JP4685671B2 - 廃棄物溶融処理装置 - Google Patents

Description

本発明は、シャフト炉式溶融炉の炉底部に接続された保熱炉で可燃性ダストを燃焼させて溶融物を直接加熱してコークスの使用量を低減させる廃棄物溶融処理装置に関する。

シャフト炉式溶融炉は、一般廃棄物、産業廃棄物等の雑多な廃棄物を一括して燃焼溶融処理して溶融スラグに減容できることから、最終処分場の残余年数問題等を解決できるので、廃棄物処理装置として有効である。

廃棄物をシャフト炉式溶融炉で処理する方式においては、その操業コストの低減、特に燃料源となるコークスの使用量の削減が求められる。

シャフト炉式溶融炉において燃料源となるコークスの使用量を低減する方法として、炉頂より排出された可燃性ダスト（チャー）を羽口から吹き込んで燃焼させ、その熱量をもってコークス機能を一部代替する技術がある（特許文献１）。しかし、この従来の技術では、可燃性ダストの燃焼性の問題から、可燃性ダストによるコークス代替割合に限界があり、十分なコークス低減効果が得られなかった。また、可燃性ダストを羽口より直接炉底部に供給して燃焼させる場合、羽口前空間が少なく充填層での燃焼となることから、可燃性ダストの燃焼性が悪化してしまい、その結果としてコークスの代替率に限界があった。

そのため、本出願人は、炉底に吹き込むダストを効果的に燃焼させ、コークスの消耗を抑えるため、シャフト炉式溶融炉の炉底部近傍に燃焼溶融炉を設けてシャフト式溶融炉の炉底部と燃焼溶融炉とを連通部により連通させ、燃焼溶融炉にて燃料を燃焼させ、発生した高温の排ガスを、連通部より炉底部に供給し、顕熱利用する溶融処理技術を提案した（特許文献２参照）。

図２は前記特許文献に開示された燃焼溶融炉を備えたシャフト炉式溶融炉の概略図である。図２において、シャフト炉式溶融炉２１の炉底部２２は連通部２３により燃焼溶融炉２４が接続される。炉頂より装入された廃棄物２５は、上段羽口２６から空気が吹き込まれるとともに、下段羽口２７から酸素富化空気が吹き込まれ、コークスと一部廃棄物の熱分解残渣の燃焼により、炉内で乾燥、熱分解、燃焼、溶融される。溶融物は燃焼溶融炉２４の炉床部に設置した出滓口２８より排出される。燃焼溶融炉２４に設けられた可燃ダスト吹込用羽口２９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、可燃ダストを燃焼溶融炉内で燃焼を行い、燃焼により発生した排ガス３０を溶融熱源として利用する。
特開２００１−２１１２３号公報 特開２００４−３０１４９４号公報

特許文献２記載の溶融処理技術では、排ガスを発生させる燃焼溶融炉を連通部を介して別個に設置することから、設備が大きくなり建設コストや放熱量の増加が問題となった。加えて燃焼溶融炉における燃焼は、空間燃焼であるが、シャフト炉式溶融炉の炉底部のコークスのような高温熱源が存在しないために燃焼性が悪く、スラグ中に末燃分が一部残存してしまうことから、補助燃料の添加が必要となった。

また、燃焼溶融炉が高温になることに加え、スラグが常時流れることから、耐火物寿命が短くなる問題があった。またスラグ排出部において、スラグ流れによる耐火物侵食を受けた結果、スラグ滴下がシュート壁面に付着、成長し、最後にはシュートが閉塞する問題が生じた。

そこで、本発明は、シャフト炉式溶融炉炉底部から保熱炉へ導入された半溶融物の斜面を、可燃性ダストを燃料とするバーナのバーナ火炎にて直接加熱を行い、可燃性ダスト燃焼用の燃焼溶融炉を廃止することで設備をコンパクト化でき、また保熱炉の水冷化、スラグ排出口耐火構造の改善により、設備の長期安定性向上を達成出来る廃棄物溶融処理装置を提供するものである。

本発明の廃棄物処理装置は、炉底部に複数の羽口を有するシャフト炉式溶融炉の側面に水平な保熱炉が連通して接続され、前記保熱炉には、前記炉底部から流れ出る半溶融物の斜面をバーナ火炎で直接加熱する半溶融物加熱バーナと、スラグを排出するスラグ排出口とが設けられ、前記スラグ排出口を取り囲んで鉛直下向きに設けられたスラグ排出シュートと、スラグ排出シュートを水封するとともに、スラグ排出口から排出されスラグ排出シュート内を落下するスラグを水砕するための水砕ピットを備え、前記半溶融物加熱バーナは、シャフト炉式溶融炉より飛散した可燃性ダストを捕集して燃料として利用して前記バーナ火炎による直接加熱および輝炎輻射を前記半溶融物の溶融熱源とすることを特徴とする。

シャフト炉式溶融炉に別個に燃焼溶融炉を設けた従来技術では、可燃性ダストの燃焼を燃焼溶融炉にて行った後、その高温排ガスを炉底に導入して顕熱利用を図っていたが、本発明では、保熱炉に半溶融物加熱用バーナを設置して半溶融物をバーナ火炎により直接加熱する方式とすることで、燃焼溶融炉が削減でき設備がコンパクトとなって放熱量が低減し、半溶融物を効率よく加熱することができる。また、可燃性ダスト燃焼時の輝炎輻射効果により、半溶融物加熱用バーナによる半溶融物の加熱効率が向上する。

また、可燃性ダストを半溶融物加熱用バーナより吹き込む際には可燃性ダストの燃焼性が問題になるが、半溶融物加熱用バーナ周辺は空間部であり、更にその空間は高温のシャフト炉式溶融炉の炉底部に近いことで、炉底部とほぼ同等の１６００℃近い温度となっているから、燃焼溶融炉を別途設ける従来技術以上のダスト燃焼性が得られる結果、既存技術で問題となった補助燃料の添加を低減することができ、またスラグ中の未燃分残存もなくなった。

また、シャフト炉式溶融炉から保熱炉へ導入される溶融物の斜面をバーナ火炎で直接加熱することにより、バーナの燃焼熱を、溶融熱源として効率よく代替利用できることから、コークス比の削減効果も大きくなる。

図１（ａ）は本発明の廃棄物溶融装置の概略図、（ｂ）はスラグ流路の断面図、（ｃ）は平面図である。

シャフト炉式溶融炉（以下「溶融炉」という。）１には、廃棄物２の熱分解残渣を燃焼させるため空気を吹き込む上段羽口３が複数配置され、その下方にコークスや熱分解残渣を燃焼させるために酸素又は酸素富化空気を供給する下段羽口４が複数配置される。溶融炉１の炉底部５には、その側面に連通して水平に保熱炉６が接続される。

溶融炉１の炉底７は、保熱炉方向に下り傾斜を付ける。傾斜角度は１５°程度の緩やかな傾斜とする。この傾斜により、半溶融物の保熱炉６への排出をスムーズに出来る。また、炉底７の傾斜角度に合わせて下段羽口４も保熱炉方向に向かって螺旋状軌跡で下方に向かって下がって位置するように配置する。この配置により、半溶融物の保熱炉６への排出をスムーズにできる。

保熱炉６の炉床には溶融炉１と反対側の端部にスラグを排出するスラグタップ８を設け、天井には、溶融炉１の炉底部５の側面から保熱炉６に導入される半溶融物９を直接加熱するための溶融物加熱用バーナ１０を設ける。

半溶融物加熱用バーナ１０は、溶融炉１から排出された可燃性ダストを燃料とする。半溶融物加熱用バーナ１０は、溶融炉１の炉底部５からの半溶融物９の排出を容易にするため、半溶融物加熱用バーナ１０の火炎で半溶融物９を直接加熱できる位置に配置する。半溶融物加熱用バーナ１０は、先端が保熱炉６に導入された半溶融物９が形成する斜面からの距離が１００〜８００ｍｍとなるように設置する。半溶融物加熱用バーナ１０の設置位置は、直接加熱を効果的に行うために半溶融物９の斜面から距離を８００ｍｍ以下とすることが望ましいが、斜面からの距離が近すぎると可燃性ダスト燃焼完了前に半溶融物斜面に当たり、排出スラグ中に可燃性ダストの未燃分が混入することから１００ｍｍ以上の距離にする。

半溶融物加熱用バーナ１０としては、よりコークス低減を目指すために３重管バーナを採用し、３重管バーナへ可燃性ダスト、ＬＰＧ等の燃料、燃料燃焼用の酸素を供給して燃焼する。この半溶融物加熱用バーナ１０により、可燃性ダストの燃焼性を向上させ、コークス低減率を向上させることが可能となる。

なお、溶融炉１のシャフトにおける空塔速度は既存技術において０．７ｍ／秒を基本としているが、それを１．０〜２．０ｍ／秒にして空塔速度を高めることで、可燃性ダストの発生量を増加させ、その増加した分を半溶融物加熱用バーナ１０に吹き込むことで、より一層コークスの低減を図ることが可能となる。また、保熱炉６は高温部における空間燃焼のため、ある程度の燃焼性があれば問題なく燃料として使用可能であることから、乾燥汚泥等の粉状バイオマスや廃プラスチック等様々な可燃物を補助燃料として使用可能であり、コスト、ＣＯ_２を削減することができる。

保熱炉６の炉床のスラグ流路は、１５００℃以上のスラグが流れ、また、保熱炉全体の雰囲気としても１５００〜１６００℃の高温となることから、スラグや高温雰囲気ガスによる侵食を防止するため、保熱炉６の全周に渡って、ジャケット或いは水冷蛇管で水冷壁１１を設けた水冷耐火物構造にする。スラグ流路はスラグによるセルフコーティング、それ以外の面は水冷壁による冷却により壁面を保護することができる。水冷耐火物構造により耐火層１２の厚みは５０ｍｍ以下と薄くすることで、耐火物厚みは薄くなり、それを囲む外周金属をコンパクトにすることが可能となって、結果として保熱炉全体をコンパクト化できる。

また、保熱炉６の炉床にはスラグ流路として溝１３を形成し、溝１３によりスラグ流れを集中させることで、保熱炉６からスラグ排出口８の下方に設けられたスラグ排出シュート１４の低温度域（１２００〜１４００℃）におけるスラグの温度低下を抑えることにより、スラグの良好な排出を継続できる。スラグ排出口はスラグ排出シュート中央部まで延長し、スラグがスラグ排出シュート中央から滴下するようにする。また、水冷耐火物構造にしてスラグ排出口８の排出部の形状変化を防止することで、スラグ滴下場所を常に一定に保て、スラグ排出シュート１４における壁面付着等が起因となる閉塞が防止できる。

スラグ排出口８は、流れてきたスラグが垂直壁面１５を伝い水砕ピット１６に滴下する構造とする。垂直壁面１５にも、保熱炉６を流れてきたスラグが垂直壁面１５を伝い滴下する際に垂直壁面１５での広がりを防止するため、あらかじめ溝を形成しておくことが望ましい。

垂直壁面１５の下端にはスラグや高融点メタル分によるつららの成長が考えられるので、成長防止用のバーナ１７を下から上方に向け、その火炎をつららの成長点であるスラグ排出口下端の切れ目を狙うことができるように、スラグ排出シュート１４に配置してもよい。さらに、突き機構を設けてもよい。

また、垂直壁面１５もスラグ流れによる侵食が考えられるので、水冷パイプ１８により水冷構造として侵食を防止して元の形状を維持するようにする。

スラグ排出口８の下方は、垂直壁面１５より水砕ピット１６にスラグが滴下する空間はスラグ排出シュート１４で囲まれ、スラグ排出シュート１４は水砕ピット１６により水封される。スラグ排出シュート１４と水砕ピット１６の水封高さは５００ｍｍ以上とする。水封高さを５００ｍｍ以上とすることにより、炉内差圧変動時でも外部にガス漏れが起きないようすることができる。また、スラグ排出シュート１４では、滴下スラグが壁面に付着、成長して閉塞する可能性があることから、スラグ排出シュート１４の壁面は水を壁面に沿って流す濡れ壁構造にすることにより、滴下スラグの壁面へのスラグ付着を防止することができる。

（ａ）は本発明の廃棄物溶融装置の概略図、（ｂ）はスラグ流路の断面図、（ｃ）は平面図である。 従来の燃焼溶融炉を備えた廃棄物溶融炉の概略図である。

符号の説明

１：溶融炉
２：廃棄物
３：上段羽口
４：下段羽口
５：炉底部
６：保熱炉
７：炉底
８：スラグ排出口
９：半溶融物
１０：半溶融物加熱用バーナ
１１：水冷壁
１２：耐火層
１３：溝
１４：スラグ排出シュート
１５：垂直壁面
１６：水砕ピット
１７：バーナ
１８：水冷パイプ
２１：シャフト炉式溶融炉
２２：炉底部
２３：連通部
２４：燃焼溶融炉
２５：廃棄物
２６：上段羽口
２７：下段羽口
２８：出滓口
２９：可燃ダスト吹込用羽口

Claims (6)

1. 炉底部に複数の羽口を有するシャフト炉式溶融炉の側面に水平な保熱炉が連通して接続され、
   前記保熱炉には、前記炉底部から流れ出る半溶融物の斜面をバーナ火炎で直接加熱する半溶融物加熱バーナと、スラグを排出するスラグ排出口とが設けられ、
   前記スラグ排出口を取り囲んで鉛直下向きに設けられたスラグ排出シュートと、
   スラグ排出シュートを水封するとともに、スラグ排出口から排出されスラグ排出シュート内を落下するスラグを水砕するための水砕ピットを備え、
   前記半溶融物加熱バーナは、シャフト炉式溶融炉より飛散した可燃性ダストを捕集して燃料として利用して前記バーナ火炎による直接加熱および輝炎輻射を前記半溶融物の溶融熱源とすることを特徴とする廃棄物処理装置。
2. 半溶融物加熱バーナは、その先端が保熱炉に流れ出る半溶融物の斜面から１００〜８００ｍｍの距離となるように保熱炉上面に設置されることを特徴とする請求項１記載の廃棄物処理装置。
3. 保熱炉が全周水冷耐火物構造であることを特徴とする請求項１又は２に記載の廃棄物溶融処理装置。
4. スラグ排出口を、スラグ排出シュート中央まで延長し、スラグがスラグ排出シュート中央から滴下するようにすることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の廃棄物溶融処理装置。
5. スラグ排出シュートは、スラグ排出口よりつらら成長を防止するための加熱用バーナを設置し、且つ壁面を濡れ壁構造とし、水砕ピットの水封高さを５００ｍｍ以上とすることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の廃棄物溶融処理装置。
6. 溶融物加熱バーナにさらに微細な可燃性廃棄物又はその中間処理物、廃プラスチックや乾燥汚泥等の粉状バイオマスを供給することを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の廃棄物溶融処理装置。

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