CN1155532C - 煤灰的处理方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种煤灰的处理方法，由以下各工序组成，准备收容铁水或铁水与熔融炉渣的转炉型熔融炉的工序；一边在该熔融炉的铁水面上吹入氧气流，一边将煤灰及、为使该煤灰的成分组成变化的造渣材料及、作为热源的碳材料导入该熔融炉内的工序；将熔融的煤灰即熔融炉渣从该熔融炉排出并冷却的工序。也可以将煤灰加热生成半熔融状态的煤灰，然后将半熔融状态的煤灰装入熔融炉内。也可以将铁矿石装入熔融炉内。
Description
本发明涉及煤灰的处理方法。特别是涉及在将煤燃烧发电的火力发电厂中大量产生的煤灰的处理方法。
煤灰是从使用煤的火力发电厂产生的产业废弃物，现在日本每年产生560万吨，预计将来这个量还要增加。现在产生的煤灰的大部分是进行填埋处理，处理费用逐年增加。另外，从资源的再利用的观点考虑，目前强烈需求开发一种有效利用煤灰的技术。
关于上述的将煤灰填埋处理的处理方法，存在诸如填埋在海上时的渔业保证问题或海上污染问题。另一方面，如果在陆地上填埋，则因为日本国土狭窄，填埋场地很少而受到限制。
从再利用的观点考虑，例如进行过配合在混凝土中的试验，或利用来作为人工骨料、路基材料等，这是将来的可能性。现在大多是进行填埋处理，但因为此时煤灰是200目以下的细粉，所以在填埋处理时存在飞散多等各种问题。
另外，为了将来有效利用煤灰，必须改性煤灰的组成。因此至少要将煤灰进行熔融、减容化。也就是说，从发电厂排出的煤灰无论是直接投弃还是作为材料再利用都存在困难。因此，期待开发一种能至少将煤灰熔融后减容化，改性成可以再利用的成分组成的方法。
在特开昭54-78866号公报中，没有特别记载以煤灰的处理方法为目的，但提出了处理各种产业废弃物的方法。该方法是将高炉渣、转炉渣等高温熔融矿渣保持在熔融炉内，然后向该高温炉渣内添加各种废弃物，再利用一般的碳、废油及其他燃料作为燃料一边加热一边使这些废弃物与熔融炉渣反应的方法。
作为熔融炉渣的供给方法有连续供给及分批供给的方法。但将该方法用于处理作为本发明对象的煤灰时存在以下问题。
①因为煤灰是200目以下的细粉，所以只将其单独添加到熔融炉渣中时飞散的可能性大，添加利用效率有问题。
②另外，在煤灰中含有有害的重金属及放射性物质的氧化物。但上述方法不能将这些有害的重金属类充分还原·分离。其原因是因为在上述方法中未添加足够的还原剂如足够量的煤粉等，所以还原反应不充分，而且即使这些重金属的氧化物被还原，也是以悬浮在熔融炉渣中的状态而被排出的可能性高。
③在上述方法中，因为其目的是在于通过与氢气反应而产生CO2气及H2气，所以这样就使炉渣的体积变大，而且因为灰和炉渣飞散的可能性高，所以难以进行高效率的熔化。
本发明的第1个目的在于将200目以下的煤灰细粉高效率地熔化，通过转换成固体状态的炉渣而达到显著的减容化。
另外，先前的煤灰组成如表1所示为SiO2约54％、Al2O3约26％、CaO约5％，由图2示出的CaO-SiO2-Al2O3的三元状态图可推定，其熔点为约1550℃以上，是高熔点的炉渣。
因此要将其再熔融利用时其熔融非常困难。所以本发明的第2个目的在于通过将该组成改性成为具有约1400℃左右熔点的组成从而促进其后的利用。另外，如表1所示，煤灰中含有放射性物质及重金属，如果简单地将其投弃、掩埋、或作为建材利用则放射性物质及重金属在局部集中堆积，或这些金属流失到地下水中，造成环境污染。
因此本发明的第3个目的在于在熔融煤灰时要将这些重金属类除去，改性成即使投弃也不会有环境问题的程度。
表1煤灰组成 (wt％)
| SiO2 | 53.3 |
| Al2O3 | 25.6 |
| Fe2O3 | 6.1 |
| CaO | 4.8 |
| MgO | 1.4 |
| C | 2.0 |
| 金属氧化物* | 0.1 |
| 其他 | 6.7 |
注)
*： Co；0.0028
Cu；0.0100
Ge；0.0040
La；0.0060
Pb；0.0070
Sr；0.0600
Th；0.0018
U ；0.0014
V ；0.0140
本发明的目的在于提供一种煤灰的处理方法，该方法可以使重金属类氧化物还原成为金属回收，可以使松密度大的煤灰的容积减少，而且可以作为安全的填埋材料利用。
为达到上述目的，本发明提供的第1种煤灰处理方法包括以下工序，
准备收容铁水或铁水与熔融炉渣的转炉型的熔融炉的工序；
一边向该熔融炉的铁水面上吹入氧气流，一边将煤灰及、为使该煤灰的成分组成变化的造渣材料及、作为热源的碳材料导入该熔融炉内的工序，通过该工序使煤灰熔融形成熔融炉渣；
将熔融的煤灰即熔融炉渣从该熔融炉内排出、冷却的工序。
本发明提供的第2种煤灰处理方法包括以下工序，
加热煤灰使其生成半熔融状态的煤灰的工序；
将半熔融状态的煤灰装入熔融炉内的工序
本发明提供的第3种煤灰处理方法包括以下工序，
准备收容铁水或铁水与熔融炉渣的转炉型的熔融炉的工序；
一边向该熔融炉的铁水面上吹入氧气流，一边将铁矿石及、煤灰及、为使该煤灰的成分组成变化的造渣材料及、作为热源的碳材料导入该熔融炉内的工序，通过该工序，铁矿石被还原·熔融，生成生铁，煤灰被熔融，形成炉渣。
将生成的生铁及熔融的煤灰即炉渣从该熔融炉排出的工序。
本发明提供的第4种煤灰处理方法包括以下工序，
准备收容铁水或铁水与熔融炉渣的转炉型熔融炉的工序；
一边向该熔融炉的铁水面上吹入氧气流，一边将煤灰及、为使该煤灰的成分组成变化的造渣材料及、作为热源的碳材料导入该熔融炉内的工序，通过该工序，煤灰被熔融，形成熔融炉渣而且生成可燃性气体；
将该可燃性气体在热交换锅炉内进行热交换，并将该可燃性气体冷却至1200℃以下的工序；
将冷却的可燃性气体在旋风除尘器中除尘，回收粉尘的工序；
将除过尘的可燃性气体利用文丘里洗气器进一步冷却的工序；
将用文丘里洗气器冷却过的可燃性气体用粉煤燃烧发电锅炉燃烧的工序；
将旋风除尘器中回收的粉尘趁热导入该熔融炉内的工序。
本发明提供的第5种煤灰的处理方法包括以下各工序，
准备收容铁水或铁水与熔融炉渣的转炉型熔融炉的工序；
一边向该熔融炉的铁水面上吹入氧气流，一边将煤灰及、为使该煤灰的成分组成变化的造渣材料及、作为热源的碳材料导入该熔融炉内的工序，通过该工序，煤灰被熔融，形成熔融炉渣而且生成可燃性气体；
将该可燃性气体在热交换锅炉内进行热交换，将该可燃性气体冷却至1200℃以下的工序；
将冷却过的可燃性气体在旋风除尘器中除尘，回收粉尘的工序；
将除尘后的可燃性气体利用粉煤燃烧发电锅炉燃烧的工序；
将旋风除尘器中回收的粉尘趁热导入该熔融炉内的工序。
附图简单说明
图1为表示实施方案1的煤灰处理方法的概要图。
图2为CaO-SiO2-Al2O3系的状态图。
图3为CaO-SiO2-MgO系的状态图。
图4为表示实施方案2的煤灰的处理方法的概要图。
图5为表示实施方案2中煤灰的装入位置及固气比对煤灰的飞散量的影响的图。
图6为表示实施方案3的煤灰处理方法的概要图。
图7为实施方案3中使用的粉煤燃烧炉的概要图。
图8为实施方案3中使用的其他粉煤燃烧炉的概要图。
图9为表示实施方案4的煤灰处理方法的概要图。
图10为表示实施方案5的煤灰处理方法的概要图。
图11为表示实施方案5的其他的煤灰处理方法的概要图。
图12为在独立的煤灰熔融炉内的可燃性气体的处理设备的概要图。
实施方案1
由上述表1可知煤灰的成分组成为，SiO2约54％、Al2O3约26％、CaO约5％，是酸度较高的炉渣。另外，参照图2可知由于这种组成而使其具有1550℃以上的高熔点。
另外，因为是使粉煤燃烧，所以其粒度为200目以下，作为细粉其松密度极大，在投弃上非常困难，可知问题非常严重。因此本发明目的在于将该煤灰熔融而减容化。
实施方案1的煤灰的处理方法包括以下各工序，
准备收容铁水或铁水与熔融炉渣的转炉型熔融炉的工序；
一边向该熔融炉的铁水面上吹入氧气流，一边将煤灰及、为使该煤灰的成分组成变化的造渣材料及、作为热源的碳材料导入该熔融炉内的工序；
将熔融的煤灰即熔融炉渣从该熔融炉排出并冷却的工序。
被导入熔融炉内的煤灰，由于氧气与铁水及熔融炉渣中的碳反应而放出的热而被熔融，形成熔融炉渣。
也可以使用惰性气体作为载气，以20以上的固气比将该煤灰吹入熔融炉内。因为煤灰为细粉状，所以利用载气可以高效率地将煤灰导入熔融炉内。
也可以将煤灰造粒，然后将制成的造粒物导入熔融炉内。如果煤灰预先造粒形成块状则可以有效地向熔融炉内添加。
实施方案1中的煤灰处理方法还可以包括控制导入的碳材料的量，使铁水中的含碳量保持在2wt.％以上的工序。通过将铁水中的含碳量保持在2wt.％以上，可以使碳材料悬浮在炉渣中，一边抑制铁水的氧化、促进煤灰中的重金属氧化物的还原，一边进行脱碳反应，同时可以持续放热反应。
也可在该熔融炉的底部或侧壁设置风口，从该风口向熔融炉内吹入气体以搅拌熔融炉内的铁水。通过气体搅拌铁水，可以将铁水的热量有效地传导给炉渣。另外，铁水中的碳可以促进炉渣中的重金属氧化物等的还原。
优选将熔融炉内的铁水的静止浴深保持在300mm以上进行煤灰的熔融。如果将熔融炉内的铁水的静止浴深保持在300mm以上，则可以有效地进行铁水的气体搅拌，还可以防止炉渣对吹入气体时使用的耐火体的侵蚀。
在实施方案1的煤灰处理方法中还可以包括控制炉渣成分的工序，使形成的炉渣的主成分为CaO、SiO2及Al2O3，且CaO/SiO2为0.3-1.25。通过使熔融的炉渣的碱度为0.3-1.25，可以使炉渣的熔点降低至1400℃左右，而且可以促进以后的利用。
另外，形成的炉渣的主成分由CaO、MgO、SiO2及Al2O3构成，而且也可以控制炉渣成分使(CaO+MgO)/SiO2为0.3-1.3。通过使含有MgO的炉渣的碱度为0.3-1.3，可以使炉渣的熔点降低至约1400℃左右，还可以促进以后的利用。
图1概略地说明了本发明。首先准备收容含有规定碳量的铁水即金属20或铁水与熔融炉渣的转炉型熔融炉1。然后，对于该铁水即金属20，例如通过氧气喷枪3，采用先前的转炉制钢法，将氧气8的气流吹入到炉渣及铁水上。上述熔融炉渣既可以是预先熔融的煤灰也可以是熔融的转炉炉渣。
此时主要是氧气与铁水及炉渣中的碳发生反应，同时产生CO气及CO2气，在产生气体的同时放出大量的热。因此，一边添加煤灰2、造渣材料6、作为发热原料的碳材料4，碳材料为煤块或煤粉，继续进行放热反应的同时，将煤灰熔融。
作为煤灰的添加方法，因为如上所述煤灰为200目以下的细粉，所以优选使用惰性气体10例如氮气作为载气向炉内送入细粉。此时该固气比(固体重量/气体重量)至少为20以上才能有效地将煤灰添加到炉内。另外，如果将煤预先造粒成形为块状，则添加会变得更容易。
为了使炉内的发热继续，通过载气例如氮气等惰性气体将煤块或煤粉等碳材料送入。作为碳材料4的种类，从价格方面考虑优选使用煤，煤的种类例如有烟煤、泥煤等。另外，也可以使用焦炭粉、废塑料、废轮胎、石油焦炭等替代煤。该煤的一部分悬浮在炉渣18中，同时另一部分添加在铁水中，补充被氧气燃烧的部分，保持铁水中的含碳量在规定量以上，如2％以上。
如果将铁水中的含碳量保持在2％以上，则使碳材料悬浮在炉渣中，一边抑制铁水的氧化、促进煤灰中的重金属氧化物的还原，一边进行脱碳反应，可以持续放热反应。
另外，优选象在先前的顶吹式转炉中进行的那样，使用带有拉瓦尔喷管的氧气喷枪，以超音速的速度将氧气8吹在铁水面上。由这种高速的氧气流产生CO气，放出大量的热。从提高热效率的观点考虑，优选从上述氧气喷枪的侧喷嘴喷射氢气，用于使此时产生的CO气的一部分进行2次燃烧。
优选同时添加粉状的造渣材料6。如上所述，煤灰的熔点为1550℃以上，因熔点很高所以很难熔解。因此添加作为造渣材料的石灰石、石灰、转炉炉渣等，改变煤灰的组成，优选改性成例如碱度(CaO/SiO2)为0.3-1.25左右的CaO-SiO2-Al2O3的三元系炉渣。如果碱度为0.3-1.25，其熔点为约1400℃左右，能非常容易地熔化。
也可以使用含有砖废料的MgO系的矿物作为造渣材料6。如图3所示的CaO-SiO2-MgO系的状态图。通过将该系也调整成与CaO-SiO2-Al2O3系同样的碱度，降低熔点.因此可以替代CaO或同时添加CaO与MgO。此时，通过使(CaO+MgO)/SiO2为0.3-1.3，将炉渣的熔点降至1400℃左右，可以促进其后的利用。
另外，优选象在先前的转炉中进行的那样，从炉底或侧壁通过吹入气体的耐火体吹入搅拌气体12，例如氮气、氩气等，搅拌铁水金属20，将金属的热量更高效率地传递到炉内的炉渣，促进熔化。
为了有效利用铁水金属的搅拌，优选金属浴的深度在静止时为300mm以上。如果金属浴的深度小于300mm，则在剧烈搅拌时炉渣与吹入气体的耐火体接触，侵蚀耐火材料，而且不能充分搅拌炉渣。另外，炉内的炉渣厚度优选为300mm以上。如果炉渣的厚度小于300mm，则提高了将碳材料燃烧生成CO2的燃烧效率，不能有效地将燃烧放出的热量传递到炉渣中。
被改性的炉渣可以通过断续地倒炉或通过设置在侧壁上的开口部连续地排出。与此同时，一部分煤灰中含有的铁成分、重金属、放射性金属的氧化物被还原，转移到铁水中。即，因为煤灰中的Fe成分被还原，这部分铁水增加，所以根据需要也可以排出一部分铁水。另外，在铁水少的情况下，也可以添加废钢铁或铁矿石。
将上述形成的炉渣18搬运至炉渣处理装置9中处理。作为炉渣的处理方法，例如可以采用水渣化处理，也可以只在地坑内放置熔融的炉渣，冷却后粉碎，例如作为路基材料等使用。
另外，由供给的氧气与煤反应生成的气体，由于操作条件的不同可以有多种变化。例如如下所述，产生含有CO约49％、CO2约16％、H2约18％等的气体。CO与CO2的气体组成因氧气的供给方法及供给量的不同而有变化。
从热效率方面考虑，CO2气越多越好，但从气体的再利用方面考虑，CO2的量越少越好。即，可以根据从熔融炉内排出的气体的利用形态来任意改变上述气体的组成。
另外，因为从熔融炉排出的气体为1500-1700℃左右的高温，所以可以将该排出气体通过锅炉5，使产生蒸汽，例如可以用作发电用的蒸汽14。优选使通过锅炉的排出气体通过除尘装置7，例如高温旋风除尘器等，充分除去气体中的粉尘后，可以作为燃料气体16使用。该燃料气体可以作为发电用的燃料气体利用，也可以作为其他的城市气体等气体利用。
另外，也可以将煤灰的一部分换成从城市垃圾焚烧炉产生的焚烧灰。该焚烧灰例如含有CaO 18.3％、SiO2 41.7％、Al2O3 26.5％及其他如氧化铁、MgO等，与煤灰的成分组成接近。
实施例
使用内容积为7.2m3、炉内直径为3.25m、炉内高为3.7m的炉作为熔融炉进行试验。使用的煤灰的组成如表1所示，使用的煤的组成如表2所示。煤的种类是所说的烟煤。使用的煤粉的粒度为1-20mm。
作为造渣材料使用的石灰石的成分如表3所示。虽然在本实施例中未使用，但表4中示出的转炉炉渣也是完全可以使用的。使用上述的熔融炉，进行24小时操作。表5表示装入的物质及由其生成的炉渣及金属物质的平衡表。
表2煤组成 (wt％)
| 灰分 | 15 |
| C | 71 |
| H | 4.5 |
| N | 1.5 |
| O | 7.0 |
| T.S | 0.5 |
注)发热量(HV)＝6800Kcal/kg-dry coal
粒径：1～20mm
表3 煤灰组成 (wt％)
| CaCO3 | 98 |
| SiO2 | 2 |
表4 转炉炉渣(wt％)
| SiO2 | 13.8 |
| Al2O3 | 1.5 |
| Fe2O3 | 25 |
| CaO | 44.3 |
| MgO | 6.4 |
| 其他 | 0.9 |
表5 物质平衡表
| 入侧 | ton/hr | |
| 煤灰 | 2.60 | |
| 煤 | 1.23 | |
| 煤的H2O*** | 0.123 | |
| 石灰石 | 0.78 | |
| 氧气 | 1000* | |
| 氮气 | 82* | |
| 出测 | ton/hr | |
| 炉渣 | 3.08 | |
| 金属 | 0.080 | |
| 气体(Dry) | 2.82* | |
注)*：Nm3/hr
***：煤的水分(外框)
另外，在上述实施例中是按所谓(CO2+H2O)/(CO+CO2+H2+H2O)为约0.3进行的。即，产生的CO、H2气体的约30％燃烧成CO2及H2O。
另外，表6所示为热平衡表。该热平衡表是按装入物的温度为25℃，出侧温度设定为1500℃计算的。比较入侧的总热量及出侧的总热量，可知大致平衡，因此在本实施例中具有物质平衡及热平衡，因此具有可操作性。表7表示生成物的特性。
金属的组成，即C：3wt％的生铁水，生成的炉渣是以SiO2、Al2O3及CaO为主成分的三元系的炉渣，是以碱度为约0.4作为目标的成分组成。
生成的气体组成为，以CO、CO2、H2、H2O(水蒸汽)作为主成分的组成，产生发热量为2220Kcal/Nm3左右的气体。这种气体例如可以用来作为发电用的气体。另外，氮气是为了将煤灰装入熔融炉内而使用的氮气。
在上述的熔融炉内进行24小时操作的结果是生成了炉渣约74吨，同时制得铁水约2吨。如上述所示，从物质平衡及热平衡来看，可以证明本发明是可以实施的熔化过程。
生成的炉渣是碱度为约0.4的炉渣，该炉渣可以用来作为路基材料或水泥的原料等使用。该炉渣因为被固化，所以容积显著减少，使随后进行的搬运及填埋变得容易。
表6 热平衡表
| 热收支装入物温度；25℃出侧温度炉渣、金属、气体全部为1500℃ | Kcal/ton-煤灰 | |
| 煤燃烧热 | 3,311,600 | |
| 其他装入物燃烧热 | 143,565.8 | |
| 装入物显热 | 13,194.1 | |
| 入侧总热量 | 3,468,359.9 | |
| 炉渣燃烧热 | 176,856.6 | |
| 金属燃烧热 | 59,249.2 | |
| 气体燃烧热 | 1,885,366.1 | |
| 炉渣显热 | 511,789.3 | |
| 金属显热 | 9,151.2 | |
| 气体显热 | 760,083.6 | |
| 放射热 | 50,000 | |
| 出侧总热量 | 3,452,496.1 | |
表7 生成物的性状
| 生成物 | 金属组成 | wt.％ |
| Fe | 97 | |
| C | 3 | |
| 炉渣 | wt.％ | |
| SiO2 | 48.4 | |
| Al2O3 | 23.1 | |
| FeO | 1.7 | |
| CaO | 19.2 | |
| MgO | 1.3 | |
| C | 0 | |
| 其他 | 6.1 | |
| CaO/SiO2 | 0.40 | |
| 金属氧化物* | 0.0394 | |
| 生成气体 | vol.％ | |
| CO | 49.0 | |
| CO2 | 16.2 | |
| H2 | 17.9 | |
| H2O | 13.1 | |
| N2 | 3.8 |
注) *：Co；0.0010 Sr；0.0250
Cu；0.0012 Th；0.0008
Ge；0.0013 U ；0.0006
La；0.0020 V ；0.0045
Pb；0.0030
实施方案2
从表8可知煤灰的成分组成为SiO2约54％、Al2O3约26％、CaO约5％，是酸度较高的炉渣。因为具有这种组成，所以其熔点高达1550℃以上。
另外，由于是通过粉煤的燃烧而产生的，因此是粒度为200目以下的细粉，松密度非常小，熔融非常困难。因此本发明的特征在于，在将煤灰装入熔融炉内时，是将煤灰直接吹入炉内的熔融炉渣内进行装入。
本发明的概要利用图4进行说明。首先，准备收容含有规定量的碳的铁水20或铁水20与熔融的炉渣18的转炉型熔融炉1。然后采用先前的转炉制钢法，将氧气8的气流吹在熔融的炉渣及铁水上。上述熔融炉渣可以是预先熔融的煤灰，也可以是熔融的转炉炉渣或高炉炉渣。
此时主要是氧气8与铁水20及炉渣18中的碳反应，产生CO气及CO2气，同时放出大量的热。此时添加煤灰2、造渣材料6、作为发热原料的碳材料4，如煤块或煤粉，使发热反应继续，将煤灰熔融。
作为煤灰的装入方法，可以将煤灰直接吹入炉内的熔融炉渣内。作为这种吹入方法，是使容纳在料斗21中的煤灰2通过载气26例如氮气而流动化，通过配管22进行气体传送，从设置在铁水20的液面(静止液面)与炉渣高度的中间的喷嘴24直接吹入熔融炉渣内。
如果采用这种装入方法，与添加到熔融炉渣面上的情况相比较，可以更高的效率装入煤灰。即，可以抑制煤灰细粉的飞散量。研究煤灰的理想装入位置，结果得到图5。
图5表示在铁水量5吨的小型转炉中，按表10中所示的条件(煤灰装入量：2.60 ton/hr，排气发生量：2.82×103 Nm3/hr，铁水量：5吨)进行熔融煤灰实验的结果，在该炉内通常的炉渣高度(距离静止液面的高度)为约2m以上。
将煤灰从炉壁按规定的固气比(煤灰的重量/载气的重量)吹入时，煤灰的装入位置，即距离静止铁水面的高度(L)与煤灰的飞散量有关系。固气比为20以上， L为400mm以下时的飞散量为150g/Nm3以下，可以有效地进行熔化操作。将煤灰从转炉的上方吹入时，作为L＝Ls-Lp图5可适用。
其中，Ls：距离静止铁水面的炉渣高度，Lp：上吹煤灰时炉渣的凹陷深度。Lp根据发明者们的研究，可以按下式计算。
Lp＝α·d0 -1.59·h-0.23·Q0.12·m (1)
上述式中，α：常数、do：喷嘴口径(mm)、h：喷枪高度(mm)、Q：载气流量(l/分钟)、m：煤灰供给速度(g/分钟)。
如上所述，固气比为20以上，装入位置(L)为400mm以下时，飞散量少，可以有效地熔化。因为煤灰是200目以下的细粉，所以优选利用氮气等载气26，将煤灰送入炉内。如果固气比(固体重量/气体重量)小于20，则由于载气而使煤灰过多地飞散，如果固气比过大，则飞散量少，但与炉渣的混合状态变差，故不适用。
为了使炉内的放热继续，可以通过氮气等载气将作为碳材料4的煤块或煤粉等碳材料气送入炉内。作为碳材料4的种类，从价格方面考虑优选使用煤，煤的种类例如有烟煤、泥煤等。还可以使用焦碳粉、废塑料、废轮胎、石油焦碳等替代煤。
将该碳材料的一部分悬浮在炉渣18中，同时将另一部分添加到铁水中，补充由氧气燃烧的部分，将铁水中的含碳量保持在规定量例如2％以上。如果将铁水中的含碳量保持在2％以上，则使碳材料悬浮在炉渣中，一边抑制铁水的氧化，一边进行脱碳反应，可以持续放热反应。
另外，优选象先前的在顶吹式转炉中进行的那样，使用带有拉瓦尔喷管的氧气喷枪将氧气8以超音的速度吹在铁水面上。这种高速的氧气与铁水及炉渣中的碳反应生成CO气，放出大量的热。从提高热效率的观点考虑，优选从上述氧气喷枪的侧喷嘴喷射氧气以使此时产生的CO气的一部分进行2次燃烧。
优选同时添加粉状的造渣材料6。如上所述，煤灰的熔点为1500℃以上，难以熔化。作为造渣材料，例如可以添加石灰石、烧石灰、高炉炉渣、转炉炉渣等，改变煤灰的组成，优选改性成为例如碱度(CaO/SiO2)为0.3-1.25左右的CaO-SiO2-Al2O3的三元系炉渣。
优选象在先前的转炉中进行的那样，从炉底或侧壁通过气体吹入喷嘴吹入搅拌气体12如氮气、氩气等，通过搅拌铁水20，将铁水的热量高效率地传递到炉内的炉渣，促进熔化。
为了有效地利用铁水的搅拌，铁水浴的深度以静止浴状态优选为300mm以上。这是因为如果金属浴的深度小于300mm，则在剧烈搅拌时炉渣与气体吹入喷嘴接触，喷嘴被侵独，而且不能充分搅拌炉渣。
此外，炉内的渣层厚度优选在800mm以上。因为渣层厚在800mm以下时，提高了碳至CO2的燃烧效率，面且不能将通过燃烧产生的热量有效地传到炉渣中。
改性的炉渣可以断续地倒出炉外，或从设在侧壁的开口部连续或间断地排出。而且，此时，同时含在一部分煤灰中的铁分、重金属、放射性金属的氧化物被还原，转移到铁水中。也就是，煤灰中的Fe份被还原，该部分的铁水变多，因此优选根据需要排出一部分铁水。铁水少时，也可以添加废钢铁或铁矿石。
如此形成的炉渣18，例如运到炉渣处理装置9，在此处冷却。作为炉渣的冷却方法，例如可以是水渣化处理，也可以是仅仅在地坑内放置熔融的炉渣待其冷却后粉碎，例如可用作路基材料。
由供给的氧气和煤的反应生成的气体，可根据操作条件有各种变化。例如，如后所述，产生CO约49％、CO2约16％、H2约18％等气体。CO和CO2的气体组成，可根据氧气的供给方法，以及供给量而变化。
从热效率观点来看，希望CO2气体尽可能地多；而另一方面从气体的再利用观点来看，则希望CO2量少。也就是，可根据熔融炉的排气的利用形态任意改变。
从熔融炉排出的气体是约1500℃至1700℃的高温，因此使该排气通过锅炉5产生蒸汽，例如可作为发电用的蒸汽14利用。通过锅炉的排气，优选通过除尘装置7，例如高温旋风除尘器等，充分除去气体中的粉尘后，可作为燃料气体16使用。该燃料气体既可以作为发电用的燃料气体，也可以作为其它城市气体等气体利用。
实施例
作为熔融炉，使用内容积7.2m3、炉内直径3.25m、炉内高3.7m的转炉，装入5吨铁水进行实验。使用的煤灰的组成如前述表1中所示，使用的煤的组成示于表9中。煤的种类，是所谓烟煤。使用的煤粉粒径为1-20mm。
该实施例9，按照煤灰与氮气的固气比为30，如图4所示，通过配置在离铁水面300mm位置上的内径为40mm的水冷喷嘴将煤灰吹入炉渣内，从而将煤灰装入炉内。此时，炉渣的高度离铁水面约2000mm。
使用上述熔融炉，进行24小时操作。表10是装入的物质和由此生成的炉渣及金属物质的平衡表。表11是表示热平衡的表。
在上述实施例中所谓(CO2+H2O)/(CO+CO2+H2+H2O)，大约是在0.3进行。也就是，表示产生的CO、H2气体的约30％燃烧直至成为CO2、H2O。在该热平衡表中，装入物的温度是25℃，出侧的温度设定在1500℃进行计算。
如果将入侧的总热量与出侧的总热量进行比较，则示出大致呈平衡，因此，在该实施例中，具有物质平衡和热平衡，因此操作可以进行。表12示出生成物的特性。如果对表8和表12进行比较，则可以看出煤粉中的重金属类有60％还原于铁水中。
金属的组成是所谓C为3wt％的铁水，生成的炉渣是以SiO2、Al2O3及CaO为主成分的三元系炉渣，其碱度约0.4，成为目标成分组成。
生成气体的组成是以CO、CO2、H2、H2O(水蒸汽)为主要成分，产生发热量为2220Kcal/Nm3左右的气体。这种气体，例如可作为发电用气体利用。此外，氮气是为了将煤灰装入熔融炉而使用的氮气。
在上述熔融炉中进行24小时操作结果，生成的炉渣约74吨，同时制得铁水约2吨。如上所述，从物质平衡及热平衡来看，本发明是可以实施的熔融过程。在该操作中，煤灰的装入率约90％。
本发明实施例中生成的炉渣是碱度约为0.4的炉渣，该炉渣可作为路基材料或水泥的原料等使用。这种炉渣能被固化，因此体积显著减少，在其后运输或填埋时更容易。
表8煤灰的组成 (wt％)
| SiO2 | 53.3 |
| Al2O3 | 25.6 |
| Fe2O3 | 6.1 |
| CaO | 4.8 |
| MgO | 1.4 |
| C | 2.0 |
| 其它 | 6.7 |
表9煤的组成 (wt％)
| 灰分 | 15 |
| C | 71 |
| H | 4.5 |
| N | 1.5 |
| O | 7.0 |
| T.S | 0.5 |
注)发热量(HHV)＝6800Kcal/kg-dry coal
粒径：1～20mm
表10物质平衡表
| 入侧 | ton/hr | |
| 煤灰 | 2.60 | |
| 煤 | 1.23 | |
| 煤的H2O*** | 0.123 | |
| 石灰石 | 0.78 | |
| 氧气 | 1000* | |
| 氮气 | 82* | |
| 出侧 | ton/hr | |
| 炉渣 | 3.08 | |
| 金属 | 0.080 | |
| 气体(Dry) | 2.822×103 | |
注) *：Nm3/hr
***：煤的水分(外框)
表11热平衡表
| 热收支装入物温度；25℃出侧温度：炉渣、金属、气体全都为1500℃ | Kcal/ton-煤灰 | |
| 煤燃烧热 | 3,311,600 | |
| 其它装入物燃烧热 | 143,565.8 | |
| 装入物显热 | 13,194.1 | |
| 入侧总热量 | 3,468,359.9 | |
| 炉渣燃烧热 | 176,856.6 | |
| 金属燃烧热 | 59,249.2 | |
| 气体燃烧热 | 1,885,366.1 | |
| 炉渣显热 | 511,789.3 | |
| 金属显热 | 9,151.2 | |
| 气体显热 | 760,083.6 | |
| 辐射热 | 50,000 | |
| 出侧总热量 | 3,452,496.1 | |
表12 生成物的特性
| 生成物 | 金属组织 | wt.％ |
| Fe | 97 | |
| C | 3 | |
| 炉渣. | wt.％ | |
| SiO2 | 48.4 | |
| Al2O3 | 23.1 | |
| FeO | 1.7 | |
| CaO | 19.2 | |
| MgO | 1.3 | |
| C | 0 | |
| 其它 | 6.1 | |
| CaO/SiO2 | 0.40 | |
| 生成气体 | vol.％ | |
| CO | 49.0 | |
| CO2 | 16.2 | |
| H2 | 17.9 | |
| H2O | 13.1 | |
| N2 | 3.8 |
实施方案3
煤灰的成分组成为SiO2约52％、Al2O3约20％、CaO约5％、氧化铁约6％；成为酸度较高的炉渣。因此，根据平均组成，其熔点为1500℃以上的高熔点。此外，为了使煤粉燃烧，其粒度在200目以下，因为是细粉，所以松密度极大，呈易飞散的细粉状。
因此，预先将煤灰以半熔融状态装入熔融炉中。此处，所谓半熔融状态，是指将煤灰部分熔融，使细粉状的煤灰成为某种程度的块状的状态，根据煤灰的组成，具体是指1000℃以上温度的情况。
根据图6说明本发明的实施方案例。首先准备转炉型的熔融炉1，其中收容含规定量碳的铁水20或铁水20及熔融炉渣18。然后，对着该铁水20例如通过氧气喷枪3。按照以前的转炉炼钢所采用的方法，将氧气8的气流吹到熔融炉渣和铁水中。上述熔融炉渣可以是预先熔融的煤灰，也可以是熔融的转炉渣。
此时，主要是氧气8和铁水20及炉渣18中的碳进行反应，产生CO气体及CO2气体的同时，放出大量的热量。同时添加煤灰2，造渣材料6，作为发热原料的碳材料4即煤块或煤粉，在继续进行放热反应的同时，将煤灰熔融。
本发明中，如前所述，煤灰是200目以下的细粉，因此作为煤灰的添加方法，是将收容在料斗21中的煤灰2利用载气运往粉煤燃烧器30。在粉煤燃烧器30中，收容在料斗23中的粉煤22利用氧气8或空气进行燃烧，在此时产生的高温燃烧气体中添加上述煤灰后加热。
图7及图8中示出粉煤燃烧器的结构。图7中示出的燃烧器30由中心喷嘴32和外筒喷嘴34组成，由中心喷嘴32通过空气供给运送的煤灰，从外筒喷嘴34供给氧气。该氧气优选预热到200℃左右。粉煤例如由空气运送。优选在喷嘴前端附近以旋流状添加上述氧气。在这样的添加方法中，燃烧的粉煤在喷嘴前方呈旋流的火焰状，将添加的煤灰包围在其中进行高效加热，成为半熔融状态。
图8示出的燃烧炉40由中心喷嘴42和外筒44组成，由中心喷嘴43通过空气运送供给煤灰，从外侧喷嘴42供给氧气。该氧气例如优选预热到300℃左右，为的是使粉煤进行高效燃烧。
通过空气运送的煤灰在外筒44内呈回旋流状供给，煤灰被包在由粉煤燃烧而生成的燃烧气体中被预热。煤灰的预热温度优选在1000℃以上，使煤灰的粒子之间充分结合，可以显著降低煤灰的飞散，并可以降低氧气的使用量。
此处，供入燃烧炉中的煤灰中，优选预先添加例如石灰石、石灰、转炉渣等。煤灰的熔点在1550℃以上，由于是高熔点因此难以熔化，但通过添加石灰石、石灰、转炉渣等，改性成例如碱度(CaO/SiO2)为0.3-1.25的CaO-SiO2-Al2O3的三元系炉渣，其熔点降低到1400℃左右，因此很容易熔化。
另一方面，为了继续在熔融炉内发热，通过载气气送作为碳材料的煤块、煤粉等，利用氧气8使之燃烧。碳材料4的种类，从价格考虑优选煤，煤的种类例如可以是烟煤、泥煤等，也可以代替煤，改用焦炭粉、废塑料、废轮船、石油焦炭。该煤的一部分悬浮在炉渣18中，同时还有一部分添加到铁水中，补充由于氧气燃烧掉的那部分，使铁水中的含碳量保持在规定量，例如2％以上。
供入上述粉煤燃烧炉中的粉煤和供入炉内的碳材料的总计量，相对于1吨煤灰，约为600-700kg。在粉煤燃烧炉中例如如果使用300kg，则供入炉内的碳材料为300-400kg。
供入炉内的氧气8，优选如以前的上吹转炉那样，使用带有拉瓦尔喷管的氧气喷枪3，以超音速的速度吹到铁水面上。
同时，优选添加粉状的造渣材料6。如前述，煤灰的熔点在1550℃以上，由于高熔点而难以熔化，因此，作为造渣材料6，优选添加例如石灰石、石灰、转炉渣等，改变煤灰的组成，例如改性为碱度(CaO/SiO2)是0.3-1.25左右的CaO-SiO2-Al2O3三元系炉渣。碱度如果在0.3-1.25，其熔点降低到约1400℃左右，因此极容易熔化。
改性过的熔融炉渣可间断地倒出炉外，或由设在侧壁的开口部连续排出。与此同时，含在煤灰中的大约6％的氧化铁被还原，转移到铁水中。也就是，煤灰中的Fe份被还原，这一部分的铁水变多，因此希望根据需要排出一部分铁水。铁水少时，还可以添加废钢铁或铁矿石。
如此形成的炉渣18，例如运到炉渣冷却装置9中，在此处冷却。作为炉渣的冷却方法，例如可以是水渣化处理，也可以仅仅只是在地坑内放置熔融的炉渣，待冷却后，粉碎后例如作为路基材料使用。
由上述煤灰的熔融方法产生的气体，如图6所示，通过锅炉5使其温度为1000℃以下，再通过除尘器7，可作为燃烧气体16用于各种用途。上述气体，是具有1000-2000Kcal/Nm3放热量的气体。
在上述实施例中，使用转炉型的熔融炉，其中加入加热成半熔融状态的煤灰，但熔融炉并不仅限于转炉型的，例如，在各种电炉、电弧炉或等离子炉内装入煤灰也同样适用。
实施例1
在5吨转炉型熔融炉中装入3吨铁水后放置，再装入0.5吨高炉渣，其中装入煤，吹氧，将炉内温度保持约为1600℃。在粉煤燃烧炉中供入预热至约250℃的氧气使粉煤燃烧，在发生火焰的部分供给煤灰，预热至约1200℃后，再装入熔融炉的内部。供入燃烧炉中的粉煤使用量，相对于1吨煤灰，为350kg，在熔融炉中装入300kg。使用的燃烧炉，为图8中示出的燃烧炉。
为了调整碱度，由其它途径将石灰石投入转炉中，投入约2吨煤灰时，将熔融炉倾斜，出渣，缓慢冷却。使用的煤灰成分组成和获得的煤灰成分组成，示于表13中。如表13所示，可获得能作为良好路基材料使用的炉渣。煤粉的装入效率为95％。
表13 (wt％)
| T.Fe | CaO | SiO2 | Al2O3 | MgO | MnO | TiO2 | |
| 装入前的煤灰组成 | 3.8 | 4.7 | 51.4 | 20.3 | 1.4 | -- | -- |
| 熔融后的煤灰组成 | 1.3 | 28.4 | 46.5 | 16.2 | 0.8 | 1.2 | 1.2 |
本实施例，在基本上与实施例1相同的条件下进行，不同之处在于，使粉煤燃烧的氧气不经过预热，常温下直接使用。使用的燃烧炉是图7中所示的燃烧炉。获得的炉渣与实施例1没有任何差异。煤灰的装入效率为94％。
上述的本发明，将煤灰预先制成半熔融状态后再装入熔融炉内，因此可以高效率地装入煤灰。进而，由于可将半熔融状态的煤灰装入转炉型的熔融炉内，因而可大规模地熔融煤灰，而且能在还原气氛中有效地实施，从而确立了能廉价大量用于路基材料的煤灰的熔融方法。因此，可有效利用由煤火力发电厂产生的煤灰，不需要广大的填埋用地，节省填埋费用，具有削减发电费用的效果。
此外，在煤气化过程中，以前大量产生的煤灰的处理费用高，存在不经济的问题，而通过利用本发明方法，则可以使煤气化过程成为经济而实用。而且，由于在熔融炉中装入煤灰熔融时所需要的热量以上的煤，还有可能使煤气化，产生发电用的气体。
将来，成为下一世纪火力发电目标的PFBC(加压流层粉煤燃烧)的火力发电厂排出的煤灰，由于在流动层大量投入作为脱硫剂的CaO，因而富含游离石灰，其用途受到限制，而按照本发明方法，则可以改变成可作为上述路基材料利用的炉渣。
实施方案4
本发明中采用了使煤灰经济而且大量熔融，进而改性使得大量煤灰得以利用的熔融方法。因此，在熔融煤灰时，减少了制得铁水后再熔融煤灰的费用。而且熔融的煤灰一旦被改性成为可作为路基材料利用，不仅可扩大用途而且可以实现大量处理。
首先，表14中示出煤灰成分组成(wt％)，SiO2约51％、Al2O3约20％、CaO约5％、氧化铁约6％，成为酸度较高的炉渣。根据该组成，其熔点为1550℃以上的高熔点。此外，为了使粉煤燃烧，其粒度为200目以下，是细粉状，松密度很小。因此，本发明在经济地熔融煤灰以达到减容化的目的的同时，还改变成分组成使其可作为路基材料利用。
根据图9说明本发明的概要。首先准备转炉型的熔融炉，其中收容含有规定量碳的铁水20或铁水和熔融炉渣18。然后，对着该铁水2例如通过氧气吹管3，按照以前的转炉炼钢所采用的方法，将氧气8的气流吹到熔融炉渣18和铁水20中。上述熔融炉渣可以是预先熔融的煤灰，也可以是熔融的转炉渣。
此时，主要是氧气8和铁水20及炉渣18中的碳进行反应，产生CO气体及CO2气体的同时，放出大量的热量。因此，装入煤粉2、造渣材料6、铁矿石10，作为发热原料的碳材料4即煤块或煤粉，在继续进行放热反应的同时，边还原铁矿石边熔融煤灰。
用来生产生铁的铁矿石采用普通的装入方法，装入粉状或块状矿石即可。从经济观点来看，只要是多装铁矿石多生产生铁就行，但还必须考虑适当的配方以便于也能使煤灰熔化。每1吨生铁，煤量必需为800-1000kg，另一方面，为了使1吨煤灰熔化，煤量必需为500-600kg。因此，实际操作中，考虑各种生产计划、经济事项后，分配生铁的生产和煤灰的处理量。
煤灰的装入方法，如前所述，由于煤灰是200目以下的细粉，因此希望例如将氮气作为载气以气体送至炉内。此时，所谓固气比(固体重量/气体重量)希望至少在20％以上才能有效地将煤灰送入炉内。此外，如果预先将煤灰造粒成块状，则更容易装入。
为了继续炉内的发热，通过载气，例如氮气等气送作为碳材料的煤块或煤粉。碳材料4的种类，从价格方面考虑优选是煤，煤的种类例如可以使用烟煤、泥煤等。还可以代替煤，使用焦炭粉、废塑料、废轮胎、石油焦炭等，可以提高经济性。
这种煤有一部份悬浮在炉渣18中，另一部分进入铁水中，补充由于氧气而燃烧掉的那一部分，使铁水中的含碳量保持在规定量，例如2％以上。如果铁水中的含碳量保持在2％以上，炉内气氛维持在还原性，抑制铁水氧化的同时促进煤灰中氧化铁的还原，熔融的煤灰最终成为褐色。
此外，氧气8希望如以前的顶吹转炉那样，使用带有拉瓦尔喷管的氧气喷枪，以超音速的速度吹到铁水面上。通过如此高速的氧气流产生CO气体，放出大量热。从热效率方面考虑，优选从上述氧气喷枪的例如侧喷嘴喷射氧气，用于使此时产生的CO气体的一部分进行2次燃烧。
同时，优选装入造渣材料。如前述，煤灰的熔点在1550℃以上，是高熔点，因此难以溶融。因此，作为造渣材料6，优选添加例如石灰石、石灰、转炉渣等，改变煤灰的组成，例如变为碱度(CaO/SiO2)是0.3-1.25左右的CaO-SiO2-Al2O3三元系炉渣。碱度如果在0.3-1.25，根据图2中示出的CaO-SiO2-Al2O3系状态图，其熔点降到约1400℃左右，因此极容易熔化。
造渣材料6，可以使用包括废砖材的MgO系矿物，此体系也和CaO-SiO2-Al2O3系一样调整碱度，使熔点降低。因此，可以代替CaO，或与CaO一起装入MgO。此时，使(CaO+MgO)/SiO2成为0.3-1.3，炉渣的熔点约为1400℃，而且可以促进其后的利用。
像用以前的转炉进行操作那样，优选从炉底或侧壁耐火体吹入搅拌气体12例如氮气、氩气等，搅拌铁水20，从而将铁水的热量更有效地传到炉内的渣中，以促进其熔化。
为了有效地利用铁水的搅拌，优选铁水浴的深度在静止浴时为300mm以上。铁水浴的深度不足300mm时，激烈搅拌时熔融炉渣与吹入气体耐火体接触，耐火体被浸蚀，而且不能充分搅拌熔融炉渣。此外，优选炉内的渣层厚度为300mm以上。如渣层厚度为300mm以下，碳材料至CO2的燃烧效率升高，进而由燃烧产生的热量不能有效地传到炉渣内。
改性过的熔融炉渣可间断地倒出炉外，或由设在侧壁的开口部连续地排出。与此同时，含在一部分煤灰中的铁份也被还原，转移到铁水中，也就是，煤灰中的Fe分被还原，因此这部分的铁水变多。生产出的铁水，即生铁可适当地排出。该生铁可用于炼钢。
将如此生成的炉渣18和铁水20排出。将炉渣例如运往炉渣处理装置9，例如可以进行水渣化处理，也可以仅仅是将熔融炉渣放在地坑内待其冷却后，粉碎后用于路基材料等。
此外，由供给的氧气和煤的反应生成的气体，根据操作条件能有各种变化。例如如下所述，产生CO约49％、CO2约16％、H2约18％等的气体。CO和CO2的气体组成，可根据氧气的供给方法，及供给量改变。
从热效率观点看，希望CO2气体尽可能地多，但从气体再利用观点看，则希望CO2量少。即，可根据来自熔融炉的排气的利用形态任意改变。
从熔融炉排出的气体是约1500℃至1700℃左右的高温；将此排气通过锅炉5产生蒸汽，例如可作为发电用的蒸汽14利用。通过锅炉的排气，希望再通过除尘器7，例如耐热性袋式过滤器等，充分除去气体中的粉尘后，作为燃料气体16使用。这种燃料气体，既可以作为发电用燃料气体，也可以作为其它城市气体等气体而被利用。
也可以将煤灰的一部分换成来自城市垃圾焚烧炉的焚烧灰。因为这种焚烧灰含有，例如CaO：18.3％，SiO2：41.7％，Al2O3：26.5％，其它为氧化铁、MgO等，与煤灰的成分组成相近。
实施例
作为熔融炉，使用内容积7.2m3，炉内直径3.25m，炉内高3.7m的炉子进行实验。装入铁水2.8吨、铁矿石6.5吨，高炉渣1吨，煤灰2.5吨，进行约1小时的熔炼操作。铁矿石及煤灰被分批、间断地装入。
使用的煤灰的组成示于表14中。使用的煤的组成示于表15中。煤的种类，是所说的烟煤。使用的煤量约7.3吨，煤粉的粒度为1-20mm。作为造渣材料，使用通常的石灰石。
上述实施例中，在(CO2+H2O)/(CO+CO2+H2+H2O)约为0.3时进行。即，表示产生的CO、H2气体的约30％燃烧成为CO2、H2O。
表16示出生成物的特性。
生成的铁水，即生铁的组成是C占3wt％的铁水；生成的渣，如表16所示，是以SiO2、Al2O3及CaO为主成分的三元系炉渣，其碱度约为0.4，成为目标成分组成。
生成气体，是以CO、CO2、H2、H2O(水蒸汽)为主要成分的组成，产生发热量为2220Kcal/Nm3左右的气体。这种气体，例如可作为发电用气气体利用。氮气是为了将煤灰装入熔融炉内而使用的氮气。
在上述熔融炉中制得约5.1吨的生铁和3.5吨的熔融炉渣。生成的炉渣的碱度约0.4，该炉渣可作为路基材料或水泥的原料使用。这种炉渣可被固化，因此显著减少体积，在其后的运输和填埋中也变得容易。
表14煤灰组成 (wt％)
| SiO2 | 51.4 |
| Al2O3 | 20.3 |
| Fe2O3 | 6.1 |
| CaO | 4.7 |
| MgO | 1.4 |
| C | 2.0 |
| 其它 | 6.8 |
表15煤组成 (wt％)
| 灰分 | 15 |
| C | 71 |
| H | 4.5 |
| N | 1.5 |
| O | 7.0 |
| T.S | 0.5 |
注)发热量(HHV)＝6800Kcal/kg-dry coal
粒径：1～20mm
表16 生成物的特性
| 生成物 | 金属组织 | wt.％ |
| Fe | 97 | |
| C | 3 | |
| 炉渣 | wt.％ | |
| SiO2 | 48.4 | |
| Al2O3 | 23.1 | |
| FeO | 1.7 | |
| CaO | 19.2 | |
| MgO | 1.3 | |
| C | 0 | |
| 其它 | 6.1 | |
| CaO/SiO2 | 0.40 | |
| 生成气体 | vol.％ | |
| CO | 49.0 | |
| CO2 | 16.2 | |
| H2 | 17.9 | |
| H2O | 13.1 | |
| N2 | 3.8 |
实施方案5
本发明者们，首先发明了图1中所示的煤灰的熔融方法。也就是，准备转炉型熔融炉1，其中收容铁水20或铁水20和熔融炉渣18，向上述熔融炉中吹入氧气8的气流的同时，在该熔融炉中添加煤灰2和，使该煤灰的成分组成产生变化的造渣材料6和，作为热源的碳材料4，高效熔融煤灰2的方法。
在上述煤灰的熔融方法中，主要是使氧气8和铁水20及炉渣18中的碳进行反应，产生CO气体和CO2气体，在产生气体时产生大量的热。因此，添加煤灰2、造渣材料6、作为发热原料的碳材料4即煤块或煤粉，一边继续进行放热反应，一边将煤灰熔化。
煤灰的熔点在1450-1550℃以上，是高熔点，很难熔化。因此，作为造渣材料6，添加例如石灰石、石灰、转炉渣等，改变煤灰的组成，例如改性成为碱度(CaO/SiO2)为0.3-1.25的CaO-SiO2-Al2O3的三元系炉渣。
由供给的氧气和煤进行反应生成的气体，可根据操作条件而有各种变化。例如如下所述，产生CO约4.9Vol％、CO2约16Vol％、H2约18Vol％等的气体。CO和CO2的气体组成，可根据氧气的供给方法及供给量而变化。
在该方法中，可以产生温度约1400-1700℃、含粉尘率150g/Nm3、含硫(S)率250mg/Nm3的可燃性气体。为了再利用这种可燃性气体，必须有图12中示出的气体处理工序。
这种可燃性气体在从熔融炉排出的阶段(A阶段)，具有上述那种温度、含粉尘率和含硫率。因此，首先在热交换锅炉5中将排气温度降至1200℃以下，例如1000℃左右(B阶段)。
然后，例如用旋风除尘器60对该排气进行除尘，使含粉尘率变成50g/Nm3左右(C阶段)。进而，由于降低了排气温度和含粉尘率，一旦通过文丘里洗气器80，就可使温度降为100℃以下，含粉尘率降为0.1g/Nm3(D阶段)。然而，气体中的含尘率在用于一般用途时太高，因此通过电集尘器100，使含粉尘率降为0.01g/Nm3左右(E阶段)。
最后通过脱硫装置120，使含硫量变为0.001g/Nm3左右(F阶段)。将如此净化过的气体贮存在贮气罐140中，用于各种用途。
然而，将来自熔融炉的可燃性气体用于火力发电厂锅炉时，没有必要进行上述那种除尘。因为在火力发电厂中将粉煤作为燃料使用，在锅炉内煤灰大量存在。因此，可以直接利用上述排气。
此外，在上述煤灰熔融时，即使不对来自熔融炉的排气进行除尘、脱硫等处理，在粉煤燃烧发电厂已经设有除尘、脱硫等处理设备，因此可以将来自熔融炉的可燃性气体直接供给粉煤燃烧发电厂的锅炉中。
本发明者们鉴于以上事实，通过使煤灰的熔融炉和粉煤燃烧发电厂有机地结合，发现了比以前更有效的煤灰处理系统，从而完成了以下发明。
第1实施方案是提供火力发电厂的煤灰处理系统，其特征在于它包括以下工序，
(a)准备其中收容铁水或铁水及熔融炉渣的转炉型的熔融炉，向上述熔融炉中吹入氧气气流的同时，向该熔融炉中添加煤灰和为使该煤灰的成分组成发生变化的造渣材料和，作为热源的碳材料，使煤灰熔融；
(b)产生具有规定成分的可燃性气体；
(c)将上述产生的可燃性气体首先在热交换锅炉中进行热交换，冷却到1200℃以下，继而在旋风除尘器中除尘，再用文丘里洗气器除尘和进行冷却；
(d)将上述经过冷却的气体在粉煤燃烧发电锅炉中燃烧；
(e)将上述旋风除尘器中除尘的粉尘趁热装入上述煤灰熔融炉中，与上述煤灰一起熔融。
该实施方案适用于在煤灰的熔融炉和粉煤燃烧发电厂之间有一定程度的距离的场合。此种情况下，来自熔融炉的可燃性气体用文丘里洗气器除尘和进行冷却，因此可通过配管气送可燃性气体，在粉煤燃烧锅炉中燃烧。而且，附属在熔融炉上的旋风除尘器中获得的粉尘趁热装入煤灰的熔融炉中，从而可提高煤灰熔融炉的热效率。因此，不需要附属在熔融炉上的电集尘器和脱硫装置，而且由旋风除尘器排出的热状态煤灰可装入炉内，因此具有能更经济地熔融煤灰的优点。
第2实施方案是提供火力发电厂的煤灰处理系统，其特征在于，它包括以下工序，
(a)准备其中收容铁水或铁水及熔融炉渣的转炉型的熔融炉，向上述熔融炉中吹入氧气气流的同时，向该熔融炉中添加煤灰和，为使该煤灰的成分组成发生变化的造渣材料和，作为热源的碳材料，使煤灰熔融；
(b)产生具有规定成分的可燃性气体；
(c)将上述产生的可燃性气体首先在热交换锅炉中进行热交换，冷却到1200℃以下，继而在旋风除尘器中除尘；
(d)将上述除尘过的气体在粉煤燃烧发电锅炉中燃烧；
(e)将上述旋风除尘器中获得的粉尘趁热装入上述煤灰的熔融炉中，与上述煤灰一起熔融。
该实施方案适用于煤灰的熔融炉与粉煤燃烧发电厂相邻接的场合。此种情况下，从旋风除尘器排出的高温可燃性气体不用在文丘里洗气器中冷却，直接通过配管气送后，在粉煤燃烧锅炉中使用。也就是，来自熔融炉的可燃性气体，可在高温状态下(约700-1000℃)直接供给火力发电锅炉，因此能更经济地发电。此外，不需要附属于熔融炉的电集尘器及脱硫装置，而且，可趁热将热状态的煤灰装入熔融炉内，因此具有能更经济地熔融煤灰的优点。
第3实施方案是提供火力发电厂的煤灰处理方法，其特征在于，第2实施方案中，在上述粉煤燃烧发电厂中产生的煤灰以热状态装入上述熔融炉中。
本发明适合于煤灰的熔融炉和粉煤燃烧发电厂进一步邻接，两者成一体运行的场合。此种情况下，由旋风除尘器排出的高温可燃性气体不经文丘里洗气器冷却，直接通过配管气送后，在粉煤燃烧锅炉中使用。也就是，来自熔融炉的可燃性气体，可在高温(约700-1000℃)状态下直接供给发电锅炉，因此能更经济地发电。此外，不需要附属于熔融炉的电集尘器及脱硫装置，而且可将来自粉煤燃烧发电厂的煤灰以热状态装入熔融炉内，因此具有能更经济地熔融煤灰的优点。
将本发明的实施形态在图10-11中进行说明。
图10中示出情况是煤灰熔融炉和火力发电厂之间有一定的距离，但来自熔融炉的可燃性气体全都可以在粉煤燃烧发电锅炉中作为燃烧气体使用。
也就是，在这种实施方案中，来自煤灰熔融炉1的可燃性气体，通过锅炉5，旋风除尘器60及文丘里洗气器80后冷却，通过配管气送，在发电厂锅炉200中使用。与先有技术不同，本方法中，没有必要通过电集尘器对可燃性气体进行集尘。
通过文丘里洗气器80的可燃性气体，其含粉尘率为0.1g/Nm3左右，对在发电厂锅炉中燃烧没有任何妨碍，而且，上述可燃性气体在100℃以下，对通过配管气送没有任何妨碍。此处，旋风除尘器，优选是不使可燃性气体冷却的所谓高温旋风除尘器。而且，文丘里洗气器具备通过水滴对气体进行冷却和除尘的功能。
图11示出本发明的第2及第3实施方案。在该实施方案中，煤灰熔融炉和粉煤发电厂相互邻接地设置，通过旋风除尘器60的可燃性气体，省略了文丘里洗气器80，直接送往粉煤燃烧发电锅炉200中进行燃烧。
在该实施方案中，由于排除了文丘里洗气器，气体不被冷却，可燃性气体具有的显热(约700-1000℃)可在上述锅炉中利用，具有可以提高包括熔融炉和粉煤燃烧发电厂在内的全部的热效率的优点。在这种情况下，将粉煤燃烧发电厂中产生的煤灰冷却到适于运输的温度，装入煤灰熔融炉1中(图11的虚线表示的工序)。
图11中的实线表示本发明的第3实施方案。在该实施方案中，煤灰熔融炉和粉煤燃烧发电厂相互结合成为一体，通过旋风除尘器60的可燃性气体，省略图10中示出的文丘里洗气器，直接在粉煤燃烧发电厂锅炉200中燃烧。
在该实施方案中，可燃性气体具有的显热(约700-1000℃)在上述锅炉中得以利用，具有可提高包括熔融炉和粉煤燃烧发电厂在内的全部的热效率的优点。而且，从粉煤燃烧发电设备排出的煤灰，实质上以热状态例如200℃装入熔融炉内，进一步提高熔融炉的热效率。
由粉煤发电设备排出的煤灰中，包括来自发电厂锅炉200、电集尘器240的煤灰。煤灰的组成例如为SiO2：53.3wt％，Al2O3：22.6wt％，及CaO：48wt％，Fe2O3：6.1wt％左右。
在上述熔融炉中生成的可燃性气体的概略成分组成例如是，CO：49Vol％，CO2：16.2Vol％，H2：17.9Vol％，H2O(水蒸汽)：13.1Vol％，发热量为2220Kcal/Nm3左右的气体。这种气体可作为发电用的气体利用。此外，所谓(CO2+H2O)/(CO+CO2+H2+H2O)约为0.3，也就是，表示产生的CO、H2气体大约30％燃烧成为CO2、H2O。
铁水是C：3wt％的生铁水，生成的炉渣组成为SiO2：48.4wt％、Al2O3：23.1wt％及CaO：19.2wt％左右，其碱度约0.4，成为目标成分组成。该炉渣可作为路基材料或水泥的原料使用。这种炉渣可以固化，因此体积显著减少，在其后的运输或填埋中也容易，还可作为路基材料使用。
如上所述，本发明中，煤灰熔融炉和粉煤燃烧发电厂连在一起，或彼此相邻地运行，可以有效地处理由粉煤燃烧发电厂产生的煤灰，作为有用资源再利用。而且，在提高煤灰处理的热效率的同时，由于将来自熔融炉的可燃性气体送往粉煤燃烧发电厂锅炉中进行燃烧，因此也可以提高发电效率。
Claims (20)
1.一种煤灰的处理方法，由以下各工序组成，
准备收容铁水或铁水与熔融炉渣的转炉型的熔融炉的工序；
一边向该熔融炉的铁水面上吸入氧气流，一边将煤灰、为使该煤灰的成分组成变化的造渣材料、以及作为热源的碳材料导入该熔融炉内的工序，通过该工序使煤灰熔融形成熔融炉渣；
将熔融煤灰即熔融炉渣从该熔融炉内排出、冷却的工序。
2.权利要求1中记载的煤灰处理方法中，该煤灰向熔融炉内的导入，是使用惰性气体作为载体，以20以上的固气比，将该煤灰吹入熔融炉内。
3.权利要求1中记载的煤灰处理方法中，该煤灰向熔融炉内的导入，是将煤灰造粒，然后将制成的造粒物导入熔融炉内。
4.权利要求1中记载的煤灰处理方法中，还包括控制导入的碳材料的量，将铁水中的含碳量保持在2wt％以上的工序。
5.权利要求1中记载的煤灰处理方法中，还包括从设置在该熔融炉的底部或侧壁上的风口吹入用于搅拌熔融炉内铁水的气体的工序。
6.权利要求1中记载的煤灰处理方法中，还包括将熔融炉内的铁水的静置浴深保持在300mm以上的工序。
7.权利要求1中记载的煤灰处理方法中，还包括控制炉渣成分的工序，使形成的炉渣的主成分由CaO、SiO2及Al2O3构成，而且CaO/SiO2为0.3-1.25。
8.权利要求1中记载的煤灰处理方法中，还包括控制炉渣成分的工序，使形成的炉渣的主成分由CaO、MgO、SiO2及Al2O3构成，而且(CaO+MgO)/SiO2为0.3-1.3。
9.权利要求1中记载的煤灰处理方法中，该煤灰向熔融炉内的导入，是将煤灰导入在熔融炉渣内的位置。
10.权利要求9中记载的煤灰处理方法中，该位置是在铁水的静止液面与该静止液面之上400mm之间。
11.权利要求9中记载的煤灰处理方法中，该煤灰向熔融炉内的导入，是使用惰性气体作为载气，以20以上的固气比将该煤灰吹入熔融炉内。
12.权利要求1中记载的煤灰处理方法中，该煤灰向熔融炉内的导入，是将煤灰加热生成半熔融状态的煤灰，然后将该半熔融状态的煤灰装入熔融炉内。
13.权利要求12中记载的煤灰处理方法中，半熔融状态的煤灰的生成是将煤灰添加到粉煤燃烧炉中形成的。
14.一种煤灰的处理方法，由以下各工序组成，将煤灰加热生成半熔融状态的煤灰的工序；
将半熔融状态的煤灰装入熔融炉内的工序。
15.权利要求14中记载的煤灰处理方法中，半熔融状态的煤灰的生成是将煤灰添加到粉煤燃烧炉中形成的。
16.一种煤灰的处理方法，由以下各工序组成，
准备收容铁水或铁水与熔融炉渣的转炉型的熔融炉的工序；
一边向该熔融炉的铁水面上吹入氧气流，一边将铁矿石、煤灰、为使该煤灰的成分组成变化的造渣材料、以及作为热源的碳材料导入该熔融炉内的工序，通过该工序，铁矿石被还原熔融，生成生铁，煤灰被熔融，形成炉渣；
将生成的生铁及熔融的煤灰即炉渣从该熔融炉排出的工序。
17.权利要求16中记载的煤灰处理方法中，还包括控制导入的碳材料的量，从而保持铁水中的含碳量为2wt％以上的工序。
18.权利要求16中记载的煤灰处理方法中，还包括控制炉渣成分的工序，使形成的炉渣的主成分由CaO、SiO2及Al2O3构成，而且CaO/SiO2为0.3-1.25。
19.一种煤灰的处理方法，由以下各工序组成，
准备收容铁水或铁水与熔融炉渣的转炉型熔融炉的工序；
一边向该熔融炉的铁水面上吹入氧气流，一边将煤灰及、为使该煤灰的成分组成变化的造渣材料及、作为热源的碳材料导入该熔融炉内的工序，通过该工序，煤灰被熔融，形成熔融炉渣而且生成可燃性气体；
将该可燃性气体在热交换锅炉内进行热交换，将该可燃性气体冷却至1200℃以下的工序；
将冷却过的可燃性气体在旋风除尘器中除尘，回收粉尘的工序；
将除过尘的可燃性气体利用文丘里洗气器进一步冷却的工序；
将用文丘里洗气器冷却的可燃性气体用粉煤燃烧发电锅炉燃烧的工序；
将旋风除尘器中回收的粉尘趁热导入该熔融炉内的工序。
20.一种煤灰的处理方法，由以下各工序组成，
准备收容铁水或铁水与熔融炉渣的转炉型熔融炉的工序；
一边向该熔融炉的铁水面上吹入氧气流，一边将煤灰、为使该煤灰的成分组成变化的造渣材料、以及作为热源的碳材料导入该熔融炉内的工序，通过该工序，煤灰被熔融，形成熔融炉渣而且生成可燃性气体；
将该可燃性气体在热交换锅炉内进行热交换，将该可燃性气体冷却至1200℃以下的工序；
将冷却的可燃性气体在旋风除尘器中除尘，回收粉尘的工序；
将除尘后的可燃性气体利用粉煤燃烧发电锅炉燃烧的工序；
将旋风除尘器中回收的粉尘趁热导入该熔融炉内的工序。
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