(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
炉本体と、
焼却灰及び焼却飛灰を前記炉本体の内部に供給する灰供給装置と、
前記炉本体に取り付けられ、前記炉本体の内部に供給された焼却灰及び焼却飛灰を溶融させて溶融スラグを生成するアークプラズマを発生させる正極となる電極を有するプラズマトーチと、
前記炉本体の底部に配置された陰極となる炉底電極と、
前記プラズマトーチの電極と前記炉底電極との間に電力を供給して両電極間にアークプラズマを発生させる電源と、
を備え、
前記プラズマトーチは、前記両電極間に発生したアークプラズマを収束させるコリメータを有し、
前記コリメータは、
内部に冷却水の流路を有する銅又は銅合金製のコリメータ本体と、
前記コリメータ本体の前記炉本体の内部雰囲気に暴露される表面に形成され、前記焼却灰及び焼却飛灰の溶融によって発生する腐食性物質による前記コリメータ本体の損耗を防止する、ニッケルを０．０２〜０．５０ｍｍの厚さの第１層、該第１層の上にクロムを０．０２〜０．５０ｍｍの厚さの第２層としてめっき処理により構成した被膜と、
を有することを特徴とするプラズマ式溶融炉。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、プラズマ式溶融炉に係り、特に都市ごみ、下水汚泥、あるいはその他の廃棄物を廃棄物焼却施設で焼却することによって発生する焼却灰または焼却飛灰を溶融処理するプラズマ式溶融炉に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
都市ごみ、下水汚泥、あるいはその他の廃棄物を廃棄物焼却施設で焼却して焼却灰や焼却飛灰にすることがなされている。この焼却灰や焼却飛灰の減容化処理方法として、プラズマ式溶融炉などの溶融炉に灰を投入し溶融する方法がある（例えば特許文献１参照）。
【０００３】
このようなプラズマ式溶融炉は、炉内にアークプラズマを発生させるためのプラズマトーチを備えている。プラズマトーチの先端には、アークプラズマを収束させ、プラズマガス流をより安定化させるためのコリメータが取り付けられる（例えば特許文献２参照）。
【０００４】
焼却灰や焼却飛灰には、塩素（Ｃｌ）や硫黄（Ｓ）などの腐食性成分が含まれているため、焼却灰や焼却飛灰をプラズマ式溶融炉において１３００℃以上の高温で溶融させると、塩化水素（ＨＣｌ）や硫黄酸化物（ＳＯｘ）、塩化ナトリウム（ＮａＣｌ）などの溶融塩類等を含む腐食性物質が発生する。
【０００５】
従来のプラズマ式溶融炉のプラズマトーチにおいては、銅や銅合金（例えばＣｕとＺｒの合金、ＣｕとＣｒの合金）からなるコリメータが用いられていたため、プラズマ式溶融炉の運転時に発生した腐食性物質がコリメータに接触・付着し、コリメータが著しく損耗してしまうという問題があった。特に、焼却飛灰を溶融させる場合には、より多くの腐食性物質が発生するため、投入される焼却飛灰の割合が高いほどコリメータの損耗が激しくなり、焼却飛灰のみを溶融させる場合には、著しくコリメータの損耗が進行する。
【０００６】
【特許文献１】特公平５−１９２７７号公報
【特許文献２】特開平３−１１５９８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は、このような従来技術の問題点に鑑みてなされたもので、プラズマトーチにおけるコリメータの損耗を抑制し、耐久性を向上させることができるプラズマ式溶融炉を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的を達成するため、本発明の一態様によれば、プラズマトーチにおけるコリメータの損耗を抑制し、耐久性を向上させることができるプラズマ式溶融炉が提供される。このプラズマ式溶融炉は、炉本体と、焼却灰及び焼却飛灰を上記炉本体の内部に供給する灰供給装置と、上記炉本体に取り付けられ、上記炉本体の内部に供給された焼却灰及び焼却飛灰を溶融させて溶融スラグを生成するアークプラズマを発生させる正極となる電極を有するプラズマトーチと、上記炉本体の底部に配置された陰極となる炉底電極と、上記プラズマトーチの電極と上記炉底電極との間に電力を供給して両電極間にアークプラズマを発生させる電源とを備えている。上記プラズマトーチは、上記両電極間に発生したアークプラズマを収束させるコリメータを有している。上記コリメータは、内部に冷却水の流路を有する銅又は銅合金製のコリメータ本体と、上記コリメータ本体の上記炉本体の内部雰囲気に暴露される表面に形成され、上記焼却灰及び焼却飛灰の溶融によって発生する腐食性物質による上記コリメータ本体の損耗を防止する、ニッケルを０．０２〜０．５０ｍｍの厚さの第１層、該第１層の上にクロムを０．０２〜０．５０ｍｍの厚さの第２層としてめっき処理により構成した被膜被膜とを有する。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、プラズマトーチにおけるコリメータの損耗を抑制することができるので、プラズマ式溶融炉の耐久性を向上させることができる。また、コリメータの交換の頻度を低くすることができるので、コリメータの交換に伴うコストを低減することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、本発明に係るプラズマ式溶融炉の実施形態について図１から図４を参照して詳細に説明する。なお、図１から図４において、同一または相当する構成要素には、同一の符号を付して重複した説明を省略する。
【００１４】
図１は、本発明の一実施形態におけるプラズマ式溶融炉１０を示す模式図である。図１に示すように、プラズマ式溶融炉１０は、炉本体１２と、ごみ焼却炉等において発生する焼却灰や焼却飛灰を炉本体１２に投入するための灰ホッパ１４と、灰ホッパ１４に投入された焼却灰を炉本体１２の内部に供給する灰供給装置１６と、炉本体１２の上壁１８に取り付けられたプラズマトーチ２０と、プラズマトーチ２０と対向するように炉本体１２の底部２２に配置された炉底電極２４と、プラズマトーチ２０に電力を供給する電源２６とを備えている。炉本体１２の内面は耐火物により保護されている。
【００１５】
炉本体１２には、水噴射装置２８を有する水砕シュート３０が接続されており、水砕シュート３０の下端部にはスラグ貯留槽３２が設置されている。また、水砕シュート３０の上部には排ガス排出口３４が設けられている。
【００１６】
ごみ焼却炉等で発生した焼却灰や焼却飛灰は灰ホッパ１４に貯留される。この灰ホッパ１４内の灰は、灰ホッパ１４の下方に配置された灰供給装置１６により供給口１２ａから炉本体１２の内部に供給される。そして、電源２６によりプラズマトーチ２０と炉底電極２４との間に直流電圧を印加し、プラズマトーチ２０と炉底電極２４との間にアークプラズマを発生させる。これにより発生するプラズマ熱により炉本体１２に投入された灰が溶融され、溶融スラグ層４０と溶融金属層４２の２層に分かれる。
【００１７】
溶融スラグ層４０は、灰の供給と溶融金属の酸化により増加するので、溶融炉内の溶融スラグ層４０は、湯口３６をオーバーフローし、排出口１２ｂを通って水砕シュート３０に流出する。水砕シュート３０では、水噴射装置２８から噴射される水によって溶融スラグが急速に冷却されて水砕スラグとなり、スラグ貯留槽３２に排出される。炉本体１２で発生した排ガスは、誘引送風機（図示せず）により排ガス排出口３４から排気され、排ガス処理装置（図示せず）を経て大気に放出される。
【００１８】
図２は、プラズマトーチ２０を示す模式図である。図２に示すように、プラズマトーチ２０は、中空円筒状の後部電極５０と、プラズマ生成ガスを後部電極５０の内部空間に供給するガス導入ポート５２と、発生したアークプラズマＰを収束するためのコリメータ５４とを備えている。後部電極５０は電源２６の正極に接続されており、プラズマトーチ２０に対向する炉底電極２４は電源の負極に接続される。また、後部電極５０の外部には冷却水が流通している。
【００１９】
図３は、図２のプラズマトーチ２０のコリメータ５４を示す拡大断面図である。図３に示すように、コリメータ５４は、銅や銅合金から形成されるコリメータ本体５６と、コリメータ本体５６の表面に形成された被膜５８とを有している。コリメータ本体５６には、冷却水を流通させる流路６０が形成されている。
【００２０】
被膜５８は、炉本体１２の内部雰囲気に暴露されるコリメータ本体５６の表面および噴出するアークプラズマが接するコリメータ本体５６の表面に形成されている。図４に示すように、噴出するアークプラズマが接するコリメータ本体５６の表面に被膜５８を形成してもよい。また、図３で示される部分と図４で示される部分の双方に被膜５８を形成してもよい。
【００２１】
このような被膜５８は、金属からなるものであってもよく、あるいは金属以外の材料からなるものであってもよい。このような被膜５８を形成することにより、炉本体１２で発生した腐食性物質が、コリメータ本体５６の母材である銅や銅合金に直接触れることを防止し、コリメータ５４の損耗を抑制することができる。
【００２２】
金属の被膜５８を形成する方法としては、めっき処理、溶射処理、またはめっき処理と溶射処理との組み合わせを用いることができる。使用する材料としては、耐腐食性を有する金属または耐腐食性を有する酸化被膜を形成する金属が好ましく、ニッケル（Ｎｉ）やクロム（Ｃｒ）などの単体金属をはじめ、インコネル（商標）やハステロイといったニッケル合金などの金属合金も有効である。
【００２３】
例えば、ニッケルめっき処理とクロムめっき処理との組み合わせて、まず、ニッケルめっき処理により０．０２ｍｍ〜０．５０ｍｍの厚さの第１層（ニッケル層）を形成し、その上にクロムめっき処理により０．０２ｍｍ〜０．５０ｍｍの厚さの第２層（クロム層）を形成してもよい。
【００２４】
金属以外の被膜５８を形成する方法としては、溶射処理を用いることができる。使用する材料としては、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）、イットリア（Ｙ２Ｏ３）、ジルコニア（ＺｒＯ）あるいは、これらの一部を構成成分として含むセラミックなどがある。これらセラミックは、金属めっきや金属溶射により形成された金属と比較すると、緻密度が低いため、封孔処理を行うことが有効である。
【００２５】
このような被膜５８によりコリメータ５４の損耗が抑制されるのは、被膜５８の表面で酸化膜が形成されることによると考えられる。特に、クロム（Ｃｒ）については緻密度の高い酸化膜が形成されることから、高い損耗抑制効果を得ることができる。この酸化膜はミクロン単位の薄いものであり、使用により劣化するが、劣化した後に現れる金属面が再度酸化されて酸化膜を形成することで、その抑制効果を維持することができる。
【００２６】
ここで、０．０１ｍｍ以下の厚さの被膜５８では、酸化膜による十分な損耗抑制効果を得ることはできない。また、１ｍｍ以上の被膜５８は特にめっき処理による形成が容易ではない。同時に、表面温度が上昇するため、損耗代としての効果が期待できるが、さほどの効果は得られない。したがって、被膜５８の厚さは、０．０２ｍｍ〜０．５０ｍｍであることが好ましく、０．０３ｍｍ〜０．２０ｍｍであることがより好ましい。
【実施例１】
【００２７】
上述したプラズマ式溶融炉を以下の条件で運転し、都市ごみを焼却した際に発生する焼却灰および焼却飛灰を溶融処理した。
溶融処理速度：１７ｔ／日
灰の性状：焼却灰と焼却飛灰の混合灰（焼却灰：焼却飛灰＝８５：１５）
プラズマ発生用の電流：１２００Ａ
プラズマ発生用の電圧：６００Ｖ〜１０００Ｖ
プラズマ発生用の電力：７００ｋＷ〜１２００ｋＷ
プラズマ生成ガスの量：１１００ＳＬＰＭ〜１５００ＳＬＰＭ
冷却水の流量：３６ｍ３／ｈ
【００２８】
以下の４種類のコリメータを用意し、それぞれについて損耗の深さを測定して比較した。
１）被膜を形成していないコリメータ（以下、従来コリメータという）
２）０．１５ｍｍの厚さのニッケル（Ｎｉ）被膜をめっき処理により形成したコリメータ（以下、Ｎｉコリメータという）
３）０．１５ｍｍの厚さのニッケル（Ｎｉ）被膜をめっき処理により形成し、その上に０．２０ｍｍの厚さのセラミック（８ＹＺ）被膜を溶射処理により形成したコリメータ（以下、Ｎｉ−８ＹＺコリメータという）
４）０．１５ｍｍの厚さのニッケル（Ｎｉ）被膜をめっき処理により形成し、その上に０．０５ｍｍの厚さのクロム（Ｃｒ）被膜をめっき処理により形成したコリメータ（以下、Ｎｉ−Ｃｒコリメータという）
【００２９】
なお、損耗深さを測定した部位は、図３において、コリメータ本体５６内の流路６０の屈曲部６０ａから軸方向に延ばした線が被膜５８（またはコリメータ本体５６）の表面と交わる位置とした。この位置における損耗が最も激しいため、この位置における損耗がコリメータの寿命を決める。損耗の深さが１５ｍｍに達すると、流路６０から冷却水が漏洩するため、コリメータ５４を交換する必要が生じる。
【００３０】
上述した条件で７日間運転してコリメータの損耗を比較したところ、従来コリメータの損耗は１０ｍｍであったのに対し、Ｎｉコリメータ、Ｎｉ−８ＹＺコリメータ、Ｎｉ−Ｃｒコリメータのいずれも損耗が見られなかった。
【実施例２】
【００３１】
次に、実施例１と同一の条件で運転した場合の各コリメータの損耗開始時期と使用限界到達時期（耐用日数）を調べたところ、表１のような結果となった。なお、ここで使用限界到達時期は、損耗の深さが１２ｍｍ以上になる日数とした。
【００３２】
【表１】
0004756929.tif 000002
【００３３】
表１からわかるように、従来コリメータが運転開始後直ちに損耗が開始したのに対して、Ｎｉコリメータは８日後、Ｎｉ−８ＹＺコリメータは１５日後、Ｎｉ−Ｃｒコリメータは３０日後に損耗が始まった。また、使用限界到達時期、すなわち損耗深さが１２ｍｍに達した時期（コリメータの耐用日数）は、従来コリメータが８日後、Ｎｉコリメータは１６日後、Ｎｉ−８ＹＺコリメータは２５日後、Ｎｉ−Ｃｒコリメータは４０日後であった。このように、コリメータに被膜を形成することにより、従来コリメータに比べて、コリメータの耐用日数を２倍〜５倍に伸ばすことができることが明らかとなった。
【実施例３】
【００３４】
灰の性状以外は実施例１と同一の条件とし、焼却灰のみの供給、焼却灰と焼却飛灰の混合灰（焼却灰：焼却飛灰＝８５：１５）の供給、および焼却飛灰のみの供給のそれぞれについて、Ｎｉ−Ｃｒコリメータの損耗開始時期と使用限界到達時期（耐用日数）を調べたところ、表２のような結果となった。
【００３５】
【表２】
0004756929.tif 000003
【００３６】
ここで、灰に含まれる腐食性成分（ＣｌとＳ）の割合は、焼却灰のみでは３％、混合灰では１５％、焼却飛灰のみでは３０％である。表２の結果から、灰に含まれる腐食性成分が多いほど、損耗開始時期および耐用日数が短縮されることがわかる。
【００３７】
上述した実施形態においては、プラズマトーチ２０としてトランスファー型のプラズマトーチを用いた例について説明したが、プラズマトーチ２０としてノントランスファー型のプラズマトーチを用いることもできる。
【００３８】
これまで本発明の一実施形態について説明したが、本発明は上述の実施形態に限定されず、その技術的思想の範囲内において種々異なる形態にて実施されてよいことは言うまでもない。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】本発明の一実施形態におけるプラズマ式溶融炉を示す図である。
【図２】図１のプラズマ式溶融炉に設けられたプラズマトーチを示す模式図である。
【図３】図２のプラズマトーチにおけるコリメータを示す拡大断面図である。
【図４】図３に示すコリメータの変形例を示す拡大断面図である。
【符号の説明】
【００４０】
１０    プラズマ式溶融炉
１２    炉本体
１４    灰ホッパ
１６    灰供給装置
２０    プラズマトーチ
２４    炉底電極
２６    電源
２８    水噴射装置
３０    水砕シュート
３２    スラグ貯留槽
４０    溶融スラグ層
４２    溶融金属層
５０    後部電極
５２    ガス導入ポート
５４    コリメータ
５６    コリメータ本体
５８    被膜
６０    流路
【図１】
0004756929.tif 000004
【図２】
0004756929.tif 000005
【図３】
0004756929.tif 000006
【図４】
0004756929.tif 000007