JP3764641B2

JP3764641B2 - 電気溶融炉の運転制御方法

Info

Publication number: JP3764641B2
Application number: JP2000308941A
Authority: JP
Inventors: 正秀西垣; 良仁蔵内
Original assignee: Takuma KK
Current assignee: Takuma KK
Priority date: 2000-10-10
Filing date: 2000-10-10
Publication date: 2006-04-12
Anticipated expiration: 2020-10-10
Also published as: JP2002115839A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば都市ごみや産業廃棄物の焼却炉から排出した焼却灰や飛灰を溶融処理する電気溶融炉に於いて使用されるものであり、溶融メタルの出湯前後に於ける溶融炉への投入電力やタップホール近傍の空冷ジャケットの冷却空気量を制御することにより、より少ない電力消費量でもって効率的に被溶融物の溶融及び溶融メタルの出湯を行なえるようにした電気溶融炉の運転制御方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
都市ごみ等の焼却炉から排出される焼却灰や飛灰等の焼却残渣（以下単に灰という）の減容化及び無害化を図る手段として、灰の溶融固化処理法が実用に供されている。灰は溶融固化によりその容積が１／２〜１／３に減ると共に、重金属等の有害物質の溶出を防止することができ、最終埋立処分場の延命や溶融スラグの再利用等が可能になるからである。
【０００３】
而して、灰の溶融固化処理には、アーク溶融炉・プラズマアーク炉・電気抵抗炉等の電気エネルギーによる溶融固化と、表面溶融炉・旋回溶融炉・コークスベッド炉等の燃料の燃焼エネルギーによる溶融固化とがあり、発電設備が併置されているごみ焼却設備では前者の電気エネルギーを用いる溶融固化が、また発電設備のないごみ焼却設備では、後者の燃焼エネルギーを用いる溶融固化が一般に採用されている。
【０００４】
図６、図７及び図８は、本願出願人が先きに特開平１１−２０１６５０号として公開をしたごみ焼却処理設備に設ける電気溶融炉設備の全体系統図、溶融炉の縦断面概要図及び横断面概要図である。
図６乃至図８に於いて、Ａは灰、Ｂ₁は溶融スラグ層、Ｂ₂は溶融メタル層、Ｃは冷却空気、１は電気溶融炉設備、２は灰ホッパ、３は灰供給装置、４は溶融炉、５は主電極（黒鉛）、６はスタート電極（黒鉛）、７は炉底電極、８は空冷ジャケット、９は水冷ジャケット、１０は炉底冷却ファン、１１は直流電源装置、１２は窒素ガス供給装置、１３は溶融スラグ流出口、１４はタップホール、１５は灰投入口、１６は燃焼室、１７は燃焼空気ファン、１８はガス冷却塔、１９は水噴霧装置、２０はバグフィルタ、２１は誘引通風機、２２は煙突、２３は溶融飛灰コンベア、２４は溶融飛灰だめ、２５はスラグ水冷槽、２６はスラグ搬出コンベア、２７はスラグだめ、２８はスラグ冷却水の冷却装置、２９は手動ダンパ、３０は空気取入口、３１は空気取出口、３２・３３は空気ダクト、３４は排気ファンである。
【０００５】
また、図９は空冷ジャケット８を設けた部分の炉壁の横断面部分拡大図であり、図９に於いて、３５は耐火壁構造体、３６は電気絶縁性耐火材、３７は炉体鉄皮、３８は外側ジャケット壁、３９は隔壁、４０は仕切板、４１は冷却板又は冷却ピン、４２は溶接部である。
【０００６】
前記溶融炉炉壁の溶融スラグ層Ｂ₁のレベルより下方外側には、水蒸気爆発の危険性を避けるために空冷ジャケット８が設けられており、また、溶融スラグ層Ｂ₁より上方部の外側には、水冷ジャケット９が設けられている。
即ち、溶融炉４の炉壁は、図７に示す如く、１６００℃程度の高温に耐え得る耐火材（例えばカーボン系耐火レンガ、Ｃ−ＳｉＣ系耐火レンガ、ＳｉＣ系耐火レンガ、クロム系耐火レンガ）により形成した耐火壁構造体３５と、電気絶縁性キャスタブル等の電気絶縁性耐火材３６と、電気絶縁性耐火材３６の外方で溶融スラグＢ₁の外表面（融液レベル）より下方に位置する空冷ジャケット８と、電気絶縁性耐火材３６の外方で融液レベルより上方に位置する水冷壁９とから構成されている。
また、前記炉壁には、溶融スラグ流出口１３と溶融メタル層Ｂ₂の出湯口であるタップホール１４と灰投入口１５とが夫々角度約９０°の間隔を置いて、配置されている。
【０００７】
前記空冷ジャケット８は、図９に示す如く溶融炉４の規模に応じて隔壁３９によって４〜８区画に分割されており、空冷ジャケット８そのものは、炉体鉄皮６の内側面に冷却板又は冷却ピン４１を圧接（又は溶接）１４すると共に、冷却空気Ｃを流通させることにより水冷ジャケット９と同等の冷却効果を挙げ得る構成となっている。
【０００８】
尚、図９に於いてＤ₁〜Ｄ_nは空気通路であり、空気取入口３０から流入した冷却空気Ｃは仕切板４０を介して上・下方向にジクザグ状に流れ、空気取出口３１から空気ダクト３３、排気ファン３４を通して外部へ吸引排気される。
【０００９】
ごみ焼却炉から排出された灰Ａは灰ホッパ２に貯えられ、灰供給装置３により溶融炉４内へ連続的に供給される。溶融炉４内では、主電極５（−極）と炉底電極７（＋極）との間に加えた直流電源装置１１からの直流電圧により、主電極５と溶融スラグＢ₁の表面との間にプラズマアークが形成され、このプラズマアークの発生熱により溶融炉４内の灰Ａは１４００〜１６００℃に加熱されて溶融スラグＢ₁となる。
尚、溶融炉４の構造や灰Ａの溶融処理方法については、前記特開平１１−２０１６５０号に詳細に開示されている。従って、ここではその詳細な説明は省略する。
【００１０】
ところで、従前の電気溶融炉では、一般に空冷ジャケット８内の空気温度が略１００〜１５０℃になるように、各区画Ｄ₁〜Ｄ_n内を流通する冷却空気量が制御されており、具体的には図８の各手動ダンパ２９の開度を調整することにより、冷却空気Ｃの吸入量が調整されている。
【００１１】
一方、溶融炉４内の溶融物の温度は、灰投入口１５の近傍が最も低くくなると共に主電極５の下部（炉中心付近）が最高となっている。即ち、炉半径方向の温度分布は炉中心部が最高温度となり、炉壁に近くなるに従がって低くくなっている。
また、溶融物の炉縦軸方向の温度分布は、溶融スラグ層Ｂ₁の上層部が最高温となり、溶融メタル層Ｂ₂の下層部が最低温となっている。
【００１２】
尚、被溶融物が灰Ａの場合、溶融スラグ層Ｂ₁の融点は約１１５０℃程度の温度であるのに対して、溶融メタル層Ｂ₂の融点は約１３００℃〜１４００℃となり、前者に比較して溶融メタル層Ｂ₂の融点は約１５０℃〜２５０℃高温となっている。
そのため、従前のこの種電気溶融炉に於いては、タップホール１４を開孔して溶融メタル層Ｂ₂を出湯する前に、溶融炉４への入力電力を増加して溶融メタル層Ｂ₂の温度を上昇させることにより、タップホール１４近傍の溶融メタル層Ｂ₂を完全な溶融状態にする必要があった。
何故なら、電気溶融炉の定常運転状態に於いては、溶融メタル層Ｂ₂の底部外周は完全な溶融状態にあるのではなしに所謂半溶融の状態にあり、出湯に必要な流動性が得られないからである。
【００１３】
上記従前の溶融炉の運転制御方法は、溶融処理に支障を来たさない範囲に於いて可能な限りの低温下で灰Ａの溶融を行なうようにしているため、電力原単位の大幅な引下げが図れるだけでなく、炉材寿命も大幅に延伸させることができ、優れた実用的効用を奏するものである。
しかし、溶融メタル層Ｂ₂の出湯に際しては、出湯開始の前に相当な電力量を追加投入する必要があるだけでなく、出湯初期に溶融メタル層Ｂ₂の流動性が不足したり、出湯中に溶融メタル層Ｂ₂が固化すると云う危険が常につきまとい、溶融処理費の増加を招くと共に溶融メタル層Ｂ₂の出湯の安定性に欠けると云う問題がある。
【００１４】
【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▼溶融メタル層Ｂ₂の出湯に際して多量の電力量を追加投入する必要があり、消費エネルギー量が増大すること、及び▲２▼溶融メタル層Ｂ₂の出湯の安定性に欠け、円滑な出湯が不能になる頻度が高いこと等の問題を解決せんとするものであり、より少ないエネルギー消費でもって円滑に、しかも常に安定した溶融メタル層Ｂ₂の出湯を行なえるようにした電気溶融炉の運転制御方法を提供するものである。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
請求項１の発明は、溶融スラグの融液レベルより上方の炉壁を耐火壁構造体と水冷ジャケットとから、また溶融スラグの融液レベルより下方の炉壁を耐火壁構造体と空冷ジャケットとから夫々形成した電気溶融炉に於いて、前記空冷ジャケットを溶融炉の円周方向に複数区画に分割すると共に、溶融メタル層の出湯開始の一定時間前からタップホール近傍の空冷ジャケットへ供給する冷却空気量を減少させ、冷却空気の温度を設定温度にまで上昇させることを発明の基本構成とするものである。
【００１７】
請求項２の発明は、溶融スラグの融液レベルより上方の炉壁を耐火壁構造体と水冷ジャケットとから、また溶融スラグの融液レベルより下方の炉壁を耐火壁構造体と空冷ジャケットとから夫々形成した電気溶融炉に於いて、前記空冷ジャケットを溶融炉の円周方向に複数区画に分割し、溶融メタル層の出湯開始の一定時間前からタップホール近傍の空冷ジャケットへ供給する冷却空気量を減少させ、当該冷却空気の温度を設定温度にまで上昇させると共に、前記一定時間前から溶融炉への入力電力を増加させ、溶融メタル層の温度を設定温度にまで上昇させることを発明の基本構成とするものである。
【００１８】
請求項３の発明は、請求項１又は請求項２の発明に於いて、空冷ジャケットの空気取出口の近傍に自動制御ダンパを設けると共に空気取出口の近傍に冷却空気の温度検知器を設け、当該温度検知器の検知信号により運転制御装置を介して自動制御ダンパの開度を調整するようにしたものである。
【００１９】
請求項４の発明は、請求項３の発明に於いて、溶融炉内に溶融メタル層の温度検知器を設け、当該温度検知器の検知信号により運転制御装置を介して溶融炉への入力電力を調整するようにしたものである。
【００２０】
【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は本発明を適用した電気溶融炉の制御系統の概要説明図であり、図２はタップホール近傍の空冷ジャケットの縦断概要図である。
また、図３は、溶融メタル層の出湯前後に於けるタップホール近傍の空冷ジャケットの冷却空気温度を示す線図であり、図４は溶融メタル層の出湯前後に於ける投入電力を示す線図、図５は、溶融メタル層の出湯前後に於けるタップホール近傍の溶融メタル層の温度を示す線図である。
【００２１】
本発明を適用する電気溶融炉設備１や電気溶融炉４そのものの構造や灰の溶融処理方法は、図６乃至図９に示した従前の電気溶融処理設備の場合と同一であり、従ってここでは重複する部分の説明を省略する。
【００２２】
図１を参照して、本発明を適用する電気溶融炉に於いては、タップホール１４の近傍に設けた空冷ジャケット８の空気取出口３１に冷却空気Ｃの温度検知器４３が設けられており、この温度検知器４３からの検知信号Ｋ₁は、運転制御装置４４へ入力されている。
【００２３】
同様に溶融炉４内には、溶融メタル層Ｂ₂の温度を検出するための温度検知器４５が設けられており、当該温度検知器４５からの検出信号Ｋ₂は運転制御装置４４へ入力されている。
また、タップホール１４の近傍に設けた空冷ジャケット８の空気取出口３１には、ダンパ駆動装置４６を備えた自動制御ダンパ４７が設けられており、運転制御装置４４からの制御信号Ｑ₁により自動制御ダンパ４７の開度が自動制御される。
尚、図１に於いて、Ｔはタイマ、Ｑ₂は電力供給量の制御信号、Ｑ₃は排気制御ダンパーの制御信号である。また、運転制御装置４４には、自動制御ダンパ４７の制御機能や溶融炉４への投入電力を調整する入力電力調整機能が備えられていることは勿論である。
【００２４】
本発明に於いては、タップホール１４を開口して溶融メタル層Ｂ₂の出湯を開始する時刻ｔ₀の数時間Ｔ₁（例えばＴ₁＝２〜３時間）前から自動制御ダンパ４７の開度を調整し、タップホール１４の近傍の空冷ジャケット８内を流通する空気流量を減少させる。これにより、タップホール１４の近傍の溶融メタル層Ｂ₂の温度が上昇し、完全な溶融状態になることにより、出湯に必要とする流動性が確保されることになる。
【００２５】
図３は、本発明を実施した場合のタップホール１４近傍の空冷ジャケット８内を流通する冷却空気Ｃの出口温度を示すものであり、温度検知器４３により検知したものである。温度ｔａ₁で流通していた冷却空気Ｃは、出湯のＴ₁時間前から空気流量を減少させることにより、ｔａ₂の温度にまで上昇され、メタル出湯が開始されれば、所定温度ｔａ₁に戻される。
【００２６】
また、本発明に於いては、図４に示す如く、メタル出湯開始時刻の約２〜３時間Ｔ₁前から、運転制御装置４４を介して直流電源装置へ制御信号Ｑ₂が送られ、主電極５を介して電気溶融炉４へ供給する電力ＰをＰ₁からＰ₂にまで増加させ、投入電力量を増加する。これにより、溶融メタル層Ｂ₂の温度は上昇し、完全に溶融された状態となって、出湯に必要とする流動性が確保されることになる。
また、溶融メタル層Ｂ₂の出湯が開始されると、電力Ｐ₂の供給は停止され、出湯の完了ｔ₀′を待って電力Ｐ₁が再投入される。これにより、メタル出湯中の電力消費が大幅に削減されることになる。
【００２７】
上記本発明の第１実施例及び第２実施例に於いては、タップホール１４の近傍の空冷スラグ８の冷却空気Ｃの温度制御と、溶融炉への供給電力の制御を夫々別個に行なうようにしているが、冷却空気Ｃの温度制御と供給電力量制御を同時に関連付けて実施するようにしてもよい。両者を同時に実施した場合には、より円滑且つ確実に、しかも高い省エネルギー効率でもって溶融メタル層Ｂ₂を完全な溶融状態に保持することが可能となる。
【００２８】
図５は、上記冷却空気Ｃの温度制御と供給電力の制御を同時に行なった場合の溶融メタル層Ｂ₂の温度変化を示すものである。メタル出湯の開始直前に溶融メタル層Ｂ₂の温度は最高ｔｍ₂となり、その後湯出しの時間Ｔ₂の間に順次下降して、所定のレベルまで溶融メタル層Ｂ₂が湯出しされた時刻Ｔｓ₂に於いては、溶融メタル層Ｂ₂の温度はｔｍ₁まで低下する。
【００２９】
尚、ごみ焼却灰Ａ（約１０〜２０Ｔ／Ｄ）を溶融処理する電気溶融炉（容量１７００ｋｗ）の場合、前記投入電力Ｐ₁は５００ｋｗ、Ｐ₂は６００ｋｗ、空冷ジャケット８の空気温度ｔａ₁は８０℃、ｔａ₂は１００℃、溶融メタル層Ｂ₂の温度ｔｍ₁は１３００℃、ｔｍ₂は１４００℃、制御時間Ｔ₁は３Ｈｒ及び出湯時間Ｔ₂は０．３Ｈｒ位いに夫々設定される。
また、溶融メタル層Ｂ₂の出湯中に於ける溶融メタル層Ｂ₂の固化等によるトラブルは皆無になると共に、総合的なエネルギー消費は、従前の方式による電気溶融炉の運転の場合に比較して、約２〜３％減少することが確認されている。
【００３０】
【発明の効果】
請求項１の発明に於いては、タップホール近傍の空冷ジャケットの冷却空気の温度を溶融メタルの出湯開始の一定時間Ｔ₁前から上昇させ、溶融メタル層Ｂ₂の冷却を押えるようにしているため、溶融メタルはより少ない加熱量でもって完全な溶融状態に保持されることになり、タップホールを通して円滑に出湯されることになる。
【００３２】
また、請求項２の発明に於いては、空冷ジャケットの冷却空気の温度制御と電気溶融炉への供給電力の制御との相乗により、より少ないエネルギー消費でもって円滑に溶融メタルの出湯を行うことが可能となる。
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】本発明を適用した電気溶融炉の制御系統の概要説明図である。
【図２】タップホール近傍の空冷ジャケットの縦断面概要図である。
【図３】溶融メタル層の出湯前後に於けるタップホール近傍空冷ジャケットの冷却空気出口温度を示す線図である。
【図４】溶融メタル層の出湯前後に於ける投入電力量を示す線図である。
【図５】溶融メタル層の出湯前後に於けるタップホール近傍の溶融メタル層温度を示す線図である。
【図６】従前の電気溶融炉設備の全体系統図である。
【図７】従前の電気溶融炉の縦断概要図である。
【図８】従前の電気溶融炉の横断面概要図である。
【図９】空冷ジャケットを設けた部分の炉壁の横断断面部分拡大図である。
【符号の説明】
Ａは灰、Ｂ₁は溶融スラグ層、Ｂ₂は溶融メタル層、Ｃは冷却空気、Ｄ₁〜Ｄ_nは空気通路、Ｔはタイマ、１は電気溶融炉設備、２は灰ホッパ、３は灰供給装置、４は溶融炉、５は主電極（黒鉛）、６はスタート電極（黒鉛）、７は炉底電極、８は空冷ジャケット、９は水冷ジャケット、１０は炉底冷却ファン、１１は直流電源装置、１２は窒素ガス供給装置、１３は溶融スラグ流出口、１４はタップホール、１５は灰投入口、１６は燃焼室、１７は燃焼空気ファン、１８はガス冷却塔、１９は水噴霧装置、２０はバグフィルタ、２１は誘引通風機、２２は煙突、２３は溶融飛灰コンベア、２４は溶融飛灰だめ、２５はスラグ水冷槽、２６はスラグ搬出コンベア、２７はスラグだめ、２８はスラグ冷却水の冷却装置、２９は手動ダンパ、３０は空気取入口、３１は空気取出口、３２は空気ダクト、３３は空気ダクト、３４は排気ファン、３５は耐火壁構造体、３６は電気絶縁性耐火材、３７は炉体鉄皮、３８は外側ジャケット壁、３９は隔壁、４０は仕切板、４１は冷却板又は冷却ピン、４２は溶接部、４３は温度検知器、４４は運転制御装置、４５は温度検知器、４６はダンパ駆動装置、４７は自動制御ダンパ。

Claims

溶融スラグの融液レベルより上方の炉壁を耐火壁構造体と水冷ジャケットとから、また溶融スラグの融液レベルより下方の炉壁を耐火壁構造体と空冷ジャケットとから夫々形成した電気溶融炉に於いて、前記空冷ジャケットを溶融炉の円周方向に複数区画に分割すると共に、溶融メタル層の出湯開始の一定時間前からタップホール近傍の空冷ジャケットへ供給する冷却空気量を減少させ、冷却空気の温度を設定温度にまで上昇させることを特徴とする電気溶融炉の運転制御方法。
溶融スラグの融液レベルより上方の炉壁を耐火壁構造体と水冷ジャケットとから、また溶融スラグの融液レベルより下方の炉壁を耐火壁構造体と空冷ジャケットとから夫々形成した電気溶融炉に於いて、前記空冷ジャケットを溶融炉の円周方向に複数区画に分割し、溶融メタル層の出湯開始の一定時間前からタップホール近傍の空冷ジャケットへ供給する冷却空気量を減少させ、当該冷却空気の温度を設定温度にまで上昇させると共に、前記一定時間前から溶融炉への入力電力を増加させ、溶融メタル層の温度を設定温度にまで上昇させることを特徴とする電気溶融炉の運転制御方法。
空冷ジャケットの空気取出口の近傍に自動制御ダンパを設けると共に空気取出口の近傍に冷却空気の温度検知器を設け、当該温度検知器の検知信号により運転制御装置を介して自動制御ダンパの開度を調整するようにした請求項１又は請求項２に記載の電気溶融炉の運転制御方法。
溶融炉内に溶融メタル層の温度検知器を設け、当該温度検知器の検知信号により運転制御装置を介して溶融炉への入力電力を調整するようにした請求項３に記載の電気溶融炉の運転制御方法。