JP4972458B2 - 灰溶融炉の燃焼室 - Google Patents

Description

本発明は、都市ごみ等の焼却処理により発生した焼却灰や飛灰を溶融処理する灰溶融炉から排出された排ガス中の可燃性ガスを燃焼させる燃焼室の改良に係り、特に、排ガス中のダストが燃焼室の内壁面に付着して成長するのを防止できるようにした灰溶融炉の燃焼室に関するものである。

近年、都市ごみや産業廃棄物等を焼却処理するごみ焼却炉から排出された焼却灰及び飛灰の減容化及び無害化を図るため、灰の溶融固化処理法が注目され、現実に実用に供されている。何故なら、焼却灰及び飛灰は、溶融固化することにより、その容積を１／２〜１／３に減らすことができると共に、重金属等の有害物質の溶出防止や溶融スラグの再利用、最終埋め立て処分場の延命等が可能になるからである。

而して、焼却灰及び飛灰の溶融処理には、電気エネルギーによって焼却灰及び飛灰を溶融処理する電気溶融方式の灰溶融炉が広く利用されている。この電気溶融方式の灰溶融炉を利用するのは、ごみ焼却施設の発電設備から溶融用電力が得られ易い等の理由からである。

従来、この種の灰溶融炉としては、炉の天井壁に設けた主電極と炉の底壁（炉底）に設けた炉底電極との間に直流電源により電圧を印加してプラズマアークを発生させ、当該プラズマアークにより炉内に投入された焼却灰及び飛灰を溶融処理するようにしたプラズマアーク式の灰溶融炉が知られている。
即ち、前記灰溶融炉２０は、図２に示す如く、耐火物等により形成された天井壁、周壁及び底壁（炉底）から成る炉本体２１と、天井壁に貫通状に配設した昇降自在な主電極２２と、天井壁に貫通状に配設した昇降自在なスタート電極（図示省略）と、底壁に配設した導電性耐火物製の炉底電極（図示省略）と、焼却灰２３及び飛灰２３を貯留するホッパ２４と、ホッパ２４内の焼却灰２３及び飛灰２３を炉内に投入する灰供給装置２５等から成り、直流電源を利用して主電極２２から炉底電極へ向けてプラズマアークを発生させ、当該プラズマアークの発生熱により炉内に投入された焼却灰２３及び飛灰２３を溶融処理するように構成されている。

而して、灰溶融炉２０内に投入された焼却灰２３及び飛灰２３は、炉内で順次溶融して溶融スラグとなり、炉本体２１の周壁に形成した溶融スラグ出滓口２６からオーバーフローし、スラグ出湯樋２７を流下して冷却水を貯留した水冷槽（図示省略）内へ落下排出され、ここで水冷されて水砕スラグとなる。

一方、焼却灰２３及び飛灰２３の溶融処理に伴い発生する排ガスＧには、水素や一酸化炭素等の可燃性ガスが含まれている。そのため、この可燃性ガスを含んだ排ガスＧは、灰溶融炉２０の後段に設置した燃焼室２８内に導入されて完全燃焼されている。
即ち、灰溶融炉２０内で発生した排ガスＧは、誘引通風機（図示省略）の誘引作用により天井壁に形成した排ガス排出口から排ガスダクト２９を通って燃焼室２８内に導入され、ここで排ガス受入れ口３０の上方位置に配設したバーナ３１から燃焼ガス吹込み口３２を経て燃焼室２８内へ吹き込まれる燃焼ガスＧ′及び燃焼用空気吹込み口（図示省略）から燃焼室２８内に供給される燃焼用空気により燃焼室２８内に於いて燃焼処理される。これにより、排ガスＧ中の可燃性ガスは、燃焼室２８内に於いて十分な滞留時間と温度をもって完全燃焼される。完全燃焼された燃焼排ガスＧ″は、燃焼室２８の上部に形成した燃焼排ガス排出口３３から排出され、減温塔及び排ガス処理装置（何れも図示省略）等を経て大気中へ放出されている。

前記灰溶融炉２０に於いては、灰溶融炉２０内の溶湯が焼却灰２３及び飛灰２３を溶融させるために１３００℃〜１６００℃の高温状態になっているため、焼却灰２３及び飛灰２３に含まれているＮａＣｌ、ＫＣｌ等の塩化物やＮａ₃ＰＯ₄、Ｚｎ₃（ＰＯ₄）₂等のリン酸塩、Ｚｎ、Ｐｂ等の低沸点重金属類が蒸発して排ガスＧと一緒に燃焼室２８内に流入する。
排ガスＧ中の前記塩化物やリン酸塩、低沸点重金属類は、灰溶融炉２０から排出され、温度の低下と伴に凝縮して液体状或いは固体状のダストＤとなる。

ところで、灰溶融炉２０の燃焼室２８に於いては、排ガスＧ中の可燃性ガスを燃焼させるため、燃焼室２８内の温度が８５０℃〜１０００℃になるように燃焼室２８に設置したバーナ３１（オイルバーナ又はガスバーナ）で温度調整されている。そのため、ダストＤに含まれているＮａＣｌやＫＣｌは、融点である約８００℃以上の温度によって液体状となり、燃焼室２８の内壁面に付着する。この付着した液状のダストＤは、燃焼室２８の内壁面を伝って燃焼室２８の下部へ流下し、バーナ３１の位置から遠ざかるに従って温度が低下して燃焼室２８の内壁面に付着したまま固体状のダストＤとなる。
その結果、灰溶融炉２０の燃焼室２８に於いては、灰溶融炉２０の運転継続と伴に前記固体状のダストＤが成長し、遂には固体状のダストＤによって燃焼室２８の下部が閉塞状態になると云う問題があった（図２参照）。
又、灰溶融炉２０の運転を継続して固体状のダストＤが排ガス受入れ口３０やバーナ３１の燃焼ガス吹込み口３２まで成長すると、灰溶融炉２０の運転を継続することができなくなると云う問題があった。
更に、燃焼室２８に設置されているバーナ３１の燃焼ガスＧは、燃焼室２８内で可燃性ガスの燃焼を効率良く行わせるために燃焼ガス吹込み口３２から１０ｍ／ｓｅｃ以上の高速で燃焼室２８内に吹き込まれており、このバーナ３１からの燃焼ガスＧ′の吹き込みによって排ガスＧ中のダストＤが燃焼室２８の内壁面に押し付けられて付着を促進すると云う問題が発生している。

これらの問題を解決するため、灰溶融炉から排出されるダスト及び可燃性ガスを含む排ガスを完全燃焼させる灰溶融炉の二次燃焼装置及び二次燃焼装置の運転方法が開発され、特許第３８０６３０６号公報として公開されている（特許文献１参照）。
即ち、前記灰溶融炉の二次燃焼装置及び二次燃焼装置の運転方法は、図示していないが、灰溶融炉から排出されたダスト及び可燃性ガスを含む排ガスを燃焼させる二次燃焼室に、その内部壁面を加熱する加熱手段（昇温バーナ又は昇温ヒータ）を設け、当該加熱手段により二次燃焼室の内部壁面を８００℃以上に加熱して排ガス中のダストを溶融・蒸発させ、二次燃焼室の内部壁面にダストが付着することを防止して二次燃焼室が閉塞状態にならないようにしたものである。

然し乍ら、上述した灰溶融炉の二次燃焼装置及び二次燃焼装置の運転方法に於いても、ＮａＣｌやＫＣｌは、その沸点が約１５００℃であるため、二次燃焼室内で完全に蒸発せず、液体状態で二次燃焼室の内部壁面を伝って流れ落ち、加熱手段から遠ざかった位置で固定となり、二次燃焼室を閉塞すると云う問題があった。
特許第３８０６３０６号公報

本発明は、このような問題点に鑑みて為されたものであり、その目的は、灰溶融炉から排出された排ガス中のダストが燃焼室の内壁面に付着して成長するのを確実に防止できるようにした灰溶融炉の燃焼室を提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明は、焼却灰及び飛灰を溶融処理する灰溶融炉から排出された排ガス中の可燃性ガスをバーナからの燃焼ガスにより燃焼させる灰溶融炉の燃焼室に於いて、燃焼室の入口部分の雰囲気温度を可燃性ガスが燃焼でき且つ排ガス中のダストが溶融状態となる８００℃以上に保てるように、燃焼量及び燃焼ガス温度を制御できるバーナを燃焼室の熱源として設置すると共に、燃焼室を形成する耐火物壁の熱伝導率及び厚みを設定し、又、バーナの燃焼ガスを燃焼室内へ吹き込むための燃焼ガス吹込み口の開口寸法を、燃焼室への燃焼ガスの吹込み速度が５ｍ／ｓｅｃ以下となるように設定し、更に、燃焼室の入口部分の下方位置で且つダストが溶融状態にある位置で燃焼室の内径を拡径する構成としたことに特徴がある。

本発明の灰溶融炉の燃焼室は、燃焼室の入口部分の雰囲気温度を排ガス中の可燃性ガスが燃焼でき且つ排ガス中のダストが溶融状態となる８００℃以上に保てるように、燃焼量及び燃焼ガス温度を制御できるバーナを燃焼室の熱源として設置すると共に、燃焼室を形成する耐火物壁の熱伝導率及び厚みを設定しているため、燃焼室の内壁面に付着したダストは確実に溶融して良好な流動性を示し、燃焼室の内壁面を伝って燃焼室の下部へ確実且つ良好に流れ落ちる。
又、本発明の灰溶融炉の燃焼室は、バーナの燃焼ガスを燃焼室内へ吹き込むための燃焼ガス吹込み口の開口寸法を、燃焼室への燃焼ガスの吹込み速度が５ｍ／ｓｅｃ以下となるように設定し、燃焼室内へ吹き込まれる燃焼ガスの吹き込み速度を遅くしているため、燃焼室の内壁面（燃焼ガス吹込み口付近）へのダストの付着を抑制することができる。
更に、本発明の灰溶融炉の燃焼室は、燃焼室の入口部分の下方位置で且つダストが溶融状態にある位置で燃焼室の内径を拡径する構成としているため、燃焼室の内壁面を伝って流れ落ちたダストが燃焼室の内壁面の拡径部分で内壁面から離れて滴下排出される。
このように、本発明の灰溶融炉の燃焼室は、燃焼室の内壁面に付着したダストが固化することなく燃焼室内から排出されるため、灰溶融炉の連続運転が可能になると共に、付着ダストの除去作業が不要となる。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。
図１は本発明の実施の形態に係る灰溶融炉１の燃焼室２を示し、当該灰溶融炉１の燃焼室２は、都市ごみや産業廃棄物等を焼却処理するごみ焼却炉から排出された焼却灰３及び飛灰３を溶融処理する灰溶融炉１の後段に設置されており、灰溶融炉１から排出された排ガスＧ中の可燃性ガス（水素や一酸化炭素等）を燃焼させると共に、排ガスＧ中のダストＤを燃焼室２の内壁面に付着・固化させることなく排出することができるように構成されている。

前記灰溶融炉１は、図１に示す如く、耐火物等により形成された天井壁、周壁及び底壁（炉底）から成る炉本体４と、天井壁に貫通状に配設した昇降自在な主電極５と、天井壁に貫通状に配設した昇降自在なスタート電極（図示省略）と、底壁に配設した導電性耐火物製の炉底電極（図示省略）と、焼却灰３及び飛灰３を貯留するホッパ６と、ホッパ６内の焼却灰３及び飛灰３を炉内に投入するスクリューフィーダー等の灰供給装置７等から成り、直流電源を利用して主電極５から炉底電極へ向けてプラズマアークを発生させ、当該プラズマアークの発生熱により炉内に投入された焼却灰３及び飛灰３を溶融処理するように構成されている。

而して、灰溶融炉１内に投入された焼却灰３及び飛灰３は、炉内で順次溶融して溶融スラグとなり、炉本体４の周壁に形成した溶融スラグ出滓口８からオーバーフローし、スラグ出湯樋９を流下して冷却水を貯留した水冷槽（図示省略）内へ落下排出され、ここで水冷されて水砕スラグとなる。

前記灰溶融炉１の後段に設置した燃焼室２は、灰溶融炉１から排出された排ガスＧを二次燃焼させて排ガスＧ中の可燃性ガスを完全燃焼させるものである。
即ち、前記燃焼室２は、図１に示す如く、円筒状に形成された耐火物壁構造の周壁１０ａと、周壁１０ａの上部開口を閉塞する耐火物壁構造の天井壁１０ｂとから成る円筒形状の燃焼塔１０により形成されており、周壁１０ａ及び天井壁１０ｂで囲まれた空間が灰溶融炉１から排出された排ガスＧを二次燃焼させる燃焼室２となっている。
又、燃焼塔１０の周壁１０ａの中間部よりも下部位置には、灰溶融炉１から排出された高温の排ガスＧを燃焼室２内に受け入れるための排ガス受入れ口１１が形成されている。この排ガス受入れ口１１は、排ガスダクト１２を介して灰溶融炉１の炉本体４内に連通状に接続されている。
更に、燃焼塔１０の周壁１０ａの上部位置には、燃焼室２内の燃焼排ガスＧ″を排出するための燃焼排ガス排出口１３が形成されている。この燃焼排ガス排出口１３は、ダクトを介して減温塔及び排ガス処理装置（何れも図示省略）等に接続されている。

そして、前記燃焼室２には、燃焼室２内へ所定の温度の燃焼ガスＧ′を吹き込んで燃焼室２内の温度を制御するためのバーナ１４（オイルバーナ又はガスバーナ）が設けられている。
前記バーナ１４は、燃焼室２の排ガス受入れ口１１よりも上方位置で且つ燃焼塔１０の周壁１０ａに接続した燃焼ガス供給ダクト１５の上流側端部に設けられており、燃料（オイル又はガス）の燃焼により発生した燃焼ガスＧ′を燃焼ガス供給ダクト１５を通して燃焼ガス吹込み口１６から燃焼塔１０の燃焼室２内へ吹き込み、燃焼室２の入口部分（排ガス受入れ口１１付近）の雰囲気温度を所定の温度に維持するようにしたものである。
即ち、バーナ１４は、燃焼室２の入口部分の雰囲気温度を排ガスＧ中の可燃性ガスが燃焼でき且つ排ガスＧ中のダストＤが溶融状態となる８００℃以上、好ましくは１０００℃以上に保てるように、燃焼量及び燃焼ガスＧ′温度が制御されている。このバーナ１４の燃焼量及び燃焼ガスＧ′温度の制御は、燃焼室２内に設けた温度検出センサー（図示省略）により燃焼室２の入口部分の温度を検出し、この検出温度に基づいてバーナ１４への燃料量及び燃焼用空気等を制御することにより行われている。
又、バーナ１４の燃焼ガスＧ′を燃焼室２内へ吹き込むための燃焼ガス吹込み口１６の開口寸法は、燃焼ガスＧ′の吹き込みによって排ガスＧ中のダストＤが燃焼室２の内壁面に押し付けられ難いように、燃焼室２への燃焼ガスＧ′の吹込み速度が５ｍ／ｓｅｃ以下となるように設定されている。より好ましくは、燃焼ガス吹込み口１６の開口寸法は、燃焼室２への燃焼ガスＧ′の吹込み速度が３ｍ／ｓｅｃ以下となるように設定されている。

更に、前記燃焼室２に於いては、燃焼室２の入口部分（排ガス受入れ口１１付近）の下方位置で且つダストＤが溶融状態にある位置で燃焼室２の内径を拡径する構成としている。
即ち、燃焼室２は、排ガス受入れ口１１よりも下方位置で且つ燃焼室２の内壁面に付着しているダストＤが溶融状態を保てる位置で拡径するように構成されている。これにより、燃焼室２の入口部分と燃焼室２の拡径部分との間には、段差部１７が形成されることになる。この段差部１７を形成する燃焼室２の拡径部分の内径は、燃焼室２の入口部分の内壁面を伝って流れ落ちて来た溶融状態のダストＤが段差部１７で内壁面から確実に離れて滴下するように設定されている。
又、燃焼室２を形成する燃焼塔１０の耐火物壁は、燃焼室２内の温度をバーナ１４により制御するときに、燃焼室２の入口部分の雰囲気温度を可燃性ガスが燃焼でき且つ排ガスＧ中のダストＤが溶融状態となる８００℃以上に保てるように、その熱伝導率及び厚みが設定されている。
即ち、燃焼室２を形成する耐火物壁は、燃焼室２の内壁面にダストＤが付着しても、これが溶融状態を保てるように、その熱伝導率及び厚みが設定されている。

尚、図示していないが、燃焼塔１０の周壁１０ａには、燃焼室２内へ燃焼用空気を吹き込み、燃焼室２内の排ガスＧを燃焼させる燃焼用空気吹込み口が設けられている。この燃焼用空気吹込み口は、燃焼塔１０の周壁１０ａで且つ燃焼ガス吹込み口１６よりも上方位置に設けられており、周壁１０ａの内周面に沿ってその接線方向に燃焼用空気を吹き込んで燃焼室２内に旋回流を形成できるようになっている。燃焼室２内へ供給される燃焼用空気は、燃焼室２内の排ガスＧを完全燃焼できるように適切な量に調節されている。
又、燃焼塔１０の下部には、ダスト排出口１８が形成されており、このダスト排出口１８にはダスト排出口１８から排出されたダストＤを冷却して固体の状態で系外（外部）へ排出するダスト排出用のコンベヤ（図示省略）が接続されている。

次に、上述した灰溶融炉１の燃焼室２により灰溶融炉１から排出された排ガスＧを燃焼処理する場合について説明する。
灰溶融炉１内での焼却灰３及び飛灰３の溶融によって発生した高温の排ガスＧは、水素や一酸化炭素等の可燃性ガスの他に多量のダストＤを含んでおり、灰溶融炉１と燃焼塔１０を接続する排ガスダクト１２を通って排ガス受入れ口１１から燃焼室２内に入り、燃焼用空気吹込み口（図示省略）から燃焼室２内に吹き込まれる燃焼用空気とバーナ１４から燃焼ガス供給ダクト１５を通って燃焼ガス吹込み口１６から燃焼室２内に吹き込まれる燃焼ガスＧ′により燃焼される。これにより、排ガスＧ中に含まれる可燃性ガスは、燃焼室２内に於いて十分な滞留時間と温度をもって完全燃焼される。燃焼室２内で完全燃焼した燃焼排ガスＧ″は、燃焼排ガス排出口１３から排出され、後続の減温塔や排ガス処理装置（何れも図示省略）等を通ってクリーンなガスとなって大気中へ放出される。

このとき、燃焼室２の入口部分の雰囲気温度を排ガスＧ中の可燃性ガスが燃焼でき且つ排ガスＧ中のダストＤが溶融状態となる８００℃以上（好ましくは１０００℃以上）に保てるように、バーナ１４の燃焼量及び排ガスＧ温度を制御すると共に、燃焼室２を形成する耐火物壁の熱伝導率及び厚みを設定している。その結果、燃焼室２の内壁面に付着したダストＤは、確実に溶融して良好な流動性を示し、燃焼室２の内壁面を伝って燃焼室２の下部へ確実且つ良好に流れ落ちる。
又、バーナ１４の燃焼ガスＧ′を５ｍ／ｓｅｃ以下（好ましくは３ｍ／ｓｅｃ以下）の吹込み速度で燃焼室２内へ吹き込み、燃焼室２内への燃焼ガスＧ′の吹き込み速度を遅くしているため、燃焼室２の内壁面（燃焼ガス吹込み口１６付近）へのダストＤの付着が軽減される。
更に、燃焼室２の内壁面を伝って流れ落ちる溶融状態のダストＤは、燃焼室２の入口部分と燃焼室２の拡径部分との間に形成した段差部１７で内壁面から離れて滴下し、燃焼室２の下部のダスト排出口１８からコンベヤ（図示省略）内へ排出され、当該コンベヤにより冷却されて固体の状態で系外（外部）へ排出される。

このように、上述した灰溶融炉１の燃焼室２は、燃焼室２の内壁面に付着したダストＤが固化することなく燃焼室２内から排出されるため、灰溶融炉１の連続運転が可能になると共に、付着ダストＤの除去作業が不要となる。

本発明の実施の形態に係る灰溶融炉の燃焼室の概略縦断面図である。 従来の灰溶融炉の燃焼室の概略縦断面図である。

符号の説明

１は灰溶融炉、２は燃焼室、３は焼却灰・飛灰、１４はバーナ、１５は燃焼ガス吹込み口、Ｇは排ガス、Ｇ′は燃焼ガス、Ｇ″は燃焼排ガス、Ｄはダスト。

Claims (1)

1. 焼却灰及び飛灰を溶融処理する灰溶融炉から排出された排ガス中の可燃性ガスをバーナからの燃焼ガスにより燃焼させる灰溶融炉の燃焼室に於いて、燃焼室の入口部分の雰囲気温度を可燃性ガスが燃焼でき且つ排ガス中のダストが溶融状態となる８００℃以上に保てるように、燃焼量及び燃焼ガス温度を制御できるバーナを燃焼室の熱源として設置すると共に、燃焼室を形成する耐火物壁の熱伝導率及び厚みを設定し、又、バーナの燃焼ガスを燃焼室内へ吹き込むための燃焼ガス吹込み口の開口寸法を、燃焼室への燃焼ガスの吹込み速度が５ｍ／ｓｅｃ以下となるように設定し、更に、燃焼室の入口部分の下方位置で且つダストが溶融状態にある位置で燃焼室の内径を拡径する構成としたことを特徴とする灰溶融炉の燃焼室。

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