JP5283780B1 - 廃棄物溶融炉 - Google Patents

Abstract

【課題】炭素系可燃物質の消費量を低減できる廃棄物溶融炉を提供する。
【解決手段】廃棄物の乾燥、熱分解及び溶融を行う廃棄物溶融炉２は、上下方向に延在して廃棄物を収容する空間を形成し、廃棄物を上方から下方に案内する筒状の本体部２０と、本体部２０の中心軸線に沿って本体部２０の下側に連なり、廃棄物から生成された溶融物を貯留する溶融物貯留部２２と、本体部２０の中心軸線に沿って本体部２０の上側に連なり、廃棄物から生成されたガスを集めて排気口２６へ導くガス誘導部２１と、を備える。本体部２０は、下方へ向かうに従い内側の断面積が徐々に小さくなるテーパ部２４を有し、上下方向において、本体部２０を構成する全部分の中で最大の高さを占める。
【選択図】図１

Description

本発明は、廃棄物の乾燥、熱分解及び溶融を行う廃棄物溶融炉に関する。

一般廃棄物や産業廃棄物などの廃棄物を処理する方法としては、例えばコークスなどの炭素系可燃物質を溶融熱源に用い、工業炉で廃棄物を溶融する方法がある。溶融による廃棄物の処理により、廃棄物の減容化が可能となるのに加え、これまで埋め立てによって最終処分されていた焼却灰や不燃性ごみをスラグやメタルにして再資源化することが可能となる。

廃棄物を溶融する方法としては、廃棄物を焼却炉で焼却し、その焼却灰や不燃分を加熱溶融する方法がある。近年においては、廃棄物中の可燃分の燃焼及びガス化と、廃棄物中の灰分の加熱溶融とを一つの炉内で行えるガス化溶融炉が注目されている。ガス化溶融炉は、炭素系可燃物質の燃焼熱により、廃棄物中の可燃物を燃焼及びガス化させて炉外に排出し、炉内に残った灰分や不燃物を加熱溶融する。すなわち、ガス化溶融炉は、廃棄物を熱分解し、灰分や不燃物を加熱溶融する。

ガス化溶融炉としては、シャフト式の溶融炉が知られている（例えば、特許文献１〜３参照）。特許文献１〜３に開示されている溶融炉は、円筒状のシャフト部（直胴部）と、逆円錐台部（テーパ部）と、炉底部とを備える。炉底部には、下段羽口が設けられている。下段羽口から炉内には、炭素系可燃物質を燃焼させるためのガス（燃焼支持ガス）が吹き込まれる。これにより炭素系可燃物質が燃焼すると、高温の炉内ガスが発生し、上昇する。この炉内ガスと廃棄物との間で熱交換が行われ、廃棄物の乾燥及び熱分解が促進される。灰分や不燃物は、テーパ部の内面に沿って炉底部側に集まり、炭素系可燃物質の燃焼熱により溶融する。溶融物は炉底部に貯留され、取り出される。

また、特許文献１，２に開示されている溶融炉では、更に、逆円錐台部に上段羽口が設けられている。上段羽口から炉内には、空気が吹き込まれる。これにより、廃棄物の乾燥及び熱分解が促進される。

特開平８−９４０３６号公報 特開２０１１−８９６７２号公報 特開２００２−１３０６３２号公報

しかしながら、上述したガス化溶融炉では、炉内における廃棄物の荷下がり速度は均一ではなく、炉内中央部での荷下がり速度に比べ炉壁近傍での荷下がり速度が低い傾向がある。特許文献１〜３に記載された溶融炉では、特に逆円錐台部の内面近傍での荷下がり速度が低く、廃棄物が停滞し易い。とりわけ、シャフト部の内面と逆円錐台部の内面との境界部に廃棄物が引っ掛かり、停滞し易い。このような停滞が生じると、炉内ガスが十分に行き渡らない部分が生じ、廃棄物と炉内ガスとの熱交換の効率が低下する場合がある。

また、廃棄物の停滞部分で局所的に熱分解が生じ、空洞が発生する場合もある。特に、特許文献１，２に開示されている溶融炉では、上段羽口により逆円錐台部に空気が吹き込まれるため、上段羽口の近傍で局所的な熱分解が生じ易い。局所的な熱分解で生じた空洞が炉内ガスの流路を形成してしまうと、その流路を通って炉内ガスが吹き抜けてしまい、空洞以外の部分に炉内ガスが行き渡り難くなる（以下、この現象を「ガスの吹き抜け」という。）。このため、廃棄物と炉内ガスとの熱交換の効率が更に低下するおそれがある。

更に、空洞が発生する際に生じた熱分解残渣が溶融し、炉の内面に付着してしまう場合もある。このような付着が生じると、廃棄物が更に停滞し易くなる。このため、廃棄物と炉内ガスとの熱交換の効率が更に低下するおそれがある。

このように、廃棄物と炉内ガスとの熱交換の効率が低下すると、それを補うために炭素系可燃物質の消費量が増加する。一般に、炭素系可燃物質は化石燃料に由来するので、炭素系可燃物質の消費量の増加は環境保護の観点で望ましくない。そこで、本発明は、炭素系可燃物質の消費量を低減できる廃棄物溶融炉を提供することを目的とする。

本発明に係る廃棄物溶融炉は、廃棄物の乾燥、熱分解及び溶融を行う廃棄物溶融炉であって、上下方向に延在して廃棄物を収容する空間を形成し、廃棄物を上方から下方に案内する筒状の本体部と、本体部の中心軸線に沿って本体部の下側に連なり、廃棄物から生成された溶融物を貯留する溶融物貯留部と、本体部の中心軸線に沿って本体部の上側に連なり、廃棄物から生成されたガスを集めて排気口へ導くガス誘導部と、を備え、本体部は、下方へ向かうに従い内側の断面積が徐々に小さくなるテーパ部を有し、上下方向において、テーパ部は本体部の全高を占めるか、又は本体部を構成する全部分の中で最大の高さを占める。

この廃棄物溶融炉内の下部で炭素系可燃物を燃焼させると、高温の炉内ガスが発生し、上昇する。廃棄物は、炉内ガスの上昇流に対向しながら下降する。この過程で、炉内ガスと廃棄物との間で熱交換が行われ、廃棄物の乾燥及び廃棄物の熱分解が促進される。廃棄物の熱分解により発生したガスは、ガス誘導部に集まって排出される。炉内に残った灰分及び不燃物は、テーパ部の内面に沿って炉の底部側に集まり、炭素系可燃物質の燃焼熱により溶融する。溶融物は溶融物貯留部に貯留され、取り出される。

ここで、本体部を構成する全部分の中でテーパ部が最大の高さを占めている。このため、テーパ状でない直胴部が最大の高さを占めている場合に比べ、水平面に対するテーパ部の内面の傾斜角が大きい。これにより、テーパ部の内面近傍の廃棄物が円滑に下方に導かれる。更に、テーパ部が直胴部の下側に連なっている場合であっても、直胴部の内面に対するテーパ部の内面の傾斜が緩やかであるため、テーパ部の上端部に廃棄物が停滞し難い。また、テーパ部が最大の高さを占めていると、テーパ部の上端部は本体部の上部側に位置する。廃棄物は、乾燥及び熱分解により、本体部内を下降するに従って減容化される。この減容化は、本体部の上部側でも進行する。テーパ部の上端部が本体部の上部側に位置していると、本体部の上部側でも進行する減容化に合わせて、本体部の断面積が上部側から下方へ向かうに従い小さくなる。このため、空洞の発生が抑制され、ガスの吹き抜けが防止される。これらのことから、直胴部が最大の高さを占めている場合に比べ、廃棄物と炉内ガスとの熱交換の効率が向上する。従って、炭素系可燃物質の消費量を低減できる。

なお、直胴部が最大の高さを占めている場合に比べ、本体部の内容積は小さいが、廃棄物の処理効率への悪影響はない。これは、上述したように廃棄物と炉内ガスとの熱交換の効率が向上し、廃棄物が効率よく減容化されるためである。

水平面に対するテーパ部の内面の傾斜角は、７５°を超え且つ９０°未満である。これにより、廃棄物の停滞がより確実に防止される。従って、廃棄物と炉内ガスとの熱交換の効率を更に向上させることができる。

本体部は、廃棄物を乾燥させる乾燥領域と、乾燥領域の下方で廃棄物を熱分解させる熱分解領域と、を有し、乾燥領域と熱分解領域との境界部がテーパ部内に位置していてもよい。この場合、テーパ部の上端部が乾燥領域内に位置する。上述した廃棄物の減容化は乾燥領域内でも進行する。テーパ部の上端部が乾燥領域内に位置していると、乾燥領域内でも進行する減容化に合わせて、本体部の断面積が乾燥領域内から下方へ向かうに従い小さくなる。このため、空洞の発生をより確実に抑制できる。

溶融物貯留部には、酸素富化された空気を炉内に供給するための下段羽口が設けられ、テーパ部には、空気を炉内に供給するための上段羽口が設けられ、少なくとも一つの上段羽口は、乾燥領域に位置してもよい。この場合、下段羽口から炉内に酸素富化された空気を供給することで、炭素系可燃物質の燃焼を継続させることができる。上段羽口から炉内にも空気を供給することで、廃棄物の乾燥及び熱分解を促進できる。ここで、少なくとも一つの上段羽口は、乾燥領域に位置している。このため、乾燥領域における廃棄物の乾燥が更に促進される。上述したように、テーパ部の上端部が乾燥領域内に位置していることから、乾燥領域内の廃棄物はテーパ部に沿って下降する。廃棄物の乾燥が促進されると、廃棄物が更に減容化され、テーパ部に沿った荷下がりが更に円滑化される。また、乾燥の促進により減容化された廃棄物がテーパ部によって中央に集められるため、空洞の形成は抑制される。このように、テーパ部の上端部が乾燥領域内に位置することと、上段羽口が乾燥領域に設けられていることとが相俟って、空洞の形成を抑制しつつ廃棄物の乾燥を促進することが可能となっている。

乾燥領域に位置する上段羽口は、乾燥領域の下端部とテーパ部の上端部との間において、乾燥領域の下端部寄りに位置してもよい。この場合、空洞の発生をより確実に抑制できる。

本発明に係る廃棄物溶融炉によれば、炭素系可燃物質の消費量を低減できる。

本発明に係る廃棄物溶融炉を用いた廃棄物処理装置の概略図である。 図１中の廃棄物溶融炉を示す縦断面図である。 廃棄物溶融炉内の乾燥領域、熱分解領域、溶融領域を模式的に示した図である。 実施例及び比較例を示す模式図である。 炉内差圧の経日的な推移を示す線図である。 炉頂ガス温度の経日的な推移を示す線図である。 炉中部ガス温度の経時的な推移を示す線図である。 廃棄物処理量、コークス比、炉内差圧、炉頂ガス温度の測定結果を示す図である。 炉の高さ方向における炉内ガスの流速の分布及び炉内差圧の分布を示す図である。 炉内熱交換温度とコークス比の測定結果をプロットした図である。 容積あたりの水分乾燥能力とコークス比の測定結果をプロットした図である。 熱伝達効率と炉内ガスの流速の測定結果をプロットした図である。 ガスの吹き抜け発生時間とコークス比の測定結果をプロットした図である。

以下、本発明の好適な実施形態について、図面を参照しつつ詳細に説明する。説明において、同一要素又は同一機能を有する要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。

図１に示されるように、廃棄物処理装置１は、一般廃棄物や産業廃棄物を処理する装置であり、廃棄物溶融炉２と、水砕ピット５と、燃焼室６と、ボイラー６１と、減温塔６２と、集塵器６３と、触媒反応塔６４と、煙突６５とを備えている。廃棄物溶融炉２は、還元雰囲気下で廃棄物中の可燃物を熱分解してガス化し、灰分や不燃物を溶融する。後述するように、廃棄物から生成されたガスは、廃棄物溶融炉２の上部から排出され、廃棄物から生成された溶融物は、廃棄物溶融炉２の下部から排出される。

水砕ピット５は、廃棄物溶融炉２の下部から排出された溶融物を水砕冷却させ、回収する。水砕ピット５は、冷却水を貯留するケーシングと、ケーシング内で水砕冷却された冷却物を取り出すためのスクレーパコンベア（不図示）を備えている。燃焼室６及びボイラー６１は、排気ダクトを介して廃棄物溶融炉２の上部に接続され、廃棄物溶融炉２の排ガスから熱エネルギーを回収する。減温塔６２、集塵器６３、触媒反応塔６４は、ボイラー６１の下流側に接続され、排ガスを無害化する。煙突６５は、無害化された排ガスを放出する。

廃棄物溶融炉２は、レンガ、ＳｉＣやアルミナ等を含む耐火性物質等によって形成されている。廃棄物溶融炉２は、上下方向に沿う軸線ＣＬ１を中心として上下方向に延在する筒状の本体部２０と、本体部２０の上側に連なるガス誘導部２１と、本体部２０の下側に連なる溶融物貯留部２２とを備えている。本体部２０は、廃棄物を収容する空間を形成し、廃棄物を上方から下方へ案内する。ガス誘導部２１は、本体部２０内の廃棄物から生成されたガスを集め、排気ダクトに導く。溶融物貯留部２２は、本体部２０内の廃棄物から生成された溶融物を貯留する。

本体部２０は、内側の断面積が一定の直胴部２３と、直胴部２３の下側に連なり、下方に向かうに従い内側の断面積が小さくなるテーパ部２４とで構成されている。直胴部２３の内面２３ａは円柱状を呈し、テーパ部２４の内面２４ａは逆円錐台形状を呈している。テーパ部２４の上端部の内径は、直胴部２３の内径と同等である。

テーパ部２４の高さＨ２は、直胴部２３の高さＨ３に比べ大きい（図３参照）。すなわち、本体部２０を構成する全部分の中で、テーパ部２４は最大の高さを占める。このため、直胴部２３が最大の高さを占める場合に比べ、水平面に対するテーパ部２４の内面２４ａの傾斜角θが大きい。傾斜角θは、７５°を超え且つ９０°未満である。８０°以上且つ９０°未満であることがより好ましい。

本体部２０の内径及び高さは、例えば、後述する乾燥領域７０に必要な容積及び熱分解領域７１に必要な容積に応じて定められる。乾燥領域７０に必要な容積は、例えば、１時間当りの水分乾燥量を５０〜１５０ｋｇ／ｍ^３・ｈとして、１時間当たりに廃棄物溶融炉２に投入される廃棄物に含まれる水分量（すなわち、投入水分量）の全量を乾燥し得る容積である。熱分解領域７１に必要な容積は、例えば、１時間当たりの炭素ガス化量を５０〜１５０ｋｇ／ｍ^３・ｈとして、１時間当たりに廃棄物溶融炉２内に投入する廃棄物及びコークスに含まれる炭素をガス化し得る容積である。

溶融物貯留部２２は、軸線ＣＬ１を中心とする円筒状の側壁部２２ａと、側壁部２２ａの下端部を塞ぐ底部２２ｂとを有している。側壁部２２ａの上端部は、テーパ部２４の下端部に接続されている。側壁部２２ａの内径は、テーパ部２４の下端部の内径と同等である。側壁部２２ａの下端部には、溶融物貯留部２２に貯留された溶融物を排出する出湯口２７が設けられている。出湯口２７には開閉機構（不図示）が設けられており、間欠的に溶融物を排出する。出湯口２７の外側には、側壁部２２ａから斜め下方に延出する溶融物樋２８が設けられている。溶融物樋２８は、溶融物を水砕ピット５に送る。

ガス誘導部２１は、軸線ＣＬ１を中心とする円筒形状を呈している。ガス誘導部２１の下端部は、本体部２０の直胴部２３の上端部に接続されている。ガス誘導部２１の下端部の内径は、直胴部２３の内径と同等である。上下方向でのガス誘導部２１の中間部は径方向に膨出している。このため、ガス誘導部２１の内面２１ａは、直胴部２３の内面２３ａに比べ径方向に膨らんでいる。ガス誘導部２１の上端部は、下端部に比べ縮径され、廃棄物溶融炉２の開口部２ａを構成している。

開口部２ａには、軸線ＣＬ１を中心とする円筒形状を呈し、廃棄物溶融炉２内に廃棄物及び炭素系可燃物質を導入する内筒２５が挿入される。内筒２５の下端部はガス誘導部２１の下端部に比べ上方に位置する。ガス誘導部２１の上部には、排気口２６が設けられている。排気口２６は、本体部２０内の廃棄物から生成されたガスを排出する。排気口２６は、排気ダクトを介して燃焼室６に接続される。

溶融物貯留部２２には、酸素富化された空気（以下、酸素富化空気という。）を炉内に供給するための下段羽口４０が設けられている。酸素富化空気とは、酸素濃度を高めた空気である。下段羽口４０は、側壁部２２ａの周方向に並ぶ複数の箇所に配置されている。下段羽口４０の好ましい配置例として、周方向に４５°間隔で並ぶ８カ所に下段羽口４０を配置することが挙げられる。下段羽口４０の先端部は、溶融物貯留部２２内に突出していてもよいし、突出していなくてもよい。

テーパ部２４には、空気を炉内に供給するための上段羽口３０，３１，３２，３３が設けられている。上段羽口３０，３１，３２，３３は、上方から下方に並んでいる。上下方向に並ぶ上段羽口の数は４段に限られず、４段未満であってもよいし、５段以上であってもよい。上段羽口３０，３１，３２，３３のそれぞれは、テーパ部２４の周方向に並ぶ複数の箇所に配置されている。好ましい配置例として、上段羽口３０，３１，３２，３３のそれぞれを、周方向に９０°間隔で並ぶ４箇所に配置することが挙げられる。上段羽口３０，３１，３２，３３の先端部は、テーパ部２４内に突出していてもよいし、突出していなくてもよい。

上段羽口３０，３１，３２，３３及び下段羽口４０には、送風機４２が接続されている。送風機４２から上段羽口３０，３１，３２，３３及び下段羽口４０に向かう流路には、流量調節バルブ３０ａ，３１ａ，３２ａ，３３ａ，４０ａがそれぞれ設けられている。また、流量調節バルブ４０ａから下段羽口４０に向かう流路には、空気を酸素富化するための酸素発生器４１が接続されている。

図２に示されるように、廃棄物溶融炉２には、炉内温度を測定するための温度計Ｔ１〜Ｔ５が配置されている。温度計Ｔ１は、ガス誘導部２１の上部に配置されている。温度計Ｔ５は、溶融物貯留部２２の底部２２ｂを構成する耐火物内に埋設されている。温度計Ｔ２，Ｔ３，Ｔ４は、温度計Ｔ１，Ｔ５の間で上方から下方に並んでいる。また、廃棄物溶融炉２には、炉内圧力を測定するための複数の圧力計が配置されている。圧力計Ｐ１は、ガス誘導部２１の上部に配置されている。圧力計Ｐ２，Ｐ３，Ｐ４は、テーパ部２４の上部、中部、下部にそれぞれ配置されている。

続いて、廃棄物溶融炉２の動作について詳細に説明する。まず、廃棄物投入開始前に、内筒２５を通し、炭素系可燃物質を廃棄物溶融炉２内に導入する。炭素系可燃物質は、例えばコークスである。化石燃料に由来するコークスの消費量を削減するために、コークスの全部又は一部を、木材等のバイオマスの炭化物で代替してもよい。廃棄物溶融炉２内の底部２２ｂ上に蓄積されたコークスに、バーナー（不図示）等を用いて着火する。これにより、炉内の底部に所謂コークスベッド８１が形成される。

次に、内筒２５を通し、コークス及び廃棄物の混合物を廃棄物溶融炉２内に導入し、この混合物で本体部２０内を満たす。廃棄物の種類は特に限定されることはなく、一般廃棄物、産業廃棄物のいずれであってもよい。シュレッダーダスト（ＡＳＲ）、掘り起こしごみ、焼却灰などの単体又は混合物、或いはこれらと可燃性ごみの混合物なども処理することが可能である。また、乾留された廃棄物を投入してもよい。コークスの他に、塩基度調整剤としての石灰石等を廃棄物に添加してもよい。

この状態で、下段羽口４０からは、酸素富化空気を炉内に供給する。酸素富化空気の送風圧力の好ましい設定例として、５〜２５ｋＰａの範囲内に設定することが挙げられる。なお、下段羽口４０から炉内に供給する酸素富化空気に、ＬＮＧなどの燃料ガスを混合してもよい。更に、上段羽口３０，３１，３２，３３からは、空気を炉内に供給する。空気の送風圧力の好ましい設定例として、５〜２５ｋＰａに設定することが挙げられる。

廃棄物溶融炉２の底部２２ｂ側では、下段羽口４０から供給される酸素富化空気により、コークスの燃焼が継続し、燃焼で発生した高温の炉内ガスが上昇する。また、上段羽口３０，３１，３２，３３から供給される空気により、テーパ部２４において廃棄物が部分燃焼し、部分燃焼で発生した高温の炉内ガスが上昇する。廃棄物は、本体部２０に案内され、炉内ガスの上昇流に対向しながら下降する。この過程で、炉内ガスと廃棄物との間で熱交換が行われ、廃棄物の乾燥及び廃棄物の熱分解が促進される。廃棄物の熱分解により発生したガスは、ガス誘導部２１内に集まって上方に導かれ、排気口２６を通って排出される。排出されたガスは排気ダクトを通って燃焼室６に送られる。

熱分解残渣（炭化物）は、灰分、不燃物と共に、テーパ部２４の内面２４ａに沿って廃棄物溶融炉２の底部２２ｂ側に集まり、コークスベッド８１の上に炭化物粒子層（所謂チャー層）８２を形成する。チャー層８２は、通気抵抗層として機能し、下段羽口４０から供給される酸素富化空気の流れを整える。これにより、下段羽口４０から供給される酸素富化空気の局所的な吹き抜けが防止される。

熱分解残渣の可燃性乾留物（固定炭素）は、コークスと共に燃焼される。コークス及び可燃性乾留物の燃焼ガスは、コークスベッド８１の上端近傍の領域で最高温度となる。この領域で、灰分、不燃物が溶融する。溶融物はコークスベッドの隙間を通って溶融物貯留部２２に進入し、貯留される。貯留された溶融物は、出湯口２７から間欠的に取り出される。出湯口２７から取り出された溶融物は、水砕ピット５で水砕冷却され、スラグ及びメタルとして回収される。以後、コークス及び廃棄物の混合物を炉内に補充し、廃棄物溶融処理を継続する。

ここで、廃棄物溶融処理を継続している間、廃棄物溶融炉２内の上部には、主として廃棄物を乾燥させ、予熱する乾燥領域７０が形成される。乾燥領域７０の下側には、主として乾燥した廃棄物中の可燃成分を熱分解してガス化させる熱分解領域７１が形成される。熱分解領域７１の下側には、灰分、不燃物を溶融させる溶融領域７２が形成される（図３参照）。上述したように、直胴部２３が最大の高さを占めるのに比べ、テーパ部２４の上端部の位置が高いことから、テーパ部２４の上端部は乾燥領域７０に達しており、乾燥領域７０と熱分解領域７１との境界部はテーパ部２４内に位置している。

上段羽口３０，３１，３２，３３の中で、最上段に配置された上段羽口３０は乾燥領域７０に位置している。上段羽口３０は、乾燥領域７０の下端部とテーパ部２４の上端部との間において、乾燥領域７０の下端部寄りに位置している。

乾燥領域７０内では、熱分解領域７１内に比べ、廃棄物同士の間に大きな空隙が形成されていることから、乾燥領域７０内の廃棄物は、熱分解領域７１内の廃棄物に比べ動きやすい。このため、乾燥領域７０の上段羽口３０による送風量が過大であると、炉内ガスの吹き抜け経路の形成を助長してしまうおそれがある。そこで、上段羽口３０からの送風量を、一箇所当たり５０Ｎｍ^３／ｈ以下とすることが好ましい。なお、必ずしも乾燥領域７０に上段羽口３０を設けなくてもよい。また、４段の上段羽口３０，３１，３２，３３のうち２段以上を乾燥領域７０内に配置してもよい。

なお、炉内のいずれの部分が乾燥領域７０、熱分解領域７１、溶融領域７２であるかは、例えば炉内温度によって把握可能である。例えば、炉内温度が３５０〜６００℃である部分は乾燥領域であり、炉内温度が６００〜１２００℃である部分は熱分解領域であり、炉内温度が１２００〜１８００℃である部分は溶融領域である。本実施形態では、廃棄物溶融炉２内の上部から下部にかけて、温度計Ｔ１〜Ｔ５が配置されている。各温度計で測定される温度により、乾燥領域７０、熱分解領域７１、溶融領域７２の範囲を大まかに把握できる。

また、乾燥領域７０と熱分解領域７１の境界部の位置は、例えば炉内差圧によっても把握可能である。乾燥領域７０において、廃棄物は、乾燥により水分が除去されることによって減容化される。熱分解領域において、廃棄物は、熱分解により炭化物粒子を形成し、更に減容化されて密集する。このため、乾燥領域における差圧と熱分解領域における差圧とには例えば０．５ｋＰａ／ｍ程度の差がある。ここでの差圧とは、１ｍの下降に伴う圧力の上昇量である。そこで、上方の領域の差圧に比べて例えば０．５ｋＰａ／ｍ程度差圧が上昇する部位を把握することで、乾燥領域７０と熱分解領域７１の境界部をおおまかに把握できる。炉内各部の差圧は、炉内に配置された圧力計Ｐ１〜Ｐ４により大まかに把握できる。例えば、中部圧力計Ｐ３付近における差圧が上方の領域に比べ０．５ｋＰａ／ｍ程度上昇していれば、中部圧力計Ｐ３付近が乾燥領域７０と熱分解領域７１の境界部であることが把握される。

すなわち、廃棄物の熱分解領域７１は、０．５ｋＰａ／ｍ以上の差圧上昇が完了する部位から開始される領域である。なお、ここでの差圧は、炉の操業が比較的安定しているときの差圧を意味し、ガスの吹き抜け等が発生しているときの差圧を除く。

以上に説明した廃棄物溶融炉２では、本体部２０を構成する全部分の中でテーパ部２４が最大の高さを占めている。このため、テーパ状でない直胴部２３が最大の高さを占めている場合に比べ、水平面に対するテーパ部２４の内面２４ａの傾斜角が大きい。これにより、テーパ部２４の内面２４ａ近傍の廃棄物が円滑に下方に導かれる。更に、直胴部２３の内面２３ａに対するテーパ部２４の内面２４ａの傾斜が緩やかであるため、テーパ部２４の上端部に廃棄物が停滞し難い。また、テーパ部２４が最大の高さを占めていると、テーパ部２４の上端部は本体部２０の上部側に位置する。廃棄物は、乾燥及び熱分解により、本体部２０内を下降するに従って減容化される。この減容化は、本体部２０の上部側でも進行する。テーパ部２４の上端部が本体部２０の上部側に位置していると、本体部２０の上部側でも進行する減容化に合わせて、本体部２０の断面積が上部側から下方へ向かうに従い小さくなる。このため、空洞の発生が抑制され、ガスの吹き抜けが防止される。これらのことから、直胴部２３が最大の高さを占めている場合に比べ、廃棄物と炉内ガスとの熱交換の効率が向上する。従って、コークスの消費量を低減できる。

なお、直胴部２３が最大の高さを占めている場合に比べ、本体部２０の内容積は小さいが、廃棄物の処理効率への悪影響はない。これは、上述したように廃棄物と炉内ガスとの熱交換の効率が向上し、廃棄物が効率よく減容化されるためである。

水平面に対するテーパ部２４の内面２４ａの傾斜角は、７５°を超え且つ９０°未満である。このため、廃棄物の停滞がより確実に防止される。従って、廃棄物と炉内ガスとの熱交換の効率を更に向上させることができる。

乾燥領域７０と熱分解領域７１との境界部はテーパ部２４内に位置している。これにより、テーパ部２４の上端部が乾燥領域７０内に位置する。上述した廃棄物の減容化は乾燥領域７０内でも進行する。テーパ部２４の上端部が乾燥領域７０内に位置していると、乾燥領域７０内でも進行する減容化に合わせて、本体部２０の断面積が乾燥領域７０内から下方へ向かうに従い小さくなる。このため、空洞の発生をより確実に抑制できる。

また、上段羽口３０は乾燥領域７０に位置している。このため、乾燥領域７０における廃棄物の乾燥が更に促進される。上述したように、テーパ部２４の上端部が乾燥領域７０内に位置していることから、乾燥領域７０内の廃棄物はテーパ部２４に沿って下降する。廃棄物の乾燥が促進されると、廃棄物が更に減容化され、テーパ部２４に沿った荷下がりが更に円滑化される。また、乾燥の促進により減容化された廃棄物がテーパ部２４によって中央に集められるため、空洞の形成は抑制される。このように、テーパ部２４の上端部が乾燥領域７０内に位置することと、上段羽口３０が乾燥領域７０に設けられていることとが相俟って、空洞の形成を抑制しつつ廃棄物の乾燥を促進することが可能となっている。

上段羽口３０は、乾燥領域７０の下端部とテーパ部２４の上端部との間において、乾燥領域７０の下端部寄りに位置している。これにより、乾燥領域７０に位置する上段羽口３０を直動部２３とテーパ部２４の境界部から離間させ、空洞の発生をより確実に抑制できる。

更に、廃棄物溶融炉２によれば、熱分解残渣の付着の発生が抑制されることから、廃棄物溶融炉２のメンテナンス時の作業負担を格段に軽減できる。また、空洞の発生が抑制されることから、廃棄物溶融炉２の安定した操業が可能となる。仮に空洞が発生し、その空洞が成長すると、炉内差圧は低下する。そして、成長していた空洞が荷崩れに伴って埋まると、炉内差圧は急激に上昇する。空洞の発生が抑制されると、このような炉内差圧の変動も抑制されるため、廃棄物溶融炉の安定した操業が可能となる。

廃棄物溶融炉２では、直胴部２３が最大の高さを占めている場合に比べ、従来の炉に比べて熱分解領域７１の内径が小さくなる。その分、チャー層の層厚を大きくすることができ、充分な炉内差圧を確保することが可能となる。このことも、廃棄物溶融炉２の操業の安定化に寄与する。

以上、本発明の好適な実施形態について説明してきたが、本発明は必ずしも上述した実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で様々な変更が可能である。例えば、本体部２０が直胴部２３を有さず、テーパ部２４のみで構成されていてもよい。すなわち、テーパ部２４は、本体部２０の全高Ｈ１を占めていてもよい。

以下に、本発明の実施例及び比較例を示すが、本発明は、ここで示す実施例に限定されるものではない。

（１）実施例１
実施例１として、図４（ａ）に模式的に示される廃棄物溶融炉２Ａを用意した。廃棄物溶融炉２Ａは、上述した実施形態の廃棄物溶融炉２に相当する。本体部２０の全高Ｈ１に対するテーパ部２４の高さＨ２の比率は９５％である。水平面に対するテーパ部２４の内面２４ａの傾斜角θは、８０°である。廃棄物溶融炉２Ａでは、９０°間隔で周方向に並ぶ４箇所に上述した温度計Ｔ２を設けた。

（２）実施例２
実施例２として、図４（ｂ）に模式的に示される廃棄物溶融炉２Ｂを用意した。廃棄物溶融炉２Ｂは、上述した実施形態の廃棄物溶融炉２に相当する。本体部２０の全高Ｈ１に対するテーパ部２４の高さＨ２の比率は５０％である。水平面に対するテーパ部２４の内面２４ａの傾斜角θは７５°である。廃棄物溶融炉２Ｂの直胴部２３の内径、テーパ部２４の下端部の内径、本体部２０の全高Ｈ１は、廃棄物溶融炉２Ａの直胴部２３の内径、テーパ部２４の下端部の内径、本体部２０の全高Ｈ１と同等である。

（３）比較例１
比較例１として、図４（ｃ）に模式的に示される廃棄物溶融炉２Ｃを用意した。次の点で、廃棄物溶融炉２Ｃは上述した実施形態の廃棄物溶融炉２と異なっている。本体部２０を構成する全部分の中で直胴部２３が最大の高さを占めている。本体部２０の全高Ｈ１に対するテーパ部２４の高さＨ２の比率は３５％である。上段羽口３０，３１，３２，３３のうち、最上部の上段羽口３０を有していない。全ての上段羽口３１，３２，３３は、熱分解領域７１に位置している。水平面に対するテーパ部２４の内面２４ａの傾斜角θは７０°である。

廃棄物溶融炉２Ｃの直胴部２３の内径、テーパ部２４の下端部の内径、本体部２０の全高Ｈ１は、廃棄物溶融炉２Ａの直胴部２３の内径、テーパ部２４の下端部の内径、本体部２０の全高Ｈ１と同等である。廃棄物溶融炉２Ｃにも、９０°間隔で周方向に並ぶ４箇所に上述した温度計Ｔ２を設けた。

（４）炉内差圧、炉頂ガス温度及び炉中部ガス温度の比較評価
実施例１，２及び比較例１の廃棄物溶融炉２Ａ，２Ｂ，２Ｃを同時期に操業し、炉内差圧を測定した。また、実施例１及び比較例１の廃棄物溶融炉２Ａ，２Ｃについては、炉頂ガス温度及び炉中部ガス温度も測定した。なお、上段羽口３０を有しない比較例１を比較対象として、本体部２０の形状の効果のみを評価するために、実施例１及び２において上段羽口３０からの空気の供給を行わなかった。

本試験例における炉内差圧は、テーパ部２４の下部に設けた圧力計Ｐ４の検出値と、ガス誘導部２１の上部に設けられた圧力計Ｐ１の検出値の差である。炉頂ガス温度は、ガス誘導部２１の上部に設けられた温度計Ｔ１の検出値である。炉中部ガス温度は、温度計Ｔ２による測定値である。

図５は、炉内差圧の経日的な推移を示す線図である。図５の折れ線Ｌ１に示されるように、比較例１では、１日目から３日目にかけて炉内差圧が低くなっており、炉の操業に好適な範囲の下限値ＬＬを下回ることがあった。この結果から廃棄物溶融炉２Ｃでは、１日目から３日目にかけてガスの吹き抜けが発生し、これに起因して炉内差圧が低下したことが推定される。

ガスの吹き抜けが発生した要因としては、廃棄物溶融炉２Ｂでは、テーパ部２４の内面２４ａ近傍に廃棄物の停滞が生じたことが考えられる（図４（ｃ）中の斜線部参照）。廃棄物の停滞が生じると、例えば、停滞した廃棄物が上段羽口３１，３２，３３からの空気によって局所的に熱分解され、空洞が発生し、空洞が成長して炉内ガスの流路が形成されることが考えられる（このような現象は、直胴部２３の内面２３ａとテーパ部２４の内面２４ａの境界部の近傍で特に発生し易い。）。

これに対し、実施例１の炉内差圧は、図５の折れ線Ｌ２に示されるように、炉の操業に望ましい範囲の下限値ＬＬを上回っており、経日的な炉内差圧の変動幅が小さかった。実施例２の炉内差圧も、図５の折れ線Ｌ３に示されるように、実施例１の炉内差圧よりは低いものの、下限値ＬＬを上回っており、経日的な炉内差圧の変動幅が小さかった。この結果から、実施例１及び２では、ガスの吹き抜けの発生が抑制されていることが推定される。

図６は、炉頂ガス温度の経日的な推移を示す線図である。図６の折れ線Ｌ４に示されるように、比較例１の炉頂ガス温度は、１日目から３日目にかけて高くなっており、４日目以降の温度との差が大きい。１日目から３日目の温度は、炉の操業に望ましい範囲の上限値ＭＬを上回っている。この結果から、比較例１では、１日目から３日目にかけてガスの吹き抜けが発生し、これに起因して炉頂温度が上昇したことが推定される。

これに対し、実施例１の炉頂ガス温度は、図６の折れ線Ｌ５に示されるように、炉の操業に望ましい範囲の上限値ＭＬを下回っており、経日的な炉頂ガス温度の変動幅が小さかった。この結果から、実施例１では、ガスの吹き抜けの発生が抑制されていることが推定される。

炉中部ガス温度の測定結果を図７に示す。図７は、炉中部ガス温度の経時的な推移を示す線図である。図７（ａ）に示されるように、比較例１では、４つの温度計Ｔ２のいずれにおいても、経時的に大幅な温度変動が示された。温度の変動が起きた時間帯は、各温度計において異なっている。この結果から、比較例１では、炉内の異なる場所、異なる時間帯で次々にガスの吹き抜けが発生したことが推定される。

これに対し、実施例１では、図７（ｂ）に示されるように、４つの温度計Ｔ２のいずれにおいても、経時的に大幅な温度変動は示されなかった。この結果から、比較例１の廃棄物溶融炉２Ｃに比べてガスの吹き抜けの発生が格段に抑制されていることが推定される。

以上の結果から、本発明によれば、ガスの吹き抜けの発生を抑制できることが確認された。特に、実施例２では、本体部２０の全高Ｈ１に対するテーパ部２４の高さＨ２の比率が５０％以上であることから、本体部２０を構成する全部分の中で、テーパ部が最大の高さを占めるという条件を満足していれば、ガスの吹き抜けの発生を抑制できることがほぼ確認された。

なお、１ケ月が経過した後に操業を停止し、各炉の内部検査を実施した。その結果、比較例１の廃棄物溶融炉２Ｃの内面には、熱分解残渣が溶融した付着物が形成されていた。これに対し、実施例１の廃棄物溶融炉２Ａの内面には、熱分解残渣が溶融した付着物は全くなかった。

（５）コークス比の比較評価
実施例１及び比較例１の廃棄物溶融炉２Ａ，２Ｃを同時期に約１週間操業し、コークス比を比較した。なお、上段羽口３０を有しない比較例１を比較対象として、本体部２０の形状の効果のみを評価するために、実施例１及び２において上段羽口３０からの空気の供給を行わなかった。

図８は、廃棄物処理量、コークス比、炉内差圧、炉頂ガス温度の測定結果を示す図である。コークス比、炉内差圧及び炉頂ガス温度は、比較例１の測定結果を基準とした差分で示されている。コークス比（ｋｇ／ＴＲ）は、溶融炉に装入したコークスの量（ｋｇ）を、溶融炉で処理した廃棄物総量（ｔ）で除した値である。図８に示されるように、実施例１では、比較例１に比べ、約１週間程度の短期試験において、コークス比が約１２．７ｋｇ／ＴＲ低減されていた。この結果から、本発明によれば、炭素系可燃物質の消費量を低減できることが確認された。

なお、図８の結果によれば、比較例１の炉頂ガス温度に比べ、実施例１の炉頂ガス温度は約１００℃低い。更に比較例１の炉内差圧に比べ、実施例１の炉内差圧は約１．５ｋＰａ高い。これらの結果から、廃棄物溶融炉２Ａ内では、廃棄物の停滞、ガスの吹き抜けの発生が抑制されていることが推定される。このことが、炭素系可燃物質の消費量の削減に大きく寄与しているものと考えられる。

（６）乾燥能力の比較評価
実施例１及び比較例１の廃棄物溶融炉２Ａ，２Ｃを同時期に操業し、乾燥能力を比較した。乾燥能力に関連するパラメータとして、炉内ガスの流速（空塔速度）、炉内差圧、コークス比、炉内熱交換温度、容積当り水分乾燥能力及び熱伝達効率を操業中に測定し、比較した。なお、本評価は、乾燥領域７０の下端部がテーパ部２４内に位置することと、上段羽口３０が乾燥領域７０に上設けられることとが相俟って得られる効果を確認することを目的としている。このため、実施例１において上段羽口３０からの空気の供給を行った。

図９（ａ）は、炉の高さ方向における炉内ガスの流速（空塔速度）の分布を示す線図である。曲線Ｌ６は、実施例１における炉内ガスの流速を示し、曲線Ｌ７は、比較例１における炉内ガスの流速を示している。基準線ｂ１，ｂ２，ｂ３，ｂ４は、それぞれ上段羽口３０，３１，３２，３３の位置を示している。図９（ｂ）は、炉の高さ方向における炉内差圧の分布をプロットした図である。基準線ａ１，ａ２，ａ３，ａ４，ａ５は、炉内差圧の測定に用いた圧力計の位置を示している。ここで用いた圧力計は、上述した圧力計Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３，Ｐ４とは異なる。プロットＦ１，Ｆ２，Ｆ３，Ｆ４は、それぞれ基準線ａ２，ａ１間の差圧、基準線ａ３，ａ２間の差圧、基準線ａ４，ａ３間の差圧、基準線ａ５，ａ４間の差圧を示している。図９（ａ）及び図９（ｂ）は、縦軸を炉の高さとして描かれており、各縦軸のスケールは、図９（ｃ）に示される炉の断面図の高さに合わせられている。

図９（ａ）の線Ｌ６，Ｌ７に示されるように、実施例１では比較例１に比べて炉内ガスの流速が高い。これにより実施例１によれば、炉内ガスと廃棄物との熱交換効率が向上し、乾燥能力が向上することが推定される。また、上述したように、実施例１ではガスの吹き抜けの発生が抑制され、炉内ガスの流れが安定化する。このため、炉内ガスの流速が高くなることと、炉内ガスの流れが安定化することが相俟って、炉内ガスと廃棄物との熱交換効率が一層向上することが推定される。

なお、比較例１では、操業中に度々ガスの吹き抜けが発生し、炉頂ガス温度が上昇してしまい、上段羽口３１からの送風を停止することを余儀なくされた。その結果が図９の流速のデータにも表れている。一方、実施例１では、ガスの吹き抜けの発生が抑制されるので、上段羽口３１からの安定的且つ定常的な送風を行うことができた。

図１０は、炉内熱交換温度（℃）とコークス比（ｋｇ／ＴＲ）の測定結果をプロットした図である。図中黒丸のプロットは実施例１の測定結果を示し、白三角のプロットは比較例１の測定結果を示している。炉内熱交換温度は、次式により算出される。
炉内熱交換温度＝熱分解領域での炉内燃焼温度１０００℃（仮定）−炉頂ガス温度（実績値）
図１０に示されるように、実施例１では、比較例１に比べて熱交換温度が高く且つコークス比が低かった。すなわち、実施例１では、比較例１に比べて廃棄物の乾燥が促進されていることが確認された。

図１１は、容積あたりの水分乾燥能力（Ｍｃａｌ／（ｍ^３・ｈ））とコークス比（ｋｇ／ＴＲ）の測定結果をプロットした図である。図中黒丸のプロットは実施例１の測定結果を示し、白三角のプロットは比較例１の測定結果を示している。容積当り水分乾燥能力は、次式により算出される。
容積当りの水分乾燥能力＝｛廃棄物投入量（ｔ／ｈ）×廃棄物中の水分（％）×水分蒸発潜熱（Ｍｃａｌ／ｔ）｝÷乾燥領域容積（ｍ^３）

図１２は、熱伝達効率（Ｍｃａｌ／（ｍ^３・ｈ・℃））と炉内ガスの流速（空塔速度）（Ｂｍ／ｓ）の測定結果をプロットした図である。図中黒丸のプロットは実施例１の測定結果を示し、白三角のプロットは比較例１の測定結果を示している。熱伝達効率は、次式により算出される。
熱伝達効率＝伝熱面積×熱伝達率
炉内ガスの流速は、上段羽口３０の高さにおける流速を示している。
図１１及び図１２に示されるように、実施例１では、比較例１に比べ、乾燥能力が約２．５倍となっていることが確認された。伝熱面積及び熱伝達率に基づくと、この約２．５倍の乾燥能力の向上は、炉内ガスの流れの安定化に起因する約１．７倍の向上と、炉内ガスの流速が高くなったことに起因する約１．５倍の向上とによるものであった。

（７）上段羽口３０の有無の比較評価
実施例１の廃棄物溶融炉２Ａの操業において、上段羽口３０から空気の供給を行った場合と、行わなかった場合とで、ガスの吹き抜けが発生した時間を比較した。図１３は、ガスの吹き抜け発生時間とコークス比の測定結果をプロットした図である。図中黒丸のプロットは、上段羽口３０から空気の供給を行った場合の測定結果を示し、白三角のプロットは、上段羽口３０から空気の供給を行わなかった場合の測定結果を示している。

図１３に示されるように、上段羽口３０から空気の吹き込みを行わなかった場合には、ガスの吹き抜け時間のばらつきが大きく、長時間の吹き抜けが発生するときがあった。なお、白三角のプロットの分布から、長時間の吹き抜けが発生すると、その影響でコークス比も上昇する傾向が示されている。

これに対し、上段羽口３０から空気の吹き込みを行った場合には、ガスの吹き抜け時間のばらつきが小さく、全体的にガスの吹き抜け時間が短かった。この結果から、上段羽口３０から空気を吹き込むことによって、ガスの吹き抜けの発生が更に抑制されることが確認されると共に、炭素系可燃物質の消費量を低減できることが確認された。

２…廃棄物溶融炉、２０…本体部、２１…ガス誘導部、２２…溶融物貯留部、２４…テーパ部、２４ａ…内面、２６…排気口、３０，３１，３２，３３…上段羽口、４０…下段羽口、７０…乾燥領域、７１…熱分解領域、７２…溶融領域、ＣＬ１…軸線。

Claims (4)

1. 廃棄物の乾燥、熱分解及び溶融を行う廃棄物溶融炉であって、
   上下方向に延在して前記廃棄物を収容する空間を形成し、前記廃棄物を上方から下方に案内する筒状の本体部と、
   前記本体部の中心軸線に沿って前記本体部の下側に連なり、前記廃棄物から生成された溶融物を貯留する溶融物貯留部と、
   前記本体部の中心軸線に沿って前記本体部の上側に連なり、前記廃棄物から生成されたガスを集めて排気口へ導くガス誘導部と、を備え、
   前記本体部は、下方へ向かうに従い内側の断面積が徐々に小さくなるテーパ部を有し、
   上下方向において、前記テーパ部は前記本体部の全高を占めるか、又は前記本体部を構成する全部分の中で最大の高さを占め、
   水平面に対する前記テーパ部の内面の傾斜角は、７５°を超え且つ９０°未満である廃棄物溶融炉。
2. 前記本体部は、廃棄物を乾燥させる乾燥領域と、前記乾燥領域の下方で廃棄物を熱分解させる熱分解領域と、を有し、前記乾燥領域と前記熱分解領域との境界部が前記テーパ部内に位置している請求項１記載の廃棄物溶融炉。
3. 前記溶融物貯留部には、酸素富化された空気を炉内に供給するための下段羽口が設けられ、前記テーパ部には、空気を炉内に供給するための上段羽口が設けられ、少なくとも一つの前記上段羽口は、前記乾燥領域に位置する請求項２記載の廃棄物溶融炉。
4. 前記乾燥領域に位置する前記上段羽口は、前記乾燥領域の下端部と前記テーパ部の上端部との間において、前記乾燥領域の下端部寄りに位置する請求項３記載の廃棄物溶融炉。

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