JP2007263534A - 廃棄物ガス化装置及びその運転方法 - Google Patents

Abstract

【課題】移動床式ガス化炉の燃焼帯の不均一な温度分布を抑えてガス化効率を向上させること。
【解決手段】縦型のガス化炉１内に廃棄物を投入して充填層を形成し、この充填層の下方から酸化剤ガスを供給して部分燃焼による燃焼帯５１と熱分解帯５３とを炉高方向に順次形成し、炉底部から燃焼残渣を排出するように形成された廃棄物ガス化装置の運転方法において、ガス化炉１の側方から燃焼帯５１にガスを吹き込んで燃焼帯５１の充填物を攪拌させること。
【選択図】 図１

Description

本発明は、移動床式ガス化炉を用いて廃棄物を処理する廃棄物ガス化装置とその運転方法に関する。

廃棄物を処理する方法として、例えば、廃棄物を不燃性ペレット（例えば、軽石等）とともにガス化炉に投入して充填層を形成し、炉底部から酸化剤ガスを供給して部分燃焼させ、炉高方向に燃焼帯、熱分解帯、乾燥帯を形成させることにより廃棄物をガス化する移動床式ガス化炉が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。これによれば、熱分解帯で生成された熱分解ガスの熱により乾燥帯の廃棄物を乾燥させるとともに、熱分解ガスが乾燥帯を上昇する過程で熱分解ガスに含まれる飛灰等が除去されるため、比較的清浄な熱分解ガスを得ることができる。

ところで、このような移動床式ガス化炉においては、一般に廃棄物が破砕された状態で炉内に投入されて充填層を形成するが、廃棄物には可燃物以外に不燃物が含まれるため、例えば、破砕片の大きさがばらついて充填が不均一になりやすい。そのため、充填層を上昇する酸化剤ガスに偏流が生じ、燃焼帯に供給される酸化剤ガスの量が充填層の同一高さ位置（横断面方向）で不均一になり、燃焼帯の横断面に温度分布が生じる場合がある。また、酸化剤ガスが横断面で均一に供給されても、燃焼帯の充填が不均一であると、発熱量の差から温度分布が生じるおそれがある。このように、燃焼帯の温度分布により低温領域が生じると、廃棄物の一部がガス化されずに可燃物のまま排出されるためガス化効率が低下する。

これに対し、例えば、シャフト炉方式の廃棄物溶融炉において、炉内に充填された廃棄物を燃焼させるために必要な空気を炉の側方の複数箇所から供給する際に、空気の吹き込み位置を周方向で周期的に切り替えることにより、炉内を流れる空気の偏流を抑制する技術が開示されている（特許文献２参照。）。

特開２００４−２５５２号公報 特開平８−２８５２４８号公報

しかしながら、特許文献２は、炉の側方から酸素を富化した空気を吹き込んで燃料のコークスを燃焼させ、炉高方向で廃棄物の燃焼領域、熱分解領域、乾燥領域を生じさせる一方、燃焼領域の下方に廃棄物の溶融領域を形成している。

これに対し、移動床式ガス化炉は、廃棄物の燃焼に必要な酸化剤ガスを炉底部から供給するとともに、その酸化剤ガスと熱交換された燃焼残渣を冷却させた状態で炉底部から排出している。すなわち、移動床式ガス化炉は、燃焼に必要な酸素を基本的に炉底部からの供給により賄っているのに対し、特許文献２は、炉底部に溶融領域が存在するため、燃焼に必要な酸素は炉の側方から供給するようにしている。

この酸素の供給経路の相違に基づき、主として、燃焼帯の下方の充填状態に伴う酸化剤ガスの偏流による移動床式ガス化炉の燃焼帯の温度分布は、特許文献２の構成では生じ得ないものである。

本発明は、移動床式ガス化炉の燃焼帯の不均一な温度分布を抑制し、ガス化効率を向上させることを課題とする。

上記課題を解決するため、本発明は、縦型のガス化炉内に廃棄物を投入して充填層を形成し、充填層の下方から酸化剤ガスを供給して部分燃焼による燃焼帯と熱分解帯とを炉高方向に順次形成し、炉底部から燃焼残渣を排出するように形成された廃棄物ガス化装置の運転方法において、ガス化炉の側方から燃焼帯にガスを吹き込んで燃焼帯の充填物を攪拌させることを特徴とする。

すなわち、燃焼帯の燃焼に必要な酸素を充填層の下方から供給する一方、燃焼帯の側方からガスを直接吹き込んで燃焼帯の充填物を攪拌させることにより、下方から供給される酸化剤ガスに偏流が生じても、燃焼帯の水平断面の不均一な温度分布を抑制できるため、ガス化効率を向上させることができる。

具体的には、所定の圧力のガスをガス化炉の側方から燃焼帯に間欠的に吹き込み、そのガスの吹き込む位置を時間の経過とともに少なくとも周方向で変化させるようにする。このように燃焼帯を取り囲む位置からガスを吹き込み、その位置を周方向で時間的に変化させることにより、燃焼帯の全域に渡って常に充填層を攪拌させることができるため、ガス化効率を向上させることができる。

また、ガスを吹き込む位置を時間の経過とともにランダムに決定し、その決定した位置からガスを吹き込むように制御するようにしてもよい。これによれば、複雑な制御機構を必要とせず、簡単な構成でガス化効率を向上させることができる。

ここで、燃焼帯の側方から供給するガスの種類は、例えば、充填層の下方から供給する酸化剤ガスと同種のものであってもよいが、これに限定されず、例えば、不活性ガスなどを用いるようにしてもよい。

また、本発明の廃棄物ガス化装置は、炉の上部に廃棄物が投入される投入口を有する縦型のガス化炉と、このガス化炉内の廃棄物の充填層に下方から酸化剤ガスを供給して部分燃焼による燃焼帯を形成する酸化剤供給手段と、ガス化炉の上方から生成ガスを排出するガス排出口と、ガス化炉の炉底部から燃焼残渣を抜き出す排出手段と、充填層の燃焼帯にガス化炉の側方からガスを供給する複数のガス供給ノズルと、複数のガス供給ノズルのうちガスを供給する位置を時間の経過とともに少なくとも周方向で変化させる手段とを備える構成により、上記課題を解決できる。

本発明によれば、移動床式ガス化炉の燃焼帯の不均一な温度分布を抑えてガス化効率を向上させることができる。

以下、本発明の実施の形態について図面に基づいて説明する。図１は、本発明を適用してなる廃棄物ガス化装置の主要部を示す構成図である。ここで、本実施形態の廃棄物ガス化装置は、一般ごみや産業廃棄物、バイオマスなどのガス化に好適に使用されるが、これに限定されるものではない。

図に示すように、本実施形態の廃棄物ガス化装置１（以下、単に、ガス化炉という。）は、例えば、円筒の縦型の容器３の頂部に、廃棄物を適宜乾燥させた状態で貯蔵するホッパ５と、炉内で廃棄物と混合して使用される不燃性ペレット（例えば、球形の焼成軽石、φ２０〜２５ｍｍ）を貯蔵するホッパ６を備える。ホッパ５及びホッパ６の投入口は、それぞれ二重ダンパ８，１０が設けられる。廃棄物は、例えば、スクリューコンベア７により搬送されて投入口９から容器３内に供給される一方、不燃性ペレットは、ロータリフィーダ１２により投入口９から容器３内に供給される。

ガス化炉１は、頂部の側壁に生成ガス（熱分解ガス）を排出するガス排出口１１が形成され、底部に燃焼用の酸化剤ガス（空気又は酸素等）及び水蒸気を供給するガス化剤供給口１３が設けられる。ガス化剤供給口１３は、例えば、ガス化炉１の底部を形成する回転式の抜き出し機１５の回転軸１７の先端に形成される。回転軸１７内を通流してガス化剤供給口１３から炉内に供給される酸化剤ガスと水蒸気は、ガス化炉１内に放射状に供給されるようになっている。抜き出し機１５の回転軸１７はモータ２１に連結され、回転軸１７が回転することにより、羽根１６が廃棄物の燃焼残渣等を半径方向に切り出して排出口１９から排出させるようになっている。なお、ガス化剤供給口１３は、例えば、ガス化炉１の水平断面方向に酸化剤と水蒸気とを均一に供給する構成であれば、本実施形態に限定されるものではない。

炉壁の設定高さ位置、すなわち、後述する燃焼帯５１の形成位置の下部には、水蒸気を炉内に供給する水蒸気供給ノズル１８が取り付けられる。この水蒸気供給ノズル１８は、例えば、炉壁の同一高さ位置に周方向で複数配置される。

ガス化炉１は、炉壁の炉高方向に所定の間隔で複数の温度センサ２３が取り付けられ、この温度センサ２３のうち１つは、水蒸気供給ノズル１８と同一の炉高位置に配設される。最上段に配置される温度センサ２３の上方の炉壁には、充填層の高さを検知するレベルセンサ２５が炉高方向に複数取り付けられる。なお、図示しないが、レベルセンサ２５の上方の炉壁には、充填層の上部空間２７の圧力を検知する圧力センサが取り付けられる。

次に、ノズル２６の構成について説明する。図２は、図１のノズル２６の近傍を拡大して示す概略構成図、図３は、図２のＡ−Ａ線断面図である。

図に示すように、ガス化炉１の容器３の側壁には、炉高位置を揃えて周方向に等間隔で４個のノズル２６が配置され、各ノズル２６には電磁弁２８を介してガス供給ライン３０が接続される。ここで、各ノズル２６は、燃焼帯５１の形成領域と一致する炉高位置に配置される。各ノズル２６の電磁弁２８は、例えば、図示しない中央操作室のコントローラと電気的に接続され、コントローラから出力される電気信号に基づいて電磁弁２８が開閉制御される。なお、本実施形態では、４個のノズル２６からなるノズル群を１組設ける例を示すが、これに限定されず、例えば、燃焼帯５１の炉高方向に複数のノズル群を設けても良いし、各ノズル群を２個のノズル２６や６個のノズル２６から構成してもよい。

次に、このように構成されるガス化炉１の動作について説明する。まず、立ち上げ時において、不燃性ペレットが投入口９からガス化炉１内に供給される。この不燃性ペレットは、炉内に供給される酸化剤等の通流性を向上させるためのものである。不燃性ペレットが所定量供給されると、適宜乾燥及び粉砕された廃棄物が投入口９からガス化炉１内に投入される。炉内に投入された廃棄物は、不燃性ペレットとともに均一に混合された状態で炉内に充填されて充填層を形成する。

次に、廃棄物が充填されたガス化炉１内に、ガス化剤供給口１３から酸化剤を供給し、着火用熱風発生器１４から高温空気（例えば、４００℃以上）を吹き込むことで着火させる。そして、酸化剤の供給量を調整し、廃棄物を部分燃焼させて、充填層に燃焼帯を形成する。この燃焼帯の燃焼熱により、廃棄物が熱分解されると、熱分解ガスが発生し、この熱分解ガスは廃棄物の隙間を通ってガス化炉１内を上昇し、ガス排出口１１から排出される。

廃棄物の部分燃焼及び熱分解が安定する定常状態になると、炉底部近傍に安定した燃焼帯５１が形成され、その上部には熱分解帯５３が形成され、さらに上部に廃棄物の乾燥帯５５が形成される。廃棄物は、例えば約３００℃以上に達すると熱分解されることから、その温度域を超えた廃棄物の充填層の領域が熱分解帯５３となる。熱分解帯５３では、廃棄物が熱分解されて可燃性の熱分解ガス及び炭素（チャー）が生成される。ここで生成されたチャーは、燃焼帯５１に流下して燃焼され、燃焼帯５１の温度は約１０００℃以上になる。また、熱分解帯５３で生成されたチャーの一部は、燃焼帯５１に供給される水蒸気と反応し、ＣＯ、Ｈ_２に転換される。炉内に供給される酸化剤と水蒸気は、生成されたチャーの殆どが燃焼ガスと水性ガスとなるように流量調整される。

このようにして生成された熱分解ガスと水性ガスが混合された生成ガスは、上層の廃棄物の隙間を通流する過程で、乾燥帯５５を通過して廃棄物を乾燥させる。生成ガスは、廃棄物を乾燥させることにより減温（例えば、約２００℃）され、ガス化炉１の頂部に形成される上部空間２７を介してガス排出口１１から排出される。また、燃焼帯５１で発生する飛灰が生成ガスに同伴しても、乾燥帯５５に充填された廃棄物の層がフィルタの役目をして捕集するため、ガス排出口１１から流出する飛灰の量を低減できる。

一方、乾燥帯５５で乾燥された廃棄物は、次第に熱分解帯５３に移動して熱分解処理され、続いて燃焼帯５１に移動して熱分解及び燃焼されて灰（燃焼残渣）になる。これらは燃焼帯５１の下層に形成される冷却帯５７を流下する過程で、炉底部から供給される酸化剤ガスと熱交換して冷却され、抜き出し機１５の回転によって不燃性ペレットとともに排出口１９に切り出されて炉外に排出される。炉外へ排出された不燃性ペレットはホッパ６へ戻されて繰り返し利用される。

このように、抜き出し機１５が廃棄物を底部から抜き出すことにより充填層の廃棄物は下方に移動する。これに対し、燃焼帯５１や熱分解帯５３が形成される炉高位置は、例えば、廃棄物の抜き出し速度、酸化剤の供給速度などによって設定された高さ範囲に調整されている。

上記ガス化炉１の立ち上げ時において、廃棄物を熱分解して生成されるチャーは、燃焼帯５１において燃焼処理されるが、一部は未燃のまま燃焼帯５１を通過して冷却帯５７を流下する場合があるため、立ち上げ時から廃棄物のガス化効率を安定化させるため、水蒸気を供給して水性ガス反応を行わせる。

ところで、例えば、廃棄物中に不燃物などが含まれると、充填層を形成する廃棄物の大きさが不均一となり、これに伴い、充填物同士の隙間などの充填状態が不均一になる場合がある。すなわち、炉底部のガス化剤供給口１３から供給された酸化剤ガスは、冷却帯５７の隙間を流れて上昇するため、この充填状態が不均一であると、酸化剤ガスの流れに偏りが生じ、燃焼帯５１に到達する単位時間当たりの酸化剤ガスの供給量がガス化炉１の横断面方向で不均一になる。そして、燃焼帯５１の燃焼温度は、酸化剤ガスの供給量にある程度相関するため、酸化剤ガスの供給量が不均一であると、燃焼帯５１の横断面方向で不均一な温度分布が生じるおそれがある。また、燃焼帯５１の横断面方向で均一に酸化剤ガスが供給されても、燃焼帯５１の充填状態が不均一であると、発熱量に差が生じ、同様に不均一な温度分布が生じるおそれがある。

そこで、本実施形態では、燃焼帯５１の炉高位置に周方向で配置された複数のノズル２６から燃焼帯５１に直接ガスを所定の圧力で吹き込んで燃焼帯５１の充填物を攪拌、つまり外乱を生じさせるようにする。ここで吹き込むガスは、少なくとも燃焼帯５１の所定領域の充填物を攪拌可能な圧力とし、容器３の大きさやノズル２６の設置本数などに応じて適宜設定する。ここで、ノズル２６から炉内に吹き込むガスの種類は、特に限定されず、例えば、酸化剤ガスであってもよいし、不活性ガスであってもよい。例えば、酸化剤ガスを吹き込む場合、燃焼帯５１の燃焼に必要な酸素は基本的に炉底部から供給されるため、ノズル２６から吹き込む酸化剤ガスは、炉底部から供給する酸化剤ガスよりも酸素濃度を低く設定することができる。

図４は、図３において位置Ａ〜Ｄに配置されるノズル２６に対応する電磁弁２８のバルブ開状況を経時的に示す図である。図示しないコントローラから出力された信号に基づいて、各ノズル２６の電磁弁２８を短時間開閉し、間欠的にガスを炉内に供給する。各ノズル２６の電磁弁２８が開放されるタイミングは、コントローラにおいて時間の経過とともにランダムに決定し、その決定したノズル位置の電磁弁２８を開放するように制御する。すなわち、燃焼帯５１の水平断面の温度は、燃焼帯５１や冷却帯５７の充填状態などによって随時変化するため、例えば、充填物の温度計測結果に基づいてガスの供給位置を変化させる制御形式よりも、ランダムにガスを供給する形式の方が、設備構成を簡単化でき、好適である。

このように、本実施形態によれば、燃焼帯５１の燃焼に必要な酸素を充填層の底部から供給する一方、燃焼帯５１の側方からガスを直接吹き込んで燃焼帯５１の充填物、つまり炭化された廃棄物を攪拌することにより、下方から供給される酸化剤ガスに偏流が生じても、燃焼帯５１の水平断面の不均一な温度分布を抑制することができる。これにより、燃焼帯５１における燃焼温度を所定の範囲に収めることができるため、ガス化効率を向上させることができる。

また、本実施形態では、燃焼帯５１にガスを供給するノズル２６の位置をランダムに変化させる例を説明したが、これに限定されるものではなく、例えば、時間の経過とともに、ノズル２６の供給位置を周期的に変化させるようにしてもよい。

以上、本発明を図示の実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態のみに限定されるものではなく、本発明の技術思想を逸脱せずして種々改変を加え、多種多様の変形をなし得ることは云うまでもない。

本実施形態の廃棄物ガス化装置の主要部を示す構成図である。 図１の一部を拡大して示す概略構成図である。 図２のＡ−Ａ線断面図である。 図３において位置Ａ〜Ｄに配置されるノズルに対応する電磁弁のバルブ開状況を経時的に示す図である。

符号の説明

１ ガス化炉
１１ ガス排出口
１３ ガス化剤供給口
１９ 排出口
２６ ノズル
２８ 電磁弁
３０ ガス供給ライン
５１ 燃焼帯
５３ 熱分解帯
５５ 乾燥帯
５７ 冷却帯

Claims (5)

1. 縦型のガス化炉内に廃棄物を投入して充填層を形成し、該充填層の下方から酸化剤ガスを供給して部分燃焼による燃焼帯と熱分解帯とを炉高方向に順次形成し、炉底部から燃焼残渣を排出するように形成された廃棄物ガス化装置の運転方法において、
   前記ガス化炉の側方から前記燃焼帯にガスを吹き込んで前記燃焼帯の充填物を攪拌させることを特徴とする廃棄物ガス化装置の運転方法。
2. 前記ガスを前記ガス化炉の側方から前記燃焼帯に間欠的に吹き込み、前記ガスの吹き込む位置を時間の経過とともに少なくとも周方向で変化させることを特徴とする請求項１に記載の廃棄物ガス化装置の運転方法。
3. 前記ガスを吹き込む位置を時間の経過とともにランダムに決定し、その決定した位置から前記ガスを吹き込むように制御することを特徴とする請求項２に記載の廃棄物ガス化装置の運転方法。
4. 前記ガスは、酸化剤ガスであることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の廃棄物ガス化装置の運転方法。
5. 炉の上部に廃棄物が投入される投入口を有する縦型のガス化炉と、該ガス化炉内の前記廃棄物の充填層に下方から酸化剤ガスを供給して部分燃焼による燃焼帯を形成する酸化剤供給手段と、前記ガス化炉の上方から生成ガスを排出するガス排出口と、前記ガス化炉の炉底部から燃焼残渣を抜き出す排出手段と、前記充填層の前記燃焼帯に前記ガス化炉の側方からガスを供給する複数のガス供給ノズルと、前記複数のガス供給ノズルのうち前記ガスを供給する位置を時間の経過とともに少なくとも周方向で変化させる手段とを有する廃棄物ガス化装置。
   

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