(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
焼却残渣を溶融処理する溶融炉において、炉内に生成する溶融物と接面する炉側壁部にＳｉＣ含有量９２重量％以上の高ＳｉＣ系還元焼成耐火レンガを用い、また該高ＳｉＣ系還元焼成耐火レンガ相互の目地接着にＡｌ２Ｏ３含有量９０重量％以上且つＣｒ２Ｏ３含有量３重量％以上のモルタルを用いたことを特徴とする焼却残渣用溶融炉。
【請求項２】
炉内に生成する溶融物の液面が上下方向に積んだ高ＳｉＣ系還元焼成耐火レンガ相互間の目地部に位置しないように相応の個体高さを有する高ＳｉＣ系還元焼成耐火レンガを積んだ請求項１記載の焼却残渣用溶融炉。
【請求項３】
更に高ＳｉＣ系還元焼成耐火レンガの炉内雰囲気と接面する表面を、酸化物を主材とする耐火物で覆った請求項１又は２記載の焼却残渣用溶融炉。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は焼却残渣用溶融炉に関する。都市ごみ、下水処理汚泥、産業廃棄物等、各種の廃棄物を焼却炉で焼却処理すると、焼却炉に残り、通常はその底部から排出される焼却灰と、焼却時の排ガスと共に飛散し、焼却炉に接続された排ガス処理系で捕捉される飛灰とが発生する。かかる焼却灰と飛灰とに大別される焼却残渣は、埋立処分地延命や環境汚染防止の目的で、これを減容化及び安定化するため、溶融炉で溶融処理される。本発明はこのような焼却残渣用溶融炉の改良に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、焼却残渣用溶融炉として、アーク炉、プラズマ炉、プラズマアーク炉、抵抗炉、バーナ炉等が使用されている。そしてこれらの溶融炉においては、炉内に生成する溶融物に接面する炉側壁部に、Ａｌ2Ｏ3を主材とするＡｌ2Ｏ3−ＳｉＣ系耐火レンガを用いたものが提案されている（特開平５−１１８５２２、特開平９−３１８２７５）。ところが、かかる従来の焼却残渣用溶融炉には、焼却残渣として焼却灰を溶融処理する場合は相応の耐用寿命があるものの、焼却残渣として焼却灰と飛灰との混合物或は飛灰を溶融処理する場合に耐用寿命が著しく短いという問題がある。焼却灰と飛灰との混合物或は飛灰を溶融処理すると、炉内には、溶融物として、下層に溶融メタル層、上層に溶融スラグ層、最上層に薄い溶融塩層が生成し、溶融スラグ層及び溶融塩層には飛灰中のＫ2Ｏ、Ｎａ2Ｏ、ＣａＯ等のアルカリ成分が相当高濃度で含まれてくるが、これらのアルカリ成分が、溶融スラグ層や溶融塩層と接面する炉側壁部に用いたＡｌ2Ｏ3を主材とするＡｌ2Ｏ3−ＳｉＣ系耐火レンガと反応して、該耐火レンガを溶損させ、耐用寿命を著しく短くするのである。
【０００３】
一般に、焼却炉を含む焼却設備には年１回の定期補修期間が設定されているので、かかる焼却設備から発生する焼却残渣を溶融処理する溶融炉も、これに合わせて年１回の定期補修期間が設定し得るような耐用寿命を持てば、好都合である。しかし、前述した従来の焼却残渣用溶融炉は、それ程の耐用寿命を持たず、誠に都合が悪いのである。
【０００４】
前述したような飛灰中のアルカリ成分に強い耐火レンガとして、ＭｇＯ−Ｃｒ2Ｏ3系やＡｌ2Ｏ3−Ｃｒ2Ｏ3系耐火レンガが知られている。したがって、これらの耐火レンガを炉側壁部に用い、焼却残渣用溶融炉の耐用寿命を長くすることが考えられる。しかし、これらの耐火レンガには、熱膨張率が大きいため、温度変化によって割れ易く、また積み上げた耐火レンガが炉側壁部から炉内側へ迫出すという問題がある。これらの耐火レンガには、これらを炉側壁部に用いると、築炉構造が不安定になるという重大な欠陥があるのである。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明が解決しようとする課題は、従来の焼却残渣用溶融炉では、耐用寿命が短く或はまた築炉構造が不安定という点にある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決する本発明は、焼却残渣を溶融処理する溶融炉において、炉内に生成する溶融物と接面する炉側壁部にＳｉＣ含有量９２重量％以上の高ＳｉＣ系還元焼成耐火レンガを用い、また該高ＳｉＣ系還元焼成耐火レンガ相互の目地接着にＡｌ２Ｏ３含有量９０重量％以上且つＣｒ２Ｏ３含有量３重量％以上のモルタルを用いたことを特徴とする焼却残渣用溶融炉に係る。
【０００７】
本発明において対象となる焼却残渣用溶融炉は、都市ごみ、下水処理汚泥、産業廃棄物等、各種の廃棄物を焼却処理した焼却残渣を溶融処理するアーク炉、プラズマ炉、プラズマアーク炉、抵抗炉、バーナ炉等である。上記のような焼却残渣を溶融処理すると、炉内には、溶融物として、下層に溶融メタル層、上層に溶融スラグ層、最上層に薄い溶融塩層が生成し、焼却残渣中のアルカリ成分は、その一部は溶融メタル層にも含まれてくるが、溶融スラグ層及び溶融塩層に高濃度で含まれてきて、特に焼却残渣として焼却灰と飛灰との混合物或は飛灰を溶融処理する場合には、焼却灰に比べて飛灰中にアルカリ成分が高濃度で含まれているため、溶融スラグ層及び溶融塩層に相当高濃度で含まれてくる。かかる溶融スラグ層及び溶融塩層の生成及びそれらの液面は実際の溶融処理条件によって変動するので、このような変動を見込んで焼却残渣用溶融炉の耐用寿命を長くするためには、炉内に生成する溶融物と接面する炉側壁部に、アルカリ成分と反応を起こし難い耐火レンガを用いる必要があり、また同時に焼却残渣用溶融炉の築炉構造を安定化させるためには、炉内に生成する溶融物と接面する炉側壁部に、熱膨張率の小さい耐火レンガを用いる必要があるのである。
【０００８】
そのため本発明では、炉内に生成する溶融物と接面する炉側壁部に、ＳｉＣ含有量９２重量％以上の高ＳｉＣ系還元焼成耐火レンガを用いる。ＳｉＣ含有量９２重量％以上の高ＳｉＣ系還元焼成耐火レンガは、Ａｌ2Ｏ3含有量５０％以上のＡｌ2Ｏ3を主材とするＡｌ2Ｏ3−ＳｉＣ系耐火レンガよりも、アルカリ成分と反応を起こし難く、またＭｇＯ−Ｃｒ2Ｏ3系やＡｌ2Ｏ3−Ｃｒ2Ｏ3系耐火レンガよりも、熱膨張率が小さい。炉内に生成する溶融物と接面する炉側壁部に、ＳｉＣ含有量９２重量％以上の高ＳｉＣ系還元焼成耐火レンガを用いると、焼却残渣用溶融炉の耐用寿命が長くなり、築炉構造が安定化するのである。
【０００９】
本発明では、炉内に生成する溶融物と接面する炉側壁部に、ＳｉＣ含有量９２重量％以上の高ＳｉＣ系還元焼成耐火レンガを用いるが、好ましくはＳｉＣ含有量９５重量％以上のもの、より好ましくは加えて見掛気孔率１４．５％以下のもの、特に好ましくは見掛気孔率１２％以下のものを用いる。このようにＳｉＣ含有量がより多く、また見掛気孔率がより低い緻密な高ＳｉＣ系還元焼成耐火レンガを用いると、アルカリ成分との反応をより起こし難くできるだけでなく、溶融物がレンガ内部に浸透して構造変化させるのをも未然に防止できるため、焼却残渣用溶融炉の耐用寿命がより長くなり、築炉構造がより安定化する。
【００１０】
以上説明したＳｉＣ含有量９２重量％以上の高ＳｉＣ系還元焼成耐火レンガ相互の目地接着にはモルタルを用いる。ここで用いるモルタルはＡｌ２Ｏ３含有量９０重量％以上且つＣｒ２Ｏ３含有量３重量％以上のモルタルであるが、Ａｌ２Ｏ３含有量９２重量％以上且つＣｒ２Ｏ３含有量５重量％以上のモルタルを用いるのが好ましい。高ＳｉＣ系還元焼成耐火レンガと同様に、高ＳｉＣ含有量のモルタルを用いると、モルタル材料用のＳｉＣは微粒子で比表面積が大きく、またモルタルそれ自体の見掛気孔率も大きいため、目地部が炉内雰囲気に晒されたときに酸化し、生成した酸化物が該目地部が溶融物に接面したときに該溶融物中のアルカリ成分と反応するため、その溶損が大きくなるが、酸化物であるＡｌ２Ｏ３に溶融物中のアルカリ成分に対して強いＣｒ２Ｏ３を組み合わせたモルタルを用いると、かかる溶損を抑えることができる。
【００１１】
目地接着に用いたモルタルの溶損をより効果的に抑えるためには、実際の溶融処理条件によって変動する溶融物の液面が上下方向に積んだ高ＳｉＣ系還元焼成耐火レンガ相互間の目地部にこないようにするのが望ましい。そのためには、大きめの個体高さを有する高ＳｉＣ系還元焼成耐火レンガ、例えば１５０〜２３０mmの個体高さを有する高ＳｉＣ系還元焼成耐火レンガを上下方向に積み、炉内に生成する溶融物の液面の変動を該高ＳｉＣ系還元焼成耐火レンガの個体高さの範囲内でカバーするようにするのが有利である。
【００１２】
炉側壁部に積んだ高ＳｉＣ系還元焼成耐火レンガは炉内に生成する溶融物と接面するが、その一部は炉内雰囲気とも接面する。炉内雰囲気と接面する高ＳｉＣ系還元焼成耐火レンガ部分は通常１０００〜１３００℃の高温になり、その表面は酸化される。一方、焼却残渣中のアルカリ成分は炉内に生成する溶融物中に存在するだけでなく、その一部は炉内雰囲気中にもガス化して存在する。炉内雰囲気と接面する高ＳｉＣ系還元焼成耐火レンガの表面に生成した酸化物は該炉内雰囲気中のアルカリ成分と反応し、結果としてその表面が溶損するのである。かかる表面溶損は、目地部に高ＳｉＣ含有量のモルタルを用いた場合に結果として該目地部が溶損するのと同様である。このような表面溶損を抑えるためには、高ＳｉＣ系還元焼成耐火レンガの炉内雰囲気と接面する表面を、酸化物を主材とする耐火物、例えばＡｌ2Ｏ3−ＳｉＯ2系やＡｌ2Ｏ3−Ｃｒ2Ｏ3系耐火レンガ或は不定形耐火物で覆うのが有利である。
【００１３】
【発明の実施の形態】
図１は本発明に係る焼却残渣用溶融炉の実施形態を略示する縦断面図である。図示した溶融炉はアーク炉であり、このアーク炉は炉本体１１と、炉本体１１に被着された炉蓋１２と、炉蓋１２から炉内に挿入された電極１３とを備えている。炉内には、焼却残渣の溶融処理により生成した溶融物２１として、下層の溶融メタル層２２、上層の溶融スラグ層２３及び最上層の薄い溶融塩層２４が生成しており、溶融塩層２４の上部に未溶融の焼却残渣２５が存在していて、溶融塩層２４の上方における炉内空間部には焼却残渣の溶融処理により生成したガス２６が充満している。溶融スラグ層２３及び溶融塩層２４には、焼却残渣２５に起因するアルカリ成分が相当高濃度で含まれており、またガス２６にもガス化したアルカリ成分が相応濃度で含まれている。図示を省略するが、炉体１１の背面側には溶融スラグ２３の排出口が開設されており、また炉蓋１２には焼却残渣投入口及び排気口が開設されていて、排出口の下方には水砕装置が設置され、排気口の下流側には集塵装置が接続されている。
【００１４】
溶融物２１と接面する炉側壁部（炉本体１１の側壁下部）は、炉内側から炉外側に向かって、ＳｉＣ含有量９２重量％以上且つ見掛気孔率１２％以下の高ＳｉＣ系還元焼成耐火レンガ３１、高ＳｉＣ系還元焼成耐火レンガ３１に接する耐火断熱材３２、耐火断熱材３２に接する鋼板３３（炉殻）の順で構築されている。またガス２６と接面する炉側壁部（炉体１１の側壁上部）は、炉内側から炉外側に向かって、不定形耐火物４１、不定形耐火物４１に接する耐火断熱材４２、耐火断熱材４２に接する鋼板３３（炉殻）の順で構築されており、不定形耐火物４１は鋼板３３に溶接した金属棒にネジ込み式で取付けられたセラミック製のアンカー４３で支持されている。
【００１５】
炉床は逆アーチ構造の耐火レンガ５１で構築されており、耐火レンガ５１の外周部に鋼板３３（炉殻）と接して膨張吸収ボード５２が組込まれている。また炉蓋１２は前述したようなガス２６と接触する炉側壁部とほぼ同様に構築されている。そして炉本体１１の炉殻に相当する鋼板３３の外側には、炉壁及び炉床を覆うように、空冷用の空気通路６１が形成されており、このような空気通路は炉蓋１２の外側にも設けられていて、炉本体１１及び炉蓋１２を空冷するようになっている。
【００１６】
図１に略示した実施形態では、高ＳｉＣ系還元焼成耐火レンガ３１は上下方向に３段で積まれており、上下方向に積まれた高ＳｉＣ系還元焼成耐火レンガ３１相互間の目地接着に、Ａｌ2Ｏ3含有量９０重量％以上且つＣｒ2Ｏ3含有量３重量％以上のモルタル３４が使用されている。各高ＳｉＣ系還元焼成耐火レンガ３１は大きめの個体高さを有しており、溶融物２１の液面（溶融塩層２４の液面）は最上段に積まれた高ＳｉＣ系還元焼成耐火レンガのほぼ中央に位置している。
【００１７】
図２は本発明に係る焼却残渣用溶融炉の他の実施形態を略示する縦断面図である。図２中のａを付した符号からａを除いたものは図１中の同じ符号と対応し、これらの構成は図１と同様になっているので、説明を省略する。図２に略示した実施形態では、上下方向に３段で積まれた高ＳｉＣ系還元焼成耐火レンガ３１ａの表面（溶融物２１ａ及びガス２６ａと接面する炉内側の表面）が、酸化物を主材とするＡｌ2Ｏ3−Ｃｒ2Ｏ3系の不定形耐火物３５で覆われている。
【００１８】
図３は本発明で用いる高ＳｉＣ系還元焼成耐火レンガＰ（ＳｉＣ含有量９５重量％、ＳｉＯ2含有量３重量％、Ａｌ2Ｏ3含有量２重量％、見掛気孔率１２％以下）及び従来のＡｌ2Ｏ3−ＳｉＣ系耐火レンガＲ（Ａｌ2Ｏ3含有量５５重量％、ＳｉＣ含有量３８重量％、ＳｉＯ2含有量６重量％、Ｃ含有量１重量％）について試験用溶融スラグの塩基度（ＣａＯ／ＳｉＯ2）に対するそれらの被食率（％）を求めた結果を例示するグラフである。また図４は同じ耐火レンガＰ，Ｒについて試験用溶融スラグの塩基度（ＣａＯ／ＳｉＯ2）に対するそれらの最大侵食深さ（mm）を求めた結果を例示するグラフである。図３及び図４は、都市ごみ焼却灰の溶融スラグにＣａＯを加えて塩基度を調整した試験用溶融スラグ中に各耐火レンガを浸漬して１６５０℃で３時間放置したときの結果を示し、図３の被食率（％）は（侵食した部分の体積／元の体積）×１００で求めた。
【００１９】
図５〜図８は都市ごみ焼却残渣（焼却灰と飛灰との混合物）を図１，２のようなアーク炉で１年間溶融処理したときの溶融物と接面する炉側壁部に用いた耐火レンガの溶損状態を例示する略視図である。これらのうちで図５は高ＳｉＣ系還元焼成耐火レンガＰ（ＳｉＣ含有量９５重量％、ＳｉＯ2含有量３重量％、Ａｌ2Ｏ3含有量２重量％）を４段積みし、それらの目地接着に高ＳｉＣ系モルタルＳ（ＳｉＣ含有量９３重量％）を用いた場合（実施例相当）、図６は高ＳｉＣ系還元焼成耐火レンガＰを４段積みし、それらの目地接着にＡｌ2Ｏ3−Ｃｒ2Ｏ3系のモルタルＴ（Ａｌ2Ｏ3含有量９２重量％、Ｃｒ2Ｏ3含有量５重量％）を用いた場合（実施例相当）、図７は高ＳｉＣ系還元焼成耐火レンガＰを４段積みし、それらの目地接着にＡｌ2Ｏ3−Ｃｒ2Ｏ3系のモルタルＴを用い、更に４段積みした高ＳｉＣ系還元焼成耐火レンガＰの表面をＡｌ2Ｏ3−Ｃｒ2Ｏ3系の酸化物を主材とする不定形耐火物（Ａｌ2Ｏ3含有量９２重量％、Ｃｒ2Ｏ3含有量５重量％）で覆った場合（実施例相当）、図８はＡｌ2Ｏ3を主材とするＡｌ2Ｏ3−ＳｉＣ系耐火レンガＲ（Ａｌ2Ｏ3含有量５５重量％、ＳｉＣ含有量３８重量％、ＳｉＯ2含有量６重量％、Ｃ含有量１重量％）を４段積みし、それらの目地接着に高ＳｉＣ系モルタルＳを用いた場合である。図５〜図８では、溶損部を斜線で示した。
【００２０】
【発明の効果】
既に明らかなように、以上説明した本発明には、焼却残渣用溶融炉の耐用寿命を長くでき、築炉構造を安定化できるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る焼却残渣用溶融炉の実施形態を略示する縦断面図。
【図２】本発明に係る焼却残渣用溶融炉の他の実施形態を略示する縦断面図。
【図３】本発明で用いる高ＳｉＣ系還元焼成耐火レンガ等について溶融スラグの塩基度に対する被食率を例示するグラフ。
【図４】本発明で用いる高ＳｉＣ系還元焼成耐火レンガ等について溶融スラグの塩基度に対する最大侵食深さを例示するグラフ。
【図５】本発明の一実施形態において高ＳｉＣ系還元焼成耐火レンガの溶損状態を例示する略視図。
【図６】本発明の他の一実施形態において高ＳｉＣ系還元焼成耐火レンガの溶損状態を例示する略視図。
【図７】本発明の更に他の一実施形態において高ＳｉＣ系還元焼成耐火レンガの溶損状態を例示する略視図。
【図８】従来例においてＡｌ2Ｏ3−ＳｉＣ系耐火レンガの溶損状態を例示する略視図。
【符号の説明】
１１，１１ａ・・・炉本体、１２，１２ａ・・・炉蓋、１３，１３ａ・・・電極、２１，２１ａ・・・溶融物、２６，２６ａ・・・ガス、３１，３１ａ・・・高ＳｉＣ系還元焼成耐火レンガ、３３・・・鋼板、３４，３４ａ・・・モルタル、３５・・・不定形耐火物
【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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