JP2002265283A

JP2002265283A - 灰分溶融用材料

Info

Publication number: JP2002265283A
Application number: JP2001063435A
Authority: JP
Inventors: Masao Nanba; 政雄難波; Naoyuki Nishimura; 直之西村; Takaaki Makino; 隆章槙野
Original assignee: Mitsui Engineering and Shipbuilding Co Ltd
Current assignee: Mitsui Engineering and Shipbuilding Co Ltd
Priority date: 2001-03-07
Filing date: 2001-03-07
Publication date: 2002-09-18

Abstract

(57)【要約】【課題】灰分を加熱して熔融させた熔融スラグに接触
する灰分熔融用材料の耐食性を向上させる。【解決手段】廃棄物５０ａを燃焼させて生ずる灰分を
加熱して溶融スラグ５３ｆにする燃焼溶融炉５３の内壁
を形成する灰分溶融用材料において、スピネル型化合物
ＭＣｒ₂Ｏ₄（ＭはＭｇまたは２価のＦｅ）およびジルコ
ニアを含む耐火物で形成され、アルカリ元素を高濃度含
有する溶融スラグによる浸食を抑制する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、灰分を熔融する際
に使用する灰分溶融用材料およびこれを使用する灰分熔
融用複合材料と、この灰分溶融用材料または灰分熔融用
複合材料を用いる熱電対保護部材および廃棄物処理装置
と、灰分を熔融する熔融炉の内壁形成方法に関するもの
である。

【０００２】

【従来の技術】都市ごみなどの一般廃棄物や廃プラスチ
ックなどの可燃物を含む廃棄物の処理装置の一つとし
て、廃棄物を熱分解反応器に入れて熱分解し、熱分解ガ
ス（乾留ガス）と主として不揮発性成分からなる熱分解
残留物とを生成し、更に熱分解残留物から生じた燃焼性
成分と前記した熱分解ガスとを燃焼溶融炉に導いて燃焼
させ、生じた燃焼灰（灰分）をその燃焼熱により加熱し
て溶融スラグとなし、この溶融スラグを耐火物で覆われ
た炉内壁面を流下させ排出し、冷却固化させるようにし
た廃棄物処理装置が知られている（特公平６−５６２５
３号公報）。

【０００３】ところで、耐火物は鉄鉱、非鉄、セメン
ト、ガラス、窯業など高温処理を必要とする工場の窯炉
やボイラ、廃棄物焼却炉などに使用される。溶融スラグ
と接触する状態での使用においては、酸素分圧、アルカ
リ分圧などの気相側環境と共に溶融スラグの関与する苛
酷な高温腐食も考慮する必要がある。一般に、酸素分圧
の高い場合においては酸化物系耐火物が使用されるが、
その耐食性選定の目安として、熔融スラグの塩基度が１
を超える場合は塩基性耐火物が、１以下の場合は中性ま
たは酸性耐火物が使用される。空気で燃焼、溶融させる
ごみ焼却での酸化物系耐火物の場合、スラグ塩基度は１
以下のことが多く、Ａｌ₂Ｏ₃を主体とする中性耐火物が
選ばれている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】上記灰分を溶融させた
溶融スラグは、製鋼スラグやその他の溶融物と比較して
ＮａやＫといったアルカリ元素の含有率が高い。そのた
め、Ａｌ₂Ｏ₃−ＳｉＯ₂、Ａｌ₂Ｏ₃−ＳｉＣなどのＳｉ
含有耐火物の場合、最初から存在するまたは生成された
ＳｉＯ₂が灰分溶融スラグの中のアルカリと反応し、低
融点のアルカリシリケートを生成する。このアルカリシ
リケート化合物は流動化するので該耐火物は徐々に減肉
する。一方、Ａｌ₂Ｏ₃耐火物或いはセラミックスの場合
は、いわゆるβ−アルミナを形成し、低融点化する。従
って、耐火物の寿命が短くなる。

【０００５】本発明は、灰分を加熱して熔融させた熔融
スラグに接触する灰分熔融用材料の耐食性を向上させる
ことを課題とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するた
め、本発明の灰分熔融用材料は、クロム（「Ｃｒ」とも
記す）を含有するスピネル型化合物およびジルコニアを
含むことである。Ｃｒ含有スピネル型化合物とジルコニ
アは、共に溶融スラグとの表面張力が大きく、濡れにく
い。そのため、溶融スラグの浸透が制御される。さら
に、スピネル型化合物とジルコニアは、共に溶融スラグ
中への溶解にあたり、液相の粘性を高める。そのため、
耐火物に接する熔融スラグ境界相中の物質移動速度を小
さくする。

【０００７】また、Ｃｒを含有するスピネル型化合物
は、難焼結性であり緻密性が十分でないために溶融スラ
グの浸透やスラグ流動の影響を受ける場合があるが、ジ
ルコニアを添加することにより、Ｃｒ含有スピネル型化
合物の焼結性を向上させ、耐火物の耐久性を向上させ
る。このように、Ｃｒを含有するスピネル型化合物およ
びジルコニアを含む灰分熔融用材料を、たとえば熔融炉
の内壁に耐火物として用いれば、灰分を加熱して熔融さ
せた溶融スラグに接触する内壁は、激しい浸食を免れる
ことができる。

【０００８】スピネル型化合物は、式（１）で表わされ
るものである。添加するジルコニアは、０．１重量％以
上、５０重量％以下とし、好ましくは５重量％以上、４
０重量％以下とすると良い。ジルコニアが０．１重量％
未満では先のスピネル型化合物の焼結性と耐久性の向上
が小さい。ジルコニアの割合が５０重量％を超えると溶
融スラグ中の各種珪酸塩と化合し、耐久性が低くなるの
で５０重量％以下とする。

【０００９】

【化１】さらに、上記スピネル型化合物（「ＳＰ」とも記す）お
よびジルコニア（「ＺＲ」とも記す）と、クロムを含有
するコランダム型化合物（「ＣＯＲ」とも記す）とを含
む３相混合物を形成していると良い。クロムを含むスピ
ネル型化合物とジルコニアとの混合相のみならず、灰分
溶融用材料として、クロムを含むコランダム型化合物を
含むものである。ここで、コランダム型化合物は、式
（２）で表わされる。

【００１０】

【化２】また、３相混合物は、式（３〉で表わされるものであ
る。

【００１１】

【数１】コランダム型化合物中のＣｒ₂Ｏ₃およびジルコニアは共
に溶融スラグとの表面張力が大きく、濡れにくい。その
ため、溶融スラグの浸透が制御される。また、Ｃｒ₂Ｏ₃
およびジルコニアは共に溶融スラグ中への溶解にあた
り、液相の粘性を高める。そのため、耐火物に接するス
ラグ境界相中の物質移動速度は小さくなる。ジルコニア
の添加は、スピネル型化合物とコランダム型化合物の２
相混合物の焼結性を向上させ、その結果、耐久性を向上
させる。

【００１２】さらに、金属Ｃｒが非酸化状態で４０重量
％以下混在していると良い。使用中に稼働面近傍で、原
料中のＭＯ成分（「Ｍ」は金属、以下同じ）および気相
中の酸素とこの金属Ｃｒが反応してスピネル型化合物Ｍ
Ｃｒ₂Ｏ₄を生成し、耐食性が向上する。ただし添加する
金属Ｃｒは配合物全体の４０重量％を超えると、使用中
に酸化反応に起因して局部膨張が大きくなる恐れがある
ので、４０重量％以下とする。

【００１３】また、本発明の灰分熔融用複合材料は、金
属製材料の表面に上記で説明した灰分熔融用材料を表面
皮膜として有するものである。これにより灰分熔融用材
料である耐火物を支持する構造材料としての金属材料の
耐久性を向上させる。

【００１４】また、本発明の熱電対保護部材は、先に記
載した灰分熔融用材料または上記灰分熔融用複合材料で
形成される。このように形成される熱電対保護部材は、
灰分を加熱して溶融し、熔融スラグにする熔融炉の内部
温度を計測するにあたり、熔融スラグの激しい浸食に耐
えることができる。

【００１５】また、本発明の廃棄物処理装置は、廃棄物
を熱分解することにより生ずる熱分解ガスと燃焼性成分
を燃焼させて不燃焼分を溶融する溶融炉の内壁が、上記
の灰分熔融用材料または灰分溶融用複合材料で形成され
るものである。すなわち、廃棄物処理装置は、廃棄物を
熱分解して熱分解ガスおよび熱分解残留物を生成する熱
分解反応器と、この熱分解反応器から生成される熱分解
残留物を冷却する冷却装置とを備える。

【００１６】さらに、冷却装置で冷却された熱分解残留
物を燃焼性成分および不燃焼性成分に分離する分離装置
と、上記熱分解ガスおよび燃焼性成分を燃焼させて不燃
焼分を溶融する溶融炉とを備えるものである。これによ
り、溶融炉の耐久性が向上し、もってこの装置の運転効
率を向上できる。

【００１７】また、本発明の溶融炉の内壁形成方法は、
予め２価の金属またはこの金属含有化合物を添加した廃
棄物を燃焼させて生ずる灰分を、クロムを含有するコラ
ンダム型化合物を含有する耐火物で形成された炉内壁を
有する溶融炉内で溶融させ、内壁にスピネル型化合物を
生成させることである。

【００１８】予め添加された２価の金属成分、たとえば
ＭｇまたはＦｅと、或いはこれら金属成分を含有する化
合物と耐火物中のＣｒ₂Ｏ₃成分とが反応して、耐火物表
面にスピネル型化合物ＭＣｒ₂Ｏ₄が生成され、前記溶融
スラグに対する保護膜の働きをする。式（１）で表わさ
れるスピネル型化合物における６配位位置のＣｒ以外の
成分の添加は、耐食性発現を損なわないように、添加元
素であるＡｌと３価のＦｅの合計がＣｒ量を越えない範
囲とする。

【００１９】

【発明の実施の形態】以下、本発明の灰分溶融用材料、
灰分溶融用複合材料およびこれらを利用した熱電対保護
部材、廃棄物処理装置並びに溶融炉の内壁形成方法の実
施形態を説明する。

【００２０】先ず、灰分溶融用材料について説明する。

【００２１】表１は、本発明に係る灰分溶融用材料の実
施例と、これに比較する比較例を示したものである。ま
た、表２は、溶融スラグの化学組成を示す。本実施例の
焼結体（灰分溶融用材料）は、Ｃｒ₂Ｏ₃とＭｇＯを重量
比で７９：２１の割合で混合した粉末を１３００℃、４
時間、固相反応させてピクロクロマイト単一相を得る。
これをボールミルで粉砕し、分級後、粒径０．５〜１０
μｍのジルコニア粉末およびスルファミン酸と混合し、
この混合物をプレス成形し、還元雰囲気中で１７００℃
の温度で３時間加熱し得られる。

【００２２】試験用試料は、上記のようにして得られた
焼結体から立方体を切り出し、Ｎ₂＋５％Ｏ₂＋１０００
ｐｐｍＨＣｌの雰囲気で、１４００℃、２０時間、灰分
を熔融した溶融スラグ中に浸漬した。次に、試料を回転
させることによって試料に対し溶融スラグを相対的に流
動化させた。その後、浸食量を測定した。比較例とし
て、Ａｌ₂Ｏ₃−ＳｉＣ焼結体およびＡｌ₂Ｏ₃焼結体につ
いて、本実施例と同様の条件で流動を加えて浸食量を測
定した。これらの実験条件は、廃棄物である都市ごみの
燃焼溶融炉（または焼却炉）内における溶融スラグの存
在下での環境を模擬したものである。

【００２３】上記試験によれば、本実施例のスピネル型
化合物であるピクロクロマイトＭｇＣｒ₂Ｏ₄およびジル
コニアからなる焼結体の減肉厚さは、０．１３ｍｍであ
る。これに対して、比較例のＡｌ₂Ｏ₃−ＳｉＣ焼結体は
０．７６ｍｍ、Ａｌ₂Ｏ₃焼結体は０．６４ｍｍである。
本実施例の焼結体は、都市ごみ焼却で生ずる灰分を加熱
して溶融した溶融スラグの存在下における環境において
耐食性が優れていることがわかる。

【００２４】

【表１】

【００２５】

【表２】また、金属製材料、たとえば鉄製材料の表面に表面皮膜
としてピクロクロマイトＭｇＣｒ₂Ｏ₄およびジルコニア
を被覆した灰分溶融用複合材料についても、溶融スラグ
に対する耐食性は同様に優れたものであった。さらに、
この表面皮膜に金属Ｃｒを２０重量％混在させて同様の
浸食試験を行ったところ、表面近傍の金属ＣｒはＣｒ₂
Ｏ₃またはスピネル型化合物ＭＣｒ₂Ｏ₄に変わってい
た。さらに、先の本実施例における灰分溶融用材料また
は灰分溶融用複合材料で形成された熱電対保護部材につ
いても、溶融スラグに対する耐食性は同様に優れたもの
であった。

【００２６】次に、本発明に係る廃棄物処理装置および
溶融炉の内壁形成方法の実施形態について説明する。

【００２７】本実施形態の廃棄物処理装置は、廃棄物、
たとえば家庭やオフィスなどから出される都市ごみなど
の一般廃棄物、廃プラスチック、カーシュレッダー・ダ
スト、廃オフィス機器、電子機器、化粧品などの産業廃
棄物など、可燃物を含むものを焼却処理して生ずる灰分
を加熱し溶融して溶融スラグとするものである。そし
て、この灰分を溶融する燃焼熔融炉（または熔融炉）の
炉内壁は、先の灰分溶融用材料または灰分溶融用複合材
料で形成される。

【００２８】図１は、本発明に係る廃棄物処理装置の一
実施形態を示す系統図である。都市ごみなどの廃棄物５
０ａは、たとえば二軸剪断式などの破砕機で、１５０ｍ
ｍ角以下の大きさに破砕され、コンベアなどにより投入
部５０内に投入される。投入部５０に投入された廃棄物
５０ａはスクリューフィーダ５１を経て熱分解反応器５
２に供給される。熱分解反応器５２としてはこの例では
横型回転式ドラムが用いられ、ドラム内の加熱分解室は
図示しないシール構造により、その内部は低酸素雰囲気
に保持されている。

【００２９】廃棄物５０ａは熱分解反応器５２で熱分解
されるが、その熱源は、後述する燃焼溶融炉５３の後流
側に配置された熱交換器である高温空気加熱器１により
加熱され加熱空気ラインＬ1を介して供給される加熱空
気８ｇ（熱媒体）である。この加熱空気８ｇによりドラ
ムの加熱分解室内は３００〜６００℃に、通常は４５０
℃程度に維持される。

【００３０】更に、加熱空気８ｇにより加熱された廃棄
物５０ａは、熱分解して熱分解ガスＧ1と、主として不
揮発性成分からなる熱分解残留物５４とになり、排出装
置５５に送られて分離される。排出装置５５で分離され
た熱分解ガスＧ1は、排出装置５５の上部から熱分解ガ
スラインＬ2を経て燃焼溶融炉のバーナ５６に供給され
る。排出装置５５から排出された熱分解残留物５４は、
４５０℃程度の比較的高温であるため、後述する構造の
冷却装置５７により不活性雰囲気下で８０℃程度に冷却
される。

【００３１】その後、冷却された熱分解残留物５４は、
たとえば磁選式、うず電流式、遠心式または風力選別式
などの公知の単独または組み合わされた分離装置５８に
供給され、ここで細粒の燃焼性成分５８ｄ（灰分を含
む）と鉄、瓦礫などの不燃焼性成分５８ｃとに分離さ
れ、不燃焼性成分５８ｃはコンテナ５９に回収され再利
用される。

【００３２】更に、燃焼性成分５８ｄは、主として熱分
解カーボンからなるが、粉砕機６０により、たとえば１
ｍｍ以下に微粉砕されて粉体カーボンとなり、燃焼性成
分ラインＬ3を経て燃焼溶融炉のバーナ５６に供給さ
れ、熱分解ガスラインＬ2から供給される熱分解ガスＧ1
と送風機６１により空気ラインＬ4から供給される燃焼
用空気６１ｅと共に１３００℃程度の高温域で燃焼され
る。

【００３３】上記燃焼で発生した燃焼灰（または灰分）
は、その燃焼熱により溶融スラグ５３ｆとなって、この
燃焼溶融炉５３の内壁に付着し、更に、内壁を流下し底
部排出口６２から筒状の排出部７１を通って水槽６３に
落下し冷却固化される。燃焼溶融炉５３は、カーボンな
どの燃焼性成分５８ｄを１３００℃程度の高温で燃焼さ
せ、灰分を含む不燃焼分を溶融させて溶融スラグ５３ｆ
と高温の燃焼排ガスＧ2とを生成する。燃焼排ガスＧ2
は、秒速２〜３ｍ、温度１０００〜１２００℃のガス流
となって、炉内下流側に設けられる高温空気加熱器１の
伝熱管群により熱回収される。

【００３４】燃焼溶融炉５３の内壁は、本発明に係る灰
分溶融用材料で形成されている。この例ではスピネル型
化合物およびジルコニアからなる耐火物（または耐火
材）で形成されている。すなわち、溶融スラグ５３ｆは
ＮａやＫなどのアルカリ元素を高濃度含んでいるが、そ
れに対する耐食性の高い上記耐火物で形成されている。

【００３５】次に、高温空気加熱器１で空気を加熱し、
通過した燃焼排ガスＧ2は、煙道ガスラインＬ5を介して
廃熱ボイラ６４で熱回収され、集塵機６５で除塵され、
更に排ガス浄化装置６６で塩素などの有害成分が除去さ
れた後、低温のクリーンな排ガスＧ3となって誘引送風
機６７を介して煙突６８から大気へ放出される。廃熱ボ
イラ６４で生成した蒸気は、蒸気タービンを有する発電
機６９で発電に利用される。クリーンな排ガスＧ3の一
部はファン７０を介してガスラインＬ6により冷却装置
５７に供給される。

【００３６】次に、上記構造を有する廃棄物処理装置の
作用について説明する。燃焼溶融炉５３の内壁を形成す
る耐火物は、先の式（１）で示すスピネル型化合物およ
びジルコニアからなり、熱力学的に安定で、アルカリ元
素との両立性が高いので、燃焼溶融炉５３で生成したこ
の種溶融スラグによる浸食を抑制できる。また、ジルコ
ニアの添加は、Ｃｒ含有化合物の焼結性を向上させる。
したがって、燃焼溶融炉５３の耐久性が向上し、もって
廃棄物処理装置の運転効率を向上できる。

【００３７】次に、廃棄物処理装置における溶融炉の内
壁形成方法について説明する。上記廃棄物処理装置の実
施形態において、燃焼溶融炉５３の内壁は、最初からス
ピネル型化合物を含む耐火物で形成されているものにつ
いて説明したが、燃焼溶融炉５３の内壁に最初はスピネ
ル型化合物が形成されていなくても、内壁を形成する耐
火物として、たとえばＣｒ₂Ｏ₃を含有するコランダム型
化合物を用い、予め廃棄物に２価の金属、たとえばＭｇ
やＦｅを添加しておき、あるいは２価の金属を含有する
化合物を添加しておき、溶融スラグの生成と同時にスピ
ネル型化合物が生成されるようにしてもよい。

【００３８】以上の説明においては、本発明を図示の実
施形態について詳述したが、本発明はこの実施形態のみ
に限定されるものではなく、本発明の精神を逸脱せずし
て種々改変を加え、多種多様の変形をなし得ることは云
うまでもない。

【００３９】

【発明の効果】本発明によれば、灰分を加熱して熔融さ
せた熔融スラグに接触する灰分熔融用材料の耐食性を向
上させることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る廃棄物処理装置の一実施形態を示
す系統図である。

【符号の説明】

５０ａ廃棄物５２熱分解反応器５３燃焼溶融炉（溶融炉）５４熱分解残留物５５排出装置５７冷却装置５８分離装置５８ｃ不燃焼性成分５８ｄ燃焼性成分６４廃熱ボイラ６５集塵器６６排ガス浄化装置Ｇ1 熱分解ガス

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号ＦＩテーマコート゛(参考）Ｆ２３Ｇ 5/027 ＺＡＢＦ２７Ｄ 1/00 Ｎ４Ｋ０５１ 5/16 ＺＡＢＣ０４Ｂ 35/62 ＡＦ２３Ｊ 1/00 Ｂ０９Ｂ 3/00 ３０３ＬＦ２７Ｄ 1/00 Ｃ０４Ｂ 35/00 Ｖ (72)発明者槙野隆章岡山県玉野市玉３丁目１番１号三井造船株式会社玉野事業所内Ｆターム(参考） 3K061 AA23 AB02 AB03 AC01 CA01 FA03 FA10 FA21 FA23 NB03 3K078 BA01 BA21 CA02 CA24 4D004 AA07 AA46 CA04 CA09 CA27 CA29 CA32 CB31 4G030 AA17 AA22 AA36 AA61 BA25 CA01 4G031 AA03 AA12 AA16 AA39 BA25 CA01 4K051 AB03 AB05 BE03

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】クロムを含有するスピネル型化合物およ
びジルコニアを含み、灰分を熔融する際に使用される灰
分溶融用材料。
【請求項２】請求項１において、前記ジルコニアは、
０．１重量％以上、５０重量％以下を含んでなる灰分溶
融用材料。
【請求項３】請求項１または２において、前記スピネ
ル型化合物およびジルコニアと、クロムを含有するコラ
ンダム型化合物とを含む３相混合物を形成してなる灰分
溶融用材料。
【請求項４】請求項１ないし３のいずれかにおいて、
金属Ｃｒが非酸化状態で４０重量％以下混在してなる灰
分溶融用材料。
【請求項５】金属製材料の表面に請求項１ないし４の
いずれかに記載の灰分溶融用材料を表面皮膜として有し
てなる灰分溶融用複合材料。
【請求項６】請求項１ないし５のいずれかに記載の灰
分溶融用材料または灰分溶融用複合材料で形成されてな
る熱電対保護部材。
【請求項７】廃棄物を熱分解して熱分解ガスおよび熱
分解残留物を生成する熱分解反応器と、前記熱分解残留
物を冷却する冷却装置と、冷却された熱分解残留物を燃
焼性成分および不燃焼性成分に分離する分離装置と、前
記熱分解ガスおよび前記燃焼性成分を燃焼させて不燃焼
分を溶融する溶融炉とを備えた廃棄物処理装置におい
て、前記溶融炉の内壁は、請求項１ないし５のいずれか
に記載の灰分溶融用材料または灰分溶融用複合材料で形
成されてなる廃棄物処理装置。
【請求項８】予め２価の金属または該金属含有化合物
を添加した廃棄物を燃焼させて生ずる灰分を、クロムを
含有するコランダム型化合物を含む耐火物で形成された
内壁内で溶融させ、前記内壁にクロムを含有するスピネ
ル型化合物を生成させることを特徴とする溶融炉の内壁
形成方法。