JP2001132933A

JP2001132933A - 溶融炉用排出口部材

Info

Publication number: JP2001132933A
Application number: JP31031099A
Authority: JP
Inventors: Yuji Ogawa; 裕ニ小川
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 1999-10-29
Filing date: 1999-10-29
Publication date: 2001-05-18
Anticipated expiration: 2019-10-29
Also published as: JP3814449B2

Abstract

(57)【要約】【課題】溶融炉における残存物を排出するための傾斜状
の溝部を有する排出口部材に対し、耐食性、耐熱性に優
れた材質を提供する。【解決手段】溶融炉における残存物を排出するための傾
斜状の溝部を有する排出口部材として、１０００℃にお
ける高温強度が２００ＭＰａを越え、純度８０％を越え
るセラミックス焼結体を用い、テーパー部、ストッパー
部などの接合補強部を形成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明はたとえばゴミ焼却炉
やゴミ焼却灰再処理溶融炉等に使用する溶融炉に関する
ものである。

【０００２】

【従来の技術】従来、地方自治体で使用している焼成炉
において、燃やされた後の未燃分の焼却灰は最終処分場
にて埋められていたが、立地条件がきびしくなり、場所
の確保がむずかしくなってきた。しかも、ダイオキシン
やフロン等の有毒汚染物質の無害化は法律や条例できび
しく規制されるようになってきた。そのために、焼却灰
や飛灰を回収し、これを再溶融して、有害物質を無害化
する溶融炉が、近年、ますます求められている。焼却炉
で燃やされた後の未燃分の焼却灰は、高温加熱処理でス
ラグ化すれば、焼却灰の１／２〜１／４程度にまで体積
を小さくすることができ、さらにダイオキシン等の有害
汚染物質を熱分解にて無害化できる等により、このよう
な溶融炉での高温加熱処理法が有望視されている。

【０００３】従来の溶融炉図４において説明すると、１
０６はスラグ排出口、１０７は飛灰投入口である。１０
５はプラズマ用主電極、１１３は排ガス口である。上記
構成のプラズマ式溶融炉１０１を用いて下記のように溶
融させる。炉本体１０２内に前記被溶融物としての焼却
灰１０８を飛灰投入口１０７から入れる。この焼却灰１
０８はゴミを焼却炉で焼いたときに飛散する細かい灰で
あり（飛灰と呼ばれる）、さらには灰塵等を電気集塵
機、バグフィルタ等で集めたものである。この焼却灰１
０８にはダイオキシン、有害重金属等が含まれる。そし
て、この被溶融スラグ１１０（下部電極）と上部プラズ
マ用主電極１０５との間でアークを発生させ、ここへ窒
素ガスを流すことによりプラズマを発生させる。この輻
射熱と被溶融物中に電流が流れる際に発生するジュール
熱により、１３００〜１６００℃に加熱すると、被溶融
物がジュール熱により溶融され、主成分の比重差により
主としてＮａ、Ｋ、Ｃｌ、ＳＯ₃からなる溶融塩１０９
と、主としてＳｉＯ₂、Ａｌ₂Ｏ₃、ＣａＯからなる溶融
スラグ１１０に別れる。そして、このような溶融を繰り
返しおこなって、順次被溶融物を作りだしたり、あるい
はバッチ式に投入と取り出しを繰り返す。

【０００４】この溶融における炉内は酸化雰囲気でよ
く、排ガスロ１１３から出る排ガス１１４の温度は５０
０〜７００℃、溶融塩１０９の温度は１０００〜１４０
０℃、溶融スラグ１１０の温度は１４００〜１５００℃
程度である。上記溶融によれば、焼却灰１０８に含有さ
れた金属元素が蒸発し、排ガスロ１１３から出るが、こ
の金属元素を取り出し、別途設けた冷却装置で急冷し凝
縮させて微粒子とし、これをフィルタ等で回収して金属
濃縮物として回収する。また、ダイオキシンやフロン等
の有毒物質は熱破壊され、無害化された排ガス１１４は
排ガスロ１１３から出て、バグフィルタと集塵機と加熱
装置からなるガス処理装置を経て大気中へ放出する。さ
らにまた、炉本体１０２内の残存物は溶融スラグ１１０
として取り出し、温度を下げることで固化させ、これを
粉砕し、スラグ状穎粒とし、そして、有効利用または処
分する（特開平９−１４５０３１公報参照）。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】この時、排出口部材１
０４はマグネシア質やクロミア質等の耐火レンガから構
成されているが、高温で腐食性が強い溶融スラグ１１０
と接触する為、スラグと接する界面付近から劣化し長時
間の使用には問題があった。その為、上記マグネシア質
やクロミア質等の耐火レンガ１０３の背面部に水冷ジャ
ケット１１２を取り付け、レンガの温度が上がらない様
にし、長寿命化をはかっている。

【０００６】炉本体１０２の外周に配した水冷ジャケッ
ト１１２では、水を給水口（不図示）から入れ、排水ロ
（不図示）より出すように循環させ温度制御をおこなっ
ている。これにより、同時に排出口部の温度制御もおこ
なっている。しかしこれにより、排出される溶融スラグ
１１０も冷却されるため、スラグの粘性が上がり、スラ
グ塊が大きくなってしまい、水冷槽で冷却後取り出され
るスラグは著しく大きな塊状となる。スラグを、コンク
リート２次製品、建築材料、骨材等に有効にリサイクル
する為には、微粒化しなければならず、粉砕機を用いた
粉砕工程を経なければならない。

【０００７】このように、従来は溶融炉用の排出口部材
１０４として、マグネシア質やクロミア質等の耐火レン
ガが用いられているが、これらは耐食性、耐熱性に乏し
く、水冷が必要であった。その為排出スラグの温度が下
がり粘度が上昇して、細かいスラグ塊が出来ないという
問題があった。又、耐食性に最も優れたクロミア質耐火
レンガにおいては、絶縁性が低く、漏電の原因となって
しまう為、使用条件が制限されていた。

【０００８】

【課題を解決するための手段】これらに鑑みて本発明で
は、溶融炉における残存物を排出するための傾斜状の溝
部を有する排出口部材であって、１０００℃における高
温強度が２００ＭＰａ以上、純度８０％以上、気孔率が
１０〜３５％で、溝部の表面粗さがＲａ１０μｍ以下の
セラミックス焼結体から成り、テーパー部、ストッパー
部などの接合補強部を形成したものである。

【０００９】又、熱衝撃温度５００゜Ｃでの初期室温強
度からの劣化率が４０％未満とし、室温での抗折強度が
５０ＭＰａを越えるものとした。

【００１０】更に上記セラミックスが、平均粒径が５〜
５０μｍのＳｉＣ結晶粒子を１０〜３０重量％、平均粒
径が０．５〜５μｍのＳｉＣ結晶粒子を６０〜８５重量
％、Ａｌ₂Ｏ₃を１〜５％、Ｙ₂Ｏ₃を０．１〜５％含有す
るものとした。

【００１１】これにより、溶融スラグによる脱粒等の劣
化、排出口部材のズレ脱落を防止でき、又、高温強度、
耐食性が向上し、冷却が不要となり、従ってスラグ温度
が高く粘度ηを低く出来、スラグ塊の粉砕が容易とな
る。

【００１２】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施形態を以下に
詳述する。

【００１３】図１（Ａ）、（Ｂ）は本発明の溶融炉用の
排出口部材４の射視図、図２は前記、溶融炉の斜視図で
ある。図２の溶融炉用において、４は排出口部材、６は
スラグ排出口、７は飛灰投入口である。５はプラズマ用
主電極、１３は排ガス口である。

【００１４】上記構成のプラズマ式溶融炉１を用いて下
記のように溶融させる。炉本体２内に前記被溶融物とし
ての焼却灰８を飛灰投入口７から入れる。この焼却灰８
はゴミを焼却炉で焼いたときに飛散する細かい灰であり
（飛灰と呼ばれる）、さらには灰塵等を電気集塵機、バ
グフイルタ等で集めたものである。この焼却灰８にはダ
イオキシン、有害重金属等が含まれる。

【００１５】そして、この被溶融スラグ１０（下部電
極）と上部プラズマ用主電極５との間でアークを発生さ
せ、ここへ窒素ガスを流すことによりプラズマを発生さ
せる。この輻射熱と被溶融物中に電流が流れる際に発生
するジュール熱により、１３００〜１６００℃に加熱す
ると、被溶融物が溶融され、主成分の比重差により主と
してＮａ、Ｋ、Ｃｌ、ＳＯ₃からなる溶融塩９と、主と
してＳｉＯ₂、Ａｌ₂Ｏ₃、ＣａＯからなる溶融スラグ１
０に別れる。

【００１６】そして、このような溶融を繰り返しおこな
って、順次被溶融物を作りだしたり、あるいはバッチ式
に投入と取り出しを繰り返す。

【００１７】上記炉本体２は耐火レンガ３をマトリック
ス状に積み重ねた壁体で構成され、この壁体でもって円
筒状を成している。上記排出口部材４はスラグ排出口６
の耐火レンガ３に組み込み固定するものであって、さら
に排出口部材４の中央部にはスラグ排出用の溝部４ａを
設けてある。

【００１８】この溶融における炉内は酸化雰囲気でよ
く、排ガスロ１３から出る排ガス１４の温度は５００〜
７００℃、溶融塩９の温度は１０００〜１４００℃、溶
融スラグ１０の温度は１４００〜１５００℃程度であ
る。

【００１９】上記溶融によれば、焼却灰８に含有された
金属元素が蒸発し、排ガスロ１３から出るが、この金属
元素を取り出し、別途設けた冷却装置で急冷し凝縮させ
て微粒子とし、これをフィルタ等で回収して金属濃縮物
として回収する。また、ダイオキシンやフロン等の有毒
物質は熱破壊され、無害化されたガスは排ガスロ１３か
ら出て、バグフィルタと集塵機と加熱装置からなるガス
処理装置を経て大気中へ放出する。さらにまた、炉本体
２内の残存物は溶融スラグ１０として取り出し、温度を
下げることで固化させ、これを粉砕し、スラグ状穎粒と
し、そして、有効利用または処分する。

【００２０】そして本発明は、プラズマ式溶融炉１にお
ける残存物を排出するための傾斜状の溝部４ａを有する
排出口部材４を、１０００℃における高温強度が２００
ＭＰａを越え、主成分（ＳｉＣ）の純度８０％を越える
セラミックスで形成し、テーパー部４ｂ、ストッパー部
４ｃなどの接合補強部を形成した。

【００２１】溶融炉用排出口部４温度は実質的に約１０
００℃程度となるが、ここで、排出口部材４の１０００
℃における強度が２００ＭＰａを越えると粒子間の結合
力が大きくなることから強度的に安定し、脱粒も発生し
ない。一方、１０００℃における強度が２００ＭＰａ以
下になると、逆に脱粒を発生させることとなる。

【００２２】又、純度８０％以下ではセラミックスの焼
結が十分に進まず、所望の高温強度が得られない。

【００２３】一方、耐火レンガ３はポーラス質であるこ
とから、微少クラックの存在により応力集中の緩衝作用
があり、耐火レンガ３と本発明の排出口部材４間の熱膨
張率の差によって発生する歪みによる応力集中から排出
口部材４を保護することとなり、耐熱衝撃性も保つこと
が出来る。これにより、冷却が不要となり、耐火レンガ
３の温度が上がらない様にする為の背面部水冷ジャケッ
トの取り付けも不要となり、構造的にも簡略化出来るこ
ととなる。従ってスラグ温度が高く粘度ηを低く出来、
スラグ塊の粉砕が容易となる又、この排出口部材４をな
すセラミックスは気孔率１０〜３５％とし、溝部４ａの
表面粗さをＲａ１０μｍ未満とすることにより、耐熱衝
撃性を高めるとともに、高温での腐食性溶融スラグとの
接触による界面付近からの劣化を防止することができ
る。これは気孔率が１０％以下では、耐熱衝撃の緩和効
果が得られにくく、逆に３５％以上の場合は、強度が低
下してしまう為である。

【００２４】又、表面粗さがＲａ１０μｍ以上ではクサ
ビ効果でスラグが表面に付着し反応し易くなる為、界面
付近からの劣化が進行しやすくなる。

【００２５】又、排出口部材４をなすセラミックスは、
熱衝撃温度５００℃での初期室温強度からの劣化率が４
０％未満のものが好ましい。熱衝撃温度５００℃での初
期室温強度からの劣化率が４０％以上になると、１２０
０〜１３００℃近傍で運転される焼却炉内近傍で多量の
焼却灰や外気が入った場合、炉内温度が７００〜８００
℃レベル迄急速に低下する可能性がある。その際炉内に
セットされた排出口部材４にも熱衝撃が加わり、最悪の
場合破損に至る。

【００２６】又、上記セラミックスは室温での抗折強度
が５０ＭＰａを越えるものを用いることが好ましい。こ
れが室温での抗折強度が５０ＭＰａ以下であると、炉内
への排出口部材４のセット、メンテナンス時の取り外し
等の必要性があり、また、作業時に人為的なミスも加わ
り、カケ、割れ、クラックなどが生じる為である。

【００２７】又、本発明の溶融炉用の排出口部材４の耐
火レンガ３への取り付けは、無機接着剤等を用いて行う
が、接合補強部として、排出口部材４は図１（Ａ）に示
すように外辺にテーパー角度θのテーパー部４ｂを形成
したり、図１（Ｂ）に示すように外辺にストッパー部４
ｃを取り付けることにより、接着面がズレることのない
形状として、溶融スラグによる脱粒等の劣化、排出口部
材４のズレ脱落を防止している。上記テーパー部４ｂの
テーパー角度θは１５゜〜４５゜が良い。又、排出口部
材４の厚みｔに対して、ストッパー部４ｃの長さＬは２
ｔ〜４ｔ、厚みＴは１／２ｔ〜２ｔの範囲内としておけ
ば強度的にも好適である。

【００２８】上述した排出口部材４としての特性を満足
できるセラミックス焼結体として、平均粒径が５〜５０
μｍの粗大なＳｉＣ結晶粒子を１０〜３０重量％、平均
粒径が０．５〜５μｍのＳｉＣ結晶粒子を６０〜８５重
量％、Ａｌ₂Ｏ₃を１〜５％、Ｙ₂Ｏ₃を０．１〜５％含有
する多孔質セラミックスを用いることが、より効果的で
ある。

【００２９】ここで、粗大なＳｉＣ結晶粒子の重量比が
１０〜３０重量％、平均粒径が０．５〜５μｍのＳｉＣ
結晶粒子が６０〜８５重量％、Ａｌ₂Ｏ₃の重量比が１〜
５％、Ｙ₂Ｏ₃の重量比が０．１〜５％の範囲をはずれる
と、高温強度が低下してしまう。

【００３０】これらの製法としては、アルミナ、イット
リアと混合された平均粒径５〜５０μｍの粗大なＳｉＣ
結晶粉体と０．５〜５μｍのＳｉＣ結晶粉体を乾式混合
機を用いて混合し、その後湿式ミキサーを用いてバイン
ダーと混合し、これを用いて、金型プレス、冷間静水圧
加圧成形（ＳＩＰ）等を用いて、成形後、１７００〜２
０００℃、還元雰囲気中で焼成する。このとき粗大なＳ
ｉＣ結晶粉体を含有させることで、焼結性が低下し、上
述したような適度な気孔を形成することができる。

【００３１】なお、本発明は上記実施の形態に限定され
るものではなく、窒化珪素質セラミックス等の他の材質
においても、本発明の要旨を逸脱しない範囲内で種々の
変更や改良等は何ら差し支えない。

【００３２】

【実施例】本発明の実施例について以下に説明する。

【００３３】本発明の各種多孔質セラミックス焼結体、
即ち平均粒径の大きなＳｉＣ結晶粒子と、平均粒径の小
さなＳｉＣ結晶粒子及び、アルミナ、イットリア等の焼
結助剤を調合した原料を作製し、これに成形バインダー
５重量％を加えて造粒し、成形圧１ｔ／ｃｍ²で金型プ
レス成形し、その後１８００℃、２時間、還元雰囲気で
焼成して、平均粒径が５〜５０μｍの粗大なＳｉＣ結晶
粒子を１０〜３０重量％、平均粒径が０．５〜５μｍの
ＳｉＣ結晶粒子を６０〜８５重量％、Ａｌ₂Ｏ₃を１〜５
％、Ｙ₂Ｏ₃を０．１〜５％含有する多孔質焼結体を得
た。

【００３４】実験例１本試験では、上記各種配合の試験片を成形、焼成して試
験片を作製した。サイズは３×４×５０ｍｍとした。こ
れらを用いて、表１、２の各種特性を測定し、排出口部
材として使用できるかどうかの適否を判定した。

【００３５】表１、表２より、多孔質複合材料の、１０
００℃における高温強度が２００ＭＰａ未満、純度８０
％を未満のセラミックス焼結体は、強度的に安定せず、
高温での腐食性溶融スラグとの接触による界面付近から
の劣化を防止できない。

【００３６】これに対し、１０００℃における高温強度
が２００ＭＰａを越え、純度８０％を越えるセラミック
ス焼結体は強度、耐食性ともに十分で排出口部材として
適することがわかる。

【００３７】

【表１】

【００３８】

【表２】

【００３９】実験例２次に、炭化珪素、窒化珪素質焼結体の各種組成で、気孔
率、面粗さの異なる、５０×５０×３００Ｌの各種テス
トピースを作製し、溶融炉排出口のスラグ部分へ１００
時間挿入してスラグに接触させ、浸食された部分の量を
測定した。結果は表３の通りである。

【００４０】表３から明らかな通り、気孔率が１０％以
下、又は３５％以上、又は面粗さが１０μｍ以下になる
と、炭化珪素、窒化珪素ともに浸食量が増加し、１ｍｍ
以上となっていることがわかる。一方、気孔率１０〜３
５％、及び面粗さが１０μｍ未満になると、浸食量１ｍ
ｍ以下となり、溶融スラグによる脱粒等の劣化を防止で
きることとなる。

【００４１】

【表３】

【００４２】実験例３次に熱衝撃試験については、図３に示すように、所定温
度に加熱したテストピース１８を、水中に投下すること
によって行う。このとき、水１９に接した面は水に冷や
されて温度が下がり縮もうとし、水１９に接していない
部分は暖かいままで膨張した状態である。すると内部に
引っ張り応力がはたらき、テストピース１８に熱衝撃に
よるクラック等がはいることとなる。なお、このときの
条件は、以下の通りである。（イ）テストピースサイズ：３ｘ４ｘ３５ｍｍ、テスト
ピース温度：５００℃ （ロ）水中温度：室温（３０℃）そして上記耐熱衝撃試験後の強度を測定し、初期の室温
強度に対する劣化率を求める。結果は表４の通りであ
る。

【００４３】これらの結果、上記排出口部材が、熱衝撃
温度５００℃での初期室温強度からの劣化率が４０％以
上、又は室温での強度が５０ＭＰａ以下では、高温下で
の熱衝撃によりクラック等の破損が生じている。

【００４４】一方、熱衝撃温度５００℃での初期室温強
度からの劣化率が４０％未満で、室温での強度が５０Ｍ
Ｐａを越えるものでは、破損等も無く長時間の稼働が可
能となる。

【００４５】

【表４】

【００４６】

【発明の効果】本発明では、溶融炉における残存物を排
出するための傾斜状の溝部を有する排出口部材であっ
て、１０００℃における高温強度が２００ＭＰａ以上、
純度８０％以上、気孔率が１０〜３５％で、溝部の表面
粗さがＲａ１０μｍ以下のセラミックス焼結体から成
り、テーパー部、ストッパー部などの接合補強部を形成
したことにより、強度的に安定し、高温での腐食性溶融
スラグとの接触による界面付近からの劣化を防止できる
為、スラグ排出部の寿命が向上し連続運転が可能とな
る。

【００４７】更に、高温での腐食性溶融スラグとの接触
による界面付近からの劣化を防止できるとともに、接着
面がズレることが無く、溶融スラグによる脱粒等の劣化
による排出口部材のズレ脱落を防止することが出来るこ
とから、冷却が不要となり、従ってスラグ温度を高く粘
度ηを低く出来ることとなり、炉外へ排出する溶融スラ
グの温度の低下が抑制され、その為低粘度の細流状態で
スラグ冷却槽へ投入出来、その結果スラグ塊の粉砕が容
易となるとともに、粒径の細かいスラグ塊が得られる。
微細なスラグ塊が回収出来ることにより、その後の粉砕
工程を簡略化することが出来る。

【図面の簡単な説明】

【図１】（Ａ）（Ｂ）は本発明の溶融炉用排出口部材の
実施形態を示す斜視図である。

【図２】本発明の溶融炉用排出口部材を用いたプラズマ
溶融炉の一例を示す断面図である。

【図３】熱衝撃試験を行う装置の断面図である。

【図４】従来のプラズマ溶融炉の断面図である。

【符号の説明】

１、１０１：プラズマ式溶融炉２、１０２：炉本体３、１０３：耐火レンガ４、１０４：排出口部材４ａ：溝部４ｂ：テーパー部４ｃ：ストッパー部５、１０５：プラズマ用主電極６、１０６：スラグ排出口７、１０７：飛灰投入口８、１０８：焼却灰９、１０９：溶融塩１０、１１０：溶融スラグ１１２：水冷ジャケット１３、１１３：排ガス口１４、１１４：排ガス１８：テストピース１９：水

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】溶融炉における残存物を排出するための傾
斜状の溝部を有する排出口部材であって、１０００℃に
おける高温強度が２００ＭＰａ以上、純度８０％以上、
気孔率が１０〜３５％で、溝部の表面粗さがＲａ１０μ
ｍ以下のセラミックス焼結体から成り、テーパー部、ス
トッパー部などの接合補強部を形成したことを特徴とす
る溶融炉用排出口部材。
【請求項２】上記セラミックスが、熱衝撃温度５００℃
での初期室温強度からの劣化率が４０％未満で、室温で
の抗折強度が５０ＭＰａを越えることを特徴とする請求
項１に記載の溶融炉用排出口部材。
【請求項３】上記セラミックスが、平均粒径５〜５０μ
ｍのＳｉＣ結晶粒子を１０〜３０重量％、平均粒径０．
５〜５μｍのＳｉＣ結晶粒子を６０〜８５重量％、Ａｌ
₂Ｏ₃を１〜５％、Ｙ₂Ｏ₃を０．１〜５％含有することを
特徴とする請求項１又は２に記載の溶融炉用排出口部
材。