JP4336226B2 - 廃棄物溶融処理方法 - Google Patents

Description

本発明は、一般廃棄物、産業廃棄物、又はそれらとそれらを乾燥、焼却、破砕処理等によって得られた処理物（焼却灰やそれを一度埋め立て処理後、再度掘り起こした土砂分を含む埋め立てごみ）や汚泥等の廃棄物をシャフト炉式廃棄物熔融炉で燃焼・熔融処理するに際し、その燃焼・熔融効率を向上させ、操業コストの低減を図った廃棄物溶融処理方法に関する。

近年、大半の廃棄物は、焼却炉方式で処理されてきたが、焼却方式では焼却灰の処分場を必要とする等の欠点がある。特に、大都市圏では焼却灰の処分場の確保が困難であり、従って、廃棄物を焼却炉で焼却した後の焼却灰を溶融して減容化する方法、又は、廃棄物を直接溶融し、スラグ、メタルとして再資源化する方法の必要性が高まってきた。

廃棄物を直接溶融する方法としては、例えば、シャフト炉式廃棄物溶融炉がある（特許文献１参照）。これは図５に示すように炉本体１は、シャフト部１ａと下部の朝顔部５とからなり、朝顔部５の下端には燃焼溶融帯用の下段羽口２を設けると共に、その上方には熱分解帯用の複数段の上段羽口３を有している。

下段羽口２からは酸素または酸素を富化した空気を供給し、上段羽口３からは燃焼支持ガスとして空気を供給している。

炉本体の上部には処理対象となる廃棄物や助燃剤としてのコークス、塩基度調整剤としての石灰石等を炉内に装入する装入口１１が設けられ、炉本体下端部には廃棄物を溶融処理した後のスラグ、メタルの出滓口１９が設けられている。

上記構成にあって、装入された廃棄物１ｂは、溶融炉本体１の上層から乾燥帯６、熱分解帯７、燃焼溶融帯８を経過して溶融処理される。

下段羽口２から供給した酸素又は酸素富化空気によってコークス４や熱分解残渣１４を高温で燃焼し、溶融熱源とし、一方、上段羽口３からは空気を供給して主に廃棄物の熱分解残渣１４を燃焼し、発生したガスで廃棄物の乾燥及び熱分解を行う。溶融した廃棄物はスラグ、メタル１８として出滓口１９より排出される。

高温の燃焼排ガスは、シャフト炉内の廃棄物の充填層を対向流として上昇させ、溶融炉本体上部の排ガス管１２から可燃ガスとして回収するか、又は、燃焼室へ供給される。燃焼室には空気供給管を介して燃焼用空気が供給され、室内で燃焼される。燃焼排ガスは、排ガス管を通ってボイラーへ導入され、排熱を回収された後、減温塔で温度を調整して集塵機に通し、更には、触媒反応塔で公害物質を除去した後、煙突から排出される。

その際、燃料源となるコークスを出来るだけ少なくして被処理物を効率よく燃焼熔融せしめるための手段として、炉頂から排出した可燃性ダスト（チャー）を捕集し、再度熔融炉本体へ羽口を介して装入する方法（特許文献２、３参照）、また、廃プラスチックを破砕し、同じく羽口から又は大きなものは炉頃から装入する方法（特許文献４参照）等がある。吹込むものは、捕集ダストや廃プラスチックだけでなく、一般廃棄物のＲＤＦ燃料等の破砕可燃物でもよい。
特開２００１−９０９２３号公報 特開平８−２８５２５０号公報 特開２００１−２１１２３号公報 特開平１１−１５３３０９号公報

前記特許文献に記載されている捕集したチャーや廃プラスチック等の微細の可燃性廃棄物又はその中間処理物を、羽口を介して炉本体内へ吹き込んだ場合に次の問題点があった。

図４は可燃ダスト量の増加による炉内温度変化を示すグラフである。ダストを吹き込む時、吹込ダスト量が比較的少ない場合には、図４のＡに示すように、炉内温度は高く、ダストの粒子径はコークスに比べて十分小さく比表面積が大きいため燃焼速度は速く、コークス消耗を抑えることに寄与する。

しかしながら、吹込ダストの量をさらに増加し、さらにコークスの消耗を抑えようとすると、常温で吹き込まれるダストは固体の初期昇温のためにコークスベッドから顕熱を奪うため、図４のＢに示すように、最高温度の位置が上昇するとともに、温度が低下してコークスベッドは十分な温度を維持できなくなるので、これを運転継続するためには、酸素富化量をアップし酸素濃度をあげる必要があり、コークスは吹込むダスト熱量相当の削減ができないだけでなく、コークスと酸素富化量の総合的なエネルギ一削減が達成できず十分な効果が得られない。また、酸素富化量をアップし酸素濃度を上げない場合は、溶融物の温度も低下し、運転継続も困難となるので、ダスト吹込によるコークスの削減は限界が生じる。

そこで、本発明は、炉底に吹込むダストを効果的に燃焼し、従来よりコークスの消耗を抑え、また炉底に吹込むダスト量を、従来より多く吹込めるようにし、ダストの燃焼熱で溶融物の温度を保持することができる廃棄物溶融処理方法を提供するものである。

本発明は、廃棄物を、コークスベットを形成するシャフト炉式溶融炉で溶融処理し、溶融物として排出する廃棄物溶融処理方法において、前記シャフト炉式溶融炉の炉底部近傍に燃焼溶融炉を設け、該燃焼溶融炉の炉底部と前記シャフト炉式溶融炉の炉底部とを連通せしめ、前記シャフト炉式溶融炉の炉頂から排出され、捕集された可燃性ダストを、該可燃性ダスト吹込量と空気、酸素富化量を調節して燃焼溶融炉に吹込んで燃焼・溶融し、前記燃焼溶融炉の燃焼排ガスをシャフト炉式溶融炉の前記コークスベットに排気して溶融熱源として利用することを特徴とする。

本発明は、廃棄物溶融炉に連設した燃焼溶融炉又は保熱炉でダストを燃焼させることにより、従来よりコークスの消耗を抑えることができる。また炉底に吹込むダスト量を従来より多く吹込むことができる。

溶融物を連続的に排出する場合、保熱・均質化のための保熱炉に補助燃料を供給する必要があったが、ダストを熱源として保熱が可能となり、ごみの自己エネルギを利用できるので、連続出湯時の保熱炉の補助燃料が不要となり、運転費、ＣＯ_２発生を抑制でき、熔融炉本体内の加熱効率を向上させ、操業コスト減を図ることができる。

また、本発明では、微細な可燃廃棄物及びその中間処理物を併せて処理することができる。

また、還元燃焼する場合、溶融物中の重金属が、還元ガスとの接触時間が長く取れるので十分還元揮発され、溶融物を再資源化する際に問題となる重金属の含有割合を低減可能となる。

燃焼溶融炉又は保熱炉では、コークスベッドへの吹込と異なり、必要な燃焼空間を確保することで、ダストの燃焼が維持される。ダストの理論燃焼空気に対し空気比１以上で燃焼する場合、酸素がほぼ消失する空間を確保し、燃焼ガス温度が最高に達したところで、溶融物の保熱部に燃焼ガスを導入し保熱を行う。ダスト中の灰分はダストの燃焼により溶融し、旋回による遠心力で壁面に捕捉されるか、シャフト炉で溶融された溶融物と合流し、排出される。

空気比１以上で運転すると、炉底部に導入する排ガスは酸素が残存し、高温の酸素含有ガスで炉底部のコークス及び廃棄物を燃焼し、廃棄物中灰分の溶融に効果的に寄与するため、吹込むダスト量が多くとも、ダスト熱量に応じたコークス熱量分の削減が可能となる。

また、燃焼溶融炉では、コークスベッドへの吹込と異なり、ダスト以外のコークスや廃棄物が存在しないため、ダストと共に溶融炉に供給する酸素はダストの燃焼のみに利用される。また、供給酸素は流量計により、ダストは重量計や切出容積により計量すれば、空気比の厳密な制御が容易に可能となる。さらに、燃焼部に温度計やガス分析計を設置すれば、燃焼状態も監視可能となり、より厳密な制御も可能となる。

ダストの理論燃焼空気に対し空気比１未満で還元燃焼する場合、ダストが燃焼し、さらに、ＣＯ_２＋Ｃ→２ＣＯに代表されるガス化反応がほぼ完了する空間を確保し、ダストがほぼガス化したところで、溶融物の保熱部に燃焼ガスを導入し保熱、及び溶融物中の重金属の還元揮発を行う。

ダストの理論燃焼空気に対し空気比０．５未満は、還元燃焼でも酸素不足となり、ダストのガス化は出来ないが、燃焼排ガス温度を溶融物温度より高く維持すれば、炉底部に導入されるまでにダスト固体の昇温が可能となるので運転可能となる。炉底部に燃焼された還元排ガスは、十分高温のため下段羽口から供給する空気又は酸素富化空気により羽口先で高温安定燃焼するので、ごみ中灰分の溶融に効果的に寄与するため、吹込むダスト量が多くとも、ダスト熱量に応じたコークス熱量分の削減が可能となる。

図１は本実施例の廃棄物溶融炉の断面図で、図５に示す廃棄物溶融炉と同一構成については同一符号を付してその説明は省略する。

図１において、炉頂より装入された廃棄物は、シャフト部１ａの乾燥帯６にて乾燥され、熱分解帯７、燃焼溶融帯８にコークスと共に降下する。熱分解帯用の上段羽口３より空気を吹込み、乾燥され一部熱分解した廃棄物を主に燃焼する。

燃焼溶融帯用の下段羽口２より酸素富化した空気を吹込み、主にコークスベット４を形成するコークスと一部廃棄物の熱分解残渣１４を１５００℃以上で高温燃焼し、廃棄物中の灰分を溶融し、１４００℃以上の溶融物１８として炉床部１０に設置した出滓口１９より排出される。

廃棄物溶融炉１の炉床部１０に連通する燃焼溶融炉１６に設けられた可燃ダスト吹込用羽口１７からは、可燃ダストと空気又は酸素富化した空気を吹込み、可燃ダスト燃焼溶融炉１６内で燃焼炉出口温度で１４００℃以上の高温燃焼を行い、その排ガスを連結口を通じてコークスベッド４に排気する燃焼溶融炉１６の排ガスが可燃性ガスの場合には、下段羽口２でコークス４と一部廃棄物の燃焼残渣１４と共に燃焼し溶融熱源として寄与する。燃焼溶融炉の排ガスが可燃性でない場合でも高温排ガスのため炉内の燃焼残渣の昇温や溶融熱源として利用可能となる。

表１は本発明と従来例を比較したものである。

表１に示すように、従来例２では、従来例１の可燃ダストを添加せずに廃棄物処理量１０００ｋｇ／ｈコークス添加量５０Ｋｇ／ｈで運転中に可燃ダスト吹込５０ｋｇ／ｈを行い、その可燃ダスト中の可燃分はコークスで２０Ｋｇ／ｈ相当のため、コークス添加量３０Ｋｇ／ｈに低減可能であるが、可燃ダストの燃焼遅れのために溶融物の温度を１４００℃以上に安定して維持するためには、燃焼溶融帯用羽口から吹き込む燃焼支持ガスの酸素濃度は、純酸素量を増加して３０％を４０％にする必要があった。

更に、従来例３で可燃ダストをｌ００Ｋｇ／ｈに増量し、その可燃ダスト中の可燃分はコークスで４０Ｋｇ／ｈ相当のため、コークス添加量１０Ｋｇ／ｈに低減しようとしたところ、炉床部のコークスベッドはコークス添加量を低減したために小さくなり、可燃ダストの固体温度を昇温する熱源が不足し、可燃ダストの燃焼遅れを助長するため、前記酸素濃度を５０％に増加しても、溶融物の温度は１４００℃以下に低下し安定溶融の継続は困難であった。図４のグラフに示すように、可燃ダスト量の増大につれ、燃焼溶融帯の最高温度は上方に移動且つ最高温度は低下するので、溶融物は滴下過程において燃焼ガスにより冷却されてしまうことが主因である。

一方、本実施例では、可燃ダストは、シャフト炉式溶融炉の炉床部近傍に設置した可燃ダスト燃焼溶融炉１６に空気とともに吹きこまれ、廃棄物の可燃ダストは可燃分２５〜４５％、灰分７５〜５５％程度で揮発分も多く含まれるため、燃焼溶融炉内の耐火壁から熱輻射を受け、安定燃焼が可能となる。

表１に示す実施例１は、可燃ダスト量に対し、ほぼ空気比１．０となるように可燃ダスト吹込用羽口から可燃ダスト吹込量と空気、酸素富化量を調節した例である。図３に示すように、酸素濃度２１％の空気でも空気比０．９〜１．１程度で１４００℃以上の高温燃焼が可能であり、酸素濃度３０％にすれば、空気比０．７〜１．４程度でも１４００℃以上の高温燃焼排ガスを生成することが可能である。

実施例１では、空気比１、酸素濃度３０％の条件のため、可燃ダストの燃焼排ガス温度は１５００℃を超える温度で燃焼し、可燃ダスト中の灰分が溶融し、シャフト炉燃焼溶融部にその排ガスが導かれることで、シャフト炉上部から装入された廃棄物中の灰分の溶融熱源として利用される。

燃焼溶融用の下段羽口２からは、廃棄物中の可燃物が乾燥、熱分解され降下し、熱分解帯用の上段羽口３で一部燃焼し、その残渣中の可燃分と少量のコークスを酸素濃度で３０％で高温燃焼し、灰分を溶融している。この際、可燃ダストの燃焼排ガスは溶融温度より十分高温なので、溶融物は冷却されることがないだけでなく、溶融熱源として効果的に利用される。また、燃焼溶融炉１５の可燃ダスト吹込用羽口１７の可燃ダストに対する空気比が１以下の還元燃焼を行えば、高温可燃性ガスが生成されるので、下段羽口２から吹き込む燃焼支持ガスにより可燃性ガスは燃焼され、溶融熱源となるだけでなく、燃焼溶融帯に可燃ダストの高温燃焼排ガスが導入され、下段羽口２近傍の温度が上昇するので、前記のように溶融物が滴下過程において燃焼ガスにより冷却されることはなくなる。

燃焼溶融炉での可燃ダストの燃焼滞留時間は、０．５秒以上望ましくは１秒以上確保すれば、ダストの燃焼はほぼ完了する。また、燃焼溶融炉は旋回流燃焼が望ましく、フレームの保炎性向上、滞留時間の増大、ダスト中灰分の溶融物の壁面での捕捉が可能であり、燃焼溶融炉の小型化が可能である。

ダスト中の灰分は、燃焼過程で溶融し、燃焼溶融炉壁面やシャフト炉炉底部の燃焼溶融帯に捕捉され、シャフト炉式溶融炉で生成した溶融物とともに排出される。なお、コークスの使用量は、本発明により、可燃ダストや可燃性微細廃棄物等の吹込量をコークス熱量相当に完全に置き換え廃棄物中灰分の溶融熱源を確保することができれば、皆無にすることも可能である。

なお、炉形状は本実施例では朝顔部５を形成する例を示すが、燃焼溶融炉への可燃ダスト吹込量を増加し、その排ガス量の増加に伴い、シャフト炉炉底部の断面積を大きくする際は、シャフト部と同径にすることも可能で、朝顔部は必ずしも必要とはならない。

図２は本発明による実施例２の廃棄物溶融炉の断面図で、図５に示す廃棄物溶融炉の同一構成については同一符号を付してその説明は省略する。

廃棄物溶融炉において、溶融物の排出を連続的に行う場合は、通常保熱炉及び保熱用熱源が必要である。即ち、溶融物の内比較的低融点のものは１２００℃〜１３００℃程度で燃焼溶融帯から滴下し始めるが、燃焼溶融帯用の下段羽口上の最高温度点よりも下では、滴下溶融物に対し加熱する手段がないだけでなく、炉体の熱放散により溶融物は冷却されるため、滴下過程で加熱できるように電気誘導加熱を用いたり、排出口に保熱炉を備え、ＬＰＧや灯油等の外部源で加熱し、溶融物の温度低下による排出不良や閉塞が生じないようにする。

本実施例によれば、図２において、炉頂から排出され除塵器で捕集した可燃ダストを可燃性ダスト吹込用羽口１７より前記保熱炉１５に吹き込んで燃焼溶融炉と兼用すれば、廃棄物の一部である可燃ダストを熱源として循環利用することで、溶融物の熱保持さらには溶融物の加熱が可能となるので、電気、ＬＰＧや灯油等の外部熱源が不要となるだけでなく、シャフト炉の燃焼溶融部の溶融熱源としても有効に作用する。

さらには、連続排出する際にしては、溶融スラグの性状がばらつくが、この構造では保熱部分でスラグがある滞留時間を経て未溶解物の溶解、性状の均質化、更にはスラグ中に微量含まれる重金属分がガス化揮散し、より均質で無害なスラグを生産することが可能となる。

なお、炉形状は本実施例ではスラグの出滓口を燃焼溶融炉の直下に形成する例を示すが、燃焼溶融炉からの未酸化のダストがスラグ出滓口より直接的に排出されることを防止するために、スラグ出滓口を燃焼溶融炉の下流側（図２でいう右側）に設置することも可能である。

実施例１の廃棄物溶融炉の断面図である。 本発明の第２実施例を示す断面図である。 可燃ダスト燃焼時の空気比と燃焼溶融炉の出口温度の関係を示すグラフである。 可燃ダスト量の増加による炉内温度変化を示すグラフである。 従来の廃棄物溶融炉の断面図である。

符号の説明

１：溶融炉本体
１ａ：シャフト部
１ｂ：廃棄物
２：上段羽口
３：下段羽口
４：コークス
５：朝顔部
６：乾燥帯
７：熱分解帯
８：燃焼溶融帯
１０：炉床部
１１：装入口
１２：排ガス管
１４：熱分解残渣
１５：保熱炉
１６：燃焼溶融炉
１７：可燃ダスト吹込用羽口
１８：溶融物（スラグ）
１９：出滓口

Claims (1)

1. 廃棄物を、コークスベットを形成するシャフト炉式溶融炉で溶融処理し、溶融物として排出する廃棄物溶融処理方法において、
   前記シャフト炉式溶融炉の炉底部近傍に燃焼溶融炉を設け、該燃焼溶融炉の炉底部と前記シャフト炉式溶融炉の炉底部とを連通せしめ、前記シャフト炉式溶融炉の炉頂から排出され、捕集された可燃性ダストを、該可燃性ダスト吹込量と空気、酸素富化量を調節して燃焼溶融炉に吹込んで燃焼・溶融し、前記燃焼溶融炉の燃焼排ガスをシャフト炉式溶融炉の前記コークスベットに排気して溶融熱源として利用することを特徴とする廃棄物溶融処理方法。

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