JP3760069B2

JP3760069B2 - 廃棄物溶融炉の操業方法

Info

Publication number: JP3760069B2
Application number: JP34800899A
Authority: JP
Inventors: 健高宮; 秀治芝池; 宏和田中; 也寸彦加藤
Original assignee: Nippon Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 1999-07-30
Filing date: 1999-12-07
Publication date: 2006-03-29
Anticipated expiration: 2019-12-07
Also published as: JP2001108212A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、一般廃棄物、産業廃棄物等の廃棄物を熱分解溶融処理する廃棄物溶融炉の操業方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般廃棄物、産業廃棄物等の処理方法の一つとして、シャフト炉型の廃棄物溶融炉で廃棄物を乾燥、熱分解、燃焼、溶融してスラグとメタルにする廃棄物溶融処理方法がある。この廃棄物溶融処理方法は、廃棄物をガス化・高温溶融して一括処理することが可能である。
【０００３】
図６は従来のシャフト炉型の廃棄物溶融炉を備えた廃棄物溶融設備の説明図で、廃棄物溶融炉１には、廃棄物、副資材であるコークス、石灰石を炉上部から２重シール弁機構の装入装置２を介して装入し、乾燥、熱分解、燃焼、溶融する。一方、炉内からの可燃分は、熱分解ガスとして炉上部のダクト３から排出され、燃焼室４で完全燃焼後、ボイラ５、タービン発電機などの付帯設備により熱及び電気エネルギーとして利用される。その後、排ガスは、ガス冷却器６で冷却され、集じん装置７を経た後、誘引送風機８により煙突９から放出する。
【０００４】
廃棄物溶融炉の下部には空気と酸素を混合した酸素富化空気を吹き込む送風羽口１０が設けられ、灰分はスラグ及びメタルとして出滓口１１から取り出す。送風羽口１０から吹き込んだ酸素富化空気は炉内のコークス及び熱分解で発生したチャーを燃焼させ、その燃焼熱は炉内に投入された廃棄物の乾燥、熱分解、及び不燃物の溶融に利用される。
【０００５】
廃棄物溶融炉内の下部には、熱分解完了後の乾留残さ（粗粒チャー）により充填層が形成されている。この乾留残さによる充填層は、固定炭素と灰分を主としており、空隙も少なく通気抵抗が大きい。そのため、燃焼ガスの分散効果が大きく、この分散効果により羽口前から上昇したガスが炉内に均等に流れて、熱交換効率を高めることができる。
【０００６】
また、炉内のコークスは、燃料としての役割を有しつつ且つ２０００℃を超える高温中でもその形状を維持し、炉内の灰分を完全に溶融する機能を持つ火格子の役割も有している。その結果、炉内に投入された廃棄物には炭素、水素、酸素、窒素、硫黄、塩素等だけでなく、Ｎａ、Ｋ等の塩類、あるいはＺｎ、Ｐｂ、Ｃｒ、Ｃｄ、Ａｓ等の有害成分が含まれているが、これらの有害物の一部は、スラグ中に移行するものの、炉内が高温・還元雰囲気であるため、大部分が炉外に還元揮発し、スラグ中に含有されるＺｎ、Ｐｂ、Ｃｒ、Ｃｄ、Ａｓ等は極微量に低減される。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
廃棄物溶融処埋技術では、単にごみを溶融処理するだけでなく、廃棄物溶融炉の運転の安定性、再資源化できる溶融物（スラグ・メタル）の品質、熱及び電気エネルギー回収のための安定した蒸気発生量の確保が求められている。また、溶融処理対象物には、一般の都市ごみだけでなく、高水分、高灰分、異形ごみ等様々な種類のごみがあり、これらを安定処理することも求められている。
【０００８】
運転の安定性、溶融物の品質、安定した蒸気発生量の確保のために、乾留残さの均一な通気抵抗層の確保が重要であることは前述のとおりであるが、高水分や異形等の変動の大きい様々な種類のごみを一括処理する場合には、熱分解が完了しないまま炉底部へ降下することがある。この場合、それが羽口前で直接燃焼すると、体積縮小が大きいため、空間部が生じ、乾留残さの通気抵抗層の変動が発生することがあった。その結果、炉内ガスと炉内装入物との熱交換効率が低下し、炉内における固体温度の低下が起こって熱分解量が低下し、そのため、ごみ処理量の低下、蒸気発生量の低下、あるいはスラグ温度の低下等が起こることがあった。
【０００９】
前述のとおり、廃棄物溶融処埋技術では、溶融物の再資源化つまりスラグ・メタル等の有効利用も重要である。特に、スラグは、天然資材に匹敵する良好な特性を持っていることから、多くの方面で有効利用が試行されている。有効利用が進行すると、最終処分場不足に対してだけでなく、天然資源の節約にも大きく貢献する。スラグは、その物理的性状や特性から、主に土木資材として利用され、例えば、インターロッキングやアスファルト骨材として利用されているが、その利用に際しては、Ｐｂ等の有害物質の溶出性能は厳しく問われており、安全性の向上と環境への負荷を少なくすることから、有害物質の溶出はできる限り少なく、零にすることが望ましい。
【００１０】
一般的に有害物質の溶出性能は、環境庁告示４６号に従って測定されており、土壌環境基準で評価されている。その基準を満足することはもちろんであるが、実際の環境中では酸性雨等が存在することから、環境状況が現在の試験法より厳しい場合が考えられるので、含有量を極限まで低減することが有効である。
【００１１】
ところで、重金属を含む廃棄物を溶融処理する場合、溶融部の雰囲気は、大きく酸化雰囲気と還元雰囲気とに分けられる。表面溶融のような酸化雰囲気の溶融方法では、重金属類は酸化物として存在し、例えば、Ｐｂは沸点が高いためスラグ中に高濃度で残留しやすい（数十〜数百ｐｐｍ程度）。
【００１２】
一方、高温・還元雰囲気では、ごみ中のＰｂ、Ｚｎ等の重金属は、主として還元揮発してスラグ中にはほとんど残留しない。特に、コークスベッドを形成する廃棄物溶融炉の場合、炉内が２０００℃程度に上昇するため、例えば、通常の経済的な運転条件では、ほぼスラグ中のＰｂが２０〜３０ｐｐｍ程度以下になっており、投入されたごみ中のＰｂの約８０％以上が溶融炉から揮発することがわかっている。
【００１３】
しかし、炉底部の熱レベルの低下によって炉内還元雰囲気が低下し、Ｐｂ等の重金属の揮発が抑制され、スラグ中の含有量が若干上昇する傾向があった。
【００１４】
炉底部の熱レベル低下は、従来、スラグ温度の低下や蒸気発生量の低下をセンサーで検知して対処していた。その対策としては、乾留残さの通気抵抗層の変動原因となるごみの直接燃焼による体積縮小を抑制する理由から、具体的には固定炭素割合の大きいコークス等の炭素塊を炉頂部より投入し、優先的に燃焼させることでごみの直接燃焼を抑制する方法があった。
【００１５】
また、更にスラグ中のＰｂ等重金属を低減するためには、炉内を更に高温にしたり、還元雰囲気を強化する必要があった。前者の場合は、送風酸素濃度を上げて炉内温度を上げる必要があり、後者の場合は、コークス等の塊状燃料の使用量を増加させる必要があるが、いずれも、ランニングコストが上昇する問題があった。
【００１６】
しかも、炉底部の熱レベル上昇や炉内還元雰囲気強化のために、コークス等の炭素塊を炉頂から投入しても、炉底に到達するまで時間がかかるために即効性が弱く、蒸発量の低下やスラグ温度低下がしばらく継続していた。そのため、炉内熱レベル変化を極力早く検知し、対処する操業方法が望まれていた。
【００１７】
本発明は、廃棄物をコークス・石灰石とともに装入し、乾燥、熱分解、燃焼、溶融して排出する廃棄物溶融炉の操業において、熱レベルの変動を、従来より早期に検知し、そして、その検出値により、羽口を介したコークスベッド内への燃料吹込量を制御し、炉底熱レべルを速やかに安定させて、蒸気発生量の高位安定やスラグ中のＰｂ含有量を低位で安定させることができる廃棄物溶融炉の操業方法を提供するものである。
【００１８】
【課題を解決するための手段】
本発明の廃棄物溶融炉の操業方法は、廃棄物溶融炉に廃棄物をコークス、石灰石とともに装入し、乾燥、熱分解、燃焼、溶融して排出する際に、廃棄物溶融炉の送風羽口からコークスベッドヘ常温の酸素富化空気又は高温空気とともに、燃料をコークスベッドヘ吹き込む方法において、廃棄物溶融炉の炉頂ガス温度を測定し、測定結果が設定温度を超えると、炉頂ガス温度が設定値以下になるように燃料を吹き込み、燃料吹き込み後、炉頂ガス温度が前記設定温度以下になると燃料吹き込み量を減らしていくように制御することを特徴とする。
【００１９】
また、本発明の廃棄物溶融炉の操業方法は、廃棄物溶融炉に廃棄物をコークス・石灰石とともに装入し、乾燥、熱分解、燃焼、溶融して排出する際に、廃棄物溶融炉の送風羽口からコークスベッドヘ常温の酸素富化空気又は高温空気とともに、燃料をコークスベッドヘ吹き込む方法において、廃棄物溶融炉の炉頂ガス中のＣＯ濃度（％）及びＣＯ₂濃度（％）を測定してη_CO＝ＣＯ₂／（ＣＯ₂＋ＣＯ）を演算し、演算されたη_COが設定値を超えると、η _CO が設定値以下になるように燃料を吹き込み、燃料吹き込み後、η _CO が設定値以下になると燃料吹き込み量を減らしていくように制御することを特徴とする。
【００２０】
更に、本発明は、廃棄物溶融炉に廃棄物をコークス、石灰石とともに装入し、乾燥、熱分解、燃焼、溶融して排出する際に、廃棄物溶融炉の送風羽口からコークスベッドヘ常温の酸素富化空気又は高温空気とともに、燃料をコークスベッドヘ吹き込む方法において、廃棄物溶融炉の炉頂ガス温度を測定するとともに、ＣＯ濃度(％)及びＣＯ_２濃度（％）を測定してη_COＣ＝ＣＯ_２／（ＣＯ_２＋ＣＯ）を演算し、炉頂ガス温度が設定値を超えても、演算されたη _CO が設定値以下の場合は燃料を吹き込まず、炉頂ガス温度が設定値を超え、かつ演算されたη _CO が設定値を超える場合に燃料を吹き込み、燃料吹き込み後、炉頂ガス温度が設定値以下あるいはη _CO が設定値以下になると燃料吹き込み量を減らしていくように制御することを特徴とする。
【００２２】
【発明の実施の形態】
羽口から吹き込む燃料は、ガス燃料、液体燃料、固形燃料で単独で炉内に吹き込んだり、空気等のキャリアガスで気流搬送可能な性状であれば、いずれでも利用可能である。また、従来、その処埋に困っていた廃プラスチック、廃油等も利用可能である。更に、廃棄物溶融炉から飛散し、燃焼室前で集じん機で捕集した可燃性ダストでも可能である。
【００２３】
前述のとおり、高水分ごみや異形ごみ等の変動の大きい様々なごみを処理する場合に、ごみの熱分解が完了しないまま炉底部へ降下する場合があり、熱分解未完了のごみが羽口前で直接燃焼することによる体積縮小が大きいために空間部が生じ、断面方向における通気抵抗の差が生じ、熱交換効率が低下することがあった。しかし、本発明により、コークスベッド充填層内に吹き込まれた燃料は、コークスベッド充填層内で適当に混合され、熱分解未完了のごみよりも、羽口を介して吹き込んだ酸素富化空気もしくは高温空気と優先的に反応し燃焼する。従って、燃料吹き込み時には、吹き込み燃料とコークスが優先的に燃焼し、熱分解未完了のごみが炉底部に降下してもごみの直接燃焼を抑制し、横断面方向における均一な通気抵抗層を維持する。その結果、ガスが均一に流れ、炉内の熱交換効率が上昇する。
【００２４】
また、燃料吹き込みの時には、吹き込みなしの時と比較して吹き込み酸素の燃焼完了点が速く、８００℃〜１０００℃の高温域で起こる吸熱反応（ＣＯ₂＋Ｃ→２ＣＯ）が始まる位置が速くなり、還元雰囲気域が拡がる。その結果、Ｐｂ、Ｚｎ等の重金属の還元揮発が促進される。
【００２５】
特に、燃焼速度の遅い固体物質については、粒径は３０ｍｍ以下、発熱量は２０００ｋｃａｌ／ｋｇ以上が好適である。但し、燃焼温度が高くなりすぎ、耐火物を痛めるので発熱量は１００００ｋｃａｌ／ｋｇ以下が望ましい。
【００２６】
一方、炉内に投入されたごみが、熱分解末完了のまま炉底部に降下すると、横断面方向における通気抵抗の差が生じ、熱交換効率が低下するため、固体温度が低下し、ごみの熱分解速度も抑制される。その結果、炉底部の熱レベルが低下し、最終的にスラグ温度や処理量の低下が起こる。この場合、まずはじめに固体の温度低下に伴いＣＯ₂＋Ｃ→２ＣＯ−Ｑ（吸熱反応）に代表される吸熱反応も低下する。その結果、熱分解ガス温度が上昇し、可燃性熱分解ガス（ＣＯ等）割合が低下するため、炉頂温度・ガス組成を管埋することで、従来のスラグ温度等による熱レベルの把握より傾向をいち早く検知できる。
【００２７】
図１は本発明のシャフト炉型の廃棄物溶融炉を備えた廃棄物溶融設備の説明図で、図６に示す従来の廃棄物溶融設備と同一の構成については、同一符号を付し、その説明は省略する。
【００２８】
廃棄物溶融炉１の炉頂ガスダクト３には、炉頂ガス中のＣＯ濃度（％）及びＣＯ₂濃度（％）を測定するＣＯ濃度計及びＣＯ₂濃度が設けられ、測定結果は、η_CO演算装置へ送られ、η_CO＝ＣＯ₂／（ＣＯ₂＋ＣＯ）が演算される。演算されたη_COは、燃料吹込量演算装置へ送られる。また、廃棄物溶融炉１の炉頂部には、炉頂温度を測定する温度計（ＴＩ）が設けられ、測定結果は、燃料吹込量演算装置へ送られる。
【００２９】
具体的には、炉頂温度が高くなり、炉頂ガス中ＣＯ％が低下した場合、吹き込み量を増加させる。
【００３０】
図２は炉頂温度による燃料吹き込み制御のフローチャート、図３はη_COによる燃料吹き込み制御のフローチャート、図４は炉頂温度及びη_COによる燃料吹き込み制御のフローチャートである。
【００３１】
図２において、温度計（ＴＩ）の測定結果が炉頂温度の設定値を超えると、炉頂温度が設定値以下になるように燃料が吹き込まれる。炉頂温度は、通常４００±５０℃に入るように燃料吹込量を流量調節計（ＦＩＣ）で調節する。図２（ａ）は吹込量増減用の設定値を一つ設けたものであり、燃料吹き込み後、炉頂温度が設定値以下になると、燃料吹き込み量を減らしていく。一方、図２（ｂ）は、吹込量増減用に設定値が各一つの計二つ設け、その間の温度では、吹込量を維持したままとするものである。
【００３２】
図３において、演算されたη_COが設定値を超える場合、η_COが設定値以下になるように燃料が吹き込まれる。η_COは、通常４０±５％に入るように燃料吹込量を流量調節計（ＦＩＣ）で調節する。図３（ａ）は吹込量増減用の設定値を一つ設けたものであり、燃料吹き込み後、η_COが設定値以下になると、燃料吹き込み量を減らしていく。一方、図３（ｂ）は、吹込量増減用に設定値が各一つの計二つ設け、その間の温度では、吹込量を維持したままとするものである。
【００３３】
図４において、温度計（ＴＩ）の測定結果が炉頂温度の設定値を超えても、演算されたη_COが設定値以下の場合は、燃料は吹き込まず、炉頂温度が設定値を超えるとともに、演算されたη_COが設定値を超える場合に、燃料が吹き込まれる。図４（ａ）は、燃料吹き込み後、炉頂温度が設定値以下あるいはη_COが設定値以下になると、燃料吹き込み量を減らしていく。図４（ｂ）では、設定値を三つ設け、ある範囲においては、吹き込み量を増減せず維持することを特徴としたものである。
【００３４】
表１は本発明の燃料吹き込みの実施例、及び吹き込まない比較例との比較表である。
【００３５】
【表１】

表１から、本発明では、燃料を吹き込まない場合に比較して、ごみ処理量が増加するとともに、蒸気発生量が安定しており、またスラグ温度が高くスラグ中のＰｂ、Ｚｎ量が低減され、更にコークス比も低減することが分かる。
【００３６】
図５（ａ）は本発明の燃料吹き込みの例及び吹き込まない例とのＣＯ濃度と炉頂温度の変化、（ｂ）はスラグ温度の変化を示すグラフである。燃料として排プラスチックを５ｍｍ程度に粉砕したものを用いた。燃料吹き込みを行う本発明では、ＣＯ濃度及び炉頂温度が設定値の範囲内に制御でき、その結果、スラグ温度が高く温度低下が少ないことが分かる。
【００３７】
従って、炉頂温度やガス組成を検出して、吹き込み量を制御させることで、素早く炉内熱レベルを検知でき、羽口吹き込みによる素早い回復アクションが可能となる。
【００３８】
【発明の効果】
本発明により、炉内熱レベル低下を従来より早期に検知することが可能となり、また羽口からの可燃物吹き込み量を制御することで、従来より速やかな対応が可能となった。そのため、乾留残さによる通気抵抗層の確保が容易となり、炉内での乾留残さの通気抵抗層の変動が抑制され、炉内ガスと投入した廃棄物との熱交換効率が上昇した。その結果、ごみ処理量が増加し、蒸気発生量が高位で安定した。種々のごみを溶融処埋する上で、操業成績の安定化を達成した。また、溶融炉の炉頂排ガスＣＯ（％）を安定化させるため、後段に設置した燃焼室での燃焼が更に安定し、ダイオキシン類の発生も抑制された。
【００３９】
また、炉下部熱レベル及び還元雰囲気を制御・安定化が可能となり、その結果、スラグに含有されるＰｂの量が極端に低減（数ｐｐｍレベル）した。
【００４０】
更に、炉況が安定し、スラグ温度が高位で安定したため、コークス等の捕助燃料の使用量が低減した。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のシャフト炉型の廃棄物溶融炉を備えた廃棄物溶融設備の説明図である。
【図２】炉頂温度による燃料吹き込み制御のフローチャートである。
【図３】η_COによる燃料吹き込み制御のフローチャートである。
【図４】炉頂温度及びη_COによる燃料吹き込み制御のフローチャートである。
【図５】（ａ）は本発明の燃料吹き込みの例及び吹き込まない例とのＣＯ濃度と炉頂温度の変化、（ｂ）はスラグ温度の変化を示すグラフである。
【図６】従来のシャフト炉型の廃棄物溶融炉を備えた廃棄物溶融設備の説明図である。
【符号の説明】
１：廃棄物溶融炉２：装入装置３：ダクト４：燃焼室
５：ボイラ６：ガス冷却器７：集じん装置８：誘引送風機
９：煙突１０：送風羽口１１：出滓口

Claims

廃棄物溶融炉に廃棄物をコークス、石灰石とともに装入し、乾燥、熱分解、燃焼、溶融して排出する際に、廃棄物溶融炉の送風羽口からコークスベッドヘ常温の酸素富化空気又は高温空気とともに、燃料をコークスベッドヘ吹き込む方法において、廃棄物溶融炉の炉頂ガス温度を測定し、測定結果が設定温度を超えると、炉頂ガス温度が設定値以下になるように燃料を吹き込み、燃料吹き込み後、炉頂ガス温度が前記設定温度以下になると燃料吹き込み量を減らしていくように制御することを特徴とする廃棄物溶融炉の操業方法。
廃棄物溶融炉に廃棄物をコークス・石灰石とともに装入し、乾燥、熱分解、燃焼、溶融して排出する際に、廃棄物溶融炉の送風羽口からコークスベッドヘ常温の酸素富化空気又は高温空気とともに、燃料をコークスベッドヘ吹き込む方法において、廃棄物溶融炉の炉頂ガス中のＣＯ濃度（％）及びＣＯ₂濃度（％）を測定してη_CO＝ＣＯ₂／（ＣＯ₂＋ＣＯ）を演算し、演算されたη_COが設定値を超えると、η _CO が設定値以下になるように燃料を吹き込み、燃料吹き込み後、η _CO が設定値以下になると燃料吹き込み量を減らしていくように制御することを特徴とする廃棄物溶融炉の操業方法。
廃棄物溶融炉に廃棄物をコークス、石灰石とともに装入し、乾燥、熱分解、燃焼、溶融して排出する際に、廃棄物溶融炉の送風羽口からコークスベッドヘ常温の酸素富化空気又は高温空気とともに、燃料をコークスベッドヘ吹き込む方法において、廃棄物溶融炉の炉頂ガス温度を測定するとともに、ＣＯ濃度(％)及びＣＯ_２濃度（％）を測定してη_COＣ＝ＣＯ_２／（ＣＯ_２＋ＣＯ）を演算し、炉頂ガス温度が設定値を超えても、演算されたη _CO が設定値以下の場合は燃料を吹き込まず、炉頂ガス温度が設定値を超え、かつ演算されたη _CO が設定値を超える場合に燃料を吹き込み、燃料吹き込み後、炉頂ガス温度が設定値以下あるいはη _CO が設定値以下になると燃料吹き込み量を減らしていくように制御することを特徴とする廃棄物溶融炉の操業方法。