JP2007071509A

JP2007071509A - 電気溶融炉の炉底電極構造

Info

Publication number: JP2007071509A
Application number: JP2005262014A
Authority: JP
Inventors: Yoshito Fukuma; 義人福間
Original assignee: Takuma Co Ltd
Current assignee: Takuma Co Ltd
Priority date: 2005-09-09
Filing date: 2005-09-09
Publication date: 2007-03-22

Abstract

【課題】電気溶融炉に投入する電力が大きくなっても、溶湯プールを深くすることなく、溶湯プール全域を均一な温度に維持できるようにする。
【解決手段】天井壁１Ａを貫通する主電極２と底壁１Ｃに設けた炉底電極４との間に直流電源により電圧を印加してアーク１４を発生させ、当該アーク１４により炉内の被溶融物を溶融処理する電気溶融炉に於いて、底壁１Ｃの主電極２直下に位置する部分に非導電性耐火物１０を配設すると共に、底壁１Ｃの非導電性耐火物１０周囲に導電性耐火物１１ａを配設して非導電性耐火物１０の周囲全域を炉底電極４となし、主電極２から非導電性耐火物１０周囲の炉底電極４へ向ってアーク１４を発生させる。
【選択図】図１

Description

本発明は、都市ごみや産業廃棄物等のごみ焼却炉から排出された焼却残渣や飛灰等の被
溶融物を溶融処理する電気溶融炉に係り、特に、天井壁に設けた主電極と底壁（炉底）に設けた炉底電極との間に直流電源により電圧を印加してアークを発生させ、当該アークにより被溶融物を溶融処理するようにした電気溶融炉の炉底電極構造に関するものである。

近年、都市ごみ等の焼却炉から排出された焼却残渣や飛灰等の被溶融物の減容化及び無害化を図るため、被溶融物の溶融固化処理法が注目され、現実に実用に供されている。何故なら、被溶融物は溶融固化することにより、その容積を１／２〜１／３に減らすことができると共に、重金属等の有害物質の溶出防止や溶融スラグの再利用、最終埋立て処分場の延命等が可能になるからである。

而して、前記被溶融物の溶融処理には、電気エネルギーによって被溶融物を溶融処理する電気溶融炉が利用されている。
従来、この種の電気溶融炉としては、炉の天井壁に設けた主電極と炉の底壁（炉底）に設けた炉底電極との間に直流電源により電圧を印加してアークを発生させ、当該アークにより炉内に投入された被溶融物を溶融処理するようにした電気溶融炉（直流アーク炉）が知られている（例えば、特許文献１、特許文献２及び特許文献３参照）。

前記電気溶融炉は、図３及び図４に示す如く、耐火物等により形成された天井壁２０Ａ、周壁２０Ｂ及び底壁２０Ｃ（炉底）から成る溶融炉本体２０と、天井壁２０Ａに貫通状に配設した主電極２１と、天井壁２０Ａに貫通状に配設したスタート電極２２と、底壁２０Ｃ全域に配設した導電性耐火物製の炉底電極２３（又は底壁２０の主電極直下位置に配設した金属ピン製や金属丸棒製の炉底電極）等から成り、直流電源を利用して主電極２１から炉底電極２３へ向けてアーク２４を発生させ、当該アーク２４の発生熱により炉内に投入された焼却残渣や飛灰等の被溶融物を溶融処理するように構成されている。

即ち、この電気溶融炉によれば、周壁２０Ｂに形成した被溶融物供給口２５から被溶融物供給装置２６（スクリューフィーダー）により炉内へ供給された被溶融物は、主電極２１から炉底電極２３へ向って発生するアーク２４の発生熱により溶融点を越える温度にまで加熱されて高温液体状の溶融物となり、底壁２０Ｃ上方に溶湯プール２７を形成する。この溶湯プール２７は、被溶融物中に鉄を始めとする金属類やシリカを始めとするスラグ成分が多く含まれているため、比重差によって上方に位置する溶融スラグ層２７ａと溶融スラグ層２７ａの下方に位置する溶融メタル層２７ｂとから成る。

前記溶融スラグは、周壁２０Ｂに形成した溶融スラグ出滓口２８から順次オーバーフローし、スラグ出湯樋２９を流下して冷却水を貯留した水冷槽内へ落下排出され、ここで水冷されて水砕スラグとなる。
又、溶融メタルは、電気溶融炉の運転時間の経過と共に順次底壁２０Ｃに残留・堆積し、溶融メタル層２７ｂの液面が上昇してその厚さが増加することになる。この溶融メタル層２７ｂの液面が上昇すると、溶融スラグに溶融メタルが混合して排出され、スラグの品質が低下する等の問題が発生するため、周壁下部に設けたタップホール（メタル抜き出し口）を間欠的に開孔し、ここから溶融メタルを抜き出して溶融メタル層２７ｂの厚さが所定の厚さを超えないようにしている。
更に、炉内で発生した排ガスは、天井壁２０Ａに形成した排ガス排出口３０から排出され、排ガス処理装置等を経て大気中へ放出されている。

ところで、上述した電気溶融炉に於いては、電流の大部分が電気抵抗の小さい電極２１，２３間の最短部分を流れる傾向にあり、主に主電極２１から炉底電極２３までの距離が短い部位に向けてアーク２４が発生する。そのため、底壁２０Ｃの上方に形成される溶湯プール２７は、主電極２１の直下が高温となり、主電極２１より離れた部位が低温となる。
このように、溶湯プール２７の一部の領域が高温になると、溶湯プール２７の下に位置する炉底電極２３も局部的に高温になり、炉底電極２３の耐久性が低下すると云う問題がある。

又、この電気溶融炉に於いては、主電極２１と溶湯プール２７面（溶融スラグ層２７ａの液面）との距離を調整することによって電圧を制御しており、規模の大きな炉であっても、前記距離は規模の小さな炉と変わらない。つまり、規模の大きな電気溶融炉の場合には、炉への投入電力が大きくなるが、電圧が同じであるために大電流を流す必要がある。そのため、溶湯プール２７の温度の均一化が困難になって被溶融物を高能率で溶融させ難くなると共に、炉底電極２３の主電極２１直下に位置する部分が局部的に加熱されて炉底電極２３の耐久性が低下することになる。

そこで、この問題を解決するため、この種の電気溶融炉に於いては、溶湯プール２７の深さを深くして溶湯を対流せしめ、溶湯プール２７全域の温度を均一化することが行われている。
しかし、溶湯プール２７の深さを深くした場合には、電気溶融炉自体が大型化することになり、操業中の炉の重量が大重量になると共に、溶湯を冷却する際や炉壁を冷却する際に冷媒量を多く確保する必要が生じ、冷却設備等の各設備の容量を大きくしなければならないと云う問題があった。
特開平９−２２９５５９号公報特開平９−２８０５３６号公報特開平１１−１０８３３０号公報

本発明は、このような問題点に鑑みて為されたものであり、その目的は電気溶融炉に投入する電力が大きくなっても、溶湯プールを深くすることなく、溶湯プール全域を均一な温度に維持できるようにした電気溶融炉の炉底電極構造を提供することにある。

上記目的を達成する為に、本発明は、天井壁を貫通する主電極と底壁に設けた炉底電極との間に直流電源により電圧を印加してアークを発生させ、当該アークにより炉内の被溶融物を溶融処理する電気溶融炉に於いて、底壁の主電極直下に位置する部分に非導電性耐火物を配設すると共に、底壁の非導電性耐火物周囲に導電性耐火物を配設して非導電性耐火物の周囲全域を炉底電極となし、主電極から非導電性耐火物周囲の炉底電極へ向ってアークを発生させるようにしたことに特徴がある。

本発明の電気溶融炉の炉底電極構造は、天井壁を貫通する主電極の直下位置の底壁部分に非導電性耐火物を配設すると共に、その非導電性耐火物周囲の底壁部分に導電性耐火物を配設して非導電性耐火物の周囲全域を炉底電極としているため、アークが主電極から底壁の非導電性耐火物周囲に設けた炉底電極へ向って発生することになる。即ち、アークが主電極の直下位置を除く底壁の広範囲に亘って発生するため、底壁上の溶湯プール全域が均一な温度に維持されると共に、炉底電極が局部的に加熱されると云うことがない。
その結果、本発明の炉底電極構造を用いれば、大容量の電気溶融炉に於いても、溶湯プールの深さを深くする必要がなく、操業中の炉の重量を軽減することができると共に、炉壁を冷却する際に冷媒量が少なくて済み、冷却設備等の各設備の容量を小さくすることができる。又、炉底電極が局部的に加熱されるのを防止することができるで、炉底電極の耐久性の向上を図れる。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。
図１及び図２は本発明の実施の形態に係る炉底電極構造を用いた電気溶融炉を示し、当該電気溶融炉は、都市ごみや産業廃棄物等のごみ焼却炉から排出された焼却残渣や飛灰等の被溶融物を溶融処理するものであり、溶融炉本体１、主電極２、スタート電極３及び炉底電極４等から構成されている。

前記溶融炉本体１は、天井壁１Ａと周壁１Ｂと炉底電極４に構成された底壁１Ｃとから成り、その周壁１Ｂの対向する位置には、炉内へ焼却残渣や飛灰等の被溶融物を投入するための被溶融物供給口５と、炉内の溶融スラグをオーバーフローさせる溶融スラグ出滓口６とが夫々形成されている。
又、溶融炉本体１の天井壁１Ａには、主電極２が昇降可能に挿通される主電極貫通穴７と、スタート電極３が昇降可能に挿通されるスタート電極貫通穴８と、炉内で発生した排ガスを排出するための排ガス排出口９とが夫々形成されている。

尚、溶融炉本体１の天井壁１Ａ、周壁１Ｂ及び底壁１Ｃは、高温に耐えられる耐火物及びその外側を覆う鋼板製のケーシング等で構成されている。例えば、天井壁１Ａは、耐食性及び耐熱性に優れたアルミナ系耐火物により、又、周壁１Ｂは、耐食性及び耐熱性に優れたカーボン系耐火物やＳｉＣ系耐火物により、更に、底壁１Ｃは、耐浸食性等に優れたカーボン系耐火物やクロム系耐火物等により夫々形成されており、天井壁１Ａ、周壁１Ｂ及び底壁１Ｃの各耐火物の外側は鋼板製のケーシング及びケーシングで形成された冷却ジャケット（水冷ジャケットや空冷ジャケット）で覆われている。

前記主電極２は、天井壁１Ａの中心部に形成した主電極貫通穴７に昇降自在に挿入支持されており、溶湯の液面との距離を一定距離に保つように昇降操作されるようになっている。この主電極２は、直流電源（図示省略）の陰極に接続されている。
又、スタート電極３は、天井壁１Ａの外周縁部に形成したスタート電極貫通穴８に昇降自在に挿入支持されており、先端部が炉内の上方に位置する待機位置（放電停止位置）と先端部が炉内の下方に位置するスタート位置（放電位置）とに亘って昇降操作されるようになっている。このスタート電極３は、直流電源（図示省略）の陽極に接続されている。
尚、主電極２は、中空軸状に形成されており、その中空部から炉内へ窒素ガス等の不活性ガスを供給し、炉内を還元性雰囲気に保持するように工夫されている。

そして、前記炉底電極４は、底壁１Ｃの主電極２直下に位置する部分に非導電性耐火物１０を配設すると共に、非導電性耐火物１０の周囲に導電性耐火物１１ａを配設することにより構成されており、底壁１Ｃの非導電性耐火物１０の周囲全域が炉底電極４となっている。
即ち、炉底電極４は、直流電源の陽極に導電材１２（ブスバー、ケーブル）を介して接続された金属円板製の集電板１３と、集電板１３上に導電性耐火物１１ａを配設することにより形成され、主電極２直下に位置する部分に円形の凹部１１ｂを形成した導電性耐火物層１１とから構成されており、導電性耐火物層１１の凹部１１ｂには、非導電性耐火物１０が導電性耐火物層１１の上面と面一になるように配設されている。
尚、非導電性耐火物１０には、断熱性及び耐浸食性等に優れたアルミナ系耐火物等が使用されている。又、導電性耐火物１１ａには、導電性及び耐浸食性等に優れたカーボン系耐火物やマグネシア−カーボン系耐火物等が使用されている。

以上のように構成された電気溶融炉に於いては、被溶融物の溶融処理を開始するに当たっては、先ず、主電極２とスタート位置に下降させたスタート電極３とに通電させて両電極２，３間に電流を発生させ、これにより炉内の被溶融物を溶融させる。これは、主電極２と炉底電極４の間に非導電性の溶融物が介在するため、運転開始時に於いては、主電極２と炉底電極４との間にアーク１４を発生させ得ないからである。

炉内の被溶融物が溶融して導電性が上昇すると、スタート電極３を待機位置に上昇させたうえ、主電極２と炉底電極４との間に直流電源により所定の電圧を印加して両電極２，４間にアーク１４を発生させ、当該アーク１４の発生熱により被溶融物供給装置１５から炉内へ供給された被溶融物を溶融する。

そして、主電極２と炉底電極４との間に発生するアーク１４により被溶融物が順次溶融されて行くと、炉内の底壁１Ｃ上に溶湯プール１６が形成される。この溶湯プール１６は、被溶融物中に鉄を始めとする金属類やシリカを始めとするスラグ成分が多く含まれているため、比重差によって上方に位置する溶融スラグ層１６ａと溶融スラグ層１６ａの下方に位置する溶融メタル層１６ｂとから成る。

前記溶融スラグは、周壁１Ｂに形成した溶融スラグ出滓口６から順次オーバーフローし、スラグ出湯樋１７を流下して冷却水を貯留した水冷槽内へ落下排出され、ここで水冷されて水砕スラグにされる。
又、溶融メタルは、その液面が所定の高さ位置まで上昇したら、周壁１Ｂ下部に設けたタップホール（図示省略）を開孔してここから溶融メタルを抜き出し、溶融メタル層１６ｂの厚さが所定の厚さを超えないようにしている。
更に、炉内で発生した排ガスは、天井壁１Ａに形成した排ガス排出口９から排出され、排ガス処理装置（図示省略）等を経て大気中へ放出されている。

上述した電気溶融炉によれば、主電極２直下位置の底壁１Ｃ部分に非導電性耐火物１０を配設し、その非導電性耐火物１０の周囲全域に導電性耐火物１１ａを配設して炉底電極４としているため、アーク１４が主電極２から主電極２直下に配設した非導電性耐火物１０周囲に形成した炉底電極４へ向って発生することなる。即ち、アーク１４が主電極２の直下位置を除く底壁１Ｃの広範囲に亘って発生するため、底壁１Ｃ上の溶湯プール１６全域が均一な温度に維持されると共に、炉底電極４が局部的に加熱されると云うことがない。
その結果、大容量の電気溶融炉に於いても、溶湯プール１６の深さを深くしなくても、溶湯プール１６全域の温度を均一に維持することができ、操業中の炉の重量を軽減することができる。又、炉内の溶湯量を少なくできるため、炉壁を冷却する際に冷媒量が少なくて済み、冷却設備等の各設備の容量を小さくすることができる。更に、炉底電極４が局部的に加熱されるのを防止することができるで、炉底電極４の耐久性の向上を図れる。

本発明の実施の形態に係る炉底電極構造を用いた電気溶融炉の縦断面図である。同じく電気溶融炉の横断面図である。従来の電気溶融炉の縦断面図である。従来の電気溶融炉の横断面図である。

符号の説明

１Ａは天井壁、１Ｃは底壁、２は主電極、４は炉底電極、１０は非導電性耐火物、１１ａは導電性耐火物、１４はアーク。

Claims

天井壁を貫通する主電極と底壁に設けた炉底電極との間に直流電源により電圧を印加してアークを発生させ、当該アークにより炉内の被溶融物を溶融処理する電気溶融炉に於いて、底壁の主電極直下に位置する部分に非導電性耐火物を配設すると共に、底壁の非導電性耐火物周囲に導電性耐火物を配設して非導電性耐火物の周囲全域を炉底電極となし、主電極から非導電性耐火物周囲の炉底電極へ向ってアークを発生させるようにしたことを特徴とする電気溶融炉の炉底電極構造。