JP4563241B2 - 焼却灰溶融電気炉 - Google Patents

Description

この発明は、一般ごみや産業廃棄物などの焼却から生じる廃棄物焼却灰、特にその飛灰の溶融に用いる３相交流電気溶融炉に関する。

廃棄物の焼却灰を溶融する電気炉の加熱方式には、アーク式、プラズマ式、電気抵抗式等の方式があるが、アーク加熱やプラズマ加熱は焼却灰の表面をアークからの放射（輻射）熱で加熱するものであるため、一般に電気抵抗式に比べ加熱効率が低い。また、アーク加熱は電極消耗が激しいため維持管理費が嵩み、プラズマ加熱は設備費が高価になるという問題がある。その点、焼却灰に直接通電して焼却灰自身の電気抵抗熱で加熱する抵抗加熱は、アーク式やプラズマ式よりも高い加熱効率が得られ、電極消耗も少ないという利点がある。この電気抵抗式の焼却灰溶融炉については、例えば特許文献１に記載されている。
特開２０００−１６１６４６号公報

ところで、焼却灰溶融炉の排ガス処理系統で補足される飛灰は、溶融スラグの揮発成分（塩類）を多く含んでいる。そのため、飛灰を主体とする焼却灰を溶融すると溶融塩が生じるが、この溶融塩は比重が溶融スラグより小さく（溶融塩の比重は約１であるのに対し、溶融スラグの比重は約2.6）、溶融スラグから分離してその上面に層を形成する。ところが、この溶融塩はイオンに基づいて導電性が高いため、溶融スラグに電極を挿入する電気抵抗式の溶融炉では、スラグ上面に溶融塩層が生じると電極間に短絡が生じて発熱が低下する。また、溶融塩中のカリウムやナトリウム成分は、炉壁耐火物を浸潤してスポーリング等による損傷の原因となる。

一方、溶融炉に装入される飛灰の中には、亜鉛（抵抗率5.92×10⁶Ωcm）を大量に含有しているものがあり、この亜鉛は溶融スラグの抵抗率を下げるため、亜鉛成分の多い焼却灰はそれ自体で抵抗加熱による発熱が少ないという問題がある。

そこで、溶融塩が溶融スラグ上面を覆うと、従来は炉を一時的に停止して溶融塩を炉外に流出させているが、その場合には炉停止に伴う操業時間損失が発生する。また、溶融スラグに含まれる亜鉛成分は、流出により除去することができない。

この発明は、このような背景の下になされたもので、廃棄物焼却灰の電気溶融炉において、塩類の含有量の多い飛灰や亜鉛成分の多い焼却灰を抵抗加熱した際の発熱量の低下に対応することを課題とするものである。

上記課題を解決するために、この発明は、３相電極に交流電流を通電し、炉内に装入された廃棄物の焼却灰を溶融する焼却灰溶融電気炉において、前記電極を昇降させる手段と、前記電極に投入される電力を検出する手段と、この検出手段で検出された前記投入電力が設定値に低下するまでは前記電極を前記焼却灰中に挿入して抵抗加熱し、その後、前記投入電力が前記設定値以下に低下したら、前記昇降手段により前記電極を前記焼却灰から引き上げてアーク加熱に切り換える制御手段とを設けるものとする（請求項１）。

飛灰の溶融により発生する溶融塩は、1400℃以上の温度に維持することで揮散することが知られている。一方、焼却灰は通常、1500℃程度で溶融されるが、溶融スラグの表層は継続的に装入される新たな焼却灰により冷却され、その温度は1000℃以下、一般に600〜700℃程度に低下している。

一方、抵抗加熱による飛灰の溶融が進行し、スラグ上面に溶融塩層が形成されると、炉内抵抗（電極間抵抗）Ｒが低下する。炉内抵抗Ｒが低下しても炉電圧Ｖが一定であれば炉電流Ｉが増え、投入電力Ｐ（＝Ｉ²Ｒ）が低下することはない。しかし、炉電流Ｉが定格電流以上になると、電極、導体、炉用変圧器などが過熱損傷することから、炉電流Ｉは定格電流値以内に制限されている。そのため、炉内抵抗Ｒが低下すると、投入電力Ｐつまり発熱量が低下する。

ちなみに、このような加熱抵抗炉の制御方式として抵抗一定制御がある。これは定常運転状態での炉内抵抗値を予め設定し、電圧／電流比がその抵抗値になるように炉用変圧器のタップ電圧あるいは電極位置を制御する方式である。この制御方式においては、炉内抵抗が低下した場合、電極位置を変えないで運転を継続しようとすると電流、電圧がともに低下し、結果として投入電力が低下する。また、上記抵抗一定制御の他に、電流一定制御がある。この制御方式は炉用変圧器のタップ電圧あるいは電極位置を制御して電流を一定に制御するものであるが、この制御方式においても炉内抵抗Ｒが低下した場合、結果として投入電力Ｐが低下する。

そこで、この発明は、炉内抵抗Ｒの低下に基づく投入電力の低下を監視し、投入電力が設定値に低下するまでは抵抗加熱により焼却灰を溶融する一方、投入電力が設定値に低下したら、電極を焼却灰から引き上げてアーク加熱するものである。これにより、溶融スラグ上面の溶融塩がある程度の量に達した段階で、溶融スラグ上層と電極との間にアークを発生させ、このアークからの熱により溶融塩を高温に加熱して揮散させる。また、亜鉛含有量の多い焼却灰においては、溶融スラグ上面を高温にして亜鉛の蒸発を促すものである。

請求項１の発明において、前記制御手段は前記投入電力が前記設定値以下に低下した後、この状態が所定時間継続したら、前記抵抗加熱から前記アーク加熱に切り換えるようにすることができる（請求項２）。これにより、一時的な炉内抵抗の低下を区別して制御精度を高めることができる。

請求項１の発明において、前記制御手段は前記抵抗加熱から前記アーク加熱に切り換えた後、所定時間が経過したら前記電極を再び前記溶融スラグ中に挿入して前記抵抗加熱に復帰させる（請求項３）。すなわち、所定時間のアーク加熱により溶融塩が揮散し、あるいは亜鉛が蒸散そて炉内抵抗が回復したら、再び抵抗加熱に復帰させるものである。アーク加熱を行う時間は、溶融塩の揮散に必要充分な時間を予め定めておくものとする。

この発明によれば、抵抗加熱とアーク加熱とを併用することにより、専ら利点の多い抵抗加熱で焼却灰を溶融し、溶融塩の発生あるいは亜鉛の存在が認められたら一時的にアーク加熱に切り換え、溶融塩あるいは亜鉛が除去されたら再び抵抗加熱に復帰させることができる。その結果、高い熱効率と炉操業率を維持しながら、電極消耗や設備費を最小限に抑えることが可能になる。

以下、図１〜図４に基づいて、廃棄物の焼却飛灰を溶融する電気炉におけるこの発明の実施の形態を説明する。まず、図１はこの発明の実施の形態を示す電気炉のシステム構成図である。図１において、図示しない灰装入装置から炉本体１に装入された飛灰２に、３相電極（図１には１極分のみ示す）３が挿入され、飛灰２は３相交流電源４からタップ切換式の炉用変圧器５を介して供給される電力により抵抗加熱されて溶融される。炉電流Ｉは計器用変流器（ＣＴ）６で検出され演算部７に入力される。また、炉電圧Ｖは計器用変圧器（ＰＴ）８で検出され演算部７に入力される。

演算部７は、炉電圧Ｖ及び炉電流Ｉから、炉内抵抗Ｒ（＝Ｖ／Ｉ）及び投入電力Ｐ（＝ＩＶ）を演算し、比較部９に出力する。ここで、設定部１０には、加熱方式の切換点となる炉内抵抗Ｒａ、投入電力Ｐａが設定されている。そこで、比較部９は設定値Ｒａ及びＰａと演算部７から出力された炉内抵抗Ｒ及び投入電力Ｐとをそれぞれ比較し、炉内抵抗Ｒが設定値Ｒａに低下し（Ｒ≦Ｒａ）、投入電力Ｐが設定値Ｐａに低下したか（Ｐ≦Ｐａ）を判定する。そして投入電力Ｐが低下していなければ（Ｐ＞Ｐａ）、何も信号を出力しない。この状態で、電圧切換制御部１１は抵抗加熱電圧側の切換信号を電圧タップ切換器１２に出力しており、電圧タップ切換器１２は炉用変圧器５の電圧タップを抵抗加熱電圧、例えば２００Ｖに切り換え保持している。

また、この状態において、電極切換制御部１３は抵抗加熱電圧側の切換信号を電極駆動部１４に出力しており、電極駆動部１４は電極昇降装置１５を駆動して電極３を焼却灰（飛灰）２内に挿入した位置に保持している。なお、この電極位置（高さ位置）は、通常操業時の負荷の状態、電力投入効率等から最適位置が定められている。上記した状態で電極３に電圧が印加されると、図２に示すように焼却灰中を炉電流１６が流れ、焼却灰２は自身の抵抗に基づくジュール熱により発熱して溶融する（抵抗加熱）。図２において、焼却灰２が溶融して生じた溶融スラグ１７からは、比重分離により溶融メタル１８が炉底に沈降し、溶融塩１９がスラグ上面に層状に滞留する。

焼却灰２の溶融が進行し、溶融塩１９の量が増えると炉内抵抗Ｒが次第に低下し、それに伴って投入電力Ｐも低下する。その結果、炉内抵抗Ｒが設定値Ｒａに低下（Ｒ≦Ｒａ）し、投入電力Ｐが設定値Ｐａ以下に低下したら（Ｐ≦Ｐａ）、比較部９はタイマ２０により、この状態が継続する時間を計測する。そして、この継続時間が設定部１０に設定された所定時間Ｔａ、例えば１０分に達したら切換指令を出力する。なお、上記継続時間Ｔが所定時間Ｔａ達する前に投入電力Ｐが回復したら（Ｐ＞Ｐａ）、切換指令は出力しない。

上記切換指令が出力されると、電圧切換制御部１１はアーク加熱電圧への切換信号を電圧タップ切換器１２に出力する。これにより、電圧タップ切換器１２は炉用変圧器５の電圧タップをアーク加熱電圧、例えば３００Ｖに切り換える。同時に、電極切換制御部１３はアーク加熱位置への切換信号を電極駆動部１４に出力する。これにより、電極駆動部１４は電極昇降装置１５を駆動し、図３に示すように電極３を焼却灰２から引き上げる。

図３において、焼却灰２から定位置まで引き上げられた電極３は、焼却灰２（溶融スラグ１７）との間にアーク２１を発生する。このアーク２１は3000℃以上の高温を発し、焼却灰２の上層を放射熱により、例えば1500℃以上に加熱する。その結果、溶融塩１９は揮散して短時間で排除され、また沸点（907℃）以上に加熱された亜鉛は速やかに蒸散する。一方、比較部９は上記切換指令を出力した後、タイマ２０によりアーク加熱時間Ｔを計測する。そして、アーク加熱時間が設定部１０に設定された所定時間Ｔｂ、例えば３０分に達したら復帰指令指令を出力する。この所定時間Ｔｂは、溶融塩１９を揮散させるのに必要充分な時間として定める。

図４は、上記した加熱制御における投入電力Ｐと炉内抵抗Ｒとの関係を概念的に説明する特性図で、横軸は炉電流Ｉ、左縦軸は炉電圧Ｖ、右縦軸は投入電力Ｐであり、いずれも定常運転状態を基準とする百分比で示してある。図４において、定常運転状態での炉内抵抗Ｒを基準とし（Ｒ＝１）、この状態で炉電流Ｉが100％のときに炉電圧Ｖ及び投入電力Ｐはいずれも100％となり、炉電流Ｉが0〜100％の間で変化すると投入電力Ｐは図示の曲線（Ｒ＝１）で変化する。ここで、定常運転状態とは、焼却灰の溶融開始後、溶融スラグが電極間を満たし、炉電流Ｉが安定して流れるようになった状態で、溶融塩層はまだそれほど形成されていない段階である。

さて、炉内抵抗Ｒが定常運転状態に比べて減少した場合、炉内抵抗Ｒを定常運転状態と同一（Ｒ＝１）に合わせるには電極位置（間隔）を広げればよいが、溶融塩の滞留などにより炉内抵抗Ｒが数時間以上の間に徐々に低下するような場合、それに追随させて電極位置を連続的に変化させることは操業上困難である。従って、操業中に炉内抵抗が低下しても、基準抵抗値（Ｒ＝１）を前提とした電極位置を維持したまま操業を継続することになり、炉電圧Ｖ及び炉電流Ｉは減少する。例えば、図４において、炉内抵抗Ｒが50％（Ｒ＝0.5）になると投入電力ＰはＲ＝0.5の曲線に沿って変化し、同じく30％（Ｒ＝0.3）になると投入電力ＰはＲ＝0.3の曲線に沿って変化する。

そこで、この発明は、炉内抵抗Ｒの低下により投入電力Ｐが低下したら、加熱方式を抵抗加熱からアーク加熱に切り換えて溶融塩あるいは亜鉛を除去する。例えば図４において、炉内抵抗Ｒが定常運転状態の30％に低下（Ｒ＝Ｒａ＝0.3）し、投入電力が10％に低下したら（Ｐ＝Ｐａ＝10％）、アーク加熱に切り換える。このとき、炉内電流Ｉ（＝√（Ｐ／Ｒ）は約58％（＝√（0.10／0.3）となり、炉内電圧Ｖ（＝ＩＲ）は約17％（＝0.58×0.3）である。そして、アーク加熱により溶融塩の揮散を終了したら、アーク加熱から抵抗加熱に復帰させる。溶融炉の操業は、このような抵抗加熱→アーク加熱→抵抗加熱のサイクルを繰り返しながら継続する。

上記した実施の形態によれば、投入電力Ｐが設定値（例えば30％）に低下するまでは抵抗加熱により焼却灰を溶融して、高い熱効率を得ながら電極消耗を抑え、投入電力が設定値まで低下したら、アーク加熱に切り換えて溶融塩や亜鉛を確実に除去し、投入電力の回復を図ることができる。その際、投入電力の低下状態が所定時間（例えば１０分）継続したことを確認してからアーク加熱に切り換えることにより、誤操作を防止して制御精度を高めることができる。また、所定時間（例えば３０分）のアーク加熱を終了したら抵抗加熱に復帰させることにより、アーク加熱時間を必要最小限に留めて電極消耗を抑えることができる。

この発明の実施の形態を示す電気炉のシステム構成図である。 図１の電気炉の抵抗加熱時における電極位置を示す縦断面図である。 図１の電気炉のアーク加熱時における電極位置を示す縦断面図である。 図１の電気炉の投入電力を説明する特性図である。

符号の説明

１ 炉本体
２ 飛灰
３ 電極
４ 交流電源
５ 炉用変圧器
６ 計器用変流器
７ 演算部
８ 計器用変圧器
９ 比較部
１０ 設定部
１１ 電圧切換制御部
１２ 電圧タップ切換器
１３ 電極切換制御部
１４ 電極駆動部
１５ 電極昇降装置

Claims (3)

1. ３相電極に交流電流を通電し、炉内に装入された廃棄物の焼却灰を溶融する焼却灰溶融電気炉において、
   前記電極を昇降させる手段と、前記電極に投入される電力を検出する手段と、この検出手段で検出された前記投入電力が設定値に低下するまでは前記電極を前記焼却灰中に挿入して抵抗加熱し、その後、前記投入電力が前記設定値以下に低下したら、前記昇降手段により前記電極を前記焼却灰から引き上げてアーク加熱に切り換える制御手段とを設けたことを特徴とする焼却灰溶融電気炉。
2. 前記制御手段は前記投入電力が前記設定値以下に低下した後、この状態が所定時間継続したら、前記抵抗加熱から前記アーク加熱に切り換えることを特徴とする請求項１記載の焼却灰溶融電気炉。
3. 前記制御手段は前記抵抗加熱から前記アーク加熱に切り換えた後、所定時間が経過したら、前記電極を再び前記溶融スラグ中に挿入して前記抵抗加熱に復帰させることを特徴とする請求項１記載の焼却灰溶融電気炉。

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