JP4486377B2 - 粉状バイオマスを利用する廃棄物溶融処理方法 - Google Patents

Description

本発明は、一般廃棄物、産業廃棄物等の廃棄物の溶融処理方法に関し、特に粉状バイオマスを利用する廃棄物溶融処理方法に関する。

一般廃棄物、産業廃棄物、あるいはそれらを乾燥、焼却、破砕処理等によって得られた処理物、これら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等の廃棄物を処理する方法として、廃棄物を溶融してスラグ、メタルとして再資源化する方法が実施されている。

廃棄物を直接溶融処理する方法にシャフト炉式廃棄物溶融炉が使用される（特許文献１参照）。これは図２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３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２を有している。下段羽口３からは酸素または酸素富化空気を供給し、上段羽口２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１３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３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２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、メタルとして出滓口１３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、廃熱が回収された後、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。

一方で、地球温暖化防止の観点からＣＯ_２削減のために、短期間サイクルでのＣＯ_２循環、固定化が可能なバイオマス資源の活用に関する開発が推進されている。

直接溶融炉設備においても、化石燃料から作られたコークスを溶融熱源として用いるので、環境に対するＣＯ_２負荷を削減するためにコークス使用量を削減させるための技術が提案されている。例えば、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。
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

バイオマス資源のうち、食品廃棄物、家畜糞尿、下水汚泥、し尿汚泥については、適正処分が必要であるが、臭気の問題や輸送効率の問題から、発酵処理による堆肥化が主に実施されてきた。しかしながら、堆肥化の場合、輸送限界の観点から、発生元と利用元が近設し、さらに儒給バランスが取れていることが条件となるため、堆肥が余剰となるケースが多くなっている。

一方、これらのバイオマス資源利用のために、発酵ガス化や熱分解ガス化発電等新技術が開発されつつあるが、新規の設備投資が必要であるだけでなく、その過程で発生する発酵処理後の残渣や熱分解後の炭化物の処理先を確保することが必要となる。炭化物の処理先として、自家発電や事業用発電所での燃料として利用する試みがあるが、バイオマス資源を発電用に利用する場合、燃焼灰中のアルカリ分やリン濃度が高く、ボイラー管の付着によるトラブルの問題が発生するために、極少量の利用にとどめる必要がある。

また、廃棄物溶融炉においては、溶融炉から飛散する可燃性ダストを捕集して下段羽口から酸素と共に吹き込むことによりコークス消費量の低減を行ってきたが、飛散する可燃性ダストは、廃棄物の組成によって増減するために、コークスの代替機能とするために必要な十分な量が必ずしも得られないといった問題があった。

そこで、本発明は、バイオマス資源を廃棄物溶融炉でコークス代替の溶融用熱源として利用するとともに、化石燃料起源のＣＯ_２発生を抑制することができる粉状バイオマスを利用する廃棄物溶融処理方法を提供するものである。

本発明は、複数段の送風羽口を有するシャフト炉式廃棄物溶融炉に廃棄物をコークス、石灰石と共に装入し、上段送風羽口から空気を送風するとともに、下段送風羽口から酸素富化空気を吹き込んで、廃棄物を乾燥、熱分解、燃焼、溶融処理する廃棄物溶融処理方法において、粒径が１０ｍｍ以下のバイオマスの粉状炭化物を気送搬送させ、かつバイオマスの粉状炭化物の吹込量に対して下段送風羽口から送風される酸素と下段送風羽口から送風される空気中に含まれる酸素の合計量の反応モル比が０．５〜１．０になるように下段送風羽口から炉内に吹き込んで燃焼させることを特徴とする。

本発明は、廃棄物溶融炉において、下段送風羽口から粉状バイオマスを吹き込んで炉内で燃焼処理させることによりコークス消費量が抑制できるため、化石燃料起源のＣＯ_２発生が抑制できるだけでなく、溶融炉での廃棄物処理量を低下させることなく、バイオマス起源の燃料の利用を行うことができる。さらに、廃棄物溶融炉の後段の排ガス処理系でボイラーによる蒸気回収発電を行うことにより、熱エネルギー、電気エネルギーへの変換の際に、同様に化石燃料起源のＣＯ_２発生を抑制できる。

バイオマスはＦＡＯ（国際食料農業機関）によって分類されており、本発明では、林地残材、間伐材、未利用樹、製材残材、建設廃材、稲わら、籾殻等の木質系バイオマスまたは、製紙系バイオマス、農業残渣、家畜糞尿、食品廃棄物等の未利用バイオマス資源の乾留処理後の炭化物を利用する。

本発明においては、バイオマスの乾留処理後の炭化物の粉状物を利用する。

炭化物の製造は、例えば木質系バイオマスの場合、木質系バイオマスを粉砕したものを乾留し篩選別するか、乾留したものを篩選別、粉砕することにより製造する。通常、乾留したものを粉砕する方が強度が弱いため、より容易であり、所要動力も少なくて済む。乾留炉としてバッチ炉、ロータリーキルンあるいは流動床、シャフト炉などで乾留することにより製造する。また、乾留炉の後段にサイクロン等の集塵機を設けるが、そこで集じんされたダストをそのまま粉状の炭化物として使用することが可能である。更には、乾留炉の排ガス中に含まれるタール分を分解するために、８００〜１２００℃に部分酸化することが考えられるが、未分解のダスト分やスス等も粉状の炭化物として利用可能である。

図１は本発明による廃棄物溶融処理の工程を示す図である。図２に示す廃棄物溶融炉と同一の構成には同一の符号を付してその説明は省略する。図１において、下段送風羽口３から粉状バイオマスを吹き込む。

下段羽口に吹き込む粉体は、水分２５質量％以下の乾燥物とすることで、炉内羽口先での水分乾燥熱、水性ガス化反応の吸熱（Ｃ＋Ｈ_２Ｏ→ＣＯ＋Ｈ_２）を考慮した上で、コークス代替熱源として寄与する。

揮発分を５質量％以上にするのは、炉内では常温で粉体を吹き込むため、揮発分がないと、着火に要する時間が長く、炉底でコークス代替として寄与しないためである。

粒径を１０ｍｍ以下とするのは、羽口への気流搬送上、必要なサイズである。また、羽口先で火炎を形成し、燃焼することで、コークスより先に酸素と反応し、コークス代替となるために必要なサイズである。

粉状バイオマスは、木質系バイオマスの炭化物のように、ほとんど無機成分がなくカロリーの高いものも存在するが、乾燥汚泥や、若干の水分を含んだ粉状バイオマスのように、カロリーも低く、燃焼性の劣るものも多く存在する。そのような炭化物を上記廃棄物溶融炉でコークス代替として利用するためには、羽口先での燃焼性を向上することが必要となる。そのため、羽口内部にＬＰＧ等のガス燃料と、Ｏ_２等の燃焼支持ガスの吹き込み口を設けることにより、ＬＰＧ／Ｏ_２の火炎を着火源とすることが可能となるため、カロリーの低いバイオマス燃料もコークス代替とすることが可能となる。

また、実験の結果、廃棄物溶融炉で効率よくコークス代替とする場合には、羽口から吹き込む可燃物の量に最適値が存在することがわかった。それは、可燃物の吹き込み量に対して、下段から送風される酸素と空気中に含まれる酸素の合計量の反応モル比（酸素比）が０．５〜１．０になるようにすることである。酸素比がそれより少ない場合には、コークスの燃焼量が多くなり、２％程度という低いコークス比率で運転を維持することが難しくなる。また、酸素比がそれより多い場合には、吹き込んだ可燃物中のＣやＨが吸熱反応を起こしスラグ温度を低温化させる。また、過剰に吹き込んだケースでは、炉内で消費されないＣが再飛散し、除じん器の捕集量が加速的に増加し、溶融炉内で処理することが不能になる。

その比率を実験的に求めたところ、酸素比が０．５〜１．０の場合が、コークス比が低いまま、スラグ温度が安定した運転が可能となることがわかった。

本実施例では、廃棄物中の灰分が１５〜２０％湿ベースの一般廃棄物の溶融処理を行い、粉状バイオマスとして建築廃材を炭化処理したものを使用した。その時の炭化物の性状は、炭素：９０％、カロリー：７０００Ｋｃａｌ／ｋｇ、平均粒度：４０μｍのものであった。吹き込んだ炭化物の量は３５ｋｇ／ｈであった。廃棄物の処理速度は８５０ｋｇ／ｈであった。

また、送風条件は、下段の送風量２５０Ｎｍ^３／ｈ、酸素量は６０Ｎｍ^３／ｈ、上段の送風量は３５０Ｎｍ^３／ｈを吹き込んだ。このとき、副資材として投入するコークスの量はごみに対して２％、石灰石は５％添加した。溶融炉より搬出されたスラグ、メタルは、平均１５００℃程度で搬出され、流動性の悪化も無く、スラグ中の鉛の含有量も０〜１０ｐｐｍと十分低く、スラグ中の溶出量も検出されなかった。これは、バイオマスを羽口より吹き込まない場合と比較して、コークス添加量で２％程度の低減効果が、バイオマスの吹き込みによって可能となった。

本実施例は、下水汚泥の炭化物を粉状炭化物として使用した。その時の炭化物の性状は、Ｃ：２５％、カロリー：２０００ｋｃａｌ／Ｋｇ、平均粒径：１ｍｍのものであった。吹き込んだ炭化物の量は１００ｋｇ／ｈであった。廃棄物の処理速度は８４０ｋｇ／ｈであった。

送風条件は、下段の送風量２５０Ｎｍ^３／ｈ、酸素量は６０Ｎｍ^３／ｈ、上段の酸素量は３５０Ｎｍ^３／ｈを吹き込んだ。このときは、炭化物のカロリーが低く、粒径も大きいため、単に吹き込むだけではコークス添加量を低減することはできなかった。そこで、羽口内部にＬＰＧ及びＯ_２の添加できる３重管羽口を用い、ＬＰＧを１Ｎｍ^３／ｈ、Ｏ_２を５Ｎｍ^３／ｈ添加した。その結果、コークス添加量を２％低減することが可能となった。

表１は、実施例１及び２の操業条件とその結果を示す表である。

本発明による廃棄物溶融処理の工程を示す図である。 従来の廃棄物溶融処理の工程を示す図である。

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
１３：出滓口
１４：熱分解残渣

Claims (2)

1. 複数段の送風羽口を有するシャフト炉式廃棄物溶融炉に廃棄物をコークス、石灰石と共に装入し、上段送風羽口から空気を送風するとともに、下段送風羽口から酸素富化空気を吹き込んで、廃棄物を乾燥、熱分解、燃焼、溶融処理する廃棄物溶融処理方法において、
   粒径が１０ｍｍ以下のバイオマスの粉状炭化物を気送搬送させ、かつバイオマスの粉状炭化物の吹込量に対して下段送風羽口から送風される酸素と下段送風羽口から送風される空気中に含まれる酸素の合計量の反応モル比が０．５〜１．０になるように下段送風羽口から炉内に吹き込んで燃焼させることを特徴とする粉状バイオマスを利用する廃棄物溶融処理方法。
2. バイオマスの粉状炭化物が、鶏糞、牛糞等の家畜糞尿、食品廃棄物、下水汚泥、し尿汚泥又はメタン発酵後残渣、建築廃材等の乾留炭化物であることを特徴とする請求項１記載の粉状バイオマスを利用する廃棄物溶融処理方法。

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