高温ガス化直接溶融炉におけるコークス使用量削減に関する研究 C5-4

第21回廃棄物資源循環学会研究発表会講演論文集 2010
C5-4
高温ガス化直接溶融炉におけるコークス使用量削減に関する研究
○（正）中山
剛 1)、
（賛）植竹
規人 1)、
（賛）秋山 肇 1)、
（賛）吉田 朋広 1)
1)JFE エンジニアリング(株)
１．はじめに
JFE 高温ガス化直接溶融炉設備は，
2003 年の初号機竣工以降 10 プラントの納入
実績があり，一般廃棄物の他に，産業廃棄物，焼却灰，掘り起こしごみ，ごみ固
形化燃料（RDF）
，アスベストなど多様な廃棄物を，コークス充填層を形成させな
がら処理している。
昨今，CO2 排出量削減に対する社会的要望が強まっている中，弊社ではコークス
使用量の削減により，CO2 排出量を削減する方策について，鋭意検討を進めている。
その一環として，粒径の大きなコークス（大塊コークス）を使用することで，コ
ークス充填層でのソリューションロス反応（C＋CO2→2CO）を低減させ，コークス
使用量の削減を達成する方法について，実機試験を実施した。本稿では大塊コー
クス使用による，コークス使用量削減の実機試験成果について報告する。
２．高温ガス化直接溶融炉の概要
Fig.1 に高温ガス化直接溶融炉の炉内断面図を示す。炉頂から廃棄物，コーク
ス，石灰石が投入される。投入された廃棄物は廃棄物層の上段で水分が蒸発し，
可燃分が熱分解する。廃棄物中の固定炭素と灰分は，投入されたコークス，石灰
石とともに溶融炉内を予熱されながら下降し，炉下部に到達する。炉下部では主
羽口から供給された酸素でコークスと固定炭素を燃焼し，その燃焼熱で灰分を溶
融し，溶融スラグとして出滓口から連続出滓される。炉下部と廃棄物層で発生し
た可燃性ガスは溶融炉後段の二次燃焼室で完全燃焼する。
３．使用したコークス粒径の比較
通常使用しているコークスと
3 種類の粒径の異なる大塊コー
クスを使用して試験を実施した。
使用したコークスの写真および
粒径の比較を Table 1 に示す。
通常コークスは公称粒径が 20
∼50mm のもので，平均粒径は測
定の結果，37mm であった。
それに対し，大塊コークスの
平均粒径は①，②，③でそれぞ
れ，50，65，135mm であった。
いずれの大塊コークスとも，成
分は通常コークスと同等のもの
を用いた。
Table 1
廃棄物
コークス
石灰石
可燃性ガス
副羽口
主羽口
スラグ、メタル
Fig.1
JFE 高温ガス化直接溶融炉
コークス粒径の比較
通常
大塊①
大塊②
大塊③
20 ∼ 50
30 ∼ 100
60 ∼ 100
120 ∼ 150
37
50
65
135
概観写真
100mm
公称粒径
mm
平均粒径
mm
４．試験方法
大塊コークス試験は弊社納入のＡ工場にて実施した。処理能力は 1 炉当り 50t/d で，都市ごみを処理している。
大塊コークスを通常コークスとは別のホッパに準備し，溶融炉への供給を通常コークスから大塊コークス①に切り替
えた。この状態でスラグ出滓温度が通常コークス使用時と同等になるように，徐々にコークス供給量を調整した。大塊
コークス②，③についても，同様の調整を実施した。
Table 2 コークス比の比較
５．試験結果
試験結果を Table 2 に示す。スラグ出滓温度を
維持するようにコークス使用量を調整しているた
め，
出滓状況は良好であった。
コークス使用量は，
ごみ処理量あたりのコークス使用量
（コークス比）
で評価している。Ａ工場の通常コークス使用時の
コークス比は平均 62kg/t である。大塊コークス①
使用時には徐々にコークス使用量を削減していっ
通常
大塊①
大塊②
大塊③
公称粒径
mm
20 ∼50
30 ∼100
60 ∼100
120 ∼150
平均粒径
mm
37
50
65
135
コークス比
kg/t
62
54
51
35
【連絡先】〒230-8611 横浜市鶴見区末広町二丁目 1 番地 JFE エンジニアリング(株) 総合研究所 環境
技術研究部 中山 剛 Tel：045-505-7852 FAX：045-505-6567 e-mail：[email protected]
【キーワード】ガス化溶融、コークス
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第21回廃棄物資源循環学会研究発表会講演論文集 2010
炉底耐火物温度
[℃]
た結果，最終的には 54kg/t まで削減することができた。大塊コークス②使用時には 51kg/t まで，大塊コークス③使用
時には 35kg/t まで削減することができた。
また、大塊コークス試験時の溶融炉炉底耐火物温度の推移を Fig.2 に示す。通常コークス使用時には 800℃程度で安
定しているが，大塊コークス供給後に炉底
1000
耐火物の温度上昇が確認された。また，試
900
験期間を終了し通常コークスに戻すと従来
800
値に収束しているのが分かる。これは大塊
700
コークス使用により，炉下部での着熱が良
600
好になったことを示唆している。
以上，本実機試験から大塊コークス使用
500
大塊コークス
により，大幅なコークス使用量削減を実証
400
7/25 7/27 7/29 7/31 8/2
8/4
8/6
8/8 8/10 8/12 8/14 8/16
できた。
Fig.2 炉底耐火物温度の推移
６．炉内現象の推定
65
通常コークス
60
大塊コークス①
55
コークス比
[kg/t]
溶融炉下部の現象としては，コークス充填層の羽
口先で供給酸素と炭素の燃焼が起こり，ここで発生
した二酸化炭素がコークス充填層を上昇していく際
に，炭素と反応し一酸化炭素を生成する。このソリ
ューションロス反応が起こるとコークス充填層での
コークス使用量の増加につながる。ところで，ソリ
ューションロス反応速度は，コークス表面積に代表
される反応界面積に関係すると考えられる。
そこで，
各コークスの粒径分布を測定し，比表面積を求め，
比表面積とコークス比の関係を Fig.3 に示す。比表
面積の減少に伴い，ほぼリニアにコークス比の削減
効果が表れているのが分かる。このことから，コー
クス充填層でのソリューションロス反応の低減がコ
ークス比の削減に繋がっていると考えられる。
大塊コークス②
50
45
40
大塊コークス③
35
30
0.00
0.02
0.04
0.06
0.08
コークス比表面積[m2/kg]
７．スラグ性状
コークス比を削減したときにスラグ性状に影響が
ないかを確認するために，大塊コークス③を使用
して，
コークス比が 35kg/t のときに生成したスラ
グ中の鉛含有試験と溶出試験を実施した。
結果を Table 3 に示す。含有量，溶出量とも基
準値と比較して十分に低位であり，コークス比を
削減しても，スラグの性状には影響を及ぼしてい
ないことが確認できた。
Fig.3
Table 3
コークス比とコークス比表面積の関係
スラグの鉛含有試験および溶出試験結果
単位 大塊コークス③ 基準値
使用時
分析方法
鉛含有試験 mg/kg
22
150
JIS K 0102 54.4
鉛溶出試験 mg/L
0.005 未満
0.1
JIS K 0102 54.4
８．おわりに
CO2 排出量削減に対する社会的要望が強まっている中，弊社ではコークス使用量の削減により，CO2 排出量を削減する
方策について，鋭意検討を進めている。コークス使用量の削減を目的として，大塊コークスを適用した実機試験の結果，
以下の知見が得られた。
（１） 弊社のガス化溶融炉では，平均粒径 37mm から 135mm までの幅広い粒径範囲のコークスを使用可能であることが
実証できた。
（２） コークス粒径を大きくすることで，使用量を削減できることが実証できた。
（３） コークス比はコークスの比表面積によって整理することができたことから，コークス充填層でのソリューショ
ンロス反応の低減がコークス比削減に有効であると考えられた。
（４） コークス比を削減してもスラグの有害物質溶出に影響はなかった。
弊社では，更なるコークス使用量の削減，CO2 排出量の削減に取組んでいく所存である。
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