(57)【要約】【課題】本発明は、安定した運転を実現した直流電気抵抗式溶融炉やその運転方法を提供することを課題とする。【解決手段】前記直流電源１が供給する電力が一定となるように、前記中央電極２の位置を電極昇降装置３により制御する。また溶融炉の炉蓋下や炉の排ガス出口近辺の温度を熱電対４０，４１によって計測し、この測定値によって灰層１１の厚さを推定して、焼却灰の投入量を制御する。【選択図】    図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
溶融炉内を可動する第１の電極及び第２の電極を有する直流電気抵抗式溶融炉において
前記第１の電極と前記第２の電極の間に電流を流して電力を供給する直流電源と、
前記直流電源が供給する電力が一定となるように、前記第１の電極の位置を制御する電極昇降制御手段と、
を備えることを特徴とする直流電気抵抗式溶融炉。
【請求項２】
前記直流電源は、指定された値の電流を出力し、前記電極昇降制御手段は、前記第１の電極と前記第２の電極の間の抵抗値が一定となるように、前記第１の電極の位置を制御することを特徴とする請求項１に記載の直流電気抵抗式溶融炉。
【請求項３】
溶融炉内の温度を計測する温度計測手段と、
前記温度計測手段による温度の計測結果に基づいて灰層の厚さを推測し、投入する焼却灰の投入量を制御する投入量制御手段と、
を備えることを特徴とする直流電気抵抗式溶融炉。
【請求項４】
前記温度計測手段は、前記溶融炉の炉蓋下若しくは炉の排ガス出口の近辺の温度の少なくとも一方を計測し、前記投入制御手段は、前記炉蓋下の近辺の温度若しくは前記排ガス出口の近辺の温度の少なくとも一方を用いて前記投入量を制御することを特徴とする請求項３に記載の直流電気抵抗式溶融炉。
【請求項５】
溶融炉内を可動する第１の電極及び第２の電極を有する直流電気抵抗式溶融炉における運転方法において、
前記第１の電極と前記第２の電極の間に電流を流して電力を供給し、
前記直流電源が供給する電力が一定となるように、前記第１の電極の位置を制御する
ことを特徴とする運転方法。
【請求項６】
溶融炉内の温度を計測し、
前記温度計測手段による温度の計測結果に基づいて、投入する焼却灰の投入量を制御する
ことを特徴とする直流電気抵抗式溶融炉の運転方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ごみ焼却灰などの無機廃棄物を直流電気抵抗式で溶融処理する直流電気抵抗式溶融炉及びその運転制御方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年埋め立て地の立地が困難になるに伴い、ごみ焼却等によって焼却装置から出た焼却灰は、灰溶融炉によって溶融処理を行い、灰の中に含まれている有害物質を無害化する処理が行われるようになっている。
【０００３】
直流電気抵抗式の溶融炉は、炉底に設置された電極と、大電流を通電できるようにカーボン材で構成された可動の中央電極との間に直流電源から電流を流して、そのジュール熱によって焼却灰を加熱溶融し、粉末状又は固体状の焼却灰を一体化して有害物質を封じ込めると共に減容化する。尚この中央電極はカーボン材で構成されているので、炉内温度の上昇により炉内の酸素との燃焼反応、昇華反応若しくは灰中の金属酸化物との還元反応により、二酸化炭素や一酸化炭素としてガス化してゆく。そのため中央電極は運転と共に消耗していく。
【０００４】
【特許文献１】
特開平９−１１２８４９号公報（図１）
上記特許文献には、溶融炉の制御の為に、炉壁に複数の測温器を設けて、炉壁の温度分布を調べて、この温度分布から溶融スラグレベル及び炉内温度を検知し、灰の投入量や電力投入量を制御する溶融炉が開示されている。
【０００５】
溶融炉の中で処理されると焼却灰は溶融してスラグとなるが、このスラグでは溶融温度と抵抗率の間に相関関係がある。スラグは、例えば溶融温度が１５００℃の時は４Ωｃｍの抵抗率となり、高抵抗であるが電気伝導性がある。そしてこの溶融スラグを通じて両電極間に直流電流が流れ、溶融スラグに生じる抵抗損失によりスラグが加熱される。
【０００６】
また処理される焼却灰は、溶融炉上方若しくは上横方から定量切り出されてスラグの上に装入されるが、安定した運転を行なうためには灰を一定時間に一定量溶融する必要がある。そして灰の溶融速度が不安定な時や、スラグ上の灰の層の高さが一定に保たれないと、灰中に存在する低沸点物のＮａＣｌ、ＫＣｌ、ＺｎＣｌ２  、ＰｂＣｌ２  などの揮発ガスの発生にムラが生じ、排ガス装置の安定運転を阻害したり、上記低沸点物が灰中において固化し、灰中を通過するガスの抵抗となり、ガスの突沸が生じてスラグの液面が変動したりする等の問題が生じる。
【０００７】
よって溶融炉において安定した運転を行なう為には、灰の溶融速度を一定にする為に、スラグの温度や対流流速を一定にする運転が必要であり、また灰層の高さを一定に保つ制御運転が必要となる。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、溶融スラグの温度は約１５００℃位であり、このような高温の液体の温度を連続的に測定する方法はない。また放射温度計は、スラグの上を灰が覆っている為、測定することが出来ない。
【０００９】
また灰の高さを測定する測定器具には耐熱性が求められ、且つ高温での化学反応、例えば塩素ガス雰囲気に耐える必要があるが、これらを満足する適切な材料がないため、その実現は難しい。
【００１０】
更にスラグの温度を一定に保つ運転方法として、発熱源はスラグによる抵抗損失であるので、直流電源の出力電力が一定となるよう運転を制御することによって、発熱量を一定にする制御方式が考えられる。しかし中央電極は、運転と共に消耗して短くなったり細くなったりしてゆき、この中央電極の消耗によって電流分布が変わり、スラグ中に形成される発熱場所（ホットポイント）の位置が変化する。そのため、灰の溶融に大きく影響する、灰に接触するスラグ面の温度とスラグの対流流速は一定とならずに変化してしまう。
【００１１】
また灰の高さを一定にするため、灰の投入量をスラグの出滓量に応じて投入制御する方式が考えられる。しかし、灰の中には鉄、銅などのメタルも含まれており、これらは炉底に沈降するので、灰の量とスラグの出滓量は同量とならず、この方式では炉内の灰の高さを常に一定にはできない。
【００１２】
本発明は、安定した運転を実現した直流電気抵抗式溶融炉やその運転方法を提供することを課題とする。
また灰に接触するスラグの温度や対流流速を保ち、灰の溶融量を一定にすることが出来る直流電気抵抗式溶融炉や運転方法を提供することを課題とする。
【００１３】
また灰層の高さを一定に保つよう制御することが出来る直流電気抵抗式溶融炉や運転方法を提供することを課題とする。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決する為、本発明による直流電気抵抗式溶融炉の第１の形態は、溶融炉内を可動する第１の電極及び第２の電極を有することを特徴とし直流電源及び電極昇降制御手段を備える。
【００１５】
直流電源は、前記第１の電極と前記第２の電極の間に電流を流して電力を供給する。
電極昇降制御手段は、前記直流電源が供給する電力が一定となるように、前記第１の電極の位置を制御する。
【００１６】
上記直流電気抵抗式溶融炉は、例えば前記直流電源は、指定された値の電流を出力し、前記電極昇降制御手段は、前記第１の電極と前記第２の電極の間の抵抗値が一定となるように、前記第１の電極の位置を制御する。
【００１７】
上記第１の形態の直流電気抵抗式溶融炉では、直流電源が供給する電力に基づいて、第１の電極の位置を制御する。従って、第１の電極が消耗しても、スラグの温度分布や流速を一定に保つことが出来る。
【００１８】
本発明による直流電気抵抗式溶融炉の第２の形態は、温度計測手段及び投入量制御手段を備える。
温度計測手段は、溶融炉内の温度を計測する。
【００１９】
投入量制御手段は、前記温度計測手段による温度の計測結果に基づいて、灰層の厚さを推測して、投入する焼却灰の投入量を制御する。
前記温度計測手段は、例えば、前記溶融炉の炉蓋下若しくは炉の排ガス出口の近辺の温度の少なくとも一方を計測し、前記投入制御手段は、前記炉蓋下の近辺の温度若しくは前記排ガス出口の近辺の温度の少なくとも一方を用いて前記投入量を制御する。
【００２０】
上記第２の形態の直流電気抵抗式溶融炉では、溶融炉内の温度、例えば蓋下の近辺の温度や前記排ガス出口の近辺の温度によって灰層の厚さを推定して、灰の投入量を制御するので、灰層の厚さを一定に保つことが出来る。
【００２１】
また本発明は、電気抵抗式溶融炉における運転方法もその範囲に含む。
【００２２】
【発明の実施の形態】
上記課題を解決するため、本発明では溶融炉内でのスラグの加熱メカニズムに着目して、スラグの温度や流速を一定にする制御を行なうことが出来る直流電気抵抗式溶融炉を実現している。
【００２３】
中央電極の先端部分近辺は電界強度が高く、電流が多く流れ、抵抗損失によって加熱が行われるホットポイントが形成される。そして、このホットポイントで昇温されて膨張したスラグは、対流して上方に浮上し、次に炉の側壁に向かって流れる。従って中央電極が消耗しても、スラグ層でホットポイントが形成される位置がほぼ同じ場所になるように中央電極の位置を上下に制御することにより、また、直流電源の出力電流を一定にすることによってホットポイントの熱量を一定に出来、その結果流速を一定に保つことができる。
【００２４】
中央電極の先端部分の位置が変化すれば抵抗値が変化するので、常に抵抗値が一定になるように制御すれば中央電極の先端部分の位置が一定になり、また電力＝出力電流×出力電流×抵抗値であるので灰を溶融するために費やされる電力（加えられる熱量）も一定になる。よって電極に流れる電流値を一定に保つ制御を行なえば、灰に接触するスラグの温度や流速を一定に保つことができる。
【００２５】
また、スラグ層の上に形成される灰層の高さが薄くなると、溶融スラグからの輻射熱から灰層が吸収する熱量が少なくなるため、当然炉内の温度は高くなる。逆に灰層が厚くなると灰層が吸収する熱量が多くなるので、炉内の温度、例えば排ガス出口や炉蓋直下の温度は低くなる。よって、この炉内の温度に基づいて、焼却灰の装入量を制御することにより、灰層の厚さを一定に保つことが出来る。
【００２６】
溶融スラグ温度に対して炉蓋直下の温度は９００〜１０００℃、排ガス出口温度は５００〜７００℃と低い。本実施形態における直流電気抵抗式溶融炉では、炉内の温度の測定手段として、排ガス出口や炉蓋直下の温度は熱電対等を用いることによって連続測定を可能としている。そして、この排ガス出口や炉蓋直下の温度を連続測定し、この温度によって、投入する焼却灰の量を調節することによって、灰層の高さを一定に保つことができる。
【００２７】
図１は本実施形態における直流電気抵抗式溶融炉の構成例を示す図である。
同図において、直流電気抵抗式溶融炉の炉壁は、カーボン壁３２と耐火物壁３３の二重の壁と水冷された鉄皮３４で構成されている。また同図の直流電気抵抗式溶融炉は、直流電源１、中央電極２、電極昇降装置３、炉底電極４、制御装置５、排ガス出口２０、スラグ出滓口２１、メタル出銑口２２、２つの灰貯蔵ビン３０ａ，３０ｂとその灰定量切り出し装置３１ａ，３１ｂ、炉蓋下熱電対４０及び排ガス出口熱電対４１を有する。
【００２８】
カーボン材で構成された円柱状の中央電極２とカーボン壁３２炉底中に埋め込まれた炉底電極４は直流電源１に接続されており、両者の間には直流電源１から供給される電力によって電流が流れる。直流電源１は、中央電極２と炉底電極４との間に出力電流を指定された大きさに保ちながら電力を供給する。直流電源１は両端の抵抗値を計測する計測手段を備え、その計測値は制御装置５に通知されている。また中央電極２は、電極昇降装置３により、溶融炉内を上下動する。電極昇降装置３は、制御装置５からの指示に基づいて、中央電極２を炉内で昇降させてその先端部の位置を上下に移動させる。
【００２９】
排ガス出口２０は、焼却灰が溶融する際に発生するガス等を排出する排出口である。またスラグ出滓口２１は、溶融したスラグ層１１からスラグを出滓する取り出し口であり、メタル出銑口２２は、一定以上貯まったメタル層１２を出銑する取り出し口である。灰貯蔵ビン３０ａ，３０ｂは、溶融炉に投入される焼却灰を貯蔵するもので、貯蔵されている灰は、灰定量切り出し装置３１により定量切り出され、溶融炉に装入される。灰定量切り出し装置３１ａ，３１ｂは、制御装置５の指示に基づいて、灰貯蔵ビン３０ａ，３０ｂから灰を定量切り出して、溶融炉上部から投入する。炉蓋下熱電対４０は、炉蓋下の温度を計測するもの、また排ガス出口熱電対４１は、排ガス出口２０付近の温度を計測するもので、これらの計測結果は制御装置５に通知される。
【００３０】
スラグ層１１の下の炉底にはスラグとの比重差により沈降したメタルによるメタル層１２があり、メタルが一定以上貯まるとメタル出銑口２２から取り出される。また焼却灰は貯蔵ビン３０ａ，３０ｂから灰定量切り出し装置３１ａ，３１ｂにより定量炉に装入される。よってスラグ層１１の上部にこの焼却灰による灰層１０が形成される。この灰層１０はスラグが炉内雰囲気と反応するのを遮断し、スラグ層からの輻射熱を防止する。
【００３１】
溶融スラグには電気伝導性があるため、直流電源１の両端には、中央電極２、スラグ層１１、メタル層１２及び炉底電極４による電気回路が構成される。そして、スラグ層１１で生じた抵抗損失によってスラグに熱エネルギーが供給され、スラグ層１１からの熱によりスラグに接触する灰層１２の焼却灰が溶融してスラグとなってゆく。
【００３２】
図２は溶融炉内の電流分布を示す図で、電流線を破線５０で示している。
電流は、中央電極２から溶融炉の半径方向に流れカーボン壁３２を通じて炉底電極４に通じるルートと、中央電極２からほぼ真っ直ぐ炉底電極４に向かうルートがあるが、中央電極２が円柱状の電極の場合、先端部の電界強度が高いため先端部に電流が集中して流れ、結果的に中央電極２の主に先端部から破線５０のように電流が流れる。
【００３３】
よって、図３に示すように中央電極２の先端部近辺にホットポイント６０が形成される。このホットポイント６０部分のスラグは対流により上方に移動し、矢印６１に沿ってスラグの流れが形成される。
【００３４】
中央電極２は溶融炉の運転と共に消耗していく為、中央電極２を同じ位置に固定したままだと、ホットポイント６０の形成される位置は中央電極２の消耗と共に徐々に上方に移動してゆく。そして、ホットポイント６０の移動に伴って流れ６１も変化してゆき、灰に接するスラグの流速やスラグの温度分布も変化してゆく。これにより、灰の溶融速度や炉底部の温度も変化するので、溶融状態が変化する。灰の溶融物は揮発性物質を含むので、溶融状態を常に安定させ突沸現象を防ぐ為、中央電極２の先端部の位置が常に一定であることが求められる。
【００３５】
本実施形態における直流電気抵抗式溶融炉では、直流電源１が２つの電極２、４の間に一定電流値の電力を供給し、制御装置５が直流電源１が電極間の抵抗値を監視して、抵抗値が一定になるように中央電極２の位置を電極昇降装置３を用いて制御する。これにより、消耗量に伴う分だけ中央電極２の位置を下げ、スラグ層１１に生じるホットポイント６０の位置をほぼ一定の位置に保つことができる。尚メタル層１２の電気抵抗値は、スラグ層１１に比べてきわめて小さいので、その影響は無視することができる。
【００３６】
更に直流電源１の出力電流を一定に保ち、また抵抗値が一定になるように中央電極２の位置を制御して消費電力が一定となるように運転することにより、ホットポイント６０で加えられる熱量を一定に出来、またスラグの流れ６１を一定に保つことが出来る。従って灰に接触するスラグの温度や流速を一定に保った運転が可能となり、灰の溶融速度を一定に保つことが出来る。
【００３７】
また灰層１１の高さは、炉蓋下に付けられた熱電対４０や炉の排ガス出口２０の近辺に付けられた熱電対４１の温度が一定になるように灰定量切り出し装置３１ａ，３１ｂを制御する。焼却灰が溶融してスラグとなり灰層１１が薄くなると、灰層１１によって吸収されるスラグからの輻射熱が少なくなるので、炉内の温度は上昇する。制御装置５は、熱電対４０，４１によって炉内の温度を監視し、これらの温度から灰層１１の厚さを推定し、灰の定量切り出し装置３１を制御して灰層１１の高さを一定に保つ。
【００３８】
灰層１１の厚さと、排ガス出口温度や炉蓋直下の温度の関係の一例を示すと、
ａ）灰層１１の厚さが１００ｍｍ時、排ガス出口温度が５８７℃、炉蓋直下の温度９００℃
ｂ）灰層１１の厚さが５０ｍｍの時、排ガス出口温度が６５８℃、炉蓋直下の温度９９０℃
ｃ）灰層１１の厚さが１５０ｍｍの時、排ガス出口温度が５００℃、炉蓋直下の温度８２０℃
となる。
【００３９】
このような関係を事前に調べておき、熱電対４０，４１からの温度に基づいて灰定量切り出し装置３１を制御して、灰の投入量を制御することにより、灰層１１の厚さを所望の厚さに保つことが出来る。例えば、上記例で、灰層１１の厚さを１００ｍｍに保ちたい時は、排ガス出口温度が５９０℃、炉蓋直下の温度９００℃を目標値として、例えば灰投入量が４１６ｋｇ／ｈとなるように、灰投入制御を行なえばよい。
【００４０】
尚灰の投入は、灰層の厚さが増し揮発物の揮発を灰層が阻害しなければ、一定の速度で灰を連続的に投入する連続投入でも、１分投入１分休止、５分投入５分休止等のような間欠投入でもよい。また、炉内の温度の計測として炉蓋下と排ガス出口付近に熱電対４０，４１を設けて計測しているが、炉内の温度を安定的に測定できるのであれば、他の位置に熱電対を設けたり、或いは熱電対以外の測定手段を用いてもよい。
【００４１】
尚上記した数値例は一例であり、詳細値は各々の物性、炉寸法等の種々の条件により変化する。
【００４２】
【発明の効果】
本発明に拠れば、直流電気抵抗式溶融炉の安定した運転を実現することが出来る。
【００４３】
また灰に接触するスラグの温度や対流流速を保ち、灰の溶融量を一定にすることが出来る。
更に灰層の高さを一定に保つよう制御することが出来る。
【図面の簡単な説明】
【図１】本実施形態における直流電気抵抗式溶融炉の構成例を示す図である。
【図２】溶融炉内の電流分布を示す図である。
【図３】スラグ層で形成されるホットポイントを示す図である。
【符号の説明】
１  直流電源
２  中央電極
３  電極昇降装置
４  炉底電極
５  制御装置
１０  灰屑
１１  スラグ層
１２  メタル層
２０  排ガス出口
２１  スラグ出滓口
２２  メタル出銑口
３０  灰貯留ビン
３１  灰定量切り出し装置
３２  カーボン壁
３３  耐火物壁
３４  鉄皮
４０  炉蓋下熱電対
４１  排ガス出口熱電対
【図１】
2004177080.tif 000003
【図２】
2004177080.tif 000004
【図３】
2004177080.tif 000005