JP4680694B2

JP4680694B2 - 旋回流式溶融炉及びその運転方法

Info

Publication number: JP4680694B2
Application number: JP2005183584A
Authority: JP
Inventors: 久幸折田; 琢也石賀; 敬二石井; 弘師吉崎
Original assignee: Babcock Hitachi KK
Current assignee: Mitsubishi Power Ltd
Priority date: 2005-06-23
Filing date: 2005-06-23
Publication date: 2011-05-11
Anticipated expiration: 2025-06-23
Also published as: JP2007003095A

Description

本発明は、旋回流式溶融炉及びその運転方法に係り、焼却ごみや石炭灰等の燃焼廃棄物を溶融処理する旋回流式溶融炉及びその運転方法に関する。

焼却ごみや石炭灰等の燃焼廃棄物を溶融処理する旋回流式溶融炉は、例えば特許文献１に開示のように、既に提案されている。

特開昭６４−２４８９３号公報

上記従来の技術は、燃焼廃棄物による溶融スラグの排出不良による不都合をなくすために、溶融スラグの流下状態を監視するものであるが、旋回流式溶融炉の内壁の損傷についての配慮がなされていない。

即ち、旋回流式溶融炉の炉体は、円形断面に構成されており、その内壁は耐火材で形成されているが、耐火材よりなる内壁であっても、長時間の操業の結果、局部的に熱負荷が高い部位においては耐火材が溶損する。耐火材に溶損があれば、そこから溶融スラグの漏れが発生する危険があり、漏れた場合には、旋回流式溶融炉の周辺機器へ大きな損害を与えることになる。

そこで、旋回流式溶融炉の運転中に、内壁内に埋め込んだ温度測定器による温度変化によって内壁の残厚を監視する方法が考えられる。そして、この方法において、温度が上昇して内壁の残厚が薄くなったと判断された場合には、旋回流式溶融炉の運転を緊急停止させ、内壁の補修を行うのである。しかしながら、このような計画外の旋回流式溶融炉の停止は、溶融処理量の計画を遅延させることになる。

このような計画外の旋回流式溶融炉の停止がないように、旋回流式溶融炉の定期点検時に内壁を綿密に点検し、次回定期点検まで耐え得るように内壁を高い安全率をもって補修したり、内壁厚さを厚く設計したりすることも考えられる。しかし、前述の方法は、運用費に対する補修費や耐火材料費の割合を高くすることになる。

本発明の目的は、運転を停止することなく内壁の残厚修復が行える旋回流式溶融炉を提供することにある。

本発明は上記目的を達成するために、耐火材で構成された内壁の厚さを測定する内壁厚測定手段と、この内壁厚測定手段からの測定値に基づいて前記内壁の残厚を判定する内壁残存厚判断手段と、この内壁残存厚判断手段の判断に基づいて溶融スラグの粘度を調整するスラグ粘度調整手段とを設けたのである。

上記構成とすることで、運転中に内壁厚測定手段によって内壁の残厚が許容値以下になったと判断された場合には、スラグ粘度調整手段によって溶融スラグの粘度を高粘度にして内壁面にスラグコーティング層を形成し、その結果、見かけの内壁残厚を許容値以上に確保して内壁の残厚修復を行うことができる。そして、内壁残厚が許容値以上になったことが内壁厚測定手段によって確認された後は、スラグ粘度調整手段によって溶融スラグの粘度を定常運転時の粘度に戻すことで、溶融スラグの安定排出を行うことができるのである。

以上説明したように本発明によれば、運転を停止することなく内壁の残厚修復が行える旋回流式溶融炉を得ることができる。

以下本発明による旋回流式溶融炉の一実施の形態を、図１及び図２に示す石炭灰を溶融する旋回流式溶融炉に基づいて説明する。

旋回流式溶融炉１は、大きくは、内壁２が耐火材で形成された円形断面の炉体３と、この炉体３の炉底に設けたスラグタップ４と、このスラグタップ４に設けられ溶融スラグを排出する出滓口５と、前記スラグタップ４より上方の炉内に前記内壁２の周面に沿って空気を供給する空気供給ノズル６と、前記スラグタップ４より上方の炉内に前記内壁２の周面に沿って燃焼廃棄物である石炭灰を供給する石炭灰供給ノズル（燃焼廃棄物供給ノズル）７と、前記スラグタップ４より上方の炉内に前記内壁２の周面に沿って燃料となる石炭を供給する石炭供給ノズル（燃料供給ノズル）８とより構成されている。

前記空気供給ノズル６と石炭灰供給ノズル７と石炭供給ノズル８とから空気と石炭灰と石炭を供給することで、炉体３の内壁２に沿って旋回流を発生させる。燃料の石炭は炉底で燃焼し、石炭灰は旋回流による遠心力によって内壁２に捕集された状態で石炭の燃焼熱２よって溶融して溶融スラグ９となり、スラグタップ４の出滓口５から下方に排出される。図示は省略するが、スラグタップ４の下方には排出された溶融スラグ９を冷却する水槽が設けられている。

前記石炭灰供給ノズル７には、石炭灰供給管路１０が接続されている。そして、この石炭灰供給管路１０に石炭灰を貯蔵する石炭ホッパ１１と融点調整剤を貯蔵する融点調整剤ホッパ１２とが夫々灰量調節バルブ１３と融点調整剤量調節バルブ１４を介して接続されている。

前記石炭供給ノズル８には、石炭供給管路１５が接続されており、この石炭供給管路１５に石炭を貯蔵する石炭ホッパ１６が石炭量調節バルブ１７を介して接続されている。

旋回流式溶融炉１には、上記構成のほかに、前記スラグタップ４の出滓口５近傍を下方から加熱するスラグタップバーナ１８が設けられており、このスラグタップバーナ１８には、燃料調節バルブ１９と空気量調節バルブ２０を介して燃料と空気の混合気が供給されるように構成されている。

さらに、前記炉体３の外周部は、冷却水用の上下のヘッダ２１Ａ，２１Ｂを介して冷却水用配管２２で覆われている。この冷却水用配管２２の下側のヘッダ２１Ｂには、冷却水調節バルブ２３を介して冷却水が必要時に供給されるように構成されている。

前記炉体３のスラグタップ４より下方には、前記スラグタップ４の出滓口５を通して炉底の内壁２が望めるように監視窓２４が設けられており、この監視窓２４を介して炉底の内壁２近傍の状態を計測する計測器２５が設けられている。

この外、炉底の内壁２の中と炉内に夫々耐火材温度測定器２６と炉内温度測定器２７とが設けられている。

前記計測器２５，前記耐火材温度測定器２６，前記炉内温度測定器２７からの各測定信号ａ，ｂ，ｃは、演算処理装置２８で処理され、処理結果に基づいて前記灰量調節バルブ１３，前記融点調整剤量調節バルブ１４，前記石炭量調節バルブ１７，前記燃料調節バルブ１９，前記空気量調節バルブ２０，前記冷却水調節バルブ２３の開度指示信号ｄ，ｅ，ｆ，ｇ，ｈ，ｉを出力するように構成されている。

上記構成の旋回流式溶融炉１は、定常運転時には、上述のように石炭と空気を混合して燃焼させることで、石炭灰を溶融して溶融スラグ９を出滓口５から下方に排出するようにしている。このような状態において、溶融スラグ９を排出する出滓口５は、水槽からの冷熱により冷やされるので、出滓口５近傍の溶融スラグ９は温度が低下して粘度が上昇する。溶融スラグ９の粘度上昇により、溶融スラグ９が出滓口５周囲に固化して留まり、これが連続して続くと出滓口５を閉塞することになる。そこで、監視窓２４から出滓口５近傍の溶融スラグ９の温度を前記計測器２５で計測し、演算処理装置２８で溶融スラグ９の温度を上昇させる必要がると判断した場合には、前記燃料調節バルブ１９と空気量調節バルブ２０に開度指示を出して、スラグタップバーナ１８の燃焼ガスで出滓口５近傍を加熱し、溶融スラグ９の粘度を下げて安定排出を維持するようにしている。尚、前記計測器２５により、出滓口５近傍の溶融スラグ９の温度が安定排出に問題ない温度であると判断された場合には、前記燃料調節バルブ１９と空気量調節バルブ２０を絞る指示を出して、スラグタップバーナ１８の燃焼ガスを少なくするのである。

また、前記炉内温度測定器２７によって炉内の温度を監視しているが、炉内温度が規定の温度範囲よりも高い場合には、内壁２の耐火剤の溶損が進むので、測定信号ｂに基づいて演算処理装置２８は、石炭量調節バルブ１７に指示信号ｆを出力して供給量を制限させることで、炉内の温度を下げさせる。逆に、炉内温度が規定の温度範囲よりも低い場合には、溶融スラグ９の安定排出が行えないので、演算処理装置２８は、石炭量調節バルブ１７に指示信号ｆを出力して供給量を増加させ、炉内の温度を上昇させる。尚、石炭量調節バルブ１７の開閉動作に連動して空気供給ノズル６からの供給空気量も増減させる。

前記石炭灰は、融点が１６００℃以上のものがあり、炉内温度を１６００℃以上に保持しないと溶融することができない。そこで、石炭灰に融点調整剤を添加して融点を低下させることで１６００℃以下の温度で溶融するようにしている。そして、この融点調整剤の添加量を調節することで、溶融スラグ９の粘度を適正に保って安定な排出を行うこともできる。

即ち、図３に示すように、石炭灰の溶融スラグ９の粘度は炉内の温度の上昇に伴って低下する。溶融スラグ９の安定排出条件は、粘度１０Ｐａ・ｓ以下であり、例えば石炭灰に対する融点調整剤として炭酸カルシウム（ＣａＣＯ_３）を用いたとき、添加量が３０重量％（ｗｔ％）では破線で示すように約１４００℃以上で、添加量８０重量％（ｗｔ％）では実線で示すように約１２００℃以上で粘度１０Ｐａ・ｓ以下になり、溶融スラグ９の安定な排出を行うことができる。そこで、炉内の温度の測定結果に基づいて、演算処理装置２８により灰量調節バルブ１３と融点調整剤量調節バルブ１４の開度を調節し、最適な温度と粘度の関係になるように石炭灰量と融点調整剤量とを調節するのである。

ところで、溶融スラグ９の安定排出を行うのに、監視窓２４から炉内の溶融スラグ９の温度を前記計測器２５で計測し、それにより各部を制御することを説明したので、前記計測器２５は温度計測器である。しかし、計測器２５として監視カメラを用いることで、画像でリアルタイムに監視することができ、その監視に基づいて各部の調節バルブを人為的操作により、あるいは演算処理装置２８による画像解析や熱伝導解析によって調節して最適な溶融スラグ９の排出を行うこともできる。

さらに、前記計測器２５として、距離センサを用いることにより、内壁２間での距離を測定し、これにより内壁２の耐火材の溶損状態を監視することができる。

このように、監視窓２４を通して炉内の状態を監視する計測器２５として、温度計測器，監視カメラ，距離センサ等が用いられる。そして、これらの計測器は切替えながら一つの監視窓２４から炉内状態を監視しても良いが、必要とする計測器の数にあわせた監視窓を設けることが望ましい。

次に、上記構成した旋回流式溶融炉１の定常運転時における内壁２の耐火材の溶損監視について図４のフローチャートに基づいて説明する。

工程１において、監視を開始すると、耐火材温度測定器２６，炉内温度測定器２７，計測器（距離センサ）２５からの耐火材内温度情報，炉内ガス温度情報，内壁２を形成する耐火材までの距離センサ情報を取得し（Ｓ１）、これらに耐火材や溶融スラグの熱伝導度，ガスと耐火材表面の伝熱係数，溶融スラグの融点等の熱物性を考慮して、演算処理装置２８により熱伝導解析を行い、耐火材表面温度，溶融スラグ液膜厚さ，耐火材算厚を算出し（Ｓ２）、耐火材の残厚が許容残厚の範囲内か否かを判断する（Ｓ３）。

監視窓２４から距離センサ（計測器２５）で計測される耐火材の残厚は、耐火材自身の残厚に耐火材表面に付着した溶融スラグの液膜厚さを加えた厚さであり、この残厚が許容残厚以上であれば、引き続き溶損監視（Ｓ１）を行い、許容残厚以下になっていれば、耐火材の残厚を復活させる工程２へ移行する。

尚、この工程１において、耐火材の表面温度が高い場合には、耐火材の溶損が進行し続けるので、溶融スラグ温度が安定排出時の温度となるまで炉内の熱負荷を下げることが望ましい。

図５は、耐火材の残厚を修復させるための工程２のフローチャートである。この工程２は、高融点スラグを耐火材の表面に塗布し、それを固化してスラグコーティング層を形成する工程である。

まず、現状の溶融スラグの粘度を考慮し、演算処理装置２８により灰量調節バルブ１３と融点調整剤量調節バルブ１４の開度を調節して定常運転時よりも融点調整剤量を少なくして高融点スラグを生成する（Ｓ４）。高融点スラグは、図３に示すような粘度と温度特性から、融点調整剤量を決定することが望ましい。ここで、旋回流式溶融炉１及びスラグタップバーナ１８の熱負荷が一定であれば、溶融スラグの温度は一定であるために、融点調整剤量を少なくした（高融点スラグを生成した）分、溶融スラグの粘度は上昇し内壁２の耐火材表面に付着する。これを監視カメラの画像情報として監視し（Ｓ５）、粘度が上昇した溶融スラグが排出不良となって炉内に留まり（Ｓ６）、さらに必要厚さのスラグコーティング層が形成されるまで、運転条件として燃料量，冷却水用配管２２への冷却水供給量，融点調整剤量を制御する（Ｓ７）。そして、耐火材の残厚修復を確認する工程３に移行する。

工程３は、必要厚さのスラグコーティング層が形成されて残圧の修復が行えたか否かを判断する工程であり、図６にそのフーチャートを示す。

工程３は、基本的には工程１の（Ｓ１）〜（Ｓ３）と基本的に同じであり、溶融スラグの安定排出と平行して残圧の確認を行う。

この工程３の（Ｓ３）において、許容残厚＋修復厚さ≦残厚となって残厚修復がなされたことが確認された場合には、定常運転条件に復帰し（Ｓ８）、残厚修復がなされていないと判断された場合には、前工程２に戻る。

定常運転に戻す運転は、融点調整剤量を増やし、溶融スラグの安定排出を行う。

図７は、耐火材の残圧の経時変化を示すものであり、図１に示された旋回流式溶融炉１を図４〜図６に示す工程１〜３によって運転することで、耐火材の残圧は許容残厚内に維持され、高融点スラグによるスラグコーティング層の増加減少を繰り返すことで旋回流式溶融炉１の連続運転を継続することができる。

上記実施の形態は、燃焼廃棄物として石炭灰を溶融処理する旋回流式溶融炉１を説明したが、この旋回流式溶融炉１によって燃焼廃棄物として焼却ごみを溶融処理することも可能である。ただ、その場合には、焼却ごみ（ごみの炭化物）が燃料になるので、石炭供給ノズル（燃料供給ノズル）８は不要となり、石炭ホッパ１１を燃焼ごみホッパとして使用する。

燃焼ごみによる溶融スラグは、通常酸化カルシウム（ＣａＯ）が約３０重量％で融点が最も低い状態にあるが、溶融スラグの排出不良が生じる場合には、酸化カルシウムが３０重量％以上に変動している。そこで、溶融スラグの安定排出と耐火材の溶損抑制とを両立させるには、融点調整剤としてケイ砂（主成分がＳｉＯ_２）を用い、炭酸カルシウムの含有量を薄めることが望ましい。

上記実施の形態において、計測器２５、耐火材温度測定器２６、炉内温度測定器２７が本発明による内壁厚測定手段に相当し、演算処理装置２８が内壁残存厚判断手段に相当するものである。さらに、融点調整剤ホッパ１２，融点調整剤量調節バルブ１４、石炭ホッパ１１，灰量調節バルブ１３、石炭ホッパ１６，石炭量調節バルブ１７、燃料調節バルブ１９，空気量調節バルブ２０、冷却水調節バルブ２３が本発明によるスラグ粘度調整手段に相当する。そして、石炭ホッパ１６，石炭量調節バルブ１７、燃料調節バルブ１９，空気量調節バルブ２０、冷却水調節バルブ２３とが本発明による炉内温度低下手段と炉内温度上昇手段に相当するものである。

本発明による旋回粒子器溶融炉として石炭灰の溶融処理を行う旋回粒子器溶融炉を示す概略図。図１のＡ−Ａ線に沿う横断平面図。石炭灰溶融スラグの粘度と温度特性図。本発明による旋回粒子器溶融炉の運転方法における工程１のフローチャート。本発明による旋回粒子器溶融炉の運転方法における工程２のフローチャート。本発明による旋回粒子器溶融炉の運転方法における工程３のフローチャート。耐火材の残厚の経時変化を示す線図。

符号の説明

１…旋回粒子器溶融炉、２…内壁、３…炉体、６…空気供給ノズル、７…石炭灰供給ノズル（燃焼廃棄物供給ノズル）、８…石炭供給ノズル（燃料供給ノズル）、１１…石炭ホッパ、１２…融点調整剤ホッパ、１３…灰量調節バルブ、１４…融点調整剤量調節バルブ、１６…石炭ホッパ、１７…石炭量調節バルブ、１８…スラグタップバーナ、１９…燃料調節バルブ、２０…空気量調節バルブ、２２…冷却水用配管、２３…冷却水調節バルブ、２４…監視窓、２５…計測器、２６…耐火材温度測定器、２７…炉内温度測定器、２８…演算処理装置。

Claims

円形断面を有し内壁が耐火材で構成された炉体と、この炉体内に前記内壁の周面に沿って空気を供給する空気供給ノズル及び燃焼廃棄物を供給する燃焼廃棄物供給ノズルとを備え、前記炉体の炉底にスラグタップを有し、このスラグタップに溶融スラグを排出する出滓口を設けた旋回流式溶融炉において、前記内壁の厚さを測定する内壁厚測定手段と、この内壁厚測定手段からの測定値に基づいて前記内壁の残厚を判定する内壁残存厚判断手段と、この内壁残存厚判断手段の判断に基づいて溶融スラグの粘度を調整するスラグ粘度調整手段とを設けたことを特徴とする旋回流式溶融炉。
前記内壁残存厚判断手段は、前記内壁の残厚が規定値以下になったと判断したときに前記スラグ粘度調整手段に対し溶融スラグの粘度を上昇させる指示を出し、前記内壁の表面へのスラグコーティング層の形成により前記内壁の残厚が規定値以上になったと判断したときに前記スラグ粘度調整手段に対し溶融スラグの粘度を低下させる指示を出すように構成されていることを特徴とする請求項１記載の旋回流式溶融炉。
円形断面を有し内壁が耐火材で構成された炉体と、この炉体内に前記内壁の周面に沿って空気を供給する空気供給ノズル及び燃焼廃棄物を供給する燃焼廃棄物供給ノズルとを備え、前記炉体の炉底にスラグタップを有し、このスラグタップに溶融スラグを排出する出滓口を設けた旋回流式溶融炉において、前記内壁の残厚を測定する内壁厚測定手段と、この内壁厚測定手段によって測定された前記内壁の残厚が規定値以下になったとき炉内温度を低下させる炉内温度低下手段と、炉内温度の低下により前記内壁の表面に溶融スラグのスラグコーティング層が形成され前記内壁厚測定手段によって前記内壁の残厚が規定値以上になったことが確認されたとき炉内温度を上昇させる炉内温度上昇手段とを設けたことを特徴とする旋回流式溶融炉。
円形断面を有し内壁が耐火材で構成された炉体と、この炉体内に前記内壁の周面に沿って空気を供給する空気供給ノズル及び燃焼廃棄物を供給する燃焼廃棄物供給ノズルと、前記炉体の炉底に設けられ溶融スラグを排出する出滓口を有するスラグタップとを備えた旋回流式溶融炉を運転するに際し、定常運転において前記内壁の残厚が許容厚さ以下になった場合、燃焼廃棄物に混入する融点調整剤量を制御して前記内壁の表面に高融点のスラグコーティング層を形成して前記内壁の残厚を許容厚さ以上にし、その後、前記融点調整剤量を定常運転時の量に戻すようにしたことを特徴とする旋回流式溶融炉の運転方法。
円形断面を有し内壁が耐火材で構成された炉体と、この炉体内に前記内壁の周面に沿って空気を供給する空気供給ノズル及び燃焼廃棄物を供給する燃焼廃棄物供給ノズルと、前記炉体の炉底に設けられ溶融スラグを排出する出滓口を有するスラグタップとを備えた旋回流式溶融炉を運転するに際し、定常運転において前記内壁の残厚が許容厚さ以下になった場合、燃焼廃棄物に混入する融点調整剤量を制御して前記内壁の表面に高融点のスラグコーティング層を形成して前記内壁の残厚を許容厚さ以上にし、その後、前記融点調整剤量を定常運転時の量に戻し、かつスラグコーティング層形成後において前記出滓口からの溶融スラグの排出状態が悪い場合には、炉内温度を上昇させて溶融スラグの粘度を低下させ、その後、炉内温度を定常運転時の温度に戻すようにしたことを特徴とする旋回流式溶融炉の運転方法。