JP5255509B2 - 廃棄物溶融処理方法および廃棄物溶融処理装置 - Google Patents

Description

本発明は、廃棄物を乾燥・熱分解して廃棄物中の水分および揮発分を除去した熱分解残渣のみを溶融する廃棄物溶融処理に関し、特に最適熱分解状況に調整する廃棄物溶融処理方法および廃棄物溶融処理装置に関する。

一般廃棄物、産業廃棄物などの廃棄物をシャフト炉式廃棄物溶融炉内にコークスなどの塊状炭素系可燃物質を石灰石とともに装入し、炉体に設けられている羽口から空気又は酸素富化空気を吹き込んで、廃棄物を乾燥・熱分解、燃焼、溶融処理することが行われている。

シャフト炉式廃棄物溶融炉による廃棄物溶融処理では、被処理物を溶融するための主燃料として使用されるコークスの処理費用に占める割合が大きいので、処理費用を節約するためにコークスの使用量を低減することが望まれている。また、一方で、地球温暖化防止のために環境に対するＣＯ_２負荷を削減することからも、溶融熱源として用いる化石燃料に由来するコークス使用量の削減が望まれている。

コークス使用量を低減させるため、例えば、羽口を介して炉頂から排出した可燃性ダストとともに、可燃性ダスト以外の可燃物を吹き込む方法（特許文献１）、下段送風羽口から供給される可燃性ダストの吹き込み量に応じて送風条件を変える方法（特許文献２）、加熱コイルによって炉内に充填されたコークスを羽口から吹き込まれた空気又は酸素富化空気により還元燃焼せしめるとともに、該コークスに交番電流を通電して誘導加熱することにより廃棄物を溶融処理する廃棄物の溶融処理方法（特許文献３）あるいは、木材などのバイオマスを利用する方法（特許文献４）などが提案されている。

シャフト炉式ガス化溶融炉内の充填層では直接熱交換により固体の昇温が行われており、熱効率はよいが、廃棄物中には生ごみ等の高水分ごみや木等の揮発分が多く径が大きいものが存在する。従来型のシャフト炉式ガス化溶融炉では、これらの廃棄物の一部が十分に乾燥されなかったり、揮発分のガス化が行われることなく炉最下部に下降したりして、コークスと共に燃焼・溶融する。炉下部において水分や揮発分はいずれも雰囲気温度を低下させることになるため、雰囲気温度を高く維持し非燃焼物を完全溶解するためには、結果としてコークス使用量を増やす必要がある。また、コークス代替としてＬＰＧ等の外部燃焼を使用する場合、外部燃焼（コークス＋ガス）使用量は高いままであった。また、従来のシャフト炉内ではごみの装入時や未乾燥・未熱分解の廃棄物が炉最下部まで下降した時などに、充填層内での揮発分のガス化に伴う蒸気量や排ガス量の変動が発生していた。

そこで、本出願人は、廃棄物溶融処理において、火格子にて乾燥・熱分解を燃焼・溶融と分離して行うことによってごみ中の水分や揮発分を除去して廃棄物が乾燥や熱分解されない状態で炉下部に下降することを防止する廃棄物溶融処理を提案した。これにより、溶融炉最下部における雰囲気温度の低下を抑制し、灰分の溶融に必要な量以上に使用されているコークス消費量を抑制して熱分解残渣の持つ熱量と少量のコークスの熱量にて完全溶融を達成するとともに、排ガス量および蒸気量を安定させることが可能となる（特許文献５）。

図３により前記特許文献５に記載の廃棄物溶融処理技術を説明する。

図３において、廃棄物溶融処理装置は、装入された廃棄物を乾燥する乾燥用シャフト部１、乾燥された廃棄物を熱分解して熱分解残渣を生成する火格子部２、熱分解残渣を燃焼・溶融する熱分解残渣溶融部３からなる。乾燥用シャフト部１が火格子部２の入側の上方に配置され、熱分解残渣溶融部３が火格子部２の出側の下方に配置されてクランク形状に連通して一体に接続されている。

熱分解残渣溶融部３は下方の炉床部４、この炉床部４の上に連なる朝顔部５、この朝顔部５の上のシャフト部を備える。炉床部４には酸素源として空気と酸素を吹き込む下段羽口８を備えるとともに、朝顔部５からシャフト部の下端部にかけて空気を吹き込む上段羽口７が配置されている。熱分解残渣溶融部３には、シャフト炉式廃棄物溶融炉の炉底部と同じくコークスベットが形成される。コークス、石灰石などの副資材はシャフト６の頂部の副資材装入口１５から投入する。

乾燥用シャフト部１の頂部には、排ガス出口９と廃棄物装入口１０が設けられ、廃棄物装入口１０は、装入の際にガスが吹き出すのを防ぐシール用蓋１１が設けられている。乾燥用シャフト部１の下部には廃棄物供給装置１２が設けられている。

火格子部２は、乾燥用シャフト部１から装入された廃棄物を熱分解させながらシャフト部６へ移動させる火格子１３を備えている。１６は起動用のバーナ、１７は乾燥用シャフト部に燃焼空気を吹き込むための羽口である。

前記構成において、乾燥用シャフト部１の頂部の廃棄物装入口１０から装入された廃棄物は、火格子部２および炉床部３から発生したガスが乾燥用シャフト部１に充填された廃棄物中を通過して熱交換を行うことで効率的な乾燥・熱分解が行われる。乾燥・熱分解により生成された熱分解残渣は、熱分解残渣溶融部３内へ落下してコークスベットの熱源により燃焼、溶融され、炉床部３の出湯口１４から排出される。排ガスは、乾燥用シャフト部１の廃棄物中を通過して排ガス出口９から排気される。

特開２００６−２０７９１１号公報 特開２００３−０５６８２０号公報 特開２００２−０５４８１０号公報 特開２００７−９３０６９号公報 特願２００８−１８３９１３

図３に示す廃棄物溶融処理装置では、火格子部での乾燥・熱分解が不十分である場合には熱分解残渣溶融部内における水分乾燥熱量の補填が必要となり、また、完全燃焼させてしまった場合には灰を溶融するための熱量の補填が必要となる。したがって、廃棄物の乾燥・熱分解が適正に行われないと、熱量補填のために熱分解残渣溶融部で使用するコークスの使用量が増加したり、ＣＯ_２排出量が増えたりしていた。

そこで、本発明は、廃棄物の乾燥・熱分解を火格子部にて行い、生成された熱分解残渣を溶融炉の供給し、炉上部から供給された塊状炭素系可燃物質とともに溶融処理する廃棄物溶融処理において、乾燥・熱分解する火格子部での炉内ガス成分濃度を測定し、その測定結果により廃棄物の乾燥・熱分解状況を把握して、火格子速度、送風空気量、送風空気温度、廃棄物供給量を変化させ、廃棄物の廃棄物乾燥・熱分解状況が最適となるようにする廃棄物溶融処理方法および廃棄物溶融処理装置を提供するものである。

請求項１の発明は、炉上部から廃棄物および塊状炭素系可燃物質を供給し、炉下部の羽口から酸素源を供給して廃棄物を溶融し、炉床部の出湯口から溶融物を出湯する廃棄物溶融炉による廃棄物溶融処理方法において、廃棄物を乾燥する乾燥用シャフト部と乾燥用シャフト部で乾燥した廃棄物を熱分解して熱分解残渣を生成する火格子部とを溶融炉の上部に連結し、乾燥用シャフト部内に炉頂から装入して形成された廃棄物充填層に火格子部および溶融炉で発生したガスを通過させることによって乾燥・熱分解させて熱分解残渣を生成し、廃棄物充填層を通過したガスは乾燥用シャフト部の頂部から排出し、生成した熱分解残渣を溶融炉に供給してコークスベッドを熱源として燃焼・溶融し、火格子部における炉内ガス成分濃度を分析することによって火格子部における廃棄物の乾燥・熱分解状況を把握し、把握した乾燥・熱分解状況を元に最適な廃棄物乾燥・熱分解状況となるように火格子速度、送風空気量、送風空気温度、廃棄物供給量のいずれか又は２種以上を変化させることを特徴とする廃棄物溶融処理方法である。

請求項２の発明は、前記炉内ガス成分濃度がＣＯ濃度、Ｏ_２濃度、Ｈ_２濃度およびＣＨ_４濃度のいずれかであることを特徴とする請求項１記載の廃棄物処理方法である。

請求項３の発明は、前記最適な乾燥・熱分解状況となるＣＯ濃度が４〜２５体積％であることを特徴とする請求項１又は２記載の廃棄物処理方法である。

請求項４の発明は、前記最適な乾燥・熱分解状況となるＯ_２濃度が３体積％以下であることを特徴とする請求項１、２又は３記載の廃物物処理方法である。

請求項５の発明は、炉上部から廃棄物および塊状炭素系可燃物質を供給し、炉下部の羽口から酸素源を供給して廃棄物を溶融し、炉床部の出湯口から溶融物を出湯する溶融炉の上部に、廃棄物を乾燥する乾燥用シャフト部と該乾燥用シャフト部で乾燥・熱分解した廃棄物をさらに熱分解して熱分解残渣を生成する火格子部が連結され、乾燥用シャフト部内に炉頂から装入して形成された廃棄物充填層を通過したガスを排出する排ガス出口が乾燥用シャフト部の頂部に設けられ、さらに、前記火格子部における炉内ガス成分濃度を分析することによって前記火格子部における廃棄物の乾燥・熱分解状況を把握する手段と、前記把握する手段により把握した乾燥・熱分解状況を元に最適な廃棄物乾燥・熱分解状況となるように火格子速度、送風空気量、送風空気温度、廃棄物供給量のいずれか又は２種以上を変化させる手段が設けられていることを特徴とする廃棄物溶融処理装置である。

請求項６の発明は、上記ガス分析手段がレーザ分析計であることを特徴とする請求項５記載の廃棄物処理装置である。

本発明は、火格子部炉内ガス成分濃度を測定することにより乾燥・熱分解の状態を正確に把握できるので、適正に廃棄物を乾燥・熱分解することが可能となり、乾燥・熱分解を最適化することによって廃棄物の持つエネルギーを有効利用することができ、結果として溶融炉で使用するコークスなどの外部燃料の使用量およびＣＯ_２排出量を極小化することが可能となる。

本発明において、ＣＯ濃度、Ｏ_２濃度、Ｈ_２濃度およびＣＨ_４濃度を測定し、ＣＯ濃度を４〜２５体積％、Ｏ_２濃度を３体積％以下の範囲で管理することによって、火格子部で生成される熱分解残渣中の可燃分を２０〜６５質量％程度にすることが可能となる。廃棄物熱分解残渣中可燃分割合が２０〜６５質量％程度であれば火格子部の後段に設置されている溶融炉において熱分解残渣中可燃分とコークス等の外部燃料使用量を極小化することが可能となる。

廃棄物中可燃分が高すぎると、廃棄物の乾燥までしか行えないことを意味し、火格子部に連結されている溶融炉において、揮発分を揮発するための熱量補填が必要となり、コークス等の外部燃料使用量を極小化することが困難である。一方で、熱分解残渣中可燃分が低すぎると、熱分解残渣が灰化されていることを意味し、溶融炉において熱分解残渣中可燃分を有効利用することによってコークス等の外部燃料使用量を極小化することが難しくなる。このように、溶融炉において、火格子部で生成される熱分解残渣中の可燃分を適正な範囲に制御することが非常に重要である。

さらに、乾燥・熱分解を火格子構造にて行うことで、炉内ガス成分濃度から推測される廃棄物の乾燥・熱分解状況を自在に変化させることが可能となる。たとえば、炉内ガス成分濃度から廃棄物の乾燥・熱分解が不十分と推測される場合は、火格子における滞留時間を長くすることで乾燥・熱分解を促進したあとに溶融炉へ熱分解残渣を供給することが可能となる。

また、レーザ式分析計にて炉内ガス成分濃度を管理することで、ガス分析時間のタイムラグを生じさせることなく、火格子部の廃棄物乾燥・熱分解制御を行うことが可能となり、溶融炉におけるコークス等の外部燃料使用量を少なくすることが可能となる。

本発明の廃棄物溶融処理装置の概略図である。 ＣＯ濃度およびＯ_２濃度とごみ中の可燃分との関係を示すグラフである。 乾燥・熱分解と燃焼溶融を分離して行う廃棄物溶融処理装置の概略図である。

図１において、廃棄物溶融処理装置は、装入された廃棄物を乾燥する乾燥用シャフト部１、乾燥された廃棄物を熱分解して熱分解残渣を生成する火格子部２、熱分解残渣を燃焼・溶融する熱分解残渣溶融部３からなる。乾燥用シャフト部１が水平の火格子部２の入側の上方に配置され、熱分解残渣溶融部３が火格子部２の出側の下方に配置されてクランク形状に連通して一体に接続されている。乾燥用シャフト部１には、必要に応じて燃焼用空気を吹き込む乾燥用シャフト部羽口１７が設けられている。

溶融炉６は下方の炉床部４、この炉床部４の上に連なる朝顔部５、この朝顔部５の上のシャフト部を備える。シャフト部を設けない場合もある。炉床部４には酸素源として空気と酸素を吹き込む下段羽口８を備えるとともに、朝顔部５には空気を吹き込む上段羽口７が配置されている。溶融炉６の上部には、起動用のバーナ１６が設けられている。熱分解残渣溶融部３には、シャフト炉式廃棄物溶融炉の炉底部と同じくコークスベットが形成される。コークス、石灰石などの副資材はシャフト６の頂部の副資材装入口１５から投入する。

火格子部２は、乾燥用シャフト部１から装入された廃棄物を熱分解させながら溶融炉６へ移動させる火格子１３を備えている。火格子部２は、周知のストーカ炉と同じく、前後に摺動運動する傾斜した火格子が階段状に配置されている。

火格子部２には、炉内ガス成分濃度を分析するガス分析手段が設けられている。ガス分析手段には、ガスを連続分析するレーザ分析計１８が適している。レーザ分析計の連続分析により分析時間差がなく精度の高い燃焼制御が可能となる。

前記構成において、乾燥用シャフト部１の頂部の廃棄物装入口１０から装入された廃棄物は、火格子部２および熱分解残渣溶融部３から発生したガスが乾燥用シャフト部１に充填された廃棄物中を通過して熱交換を行うことで効率的な乾燥が行われる。乾燥・熱分解により生成された熱分解残渣は火格子部２からシャフト部６内へ落下して充填され、コークスベットの熱源により燃焼・溶融され、炉床部３の出湯口１４から出湯される。排ガスは、乾燥用シャフト部１の排ガス出口９から排気され、その後熱回収される。

火格子部２の廃棄物は、バーナ１６で着火後は可燃物の自燃または炉床部にて発生するガスの輻射により乾燥・熱分解を行い、水分を３０％以下または揮発分を３０％以下にまで乾燥させる。乾燥用シャフト部１と熱分解残渣溶融部３の間に火格子部２を設けて水分３０％以下または揮発分を３０％以下にすることにより、残りの水分および揮発分は熱分解残渣溶融部３の充填層における直接熱交換によってガス化することが可能となる。結果として、熱分解残渣溶融部３において雰囲気温度を低下させることがなく、かつ、吹き抜け現象も抑制することができるので、コークス使用量を減らすことが可能となる。従来のシャフト炉式廃棄物溶融炉で発生した吹き抜け現象は、廃棄物の乾燥・熱分解が効率的に行われない結果発生しているが、乾燥・熱分解を乾燥用シャフト部１および火格子部２にて分離して行うことで、排ガス量の安定化を図ることができ、吹き抜けを防止することができる。

さらには火格子部２の乾燥・熱分解によって揮発分が低減できるので、充填層内における揮発分のガス化に伴う排ガスおよび蒸気量の変動を抑制することが可能となる。なお、水分３０％を超えまたは揮発分が３０％を超えた場合、炉下部における雰囲気温度が従来のシャフト炉式溶融炉と同様に低下してしまうため、雰囲気温度維持のためにコークスを使用しなければならず、コークス使用量を低減することができなくなる。

火格子部２の出側の位置が熱分解残渣溶融部３の熱分解残渣の充填層上面より０．５ｍ以下であると、送風空気と熱分解残渣とが混合し異常燃焼を起こしたり、熱分解残渣の飛散量が増加したりする可能性がある。また、熱分解残渣を投入する出側と羽口との距離が１０ｍ以上離れていると、投入した熱分解残渣が飛散してしまい排ガス量の変動が大きくなる。

本発明では、火格子部２における廃棄物の乾燥・熱分解の際に生じるＣＯ濃度、Ｈ_２濃度、ＣＨ_４濃度および未反応のＯ_２濃度をレーザ分析計１８により連続分析することによって、乾燥・熱分解状況を把握し、その結果により操業条件を調整して、最適の乾燥・熱分解状況にする。

図２において、ごみ中の可燃分の割合が高すぎると乾燥までしか行えていないことを意味し、揮発分の揮発のための熱量補填が必要となる。一方で、ごみ中の可燃分の割合が低すぎると、灰化していることを意味し、灰を溶融するための熱量補填が必要となる。

例えば、Ｏ_２濃度を３体積％以下、ＣＯ濃度を４〜２５体積％の範囲に管理することによりごみ中可燃分を２０〜６５質量％程度にすることができ、ごみを炭化することが可能となる。図２から明らかなとおりＣＯ濃度が４体積％以下だと乾燥・熱分解されていないか、完全に燃焼してしまっているかのいずれかである。ＣＯ濃度が４〜２５体積％の範囲を外れた場合、安定的な溶融を確保するために、コークスなどの使用量を変化させて熱量補填を行う必要がある。

図２において、Ｏ_２濃度が高すぎることは、ごみが燃焼していないことを意味し、これは、（１）灰化してしまっており、もえるものがなくなっている、（２）乾燥も十分に行えておらず、着火していない、のいずれかの状態を意味している。Ｏ_２濃度を３体積％以下にすることによりごみ中可燃分を２０〜６５質量％程度にすることができ、ごみを適正に乾燥・熱分解することが可能となる。さらにＯ_２濃度は３体積％以下にすることでＣＯガスとＯ_２との滞留混合による爆轟を抑制することも可能となる。Ｏ_２濃度は１体積％以下がのぞましく、１体積％以下であればごみ中揮発分もほぼ揮発されており、最適な熱分解状態になっていることが推測される。

また、ごみ質によって幅はあるものの、ごみの熱分解時に発生するＨ_２濃度およびＣＨ_４濃度を測定し、最適な熱分解状態つまり濃度が高くなるように火格子速度、送風空気量、送風空気温度およびごみ供給速度などの操業条件を調整する。

最適の乾燥・熱分解状況にするために、ＣＯ濃度、Ｈ_２濃度、ＣＨ_４濃度およびＯ_２濃度を連続分析し、特にＣＯ濃度およびＯ_２濃度の値が前記の範囲になるように火格子速度、送風空気量、送風空気温度およびごみ供給速度などの操業条件を調整する。

１：乾燥用シャフト部 ２：火格子部
３：熱分解残渣溶融部 ４：炉床部
５：朝顔部 ６：溶融炉
７：下段羽口 ８：上段羽口
９：排ガス出口 １０：廃棄物装入口
１１：シール用蓋 １２：廃棄物供給装置
１３：火格子 １４：出湯口
１５：副資材装入口 １６：バーナ
１７：乾燥用シャフト部羽口 １８：レーザ分析計

Claims (6)

1. 炉上部から廃棄物および塊状炭素系可燃物質を供給し、炉下部の羽口から酸素源を供給して廃棄物を溶融し、炉床部の出湯口から溶融物を出湯する廃棄物溶融炉による廃棄物溶融処理方法において、
   廃棄物を乾燥する乾燥用シャフト部と乾燥用シャフト部で乾燥した廃棄物を熱分解して熱分解残渣を生成する火格子部とを溶融炉の上部に連結し、乾燥用シャフト部内に炉頂から装入して形成された廃棄物充填層に火格子部および溶融炉で発生したガスを通過させることによって乾燥・熱分解させて熱分解残渣を生成し、廃棄物充填層を通過したガスは乾燥用シャフト部の頂部から排出し、生成した熱分解残渣を溶融炉に供給してコークスベッドを熱源として燃焼・溶融し、火格子部における炉内ガス成分濃度を分析することによって火格子部における廃棄物の乾燥・熱分解状況を把握し、把握した乾燥・熱分解状況を元に最適な廃棄物乾燥・熱分解状況となるように火格子速度、送風空気量、送風空気温度、廃棄物供給量のいずれか又は２種以上を変化させることを特徴とする廃棄物溶融処理方法。
2. 前記炉内ガス成分濃度がＣＯ濃度、Ｏ_２濃度、Ｈ_２濃度およびＣＨ_４濃度のいずれかであることを特徴とする請求項１記載の廃棄物処理方法。
3. 前記最適な乾燥・熱分解状況となるＣＯ濃度が４〜２５体積％であることを特徴とする請求項１又は２記載の廃棄物処理方法。
4. 前記最適な乾燥・熱分解状況となるＯ_２濃度が３体積％以下であることを特徴とする請求項１、２又は３記載の廃物物処理方法。
5. 炉上部から廃棄物および塊状炭素系可燃物質を供給し、炉下部の羽口から酸素源を供給して廃棄物を溶融し、炉床部の出湯口から溶融物を出湯する溶融炉の上部に、廃棄物を乾燥する乾燥用シャフト部と該乾燥用シャフト部で乾燥・熱分解した廃棄物をさらに熱分解して熱分解残渣を生成する火格子部が連結され、
   乾燥用シャフト部内に炉頂から装入して形成された廃棄物充填層を通過したガスを排出する排ガス出口が乾燥用シャフト部の頂部に設けられ、
   さらに、前記火格子部における炉内ガス成分濃度を分析することによって前記火格子部における廃棄物の乾燥・熱分解状況を把握する手段と、前記把握する手段により把握した乾燥・熱分解状況を元に最適な廃棄物乾燥・熱分解状況となるように火格子速度、送風空気量、送風空気温度、廃棄物供給量のいずれか又は２種以上を変化させる手段が設けられていることを特徴とする廃棄物溶融処理装置。
6. 上記ガス分析手段がレーザ分析計であることを特徴とする請求項５記載の廃棄物処理装置。

Images