JP2006112715A - 廃棄物溶融ガス化炉の操業方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 廃棄物ガス化溶融炉において溶融スラグの滓化性を向上させる操業方法を提供すること。
【解決手段】炭素質の助燃材を用いずに廃棄物を酸素含有ガスで直接に溶融ガス化する廃棄物溶融ガス化炉１の操業方法において、バーナ４の酸素／燃料比率を酸素富化側に上げることにより、炉内で生成するスラグの滓化性を良くし、スラグの排滓性を良好にする。
また、これによりスラグの浸食性が高まるが、均質化炉２のスラグと接触する部分をマグネシアクロミア質またはアルミナクロミア質の定形耐火物８とし、かつその背面を銅製水冷帯７で強制冷却することにより耐火物のスラグによる浸食を防ぐ。
【選択図】 図４

Description

本発明は、都市ごみや産業廃棄物を溶融ガス化処理する廃棄物溶融ガス化炉において、炉内で生成するスラグの滓化性を良くするための操業方法に関する。

都市ごみや産業廃棄物などは、廃棄物処理場において焼却処理されて減容化され、最終的に排出される焼却残渣等の固形物は埋め立て処分場で埋め立て処分されている。また、それらの固形物の中でも、焼却又は溶融処理した際に発生する飛灰には亜鉛、鉛などの重金属類が含まれていることから、飛灰は、セメント固化や薬剤処理等によって安定化処理された後に埋め立て処分されている。

しかしながら、このような処分方法は埋め立て処分場を必要とし、近年ではこのような処分場の確保が非常に困難となってきている。また、安定化処理した場合でも、超長期的には、埋め立て処分された飛灰から溶出する重金属が環境汚染の原因となるというリスクを抱えており、環境汚染を防ぐための対策を施す必要がある。

そこで、近年では、上記した焼却処理に代わる廃棄物処理方法として、廃棄物を還元性熱処理炉で熱処理することが行われている。このような処理方法の例としてガス化改質方式による溶融ガス化プロセスが注目されている。

この方法は、廃棄物溶融ガス化炉内で、廃棄物を熱処理することによって、廃棄物を熱分解ガスを含むガスと溶融物スラグとに転換するというものであり、得られたガス中にはダイオキシン等の有害なガス成分が少ないという利点がある。そして、廃棄物から発生する熱分解ガス中には可燃性のガスが含まれているため、これを発電用燃料、工業用燃料及び化学工業用原料等として有効に利用することができる。また廃棄物に含まれていた重金属類等の有害物質は、溶融スラグ中に固定されるので、重金属類が溶出しにくいという特徴がある。

廃棄物溶融ガス化炉のうち、炭素質の助燃材を用いずに廃棄物を酸素含有ガスで直接に溶融ガス化する廃棄物溶融ガス化炉においては、原料である廃棄物の組成が常に一定ではないため炉内でうまく滓化する場合とうまく滓化しない場合とがある。このため、操炉上注意深く監視し、操業不良に対応しないと、スラグが排出されずに炉が詰まるなどの重大なトラブルを引き起こす危険性がある。

このようなトラブルを防止するために種々の提案がなされている。
特許文献１には、ガス化溶融設備の溶融物の排出口の構造を、一定方向から流れてくる溶融物が落下する落下孔を形成しかつ前記溶融物を前記落下孔へ誘導する流路を設けた金属製水冷ジャケットと、落下する前記溶融物に水砕用水を噴射するノズルとを有し、前記溶融物が流れてくる側の前記金属製水冷ジャケットの上端高さを反対側に比べて低くし、前記溶融物が流れてくる側の前記金属製水冷ジャケットの上部に庇部を設けた構造とし、これによって溶融物を安定して排出し、しかも溶融物排出口の耐用性を向上することが記載されている。

特許文献２には、廃棄物の溶融炉で生じたスラグ、メタル等の溶融物を溶融炉から回収装置に円滑に連続して排出させるために、溶融炉の溶融物排出口の構造を、溶融炉の下部に設けられた溶融物を流す流路と、金属製水冷ジャケットで形成され、流路の先端から溶融物を鉛直に落下させる筒状落口と、該筒状落口の鉛直壁に設けられ、溶融物に冷却水を吹きつける複数の水噴射ノズルと、該筒状落口の下方に配設された溶融物の回収槽とから構成することが記載されている。

上記特許文献に記載の発明はスラグを安定的に排出する方法を提供するものではあるが、溶融スラグの滓化性を向上させるというものではない。
溶融スラグの滓化性が良好であると次のようなメリットがあるので滓化性を向上するための方法の開発が望まれている。
(1)炉内からの円滑な排出が可能となり、スラグ排出口の閉塞等の操業異常を防止することができる。
(2)炉外流路での円滑な流れが可能となり、途中固化によって流路が閉塞される等の操業異常を防止することができる。
(3) ガラス化酸化物が完全スラグ化されて成分が均一化されることにより、反応による有害物質の流出を防止することができ、また、骨材として利用した場合に骨材が崩壊するのを防止することができる。

特開２００３−３１４９６９号公報 特開２００２−３４９８３９号公報

本発明は、廃棄物ガス化溶融炉において溶融スラグの滓化性を向上させる操業方法を提供することを目的とする。

本発明者等は、炭素質の助燃材を用いずに廃棄物を酸素含有ガスで直接に溶融ガス化するタイプの廃棄物溶融ガス化炉においては、炉内でＦｅＯが存在し得るため、このＦｅＯをうまく使ってスラグの排出を円滑にすること及び一般廃棄物からはＣａＯ／Ａｌ_２Ｏ_３／ＳｉＯ_２＝２１％／１８％／３５％のスラグ成分は装入されるが、その３元系スラグに酸化鉄が加わることによって大幅に液相温度が低下し、かつ粘度も低下し、スラグの均質化・滓化が促進されるとの知見を得て本件発明を完成した。
すなわち、本願発明は次の構成を有する。

（１）炭素質の助燃材を用いずに廃棄物を酸素含有ガスで直接に溶融ガス化する廃棄物溶融ガス化炉の操業方法であって、バーナの酸素／燃料比率を酸素富化側に上げることにより、炉内で生成するスラグの滓化性を良くすることを特徴とする廃棄物溶融ガス化炉の操業方法。
（２）燃料を燃焼させるに必要な理論酸素量に対して０％超３０％以下の過剰の酸素をバーナに供給することを特徴とする上記（１）の廃棄物溶融ガス化炉の操業方法。
（３）廃棄物溶融ガス化炉で排滓不良が生じた場合に、バーナの酸素／燃料比率を酸素富化側に上げることにより、炉内で生成するスラグの滓化性を良くして排滓不良を解消することを特徴とする上記（１）、（２）の廃棄物溶融ガス化炉の操業方法。
（４）廃棄物溶融ガス化炉が、スラグおよびメタルの排出流路となる密閉式の均質化炉を連設した廃棄物溶融ガス化炉であり、バーナの酸素／燃料比率を酸素富化側に上げることにより該均質化炉のスラグおよびメタルの排出流路におけるスラグ流れを円滑化することを特徴とする上記（１）〜（３）のの廃棄物溶融ガス化炉の操業方法。
（５）均質化炉中のスラグ流れの滞留時間が３分以上であることを特徴とする上記（４）の廃棄物溶融ガス化炉の操業方法。

（６）廃棄物溶融ガス化炉で排滓不良が生じた場合に、該炉内に鉄酸化物含有物質を付加的に装入又は吹き込むことにより排滓不良を解消することを特徴とする上記（１）〜（５）の廃棄物溶融ガス化炉の操業方法。
（７）廃棄物溶融ガス化炉で排滓不良が生じた場合に、該炉内に酸化カルシウム、炭酸カルシウム、酸化アルミニウムの１種以上を含む造滓剤を付加的に装入又は吹き込むことにより排滓不良を解消することを特徴とする上記（１）〜（６）の廃棄物溶融ガス化炉の操業方法。
（８）廃棄物溶融ガス化炉で排滓不良が生じた場合に、酸素量および燃料量を増加してスラグを加熱し排滓不良を解消することを特徴とする上記（１）〜（７）の廃棄物溶融ガス化炉の操業方法。

（９）廃棄物溶融ガス化炉の炉底部および壁スラグライン部がマグネシアクロミア質またはアルミナクロミア質の定形耐火物であり、かつその背面が銅製水冷帯で強制冷却されていることを特徴とする上記（１）〜（８）の廃棄物溶融ガス化炉の操業方法を実施するための廃棄物溶融ガス化炉。
（１０）廃棄物溶融ガス化炉が、スラグおよびメタルの排出流路となる密閉式の均質化炉を連設しており、該均質化炉のスラグ流れに接触する部分がマグネシアクロミア質またはアルミナクロミア質の定形耐火物であり、かつその背面が水冷帯で強制冷却されていることを特徴とする上記（１）〜（８）の廃棄物溶融ガス化炉の操業方法を実施するための廃棄物溶融ガス化炉。

本発明の操業方法は、都市ごみや産業廃棄物を溶融ガス化処理する溶融ガス化炉の操業方法として用いることにより、スラグの均質化・滓化を促進し、スラグの利用性を高めると共に、排滓不良といったトラブルを防ぐという効果を奏する。

廃棄物ガス化溶融炉の例を図５に基づいて説明する。
図５に示されたガス化改質方式は次のプロセスから構成されている。
１．プレス・脱ガスチャンネル
（１）廃棄物の圧縮、（２）乾燥・熱分解
２．高温反応炉・均質化炉
（３）ガス化溶融、（４）スラグ均質化、（５）ガス改質
３．ガス精製
（６）急冷（急冷・酸洗浄、酸洗浄）、（７）ガス精製（アルカリ洗浄、脱硫、除湿）
４．水処理
（８）水処理（沈殿、脱塩等）

この方式の基本的な構成をフローに沿って説明すると次の通りである。
ピットに集積された都市ごみ、産業廃棄物等の廃棄物はプレス機で圧縮された後、乾燥熱分解工程で間接加熱により加熱乾留されて高温反応炉に送られる。高温反応炉の下部には、ランスが配置され、このランスによって炉内に高濃度酸素が導入され、この酸素ガスが乾留物中の炭素をガス化し、一酸化炭素と二酸化炭素が生成する。また、高温水蒸気が存在するため、炭素と水蒸気とによる水性ガス反応が生じて、水素と一酸化炭素が生成される。更に、有機化合物（炭化水素など）も水蒸気と反応して、水素と一酸化炭素が生成する。上記反応の結果、高温反応炉の塔頂部より粗合成ガスが回収される。

一方、高温反応炉下部で生成した溶融物は高温反応炉から均質化炉へ流れ出る。この溶融物には炭素や微量の重金属等が含まれており、均質化炉においてはバーナから酸素ガスが供給され、炭素は十分な酸素あるいは水蒸気によってガス化されて水素、一酸化炭素、二酸化炭素を生成する。均質化炉において金属溶融物は比重が大きいため、スラグの下部に溜まる。溶融物は水砕システムに流れ落ちて、冷却固化され、メタル・スラグの混合物は、磁選によりメタルとスラグに分離される。

高温反応炉から発生する粗合成ガスに対して、急冷装置で酸性水を噴射することによってガスの温度を約１２００℃から約７０℃にまで急速冷却し、ダイオキシン類の再合成を阻止する。この時、酸性水によってガスが洗浄され、粗合成ガス中に含まれるＰｂなどの重金属成分と塩素分は洗浄中に溶け込む。

酸洗浄された合成ガスは、必要に応じて更に酸洗浄を施されたのちアルカリ洗浄され、残存する塩化水素ガス等の酸性ガスが中和除去される。次いで、脱硫洗浄装置でガス中の硫化水素が硫黄に転換されて硫黄ケーキとして回収される。次いで合成ガスは低温除湿工程で水分を除去された後、精製された燃料ガスとして利用される。

図１に均質化炉２を連設した廃棄物溶融ガス化炉を示す。バーナ４から酸素含有ガスを供給して炉内の廃棄物を熱処理し、溶融物を形成し、この溶融物は炉底部１に連設された均質化炉２を通って溶融物排出口５から排出される。
本発明においては、溶融スラグの滓化不良を解消し滓化を促進するため、炉に酸素ガスを供給する酸素バーナの酸素／燃料比率を酸素富化側に上げるという手段を採用する。好ましくは、酸素バーナの酸素／燃料比率は理論酸素量に対して２％超〜２５％以下の範囲で酸素過剰とする。
燃料としては、ＬＮＧ（都市ガス、液化天然ガス）、ＬＰＧ（液化プロパンガス）、可燃性ガス等を用いることができる。

一般廃棄物の場合は、その廃棄物の種類にもよるが、一般的にスラグ中の酸化鉄濃度は数％であるが、上記のような滓化促進の方策をとった場合には１０〜２０％までの高酸化鉄濃度となる場合もある。そして、生成した酸化鉄はスラグの融点を低下させる効果があるので、周辺スラグの融点が下がり、スラグの液相率が増加し、その粘性も低下して、スラグが流れやすくなり、スラグの均質化・滓化が促進され、その結果、排滓不良といったトラブルを回避できる。

また、均質化炉２における溶融体はその融点以上の温度に保持する。そうすることによって溶融体中に含まれる微量の炭素と汚染物のガス化、均質化が可能となる。廃棄物を高温に加熱して溶融し生成した溶融体の融点はその組成により異なるが、１３００℃以上である。

加えて、溶融体の滞留時間を３分以上とすることによって、溶融体のスラグ相とメタル相との相分離も可能となり、常にスラグとメタル３６を効率よく回収することができる。滞留時間が３分未満ではメタルの分離回収量が少なくなるが、滞留時間を３分以上とするとメタルの回収量が多くなる。従って、溶融体が均質化炉に滞留する時間が３分以上となるように均質化炉の長さを設計することにより、スラグ相とメタル相との相分離が可能でかつ、ガスを放出したすぐれた特性を持つメタルを回収することができる。

スラグの排出性を上げるためにスラグ中の酸化鉄成分量を上昇させたことによりスラグの融点が下がるが、一方、スラグ中の酸化鉄成分量を上昇させるとスラグの耐火物侵食性を高めることとなる。このため、炉底部およびスラグライン部及びその周辺の耐火物はスラグに対する耐食性が優れた材質であることが望ましい。そのような耐火物としては、マグネシア−クロミア質またはアルミナ−クロミア質耐火物を挙げることができる。
このため、ガス化炉の炉底部１および壁スラグライン部はマグネシア−クロミア質又はアルミナ−クロミア質の定形耐火物から構成することが好ましい。

また、前記の定形耐火物の背面に水冷帯を設けてスラグライン部を強制冷却して側壁周辺のスラグを固化させ、スラグによってセルフライニングさせることにより、スラグによる耐火物の浸食を防ぐようにすることがより好ましい。水冷帯としては熱伝導性及び耐食性に優れる銅製水冷帯を用いることが好ましい。

また、廃棄物溶融ガス化炉が、スラグおよびメタルの排出流路となる密閉式の均質化炉を連設した廃棄物溶融ガス化炉である場合には、前記と同様に該均質化炉のスラグ流れに接触する部分をマグネシアクロミア質またはアルミナクロミア質の定形耐火物から構成することが好ましく、また、該定形耐火物の背面に水冷帯を設けて強制冷却しスラグによってセルフライニングさせることがより好ましい。
図４に水冷帯を設けた例を示す。図示例では、均質化炉２のスラグ及びメタルの排出流路となる部分をマグネシア−クロミア質またはアルミナ−クロミア質の定形耐火物８から構成し、その背面に銅製水冷帯７を設けている。

本発明においては付加的に次のような滓化促進手段を採用することもでき、これによって更に滓化を促進することができる。
(1)均質化炉に酸化鉄含有物質を付加的に装入または吹き込む方法（これによりバーナの酸素／燃料比率を酸素富化側に上げたと同様の効果を得ることができる。）
(2)酸化カルシウム、炭酸カルシウム、酸化アルミニウムの一種以上を含有する造滓剤を付加的に装入または吹き込む方法（造滓剤を添加することにより滓化性が向上する。）
(3)酸素バーナの酸素／燃料量を増加させて均質化炉内温度を上昇させる方法（均質化炉の内の温度が上昇することにより滓化がより促進される。）

廃棄物溶融炉ガス化炉実証炉おいて、まず耐火物を用いて図１に示すような均質化炉を構築し、９９％高純度酸素ガスを用いて廃棄物処理操業を実施した。均質化炉のバーナの酸素と燃料の比率は、理論酸素モル量で操業を実施した。その結果図２のように均質化炉内でスラグ排出トラブルが発生した。そこで、均質化炉のバーナにおける酸素燃料比率を理論酸素モル量の１．２倍の酸素量となるようにして操業を実施した結果、スラグ化による排出不良トラブルが解消された。ただし、図３に示すように均質化炉側壁スラグライン部の耐火物が損傷し、耐火物修理を余儀なくされた。一方、耐火物を用いて図４に示すような均質化炉を構築し背面に銅製水冷帯を設置施工して、均質化炉のバーナにおける酸素燃料比率を理論酸素モル量の１．２倍の酸素量となるようにして操業を実施した結果図５スラグ排出不良も発生することなく、また、耐火物は損傷することなく良好な結果となった。

本発明の操業方法は、都市ごみや産業廃棄物を溶融ガス化処理する溶融ガス化炉において、スラグの均質化・滓化を促進させて排滓不良といったトラブルを回避するために用いることができる。

本発明の廃棄物溶融ガス化炉の構造を示す図である。 均質化炉内における排出トラブル件数の推移を示す図である。 均質化炉スラグライン部の耐火物損傷状況を示す均質化炉の断面図である。 本発明の廃棄物溶融ガス化炉の構成を示す図である。 ガス化改質方式による廃棄物処理の概要を示す図である。

符号の説明

１ 炉底部
２ 均質化炉
３ 耐火物
４ バーナ
５ スラグ排出口
６ 耐火物損傷部位
７ 銅製水冷帯
８ 定形耐火物

Claims (10)

1. 炭素質の助燃材を用いずに廃棄物を酸素含有ガスで直接に溶融ガス化する廃棄物溶融ガス化炉の操業方法であって、バーナの酸素／燃料比率を酸素富化側に上げることにより、炉内で生成するスラグの滓化性を良くすることを特徴とする廃棄物溶融ガス化炉の操業方法。
2. 燃料を燃焼させるに必要な理論酸素量に対して０％超３０％以下の過剰の酸素をバーナに供給することを特徴とする請求項１記載の廃棄物溶融ガス化炉の操業方法。
3. 廃棄物溶融ガス化炉で排滓不良が生じた場合に、バーナの酸素／燃料比率を酸素富化側に上げることにより、炉内で生成するスラグの滓化性を良くして排滓不良を解消することを特徴とする請求項１又は２記載の廃棄物溶融ガス化炉の操業方法。
4. 廃棄物溶融ガス化炉が、スラグおよびメタルの排出流路となる密閉式の均質化炉を連設した廃棄物溶融ガス化炉であり、バーナの酸素／燃料比率を酸素富化側に上げることにより該均質化炉のスラグおよびメタルの排出流路におけるスラグ流れを円滑化することを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の廃棄物溶融ガス化炉の操業方法。
5. 均質化炉中のスラグ流れの滞留時間が３分以上であることを特徴とする請求項４記載の廃棄物溶融ガス化炉の操業方法。
6. 廃棄物溶融ガス化炉で排滓不良が生じた場合に、該炉内に鉄酸化物含有物質を付加的に装入又は吹き込むことにより排滓不良を解消することを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の廃棄物溶融ガス化炉の操業方法。
7. 廃棄物溶融ガス化炉で排滓不良が生じた場合に、該炉内に酸化カルシウム、炭酸カルシウム、酸化アルミニウムの１種以上を含む造滓剤を付加的に装入又は吹き込むことにより排滓不良を解消することを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の廃棄物溶融ガス化炉の操業方法。
8. 廃棄物溶融ガス化炉で排滓不良が生じた場合に、酸素量および燃料量を増加してスラグを加熱し排滓不良を解消することを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載の廃棄物溶融ガス化炉の操業方法。
9. 廃棄物溶融ガス化炉の炉底部および壁スラグライン部がマグネシアクロミア質またはアルミナクロミア質の耐火物であり、かつその背面が水冷帯で強制冷却されていることを特徴とする請求項１〜８のいずれかに記載の廃棄物溶融ガス化炉の操業方法を実施するための廃棄物溶融ガス化炉。
10. 廃棄物溶融ガス化炉が、スラグおよびメタルの排出流路となる密閉式の均質化炉を連設しており、該均質化炉のスラグ流れに接触する部分がマグネシアクロミア質またはアルミナクロミア質の定形耐火物であり、かつその背面が水冷帯で強制冷却されていることを特徴とする請求項１〜８のいずれかに記載の廃棄物溶融ガス化炉の操業方法を実施するための廃棄物溶融ガス化炉。

Images