JP2005076930A - 溶融スラグの自動排出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 任意に溶融スラグの排出とその停止を自動的に行うことができるとともに、炉体中に溶融スラグの一部が充分な量残存している状態で排出を一旦停止し、被溶融物を炉体に装入するという連続的な操業形態を採ることが可能な溶融スラグの自動排出装置を提供すること。
【解決手段】 廃棄物或いは焼却灰を溶融する溶融炉の炉本体の下部に、溶融スラグの自動排出を行う誘導加熱式の出湯ノズルを有する溶融スラグの自動排出装置において、出湯ノズル出口の溶融スラグに付加される圧力水頭が低くなる出湯ノズル位置及び形状とし、該出湯ノズルの排出経路に設けた誘導コイルの電源をオン・オフすることで溶融スラグの排出及び流出停止を自動的に行うこと。
【選択図】 図２

Description

本発明は、廃棄物や焼却灰の如き被溶融物を溶融する溶融炉において、溶融された溶融スラグを自動的にかつ炉内ガス・火炎の炉外噴出並びに溶融スラグの散乱を完全に抑止して炉外へ排出するための排出装置に関するものである。

有機物及び無機物からなる廃棄物等を、種々の形式の炉を使用して有機物をガス化し無機物を高温状態で溶融する技術は広く知られている。最近、この種の溶融炉において、炉体（必要に応じて出湯口までも）を導電性のセラミックス（少なくともＺｒＢ_２が５０〜９８質量％含有する）にて形成し、該炉体を高周波誘導で加熱することで発熱させ、炉内部の被溶融物を溶融するタイプのコンパクトな溶融システムが開発されてきている（例えば、特許文献１参照）。上記の溶融システムは、排ガスの発生が少なく、操業が容易であるという点で、コークスや重油を用いる溶融システムより優れている。
また、特許文献２によれば、耐食性に優れ、被加熱対象物の種類によらず、安定して炉外への排出が可能な炉排出口誘導加熱装置の提案がなされており、そこでも排出口の全周又は一部周囲にわたって、ＺｒＢ_２を５０質量％以上含有させた導電性の発熱部材を配置した例が開示されている。
特開２００１−３４３１０８号公報 特開２００２−２５０５９２号公報

図１に上記の特許文献１に示す誘導加熱式溶融炉の具体的な構造例を示す。この溶融炉は、内側に適宜の耐火物ライニング材を有する導電性セラミックス（ＺｒＢ_２）製発熱炉本体２と、その周囲に配設した炉体用誘導コイル４と、炉本体２の下部に設けた出湯ノズル（スラグ排出口）３と、該ノズル３周囲に配設したノズル用誘導コイル７と、これらを固定保持するための炉体耐火物や鉄皮とから構成される。なお、図示しないが炉体上部には被溶融物１０を発熱円筒体中へ投入するための装入口と加熱溶融時に生成するガスを排出するためのガス排出口が設けられており、装入口は被溶融物投入設備に、ガス排出口は排ガス処理設備に続いている。また、炉体用誘導コイル４及びノズル用誘導コイル７は、それぞれケーブル５及び８を介して誘導電源６及び９に接続しており、図示しない出湯ノズル３は適宜の溶融スラグ搬送・処理設備に連設している。
上記の設備においては、電磁誘導により炉本体（発熱円筒体）２に誘導渦電流を誘起し、そのジュール熱で炉本体を発熱させ、被溶融物１０を溶融処理し、炉体下部に設けた誘導加熱ノズル３から溶融スラグ１を円滑に排出する。

上述のような溶融炉においては、炉体内の溶融スラグを全量排出せずに一部が残存した状態で排出を止めたい場合には、ノズル用誘導コイルの電源をオフにすることで、管壁温度を低下させ内部スラグの温度を低下させて管壁にスラグを付着固化させ、流出抵抗をつくりスラグの流動を停止させる運転方法が提案されている（特許文献１参照）。しかしながら、実際には炉体内にある程度の量の溶融スラグが残っている場合には、その炉内スラグの静圧がノズル内の溶融スラグにかかることと、また、ノズル自体に余熱が残り低温になるまで時間を要することにより、ノズル用誘導コイルの電源を切ってもノズルのスラグ経路に有効な流出抵抗が形成される前に、ほとんどのスラグは落下流出してしまう。このため操業途中の任意のタイミングでノズル用電源をオンにして炉内に溜まった溶融スラグを排出させること、或いは電源をオフにしてノズルを冷却固化したスラグで閉塞し、溶融スラグの排出を止めることができず、このため一方で炉本体に被溶融物を連続投入しながら他方で電源スイッチをオンにしてスラグを排出し、次にオフにしてガス、火炎或いは未溶融残さ等の炉外への排出を完全にシャットアウトすることや、被溶融物への伝熱を容易にするために必要とされる量の溶融スラグを炉底部に確保することは実際上困難であった。このため誘導コイルを用いる従来方式では、一回の溶融操業毎に全量排出し終わってから、改めて次回の操業を行うという、非連続的で作業効率が悪くかつエネルギーロスの大きい操業形態を採用せざるを得なかった。
また、コークスを溶融熱源とするシャフト型ガス化溶融炉あるいは重油・ガス等の火炎による表面溶融炉などの電磁誘導以外の溶融炉の場合、溶融スラグの流出停止は、例えば機械的な力で栓を押し込む方式を用い、流出開始操作は、それを外部から酸素バーナーで溶融して除去すると共に人力により掻き出す方法などが用いられており、その際、溶融粒の散乱或いは火炎と高温燃焼ガスの炉外への吹き出しを避けることができず、そのため苛酷な作業労働を強いられ、かつ炉を収納している施設の内部環境を悪化させる原因となっており、別途そのための対策を講じる必要がある。

本発明は、このような従来の溶融システムのスラグ排出手段の問題点を解決することを課題とし、出湯ノズルのコイル電源のオンオフ操作のみで任意に溶融スラグの排出開始と排出停止を自動的に行うことができるとともに、炉体中に適量の溶融スラグを残存させた状態での連続操業を可能とする溶融スラグの自動排出・自動停止装置を提供するものである。また、本発明は、従来のシャフト型の溶融炉において特に実現が要望されていた、溶融スラグの円滑な流出停止や流出開始操作を行うことが可能な溶融スラグの自動排出・自動停止装置を提供することを別の課題とする。

上記課題を解決するための本発明は、廃棄物或いは焼却灰を、それに含まれる有機物を燃焼或いは熱分解し残った無機物を高温で溶融する溶融炉の炉本体の下部に、誘導加熱式の出湯ノズルを有する溶融スラグの排出装置において、出湯ノズル内の溶融スラグに付加される圧力水頭が小さくなるノズル位置と形状により、出湯ノズルの排出経路に設けた誘導コイルの電源をオン・オフすることで溶融スラグの排出及び流出停止を自動的に行うことを特徴とする。
上記の装置において、出湯ノズルにＵ字状部或いは傾斜部が介在するノズル形状とすることが好ましい。
更に、本発明では、上記の装置において、溶融スラグが出湯ノズルに流入する流入口を炉内最低部より上にして取り付けることにより、一定量の溶融スラグが常に炉内底部に滞留するようにすることを特徴とする。
また、上記の炉本体がコークスを溶融熱源とするシャフト型のガス化溶融炉であることが好ましい。

本発明の自動排出装置により、溶融操業中の任意の時点で溶融スラグの排出を停止したり、また流出を再開できるため、溶融炉をその能力の限度まで連続的に使用することが可能となり、操業効率を向上させ処理能力の大幅なアップと省エネルギーの達成を図ることができる。また、何らかの理由で溶融作業を途中で停止しなければならないときでも、スイッチ操作のみで確実かつ迅速に排出を止めることができる。同時に、特にシャフト型の溶融炉において問題となっていた、施設内の作業環境及び労働条件を著しく改善し省力化を図ることができる効果も期待し得る。

以下、図面に示す最良の実施形態に基づいて本発明を説明する。
図２は本発明にかかる溶融スラグの自動排出装置の一例を示すもので、スラグ排出経路にＵ字状部を有する態様である。なお、この例では溶融炉本体は、図１に示す誘導加熱式の発熱円筒体構造のもので誘導コイル４を配置したものを示すが、本発明は溶融炉本体は、これに限ることなく、炉本体の底部に溶融物が溜まる形式のもので、これを排出する必要がある溶融システムであれば、いかなる溶融方式及び排出方式のものであっても全て適用し得るものである。
図２において、図１と実質的に異なる点は、溶融炉本体２の底部に設けた出湯ノズル（スラグ排出口）３の構造であり、鉛直なノズル形状ではなく、サイホン形式のＵ字状管を有することである。該ノズル全体は、勿論、前述したＺｒＢ_２を５０質量％以上含有する導電性のセラミックスより形成される。このＵ字状管を含むノズル全範囲を誘導コイル１５が包囲し、その電源をオンオフすることでノズル内の溶融スラグ１を加熱したり、加熱を停止したりする。誘導コイル７は図示の如くノズル３の全体を大きく包囲する態様に限らず、Ｕ字状管に沿って細かく配設してもよい。また、ノズル３の形状と取付け位置は図示のものに限らない。
この例ではＵ字状管における溶融スラグ１の圧力水頭は、Ｕ字状管上部と炉体内の溶融スラグ面までの高さ（ｈ）が低くなるほど低下し、それに比例して流速が低下し、それに正比例してスラグが持ち出す熱量が低下する。流速は自然にスラグ流動が停止するまで放置すると、徐々に小さくなりゼロになる。スラグ流動が停止する前に、ノズル用誘導コイル７の電源をオフにすることにより、ノズル壁面の冷却・スラグ固化が進行し、やがて固化したスラグがノズル断面を閉塞して流動を停止できる。流動を再開するときは誘導コイル７の電源をオンにして、閉塞していた固化物を加熱溶解すればよい。

図３の例は、一定量の溶融スラグが常に炉内底部に確実に滞留する形式のもので、溶融スラグが出湯ノズルに流入する流入口を炉内最低部より上にして取り付けることを特色とし、特にシャフト型のガス化溶融炉に適用するに適したものである。すなわち、炉本体２のほぼ底部側壁に、排出口に向ってある上向きの角度をもった傾斜状態で延びるように、排出ノズル３の一端を取付ける。誘導コイル７は該排出ノズル３の全長にわたって配設される。このようにすれば、排出ノズル３から排出される溶融スラグ１は、そのレベル１ａが排出ノズル３の流入口の上端まで下がった時点（レベル１ｂ）で自然に排出が止まり、このレベル１ｂにおいて溶融スラグ１が炉内に滞留することになる。排出ノズル３の流入口の位置やサイズによって炉内に滞留する溶融スラグ量を調整できる。実際の操業においては、排出ノズル３からのスラグ流動排出が停止する前（下限レベル１ｂに到達する前）に、ノズル用誘導コイル７の電源をオフにすることにより、流速の小さくなったノズル内のスラグを固化させ、この固化したスラグでノズル断面を閉塞する。流動を再開するときは誘導コイル７の電源をオンにして、閉塞していた固化物を加熱溶解すればよい。
なお、図３に示す溶融炉形式は、前記の如く炉本体２がコークス１０を溶融熱源とするシャフト型のガス化溶融炉であることから、羽口１１を通して空気又は酸素１２が炉内に吹き込まれ、コークスが燃焼して炉内を１５００〜２０００℃の高温状況にして溶融の促進を図っている。

また、炉内底部に適量の溶融スラグが滞留する別の形式として図４の態様を示す。図示するように、炉本体２の底部中央に排出ノズル３を取付けるが、該排出ノズル３の上端は炉体底部の内面より上方に突き出す形で設けられ、この排出ノズル３から排出される溶融スラグ１は、そのレベル１ａが排出ノズル３の流入口の上端まで下がった時点（レベル１ｂ）で自然に排出が止まり、この下限レベル１ｂにおいて溶融スラグが炉内に滞留する。誘導コイル７は該排出ノズル３の少なくとも炉体外方に突出した部分にそって配設されている。溶融スラグを炉内に適量残した状態でノズル断面を固化スラグで閉塞したり、或いは固化スラグを溶解して流出再開するには、上記図３の例で説明したと同様に、下限レベル１ｂ到達直前における誘導コイル７のオフ動作、及び誘導コイル７のオン動作を行えばよい。

以上のごとき溶融スラグの自動排出装置を実際の操業に利用すれば、被溶融物の溶融と溶融スラグの排出を連続的に実施することが可能となる。なお、溶融炉は公知の溶融方式のいずれでもよい。また、被溶融物は廃棄物に限定せず、例えば、ガラス、セラミックスのような有用非金属、銑鉄、アルミのような有用金属であってもよい。
まず、所定量の被溶融物を炉内に装入してからその溶融を開始し、溶融物が炉内に貯留した適当な時点で、上述した図２〜図４に示す溶融スラグの自動排出装置のいずれかを用いて電源をオンにして溶融スラグの炉体からの排出を行い、溶融スラグの排出の途中にて炉内底部に一定量の溶融スラグを残した状態で、自動排出装置の誘導コイルの電源をオフにし、出湯ノズル内の溶融スラグの流動排出を停止させる。その後、炉内に新たに投入された被溶融物からの溶融物が一定量に達した段階で、前記ノズル用誘導コイルの電源をオンにして出湯ノズル内の溶融スラグの流動排出を再開させる。これにより、被溶融物の溶融と排出を、可能な限り連続的に行わせることができる。
なお、炉内底部に一定量の溶融スラグを残した状態とは、この残存溶融スラグに新たに投入された被溶融物が混入しても溶融が円滑に行われるに必要な最低限の量を残すことを意味する。

本発明における従来技術の代表的な溶融炉例を示す概略断面図である。 本発明にかかる溶融スラグの自動排出装置の具体例を示す概略断面図である。 本発明の装置を用いて炉内に溶融スラグを常に残す方式の具体例を示す概略断面図である。 図３の方式の他の態様を示す概略断面図である。

符号の説明

１ 溶融スラグ
１ａ、１ｂ スラグレベル
２ 炉本体
３ 出湯ノズル（排出ノズル）
４ 炉本体用誘導コイル
５、８ ケーブル
６、９ コイル用電源
７ ノズル用誘導コイル
１０ 被溶融物
１１ コークス
１２ 羽口
１３ 空気又は酸素

Claims (4)

1. 廃棄物を焼却或いは熱分解ガス化し残さを高温で溶融する焼却溶融炉或いはガス化溶融炉の炉本体の下部に、誘導加熱式の出湯ノズルを有する溶融スラグの排出装置において、出湯ノズル出口の溶融スラグに付加される圧力水頭が小さくなるノズル位置と形状によって、出湯ノズルの排出経路に設けた誘導コイルの電源をオン・オフすることで溶融スラグの排出及び流出停止を自動的に行うことを特徴とする溶融スラグの自動排出装置。
2. 出湯ノズルにＵ字状部或いは傾斜部が介在するノズル形状とすることを特徴とする請求項１記載の溶融スラグの自動排出装置。
3. 溶融スラグが出湯ノズルに流入する流入口を炉内最低部より上にして取り付けることにより、一定量の溶融スラグが常に炉内底部に滞留するようにすることを特徴とする請求項１又は２記載の溶融スラグの自動排出装置。
4. 炉本体がコークスを溶融熱源とするシャフト型のガス化溶融炉であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項記載の溶融スラグの自動排出装置。

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