(57)【要約】【課題】炭燃焼灰の溶融率の高い石炭燃焼灰溶融炉システムを提供する。【解決手段】竪型式旋回溶融炉１の下部にスラグ排出口２を設け、炉側壁に灰投入口を形成して、竪型式旋回溶融炉１内において灰投入口から投入された石炭燃焼灰１３を溶融して、溶融スラグ１５をスラグ排出口２から排出する石炭燃焼灰溶融炉システムにおいて、竪型式旋回溶融炉１から排出飛散した小粒径の石炭燃焼灰を捕集する除塵装置５と、除塵装置５で捕集した小粒径の石炭燃焼灰を造粒する造粒機８を備え、造粒機８で造粒した造粒灰１４を竪型式旋回溶融炉１に投入して溶融スラグ化することを特徴とする。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
竪型式旋回溶融炉の下部にスラグ排出口を設け、炉側壁に灰投入口を形成して、その竪型式旋回溶融炉内において前記灰投入口から投入された石炭燃焼灰を溶融して、溶融スラグを前記スラグ排出口から排出する石炭燃焼灰溶融炉システムにおいて、
前記竪型式旋回溶融炉から排出飛散した小粒径の石炭燃焼灰を捕集する除塵装置と、その除塵装置で捕集した小粒径の石炭燃焼灰を造粒する造粒機とを備え、その造粒機で造粒した造粒灰を前記竪型式旋回溶融炉に投入して溶融スラグ化することを特徴とする石炭燃焼灰溶融炉システム。
【請求項２】
請求項１記載の石炭燃焼灰溶融炉システムにおいて、前記灰投入口を、助燃燃料を前記竪型式旋回溶融炉に投入する燃料投入口と、燃焼用空気を前記竪型式旋回溶融炉に投入する燃焼用空気投入口との間に設けたことを特徴とする石炭燃焼灰溶融炉システム。
【請求項３】
請求項２記載の石炭燃焼灰溶融炉システムにおいて、前記造粒灰が、前記燃料投入口と燃焼用空気投入口との間から投入されることを特徴とする石炭燃焼灰溶融炉システム。
【請求項４】
請求項１記載の石炭燃焼灰溶融炉システムにおいて、前記竪型式旋回溶融炉の上部に絞り部を有する燃焼ガス排出口が形成されていることを特徴とする石炭燃焼灰溶融炉システム。
【請求項５】
請求項１記載の石炭燃焼灰溶融炉システムにおいて、前記造粒灰が灰の融点を下げる融点降下剤を含有していることを特徴とする石炭燃焼灰溶融炉システム。
【請求項６】
請求項５記載の石炭燃焼灰溶融炉システムにおいて、前記融点降下剤が造粒助剤を兼ねていることを特徴とする石炭燃焼灰溶融炉システム。
【請求項７】
請求項５または請求項６記載の石炭燃焼灰溶融炉システムにおいて、前記融点降下剤が塩基性成分を含有していることを特徴とする石炭燃焼灰溶融炉システム。
【請求項８】
請求項１記載の石炭燃焼灰溶融炉システムにおいて、前記除塵装置を通過した燃焼排ガスが石炭焚きボイラの後流側に設けられた脱硝装置の前でボイラ排ガスと混合され、その脱硝装置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が前記竪型式旋回溶融炉の灰投入口から投入されることを特徴とする石炭燃焼灰溶融炉システム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、石炭焚きボイラなどから排出される石炭燃焼灰（フライアッシュ）を溶融する石炭燃焼灰溶融炉システムに係り、特に竪型式旋回溶融炉での溶融率（スラグ化率）を向上するに適した石炭燃焼灰溶融炉システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、石炭火力で発生する石炭燃焼灰は、セメント混和剤等に利用されているが、その利用率は発生する燃焼灰の約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】
燃焼灰の処理方法として、灰を溶融する技術がある。石炭燃焼灰に比べ、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。
【０００４】
また、スラグの嵩さ比重は石炭燃焼灰の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。
【０００５】
火力発電の石炭燃焼灰を溶融し、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、電気抵抗加熱方式、旋回流方式など多くの方式がある。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、溶融スラグとして排出するものである。
【０００６】
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最も多く、例えば下記の特許文献１や特許文献２などを挙げることができる。
【０００７】
【特許文献１】
特開平２−１５０６１１号公報
【０００８】
【特許文献２】
特開２００１−１２４３１３号公報
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
前述のアーク加熱方式と電気抵抗方式は、炉内の昇温を電気を用いるものである。石炭燃焼灰の溶融温度は１２００〜１８００℃と高く、炉内の温度はそれ以上にしないと灰は溶融しない。火力発電所から排出する石炭燃焼灰は、年間で１０００万ｔと大量なため、電気を用いるアーク方式や電気抵抗方式では、ランニングコストが高く、実用化には至っていない。
【００１０】
前述の表面溶融方式は、石炭燃焼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。この方式は、電気を用いるアーク加熱方式や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燃焼灰を溶融する処理能力はない。
【００１１】
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く、大量の灰を処理する能力もあるので、溶融処理装置として最も利用されている。旋回流式溶融炉には、水平方向に旋回する横型式と垂直方向に旋回する竪型式とがある。
【００１２】
旋回流式は、助燃燃料を用いて炉内を加熱する。その際燃焼用空気および燃料を炉内へ投入するときに、旋回をつける。そのため炉内の気流は旋回流となり、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。
【００１３】
しかし旋回流式では、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飛散する。そのため旋回流式溶融炉では、灰の投入量に対しスラグの排出量は７０〜８０％にしかならないという問題が生じる。
【００１４】
また、１５００℃以上の高融点灰に対しては融点降下剤の添加が必要であるが、石炭燃焼灰と融点降下剤の混合がよくないと、炭燃焼灰の溶融が不十分であるという問題が生じる。
【００１５】
本発明の目的は、このような従来技術の欠点を解消し、炭燃焼灰の溶融率（スラグ化率）の高い石炭燃焼灰溶融炉システムを提供することにある。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するため、本発明の第１の手段は、竪型式旋回溶融炉の下部にスラグ排出口を設け、炉側壁に灰投入口を形成して、その竪型式旋回溶融炉内において前記灰投入口から投入された石炭燃焼灰を溶融して、溶融スラグを前記スラグ排出口から排出する石炭燃焼灰溶融炉システムにおいて、前記竪型式旋回溶融炉から排出飛散した小粒径の石炭燃焼灰を捕集する除塵装置と、その除塵装置で捕集した小粒径の石炭燃焼灰を造粒する造粒機とを備え、その造粒機で造粒した造粒灰を前記竪型式旋回溶融炉に投入して溶融スラグ化することを特徴とするものである。
【００１７】
本発明の第２の手段は前記第１の手段において、前記灰投入口を、助燃燃料を前記竪型式旋回溶融炉に投入する燃料投入口と、燃焼用空気を竪型式旋回溶融炉に投入する燃焼用空気投入口との間に設けたことを特徴とするものである。
【００１８】
本発明の第３の手段は前記第２の手段において、前記造粒灰が、前記燃料投入口と燃焼用空気投入口との間から投入されることを特徴とするものである。
【００１９】
本発明の第４の手段は前記第１の手段において、竪型式旋回溶融炉の上部に絞り部を有する燃焼ガス排出口が形成されていることを特徴とするものである。
【００２０】
本発明の第５の手段は前記第１の手段において、前記造粒灰が灰の融点を下げる融点降下剤を含有していることを特徴とするものである。
【００２１】
本発明の第６の手段は前記第５の手段において、前記融点降下剤が造粒助剤を兼ねていることを特徴とするものである。
【００２２】
本発明の第７の手段は前記第５の手段または第６の手段において、前記融点降下剤が例えばカルシュウム系またはナトリウム系などの塩基性成分を含有していることを特徴とするものである。
【００２３】
本発明の第８の手段は前記第１の手段において、前記除塵装置を通過した燃焼排ガスが石炭焚きボイラの後流側に設けられた脱硝装置の前でボイラ排ガスと混合され、その脱硝装置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が竪型式旋回溶融炉の灰投入口から投入されることを特徴とするものである。
【００２４】
【発明の実施の形態】
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実施形態に係る灰溶融炉システムの系統図である。
【００２５】
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は造粒機、９は灰サイロ、１０はコンベア、１１は助燃燃料、１２は燃焼用空気、１３は石炭燃焼灰、１４は造粒灰、１５はスラグ、１６はＦＤＦ、１７は灰搬送用ファンである。
【００２６】
溶融炉１は、最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、石炭燃焼灰１３ならびに造粒灰１４を投入する灰投入口、燃焼用空気１２を投入する燃焼用空気投入口が、下方から上方に向けて順次形成されている。
【００２７】
溶融炉１の最上方に燃焼排ガスの排出口があり、燃焼灰ガス排出口には徐々に径小になった絞り部１８が設けられている。この絞り部１８を設けることにより、溶融炉１内に形成された高温ガスの旋回気流が溶融炉１の上部に来たとき、絞り部１８の存在で下降流となり、溶融炉１の下部側に循環する流れを形成する。この循環流により溶融炉１内での高温ガスの滞留時間が長くなり、溶融炉１内の高温状態を良好に保持することができるとともに、後述する飛散灰の量を少なくすることができる。
【００２８】
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、脱硫装置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。
【００２９】
助燃燃料１１と燃焼用空気１２は、円筒状の炉側壁より接線方向へそれぞれ投入される。助燃燃料１１はスラグタップ２の近傍に投入し、溶融炉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。
【００３０】
燃焼用空気１２を溶融炉１の旋回方向に高流速で投入することにより強旋回が生じる。この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。そのため石炭燃焼灰１３ならびに造粒灰１４の灰投入口は、燃焼用空気投入口より下方に設置した方がスラグ化率は向上する。
【００３１】
灰投入口を助燃燃料投入口と同位置にすると、炉底近傍での供給になり、十分に溶融する前にスラグタップ２へ到達することになり、スラグ化率が低減する。このような理由から、竪型式旋回溶融炉における灰投入口は、助燃燃料投入口と燃焼用空気投入口の間が望ましい。
【００３２】
溶融炉１内の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へ溜まり、その後にスラグタップ２から落下し、コンベア１０により炉外へ排出される。
【００３３】
一方、旋回流に同伴した灰粒子のうち、遠心力の小さな小径粒子は壁面に押し付けられることなく、燃焼排ガスと共に炉上方より炉外へ排出され、除塵装置５で捕集・回収される。
【００３４】
回収された灰粒子は、造粒機８で水と例えば石灰（ＣａＯ  ）などの造粒助剤と混合して造粒され、造粒灰１４として灰搬送用ファン１７により再び溶融炉１に投入される。造粒灰１４は図１に示すように、石炭燃焼灰１３と同レベルで炉内へ投入される。投入された造粒灰１４は旋回流に同伴し、遠心力で壁面に押し付けられて溶融し、スラグ１５として排出される。その際造粒助剤は、融点降下剤として作用して灰がより溶融し易くなる。
【００３５】
図２は、本発明の第２実施形態に係る石炭燃焼灰溶融炉システムの系統図であり、本実施形態は石炭焚きボイラに併設した例である。
【００３６】
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はウィンドボックス、３３はＦＤＦ、３４はＧＲＦである。
【００３７】
同図に示すように石炭火力の電気集塵機２５で捕集されたＥＰ灰（石炭燃焼灰）は灰サイロ９に気流搬送されてから、溶融炉１へ投入される。溶融炉１から飛散した微粒子は熱交換器３を経て、除塵装置５で捕集され、造粒機８で造粒後、造粒灰１４として溶融炉１へ再投入される。
【００３８】
除塵装置５を通過した燃焼排ガスは、脱硝装置２２の前でボイラ排ガスと混合・減温され、脱硝装置２２、電気集塵機２５、脱硫装置２６などを経てクリーンなガスとして煙突７から大気へ放出される。
【００３９】
本発明では造粒助剤として石灰（ＣａＯ  ）を用いていたが、造粒助剤としてＮａ２ＣＯ３などの他の塩基性成分も用いられ、特にＮａ２ＣＯ３などのようにＮａを主成分とする造粒助剤は石炭燃焼灰の融点を降下する効果も高い。
【００４０】
旋回流式溶融炉における低スラグ化率の問題は、次のようにして解決できる。すなわち、旋回流式溶融炉において、灰の粒子が壁面に衝突するかしないかは、溶融炉１の炉径、旋回力、そして石炭燃焼灰の粒径で決定する。特に石炭燃焼灰の粒径が小さいと、旋回力を増しても、粒子の飛散は避けられない。
【００４１】
このような問題に対して前述のように小径粒子を造粒して溶融炉１に投入すれば、粒子は遠心力により壁面に衝突し、スラグ１５として回収・排出され、飛散粒子はなくなる。
【００４２】
なお、灰粒子を造粒するには造粒装置が必要となり、石炭燃焼灰を溶融炉１に投入前に造粒するとなると、大型な造粒装置が必要となる。その点本発明によれば、石炭燃焼灰の造粒は、溶融炉１から飛散した小径粒子のみを造粒して、溶融炉１に投入すればよく、従って大型な造粒装置は必要としない。
【００４３】
石炭燃焼灰の粒度分布の一例を図３に示す。同図において横軸はＤ／Ｄ０を示し、Ｄ  は当該石炭燃焼灰の粒子径、Ｄ０は平均粒子経である。縦軸は石炭燃焼灰の累積重量割合を示す。
【００４４】
旋回型溶融炉１に石炭燃焼灰を投入した場合、壁面に衝突することなく炉外へ飛散して除塵装置５で捕集された微粉の石炭燃焼灰の粒子径のＤ／Ｄ０が０．８  以下の場合、その量は図３から約４０重量％に相当することになり、従って全投入灰量を造粒する場合の約１／２．５  で済む。
【００４５】
造粒した灰は再び溶融炉１に投入することにより、壁面へ衝突してスラグとして排出される。この際、造流径はＤ／Ｄ０＞０．８となることが必要となる。
【００４６】
飛散灰の造粒には結合剤として水を用いるが、飛散灰の性状はほとんどがシリカ（ＳｉＯ２）で占められているので、水を用いただけでは結合力が弱く、溶融炉１に搬送する気流中で、粒子が分離する問題がある。
【００４７】
そこで造粒の際に、造粒助剤として塩基性成分のものを混合することにより結合力が増す。また、１４００℃以上の高融点灰に対しては融点降下剤の添加が必要であるが、石炭燃焼灰の主成分は酸性成分（ＳｉＯ２，Ａｌ２Ｏ３）である。
【００４８】
図４に石炭燃焼灰中の組成割合と融点の関係を示す。同図に示すように、石炭燃焼灰中の組成割合の（塩基性成分／酸性成分）が高くなるほど、融点が下がる傾向にある。
【００４９】
融点が１４００℃以上の高融点灰Ａ，Ｂの組成を図５に示す。同図に示すように、高融点灰のほとんどは塩基性成分の割合が１０重量％以下であり、塩基性の添加剤（Ｃａ、Ｎａ系）を塩基性成分割合が３０重量％になる程度に添加すれば、石炭燃焼灰の融点を降下させることができる。
【００５０】
以上のことより飛散灰を造粒する際に、例えばＣａＯ  などのカルシウム系やＮａ２ＣＯ３などのナリウム系の塩基性成分を添加することにより、造粒粒子の強度が増し、溶融炉内搬入まで粒子が破壊することなく搬送でき、また石炭燃焼灰の融点降下として作用することから、さらにスラグ化の向上が図れる。
【００５１】
前記実施形態では造粒助剤が融点降下剤を兼ねていたが、造粒助剤と融点降下剤を別々に添加することも可能である。
【００５２】
【発明の効果】
本発明によれば、旋回式溶融炉を用いることにより大量の石炭燃焼灰を安価で溶融処理することができる。また、旋回式溶融炉から溶融することなく飛散した小径粒子だけを造粒して溶融炉へ再投入することで、大型な造粒機を設置することなく、溶融炉でのスラグ化率の向上が図れる。
【００５３】
さらに造粒助剤としてカルシウム系やナリウム系などの塩基性成分を使用すると、造粒灰を溶融炉へ投入した際に融点降下剤としても作用し、スラグ化率がさらに向上する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態に係る灰溶融炉システムの系統図である。
【図２】本発明の第２実施形態に係る灰溶融炉システムの系統図である。
【図３】石炭燃焼灰の粒度分布図である。
【図４】石炭燃焼灰の組成割合と融点との関係を示す特性図である。
【図５】高融点灰の組成を示す図である。
【符号の説明】
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：造粒機、９：灰サイロ、１０：コンベア、１１：助燃燃料、１２：燃焼用空気、１３：石炭燃焼灰、１４：造粒灰、１５：スラグ、１６：ＦＤＦ、１７：灰搬送用ファン、１８：絞り部、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：ウィンドボックス、３３：ＦＤＦ、３４：ＧＲＦ。
【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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