JP5601688B2 - シャフト炉式ガス化溶融炉における吹き抜け解消方法 - Google Patents

Description

本発明は、シャフト炉式ガス化溶融炉により廃棄物を溶融処理する際、炉内に発生した吹き抜けを解消するための方法に関する。

シャフト炉式ガス化溶融炉（以下「ガス化溶融炉」という。）では、一般廃棄物、産業廃棄物、焼却灰、掘り起こした埋立ごみあるいは汚泥等の各種廃棄物が溶融処理される。ガス化溶融炉では、廃棄物が炉内に投入され、ガス化溶融炉内の乾燥・予熱帯、熱分解帯、燃焼・溶融帯を下降する過程で乾燥、予熱、熱分解、燃焼、溶融されてスラグやメタルとして排出される。

図３に示す一般的なガス化溶融炉の一例として炉本体１は、シャフト部１ａと下部の朝顔部５とを備え、朝顔部５の下端には燃焼・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上段羽口２を設けている。下段羽口３からは酸素、空気又は酸素富化空気を供給し、上段羽口２からは燃焼ガスとして空気を供給する。

炉本体１の上部から廃棄物、助燃剤としてコークス、塩基度調整剤として石灰石等が炉内に装入される。この装入のために炉本体１の上部にはシール弁を備えた装入装置９が設けられ、また、炉本体１の下端部には廃棄物を溶融処理した後のスラグやメタルを排出するための出湯口１１が設けられている。

上記構成において、炉内に装入された廃棄物１ｂは、炉本体１の上層から乾燥・予熱帯６、熱分解帯７、燃焼・溶融帯８を下降する。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の火格子であるコークスベッド４や熱分解残渣１２を高温で燃焼して、これが溶融熱源となる。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１２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やメタルの溶融物となって出湯口１１より排出される。

ガス化溶融炉内で発生する高温の熱分解ガスは、炉本体１上部のガス管１０から可燃ガスとして燃焼室へ導入されて燃焼され、その燃焼排ガスは、排ガス管を通ってボイラへ導入され、廃熱が回収された後、減温塔で温度を調整して集じん機に通し、さらには、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。

ガス化溶融炉の操業において、炉内に装入されるごみ質の変動等により廃棄物層の通気抵抗が低い部分ではガスが吹き抜けて特定の経路に偏って上方へ流通するという吹き抜けの現象が発生する。吹き抜けが発生すると、炉下部で熱分解残渣が酸素富化空気により燃焼して生じる高温の燃焼ガスが高温のままごみと熱交換することなく、一気に炉頂側に流れ去るので、炉内熱交換率の大幅な低下を招き、長時間の安定操業が困難になるという問題が生じる。この吹き抜け現象は、コークス等の副原料を使用しないシャフト炉式ガス化溶融炉においても、同様に発生する。

吹き抜けの場合には、高温の燃焼ガスが一気に炉頂側に流れるので、図２の炉頂ガス温度及び炉内差圧のグラフに示されているように、炉頂ガス温度は定常状態（例えば約６００℃以下）の炉頂ガス温度より上昇し、炉内差圧は定常状態の炉内差圧（例えば約１Ｋｐａ以上）より低下する状態になる。

そこで、ガス化溶融炉に発生した吹き抜けを解消するため、いくつかの吹き抜け解消技術が提案されている（特許文献１、２参照）。

前記特許文献１では、ガス化溶融炉の上部へ横断面方向に間隔をおいて副原料が装入できる複数の副原料装入口を設置し、さらに、シャフト部の横断面方向に複数本、且つ高さ方向に複数段に温度計を設け、炉の横断面方向で装入物の組成が不均一になってガス流の集中部が発生した場合は、シャフト部でのガスの保有熱量が固体の昇温に必要な熱量に比べ多くなるため、前記温度計の当該箇所の温度が他に比べ高くなり、且つ、炉内の通気差圧が低下するので、測定された炉内のガス及び固体の温度が規定値以上の温度になったことによりガス流の集中部位を検出し、検出された集中部位に最も近い副原料装入口から副原料装入装置により選択的に副原料を装入してガス流の集中部位の廃棄物の嵩密度を高くし、その部位の通気差圧を増大させることで、ガス流の集中部以外にもガスが流れるようにして、横断面方向のガス流れを平準化させてシャフト部での熱交換効率を増加させることが開示されている。

また、前記特許文献２では、廃棄物の熱分解溶融処理において、吹き抜けによるガス偏流により、図２の炉頂ガス温度及び炉内差圧のグラフに示すように、炉頂ガス温度が定常状態の炉頂ガス温度より上昇し且つ炉内差圧が定常状態の炉内差圧より低下した時に、熱分解帯及び燃焼帯の領域のシャフトの円周上に複数且つ上下方向に配置した複数段の不活性ガス吹き込み口から高圧の不活性ガスを吹き込み、その圧力エネルギーを用いた衝撃により装入物を崩落させて炉内の廃棄物分布を均一化することが開示されている。

特開平１０-９５３０号公報 特開２０００-３５６３２４号公報

しかしながら、前記引用文献１は、吹き抜けを解消するための設備として、シャフトに複数の副原料装入口を設け、さらに副原料装入装置を設けなければならないため、設備が大がかりになるという課題がある。

また、前記引用文献２では、衝撃により装入物を崩落させるために、シャフトの円周上に高圧の不活性ガスを吹き込む複数段の不活性ガス吹き込み口を設けるとともに、不活性ガスレシーバ、切替弁等の不活性ガスを導入するための不活性ガス導入装置を設けなければならないために、設備が大がかりとなる課題がある。

前記引用文献１及び前記引用文献２では、新たに、ガス化溶融炉に副原料装入装置あるいは不活性ガス導入装置を付設する必要があるため、既存のガス化溶融炉は改造しなければ使えないという欠点もある。

そこで、本発明は、ガス化溶融炉に新たに副原料装入装置あるいは不活性ガス導入装置等を付加することなく、吹き抜けが発生した際に、通気抵抗層を形成する木材チップを単独で集中的に投入して吹き抜けを解消することが可能な、ガス化溶融炉における吹き抜け解消方法を提供するものである。

本発明は、ガス化溶融炉に廃棄物を装入して、炉底部送風口から酸素、空気もしくは酸素富化空気を吹き込んで、廃棄物を乾燥、熱分解、燃焼、溶融するガス化溶融炉における吹き抜け解消方法において、炉頂温度の上昇および炉内差圧の低下により吹き抜けが検知された際に、通気抵抗層を形成する木材チップを単独で炉内に装入して炉内に均一に通気抵抗層を形成して炉内ガス流れを整流化することを特徴とするガス化溶融炉における吹き抜け解消方法である。

木材チップは、特に限定されるものではなく、チップのメーカーにおいて、カッティングされた切削チップ、破砕され棒状になった破砕チップ、あるいはチップを生産した際の副産物としてできる１ｍｍ程度のオガコも利用できる。木材チップは、最大部寸法が１００ｍｍ以下が好ましい。

木材チップ中の水分は２５質量％以下が好ましい。木材チップ中の水分は、チップ性状が変化して水分が２５質量％超えると溶融スラグ管理温度を下回るので、木材チップを炭化して均一な通気抵抗層を形成するには、水分２５質量％以下を維持することが好ましい。

木材チップの装入は、ごみ投入に用いるクレーンにてごみ一つかみ分と同量の木材チップをつかみ、約３０分に１回の頻度で投入する。

ガス化溶融炉では、吹き抜け時、炉内に均一に通気抵抗層が形成されていないために局所的に炉内ガスが集中して流れやすい状態になっていたが、本発明では、集中的に木材チップを投入し、炉内全体に均一な通気抵抗層を短時間で形成することで、炉内ガス流れを整流化して吹き抜け現象からの速やかな回復を図ることが可能となる。

また、本発明は、集中的に木材チップを投入することにより、長期間の吹き抜け抑制及び早期回復が可能となるので、熱交換効率悪化による長時間のコークス使用量増大を抑制することができる。

本発明の吹き抜け解消方法による炉頂ガス温度及び炉内差圧の変化を示すグラフである。 吹き抜けの際の炉頂ガス温度及び炉内差圧の変化を示すグラフである。 従来のガス化溶融炉の一例を示す概略図である。

本発明の実施例について具体的に説明する。

本発明に使用するガス化溶融炉は、図３に示した従来のガス化溶融炉と実質的に同一でありその説明は省略する。

ガス化溶融炉で廃棄物を溶融処理する場合、図３を参照して前述したとおり、炉内に投入された廃棄物は、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、上段羽口から吹き込まれた空気による燃焼熱と、下段羽口から吹き込まれた酸素、空気又は酸素富化空気による燃焼熱が使われる。

操業途中において、図１のグラフにおいて、矢印（ａ）に示すように炉頂温度が上昇し始め、定常状態（例えば約６００℃以下）の炉頂ガス温度より上昇した状態が続くとともに、一方で、矢印（ｂ）に示すように炉内差圧が定常状態の炉内差圧（例えば約１Ｋｐａ以上）より低下した状態が続き、このことから吹き抜け現象が発生したことが検知された。

炉内差圧が低下し、炉頂温度が上昇する吹き抜け現象が数時間続いている時、図１の例では、炉内ガス温度が定常状態より上昇した状態および、炉内差圧が定常状態より低下した状態が約２時間継続した後に、木材チップ（含水率が２５質量％以下、最大部寸法が１００ｍｍ以下）を単独で集中投入を行った。

３回目の投入直後（チップ投入開始から約１時間３０分、チップ投入速度７０ｋｇ／ｈ・ｍ^２）に、図１のグラフにおいて、矢印（ｃ）に示すように炉頂温度は低下し始め、炉内差圧は矢印（ｄ）に示すように上昇し始め、明確なガス整流化効果が確認された。この際、シャフト部における通気抵抗層は、およそ７００ｍｍ程度であった。また、チップ投入は、その後、２回行い、炉況回復を判断した段階で中止した。その後、投入中止後も良好な操業状況を維持できた。

一方、吹き抜け解消をさせない場合は、図２に示すように、矢印（ｅ）に示すように炉頂温度が上昇し始め、木材チップ投入を行わない場合は、矢印（ｆ）に示すように炉内差圧が低下し、矢印（ｇ）に示すように炉頂温度は上昇した状態のままであり、矢印（ｈ）に示すように炉内差圧は低下したままの状態で、長時間吹き抜けが継続し、回復傾向が見られず、コークス比アップした状態での運転を継続するような状況が見られている。

１：炉本体
１ａ：シャフト部
１ｂ：廃棄物
２：上段羽口
３：下段羽口
４：コークスベッド
５：朝顔部
６：乾燥・予熱帯
７：熱分解帯
８：燃焼・溶融帯
９：装入装置
１０：ガス管
１１：出湯口
１２：熱分解残渣
１３：炭化物粒子層

Claims (3)

1. シャフト炉式ガス化溶融炉に廃棄物を装入して、炉底部送風口から酸素、空気もしくは酸素富化空気を吹き込んで、廃棄物を乾燥、熱分解、燃焼、溶融するガス化溶融炉における吹き抜けの解消方法において、炉頂温度の上昇および炉内差圧の低下により吹き抜けが検知された際に、通気抵抗層を形成する木材チップを単独で炉内に装入して炉内に均一に通気抵抗層を形成して炉内ガス流れを整流化することを特徴とするシャフト炉式ガス化溶融炉における吹き抜け解消方法。
2. 木材チップ中の水分が２５質量％以下であることを特徴とする請求項１に記載のシャフト炉式ガス化溶融炉における吹き抜け解消方法。
3. 木材チップの最大部寸法が１００ｍｍ以下であることを特徴とする請求項１又は２に記載のシャフト炉式ガス化溶融炉における吹き抜け解消方法。

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