JP3643773B2 - プラズマアーク式溶融炉 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、下水汚泥、都市ごみ及び産業廃棄物などの焼却灰及び事業用火力発電プラント等の燃焼炉から排出される焼却灰を溶融するプラズマアーク式溶融炉に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、下水汚泥、都市ごみ及び産業廃棄物などの焼却灰（粉体無機物）は、その資源化、減容化及び無害化を図るために、例えば、図８に示すようなプラズマアーク式溶融炉５１によって溶融され、スラグとして取り出されている。
すなわち、このような溶融炉５１を使用して炉本体５２内で焼却灰を溶融するには、ごみ焼却炉５３から排出された焼却灰を乾式灰出装置５４よりスクリーン５５、灰コンベヤ５６、灰供給コンベヤ５７及び定量投入装置５８を経て炉本体５２内に投入し、投入された焼却灰を高温プラズマ５９及びスラグ内電流のジュール発熱で溶融する。溶融スラグ６０は、出滓口６１から出滓樋６２を通って乾式出滓装置６３に排出され、スラグコンベヤ６４を介してスラグピット６５に導かれ、種々の利用に供される。このため、炉本体５２の上下部には、直流電源装置６６に接続されるプラズマ電極の主電極（陰極）６７及び炉底電極（陽極）６８がそれぞれ１本ずつ配設され、炉本体５２の上部には窒素ガス発生装置６９から窒素ガスが送給されるようになっている。
【０００３】
なお、ごみ焼却炉５３はバグフィルタ７０を介して煙突７１に連通され、炉本体５２内で発生した排ガスはＣＯ燃焼室７２、減温塔７３、バグフィルタ７４及び排ガスファン７５を経て焼却炉煙道に導かれようになっている。そして、ＣＯ燃焼室７２には燃焼空気ファン７６より空気が送給され、バグフィルタ７４は溶融飛灰処理装置７７に接続されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ここで、図９及び図１０に示すように、ごみ焼却炉５３の焼却灰は、溶融炉５１内に投入されると浮遊し、主電極６７と炉底電極６８との間のプラズマ噴流やスラグの湧き出しによって、温度が低い壁面付近に移動する（矢印Ｂ参照）。このため、焼却灰の溶融が溶融炉５１内の温度の低い場所で行われていて、溶融効率の点で好ましくない。
【０００５】
全体的に温度を上げれば（高温化）その分だけ炉壁温度が上昇するので溶融が促進されるが、耐火壁（耐火物）の損傷が激しくなる。また、上述したように、浮遊層７８は壁面近傍に押しやられることから、電極付近の高温部ではスラグのむき出し領域となり、このため、輻射熱量も大きくなり、炉の天井や炉壁への輻射損失が大きくなってしまう。
本発明は、かかる状況に鑑みてなされたものであり、効率的に溶融を行うことができ、溶融に伴う耐火壁への損傷を低減化させることができるプラズマアーク式溶融炉を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明に係るプラズマアーク式溶融炉は、かかる課題を解決するためになされたものであり、耐火壁を有する炉本体内にプラズマ放電用の主電極と炉底電極とを配設し、上記主電極と上記炉底電極との間に直流電流を通して上記炉本体内の対象物を溶融するプラズマアーク式溶融炉において、上記主電極を互いに離間させて複数配設するとともに、上記各主電極を炉底電極と互いにずらして配設し、かつ、上記主電極を、出滓口の近い位置にも配設したことにある。
【０００７】
また、本発明に係るプラズマアーク式溶融炉は、耐火壁を有する炉本体内にプラズマ放電用の陽極と陰極とを炉体上部に配置し、上記陽極と上記陰極との間に直流電流を通して上記炉本体内の対象物を溶融するプラズマアーク式溶融炉において、上記炉本体の略中央部に１本の陰極を配置し、その陰極の周りに３本の陽極を配置するとともに、陰極と陽極とのそれぞれの距離が等しくなるように配置したことにある。
【０００８】
【発明の実施の形態】
次に、本発明に係るプラズマアーク式溶融炉の実施の形態について図面に基づいて説明する。本発明の第１の実施形態に係るプラズマアーク式溶融炉を図１乃至図３、第２の実施形態に係るプラズマアーク式溶融炉を図４乃至図５、第３の実施形態に係るプラズマアーク式溶融炉を図６乃至図７にそれぞれ示す。
【０００９】
まず第１の実施形態に係るプラズマアーク式溶融炉について図１乃至図３を用いて説明する。図１及び図２に示すように、溶融炉１は、有底円筒状に形成された炉本体２を有しており、この炉本体２の下部側面には、溶融されたスラグ及び排ガスを抜き出す出滓口（図示せず）が設けられている。また、炉本体２の上部には、図示しない直流電源装置に接続されるプラズマ電極の主電極（陰極）３が内部に垂下して配設されている。同主電極３には、その中心を貫通するガス流路があって、そこに図示しない窒素ガス発生装置から窒素ガスが送給されるように構成されている。主電極３と炉底電極４との間に直流電圧を印加してプラズマを発生させ、投入された廃棄物の焼却灰を高温プラズマで加熱して溶融する。すると、炉内には、スラグ１０の層と、その下に溶融金属１１の層が形成される。
【００１０】
上記炉本体２は、図１又は図２に示すように、耐火材（レンガ、キャスタ）２ａと、同耐火材２ａの外側を覆う水冷ジャケット２ｂとによって構成されている。
【００１１】
次に、プラズマ電極について図１乃至図２を用いて説明する。図１又は図２に示すように、プラズマ電極の主電極３は３本で構成され、炉底電極（陰極）４は１本で構成されている。炉底電極４は、溶融炉１の略中心位置に配設されている。主電極３は、その中心が炉底電極４の中心とずれるように、炉底電極４からほぼ等位置に配設されている。このため、各主電極３の先端と炉底電極４の先端との距離は、略等しい。それぞれの主電極３に流れる電流は等しくなるように供給される。
【００１２】
焼却灰は、各主電極３を頂点とする三角形の略中心および壁面近傍に投入される。主電極３の直下では、ジュール発熱によるスラグ７の湧き出し流が発生し、電極の中間位置では高温になる。したがって、ここに灰を投下すると熱交換効率が増大する。その一方で、焼却灰が投入される主電極間の略中心部では、焼却灰により冷却されて低温になり、下降流が発生する。したがって、図３に示すように、各電極直下ではスラグ２ｃのジュール発熱による上昇流となり、略中心部では下降流となって、スラグ２ｃ内には矢印Ａのような対流が生ずる。焼却灰は、この下降流により沈み込まされるので、従来表面でしか行っていなかった熱交換による溶融を液内部で行うことができる。なお、焼却灰を上述した特定領域に投入するための構造としては、例えばパイプ等の一般的な移送手段で構成することができる。なお、スラグ２ｃの下には溶融メタル層２ｄがあり、さらにその下は耐火物の炉底２ｅとなっている。
【００１３】
図１又は図２に示すように、投入された焼却灰は高温部で浮遊層５を形成するので、液面からの熱の輻射量を低減することができる。また、壁面近傍においても、焼却灰を別途投入するので、浮遊層６が形成され、これによりスラグ表面がカバーリングされ、壁面への輻射熱を抑えることができる。また、壁面近傍スラグを低温化し、耐火物耐久性を向上することができる。このため、スラグの輻射熱から耐火材２ａを保護することができるとともに、プラズマアークにより発生させた熱エネルギの輻射による損失を低減し、かつ溶融に使われるエネルギの割合を増加させることができる。
【００１４】
本実施形態におけるプラズマ電極の構成は、主電極３が３本であるが、本発明はこれに限られず、複数本であれば良い。また、プラズマ電極の配設位置は、本実施形態では炉本体２の中心部にしているが、出滓口の近い位置に配設するとその領域の温度を上げることができるので、後工程に排出する溶融スラグの溶融状態をより確実に制御することができる。
【００１５】
次に、第２の実施形態について図４乃至図５を用いて説明する。本実施形態は、基本的構成は第１の実施形態と同じであるので、同じ部分は説明を省略する。本実施形態におけるプラズマ電極は、主電極７が１本で、炉底電極８が３本で構成している。炉底電極が複数あるので、炉底での電流集中を回避でき、炉底電極が溶融するという不都合を回避することができる。また、スラグ池中の広範囲に電流を流すことで、ジュール熱をスラグ池のより広い範囲で生じさせ、スラグ池を均一温度にでき、溶融効率を向上させることができる。本実施形態におけるプラズマ電極の構成は、炉底電極８が３本であるが、本発明はこれに限られず、複数本であれば良い。
【００１６】
以上、第１の実施形態として主電極が複数で炉底電極が単数の場合、第２の実施形態として主電極が単数で第２の実施形態について図４乃至図５を用いて説明する。本実施形態は、基本的構成は第１の実施形態と同じであるので、同じ部分は説明を省略する。炉底電極が複数の場合をそれぞれ説明したが、本発明はこれらに限られず、さらに主電極と炉底電極の両方を複数で構成することができる。
【００１７】
次に、第３の実施形態について図６乃至図７を用いて説明する。本実施形態は、基本的構成は第１の実施形態と同じであるので、同じ部分は同じ符号を付すとともにその説明を省略する。第１乃至第２の実施形態では、電極主電極と炉底電極とでプラズマを発生させているが、本実施形態では、図６又は図７に示すように、陰極２１と陽極２２とでプラズマを発生させている。具体的には、炉本体２の略中央部に１本の陰極２１を配置し、その陰極２１の周りに３本の陽極２２を配置している。図７に示すように、陰極２１と３本の陽極２２とのそれぞれの距離は略等しいように配置してあり、また、陰極２１と各陽極２２との間にはそれぞれ電流路（発熱部）２３が発生する。したがって、浮遊層２４（灰）の近傍で発熱するため溶融効率を向上させることができる。
【００１８】
以上、本実施形態では、中心位置に陰極、その周囲に複数の陽極を配置した場合を説明したが、本発明はこれに限られず、その逆のパターンすなわち、中心位置に陽極、その周囲に陰極を配置して構成することができる。また、複数配置する電極の本数も本実施形態のように３本に限られず、複数本であれば良い。
【００１９】
【発明の効果】
本発明に係るプラズマアーク式溶融炉は、耐火壁を有する炉本体内にプラズマ放電用の主電極と炉底電極とを配設し、上記主電極と上記炉底電極との間に直流電流を通して上記炉本体内の対象物を溶融するプラズマアーク式溶融炉において、上記主電極を互いに離間させて複数配設するとともに、上記各主電極を炉底電極と互いにずらして配設し、かつ、上記主電極を、出滓口の近い位置にも配設したので、各主電極の中間部がより高温となり、このため、炉本体内を全体的に昇温することなく、より多くの対象物を溶融することができ、溶融の処理能力を向上させることができる。また、耐火壁の熱による損傷を低減化することができる。プラズマ電極の配設位置は、出滓口の近い位置に配設するとその領域の温度を上げることができるので、後工程に排出する溶融スラグの溶融状態をより確実に制御することができる。
【００２０】
上記主電極の中間部に上記対象物を投入すると、その場所が冷却されて下降流が発生し、これにより対象物を沈み込ませることができるので、液内部でも熱交換を行うことができる。よって、熱交換効率が増大し、対象物の溶融を効率的に行うことができる。また、対象物が高温部に投入されるので、耐火壁への輻射熱を減少させることができ、耐火壁の損傷を低減化することができる。
【００２１】
上記主電極を３本有するように構成すると、上記の効果を簡易な構造で達成することができる。３本の電極を正三角形の３頂点に位置するように配置することができる。
【００２２】
上記各主電極を炉底電極と互いにずらして配設すると、電流が通る領域が広くなり、ジュール効果による熱発生量を増加させることができる。スラグ池温度分布を均一化することによって溶融有効領域を拡大することができ、このため、溶融の処理量を上げることができる。
【００２３】
上記炉底電極を複数互いに離間させて配設すると、炉底での電流集中が回避されるので、対象物が溶融した貯溜物について広範囲に電流が流れ、均一温度に維持でき、溶融効率を向上させることができる。
【００２４】
本発明に係るプラズマアーク式溶融炉は、耐火壁を有する炉本体内にプラズマ放電用の陽極と陰極とを炉体上部に配置し、上記陽極と上記陰極との間に直流電流を通して上記炉本体内の対象物を溶融するプラズマアーク式溶融炉において、上記炉本体の略中央部に１本の陰極を配置し、その陰極の周りに３本の陽極を配置するとともに、陰極と陽極とのそれぞれの距離が等しくなるように配置したので、複数配置した陽極又は陰極の中間部がより高温となり、このため、炉本体内を全体的に昇温することなく、より多くの対象物を溶融することができ、溶融の処理能力を向上させることができる。また、耐火壁の熱による損傷を低減化することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態に係るプラズマアーク式溶融炉の横断面図である。
【図２】図１のプラズマアーク式溶融炉の下部の中央縦断面図である。
【図３】図１のプラズマアーク式溶融炉内で焼却灰を溶融した場合の対流の様子を表した説明図である。
【図４】本発明の第２の実施形態に係るプラズマアーク式溶融炉の横断面図である。
【図５】図４のプラズマアーク式溶融炉の下部の中央縦断面図である。
【図６】本発明の第３の実施形態に係るプラズマアーク式溶融炉の横断面図である。
【図７】図６のプラズマアーク式溶融炉の下部の中央縦断面図である。
【図８】従来のプラズマアーク式溶融炉が適用される設備を示す概念図である。
【図９】従来のプラズマアーク式溶融炉の横断面図である。
【図１０】図９のプラズマアーク式溶融炉の下部の中央縦断面図である。
【符号の説明】
１ 溶融炉
２ 炉本体
２ａ 耐火材
２ｂ 水冷ジャケット
２ｃ、１０ スラグ
２ｄ メタル層
２ｅ 炉底
３、７ 主電極
４、８ 炉底電極
５、６、９、２４ 浮遊層
１１ 溶融金属
２１ 陰極
２２ 陽極
２３ 電流路
２５ 出滓口

Claims (5)

1. 耐火壁を有する炉本体内にプラズマ放電用の主電極と炉底電極とを配設し、上記主電極と上記炉底電極との間に直流電流を通して上記炉本体内の対象物を溶融するプラズマアーク式溶融炉において、上記主電極を互いに離間させて複数配設するとともに、上記各主電極を炉底電極と互いにずらして配設し、かつ、上記主電極を、出滓口の近い位置にも配設したことを特徴とするプラズマアーク式溶融炉。
2. 上記主電極の中間部に上記対象物を投入することを特徴とする請求項１に記載のプラズマアーク式溶融炉。
3. 上記主電極を３本有することを特徴とする請求項１又は２に記載のプラズマアーク式溶融炉。
4. 上記炉底電極を複数互いに離間させて配設することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載のプラズマアーク式溶融炉。
5. 耐火壁を有する炉本体内にプラズマ放電用の陽極と陰極とを炉体上部に配置し、上記陽極と上記陰極との間に直流電流を通して上記炉本体内の対象物を溶融するプラズマアーク式溶融炉において、上記炉本体の略中央部に１本の陰極を配置し、その陰極の周りに３本の陽極を配置するとともに、陰極と陽極とのそれぞれの距離が等しくなるように配置したことを特徴とするプラズマアーク式溶融炉。

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