JP4285743B2 - 溶融炉の温度計測装置、及び監視装置 - Google Patents

Description

本発明は、一般廃棄物や産業廃棄物、又はこれらを焼却処理した際に発生する焼却灰等を溶融処理する溶融炉の温度計測装置、及び監視装置に関し、特に、耐火壁温度を計測し、さらに該計測した耐火壁温度を基に耐火壁の侵食を監視する溶融炉の温度計測装置、及び監視装置に関する。

一般廃棄物や産業廃棄物、またはこれらを焼却処理した際に発生する焼却灰は、廃棄物の減容化及び資源化を目的として、各種溶融炉により溶融固化して処理されている。
溶融炉の運転に際しては、溶融スラグの生成、有害物質の発生抑制、炉壁の耐久性等の様々な問題を考慮した上で、炉内温度を最適に維持する必要がある。
例えば、溶融スラグが所定温度以下となると流動性が低下し、出滓口での排出が断続的になるという問題を有し、また所定温度以上となると炉内壁の耐火材の侵食が著しくなるため、溶融炉内の温度を常に好適に維持しなければならない。
このように、溶融炉の運転を円滑に行なうためには炉内の温度管理が重要な要件となり、炉内の温度計測が必須となる。

従来の溶融炉の温度計測は、図６に示されるように炉壁に組込む熱電対式の温度計を利用する方法が広く利用されている。一般に、溶融炉内部は高温に維持されているため、炉壁は水冷ジャケット１３及び鉄板１４からなる鉄皮１２、不定形材で形成されたスタンプ１５、耐火性、耐蝕性に優れた耐火ブロック１６等により構成されており、鉄皮１２に直角に穿孔された挿入孔３２に熱電対３０が挿し込まれ、熱電対の先端部３１が耐火ブロック１６の外周面に接触するように配置されている。
また、熱電対を利用した温度計測装置として、特許文献１では熱電対の炉内と炉外の接続部にスプリングを介在させ、耐火ブロックに対して熱電対先端部の押圧力が常時付与されるような装置を提供している。これにより、耐火ブロック温度を精度良く測定することを可能としている。

また、特許文献２には、炉壁の内面に金属ライナを設け、金属ライナに向けて挿通した中空管に熱電対を挿し込んでその先端をライナにはんだ付けした温度測定装置が記載されている。金属ライナは熱伝導率がよい金属を利用しているため、この装置により炉内温度を正確に測定することができる。
このように、炉壁に設置された熱電対により耐火壁温度や炉内温度を検出する方法が各種提案されている。

しかし、熱電対により炉壁を計測して炉内温度を制御しても、炉内の高温雰囲気による耐火壁の侵食は完全には防ぎきれない。鉄皮に囲繞された炉内壁は、アルミナ酸化物系セラミックやカーボン等で形成された耐火レンガ、耐火キャスタブル等の耐火物により形成されている。かかる耐火物は高温雰囲気に晒されて侵食し、炉の操業に伴い徐々に肉厚が減少する。炉内温度を計測するとともに耐火物厚さを測定し、溶融炉の監視を行なうことは、炉の寿命、補修時期を適切に把握する上で非常に重要であり、溶融炉を円滑に稼動するためには耐火物厚さを精度良く測定することが要求されている。

実開平７−４１４３５号公報 特開平１１−２４１９５２号公報

上記したように、溶融炉の運転に際しては炉壁の温度を常時計測しているが、炉内の高温雰囲気により炉内に露出する側から耐火壁が侵食してしまうことは防ぎきれない。耐火壁の侵食が進むと、特許文献１のように熱電対を挿入するために炉壁に孔を穿孔した場合には、溶融スラグが炉外に漏出する惧れがある。特に、出滓口付近は他の炉壁部位に比べて熱負荷が高く、炉壁のみを監視した場合には出滓口が侵食してスラグが流出してしまう可能性が高い。
一方、特許文献２のように金属ライナを設置する場合には、炉内の温度を正確に測定することは可能であるが、耐火壁自体の温度を測定することはできない。
従って、本発明は上記従来技術の問題点に鑑み、耐火壁の温度を正確に測定し、耐火壁の侵食を監視する装置であって、耐火壁が侵食した場合においても溶融スラグが漏出することのない溶融炉の温度計測装置、及び該監視装置を提供することを目的とする。

そこで、本発明はかかる課題を解決するために、
耐火壁と、該耐火壁を被覆する鉄皮により炉壁が形成され、該炉壁の一部に溶融スラグを溢流させて排出する出滓口を備えた溶融炉であって、該溶融炉の炉壁温度を熱電対を利用して計測する溶融炉の温度計測装置において、
前記熱電対の鉄皮側挿入孔の高さ位置を、前記溶融スラグ液面より上方とするとともに、該熱電対先端の高さ位置を前記出滓口の底面高さ近傍として該熱電対先端を前記耐火壁の外周面に接するように位置させ、前記熱電対を炉内側に向けて下方に傾斜させて配置したことを特徴とする。

このように、前記熱電対の挿入孔の入口側開口を前記溶融スラグ液面より上方とし、さらに該挿入孔を炉内へ向けて下方に傾斜させて配置することにより、耐火壁が侵食した場合においても溶融スラグの炉外への流出を確実に防ぐことができる。さらに、本発明では、熱電対先端の感温部を出滓口の底面高さ近傍としているため、溶融スラグによる耐火壁の侵食が最も著しい部位の温度を計測することを可能としている。
また、前記熱電対を被覆する熱電対ガイド部材を前記炉壁内に埋設し、前記熱電対を交換可能に構成することが好ましく、これにより熱電対が断線若しくは消耗した場合においても容易に交換することができる。

さらに、前記溶融炉の周方向における前記熱電対の設置位置を、前記出滓口近傍とすることが好適である。
溶融炉において、出滓口付近が最も溶融スラグによる侵食が激しく、特に出滓口から両側に９０°以内の範囲において最も侵食が進む。従って、前記出滓口近傍、好適には出滓口両側に９０°以内の範囲に熱電対を配置することが好ましい。

耐火壁と、該耐火壁を被覆する鉄皮により炉壁が形成され、該炉壁の一部に溶融スラグを溢流させて排出する出滓口を備え、前記炉壁は、溶融スラグに接する位置に耐火ブロックが配設され、炉外側に水冷ジャケット及び鉄板からなる鉄皮が配設され、該耐火ブロックと鉄皮との間に、ＳｉＣ、Ａｌ _２ Ｏ _３ を主成分とした充填材であるスタンプが介在している溶融炉の監視装置において、
前記炉壁に熱電対を配設するとともに前記溶融スラグの温度を検出するスラグ温度検出手段を設け、
前記熱電対により計測された耐火壁温度と、前記スラグ温度検出手段により計測されたスラグ温度と、前記耐火壁の熱伝導率とに基づき下記数２式により該耐火壁厚さを算出し、該耐火壁の交換時期を判断する演算装置を設けた溶融炉の監視装置であって、
前記熱電対の鉄皮側挿入孔の高さ位置を、前記溶融スラグ液面より上方とするとともに、該熱電対先端の高さ位置を前記出滓口の底面高さ近傍として前記熱電対を炉内側に向けて下方に傾斜させて配置し、該熱電対先端を前記耐火壁の外周面に接触させて前記耐火壁温度を計測するようにしたことを特徴とする溶融炉の監視装置。
Ｔ_ｓ：スラグ温度，Ｔ_ｗ：冷却水温度，Ｔ_ｓｔ：耐火壁温度，
λ_ｒ：耐火壁熱伝導率，λ_ｓｔ：スタンプ熱伝導率，
ｄ_ｓｒ：スラグ−耐火壁境界面の熱伝導率
ｄ_ｓｔ：耐火壁−スタンプ境界面の熱伝導率，
ｄ_ｗ：スタンプ−冷却ジャケットの熱伝導率
ｘ：耐火壁厚さ、ｘ_ｓｔ：スタンプ厚さ

本発明によれば、炉内の高温雰囲気を要因とする耐火壁の侵食度合いを簡単な装置構成で以って検出することができ、耐火壁の寿命、交換時期、補修時期を適切に把握することが可能となる。尚、予め通常運転可能な耐火壁厚さを閾値として設定しておき、前記演算装置により求められた耐火壁厚さが前記閾値以下となった場合に、運転を停止してモニタ上に耐火物残存厚さを表示するようなプログラムを前記演算装置に組み込んでおいても良い。
万が一耐火壁の侵食が進んだ場合においても、前記熱電対の挿入孔の入口側開口を前記溶融スラグ液面より上方として該熱電対を炉内に向けて傾斜させているため、溶融スラグが炉外へ流出することがない。

さらに、前記スラグ温度検出手段が、前記溶融スラグの上方に設けられた放射温度計であることを特徴とする。このように、溶融スラグ温度を放射温度計で計測することにより、浸漬型温度計のように消耗することなくスラグ温度を検出することができる。
さらにまた、前記スラグ温度検出手段が、被溶融物の単位量当りの供給電力量から溶融スラグ温度を推定する手段であることを特徴とする。これによれば、新たに温度検出手段を設置する必要がなく設備を簡素化することができる。

以上記載のごとく本発明によれば、熱電対の挿入孔の入口側開口を前記溶融スラグ液面より上方とし、さらに該挿入孔を炉内へ向けて下方に傾斜させて配置することにより、耐火壁が侵食した場合においても炉外への溶融スラグの流出を確実に防ぐことができる。また本発明では、熱電対先端の感温部を出滓口の底面高さ近傍としているため、溶融スラグによる耐火壁の侵食が最も著しい部位の温度を計測することができ、さらに計測した温度を基に耐火壁の侵食度合いを監視することにより、適切な耐火壁の交換時期、補修時期を容易に把握することができる。

以下、図面を参照して本発明の好適な実施例を例示的に詳しく説明する。但しこの実施例に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対的配置等は特に特定的な記載がない限りは、この発明の範囲をそれに限定する趣旨ではなく、単なる説明例に過ぎない。
本実施形態は、一例としてプラズマアークを発生させて焼却灰を溶融処理するプラズマ溶融炉につき説明するがこれに限るものではなく、一般廃棄物、産業廃棄物及びこれらを焼却処理した際に発生する飛灰を含む焼却灰等の被溶融物を加熱して溶融処理を行うものであれば何れでも良い。

図１は溶融炉の炉壁部分を拡大した概略断面図である。該炉壁は、溶融スラグ２７に接する位置に耐火ブロック１６が配設され、炉外側に水冷ジャケット１３及び鉄板１４からなる鉄皮１２が配設され、該耐火ブロック１６と鉄皮１２との間にはスタンプ１５が介在している。前記耐火ブロック１６は、例えば硅石レンガ、アルミナ系キャスタブル等の耐火材で形成されており、前記耐火ブロック１６を固定するために目地としてモルタル、キャスタブル等の不定形耐火物が用いられている。前記水冷ジャケット１３は、内部に冷却水を通流させて炉内からの放熱を吸収するようにしている。前記スタンプ１５は、ＳｉＣ、Ａｌ_２Ｏ_３等を主成分とした充填材である。

また本実施例では、前記鉄皮１２からスタンプ１５にかけて熱電対３０を挿し込んだ構成としている。該熱電対３０は公知の熱電対であり、前記鉄皮１２に挿設された挿入孔３２からスタンプ１５にかけて傾斜させて挿入し、該熱電対３０の感温部である先端部３１が前記耐火ブロック１６の外周面に接触するように配設している。前記挿入孔３２の炉外側開口部にはコンプレッションフィッティング３３が取付けられ、挿し込んだ熱電対３０を固定するようにしている。また、鉄皮１２に設けられた挿入孔３２の高さ位置３２Ａは、前記溶融スラグ２７のスラグ面２７Ａより上方とし、熱電対先端部３１の高さ位置３１Ａは出滓口（不図示）底面高さ近傍とし、熱電対３０が炉内に向けて傾斜するように配設している。
このように熱電対を配置させることにより、耐火ブロック１６及びスタンプ１５が侵食した場合においても前記挿入孔３２を通って炉外へ溶融スラグが流出することがなく、安全に炉の操業を行なうことができる。

図２は図１の温度計測装置を備えた溶融炉の平断面図であり、出滓口に設けられた出滓樋２３の近傍に前記熱電対３０を設けている。該熱電対３０の設置方法は、前記図１の場合と略同様である。溶融炉において、出滓口付近は溶融スラグによる耐火壁の侵食が最も激しく、かかる侵食部１６ａの近傍に熱電対３０を設けることで、適切な温度調整を行なうことができ、侵食を最小限に抑えることができる。また、出滓口近傍に熱電対３０を設けて温度計測を行なうことにより耐火物の侵食を早期に検知することができる。
このとき、特に出滓樋２３から両側に９０°以内の範囲が最も侵食が進む。従って、前記出滓樋２３近傍、好適には出滓樋２３から両側に９０°以内の範囲に熱電対３０を配置することが好ましい

また、図３は図１の別の実施例に係る温度計測装置の概略断面図である。図３において、熱電対３０は鉄皮１２の挿入孔３２からスタンプ１５にかけて挿し込まれ、その先端部３１が耐火ブロック１６の外周面に接触するように配設されている。本実施例では、該熱電対３０を挿通するための熱電対ガイド３３を設けた構成としている。該熱電対ガイド３３は中空状で前記熱電対３０を挿通可能に形成され、前記挿入孔３２よりスタンプ１５にかけて挿設されている。このように、熱電対ガイド３３を設けることにより、熱電対３０が断線、破損若しくは消耗した場合においても、簡単に交換することができる。

本発明の実施例２は、前記実施例１に示した温度計測装置を利用した溶融炉の監視装置である。かかる監視装置は、主に耐火壁の侵食度を監視する装置である。
まず本実施例が適用されるプラズマ溶融炉１０につき説明する。図４において、かかるプラズマ溶融炉１０は、鉄皮１２と耐火ブロック１６からなる炉本体１１を有し、該炉本体１１の炉蓋１７に貫挿された主電極１９と、炉底１８に配設された炉底電極２０との間に直流電源２１により電圧を印加してプラズマアーク２６を生成する。灰投入口２２より炉内に投入された焼却灰は、生成したプラズマアーク２６により溶融され、比重差により溶融スラグ２７と溶融メタル２８に分離して炉底に溜まる。該溶融スラグ２７はオーバーフローにより出滓口２４に配設された出滓樋２３から排出される。

本実施例では、出滓口２４近傍の鉄皮１２に熱電対挿入孔が設けられ、熱電対３０が前記実施例１と略同様に挿設されている。即ち、前記挿入孔は溶融スラグ面より上方に配設され、一方前記熱電対３０の先端部は前記出滓口２４の底面高さ近傍に位置するように耐火ブロック１６に接触させて配設している。このとき、該熱電対３０は炉内に向けて傾斜するように配設される。
また、前記炉蓋１７には覗き窓２５が設けられ、その外部に放射温度計３５が設置されている。該放射温度計３５は炉内の溶融スラグ２７に向けて配設される。かかる放射温度計３５は、溶融スラグ２７が放出する赤外線を検出して分析することにより、非接触で対象物質の温度を計測する公知の計器である。

さらに本実施例では、前記熱電対３０で計測した耐火壁温度及び前記放射温度計３５で検出したスラグ温度等に基づいて耐火ブロック１６の残存肉厚を算出する演算装置３６を備えている。該演算装置３６における耐火ブロック１６の残存肉厚の算出方法につき、図５を用いて説明する。
前記熱電対３０により耐火壁温度Ｔ_ｓｔが求められ、前記放射温度計３５によりスラグ温度Ｔ_ｓが求められ、これらを基にして、溶融スラグ２７から熱電対３０までの熱流束を与える式（１）と、熱電対３０から水（水冷ジャケット１３）までの熱流束を与える式（２）が求められる。

さらに、式（１）と式（２）は同等であるため、下記式（３）が与えられる。
これより、耐火ブロックの残存肉厚が求められる。

このように、前記熱電対３０と前記放射温度計３５を設けることにより、炉内の高温雰囲気を要因とする耐火壁の侵食度合いを簡単な装置構成で以って検出することができ、耐火壁の寿命、交換時期、補修時期を適切に把握することが可能となる。
尚、予め通常運転可能な耐火壁厚さを閾値として設定しておき、前記演算装置３６により求められた耐火ブロック厚さが前記閾値以下となった場合に、運転を停止してモニタ（不図示）上に耐火物残存厚さを表示するようなプログラムを前記演算装置３６に組み込んでおいても良い。
さらに、前記放射温度計３５の替わりに、単位灰量当りの供給電力量から溶融スラグ温度を推定する手段を前記演算手段３６に設けても良い。これによれば、新たに放射温度計３５を設置する必要がなく設備を簡素化することができる。

本実施形態では、熱電対による耐火壁の温度計測装置とスラグ温度計と組み合わせて炉内耐火壁の侵食を監視する装置を提供しているが、他にも炉内供給電力量を検出する手段と前記熱電対とを組み合わせてスラグの溶融状況を監視及び制御する装置などのように、本実施形態における温度計測装置は各種監視に適用することができる。

本発明の実施例１に係る温度計測装置の概略断面図である。 図１の温度計測装置を備えた溶融炉の平断面図である。 図１の別の実施例に係る温度計測装置の概略断面図である。 本発明の実施例２に係る監視装置を備えた溶融炉の断面図である。 図３の監視装置における温度計測装置の説明図である。 従来の溶融炉の温度計測装置の概略断面図である。

符号の説明

１０ プラズマ溶融炉
１２ 鉄皮
１３ 水冷ジャケット
１４ 鉄板
１６ 耐火ブロック
１６ａ 侵食部
２３ 出滓樋
２４ 出滓口
２７ 溶融スラグ
２７Ａ 溶融スラグ面
３０ 熱電対
３１ 先端部
３１Ａ 先端部高さ位置
３２ 挿入孔
３２Ａ 挿入孔高さ位置
３４ 熱電対ガイド
３５ 放射温度計
３６ 演算装置

Claims (6)

1. 耐火壁と、該耐火壁を被覆する鉄皮により炉壁が形成され、該炉壁の一部に溶融スラグを溢流させて排出する出滓口を備えた溶融炉であって、該溶融炉の炉壁温度を熱電対を利用して計測する溶融炉の温度計測装置において、
   前記熱電対の鉄皮側挿入孔の高さ位置を、前記溶融スラグ液面より上方とするとともに、該熱電対先端の高さ位置を前記出滓口の底面高さ近傍として該熱電対先端を前記耐火壁の外周面に接するように位置させ、前記熱電対を炉内側に向けて下方に傾斜させて配置したことを特徴とする溶融炉の温度計測装置。
2. 前記熱電対を被覆する熱電対ガイド部材を前記炉壁内に埋設し、前記熱電対を交換可能に構成したことを特徴とする請求項１記載の溶融炉の温度計測装置。
3. 前記溶融炉の周方向における前記熱電対の設置位置を、前記出滓口近傍としたことを特徴とする請求項１記載の溶融炉の温度計測装置。
4. 耐火壁と、該耐火壁を被覆する鉄皮により炉壁が形成され、該炉壁の一部に溶融スラグを溢流させて排出する出滓口を備え、前記炉壁は、溶融スラグに接する位置に耐火ブロックが配設され、炉外側に水冷ジャケット及び鉄板からなる鉄皮が配設され、該耐火ブロックと鉄皮との間に、ＳｉＣ、Ａｌ _２ Ｏ _３ を主成分とした充填材であるスタンプが介在している溶融炉の監視装置において、
   前記炉壁に熱電対を配設するとともに前記溶融スラグの温度を検出するスラグ温度検出手段を設け、
   前記熱電対により計測された耐火壁温度と、前記スラグ温度検出手段により計測されたスラグ温度と、前記耐火壁の熱伝導率とに基づき下記数２式により該耐火壁厚さを算出し、該耐火壁の交換時期を判断する演算装置を設けた溶融炉の監視装置であって、
   前記熱電対の鉄皮側挿入孔の高さ位置を、前記溶融スラグ液面より上方とするとともに、該熱電対先端の高さ位置を前記出滓口の底面高さ近傍として前記熱電対を炉内側に向けて下方に傾斜させて配置し、該熱電対先端を前記耐火壁の外周面に接触させて前記耐火壁温度を計測するようにしたことを特徴とする溶融炉の監視装置。
   Ｔ_ｓ：スラグ温度，Ｔ_ｗ：冷却水温度，Ｔ_ｓｔ：耐火壁温度，
   λ_ｒ：耐火壁熱伝導率，λ_ｓｔ：スタンプ熱伝導率，
   ｄ_ｓｒ：スラグ−耐火壁境界面の熱伝導率
   ｄ_ｓｔ：耐火壁−スタンプ境界面の熱伝導率，
   ｄ_ｗ：スタンプ−冷却ジャケットの熱伝導率
   ｘ：耐火壁厚さ、ｘ_ｓｔ：スタンプ厚さ
5. 前記スラグ温度検出手段が、前記溶融スラグの上方に設けられた放射温度計であることを特徴とする請求項４記載の溶融炉の監視装置。
6. 前記スラグ温度検出手段が、被溶融物の単位量当りの供給電力量から溶融スラグ温度を推定する手段であることを特徴とする請求項４記載の溶融炉の監視装置。