱できるように、層表面に火炎が衝突するような位置・姿勢に設置されている。時間の経過に伴い、ガス化炉耐火壁及び流動媒体である砂の温度が上昇し、空気の上昇速度が増加するため、砂が流動化を開始する。

熱分解ガス流路５を流通するガス化炉３からの燃焼排ガスの温度が、吹き込まれた灯油が安定して燃焼可能な温度である４００℃以上になったら、補助燃料である灯油が熱分解ガス流路５に噴霧される。灯油の噴霧は圧縮空気で微粒化させる機構を採用し、噴霧液滴が短時間で蒸発するようにしてある。熱分解ガス流路５に吹き込まれた灯油は、ガス化炉３から排出される燃焼排ガス中の酸素（濃度１０％程度）と反応し、高温の火炎を形成する。溶融炉６へ流入する排ガスの温度は、ガス化炉３の温度上昇と共に上昇し、最終的に１４００℃程度に達する。溶融炉６を旋回式としているため、溶融炉内壁近傍を高温ガスが流通し、溶融炉６の内壁が効率良く加熱される。なお、起動時には熱分解ガス流路５が高温になるため、水冷方式に切替えている。このため、熱分解ガス流路５のガス温度が１６００℃程度になっても熱分解ガス流路５の壁面が溶損することはない。

溶融炉６の１３００℃への昇温は高温のガスにより短時間で完了し、ガス化炉３の層温度が６００℃程度になるのを待って、ガス化炉３へのごみ供給が開始される。ガス化炉３へのごみの供給が開始されれば、ごみのエネルギーでガス化炉３及び溶融炉６の温度保持が可能となるので、ガス化炉起動バーナ１４及び熱分解ガス流路５への燃料供給が停止され、ごみ単独でのガス化溶融運転へ移行する。その後、熱分解ガス流路５のガス温度が８００℃以下に低下した時点で、熱分解ガス流路５の冷却方式が水冷方式から空冷方式へ切替えられ、放散熱量が低減される。

本発明の実施の形態の要部構成を示す系統図である。 本発明の実施の形態に係る操作手順の例を示す補足説明図である。

符号の説明

１ 供給ホッパ
２ 給じん装置
３ 流動床式熱分解ガス化炉
４ 散気管
５ 熱分解ガス流路
６ 旋回式溶融炉
７ ２次燃焼室
８ 廃熱ボイラ
９ 排ガス温度減温装置
１０ 集塵装置
１１ 煙突
１２ 温度測定装置
１３ 制御装置
１４ ガス化炉起動バーナ
１６ 流量調整弁
１７ 水供給設備
１８ 空気供給設備
２０ 燃料調整弁
２１ 補助燃料供給管

Claims (3)

1. 廃棄物を熱分解する熱分解ガス化炉と、前記熱分解ガス化炉に熱分解ガス流路を介して接続され、前記熱分解ガス化炉で生成された熱分解ガス及びチャーを燃焼し、高温場を得てチャー中の灰を溶融する溶融炉と、前記熱分解ガス流路へ補助燃料を供給する手段と、を具備してなり、前記熱分解ガス流路は、水冷方式と空冷方式に切替えて冷却可能に構成されている熱分解ガス化溶融システム
2. 請求項１に記載の熱分解ガス化溶融システムにおいて、溶融炉が旋回式溶融炉であることを特徴とする熱分解ガス化溶融システム。
3. ガス化炉起動バーナを備え、廃棄物を熱分解する流動床式の熱分解ガス化炉と、前記熱分解ガス化炉に熱分解ガス流路を介して接続され、前記熱分解ガス化炉で生成された熱分解ガス及びチャーを燃焼し、高温場を得てチャー中の灰を溶融する溶融炉と、前記熱分解ガス流路へ補助燃料を供給する手段と、を具備してなり、前記熱分解ガス流路は、水冷方式と空冷方式に切替えて冷却可能に構成されている熱分解ガス化溶融システムの起動時の昇温方法であって、
   １・熱分解ガス流路の冷却方式を水冷方式に切替え、ガス化炉にごみを供給せずに、流動化空気を供給し、かつガス化炉起動バーナを起動する手順、
   ２・熱分解ガス流路内の熱分解ガス温度が４００℃を超えた時点で、熱分解ガス流路に燃料供給を開始し、溶融炉内の温度が１３００℃以上になるまで昇温する手順、
   ３・ガス化炉の層温度が６００℃を超えた時点でガス化炉へのごみ供給を開始し、ガス化炉起動バーナ及び熱分解ガス流路への燃料の供給を停止する手順、
   ４・通常のガス化運転へ移行後、熱分解ガス流路内のガス温度が８００℃以下で、熱分解ガス流路を空冷方式に切替える手順、
   を有してなる熱分解ガス化溶融システムの起動時の昇温方法。
   

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