JP3764624B2 - 電気溶融炉の運転方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は産業廃棄物、ごみ焼却炉からの焼却残渣や焼却飛灰、下水汚泥等の溶融処理技術に関するものであり、電気溶融炉の構成材である炉材の電気絶縁性能の劣化を自動的に高精度で検出することにより、電気溶融炉の溶融処理能率の低下やエネルギー損失の増大、機器の損傷、人身事故等を生ずることなしに、高能率で安全に被溶融物を溶融処理できるようにした電気溶融炉の運転方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
ごみ焼却炉から排出される焼却残滓や飛灰等は、溶融処理することにより容積を約１／３に減らす事ができると共に、重金属等の有害物質の溶出を防止することができる。又、溶融スラグは道路用材やコンクリート骨材として再利用できるうえ、減容により最終埋立処分場の延命を図ることができる。
【０００３】
前記焼却残滓の溶融処理には、アーク溶融炉やプラズマ溶融炉等の電気エネルギーを用いる溶融方法と、表面溶融炉や旋回溶融炉等の燃料の燃焼エネルギーを用いる溶融方法とがあり、ごみ焼却施設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多く利用されている。
【０００４】
図５は従前のごみ焼却施設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、図に於いて１は灰コンテナ、２は供給装置、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はスラグ冷却水の冷却装置である。
【０００５】
コンテナ１内の焼却残渣や飛灰等（被溶融物）Ａは供給装置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、炉頂部より略垂直に挿入した黒鉛主電極４（−極）と、炉底に設置した炉底電極６（＋極）とが設けられており、両電極４、６間に印加した直流電源装置８（容量約６００〜１０００ＫＷ／Ｔ・被溶融物）の電圧によりプラズマアーク電流が流れ、これによって被溶融物Ａが１３００℃〜１６００℃に加熱されることにより、順次溶融スラグＢとなる。
尚、被溶融物Ａは導電性が低いため、溶融炉の始動時にはスタート電極（＋極）５を溶融炉本体３内へ挿入し、これと黒鉛主電極４間へ通電することにより被溶融物Ａの溶融を待つ。そして、被溶融物が溶融してその導電性が上昇すると、スタート電極５を炉底電極６側へ切り換える。
【０００６】
溶融炉本体３の内部は、溶融スラグＢや黒鉛主電極４等の酸化を防止するため還元性雰囲気に保持されており、不活性ガス供給装置９から不活性ガスＣが、中空筒状に形成した黒鉛主電極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。
尚、不活性ガスＣを黒鉛主電極４やスタート電極５の中空孔を通して溶融炉本体３内へ供給するのは、▲１▼プラズマ放電領域に不活性ガスＣを充満させた方が、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、及び▲２▼黒鉛主電極４やスタート電極５の消耗がより少なくなるからである。
【０００７】
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。
また、溶融炉本体３そのものは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おり、必要に応じて断熱材の外部に水冷ジャケット（図示省略）が設けられる。
【０００８】
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発生した一酸化炭素等はガス体Ｄとなる。また、鉄等の金属類やガラス、砂等の不燃性成分は、プラズマアーク放電の発生熱により溶融点（１２００〜１２５０℃）を越えた約１３００℃〜１６００℃にまで加熱され、流動性を有する液体状の溶融スラグＢとなる。
【０００９】
溶融炉本体３に形成された溶融スラグＢは溶融スラグ流出口１０より連続的に溢出し、水を満したスラグ冷却槽２０内へ落下して水砕スラグとなり、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。
また、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ため、タップホール１１から湯抜きを行い、溶融炉本体３内を空状態にする。
【００１０】
前記ガス体Ｄは溶融スラグ流出口１０の上部より燃焼室１２に入り、ここで燃焼空気ファン１３から燃焼用空気が送入されることにより、内部の未燃分が完全燃焼される。
また、燃焼排ガスは排ガス冷却ファン１４からの冷空気によって冷却されたあと、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。更に、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】
而して、プラズマ溶融炉等の電気溶融炉では、従前から電気絶縁性に優れた炉材３ａを用いて溶融炉本体３が形成されており、また、炉材３ａの外表部は保護材である炉体鉄皮３ｂにより覆われている。炉材３ａを電気絶縁性の高いものとすることにより、炉材３ａ内に於ける電気エネルギー損失を抑制できるだけでなく、サイドアークや機器の損傷、人身事故等の発生も防止できるからである。
【００１２】
ところが、前記炉材３ａの電気絶縁特性は、所謂経時変化によって劣化するだけでなく、溶融スラグＢや溶融メタルの隙間への侵入、電極シール部への低融点金属等の付着によってもその性能が劣化する。
また、万一炉材３ａの電気絶縁性能が劣化すると、必然的に黒鉛主電極４と炉底電極６間以外に通電路が形成されることになり、前述したように電気エネルギーの損失が生ずるだけでなく、サイドアークや機器の損傷、人身事故等の危険性が増加する。
【００１３】
そのため、従前の電気溶融炉では、図２に示すように、電源トランス８ａの２次側の接地の他に溶融炉本体３の前記鉄皮３ｂを接地することにより、鉄皮３ｂに内接する炉材３ａの絶縁劣化等によりこれ等に電流が流れても、溶融炉本体３の電位が大地と同電位となる。
尚、前記鉄皮３ｂの接地は、専用の接地電極と接地線Ｌ₁ を用いて各溶融炉本体３毎に行なうようにしている。
【００１４】
また、従前の電気溶融炉に於いては、前記鉄皮３ｂの接地だけでなく、図３に示すように黒鉛主電極４及び炉底電極６と溶融炉本体３との間に耐熱性の絶縁体２４を介在させ、各電極４、６と溶融炉本体３間を電気的に絶縁する構造としたものが存在する。
この図３の構造に於いては、万一炉材３ａの絶縁性能が劣化しても、絶縁体２４の絶縁性能が良好である限り、ある程度の安全性は確保されることになる。しかし、低融点金属等の付着により絶縁体２４の絶縁性能が劣化した場合には、前記と同様の支障を生ずることになる。
【００１５】
図４は、前記図３の電気溶融炉の電気的な等価回路を示すものである。いま、図３に於いて、溶融炉本体３内の溶融物が全て溶融スラグＢであり、また、溶融炉本体３の内径が３５０ｃｍφ、深さが４５ｃｍであるとすると、スラグ抵抗Ｒｂは、Ｒｂ＝ρｂ×Ｌ／Ｓ＝（５０×４５）／（３５０×３５０×π／４）＝５．８×１０^-3（Ω）となる。但し、ρｂはスラグの抵抗率５０Ω−ｃｍ、Ｌは深さ、Ｓは断面積である。
今ここで、電源からの供給電流Ｉｓ＝１２．５ｋＡ、溶融炉本体３内を流れる電流Ｉｅの最大許容値をＩｅ＝１２．５Ａとすると、必要とする溶融炉本体３の絶縁抵抗ＲｅはＲｅ＝Ｒｂ×（Ｉｓ−Ｉｅ）／Ｉｅ≒５．８（Ω）となる。
【００１６】
但し、現実の電気溶融炉に於いては、溶融物が全て溶融スラグＢとなることは殆んどなく、溶融メタルがこれに混るため、前記スラグ抵抗Ｒｂは５．８×１０^-3（Ω）よりも小さくなる。その結果、溶融炉本体３内を流れる電流Ｉｅもより小さくなる。
即ち、溶融炉本体３が必要とする絶縁抵抗Ｒｅは、安全を考慮して約１０Ω（約２倍）の抵抗値があれば十分であり、前記絶縁体２４の抵抗値は、この等価回路に於ける絶縁抵抗値Ｒｅを勘案して決定される。
【００１７】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、従前のこの種電気溶融炉に於ける上述の如き問題、即ち▲１▼溶融炉本体３を形成する炉材３ａの絶縁性能が劣化した場合、炉材３ａ内に通電路が形成されて電気エネルギーの損失が増加したり、サイドアークが生じて炉損傷を起すこと、▲２▼接地不良の場合には、溶融炉本体３の鉄皮３ｂの電位と対地電位に差が生じて危険な状態が現出すること、▲３▼絶縁体２４を用いる構造の溶融炉本体３の場合、絶縁体２４の劣化により、前記▲１▼・▲２▼と同様の事象が生ずること等の問題を解決せんとするものであり、電気溶融炉の運転中炉材３ａの絶縁性能を連続的に監視し、絶縁性能が設定値以下に低下した場合にはその運転を停止することにより、電気溶融炉を安全に連続操業することを可能にした電気溶融炉の運転方法を提供するものである。
【００１８】
【課題を解決するための手段】
溶融炉本体３を形成する炉材３ａや絶縁体２４の絶縁性能の劣化を検出する方法については、これ迄にも多くの開発研究が行なわれている。
例えば、図２からも明らかなように、鉄皮３ｂの接地線Ｌ₁ に流れる地絡電流Ｉｇを監視することにより、炉材３ａの絶縁抵抗の変化を知ることが可能である。
しかし、電気溶融炉では、一般に直流電源８と電気溶融炉間の電路にブスバーが使用されるため、その対地間静電容量は殆んど零に近い値である。また、直流電源８側の接地は、整流電源トランス８ａの二次側を接地することにより行なわれており、直流側の接地は行なわれていない。
【００１９】
そのため、炉材３ａの絶縁劣化時に接地線Ｌ₁ に流れる地絡電流Ｉｇは、現実には数ｍＡ程度の極く小さな値の電流となる。また、前記対値静電容量も略零であるため、絶縁劣化が急激に生じた場合でも、これによる過度地絡電流（充電々流）は殆んど生じない。
その結果、従前の電気溶融炉に於いては、地絡電流Ｉｇの変化から炉材３ａの絶縁劣化を安定して確実にしかも高精度で検出することが、現実には不可能な状態にある。
【００２０】
また、炉材３ａ内に抵抗率の検出センサーを分散状に設置し、炉材３ａの抵抗率の変化そのものを監視することも可能である。
しかし、現実には、溶融炉本体３の温度等の環境条件が厳しいため、設備が大掛かりになるうえ寿命等の点にも問題があり、電気溶融炉の運転中に於ける炉材３ａや絶縁体２４の絶縁性能の連続的な検出は、現時点に於いては不可能な状態にある。
【００２１】
そこで、本願発明者は、前記地絡電流Ｉｇの直流電源側への帰還路を別途に設け、直流電源装置８や電気溶融炉の主通電回路等に悪影響を与えることなしに、炉材３ａの絶縁性能の劣化時に於ける地絡電流Ｉｇを検出に適した適宜の大きさの電流値とすることを着想し、各種の回路構成を実稼動の電気溶融炉へ適用することにより、絶縁劣化の検出試験を積み重ねた。
【００２２】
本願発明は、上記炉材３ａの絶縁特性検出試験の結果に基づいて創作されたものであり、請求項１の発明は、電気絶縁性の炉材３ａと炉材３ａを覆う鉄皮３ｂとから成る溶融炉本体３と、当該溶融炉本体３へ電気エネルギーを供給する直流電源装置８とを備えた電気溶融炉に於いて、前記溶融炉本体３の鉄皮３ｂを接地すると共に、前記直流電源装置８の出力側端子間に接地抵抗Ｒを介挿してその中間部を接地し、溶融炉本体３の運転中前記鉄皮３ｂ側の接地線Ｌ₁ 又は接地抵抗Ｒ側の接地線Ｌ₂ に流れる地絡電流Ｉｇを連続的に検出して、当該地絡電流Ｉｇの検出値から炉材３ａの電気絶縁性能の劣化を検知して、電気溶融炉の運転・停止を制御するようにしたことを発明の基本構成とするものである。
【００２３】
請求項２の発明は、請求項１の発明に於いて、接地抵抗Ｒの大きさを１４００Ω〜１６００Ωとすると共に、抵抗値の中央点Ｎを接地するようにしたものである。
【００２４】
請求項３の発明は、請求項１の発明に於いて溶融炉本体３を鉄皮３ｂと各電極４、６との間に絶縁材２４を配設した構成としたものである。
【００２５】
請求項４の発明は、請求項１の発明に於いて、地絡電流Ｉｇの検出値が定常運転時の検出値の約１０倍を越えたとき、炉材３ａの電気絶縁性能が劣化したと判断して電気溶融炉の運転を停止するようにしたものである。
【００２６】
【発明の実施の形態】
以下、図面に基づいて本発明の実施形態を説明する。
図１は、本発明を実施した電気溶融炉の電気回路の概要を示すものであり、図１に於いて、８は直流電源装置、８ａは電源トランス、８ｂは整流器、３は溶融炉本体、３ａは炉材、３ｂは鉄皮、４は黒鉛主電極、６は炉底電極、Ｂは溶融スラグ（溶融物）、Ｒは接地抵抗、Ｉｇは地絡電流、Ｎは抵抗値の中央点である。
【００２７】
電気溶融炉としては、直流プラズマ溶融炉が用いられている。しかし、電気溶融炉は直流アーク溶融炉や直流抵抗溶融炉であってもよいことは勿論である。
また、電気溶融炉を形成する溶融炉本体３の鉄皮３ｂは、従前の電気溶融炉と同様に接地線Ｌ₁ により接地されている。
更に、本実施形態では絶縁体２４を各電極挿入部に用いていないが、図３に示すような絶縁体２４を用いる型式の電気溶融炉であっても良いことは勿論である。
【００２８】
直流電源装置８は、整流器用の電源トランス８ａとサイリスタ型整流器８ｂとから形成されており、電気溶融炉に特有の二次側負荷特性（低電圧・大電流）に対応できるものであれば、如何なる整流回路型式のものであってもよい。尚、本実施形態に於いては、三相純ブリッジ方式の整流電源装置（ＤＣ１００〜４５０Ｖ、４００〜３８００Ａ）が使用されている。
【００２９】
整流器８ｂの直流出力端子間には、接地抵抗Ｒが介挿されており、接地抵抗Ｒの中間点が接地されている。
具体的には、６００〜８００Ωの抵抗Ｒ₁ 、Ｒ₂ が２本直列状に接続されており、両者の接続点Ｎ即ち抵抗値Ｒの中央値に相当する点が接地線Ｌ₂ により接地されている。
尚、各接地抵抗Ｒは１２００〜１６００Ω程度に選定されているが、抵抗値Ｒ₁ 、Ｒ₂ が小さい場合には、接地抵抗Ｒに於ける損失が増大し、また逆に、抵抗値Ｒ₁ 、Ｒ₂ が大き過ぎると、炉材８ａの絶縁性能の劣化時に於ける地絡電流Ｉｇが小さくなり過ぎてその検出精度が低下するからである。
また、本実施形態では接地抵抗Ｒの中央値を接地点Ｎとしているが、設置点Ｎは必ずしも接地抵抗Ｒの中央値の点に限られるものではない。
【００３０】
炉材３ａの絶縁性能が劣化したり、絶縁体２４が設けられている場合にその絶縁性能が劣化すると、電源からの供給電流Ｉｓの一部が地絡電流Ｉｇと接地線Ｌ₁ へ流れ込み、地絡電流Ｉｇが増加する。また、当該地絡電流Ｉｇは、接地線Ｌ₂ 及び接地抵抗Ｒ₁ を通して整流器８ｂ側へ還流する。
【００３１】
溶融処理量（２５ｔｏｎ／日、焼却残滓）の実稼動中の電気溶融炉Ｋを用いた試験によれば、炉材３ａの絶縁性が良好な場合には、定常運転時に於ける電源からの供給電流Ｉｓ（主回路のプラズマ電流）が約１５００Ａのとき、前記地絡電流Ｉｇは約０．２Ａであり、またＩｓが約３０００Ａのとき、Ｉｇは約０．４Ａであった。
従って、本実施形態に於いては、地絡電流Ｉｇが約０．６Ａ以下であれば、炉材３ａに絶縁劣化が起っていないと判断することができ、地絡電流Ｉｇを連続的に監視すると共に、その許容最大値を適宜に設定することにより、これによって電気溶融炉の運転を継続するか或いは運転を停止するかの判断を行なうことができる。
【００３２】
具体的には、前記地絡電流Ｉｇが約２Ａ（供給電流Ｉｓが約１５００Ａのとき）若しくは約４Ａ（供給電流Ｉｓが約３０００Ａのとき）を越えた場合、即ち定常時の地絡電流Ｉｇの約１０倍の地絡電流Ｉｇを検出した時点で、炉材３ａの絶縁が劣化したと判断する。そして、手動若しくは自動的に電気溶融炉の連続操業を停止して、炉材３ａの点検、補修或いは取り換えを行う。このようにして、炉材３ａや絶縁体２４の絶縁劣化を地絡電流Ｉｇ値の測定によって検知することで、電気溶融炉の安定な連続運転を確保することができる。
尚、地絡電流Ｉｇの検出は、接地線Ｌ₁ 及び接地線Ｌ₂ の何れか一方で行なわれ、本実施形態に於いては接地抵抗Ｒ側の接地線Ｌ₂ に流れる地絡電流Ｉｇを連続的に自動検出している。
【００３３】
【発明の効果】
本発明に於いては、電気溶融炉Ｋの直流電源装置８の出力側に接地抵抗Ｒを介挿してその中間点を接地することにより、電気溶融炉の鉄皮３ｂを通して流れ込む地絡電流Ｉｇを前記接地抵抗Ｒを経て直流電源側へ環流させ、この地絡電流Ｉｇの検出値の大・小から炉材３ａや電極挿入部の絶縁体２４の絶縁劣化を判断して、電気溶融炉の運転を制御するようにしている。
その結果、従前の電気溶融炉の場合に比較して、炉材３ａ等の絶縁劣化をより簡単に、しかも確実に高精度で検出することができ、電気エネルギーの損失量の増大や機器の損傷、人身事故等の発生を未然に防止しつつ電気溶融炉を安全に且つ高能率で連続運転することが可能となる。
本発明は上述の通り優れた実用的効用を奏するものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明を実施した電気溶融炉の電気回路の概要図である。
【図２】従前の電気溶融炉の電気回路の概要図である。
【図３】従前の電気溶融炉の他の電気回路の概要図である。
【図４】図３の電気溶融炉の電気的な等価回路図である。
【図５】従前の電気溶融炉の全体系統図である。
【符号の説明】
Ａは被溶融物、Ｂは溶融スラグ、Ｒは接地抵抗、Ｎは抵抗値の中央点、Ｌ₁ ・Ｌ₂ は接地線、Ｉｇは地絡電流、３は溶融炉本体、３ａは炉材、３ｂは鉄皮、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、８ａは電源トランス、８ｂは整流器、２４は絶縁体。

Claims (4)

1. 電気絶縁性の炉材と炉材を覆う鉄皮とから成る溶融炉本体と、当該溶融炉本体へ電気エネルギーを供給する直流電源装置とを備えた電気溶融炉に於いて、前記溶融炉本体の鉄皮を接地すると共に、前記直流電源装置の出力側端子間に接地抵抗を介挿してその中間部を接地し、溶融炉本体の運転中前記鉄皮側の接地線又は接地抵抗側の接地線に流れる地絡電流を連続的に検出して、当該地絡電流の検出値から炉材の電気絶縁性能の劣化を検知して運転・停止を制御するようにしたことを特徴とする電気溶融炉の運転方法。
2. 接地抵抗の大きさを１４００〜１６００（Ω）とすると共に、抵抗値の中間点を接地するようにした請求項１に記載の電気溶融炉の運転方法。
3. 溶融炉本体を鉄皮と電極との間に絶縁材を配設した構成とした請求項１に記載の電気溶融炉の運転方法。
4. 地絡電流の検出値が定常運転時の検出値の約１０倍を越えたとき、炉材の電気絶縁性能が劣化したと判断して運転を停止するようにした請求項１に記載の電気溶融炉の運転方法。

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