廃棄物溶融処理方法
【課題】定常的な溶融処理の実行時において炉内に形成される充填物層に通気不良が発生するのを防止することのできる廃棄物溶融処理方法を提供する。
【解決手段】廃棄物及び塊状炭素系可燃物質を炉内に投入し、炉内で溶融させた廃棄物中の灰分を炉底部から排出する廃棄物溶融処理方法において、廃棄物と炉下部の加熱溶融領域までガス化されずに到達する不燃物を主体とする通気確保材を投入して、炉内に形成される充填物層内に通気のための空隙を確保するようにする。
【解決手段】廃棄物及び塊状炭素系可燃物質を炉内に投入し、炉内で溶融させた廃棄物中の灰分を炉底部から排出する廃棄物溶融処理方法において、廃棄物と炉下部の加熱溶融領域までガス化されずに到達する不燃物を主体とする通気確保材を投入して、炉内に形成される充填物層内に通気のための空隙を確保するようにする。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えばコークスなどの塊状炭素系可燃物質を用いて廃棄物を溶融処理する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般廃棄物や産業廃棄物などの廃棄物を処理する方法として、例えばコークスなどを燃焼剤に用いて廃棄物を溶融する方法がある。溶融による処理方法は、これまで埋め立てによって最終処分されていた焼却灰や不燃性ごみを、スラグにして再資源化することができる。
【０００３】
廃棄物の溶融処理としては、焼却炉で焼却し、その焼却灰や不燃性分を溶融炉で加熱溶融する方法がある。しかし近年においては、例えば廃棄物中の可燃性分の燃焼・ガス化、及び廃棄物中の灰分の加熱溶融を一つの炉内で行うことのできるガス化溶融炉が注目されている。
【０００４】
廃棄物は、一般廃棄物や産業廃棄物など、その種類が異なれば水分，可燃分，灰分などの成分比が異なる。さらに、同種であっても、廃棄物を回収する場所や時期などによって成分比に変動がある。そのため、廃棄物中の成分比によっては炉内に形成される充填物層（すなわち、廃棄物等の投入物や炉内生成物（乾留残渣等）による堆積層）の通気抵抗が増大し、炉の操業状況を悪化させ、また処理コストが高騰する場合がある。
【０００５】
一例を挙げると、例えば廃棄された自動車や家電製品などの解体時に発生するシュレッダーダストは、特許文献１に例示されるように、都市ごみなどの一般廃棄物に比べて土砂，ガラス等の細粒分が多い為、灰分が多く含まれており、またシュレッダー装置によって細かく裁断されていることもあり、充填物層の通気抵抗が大きくなりやすい。この場合、廃棄物をガス化及び溶融するために炉下部の羽口から吹き込まれる空気又は酸素富化された空気が羽口周りに拡散し難く、充填物層内の空隙の少ない層に燃焼ガスが集中し、益々、通気抵抗が増大する。場合によっては、チャネリング現象が発生することがある。
【０００６】
このような充填物層の通気不良は、炉下部の熱交換率を低下させ、炉底部からの溶融物の出湯を妨げる。さらに、炉下部における熱交換率の低下を補うために、燃焼剤であるコークスの投入量を、廃棄物１トン当たり２５０〜３５０ｋｇまで増やした操業が余儀なくされる。その結果、廃棄物の処理コストが高騰していた。
【０００７】
一方、特許文献２には、炉壁を補修するために吹き付けた耐火材の落下物によって炉内通気性が悪化するのを防止するために、補修作業に先立って、ストックレベル面上に空隙確保材を装入することが開示されている。しかしながら、特許文献２の方法は、補修作業後の再稼働時における一時的な通気性悪化を防止できるに過ぎず、操業時において炉内に発生する通気不良を防止することはできない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特許第３９８４４８４号公報
【特許文献２】特開２００５−２３３９２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
すなわち、本発明は、一例として挙げた上記課題を解決するためになされたものであり、その目的は、溶融処理の実行時において炉内に形成される充填物層に通気不良が発生するのを防止することのできる廃棄物溶融処理方法を提供することにある。
【００１０】
また、本発明の他の目的は、例えばコークスなどの塊状炭素系可燃物質の投入量を少なくして、廃棄物の処理コストを節約することのできる廃棄物溶融処理方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明に従う廃棄物溶融処理方法は、廃棄物及び塊状炭素系可燃物質を炉内に投入し、炉内で溶融させた廃棄物中の灰分を炉底部から排出する廃棄物溶融処理方法において、廃棄物と通気確保材を投入して、炉内に形成される充填物層内に通気のための空隙を確保することを特徴とする。
【００１２】
炉内に投入する通気確保材は、炉下部の加熱溶融領域にまでガス化されずに到達する不燃物を主体とするものが好ましく、例えば、一斗缶、ペール缶、飲料缶、飲料瓶といったような不燃物を主体としたものが好ましい。このような通気確保材は、廃棄物投入量１トン当たり０．０３ｍ３から０．５ｍ３の範囲内で投入するのが好ましい。また、通気確保材は、操業時に炉内に形成される充填物層の通気を確保するために、充填物層の高さ方向に散在するように投入するのが好ましい。
【００１３】
廃棄物の種類は限定されることはなく、前記廃棄物の代わりに、或いは前記廃棄物と共にシュレッダーダストを投入することもできる。製造コストを節約する観点に基づけば、燃焼剤として炉内に投入する塊状炭素系可燃物質の投入量を、廃棄物投入量１トン当たり１５０ｋｇ以下にすることが好ましい。また、通気確保材としては、例えばスチール製の空き缶を半潰、又は全潰したものでもよい。さらに、前記通気確保材の投入は、炉内への空気又は酸素富化された空気の送風中に行うことが好ましい。
【発明の効果】
【００１４】
本発明に従う廃棄物溶融処理方法によれば、廃棄物と通気確保材を投入して、炉内に形成される充填物層内に通気のための空隙を確保するようにしたことで、溶融処理の実行時において、充填物層内に通気不良が発生するのを防止することができる。
【００１５】
さらに、充填物層の通気状態が良好であれば、溶融物の出湯が速やかに行われるので、炉の廃棄物処理量が低下するのを防止することができる。加えて、炉下部への熱伝導が良好となるので、無駄なコークスの投入量が少なくて済む。その結果、廃棄物の処理コストを節約することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の好ましい実施形態に従う廃棄物溶融処理方法が適用される溶融炉の縦断面図である。
【図２】上記実施形態に従う通気確保材の投入量と、コークス混合割合及び下段送風圧力の関係を示す特性図である。
【図３】上記実施形態に従う通気確保材の投入量と、炉頂温度の関係を示す特性図である。
【図４】上記溶融炉内に形成される充填物層の状態を説明するための模式図である。
【図５】上記溶融炉の下段送風圧力と出湯量の経時変化を示す特性図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、本発明の好ましい実施形態による廃棄物溶融処理方法について、添付図面を参照しながら詳しく説明する。但し、以下に説明する実施形態によって本発明の技術的範囲は何ら限定解釈されることはない。
【００１８】
図１は、本実施形態に従う廃棄物溶融処理方法を実施するのに用いられるシャフト式ガス化溶融炉（以下、単に「溶融炉」と称す）の縦断面図を示す。この溶融炉１は、廃棄物を低酸素状態で燃焼してガス化し、灰分や不燃性分を溶融するための、例えば円筒状に形成された炉本体２を有する。炉本体２は、廃棄物やコークスなどの副原料並びに通気確保材等を投入するための投入口２１を炉上部に有し、溶融物を取り出すための出湯口２２を炉底部に有し、さらに廃棄物から発生したガスや炉内に吹き込んだガスを排出する排気口２３を上部に有する。出湯口２２は、例えば図示しない開閉機構によって開閉可能であり、間欠的に溶融物を取り出すことができる。さらに炉底部には、出湯口２２から取り出される溶融物を水砕ピット３に供給するための溶融物樋２４が設けられている。水砕ピット３は、詳しい図示は省略しているが、溶融物を冷却・凝固するための冷却水を貯留するケーシングと、ケーシング内で冷却凝固された溶融物（すなわち、スラグやメタル）を取り出すためのスクレーパコンベアを備えている。
【００１９】
炉本体２は、炉上部から炉底部に向かって、直胴部（所謂、シャフト部）２５，逆円錐部（所謂、朝顔部）２６，及び炉底部２７を構成する。限定されることはないが、直胴部２５の上部側は、主として廃棄物が乾燥及び予熱される乾燥領域を構成し、直胴部２５の下部側から逆円錐部２６の上部側は、主として廃棄物中の可燃性分が熱分解ガス化されるガス化領域を構成し、コークスベッドが形成される炉下部は、主として灰分や乾留残渣等が溶融される加熱溶融領域を構成する。さらに、炉底部２７は、溶融物を貯留する液溜りを構成する。乾燥領域の温度は、例えば５００〜７００℃、望ましくは４５０〜６５０℃である。また加熱溶融領域の温度は、例えば１６００〜２０００℃である。
【００２０】
炉下部には、コークスベッドを構成するコークス及び廃棄物の可燃性乾留残渣（固定炭素）を燃焼させる空気又は酸素富化した空気（以下、単に「空気等」と称す）を炉内に供給する送風羽口（下段羽口）４が周方向に複数配置されている。下段羽口４から吹き込む空気等は、例えば送風圧力が１０〜２５ｋＰａの範囲内となるように設定するのが好ましい。なお、酸素富化した空気とは、例えば酸素発生器４１からの酸素を混合することによって、酸素濃度を高めた空気である。さらに、直胴部２５及び／又は逆円錐部２６の側壁には、廃棄物を燃焼させる空気等を炉内に供給する送風羽口（上段羽口）４２が周方向に複数配置されている。図１には直胴部２５に配置した例を示す。なお、上段羽口４２及び下段羽口４を配置する高さは、図１に示す高さに限定されることはなく、適宜変更可能である。さらに、直胴部２５の炉壁側を降下する廃棄物の燃焼を促進させるために補助羽口を追加するようにしてもよい。
【００２１】
下段羽口４及び上段羽口４２並びに補助羽口を通じて炉内に吹き込む空気は、送風機４３を用いて供給することができる。酸素富化した空気を吹き込む場合には、送風機４３からの空気の流路に酸素発生器４１を接続する。図１は、下段羽口４から酸素富化した空気、上段羽口４２から空気を吹き込む構成を例示している。
【００２２】
溶融炉１で処理する廃棄物の種類は、特に限定されることはなく、シュレッダーダスト，掘り起こしごみ，焼却灰などの単体又は混合物、或いはこれらと可燃性ごみの混合物など、いずれの廃棄物であってもよい。乾留された廃棄物を投入してもよい。図１は、一例として、シュレッダーダスト（ＡＳＲ）、都市ごみなどの一般廃棄物を混合処理する構成を例示している。それぞれのホッパー５，５１に投入されたシュレッダーダスト及び一般廃棄物は、例えばコンベア５１によって炉上部まで搬送され、投入口２１を介して炉内に投入する。シュレッダーダストと一般廃棄物は、それぞれ別々に炉に投入して処理してもよく、あるいは例えば炉内でのシュレッダーダストの重量比率が３５〜８０％となるように、両者を炉内に投入して処理してもよい。このとき、廃棄物と共に、コークスや石灰石などの副原料、及び通気確保材も炉内に投入するようにする。これら副原料及び通気確保材もコンベアを利用して炉内に投入することができる。
【００２３】
本実施形態においては、コークスの投入量は、炉内に投入する廃棄物投入量１トン当たり１５０ｋｇ以下とするのが好ましく、特に６０ｋｇ以下とするのが好ましい。但し、これらは定常稼働時における目標値であって、それ以上を投入することを制限するものではない。
【００２４】
さらに本実施形態においては、通気のための空隙を充填物層内に確保するため、通気確保材を廃棄物と共に炉内に供給する。通気確保材の材料や形状は、特に限定されることはない。しかしながら、通気不良が発生する炉下部に達する前にガス化してしまうと、充填物層の通気が十分に確保されないため、木材やプラスチックなどの可燃性のものは不適格である。従って、炉下部の加熱溶融領域にまでガス化されずに到達することのできる不燃物であることが好ましい。但し、不燃物のみで形成されている必要はなく、一部可燃性の部分が含まれていてもよい。
【００２５】
通気確保材は、不燃系のものであればよいが、ガス化まではしなくとも炉下部に達する前に殆どが溶融してしまうものも適格でない。好ましい通気確保材としては、一斗缶（例えば、〜１８リットル）、ペール缶（例えば、〜２０リットル）、丸小缶、飲料缶（缶詰を含む）、飲料瓶、ドラム缶（例えば、１８〜２００リットル）などの不燃物を主体とするものを挙げることができる。これら通気確保材は、最終的に溶融されてスラグ又はメタルになることから、新たに製造したり、購入したりするのは経済的ではなく、一般廃棄物や産業廃棄物の中から選別したものを用いるのが好ましい。この場合、原形のままであってもよく、ある程度潰した状態（半潰し、又は全潰し）であってもよい。また、中身が残った身入りであってもよく、空の状態であってもよい。スチール缶はメタルとして回収され、アルミニウム缶や瓶はスラグとして回収されることとなる。従って、スチール缶の方が、リサイクル価値が高く好ましい。なお、この他にも、ガラス繊維系の成型保温材やスレート、鍋・釜等の不燃性物も通気確保材として使用することができる。
【００２６】
通気確保材は、廃棄物投入量１トン当たり０．０３ｍ３から０．５ｍ３の範囲内となるように投入することが好ましい。なお、通気確保材の容積は、空隙を含んだ嵩を示す。通気確保材の投入量が０．０３ｍ３よりも少ない場合には、充填物層に通気のための空隙が形成されるものの、通気改善，コークス投入量改善の効果が小さい。反対に通気確保材の投入量が０．５ｍ３よりも多い場合には、通気改善，コークス投入量改善の効果が頭打ちとなるばかりか、通気が良すぎて炉頂温度が上昇するという別の問題が発生する。
【００２７】
下記の表１は、実際の溶融炉１に通気確保材を投入することで得られた下段羽口４の送風圧力，コークスの投入量，炉頂温度及び廃棄物処理量のデータの一例を示す。また、図２及び図３は、表１の結果をグラフ化したものである。なお、表１は、通気確保材に一斗缶を用い、シュレッダーダストを５０〜６０％の割合で含む廃棄物を処理したものを一例として示しているが、一斗缶以外の通気確保材を用いた場合やシュレッダーダストの割合を変えても同様の傾向が見られた。
【表１】
【００２８】
図２を見れば分かるように、コークス投入量及び送風圧力は、通気確保材を投入することによって急速に改善されるが、その効果を安定的に得られるのは投入量が０．０３ｍ３を超えたあたりからである。その後も、通気確保材の投入量を増やせば得られる改善効果も増していくが、投入量が０．５ｍ３を超えたあたりから頭打ちとなる。従って、通気確保材の投入量をそれ以上増やすことは経済的でない。また、シュレッダーダストが含まれる場合、鉄系の通気確保材を投入し過ぎるとメタル中の銅濃度が希釈され、銅精錬用としての資源価値が低下することが懸念される。
【００２９】
一方、図３を見れば分かるように、通気確保材の投入量が増えるに伴い炉頂温度（即ち、溶融炉から排出されるガス温度）が上昇する。炉頂温度が上昇するのは、充填物層の通気が良くなるためにガスの吹き抜けが良くなり、炉下部で発生した高温ガスと炉内の充填物との接触及び伝熱が抑制されるからである。伝熱が抑制される結果、廃棄物の昇温が遅くなり、図３に示されるように廃棄物処理速度が低下してしまう。既述したように、乾燥領域の温度は、例えば５００〜７００℃である。それ以上に高温になると、溶融炉から排出されるガスに随伴されるダストに含まれる低沸点化合物（例えば、ＣａＣｌ２など）が半溶融状態となり易い。このようなダストの半溶融物は、配管内壁に付着・成長していき、最終的に閉塞に至った場合には炉の操業を停止して除去しなくてはならない。従って、図２の結果も相俟って、通気確保材の投入量は、廃棄物１トン当たり０．５ｍ３以下にするのが好ましい。
【００３０】
通気確保材は、例えば図１のＰ点でコンベア５１に供給することで炉内に投入することができる。これに限定されることはなく、炉上部に直接投入してもよい。さらに、必ずしも廃棄物と混合して投入する必要はなく、別のコンベアを用いたり、クレーンなどを用いたりして廃棄物又はコークスとは別々に投入するようにしてもよい。但し、操業中において流動的に炉内に形成される充填物層の通気を確保するには操業中に通気確保材を投入する必要があり、特許文献２のようにラインを止めてストックレベル面上に載せるだけでは意味がない。すなわち、通気確保材が充填物層の高さ方向に散在するように投入することが好ましい。なお、通気確保材は操業中に常時投入することが好ましいが、経済的な観点や、上述した銅精錬用としての資源価値に基づけば、炉内通気が悪化したときにのみ投入することもできる。炉内通気が悪化したか否かは、例えば送風圧力の上昇、溶融物の出湯量の低下などによって判断する。
【００３１】
上記溶融炉で廃棄物を溶融処理する場合、所定量のコークスと共に炉内に投入された廃棄物は、炉内を降下するに従い、対向して流れる高温ガスにより乾燥，熱分解される。廃棄物の投入量は、炉の処理能力によって決定することができる。廃棄物の乾燥，熱分解のための熱源は、上段羽口４２から吹き込まれた空気による廃棄物の燃焼熱と、下段羽口４から吹き込まれた空気又は酸素富化空気によるコークスの燃焼熱が使われる。
【００３２】
コークス及び廃棄物の可燃性乾留残渣の燃焼ガスは炉下部に形成されるコークスベッドの上端で最高温度となり、この領域で灰分が溶融され、溶融物はコークスベッドの空隙を滴下する。滴下した溶融物は炉底部の液溜まりに一時的に貯留され、出湯口２４を開放することで間欠的に取り出される。
【００３３】
図４は、通気が悪化した炉内に通気確保材を投入したときの充填物層の状態の変化を模式的に示した図である。図４（ａ）に模式的に示すように、通気確保材を投入しない場合、廃棄物の成分によっては朝顔部２６又は炉下部にシュレッダーダスト中の土砂，ガラス等の不燃物や、廃棄物の乾留残渣等の細粒分が堆積し、空隙が少なくなり、充填物層の通気抵抗が大きくなりやすい。この場合、下段羽口４から吹き込まれる空気等が羽口周りに拡散し難くなり、炉下部に低温部が生じる。また、少ない空隙に燃焼ガスが集中する為、局部的にガス流速が高くなり、益々、通気抵抗が増大し、チャネリング現象が発生することがある。
【００３４】
そこで、本実施形態に従って通気確保材を投入すれば、図４（ｂ）に模式的に示すように、通気確保材が炉下部にまで形状が維持された状態で降下し、特に朝顔部２６及び炉下部側の充填物層内に強制的に通気のための空隙を形成する。これにより、下段羽口４からの空気等が羽口周りに拡散し始め、炉下部の低温部が解消される。そして燃焼ガスが炉底部や炉底部に均一に拡散し、そのため通気抵抗が小さくなりチャネリングも発生しない。従って炉底部や炉下部における熱伝導が活性化する。その結果、溶融物の温度が上昇し、また充填物層の空隙が増したことによって炉外への出湯が速やかに行われる。このことは出湯補助剤である酸素ランスなどの使用量を低減することになる。
【００３５】
前述のように炉底部や炉下部の熱伝導が活性化すると、燃焼剤であるコークスの投入量を少なくすることができ、投入量を削減することによって処理コストの低減を図ることが可能となる。既述したように、従来においては廃棄物１トン当たりの投入量を２５０〜３５０ｋｇまで増やした操業を余儀なくされていたが、本実施形態によれば廃棄物１トン当たりの投入量を１５０ｋｇ以下にすることができ、その経済的価値は極めて大きい。
【００３６】
また、充填物層の通気が改善することによってチャネリング現象の発生を防止することができる。その結果、チャー等の乾留残渣が短時間で大量に吹き上げられる現象を抑制することができる。さらに、後段に設置した燃焼室の温度変動が安定する為、燃焼室内のクリンカ（灰分の半溶融物）が発生するのを抑制することができる。
【００３７】
さらに、充填物層の通気が改善することによって炉底部や炉下部での燃焼が均一化されるので、例えば局部的に温度が下がり羽口先に半溶解物が付着するのを抑制することができる。すなわち、下段羽口の輝度が低下するのを防止することが可能である。
【００３８】
その他、本実施形態によれば、チャー等の乾留残渣の発生量が安定化、燃焼領域の温度変動が安定化するという利点がある。
【００３９】
図５には、実際に通気確保材を投入した溶融炉の送風圧力と出湯量の経時変化の一例を示す。図５の結果からも分かるように、通気確保材を投入することによって、送風圧力が低下し、出湯量が増加する。すなわち、本実施形態によって炉内の通気が改善されることは明らかである。
【００４０】
以上のように、本実施形態の廃棄物溶融処理方法によれば、廃棄物と通気確保材を炉内に投入して、炉内に形成される充填物層内に通気のための空隙を確保するようにしたことで、溶融処理の実行時において、操業中に充填物層内に通気不良が発生するのを防止することができる。
【００４１】
さらに、充填物層の通気状態が良好であれば、溶融物の出湯が速やかに行われるので、炉の廃棄物処理量が低下するのを防止することができる。加えて、炉下部への熱伝導が良好となるので、無駄なコークスの投入量が少なくて済む。その結果、廃棄物の処理コストを節約することが可能となる。
【００４２】
なお、上述の実施形態ではシャフト式ガス化溶融炉を一例に挙げているが、塊状炭素系可燃物質を利用した溶融炉であればよく、炉の種類が限定されることはない。他の例としては、例えばシャフト部がなく朝顔部のみで構成されたＡＳＲ専用の溶融炉や焼却灰を主体とした溶融炉を挙げることができる。それ以外にも、高炉やキュポラ炉などにも適用可能である。
【００４３】
以上、本発明を具体的な実施形態に則し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、前述の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。
【符号の説明】
【００４４】
１ 溶融炉
２ 炉本体
２１ 投入口
２２ 出湯口
２３ 排気口
４ 下段羽口
４２ 上段羽口
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えばコークスなどの塊状炭素系可燃物質を用いて廃棄物を溶融処理する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般廃棄物や産業廃棄物などの廃棄物を処理する方法として、例えばコークスなどを燃焼剤に用いて廃棄物を溶融する方法がある。溶融による処理方法は、これまで埋め立てによって最終処分されていた焼却灰や不燃性ごみを、スラグにして再資源化することができる。
【０００３】
廃棄物の溶融処理としては、焼却炉で焼却し、その焼却灰や不燃性分を溶融炉で加熱溶融する方法がある。しかし近年においては、例えば廃棄物中の可燃性分の燃焼・ガス化、及び廃棄物中の灰分の加熱溶融を一つの炉内で行うことのできるガス化溶融炉が注目されている。
【０００４】
廃棄物は、一般廃棄物や産業廃棄物など、その種類が異なれば水分，可燃分，灰分などの成分比が異なる。さらに、同種であっても、廃棄物を回収する場所や時期などによって成分比に変動がある。そのため、廃棄物中の成分比によっては炉内に形成される充填物層（すなわち、廃棄物等の投入物や炉内生成物（乾留残渣等）による堆積層）の通気抵抗が増大し、炉の操業状況を悪化させ、また処理コストが高騰する場合がある。
【０００５】
一例を挙げると、例えば廃棄された自動車や家電製品などの解体時に発生するシュレッダーダストは、特許文献１に例示されるように、都市ごみなどの一般廃棄物に比べて土砂，ガラス等の細粒分が多い為、灰分が多く含まれており、またシュレッダー装置によって細かく裁断されていることもあり、充填物層の通気抵抗が大きくなりやすい。この場合、廃棄物をガス化及び溶融するために炉下部の羽口から吹き込まれる空気又は酸素富化された空気が羽口周りに拡散し難く、充填物層内の空隙の少ない層に燃焼ガスが集中し、益々、通気抵抗が増大する。場合によっては、チャネリング現象が発生することがある。
【０００６】
このような充填物層の通気不良は、炉下部の熱交換率を低下させ、炉底部からの溶融物の出湯を妨げる。さらに、炉下部における熱交換率の低下を補うために、燃焼剤であるコークスの投入量を、廃棄物１トン当たり２５０〜３５０ｋｇまで増やした操業が余儀なくされる。その結果、廃棄物の処理コストが高騰していた。
【０００７】
一方、特許文献２には、炉壁を補修するために吹き付けた耐火材の落下物によって炉内通気性が悪化するのを防止するために、補修作業に先立って、ストックレベル面上に空隙確保材を装入することが開示されている。しかしながら、特許文献２の方法は、補修作業後の再稼働時における一時的な通気性悪化を防止できるに過ぎず、操業時において炉内に発生する通気不良を防止することはできない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特許第３９８４４８４号公報
【特許文献２】特開２００５−２３３９２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
すなわち、本発明は、一例として挙げた上記課題を解決するためになされたものであり、その目的は、溶融処理の実行時において炉内に形成される充填物層に通気不良が発生するのを防止することのできる廃棄物溶融処理方法を提供することにある。
【００１０】
また、本発明の他の目的は、例えばコークスなどの塊状炭素系可燃物質の投入量を少なくして、廃棄物の処理コストを節約することのできる廃棄物溶融処理方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明に従う廃棄物溶融処理方法は、廃棄物及び塊状炭素系可燃物質を炉内に投入し、炉内で溶融させた廃棄物中の灰分を炉底部から排出する廃棄物溶融処理方法において、廃棄物と通気確保材を投入して、炉内に形成される充填物層内に通気のための空隙を確保することを特徴とする。
【００１２】
炉内に投入する通気確保材は、炉下部の加熱溶融領域にまでガス化されずに到達する不燃物を主体とするものが好ましく、例えば、一斗缶、ペール缶、飲料缶、飲料瓶といったような不燃物を主体としたものが好ましい。このような通気確保材は、廃棄物投入量１トン当たり０．０３ｍ３から０．５ｍ３の範囲内で投入するのが好ましい。また、通気確保材は、操業時に炉内に形成される充填物層の通気を確保するために、充填物層の高さ方向に散在するように投入するのが好ましい。
【００１３】
廃棄物の種類は限定されることはなく、前記廃棄物の代わりに、或いは前記廃棄物と共にシュレッダーダストを投入することもできる。製造コストを節約する観点に基づけば、燃焼剤として炉内に投入する塊状炭素系可燃物質の投入量を、廃棄物投入量１トン当たり１５０ｋｇ以下にすることが好ましい。また、通気確保材としては、例えばスチール製の空き缶を半潰、又は全潰したものでもよい。さらに、前記通気確保材の投入は、炉内への空気又は酸素富化された空気の送風中に行うことが好ましい。
【発明の効果】
【００１４】
本発明に従う廃棄物溶融処理方法によれば、廃棄物と通気確保材を投入して、炉内に形成される充填物層内に通気のための空隙を確保するようにしたことで、溶融処理の実行時において、充填物層内に通気不良が発生するのを防止することができる。
【００１５】
さらに、充填物層の通気状態が良好であれば、溶融物の出湯が速やかに行われるので、炉の廃棄物処理量が低下するのを防止することができる。加えて、炉下部への熱伝導が良好となるので、無駄なコークスの投入量が少なくて済む。その結果、廃棄物の処理コストを節約することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の好ましい実施形態に従う廃棄物溶融処理方法が適用される溶融炉の縦断面図である。
【図２】上記実施形態に従う通気確保材の投入量と、コークス混合割合及び下段送風圧力の関係を示す特性図である。
【図３】上記実施形態に従う通気確保材の投入量と、炉頂温度の関係を示す特性図である。
【図４】上記溶融炉内に形成される充填物層の状態を説明するための模式図である。
【図５】上記溶融炉の下段送風圧力と出湯量の経時変化を示す特性図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、本発明の好ましい実施形態による廃棄物溶融処理方法について、添付図面を参照しながら詳しく説明する。但し、以下に説明する実施形態によって本発明の技術的範囲は何ら限定解釈されることはない。
【００１８】
図１は、本実施形態に従う廃棄物溶融処理方法を実施するのに用いられるシャフト式ガス化溶融炉（以下、単に「溶融炉」と称す）の縦断面図を示す。この溶融炉１は、廃棄物を低酸素状態で燃焼してガス化し、灰分や不燃性分を溶融するための、例えば円筒状に形成された炉本体２を有する。炉本体２は、廃棄物やコークスなどの副原料並びに通気確保材等を投入するための投入口２１を炉上部に有し、溶融物を取り出すための出湯口２２を炉底部に有し、さらに廃棄物から発生したガスや炉内に吹き込んだガスを排出する排気口２３を上部に有する。出湯口２２は、例えば図示しない開閉機構によって開閉可能であり、間欠的に溶融物を取り出すことができる。さらに炉底部には、出湯口２２から取り出される溶融物を水砕ピット３に供給するための溶融物樋２４が設けられている。水砕ピット３は、詳しい図示は省略しているが、溶融物を冷却・凝固するための冷却水を貯留するケーシングと、ケーシング内で冷却凝固された溶融物（すなわち、スラグやメタル）を取り出すためのスクレーパコンベアを備えている。
【００１９】
炉本体２は、炉上部から炉底部に向かって、直胴部（所謂、シャフト部）２５，逆円錐部（所謂、朝顔部）２６，及び炉底部２７を構成する。限定されることはないが、直胴部２５の上部側は、主として廃棄物が乾燥及び予熱される乾燥領域を構成し、直胴部２５の下部側から逆円錐部２６の上部側は、主として廃棄物中の可燃性分が熱分解ガス化されるガス化領域を構成し、コークスベッドが形成される炉下部は、主として灰分や乾留残渣等が溶融される加熱溶融領域を構成する。さらに、炉底部２７は、溶融物を貯留する液溜りを構成する。乾燥領域の温度は、例えば５００〜７００℃、望ましくは４５０〜６５０℃である。また加熱溶融領域の温度は、例えば１６００〜２０００℃である。
【００２０】
炉下部には、コークスベッドを構成するコークス及び廃棄物の可燃性乾留残渣（固定炭素）を燃焼させる空気又は酸素富化した空気（以下、単に「空気等」と称す）を炉内に供給する送風羽口（下段羽口）４が周方向に複数配置されている。下段羽口４から吹き込む空気等は、例えば送風圧力が１０〜２５ｋＰａの範囲内となるように設定するのが好ましい。なお、酸素富化した空気とは、例えば酸素発生器４１からの酸素を混合することによって、酸素濃度を高めた空気である。さらに、直胴部２５及び／又は逆円錐部２６の側壁には、廃棄物を燃焼させる空気等を炉内に供給する送風羽口（上段羽口）４２が周方向に複数配置されている。図１には直胴部２５に配置した例を示す。なお、上段羽口４２及び下段羽口４を配置する高さは、図１に示す高さに限定されることはなく、適宜変更可能である。さらに、直胴部２５の炉壁側を降下する廃棄物の燃焼を促進させるために補助羽口を追加するようにしてもよい。
【００２１】
下段羽口４及び上段羽口４２並びに補助羽口を通じて炉内に吹き込む空気は、送風機４３を用いて供給することができる。酸素富化した空気を吹き込む場合には、送風機４３からの空気の流路に酸素発生器４１を接続する。図１は、下段羽口４から酸素富化した空気、上段羽口４２から空気を吹き込む構成を例示している。
【００２２】
溶融炉１で処理する廃棄物の種類は、特に限定されることはなく、シュレッダーダスト，掘り起こしごみ，焼却灰などの単体又は混合物、或いはこれらと可燃性ごみの混合物など、いずれの廃棄物であってもよい。乾留された廃棄物を投入してもよい。図１は、一例として、シュレッダーダスト（ＡＳＲ）、都市ごみなどの一般廃棄物を混合処理する構成を例示している。それぞれのホッパー５，５１に投入されたシュレッダーダスト及び一般廃棄物は、例えばコンベア５１によって炉上部まで搬送され、投入口２１を介して炉内に投入する。シュレッダーダストと一般廃棄物は、それぞれ別々に炉に投入して処理してもよく、あるいは例えば炉内でのシュレッダーダストの重量比率が３５〜８０％となるように、両者を炉内に投入して処理してもよい。このとき、廃棄物と共に、コークスや石灰石などの副原料、及び通気確保材も炉内に投入するようにする。これら副原料及び通気確保材もコンベアを利用して炉内に投入することができる。
【００２３】
本実施形態においては、コークスの投入量は、炉内に投入する廃棄物投入量１トン当たり１５０ｋｇ以下とするのが好ましく、特に６０ｋｇ以下とするのが好ましい。但し、これらは定常稼働時における目標値であって、それ以上を投入することを制限するものではない。
【００２４】
さらに本実施形態においては、通気のための空隙を充填物層内に確保するため、通気確保材を廃棄物と共に炉内に供給する。通気確保材の材料や形状は、特に限定されることはない。しかしながら、通気不良が発生する炉下部に達する前にガス化してしまうと、充填物層の通気が十分に確保されないため、木材やプラスチックなどの可燃性のものは不適格である。従って、炉下部の加熱溶融領域にまでガス化されずに到達することのできる不燃物であることが好ましい。但し、不燃物のみで形成されている必要はなく、一部可燃性の部分が含まれていてもよい。
【００２５】
通気確保材は、不燃系のものであればよいが、ガス化まではしなくとも炉下部に達する前に殆どが溶融してしまうものも適格でない。好ましい通気確保材としては、一斗缶（例えば、〜１８リットル）、ペール缶（例えば、〜２０リットル）、丸小缶、飲料缶（缶詰を含む）、飲料瓶、ドラム缶（例えば、１８〜２００リットル）などの不燃物を主体とするものを挙げることができる。これら通気確保材は、最終的に溶融されてスラグ又はメタルになることから、新たに製造したり、購入したりするのは経済的ではなく、一般廃棄物や産業廃棄物の中から選別したものを用いるのが好ましい。この場合、原形のままであってもよく、ある程度潰した状態（半潰し、又は全潰し）であってもよい。また、中身が残った身入りであってもよく、空の状態であってもよい。スチール缶はメタルとして回収され、アルミニウム缶や瓶はスラグとして回収されることとなる。従って、スチール缶の方が、リサイクル価値が高く好ましい。なお、この他にも、ガラス繊維系の成型保温材やスレート、鍋・釜等の不燃性物も通気確保材として使用することができる。
【００２６】
通気確保材は、廃棄物投入量１トン当たり０．０３ｍ３から０．５ｍ３の範囲内となるように投入することが好ましい。なお、通気確保材の容積は、空隙を含んだ嵩を示す。通気確保材の投入量が０．０３ｍ３よりも少ない場合には、充填物層に通気のための空隙が形成されるものの、通気改善，コークス投入量改善の効果が小さい。反対に通気確保材の投入量が０．５ｍ３よりも多い場合には、通気改善，コークス投入量改善の効果が頭打ちとなるばかりか、通気が良すぎて炉頂温度が上昇するという別の問題が発生する。
【００２７】
下記の表１は、実際の溶融炉１に通気確保材を投入することで得られた下段羽口４の送風圧力，コークスの投入量，炉頂温度及び廃棄物処理量のデータの一例を示す。また、図２及び図３は、表１の結果をグラフ化したものである。なお、表１は、通気確保材に一斗缶を用い、シュレッダーダストを５０〜６０％の割合で含む廃棄物を処理したものを一例として示しているが、一斗缶以外の通気確保材を用いた場合やシュレッダーダストの割合を変えても同様の傾向が見られた。
【表１】
【００２８】
図２を見れば分かるように、コークス投入量及び送風圧力は、通気確保材を投入することによって急速に改善されるが、その効果を安定的に得られるのは投入量が０．０３ｍ３を超えたあたりからである。その後も、通気確保材の投入量を増やせば得られる改善効果も増していくが、投入量が０．５ｍ３を超えたあたりから頭打ちとなる。従って、通気確保材の投入量をそれ以上増やすことは経済的でない。また、シュレッダーダストが含まれる場合、鉄系の通気確保材を投入し過ぎるとメタル中の銅濃度が希釈され、銅精錬用としての資源価値が低下することが懸念される。
【００２９】
一方、図３を見れば分かるように、通気確保材の投入量が増えるに伴い炉頂温度（即ち、溶融炉から排出されるガス温度）が上昇する。炉頂温度が上昇するのは、充填物層の通気が良くなるためにガスの吹き抜けが良くなり、炉下部で発生した高温ガスと炉内の充填物との接触及び伝熱が抑制されるからである。伝熱が抑制される結果、廃棄物の昇温が遅くなり、図３に示されるように廃棄物処理速度が低下してしまう。既述したように、乾燥領域の温度は、例えば５００〜７００℃である。それ以上に高温になると、溶融炉から排出されるガスに随伴されるダストに含まれる低沸点化合物（例えば、ＣａＣｌ２など）が半溶融状態となり易い。このようなダストの半溶融物は、配管内壁に付着・成長していき、最終的に閉塞に至った場合には炉の操業を停止して除去しなくてはならない。従って、図２の結果も相俟って、通気確保材の投入量は、廃棄物１トン当たり０．５ｍ３以下にするのが好ましい。
【００３０】
通気確保材は、例えば図１のＰ点でコンベア５１に供給することで炉内に投入することができる。これに限定されることはなく、炉上部に直接投入してもよい。さらに、必ずしも廃棄物と混合して投入する必要はなく、別のコンベアを用いたり、クレーンなどを用いたりして廃棄物又はコークスとは別々に投入するようにしてもよい。但し、操業中において流動的に炉内に形成される充填物層の通気を確保するには操業中に通気確保材を投入する必要があり、特許文献２のようにラインを止めてストックレベル面上に載せるだけでは意味がない。すなわち、通気確保材が充填物層の高さ方向に散在するように投入することが好ましい。なお、通気確保材は操業中に常時投入することが好ましいが、経済的な観点や、上述した銅精錬用としての資源価値に基づけば、炉内通気が悪化したときにのみ投入することもできる。炉内通気が悪化したか否かは、例えば送風圧力の上昇、溶融物の出湯量の低下などによって判断する。
【００３１】
上記溶融炉で廃棄物を溶融処理する場合、所定量のコークスと共に炉内に投入された廃棄物は、炉内を降下するに従い、対向して流れる高温ガスにより乾燥，熱分解される。廃棄物の投入量は、炉の処理能力によって決定することができる。廃棄物の乾燥，熱分解のための熱源は、上段羽口４２から吹き込まれた空気による廃棄物の燃焼熱と、下段羽口４から吹き込まれた空気又は酸素富化空気によるコークスの燃焼熱が使われる。
【００３２】
コークス及び廃棄物の可燃性乾留残渣の燃焼ガスは炉下部に形成されるコークスベッドの上端で最高温度となり、この領域で灰分が溶融され、溶融物はコークスベッドの空隙を滴下する。滴下した溶融物は炉底部の液溜まりに一時的に貯留され、出湯口２４を開放することで間欠的に取り出される。
【００３３】
図４は、通気が悪化した炉内に通気確保材を投入したときの充填物層の状態の変化を模式的に示した図である。図４（ａ）に模式的に示すように、通気確保材を投入しない場合、廃棄物の成分によっては朝顔部２６又は炉下部にシュレッダーダスト中の土砂，ガラス等の不燃物や、廃棄物の乾留残渣等の細粒分が堆積し、空隙が少なくなり、充填物層の通気抵抗が大きくなりやすい。この場合、下段羽口４から吹き込まれる空気等が羽口周りに拡散し難くなり、炉下部に低温部が生じる。また、少ない空隙に燃焼ガスが集中する為、局部的にガス流速が高くなり、益々、通気抵抗が増大し、チャネリング現象が発生することがある。
【００３４】
そこで、本実施形態に従って通気確保材を投入すれば、図４（ｂ）に模式的に示すように、通気確保材が炉下部にまで形状が維持された状態で降下し、特に朝顔部２６及び炉下部側の充填物層内に強制的に通気のための空隙を形成する。これにより、下段羽口４からの空気等が羽口周りに拡散し始め、炉下部の低温部が解消される。そして燃焼ガスが炉底部や炉底部に均一に拡散し、そのため通気抵抗が小さくなりチャネリングも発生しない。従って炉底部や炉下部における熱伝導が活性化する。その結果、溶融物の温度が上昇し、また充填物層の空隙が増したことによって炉外への出湯が速やかに行われる。このことは出湯補助剤である酸素ランスなどの使用量を低減することになる。
【００３５】
前述のように炉底部や炉下部の熱伝導が活性化すると、燃焼剤であるコークスの投入量を少なくすることができ、投入量を削減することによって処理コストの低減を図ることが可能となる。既述したように、従来においては廃棄物１トン当たりの投入量を２５０〜３５０ｋｇまで増やした操業を余儀なくされていたが、本実施形態によれば廃棄物１トン当たりの投入量を１５０ｋｇ以下にすることができ、その経済的価値は極めて大きい。
【００３６】
また、充填物層の通気が改善することによってチャネリング現象の発生を防止することができる。その結果、チャー等の乾留残渣が短時間で大量に吹き上げられる現象を抑制することができる。さらに、後段に設置した燃焼室の温度変動が安定する為、燃焼室内のクリンカ（灰分の半溶融物）が発生するのを抑制することができる。
【００３７】
さらに、充填物層の通気が改善することによって炉底部や炉下部での燃焼が均一化されるので、例えば局部的に温度が下がり羽口先に半溶解物が付着するのを抑制することができる。すなわち、下段羽口の輝度が低下するのを防止することが可能である。
【００３８】
その他、本実施形態によれば、チャー等の乾留残渣の発生量が安定化、燃焼領域の温度変動が安定化するという利点がある。
【００３９】
図５には、実際に通気確保材を投入した溶融炉の送風圧力と出湯量の経時変化の一例を示す。図５の結果からも分かるように、通気確保材を投入することによって、送風圧力が低下し、出湯量が増加する。すなわち、本実施形態によって炉内の通気が改善されることは明らかである。
【００４０】
以上のように、本実施形態の廃棄物溶融処理方法によれば、廃棄物と通気確保材を炉内に投入して、炉内に形成される充填物層内に通気のための空隙を確保するようにしたことで、溶融処理の実行時において、操業中に充填物層内に通気不良が発生するのを防止することができる。
【００４１】
さらに、充填物層の通気状態が良好であれば、溶融物の出湯が速やかに行われるので、炉の廃棄物処理量が低下するのを防止することができる。加えて、炉下部への熱伝導が良好となるので、無駄なコークスの投入量が少なくて済む。その結果、廃棄物の処理コストを節約することが可能となる。
【００４２】
なお、上述の実施形態ではシャフト式ガス化溶融炉を一例に挙げているが、塊状炭素系可燃物質を利用した溶融炉であればよく、炉の種類が限定されることはない。他の例としては、例えばシャフト部がなく朝顔部のみで構成されたＡＳＲ専用の溶融炉や焼却灰を主体とした溶融炉を挙げることができる。それ以外にも、高炉やキュポラ炉などにも適用可能である。
【００４３】
以上、本発明を具体的な実施形態に則し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、前述の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。
【符号の説明】
【００４４】
１ 溶融炉
２ 炉本体
２１ 投入口
２２ 出湯口
２３ 排気口
４ 下段羽口
４２ 上段羽口
【特許請求の範囲】
【請求項１】
廃棄物及び塊状炭素系可燃物質を炉内に投入し、炉内で溶融させた廃棄物中の灰分を炉底部から排出する廃棄物溶融処理方法において、
廃棄物と通気確保材を投入して、炉内に形成される充填物層内に通気のための空隙を確保することを特徴とする廃棄物溶融処理方法。
【請求項２】
前記通気確保材は、炉下部の加熱溶融領域にまでガス化されずに到達する不燃物を主体とするものであることを特徴とする請求項１に記載の廃棄物溶融処理方法。
【請求項３】
前記通気確保材は、一斗缶、ペール缶、飲料缶、飲料瓶の不燃物を主体としたものであることを特徴とする請求項１に記載の廃棄物溶融処理方法。
【請求項４】
前記通気確保材は、廃棄物投入量１トン当たり０．０３ｍ３から０．５ｍ３を投入することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の廃棄物溶融処理方法。
【請求項５】
前記通気確保材は、炉内に形成される充填物層の高さ方向に散在するように投入することを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の廃棄物溶融処理方法。
【請求項６】
前記廃棄物の代わりに、或いは前記廃棄物と共にシュレッダーダストを投入することを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の廃棄物溶融処理方法。
【請求項７】
前記塊状炭素系可燃物質の投入量を、廃棄物投入量１トン当たり１５０ｋｇ以下にすることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の廃棄物溶融処理方法。
【請求項１】
廃棄物及び塊状炭素系可燃物質を炉内に投入し、炉内で溶融させた廃棄物中の灰分を炉底部から排出する廃棄物溶融処理方法において、
廃棄物と通気確保材を投入して、炉内に形成される充填物層内に通気のための空隙を確保することを特徴とする廃棄物溶融処理方法。
【請求項２】
前記通気確保材は、炉下部の加熱溶融領域にまでガス化されずに到達する不燃物を主体とするものであることを特徴とする請求項１に記載の廃棄物溶融処理方法。
【請求項３】
前記通気確保材は、一斗缶、ペール缶、飲料缶、飲料瓶の不燃物を主体としたものであることを特徴とする請求項１に記載の廃棄物溶融処理方法。
【請求項４】
前記通気確保材は、廃棄物投入量１トン当たり０．０３ｍ３から０．５ｍ３を投入することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の廃棄物溶融処理方法。
【請求項５】
前記通気確保材は、炉内に形成される充填物層の高さ方向に散在するように投入することを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の廃棄物溶融処理方法。
【請求項６】
前記廃棄物の代わりに、或いは前記廃棄物と共にシュレッダーダストを投入することを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の廃棄物溶融処理方法。
【請求項７】
前記塊状炭素系可燃物質の投入量を、廃棄物投入量１トン当たり１５０ｋｇ以下にすることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の廃棄物溶融処理方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【公開番号】特開２０１１−３８６７９（Ｐ２０１１−３８６７９Ａ）
【公開日】平成２３年２月２４日（２０１１．２．２４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−１８５０９７（Ｐ２００９−１８５０９７）
【出願日】平成２１年８月７日（２００９．８．７）
【出願人】（３０６０２２５１３）新日鉄エンジニアリング株式会社 (897)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年２月２４日（２０１１．２．２４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年８月７日（２００９．８．７）
【出願人】（３０６０２２５１３）新日鉄エンジニアリング株式会社 (897)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]