(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
改質ガスを後工程のガス利用設備で利用できるように補助燃料を溶融炉内に投入する廃棄物処理方法であって、前記改質ガスの水素濃度を測定し、あらかじめ求めておいた平均的な廃棄物の性質における改質ガスのカロリーと水素濃度の相関からガスカロリーを推定し、該推定カロリー値が一定値以上になるように補助燃料を炉内の堆積層下部から投入することを特徴とする廃棄物処理方法。
【請求項２】
前記改質ガスの水素濃度が低下した時に補助燃料を増加させるとともに前記溶融炉への酸素供給量を減らし、改質ガスのカロリーの減少を補うことを特徴とする請求項１記載の廃棄物処理方法。
【請求項３】
ガス化溶融炉およびガス処理装置を連設してなる廃棄物処理装置において、ガス化溶融炉の出側ガス中の水素濃度を測定するセンサと、ガス化溶融炉内の堆積層下部に補助燃料を供給する供給装置および酸素供給装置とを設け、前記センサの測定値に応じて出側ガスのカロリーを推定し、推定カロリーが一定値以上になるように、補助燃料供給量及び酸素供給量を制御する制御装置を設けたことを特徴とする廃棄物処理装置。
【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方法及び装置に関し、さらに詳しくは一般廃棄物または産業廃棄物をガス化溶融炉でガス化、改質して得られる改質ガスを有効利用するに際して、改質ガスのカロリーを所望の値まで安定的に向上させる方法及び装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
廃棄物のガス化溶融技術はダイオキシンなどの有毒物を分解する可能性が高いこと及び灰溶融を別に設置する必要がないことなどから、急速に実用化が進められている（例えば特開平８−２５９９６２号公報など）。その中でガス改質型のガス化溶融炉においては、酸素を吹込みガス化したのち高温で改質される。従ってガス化溶融炉出側のガスは水素と一酸化炭素などにまで分解、改質されており、化学的にも、エネルギー的にも利用価値が注目されている。特にガスエンジンによる発電に対しては発電効率もよいという特質がある。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、廃棄物の種類及び処理量によっては、ガス化溶融炉で得られる改質ガスのカロリーが低く、あるいはカロリー変動が大きく、そのままではガスエンジンでは使用できないケースもでている。改質ガスのカロリーが低くなる原因は主に２つある。１つは廃棄物自身のカロリーが低いこと、２つ目には廃棄物処理量とガス化溶融炉への酸素供給量の操業上のアンバランスがあることである。
【０００４】
本発明はガス化溶融炉で得られる改質ガスのカロリーが低い場合、ガスエンジン等で利用できるようにカロリーを上げ、かつガスの質も安定させる効果的な方法及びその装置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】
本発明は、改質ガスを後工程のガス利用設備で利用できるように補助燃料を溶融炉内に投入する廃棄物処理方法であって、前記改質ガスの水素濃度を測定し、あらかじめ求めておいた平均的な廃棄物の性質における改質ガスのカロリーと水素濃度の相関からガスカロリーを推定し、該推定カロリー値が一定値以上になるように補助燃料を堆積層下部から投入することを特徴とする廃棄物処理方法である。水素濃度計を用いることにより、改質ガスのカロリーをタイムリーに推定し、これにより必要に応じて補助燃料（ＬＰＧ等のカロリー源）を投入し、改質ガスを利用可能なレベルに向上させる。
【０００６】
改質ガスのカロリーを調整するためにＬＰＧなどの補助燃料を投入するとき、その投入位置を補助燃料自身が改質されることが可能な改質工程前の炉内の堆積層下部とすることにより、改質ガスの水素濃度をガス化溶融炉出側で測定することによるガス改質が合理的である。また上記発明において、改質ガスの水素濃度を監視して水素濃度が低下した時に補助燃料を増加するとともに、ガス化溶融炉への酸素供給量を減らすことにより改質ガスのカロリー減少を補うこととすればエネルギー経済的に最も好適である。
【０００７】
上記方法を好適に実施することができる本発明の装置は、ガス化溶融炉およびガス処理装置を連設してなる廃棄物処理装置において、ガス化溶融炉の出側ガス中の水素濃度を測定するセンサと、ガス化溶融炉内の堆積層下部に補助燃料を供給する供給装置および酸素供給装置とを設け、前記センサの測定値に応じて出口ガスのカロリーを推定し、推定カロリーが一定値以上になるように、補助燃料供給量及び酸素供給量を制御する制御装置を設けたことを特徴とする廃棄物処理装置である。
【０００８】
【発明の実施の形態】
本発明が適用される廃棄物の処理装置の１例を図１に示した。まず、その全体システムについて説明する。廃棄物１０はクレーン等によりホッパ１１に投入され、プレス１２で最初の容積の約５分の１に圧縮され、熱分解炉１３に押し込まれる。廃棄物は熱分解炉１３内で約６００℃に加熱されて熱分解する。ここで熱分解ガスを発生すると共に熱分解炭素、無機鉱物質、金属等から成る乾留物を生じ、高温反応炉２１に送られてその底部２２に堆積する。この堆積層２３は通気性があり、高さは一定に保持される。この堆積層２３に補助燃料供給口２５を配置し、また酸素供給口２４から酸素を供給する。この例において本発明のガス化溶融炉は熱分解炉１３、高温反応炉２１および均質化炉２７から成る。
【０００９】
堆積層２３では温度１６００℃〜２０００℃で
Ｃ＋Ｏ2⇔ＣＯ2＋△Ｑ1
Ｃ＋ＣＯ2⇔２ＣＯ＋△Ｑ2
Ｃ＋Ｈ2Ｏ⇔ＣＯ＋Ｈ2−△Ｑ3
ＣｎＨｍ＋ｎＨ2Ｏ⇔ｎＣＯ＋（ｎ−１／２ｍ）Ｈ2−△Ｑ4
など可逆反応を生じ、熱分解ガスが上部反応炉２６に上昇し、金属や無機質の成分は溶融して下方の均質化炉２７に送られる。これらは均質化炉２７の排出口２８から最終的にメタル、スラグなどとして回収される。
【００１０】
上部反応炉２６内では発生ガスは酸素により部分燃焼される。ダイオキシン等を発生することなくＨ2、ＣＯ、ＣＯ2、Ｈ2Ｏ（水蒸気）を主成分とするガスに改質される。この改質ガスは高温反応炉２１からガス排出路２９を経て排出された後、冷却装置３１で冷却され、その後図示省略したガス精製装置等でその他の不純物を除去した後、精製ガスとして排出される。この例において本発明のガス処理装置は冷却装置３１以降の装置（ガス精製装置等を含む）である。
【００１１】
前記改質（精製）ガスを用いてガスエンジンで発電を行う場合、発電に使用することができるガスのカロリーには下限がある。現状の技術レベルでは最低が１０００ｋｃａｌ／ｍ3前後である。一方、改質ガスのカロリーは廃棄物の特質及び反応温度（改質温度）維持のためのガス化溶融炉への酸素供給量等に影響される。ガス化溶融炉の場合、完全に熱分解・改質がなされると廃棄物中の可燃分の炭素（Ｃ）はＣＯ、ＣＯ2に、水素（Ｈ）は、Ｈ2またはＨ2Ｏというレベルにまで分解される。このうちＣＯ、Ｈ2、ＣＯ2濃度によって改質ガスのカロリーが決定される。ガス化溶融炉では１０００℃以上という高温状態を作るため、補助燃料を用いたり、酸素を炉内に供給して熱分解ガスと反応させ、その燃焼熱を利用している。この熱バランスを維持するために使用したものを含め、反応炉内のＣ，Ｈ，Ｏの比率が決まれば、下記のシフト反応式が温度の関数として成り立つ。
【００１２】
【数１】
0003982291.tif 000002
【００１３】
である。上式から明らかなように一定の温度のもとで廃棄物の組成がほぼ固定されていれば、温度を上げるために必要な補助燃料及び酸素供給量も固定することができ、上記式に基づき、一定の水素濃度、一酸化炭素濃度の改質ガスが得られることになり、カロリーも安定する。
【００１４】
ところで、例えば水分が多い低カロリーの廃棄物の場合、炉内温度をガス改質ができる一定温度以上に上げようとする場合、自己の持つエネルギーを利用しようとすれば、水分の少ない廃棄物よりも多くの酸素を供給し、炭素または水素の燃焼熱を利用しなければならない。その結果排出される改質ガスのカロリーは低いものとなり、場合によってはガスエンジン等で利用できないレベルとなる。
【００１５】
このような場合、ガス化溶融炉出側の改質ガスをカロリー計で連続測定すればその情報を得ることができ、補助燃料等により利用できるレベルまでカロリーを上げることは可能になる。しかしながら、カロリーを算出するのに必要な全ての成分を分析するのは装置的にも高価である上、反応炉出口のまだダスト分の残っている場所でのタイムリーな測定を行おうとすれば、メンテナンスにも大きな負担がかかる。
【００１６】
この問題を解決する手段として、本発明では水素濃度計を用いることにより、改質ガスのカロリーを推定する新規な手段を用いることとした。例えば廃棄物中のＣ，Ｈ，Ｏの比率がほぼ一定であると考えた場合、前述のシフト反応式で示すように、酸素や補助燃料を用いて一定温度に昇温しガス改質を行った場合、ＣＯ，ＣＯ2，Ｈ2，Ｈ2Ｏの濃度は一定となる。あらかじめ平均的な廃棄物の性質における改質ガスのカロリーと水素濃度との相関を求めておけば、水素濃度を知ることのみで改質ガスのカロリーを精度よく推定することができる。カロリーの低い廃棄物が処理された場合の水素濃度は概して低下するため、水素濃度が一定値以上になるように補助燃料の投入量等を制御すれば、改質ガスのカロリーをタイムリーに一定値以上となるように制御することが可能になる。
【００１７】
ところで改質ガスのカロリー変動の原因として、廃棄物の性質の影響のほかにもいくつかの要因が考えられる。その中の１つに廃棄物の熱分解量すなわち熱分解ガス発生量と酸素（空気）を用いた熱分解ガスの部分燃焼量とのバランスがある。例えば、廃棄物の炉内装入がタイムリーに行われず熱分解ガスの生成が少ない場合など、炉温を維持するために一部燃焼させる熱分解ガスの比率が大きくなり、結果としてカロリーが低下する。このような場合にも前述のシフト反応式が示すように、水素濃度も低下するため、水素濃度を指標として補助燃料の装入等のカロリー対策をとることができる。
【００１８】
次に、水素濃度と同様にＣＯ濃度を測定することでもカロリーの推定がつくかどうか検討する。実際の処理においては廃棄物の燃焼と酸素の供給量の比率が変化し、ガス改質温度が変化することがある。前述のシフト反応式が示すように水素濃度項は分子にあるのに対しＣＯ濃度項は分母にあり、一方反応定数Ｋは温度の関数で温度が上昇すると小さくなる。このことから、例えば酸素供給量が過剰になって燃焼反応が進みガス温度が上昇すると、Ｈ2濃度は改質ガスのカロリーが減少するのと同様に減少するが、ＣＯ濃度は温度上昇との関係で変化が小さくなり、また一概に減少するとはいえない。このためＣＯ濃度を改質ガスカロリーの指標とすることは不適当である。
【００１９】
以上のように水素濃度を指標にすればカロリー計を設置することなく、安価に改質ガスのカロリーを推定することができ、また補助燃料等を用いて、改質ガスのカロリーを一定値以上に制御することも可能になる。
【００２０】
次に、図２を参照して本発明の装置について説明する。廃棄物１０はガス化溶融炉５０に送られ、ここで熱分解工程５１、ガス改質工程５２にて反応し改質ガスに改質される。改質されたガスはガス処理装置５３で処理される。ガス処理装置５３はガス冷却装置５４とガス精製装置５５とから成り、精製されたガスをガス利用設備５６に送る。ガス冷却装置５４の後流に設けられたセンサ４１はガス化溶融炉５０の出側ガス中の水素濃度を測定する。ここで水素濃度の測定位置は、ガス化溶融炉出側であればよいが、図２に示すように、改質ガスが冷却された後とすることが好ましい。センサ４１の測定値は演算制御装置４２に入力され、演算制御装置４２は測定値からガスのカロリーを推定し、これを設定値と比較し、この比較に基いて補助燃料供給量及び酸素供給量を演算する。この演算値に従って、補助燃料供給装置４３、酸素供給装置４４を制御する。このようにして改質ガスのカロリーが一定値以上となるようにする。
【００２１】
さらにＬＰＧやＬＮＧ等の補助燃料を用いることにより改質ガスのカロリーを一定値以上に制御して、ガスエンジンで発電利用する場合、補助燃料の投入場所は補助燃料自身が改質されることが可能な改質工程５２前の炉内とすることが好ましい。これはガス利用設備５０（例えばガスエンジン）の燃焼特性に関わるものであるが、Ｈ2やＣＯなど低分子化された改質ガスを利用する目的で設定された空気比において、プロパンやブタン等の分子量の大きい炭化水素などを用いると燃焼バランスが崩れ安定した運転が難しくなるためである。このような補助燃料を改質工程前に投入することにより、炉出口ではほとんどがＣＯ、Ｈ2等の低分子となりガスエンジンに支障なく利用できるようになる。
【００２２】
図１にもセンサ４１、演算制御装置４２、補助燃料供給装置４３、酸素供給装置４４を併せて示した。図１の例においては、ガス改質工程前の高温反応炉２１の底部２２の堆積層２３へ酸素及び補助燃料を供給することが好ましい。
【００２３】
【発明の効果】
本発明によれば、下記の優れた効果が得られる。
（１）改質ガスのカロリーの指標として水素濃度計を用いることにより、設備費を低く抑えることができるとともに維持管理もカロリー計に比べ容易になる。
（２）水素濃度計により改質ガスのカロリーを推定し、タイムリーに補助燃料の投入等を制御することにより、改質ガスのカロリーをガスエンジン等で利用できるレベル以上に安定して維持することが可能になる。
（３）廃棄物の投入量の減少や、酸素の過剰供給などにより炉内のＯ2バランスが狂ったときでも、Ｈ2濃度の監視により適切な対応ができる。
（４）補助燃料の投入場所をガス改質工程前の炉内にすることにより、補助燃料自身も改質され、ガスエンジンで使用する場合など空気比等の調整をすることなく容易に利用できるようになる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例の廃棄物の処理装置及びその制御系統を示す説明図である。
【図２】本発明の廃棄物の処理装置及びその制御系統を示す説明図である。
【符号の説明】
１０    廃棄物
１１    ホッパ
１２    プレス
１３    熱分解炉
２１    高温反応炉
２２    底部
２３    堆積層
２４    酸素供給口
２５    補助燃料供給口
２６    上部反応炉
２７    均質化炉
２８    排出口
２９    ガス排出路
３１    冷却装置
４１    センサ
４２    演算制御装置
４３    補助燃料供給装置
４４    酸素供給装置
５０    ガス化溶融炉
５１    熱分解工程
５２    ガス改質工程
５３    ガス処理装置
５４    ガス冷却装置
５５    ガス精製装置
５６    ガス利用設備
【図１】
0003982291.tif 000003
【図２】
0003982291.tif 000004