JP2005164097A

JP2005164097A - 溶融炉装置

Info

Publication number: JP2005164097A
Application number: JP2003402024A
Authority: JP
Inventors: Soichi Arakawa; 宗一荒川; Satoshi Ijima; 訓居島
Original assignee: OGIHARA KK; Fuji Heavy Industries Ltd
Current assignee: OGIHARA KK; Subaru Corp
Priority date: 2003-12-01
Filing date: 2003-12-01
Publication date: 2005-06-23

Abstract

【課題】排出路に付着する溶融スラグ及び排ガス路に付着するダストを容易に除去する。
【解決手段】溶融炉装置１は、回転炉３の一端側に火炎バーナ２５を備え、回転炉３の他端側に灰を投入する投入口１１を備え、他端側に排ガスを二次燃焼炉６１に導く排ガス路５９を接続し、排ガス路５９に開閉自在の開閉弁６３を備える。一端側に回転炉３内からの戻り排ガス及び溶融スラグを排出する排出路５１を備え、排出路５１に排ガスを排ガス路５９から二次燃焼炉６１へ導く第２排ガス路６７を接続する。運転中は開閉弁６３を閉塞するため排ガスが一端側から排出路５１、第２排ガス路６７に導かれる。排出路５１内は回転炉３内とほぼ同じ温度となり、溶融スラグが排出路５１に付着しても排ガスで溶ける。火炎バーナ２５の燃焼温度を低下して開閉弁６３を開放すると、排ガスが抵抗の少ない排ガス路５９に導かれ第２排ガス路６７のダクト内の清掃が行われダストを容易に除去できる。
【選択図】図１

Description

この発明は、都市ごみの焼却灰などを溶融して無害のスラグにする溶融炉装置に関し、より詳しくは、回転炉からの溶融スラグを排出する排出路に付着するスラグ、また排ガスを排出する排ガス路に付着するダストを容易に除去すること、あるいは二次燃焼炉の排ガス路に連通した熱交換器の冷却効果を向上する溶融炉装置に関する。

従来、家庭ゴミ、産業廃棄物などのゴミ処理は処分場の点で大きな社会問題となっているが、その焼却した際に残る焼却灰の処分についても同様の問題が生じる。この出願者等は、灰溶融処理方法を従来の技術として開発している。これは、ゆっくり回転する横型回転炉を用い炉内に投入された焼却灰を酸素バーナの燃焼により溶融し、排出ガスを消石灰装置等を経て無害化して大気に放出すると共に、溶融スラグを排出口より外部に流下させ無害の水砕スラグとして運搬処理するものである（例えば、特許文献１参照）。
特許第３１１５８３８号公報

ところで、従来においては、横型回転炉内の溶融スラグが排出口より外部に流下して落下するときに冷却して下方の側壁にスラグが付着し、このスラグは大きく成長する。そこで、補助バーナを使用して前記付着スラグを溶融して除去しなければならず、手間がかかるという問題点があった。

また、従来の酸素バーナは灯油と高濃度酸素が供給されて燃焼する。高濃度酸素が供給されると温度が上昇するが、この高濃度酸素だけでは燃焼温度をコントロールすることができないという問題点があった。

また、横型回転炉からの排出ガス内には沸点の軽い水銀や鉛などの物質が含まれており、これらの物質は排出ガスを排出する排ガス路の内壁にダストとなって付着して排ガス路を閉塞してしまうので、排ガス路の内部をときどき清掃する必要がある。そのためには、横型回転炉の運転を停止して横型回転炉を冷却してから前記ダストを除去するので、多くの労力がかかるという問題点があった。しかも、横型回転炉は煉瓦でできているので、徐々に冷やさないと割れてしまうために長時間を要するものであり、その逆に、横型回転炉の温度を上昇させるときにも同様の理由で徐々に上げる必要があり、ダスト除去清掃の前後にそれぞれ２４〜３０時間を要する。したがって、灰溶融処理能力が低下するという問題点があった。

また、従来の熱交換器では排出ガスを水で冷却するので、排ガス内の湿度が増えるために熱交換器の内壁にダストが付き易く、また排ガス量も増大するという問題点があった。

この発明は上述の課題を解決するためになされたものである。

この発明の溶融炉装置は、回転炉の一端側に火炎バーナを備え、前記回転炉の他端側に灰を投入する投入口を備えてなる溶融炉装置において、
前記他端側に排ガスを二次燃焼炉に導く排ガス路を接続して設けると共に、この排ガス路を開閉自在の開閉弁を備え、
前記一端側に前記回転炉内からの戻り排ガス及び溶融スラグを排出する排出路を備え、この排出路に排ガスを前記排ガス路から二次燃焼炉へ導く第２の排ガス路を接続してなることを特徴とするものである。

この発明の溶融炉装置は、前記溶融炉装置において、前記火炎バーナは、燃焼ガスを生成するための燃料、圧縮空気、酸素、燃焼用空気、並びにバーナ本体を冷却する冷却水、からなる５流体バーナであることが好ましい。

この発明の溶融炉装置は、回転炉の一端側に火炎バーナを備え、前記回転炉の他端側に灰を投入する投入口を備えてなる溶融炉装置において、
前記他端側に排ガスを二次燃焼炉に導く排ガス路を接続して設けると共に、この排ガス路を開閉自在の開閉弁を備え、
前記一端側に前記回転炉内からの戻り排ガス及び溶融スラグを排出する排出路を備え、この排出路に排ガスを前記二次燃焼炉へ導く第２の排ガス路を接続し、
前記二次燃焼炉の排ガス路に接続した第１の熱交換器に第２の熱交換器を接続して備え、前記第２の熱交換器内の排ガス中に空気と水との混合体を噴射して排ガスを冷却する構成であることを特徴とするものである。

この発明の溶融炉装置は、前記溶融炉装置において、前記空気と水との混合体は、バグフィルタの入口温度を適正に保持すべく制御される構成であることが好ましい。

この発明の溶融炉装置は、前記溶融炉装置において、前記第１及び第２の熱交換器は、外部からの冷却流体を通過せしめるダスト付着防止を吟味した輻射型構造の２重筒（内筒および外筒式）を当該熱交換器の内部に備えた構成であることが好ましい。

以上のごとき課題を解決するための手段から理解されるように、この発明によれば、通常の運転中は排ガス路に設けた開閉弁が閉塞することにより、回転炉の高温の戻り排ガスが一端側から排出路を経て第２の排ガス路に導かれるので、溶融スラグの出湯の内壁にスラグが付くことを防止する。また、高温の戻り排ガスにより排出路内は回転炉内とほぼ同じ温度に維持されるので、溶融スラグが排出路を落下する際に、排出路の側壁に溶融スラグが付着しないか、たとえ付着しても高温の排ガスが通過するので前記スラグは溶けて落下する。したがって、出湯の内壁及び排出路のスラグ付着の発生を簡単な機構で防止できる。

また、排ガス路の内壁に付着するダストを除去する際は、火炎バーナの燃料を絞ることによって燃焼温度を低下させた後に、開閉弁を開放することにより、排ガス路の流れを変えることにより、ダスト付着の清掃が容易に行われてダストを容易に除去できる。したがって、簡単な機構により、回転炉の運転を停止することなく排ガス路のダストを除去できるので、回転炉の連続運転性を高め、灰溶融処理能力を大いに向上できる。

また、酸素バーナが、燃料、圧縮空気、酸素、燃焼用空気、冷却水の５流体が供給される構成であるので、高密度の熱エネルギーが得られるように適切な温度に制御可能となり、その結果、含水率に変動のある焼却灰と焼却飛灰との混合物に対して安定した溶融処理ができる。これに伴って、より一層、排ガス量を少なくでき、排ガス処理設備を小型化でき、且つ熱効率を高くできる。また、回転炉の回転に伴う炉内蓄熱の均質化及び撹拌作用により、溶出基準を満たす再利用可能な溶融スラグを生成できる。高温燃焼によりダイオキシン類の分解ができ、その発生を制御できる。

また、第２の熱交換器内の排ガス中に空気と水の混合体が霧状に噴射されるので、少ない水量で効率の良い排ガスの冷却効果を得ることができる。しかも、上記の混合体の量が多くなると排ガス量が増加し、混合体の量が少ないと冷却効果が低下するが、バグフィルタの入口温度が適正に保持されるように混合体の量が制御されるので、排ガス量を低め且つ効率の高い冷却効果を得ることができる。

また、第１の熱交換器の内部の排ガスは、従来のように水で冷却されないために排ガス内の湿度が増加しない。第２の熱交換器も構造は第１の熱交換器と同様であり内壁に付着するダストを少なくでき、排ガス量も大幅に減少させることができる。

以下、この発明の実施の形態について図面を参照して説明する。

図１及び図２を参照するに、図１ではこの実施の形態に係る溶融炉装置１による処理フローが示されており、この溶融炉装置１は、大凡、外径２ｍ、内径１ｍ、全長４ｍの円筒形状の横型回転炉３が備えられている。この横型回転炉３は２個の環状凸部５で基台７に取付けられている支持部９にて支持され、例えば３分間に１回転するように構成されている。さらに、図１において左側は外内径が共に若干小径となっている原料投入用の投入口としての例えば開口部１１が備えられ、この開口部１１は左フード１３で覆われている。また、中央部は大径の内部空洞部１５が形成されており、図１において右側は内径のみ小径の開口部１７となっていて右フード１９で覆われている。

また、上記の横型回転炉３は、基台７に取付けられている両フード１３，１９に対して小さな隙間にシール部材を設けて大気との連通を回避しつつ回転できるように構成されている。

左フード１３を貫通する原料投入機２１は、焼却灰、飛灰、破砕残査などの溶融すべき原料（主として灰）を混合してホッパ２３に受け入れ、上記の開口部１１を経て内部空洞部１５に投入する。

右フード１９を貫通する火炎バーナとしての例えば酸素バーナ２５は、燃料としての例えば灯油２７、液化酸素２９などの供給による燃焼（１次燃焼）にて内部を１３５０〜１４００°Ｃの高温に保ち、内部空洞部１５内の原料を溶融する。

図３を併せて参照するに、上記の酸素バーナ２５について詳しく説明すると、酸素バーナ２５には、燃料である灯油２７、液化酸素タンクから供給される高濃度酸素２９、圧縮空気３１、燃焼用空気３３が燃料供給ユニット３５により制御されて供給される。酸素バーナ２５では灯油２７が圧縮空気３１と混合されて霧化されてから高濃度酸素２９で燃焼される。さらに、燃焼用空気３３が混入することにより、燃焼熱量が制御されて所要の熱エネルギーが横型回転炉３に供給される。

なお、上記の燃焼用空気３３としては、図１に示されているように、詳しくは後述する輻射型熱交換器である第１熱交換器３７及び第２熱交換器３９のうちの特に第１熱交換器３７を冷却するために送風されて熱交換された熱風の一部が利用されて供給されている。

また、酸素バーナ２５のバーナ本体４１は冷却水４３で冷却される構成である。例えば、バーナ本体４１の中間壁の外側に冷却室４５が設けられ、この冷却室４５内に冷却水４３が一方側から給水されると共に他方側から排水されてバーナ本体４１を冷却する構成である。

以上のように、この実施の形態の酸素バーナ２５は、灯油２７、圧縮空気３１、酸素２９（高濃度酸素）、燃焼用空気３３、冷却水４３の５流体が供給される構成である。つまり、燃焼条件としては、灯油２７の供給量と、この灯油供給量に対する酸素量（高濃度酸素２９）が主要な要素となり、高濃度酸素２９を供給すると温度が上昇するが、この高濃度酸素２９だけでは温度をコントロールすることができない。さらに適正量の１次空気（燃焼用空気３３）が送入されることにより燃焼ガスの熱容量が増大し、逆に１次空気３３が絞られると温度を下げることが可能となる。したがって、右フード１９（排気フード）内を適切な温度に容易に制御して保つことができるので溶融スラグの出滓を円滑にできる。

また、横型回転炉３を回転させることにより、図２に示されているように、酸素バーナ２５からの火炎と横型回転炉３内に蓄績された高温の輻射熱が溶融対象物である原料に供給され、さらに、横型回転炉３の回転による撹拌作用を利用して原料が溶融する。この溶融物は流動ストーカーとして機能する炉内壁回転面を移動する際、有害気体と無害スラグ体とに分離される。

溶融した無害スラグ体は、図２に示されているように開口部１７の周壁４７の一部に切欠いて設けたスラグ排出口４９より溶融スラグを排出する排出路としての例えば下方延長部５１（右フード１９の下部）を経てスラグ水槽５３の水面下に落下し、水砕スラグコンベア５５で運搬され適宜処理される。このスラグの原料に対する減容率は１／２〜１／３である。

ここで、上記の酸素バーナ２５を備えた横型回転炉３による作用、効果をまとめると、適切な温度に制御可能な酸素バーナ２５の燃焼により高密度の熱エネルギーが得られるので、含水率に変動のある焼却灰と焼却飛灰との混合物に対して安定した溶融処理が可能である。また、横型回転炉３の回転に伴う炉内蓄熱の均質化及び撹拌作用により、溶出基準を満たす再利用可能な溶融スラグが生成できる。さらに、高温燃焼によるダイオキシン類の分解により、その発生を制御できる。また、上記の酸素バーナ２５による燃焼によって、より一層、排ガス量を少なくでき、排ガス処理設備を小型化でき、且つ熱効率を高くできる。

また、この実施の形態の特徴の一つとしては、左フード１３の上部が第１排気出口５７から排ガス路としての例えば第１排ガスダクト５９を経て二次燃焼炉６１に連通されており、第１排気出口５７の直上付近の第１排ガスダクト５９を開閉する開閉弁としての例えばダンパ６３が設けられている。また、右フード１９の下部の下方延長部５１の途中には、第２排気出口６５から第２の排ガス路としての例えば第２排ガスダクト６７を経て上記のダンパ６３より上方の位置で第１排ガスダクト５９に連通されている。なお、横型回転炉３による通常の溶融工程中は前記ダンパ６３が閉塞されている。

上記構成により、上記のダンパ６３が閉塞されているので、酸素バーナ２５の燃焼により発生した横型回転炉３内の有害ガスを含む排ガスは、図１及び図２において右側に、つまり図２の点線の矢印で示されているように酸素バーナ２５の側に戻るようにして開口部１７から右フード１９の下方延長部５１を経て第２排気出口６５から第２排ガスダクト６７及び第１排ガスダクト５９を経て二次燃焼炉６１に至り、第１熱交換器３７、第２熱交換器３９、バグフィルタ６９、触媒７１など酸化還元による無害化装置を経て吸引ファン７３により吸引され、排気筒７５（煙突）から大気に放出される。

このとき、ダンパ６３が閉塞されているので、横型回転炉３からの１３５０〜１４００°Ｃの高温の戻り排ガスが、開口部１７及び右フード１９を通過することから、溶融スラグの出湯のスラグ排出口４９の内壁にスラグが付くことを防止できる。また、高温の戻り排ガスによって右フード１９の内壁がほぼ同じ温度に維持されるので、溶融スラグの出湯が下方延長部５１内を落下する際でも冷却の度合が抑えられて下方延長部５１の側壁にスラグが付着しないか、たとえ下方延長部５１の側壁にスラグが付着しても、高温の戻り排ガスが下方延長部５１を通過することにより、前記スラグは溶けて下方へ落下する。結果として、従来に生じていた下方延長部５１内のスラグ付着の発生を簡単な機構で防止できることとなる。

また、排ガス内には沸点の軽い水銀や鉛などの物質が含まれているために、この物質が第２排ガスダクト６７の内壁にダストが付着したり、溶融飛灰が第２排ガスダクト６７に堆積して圧力損失が増大して運転性能が抵下する。また、湿灰と焼却飛灰との混合灰が固化現象により第２排ガスダクト６７がダストで閉塞してしまう。これを防ぐために上記のダストを除去するための清掃作業をときどき行う必要がある。

そこで、ダスト除去清掃作業を行うために、酸素バーナ２５の燃料を絞ることによって１０００°Ｃ前後に低下させた後に、上記のダンパ６３を開放させると、１０００°Ｃ前後の排ガスが抵抗の少ない第１排ガスダクト５９を通過する。以上のように簡単な機構により、横型回転炉３の運転を停止することなく第２排ガスダクト６７のダストを除去できるので、横型回転炉３の連続運転性が向上して焼却灰の溶融処理能力が大いに向上する。

ちなみに、従来では第２排ガスダクト６７の内部の溶融飛灰掻き取り及び除去作業をときどき行うために横型回転炉３の運転を停止している。横型回転炉３を停止するには、横型回転炉３が煉瓦で構成されているために約３０時間ほどの時間をかけて徐々に温度を下げないと煉瓦が割れてしまうことになる。また、清掃後に横型回転炉３の運転を開始するには、同様の理由で１４００°Ｃの温度に到達するまで２４時間ほどの時間を要するものであった。したがって、この間は溶融処理を行うことができなかった。

再び図１を参照して、この実施の形態の溶融炉装置１による通常の溶融処理運転について説明する。上記の二次燃焼炉６１に送られた排ガスは、二次燃焼炉６１の上部に備えた灯油バーナ７７により二次燃焼炉６１内で８００〜８８０°Ｃの温度にて二次燃焼される。この二次燃焼された排ガスは二次燃焼炉６１から排ガス路７９を経て輻射型熱交換器である第１熱交換器３７及び第２熱交換器３９にて冷却される。

上記の第１熱交換器３７の周囲は冷却室８１で覆われており、この冷却室８１に燃焼空気ファン８３から冷却流体としての例えば空気が供給されて第１熱交換器３７の外壁が冷却される。さらに、第１熱交換器３７の内部には前記冷却室８１に連通して空気が通過する内筒と外筒とからなる２重構造の２重筒（ダスト付着防止を吟味した輻射型構造）が備えられており、排ガスが第１熱交換器３７の内部を通過する際に前記２重筒で効率よく熱交換される構成である。また、前記冷却室８１及び２重筒で温度上昇した熱風は、その一部が燃焼用空気管路８５を経て前述した燃料供給ユニット３５へ送られて燃焼用空気３３として利用され、残りの熱風は排気筒７５から大気中へ排出される。

また、上記の第２熱交換器３９は、第１熱交換器３７とほぼ同様の構成であり、第２熱交換器３９の周囲も冷却室８７で覆われており、この冷却室８７に冷却空気ファン８９から冷却流体としての例えば空気が供給されて第２熱交換器３９の外壁が冷却される。さらに、第２熱交換器３９の内部には前記冷却室８７に連通して空気が通過する２重筒が備えられており、排ガスが第２熱交換器３９の内部を通過する際に前記２重筒で効率よく熱交換される構成である。また、前記冷却室８７及び２重筒で温度上昇した温風は管路９１を経て大気中へ排出される。

さらに、第２熱交換器３９では空気と水との混合体９３が第２熱交換器３９の上部に備えた噴射ノズル９５から内部に噴射される構成である。例えば、第２熱交換器３９の排ガスをバグフィルタ６９へ送る排ガス路９７にはバグフィルタ６９の入口側に排ガス路９７内の排ガス温度を検出する温度センサ９９が備えられ、この温度センサ９９で検出された検出信号が制御装置としての例えばコントローラ１０１に送られる。このコントローラ１０１では温度センサ９９による温度が例えば２００〜２１０°Ｃとなるようにコントローラ１０１に備えたダイヤフラムで前記空気と水の混合体９３を適正な量に制御して供給する構成である。

上記構成により、第１熱交換器３７及び第２熱交換器３９は２重筒内を通過する空気によって排ガスを冷却しており、従来のように水で冷却していないので、排ガス内の湿度が大幅に増加することはない。その結果、従来に比較して第１熱交換器３７及び第２熱交換器３９の内壁や２重筒の周囲に付着するダストが少ないものであり、排ガス量も大幅に減少することとなる。

ちなみに、従来のように熱交換器内の排ガスが水で冷却されると排ガス内の湿度が増えるために熱交換器の内壁にダストが付き易く、また排ガス量も増大するので、冷却空気の送風量も多くしなければならないため、大型設備を要するものであった。

さらに、上記の２重筒による冷却に加えて、第２熱交換器３９では空気と水の混合体９３が霧状に噴射されているので、少ない水量で効率よく排ガスの冷却効果が得られる。なお、上記の混合体９３の量が多くなると排ガス量が増加することになり、混合体９３の量が少ないと冷却効果が低下することになるが、この実施の形態では混合体９３の量がコントローラ１０１により制御されて適正に保持されることになり、排ガス量を低めて効率の高い冷却効果が得られる。

なお、第１熱交換器３７では排ガスの温度が４３０〜５３０°Ｃ程度に冷却され、第２熱交換器３９では排ガスの温度が２３０〜２７０°Ｃ程度に冷却される。

以上のことから、この実施の形態では排ガスは触媒７１を通過するときに例えばダイオキシンが０．０１ｐｐｍとなり、排気筒７５（煙突）では排ガス温度が１６０〜１８０°Ｃほどの無害ガスとなって大気に放出される。

なお、この発明は前述した実施の形態に限定されることなく、適宜な変更を行うことによりその他の態様で実施し得るものである。

この発明の実施の形態の溶融炉装置を用いて焼却灰などの原料を溶融し無害化する処理フローを示すシステム図である。図１の横型回転炉付近を拡大した概略的な説明断面図である。この発明の実施の形態の酸素バーナの拡大断面図である。

符号の説明

１溶融炉装置
３横型回転炉
７基台
９支持部
１１開口部（投入口）
１３左フード
１７開口部
１９右フード
２１原料投入機
２５酸素バーナ（火炎バーナ）
２７灯油（燃料）
２９酸素（高濃度酸素）
３１圧縮空気
３３燃焼用空気（一次空気）
３５燃料供給ユニット
３７第１熱交換器
３９第２熱交換器
４３冷却水
４５冷却室
４９スラグ排出口
５１下方延長部（排出路）
５７第１排気出口
５９第１排ガスダクト（排ガス路）
６１二次燃焼炉
６３ダンパ（開閉弁）
６５第２排気出口
６７第２排ガスダクト（第２の排ガス路）
６９バグフィルタ
７５排気筒（煙突）
７７灯油バーナ
８１冷却室
８３燃焼空気ファン
８５燃焼用空気管路
８７冷却室
８９冷却空気ファン
９１管路
９３混合体
９５噴射ノズル
９７排ガス路
９９温度センサ
１０１コントローラ（制御装置）

Claims

回転炉の一端側に火炎バーナを備え、前記回転炉の他端側に灰を投入する投入口を備えてなる溶融炉装置において、
前記他端側に排ガスを二次燃焼炉に導く排ガス路を接続して設けると共に、この排ガス路を開閉自在の開閉弁を備え、
前記一端側に前記回転炉内からの戻り排ガス及び溶融スラグを排出する排出路を備え、この排出路に排ガスを前記排ガス路から二次燃焼炉へ導く第２の排ガス路を接続してなることを特徴とする溶融炉装置。
前記火炎バーナは、燃焼ガスを生成するための燃料、圧縮空気、酸素、燃焼用空気、並びにバーナ本体を冷却する冷却水、からなる５流体バーナであることを特徴とする請求項１記載の溶融炉装置。
回転炉の一端側に火炎バーナを備え、前記回転炉の他端側に灰を投入する投入口を備えてなる溶融炉装置において、
前記他端側に排ガスを二次燃焼炉に導く排ガス路を接続して設けると共に、この排ガス路を開閉自在の開閉弁を備え、
前記一端側に前記回転炉内からの戻り排ガス及び溶融スラグを排出する排出路を備え、この排出路に排ガスを前記二次燃焼炉へ導く第２の排ガス路を接続し、
前記二次燃焼炉の排ガス路に接続した第１の熱交換器に第２の熱交換器を接続して備え、前記第２の熱交換器内の排ガス中に空気と水との混合体を噴射して排ガスを冷却する構成であることを特徴とする溶融炉装置。
前記空気と水との混合体は、バグフィルタの入口温度を適正に保持すべく制御される構成であることを特徴とする請求項３記載の溶融炉装置。
前記第１及び第２の熱交換器は、外部からの冷却流体を通過せしめるダスト付着防止を吟味した輻射型構造の２重筒を当該熱交換器の内部に備えた構成であることを特徴とする請求項３又は４記載の溶融炉装置。