(57)【要約】【課題】灰溶融炉におけるスラグ排出部直下の水槽内の水を冷却する。【解決手段】スラグ排出筒内に、冷却水噴射ノズルを備える。スラグ排出筒内に冷却水を導入することで、スラグ排出筒内の水温の上昇を防ぐ。これにより、スラグ排出筒内の水槽の水温上昇による沸騰や、蒸発水によるスラグ排出筒及びスラグ排出口での温度低下を防止できる。また溶融スラグを冷却して水砕スラグを製造するための水槽を、小型化できる。さらに本発明を使用した灰溶融炉では、融点の高い石炭灰の溶融や、大量の灰溶融が可能となる。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
灰を溶融して溶融スラグを生成する溶融燃焼室と、前記溶融燃焼室から溶融スラグを流下させるスラグ排出口と、前記スラグ排出口の下部のスラグ排出筒と、溶融スラグを冷却し回収する水槽とを備えた灰溶融炉において、前記スラグ排出筒内に冷却水噴射ノズルを備えたことを特徴とする灰溶融炉。
【請求項２】
請求項１において、冷却水噴射ノズルを前記水槽内の水面下に備えたことを特徴とする灰溶融炉。
【請求項３】
請求項１において、冷却水噴射ノズルを複数備えたことを特徴とする灰溶融炉。
【請求項４】
請求項１において、冷却水噴射ノズルからの冷却水の噴射角度を、鉛直上方から鉛直下方の間としたことを特徴とする灰溶融炉。
【請求項５】
請求項１において、冷却水噴射ノズルの位置を可変とできることを特徴とする灰溶融炉。
【請求項６】
請求項１において、スラグ排出筒の開口面積を、水槽方向に広くした部分を有することを特徴とした灰溶融炉。
【請求項７】
請求項１において、スラグ排出筒内の冷却水に旋回流を発生させることを特徴とする灰溶融炉。
【請求項８】
請求項１において、スラグ排出筒内の水面下に、鉛直上方を凸とした凸状構造体を設けたことを特徴とする灰溶融炉。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、灰分を溶融スラグ化することで、灰分を無害化する技術に属し、特に灰溶融炉に関する。
【０００２】
【従来の技術】
石炭は、自身の１０〜２０％が灰分である。石炭灰は管理型産業廃棄物に指定されている。これは、石炭灰が粉塵であり、重金属を溶出する危険性を有することによる。石炭灰の埋め立て処分は、処分場の用地の確保難等により年々難しくなっていることから、灰中の重金属を封印し、かつ灰を減容する処理方式が検討されている。その一つに、灰溶融炉を用いて灰を溶融し、スラグとして回収する方式がある。そして、燃料の燃焼熱で灰を溶融スラグ化し、スラグ排出口下方に設けた水槽にてスラグを冷却・回収する灰溶融炉が開発されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
【特許文献１】
特開２０００−７４３３８号公報（第１図，第５図，第６図，第７図，第１０図）
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
スラグ排出口を介した灰溶融炉内からの輻射熱と、１０００度以上で流下する溶融スラグの持ち込み熱、数百度以上のスラグ排出筒内のガスからの伝熱などによって、スラグ排出筒内における水槽の水温は、局所的に、排出筒外における水槽の水温よりも高くなる。石炭灰の融点は、廃棄物の灰や高炉スラグの融点よりも高い。このため、石炭灰を溶融させる場合、灰溶融炉内からの輻射熱や、溶融スラグの持ち込み熱や、スラグ排出筒内のガスからの伝熱は、廃棄物の灰や高炉スラグを扱う場合と比べて、大きくなる。従って、スラグ排出筒内の水槽内の水温はさらに上昇する。この場合、スラグ排出筒内の水槽内の水が沸騰し、場合によっては水蒸気爆発を起こす危険性がある。
【０００５】
一方、スラグ排出筒内の水槽内の水温が上昇すると、スラグ排出筒内に蒸発する水量も増加する。この水蒸気に熱を奪われ、スラグ排出筒内及びスラグ排出口での温度が低下し、溶融スラグが固化する危険性も有する。
【０００６】
本発明は、以上のことから、スラグ排出筒内の水槽内の水を冷却することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明は、灰を溶融して溶融スラグを生成する溶融燃焼室と、前記溶融燃焼室から溶融スラグを流下させるスラグ排出口と、前記スラグ排出口の下部のスラグ排出筒と、溶融スラグを冷却し回収する水槽とを備えた灰溶融炉において、前記スラグ排出筒内に冷却水噴射ノズルを備えたものである。
【０００８】
スラグ排出筒内に冷却水を導入することで、スラグ排出筒内の水温の上昇を防ぐ。また、冷却水ノズルの本数やノズル形状や配置，冷却水の噴出角度などを工夫する。これにより、溶融スラグの異なる流下パターンにも対応し、装置の簡素化を実現する。
【０００９】
次に、スラグ排出筒の開口面積を水槽方向に広げる箇所を設ける。これにより、スラグ排出筒内の水面の表面積を大きくすることで、スラグ排出筒内での水温を上昇しにくい構造とする。
【００１０】
さらに、スラグ排出筒内の水を旋回させて攪拌して、水温の上昇を防ぐ。この場合、水中に落下した溶融スラグが中心部に集中する可能性がある。そこで、スラグ排出筒内の水面下に、鉛直上方を凸とした凸状構造体を設置することで溶融スラグを周方向に分散させる。
【００１１】
以上に示した本発明は、融点の高い石炭灰を扱う場合や、灰を大量に処理する灰溶融炉に向く。これと同時に、溶融スラグを冷却し、水砕スラグを製造するための水槽の小型化に寄与する。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施例を図面に基づいて説明する。
【００１３】
（第一実施例）
本発明の第一実施例の、冷却水噴射ノズルを備えた灰溶融炉を図１に示す。
【００１４】
溶融燃焼室１は、空気ノズル１３，燃料ノズル９，灰ノズル１１を有する。これらのノズルから、空気１４，燃料１０，灰１２が炉内に供給される。燃料１０と空気１４は、炉内で混合して燃焼し、その燃焼熱によって炉内温度が上昇する。炉内温度が灰１２の融点以上まで上昇すると灰１２が溶融し、溶融スラグ８となる。ここで、燃料１０に灰分を含む場合、燃料１０中の灰分も自身の融点以上で溶融スラグ８となる。
【００１５】
溶融スラグ８は、溶融燃焼室１の内壁に付着して流下し、スラグタップ１８の上面に達する。溶融スラグ８は、スラグタップ１８に設けられたスラグ排出口２から落下し、スラグ排出筒３を経由して、その直下のスラグ排出筒内の水１７に落下する。ここで溶融スラグ８は冷却され、水砕スラグとなってスラグ回収装置５にて系外に搬出される。スラグ回収装置５は、水槽４内に設置されている。このためスラグ回収装置５で運搬中に、水砕スラグは水槽内の水１６によってさらに冷却される。
【００１６】
溶融スラグ８は、１０００℃以上の高温であるため、水槽内の水１６の温度を上昇させる。特に、水封構造をもつ灰溶融炉では、スラグ排出筒３が水槽４内に浸かっている。これにより、スラグ排出筒内の水１７の温度は局所的に上昇する。これは、スラグ排出筒内の水１７が、スラグ排出口２を介して溶融燃焼室１内からの輻射熱を、１０００度以上で流下する溶融スラグ８の持ち込み熱を、数百度以上に保持されたスラグ排出筒３内のガスからの伝熱などを直接受けるためである。さらに、スラグ排出筒内の水１７は、スラグ排出筒３にて水槽内の水１６と仕切られており、よどみやすい。従って、水槽４内の水を循環させても、スラグ排出筒内の水１７はあまり冷却されず、よどむことでさらに温度が上昇し、沸騰する。一方、スラグ排出筒内の水１７の温度が上昇すると、スラグ排出筒３内に蒸発する水量も増加する。この水蒸気で熱を奪われ、スラグ排出筒３内及びスラグ排出口２での温度が低下し、溶融スラグ８が固化する危険性も有する。
【００１７】
以上のことから、スラグ排出筒内の水１７槽内の水を局所的に冷却する手段が必要となる。そこでスラグ排出筒３内に冷却水供給配管６を導入し、冷却水噴射ノズル７を設置させる。冷却水噴射ノズル７から冷却水１５を噴射することで、スラグ排出筒３内を強制的に冷却する。図１では、冷却水噴射ノズル７を、スラグ排出筒内の水１７の中に配置した場合を示す。これにより、スラグ排出筒内の水１７を局所的に冷却でき、この場所での水温上昇を防ぐことができる。また、冷却水噴射ノズル７を水中に設置することで、溶融燃焼室１内からの輻射熱による過熱も防止できる。さらに冷却水噴射ノズル７をスラグ排出筒３の内壁付近に設置して、流下してくる溶融スラグ８に当たらないように配置することで、溶融スラグ８による冷却水噴射ノズル７の閉塞を防ぐ。
【００１８】
一方で、冷却水噴射ノズル７の取り付け方法や運用方法を工夫することで、スラグ排出筒内の水１７の上に配置して、冷却水１５を流下する溶融スラグ８に吹き付けて、溶融スラグ８の持込熱を小さくする方式も有効と考えられる。
【００１９】
図２は、冷却水噴射ノズル７を水面と平行に設置し、２本対抗させた場合の冷却水噴射ノズル７の取り付け図を示す。冷却水噴射ノズル７は、スラグ排出筒内の水１７の中で、スラグ排出筒３の内壁付近に設置することで、流下する溶融スラグ８の直撃を避けている。冷却水１５は、２本の冷却水噴射ノズル７から噴射される。噴射された冷却水１５は衝突し、スラグ排出筒内の水１７で上部の水を同伴しながら循環流を形成する。最も水温の上がりやすいスラグ排出筒内の水
１７で上部の水は、冷却水１５自身と、水槽内の水１６との接触によって冷却される。これにより、スラグ排出筒内の水１７を局所的に冷却できるため、灰融点の高い石炭灰を大量に溶融することが可能となる。
【００２０】
図３は、冷却水噴射ノズル７高さでの横断面図（図２のＡ−Ａ′断面）である。ここでは冷却水噴射ノズル７を２本対抗させて設置した場合を示す。冷却水供給配管６を介して、対抗する冷却水噴射ノズル７から噴射された冷却水１５は、スラグ排出筒３内で衝突し、拡散して循環流を形成する。これによりスラグ排出筒３内の水を循環・冷却させ、流下してくる溶融スラグも冷却する。
【００２１】
図４は、冷却水噴射ノズル７を９０度間隔で４本設置し、それぞれ２本ずつ対抗させて設置した場合での、冷却水噴射ノズル７高さにおける横断面図（図２のＡ−Ａ′断面）である。冷却水１５を４箇所から供給することで、スラグ排出筒３内の水を、より均一に冷却できる。また図４では、同じ高さに４本の冷却水噴射ノズル７を設置したが、対抗する２本ずつ高さを変えて設置しても、効果的に冷却できる。
【００２２】
（第二実施例）
本発明の第二実施例における、冷却水噴射ノズルの取り付け図を図５に示す。溶融燃焼室１の底にスラグタップ１８を有し、スラグタップ１８にスラグ排出口２が設けられている。スラグ排出口２の直下には、スラグ排出筒３が設置されている。スラグ排出筒３は、水槽４上にあり、水槽内の水１６に浸されている。
【００２３】
スラグ排出筒内の水１７の中まで冷却水供給配管６が導入されており、その先端には冷却水噴射ノズル７が設置されている。本実施例では、冷却水噴射ノズル７が対抗して２本設置され、それらの先端が鉛直上向きに取り付けられた場合について説明する。
【００２４】
冷却水噴射ノズル７から鉛直上向きに噴出された冷却水１５は、スラグ排出筒内の水１７の上面に達し、重力で下方向の流れとなる。この過程で、対抗する２本の冷却水１５の流れは衝突し、落下する溶融スラグを冷却する。
【００２５】
ここで溶融燃焼室１及びスラグ排出筒３は、スラグ排出筒内の水１７により水封構造となっている。このため、溶融燃焼室１及びスラグ排出筒３の領域の圧力によって、スラグ排出筒内の水１７の高さが変動する。特に、これら領域の圧力が上昇すると、スラグ排出筒内の水１７の高さは低くなり、冷却水噴射ノズル７がスラグ排出筒３内でむき出しとなる場合がある。この場合、ノズル先端に溶融スラグが付着すると、ノズルが閉塞する恐れがある。
【００２６】
一方、これら領域の圧力が低下して、スラグ排出筒内の水１７の高さが上昇すると、冷却水噴射ノズル７と水面との距離が大きくなり、水面付近の水を冷却しきれない可能性がある。
【００２７】
以上のことから、溶融燃焼室１及びスラグ排出筒３の領域における圧力を一定に保つような灰溶融炉の運用が望ましい。しかしながら、これら領域における圧力変動に備えて、スラグ排出筒内の水１７の高さに応じて、冷却水噴射ノズル７の高さを可変させることで、灰溶融炉をより安全に運用できる。
【００２８】
（第三実施例）
本発明の第三実施例における、冷却水噴射ノズルの取り付け図を図６に示す。第二実施例とは、冷却水噴射ノズル７からの冷却水１５の噴射方向が異なる。ここでは、冷却水噴射ノズル７の先端をＵ字型に折り曲げ、冷却水１５を下向きに噴射した場合を示す。
【００２９】
冷却水噴射ノズル７から噴射された冷却水１５は、はじめは下向きに流れるものの、浮力によって上向き流れとなる。この過程で対抗する２本の冷却水の流れが衝突する。２本の冷却水噴射ノズル７の中央付近に溶融スラグを落とすことで、スラグの冷却と、スラグ排出筒内の水１７の冷却を両立させる。
【００３０】
冷却水噴射ノズル７の先端を下向きとしたことで、以下２点の面で運用しやすくなる。１点目は、ノズルの先端で閉塞しにくいことである。冷却水噴射ノズル７に溶融スラグが付着したとしても、ノズル先端を下向きとしているため、ノズル先端で閉塞する可能性が低くなる。２点目は、ノズルから噴射される冷却水
１５の流速の設計裕度を広くとれることである。これは、冷却水１５を下向きに噴射するため、冷却水１５の噴出速度を高くしても、スラグ排出筒内の水１７の水面に対する影響や、流下した溶融スラグを吹き飛ばす影響を小さくできる。
【００３１】
さらに、先端をＵ字に加工された冷却水噴射ノズル７及び冷却水供給配管６を導入するスペースを確保するため、また、溶融燃焼室１内を見込む輻射熱及びスラグ排出筒３内の雰囲気ガスとの伝熱を小さくするために、スラグ排出筒３の開口面積を、鉛直下方に拡大し、スラグ排出筒内の水１７の容積を増やす方式も有効である。
【００３２】
ここで、冷却水噴射ノズル７の先端の角度は、本実施例に制約されることなく、鉛直上方から鉛直下方までいかなる角度に設定しても構わない。これは、冷却水噴射ノズル７から冷却水１５が供給される限り、スラグ排出筒内の水１７を冷却する機能を有するためである。
【００３３】
（第四実施例）
本発明の第四実施例における、冷却水噴射ノズルの取り付け図を図７に示す。ここでは、第一実施例の図２と同様に、冷却水噴射ノズル７を２本設置した場合を示す。図７では、円筒状のスラグ排出筒３を有し、冷却水噴射ノズル７をスラグ排出筒３の接線方向に設置したことを特徴としている。ノズル設置高さでの断面図（Ａ−Ａ′断面）を図８に示す。冷却水噴射ノズル７を接線方向に設置することで、冷却水１５はスラグ排出筒３内で旋回流を形成する。これにより、スラグ排出筒内の水１７の攪拌が促進するとともに、落下してくる溶融スラグも冷却される。
【００３４】
（第五実施例）
本発明の第五実施例における、冷却水噴射ノズルの取り付け図を図９に示す。ここでは、第四実施例の図７で考案した冷却システムで、スラグ排出口２の直下に、凸状構造体１９設置した場合を示す。図１０は、図９のノズル設置高さでの断面図（Ａ−Ａ′断面）を示す。冷却水噴射ノズル７を接線方向に設置することで、冷却水１５はスラグ排出筒３内で旋回流を形成する。これにより、スラグ排出筒内の水１７の攪拌が促進するとともに、落下してくる溶融スラグも冷却される。
【００３５】
しかしながら、溶融スラグは水より比重が大きい。また粒径の大きなスラグほど、冷却水１５で形成される旋回流に同伴されず、スラグ排出筒３内の中心部に堆積することが考えられる。このような堆積を物理的に防止してスラグを分散するため、凸状構造体１９の設置が有効である。特に、凸状構造体１９は、冷却水噴射ノズル７よりも低い位置に設置されるのが望ましい。
【００３６】
【発明の効果】
本発明によれば、スラグ排出筒内の水槽内の水を冷却できる。これにより、この場所における局所的な水温上昇による沸騰や、蒸発水によるスラグ排出筒及びスラグ排出口での温度低下を防止できる。また溶融スラグを冷却して水砕スラグを製造するための水槽を、小型化できる。さらに本発明を使用した灰溶融炉では、融点の高い石炭灰の溶融や、大量の灰溶融が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第一実施例の冷却水噴射ノズルを備えた灰溶融炉。
【図２】第一実施例の冷却水噴射ノズルの取り付け図。
【図３】第一実施例の冷却水噴射ノズル位置の横断面。
【図４】第一実施例の冷却水噴射ノズル位置の横断面。
【図５】第二実施例の冷却水噴射ノズルの取り付け図。
【図６】第三実施例の冷却水噴射ノズルの取り付け図。
【図７】第四実施例の冷却水噴射ノズルの取り付け図。
【図８】第四実施例の冷却水噴射ノズル位置の横断面。
【図９】第五実施例の凸状構造体と冷却水噴射ノズルの取り付け図。
【図１０】第五実施例の凸状構造体を有した冷却水噴射ノズル位置の横断面。
【符号の説明】
１…溶融燃焼室、２…スラグ排出口、３…スラグ排出筒、４…水槽、５…スラグ回収装置、６…冷却水供給配管、７…冷却水噴射ノズル、８…溶融スラグ、９…燃料ノズル、１０…燃料、１１…灰ノズル、１２…灰、１３…空気ノズル、
１４…空気、１５…冷却水、１６…水槽内の水、１７…スラグ排出筒内の水、
１８…スラグタップ、１９…凸状構造体。
【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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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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