(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
固定式の表面溶融炉において、炉天井に複数個の広角火炎形状で燃焼するバーナを、燃焼室に向け軸心線を一定方向に傾斜設置するとともに、炉天井中心部に、炉内床中央部に設けられたスラグポートに向けて噴射燃焼する狭角火炎バーナを設置することを特徴とする表面溶融炉。
【請求項２】
前記広角火炎形状で燃焼するバーナは、燃焼広がり角が１１０〜１４０°である請求項１に記載の表面溶融炉。
【請求項３】
前記広角火炎形状で燃焼するバーナは、取付け軸心線が天井面に対して７０〜８０°の傾斜角度で設置されている請求項１または２に記載の表面溶融炉。
【請求項４】
前記狭角火炎バーナは、燃料油と圧縮空気との二流体混合部分をラバルノズル形状にされ、そのラバルノズル形状のディフューザ出口前方位置に軸線に沿って空気吸込み孔を複数備え、前記二流体の混合気の周囲に前記空気吸込み孔から空気を吸引して、噴射する混合気で直進性の高い火炎を得られる構成である請求項１に記載の表面溶融炉。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、廃棄物焼却炉などから排出される焼却灰などを効率よく、安定状態で溶融処理することができる表面溶融炉に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、都市ごみなどの焼却炉から排出される焼却灰や飛灰は、その処分に際して減容化および無害化を図るため、溶融固化する処理がなされている。この焼却灰や飛灰を溶融固化するには、一般的に表面溶融炉が用いられている。
【０００３】
前記表面溶融炉では、通常、円形もしくは八角形の炉形状をした固定式表面溶融炉の場合、溶融炉の天井に二個以上のバーナが設置され、被溶融物（焼却灰や飛灰）が供給槽から炉内に供給されて、前記バーナによる燃焼熱や被溶融物中の可燃物の熱量を利用して加熱溶融され、炉体底部中央に設けられたスラグポートから下方の冷却水槽へ溶融滴下して水砕スラグとして取出されるようにされている。このような表面溶融炉としては、例えば特許文献１に記載されているような円形固定式溶融炉が知られている。
【０００４】
このような表面溶融炉においては、炉内温度の均一化を図りスラグ品質の均質化、スラグポート付近での堆積物の発生を防止して処理効率の向上を図るために、炉体の天井部にバーナの燃焼火炎に向けて酸素噴出しノズルを取付け，そのノズルから酸素をバーナ火炎に直接に高速で吹き込むことにより、炉内に燃焼ガスの旋回流を発生させて、この燃焼ガス旋回流で炉内温度の均一化および高温化を図り、処理効率を高めるようにする。また、バーナの火炎およびスラグポートに向けて酸素を吹き込むノズルを設け、高温燃焼ガスでスラグポート付近で堆積物の発生を防止するようにされた表面溶融炉が、本出願人の先願発明によって提案されている（特許文献２）。
【０００５】
また、表面溶融炉において、被溶融物が溶融されるに従って、その被溶融物の融点が高い場合や溶融物の粘性が高くて溶流性（流動性）が悪い場合、スラグポートで溶融物が冷却され固化することにより、スラグポートの閉塞を招くので、これを解消する手段として炉天井部にスラグポートの周辺の溶融物を加熱するスラグポート加熱バーナを設け、スラグポート閉塞検知手段により前記スラグポート加熱バーナを作動させるように構成されるものが特許文献３によって知られている。
【０００６】
【特許文献１】特許第３３６１１９８号公報
【特許文献２】特開２０００−３４６３３５号公報
【特許文献３】特開２０００−２９２０６５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、前記先行技術においては、炉の天井部にバーナを垂直に設置した場合、バーナ直下の被溶融物が最も高温になり、被溶融物中に混在する融点の高い金属を溶融する。高融点の金属は、スラグとともにスラグポートに向かって流れるが、スラグポートの周辺は耐火物の冷却が強く、高融点の金属がそのまま流下せず「つらら」状に固化し、スラグポートを閉塞してしまうという問題がある。また、バーナの火炎放射で加熱される近傍以外の低温域を溶融可能温度まで上昇させるためには、さらにバーナ付近の温度を上げる必要が生じ、燃費が嵩むとともに、炉壁の耐久性を損ねることになる。しかもバーナ付近の温度が高くなるために、燃焼排ガス中のＮＯｘ値が高くなるという問題が生じる。
【０００８】
また、特許文献２によって知られるように、表面溶融炉の炉内でバーナの火炎に向けて酸素噴出しノズルから酸素をバーナ火炎に直接に高速で吹き込むことにより、炉内に燃焼ガスの旋回流を発生させる方式では、常時酸素を噴かせることからバーナに供給する燃料以外に酸素の供給が必要になり、ランニングコストが大幅にアップするという問題がある。
【０００９】
また、特許文献３によって知られるスラグポート加熱バーナを設けるに際してその燃焼火炎がスラグポート開口部に届くようにするには、バーナを炉内に大きく突き出すように構成する必要がある。そのために、このバーナを使用しないときに後退させて待機状態にする伸縮構造を必要としている。しかしながら、このスラグポート加熱バーナでは、スラグポート近傍を加熱する時には高温状態にある燃焼室中へ突き出して使用されることになるから、長期使用によって耐久性に問題がある。
【００１０】
本発明は、前述のような問題点を解決するために、別途助剤を使用することなく燃焼室内で燃焼ガスの旋回流を発生させて炉内温度の均一化および高温化を図り、処理効率を高め、併せてスラグポートの閉塞を防止できる表面溶融炉を提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
前記目的を達成するために、本発明による表面溶融炉は、
固定式の表面溶融炉において、炉天井に複数個の広角火炎形状で燃焼するバーナを燃焼室に向け軸心線を一定方向に傾斜設置するとともに、炉天井中心部に、炉内床中央部に設けられたスラグポートに向けて噴射燃焼する狭角火炎バーナを設置することを特徴とするものである。
【００１２】
前記発明において、前記広角火炎形状で燃焼するバーナは、燃焼広がり角が１１０〜１４０°であるのがよい（第２発明）。また、前記広角火炎形状で燃焼するバーナは、取付け軸心線が天井面に対して７０〜８０°の傾斜角度で設置されているのがよい（第３発明）。
【００１３】
前記発明において、前記狭角火炎バーナは、燃料油と圧縮空気との二流体混合部分をラバルノズル形状にされ、そのラバルノズル形状のディフューザ出口前方位置に軸線に沿って空気吸込み孔を複数備え、前記二流体の混合気の周囲に前記空気吸込み孔から空気を吸引して、噴射する混合気で直進性の高い火炎を得られる構成であるのがよい（第４発明）。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、広角火炎形状で燃焼するバーナを複数個設置することにより、助剤（酸素）の噴き込みによることなく炉内で燃焼ガスに旋回流を起こさせ、炉内雰囲気温度を均一化して局部的な高温化による金属類の溶融を抑制することができる。また、金属類が溶け出してスラグポート付近で固化することがあっても、狭角火炎バーナにより固化した金属類などを溶解除去してスラグポートの閉塞を防ぐことができる。そして、スラグポートの閉塞対策として常時溶融温度を確保する必要がなく、溶融温度を必要最小限にすることができ、燃料原単位を削減できる。また、炉内雰囲気を従来よりも低温で均一化できるためサーマルＮＯｘの生成を抑制できる。さらに、炉内での被溶融物に対する熱負荷を均一にできることから、安定した溶融面が形成でき、スラグ品質を向上させることができるなど、多くの効果を奏するのである。
【００１５】
また、第２発明および第３発明によれば、被溶融物の加熱に広角火炎形状で燃焼するバーナを用いることにより、一個のバーナによる分担範囲を広げることができ、僅かな傾斜でもって燃焼ガスの流れに方向性を与えることが可能になり、炉内温度の均一化を容易にするという利点がある。
【００１６】
また、第４発明によれば、この二流体の混合部分をラバルノズル形状にして、混合気を高速噴射させて燃焼するバーナを使用することにより、噴射される混合気で非常に高い直進性を有して、狭角で燃焼する火炎が得られるので、局部的な加熱ができ、短時間の使用で滞留する溶融固化物の溶解除去を効果的に処理できるという効果が得られる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
次に、本発明による表面溶融炉の具体的な実施の形態について、図面を参照しつつ説明する。
【００１８】
図１には本実施形態に係る表面溶融炉の要部を模式的に表わす縦断面図が、図２には炉内におけるバーナの配置関係を併記した平断面概要図が、図３には広角火炎形状で燃焼するバーナの一実施形態の要部断面図が、図４には狭角火炎バーナの一部断面全体外形図（ａ）と要部拡大縦断面図（ｂ）が、それぞれ示されている。
【００１９】
本実施形態の表面溶融炉１は、炉体２の横断面形状が八角形にされ、炉体床３の中央部位置にスラグポート４が設けられ、炉本体２の下方に配置されている図示されない冷却水槽にスラグが滴下するようになっている。炉体２の全周には被溶融物の貯留室５が設けられ、その被溶融物の貯留室５下部にて炉壁の各面にそれぞれ被溶融物供給装置７が配置されている。炉天井壁６には、四個のバーナ１０が燃焼室９に向けて配設され、ほぼ中央部にて下向きに狭角火炎バーナ２０が配置された構成とされている。
【００２０】
炉本体２の周囲に設けられる被溶融物の貯留室５は、周知の構造にされ、投入された焼却灰や飛灰などの被溶融物Ｆを、周知構造にてなる被溶融物供給装置７の供給プッシャー８により燃焼室９の中央側へ押し込んで、燃焼室９内で被溶融物Ｆの表面部をバーナ１０により加熱溶融するようにされている。
【００２１】
天井壁６に配置されるバーナ１０は、広角火炎形状で燃焼する形式のバーナ（以下、「広角火炎バーナ１０」もしくは単に「バーナ１０」という）が用いられ、４箇所に等分して炉体床３に押し出される被溶融物の表面部を加熱するように取り付けられる。この広角火炎バーナ１０は、その軸心線を天井壁６の壁面に対して約７０〜８０°の範囲内で一定方向（好ましくは天井壁６の中心から所要の半径で描く円上での一定周方向）に傾けて取り付けられる。この広角火炎バーナ１０としては、例えば図３に示されるように、外管１１によって供給される圧縮空気と内管１２から供給される燃料油とが環状スリット１４を通って微粒化され、キャップ１５内の混合室１６で混合されて、その混合気が混合室１６から噴出する噴出口１７の前部に取付けられた裁円錐状のターゲット１８によって形成される環状のスリット１９を経て、広角円錐状に噴出されてそのまま広角で燃焼される構成のバーナ（実用新案登録第２５５９３３３号公報参照）が使用される。なお、前記混合気の噴出による燃焼広がり角θは、１１０〜１４０°の範囲であるのが好ましい。図中符号３５はバーナの取付座板である。
【００２２】
また、前記狭角火炎バーナ２０は、例えば図４（ａ）（ｂ）によって示されるように、燃料供給管２１（内管）と圧縮空気の供給管２２（外管）との二重管構造で、その内管２１の先端部に流量調節用のニードル弁２３が設けられ、内管１１の後端部から挿入される弁棒２４を後端部２４ａで回転操作することにより先端の弁子２４′を進退させて、内管２１の先端２１ａに設けられた噴出口２３′からの燃料油の供給量を調節するようにされている。このようにされた二重管の先端部にノズルヘッド２５が取付けられ、そのノズルヘッド２５の基部に燃料油と圧縮空気との混合部が形成されている。
【００２３】
前記ノズルヘッド２５は、後半部が前記外管２２の先端に同軸芯で装着され、その内部で前記内管２１が外管２２端よりも長く突き出す部分を受入れて外管２２の内周と内管２１の外周との間に環状の圧縮空気の流動空間形成部２７が形成されている。ノズルヘッド２５の中間部は、中心軸上で前記流動空間形成部２７から軸心に向かって絞縮するラッパ形状の吸込み部分２８ａから狭窄部分２８ｂ（スロート部２８ｂ）を経てディフューザ２８ｃに通じるラバルノズル形成部２８が設けられている。さらに、このような中間部から前部には前記ディフューザ２８ｃに連接して拡開口径の空気吸引部２９が形成されている。この空気吸引部２９は、前記ラバルノズル形成部２８のディフューザ２８ｃ先端口径よりも大きい口径で所要長さの筒状にされ、その筒状部分には周面に等分して軸線に沿う長孔状の空気吸込み孔３０が複数設けられている。
【００２４】
このように構成された本実施形態の表面溶融炉１は、ごみ焼却炉などから排出される焼却灰や飛灰などの被溶融物Ｆを炉体２の周囲に設けられた被溶融物の貯留室５に受け入れ、この貯留室５の下部に配置されている被溶融物供給装置７の供給プッシャー８により順次燃焼室９の中央側へ押し込んで、燃焼室９内で被溶融物Ｆの表面部をバーナ１０により加熱溶融する。
【００２５】
この炉内の燃焼室９には、天井壁６に四個の広角火炎バーナ１０が下向きでそれぞれ一定方向にその取付軸心を傾斜させて配設されている。このようにしたことにより、バーナ１０の燃焼火炎は、広い範囲に拡散するとともに、傾斜方向に燃焼ガスを放射することになる。この状態で複数（四個）のバーナ１０が一斉に燃焼するので、周囲を炉壁で囲われた燃焼室９では、燃焼ガスがバーナ１０の軸心の傾斜方向に優先して流動する。その結果、燃焼ガスは燃焼室９内で旋回流となって流動し、燃焼室９に押し出されて傾斜面を形成する被溶融物Ｆの表層部を溶融する。
【００２６】
したがって、燃焼室９は、バーナ１０の燃焼によって発生する燃焼ガスが旋回流となって流動することと、火炎が広角範囲に放射されることにより、炉内雰囲気温度を均一化することができる。つまり、従来のようなバーナの直下が他の部分に比較して高温になるなどの炉内温度の不均衡をなくすることができる。また、燃焼室９での雰囲気温度の不均衡を解消しようとして温度を高めることもなく、高融点温度の金属の溶融に伴う障害を回避できる。また、炉内温度雰囲気を従来よりも低温で均一化できることから、サーマルＮＯｘの生成を抑制できるという利点がある。さらに、炉内での被溶融物に対する熱負荷を均一にできることから、安定した溶融面が形成できて、溶融物に未溶融物の巻き込みなどの発生をなくし、スラグ品質を向上させることができる。また、燃費を節減できて運転コストを低減できるという効果が得られる。
【００２７】
なお、広角火炎バーナ１０を使用するについて、その燃焼広がり角θを１１０〜１４０°としたことは、燃焼広がり角θが１１０°以下であると燃焼火炎の拡がり範囲が小さくなってその分加熱効果が低下する。また、燃焼広がり角θを１４０°以上にすることは、バーナの構造的に困難であることと、火炎の拡散が燃焼広がり角θの拡大によって不十分になり、加熱効果が低減する。このようなことから、燃焼広がり角θを１１０〜１４０°の範囲で選択するのが好ましい。また、広角火炎バーナ１０の取付軸線を取付け天井壁面に対して７０°〜８０°としたことは、取付軸心線を７０°以下に傾けると、燃焼広がり角を広角にしたバーナを使用するために、燃焼火炎が天井壁６の表面に接するおそれがあり好ましくない。また取付軸線を８０°以上にすると、バーナを傾斜させて取り付ける効果が低下することから、取付軸心線の傾き角度を７０°〜８０°の範囲内で選択するのが好ましい。
【００２８】
一方、運転の経過とともに、燃焼室９内に押し出された被溶融物Ｆは、供給プッシャー８による押し出しで炉体床３上を押し出し側からスラグポート４に向かって擂鉢状に傾斜した上面で溶融されて流下して、スラグポート４から冷却水槽へ滴下するが、そのスラグポート４の周囲では、耐久性を維持するため冷却が強められているので、溶融物が付着固化されやすい。そのために、定期的もしくは状況監視の結果、付着量が多くなると、スラグポート４の閉塞を防止するために、付着固化したスラグの除去を必要とする。
【００２９】
スラグポート４の閉塞を防止するには狭角火炎バーナ２０を使用する。この狭角火炎バーナ２０は、天井壁６の中央部に燃焼室９の真下（スラグポート４）に向けて取り付けられている。この狭角火炎バーナ２０は、スラグポート４の閉塞状況に応じて作動させ、スラグポート４の付近に付着している溶融固着物を溶解除去する。
【００３０】
この狭角火炎バーナ２０は、前述のように、先端にラバルノズル形状部２８と噴出する混合気の噴射によってその周囲に空気を誘引して直進性を所有させる機能を備えたノズルヘッド２５が取付けられた構造である。したがって、燃料油供給口から送入された燃料油は、内管２１を通じてその先端の噴出口２３′からラバルノズル形状の吸込み部２８ａに噴出する。一方、圧縮空気（または蒸気）は供給口から外管２２内部から流動空間形成部２７に送り込まれ、ノズルヘッド２５内の設定間隙（ラッパ状の絞縮壁面と内管先端部２１ａとによる隙間）を通じて吸込み部２８ａに噴出される。
【００３１】
ノズルヘッド２５内の吸込み部２８ａに噴出された燃料油と圧縮空気（または蒸気）は、ラバルノズル入口（吸込み部）で激しく混合されて微粒化し、最も狭い流路となるスロート部２８ｂにて圧縮されて音速以上の速度に加速され、ディフューザ２８ｃを通過して出口部２８ｄで超高速になって噴射される。この出口部２８ｄを通過する混合気の吐出力（噴射力）により、ノズル先端部に設けられた空気吸引部２９で縦長状に形成される複数の空気吸込み孔３０より周囲の空気を吸込み、噴出する混合気の周囲を吸引した空気流が取巻いた状態で噴射される。その結果、ノズル先端から噴射される混合気はノズルの先端出口３１での拡散を抑えられて直進性の高い噴射が行なわれる。その混合気の噴射部に対して別途配置の着火手段で、混合気に点火すれば、高速で直進性を有する燃焼が行われ、スラグポート４付近まで火炎を届かせて付着する固化物を溶解して滴下除去させることができる。このようにして狭角で燃焼する狭角火炎バーナ２０の火炎は、その火炎全長の約半分までが高速燃焼による青火となり、残りの半分が輻射熱の強い赤火となる。したがって、局部的に集中してスラグポート４の周りの付着固化物を溶融させて除去できるので、ごく短時間の燃焼で処理することができ、過度に燃焼室９内の雰囲気温度を高めることはない。
【００３２】
こうして、溶融炉内での被溶融物Ｆの溶融に伴うスラグポート４の閉塞を防止できるので運転が停止状態に到ることはなく、安定した操業を継続させることができる。したがって、作業効率の向上を図ることができるのである。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】本実施形態に係る表面溶融炉の要部を模式的に表わす縦断面図
【図２】炉内におけるバーナの配置関係を併記した平断面概要図
【図３】広角火炎形状で燃焼するバーナの一実施形態の要部断面図
【図４】狭角火炎バーナの一実施形態の一部断面全体外形図（ａ）と要部拡大縦断面図（ｂ）
【符号の説明】
【００３４】
１    表面溶融炉
２    炉体
４    スラグポート
５    被溶融物の貯留室
６    炉天井壁
７    被溶融物供給装置
９    燃焼室
１０  広角火炎バーナ（バーナ）
２０  狭角火炎バーナ
２５  ノズルヘッド
２８  ラバルノズル形成部
２９  空気吸引部
Ｆ    被溶融物
【図１】
0004731260.tif 000002
【図２】
0004731260.tif 000003
【図３】
0004731260.tif 000004
【図４】
0004731260.tif 000005