JP5510782B2 - 廃棄物溶融処理方法および廃棄物溶融処理装置 - Google Patents

Description

本発明は、廃棄物を乾燥・熱分解して廃棄物中の水分および揮発分を除去して得られた熱分解残渣を溶融する廃棄物溶融処理技術に関する。

一般廃棄物、産業廃棄物などの廃棄物をシャフト炉式廃棄物溶融炉で溶融処理することが行われている。図２に示すように、溶融炉３１には、廃棄物がコークス、石灰石などの副資材とともに、炉上部から装入装置３２により装入される。廃棄物は炉内で乾燥、熱分解、燃焼、溶融の過程を経て出湯口３３から溶融物として排出される。廃棄物中の可燃物は、一部が熱分解されてガスとなって排出され、一部は炉下部で羽口３４から吹き込まれた空気および酸素によって燃焼するが、残りの可燃物は可燃性ダストとなって溶融炉３１の炉頂から排出される。

溶融炉３１の炉頂から排出される可燃性ダストは、可燃性ダスト捕集装置３５で捕集され、可燃性ダスト貯蔵タンク３６に貯蔵され、可燃性ダスト切出装置３７で切り出されて酸素富化空気を供給する羽口３４から炉内へ吹き込まれる。可燃性ダスト捕集装置３５を通過した排ガスは、後段の燃焼室で燃焼される。

溶融炉３１による廃棄物溶融処理では、処理物を溶融するための主燃料として使用されるコークスの処理費用に占める割合が大きいので、処理費用を節約するためにコークスの使用量を低減することが望まれている。

一方で、地球温暖化防止の観点から、化石燃料に由来するコークスを溶融熱源として用いるので、環境に対するＣＯ_２負荷を削減することからもコークス使用量の削減が望まれている。

コークス使用量を低減させるため、例えば、羽口を介して炉頂から排出した可燃性ダストとともに、可燃性ダスト以外の可燃物を吹き込む方法（特許文献１）、下段送風羽口から供給される酸素量（Ａ）に対する、捕集され該下段送風羽口から供給される可燃性ダストとコークスの量および組成から求まる理論酸素量（Ｂ）の比率（Ｂ／Ａ）を、０．５〜１．０の範囲になるように、可燃性ダストの吹き込み量に応じて送風条件を変える方法（特許文献２）、加熱コイルによって炉内に充填されたコークスを羽口から吹き込まれた空気又は酸素富化空気により還元燃焼せしめるとともに、該コークスに交番電流を通電して誘導加熱することにより廃棄物を溶融処理する廃棄物の溶融処理方法（特許文献３）あるいは、木材などのバイオマスを利用する方法（特許文献４）などが提案されている。

特許文献５には、ストーカ群で生成した未燃炭素分を含む残渣を未燃炭素分の燃焼熱にて溶融し、ストーカ炉を高温化することなく主灰の改質による資源化を行うことが開示されている。この技術は、ストーカ高温化による主灰および飛灰の溶融固着を防止し、熱分解残渣冷却に伴うヒートロスによる熱効率低下を改善するためのもので、ストーカ上の廃棄物温度を１０００℃以下の低温にて部分燃焼させ安定したガス化を行うというものである。

特開２００６−２０７９１１号公報 特開２００３−０５６８２０号公報 特開２００２−０５４８１０号公報 特開２００７−９３０６９号公報 特開２００３−１６６７０５号公報

シャフト炉式ガス化溶融炉の炉内の充填層では直接熱交換により固体の昇温が行われているため熱効率はよいが、廃棄物中には生ごみ等の高水分ごみや木等の揮発分が多く、また径が大きいものが存在する。このため、従来型のシャフト式ガス化溶融炉では、これらの廃棄物の一部が十分に乾燥されることなく、また揮発分のガス化が十分行われることなく炉最下部に下降して、コークスと共に燃焼・溶融されていた。炉下部において水分や揮発分はいずれも雰囲気温度を低下させることになるので、雰囲気温度を高く維持し非燃焼物を完全溶解するためには、結果としてコークス使用量を増やす必要がある。また、コークス代替としてＬＰＧ等の外部燃料を使用する場合、外部燃料（コークス＋ガス）使用量は高いままであった。また、従来のシャフト炉式ガス化溶融炉内では、ごみの装入時や未乾燥・未乾留の廃棄物が炉最下部まで下降した時などに、充填層内での揮発分のガス化に伴う蒸気量や排ガス量の変動が発生していた。

さらに、従来型のシャフト炉式ガス化溶融炉では水分および揮発分の乾燥、ガス化が均一になされず、吹き抜けと呼ばれるガスの偏流現象が発生することがあった。

また、特許文献５に示すようなストーカ炉においては、次の課題があった。

（１）廃棄物投入口と乾燥・熱分解ゾーンの排ガス排出口とが別々に異なった位置にあって、火格子から発生したガスは二次燃焼室にて完全に燃焼されて排ガス排出口から排出される。その結果、火格子燃焼負荷は１５０〜２５０ｋｇ／ｈ／ｍ^２程度でしか操業することができず燃焼負荷を上げるためには、設備を大きくせざるを得ず、設備費が高くなる。（２）燃焼排ガス通路と廃棄物投入口とが別々に異なった位置にあるため、ストーカでの部分燃焼によって発生したガスを有効利用することができず、高水分の廃棄物をストーカ部で部分燃焼するために、乾燥手段および燃焼手段を設置する必要があり、結果として設備が巨大化する。

そこで、本発明は、乾燥用シャフト部内に形成した廃棄物充填層に火格子部及び熱分解残渣溶融部で発生したガスを通過させることによって、設備を大きくすることなく火格子部の火格子燃焼負荷を３００〜１０００ｋｇ／ｈ／ｍ^２とすることができる廃棄物溶融処理方法及び装置を提供するものである。

本発明の廃棄物溶融処理方法は、廃棄物を乾燥・熱分解する乾燥用シャフト部の頂部から廃棄物を乾燥用シャフト部内に装入して形成した廃棄物充填層に、熱分解残渣を生成する火格子部と塊状炭素系可燃物質を熱源として熱分解残渣を溶融する熱分解残渣溶融部とで発生したガスを通過させて廃棄物を乾燥・熱分解させるとともに、廃棄物充填層を通過したガスは乾燥用シャフト部の頂部から排出し、乾燥用シャフト部で乾燥・熱分解した廃棄物を火格子部でさらに熱分解して熱分解残渣を生成し、生成した熱分解残渣を火格子部から熱分解残渣溶融部へ連続的に供給して溶融して火格子部の火格子燃焼負荷を３００〜１０００ｋｇ／ｈ／ｍ^２とすることを特徴とする。

また、本発明の廃棄物溶融処理装置は、廃棄物装入口及び排ガス排気口が頂部に設けられ、廃棄物装入口から廃棄物が装入されて形成された廃棄物充填層に火格子部及び熱分解残渣溶融部で発生したガスを通過させて廃棄物を乾燥・熱分解させるとともに、廃棄物充填層を通過したガスが排ガス排気口から排出される乾燥用シャフト部が、乾燥用シャフト部で乾燥・熱分解された廃棄物をさらに熱分解して熱分解残渣を生成する前記火格子部の入側の上方に配置され、火格子部で生成された熱分解残渣を燃焼・溶融する前記熱分解残渣溶融部を備えた廃棄物溶融処理装置において、前記火格子部の火格子燃焼負荷が３００〜１０００ｋｇ／ｈ／ｍ^２であることを特徴とする。

本発明においては火格子部および熱分解残渣溶融部で発生したガスを、乾燥用シャフト部内に形成された廃棄物充填層を通過させることによって廃棄物の乾燥・熱分解を効率化することが可能となり、火格子燃焼負荷を３００ｋｇ／ｈ／ｍ^２以上に設定することができる。火格子燃焼負荷を３００ｋｇ／ｈ／ｍ^２未満とすると、火格子部で生成される熱分解残渣中の可燃物が完全に燃焼されてしまい、灰化してしまう。その結果、火格子部に連結されている熱分解残渣溶融部において、熱分解残渣に含まれる可燃物質を灰分の溶融熱源として利用することができず、コークス等の塊状炭素系可燃物質使用量が増えてしまう。一方で、火格子燃焼負荷が１０００ｋｇ／ｈ／ｍ^２以上である場合、火格子部における廃棄物の燃焼性が悪化してしまい、熱分解残渣溶融部に未乾燥・未乾留の廃棄物が供給されることとなる。この場合、廃棄物の乾燥および乾留のための外部燃料が必要となるため、コークス使用量が増加することとなる。したがって、３００〜１０００ｋｇ／ｈ／ｍ^２の火格子燃焼負荷にて操業を行うことによって火格子部における廃棄物の乾燥・乾留を最適化し、結果として、溶融炉におけるコークス等の外部燃焼使用量を極小化することが可能となる。試験結果からすると、４００〜７００ｋｇ／ｈ／ｍ^２が特に望ましい。

火格子燃焼負荷が３００ｋｇ／ｈ／ｍ^２以下となる場合は、廃棄物が乾留だけでなく、完全に燃焼してしまい、灰となってしまい、コークス使用量が増加してしまう。従って、炉上部からの廃棄物装入速度を上げ、火格子燃焼負荷を適正な範囲内に維持することが重要となる。

また、火格子部からの送風流速に関しては、１〜２０Ｎｍ／ｓが望ましい。１Ｎｍ／ｓ未満とすると火格子送風口から廃棄物が多く落鉱してしまい、落鉱灰処理装置の大型化が必要になったり、最終処分量の増加を招いたりする。いずれにしてもコストアップ要因となる。また、２０Ｎｍ／ｓ以上だと火格子上にある廃棄物を吹き飛ばしてしまい、安定的な乾燥・乾留および燃焼を行うことが困難となる。

本発明では、火格子部および熱分解残渣溶融部で発生したガスを、乾燥用シャフト部内に形成された廃棄物充填層を通過させることによって廃棄物の乾燥・熱分解を効率化することが可能となり、火格子燃焼負荷を大きくすることができ、その結果、コークス等の外部燃焼使用量を低減化することが可能となる。

また、本発明は乾燥シャフト部と熱分解残渣溶融部の間に火格子部を設けて効率よく熱分解を行って熱分解残渣のみを溶融することになるので、充填層内における水分の乾燥および揮発分のガス化による発生ガス量の変動が減少し、蒸気量または排ガス量を安定させることも可能となる。

本発明では、火格子燃焼負荷が大きいので、設備を大きくすることなく、処理量を増やすことが可能となる。

また、従来のシャフト炉式廃棄物溶融炉において生じる吹き抜け現象は廃棄物の乾燥・熱分解が効率的に行われない結果発生しているが、本発明では、乾燥、熱分解を乾燥用シャフト部および火格子部にて分離して行うことにより排ガス量の安定化を図ることができるので、吹き抜けを防止することができる。

本発明おいて使用する火格子を備えた廃棄物溶融処理装置を示す概略図である。 従来のシャフト炉式廃棄物溶融炉の概略図である。

本発明を、図面を参照しながら説明する。

図１において、本発明の廃棄物溶融処理装置は、装入された廃棄物を乾燥・熱分解する乾燥用シャフト部１、乾燥用シャフト部１で乾燥・熱分解された廃棄物をさらに熱分解して熱分解残渣を生成する火格子部２、火格子部２で生成された熱分解残渣を燃焼・溶融する熱分解残渣溶融部３からなる。乾燥用シャフト部１が火格子部２の入側の上方に配置され、熱分解残渣溶融部３が火格子部２の出側の下方に配置されてクランク形状に連通して一体に接続されている。

乾燥用シャフト部１の頂部には、廃棄物装入口４と排ガス出口５が設けられる。乾燥用シャフト部１内に廃棄物装入口４から装入された廃棄物により廃棄物充填層６が形成される。廃棄物充填層６は火格子部２及び熱分解残渣溶融部３で発生したガスが通過し、通過したガスは頂部の排ガス出口５から排出される。

乾燥用シャフト部１の下部には火格子部２が接続されている。火格子部２の横幅は乾燥シャフト部１の内径と同径であり、かつ、火格子部の縦横比が１以上である。乾燥用シャフト部１と火格子部２の幅とを同径とすることによって乾燥用シャフト部−火格子部におけるごみの棚吊り現象を防止することができ、効率的かつ安定的な熱交換を行うことが可能となる。また、縦横比を１以上とすることで、乾燥用シャフト部に充填された廃棄物が熱分解残渣溶融部３に直接流れ込むことを防止できる。乾燥用シャフト部１に充填された廃棄物が熱分解残渣溶融部３に流れ込んでしまうと、廃棄物を乾燥・熱分解するための熱量が必要となり、コークス等の外部燃料使用量を増やさざるを得なくなる。一方、縦横比が４以上となると、火格子長さが非常に長くなり設備コストアップにつながる。

火格子部２は、乾燥用シャフト部１で乾燥、熱分解された廃棄物をさらに熱分解させて熱分解残渣７を生成して熱分解残渣溶融部３へ移動させる火格子を備えている。火格子部２は、スト−カ炉と同様に、可動火格子８と固定火格子９とを交互に階段状又は傾斜状に組み合せることにより形成されており、各可動火格子８を流体圧シリンダ等の駆動装置で前後方向へ一定のピッチで往復動させることによって、火格子上の廃棄物を撹拌しながら上流側から下流側へ前進させるようになっている。火格子部２は下方から空気が送風される。火格子構造とすることによって、熱分解残渣溶融部３への熱分解残渣７の供給が連続的且つ安定的となり、熱分解残渣溶融部３において熱分解残渣の安定的な溶融を確保することが可能となる。

本実施例では、火格子部２は前段の火格子群２ａと後段の火格子群２ｂの２段階に分かれ、前段の火格子群２ａと後段火格子群２ｂがそれぞれ独立した駆動装置を有している。

火格子部を前段の火格子群２ａと後段の火格子群２ｂの２段とすることで、火格子部２における廃棄物の撹拌を強化することができ、より効率的に乾燥、熱分解を行うことが可能となる。

また、火格子部２における廃棄物の乾燥、熱分解状況によって、前段の火格子群２ａと後段火格子群２ｂの独立した駆動装置により可動火格子８の駆動速度、火格子からの送風量、送風温度等を個別に変化させて火格子部２における廃棄物の乾燥、熱分解状況を容易に制御することが可能となるので、廃棄物の乾燥、熱分解を適正化することが可能となる。例えば、廃棄物の乾燥・熱分解状態が不十分である場合は、前段の火格子群２ａと比較して後段火格子群２ｂの火格子駆動速度を遅くすることによって乾燥、熱分解状態を改善することが可能となる。

このようにすることによって、火格子燃焼負荷を３００〜１０００ｋｇ／ｈ／ｍ^２の範囲とすることができ、コークス使用量を低減するとともに、火格子部位の設備を小さくすることが可能となる。なお、火格子部２は、３段、４段としても良いが、縦横比が長くなるために最適な段数を選定することが重要である。

また、後段の火格子群２ｂの傾斜角度は前段の火格子群２ａの傾斜角度より小さくすることが望ましい。例えば、図１では、後段の火格子群２ｂを水平にすることにより、右斜め下方向に傾斜している前段の火格子群２の傾斜角度より小さくしている。傾斜角度を変えることで、ごみの撹拌を強化することが可能となる。さらに後段の火格子２ｂの傾斜角度を前段の火格子２ａよりも緩やかにすることで、火格子部２から乾燥、熱分解が不十分な熱分解残渣が熱分解残渣溶融部３に供給されることを抑制することが容易となる。そうすることによって、熱分解残渣溶融部３におけるコークス等の外部燃焼使用量を適正化することが可能となる。なお、乾燥用シャフト部１から火格子部２へ廃棄物を確実に供給するため、前段の火格子群２ａは、図１に示すように、水平階段状に設置されていることが望ましい。

熱分解残渣溶融部３は、下方の炉床部１０、この炉床部１０の上に連なる朝顔部１１、この朝顔部１１の上のシャフト部１２を備える。なお、シャフト部１２はなくてもかまわない。炉床部１０には酸素源として空気と酸素を吹き込む下段羽口１３を備えるとともに、朝顔部１１からシャフト部１２の下端部にかけて空気を吹き込む上段羽口１４，１５が配置されている。熱分解残渣溶融部３の炉床部１０には、従来のシャフト炉式廃棄物溶融炉と同じくコークスベットが形成され、溶融物を出湯する出湯口１６が形成されている。

コークス、石灰石などの副資材は、熱分解残渣溶融部３の頂部の副資材装入口１７から投入する。

前記構成において、乾燥用シャフト部１の頂部の廃棄物装入口４から廃棄物が乾燥用シャフト部１内に装入されて形成された廃棄物充填層６に火格子部２および熱分解残渣溶融部３で発生した排ガスが通過することによって熱交換されて廃棄物の乾燥・熱分解を効率化することが可能となる。乾燥用シャフト部１の廃棄物充填層６を通過した排ガスは、排ガス出口５から排気される。

乾燥用シャフト部１で乾燥、熱分解された廃棄物は、火格子部２でさらに熱分解させて熱分解残渣７を生成する。生成された熱分解残渣７は、火格子部２の出側から熱分解残渣溶融部３内へ落下して充填され、コークスベットの熱源により燃焼、溶融され、炉床部１０の出湯口１６から排出される。

１：乾燥用シャフト部 ２：火格子部
２ａ：前段の火格子群 ２ｂ：後段の火格子群
３：熱分解残渣溶融部 ４：廃棄物装入口
５：排ガス出口 ６：廃棄物充填層
７：熱分解残渣 ８：可動火格子
９：固定火格子 １０：炉床部
１１：朝顔部 １２：シャフト部
１３：下段羽口 １４：上段羽口
１５：上段羽口 １６：出湯口
１７：副資材装入口

Claims (7)

1. 廃棄物を乾燥・熱分解する乾燥用シャフト部の頂部から廃棄物を乾燥用シャフト部内に装入して形成した廃棄物充填層に、熱分解残渣を生成する火格子部と塊状炭素系可燃物質を熱源として熱分解残渣を溶融する熱分解残渣溶融部とで発生したガスを通過させて廃棄物を乾燥・熱分解させるとともに、廃棄物充填層を通過したガスは乾燥用シャフト部の頂部から排出し、乾燥用シャフト部で乾燥・熱分解した廃棄物を火格子部でさらに熱分解して熱分解残渣を生成し、生成した熱分解残渣を火格子部から熱分解残渣溶融部へ連続的に供給して溶融して火格子部の火格子燃焼負荷を３００〜１０００ｋｇ／ｈ／ｍ^２とすることを特徴とする廃棄物溶融処理方法。
2. 前記火格子部が前段の火格子群と後段の火格子群の２段階に分かれており、火格子部における廃棄物の乾燥・熱分解状況によって、前段の火格子群と後段火格子群の火格子速度、送風量・送風割合および温度をそれぞれ調整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。
3. 廃棄物装入口及び排ガス排気口が頂部に設けられ、廃棄物装入口から廃棄物が装入されて形成された廃棄物充填層に火格子部及び熱分解残渣溶融部で発生したガスを通過させて廃棄物を乾燥・熱分解させるとともに、廃棄物充填層を通過したガスが排ガス排気口から排出される乾燥用シャフト部が、乾燥用シャフト部で乾燥・熱分解された廃棄物をさらに熱分解して熱分解残渣を生成する前記火格子部の入側の上方に配置され、火格子部で生成された熱分解残渣を燃焼・溶融する前記熱分解残渣溶融部を備えた廃棄物溶融処理装置において、
   前記火格子部の火格子燃焼負荷が３００〜１０００ｋｇ／ｈ／ｍ^２であることを特徴とする廃棄物溶融処理装置。
4. 前記火格子部の横幅が乾燥シャフト部の内径と同径であり、かつ、火格子部の縦横比が１以上であることを特徴とする請求項３に記載の廃棄物溶融処理装置。
5. 前記火格子部が前段の火格子群と後段の火格子群の２段階に分かれていることを特徴とする請求項３又は４に記載の廃棄物溶融処理装置。
6. 前記前段の火格子群と後段の火格子群がそれぞれ独立した駆動装置を有していることを特徴とする請求項５に記載の廃棄物溶融処理装置。
7. 前記後段の火格子群の傾斜角度が前段の火格子群の傾斜角度より小さいことを特徴とする請求項５又は６に記載の廃棄物溶融処理装置。

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