JP3325480B2

JP3325480B2 - プラズマ溶融炉

Info

Publication number: JP3325480B2
Application number: JP02632997A
Authority: JP
Inventors: 良二鮫島; 隆裕吉井
Original assignee: Takuma KK
Current assignee: Takuma KK
Priority date: 1997-02-10
Filing date: 1997-02-10
Publication date: 2002-09-17
Anticipated expiration: 2017-02-10
Also published as: JPH10220970A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、産業廃棄物やごみ
焼却炉からの焼却残渣、飛灰等の被溶融物を溶融処理す
るプラズマ溶融炉の改良に係り、排ガス中に含まれてい
る重金属類を含むダスト等が溶融スラグ流出口或いはス
ラグ排出コンベア上に落下し、スラグ中に混入しないよ
うにしたプラズマ溶融炉に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】近年、都市ごみ等の焼却炉から排出され
る焼却残渣や飛灰の減容化及び無害化を図る為、焼却残
渣等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。焼却残渣等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
埋立処分場の延命等が可能になるからである。

【０００３】而して、前記焼却残渣等の被溶融物の溶融
固化処理方法には、アーク溶融炉やプラズマアーク炉、
電気抵抗炉等の電気式溶融炉を使用し、電気エネルギー
によって被溶融物を溶融固化する方法と、表面溶融炉や
旋回溶融炉、コークスベッド炉等の燃焼式溶融炉を使用
し、燃料の燃焼エネルギーによって被溶融物を溶融固化
する方法とが多く利用されて居り、都市ごみ焼却設備に
発電設備が併置されている場合には、前者の電気エネル
ギーを用いる方法が、又、発電設備が併置されていない
場合には、後者の燃焼エネルギーを用いる方法が夫々多
く採用されている。

【０００４】図４は従前のごみ焼却処理設備に併置した
直流アーク放電黒鉛電極式プラズマ溶融炉の一例を示す
ものであり、図４に於いて、１は被溶融物Ａである灰の
コンテナ、２は被溶融物Ａの供給装置、３は溶融炉本
体、４は黒鉛主電極、５は黒鉛スタート電極、６は炉底
電極、７は炉底冷却ファン、８は直流電源装置、９は窒
素ガス等の不活性ガス供給装置、１０は溶融スラグ流出
口、１１はタップホール、１２は燃焼室、１３は燃焼空
気ファン、１４は排ガス冷却ファン、１５はバグフィル
タ、１６は誘引通風機、１７は煙突、１８は溶融飛灰コ
ンベア、１９は飛灰だめ、２０はスラグ水冷槽、２１は
スラグ搬出コンベア、２２はスラグだめ、２３はスラグ
冷却水冷却装置である。

【０００５】焼却残渣や飛灰等の被溶融物Ａはコンテナ
１に貯えられ、供給装置２により溶融炉本体３内へ連続
的に供給される。溶融炉本体３には、炉頂部より垂直且
つ昇降可能に挿入され、その先端と被溶融物Ａとの間に
一定の距離を設けた黒鉛主電極４（−極）と、炉底に設
置された炉底電極６（＋極）とが設けられて居り、両電
極４、６間に直流電源装置８（容量約６００〜１０００
ＫＷ／Ｔ・被溶融物）から直流電圧例えば１０ｔ／日処
理量の溶融炉では２００〜３５０Ｖの直流電圧を印加す
ることにより１０００Ａ〜１４００Ａのプラズマアーク
電流が流れる。これによって、被溶融物Ａは、その溶融
点（１２００〜１２５０℃）を越える１４００℃〜１８
００℃の高温度にまで加熱され、順次流動性を有する液
体状の溶融スラグＢとなる。

【０００６】尚、溶融前の被溶融物Ａは導電性が低い
為、溶融炉の始動時にはスタート電極５を溶融炉本体３
内へ挿入してこれを＋極とし、これと主電極４間へ通電
することにより被溶融物Ａが溶融するのを待つ。そし
て、被溶融物Ａが溶融すると、その導電性が上昇する
為、スタート電極５を炉底電極６へ切り換える。

【０００７】一方、前記溶融炉本体３の内部は、溶融ス
ラグＢや主電極４等の酸化を防止する為に還元性雰囲気
に保持されて居り、その為に、ＰＳＡ窒素製造装置等の
不活性ガス供給装置９から不活性ガスＣ（窒素ガス）
が、中空筒状に形成した主電極４及びスタート電極５の
中空孔を通して、溶融炉本体３内へ連続的に供給されて
いる。

【０００８】尚、不活性ガスＣを主電極４やスタート電
極５の中空孔を通して溶融炉本体３内へ供給する構成と
するのは、プラズマ放電領域を濃厚な不活性ガスＣに
より充満させた方が、プラズマアークの発生や安定性等
の所謂プラズマ放電性が良好になると考えられること、
及び黒鉛主電極４や黒鉛スタート電極５の消耗がより
少なくなると考えられること、等の理由によるものであ
る。

【０００９】又、前記溶融炉本体３の炉底は、炉底冷却
ファン７からの冷風により空冷され、これによって炉底
電極６近傍の過度な温度上昇が防止されている。更に、
溶融炉本体３そのものは約１８００℃の高温に耐える耐
火材及びそれを覆う断熱材等により構成されて居り、必
要に応じて断熱材の外部に水冷ジャケットが設けられて
いる。

【００１０】前記被溶融物Ａの溶融によって、その内部
に存在した揮発成分や炭素の酸化により起生した一酸化
炭素等はガス体Ｄ（排ガス）となると共に、鉄等の金属
類やガラス、砂等の不燃性成分は溶融状態となり、所謂
溶融スラグＢが順次形成されて行く。又、前記ガス体Ｄ
は、溶融スラグ流出口１０の上部空間より燃焼室１２に
入り、ここで燃焼空気ファン１３により送入された燃焼
用空気が加えられることにより、内部の未燃分が略完全
に燃焼される。更に、完全燃焼したガス体Ｄは、排ガス
冷却ファン１４からの冷空気によって冷却され、バグフ
ィルタ１５を経て誘引通風機１６により煙突１７へ排出
される。そして、バグフィルタ１５で捕捉された溶融飛
灰Ｅは、溶融飛灰コンベア１８により飛灰だめ１９へ送
られる。

【００１１】一方、溶融炉本体３内に形成された溶融ス
ラグＢは、溶融スラグ流出口１０より連続的に溢れ出
し、水を満したスラグ水冷槽２０内へ落下することによ
り水砕スラグとなり、スラグ搬出コンベア２１によって
スラグだめ２２へ排出される。又、溶融炉を停止する際
には、溶融炉本体３内の溶融スラグＢが冷却、固化して
しまうのを防止する為、溶融スラグＢの底部レベルに取
付けられたタップホール１１より湯抜きを行い、溶融炉
本体３内は空状態にされる。

【００１２】ところで、従前のプラズマ溶融炉に於いて
は、横断面形状が略円形の溶融炉本体３の周壁に、溶融
炉本体３内へ被溶融物Ａを供給する供給装置２と溶融炉
本体３内の溶融スラグＢを溢流させる為の溶融スラグ流
出口１０とが夫々対向状に配置されて居り、溶融炉本体
３内に形成された溶融スラグＢは溶融スラグ流出口１０
から溢流してスラグ水冷層２０内に落下し、又、溶融炉
本体３内で発生したガス体Ｄは溶融スラグ流出口１０内
の上部空間を通って燃焼室１２内へ流入するようになっ
ている。

【００１３】即ち、従前のプラズマ溶融炉に於いては、
溶融炉本体３内から燃焼室１２へ至るガス体Ｄの排ガス
通路と溶融スラグ流出口１０とが同一で、且つ溶融スラ
グＢのスラグ水冷層２０内への落下口とガス体Ｄの燃焼
室１２との位置関係が上下方向に於いて一致するように
なっている。従って、従前のプラズマ溶融炉に於いて
は、溶融スラグ流出口１０から溢流する溶融スラグＢが
排ガス通路を通過するガス体Ｄの熱や燃焼室１２内のガ
ス体Ｄの燃焼熱によって加熱され、スラグ水冷層２０に
入るまでの間に冷却・固化して流路を塞いでしまうと云
う問題を解決できる利点がある。

【００１４】

【発明が解決しようとする課題】然し乍ら、上述のよう
な構造のプラズマ溶融炉に於いては、溶融炉内で燃焼し
きれなかった炭素や不燃性のダスト（飛灰）が溶融スラ
グ流出口１０で落下したり、溶融炉内でガス状となった
物質が凝結して燃焼室１２内を浮遊しつつ落下し、スラ
グ排出コンベア２１上に落下する。その結果、溶融スラ
グＢはダスト等を混入した状態でスラグ水冷層２０内へ
入って行くことになる。

【００１５】ところが、ガス体Ｄ中に含まれているダス
トには重金属類が比較的多量に含まれて居り、この重金
属類は溶融スラグＢ中の重金属類のように溶融スラグＢ
中に完全に封じ込められているのではなく、溶融スラグ
Ｂに混入している状態となっている。その為、ダストが
混入した溶融スラグＢがスラグ水冷層２０内へ入ると、
重金属類や塩類が水に溶出し、この溶出した重金属類が
水砕スラグ上に付着することになる。その結果、水砕ス
ラグの品質が著しく悪化することになる。即ち、水砕ス
ラグの重金属溶出試験に於いて、水砕スラグの表面に付
着している重金属類の為に本来溶融スラグＢ中に封入さ
れている重金属類が溶出したとは考えることのできない
過大な重金属類の溶出試験結果が現れることがある。

【００１６】本発明は、従前のプラズマ溶融炉に於ける
上述の如き問題、即ち、溶融スラグ流出口から溢流する
溶融スラグに、排ガス中に含まれている重金属類を含む
ダスト等が落下・混入し、水砕スラグの品質が著しく悪
化すると云う問題を解決するものであり、その目的は良
質の水砕スラグを安定して得られるようにしたプラズマ
溶融炉を提供するにある。

【００１７】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成する為
に、本発明の請求項１に記載の発明は、溶融炉本体と、
溶融炉本体の周壁に設けられ、被溶融物を溶融炉本体内
へ供給する供給装置と、溶融炉本体に設けられ、直流電
源装置からの電圧の印加によりプラズマアークを発生さ
せる為の主電極及び炉底電極と、溶融炉本体の周壁に形
成され、溶融炉本体から溶融スラグを溢流させる為の溶
融スラグ流出口と、溶融炉本体に隣接して設けられ、排
ガス中の未燃物を燃焼させる燃焼室を形成する炉体と、
溶融炉本体内で発生した排ガスを燃焼室へ導く排ガス通
路とを備えたプラズマ溶融炉であって、前記排ガス通路
及び燃焼室を平面視に於いて供給装置の位置から所定の
角度ずれた位置に形成し、又、溶融スラグ流出口を平面
視に於いて排ガス通路、燃焼室及び供給装置の位置から
所定の角度ずれた位置に形成したものである。

【００１８】又、本発明の請求項２に記載の発明は、排
ガス通路及び燃焼室を溶融炉本体内の溶融スラグの直上
位置に形成し、排ガス通路内及び燃焼室内の排ガスが溶
融スラグの輻射熱を受けるようにしたものである。

【００１９】

【発明の実施の形態】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乃至図３は本発明に係
るプラズマ溶融炉の要部を示すものであり、図１乃至図
３に於いて、上記図２と同じ部位・部材にはこれと同じ
参照番号を使用している。

【００２０】即ち、図１乃至図３に於いて、１は被溶融
物のコンテナ、２は被溶融物の供給装置、３は溶融炉本
体、３ａは燃焼室を形成する炉体、４は黒鉛主電極、５
は黒鉛スタート電極、６は炉底電極、８は直流電源装
置、９は窒素ガス等の不活性ガス供給装置、１０は溶融
スラグ流出口、１０ａは排ガス通路、１１はタップホー
ル、１２は排ガスの燃焼室、１３は燃焼空気ファン、２
０はスラグ水冷層、２１はスラグ排出コンベア、Ａは被
溶融物、Ｂは溶融スラグ、Ｃは不活性ガス、Ｄは排ガス
である。

【００２１】前記溶融炉本体３は、耐熱性、耐食性等に
優れた耐火材等により夫々形成された周壁、天井壁及び
炉底から構成されて居り、溶融炉本体３の下半部と上半
部とは異なる横断面形状及び大きさに夫々形成されてい
る。即ち、溶融炉本体３の下半部は横断面形状が略卵形
の筒状に、又、溶融炉本体３の上半部は横断面形状が略
円形の筒状に夫々形成されて居り、溶融炉本体３の上半
部は略卵形の下半部の大径部分に支持された格好になっ
ている。

【００２２】前記溶融炉本体３の上半部の周壁には、焼
却残渣や飛灰等の被溶融物Ａを溶融炉本体３内へ供給す
る為の供給装置２が水平姿勢で且つ溶融炉本体３の上半
部の中心Ｏ（平面視に於いて黒鉛主電極４の位置）へ向
って設けられている。又、溶融炉本体３の下半部の大径
部側の周壁には、溶融炉本体３内の溶融スラグＢを溢流
させる為の溶融スラグ流出口１０が溶融炉本体３の中心
Ｏ（平面視に於いて黒鉛主電極４の位置）へ向って略水
平方向に形成されている。この溶融スラグ流出口１０
は、平面視に於いて供給装置２の位置から所定の角度ず
れた位置に形成されて居り、本実施態様では供給装置２
の位置から１８０°の位置に形成されている。

【００２３】前記炉体３ａは、耐熱性、耐食性等に優れ
た耐火材等により円筒状に形成されて居り、その内部に
は溶融炉本体３内で発生した未燃物を燃焼させる燃焼室
１２が形成されている。この炉体３ａは、溶融炉本体３
の上半部に隣接して形成され、且つ溶融炉本体３の下半
部の小径部分に支持された格好になっている。又、炉体
３ａ内に形成された燃焼室１２は、溶融炉本体３内の溶
融スラグＢの表面よりも上方に位置して居り、平面視に
於いて供給装置２の位置から所定の角度ずれた位置に形
成されている。本実施態様では、燃焼室１２は、供給装
置２の位置から９０°の位置に形成されている。更に、
溶融炉本体３内と燃焼室１２との間には、溶融炉本体３
内で発生した排ガスＤを燃焼室１２へ導く排ガス通路１
０ａが溶融スラグＢの表面に接する状態で形成されてい
る。この排ガス通路１０ａは、燃焼室１２と同様に平面
視に於いて供給装置２の位置から９０°ずれた位置に形
成されている。そして、燃焼室１２の入口側には、燃焼
空気ファン１３から燃焼用空気が供給されている。

【００２４】尚、黒鉛主電極４、黒鉛スタート電極５、
炉底電極６、直流電源装置８、不活性ガス供給装置９、
タップホール１１、スラグ水冷層２０及びスラグ排出コ
ンベア２１等は、図２に示したものと同様構造に構成さ
れて居り、その構成及び作用の説明は省略する。

【００２５】而して、上記構成のプラズマ溶融炉に於い
て、コンテナ１内から供給装置２によって溶融炉本体３
内へ供給された被溶融物Ａは、黒鉛主電極４と炉底電極
６との間のプラズマアーク放電による熱エネルギーによ
り、溶融点（１２００℃〜１４００℃）を越える温度に
まで加熱され、１４００℃〜１８００℃の高温液体状の
溶融スラグＢとなる。

【００２６】溶融炉本体３内に形成された溶融スラグＢ
は、平面視に於いて供給装置２の位置から１８０°度ず
れた位置にある溶融スラグ流出口１０から溢流し、スラ
グ水冷層２０内へ落下して水砕スラグとなる。

【００２７】一方、溶融炉本体３内で発生した一部未燃
炭素やダストを含む排ガスＤは、平面視に於いて供給装
置２の位置から９０°ずれた位置にある排ガス通路１０
ａを通って、同じく供給装置２の位置から９０°ずれた
位置にある燃焼室１２内へ流入し、ここで燃焼空気ファ
ン１３により供給された燃焼用空気により、排ガスＤ中
に残存する未燃物が燃焼される。

【００２８】このとき、排ガス通路１０ａ及び燃焼室１
２が溶融スラグＢ表面の直上に位置している為、未燃炭
素やダストを含む排ガスＤは高温の溶融スラグＢの輻射
熱を受けて高温を維持しつつ、燃焼空気ファン１３から
燃焼用空気の供給を受けて未燃物を燃焼するので、未燃
炭素が残留することが殆どなく、略完全燃焼する。又、
排ガスＤ中の重金属類を含んでいるダストは、燃焼室１
２内を浮遊しつつ落下しても、溶融炉本体３内の溶融ス
ラグＢ中に落下することになる。然も、溶融炉本体３内
で発生した排ガスＤは、誘引通風機（図示省略）により
排ガス通路１０ａを経て燃焼室１２内へ吸引されている
為、溶融スラグ流出口１０側へ流入すると云うこともな
い。

【００２９】従って、排ガスＤ中の重金属類を含んでい
るダストが溶融スラグ流出口１０や燃焼室１２に落下
し、スラグに混入するのを防止することができる。即
ち、本発明のプラズマ溶融炉に於いては、溶融スラグ流
出口１０が平面視に於いて供給装置２、排ガス通路１０
ａ及び燃焼室１２の位置から所定の角度ずれた位置（供
給装置２の位置から１８０°の位置で且つ排ガス通路１
０ａ及び燃焼室１２の位置から９０°の位置）に形成さ
れている為、溶融スラグ流出口１０から流出する溶融ス
ラグＢが排ガスＤ中の重金属類を含むダストの汚染を受
けることがない。その結果、溶融スラグＢが水砕スラグ
となったときに重金属類を全て水砕スラグ内に閉じ込め
ることができ、重金属類の溶出試験に合格する良質の水
砕スラグを得ることができる。

【００３０】上記実施態様に於いては、排ガス通路１０
ａ及び燃焼室１２を平面視に於いて供給装置２の位置か
ら９０°ずれた位置に形成し、又、溶融スラグ流出口１
０を平面視に於いて供給装置２の位置から１８０°ずれ
た位置に形成したが、供給装置２、溶融スラグ流出口１
０、排ガス通路１０ａ及び燃焼室１２の位置関係は上記
角度に限定されるものではなく、ダスト等が溶融スラグ
流出口１０や燃焼室１２に落下し、スラグに混入するの
を防止することができ、且つプラズマ溶融炉の溶融処理
能力等の低下を来さなければ、供給装置２、溶融スラグ
流出口１０、排ガス通路１０ａ及び燃焼室１２の位置関
係は如何なる角度であっても良い。

【００３１】上記実施態様に於いては、ごみ焼却残渣や
飛灰を被溶融物Ａとする場合について説明をしたが、本
発明はこれ等の焼却残渣や飛灰に限らず、灰分を含有す
るその他の産業廃棄物そのものの溶融処理にも適用する
ことができることは勿論である。

【００３２】

【発明の効果】上述の通り、本発明の請求項１に記載の
プラズマ溶融炉に於いては、排ガス通路及び燃焼室を平
面視に於いて供給装置の位置から所定の角度ずれた位置
に形成し、又、溶融スラグ流出口を平面視に於いて排ガ
ス通路、燃焼室及び供給装置の位置から所定の角度ずれ
た位置に形成している為、排ガス中のダスト等が溶融ス
ラグ流出口或いは燃焼室で落下し、スラグに混入するの
を防止することができる。その結果、溶融スラグが水砕
スラグとなったときにその品質が著しく悪化すると云う
ことがなく、良質の水砕スラグを安定して得ることがで
きる。

【００３３】本発明の請求項２に記載のプラズマ溶融炉
に於いては、排ガス通路及び燃焼室を溶融炉本体内の溶
融スラグの直上位置に形成し、排ガス通路内及び燃焼室
内の排ガスが溶融スラグの輻射熱を受けるようにしてい
る為、排ガス中に含まれている未燃物の燃焼が完全に行
われ、系外に排出される排ガス中の未燃の炭素、ＣＯ、
ダイオキシン等を著しく低減することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係るプラズマ溶融炉の要部を示す概略
縦断面図である。

【図２】図１のＩ−Ｉ線断面図である。

【図３】図１のII−II線断面図である。

【図４】従前のプラズマ溶融炉の説明図である。

【符号の簡単な説明】

Ａは被溶融物、Ｂは溶融スラグ、Ｄはガス体、２は被溶
融物の供給装置、３は溶融炉本体、３ａは炉体、４は黒
鉛主電極、６は炉底電極、８は直流電源装置、１０は溶
融スラグ流出口、１０ａは排ガス通路、１２は燃焼室。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号ＦＩＦ２７Ｂ 3/12 Ｆ２７Ｂ 3/12 (56)参考文献特開平８−327043（ＪＰ，Ａ) 特開平３−127486（ＪＰ，Ａ) 特開昭61−213510（ＪＰ，Ａ) 特開平６−193853（ＪＰ，Ａ) 特開平６−317311（ＪＰ，Ａ) 特開平９−257221（ＪＰ，Ａ) 特開平６−300234（ＪＰ，Ａ) 特開平９−145040（ＪＰ，Ａ) 実公平８−593（ＪＰ，Ｙ２) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) F27D 11/08 F27B 3/08 F27B 3/12 F23G 5/00 115 F23G 5/00 ZAB F23J 1/00

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】溶融炉本体（３）と、溶融炉本体（３）
の周壁に設けられ、被溶融物（Ａ）を溶融炉本体（３）
内へ供給する供給装置（２）と、溶融炉本体（３）に設
けられ、直流電源装置（８）からの電圧の印加によりプ
ラズマアークを発生させる為の主電極（４）及び炉底電
極（６）と、溶融炉本体（３）の周壁に形成され、溶融
炉本体（３）から溶融スラグ（Ｂ）を溢流させる為の溶
融スラグ流出口（１０）と、溶融炉本体（３）に隣接し
て設けられ、排ガス（Ｄ）中の未燃物を燃焼させる燃焼
室（１２）を形成する炉体（３ａ）と、溶融炉本体
（３）内で発生した排ガス（Ｄ）を燃焼室（１２）へ導
く排ガス通路（１０ａ）とを備えたプラズマ溶融炉であ
って、前記排ガス通路（１０ａ）及び燃焼室（１２）を
平面視に於いて供給装置（２）の位置から所定の角度ず
れた位置に形成し、又、溶融スラグ流出口（１０）を平
面視に於いて排ガス通路（１０ａ）、燃焼室（１２）及
び供給装置（２）の位置から所定の角度ずれた位置に形
成したことを特徴とするプラズマ溶融炉。
【請求項２】排ガス通路（１０ａ）及び燃焼室（１
２）を溶融炉本体（３）内の溶融スラグ（Ｂ）の直上位
置に形成し、排ガス通路（１０ａ）内及び燃焼室（１
２）内の排ガス（Ｄ）が溶融スラグ（Ｂ）の輻射熱を受
けるようにしたことを特徴とする請求項１に記載のプラ
ズマ溶融炉。