(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
物質を燃焼処理又は溶融処理した炉から排出される高温ガスの煙道に、該高温ガスを下向きに流す鉛直な筒状の冷却室を連接して設け、該冷却室は、冷却室の天井に待機し、冷却室の内壁面に付着した付着物を掻き落とす昇降自在なスクレーパーと、該スクレーパーの待機位置の直下に開口した高温ガスの導入口と、掻き落とした付着物を回収室へ送る下部配管と、該冷却室の中段に設けた冷却液による冷却帯とを設けると共に、さらに、前記冷却帯の上方に隣接してニッケル合金からなる別の冷却帯を設けたことを特徴とする高温ガスの冷却装置。
【請求項２】
前記冷却液による冷却帯の内壁面を、炭素９５質量％以上の黒鉛質炭素材を表面に被覆した耐食性金属製の水冷ジャケットで形成したことを特徴とする請求項１記載の高温ガスの冷却装置。
【請求項３】
前記付着物を掻き落とすスクレーパーの昇降ストロークを、前記別の冷却帯直下より上方とすることを特徴とする請求項１又は２記載の高温ガスの冷却装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、高温ガスの冷却装置に係わり、詳しくは、都市ゴミ等の一般廃棄物やプラスチック製品、金属製品等の産業廃棄物の焼却処理、若しくはガス化溶融処理、さらには製銑、製鋼等の鉄鋼製錬（精錬も含む）及び亜鉛、鉛等の重金属を溶製する非鉄金属製錬等において、使用設備（炉）から排出される高温ガスを冷却し、前記高温ガスが含有する付着性物質を円滑に効率良く回収する技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、一般廃棄物及び産業廃棄物は、焼却処理され、その灰（焼却灰と称される）の多くは、埋め立て処分されている。しかしながら、埋立地の確保が年々難しくなってきており、埋立地の延命対策として、焼却灰の容積をさらに減容化する要求が強い。また、焼却灰には、重金属等が含有され、埋め立て処分したのでは、重金属等が雨水等で周囲の土壌へ溶出したり、地下水に侵入して環境問題を起こす恐れがある。特に最近は、焼却時の排ガス中にダイオキシン類等が生じることが指摘され、その発生を防止可能な処理方法が求められている。
【０００３】
最近の研究によれば、ダイオキシン類は、焼却温度がほぼ２５０〜３００℃にある時に発生することが明らかになっている。そのため、この温度範囲を避けて、廃棄物を高温処理する技術の開発が盛んになっている。例えば、特開平６−２６６２６号公報、特開平６−７９２５２号公報及び特開平７−３２３２７０号公報は、廃棄物を圧縮成形した後、乾燥、熱分解、炭化を順次行い、その炭化物を１０００℃以上の温度で部分酸化、ガス化、溶融して発生ガスを燃料に、溶融物を金属とスラグに分離して回収する技術を提案している。つまり、そのプロセスの一例を図７に示すが、それは、廃棄物１の投入口２に続く圧縮装置３、圧縮物の乾燥、熱分解、炭化を連続して行うトンネル式加熱炉４、炭化物を酸化、ガス化、溶融する高温反応炉（溶融炉ともいう）５、その溶融物６を加熱、保持する水平型加熱炉７、高温反応炉５の排ガス８を通過させる煙道９、排ガス８を急冷し、含有する物質を壁に付着させる冷却装置１０及び冷却後の排ガス８を精製する精製装置１１を備えたものである。また、上記冷却装置１０は、図６に示すように、水平な煙道９に対しておおよそ垂直、つまり、ほぼ鉛直に配設された筒状の冷却室１２と、該冷却室１２の内壁に開口した高温ガスの導入口１３と、冷却室の天井に設けられ、昇降自在で、内壁と接触して該内壁面の付着物を落とすスクレーパー１４（クリーニング・ユニットともいう）とで形成されている。なお、スクレーパー１４の刃部１５の形状は、図６に示したように、鋼板を鉛直、且つ放射状に昇降軸１６の先端周囲に配置したものでも良いし、鋼板で筒状体を形成しても良い。さらに、昇降軸１６は軸芯を中心にして回転させても良いし、回転させなくても良い。そして、該冷却室１２の下方には、掻き落とした付着物１７を回収室１９へ送る配管１８が連結されている。
【０００４】
従って、かかるプロセスによれば、冷却装置１０で高温ガスをダイオキシン類の再合成温度域を急冷し、該ダイオキシン類を生じさせずに、廃棄物１から燃料ガス、金属及びスラグを分離回収でき、環境問題が解消できる。
【０００５】
ところが、このプロセスで実際に操業したところ、冷却装置１０において二三のトラブルが発生し、円滑で効率の良い操業を行うという点で問題が生じた。すなわち、従来の冷却室１２の冷却帯２７となる高温ガス導入口１３より下方の内壁は金属製の水冷ジャケットで形成してあるが、付着物１７を落とすスクレーパー１４との衝突で破損しないよう、ジャケットの壁厚を１０ｍｍ以上とする必要があった。そのため、該水冷ジャケットの表面温度が２００℃と高くなり、高温ガス８を迅速に冷却できない。従って、高温ガス８が含有する付着性物質は、前記冷却室１２の内壁に十分付着せずにその下部から前記配管１８に集中して付着する。その結果、冷却室１２や配管１８の付着物１７を、１回／月の頻度で操業を停止して、削岩機等を用いた手作業で除去しなければならない。また、冷却室内壁の付着物１７を掻き落とすため、前記スクレーパー１４の昇降ストロークを冷却帯２７の下方までとしているが、それによってガスが冷却室１２を通過する部分の面積を狭めるので、冷却装置１０の内部圧力が上昇する。その状態が続くと、冷却室１２の上方でガス漏れが生じ、作業環境を悪化させるという問題もあった。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、かかる事情に鑑み、付着物の回収が従来より円滑に行え、且つ冷却室の付着物を除去するスクレーパーを昇降させても、冷却装置からのガス漏れが抑制できる高温ガスの冷却装置を提供することを目的としている。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
発明者は、上記目的を達成するため鋭意研究を重ね、その成果を本発明に具現化した。
【０００８】
すなわち、本発明は、物質を燃焼処理又は溶融処理した炉から排出される高温ガスの煙道に、該高温ガスを下向きに流す鉛直な筒状の冷却室を連接して設け、該冷却室は、冷却室の天井に待機し、冷却室の内壁面に付着した付着物を掻き落とす昇降自在なスクレーパーと、該スクレーパーの待機位置の直下に開口した高温ガスの導入口と、掻き落とした付着物を回収室へ送る下部配管と、該冷却室の中段に設けた冷却液による冷却帯とを設けると共に、さらに、前記冷却帯の上方に隣接してニッケル合金からなる別の冷却帯を設けたことを特徴とする高温ガスの冷却装置である。
【０００９】
この場合、前記冷却液による冷却帯の内壁面を、炭素９５質量％以上の黒鉛質炭素材を表面に被覆した耐食性金属製の水冷ジャケットで形成したり、あるいは前記付着物を掻き落とすスクレーパーの昇降ストロークを、前記別の冷却帯直下より上方とすることが好ましい。
【００１０】
本発明によれば、付着物の回収が従来より円滑に行えるばかりでなく、冷却室内壁の付着物を掻き落とすため、前記スクレーパーを昇降させても、それによってガスが冷却室を通過する部分の面積を狭くする時間が短縮され、冷却装置の内部圧力の上昇が抑制できるようになる。その結果、冷却室の上方でのガス漏れが解消され、作業環境を悪化させずに溶融処理炉の円滑な操業が可能となる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、発明をなすに至った経緯を交え、本発明の実施の形態について説明する。
【００１２】
まず、発明者は、図６で説明した冷却室１２の冷却能不足を解消することに努力し、種々の検討を行い、冷却液による冷却帯を設けることが良いと考えた。好ましくは、その冷却室１２の内壁に、内壁面に沿って低速で流下し、濡れ壁とする冷却液２０の供給ノズル２１を設ける。つまり、図２に示すように、冷却装置の主要部である冷却室１２の内壁に、冷却液２０を低速でにじみ出す供給ノズル２１を設けるのである。これにより、にじみ出た冷却液２０は、該冷却室１２の内壁をしたたり落ちて、内壁面を濡らすとともに、直接的に冷却し、冷却能を高める。その結果、冷却室１２を通過する高温ガス８は、入口近傍から直ちに冷却されると同時に、含有する付着性物質を壁面に付着させる。また、常時、内壁面を濡らすことによって、内壁表面を１００℃以下にして内壁材の反応を抑制でき、内壁材の損傷をなくする。より好ましくは、内壁表面を７０℃以下にするのが良い。
【００１３】
なお、上記した付着性物質は、高温ガス８の履歴により種々異なる。例えば、廃棄物１のガス化、溶融処理の場合には、ＣａＯ，ＳｉＯ2、Ｃ等の表１に示す物質を主体とする凝固析出物である。また、にじみ出させる冷却液２０の流速があまり早いと、スクレーパ１４が降下した時に、スクレーパ１４の上部に冷却液が溜まり、煙道にまで水が流れて水蒸気爆発を起こしてしまう。従って、冷却液の流量は、装置の大きさに応じて内壁表面が１００℃以下になり、かつ煙道に逆流することがないように決定すれば良い。さらに、供給ノズル２１の形状としては、内壁に沿い多数の開孔を備えたものが良い。できるだけ広い範囲で内壁を濡らすためである。加えて、冷却室１２の内壁材質については、特に限定しない。但し、冷却室１２の高温ガス導入口１３より上方の内壁は、煙道９から冷却室１２までガスの温度が５００℃以上の高温となるため、耐火物を使用することが好ましい。また、冷却液２０が供給される部位、つまり高温ガス導入口１３より下方の部位となる冷却室１２の冷却帯２７の内壁は、炭素材又はニッケル合金を用いると耐食性が高く、寿命が延びて交換頻度が低下するので、好ましい。特に、炭素９５質量％以上の黒鉛質炭素材を表面に被覆した耐食性金属製ジャケットの利用が好ましい。耐食性金属としては、ハステロイ，Ａｌｌｏｙ  ５９（商品名）等が好ましい。
【００１４】
【表１】
0004139139.tif 000002
【００１５】
以上述べたような冷却室１２の改良で、その冷却性能は高まり、従来より円滑に付着物１７の除去ができるようになった。ところが、上記した改良を行っても、スクレーパー１４が冷却室１２を昇降する間、ガスの通過する断面積が小さくなるため冷却室１２の内部圧力が上昇するという問題は解消できなかった。そこで、発明者は、内部圧力の上昇を抑制することについて、引き続き研究を行った。そして、対策として、付着を起こさせる位置を従来の上方として、スクレーパーの昇降ストロークを従来より短くすることを想到した。そのようにすると、冷却室１２内にスクレーパー１４が滞在する時間が短くなり、ガスの通過する断面積を狭める時間が減るからである。具体的には、図ｌに示すように、前記した冷却室１２の冷却帯２７の上方に、熱伝導性の大きい金属で別の冷却帯２８を設け、その別の冷却帯２８に高温ガスから付着性物質を凝固・析出させ、従来の冷却液による冷却帯２７には付着させないようにした。つまり、既存の冷却液による冷却帯２７は、新しく設けた別の冷却帯２８を冷やす役割だけを行い、実際の付着は、その上方に設けた金属製の冷却帯２８だけで行うようにしたのである。重要なポイントは、本発明に係る別の冷却帯２８は、冷却液による冷却帯２７に隣接し、隙間をつくらないことが好ましい。下方からの熱伝導で新しい冷却帯２８を冷やす必要があるからである。ダイオキシン類は、２００〜６００℃の温度領域で再合成される。冷却帯２８と冷却帯２７とが離れていると、冷却帯２８のみでガスを２００℃以下まで急冷できないため、ダイオキシンが再合成される。これに対して、冷却帯２８と冷却帯２７とが隣接していると、冷却帯２８でガス温度を８００℃程度まで急冷することにより、ＣａＯ，ＳｉＯ2等が凝固析出される。部分的には、６００℃程度まで低下するかもしれないが、冷却帯２７で瞬時に８０℃以下に冷却できるので、ダイオキシンの再合成は抑えられる。この場合の金属としては、熱伝導率の大きいものであれば如何なるものでも良いが、耐食性も必要なので、ニッケル合金とする必要がある。また、試行によれば、この別の冷却帯２８の幅は、７０〜１００ｍｍ程度で十分であった。
【００１６】
なお、本発明では、冷却室１２の冷却能を一層高めるため、冷却液による冷却帯として、前記冷却液２０の液膜を形成する冷却液２０の噴射ノズル２２をさらに複数設けても良い。これにより、内壁面の濡れ残しが完全に解消され、冷却能が一層高まるからである。この場合、対向する壁面まで冷却液２０を飛ばすため、水の噴射圧がある程度大きくなる。しかし、通常の冷却室１２のサイズは、内径８００〜１０００ｍｍφ，長さ１０００ｍｍ程度であるので、それほど高くする必要はなく、０．９８ＭＰａ（１０（ｋｇｆ／ｃｍ2））程度で十分であった。
【００１７】
また、本発明では、図３で示すように、前記冷却室１２の内壁に、該内壁面に沿って流下し、濡れ壁とする冷却液２０の供給ノズル２１と、前記内壁の中段に冷却液２０の液膜を形成する冷却液の噴射ノズル２２とを併設するとさらに冷却室１２の冷却能が向上し、好ましい。
【００１８】
【実施例】
（従来例）
冷却装置を備えた溶融炉５を用いて、廃棄物をガス化溶融処理する試験操業を行った。冷却室１２のサイズは、内径４００ｍｍ，長さ１０００ｍｍである。付着物を掻き落とすスクレーパー１４は、油圧駆動とし、３６０秒に１回の間隔で昇降を繰り返すようにしてある。
【００１９】
まず、従来例として図４に示す構造の冷却装置１０を用いた。溶融炉の煙道部分９には、通過するガスの温度が１０００℃であるため、ＳｉＣ耐火物を用いた。既存の冷却帯２７は、２重管構造（水冷ジャケット）とし、間接水冷が行われる。この水冷ジャケットの材質はＳＵＳ３１６で、肉厚は１０ｍｍである。また、冷却帯２７の下方に設けた配管１８の材質もＳＵＳ３１６とした。さらに、冷却帯２７の上下（図８にａ、ｂで示す位置）には温度計を設置し、冷却帯２７の内面温度を測定した。
【００２０】
この操業結果を表２及び表３に示す。冷却帯２７でガス中の析出物が十分に付着せず、未回収の量は１０日間で１０ｋｇもあった。また、冷却帯２７及びその下方の配管１８のＳＵＳ３１６が激しく腐食され、１０日過ぎての連続操業は無理であった。なお、上記析出物の未回収量は、前記下方の配管１８に水冷パイプ（図示せず）を挿入し、その中に溜まる析出物の量を測定したものである。さらに、付着物１７を掻き落とすスクレーパー１４の１回当たりの昇降（上下の往復）時間は、表４に示すように６０秒であり、また、スクレーパーの降下前及び降下時の冷却室１２内の圧力（煙道９に圧力計２１を設置して測定）も表４に示すが、それらは、スクレーパの昇降時に上昇した。
【００２１】
【表２】
0004139139.tif 000003
【００２２】
【表３】
0004139139.tif 000004
【００２３】
【表４】
0004139139.tif 000005
【００２４】
（比較例１）
図５に示す構造の冷却装置１０を用い、溶融ガス化処理を行った。溶融炉５の煙道部分９には、上記同様に、ＳｉＣ耐火物を用いた。冷却帯２７は、上部から冷却液２０が壁面を伝わって流れるように供給された。冷却帯２７の水冷ジャケット及びその下方の配管１８の材質には、ハステロイを用いた。
【００２５】
操業結果を表２及び表３に示すが、析出物の未回収量は、従来例と比較して向上したが、冷却帯２７の壁面に付着させるだけでは、高温ガスからの析出物が十分に回収できず、未回収量は１０日間でまだ４ｋｇあった。しかし、冷却帯２７及びその下方の配管１８の腐食は、従来例ほどではなかった。また、付着物を掻き落とすスクレーパー１４の１回当たりの昇降（上下の往復）時間は、表４に示すように６０秒であり、スクレーパーの降下前及び降下時の冷却室１２内の圧力を表４に示すが、それらはスクレーパーの昇降時に上昇した。
（比較例２）
上記同様の冷却液２０が壁面を伝わって流れるようにした冷却帯内壁の中段に、さらに６本の噴霧ノズルから冷却液を供給し、ガスの冷却を行えるようにした。また、ハステロイの水冷ジャケットの表面に炭素９５質量％以上の黒鉛質炭素材３０を被覆した冷却帯２７とした。
【００２６】
その結果、表２及び表３から明らかなように、析出物の未回収量は０で、且つ冷却帯２７が腐食せず、１５０日間以上にわたって連続運転することができた。しかし、付着物を掻き落とすスクレーパー１４の１回当たりの昇降（上下の往復）時間は、表４に示すように６０秒であり、スクレーパーの降下前及び降下時の冷却室１２内の圧力を表４に示す。つまり、スクレーパー１４を昇降する間、ガスが冷却室１２内を通過する断面積が小さくなるため、その内部圧力が上昇する問題は解消できていない。
（実施例）
そこで、図１に示した本発明に係る冷却帯を備えた冷却装置を使用しての操業を行った。その冷却帯は、上記比較例２と同様な、水冷ジャケット３２の材質として、高温部に晒されても容易に溶損せず、且つ耐腐食性金属であるハステロイＣ  ２７６（商品名）を採用し、その表面に炭素９５質量％以上の黒鉛質炭素材を被覆したものに、その上方に隣接させてさらに８０ｍｍ幅のニッケル合金からなる水冷リング３０を冷却室１２の内壁に設けたものである。
【００２７】
その結果、１５０日以上の連続操業を行ったが、析出物の未回収量は０で、また比較例２と比較しても、付着物の除去状況に差異がなく、円滑な操業が行われた。さらに、スクレーパー１４の１回当たりの昇降時間が短縮され、表４に示すように冷却室１２の内部圧力を抑えることができた。
【００２８】
なお、上記実施例は、本発明を廃棄物のガス化、溶融還元処理に適用した場合であるが、本発明はこの場合に限るものではない。つまり、本発明に係る高温排ガスの冷却装置は、都市ゴミ等の一般廃棄物やプラスチック製品、金属製品等の産業廃棄物の焼却処理、若しくはガス化溶融処理、さらには製銑、製鋼等の鉄鋼製錬（精錬も含む）及び亜鉛、鉛等の重金属を溶製する非鉄金属製錬等において、使用設備（炉）からの高温排ガスが含有、あるいは析出する付着性物質を冷却し、円滑に効率良く回収するのに利用できることは、特に説明するまでもない。
【００２９】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明により、高温排ガスの冷却装置の冷却能が高まり、冷却装置の従来より高い位置に付着物が形成できるようになる。また、付着物を落とすスクレーパーが、冷却室の内部を短時間で円滑に昇降できるようになる。その結果、高温の排ガスが含有する付着性物質を安定して側壁に付着できるばかりでなく、ゴミの焼却、廃棄物のガス化溶融処理、金属精錬等の操業が、従来より円滑、且つ効率良く行えるようになる。また、スクレーパ昇降時の入側ガス圧力の上昇が小さくなり、溶融炉側の圧力変動を小さく抑えることができるようになる。以前は、圧力変動の影響を抑えるため、溶融炉内へ供給するガス等は高圧である必要があったが、圧力変動を小さく抑えることができるようになったため、溶融炉への安定したガス供給が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る高温ガスの冷却装置を示す横断面図である。
【図２】本発明に利用する冷却液の供給ノズルの配設位置を示す図である。
【図３】本発明に利用する冷却液の噴射ノズルの配設位置を示す図であり、（ａ）は側面、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ矢視である。
【図４】従来例の実施に使用した冷却室を示す図である。
【図５】比較例１の実施に使用した冷却室を示す図である。
【図６】図７のガス化溶融炉に設けてある従来の冷却装置を示す図である。
【図７】廃棄物のガス化溶融炉の一例を示す図である。
【符号の説明】
１    廃棄物
２    投入口
３    圧縮装置
４    トンネル式加熱炉
５    高温反応炉（溶融炉）
６    溶融物
７    水平型加熱炉
８    高温ガス（排ガス）
９    煙道
１０  冷却装置
１１  排ガスの精製装置
１２  冷却室
１３  導入口
１４  スクレーパー（クリーニング・ユニット）
１５  刃部
１６  昇降軸
１７  付着物（付着性物質）
１８  配管
１９  回収室
２０  冷却液
２１  供給ノズル
２２  噴射ノズル（液膜）
２３  筒体
２４  圧縮器
２５  圧縮物
２７  冷却液による冷却帯
２８  別の冷却帯
２９  圧力計
３０  ニッケル合金からなる水冷リング
【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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