JP3857089B2 - 灰溶融処理方法及び灰溶融処理装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はごみ焼却炉等から排出されて来る消石灰を含有する焼却残渣や焼却飛灰の溶融処理技術に関するものであり、溶融処理に先立って灰を加熱することにより内部に含まれる消石灰を生石灰に転換させ、これによって溶融処理時の水性ガス化反応による炉壁耐火物の損耗を皆無にし、炉壁の耐用年数の大幅な延伸を図れるようにした灰溶融処理方法と灰溶融処理装置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の溶融処理は、イ約１／３への減容、ロ重金属等有害物質の溶出防止、ハ溶融スラグの骨材等への再利用、ニ減容による最終埋立処分場の延命等が可能となるため、広く実用に供されている。
また、焼却残滓等の溶融処理には、アーク溶融炉やプラズマアーク溶融炉等の電気式溶融炉を用いる方法と、表面溶融炉や旋回溶融炉等の燃料式溶融炉を用いる方法とが実用化されているが、ごみ焼却施設に発電設備が併置されている場合には、電気式溶融炉を用いる方法が多く採用されている。
【０００３】
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アーク溶融炉の一例を示すものであり、図に於いて７は灰溶融炉、８は２次燃焼室、９はスラグ水冷槽、１０は黒鉛主電極、１１は炉底電極、１２は炉壁、１３は炭素系又は炭化硅素系耐火物、１４は耐火物、１５はケーシング、１６は絶縁体、１７は溶融スラグ流出口、１８は灰コンテナ、１９は供給装置、２１は炉底冷却ファン、２２は直流電源装置、２３は不活性ガス供給装置、２４はタップホール、２５は燃焼空気ファン、２６は排ガス冷却ファン、２７はバグフィルタ、２８は誘引通風機、２９は煙突、３０は溶融飛灰コンベア、３１は飛灰だめ、３２はスラグ搬出コンベア、３３はスラグだめ、３４はスラグ冷却水の冷却装置である。
【０００４】
コンテナ１８内の焼却残渣や飛灰等（被溶融物）Ａは供給装置１９により灰溶融炉７内へ連続的に供給される。灰溶融炉７には、炉頂部より略垂直に挿入した黒鉛主電極１０（−極）と、炉底に設置した炉底電極１１（＋極）とが設けられており、両電極１０、１１間に印加した直流電源装置２２から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。
【０００５】
灰溶融炉７の内部は、黒鉛主電極１０の酸化を防止するために還元性雰囲気に保持されており、不活性ガス供給装置２３から不活性ガスＣが、中空筒状に形成した黒鉛主電極１０及びスタート電極２０の中空孔を通して灰溶融炉７内へ連続的に供給されている。
【０００６】
灰溶融炉７の炉底は炉底冷却ファン２１からの冷風により空冷され、これによって炉底電極１１近傍の過度な温度上昇が防止されている。
また、灰溶融炉７そのものは高温に耐える耐食性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。即ち、灰溶融炉７の炉壁１２は所謂煉瓦状の耐食性耐火物１３、１４によって築炉されており、耐火物１３、１４の背面は鋼板製の炉体ケーシング１５によって覆われている。
【０００７】
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（１１００〜１２５０℃）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。
【０００８】
灰溶融炉７に形成された溶融スラグＢは溶融スラグ流出口１７より連続的に溢出し、水を満したスラグ冷却槽９内へ落下して水砕スラグとなり、スラグ搬出コンベア３２によってスラグだめ３３へ排出される。
また、溶融炉を停止する際にはタップホール２４から湯抜きを行い、灰溶融炉７の底部に溜ったメタル層（図示省略）や上部に溜ったスラグ層を排出することにより炉内を空状態にする。
【０００９】
前記ガス体Ｄは溶融スラグ流出口１７の上部より燃焼室８に入り、ここで燃焼空気ファン２５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２６からの冷空気によって冷却されたあと、バグフィルタ２７を経て誘引通風機２８により煙突２９へ排出される。更に、バグフィルタ２７で捕捉された溶融飛灰は、溶融飛灰コンベア３０により飛灰だめ３１へ送られる。
【００１０】
ところで、被溶融物Ａである焼却灰や焼却飛灰には各種の腐食性の有害成分が含まれており、その結果、これ等が溶融した溶融スラグＢも、耐火物に対して激しい腐食性を示すことになる。
そのため、炉壁１２を形成する耐火物１３、１４、特に溶融スラグＢが常時接触する部分の耐火物１３としては、溶融スラグＢに含まれる有害成分と比較的反応を起し難いＣ、Ｃ−ＳｉＣ、ＳｉＣ等の炭素系耐火物又は炭化硅素系耐火物が多く使用されており、溶融スラグＢによる侵食を防ぐことにより、その耐用年数の延長が図られている。
【００１１】
即ち、上記炭素系耐火物又は炭化硅素系耐火物１３は、焼却灰等の溶融スラグＢに対して比較的優れた耐食性を有しており、溶融スラグＢが常時接触する炉壁部分に用いても、特に激しい侵食を受けることがない。
しかし、この種の炭素系耐火物や炭化硅素系耐火物１３は、高温下で比較的容易に酸化されると云う難点を有しており、その結果、灰溶融炉７内のガス層が接触する部分では、酸化による侵食を受けることになる。特に、プラズマアーク溶融炉やアーク溶融炉等では、アークジェットによって電極から半径方向に向う“ガスの流れ”が形成されるため、このガスの流れが衝突する溶融スラグＢとガス層との界面近傍の耐火物が激しく侵食されることになる。
【００１２】
上述の如く、前記炭素系耐火物又は炭化硅素系耐火物１３は、焼却残滓や焼却飛灰のスラグＢに対して比較的優れた耐食性を発揮することができ、溶融スラグＢが常時接触する炉壁部分に用いても特に激しい浸食を受けることは無いと従前から広く考えられており、この考え方に基づいて炉壁耐火物として利用に供されて来た。
しかし、焼却残滓や焼却飛灰Ａに消石灰（Ｃａ（ＯＨ）₂ ）が含まれている場合には、焼却残滓や焼却飛灰（以下灰と呼ぶ）Ａの溶融時に、Ｃａ（ＯＨ）₂ →ＣａＯ＋Ｈ₂ Ｏの反応によりＨ₂ Ｏが生成されると共に、この生成されたＨ₂ Ｏと耐火物内のＣとの間でＣ＋Ｈ₂ Ｏ→ＣＯ＋Ｈ₂ で表わされる水性ガス化反応が起り、この水性ガス反応によって耐火物が激しく損耗することになる。
【００１３】
特に、ごみ焼却炉等に於いては、排ガス内の酸性ガスの除去処理法として、▲１▼消石灰の粉末を煙道内へ吹き込む乾式酸性ガス処理法（煙道吹込み法）や▲２▼消石灰スラリーを排ガス減温塔内へ噴射する半乾式酸性ガス処理法が多く用いられている。
そのため、消石灰の吹込み点より下流側に設置した集塵装置に於いて回収される焼却飛灰Ａの中には未反応の消石灰が必然的に含まれることになり、これらの消石灰を含んだ焼却飛灰（灰）Ａが被溶融物として灰溶融炉７内へ供給されて来るケースが多く発生する。
【００１４】
その結果、溶融スラグＢが常時接触する部分の炉壁１２の耐火物１３に於いても、耐火物の損耗が生ずることになり、この炉壁耐火物１３の部分的な損耗が引き金となって、炉壁全体を改修しなければならなくなると云う問題がある。
【００１５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、従前の消石灰を含んだ焼却灰や焼却飛灰等が被溶融物Ａとして供給される灰溶融炉に於ける上述の如き問題、即ち溶融スラグＢが常時接触している部分の炉壁を形成する炭素系耐火物又は炭化硅素系耐火物に水性ガス化反応による損耗が生じ、炉壁の耐用期間を十分に延伸させることができないと云う問題を解決せんとするものであり、灰溶融炉内へ供給する消石灰を含んだ焼却残滓や焼却飛灰（以下、灰と呼ぶ）Ａを予かじめ加熱処理し、脱水反応により消石灰を生石灰に転換させたあとの灰を灰溶融炉へ供給することにより、炉壁を形成する炭素系又は炭化硅素系耐火物の水性ガス反応による損耗をほぼ完全に防止できるようにした灰溶融処理方法と、これに用いる灰溶融処理装置を提供するものである。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
請求項１の発明は、消石灰を含有する灰を加熱し、前記消石灰を脱水反応により生石灰に転換させたあと、当該生石灰を含む灰を灰溶融炉へ供給して溶融処理す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、請求項１の発明に於いて、灰を少なくとも４００℃の温度でもって加熱すると共に灰溶融炉を炉壁に炭素系耐火物又は炭化硅素系耐火物を用いた還元雰囲気で灰を溶融させる灰溶融炉としたものである。
【００１８】
請求項３の発明は、消石灰を含有する灰を加熱処理する灰加熱装置と、前記灰加熱装置からの灰を溶融させる灰溶融装置とから灰溶融処理装置を構成したことを発明の基本構成とするものである。
【００１９】
請求項４の発明は、請求項３の発明に於いて、灰加熱装置を加熱温度が少なくとも４００℃の灰加熱炉を備えた灰加熱装置とすると共に、灰溶融装置を炉壁に炭素系耐火物又は炭化硅素系耐火物を用いた還元雰囲気で灰を溶融する電気式溶融炉を備えた灰溶融装置としたものである。
【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、本発明の実施形態に係る灰溶融処理装置の基本構成を示すブロック図であり、図４は本発明で使用する灰溶融炉の概要図である。尚、灰溶融炉そのものは公知であるため、ここではその詳細な説明を省略する。
図１を参照して、本発明に係る灰溶融処理装置１は灰加熱装置２と灰溶融装置３とから構成されており、また前記灰加熱装置２は灰加熱炉４、排ガス減温装置（又は廃熱ボイラ）５、排ガス処理装置６等から構成されている。
【００２１】
前記灰加熱炉４にはロータリーキルン型加熱炉が使用されており、乾式酸性ガス処理方法を適用したごみ焼却炉の集塵装置等から排出されて来た未反応の消石灰（Ｃａ（ＯＨ）₂ ）を含む燃焼飛灰（灰）Ａは、バーナ４ａからの高温燃焼ガスにより約４００℃〜６００℃の温度に加熱される。
即ち、灰Ａが約４００℃〜６００℃に加熱されることにより、灰Ａ内に含まれる消石灰Ｃａ（ＯＨ）₂ は、Ｃａ（ＯＨ）₂ ＋Ｑ（熱）→ＣａＯ＋Ｈ₂ Ｏ…▲１▼の反応を経て生石灰（ＣａＯ）に転換される。
【００２２】
尚、前記▲１▼式の反応は、消石灰Ｃａ（ＯＨ）₂ 即ち灰Ａを約１００℃以上に加熱することにより始まり、約５８０℃以上の加熱温度では、完全にＣａ（ＯＨ）₂ がＣａＯに転換されると報告されている。
【００２３】
灰加熱炉４からの排ガスＧ₁ は、排ガス減温装置又は廃熱ボイラ５で減温されたあと排ガス処理装置（バグフィルタ等）６で浄化され、浄化後の排ガスＧ₁ の一部は灰加熱炉４へ戻され、残部は外部へ排出される。
また、排ガス処理装置６で回収された灰Ａ′等は、灰加熱炉４で加熱されることにより消石灰Ｃａ（ＯＨ）₂ が生石灰ＣａＯに転換された灰Ａ′と共に、灰溶融炉７へ供給されて行く。
【００２４】
尚、図１の実施形態に於いては、灰加熱炉４としてロータリキルン型の加熱炉を用いると共に、排ガス処理装置６としてバグフィルタを使用しているが、灰加熱炉４及び排ガス処理装置６は如何なる型式のものであっても良いことは勿論であり、加熱熱源として溶融炉排ガス等の廃熱を利用しても良い。
また、図１の実施形態に於いては、灰溶融装置３の灰溶融炉７内へ灰加熱炉４からの灰Ａ′のみを供給するようにしているが、図１の鎖線で示す如く消石灰を含まないごみ焼却炉からの焼却残滓や焼却飛灰（灰）Ａ₀ を、前記灰Ａ′と一緒に供給してもよいことは勿論である。
【００２５】
図２及び図３は、前記消石灰（Ｃａ（ＯＨ）₂ ）の脱水反応の所謂示差熱分析法による分析結果を示すものであり、図２は消石灰の昇温速度を５℃／ｍｉｎとした場合を、また図３は昇温速度を２０℃／ｍｉｎとした場合を夫々示すものである。
尚、当該示差熱分析試験に於いては、消石灰としてＪＩＳ特号消石灰を用いており、その全水分（１０５℃×恒量：約１２時間）は０．２７％、熱灼減量（６００℃×３時間）は４．０％である。
また、加熱により消石灰が全て生石灰に転換された場合（即ち、１００％の脱水が行なわれた場合）には、脱水反応式Ｃａ（ＯＨ）₂ ＋Ｑ→ＣａＯ＋Ｈ₂ Ｏからしてその重量減は、１８／７４．１≒２４％となる（但し７４．１はＣａ（ＯＨ）₂ の分子量、１８はＨ₂ Ｏ水の分子量である）。
【００２６】
図２及び図３を参照して、（イ）先ず、全水分分析結果（曲線Ａ）から、１０５℃以下の加熱では殆んど脱水反応が起らないことが判る。
また、（ロ）曲線Ｂの示差熱分析の結果から▲１▼３８０〜３９０℃から吸熱反応が始まり、４７０〜５３０℃までで約２０％の水分の重量減が見られ、この温度域での脱水率は２０／２４＝８３％となること、▲２▼６８０〜７２０℃の温度域で２回目の吸熱反応が始まり、更に７〜１０％の重量減（合計で２８〜２９％）が見られ、脱水反応が完了していること、及び▲３▼昇温速度が速いほど、反応開始温度が高くなること等が判る。
【００２７】
上記図２及び図３の試験結果から、本発明に於いては灰加熱炉４に於ける消石灰を含んだ灰Ａの加熱温度を、加熱時の昇温速度等を考慮して４００℃〜６００℃の間に選定するようにしている。４００℃以下の加熱では脱水率が８０％を切る恐れがあり、水性ガス化反応による炭素系耐火物等の損耗を十分に阻止することが出来ないからであり、また、６００℃を越えると加熱エネルギーの消費ロスが大きくなり過ぎるからである。
【００２８】
前記灰加熱装置２で加熱処理した後の灰Ａ₀ を受け入れする灰溶融装置３は、灰溶融炉７、２次燃焼室８、スラグ水冷槽９等から形成されており、その構成は前記図５に示した従前の灰溶融装置と全く同一のものである。
即ち、灰溶融炉７は図４に示す如く黒鉛主電極１０、炉底電極１１、炉壁１２、カーボン系耐火物又は炭化硅素系耐火物１３、耐火物１４、炉体ケーシング１５等から構成されており、また前記炉壁１２は胴部１２ａと蓋部１２ｂとから構成されていて、蓋部１２ｂの中央には、黒鉛主電極１０が絶縁体１６を介設して上・下動自在に保持されている。
【００２９】
前記胴部１２ａの溶融スラグＢが接触する部分は、Ｃ、Ｃ−ＳｉＣ、ＳｉＣ等のカーボン系耐火物（煉瓦状）又は炭化硅素系の耐火物（煉瓦状）１３を用いて形成されており、所謂築炉工法によって構築されている。
また、前記蓋部１２ｂは、主として灰溶融炉７内の高温ガスＧ_O に対する耐食性の高いアルミナ系の耐火物１４を用いて構成されており、胴部１２ａと同様に築炉工法により構築されている。
更に、前記耐火物１３、１４の背面は、鋼板製の炉体ケーシング１５により覆われており、耐火物１３、１４と炉体ケーシング１５とから灰溶融炉７を形成する炉壁１２が構成されている。
【００３０】
尚、図４に於いてＢは溶融スラグ、Ｌ_B はスラグ界面であり、当該スラグ界面Ｌ_B の高さ位置は、溶融スラグ流出口（図示省略）の開口位置によって規制されるものである。
また、図４に於いては、灰溶融炉７として所謂プラズマアーク溶融炉を使用しているが、本発明はアーク溶融炉や抵抗溶融炉等のその他の電気溶融炉へも適用可能である。
更に、図４の実施形態では、蓋部１２ｂの耐火物１４を胴部１２ａの耐火物１３と異なる種類のものとしているが、胴部１２ａの耐火物１３と同じ耐火物を用いることも可能である。
【００３１】
前記灰加熱炉４から灰溶融炉７内へ供給された生石灰を含む灰Ａ′は、前記図５に示した従前のプラズマアーク溶融炉の場合と全く同様にして溶融され、溶融スラグ流出口１７からスラグ水冷槽９内へ溢流して行く。
尚、灰Ａ′の溶融そのものは前記した通り図５の従来例の場合と同一であるため、ここではその説明を省略する。
【００３２】
【発明の効果】
本発明に於いては、消石灰を含有する灰を加熱処理して消石灰を生石灰に転換させ、この加熱処理した灰を灰溶融炉へ供給してこれを溶融処理する構成としているため、溶融スラグ内の水分に起因する水性ガス化反応が起生せず、その結果、溶融スラグが接触する部分の炉壁が炭素系耐火物或いは炭化硅素系耐火物であっても、水性ガス化反応による耐火物の損耗が殆んど発生せず、炉壁耐火物の耐用期間の大幅な延伸が可能となる。
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】本発明に係る灰溶融処理装置の構成を示すブロック線図である。
【図２】示差熱分析法による消石灰の脱水反応の分析結果を示す線図であり、昇温速度を５℃／ｍｉｎとした場合を示すものである。
【図３】昇温速度を２０℃／ｍｉｎとした場合の図２と同一の線図である。
【図４】本発明で使用する灰溶融炉の縦断面概要図である。
【図５】従前のプラズマアーク溶融炉を灰溶融炉とした灰溶融処理プラントの構成を示すブロック図である。
【符号の簡単な説明】
Ａ₀ は消石灰を含まない焼却飛灰（灰）、Ａは消石灰を含む焼却飛灰（灰）、Ａ′は加熱処理後の焼却飛灰（灰）、Ｇ₀ は灰溶融炉内の高温ガス、１は灰溶融処理装置、２は灰加熱装置、３は灰溶融装置、４は灰加熱炉、４ａはバーナ、５は排ガス減温装置（又は廃熱ボイラ）、６は排ガス処理装置、７は灰溶融炉、８は２次燃焼室、９はスラグ水冷槽、１０は黒鉛電極、１１は炉底電極、１２は炉壁、１２ａは胴部、１２ｂは蓋部、１３は炭素系耐火物又は炭化硅素系耐火物、１４はアルミナ系耐火物、１５はケーシング、１６は絶縁体。

Claims (4)

1. 消石灰を含有する灰を加熱し、前記消石灰を脱水反応により生石灰に転換させたあと、当該生石灰を含む灰を灰溶融炉へ供給して溶融処理することを特徴とする灰溶融処理方法。
2. 灰を少なくとも４００℃の温度でもって加熱すると共に灰溶融炉を炉壁に炭素系耐火物又は炭化硅素系耐火物を用いた還元雰囲気で加熱処理した灰を溶融させる灰溶融炉とした請求項１に記載の灰溶融処理方法。
3. 消石灰を含有する灰を加熱処理する灰加熱装置と、前記灰加熱装置からの灰を溶融させる灰溶融装置との組み合せから成る灰溶融処理装置。
4. 灰加熱装置を加熱温度が少なくとも４００℃の灰加熱炉を備えた灰加熱装置とすると共に、灰溶融装置を炉壁に炭素系耐火物又は炭化硅素系耐火物を用いた還元雰囲気で灰を溶融する電気溶融炉を備えた灰溶融装置とした請求項３に記載の灰溶融処理装置。

Images