JP3872471B2 - 溶融処理設備 - Google Patents

Description

本発明は、都市ゴミや各種産業廃棄物等の焼却残渣を溶融固化処理する溶融処理設備に関し、詳しくは溶融炉の排ガスダクトの閉塞防止技術に関する。

近年、都市ゴミ、下水汚泥、その他の各種産業廃棄物の焼却炉から排出される焼却残渣の減容化および無害化を図るため、これら焼却残渣の溶融固化処理法が採用されており、その方法の実施には、一般に溶融炉が使用されている。

ところで、溶融炉の出口付近の排ガス中には、飛散灰や低沸点のガス状物質（以下、「溶融飛灰」と総称する。）が含まれている。このため、炉出口排ガスの温度および流速条件によっては、溶融飛灰が排ガスダクトの内壁に付着，堆積し、ついには排ガスダクトが閉塞するという事態にまで至ることがある。

そこで、排ガスダクトの閉塞を防止するための技術開発が急務であり、これまでにも多くの提案がなされている。

〔従来技術１〕
例えば、排ガスダクトを全面にわたって二重金属壁構造にし、その間を冷却空気室とし、この冷却空気室の排ガス流出口側に空気流入口を設け、この空気室の排ガス流入口側に、前記二重金属壁の内壁に沿って排ガスの流れ方向に空気膜が形成されるように、内壁の排ガスの流れ方向に開口部を有するスリット状の空気流出口を設けた排ガスダクトが提案されている。排ガスダクトの内壁を空気膜で覆うことにより、排ガス中の不純物（溶融飛灰）の壁への接近を遮断しダストの付着を防止するようにしたものである（特許文献１参照）。

〔従来技術２〕
また、排ガスダクトの内壁面に対し接線方向にガス流が生じるようにその排ガスダクトの外周面に、その排ガスダクトの周方向に等間隔にかつ長手方向に等間隔に複数のガス吹込管を接続したものが提案されている。そして、このガス吹込管からガスを吹き込むことによって排ガスダクトの内壁面近傍にガス膜が形成されるとともに、排ガスダクト内の排ガスが螺旋状の竜巻を形成してその排ガスダクトの中心部に集められた状態で後流側へ流動されて、排ガス中の溶融飛灰が排ガス内壁面に付着するのを防止するようにしたものである（特許文献２参照）。
特開平１１−３１６０１５号公報 特開２００１−３１７７２２号公報

しかし、上記従来技術１，２の排ガスダクトの閉塞防止技術はともに、排ガスダクトの構造が複雑で設備コストが高いうえに、吹き込まれた空気またはガスにより排ガスダクトの内壁面が冷却されるため溶融飛灰中の揮発物質が液化し固化して却って付着しやすくなる問題がある。

そこで、本発明は、設備コストを過度に上昇させることのない簡易な方法により、排ガスダクトの内壁面に溶融飛灰を付着，堆積させることを防止ないし抑制して排ガスダクトの閉塞を防止する溶融処理設備を提供することを目的とする。

請求項１記載の発明は、焼却残渣を溶融する溶融炉と、この溶融炉で発生する排ガスを炉外へ排出する排ガスダクトと、この排ガスダクトの下流側に接続され排ガスを減温処理する排ガス減温塔とを備えた溶融処理設備において、前記排ガスダクトが少なくともその下流側に角度１０〜６０°の下り傾斜部を有し、かつ、当該排ガスダクト内における排ガス流速が１．５ｍ／ｓ以上となるように構成されたことを特徴とする溶融処理設備である。

請求項２記載の発明は、焼却残渣を溶融する溶融炉と、この溶融炉で発生する排ガスを炉外へ排出する第１の排ガスダクトと、この第１の排ガスダクトの下流側に接続され排ガスを燃焼処理する燃焼室と、この燃焼室から処理後の排ガスを排出する第２の排ガスダクトと、この第２の排ガスダクトの下流側に接続され前記処理後の排ガスを減温処理する排ガス減温塔とを備えた溶融処理設備において、前記第１および第２の排ガスダクトのうち少なくとも一つの排ガスダクトが、少なくともその下流側に角度１０〜６０°の下り傾斜部を有し、かつ、当該排ガスダクト内における排ガス流速が１．５ｍ／ｓ以上となるように構成されたことを特徴とする溶融処理設備である。

本発明によれば、上記従来技術１，２に比べて大幅に簡易な構造の排ガスダクトにより溶融飛灰の付着，堆積を防止ないし抑制できるので、設備コストを過度に上昇させることなく、排ガスダクトの閉塞防止を実現できる。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照しつつ説明する。以下の実施の形態は、溶融炉としてプラズマ溶融炉を用いた場合についてのみ例示するが、これに限られるものではなく、アーク溶融炉、電気抵抗炉、表面溶融炉、旋回溶融炉、コークスベッド炉等いずれの溶融炉にも適用できるものである。

図１は、本発明の溶融処理設備をプラズマ溶融炉の排ガスダクトに適用した例を示す概略説明図である。焼却残渣としての焼却灰は灰供給装置１によりプラズマ溶融炉本体２内に供給される。プラズマ溶融炉本体２にはプラズマトーチ３を挿入することができ、プラズマトーチ３に電力を供給する電源装置４と空気を供給するコンプレッサ５とが備えられている。プラズマ溶融炉本体２内に供給された焼却灰はプラズマトーチ３により発生した高温プラズマによって溶融されて溶融スラグからなる溶融浴６が形成されるとともに、焼却灰中の揮発成分や炭素が空気によって酸化されて１２００℃以上の高温の排ガスが発生する。溶融スラグは図示しない出滓口から炉外に排出される一方、高温の排ガスは排ガスダクト７によって排ガス減温塔（以下、単に「減温塔」と称す。）８へと導入される。減温塔８に導入された排ガスは冷却空気供給口９および噴霧水供給口１０から供給される冷却空気および噴霧水と混合され２００℃程度まで減温される。減温された排ガスは減温排ガス排出口１１から排出され、図示しない後段の集塵装置で除塵した後、図示しない誘引送風機により図示しない煙突へ排出される。また、減温塔８で回収したダストはダスト掻き寄せ装置１２で集められ、ダスト排出口１３から排出される。

図２は図１のＡ部に相当する部分を拡大したものであり、（ａ）に従来例、（ｂ）に実施の形態１、（ｃ）に実施の形態２を対比して示す。

〔従来例〕
図２（ａ）に示すような、水平に設置された従来の排ガスダクト内においては、その下流側の出口近傍（図中の斜線部）に溶融飛灰が固化して形成された付着物の成長が著しく、短期間にダクト閉塞に至ることが多い。すなわち、溶融炉２から１２００℃以上で排出された排ガスは排ガスダクト７内でダクト壁面からの熱損失により温度が徐々に降下する。さらに、排ガスダクト７の下流側では減温塔８内への輻射による熱損失が加わるので、一層排ガス温度が低下する。このため、排ガスダクト７の下流側、特に出口近傍において、排ガス温度が約７００〜９００℃の温度域まで低下したときに、排ガス中に含まれる溶融状態のＮａやＫの塩類等がそれらの融点に達して固化し、排ガスダクト７の内壁面のうち上方に向いている面（以下、「底面」という。）に付着し堆積して強固な付着物が形成され、この付着物が成長してやがてダクト７の閉塞に至るものである。

〔実施の形態１〕
これに対し、図２（ｂ）に示す実施の形態１では、排ガスダクト７をθ＝１０〜６０°、好ましくは３０〜４５°の下り勾配で設置し、排ガスダクト７内における排ガス流速を１．５ｍ／ｓ、好ましくは２．０ｍ／ｓ以上とすることにより（後述の実施例参照）、例え溶融飛灰が固化して排ガスダクト７の底面に降下し付着しても、その降下直後はまだ強固な付着に至っていないので、ダクト７の下り勾配と排ガス流によって固化物が容易に下流側に押し流されて減温塔８内に流下してしまう。このため、ダクト７の底面に溶融飛灰の固化物が堆積することがなく、付着物の成長は従来に比べ大幅に抑制され、ダクト閉塞の問題は発生しない。

θ＝１０〜６０°の範囲としたのは、θ＜１０°では傾斜角度が小さすぎてダクト７の底面に降下し付着した溶融飛灰の固化物が押し流されにくくなるためであり、一方θ＞６０°では溶融飛灰の固化物の押し流しは容易となるもののその効果は飽和するうえ、排ガスダクト７の長さが長くなるなど溶融処理設備全体のコンパクトな設備配置が困難になるためである。

また、排ガス流速を１．５ｍ／ｓ以上としたのは、１．５ｍ／ｓ未満では溶融飛灰の固化物を押し流すことが困難になるためである。なお、排ガス流速を高くしすぎると、排ガスダクト７内における圧損が上昇して誘引送風機の負荷が過大となることや、排ガスダクト７の内壁面がダストにより磨耗されやすくなるため、３０ｍ／ｓ以下とすることが望ましい。

ここに、排ガス流速は、排ガス温度を考慮した実際の線速度であり、下記式（１）で計算できる。
Ｖ＝〔Ｑ／３６００×（Ｔ＋２７３．１５）／２７３．１５〕／Ａ …式（１）
ただし、Ｖ：排ガス流速（ｍ／ｓ）、Ｑ：排ガス流量（ｍ³（標準状態）／ｈ）、Ｔ：排ガス温度（℃）、Ａ：排ガスダクト断面積（ｍ²）である。

排ガスダクト７内においては、排ガス温度Ｔはダクト出口で最も低くなるため、排ガス流速Ｖもダクト出口で最低となる。したがって、ダクト出口における排ガス温度Ｔに基づいて排ガス流速Ｖを計算し、この排ガス流速Ｖが上記下限値（１．５ｍ／ｓ、好ましくは２．０ｍ／ｓ）以上となるように、排ガスダクト断面積Ａを調節すればよい。

〔実施の形態２〕
また、図２（ｃ）に示すように、排ガスダクト７全体は従来例と同様、水平に設置し、その下流側の底面を下り勾配（下り傾斜部）に形成してもよい。この下り傾斜部の傾斜角度θおよび排ガス流速Ｖは、上記実施の形態１と同様とする。これにより、上記実施の形態１に比べ、ダクト７の長さを短くできるなど溶融処理設備全体の設備配置をコンパクトにすることができる利点がある。また、ダクト７が水平に設置されている既存設備に対しては、ダクト７の底面の一部だけを面取りするなど簡易な改造を行うだけで適用できる利点もある。

排ガスダクト７の長手方向において下り傾斜部を設ける範囲は、少なくとも、溶融飛灰が固化し始める約９００℃以下に排ガス温度が低下する下流側の領域を含む範囲とし、残りの約９００℃を超える上流側の領域はダクト７の底部は水平のままでよい。すなわち、排ガス温度が溶融飛灰の固化開始温度である約９００℃より高い上流側の領域では、溶融飛灰が排ガスダクト７の下部の内壁面に降下しても、溶融飛灰が液状に維持されるため、付着物が形成されることがない。またこの領域におけるダクト７の底面が水平であっても、溶融飛灰は液状を維持しているので排ガス流によって容易に下り傾斜部まで押し流される。そして、下り傾斜部に到達した溶融飛灰はそこで温度が低下して固化物となっても、下り勾配と排ガス流の作用によってさらに下流側に押し流され、減温塔８内に流下する。

また、ダクト７の断面方向における傾斜部を設ける範囲は、ダクト７の全底面に設けてもよいが、図３に示すように、溶融飛灰の固化物が最も付着しやすいダクト７の底面の中央部に設けてもよい。図において、（ａ）は矩形断面のダクトの場合、（ｂ）は円形断面の場合を示す。

〔実施の形態３〕
また、上記実施の形態２における下り傾斜部を、図４に示すように、段階的に下り勾配が急になるように形成してもよい。排ガス温度がより低下して溶融飛灰の固化物がダクト７の底面に付着しやすくなるダクト出口に近い側ほど急な下り勾配とすることによって、溶融飛灰の固化物をダクト７の底面に付着させることなく確実に下流側に押し流すことができる。図４においては、傾斜角度を２段階に変化させているが、これに限られるものではなく、３段階以上に変化させてもよい。

〔実施の形態４〕
上記実施の形態１〜３では、溶融炉と減温塔とを直接接続する溶融処理設備について適用した例を説明したが、本発明は、溶融炉と減温塔の間に、排ガス中の未燃分を完全燃焼するための燃焼室を介した溶融処理設備にも適用できる（特許文献２の図１参照）。燃焼室を介している場合、溶融炉と燃焼室、燃焼室と減温塔をそれぞれ連結する２つの排ガスダクトが存在する（特許文献２の図１の符号１０および符号１９）が、その設備構成や操業条件に応じて、付着が発生しやすい方の排ガスダクトに上記実施の形態１〜３で説明したような下り傾斜部を設けるとよい。もちろん、両方の排ガスダクトとも付着が発生しやすい場合には、両方ともに下り傾斜部を設ければよい。

本発明の効果を確認するため、上記実施の形態１および２のそれぞれについて、排ガスダクト内への付着量に対する下り傾斜部の傾斜角度および排ガスダクト内の排ガス流速の影響を調査した。

調査は、プラズマ溶融炉と減温塔からなる既存の溶融処理設備を用いて行った。実施の形態１については、下り傾斜部の傾斜角度の影響を調査する場合は排ガスダクトの設置角度を種々変更することにより行い、排ガス流速の影響を調査する場合は排ガスダクトの内径を種々変更することにより行った。実施の形態２については、下り傾斜部の傾斜角度の影響を調査する場合は排ガスダクトの出口近傍の底面を順次面取り量を増加することより行い、排ガス流速の影響を調査する場合は実施の形態１と同様に排ガスダクトの内径を種々変更することにより行った。なお、排ガス流速は排ガスダクト出口における排ガス温度およびダクト断面積に基づいて上記式（１）で計算した。

また、排ガスダクト内への付着量は、操業開始から一定時間後に排ガスダクトの出口部に形成された付着物の最大厚みとし、従来の水平な排ガスダクトを用いた場合における付着量を基準（１．０）として、これに対する相対値で表した。

調査の結果を表１，２および図４，５に示す。

表１および図５は、下り傾斜部の傾斜角を２０°に固定し、排ガス流速を変化させた場合における、排ガス流速と排ガスダクト内への付着量との関係を示すものである。実施の形態１，２とも排ガス流速を１．５ｍ／ｓ以上とすることにより付着量は従来の約５０％以下に低下し、２．０ｍ／ｓ以上とすることにより付着量は従来の約２０％以下に低下することがわかった。

また、表２および図６は、排ガス流速を３ｍ／ｓに固定し、下り傾斜部の傾斜角を変化させた場合における、傾斜角度と排ガスダクト内への付着量との関係を示すものである。実施の形態１，２とも傾斜角度を１０°以上とすることにより付着量は従来の約３０％以下に低下し、３０ｍ／ｓ以上とすることにより付着量は従来の約２５％以下に低下することがわかった。

実施の形態１の溶融処理設備の概略を説明する縦断面図である。 図１のＡ部に相当する部分を拡大して示す部分縦断面図であり、（ａ）は従来例、（ｂ）は実施の形態１、（ｃ）は実施の形態２である。 実施の形態２の排ガスダクトの横断面図である。 実施の形態２の変形例の排ガスダクトの部分縦断面図である。 排ガス流速と付着量との関係を示すグラフ図である。 下り傾斜部の傾斜角度と付着量との関係を示すグラフ図である。

符号の説明

２：溶融炉
７：排ガスダクト
８：排ガス減温塔

Claims (2)

1. 焼却残渣を溶融する溶融炉と、この溶融炉で発生する排ガスを炉外へ排出する排ガスダクトと、この排ガスダクトの下流側に接続され排ガスを減温処理する排ガス減温塔とを備えた溶融処理設備において、
   前記排ガスダクトが少なくともその下流側に角度１０〜６０°の下り傾斜部を有し、かつ、当該排ガスダクト内における排ガス流速が１．５ｍ／ｓ以上となるように構成されたことを特徴とする溶融処理設備。
2. 焼却残渣を溶融する溶融炉と、この溶融炉で発生する排ガスを炉外へ排出する第１の排ガスダクトと、この第１の排ガスダクトの下流側に接続され排ガスを燃焼処理する燃焼室と、この燃焼室から処理後の排ガスを排出する第２の排ガスダクトと、この第２の排ガスダクトの下流側に接続され前記処理後の排ガスを減温処理する排ガス減温塔とを備えた溶融処理設備において、
   前記第１および第２の排ガスダクトのうち少なくとも一つの排ガスダクトが、少なくともその下流側に角度１０〜６０°の下り傾斜部を有し、かつ、当該排ガスダクト内における排ガス流速が１．５ｍ／ｓ以上となるように構成されたことを特徴とする溶融処理設備。