【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、都市ごみ、産業廃棄物、汚泥、最終処分場に埋め立てた廃棄物を掘り起こした廃棄物等の廃棄物を直接溶融する廃棄物溶融炉に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
都市ごみ、産業廃棄物などの廃棄物を溶融炉で溶融処理することが知られている。溶融炉は炉上部から炉下部に向かって、予熱、乾燥、熱分解、溶融ゾーンが形成されており、溶融炉上部から供給された廃棄物は炉内を下降する過程で、順次予熱、乾燥、熱分解して、炉底部で溶融される。予熱、乾燥、熱分解の加熱源としては、炉本体下部から吹き込まれた空気又は酸素を添加した空気によって、コークス及び廃棄物中の可燃物質が部分的に燃焼して、高温の熱ガスを発生し、この高温の熱ガスが炉内を上昇して、炉上部から供給された廃棄物を予熱、乾燥、熱分解する。
【０００３】
本出願人は、廃棄物の溶融処理に関して、溶融炉本体上部に廃棄物とコークスと装入し、１段または複数段の羽口から空気又は酸素富化空気を吹き込み廃棄物を溶融処理する方法において、炉底溶融ゾーンのコークスを羽口から吹き込まれた空気又は酸素富化空気により還元燃焼せしめるとともに、該コークスを誘導加熱することにより廃棄物を溶融し、スラグ化する方法を提案した（特許文献１参照）。
【０００４】
この方法により、施設の廃熱回収による発電電力を溶融熱源として有効利用し、外部から購入するコークスの使用量を低減することができる。
【０００５】
【特許文献１】
特開２００２−５４８１０号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
前記の溶融炉では、廃棄物を溶融処理するのに約１０００℃以上の高温が必要となるため、一般的には炉体は耐火物で形成され、誘導加熱を行うためにはその耐火物の外側に接して水冷のコイルが設置されている。また、溶融炉内には廃棄物の熱分解ガスである一酸化炭素が充満し、しかも圧力は最大１０００ｍｍＨ２Ｏ程度あるために炉内ガスが外部に漏れないようにガスシールする必要があるが、耐火物のみで構成された炉は亀裂の発生があるため、炉内が１０００ｍｍＨ２Ｏ程度の高圧下ではガスシール性は期待出来ない。
【０００７】
そこで、耐火物からなる炉体を金属製の炉殻で覆うことになる。その際、誘導加熱コイルの設置場所としては、金属の誘導加熱溶解炉では通常該炉殼の内側がとられる。ところが、高周波数の誘導加熱においては、誘導加熱コイルのターン間の電圧が数千オーダＶと高くなり、耐火物を介して炉内の高温雰囲気に影響されて、誘導加熱コイルが放電し、安定した運転条件を確保することが出来ない。
【０００８】
また、誘導加熱コイルは、渦電流による発熱、温度上昇防止及び炉内高温雰囲気から守るため通常水冷されるが、耐火物の亀裂等を通じて、誘導加熱コイルが損傷した時に漏れた水が炉内の溶融物に混入して水蒸気爆発の危険性がある。そのため、誘導加熱コイルを炉殼の外側に設置することが考えられるが、溶融炉内のガスをシールすることは可能だが、金属製の炉殼に渦電流が流れて、ジュール損により炉殼を加熱して熱損失を生じるとともに、炉内の被加熱物を効率よく加熱できないという問題があった。
【０００９】
そこで本発明は、ガスをシールする炉殻の外側に誘導加熱コイルを配置し、誘導加熱コイルを電気的、機械的に安全な炉殻の外に配置しながら、炉内のコークスを効率よく誘導加熱するとともに、その炉殻に渦電流が流れることによる発熱ロスを抑制して、廃棄物を溶融処理できる廃棄物溶融炉を提供するものである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明の廃棄物溶融炉は、溶融炉本体上部に廃棄物とコークスを装入し、１段または複数段の羽口から空気又は酸素富化空気を吹き込み、廃棄物を溶融処理する廃棄物溶融炉であって、炉内に充填されたコークスを羽口から吹き込まれた空気又は酸素富化空気により還元燃焼せしめるとともに、炉下部に配置された誘導加熱コイルにより該コークスに高周波電流を通電して誘導加熱する廃棄物溶融炉において、電気抵抗が低く且つ非磁性の金属で炉殼を構成し、該炉殻の外側に誘導加熱コイルを設置し、前記炉殻の周方向の少なくとも一箇所を電気的に絶縁するとともに、前記炉殻を前記誘導加熱コイルの上下端近傍の位置で水平方向に分割部を形成して前記炉殼を上下の金属製炉体と垂直方向の電気的絶縁を図るとともに、前記分割部を炉内への磁束の透磁路としたことを特徴とする。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、図に基づいて、本発明を詳細に説明する。
【００１２】
図１は、本発明の廃棄物溶融炉の全体図である。図１において、廃棄物溶融炉は、シャフト炉１、廃棄物装入装置２、上段羽口３、下段羽口４、シャフト部５、朝顔部６、炉底部７、ガス排出管８、出湯ノズル９、誘導加熱コイル１０、高周波電源１１、導電性物質装入装置１２で構成され、導電性物質１３として例えばコークスが炉底部に装入されている。
【００１３】
図２は本発明の廃棄物溶融炉の炉底部を示す縦断面図、図３は同斜視図、図４は炉殻の隙間にフェライトあるいは絶縁スペーサを挟んだ状態を示す図である。
【００１４】
図２及び図３において、廃棄物溶融炉の炉底部７の耐火壁１４ａの外面は、電気抵抗が低く非磁性の銅で覆われ、炉殻１５も銅製である。炉殻１５は、周方向の分割部１６により、周方向に電気的に絶縁されている。炉殼１５の外側には、水冷の誘導加熱コイル１０を配置する。
【００１５】
該コイル１０の作る磁束を効率的に炉内に導くために、炉殻１５の上端の上部近傍、下端の下部近傍にそれぞれすきまを形成して分割部２１を設ける。
【００１６】
図４に示すように、分割部２１にはリング状の絶縁スペーサ２１ａあるいはフェライト１７を挟み込む。この分割部２１は、誘導加熱コイル１０により発生した磁束が、炉側面を貫いて、炉殻１５内側に到達する時の磁路となる。
【００１７】
図４（ｂ）に示すように、リング状の絶縁スペーサ２１ａは炉殻１５のフランジ１５ａの間に数枚重ねて挟む。
【００１８】
さらに、分割部２１のすきま幅を小さくする等の工夫のために、図４（ｃ）に示すように、分割部２１に絶縁スペーサ２１ａとフェライト１７を挿入して、磁路を形成することもできる。フェライト１７の形状は、図４（ａ）に示すようにリング状もしくは図４（ｄ）に示すように直方体とし、直方体のフェライト１７を使用するときは、三角形の絶縁スペーサー２１ｂで空隙を埋める。フェライト１７を使用するときは、分割部２１は、該炉殼１５と上の金属製炉体１５ｂの間及び該炉殼１５と下の金属製炉体１５ｃの間が電気的に絶縁できるように、炉殻のフランジ１５ａとフェライト１７の間に絶縁材２１ａを挿入する。
【００１９】
図２にもどって、炉殻１５の表面に水冷パイプ１８を配設し、炉殻１５及び上下の金属製炉体を冷却する。水冷パイプは１８は、上下の金属製炉体に設けたヘッダ１９から分岐し、炉底部の金属製炉体を縦断している。但し、分割部２１を縦断する部分は、分割部２１での電気的絶縁を確保するために、ゴム等の絶縁ホース２０で接続する。
【００２０】
炉殻１５内の耐火壁は２層構造とし、炉殻に隣接する外層１４ａを高熱伝導率のＳｉＣキャスタとし、炉内に隣接する内層１４ｂを、外層１４ａより熱伝導率の低い高アルミナ系キャスタもしくはアルミア／クロミア系キャスタで構成する。
【００２１】
本発明では、溶融炉１の頂部に配置された廃棄物装入装置２と導電性物質装入装置１２から廃棄物と導電性物質１３が炉内部に装入され、廃棄物は炉内を下降する過程で順次予熱、乾燥、熱分解する。予熱、乾燥、熱分解は、羽口３，４から吹き込まれた空気又は酸素富化空気によって廃棄物中の可燃物質及びコークスが部分的に燃焼して高温のガスを発生し、この高温ガスが炉内を上昇することにより行われ、熱分解残渣は、溶融ゾーンでコークスを還元燃焼せしめると共に誘導加熱コイル１０により誘導加熱することによって溶融する。
【００２２】
また、廃棄物の溶融熱源として、廃熱回収による発電電力を利用するので、コークスの燃焼量が殆ど無くても溶融機能を維持でき、コークス使用量を低減することが可能となる。
【００２３】
そのとき、コークスを効率的に誘導加熱できる３０ｋＨｚ程度の高周波数で、実用スケール炉の必要発熱量を確保できる電流を流すと、コイルのターン間電圧が数千Ｖオーダーと高くなるが、本発明によれば、コイルを炉外の清浄雰囲気に配置できるので、漏電、短絡等の不都合を回避できる。
【００２４】
図５は炉殻に発生するうず電流の説明図である。図５（ａ）において、本発明の構成によれば、炉殻１５を周方向の分割部１６により周方向に絶縁することにより、渦電流は小さくなり、又、その渦電流による磁束は、炉内コークス充填部の合成磁束をほとんど減衰しない。その結果、効率的にコークスを誘導加熱させることができる。この場合、炉殻１５の周方向の分割部１６は、理論的には１箇所でも良いが、絶縁の確実性をあげるためには複数箇所が良い。周方向の分割部１６は、マイカや耐火キャスタ、繊維強化樹脂等の絶縁スペーサー１６ａでガスシールを確保する。
【００２５】
もし、図５（ｂ）に示すように、周方向の絶縁がない場合、うず電流は炉殻１５外周に沿って周回するとともに大きな電流となる。その渦電流の作る磁束は誘導加熱コイル１０の作る磁束を炉殻１５内側で打ち消し、殆ど減衰してしまう。その結果、コークス充填部の合成磁束が小さく、効率的にコークスを誘導加熱できない。
【００２６】
周方向の分割部１６に加えて分割部２１も同時に必要である。図５（ｃ）に示すように、誘導加熱コイル１０で発生し、炉殻１５内側に到達する磁束は、必ず炉側面を２回貫き、出入りする。しかしながら、分割部２１が無い場合、炉側面は金属製炉殼となり、炉殻面に発生する渦電流によって、磁束の打ち消しが発生して、炉内コークス充填部の合成磁束を殆ど減衰してしまう。
【００２７】
そこで本発明は、図５（ｄ）に示すように、周方向の絶縁に加えて、誘導加熱コイル１０の上下端近傍の位置で、分割部２１を形成することにより、炉内コークス充填部の合成磁束がほとんど減衰しないことを見い出した。
【００２８】
分割部２１は、誘導加熱コイル１０の近傍で、誘導加熱コイル１０の上下に２カ所必要である。この場合、誘導加熱コイル１０で発生させ、炉殻等に到達する磁束は、渦電流とその磁束合成により、合成磁束は結果的にフランジ１５ａの間の分割部２１のすきまに集中して炉側面を貫通し、炉内コークス充填部の合成磁束はほとんど減衰しないものとなる。
【００２９】
本発明においては、金属製の炉殻１５には、電気抵抗が低く且つ非磁性の金属を使用する。電気抵抗の大きな金属を用いれば、渦電流は小さく抑えられ、渦電流による内部磁束の減衰は小さくなるが、前述のとおり、本発明では炉殻１５の周方向に絶縁しており、渦電流による内部磁束の減衰はほとんど生じない。そこで、渦電流による炉殻の発熱ロスの大小が問題となる。炉の外側を覆う炉殻１５には、渦電流が流れるが、その発熱量は炉内の溶解等には寄与しない熱ロスとなる。そのため、その発熱ロスを抑えるためには、この１ｋＨｚ以上の高周波数帯では、非磁性で電気抵抗の低い金属を使用した方が良い。非磁性で電気抵抗の低い金属としては、銀及び銅があるが、コスト面から銅が適している。
【００３０】
また、銅炉殻には、絶縁性の塗料または絶縁ワニスを塗っても良いし、電気抵抗を下げるために銀メッキをしたあと、上記絶縁処理を行っても良い。さらに、銅炉殻と内部耐火物との隙間には、絶縁性、耐高温性のあるマイカを挟んでも良い。
【００３１】
また、本発明では炉殻１５の分割部２１に、絶縁スペーサ２１ａを挟み込む。該分割部２１は、電気的絶縁性と気密性が必要であり、それらを確保するために、フランジ構造にして、そのフランジ間に、マイカや耐火キャスタ、繊維強化樹脂等の絶縁スペーサ２１ａを挟み込む。
【００３２】
また、本発明は、炉殻の分割部２１に、高透磁率材料１７を挟み込んでもよい。分割部２１に高透磁率材料１７を挟むことにより、炉内の発熱効率を上昇させ、さらに炉殻１５に発生する渦電流による発熱ロスを低減させることができる。なお、高透磁率材料１７としては、特にフェライトが適している。高透磁率材料としては、電磁鋼板も考えられるが、コークス誘導加熱のような高周波数では、電磁鋼板は高透磁率を維持できず、しかも発熱損失が大なため、非効率である。一方、フェライトの場合には、高周波数でも、高透磁率を維持し、しかも発熱損失も少ないため、効率が良い。
【００３３】
本発明では、図２のＡ−Ａ断面図である図４（ｄ）に示すように、炉殻１５を垂直方向に絶縁したフランジ１５ａ間に高透磁率材料、例えば、フェライトを挟み込む場合、その位置は、炉殻外部では少なくともフランジ外面より長く、例えば２０ｍｍ長くし、炉内側でも、炉殻内面よりも長く、例えば少なくとも２０ｍｍ長くしたものを配置する。これは、フェライトの角部分には、磁束が集中するため、該磁束が金属製の炉殻１５もしくはフランジ１５ａにを貫通する様な配置とすると、貫通部に無用な渦電流を発生させ、発熱，熱効率低下の要因になると共に、磁束の打ち消しにより、コークス充填部の合成磁束が減衰し、効率的にコークスを誘導加熱できない。
【００３４】
そこで、フェライトをフランジ１５ａ及び炉殻１５の内面から内側に設置すれば、そのような無駄を発生させることなく、効率的にコークスを誘導加熱できると共に、誘導炉の効率も向上する。
【００３５】
フェライト長さについて、長い方が効率向上に寄与するが、コスト面からフランジ１５ａつら面及び炉殻１５の内面から２０ｍｍ程度長いものが最適となる。また、本発明では、炉殻１５を水冷ジャケット構造にするか、もしくは炉殻外部に水冷管を密着させ、炉殻、フェライト、炉内耐火物を水冷するものである。
【００３６】
炉殻１５は、金属で構成されるが、金属は高温で電気抵抗が高いので、温度上昇が電気抵抗上昇と発熱量上昇を招き、そのことが、さらなる温度上昇を招くという悪循環におちいるため、炉殻１５は何らかの冷却手段で冷却することが必要である。
【００３７】
また、フェライトは、キュリー点（温度）を越えると、透磁率が急速に減少するため、適度な冷却が必要である。そのため、炉殻を水冷することにより、炉殻金属の熱暴走を防ぐとともに、フェライトをキュリー温度に上昇することを防ぐことが可能となる。
【００３８】
また本発明では、炉内の耐火物１４の構造を、２層に分け、炉殻１５に隣接する外層１４ａを高熱伝導率のＳｉＣ耐火キャスタ（不定形耐火物）とし、炉内に隣接する内層１４ｂを、高アルミナ系や耐火度の高いアルミア／クロミア系耐火物で構成する。
【００３９】
フェライトは、前述のようにキュリー温度があるので低温に維持する必要があり、しかも磁路形成の効率上、炉殻１５内面から、高温側の耐火物内に２０ｍｍ以上突き入れる必要がある。
【００４０】
水冷炉殻１５に隣接する外層１４ａを、高熱伝導率として冷却能を高くすることで、外層１４ａとフェライトの温度を低温に保たれる。又、もし内層１４ｂの耐火物がある程度溶損しても、水冷した炉殻１５と外層１４ａの高伝熱によって外層１４ａとフェライトの温度を低温に保つことが可能である。
【００４１】
また、水冷した炉殻１５と外層１４ａの高伝熱能によって、内層１４ｂの背面が冷却されるので、伝熱上バランスする厚みで、溶損が止まり、表面にスラグコーティング層を形成する。熱伝導率の高い耐火物としては、ＳｉＣ系のキャスタ材などが有効である。
【００４２】
本発明では、側面同様、炉底面の金属炉殻を水冷構造にするとともに、耐火物構成を２層構造にし、下層１４ａを高熱伝導率の耐火物とし、上層１４ｂをその下層より熱伝導率の低い耐火物とするとともに、図６の炉底部の断面図に示すように、分割部２１に挟み込む高透磁率材料１７を、炉底側においては、下層の高熱伝導率の耐火物層内に配置し、その炉内側先端を炉中心近傍とする。
【００４３】
炉底面のフェライトを下層の高熱伝導率の耐火物層内に配置すれば、キュリー温度以下に抑えつつ、炉内近傍までフェライトの炉内側先端位置を炉内方向に伸ばすことが可能になり、このことにより、コークス誘導加熱に寄与する磁束が増加し、側面の耐火物層を通る無駄磁束を減少できる。
【００４４】
また、本発明は、図７の２次コイルの断面図に示すように、炉殻１５の内面に、電気抵抗の低い金属で構成した複数個の２次コイル２２（図７（ｂ）のＡ−Ａ断面参照）を円周方向に接続する。前述のように、フェライトを伸ばして内部に突き入れることで、耐火物層を通る無駄磁束を減少できるが、ゼロにはならない。そこで、耐火物層を通る無駄磁束を２次コイル２２と鎖交させ、２次コイル２２に発生する渦電流により、無駄磁束を有効にして、炉内のコークス充填部の合成磁束増加と、それによるコークス誘導加熱量増加を図る。図７（ｂ）に示すようにこのとき２次コイル２２の幅と位置は、コークスの誘導加熱が必要な領域にあわせて、その幅と高さ方向の位置を設定する。
【００４５】
また、図８に示されるように炉殻１５と耐火物１４の間に絶縁テープもしくは絶縁性塗料、マイカシート等の絶縁物２３を配置させることにより、炉殻１５に発生する誘導起電力に基づく漏電を未然に防止することができる。
【００４６】
また、図９に示すとおり、下側の分割部２１の位置より上方の磁束経路に出湯ノズル９を設け、出湯ノズル９にカーボン成分を有するレンガもしくは力一ボンを使用することにより、出湯ノズル９を誘導加熱させることが出来る。
【００４７】
実施例
図１において、シャフト炉１の炉上部から、廃棄物及び副原料としてコークスおよび石灰石が装入装置２から装入される。廃棄物としては都市ごみを処理した。表１に溶融処理した都市ごみの性状を示す。
【００４８】
【表１】
廃棄物の処理量は５６０ｋｇ／ｈ、コークスおよび石灰石は廃棄物の各々約１％および６％であり、空気は羽口３．４から４００Ｎｍ３／ｈを供給した。
【００４９】
溶融炉１に装入された廃棄物およびコークス等は炉内で充填層を形成し、上段羽口３および下段羽口４から吹き込まれた空気により、廃棄物の可燃物及びコークスが各々還元燃焼する。発生したガスは溶融炉内を炉底床部７から上昇し、ガスの顕熱により廃棄物を予熱、乾燥、熱分解する。廃棄物の乾燥、熱分解の過程で発生した水蒸気、熱分解ガスおよび微細なダストはガス排出管８から排出される。一方、廃棄物の灰分および非燃焼物とコークス、石灰石は高温に加熱され炉床部７へと下りていく。
【００５０】
炉床部の外周に配置した誘導加熱コイル１０に高周波電源１１から交番電流を通電して、炉床部７に堆積したコークス１２を誘導加熱し、高温状態のコークス１２に廃棄物中の灰分および不燃物を接触させて溶融する。灰分および非燃焼物は１４５０℃から１５５０℃に加熱され溶融状態となって、スラグ排出口９から炉外へ排出される。石灰石はスラグの塩基度すなわちスラグ中の石灰分ＣａＯと珪素分ＳｉＯ２の比率を０．７以上とし、溶融状態のスラグの流動性の調整のために添加する。
【００５１】
また、誘導加熱の電力としては、ガス排出管８から排出された排ガスを燃焼させ、その熱でボイラーで蒸気を発生させて発電したものを利用した。すなわち、ガス排出管８から排出された排ガスは、公知の廃棄物処理設備の排ガス処理系において、二次燃焼室で排ガス中の可燃分を燃焼した後、この熱でボイラーで蒸気を発生させて発電機で発電した電気を誘導加熱の電力として使用する。ボイラーを通過した後の排ガスは、排ガス冷却器で排ガス温度を下げた後、集じん機で集じんして煙突から排出する。誘導加熱用の電力は６０ｋＷを使用した。
【００５２】
スラグ排出口９から排出された溶融状態のスラグは水冷されて、砂状の細かい粒子となる。また、溶融状態のスラグ中には溶融メタルが含まれているが、メタルもスラグと同様に細かい粒子状となる。スラグはインターロッキングブロック等のコンクリート２次製品の骨材や土木資材などとして利用する。
【００５３】
従来の方式では、誘導加熱コイルの放電等により安定運転は不可能であったが、本発明により安定した誘導加熱が達成できた。
【００５４】
【発明の効果】
本発明により、誘導加熱コイルを電気的・機械的に安定な炉外に置きながら、高周波電流で炉床部に充填された導電性物質を効率よく誘導加熱することが可能となり、従来に比べて、コークスの消費量、羽口から送風する酸素の使用量を大幅に減少させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の廃棄物溶融炉の全体図である。
【図２】本発明の廃棄物溶融炉の炉底部を示す縦断面図である。
【図３】本発明の廃棄物溶融炉の炉底部を示す斜視図である。
【図４】炉殻の隙間にフェライトあるいは絶縁スペーサを挟んだ状態を示す図である。
【図５】炉殻に発生するうず電流の説明図である。
【図６】高透磁率材料の配置の別実施例を示す断面図である。
【図７】２次コイルを示す図２のＢ−Ｂ断面図である。
【図８】炉殻と耐火物の間に絶縁物を配置させた実施例を示す断面図である。
【図９】下側の垂直方向分割の位置より上方の磁束経路に出湯ノズルを設けた実施例を示す断面図である。
【符号の説明】
１：シャフト炉 ２：廃棄物装入装置 ３：上段羽口 ４：下段羽口 ５：シャフト部 ６：朝顔部 ７：炉床部 ８：ガス排出管 ９：スラグ排出 １０：誘導加熱コイル １１：高周波電源 １２：導電性物質装入装置 １３：導電性物質 １４：耐火物 １４ａ：外層 １４ｂ：内層 １５：炉殼 １５ａ：フランジ １６：周方向の分割部 １７：高透磁率材 １８：導電性の水冷パイプ １９：ヘッダ ２０：絶縁性の水冷パイプ ２１：分割部 ２１ａ：絶縁スペーサ
２２：２次コイル ２３：絶縁物[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
TECHNICAL FIELD The present invention relates to a waste melting furnace for directly melting waste such as municipal solid waste, industrial waste, sludge, and waste buried in landfills.
[0002]
[Prior art]
It is known that waste such as municipal solid waste and industrial waste is melted in a melting furnace. The melting furnace has a preheating, drying, pyrolysis and melting zone formed from the upper part of the furnace toward the lower part of the furnace, and the waste supplied from the upper part of the melting furnace is sequentially preheated, dried, It is pyrolyzed and melted at the furnace bottom. As a heating source for preheating, drying, and pyrolysis, combustible substances in coke and waste are partially burned by air blown from the lower part of the furnace body or air added with oxygen to generate hot gas. Then, the high-temperature hot gas rises in the furnace, and preheats, dries, and thermally decomposes waste supplied from the upper part of the furnace.
[0003]
The present applicant relates to a method of melting waste by charging waste and coke into the upper portion of a melting furnace body and blowing air or oxygen-enriched air from one or more stages of tuyeres. Proposed a method in which coke in the furnace bottom melting zone is reduced and combusted by air or oxygen-enriched air blown from tuyeres, and the coke is induction-heated to melt waste to form slag (Patent Reference 1).
[0004]
According to this method, the power generated by the waste heat recovery of the facility can be effectively used as a melting heat source, and the amount of coke purchased from outside can be reduced.
[0005]
[Patent Document 1]
JP-A-2002-54810
[Problems to be solved by the invention]
In the above-mentioned melting furnace, a high temperature of about 1000 ° C. or more is required for melting and processing the waste. Therefore, generally, the furnace body is formed of a refractory material. A water-cooled coil is installed in contact with the outside. Further, since the melting furnace is filled with carbon monoxide, which is a pyrolysis gas of waste, and the pressure is at most about 1000 mmH 2 O, it is necessary to seal the gas so that the furnace gas does not leak outside. Since a furnace made of only refractories has cracks, gas sealing properties cannot be expected when the inside of the furnace is under a high pressure of about 1000 mmH 2 O.
[0007]
Therefore, the furnace body made of refractory is covered with a metal furnace shell. At that time, the installation place of the induction heating coil is usually set inside the furnace shell in the metal induction heating melting furnace. However, in high-frequency induction heating, the voltage between turns of the induction heating coil increases to several thousands of volts, and is affected by the high-temperature atmosphere in the furnace via the refractory, and the induction heating coil discharges and becomes stable. Operating conditions can not be secured.
[0008]
The induction heating coil is usually water-cooled to prevent heat generation due to eddy currents, to prevent temperature rise, and to protect it from the high-temperature atmosphere in the furnace.However, water leaked when the induction heating coil is damaged through cracks in the refractory, etc. There is a danger of steam explosion when mixed into the melt. Therefore, it is conceivable to install an induction heating coil outside the furnace shell.However, it is possible to seal the gas in the melting furnace, but eddy currents flow in the metal furnace shell and Joule loss causes the furnace shell to be damaged. There has been a problem that heating causes heat loss and that an object to be heated in the furnace cannot be efficiently heated.
[0009]
Therefore, the present invention efficiently arranges an induction heating coil outside a furnace shell for sealing gas, and arranges the induction heating coil outside an electrically and mechanically safe furnace shell to efficiently induce coke in the furnace. An object of the present invention is to provide a waste melting furnace capable of melting and processing waste by heating and suppressing heat loss due to eddy current flowing through the furnace shell.
[0010]
[Means for Solving the Problems]
In the waste melting furnace of the present invention, waste and coke are charged into the upper part of the melting furnace main body, and air or oxygen-enriched air is blown from one or a plurality of tuyeres to melt the waste. A furnace, in which coke filled in the furnace is reduced and burned by air or oxygen-enriched air blown from a tuyere, and a high-frequency current is supplied to the coke by an induction heating coil arranged at a lower part of the furnace. In a waste melting furnace for induction heating, a furnace shell is formed of a low electric resistance and non-magnetic metal, an induction heating coil is installed outside the furnace shell, and at least one portion of the furnace shell in the circumferential direction is electrically operated. While electrically insulating, the furnace shell is formed at a position near the upper and lower ends of the induction heating coil in the horizontal direction, thereby vertically insulating the furnace shell from the upper and lower metal furnace bodies. , The divided part is furnace And characterized in that a magnetic flux path of the magnetic flux to.
[0011]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
[0012]
FIG. 1 is an overall view of a waste melting furnace according to the present invention. In FIG. 1, a waste melting furnace includes a shaft furnace 1, a waste charging device 2, an upper tuyere 3, a lower tuyere 4, a shaft 5, a bosh section 6, a furnace bottom 7, a gas discharge pipe 8, and a tapping nozzle. 9, an induction heating coil 10, a high-frequency power supply 11, and a conductive substance charging device 12, in which, for example, coke as a conductive substance 13 is charged in the furnace bottom.
[0013]
FIG. 2 is a longitudinal sectional view showing the furnace bottom of the waste melting furnace of the present invention, FIG. 3 is a perspective view of the same, and FIG. 4 is a view showing a state in which ferrite or an insulating spacer is sandwiched in a gap between the furnace shells.
[0014]
2 and 3, the outer surface of the refractory wall 14a of the furnace bottom 7 of the waste melting furnace is covered with non-magnetic copper having low electric resistance, and the furnace shell 15 is also made of copper. The furnace shell 15 is electrically insulated in the circumferential direction by a circumferential division 16. A water-cooled induction heating coil 10 is arranged outside the furnace shell 15.
[0015]
In order to efficiently guide the magnetic flux generated by the coil 10 into the furnace, a gap 21 is formed near the upper end of the upper end of the furnace shell 15 and near the lower end of the lower end of the furnace shell 15 to provide the dividing portion 21.
[0016]
As shown in FIG. 4, a ring-shaped insulating spacer 21 a or ferrite 17 is sandwiched between the divided portions 21. The divided portion 21 serves as a magnetic path when the magnetic flux generated by the induction heating coil 10 passes through the furnace side surface and reaches the inside of the furnace shell 15.
[0017]
As shown in FIG. 4B, several ring-shaped insulating spacers 21 a are sandwiched between flanges 15 a of the furnace shell 15.
[0018]
Further, in order to reduce the gap width of the divided portion 21 or the like, as shown in FIG. 4C, an insulating spacer 21a and a ferrite 17 may be inserted into the divided portion 21 to form a magnetic path. it can. The shape of the ferrite 17 is a ring shape as shown in FIG. 4A or a rectangular parallelepiped as shown in FIG. 4D. When the rectangular ferrite 17 is used, the gap is filled with a triangular insulating spacer 21b. When the ferrite 17 is used, the dividing portion 21 is provided so that the furnace shell 15 and the upper metal furnace body 15b and the furnace shell 15 and the lower metal furnace body 15c can be electrically insulated. The insulating material 21a is inserted between the furnace shell flange 15a and the ferrite 17.
[0019]
Returning to FIG. 2, a water cooling pipe 18 is provided on the surface of the furnace shell 15 to cool the furnace shell 15 and the upper and lower metal furnace bodies. The water-cooled pipe 18 branches off from a header 19 provided on the upper and lower metal furnace bodies, and extends longitudinally through the metal furnace body at the bottom of the furnace. However, the portion that traverses the divided portion 21 is connected by an insulating hose 20 made of rubber or the like in order to secure electrical insulation at the divided portion 21.
[0020]
The refractory wall in the furnace shell 15 has a two-layer structure, the outer layer 14a adjacent to the furnace shell is a high thermal conductivity SiC caster, and the inner layer 14b adjacent to the furnace is a high alumina caster having a lower thermal conductivity than the outer layer 14a. Or, it is composed of aluminum / chromia casters.
[0021]
In the present invention, the waste and the conductive substance 13 are charged into the furnace from the waste charging apparatus 2 and the conductive substance charging apparatus 12 arranged at the top of the melting furnace 1, and the waste descends in the furnace. Preheating, drying, and pyrolysis sequentially. In preheating, drying, and pyrolysis, combustible substances and coke in waste are partially burned by air or oxygen-enriched air blown from tuyeres 3, 4 to generate high-temperature gas. The pyrolysis residue is melted by raising the inside of the furnace and causing the coke to undergo reduction combustion in the melting zone and induction heating by the induction heating coil 10.
[0022]
In addition, since the power generated by waste heat recovery is used as a heat source for melting the waste, the melting function can be maintained even when the amount of coke burned is almost zero, and the amount of coke used can be reduced.
[0023]
At this time, when a current is supplied at a high frequency of about 30 kHz at which the coke can be efficiently induction-heated and the required heat generation of the practical scale furnace is applied, the turn-to-turn voltage of the coil becomes as high as several thousands of volts. According to the method, the coil can be arranged in a clean atmosphere outside the furnace, so that inconveniences such as a short circuit and a short circuit can be avoided.
[0024]
FIG. 5 is an explanatory diagram of the eddy current generated in the furnace shell. In FIG. 5A, according to the configuration of the present invention, the furnace shell 15 is insulated in the circumferential direction by the circumferential dividing portion 16, so that the eddy current is reduced. It hardly attenuates the synthetic magnetic flux in the inner coke filling section. As a result, the coke can be efficiently heated by induction. In this case, the circumferential dividing portion 16 of the furnace shell 15 may be theoretically provided at one place, but a plurality of places are preferable in order to increase the reliability of insulation. The circumferential division 16 secures a gas seal with an insulating spacer 16a such as mica, a refractory caster, or a fiber reinforced resin.
[0025]
As shown in FIG. 5B, when there is no insulation in the circumferential direction, the eddy current circulates along the outer periphery of the furnace shell 15 and becomes a large current. The magnetic flux generated by the eddy current cancels the magnetic flux generated by the induction heating coil 10 inside the furnace shell 15 and is almost attenuated. As a result, the resultant magnetic flux of the coke filling portion is small, and the coke cannot be efficiently induction-heated.
[0026]
In addition to the circumferential division 16, a division 21 is required at the same time. As shown in FIG. 5C, the magnetic flux generated by the induction heating coil 10 and reaching the inside of the furnace shell 15 always passes through the furnace side twice and enters and exits. However, when there is no dividing portion 21, the furnace side surface becomes a metal furnace shell, and the eddy current generated on the furnace shell surface causes cancellation of magnetic flux, thereby almost attenuating the synthetic magnetic flux of the coke filling portion in the furnace. .
[0027]
In view of this, the present invention, as shown in FIG. 5 (d), forms a division 21 at a position near the upper and lower ends of the induction heating coil 10 in addition to the insulation in the circumferential direction, so that the coke filling portion in the furnace can be formed. It has been found that the synthesized magnetic flux hardly attenuates.
[0028]
The dividing part 21 is required in two places near the induction heating coil 10 and above and below the induction heating coil 10. In this case, the magnetic flux generated by the induction heating coil 10 and reaching the furnace shell and the like is synthesized by the eddy current and its magnetic flux. As a result, the synthesized magnetic flux concentrates on the gap of the divided portion 21 between the flanges 15a and the furnace side. And the resultant magnetic flux of the coke filling portion in the furnace hardly attenuates.
[0029]
In the present invention, a non-magnetic metal having a low electric resistance is used for the metal furnace shell 15. If a metal having a large electric resistance is used, the eddy current is suppressed to be small and the attenuation of the internal magnetic flux due to the eddy current is reduced. However, as described above, in the present invention, the furnace shell 15 is insulated in the circumferential direction, and There is almost no attenuation of the internal magnetic flux. Therefore, the magnitude of the heat loss of the furnace shell caused by the eddy current becomes a problem. An eddy current flows in the furnace shell 15 that covers the outside of the furnace, but the calorific value thereof becomes a heat loss that does not contribute to melting in the furnace. Therefore, in order to suppress the heat loss, it is better to use a non-magnetic metal having a low electric resistance in the high frequency band of 1 kHz or more. Silver and copper are non-magnetic and low electric resistance metals, but copper is suitable from the viewpoint of cost.
[0030]
Further, the copper furnace shell may be coated with an insulating paint or an insulating varnish, or may be subjected to the above-mentioned insulating treatment after being plated with silver to reduce the electric resistance. Further, in the gap between the copper furnace shell and the internal refractory, mica having insulation and high temperature resistance may be interposed.
[0031]
In the present invention, the insulating spacer 21a is sandwiched between the divided portions 21 of the furnace shell 15. The divided portion 21 needs to have electrical insulation and airtightness. To ensure these, a flange structure is used, and an insulating spacer 21a such as a mica, a refractory caster, or a fiber reinforced resin is sandwiched between the flanges. .
[0032]
Further, in the present invention, the high magnetic permeability material 17 may be interposed between the divided portions 21 of the furnace shell. By sandwiching the high magnetic permeability material 17 between the divided portions 21, the heat generation efficiency in the furnace can be increased, and the heat loss due to the eddy current generated in the furnace shell 15 can be reduced. Note that ferrite is particularly suitable as the high magnetic permeability material 17. As a material having a high magnetic permeability, an electromagnetic steel sheet can be considered. However, at a high frequency such as coke induction heating, the electromagnetic steel sheet cannot maintain a high magnetic permeability and has a large heat loss, which is inefficient. On the other hand, in the case of ferrite, efficiency is good because high magnetic permeability is maintained even at a high frequency and heat loss is small.
[0033]
In the present invention, as shown in FIG. 4D, which is a cross-sectional view taken along the line AA of FIG. 2, when a high permeability material, for example, ferrite is inserted between the flanges 15a that insulate the furnace shell 15 in the vertical direction. The position is set to be longer than the outer surface of the flange, for example, 20 mm longer outside the furnace shell, and longer than the inner surface of the furnace shell, for example, at least 20 mm inside the furnace. This is because the magnetic flux concentrates on the corners of the ferrite, and if the magnetic flux penetrates through the metal furnace shell 15 or the flange 15a, an unnecessary eddy current is generated in the penetrating portion and heat is generated. In addition, this causes a reduction in thermal efficiency, and the cancellation of the magnetic flux attenuates the synthetic magnetic flux in the coke filling portion, so that the coke cannot be efficiently induction-heated.
[0034]
Therefore, if the ferrite is installed inside the inner surface of the flange 15a and the furnace shell 15, the coke can be efficiently induction-heated without such waste, and the efficiency of the induction furnace is improved.
[0035]
As for the length of the ferrite, a longer ferrite contributes to the improvement of the efficiency. However, from the viewpoint of cost, a ferrite having a length longer by about 20 mm from the flat surface of the flange 15a and the inner surface of the furnace shell 15 is optimal. Further, in the present invention, the furnace shell 15 has a water-cooled jacket structure, or a water-cooled tube is closely attached to the outside of the furnace shell to water-cool the furnace shell, ferrite, and refractory in the furnace.
[0036]
The furnace shell 15 is made of a metal. Since the metal has a high temperature and a high electric resistance, an increase in the temperature leads to an increase in the electric resistance and an increase in the calorific value. The furnace shell 15 needs to be cooled by some cooling means.
[0037]
Further, ferrite requires a proper cooling because the magnetic permeability rapidly decreases when the temperature exceeds the Curie point (temperature). Therefore, by cooling the furnace shell with water, it is possible to prevent thermal runaway of the furnace shell metal and to prevent the ferrite from rising to the Curie temperature.
[0038]
Further, in the present invention, the structure of the refractory 14 in the furnace is divided into two layers, the outer layer 14a adjacent to the furnace shell 15 is made of a SiC refractory caster (amorphous refractory) having a high thermal conductivity, and the inner layer 14b is made of a high-alumina or high-alumina / chromia refractory.
[0039]
Ferrite needs to be maintained at a low temperature because of its Curie temperature as described above, and it is necessary to penetrate 20 mm or more from the inner surface of the furnace shell 15 into the high-temperature side refractory due to the efficiency of magnetic path formation.
[0040]
The temperature of the outer layer 14a and the ferrite can be kept low by increasing the cooling capacity of the outer layer 14a adjacent to the water-cooled furnace shell 15 with high thermal conductivity. Even if the refractory of the inner layer 14b is melted to some extent, the temperature of the outer layer 14a and the ferrite can be kept low by the high heat transfer between the water-cooled furnace shell 15 and the outer layer 14a.
[0041]
In addition, the back surface of the inner layer 14b is cooled by the high heat transfer capability of the water-cooled furnace shell 15 and the outer layer 14a, so that erosion is stopped at a thickness that balances heat transfer, and a slag coating layer is formed on the surface. As a refractory having a high thermal conductivity, an SiC caster material or the like is effective.
[0042]
In the present invention, similarly to the side surface, the metal furnace shell at the bottom of the furnace has a water-cooled structure, the refractory structure has a two-layer structure, the lower layer 14a has a high thermal conductivity refractory, and the upper layer 14b has a higher thermal conductivity than the lower layer. As shown in the cross-sectional view of the furnace bottom in FIG. 6, the high magnetic permeability material 17 sandwiched between the divided portions 21 is disposed in the lower refractory layer having a high thermal conductivity on the furnace bottom side. Then, the tip inside the furnace is set near the center of the furnace.
[0043]
If the ferrite on the bottom of the furnace is placed in the lower refractory layer with high thermal conductivity, it is possible to extend the inside of the ferrite tip in the furnace direction to the vicinity of the furnace while keeping the temperature below the Curie temperature. Thereby, the magnetic flux contributing to the coke induction heating increases, and the useless magnetic flux passing through the refractory layer on the side surface can be reduced.
[0044]
As shown in the cross-sectional view of the secondary coil in FIG. 7, the present invention provides a plurality of secondary coils 22 (A in FIG. -A cross section) in the circumferential direction. As described above, by extending the ferrite and inserting it inside, the useless magnetic flux passing through the refractory layer can be reduced, but it does not become zero. Therefore, the wasted magnetic flux passing through the refractory layer is linked with the secondary coil 22, and the eddy current generated in the secondary coil 22 makes the wasted magnetic flux effective, thereby increasing the combined magnetic flux of the coke filling portion in the furnace, and To increase the amount of coke induction heating. As shown in FIG. 7B, at this time, the width and the position of the secondary coil 22 are set in the width and the height direction in accordance with the area where the coke requires induction heating.
[0045]
In addition, as shown in FIG. 8, by placing an insulating material 23 such as an insulating tape, an insulating paint, or a mica sheet between the furnace shell 15 and the refractory 14, it is based on the induced electromotive force generated in the furnace shell 15. Electric leakage can be prevented beforehand.
[0046]
As shown in FIG. 9, the tapping nozzle 9 is provided in the magnetic flux path above the position of the lower division 21, and the tapping nozzle 9 is made of brick or carbon steel having a carbon component. Can be heated by induction.
[0047]
EXAMPLE In FIG. 1, coke and limestone are charged from a charging device 2 as waste and by-products from a furnace upper portion of a shaft furnace 1. Municipal waste was disposed of as waste. Table 1 shows the properties of the melted municipal solid waste.
[0048]
[Table 1]
The waste throughput was 560 kg / h, coke and limestone were about 1% and 6% of the waste, respectively, and the air supplied from tuyere 3.4 to 400 Nm 3 / h.
[0049]
The waste, coke, and the like charged into the melting furnace 1 form a packed bed in the furnace, and the combustible waste and coke are reduced and combusted by the air blown from the upper tuyere 3 and the lower tuyere 4, respectively. I do. The generated gas rises from the bottom floor 7 in the melting furnace, and the waste is preheated, dried and thermally decomposed by the sensible heat of the gas. Steam, pyrolysis gas and fine dust generated in the process of drying and pyrolysis of waste are discharged from the gas discharge pipe 8. On the other hand, the ash and non-combustibles of the waste, coke, and limestone are heated to a high temperature and descend to the hearth 7.
[0050]
Alternating current is supplied from a high-frequency power supply 11 to the induction heating coil 10 arranged on the outer periphery of the hearth to inductively heat the coke 12 deposited on the hearth 7, and the coke 12 in the high-temperature state has ash and Melts incombustibles in contact. The ash and the non-combustibles are heated from 1450 ° C. to 1550 ° C. to be in a molten state and discharged from the slag discharge port 9 to the outside of the furnace. Limestone basicity namely lime CaO and the ratio of the silicon content of SiO 2 in the slag of the slag to 0.7 or more, it is added in order to adjust the fluidity of the slag in the molten state.
[0051]
As the electric power for induction heating, electric power generated by burning exhaust gas discharged from the gas discharge pipe 8 and generating steam by a boiler using the heat was used. That is, the exhaust gas discharged from the gas discharge pipe 8 is used to burn combustible components in the exhaust gas in a secondary combustion chamber in an exhaust gas treatment system of a known waste treatment facility and then generate steam in a boiler with this heat. The electricity generated by the generator is used as power for induction heating. After passing through the boiler, the exhaust gas is cooled by an exhaust gas cooler, collected by a dust collector, and discharged from a chimney. The electric power for induction heating used 60 kW.
[0052]
The molten slag discharged from the slag discharge port 9 is water-cooled to be fine sand-like particles. The molten slag contains molten metal, and the metal is also in fine particles like the slag. Slag is used as aggregate or civil engineering material for secondary concrete products such as interlocking blocks.
[0053]
In the conventional method, stable operation was not possible due to discharge of the induction heating coil or the like, but stable induction heating was achieved by the present invention.
[0054]
【The invention's effect】
According to the present invention, it is possible to efficiently conduct induction heating of a conductive substance filled in a hearth with a high-frequency current while placing an induction heating coil outside an electrically and mechanically stable furnace. In addition, the coke consumption and the amount of oxygen blown from the tuyere can be greatly reduced.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is an overall view of a waste melting furnace of the present invention.
FIG. 2 is a longitudinal sectional view showing a furnace bottom part of the waste melting furnace of the present invention.
FIG. 3 is a perspective view showing a furnace bottom of the waste melting furnace of the present invention.
FIG. 4 is a diagram showing a state in which a ferrite or an insulating spacer is sandwiched in a gap of a furnace shell.
FIG. 5 is an explanatory diagram of an eddy current generated in a furnace shell.
FIG. 6 is a sectional view showing another embodiment of the arrangement of the high magnetic permeability material.
FIG. 7 is a sectional view taken along the line BB of FIG. 2 showing the secondary coil.
FIG. 8 is a sectional view showing an embodiment in which an insulator is arranged between a furnace shell and a refractory.
FIG. 9 is a cross-sectional view showing an embodiment in which a tapping nozzle is provided in a magnetic flux path above a lower vertical division position.
[Explanation of symbols]
1: Shaft furnace 2: Waste charging device 3: Upper tuyere 4: Lower tuyere 5: Shaft section 6: Bosh section 7: Furnace floor section 8: Gas discharge pipe 9: Slag discharge 10: Induction heating coil 11: High frequency power supply 12: Conductive substance charging device 13: Conductive substance 14: Refractory 14a: Outer layer 14b: Inner layer 15: Furnace shell 15a: Flange 16: Circumferential section 17: High permeability material 18: Conductive Water-cooled pipe 19: Header 20: Insulated water-cooled pipe 21: Dividing part 21a: Insulating spacer 22: Secondary coil 23: Insulator
