(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
可燃物を低空気比の下で燃焼して可燃ガスと可燃固形物とを生成するガス化炉と、前記可燃ガスと可燃固形物を高温燃焼させることにより、前記可燃固形物を溶融させてスラグとして排出する灰溶融炉と、を備えたごみガス化溶融処理システムにおいて、
前記ガス化炉内の温度および前記可燃ガスの組成からガス化炉内の空気比を推算し、その推算結果に基づいて、前記ガス化炉内に供給する空気量を制御する制御手段を設けたことを特徴とするごみガス化溶融処理システム。
【請求項２】
請求項１に記載のごみガス化溶融処理システムにおいて、
前記制御手段は、前記ガス化炉内のある温度における前記可燃ガス中のＣＯ濃度およびＣＯ2濃度を測定して前記両濃度の比ＣＯ／ＣＯ2を求め、その結果から空気比を推算することを特徴とするごみガス化溶融処理システム。
【請求項３】
請求項１に記載のごみガス化溶融処理システムにおいて、
前記制御手段は、前記ガス化炉内の空塔部、流動床表面部および流動床内部の温度を検出し、その検出温度が所定の温度より低いときは、前記ガス化炉内の温度を上昇させる機能を有することを特徴とするごみガス化溶融処理システム。
【請求項４】
請求項３に記載のごみガス化溶融処理システムにおいて、
前記制御手段は、助燃を行ってガス化炉内の温度を上昇させることを特徴とするごみガス化溶融処理システム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は可燃性廃棄物を処理するための処理システムに係り、特に都市ごみを高温で燃焼・溶融して無害化するとともに、そのときの燃焼排ガスの熱を回収して発電等に利用することが可能なごみガス化溶融処理システムに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、環境問題がクローズアップされており、従来の焼却処理に代わる環境保全型な新たなごみ処理技術として、ごみガス化溶融処理システムが注目されている。この処理システムは、ごみを低温・低空気比の下で燃焼してガス化するとともに、生成した高カロリーな可燃ガスと未燃チャーを灰溶融炉に導入し、灰溶融内で１３００℃の高温で燃焼・溶融してスラグ化するものである。この処理システムによれば、ごみが減容化されるので埋立地の延命化を図ることができる上、灰溶融炉内での燃焼温度が高いためダイオキシン類を完全に分解でき、さらには燃焼による熱を発電にも利用できる利点がある。
【０００３】
ここで、空気比とは、ごみを完全燃焼させるのに必要な空気量（理論空気量）と実際に供給した空気量（供給空気量）との比である。理論空気量はごみ中の可燃分量から算出されるため、可燃分量と空気比には相関関係がある。すなわち、供給空気量が固定されているとき、ごみ中の可燃分量が変化すると、空気比は変化する。この空気比が１以上であれば、ごみは完全燃焼し、逆に１未満では、ごみは不完全燃焼し、ＣＯやＣＨ4などの高カロリーな可燃ガスが生成される。また、低空気比のときは、供給空気量が少ないため、排ガス量を大幅に低減でき、排ガス処理装置をコンパクトにすることができる。
【０００４】
図６は、従来技術によるごみガス化溶融処理システムの系統図である。給じん機１内のごみはガス化炉２に投入され、ガス化炉２内で低空気比の下で燃焼して可燃ガスＧ１と未燃チャーＣを生成する。可燃ガスＧ１と未燃チャーＣは灰溶融炉３に導入され、灰溶融炉３内で高温燃焼して溶融スラグと高温の燃焼排ガスＧ２が生成される。このとき、バーナ４には燃料が供給されており、灰溶融炉３の内部ではその燃料も燃焼する。溶融スラグは灰溶融炉３の下部から排出される。
【０００５】
燃焼排ガスＧ２はボイラ５へ導入され、循環水Ｗを加熱する。加熱された循環水Ｗは蒸気タービン６を回転させ、その回転によって発電機７を回転駆動する。一方、ボイラ５で循環水Ｗを加熱した燃焼排ガスＧ２は空気予熱器８へ導入され、押込送風機９から送られてきた空気Ａを加熱する。さらに燃焼排ガスＧ２は、空気予熱器８を出た所で、消石灰サイロ１０から消石灰（Ｃａ(ＯＨ)2）が押込送風機１１によって吹き込まれ、さらにバグフィルタ１２へ導入されて脱塩される。そして、脱塩されてクリーンとなった燃焼排ガスＧ２は、誘引送風機１３によって吸引され煙突１４を介して系外へ放出される。また、空気予熱器８で加熱された空気Ａはガス化炉２とバーナ４に送られる。
【０００６】
バグフィルタ１２の表面には消石灰を含む飛灰が徐々に堆積していくが、その量が増えるとフィルタ１２の目が詰まって燃焼排ガスＧ２が流れにくくなるため、数分おきに高圧空気をバグフィルタ１２内に逆流させ、フィルタ表面に付着した固体粒子（飛灰）を払い落とす必要がある。この操作を逆洗という。このようにしてバグフィルタ１２から払い落とされた固体粒子（飛灰）は、安定的に無害化処理される。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、ガス化炉内部の温度と空気比が変化すると、生成される可燃ガスおよび未燃チャーの性状が変化し、後段の灰溶融炉で高温燃焼しにくくなる。そのため、ごみガス化溶融処理システムでは、ガス化炉において目標とする温度および空気比を維持することが、後段の灰溶融炉に高カロリーの可燃ガスおよび未燃チャーを供給する上で非常に重要である。しかし、上述した従来技術においては、以下のような問題点がある。
【０００８】
都市ごみや廃棄物は石炭や石油などの燃料と異なり、性状が常に変動する。例えば、ビニールなどの高分子化合物が多量に存在すれば、ごみ中の可燃分量が増加し、また、生ゴミなどが多量に存在すれば、ごみ中の可燃分量は減少し、水分量が増加する。供給空気量が一定の時、ごみの性状が変化すると、理論空気量が変化するので、ガス化炉内の空気比は変化する。目標とする空気比を維持するには供給空気量を変えなければならない。このように空気比の制御はごみの性状に対応して行わなければならないが、ごみ燃焼施設に運び込まれるごみの性状を常に知ることが難しく、また、ガス化炉内のリアルタイムの空気比を知る手段が無いため、従来のごみガス化溶融処理システムでは空気比を目標とする値に維持するのが困難であった。
【０００９】
さらに、空気比はごみ中の水分量や灰分量によらず可燃分量により決定されるため、空気比を一定に保ってもごみ中の水分量が変化するとガス化炉内温度が変化する。例えば、生ゴミが水分を多量に含んでいる場合、空気比を目標とする値に維持しても、ガス化炉内での水の気化熱による吸熱により、炉内温度は低下する。このような場合は助燃を行って炉内温度を上昇させる必要があるが、従来のごみガス化溶融処理システムでは、上述したようにガス化炉内のリアルタイムの空気比を知ることができないために、炉内温度を適正に制御することが難しかった。
【００１０】
本発明の目的は、ガス化炉内のリアルタイムの空気比を知ることができ、これによって、空気比とガス化炉内の温度を適正に制御することが可能なごみガス化溶融処理システムを提供することである。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明は、可燃物を低空気比の下で燃焼して可燃ガスと可燃固形物とを生成するガス化炉と、前記可燃ガスと可燃固形物を高温燃焼させることにより、前記可燃固形物を溶融させてスラグとして排出する灰溶融炉と、を備えたごみガス化溶融処理システムにおいて、前記ガス化炉内の温度および前記可燃ガスの組成からガス化炉内の空気比を推算し、その推算結果に基づいて、前記ガス化炉内に供給する空気量を制御する制御手段を設けたことを特徴としている。
【００１２】
前記制御手段は、前記ガス化炉内のある温度における前記可燃ガス中のＣＯ濃度及びＣＯ2濃度を測定して前記両濃度の比ＣＯ／ＣＯ2を求め、その結果から空気比を推算する。
【００１３】
また前記制御手段は、前記ガス化炉内の空塔部、流動床表面部および流動床内部の温度を検出し、その検出温度が所定の温度より低いとき、前記ガス化炉内の温度を上昇させる機能を有している。具体的には、前記制御手段は助燃を行ってガス化炉内の温度を上昇させる。
【００１４】
ガス化炉において、低空気比の条件でごみを燃焼させると、ＣＯ、ＣＯ2が生成される。ガス化炉内の温度が７００℃で、空気比を０.２，０.４，０.６とした場合のＣＯ、ＣＯ2の濃度を実験により求めた。その結果を図２に示す。同様に、ガス化炉内の温度が６００℃で、空気比を０.２，０.４，０.６とした場合のＣＯ、ＣＯ2の濃度を実験により求めた。その結果を図３に示す。図２および図３から分かるように、ガス化炉内の温度が異なれば、生成されるＣＯ、ＣＯ2の濃度は異なる。また空気比の増加に伴いＣＯ濃度は減少し、逆にＣＯ2濃度は増加しており、ＣＯ、ＣＯ2の濃度は空気比の影響を受けている。これはＣＯとＣＯ2がごみ中の可燃分を構成する炭素と空気中の酸素の結合により生成するため、空気比、すなわち空気量が増加すれば、より多くの炭素が酸素と結合するためである。
【００１５】
しかし、ごみ質が変化すれば、ＣＯ、ＣＯ2の濃度も変化する（例えば、ごみの水分が増加すれば水蒸気が加わるため発生ガス量が増加してＣＯ、ＣＯ2の発生ガス中濃度は低下する）ため、ＣＯ、ＣＯ2の濃度の測定値がガス化炉内の実際の空気比を知る目安にはならない。
【００１６】
図４は、図２及び図３のデータを基にして、空気比とＣＯ／ＣＯ2との関係をガス化温度別に示したものである。ここで、ＣＯ／ＣＯ2はＣＯ濃度とＣＯ2濃度との比である。図４から分かるように、ＣＯ／ＣＯ2の値はガス化温度が高いほど大きく、空気比が高いほど小さくなる。すなわち、ごみ中の可燃分に含まれる炭素から、ＣＯとＣＯ2が生成する割合はガス化温度と空気比によってほぼ決まっており、ごみ中の灰分量と水分量が変化してもＣＯ／ＣＯ2は変化しない。これにより、空気比に対するＣＯ／ＣＯ2の値があらかじめ分かっているため、ごみをガス化したときに生成されたＣＯとＣＯ2の濃度を測定して、ＣＯ／ＣＯ2を求めることにより、ガス化炉内の実際の空気比を推定できる。このことを利用し、生成ガスのＣＯ／ＣＯ2が所定の値となるようにガス化炉へ供給する空気量を変化させ、ごみ質の変化に対応して目標とする空気比を維持することができる。なお、図４において、Ｓ１はタールが発生する領域、Ｓ２はごみの持つ発熱量だけでは炉内温度を維持できない領域である。
【００１７】
ごみのガス化は目標とする空気比の他にガス化炉内温度を目標値に維持する必要がある。図５は実験結果を示しており、ごみ中の炭素のＣＯ、ＣＯ2、ＣＨ4及び残渣中への変換率、及びごみ中の水素のＨ2、ＣＨ4、Ｈ2Ｏ及び残渣中への変換率のデータを基にして、ごみ重量が１００ｋｇ、空気量６７ｋｇ一定で、ごみ質が経時変化してガス化したときの発生ガス組成、正味の空気比及びガス化炉内温度を試算した結果である。ごみ質が可燃分５０％で、水分が１０％→２０％→４０％と変化すると、ＣＯ濃度とＣＯ2濃度は減少するが、ＣＯ／ＣＯ2 は１.６で一定である。このときの空気比は０.２であるが、ガス化炉内温度は水分の気化熱の影響で７００℃に維持することができない。つまり、図５に示すように、ガス化炉内温度は空気比が一定でもごみ中の水分の変化により変化する。このため、ガス化炉内温度を測定し、目標とする温度を維持するために助燃することが必要となる（図の斜線部）。
【００１８】
このように、空気比と温度を一定の目標値に保つことにより、希望する性状の可燃ガスと未燃チャーを安定的に得ることができる。そして、それらの可燃ガスと未燃チャーを灰溶融炉に供給すれば、未燃チャーは固形燃料として作用し灰溶融炉の内部を高温状態に維持することができる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面に従って説明する。なお、従来技術と同一の箇所には同一の符号を記し、その詳細な説明は省略する。
【００２０】
図１は本発明によるごみガス化溶融処理システムの系統図である。図１に示すように、ガス化炉２で生成された可燃ガスＧ１と未燃チャーＣを灰溶融炉３へ導入するための配管２０にはＣＯ・ＣＯ2センサ２１が設けられ、配管２０内を流れる可燃ガスＧ１のＣＯ、ＣＯ2の濃度を測定することができる。ＣＯ・ＣＯ2センサ２１には演算機２３が接続され、この演算機２３にはコントローラ２４が接続されている。さらに、空気予熱器８で加熱された空気Ａをガス化炉２内の流動床内部へ供給するための配管２５には弁２６が設けられ、この弁２６の開度はコントローラ２４によって制御される。
【００２１】
また、ガス化炉２には、その空塔部、流動床表面部および流動床内部の温度を検出する熱電対２７が３箇所に設けられ、各熱電対２７はコントローラ２８に接続されている。ガス化炉２の上部には助燃バーナ２９が取り付けられ、この助燃バーナ２９には燃料が供給されるようになっている。助燃バーナ２９に燃料を供給するための配管には弁３０が設けられ、この弁３０の開度はコントローラ２７によって制御される。なお、図１において、１Ａは給じん機１の下部に設置されたスクリュフィーダ、２Ａはガス化炉２に形成されたごみ投入口である。
【００２２】
上記構成のごみガス化溶融処理システムにおいて、ごみ投入口２Ａからガス化炉２内に投入されたごみは、低空気比、低温度の下で加熱される。配管２５を介して供給される空気量は、一般的なごみ組成から予め求めた理論空気量に対する空気比を維持するように制御されている。投入されたごみはガス化炉２内でガス化されて可燃ガスＧ１と未燃チャーＣを生成する。ここで、まず可燃ガスＧ１の一部を少量抜き出し、燃焼するかどうかである程度の空気比の目安を常につけておく。
【００２３】
可燃ガスＧ１と未燃チャーＣは配管２０を介して灰溶融炉３へと送られるが、そのとき、可燃ガスＧ１中のＣＯ、ＣＯ2の濃度をＣＯ・ＣＯ2センサ２１で測定する。測定したＣＯ、ＣＯ2 の濃度データは演算機２３へ送られ、演算機２３では、これらの濃度データを基にしてガス化炉２内の空気比を推算する。例えば、７００℃、空気比０.２でごみをガス化する場合、ＣＯ2の濃度８ｖｏｌ％、ＣＯの濃度が６ｖｏｌ％であれば、ＣＯ／ＣＯ2は０.７５である。図４より、現在のごみに対して空気比が０.４の状態でガス化していることが分かる。したがって、ガス化炉２へ供給する空気量を現在の半分にすればよいことがすぐに分かる。
【００２４】
このようにＣＯ／ＣＯ2が空気比で目標とした値と異なるとき、コントローラ２４で弁２６の開度を変え、ガス化炉２へ供給される空気量を調整してガス化炉２内部の空気比を瞬時に制御する。上記の場合は、コントローラ２４により弁２６の開度を小さくしてガス化炉２内へ供給する空気Ａの量を半分にして、ガス化炉２内部の空気比が０.２になるように調整する。
【００２５】
次にガス化炉２内の温度を測定する。ガス化炉２内の温度は測定位置が空塔部、流動床表面部、流動床内部の各数箇所の温度を熱電対２７により測定する。熱電対２７でガス化炉２内部の温度を測定して、その測定結果が目標温度より低ければ、コントローラ２８で弁３０を開けて助燃バーナ２９に燃料を供給し、助燃バーナ２９でガス化炉２内の空塔部を加熱して、目標とするガス化温度を維持するようにする。なお、助燃バーナ２９で加熱する代わりに、流動床部へ供給する空気Ａを加熱してもよい。
【００２６】
本実施の形態によれば、可燃ガスのＣＯ、ＣＯ2 の濃度に基づいてガス化炉２内の空気比をリアルタイムに知ることができるので、ガス化炉２内の温度を簡便にかつ迅速に制御することができ、またガス化炉２内部の温度を測定して、ガス化炉２内の温度が目標温度よりも低ければ助燃を行うことにより、ごみ質が変化しても目標とする発熱量を有する可燃ガス及び未燃チャーを安定して得ることができる。
【００２７】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、ガス化炉内の空気比をリアルタイムに知ることができ、ガス化炉内の温度を適正に制御することができる。
【００２８】
また、ごみ質が変動しても目標とする値の可燃ガスおよび未燃チャーを得ることができるので、灰溶融炉内での高温燃焼が可能となり、システムの効率を向上させることができる。
【００２９】
さらに、ＣＯ、ＣＯ2の濃度を検出し、その検出結果に基づいて空気比の制御を行う構成であるから、大掛かりな設備を設置する必要が無く、設備コストを低く抑えることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明によるごみガス化溶融処理システムの系統図である。
【図２】温度が７００℃における発生ガスと空気比との関係を表した図である。
【図３】温度が６００℃における発生ガスと空気比との関係を表した図である。
【図４】ＣＯ／ＣＯ2と空気比との関係を表した図である。
【図５】ごみ質の経時変化による正味の空気比、発生ガス組成、ガス化炉内温度の推算値を表した図である。
【図６】従来技術によるごみガス化溶融処理システムの系統図である。
【符号の説明】
１  給じん機
２  ガス化炉
３  灰溶融炉
４  バーナ
５  ボイラ
６  蒸気タービン
８  空気予熱器
１２  バグフィルタ
２１  ＣＯ・ＣＯ2センサ
２３  演算機
２４，２８  コントローラ
２６，３０  弁
２７  熱電対
２９  助燃バーナ
Ａ  空気
Ｃ  未燃チャー
Ｇ１  可燃ガス
Ｇ２  燃焼排ガス
【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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