(57)【要約】【課題】竪型の廃棄物ガス化溶融炉における石炭コークスの使用量を低減して二酸化炭素排出量を削減すると共に、溶融炉の運転費を低減できる廃棄物のガス化溶融方法を提供することを課題とする。【解決手段】シャフト炉式廃棄物溶融炉に廃棄物を投入し廃棄物を熱分解、燃焼、溶融する廃棄物溶融処理方法において、石炭コークスとバイオマス成形物を投入し、該溶融炉の下部に石炭コークスで高温火格子を形成し、石炭コークスとバイオマス成形物を燃焼して溶融熱源とする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
シャフト炉式廃棄物溶融炉に廃棄物を投入し廃棄物を熱分解、燃焼、溶融する廃棄物溶融処理方法において、石炭コークスとバイオマス成形物を投入し、該溶融炉の下部に石炭コークスで高温火格子を形成し、石炭コークスとバイオマス成形物を燃焼して溶融熱源とすることを特徴とする廃棄物のガス化溶融処理方法。
【請求項２】
石炭コークスの炉内への投入量は、高温火格子を形成することに必要な量とし、溶融熱源として必要な熱量をバイオマス成形物により補うこととする請求項１に記載の廃棄物のガス化溶融処理方法。
【請求項３】
石炭コークスの炉内への投入量は、処理される廃棄物１ｔあたり２０ｋｇ以上３０ｋｇ未満であることとする請求項１または請求項２に記載の廃棄物のガス化溶融処理方法。
【請求項４】
バイオマス成形物の炉内への投入量は、処理される廃棄物１ｔあたりバイオマス成形物の固定炭素量が５ｋｇ以上３０ｋｇ未満に相当する量であることとする請求項１乃至３のいずれかに記載の廃棄物のガス化溶融処理方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、廃棄物をシャフト炉式溶融炉内で熱分解、燃焼し、溶融する廃棄物溶融処理方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
都市ごみやシュレッダーダストなどの廃棄物を処理する技術として、廃棄物を熱分解、燃焼して、熱分解残渣を溶融しスラグにして排出する廃棄物溶融処理が知られている。
【０００３】
この処理方法は、廃棄物を熱分解してガス化することによりその燃焼熱を回収することができるとともに、残渣を溶融してスラグとして排出した後に、埋立処分などで最終処分されるべき量を減容することができる利点を有している。このような溶融処理方法には幾つかの方式があるが、その一つとして、竪型をなすシャフト炉式廃棄物溶融炉による方法がある。
【０００４】
このシャフト炉式廃棄物溶融炉は、例えば、炉下部に堆積させたコークスを燃焼させ、この高温のコークス上へ廃棄物を投入して、熱分解及び部分酸化させてガス化するとともに残渣を溶融してスラグにする処理を行なう炉である（特許文献１参照）。
【０００５】
特許文献１のシャフト炉式廃棄物溶融炉においては、竪型筒状をなす炉体の機能が大別して縦（上下）方向で３つの領域に区分される。すなわち、炉下部にコークスを堆積させたコークス床を有する高温燃焼帯が形成され、この高温燃焼帯の上に廃棄物層が形成され、炉体の上部にて該廃棄物層の上方に大きな空間のフリーボード部をなしている。
【０００６】
かかる溶融炉では、上記３つの領域のそれぞれでは酸素含有ガスの炉内への吹込みが行われる。炉下部における高温燃焼帯には主羽口が設けられていて、投入されて堆積されたコークス床のコークスを燃焼させて、廃棄物の熱分解残渣を溶融する溶融熱源を得るために酸素富化空気が吹き込まれる。また、廃棄物層には副羽口が設けられ、投入されて堆積された廃棄物を緩やかに流動させると共に、廃棄物を熱分解及び部分酸化させるために空気が吹き込まれる。また、フリーボード部には三段目羽口が設けられ、廃棄物が熱分解されて生成した熱分解ガス（可燃性ガス）の一部を部分燃焼させて内部を所定温度に維持するために空気が吹き込まれる。
【０００７】
このようにシャフト炉式廃棄物溶融炉は、一つの炉で、廃棄物をその炉内での降下に伴い熱分解ガス化処理と溶融処理の両方を行うことのできる設備である。投入された廃棄物は熱分解され、ガスと残渣が生成する。主羽口からの酸素富化空気の送風によりコークス床のコークスが燃焼され高温燃焼帯が形成され、廃棄物の熱分解残渣が溶融されスラグとメタルとして排出される。高温燃焼帯のコークス燃焼により発生した高温ガスが高温燃焼帯の上に形成された廃棄物層の廃棄物を加熱し、副羽口からの空気の送風により廃棄物は熱分解され、この熱分解により発生した可燃性ガスを含むガスは廃棄物層内を上昇し、フリーボード部を経て、炉内上部に設けられた排出煙道より、炉外の二次燃焼室へ排出される。ガスは可燃ガスを多量に含んでいて二次燃焼室で燃焼され、ボイラで熱回収され蒸気を発生させその蒸気が発電等に用いられる。ボイラから排出されガスは、サイクロンで比較的粗いダストが除去され、さらに、減温装置で冷却され、有害物質除去剤との反応により有害ガスが除去され、集塵機で除塵処理されるなど排ガス処理された後、煙突から大気に放散される。
【０００８】
かかる廃棄物溶融炉では、炉底部にコークスを堆積させたコークス床が形成され、コークスが燃焼して熱分解残渣の溶融熱源となっているが、近年、化石燃料に由来するコークスの使用量を低減して二酸化炭素排出量を削減すると共に廃棄物溶融炉の運転費を低減することが要望されている。コークスの代替として建築廃材のおがくずを加熱圧縮成形し炭化した炭化物や木炭などの塊状バイオマスやバイオマスを加圧成形したブリケットなどのバイオマス固形物を利用してコークス使用量を削減する廃棄物溶融方法が提案されている。（特許文献２，３参照）
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開平０９−０６０８３０
【特許文献２】特開２００５−２４９３１０
【特許文献３】特開２００５−２７４１２２
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
二酸化炭素排出量を削減すると共に廃棄物溶融炉の運転費を低減するため、廃棄物溶融炉におけるコークスの使用量を低減するべく、特許文献２、３のようにコークスの代替として塊状バイオマスやバイオマス固形物を利用するとしても、以下に示す問題がある。すなわち、コークスは炉下部でコークス床の高温燃焼帯を形成し、溶融熱源としての役割を有するほか、主羽口からの酸素富化空気、発生した燃焼ガスの上昇通気を確保するとともに、溶融スラグの円滑な排出のため溶融スラグの降下通液を確保するという高温火格子の役割をも有している。このため、かかるシャフト炉式廃棄物溶融炉に使用されるコークスとしては、例えば製鉄用コークスや鋳物用コークスに使用される緻密堅牢で高温強度が大きく、低反応性で塊状の石炭コークスが使用されている。この通気確保と通液確保の要求に応えるには、塊状バイオマスやバイオマス固化物で高温火格子を形成する必要があるが、高温火格子を形成することができる程度の高温強度と適切な形状を有する塊状バイオマスやバイオマス固形物はコークスに比べてさほど安価ではないため、廃棄物溶融炉の運転費を低減することができないという問題がある。また、塊状バイオマスやバイオマス固形物は、高温火格子の安定性がコークスに比べて劣り、溶融炉下部の温度低下や溶融スラグの排出不良が生じ、操業が不安定になるという問題がある。
【００１１】
本発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、廃棄物溶融炉における石炭コークスの使用量を低減して二酸化炭素排出量を削減すると共に、廃棄物溶融炉の運転費を低減することができ、安定した操業ができる廃棄物の溶融処理方法を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明に係る廃棄物の溶融処理方法では、シャフト炉式廃棄物溶融炉に廃棄物を投入し廃棄物を熱分解、燃焼、溶融する。
【００１３】
かかる廃棄物の溶融処理方法において、本発明では、石炭コークスとバイオマス成形物を投入し、該溶融炉の下部に石炭コークスで高温火格子を形成し、石炭コークスとバイオマス成形物を燃焼して溶融熱源とすることを特徴としている。
【００１４】
バイオマスはＦＡＯ（国際食料農業機関）によって分類されており、バイオマスとして、林地残材、間伐材、未利用樹、製材残材、建設廃材、稲わら、籾殻等の木質系バイオマス、さらに、製紙系バイオマス、農業残渣、家畜糞尿、食品廃棄物等の未利用バイオマス資源等を挙げることができる。本発明では、これらのバイオマスを原料とし、必要に応じバインダー添加、加圧及び加熱のうち少なくとも一つの処理を施し成形したものをバイオマス成形物と定義する。バイオマス成形物の原料の一部としてバイオマスの炭化物が含まれていることもある。
【００１５】
このような構成における本発明によると高温火格子を形成する石炭コークスは元来有しているその塊状形状により、コークス同士間に生ずる空隙で通気確保と通液確保とが確実に行われる高温火格子とする機能と、溶融するための熱源としての機能とをもつ。一方、バイオマス成形物は、その高温強度、形状・寸法に係りなく使用可能であり、石炭コークスの溶融熱量を補足する溶融熱源としての機能をもつ。したがって、石炭コークスは高温火格子を形成するに必要な最小限の量で足り、溶融熱源として不足する分は上記バイオマス成形物で補うことができ、両者で十分な溶融熱源を確保しつつ、最小の石炭コークスで高温火格子層の形成を可能とする。
【００１６】
仮に、バイオマス成形物だけで高温火格子を形成させようとすると、高い高温強度そして所定サイズ以上のバイオマス成形物が必要となるが、その価格は高い。また、高温火格子としての安定性も石炭コークスより劣る。一方、バイオマス成形物は、溶融熱の供給源、すなわち溶融熱源としての役目だけであれば、高い高温強度は必要とされないし、その大きさにも何ら制限はない。したがって、低価格のバイオマス成形物を使用することができ、廃棄物溶融炉の運転費を低減することができる。
【００１７】
このようにして、石炭コークスで高温火格子を形成すると、この石炭コークスとバイオマス成形物が主羽口からの燃焼用空気により燃焼してその燃焼ガスが高温火格子を良好に上昇通気して廃棄物を加熱して熱分解、燃焼そして溶融し、溶融物が良好に上記高温火格子を降下通液する。
【００１８】
本発明において、石炭コークスの炉内への投入量は、高温火格子を形成することに必要な量とし、溶融熱源として必要な熱量をバイオマス成形物により補うこととすることが好ましい。
【００１９】
本発明において、石炭コークスの炉内への投入量は、処理される廃棄物１ｔあたり２０ｋｇ以上３０ｋｇ未満であることが好ましい。
【００２０】
高温火格子を形成するために好ましい石炭コークスの投入量は、処理される廃棄物１ｔあたり２０ｋｇ以上３０ｋｇ未満であり、２０ｋｇ未満であると、適切な高さの高温火格子を形成することができず、安定した溶融処理が行われず、３０ｋｇ以上であると高温火格子を形成するために必要な投入量を大幅に超過してしまい、石炭コークスの使用量を低減する効果を十分には果たさなくなる。
【００２１】
本発明において、バイオマス成形物の炉内への投入量は、処理される廃棄物１ｔあたりバイオマス成形物の固定炭素量が５ｋｇ以上３０ｋｇ未満に相当する量であることが好ましい。固定炭素は可燃分のうち、揮発して容易に燃焼する成分以外の成分であり、主に炭素の集合体である。
【００２２】
バイオマス成形物の投入量は、５ｋｇ未満であると、溶融熱源として不足であり、また、石炭コークス使用量を低減させて二酸化炭素排出量を削減する効果がなく、石炭コークスのみを使用する場合と比較して二酸化炭素排出量の削減が１０％未満にしかならず、３０ｋｇ以上であると溶融熱源として必要な量を大幅に超過してしまい、バイオマス成形物を過剰に使用することになり無駄になる。
【発明の効果】
【００２３】
本発明は、以上のように、シャフト炉式溶融炉で廃棄物を溶融処理する際に、石炭コークスとバイオマス成形物とを投入することとしたので、炉内では石炭コークスにより高温火格子が形成されて、燃焼ガスの上昇通気、溶融物の降下通流が良好に保たれた状態で、高温火格子形成に必要な最小限の石炭コークスと、これを補うバイオマス成形物で溶融熱源を確保でき、石炭コークスの使用量を低減して二酸化炭素排出量を削減すると共に、廃棄物溶融炉の運転費を低減することができ、安定した操業ができる廃棄物の溶融処理方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】本発明の一実施形態装置の概要構成を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
以下、添付図面の図１にもとづき、本発明の実施形態を説明する。本実施形態では、シャフト炉式廃棄物ガス化溶融炉に、石炭コークスとバイオマス成形物を燃料として供給することを特徴としているが、これらの特徴についての説明に先立ち、このシャフト炉式廃棄物ガス化溶融炉の概要構成を説明する。
【００２６】
図１に示される本発明の一実施形態のシャフト炉式廃棄物ガス化溶融炉には、ガス化溶融炉１の炉上部に、処理対象物としての廃棄物、燃料としての石炭コークス及びバイオマス成形物、スラグの成分調整材としての石灰石を炉内へ投入するための投入口２が設けられ、また、上部側方には炉内のガスを炉外へ排出するためのガス排出口３が設けられている。また、ガス化溶融炉１の炉底部には溶融スラグと溶融金属を排出するための出滓口４が設けられている。
【００２７】
シャフト炉式廃棄物ガス化溶融炉は、そのガス化溶融炉１の内部空間が縦方向で３つの領域に大別されていて、下方から、炉下部に形成された下部シャフト部Ｉ、その上に位置する中部シャフト部II、上部に形成されたフリーボード部IIIを有する領域となっている。これらの各部Ｉ，II，IIIは、それぞれ次のような機能を有する領域となっている。すなわち、下部シャフト部Ｉは、堆積された石炭コークス及びバイオマス成形物を燃焼させて高温燃焼帯を形成する領域、中部シャフト部IIは、この高温燃焼帯上に投入された廃棄物の堆積により形成された廃棄物層の廃棄物を熱分解させる領域、フリーボード部IIIは、生成した可燃性ガスを部分燃焼させる領域である。
【００２８】
廃棄物ガス化溶融炉１の上方には、都市ごみ等の廃棄物、石炭コークス、バイオマス成形物、生成するスラグの成分調整材として使用する石灰石をそれぞれ供給する供給装置（図示せず）が配設されており、この供給装置から供給された廃棄物、石炭コークス及びバイオマス成形物、石灰石は搬送コンベア（図示せず）により搬送され炉上部の上記投入口２から炉内に投入される。
【００２９】
廃棄物ガス化溶融炉に形成された上記下部シャフト部Ｉ、中部シャフト部II、フリーボード部IIIの各部に対して、それぞれ酸素含有ガスを吹き込む羽口が炉壁に設けられている。すなわち、下部シャフト部Ｉには、堆積された石炭コークス及びバイオマス成形物を燃焼させて高温燃焼帯を形成し、熱分解残渣を溶融するための酸素富化空気を吹き込む主羽口５が設けられ、中部シャフト部IIには、投入されて堆積された廃棄物を部分燃焼させると共に廃棄物を緩やかに流動させながら熱分解、燃焼させるための空気を吹き込む副羽口６が設けられ、フリーボード部IIIには、廃棄物が熱分解して生成した可燃性ガスを部分燃焼させて内部を所定温度に維持するための空気を吹き込む三段羽口７が設けられている。
【００３０】
ガス排出口３に二次燃焼室１０が接続して設けられており、廃棄物を熱分解して生成した可燃性ガスを燃焼する。二次燃焼のための空気を吹き込む空気送風口１１が設けられている。また、この二次燃焼室１０には、該二次燃焼室１０で可燃性ガスを燃焼した燃焼ガスから熱回収するボイラ１２が隣接して設けられている。
【００３１】
このように構成される本実施形態装置では、廃棄物のガス化溶融処理は次の要領で行われる。
【００３２】
供給装置からの廃棄物、石炭コークス及びバイオマス成形物、石灰石がガス化溶融炉１の上部に設けられた投入口２を経て、それぞれ所定量ずつ炉内へ投入され、主羽口５、副羽口６、及び三段羽口７から、それぞれ酸素富化空気又は空気が炉内へ吹き込まれる。上記投入口から投入された廃棄物は、炉内で中部シャフト部IIに堆積して廃棄物層を形成し、下部シャフト部Ｉの高温燃焼帯から上昇してくる高温ガス及び副羽口から吹き込まれる空気によって乾燥され、次いで熱分解される。熱分解により生成した可燃性ガスは、フリーボード部IIIにて、三段羽口から吹き込まれる空気により燃焼して８５０℃以上の温度に保たれ、有害ガスとタール分を分解させる処理が施されてから炉外に設けられた二次燃焼室へ送られ、その燃焼ガスがボイラで熱回収される。中部シャフト部IIの廃棄物層で廃棄物が熱分解した残渣は下降し、石炭コークス及びバイオマス成形物が燃焼されている高温燃焼帯が形成されている下部シャフト部Ｉに達し、該下部シャフト部Ｉにて、残存する固定炭素が燃焼し、不燃物が溶融し溶融スラグと溶融金属になる。溶融スラグと溶融金属は出滓口４から排出され、炉外に設けられた水砕装置に供給され冷却固化され、冷却固化された水砕スラグと水砕金属が回収される。
【００３３】
廃棄物ガス化溶融炉に石炭コークスとバイオマス成形物を投入し、ガス化溶融炉の下部に石炭コークスで高温火格子を形成し、石炭コークスとバイオマス成形物を燃焼して、廃棄物の熱分解残渣（灰分）、不燃物を溶融する溶融熱源とする。石炭コークスの炉内への投入量は、高温火格子を形成することに必要な量とし、溶融熱源として必要な熱量をバイオマス成形物により補うこととし、それぞれ所定量を投入する。
【００３４】
このような廃棄物のガス化溶融処理過程において、燃料としての石炭コークスとバイオマス成形物のうち、少なくとも石炭コークスは炉内への投入当初から塊状をなしており、下部シャフト部Ｉの高温燃焼帯で、石炭コークス同士間での隙間により、高温火格子を形成する。この高温火格子の層は、その上面が主羽口５よりも上方に位置しており、主羽口５からの酸素富化空気または空気が上記隙間を上昇通気し、石炭コークスとバイオマス成形物の燃焼が良好に行われその十分なる燃焼ガスが廃棄物層へ到達する。一方、高温燃焼帯で廃棄物の不燃物や灰分が、石炭コークスとバイオマス成形物の燃焼による熱量により十分に溶融して、溶融スラグと溶融金属が生ずる。溶融スラグと溶融金属は、上記高温火格子の隙間を良好に降下通流し、出滓口４に達する。
【００３５】
このような廃棄物のガス化溶融処理方法によると、高温火格子を形成する石炭コークスは元来有しているその塊状形状により、コークス同士間に生ずる空隙で通気確保と通液確保とが確実に行われる高温火格子とする機能と、溶融するための熱源としての機能とをもつ。一方、バイオマス成形物は、その高温強度、形状・寸法に係りなく使用可能であり、石炭コークスの溶融熱量を補足する溶融熱源としての機能をもつ。したがって、石炭コークスは高温火格子を形成するに必要な最小限の量で足り、溶融熱源として不足する分は上記バイオマス成形物で補うことができ、両者で十分な溶融熱源を確保しつつ、最小の石炭コークスで高温火格子層の形成を可能とする。バイオマス成形物は、溶融熱の供給源、すなわち溶融熱源としての役目だけであれば、高い高温強度は必要とされないし、その大きさにも何ら制限はない。したがって、低価格のバイオマス成形物を使用することができ、廃棄物溶融炉の運転費を低減することができる。
【００３６】
このようにして、石炭コークスで高温火格子を形成すると、この高温火格子の石炭コークスと高温火格子に堆積したバイオマス成形物が主羽口からの燃焼用空気により燃焼してその燃焼ガスが高温火格子を良好に上昇通気して廃棄物を加熱して熱分解、燃焼そして溶融し、溶融物が良好に上記高温火格子を降下通液する。
【００３７】
このように、高温火格子では、燃焼ガスの上昇通気そして溶融スラグと溶融金属の降下通流を良好に維持しつつ、燃料としての石炭コークスとバイオマス成形物が燃焼される。その燃焼に際して、石炭コークスは高温火格子の形成に必要な量だけで良く、廃棄物のガス化溶融に必要な熱量として不足する分は、バイオマス成形物で補われる。
【００３８】
かくして、石炭コークスの使用量を極力抑制することができ、一方、バイオマス成形物に関しては、その高温強度、形状、寸法に係りなく投入することができ、低価格のバイオマス成形物でも燃料として使用することができるようになる。このようにして、石炭コークスの使用量を低減して二酸化炭素排出量を削減すると共に、廃棄物溶融炉の運転費を低減することができ、安定した操業ができる廃棄物の溶融処理ができる。
【００３９】
バイオマス成形物として、以下の性状のものが好ましい。
・形状は塊状が好ましい。粒状物を含む場合には大粒径のものを含むことが好ましい。小粒状物、粉状物を多く含むと高温火格子の空隙を塞ぎ、通気確保と通液確保とが損なわれ、また、溶融炉に投入時に飛散し炉下部にまで到達する割合が小さくなり、溶融熱源として十分機能できないため好ましくない。
・塊状の場合に寸法は長径が２００ｍｍ以下が好ましい。長径が２００ｍｍより大きいと、廃棄物溶融炉で通常用いられる装入装置を利用することが難しく、既設の廃棄物溶融炉の装入装置を変更する必要が生じたり、廃棄物溶融炉を新設する際には装入装置の価格が高くなり、経済的でない。
・塊状の場合に短径に対する長径の比が５以下が好ましい。短径に対する長径の比が５以上の細長い形状になると、装入系統において詰まりが生じたり、廃棄物溶融炉内において装入物の正常な降下を妨げるなどのトラブルが生じるため好ましくない。
・粒状の場合に粒径分布は粒径５ｍｍ以下の重量比率が３０重量％以下であることが好ましい。かつ、算術平均粒径が１０ｍｍ以上が好ましい。この粒径分布、算術平均粒径を充足しない場合には、高温火格子の空隙を塞ぎ通気確保と通液確保とが損なわれ、また溶融炉に投入する時に飛散し炉下部にまで到達しないものが多くなり、好ましくない。
・固定炭素比率は１０重量％以上が好ましい。固定炭素比率は日本工業規格ＪＩＳ−Ｍ８８１２に準拠して測定される。固定炭素比率が１０重量％より小さいと、廃棄物溶融炉の炉上部において揮発する割合が大きく、炉下部にまで到達する割合が小さくなり、溶融熱源として十分機能できないため好ましくない。
・見掛け密度は３００ｋｇ／ｍ３以上が好ましい。
・発熱量は低位発熱量として１０，０００ ｋＪ／ｋｇ以上であることが好ましい。固定炭素比率が高ければ、低位発熱量は一般ごみ並みでよい。
・強度は、バイオマス成形物には高温火格子の機能を必要としないため、冷間強度、熱間強度、高温反応後強度については定めない。輸送過程で粉々にならない程度の強度を有すればよい。
【符号の説明】
【００４０】
１  ガス化溶融炉
【図１】
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