(57)【要約】【課題】溶融域での石炭灰溶融処理が安定して行える石炭燃焼灰の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の側壁に、助燃燃料１１を投入する助燃燃料投入口と、石炭燃焼灰１３を投入する灰投入口と、燃焼用空気１２を投入する燃焼用空気投入口と、スラグ排出口２とを設け、前記助燃燃料１１の燃焼により溶融炉１内を高温に保持して、前記灰投入口から投入した石炭燃焼灰１３を溶融して、スラグ排出口２からスラグを排出する石炭燃焼灰の溶融炉システムにおいて、前記灰供給口の前流に石炭燃焼灰１３と融点降下剤を混合する混合手段３７を設け、その混合手段３７により融点降下剤１３を石炭燃焼灰と混合してから溶融炉１内へ投入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側壁に、助燃燃料を投入する助燃燃料投入口と、石炭燃焼灰を投入する灰投入口と、燃焼用空気を投入する燃焼用空気投入口と、スラグ排出口とを設け、前記助燃燃料の燃焼により溶融炉内を高温に保持して、前記灰投入口から投入した石炭燃焼灰を溶融して、スラグ排出口からスラグを排出する石炭燃焼灰の溶融炉システムにおいて、
前記灰供給口の前流に石炭燃焼灰と融点降下剤を混合する混合手段を設け、その混合手段により融点降下剤を石炭燃焼灰と混合してから溶融炉内へ投入することを特徴とする石炭燃焼灰の溶融炉システム。
【請求項２】
請求項１記載の石炭燃焼灰の溶融炉システムにおいて、前記石炭燃焼灰を収容する燃焼灰ホッパーと融点降下剤を収容する融点降下剤ホッパーを同一の供給管上に設け、その供給管の前記燃焼灰ホッパーならびに融点降下剤ホッパーとの接続部をイジェクタ構造にして、その供給管に送った搬送気体により石炭燃焼灰と融点降下剤をホッパーから抜き出すとともに石炭燃焼灰と融点降下剤を混合して前記灰供給口に搬送することを特徴とする石炭燃焼灰の溶融炉システム。
【請求項３】
請求項１または請求項２記載の石炭燃焼灰の溶融炉システムにおいて、前記溶融炉の下部にスラグ排出口が設けられ、そのスラグ排出口の上方に下方から上方に向けて前記助燃燃料投入口、灰投入口、燃焼用空気投入口の順に形成されていることを特徴とする石炭燃焼灰の溶融炉システム。
【請求項４】
請求項１記載の石炭燃焼灰の溶融炉システムにおいて、前記溶融炉の上部に絞り部が設けられていることを特徴とする石炭燃焼灰の溶融炉システム。
【請求項５】
請求項１記載の石炭燃焼灰の溶融炉システムにおいて、前記融点降下剤は塩基性成分であることを特徴とする石炭燃焼灰の溶融炉システム。
【請求項６】
請求項５記載の石炭燃焼灰の溶融炉システムにおいて、前記塩基性成分がＮａを主成分とするものであることを特徴とする石炭燃焼灰の溶融炉システム。
【請求項７】
請求項５記載の石炭燃焼灰の溶融炉システムにおいて、前記灰投入口前流に塩基度測定器を設けたことを特徴とする石炭燃焼灰の溶融炉システム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、石炭焚ボイラから排出される石炭燃焼灰（フライアッシュ）を竪型式旋回溶融炉で溶融する石炭燃焼灰の溶融炉システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、石炭焚ボイラ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】
このような燃焼灰の処理方法として、灰を溶融する技術がある。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。また、スラグのかさ比重は燃焼灰の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。
【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最も多く、例えば下記引用文献１や引用文献２などを挙げることができる。
【０００６】
【引用文献１】
特開平２−１５０６１１号公報
【０００７】
【引用文献２】
特開２００１−１２４３１３号公報
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
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。石炭灰の溶融温度は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。
【０００９】
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灰を溶融する処理能力はない。
【００１０】
これらの方式に較べ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は、最も利用されている。この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。
【００１１】
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、炉内の気流は旋回流となる。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。
【００１２】
どのような溶融方式においても、溶融炉内を石炭燃焼灰の融点以上に昇温することはランニングコストの増大を招く。そのため燃焼灰溶融には融点降下剤が必要であるが、融点降下剤の多くは粉体で供給されるものであり、燃焼灰が壁面に衝突した際に、融点降下剤が存在しないとその融点降下作用は得られない。従来は石炭燃焼灰と融点降下剤を別ノズルで供給しているため、溶融域（壁面）で燃焼灰と融点降下剤は混在せず、融点降下の効果が十分に現れないという問題がある。
【００１３】
また、大量の燃焼灰を溶融処理する装置において、融点降下剤を灰の３０〜４０重量％添加することは、灰溶融炉のランニングコストが増大する。また融点降下剤を添加した分、溶融炉での処理量が増加するため、処理効率が低下するという欠点がある。
【００１４】
本発明の目的は、このような従来技術の欠点を解消し、溶融域での石炭灰溶融処理が安定して行える石炭燃焼灰の溶融炉システムを提供することにある。
【００１５】
【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側壁に、助燃燃料を投入する助燃燃料投入口と、石炭燃焼灰を投入する灰投入口と、燃焼用空気を投入する燃焼用空気投入口と、スラグ排出口とを設け、前記助燃燃料の燃焼により溶融炉内を高温に保持して、前記灰投入口から投入した石炭燃焼灰を溶融して、スラグ排出口からスラグを排出する石炭燃焼灰の溶融炉システムにおいて、前記灰供給口の前流に石炭燃焼灰と融点降下剤を混合する混合手段を設け、その混合手段により融点降下剤を石炭燃焼灰と混合してから溶融炉内へ投入することを特徴とするものである。
【００１６】
本発明の第２の手段は前記第１の手段において、前記石炭燃焼灰を収容する燃焼灰ホッパーと融点降下剤を収容する融点降下剤ホッパーを同一の供給管上に設け、その供給管の前記燃焼灰ホッパーならびに融点降下剤ホッパーとの接続部をイジェクタ構造にして、その供給管に送った搬送気体により石炭燃焼灰と融点降下剤をホッパーから抜き出すとともに石炭燃焼灰と融点降下剤を混合して前記灰供給口に搬送することを特徴とするものである。
【００１７】
本発明の第３の手段は前記第１の手段または第２の手段において、前記溶融炉の下部にスラグ排出口が設けられ、そのスラグ排出口の上方に下方から上方に向けて前記助燃燃料投入口、灰投入口、燃焼用空気投入口の順に形成されていることを特徴とするものである。
【００１８】
本発明の第４の手段は前記第１の手段において、前記溶融炉の上部に絞り部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５の手段は前記第１の手段において、前記融点降下剤は塩基性成分であることを特徴とするものである。
【００２０】
本発明の第６の手段は前記第５の手段において、前記塩基性成分がＮａを主成分とするものであることを特徴とするものである。
【００２１】
本発明の第７の手段は前記第５の手段において、前記灰投入口前流に塩基度測定器を設けたことを特徴とするものである。
【００２２】
火力発電所より排出される大量の石炭燃焼灰を処理するシステムにおいて、旋回式溶融炉で処理することにより、ランニングコストが安くかつ大量の石炭燃焼灰を処理することができる。
【００２３】
石炭燃焼灰の溶融には融点降下剤が必須であるが、溶融炉の投入前に石炭燃焼灰と融点降下剤を混合することにより、溶融域での石炭灰溶融処理が安定して行える。融点降下剤の供給量を調整することにより、炉内での石炭燃焼灰の溶融状態は炭種によらず常に一定に制御でき、石炭灰溶融炉の安定運用ができる。
【００２４】
融点降下剤は塩基性成分のものが好適で、特に主成分がＮａであるものを用いることにより、添加量が少量ですみ、ランニングコストの低減が図れる。
【００２５】
【発明の実施の形態】
次に本発明の第１実施形態を図１を用いて説明する。図中の１は溶融炉、２はスラグタップ、３は熱交換器、５は除塵装置、７は煙突、８は灰ホッパー、９は融点降下剤ホッパー、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、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、２１は石炭焚ボイラ、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は石炭バーナ、３２はウインドボックス、３３はＦＤＦ、３４はＧＲＦである。
【００２６】
ほぼ円筒状をした溶融炉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順に設けられている。
【００２７】
最上方には燃焼排ガスの排出口が形成され、その燃焼灰ガス排出口に向けて溶融炉の上部が徐々に小径になった絞り部３５が設けられている。このように絞り部３５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３５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の高温状態を良好に保持することができる。溶融炉１から排出された溶融炉排ガスは、熱交換器３で減温された後、石炭焚ボイラ２１の下部から投入される。
【００２８】
本実施形態では溶融炉１からの排ガスをボイラ２１に供給したが、前記溶融炉排ガスを脱硝装置２２の前流あるいは電気集塵機２５の前流に供給して、ボイラ排ガスと混合することも可能である。
【００２９】
助燃燃料１１と燃焼用空気１２は、溶融炉１の円筒状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】
溶融炉内の高温域はスラグタップ近傍の炉下部になるため、燃焼灰の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。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、燃焼灰が十分に溶融され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。従って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。
【００３１】
燃焼用空気１２を溶融炉１の円筒状炉側壁の接線方向に高流速で投入することにより強旋回流が生じる。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。
【００３２】
融点降下剤を混合した石炭燃焼灰１３は、燃料投入口よりも上方で燃焼用空気投入口よりは下方の側壁から炉内へ投入する。石炭燃焼灰１３に対する融点降下剤の添加割合は、灰供給口前流に設置されている塩基度測定器１８の値が２０〜４０％になるようにする。
【００３３】
前記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、コンベア１０により炉外へ排出される。
【００３４】
図２に石炭燃焼灰と融点降下剤の混合部の詳細を示す。燃焼灰の投入口前流には、灰ホッパー８と融点降下剤ホッパー９が同一の供給管３６上に設けられ、図１に示すように供給管３６の一端に灰搬送用ファン１７が連結されている。従って燃焼灰１３と融点降下剤は、灰搬送用ファン１７からの搬送用空気により燃焼灰投入口に設けられている灰供給ノズル（図示せず）へ気流搬送される。
【００３５】
図２に示されているように灰ホッパー８と融点降下剤ホッパー９の下端開口部は、供給管３６に設けられた縮径部３７内に挿入されて、それぞれイジェクタ構造になっている。そのため石炭燃焼灰と融点降下剤の粉末を連続的に灰供給ノズルへ供給できるとともに、燃焼灰と融点降下剤の粉末混合を促進する機能がある。混合した石炭燃焼灰と融点降下剤は一緒になって灰供給ノズルより炉内に供給され、溶融域（壁面）に衝突してスラグ化する。助燃燃料に石炭を用いた場合、燃焼灰の供給量は石炭量の３〜５倍が適当である。
【００３６】
前述のように旋回溶融炉では、溶融域（壁面）で灰と融点降下剤が存在しなければ、融点降下の効果が現れない。融点降下剤は通常粉体で供給するが、溶融炉内は強旋回領域であるため、石炭燃焼灰と融点降下剤を別ノズルで供給すると、溶融域（壁面）で燃焼灰と融点降下剤は混在せず、融点降下の効果が現れないという問題かある。
【００３７】
その点本発明では石炭燃焼灰を供給する供給管３６に、融点降下剤ホッパー９を設け、融点降下剤を石炭燃焼灰と一緒に灰供給口から炉内へ強制搬送する。それにより溶融域（壁面）での燃焼灰と融点降下剤が混在し、融点降下剤の効果が現れて石炭燃焼灰を安定溶融することができる。
【００３８】
１４００℃以上の高融点灰に対しては融点降下剤の添加が必須であるが、石炭燃焼灰の主成分は酸性成分（ＳｉＯ２，Ａｌ２Ｏ３）で占められている。図３に石炭燃焼灰中の組成割合（塩基性成分／酸性成分）とその石炭燃焼灰の融点との関係を示す。同図で明らかなように、石炭燃焼灰中の塩基性成分の割合が約４０〜６０重量％の範囲になると、融点が下がる傾向にある。
【００３９】
融点が１４００℃以上の高融点灰の組成を図７に示す。同図に示すように塩基性成分が約１３重量％のＡ炭灰は融点が１４５０℃であるのに対し、塩基性成分が約５重量％のＢ炭灰は融点が１８００℃と高い。この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）を塩基性成分の割合が３０重量％になる程度に添加すれば、融点降下の効果が得られる。以上のことから、融点降下剤として塩基性成分のものが望ましい。
【００４０】
図１に示すように灰投入口の前流に塩基度測定器１８を設けて、炉内に供給される石炭灰と融点降下剤の混合物の塩基度を測定する。石炭燃焼灰は塩基度が２０〜４０％の範囲で融点が低くなることから、融点降下剤の添加割合はその塩基度測定器１８の測定結果に基づいて調整することにより、石炭燃焼灰の安定溶融が可能となる。
【００４１】
融点降下剤である塩基性成分を添加したときの融点降下作用について図４とともに説明する。図４において、横軸は石炭燃焼灰と融点降下剤を混合したときの塩基性成分の割合を示し、縦軸は融点の降下割合を示し、縦軸のＴ１は添加剤混合時の融点を示し、Ｔ０は添加剤を混合しない状態での石炭燃焼灰の融点を示す。石炭燃焼灰は、図７に示すＢ炭灰（融点１８００℃）を用いた。
【００４２】
融点降下剤としてＣａＯとＮａ２ＣＯ３を使用したが、図４に示すようにＣａＯとＮａ２ＣＯ３は添加量による融点降下の度合いが異なる。その理由は、鉱物の溶融は単純に酸性／塩基性成分割合で決まるものではなく、鉱物の化合物のできかたに依存するからである。図４から明らかなように、ＣａＯよりもＮａ２ＣＯ３の方が融点降下の度合いが大きく効果的である。
【００４３】
石炭燃焼灰中の主成分であるＳｉＯ２はそれ単体であれば、融点は１８００℃と高いが、塩基性成分であるＮａ２ＣＯ３と結合し、共晶体を形成することにより、その融点は低くなる。Ｎａ２ＣＯ３単体では融点６５０℃と低く、８２０℃で気化することから、溶融炉投入時に石炭灰と混合していなければ気化してしまう。
【００４４】
図５に石炭燃焼灰とＮａ２ＣＯ３をよく混合した状態で溶融した場合の、溶融前試料と溶融スラグの性状分析結果を示す。よく混合した状態で溶融することにより、Ｎａの気化を抑制し、溶融後のスラグ中にＮａを固定することができる。以上のことより、融点降下剤として主成分がＮａのものを用いることにより、少量の添加量で高融点灰を溶融することが可能である。
【００４５】
本発明の第２実施形態を図６に示す。この実施形態は石炭焚ボイラとは別置の灰溶融炉単独型システムである。
【００４６】
溶融炉１は、最下段にスラグタップ２が設けられ、スラグタップ２の上方側壁に助燃燃料投入口、灰投入口、燃焼用空気投入口の順で形成されており、最上方に設けられている燃焼灰ガス排出口は絞ってある。
【００４７】
石炭燃焼灰１３は融点降下剤（Ｎａ２ＣＯ３）とよく混合した状態で、灰投入口から溶融炉１内に投入される。石炭燃焼灰１３と融点降下剤の混合・供給は図２に示すものと同様の手段を採用した。
【００４８】
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。溶融スラグ１５はスラグタップ２よりコンベア１０を介して排出される。
【００４９】
【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な石炭燃焼灰を安価で溶融処理することが可能となり、石炭燃焼灰と融点降下剤を炉内へ供給する前に混合することにより石炭燃焼灰を安定して溶融することが可能である。
【００５０】
石炭燃焼灰及び融点降下剤と搬送空気の混合部をイジェクタ構造にすることにより、燃焼灰と融点降下剤を連続的に供給することができ、また燃焼灰と融点降下剤の混合を促進することができる。
【００５１】
また融点降下剤としてＮａが主成分であるもの用いることにより、添加量が少量で済み、ランニングコストの低減が図れる。さらにＮａは低温で気化しやすいが、溶融炉投入前に石炭燃焼灰と混合することにより、Ｎａの気化を抑制して、石炭燃焼灰の融点降下剤として有効に作用する。
【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】その灰溶融炉システムにおける石炭燃焼灰と融点降下剤との混合部の側面図である。
【図３】石炭燃焼灰の組成割合とその石炭燃焼灰の融点との関係を示す特性図である。
【図４】石炭燃焼灰に対する塩基性成分の混合割合と混合物の融点との関係を示す特性図である。
【図５】Ｎａ２ＣＯ３添加時の溶融前試料と溶融後スラグの性状分析結果を示す図である。
【図６】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７】各種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：灰ホッパー、９：融点降下剤ホッパー、１０：コンベア、１１：助燃燃料、１２：燃焼用空気、１３：石炭燃焼灰、１５：スラグ、１６：ＦＤＦ、１７：灰搬送用ファン、１８：塩基度測定器、２１：石炭焚ボイラ、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：石炭バーナ、３２：ウインドボックス、３３：ＦＤＦ、３４：ＧＲＦ、３５：絞り部、３６：供給管、３７：縮径部。
【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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