JP5615426B2

JP5615426B2 - 流動床ガス化炉

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Publication number: JP5615426B2
Application number: JP2013504418A
Authority: JP
Inventors: 佐藤　淳; 佐藤　　淳; 利昌白井; 芳久齊藤; 範雄吉光; 寺部　保典; 保典寺部
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Environmental and Chemical Engineering Co Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Environmental and Chemical Engineering Co Ltd
Priority date: 2011-03-11
Filing date: 2011-03-11
Publication date: 2014-10-29
Anticipated expiration: 2031-03-11
Also published as: WO2012124019A1; JPWO2012124019A1; EA201391107A1; US20130319298A1; EP2685165A4; EP2685165A1; SI2685165T1; EA026315B1; PL2685165T3; EP2685165B1; RS55091B1; US9709270B2

Description

本発明は、不燃物排出装置を備えた流動床ガス化炉に関する。

従来、都市ごみを始めとして不燃ごみ、焼却残渣、汚泥、埋立ごみ等の廃棄物まで幅広く処理できる技術としてガス化溶融システムが知られている。ガス化溶融システムは、廃棄物を熱分解してガス化するガス化炉と、該ガス化炉の下流側に設けられ、ガス化炉にて生成された熱分解ガスを高温燃焼し、ガス中の灰分を溶融スラグ化する溶融炉と、該溶融炉から排出される排ガスを燃焼する二次燃焼室とを備えており、廃棄物の資源化、減容化及び無害化を図るために、溶融炉からスラグを取り出して路盤材等の土木資材として再利用したり、二次燃焼室から排出される排ガスから廃熱を回収して発電を行うなどしている。

このようなガス化溶融システムのガス化炉には、流動床ガス化炉が多く用いられている。流動床ガス化炉は、炉底に燃焼空気の供給により流動媒体を流動化させた流動層が形成され、該流動層内に投入した廃棄物を部分燃焼させ、該燃焼熱により高温に維持される流動層内で廃棄物を熱分解する装置である。

流動床ガス化炉においては、流動媒体の流動の安定化が求められている。流動媒体の流動の安定化を図るため、特許文献１には、炉内に設けられた複数の温度センサの検知結果に基づいて流動不良箇所を特定し、この流動不良箇所に対して燃焼空気をより多く供給する流動床ガス化炉が記載されている。

特許４２９５２９１号公報

しかしながら、特許文献１に記載された流動床ガス化炉においては、流動不良部位を特定し燃焼空気量を増大させることによって、流動の安定化を図る場合においても、不燃物の排出が十分でないと、流動不良が解消されないという問題がある。

この発明は、このような事情を考慮してなされたもので、その目的は、流動媒体の流動に応じて不燃物を速やかに系外に排出し、流動不良を解消することができる流動床ガス化炉を提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明は以下の手段を採用している。
すなわち、本発明に係る流動床ガス化炉は、複数並設された風箱と、前記風箱を介して炉内に供給される燃焼空気により流動媒体を流動化させて形成された流動層と、前記流動層内の互いに異なる位置の温度を検出する複数の温度センサと、前記流動層の下方に設けられ、該流動層から排出された前記流動媒体及び混入した不燃物を排出する押出機と、前記押出機の前進方向に向かって漸次高くなるように形成された傾斜面を具備し前記流動層から排出された前記流動媒体及び前記不燃物を支持する底面と、を有する不燃物排出装置と、流動床ガス化炉本体と前記不燃物排出装置との間に設けられた通路と、該通路において前記不燃物を冷却して、前記傾斜面とともに前記底面における前記不燃物の安息角度の低下を防止する冷却手段と、前記複数の温度センサが検出した温度分布に基づいて前記流動層の流動不良部位を特定し、特定された前記流動不良部位下方に位置する前記風箱への燃焼空気供給量を一時的に増大させると共に、前記押出機による前記流動媒体及び前記不燃物の排出速度を増大させる制御装置と、を備えたことを特徴とする。

この発明に係る流動床ガス化炉によれば、流動媒体の流動状態を活発にすると共に、不燃物の排出速度を増速することで、流動媒体の流動不良を解消することができる。
また、本発明によれば、堆積した不燃物の安息角の低下による意図しない不燃物の排出を防止することができる。
また、本発明によれば、不燃物が冷却されることによって、不燃物が高温となることによる安息角の低下を抑制することができ、不燃物排出装置内での安息角を安定させることができる。

また、前記複数の温度センサは、前記流動床ガス化炉の立ち上げ時に前記流動層内に位置する少なくとも一の温度センサを含み、前記流動層の深さ方向に複数設置された温度センサからなる第１の温度センサ群と、前記風箱の並び方向に複数設置された温度センサからなる第２の温度センサ群とからなり、前記制御装置は、第１の温度センサ群による検出結果に基づいた前記深さ方向の温度分布と、前記第２の温度センサ群による検出結果に基づいた前記風箱の並び方向の温度分布とに基づいて流動不良部位を特定することが好ましい。

本発明によれば、流動層の深さ方向に設置された第１の温度センサ群により流動層の層高が容易に把握でき、また、風箱の並び方向に設置された第２の温度センサ群により、流動不良の発生部位が容易に特定できるため、簡単な構成で且つリアルタイムで流動層状態を把握することが可能となる。

また、本発明に係る流動床ガス化炉は、前記複数の風箱内のそれぞれの圧力を検出する圧力検出手段をさらに備え、前記制御装置は、前記風箱への前記燃焼空気供給量を一時的に増大させると共に、前記押出機の排出速度を増大した後、前記圧力検出手段による検出結果から前記風箱内の圧力を取得し、該圧力が予め設定された定常運転範囲内となった場合に、前記増大した燃焼空気供給量及び前記押出機の排出速度を元に戻すことが好ましい。

本発明によれば、燃焼空気供給量及び押出機の排出速度を自動的に元に戻すことができ、不燃物の排出過多を防止することができる。

また、本発明に係る前記制御装置は、前記押出機の前進時間及び後退時間を一定とすると共に、停止時間を変化させることにより、前記不燃物の排出速度を制御することが好ましい。
本発明によれば、押出機の前後速度を変化させる必要がないため、速度を変更する手段が必要なくなり、より低コストで押出機を構築することができる。

また、前記冷却手段は、水冷ジャケット構造による間接空冷であることが好ましい。
本発明によれば、不燃物の流れに影響を及ぼすことなく、不燃物を冷却することができる。

本発明に係る流動床ガス化炉によれば、流動媒体の流動状態を活発にすると共に、不燃物の排出速度を増速することで、流動媒体の流動不良を解消することができる。

本発明の実施形態の流動床ガス化炉の構成図である。本発明の実施形態の不燃物排出装置の模式図である。

以下、図面を参照して本発明の好適な実施形態を例示的に詳しく説明する。但しこの実施形態に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対的配置等は特に特定的な記載がない限りは、この発明の範囲をそれに限定する趣旨ではなく、単なる説明例に過ぎない。

図１に示すように、本実施形態の流動床ガス化炉１は、角筒状のガス化炉本体２を有し、このガス化炉本体２の一側壁に廃棄物投入口３が設けられるとともに、この廃棄物投入口３と対面する側壁に配置された流動砂供給口６と、この側壁の下部に設けられた不燃物排出口５と、不燃物排出口５に接続された不燃物排出装置７とを有する。
また、本実施形態の流動床ガス化炉１は、温度センサの入力に基づいて押し込みファン１２やプッシャー１３を制御する制御装置２０を備えている。

ガス化炉本体２の底部８は、廃棄物投入口３側から不燃物排出口５側へ向けて下方に傾斜しており、底部８には複数の散気管（不図示）が設けられている。
底部８の下方には複数の風箱１０（１０ａ，１０ｂ）が設けられている。風箱１０は、底部８の傾斜方向に複数並設されている。本実施形態では２つの風箱１０ａ，１０ｂが配置された構成を示す。各風箱１０ａ，１０ｂには、押し込みファン１２により燃焼空気５１が供給される。燃焼空気５１は、好適には温度約１２０〜２３０℃、空気比０．２〜０．７程度とし、必要に応じて水蒸気を加えてもよい。

風箱１０ａ，１０ｂへの燃焼空気流路上にはダンパ１１ａ，１１ｂが設置され、夫々のダンパ１１ａ，１１ｂの開度を調整することにより風箱１０ａ，１０ｂへの燃焼空気供給量（風量）を制御するようになっている。風箱１０ａ，１０ｂに供給された燃焼空気５１は、底部８の散気管から炉内に噴出するようになっている。ダンパ１１ａ，１１ｂにより設定される風箱１０ａ，１０ｂへの風量をＦ１，Ｆ２とする。

風箱１０ａ，１０ｂには夫々風箱内圧力を検出する圧力センサ（不図示）が設けられている。風箱１０ａの圧力をＰ１、風箱１０ｂの圧力をＰ２とする。

ガス化炉本体２には、流動砂供給口６から供給された流動砂が充填され、風箱１０を介して底部８から供給される燃焼空気５１により流動砂が流動化した流動層９が形成されている。稼動時の流動層９は、５００〜６５０℃程度の温度に維持される。また、流動層の層高は、廃棄物の水分蒸発負荷に応じて設定される。なお、本実施形態にて、流動床ガス化炉１の立ち上げ時には燃焼空気５１を供給しないこともあるため、立ち上げ時の流動層９は静止状態の場合も含む。図１において、立ち上げ時の流動層９の層高をＨ０、稼動時の流動層９の層高をＨ１で示す。

流動床ガス化炉１に投入された廃棄物は流動層９内で乾燥、熱分解される。この間、不燃物が流動砂と共に不燃物排出口５より排出される。熱分解により廃棄物はガス、タール、チャー（炭化物）に分解される。タールは、常温では液体となる成分であるが、流動床ガス化炉１内ではガス状で存在する。チャーは流動床ガス化炉１の流動層９内で徐々に微粉化され、ガス及びタールに同伴して熱分解ガス５２として図示しない旋回溶融炉へ導入される。

流動床ガス化炉１の立ち上げ時には、予め流動砂供給口６から炉内に流動砂を供給し、少なくとも層高Ｈ０まで充填する。そして、昇温しながら流動砂を追加供給していき、最終的に、流動状態において所定の層高Ｈ１となるまで流動砂を供給する。
稼動時の流動層９は流動状態にあり、投入した廃棄物５０を流動層９内で乾燥、熱分解する。流動層９の層高は、風箱１０の圧力Ｐ１，Ｐ２により求められる。運転に伴い、流動砂が不燃物とともに排出されたり、熱分解ガス５２に同伴されて溶融設備である旋回溶融炉へ抜けたりすることがあるため層高が低下する場合がある。従って、風箱１０の圧力値が所定値以下となったら流動砂を追加供給する。

また、流動床ガス化炉１は、立ち上げ時に流動層内に位置し、流動層内の互いに異なる位置の温度を検出する少なくとも一の温度センサ２３を含み、流動層９の深さ方向に設置された複数の温度センサ２３，２４，２５からなる第１の温度センサ群と、風箱１０の並び方向に設置された複数の温度センサ２１、２４、２２からなる第２の温度センサ群と、を備えた構成となっている。温度センサとしては、熱電対等を用いることが好ましい。夫々の温度センサ２１〜２５により検出される温度をＴ１〜Ｔ５で表す。好適には、第２の温度センサ群は、流動層９を風箱１０の並び方向に３つの帯状領域に区分し、夫々の帯状領域に少なくとも一の温度センサが存在するように配設する。

第１の温度センサ群のうち、立ち上げ時の流動層内に存在する温度センサ２３は、主として立ち上げ時の流動化開始を検出する。これは、流動化開始後は流動化開始前よりも流動層温度が上昇するため、この温度変化を検出することにより流動化の開始を判断できるものである。
また、第１の温度センサ群２３，２４，２５では、主として流動層９の層高及び深さ方向の流動状態を検出する。流動層９の層高は、上述したように風箱内圧でも検出可能であるが、散気管の閉塞等の流動化不良が生じた場合には風箱内圧から層高を求めることができない。従って、第１の温度センサ群でも同時に層高を検出することにより、正確な層高が得られるようになる。

第２の温度センサ群２１，２４，２２は、流動層９の深さ方向の設置高さは略同一とし、風箱１０の並び方向に所定間隔を隔てて複数設置される。第２の温度センサ群により流動層９の水平断面における温度分布が得られる。そして、この温度分布と定常運転時の温度分布を比較することにより局所的な流動不良を検出できる。例えば、得られた温度分布に部分的な低温箇所が存在する場合、この低温箇所に位置する流動層９が流動不良であると判断される。例えば、温度センサ２４にて検出された温度Ｔ４が他の温度センサにて検出された温度Ｔ１，Ｔ２より低い値を示した場合には、温度センサ２４の近傍が局所的に流動不良を起こしていることがわかる。また、同様に第１の温度センサ群２３，２４，２５においても、流動層の深さ方向の温度分布が得られるため、深さ方向の流動不良を検出することができる。
従って、第２の温度センサ群２１，２４，２２を設置することにより、簡単に且つリアルタイムで流動不良部位を特定することが可能となる。

次に、不燃物排出装置７の詳細について説明する。
不燃物排出装置７は、流動床ガス化炉１の不燃物排出口５と接続される不燃物導入通路１４と、不燃物導入通路１４と接続される入口２９を有するケーシング１５と、ケーシング１５の底面１６に貯留された不燃物を押し出すプッシャー１３と、ケーシング１５の上面に設けられた排ガス出口１８と、不燃物が排出される不燃物排出口１９とを有する。以下、プッシャー１３のスライド方向の前進方向を前方（図２における右方）といい、後退方向を後方という。また、これらを総称して前後方向という。

不燃物導入通路１４は、通路１４を形成する壁が中空形状の水冷ジャケット構造であり、不燃物導入通路１４の内部には、冷却水が導入されている。
ケーシング１５は、前後方向に長さを有する箱形状であり、不燃物導入通路１４の延長線上には、不燃物を前方に流すための斜面３１が形成されている。斜面３１の下部には、プッシャー１３が挿通する挿通孔３２が形成されている。不燃物排出口１９は、ケーシング１５の底面１６の前端に下方に向かって形成されている。

ケーシング１５の底面１６には、前方に向かって漸次高くなる傾斜面１７が形成されている。傾斜面１７は、平面視において底面１６と滑らかに接続される円弧状に形成されている。その円弧の半径は、１ｍ程度が好ましい。傾斜面１７の前端は、ケーシング１５の出口３３となっており、この出口３３に不燃物排出口１９が接続されている。出口３３の底面１６からの高さは、６００ｍｍ程度が好ましい。

プッシャー１３は、水平方向に広がる直方体形状のプッシャー本体１３ａとプッシャー本体１３ａをスライド駆動する油圧シリンダ３４を備えている。プッシャー本体１３ａは、油圧シリンダ３４によって前後移動可能にスライド駆動される。プッシャー１３は、所定のストロークで、不燃物排出装置７の底面１６を往復運動する。前進速度及び後退速度は一定であり、後退運動後、所定時間停止するように設定されている。本実施形態においては、前後運動及び後退運動は、３０秒間、停止時間は３０秒間に設定されている。

ケーシング１５の上部空間は、排ガス出口１８を介してバグフィルタ（不図示）と接続されており、このバグフィルタ後段の誘引ファン（不図示）によりケーシング１５上部空間のガスを吸引する構成としている。上部空間より吸引された排ガス５４は、バグフィルタにより集塵され、塵埃等を除去された後に大気放出される。

上述した制御装置２０は、温度センサ２１〜２５及び圧力センサと接続されており、温度センサ２１〜２５が検知した温度、及び圧力Ｐ１，Ｐ２が入力される。また、制御装置２０は、ダンパ１１ａ，１１ｂ、及びプッシャー１３と接続されており、風箱１０ａ，１０ｂへの風量をＦ１，Ｆ２及び、プッシャー１３の動きを制御することができる。制御装置２０による制御方法については、後述する。

次に、本実施形態の流動床ガス化炉１の作用について説明する。
まず、廃棄物５０が流動床ガス化炉１に投入され、流動層９において分散される。次いで、流動媒体と不燃物とが、ガス化炉本体２の不燃物排出口５から排出され、不燃物導入通路１４において冷却された後、不燃物排出装置７の底面１６に堆積する。不燃物排出装置７においてはプッシャー１３が、往復動することにより不燃物３０を排出している。往復動における前進時間及び後退時間は一定の３０秒であり、後退後の停止時間は３０秒である。

この際、流動層９の深さ方向に設置された第１の温度センサ群２３，２４，２５により流動層９の層高及び流動状態が監視される。ここで、流動媒体の流動不良が生じた場合、風箱１０の並び方向に設置された第２の温度センサ群２１，２４，２２により、発生部位が特定される。
流動不良の原因の一つとして、散気管の閉塞などにより圧力損失が大となり、流動化に必要とされる燃焼空気５１が供給されないことが考えられる。よって、第２の温度センサにより流動不良部位が特定されたら、その下方に位置する風箱１０の風量を定常運転時より増大させ、積極的に流動を生じさせる。具体的には、ダンパ１１ａ，１１ｂの風量バランスを変える操作を行うことによって押し込みファン１２からの風量を増大させる。このように流動不良部位の風量を増大させることにより、閉塞物が吹き飛ばされて流動が回復する。

また、流動不良のもう一つの原因として、ガス化炉本体２の底面８に不燃物３０が堆積することが考えられる。よって、流動媒体の流動不良が生じた場合、上記のごとく風量を増大させるとともに、不燃物排出装置７のプッシャー１３の停止時間を短くすることで、流動媒体および不燃物３０の排出速度を増大させ、不燃物排出装置７の底面１６に堆積した不燃物３０を速やかに排出せしめることで流動不良を回復する。本実施形態においては、定常時の停止時間３０秒に対して、停止時間を５秒とすることによって、不燃物３０の速やかな排出を促す。

流動が回復したか否かは、風箱１０の圧力Ｐ１若しくはＰ２によって判断される。流動不良が発生している時には、その下方に位置する風箱１０の圧力が定常運転時より高い値を示す。従って、制御装置２０は、回復動作を行いながら風箱圧力を検出し、該風箱圧力が低下したら流動が回復したものと判断する。流動が回復したら、風箱１０への風量を定常運転時の値に戻すように制御する。

また、不燃物が高温であると、堆積した不燃物の安息角が低下し、意図しない不燃物の排出の原因になる。本実施形態の流動床ガス化炉１は、不燃物導入通路１４の水冷ジャケットにより、不燃物３０が堆積前段階において、冷却されるため、堆積する不燃物３０の安息角度が安定する。

また、不燃物排出装置７の底面１６にプッシャー１３の前進方向（ケーシング１５の出口３３方向）に向かって漸次高くなる傾斜面１７を形成したことによって、堆積した不燃物３０の安息角の低下が防止される。また、安息角が低下した場合の意図しない不燃物排出装置７からの流出をせき止めることができる。安息角は、例えば、冷却が不十分であったり、不燃物と流動媒体の割合の変化によって低下する。

上記実施形態によれば、流動層９の流動不良が検出された場合であっても、風箱１０への風量を制御するとともに、プッシャー１３の停止時間を短くすることによって、速やかに流動不良を解消し流動状態の安定化を図ることが可能である。

また、流動床ガス化炉１と不燃物排出装置７との間に介在する、不燃物導入通路１４を水冷ジャケット構造とし、不燃物排出装置７に流入する不燃物と流動媒体を事前に冷却することによって、不燃物と流動媒体が高温であることによる堆積時の安息角の低下を抑制することができ、不燃物排出装置７内での安息角を安定させることができる。

なお、本発明の技術範囲は上記の実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において、種々の変更を加えることが可能である。例えば、本実施形態では、流動が回復したか否かは、風箱１０の圧力によって判断したが、これに限ることはなく、流動の回復を検出せずに、風箱１０の風量増大から所定時間経過後に風量を定常運転時の値に戻すようにしてもよい。
また、傾斜面１７の形状は、円弧状に限ることはなく、直線的な坂形状としてもよい。

１流動床ガス化炉
７不燃物排出装置
９流動層
１０風箱
１３プッシャー（押出機）
１４不燃物導入通路
１６底面
１７傾斜面
２０制御装置
２１温度センサ
２２温度センサ
２３温度センサ
２４温度センサ
２５温度センサ
３０不燃物

Claims

複数並設された風箱と、
前記風箱を介して炉内に供給される燃焼空気により流動媒体を流動化させて形成された流動層と、
前記流動層内の互いに異なる位置の温度を検出する複数の温度センサと、
前記流動層の下方に設けられ、該流動層から排出された前記流動媒体及び混入した不燃物を排出する押出機と、前記押出機の前進方向に向かって漸次高くなるように形成された傾斜面を具備し前記流動層から排出された前記流動媒体及び前記不燃物を支持する底面と、を有する不燃物排出装置と、
流動床ガス化炉本体と前記不燃物排出装置との間に設けられた通路と、
該通路において前記不燃物を冷却して、前記傾斜面とともに前記底面における前記不燃物の安息角度の低下を防止する冷却手段と、
前記複数の温度センサが検出した温度分布に基づいて前記流動層の流動不良部位を特定し、特定された前記流動不良部位下方に位置する前記風箱への燃焼空気供給量を一時的に増大させると共に、前記押出機による前記流動媒体及び前記不燃物の排出速度を増大させる制御装置と、を備えたことを特徴とする流動床ガス化炉。
前記複数の温度センサは、前記流動床ガス化炉の立ち上げ時に前記流動層内に位置する少なくとも一の温度センサを含み、前記流動層の深さ方向に複数設置された温度センサからなる第１の温度センサ群と、前記風箱の並び方向に複数設置された温度センサからなる第２の温度センサ群とからなり、
前記制御装置は、第１の温度センサ群による検出結果に基づいた前記深さ方向の温度分布と、前記第２の温度センサ群による検出結果に基づいた前記風箱の並び方向の温度分布とに基づいて流動不良部位を特定することを特徴とする請求項１に記載の流動床ガス化炉。
前記複数の風箱内のそれぞれの圧力を検出する圧力検出手段をさらに備え、
前記制御装置は、前記風箱への前記燃焼空気供給量を一時的に増大させると共に、前記押出機の排出速度を増大した後、前記圧力検出手段による検出結果から前記風箱内の圧力を取得し、該圧力が予め設定された定常運転範囲内となった場合に、前記増大した燃焼空気供給量及び前記押出機の排出速度を元に戻すことを特徴とする請求項２に記載の流動床ガス化炉。
前記制御装置は、前記押出機の前進時間及び後退時間を一定とすると共に、停止時間を変化させることにより、前記不燃物の排出速度を制御することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の流動床ガス化炉。
前記冷却手段は、水冷ジャケット構造による間接空冷であることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の流動床ガス化炉。