(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
炉本体内で、直立状に設けたプラズマ電極と該電極に対向して設けた炉底電極との間でのプラズマアークにより焼却灰を溶融して得た溶融スラグを、該スラグの溜り池より出滓口を介して排出する灰溶融炉であって、炉本体を構成する耐火材の外側底を覆う水冷ジャケットが出滓口近くまで配設されている構造において、
前記溜り池の壁面の形状を、溜り池中心より出滓口へ向かうに連れ徐々に細幅化するくちばし形状に形成するとともに、前記くちばし形状のテーパ角を略４０〜６５°で且つ該溜り池中心より出滓口入口端壁までの距離が、該中心より出滓口反対側壁面までの距離より大なる形状に構成したことを特徴とする灰溶融炉。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、下水汚泥、都市ゴミや産業廃棄物などの焼却灰及び事業用火力発電プラント等の燃焼炉から排出される焼却灰を溶融するプラズマアーク式灰溶融炉に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、下水汚泥、都市ゴミ及び産業廃棄物等の焼却灰は、資源化、減容化及び無害化を図るため、灰溶融炉によって溶融され、スラグとして取り出されている。
上記焼却灰の溶融には、例えば図５、図６に示すようなプラズマアーク式溶融炉５１が使用され、炉本体５２に灰フィーダ５３を設け、該フィーダ５３より焼却灰５３ａを投入し、プラズマアーク５４で溶融される。溶融された溶融スラグ５５は出滓口５７から出滓樋５８を経由してモールド５４に排出され、排ガス６０は出滓樋５８の上部より炉本体外へ排出されている。
【０００３】
上記炉本体５２は耐火材５２ｅで略円筒状容器に構成され、その上部には黒鉛製管状プラズマ電極（−電極）６１が摺動可能に直立状に垂設され、下部には該プラズマ電極６１の対向位置に炉底電極（＋電極）６２を配設し、図示してない直流電源により直流電圧を印加して中心温度が略１万℃程度のプラズマアーク５４を発生させ焼却灰５３ａを溶融し溶融スラグ５５を形成する。
該溶融スラグ５５は溶融とともに導電性を持ち、電極間は導電性を帯びた溶融スラグ５５を挟んで通電状態に置かれ導電性部材の通電によるジュール熱を発生する。該ジュール熱により、溶融スラグ５５は炉底電極６２の上部に溶融メタル５６を沈殿させ、その上部に円形状の溶融スラグ池６３を形成し、略１４００℃程度の溶融スラグ５５が前記炉本体５２の側壁を貫通構成された出滓口５７より、下部に傾斜状に設けた出滓樋５８を介して連続出滓ができるようにしてある。なお、炉本体５２の上部には窒素ガス発生装置により還元用の窒素ガス６４を管状の前記プラズマ電極６１を介して送気され、炉内を還元用雰囲気に保持して黒鉛電極の消耗を防止する構成にしてある。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
そして、上記炉本体５２は、耐火材５２ｅで略円筒状容器に構成され、その耐火材の外側底を覆う水冷ジャケット６５が設けられ、図に見るように出滓口５７近くまで配設されている。
ところが、図５に見るように、前記円形状溶融スラグ池６３においては、溶融スラグ５５が流入し且つ通過する出滓口５７の入り口及び出滓口内部のＵ字底部を持つ通路は激しい侵食Ｋ１を受ける。また、前記侵食Ｋ１とともに図６に見るように出滓方向に対し略±６０°の範囲にわたり、炉内側壁（液面位置）の耐火材も侵食Ｋ２を受ける。
【０００５】
上記侵食が進むと、図５に示す場合は侵食部Ｋ１により出滓樋５８の下部に位置する水冷ジャケット６５ａへ溶融スラグ５５の流れが間近に接近して運転の継続が困難となる。また、図６に示す場合は侵食部Ｋ２により出滓口５７両側の水冷ジャケット６５ｂへ溶融スラグ５５の流れが間近に接近して前記Ｋ１同様運転の継続が困難となり、その都度運転を停止させ補修工事をする必要がある。
そのため、長期連続運転を実現するためには、上記のような耐火材の侵食を防ぐ何らかの対策が強く望まれている。
【０００６】
上記侵食は、出滓のため出滓口５７へ向け流動する高温溶融スラグ５５と耐火材との接触部位に起きる反応と物理的擦過により起きるものであり、溶融スラグ５５の温度が低温で流速が低い場合は起きないものであり、一に壁面近傍の溶融スラグ５５の温度及び接触する溶融スラグ５５の流速とに起因するものと考えられるため、下記に示す計測と分析を行なった。
即ち、従来の図６に示す円形状溶融スラグ池６３における壁面近傍の溶融スラグ５５の温度分布及び壁面温度分布について図７、図８に示す解析結果を求め、下記に示す結論を得た。
【０００７】
図７には、液面温度に対して、炉心より半径方向位置における液面温度を出滓方向の中心角θが０°とし反時計周りに中心角θの値が２０°、４０°、１８０°のときの半径方向位置に対する液面温度分布を示してある。なお、当該略円形状溶融スラグ池の半径は０．５５ｍで、炉壁近くの溶融スラグの温度は出滓口で略１４７０℃、θ＝２０、θ＝４０°の壁面近傍の温度は略１４６０〜１４６５℃で侵食を起し、θ＝１８０°では略１４００℃でこの温度では接触による侵食は起きないことを示している。
【０００８】
図８には、溶融スラグの流れが接触する壁面の温度を、炉心よりの周方向位置を前記中心角が０°のときを出滓方向とし、それより反時計周り中心角を開きそれぞれ周方向位置θで対応させて計測し、周方向位置（中心角θ）に対する壁面温度分布を示してある。
図８からは、壁面温度は出滓方向を０°とする周方向位置が６０°の場合は略１０００℃を境に周方向位置の増大につれ下方に変動して９０°以降は略９５０℃の安定値に落ち着いていることが示され、前記周方向位置が６０°以内に入ると壁面温度は上昇し、１０３０℃より１２００℃近い値を示している。
【０００９】
即ち従来の円形状溶融スラグ池の場合は、出滓方向を中心に６０°以内の壁面部分が１１５０〜１０３０℃でこの温度分布帯が大きな侵食が発生していることが理解される。
【００１０】
本発明は、前記課題解決のため上記検討結果に基づきなされたもので、侵食部位の耐火壁面の温度低下と耐火材近傍部位の溶融スラグの流速低下を図るとともに、溶融スラグの出滓性を保持した灰溶融炉の提供を目的とするものである。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
そこで、本発明の灰溶融炉は、炉本体内で、直立状に設けたプラズマ電極と該電極に対向して設けた炉底電極との間でのプラズマアークにより焼却灰を溶融して得た溶融スラグを、該スラグの溜り池より出滓口を介して排出する灰溶融炉であって、炉本体を構成する耐火材の外側底を覆う水冷ジャケットが出滓口近くまで配設されている構造において、
前記溜り池の壁面の形状を、溜り池中心より出滓口へ向かうに連れ徐々に細幅化するくちばし形状に形成するとともに、前記くちばし形状のテーパ角を略４０〜６５°で且つ溜り池中心より出滓口入口端壁までの距離が、該中心より出滓口反対側壁面までの距離より大なる形状に構成したことを特徴とする。
【００１２】
溶融スラグ池の高温溶融スラグが出滓口へ向け壁面を流動して流動面を激しく侵食する出滓口へのスラグ流入側の壁面の形状を、ジュール熱の発生中心である炉心より徐々に遠ざかるくちばし状（テーパ状）に形成する上記構成により、侵食を起こす流動開始点より出滓口に向け、壁面は遠ざかり、それに従い、側壁の冷却面積が増加することになり、くちばし部位の壁面温度が低下する。
【００１３】
一方、上記くちばし状（テーパ状）に形成された壁面近傍の溶融スラグ温度は、炉心より距離の増大につれ低下する。このため、溶融スラグの粘度が増加し流速の低下も惹起され、侵食を低く抑えることができる。
上記温度低下は局所的なものであるため、熱効率は殆ど低下せずまた、出滓スラグ温度も殆ど変化しない。従って出滓性を保持した中で耐火材の長寿命化を図ることができる。
【００１５】
上記請求項１記載の溶融スラグ池の形状は、前記図６、図７の従来の円筒状の灰溶融炉に見られる円形状溶融スラグ池について、壁面温度分布及び液面温度分布の検討結果に基づきなされたもので、テーパ角の略４０〜６５°の位置は、溶融スラグの出滓のための流動が開始され、侵食が始まる周方向位置を示す中心角が出滓方向を０°としたときの中心角４０〜６５°の位置に相当する。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を図に示した実施例を用いて詳細に説明する。但し、この実施例に記載される構成部品の寸法、材質、形状、その相対配置などは特に特定的な記載が無い限り、この発明の範囲をそれのみに限定する趣旨ではなく単なる説明例に過ぎない。
なお、従来例を示す図面に記載の部品と同一の品名と同一機能を持つ部品を使用する場合は同一符号を使用する。
【００１７】
図１は、本発明の灰溶融炉の縦断面図、図２は図１のII−II視図で、くちばし状溶融スラグ池の形状を示す図、図３は図２に示すくちばし状スラグ池における半径方向位置に対する液面温度分布を示す図、図４は図２に示すくちばし状スラグ池における周方向位置に対する壁面温度分布を示す図である。
【００１８】
図１に示すように、本発明の灰溶融炉は、炉本体１０は耐火材１０ｅで構成され、中心軸芯にプラズマ電極６１と炉底電極６２を備えた円筒部位１０ａと、出滓口１２を備えたくちばし部位１０ｂとよりなり、底部にくちばしの先端角を略６０°とする断面略雫形状の溶融スラグ池１１を備えた筒状容器より構成する。
上記筒状容器の天井の前記円筒部位１０ａの中心軸芯にプラズマ電極６１を直立状に垂設し、筒状容器の下底１０ｄには前記プラズマ電極６１に対向させてプラズマアーク５４を形成する炉底電極６２を配設し、該炉底電極６２の上部に沈殿する溶融メタル１１ａ及びその上部に溶融スラグ１１ｂを収納する雫型のくちばし状溶融スラグ池１１を形成する。
上記筒状容器の円筒部位１０ａには灰フィーダ５３を設け、くちばし部位１０ｂの雫型のくちばし状溶融スラグ池１１の先端に出滓口１２を耐火材１０ｅに貫通させる構成とする。
上記溶融スラグ池１１の形状以外の構造は先に引用した従来例と同一であるの説明を省略する。
【００１９】
上記炉本体１０の構成は、断面略雫形状筒状容器に拘束されることなく、雫型のくちばし状溶融スラグ池１１を含む下部構造を除く上部構造は、略雫形状に捉われるものでない。
【００２０】
上記構成であるので、プラズマアーク５４が形成する炉心を中心とし、出滓口１２の方向を中心角０°とし、反時計周りに中心角４０〜６５°に対応する周方向位置θ＝４０〜６５°に対する点Ａより、周方向位置の角度が小になるに従い、熱発生源である炉心よりの距離が増大する。
【００２１】
ところで、焼却灰がプラズマアーク５４により溶融され始まると、前記したように溶融スラグ１１ｂは導電性を持つようになり、プラズマ電極６１と炉底電極６２は導電性溶融スラグ１１ｂを間に挟んで表皮電流による筒状通電状態を形成し、電極径に近い筒状部位にジュール熱を発生する。発生した熱は溶融スラグ１１ｂを介して上昇流動させ炉心を中心に四方に拡散するが、拡散した熱は壁面及び水冷ジャケット１３を介して周囲から冷却される。即ち熱発生源である炉心より遠ざかる程、溶融スラグ１１ｂの温度は低下する。即ち、周方向位置が出滓口１２に近い程、温度低下を起こす。
また、前記点Ａより出滓口１２まで冷却面積はくちばし状（テーパ状）にすることにより増大する。そのため、壁面の放熱面積も増加し壁面温度は低下する。上記壁面温度（耐火材温度）の低下は反応による侵食を抑え、壁周辺の溶融スラグ１１ｂの粘度の増大を招来し、出滓口１２における溶融スラグ１１ｂの流出速度の低下を起し侵食防止を可能にする。
【００２２】
図３は、図２に示すくちばし状スラグ池１１における半径方向位置に対する液面温度分布を示す図、図４は図２に示すくちばし状スラグ池１１における周方向位置に対する壁面温度分布を示す図である。
図３においての半径方向の位置は、炉心を形成するプラズマアーク５４よりの距離を示し、図３、図４における周方向位置θは、前記炉心を中心とし出滓方向を０°として反時計周りに中心角の開き角度を周方向位置として表したものである。
【００２３】
図３に見るように、出滓口１２の液面温度は略１４７０℃を示しており、従来の円形状溶融スラグ池の液面温度分図（図７）に示す１４９０℃に比較して、２０℃程度の温度低下を示しており、出滓性は保持されている。（入力熱量と放散熱の差に比例して温度低下が起きる。）
また、周囲方向位置２０°、４０°の溶融スラグ温度は１３５０〜１３９０℃を示し、従来の温度分布図（図８）に示す半径位置０．５５ｍのスラグ温度１４５０〜１４６０℃に比較して明らかに温度低下を示し、接触のみでは侵食を起こさない１４００℃以下である。
【００２４】
一方、壁面温度は図４に見るように出滓口付近より略１０５０℃付近で推移し、周囲方向４０°より６０°までは１０４０〜１０００℃を示し、６０°を境にして９００℃程度に低下している。
これに対し、従来の円形溶融スラグ池の場合の壁面温度分布は図６に見るように、出滓口より周方向位置３０°までは１２００〜１０５０℃、周囲方向位置３０°より６０°までは１０５０〜１０３０℃付近に終始し、本発明の場合の壁面温度は明らかに低下している。
上記図３、図４を図７、図８に示す解析結果に比較しても、本発明のくちばし型溶融スラグ池が出滓性を保持した中で侵食防止機能を持つことが示され、出滓性に影響を与えることなく侵食を防止できる。
【００２５】
【発明の効果】
本発明は上記構成により、耐火材の温度低下、耐火材近傍の溶融スラグの流速の低下を図ることができ、出滓性を保持したなかで耐火材の耐久性を改善できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の灰溶融炉の一部破断した縦断面図である。
【図２】  図１のII−II視図で、くちばし状溶融スラグ池の形状を示す図である。
【図３】  図２に示すくちばし状溶融スラグ池における半径方向位置に対する液面温度分布を示す図である。
【図４】  図２に示すくちばし状溶融スラグ池における周方向位置に対する壁面温度分布を示す図である。
【図５】  従来の円筒状灰溶融炉の概略の構成及び出滓口における侵食状況を示す縦断面図である。
【図６】  図５のVI−VI視図で円形状溶融スラグ池における出滓口侵食状況を示す図である。
【図７】  図６に示す円形状スラグ池における半径方向位置に対する液面温度分布を示す図である。
【図８】  図６に示す円形状スラグ池における周方向位置に対する壁面温度分布を示す図である。
【符号の説明】
１０    炉本体
１０ａ  円筒部位
１０ｂ  くちばし部位
１０ｄ  下底
１０ｅ  耐火材
１１    くちばし状溶融スラグ池
１１ａ  溶融メタル
１１ｂ  溶融スラグ
１２    出滓口
１３    水冷ジャケット
５３    灰フィーダ
５４    プラズマアーク
６１    プラズマ電極
６２    炉底電極
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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