(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
炉体の炉底中央部にスラグタップを設けると共に炉体の天井部に複数のバーナを下方向へ向けて配設し、バーナの火炎により炉底上に堆積した被溶融物の表面を順次溶融させて溶融スラグをスラグタップから下方へ流下させる構成とした表面溶融炉において、前記各バーナと炉壁との間の天井部に、ノズルからバーナの火炎及びスラグタップに向けて酸素を吹き込むことによりスラグタップ周辺の堆積物に衝突してこれを溶融させる高温燃焼ガス流を発生させるように構成した酸素吹込み装置を設けたことを特徴とする表面溶融炉。
【請求項２】
炉体の横断面形状を四角形とし、当該炉体の左右方向における中央部の天井部に前後一対のバーナを設けると共に、各バーナと炉壁の中間部に一対のノズルを対向状に配設し、両ノズルからバーナの火炎及びスラグタップへ向けて酸素を噴出する構成とした請求項１に記載の表面溶融炉。
【請求項３】
酸素を噴出するノズルを水平方向へ４０°〜６０°の角度範囲に亘って往復揺動させる構成とした請求項１に記載の表面溶融炉。
【請求項４】
酸素吹込み装置から炉内に吹込まれる酸素の全量をバーナの燃焼に必要な酸素量の１０〜２０％となるように設定したことを特徴とする請求項１に記載の表面溶融炉。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えばごみ焼却炉から排出される焼却残滓や飛灰等の被溶融物を溶融処理するための表面溶融炉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残滓や飛灰の減容化及び無害化を図るため、焼却残滓等の溶融固化処理法が注目され、実用に供されている。焼却残滓等は、溶融固化することによりその容積を１／２〜１／３に減じることができると共に、重金属等の有害物質の溶出防止ができ、又、溶融スラグは、例えば道路用材、コンクリート骨材としての再利用や最終埋立処分場の延命等が可能であるからである。
【０００３】
前記焼却残滓等の溶融固化処理方法には、アーク溶融炉、プラズマアーク炉、電気抵抗炉等の電気エネルギーに依って溶融固化する方法と、表面溶融炉、旋回溶融炉、コークスベッド炉等の燃料の燃焼エネルギーに依って溶融固化する方法とがあり、何れも実用レベルにある。
【０００４】
上記溶融炉のうち、表面溶融炉は最も普及しているものの一つであり、図５は表面溶融炉の代表的な一例を示すものである。この表面溶融炉は、図５に示す如く、炉体１と、炉体１の外周部（以下「炉壁」という）に設けられて焼却残滓等の被溶融物２を貯留する複数のホッパ３と、被溶融物２を各ホッパ３の下端部から炉体１内に供給する被溶融物供給装置４と、炉体１の天井部１ａに設けられた適当数のバーナ５と、炉体１の底部（以下「炉底」という）１ｂの中心部に設けられたスラグタップ６とを具備してなる。炉体１は、適宜のキャスタブル耐火材，耐火煉瓦等による耐火構造物に構成されており、所定部分には冷却用の水冷ジャケットが設けられている。各被溶融物供給装置４は、ホッパ３を貫通して直線移動するプッシャ４ａと、これを直線移動させるシリンダ４ｂとを具備してなる。
【０００５】
かかる表面溶融炉にあっては、ホッパ３内に貯留された被溶融物２は、シリンダ４ｂにて駆動されるプッシャ４ａ等の灰供給装置に依り炉体１内へ順次送り込まれ、表面がスラグタップ６を中心にして略擂鉢状の傾斜面となった状態で炉底１ｂ上に堆積される。そして、バーナ５による液体燃料又はガス燃料の燃焼により炉体１内が１４００〜１５００℃の高温状態に保持されると共に、バーナ５から下方へ円錐状に広がる燃焼火炎（以下「バーナ火炎」ともいう）５ａにより、炉底１ｂ上に堆積された被溶融物２がその表面側から順次加熱溶融される。その結果、被溶融物２の表面側がフィルム状に溶融して溶融スラグ２ａとなり、これが擂鉢状の傾斜面を流下してスラグタップ６から落下し、空冷又は水砕スラグとして排出される。一方、炉体１内の高温の燃焼排ガスは、スラグタップ６から排出され、煙道，空気予熱器，排ガス処理装置等（図示せず）を経てクリーンガスとなった後に大気中へ排出される。
【０００６】
ところで、表面溶融炉にあっては、一般に、前後（図５における左右）に対向する炉壁２面にホッパ３を設けて、被溶融物２を炉体１の対向２面から供給する方式（以下「２面供給方式」という）が採用されているが、次のような理由から、近時、炉体１を横断面正方形状をなすものとし、前後及び左右（図７における左右）に対向する炉壁４面すべてにホッパ３を設けて、被溶融物２を炉体１の全周４面から供給する方式（以下「４面供給方式」という）を採用したもの（図６，図７参照）が提案されている。すなわち、２面供給方式にあっては、ホッパ３が設けられている一方の炉壁２面側（前後面側）の部分は被溶融物２で覆われるものの、ホッパ３が設けられていない他方の炉壁２面側（左右面側）の部分は被溶融物２で覆われないために、この部分からの放散熱量が多く、また耐火材が直接高温雰囲気に晒されているため、溶損が起こり易く、定期的な補修，交換が必要となるといった問題があるが、４面供給方式にあっては、炉体１の全周４面から同時に被溶融物２が供給されるため、このような問題が生じない。
【０００７】
また、何れの供給方式を採用する場合にも、炉内温度の均一化を図るべく、炉体１の天井部１ａには複数のバーナ５を設けるのが一般的であるが、小規模の溶融炉では天井面積が小さく、バーナの設置数が限られることから、図５に示す如く、一対のバーナ５を前後方向に並列配置している。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、従来の表面溶融炉にあっては、バーナ火炎５ａが直接及ぶ領域及びその周辺領域とバーナ火炎５ａから離れた領域とでは温度差が大きく、特に、炉体１の全周４面から被溶融物２を供給する４面供給方式では、炉内温度が著しく不均一となる。例えば、図６及び図７に示す如く、複数のバーナ５を前後方向に並列配置させた場合、炉体１の左右方向において、バーナ火炎５ａが存在する中央領域Ａに比して、バーナ火炎５ａの両側領域（図６において鎖線によるハッチングを施した領域）Ｂでの温度が低く、炉内温度が甚だしく不均一となる。
【０００９】
このため、燃比の悪化やスラグの不均一化を招き、良好な溶融処理を行うことが困難である。また、図６及び図７に示す如く、上記した低温領域Ｂの存在により、スラグタップ５の周辺に被溶融物２中の金属，陶器等が溶けきらずに堆積する虞れがあるが、かかる堆積物２ｂは炉の運転中には除去できず、安定した運転を行うことができない。なお、従来からも、バーナ５として、燃焼用空気中の酸素濃度を高める酸素付加バーナや純酸素バーナを使用することも試みられているが、かかる特殊なバーナを使用しても局所的な温度上昇を得ることができるにすぎず、上記した問題の解決策としては不充分であった。
【００１０】
本発明は、かかる点に鑑みてなされたもので、上記した問題を生じることなく焼却残滓等の溶融処理を効率よく且つ安定して行うことが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。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明は、表面溶融炉において、特に次のような酸素吹込み装置を設けておくことを提案するものである。
【００１２】
すなわち、請求項１に記載の発明は、炉体の炉底中央部にスラグタップを設けると共に炉体の天井部に複数のバーナを下方向へ向けて配設し、バーナの火炎により炉底上に堆積した被溶融物の表面を順次溶融させて溶融スラグをスラグタップから下方へ流下させる構成とした表面溶融炉において、前記各バーナと炉壁との間の天井部に、ノズルからバーナの火炎及びスラグタップに向けて酸素を吹き込むことによりスラグタップ周辺の堆積物に衝突してこれを溶融させる高温燃焼ガス流を発生させるように構成した酸素吹込み装置を設けたことを発明の基本構成とするものである。
また、前記酸素吹込装置と共に後述する第１酸素吹込装置を設ける場合においても、両酸素吹込み装置から炉内に吹込まれる酸素の全量は、バーナの燃焼に必要な酸素量の１０〜２０％となるように設定しておくことが望ましい。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図１〜図４に基づいて説明する。なお、前記各図の内の図１及び図２は、本発明の参考例を示すものであり、また図３及び図４は、本発明の実施形態そのものを示すものである。
更に、以下の説明において、左右とは図１〜図３における左右を、また前後とは、図１若しくは図３における上下又は図４における左右を意味するものとする。
【００１４】
図１及び図２は本発明の参考例を示したものであり、この参考例における表面溶融炉（以下「第１溶融炉」という）は、炉体１の横断面形状を正方形となし、その全周４面にホッパ３を設けた４面供給方式を採用するものである。なお、第１溶融炉は、次のような第１酸素吹込装置８を設けた点を除いて、図５〜図７に示すものと同様構成をなすものであるから、これと同一構成部材については図５〜図７において使用したものと同一の符号を付すことによって、その詳細な説明は省略することとする。
【００１５】
第１溶融炉にあっては、図１及び図２に示す如く、炉体１の天井部１ａに、その左右方向における中央部に配して前後一対のバーナ５を設けると共に、炉体１内（炉内）に酸素を吹き込むための第１酸素吹込装置８を設けてある。
【００１６】
すなわち、第１酸素吹込装置８は、図１及び図２に示す如く、炉体１の天井部１ａにバーナ５の燃焼火炎（バーナ火炎）５ａに向けて酸素８ｂを噴出させる複数の第１ノズル８ａを取り付けてなり、各第１ノズル８ａから酸素８ｂをバーナ火炎５ａに直接に高速で吹き込むことにより、炉内に高温の燃焼ガス旋回流８ｃを発生させるように構成されている。各第１ノズル８ａからの酸素噴出量は、全第１ノズル８ａから炉体１内に吹き込まれる酸素全量（全第１ノズル８ａからの酸素噴出量の総和）が炉内におけるバーナ燃焼に必要な酸素量の１０〜２０％となるように設定される。各第１ノズル８ａから噴出させる酸素８ｂとしては、濃度７０〜１００％のものを使用することが好ましい。両第１ノズル８ａの配置形態は、酸素噴出作用により炉体１内に上記した旋回流８ｃが生じるように設定される。この例では、図１に示す如く、一方のバ−ナ５と左側のホッパ２との中間部位及び他方のバーナ５と右側のホッパ２との中間部位に、バーナ火炎５ａの中心部に向けて、酸素８ｂを右下方向に噴出する第１ノズル８ａと左下方向に噴出する第１ノズル８ａとを設けてある。各ノズル８ａからの酸素噴出方向の水平面に対する傾斜角度α（図２参照）は、炉の形状，大きさ等の条件に応じて適宜に設定されるが、一般的には、α＝３０〜５０°に設定される。各第１ノズル８ａからの酸素噴出圧は、バーナ火炎５ａを著しく不安定なものとさせないことを条件として、酸素８ｂを可及的に高速でバーナ火炎５ａに吹き込みうるように、バーナ５の燃焼条件等に応じて適宜に設定される。第１ノズル８ａの設置数はバーナ数等に応じて適宜に設定することができるが、通常は、上記した如くバーナ数と一致させておくのがよい。つまり、各バーナ火炎５ａに対して、一つの第１ノズル８ａから酸素８ｂを吹き込むようにしておく。
【００１７】
第１溶融炉にあっては、第１ノズル８ａからバーナ火炎５ａに酸素８ｂが直接に吹き込まれること及び第１ノズル８ａからの噴出酸素８ｂにより燃焼ガスの旋回流８ｃが生じることから、炉内温度を均一化すると共に高温化することができる（酸素８ｂを吹き込まない場合に比して５０〜１００℃程度高温化することができる）。また、バーナ燃焼に必要な酸素量の１０〜２０％となる酸素８ｂの吹込みにより燃焼用空気量つまり排ガス量が減少されることから、燃焼ガスの炉内滞留時間を長くとることができ、燃比を改善することができる。したがって、冒頭で述べたような燃比の悪化やスラグの不均一化を効果的に防止することができ、また金属，陶器等が溶融しないままスラグタップ５の周辺に堆積する現象の発生を効果的に防止することができ、焼却残滓等の被溶融物２の溶融処理を効率よく（従来の表面溶融炉に比して処理効率を約１０％向上させることができる）安定して行うことができる。
【００１８】
また、図３及び図４は本発明の実施の形態を示したものであり、この実施の形態における表面溶融炉（以下「第２溶融炉」という）は、炉体１の横断面形状を正方形となし、その全周４面にホッパ３を設けた４面供給方式を採用するものであり、第１酸素吹込装置８に代えて第２酸素吹込装置９を設けた点を除いて、第１溶融炉と同一構成をなすものである。なお、第２溶融炉は、第２酸素吹込装置９を設けた点を除いて、図５〜図７において使用したものと同一の符号を付すことによって、その詳細な説明は省略することとする。
【００１９】
第２溶融炉にあっては、図３及び図４に示す如く、炉体１の天井部１ａに、その左右方向における中央部に配して前後一対のバーナ５を設けると共に、炉体１内（炉内）に酸素を吹き込むための第２酸素吹込装置９を設けてある。
【００２０】
すなわち、第２酸素吹込装置９は、図３及び図４に示す如く、炉体１の天井部１ａにバーナ火炎５ａに向けて酸素９ｂを噴出させる複数の第２ノズル９ａを取り付けてなり、各第２ノズル９ａからバーナ火炎５ａ及びスラグタップ６に向けて酸素９ｂを高速で噴出させることにより、スラグタップ６周辺の堆積物（金属，陶器等が流れ落ちずにスラグタップ６周辺に堆積したもの）２ｂに衝突してこれを溶融しうる高温燃焼ガス流９ｃを発生させるように構成されている。各第２ノズル９ａからの酸素噴出量は、全第２ノズル９ａから炉内に吹き込まれる酸素全量（全第２ノズル９ａからの酸素噴出量の総和）が炉内におけるバーナ燃焼に必要な酸素量の１０〜２０％となるように設定される。各第２ノズル９ａから噴出させる酸素９ｂとしては、濃度７０〜１００％のものを使用することが好ましい。各第２ノズル９ａの配置形態は、酸素噴出作用により上記した高温燃焼ガス流９ｃが生じるように設定される。この例では、前後一対の第２ノズル９ａを、図３に示す如く、両バーナ火炎５ａの中心部を通過する水平線上であって前位のバーナ５と前位のホッパ３との中間部及び後位のバーナ５と後位のホッパ３との中間部に配して、炉体１の天井部１ａに取り付けてある。そして、各第２ノズル９ａの噴出口は、図３に示す如く、バーナ火炎５ａ及びスラグタップ６を通過する直線上に位置するように、水平面に対して所定角度γをなす下り傾斜状に配置されている。さらに、各第２ノズル９ａの噴出口は、図３に示す如く、左右方向に所定範囲βで揺動操作できるように構成されていて、酸素噴出によって発生する高温燃焼ガス流９ｃがスラグタップ６の周辺領域に広く行き渡るように工夫してある。この噴出口の揺動角度βは、炉形状等の条件に応じて適宜に設定されるが、通常、β＝４０〜６０°に設定しておくことが好ましい。なお、各第２ノズル９ａからの酸素噴出圧は、バーナ火炎５ａを著しく不安定なものとさせないことを条件として、酸素９ｂを可及的に高速でバーナ火炎５ａに吹き込みうるようにバーナ５の燃焼条件等に応じて適宜に設定される。第２ノズル９ａの設置数はバーナ数等に応じて適宜に設定することができるが、通常は、上記した如く、一つのバーナ５に対して一つの第２ノズル９ａを設けておく。
【００２１】
第２溶融炉にあっては、各第２ノズル９ａからバーナ火炎５ａに酸素９ｂが吹き込まれることにより、当該第２ノズル９ａからスラグタップ６に向かう酸素噴出経路の延長線上において燃焼ガスが局部的に高温化し、これがスラグタップ６に向かって流動する。すなわち、スラグタップ６へと向かう高温燃焼ガス流９ｃが発生する。したがって、スラグタップ６周辺に金属等の堆積物２ｂが存在している場合、これに高温燃焼ガス流９ｃが衝突して、当該堆積物２ｂが再溶融されスラグタップ６から流れ出やすくなる。その結果、第２溶融炉の運転を継続しつつ堆積物２ｂの除去を行うことができ、第１溶融炉と同様に、良好且つ安定した溶融処理を行うことができる。
【００２２】
なお、このような第２ノズル９ａからの酸素噴出による堆積物２の溶融処理は、金属等がスラグタップ６周辺に堆積した場合にのみ行えばよいことから、第２酸素吹込装置９は、通常、必要に応じて間欠的に行うように制御される。例えば、スラグタップ６に金属等が堆積したことを直接的又は間接的に検知する検知手段を設けて、この検知手段により堆積物２ｂが検知されたときのみ第２酸素吹込装置９を所定時間運転させるとか、このような検知手段によることなく、第２酸素吹込装置９を一定サイクルで間欠的に運転させるようにする。
【００２３】
ところで、本発明は上記した各実施の形態に限定されるものではなく、本発明の基本原理を逸脱しない範囲において適宜に改良，変更することができる。例えば、第１溶融炉において、第１酸素吹込装置８に加えて、更に第２酸素吹込装置９を設けるようにしてもよい。すなわち、第１溶融炉においては、第１酸素吹込装置８により炉内温度の均一化，高温化が図られるため、金属等の堆積が皆無又は激減することになるが、第２酸素吹込装置９を更に設けておくと、溶融条件等に拘わらず、堆積物２ｂの発生を完璧に防止し得て、更なる炉運転の安定化及び稼動効率の向上を図ることができる。また、酸素吹込装置８，９の構成も、炉形状等に応じて適宜に変更することができる。また、酸素吹込装置８，９は２面供給方式の表面溶融炉にも設けておくことができ、上記した４面供給方式の表面溶融炉に設けた場合と同様の効果を奏しうる。
【００２４】
【発明の効果】
以上の説明から容易に理解されるように、本発明によれば、炉内温度の均一化，高温化を図ることができ、スラグ組成の均質化、スラグタップ周辺における堆積物の発生防止及び処理効率の向上を図ることができ、表面溶融炉の良好且つ安定した運転を行うことができる。また、炉内への酸素吹込みにより燃焼用空気量（排ガス量）の減少を図り得て、燃焼ガスの炉内滞留時間が増大し、燃比を改善することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の参考例を示す表面溶融炉の概略の横断平面図である。
【図２】同表面溶融炉の概略の縦断正面図である。
【図３】本発明の実施の形態を示す表面溶融炉の概略の横断平面図である。
【図４】同表面溶融炉の概略の縦断側面図である。
【図５】従来の表面溶融炉を示す縦断側面図である。
【図６】同表面溶融炉の概略の横断平面図である。
【図７】同表面溶融炉の概略の縦断正面図である。
【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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