JP4791889B2

JP4791889B2 - 廃棄物溶融処理方法

Info

Publication number: JP4791889B2
Application number: JP2006153942A
Authority: JP
Inventors: 猛西; 健高宮; 秀治芝池; 康介星沢
Original assignee: Nippon Steel Engineering Co Ltd
Current assignee: Nippon Steel Engineering Co Ltd
Priority date: 2005-06-08
Filing date: 2006-06-01
Publication date: 2011-10-12
Anticipated expiration: 2026-06-01
Also published as: JP2007017146A

Description

本発明は、一般廃棄物、産業廃棄物などの廃棄物をシャフト炉型の廃棄物溶融炉で直接溶融処理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、これらの廃棄物をシャフト炉式廃棄物溶融炉で溶融処理してスラグ、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７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、炉底部１０からなり、炉底部１０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、シール弁を備えた装入装置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・予熱帯６（約３００〜４００℃）、熱分解帯７（約３００〜１０００℃）、燃焼・溶融帯８（約１７００〜１８００℃）を通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・予熱及び熱分解を行う。溶融した廃棄物はスラグ、メタルを溶融物として出滓口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し、溶融炉本体上部の排ガス管１２から可燃ガスとして燃焼室へ導入されて燃焼され、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。

このように、シャフト炉式廃棄物溶融炉ではコークスを使用するが、地球温暖化防止の観点から石炭などの化石燃料に由来するＣＯ_２削減のための開発が推進されており、直接溶融炉設備においても、環境に対するＣＯ_２負荷を削減することができるコークス使用量削減技術が提案されている。例えば、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溶融させ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）を捕集して再度溶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頂から装入して熱源として利用する方法（特許文献４参照）等がある。

コークスベッド式シャフト炉において行われていた従来の羽口吹き込み技術では、コークス消費量を低減することは可能であるが、Ｃ＋ＣＯ_２→２ＣＯ，Ｃ＋Ｈ_２Ｏ→Ｈ_２＋ＣＯに代表される固定炭素分のガス化反応等により、コークス消費を完全に抑えることができない。また、コークスで形成されるコークスベッドでの火格子機能を維持するため、コークスを補填する必要があり、コークス使用量の削減には限界があった。

一方、石炭を原料とするコークスを、バイオマスなどの原料を用いた塊状燃料に代替し、化石燃料由来のＣＯ_２発生量を削減しようとする開発も進められており、バイオマス原料を用いたコークスの製造方法（特許文献５）や、バイオマス原料をシャフト炉式廃棄物溶融炉で使用する方法（特許文献６）が開示されている。
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１０−１３２２４２号公報特開２００４−２５０５９０号公報特開２００４−３４７２５７号公報

特許文献５，６に示す方法では、非常に幅広い原料を用いて、シャフト炉式溶融炉のコークス代替燃料となるバイオマスコークスの製造及び使用法について記述されているが、発明者らの実験結果によれば、原料及びコークスの製造方法によっては、シャフト炉式廃棄物溶融炉下部の高温領域にて崩壊・粉化し、操業継続が困難になったり、使用量が増加したりすることがわかった。

そこで本発明では、廃棄物をシャフト炉型の廃棄物溶融炉で直接溶融処理する廃棄物溶融処理方法において、安定操業を実現し、かつ使用量増加を招かないバイオマスコークスを用いた廃棄物溶融処理方法を提供するものである。

本発明の廃棄物溶融処理方法は、シャフト炉式廃棄物溶融炉に廃棄物を装入し、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、中空筒状の炭化物をシャフト炉炉内に装入して廃棄物の溶融熱源及び還元剤として使用することを特徴とする。

ここで、発明者らは、実験的に、さまざまな炭化物をシャフト炉に実際に投入することによって、シャフト炉で有効に高温火格子になる炭化物を確認した。表１に、操業結果の一例を示す。

この実験では、中空筒状の炭化物では、大幅な使用量増加もなく排出されるスラグ温度が１５００℃以上に安定した運転が可能であることがわかった。また、シャフト炉の炉底部で高温火格子を形成していることが、炉底部に設置した羽口からの観察状況によっても確認できた。

一方、今回の実験では、中空筒状の炭化物とほぼ同形状の中実柱状（ペレット）の炭化物についても行ったが、中実柱状の炭化物では排出されるスラグ温度が維持できず、操業継続が不可能であった。これは、ペレット成型時に、成型の圧力が中心まで均一に伝わらないため、成型が不十分であり、炉底部の高温雰囲気で崩壊・粉化したためだと考えられる。

さらに、今回の試験では、中空筒状炭化物の断面形状を変えて比較を行った。図２は本発明による中空筒状炭化物の断面形状を示す図である。

中空筒状炭化物９の断面形状について、図２に示すように、外径Ｄ、内径ｄとして、このＤ及びｄを変更して試験を行った結果、Ｄ＝３０〜６０ｍｍ、ｄ＝１０〜３０ｍｍ、さらにｄ／Ｄが０．１〜０．５の範囲にすることにより、成型時に原料に均一な圧力がかかり、かつ、成型物の肉厚が適切になるため、この範囲とすることが望ましい。ここで、発明者らの実験結果では、中空筒状炭化物の断面形状については、このＤ，ｄが適切な範囲にあれば、図２（ａ）に示す円形をはじめ、（ｂ）の四角形、（ｃ）の六角形、（ｄ）の三角形など特に変わりないことがわかった。

また、図２（ｅ）に示すように、中空筒状炭化物９の軸方向の長さＬは、３０ｍｍ未満では粒径が小さすぎ、形成した火格子の中を均等にガスが流れにくくなる。発明者らの実験結果によれば、３０ｍｍ未満の炭化物が３０質量％を超えると、火格子部での通気抵抗が増加し、安定操業が得られにくくなることがわかった。また、３００ｍｍを超える長いものであれば、供給系での詰まり、棚つりなどによるトラブルを誘発しやすく、発明者らの実験結果では、３００ｍｍを超えるものが５質量％を超えると供給系のトラブルだけでなく、溶融炉内へ装入された中空筒状炭化物が炉内で積み重なり、大きな空隙を持つ火格子を形成することにより、安定したガス流れが確保できないことがわかった。そこで、炭化物の軸方向の長さＬは３０〜３００ｍｍの範囲とし、範囲外のものについては、３０ｍｍ未満が３０質量％未満、また、３００ｍｍを超えるものについては５質量％未満とすることが望ましい。これらは、篩選別などで達成可能である。

また、中空筒状の炭化物の原料については、各種原料を比較した結果、木材を平均粒径１ｍｍ以下に粉砕したものを乾燥して水分１０質量％以下としたものが、成形性が良好であり、乾留時の割れもなく、強固な炭化物となるため、炉底部の高温領域においても火格子の形成が可能であった。

また、その原料の成型について実験を繰り返し、図３の概略図に示すような乾式のスクリュー型押出成型機を用い、ダイスを５０〜４００℃に加熱して成型した中空筒状の固形物を炭化した条件が、炭化物が緻密になるため、冷間での搬送時等における崩壊もなく、炉底部の高温雰囲気でも粉化しにくいことがわかった。

さらに、中空筒状の炭化物の乾留温度を変更して、炭化物の性状を調査した。

図４に乾留温度（炭化物の最高温度）と炭化物中の固定炭素濃度と揮発分を示す。図４に示すように、中空筒状の炭化物は、その乾留温度が６００℃以上で固定炭素が８０％以上かつ揮発分が２０質量％以下の炭化物となり、高炉コークスの性状と近くなり、炉底部の高温雰囲気でも高温火格子を形成可能で、安定した運転が可能であることがわかった。

また、図５に乾留温度と真比重の関係を示す。図４で揮発分が１０％以下となる乾留温度６００℃以上で真比重は１．２ｇ／ｃｍ^３以上となり、乾留温度１２００℃を超えると、真比重は２．０ｇ／ｃｍ^３を超える。真比重が２．０ｇ／ｃｍ^３を越える炭化物は、溶融炉炉下部において、高温火格子の高さが小さくなるため、溶融物の昇温が不十分であることがわかった。そのため、乾留温度は６００℃以上かつ１２００℃以下とし、真比重を１．２〜２．０ｇ／ｃｍ^３の範囲とするのが望ましい。

また、図６は、種々の乾留温度で乾留した炭化物を、空気中で１０００℃に加熱し、３０分保持した場合の重量減少率を示す。これは、シャフト炉下部の下段羽口直近の状況に近く、炭化物の乾留温度を６００℃以上とすることで、炭化物を空気中で高温にしても重量減少率が高炉コークスと同等であり、シャフト炉炉底部の高温雰囲気で、崩壊しにくいことがわかった。また、乾留温度が１２００℃を超えても固定炭素、かさ比重、灰分量および重量減少率はそれほど変化しないため、乾留のエネルギー効率が低下してしまう。そこで、乾留温度は６００〜１２００℃とするのが望ましい。

また、炭化物を空気中で１０００℃に加熱し、３０分保持した後、酸素を遮断して徐冷したものの圧潰強度が１０００Ｎ以上なければ、溶融炉下部で炭化物が崩壊・粉化し、使用量が増加することがわかった。

また、本発明による中空筒状の炭化物の使用量は、廃棄物の性状によって変化し、廃棄物に対して質量比０．５〜１０％となり、通常使用する高炉コークスと比較して大幅に増加することはなかった。この割合より多くの炭化物を使用すると、その発熱量は廃棄物の溶融には過剰であり、発電回収することは可能であるものの、運転コストの上昇を招くことになる。また、本発明の中空筒状の炭化物は、通常使用する高炉コークスと併用できるため、炭化物単独で使用しても、高炉コークスと混合して使用しても、特に問題なく使用可能である。

本発明により、シャフト炉式廃棄物溶融炉では、コークス消費量が抑制できるため、化石燃料起因の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可能である。また、溶融炉後段でボイラーによる蒸気回収発電を行えば、電気エネルギーへの変換も可能であり、その結果、化石燃料起源のＣＯ_２発生を抑制できる。

図１は本発明による廃棄物溶融処理設備を示す図で、図７に示す従来の廃棄物溶融処理設備と実質的に同一であり、同一構成に同一符号を付して、その説明は省略する。

本発明による操業は従来と比較して、化石燃料に由来するコークスを中空筒状炭化物９で代替する点で大きく異なるが、その他は実質的に変わるところはない。ここで使用する中空筒状の炭化物９は、原料として製材工場で排出した粒径１ｍｍ以下のオガクズをロータリーキルンで水分３質量％に乾燥し、電気ヒーターでダイスを２００℃に加熱したスクリュー押し出し式の成型機にて中空筒状の成型物としたものを、乾留炉にて、８００℃で２０時間乾留したものを使用した。ここで、成型物の断面形状は、断面六角形で、外形Ｄ＝５８ｍｍ、中心の円の直径ｄ＝１８ｍｍ、ｄ／Ｄ＝０．３１とした。ここで、この例では、乾燥にロータリーキルンを用いるが、乾燥機には、流動床式、気流乾燥式など各種乾燥炉が使用可能であり、また、乾留炉については、廃棄物溶融処理施設で発生する蒸気、排ガスの顕熱及び溶融炉から発生する可燃性ガスを乾留熱源として使用した。

なお、乾留熱源として、廃棄物溶融炉から発生する可燃性ガスだけでなく、その燃焼排ガス、溶融炉の後流側にとりつけた廃熱ボイラから発生した蒸気のいずれかを使用することもできる。

ここで、乾留炉においても、乾燥機同様、流動床式、シャフト炉式、バッチ炉、電気炉など各種乾留炉が使用可能であり、この例により何ら制限を加えるものではないが、溶融炉に炭化炉を併設し、そのエネルギーを有効に活用することで、総合的なエネルギー効率を高めることが可能となる。

この試験では、図１に示すシャフト炉式廃棄物溶融炉１に廃棄物、コークス、石灰石、中空筒状炭化物を装入し、上段羽口２から空気を、下段送風口３から酸素富化空気を吹込んで廃棄物を溶融処理した。この試験の操業条件及び結果を、比較のための高炉コークスを使用した場合とあわせて表２に示す。

いずれも上段送風量（空気）３５０Ｎｍ^３／ｈ、下段送風量（空気）２５０Ｎｍ^３／ｈ、酸素を富化するために、下段送酸量（純酸素）６０Ｎｍ^３／ｈとし、下段羽口での送風は酸素濃度３６．３％の一定条件、また、高炉コークス及び中空筒状炭化物の使用量を４０：ｋｇ／廃棄物ｔとした。尚、廃棄物は、Ｋ市で排出される一般都市ごみを使用した。

試験の結果、中空筒状炭化物は、従来熱源として使用していた高炉コークスに比べ溶融能力としては何ら変わりなく操業可能であることが確認できた。

なお、本実施例は充填層式の廃棄物溶融炉について述べたが、流動式のコークスベッド式溶融炉やキュポラ等コークスを使う溶融炉への適用も可能である。また、コークス以外の燃料（ＬＰＧ、天然ガス、灯油等）を溶融熱源として使用する炉への適用も妨げない。

本発明による廃棄物溶融処理設備を示す図である。本発明による中空筒状炭化物の断面形状を示す図である。乾式のスクリュー型押出成型機の概略図である。乾留温度と炭化物中の固定炭素濃度、揮発分の関係を示すグラフである。乾留温度と真比重の関係を示すグラフである。乾留温度と重量減少率の関係を示すグラフである。従来の廃棄物溶融処理設備を示す図である。

符号の説明

１：廃棄物溶融炉
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・予熱帯
７：熱分解帯
８：燃焼・溶融帯
９：中空筒状炭化物
１０：炉底部
１１：装入装置
１２：排ガス管
１３：出滓口
１４：熱分解残渣

Claims

廃棄物をシャフト炉型の廃棄物溶融炉で直接溶融処理する廃棄物溶融処理方法において
、
原料を、５０〜４００℃に加熱したダイスを持つ乾式のスクリュー型押出成型機により
加熱加圧成型した中空筒状の固形物を乾留した中空筒状の炭化物をシャフト炉炉内に装入して廃棄物の溶融熱源及び還元剤として使用することを特徴とする廃棄物溶融処理方法。
断面形状が、外径３０〜６０ｍｍで内部に直径１０〜３０ｍｍの空胴を持ち、その比率
が外径をＤ、内径をｄとするとｄ／Ｄが０．１〜０．５の範囲にある中空筒状の固形物を乾留した炭化物を使用することを特徴とする請求項１記載の廃棄物溶融処理方法。
平均粒径１ｍｍ以下の木材粉を乾燥し水分１０質量％以下とした原料を用いた中空筒状
の炭化物を使用することを特徴とする請求項１または２記載の廃棄物溶融処理方法。
乾留温度が６００〜１２００℃の範囲で乾留した中空筒状の炭化物を使用することを特
徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の廃棄物溶融処理方法。
中空筒状の炭化物の使用量が廃棄物に対して質量比０．５〜１０％であることを特徴と
する請求項１〜４のいずれかに記載の廃棄物溶融処理方法。
使用する中空筒状炭化物の軸方向の長さ３０ｍｍ以下が３０質量％以内、かつ軸方向の
長さ３００ｍｍ以上が５質量％以内であることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の廃棄物溶融処理方法。
使用する炭化物を１０００℃の空気中に３０分曝露する場合の、曝露前後の質量減少が
３０％以内であることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の廃棄物溶融処理方法。
使用する炭化物を１０００℃の空気中に３０分曝露した後の圧潰強度が１０００Ｎ以上でかつ揮発分が２０質量％以下及び／又は真比重が１．２〜２．０ｇ／ｃｍ ^３
の範囲にあることを特徴とする請求項１〜８のいずれかに記載の廃棄物溶融処理方法。
廃棄物をシャフト炉型の廃棄物溶融炉で直接溶融処理する廃棄物溶融処理方法において
、
中空筒状の炭化物をシャフト炉炉内に装入して廃棄物の溶融熱源及び還元剤として使用し、使用する炭化物を１０００℃の空気中に３０分曝露した後の圧潰強度が１０００Ｎ以上でかつ揮発分が２０質量％以下及び／又は真比重が１．２〜２．０ｇ／ｃｍ^３
の範囲にあることを特徴とする廃棄物溶融処理方法。
乾留熱源として、廃棄物溶融炉から発生する可燃性ガス、その燃焼排ガス、廃棄物溶融炉の後流側にとりつけた廃熱ボイラから発生した蒸気のいずれかを使用することを特徴と
する請求項１記載の廃棄物溶融処理方法。