JP4561779B2

JP4561779B2 - 旋回溶融炉及び旋回溶融炉を用いた廃棄物のガス化方法

Info

Publication number: JP4561779B2
Application number: JP2007153068A
Authority: JP
Inventors: 晶作藤並; 秀一永東; 孝裕大下; 信一郎千葉; 修亀田; 俊男福田; 良夫小阪
Original assignee: Ube Industries Ltd
Current assignee: Ube Corp
Priority date: 1996-09-04
Filing date: 2007-06-08
Publication date: 2010-10-13
Anticipated expiration: 2017-09-04
Also published as: JP2007309642A

Description

本発明は、各種の可燃性廃棄物及び／又は石炭をガス化する旋回溶融炉及び旋回溶融炉を用いた廃棄物のガス化方法に係わるもので、サーマルリサイクル、マテリアルリサイクル、ケミカルリサイクルを目指す廃棄物の処理方法に関する。

従来、都市ごみ、廃タイヤ、下水汚泥、産業スラッジの相当割合が焼却処理設備により、また、し尿や高濃度廃液が廃水処理設備により処理されてきた。しかし、未だ多くの産業廃棄物が未処理のまま投棄され、環境を汚染するとともに埋立地の窮迫を招いた。このため、廃棄物を低温でガス化処理した後に高温で燃焼することにより、灰分を溶融スラグ化すると共にダイオキシン類を完全分解するガス化溶融システムの実用化が急がれている。

一方、国内の化学会社に於いて、石炭をガス化することにより製造した水素より、アンモニアを一貫生産する技術が既に工業化されている。ここではテキサコ式ガス化炉が用いられ、石炭を微粉砕して水スラリー化した後に酸素と共に下向きのバーナから吹き出すことにより、１５００℃の高温下にて一段でガス化を行う。石炭を６５％程度の水スラリーとすることにより、４０気圧という高圧下での安定したガス化が可能となっている。このテキサコ炉は、米国でのガス化複合サイクル発電の実証プラントにも用いられている。カリフォルニア州のダゲットで実施されたクールウォータープロジェクトや、フロリダ州タンパで実施中のタンパ電力プロジェクトがそれである。

図１５にクールウォータープロジェクトで用いられた石炭ガス化プロセスを示す。図１５において、１００はテキサコ式の廃熱ボイラ型ガス化炉、１０６は燃焼室、１０７はスラグ分離室、１０８は輻射ボイラ、１０９は水槽、１１０はロックホッパー、１１１は貯留槽、１１２はスクリーン、１１３は対流ボイラ、１１４はスクラバー、１１５は貯留槽、ａは高濃度石炭・水スラリー、ｃは酸素、ｄはスチーム、ｇはスラグ粒（ｇ_cは粗粒スラグ、ｇ_fは微粒スラグ）、ｈは生成ガス、ｉは水、ｊは未燃カーボンである。

図１６にテキサコ式ガス化炉の別の形式として、ダイレクトクエンチ型ガス化炉の断面を示す。図１６において、１０１はバーナ、１０２はスロート部、１０３は下降管、１０４はガス出口、１０７はスラグ分離室、１０６は燃焼室、１０９は水槽、１１６はスラグ出口、１１７は冷却管、ａは高濃度石炭・水スラリー、ｃは酸素、ｇはスラグ粒、ｈは生成ガス、ｋは補給水、ｍは排水、ｎはスラグミスト、ｏはスラグ層、ｐはスラグ滴である。

高濃度石炭・水スラリーａは、酸素（Ｏ₂）ｃとともに炉頂のバーナ１０１から燃焼室１０６の中に吹き込まれる。燃焼室内では高温、高圧の条件でガス化が行われ、水素（Ｈ₂）、一酸化炭素（ＣＯ）、二酸化炭素（ＣＯ₂）、水蒸気（Ｈ₂Ｏ）を主成分とするガスが生成される。石炭中の灰分は、高温のため溶融してスラグミストｎとなり、多くは壁面に付着してスラグ層ｏを形成する。スラグ層ｏを流れ下ったスラグは、スロート部１０２を経て、スラグ滴ｐとしてスラグ分離室１０７へ落下する。ガス中に残留するスラグミストｎは、ガスと共にスロート部１０２を経てスラグ分離室１０７に入る。次いで、ガスとスラグは、下降管１０３内を下降して水槽１０９中の水に吹き込まれて冷却され、その時の条件の水の飽和温度となったガスは、ガス出口１０４より排出される。一方、水砕されガラス状となったスラグ粒ｇは、水槽１０９の底部に堆積した後に、スラグ出口１１６より排出される。水槽１０９中の水は排水ｍとして別置きのセトラー（図示せず）に排出される。

廃棄物を低温でガス化した後に、高温でガス化する方法にて、後段の高温ガス化炉には、次のような問題点がある。低温ガス化炉から高温ガス化炉へ供給されるガス中には、水素、一酸化炭素等の、燃焼速度の速い可燃性ガスと、燃焼速度の極めて遅いチャーが混在しているため、酸素と接触した際に燃焼速度の速い可燃性ガスが選択的に部分燃焼されてしまう。このため、チャーのガス化転換率が低くなるという問題である。

またガスを重力と反対方向に流した場合、重力によりスラグの流れる方向と、ガスの流れる方向が逆になるため、ガスに含まれるスラグが壁に付着、成長してガスの流路を防ぐ問題があった。

本発明は、上記の問題点を解決し、各種の廃棄物を水スラリー化せずに原料とすることができ、高負荷処理が可能で未燃カーボンの少ない旋回溶融炉から構成される２段ガス化システムを提供することを課題とする。

本発明は、粉粒状固形物を含む可燃性のガス状物を１２００〜１６００℃にてガス化する燃焼室と、生成したスラグを冷却して回収するスラグ分離室を有する旋回溶融炉において、燃焼室と同軸で一体のしかも燃焼室の径の１／４〜３／４の径を有するガス状物の導入部を配し、該導入部には、供給したガス状物が旋回流を生ぜしめるように、導入部の水平断面の接線方向に向けた供給口を設けるとともに、前記燃焼室の導入部直下の周囲には、含酸素ガスを２０〜６０ｍ／秒にて吹き込む吹込口を設け、前記燃焼室の内壁面より離間した内側に、供給したガス状物が旋回する旋回流が形成され、前記旋回流は粒子状の可燃分を多く含有する外周側の旋回流とガス状の可燃分を多く含有する内周側の旋回流とを含み、前記粒子状の可燃分を多く含有する外周側の旋回流に向けて燃焼室の内壁面側から酸素を供給し、前記粒子状の可燃分のガス化を促進するようにしたことを特徴とする旋回溶融炉にある。

本発明は、可燃性廃棄物をガス化剤と接触させて粉粒状固形物を含む可燃性のガス状物を得る流動層ガス化炉と、前記粉粒状固形物を含む可燃性のガス状物を１２００〜１６００℃にてガス化する燃焼室と生成したスラグを冷却して回収するスラグ分離室を有する旋回溶融炉とを備える可燃性廃棄物の二段ガス化システムであって、
燃焼室と同軸で一体のしかも燃焼室の径の１／４〜３／４の径を有するガス状物の導入部を配し、該導入部には、供給したガス状物が旋回流を生ぜしめるように、導入部の水平断面の接線方向に向けた供給口を設けるとともに、前記燃焼室の導入部直下の周囲には、含酸素ガスを２０〜６０ｍ／秒にて吹き込む吹込口を設け、前記燃焼室の内壁面より離間した内側に、供給したガス状物が旋回する旋回流が形成され、前記旋回流は粒子状の可燃分を多く含有する外周側の旋回流とガス状の可燃分を多く含有する内周側の旋回流とを含み、前記粒子状の可燃分を多く含有する外周側の旋回流に向けて燃焼室の内壁面側から酸素を供給し、前記粒子状の可燃分のガス化を促進するようにしたことを特徴とする可燃性廃棄物の二段ガス化システムにもある。

本発明の旋回溶融炉では、可燃物の粉粒状固形物を含んだ可燃性ガスを、燃焼室直上の、燃焼室の径より小さい径の導入部に供給して旋回流を生ぜしめ、得られる遠心力によりガス中の粉粒状固形物を壁面近傍に濃縮し、旋回流を保ったまま、より大きな径の燃焼室に供給する。

前記高温ガス化炉において、含酸素ガスの吹込口は、前記導入部下方の燃焼室側面の同一平面上に離間して２箇所以上設けるか、或いは前記燃焼室の側面の上下方向に離間して設けたとしてもよく、吹き込みの方向は仮想円にほぼ接した方向が良く、また、前記燃焼室は、内部温度が１２００〜１６００℃、好ましくは１２００〜１５００℃であり、内部圧力が常圧近傍或いは５〜９０気圧、好ましくは１０〜４０気圧であるのが良く、燃焼室に吹き込む含酸素ガスは、空気、酸素富活空気、酸素のいずれか又はこれらにスチーム又は炭酸ガスを添加したものが良い。さらに前記燃焼室は、炉材中に水管を配したボイラ構造とすることもできる。

また、前記燃焼室の下に接続されるスラグ分離室は、輻射ボイラとスラグ分離室側面の間に空間を設け、前記ガス排出口を該空間の側面上部に設けると共に、前記輻射ボイラと水槽の水面の間にガス通路を設けるか、或いは、前記輻射ボイラが前記水槽の水中に没した構造とすることが出来る。

また、前述したような輻射ボイラに限定することなく、熱回収を目的としないガス導入管を輻射ボイラの代わりに用いることもできる。

また、前記燃焼室出口の開口部に、ガス整流板を設けて、スラグ分離室内の旋回流を抑制することもできる。

本発明によれば、次のような効果を奏する。
（１）溶融炉の燃焼室を旋回炉タイプとすることにより、高負荷処理が可能となった。
（２）燃焼室をボイラ構造とすることにより、炉材を保護すると共にスチームの回収量を上げられる。
（３）輻射ボイラとスラグ分離室壁面の間に空間を設け、輻射ボイラの内部を下降したガスを反転させてボイラ背面を上昇させることにより、輻射ボイラの伝熱面積を増やすことができ、スチームの回収量を増加させると共にガスの温度降下を大きくすることができる。
（４）輻射ボイラの下端を水中に没することにより、ガスとスラグを水中に吹き込み急冷させることができる。
（５）燃焼室を旋回炉型とすることにより、燃焼室内のスラグ滞留時間を長くし、未燃カーボンを減らすことができる。
（６）ガス状物の旋回流を形成し、その外周側に向けて酸素を供給することにより、粒子状可燃分のガス化転換率を高めた。
（７）ガス状物の旋回流を燃焼室の内壁面より離間した内方に形成することにより、内壁の損傷を低減できる。
本発明は、都市ごみ、廃プラスチック、石炭等の廃棄物並びに可燃物をガス化することにより、得られたガスを化学工業や燃料として利用することができる。

次に、本発明を図面により具体的且つ詳細に解説する。

図１に、本発明に係わる低温ガス化炉として流動層ガス化炉、高温ガス化炉として旋回溶融炉を用いた廃棄物の二段ガス化システムの全体構成図を示す。図１の記号は、１は流動層ガス化炉、２は流動層、３はロックホッパー、４はスクリーン、５は旋回溶融炉、６は燃焼室、７はスラグ分離室、８は輻射ボイラ、９は水槽、１０はロックホッパー、１１は貯留槽、１２はスクリーン、１３は対流ボイラ、１４はスクラバー、１５は貯留槽、ｑは廃棄物、ｂは石炭、ｃは酸素、ｄはスチーム、ｅは砂、ｆは不燃物、ｇはスラグ粒（ｇ_cは粗粒スラグ、ｇ_fは微粒スラグ）、ｈは生成ガス、ｉは水、ｊは未燃カーボンである。

図１に示した二段ガス化システムに適用可能な可燃性廃棄物には、都市ごみ、固形化燃料、スラリー化燃料、廃プラスチック、廃ＦＲＰ、バイオマス廃棄物、自動車廃棄物、低品位石炭等がある。ここで、固形化燃料とは都市ごみを破砕選別後、生石灰等を添加して圧縮成形したもの、スラリー化燃料とは都市ごみを破砕後水スラリー化し、高圧下で水熱分解により油化したものである。ＦＲＰは繊維強化プラスチックのことであり、廃バイオマスには上下水廃棄物（夾雑物、下水汚泥）、農産廃棄物（もみがら、稲わら）、林産廃棄物（のこくず、バーク、間伐材）、産業廃棄物（パルプチップダスト）、建築廃材等がある。低品位石炭には、石炭化度の低い泥炭、もしくは選炭時に出るボタ等がある。

可燃性廃棄物ｑは流動層ガス化炉１に定量供給されるが、粗破砕程度の前処理で供給できるところが、内部旋回型流動層炉を用いる大きなメリットである。廃棄物ｑの質の変動は避けられないため、石炭を一定量併用することにより、操業条件並びにガス組成の安定化を図ることができる。流動層ガス化炉１には流動化ガスとして酸素ｃとスチームｄの混合ガスが供給される。ガス化炉１に供給された廃棄物ｑと石炭ｂは、５５０〜８５０℃に保持された砂ｅの流動層２内で、酸素ｃやスチームｄといったガス化剤と接触して速やかに熱分解ガス化される。

流動層ガス化炉１の炉底からは、廃棄物ｑ中の不燃物ｆが砂ｅと共にロックホッパー３を介して排出され、スクリーン４により粗大な不燃物が分離される。スクリーン４下の砂ｅは上方に搬送され、ガス化炉１に戻される。不燃物ｆ中の金属は、流動層ガス化炉１の流動層が比較的低い温度で、しかも還元雰囲気であるため、未酸化でクリーンな状態で回収される。流動層の砂ｅが、中央部で下降し周辺部で上昇する旋回運動をするため、効率の高いガス化が行われる。ガス化により生成する固形カーボンはこの砂の旋回運動により粉砕され、微粉状となって上向きのガス流れに同伴する。ガス化炉の流動媒体として用いる砂ｅには、硬くしかも入手の容易な硅砂を用いるのが好ましい。流動媒体が硬いと、旋回を伴なう流動化により固形カーボンの微粉砕が容易となるからである。硅砂の場合、平均粒径が０.４〜０.８ｍｍのものが用いられる。

ガス化炉１で生成したガスは、固形カーボンを含んだまま旋回溶融炉５の燃焼室６の上部に旋回流を形成するように円周方向に加速して吹き込まれ、同じく旋回流を作るよう数ヵ所に分けて供給された酸素ｃと混合しながら、１２００〜１５００℃の高温で瞬時にガス化される。なお、酸素ｃには必要に応じスチームｄを添加してもよい。このため、固形カーボン中の灰分は瞬時にスラグミストｎ化される。高負荷処理に適した旋回溶融炉５を用いることにより、溶融炉５自身がコンパクトとなり、放熱損失を減らすことができる。しかも、旋回流の遠心力効果により、スラグミストｎの捕集効率を高くできる。また、ガスの滞留時間にバラツキをなくすことができるため、未燃カーボンｊの発生量を大幅に減らすことができる。燃焼室におけるガスの滞留時間は２〜１０秒、好ましくは３〜６秒である。カーボンの未燃損失が減らせれば、これをガス化炉に再供給するための設備負荷を減らすことも可能となる。

図２は旋回溶融炉の縦断面図を示し、図３は図２の矢視Ａから見た横断面図を示す。図２及び図３において、流動層ガス化炉１から供給される生成ガスｈと溶融炉５の側面から供給される酸素ｃは、仮想円柱の接線方向に吹き込まれた仮想円と同一径の旋回流を形成する。

旋回流の作る仮想円の径は、旋回溶融炉５の内径ｒの１／２〜２／３とされるが、特に溶融炉５の内径が１．５ｍより大きい場合は、炉壁より２５０ｍｍ程度離すことが好適である。仮想円の径がこれより大きいと、火炎が炉壁に直接接触することによって、炉材の損傷が加速される。また、生成ガスｈと酸素ｃの吹き込み角度については、水平より下向きに３〜１５°、好ましくは５〜１０°つけることが望ましい。生成ガスｈの吹き込みを完全に水平方向とすると、一部のチャーが燃焼室上部に出来たデッドスペースに入り込むことによって、スラグの塊状物を生じるという問題を有する。このため下向きに角度をつけて生成ガスｈを吹き込むことにより、含まれるチャーを全量旋回流中に同伴させることが可能となる。ただし、この吹き込み角度を大きくとりすぎると、旋回流の流れと流れの間に隙間を生じ、燃焼室内の実質的なガス滞留時間を短くして、ガス化効率を低下させるといった問題を生じる。酸素ｃの吹き込み角度についても、この生成ガスｈの作る旋回流の流れを乱すことなく、むしろ助長するように同一角度とすることが望ましい。

以上述べた生成ガスｈと酸素ｃの吹き込み方法については、特に図１７に具体化して示す。図１７に示されるように、生成ガスｈと、酸素ｃとスチームｄの吹き込み角度は水平より下向きに傾いている。

流動層ガス化炉１から供給される生成ガスの流速は１０〜３０ｍ／秒、旋回溶融炉５の側面から供給される酸素ｃの流速は２０〜６０ｍ／秒とされる。

ガス状物に、チャー等の可燃性粒子が多く含まれる場合は、酸素に水蒸気を混入させることが望ましい。水性ガス化反応で、カーボンをＣＯと水素に転換するための必要な水蒸気が、流動層ガス化炉に吹き込まれる水蒸気だけでは不足するからである。

このようにガス化ゾーンを旋回させることにより、チャーｒと酸素ｃを直接接触させることで、カーボン転換率を高くするとともに、冷ガス効率を引き上げ、また旋回径を炉壁から離すことによって耐火物の損傷を低減し、耐火物からボイラ管への放熱を下げることが望ましい。

旋回溶融炉５における燃焼室６出口のスラグ分離室７との接続部の構造については、旋回流を減衰させること、輻射ボイラ８にスラグが付着しないことの２点を勘案する必要がある。スラグ分離室７に流入したガスは、さらに旋回流を弱めながら、輻射ボイラ８の内部を下降する。輻射熱を吸収されつつ降温したガスは、水面と輻射ボイラ８の間を通過した後に輻射ボイラ８の背面を上昇する。こうして、輻射ボイラ８との熱交換を済ませたガスは、スラグ分離室７より排出される。一方、燃焼室６から流れ落ちたスラグは、水槽中に落下して急冷される。水槽９中に蓄えられたスラグ粒ｇは、ロックホッパー１０により適宜貯留槽１１へ排出される。ここで回収された粗粒スラグｇ_cは未燃カーボンを含まないため、各種土木建材あるいはセメントの原料として利用される。スラグ分離室の水槽で回収されるスラグ粒の大部分は粗粒スラグｇ_cとなる。

旋回溶融炉５を出たガスは、再度対流ボイラ１３にて熱回収された後、スクラバー１４で十分洗浄される。塩化ビニールを含む廃棄物ｑを用いると、生成ガス中に高濃度のＨＣｌ（塩化水素）が存在するが、ＮａＯＨ（水酸化ナトリウム）、Ｎａ₂ＣＯ₃（炭酸ナトリウム）等のアルカリ剤の水溶液でスクラビングすることにより、ＨＣｌはほぼ完全に除去することが出来る。スラグ分離室７からのガスに同伴してきた微量のスラグミストｎや未燃カーボンｊも、スクラバー１４にて捕集される。貯留槽１５に排出され沈降濃縮された微粒スラグｇ_f中には、未燃カーボンｊがかなり多く含まれるため、ガス化炉に再供給することが望ましい。スクラバー１４以降のフローは図示していないが、ガスの利用目的に応じた方法により精製される。

表１に、ガス化に用いる石炭、廃プラスチック、シュレッダーダスト、汚泥を石炭：廃プラスチック：シュレッダーダスト：汚泥＝４０：３０：２０：１０の構成として得られた混合原料の水分、元素分析、発熱量を示す。

表２は、想定される物質収支である。

表２より、混合原料１０００ｋｇ／ｈｒ当り、ガス化炉への酸素＋スチームが７９０．５ｋｇ／ｈｒ溶融炉への酸素が４８６．４ｋｇ／ｈｒ必要であり、これより２２３７．５ｋｇ／ｈｒの溶融炉ガスの得られることが判る。なお、溶融炉ガス中の７８．８ｋｇ／ｈｒは灰分で、この８０〜９０％が粗粒スラグ、１０〜２０％が微粒スラグである。

表３は、溶融炉燃焼室出口ガスの湿ガス組成と乾ガス組成を示している。

表３から乾ガス組成の８０％近くは可燃性ガスのＨ₂とＣＯが占めている。溶融炉の温度が高いため、ＣＨ₄（メタン）の生成はほとんどない。これを用いて、冷ガス効率を求めると６８．９％であった。また、ガス化剤として用いた全酸素量は完全燃焼に必要な量の４５％であった。

図４に、本発明による旋回溶融炉の別の実施例の断面図を示す。

本実施例では、可燃性の粉粒状固形物を含んだ可燃性ガスを、燃焼室直上の導入部に供給して旋回流を生ぜしめ、得られる遠心力によりガス中の粉粒状固形物を壁面近傍に濃縮し、旋回流を保ったまま、より大きな径の燃焼室に供給する。
粉粒状固形物を含む可燃性ガスを供給する燃焼室直上の導入部は、その口径を燃焼室の１／４〜３／４とするのが良く、特に１／２程度が最適である。この時、燃焼室への含酸素ガスの吹き込みは、燃焼室上部側面の２カ所以上から分散して行い、吹き込み方向は導入部内壁を延長した仮想円柱に接するように行うのがよい。本実施例の場合、生成ガス吹き込み口と酸素吹き込みノズルの垂直位置が離れているため、図２の場合と異なり燃焼室上部のデッドスペースにスラグの塊状物を生じる問題が生じにくい。この場合は、吹き込み方向は水平に対し１０〜７０°の下向き角度で行うこともできる。このように、含酸素ガスを下向きの角度で吹き込むことにより、火炎を下向きに伸ばし火炎の直射による炉壁の損傷を防止することが出来る。

燃焼室の内部温度は、固形物中の灰分が溶流する温度より５０〜１００℃高く、しかも１２００〜１６００℃の範囲内になるよう設定する。炉内温度の上昇は炉壁の損傷を促進するので、必要に応じ石灰石などを添加して灰の溶流温度を下げてもよい。

図４において、１８は導入部、１９はガス状物入口、２０はボイラ水管、ｓはガス状物、ｔはチャーで、特にｔ′はチャーの濃縮層である。

前段の低温ガス化炉（図示せず）で生成したガスｓとチャーｔは、旋回溶融炉５の導入部１８のガス状物入口１９に供給され、導入部１８内で強い旋回流を発生する。この旋回流による遠心力のため、ガス中のチャーｔは壁面付近に集まり、円筒状のチャー濃縮層ｔ′が形成される。図５（ａ）に、導入部のＡ−Ａ断面図を示す。図示されるように、導入部１８の壁面に沿ってチャーｔの濃縮層ｔ′が形成される。

図３に戻り、ガスを旋回させた状態で燃焼室６に導入すると、燃焼室上部に等間隔で設けた４カ所のノズル２２から酸素ｃとスチームｄが吹き込まれ、１４００℃前後で高温ガス化が行われ、水素、一酸化炭素、二酸化炭素、水蒸気を主成分とするガスが生成される。なお、図３では、燃焼室上部に等間隔で４カ所の酸素吹き込みノズルを設けた例について説明したが、これに限定せずに旋回溶融炉５の規模によって、必要に応じて増減することが可能である。尚、図４にてガス導入部１８で壁面に捕捉されたチャーｔ中の灰分が燃焼室６からの輻射熱により半溶融状態となりクリンカーを生成する恐れがある。この問題を解決するためには、ガス導入部１８にも一部分の酸素ｃとスチームｄを吹き込み、導入部１８の温度を上げることが有効である。

チャーｔも高温で燃焼するため、チャーｔ中の灰分はスラグミストｎとなる。図４のＢ矢視図、すなわち燃焼室上部のＢ−Ｂ矢視図を図５（ｂ）に示す。図示されるように、導入部１８で形成された円筒状のチャー濃縮層ｔ′を直撃するように、燃焼室６周辺から酸素ｃが下向きに吹き込まれ、チャーｔが優先的に酸化分解され、ガス化のための熱源となる。こうして、未燃カーボンｊの発生の少ない高効率のガス化が実現できる。

旋回流により大部分のスラグミストｎは壁面に付着して薄いスラグ層ｏとなる。ガスとガス中に残ったスラグミストｎは、スロート部２４を通過してスラグ分離室７に入る。同じく、燃焼室壁面のスラグ層ｏを流れ下ったスラグは、スラグ滴ｐとなってスラグ分離室７に落下する。下降管１７を下降したガスとスラグは、スロート部２４下部の下降管１７の接合角部の周方向に配設された補助スプレー３０によって下降管１７の内壁面の冷却と同時にガスやスラグを噴霧冷却した後、水槽９中の水に吹き込まれて急冷される。下降管１７の外側を上昇したガスは、スラグ分離室７に設けたガス出口２６より排出される。本例では、下降管１７はボイラ構造となっているため、下降管１７を冷却する必要はない。

水槽９底部に堆積したスラグｇは、スラグ出口２８より排出される。未燃カーボンｊは、ガス化原料としてリサイクルするが、その量は少ない方が望ましい。
図６は、本発明による別の旋回溶融炉で、スラグ分離室７内に輻射ボイラ８、底部に水槽９が配されている。燃焼室６にて生成したガスとスラグは、スロート部２４を介して、スラグ分離室７に入る。スラグ分離室７内の輻射ボイラ８により、ガスとスラグの発する輻射熱は効率よく吸収される。輻射ボイラ８を通過したガスは水面の直上で反転し、慣性力によりスラグを水中に落下させた後に、スラグ分離室７の側面に設けたガス出口２６から排出される。従って、ガスは水と直接接触することなく後段の対流ボイラ（図示せず）に供給されるため、結果的に多量の高温高圧スチームを回収できる。このタイプの高温酸化炉は、発電を目的とする場合に用いられる。

図７は、輻射ボイラ８をスラグ分離室７の壁面に設けた別タイプの旋回溶融炉５である。スラグ分離室内の構成は図１５とほぼ同じで、輻射ボイラ８の内側を下降したガスは、輻射ボイラ８の下端と水面の間の側壁に設けられたガス出口より排出される。このガス出口には、スラグ避けのカバーが取り付けられている。
輻射ボイラ８はスラグの流下地点から離れて設置されるため、スラグが輻射ボイラに付着しにくいのが特長である。ただし、熱回収には輻射ボイラ８の内面しか利用されないのが欠点である。

図８は、輻射ボイラ８の下端を延長して水中に没するようにし、ガスが水中に吹き込まれるようにした別タイプの旋回溶融炉５である。これは輻射ボイラ８で熱回収した後のガスを２５０℃以下に一気に降温するとともに、スラグミストｎや未燃カーボンｊの大部分をここで捕集しようとするものである。水の蒸発量が多くなるので、水蒸気を後段のプロセスで有効に使える場合に適している。例えば、生成ガスの中のＣＯの全量をシフト反応によりＨ₂に変換する場合が挙げられる。ただし、粗粒スラグｇ_c，微粒スラグｇ_f，未燃カーボンｊが一緒になるので、後でスクリーン等を用いて分別する必要が生ずる。また、廃棄物に含まれる低沸点金属の大部分がここで捕集されるため、廃水処理の負荷が大きくなることは考慮する必要がある。

図９は、廃棄物から水素（Ｈ₂）、一酸化炭素（ＣＯ）の混合ガスを製造するための２段ガス化システムの要部を示す。３１は原料貯留槽、３２は原料ロックホッパー、３３は原料供給装置、１は流動層ガス化炉、５は旋回溶融炉、３６は空気圧縮機、３７は酸素圧縮機、３８は不燃物排出装置、３９は流動媒体ロックホッパー、４０は不燃物ロックホッパー、４１は不燃物コンベア、４２は磁選機、４３は流動媒体循環エレベータ、４４は磁選機、４５は振動篩、４６は粉砕機、４７は流動媒体ロックホッパー、４８は流動媒体ホッパー、５２はガススクラバー、ｑは廃棄物、ｇは空気、ｆは不燃物（添字：Ｌは３８の篩上、Ｓは３８の篩下）、ｅは砂、ｒはチャー、ｕは水、ｄはスチームである。

予め破砕・選別等の前処理を施した廃棄物ｑは、原料貯留槽３１に貯留された後に原料ロックホッパー３２を通過して、例えば４０気圧程度に昇圧され、スクリュー式の原料供給装置３３により流動層ガス化炉１に定量供給される。ガス化炉の下からは空気ｇと酸素（Ｏ₂）ｃの混合ガスがガス化剤兼流動化ガスとして送入される。廃棄物はガス化炉内の砂ｅの流動層に投入され、５５０〜８５０℃に保持された流動層内で酸素と接触することにより、速やかに熱分解ガス化される。ガス化炉の炉底からは砂が不燃物ｆやチャーｒとともに間欠的に排出され、不燃物排出装置３８により粗大不燃物ｆ_Lが分離され、不燃物ロックホッパー４０で減圧された後に、不燃物コンベア４１により持ち上げられ、磁選機４２により磁性物ｎ_L1すなわち鉄分と、非磁性物ｎ_L2に分別される。一方、不燃物排出装置の篩下となった砂は、不燃物ｆ_sやチャーとともに、流動媒体循環エレベータ４３で上方に搬送され、磁選機４４で磁性物ｎ_s1を分離する。後は、振動篩４５とボールミル型の粉砕機４６により、流動媒体の砂ｅは粉砕せず、不燃物ｆとチャーｒを微粉砕してガス化炉に戻す。不燃物に含まれる金属は、ガス化炉内が還元雰囲気であるため、酸化されないクリーンな状態で回収される。

投入された廃棄物の熱分解ガス化によりガス、タール、炭化物が生成するが、炭化物は流動層の撹乱運動により微粉砕されてチャーとなる。

固形物であるチャーは多孔質で軽いため、ガス状物であるガス、タールの流れに同伴されて運ばれる。ガス化炉を出たガス状物ｈは旋回溶融炉５に供給され、燃焼室６に導入される。そこで吹き込まれた酸素ｃと旋回流中で混合しながら、１４００℃の高温で酸化分解される。生成した水素、一酸化炭素、二酸化炭素、水蒸気主体のガスはスラグｇと共に、スラグ分離室７にて水と直接接触して洗浄急冷される。スラグ分離室７を出たガスｈは、ガススクラバー５２にて残存するダストや塩化水素等を除去される。スラグ分離室７の下部からは水槽９に堆積したスラグ粒ｇが排出される。また、スラグ分離室７の側壁から排出された排水ｍは次工程の図示を省略した廃水処理装置にて処理される。回収されたスラグは主としてセメントや土木建築用の資材として有効利用される。

図１０に、流動層ガス化炉１の例を示す。ガス化炉１には、流動媒体ｅを流動層２の中央部と周辺部の間で旋回させるタイプの流動層炉を、溶融炉５には、可燃ガスとガス化剤を高速で旋回しながら高温燃焼するタイプの旋回式溶融炉を使用している。

ガス化炉１に供給された廃棄物ｑは、好ましくは５５０〜８５０℃に保持された流動層２中で酸素、スチームと接触することによりガス化される。不燃物ｆは流動媒体ｅと共に抜き出され、スクリーン４で分離され、不燃物ｆのみがロックホッパ１０を介して外部排出され、流動媒体ｅはガス化炉１に戻される。ガス化により生成したガス、タール、チャーは、後段の溶融炉５の燃焼室６に供給され、１２００〜１５００℃の高温でガス化される。このため、チャー中の灰分は溶融スラグ化され、スラグ分離室７の水槽９からガラス状のスラグ粒ｇとして回収される。１０はロックホッパ、１２はスラグスクリーンである。溶融炉を出た生成ガスｈは、スクラバー１４でスラグミストやＨＣｌを除去し、ＣＯシフトや酸性ガス除去の工程を経た後に、合成ガス（ＣＯ＋Ｈ₂）となる。このように本システムでは廃棄物の合成ガスへの転換を目的とするため、ガス化炉及び溶融炉へはガス化剤として酸素ｃと水蒸気ｄが供給される。また、炉内の圧力は通常１０〜４０気圧の加圧状態で操作される。

流動層ガス化炉では砂（硅砂、オリビン砂など）、アルミナ、鉄粉、石灰石、ドロマイト等を流動媒体として用いる。廃棄物のうち、都市ごみ、バイオマス廃棄物、プラスチック廃棄物、自動車廃棄物等は３０ｃｍ程度に粗破砕する。固形化燃料、スラリー化燃料はこのまま使用する。低品位石炭は、４０ｍｍ以下に粗破砕する。これらを、複数のピットに分けて受入れ、各々のピットで十分攪拌・混合した後に、適宜ガス化炉に供給する。

図１１は、低温ガス化装置の主要部の図解的な縦断面図、図１２は、図１１のガス化装置の図解的な水平断面図である。図１１に示されるガス化装置において、流動層炉１内へ炉底に配置される流動化ガス分散機構を介し供給される流動化ガスは、炉底中央部２０４付近から炉内へ上向き流として供給される中央流動化ガス２０７及び炉底周辺部２０３から炉内へ上向き流として供給される周辺流動化ガス２０８からなる。

中央流動化ガス２０７と、周辺流動化ガス２０８は、酸素、酸素と水蒸気の混合気体、及び水蒸気の３種の気体の内の１つから選択される。中央流動化ガスの酸素含有量は、周辺流動化ガスより低くされる。流動化ガス全体の酸素量は、廃棄物２１１の燃焼に必要な理論量の３０％以下とされる。

中央流動化ガス２０７の質量速度は、周辺流動化ガス２０８の質量速度より小とされ、炉内周辺部上方における流動化ガスの上向き流はデフレクタ２０６により炉の中央部方向へ転向される。それによって、炉の中央部に流動媒体（一般的には硅砂を使用）の下降流動層２０９が形成されると共に炉内周辺部に流動媒体の上昇流動層２１０が形成される。流動媒体は、矢印１１８で示すように、炉周辺部の上昇流動層２１０を上昇し、次にデフレクタ２０６により転向され、下降流動層２０９の上部へ流入し、下降流動層２０９を下降し、次に矢印１１２で示すように、ガス分散機構１０６に沿って移動し、上昇流動層２１０の下方へ流入することにより、上昇流動層２１０と下降流動層２０９の中を矢印１１８及び１１２で示すように循環する。流動層の径が小さい場合は、デフレクタ２０６がなくても砂の流れが転向するので、デフレクタ２０６は省略することも可能である。

可燃物供給口１０４から下降流動層２０９の上部へ供給された廃棄物２１１は、流動媒体と共に下降流動層２０９中を下降する間に、流動媒体の持つ熱によりガス化される。下降流動層２０９中は、酸素が無いか少ないため、ガス化により生成した高カロリーのガスは燃焼されることなく、下降流動層２０９中を矢印１１６のように抜ける。それ故、下降流動層２０９は、ガス化ゾーンＧを形成する。フリーボード１０２へ移動した生成ガスは、矢印１２０で示すように上昇する。
下降流動層２０９でガス化されないチャーは、下降流動層２０９の下部から、流動媒体と共に矢印１１２で示すように炉内周辺部の上昇流動層２１０の下部へ移動し、比較的酸素含有量の多い周辺流動化ガス２０８により燃焼される。上昇流動層２１０は、可燃物の酸化ゾーンＳを形成する。上昇流動層２１０中において、流動媒体は、チャーの燃焼熱により加熱される。加熱された流動媒体は、矢印１１８で示すように、傾斜壁２０６により反転され、下降流動層２０９へ移り、ガス化の熱源となる。こうして、流動層の温度は、５５０〜８５０℃に維持される。
図１１及び図１２に示すガス化炉１によれば、流動層２にガス化ゾーンＧと酸化ゾーンＳが形成され、流動媒体が両ゾーンにて熱媒体となることにより、ガス化ゾーンＧにおいて、発熱量の高い可燃ガスが生成され、酸化ゾーンＳにおいては、チャーを効率良く燃焼させることができる。それ故、廃棄物を効率良くガス化させることができる。

図１２に示される流動層炉１の水平断面において、ガス化ゾーンＧを形成する下降流動層２０９は、炉中心部において円形であり、酸化ゾーンＳを形成する上昇流動層２１０は、下降流動層２０９のまわりにリング状に形成される。上昇流動層２１０の外周にはリング状の不燃物排出口２０５が配置される。ガス化炉１を円筒形とすることにより、高い炉内圧を容易に支持することができる。別法として、ガス化炉自体を炉内圧に耐える構造とせず、ガス化炉の外部に圧力容器（図示しない）を設けることもできる。

図１３は、別の低温ガス化装置の主要部の図解的な縦断面図、図１４は、図１３のガス化装置の図解的な水平断面図である。図１３に示されるガス化装置において、流動化ガスは、中央流動化ガス２０７及び周辺流動化ガス２０８に加え、炉底中央部と炉底周辺部の間の炉底中間部から炉内へ供給される中間流動化ガス２０７′を含む。中間流動化ガス２０７′の質量速度は、中央流動化ガス２０７の質量速度と周辺流動化ガス２０８の質量速度の間で選定される。中央流動化ガスは、水蒸気、水蒸気及び酸素の混合気体、又は酸素の３種の気体の内のいずれか１つより選択される。

図１３のガス化装置において、図１１のガス化装置の場合と同様に、中央流動化ガス２０７と周辺流動化ガス２０８は、酸素、酸素と水蒸気の混合気体、及び水蒸気の３種の気体の内の１つである。中間流動化ガスの酸素濃度は、中央流動化ガスの酸素濃度と周辺流動化ガスの酸素濃度の間に選定される。ガス中の酸素濃度は、流動層炉の中央部から周辺部へ拡がっていくにつれて、増加する。流動化ガス全体の酸素濃度は、可燃物２１１の燃焼に必要な理論量の３０％以下とされる。炉内は、還元雰囲気とされる。

図１１のガス化装置の場合と同様に、図１３のガス化装置において、炉の中央部に流動媒体が沈降する下降流動層２０９が形成され、炉の周辺部に流動媒体が上昇する上昇流動層２１０が形成される。流動媒体が、矢印１１２及び１１８で示すように下降流動層及び上昇流動層を通り循環する。下降流動層２０９と上昇流動層２１０の間においては、流動媒体が、主として横方向に移動する中間層２０９′が形成される。下降流動層２０９及び中間層２０９′がガス化ゾーンＧを形成し、上昇流動層２１０が酸化ゾーンＳを形成する。

図１３にて、下降流動層２０９の上部へ投入された可燃物２１１は、流動媒体と共に下降流動層２０９中を下降する間に加熱されてガス化する。下降流動層２０９中でのガス化により生成したチャーは、流動媒体と一緒に中間層２０９′及び上昇流動層２１０へ移動し、部分的に燃焼される。流動媒体は、上昇流動層２１０中で加熱され、下降流動層２０９へ循環し、下降流動層２０９中の廃棄物をガス化する。中間流動化ガス２０７′の酸素濃度については、ガス化生成物に揮発分が多いか少ないかにより、酸素濃度を低くしてガス化を主体にするか、酸素濃度を高くして燃焼を主体にするかが選定される。

図１４に示す流動層炉の水平断面において、ガス化ゾーンを形成する下降流動層２０９は、炉中心部において円形であり、その外周に沿って中間流動化ガス２０７′により形成される中間層２０９′があり、酸化ゾーンを形成する上昇流動層２１０は、中間層２０９′のまわりにリング状に形成される。流動層２１０の外周にはリング状の不燃物排出口２０５が配置される。

以上述べた実施例は、旋回溶融炉を高温ガス化炉として用いる場合を示しているが、高温の燃焼炉として用いることも充分可能であり、特に低位発熱量が３５００kcal／kgを下回るようなケースでは、燃焼炉として高温高圧のスチームの回収を目指すのが好適と考えられる。また、本実施例では、可燃性廃棄物を主、石炭を従とした場合を示したが、石炭１００％即ち石炭専用として用いることも可能である。

本発明の旋回溶融炉を用いた廃棄物ガス化システムの要部構成図を示す。本発明の旋回溶融炉の断面構成図を示す。図２の旋回溶融炉の水平断面構成図を示す。図２の旋回溶融炉の別の断面構成図を示す。（ａ）と（ｂ）は図４の旋回溶融炉の水平断面構成図を示す。図２の旋回溶融炉の別の断面構成図を示す。図２の旋回溶融炉の別の断面構成図を示す。図２の旋回溶融炉の別の断面構成図を示す。本発明による旋回溶融炉を用いた廃棄物ガス化システムの別の全体構成図を示す。図２の旋回溶融炉を用いた廃棄物ガス化システムの別の要部構成図を示す。低温ガス化に用いた内部旋回型流動層炉の断面構成図を示す。図１１の流動層部の水平断面構成図を示す。図１１の旋回型流動層炉流動層炉の別の断面構成図を示す。図１３の流動層部の水平断面構成図を示す。テキサコ式の廃熱ボイラ型ガス化炉の断面構成図を示す。テキサコ式のダイレクトクエンチ型ガス化炉の断面構成図を示す。図２の旋回溶融炉の別の断面構成図を示す。

符号の説明

１流動層ガス化炉
２流動層
５旋回溶融炉
６燃焼室
７スラグ分離室
８輻射ボイラ
９水槽
１１貯留槽
ｑ廃棄物
ｃ酸素（含酸素ガス）
ｇスラグ粒
ｈ生成ガス（可燃物）
１７下降管
１９ガス状物入口

Claims

粉粒状固形物を含む可燃性のガス状物を１２００〜１６００℃にてガス化する燃焼室と、生成したスラグを冷却して回収するスラグ分離室を有する旋回溶融炉において、燃焼室と同軸で一体のしかも燃焼室の径の１／４〜３／４の径を有するガス状物の導入部を配し、該導入部には、供給したガス状物が旋回流を生ぜしめるように、導入部の水平断面の接線方向に向けた供給口を設けるとともに、前記燃焼室の導入部直下の周囲には、含酸素ガスを２０〜６０ｍ／秒にて吹き込む吹込口を設け、前記燃焼室の内壁面より離間した内側に、供給したガス状物が旋回する旋回流が形成され、前記旋回流は粒子状の可燃分を多く含有する外周側の旋回流とガス状の可燃分を多く含有する内周側の旋回流とを含み、前記粒子状の可燃分を多く含有する外周側の旋回流に向けて燃焼室の内壁面側から酸素を供給し、前記粒子状の可燃分のガス化を促進するようにしたことを特徴とする旋回溶融炉。
前記ガス状物の供給口と前記含酸素ガスの吹込み口とは、ともに水平より下向きにつけられている請求項１に記載の旋回溶融炉。
前記水平より下向きの角度は、３〜１５゜である請求項２に記載の旋回溶融炉。
前記スラグ分離室が前記燃焼室の下に接続され、スラグ分離室は内部に輻射型ボイラと側面にガス排出口そして底部に水槽を有し、前記輻射型ボイラが前記水槽の水中に没した構造である請求項１または２に記載の旋回溶融炉。
可燃性廃棄物をガス化剤と接触させて粉粒状固形物を含む可燃性のガス状物を得る流動層ガス化炉と、前記粉粒状固形物を含む可燃性のガス状物を１２００〜１６００℃にてガス化する燃焼室と生成したスラグを冷却して回収するスラグ分離室を有する旋回溶融炉とを備える可燃性廃棄物の二段ガス化システムであって、
燃焼室と同軸で一体のしかも燃焼室の径の１／４〜３／４の径を有するガス状物の導入部を配し、該導入部には、供給したガス状物が旋回流を生ぜしめるように、導入部の水平断面の接線方向に向けた供給口を設けるとともに、前記燃焼室の導入部直下の周囲には、含酸素ガスを２０〜６０ｍ／秒にて吹き込む吹込口を設け、前記燃焼室の内壁面より離間した内側に、供給したガス状物が旋回する旋回流が形成され、前記旋回流は粒子状の可燃分を多く含有する外周側の旋回流とガス状の可燃分を多く含有する内周側の旋回流とを含み、前記粒子状の可燃分を多く含有する外周側の旋回流に向けて燃焼室の内壁面側から酸素を供給し、前記粒子状の可燃分のガス化を促進するようにしたことを特徴とする可燃性廃棄物の二段ガス化システム。