(57)【要約】【課題】棚吊り現象の解消、排気ガスのタール量低減、二次廃棄物となる飛灰量の低減の、各課題の解決を図る竪型廃棄物ガス化溶融炉の構造を提案する。【解決手段】  廃棄物のガス化溶融炉１０において、廃棄物層１９の上面が臨む炉体１３の断面積より、フリーボードＦのガス流路の最狭部面積を大きくし、フリーボードＦのガス流路面積が最小となる位置に、廃棄物の投入口１２ａを設けた。さらに、廃棄物の炉内への投入口１２ａと、ガス排出口１４との間に、ガス部分燃焼用気体を吹き込む羽口２１を設け、該羽口２１より、気体が炉内周方向の角度を有して吹き込まれるようにした。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
炉体内に廃棄物を投入して、該廃棄物をガス化し、残渣を溶融スラグ化して排出する廃棄物のガス化溶融炉において、
廃棄物層の上面が臨む炉体の断面積より、炉内フリーボードのガス流路の最狭部面積を大きくすることを特徴とする、
廃棄物のガス化溶融炉。
【請求項２】
炉体内に廃棄物を投入して、該廃棄物をガス化し、残渣を溶融スラグ化して排出する廃棄物のガス化溶融炉において、
炉内フリーボードのガス流路面積が最小となる位置に、廃棄物の炉内への投入口を設けることを特徴とする、
廃棄物のガス化溶融炉。
【請求項３】
炉体内に廃棄物を投入して、該廃棄物をガス化し、残渣を溶融スラグ化して排出する廃棄物のガス化溶融炉において、
フリーボードにおいて、廃棄物の炉内への投入口の上下方向位置と、ガス排出口の上下方向位置との間に、ガス部分燃焼用気体を吹き込む部分燃焼用羽口を設け、
該部分燃焼用羽口より炉内周方向の角度を有して気体を吹き込むことを特徴とする、
廃棄物のガス化溶融炉。
【請求項４】
炉体内に廃棄物を投入して、該廃棄物をガス化し、残渣を溶融スラグ化して排出する廃棄物のガス化溶融炉の操業方法であって、
炉内フリーボード部において、廃棄物の炉内への投入口の上下方向位置と、ガス排出口の上下方向位置との間に、旋回流を形成させることを特徴とする、
廃棄物のガス化溶融炉の操業方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、廃棄物をガス化し残渣を溶融スラグ化して排出する廃棄物のガス化溶融炉の構造及びガス化溶融炉の操業方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、廃棄物を焼却する分野において、ダイオキシンの発生抑制や焼却飛灰（煤塵）処理の簡易性の面から、廃棄物をガス化し、その残渣を溶融スラグ化して排出するガス化溶融炉が採用されている。
このガス化溶融炉の一形態として、竪型溶融炉があり、炉体の下部にコークス層を設けてその上部に廃棄物を堆積させて廃棄物層を形成し、該コークス層の熱で廃棄物を酸素欠乏状態で熱分解してガス化及び一部燃焼させ、残渣はコークス層で溶融してスラグ化させるものである。スラグ化した残渣は炉外へ搬出されて、急冷され、セラミック状態となったものが、土木資材等に利用されたり、場合によっては埋め立て処分されたりする。また、炉内で発生したガスは、二次燃焼炉に導入され、さらに分解されたのち放出され、熱利用される。
【０００３】
従来の竪型溶融炉は大きく分けて、廃棄物を高層に積み上げて熱分解処理を行う方法を採用した溶融炉（「高層溶融炉」とする）と、前記方法に比較して廃棄物を低層に積み上げて高温で半焼却に近い状態で熱分解を行う方法を採用した溶融炉（「低層溶融炉」とする）とが、知られている。
前記高層溶融炉では、廃棄物層を高く（厚く）することで、廃棄物層の縦方向に比較的緩やかな熱勾配が形成されることになり、水分の多い廃棄物に対しても効果的に機能し、また、飛灰量の低減が図られている。なお、高層溶融炉では、溶融炉内で廃棄物を熱分解することにより発生するガスの排出口である、ガス排出口の温度は高くても５００〜６００℃程度である。
前記低層溶融炉では、高層溶融炉と比較して、炉内が高温（９００℃程度）に保持され、また、処理速度が高く、さらに廃棄物層上のフリーボードに存在するガスが部分燃焼されることでダイオキシン等の有害物質の排出が抑制されている。
【０００４】
前記高層溶融炉では、廃棄物の堆積層が厚いために、堆積層下部で発生した熱分解ガスが上昇する際の抵抗が大きいことに起因して、熱分解ガスの抜けが悪化し、半ば固化したガスの吹き抜け路が形成されたり、物理的な引っかかりが発生したりして、棚吊り現象が発生し易いという不具合がある。また、特に、廃棄物に合成樹脂が多量に含まれる場合は、廃棄物の堆積層の上部では下部と比較して低温となるために樹脂が半溶融状態になって融着し合い、炉内壁に付着したり、棚吊り現象が発生したりし易いという不具合がある。
これに対し、前記低層溶融炉では、炉内が高温に保持されるために、棚吊り現象は発生し難い。
なお、棚吊り現象とは、炉内の廃棄物が何らかの原因でブリッジを形成して、それより上方にある廃棄物を支えて廃棄物の炉底部へ向かう動きを阻止する現象である。
【０００５】
前記棚吊り現象の解消のために、特許文献１では、竪型溶融炉において、炉体底部から堆積した廃棄物層の上面までの高さと、炉体の内径との比を定めて、廃棄物層の上下における温度差を制限することによって、廃棄物層上部での温度低下を抑制して、堆積層中に含まれる樹脂等が半溶融状態となることを防止する技術が提案されている。
【０００６】
一方、特許文献２では、廃棄物をガス化溶融するに際して、廃棄物中の有機物を効率よく燃焼して燃料添加量を低減し、クリーンな排ガスを排出する方法として、溶融炉に上下方向少なくとも一段の横吹羽口を設け、炉体内にある溶融スラグに、支燃性ガス、不活性ガス、補助燃料等を吹き込み、溶融スラグをフォーミングさせる技術が提案されている。また、ここでは、炉体内の溶融スラグの上方において、支燃性ガス、不活性ガス、補助燃料等を吹き込む構造も開示されている。
【０００７】
前記高層溶融炉では、ガス排出口近傍の温度が比較的低温であることから、排出ガス中にタール分が多量に含まれ、溶融炉から二次焼却炉へ排出ガスを搬送するためのダクトが閉塞する等の不具合が発生し易い。
これに対し、前記低温溶融炉では、ガス温度が高温のため、排出ガスに含まれるタールの量は比較的少ない。しかし、低温溶融炉では廃棄物を部分的に燃焼させるために炉内への多量の気体の吹き込みが必要となり、飛灰量は高層溶融炉に比較して多くなる傾向にある。
【０００８】
【特許文献１】特開２００２−８１６２５号公報
【特許文献２】特開２０００−９７４１８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
上述の如く、前記高層溶融炉においては、棚吊り現象の解消や排気ガスのタール量低減等の課題があり、また、低層溶融炉においては、二次廃棄物となる飛灰量の低減という課題がある。
本発明は竪型廃棄物ガス化溶融炉において、これらの課題を同時に解決する炉体形状、構成、及び操業方法を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の解決しようとする課題は以上の如くであり、次にこの課題を解決するための手段を説明する。
【００１１】
即ち、請求項１においては、炉体内に廃棄物を投入して、該廃棄物をガス化し、残渣を溶融スラグ化して排出する廃棄物のガス化溶融炉において、廃棄物層の上面が臨む炉体の断面積より、炉内フリーボードのガス流路の最狭部面積を大きくする、廃棄物のガス化溶融炉である。
【００１２】
請求項２においては、炉体内に廃棄物を投入して、該廃棄物をガス化し、残渣を溶融スラグ化して排出する廃棄物のガス化溶融炉において、炉内フリーボードのガス流路面積が最小となる位置に、廃棄物の炉内への投入口を設ける、廃棄物のガス化溶融炉である。
【００１３】
請求項３においては、炉体内に廃棄物を投入して、該廃棄物をガス化し、残渣を溶融スラグ化して排出する廃棄物のガス化溶融炉において、フリーボードにおいて、廃棄物の炉内への投入口の上下方向位置と、ガス排出口の上下方向位置との間に、ガス部分燃焼用気体を吹き込む部分燃焼用羽口を設け、該部分燃焼用羽口より炉内周方向の角度を有して気体を吹き込む、廃棄物のガス化溶融炉である。
【００１４】
請求項４においては、炉体内に廃棄物を投入して、該廃棄物をガス化し、残渣を溶融スラグ化して排出する廃棄物のガス化溶融炉の操業方法であって、炉内フリーボード部において、廃棄物の炉内への投入口の上下方向位置と、ガス排出口の上下方向位置との間に、旋回流を形成させる、廃棄物のガス化溶融炉の操業方法である。
【発明の効果】
【００１５】
本発明の効果として、以下に示すような効果を奏する。
【００１６】
請求項１においては、フリーボードでの上昇気流の速度を抑制することができ、これにより飛灰量の低減を図ることができる。
【００１７】
請求項２においては、フリーボードでの上昇気流の速度を抑制することができ、これにより飛灰量の低減を図ることができる。
【００１８】
請求項３においては、フリーボードに旋回流を発生させることができ、発生したガスが上昇しようとする空筒速度が抑制され、飛灰量の低減を図ることができる。さらに、この旋回流によって、フリーボードでのガス滞留時間を少しでも長くして、ガス排出口から排出される排出ガスに含有される飛灰量の低減を図ることができる。
【００１９】
請求項４においては、フリーボードの旋回流にて、発生したガスが上昇しようとする空筒速度が抑制され、飛灰量の低減を図ることができる。さらに、この旋回流によって、フリーボードでのガス滞留時間を少しでも長くして、ガス排出口から排出される排出ガスに含有される飛灰量の低減を図ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
次に、発明の実施の形態を説明する。
図１は本発明の一実施例に係る縦型溶融炉の構成を示した断面図、図２は廃棄物堆積高さと廃棄物層最大径の関係を示す図、図３はガス流路最狭部断面積と廃棄物有効面積と投入口との関係を示す図である。図４は従来の竪型溶融炉と、本発明に係る竪型溶融炉との対比結果の一例を示す図である。
【００２１】
図１に示す如く、本実施例に係る廃棄物をガス化する溶融炉１０は、下方から炉底部１５とガス化部１６とフリーボード部１７とが連結されて竪型の炉体１３が構成され、該炉体１３に一つの連通する内部空間としての炉が形成されている。
【００２２】
炉体１３の内部には、堆積物により炉底から、溶融した廃棄物により形成される溶融スラグ層２５、主にコークス等の固形炭素とほぼ溶融した廃棄物とにより形成されるコークス層２０、主にコークス層２０の上部に堆積した廃棄物により形成される層である廃棄物層１９の、各層が形成されている。溶融スラグ層２５は炉底部１５に保持され、コークス層２０は炉底部１５及びガス化部１６に保持され、廃棄物層１９はガス化部１６に保持されている。
【００２３】
前記炉体１３の炉底部１５には、鉢状に炉の底部が形成されており、炉底に投入されるコークス等の固形炭素を加熱するための加熱手段（図示せず）が備えられている。また、炉底部１５には、炉体１３の底部と外部とを連通する残渣取出口１８が形成されている。
【００２４】
前記ガス化部１６は、炉底部１５の上部に連結された筒状体であって、炉体１３の胴部を形成している。
ガス化部１６は、その上下方向中途部において、その水平方向断面積が下方に向けて徐々に小さくなる径移行部１６ａが設けられており、廃棄物層１９が保持されるガス化部１６の上部に対して、炉底部１５に接続されコークス層２０が保持されるガス化部１６の下部のほうが、水平方向断面積が小さくなるように形成されている。
【００２５】
前記フリーボード部１７は、ガス化部１６の上部に連結され、炉体１３の頭部を形成している。
該フリーボード部１７の頂部には、水冷されている廃棄物投入筒１２が略鉛直方向に挿入されている。廃棄物投入筒１２は搬送投入装置１１接続され、また、該廃棄物投入筒１２の下端は炉内に廃棄物を投入する投入口１２ａが形成されている。該投入口１２ａは、フリーボードＦに位置して、ガス化部１６内に位置する廃棄物層１９と離間されている。
また、前記フリーボード部１７の上部には、排出ガスを溶融炉１０より排出するガス排出口１４が形成されている。ガス排出口１４は図示せぬ二次燃焼炉にダクトを介して接続されている。
【００２６】
フリーボード部１７は、ガス化部１６と連結されたその下部から上部に向かって水平方向断面積が徐々に増大する径移行部１７ａが形成されており、ガス排出口１４と投入口１２ａとの間に、フリーボード部１７の水平方向断面積が最大となる部分、すなわち、ガス流路面積が最大となる部分が形成されている。前記炉体１３において、フリーボード部１７では、ガス化部１６と比較して、ガスの流路が大きくなるように形成されている。
【００２７】
前記炉体１３の炉壁には、上下方向に複数段の羽口が設けられており、各段において複数の羽口が放射状に備えられている。
【００２８】
最も下方に位置する下段羽口２４は、ガス化部１６の下部において、コークス層２０に気体を吹き込むために設けられている羽口であり、各下段羽口２４は炉の略中央部であって幾分下方へ向かって気体を噴出するように角度が付けられている。下段羽口２４からは、気体として、酸素と空気とが吹き込まれ、コークスの燃焼が促されると共に、不燃分を溶融するために十分な温度が保持される。
【００２９】
前記下段羽口２４の上方に位置する下から二段目の羽口である上段羽口２３と、該上段羽口２３の上方に位置する上段羽口２２は、廃棄物層１９に気体を吹き込むために設けられている羽口であり、各上段羽口２２・２３は炉の水平断面略中央部へ気体を噴出するように配置されている。前記上段羽口２２・２３からは、気体として、空気が吹き込まれ、これにより廃棄物層１９は絶えず攪拌され、廃棄物の一部が燃焼する。
【００３０】
そして、フリーボード部１７の炉壁には、投入口１２ａとガス排出口１４との上下方向の間において、フリーボードＦに気体としての部分燃焼用空気を吹き込むための、少なくとも一段の羽口（上部羽口２１）が備えられている。上部羽口２１より吹き込まれた部分燃焼用空気によって、フリーボードＦは高温の還元雰囲気となり、ダイオキシンの発生を抑制するとともにタールが分解される。
【００３１】
また、上部羽口２１から吹き込まれた気体により、フリーボードＦに上昇方向の気流だけでなく略水平方向の気流を形成することにより、旋回流の形成が促されている。
この旋回流により、フリーボードＦの下方に位置するガス化部１６において、発生したガスが上昇しようとする空筒速度が抑制され（例えば、１ｍ／ｓ以下程度）、飛灰量の低減が図られている。さらに、この旋回流によって、フリーボードＦでのガス滞留時間を少しでも長くして、ガス排出口１４から排出される排出ガスに含有される飛灰量の低減が図られている。
【００３２】
また、上部羽口２１は、廃棄物投入筒１２の下端である投入口１２ａよりも上方であって、ガス排出口１４よりも下方に位置し、上部羽口２１からの送風により、投入口１２ａから投入される廃棄物が影響を受けないようにするとともに、気体の流れを安定させることによって、偏流の防止が図られている。
【００３３】
なお、上部羽口２１は、廃棄物投入筒１２の水平断面略中央部へ向けて送風するように設置することもできるが、例えば、約３０度の傾きを設ける等して、やや炉壁周方向に気体を吹き出すように上部羽口２１の方向を調整して、より効果的にフリーボードＦに旋回流を形成させることが望ましい。
また、上部羽口２１よりやや上方に向けて気体を吹き出すように上部羽口２１の方向をやや仰角に調整して、気流の流れを安定させることで、さらなる飛灰量の低減を図ることができる。
【００３４】
上述の溶融炉１０において、搬送投入装置１１及び廃棄物投入筒１２を通じて投入口１２ａより炉体１３内部へ投入される廃棄物は、水分・可燃分・不燃分から構成されるが、水分・揮発分は炉下部のコークス層２０で発生した高温ガスによりガス化され、上部のフリーボードＦでガス改質される。
不燃分はコークス層２０で、下段羽口２４からの酸素富化空気により同伴する固定炭素とコークスを熱源として高温燃焼・溶融され、スラグ・メタルとして残渣取出口１８より炉外に排出される。金属酸化物の多くはコークスによって還元される。沸点の高い鉄や銅は溶融メタルとなり、再利用できる。沸点の低い有害な鉛や亜鉛はガス化し、飛灰として回収して無害化処理することができる。
【００３５】
前記炉体１３において、図２に示す如く、廃棄物層１９の上下方向堆積高さを廃棄物堆積高さＨ、廃棄物層１９の上面が臨む炉体１３の内径を廃棄物層最大径Ｒとすると、廃棄物堆積高さＨが廃棄物層最大径Ｒより小さくなるように（廃棄物堆積高さＨ≦廃棄物層最大径Ｒ）、廃棄物層１９の高さ、すなわち廃棄物の投入量を決定している。
これは、廃棄物層１９を通過するガスの流通抵抗を小さくし、廃棄物層１９を通過するガスの温度を比較的高温に保持して、棚吊り現象の発生を抑制するためである。
また、フリーボードＦ及びガス排出口１４の温度は、廃棄物層１９を通過するガスの温度が比較的高温（８００〜１０００℃程度）に保持されるため、ガス排出口１４から排出される排出ガス中のタール含有量の低減、また、ダイオキシン等有害物質の排出の抑制が図られている。
【００３６】
また、図３に示す如く、前記フリーボード部１７では、廃棄物投入筒１２とフリーボード部１７の内壁との間に形成されるガス流路が最も狭くなる部分の断面積（ガス流路最狭部断面積Ｄ１）が、廃棄物層１９の上面が臨む炉体１３の断面積（廃棄物層実効面積Ｄ２）より大きくなるように（ガス流路最狭部断面積Ｄ１＞廃棄物層実効面積Ｄ２）、設計されている。
また、廃棄物投入筒１２とフリーボード部１７の内壁との間に形成されるガス流路の面積が、最小となる位置、すなわち、ガス流路最狭部断面積Ｄ１を形成する断面積上に、廃棄物投入筒１２の下端である投入口１２ａが配置されている。
【００３７】
これにより、フリーボードＦにおいて、ガス化部１６において発生したガスの上方への抜け道の面積が、廃棄物層１９の上面が臨む炉体１３の断面積（すなわち、ガスの発生面積）よりも大きくなることから、ガス化部１６及びフリーボードＦでの上昇気流の速度を抑制することができ、これにより飛灰量の低減が図られている。
【００３８】
図４では、従来の竪型溶融炉と、本発明に係る竪型溶融炉との対比結果の一例を示している。
【００３９】
従来の竪型溶融炉は、ガス化部１６の最大径は１１７０ｍｍであり、フリーボード部１７の最大径は１８００mmであり、廃棄物堆積高さＨは３００〜８００ｍｍであり、廃棄物層１９上面から投入口１２ａまでの距離は１５００〜２０００ｍｍである。
一方、本発明に係る竪型溶融炉では、ガス化部１６の最大径は１１７０ｍｍであり、フリーボード部１７の最大径は２２７０ｍｍであり、廃棄物堆積高さＨは３００〜８００ｍｍであり、廃棄物層１９上面から投入口１２ａまでの距離は１２００〜１７００ｍｍである。
【００４０】
上記場合において、ガス排出口１４から排出されたスラグと飛灰との重量比は、従来の竪型溶融炉でスラグ：灰＝７８：２２、本発明に係る竪型溶融炉でスラグ：灰＝９３：７であった。これより、本発明に係る竪型溶融炉では飛灰量が大幅に低減されていることが分かる。
また、ガス排出口１４に備えた熱電対Ｓ１とフリーボード部１７頂部に備えた熱電対Ｓ２との温度差（＝Ｓ１−Ｓ２）を比較すると、従来の竪型溶融炉で１５０〜２００℃、本発明に係る竪型溶融炉で３０〜５０℃であった。これより、本発明に係る竪型溶融炉では、炉内のガスの流れが均一で処理が安定していることが分かる。
さらに、ガス化部１６での空筒速度を比較すると、従来の竪型溶融炉で約１．５ｍ／ｓ、本発明に係る竪型溶融炉で約０．８ｍ／ｓであった。これより、本発明に係る竪型溶融炉ではガスの上昇気流が低減されて飛灰が抑制されていることが分かる。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】本発明の一実施例に係る縦型溶融炉の構成を示した断面図。
【図２】廃棄物堆積高さと廃棄物層最大径の関係を示す図。
【図３】ガス流路最狭部断面積と廃棄物有効面積と投入口との関係を示す図。
【図４】従来の竪型溶融炉と、本発明に係る竪型溶融炉との対比結果の一例を示す図。
【符号の説明】
【００４２】
１０  廃棄物溶融炉
１１  搬送投入装置
１２  廃棄物投入筒
１２ａ  投入口
１３  炉体
１４  ガス排出口
１５  炉底部
１６  ガス化部
１７  フリーボード部
２１  上部羽口
Ｆ  フリーボード
【図１】
2005308238.tif 000003
【図２】
2005308238.tif 000004
【図３】
2005308238.tif 000005
【図４】
2005308238.tif 000006