WO2011027395A1 - 廃棄物溶融炉および廃棄物溶融処理方法 - Google Patents

廃棄物溶融炉および廃棄物溶融処理方法 Download PDF

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waste
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谷垣信宏
加藤也寸彦
石田吉浩
小林淳志
吉本雄一
星沢康介
高田純一
真名子一隆
高宮健
田中宏和
西猛
柏原友
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新日鉄エンジニアリング株式会社
日鉄環境プラントソリューションズ株式会社
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    • Y02E20/34—Indirect CO2mitigation, i.e. by acting on non CO2directly related matters of the process, e.g. pre-heating or heat recovery

Definitions

  • the present invention relates to a waste melting furnace and a waste melting method for melting waste using a massive carbon combustible material such as coke.
  • the amount of coke used is reduced by using combustible dust as an alternative to coke. Moreover, by supplying combustible materials such as solid fuel and biomass into the melting furnace from the tuyere together with the combustible dust, even if the amount of combustible dust fluctuates, the amount of combustion before the tuyere is secured. The amount used is reduced.
  • the amount of coke used is reduced by supplying oxygen and combustible dust from the tuyere into the melting furnace. Moreover, the amount of combustible dust blown so that the ratio (B / A) of the oxygen amount (A) supplied from the tuyere to the theoretical oxygen amount (B) is in the range of 0.5 to 1.0. The air blowing conditions at the tuyere are changed accordingly. As a result, the amount of coke used is reduced.
  • the theoretical oxygen amount (B) is an oxygen amount determined from the amount and composition of combustible dust supplied to the tuyere and the amount and composition of coke.
  • the present invention reduces the amount of massive carbon-based combustible material used if the thickness of the packed layer of massive carbon-based combustible material (coke) in the melting furnace is maintained within a predetermined (appropriate) range.
  • This technique focuses on the fact that it can be produced, and is intended to reduce the amount of massive carbon-based combustible material used from a viewpoint different from the techniques described in Patent Documents 1 to 3.
  • waste and massive carbon-based combustible materials are introduced from the top of the furnace, and ash and non-combustibles in the waste melted by reaction heat are discharged from the discharge holes at the bottom of the furnace, and the generated gas
  • a shaft type waste melting furnace for forming a packed bed in a furnace for discharging the waste gas from the upper part of the furnace and melting the waste, at least one tuyere for supplying oxygen-containing gas into the melting furnace,
  • a flow rate adjusting mechanism for adjusting the flow rate of the oxygen-containing gas supplied to the mouth.
  • the flow rate adjusting mechanism has a superficial velocity of the oxygen-containing gas in the region located immediately above the tuyere gas discharge port arranged in the lowest stage in the region in the melting furnace.
  • the flow rate of the oxygen-containing gas supplied to the lower tuyere is adjusted so as to be in the range of 0 [Nm / s].
  • the flow rate adjusting mechanism is such that the superficial velocity of the oxygen-containing gas in the melting furnace shaft portion region in the melting furnace region is within a range of 0.05 to 0.7 [Nm / s].
  • the flow rate of the supplied oxygen-containing gas can be adjusted.
  • waste in the melting furnace is efficiently processed, and massive carbon-based combustible substances (coke)
  • the amount used can be reduced.
  • the waste treatment includes drying treatment, thermal decomposition treatment, combustion treatment and melting treatment.
  • the area in the horizontal plane in the region located immediately above the tuyere gas discharge port arranged at the lowermost level is the region located directly above the tuyere gas discharge port arranged at the uppermost level
  • the superficial velocity of the oxygen-containing gas in the melting furnace can be set within the above-described range.
  • the flow rate adjusting mechanism is based on the flow rate of the gas supplied from the supply mechanism, Adjust the flow rate of the oxygen-containing gas supplied to the tuyere. Thereby, the superficial velocity of the oxygen-containing gas can be maintained within a predetermined range.
  • waste and bulk carbon-based combustible material are introduced from the upper part of the furnace, and oxygen-containing gas is supplied from the tuyere of the furnace body.
  • oxygen-containing gas is supplied from the tuyere of the furnace body.
  • the present invention it is possible to efficiently process the waste in the waste melting furnace and to suppress the packed layer of the massive carbon combustible material (coke) from being thinned. Accordingly, there is no need to replenish the massive carbon-based combustible material unnecessarily, and the amount of the massive carbon-based combustible material used can be reduced.
  • FIG. 1 is a schematic diagram illustrating a configuration of a melting furnace in Example 1.
  • FIG. It is the schematic which shows the structure of a part of waste melting facility in the case of supplying only the gas containing oxygen in a melting furnace.
  • It is an experimental data which shows the relationship between the thickness of a coke packed bed, and the superficial velocity.
  • Example 1 The waste melting facility in Example 1 of the present invention will be described with reference to FIG.
  • an inlet 11 for charging waste is provided together with coke and limestone as auxiliary materials.
  • a drying process, a thermal decomposition process, a combustion process, and a melting process are performed on the waste.
  • a waste packed bed L1 a dry distillation residue layer L2, and a coke packed bed L3 exist.
  • the waste filling layer L1 is a layer filled with waste.
  • the waste is dried and pyrolyzed, and gas is generated by the pyrolysis of the waste.
  • the carbonization residue layer L2 is constituted by the carbonized waste.
  • the coke packed layer L3 is a layer filled with coke, and slag and metal are generated by performing a melting process on the dry distillation residue. The generated slag and metal are discharged from the bottom of the melting furnace 1 to the outside.
  • the gas generated in the melting furnace 1 is discharged from the upper part of the melting furnace 1 and supplied to the dust collecting device 2.
  • the dust collector 2 collects combustible dust contained in the gas.
  • the gas that has passed through the dust collecting device 2 is supplied to the boiler 4 as combustion exhaust gas by being completely burned in the combustion chamber 3.
  • the boiler 4 generates steam by heat exchange with the combustion exhaust gas, and this steam is supplied to the steam turbine 5.
  • the steam turbine 5 can generate power using the supplied steam.
  • the dust collection apparatus 2 may not be installed.
  • the combustion exhaust gas after heat recovery by the boiler 4 is supplied to the dust collector 6.
  • the dust collector 6 removes dust and the like contained in the combustion exhaust gas using a filter.
  • the combustion exhaust gas filtered by the dust collector 6 is discharged from the chimney 7 into the atmosphere.
  • the melting furnace 1 is formed in a cylindrical shape and has three regions 1a to 1c.
  • the upper region 1a is a cylindrical portion whose inner diameter (diameter) is set to R2
  • the lower region 1c is a cylindrical portion whose inner diameter (diameter) is set to R1.
  • the inner diameter R1 is smaller than the inner diameter R2.
  • the intermediate region 1b is connected to the upper region 1a and the lower region 1c, and the inner diameter continuously changes between R2 and R1.
  • the melting furnace 1 is provided with a plurality of tuyere 12 to 15 for supplying a gas containing oxygen (hereinafter referred to as oxygen-containing gas) into the melting furnace 1.
  • oxygen-containing gas air existing in the atmosphere or oxygen-enriched air can be used.
  • Oxygen-enriched air is air that contains a larger proportion of oxygen than the proportion of oxygen in the air present in the atmosphere (generally 21%).
  • the tuyere 12 is disposed at the lowest position P1 (lower region 1c), and the tip of the tuyere 12 is located in the coke packed bed 1c.
  • the tuyere 13 is an intermediate region 1b of the melting furnace 1 and is disposed at a position P2 above the position P1.
  • a plurality (arbitrary) tuyere 13 are located in the horizontal plane at position P ⁇ b> 2, and the tuyere 13 are arranged side by side in the circumferential direction of melting furnace 1.
  • the tuyere 14 is the upper region 1a of the melting furnace 1 and is disposed at a position P3 above the position P2.
  • a plurality of tuyere 14 are located in the horizontal plane at position P3, and the plurality of tuyere 14 are arranged side by side in the circumferential direction of the melting furnace 1.
  • the tuyere 15 is the upper region 1a of the melting furnace 1 and is disposed at a position P4 above the position P3.
  • a plurality of tuyere 15 are located in the horizontal plane at position P4, and the plurality of tuyere 15 are arranged side by side in the circumferential direction of the melting furnace 1.
  • the plurality of tuyere 12 to 15 are provided at the four positions P1 to P4 in the vertical direction of the melting furnace 1, but the present invention is not limited to this. That is, the position where the tuyere is provided in the vertical direction of the melting furnace 1 can be set as appropriate. Specifically, the tuyere 12 may be provided only at the position P1, or the tuyere 12 may be provided at the position P1, and the tuyere may be provided at an arbitrary position above the position P1. On the other hand, the number of tuyere arranged in the horizontal plane at each of the positions P1 to P4 can be set as appropriate.
  • the superficial velocity in the area AR1 located directly above the tip of the tuyere 12 (hereinafter referred to as the first area) AR1 is set to 0.1 to 1.0 [Nm / s].
  • region AR1 shows the area
  • the superficial velocity is a velocity at which the oxygen-containing gas passes through the melting furnace 1.
  • the superficial velocity in the first area AR1 can be calculated based on the following formulas (1) and (2).
  • V1 indicates the superficial velocity of the first area AR1.
  • M1 is the flow rate (unit: Nm 3 / h) of the oxygen-containing gas supplied from the tuyere 12 into the melting furnace 1
  • S1 is the area (unit: m 2 ) in the horizontal plane of the first region AR1.
  • A1 is the flow rate of air supplied to the tuyere 12 (unit: Nm 3 / h)
  • O1 is the flow rate of oxygen supplied to the tuyere 12 (unit: Nm 3 / h).
  • the melting furnace 1 is formed in a cylindrical shape, the area S1 is obtained from the diameter R1 (or radius) of the first region AR1.
  • the tuyere Since the area S1 is specified from the size of the melting furnace 1, in order to set the superficial velocity of the first region AR1 to a velocity within the range of 0.1 to 1.0 [Nm / s], the tuyere
  • the flow rate M1 of the oxygen-containing gas supplied from 12 to the melting furnace 1 may be set. That is, the range of the flow rate M1 of the oxygen-containing gas can be set according to the range of the superficial velocity of the first region AR1.
  • a damper 90 is disposed between the blower 80 and the tuyere 12, and the damper 90 provides the tuyere 12 with the damper 90.
  • the flow rate of the oxygen-containing gas toward it can be adjusted.
  • the flow rate of the oxygen-containing gas can be adjusted by operating the damper 90 manually or automatically.
  • a flow rate sensor for detecting the flow rate of the oxygen-containing gas toward the tuyere 12 is provided, and the damper 90 is driven based on the output of the flow rate sensor to adjust the flow rate of the oxygen-containing gas. .
  • FIG. 4 is a schematic view showing a state in the melting furnace 1 when the superficial velocity of the first area AR1 is set within a range of 0.1 to 1.0 [Nm / s].
  • the coke packed layer L3 has a thickness D1.
  • the thickness of the coke packed bed L3 is the length of the coke packed bed L3 in the vertical direction of the melting furnace 1.
  • FIG. 5 is a schematic diagram showing a state in the melting furnace 1 when the superficial velocity of the first region AR1 is higher than 1.0 [Nm / s].
  • the coke is excessively burned, and the thickness D2 of the coke packed layer L3 is thinner than the thickness D1 of the coke packed layer L3 in the normal state (FIG. 4). It has become.
  • the superficial velocity of the first area AR1 is lower than 0.1 [Nm / s]
  • a drift phenomenon of the oxygen-containing gas occurs, and it becomes difficult to perform the drying / dry distillation treatment of the waste.
  • the undried waste reaches the bottom of the melting furnace 1 (coke packed bed L3), and the heat energy generated by the combustion of the coke causes the undried / undried waste to dry / dry. Will be used.
  • the thickness of the coke packed layer L3 becomes thin, and the coke must be replenished.
  • FIG. 6 is a schematic diagram showing a state in the melting furnace 1 when the superficial velocity of the first region AR1 is made lower than 0.1 [Nm / s].
  • waste (part) that has not been subjected to the drying / dry distillation process reaches the coke packed bed L3, and coke is used for the drying / dry distillation treatment of the waste.
  • the thickness D3 of the coke filling layer L3 is thinner than the thickness D1 of the coke filling layer L3 in the normal state (FIG. 4).
  • FIG. 7 shows the relationship (experimental result) between the superficial velocity and the thickness of the coke packed bed L3 when the superficial velocity of the first region AR1 is changed.
  • the optimum thickness (lower limit) of the coke packed bed L3 is set to 600 [mm].
  • Table 1 below is a table corresponding to the graph shown in FIG.
  • the superficial velocity of the first region AR1 is set to 0.1. It is necessary to set within the range of up to 1.0 [Nm / s].
  • the superficial velocity of the first area AR1 is lower than 0.1 [Nm / s] or higher than 1.0 [Nm / s]
  • the thickness of the coke packed bed L3 is extremely thin. turn into.
  • the superficial velocity of the first area AR1 is set to a low speed side within an appropriate speed range (0.1 to 1.0 [Nm / s]). It is preferable to set in the area.
  • the superficial velocity of the first area AR1 can be set within a range of 0.1 to 0.7 [Nm / s].
  • the superficial velocity in the area AR2 located above the tip of the tuyere 15 (hereinafter referred to as the second area) AR2 is in the range of 0.05 to 0.70 [Nm / s]. It is preferable to set to.
  • the lower limit value (0.05 [Nm / s]) in the superficial velocity of the second region AR2 (shaft region) is the lower limit value (0.1 [Nm / s] in the superficial velocity of the first region AR1. ]) Is lower.
  • the upper limit value (0.70 [Nm / s]) of the superficial velocity in the second area AR2 is lower than the upper limit value (1.0 [Nm / s]) of the superficial speed in the first area AR1. ing. This is because the first area AR1 is located on the furnace bottom side of the melting furnace 1 with respect to the second area AR2, and the substances (waste etc.) located in the second area AR2 are in the first area AR1. This is because the thickness of the packed bed is smaller than that of the substance (such as carbonization residue), and it is relatively easy to flow.
  • the superficial velocity of the second area AR2 can be calculated based on the following formula (3).
  • V2 (M2 / S2) * 3600 (3)
  • V2 indicates the superficial velocity of the second area AR2.
  • M2 is the flow rate (unit: Nm 3 / h) of the oxygen-containing gas supplied into the melting furnace 1 from all tuyere 12 to 15 attached to the melting furnace 1
  • S2 is the second region AR2. It is an area (unit: m 2 ) in a horizontal plane.
  • the flow rate M2 of the oxygen-containing gas is the sum of the flow rates of air and oxygen supplied into the melting furnace 1.
  • the area S2 is obtained from the diameter R2 (or radius) of the second region AR2.
  • the area S2 of the second region AR2 is smaller than the area S1 of the first region AR1.
  • the damper 90 is disposed between the blower 80 and the tuyere 12 to 15, The flow rate of the oxygen-containing gas toward the tuyere 12 to 15 can be adjusted by the damper 90.
  • the number of blowers can be set as appropriate. If the number of blowers is less than the number of tuyere 12 to 15, the duct connecting the blower and tuyere may be branched. Further, if one damper 90 is provided for the tuyere 12 to 15, the flow rate of the oxygen-containing gas guided to the tuyere 12 to 15 by one damper 90 can be adjusted. Furthermore, if a plurality of dampers are provided corresponding to each tuyere 12-15, the flow rate of the oxygen-containing gas guided to each tuyere 12-15 by each damper can be adjusted.
  • combustible dust collected by the dust collecting device 2 is supplied into the melting furnace 1 through the tuyere attached to the melting furnace 1. Is. Specifically, as shown in FIG. 8, combustible dust collected by the dust collecting device 2 is supplied to a tuyere (for example, tuyere 12) together with an oxygen-containing gas from the blower 81 and filled with coke. It can be blown towards the layer L3. By combusting combustible dust into the melting furnace 1 and burning it, combustible dust can be used instead of coke.
  • a tuyere for example, tuyere 12
  • the oxygen-containing gas from the blower 80 is supplied into the melting furnace 1, but also the oxygen-containing gas from the blower 81 is supplied into the melting furnace 1. Therefore, in order to set the superficial velocity in the first region AR1 in the melting furnace 1 to 0.1 to 1.0 [Nm / s], the oxygen content supplied from the blowers 80 and 81 into the melting furnace 1 is contained. It is necessary to set the gas flow rate within a predetermined range.
  • the flow rate of the oxygen-containing gas supplied from the blower 80 into the melting furnace 1 is A [Nm 3 / h].
  • the flow rate of the oxygen-containing gas supplied from the blower 81 into the melting furnace 1 is B [Nm 3 / h].
  • the flow rate of the total oxygen-containing gas supplied into the melting furnace 1 is within a predetermined range (0. 1 to 1.0 [Nm / s]).
  • fuel for burning combustible dust can be blown into the melting furnace 1 from the tuyere together with combustible dust.
  • fuel can be burned and the combustion efficiency of combustible dust can be improved.
  • combustible dust can be used instead of coke, and the amount of coke used in the melting furnace 1 can be reduced.
  • combustible dust can be supplied into the melting furnace 1 together with the preheated oxygen-containing gas.
  • the temperature of the combustible dust can be raised before reaching the melting furnace 1. If the temperature of the combustible dust is raised, the time until the temperature of the combustible dust reaches the ignition temperature in the melting furnace 1 can be shortened, and the combustibility of the combustible dust can be improved. . Thereby, while being able to increase the quantity of combustible dust used instead of coke, the usage-amount of coke can be reduced.
  • the plurality of tuyere 12 to 15 are provided in the melting furnace 1, but the present invention is not limited to this, and only one tuyere 12 may be provided in the melting furnace 1.
  • the superficial velocity of the first region AR1 and the superficial velocity of the second region AR2 are maintained within the above-described velocity range. be able to.
  • the superficial velocity in the first region AR1 or the second region AR2 is maintained within the above-described velocity range. It can be made easier.
  • the superficial velocity in the first region AR1 becomes too high, causing channeling phenomenon and temperature variation. It may end up. Therefore, by dividing the flow rate (required amount) of the oxygen-containing gas supplied into the melting furnace 1 to the plurality of tuyere 12 to 15, the superficial velocity in the first area AR1 is within the above-mentioned range. It can be made easier to maintain. For example, the required amount of 70% oxygen-containing gas can be blown into the melting furnace 1 from the tuyere 12, and the remaining 30% oxygen-containing gas can be blown into the melting furnace 1 from the other tuyere 13-15. By adjusting the flow rate of the oxygen-containing gas in this way, the superficial velocity can be controlled as shown in the above formula (1).

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Abstract

【課題】　塊状炭素系可燃物質（コークス）の充填層の厚さを適正範囲内に維持させて、溶融炉内に投入される塊状炭素系可燃物質の使用量を低減する。 【解決手段】　廃棄物および塊状炭素系可燃物質が炉上部から投入され、反応熱によって溶融した廃棄物中の灰分および非燃焼物を炉底部の排出孔から排出させるとともに、発生したガスを炉上部から排出させる炉内に、充填層を形成して廃棄物を溶融処理するシャフト式廃棄物溶融炉（１）において、溶融炉内に酸素含有ガスを供給するための少なくとも１つ羽口（１２～１５）と、羽口に供給される酸素含有ガスの流量を調節する流量調節機構（８０，９０）と、を有する。流量調節機構は、溶融炉内の領域のうち、最下段に配置された羽口（１２）のガス吐出口に対して直上に位置する領域における酸素含有ガスの空塔速度が０．１～１．０［Ｎｍ／ｓ］の範囲内となるように、最下段の羽口に供給される酸素含有ガスの流量を調節する。

Description

廃棄物溶融炉および廃棄物溶融処理方法
　本発明は、コークス等の塊状炭素系可燃物質を用いて廃棄物の溶融処理を行う廃棄物溶融炉および廃棄物溶融処理方法に関するものである。
　コークス等の塊状炭素系可燃物質を用いて廃棄物の溶融処理を行う廃棄物溶融炉では、コークスの使用量を低減させるための技術が提案されている。
　特許文献１に記載の技術では、コークスの代替物として、可燃性ダストを用いることにより、コークスの使用量を低減させている。しかも、可燃性ダストとともに、固形燃料やバイオマスといった可燃物を羽口から溶融炉内に供給することにより、可燃性ダストの量が変動しても、羽口前の燃焼量を確保してコークスの使用量を低減させるようにしている。
　特許文献２に記載の技術では、酸素および可燃性ダストを羽口から溶融炉内に供給することで、コークスの使用量を低減させている。しかも、羽口から供給される酸素量（Ａ）と理論酸素量（Ｂ）との比率（Ｂ／Ａ）が０．５～１．０の範囲内になるように、可燃性ダストの吹き込み量に応じて、羽口における送風条件を変化させている。これにより、コークスの使用量を低減させるようにしている。ここで、理論酸素量（Ｂ）として、羽口に供給される可燃性ダストの量および組成と、コークスの量および組成とから求められる酸素量としている。
　特許文献３に記載の技術では、コークスの代わりに、バイオマス炭化物を用いることにより、コークスの使用量を低減させるとともに、化石燃料に起因した二酸化炭素の発生量を低減させるようにしている。
特開２００６－２０７９１１号公報 特開２００３－０５６８２０号公報 特開２００７－０９３０６９号公報
　本願発明は、溶融炉内における塊状炭素系可燃物質（コークス）の充填層の厚さを所定（適正な）の範囲内の厚さに維持させれば、塊状炭素系可燃物質の使用量を低減させることができることに着目した技術であり、特許文献１～３に記載の技術とは異なる観点から、塊状炭素系可燃物質の使用量を低減させるものである。
　本願第１の発明は、廃棄物および塊状炭素系可燃物質が炉上部から投入され、反応熱によって溶融した廃棄物中の灰分および非燃焼物を炉底部の排出孔から排出させるとともに、発生したガスを炉上部から排出させる炉内に、充填層を形成して廃棄物を溶融処理するシャフト式廃棄物溶融炉において、溶融炉内に酸素含有ガスを供給するための少なくとも１つ羽口と、羽口に供給される酸素含有ガスの流量を調節する流量調節機構と、を有する。そして、流量調節機構は、溶融炉内の領域のうち、最下段に配置された羽口のガス吐出口に対して直上に位置する領域における酸素含有ガスの空塔速度が０．１～１．０［Ｎｍ／ｓ］の範囲内となるように、最下段の羽口に供給される酸素含有ガスの流量を調節することを特徴とする。
　ここで、流量調節機構は、溶融炉内の領域のうち、溶融炉シャフト部領域における酸素含有ガスの空塔速度が０．０５～０．７［Ｎｍ／ｓ］の範囲内となるように、供給される酸素含有ガスの流量を調節することができる。これにより、一般廃棄物だけでなく、低含水率の廃棄物や、熱分解速度が高い廃棄物に関しても、溶融炉内における廃棄物の処理を効率良く行い、塊状炭素系可燃物質（コークス）の使用量を低減することができる。この廃棄物の処理としては、乾燥処理、熱分解処理、燃焼処理および溶融処理が含まれる。
　廃棄物を溶融処理するためには、適正量（必要量）の酸素含有ガスを羽口から供給することが必要であり、羽口が溶融炉の上下方向において複数段配置されている場合には、溶融炉内の空塔速度が上述した範囲内となるように、各羽口に供給される酸素含有ガスの流量を調節することが可能となる。
　ここで、最下段に配置された羽口のガス吐出口に対して直上に位置する領域における水平面内の面積を、最上段に配置された羽口のガス吐出口に対して直上に位置する領域における水平面内の面積よりも小さくすることで、溶融炉内における酸素含有ガスの空塔速度を上述した範囲内とすることができる。
　溶融炉から排出される可燃性ダストを搬送用のガスとともに溶融炉内に供給するための供給機構を設けている場合において、流量調節機構は、供給機構から供給されるガスの流量に基づいて、羽口に供給される酸素含有ガスの流量を調節する。これにより、酸素含有ガスの空塔速度を所定範囲内に維持することができる。
　本願第２の発明は、廃棄物および塊状炭素系可燃物質が炉上部から投入されるとともに、炉体の羽口から酸素含有ガスが供給され、反応熱によって溶融した廃棄物中の灰分および非燃焼物を炉底部の排出孔から排出させるとともに、発生したガスを炉上部から排出させるシャフト式溶融炉内に、充填層を形成して廃棄物を溶融処理する廃棄物溶融処理方法において、溶融炉内の領域のうち、最下段に配置された羽口のガス吐出口に対して直上に位置する領域における酸素含有ガスの空塔速度が０．１～１．０［Ｎｍ／ｓ］の範囲内となるように、最下段の羽口に供給される酸素含有ガスの流量を調節することを特徴とする。
　本発明によれば、廃棄物溶融炉内における廃棄物の処理を効率良く行わせ、塊状炭素系可燃物質（コークス）の充填層が薄くなってしまうのを抑制することができる。これに伴い、塊状炭素系可燃物質を不必要に補充する必要も無くなり、塊状炭素系可燃物質の使用量を低減することができる。
本発明の実施例１における廃棄物溶融設備の構成を示す概略図である。 実施例１における溶融炉の構成を示す概略図である。 酸素を含むガスだけを溶融炉内に供給する場合における廃棄物溶融設備の一部の構成を示す概略図である。 正常状態にあるコークス充填層を示す概略図である。 異常状態にあるコークス充填層を示す概略図である。 異常状態にあるコークス充填層を示す概略図である。 コークス充填層の厚さと空塔速度との関係を示す実験データである。 酸素を含むガスとともに可燃性ダストを溶融炉内に供給する場合における廃棄物溶融設備の一部の構成を示す概略図である。
　以下、本発明の実施例について説明する。
　本発明の実施例１における廃棄物溶融設備について図１を用いて説明する。
　廃棄物溶融炉１（以下、単に溶融炉という）の上部には、副資材であるコークスおよび石灰石とともに、廃棄物を装入するための装入口１１が設けられている。溶融炉１内では、廃棄物に対して、乾燥処理、熱分解処理、燃焼処理および溶融処理が行われる。ここで、溶融炉１内には、廃棄物充填層Ｌ１、乾留残渣層Ｌ２およびコークス充填層Ｌ３が存在している。
　廃棄物充填層Ｌ１は、廃棄物が充填されている層であり、廃棄物充填層Ｌ１では、廃棄物の乾燥処理および熱分解処理が行われ、廃棄物の熱分解処理によってガスが発生する。廃棄物の乾留が進むと、乾留された廃棄物によって乾留残渣層Ｌ２が構成される。
　コークス充填層Ｌ３は、コークスが充填された層であり、乾留残渣に対して溶融処理を行うことにより、スラグおよびメタルが生成される。生成されたスラグおよびメタルは、溶融炉１の炉底部から外部に排出される。
　なお、廃棄物に対する乾燥処理等は、溶融炉１内で連続的に行われており、上記各層Ｌ１～Ｌ３の境界は、一義的に決定されるものではない。図１では、各層Ｌ１～Ｌ３の位置関係を分かり易くするために境界を示している。
　溶融炉１内で生成されたガスは、溶融炉１の上部から排出されて、ダスト捕集装置２に供給される。ダスト捕集装置２は、ガスに含まれる可燃性ダストを捕集する。ダスト捕集装置２を通過したガスは、燃焼室３において完全燃焼されることにより、燃焼排ガスとしてボイラ４に供給される。ボイラ４は、燃焼排ガスとの熱交換によって蒸気を発生させ、この蒸気は、蒸気タービン５に供給される。蒸気タービン５では、供給された蒸気を用いて動力を発生させることができる。なお、ダスト捕集装置２は、設置されない場合もある。
　ボイラ４で熱回収された後の燃焼排ガスは、集塵装置６に供給される。集塵装置６は、燃焼排ガスに含まれる塵等を、フィルタを用いて除去する。集塵装置６でフィルタ処理された燃焼排ガスは、煙突７から大気中に排出される。
　次に、溶融炉１の具体的な構成について、図２を用いて説明する。
　溶融炉１は、円筒状に形成されており、３つの領域１ａ～１ｃを有している。上部領域１ａは、内径（直径）がＲ２に設定された円筒部であり、下部領域１ｃは、内径（直径）がＲ１に設定された円筒部である。内径Ｒ１は、内径Ｒ２よりも小さくなっている。中間領域１ｂは、上部領域１ａおよび下部領域１ｃに接続されており、内径がＲ２およびＲ１の間で連続的に変化している。
　溶融炉１には、酸素を含むガス（以下、酸素含有ガスという）を溶融炉１内に供給するための複数の羽口１２～１５が設けられている。酸素含有ガスとしては、大気中に存在する空気や、酸素富化空気を用いることができる。酸素富化空気は、大気に存在する空気に含まれる酸素の割合（一般的には、２１％）よりも大きな割合の酸素を含む空気である。
　羽口１２は、最も下段の位置Ｐ１（下部領域１ｃ）に配置されており、羽口１２の先端部は、コークス充填層１ｃ内に位置している。羽口１３は、溶融炉１の中間領域１ｂであって、位置Ｐ１よりも上方の位置Ｐ２に配置されている。位置Ｐ２の水平面内には、複数（任意）の羽口１３が位置しており、複数の羽口１３は、溶融炉１の周方向において並んで配置されている。
　羽口１４は、溶融炉１の上部領域１ａであって、位置Ｐ２よりも上方の位置Ｐ３に配置されている。位置Ｐ３の水平面内には、複数の羽口１４が位置しており、複数の羽口１４は、溶融炉１の周方向において並んで配置されている。また、羽口１５は、溶融炉１の上部領域１ａであって、位置Ｐ３よりも上方の位置Ｐ４に配置されている。位置Ｐ４の水平面内には、複数の羽口１５が位置しており、複数の羽口１５は、溶融炉１の周方向において並んで配置されている。
　なお、本実施例では、溶融炉１の上下方向における４つの位置Ｐ１～Ｐ４に、複数の羽口１２～１５を設けているが、これに限るものではない。すなわち、溶融炉１の上下方向に関して羽口を設ける位置は、適宜設定することができる。具体的には、位置Ｐ１に羽口１２を設けるだけでもよいし、位置Ｐ１に羽口１２を設けるとともに、位置Ｐ１よりも上方の任意の位置に羽口を設けてもよい。一方、各位置Ｐ１～Ｐ４の水平面内に配置される羽口の数は、適宜設定することができる。
　本実施例において、羽口１２の先端部に対して直上に位置する領域（以下、第１領域という）ＡＲ１における空塔速度を０．１～１．０［Ｎｍ／ｓ］に設定している。ここで、第１領域ＡＲ１とは、内径Ｒ１を有する下部領域１ｃのうち、羽口１２の先端部よりも上方に位置する領域（空間部）を示す。また、空塔速度とは、溶融炉１内を酸素含有ガスが通過する速度である。
　第１領域ＡＲ１における空塔速度は、下記式（１）、（２）に基づいて算出することができる。
　Ｖ１＝（Ｍ１／Ｓ１）＊３６００　　・・・（１）
　Ｍ１＝Ａ１＋Ｏ１　　　　　　　　　・・・（２）
　ここで、Ｖ１は、第１領域ＡＲ１の空塔速度を示す。Ｍ１は、羽口１２から溶融炉１内に供給される酸素含有ガスの流量（単位：Ｎｍ３／ｈ）であり、Ｓ１は、第１領域ＡＲ１の水平面内における面積（単位：ｍ２）である。Ａ１は、羽口１２に供給される空気の流量（単位：Ｎｍ３／ｈ）であり、Ｏ１は、羽口１２に供給される酸素の流量（単位：Ｎｍ３／ｈ）である。本実施例において、溶融炉１は、円筒状に形成されているため、第１領域ＡＲ１の直径Ｒ１（又は半径）から面積Ｓ１が求められる。
　面積Ｓ１は、溶融炉１のサイズから特定されるため、第１領域ＡＲ１の空塔速度を０．１～１．０［Ｎｍ／ｓ］の範囲内の速度に設定するためには、羽口１２から溶融炉１内に供給される酸素含有ガスの流量Ｍ１を設定すればよい。すなわち、第１領域ＡＲ１の空塔速度の範囲に応じて、酸素含有ガスの流量Ｍ１の範囲を設定することができる。
　具体的には、図３に示すように、ブロワ８０によって酸素含有ガスを羽口１２に供給する構成において、ブロワ８０および羽口１２の間にダンパ９０を配置し、ダンパ９０によって羽口１２に向かう酸素含有ガスの流量を調節することができる。ここで、ダンパ９０を手動又は自動によって操作して、酸素含有ガスの流量を調節することができる。また、羽口１２に向かう酸素含有ガスの流量を検知するための流量センサを設けておき、流量センサの出力に基づいてダンパ９０を駆動することにより、酸素含有ガスの流量を調節することができる。
　図４は、第１領域ＡＲ１の空塔速度を０．１～１．０［Ｎｍ／ｓ］の範囲内に設定したときの溶融炉１内の状態を示す概略図である。図４に示す状態（正常状態とする）において、コークス充填層Ｌ３は、厚さＤ１を有している。本実施例において、コークス充填層Ｌ３の厚さとは、コークス充填層Ｌ３のうち、溶融炉１の上下方向における長さである。
　第１領域ＡＲ１の空塔速度が１．０［Ｎｍ／ｓ］よりも高いと、コークス充填層Ｌ３、乾留残渣層Ｌ２および廃棄物充填層Ｌ１において、チャネリング現象や流動化現象が発生し、燃焼反応（Ｃ＋Ｏ２→ＣＯ２）やソリューション・ロス反応（Ｃ＋ＣＯ２→２ＣＯ）が過度に進行してしまう。この結果、コークスが無駄に消費されてしまい、コークス充填層Ｌ３の厚さが薄くなってしまう。コークス充填層Ｌ３の厚さが薄くなれば、廃棄物中の灰分を適正に溶融するために、コークスを補充しなければならず、コークスの使用量が増加してしまう。
　図５は、第１領域ＡＲ１の空塔速度を１．０［Ｎｍ／ｓ］よりも高くしたときの溶融炉１内の状態を示す概略図である。図５に示す異常状態では、上述したように、コークスが過度に燃焼してしまい、コークス充填層Ｌ３の厚さＤ２は、正常状態（図４）におけるコークス充填層Ｌ３の厚さＤ１よりも薄くなっている。
　一方、第１領域ＡＲ１の空塔速度が０．１［Ｎｍ／ｓ］よりも低いと、酸素含有ガスの偏流現象が発生してしまい、廃棄物の乾燥・乾留処理が行われ難くなる。これにより、未乾燥の廃棄物が溶融炉１の底部（コークス充填層Ｌ３）に到達してしまい、コークスの燃焼によって発生した熱エネルギが、未乾燥・未乾留の廃棄物を乾燥・乾留させるために用いられてしまう。これに伴い、コークス充填層Ｌ３の厚さが薄くなり、コークスを補充しなければならなくなる。
　図６は、第１領域ＡＲ１の空塔速度を０．１［Ｎｍ／ｓ］よりも低くしたときの溶融炉１内の状態を示す概略図である。図６に示す異常状態では、乾燥・乾留処理されていない廃棄物（一部）がコークス充填層Ｌ３に到達して、この廃棄物を乾燥・乾留処理するためにコークスが用いられている。このとき、コークス充填層Ｌ３の厚さＤ３は、正常状態（図４）におけるコークス充填層Ｌ３の厚さＤ１よりも薄くなっている。
　ここで、図７は、第１領域ＡＲ１の空塔速度を変化させた場合において、空塔速度およびコークス充填層Ｌ３の厚さの関係（実験結果）を示している。この実験で用いられた溶融炉１においては、コークス充填層Ｌ３の最適な厚さ（下限値）を６００［ｍｍ］としている。また、以下の表１は、図６に示すグラフに対応した表である。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
　図７および表１に示すように、コークス充填層Ｌ３の厚さを適正範囲内（ここでは、６００［ｍｍ］以上）に維持するためには、第１領域ＡＲ１の空塔速度を０．１～１．０［Ｎｍ／ｓ］の範囲内に設定する必要がある。そして、第１領域ＡＲ１の空塔速度が０．１［Ｎｍ／ｓ］よりも低かったり、１．０［Ｎｍ／ｓ］よりも高かったりすると、コークス充填層Ｌ３の厚さは、極端に薄くなってしまう。
　ここで、廃棄物の種類によっては、チャネリング現象や流動化現象を発生させる条件が異なることがある。例えば、溶融炉１内に装入される廃棄物として、低含水率の廃棄物や、熱分解速度の高い廃棄物を用いた場合には、チャネリング現象や流動化現象が比較的、発生しやすくなる。この場合において、流動化現象等の発生を抑制するためには、第１領域ＡＲ１の空塔速度を、適正な速度範囲（０．１～１．０［Ｎｍ／ｓ］）のうち、低速側の領域に設定することが好ましい。例えば、第１領域ＡＲ１の空塔速度を、０．１～０．７［Ｎｍ／ｓ］の範囲内に設定することができる。
　一方、図２において、羽口１５の先端部よりも上方に位置する領域（以下、第２領域という）ＡＲ２における空塔速度を０．０５～０．７０［Ｎｍ／ｓ］の範囲内の速度に設定することが好ましい。
　ここで、第２領域ＡＲ２（シャフト部領域）の空塔速度における下限値（０．０５［Ｎｍ／ｓ］）は、第１領域ＡＲ１の空塔速度における下限値（０．１［Ｎｍ／ｓ］）よりも低くなっている。また、第２領域ＡＲ２の空塔速度における上限値（０．７０［Ｎｍ／ｓ］）は、第１領域ＡＲ１の空塔速度における上限値（１．０［Ｎｍ／ｓ］）よりも低くなっている。これは、第１領域ＡＲ１が第２領域ＡＲ２に対して溶融炉１の炉底部側に位置しており、第２領域ＡＲ２内に位置する物質（廃棄物等）は、第１領域ＡＲ１内に位置する物質（乾留残渣等）よりも充填層厚が薄く、比較的流動しやすくなっていることを考慮したためである。
　第２領域ＡＲ２の空塔速度は、下記式（３）に基づいて算出することができる。
　Ｖ２＝（Ｍ２／Ｓ２）＊３６００　　・・・（３）
　ここで、Ｖ２は、第２領域ＡＲ２の空塔速度を示す。Ｍ２は、溶融炉１に取り付けられたすべての羽口１２～１５から溶融炉１内に供給される酸素含有ガスの流量（単位：Ｎｍ３／ｈ）であり、Ｓ２は、第２領域ＡＲ２の水平面内における面積（単位：ｍ２）である。酸素含有ガスの流量Ｍ２は、溶融炉１内に供給される空気および酸素の流量の総和である。本実施例において、溶融炉１は、円筒状に形成されているため、第２領域ＡＲ２の直径Ｒ２（又は半径）から面積Ｓ２が求められる。本実施例において、第２領域ＡＲ２の面積Ｓ２は、第１領域ＡＲ１の面積Ｓ１よりも小さい。
　第２領域ＡＲ２の空塔速度を０．０５～０．７［Ｎｍ／ｓ］の範囲内の速度に設定するためには、すべての羽口１２～１５から溶融炉１内に供給される酸素含有ガスの流量を設定すればよい。
　具体的には、図３を用いて説明したように、ブロワ８０によって酸素含有ガスを羽口１２～１５に供給する構成において、ブロワ８０および羽口１２～１５の間にダンパ９０を配置し、ダンパ９０によって羽口１２～１５に向かう酸素含有ガスの流量を調節することができる。
　ここで、ブロワの数は、適宜設定することができ、ブロワの数が羽口１２～１５の数よりも少なければ、ブロワおよび羽口を接続するダクトを分岐させればよい。また、羽口１２～１５に対して１つのダンパ９０を設ければ、１つのダンパ９０によって羽口１２～１５に導かれる酸素含有ガスの流量を調節することができる。さらに、各羽口１２～１５に対応させて複数のダンパを設ければ、各ダンパによって羽口１２～１５に導かれる酸素含有ガスの流量を調節することができる。
　第２領域ＡＲ２の空塔速度が０．７［Ｎｍ／ｓ］よりも高いと、上述したように、チャネリング現象や流動化現象が発生して、燃焼反応やソリューション・ロス反応が過度に進行してしまう。これに伴いコークスが必要以上に消費されてしまい、コークスを補充しなければならなくなる。
　また、第２領域ＡＲ２の空塔速度が０．０５［Ｎｍ／ｓ］よりも低いと、上述したように、廃棄物の乾燥・乾留が行われ難くなってしまう。
　次に、本実施例の変形例について説明する。本変形例では、図１に示す廃棄物溶融設備において、ダスト捕集装置２で捕集された可燃性ダストを、溶融炉１に取り付けられた羽口を介して、溶融炉１内に供給するものである。具体的には、図８に示すように、ダスト捕集装置２で捕集された可燃性ダストを、ブロワ８１からの酸素含有ガスとともに羽口（例えば、羽口１２）に供給し、コークス充填層Ｌ３に向けて吹き込むことができる。可燃性ダストを溶融炉１内に吹き込んで燃焼させることにより、可燃性ダストをコークスの代わりに用いることができる。
　本変形例では、ブロワ８０からの酸素含有ガスが溶融炉１内に供給されるだけでなく、ブロワ８１からの酸素含有ガスも溶融炉１内に供給されるようになっている。このため、溶融炉１内の第１領域ＡＲ１における空塔速度を０．１～１．０［Ｎｍ／ｓ］とするためには、ブロワ８０，８１から溶融炉１内に供給される酸素含有ガスの流量を所定範囲内に設定する必要がある。
　例えば、図８において、可燃性ダストを溶融炉１内に供給しない場合において、ブロワ８０から溶融炉１内に供給される酸素含有ガスの流量をＡ［Ｎｍ３／ｈ］とする。また、可燃性ダストを溶融炉１内に供給する場合において、ブロワ８１から溶融炉１内に供給される酸素含有ガスの流量をＢ［Ｎｍ３／ｈ］とする。この場合には、ブロワ８０からの酸素含有ガスの流量をＢ［Ｎｍ３／ｈ］だけ減少させることにより、溶融炉１内に供給される合計の酸素含有ガスの流量を所定範囲内（０．１～１．０［Ｎｍ／ｓ］）に維持することができる。
　本変形例において、可燃性ダストを燃焼させるための燃料を、可燃性ダストとともに羽口から溶融炉１内に吹き込むことができる。これにより、燃料を燃焼させて、可燃性ダストの燃焼効率を向上させることができる。可燃性ダストの燃焼効率を向上させれば、可燃性ダストをコークスの代わりに用いることができ、溶融炉１内におけるコークスの使用量を低減することができる。
　また、可燃性ダストを、予熱された酸素含有ガスとともに、溶融炉１内に供給することができる。コークス充填層Ｌ３に可燃性ダストとともに吹き込まれる酸素含有ガスを予熱することにより、溶融炉１内に到達する前に可燃性ダストの温度を上昇させておくことができる。可燃性ダストの温度を上昇させておけば、溶融炉１内において可燃性ダストの温度が着火温度に到達するまでの時間を短縮することができ、可燃性ダストの燃焼性を向上させることができる。これにより、コークスの代わりとして用いられる可燃性ダストの量を増加させることができるとともに、コークスの使用量を低減することができる。
　なお、本実施例では、溶融炉１に複数の羽口１２～１５を設けているが、これに限るものではなく、１つの羽口１２を溶融炉１に設けるだけでもよい。この場合には、羽口１２に供給される酸素含有ガスの流量を調節することにより、第１領域ＡＲ１の空塔速度や第２領域ＡＲ２の空塔速度を、上述した速度範囲内に維持することができる。
　ここで、本実施例のように、溶融炉１の上下方向における複数の位置に羽口を設けることにより、第１領域ＡＲ１又は第２領域ＡＲ２における空塔速度を上述した速度範囲内に維持させやすくすることができる。
　具体的には、必要量の酸素含有ガスを羽口１２だけから溶融炉１内に供給すると、第１領域ＡＲ１における空塔速度が高くなりすぎてしまい、チャネリング現象や温度のバラツキが発生してしまうことがある。そこで、溶融炉１内に供給される酸素含有ガスの流量（必要量）を、複数の羽口１２～１５に振り分けるようにすることで、第１領域ＡＲ１における空塔速度を上述した範囲内に維持させやすくすることができる。例えば、必要量の７割の酸素含有ガスを羽口１２から溶融炉１内に吹き込み、残りの３割の酸素含有ガスを他の羽口１３～１５から溶融炉１内に吹き込むことができる。このように酸素含有ガスの流量を調節すれば、上記式（１）に示すように、空塔速度を制御することができる。
１：廃棄物溶融炉
１ａ：上部領域
１ｂ：中間領域
１ｃ：下部領域
１１：装入口
１２～１５：羽口
２：ダスト捕集装置
３：燃焼室
４：ボイラ
５：蒸気タービン
６：集塵装置
７：煙突
８０，８１：ブロワ
９０：ダンパ
 

Claims (8)

  1. 　廃棄物および塊状炭素系可燃物質が炉上部から投入され、反応熱によって溶融した廃棄物中の灰分および非燃焼物を炉底部の排出孔から排出させるとともに、発生したガスを炉上部から排出させる炉内に、充填層を形成して廃棄物を溶融処理するシャフト式廃棄物溶融炉において、
    　溶融炉内に酸素含有ガスを供給するための少なくとも１つ羽口と、
    　前記羽口に供給される酸素含有ガスの流量を調節する流量調節機構と、を有し、
    　前記流量調節機構は、前記溶融炉内の領域のうち、最下段に配置された前記羽口のガス吐出口に対して直上に位置する領域における酸素含有ガスの空塔速度が０．１～１．０［Ｎｍ／ｓ］の範囲内となるように、前記最下段の羽口に供給される酸素含有ガスの流量を調節することを特徴とする廃棄物溶融炉。
  2. 　前記流量調節機構は、前記溶融炉内の領域のうち、溶融炉シャフト部領域における酸素含有ガスの空塔速度が０．０５～０．７［Ｎｍ／ｓ］の範囲内となるように、前記羽口に供給される酸素含有ガスの流量を調節することを特徴とする請求項１に記載の廃棄物溶融炉。
  3. 　前記羽口が、前記溶融炉の上下方向において複数段、設置されており、　前記流量調節機構は、前記酸素含有ガスの空塔速度が前記範囲内となるように、前記複数段に設置された前記羽口のそれぞれに供給する酸素含有ガスの流量を調節することを特徴とする請求項１又は２に記載の廃棄物溶融炉。
  4. 　前記最下段に配置された前記羽口のガス吐出口に対して直上に位置する領域における水平面内の面積が、前記最上段に配置された前記羽口のガス吐出口に対して直上に位置する領域における水平面内の面積よりも小さいことを特徴とする請求項１から３のいずれか１つに記載の廃棄物溶融炉。
  5. 　前記溶融炉から排出される可燃性ダストを搬送用のガスとともに溶融炉内に供給するための供給機構を有しており、
    　前記流量調節機構は、前記供給機構から供給される前記ガスの流量に基づいて、前記羽口に供給される酸素含有ガスの流量を調節することを特徴とする請求項１から４のいずれか１つに記載の廃棄物溶融炉。
  6. 　廃棄物および塊状炭素系可燃物質が炉上部から投入されるとともに、炉体の羽口から酸素含有ガスが供給され、反応熱によって溶融した廃棄物中の灰分および非燃焼物を炉底部の排出孔から排出させるとともに、発生したガスを炉上部から排出させる溶融炉内に、充填層を形成して廃棄物を溶融処理する廃棄物溶融処理方法において、
    　前記溶融炉内の領域のうち、最下段に配置された前記羽口のガス吐出口に対して直上に位置する領域における酸素含有ガスの空塔速度が０．１～１．０［Ｎｍ／ｓ］の範囲内となるように、前記最下段の羽口に供給される酸素含有ガスの流量を調節することを特徴とする廃棄物溶融処理方法。
  7. 　前記溶融炉内の領域のうち、溶融炉シャフト部領域における酸素含有ガスの空塔速度が０．０５～０．７［Ｎｍ／ｓ］の範囲内となるように、前記羽口に供給される酸素含有ガスの流量を調節することを特徴とする請求項６に記載の廃棄物溶融処理方法。
  8. 　前記羽口が、前記溶融炉の上下方向において複数段、設置されており、
    　前記酸素含有ガスの空塔速度が前記範囲内となるように、前記複数段に設置された前記羽口のそれぞれに供給する酸素含有ガスの流量を調節することを特徴とする請求項６又は７に記載の廃棄物溶融処理方法。
     
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