JP4245600B2 - プラズマ式灰溶融炉の運転方法 - Google Patents

Description

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の運転方法に関する。

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。

図４は従来のプラズマアーク式灰溶融炉５１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５４、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。

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６３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（例えば、特許文献１参照）、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。
特開平１１−３５１５４４号公報

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。

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。

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などを、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の運転方法を提供することを目的とする。

本発明は、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溶融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、上記炉本体の壁に配設した波長８μｍ以上の赤外線カメラによって主電極の下端部を斜め上部から撮影し、上記スラグの液面高さと上記主電極の下端部の高さからアーク長を求め、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の範囲内に調整するようにした。

以上述べたように本発明によれば、炉本体の壁に配設した波長８μｍ以上の赤外線カメラによって主電極の下端部を斜め上部から撮影し、波長８μｍ以上の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、波長８μｍ以上の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。

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が用いられている。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が設置され、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。

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１１及び鉄皮１０を貫通する覗き窓１６が設けられ、覗き窓１６の外側には、赤外線カメラ１７が配設されている。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１７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。

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の一端側が持ち上げられ、その結果、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が配設され、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１８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を回収するものである。
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。

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２１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。

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。

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。

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２３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。

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１８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。

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２３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。

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。

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更が可能である。
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。

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１の灰溶融炉を別の角度から見た概略断面図である。 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。 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 溶融メタル
２５ シリンダ
２６ ロッド
２７ 回転軸

Claims (1)

1. 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溶融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、上記炉本体の壁に配設した波長８μｍ以上の赤外線カメラによって主電極の下端部を斜め上部から撮影し、上記スラグの液面高さと上記主電極の下端部の高さからアーク長を求め、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の範囲内に調整するようにしたことを特徴とする、プラズマ式灰溶融炉の運転方法。

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