JP7646567B2 - ガス化炉の操業方法及びガス化炉 - Google Patents

Description

本開示は、廃プラスチック等の有機性廃棄物のガス化処理に好適に用いることができる、ガス化炉の操業方法、ガス化炉、二段ガス化装置、有機性原料のガス化方法、及び有機性廃棄物の二段ガス化方法に関する。

廃プラスチック、都市ごみ、下水汚泥、廃ＦＲＰ、バイオマス廃棄物、自動車廃棄物、廃油等の有機性廃棄物のガス化処理に使用される従来のガス化炉には、水素ガス、一酸化炭素ガスなどを含むガスと、灰分を含むスラグとを分離するために、ガス化炉の燃焼室の下方に不燃性物質分離室が設けられている。ガス化炉中でのダイオキシンのデノボ合成を抑制するために、冷却されるガスの滞留時間が短くなる、すなわちガスの線速度が大きくなるように、燃焼室と不燃性物質分離室との間には、燃焼室の断面積より小さい断面積を有するスロート部が設けられている。

燃焼室で生成したスラグは、そのほとんどが溶融した状態（以下、溶融状態のスラグを「溶融スラグ」という。）で円筒状燃焼室の側面壁を伝って流下して、残りはガスに巻き込まれた状態で、いずれもスロート部を通って不燃性物質分離室に到達する。溶融スラグは、不燃性物質分離室の冷却水により急冷されることで粗粒化して、粗粒スラグとしてガス化炉底部のスラグ排出口から抜き出される。

ガス化炉に供給される有機性原料の組成、供給量の変動などが生じると、燃焼室内の温度が変化する、あるいは生成するスラグの融点又は粘性が変わる場合がある。このような場合、一度に大量の溶融スラグが燃焼室底部の開口部からスロート部に流れ込み、一時的にスロート部、又はスロート部から下方に延びるようにスロート部に接続された円筒状下降管が閉塞される、あるいはスロート部又は円筒状下降管が狭窄状態になることがある。燃焼室内の温度が急激に上昇すると、燃焼室の側面壁に固着していたスラグが溶融スラグとなって側面壁から流下して、一度に大量の溶融スラグがスロート部に流れ込むことで、スロート部又は円筒状下降管の閉塞を引き起こす場合がある。

スロート部と不燃性物質分離室との接続部の側壁に、ガスに巻き込まれた微細なスラグ滴（スラグミスト）が固着して、大きなスラグ塊を形成する場合もある。スラグ塊が不燃性物質分離室に落下すると、不燃性物質分離室のスラグ排出口が閉塞する場合がある。

スロート部、円筒状下降管若しくはスラグ排出口が一時的にでも閉塞する、又はスロート部若しくは円筒状下降管が狭窄状態になると、ガス化炉の内圧が高くなるため、安全性の観点からガス化炉の操業を停止するか、あるいは有機性原料の供給量を減少させる必要が生じる場合がある。スラグ排出口がスラグ塊によって閉塞した場合、ガス化炉の操業を停止して不燃性物質分離室の内部を清掃しなければならないため、操業効率が低下する。

特許文献１には、廃棄物をガス化溶融・改質炉でガス化溶融し、発生したガスを１０００～１３００℃の温度の改質炉でガス改質するガス化溶融・改質炉の操業方法において、灰分の塩基度（ＣａＯ／ＳｉＯ_２）が１．０以上である場合に、溶融促進剤としてＳｉＯ_２リッチの粉粒剤を、ガス化溶融炉の炉前で廃棄物に添加するか、改質炉の炉前でガス化溶融炉の発生ガスに添加することを特徴とする廃棄物のガス化溶融・改質炉の操業方法が記載されている。

特開２００９－２２６２３７号公報

特許文献１は、カルシウムとケイ素の比率（灰分の塩基度）に着目したもので、カルシウム含有量の低い有機性廃棄物には適用できないなど、適用できる廃棄物組成が限られていた。

ガス化炉の運転温度（燃焼温度）を低下させることで、生成するガスに含まれる有用な成分、例えば水素ガス及び一酸化炭素ガスを増加させることができる場合がある。しかし、ガス化炉の運転温度を低下させると、溶融スラグの流動性が低下して、スロート部又は円筒状下降管の閉塞又は狭窄がより生じやすくなる。流動性の低下した溶融スラグは、より大きな液滴となって落下して、不燃性物質分離室の冷却水により急冷されることで、大径化した粗粒スラグとなる。大径化したスラグによりスラグ排出口が閉塞しやすくなる場合がある。

本発明は、ガス化炉を長期間にわたって安定的に操業することを可能にする、ガス化炉の操業方法、ガス化炉、二段ガス化装置、有機性原料のガス化方法、及び有機性廃棄物の二段ガス化方法を提供する。

本発明者らは鋭意検討した結果、ガス化炉に直接又は間接にアルカリ金属含有化合物を投入することによりスラグを低粘度化して、スロート部若しくは円筒状下降管の閉塞若しくは狭窄、又はガス化炉底部の閉塞を抑制又は防止できることを見出して、本発明を完成した。

本開示は、以下の態様を包含する。
［１］
有機性原料が投入されてガス及びスラグを生成するガス化炉において、前記ガス化炉に直接又は間接にアルカリ金属含有化合物を投入して前記スラグを低粘度化することを含む、ガス化炉の操業方法。
［２］
前記アルカリ金属含有化合物がケイ酸ナトリウムである、［１］に記載の方法。
［３］
前記ケイ酸ナトリウムが水溶液の形態で投入される、［２］に記載の方法。
［４］
前記ケイ酸ナトリウム中の二酸化ケイ素と酸化ナトリウムのモル比（二酸化ケイ素のモル数／酸化ナトリウムのモル数）が、０．４以上４．５以下である、［２］又は［３］のいずれかに記載の方法。
［５］
前記ガス化炉に直接又は間接にケイ素含有化合物を投入することを含む、［１］～［４］のいずれかに記載の方法。
［６］
前記ケイ素含有化合物が流動媒体である、［５］に記載の方法。
［７］
低粘度化した前記スラグ中の二酸化ケイ素と酸化ナトリウムのモル比（二酸化ケイ素のモル数／酸化ナトリウムのモル数）が１．０以上１５．０以下である、［２］～［６］のいずれかに記載の方法。
［８］
低粘度化した前記スラグがアルカリ金属を酸化物換算で１．５質量％～２０．０質量％含む、［１］～［７］のいずれかに記載の方法。
［９］
前記スラグのナトリウム及びケイ素の含有量を分析すること、
前記スラグ中の二酸化ケイ素と酸化ナトリウムのモル比（二酸化ケイ素のモル数／酸化ナトリウムのモル数）が２．５以下のときに、前記アルカリ金属含有化合物を投入することを含む、［２］～［８］のいずれかに記載の方法。
［１０］
前記アルカリ金属含有化合物を前記有機性原料と混合して前記ガス化炉に投入することを含む、［１］～［９］のいずれかに記載の方法。
［１１］
有機性原料からガス及びスラグを生成するガス化炉であって、前記有機性原料をガス化又は燃焼させる燃焼室と、生成したスラグを冷却及び回収する不燃性物質分離室と、前記燃焼室に設けられたアルカリ金属含有化合物の導入口とを備える、ガス化炉。
［１２］
前記導入口が外管及び内管を有する二重管を備え、前記アルカリ金属含有化合物が内管に供給され、不活性ガスが外管に供給される、［１１］に記載のガス化炉。
［１３］
前記導入口が前記燃焼室の側面に配置されている、［１１］又は［１２］のいずれかに記載のガス化炉。
［１４］
前記ガス化炉が旋回式溶融炉である、［１１］～［１３］のいずれかに記載のガス化炉。
［１５］
有機性廃棄物を一次ガス化して有機性原料を生成する低温ガス化炉と、前記低温ガス化炉で生成した前記有機性原料を二次ガス化してガス及びスラグを生成する高温ガス化炉とを備える有機性廃棄物の二段ガス化装置であって、前記高温ガス化炉が［１１］～［１４］のいずれかに記載のガス化炉である、二段ガス化装置。
［１６］
前記低温ガス化炉が流動床ガス化炉である、［１５］に記載の二段ガス化装置。
［１７］
低温ガス化炉内で有機性廃棄物を一次ガス化して有機性原料を生成することと、前記有機性原料を高温ガス化炉に投入することと、前記高温ガス化炉内で前記有機性原料を二次ガス化してガス及びスラグを生成することとを含む、有機性廃棄物の二段ガス化方法であって、前記高温ガス化炉に直接又は間接にアルカリ金属含有化合物を投入して前記スラグを低粘度化することを含む、方法。
［１８］
前記高温ガス化炉が［１１］～［１４］のいずれかに記載のガス化炉である、［１７］に記載の方法。
［１９］
前記低温ガス化炉が流動床ガス化炉である、［１７］又は［１８］のいずれかに記載の方法。

本開示の発明によれば、ガス化炉に直接又は間接にアルカリ金属含有化合物を投入することによりスラグを低粘度化して、スロート部若しくは円筒状下降管の閉塞若しくは狭窄、又はガス化炉底部の閉塞を抑制又は防止することで、ガス化炉を長期間にわたって安定的に操業することができる。

一実施態様のガス化炉の概略断面図である。 一実施態様のガス化炉を備える有機性廃棄物の二段ガス化装置の構成図である。

以下、本発明の実施形態について説明するが、本発明はこれらの実施形態のみに限定されるものではなく、その精神と実施の範囲内において様々な応用が可能である。

一実施態様のガス化炉の操業方法は、有機性原料が投入されてガス及びスラグを生成するガス化炉において、ガス化炉に直接又は間接にアルカリ金属含有化合物を投入してスラグを低粘度化することを含む。

ガス化炉は、有機性原料からガス及びスラグを生成するものであれば特に限定されない。ガス化炉としては、例えば、焼却炉で廃棄物を焼却した後の灰等の残渣を溶融する灰溶融炉（電気式、バーナー式、副資材溶融式など）、及びガス化溶融炉（廃棄物のガス化と溶融を同時に行う直接溶融炉、廃棄物をガス化した後に溶融する流動床式ガス化溶融炉、キルン式ガス化溶融炉、プッシャー式ガス化溶融炉など）が挙げられる。ガス化炉の熱源による分類としては、例えば、電気式溶融炉（交流アーク式溶融炉、交流電気抵抗式溶融炉、直流電気抵抗式溶融炉、プラズマ式溶融炉、誘導式溶融炉など）、燃料燃焼式溶融炉（回転式表面溶融炉、反射式表面溶融炉、輻射式表面溶融炉、旋回流式溶融炉、ロータリーキルン式溶融炉、コークスヘッド式灰溶融炉など）、及び直接燃焼式溶融炉（コークスヘッド式ごみ溶融炉、熱分解・旋回流式溶融炉、内部式溶融炉など）が挙げられる。ガス化炉は、有機性廃棄物から有価ガス（水素ガス、一酸化炭素ガスなど）を発生させるガス化プラント（ガス化改質プラントなど）の高温ガス化炉であってもよい。

一実施態様では、ガス化炉は、有機性原料をガス化又は燃焼させる燃焼室と、生成したスラグを冷却及び回収する不燃性物質分離室と、燃焼室に設けられたアルカリ金属含有化合物の導入口とを備える。ガス化炉は旋回式溶融炉であることが好ましい。

一実施態様では、ガス化炉は、廃棄物として廃プラスチック、都市ごみ、下水汚泥、廃ＦＲＰ、バイオマス廃棄物、自動車廃棄物、廃油等の有機性廃棄物をガス化処理する二段ガス化装置における高温ガス化炉である。高温ガス化炉では、有機性原料から水素ガス、一酸化炭素ガスなどの合成ガス（燃料ガスともいう。）と、アルミニウム、ケイ素、カルシウム、鉄などの酸化物を灰分として含むスラグが生成する。有機性原料は、前記有機性廃棄物又は炭化水素ガスの他に、水素ガス、一酸化炭素ガス、タール、可燃性炭素質粒子（チャー）、及び不燃性物質（灰分）を含む粒子等の有機性原料以外のものを同伴して高温ガス化炉に投入されてもよい。有機性原料は、可燃性炭素質粒子及び不燃性物質を含む粒子を同伴する可燃性気体の形態であってもよい。

以下、例示的なガス化炉として、有機性廃棄物の二段ガス化装置の高温ガス化炉について詳細に説明する。

二段ガス化装置は、有機性廃棄物を一次ガス化して有機性原料を生成する低温ガス化炉と、低温ガス化炉で生成した有機性原料を二次ガス化してガス及びスラグを生成する高温ガス化炉とを備える。

図１に、一実施態様のガス化炉（高温ガス化炉）の概略断面図を示す。ガス化炉は、旋回式溶融炉であり、一般に円筒状の形状を有する燃焼室１、スロート部１１、及び不燃性物質分離室１２を備える。燃焼室１には、側面壁２に有機性原料導入口３と有機性原料を燃焼させるためのガス化剤（通常は酸素ガスと水蒸気の混合ガス）を供給するガス化剤導入口４とを備え、燃焼室１の頂部には、燃焼室１の上部にて不足する場合がある酸素又は水蒸気を供給するための頂部ガス化剤導入口５が設けられている。図１では、２つのガス化剤導入口４が示されているが、ガス化剤導入口４の数は特に限定されない。

有機性原料導入口３とガス化剤導入口４は、燃焼室１に供給された有機性原料が燃焼室１の鉛直方向に延びる軸の周りを旋回しながら下降するように側面壁２に配置されている。燃焼室１に供給された有機性原料は、粒子状の可燃分を多く含有する外周側の旋回流と、ガス状の可燃分を多く含有する内周側の旋回流とを形成する。粒子状の可燃分を多く含有する外周側の旋回流に向けて、側面壁２のガス化剤導入口４から酸素ガスなどのガス化剤が供給されることで、粒子状の可燃分のガス化が促進される。

図１では、燃焼室１の側面壁２の周囲が鋼皮６で覆われ、さらにその外側が、冷却媒体を内部に通す冷却ジャケット７で覆われている。側面壁２は、耐火物（通常はキャスタブル耐火物）で形成されるが、溶融スラグの浸食作用などによって表面が削られることがある。この場合、冷却媒体により側面壁２の温度を溶融スラグの融点前後まで冷却させて、溶融スラグを固着させることにより、側面壁２の浸食を抑制することができる（スラグによるセルフコーティング）。冷却媒体は特に限定されないが、通常は、ボイラ用水が用いられ、冷却ジャケット７内ではボイラ用水の一部が水蒸気となって存在する。

燃焼室１の底部８は、側面壁２と同様に耐火物（通常はキャスタブル耐火物）で形成され、ガス化炉の燃焼室１と不燃性物質分離室１２との境界にスロート部１１が配置されている。図１では、燃焼室１の開口部９は、燃焼室１の軸位置に設けられているが、開口部９は燃焼室１の軸位置から偏心して（燃焼室１の軸位置の周囲に開口部の中心が位置するように）設けられていてもよい。

耐火物の厚さが減少しやすいガス化炉の側面壁２の上部は、１０～８０質量％Ｃｒ_２Ｏ_３－Ａｌ_２Ｏ_３系のキャスタブルで内張りされていることが好ましい。ガス化炉の側面壁２の下部及び燃焼室１の底部８は、１０～３０質量％Ｃｒ_２Ｏ_３－Ａｌ_２Ｏ_３系のキャスタブルで内張りすることができる。

不燃性物質分離室１２では、スロート部１１から下方に延びるようにスロート部１１に接続された円筒状下降管１４の下方先端が、水槽部１６の冷却水に水没するように延びている。スロート部１１を通過するガス及び溶融スラグが水槽部１６の冷却水に吹き込まれる。円筒状下降管１４の周囲には、円筒状下降管１４の外径よりも内径が大きい円筒状上昇管１５が、円筒状下降管１４と同心状に設置されている。水槽部１６の冷却水に吹き込まれたガスは、円筒状下降管１４と円筒状上昇管１５の間を通って、不燃性物質分離室１２の側面に設けられているガス取出し口１７から回収される。

水槽部１６の冷却水は、冷却水導入管１３から供給される。冷却水導入管１３から供給された冷却水は、円筒状下降管１４の内壁表面を流れ落ちて、水槽部１６に溜まる。水槽部１６に溜まった冷却水は、水槽部１６の側面に設けられている冷却水取出し口１９から外部に排出される。水槽部１６の冷却水に吹き込まれた溶融スラグは、水槽部１６の冷却水により急冷されてスラグ粒（粗粒スラグ）となり、水槽部１６の底部に設けられているスラグ排出口１８から取り出される。冷却水の温度は１５０℃～１６０℃であることが好ましい。これにより、高温のガス及び溶融スラグは２００℃以下まで急冷される。

図１では、円筒状下降管１４は下方で内径が小さくなっており、その下方先端は鋸歯形状を有するように示されているが、円筒状下降管１４の形状は特に限定されない。円筒状下降管１４の内壁表面は、冷却水が旋回しながら流れ落ちるような形状であることが好ましい。これにより、高温のガスが効果的に円筒状下降管１４の内側表面の冷却水と接触して、ガスを効率的に冷却することができる。

図１に示す不燃性物質分離室１２は例示的であり、ガスを冷却水で冷却しなくてもよい。例えば、ガスの熱を輻射ボイラで回収して発電などに利用してもよい。

ガス化炉の燃焼室１内の温度は１２００℃以上１６００℃以下であることが好ましく、１２５０℃以上１５５０℃以下であることがより好ましく、１３５０℃以上１４５０℃以下であることが更に好ましい。

ガス化炉の炉内圧力は、０．５ＭＰａＧ（ゲージ圧）以上９．０ＭＰａＧ以下であることが好ましく、０．８ＭＰａＧ以上２．０ＭＰａＧ以下であることがより好ましい。ガス化炉の炉内圧力が９．０ＭＰａＧ以下であれば、適正な燃焼温度を確保することができ、耐圧及び耐熱の観点から設備費用を過度に増加させずに経済的にガス化処理を行うことができる。ガス化炉の炉内圧力が０．５ＭＰａＧ以上であれば、常圧でガス化処理を行う場合と比べて設備を小型化することができる。

アルカリ金属含有化合物は、ガス化炉に直接投入してもよく、ガス化炉に投入する有機性原料と混合することによりガス化炉に間接的に投入してもよい。アルカリ金属含有化合物をガス化炉に直接投入することが、ガス化炉にアルカリ金属含有化合物を効率よく到達させることができ、アルカリ金属含有化合物の搬送等に係るエネルギーの有効活用の観点から好ましい。

図１では、ガス化炉の燃焼室１の側面にアルカリ金属含有化合物導入口１０が配置されている。アルカリ金属含有化合物導入口１０は、頂部ガス化剤導入口５の代わりに、又はそれに加えて、ガス化炉の燃焼室１の上部に配置されてもよい。アルカリ金属含有化合物導入口１０は、複数であってもよい。アルカリ金属含有化合物は、アルカリ金属含有化合物導入口１０から直接ガス化炉に投入することができる。燃焼室１の側面又は上部に配置されたアルカリ金属含有化合物導入口からアルカリ金属含有化合物を投入することにより、高温状態で有機性原料又は溶融スラグにアルカリ金属含有化合物を効果的に混合することができる。

アルカリ金属含有化合物導入口１０は外管及び内管を有する二重管を備えてもよい。二重管の内管にアルカリ金属含有化合物を供給し、二重管の外管に不活性ガスを供給することにより、アルカリ金属含有化合物を分散して、あるいはアルカリ金属含有化合物が水溶液の形態である場合は霧化して、より均一にガス化炉に投入することができる。

アルカリ金属含有化合物導入口１０を二重管として、二重管の内管にアルカリ金属含有化合物を供給し、二重管の外管にガス化剤又は水蒸気を供給してもよい。これにより、アルカリ金属含有化合物導入口１０と、ガス化剤導入口４又は頂部ガス化剤導入口５とをガス化炉の同じ位置に設けることができる。

アルカリ金属含有化合物をガス化炉に投入する有機性原料と混合する場合、例えば、有機性原料導入口３の上流側にアルカリ金属含有化合物導入口を設け、そこからアルカリ金属含有化合物を有機性原料に添加して混合することができる。

アルカリ金属含有化合物としては、例えば、水酸化ナトリウム、水酸化カリウムなどのアルカリ金属水酸化物、炭酸ナトリウム、炭酸カリウムなどのアルカリ金属炭酸塩、炭酸水素ナトリウム、炭酸水素カリウムなどのアルカリ金属炭酸水素塩、及びケイ酸ナトリウム、ケイ酸カリウムなどのアルカリ金属ケイ酸塩が挙げられる。アルカリ金属含有化合物は、安価であることからナトリウム含有化合物であることが好ましく、保管時に安定であることから水酸化ナトリウム及びケイ酸ナトリウムがより好ましく、燃焼室１の側面壁２を形成する耐火物への影響が少ないことから、ケイ酸ナトリウムが更に好ましい。

アルカリ金属含有化合物は、ガス化炉への直接投入が容易であること、あるいは有機性原料とより均一に混合させることができることから、水溶液の形態で投入されることが好ましい。例えば、水酸化ナトリウムは、５質量％～５０質量％の水溶液とすることができる。ケイ酸ナトリウムは、水溶液の形態、すなわち水ガラスとして投入することができる。

ケイ酸ナトリウム中の二酸化ケイ素と酸化ナトリウムのモル比（二酸化ケイ素のモル数／酸化ナトリウムのモル数）は、酸化ナトリウムを１としたときに、二酸化ケイ素が０．４以上４．５以下であることが好ましく、１．２以上３．５以下であることがより好ましく、２．３以上３．３以下であることが更に好ましい。ケイ酸ナトリウム中の二酸化ケイ素と酸化ナトリウムのモル比が上記範囲であれば、スラグの流動性を効果的に高めることができる。二酸化ケイ素及び酸化ナトリウムの質量は、ＪＩＳ Ｋ １４０８：１９６６に規定の方法に準拠して測定される。

ケイ酸ナトリウム中の二酸化ケイ素の質量は、好ましくは１９．０質量％以上４０．０質量％以下であり、より好ましくは２１．０質量％以上３５．０質量％以下であり、更に好ましくは２３．０質量％以上３０．０質量％以下である。

ケイ酸ナトリウム中の酸化ナトリウムの質量は、好ましくは５．０質量％以上３０質量％以下であり、より好ましくは７．０質量％以上２５．０質量％以下、更に好ましくは９．０質量％以上１５．０質量％以下である。

ケイ酸ナトリウムの１５℃における比重は、好ましくは３０以上であり、より好ましくは３５以上、更に好ましくは３８以上である。ケイ酸ナトリウムの比重は、ＪＩＳ Ｚ ８８０４：２０１２に規定の重ボーメ度うきばかりを用いて測定される。

アルカリ金属含有化合物の使用量は、アルカリ金属含有化合物を投入する前の溶融スラグ１００質量部を基準として、０．５質量部以上２０．０質量部以下であることが好ましく、１．０質量部以上１５．０質量部以下であることがより好ましく、３．０質量部以上１２．０質量部以下であることが更に好ましい。

スロート部の温度がスラグの溶流点より高くなるように、アルカリ金属含有化合物を投入することが好ましい。これにより、スロート部におけるスラグの固化を防止して、固化したスラグの掻き取りなどのメンテナンス作業を不要に又は軽減することができる。

スロート部における差圧及び粗粒スラグの排出量に基づいて、アルカリ金属含有化合物の投入量を制御することもできる。

更に、ケイ素含有化合物（但し、前述のアルカリ金属含有化合物に該当するケイ素含有化合物、例えば、ケイ酸ナトリウム等は除く）を、ガス化炉に直接投入してもよく、ガス化炉に投入する有機性原料と混合することによりガス化炉に間接的に投入してもよい。ケイ素含有化合物として、例えば、硅砂、アルカリ金属ケイ酸塩以外のケイ酸塩、及びシロキサン化合物が挙げられる。ケイ素含有化合物は、流動媒体であってもよい。後述のように一実施態様の二段ガス化装置は、ガス化炉（高温ガス化炉）の前工程として低温ガス化炉を有する。低温ガス化炉が流動床ガス化炉である場合、硅砂、オリビン砂、アルミナなどの流動媒体を用いることがある。前工程で使用される流動媒体は、有機性原料に同伴して前工程から移動することで、ガス化炉に投入されてもよい。

低粘度化したスラグ中の二酸化ケイ素と酸化ナトリウムのモル比（二酸化ケイ素のモル数／酸化ナトリウムのモル数）は、好ましくは１．０以上１５．０以下であり、より好ましくは２．０以上１０．０以下であり、更に好ましくは２．５以上８．０以下である。

一実施態様では、スラグのナトリウム及びケイ素の含有量を分析し、スラグ中の二酸化ケイ素と酸化ナトリウムのモル比（二酸化ケイ素のモル数／酸化ナトリウムのモル数）が２．５以下のときに、アルカリ金属含有化合物を投入する。これにより、低粘度化したスラグ中の二酸化ケイ素と酸化ナトリウムのモル比を上記好適範囲に維持して、ガス化炉を長期間にわたって安定的に操業することができる。スラグの採取はガス化炉底部から行うことができる。有機性廃棄物又は有機性原料の代表サンプルの成分及びガス化炉の操業実績から、スラグの成分を推定することもできる。

低粘度化したスラグは、アルカリ金属を酸化物換算で好ましくは１．５質量％以上２０．０質量％以下含み、より好ましくは３．０質量％以上１５．０質量％以下含み、更に好ましくは５．０質量％以上１０．０質量％以下含む。

低粘度化したスラグの鉄の含有量は、酸化物（Ｆｅ_２Ｏ_３）換算で好ましくは６．０質量％未満、より好ましくは５．５質量％未満、更に好ましくは５．０質量％未満である。低粘度化したスラグの鉄の含有量を上記範囲とすることにより、粗粒スラグを資源として有効利用することができ、産業廃棄物として処理する場合でも、粗粒スラグの比重を処理に適した範囲とすることができる。

一実施態様では、スラグの主成分は、酸化アルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３）及び二酸化ケイ素（ＳｉＯ_２）である。酸化アルミニウム及び二酸化ケイ素を主成分として含むスラグにアルカリ金属、及び必要に応じてケイ素を添加してスラグの成分比を変更することにより、スラグの軟化点、融点、及び溶流点をより効果的に低下させることができる。これにより、スロート部の閉塞若しくは狭窄、又はガス化炉底部の閉塞を抑制又は防止することができる。

一実施態様では、溶融スラグの成分変化による溶流点の変化は、酸化アルミニウム／二酸化ケイ素／酸化ナトリウムの三成分系に類似する挙動を示す。この実施態様では、酸化アルミニウム／二酸化ケイ素／酸化ナトリウムの三成分系の成分比と溶流点の関係を示す三角線図を用いて、スラグの低粘度化に必要なアルカリ金属含有化合物の組成及び添加量を決定することができる。

一実施態様では、アルカリ金属含有化合物を投入する前の溶融スラグの成分及び組成は以下のとおりである。
Ａｌ_２Ｏ_３：１０質量％～５０質量％
ＳｉＯ_２：２０質量％～６０質量％
Ｎａ_２Ｏ：０．１質量％～２０質量％
ＣａＯ：１質量％～２０質量％
ＴｉＯ_２：１質量％～１５質量％
Ｆｅ_２Ｏ_３：１質量％～１０質量％
残部（ＭｇＯなど）

一実施態様では、ガス化処理中にスラグのＮａ_２Ｏ濃度が１０質量％未満、好ましくは５．０質量％未満、より好ましくは３．０質量％未満、更に好ましくは１．５質量％未満となった時点で、アルカリ金属含有化合物を投入する。スラグの採取はガス化炉底部から行うことができる。

一実施態様では、有機性廃棄物の二段ガス化方法は、低温ガス化炉内で有機性廃棄物を一次ガス化して有機性原料を生成することと、有機性原料を高温ガス化炉に投入することと、高温ガス化炉内で有機性原料を二次ガス化してガス及びスラグを生成することとを含み、高温ガス化炉に直接又は間接にアルカリ金属含有化合物を投入してスラグを低粘度化することを含む。

図２に、一実施態様のガス化炉を備える有機性廃棄物の二段ガス化装置の構成図を示す。二段ガス化装置は、低温ガス化炉２３及び高温ガス化炉２７を備えている。高温ガス化炉２７は本開示の対象とするガス化炉であり、既に説明したとおりである。低温ガス化炉の種類は、特に限定されず、ストーカ炉又は流動床ガス化炉であることが好ましく、流動床ガス化炉であることがより好ましく、加圧型の流動床ガス化炉であることが更に好ましい。図２では低温ガス化炉２３は流動層２４を有する流動床ガス化炉として示されている。

有機性廃棄物は、特に限定されないが、廃プラスチック、都市ごみ、下水汚泥、バイオマス廃棄物、廃繊維強化プラスチック（ＦＲＰ）、自動車廃棄物、産業廃棄物、鉄鋼スラグ及び固形化燃料からなる群より選ばれる少なくとも１つであることが好ましい。運搬効率の点から、有機性廃棄物は、都市ごみを固形化燃料としたRefuse Derived Fuel（以下「ＲＤＦ」ともいう。）又は廃プラスチックを固形化燃料としたRefuse Paper & Plastic Fuel（以下「ＲＰＦ」ともいう。）であることがより好ましく、組成のばらつきの少なさ、高発熱量及び低水分含有量の観点からＲＰＦであることが更に好ましい。有機性廃棄物は、複数を組み合わせてもよい。

有機性廃棄物の補助燃料として、石炭、石油系燃料等を用いることもできる。

有機性廃棄物は、５ｍｍ～３０ｍｍ程度の大きさに粗破砕及び必要に応じて圧縮されたペレットとして、低温ガス化炉２３に供給してもよい。液状の有機性廃棄物はそのまま低温ガス化炉２３に供給することができる。

低温ガス化炉２３の内部では、炉の下方から供給された流動化ガスｂによって流動化した流動媒体（例えば、硅砂、オリビン砂などの砂、アルミナ、鉄粉、石灰石、ドロマイト等）が流動層２４を形成している。流動化ガスｂとしては、一般に、酸素ガス、空気、若しくは水蒸気又はこれらの混合ガスが用いられる。流動化ガスｂとして供給される酸素ガス又は空気は、有機性廃棄物のガス化剤としても作用する。低温ガス化炉２３に供給される有機性廃棄物ａは、４５０～８５０℃（例えば６００℃）の温度に保持された流動層２４内で、炉内に供給された酸素ガス又は空気により、速やかに部分燃焼（不完全燃焼）されて、例えば、有機性原料の一部（炭化水素ガスなど）、及び水素ガス、一酸化炭素ガス、タール、可燃性炭素質粒子などが生成する。この部分燃焼により生じた熱は、低温ガス化炉内の温度を維持する熱として利用される。

低温ガス化炉２３に供給される空気又は酸素の量は、有機性廃棄物を完全燃焼させるのに必要な理論酸素量の５％以上３０％以下であることが好ましく、１０％以上２０％以下であることがより好ましい。

低温ガス化炉２３の炉内温度は、４５０℃以上８５０℃以下であることが好ましく、６００℃以上８００℃以下であることがより好ましい。低温ガス化炉２３の炉内温度が８５０℃以下であれば、有機性廃棄物に含まれる金属のうち融点が流動層温度より高いものは、未酸化状態の有価金属として低温ガス化炉底部より流動媒体と共に排出することができる。低温ガス化炉２３の炉内温度が４５０℃以上であれば、タールとチャーの生成が抑制される一方で、ガス化を効率的に進行させることができる。

低温ガス化炉２３の炉内圧力は、０．５ＭＰａＧ（ゲージ圧）以上９．０ＭＰａＧ以下であることが好ましく、１．０ＭＰａＧ以上２．０ＭＰａＧ以下であることがより好ましい。低温ガス化炉２３の炉内圧力が９．０ＭＰａＧ以下であれば、耐圧及び耐熱の観点から設備費用を過度に増加させずに経済的にガス化処理を行うことができる。低温ガス化炉２３の炉内圧力が０．５ＭＰａＧ以上であれば、常圧でガス化処理を行う場合と比べて設備を小型化することができる。

低温ガス化炉２３の炉底からは、流動媒体が不燃物と共にロックホッパ２５を介して排出され、スクリーン２６により粗大な不燃物ｄが除去される。不燃物が除去された流動媒体ｃは、低温ガス化炉２３の内部に戻される。分離された粗大な不燃物ｄに含まれている金属（例えば、鉄、銅、アルミニウムなど）は、流動層２４が比較的低温度で、しかも酸素が不足した状態となっているので、ほとんどが未酸化の状態である。

有機性廃棄物の部分燃焼により生成した可燃性炭素質（固形カーボン）は、流動層２４の撹拌運動により微粉砕されて、粒子（チャー）となって有機性原料の流れに同伴する。不燃性物質（灰分）の一部も流動層２４の撹拌運動により微粉砕されて、粒子となって有機性原料の流れに同伴する。

不燃性物質を含む粒子と可燃性炭素質粒子とを浮遊状態で伴う有機性原料ｅは、高温ガス化炉２７の有機性原料導入口３から燃焼室１に供給されて旋回しながら下降する。有機性原料と可燃性炭素質粒子はガス化剤導入口４及び頂部ガス化剤導入口５から供給されたガス化剤（酸素ガスと水蒸気との混合ガス）ｆによって燃焼する。有機性原料と可燃性炭素質粒子の燃焼熱により燃焼室１内の温度は１３００～１５００℃に維持される。可燃性炭素質粒子の燃焼により、一酸化炭素ガス、及び二酸化炭素ガスが生成する。ガス化剤に含まれている水蒸気と可燃性炭素質粒子との水性ガス化反応により、一酸化炭素ガス及び水素ガスも生成する。

有機性原料ｅに同伴する不燃性物質を含む粒子は、燃焼室１にて溶融スラグとなる。合成ガス（水素ガス、一酸化炭素ガス、及び二酸化炭素ガス）、及び溶融スラグは不燃性物質分離室１２で急冷され、合成ガスはガス取出し口１７から、スラグ粒（粗粒スラグ）はスラグ排出口１８から取り出される。

有機性原料ｅが、固形物（可燃性炭素質粒子、又は不燃性物質）を多く伴う場合には、高温ガス化炉２７に供給する前に、予めサイクロン等を用いて気体と固形物とを分離し、気体を有機性原料導入口３から、固形物はガス化剤ｆと共に頂部ガス化剤導入口５から高温ガス化炉２７の燃焼室１に導入することが好ましい。サイクロンにより分離された固形物をガス化剤ｆと共に高温ガス化炉２７の燃焼室１に導入することにより、固形物中の可燃性炭素質粒子が優先的にガス化剤と接触するので、未燃焼カーボンの発生量を減らすことができる。

高温ガス化炉２７のガス取出し口１７から取り出された合成ガスｈは、スクラバ３１にて洗浄され、合成ガスｈに同伴してきた微量の残存するスラグ（スラグミスト）が除去される。スクラバ３１にて洗浄された合成ガスｈ’に含まれる一酸化炭素ガス及び水素ガスは、各種の化学工業原料として利用することができる。有機性廃棄物を二段ガス化装置でガス化処理して得られた水素ガスをアンモニア合成用の水素源として用いることもできる。スクラバ３１にて回収されたスラグは貯留槽３２にて沈降濃縮されて微粒スラグｇ_ｆとして、外部に排出される。微粒スラグｇ_ｆには、可燃性炭素質粒子が多く含まれているため、高温ガス化炉に再供給することが好ましい。

一方、高温ガス化炉２７のスラグ排出口１８から取り出されたスラグ粒ｇは、ロックホッパ２８により適宜貯留槽２９へ排出される。ここで回収された粗粒スラグは、スクリーン３０により水と分離される。粗粒スラグｇ_ｃは、セメントや土木建築用の資材として利用することができる。

アルカリ金属含有化合物ｍは、高温ガス化炉２７に設けられたアルカリ金属含有化合物導入口１０から高温ガス化炉２７に直接投入することができる。低温ガス化炉２３と高温ガス化炉２７をつなぐラインの途中でアルカリ金属含有化合物ｍを導入して、有機性原料にアルカリ金属含有化合物を投入してもよい。

高温ガス化炉のガス取出し口１７から取り出された合成ガスに含まれる一酸化炭素ガス及び水素ガスは、各種の化学工業原料として利用することができる。例えば合成ガスを出発原料として、ＣＯ転化反応により水素ガスを得て、アンモニアガスを製造することもできる。

以下の実施例において、本開示の具体的な実施態様を例示するが、本発明はこれに限定されるものではない。部及びパーセントは全て、特に明記しない限り質量による。

＜使用試薬＞
アルカリ金属含有化合物として以下の試薬を使用した。
ケイ酸ナトリウム（東洋珪酸曹達株式会社製、ＳｉＯ_２：２３．７～２６％、Ｎａ_２Ｏ：１０．３～１１．３％）
水酸化ナトリウム（純正化学株式会社製、特級）

＜スラグの軟化点、融点、及び溶流点＞
スラグの軟化点、融点、及び溶流点は、ＪＩＳ Ｍ ８８０１：２００４に準拠して、ミルを用いてスラグを微粉状に粉砕して得られたサンプルを８００℃で５時間灰化処理した後に、ライツ高温加熱顕微鏡を用いて、水素：二酸化炭素の体積比が１：１の混合ガス雰囲気下にて測定した。

＜Ｃｒ溶出量＞
耐火材キャスタブルをケイ酸ナトリウム又は水酸化ナトリウムを含む浸漬液に浸漬したときのＣｒ溶出量を以下の手順で測定した。

（１）酸分解
耐火材キャスタブルを浸漬した後の浸漬液０．１ｇ、リン酸（純正化学株式会社製、特級）６ｍＬ、塩酸（純正化学株式会社製、特級）４ｍＬ、フッ酸（純正化学株式会社製、特級４６％～４８％）２．５ｍＬ、及び硝酸（関東化学株式会社製、電子工業用硝酸１．４２ＥＬ）２ｍＬをマイクロウェーブ分解容器（株式会社アクタック製、ＭＷＳ３＋）に入れた。

（２）マイクロウェーブ加熱分解
マイクロウェーブ分解容器に入った溶液のマイクロウェーブ加熱分解を以下の（ｉ）から（iv）の一連の操作を２回繰り返して酸分解液を得た。
（ｉ）５分間で１９０℃まで上昇させ、５分間１９０℃維持する
（ii）２分間で２１０℃まで上昇させ、５分間２１０℃維持する
（iii）２分間で２３０℃まで上昇させ、２５分間２３０℃維持する
（iv）１分間で１００℃まで下げる

（３）ＩＣＰ－ＡＥＳ分析
マイクロウェーブ加熱分解により得られた酸分解液を２５０ｍＬのメスフラスコに全量移し、超純水（メルク社製、Ｄｉｒｅｃｔ－Ｑ ＵＶ）で２５０ｍＬまでメスアップし、メスアップしたものから１０ｍＬ採取し、更に１００ｍＬにメスアップしたものを分析サンプルとした。ＪＩＳ Ｋ ０１１６：２０１４に準拠して、ＩＣＰ－ＡＥＳ（株式会社島津製作所製、ＩＣＰＳ－８１００）を用いて分析サンプルを測定し、Ｃｒ溶出量を定量した。

１．アルカリ金属含有化合物添加によるスラグの軟化点、融点、及び溶流点の降下
図２に示す二段ガス化装置の高温ガス化炉底部より採取したスラグ（実機スラグ１～３、アルカリ金属含有化合物は非投入）、及び実機スラグ１又は３に表１に記載のアルカリ金属含有化合物を添加したものを用いて、軟化点、融点、及び溶流点を測定した。スラグの組成及び測定結果を表１に示す。

実施例１～５では、軟化点、融点、及び溶流点がいずれも、参考例１～３よりも低かった。

２．耐火材材質試験
耐火材キャスタブル（１０ｃｍ×１０ｃｍ×１０ｃｍ）を電気炉にて１１０℃で３時間、１０００℃で３時間焼成し、３００ｇの浸漬液に浸漬した後、浸漬液中のＣｒ濃度を測定した。結果を表２に示す。

浸漬液としてケイ酸ナトリウムを用いた場合、耐火材キャスタブルのＣｒ成分の溶出は確認されなかったが、水酸化ナトリウム水溶液を用いた場合、Ｃｒ成分の溶出が確認された。

３．耐火材実機試験
図２に示す二段ガス化装置を、有機性廃棄物の処理量を５ｔ／ｈとし、高温ガス化炉の燃焼室出口のガス温度を１４５０℃、炉内圧力を０．９ＭＰａＧとして運転しながら、高温ガス化炉の側管（アルカリ金属含有化合物導入口）から直接高温ガス化炉にケイ酸ナトリウムを１００Ｌ／ｈの供給量で投入し、二段ガス化装置を６か月間運転した。停止後に高温ガス化炉を開けたところ、耐火材への影響は見られなかった。

図２に示す二段ガス化装置を、有機性廃棄物の処理量を５ｔ／ｈとし、高温ガス化炉の燃焼室出口のガス温度を１４５０℃、炉内圧力を０．９ＭＰａＧとして運転しながら、高温ガス化炉の側管（アルカリ金属含有化合物導入口）から直接高温ガス化炉に水酸化ナトリウム水溶液を１５０Ｌ／ｈの供給量で投入し、二段ガス化装置を０．５か月間運転した。停止後に高温ガス化炉を開けたところ、耐火材の厚さが減少していた。

１ 燃焼室
２ 側面壁
３ 有機性原料導入口
４ ガス化剤導入口
５ 頂部ガス化剤導入口
６ 鋼皮
７ 冷却ジャケット
８ 底部
９ 開口部
１０ アルカリ金属含有化合物導入口
１１ スロート部
１２ 不燃性物質分離室
１３ 冷却水導入管
１４ 円筒状下降管
１５ 円筒状上昇管
１６ 水槽部
１７ ガス取出し口
１８ スラグ排出口
１９ 冷却水取出し口
２３ 低温ガス化炉
２４ 流動層
２５ ロックホッパ
２６ スクリーン
２７ 高温ガス化炉
２８ ロックホッパ
２９ 貯留槽
３０ スクリーン
３１ スクラバ
３２ 貯留槽

Claims (14)

1. 有機性原料が投入されてガス及びスラグを生成するガス化炉において、前記ガス化炉に直接又は間接にアルカリ金属含有化合物を投入して前記スラグを低粘度化することを含む、ガス化炉の操業方法であって、
   前記スラグのナトリウム及びケイ素の含有量を分析すること、及び
   前記スラグ中の二酸化ケイ素と酸化ナトリウムのモル比（二酸化ケイ素のモル数／酸化ナトリウムのモル数）が２．５以下のときに、前記アルカリ金属含有化合物を投入することを更に含み、前記アルカリ金属含有化合物がケイ酸ナトリウムである、ガス化炉の操業方法。
2. 前記ケイ酸ナトリウムが水溶液の形態で投入される、請求項１に記載の方法。
3. 前記ケイ酸ナトリウム中の二酸化ケイ素と酸化ナトリウムのモル比（二酸化ケイ素のモル数／酸化ナトリウムのモル数）が、０．４以上４．５以下である、請求項１又は２に記載の方法。
4. 前記ガス化炉に直接又は間接にケイ素含有化合物を投入することを含む、請求項１～３のいずれか一項に記載の方法。
5. 前記ケイ素含有化合物が流動媒体である、請求項４に記載の方法。
6. 低粘度化した前記スラグ中の二酸化ケイ素と酸化ナトリウムのモル比（二酸化ケイ素のモル数／酸化ナトリウムのモル数）が１．０以上１５．０以下である、請求項１～５のいずれか一項に記載の方法。
7. 低粘度化した前記スラグがアルカリ金属を酸化物換算で１．５質量％～２０．０質量％含む、請求項１～６のいずれか一項に記載の方法。
8. 前記アルカリ金属含有化合物を前記有機性原料と混合して前記ガス化炉に投入することを含む、請求項１～７のいずれか一項に記載の方法。
9. 低温ガス化炉内で有機性廃棄物を一次ガス化して有機性原料を生成することと、前記有機性原料を高温ガス化炉に投入することと、前記高温ガス化炉内で前記有機性原料を二次ガス化してガス及びスラグを生成することとを含む、有機性廃棄物の二段ガス化方法であって、前記高温ガス化炉に直接又は間接にアルカリ金属含有化合物を投入して前記スラグを低粘度化することを含み、
   前記スラグのナトリウム及びケイ素の含有量を分析すること、及び
   前記スラグ中の二酸化ケイ素と酸化ナトリウムのモル比（二酸化ケイ素のモル数／酸化ナトリウムのモル数）が２．５以下のときに、前記アルカリ金属含有化合物を投入することを更に含み、前記アルカリ金属含有化合物がケイ酸ナトリウムである、有機性廃棄物の二段ガス化方法。
10. 前記高温ガス化炉が有機性原料からガス及びスラグを生成するガス化炉であって、前記有機性原料をガス化又は燃焼させる燃焼室と、生成したスラグを冷却及び回収する不燃性物質分離室と、前記燃焼室に設けられたアルカリ金属含有化合物の導入口とを備える、請求項９に記載の方法。
11. 前記導入口が外管及び内管を有する二重管を備え、前記アルカリ金属含有化合物が内管に供給され、不活性ガスが外管に供給される、請求項１０に記載の方法。
12. 前記導入口が前記燃焼室の側面に配置されている、請求項１０又は１１に記載の方法。
13. 前記高温ガス化炉が旋回式溶融炉である、請求項１０～１２のいずれか一項に記載の方法。
14. 前記低温ガス化炉が流動床ガス化炉である、請求項９～１３のいずれか一項に記載の方法。

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