JP2007225168A - 溶融堆積物除去方法および溶融炉 - Google Patents

Abstract

【課題】大量の融点降下剤を投入する必要がなく、かつ、廃熱ボイラに支障をきたすことがない溶融堆積物除去方法および溶融炉を提供する。
【解決手段】本発明は、焼却炉から生じた焼却灰または廃棄物をガス化した後の灰を溶融させる溶融炉内に堆積した不溶融堆積物または半溶融堆積物上に直接的に到達するように融点降下剤を投入し、該融点降下剤が該堆積物に混合されることにより該堆積物を溶融させてこれを流動化させ、流動化した堆積物を除去する。
【選択図】図１

Description

本発明は、都市ゴミや産業廃棄物等のガス化溶融炉や灰溶融の溶融炉内に生じる溶融堆積物の除去方法および溶融炉に関する。

都市ゴミ等の一般ゴミを焼却する一般ゴミ焼却炉の稼働温度は６００〜１０００℃であり、それから発生する残渣として灰が生じる。この灰を安全かつ無害にするためには、灰を溶融する炉が必要となる。このような炉により灰を溶融する場合、自己熱や外熱により炉内を灰溶融温度まで温度を上げることが必要となる。

溶融炉法は、燃料の燃焼熱や電気から得られた熱エネルギー等により、被処理物を１２００〜１５００℃程度の高温下で加熱し、溶融させ、被処理物中の無機物をＳｉＯ_２、Ａｌ_２Ｏ_３、ＣａＯ等を主成分とするガラス質のスラグとする処理法である。

このように用いられる溶融炉には、固化状態もしくは半溶融状態のスラグ堆積物が徐々に増加してくる場所や季節がある。堆積物が堆積する原因は灰の成分が悪い場合が主である。灰の成分中に塩基度が高いものを含む場合は灰の融点が上がる。堆積物が少量である内は特に問題とはならないが、時間の経過とともに堆積物量が大量になると、溶融炉内のガス流れやスラグ流れを悪化させるおそれがあり、最悪の場合には閉塞に至るおそれもある。

溶融炉内の堆積物を除去する方法としては、バーナやテルミット反応等により運転温度を上昇させるか、あるいは、溶融炉の稼働を一旦停止させ、冷却させた後に、人力により堆積物を除去する方法がある。

しかしながら、溶融炉は通常運転でさえも１５００℃程度の高温で稼働させており、自己熱による溶融ではこれ以上温度を上げることは不可能な場合が多く、外熱による溶融ではこれ以上の高温は溶融炉の耐熱性に限界があり、エネルギー消費が大きくなるので好ましくない。また、人力による除去方法は、堆積物の除去のために溶融炉の稼働を停止しなければならず、その間は、溶融作業を行うことができない。また、高温状態にある溶融炉を一旦冷却させた後、除去作業を終えた後に、再駆動させるために再度高温に温度上昇させなければならず、無駄なエネルギー消費が生じる。さらには、人力による除去作業中に、耐火性の溶融炉を人為的に傷めてしまうおそれもある。

このような問題を解決する方法として、投入ごみや灰を投入する前に融点降下剤を投入ごみや灰と混合するか、または、溶融炉内全体にわたって、ＳｉＯ_２、Ｎａ_２Ｏ、Ｎａ_２ＣＯ_３、Ｎａ_２ＮＯ_３、ＣａＣＯ_３、Ｋ_２Ｏ等の融点降下剤を投入し、堆積物の融点を降下させてこれを溶融させて流動化し除去する方法が知られている（特許文献１〜６）。

しかしながら、上記方法は、溶融炉の全体にわたって融点降下剤を投入するために、大量の融点降下剤を投入する必要がある。また、溶融炉の後流側に設置された廃熱ボイラに融点の低い成分が付着し、廃熱ボイラに支障をきたす恐れがある。
特開平４−２７８１１０号公報 特開平６−３１７３１６号公報 特開平７−２３６８６７号公報 特開平１０−１７４９４８号公報 特開平６−２６２１６２号公報 特開平８−３２３３２２号公報

本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、大量の融点降下剤を投入する必要がなく、かつ、廃熱ボイラに支障をきたすことがない溶融堆積物除去方法および溶融炉を提供することを目的とする。

溶融炉を用いて溶融固化法により灰を溶融処理する場合、用いられる溶融炉に堆積する不溶融もしくは半溶融のスラグ堆積物は、溶融炉内の任意の場所に堆積するのではなく、ガス流れの方向が変わるコーナー部や溶融炉内の突出部の上流側等に堆積する。

本発明は、このような堆積物の堆積傾向に基づき、溶融炉に堆積した不溶融堆積物または半溶融堆積物を除去するために、溶融炉内のコーナー部や突出部の上流側等に直接的に到達するように融点降下剤を投入する。

すなわち、本発明の溶融炉堆積物除去方法は、廃棄物または焼却炉から生じた焼却灰を溶融させる溶融炉内に堆積した不溶融堆積物または半溶融堆積物上に直接的に到達するように融点降下剤を投入し、該融点降下剤が溶融液状化し該堆積物に浸透混合されることにより該堆積物を溶融させてこれを流動化させ、流動化した堆積物を除去することを特徴とする。

上記本発明の方法において、融点降下剤の投入速さおよび融点降下剤の平均粒径の粒子の終端速度が融点降下剤の投入位置における排ガス流速以上であるように融点降下剤を投入することが好ましい。

上記本発明の方法において、融点降下剤が、酸化ナトリウム、酸化カリウム、酸化ケイ素、炭酸カルシウムからなる群から選択される少なくとも１種であることが好ましい。

また、本発明の溶融炉は、廃棄物または焼却炉から生じた焼却灰を溶融させる溶融炉であって、該溶融炉内に堆積した不溶融堆積物または半溶融堆積物上に直接的に到達するように融点降下剤を投入する融点降下剤投入手段が設けられていることを特徴とするものである。

本発明では、廃棄物または焼却炉から生じた焼却灰を溶融させる溶融炉内に堆積した不溶融堆積物または半溶融堆積物上に直接的に到達するように融点降下剤を投入し、該融点降下剤が該堆積物に浸透混合されることにより該堆積物を溶融させてこれを流動化させ、流動化した堆積物を除去するので、大量の融点降下剤を投入する必要がなく、かつ、廃熱ボイラに支障をきたすことなく溶融堆積物を除去することができる。

以下、本発明の溶融炉堆積物除去方法および溶融炉について詳細に説明する。

図１および２は、それぞれ本発明の溶融炉の一例を模式的に示す断面図および平面図であり、図１はガス化溶融炉、図２はプラズマ溶融炉を示している。なお、図１および２では、発明を理解し易くするために、本発明に関係のない構成を省略している。なお、図中の破線の矢印は、固形物が廃棄される方向を表している。図１のガス化溶融炉の場合は、廃棄物または焼却炉から生じた焼却灰を溶融させる溶融炉は排ガス導入口（２）から熱分解ガスを導入し、導入されたガスを炉内で高温燃焼して溶融スラグを形成させ、燃焼ガスを排ガス出口から放出し、生じた溶融スラグを下方に落下させる。溶融炉は一方向に排ガスが通過する構造ではなく途中で排ガスの流れ方向が変わるコーナー部が形成されており、また、炉内の各部には内方突出部（３）が形成されている。このような溶融炉を用いて灰を溶融処理する場合、用いられる溶融炉に堆積する不溶融もしくは半溶融のスラグ堆積物は、溶融炉内の任意の場所に堆積するのではなく、排ガス流れ方向が変わるコーナー部や内方突出部（３）の上流側に堆積する。図１および２に示す溶融炉では、溶融炉内のコーナー部等に堆積した不溶融堆積物または半溶融堆積物（Ａ）上に直接的に融点降下剤が到達するように狙って、堆積物堆積位置の直上の壁部または同位置を臨む対向壁に複数の融点降下剤投入用ノズル（１）が設けられており、融点降下剤投入用ノズル（１）から投入速さおよび方向が炉内の排ガスの速さおよび方向に応じて調整されて融点降下剤が炉内に投入される。この条件により、投入ノズルで狙った方向に融点降下剤が飛ぶので、融点降下剤の飛行経路の分かり易いデザインが可能であり、かつ、飛行粒子が少し軟らかい堆積物に付着・吸収されて混合反応しやすくなる。

これらの融点降下剤投入用ノズル（１）の設置位置および設置数は任意であり、また、各ノズル（１）は開閉自在に構成される。したがって、溶融炉の運転状態の変化に応じて堆積物（Ａ）の発生箇所を判断し、必要な位置のノズルのみを開とすることにより、融点降下剤の投入箇所を自由に変更することができ、また、各ノズル毎に、粒径の異なる融点降下剤を投入するようにしてもよい。この場合、ノズルに通じる複数のホッパからの切り出し比率を各ホッパで変えることで粒径分布が制御される。

融点降下剤の輸送に搬送空気を用いるとこの搬送空気が溶融炉の温度降下の原因となるので、搬送空気を用いない投入方法により投入されるのが良い。

溶融降下剤としては、不溶融堆積物または半溶融堆積物（Ａ）と混合された場合に、その塩基度や３成分融点状態図での融点変化によって、堆積物を溶融させることができることが必要であり、さらには、耐火材を浸食するおそれがないことが必要である。また、低価格で入手できるもののほうが好ましい。以上の要件を満たすものとしては、例えば、ＣａＣＯ_３（炭酸カルシウム）を主とする石灰、ＳｉＯ_２（酸化ケイ素）を主とする砂、ソーダ成分（酸化ナトリウム）を主とするガラスカレット等が挙げられる。

堆積物（Ａ）が都市ゴミに基づくものである場合には、融点降下剤として、砂またはガラスカレットを用いることができるが、元々のスラグより低融点で先に溶けて液相との混合反応となる点でガラスカレットが好ましい。すなわち、このようなガラスカレットをノズルから投入すると、一度溶けてから再固化したまたは半溶融状態にある堆積物（Ａ）に、ガラスカレットが衝突し、衝突したガラスカレット自体が先に溶融されて液相状態で堆積物（Ａ）の溶解が進み、速い速度で堆積物（Ａ）を溶融溶解し流動化させることができる。また、このような融点降下剤を用いると、図３に示すように、固化した堆積物（Ａ）層の表面に溶融プール（Ｂ）が形成され、後から到達する融点降下剤の粒子が、この溶融プールに突き刺さるように溶融プール（Ｂ）上に貯まってくるので、融点降下剤の効率を高めることができる。

また、Ｎａ、Ｋ等が付着した使用済み層材でも新砂でも細粉状であれば、表面積が大きくなるので十分適した融点降下剤になる。

また、融点降下剤は、上記のように、堆積物（Ａ）と混合されて堆積物（Ａ）を溶融させることが必要である一方で、融点降下剤投入ノズル（１）から堆積部に直接的に到達させるために、ガス流速やノズルとの位置関係により粒子径が選定されることが必要である。融点降下剤の好ましい粒径は、０．５〜５ｍｍである。

溶融炉内のガス流れは非常に高速であるのが一般的であるが、図３に示すように、融点降下剤用のノズル（１）の投入口付近の溶融炉内のガス流の流速の最大速さをＶｇｍａｘ（〜２０ｍ／ｓ）とした場合、融点降下剤の投入速さＶｐをＶｇｍａｘ以上とする。このとき、ノズル（１）内の管内空気の流速Ｖａについては、数ｍ／ｓ以下になるようにする。これは、リーク空気による降温防止とノズル内の空気の流れが粒子の抵抗にならないようにするためである。

また、溶融炉内に投入された融点降下剤の平均粒径（または５０％通過径）ｄは、平均粒径の粒子の終端速さがＶｇｍａｘ以上なるように、例えば、２ｍｍが選定される。これは、粒子が溶融炉内を飛行する際に大きく曲がっていかないようにするためである。また、粒径が約０．３ｍｍ以下の粒子は、溶融炉内の壁面に付着し難いので、このような粒子が少なくなるようにした方が、ボイラ等の後流の損傷をきたすおそれが少ないので好ましい。

また、細粉状の融点降下剤をカプセル封入し、このようなカプセルをノズルから投入するようにしてもよい。このようにすれば、ノズルから投入されたカプセルは径が大きいのでより速く堆積物上に到達し、堆積物上でカプセル溶融等した融点降下剤が細粉状であるので、より速く堆積物を溶融することができる。この場合、溶融炉内は高温燃焼場であるので、カプセル材料として難溶性の成分が残らないようなものを選択することが必要である。カプセル材料としては、例えば、ガラスカレットや硬質プラスチック等が挙げられる。

さらに、投入される位置に応じて複数のノズルごとに投入される融点降下剤の種類および粒径を選定するようにしてもよい。

融点降下剤の投入量は、溶融炉内に堆積物が付着し蓄積する一定時間当たりの大略の蓄積量と融点降下剤を投入した際の堆積位置での堆積物および融点降下剤の推測混合比に基づく融点降下とにより決定される。

例えば、運転開始から３ヶ月で約６トンの堆積物が溶融炉に堆積するとすれば、１時間当たり約２．８ｋｇの堆積物が堆積することになり、このような時間当たりの堆積量に対して、堆積物の融点を２００〜２５０℃降下させようとする場合、予め求めておいた混合比と融点降下について相関を示す融点降下表から大略の混合比が４０％（すなわち堆積物／融点降下剤＝６０／４０）であるとすると、投入される融点降下剤の投入量は、２．８×４０／６０＝１．９ｋｇ／ｈにより、１．９〜２．０ｋｇ／ｈに決められる。これは、連続投入方式の場合であるが、１週間当たり２日の間欠投入とするならば、１．９〜２．０×７／２＝〜７．０ｋｇ／ｈから、約７．０ｋｇ／ｈとなる。

溶融炉内の堆積物および融点降下剤の混合比と融点との関係について試験したので、以下に説明する。

融点降下剤としては、廃棄物処理場から埋立地等へ投棄されるガラスカレットが最も容易に入手できるものである点から好ましいが、ガラスカレットは、種々のガラスの混合物であり成分が安定しないので、本実施例では、Ｎａ_２ＣＯ_３＋ＳｉＯ_２をガラスカレットの代用として、これとスラグクリンカとの混合比率と融点との関係を求めた。

結果を下記表に示す。

実際の溶融炉では、堆積物が発生する場所は一部であり、また、溶融炉内で溶けずに堆積物が発生するといっても、堆積物の融点は、炉内の温度より少し高温であるだけであるので、例えば、表より、堆積物の融点が１４１０℃であり、溶解炉内の温度が１３００℃とすれば、２０％程度の混合比になるように融点降下剤を投入すれば、堆積物が溶融することになる。実際に２０％程度の混合比になるように、例えば、１０ｋｇ／ｈで融点降下剤を投入し続けると、堆積物はスラグとして流動化し、溶融炉から除去することができた。

本発明の一例のガス化溶融炉を示す断面図である。 本発明の一例のプラズマ炉を示す平面図である。 融点降下剤投入ノズルから融点降下剤を投入した場合を概略的に示す図である。

符号の説明

１ 融点降下剤投入用ノズル
２ 排ガス導入口
３ 内方突出部
Ａ 堆積物
Ｂ 溶融プール

Claims (4)

1. 焼却炉から生じた焼却灰または廃棄物をガス化した後の灰を溶融させる溶融炉内に堆積した不溶融堆積物または半溶融堆積物上に直接的に到達するように融点降下剤を投入し、該融点降下剤が該堆積物に混合されることにより該堆積物を溶融させてこれを流動化させ、流動化した堆積物を除去することを特徴とする溶融炉堆積物除去方法。
2. 融点降下剤の投入速さおよび融点降下剤の平均粒径の粒子の終端の速さが融点降下剤の投入位置における排ガス流速以上であるように融点降下剤を投入する、請求項１に記載の方法。
3. 融点降下剤が、酸化ナトリウム、酸化カリウム、酸化ケイ素、炭酸カルシウムからなる群から選択される少なくとも１種である、請求項１または２に記載の方法。
4. 廃棄物または焼却炉から生じた焼却灰を溶融させる溶融炉であって、該溶融炉内に堆積した不溶融堆積物または半溶融堆積物上に直接的に到達するように融点降下剤を投入する融点降下剤投入手段が設けられていることを特徴とする溶融炉。
   
   

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