(57)【要約】【課題】有機系廃棄物は勿論のこと無機系廃棄物の減容化、安定化、安全化及び資源化を達成することができる超高温熱分解装置を提供する。【解決手段】ジルコニア、マグネシア及びカルシアから一つ選ばれる成分を95％以上含有するセラミック耐火材を内張した燃焼炉内壁が筒状に形成されて有効高さを有効径の三倍以上とした燃焼炉と該燃焼炉内に対して傾斜角０°を含む上向きに開口した水素ガスの火炎を噴射する水素バーナとを備え、酸化雰囲気中にて前記水素バーナから噴射される火炎により燃焼炉内を2000℃以上に保持できる超高温熱分解装置。【選択図】図１
2008175473.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ジルコニア、マグネシア及びカルシアから一つ選ばれる成分を95％以上含有するセラミック耐火材を内張した燃焼炉と該燃焼炉内に開口した水素ガスの火炎を噴射する水素バーナとを備えてなり、酸化雰囲気中にて前記水素バーナから噴射される火炎により燃焼炉内が2000℃以上に保持される超高温熱分解装置。
【請求項２】
水素バーナが燃焼炉内に対して傾斜角０°を含む上向きに設けられている請求項１記載の超高温熱分解装置。
【請求項３】
燃焼炉内壁が筒状に形成されており、有効高さが有効径の三倍以上である請求項１又は請求項２記載の超高温熱分解装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃焼炉内を2000℃以上に保持できる超高温熱分解装置に関し、より詳しくは、有機系は勿論のこと無機系廃棄物の焼却処理に際しても減容化効果が高くダイオキシン等の有害物質が発生しない、酸化雰囲気中で2000℃以上の温度を達成することができる超高温熱分解装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
周知の通り、有機系・無機系廃棄物の廃棄処理においては、廃棄物の減容化、安定化、安全化及び資源化をより高めることができる処理方法が切望されている。例えば、一旦数百℃にて焼却して有機成分を揮発させて70〜80％まで減容化し、残った残渣灰をバーナーフレームやプラズマ等にて直接加熱する方法、電気抵抗加熱や誘導加熱にてスラグ化してさらに減容化する方法や、廃棄物を直接スラグ化するガス化溶融処理方法が提案されている。
【０００３】
また、有機系・無機系廃棄物を高温度にて焼却処理する、水素ガスと酸素ガスとを用いた焼却方法として、例えば、水素と酸素が体積比２：１で混合されたブラウンガスをノズルから噴射させて2500℃以上の炎を発生させてブラウンガスの燃焼によって生成された高温で廃棄物を燃焼し、灰等の残渣が溶けてガラス状になった残渣中に重金属等の有害物質を閉じ込めるようにして残渣の廃棄処理を行う廃棄物処理装置が提案され（特許文献１参照）、水素と酸素とをモル比で２：１に混合してなる混合ガスを適切に燃焼させて混合ガスの燃焼により生じる炎がその周囲の近傍位置では2000〜2500℃、これより遠ざかると温度が1000〜1500℃と急激に低くなる性質のバーナ装置が提案され（特許文献２参照）、環状の酸素ガス供給ノズルを設けると共に、該環状の酸素ガス供給ノズルの中心部に水素ガス供給ノズルを設け、水素ガス供給ノズルの水素ガス噴出口を取り囲むように水素ガス噴出口よりも突出した位置に酸素ガス供給ノズルの酸素ガス噴出口を配置して炎が酸素ガス噴出口に近い位置から太く短い形状に出て炎の先端を燃焼管の内壁に達しないようにして燃焼管の失透・溶解を防いだ燃焼装置が提案されている（特許文献３参照）。
【０００４】
【特許文献１】特開２０００−３９１２８号公報
【特許文献２】特開２００３−１３０３１５号公報
【特許文献３】特開平１０−２９４３０８号公報
【０００５】
また、高温域（1500〜1800℃）で使用可能な高温耐火炉に用いる耐火材として、例えば、網目状のウレタンに安定型ジルコニア（ZrO2）スラリーをコーティングしかつ焼成・焼結してなる高温炉用ジルコニアポーラス耐火物が提案されている（特許文献４参照）。
【０００６】
【特許文献４】特開２００２−３３３２７９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかし、前記従来の燃焼装置では、残渣がガラス状に残るという問題点や炎から遠ざかると1000〜1500℃と急激に低くなって廃棄物が溶融状態や固体状態で残るという問題点や廃棄物の燃焼滓が固形で残ってしまうという問題点があった。また、前記耐火物では、SiCレンガ等の使用により1600℃前後にて処理されているのが実情である。このため、可燃性廃棄物の可及的な減容化が達成できず、また、ダイオキシン等の有害物質を分解できないという問題点があった。
【０００８】
そこで、本発明は、有機系廃棄物は勿論のこと無機系廃棄物の減容化、安定化、安全化及び資源化を達成することを技術的課題として、その具現化をはかるべく研究・実験を重ねた結果、水素を燃料とする燃焼方式とすることにより、水蒸気が生成されるので環境に優しく（低環境負荷）、低ランニングコストで稼働できること、酸化雰囲気中で燃焼させるために、廃棄物の燃焼により発生するガスや残渣が安定化して安全であること、ジルコニア、マグネシア及びカルシアから一つ選ばれる成分を95％以上含有するセラミック耐火材を内張することにより、燃焼炉内が2000℃以上の超高温になっても破損しないこと、そして、水素ガス火炎を噴射する水素バーナを燃焼炉内に対して傾斜角０°を含む上向きに設けて燃焼炉内を筒状に形成して該炉内の有効高さを有効径の三倍以上とすることにより、炉内に投入される廃棄物を2000℃以上の超高温度雰囲気中に最低でも３秒間暴露でき、有機系廃棄物は可及的に100％、無機系廃棄物は90％以上の減容化を達成できるという刮目すべき知見を得、前記技術的課題を達成したものである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
前記技術的課題は、次の通りの本発明によって解決できる。
【００１０】
即ち、本発明に係る超高温熱分解装置は、ジルコニア、マグネシア及びカルシアから一つ選ばれる成分を95％以上含有するセラミック耐火材を内張した燃焼炉と該燃焼炉内に開口した水素ガスの火炎を噴射する水素バーナとを備えており、酸化雰囲気中にて前記水素バーナから噴射される火炎により燃焼炉内を2000℃以上に保持できるものである。
【００１１】
また、本発明は、前記超高温熱分解装置において、水素バーナが燃焼炉内に対して傾斜角０°を含む上向きに設けられているものである。
【００１２】
さらに、本発明は、前記いずれかの超高温熱分解装置において、燃焼炉内壁が筒状に形成されており、有効高さを有効径の三倍以上としたものである。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、有機系・無機系廃棄物の燃焼に水素を使用したので、水蒸気が生成するから排気ガスによる環境汚染をもたらすことがなく、2000℃以上の燃焼温度を実現でき、これにより、ダイオキシン等の各種有害物質が発生せず、また、燃焼炉の内壁をジルコニア、マグネシア及びカルシアから一つ選ばれる成分を95％以上含有するセラミック耐火材によって内張したので、燃焼炉内を2000℃以上に保持することができ、これにより、有機系廃棄物は勿論のこと無機系廃棄物の減容化、安定化、安全化及び資源化を達成することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、本発明の実施の形態について説明する。
【００１５】
ジルコニア（ZrO2）、マグネシア（MgO）又はカルシア（CaO）の内のいずれか一つの成分を95％以上含有するセラミック耐火材であれば、経験上2000℃の高温域においても耐熱性やスラグに対する耐溶損性が高く、亀裂・破損が生じないので、好ましく、前記各成分において含有量が95％未満では、耐火温度が低下するので、好ましくない。
【００１６】
当該セラミック耐火材は、ジルコニア、マグネシア又はカルシアの内のいずれか一つの成分を95重量％以上含む骨材に対して、所望量のアクリル系樹脂を加えて混練し、次いで、得られた混練物を金型に投入して室温，圧力300kgf/cm2の環境下にて油圧プレスして成形後、温度1800℃の酸化雰囲気中にて焼成すればよい。
【００１７】
水素バーナは、外筒及び該外筒に対して同軸に設けられた内筒の一方の筒から水素ガスを噴射させると共に、他方の筒から酸素ガスを噴射させる二重構造の噴射ノズルを複数同心円に配置した構造として当該水素バーナを燃焼炉内に対して傾斜角０°を含む上向き（10°）で燃焼炉内壁の円周方向に向けて設置する。そして、当該水素バーナを円周上の円軌跡において点対称に設けて燃焼炉の内壁に沿うように水素火炎を噴射させれば、燃焼炉内（燃焼室）に渦状火炎を発生させることができる。
【００１８】
燃焼炉は該燃焼炉の内壁を筒状に形成し、廃棄物を焼却する燃焼室の高さ（燃焼炉の有効高さ）を該燃焼室の径（燃焼炉の有効径）の三倍以上の形状とする。燃焼室が円筒形であれば、当該円筒を形成する円の直径が有効径であり、燃焼室の径となる。燃焼室を角筒形に形成した場合には、当該角筒形に内接する円筒を形成する円の直径が有効径である。
【００１９】
前記筒状燃焼炉の有効高さを燃焼炉の有効径の三倍以上の高さとして前記水素バーナを燃焼炉内に対して傾斜角０°を含む上向きで燃焼炉の内壁に対して内接する円の円周方向の内包に向けて点対称に対向配置することにより、筒状燃焼炉内に渦状火炎を発生させることでき、落下してくる粉砕された廃棄物を浮遊状態で2000℃以上の超高温度雰囲気中に最低でも３秒間暴露させることができる。
【００２０】
本発明では、燃焼炉をジルコニア、マグネシア及びカルシアから一つ選ばれる成分を95％以上含有するセラミック耐火材を内張した燃焼炉内壁が筒状に形成されて有効高さを有効径の三倍以上とし、水素バーナを当該燃焼炉内に対して傾斜角０°〜10°の範囲の上向きで内接円の円周方向の内包に向けて点対称に対向配置して開口すれば、酸化雰囲気中にて前記水素ガス噴射ノズルから噴射される火炎により燃焼炉内を2000℃以上に保持でき、有機系廃棄物は勿論のこと無機系廃棄物の減容化、安定化、安全化及び資源化を更に達成することができる。
【実施例】
【００２１】
本発明の実施例を図面に基づき説明する。
【００２２】
実施例１
【００２３】
図１は超高温熱分解装置の燃焼炉を水素バーナが配置された位置で水平に横断した横断面図、図２は図１に示す水素バーナの配置状態を説明する図であり、１は、ジルコニア、マグネシア及びカルシアから一つ選ばれる成分を95％以上含有するセラミック耐火材２を内張した円筒状燃焼炉３と、傾斜角０°（水平）で当該燃焼炉３の内壁４に対して円周方向に噴射口が向くように設けられて当該内壁４の円周が形成する円軌跡上に点対称に二本対向配置した水素バーナ５とを備えた超高温熱分解装置である。なお、６は燃焼室、７，８は断熱レンガである。
【００２４】
前記超高温熱分解装置１を以下のようにして得た。
【００２５】
ジルコニア成分98重量％と、カルシア成分及びシリカ成分からなる残部２重量％との混合物100重量部に対してアクリル系樹脂を10重量部加えて混練した。次いで、この混練物を金型に投入して室温，圧力300kgf/cm2の環境下にて油圧プレスして成形後、温度1800℃の酸化雰囲気中にて焼成してジルコニア成分を98重量％含有するレンガ厚さ65mmのセラミック耐火材２を得た。また、レンガ厚さ110mm，耐火度1800℃，熱伝導率0.3W/mKのアルミナ断熱材７と、レンガ厚さ230mm，耐火度1800℃，熱伝導率５W/mKのアルミナ断熱材８とを用意した。
【００２６】
燃焼炉３を熱伝導率0.3W/mKアルミナ断熱材７の層とその内側に配置した熱伝導率５W/mKアルミナ断熱材８の層とその内側に配置した内壁外層となる前記セラミック耐火材２との三層構造として、有効径400mm、有効高さ1500mmの円筒状燃焼炉３を組んだ。
【００２７】
前記燃焼炉３の燃焼室６上部より下に向かって200mmの位置の内壁４に対して傾斜角０°（水平）となるように水素バーナ５を二本、対向配置して超高温熱分解装置１を得た。
【００２８】
前記超高温熱分解装置１において、水素打ち込み量10m3/h、酸素打ち込み量20m3/hにて水素バーナ５，５から水素ガスによる火炎を噴射させ、燃焼室６に渦状水素火炎を発生させた。燃焼炉３の燃焼室６は2300℃に達し、この温度を２時間維持させ、これを100回繰り返したが、前記セラミック耐火材２に損傷は殆ど見られなかった。
【００２９】
次に、塩化ビニルを裁断して10〜20mmの小片廃棄物とし、該小片廃棄物を前記超高温熱分解装置１における燃焼炉３上部の投入口（図示せず。）から１分間に計１リットル（１kg）の量になるように投入した。その結果、渦火炎により火炎が上向きにも発生し、小片廃物が３秒間暴露した。
【００３０】
煙突内の排気ガスをサンプリングしてダイオキシン類濃度毒性等量（ダイオキシン類全体（ポリ塩化ジベンゾフラン：PCDFs、ポリ塩化ジベンゾ−パラ−ジオキシン：PCDDs及びコプラナ−ポリ塩化ビフェニル：Co−PCBs）の毒性の強さ：ダイオキシン類対策特別措置法施行規則による。）をJISK 1311  排ガス中のダイオキシン類の測定方法に準拠して測定した。その結果、ダイオキシン類は検出されなかった。また、燃焼室６内に残渣は存在しなかった。
【００３１】
実施例２．
【００３２】
実施例１の超高温熱分解装置１に一般可燃物を重油バーナーで燃焼した燃焼灰（無機系廃棄物）を10gずつ袋詰めして10秒間隔で投入した。
【００３３】
実施例１と同様にして排気ガスを測定したがダイオキシン類は検出されなかった。また、燃焼室６内には投入量に対して10％の残渣が存在していた。即ち、90％の減容化が確認できた。
【００３４】
実施例３．
【００３５】
図３は超高温熱分解装置の燃焼炉を水素バーナが配置された位置で水平に横断した横断面図、図４は図３に示す水素バーナの配置状態を説明する図であり、これらの図において、図１及び図２と同一符号は同一又は相当部分を示し、本実施例では、四本の水素バーナ５が内壁４の円周上に点対称に対向配置されており、各水素バーナ５は傾斜角10°の上向きで燃焼炉３の内壁４に対して円周方向に噴射口が向くように設けられている。
【００３６】
本実施例に係る超高温熱分解装置１を以下のようにして得た。
【００３７】
マグネシア成分95重量％と、アルミナ成分からなる残部５重量％との混合物100重量部に対してアクリル系樹脂を10重量部加えて混練した。次いで、この混練物を金型に投入して室温，圧力300kgf/cm2の環境下にて油圧プレスして成形後、温度1800℃の酸化雰囲気中にて焼成してマグネシア成分95重量％含有するレンガ厚さ65mmのセラミック耐火材２を得た。
【００３８】
水素バーナ四本を傾斜角10°となるように上向きに対向配置した外、実施例１と同様にして円筒状燃焼炉３を組み、超高温熱分解装置１を得た。
【００３９】
次に、塩化ビニルを裁断して10〜20mmの小片廃棄物とし、該小片廃棄物を前記超高温熱分解装置１における燃焼炉３上部の投入口から１分間に計１リットル（１kg）の量になるように投入した。燃焼室６には顕著な上向きの渦火炎が発生していた。また、ダイオキシン類は検出されず、燃焼室６内に残渣は存在しなかった。
【００４０】
実施例４．
【００４１】
図５は本実施例における燃焼炉の説明図であり、同図において、図１〜図４と同一符号は同一又は相当部分を示し、本実施例では、燃焼炉３の内壁４が六角形の筒状に形成されている。従って、六角形の筒に内接する円筒形（図５において二点鎖線で示した円）が有する円の直径が燃焼炉３の有効径であり、燃焼炉３は当該有効径の少なくとも三倍の高さの燃焼室６を備えている。
【００４２】
本実施例に係る超高温熱分解装置１を以下のようにして得た。
【００４３】
カルシア成分97重量％と、シリカ成分からなる残部３重量％との混合物100重量部に対してアクリル系樹脂を10重量部加えて混練した。次いで、この混練物を金型に投入して室温，圧力300kgf/cm2の環境下にて油圧プレスして成形後、温度1800℃の酸化雰囲気中にて焼成してカルシア成分9７重量％含有するレンガ厚さ65mmのセラミック耐火材２を得た。
【００４４】
そして、図５に示す六角形の円筒状燃焼炉３を組み、当該六角形の角柱に内接する円筒の円周方向に位置付けて傾斜角上向き10°となるように水素バーナ二本を等間隔に対向配置して実施例１と同様にして超高温熱分解装置１を得た。
【００４５】
次に、塩化ビニルを裁断して10〜20mmの小片廃棄物とし、該小片廃棄物を前記超高温熱分解装置における燃焼炉上部の投入口から１分間に計１リットル（１kg）の量になるように投入した。ダイオキシン類は検出されず、燃焼室６内に残渣は存在しなかった。
【００４６】
比較例１．
【００４７】
ジルコニア成分60重量％、シリカ成分30重量％及びアルミナ成分10重量％とした外、実施例１と同様にして熱分解装置を得た。
【００４８】
実施例１と同様にして水素バーナ５による水素ガス火炎を噴射させた。その結果、燃焼炉の燃焼室は2300℃に達したが、２時間維持に対してジルコニア成分60重量％、シリカ成分30重量％及びアルミナ成分10重量％とからなる耐火材が溶解し、再使用不可能となった。
【００４９】
比較例２．
【００５０】
比較例１において、傾斜角下向き10°となるように水素バーナ二本を対向配置して実施例１と同様にして小片廃棄物を投入したところ、排気ガスからダイオキシンが検出された。
【００５１】
比較例３．
【００５２】
有効径400mm、有効高さ1000mmの円筒状燃焼炉を組んだ外、実施例１と同様にして熱分解装置を得た。
【００５３】
実施例１と同様にして小片廃棄物を投入したところ、排気ガスからダイオキシンが検出された。
【００５４】
比較例４．
【００５５】
比較例３の熱分解装置に一般可燃物を重油バーナーで燃焼した燃焼灰（無機系廃棄物）を10gずつ袋詰めして10秒間隔で投入した。その結果、燃焼室内には投入量に対して50％の残渣が存在していた。
【産業上の利用可能性】
【００５６】
本発明によれば、有機系廃棄物は勿論のこと無機系廃棄物の減容化、安定化、安全化及び資源化を達成することができるから、地方公共団体の焼却施設、病院等で廃棄される危険物質や有害物質の焼却・無害化に利用できる。
【００５７】
従って、本発明の産業上利用性は非常に高いといえる。
【図面の簡単な説明】
【００５８】
【図１】超高温熱分解装置の燃焼炉を水素バーナが配置された位置で水平に横断した横断面図である。
【図２】図１に示す水素バーナの配置状態を説明する図である。
【図３】超高温熱分解装置の燃焼炉を水素バーナが配置された位置で水平に横断した横断面図である。
【図４】図３に示す水素バーナの配置状態を説明する図である。
【図５】燃焼炉の説明図である。
【符号の説明】
【００５９】
１  超高温熱分解装置
２  セラミック耐火材
３  燃焼炉
４  燃焼炉の内壁
５  水素バーナ
６  燃焼室
７，８  断熱レンガ（アルミナ断熱材）
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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