(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
焼却残渣を溶融する溶融炉本体内の溶融スラグ層を炉本体の側壁に設けた溶融スラグ排出口から炉本体外へ溢流させると共に、前記溶融スラグ層の溶融メタル層の液面レベルが設定値以上になると、溶融メタルを溶融炉本体の炉底の近傍の側壁に設けた孔を通して外部へ抜き出す構成とした溶融炉に於いて、前記孔から抜き出した溶融メタルを、孔の下方に傾斜状に配設した耐火物張りして成る樋を通して流下させ、流下して来た溶融メタルを樋の下端の下方に設けた固定式の耐火性の溶融メタル溜めに一旦受け入れすると共に、溶融メタル溜め内の溶融メタルを、前記溶融メタル溜めの底面に穿設した総開口面積が前記孔の開口面積よりも少ない複数の小さな排出口から下方の水槽内へ落下させ、更に前記溶融メタル溜めの排出口と水槽内の冷却水面との間に設けた複数の水砕水ノズルから、単位時間当たりに落下させる溶融メタルの重量の２０〜３０倍の重量の水砕水を前記冷却水内へ落下する直前の溶融メタルに対して垂直方向に５〜１０ｍ／秒の速度で噴射すると共に、水槽の冷却水内へ落下した直後の冷却水内の溶融メタルに向けて、別に設けた水砕水ノズルから水砕水を噴射することにより、溶融メタルを細かな粒状の固化物にするようにしたことを特徴とする溶融炉における溶融メタルの水砕方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、産業廃棄物やごみ焼却施設から排出された焼却灰や飛灰等の溶融処理技術に関するものであり、溶融炉本体の底部レベルから抜き出した溶融メタルを安全且つ確実に細かな粒状のメタルに水砕できるようにした、溶融メタルの水砕方法とその装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、都市ごみ等の焼却炉から排出される焼却灰や飛灰の減容化及び無害化を図るため、焼却灰等の溶融固化処理が注目され、実用に供されている。焼却灰等は溶融固化することにより、その容積が１／２〜１／３に減少するうえ、重金属等の溶出の防止、溶融スラグの再利用、最終埋立処分場の延命等が可能になるからである。
【０００３】
前記焼却灰等の溶融固化処理には、アーク溶融炉やプラズマアーク炉、電気抵抗炉等を用い、電気エネルギーにより被溶融物を溶融固化する方法と、表面溶融炉や旋回溶融炉、コークスベッド炉等を用い、燃料の燃焼エネルギーにより被溶融物を溶融固化する方法が多く利用されており、都市ごみ焼却設備に発電設備が併置されている場合には前者の電気エネルギーを用いる方法が、また、発電設備が併置されていない場合には後者の燃焼エネルギーを用いる方法が、夫々多く採用されている。
【０００４】
図４は、従前のごみ焼却処理設備に併置した直流アーク放電型黒鉛電極式プラズマ溶融炉の一例を示すものであり、図に於いて、１は焼却灰等の被溶融物Ａのコンテナ、２は被溶融物供給装置、３は溶融炉本体、４は黒鉛主電極、５はスタート電極、６は炉底電極、７は炉底冷却ファン、８は直流電源装置、９は不活性ガス供給装置、１０は溶融スラグ流出口、１１はタップホール、１２は燃焼室、１３は燃焼空気ファン、１３ａは助燃バーナ、１４は排ガス冷却ファン、１５はスラグ水冷槽、１６はスラグ搬出コンベア、１７はスラグだめ、１８はスラグ冷却水の冷却装置である。
【０００５】
被溶融物Ａはコンテナ１に貯えられ、供給装置２により溶融炉本体３内へ連続的に供給される。溶融炉本体３には、被溶融物Ａとの間に一定の距離を設けた黒鉛主電極４（−極）と、炉底に設置された炉底電極６（＋極）とが設けられており、両電極４、６間に印加された直流電源装置８（容量約６００〜１０００ＫＷＨ／Ｔ・被溶融物）の直流電圧（２００〜３５０Ｖ）により、電流が流れプラズマアークが発生する。これによって被溶融物Ａが１３００℃〜１５００℃に加熱され、順次溶融スラグＢとなる。
【０００６】
尚、溶融前の被溶融物Ａは導電性が低いため、溶融炉の始動時にはスタート電極５を溶融炉本体３内へ挿入してこれを＋極とし、これと主電極４の間へ通電することにより被溶融物Ａが溶融するのを待つ。そして、被溶融物が溶融するとその導電性が上昇するため、スタート電極５を炉底電極６へ切り換える。
【０００７】
溶融炉本体３の内部は、溶融スラグＢや主電極４等の酸化を防止するために還元性雰囲気に保持されており、不活性ガス供給装置９から不活性ガスＣが、中空筒状に形成した主電極４及びスタート電極５の中空孔を通して、溶融炉本体３内へ連続的に供給されている。
【０００８】
不活性ガスＣを主電極４やスタート電極５の中空孔を通して炉本体内へ供給するのは、▲１▼アークの軸方向にプラズマガスを噴射し、アークを拘束することで高密度化する、▲２▼黒鉛主電極４や黒鉛スタート電極５を冷却することで電極の消耗がより少なくなる、等の理由によるものである。
【０００９】
前記溶融炉本体３の炉底は、炉底冷却ファン７からの冷風により空冷され、これによって炉底電極６近傍の過度な温度上昇が防止されている。また、溶融炉本体３そのものは高温に耐える耐火材及びそれを覆う断熱材等により構成されており、必要に応じて断熱材の外部に空冷あるいは水冷ジャケットが設けられている。
【００１０】
被溶融物Ａの溶融によって、内部に存在した揮発成分や発生した一酸化炭素等はガス体Ｄとなると共に、金属類やガラス、砂等の不燃性成分は、プラズマアーク放電の発生熱を供給されることにより、溶融点（１１００〜１２５０℃）を越える約１３００〜１５００℃の高温度にまで加熱され、流動性を有する液体状の溶湯となる。
【００１１】
炉本体３内に形成された溶湯は、溶融スラグ流出口１０より連続的に溢出し、スラグ水冷槽１５内へ落下することにより水砕スラグとなり、スラグ搬出コンベア１６によってスラグだめ１７へ排出される。
また、溶融炉を停止する際には、炉本体３内の溶湯が冷却、固化してしまうのを防止するため、溶湯の底部レベルに取付けられたタップホール１１より湯抜きを行い、炉本体３内を空状態にする。
【００１２】
発生したガス体Ｄは、溶融スラグ流出口１０の上部より燃焼室１２に入り、ここで燃焼空気ファン１３から助燃バーナ１３ａを経て加熱された燃焼用空気が加えられることにより、未燃分が完全に燃焼される。また、完全燃焼をしたガス体Ｄは、排ガス冷却ファン１４からの冷空気によって冷却され、外部へ排出されて行く。
【００１３】
而して、電気溶融炉で被溶融物Ａを連続的に溶融すると、溶融炉本体３内に形成された溶湯は、比重差によって上方に位置する溶融スラグ層Ｂと下方に位置する溶融メタル層Ｍとに分離する。
また、上方の溶融スラグ層Ｂは溶融スラグ流出口１０から連続的に溢出するが、下方の溶融メタル層Ｍは順次炉底に残留・堆積し、溶融メタル層Ｍの液面レベルＬｍが上昇し、層厚さＬｔが増加する。尚、溶融炉本体３内の溶湯容積はほぼ一定であるため、溶融メタル層Ｍの液面レベルＬｍが上昇するに伴なって、上方の溶融スラグ層Ｂの層厚さＳｔは薄くなって行く。
【００１４】
ところで、現実の電気溶融炉に於いては、運転時間が経過して溶融炉本体３内の溶融メタル層Ｍの層厚さＬｔが大きくなると、溶融メタル層Ｍの電気伝導度が大きいために溶湯部の電気抵抗が低下し、アーク長が長くなって熱損失が大きくなる。
また、溶融メタル層Ｍの液面レベルＬｍがオーバーフローレベルにまで達すると、溶融スラグに溶融メタルが混入することになり、スラグの品質が変ってスラグの有効利用を図る上で様々な問題が生ずることになる。
【００１５】
そのため、溶融炉の運転に於いては、溶融メタル層Ｍの液面レベルＬｍが設定値に到達すると、前記溶融炉本体３の炉壁の底面近傍に設けたタップホール１１を開孔し、炉底に堆積した溶融メタルを抜き出しするようにしている。
【００１６】
一方、前記抜き出した溶融メタルの具体的な回収処理方法としては、▲１▼タップホール１１の出口から流出して来た溶融メタルを、タップホール１１の下方に設けた内表面に向って水を噴出し、水膜を形成した樋（図示省略）上へ落下させ、水砕により比較的粗い粒状の固化物として、樋の下方から回収する方法、▲２▼湯抜きした溶融メタルをタップホール１１の出口からモールドコンベア上や耐火物を内張りしたトロッコ（図示省略）上へ直に積載し、空冷することによりインゴット状の塊として回収する方法、▲３▼溶融炉本体３を傾動させ、溶融スラグ流出口１０から溶融メタルをスラグ水槽１５内又はモールドコンベア上（図示省略）へ排出する方法等が多く用いられている。
【００１７】
しかし、前記▲１▼の方法にあっては、樋の内表面へ向って噴出している水の噴出量が減少したときや、噴出水量が均一でなく水量の少ない部分に溶融メタルが落下したときに、所謂水蒸気爆発を生ずる虞れがあり、危険性が高くて安全性に欠けると云う難点がある。  また、前記▲２▼の方法にあっては、溶融メタルの冷却に時間が掛るうえ、冷却後には所謂インゴットが形成されるため、インゴットの排出の作業性が悪く、利用し難い等の問題がある。
更に、前記▲３▼の方法に於いては、溶融メタルの排出と同時に溶融スラグが排出されるため、必要量だけの溶融メタルを効率よく抜き出すことが出来ないうえ、湯抜きした溶融メタルに溶融スラグが混入するため、メタルとしての再利用が困難になると云う問題がある。
【００１８】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、従前の溶融炉からの抜き出した溶融メタルの回収に於ける上述の如き問題、即ち▲１▼表面へ水を噴出する型式の樋を用いて溶融メタルを水砕する方法は、危険度が高くて安全性に欠けること、▲２▼モールドコンベア等を用いて回収した溶融メタルを冷却する方法は、冷却後のインゴットの取り扱いが困難であり、作業性に欠けること、▲３▼溶融炉本体を傾動させて溶融メタルを抜き出しする方法は、回収した溶融メタルの品質が悪化し、メタルの再利用が困難になること等の問題を解決せんとするものであり、溶融炉本体のタップホールから湯抜きした溶融メタルを水砕処理することにより、高能率で安全に、しかも細かな高品質の粒状固化物として回収できるようにした溶融メタルの水砕方法及び水砕装置を提供するものである。
【００１９】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、請求項１の発明は、焼却残渣を溶融する溶融炉本体内の溶融スラグ層を炉本体の側壁に設けた溶融スラグ排出口から炉本体外へ溢流させると共に、前記溶融スラグ層の溶融メタル層の液面レベルが設定値以上になると、溶融メタルを溶融炉本体の炉底の近傍の側壁に設けた孔を通して外部へ抜き出す構成とした溶融炉に於いて、前記孔から抜き出した溶融メタルを、孔の下方に傾斜状に配設した耐火物張りして成る樋を通して流下させ、流下して来た溶融メタルを樋の下端の下方に設けた固定式の耐火性の溶融メタル溜めに一旦受け入れすると共に、溶融メタル溜め内の溶融メタルを、前記溶融メタル溜めの底面に穿設した総開口面積が前記孔の開口面積よりも少ない複数の小さな排出口から下方の水槽内へ落下させ、更に前記溶融メタル溜めの排出口と水槽内の冷却水面との間に設けた複数の水砕水ノズルから、単位時間当たりに落下させる溶融メタルの重量の２０〜３０倍の重量の水砕水を前記冷却水内へ落下する直前の溶融メタルに対して垂直方向に５〜１０ｍ／秒の速度で噴射すると共に、水槽の冷却水内へ落下した直後の冷却水内の溶融メタルに向けて、別に設けた水砕水ノズルから水砕水を噴射することにより、溶融メタルを細かな粒状の固化物にするようにしたことを発明の基本構成とするものである。
【００２３】
【発明の実施の形態】
以下、図面に基づいて本発明の実施の形態を説明する。
図１は本発明の第１実施形態の要部を示す説明図であり、図２は図１のＡ部の拡大図である。
図１に於いて、３は溶融炉本体、４は黒鉛主電極、６は炉底電極、１１は炉壁に設けた孔（タップホール）、１９は溶融炉本体の支持架台、２０は樋、２１は水槽、２２は第１水砕水ノズル、２３は第２水砕水ノズル、Ｍは溶融メタル層、Ｍ1 は溶融メタルであり、溶融炉そのものの基本的な構成は図４に示した従前の溶融炉と実質的に同一のものである。
また、図１に示した本発明の第１実施形態では、溶融炉として電気溶融炉を用いているが、本発明は、電気溶融炉以外の燃料の燃焼エネルギーを用いる型式の溶融炉にも適用されることは勿論である。
【００２４】
図１を参照して、溶融炉本体３の炉壁の底部近傍には、炉本体３内の溶融メタルを抜き出すための孔（タップホール）１１が設けられており、溶融メタル層Ｍの液面レベルＬｍが設定値以上になると、孔１１が開放され、これを通して溶融メタルＭ1 が炉本体３の外方へ排出される。尚、前記炉壁に設けた孔１１としては、通常公知のタップホールが設けられているが、孔１１の構造そのものは溶融メタルＭ1 の湯抜きをできるものであれば、如何なる構造のものであってもよい。
【００２５】
前記樋２０は孔１１から抜き出した溶融メタルＭ1 を円滑に下方へ流下させるためのものであり、孔１１の下方に適宜の傾斜角度をもって配設・支持されている。
また、当該樋２０は、シュート体２０ａとカバー体２０ｂとから筒状又は箱状に形成されており、シュート体２０ａの表面は耐火物２０ｃにより内張りされている。
【００２６】
前記水槽２１は樋２０の下方に設けられており、所定量の冷却水２１ａが貯留されている。
又、冷却水２１ａの水面ＷＬと樋２０の下端との間には適宜の空間距離が設けられており、後述するように、樋２０の下端から落下した溶融メタルＭ1 がこの空間距離を通過する間に、溶融メタルＭ1 に向けて水砕水が噴出される。
【００２７】
前記第１水砕水ノズル２２は、水槽２１の冷却水水面ＷＬと樋２０の下端との間に適宜に支持固定されており、樋２０の下端から流下してくる溶融メタルＭ1 が、冷却水２１ａ内へ落下する直前の空間部に於いて、噴出した水砕水２２ａが、落下する溶融メタルＭ1 へその落下方向とほぼ垂直に衝突するように取付けされている。
【００２８】
尚、図１に於いては、１個の水砕水ノズル２２を水槽２１の側壁に設けるようにしているが、水砕水ノズル２２の設置数量や設置位置は適宜に選定されるものである。また、図１に於いては、溶融メタルＭ1 の落下方向とほぼ垂直な方向に水砕水２２ａを噴出し、溶融メタルＭ1 へ直接に衝突させるようにしているが、水砕水２２ａの噴射方向は図１に示した方向に限定されるものではない。
【００２９】
前記第２水砕水ノズル２３は、樋２０の下端から落下して冷却水２１の水面ＷＬ下へ沈下した直後の溶融メタルＭ1 に、冷却水２１中で水砕水２３ａを衝突させるように配置されている。即ち、図１の実施形態では、第２水砕水ノズル２３は水槽２１の側壁に、前記第１水砕水ノズル２３と段違い状に設けられており、冷却水水面ＷＬとほぼ平行に水砕水２３ａを噴出する構成としている。
【００３０】
次に、湯抜きした溶融メタルＭ1 の水砕方法について説明をする。
溶融炉本体３内の溶融メタル層Ｍの液面レベルＬｍが設定値を越えると、孔（タップホール）１１が開放され、溶融メタルＭ1 は孔１１の開口端より順次流出してくる。流出した溶融メタルＭ1 は、樋２０の耐火物２０ｃが内張りされたシュート体２０ａ上へ落下し、シュート体２０ａに沿って落下したあと、樋２０の下端から水槽２１内へ落下する。
【００３１】
前記樋２０の下端から落下した溶融メタルＭ1 には、溶融メタルＭ1 が冷却水２１内へ落下する直前の空間に於いて、第１水砕水ノズル２２から噴出された水砕水２２ａが衝突する。
この水砕水２２ａの衝突により、溶融メタルＭ1 は冷却水２１ａの水面ＷＬに近い空間部で冷却・飛散され、細かい粒状体となって冷却水２１ａ内へ落下する。
【００３２】
また、前記水砕水２２ａの衝突により、細かい粒状体に飛散されて冷却水２１ａ内へ落下した直後の溶融メタルＭ1 には、引き続き第２水砕水ノズル２３から噴射した水砕水２３ａが衝突する。
これにより、冷却水２１ａ内へ落下した直後のまだ溶融状態下にある粒状体は、更に細かく水砕され、より細かな粒状体となって水槽２１の底部へ沈降する。
【００３３】
尚、水槽２１の底部には、図示されてはいないがメタル搬出コンベア等が設けられており、これにより水砕により細粒化された固化物（メタル）が水槽外へ搬出されて行く。
【００３４】
尚、図１の第１実施形態では、第２水砕水ノズル２３から水砕水２３ａを噴出し当該水砕水２３ａを、冷却水２１内へ落下した直後の、第１水砕水ノズル２２からの水砕水２２ａの衝突により粒状化された溶融メタルへ衝突させ、溶融メタルＭ1 を２段に亘って水砕するようにしているが、前記第２水砕水ノズル２３を省略して、第１水砕水ノズル２２の作動のみでもって、溶融メタルＭ1 を水砕することも十分可能である。
【００３５】
また、図１及び図２の第１実施形態に於いては、第１水砕水ノズル２２及び第２水砕水ノズル２３へ供給する各水砕水を管路２５及び流量調整弁２６を通して別に設けた加圧水源より供給するようにしているが、水槽２１内の冷却水２１ａを水砕水２２ａ、２３ａとして循環利用することも可能である。
【００３６】
更に、前記図１の第１実施形態に於いては、樋２０の下方に水槽２１を設け、湯抜きした溶融メタルＭ1 を水槽２１内へ落下させるようにしているが、図３に示した第２実施形態のように、樋２０の下方に溶融メタル溜め２４を設けると共に、溶融メタル溜め２４の排出口２４ａと水槽２１との間に第１水砕水ノズル２２を設け、当該第１水砕水ノズル２２から噴射した水砕水２２ａを、溶融メタル溜め２４の排出口２４ａから排出し、水槽２１に落下する直前の溶融メタルＭ1 に衝突させ、これによって溶融メタルＭ1 を水砕することにより、細かな粒状体とすることも可能である。この方式の場合、溶融メタル溜め２４の排出口２４ａの径は、溶融炉本体３に開ける孔１１のように大きさの制限はなくて小さくすることができ、また複数備えることが可能てある。
【００３７】
【試験例１】
図１に示した水砕装置を用い、且つ第２水砕水ノズルは作動させずに第１水砕水ノズル２２のみを作動させ、水砕水２２ａの噴出による溶融メタルＭ1 の水砕処理試験を行なった。
溶融メタルＭ1 １ｋｇに対して約３０ｋｇの水砕水２２ａを５〜１０ｍ／ｓｅｃの噴出速度で噴出させ、これを溶融メタルＭ1 に衝突させたとき、冷却水２１ａ内へ落下する溶融メタルＭ1 の粒径は、約１〜１０ｍｍφの粒状体となり、細かな粒状の固化物として回収することができた。
また、試験の実施中、水蒸気爆発等の異常が生ずることは全くなく、安全に溶融メタルの水砕処理を行なうことができた。
【００３８】
【試験例２】
上記図１に示した水砕装置を用い、第１水砕水ノズル２２から溶融メタルＭ1 １ｋｇ当り約２０ｋｇ、５〜１０ｍ／ｓｅｃの水砕水２２ａを噴射すると共に、第２水砕水ノズル２３から約２０ｋｇの水砕水２３ａを同速度で噴出させた。尚、水砕水２３ａは冷却水２１ａの水面下で放出されているため、その噴出速度は若干低下していると思われるが、噴出された水砕水２３ａが第１水砕水ノズル２２からの水砕水２２ａにより細粒化された水中の溶融メタルＭ1 へ衝突するまでの平均距離は、２００〜８００ｍｍと比較的短かいため、前記水砕水２３ａの噴出速度の低下は僅かであると想定される。
当該試験例２に於いては、回収した粒状固形物の粒径は１〜５ｍｍφ程度であって、溶融メタルＭ1 をより細かな粒状固形物に高能率で安全に水砕できることが判明した。
【００３９】
尚、前記第１水砕水ノズル２２から噴出する水砕水２２ａの流量及び流速が２０ｋｇ／ｋｇメタル、５ｍ／ｓｅｃ以下になると、溶融メタルＭ1 に対する水砕能力が低下し、粒状固化物の平均粒径が１５ｍｍφを越えるようになると共に、現実に水蒸気爆発を生ずるようなことは無かったものの、その可能性は高まるように思われる。
【００４０】
【発明の効果】
本発明においては、「焼却残渣を溶融する溶融炉本体内の溶融スラグ層を炉本体の側壁に設けた溶融スラグ排出口から炉本体外へ溢流させると共に、前記溶融スラグ層の溶融メタル層の液面レベルが設定値以上になると、溶融メタルを溶融炉本体の炉底の近傍の側壁に設けた孔を通して外部へ抜き出す構成とした溶融炉に於いて、前記孔から抜き出した溶融メタルを、孔の下方に傾斜状に配設した耐火物張りして成る樋を通して流下させ、流下して来た溶融メタルを樋の下端の下方に設けた固定式の耐火性の溶融メタル溜めに一旦受け入れすると共に、溶融メタル溜め内の溶融メタルを前記溶融メタル溜めの底面に穿設した前記孔の開口面積よりも総開口面積が少ない複数の小さな排出口から下方の水槽内へ落下させ、更に前記溶融メタル溜めの排出口と水槽内の冷却水面との間に設けた複数の水砕水ノズルから、単位時間当たりに落下させる溶融メタルの重量の２０〜３０倍の重量の水砕水を前記冷却水内へ落下する直前の溶融メタルに対して垂直方向に５〜１０ｍ／秒の速度で噴射すると共に、水槽の冷却水内へ落下した直後の冷却水内の溶融メタルに向けて、別に設けた水砕水ノズルから水砕水を噴射することにより、溶融メタルを細かな粒状の固化物にする」構成を採用している。
その結果、比較的低速で且つ少ない流量の水砕水でもって能率よく、しかも水蒸気爆発等を起こすことなく安全に、溶融メタルをより細かな粒径の揃った溶融スラグを殆ど含まない高品質の粒状固形物となるため、その有効利用が図り易くなる。
また、溶融メタルの水冷時間が短縮され、冷却後のメタルの搬出作業も著しく容易となる。
本発明は上述の通り、優れた実用的効用を有するものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第一実施形態の要部を示す断面概要図である。
【図２】図１のＡ部の拡大図である。
【図３】本発明の第二実施形態の要部を示す断面概要図である。
【図４】従前のごみ焼却処理設備に併置した電気溶融炉の説明図である。
【符号の説明】
Ｍは溶融メタル層、Ｌｍは溶融メタル層の液面、Ｍ1 は溶融メタル、ＷＬは冷却水の水面、３は溶融炉本体、４は黒鉛主電極、６は炉底電極、１１はタップホール（孔）、１９は支持架台、２０は樋、２０ａはシュート体、２０ｂはカバー体、２０ｃは耐火物、２１は水槽、２１ａは冷却水、２２は第１水砕水ノズル、２２ａは水砕水、２３は第２水砕水ノズル、２３ａは水砕水、２４は溶融メタル溜め、２４ａは排出口、２５は管路、２６は流量調整弁。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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