JP5490488B2

JP5490488B2 - 廃棄物溶融処理方法

Info

Publication number: JP5490488B2
Application number: JP2009242046A
Authority: JP
Inventors: 純一高田; 康介星沢; 昭光玉山
Original assignee: Nippon Steel Engineering Co Ltd; Nippon Steel Environmental Plant Solutions Corp
Current assignee: Nippon Steel Engineering Co Ltd; Nippon Steel Environmental Plant Solutions Corp
Priority date: 2009-10-21
Filing date: 2009-10-21
Publication date: 2014-05-14
Anticipated expiration: 2029-10-21
Also published as: JP2011089672A

Description

本発明は、例えばコークスなどの塊状炭素系可燃物質を用いて廃棄物を溶融処理する方法に関する。

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、例えばコークス等を燃焼剤に用いて廃棄物を溶融する方法がある。溶融による廃棄物処理方法は、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にして再資源化することができる。

廃棄物の溶融処理としては、焼却炉で焼却し、その焼却灰や不燃成分を溶融炉で加熱溶融する方法がある。しかし近年においては、例えば廃棄物中の可燃成分の燃焼・ガス化、及び廃棄物中の灰分の加熱溶融を一つの炉内で行うことのできるガス化溶融炉が注目されている（例えば、特許文献１参照）。さらに、ＣＯ_２排出量の低減を目標として、化石燃料に由来するコークスに代えて、木材炭化物などのバイオマス燃料を使用することが検討されている（例えば、特許文献２，３参照）。

ところで、廃棄物は、一般廃棄物や産業廃棄物など、その種類が異なれば水分，可燃分，灰分などの成分比が異なる。さらに、同種であっても、廃棄物を回収する場所や時期などによって成分比に変動がある。そのため、廃棄物中の成分比によっては炉内に形成される充填物層（すなわち、廃棄物等の投入物や炉内生成物（乾留残渣等）による堆積層）に、炉内ガス（すなわち、燃焼用に吹き込んだ空気や炉内で発生する乾留ガスなど）の吹き抜け現象が発生する場合がある。

充填物層に吹き抜け現象が発生した場合、炉内ガスと廃棄物の熱交換効率が悪化し、熱源となるコークス等の使用量が増加する。また、吹き抜け現象が発生すると、廃棄物の処理量の増減や、排ガス量や蒸気量の変動が大きくなるという問題が発生する。

特開２００７−２６３４１０号公報特開２００８−２５９２９号公報特開２００８−１０４９７３号公報

すなわち、本発明は、一例として挙げた上記課題を解決するためになされたものであり、その目的は、溶融処理の実行時において炉内に形成される充填物層に、炉内ガスの吹き抜け現象が発生するのを防止することのできる廃棄物溶融処理方法を提供することにある。

また、本発明の他の目的は、炉内ガスと廃棄物の熱交換効率を高めて、熱源である塊状炭素系可燃物質の使用量を節約することのできる廃棄物溶融処理方法を提供することにある。

本発明に従う廃棄物溶融処理方法は、廃棄物及び塊状炭素系可燃物質を炉内に投入し、炉内で廃棄物を乾燥、熱分解及び燃焼させ、さらに炉内で溶融させた廃棄物中の灰分を炉底部から排出する廃棄物溶融処理方法において、廃棄物と木材チップを、質量基準で廃棄物：１００、木材チップ：１０〜２８の投入割合で炉内に降下投入し、炉内に形成される充填物層中に炭化物粒子層を、炉下部に形成されるコークスベッドの上面に形成するとともに、炭化物粒子層よりも下方に配置される羽口から燃焼用の空気を吹き込むことを特徴とする。

木材チップの投入量は、前記充填物層中に形成する炭化物粒子層の厚みが４０ｍｍ〜８０ｍｍとなる量であることが好ましい。さらに、木材チップに代えて、或いは木材チップと共に、平均粒径が０．５ｍｍ〜２０ｍｍの小塊状炭化物を投入して炭化物粒子層を形成することもできる。

本発明に従う廃棄物溶融処理方法によれば、廃棄物及び塊状炭素系可燃物質を炉内に投入し、炉内で廃棄物を乾燥、熱分解及び燃焼させ、さらに炉内で溶融させた廃棄物中の灰分を炉底部から排出する廃棄物溶融処理方法において、廃棄物と木材チップを投入して、炉内に形成される充填物層中に炭化物粒子層を形成することにより、この炭化物粒子層が通気抵抗層として機能し、炉内ガスが充填物層を吹き抜ける現象を抑制することが可能となる。

さらに、本発明に従う廃棄物溶融処理方法によれば、充填物層内を通過する炉内ガスの流れが整流化され、廃棄物との熱交換効率が向上するので、熱源である塊状炭素系可燃物質（例えば、コークス）の使用量を低減することができる。

本発明の好ましい実施形態に従う廃棄物溶融処理方法が適用される溶融炉の縦断面図である。炉内の充填物層中に形成される炭化物粒子層を模式的に示した図である。木材チップの投入量と炭化物粒子層の厚みの相関関係を示すグラフである。

以下、本発明の好ましい実施形態による廃棄物溶融処理方法について、添付図面を参照しながら詳しく説明する。但し、以下に説明する実施形態によって本発明の技術的範囲は何ら限定解釈されることはない。

（第１実施形態）
図１は、本実施形態に従う廃棄物溶融処理方法を実施するのに用いられるシャフト式ガス化溶融炉（以下、単に「溶融炉」と称す）の縦断面図を示す。この溶融炉１は、廃棄物を低酸素状態で燃焼してガス化し、灰分や不燃成分を溶融するための、例えば円筒状に形成された炉本体２を有する。炉本体２は、廃棄物，コークスなどの副原料，充填物層中に炭化物粒子層を形成するための木材チップを投入する投入口２１を炉上部に有し、溶融物を取り出すための出湯口２２を炉底部に有し、さらに廃棄物から発生したガスや炉内に吹き込んだガスを排出する排気口２３を上部に有する。

出湯口２２は、例えば図示しない開閉機構によって開閉可能であり、間欠的に溶融物を取り出すことができる。さらに炉底部には、出湯口２２から取り出される溶融物を水砕ピット３に供給するための溶融物樋２４が設けられている。水砕ピット３は、詳しい図示は省略しているが、溶融物を冷却・凝固するための冷却水を貯留するケーシングと、ケーシング内で冷却凝固された溶融物（すなわち、スラグやメタル）を取り出すためのスクレーパコンベアを備えている。

炉本体２は、炉上部から炉底部に向かって、直胴部（所謂、シャフト部）２５，逆円錐部（所謂、朝顔部）２６，炉底部２７を構成する。限定されることはないが、直胴部２５の上部側は、主として廃棄物が乾燥及び予熱される乾燥領域を構成し、直胴部２５の下部側から逆円錐部２６の上部側は、主として廃棄物中の可燃成分が熱分解・ガス化されるガス化領域を構成し、コークスベッドが形成される炉下部は、主として灰分や乾留残渣等が溶融される加熱溶融領域を構成する。さらに、炉底部２７は、溶融物を貯留する液溜りを構成する。乾燥領域の温度は、例えば５００〜７００℃、望ましくは４５０〜６５０℃である。また加熱溶融領域の温度は、例えば１６００〜２０００℃である。

炉下部には、コークスベッドを構成するコークス及び廃棄物の可燃性乾留残渣（固定炭素）を燃焼させる空気又は酸素富化した空気（以下、単に「空気等」と称す）を炉内に供給する送風羽口（下段羽口）４が周方向に複数配置されている。下段羽口４から吹き込む空気等は、例えば送風圧力が１０〜２５ｋＰａの範囲内となるように設定するのが好ましい。なお、酸素富化した空気とは、例えば酸素発生器４１からの酸素を混合することによって、酸素濃度を高めた空気である。さらに、直胴部２５及び逆円錐部２６の側壁には、廃棄物を燃焼させる空気等を炉内に供給する送風羽口（上段羽口）４２，４３が周方向に複数配置されている。なお、上段羽口４２，４３及び下段羽口４を配置する高さは、図１に示す高さに限定されることはなく、適宜変更可能である。さらに、直胴部２５の炉壁側を降下する廃棄物の燃焼を促進させるために補助羽口を追加するようにしてもよい。

下段羽口４及び上段羽口４２，４３並びに補助羽口を通じて炉内に吹き込む空気は、送風機４４を用いて供給することができる。酸素富化した空気を吹き込む場合には、送風機４４からの空気の流路に酸素発生器４１を接続する。図１は、下段羽口４から酸素富化した空気、上段羽口４２，４３から空気を吹き込む構成を例示している。

排気口２３には、ダクト等の排気路を介して燃焼室５及びボイラー５１が接続されており、これらの装置によって排ガスから廃熱を回収する。さらに、ボイラー５１の下流に、減温塔５２，集塵器５３，触媒反応塔５４が接続されており、これらの装置によって排ガスを無害化する。排ガスは、最終的に煙突５５を通じて放出する。

溶融炉１で処理する廃棄物の種類は、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。さらに、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、いずれの廃棄物であってもよい。また、乾留された廃棄物を投入してもよい。

コークスや石灰石などの副原料、充填物層中に炭化物粒子層を形成するための木材チップは、廃棄物と共に炉内に投入することができる。炭化物粒子層とは、炭化した木材チップの乾留残渣によって形成される層であるが、必ずしも木材チップの乾留残渣のみで形成された層が存在するのではなく、灰分や不燃性物などと混合された層である。いわゆるチャー化した乾留残渣は微細であり、空隙が少ない炭化物粒子層は、炉内ガスが通過する際に通気抵抗層として機能することとなる。

炭化物粒子層６は、図２に模式的に示すように、炉下部に形成されるコークスベッド６１の上面に形成されることが好ましい。さらに、下段羽口４よりも上方に位置するように形成されることが好ましい。可燃性である炭化物粒子層６は、このコークスベッド６１によって層下部側から順次燃焼される。本実施形態において、炭化物粒子層６が炉内ガスの通気抵抗層として効果的に機能するには、層厚が４０〜８０ｍｍであることが好ましい。層厚が４０ｍｍよりも小さい場合には、炉内ガスの吹き抜け現象を充分に抑えることができない。反対に、層厚が８０ｍｍよりも大きい場合には、充填物層の圧力損失が増大し、羽口からの送風が困難となる。

木材チップは、好ましい一例として、長さが１５０ｍｍ以下、幅が３０ｍｍ以下、厚さが１０ｍｍ以下のものを用いることができる。但し、木材チップの形状及び大きさ、並びに木材の種類が限定されることはない。

炭化物粒子層６の層厚を４０〜８０ｍｍとするには、木材チップの投入量を、投入する廃棄物に対して３５％以下の混合率（質量基準）にすることが好ましい。但し、廃棄物自体に乾留残渣を生成する成分が含まれている場合、廃棄物の種類（特に、廃棄物に含まれる固定炭素の量）に応じて、炭化物粒子層６の層厚が変動する場合がある。従って、図３に一例を示すように、廃棄物の種類等に基づく層厚の変動幅を考慮し、投入する廃棄物に対して１０〜２８％の混合率（質量基準）とすることが好ましい。図３は、木材チップの投入量に対応付けて、固定炭素量が多い廃棄物の場合と、固定炭素量が少ない廃棄物の場合の炭化物粒子層６の厚み（固定炭素量ベース）を例示したものであり、実際に試験を行って確認した結果の一例である。この結果から示されるように、木材チップを投入しない場合においても、廃棄物の種類等によって層厚２５〜４０ｍｍに相当する乾留残渣量の生成変動があるので、この生成変動を考慮した木材チップ投入量の適正範囲は１０〜２８％である。

上記溶融炉で廃棄物を処理する場合、所定量のコークスおよび木材チップと共に炉内に投入された廃棄物と木材チップは、炉内を降下するに従い、対向して流れる高温ガスにより乾燥，熱分解される。廃棄物の乾燥，熱分解のための熱源は、上段羽口４２，４３から吹き込まれた空気による廃棄物の燃焼熱と、下段羽口４から吹き込まれた空気又は酸素富化空気によるコークスの燃焼熱が使われる。

廃棄物や木材チップが熱分解・ガス化することによる乾留残渣は、図２に模式的に示したように、灰分や不燃成分とともにコークスベッド６１の上面に堆積して炭化物粒子層６を形成する。通気抵抗層として機能する炭化物粒子層６は、下段羽口４から吹き込まれるガスや乾留ガスなどの炉内ガスが局所的に吹き抜けることを妨げ、ガスの流れを整流化する。

コークス及び廃棄物の可燃性乾留残渣の燃焼ガスは炉下部に形成されるコークスベッド６１の上端で最高温度となり、この領域で灰分が溶融され、溶融物はコークスベッド６１の空隙を滴下する。滴下した溶融物は炉底部の液溜まりに一時的に貯留され、出湯口２２を開放することで間欠的に取り出される。

以上のように、本実施形態の廃棄物溶融処理方法によれば、廃棄物及びコークスと共に、所定量の木材チップを投入して、炉内に形成される充填物層中に炭化物粒子層６を形成するようにしたことにより、この炭化物粒子層６が通気抵抗層として機能し、炉内ガスの吹き抜け現象が発生するのを抑制することが可能となる。すなわち、従来において発生する吹き抜け現象は、廃棄物の乾燥・乾留が効率的に行われない結果として発生すると考える。単純なガスの圧力損失だけの問題ではない。これに対し、本実施形態では、炭化物粒子層６を形成してガスを整流化することにより、廃棄物の乾燥・乾留が効率的に行われ、その結果、吹き抜け現象の発生を抑制することが可能となる。

このように、炉内ガスの流れが整流化されることにより、炉内ガスと廃棄物との接触が均一化され、熱交換効率が向上する。その結果、熱源であるコークスを過剰に投入しなくとも、廃棄物の熱分解残渣の持つ熱量と少量のコークスの熱量によって完全溶融を達成することが可能となる。すなわち、炭化物粒子層６によるガスの整流化によって熱交換効率が向上するため、廃棄物の乾燥や乾留のために使用していたコークス（つまり、灰分等の溶融以外に使用されるコークス）の使用量を低減することが可能である。

実際に、廃棄物に対して木材チップの混合率を２０％以内に設定して炉を操業したところ、廃棄物に対するコークスの混合率を８％から３．５％まで削減可能であることを確認している。

さらに、本実施形態によれば、炭化物粒子層６によるガスの整流作用により、炉外に排出される排ガスの流量および下流設備であるボイラー５１の蒸気発生量を安定化させることができる。さらに、燃焼室５の温度変動が安定する為、燃焼室５内のクリンカ（灰分の半溶融物）が発生するのを抑制することができる。

その他、本実施形態によれば、チャー等の乾留残渣の発生量が安定化、燃焼領域の温度変動が安定化するという利点もある。

（第２実施形態）
本実施形態は、上述した第１実施形態の変形例である。すなわち、第１実施形態では木材チップを投入することによって炭化物粒子層６を形成していたが、本実施形態では、木材チップに代えて、或いは木材チップと共に小塊状炭化物を投入する。小塊状炭化物の投入量は、充填物層中に層厚が４０〜８０ｍｍの炭化物粒子層６が形成される量であることが好ましい。また、小塊状炭化物に変えて固定炭素を１０％含むバイオマス材を投入してもよい。炭化物粒子層は、図２に模式的に示したように、コークスベッド６１の上面に形成されることが好ましい。

使用する小塊状炭化物は、平均粒径が２０ｍｍ以下、好ましくは０．５〜２０ｍｍのものを使用する。小塊状炭化物の一例として、粉コークス，木質系炭化物，バイオマス系炭化物または、固定炭素を１０％以上含むバイオマスを挙げることができる。たとえば、乾燥鶏糞、乾燥牛糞等が挙げられる。平均粒径が２０ｍｍを超えると炭化物粒子層６の空隙が大きくなり、整流効果が低下する場合がある。反対に、０．５ｍｍよりも小さいと、層を形成しない場合がある。このような構成にした本実施形態においても、小塊状炭化物及び／又は固定炭素を１０％以上含むバイオマスによって炭化物粒子層６が形成され、第１実施形態と同様の効果を得ることができる。

以上、本発明を具体的な実施形態に則して詳細に説明したが、形式や細部についての種々の置換、変形、変更等が、特許請求の範囲の記載により規定されるような本発明の精神及び範囲から逸脱することなく行われることが可能であることは、当該技術分野における通常の知識を有する者には明らかである。従って、本発明の範囲は、前述の実施形態及び添付図面に限定されるものではなく、特許請求の範囲の記載及びこれと均等なものに基づいて定められるべきである。

１溶融炉
２炉本体
２１投入口
２２出湯口
２３排気口
４下段羽口
４２上段羽口
４３上段羽口
６炭化物粒子層
６１コークスヘッド

Claims

廃棄物及び塊状炭素系可燃物質を炉内に投入し、炉内で廃棄物を乾燥、熱分解及び燃焼させ、さらに炉内で溶融させた廃棄物中の灰分を炉底部から排出する廃棄物溶融処理方法において、
廃棄物と木材チップを、質量基準で廃棄物：１００、木材チップ：１０〜２８の投入割合で炉内に降下投入し、炉内に形成される充填物層中に炭化物粒子層を、炉下部に形成されるコークスベッドの上面に形成するとともに、炭化物粒子層よりも下方に配置される羽口から燃焼用の空気を吹き込むことを特徴とする廃棄物溶融処理方法。
前記木材チップに代えて、或いは前記木材チップと共に、平均粒径が０．５ｍｍ〜２０ｍｍの小塊状炭化物を投入して炭化物粒子層を形成することを特徴とする請求項１に記載の廃棄物溶融処理方法。
前記木材チップに代えて、平均粒径が０．５ｍｍ〜２０ｍｍの固定炭素を１０％以上含むバイオマスを投入して炭化物粒子層を形成することを特徴とする請求項１に記載の廃棄物溶融処理方法。