(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
塩類を含む焼却残渣を溶融させ、この溶融物を溶融炉内に滞留させて溶融スラグ層と溶融塩層に分離させ、溶融スラグと溶融塩を別々に排出させる電気抵抗加熱式の溶融炉において、炉内に挿入される電極棒と、炉底に備えられた炉底電極と、炉上部に設けられた焼却残渣装入管とを有し、炉本体が、溶融スラグを滞留させて加熱するスラグ滞留部と、このスラグ滞留部の上に延設された部位であって溶融塩を滞留させる塩類滞留部とに区分され、この塩類滞留部の外周部に溶融塩層の温度を７００℃〜１０００℃の範囲に調節する冷却手段が備えられていることを特徴とする塩類を含む焼却残渣の溶融炉。
【請求項２】
前記塩類滞留部の炉内横断面積が前記スラグ滞留部の炉内横断面積よりも縮小されていることを特徴とする請求項１に記載の塩類を含む焼却残渣の溶融炉。
【請求項３】
焼却残渣装入管の下端が溶融塩層が形成された際の湯面レベルよりも下に位置するように挿入されていることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の塩類を含む焼却残渣の溶融炉。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、都市ごみ焼却残渣などのような塩類を含む焼却残渣を溶融処理する溶融炉に関する。
【０００２】
【従来の技術】
都市ごみや産業廃棄物などを焼却した際に発生する焼却残渣の多くは埋め立て処分されているが、埋立地の確保が困難になるにしたがって、その減容化が要望されてきた。また、焼却残渣のうち、燃焼排ガスと共に飛散して集塵機で捕集された灰（飛灰）は、鉛やカドミウムなどの重金属類を含んでおり、特別管理一般廃棄物に指定されているので、その廃棄処分に際しては、重金属類を無害化する処理をしなければならない。このため、焼却炉から直接取り出された焼却残渣を減容化すると共に、飛灰を無害化する必要が生じている。
【０００３】
このような問題に対処し、焼却残渣の減容化と重金属類の不溶化・無害化を同時に行うことができる技術として、焼却残渣を溶融固化する処理方法が開発されている。そして、この溶融固化処理の一方法として、焼却残渣の溶融物を炉内に滞留させながら、装入された焼却残渣を順次溶融させる方法がある。このようにして焼却残渣を溶融する方法においては、生成した溶融物が炉内に滞留している間に、溶融物中の成分が比重差によって分離され、溶融スラグ層と溶融塩層に分かれるため、溶融物を溶融スラグと溶融塩とに分別して排出することができる。
【０００４】
しかし、上記の溶融処理方法においては、生成した溶融塩が常に炉内に残留しており、また、この溶融塩は沸点が低いＮａＣｌやＫＣｌなどのアルカリ金属の塩化物を多量に含んでいるので、これらの低沸点物質が多量に揮散すると言う問題が発生する。低沸点物質の揮散が起こると、揮散したアルカリ金属塩が排気系統の機器内で凝縮して付着し、この付着物が排気系統を詰まらせる原因物質になったり、あるいは機器類を腐食させたりして、溶融炉の安定操業が阻害される。
【０００５】
このような問題を解消するための技術として、特開平７−４２９２４号公報には、低沸点物質の揮散抑制が図られた溶融炉が示されている。この溶融炉は電気抵抗加熱式のものであって、この炉による溶融処理においては、炉内に滞留している焼却残渣の溶融物中に浸漬された電極間に通電して、それ自体の電気抵抗熱によって溶融物を加熱し、装入された焼却残渣を順次溶融する。
【０００６】
図６はその溶融炉を示す縦断面図である。３０は炉本体、３１は電極、５０は投入された焼却残渣、５２は焼却残渣が溶融して生成した溶融スラグ層、５１は焼却残渣中の塩類が溶融して生成した溶融塩層を示す。また、３２は焼却残渣の投入口、３３は排ガス排出口、３４は溶融物の排出口を示す。この溶融炉においては、炉本体３０の天井壁と溶融領域との間に設けられている仕切壁３５の内側の溶融塩層５１が投入された焼却残渣５０によって覆われ、仕切壁３５の外側の溶融塩層５１が、融点が炉内温度よりも高く、比重が溶融塩よりも小さいカーボンなどの粉末材３８によって覆われるようになっており、溶融塩層５１からの低沸点物質の揮散抑制が図られている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、塩類を含む焼却残渣は、融点が１４００℃〜１６００℃の酸化物や、融点が７００℃〜８００℃の塩類などよりなる混合物であるが、焼却残渣の溶融処理は焼却残渣中のすべての成分を溶融してしまう処理であるので、その溶融炉の操業においては、すべての成分が溶融する高温域、すなわち酸化物の融点以上の温度になるまで加熱される。このため、融点が低い塩類は成り行きのままの状態で加熱されて高温の溶融塩になる。そして、上記塩類の沸点は１４００℃〜１６００℃程度であり、その蒸気圧は１１００℃を超える辺りから急激に高くなるので、炉内においては、低沸点物質が非常に揮散し易い状態になる。
【０００８】
この点について、上記従来技術においては、溶融塩上を焼却残渣やカーボンなどの粉末材で覆う処置をしているが、低沸点物質の揮散源である溶融塩の蒸気圧が抑えられる訳ではなく、焼却残渣やカーボンなどによる捕集効果を狙っただけの処置であるので、これによる低沸点物質の揮散抑制効果はあまり期待できない。
【０００９】
本発明は、上記従来技術の問題点を解消し、低沸点物質の揮散を大幅に抑制することができる塩類を含む焼却残渣の溶融炉を提供することを目的とする。
【００１０】
上記の目的を達成するために、請求項１の発明に係る溶融炉は、塩類を含む焼却残渣を溶融させ、この溶融物を溶融炉内に滞留させて溶融スラグ層と溶融塩層に分離させ、溶融スラグと溶融塩を別々に排出させる電気抵抗加熱式の溶融炉において、炉内に挿入される電極棒と、炉底に備えられた炉底電極と、炉上部に設けられた焼却残渣装入管とを有し、炉本体が、溶融スラグを滞留させて加熱するスラグ滞留部と、このスラグ滞留部の上に延設された部位であって溶融塩を滞留させる塩類滞留部とに区分され、この塩類滞留部の外周部に溶融塩層の温度を７００℃〜１０００℃の範囲に調節する冷却手段が備えられていることを特徴としている。
【００１１】
請求項２の発明に係る溶融炉は、請求項１の発明に係る溶融炉において、前記塩類滞留部の炉内横断面積が前記スラグ滞留部の炉内横断面積よりも縮小されていることを特徴としている。
【００１３】
請求項３の発明に係る溶融炉は、請求項１又は請求項２の発明に係る溶融炉において、焼却残渣装入管の下端が溶融塩層が形成された際の湯面レベルよりも下に位置するように挿入されていることを特徴としている。
【００１４】
なお、本発明において、塩類を含む焼却残渣とは、都市ごみを焼却した際に発生する集塵灰（飛灰）などであって、これらの集塵灰単独のもの、およびこれらの集塵灰が混在するものの双方を指すものとする。
【００１５】
上記の各発明においては、溶融塩層の温度を下げて低沸点物質の蒸気圧を低下させることを基本的な要件とし、これによって低沸点物質の揮散を抑えることを図っている。
【００１６】
このため、本発明に係る溶融処理方法においては、溶融塩層の温度が所定の範囲に収まるように調節する。焼却残渣に含まれている低沸点物質は、主としてＮａＣｌ，ＫＣｌなどのアルカリ金属の塩化物であり、前述のように、その揮散が激しくなる温度が１１００℃付近であるので、その揮散を抑えるためには、溶融塩層の温度が１０００℃以下になるように管理しなければならない。ただし、溶融塩層の温度を約７００℃より低くすると、溶融物が固化する恐れがある。従って、溶融塩層の温度管理に際しては、７００℃〜１０００℃の範囲を所定管理温度とするのが適当である。
【００１７】
焼却残渣が溶融した際に生成した溶融塩層は、その下に接して存在している高温の溶融スラグ層からの伝熱によって加熱される。そして、この溶融塩層の温度が高くならないようにするためには、溶融スラグ層からの伝熱量を減少させるか、溶融塩層からの放熱量が多くなるようにするか、あるいは溶融塩層を人為的に冷却する等の処置が必要になる。このため、塩類を含む焼却残渣を溶融処理するために用いられる溶融炉は、溶融塩層の温度が適度の範囲に維持できるような考慮が払われた構造になっていることが望ましい。
【００１８】
まず、本発明においては、溶融スラグ層の温度を下げる手段の一つとして、塩類滞留部の外周部に溶融塩層を冷却する手段を備え、溶融塩層を強制冷却する。
【００１９】
そして、溶融スラグ層から溶融塩層への伝熱量を減少させるためには、幾つかの方策があるが、上記伝熱量の低減は焼却残渣を溶融塩層の中へ装入することによっても達成される。このため、本発明の溶融炉においては、焼却残渣装入管を、その下端が溶融塩層が形成された際の湯面レベルよりも下になるように配置し、焼却残渣装入管の下部が溶融塩層へ浸漬される状態になるようにしている。このような状態で焼却残渣を装入すると、焼却残渣は除々に沈降しながら溶融塩層中へ分散し、溶融塩層の下部に焼却残渣と溶融塩が混在している部分（以下、混在層と言う）ができる。この混在層は焼却残渣の粒子が懸濁している状態、あるいはスラリー状になっており、熱伝導性がよくない固体分が混じっているので、混在層の熱伝導の度合いは溶融塩単独の場合に比べて低下する。このため、混在層が熱移動を妨げる領域となり、溶融塩層の過度の温度上昇が抑えられる。
【００２０】
また、溶融スラグ層からの伝熱量を減少させるための他の手段の一つとしては、溶融塩層と溶融スラグ層との界面の面積を小さくすることが挙げられる。この点について、本発明に係る溶融炉においては、炉体の上部が縮小された形状になっており、この縮小された部位に溶融塩を滞留させ、その下の縮小されていない部位に溶融スラグを滞留させることができるようになっている。このため、上記両層間の界面の面積が小さくなって、溶融スラグ層から溶融塩層へ移動する熱量が減少し、溶融塩層の過度の温度上昇が抑えられる。
【００２１】
そして、縮小された部位に溶融塩を滞留させると、溶融塩の滞留量に対する炉壁面積の比率が大きくなって、溶融塩層からの放熱量が増加し、溶融塩層の過度の温度上昇が抑えられる。
【００２２】
また、縮小された部位に溶融塩を滞留させると、溶融塩の滞留量に対する炉壁外周の面積の比率が大きくなり、また、少量の溶融塩を滞留させただけで、溶融塩層の高さを高くすることができるので、炉壁の外側に冷却手段を備えて溶融塩層を強制冷却することが容易になる。
【００２３】
【発明の実施の形態】
図１は本発明の溶融炉に係る実施の形態の一例を示す平面図、図２は図１におけるＡ−Ａ部の断面図である。この溶融炉は直流方式による電気抵抗加熱式の炉であって、溶融炉本体１０、電極棒１３、炉底電極１４、および複数の焼却残渣装入管１５によって主要部が構成されている。図中、５０は投入された塩類を含む焼却残渣、５１は溶融塩層、５２は溶融スラグ層を示す。
【００２４】
溶融炉本体１０は溶融スラグを滞留させる部位と溶融塩を滞留させる部位とに区分され、溶融炉本体１０の下部の部位がスラグ滞留部１１、その上部の部位が塩類滞留部１２となっている。
【００２５】
スラグ滞留部１１は、その中に溶融したスラグを滞留させ、この溶融スラグ層５２中に浸漬された電極棒１３と炉底電極１４の間に通電して加熱し、溶融スラグ層５２を高温状態に維持しなから焼却残渣装入管１５を経由して送られてくる焼却残渣を溶融させる役目をなすものである。
【００２６】
上記塩類滞留部１２には３本の焼却残渣装入管１５が取り付けられており、この焼却残渣装入管１５は塩類滞留部１２の炉蓋を貫通し、その下端が溶融塩層５１が形成された際の湯面レベルよりも下に位置するように挿入されている。このため、投入された焼却残渣が溶融塩層５１の中へ装入されるようになっている。なお、上記焼却残渣装入管１４は投入された焼却残渣を降下させて溶融塩層５１の中へ入れるだけの機能を有するものであればよいので、その形状は円筒形のものに限定されるものではなく、角形や他の形状であってもよい。
【００２７】
また、塩類滞留部１２には、その外周部に冷却装置１６が備えられている。冷却装置１６は溶融塩層５１を強制冷却するために備えられたものであって、水冷管が耐火物内に埋め込まれた構造になっており、この水冷管は溶融塩層５１と溶融スラグ層５２との界面のレベル付近から溶融塩層５１のレベルに渡って設けられている。なお、溶融塩層５１の表面部は、逆に冷却され易く、過度の温度低下が起こった場合には、溶融塩の流動性が低下してその排出が困難になるので、塩類排出口１７の外周部またはその周辺に誘導加熱コイルなどよりなる加熱装置を備え、必要に応じて加熱することができるようにしておくことが望ましい。
【００２８】
上記の構成による溶融炉によって塩類を含む焼却残渣を溶融する場合の操業は、次のように行われる。
【００２９】
焼却残渣は、計量された後、溶融塩層５１中に浸漬されている焼却残渣装入管１５内へ投入され、その下部に充填された状態になる。この焼却残渣は、予熱されながら、それ自体の荷重によって焼却残渣装入管１５中を徐々に下降し、塩類滞留部１２内に形成されている溶融塩層５１中へ装入される。溶融塩層５１中へ装入された焼却残渣５０は徐々に沈降しながら分散し、焼却残渣が懸濁した状態の部分、すなわち混在層５１ａをつくる。この混在層５１ａは、前述のように、溶融スラグ層５２から溶融塩層５１への熱移動を妨げ、溶融塩層５１の過度の温度上昇を抑制する作用をなす。
【００３０】
溶融塩層５１中へ装入された焼却残渣５０は、その一部が溶融塩層５１中で溶融するが、残りは高温に維持されている溶融スラグ層５１との界面まで降下し、ここで溶融する。焼却残渣が溶融すると、その成分が比重差によって分離され、炉内には、溶融塩層５１、溶融スラグ層５２、溶融メタル層５３の３層が形成される。
【００３１】
スラグ滞留部１１内の溶融スラグ層５２は、電極間の通電によりそれ自体の電気抵抗熱によって加熱される。この溶融スラグ層５２の温度は投入電力の調節によって、１４００℃〜１６００℃の範囲に維持される。
【００３２】
一方、塩類滞留部１２内に形成されている溶融塩層５１の温度は、検出部が溶融塩層５１の中間部に配置された中間部測定用の温度計２２の測定値に基づく冷却装置１６の調節によって、適切な範囲に維持される。すなわち、温度計２２によって測定された溶融塩層５１の中間部の温度が低沸点物質の揮散が起こらない範囲（７００℃〜１０００℃）になるように、冷却装置１６への通水量を調節する。
【００３３】
そして、上記の各溶融物は、それぞれ別個に抜き出される。まず、溶融塩は塩類滞留部１２上部（焼却残渣装入管１５の下端より上の位置）の側壁に設けられた塩類排出口１７から抜き出されるが、この溶融塩は未溶融の焼却残渣などの固形分は殆ど含んでいないので、流動性が保たれている。このため、塩類排出口１７から溶融塩を小流量で抜き出すことが可能になり、その抜き出しにオーバーフロー方式を採用することができる。
【００３４】
上記のような望ましい状態で溶融塩が排出されるのは、焼却残渣装入管１５が溶融塩層５１中に浸漬されており、また、塩類排出口１７が焼却残渣装入管１５の下端より上に設けられ、焼却残渣が懸濁している混在層５１ａが形成されるレベルより上に位置しているので、塩類排出口１７から抜き出される溶融塩中に未溶融の焼却残渣が混入する現象は起こらないためである。
【００３５】
もしも、焼却残渣装入管１５が溶融塩層５１に浸漬されておらず、焼却残渣を溶融塩層５１の上へ装入したとすれば、溶融塩層全体に焼却残渣が懸濁し、溶融塩は焼却残渣が混入したままの状態で抜き出される。そして、溶融塩に焼却残渣の粉体が混入すると、その粘度が大幅に上昇して流動性が低下し、溶融塩の排出が困難になると言う問題が引き起こされる。
【００３６】
溶融スラグはスラグ滞留部１１上部の側壁に設けられたスラグ排出口１８から連続的あるいは間欠的に抜き出されるが、炉本体１０がスラグ滞留部１１と塩類滞留部１２とに区分された構成になっているので、その抜き出しに際しては、溶融塩層５１と溶融スラグ層５２の界面のレベルが塩類滞留部１２の下部に位置するようにし、且つそのレベルを変動させないようにしなければならない。
【００３７】
このため、溶融塩層５１と溶融スラグ層５２の界面のレベルを把握しながら溶融スラグを抜き出す必要がある。ところで、溶融塩層５１の高さ方向における温度は、その湯面から溶融スラグ層５２との界面に近づくに従って上昇するので、上記界面のレベルに近い位置の温度を連続的に測定すれば、上記界面の位置を把握することができる。従って、検出部が溶融塩層５１の下部に配置された下部測定用の温度計２３による測定値が所定値に維持されるように、溶融スラグの抜き出し量を調節すれば、溶融塩層５１と溶融スラグ層５２の界面は所定のレベルに維持される。
【００３８】
そして、溶融メタルはスラグ滞留部１１下部の側壁に設けられたメタル排出口１９から間欠的に抜き出される。また、溶融時に発生したガスは排ガス排出口２０から抜き出され、別途処理される。
【００３９】
図３は本発明の溶融炉に係る実施の形態の他の例を示す平面図、図４は図３におけるＢ−Ｂ部の断面図である。図３および図４において、図１および図２に係る溶融炉と同じ構成による部分については、同一の符号を付しその説明を省略する。この例においては、塩類滞留部１２が、その内径（炉体内部の横断面積）がスラグ滞留部１１の内径に対して大幅に縮小されて、スラグ滞留部１１上の中央部に延設されている。このため、溶融炉本体１０の側面形状が凸字状になっている。また、塩類滞留部１２には焼却残渣装入管１５が備えられており、この焼却残渣装入管１５は、その下端が溶融塩層５１が形成された際の湯面レベルよりも下に位置するように挿入されている。
【００４０】
この溶融炉を使用する操業においては、溶融塩層５１と溶融スラグ層５２の界面を適宜のレベルに形成させることができるが、上記界面をどこに形成するかによって、異なる効果が得られる。
【００４１】
まず、図４のように、溶融塩層５１と溶融スラグ層５２の界面を炉体の内径が縮小されている箇所に形成させれば、既述のように、上記界面を縮小することによって、溶融スラグ層５２から溶融塩層５１へ移動する熱量が減少し、炉壁からの放熱量も増加するので、溶融塩層の温度上昇が一層抑制される。このため、この操業方法によれば、溶融塩層の必要冷却熱量が非常に少なくなり、冷却装置１６の負荷が大幅に軽減される。そして、必要冷却熱量がさらに減少する小型の溶融炉においては、冷却装置１６を装備する必要がない場合もある。
【００４２】
また、図５のように、溶融塩層５１と溶融スラグ層５２の界面を炉体内径の縮小度合いが小さい箇所、または縮小されていない箇所に形成させた場合、上記界面の面積が図４に示した場合より大きくなり、溶融スラグ層５２から溶融塩層５１への伝熱量が多くなって、その分だけ冷却装置１６の負荷が増すが、焼却残渣の溶融は主として上記界面付近で行われるので、焼却残渣の溶融処理能力が大きくなる。
【００４３】
【発明の効果】
本発明においては、炉本体が、溶融スラグを滞留させて加熱するスラグ滞留部と、その上に延設された部位であって溶融塩を滞留させる塩類滞留部とに区分され、この塩類滞留部の外周部に溶融塩層の温度を７００℃〜１０００℃の範囲に調節する冷却手段が備えられているので、溶融塩層の温度を低くして低沸点物質の蒸気圧を下げることが可能になり、これによって低沸点物質の揮散を抑えることができる。
【００４４】
そして、塩類滞留部がスラグ滞留部より縮小されている場合には、溶融塩層と溶融スラグ層の界面の面積を小さくすることができるので、溶融スラグ層から溶融塩層へ移動する熱量が減少し、また、炉壁からの放熱量も増加する。このため、溶融塩層の温度上昇が一層抑制され、低沸点物質の揮散が抑えられる。
【００４５】
また、塩類滞留部に備えられた焼却残渣装入管が、その下端が溶融塩層が形成された際の湯面レベルよりも下に位置するように挿入されている場合には、焼却残渣が溶融塩層の中へ装入され、溶融塩層の下部に溶融塩と焼却残渣が混じり合った混在層が形成されるので、溶融スラグ層から溶融塩層への熱移動が妨げられる。このため、溶融塩層の温度上昇抑制され、低沸点物質の揮散が抑えられる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の溶融炉に係る実施の形態の一例を示す平面図である。
【図２】図１におけるＡ−Ａ部の断面図である。
【図３】本発明の溶融炉に係る実施の形態の他の例を示す平面図である。
【図４】図３におけるＢ−Ｂ部の断面図である。
【図５】溶融塩層と溶融スラグ層の界面のレベルを変えた場合の状態を示す図である。
【図６】従来の低沸点物質の揮散防止が図られた溶融炉の一例を示す概略の縦断面図である。
【符号の説明】
１０  溶融炉本体
１１  スラグ滞留部
１２  塩類滞留部
１３  電極
１４  炉底電極
１５  焼却残渣装入管
１６  冷却装置
１７  溶融塩排出口
１８  スラグ排出口
１９  メタル排出口
２０  排ガス排出口
２１，２２，２３  温度計
５０  塩類を含む焼却残渣
５１  溶融塩層
５１ａ  混在層
５２  溶融スラグ層
５３  溶融メタル層
【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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