(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
流動層を用いたガス化炉に有機性廃棄物を供給して一次ガス化させ、当該流動層ガス化炉にて得られたガス状物を高温酸化炉へ導入して高温下にて二次ガス化することにより有用ガスを回収する廃棄物のガス化処理方法において、粒子の終末速度が前記流動層ガス化炉のフリーボード部におけるガス流速以下となるよう粒度調整した塩基性成分に富む灰、および炭酸カルシウム等の灰融点降下剤を添加し、一次ガスに同伴させて高温酸化炉の炉壁に灰コーティング層を円滑に形成せしめることを特徴とする廃棄物のガス化処理方法。
【請求項２】
前記灰が石炭灰、焼却灰等の外部から導入したもの、あるいはスラグ粒、溶融飛灰といった同一系内の回収物であることを特徴とする請求項１に記載の廃棄物のガス化処理方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は廃棄物のガス化処理方法に係り、特に流動層ガス化炉と高温酸化炉を組合わせた二段ガス化をなすシステムにおける前記高温酸化炉の炉壁を灰のコーティング層により保護するようにした廃棄物のガス化処理方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
都市ごみ、下水汚泥、廃プラスチック、廃ＦＲＰ、バイオマス廃棄物、自動車廃棄物、廃油等に代表される有機性廃棄物は、一般的に焼却処理により減容化されるか、あるいは未処理のまま埋立処分されており、これらがリサイクル利用される量は全体からみればごく僅かである。
【０００３】
上記の焼却処理においても、これまではストーカ炉や流動層炉が用いられてきたが、燃焼時の空気比が高いため排ガス量が多く、また、炉から排出された金属類は酸化されているためリサイクルには適さなかった。こうした焼却設備に灰溶融設備を併設するところも最近は増えつつあるが、装置全体の建設コストや運転コストの上昇を招く結果となった。
【０００４】
こうした問題を解決するために発明されたのが、特開平７−３３２６１４号であり、ここでは有機性廃棄物を流動層炉へ供給してガス化し、有価金属を未酸化状態で取り出すとともに、生成ガスを後段の溶融燃焼炉へ供給して、高温下で完全燃焼させることにより、灰分を溶融スラグ化して減容化し、埋立可能な安定なスラグとして埋立処分地を延命化したり、土建材としてリサイクルする方法が提示されている。上記の方法は、前段の流動層炉により廃棄物から未燃チャーを含む可燃性ガスを生成させ、後段の溶融燃焼炉に供給して高温下にて完全燃焼するとともに灰分を溶融スラグ化し、灰の減容化を期待するものである。
【０００５】
このように、流動層炉の生成ガスを後段の溶融燃焼炉にて完全燃焼させた場合には、高温の燃焼排ガスにて有効利用を図ることができる。ところが不完全燃焼させた場合には、流動層炉の生成ガスに多量の資源化できる有用成分を含むようにすることができ、これを例えば化学工業用原料としてリサイクル利用することが可能となる。これがいわゆるケミカルリサイクルの考え方である。
【０００６】
このような観点から流動層ガス化炉にて比較的低温下で一次ガス化し、得られたガス状物を高温酸化炉へ供給して二次ガス化し、Ｈ2（水素）、ＣＯ（一酸化炭素）を主体とする合成ガスを回収することで有用資源化が図れる。しかし、二次ガス化するために用いられる高温酸化炉は１２００〜１６００℃の高温度下で運転されるため、その炉壁構造は、一般的には、外表面側から鉄皮、キャスタブル、レンガ層から構成し、また内表面にて溶融スラグの層が形成されるようにして炉壁の保護を図っている。炉の最内面層となる溶融スラグ層は一定の層厚さを維持して断熱作用をなしつつ、表面部分でのスラグ溶流が円滑に行われて炉の閉塞等を生じることがないように調整する必要がある。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、灰の溶流温度はそれ自身が何に由来するかによって異なるものの、ほぼ１１００℃以上である。流動層ガス化炉は、アグロメ（塊状化）や灰付着の問題を回避するため、灰の軟化温度以下で運転される（約９５０℃以下）。高温酸化炉の炉内平均温度を溶流温度以下で運転しようとすると、炉内にそれより高い温度（特に中心温度）の部分があるため、炉壁での部分的な固化スラグの付着成長や、これによる反応室出口端のスロート部の閉塞等が起こる可能性がある。したがって、高温酸化炉では灰を溶流させる温度である１１００℃以上、好ましくは１２００℃以上で運転する必要がある。しかし、炉内平均温度を灰の溶流温度以上で運転しても、温度分布があることに加えて灰の種類によって溶流温度が異なるため、溶流性が悪いと炉壁の特定の場所で成長することがあり、灰の適正な溶流排出と炉壁の保護を同時に実現することが難しいのが実状である。
【０００８】
本発明は、上記従来の問題点に着目し、二段ガス化処理に際して、処理される有機性廃棄物の灰分の溶流温度が高温酸化炉の運転温度と同等程度であっても、安定したスラグ溶流状態にて高温酸化炉の運転ができるようにした廃棄物のガス化処理方法を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明に係る廃棄物のガス化処理方法は、流動層を用いたガス化炉に有機性廃棄物を供給して一次ガス化させ、当該流動層ガス化炉にて得られたガス状物を高温酸化炉へ導入して高温下にて二次ガス化することによりＨ2（水素）、ＣＯ（一酸化炭素）主体の合成ガスを回収する廃棄物のガス化処理方法において、粒子の終末速度が前記流動層ガス化炉のフリーボード部におけるガス流速以下となるよう粒度調整した塩基性成分に富む灰、および炭酸カルシウム等の灰融点降下剤を添加し、一次ガスに同伴させて高温酸化炉に供給し、高温酸化炉反応室の炉壁に灰コーティング層を円滑に形成させるようにしたものである。この場合において、前記灰が石炭灰、焼却灰等の外部から導入したもの、あるいはスラグ粒、溶融飛灰といった同一系内の回収物を用いるようにすればよい。
【００１０】
【作用】
上記構成によれば、流動層ガス化炉に灰並びに灰融点降下剤を添加することにより、原料としての有機性廃棄物中の灰分のアルカリ度が上昇し、同時に添加された融点効果剤による効果を十分に発揮することができる。すなわち、原料中灰分の溶流温度はその組成と相関があり、塩基性成分の割合が増加すれば溶流温度が低下するので、上記構成により溶流スラグ層表面の流動性を確保することができるのである。また、特に灰や灰融点降下剤などの添加剤の終末速度が、流動層ガス化炉のフリーボード部のガス流速以下となるように微粉砕等により粒度調整しているため、添加剤を確実に均一分散して一次ガスに同伴させて、高温酸化炉に供給されることになる。これにより、高温酸化炉内における高温の部分酸化反応に際し、灰融点を降下させ、溶流スラグの適正な流動性を確保することができるのである。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明に係る廃棄物のガス化処理方法の具体的実施の形態を図面を参照して詳細に説明する。
図１は実施形態に係る廃棄物のガス化処理方法が適用されるガス化処理装置のフロー図である。
当該ガス化処理装置は、前段の流動層ガス化炉にて４５０〜８５０℃の比較的低温下で一次ガス化させ、一次ガス中に微粉化した未燃チャーを同伴させた状態で、後段の高温酸化炉にて１２００〜１６００℃で二次ガス化することにより、Ｈ2（水素）、ＣＯ（一酸化炭素）主体の合成ガスを生成するようにしている。
【００１２】
まず、ガス化処理装置に供給される原料としては、都市ごみ、下水汚泥、固形化燃料、スラリー化燃料、廃プラスチック、廃ＦＲＰ、バイオマス廃棄物、自動車廃棄物、廃油などの有機性廃棄物や低品位炭を用いることができる。有機性廃棄物は、３０ｍｍ程度に粗破砕して供給され、固形化燃料、スラリー化燃料、廃油はそのまま供給される。また、低品位炭は、４０ｍｍ程度に破砕して供給される。これらを、ピッ卜にて受入れ、十分に攪拌・混合した後に、適宜流動層ガス化炉１０へ供給する。ガス化される廃棄物の性状（発熱量や水分）によっては、必要に応じて石炭やオイルコークス等を補助原料として添加することもできる。添加する量は廃棄物の性状により適宜決定される。こうして予め必要に応じ破砕された有機性廃棄物１２は、ホッパーへ供給された後に、スクリュー式の定量供給装置１４を用いて流動層ガス化炉１０へ供給される。
【００１３】
上記廃棄物が投入される流動層ガス化炉１０は、下位の流動層部１６と上位のフリーボード部１８から構成され、両者はネック部２０を介して連通している。流動層部１６には炉底に配置された分散板２２上に砂（硅砂、オリビン砂など）、アルミナ、鉄粉、石灰石、ドロマイト等の中から流動媒体２４として選定されたものが充填されており、前記分散板２２を介して流動媒体２４の層中に流動化ガスを噴出することにより流動媒体２４の流動化を図るようにしている。また、前記分散板２２は中央が突き出た円錐を伏せた形状とされ、流動化ガスは分散板２２の中央部と周辺部とに分別されて供給される。中央部に供給される流動化ガスの流速は小さくされ、後述するスクラバ５６出口の生成ガスの一部をリサイクルすることで供給される酸素濃度を希釈する。周辺部へ供給される流動化ガスの流速は大きくされ、前記のリサイクルガスを加えてその酸素濃度を中央部より高くする。これにより、流動媒体２４が流動層部中央にて下降流となり、周辺部にて上昇流となるような、旋回運動を流動層内に生じさせるように設計されている。
【００１４】
中央部流動化ガスはリサイクルガスの混入により酸素の濃度が低くされているため、流動層中央部に下降流として形成される流動層内で生じたタールを含む発熱量の大きい可燃性ガスは、乾溜に近い条件で熱分解ガス化された後に、フリーボード部１８へ上昇する。前記中央部流動層において生成した固形物であるチャーは流動媒体とともに周辺部流動層へ循環輸送され、酸素濃度が相対的に高い周辺部流動化ガスと接触して部分燃焼され、ＣＯ、ＣＯ2主体の可燃性ガスを生じて炉内を４５０〜８５０℃に維持する熱を発生する。こうして流動層部では一次ガス化によりガス、タール、チャーが生成するが、温度が低いほどタールとチャ一の生成率は増加し、ガスの生成率は減少する。廃棄物が一次ガス化される流動層部の大部分は還元雰囲気であるため、廃棄物に含まれる金属のうち融点が流動層温度より高いものは、未酸化状態の有価金属としてガス化炉の炉底より流動媒体と共に排出される。したがって、例えばアルミニウムは、流動層温度がアルミニウムの融点である６６０℃よりも低い場合は未酸化の金属状態のままで回収される。このために流動層炉の炉底部に排出口２６が設けられている。実用的には流動層温度を５００〜６００℃とすることにより、不純物に含まれる鉄、銅、アルミニウム等の有価金属を未酸化でクリーンな状態でこの排出口２６から回収できる。同時にこの排出口２６から不燃物とともに排出される流動媒体２４の硅砂は、分級により不燃物を分離後バケットコンベア等を用いて上方へ搬送し、流動層ガス化炉１０に戻すようにする。
【００１５】
ガス化炉１０の流動層部１６に投入された有機性廃棄物は、一次ガス化によりガス、タール、チャーとなり、ガスとタールは、気化して炉内を上昇する。チャーは部分酸化を受けつつ流動媒体の旋回運動により微細化される。微細化されたチャーは多孔質で軽いため、ガスの上向きの流れに同伴される。流動媒体２４に固い硅砂を用いることで、チャーの粉砕は一層促進される。流動層ガス化炉１０を出たガス、タール、未燃チャーは次段の高温酸化炉３０へ供給され、ここでの高温の二次ガス化により、ＣＯ（一酸化炭素）、Ｈ2（水素）主体の合成ガスを生成するようにしている。
【００１６】
流動層ガス化炉１０の炉頂より排出された一次ガスは、一次ガス搬送経路３２を通じて次段の高温酸化炉３０に供給される。高温酸化炉３０の頂部にはバーナが取付けられており、ここで一次ガスとガス化剤としての酸素と、更に必要に応じてスチームを炉内に吹込むことで、１２００〜１６００℃の高温で二次ガス化を行うようにしている。高温酸化炉３０の上半部は耐火物で内張りされた反応室３４が形成されている。また、高温酸化炉３０の下部には急冷室３６が設けられ、反応室３４と急冷室３６とはスロート部３８で連通している。急冷室３６にはガス急冷用の水を送る水ライン４０が開口され、適宜な水位となるよう水が供給される。反応室３４で発生した二次ガスとスラグは、スロート部３８を通過し、急冷室３６内の水中に吹き込まれ、急冷されたガスは、急冷室３６の水面の上方に設けられたガス排出口４２からガスライン４４を通ってスクラバ５６へ送給させるようにしている。
【００１７】
この場合、前記高温酸化炉３０への一次ガスの供給は、反応室３４内で旋回流となるように供給し、未燃チャーの滞留時間が長くなるようにすることが望ましい。これにより未燃チャーは炉壁に沿って周回しつつ下降し、燃焼火炎と炉壁からの輻射熱により酸素と旋回流中で混合しながら、１２００〜１６００℃で高速ガス化する。この二次ガス化に伴い未燃チャーに含まれる灰分はスラグミストとなり、旋回流の遠心力により反応室３４の炉壁上の溶融スラグ相に捕捉され、炉壁を流れ下って急冷室３６に入り、急冷室３６にて水砕されてスラグ粒となり、ロックホッパ４６を介して外部に排出され、スクリーン４８により、粗粒スラグと微粒スラグに分別される。
【００１８】
このようにして前段の流動層ガス化炉１０による一次ガス化に伴い有価金属を未酸化状態で回収し、この一次ガスと同伴する未燃チャーを後段の高温酸化炉３０で二次ガス化することができる。後段の高温酸化炉３０では高温ガス化により、炭化水素、タール、チャーは完全に分解され、Ｈ2（水素）、ＣＯ（一酸化炭素）、ＣＯ2（二酸化炭素）、Ｈ2Ｏ（水蒸気）から成るガスとなる。また、スラグ粒化した灰分は、高温酸化炉３０の炉底より排出される。こうして、有機性廃棄物から有価金属の回収を行うとともに、合成ガスに変換することができる。
【００１９】
合成ガスを回収するために、前記高温酸化炉３０の急冷室３６上部に設けられたガス排出口４２は、ガスライン４４によりスクラバ５６に接続され、二次ガス中に含まれる微粒の未反応カーボンや灰分、塩化水素を除去するようにしている。これは二次ガスを水と直接接触させてガス中から固形分の分離を図ることにより、生成ガスを洗浄するものである。またスクラバ５６の後段には酸性ガス除去装置５８が配置され、ここでＣＯ2（二酸化炭素）、Ｈ2Ｓ（水蒸気）、ＣＯＳ（硫化カルボニル）等の酸性ガスを取り除き、合成ガスとして使用できるように精製する。さらに精製されたガスはコールドボックス６０へ送給されＣＯを深冷分離することで、残存するＨ2を例えばアンモニア製造設備へ送給するようにしている。
【００２０】
このような二段ガス化装置において、本実施形態では、前記高温酸化炉３０の炉壁構造は、図２にその一部を示しているように、鉄皮６２の内面にキャスタブル６４を張り付け、さらにその内面に耐火レンガ６６を積層した構成とされ、特に前記キャスタブル６４には水管６８を通して水等の冷却媒体を流通させるようにしたボイラ壁構造としている。この構造により、反応室３４側の耐火レンガ表面温度が灰の固化コーティング層を形成するに必要な温度となるようにしている。
【００２１】
上記ボイラ壁構造を採用した高温酸化炉３０に対し、前述したように流動層ガス化炉１０から一次ガスが導入されるが、この一次ガスの高温ガス化の過程で生じるスラグミストを積極的に前記炉壁に堆積コーティングすべく、この実施形態では、図１に示すように、流動層ガス化炉１０の近傍に灰バンカ７０と灰融点降下剤タンク７２を設置している。灰バンカ７０は高温酸化炉３０が必要とする灰を補給するために用いるもので、特に、この灰は酸化鉄（Ｆｅ2Ｏ3）、石灰（ＣａＯ）、マグネシア（ＭｇＯ）、酸化アルカリ（Ｎａ2Ｏ、Ｋ2Ｏ）などの塩基性成分に富む石炭灰、焼却灰、あるいはスラグ粒、溶融飛灰などの回収物である。灰の補給量は高温酸化炉３０において灰コーティング層として必要な厚さに見合う量が確保されればよい。例えば保護層として必要な厚さに炉壁の表面積を掛合わせることにより総量が把握でき、この時間当りの更新分が流動層ガス化炉１０から導入される一次ガスに含まれる廃棄物由来の灰量と補給灰の総量が見合うように調整すればよい。
また、灰融点降下剤タンク７２には灰の融点を降下させる機能を有するＣａ化合物、Ｆｅ化合物等の単一物あるいは複合物が収容されている。実施形態では炭酸カルシウム（ＣａＣＯ3）を用いている。
【００２２】
上記灰バンカ７０と灰融点降下剤タンク７２からそれぞれ塩基性に富んだ灰および炭酸カルシウムが導出され、これらは微粉砕機７４を通じて流動層ガス化炉１０のフリーボード部１８に供給するように構成されている。灰および炭酸カルシウムは微粉砕されるが、特にその終末速度が流動層ガス化炉１０のフリーボード部のガス速度以下となるように一定粒径以下に調整される。これはフリーボード部１８から排出される一次ガスに確実に同伴して高温酸化炉３０に定量供給するためのものであり、灰および炭酸カルシウムがフリーボード部１８にて生成ガス中に均一分散され、高温下で部分酸化時に確実に灰の融点を降下するべく機能させている。
【００２３】
このような実施形態では、補給用灰と灰融点降下剤が一次ガスとともに、高温酸化炉３０へ供給されるため、反応室３４での灰の挙動は次のようになる。高温酸化炉３０への一次ガスの供給によって、チャーを含む一次ガスはガス化剤としての酸素ガスと接触して高温酸化され、未分解のチャーは炉壁に沿って周回しながら下降し、１２００〜１６００℃の高温雰囲気中でガス化する。こうしてほとんど全ての灰分は溶融してスラグミストとなり、旋回流による遠心力のため反応室３４の炉壁上の溶融スラグ相に捕捉され、炉壁を流れ下って急冷室３６に入る。炉壁は水管６８により耐火レンガ６６の表層温度が灰固化温度となるように冷却されているため、堆積灰の層厚方向における温度分布は大略固化温度からガス化温度までの温度勾配をもつことになる。したがって灰層には炉壁内面に付着堆積されている固化灰コーティング層７６と、この固化灰コーティング層７６の炉内側にて液状流動化された溶融灰コーティング層７８が形成される。両層７６、７８の中間には境界層８０が形成される。こうして耐火レンガ６６は固化灰コーティング層に覆われて保護される。
【００２４】
高温酸化炉３０における二次ガス化は高速の反応であるため、前段の流動層ガス化炉１０での原料廃棄物の組成変動等に起因して、炉内温度が変動し易い。一次ガスの組成変動により高温酸化炉３０内温度が１６００℃近くに上昇しても、灰堆積層の温度勾配が強くなるために、灰の堆積量は減少するものの、炉壁は水管６８により冷却されているため、耐火レンガ６６の表面は固化灰コーティング層７６に覆われて保護される。逆に炉内温度が１２００℃近くに低下しても、灰の堆積層の温度勾配が緩くなるために灰の堆積量は増大するが、耐火レンガ６６の表面が固化灰コーティング層７６によって覆われて保護されることには変わりがないのである。これによってセルフコーティング作用が得られ、高温酸化炉３０での堆積灰による炉壁保護が確保され、炉壁が腐食性ガス成分や溶融スラグによりアタックを受けて損傷するようなことを未然に防止できる。
【００２５】
また、一次ガスにはアルカリ度の高い灰とともに、炭酸カルシウムなどの灰融点降下剤が混入され分散状態で高温酸化炉３０に導入される。これらはチャー燃焼に伴って発生するスラグ中に混入してその融点を下げる効果を有する。反応室３４の炉壁上の溶融スラグ相は溶流して下降するが、炭酸カルシウムの添加により粘度が低下しているため、その流動は滑らかとなり、炉壁を速やかに流れ下って急冷室３６に入ることになる。この溶融灰コーティング層の表面流動性が高いので、急冷室３６に入る際のスロート部３８での閉塞を確実に防止できる。
【００２６】
したがって、本実施形態では、高温酸化炉３０に導入される一次ガス中に塩基性成分に富む石炭灰と灰融点降下剤の炭酸カルシウムを流動層ガス化炉１０に供給するとともに、それらの粒子の終末速度がフリーボード部１８におけるガス流速以下となるように粒度調整して供給するようにしているため、高温酸化炉３０の炉壁に形成される溶融灰コーティング層の流動性を高めつつ、固化灰コーティング層のセルフコーティング作用により、炉壁の保護を図ることができるという顕著な作用を有することができる。
【００２７】
また、本実施形態では、高温酸化炉の反応温度を引き下げられることから、灰融点を降下させることで高温酸化炉３０の炉内反応温度を低くすることができ、結果として酸化剤としての酸素ガスの消費量を低減することができる。更にこれにより、高温酸化炉３０から発生する有用ガス成分（Ｈ2、ＣＯ）の単位発生量当たりの原料有機性廃棄物の消費量を低減できる。この結果、酸化剤原料の原単位が向上でき、ガス化効率の向上につながる。また、炉内反応温度を低下させることで炉壁耐火レンガの熱アタックが軽減され、レンガの寿命を延ばすことができる。
【００２８】
なお、上記実施形態では灰および灰融点降下剤を流動層ガス化炉１０のフリーボード部１８へ導入するように構成しているが、流動層部１６へ直接供給しても、また原料廃棄物中に混入させてもよい。また、高温酸化炉３０の炉壁構造がボイラ壁構造となっていない場合にでも適用することができる。
【００２９】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、流動層を用いたガス化炉に有機性廃棄物を供給して一次ガス化させ、当該流動層ガス化炉にて得られたガス状物を高温酸化炉へ導入して高温下にて二次ガス化することにより有用ガスを回収する廃棄物のガス化処理方法において、粒子の終末速度が前記流動層ガス化炉のフリーボード部におけるガス流速以下となるよう粒度調整した塩基性成分に富む灰、スラグ等、および炭酸カルシウム等の灰融点降下剤を添加し、一次ガスに同伴させて高温酸化炉の炉壁に灰コーティング層を円滑に形成せしめるように構成したので、流動層ガス化炉フリーボード部へ供給された灰、スラグ等や融点効果剤は、流動層ガス化炉から排出される一次ガスに同伴されることにより、確実にしかも定量的に高温酸化炉へ導入させることができる。これにより耐火レンガの保護を確実にするとともに反応室出口のスロート部での閉塞等を防止し、特に灰の含有量が廃棄物の種類によって異なることに起因して溶流不足が生じないようにすることで炉壁の保護を図ることができるという効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態に係る廃棄物のガス化処理装置のフロー図である。
【図２】実施形態に用いたガス化処理装置の高温酸化炉の炉壁要部断面図である。
【符号の説明】
１０    流動層ガス化炉
１２    有機性廃棄物
１４    定量供給装置
１６    流動層部
１８    フリーボード部
２０    ネック部
２２    分散板
２４    流動媒体（硅砂）
２６    排出口
３０    高温酸化炉
３２    一次ガス搬送経路
３４    反応室
３６    急冷室
３８    スロート部
４０    水ライン
４２    ガス排出口
４４    ガスライン
４６    ロックホッパ
４８    スクリーン
５６    スクラバ
５８    酸性ガス除去装置
６０    コールドボックス
６２    鉄皮
６４    キャスタブル
６６    耐火レンガ
６８    水管
７０    石炭灰バンカ
７２    灰融点降下剤タンク
７４    微粉砕機
７６    固化灰コーティング層
７８    溶流灰コーティング層
８０    境界層
【図１】
0003829244.tif 000002
【図２】
0003829244.tif 000003