JP4072425B2 - 灰溶融炉 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、灰分を溶融スラグ化することで、灰分を無害化する技術に属し、特に灰溶融炉に関する。
【0002】
【従来の技術】
石炭は、自身の10〜20%が灰分である。石炭灰は管理型産業廃棄物に指定されている。これは、石炭灰が粉塵であり、重金属を溶出する危険性を有することによる。石炭灰の埋め立て処分は、処分場の用地の確保難等により年々難しくなっていることから、灰中の重金属を封印し、かつ灰を減容する処理方式が検討されている。その一つに、灰溶融炉を用いて灰を溶融し、スラグとして回収する方式がある。そして、燃料の燃焼熱で灰を溶融スラグ化し、スラグ排出口下方に設けた水槽にてスラグを冷却・回収する灰溶融炉が開発されている(例えば、特許文献1参照)。
【0003】
【特許文献1】
特開2000−74338号公報(第1図,第5図,第6図,第7図,第10図)
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
スラグ排出口を介した灰溶融炉内からの輻射熱と、1000度以上で流下する溶融スラグの持ち込み熱、数百度以上のスラグ排出筒内のガスからの伝熱などによって、スラグ排出筒内における水槽の水温は、局所的に、排出筒外における水槽の水温よりも高くなる。石炭灰の融点は、廃棄物の灰や高炉スラグの融点よりも高い。このため、石炭灰を溶融させる場合、灰溶融炉内からの輻射熱や、溶融スラグの持ち込み熱や、スラグ排出筒内のガスからの伝熱は、廃棄物の灰や高炉スラグを扱う場合と比べて、大きくなる。従って、スラグ排出筒内の水槽内の水温はさらに上昇する。この場合、スラグ排出筒内の水槽内の水が沸騰し、場合によっては水蒸気爆発を起こす危険性がある。
【0005】
一方、スラグ排出筒内の水槽内の水温が上昇すると、スラグ排出筒内に蒸発する水量も増加する。この水蒸気に熱を奪われ、スラグ排出筒内及びスラグ排出口での温度が低下し、溶融スラグが固化する危険性も有する。
【0006】
本発明は、以上のことから、スラグ排出筒内の上部の水を冷却することを目的とする。
【0007】
【課題を解決するための手段】
本発明は、灰を溶融して溶融スラグを生成する溶融燃焼室と、前記溶融燃焼室から溶融スラグを流下させるスラグ排出口と、前記スラグ排出口の下部のスラグ排出筒と、溶融スラグを冷却し回収する水槽とを備えた灰溶融炉において、前記スラグ排出筒が前記水槽内の水に浸かった水封構造を形成するとともに、最も水温の上がりやすい前記スラグ排出筒内の上部の水を冷却させる冷却水噴射ノズルを水中に対向して設けたものである。
【0008】
【発明の実施の形態】
スラグ排出筒内に冷却水を導入することで、スラグ排出筒内の水温の上昇を防ぐ。また、冷却水ノズルの本数やノズル形状や配置,冷却水の噴出角度などを工夫する。これにより、溶融スラグの異なる流下パターンにも対応し、装置の簡素化を実現する。
【0009】
次に、スラグ排出筒の開口面積を水槽方向に広げる箇所を設ける。これにより、スラグ排出筒内の水面の表面積を大きくすることで、スラグ排出筒内での水温を上昇しにくい構造とする。
【0010】
さらに、スラグ排出筒内の水を旋回させて攪拌して、水温の上昇を防ぐ。この場合、水中に落下した溶融スラグが中心部に集中する可能性がある。そこで、スラグ排出筒内の水面下に、鉛直上方を凸とした凸状構造体を設置することで溶融スラグを周方向に分散させる。
【0011】
以上に示した本発明は、融点の高い石炭灰を扱う場合や、灰を大量に処理する灰溶融炉に向く。これと同時に、溶融スラグを冷却し、水砕スラグを製造するための水槽の小型化に寄与する。
【0012】
以下、本発明の実施例を図面に基づいて説明する。
【0013】
(第一実施例)
本発明の第一実施例の、冷却水噴射ノズルを備えた灰溶融炉を図1に示す。
【0014】
溶融燃焼室1は、空気ノズル13,燃料ノズル9,灰ノズル11を有する。これらのノズルから、空気14,燃料10,灰12が炉内に供給される。燃料10と空気14は、炉内で混合して燃焼し、その燃焼熱によって炉内温度が上昇する。炉内温度が灰12の融点以上まで上昇すると灰12が溶融し、溶融スラグ8となる。ここで、燃料10に灰分を含む場合、燃料10中の灰分も自身の融点以上で溶融スラグ8となる。
【0015】
溶融スラグ8は、溶融燃焼室1の内壁に付着して流下し、スラグタップ18の上面に達する。溶融スラグ8は、スラグタップ18に設けられたスラグ排出口2から落下し、スラグ排出筒3を経由して、その直下のスラグ排出筒内の水17に落下する。ここで溶融スラグ8は冷却され、水砕スラグとなってスラグ回収装置5にて系外に搬出される。スラグ回収装置5は、水槽4内に設置されている。このためスラグ回収装置5で運搬中に、水砕スラグは水槽内の水16によってさらに冷却される。
【0016】
溶融スラグ8は、1000℃以上の高温であるため、水槽内の水16の温度を上昇させる。特に、水封構造をもつ灰溶融炉では、スラグ排出筒3が水槽4内に浸かっている。これにより、スラグ排出筒内の水17の温度は局所的に上昇する。これは、スラグ排出筒内の水17が、スラグ排出口2を介して溶融燃焼室1内からの輻射熱を、1000度以上で流下する溶融スラグ8の持ち込み熱を、数百度以上に保持されたスラグ排出筒3内のガスからの伝熱などを直接受けるためである。さらに、スラグ排出筒内の水17は、スラグ排出筒3にて水槽内の水16と仕切られており、よどみやすい。従って、水槽4内の水を循環させても、スラグ排出筒内の水17はあまり冷却されず、よどむことでさらに温度が上昇し、沸騰する。一方、スラグ排出筒内の水17の温度が上昇すると、スラグ排出筒3内に蒸発する水量も増加する。この水蒸気で熱を奪われ、スラグ排出筒3内及びスラグ排出口2での温度が低下し、溶融スラグ8が固化する危険性も有する。
【0017】
以上のことから、スラグ排出筒内の水17槽内の水を局所的に冷却する手段が必要となる。そこでスラグ排出筒3内に冷却水供給配管6を導入し、冷却水噴射ノズル7を設置させる。冷却水噴射ノズル7から冷却水15を噴射することで、スラグ排出筒3内を強制的に冷却する。図1では、冷却水噴射ノズル7を、スラグ排出筒内の水17の中に配置した場合を示す。これにより、スラグ排出筒内の水17を局所的に冷却でき、この場所での水温上昇を防ぐことができる。また、冷却水噴射ノズル7を水中に設置することで、溶融燃焼室1内からの輻射熱による過熱も防止できる。さらに冷却水噴射ノズル7をスラグ排出筒3の内壁付近に設置して、流下してくる溶融スラグ8に当たらないように配置することで、溶融スラグ8による冷却水噴射ノズル7の閉塞を防ぐ。
【0018】
一方で、冷却水噴射ノズル7の取り付け方法や運用方法を工夫することで、スラグ排出筒内の水17の上に配置して、冷却水15を流下する溶融スラグ8に吹き付けて、溶融スラグ8の持込熱を小さくする方式も有効と考えられる。
【0019】
図2は、冷却水噴射ノズル7を水面と平行に設置し、2本対向させた場合の冷却水噴射ノズル7の取り付け図を示す。冷却水噴射ノズル7は、スラグ排出筒内の水17の中で、スラグ排出筒3の内壁付近に設置することで、流下する溶融スラグ8の直撃を避けている。冷却水15は、2本の冷却水噴射ノズル7から噴射される。噴射された冷却水15は衝突し、スラグ排出筒内の水17で上部の水を同伴しながら循環流を形成する。最も水温の上がりやすいスラグ排出筒内の水17で上部の水は、冷却水15自身と、水槽内の水16との接触によって冷却される。これにより、スラグ排出筒内の水17を局所的に冷却できるため、灰融点の高い石炭灰を大量に溶融することが可能となる。
【0020】
図3は、冷却水噴射ノズル7高さでの横断面図(図2のA−A′断面)である。ここでは冷却水噴射ノズル7を2本対向させて設置した場合を示す。冷却水供給配管6を介して、対向する冷却水噴射ノズル7から噴射された冷却水15は、スラグ排出筒3内で衝突し、拡散して循環流を形成する。これによりスラグ排出筒3内の水を循環・冷却させ、流下してくる溶融スラグも冷却する。
【0021】
図4は、冷却水噴射ノズル7を90度間隔で4本設置し、それぞれ2本ずつ対向させて設置した場合での、冷却水噴射ノズル7高さにおける横断面図(図2のA−A′断面)である。冷却水15を4箇所から供給することで、スラグ排出筒3内の水を、より均一に冷却できる。また図4では、同じ高さに4本の冷却水噴射ノズル7を設置したが、対向する2本ずつ高さを変えて設置しても、効果的に冷却できる。
【0022】
(第二実施例)
本発明の第二実施例における、冷却水噴射ノズルの取り付け図を図5に示す。溶融燃焼室1の底にスラグタップ18を有し、スラグタップ18にスラグ排出口2が設けられている。スラグ排出口2の直下には、スラグ排出筒3が設置されている。スラグ排出筒3は、水槽4上にあり、水槽内の水16に浸されている。
【0023】
スラグ排出筒内の水17の中まで冷却水供給配管6が導入されており、その先端には冷却水噴射ノズル7が設置されている。本実施例では、冷却水噴射ノズル7が対向して2本設置され、それらの先端が鉛直上向きに取り付けられた場合について説明する。
【0024】
冷却水噴射ノズル7から鉛直上向きに噴出された冷却水15は、スラグ排出筒内の水17の上面に達し、重力で下方向の流れとなる。この過程で、対向する2本の冷却水15の流れは衝突し、落下する溶融スラグを冷却する。
【0025】
ここで溶融燃焼室1及びスラグ排出筒3は、スラグ排出筒内の水17により水封構造となっている。このため、溶融燃焼室1及びスラグ排出筒3の領域の圧力によって、スラグ排出筒内の水17の高さが変動する。特に、これら領域の圧力が上昇すると、スラグ排出筒内の水17の高さは低くなり、冷却水噴射ノズル7がスラグ排出筒3内でむき出しとなる場合がある。この場合、ノズル先端に溶融スラグが付着すると、ノズルが閉塞する恐れがある。
【0026】
一方、これら領域の圧力が低下して、スラグ排出筒内の水17の高さが上昇すると、冷却水噴射ノズル7と水面との距離が大きくなり、水面付近の水を冷却しきれない可能性がある。
【0027】
以上のことから、溶融燃焼室1及びスラグ排出筒3の領域における圧力を一定に保つような灰溶融炉の運用が望ましい。しかしながら、これら領域における圧力変動に備えて、スラグ排出筒内の水17の高さに応じて、冷却水噴射ノズル7の高さを可変させることで、灰溶融炉をより安全に運用できる。
【0028】
(第三実施例)
本発明の第三実施例における、冷却水噴射ノズルの取り付け図を図6に示す。第二実施例とは、冷却水噴射ノズル7からの冷却水15の噴射方向が異なる。ここでは、冷却水噴射ノズル7の先端をU字型に折り曲げ、冷却水15を下向きに噴射した場合を示す。
【0029】
冷却水噴射ノズル7から噴射された冷却水15は、はじめは下向きに流れるものの、浮力によって上向き流れとなる。この過程で対向する2本の冷却水の流れが衝突する。2本の冷却水噴射ノズル7の中央付近に溶融スラグを落とすことで、スラグの冷却と、スラグ排出筒内の水17の冷却を両立させる。
【0030】
冷却水噴射ノズル7の先端を下向きとしたことで、以下2点の面で運用しやすくなる。1点目は、ノズルの先端で閉塞しにくいことである。冷却水噴射ノズル7に溶融スラグが付着したとしても、ノズル先端を下向きとしているため、ノズル先端で閉塞する可能性が低くなる。2点目は、ノズルから噴射される冷却水
15の流速の設計裕度を広くとれることである。これは、冷却水15を下向きに噴射するため、冷却水15の噴出速度を高くしても、スラグ排出筒内の水17の水面に対する影響や、流下した溶融スラグを吹き飛ばす影響を小さくできる。
【0031】
さらに、先端をU字に加工された冷却水噴射ノズル7及び冷却水供給配管6を導入するスペースを確保するため、また、溶融燃焼室1内を見込む輻射熱及びスラグ排出筒3内の雰囲気ガスとの伝熱を小さくするために、スラグ排出筒3の開口面積を、鉛直下方に拡大し、スラグ排出筒内の水17の容積を増やす方式も有効である。
【0032】
ここで、冷却水噴射ノズル7の先端の角度は、本実施例に制約されることなく、鉛直上方から鉛直下方までいかなる角度に設定しても構わない。これは、冷却水噴射ノズル7から冷却水15が供給される限り、スラグ排出筒内の水17を冷却する機能を有するためである。
【0033】
(第四実施例)
本発明の第四実施例における、冷却水噴射ノズルの取り付け図を図7に示す。ここでは、第一実施例の図2と同様に、冷却水噴射ノズル7を2本設置した場合を示す。図7では、円筒状のスラグ排出筒3を有し、冷却水噴射ノズル7をスラグ排出筒3の接線方向に設置したことを特徴としている。ノズル設置高さでの断面図(A−A′断面)を図8に示す。冷却水噴射ノズル7を接線方向に設置することで、冷却水15はスラグ排出筒3内で旋回流を形成する。これにより、スラグ排出筒内の水17の攪拌が促進するとともに、落下してくる溶融スラグも冷却される。
【0034】
(第五実施例)
本発明の第五実施例における、冷却水噴射ノズルの取り付け図を図9に示す。ここでは、第四実施例の図7で考案した冷却システムで、スラグ排出口2の直下に、凸状構造体19設置した場合を示す。図10は、図9のノズル設置高さでの断面図(A−A′断面)を示す。冷却水噴射ノズル7を接線方向に設置することで、冷却水15はスラグ排出筒3内で旋回流を形成する。これにより、スラグ排出筒内の水17の攪拌が促進するとともに、落下してくる溶融スラグも冷却される。
【0035】
しかしながら、溶融スラグは水より比重が大きい。また粒径の大きなスラグほど、冷却水15で形成される旋回流に同伴されず、スラグ排出筒3内の中心部に堆積することが考えられる。このような堆積を物理的に防止してスラグを分散するため、凸状構造体19の設置が有効である。特に、凸状構造体19は、冷却水噴射ノズル7よりも低い位置に設置されるのが望ましい。
【0036】
【発明の効果】
本発明によれば、スラグ排出筒内の上部の水を冷却できる。これにより、この場所における局所的な水温上昇による沸騰や、蒸発水によるスラグ排出筒及びスラグ排出口での温度低下を防止できる。また溶融スラグを冷却して水砕スラグを製造するための水槽を、小型化できる。さらに本発明を使用した灰溶融炉では、融点の高い石炭灰の溶融や、大量の灰溶融が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図1】第一実施例の冷却水噴射ノズルを備えた灰溶融炉。
【図2】第一実施例の冷却水噴射ノズルの取り付け図。
【図3】第一実施例の冷却水噴射ノズル位置の横断面。
【図4】第一実施例の冷却水噴射ノズル位置の横断面。
【図5】第二実施例の冷却水噴射ノズルの取り付け図。
【図6】第三実施例の冷却水噴射ノズルの取り付け図。
【図7】第四実施例の冷却水噴射ノズルの取り付け図。
【図8】第四実施例の冷却水噴射ノズル位置の横断面。
【図9】第五実施例の凸状構造体と冷却水噴射ノズルの取り付け図。
【図10】第五実施例の凸状構造体を有した冷却水噴射ノズル位置の横断面。
【符号の説明】
1…溶融燃焼室、2…スラグ排出口、3…スラグ排出筒、4…水槽、5…スラグ回収装置、6…冷却水供給配管、7…冷却水噴射ノズル、8…溶融スラグ、9…燃料ノズル、10…燃料、11…灰ノズル、12…灰、13…空気ノズル、14…空気、15…冷却水、16…水槽内の水、17…スラグ排出筒内の水、18…スラグタップ、19…凸状構造体。
Claims (4)
- 灰を溶融して溶融スラグを生成する溶融燃焼室と、前記溶融燃焼室から溶融スラグを流下させるスラグ排出口と、前記スラグ排出口の下部のスラグ排出筒と、溶融スラグを冷却し回収する水槽とを備えた灰溶融炉において、
前記スラグ排出筒が前記水槽内の水に浸かった水封構造を形成するとともに、
最も水温の上がりやすい前記スラグ排出筒内の上部の水を冷却させる冷却水噴射ノズルを水中に対向して設けたことを特徴とする灰溶融炉。 - 請求項1記載の灰溶融炉であって、
前記スラグ排出筒の開口面積を鉛直下方に拡大したことを特徴とする灰溶融炉。 - 請求項1記載の灰溶融炉であって、
冷却水噴射ノズルの位置を可変とできることを特徴とする灰溶融炉。 - 請求項1記載の灰溶融炉であって、
前記スラグ排出筒内の水面下に、鉛直上方を凸とした凸状構造体を設けたことを特徴とする灰溶融炉。
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