(57)【要約】【課題】ディフューザの内部に灰が付着、成長の防止を行うことができるガス化溶融炉を提供する。【解決手段】ガス化炉により灰化された廃棄物を提供するディフューザ１１と、ディフューザ１１から提供された廃棄物の中の不燃物を溶融する溶融炉本体３１と、溶融炉本体３１でスラグ化された灰を排出するスラグ排出手段４１とを有するガス化溶融炉である。そして、このガス化溶融炉は、ディフューザ１１を途中にくびりを形成した絞り構造１５に構成し、ガス化炉からディフューザに廃棄物を提供する配管の周囲で、かつディフューザ１１の上部にボイラ５１を配設し、かつディフューザ１１の壁に蒸気管を配設し、もってボイラ５１から蒸気管に供給される蒸気によりディフューザ１１を冷却するようにした。【選択図】  図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガス化炉により灰化された廃棄物を供給するディフューザと、該ディフューザから供給された廃棄物の中の不燃物を溶融する溶融炉本体と、該溶融炉本体でスラグ化された灰を排出するスラグ排出手段とを有するガス化溶融炉において、
前記ディフューザを途中にくびりを形成した絞り構造に構成し、前記ガス化炉から前記ディフューザに廃棄物を供給する配管の周囲で、かつ前記ディフューザの上部にボイラを配設し、かつ前記ディフューザの壁に蒸気管を配設し、もって前記ボイラから前記蒸気管に供給される蒸気により前記ディフューザを冷却すること
を特徴とするガス化溶融炉。
【請求項２】
請求項１において、前記ディフューザとボイラとの取り付け部フランジ、および前記ディフューザと溶融炉との取り付け部フランジに外気側より断熱する断熱部を設けたことを特徴とするガス化溶融炉。
【請求項３】
請求項２において、前記くびれの周囲に外気より断熱する断熱部を設けたことを特徴とするガス化溶融炉。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はガス化溶融炉に係わり、特にディフューザ部の構造に関する。
【０００２】
【従来の技術】
キルン式ガス化溶融システムは、破砕機で粗破砕されたごみは乾燥機で水分調整後、キルン式ガス化炉に投入される。ガス化炉ではキルン電熱面温度５５０〜６５０℃の範囲でガス化を行う。ガス化炉で生成される熱分解ガスは十分に除じんされており、全量ガス化炉に隣接する熱分解ガスバーナで燃焼後、ガス化炉の加熱源、さらには乾燥炉の加熱源として利用する。また、ガス化炉で生成した炭化物は、冷却、粉砕、不燃物除去後一旦ホッパに貯留し、縦形旋回溶融炉で１３００〜１４００℃の高温で燃焼する。この過程でダイオキシンを分解するとともに、灰分を溶融スラグとして排出する。溶融スラグは水冷により固化して回収している。このようなガス化溶融炉の加熱媒体のバイパス量を調整し、排ガスの温度を制御する構成が特許文献１に示されている。このシステムの溶融炉は、ボイラ、ディフューザ、スラグタップ排出塔から構成されており、この中のディフューザにおいてはボイラにより外筒に２７０℃の蒸気を流し、ディフューザ内部に灰が付着しにくくなるようにしている。これまでのディフューザの構造はボイラとディフューザの取り付け部、ディフューザと炉との取り付け部のフランジが外気に曝される構造となっていた。
【０００３】
【特許文献１】
特開２００１−２３５１３９号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
従来、ディフューザの冷却は空冷にて行われていた。しかしながら、ディフューザの内部には灰が付着、成長し、ブローによっても灰の除去が困難な状況であった。
本発明は、ディフューザの内壁に灰が付着、成長することを防止することができ、また灰が付着した場合の灰の除じんを容易に行うことのできるガス化溶融炉を提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
ディフューザ上部にボイラを設け、そのボイラによりディフューザ内に蒸気を送り込む構造とすることでディフューザの壁の温度を低下させることができ灰の付着を防止することが可能になる。
ディフューザの壁との温度差の大きくなるフランジ、絞り部を外部からの断熱構造としディフューザの壁とフランジ、絞り部の温度差を小さくすることでディフューザに発生する応力を低減する。
【０００６】
本発明は、ガス化炉により灰化された廃棄物を供給するディフューザ、ディフューザを冷却するための蒸気を供給するボイラと、前記ディフューザより供給された灰の中の不燃物を溶融する溶融炉と、前記溶融炉でスラグ化された灰を排出するスラグ排出塔を有したガス化溶融炉において、ディフューザ上部にボイラを有しそのボイラから供給される蒸気によりディフューザ部を冷却する構成とした。
【０００７】
更に、ディフューザとボイラとの取り付け部フランジ、ディフューザと溶融炉の取り付け部フランジを外気側より断熱する構造とした。
更に、溶融炉に安定した灰を供給するために設けられたディフューザ絞り部を外気側より断熱する構造とした。
【０００８】
ディフューザ上部に設けたボイラにより蒸気を循環させることによりディフューザの壁の冷却温度を下げ、ディフューザ内壁に付着した灰を除去し易くする。
ディフューザとボイラ、溶融炉との取り付け部のフランジを外気側から断熱材を配し断熱することで内部との温度差を小さくし、熱応力を低減する。
ディフューザに設けられた絞り部を外気側から断熱材を配し断熱することで内部との温度差を小さくし、熱応力を低減する。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施例を図面に基づいて説明する。
図１にキルン式ガス化溶融システムのシステム構成図を示す。破砕機９１で粗破砕されたごみは乾燥機８１で水分調整後、キルン式ガス化炉７１に投入される。ガス化炉７１ではキルン電熱面温度５５０〜６５０℃の範囲でガス化を行う。ガス化炉７１で生成される熱分解ガスは十分に除じんされており、全量ガス化炉に隣接する熱分解ガスバーナで燃焼後、ガス化炉７１の加熱源、さらには乾燥炉８１の加熱源として利用する。また、その一部は、配管１３ｂを介して縦形旋回形のガス化溶融炉本体１の上部に導入される。ガス化炉７１で生成した炭化物は、冷却、粉砕、不燃物除去後一旦ホッパに貯留し、ガス化溶融炉本体１で１３００〜１４００℃の高温で燃焼する。この過程でダイオキシンを分解するとともに、灰分を溶融スラグとして排出する。溶融スラグは水冷により固化して回収している。図中の点線で囲んでいる部分がガス化溶融炉１である。このようなガス化溶融システムの性能確認をするために実証試験機を製作し試験を行った。図１１に実証試験で用いたガス化溶融炉構造を示す。図に示すように実証試験においてディフューザ１１の形状は円筒型のものを用いており、その内部の冷却は空冷により行われていた。しかしながら実証試験時に円筒内部に灰が付着、成長し、ディフューザ１１内部をブローしても付着した灰は除去できないという問題が生じた。その後、壁面の温度と灰の付着具合を調査した結果、実証試験と同様の空冷で壁面を冷却した場合には壁面表面の温度が７２０℃位になり、壁面には約５ｍｍの厚さの板状の灰が壁面に付着しブローによっても除去不可能であることが確認された。
【００１０】
図２は、本発明の実施例であるガス化溶融炉の１例を示す断面図である。図３はディフューザ壁断面拡大図、図４は図１のＡ−Ａ矢視図、図５は図２のＢ−Ｂ矢視図である。
これらの図において、ガス化溶融炉１は、溶融炉本体３１と、これに上側に接続されるディフューザ１１と、下側に接続されるスラグ排出手段４１と、ディフューザ１１の上部に接続されるボイラ５１とから構成される。溶融炉本体３１とディフューザ１１とは上下のフランジ（ディユーザボイラ取り付けフランジ）２１、２４によって、そしてディフューザ１１とボイラ５１とは上下のフランジ（ディフューザ溶融炉取り付けフランジ）２２、２５によって接続される。溶融炉本体３１は外壁３２と内壁３３とによって構成され、外壁３２にフランジ２１およびフランジ２３が取り付けられ、フランジ２３にスラグ排出手段４１が取り付けられる。
【００１１】
ディフューザ１１は、下端にフランジ２４を、そして上端にフランジ２２を有し、ボイラ５１は下端にフランジ２５を備える。
ディフューザ１１は、その途中にくびりである絞り部１４を形成した絞り構造１５に構成してある。
【００１２】
くびり１４の外方部に燃焼ガス投入器１３ａが、そして溶融炉本体３１の上部に燃焼ガス投入器１３ｂが設けてある（両者を１３とする）。
絞り構造１５の一部（図では下方への絞り部の一部）にブロア投入口部１２が設けてある。
【００１３】
図で示したように、ディフューザ１１の下端部、すなわち溶融炉本体３１の上端部には熱分解ガス（約４００℃）が投入されている。燃焼ガス投入器１３（１３ａ、１３ｂ）から投入された燃焼ガス（約１２００度）は、熱分解ガス（約４００℃）を混合し、約６００℃のガスとなり、ディフューザ１１内を上方に流れてディフューザ１１内の温度を低下させる。絞り構造１５によって混合ガスは矢印で示すようにディフューザ１１の内壁沿って流れる。混合ガスが内壁に沿って流れるようにディフューザ１１の絞り構造１５の角度が設定される。混合ガスがディフューザ１１の内壁に沿って流れることによって内壁への灰の付着が防止される。
【００１４】
ボイラ５１の形状が角形をなすような場合、ディフューザ１１の上端部も角形に形成されるので、混合ガスが内壁に沿って流れないことがある。このため、フロー投入部１２が設けられており、空気投入によって内壁への灰の付着を防止するようにしている。
【００１５】
ディフューザの壁には水管１６が設けてある。水管１６は図３に示すように上下方向に配設してある。ディフューザ１１に接続される配管１７の周囲に、そしてディフューザ１１の上部にボイラ５１が設けてある。ボイラ５１を流れる水は配管１７内を硫化する燃焼ガスによって熱せられて蒸気を発生し、蒸気はボイラ５１の蒸気管（図示せず）から下方に水管１６に流れ、熱交換を行い、凝縮水となってボイラ５１に戻る。すなわち、循環路が形成される。
【００１６】
壁面の温度を２７０℃以下にすることで灰が壁面に付着しても灰の形状は０．１ｍｍ以下の粉状となり、ブローにより灰を簡単に除去できることが判明した。図に示すようにディフューザ１１壁を水冷のメンブレム構造とし、ディフューザ１１上部にボイラ５１を設け、このボイラ５１によりディフューザ１１管内を２６０℃の蒸気が循環するようにすることでディフューザ１１壁面を２７０℃以下の温度に抑える構造とした。また、ディフューザ１１には絞り部１４を設けさらに角度をつけることで、壁面に灰が付着しても設けられたブローにより流動空気の速度を増加させて、簡単に灰を除去できるようにした。以上の対策を施すことによりディフューザ１１内の壁面に付着した灰の除去を可能とした。ボイラ５１は別置方式とすることも可能である。
【００１７】
以上のように、ガス化炉７１により灰化された廃棄物を供給するディフューザ１１と、ディフューザ１１から供給された廃棄物の中の不燃物を溶融する溶融炉本体３１と、溶融炉本体３１でスラグ化された灰を排出するスラグ排出手段４１とを有するガス化溶融炉１において、ディフューザ１１を途中にくびりを形成した絞り構造１５に構成し、ディフューザ１１の上部にボイラ５１を配設し、かつディフューザ１１の壁に蒸気管を配設し、もってボイラ５１から水管（蒸気管）１６に供給される蒸気によりディフューザ１１を冷却するガス化溶融炉１が構成される。
【００１８】
上記目的によりディフューザ１１上部にボイラ５１を設置する構造としたため、既存のボイラを使用するためには、ボイラ５１とディフューザ１１のフランジ部２２は角形状、絞り部１４、ディフューザ１１と溶融炉本体３１のフランジ部２１は円形状となり、ディフューザの構造は上部が角型形状で下部が円形状の構造なる。なお、フランジ部２２を円形状に構成することは可能である。
【００１９】
また、図１に示すように、ディフューザ１１とボイラ５１を接続するフランジ２２、ディフューザ１１と溶融炉本体３１を接続するフランジ２１、絞り部１４は外気に曝される構造になっている。これにより蒸気が通る水管１６と外気に曝されているフランジ２１、２２、絞り部１４においては温度差が生じるようになる。この温度差によりディフューザ１１に熱応力が発生し、ディフューザ１１が破壊に至る可能性を本形状で確認することとした。
【００２０】
そこで今回は熱応力解析を実施し、ディフューザ１１の水管１６とフランジ部２１、２２、絞り部１３に起動中に熱応力がどの程度発生するかを確認した。また、温度差をどの程度まで抑えれば設計許容値を満足できるかを確認した。設計許容値は今回用いたディフューザ材であるＳＴＰＴ３７０について、引張りおよび曲げに対する崩壊は降伏応力の１．５倍の安全率をとることにした。また、周方向に対する崩壊については降伏応力の４／３倍の安全率をとることにした。解析時の温度条件としては、水管１６の温度は管内部を蒸気が流れた場合の２６０℃とした。フランジ部２１、２２においては外気に曝された状態の８０℃、断熱を施し水管１６の温度に近くした場合を想定した１５０℃、２１０℃とした。また、絞り部１４においては絞り部内をブローのためのガスが通るときの温度を模擬した３４０℃、外気に曝された状態の１００℃、断熱を施し水管１６の温度に近くした場合を想定した１８０℃とした。ディフューザ１１は図５に示すように板と水管１６がつながれた構造であるが本解析においては曲げ剛性が等価の板として置き換えて解析を実施した。
【００２１】
図６には解析により得られた軸方向曲げ応力と温度差との関係を示す。図の縦軸が軸方向曲げ応力、横軸がディフューザ１１水管−フランジ２２、絞り部１４の温度差となっている。図中の●印が上部フランジ２２とディフューザ１１に設けた水管１６の軸方向応力と温度差の関係を、◆印が絞り部１４とディフューザ１１水管の軸方向応力と温度差の関係を、■印が下部フランジ２１とディフューザ１１水管の軸方向応力と温度差の関係を示している。また、図中にはディフューザ材であるＳＴＡＰ３７０の２６０℃における設計許容応力（１．５σｙ：２４７．５ＭＰａ）を合わせて示す。この結果、上部フランジ２２とディフューザ１１に設けた水管１６の温度差は１１０℃以下に、絞り部１４とディフューザ１１に設けた水管１６の温度差は１００℃以下に、下部フランジ２１とディフューザ１１に設けた水管１６の温度差は１２５℃以下にしなければ設計許容値を満足しないことが確認された。実際の使用条件で予想される温度差が上部フランジ２２とディフューザ１１に設けた水管１６で１８０℃、絞り部１４とディフューザ１１水管で１６０℃、下部フランジ２１とディフューザ１１に設けた水管１６で１８０℃であることが確認された。
【００２２】
図７には周方向膜応力と温度差との関係を示す。図の縦軸が周方向膜応力、横軸がディフューザ１１に設けた水管１６−フランジ２１、２２、絞り部１３の温度差となっている。図中の○印が上部フランジ２２とディフューザ１１に設けた水管１６の軸方向応力と温度差の関係を、◇印が絞り部１４とディフューザ１１に設けた水管１６の軸方向応力と温度差の関係を、□印が下部フランジ２１とディフューザ１１に設けた水管１６の軸方向応力と温度差の関係を示している。また、図中にはディフューザ材であるＳＴＡＰ３７０の２６０℃の許容設計応力（４／３σｙ：２２０ＭＰａ）を合わせて示す。この結果、上部フランジ２２とディフューザ１１に設けた水管１６の温度差は９０℃以下に、絞り部１３とディフューザ１１に設けた水管１６の温度差は１１０℃以下に、下部フランジ２１とディフューザ１１に設けた水管１６の温度差は１０５℃以下にしなくては設計許容値を満足しないことがわかった。実際の使用条件で予想される温度差が上部フランジ２２とディフューザ１１に設けた水管１６で１８０℃、絞り部１４とディフューザ１１に設けた水管１６で１６０℃、下部フランジ２１とディフューザ１１に設けた水管１６で１８０℃であるが確認された。
【００２３】
図２に示すディフューザ１１は、フランジ部２１、２２、絞り部１３は外気に曝される構造であった。しかしながら今回熱応力解析を実施し、現構造では外気に曝される部分と蒸気が流れるディフューザ１１に設けた水管１６に温度差により高い熱応力が発生し、設計許容値を満足できないことが確認された。そこで本実施例の改良構成として図８に示す構成では、フランジ部２１、２２を外気側から断熱材６１、６２を配し断熱構造とし、温度差を小さくすることでフランジ部２１、２２とディフューザ１１に設けた水管１６との応力を設計許容値内に抑える構造とした。また、絞り部１４についても図９に示すように外気側から断熱材６３を配し断熱構造とし、温度差を小さくすることで絞り部１４とディフューザ１１に設けた水管１６との応力を設計許容値内に抑える構造とした。このようにディフューザ１１を外気側から断熱し、フランジ部２１、２２と絞り部１４の温度をディフューザ１１に設けた水管１６に近くすることにより発生する熱応力を低減することができ、信頼性の高いガス化溶融炉１に使用するディフューザ１１を提供することができる。
【００２４】
断熱材の施工方法として、フランジ部２１、２２の断熱は図１０に示すように、数分割に分けられた断熱材６１、６２でフランジ部２１、２２を覆うようし、それらを図中に示すような方法にて接続することで全体を覆うことにより断熱材の施工が可能になる。また、絞り部１４の断熱は上記断熱材取り付け方法でも可能であるが、絞り部１４にはブロー用の配管などが混在しており断熱材を多数に分割しなくてはならず取り付けは容易でない。従って絞り部１４の断熱には布、フェルト系の断熱材を用い、それを絞り部１４に巻きつけ最後に表面にコーティング等を施し外れることの無いようにすること断熱材の取り付けが可能になる。また、数分割に分けられた断熱材６１、６２の継ぎ目部を図１０（ｂ）に示すような板６３をあてがい外部から接続することにより、断熱材を容易に固定することができる。
【００２５】
ガス化炉７１により灰化された廃棄物を供給するディフューザ１１、ディフューザ１１を冷却するための蒸気を供給するボイラ５１と、ディフューザ１１より供給された灰の中の不燃物を溶融するガス溶融炉本体３１と、溶融炉本体３１でスラグ化された灰を排出するスラグ排出塔（スラグ排出手段）４１を有したガス化溶融炉１において、ディフューザ１１上部にボイラ５１を有しそのボイラ５１から供給される蒸気によりディフューザ１１を冷却し、ディフューザ１１とボイラ５１との取り付け部フランジ２２、２５、ディフューザ１１と溶融炉本体３１の取り付け部フランジ２１、２４を外気側より断熱する構造とし、フランジ部２１、２２、２４、２５の外気側と内気側の温度差を９０℃以下にしたガス化溶融炉１が構成される。
また、溶融炉本体３１に安定した灰を供給するために設けられたディフューザ１１の絞り部１４を外気側より断熱する構造とし、絞り部１４の外気側と内気側の温度差を１００℃以下にしたガス化溶融炉１が構成される。
【００２６】
また、今回用いたディフューザ１１は、図３に示すように、ディフューザ１１は蒸気を流すためのメンブレム構造のより形成されており、その管の中を２６０℃の蒸気を流すことでディフューザ１１の壁を冷却する構造になっている。従ってディフューザ１１壁は２６０℃に近い温度になる。それに対し、ディフューザ１１とボイラ５１、溶融炉本体３１を接続するフランジ２１、２２、ブローが容易にできるように設けられた絞り部１４は外気に曝されているため外気温に近くなる。これによりフランジ２１、２２、絞り部１４には温度差による熱応力が発生し、その熱応力によりフランジ２１、２２、絞り部１４が変形するおそれがあったが、図８〜図１０に示す構造を採用することによってフランジ部２１、２２、絞り部１４は変形が極めて小さなものになる。
【００２７】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、ディフューザの内壁に灰が付着、成長することを防止することができ、また、灰が付着するような場合にあっても付着した灰を容易に除去することのできるガス化溶融炉を提供することができる。
更に、本発明によれば、上述したように断熱部を設けることによってディフューザが熱応力によって破壊されることを防止することができるようになる。
【図面の簡単な説明】
【図１】キルン式ガス化炉のシステム図。
【図２】本発明の溶融炉構造の１例を示す断面図。
【図３】ディフューザ壁拡大断面図。
【図４】図２のＡ−Ａ断面図。
【図５】図２のＢ−Ｂ断面図。
【図６】ディフューザの熱応力解析結果（軸方向応力）を示す図。
【図７】ディフューザの熱応力解析結果（周方向応力）を示す図。
【図８】本発明の一実施例で取り付け部フランジを断熱構造とした例を示す断面図。
【図９】本発明の一実施例で絞り部を断熱構造とした例を示す断面図。
【図１０】ディフューザフランジ部への断熱材取り付け方法である。
【図１１】実証試験に用いた溶融炉構造を示す断面図。
【符号の説明】
１…ガス化溶融炉、１１…ディフューザ、１２…ブロア投入口部、１３…燃焼ガス投入部、１４…絞り部、１５…絞り構造、２１…ディフューザボイラ取り付けフランジ、２２…ディフューザ溶融炉取り付けフランジ、３１…溶融炉本体、５１…ボイラ、６１…ディフューザ溶融炉取り付けフランジ用断熱材、６２…ディフューザ溶融炉取り付けフランジ用断熱材。
【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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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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