JP2002081634A

JP2002081634A - プラズマ式灰溶融炉及びその運転方法

Info

Publication number: JP2002081634A
Application number: JP2001000962A
Authority: JP
Inventors: Akira Noma; 野間　　彰; Yasuhiro Takatsudo; 康弘高津戸; Ichiro Yamashita; 一郎山下; Minoru Ike; 稔池; Tetsuo Sato; 鉄雄佐藤; Tatsuo Tazawa; 辰夫田澤; Keita Inoue; 敬太井上; Kentaro Saeki; 健太郎佐伯
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 2000-06-29
Filing date: 2001-01-09
Publication date: 2002-03-22
Anticipated expiration: 2021-01-09
Also published as: JP3771800B2

Abstract

(57)【要約】【課題】過電力や電力不足がないように、一定条件で
焼却灰を溶融することができるプラズマ式灰溶融炉を提
供すること。【解決手段】プラズマアーク式灰溶融炉１は、内壁１
１に囲まれた炉室６を設けている。灰溶融炉１には、炉
室６側に配設される主電極４、炉底壁５に配設される炉
底電極７及び直流電源８等を備えたプラズマ装置が設け
られている。主電極４は、溶融炉本体２の天井壁３を貫
通して垂下されて配設されるとともに、昇降装置１５に
支持されることにより炉室６内を上下動できるように構
成されている。溶融炉本体２には内壁１１を貫通する覗
き窓１６を設け、覗き窓１６の外側には、プラズマアー
クのアーク長を計測する赤外線カメラ１７を配設してい
る。この赤外線カメラ１７の映像を解析することにより
アーク長を一定にすることができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、ごみ等の焼却灰を
溶融処理してスラグ化した焼却灰を、資源化若しくは減
量化するプラズマ式の灰溶融炉において、灰炉本体を焼
却灰量に対応させて運転することができるプラズマ式灰
溶融炉及びその運転方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】灰溶融炉は、ごみ焼却灰の有効利用を図
るためのものであり、灰溶融炉により溶融した焼却灰
は、低沸点の揮散物や、金属類及びその他成分のスラグ
に分け、無害化するとともに、そのリサイクルを図って
いる。こうした焼却灰の溶融炉のニーズが増加してきて
いる。これらの灰溶融炉には、焼却灰の溶融のために重
油等を燃料にするバーナ式灰溶融炉や、電気抵抗式灰溶
融炉及びプラズマ式灰溶融炉等のように電気を熱源とし
て灰を溶融するものが知られている。

【０００３】図３は従来のプラズマアーク式灰溶融炉５
１を示し、灰溶融炉５１には、溶融炉本体５２に囲まれ
た炉室５６を設けている。灰溶融炉５１には、主電極５
４、炉底電極５７及び直流電源５８等を備えたプラズマ
装置が設けられ、主電極５４は、溶融炉本体５２の天井
壁５３を貫通して配設されるとともに、昇降装置６５に
支持されることにより炉室５６を上下動できるように構
成されている。主電極５４の下端部には、その先端と対
向する炉底壁５５に炉底電極５７を設置し、これらの電
極５４，５７間に、プラズマ発生用の直流電源５８を接
続している。溶融炉本体５２は、外壁を鉄皮６０で覆
い、内壁６１はレンガ等の耐火材で形成し、溶融炉本体
５２の周壁部には、溶融スラグ６３の排出口である出滓
口６８が配設され、出滓口６８には出滓樋６９に接続さ
れている。そして、出滓樋６９の先端部の下方には出滓
コンベア７０上に載置されているモールド７１が配設さ
れている。

【０００４】このような構成により、灰溶融炉５１の炉
室５６には、図示しない焼却灰の投入口から炉底壁上に
焼却灰が投入され、灰溶融炉５１の炉室５６を還元雰囲
気にした状態で、直流電源５８により電圧を電極５４，
５７間に印加する。すると、該電極５４，５７間にプラ
ズマアークが発生し、焼却灰は加熱されて溶融してスラ
グ６３となり、焼却灰中に含まれているメタル成分が溶
融して溶融メタル６４となり炉底に沈む。溶融スラグ６
３が炉底に溜まり出滓口６８の高さに達すると、スラグ
６３が出滓口６８から溢れでて出滓樋６９を通って、モ
ールド７１に供給され、スラグ６３は冷却処理される。
他方、溶融メタル６４は、溶融炉本体５１が傾倒式のも
のであれば、溶融炉本体を傾倒させて、出滓口から溶融
メタルを排出し、またマッドガン方式のものであれば、
溶融炉本体の炉壁に孔を開けて溶融メタルを炉外に排出
するようにしている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】灰溶融炉の運転中は、
プラズマ電極の主電極が消耗することから、その消耗量
だけ、昇降装置を用いて、主電極を下降する必要があ
る。しかし、炉室内のプラズマアークのアーク長を可視
カメラ等で計測しようとしても、炉内に浮遊する煤塵に
遮られプラズマアークのアーク長を運転中に把握するこ
とができない。したがって、経験値に基づいて電極消耗
量を判断することとなるが、これは個人差や精度に問題
があり、長時間連続運転してアーク長が長くなると、天
井耐火物の高温化やスラグへの入熱効率の低下が生じた
りする。反対に主電極がスラグ面より下に沈むと、液面
が低温となりスラグの出滓不良が生じる。

【０００６】灰溶融炉の炉室に投入される焼却灰の量が
異なるような場合は、それに応じてプラズマ電極の出力
を調整する必要があるが、処理物である焼却灰の性状変
化や供給装置の不具合などにより電力が過剰となったと
きは、高温運転となり炉室を形成する耐火材の寿命が低
下する。反対に、電力が不足したときは、低温運転とな
り、スラグが出滓口を閉塞して、灰溶融炉が運転不能に
なる。一方、溶融スラグよりも比重の大きい溶融メタル
は、溶融スラグ層の下に沈殿し、灰溶融炉の運転を長時
間継続すると溶融メタル層が厚くなり、溶融スラグ層の
割合が低くなる。スラグ層が薄くなると電源電圧が変動
し、運転に支障をもたらしたりするため、溶融メタルの
沈殿層が灰溶融炉の炉底に溜まった場合は、炉室外に排
出するようにしている。従来では、溶融メタルを炉室か
ら排出するときに、灰溶融炉を運転（プラズマアークを
点灯）しながら排出する場合は、主電極と炉底電極との
間の電圧値をほぼ一定にしながら、メタルの出湯を行っ
ていた。しかしながら、電圧値では変動幅が大きいこと
から、電圧値が上昇しているのか上昇していないかの判
断が困難であり、誤ってプラズマアークを切ってしまう
こともある。

【０００７】本発明はこのような事情に鑑みてなされた
もので、焼却灰を溶融してスラグ化するために、過電力
や電力不足がないように、一定条件すなわちプラズマ電
極を一定電圧（一定アーク長）で運転することにより、
各部温度を変えることなく該電圧を基準として溶融温度
が低ければプラズマ電極に電流を多く流すことによりス
ラグの溶融温度を高くし、溶融温度が高ければプラズマ
電極に電流を少なく流すことによりスラグの溶融温度を
低くすることができ、さらには灰溶融炉の底部に溜まる
溶融メタルを、灰溶融炉を運転しながら排出する場合
に、プラズマアークが消失することのないプラズマ式灰
溶融炉及びその運転方法を提供することを目的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明は、上記目的を達
成するために、焼却灰が投入される炉本体と、該炉本体
内に配設される主電極及び炉底電極とを備え、これら両
電極によるプラズマアークにより上記焼却灰を加熱して
スラグ化するプラズマ式灰溶融炉において、上記炉本体
の炉壁に赤外線を透過させる透過窓を設けるとともに、
該透過窓の近傍に赤外線カメラを設け、上記透過窓を介
して上記赤外線カメラの画像により上記主電極の先端部
のプラズマアークを解析するようにした。また、上記目
的を達成するために、焼却灰を炉本体の炉室内に投入
し、該焼却灰をプラズマアークにより加熱して溶融する
ことによりスラグを生成するプラズマ式灰溶融炉の運転
方法において、赤外線カメラの画像により上記プラズマ
アークを解析することにより主電極の下端部を求め、上
記アーク長の長さが一定値または所定範囲内になるよう
に上記プラズマアークの室内側に配設されている主電極
を上下動させるようにした。

【０００９】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態による
灰溶融炉の運転方法について図面を参照しながら説明す
る。図１は、本発明に係る傾動式のプラズマアーク式灰
溶融炉１を示し、この灰溶融炉１は内壁１１に囲まれた
炉室６を設け、内壁１１は耐熱レンガ等の耐熱材により
形成されている。また、灰溶融炉１には、炉室６側に配
設される主電極４、炉室６の炉底壁５に配設される炉底
電極７及び直流電源８等を備えたプラズマ装置が設けら
れている。主電極４は、溶融炉本体２の天井壁３を貫通
して垂下されて配設されるとともに、昇降装置１５に支
持されることにより炉室６内を上下動できるように構成
されている。主電極４は、金属または黒鉛製であり、内
部にプラズマ用ガスを発生させる通路を形成した円筒形
状のものを用いている。主電極４の下端部には、その先
端と対向する炉底壁５に炉底電極７を設置し、これらの
電極４，７間に、プラズマ発生用の直流電源８を接続し
ている。直流電源８は、炉底電極７側に＋を接続し、主
電極４側に−を接続している。

【００１０】溶融炉本体２の壁部には覗き窓１２が設け
られ、覗き窓１２の近傍には、可視カメラ１３が配設さ
れ、内壁１１には該内壁１１の高さ位置を計測するため
の目盛りが表示されている。可視カメラ１３は目盛りを
視ることによりスラグの液面高さを計測することができ
る。図２は、図１の溶融炉本体２を別角度から見た断面
図である。図２に示すように、溶融炉本体２には内壁１
１及び鉄皮１０を貫通する覗き窓１６を設け、覗き窓１
６の外側には、赤外線カメラ１７を配設している。赤外
線カメラ１７の波長は、３μｍ以上のものが使用できる
が、８μｍ以上のものが好ましい。この赤外線カメラ１
７は、主電極４の先端部に向けて配設され、覗き窓１６
を介してプラズマアークのアーク長をモニター等を介し
て観察することができる。

【００１１】溶融炉本体２の炉底５の一端には、油圧シ
リンダ２５が設置され、シリンダ２５の伸縮ロッド２６
の先端部が炉底５に枢支されている。また、このシリン
ダ２５の取付部に対向して炉底５の他端側には、溶融炉
本体２を傾動させるための中心軸となる回転軸２７が設
けられている。溶融炉本体２は、油圧シリンダ２５の伸
縮ロッド２６を伸ばすことにより、溶融炉本体２の一端
側を持ち上げることにより、他端側の出滓口１９側を低
くすることができる。溶融炉本体２の内壁１１の周りに
は、図示しない冷却ジャケットを配設し、溶融炉本体２
の下壁部には、溶融スラグ２３の排出口である出滓口１
８が配設され、出滓口１８には、出滓樋１９が接続され
ている。この出滓口１８及び出滓樋１９は、耐火材で形
成されている。出滓樋１９の先端部の直下には出滓コン
ベア２１上に載置されているモールド２２を配設してい
る。モールド２２は、出滓樋１９から流下する溶融スラ
グ２３を回収する。なお、この灰溶融炉１には、その
他、図示されていない灰投入用のホッパー等の装備や、
プラズマ等を制御する制御装置等が多数配設されている
が、それらの詳細な説明は省略する。

【００１２】次に、本発明の実施の形態の作用について
説明する。図１に示すように、灰溶融炉１の炉室６に
は、焼却灰の図示しない投入口から炉底壁上に焼却灰が
投入され、灰溶融炉１の炉室６を還元雰囲気にした状態
で、直流電源８により電圧を電極４，７間に印加する。
すると、該電極４，７間にプラズマアークが発生し、炉
室６内が１０００℃以上の雰囲気となり、焼却灰が溶融
する。焼却灰は溶融してスラグ２３となり、焼却灰中に
含まれているメタル成分が溶融して溶融メタル２４とな
り炉底に沈む。その上澄みの溶融スラグ２３が炉底に溜
まり出滓口１８の高さに達すると、スラグ２３が出滓口
１８から溢れでて出滓樋１９を通って、出滓コンベア２
１に配設されている回収容器であるモールド２２に供給
され、スラグ２３は空冷処理される。

【００１３】この灰溶融炉１の運転中では、図２に示す
赤外線カメラ１７が、プラズマ電極の主電極４の先端部
を撮影している。赤外線カメラ１７はプラズマアークの
形状を撮影するものであり、プラズマアークの形状をモ
ニターで視ることができる。よって、赤外線カメラ１７
が撮影した映像をモニターが写し出し、そのアーク形状
を画像解析して、アーク長を導き出す。そして、焼却灰
の溶融中は、主電極４を昇降装置により上下動させるこ
とにより、常時アーク長の長さを一定長さに維持するよ
うにして主電極４の位置（スラグ面上の高さ）、及びこ
れにより各部温度を一定にする。これは、制御装置等に
より自動化してもよいし、手動でプラズマ装置の制御部
により作業者が手動で行ってもよい。このように、主電
極４のスラグ面上の高さを一定にすることにより、プラ
ズマアークのアーク長を一定の長さに維持することがで
きる。

【００１４】なお、スラグ２３が出滓口１８から排出さ
れるようになった場合は、スラグ２３の液面高さが出滓
口１８の高さとなるのでスラグ２３の液面高さが分か
り、また、主電極４の下端部の高さは赤外線カメラ１７
で視ることができ、赤外線カメラ１７の取付角度と主電
極４の位置を割り出すことにより、プラズマアークの形
状を解析しなくとも正確にアーク長を求めることができ
る。図１に示す、可視カメラ１３は、溶融スラグ２３の
内壁１１に表示した目盛りを視ることができるので、ス
ラグ２３の液面高さを計測することができる。よって、
上記のように主電極４の下端部の高さを赤外線カメラ１
７で計測することができ、この方法でも、プラズマアー
クを解析することなく、アーク長を求めることができ
る。

【００１５】このように、主電極４とスラグ２３面の距
離、すなわちプラズマアークのアーク長を一定にするこ
とにより、炉内温度分布を一定にすることができ、スラ
グ２３の溶融温度が設定値よりも低いと判断すれば、溶
融スラグ２３の温度を上昇させて、制御装置等を介して
プラズマ電極４，７の電流量を大きくしてプラズマ電極
４，７の発熱量を増加し、焼却灰若しくは溶融スラグ２
３を加熱することができる。また、スラグ２３の溶融温
度が設定値よりも高いと判断すれば、制御装置等を介し
てプラズマ電極の電流量を減らすことにより発熱量を減
少し、溶融スラグ２３の溶融温度を下げることができ
る。

【００１６】溶融炉本体２に溶融メタル２４が溜まって
きたような場合に、本実施の形態では、上述したように
溶融炉本体２自身を傾動させて溶融メタル２４を炉室６
外に排出する。すなわち、図３に示すように、シリンダ
２５のロッド２６を上方に伸ばすことにより、溶融炉本
体２のシリンダ２５側の位置を高くし、反対に出滓口１
８の位置を低くすることにより、溶融メタル２４を炉室
６外に排出する。この際、溶融炉本体２から溶融メタル
２４を排出すると、溶融炉本体２が傾動するにしたがっ
て、溶融メタル２４が排出され主電極４の下端部と溶融
スラグ２３の表面の距離が大きくなり、プラズマアーク
の長さが長くなってプラズマアークが消失するおそれが
ある。本実施の形態では、図２に示す赤外線カメラ１７
によって、プラズマアークのアーク長を観察しているこ
とから、溶融炉本体２の傾動量が大きくなるにしたがっ
て、主電極４を下降させて主電極４の下端部と溶融スラ
グ２３面の距離を一定に維持することができる。

【００１７】溶融メタル２４の排出作業が終了した場合
は、溶融炉本体２を通常の直立状態に戻す。すなわち、
シリンダ２５のロッド２６を縮めることにより、溶融炉
本体２のシリンダ２５側の位置を低くし、出滓口１８の
高さをもとに戻す。この際、溶融炉本体２が直立状態に
近づくにしたがって、主電極４の下端部と溶融スラグ２
３の表面の距離が変動するが、赤外線カメラ１７によっ
て、プラズマアークのアーク長を観察していることか
ら、溶融炉本体２の傾倒量が小さくなるにしたがって、
主電極４の高さを調整し、主電極４の下端部と溶融スラ
グ２３面の距離を一定に維持することができる。よっ
て、プラズマアークの消失を防止することができる。

【００１８】以上説明したように、本実施の形態では、
赤外線カメラ１７によりプラズマアークのアーク長を計
測して、主電極４の位置、及びこれにより各部温度を一
定にすることができる。そして、その状態からスラグ温
度に変化があればプラズマ電極４，７の電流値を変動さ
せることにより、焼却灰の加熱の増減を炉室６の状態に
応じて適温に行うことができる。これにより、炉室６内
の溶融スラグ２３の温度を必要以上に高くすることがな
く、内壁１１の耐火材の寿命を長くすることができると
ともに無駄な電力を防止することができる。また、溶融
メタル２４の排出時にプラズマアークを着火させたま
ま、溶融メタル２４を排出することができ、プラズマア
ークの再着火の手間を省略することができる。

【００１９】以上、本発明の実施の形態について説明し
たが、勿論、本発明はこれに限定されることなく本発明
の技術的思想に基いて種々の変形が可能である。例え
ば、本実施の形態では、溶融メタル２４の排出を溶融炉
本体２を傾倒させることによって、溶融メタル２４を排
出していたが、炉壁に排出口を穿設して溶融メタル２４
を排出するマッドガン方式による場合も、赤外線カメラ
１７を用いて、プラズマアークのアーク長を観察し、溶
融メタル２４の排出量に応じて主電極４を下降させるこ
とができる。また、本願発明は交流アーク炉やツイント
ーチにも適用が可能である。

【００２０】

【発明の効果】以上述べたように本発明によれば、赤外
線カメラを介して、プラズマアークのアーク長を解析し
ているので、一定長さのアーク長にすることにより、炉
内の各部温度を一定に維持することができる。これによ
り、アーク長の変動がないので、炉室内の溶融スラグの
温度を必要以上に高くすることがなく、内壁の耐火材の
寿命を長くするとともに無駄な電力を防止し、反対に溶
融スラグの温度が低く出滓口を閉塞することもなくな
る。また、赤外線カメラを用いてアーク長を観察してい
るので、溶融メタルの排出時において、主電極の下端部
と溶融スラグ面の距離を一定に維持することができ、プ
ラズマアークの消失を防止することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のプラズマアーク式灰溶融炉の出滓口の
断面を通る概略断面図である。

【図２】図１の灰溶融炉を別の角度から見た概略断面図
である。

【図３】図１のプラズマアーク式灰溶融炉の傾倒させた
状態を示す概略断面図である。

【図４】従来のプラズマアーク式灰溶融炉の出滓口の断
面を通る概略断面図である。

【符号の説明】

１プラズマアーク式灰溶融炉２溶融炉本体３天井壁４主電極５炉底壁６炉室７炉底電極８直流電源１０鉄皮１１内壁１２，１６覗き窓１３可視カメラ１５昇降装置１７赤外線カメラ１８出滓口１９出滓樋２１出滓コンベア２２モールド２３溶融スラグ２４メタル２５シリンダ２６ロッド２７回転軸

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号ＦＩテーマコート゛(参考）Ｆ２７Ｄ 19/00 Ｆ２７Ｄ 21/00 Ｚ 21/00 Ｈ０５Ｈ 1/32 Ｈ０５Ｈ 1/32 Ｇ２１Ｆ 9/30 ５５１Ｋ // Ｇ２１Ｆ 9/30 ５５１Ｂ０９Ｂ 3/00 ３０３Ｌ (72)発明者山下一郎神奈川県横浜市金沢区幸浦一丁目８番地１三菱重工業株式会社横浜研究所内 (72)発明者池稔神奈川県横浜市中区錦町12番地三菱重工業株式会社横浜製作所内 (72)発明者佐藤鉄雄神奈川県横浜市中区錦町12番地三菱重工業株式会社横浜製作所内 (72)発明者田澤辰夫神奈川県横浜市中区錦町12番地三菱重工業株式会社横浜製作所内 (72)発明者井上敬太神奈川県横浜市中区錦町12番地三菱重工業株式会社横浜製作所内 (72)発明者佐伯健太郎神奈川県横浜市金沢区幸浦一丁目８番地１三菱重工業株式会社横浜研究所内Ｆターム(参考） 3K061 NB02 NB30 4D004 AA36 BA05 CA29 CA43 CB04 CB31 DA01 DA02 DA20 4K045 AA04 BA10 DA02 RB02 4K056 AA05 BB08 FA04 FA11 FA24 4K063 AA04 AA12 BA13 CA01 CA06 FA56

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】焼却灰が投入される炉本体と、該炉本体
内に配設される電極とを備え、該電極によるプラズマア
ークにより上記焼却灰を加熱してスラグ化するプラズマ
式灰溶融炉において、上記炉本体の炉壁に赤外線を透過
させる透過窓を設けるとともに、該透過窓の近傍に赤外
線カメラを設け、上記透過窓を介して上記赤外線カメラ
の画像により上記電極の先端部のプラズマアークを解析
するようにしたことを特徴とするプラズマ式灰溶融炉。
【請求項２】上記赤外線カメラの波長が３μｍ以上で
あることを特徴とする請求項１に記載のプラズマ式灰溶
融炉。
【請求項３】焼却灰を炉本体の炉室内に投入し、該焼
却灰をプラズマアークにより加熱して溶融することによ
りスラグを生成するプラズマ式灰溶融炉の運転方法にお
いて、赤外線カメラの画像により上記プラズマアークを
解析することにより主電極の下端部を求め、上記アーク
の長さが一定値または所定範囲内になるように上記プラ
ズマアークの室内側に配設されている電極を上下動させ
るようにしたプラズマ式灰溶融炉の運転方法。
【請求項４】上記炉室内を監視することができる可視
カメラの画像により、上記炉室の炉壁に設けた目盛りま
たは耐火レンガの位置により上記スラグ面の高さを求
め、上記プラズマアークのアーク長を求めたことを特徴
とする請求項３に記載のプラズマ式灰溶融炉の運転方
法。
【請求項５】上記焼却灰に含まれるメタル成分が溶融
した溶融メタルを炉室外に排出する際に、赤外線カメラ
により上記プラズマアークのアーク長を求め、上記主電
極の下端部から溶融スラグ面までの長さを一定値または
所定範囲内に調整するようにしたことを特徴とする請求
項３に記載のプラズマ式灰溶融炉の運転方法。