JP5216076B2 - スラグ溶融酸素バーナーを用いた溶融炉 - Google Patents

Description

本発明は溶融酸素バーナーを用いた溶融炉に関するものであり、より具体的には、資源回収施設である熱分解（ガス化）溶融炉環境プラントに使用されるスラグ溶融酸素バーナーを用いた溶融炉に関する。

一般的に資源回収施設である熱分解（ガス化）溶融炉環境プラントは、廃棄物を搬入する搬入供給設備、ガス化溶融設備、燃焼ガス冷却設備、燃焼ガス処理設備、残留物処理設備などを備えている。

搬入供給設備は、輸送管路や廃棄物搬入車両により廃棄物貯蔵槽内に廃棄物を投入し、廃棄物貯蔵槽に投入された廃棄物は破砕機により適正な大きさに破砕され、廃棄物クレーンによりガス化溶融設備に投入される。

また、例えば特許文献１には、底部に溶融スラグ排出口を有する溶融炉本体と、溶融スラグ排出口から落下した溶融スラグを受け入れて冷却・固化させるスラグ冷却部とを具備する燃焼溶融炉において、スラグ冷却部からの冷気によって溶融スラグ排出口の溶融スラグが冷却されるのを阻止するための気体吸引装置を備えたことを特徴とする燃焼溶融炉が記載されている。

また、図１は従来のガス化溶融設備を示した断面図であり、図２は図１で図示されたＡの部分拡大断面図であり、図３は図２で図示されたＰ−Ｐ線による横断面図であり、図４は図２で図示されたＱ−Ｑ線による縦断面図である。

図１乃至図４を参照すると、ガス化溶融設備はガス化炉（Ｇ）と溶融炉（２００）から構成される。ガス化炉（Ｇ）に投入された廃棄物は約５５０〜６３０℃くらいの高温の砂が流動する流動層内で安定的にガス化が行われる。以下に、ガス化炉（Ｇ）で熱分解ガス化され、溶融炉（２００）に導入されるガスを総称して熱分解ガスという。

ガス化炉（Ｇ）で発生したガスは、後端に配置された溶融炉（２００）で高温燃焼溶融される。溶融炉（２００）はＵ字形状であり、１次燃焼室（２１０）と２次燃焼室（２２０）と３次燃焼室（２３０）とを具備する。１次燃焼室（２１０）と２次燃焼室（２２０）と３次燃焼室（２３０）は、内部が連通されるように連続的に形成される。一般的に溶融炉（２００）では旋回溶融炉が使用される。

ガス化炉（Ｇ）から排出された熱分解ガスは溶融炉（２００）の高温ダクト（２４０）の方に導入される。１次燃焼室（２１０）で熱分解ガスは燃焼空気と混合され溶融炉（２００）内に導入され旋回流を形成する。

このような溶融炉（２００）は熱分解ガスと燃焼空気との混合ガスの混合で反応し、内部温度が１３００〜１３８０℃で保持される。これによって熱分解ガスの中の微粉（Ｃｈａｒ）が溶融しスラグ（ｓｌａｇ）となる。溶融されたスラグは溶融炉（２００）の内壁面に付着し下に流れ２次燃焼室（２２０）のスラグ排出口（２２０ａ）を通じて搬出、回収される。このように回収されたスラグは再活用できる。

図２乃至図４を参照すると、スラグ排出口（２２０ａ）を通じて排出されるスラグ（Ｓ１）はスラグ排出口（２２０ａ）のまわりに融着、クリンカー（Ｃｌｉｎｋｅｒ）化されるため、スラグ（Ｓ１）を再溶融させるための酸素バーナー（１００）とパイロットバーナー（２５０）とを具備する。

特開２００５−３２３０号公報

しかし、図１で図示されたようにスラグ排出口（２２０ａ）側のみならず３次燃焼室（２３０）の下部にもスラグ（Ｓ２）が融着、クリンカー（Ｃｌｉｎｋｅｒ）化して３次燃焼室（２３０）の下部の体積を減少させ、結局は詰めてしまう問題点がある。このような急激な２次及び３次燃焼室（２２０、２３０）の塞がりによって溶融炉（２００）内圧が上昇し連続運転が不可能となる問題点が発生する。

このような問題点を解決するために、従来の環境プラントの場合、酸素負荷設備（Ｐｒｅｓｓｕｒｅ Ｓｗｉｎｇ Ａｂｓｏｒｐｔｉｏｎ；ＰＳＡ）を基本設備として運用して燃焼空気に純酸素を追加供給し、燃焼空気の酸素濃度を４０％くらいで保持して熱分解ガスの完全燃焼反応を活性化し溶融炉（２００）に供給した。これによって溶融炉（２００）内の安定的熱源が確保され、溶融可能温度(１３００〜１３８０℃)を一定に保持し、スラグ（ｓｌａｇ）の排出を一定にして溶融炉（２００）内の体積減少などの問題を無くすことはできるが、装備が高価であり運営費用も高いという問題点がある。

また、このように滞積されたスラグ（Ｓ２）を除去するために従来設置された助燃バーナー（２６０）を用いてクリーニングを試みることはできるが、直接火炎が触れずに雰囲気温度上昇のみで滞積されたスラグ（Ｓ２）を除去するので、燃焼ガス流路が次第に狭くなり、運転不能の状態となる限界がはやく発生し、燃料である都市ガス（ＬＮＧ）の消耗も多くなるという問題点がある。

また、酸素バーナー（１００）の場合、火炎の方向が１次燃焼室（２１０）の方向に角度が固定されてあり、スラグ排出口（２２０ａ）及び２次燃焼室（２２０）と３次燃焼室（２３０）との連結部の方向へのクリーニングの目的として使用できないという問題点がある。

本発明の目的は、資源回収施設である熱分解（ガス化）溶融炉環境プラントに使用される溶融炉の内部で発生したスラグを簡便で経済的に除去することのできるスラグ溶融酸素バーナー及びこれを用いた溶融炉を提供することにある。

上記のような目的を達成するために、本発明のスラグ溶融酸素バーナーは、廃棄物を熱分解してガス化された熱分解ガスの中の微粉（Ｃｈａｒ）が溶融炉で溶融し発生するスラグ（ｓｌａｇ）を再溶融させるために前記溶融炉のスラグ排出口の下側に斜めに配置されるスラグ溶融酸素バーナー（Ｏｘｙｇｅｎ ｂｕｒｎｅｒ）であって、一端に液化天然ガス（ＬＮＧ）が流入されるようにガス流入管が連通され、他端に流入された前記液化天然ガスを排出するガス排出口が形成されたパイプ形状のガスノズル；前記ガスノズルに外挿されて、一端に酸素が流入されるように酸素流入管が連通され、他端に流入された酸素を排出する酸素排出口が形成されたパイプ形状の酸素ノズル；及び伸縮により前記スラグ溶融酸素バーナーが軸方向にスライドできるように一端が前記スラグ溶融酸素バーナーの一側に固定され、他端が前記溶融炉の外側に固定されるシリンダー（ｃｙｌｉｎｄｅｒ）を含む。

また、本発明のスラグ溶融酸素バーナーを用いた溶融炉は、破砕され搬入された廃棄物を熱分解して熱分解ガスを発生させるガス化炉（Ｇａｓｉｆｉｃａｔｉｏｎ ｆｕｒｎａｃｅ）と上側が連通され前記ガス化炉から搬入された前記熱分解ガスを燃焼空気と混合反応させて高温溶融して燃焼ガスとスラグ（ｓｌａｇ）を生成させる１次燃焼室と、下側に配置されたスラグ排出口に前記スラグを排出させる２次燃焼室と、上側が冷却設備と連通されて上側に前記燃焼ガスを排出させる３次燃焼室と、前記スラグを溶融させるために前記スラグ排出口の下側に斜めに配置されるスラグ溶融酸素バーナーとを具備するＵ字形状のものであり、前記スラグ溶融酸素バーナーは、一端に液化天然ガス（ＬＮＧ）が流入されるようにガス流入管が連通され、他端に流入された前記液化天然ガスを排出するガス排出口が形成されたパイプ形状のガスノズル；前記ガスノズルに外挿されて、一端に酸素が流入されるように酸素流入管が連通され、他端に流入された酸素を排出する酸素排出口が形成されたパイプ形状の酸素ノズル；及び伸縮により前記スラグ溶融酸素バーナーが軸方向にスライドできるように一端が前記スラグ溶融酸素バーナーの一側に固定され、他端が前記溶融炉の外側に固定されるシリンダー（ｃｙｌｉｎｄｅｒ）を含む。

ここで、前記スラグ溶融酸素バーナーは、各々前記１次燃焼室と前記３次燃焼室を向くように一対が配置されることができる。

また、前記１次燃焼室を向くスラグ溶融酸素バーナーは前記スラグ排出口を燃焼させるように配置され、前記３次燃焼室を向くスラグ溶融酸素バーナーは前記３次燃焼室の内部を燃焼させるように配置されることができる。

なお、前記スラグ溶融酸素バーナーは、前記溶融炉に対する傾斜角が相違することもある。

なお、前記スラグ溶融酸素バーナーらの端部と各々近接できるように前記スラグ排出口の下側に斜めに配置される一つのパイロットバーナー（Ｐｉｌｏｔ ｂｕｒｎｅｒ）をさらに含むことができる。

なお、前記スラグ溶融酸素バーナーは、前記酸素ノズルの外側を包むように配置されて、一方の側に冷却流体が流入されるように流体流入管が連通され、他方の側に流入された冷却流体を排出する流体排出口が形成されたパイプ形状の冷却ジャケット（Ｃｏｏｌｉｎｇ ｊａｃｋｅｔ）をさらに含むことができる。

本発明のスラグ溶融酸素バーナー及びこれを用いた溶融炉は、資源回収施設である熱分解（ガス化）溶融炉環境プラントに使用される溶融炉の内部で発生したスラグを簡便で経済的に除去することができる。

従来のガス化溶融設備を示した断面図である。 図１で図示されたＡの部分拡大断面図である。 図２で図示されたＰ−Ｐ線による横断面図である。 図２で図示されたＱ−Ｑ線による縦断面図である。 本発明の実施例による図１で図示されたＡの部分拡大断面図である。 図５で図示されたＲ−Ｒ線による横断面図である。 図５で図示されたスラグ溶融酸素バーナーの横断面図である。 図６で図示されたパイロットバーナーの横断面図である。 図５で図示されたスラグ溶融酸素バーナーの伸縮スライド使用状態図である。 図５で図示されたスラグ溶融酸素バーナーの伸縮スライド使用状態図である。

以下、添付された図面を参照し本発明の好ましい実施例等を詳細に説明する。ここでは、添付された図面で同一の構成要素は出来る限り同一符号で示してあることに留意する。また、本発明の要旨を暈す公知技術及び構成に対する詳しい説明は省略する。同じ理由で添付図面における一部の構成要素は誇張されたり、省略されたり、概略的に図示されている。

図５は本発明の実施例による図１で図示されたＡの部分拡大断面図であり、図６は図５で図示されたＲ−Ｒ線による横断面図であり、図７は図５で図示されたスラグ溶融酸素バーナーの横断面図であり、図８は図６で図示されたパイロットバーナーの横断面図であり、図９及び図１０は図５で図示されたスラグ溶融酸素バーナーの伸縮スライド使用状態図である。

図１、図５乃至図１０を参照すると、スラグ溶融酸素バーナー（１００）はガスノズル（１１０）、酸素ノズル（１２０）及びシリンダー（ｃｙｌｉｎｄｅｒ）（１３０）とを含む。図１は説明の便宜のため、本発明の実施例でも引用する。

スラグ溶融酸素バーナー（１００）は、廃棄物を熱分解しガス化された熱分解ガスを燃焼空気と混合反応して、溶融炉で熱分解ガス中の微粉（Ｃｈａｒ）が溶融し発生するスラグ（ｓｌａｇ）を、再溶融させるために、後述の溶融炉（２００）のスラグ排出口（２２０ａ）の下側に斜めに配置される。

図７を参照すると、ガスノズル（１１０）はパイプ形状であり、一端に液化天然ガス（ＬＮＧ）が流入されるようにガス流入管（１１０ａ）が連通され、他端に流入された液化天然ガスを排出するガス排出口（１１０ｂ）が形成される。ガスではガス化溶融設備の運転に使用されるＬＮＧなどが使われる。

酸素ノズル（１２０）もパイプ形状であり、ガスノズル（１１０）に外挿されて、一端に酸素が流入されるように酸素流入管（１２０ａ）が連通され、他端に流入された酸素を排出する酸素排出口（１２０ｂ）が形成される。

シリンダー（１３０）は伸縮によりスラグ溶融酸素バーナー（１００）が軸方向にスライドできるように一端がスラグ溶融酸素バーナー（１００）の一側に固定され、他端が溶融炉（２００）の外側に固定される。

即ち、図９及び図１０で図示されたように、スラグ溶融酸素バーナー（１００）はシリンダーの伸縮により火点の位置を調節することができる。このように、スラグ溶融酸素バーナー（１００）が軸方向にスライドできるようにシリンダー（１３０）を具備して火点の位置を調節することができるので、溶融炉(２００)の内部で発生したスラグの除去が容易であり、燃料（ＬＮＧ）の消耗を減らすことができる。

この時、図７で図示されたようにスラグ溶融酸素バーナー（１００）は、スラグ溶融酸素バーナー自体の冷却のためにパイプ形状の冷却ジャケット（Ｃｏｏｌｉｎｇ ｊａｃｋｅｔ）（１４０）を含むことができる。冷却ジャケット（１４０）はパイプ形状であり、酸素ノズル（１２０）の外側を包むように配置されて、一方の側に冷却流体が流入されるように流体流入管（１４０ａ）が連通され、他方の側に流入された冷却流体を排出する流体排出口（１４０ｂ）が形成される。

冷却流体として様々な流体が使われるが、特にスラグ溶融酸素バーナー（１００）が斜めに配置されてあるため、上端に気泡発生のおそれのある液体よりも、常温の空気を冷却流体として使用するのが有利である。

スラグ溶融酸素バーナー（１００）の外側に冷却ジャケット（１４０）が具備されることでスラグ溶融酸素バーナー（１００）の冷却を補助し耐久性を向上させることができる。

このようなスラグ溶融酸素バーナー（１００）には火炎検知器（ｆｌａｍｅ ｓｃａｎｎｅｒ；未図示）が具備され、スラグ溶融酸素バーナー（１００）で発生する火炎の大きさを判断して燃料供給を制御することもできる。即ち、溶融炉内の酸素バーナーの火炎燃焼状態を診断し、これを持続的に制御しながら燃焼効率を上げて燃焼バーナーのより経済的運転を図ることになる。

以下には前述のスラグ溶融酸素バーナーを用いた溶融炉に対して説明する。
図１、図５乃至図１０を参照すると、スラグ溶融酸素バーナー（１００）を用いた溶融炉（２００）はＵ字形状であり、１次燃焼室（２１０）と２次燃焼室（２２０）と３次燃焼室（２３０）とスラグ溶融酸素バーナー（１００）とを具備する。１次燃焼室（２１０）と２次燃焼室（２２０）と３次燃焼室（２３０）とは、内部が連通されるよう連続的に形成される。

１次燃焼室（２１０）は、破砕され搬入された廃棄物を熱分解して熱分解ガスを発生させるガス化炉（Ｇａｓｉｆｉｃａｔｉｏｎ ｆｕｒｎａｃｅ）（Ｇ）と上側が連通されてある。１次燃焼室（２１０）はガス化炉（Ｇ）から搬入された熱分解ガスを燃焼空気と混合反応させて燃焼熱により高温溶融し、燃焼ガスとスラグ（ｓｌａｇ）を生成させる。

２次燃焼室（２２０）は下側に配置されたスラグ排出口（２２０ａ）にスラグを排出させる。また、３次燃焼室（２３０）は上側が冷却設備（Ｃ）と連通され上側に前記燃焼ガスを排出させる。燃焼ガスは燃焼ガス冷却設備、燃焼ガス処理設備、残留物処理設備などを経て最終処理される。

スラグ溶融酸素バーナー（１００）はスラグを溶融させるためにスラグ排出口（２２０ａ）の下側に斜めに配置される。スラグ溶融酸素バーナー（１００）は予め説明したように、ガスノズル（１１０）、酸素ノズル（１２０）及びシリンダー（１３０）を含む。

また、スラグ溶融酸素バーナー（１００）はパイプ形状の冷却ジャケット（１４０）をさらに含むことができる。スラグ溶融酸素バーナー（１００）は予め説明したものと同じものであるので、詳しい説明は省略する。ガスと酸素は既存の酸素バーナー配管で分岐延長して施工することができるので、別途の設備や燃料設備は必要ない。

この時、スラグ溶融酸素バーナー（１００ａ）は１次燃焼室（２１０）を向き、スラグ溶融酸素バーナー（１００ｂ）は３次燃焼室（２３０）を向くように一対が配置されることができる。

即ち、図１及び図５で図示されたように１次燃焼室（２１０）を向くスラグ溶融酸素バーナー（１００ａ）はスラグ排出口（２２０ａ）の方を向いて燃焼させ、３次燃焼室（２３０）を向くスラグ溶融酸素バーナー（１００ｂ）は３次燃焼室（２３０）の内部の方を向いて燃焼させることができるように配置される。

従って、１次燃焼室（２１０）を向くスラグ溶融酸素バーナー（１００ａ）はスラグ排出口（２２０ａ）の方のスラグ（Ｓ１）を燃焼させ、３次燃焼室（２３０）を向くスラグ溶融酸素バーナー（１００ｂ）は３次燃焼室（２３０）の下部の方の滞積されたスラグ（Ｓ２）を燃焼させるように配置される。

このようなスラグ溶融酸素バーナー（１００ａ）の溶融炉（２００）に対する傾斜角（θ１）とスラグ溶融酸素バーナー（１００ｂ）の溶融炉（２００）に対する傾斜角（θ２）を必要によって異にすることができる。例えば、約θ１＝５０°、θ２＝５３°とすることもある。このように一対のスラグ溶融酸素バーナー（１００ａ、１００ｂ）の傾斜角を異にして、各火炎の方向がスラグ排出口（２２０ａ）と３次燃焼室（２３０）の内部を向くように調節することができる。

また、図６及び図８を参照すると、スラグ排出口（２２０ａ）の下側に斜めに一つのパイロットバーナー（Ｐｉｌｏｔ ｂｕｒｎｅｒ）（２５０）が配置される。パイロットバーナー（２５０）は主バーナーであるスラグ溶融酸素バーナー（１００）を初期点火させるためのものであり、ここでは一つのパイロットバーナー（２５０）を二つのスラグ溶融酸素バーナーら（１００ａ、１００ｂ）の端部と各々近接して配置し二つのスラグ溶融酸素バーナーら（１００ａ、１００ｂ）すべてを初期点火させることができる。

このようなパイロットバーナー（２５０）は、供給管（２５１）、プラグ（２５２）、バーナーチューブ（２５３）、電極体（２５４）などを含む。

供給管（２５１）にはガス燃料が供給される燃料ホール（２５１ａ）と空気が供給されるエアホール（２５１ｂ）が形成される。プラグ（２５２）は供給管（２５１）を水平に貫いて固定され電流を供給する。バーナーチューブ（２５３）は内部で燃料ガスとエアを混合し混合燃料ガスを供給する。電極体（２５４）はプラグ（２５２）の端部に連結され、その末端部でスパークをおこすティップを具備する。パイロットバーナー（２５０）も外側にパイプ形状の冷却ジャケット（２５５）をさらに含むことができる。

このようなパイロットバーナー（２５０）でスパークの生成によりまず着火ができ、このようなパイロットバーナー（２５０）の着火によりスラグ溶融酸素バーナー（１００）が初期着火される。

このように本発明の実施例によると、スラグ溶融酸素バーナー（１００）が各々１次燃焼室（２１０）と３次燃焼室（２３０）を向くように一対が配置されることでスラグ排出口（２２０ａ）の方のスラグ（Ｓ１）のみならず、３次燃焼室（２３０）の下部に融着、クリンカー化されたスラグ（Ｓ２）も簡便に除去して溶融炉（２００）の流路の体積減少とこれによる燃焼ガスの流路が詰まるという問題点を解決することができて連続運転が可能となる。

また、本発明の実施例によるスラグ溶融酸素バーナー及びこれを用いた溶融炉は、以下のような効果を奏する。
第一、スラグ溶融酸素バーナーが軸方向にスライドできるようにシリンダーを具備して火点の位置を調節することができるので、溶融炉の内部で発生したスラグの除去が容易であり、燃料の消耗を節減させることができる。
第二、スラグ溶融酸素バーナーが各々１次燃焼室と３次燃焼室を向くように一対が配置されることでスラグ排出口の方のスラグのみならず、３次燃焼室の下部に融着、クリンカー化されたスラグも簡便に除去して溶融炉の流路の体積減少とこれによって燃焼ガスの流路が詰まるという問題点を解決することができて連続運転が可能となる。
第三、一対のスラグ溶融酸素バーナーの傾斜角を異にして、各火炎の方向がスラグ排出口と３次燃焼室内部を向くように調節することができる。
第四、スラグ溶融酸素バーナーらが隣接して配置され、一つのパイロットバーナーで一対のスラグ溶融酸素バーナー全部を点火させることができる。
第五、スラグ溶融酸素バーナーの外側に冷却ジャケットが具備されてスラグ溶融酸素バーナーの耐久性を向上させることができる。

一方、本明細書と図面とで開示された本発明の実施例等は本発明の技術内容をわかりやすく説明し本発明の理解を容易にするために特定例を提示したものであり、本発明の範囲を限定することではない。ここに開示された実施例の他にも本発明の技術的思想に基づく他の変形例等が実施可能であることは本発明の属する技術分野で通常の知識を有する者に自明である。

１００ スラグ溶融酸素バーナー
１１０ ガスノズル
１２０ 酸素ノズル
１３０ シリンダー
１４０ 冷却ジャケット
２００ 溶融炉
２１０ １次燃焼室
２２０ ２次燃焼室
２３０ ３次燃焼室
２４０ 高温ダクト
２５０ パイロットバーナー
２５１ 供給管
２５２ プラグ
２５３ バーナーチューブ
２５４ 電極体
２５５ 冷却ジャケット
２６０ 助燃バーナー

Claims (2)

1. 破砕され搬入された廃棄物を熱分解して熱分解ガスを発生させるガス化炉と上側が連通され前記ガス化炉から搬入された前記熱分解ガスを燃焼空気と混合反応させ高温溶融して燃焼ガスとスラグを生成させる１次燃焼室と、下側に配置されたスラグ排出口に前記スラグを排出させる２次燃焼室と、上側が冷却設備と連通され上側に前記燃焼ガスを排出させる３次燃焼室と、前記スラグを溶融させるために前記スラグ排出口の下側に斜めに配置されるスラグ溶融酸素バーナーとを具備するＵ字形状の溶融炉であって、
   前記スラグ溶融酸素バーナーは、
   一端に液化天然ガスが流入されるようにガス流入管が連通され、他端に流入された前記液化天然ガスを排出するガス排出口が形成されたパイプ形状のガスノズル；
   前記ガスノズルに外挿されて、一端に酸素が流入されるように酸素流入管が連通され、他端に流入された酸素を排出する酸素排出口が形成されたパイプ形状の酸素ノズル；及び
   伸縮により前記スラグ溶融酸素バーナーが軸方向にスライドできるように一端が前記スラグ溶融酸素バーナーの一側に固定され、他端が前記溶融炉の外側に固定されるシリンダーを含み、
   前記スラグ溶融酸素バーナーは、
   各々前記１次燃焼室と前記３次燃焼室を向くように一対が配置され、
   前記１次燃焼室を向くスラグ溶融酸素バーナーは前記スラグ排出口のスラグを燃焼させ、前記３次燃焼室を向くスラグ溶融酸素バーナーは前記３次燃焼室の内部のスラグを燃焼させるように配置される
   スラグ溶融酸素バーナーを用いた溶融炉。
2. 前記スラグ溶融酸素バーナーらの端部と各々近接できるように前記スラグ排出口の下側に斜めに配置される一つのパイロットバーナーをさらに含む
   ことを特徴とする請求項１に記載のスラグ溶融酸素バーナーを用いた溶融炉。