JP6643116B2 - 低炭素型シャフト炉の炉底部構造 - Google Patents

Description

本発明は、低炭素型シャフト炉の炉底部から溶融物を炉外に排出するための貫通孔を有する炉底部構造に関する。本発明でいう「低炭素型シャフト炉」は、内部に充填された廃棄物を乾燥及び熱分解させるシャフト部と、シャフト部の上部側に設けられた廃棄物装入口及び炉内ガス排出口と、シャフト部よりも下方に設けられており、シャフト部の炉心の位置から横方向にずれた位置に炉心を有する溶融炉部と、シャフト部の底部側と溶融炉部の上部側とを連結する連通部と、連通部に設けられており、シャフト部からの廃棄物を溶融炉部に向けて移送するとともに廃棄物を炭化させる炭化火格子部とを備える廃棄物ガス化溶融炉を意味する。

廃棄物ガス化溶融炉は、炉内で生じた溶融物（例えば溶融スラグ）を排出するための貫通孔を炉底部に有する。溶融物を排出するための貫通孔は廃棄物ガス化溶融炉の分野において出湯口や出滓口とも称される。貫通孔及びその近傍領域は高温の溶融物が流れるとともに、溶融物の温度低下を防ぐためのバーナ火炎に曝されることもある。このような過酷な雰囲気に曝される貫通孔及びその周辺は耐火物によって構成されている。特許文献１の図３に図示された出滓口１は排出孔２を通る高温ガス又は火炎に接触する上方部分が耐高温ガス性に優れた酸化物系耐火物３ａで構成され、排出孔２を通る溶融スラグに接触する下方部分が耐溶融スラグ性に優れた炭化珪素系耐火物３ｂで構成されている（特許文献１の段落［００２２］−［００２４］参照）。

特開２００３−６５６８３号公報

ところで、廃棄物ガス化溶融炉の操業形態として、溶融炉の底部から溶融物を間欠的に排出する形態（「間欠出湯」と称される。）と、連続的に排出する形態（「連続出湯」と称される。）が知られている。間欠出湯の場合、溶融物を排出するための貫通孔を耐熱材料で塞いだ状態とし、所定時間の経過ごとに貫通孔を開放することによって溶融物を排出させ、その後、再び貫通孔を耐熱材料で塞ぐ。この作業は人手に頼らざるを得ないため、本発明者らは連続出湯による安定的な操業の実現に向けて検討を重ねた。その結果、連続出湯による安定的な操業には以下の課題があることが判明した。

第一に、開放されている貫通孔からは溶融物だけでなく高温の炉内ガスも炉外へと排出される。このため、炉内温度を所定の温度に維持するには、炉内に導入する燃料を増加させる必要がある。

第二に、貫通孔及びその周辺における溶融物の温度低下を十分に抑制しないと、比較的短時間のうちに溶融物の固化物によって貫通孔が閉塞されてしまう。間欠出湯の場合、炉底に溜まった比較的多量の溶融物が短時間のうちに排出されるため、溶融物の温度の低下に伴う問題は顕在化していなかった。これに対し、連続出湯の場合、少量の溶融物が連続的（場合によっては間欠的）に貫通孔から排出されるため、貫通孔及びその周辺において溶融物の温度が低下しやすい。温度低下に伴う溶融物の高粘性化又は固化によって貫通孔の下部から徐々に塞がれていき、その状態が続くと最終的には貫通孔全体が閉塞されるおそれがある。

これらの課題を解決すべく、本発明者らは溶融物を排出するための貫通孔の外側に保圧室を設け且つこの保圧室内に貫通孔及びその周辺を加熱するためのバーナを配置するとともに、炉内の圧力よりも保圧室内の圧力を高く維持することにより、貫通孔を通じて保圧室内に高温のバーナ排ガスを炉内に逆流させた状態で低炭素型シャフト炉を運転した。かかる運転方法によって上記二つの課題を解決できたものの、貫通孔の内周面を構成する耐火物が本発明者らの想定よりも短期間のうちに損耗する場合があることが判明した。

本発明は、上記課題を解決すべくなされたものであり、低炭素型シャフト炉の炉底部から溶融物を排出するための貫通孔を有する炉底部構造であって、優れた耐久性を有し且つ貫通孔を定常的に開放した状態で低炭素型シャフト炉を十分に高い熱効率で運転するのに有用な炉底部構造を提供することを目的とする。

本発明は、低炭素型シャフト炉の炉底部の側壁を厚さ方向に貫通しており酸化性ガスを含むバーナ排ガスを炉外から炉内に流入させるとともに炉内から炉外に溶融物を排出するための貫通孔を有する炉底部構造に関する。本発明に係る炉底部構造は、貫通孔の内周面のうちバーナ排ガスと接する上側内周面を炉底部側壁の外側から内側にかけて構成するアルミナ系耐火物ブロックと、貫通孔の内周面のうち溶融物と接する底面を含む下側内周面を炉底部側壁の内側から外側にかけて構成する炭化珪素質耐火物ブロックと、貫通孔の周りに埋設された、冷却用流体を流すための少なくとも一つの管路とを備える。

本発明の炉底部構造は、溶融炉部の外側の圧力を溶融炉部内の圧力よりも高くし、高温のバーナ排ガスが貫通孔を通じて炉内に逆流する状態で低炭素型シャフト炉を運転するためのものである。貫通孔における溶融物とバーナ排ガスの流れに着目すると、貫通孔において溶融物とバーナ排ガスは対向流となっている。かかる条件下においては、貫通孔の内周面のうち上側内周面の上流側から下流側の全体（炉底部の側壁の外側から内側）にわたって酸化性ガス（特に余剰酸素）を含むバーナ排ガスに曝され、場合によっては貫通孔内に侵入したバーナ火炎にも曝されることになる。このことから、本発明の炉底部構造においては、バーナ排ガス及び火炎に曝される貫通孔の上側内周面の全体を優れた耐高温酸化性及び耐熱衝撃性を有するアルミナ系耐火物ブロックで構成している。

貫通孔の下側内周面は、溶融物が流れる底部を有し、溶融物に対する優れた耐性を有する炭化珪素質耐火物ブロックによって構成されている。下側内周面は主に溶融物と接する部分であるが、下側内周面における上側領域はバーナ排ガスに曝される可能性がある。本発明に係る炉底部構造においては、貫通孔の周りに管路が埋設されており、これに冷却用流体（例えば水、空気）を流すことができるように構成されている。これにより、高温条件下において炭化珪素質耐火物ブロックがバーナ排ガスに曝されることによって損耗することを十分に抑制することができる。

貫通孔の下側内周面を構成する炭化珪素質耐火物ブロックは、１０００℃における熱伝導率が１０〜１５Ｗ／ｍ・Ｋの範囲であることが好ましい。熱伝導率が比較的高い耐火物ブロックを使用することで、埋設された管路から下側内周面までの距離（炭化珪素質耐火物ブロックの残厚）を十分に確保することができる。具体的には、管路を流れる冷却流体の冷却効果によって固化した溶融物の膜が下側内周面を覆うように形成され、この膜によって炭化珪素質耐火物ブロックの損耗が抑制される。これにより、管路から下側内周面までの耐火物ブロックの残厚を十分に確保することができる。上記残厚は厚さ３０ｍｍ以上の状態で安定的に維持されることが好ましい。貫通孔の上側内周面を構成するアルミナ系耐火物ブロックは、過冷却によって溶融物が固化することを抑制する観点から、１０００℃における熱伝導率が１．５〜２．５Ｗ／ｍ・Ｋの範囲であればよい。

冷却用流体を流すための管路は、金属管と、金属管の表面に形成されたニッケルクロム合金層からなる肉盛部とを有することが好ましい。かかる構成の管路を採用することで、炭化珪素質耐火物ブロック又はアルミナ系耐火物ブロックの損耗によって管路が露出しても一定の期間にわたって耐久性を保持することができる。

貫通孔の底面は、炉底部からの溶融物が炉外に向けて流れ落ちるように傾斜していることが好ましい。この場合、少なくとも一つの管路は、底面の先端側の位置において底面に沿うように炭化珪素質耐火物ブロックに埋設されており且つ底面上の溶融物の流れ方向と交差する方向に延在していることが好ましい。底面の先端側の位置に管路を埋設することで、溶融物の流れによって底面の先端側が浸食されることをより一層確実に抑制できる。

貫通孔の下側内周面は、炭化珪素質耐火物ブロックに形成された縦長の略長方形の溝によって構成されていることが好ましい。この場合、溶融物の出口を構成する貫通孔の外側開口は、縦長の略長方形の溝によって構成されるスリット部を有する。本発明においては、スリット部の両側にスリット部に沿って縦方向に延びる一対の張り出し部が設けられており、張り出し部は貫通孔の下側内周面から炉外の方向に連続して延びている第１の面と、第１の面とともに鋭角部を構成する第２の面とを有することが好ましい。溶融物の出口をなすスリット部の両側に鋭角部を有する張り出し部をそれぞれ設けることで、この鋭角部を超えて溶融物がスリット部の左右方向に広がることを十分に抑制でき、これにより、溶融物の出口近傍に溶融物が付着し、それが徐々に堆積することによって貫通孔の出口が閉塞されることを十分に抑制できる。溶融物の出口近傍における溶融物の付着をより一層確実に抑制する観点から、張り出し部は第２の面上に設けられた複数の突起部を更に有することが好ましい。

本発明によれば、低炭素型シャフト炉の炉底部から溶融物を排出するための貫通孔を有する炉底部構造であって、優れた耐久性を有し且つ貫通孔を定常的に開放した状態で低炭素型シャフト炉を十分に高い熱効率で運転するのに有用な炉底部構造が提供される。

図１は本発明に係る炉底部構造を備える低炭素型シャフト炉の一例を模式的に示す縦断面図である。 図２は溶融炉部における四本の羽口と、溶融物排出用の貫通孔との位置関係を模式的に示す横断面図である。 図３は本発明に係る炉底部構造の一実施形態を示す斜視図である。 図４は図３に示すＩＶ−ＩＶ線における断面図である。 図５は図４に示すＶ−Ｖ線における断面図である。

以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について説明する。なお、説明において、同一要素又は同一機能を有する要素には同一符号を用いることとし、重複する説明は省略する。

＜廃棄物ガス化溶融炉＞
図１に示す廃棄物ガス化溶融炉（低炭素型シャフト炉）１０は、主な構成として、シャフト部１と、連通部２と、炭化火格子部３と、溶融炉部４と、保圧室６と、バーナ７と、水槽８とを備える。シャフト部１は還元雰囲気下で廃棄物を乾燥させるとともに熱分解する。連通部２は、シャフト部１と溶融炉部４とを連結している。炭化火格子部３はシャフト部１からの廃棄物を更に熱分解して、廃棄物を炭化させる。溶融炉部４は炭化された廃棄物を燃焼させるとともに融解する。溶融炉部４で生じた溶融物Ｍは貫通孔５を通じて保圧室６側に排出される。保圧室６は貫通孔５の外側の空間の圧力を維持するためのものである。バーナ７は保圧室６内に配置されており、貫通孔５の方向に向けられている。水槽８は保圧室６の下部を水封するとともに貫通孔５から排出される溶融物Ｍを冷却する水を収容する。以下、各構成について説明する。

シャフト部１は、還元雰囲気下で廃棄物を乾燥させるとともに熱分解するためのものである。シャフト部１の横断面形状は、例えば円筒形である。シャフト部１の上部には、廃棄物を炉内に装入するための廃棄物装入口１１が形成されている。シャフト部１の上部側には、廃棄物が乾燥・燃焼・熱分解する際に発生するガスを排出する炉内ガス排出口１２が形成されている。シャフト部１の下端には開口部１３が形成されており、自重でシャフト部１内を降下した廃棄物が開口部１３から連通部２へと排出される。シャフト部１の内径及び高さは、炉の処理能力等に応じて適宜決定することができる。例えば、シャフト部１の高さは、シャフト部１内の廃棄物の充填高さを少なくとも下端面から１ｍ以上で管理することのできる高さであることが好ましい。充填高さを１ｍ以上に確保することによって、シャフト部１内において炉内ガスの吹き抜け現象を抑制できる。

連通部２は、シャフト部１の底部側開口部１３と溶融炉部４の上部側開口部４６とを連結している。連通部２の縦断面形状は、例えば矩形であり、その底面に沿って炭化火格子部３が配置されている。炭化火格子部３は、シャフト部１で乾燥及び熱分解された廃棄物を更に熱分解する。

連通部２の底面は、炭化火格子部３によって構成されている。炭化火格子部３は、上記のとおり、廃棄物を熱分解（乾留）するための機能のみならず、炭化した廃棄物を溶融炉部４に供給する供給装置としての機能をも有する。炭化火格子部３は、可動炭化火格子と固定炭化火格子とを交互に階段状又は傾斜状に組み合せることによって形成されている。各可動炭化火格子は、流体圧シリンダ等の駆動装置３１ａ，３１ｂによって横方向に一定のピッチで往復動するように構成されている（図１の両矢印参照）。かかる可動炭化火格子と固定炭化火格子との組み合わせによって炭化火格子部３の上の廃棄物を撹拌しながら上流側から下流側へ向けて押し出すことができる。なお、炭化火格子部３を固定炭化火格子のみで構成し、供給装置を別に設けてもよい。供給装置の一例として、プッシャーが挙げられる。連通部２の底面は、複数の炭化火格子で構成されており、全体が平坦面であるわけではないが、全体としてはシャフト部１側から溶融炉部４側に向けて低くなるように傾斜している。

炭化火格子部３は、上段側の供給炭化火格子３Ａと、下段側の乾留炭化火格子３Ｂとによる二段構造になっている。供給炭化火格子３Ａは、シャフト部１の真下に位置しており、シャフト部１内に充填された廃棄物の荷重を直接的に受ける。供給炭化火格子３Ａは、シャフト部１で乾燥及び熱分解された廃棄物の炭化が進むように当該廃棄物を更に熱分解するとともに乾留炭化火格子３Ｂへと押し出して供給する。炭化火格子部３の幅、特に供給炭化火格子３Ａの幅は、シャフト部１の内径と同程度であることが好ましい。シャフト部１から炭化火格子部３に切り替わる箇所において炭化火格子部３の幅とシャフト部１の内径を同程度とすることによって、廃棄物の荷下がりを安定化できる。

乾留炭化火格子３Ｂは、供給炭化火格子３Ａに隣接して設けられている。乾留炭化火格子３Ｂは、供給炭化火格子３Ａからの廃棄物を更に熱分解して炭化物を生成し、炭化された廃棄物を溶融炉部４へと押し出して供給する。乾留炭化火格子３Ｂは、供給炭化火格子３Ａと同様の構成を有する。なお、乾留炭化火格子３Ｂは、供給炭化火格子３Ａと同じ幅であってもよく、異なる幅であってもよい。乾燥及び熱分解の進行に伴って廃棄物は減容化するので、シャフト部１の内径や連通部２の幅に比べて溶融炉部４の炉底内径は小さくてもよい。乾留炭化火格子３Ｂの幅は、上流側から下流側に向かうにつれて徐々に小さくなるように設定されていてもよい。

供給炭化火格子３Ａの可動炭化火格子は第１駆動装置３１ａによって駆動され、乾留炭化火格子３Ｂの可動炭化火格子は第２駆動装置３１ｂによって駆動される。このように第１及び第２駆動装置３１ａ、３１ｂを互いに独立して設ければ、炭化火格子３Ａ，３Ｂの駆動、停止及び駆動速度を独立して制御でき、その結果、炭化火格子３Ａ，３Ｂによる廃棄物の供給速度も独立して制御できる。

炭化火格子部３は、炭化火格子間の隙間及び／又は炭化火格子に形成した送風孔（不図示）を通じて表面全体から空気を炉内に吹き込むことができる構成となっている。すなわち、炭化火格子部３は、廃棄物の乾燥及び熱分解用の空気を炉内に吹き込む機能も有する。

供給炭化火格子３Ａ及び乾留炭化火格子３Ｂの裏面側には、炭化した廃棄物のうちの微細なものが炭化火格子間の隙間から落下した場合にそれを回収するための回収室３２がそれぞれ配置されている。各回収室３２には空気供給管Ｌ１を通じて送風装置３３からそれぞれ所定量の空気を供給できるように構成されている。炭化火格子間の隙間及び／又は炭化火格子に形成した送風孔は、例えば４００ｍｍピッチ以下であることが好ましい。供給炭化火格子３Ａ及び乾留炭化火格子３Ｂから供給する空気は、常温であってもよく、例えば２００℃程度にまで予熱されていてもよい。空気の予熱は、例えば炉内ガス排出口１２から排出される高温ガスとの熱交換によって行うことができる。

溶融炉部４は、炭化された廃棄物を燃焼させるとともに融解するためのものである。溶融炉部４は、上述のシャフト部１に対して横方向に炉心をずらすように配置されている。シャフト部１及び溶融炉部４はそれぞれ鉛直方向に延びている。かかる構成を採用することにより、溶融炉部４に対してコークス（炭素系固形燃料）を直接導入することができる。溶融炉部４の横断面形状は、例えば円筒形である。溶融炉部４の上方には、コークス等を溶融炉部４内に装入するための副資材装入口４１が設けられている。本実施形態において、副資材装入口４１は連通部２の上面に形成されている（図１参照）。副資材装入口４１から、コークスとともにコークス以外の炭素系可燃性物質を装入してもよく、塩基度調整剤としての石灰石やスラグを装入してもよい。なお、コークスは、廃棄物とともに廃棄物装入口１１から装入してもよい。

図２に示すとおり、溶融炉部４の炉底側には、四本の羽口４２ａ，４２ｂ，４２ｃ，４２ｄが周方向に配置されている。羽口４２ａ，４２ｂ，４２ｃ，４２ｄから溶融炉部４内に燃焼用の酸素がそれぞれ供給される。なお、酸素は窒素等とともに空気又は酸素富化空気の状態で供給されてもよいし、高い純度の酸素が供給されてもよい。酸素富化空気とは、通常の空気よりも酸素濃度が高められた空気を意味する。溶融炉部４内に酸素を供給することで、廃棄物の熱分解残渣及びコークスＣが燃焼する。溶融炉部４は羽口４２ａ，４２ｂ，４２ｃ，４２ｄよりも上側に複数の羽口（不図示）を更に備えてもよい。

溶融炉部４の炉底には、溶融物Ｍ（溶融スラグと溶融メタルとを含む混合物）を排出する貫通孔５が形成されている。貫通孔５は溶融炉部４の内面から外面にかけて形成されており、定常的に開放されている。これにより、貫通孔５から溶融物Ｍを連続出湯させることができる。貫通孔５から排出された溶融物Ｍは水槽８に収容された水に落下する。なお、溶融炉部４の炉底部において貫通孔５を構成する炉底部構造５０については後で詳しく説明する。

保圧室６は、貫通孔５の外側の空間の圧力を維持するためのものである。図１に示すように保圧室６は溶融炉部４の外に配置されており、貫通孔５と連通する内部空間６Ｓを有する。内部空間６Ｓは上下方向に延びる筒状部材６ａと、筒状部材６ａの上側開口を塞ぐ上板６ｂと、筒状部材６ａの下側開口を水封する水面Ｗとによって形成されている。筒状部材６ａ及び上板６ｂは例えば鋼鉄製の板材からなる。筒状部材６ａの縦断面形状は、例えば互いに離隔して配置された二つの半円と、これらの半円の端部同士を結ぶ二本の直線とによって画成される形状である。なお、本実施形態では水封によって保圧室６の圧力を維持する場合を例示したが、水封以外の圧力保持手段を採用してもよい。また、保圧室６内に酸素含有ガス（例えば空気）を供給する開口（不図示）を設けてもよい。この開口を通じて保圧室６内に酸素含有ガスを供給することで、保圧室６から溶融炉部４に流入させるガスの酸素濃度を調整してもよい。

内部空間６Ｓにはバーナ７が配置されている。具体的には、バーナ７は貫通孔５に向けて配置されており、バーナ７の火炎によって貫通孔５及びその周辺が加熱される。バーナ７の種類は特に制限はなく、プロパン、灯油などを燃料とするものを使用すればよい。保圧室６には内部空間６Ｓを保温するための断熱材６ｃが配置されている（水に浸る下部を除く）。保圧室６を構成する鋼板（鉄皮）の内面を断熱材６ｃで覆うことでバーナ７からの燃焼ガスの温度が低下することを抑制できる。これにより、保圧室６内の圧力が溶融炉部４内の圧力よりも高い場合には貫通孔５を通じて高温の燃焼ガスを溶融炉部４内に流入させることができる。

保圧室６は、内部空間６Ｓ内のガスを排出するための開口６ｄを有する。開口６ｄにはガス移送管Ｌ２が接続されている。開口６ｄから排出されたガスはガス移送管Ｌ２を介してガス燃焼炉９に導入される。ガス移送管Ｌ２の途中には弁Ｖが設けられている。弁Ｖの開度を調整することで、保圧室６内の圧力を調節することができる。例えば、通常時において、保圧室６内の圧力を溶融炉部４内の圧力よりも高く維持することにより、貫通孔５を通じて保圧室６内のガス（バーナ排ガス）を溶融炉部４内に流入させることができる。なお、異常時において、保圧室６内の圧力を溶融炉部４内の圧力よりも低くなるように、弁Ｖを操作してもよい。ここでいう異常時の具体例として、保圧室６内の圧力が何らかの原因で過度に高くなり、保圧室６の水封状態を維持できなくなったとき又はそのような事態になりそうなとき、溶融物Ｍの組成又は温度に起因して溶融物Ｍの粘性が上昇する傾向にあって溶融炉部４内からのガス流出とともに溶融物Ｍを強制的に排出させたいときなどが挙げられる。廃棄物ガス化溶融炉１０内の複数箇所の圧力（差圧）及び温度のデータ、並びに、溶融物Ｍの温度及び粘性のデータに基づき、廃棄物ガス化溶融炉１０の運転を緊急停止できるようにしてもよい。

弁Ｖは、保圧室６内の圧力が閾値以上となったとき自動的に開くように構成されていてもよい。この閾値は例えば水槽８による水封高さに基づいて設定すればよい。

水槽８は、保圧室６の下部を水封するとともに貫通孔５から排出される溶融物Ｍを冷却する水を収容する。図１に示すとおり、筒状部材６ａの下側開口が水面下まで延びている。貫通孔５から落下した溶融物Ｍは水槽８内の水で急冷される。これによりスラグ（「水砕スラグ」とも称される。）とメタルとが得られる。水槽８の底部にはスラグ及びメタルを水槽８の外に搬送するコンベア８ａが設置されている。なお、スラグ（水砕スラグ）は、溶融物の冷却によって得られる混合物を磁選処理して得られる非磁性成分である。

図３〜５を参照しながら、貫通孔５を有する炉底部構造５０について説明する。炉底部構造５０は溶融炉部４の本体部に対して着脱自在であり、使用中の炉底部構造５０が損耗したときには新たなものに交換できるように構成されている。なお、図１、２においては図面の簡略化のため、炉底部構造５０を図示していない。

図３〜５に示すとおり、炉底部構造５０の中央部に貫通孔５が設けられている。溶融炉部４内の圧力よりも保圧室６内の圧力を高く設定したときには、溶融炉部４の酸化性ガスを含むバーナ排ガスが貫通孔５を通じて炉外から炉内に流入するとともに炉内から炉外に溶融物Ｍが排出される。炉底部構造５０は、貫通孔５の上側内周面５ａを構成するアルミナ系耐火物ブロックＢ１と、下側内周面５ｂを構成する炭化珪素質耐火物ブロックＢ２と、貫通孔５の周りに埋設された複数の管路Ｐ１〜Ｐ４とを備える。

アルミナ系耐火物ブロックＢ１は、溶融炉部４の炉底部の側壁４ｗの外面Ｆ１から内面Ｆ２にかけて貫通孔５の上側内周面５ａを構成している。アルミナ系耐火物ブロックＢ１は高温（例えば１５００〜１８００℃）の酸化性ガスに対して耐性を有するものが好ましく、溶融物Ｍの飛沫が付着する可能性もあるため、溶融物Ｍに対してもある程度の耐性を有するものが好ましい。アルミナ系耐火物ブロックＢ１の具体例としては、高アルミナ質耐火キャスタブル（アルミナ含有率：９０質量％以上）などが挙げられる。アルミナ系耐火物ブロックＢ１は、過冷却によって溶融物が固化することを抑制する観点から、１０００℃における熱伝導率が好ましくは１．５〜２．５Ｗ／ｍ・Ｋであり、より好ましくは１．５〜２．０Ｗ／ｍ・Ｋである。

炭化珪素質耐火物ブロックＢ２は、溶融炉部４の炉底部の側壁４ｗの内面Ｆ２から外面Ｆ１にかけて貫通孔５の下側内周面５ｂを構成している。下側内周面５ｂは、溶融物Ｍが炉外に向けて流れ落ちるように傾斜している底面５ｄを有する。炭化珪素質耐火物ブロックＢ２は高温（例えば１６００℃程度）の溶融物Ｍに対して耐性を有するものが好ましく、酸化性ガスを含むバーナ排ガスに曝される可能性もあるため、酸化性ガスに対してもある程度の耐性を有するものが好ましい。炭化珪素質耐火物ブロックＢ２の具体例としては、ＳｉＣ耐火キャスタブル（ＳｉＣ含有量：６７〜９５質量％）などが挙げられる。炭化珪素質耐火物ブロックＢ２は、１０００℃における熱伝導率が好ましくは１０〜１５Ｗ／ｍ・Ｋであり、より好ましくは１２〜１５Ｗ／ｍ・Ｋである。炭化珪素質耐火物ブロックＢ２の熱伝導率が上記範囲であると、管路Ｐ１による冷却効果と溶融物Ｍの熱とをバランスさせることによって炭化珪素質耐火物ブロックＢ２の残厚を十分に確保しやすい。

図３に示すように、貫通孔５の上側内周面５ａは、アルミナ系耐火物ブロックＢ１に形成された溝であって外面Ｆ１に平行な断面の形状が略半円状である溝によって構成されている。他方、貫通孔５の下側内周面５ｂは、炭化珪素質耐火物ブロックＢ２に形成された溝であって外面Ｆ１に平行な断面の形状が縦長の略長方形である溝によって構成されている。この縦長の略長方形の溝は、溶融物出口をなす貫通孔５の外側開口において、縦長の略長方形の溝からなるスリット部５ｓを構成する。

スリット部５ｓの開口幅は、未燃焼（炉内に装入前）のコークスＣが通過しないサイズに設定されていることが好ましく、６５〜１３０ｍｍ程度であればよい。かかる構成を採用することで、炉内に装入したコークスＣが貫通孔５から排出されるのを抑制できる。貫通孔５の開口面積は使用するコークスＣのサイズ、廃棄物ガス化溶融炉１０の規模などに応じて設定すればよく、例えば５０〜５００ｃｍ^２程度であればよい。

本実施形態においては、溶融物出口を構成するスリット部５ｓの両側にスリット部５ｓに沿って縦方向に延びる一対の張り出し部５ｈ，５ｈが設けられている。張り出し部５ｈ，５ｈは、溶融物出口の近傍に溶融物Ｍが付着し、それが徐々に堆積することによって溶融物出口が閉塞されることを防止するためのものである。

図３に示すように、張り出し部５ｈは貫通孔５の下側内周面５ｂから炉外の方向に連続して延びている第１の面Ｆ５ａと、第１の面Ｆ５ａとともに鋭角部５ｊを構成する第２の面Ｆ５ｂとを有する。スリット部５ｓの両側に鋭角部５ｊを有する張り出し部５ｈをそれぞれ設けることで、鋭角部５ｊを超えて溶融物Ｍがスリット部５ｓの左右方向に広がることを十分に抑制でき、これにより、溶融物出口の近傍における溶融物Ｍの付着を抑制することができる。鋭角部５ｊの角度は２０〜６０°（より好ましくは２０〜４５°）程度であればよい。

溶融物Ｍの付着抑制効果をより高めるため、張り出し部５ｈの第２の面Ｆ５ｂ上及び外面Ｆ１に複数の突起部５ｐを設けてもよい。本実施形態においては、図３に示すように、第２の面Ｆ５ｂ上に横方向に延びる複数段（五段）の突起部５ｐを設けた場合を例示したが、突起部の態様はこれに限定されるものではない。第２の面Ｆ５ｂに溶融物が付着するのを防止するには、第２の面Ｆ５ｂが平坦面ではなく凹凸を有していればよく、例えば、第２の面Ｆ５ｂに複数の突起部を設ける代わりに複数の凹部を設けてもよい。

管路Ｐ１〜Ｐ４は、冷却用流体（例えば水、空気）を流すためのものである。図４，５に示すように、管路Ｐ１，Ｐ２は、炉底部構造５０のうち溶融物出口側に埋設されている。管路Ｐ３，Ｐ４は、炉底部構造５０のうち溶融炉部４側に埋設されている。なお、管路の本数は五本に限定されるものではない。炉底部構造５０の溶融物出口側は、炉底部構造５０の溶融炉部４側に対して分離可能に構成されていてもよい。かかる構成により、炉底部構造５０の溶融物出口側のみを交換することができる。

管路Ｐ１は、底面５ｄの先端側（炉外側）の位置において底面５ｄに沿うように炭化珪素質耐火物ブロックＢ２に埋設されており且つ底面５ｄ上の溶融物Ｍの流れ方向と交差する方向に延在している。底面５ｄの先端側の位置に管路Ｐ１を埋設することで、溶融物Ｍの流れによって炭化珪素質耐火物ブロックＢ２の先端側が浸食されることをより一層確実に抑制できる。

管路Ｐ２は、図５に示すように、管路Ｐ１の上方に位置し且つ貫通孔５の内周面（底面５ｄを除く。）に沿うように埋設されている。すなわち、管路Ｐ２は、管路Ｐ１と同様、まず、炭化珪素質耐火物ブロックＢ２内において横方向に延び、貫通孔５の近傍で上方に曲がって貫通孔５の側面に沿って上方に延びている。そして、アルミナ系耐火物ブロックＢ１内おいて貫通孔５の上側内周面５ａに沿って半円を描くように延び、炭化珪素質耐火物ブロックＢ２内において貫通孔５の側面に沿って下方に延びている。そして、管路Ｐ１の手前で横方向に曲がっている。

管路Ｐ３，Ｐ４は、炉底部構造５０のうち溶融炉部４側に埋設されており、溶融炉部４側の位置において図５に示す管路Ｐ２と同様、貫通孔５の内周面（底面５ｄを除く。）に沿うように埋設されている。

管路Ｐ１から貫通孔５の底面５ｄまでの距離（炭化珪素質耐火物ブロックＢ２の施工時の初期厚さ）は好ましくは１〜１００ｍｍであり、より好ましくは３０〜６０ｍｍである。管路Ｐ２、管路Ｐ３及び管路Ｐ４から貫通孔５の上側内周面５ａまでの距離（アルミナ系耐火物ブロックＢ１の施工時の初期厚さ）は好ましくは１〜１００ｍｍであり、より好ましくは３０〜６０ｍｍである。

管路Ｐ１〜Ｐ４は、金属管（例えば銅管）と、金属管の表面に形成されたニッケルクロム合金層からなる肉盛部とを有することが好ましい。かかる構成の管路を採用することで、アルミナ系耐火物ブロックＢ１又は炭化珪素質耐火物ブロックＢ２の損耗によって管路が露出しても一定の期間にわたって耐久性を保持することができる。ニッケルクロム合金層の厚さは１〜１０ｍｍ（より好ましくは３〜５ｍｍ）程度とすればよい。

本実施形態に係る炉底部構造５０は、優れた耐久性を有し且つ貫通孔５を定常的に開放した状態で廃棄物ガス化溶融炉１０を十分に高い熱効率で運転するのに有用である。

＜廃棄物ガス化溶融炉の運転方法＞
廃棄物ガス化溶融炉１０の運転方法について説明する。処理すべき廃棄物を廃棄物装入口１１からシャフト部１に装入する。廃棄物の種類は、特に限定されることはなく、一般廃棄物及び産業廃棄物のいずれであってもよい。シュレッダーダスト（ＡＳＲ）、掘り起こしごみ、焼却灰などの単体又は混合物、あるいはこれらと可燃性ごみの混合物なども処理することが可能である。廃棄物によってシャフト部１内に廃棄物充填層１００が形成される。廃棄物装入口１１から乾留された廃棄物やチャーを廃棄物とともに投入してもよい。

シャフト部１内においては、炭化火格子部３及び溶融炉部４から吹き込まれた空気や炉内で発生したガスが廃棄物充填層１００を通過するときの熱交換によって、廃棄物の乾燥及び熱分解が進行する。廃棄物の乾燥及び熱分解には廃棄物自身が発する熱も利用される。廃棄物は、シャフト部１内を徐々に降下し、供給炭化火格子３Ａ上に到達し、供給炭化火格子３Ａで更に熱分解され、その後、乾留炭化火格子３Ｂへと送られる。廃棄物は、乾留炭化火格子３Ｂで更に熱分解されて炭化が進行し、上部側開口部４６から落下して溶融炉部４に供給される。

連通部２から炭化された廃棄物が溶融炉部４に供給される。炭化された廃棄物によって溶融炉部４内に充填層１０１が形成される。溶融炉部４内には副資材装入口４１からコークスＣと、必要に応じて塩基度調整剤（例えば石灰石）とを装入する。また、羽口４２ａ，４２ｂ，４２ｃ，４２ｄから酸素富化空気を吹き込むことによってコークスＣ及び廃棄物の固定炭素を燃焼させる。これにより炉底に高温のコークスベッドＢｃが形成され、その熱で廃棄物に含まれる灰分や不燃成分を溶融する。一方、炉内ガス排出口１２から排出された高温ガスは、ボイラー等の装置で廃熱を回収した後、無害化処理をして放出する。なお、溶融炉部４内にコークスベッドＢｃを形成することで、溶融炉部４内を高温状態（例えば１７００℃超）に安定的に維持できる。ここでは溶融炉部４内にコークスベッドＢｃを形成する場合を例示したが、溶融炉部４にコークスベッドＢｃが形成されなくてもよい。

操業時における溶融炉部４内の廃棄物の充填高さは、羽口４２ａ，４２ｂ，４２ｃ，４２ｄより上方向＋０．５ｍ〜炭化火格子部３の最下端部までの範囲内に維持することが好ましい。この範囲内に維持することによって、充填層１０１の層厚が薄くなることに起因する炉底からの酸素リークを抑制することができる。更に、充填し過ぎに起因する炭化火格子部３の熱分解効率低下や溶融炉部４内における物流停滞の発生を抑制できる。

溶融炉部４内の廃棄物の充填高さの制御は、炭化火格子部３が溶融炉部４に廃棄物を供給する速度を調節することによって行うことができる。例えば、溶融炉部４に充填層１０１の高さを検知するためのセンサー（不図示）を配置し、センサーが検知する充填層１０１の高さに基づいて炭化火格子部３の供給速度を制御してもよい。あるいは、例えばオペレーターが充填高さを監視し、監視結果に基づいて供給速度を制御してもよい。

供給炭化火格子３Ａの供給速度（Ｖ１）と乾留炭化火格子３Ｂの供給速度（Ｖ２）は、相対的に異なるように設定してもよく、あるいは同じに設定してもよい。供給速度を相対的に異なるように設定する場合、乾留炭化火格子３Ｂの供給速度（Ｖ２）が供給炭化火格子３Ａの供給速度（Ｖ１）よりも大きくなるように設定することが好ましい。更に、乾留炭化火格子３Ｂの供給速度（Ｖ２）を一定にして、供給炭化火格子３Ａの供給速度（Ｖ１）を可変制御することがより好ましい。供給速度Ｖ２を供給速度Ｖ１よりも大きくすることで、供給炭化火格子３Ａから送られてきた廃棄物が乾留炭化火格子３Ｂ上において比較的薄い層をなすように広げることができる。これにより、廃棄物の層の全体に乾留炭化火格子３Ｂからの熱を加えることができ、廃棄物全体の炭化状態を十分に良好にできる。

廃棄物の装入は、廃棄物装入口１１のみからではなく、例えば副資材装入口４１から装入してもよい。例えば、水分量が多い廃棄物は廃棄物装入口１１から装入して、シャフト部１及び炭化火格子部３における処理を経た後に溶融炉部４に供給することが好ましい。他方、灰分量が多くて水分が少ない廃棄物は、副資材装入口４１から装入することで、シャフト部１及び炭化火格子部３における乾燥及び熱分解の負荷を軽減できる。水分量が多い廃棄物の一例として汚泥が挙げられ、灰分量が多い廃棄物の一例として焼却灰が挙げられる。なお、廃棄物の装入口は廃棄物装入口１１及び副資材装入口４１以外の場所にも設けてもよい。廃棄物の性状に基づいて廃棄物を炉内に装入する位置を適宜変えることで、結果として炉全体の負荷を軽減できる。

次に、貫通孔５を定常的に開放した状態で廃棄物ガス化溶融炉１０を運転することに関し、本実施形態に係る運転方法について具体的に説明する。この運転方法によれば、廃棄物ガス化溶融炉１０を十分に高い熱効率で運転できる。本実施形態に係る運転方法は以下の工程を含む。
溶融炉部４内の圧力よりも保圧室６内の圧力を高く維持することにより、貫通孔５を通じて保圧室６内のガスを溶融炉部４内に流入させること。
溶融炉部４内の溶融物Ｍを貫通孔５から保圧室６側に排出すること。
貫通孔５から排出される溶融物Ｍに対してバーナ７によって熱を加えること。
炉底部構造５０が著しく損耗したり溶融物出口が閉塞したりした場合に炉底部構造５０を新たな炉底部構造５０に交換すること。

この運転方法によれば、貫通孔５から排出される溶融物Ｍをバーナ７の火炎で加熱することができる。これにより溶融物Ｍの粘性上昇を抑制でき、貫通孔５の閉塞を抑制できる。更に、バーナ７から発生する燃焼ガスによって保圧室６内の圧力（例えば１．５〜２．５ｋＰａ（ゲージ圧））を溶融炉部４内の圧力（例えば１．０〜２．０ｋＰａ（ゲージ圧））よりも高い状態にすることができる。この差圧は好ましくは０．５〜２．０ｋＰａである。この差圧により貫通孔５を通じて燃焼ガスが溶融炉部４に流入する。すなわち、保圧室６内の圧力を溶融炉部４内の圧力よりも高くすることで、高温の炉内ガスが貫通孔５を通じて炉外に排出されるのを防止するとともに、十分に高い温度の燃焼ガスを保圧室６から溶融炉部４へと貫通孔５を通じて流入させることができる。その結果、溶融炉部４内の温度（炉内温度）の低下を抑えることができ、炉内に導入すべき燃料の増加を十分に抑制できる。なお、貫通孔５を通過する燃焼ガスの温度が１２００℃以上（より好ましくは１３００℃程度）であれば、貫通孔５周辺で溶融物Ｍが固化することを十分に抑制できる。溶融物Ｍに含まれるスラグの融点はその組成に依存するが１１７５℃程度である。

貫通孔５における溶融物Ｍと燃焼ガスの流れに着目すると、貫通孔５において溶融物Ｍとガスは対向流となっている。貫通孔５から溶融物Ｍを安定的に排出するには、貫通孔５内において溶融物Ｍの流れが燃焼ガスの流れと十分に分離していることが好ましい。つまり、貫通孔５内の流体の流れを対向気液二相流とみなした場合、溶融物Ｍが分離流（層状流又は波状流）を形成していることが好ましい。かかる観点から、貫通孔５の開口面積、コークスＣのサイズ及び保圧室６から溶融炉部４に流入するガス流量などを設定すればよい。例えば、貫通孔５を通過する燃焼ガスの流速は好ましくは０〜２０Ｂｍ／ｓであり、より好ましくは３〜１０Ｂｍ／ｓである。なお、流速の単位「Ｂｍ／ｓ」はその場の温度及び圧力条件下での流速を意味する。

新たな炉底部構造５０への交換は、損耗によって管路が露出したり、溶融物出口が閉塞したりした場合に実施すればよい。これらの現象が認められない場合であっても、所定の期間が経過したら定期的に交換するようにしてもよい。

以上、本発明の実施形態について詳細に説明したが、形式や細部についての種々の置換、変形、変更等が、特許請求の範囲の記載により規定されるような本発明の精神及び範囲から逸脱することなく行われることが可能であることは、当該技術分野における通常の知識を有する者には明らかである。従って、本発明の範囲は、上記実施形態及び添付図面に限定されるものではなく、特許請求の範囲の記載及びこれと均等なものに基づいて定められるべきである。

例えば、上記実施形態においては、溶融物出口の両側に一対の張り出し部５ｈ，５ｈを設ける場合を例示したが、溶融物Ｍの性状等によっては張り出し部５ｈ，５ｈを設けなくてもよい。また、上記実施形態においては、縦長の略長方形の溝によって構成される溶融物出口を例示したが、溶融物出口の形状は必ずしも略長方形でなくてもよく、例えば縦長の楕円や多角形状などであってもよい。

１…シャフト部、２…連通部、３…炭化火格子部、４…溶融炉部、４ｗ…側壁、５…貫通孔、５ａ…上側内周面、５ｂ…下側内周面、５ｄ…底面、５ｈ…張り出し部、５ｊ…鋭角部、５ｐ…突起部、５ｓ…スリット部、６…保圧室、７…バーナ、１０…廃棄物ガス化溶融炉（低炭素型シャフト炉）、１１…廃棄物装入口、１２…炉内ガス排出口、５０…炉底部構造、Ｍ…溶融物、Ｂ１…アルミナ系耐火物ブロック、Ｂ２…炭化珪素質耐火物ブロック、Ｆ５ａ…第１の面、Ｆ５ｂ…第２の面、Ｐ１〜Ｐ４…管路。

Claims (9)

1. 低炭素型シャフト炉の炉底部の側壁を厚さ方向に貫通しており酸化性ガスを含むバーナ排ガスを炉外から炉内に流入させるとともに炉内から炉外に溶融物を排出するための貫通孔を有する炉底部構造であって、
   前記貫通孔の内周面のうち、前記バーナ排ガスと接する上側内周面を前記側壁の外側から内側にかけて構成するアルミナ系耐火物ブロックと、
   前記貫通孔の内周面のうち、前記溶融物と接する底面を含む下側内周面を前記側壁の内側から外側にかけて構成する炭化珪素質耐火物ブロックと、
   前記貫通孔の周りに埋設された、冷却用流体を流すための少なくとも一つの管路と、
   を備える炉底部構造。
2. 前記炭化珪素質耐火物ブロックは、１０００℃における熱伝導率が１０〜１５Ｗ／ｍ・Ｋの範囲である、請求項１に記載の炉底部構造。
3. 前記アルミナ系耐火物ブロックは、１０００℃における熱伝導率が１．５〜２．５Ｗ／ｍ・Ｋの範囲である、請求項１又は２に記載の炉底部構造。
4. 前記管路は、金属管と、前記金属管の表面に形成されたニッケルクロム合金層からなる肉盛部とを有する、請求項１〜３のいずれか一項に記載の炉底部構造。
5. 前記貫通孔の前記底面は、前記炉底部からの前記溶融物が炉外に向けて流れ落ちるように傾斜している、請求項１〜４のいずれか一項に記載の炉底部構造。
6. 少なくとも一つの前記管路は、前記底面の先端側の位置において前記底面に沿うように前記炭化珪素質耐火物ブロックに埋設されており且つ前記底面上の前記溶融物の流れ方向と交差する方向に延在している、請求項４に記載の炉底部構造。
7. 前記貫通孔の前記下側内周面は、前記炭化珪素質耐火物ブロックに形成された縦長の略長方形の溝によって構成されている、請求項１〜６のいずれか一項に記載の炉底部構造。
8. 前記溶融物の出口を構成する前記貫通孔の外側開口は、前記縦長の略長方形の溝によって構成されるスリット部を有し、
   前記スリット部の両側に前記スリット部に沿って縦方向に延びる一対の張り出し部が設けられており、
   前記張り出し部は、前記貫通孔の前記下側内周面から炉外の方向に連続して延びている第１の面と、前記第１の面とともに鋭角部を構成する第２の面とを有する、請求項７に記載の炉底部構造。
9. 前記張り出し部は、前記第２の面上に設けられた複数の突起部を更に有する、請求項８に記載の炉底部構造。

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