JP6299466B2 - 廃棄物ガス化溶融装置及び廃棄物ガス化溶融方法 - Google Patents

Description

本発明は、廃棄物をシャフト炉式ガス化溶融炉内で熱分解、燃焼し、残留する灰分を溶融する廃棄物ガス化溶融装置及び廃棄物ガス化溶融方法に関する。

都市ごみやシュレッダーダストなどの廃棄物を処理する技術として、廃棄物を熱分解、燃焼して、残留する灰分を溶融しスラグにして排出する廃棄物溶融処理が知られている。

この処理方法は、廃棄物を熱分解してガス化することによりその燃焼熱を回収することができるとともに、残留する灰分を溶融してスラグとして排出した後に、埋立処分などで最終処分されるべき量を減容することができる利点を有している。このような溶融処理方法には幾つかの方式があるが、その一つとして、竪型をなすシャフト炉式廃棄物ガス化溶融炉による方法がある。

このシャフト炉式廃棄物ガス化溶融炉は、例えば、炉下部に堆積させたコークスを燃焼させ、この高温のコークス上へ廃棄物を投入して、熱分解及び部分酸化させてガス化するとともに残留する灰分を溶融してスラグにする処理を行なう炉である（特許文献１参照）。

特許文献１のシャフト炉式廃棄物ガス化溶融炉においては、竪型筒状をなす炉体の内部が大別して縦（上下）方向で３つの領域に区分される。すなわち、炉下部にコークスを堆積させたコークス床を有する高温燃焼帯が形成され、この高温燃焼帯の上に廃棄物層が形成され、炉上部にて該廃棄物層の上方に大きな空間のフリーボード部が形成されている。

かかる廃棄物ガス化溶融炉では、上記３つの領域のそれぞれでは酸素含有ガスの炉内への吹込みが行われる。炉下部における高温燃焼帯には主羽口が設けられていて、酸素富化空気が吹き込まれ、高温燃焼帯では投入されて堆積されたコークス床のコークスが燃焼して、残留する灰分を溶融する溶融熱源となっている。また、廃棄物層には副羽口が設けられ、空気が吹き込まれ、投入されて堆積された廃棄物を緩やかに流動させると共に、廃棄物を熱分解及び部分酸化させる。また、フリーボード部には三段羽口が設けられ、空気が吹き込まれ、廃棄物が熱分解されて生成した熱分解ガス（可燃性ガス）の一部を部分燃焼させて内部を所定温度に維持するようになっている。

このようにシャフト炉式廃棄物ガス化溶融炉は、一つの炉で、廃棄物をその炉内での降下に伴い熱分解ガス化処理と溶融処理の両方を行うことのできる設備である。投入された廃棄物は熱分解され、ガスと灰分が生成される。主羽口からの酸素富化空気の送風によりコークス床のコークスが燃焼され高温燃焼帯が形成され、廃棄物の灰分が溶融されスラグとメタルとして排出される。コークス床はコークス同士間に生ずる空隙で、主羽口からの酸素富化空気やコークス燃焼により発生した高温ガスを上昇通ガスさせるとともに、溶融したスラグとメタルを降下通液させる高温火格子としても機能している。高温燃焼帯のコークス燃焼により発生した高温ガスが高温燃焼帯の上に形成された廃棄物層の廃棄物を加熱し、副羽口からの空気の送風により廃棄物は熱分解され、この熱分解により発生した可燃性ガスを含むガスは廃棄物層内を上昇し、フリーボード部を経て、炉内上部に設けられた排出口より、炉外の二次燃焼室へ排出される。ガスは可燃ガスを多量に含んでいて二次燃焼室で燃焼され、ボイラで熱回収され蒸気を発生させその蒸気が発電等に用いられる。ボイラから排出されたガスは、サイクロンで比較的粗いダストが除去され、さらに、減温装置で冷却され、有害物質除去剤との反応により有害ガスが除去され、集塵機で除塵処理されるなど排ガス処理された後、煙突から大気に放散される。

シャフト炉式ガス化溶融炉に使用されるコークスとしては、例えば製鉄用コークスや鋳物用コークスに使用される緻密堅牢で高温強度が大きく、低反応性であり高温下でも塊状を保持する石炭コークスが、コークス同士の間隙を維持するため高温火格子として好適であり使用されている。しかし、このような石炭コークスは高価であり、運転費用が嵩むという問題がある。特許文献２には、シャフト炉式廃棄物ガス化溶融炉において石炭コークスの一部の代替えとして、石油精製の際に生ずる石油コークスを使用するガス化溶融炉の操業方法について記載されており、高価な石炭コークスの代わりに安価な石油コークスを用いることにより運転費用の削減が可能としている。

また、廃棄物ガス化溶融炉の操業において、石炭コークスの使用量を低減して二酸化炭素排出量を削減することが要望されている。石炭コークスの代替として建築廃材のおがくず等のバイオマスを加熱圧縮成形し炭化したバイオマス炭化物や木炭などの塊状バイオマス（両者をまとめてバイオマスという）を利用して、石炭コークス使用量を削減する廃棄物溶融方法が提案されている（特許文献３参照）。

特開平０９−０６０８３０ 特開２００３−１２０９１６ 特開２００５−２４９３１０

廃棄物ガス化溶融炉の運転費を低減することを目的として、廃棄物溶融炉における石炭
コークスの使用量を低減するべく、特許文献２のように石炭コークスの一部の代替えとして石油コークスを利用するとしても、次のような問題がある。すなわち、石油コークスは石炭コークスに比べて高温強度が低いため、炉内の高温下で細粒化してしまい、高温燃焼帯のコークス床の空隙を閉塞し、コークスに求められる高温火格子としての機能を充足することができず、酸素富化空気と燃焼ガスの通気と、溶融スラグの通液が十分にできなくなり、シャフト炉式廃棄物ガス化溶融炉の操業に支障を及ぼす事態がおこるという問題がある。

高温燃焼帯のコークス床において酸素富化空気と燃焼ガスの通気が損なわれると、酸素富化空気や燃焼ガスが均一に上昇することができなくなり、廃棄物の熱分解やコークスの燃焼が十分に行われない箇所が生じ、炉内状況が不均一になる。すなわち、コークス床の空隙が閉塞され酸素富化空気や燃焼ガスが十分に供給されない箇所では、廃棄物の熱分解やコークスの燃焼が不充分となり、一方、コークス床の空隙の閉塞がなく酸素富化空気や燃焼ガスが十分に供給される箇所では、廃棄物の熱分解やコークスの燃焼が盛んに行われることになり、炉内において廃棄物の熱分解やコークスの燃焼が不十分な箇所と盛んに行われる箇所が発生して局所的な偏りが生じ炉内状況が不均一になる。炉内状況が不均一になると、廃棄物の熱分解やコークスの燃焼が安定して行われ難くなり、また、炉内のガス流れが不均一になり突発的な吹き抜けが生じるなど、廃棄物ガス化溶融炉の操業に支障を及ぼす。

特許文献２にはこのような問題に対して、炉下部の通気性を監視するために主羽口から送風する酸素富化空気の圧力（主羽口送風圧力）を計測しながら、適正な炉内通気性を確保して操業に支障を及ぼさないように石油コークスと石炭コークスの投入比率を調節すること、さらに、主羽口送風圧に基づき算出される炉内通気抵抗係数が所定値を超えた場合に、石油コークスと石炭コークスの合計投入量に対し石炭コークスの投入比率を多くするように調節することが記載されている。

しかしながら、特許文献２の上記の方法では、石油コークスと石炭コークスの投入比率を調節しても、適正な炉内状況となるまでの時定数が大きく効果が現れるまでに時間がかかり、また、特許文献２の上記の方法によっても、石炭コークスの代替に石油コークスを使用する量を大幅に多くするには限界があり、廃棄物ガス化溶融炉の運転費を大きく低減することができないという問題がある。

また、二酸化炭素排出量を削減することを目的として、廃棄物ガス化溶融炉における石炭コークスの使用量を低減するべく、特許文献３のように石炭コークスの代替としてバイオマスを利用するとしても、次のような問題がある。すなわち、バイオマスは石炭コークスに比べて高温強度が低いため、炉内の高温下で細粒化してしまい炉下部の空隙を閉塞し、石炭コークスによりなされる高温火格子の機能が損なわれ、酸素富化空気と燃焼ガスの通気の確保ができず、シャフト炉式廃棄物ガス化溶融炉の操業に支障を及ぼす事態がおこるという石油コークスを用いる場合と同様の問題がある。

本発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、廃棄物ガス化溶融炉における石炭コークスの一部の代替として石油コークスを使用することにより、廃棄物ガス化溶融炉の運転費を低減することができ、また、石炭コークスの一部の代替としてバイオマスを使用することにより石炭コークスの使用量を低減して、二酸化炭素排出量を削減することができ、かつ安定した操業ができる廃棄物ガス化溶融装置及び廃棄物ガス化溶融方法を提供することを課題とする。

本発明によると、廃棄物ガス化溶融装置及び廃棄物ガス化溶融方法は、次のように構成され、その作用効果は、下述する通りである。
Ｉ．＜廃棄物ガス化溶融装置＞
Ｉ.(１）石炭コークスと共に、石油コークスを用いる装置
シャフト炉式廃棄物ガス化溶融炉に廃棄物を投入し廃棄物を熱分解、燃焼し、残留する灰分を溶融する廃棄物ガス化溶融装置において、ガス化溶融炉に石炭コークスを供給する石炭コークス供給装置と、ガス化溶融炉に石油コークスを供給する石油コークス供給装置と、 該ガス化溶融炉の下部に酸素富化空気を吹き込む主羽口から燃料ガスを吹き込む燃料ガス供給装置とを備える、ことを特徴とする廃棄物ガス化溶融装置。

本発明において、燃料供給制御装置を備え、該燃料供給制御装置が燃料ガス供給装置からの主羽口への燃料ガス供給量、石炭コークス供給装置からの石炭コークス供給量及び石油コークス供給装置からの石油コークス供給量を、主羽口への酸素富化空気の送風圧又は排ガスの組成成分濃度に応じて制御するようになっていることが好ましい。

Ｉ.(２）石炭コークスと共に、上記Ｉ.(１）の石油コークスに代えバイオマスを用いる装置
シャフト炉式廃棄物ガス化溶融炉に廃棄物を投入し廃棄物を熱分解、燃焼し、残留する灰分を溶融する廃棄物ガス化溶融装置において、ガス化溶融炉に石炭コークスを供給する石炭コークス供給装置と、ガス化溶融炉にバイオマスを供給するバイオマス供給装置と、該ガス化溶融炉の下部に酸素富化空気を吹き込む主羽口から燃料ガスを吹き込む燃料ガス供給装置とを備える、ことを特徴とする廃棄物ガス化溶融装置。

本発明において、燃料供給制御装置を備え、該燃料供給制御装置が燃料ガス供給装置からの主羽口への燃料ガス供給量、石炭コークス供給装置からの石炭コークス供給量及びバイオマス供給装置からのバイオマス供給量を、主羽口への酸素富化空気の送風圧又は排ガスの組成成分濃度に応じて制御するようになっていることが好ましい。
II．＜廃棄物ガス化溶融方法＞
II.(１）石炭コークスと共に、石油コークスを用いる方法
シャフト炉式廃棄物ガス化溶融炉に廃棄物を投入し廃棄物を熱分解、燃焼し、残留する灰分を溶融する廃棄物ガス化溶融方法において、ガス化溶融炉に石炭コークスを供給するとともに石油コークスを供給し、ガス化溶融炉の下部に酸素富化空気を吹き込む主羽口から燃料ガスを吹き込む、ことを特徴とする廃棄物ガス化溶融方法。

本発明において、石炭コークス供給量、石油コークス供給量及び主羽口への燃料ガス供給量を主羽口への酸素富化空気の送風圧又は排ガスの組成成分濃度に応じて制御することが好ましい。

II.(２）石炭コークスと共に、上記 II.(１）の石油コークスに代えバイオマスを用いる方法
シャフト炉式廃棄物ガス化溶融炉に廃棄物を投入し廃棄物を熱分解、燃焼し、残留する灰分を溶融する廃棄物ガス化溶融方法において、ガス化溶融炉に石炭コークスを供給するとともにバイオマスを供給し、ガス化溶融炉の下部に酸素富化空気を吹き込む主羽口から燃料ガスを吹き込む、ことを特徴とする廃棄物ガス化溶融方法。

本発明において、石炭コークス供給量、バイオマス供給量及び主羽口への燃料ガス供給量を、主羽口への酸素富化空気の送風圧又は排ガスの組成成分濃度に応じて制御することが好ましい。

上述のＩ.(１）の装置そしてII.(１）の方法の場合、 石油コークスは石炭コークスに比べて価格が極めて安価であり、石油コークスを石炭コークスの一部の代替として用いることにより、運転費用の削減が可能である。しかし、特許文献２について前述したように、石油コークスは石炭コークスに比べて高温強度が低く、炉内で細粒化し易くコークス塊の間隙を閉塞して通気抵抗を増大させるため、単に石炭コークスの一部を石油コークスに置き換えただけでは、炉下部における酸素富化空気と燃焼ガスの通気性、溶融スラグの通液性を損ない、操業に支障を及ぼす場合が生じる。そこで本発明では、炉下部に酸素富化空気を吹き込む主羽口から燃料ガスを吹き込む燃料ガス供給装置を備え、石炭コークス、石油コークスとともに燃料ガスを燃焼することとしている。

石炭コークス、石油コークスと共に燃料ガスを供給すると、次のような作用を生ずる。

（ｉ）炉下部で石炭コークス、石油コークスとともに、水素原子を含む燃料ガスを燃焼することにより水蒸気が発生し、水蒸気は石炭コークスよりも比表面積の大きな石油コークス細粒物と優先的に反応し、ＣＯ、Ｈ_２を発生させる反応が生じ、石油コークス細粒物が消費されるため、石油コークス細粒物がコークス塊の間隙を閉塞することを防ぎ通気抵抗の増大を抑制する。これにより、炉下部での通気性と通液性が確保され高温火格子として十分に機能することになる。

（ii）炉下部での通気抵抗の増大を抑制することにより、主羽口から供給される酸素富化空気が炉下部内に十分に行き渡り、石炭コークス、石油コークスの燃焼が確実に行われ、炉下部内が均一に高温に維持される。また、石炭コークスと石油コークスと燃料ガスが主羽口からの酸素富化空気により燃焼して、その燃焼ガスと酸素富化空気が高温火格子を良好に上昇通気して、局所的な偏りを生じさせることなく均一に廃棄物を加熱して熱分解、燃焼させる。そして、石炭コークスと石油コークスと燃料ガスの燃焼により、コークス充填層Ａが均一に高温に維持され、灰分を高温に加熱し溶融し、溶融物が良好に上記高温火格子を降下通液し炉底部に滴下する。

（iii）また、燃料ガスの燃焼熱を廃棄物の灰分の溶融熱源の一部として、また、廃棄物熱分解のための熱源の一部として利用でき、石炭コークス使用量を低減できる。

このような構成における本発明によると、高温火格子を形成する石炭コークスは元来有しているその塊状形状により、コークス塊同士間に生ずる空隙で通気確保と通液確保とが確実に行われる高温火格子としての機能と、灰分を溶融するためと廃棄物を熱分解するための熱源としての機能とをもつ。一方、石油コークスは、その高温強度が低くて細粒物となっても、石油コークス細粒物が燃料ガスの燃焼により発生する水蒸気と反応し消費され、コークス細粒物が炉下部内の間隙を閉塞することを防ぎ通気抵抗が増大することが抑制されるので、石油コークスの高温強度、形状・寸法に係りなく使用可能であり、石炭コークスの熱量を補足する熱源としての機能をもつ。したがって、石炭コークスは高温火格子を形成するに必要な最小限の量で足り、熱源として不足する分は石油コークスと燃料ガスで補うことができ、三者で十分な熱源を確保しつつ、最小限量の石炭コークスで高温火格子の形成を可能とする。

本発明において、石炭コークスの炉内への投入量は、少なくとも高温火格子を形成することに必要な量とし、灰分を溶融するためと廃棄物を熱分解するための熱源として必要な熱量を石油コークスと燃料ガスにより補うこととすることが好ましい。

さらに、本発明において燃料供給制御装置を備える場合、主羽口送風圧に基づく制御そして排ガスの組成成分濃度に基づく制御が次のように行われる。

（ａ）主羽口送風圧に基づく制御
炉下部内での間隙が閉塞され通気性が低下し通気抵抗が増加すると、主羽口から吹き込む酸素富化空気の送風圧力が増加する。炉下部内の通気性を監視するために主羽口送風圧力を計測しながら、適正な炉内通気性を確保して操業に支障を及ぼさないように、炉内の通気性が低下した場合に、それを検知し、適正な炉内通気性を確保するように、燃料ガス、石油コークス、石炭コークスの供給量を制御する。

（ｂ）排ガスの組成成分濃度に基づく制御
炉下部内の通気性が低下し廃棄物の熱分解が安定して行われなくなったり、廃棄物の熱分解が炉内で不均一になると、排ガスの組成成分の濃度が変動する。廃棄物の熱分解が不安定になったり不均一になると、熱分解により発生した可燃性ガスの二次燃焼が安定せず、二次燃焼排ガス中のＣＯ濃度が増加する。この変動を検知して、炉下部内の通気状態を把握し、その状態に対応して適正な炉内通気性を確保するように、燃料ガス、石油コークス、石炭コークスの供給量を制御する。

次に、本発明において石炭コークスと共に、石油コークスに代えバイオマスを供給することも、上述の Ｉ.(２）の装置、II.(２）の方法のように可能である。

バイオマスはＦＡＯ（国際食料農業機関）によって分類されており、バイオマスとして、林地残材、間伐材、未利用樹、製材残材、建設廃材等の木質系バイオマス、稲わら、籾殻、草本系バイオマス、さらに、製紙系バイオマス、農業残渣、家畜糞尿、食品廃棄物等の未利用バイオマス資源等を挙げることができる。本発明では、これらのバイオマス、これらのバイオマスを原料として成形した成形物、これらのバイオマスを原料として乾留した炭化物をまとめてバイオマスということにするが、これらを石油コークスに代え供給することができる。

バイオマスは高温強度が低く高温火格子としての安定性が石炭コークスに比べて劣る。
石油コークスに代えてバイオマスを使用する場合も、石油コークスと同様の問題が生じる場合があるが、燃料ガスを主羽口から吹き込むことにより石油コークスの場合と同様に問題を解決できる。

本発明は、以上のように、シャフト炉式ガス化溶融炉で廃棄物を熱分解し、残留する灰分を溶融処理する際に、石炭コークスと石油コークスとをガス化溶融炉へ投入し、燃料ガスを主羽口から吹き込むこととしたので、炉内では石炭コークスにより高温火格子が形成されるとともに、石油コークスを用いる場合の石油コークス細粒物によりコークス間隙が閉塞され通気性と通液性に支障が生じるという問題を、燃料ガス燃焼により発生する水蒸気の作用により石油コークス細粒物を消費して抑制するので、燃焼ガスと酸素富化空気の上昇通気、溶融物の降下通流が良好に保たれた状態で、高温火格子形成に必要な最小限の石炭コークスと、これを補う石油コークスと燃料ガスで、灰分の溶融と廃棄物の熱分解のための熱源を確保でき、石炭コークスの使用量を低減して、廃棄物溶融炉の運転費を低減することができ、安定した操業ができる廃棄物のガス化溶融処理装置、ガス化溶融処理方法を提供することができる。また、石油コークスに代えてバイオマスを使用する場合にも、石炭コークスの使用量を低減して、二酸化炭素排出量を削減することができる。

本発明の一実施形態装置の概要構成を示す図である。

以下、添付図面の図１にもとづき、本発明の実施形態を説明する。本実施形態の廃棄物ガス化溶融装置は、石炭コークスと石油コークスを燃料として供給し、主羽口から炉下部内へ酸素富化空気とともに燃料ガスを吹き込むシャフト炉式廃棄物ガス化溶融炉と、その周辺装置とを備えているが、この廃棄物ガス化溶融装置についての説明に先立ち、これに用いられるシャフト炉式廃棄物ガス化溶融炉の概要構成を説明する。

＜シャフト炉式廃棄物ガス化溶融炉の概要構成＞
図１に示される本発明の一実施形態のシャフト炉式廃棄物ガス化溶融炉には、該ガス化溶融炉１の炉上部に、処理対象物としての廃棄物、燃料としての石炭コークス及び石油コークス、生成されるスラグの成分調整材としての石灰石を炉内へ投入するための投入口２が設けられ、また、上部側方には炉内のガスを炉外へ排出するためのガス排出口３が設けられている。また、ガス化溶融炉１の炉底部には溶融スラグと溶融金属を排出するための出滓口４が設けられている。

廃棄物ガス化溶融炉１の上方には、都市ごみ等の廃棄物、石炭コークス、石油コークス、石灰石をそれぞれ供給する廃棄物供給装置２０、石炭コークス供給装置２１、石油コークス供給装置２２、石灰石供給装置２３が配設されており、それぞれの供給装置２１〜２３から供給された石炭コークス、石油コークス、石灰石は搬送コンベアにより搬送され、廃棄物供給装置２０からの廃棄物とともに炉上部の上記投入口２から炉内に投入される。さらに、後述する主羽口から燃料ガスを吹き込むための燃料ガス供給装置２４が配設されている。

ガス排出口３には二次燃焼室１０が接続して設けられており、廃棄物を熱分解して生成した可燃性ガスを燃焼する。該二次燃焼室１０は、二次燃焼のための空気を吹き込む空気送風口１１が設けられている。また、この二次燃焼室１０には、該二次燃焼室１０で可燃性ガスを燃焼した燃焼ガスから熱回収するボイラ１２が隣接して設けられている。

このようなシャフト炉式の廃棄物ガス化溶融炉１では、炉内の内部空間が縦方向で四つの領域に区分されていて、下方から、コークス充填層Ａ、移動層Ｂ、ガス化層Ｃ、フリーボード部Ｄが形成される。

かかる廃棄物ガス化溶融炉１では、上記コークス充填層Ａ及びガス化層Ｃのそれぞれで、羽口が設けられ酸素含有ガスの炉内への吹込みが行われる。

炉下部におけるコークス充填層Ａには主羽口５が設けられていて、酸素富化空気が吹き込まれる。ガス化層Ｃには副羽口６が設けられ、空気が吹き込まれる。

このような羽口を有するガス化溶融炉内に石炭コークスと石油コークスが投入されると、この石炭コークスと石油コークスが炉下部に下降し、主羽口５から吹き込まれる酸素富化空気により石炭コークスと石油コークスが燃焼し、さらに、主羽口５から吹き込まれる燃料ガスが燃焼し、三種の燃料が燃焼し発生する高温の燃焼ガスが廃棄物の熱分解の熱源となり、さらに、灰分を溶融する熱源となる。

ガス化層Ｃには、副羽口６から空気が吹き込まれ、廃棄物を乾燥し、次いで熱分解及び部分酸化させ可燃分をガス化する。

また、フリーボード部Ｄでは、廃棄物が熱分解されて生成した熱分解ガス（可燃性ガス）の一部を部分燃焼させて炉内部を所定温度に維持する。

このように構成され機能する廃棄物ガス化溶融炉１は石炭コークスとともに石油コークスそして燃料ガスを適切に供給するための周辺装置として、次の燃料ガス供給装置２４と、燃料としての石炭コークス、石油コークスそして燃料ガスの供給量を制御する燃料供給制御装置２５とを備えている。

燃料ガス供給装置２４は、主羽口５へ酸素富化空気と燃料ガスの混合気体を炉内へ吹き込むために設けられた送気管に接続されており、該送気管には該燃料ガス供給装置２４に加え酸素富化空気供給装置（図示せず）が接続されている。

酸素富化空気供給装置は、空気に酸素を混入して得られた酸素含有ガスとしての酸素富化空気を上記主羽口５の送気管に供給し、燃料ガス供給装置２４は、燃料ガスを上記送気管に供給する。上記送気管内では、酸素富化空気と燃料ガスとが混合されて混合気体が形成される。該送気管は、酸素富化空気と燃料ガスとを羽口先から噴出する前に混合できる構成を有していればよく、例えば、単管、二重管、三重管等を用いることができる。燃料ガスとして天然ガス、プロパンガス、廃棄物ガス化溶融炉にて廃棄物の熱分解により発生する可燃性ガス等を用いることができる。廃棄物の熱分解によりＣＯ、Ｈ_２、炭化水素等の可燃性ガスが発生しており、廃棄物ガス化溶融炉から排出されるガスの少なくとも一部を上記送気管に供給することにより、これらの可燃性ガスを主羽口５へ吹き込むことができる。

燃料供給制御装置２５は、廃棄物ガス化溶融炉１に設けられたセンサからの信号にもとづき、石炭コークス供給装置２１、石油コークス供給装置２２、燃料ガス供給装置２４を制御すべくこれらの装置２１，２２，２４に接続されている。上記センサとしては、主羽口５の送気管に設けられていて該主羽口５へ送気される酸素富化空気の送風圧を計測する圧力計２６、ボイラ１２の出口で排ガスの組成成分濃度（例えばＣＯ濃度）を計測するガス濃度計２７が設けられている。

このように、燃料供給制御装置２５を設けることで、後に詳述するように、燃料ガス供給装置２４からの主羽口５への燃料ガス供給量、石炭コークス供給装置２１からの石炭コークス供給量、石油コークス供給装置２２からの石油コークス供給量を、主羽口５への酸素富化空気の送風圧又は排ガスの組成成分濃度に応じて制御する。

上記燃料ガス供給装置２４は、主羽口５への燃料ガス供給量を調整するための燃料ガス供給量調整装置（図示せず）を有している。該燃料ガス供給量調整装置は、主羽口５への燃料ガスの流量を調整するための流量調整バルブ又はダンパ（図示せず）を有していて、燃料供給制御装置２５が、主羽口５における送風圧又は排ガスの組成成分濃度の計測値に応じて、燃料ガス供給量調整装置の流量調整バルブ又はダンパの開度を調整することにより、燃料ガス供給量を制御するようになっている。

このように構成される本実施形態における廃棄物ガス化溶融炉装置では、廃棄物のガス化溶融処理は次の要領で行われる。その要領を、廃棄物ガス化溶融炉でのガス化溶融と、周辺装置による燃料供給制御の順に説明する。

＜廃棄物ガス化溶融炉でのガス化溶融＞
各供給装置２０〜２３からの廃棄物、石炭コークス、石油コークス及び石灰石がガス化溶融炉１の上部に設けられた投入口２を経て、それぞれ所定量ずつ炉内へ投入され、主羽口５から酸素富化空気が、副羽口６から空気が炉内へ吹き込まれる。主羽口５からは、燃料ガス供給装置２４から供給される燃料ガスと酸素富化空気との混合により得られた混合気体がコークス充填層Ａに吹き込まれる。

炉内に投入された石炭コークスと石油コークスは炉下部に下降し、石炭コークス、石油コークス、燃料ガスが主羽口５から吹き込まれる酸素富化空気によって燃焼し、廃棄物の灰分を溶融する熱源を提供するとともに、発生した高温の燃焼ガスを上昇させ廃棄物の熱分解のために加熱する熱源を提供する。

上記投入口２から投入された廃棄物は、炉内に堆積して廃棄物のガス化層Ｃを形成し、炉下部のコークス充填層Ａから移動層Ｂを通過し上昇してくる高温の燃焼ガス及び副羽口６から吹き込まれる空気によって加熱され、乾燥され、次いで熱分解される。熱分解により生成した可燃性ガスを含む燃焼ガスは上昇し、可燃性ガスの一部がフリーボード部Ｄにて燃焼され、炉内部を所定温度に維持し、熱分解により発生した有害物とタール分を分解させる処理が施されるように用いられる。フリーボード部Ｄを通過したガスは炉上部に設けられた排出口３より、炉外の二次燃焼室１０へ排出される。ガスは可燃性ガスを多量に含んでいて二次燃焼室１０で燃焼され、ボイラ１２で熱回収され蒸気を発生させその蒸気が発電等に用いられる。ボイラ１２から排出されたガスは、サイクロン（図示せず）で比較的粗いダストが除去され、さらに、減温装置（図示せず）で冷却され、有害物質除去剤との反応により有害ガスが除去され、集塵機（図示せず）で除塵処理されるなど排ガス処理された後、煙突（図示せず）から大気に放散される。

ガス化層Ｃで廃棄物は熱分解されてガスが生成され、さらに、熱分解により生じた固定炭素や灰分は、石炭コークス、石油コークス及び石灰石とともに下降し移動層Ｂを形成する。移動層Ｂでは、コークス充填層Ａから上昇してくる高温のガスにより下降する固体の昇温が行われると同時に、高温のＣＯ_２ガスにより廃棄物の熱分解により生じた固定炭素がガス化される。コークス充填層Ａでは主羽口５から送風される酸素富化空気により石炭コークス、石油コークス、燃料ガスとガス化されずに残った廃棄物の固定炭素が燃焼され、この燃焼熱により廃棄物の灰分が溶融され溶融スラグと溶融メタルが生成される。石灰石は灰分が溶融されたスラグの性状を好ましいものとする調整材として働く。さらに、発生した高温の燃焼ガスが上昇し廃棄物の熱分解のために加熱する熱源となる。

主羽口５から下方の炉下部では、高温になりながらも燃え尽きていない石炭コークスがコークス塊同士の間隙を保持して充填された状態でコークス充填層Ａを形成しており、溶融スラグと溶融メタルはコークス塊同士の間隙を滴下し炉底に達する。溶融スラグと溶融メタルは炉底に達するまでに均質化され性状が安定化され、炉底に設けられた出滓口４から排出され、炉外に設けられた水砕装置（図示せず）に供給され冷却固化され、冷却固化された水砕スラグと水砕金属が回収される。主羽口５から送風される酸素富化空気と、石炭コークス、石油コークスと燃料ガスと固定炭素の燃焼により発生した高温の燃焼ガスとは、コークス充填層Ａから移動層Ｂを通過しガス化層Ｃへ上昇して廃棄物を加熱し、ガス化層Ｃの廃棄物が副羽口６から供給される空気により部分酸化、熱分解される。コークス充填層Ａでは、石炭コークス、石油コークスと燃料ガスが燃焼して灰分溶融と廃棄物熱分解の熱源となり、石炭コークスが塊同士の間隙を保持して酸素富化空気と高温の燃焼ガスとを通気させ、溶融スラグと溶融メタルとを通液させる高温火格子の機能を有している。

このように、廃棄物ガス化溶融炉１に石炭コークスと石油コークスを投入し、廃棄物ガス化溶融炉１の炉下部に石炭コークスと石油コークスを下降させ、廃棄物の灰分、固定炭素とともに移動層Ｂを形成し、主羽口５から燃料ガスを酸素富化空気と混合した混合気体を吹き込むので、コークス充填層Ａで石炭コークスと石油コークスと燃料ガスが燃焼して、廃棄物の灰分を溶融する熱源と、廃棄物を熱分解する熱源となる。石炭コークスの炉内への投入量は、高温火格子を形成することに必要な量とし、熱源として必要な熱量を石油コークスと燃料ガスにより補うこととし、それぞれ所定量を投入する。

このような廃棄物のガス化溶融処理過程において、燃料としての石炭コークスと石油コークスのうち、石炭コークスは炉内への投入当初から塊状をなしており、炉下部で、石炭コークス塊同士間での隙間により、通気と通液を確保して高温火格子を形成する。石油コークスは石炭コークスに比べて高温強度が低いため、炉内の高温下で細粒化し石油コークス細粒物が炉下部に石炭コークスとともに存在するようになるが、主羽口５から混合気体をコークス充填層Ａに吹き込み燃料ガスを燃焼することにより、水蒸気を発生させ、水蒸気が優先的に石油コークス細粒物と反応し、ＣＯ、Ｈ_２を発生させる反応を生じさせ、石油コークス細粒物が消費されるので、石油コークス細粒物が移動層Ｂとコークス充填層Ａの間隙を閉塞することを防ぎ、その結果、通気抵抗の増大が抑制される。かくして、移動層Ｂとコークス充填層Ａは通気性と通液性が確保され高温火格子として十分に機能することになる。

コークス充填層Ａと移動層Ｂ内の通気抵抗の増大を抑制することにより、主羽口５から供給される酸素富化空気と燃料ガスがコークス充填層Ａと移動層Ｂ内に十分に行き渡り、石炭コークスの昇温、燃焼、石油コークスの燃焼が確実に行われ、コークス充填層Ａと移動層Ｂが均一に高温に維持される。石炭コークスと石油コークスと燃料ガスが燃焼して発生した燃焼ガスが高温火格子を良好に上昇通気して、局所的な偏りを生じさせることなく均一に廃棄物を加熱して熱分解、燃焼させる。そして、石炭コークスと石油コークスと燃料ガスの燃焼により、コークス充填層Ａが均一に高温に維持され、灰分を高温に加熱し溶融し、溶融物が良好に高温火格子を降下通液し炉底部に滴下することとなる。

このような構成における本発明によると、高温火格子を形成する石炭コークスは元来有しているその塊状形状により、コークス同士間に生ずる空隙で通気確保と通液確保とが確実に行われる高温火格子とする機能と、廃棄物の熱分解と灰分の溶融のための熱源としての機能とをもつ。一方、石油コークスは、その高温強度が低くて細粒物となっても、石油コークス細粒物が燃料ガスの燃焼により発生する水蒸気と反応し消費されるので、石油コークス細粒物がコークス充填層Ａと移動層Ｂの間隙を閉塞することが防止され、その結果、通気抵抗が増大することが抑制される。かくして、石油コークスは、その高温強度、形状、寸法に係りなく使用可能であり、石炭コークスの廃棄物熱分解と灰分溶融のための熱量を補足する熱分解熱源と溶融熱源としての機能をもつ。したがって、石炭コークスは高温火格子を形成するに必要な最小限の量で足り、熱分解熱源と溶融熱源として不足する分は石油コークスと燃料ガスで補うことができ、三者で十分な熱分解熱源と溶融熱源を確保しつつ、最小限量の石炭コークスで高温火格子の形成を可能とする。

かくして、石炭コークスの使用量を極力抑制することができ、一方、石油コークスに関しては、その高温強度、形状、寸法に係りなく投入することができ、低価格の石油コークスでも燃料として使用することができるようになる。このようにして、石炭コークスの使用量を低減して廃棄物溶融炉の運転費を低減することができ、廃棄物の溶融処理を安定した操業の下でできる。

さらに、本発明では、石油コークスに代えてバイオマスを使用しても、石油コークスによる問題と同様な問題も、石油コークスの場合と同様に燃料ガスの供給により解決されるので、バイオマスの使用によって、石炭コークスの使用量を低減して、二酸化炭素排出量を削減することができる。

＜燃料供給制御方法＞
石炭コークス供給量、石油コークス供給量及び主羽口への燃料ガス供給量を、炉内状況の変動を示す主羽口への酸素富化空気の送風圧又は排ガスの組成成分濃度に応じて制御する燃料供給制御方法について説明する。

（ａ）主羽口送風圧に基づく制御
炉下部内のコークス充填層Ａと移動層Ｂの通気性を監視するために主羽口送風圧力を計測しながら、適正な炉内通気性を確保して操業に支障を及ぼさないように、炉内の通気性が低下した場合に、それを検知し、適正な炉内通気性を確保するように、燃料ガス、石油コークス、石炭コークスの供給量を制御する。

（ｂ）排ガスの組成成分濃度に基づく制御
コークス充填層Ａと移動層Ｂの通気性が低下し廃棄物の熱分解が安定して行われなくなったり、廃棄物の熱分解が炉内で不均一になると、排ガスの組成成分の濃度が変動する。廃棄物の熱分解が不安定になったり不均一になると、二次燃焼排ガス中のＣＯ濃度が増加する。この変動を検知して、炉内での廃棄物の熱分解状況を把握し、その状況に対応するように、燃料ガス、石油コークス、石炭コークスの供給量を制御する。

まず、石炭コークス、石油コークスの供給量を予め定めた所定量として維持し、炉内状況の変動に対応し燃料供給制御装置により燃料ガス供給量を制御することとする。燃料ガス供給量を予め定めた上限値にまで増加しても、主羽口送風圧力が低下せず、あるいは、排ガス中のＣＯ濃度が所定値以下にならず、炉内通気性の悪化を解消できない場合には、石油コークス供給量を減少し石炭コークス供給量を増加するように制御し、石油コークス細粒物による閉塞を解消し通気性を回復させる。

燃料供給制御装置２５は、廃棄物ガス化溶融炉１に設けられたセンサからの信号にもとづき、石炭コークス供給装置２１、石油コークス供給装置２２、燃料ガス供給装置２４を制御すべくこれらの装置２１、２２、２４に接続されている。上記センサとしては、主羽口５の送気管に設けられていて該主羽口５へ送気される酸素富化空気の送風圧を計測する圧力計２６、ボイラ１２の出口で排ガスのＣＯ濃度を計測するガス濃度計２７が設けられている。

（Ａ）主羽口送風圧にもとづく制御
主羽口送風圧力は、主羽口からコークス充填層Ａに吹き込む酸素富化空気又は酸素富化空気と燃料ガスとの混合気体の送風圧力であり、主羽口５の送気管に設けられた圧力計２６による計測値を用いる。

この圧力計２６により計測された主羽口送風圧の計測信号は燃料供給制御装置２５に送られる。

主羽口送風圧力を計測することにより、炉内通気性の良否を判定することができ、次のように制御する。なお、主羽口送風圧力は、短期的な変動の影響を避けるため、所定時間内における平均値を用いることが好ましい。

主羽口送風圧力が所定値より増加している場合は、コークス充填層Ａ内の通気抵抗が増加していることを示しているので炉内通気性が低下していると判定し、燃料ガス供給量を増加し、燃料ガス燃焼により発生する水蒸気と石油コークス細粒物との反応を促進し該石油コークス細粒物を消費してコークス間隙の閉塞を解消し通気性を回復させる。

燃料ガス供給量を予め定めた上限値にまで増加しても、主羽口送風圧力が所定値以下に減少せず炉内通気性の悪化を解消できない場合には、石油コークス供給量を減少し石炭コークス供給量を増加し、石油コークス細粒物による閉塞を解消し通気性を回復させる。

（Ｂ）排ガスの組成成分濃度にもとづく制御
ボイラ出口又は煙突手前の排ガスのＣＯ濃度をガス濃度計２７で計測し、計測された濃度の計測信号は燃料供給制御装置２５に送られる。排ガスＣＯ濃度を計測することにより、炉内通気性の良否を、次のように判定することができる。

排ガスのＣＯ濃度が所定値より増加している場合は、廃棄物の熱分解が十分に行われず不安定になっていることや、熱分解が不均一になっていることを示しているので、炉内通気性が低下していると判定し、燃料ガス供給量を増加し、燃料ガス燃焼により発生する水蒸気と石油コークス細粒物との反応を促進し該石油コークス細粒物を消費してコークス間隙の閉塞を解消し通気性を回復させる。

燃料ガス供給量を予め定めた上限値にまで増加しても、ＣＯ濃度が所定値以下にならず、炉内通気性の悪化を解消できない場合には、石油コークス供給量を減少し石炭コークス供給量を増加し、石油コークス細粒物による閉塞を解消し通気性を回復させる。

＜燃料供給量配分＞
石炭コークス、石油コークス及び燃料ガスの供給量の関係について検討したところ、燃料ガスを供給することにより、コークス充填層Ａ内に投入される水素量の、石油コークスに対する比率が重要であることが判明し、このような検討の結果、燃料ガス供給量の石油コークス供給量に対する好ましい比率を導いた。すなわち、燃料ガスを重量基準で石油コークス供給量の２０％以上、好ましくは４０％以上の比率で供給することが好ましく、このように供給することにより、燃料ガスの燃焼により発生する水蒸気が石油コークス細粒物と反応してこれを十分に消費することができ、コークス間隙の閉塞を確実に防止できる。

石炭コークス、石油コークス及び燃料ガスの供給量の配分として、燃料の総供給量に対して、例えば、石炭コークス供給量を２０〜６０ｗｔ％、石油コークス供給量を３０〜６０ｗｔ％、燃料ガス供給量を１０〜３０ｗｔ％として燃料供給量を配分することが好ましい。石炭コークス供給量が下限値未満の場合には高温火格子を形成するためには不足であり、上限値より多いと運転費用を低減することに支障がある。石油コークス供給量が下限値未満の場合には石炭コークスの代替として用いることによる運転費用を低減する効果が不足であり、上限値より多いと細粒物によるコークス充填層の通気性と通液性が低下する悪影響が大きく支障がある。燃料ガス供給量が下限値未満の場合には石油コークスの細粒物と反応して消費する効果が不足であり、上限値より多いと運転費用を低減することに支障がある。各燃料の供給量配分をこのような配分とすることにより、石炭コークスの使用量を最小としながらも、コークス充填層の通気性と通液性を確保して廃棄物熱分解と灰分溶融のための熱源を十分に得ることができ、廃棄物ガス化溶融炉の安定した操業ができ、かつ運転費用を低減できる。

図１の装置を用いて廃棄物のガス化溶融を行った実施例を比較例とともに以下に示す。石炭コークスと石油コークスと燃料ガスを表１に示す供給量比率で廃棄物ガス化溶融炉へ供給した。石炭コークスだけを供給する場合（比較例１）の石炭コークス供給量を基準とし（比率を１００として）、これに対する各燃料の供給量の重量比率を供給量比率として示す。煙突排ガスＣＯ濃度を計測し、廃棄物のガス化溶融が安定して行われているか判定し、結果を表１に示す。

＜比較例＞
（比較例１）
石炭コークスだけを供給する場合（供給量比率１００）を比較例１として示す。煙突排ガスＣＯ濃度は低い濃度に抑制され、安定して操業していることを確認した。

（比較例２）
比較例１に比べて石炭コークス供給量を低減し供給量比率６１とし、低減分の代替として石油コークスを供給量比率５１で供給する場合を比較例２として示す。煙突排ガスＣＯ濃度は低い濃度に抑制され、石油コークスの供給量比率を５０程度とする場合には安定して操業していることを確認した。

（比較例３）
比較例２に比べて石炭コークス供給量をさらに低減し供給量比率３９とし、石油コークスを供給量比率８０に増加して供給する場合を比較例３として示す。煙突排ガスＣＯ濃度は高い濃度になり、石炭コークスの供給量比率を４０程度にまで低減し石油コークスの供給量比率を８０程度とする場合には、石油コークス細粒物によるコークス充填層の閉塞、通気性の低下が生じ、廃棄物の熱分解が不均一となり不安定な炉内状況となることを確認した。

＜実施例＞
石炭コークスを供給量比率３８、石油コークスを供給量比率４２、燃料ガスとして天然ガスを供給量比率１９で供給をする場合を実施例として示す。煙突排ガスＣＯ濃度は低い濃度に抑制され、安定して操業していることを確認した。比較例３と同じ程度の供給量比率３８にまで石炭コークスの供給量を低減しても、石油コークスと燃料ガスの供給量を上記程度の供給量比率とすることにより、コークス充填層と移動層の石油コークス細粒物による閉塞、通気性の低下は発生せず、良好な廃棄物の熱分解が行われ、煙突排ガスＣＯ濃度は低い濃度に抑制され、安定して操業していることを確認した。

１ （廃棄物）ガス化溶融炉
５ 主羽口
２１ 石炭コークス供給装置
２２ 石油コークス供給装置
２４ 燃料ガス供給装置
２５ 燃料供給制御装置
Ａ コークス充填層

Claims (4)

1. シャフト炉式廃棄物ガス化溶融炉に廃棄物を投入し廃棄物を熱分解、燃焼し、残留する灰分を溶融する廃棄物ガス化溶融装置において、
   ガス化溶融炉に石炭コークスを供給し炉下部で石炭コークス塊同士間に生じる空隙により通気確保と通液確保とを行う高温火格子を形成せしめる石炭コークス供給装置と、
   ガス化溶融炉に石油コークスを供給する石油コークス供給装置と、
   ガス化溶融炉の下部に酸素富化空気を吹き込む主羽口から水素原子を含む燃料ガスを吹き込み、水素原子を含む燃料ガスの燃焼により発生した水蒸気と、炉内の高温下で細粒化した石油コークス細粒物とを反応させ石油コークス細粒物を消費して、石油コークス細粒物による炉下部内間隙の閉塞を抑制せしめる燃料ガス供給装置とを備え、
   石炭コークス供給装置は、石炭コークスを少なくとも高温火格子を形成することに必要な量で供給し、石油コークス供給装置と燃料ガス供給装置は、廃棄物を熱分解、燃焼するためと灰分を溶融するための熱源として必要な熱量のうち、石炭コークスの熱量で不足する分を石油コークスと燃料ガスの熱量で補うように、石油コークスと燃料ガスを供給し、
   燃料供給制御装置を備え、該燃料供給制御装置が、石炭コークス供給装置からの石炭コークス供給量と石油コークス供給装置からの石油コークス供給量とを予め定めた所定量として維持し、主羽口への酸素富化空気と燃料ガスとの送風圧力の計測値が所定値より増加しているとき、又はガス化溶融炉からの排ガスのＣＯ濃度の計測値が所定値より増加しているときに、炉内通気性が低下していると判定し、燃料ガス供給量を増加し、燃料ガス燃焼により発生する水蒸気と石油コークス細粒物との反応を促進し石油コークス細粒物を消費して炉下部内間隙の閉塞を解消し通気性を回復させるように制御することを特徴とする廃棄物ガス化溶融装置。
2. 燃料ガス供給装置は、燃料ガスを重量基準で石油コークス供給量の２０％以上の供給量で供給することとする請求項１に記載の廃棄物ガス化溶融装置。
3. シャフト炉式廃棄物ガス化溶融炉に廃棄物を投入し廃棄物を熱分解、燃焼し、残留する灰分を溶融する廃棄物ガス化溶融方法において、
   ガス化溶融炉に石炭コークスを供給し炉下部で石炭コークス塊同士間に生じる空隙により通気確保と通液確保とを行う高温火格子を形成するとともに、石油コークスを供給し、ガス化溶融炉の下部に酸素富化空気を吹き込む主羽口から水素原子を含む燃料ガスを吹き込み、水素原子を含む燃料ガスの燃焼により発生した水蒸気と、炉内の高温下で細粒化した石油コークス細粒物とを反応させ石油コークス細粒物を消費して、石油コークス細粒物による炉下部内間隙の閉塞を抑制し、
   石炭コークスを少なくとも高温火格子を形成することに必要な量で供給し、廃棄物を熱分解、燃焼するためと灰分を溶融するための熱源として必要な熱量のうち、石炭コークスの熱量で不足する分を石油コークスと燃料ガスの熱量で補うように、石油コークスと燃料ガスを供給し、
   石炭コークス供給量と石油コークス供給量とを予め定めた所定量として維持し、主羽口への酸素富化空気と燃料ガスとの送風圧力の計測値が所定値より増加しているとき、又はガス化溶融炉からの排ガスのＣＯ濃度の計測値が所定値より増加しているときに、炉内通気性が低下していると判定し、燃料ガス供給量を増加し、燃料ガス燃焼により発生する水蒸気と石油コークス細粒物との反応を促進し石油コークス細粒物を消費して炉下部内間隙の閉塞を解消し通気性を回復させるように制御することを特徴とする廃棄物ガス化溶融方法。
4. 燃料ガスを重量基準で石油コークス供給量の２０％以上の供給量で供給することとする請求項３に記載の廃棄物ガス化溶融方法。

Images