JP3970542B2

JP3970542B2 - 電気溶融炉の炉壁構造及び炉壁耐火物の損耗抑制方法

Info

Publication number: JP3970542B2
Application number: JP2001098411A
Authority: JP
Inventors: 良二鮫島; 考太郎加藤
Original assignee: Takuma KK
Current assignee: Takuma KK
Priority date: 2001-03-30
Filing date: 2001-03-30
Publication date: 2007-09-05
Anticipated expiration: 2021-03-30
Also published as: JP2002295979A

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、電気溶融炉の炉壁構造に改良を加えることにより炉壁耐火物の損耗を抑制し、炉壁の耐用年数の延伸等を可能にした電気溶融炉の炉壁構造と炉壁耐火物の損耗抑制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を用いる方法と、表面溶融炉や旋回溶融炉等を用いる方法とが実用化されており、ごみ焼却施設に発電設備が併置されている場合には、前者の電気溶融炉を用いる方法が多く利用されている。
【０００４】
図２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の溶融を持つ。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、黒鉛主電極４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や黒鉛スタート電極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】
前記溶融炉本体３は所謂煉瓦状の耐火物によって築炉されており、耐火物の背面は鋼板製の炉体ケーシングによって覆われている。
【００１２】
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、炉壁を形成する耐火物としては、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。
【００１３】
上記炭素系耐火物又は炭化硅素系耐火物は、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、その結果、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ない。
しかし、この種の炭素系耐火物や炭化硅素系耐火物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いる。その結果、溶融炉本体３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が激しく侵食されることになり、この炉壁の部分的な損傷が引き金となって、炉壁全体を改修しなければならなくなるケースが多くある。
【００１４】
前記炭素系耐火物や炭化硅素系耐火物に対する侵食は、高温になればなるほど激しくなる。そのため、耐火物を空気又は水により冷却することにより、侵食を防止する方策が採られることがある。しかし、耐火物を水又は空気により冷却する方法には、溶融炉本体そのものの熱効率を低下させると云う弊害があり、実用上多くの問題が残されている。
【００１５】
上述のように、焼却灰等を被溶融物Ａとする電気溶融炉では、耐火物の侵食の発生が不可避であり、現時点では焼却灰等の溶融スラグや高温ガス流による腐食に耐え、長期に亘って安定した使用の可能な耐火物は、存在しないと云っても過言でない。
【００１６】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、従前の焼却灰や焼却飛灰等を被溶融物Ａとする電気溶融炉に於ける上述の如き問題、即ち▲１▼炉壁を炭素系耐火物又は炭化硅素系耐火物を用いて形成した場合には、溶融スラグＢに対する耐食性は得られるが、ガス層に対する耐食性が十分でなく、炉壁の耐用年数を十分に延伸させることができないこと、及び▲２▼冷却によって耐食性を高める方法は溶融炉本体の熱効率の低下を招くことになり、経済性に欠けること、等の問題を解決せんとするものであり、耐火物の背面より供給した不活性ガスを溶融スラグＢとガス層との界面近傍から溶融炉本体のガス層内へ噴出させることにより、耐火物を冷却すると共に耐火物内表面への酸素の接触を遮断し、これによって耐火物の侵食防止と耐用年数の延伸とを可能にした電気溶融炉の炉壁構造及び炉壁耐火物の損耗抑制方法を提供するものである。
【００１７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本願請求項１の発明は、煉瓦状の耐火物と耐火物の外側を覆う炉体ケーシングとから成る電気溶融炉の炉壁に於いて、溶融スラグが接触する部分の耐火物をカーボン系耐火物又は炭化珪素系耐火物とし、当該耐火物のスラグ界面より上方位置の内部に不活性ガス阻止板を配設すると共に、不活性ガス阻止板より下方の耐火物の背面と炉体ケーシングとの間に間隙を設け、当該間隙内へ溶融炉本体内へ供給する不活性ガスと同じ不活性ガスを供給する構成としたものである。
【００１８】
請求項２の発明は、請求項１の発明に於いて、電気溶融炉をプラズマアーク溶融炉又はアーク溶融炉とすると共に、緻密質のセラミックから成る不活性ガス阻止板をスラグ界面より１００〜２００ｍｍ上方に設けるようにしたものである。
【００２０】
請求項３の発明は、還元雰囲気で運転され、溶融スラグが接する部分にカーボン系耐火物又は炭化珪素系耐火物を用いた電気溶融炉に於いて、前記耐火物の背面から不活性ガスを供給し、耐火物内を流通して来た不活性ガスを耐火物内表面の溶融スラグとガス層との界面付近から溶融炉本体内へ噴出させることを発明の基本構成とするものである。
【００２１】
請求項４の発明は、煉瓦状の耐火物と耐火物の外側を覆う炉体ケーシングとから成る炉壁の溶融スラグが接触する部分の耐火物をカーボン系耐火物又は炭化硅素系耐火物とすると共に、当該耐火物のスラグ界面より上方位置の内部に不活性ガス阻止板を配設し、更に前記不活性ガス阻止板より下方の耐火物と炉体ケーシングとの間に間隙を設けた構成の電気溶融炉の炉壁に於いて、前記間隙内へ不活性ガスを供給し、供給した不活性ガスを耐火物の内部へ流通させると共に、当該不活性ガスを耐火物のスラグ界面と不活性ガス阻止板との間の内表面から溶融炉本体のガス層内へ噴出させることを発明の基本構成とするものである。
【００２２】
請求項５の発明は、請求項４の発明において、電気溶融炉をプラズマアーク溶融炉又はアーク溶融炉とすると共に、不活性ガスを溶融炉本体内へ供給する不活性ガスと同一のガスとしたものである。
【００２３】
【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プラズマアーク溶融炉の溶融炉本体の概要図である。尚、溶融炉本体３そのものの構造は公知であるため、その詳細な説明は省略する。
図１に於いて、Ｂは溶融スラグ、Ｇはガス層、Ｑは窒素ガス等の不活性ガス、Ｌ_Bはスラグ界面、３は溶融炉本体、４は黒鉛主電極、６は炉底電極、２４は絶縁体、２５は炉壁、２５ａは胴部、２５ｂは蓋部、２６はカーボン系耐火物又は炭化硅素系耐火物、２６ａは耐火物内表面、２７は耐火物、２８は不活性ガス阻止板、２９は炉体ケーシング、３０は間隙、３１は不活性ガス供給口、３２は制御弁である。
【００２４】
溶融炉本体３を形成する炉壁２５は胴部２５ａと蓋部２５ｂとから構成されており、蓋部２５ａの中央には、黒鉛主電極４が絶縁体２４を介設して上・下動自在に保持されている。
【００２５】
前記胴部２５ａ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）２６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２５ｂは、主として溶融炉本体３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２７を用いて構成されており、胴部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２６、２７の背面は、鋼板製の炉体ケーシング２９により覆われており、耐火物２６、２７と炉体ケーシング２９とから溶融炉本体３を形成する炉壁２５が構成されている。
【００２６】
前記胴部２５ａの上方部、即ち溶融スラグＢのスラグ界面Ｌ_Bの上方位置から約１００〜２００ｍｍ上方には、適宜の厚さを有する緻密質なセラミック板より成る不活性ガス阻止板２８が配設されており、これにより、後述するように耐火物２６内を流通して来て不活性ガスＱが、上方へ抜け出すのが防止されることになる。
尚、溶融スラグＢのスラグ界面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。
【００２７】
前記胴部２５ａを形成する耐火物２６とその背面を覆う炉体ケーシング２９の間には、１０〜３０ｍｍ程度の間隙３０が設けられており、この間隙３０内へ、不活性ガス供給装置（図示省略）から約１〜５Ｐａの圧力の不活性ガス（Ｎ₂ガス）Ｑが、制御弁３２及び不活性ガス供給口３１を通して連続的に供給されている。
【００２８】
尚、図１の実施形態に於いては、本発明をプラズマアーク溶融炉に適用しているが、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。
また、図１の実施形態では、蓋部２５ｂの耐火物２７を胴部２５ａの耐火物２６と異なる種類のものとしているが、胴部２５ａの耐火物２６と同じ耐火物を用いることも可能である。
【００２９】
次に、本発明の作用について説明する。図１を参照して、不活性ガス供給装置（図示省略）からの不活性ガス（Ｎ₂ガス）Ｑが、制御弁３２、供給口３１を通して間隙３０内へ供給される。
間隙３０内へ供給された不活性ガスＱは、多孔質の耐火物２６の内部を通って矢印イ方向へ流れ、不活性ガス阻止板２８と溶融スラグＢのスラグ界面Ｌ_Bとの間の耐火物内表面２６ａ′を通して、溶融炉本体３内のガス層Ｇ内へ噴出する。
尚耐火物内表面２６ａの溶融スラグＢと接触する部分２６ａ″には、通常溶融スラグＢの固化層が形成される。そのため、この部分２６ａ″からの溶融スラグＢ内への不活性ガスＱの噴出は、殆んど無い。また、表面に固化層が形成されていない場合でも、溶融スラグＢが直接に内表面２６ａ′へ接触することにより、不活性ガスＱの供給圧力が適宜に調整されている限り、溶融スラグＢ内へ不活性ガスＱが噴出することは殆んどない。
更に、不活性ガスＱの耐火物２７内への侵入は、不活性ガス阻止板２８により完全に阻止される。
【００３０】
耐火物２６内を不活性ガスＱが流通することにより、耐火物２６が冷却されることになる。これにより、耐火物２６は溶融スラグＢやガスＧ_Oにより侵食され難くなり、その耐食性が増すことになる。
尚、耐火物２６を冷却したあとの高温の不活性ガスＱは最終的に溶融炉本体３のガス層Ｇ内へ噴出される。従って、溶融炉本体３外への熱の持ち出しは殆んどなく、熱損失は殆んど生じない。
【００３１】
また、スラグ界面Ｌ_B近傍の耐火物内表面２６ａ′を通して不活性ガスＱが噴出することにより、溶融炉本体３のガス層Ｇが耐火物内表面２６ａ′へ直接接触することが阻止される。その結果、耐火物内表面２６ａ′のガスＧ_Oによる酸化侵食が大幅に減少する。
【００３２】
特に、プラズマアーク溶融炉やアーク溶融炉では、図１の矢印ロに示すように所謂アークジェットにより黒鉛主電極４から半径方向に向うガスＧ_Oの流れが起生する。
しかし、このガスの流れは、前記耐火物２６のスラグ界面Ｌ_B上方の内表面２６ａ′の部分から噴出する不活性ガスＱにより、耐火物内表面２６ａ′へ直接衝突するのが阻止される。これによって、耐火物内表面２６ａ′の損耗が大幅に減少する。
【００３３】
【発明の効果】
本発明に於いては、耐火物２６の背面より不活性ガスＱを供給して耐火物２６内を流通させることにより、耐火物２６を冷却すると共に、耐火物内を流通して来た不活性ガスＱを、溶融スラグＢのスラグ界面Ｌ_B近傍の耐火物内表面２６ａ′より溶融炉本体３のガス層Ｇ内へ噴出させる構成としている。
その結果、噴出する不活性ガスＱが、スラグ界面Ｌ_B近傍の耐火物内表面２６ａ′の保護膜の機能を果たすことになり、ガス層Ｇによる耐火物の酸化消耗が防止される。
【００３４】
また、プラズマアーク溶融炉等に於いては、電極４の先端から吹出すアークジェットにより半径方向に流れる高速のガス流が生ずるが、これ等のガス流は前記噴出する不活性ガスＱによって偏向され、ガス流の直接衝突による耐火物内表面２６ａ′の侵食が有効に防止される。
【００３５】
本発明では、耐火物２６を冷却したあとの不活性ガスＱが溶融炉本体３内へ噴出されるため、従前の耐火物冷却方式のように熱損失が増えることはない。
また、溶融炉本体３の出口側に燃焼室（図示省略）を設けている場合には、溶融炉本体３から排出されてくる排ガス量の変動を抑えることが可能となる。その結果、溶融炉本体３の出口側排ガスダクト内での排ガス温度の低下が小さくなり、燃焼室内での燃焼を安定化させる上で好都合となる。
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】本発明の実施に係るプラズマアーク溶融炉の溶融炉本体の概要図である。
【図２】従前のプラズマアーク溶融炉の概要説明図である。
【符号の説明】
Ｂは溶融スラグ、Ｌ_Bはスラグ界面、Ｇはガス層、Ｇ_Oはガス流、Ｑは不活性ガス、３は溶融炉本体、４は黒鉛主電極、６は炉底電極、２４は絶縁体、２５は炉壁、２５ａは胴部、２５ｂは蓋部、２６はカーボン系又は炭化硅素系耐火物、２６ａは内表面、２７は耐火物、２８は不活性ガス阻止板、２９は炉体ケーシング、３０は間隙、３１は不活性ガス供給口、３２は制御弁。

Claims

煉瓦状の耐火物と耐火物の外側を覆う炉体ケーシングとから成る電気溶融炉の炉壁に於いて、溶融スラグが接触する部分の耐火物をカーボン系耐火物又は炭化珪素系耐火物とし、当該耐火物のスラグ界面より上方位置の内部に不活性ガス阻止板を配設すると共に、不活性ガス阻止板より下方の耐火物の背面と炉体ケーシングとの間に間隙を設け、当該間隙内へ溶融炉本体内へ供給する不活性ガスと同じ不活性ガスを供給する構成とした電気溶融炉の炉壁構造。
電気溶融炉をプラズマアーク溶融炉又はアーク溶融炉とすると共に、緻密質のセラミックから成る不活性ガス阻止板をスラグ界面より１００〜２００ｍｍ上方に設ける構成とした請求項１に記載の電気溶融炉の炉壁構造。
還元雰囲気で運転され、溶融スラグが接する部分にカーボン系耐火物又は炭化珪素系耐火物を用いた電気溶融炉に於いて、前記耐火物の背面から不活性ガスを供給し、耐火物内を流通して来た不活性ガスを耐火物内表面の溶融スラグとガス層との界面付近から溶融炉本体内へ噴出させる構成とした電気溶融炉の炉壁耐火物の損耗抑制方法。
煉瓦状の耐火物と耐火物の外側を覆う炉体ケーシングとから成る炉壁の溶融スラグが接触する部分の耐火物をカーボン系耐火物又は炭化硅素系耐火物とすると共に、当該耐火物のスラグ界面より上方位置の内部に不活性ガス阻止板を配設し、更に前記不活性ガス阻止板より下方の耐火物と炉体ケーシングとの間に間隙を設けた構成の電気溶融炉の炉壁に於いて、前記間隙内へ不活性ガスを供給し、供給した不活性ガスを耐火物の内部へ流通させると共に、当該不活性ガスを耐火物のスラグ界面と不活性ガス阻止板との間の内表面から溶融炉本体のガス層内へ噴出させる構成とした電気溶融炉の炉壁耐火物の損耗抑制方法。
電気溶融炉をプラズマアーク溶融炉又はアーク溶融炉とすると共に、不活性ガスを溶融炉本体内へ供給する不活性ガスと同一のガスとした請求項４に記載の電気溶融炉の炉壁耐火物の損耗抑制方法。