(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
耐火壁構造部と、耐火壁構造部の外側に設けた電気絶縁性耐火材と、電気絶縁性耐火材の外側に設けた空気層と、空気層の外側に設けた水冷壁とから構成した電気溶融炉の炉壁構造において、前記空気層を電気絶縁性耐火材の外側に設けた炉体鉄皮と水冷壁を構成する内側ジャケット壁により形成すると共に、前記炉体鉄皮と内側ジャケット壁とを冷却板又は冷却ピンにより連結する構成としたことを特徴とする電気溶融炉の炉壁構造。
【請求項２】
耐火壁構造部と、耐火壁構造部の外側に設けた電気絶縁性耐火材と、電気絶縁性耐火材の外側に設けた空気層と、空気層の外側に設けた水冷壁とから構成した電気溶融炉の炉壁構造において、前記空気層を、電気絶縁性耐火材の外側に設けた炉体鉄皮と水冷壁を構成する内側ジャケット壁により形成すると共に、空気層内又は空気層内と連通する箇所に前記空気層内へ漏出した水冷壁内の冷却水を検出する検知器を備えたことを特徴とする電気溶融炉の炉壁構造。
【請求項３】
空気層内へ冷却空気を強制流通させるようにした請求項１又は請求項２に記載の電気溶融炉の炉壁構造。
【請求項４】
空気層から導出した冷却空気を直接又は炉底電極の冷却に使用したあと、溶融炉燃焼室へ供給するようにした請求項３に記載の電気溶融炉の炉壁構造。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば都市ごみや産業廃棄物の焼却炉から排出した焼却灰や飛灰を溶融処理する電気溶融炉に於いて使用されるものであり、溶融炉本体の溶融スラグが接する部分の炉壁構造の改良に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、都市ごみ等の焼却炉から排出される焼却灰や飛灰等の焼却残渣（以下単に灰という）の減容化及び無害化を図る手段として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。灰は、溶融固化する事によりその容積を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、最終埋立処分場の延命等が可能になるからである。
【０００３】
前記灰の溶融固化処理方法としては、アーク溶融炉・プラズマアーク炉・電気抵抗炉等を用いて電気エネルギーにより灰を溶融固化する方法と、表面溶融炉・旋回溶融炉・コークスベッド炉等を用いて燃料の燃焼エネルギーによって灰を溶融固化する方法とが実用化されており、一般に、発電設備が併置されているごみ焼却設備の場合には前者の電気エネルギーを用いる方法が、また発電設備が併置されていないごみ焼却設備の場合には後者の燃焼エネルギーを用いる方法が採用されている。
【０００４】
図６は、従前のごみ焼却処理設備に併置した電気溶融炉設備の一例を示すものであり、ここでは電気溶融炉として直流アーク放電黒鉛電極式プラズマ溶融炉が使用されている。
尚、図６に於いて５０は電気溶融炉設備、５１は灰コンテナ、５２は灰供給装置、５３は溶融炉本体、５４は主電極（黒鉛）、５５はスタート電極（黒鉛）、５６は炉底電極、５７は炉底冷却ファン、５８は直流電源装置、５９は窒素ガス供給装置、６０は溶融スラグ流出口、６１はタップホール、６２は燃焼室、６３は燃焼空気ファン、６４はガス冷却塔、６４ａは水噴霧装置、６５はバグフィルタ、６６は誘引通風機、６７は煙突、６８は溶融飛灰コンベア、６９は飛灰だめ、７０はスラグ水冷槽、７１はスラグ搬出コンベア、７２はスラグだめ、７３はスラグ冷却水冷却装置である。
【０００５】
図６に於いて、ごみ焼却炉からの灰Ａは灰コンテナ５１に貯えられ、ここから灰供給装置５２により溶融炉本体５３内へ連続的に供給される。溶融炉本体５３内では、炉頂部より挿入した主電極５４（−極）と炉底に設置した炉底電極５６（＋極）との間に直流電源装置５８からの直流電圧を印加することにより、主電極５４と溶融スラグＢの表面との間にプラズマアークが形成されており、このプラズマアークの発生熱により溶融炉本体５３内へ供給された灰Ａが１４００〜１６００℃に加熱され、溶融スラグとなる。直流電源装置５８から溶融炉本体５３へ供給される灰溶融用電力は、通常約６００〜１０００ｋｗ／灰（ｔｏｎ）程度に設定されている。
【０００６】
尚、前記灰Ａそのものは非導電性であるため、溶融炉の始動時にはスタート電極５５を溶融炉本体５３内へ挿入し、このスタート電極５５と主電極５４間にアークを発生させて灰Ａを溶融させ、溶融スラグＢがある程度形成された段階で、スタート電極５５（＋極）を炉底電極５６側へ切替える。
また、溶融炉本体５３の内部を還元性雰囲気とするため、窒素ガス供給装置５９より窒素ガスが、中空状に形成した主電極５４及びスタート電極５５の中空孔を通して炉内へ供給される。
更に、炉底では、炉底冷却ファン５７からの送風により、炉底電極５６及びその周辺部分が空冷される。
【０００７】
灰Ａの溶融が始まると、灰Ａに含まれている揮発成分や炭素成分は、一酸化炭素を含むガス体Ｃとなる。このガス体Ｃは、溶融炉本体５３の炉壁７５に設けた溶融スラグ流出口６０から燃焼室６２へ排出され、燃焼室６２において燃焼空気ファン６３から燃焼用空気Ｄが供給されることにより完全燃焼されたあと、ガス冷却塔６４に於いて冷却され、バグフィルタ６５を経て誘引通風機６６により煙突６７から排出される。なお、バグフィルタ６５で捕捉された溶融飛灰Ｅは、溶融飛灰コンベア６８により飛灰溜め６９へ送られる。
【０００８】
また、灰Ａに含まれている不燃性成分（灰及び鉄等の金属やガラス、砂等）は溶融状態となり、その溶融スラグＢは、溶融スラグ流出口６０から連続的に溢出し、水を満したスラグ水冷槽７０内へ落下して水砕スラグＦとなり、スラグ搬出コンベア７１によってスラグ溜め７２へ送られる。なお、溶融炉本体５３の底部には、比重差により溶融メタルが堆積するため、タップホール６１からメタルを適時抜き出す。また、溶融炉本体５３の停止時には、炉壁７５に設けたタップホール６１を開孔して湯抜きを行い、溶融炉本体５３を空にする。
【０００９】
前記溶融炉本体５３の炉壁７５は、一般に、溶融スラグＢに接触する耐火壁構造部７６の外周面を水冷壁（水冷ジャケット）７７により（又は水スプレー手段や空冷手段等により）冷却するように構成されている。
図７は、従来の代表的な炉壁構造を示すものであり、耐火壁構造部７６を１６００℃程度の高温に耐え得る耐火材（例えば、カーボン系，Ｃ−ＳｉＣ系，ＳｉＣ系，クロム系の耐火材）で構成すると共に、これを囲繞する水冷壁（水冷ジャケット）７７を鋼板製の内・外ジャケット壁内へ冷却水Ｇを供給する構造のものとなし、更に、耐火壁構造部７６と水冷壁（水冷ジャケット）７７との間に電気絶縁性耐火材層７８を介在させたものが周知である。
【００１０】
而して、前記溶融炉本体の炉壁構造は、炉壁を形成する耐火壁構造部（耐火材）７６や水冷壁（水冷ジャケット）７７の損傷が比較的少なく、優れた実用的効用を奏するものである。
しかし、この種の溶融炉本体５３の炉壁構造にも解決すべき多くの問題が残されており、その中でも特に重要な問題は、万一水冷壁（水冷ジャケット）７７内の冷却水Ｇが溶融炉本体５３内へ漏洩した場合の水蒸気爆発の問題である。
【００１１】
即ち、この種の溶融炉本体５３の炉壁構造に於いては、耐火壁構造部（耐火材）７６の侵食、特に溶融スラグＢやその下方の溶融メタルに接触する部分の侵食が激しいため、水冷ジャケット方式や水スプレー方式の水冷壁７７を設けてこれを冷却することにより、その侵食を防止している。
【００１２】
しかし、耐火壁構造部（耐火材）７６の侵食を皆無にすることは困難であり、万一耐火壁構造部（耐火材）７６が侵食等により損傷すると、水冷壁７７が直接高温に晒されることになり、その結果、水冷壁が破損して冷却水Ｇが溶融炉本体５３内へ侵入し、溶融スラグＢ内へ巻き込まれることにより水蒸気爆発を引き起すことになる。
同様に、水冷壁７７へ供給する冷却水Ｇの管理が悪かったり、或いは水冷壁７７内の冷却水Ｇの流れが円滑でない場合には、水冷壁７７の構成材が腐蝕され易くなり、万一構成材の腐蝕により水冷壁７７から冷却水Ｇが漏洩すると、前記水蒸気爆発を引き起すことになる。
【００１３】
本願発明は、従前の電気溶融炉の炉壁構造に於ける上述の如き問題の解決をその課題とするものであり、水冷壁による耐火壁構造部（耐火材）の冷却効果が損なわれることなく、しかも、万一耐火壁構造部や水冷壁の破損によって水漏れが生じても、水蒸気爆発の発生を未然に防止することができるようにした電気溶融炉の炉壁構造を提供するものである。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
請求項１に記載の発明に係る電気溶融炉の炉壁構造は、耐火壁構造部と、耐火壁構造部の外側に設けた電気絶縁性耐火材と、電気絶縁性耐火材の外側に設けた空気層と、空気層の外側に設けた水冷壁とから構成した電気溶融炉の炉壁構造において、前記空気層を電気絶縁性耐火材の外側に設けた炉体鉄皮と水冷壁を構成する内側ジャケット壁により形成すると共に、前記炉体鉄皮と内側ジャケット壁とを冷却板又は冷却ピンにより連結する構成としたことを発明の基本構成とするものである。
【００１５】
請求項２の発明は、耐火壁構造部と、耐火壁構造部の外側に設けた電気絶縁性耐火材と、電気絶縁性耐火材の外側に設けた空気層と、空気層の外側に設けた水冷壁とから構成した電気溶融炉の炉壁構造において、前記空気層を、電気絶縁性耐火材の外側に設けた炉体鉄皮と水冷壁を構成する内側ジャケット壁により形成すると共に、空気層内又は空気層内と連通する箇所に前記空気層内へ漏出した水冷壁内の冷却水を検出する検知器を備えたことを発明の基本構成とするものである。
また、請求項３の発明は、請求項１又は請求項２の発明に於いて、空気層内へ冷却空気を強制流通させるようにしたものである。
更に、請求項４の発明は、請求項３の発明に於いて、空気層から導出した冷却空気を直接又は炉底電極の冷却に使用したあと、溶融炉燃焼室へ供給するようにしたものである。
【００１６】
水冷壁が腐蝕したり、或いは耐火壁構造部が焼損して水冷壁が高温に晒されることにより水冷壁が破損したりすると、水冷壁の冷却水が耐火壁構造部を経て溶融炉本体内へ漏洩しようとするが、耐火壁構造部と水冷壁との間には空気層が設けられているので、水冷壁から耐火壁構造部への冷却水の漏洩が遮断される。このため、水冷壁の破損事故によって水漏れが生じても直ちに水が溶融スラグと接触することはなく、冷却水が溶融炉本体内の溶融スラグに巻き込まれて水蒸気爆発を起こすことを防止できる。その結果、電気溶融炉の運転上の安全性が大幅に向上する。
また、空気層は、水冷壁による耐火壁構造部の冷却を許容するので、耐火壁構造部の冷却効果が損なわれる事はない。
【００１７】
空気層を、耐火壁構造部の外側に設けた炉体鉄皮と水冷壁を構成する内側ジャケット壁により形成し、前記炉体鉄皮と内側ジャケット壁とを冷却板又は冷却ピンにより連結すると、水冷壁による耐火壁構造部の冷却効果が一層向上し、耐火壁構造部の熱損傷を防止する上で好都合である。
また、空気層内へ冷却空気を強制流通させることにより、空気層による耐火壁構造部の冷却が一層促進され、耐火壁構造部の熱損傷がより低減する。
更に、空気層内へ漏出した冷却水を検出する検知器を備えることにより、冷却水の漏洩を早期に検出することができ、溶融炉本体運転時の安全性が一層向上する。
加えて、空気層から導出した空気を直接又は炉底の冷却に使用したあと溶融炉燃焼室へ供給することにより、燃焼室内の燃焼がより促進されると共に、燃焼室へ燃料を供給している場合には、燃料費の削減が可能となる。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、図面に基づいて本発明の実施形態を説明する。
図１は本発明の第１実施形態に係る炉壁構造を備えた溶融炉本体の要部を示す断面概要図であり、図２は図１のイーイ視断面の一部を拡大したものである。
図１及び図２に於いて、Ｂは溶融スラグ、Ｇは冷却水、Ｈは冷却用空気、１は溶融炉本体、２は溶融炉本体の炉壁、３は炉底電極、４は耐火壁構造部、５は電気絶縁性耐火材、６は炉体鉄皮、７は空気層、８は水冷ジャケット式の水冷壁、９は内側ジャケット壁、１０は外側ジャケット壁、１１は水分検知器である。
尚、前記溶融炉本体１は、炉壁２を除くその他の部分の構造が従前の溶融炉本体とほぼ同一であるため、ここでは炉壁２以外の部分の詳細な説明を省略する。
【００１９】
当該溶融炉本体１の溶融スラグＢと接する部分の炉壁２は、図２に示す如く、１６００℃程度の高温に耐え得る耐火材（例えばカーボン系耐火レンガ、Ｃ−ＳｉＣ系耐火レンガ、ＳｉＣ系耐火レンガ、クロム系耐火レンガ）により形成した耐火壁構造部４と、耐火壁構造部４の外方に位置する電気絶縁性キャスタブル等の電気絶縁性耐火材５と、電気絶縁性耐火材５の外方に位置する空気層７と、空気層７の外方に位置する水冷ジャケット式の水冷壁８とから構成されている。
【００２０】
即ち、前記空気層７は、電気絶縁性耐火材５の外側に設けられた炉体鉄皮（炉体ケーシング）６と水冷壁８を形成する内側ジャケット壁９とから構成されており、所定の間隙Ｌ1 を有する密閉空間に形成されている。
また、前記水冷壁８は、内側ジャケット壁９と外側ジャケット壁１０とから構成されており、所定の間隙Ｌ2 を有する水冷ジャケットに形成されていて、その内部には冷却水Ｇが充満されている。
【００２１】
前記水分検知器１１は水蒸気センサーや湿度計等の空気層７内へ漏出した冷却水Ｇ又は冷却水Ｇの蒸気を検出するためのものであり、空気層７内の水分濃度が設定値以上になった場合に検出信号を出力するものであれば、如何なる構造のものであってもよい。
また、当該水分検出器１１は空気層７内の最下方位置に設けてもよく、或いは空気層７に連通する水分導出管（図示省略）の端部に設けるようにしてもよい。更に、前記水分検出器１１と並列的に空気層７内の温度を検出する検出器（図示省略）を設け、これによって耐火壁構造部４の破損時に溶融炉本体１内から漏出した溶融スラグＢによる空気層７内の温度上昇を検知するようにしてもよい。
【００２２】
溶融炉本体１の運転時には、炉壁２を形成する耐火壁構造部４は空気層７を介して水冷壁８により冷却される。尚、空気層７を設けることにより、水冷壁８による耐火壁構造部４の冷却効果は若干低下するが、空気層７内へ冷却用空気Ｈを強制流通させることにより、前記水冷壁８の冷却効果の低下をより少なくすることができる。
【００２３】
溶融炉本体１の運転中に、万一何らかの原因によって内側ジャケット壁９が破損して水漏れが生じても、漏洩した冷却水Ｇは空気層７内へ流れ込み、溶融炉本体１内へは流入しない。
また、空気層７内へ流れ込んだ冷却水Ｇ又はその蒸気は、空気層７内又は空気層７内と連通可能に設けた水分検知器１１により検出され、これによって溶融炉本体１の運転を安全に停止することができる。
【００２４】
図３及び図４は、本発明の第２実施形態に係る炉壁構造の縦断面の一部及び横断面の一部を示すものであり、図３及び図４に於いて１２は冷却板、１３は溶接部である。
当該第２実施形態に於いては、空気層７と水冷壁８との間が一定の間隔を置いて配設した複数の冷却板１２により連結されており、水冷壁８による耐火壁構造部４の冷却効果が冷却板１２によって高められるようにしたものである。
【００２５】
前記冷却板１２は、空気層７の間隙寸法Ｌ1 より長い横幅寸法を有しており、その一端は空気層７を形成する炉体鉄皮６へ溶接されている。また、冷却板１２の他端は水冷壁８を形成する内側ジャケット壁９を貫通して水冷壁８内へ突出されており、溶接部１３により内側ジャケット壁９へ気密に固着されている。
尚、前記冷却板１２を設けることにより、水冷壁８の冷却効果は大幅に向上し、従前の水冷壁により直接耐火壁構造部を冷却する場合にほぼ近い冷却効果を得ることができる。
【００２６】
図５は本発明の第３実施形態に係る炉壁構造の横断面の一部を示すものであり、図５に於いて１４は冷却ピンである。
即ち、当該第３実施形態に於いては、前記第２実施形態の冷却板１２に替えて冷却ピン１４が使用されており、その基端部は炉体鉄皮６へ溶接されている。また、ピン１４の先端部は内側ジャケット壁９を貫通せしめて水冷壁８内へ突出されており、内側ジャケット壁９へ溶接部１３により気密に固着されている。
【００２７】
尚、前記冷却ピン１４を適宜のピッチで複数本設けることにより、従前の水冷壁により直接耐火壁構造部を冷却する場合にほぼ近い冷却効果を得ることができる。
また、前記第２実施形態及び第３実施形態に於いても、空気層７内へ冷却用空気Ｈを強制流通させ、これによって耐火壁構造部４の冷却を促進してもよいことは勿論である。
更に、空気層７内から排出した冷却用空気Ｈは、燃焼用空気として直接に溶融炉燃焼室へ供給してもよく、或いは炉底電極３の冷却に用いたあと、これを燃焼用空気として溶融炉燃焼室へ供給するようにしてもよい。
【００２８】
【発明の効果】
本発明に於いては、溶融炉本体の炉壁を耐火壁構造部と、その外側に設けた空気層と、空気層の外側に設けた水冷壁とから構成している。その結果、万一水冷壁から冷却水が漏洩しても、漏洩水は空気層内へ流れ込み、耐火壁構造部を通して直接に溶融炉本体内へ到達することはなく、従って、所謂水蒸気爆発の発生を完全に防止することができる。
また、空気層内へ冷却用空気を強制流通させたり、或いは空気層と水冷壁との間に冷却板や冷却ピン等を設けることにより、水冷壁の冷却効果は大幅に向上し、従前の水冷壁により直接に耐火壁構造部を冷却する場合にほぼ近い冷却効果を得ることができる。
更に、空気層内の水蒸気濃度や雰囲気温度を検出器によって連続的にモニターすることにより、水冷壁の破損や耐火壁構造物の損傷を早期に検出することができ、溶融炉本体の運転時の安全性が大幅に向上する。
加えて、空気層から排出した冷却空気を溶融炉燃焼室の燃焼用空気として用いることにより、燃焼室の燃焼性の向上及び燃料を用いる燃焼室の場合には燃料費の削減が可能となる。
本発明は上述の通り優れた実用的効用を奏するものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態に係る炉壁構造を備えた溶融炉本体の要部を示す縦断面概要図である。
【図２】図１のイーイ視断面の一部を拡大した図である。
【図３】本発明の第２実施形態に係る炉壁構造の縦断面の一部を示す図である。
【図４】本発明の第２実施形態に係る炉壁構造の横断面の一部を示す図である。
【図５】本発明の第３実施形態に係る炉壁構造を示す横断面図である。
【図６】従前の電気溶融炉設備の一例を示す説明図である。
【図７】従前の溶融炉本体の炉壁構造の縦断面の一部を示す図である。
【符号の説明】
Ｂ…溶融スラグ、Ｇ…冷却水、Ｈ…冷却用空気、Ｌ1 …空気層７の間隙長さ、Ｌ2 …水冷壁の間隙長さ、１…溶融炉本体、２…溶融炉本体の炉壁、３…炉底電極、４…耐火壁構造部、５…電気絶縁性耐火材、６…炉体鉄皮、７…空気層、８…水冷壁（水冷式ジャケット）、９…内側ジャケット壁、１０…外側ジャケット壁、１１…水分検知器、１２…冷却板、１３…溶接、１４…冷却ピン。
【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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