JP2005249279A - バイオマスを利用する廃棄物溶融処理方法 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明では、シャフト炉方式の廃棄物の溶融処理に使用されている化石燃料に由来するコークスやＬＮＧ、灯油等の代替として、幅広い種類のバイオマスを利用して、コークス使用量の削減をするとともに、環境に対するＣＯ_２負荷を削減することができるバイオマスを利用する廃棄物溶融処理方法を提供するものである。
【解決手段】シャフト炉方式の廃棄物溶融炉に廃棄物を投入し、廃棄物を乾燥、熱分解、燃焼、溶融処理する廃棄物の溶融処理方法であって、バイオマスを利用する場合において、熱分解後のガス中に含まれるバイオマスが粉化したダストや、廃棄物が細粒化したダストを除じん器で捕集し、捕集した可燃性ダストを羽口から空気、酸素若しくは酸素富化空気とともに吹き込むことを特徴とするバイオマスを利用する廃棄物溶融処理方法。
【選択図】図１

Description

本発明は、一般廃棄物・産業廃棄物等の廃棄物の溶融処理方法に関し、特にバイオマスを利用する廃棄物溶融処理方法に関する。

一般廃棄物・産業廃棄物、あるいはそれらを乾燥、焼却、破砕処理等によって得られた処理物、これらを一度埋め立て処理後、再度掘り起こした土砂分を含む埋め立てごみ等の廃棄物を処理する方法として、これらの廃棄物を廃棄物溶融炉で溶融処理してスラグ、メタルとして再資源化する方法が実施されている。

廃棄物を溶融処理する方法に。例えばシャフト炉式廃棄物溶融炉が使用される（特許文献１参照）。

これは図２に示すように、炉本体１は、シャフト部１ａと下部の朝顔部５とからなり、朝顔部５の下端には燃焼溶融帯用の下段羽口２を設けると共に、その上方には熱分解帯用の複数段の上段羽口３を有している。下段羽口２からは酸素または酸素富化空気を供給し、上段羽口３からは燃焼支持ガスとして空気を供給している。

炉本体の上部には処理対象となる廃棄物や助燃剤としてのコークス、塩基度調整剤としての石灰石等を炉内に装入する、シール弁を備えた装入装置１１が該けられ、炉本体下端部には廃棄物を溶融処理した後のスラグ、メタルの出滓口１３が設けられている。

上記構成にあって、装入された廃棄物１ｂは、溶融炉本体１の上層から乾燥予熱帯６（約３００〜４００℃）、熱分解帯７（約３００〜１０００℃）、燃焼・溶融帯８（約１７００〜１８００℃）を通過して溶融処理される。

下段羽口２から供給した酸素又は酸素富化空気によってコークス４や熱分解残渣１４を高温で燃焼し、溶融熱源とし、一方、上段羽口３からは空気を供給して主に廃棄物の熱分解残渣１４を燃焼し、発生したガスで廃棄物の乾燥・予熱及び熱分解を行う。溶融した廃棄物はスラグ、メタルを溶融物として出滓口１３より排出される。

高温の燃焼排ガスは、シャフト炉内の廃棄物の充填層を対向流として上昇し、溶融炉本体上部の排ガス管１２から可燃ガスとして燃焼室へ導入されて燃焼され、燃焼排ガスは、排ガス管を通ってボイラーへ導入され、排熱が回収された後、減温塔で温度を調整して集塵機に通し、更には、触媒反応塔で公害物質を除去した後、煙突から排出される。

この方法では、廃棄物をシャフト炉式溶融炉で廃棄物中灰分を溶融する際に、炉底部から上昇する高温燃焼ガスにより廃棄物は、乾燥、乾留（熱分解）されて揮発分は炉上部から可燃性ガスとして排出され、揮発せずに残って乾留された固定炭素分を主体とする熱分解後の残渣は炉底に降下し、炉底部において下段送風羽口前で下段送風羽口から供給される酸素と反応し高温で燃焼し、廃棄物中の灰分を溶融する溶融熱源となる。しかしながら、廃棄物中の可燃分はその大部分が紙やプラスチック等であって、乾留により細粒化するため、乾留後の固定炭素分を含む残渣は、ガス流によって炉頂より多くの割合で飛散するとともに、炉底に到達したものもすぐに燃焼消失してしまうために、コークスのように燃焼火格子を形成することはなく、したがって、高温のスラグ・メタルを産出することは難しく、その溶融を維持するためには、コークスを添加するか、羽口より燃料ガスや酸素を送ることによって、溶融を維持する他は無かった。したがって、いずれにしろ化石燃料を使用せざる終えず、結果としてＣＯ_２を排出することになった。

そのため、直接溶融炉設備においても、環境に対するＣＯ_２負荷を削減することができるコークス使用量削減技術が提案されている。例えば、コークスを出来るだけ少なくして被処理物を効率よく燃焼溶融させるための手段として、炉頂から排出した可燃性ダスト（チャー）を捕集して再度溶融炉本体へ羽口を介して装入する方法（特許文献２、３参照）、また、廃プラスチックを破砕し、同じく羽口から又は大きなものは炉頂から装入して熱源として利用する方法（特許文献４参照）等がある。

また、例えば特許文献５記載の廃棄物溶融炉も、構成は一部異なるものの、シャフト炉において廃棄物の溶融熱源として、コークスを主体とする補助燃料を使用しており、化石燃料起因のＣＯ_２を排出するという意味では同種の問題をはらんでいる。

また、例えば特許文献６記載の廃棄物溶融炉についても、溶融を維持するためにＬＮＧや灯油等の補助燃料を用いている。これらの方式においても、安定な溶融を維持するためのＬＮＧや灯油等の量は多くなり、化石燃料起因のＣＯ_２排出量の大幅な削減は望めない。
特開２００１−９０９２３号公報 特開平８−２８５２５０号公報 特開２００１−２１１２３号公報 特開平１１−１５３３０９号公報 特開平５−３４６２２１号公報 特開平１０−１３２２４２号公報

これら課題に対し、シャフト炉式溶融炉において、溶融熱源として木炭などのバイオマスを利用することが考えられる。しかしながら、シャフト炉方式の廃棄物の溶融処理には、シャフト炉下部に高温の火格子を形成することが不可欠であるが、その火格子を形成するには、バイオマスを利用する場合、破砕、加熱圧縮成型などの事前処理を必要としたり、強度の大きなバイオマスのみ選択する必要がある。これは、事前処理を施さない若しくは強度が小さいバイオマスでは、シャフト炉を下降する再に粉化して、シャフト炉内の上昇流に乗って炉外に飛散するためである。

また、下段羽口より粉状のバイオマスを吹き込むことも可能であるが、その場合には、気流搬送に適するサイズに破砕する必要があり、バイオマスを破砕する装置が必要であるとともに、そのエネルギーや破砕機の消耗部品等のメンテナンスコストが必要であった。すなわち、塊状バイオマス、粉状バイオマスを利用して、コークス使用量を低減するには、設置場所、地域、原料、経済面等の制約があった。

そこで、本発明では、シャフト炉方式の廃棄物の溶融処理に使用されている化石燃料に由来するコークスやＬＮＧ、灯油等の代替として、幅広い種類のバイオマスを利用して、コークス使用量の削減をするとともに、環境に対するＣＯ_２負荷を削減することができるバイオマスを利用する廃棄物溶融処理方法を提供するものである。

本発明のバイオマスを利用する廃棄物溶融処理方法は、シャフト炉式廃棄物溶融炉に廃棄物を装入し、廃棄物を乾燥、熱分解、燃焼、溶融処理する廃棄物溶融処理方法において、強度の不十分なバイオマスであっても、炉上部から廃棄物と共に投入し、炉底部送風羽口から送風する空気、酸素若しくは酸素富化空気が炉下部で廃棄物を還元燃焼することによって発生した無酸素燃焼ガスによって、一部存在する塊状で強度のあるバイオマスは、シャフト炉下部で火格子状の層を形成する。また、それ以外のものは、シャフト炉下部に到達する前に粉化し、シャフト炉内の上昇流に乗って、炉上部より、可燃性ガス及び可燃ごみ起因の可燃性ダストと共に飛散するが、シャフト炉後流側に除じん器を設置し、飛散したバイオマスと可燃性ダストを捕集し、捕集したバイオマスとダストの混合物を、シャフト炉の下段羽口から空気、酸素及び酸素負荷空気と共に炉内に吹き込み、下段羽口前で燃焼させることによって、粉状物を直接的に溶融熱源に転換できる。

発明者らの実験によれば、投入されたバイオマスが、シャフト炉下部で高温火格子を形成するためには、木炭やおがくずを圧縮成型後乾留処理したおが炭等のように、投入するバイオマスが限定され、また、鶏糞や産業廃棄物起因の木質チップ等の場合は、粉砕装置及び加圧加熱成型装置の設置や、運転条件の調整が必要となる事がわかっている．このように、廃棄物溶融炉にバイオマスを使用する場合、高温の火格子を維持するには、粉状バイオマス、塊状バイオマスともに、エネルギーを消費し、成型、破砕などが必要となり、エネルギーの有効活用の観点から、より幅広く、かつ経済的なバイオマスの利用が望まれている。

そこで、本発明では、シャフト炉出口にサイクロン等の除じん器を設け、その除じんした可燃性ダストを羽口から空気、酸素若しくは酸素富化空気とともに吹き込むことによって、炉底部に到達するまでに飛散してしまったバイオマス粉をシャフト炉炉底部で燃焼させ、炉底部の高温火格子の消耗抑制を図り、溶融熱源として利用することにより、幅広いバイオマスの使用が可能になる。

さらに、その場合、炉外に飛散したバイオマス粉は、シャフト炉内で下降する過程で細粒化し、シャフト炉から飛散するときには、１００μｍ程度の気流搬送に適した粒径となり、破砕などの処理は不要である。この発明により、炉内に装入したバイオマスのうち、高温火格子を形成可能なバイオマスは炉下部で高温火格子を形成し、形成できないバイオマスは、炉外に飛散した後、羽口から吹き込まれ、羽口前で燃焼し、溶融熱源となることで、より効率的なバイオマスの利用が可能となる。

この時、下段羽口での酸素濃度は、溶融を効率的に行うために２５％以上であることが望ましく、逆に４０％以上にしても、溶融温度を上げることができない。これは、羽口近傍のガス温度は、酸素濃度を上昇させると上昇するが、２０００度レベルになると、ガスの乖離反応等や吸熱反応が活発になって、それ以上温度は上昇しなくなるため、酸素濃度の上昇は高価な酸素の使用を抑制するために４０％程度が効率的である。

さらに、羽口から吹き込まれた粉状バイオマスを下段羽口前で効率的に燃焼させるためには、下段羽口における酸素比を適正に保つことが効果的である。

発明者らの実験によれば、酸素比が１未満の場合、下段羽口から吹き込まれたバイオマスのうち、燃焼しないものがあり、これらは、炉内を上昇し、上段羽口部で燃焼するか、再飛散する。すなわち、下段羽口から吹き込まれたバイオマスが有効活用されていないこととなる。その場合、炉頂から投入するバイオマスの量を調整することで、除じん器における捕集量、すなわち、下段羽口から吹き込むバイオマスの量を容易に制御可能である。

また、投入するバイオマスが、例えば建築廃材チップなどのように、高温火格子を形成し難い形状をしている場合は、最低限のコークスを使用することで、化石燃料起因のＣＯ_２の排出量を最低限とした溶融処理が可能となる。ここで、最低限とは、高温火格子を維持するための最低限の量であり、発明者らの実験によれば、処理対象廃棄物の１％程度で十分である。これでも、従来と比較して、大幅な使用量の削減となっている。さらには、単体では高温火格子を形成し得ないバイオマスでも、コークスとともに使用することで、溶融熱源として利用できることから、化石燃料の使用量削減及び幅広いエネルギーの活用という２つの面から有効である．

本発明により、シャフト炉方式の廃棄物溶融炉においては、ＣＯ_２フリーのバイオマスを投入することによって、高温溶融を維持するために必要な、コークスやＬＮＧ、灯油等の化石燃料の消費量が大幅に抑制できるため、直接的に化石燃料起源のＣＯ_２発生が抑制できるだけでなく、幅広いバイオマス起源の燃料の有効利用を行うことができる。また、溶融炉後段でボイラーによる蒸気回収発電を行えば、電気エネルギーへの変換も可能であり、その結果（１）所内の消費電力をまかない、購入する電力量を抑制できる、とともに（２）電力会社等に送電を行うことによって電力会社等の化石燃料を用いた発電を間接的に抑制することになって結果的に化石燃料起源のＣＯ_２発生を抑制できる。

図１は本発明による方法を実施する廃棄物溶融処理設備を示す図で、図２に示す従来の廃棄物溶融処理設備に加え、シャフト炉出口に除じん器１５を設けている以外は全く同じである。そこで、同一構成に同一符号を付して、その説明は省略する。図１は既に可燃性ダスト吹き込み用に実機化されているものと基本的には同じであり、設備的には十分実現可能である。除じん器１５では、溶融炉本体１から飛散したバイオマス粉と、廃棄物起因の可燃性ダストが同時に捕集され、ダスト吹き込み装置１６を経由して下段羽口２から吹き込まれる。

シャフト炉式廃棄物溶融炉に廃棄物、石灰石、バイオマスを装入し、上段送風羽口から空気を、下段送風羽口から酸素富化空気を吹き込んで廃棄物を溶融処理する実験を実施した。

バイオマスは、川で採取した流木を天日乾燥後１００ｍｍ以下に破砕し、乾留炉に装入して、無酸素雰囲気下で１０００℃、５時間で乾留した炭化物を使用した。

原料が流木であるため、直径２００ｍｍ程度の丸太から直径２ｍｍ程度の小枝など、その大きさは幅広く、２０ｍｍの篩分け及び熱間強度ＣＳＲ測定を行ったところ、結果は表１のようになった。ここで、熱間強度ＣＳＲとは、第３版 鉄鋼便覧ＩＩ、製銑・製鋼（社団法人 日本鉄鋼協会編）の２０２頁、表４．２３に記載されている（熱間静置反応＋常温回転試験）法によるものであり、シャフト炉式廃棄物溶融炉においては、この値が大きいほど、シャフト炉下部で高温火格子を形成しやすいことを示している。発明者らの実験結果によれば、シャフト炉下部で高温火格子を形成するには、ＣＳＲが２０以上あれば十分であることがわかっている．

このバイオマス炭化物を使用した試験を実施し、比較のため、コークスを熱源とした試験も行った。操業条件及び試験結果を表２に示す。

表２に示すように、どちらの条件でもスラグ温度が１５００℃以上で操業できている。また、ダストの捕集量もバイオマスが飛散した分増加しており、それらは下段羽口から吹き込まれ、熱源として有効に利用されているのがわかる。尚、今回使用したバイオマスは固定酸素が９０％とほぼコークス並であり、同量装入した場合、ほぼスラグ温度が同じになることから、このバイオマスは１００％コークスと置換可能であることがわかる。

この実施例は、建築廃材チップと、コークスの混合使用の例である。建築廃材チップは、φ１０ｍｍ×１００ｍｍ程度のチップで、乾留操作を行わないまま、炉内に装入した。表３に操業条件と結果を示す。

実際の試験では、コークスのみ使用の場合と比較して、スラグ温度が同程度となるように、炉頂から装入する建築廃材チップの量を調整したところ、表３のような結果となった。条件が整い、比較的良質な塊状バイオマスが入手可能な場合は、コークスの替わりとして使用することは当然可能である。この例では、化石燃料起因のＣＯ_２排出量はゼロとは出来ないものの、従来と比較して、１／３と大輻に低減できている。尚、この例では、コークスとバイオマスを事前に混合し、一つのホッパより炉内に供給したが、別々のホッパを設置し、それぞれ単独に炉内に装入しても良い。

本発明の操業方法を実施するシャフト炉式廃棄物溶融設備を示す図である。 従来のシャフト炉式廃棄物溶融処理設備を示す図である。

符号の説明

１：溶融炉本体
１ａ：シャフト部
１ｂ：廃棄物
２：下段羽口
３：上段羽口
４：コークス
５：朝顔部
６：乾燥帯
７：熱分解帯
８：燃焼溶融帯
１０：炉底部
１１：装入装置
１２：排ガス管
１３：出滓口
１４：熱分解残渣
１５：除じん器
１６：ダスト吹き込み装置
１７：バイオマス

Claims (7)

1. シャフト炉方式の廃棄物溶融炉に廃棄物及びバイオマスを投入し、廃棄物を乾燥、熱分解、燃焼、溶融処理する廃棄物の溶融処理方法において、熱分解後のガス中に含まれるバイオマスが粉化したダストや、廃棄物が細粒化したダストを除じん器で捕集し、捕集した可燃性ダストを羽口から酸素若しくは酸素富化空気とともに吹き込むことを特徴とするバイオマスを利用する廃棄物溶融処理方法。
2. シャフト炉の操作条件が、上、下段羽口を設け、上段より廃棄物乾燥用の空気を、下段より燃焼溶融用の酸素若しくは酸素富化空気を送風することを特徴とする請求項１記載のバイオマスを利用する廃棄物溶融処理方法。
3. 下段羽口の酸素濃度が２５％〜４０％であることを特徴とする請求項１及び２記載のバイオマスを利用する廃棄物溶融処理方法。
4. 除じん器によって捕集された可燃性ダストの量が、下段羽口から送風される酸素量に対して一定比率の範囲になるように、炉頂より投入するバイオマスの量を調整することを特徴とする請求項１〜３のうち少なくとも１項に記載のバイオマスを利用する廃棄物溶融処理方法。
5. コークスとバイオマスを混合して、溶融炉内へ装入することを特徴とする請求項１〜４のうち少なくとも１項に記載のバイオマスを利用する廃棄物溶融処理方法。
6. コークスとバイオマスをそれぞれ単独で、溶融炉内へ装入することを特徴とする請求項１〜４のうち少なくとも１項に記載のバイオマスを利用する廃棄物溶融処理方法。
7. コークスの装入量が、固形単素ベースで廃棄物処理量の２．５％以下とすることを特徴とする請求項５または６記載のバイオマスを利用する廃棄物溶融処理方法。

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