JP4345043B2 - 塵芥のガス化溶融炉 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、有機化合物を含む廃棄物をガスと固形物に分解するガス化溶融炉に関する。
【０００２】
【従来の技術】
都市ゴミや下水汚泥などの有機化合物を含む廃棄物を乾燥、熱分解及び燃焼溶融するガス化溶融炉は、キルン方式、流動床方式及びシャフト炉方式に大別される。キルン方式と流動床方式は、熱供給源（例えば補助燃料としてのコークス）を用いずに塵芥の持つ熱量を利用して塵芥を溶融するため、運転経費は少なくて済むが、破砕や乾燥等の塵芥の前処理が必要でしかも処理フローが複雑であることから、処理設備全体でみると、建設費が高くなるという問題点が有る。また処理フローが複雑なので、運転やメンテナンスに熟練と多くの人手を要するという問題点も有る。
シャフト炉方式は、熱供給源を必要とするが、破砕や乾燥等の塵芥の前処理が不要で、更に処理フローが比較的簡単であるため、処理設備全体の建設費を低くできるという利点がある。また簡単な設備なので運転やメンテナンスが容易であるという利点もある。
【０００３】
シャフト炉の炉内に塵芥及び補助燃料を供給する方法として図３に示す如く炉体２の頂部から供給する方法（以下、トップチャージと記す）と図１に示す如く炉体２の側面から供給する方法（以下、サイドチャージと記す）とがある。図３、図１ともに補助燃料としてコークスを使用する例である。最初に図３を使いトップチャージのフローを説明する。シャフト炉の炉体２の頂部には供給口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が連接してあり、これらプッシャー６、塵芥供給装置７及びコークス供給装置８から供給装置６０１が構成される。炉体２の炉底部２２には炉体２内と連通した溶融スラグ排出口２３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。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に連接して二次燃焼炉１０、一次冷却塔１１、熱交換器１２、二次冷却塔１３、集塵機１４が連接してあり、集塵器１４の後は図示しない誘引ファン及び排気塔が連接してある。
【０００４】
トップチャージは、供給口５の水平方向の位置を適切に選べば塵芥及びコークスは円形断面の炉体２内の平面位置の中心点を中心に略均一に堆積し、安息角による周辺への落ち込みも円周方向に略均一となり、炉体２内での塵芥及びコークスの堆積が不均一になる度合いが小さくてすむ。しかし、トップチャージは供給装置６０１が高い位置に設置されるので建屋の屋根を高くする必要がある。また、塵芥及びコークスは一般に床上または地下ピット等の低い位置に貯蔵されるので、高い位置に設置された供給装置６０１へ搬送するためのコンベヤ、クレーン等の搬送設備が大がかりとなり、設備費、運転費ともに割高となる。また、供給装置６０１のように振動を生じる重量機器を高い位置に設置すると、それを支持する架台等も高価のものとなりコスト上不利である。
【０００５】
また、このようなガス化溶融炉では施設高さをおさえるため、通常、二次燃焼炉１０は炉体２の頂部から水平ダクト２８を介して炉体２に隣接して設置されるが、トップチャージの場合、燃焼ガスの流れが水平となる位置に供給口５があるために、供給された塵芥の内、ダスト等の小片で比重の小さいものは燃焼ガスとともに二次燃焼炉１０へ流入し、その一部は二次燃焼炉１０内で溶融してクリンカーとなって二次燃焼炉１０内の炉壁に付着して炉壁損傷の原因となり、更には一次冷却塔１１へ流出するものもあり、一次冷却塔１１以降の処理に好ましくない影響を与える。
【０００６】
次に、図１を使いサイドチャージのフローを説明する。シャフト炉の炉体２の立面的な略中間部には供給口５が設けてあり、それ以外は前記、図３のトップチャージのフローで説明したものと同じ構成である。このようにサイドチャージは比較的低い位置に供給装置６０１が設置されるので、建屋の屋根を高くする必要がなく、コンベヤ、クレーン等の搬送設備も大がかりなものでなくて済むのでコスト上有利である。また、燃焼ガスの流れが上向きとなる位置に供給口５があるために、供給された塵芥の内、ダスト等の小片で比重の小さいものが燃焼ガスとともに二次燃焼炉１０へ流入する割合は小さいので、二次燃焼炉１０内の炉壁損傷や一次冷却塔１１以降の処理への悪影響も少ないという利点がある。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしサイドチャージには以下に述べるような問題点がある。サイドチャージの場合、供給口５の水平方向の位置は円形断面の炉体２内の平面位置の端部となるので、塵芥及びコークスは供給口５に近いほど高く堆積し供給口５から遠ざかるに従って安息角により落ち込み、炉体２内での塵芥及びコークスの堆積が不均一になる度合いがトップチャージに比べて大きい。炉体２内での塵芥及びコークスの堆積が不均一になると、後述する熱供給源から上昇する高温ガスが塵芥及びコークスの層を通過する際の抵抗も不均一になり易く、その結果、低抵抗の部分により多くの高温ガスが通過し、高抵抗の部分を通過する高温ガスが少なくなり、塵芥及びコークス中での高温ガスの偏流の原因となる。
【０００８】
次に、偏流の弊害について説明する。シャフト炉方式では、例えば特願２０００−１０８５５４に示すように、後述する熱供給源から高温ガスが上昇し、この高温ガスに酸素を含ませることにより塵芥及びコークスの一部を燃焼させて反応熱を取り出し、塵芥の乾燥・熱分解・残渣の溶融を行うエネルギーとするのである。このため塵芥中での高温ガスの偏流がある場合は高温ガスと接触しない（あるいは高温ガスと接触することの少ない）塵芥の乾燥・熱分解・残渣の溶融が不十分となる。高温ガスと接触しない（あるいは高温ガスと接触することの少ない）塵芥の乾燥・熱分解・残渣の溶融を十分行おうとすると偏流がない場合に比べてより多くのエネルギーが必要となり、運転費、ひいては設備費の増大を招くので塵芥中での高温ガスの偏流は好ましくない。
【０００９】
本発明の目的は、上記問題点を解決し、低コストで、二次燃焼炉内の炉壁損傷や一次冷却塔以降の処理への悪影響も少ないシャフト炉方式のガス化溶融炉を提供することである。更に、本発明の目的は、塵芥中での高温ガスの偏流を少なくすることにより運転費、ひいては設備費の増大を防止したシャフト炉方式のガス化溶融炉を提供することである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明はシャフト炉内に塵芥もしくは塵芥及び補助燃料を供給して、炉底部に熱供給源を設けて塵芥を燃焼及びガス化し、その残さを溶融して出滓口から排出する塵芥のガス化溶融炉であって、塵芥もしくは塵芥及び補助燃料の供給口をシャフト炉の炉体の立面的な略中間部の側面に設け、塵芥層収容部の上部に炉の前記塵芥層収容部の内径より大きい内径を有する炉体部分を設け、該炉体部分に前記供給口と連接するノッチを設けたことを特徴とする塵芥のガス化溶融炉である。熱供給源としては後述するようにプラズマトーチ、コークス層が使用される。本発明は前記ノッチの炉内への張り出し寸法がシャフト炉内の塵芥がリッチなゾーンの炉内半径寸法の１／２であることを特徴とする塵芥のガス化溶融炉である。
【００１１】
【発明の実施の形態】
この炉に塵芥もしくは塵芥及び補助燃料を供給して燃焼及びガス化すると次のような行程を経る。以下、補助燃料としてコークスを使用した場合について説明する。堆積した塵芥層の上層部は供給されたばかりのものであるから、塵芥中にコークスの量が少ない塵芥リッチ部である。塵芥リッチ部では塵芥は乾燥・熱分解により可燃性ガスと残渣とに徐々に分解され、或いは一部は燃焼してその量が速やかに減少する。残渣は可燃分残渣（チャー）と不燃物（無機残渣、灰分）とからなる。そこから下層部に向かうにつれてチャーは高温ガスにより燃焼し灰分となる。コークスは塵芥に比して燃焼し難く、その量が減少しにくいから塵芥中のコークスの割合はだんだん大きくなり塵芥とコークスとの混在部を形成する。更にその下層部になると、塵芥は燃焼或いはガス化し尽くして灰あるいはチャーとなっているが、コークスは依然として多量が残存しており、ここがコークスリッチ部（コークス層）となる。コークス層まで達した灰分と無機残渣は、そこでコークスの燃焼熱あるいは後述するプラズマトーチから供給された高温ガスにより加熱され約１３００℃に達すると溶融されコークス層中を流下する。更に約１５００℃まで過熱されて炉底部に一旦溜り、溶融スラグ排出口から炉外へ排出される。
【００１２】
次に本発明の塵芥のガス化溶融炉の一実施の形態を図面を参照して説明する。図１は本発明に係わる塵芥のガス化溶融炉のシステムを示す概略図であり、図２は本発明で使用する塵芥のガス化溶融炉を示す断面図である。図４は図２のＡ−Ａ断面図である。図１及び図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高温ガス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熱交換器１２で燃焼ガスと熱交換して高温になったものを使用する。上記羽口は任意に採用することができる。高含水率の塵芥（含水率が約５０％超）を処理する場合には乾燥に多くのエネルギーを必要とするので、コークス層より上部に形成した塵芥層に向けて羽口から空気を吹込み、塵芥とコークスを若干燃焼させることが望ましい。
【００１３】
本発明で塵芥層に向けて羽口から空気を吹込む場合は、コークス層から上昇してくる高温ガスが塵芥層中で偏流をおこして塵芥との十分な熱交換が行われないことや高温ガスの温度が低下することを避けるため、塵芥層に向けて吹込む空気の量とコークス層に向けて吹込む高温ガスの量との比を適切に設定することが好ましい。
【００１４】
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。また本実施の形態では炉体２は炉本体２０と炉底体２１とを結合して、炉底体２１を炉本体２０に吊り下げる構造とし、必要あれば炉底体２１を図示しない台車上に取り外して所定の場所に移動する。そうすることで炉底体２１の補修や炉本体２０の内部の補修を便ならしめた。
【００１５】
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が連接してある。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バルブを設けて外気の侵入を極力遮断するようにした。これらプッシャー６、塵芥供給装置７、コークス供給装置８及び図示しない二重のバタフライバルブから供給装置６０１が構成される。また、図３に示すトップチャージ方式に比べて本発明のサイドチャージ方式は比較的低い位置に供給装置６０１が設置されるので、建屋の屋根を高くする必要がなく、コンベヤ、クレーン等の搬送設備も大がかりなものでなくて済むのでコスト上有利である。更に、燃焼ガスの流れが上向きとなる位置に供給口５があるために、供給された塵芥の内、ダスト等の小片で比重の小さいものが燃焼ガスとともに二次燃焼炉１０へ流入する割合は小さいので、二次燃焼炉１０内の炉壁損傷や一次冷却塔１１以降の処理への悪影響も少ないという利点がある。
【００１６】
供給口５の下部には耐火材２０２の炉内への張り出し部であるノッチ２７が設けてある。図４に示すように、ノッチ２７の炉内への張り出し寸法は（後述するように図２において２６１は塵芥がリッチなゾーンであり）シャフト炉内の塵芥がリッチなゾーン２６１の炉内半径寸法の１／２であることが好ましい。
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に連接して二次燃焼炉１０、一次冷却塔１１、熱交換器１２、二次冷却塔１３、集塵機１４が連接してあり、集塵器１４の後は図示しない誘引ファン及び排気塔が連接してある。
炉体２の炉底部２２には炉体２内と連通した溶融スラグ排出口２３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。
【００１７】
次に本発明で使用する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２２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℃の高温ガスをコークス層２５に向けて吹き込む。炉底部２２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からコークスをプッシャー６で供給する。このとき、ノッチ２７を設けない従来のシャフト炉では、塵芥及びコークスは供給口５に近いほど高く堆積し供給口５から遠ざかるに従って安息角により落ち込み（つまり円形断面の炉体２内において平面的には供給口５に近い位置ほど高く、供給口５に遠い位置ほど低く堆積し）炉体２内での塵芥及びコークスの堆積が不均一になる度合いが大きい。ノッチ２７を設けた本発明のシャフト炉では塵芥及びコークスはノッチ２７の炉内への張り出し寸法と略同寸法だけ供給口５からずれて炉体２内へ落下するので、円形断面の炉体２内において平面的には安息角による山の頂部稜線が円形断面の中心線近くになり、上記中心線に沿って塵芥及びコークスが堆積するため、巨視的には安息角による落ち込みは上記中心線を境に両側に二分され、ノッチ２７を設けない従来のシャフト炉に比べて炉体２内での塵芥及びコークスの堆積が不均一になる度合いは小さい。ノッチ２７の炉内への張り出し寸法をシャフト炉内の塵芥がリッチなゾーン２６１の炉内半径寸法の１／２にすると、安息角による周辺への落ち込みも上記中心線を境に両側に略二等分され、炉体２内での塵芥及びコークスの堆積が不均一になる度合いがより小さくて済むので好ましい。
【００１８】
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。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燃焼し、残りはガス化する。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℃に加熱されたコークス層２５からの熱風で燃焼・溶融して溶融スラグとなりコークス層２５中を流下して炉底部２２に溜る。炉底部２２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２３から炉外に排出される。
【００１９】
前記したように塵芥の供給とコークスの供給を交互に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、しかもコークスの量的な比率は２重量％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、上記した燃焼用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２２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。
【００２０】
以上、熱供給源としてプラズマトーチ及びコークスを使用した実施例について説明したが、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、熱供給源としてプラズマトーチ及び／又はコークスを使用した場合でも適用可能であることは言うまでもない。
【００２１】
【発明の効果】
以上に記述の如く、本発明の塵芥のガス化溶融炉によれば、低コストで、二次燃焼炉内の炉壁損傷や一次冷却塔以降の処理への悪影響も少ないシャフト炉方式のガス化溶融炉を提供することができる。更に、本発明によれば、塵芥中での高温ガスの偏流を少なくすることにより運転費、ひいては設備費の増大を防止したシャフト炉方式のガス化溶融炉を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来の塵芥の溶融炉に係わるシステムにおいてサイドチャージ方式の概略図であるとともに、本発明で使用する塵芥の溶融炉に係わるシステムの概略図である。
【図２】本発明で使用する塵芥の溶融炉を示す断面図である。
【図３】従来の塵芥の溶融炉に係わるシステムにおいてトップチャージ方式の概略図である。
【図４】図２のＡ−Ａ断面図である。
【符号の説明】
１ プラズマトーチ、２ 炉体、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、
２０ 炉本体、２１ 炉底体、２２ 炉底部、
２３ 溶融スラグ排出口、２５ コークス層、２６ 塵芥層
２７ ノッチ、２９ ノッチ２７の炉内への張り出し寸法
３０ 塵芥がリッチなゾーン２６１の炉内半径寸法

Claims (2)

1. シャフト炉内に塵芥もしくは塵芥及び補助燃料を供給して、炉底部に熱供給源を設けて塵芥を燃焼及びガス化し、その残さを溶融して出滓口から排出する塵芥のガス化溶融炉であって、塵芥もしくは塵芥及び補助燃料の供給口をシャフト炉の炉体の立面的な略中間部の側面に設け、塵芥層収容部の上部に炉の前記塵芥層収容部の内径より大きい内径を有する炉体部分を設け、該炉体部分に前記供給口と連接するノッチを設けたことを特徴とする塵芥のガス化溶融炉。
2. 前記ノッチの炉内への張り出し寸法がシャフト炉内の塵芥がリッチなゾーンの炉内半径寸法の１／２であることを特徴とする請求項１記載の塵芥のガス化溶融炉。

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