JPH06257725A

JPH06257725A - プラズマ溶融炉及びその運転方法

Info

Publication number: JPH06257725A
Application number: JP7520093A
Authority: JP
Inventors: Tomio Suzuki; 富雄鈴木; Yasuo Azuma; 康夫東; Shigeyoshi Tagashira; 成能田頭; Motoo Yamada; 基夫山田
Original assignee: Kansai Electric Power Co Inc; Kobe Steel Ltd
Current assignee: Kansai Electric Power Co Inc; Kobe Steel Ltd
Priority date: 1993-03-08
Filing date: 1993-03-08
Publication date: 1994-09-16

Abstract

(57)【要約】【目的】安定出滓を確保しつつ、最も効率良く溶融で
きるプラズマ溶融炉を提供する。【構成】廃棄物供給孔４とスラグ排出孔５とを有し中
にスラグ浴９が形成される溶融炉１と、スラグ浴９に対
してプラズマアークを発生させるためのプラズマトーチ
２と、該プラズマアーク２を軸方向移動且つ廃棄物供給
孔４とスラグ排出孔５を結ぶ線に沿って傾動可能とする
駆動装置８とを備えたプラズマ溶融炉において、プラズ
マトーチ２の傾動中心Ｐ１が、廃棄物供給孔４出口とス
ラグ排出孔５入口との距離Ｌに対して、廃棄物供給孔４
出口から０．２Ｌ〜０．４５Ｌの位置に設けられ、プラ
ズマ熱を通常運転時には廃棄物供給孔近傍に与えて廃棄
物を高速溶融するようにした。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、都市ごみ、産業廃棄
物、自動車シュレッダーダスト、汚泥などの廃棄物また
は廃棄物焼却灰（以下廃棄物と称す）をプラズマアーク
で焼却し溶融するプラズマ溶融炉及びその運転方法に関
し、特にプラズマトーチが傾動可能となっているものに
関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、地球環境問題および資源リサイク
ル問題が注目されている。特に都市ごみや産業廃棄物は
年々増加しており、そのまま埋立処分するための処分地
の確保が大都市圏を中心に難しくなっている。そこで都
市ごみや産業廃棄物を焼却して、減容化して埋立処分す
るのが一般的となっている。

【０００３】しかしながら、これらの都市ごみや産業廃
棄物の中にはさまざまな有害物質や金属が含まれている
場合が多く、焼却後の灰や不燃物（以下焼却灰と称す）
の中には、これらの有害物質や金属が残存する。このた
め焼却灰を埋立処分すると地下水を汚染する問題があ
る。また焼却灰は、比重が小さく埋立処分地の容積を多
く必要とし、埋立処分後の地盤も弱く跡地利用に困難を
伴うことが多い。

【０００４】そこで、これらの焼却灰をプラズマで溶融
し、その後冷却して固化することが行われつつある。こ
の溶融固化したスラグはクロームなどの重金属はスラグ
中に封じ込められ、水に溶出しないため埋立処分後の地
下水の汚染も問題ない。このため建設用骨材，路盤材な
どに利用可能となり埋立処分地が不要となり資源リサイ
クルにもなる。

【０００５】焼却灰等の廃棄物をプラズマで溶融するた
めのプラズマ溶融炉として、例えば特開平３−５５４１
１号公報に記載のものが知られている。このプラズマ溶
融炉は、廃棄物供給孔とスラグ排出孔とを有し中にスラ
グ浴が形成される溶融炉と、スラグ浴に対してプラズマ
アークを発生させるためのプラズマトーチとを備えたも
のである。廃棄物供給孔孔から供給される廃棄物はプラ
ズマアークで焼却され溶融して炉内にスラグ浴を形成
し、スラグ浴から溢れたスラグはスラグ排出孔から連続
的に排出され、冷却固化される。金属溶融に使用される
通常のプラズマ溶融炉において、プラズマトーチは円筒
炉の中心に位置しており、英国特許１３９０３５１／３
に示されるように、炉中心を支点にして回転自在なもの
もある。さらに東北大学選鉱製錬研究所報告書Vol.41,N
o.2,p170-171(1985)に示されるように、クロマイト鉱石
の直接還元用プラズマ溶融炉において、プラズマトーチ
を傾斜させたまま回転し、広い面積で均等に加熱するも
のもある。

【０００６】ところが、この金属溶融用のプラズマ溶融
炉を廃棄物の溶融に使用し、スラグ排出孔から連続的に
スラグを排出する場合、スラグ排出孔でスラグが冷却固
化して湯口を閉塞させ、スラグが流出しなくなるという
現象が発生する。そこでスラグ排出孔に補助バーナや補
助プラズマアークを設けて加熱することも考えられる
が、構造が複雑になる。そこで上述した特開平３−５５
４１１号公報では、溶融炉に配置されたプラズマアーク
を発生させるプラズマトーチ、該プラズマトーチを該軸
方向に移動調節する駆動装置、及び該プラズマトーチの
照射方向を変更するため前記プラズマトーチの傾きを変
更調節する傾動装置から成り、該傾動装置の駆動により
前記プラズマトーチからのプラズマアークの照射領域が
前記溶融炉のスラグ排出口を含むように前記プラズマト
ーチの方向を変更可能に構成したプラズマ溶融炉を提案
している。

【０００７】スラグを連続的に排出させる場合に、スラ
グ排出口でスラグが冷却固化して湯口を閉塞させ、スラ
グが流出しなくなり、溶融炉を停止させざるを得なくな
る問題を解決するため、プラズマアークの照射できる領
域を炉内の溶融スラグ面からスラグ排出口の先端までに
なるようにプラズマトーチを支点の中心に傾動させて、
スラグ排出孔のスラグをプラズマアークで直接加熱さ
せ、スラグの冷却を防ぎ、連続的に流出できるようにし
たものであり、プラズマトーチをスラグ排出孔入口の上
方に配置するのが良いと開示している。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、廃棄物
の溶融という観点から考えると、冷たい廃棄物の炉内供
給落下点近傍で最も温度が低下し、場合によっては溶融
しないまま落下点近傍で廃棄物が堆積して不安定溶融の
問題を生じる。特に電力原単位を最小限にして高効率で
溶融する場合に不安定溶融問題が顕著となる。

【０００９】また、プラズマ溶融炉がプラズマ出力１Ｍ
Ｗ以上、炉内寸法１．５ｍ以上の大型炉になると、熱効
率の高いトランスファーモードで運転する場合にプラズ
マ炎の不安定と電力原単位の悪化の問題を生じる。即
ち、トランスファーモードで運転する場合には、逆極タ
イプの例では、スラグ浴を負電極，トーチを正電極とし
て、一定電流条件下でスラグ面とトーチ間の距離を調節
して電圧コントロールし、プラズマ出力を調節する。こ
の場合のスラグ面とトーチ間の距離は１０〜３０ｃｍ程
度となり、プラズマ炎の広がりを考慮すると、プラズマ
トーチをスラグ排出孔上部に取りつけた場合にはスラグ
排出孔近傍を局部加熱し耐火物を溶損する危険性があ
る。またプラズマアークの照射域をスラグ排出孔反対側
へ移動させると傾動角度が大きくなり特に飛灰や揮散金
属の多い廃棄物を溶融する場合にはプラズマトーチ外面
からアークを発生するダブルアークの問題を生じたり、
スラグ面とトーチ面の距離を電圧コントロールのために
近づける必要があり、結局トーチの高温炉内へ突き出し
ているトーチ面が広くなり、トーチ冷却損失が大きくな
る問題がある。

【００１０】そこで本発明者等は、詳細な実験を行った
結果、安定出滓だけでなく、高効率安定溶融のためには
プラズマトーチの傾動中心の位置が重要であることを発
見し、本発明を完成するに至った。すなわち本発明の目
的とするところは、安定出滓を確保しつつ、最も効率良
く溶融できるプラズマ溶融炉及びその運転法を提供する
ものである。

【００１１】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成する本発
明のプラズマ溶融炉は、廃棄物供給孔とスラグ排出孔と
を有し中にスラグ浴が形成される溶融炉と、スラグ浴に
対してプラズマアークを発生させるためのプラズマトー
チと、該プラズマアークを軸方向移動且つ廃棄物供給孔
とスラグ排出孔を結ぶ線に沿って傾動可能とする駆動装
置とを備えたプラズマ溶融炉において、プラズマトーチ
の傾動中心が、廃棄物供給孔出口とスラグ排出孔入口と
の距離Ｌに対して、廃棄物供給孔出口から０．２Ｌ〜
０．４５Ｌの位置に設けられているものである。そして
このプラズマ溶融炉を用いて、通常はプラズマトーチを
廃棄物供給孔出口に向かって傾動させておき、間欠的に
スラグ排出孔入口に向かって傾動させるという運転を行
う。

【００１２】

【作用】傾動可能なプラズマトーチの傾動中心を、スラ
グ排出孔入口と廃棄物供給孔出口との距離Ｌに対して、
廃棄物供給孔から０．２Ｌ〜０．４５Ｌの範囲にずらし
て設け、プラズマ熱を通常運転時には廃棄物供給孔近傍
に与えて廃棄物を高速溶融する。スラグ排出孔がつまり
始めたらプラズマトーチをスラグ排出孔に向けて少し傾
動し、耐火物溶損防止の観点からプラズマ炎を直接スラ
グ排出孔へ照射するのでなく、フローパターンを最適化
して約１７００℃の高温ガスをスラグの排出孔方向と同
一方向に流すことによりスラグ排出孔を高温にし、スラ
グ排出孔の閉塞を防止する。

【００１３】

【実施例】以下、本発明の実施例を図面に従って説明す
る。図１は、プラズマ溶融炉の構造図である。

【００１４】溶融炉本体１は、円筒状で外壁を水冷し、
内側は耐火物構造であり、上部からプラズマトーチ２が
挿入されている。廃棄物３は本体１の側壁又は上部に設
けられた廃棄物供給孔４から図外のスクリューフィーダ
ー、ベルトコンベアまたは気流輸送により炉内に供給さ
れる。本体１の側壁にはスラグ排出孔５が設けられてお
り、オーバーフローした溶融スラグ６が炉外へ排出さ
れ、冷却されて石状のスラグとなり、コンベア７で搬出
される。このプラズマ溶融炉はトランスファータイプで
あり、プラズマトーチ２及び炉底部側のそれぞれに電極
を設けている。例えば本図ではプラズマトーチ２側がア
ノード（＋），炉底部側がカソード（−）となる逆極タ
イプの例を示しているが、本発明が本実施例に限定され
るものでなく、ノントランスファータイプあるいは電極
が正極タイプにも応用できることは言うまでもない。な
お、９はスラグ浴、１０は排気ガス煙道である。

【００１５】また、炉上部にプラズマトーチ２の駆動装
置８が設けられ、プラズマトーチ２は矢印ａのように軸
方向移動自在であり、Ｐ１点を中心にして矢印ｂのよう
に廃棄物供給孔４の出口点Ｐ２とスラグ排出孔５の入口
点Ｐ３を結ぶ直線にの上を傾動自在となっている。そし
てＰ２〜Ｐ３間の距離をＬとし、Ｐ２〜Ｐ１間の距離を
Ｓとすると、Ｓ／Ｌ＝０．２〜０．４５となるように、
プラズマトーチ２は廃棄物供給孔４の側にずらされて設
けられている。このようにプラズマトーチ２の傾動中心
Ｐ１を廃棄物供給孔Ｐ２に近づけている点が特徴であ
り、プラズマトーチ２で廃棄物供給孔４からの廃棄物を
直接的に照射し溶融することにより高速で高効率での安
定溶融が可能となる。

【００１６】このプラズマ溶融炉の運転は以下のように
行われる。まずプラズマトーチ２に供給する電流値を一
定に保ち、プラズマトーチ２の先端とスラグ浴９の溶融
面との距離Ｈをコントロールして電圧を制御し、最終的
には出力を調節する。そして図２は定常溶融状態にある
通常のプラズマ溶融炉の状態を示し、図３はスラグ排出
孔でスラグが固まる徴候が現れた場合に間欠的にとられ
るプラズマ溶融炉の状態を示す。

【００１７】図２の定常溶融状態において、プラズマア
ーク１１が廃棄物３の落下するスラグ浴９の表面を直接
加熱している。このため常温の廃棄物３は超高温のプラ
ズマアークで急速加熱され、溶融されてスラグ浴９を作
る。従来技術ではスラグ浴９に投入され、スラグから熱
を受け溶融されていたため溶融速度が比較的に低かった
り、また一部の陶器破片は溶かされないままスラグ浴９
の表面を浮いて流れ、スラグ排出孔５からそのまま流出
したが、本発明では完全に溶融することができる。特に
低温の廃棄物３と超高温のプラズマアーク１１が直接熱
交換されるので伝熱効率が非常に高くなる。更にプラズ
マ溶融炉内のフローパターンを説明する。プラズマトー
チ２を少し廃棄物供給孔４に向かって傾動させると、廃
棄物供給孔４近傍に強い旋回流Ａを発生し、スラグ化率
高めることが可能である。即ち、トーチ２の先端部での
プラズマガスの噴出速度は３００〜５００ｍ／ｓであ
り、廃棄物を巻込み、急速加熱溶融しながら大粒子の廃
棄物はスラグ浴９の表面へ衝突させる。また微粉粒子は
瞬間に溶融し、スラグ浴９に衝突してスラグとなる。更
に超微粉粒子は循環流Ａの流れに乗り、合体したり炉壁
内面に付着してスラグとなる。更にキャリーオーバーし
た超微粉粒子は再度循環流Ｂに巻き込まれ、ほとんど粒
子がスラグ化される。また高速のプラズマガス１２を炉
内に偏よらせて噴出させることによりスラグ浴９の攪拌
効果があり、より溶融状態が安定となる。

【００１８】図３の間欠的にとられる非定常状態におい
て、スラグ排出孔５でスラグが固まる徴候が現れた場
合、プラズマトーチ２を支点Ｐ₁を中心に傾動角度αだ
け傾動させ、高温ガス１２を積極的にスラグ排出孔５へ
流すようにする。この高温ガス１２は１７００℃以上の
高温域にあり、数分この運転状態を保てばスラグ排出孔
５はきれいにクリーニングでき、閉塞の問題もなくな
る。スラグ排出孔５でスラグが固まる徴候の検知は、プ
ラズマ溶融炉内圧力の上昇値または溶融炉内圧力と排ガ
ス煙道内圧力の差圧の上昇値で行う。傾動角度αを５°
程度にとれば、約１万度のプラズマアーク１１は一旦ス
ラグ浴９に衝突し、スラグを加熱しながらスラグ排出孔
５へ流れるのでスラグ排出孔５近傍のスラグ浴９の表面
が高温になり、かつ高温ガスのプラズマ排ガス１２で押
し出されるようにスラグ排出孔５へスラグが流れるので
スラグ排出孔５は健全に保たれ安定出滓が可能となる。
また図２及び図３においても、プラズマトーチ２の傾動
角度は−１５〜１５度で十分であり、ダブルアークの問
題も起こらない。

【００１９】図４はプラズマ溶融炉の他の形式を示す図
であり、プラズマトーチ出力１．５ＭＷ以上の角形溶融
炉の例を示す。プラズマアークの照射径は、プラズマト
ーチおよび溶融炉が大型化されても余り広がらないため
に、円筒炉では回転トーチが必要となるため角形炉が好
ましい。角形炉の場合には、回転トーチでなくとも首振
りのみで安定溶融が可能となり、プラズマトーチの支点
位置Ｐ₁は同様にＳ／Ｌ＝０．２〜０．４５が最適であ
る。

【００２０】つぎに具体的な本発明例を以下に説明す
る。図１に示すプラズマ廃棄物溶融炉を使用して、都市
ごみ焼却飛灰３００ｋｇ／Ｈをトランスファータイププ
ラズマトーチ３００ｋｗの出力で溶融した。プラズマト
ーチの傾動角度は各位置で±５度以内でコントールし、
最も安定なプラズマアークが形成され安定出滓可能およ
び電力原単位の低いデータを求めた。図５はプラズマト
ーチの傾動中心位置の電力原単位およびスラグ化率に及
ぼす影響を示すグラフ図である。スラグ化率は焼却灰供
給量に対する製造されたスラグ重量の割合を示す。プラ
ズマトーチをスラグ排出孔に近づけると、廃棄物供給孔
と強い循環流Ｂとが離れ、またプラズマガスの炉内滞留
時間が短く高温のまま炉外へ流出するのでスラグ化率が
低下し、相対電力原単位も悪化する。一方、プラズマト
ーチを廃棄物供給孔に近づけると循環流Ａが小さくなり
過ぎ、炉壁も局部的に高温になり熱損失が増加するので
スラグ化率および相対電力原単位が少し悪くなる。従っ
て、スラグ化率が約９２％以上で相対電力原単位が０．
８７以下のＳ／Ｌは０．２〜０．４５の範囲である。プ
ラズマトーチの支点Ｐ₁をこの範囲に配置すれば傾動角
度を大きくすることなく図２の状態を実現できスラグの
安定出滓が可能となる。

【００２１】

【発明の効果】本発明のプラズマ溶融炉は、プラズマト
ーチの傾動中心をスラグ排出孔入口と廃棄物供給孔出口
との間の距離Ｌに対して廃棄物供給孔から０．２Ｌ〜
０．４５Ｌの範囲にずらして設け、プラズマ熱を通常運
転時には廃棄物供給孔近傍に与えて廃棄物を高速溶融し
スラグ排出孔がつまり始めたらプラズマトーチをスラグ
排出孔に向けて少し傾動し、約１７００℃の高温ガスを
スラグの排出孔方向と同一方向に流すことによりスラグ
の排出孔高温にし、スラグ排出孔の閉塞を防止するよう
にしたので、プラズマトーチの運転を最適化でき、電力
原単位およびスラグ化率の性能が良くなると共に、安定
出滓も可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】プラズマ溶融炉の構造図である。

【図２】定常溶融状態にある通常のプラズマ溶融炉の状
態図である。

【図３】間欠的にとられる非定常状態のプラズマ溶融炉
の状態図である。

【図４】他の形式のプラズマ溶融炉の構造図である。

【図５】プラズマトーチの傾動中心位置の電力原単位お
よびスラグ化率に及ぼす影響を示すグラフ図である。

【符号の説明】

１炉本体２プラズマトーチ３廃棄物４廃棄物供給孔５スラグ排出孔Ｐ１傾動中心Ｌ廃棄物供給孔出口とスラグ排出孔入口間の距離

フロントページの続き (72)発明者田頭成能兵庫県神戸市西区高塚台１丁目５番５号株式会社神戸製鋼所神戸総合研究所内 (72)発明者山田基夫兵庫県尼崎市若王寺３丁目11番20号関西電力株式会社総合技術研究所内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】廃棄物供給孔とスラグ排出孔とを有し中
にスラグ浴が形成される溶融炉と、スラグ浴に対してプ
ラズマアークを発生させるためのプラズマトーチと、該
プラズマアークを軸方向移動且つ廃棄物供給孔とスラグ
排出孔を結ぶ線に沿って傾動可能とする駆動装置とを備
えたプラズマ溶融炉において、プラズマトーチの傾動中
心が、廃棄物供給孔出口とスラグ排出孔入口との距離Ｌ
に対して、廃棄物供給孔出口から０．２Ｌ〜０．４５Ｌ
の位置に設けられていることを特徴とするプラズマ溶融
炉。
【請求項２】請求項１記載のプラズマ溶融炉を用い、
通常はプラズマトーチを廃棄物供給孔出口に向かって傾
動させておき、間欠的にスラグ排出孔入口に向かって傾
動させるプラズマ溶融炉の運転方法。