JP3764641B2 - 電気溶融炉の運転制御方法 - Google Patents
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Description
【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 〜Dn 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 〜Dn 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 〜Dn 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 (4)
- 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。
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