(57)【要約】【課題】循環流動層ボイラの珪砂代替品として充分使用可能な溶融固化物の製造方法を提供すること。【解決手段】フライアッシュを灰造粒器１により１００〜３００ミクロンの粒子に造粒する工程と、該造粒物をフレーム溶融炉４前段の予熱部３に導入して９００〜１１００℃まで予熱する工程と、予熱後、フレーム溶融炉４に導入して１５００〜２０００℃の火炎中で前記造粒物を溶融球化する工程と、溶融球化後、冷却空気を導入して該造粒物を８００〜１０００℃に冷却固化する工程と、冷却固化後、クレーム溶融炉４から抜き出し、冷却器で１００℃以下に冷却して１００〜３００ミクロンの球状の溶融固化物を得る工程とを有することを特徴とする溶融固化物の製造方法。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
フライアッシュを灰造粒器により１００〜３００ミクロンの粒子に造粒する工程と、
該造粒物をフレーム溶融炉前段の予熱部に導入して９００〜１１００℃まで予熱する工程と、
予熱後、フレーム溶融炉に導入して１５００〜２０００℃の火炎中で前記造粒物を溶融球化する工程と、
溶融球化後、冷却空気を導入して該造粒物を８００〜１０００℃に冷却固化する工程と、
冷却固化後、クレーム溶融炉から抜き出し、冷却器で１００℃以下に冷却して１００〜３００ミクロンの球状の溶融固化物を得る工程とを有することを特徴とする溶融固化物の製造方法。
【請求項２】
予熱部における予熱工程で供給する予熱空気が、フレーム溶融炉で発生した燃焼ガスと熱交換して加温された予熱空気であることを特徴とする請求項１記載の溶融固化物の製造方法。
【請求項３】
予熱部における予熱工程で供給する予熱空気が、流動層形式の燃料装置から送られる燃焼ガスであることを特徴とする請求項１記載の溶融固化物の製造方法。
【請求項４】
予熱部における予熱工程における供給粒子が、造粒物以外に、流動層燃焼ガス発生炉から送られるフライアッシュを含むことを特徴とする請求項１又は３記載の溶融固化物の製造方法。
【請求項５】
フレーム溶融炉の入口に予熱ゾーンを有する予熱部を連結し、該予熱ゾーンは該予熱部に供給した造粒粒子を９００〜１１００℃に予熱した後の高温ガスを前記フレーム溶融炉のバーナ中央部に導入可能な構成を有し、該バーナ円周部より燃料を吹き込んで１５００〜２０００℃の火炎を形成し、前記造粒粒子を溶融、球状化する構成を有することを特徴とするフレーム溶融炉の構造。
【請求項６】
造粒粒子を９００〜１１００℃に予熱する高温ガスを発生する熱源として、流動層形式の燃料装置を備え、バイオマス、各種産業廃棄物又は化石燃料から選ばれる燃料を燃焼して９００〜１１００℃の燃焼ガスを発生させ、該燃焼ガスをフレーム溶融炉の予熱部の予熱ゾーンに導入して粒子を９００〜１１００℃に予熱した後、フレーム溶融炉に導入することを特徴とする造粒粒子の予熱方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、溶融固化物の製造方法及びフレーム溶融炉の構造に関し、詳しくは循環流動層ボイラの珪砂代替品として充分使用可能な溶融固化物の製造方法およびフレーム溶融炉の構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、特許文献１には、汚泥焼却灰から球状粉末スラグを製造するための溶融炉が提案されている。図７には特許文献１に記載の球状粉末スラグ製造処理フローが示されており、同図に基づいて従来の製造法を説明すると、５０は下水汚泥焼却設備から排出された下水汚泥焼却灰を貯留するホッパ、５１は定量フィーダであり、ホッパ５０内の焼却灰は定量フィーダ５１で切出されたのち図示しないブロワにより、球状粉末スラグ製造用溶融炉５３に配管５２を介して輸送される。
【０００３】
溶融炉５３は、図８に示すように、炉内断面積が下方に行くにつれて段階的に大きくなっており、炉内壁の各段差部５４には冷却空気供給手段としてのノズル５５が円周方向に数１０個ずつ取り付けられており、冷却空気を下方に噴出して、炉壁の温度を下げることにより炉壁へのクリンカの付着を防止している。
【０００４】
溶融炉５３の頂部にはバーナ５６が取り付けられ、バーナ５６は焼却灰供給管、燃料供給路、燃焼用気体供給路を備えた３重管構造を為している。燃料供給路および燃焼用気体供給路から供給される燃料と燃焼用気体とにより形成される高温の燃焼火炎Ｓ中に、焼却灰供給管から前記焼却灰が燃焼用気体（空気）の一部とともに供給され、前記燃焼火炎Ｓ中で加熱され、焼却灰は浮遊状態で溶融して球状化する。この球状化溶融粒子はやがて前記燃焼火炎Ｓの外へ搬出され、ノズル５５からの冷却空気で溶融温度以下に保持された炉内で急冷されることにより凝固して球状粉末スラグとなる。
【０００５】
前記球状粉末スラグのうち粒径の大きな球状粉末スラグは炉底部に落下し、排出口５７から取り出され、一方、粒径の小さな球状粉末スラグは排ガス排出口５８から排ガスとともに熱交換器５９を通って電気集塵機６０に至り、排ガスから分離される。これにより、球状粉末スラグを炉床に設けた球状粉末スラグ排出口５７および電気集塵機６０から得る。
【０００６】
上記の技術で使用されている溶融炉は、火炎中で粉体を溶融して球状化するものであり、フレーム溶融炉と称されており、非特許文献１にも同様のフレーム溶融炉が開示されている。
【特許文献１】特開平１１−３３７０４２号公報
【非特許文献１】下水道協会誌  Vol．３６  No.444 1999/10「下水汚泥焼却灰球状化法による溶融パウダーの製造技術」
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
近年、エネルギー発電の推進において、廃棄物発電分野の核となる廃棄物燃焼からの超高効率発電を可能とする循環流動層ボイラが注目されている。
【０００８】
かかる循環流動層ボイラにおいては、流動状態で燃焼しているときに熱保有をする役割を担うベッド材（１００〜３００ミクロンの珪砂など）が使用されているが、流動過程で磨耗し交換補充を余儀なくされるのが実情である。
【０００９】
しかし、所定の粒径範囲のベッド材を用意するのは煩雑であり、コストもかかる欠点がある。
【００１０】
また燃焼排ガスに同伴される飛灰（以下、フライアッシュともいう）は、腐食成分を含むので熱交換器を腐食させる問題があり、フライアッシュの効果的な処理が望まれる。
【００１１】
本発明者は、循環流動層ボイラで発生するフライアッシュを利用して１００〜３００ミクロンの珪砂代替品をフレーム溶融技術により製造すべく鋭意検討した結果、以下の課題があることがわかった。
【００１２】
特許文献１や非特許文献１に記載のフレーム溶融炉では、溶融、球状化する粒子サイズが１０〜５０ミクロン程度のフライアッシュであるため、溶融、球状化した後の粒子も１０〜５０ミクロンサイズとなる。したがって、循環流動層ボイラで使用されている１００〜３００ミクロンの珪砂代替品として利用できない欠点がある。
【００１３】
また、上記フレーム溶融炉では、バーナ部に常温のフライアッシュを供給しているため、火炎内の高温部（０．２〜０．３秒の滞留時間）で、溶融、球状化できる粒子サイズには限界がある問題がある。この点を具体的に説明すると、フレーム溶融方式においては、火炎中の温度が１５００〜２０００℃となっているが、火炎周辺の温度、及び耐火材温度は１０００℃以下になっている。耐火材保護のため溶融炉全体の温度を灰融点以上にはしないからである。このため、粒子が火炎を通過する０．１〜０．３秒の短時間の間に、粒子を溶融、球状化する必要があるため、粒子サイズを大きくできないという問題があった。
【００１４】
さらに上記フレーム溶融炉では、燃料としてはガスや液体化石燃料のみを使用するため、運転コストが高くなり、ＣＯ２排出削減に寄与していない欠点がある。
【００１５】
なお、プラズマ溶融方式や誘導加熱方式などは、大量の電力を消費するため、運転コストが高く経済的な方法ではない。
【００１６】
そこで、本発明は、循環流動層ボイラの珪砂代替品として充分使用可能な溶融固化物の製造方法およびフレーム溶融炉の構造を提供することを課題とする。
【００１７】
また本発明の他の課題は、以下の記載によって明らかとなる。
【課題を解決するための手段】
【００１８】
本発明の上記課題は、以下の各発明によって解決される。
【００１９】
（請求項１）
フライアッシュを灰造粒器により１００〜３００ミクロンの粒子に造粒する工程と、
該造粒物をフレーム溶融炉前段の予熱部に導入して９００〜１１００℃まで予熱する工程と、
予熱後、フレーム溶融炉に導入して１５００〜２０００℃の火炎中で前記造粒物を溶融球化する工程と、
溶融球化後、冷却空気を導入して該造粒物を８００〜１０００℃に冷却固化する工程と、
冷却固化後、クレーム溶融炉から抜き出し、冷却器で１００℃以下に冷却して１００〜３００ミクロンの球状の溶融固化物を得る工程とを有することを特徴とする溶融固化物の製造方法。
【００２０】
（請求項２）
予熱部における予熱工程で供給する予熱空気が、フレーム溶融炉で発生した燃焼ガスと熱交換して加温された予熱空気であることを特徴とする請求項１記載の溶融固化物の製造方法。
【００２１】
（請求項３）
予熱部における予熱工程で供給する予熱空気が、流動層形式の燃料装置から送られる燃焼ガスであることを特徴とする請求項１記載の溶融固化物の製造方法。
【００２２】
（請求項４）
予熱部における予熱工程における供給粒子が、造粒物以外に、流動層燃焼ガス発生炉から送られるフライアッシュを含むことを特徴とする請求項１又は３記載の溶融固化物の製造方法。
【００２３】
（請求項５）
フレーム溶融炉の入口に予熱ゾーンを有する予熱部を連結し、該予熱ゾーンは該予熱部に供給した造粒粒子を９００〜１１００℃に予熱した後の高温ガスを前記フレーム溶融炉のバーナ中央部に導入可能な構成を有し、該バーナ円周部より燃料を吹き込んで１５００〜２０００℃の火炎を形成し、前記造粒粒子を溶融、球状化する構成を有することを特徴とするフレーム溶融炉の構造。
【００２４】
（請求項６）
造粒粒子を９００〜１１００℃に予熱する高温ガスを発生する熱源として、流動層形式の燃料装置を備え、バイオマス、各種産業廃棄物又は化石燃料から選ばれる燃料を燃焼して９００〜１１００℃の燃焼ガスを発生させ、該燃焼ガスをフレーム溶融炉の予熱部の予熱ゾーンに導入して粒子を９００〜１１００℃に予熱した後、フレーム溶融炉に導入することを特徴とする造粒粒子の予熱方法。
【発明の効果】
【００２５】
本発明によると、循環流動層ボイラの珪砂代替品として充分使用可能な溶融固化物を提供でき、また熱衝撃に対して珪砂よりも強く、ボイラ内で微細化しにくい効果があり、球形状のため、ボイラ部分を磨耗させることがないという効果を発揮する。さらに重金属の溶出がなくダイオキシンも皆無のため、道路材や建築材料などへの有効利用を図ることができる。
【００２６】
またプラント建設費、運転費、メンテナンス費などが安価である。特に燃料にＲＰＦやバイオマスなどを利用できるため、燃料費が安価である。フレーム溶融炉の耐火材温度が１０００℃以下のため耐火材の損傷が殆どない。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２７】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
【００２８】
図１は本発明の好ましい態様を示すフロー図であり、同図において、１は灰造粒器であり、１０〜４０ミクロン（平均２０〜３０ミクロン）のフライアッシュとバインダを導入して造粒し、１００〜３００ミクロンの粒子を得る。灰造粒器の構造は、１００〜３００ミクロン粒子を造粒できれば格別限定されない。
【００２９】
２は切出し部であり、切出し部２は図２に示すように、灰造粒器１で造粒された粒子を受け入れるホッパー２００と、該ホッパー２００から供給される粒子を受け入れる投入口２０１と、該投入口２０１から供給される粒子を所定量ずつ切出し搬送するスクリューフィーダー２０２と、スクリューフィーダー２０２で所定量切出された粒子を後述の予熱部３に搬送するコンベア２０３を備えている。予熱部３の入り口にはシール用ロータリーバルブ３００が設けられている。
【００３０】
切出し部２の態様は図３に示す態様であってもよい。すなわち、投入口２０１とスクリューフィーダー２０２を予熱部３の入り口近傍に配置し、灰造粒器１で造粒された粒子をホッパー２００で受け入れ、該ホッパー２００から供給される粒子をコンベア２０３で投入口２０１に搬送し、該投入口２０１から供給される粒子をスクリューフィーダー２０２で所定量ずつ切出して予熱部３に搬送する。
【００３１】
図１において、４はフレーム溶融炉であり、本発明ではフレーム溶融炉４の前段に予熱部３が設けられていることが特徴である。
【００３２】
予熱部３に供給される空気は空気予熱器５で予熱されている。空気予熱器５ではファン５００から供給された空気がフレーム溶融炉４で発生する燃焼ガス（約８００℃）との熱交換によって約４００℃に加熱（予熱）される。そして約４００℃に加熱（予熱）された予熱空気は予熱空気管５０１を介して予熱部３に供給される。
【００３３】
予熱部３の構成は予熱ゾーンが形成可能であれば特に限定されるわけではないが、たとえば図４に示すように、フレーム溶融炉４の上部に形成される。
【００３４】
予熱部３の入口３０１には、燃料、予熱空気、造粒粒子が各々供給される。予熱部３で使用する燃料は、この態様では化石燃料であるオイルが用いられ、図示しないオイルバーナによって、上記の予熱空気と混合して燃焼し、図示のような火炎３０２が形成される。なお、化石燃料としては、ガス、石炭などであってもよい。
【００３５】
予熱部３における予熱温度は８００〜１１００℃の範囲である。このような予熱ゾーンの温度にする理由は、造粒粒子の溶融開始温度より１００〜２００℃程度低い温度に保持し、造粒粒子が予熱ゾーン内で付着、凝集しないようにするためである。
【００３６】
８００〜１１００℃の範囲に予熱された粒子は、フレーム溶融炉４に送られる。フレーム溶融炉４の火炎４００内に供給される造粒粒子の温度が、既に溶融温度近くまで予熱されているため、０．１〜０．３秒程度の火炎内滞留時間であっても、比較的大きなサイズの１００〜３００ミクロン粒子の溶融、球状化が可能となる。
【００３７】
火炎４００近傍の構造は、図示しないバーナ部中央の外側外周上からプロパンや都市ガスなどのガス燃料が燃料管４０１を通して内側に向けて吹き込まれる構造となっており、バーナ先端から１５００〜２０００℃の火炎４００が形成される。
【００３８】
この火炎４００中で粒子は溶融、球状化された後、火炎４００を出て（この段階で１８００〜１９００℃）、冷却空気供給管４０２から供給される冷却空気と混合され、フレーム溶融炉出口４０３で８００〜９００℃程度まで冷却固化される。本態様では、冷却を更に促進するためにフレーム溶融炉４の下部に空気冷却部４０４を設けている。空気冷却部４０４にはファン５００から空気供給可能なように空気配管４０５が設けられている。
【００３９】
出口４０３から排出される粒子は、図示しない粒子冷却器に送られ冷却される。
【００４０】
この態様において、フレーム溶融炉４のバーナの燃焼用空気は、上流の予熱部３に供給され、バーナ部で新たな燃焼空気は供給されず、バーナ下流で冷却用空気が供給されるだけである。
【００４１】
したがって、バーナ部分での燃焼空気比は、予熱用燃料＋バーナ部燃料に対する予熱部３で供給される空気の割合となり、好ましい範囲は０．９〜１．１程度である。
【００４２】
フレーム溶融炉４の下部から排出される燃焼ガス（約８００℃）は、配管４０６を通して空気予熱器５に送られ、予熱部３に送る空気を予熱する熱源として利用される。
【００４３】
空気予熱器５で熱回収された燃焼ガスはファン８の吸引によって、塩素除去塔６に送られ、腐食成分である塩素が除去され、その後バグフィルター７で灰などを除去した後、外部に排気される。
【００４４】
塩素除去塔６は、たとえば塩素をアルカリ吸収する方式を採用でき、アルカリとしては、消石灰、苛性ソーダ、炭酸ナトリウムなどを使用でき、なかでも消石灰が好ましい。消石灰を供給する場合、粉末で供給しても、スラリーで供給してもいずれでもよい。
【００４５】
上記の態様において、粒子径の小さい球状粒子の原料となるフライアッシュは、各種のものを使用でき、汚泥焼却設備や循環流動層ボイラなどで発生するフライアッシュを用いることは好ましいことである。
【００４６】
次に、本発明の他の好ましい態様を説明する。
【００４７】
図５は本発明の他の好ましい態様を示すフロー図であり、同図に示す態様は、予熱部の熱源に化石燃料以外の低コスト燃料を使用する場合の例である。
【００４８】
予熱部の熱源として、ガス、オイル、石炭などの化石燃料の他に、バイオマスやＲＰＦなどのように、さらに低コストの燃料を選択可能とするために、流動層形式の熱発生炉９を設置する。
【００４９】
流動層形式の熱発生炉９は、起動用バーナ９００で燃焼を開始し、流動層燃焼を実施し、燃焼排ガス温度を予熱部３と同じ８００〜１１００℃となる。そしてこの燃焼ガスを予熱部３の予熱ゾーン入口部に導入する。
【００５０】
したがって、燃焼ガスと、造粒粒子は予熱部３に供給され、フレーム溶融炉で粒子径の小さい球状粒子となる。
【００５１】
この場合、フレーム溶融炉４で吹き込む燃料ガスの量は、燃料ガス温度を１０００℃程度から１５００℃に上昇させるだけでよく、常温空気を用いて化石燃料を使用する場合に比べて１／３程度まで削減できる。
【００５２】
流動層熱発生炉に供給される燃料の燃焼灰は、フライアッシュとなり、同様にフレーム溶融炉で粒子径の小さい球状粒子となる。
【００５３】
なお、図５において、図１と同一の符号の部位は同一の構成であるのでその説明を省略する。
【実施例】
【００５４】
以下に、本発明の実施例を説明するが、本発明はかかる実施例によって限定されない。
【００５５】
実施例１
粒子予熱温度を変化させて、粒子サイズと粒子溶融到達時間の関係を調べた。火炎温度は１９００℃とした。
【００５６】
その結果を図６に示す。
図６より明らかなように、予熱ゾーン（予熱域）がある場合は予熱ゾーンがない場合に比べ溶融到達時間が短く、また、粒子予熱温度を上昇させると、溶融到達時間が短くなる。予熱空気温度が１０００℃の場合、２００ミクロン粒子の溶融到達時間は０．３秒程度となり、火炎中でほぼ中心部まで溶融する。
【００５７】
これに対し、予熱ゾーン（予熱域）なしでは、０．６秒以上必要であり、この様な長い溶融時間は実際の火炎中では保持できない。即ち、予熱ゾーンを設けなければ十分な溶融は行えないのである。
【００５８】
実施例２
本発明により製造した溶融固化物の特性を計測し、循環流動層ボイラの珪砂代替品として充分使用可能であるか否か調べた。
【００５９】
溶融粒子の物性の物性を調べた結果を表１に示す。
【００６０】
圧壊強度測定：粒子１個を圧縮試験機上にのせ、荷重をかけて破壊される時の強度を測定した。  
【００６１】
【表１】
2006242461.tif 000003
【００６２】
表１より、溶融固化物であるので製品強度が高く、珪砂代替品として使用可能であることがわかる。
【図面の簡単な説明】
【００６３】
【図１】本発明の好ましい態様を示すフロー図
【図２】本発明に係る切出し部の一例を示す図
【図３】本発明に係る切出し部の他の例を示す図
【図４】本発明に係る予熱部の好ましい態様を示す断面図
【図５】本発明の他の好ましい態様を示すフロー図
【図６】粒子サイズと粒子溶融到達時間の関係を示すグラフ
【図７】従来例を示すフロー図
【図８】従来のフレーム溶融炉の断面図
【符号の説明】
【００６４】
１：灰造粒器
２：切出し部
２００：ホッパー
２０１：投入口
２０２：スクリューフィーダー
２０３：コンベア
３：予熱部
３００：ロータリーバルブ
３０１：入口
３０２：火炎
４：フレーム溶融炉
４００：火炎
４０１：燃料管
４０２：冷却空気供給管
４０３：溶融炉出口
４０４：空気冷却部
４０５：空気配管
５：空気予熱器
５００：ファン
６：塩素除去塔
７：バグフィルター
８：ファン
９：熱発生炉
９００：起動用バーナ
【図１】
2006242461.tif 000004
【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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