JP4756929B2 - Plasma melting furnace - Google Patents
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Description
本発明は、プラズマ式溶融炉に係り、特に都市ごみ、下水汚泥、あるいはその他の廃棄物を廃棄物焼却施設で焼却することによって発生する焼却灰または焼却飛灰を溶融処理するプラズマ式溶融炉に関するものである。 The present invention relates to a plasma melting furnace, and more particularly, to a plasma melting furnace for melting incineration ash or incineration fly ash generated by incineration of municipal waste, sewage sludge, or other waste in a waste incineration facility. Is.
都市ごみ、下水汚泥、あるいはその他の廃棄物を廃棄物焼却施設で焼却して焼却灰や焼却飛灰にすることがなされている。この焼却灰や焼却飛灰の減容化処理方法として、プラズマ式溶融炉などの溶融炉に灰を投入し溶融する方法がある(例えば特許文献1参照)。 Municipal waste, sewage sludge, or other waste is incinerated at a waste incineration facility to produce incineration ash or incineration fly ash. As a method for reducing the volume of incineration ash and incineration fly ash, there is a method in which ash is introduced into a melting furnace such as a plasma melting furnace and melted (see, for example, Patent Document 1).
このようなプラズマ式溶融炉は、炉内にアークプラズマを発生させるためのプラズマトーチを備えている。プラズマトーチの先端には、アークプラズマを収束させ、プラズマガス流をより安定化させるためのコリメータが取り付けられる(例えば特許文献2参照)。 Such a plasma melting furnace is provided with a plasma torch for generating arc plasma in the furnace. The tip of the plasma torch, converges the arc plasma, collimator order to further stabilize the plasma gas flow is attached (for example, see Patent Document 2).
焼却灰や焼却飛灰には、塩素(Cl)や硫黄(S)などの腐食性成分が含まれているため、焼却灰や焼却飛灰をプラズマ式溶融炉において1300℃以上の高温で溶融させると、塩化水素(HCl)や硫黄酸化物(SOx)、塩化ナトリウム(NaCl)などの溶融塩類等を含む腐食性物質が発生する。 Since incineration ash and incineration fly ash contain corrosive components such as chlorine (Cl) and sulfur (S), incineration ash and incineration fly ash are melted at a high temperature of 1300 ° C. or higher in a plasma melting furnace. Corrosive substances including molten salts such as hydrogen chloride (HCl), sulfur oxide (SOx), and sodium chloride (NaCl) are generated.
従来のプラズマ式溶融炉のプラズマトーチにおいては、銅や銅合金(例えばCuとZrの合金、CuとCrの合金)からなるコリメータが用いられていたため、プラズマ式溶融炉の運転時に発生した腐食性物質がコリメータに接触・付着し、コリメータが著しく損耗してしまうという問題があった。特に、焼却飛灰を溶融させる場合には、より多くの腐食性物質が発生するため、投入される焼却飛灰の割合が高いほどコリメータの損耗が激しくなり、焼却飛灰のみを溶融させる場合には、著しくコリメータの損耗が進行する。 In the plasma torch of a conventional plasma melting furnace, a collimator made of copper or a copper alloy (for example, an alloy of Cu and Zr, an alloy of Cu and Cr) is used. There was a problem that the substance contacted and adhered to the collimator and the collimator was significantly worn out. In particular, when incineration fly ash is melted, more corrosive substances are generated. Therefore, the higher the proportion of incineration fly ash that is introduced, the more the collimator wears out. As a result, the wear of the collimator proceeds significantly.
本発明は、このような従来技術の問題点に鑑みてなされたもので、プラズマトーチにおけるコリメータの損耗を抑制し、耐久性を向上させることができるプラズマ式溶融炉を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of such problems of the prior art, and an object of the present invention is to provide a plasma melting furnace capable of suppressing the wear of a collimator in a plasma torch and improving durability. .
上記目的を達成するため、本発明の一態様によれば、プラズマトーチにおけるコリメータの損耗を抑制し、耐久性を向上させることができるプラズマ式溶融炉が提供される。このプラズマ式溶融炉は、炉本体と、焼却灰及び焼却飛灰を上記炉本体の内部に供給する灰供給装置と、上記炉本体に取り付けられ、上記炉本体の内部に供給された焼却灰及び焼却飛灰を溶融させて溶融スラグを生成するアークプラズマを発生させる正極となる電極を有するプラズマトーチと、上記炉本体の底部に配置された陰極となる炉底電極と、上記プラズマトーチの電極と上記炉底電極との間に電力を供給して両電極間にアークプラズマを発生させる電源とを備えている。上記プラズマトーチは、上記両電極間に発生したアークプラズマを収束させるコリメータを有している。上記コリメータは、内部に冷却水の流路を有する銅又は銅合金製のコリメータ本体と、上記コリメータ本体の上記炉本体の内部雰囲気に暴露される表面に形成され、上記焼却灰及び焼却飛灰の溶融によって発生する腐食性物質による上記コリメータ本体の損耗を防止する、ニッケルを0.02〜0.50mmの厚さの第1層、該第1層の上にクロムを0.02〜0.50mmの厚さの第2層としてめっき処理により構成した被膜被膜とを有する。 In order to achieve the above object, according to one aspect of the present invention, there is provided a plasma melting furnace capable of suppressing wear of a collimator in a plasma torch and improving durability. The plasma melting furnace includes a furnace body, an ash supply device that supplies incineration ash and incineration fly ash to the inside of the furnace body, an incineration ash attached to the furnace body, and supplied to the inside of the furnace body, and A plasma torch having a positive electrode that generates arc plasma that melts incineration fly ash to generate molten slag, a furnace bottom electrode that is a cathode disposed at the bottom of the furnace body, and an electrode of the plasma torch A power source for supplying electric power to the furnace bottom electrode and generating arc plasma between the electrodes . The plasma torch has a collimator for converging arc plasma generated between the electrodes . The collimator is formed on a surface of a collimator body made of copper or a copper alloy having a cooling water passage inside and exposed to an internal atmosphere of the furnace body of the collimator body. A first layer of nickel having a thickness of 0.02 to 0.50 mm to prevent wear of the collimator body due to a corrosive substance generated by melting, and 0.02 to 0.50 mm of chromium on the first layer. And a coating film formed by plating as a second layer having a thickness of .
本発明によれば、プラズマトーチにおけるコリメータの損耗を抑制することができるので、プラズマ式溶融炉の耐久性を向上させることができる。また、コリメータの交換の頻度を低くすることができるので、コリメータの交換に伴うコストを低減することができる。 According to the present invention, since the wear of the collimator in the plasma torch can be suppressed, the durability of the plasma melting furnace can be improved. Further, since the frequency of replacement of the collimator can be lowered, the cost associated with replacement of the collimator can be reduced.
以下、本発明に係るプラズマ式溶融炉の実施形態について図1から図4を参照して詳細に説明する。なお、図1から図4において、同一または相当する構成要素には、同一の符号を付して重複した説明を省略する。 Hereinafter, embodiments of the plasma melting furnace according to the present invention will be described in detail with reference to FIGS. 1 to 4. 1 to 4, the same or corresponding components are denoted by the same reference numerals, and redundant description is omitted.
図1は、本発明の一実施形態におけるプラズマ式溶融炉10を示す模式図である。図1に示すように、プラズマ式溶融炉10は、炉本体12と、ごみ焼却炉等において発生する焼却灰や焼却飛灰を炉本体12に投入するための灰ホッパ14と、灰ホッパ14に投入された焼却灰を炉本体12の内部に供給する灰供給装置16と、炉本体12の上壁18に取り付けられたプラズマトーチ20と、プラズマトーチ20と対向するように炉本体12の底部22に配置された炉底電極24と、プラズマトーチ20に電力を供給する電源26とを備えている。炉本体12の内面は耐火物により保護されている。
FIG. 1 is a schematic view showing a
炉本体12には、水噴射装置28を有する水砕シュート30が接続されており、水砕シュート30の下端部にはスラグ貯留槽32が設置されている。また、水砕シュート30の上部には排ガス排出口34が設けられている。
A
ごみ焼却炉等で発生した焼却灰や焼却飛灰は灰ホッパ14に貯留される。この灰ホッパ14内の灰は、灰ホッパ14の下方に配置された灰供給装置16により供給口12aから炉本体12の内部に供給される。そして、電源26によりプラズマトーチ20と炉底電極24との間に直流電圧を印加し、プラズマトーチ20と炉底電極24との間にアークプラズマを発生させる。これにより発生するプラズマ熱により炉本体12に投入された灰が溶融され、溶融スラグ層40と溶融金属層42の2層に分かれる。
Incineration ash and incineration fly ash generated in a garbage incinerator or the like are stored in the
溶融スラグ層40は、灰の供給と溶融金属の酸化により増加するので、溶融炉内の溶融スラグ層40は、湯口36をオーバーフローし、排出口12bを通って水砕シュート30に流出する。水砕シュート30では、水噴射装置28から噴射される水によって溶融スラグが急速に冷却されて水砕スラグとなり、スラグ貯留槽32に排出される。炉本体12で発生した排ガスは、誘引送風機(図示せず)により排ガス排出口34から排気され、排ガス処理装置(図示せず)を経て大気に放出される。
Since the
図2は、プラズマトーチ20を示す模式図である。図2に示すように、プラズマトーチ20は、中空円筒状の後部電極50と、プラズマ生成ガスを後部電極50の内部空間に供給するガス導入ポート52と、発生したアークプラズマPを収束するためのコリメータ54とを備えている。後部電極50は電源26の正極に接続されており、プラズマトーチ20に対向する炉底電極24は電源の負極に接続される。また、後部電極50の外部には冷却水が流通している。
FIG. 2 is a schematic diagram showing the
図3は、図2のプラズマトーチ20のコリメータ54を示す拡大断面図である。図3に示すように、コリメータ54は、銅や銅合金から形成されるコリメータ本体56と、コリメータ本体56の表面に形成された被膜58とを有している。コリメータ本体56には、冷却水を流通させる流路60が形成されている。
FIG. 3 is an enlarged cross-sectional view showing the
被膜58は、炉本体12の内部雰囲気に暴露されるコリメータ本体56の表面および噴出するアークプラズマが接するコリメータ本体56の表面に形成されている。図4に示すように、噴出するアークプラズマが接するコリメータ本体56の表面に被膜58を形成してもよい。また、図3で示される部分と図4で示される部分の双方に被膜58を形成してもよい。
The
このような被膜58は、金属からなるものであってもよく、あるいは金属以外の材料からなるものであってもよい。このような被膜58を形成することにより、炉本体12で発生した腐食性物質が、コリメータ本体56の母材である銅や銅合金に直接触れることを防止し、コリメータ54の損耗を抑制することができる。
Such a
金属の被膜58を形成する方法としては、めっき処理、溶射処理、またはめっき処理と溶射処理との組み合わせを用いることができる。使用する材料としては、耐腐食性を有する金属または耐腐食性を有する酸化被膜を形成する金属が好ましく、ニッケル(Ni)やクロム(Cr)などの単体金属をはじめ、インコネル(商標)やハステロイといったニッケル合金などの金属合金も有効である。
As a method of forming the
例えば、ニッケルめっき処理とクロムめっき処理との組み合わせて、まず、ニッケルめっき処理により0.02mm〜0.50mmの厚さの第1層(ニッケル層)を形成し、その上にクロムめっき処理により0.02mm〜0.50mmの厚さの第2層(クロム層)を形成してもよい。 For example, in combination with nickel plating treatment and chromium plating treatment, first, a first layer (nickel layer) having a thickness of 0.02 mm to 0.50 mm is formed by nickel plating treatment, and 0 is formed thereon by chromium plating treatment. A second layer (chrome layer) having a thickness of 0.02 mm to 0.50 mm may be formed.
金属以外の被膜58を形成する方法としては、溶射処理を用いることができる。使用する材料としては、アルミナ(Al2O3)、イットリア(Y2O3)、ジルコニア(ZrO)あるいは、これらの一部を構成成分として含むセラミックなどがある。これらセラミックは、金属めっきや金属溶射により形成された金属と比較すると、緻密度が低いため、封孔処理を行うことが有効である。
As a method of forming the
このような被膜58によりコリメータ54の損耗が抑制されるのは、被膜58の表面で酸化膜が形成されることによると考えられる。特に、クロム(Cr)については緻密度の高い酸化膜が形成されることから、高い損耗抑制効果を得ることができる。この酸化膜はミクロン単位の薄いものであり、使用により劣化するが、劣化した後に現れる金属面が再度酸化されて酸化膜を形成することで、その抑制効果を維持することができる。
It is considered that the wear of the
ここで、0.01mm以下の厚さの被膜58では、酸化膜による十分な損耗抑制効果を得ることはできない。また、1mm以上の被膜58は特にめっき処理による形成が容易ではない。同時に、表面温度が上昇するため、損耗代としての効果が期待できるが、さほどの効果は得られない。したがって、被膜58の厚さは、0.02mm〜0.50mmであることが好ましく、0.03mm〜0.20mmであることがより好ましい。
Here, with the
上述したプラズマ式溶融炉を以下の条件で運転し、都市ごみを焼却した際に発生する焼却灰および焼却飛灰を溶融処理した。
溶融処理速度:17t/日
灰の性状:焼却灰と焼却飛灰の混合灰(焼却灰:焼却飛灰=85:15)
プラズマ発生用の電流:1200A
プラズマ発生用の電圧:600V〜1000V
プラズマ発生用の電力:700kW〜1200kW
プラズマ生成ガスの量:1100SLPM〜1500SLPM
冷却水の流量:36m3/h
The above-described plasma melting furnace was operated under the following conditions, and the incineration ash and incineration fly ash generated when municipal waste was incinerated were melted.
Melting rate: 17t / day Ash properties: Mixed ash of incineration ash and incineration fly ash (incineration ash: incineration fly ash = 85: 15)
Current for plasma generation: 1200A
Voltage for generating plasma: 600V to 1000V
Electric power for generating plasma: 700 kW to 1200 kW
Amount of plasma generation gas: 1100 SLPM to 1500 SLPM
Cooling water flow rate: 36 m 3 / h
以下の4種類のコリメータを用意し、それぞれについて損耗の深さを測定して比較した。
1)被膜を形成していないコリメータ(以下、従来コリメータという)
2)0.15mmの厚さのニッケル(Ni)被膜をめっき処理により形成したコリメータ(以下、Niコリメータという)
3)0.15mmの厚さのニッケル(Ni)被膜をめっき処理により形成し、その上に0.20mmの厚さのセラミック(8YZ)被膜を溶射処理により形成したコリメータ(以下、Ni−8YZコリメータという)
4)0.15mmの厚さのニッケル(Ni)被膜をめっき処理により形成し、その上に0.05mmの厚さのクロム(Cr)被膜をめっき処理により形成したコリメータ(以下、Ni−Crコリメータという)
The following four types of collimators were prepared, and the depth of wear was measured and compared for each.
1) Collimator without film (hereinafter referred to as conventional collimator)
2) A collimator (hereinafter referred to as a Ni collimator) in which a nickel (Ni) film having a thickness of 0.15 mm is formed by plating.
3) A collimator (hereinafter referred to as Ni-8YZ collimator) in which a nickel (Ni) film having a thickness of 0.15 mm is formed by plating, and a ceramic (8YZ) film having a thickness of 0.20 mm is formed thereon by thermal spraying. Called)
4) A collimator (hereinafter referred to as Ni-Cr collimator) in which a nickel (Ni) film having a thickness of 0.15 mm is formed by plating, and a chromium (Cr) film having a thickness of 0.05 mm is formed thereon by plating. Called)
なお、損耗深さを測定した部位は、図3において、コリメータ本体56内の流路60の屈曲部60aから軸方向に延ばした線が被膜58(またはコリメータ本体56)の表面と交わる位置とした。この位置における損耗が最も激しいため、この位置における損耗がコリメータの寿命を決める。損耗の深さが15mmに達すると、流路60から冷却水が漏洩するため、コリメータ54を交換する必要が生じる。
In addition, the site | part which measured the wear depth was made into the position where the line extended in the axial direction from the bending
上述した条件で7日間運転してコリメータの損耗を比較したところ、従来コリメータの損耗は10mmであったのに対し、Niコリメータ、Ni−8YZコリメータ、Ni−Crコリメータのいずれも損耗が見られなかった。 When the wear of the collimator was compared after operating for 7 days under the above-mentioned conditions, the wear of the conventional collimator was 10 mm, whereas no wear was seen in any of the Ni collimator, Ni-8YZ collimator, and Ni-Cr collimator. It was.
次に、実施例1と同一の条件で運転した場合の各コリメータの損耗開始時期と使用限界到達時期(耐用日数)を調べたところ、表1のような結果となった。なお、ここで使用限界到達時期は、損耗の深さが12mm以上になる日数とした。 Next, when the wear start time and the use limit arrival time (the number of useful days) of each collimator when operated under the same conditions as in Example 1, the results shown in Table 1 were obtained. Here, the use limit reaching time is defined as the number of days when the depth of wear becomes 12 mm or more.
表1からわかるように、従来コリメータが運転開始後直ちに損耗が開始したのに対して、Niコリメータは8日後、Ni−8YZコリメータは15日後、Ni−Crコリメータは30日後に損耗が始まった。また、使用限界到達時期、すなわち損耗深さが12mmに達した時期(コリメータの耐用日数)は、従来コリメータが8日後、Niコリメータは16日後、Ni−8YZコリメータは25日後、Ni−Crコリメータは40日後であった。このように、コリメータに被膜を形成することにより、従来コリメータに比べて、コリメータの耐用日数を2倍〜5倍に伸ばすことができることが明らかとなった。 As can be seen from Table 1, the conventional collimator started to wear immediately after the start of operation, whereas the Ni collimator started to wear after 8 days, the Ni-8YZ collimator after 15 days, and the Ni-Cr collimator after 30 days. In addition, when the wear limit is reached, that is, when the wear depth reaches 12 mm (collimator service life), the conventional collimator is 8 days later, the Ni collimator is 16 days later, the Ni-8YZ collimator is 25 days later, and the Ni-Cr collimator is 40 days later. As described above, it has been clarified that by forming a film on the collimator, the service life of the collimator can be extended by 2 to 5 times compared to the conventional collimator.
灰の性状以外は実施例1と同一の条件とし、焼却灰のみの供給、焼却灰と焼却飛灰の混合灰(焼却灰:焼却飛灰=85:15)の供給、および焼却飛灰のみの供給のそれぞれについて、Ni−Crコリメータの損耗開始時期と使用限界到達時期(耐用日数)を調べたところ、表2のような結果となった。 Except for the properties of ash, the same conditions as in Example 1 were used, supplying only incineration ash, supplying mixed ash of incineration ash and incineration fly ash (incineration ash: incineration fly ash = 85: 15), and incineration fly ash only For each of the supplies, the wear start time of the Ni—Cr collimator and the use limit arrival time (lifetime) were examined. The results shown in Table 2 were obtained.
ここで、灰に含まれる腐食性成分(ClとS)の割合は、焼却灰のみでは3%、混合灰では15%、焼却飛灰のみでは30%である。表2の結果から、灰に含まれる腐食性成分が多いほど、損耗開始時期および耐用日数が短縮されることがわかる。 Here, the ratio of the corrosive components (Cl and S) contained in the ash is 3% for the incineration ash alone, 15% for the mixed ash, and 30% for the incineration fly ash alone. From the results in Table 2 , it can be seen that the more corrosive components contained in the ash, the shorter the wear start time and the service life.
上述した実施形態においては、プラズマトーチ20としてトランスファー型のプラズマトーチを用いた例について説明したが、プラズマトーチ20としてノントランスファー型のプラズマトーチを用いることもできる。
In the embodiment described above, an example in which a transfer type plasma torch is used as the
これまで本発明の一実施形態について説明したが、本発明は上述の実施形態に限定されず、その技術的思想の範囲内において種々異なる形態にて実施されてよいことは言うまでもない。 Although one embodiment of the present invention has been described so far, it is needless to say that the present invention is not limited to the above-described embodiment, and may be implemented in various forms within the scope of the technical idea.
10 プラズマ式溶融炉
12 炉本体
14 灰ホッパ
16 灰供給装置
20 プラズマトーチ
24 炉底電極
26 電源
28 水噴射装置
30 水砕シュート
32 スラグ貯留槽
40 溶融スラグ層
42 溶融金属層
50 後部電極
52 ガス導入ポート
54 コリメータ
56 コリメータ本体
58 被膜
60 流路
DESCRIPTION OF
Claims (1)
焼却灰及び焼却飛灰を前記炉本体の内部に供給する灰供給装置と、
前記炉本体に取り付けられ、前記炉本体の内部に供給された焼却灰及び焼却飛灰を溶融させて溶融スラグを生成するアークプラズマを発生させる正極となる電極を有するプラズマトーチと、
前記炉本体の底部に配置された陰極となる炉底電極と、
前記プラズマトーチの電極と前記炉底電極との間に電力を供給して両電極間にアークプラズマを発生させる電源と、
を備え、
前記プラズマトーチは、前記両電極間に発生したアークプラズマを収束させるコリメータを有し、
前記コリメータは、
内部に冷却水の流路を有する銅又は銅合金製のコリメータ本体と、
前記コリメータ本体の前記炉本体の内部雰囲気に暴露される表面に形成され、前記焼却灰及び焼却飛灰の溶融によって発生する腐食性物質による前記コリメータ本体の損耗を防止する、ニッケルを0.02〜0.50mmの厚さの第1層、該第1層の上にクロムを0.02〜0.50mmの厚さの第2層としてめっき処理により構成した被膜と、
を有することを特徴とするプラズマ式溶融炉。 A furnace body;
An ash supply device for supplying incineration ash and incineration fly ash to the inside of the furnace body;
A plasma torch that is attached to the furnace body and has an electrode that serves as a positive electrode that generates arc plasma that melts the incineration ash and incineration fly ash supplied to the inside of the furnace body to generate molten slag;
A furnace bottom electrode serving as a cathode disposed at the bottom of the furnace body;
A power source for supplying electric power between the electrode of the plasma torch and the furnace bottom electrode to generate arc plasma between the electrodes ;
With
The plasma torch has a collimator for converging arc plasma generated between the electrodes ,
The collimator is
A collimator body made of copper or copper alloy having a flow path of cooling water inside;
The nickel is formed on the surface of the collimator body exposed to the atmosphere inside the furnace body, and prevents the collimator body from being worn by corrosive substances generated by melting the incineration ash and incineration fly ash. A first layer having a thickness of 0.50 mm, and a coating film formed by plating as a second layer having a thickness of 0.02 to 0.50 mm on the first layer;
A plasma melting furnace characterized by comprising:
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