JP4614442B2

JP4614442B2 - 廃棄物ガス化処理システムとその処理方法

Info

Publication number: JP4614442B2
Application number: JP2005191040A
Authority: JP
Inventors: 宗親井藤; 耕作大森
Original assignee: Takuma KK
Current assignee: Takuma KK
Priority date: 2005-06-30
Filing date: 2005-06-30
Publication date: 2011-01-19
Anticipated expiration: 2025-06-30
Also published as: JP2007009045A

Description

本発明は廃棄物ガス化処理システムとその処理方法に関し、詳しくは、ガス化炉を用いて、特にガス化処理が困難な凝集成分を含む廃棄物処理に効果的な廃棄物ガス化処理システムとその処理方法に関する。

一般廃棄物や各種産業廃棄物を燃焼させる処理工程は、例えば図３に示すように、各種廃棄物を焼却炉２１に投入し、ここで充分な燃焼による焼却処理がされた後、排ガス処理設備２２で排ガス中の有害成分が処理されて、煙突などから排出される。

この場合、適正に焼却処理するため、ダイオキシン類を排出させないように、発生焼却温度を９００℃以上、滞留時間２秒以上で行うと共に、効果的な燃焼ガスの混合撹拌がなされる完全燃焼が求められている。

廃棄物には、含まれる成分により、燃焼後の灰の融点の高いものと、融点の低いものとがある。廃棄物を燃焼させると、可燃性物質は排ガスとなり、不燃性物質は焼却残渣（灰分）として残留する。残留する不燃性残渣の内、融点が９００℃以下のものは、加熱時にダクトや炉壁などへ凝集して固着し易いため、これらを凝集成分と称し、この凝集成分を多く含む廃棄物を凝集性廃棄物と称することができる。

凝集成分の主要なものは、Ｎａ，Ｋ，Ｐであり、その他としてはＳ，Ｃｌなどがあり、灰分として回収される場合、これらは、ＮａＣｌ，ＫＣｌ，Ｋ₂ＳＯ₄等の無機物質となる。

このような凝集性廃棄物を流動層炉２３にて９００℃以上で加熱処理すると、凝集性廃棄物の不燃分として残留していた凝集成分が溶融し、図４（イ）に示すように、炉壁などへ固着してクリンカー２４を生じたり、図４（ロ）に示すように、流動媒体２５どうしを固着させて、流動化を停止させてしまい、送給される流動化空気の通路２６ができるため、流動層炉２３を停止せざるを得ない事態を生じさせたりするなど、種々の悪影響をもたらす。

かかる凝集成分を多く含む凝集性廃棄物の処理方法として、廃棄物を加熱炉にてガス化し、発生したガス化ガスを塩類（上記無機物質）の融点以下に一旦冷却し、除塵装置で除去すると共に、その後ガス化ガスを燃焼炉に送給して処理する方法が提案されている（特許文献１）
特開２００５−５５０３０号公報

しかしながら、上記従来技術は、ガス化して発生させたガス化ガスを一旦冷却してから再度高温に加熱して燃焼しており、ガス化ガスの有する高い熱量を有効に利用できず、エネルギー的に無駄があり、決してエネルギー効率の良いものではない。

そこで、上記従来技術の有する問題点に鑑みて、本発明の目的は、特に凝集性廃棄物をガス化処理する際に、クリンカーを発生させることなく、適正に処理できると共に、高効率にエネルギーを回収可能にして、ガス化処理コストを低減可能な廃棄物ガス化処理システムと処理方法を提供することにある。

上記課題は、各請求項記載の発明により達成される。すなわち、本発明に係る廃棄物ガス化処理システムの特徴構成は、含有する灰分の融点が９００℃以下の廃棄物を５５０〜７００℃で加熱してガス化するガス化炉と、このガス化炉から発生するガス化ガスを少なくとも３５０℃以上で除塵する高温集塵設備と、この高温集塵設備で除塵されたガス化ガスを熱利用する設備と、を有し、
前記ガス化炉において、ガス化処理により発生した未燃炭素によって廃棄物中の凝集成分を吸着して取り込ませ、該凝集成分を核とする塊の生成により炉壁面への付着を防止するとともに、前記高温集塵設備において、該高温集塵設備に稠密に配列された多数のセラミックフィルタによりガス化ガス中の未燃炭素を除塵し、該未燃炭素の吸着剤としての作用を利用してガス状の各種溶融物質を吸着させ、該未燃炭素をセラミックフィルタの洗浄により脱落させることによって、ガス化ガス中の未燃炭素、これに捕捉された凝集成分や揮発性アルカリ金属を含む灰が除塵されることにある。

この構成によれば、廃棄物に凝集成分が含まれていたとしても、その凝集温度以下で加熱処理するため、凝集物が炉壁面へ付着してクリンカーを生じさせたり、流動層炉における流動化停止トラブルが生じたりすることがなく、タールも気化しているため高温集塵設備でのトラブルを抑制でき、しかも、ガス化ガスの熱量を無駄にすることなく、除塵処理することができ、高効率にエネルギーを回収できることになる。

その結果、特に凝集性廃棄物をガス化処理する際に、クリンカーを発生させることなく、適正に処理できると共に、高効率にエネルギーを回収可能にして、ガス化処理コストを低減可能な廃棄物ガス化処理システムを提供することができた。

前記ガス化炉が、流動層炉または循環流動層炉であり、ボイラ構造を有することが好ましい。

この構成によれば、流動層炉または循環流動層炉は混合撹拌性に優れるため、ガス化処理の効率が高く、しかもボイラ構造を有することから、ボイラから発生する蒸気を利用することができる。

前記ガス化炉が、水または蒸気を導入する設備を有することが好ましい。

この構成によれば、バラツキが大きく変動し易い燃料性状の廃棄物に対しても、炉内温度を所定範囲にコントロールでき、安定かつ確実な操業を行うことができる。

前記高温集塵設備で除塵されたガス化ガス中のタールを除去するタール分解設備を有することが好ましい。

この構成によれば、高温集塵設備で除塵されたガス化ガス中に、たとえタールが含まれていたとしても、効果的にタールを除去でき、下流側の設備に対するトラブルを確実に防止できる。

また、本発明に係る廃棄物ガス化処理方法の特徴構成は、含有する灰分の融点が９００℃以下の廃棄物をガス化炉にて５５０〜７００℃で加熱してガス化し、発生したガス化ガスを高温集塵設備にて少なくとも３５０℃以上で除塵し、この除塵されたガス化ガスを熱利用することにあり、
前記ガス化炉において、ガス化処理により発生した未燃炭素によって廃棄物中の凝集成分を吸着して取り込ませ、該凝集成分を核とする塊の生成により炉壁面への付着を防止するとともに、前記高温集塵設備において、該高温集塵設備に稠密に配列された多数のセラミックフィルタによりガス化ガス中の未燃炭素を除塵し、該未燃炭素の吸着剤としての作用を利用してガス状の各種溶融物質を吸着させ、該未燃炭素をセラミックフィルタの洗浄により脱落させることによって、ガス化ガス中の未燃炭素、これに捕捉された凝集成分や揮発性アルカリ金属を含む灰が除塵されることにある。

この構成によれば、特に凝集性廃棄物をガス化処理する際に、クリンカーを発生させることなく、適正に処理できると共に、高効率にエネルギーを回収可能にして、ガス化処理コストを低減可能な廃棄物ガス化処理方法を提供することができる。

前記ガス化炉では、空気比０．２〜０．５で廃棄物をガス化処理することが好ましい。

この構成によれば、
前記ガス化炉でのガス化処理において、７００℃以上に昇温するおそれがある場合、水または蒸気を導入して冷却することが好ましい。

この構成によれば、安定かつ確実な操業を行うことができる。

タール分解設備にて、前記高温集塵設備で除塵されたガス化ガス中のタールを除去することが好ましい。

この構成によれば、ガス化ガス中のタールを効果的に除去でき、下流側の設備に対するトラブルを確実に防止できる。

本発明の実施形態を、図面を参照して詳細に説明する。図１は、本発明に係る第１実施形態に係る廃棄物ガス化処理システムの概略フローを示し、図２は、第２実施形態に係る廃棄物ガス化処理システムの概略フローを示す。
＜第１実施形態＞
第１実施形態に係る廃棄物ガス化システムは、ガス化炉の１種であり、混合撹拌性のよい流動層ガス化炉１を用いている。流動層ガス化炉１では、空気比を０．２〜０．５で運転・操業するようにして、ガス化温度を廃棄物の着火温度以上かつ凝集温度以下の所定温度に維持すべくコントロールする。具体的には、５５０〜７００℃程度とする。空気比が０．２未満では、燃焼度合いが低くて温度が上昇し難く、空気比が０．５を越えると燃焼が顕著に進行し、局所的に９００℃以上の高温場を形成するおそれがあり、未燃炭素が生じ難くなる。もっとも、廃棄物の燃料性状（含有水分量や構成元素、熱量）はバラツキが大きく変動し易いため、ガス化空気の供給量による温度制御のみによっては、所定温度に維持し難く、必要以上に上昇する場合もあるため、流動層ガス化炉内に水（もしくは蒸気）を供給できる設備（例えば、水あるいは蒸気噴射装置）を設けて、上昇し過ぎた場合に冷却することが好ましい。特に、流動層ガス化炉としてボイラ構造にした場合には、ボイラで発生する蒸気を使用することができるので、特別な設備を要しない。

本実施形態のように、比較的低温でガス化処理する場合、凝集成分を含む廃棄物を、その凝集温度以下で加熱処理するため、凝集物が炉壁面へ付着したり、流動層炉における流動化停止トラブルが生じたりすることがない。もっとも、不完全燃焼であるため、この段階ではダイオキシン類やＣＯ等が発生するが、ダイオキシン類は、下流側での燃焼あるいはガス利用設備での高温処理により分解される。

凝集成分を含む廃棄物は、その燃料性状（Ｎａ，Ｋのような凝集成分含有量）が変動し、季節や時期などによっては凝集温度が変動し、低下する場合も考えられるが、ガス化炉１によるガス化処理によって未燃炭素が多く発生するため、仮に凝集温度以上の運転となったとしても、未燃炭素が凝集成分を吸着して取り込み、結果的に凝集成分を核とする塊が生成し、炉壁面への付着を防止できることになる。

そして、本実施形態のように、ガス化炉での操業を、理論空気比の０．２〜０．５で運転するようにしているため、ガス化炉への空気供給量が少なくてよいため、同じ量の廃棄物を処理する焼却炉に比べて、押込送風機の容量が小さく、設備コスト、駆動時の電力消費量共に少なくて済む。のみならず、押込送風機の容量が小さいことにより、発生するガス量は、燃焼方式に比べて少なく（約１／２程度）、ガス化ガスを扱う設備容量、設置面積は、それだけ小さくて済み、占有面積の低減がはかれる。しかも、低温でのガス化炉の運転では、高温炉に比べて、設備の損耗も少なく、保守コストを低減できる。

流動層ガス化炉１にて発生した高温のガス化ガスは、その熱量を保持したまま高温集塵設備２に送給され、除塵される。高温集塵設備２には、多数のセラミックフィルタが稠密に配列されており、ガス化ガス中の灰や未燃炭素などが効率よく除塵される。この内、未燃炭素は、吸着剤としての作用をするため、ガス状の各種溶融物質を吸着し、セラミックフィルタの目詰まりを防止する機能を発揮すると共に、剥離性に優れるため、セラミックフィルタに付着した場合でも、洗浄（逆洗装置により適宜洗浄する）により容易に脱落する。この場合、ダイオキシン類はガス状になっているため、除塵された灰中には、ダイオキシン類は含まれていない。

このように、高温集塵設備２にて集塵するようにしているので、(1) ガス化ガスのもつエネルギー（顕熱）の損失がなく、(2) 一部溶融した、もしくはガス状の溶融物質がフィルタでろ過されるときに未燃炭素分に吸着されるため、凝集成分や揮発性アルカリ金属を含む灰を確実に捕捉できる、(3) 高温のため、タール分は気化しており、セラミックフィルタに目詰まりが生じない、との利点を有する。

ガス化炉出口でボイラ等によりガス温度を下げ、高温集塵設備２に導入すると、ボイラの伝熱管表面などにタール分やダストが付着して伝熱効率が低下するため好ましくなく、放熱損失などにより、やむを得ず温度が低下する場合でも、タールやダストの付着特性、およびダイオキシン類をガス状としてガス化して移行させるためには、高温集塵設備２に導入するガス温度は３５０℃以上、より好ましくは５００℃以上とする。高温での除塵には、上記したようにセラミックフィルタを用いると除塵効率が高く、下流側でのガス利用する場合の適用範囲が広いが、セラミックフィルタに代えてサイクロンを用いてもよい。

高温集塵設備２から排出され除塵されたガス化ガス（ＣＯ，ＣＯ₂，Ｈ₂など可燃性ガスやタールを含む）は、高温のままボイラ３に導入され、ここで完全燃焼されると共に熱回収される。ガス燃料焚きボイラの場合、燃焼性がよいので、低空気比の運転が可能になる。つまり、ここでの空気比は１．１程度でよい。

ボイラで発生した蒸気は、そのまま各種熱利用されたり、蒸気タービンによる発電などに利用されたりする。このようなガス化ガスは、可燃性ガスであるため、以下のような利用方法が考えられる。
(1) 廃棄物の処理のみを行う場合には、可燃性ガスを高温処理し、ガス化ガスを無害化する設備に利用する。
(2) ガス化ガスをボイラで燃焼させ、熱エネルギーとして利用する。得られた蒸気は、熱源として各種の利用に供されると共に、蒸気タービンでの発電に利用される。
(3) ガス化ガスにより、直接ガスエンジンやガスタービンを駆動させ発電に利用する。蒸気タービン発電により、高効率な発電が可能になる。
(4) ガス化ガスを触媒により、液体燃料などより付加価値の高い燃料へと転換する。

他方、ボイラ３で燃焼されたガスは、燃料種によってはＮＯx ，ＳＯx ，ＨＣｌなどを含むため、通常採用されている適正な湿式あるいは乾式の排ガス処理設備４で無害化処理され、煙突５などから放出される。

以上のように、本実施形態によれば、従来技術では処理が困難であった凝集性廃棄物のガス化処理が、ガス化炉のみならず配管や付帯設備にもクリンカーを生じさせることを極力防止して行え、しかもエネルギー損失が少なく、高効率でエネルギー回収が可能となる。
＜第２実施形態＞
この実施形態に係る廃棄物ガス化処理システムは、第１実施形態に用いた流動層ガス化炉に代えて、循環流動層ガス化炉１１を用いている。循環流動層ガス化炉１１は、流動媒体が炉内を循環しているため、流動層ガス化炉よりも一層混合撹拌性がよく、炉内温度を適正に制御し易い。また、循環流動層ガス化炉１１においても、第１実施形態の流動層ガス化炉と同様な操業条件で行う。すなわち、空気比を０．２〜０．５で運転・操業し、ガス化温度を廃棄物の着火温度以上かつ凝集温度以下の所定温度の、例えば５５０〜７００℃程度で加熱する。

廃棄物の燃料性状のバラツキは大きく変動し易いため、循環流動層ガス化炉１１の場合も、炉内に水（もしくは蒸気）を供給できる設備を設けることが好ましい。

循環流動層ガス化炉１１により生成されたガス化ガスは、第１実施形態の場合と同様に、セラミックフィルタを備えた高温集塵設備２に送給され、生成したガスの熱量を保持したままガス化ガス中の灰が除塵される。このガス化ガス中にはわずかなタールが含まれているため、高温集塵設備２から除塵されたガス化ガスは、タール分解設備６を経由させる。このタール分解設備６は、タール分を分解する高温触媒（例えば、Ｎｉ系触媒）を有して構成されている。ここでは、触媒反応に必要な温度を確保するため、空気をタール分解設備６に送給し、一部のガスを燃焼させて、高温反応場を形成する。このようにすると、ガス化ガス中にダストやタールを含まないようにすることができる。

その後、ガス化ガスは幾分温度低下してボイラ３に導入され、ここで更に熱回収されて温度低下する。ボイラで熱交換され、２５０℃以下程度に減温されたガス化ガスは、低温ガス洗浄設備７に送給され、ガス化ガス中の有害な酸性成分やアルカリ性成分が除去される。すなわち、
低温ガス洗浄設備７は、バグフィルタ、電気集塵器、サイクロン等でからなり、消石灰、重曹などの薬剤が導入された後、除塵される。

低温ガス洗浄設備７によって除塵されたガス化ガスは、各種用途に利用でき、例えば、ガスエンジンに直結した発電設備８のようなガス利用設備に送られて、直接発電その他に有効利用することができ、その際、適量の空気を送給するようにしてもよい。

このようにして、従来技術ではガス化処理が困難であった凝集成分を含む廃棄物であっても、本実施形態によれば適正に処理でき、炉内にクリンカーを発生されることがなく、しかも高効率にエネルギー回収可能になる。もとより、通常の廃棄物に対して、高効率にガス化処理できることはいうまでもない。

〔別実施の形態〕
（１）上記実施形態において、ガス化炉として流動層ガス化炉、循環流動層炉を用いた例を挙げて説明したが、ガス化炉としては、これに限定されるものではなく、固定床式、キルン式、噴流層式など、種々のガス化炉を使用できる。ガス化方式も、外熱による乾留ガス化（蒸し焼き方式）空気や酸素や蒸気などによる部分燃焼ガス化方式などいずれも使用でき、燃料からＣＯ，ＣＯ₂，ＣmＨn，Ｈ₂，Ｈ₂Ｏなどの可燃ガスが得られる方式であればよい。
（２）本発明に適用できるガス利用設備としては、ガスエンジンやガスタービンのような発電設備の他、メタノール製造設備などの液体燃料製造設備などを挙げることができる。
（３）本発明に適用できる燃料としては、各種有機系廃棄物の他、各種固形燃料、産業廃棄物などが挙げられる。

本発明の第１実施形態に係る廃棄物ガス化システムを示す概略フロー図本発明の第２実施形態に係る廃棄物ガス化システムを示す概略フロー図従来技術に係る廃棄物処理システムを示す概略フロー図従来技術に係る廃棄物処理システムの問題点を説明する図

符号の説明

１ガス化炉
２高温集塵設備
６タール分解設備

Claims

含有する灰分の融点が９００℃以下の廃棄物を５５０〜７００℃で加熱してガス化するガス化炉と、このガス化炉から発生するガス化ガスを少なくとも３５０℃以上で除塵する高温集塵設備と、この高温集塵設備で除塵されたガス化ガスを熱利用する設備と、を有し、
前記ガス化炉において、ガス化処理により発生した未燃炭素によって廃棄物中の凝集成分を吸着して取り込ませ、該凝集成分を核とする塊の生成により炉壁面への付着を防止するとともに、
前記高温集塵設備において、該高温集塵設備に稠密に配列された多数のセラミックフィルタによりガス化ガス中の未燃炭素を除塵し、該未燃炭素の吸着剤としての作用を利用してガス状の各種溶融物質を吸着させ、該未燃炭素をセラミックフィルタの洗浄により脱落させることによって、ガス化ガス中の未燃炭素、これに捕捉された凝集成分や揮発性アルカリ金属を含む灰が除塵されることを特徴とする廃棄物ガス化処理システム。
前記ガス化炉が、流動層炉または循環流動層炉であり、ボイラ構造を有する請求項１記載の廃棄物ガス化処理システム。
前記ガス化炉が、水または蒸気を導入する設備を有する請求項１又は２記載の廃棄物ガス化処理システム。
前記高温集塵設備で除塵されたガス化ガス中のタールを除去するタール分解設備を有する請求項１〜３のいずれか１記載の廃棄物ガス化処理システム。
含有する灰分の融点が９００℃以下の廃棄物をガス化炉にて５５０〜７００℃で加熱してガス化し、発生したガス化ガスを高温集塵設備にて少なくとも３５０℃以上で除塵し、この除塵されたガス化ガスを熱利用する廃棄物ガス化処理方法であって、
前記ガス化炉において、ガス化処理により発生した未燃炭素によって廃棄物中の凝集成分を吸着して取り込ませ、該凝集成分を核とする塊の生成により炉壁面への付着を防止するとともに、
前記高温集塵設備において、該高温集塵設備に稠密に配列された多数のセラミックフィルタによりガス化ガス中の未燃炭素を除塵し、該未燃炭素の吸着剤としての作用を利用してガス状の各種溶融物質を吸着させ、該未燃炭素をセラミックフィルタの洗浄により脱落させることによって、ガス化ガス中の未燃炭素、これに捕捉された凝集成分や揮発性アルカリ金属を含む灰が除塵されることを特徴とする廃棄物ガス化処理方法。
前記ガス化炉では、空気比０．２〜０．５で廃棄物をガス化処理する請求項５の廃棄物ガス化処理方法。
前記ガス化炉でのガス化処理において、７００℃以上に昇温するおそれがある場合、水または蒸気を導入して冷却する請求項６記載の廃棄物ガス化処理方法。
タール分解設備にて、前記高温集塵設備で除塵されたガス化ガス中のタールを除去する請求項６又は７記載の廃棄物ガス化処理方法。