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(2) 我が国経済の高度成長とともに進展した大量生産、大量消費および大量廃棄社 会は、ごみ公害問題を招き、これに対処すべく、ごみの埋立、および焼却後の灰 埋立が進められた。その後、減量減容化や衛生面などの観点から、焼却後灰の埋 立の比率が増加していった。このような中、ダイオキシン問題が発生したため、 対応策として、ごみ焼却炉は、小型のバッチ炉や准連炉から大型の連続炉に移行 し、ダイオキシン除去のための高度排ガス処理設備等が付加されるなど、技術の 高度化が進んだ。さらに、ごみの高カロリ－化に伴い、ごみ焼却発電など、エネ ルギ－回収が積極的に行われるようになった。 こ の よ う な 中 、 ご み は 毎 年 、 5,000 万 ト ン 以 上 、 排 出 さ れ 続 け て い る が 、 ご み や灰の最終処分場の残余容量は減少の一途をたどっており、最終処分場の逼迫が 大きな問題となっていった。また灰からのダイオキシン類の排出も大きな問題と なった。これらの問題を解決するために、灰中のダイオキシンを高温で分解し、 灰を溶融固化し、スラグを再利用することにより、最終処分場を不要とする高温 溶融技術が脚光を浴び、各社は開発や技術導入にしのぎを削り、平成１８年度末 で１７０の溶融施設が稼働するに至った。 廃棄物溶融方式には、焼却灰や飛灰を単独で溶融する灰溶融炉と、廃棄物を直 接溶融するガス化溶融炉に大別される。灰溶融炉は、主に、油やコ－クスなどの 燃焼熱を利用する燃料燃焼式とジュ－ル熱やア－ク熱を利用する電気式に分かれ る。本論文の研究対象である灰溶融炉は灰中の未燃分および助燃油を燃料とする 燃料燃焼式である。電気式の場合、炉底メタル成長の抑制および異常放電防止の ため、投入できる灰中鉄分量割合や灰の含水率に制約がある場合が多く、概ね、 ５～１０ｗｔ％付近に限界がある。また従来の燃料燃焼式には鉄を溶かせないも のや、灰の粒度に制約を付けているものもある。さらにガス化溶融炉の場合、ご みの破砕や鉄分除去が必要なものもある。以上をまとめると、従来の廃棄物溶融 技術が抱えている問題としては、①鉄やクリンカを事前除去する必要があり全量 溶融できない場合がある、②品質によってはスラグが有効利用できない場合があ る、③システムの高度化、複雑化および大規模化により、建設コストが増大して い る 、④ 安 定 稼 動 と ス ラ グ 品 質 確 保 の た め 外 部 か ら 熱 を 補 い 、燃 費 が 悪 化 す る. が. あげられる。これら課題を解決できる廃棄物焼却溶融システムを開発することと し、収集された一般廃棄物をそのまま焼却炉に投入し、焼却炉から排出された灰 を１００％そのまま灰溶融炉に投入し溶融するシステムを念頭に置き、上記に掲 げた問題を解決することを目的とした。 本論文は６章から構成されている。第１章では、本研究の背景や従来技術のか かえている課題をもとに、開発の目的を設定し、具体的な技術開発項目や開発ス ケジュ－ルを明確にした。具体的な技術開発項目として、灰中未燃分量割合を制 2.
(3) 御するための焼却炉の抑制燃焼運転法の確立、焼却炉灰排出量と灰溶融炉灰受入 量とを均衡させる制御法の確立、燃焼・溶融・排出の灰溶融プロセスの構築と安 定溶融技術の確立を掲げた。開発の中核となる灰溶融炉は、平成７年度に実用一 号機を納入した角型灰溶融炉、および平成１５年度に実用一号機を納入したサイ クロン型灰溶融炉の２機種により構成される。 第２章では、角型灰溶融炉を中核とする焼却溶融システムの開発について述べ ている。灰溶融炉内燃焼部は灰中未燃分の積極燃焼をコンパクトに行うため火格 子燃焼方式とし、スラグによる燃焼部閉塞が起こらないよう溶融部との切分けを 行った。そして燃焼排ガスを下流側から抜くことにより、上流側よりも下流側が 高温となる炉内排ガス温度勾配を形成し、溶湯の円滑な出滓を促すべきであると 考えた。当初、灰中未燃分を主体とする溶融を試みたが、灰中未燃分不足（熱量 不足）や排ガス流れ方向の変動により溶融が不安定となる場合があった。これを 避けるため、灰溶融炉の灰投入側のシ－ル機能を強化して常に下流側に向かう安 定した排ガス流れを形成するとともに、熱補助手段として灯油バ－ナおよび小型 プラズマト－チ（高温空気を吐出する非移行型）を設け、灰中未燃分不足を灯油 で補い、溶融を安定させた。そして最終的には、延べ２５０日におよぶ実機の安 定溶融運転を達成した。その後に実施した炉内状況調査の結果、燃焼部はサラサ ラした灰で覆われており、スラグ付着はなかったことから、燃焼部と溶融部とが 常に切り分けられていたことを確認した。 一方、焼却炉については、焼却中のごみ質推定結果に基づいてごみ燃焼用一次 空気量を絞り抑制燃焼運転を行う灰中未燃分量割合制御法を確立した。さらに、 中間灰貯槽の灰レベルの上昇／下降傾向を把握して焼却炉側灰排出量と灰溶融炉 側灰受入量をそれぞれ調整することにより灰供給量のバランスを保つ灰供給量制 御法を確立した。そして、平成７年度、実用一号機の納入をもって角型灰溶融炉 を完成させるに至った。 第３章では、サイクロン型灰溶融炉のホットモデルテスト結果、小型試験炉に よる試験結果および熱流動解析について述べている。多様な廃棄物に対応でき、 スケ－ルアップを有利に進めるため、角型灰溶融炉からサイクロン型灰溶融炉に 変更した。サイクロン型灰溶融炉は、炉内排ガス旋回による混合燃焼の促進、お よび表面溶融部や湯だめによる溶融機能強化を行っている。初期に実施したホッ トモデルテストでは溶融基礎特性を把握した。具体的には、灰中未燃分の増加と ともに外部熱補助を低減できること、炉内排ガス温度上昇とともに灰溶融処理量 を増やせることを確認した。さらに熱流動解析を行い、炉内排ガス旋回に起因す る慣性力により多くの同伴飛灰が周壁に衝突し溶融することを予測することがで きた。そしてホットモデルテスト終了後、炉を解体し炉壁へのスラグ浸透度を調 3.
(4) 査 し 、バ － ナ 間 の 炉 壁 の ス ラ グ 浸 透 が 最 も 顕 著 で あ る こ と を 確 認 で き た こ と か ら 、 サイクロン型灰溶融炉の特徴である炉内排ガス旋回に起因する慣性力を検証する ことができた。以上の溶融特性をベ－スとし、燃焼溶融機能をさらに強力にする ため、次のステップである実証試験から酸素バ－ナを付加することとした。酸素 による未燃分や可燃ガスの燃焼促進、酸素燃焼火炎からの放射伝熱や対流伝熱の 促進を図った。なお、実証試験に先駆けて、この実証試験炉ベ－スでの熱流動解 析を行い、実証試験結果の予測を行った。この熱流動解析モデルは、灰溶融炉内 を上部空間の旋回流領域と下部の灰層領域に分け、各領域における諸現象につい て熱流動解析を行っている。 第 ４ 章 で は 、1 2 ト ン － 灰 ／ 2 4 h の 溶 融 処 理 能 力 を も つ 実 証 試 験 炉 に よ る 灰 溶 融 実証試験結果、およびこれらと熱流動解析モデル性能予測結果との検証について 記載している。従来炉が嫌う鉄やクリンカを多く含む供試灰を溶融できることを 確 認 し た 。 ま た 、 灰 中 未 燃 分 量 割 合 を 42 % 程 度 ま で 増 や す こ と に よ り 、 自 燃 溶 融できることがわかった。また、灰溶融炉のコンパクト化の指標となる燃焼室負 荷 に つ い て は 、 2 4 8 k g ／ m 3・ h と い う 高 い 値 が 得 ら れ た 。 さ ら に 実 証 試 験 結 果 と 第３章で実施した性能予測結果とが、かなり良い一致をみていることから、熱流 動 解 析 モ デ ル の 精 度 が か な り 高 く 、設 計 ツ － ル と し て 活 用 で き る こ と を 確 認 し た 。 そ し て 設 計 基 本 数 値 と し て 、灰 溶 融 処 理 能 力 の 原 単 位 と な る 炉 床 負 荷 2 7 0 k g － 灰 ／ m 2・ h お よ び 安 定 溶 融 状 態 を 維 持 す る た め の 熱 量 原 単 位 で あ る 溶 融 面 の 熱 流 束 150kW／ m2. を得た。この後、別途、実用一号機の実施設計を行うこととなり、. 以 上 の 設 計 基 本 数 値 を は じ め 、実 証 試 験 や 熱 流 動 解 析 で 得 ら れ た 多 く の 知 見 等 を 、 最大限、活用していくこととなった。 第５章では、平成１５年度に実用一号機を納入したサイクロン型灰溶融炉を中 核とした実機焼却溶融システムの性能評価結果について述べている。要求仕様で あ る 60 ト ン － 灰 ／ 24 h の 溶 融 処 理 能 力 に 対 し て 、 第 ４ 章 で 得 ら れ た 設 計 基 本 数 値、および熱流動解析モデルによる性能予測結果をもとに基本設計を行い、実用 一号機である灰溶融炉の構造、基本寸法・形状、付属設備の能力および運転方法 等を決定した。そして、１週間に及ぶ実用一号機の連続焼却溶融運転において所 定の溶融処理能力を持っていることを実証した。このほか、処理困難物と言われ て い る ア ス ベ ス ト や 低 濃 度 PCB の 無 害 化 処 理 試 験 結 果 等 に つ い て も 記 載 し て い る。以上の結果、強力な燃焼溶融機能について顧客より高い評価を得た。 第 ６ 章 で は 結 論 と し て サ イ ク ロ ン 型 焼 却 溶 融 シ ス テ ム が 技 術 的 に 完 成 し 、当 初 、 掲げた研究目的を達成したことを述べている。付録では、今後の展開として、本 シ ス テ ム が 、ア ス ベ ス ト 廃 棄 物 と 低 濃 度 P C B に 汚 染 さ れ た 絶 縁 油 と の 低 コ ス ト 同 時無害化処理に適用可能であること、およびこれに向けて開発を進める。 4.
(5) Ｎｏ．1. 早稲田大学 博士（工学） 学位申請 研究業績書 ［査読論文、論文・口頭発表、著書、その他の分類別・年代の新しい順に記入し てください］. 氏. 名. 井上. 里志. 印 （ 2007年 9月 28日 現 在 ）. 分類. 著者（申請者含む）、題名、発行掲載誌名／発表場所・巻号・頁、発行発表年月. 査読論文 ○井上里志・成澤道則、自己燃焼式溶融炉の開発、日本機械学会論文集71巻709号B編 pp.134-139、2005・9 ○井上里志、成澤道則、灰中未燃炭素を利用する自己燃焼式溶融炉の開発、化学工学論文集 第31巻第3号 pp.211-216、2005・5 ○Satoshi INOUE, Masayuki Mizuno、Ash Melting Furnace Using Carbon Combustion Heat, Proceeding of the 6 th ASME-JSME ASME SME Thermal Engineering Joint Conference pp.75-85 、March 2003, ○SATOSHI INOUE,HITOSHI HAGIHARA,AND MINORU FUKUSAKI、DEVELOPMENT OF AN MSW ASH MELTING SYSTEM OF LOW RUNNING COST、PROCEEDING OF THE FIFTEENTH BIENNIAL CONFERENCE(ASME ASME)、pp.335-341、MAY 1992 ASME 論文 ○井上里志・成澤道則・中野邦彦・岸直樹・水野昌幸・近藤正雄、 ・ バ－ナ式溶融炉における未燃灰の燃焼・溶融特性、日本機械学会第12回環境工学総合シンポジウム 口頭発表 2002講演論文集、pp.155-157、2002・7 ○井上里志・成澤道則・中野邦彦・岸直樹、バ－ナ式溶融炉の開発、第23回全国都市清掃研究 発表会講演論文集、pp.174-176、2002・2 ○井上里志・成澤道則・中野邦彦・岸直樹、自己燃焼式内部溶融炉の開発、第12回廃棄物学会 研究発表会講演論文集、pp89-91.、2001・11 ○井上里志・成澤道則・中野邦彦・岸直樹・石田和男、自己燃焼式内部溶融炉の開発、 日本機械学会第11回環境工学総合シンポジウム2001講演論文集、pp.236-238、2001・7 ○井上里志・小熊正人・成澤道則・水野昌幸・黒田幸生、バ－ナ式溶融炉の開発、 平成11年度次世代廃棄物処理技術基盤整備事業成果報告書、pp.43-72、2000・3 ○井上里志・上松和夫・大村慎二郎・渕上健児、大電力プラズマト－チの灰溶融炉への適用 電気学会一般産業機械講演論文集 1999・1 ○井上里志・久保昌和・萩原均、内部溶融型灰溶融炉による焼却灰の安定溶融 第4回廃棄物学会研究発表会講演論文集、1993・10 ○井上里志・萩原均、ＩＨＩ回転スト－カ式焼却炉灰溶融装置の開発 第2回廃棄物学会研究発表会講演論文集、1991・10 ○井上里志・萩原均、ＩＨＩ回転スト－カ式焼却炉灰溶融装置の開発 日本機械学会環境工学総合シンポジウム91講演論文集、1991・7 ○Satoshi INOUE・Hitoshi HAGIHARA・Takehiko MOTOMURA、Development of Ash Melting System Proceeding of 6th International Recycling Congress、November 1989 ○INOUE Satoshi・MIZUNO Masayuki・NARISAWA MICHINORI・NAKANO Kunihiko,KISHI NaokiI,Carbon Ash Melting Furnace Using Combustion Heat、IHI Engineering Review, Vol.36 NO.3、 pp.157-167、Octover 2003 ○井上里志・水野昌幸・成澤道則・中野邦彦・岸直樹、バーナ式溶融炉の開発、石川島播磨技報 Vol.43 No.2、pp.58-67、2003・3. 6.
(6) Ｎｏ．2. 早稲田大学 博士（工学） 学位申請 研究業績書 ［査読論文、論文・口頭発表、著書、その他の分類別・年代の新しい順に記入し てください］. 氏. 名. 井上. 里志. 印 （ 2007年 9月 28日 現 在 ）. 分類. 著者（申請者含む）、題名、発行掲載誌名／発表場所・巻号・頁、発行発表年月 ○井上里志・山田貞祐・武重創策・原興忠、ＩＨＩ内部溶融炉、石川島播磨技報 1997、Vol.37 NO.2、pp.145-150、1997・3 ○井上里志・萩原均・小野雄二・松下真澄、ＩＨＩ回転スト－カ式焼却炉灰溶融装置の灰性状 シミュレ－ション、石川島播磨技報、1990、VOl30 NO.6、pp.412-417、1990・11 ○井上里志、ＩＨＩ回転スト－カ式焼却炉灰溶融装置の開発、石川島播磨技報、1989、 Vol.29 NO.5、pp.366-370、198・9. その他. ○井上里志・南部辰紀・鈴木明郎・青木清・札本泰克、IHI都市ごみ焼却用流動床炉の燃焼制御 石川島播磨技報、1990、Vol.30 NO.1、1990・1. 特許. 灰溶融炉に関する出願済み特許 計４０件 （特開2002-110316 バーナ式溶融炉 井上里志 灰溶融炉に関する出願済み実用新案 （H01-131487 灰溶融炉の炉床構造. 計７件 井上里志. 成澤道則 他. 他. ３９件）. ６件）. スト－カ炉に関する出願済み特許 計４件 （特開H11-146213 スト－カ式ごみ焼却炉の燃焼用空気供給方法）. 著作. 流動床式焼却炉に関する出願済み特許 計１７件 （特許S63-146339 流動床式焼却炉の燃焼制御方法他. 井上里志. 流動床式焼却炉に関する出願済み実用新案 （S56-125975 振動型分級機のシ－ル構造. 他. ○廃棄物総合処理・リサイクル施設. 計３件 井上里志. 他. １６件）. ２件）. 、産業機械、2005・5. ○内部溶融炉の開発、焼却灰・ばいじんの高度処理技術（エヌ・ティ-・エス） pp.169-181、1994・12 ○廃棄物の熱分解・ガス化灰溶融システムの開発動向（エヌ・ティ-・エス） 1998・10 講演. ○アスベストおよびPCB 無害化処理技術について 循環型経済社会推進機構 自治体・産業界複合委員会 2006・12. 講演会. ○IHI式内部溶融システムの開発事例、廃棄物の熱分解・ガス化灰溶融 システムの開発動向（エヌ・ティ－・エス）、1997・11. 7.
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