JP3777801B2 - 高温旋回炉発生ガスの冷却および同伴スラグミスト分の捕集方法 - Google Patents

Description

【発明の属する技術分野】
本発明は有機性原料あるいは廃棄物のガス化または燃焼などに使用される高温旋回炉から発生するガスを冷却するとともにガスに同伴するスラグミスト分を捕集する方法に関する。
【従来の技術】
従来、都市ごみ、産業廃棄物、下水汚泥の多くが焼却設備へ、またし尿や高濃度廃液が廃水処理設備へ送られ処理されている。しかし、まだ多くの廃棄物が未処理のまま投棄されているため、環境汚染や埋立て地の逼迫を招くに至った。このため廃棄物を低温でガス化処理した後に高温で燃焼することにより灰分を溶融スラグ化するとともにダイオキシン類を完全分解するガス化溶融システムの実用化が強く望まれている。
以上の中核となる高温燃焼炉あるいは高温ガス化炉の構成や処理方法が種々提案されているものの、このような高温ガス化炉で発生するガスの冷却方法もまた上記システムの成否を左右するといえるほど重要である。
従来の高温合成ガス冷却装置による例を図６の概要断面図に示す。
すなわち、この装置は反応室２１と急冷チャンバ２２からなり、入口２８から導入された石炭のガス化によって得られた合成ガスは反応室２１の下方の狭いスロート部２３を通り急冷チャンバ２２の内部に設けられた浸漬管２４内部の冷却領域に導入される。
下端に鋸歯状部をもつ浸漬管２４の下端部は急冷浴２５に浸漬しており、急冷チャンバ２２の上部にはガス排出管２７がある。反応室２１と急冷チャンバ２２との境界に急冷リング２９があり、急冷リング２９の下面は浸漬管２４の上端部に接している。
急冷リング２９は上部のスプレーチャンバ３０と下部のフィルムチャンバ３１に分かれていて、フィルムチャンバ３１から放出された冷却水は浸漬管２４の軸にほぼ平行に進み浸漬管２４の内面に沿って落下する冷却水の薄い落下フィルムを形成し、スプレーチャンバ３０から放出された冷却水は急冷リング２９の周囲から浸漬管２４の主軸方向に進むようになっている。２６はスラグを排出するライン、ｅは冷却水である。
前記冷却領域における乱流とフィルム蒸発による冷却およびスプレー冷却の組合わせにより降下する合成ガスを例えば１３７０℃の初期温度から浸漬管２４の出口温度例えば約５００℃まで冷却することができる。さらに冷却領域の下方部分からでた合成ガスは急冷浴２５中を通り抜けると、灰および炭化物粒子の大半約９５％は冷却領域の下端においてガスから分離される。急冷浴２５を通り抜けたガスは浸漬管２４の外側領域を冷却しながら蒸発した冷却水とともに上昇しガス排出管２７から例えば２３２℃の温度で排出される。
また、国際公開番号Ｗ０９８／１０２２５における発明「旋回溶融炉及び旋回溶融炉を用いた廃棄物のガス化方法」によれば、燃焼室とスラグ分離室からなる旋回溶融炉では、燃焼室壁面のスラグ層を流下したスラグはスラグ滴となってスラグ分離室に落下し、分離室内の下降管との接合角部の周方向に配置された補助スプレーによって下降管内壁面の冷却と同時にガスやスラグを噴霧冷却した後、スラグ分離室下部の水槽中の水に吹き込まれて急冷される。下降管の外側を上昇したガスはスラグ分離室に設けたガス出口より排出され、水槽中に堆積したスラグはスラグ出口より排出される。
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前記高温合成ガス冷却装置あるいは旋回溶融炉における発生ガスの冷却および同伴するスラグミスト分の捕集方法においては、それぞれのプロセスにおいて一応の冷却効率やスラグミスト分の捕集効率が達成されているものの、より一層効果的な冷却方法や捕集方法の開発が望まれている。特に高温旋回炉に関する方法で望まれている改良や開発を課題として列挙すると以下の通りである。
（イ） 高温旋回炉発生ガスを下降管内部で従来の技術、例えば下降管接合部に設けた補助スプレーによる管内壁面の冷却およびガス冷却よりも一層効果的に冷却させる方法の開発。
（ロ） 発生ガスに同伴したスラグミスト分を下降管内面の冷却水の濡壁流れおよび下降管内部全体に発生する水滴により捕集できるように冷却水の供給方法の改良。
（ハ） ガスの冷却効果を向上させるために、下降管内部全体に無数の水滴を発生させる方法の開発。
（ニ） 旋回しながら吹込まれる発生ガスの同伴したスラグミストを確実に捕集するために、下降管内部の冷却水の濡壁旋回流れの濡壁厚みが常に一様となるようにする冷却水供給方法の改良。
したがって本発明の目的は、高温旋回炉において、下降管内面の冷却水の濡壁旋回流れや下降管内部全体に発生させた水滴でスラグミスト分を捕集することを含めて、発生ガスのより効果的な冷却方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
本発明者らは上記目的を達成すべく鋭意研究の結果、下降管内面の冷却水の濡壁旋回流れの方向を下降管内での発生ガスの旋回流れ方向と同じにすると、発生ガスに同伴するスラグミスト分を確実に捕集できること、一方冷却水の濡壁旋回流れの方向を発生ガスのそれと逆方向にすると、下降管内部全体に水滴を発生できる等、前述の課題が解決されることを見いだし本発明に到達した。
すなわち、本発明は第１に、燃焼室とガス急冷室を有する高温旋回炉で発生するガス（発生ガス）を冷却し更に同伴するスラグミスト分を捕集する方法であって、発生ガスをガス急冷室内の下降管頂部に設けた冷却水注入部から冷却水を供給して冷却する際、下降管内面での冷却水の濡壁流れが下降管内の発生ガスの旋回流れに対して同方向あるいは逆方向の旋回流れとなるように下降管の水平断面において接線方向から注入することを特徴とする発生ガスの冷却および同伴スラグミスト分の捕集方法；第２に、前記冷却水の注入本数は１本もしくは複数本であって、その合計流量が下降管頂部内周の単位浸辺長当たり２０ｍ³／ｈ／ｍ以 上である前記第１に記載の方法；第３に、前記冷却水の旋回方向が下降管内での発生ガスの旋回方向に対して逆方向であって、下降管内部全体に水滴を発生させるための下降管内のガス旋回流速が、例えば常圧系の場合３．０ｍ／ｓ以上である前記第１に記載の方法；第４に、前記下降管の形状が円柱形状もしくは逆円錐台形状である前記第１に記載の方法；第５に、前記下降管頂部に設けられる冷却水注入部の方式は溢流堰方式もしくは衝突板方式である前記第１に記載の方法を提供するものである。
【発明の実施の形態】
本発明の方法ではガス急冷室内の下降管頂部に設けた冷却水注入部から冷却水を供給する際、下降管内面での冷却水の濡壁旋回流れが下降管内の発生ガスの旋回流れに対して同方向あるいは逆方向の旋回流れになるように下降管の水平断面において接線方向から冷却水を注入する点に特徴があり、具体的な濡壁旋回流れの作用効果は以下の通りである。
冷却水の濡壁旋回流れ方向を下降管内での発生ガスの旋回流れ方向に対して同方向にすると、発生ガスの旋回流れは確実に維持・促進されて、発生ガスに同伴するスラグミスト分を下降管内面の冷却水の濡壁旋回流れに確実に捕集させることができる。また、発生ガスの旋回流れにより冷却水の濡壁旋回流れを下降管内面周方向に押し付けることにより、濡壁厚みを一様なものとすることができる。
一方、冷却水の濡壁旋回流れ方向を発生ガスの旋回流れ方向に対して逆方向にすると、発生ガスの旋回流れにより冷却水の濡壁旋回流れの表面から下降管内部全体に水滴を発生させることができ、高温の発生ガスと冷却水との接触面積が飛躍的に増大することで発生ガスの冷却およびスラグミスト分の捕集効率を高めることができる。なお、下降管内部全体に水滴を発生させるには、下降管内のガス旋回流速として常圧系の場合、３．０ｍ／ｓ以上が必要である。
高温の発生ガスが下降管内面に形成された冷却水の濡壁旋回流れと直接接触することにより、冷却水の一部を蒸発させることで、発生ガスを冷却する効果がある。
下降管形状を円柱形状とすることで、一様な冷却水の濡壁旋回流れが形成できるとともに燃焼室からの発生ガスの旋回流れを維持することができる。さらに逆円錐台形状とすることで、高温の発生ガスとの接触により冷却水の一部が蒸発し失われても適度の厚みの濡壁旋回流れを確保することができる。
【実施例】
図１は本発明で用いられる高温旋回炉の断面構成図、図２は図１の矢視Ａから見た水平断面構成図であって、これらの図を参照して以下説明する。
図１、図２において、１は燃焼室、２はガス急冷室、３はスロート部、４は下降管、５は水槽、６はスラグ排出口、７はガス排出口、８はスラグ水排出口、９は冷却水注入部、１０は旋回流れの仮想円、ａはガス化ガス、ｂは酸素、ｃはスチーム、ｄは発生ガス、ｅは冷却水、ｆはスラグ粒である。
高温旋回炉は燃焼室１およびガス急冷室２で構成され、ガス急冷室２は燃焼室１で発生する高温の発生ガスを急冷するとともに、燃焼室壁面に沿ってガス急冷室へと流下する溶融スラグおよび発生ガスに同伴する溶融スラグミスト分を分離冷却し、水砕スラグ化する。
ガス急冷室２は燃焼室１の下部にスロート部３を介して接続され、内部に下降管４、底部に水槽５とスラグ排出口６、側面にガス排出口７とスラグ水排出口８があり、下降管４頂部には冷却水注入部９がある。
高温旋回炉では例えば流動層ガス化炉から供給されるガス化ガスａと高温旋回炉の側面から供給される酸素ｂとスチームｃは旋回流れの仮想円１０の接線方向に吹き込まれ旋回流れを形成する。
燃焼室１からの発生ガスは旋回流れを保ったまま、スロート部３を通過してガス急冷室２に入る。また燃焼室１内で発生する溶融スラグの大部分は燃焼室壁面に沿ってガス急冷室２に流下するが、一部のスラグミスト分は発生ガスに同伴された状態でスロート部３からガス急冷室２へ送られる。
ガス急冷室２の下降管４内部は高温の発生ガスおよび溶融スラグが通過することで高温雰囲気にさらされるので、下降管４の内面にはその頂部にある冷却水注入部９において下降管４の水平断面に対して接線方向から供給する冷却水ｅによって濡壁旋回流れを形成させることで、熱衝撃から保護され材料の損傷を回避できるとともに、付着した固化スラグを下降管内面で成長させることなく水槽５へと流下させることができる。
図３に下降管の形状例を示す。同図（ａ）は円柱形状、同図（ｂ）は逆円錐台形状であって、後者のようにすると高温の発生ガスとの接触により冷却水の一部が蒸発して失われても適度な厚みの濡壁旋回流れを確保することができる。
図４、図５はいずれも下降管内面に濡壁旋回流れをつくるための冷却水注入方式を示したもので、図４は溢流堰方式で仕切板１１を使用し、図５は衝突板方式で衝突板１２を使用して安定した濡壁旋回流れを形成することができる。
【発明の効果】
以上述べたように、本発明の発生ガス冷却方法によれば、下降管内面の冷却水の濡壁流れは高温の発生ガスが直接冷却水と接触し、この冷却水の一部が蒸発することで発生ガスを冷却する効果のあることは従来技術も同じであるが、この濡壁流れを旋回流れとし、濡壁表面を粗くすることで従来技術の単純濡壁流れ（前記薄い落下フィルム）の場合に比しガスとの接触面積が大きくなり、より効果的に発生ガスを冷却することができる。
その上、冷却水の濡壁旋回流れ方向を発生ガスの旋回流れ方向と同じにすると発生ガスの旋回流れを維持しながらスラグミスト分を捕集でき、かつ濡壁厚みを一様に保持できる。
またさらに、冷却水の濡壁旋回流れを発生ガスの旋回流れと逆方向にすると、濡壁旋回流れの表面から下降管内全体に水滴を発生でき、ガスと冷却水との接触を飛躍的に増大させ、スラグミスト分の捕集効率を高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】燃焼室とガス急冷室を有する本発明に用いられる高温旋回炉の断面構成図である。
【図２】図１の矢視Ａから見た水平断面構成図である。
【図３】ガス急冷室の下降管について同図（ａ）は円柱形状を、同図（ｂ）は逆円錐台形状を示す断面図である。
【図４】ガス急冷室の冷却水注入部での冷却水注入方式において、同図（ａ）および（ｂ）は溢流堰方式の断面図および平面図である。
【図５】ガス急冷室の冷却水注入部での冷却水注入方式において、同図（ａ）および（ｂ）は衝突板方式の断面図および平面図である。
【図６】急冷チャンバおよび浸漬管を有する従来の高温合成ガス冷却装置の一例を示す概要断面図である。
【符号の説明】
１ 燃焼室
２ ガス急冷室
３ スロート部
４ 下降管
５ 水槽
６ スラグ排出口
７ ガス排出口
８ スラグ水排出口
９ 冷却水注入部
１０ 旋回流れの仮想円
１１ 仕切板
１２ 衝突板
２１ 反応室
２２ 急冷チャンバ
２３ スロート部
２４ 浸漬管
２５ 急冷浴
２６ スラグ排出ライン
２７ ガス排出管
２８ 入口
２９ 急冷リング
３０ スプレーチャンバ
３１ フィルムチャンバ
ａ ガス化ガス
ｂ 酸素
ｃ スチーム
ｄ 発生ガス
ｅ 冷却水
ｆ スラグ粒
ｇ 濡壁旋回流れ

Claims (4)

1. 燃焼室とガス急冷室を有する高温旋回炉で発生するガス（発生ガス）を冷却するとともに同伴するスラグミスト分を捕集する方法であって、発生ガスをガス急冷室内の下降管頂部に設けた冷却水注入部から冷却水を供給して冷却する際、下降管内面に均一で３〜４ｍｍ以上の一定厚み以上の冷却水膜を形成させるために、下降管内面での冷却水の濡壁旋回流れが下降管内の発生ガスの旋回流れに対して同方向あるいは逆方向の旋回流れとなるように下降管の水平断面において接線方向から注入することを特徴とする発生ガスの冷却および同伴スラグミスト分の捕集方法。
2. 前記冷却水の注入本数は１本もしくは複数本であって、その合計流量が下降管頂部内周の単位浸辺長当たり２０ｍ³／ｈ／ｍ以上である請求項１記載の方法。
3. 前記冷却水の旋回方向が下降管内での発生ガスの旋回方向に対して逆方向であって、下降管内部全体に水滴を発生させるための下降管内のガス旋回流速が、常圧系の場合３．０ｍ／ｓ以上である請求項１記載の方法。
4. 前記下降管の形状が円柱形状もしくは逆円錐台形状である請求項１記載の方法。

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