(57)【要約】【課題】  大量の灰を効率良くで溶融処理することが可能な灰溶融処理装置を提供する。【解決手段】  竪型式旋回溶融炉を設けた灰溶融処理装置において、前記竪型式旋回溶融炉１の下部に溶融スラグを排出するスラグタップ２を設け、その上方に下方から上方に向けて助燃燃料投入口４１と、処理すべき灰１３を投入する灰投入口４２と、燃焼用空気投入口４３を順次設けたことを特徴とする。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
竪型式旋回溶融炉を設けた灰溶融処理装置において、前記竪型式旋回溶融炉の下部に溶融スラグを排出するスラグ排出口を設け、その上方に下方から上方に向けて助燃燃料投入口と、処理すべき灰を投入する灰投入口と、燃焼用空気投入口を順次設けたことを特徴とする灰溶融処理装置。
【請求項２】
請求項１記載の灰溶融処理装置において、前記竪型式旋回溶融炉の上部に設けられている燃焼排ガス出口部が絞られていることを特徴とする灰溶融処理装置。
【請求項３】
請求項１記載の灰溶融処理装置において、前記灰投入口での灰投入流速が１５ｍ／ｓ以上であることを特徴とする灰溶融処理装置。
【請求項４】
請求項１または請求項３記載の灰溶融処理装置において、前記灰投入口での灰投入流速が灰投入位置における炉内気流の旋回流速よりも遅いことを特徴とする灰溶融処理装置。
【請求項５】
請求項１または請求項４記載の灰溶融処理装置において、前記燃焼用空気投入口から投入する燃焼用空気の流速を調整する流速調整手段が設けられていることを特徴とする灰溶融処理装置。
【請求項６】
請求項１記載の灰溶融処理装置において、前記処理すべき灰に融点降下剤を添加混合する手段が設けられていることを特徴とする灰溶融処理装置。
【請求項７】
請求項６記載の灰溶融処理装置において、前記灰と融点降下剤の混合物の塩基度を測定する塩基度測定器を設け、その測定器の測定結果に基づいて前記灰と融点降下剤の混合割合を調整することを特徴とする灰溶融処理装置。
【請求項８】
請求項１記載の灰溶融処理装置において、前記処理すべき灰の投入量を測定する灰測定器と、前記スラグ排出口から排出されるスラグ量を測定すスラグ測定器とを設け、測定された灰量とスラグ量からスラグ率を演算する構成になっていることを特徴とする灰溶融処理装置。
【請求項９】
請求項８記載の灰溶融処理装置において、前記演算されたスラグ率に基づいて、灰投入量、融点降下剤投入量、燃焼用空気投入流速の少なくとも１つを調整するように構成されていることを特徴とする灰溶融処理装置。
【請求項１０】
請求項１記載の灰溶融処理装置において、前記処理すべき灰が石炭燃焼灰であることを特徴とする灰溶融処理装置。
【請求項１１】
請求項１０記載の灰溶融処理装置において、前記石炭燃焼灰が石炭焚きボイラの後流側に設けられた電気集塵機で捕集された石炭燃焼灰であることを特徴とする灰溶融処理装置。
【請求項１２】
請求項１０または請求項１１記載の灰溶融処理装置において、その灰溶融処理装置が石炭焚きボイラに併設され、灰溶融処理装置から排出された排ガスが前記石炭焚きボイラの燃焼排ガスに混合されて石炭焚きボイラに供給されることを特徴とする灰溶融処理装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、石炭焚きボイラから排出される石炭燃焼灰（フライアッシュ）などを溶融処理する竪型式旋回溶融炉を用いた溶融処理装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、石炭火力で発生するフライアッシュは、セメント混和剤等に利用されているが、その利用率は発生した燃焼灰の約６割であり、残りは産業用廃棄物として埋め立て処分されているのが実態である。
【０００３】
このようなフライアッシュの処理方法として、灰を溶融する技術がある。フライアッシュに比べ、灰を溶融することにより（スラグ化）、水銀や砒素等の重金属の溶出性が低くなり、一般廃棄物としての処理が可能となる。また、スラグの嵩さ比重はフライアッシュの１／２〜１／３となり、減容化により取り扱いが容易で、骨材等の適用範囲の拡大という利点がある。
【０００４】
このように火力発電の石炭灰を溶融し、スラグにして再利用を図るシステムとしては、アーク加熱方式、表面溶融方式、電気抵抗加熱式、旋回流式等多くの方式がある。いずれも灰の融点以上に炉内を加熱し、各種灰を炉内に投入して、溶融スラグとして排出するものである。
【０００５】
灰溶融炉の構造に関しては、燃料粒子および空気を旋回させて燃焼する旋回式のものが多く、例えは゛下記の特許文献を挙げることができる。
【特許文献１】特開平２００１−１２４３１３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
前記従来技術のうち、アーク加熱方式および電気抵抗方式は、炉内の昇温に電気を用いるものである。フライアッシュの溶融温度は1200〜1800℃と高く、炉内の温度はそれ以上にしないとフライアッシュは溶融し電気を用いるアーク方式および電気抵抗方式ではランニングコストが高く、実用化には至っていない。
【０００７】
前記表面溶融方式は、石炭灰の表面をバーナ等で加熱し、溶融してスラグを排出する方式である。この場合電気を用いるアーク加熱方式および電気抵抗方式に比べてランニングコストは安価ですむが、表面を加熱して溶融するため、火力発電所から排出する大量な石炭灰を溶融する処理能力はない。
【０００８】
これらの方式と比較して旋回流型燃焼方式は、ランニングコストも低利用されている。
【０００９】
回する竪型式とがある。旋回流式は、助燃燃料を用いて炉内を加熱する。
【００１０】
その際燃焼用空気および燃料を炉内へ投入するときに旋回をつけ、そのため炉内の気流は旋回流となる。
【００１１】
そこに灰を投入すると灰は旋回流にのり、大径粒子は遠心力により壁面に衝突する。予め助燃燃料で炉内を灰の融点以上に加熱しておけば、壁面に衝突した灰は溶融し、スラグとして排出される。しかし、小径粒子は気流にのり、壁面に衝突することなく排ガスと共に炉外へ排出され約70〜80％にしかならず、回収率が悪いという欠点がある。
【００１２】
率良く溶融処理することが可能な灰溶融処理装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
前記目的を達成するため、本発明の第１の手段は、竪型式旋回溶融炉を設けた灰溶融処理装置において、前記竪型式旋回溶融炉の下部に溶融スラグを排出するスラグ排出口を設け、その上方に下方から上方に向けて助燃燃料投入口と、処理すべき灰を投入する灰投入口と、燃焼用空気投入口を順次設けたことを特徴とするものである。
【００１４】
本発明の第２の手段は前記第１の手段において、前記竪型式旋回溶融炉の上部に設けられている燃焼排ガス出口部が絞られていることを特徴とするものである。
【００１５】
本発明の第３の手段は前記第１の手段において、前記灰投入口での灰投入流速が１５ｍ／ｓ以上であることを特徴とするものである。
【００１６】
本発明の第４の手段は前記第１の手段または第３の手段において、前記灰投入口での灰投入流速が灰投入位置における炉内気流の旋回流速よりも遅いことを特徴とするものである。
【００１７】
本発明の第５の手段は前記第１の手段または第４の手段において、前記燃焼用空気投入口から投入する燃焼用空気の投入流速を調整する例えばルーバなどの流速調整手段が設けられていることを特徴とするものである。
【００１８】
本発明の第６の手段は前記第１の手段において、前記処理すべき灰に融点降下剤を添加混合する手段が設けられていることを特徴とするものである。
【００１９】
本発明の第７の手段は前記第６の手段において、前記灰と融点降下剤の混合物の塩基度を測定する塩基度測定器を設け、その測定器の測定結果に基づいて前記灰と融点降下剤の混合割合を調整することを特徴とするものである。
【００２０】
本発明の第８の手段は前記第１の手段において、前記処理すべき灰の投入量を測定する灰測定器と、前記スラグ排出口から排出されるスラグ量を測定するスラグ測定器とを設け、測定された灰量とスラグ量からスラグ率を演算する構成になっていることを特徴とするものである。
【００２１】
本発明の第９の手段は前記第８の手段において、前記演算されたスラグ率に基づいて、灰投入量、融点降下剤投入量、燃焼用空気投入速度の少なくとも１つを調整するように構成されていることを特徴とするものである。
【００２２】
本発明の第１０の手段は前記第１の手段おいて、前記処理すべき灰が石炭燃焼灰であることを特徴とするものである。
【００２３】
本発明の第１１の手段は前記第１０の手段において、前記石炭燃焼灰が石炭焚きボイラの後流側に設けられた電気集塵機で捕集された石炭燃焼灰であることを特徴とするものである。
【００２４】
本発明の第１２の手段は前記第１０の手段または第１１の手段において、その灰溶融処理装置が石炭焚きボイラに併設され、灰溶融処理装置から排出された排ガスが前記石炭焚きボイラの燃焼排ガスに混合されて石炭焚きボイラの例えば炉底などから供給されることを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００２５】
本発明は前述のように、竪型式旋回溶融炉の下部にスラグ排出口を設け、その上方に下方から上方に向けて助燃燃料投入口と、処理すべき灰を投入する灰投入口と、燃焼用空気投入口を順次設けた構成になっている。
【００２６】
竪型式旋回溶融炉において灰投入口を助燃燃料投入口と同じ位置にすると、炉底近傍での投入になり、灰が十分に溶融する前にスラグ排出口に到達することになりスラグ化率が低下する。そのため灰投入口は、助燃燃料投入口より上方にある方がスラグ化率の向上が図れる。
【００２７】
一方、灰投入口を燃焼用空気投入口と同じ位置にすると、灰が上昇流に乗って炉外へ飛散するという問題が生じる。そのため灰投入口は、燃焼用空気投入口より下方に設置した方がスラグ化率が向上する。このようなことから多量の灰を効率良く溶融処理することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２８】
次に本発明の実施形態を図とともに説明する。図１は、第１実施形態に係る溶融処理装置の系統図である。図中の１は溶融炉、２はスラグタップ、３は熱交換器、４は脱硝装置、５は除塵装置、６は脱硫装置、７は煙突、８は灰サイロ、９は添加剤サイロ、１０はコンベア、１１は助燃燃料、１２は燃焼用空気、１３はフライアッシュ、１５はスラグ、１６はＦＤＦ、１７は灰搬送用ファン、１８は塩基度測定器、４１は助燃燃料投入口、４２は灰投入口、４３は燃焼用空気投入口である。
【００２９】
溶融炉１は、下段にスラグ排出口であるスラグタップ２が設けられ、その上方側壁に助燃燃料１１を投入する助燃燃料投入口４１と、フライアッシュ１３を投入する灰投入口４２と、燃焼用空気１２を投入する燃焼用空気投入口４３とが順次形成されている。
【００３０】
前記灰投入口４２の前流に灰の投入量が計測できる灰サイロ８と融点降下剤の投入量が計測できる添加剤サイロ９が設けられ灰サイロ８から供給されるフライアッシュ１３と添加剤サイロ９から供給される例えば炭酸カルシウム、酸化カルシウム、炭酸カルシウムと酸化カルシウムの混合物などのなどの融点降下剤は、灰搬送用ファン１７からの搬送空気により溶融炉１の灰供給ノズル（図示せず）へ混合されながら搬送される。
【００３１】
灰投入口４２の前流に塩基度測定器１８を設けることにより、炉内に供給されるフライアッシュ１３と融点降下剤の混合物の塩基度を測定する。フランアッシュは塩基度が２０〜４０％で融点が低くなることから、灰と融点降下剤の混合割合を、塩基度測定器１８の測定結果で調整することにより、フライアッシュの安定溶融が維持できる。
【００３２】
燃焼用空気１２は、熱交換器３によって予熱される。助燃燃料１１と前記燃焼用空気１２は円筒状溶融炉１の側壁より接線方向へ投入され、炉内壁面に沿った強旋回流を形成する。この強旋回流に同伴した灰粒子は炉内壁面に遠心力で押し付けられ、溶融してスラグ１５となり、スラグタップ２へ溜まる。溜まったスラグ１５はスラグタップ２から落下して、水冷したのちコンベア１０で炉外へ排出される。
【００３３】
前記強旋回流は壁面近傍において、下方に下降流、上方に上昇流を形成する。助燃燃料１１はスラグタップ２の近傍に投入し、溶融炉１の下部で昇温することにより、スラグ１５の安定排出につながる。
【００３４】
溶融炉１内の高温域はスラグタップ２の近傍の炉下部になるため、灰投入口４２は燃焼用空気投入口４３より下方に設置した方がスラグ化率は向上する。灰投入口４２を助燃燃料投入口４１と同位置にすると、炉底近傍での投入になり、溶融前にスラグタップ２へ到達することになり、スラグ化率が低減する。そのため、竪型式旋回溶融炉１における灰投入口４２は、助燃燃料投入口４１より上方にあることが望ましい。灰投入口４２を燃焼用空気投入口４３と同位置にすると、灰が上昇流に同伴されて炉外へ飛散するという問題が生じる。従ってフライアッシュ１３は助燃燃料１１を投入する助燃燃料投入口４１よりも上方で、かつ燃焼用空気１２を投入する燃焼用空気投入口４３よりも下方の側壁から炉内へ投入する。
【００３５】
フライアッシュ１３の投入流速は、供給ノズル内での詰まり防止の点から、１５ｍ／ｓ以上が望ましい。また、フライアッシュ１３の投入流速は、炉内気流の旋回流速よりも遅い方がスラグ化率向上につながる。このフライアッシュ１３の投入流速は、灰搬送用ファン１７の回転速度などによてコントロールされる。
【００３６】
溶融炉１の最上方には排ガスの排出口４４が設けられており、その排出口４４は排ガスの炉内滞留時間を可及的に長くするために絞ってある。溶融炉１から排出された高温排ガスは、熱交換器３で減温された後、脱硝装置４、除塵装置５、硫装置６を経て煙突７からクリーンガスとして大気へ放出される。
【００３７】
図２に燃焼用空気投入口４３から炉底までの壁面における旋回流速分布を示す。同図において、縦軸のx/hは燃焼空気投入口４３からの下方向距離xを炉底から燃焼用空気投入口４３までの高さhで割って無次元化した値であり、横軸のV/V0は炉内の気流の旋回流速Vをフライアッシュ投入時の初期流速V0で割って無次元化した値である。なお、流速はコールド状態の流速で示している。
【００３８】
本発明に係る溶融炉１は、炉底近傍で灰を溶融するため炉底での温度が、本発明における流速は、灰の投入位置における旋回流速であり、炉底での旋回力には影響されない。
【００３９】
図３に灰投入口４２の断面における気流の旋回流速と灰投入流速の関係を示しており、同図の（ａ）は灰投入流速が旋回流速よりも速い場合 同図の（ｂ）は反対に灰投入流速が旋回流速よりも遅い場合を示している。
【００４０】
同図（ａ）に示すように灰投入流速Vashが旋回流速Vよりも速いと、炉内へ投入後の灰粒子は壁面から中心方向へ幅広く分布して、灰粒子の飛散があり、そのためにスラグ化率が悪い。これに対して同図（ｂ）に示すように灰投入流速Vashが旋回流速Vよりも遅いと、灰粒子は壁面近傍に集中して灰粒子の飛散がなく、そのためにスラグ化率が良好である。
【００４１】
図４に灰投入位置での旋回流速と灰粒子の壁面衝突率の関係を示す。同図において、横軸のV/Vashは旋回流速Vを灰投入流速Vashで割って無次元化した値、縦軸のηは壁面への粒子衝突率を示す。同図に示すように、V/Vashが１以上になると粒子衝突率ηは80％以上になり、V/Vashが１未満になると粒子衝突率ηは80％未満になる。従って壁面で衝突しない粒子は炉頂より系外へ飛散するため、粒子衝突率ηが80％以上での運用、すなわち灰投入流速Vashを旋回流速Vよりも遅くする方が好ましい。
【００４２】
図５は、本発明の第２実施形態に係る溶融処理装置の系統図である。図中の２１は石炭焚きボイラ、２２は脱硝装置、２３はエアヒータ、２４はガス／ガスヒータ、２５は電気集塵機、２６は脱硫装置、２７はＩＤＦ、２８は石炭バンカ、２９は給炭機、３０はミル、３１は微粉炭バーナ、３２はウインドボックス、３３はＦＤＦ、３４はＧＲＦである。
【００４３】
本実施形態は石炭火力発電所に併設したシステムで、石炭火力の電気集塵機２５で捕集されたＥＰ灰（フライアッシュ）はそのまま気流搬送されて、融点降下剤と混合された後に溶融炉１へ投入される。
【００４４】
溶融炉１で生成した排ガスは除塵装置５を経た後、ボイラ２１の火炉下部から投入される。従って溶融炉１で生成した排ガス中の窒素酸化物や硫黄酸化物などの汚染物質は、ボイラ後流の脱硝装置２２、電気集塵機２５、脱硫装置２６などの排煙処理装置において処理され、煙突７より大気へ放出される。
【００４５】
本実施形態では溶融炉１で生成した排ガスをボイラ２１の火炉下部に投入したが、溶融炉１で生成した排ガスを脱硝装置２２の上流側または電気集塵機２５の上流側に投入して、減温ならびにガス処理をすることもできる。
【００４６】
図６は、本発明の第３実施形態に係る燃焼用空気投入口付近の断面図である。同図に示すように、溶融炉１の炉内壁面に対してほぼ接線方向に４箇所燃焼用空気投入口４３が形成され、各燃焼用空気投入口４３内には開度調整が可能なルーバ４５が設けられている。
【００４７】
溶融炉１の負荷が低いときにはこのルーバ４５によって燃焼用空気投入口４３の開度を絞って、燃焼用空気流速を通常負荷時とほぼ同じにして、スラグ化をほぼ一定に保つことができる。また、スラグ化率が低下したときには、前記ルーバ４５を操作して燃焼用空気速度を上げることにより、旋回流速を速くしてスラグ化率を上げることができる。他の構成は前記第１，２実施形態と同様であるので、重複する説明は省略する。
【００４８】
図７は、本発明の第４実施形態に係る灰溶融炉システムの系統図である。この実施形態の場合、スラグ１５は水冷されチェーンコンベア１０で系外に排出され、スラグ測定器１９でスラグ量を測定する。測定されたスラグ量と灰サロン８で計測されたフライアッシュ投入量から、図示しない制御部でスラグ化率（＝スラグ量／フライアッシュ投入量）を逐次演算する。
【００４９】
そしてスラグ化率が常に８０％以上（目標値）に維持できるように、フライアッシュと融点降下剤との混合量、あるいは燃焼用空気流速を調整する。この燃焼用空気流速の調整は、図６で説明したルーバ４５を使用する方法が効果的である。
【００５０】
前記実施形態ではフライアッシュの溶融処理について説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、例えばごみ焼却灰や汚泥等の廃棄物をスラグ化する溶融処理装置にも適用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００５１】
【図１】本発明の第１実施形態に係る溶融処理装置の系統図である。
【図２】燃焼用空気投入口から炉底までの壁面における旋回流速分布を示す図である。
【図３】灰投入口断面における旋回流速と灰投入流速の関係を示す図である。
【図４】灰投入口での旋回流速と粒子捕捉率の関係を示す図である。
【図５】本発明の第２実施形態に係る溶融処理装置の系統図である。
【図６】本発明の第３実施形態に係る溶融炉処理装置の燃焼用空気投入口付近の断面図である。
【図７】本発明の第４実施形態に係る溶融炉処理装置の系統図である。
【符号の説明】
【００５２】
１：溶融炉、２：スラグタップ、３：熱交換器、４：脱硝装置、５：除塵装置、６：脱硫装置、７：煙突、８：灰サイロ、９：添加剤サイロ、１０：コンベア、１１：助燃燃料、１２：燃焼用空気、１３：フライアッシュ、１５：スラグ、１６：ＦＤＦ、１７：灰搬送用ファン、１８：塩基度測定器、１９：スラグ測定器、２１：石炭焚きボイラ、２２：脱硝装置、２３：エアヒータ、２４：ガス／ガスヒータ、２５：電気集塵機、２６：脱硫装置、２７：ＩＤＦ、２８：石炭バンカ、２９：給炭機、３０：ミル、３１：微粉炭バーナ、３２：ウインドボックス、３３：ＦＤＦ、３４：ＧＲＦ、４１：助燃燃料投入口、４２：灰投入口、４３：燃焼用空気投入口、４４：排出口、４５：ルーバ。
【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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