(57)【要約】【課題】コークスを用いる方式のガス化溶融炉において、操業のコストを低減可能なガス化溶融炉の操業方法を提供すること。【解決手段】炉内部に塊状炭材ベッドを形成して廃棄物のガス化溶融を行うガス化溶融炉において、前記塊状炭材ベッドを形成する塊状炭材の少なくとも一部が成型炭であることを特徴とするガス化溶融炉の操業方法を用いる。成型炭がバイオマスの炭化物を少なくとも原料の一部として含んでいること、成型炭の圧潰強度が１９６Ｎ／Ｐ以上であること、成型炭のドラム強度が７０％以上であること、成型炭とコークスとを混合することなくガス化溶融炉に装入することが好ましい。【選択図】            図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
炉内部に塊状炭材ベッドを形成して廃棄物のガス化溶融を行うガス化溶融炉において、前記塊状炭材ベッドを形成する塊状炭材の少なくとも一部が成型炭であることを特徴とするガス化溶融炉の操業方法。
【請求項２】
成型炭がバイオマスの炭化物を少なくとも原料の一部として含んでいることを特徴とする請求項１に記載のガス化溶融炉の操業方法。
【請求項３】
成型炭の圧潰強度が１９６Ｎ／Ｐ以上であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のガス化溶融炉の操業方法。
【請求項４】
成型炭のドラム強度が７０％以上であることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれかに記載のガス化溶融炉の操業方法。
【請求項５】
成型炭の最大径が２５ｍｍ以上１００ｍｍ以下であることを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれかに記載の廃棄物ガス化溶融炉の操業方法。
【請求項６】
成型炭とコークスとを混合することなくガス化溶融炉に装入することを特徴とする請求項１ないし請求項５のいずれかに記載の廃棄物ガス化溶融炉の操業方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、廃棄物処理に用いるガス化溶融炉の操業方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、焼却灰の処分対策、ダイオキシンの削減対策、サーマルリサイクル等の観点から、廃棄物の処理プラントとして廃棄物をガス化して熱エネルギーとして回収可能なガス化溶融炉が多用されている。
【０００３】
廃棄物を処理するガス化溶融炉の一方式として、コークスを用いるガス化溶融炉が知られている（例えば、特許文献１参照。）。コークスベッド方式直接溶融システムや、高温ガス化直接溶融システムとして用いられるガス化溶融炉は、熱分解炉と溶融炉とを一体にした構造になっており、その原理は高炉の原理と同じであり、灼熱するコークス層から上昇する熱で廃棄物をガス化し、炉床部で残さを溶融する。
【０００４】
【特許文献１】
特開２００１−２０８３１８号公報（第３頁）
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
上記のような、廃棄物の堆積層の上部が流動層で下部が移動層のコークスベッド式のガス化溶融炉において、使用するコークスは、炉内におけるベッド層の形成、燃料として、重要な役割を持つ一方、高価であるため、コスト高となる欠点がある。
【０００６】
したがって本発明の目的は、このような従来技術の課題を解決し、コークスを用いる方式のガス化溶融炉において、操業のコストを低減可能なガス化溶融炉の操業方法を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
このような課題を解決するための本発明の特徴は以下の通りである。
（１）炉内部に塊状炭材ベッドを形成して廃棄物のガス化溶融を行うガス化溶融炉において、前記塊状炭材ベッドを形成する塊状炭材の少なくとも一部が成型炭であることを特徴とするガス化溶融炉の操業方法。
（２）成型炭がバイオマスの炭化物を少なくとも原料の一部として含んでいることを特徴とする（１）に記載のガス化溶融炉の操業方法。
（３）成型炭の圧潰強度が１９６Ｎ／Ｐ以上であることを特徴とする（１）または（２）に記載のガス化溶融炉の操業方法。
（４）成型炭のドラム強度が７０％以上であることを特徴とする（１）ないし（３）のいずれかに記載のガス化溶融炉の操業方法。
（５）成型炭の最大径が２５ｍｍ以上１００ｍｍ以下であることを特徴とする（１）ないし（４）のいずれかに記載の廃棄物ガス化溶融炉の操業方法。
（６）成型炭とコークスとを混合することなくガス化溶融炉に装入することを特徴とする（１）ないし（５）のいずれかに記載の廃棄物ガス化溶融炉の操業方法。
【０００８】
【発明の実施の形態】
本発明者らはコークスを用いる方式のガス化溶融炉において、コークスの代替として各種の材料を試験した結果、成型炭のみ、またはコークスと成型炭と、を用いてコークスベッドを形成することが非常に効果的であることを見出して、本発明を完成した。
【０００９】
すなわち本発明では、炉内部に塊状炭材ベッドを形成して廃棄物のガス化溶融を行うガス化溶融炉において、前記塊状炭材ベッドを形成する塊状炭材の少なくとも一部が成型炭であることを特徴とする。
【００１０】
塊状炭材ベッドとは、コークスや成型炭等の塊状炭材により炉下部に形成される充填層である。コークスや成型炭等の塊状炭材は、燃料としての役割とともに、処理される廃棄物を溶融分離する火格子状の充填物層を形成し、溶融分離により、生成するスラグ、メタルの均質化、安定的な排出を行う。コークス等の塊状炭材の炉内への装入量が少ない場合、塊状炭材が塊状炭材ベッドとして使用される割合は少なく、主として燃料として使用されるが、このような場合もコークス等を成型炭で置換することでコストを削減することができる。
【００１１】
コークスを用いる方式のガス化溶融炉としては、例えば、竪型シャフト炉等の竪型炉で羽口を有するものであり、高さ方向に区分すると、上部から予熱・乾燥帯、熱分解帯、燃焼・溶融帯、またはフリーボード部、流動層部、移動層、コークス充填層等と区分される。炉内に廃棄物と共にコークスが投入されて、コークスの燃焼により廃棄物を燃焼・ガス化し、不燃物を含む乾留物は炉下部へと移動して燃焼・溶融するものである。
【００１２】
成型炭は、例えばコークス製造のために、石炭粉を一定形状に加圧成型したものであり、コークスに比較して、例えば２割程度安価である。成型炭を製造する際にタールピッチ等の粘結材を配合する場合もある。
【００１３】
ガス化溶融炉へ装入して塊状炭材ベッドを形成する成型炭の装入量のコークス換算量が、ガス化溶融炉に装入する全塊状炭材のコークス換算量の７０質量％以下であることが好ましい。コークスのみで塊状炭材ベッドを形成する場合のガス化溶融炉の操業条件を大きく変更することなく、操業コストを低減させることができる。
【００１４】
成型炭がバイオマスの炭化物を少なくとも原料の一部として含んでいることが好ましい。バイオマスとは、すべての生物、すなわちエネルギ資源として再生可能な全有機体をいい、例えば木材、パルプ廃液、紙、油が挙げられる。成型炭原料としてバイオマスの炭化物を利用するとＣＯ２の削減効果がある。また、バイオマスとして下水汚泥、廃木材、食品廃棄物等を利用すれば、廃棄物のリサイクル利用として有効である。
【００１５】
また、成型炭は、圧潰強度が１９６Ｎ／Ｐ以上であることが好ましい。また、成型炭は、ドラム強度が７０％以上であることが好ましい。さらに、成型炭の最大径が２５ｍｍ以上１００ｍｍ以下であることが望ましい。
【００１６】
圧潰強度は、例えば、圧潰強度試験機にて成型炭（ブリケット）の加圧面に対して上下から圧力をかけて、割れが発生した（上昇圧力が停滞した）時点の力を測定して求めることができる。単位はＮ／Ｐで表示し、Ｐは測定試料が圧力を受ける面が点接触であることを示している。
【００１７】
ドラム強度とはＪＩＳ  Ｋ  ２１５１で規定されるコークスの回転強度のことで、ここでは、目開き１５．９ｍｍの篩でふるい分けた篩上の成型炭５ｋｇをドラム試験機に装入し２５ｒｐｍで５０回転させたのち、目開き１５．９ｍｍの篩でふるい分けて篩上の質量を求め、元の質量に対する百分率をドラム強度とした。ドラム試験機としては、径５００ｍｍ、厚さ５００ｍｍ、内部に高さ８０ｍｍの羽根３枚を有するトロンメル強度試験機を用いた。
【００１８】
成型炭の最大径は２５ｍｍ以上１００ｍｍ以下であることが好ましく、より好ましくは、長径が１００ｍｍ以下、短径が２５ｍｍ以上である。また、成型炭の平均粒径が２５ｍｍ以上１００ｍｍ以下であることが望ましい。
【００１９】
ガス化溶融炉で使用するコークスは、炉内におけるベッド層の形成、燃料としての役割を持つ。コークスの少なくとも一部を成型炭で代替すると、成型炭は炉内に投入されるとフリーボード部および流動層部において温度５００℃〜１０００℃で熱分解し、含有する揮発分約３０％が揮散する。揮発分はガスあるいはタール状で揮散するが、熱履歴を受けてガス化し、最終的に熱として回収、あるいは発電エネルギーとして有効に利用される。一方、熱分解後の成型炭は形状を維持したままコークスとともにベッド層を形成し、ゴミ等の廃棄物の燃焼の熱源、スラグの溶融のための熱源としてコークス代替として利用される。コークス代替として利用されるのは、いわゆる固定炭素（ＦＣ）分であり、成型炭の場合約６０％が固定炭素分である。
【００２０】
このように、成型炭はガス化溶融炉への投入から熱履歴を受けるとともに移動層内で摩耗や圧潰などの機械的な打撃を受けるため、ある程度の強度を有することが望ましい。本発明者らは各種成型炭の物性とガス化溶融炉における挙動、コークスとの代替性能を評価した結果、圧潰強度で１９６Ｎ／Ｐ以上、またはドラム強度で７０％以上の成型炭を使用することが好ましいことを見出した。また、移動層内での移動性や、コークスベッド層を形成するために必要な大きさを考慮すると、成型炭の大きさは、成型炭の最大径が、すなわち直径あるいは一辺の長さが２５ｍｍから１００ｍｍの範囲であるものを使用することが好ましいことを見出した。
【００２１】
以下、図面を用いて本発明のガス化溶融炉の操業方法の一実施形態を説明する。
【００２２】
図１はガス化溶融炉の構造の一例を示す概略図である。ガス化溶融炉には、産業廃棄物、一般廃棄物、建設廃棄物、廃車や廃家電等の処理施設から発生するシュレッダーダスト、廃棄プラスチック、汚泥、汚染土壌などの難処理廃棄物等、多種の廃棄物が投入される。ガス化溶融炉の上部からは、廃棄物Ａとともにコークス及び石灰石等の副資材Ｂが投入される。
【００２３】
ガス化溶融炉の内部構成は、上から生成されたガス改質領域であるフリーボード１、廃棄物の乾燥及び熱分解領域である流動層２（廃棄物の堆積層の上部）、廃棄物の高温燃焼及び溶融領域である移動層３（廃棄物の堆積層の下部）と、溶融分離領域である塊状炭材ベッド（成型炭・コークス充填層）４となっている。
【００２４】
フリーボード１では、三段羽口５より部分燃焼用酸素を送り、フリーボードの出口を所定の温度に制御する。フリーボードにおける高温還元雰囲気により、ダイオキシン類、タールが分解され、また大きなフリーボード１は排出ガスＣを均質及び低流速化してダストの飛散を防止する。
【００２５】
流動層２では、副羽口６から燃焼用酸素を吹き込み、流動層の熱分解温度を所定範囲に制御する。この流動層２において、廃棄物の水分は蒸発し、揮発分はガス化し、固定炭素及び灰分は炉底へ移動する。また流動層２を流動させることで廃棄物の棚吊り（例えば融着・閉塞）を防止している。
【００２６】
移動層３では、主羽口７から燃焼用酸素を吹き込み、コークス及び固定炭素を高温燃焼させ、灰分を溶融させる。塊状炭材ベッド（成型炭・コークス）の高温の還元雰囲気により、鉛及び亜鉛は揮散してガス相へ移行する。消費されたコークスは上部から補充される。
【００２７】
塊状炭材ベッド４では、成型炭・コークスの間を溶けたスラグが流下する。スラグは出碎口８より連続的または間欠的に排出される。
【００２８】
上記のようなガス化溶融炉を用いた場合の本発明の操業方法は、ガス化溶融炉の上部から廃棄物Ａとともに、コークス及び石灰石等の副資材Ｂとともにコークス代替分の成型炭Ｄが投入される。成型炭は炉内に投入されるとフリーボード部１および流動層２において温度５００℃〜１０００℃で熱分解し、含有する揮発分約３０％が揮散する。揮発分はガスあるいはタール状で揮散するが、熱履歴を受けてガス化し、最終的に熱として回収、あるいは発電エネルギーとして有効に利用される。一方、熱分解後の成型炭は形状を維持したままコークスとともに塊状炭材ベッド（充填層）を形成し、ゴミ等の燃焼の熱源、スラグの溶融のための熱源としてコークス代替として利用される。コークス代替として利用されるのは、いわゆる固定炭素（ＦＣ）分であり、成型炭の場合約６０％がコークスとして利用される。
【００２９】
一方で、成型炭とコークスとを混合することなくガス化溶融炉に装入することが望ましい。コークスと成型炭とを混合状態でガス化溶融炉に装入することも可能であるが、コークスは非常に硬く強度が高いため、混合状態でガス化溶融炉に装入すると移動層で成型炭が摩耗、破壊される場合があるためである。
【００３０】
【実施例】
図１と同様のガス化溶融炉を用いて、本発明例１〜３、比較例１の廃棄物の処理を行った。使用したコークス及び成型炭の性状値を表１に、各本発明例、比較例でのガス化溶融炉の操業条件を表２に示す。
【００３１】
【表１】
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【００３２】
【表２】
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【００３３】
塊状炭材ベッド（コークス充填層）中において、コークスの代替として利用される成型炭の固定炭素分は、その質量の約６０％であった。また、成型炭は約３０％の揮発分を含んでいたが、フリーボード部および流動層において温度５００℃〜１０００℃として熱分解し、含有する揮発分を揮散させた。揮発分はガスあるいはタール状で揮散するが、熱履歴を受けてガス化し、最終的に熱として回収した。また、ガス化溶融炉の排ガス処理において、バグフィルターで回収した飛灰中のカーボン含有率を測定した。測定結果を表３に示す。
【００３４】
【表３】
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【００３５】
各実施例について、以下に詳しく説明する。
【００３６】
（比較例１）質量比で、廃棄物（家庭ごみを固形燃料化したもの：家庭ごみＲＤＦ）を１００に対し、コークス５０、副資材として石灰石５０を使用してガス化溶融炉の操業を行い、廃棄物処理を実施した。このとき、塊状炭材ベッドを形成するコークス由来の固定炭素分は、表１より８９．８ｍａｓｓ％であり、４４．９の質量比分である。また、排ガス処理におけるバグフィルターで回収した飛灰中のカーボン含有率は０．５ｍａｓｓ％であった。
【００３７】
（本発明例１）質量比で、家庭ごみＲＤＦを１００に対し、コークス５０を使用するところを３５とし、不足のコークス１５を成型炭で代替してガス化溶融炉を操業した（代替前コークス全体量に対して３０ｍａｓｓ％を成型炭で置換。）。このとき塊状炭材ベッドを形成する固定炭素分を比較例１と同じ４４．９とするために成型炭を２２．８の質量比で使用した。家庭ごみＲＤＦは比較例１と同様に問題なく処理することができた。排ガス処理におけるバグフィルターで回収した飛灰中のカーボン含有率は０．７ｍａｓｓ％であった。
【００３８】
（本発明例２）質量比で、家庭ごみＲＤＦを１００に対し、コークス５０を使用するところを２５とし、不足のコークス２５を成型炭で代替してガス化溶融炉を操業した（代替前コークス全体量に対して５０ｍａｓｓ％を置換。）。このとき塊状炭材ベッドを形成する固定炭素分を比較例１と同じ４４．９とするために成型炭を３８．１の質量比で使用した。家庭ごみＲＤＦは比較例１と同様に問題なく処理することができた。排ガス処理におけるバグフィルターで回収した飛灰中のカーボン含有率は０．６ｍａｓｓ％であった。
【００３９】
（本発明例３）質量比で、家庭ごみＲＤＦを１００に対し、コークス５０を使用するところを１５とし、不足のコークス３５を成型炭で代替してガス化溶融炉を操業した（代替前コークス全体量に対して７０ｍａｓｓ％を置換。）。このとき塊状炭材ベッドを形成する固定炭素分を比較例１と同じ４４．９とするために成型炭を５３．３の質量比で使用した。家庭ごみＲＤＦは比較例１と同様に問題なく処理することができた。このとき、排ガス処理におけるバグフィルターで回収した飛灰中のカーボン含有率は０．８ｍａｓｓ％であった。
【００４０】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明によれば、コークスを用いるガス化溶融炉において、比較的安価な成型炭でコークスを代替できるので、コークス使用量を大幅に削減でき、その結果、操業コストを大幅に削減できる。また、成型炭原料としてバイオマスの炭化物を利用すれば、ＣＯ２を削減等で地球環境に貢献できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】ガス化溶融炉の構造の一例を示す概略図。
【符号の説明】
１：フリーボード、
２：流動層、
３：移動層、
４：塊状炭材ベッド、
５：三段羽口、
６：副羽口、
７：主羽口、
８：出碎口、
Ａ：廃棄物、
Ｂ：コークス及び石灰石等の副資材、
Ｃ：排出ガス、
Ｄ：成型炭
【図１】
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