JPH0694926B2 - 焼却灰の溶融処理方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 この発明は、都市ごみ、下水汚泥、或いはその他の廃棄
物を焼却炉で焼却することによって発生する焼却灰を溶
融炉において溶融処理する焼却灰の溶融処理方法に関す
る。

〔従来の技術〕

一般に、都市ごみ、下水汚泥、或いはその他の廃棄物を
廃棄物焼却炉で焼却することによって発生する焼却灰
は、多くの場合、埋立処理されているのが現状である。
しかし、埋立地の確保が年々困難になっているため、埋
め立てられる焼却灰の容積を小さくする方法、即ち、減
容化処理が要望されている。

また、焼却灰を処理することなくそのままの状態で埋立
地に埋め立てた場合には、焼却灰自体には種々の重金属
等の有害物質が含まれているため、焼却灰から有害物質
が雨水、地下水等に溶出したり、或いは、焼却灰中の未
燃有機物質が腐敗し、これらの現象が二次公害を引き起
こす原因になっている。そこで、焼却炉から排出される
焼却灰の無公害処理化が要望されている。

そこで、従来から種々の焼却灰の処理方法が開発されて
いる。例えば、焼却灰をセメントと混合して焼却灰をセ
メントで固化する処理方法、アスファルトと混合して焼
却灰を固化する処理方法、粘土等と混合して焼却灰を焼
結固化する処理方法等が開示されている。しかしなが
ら、上記処理方法は、処理コストが高価となり、焼却灰
の処理状態に対して技術的信頼性に欠ける問題がある。

また、焼却灰の別の処理方法として、バーナ炉、電気炉
即ちオープンアーク炉に焼却灰を投入して該焼却灰を溶
融処理する方法がある。例えば、製鋼用のオープンアー
ク炉を用いた処理方法として、特開昭52−86976号公報
にスラッジの燃焼溶解方法が開示されている。

該スラッジの燃焼溶解方法は、電極と溶融金属との間に
常時アークを発生させた密閉式アーク炉にスラッジを装
入し、このスラッジ中の有機物は上記アークのアーク熱
により分解してガスとして炉外に取り出し、上記スラッ
ジ中の無機物は上記アークのアーク熱により溶解して上
記溶融金属に溶け込ませるか溶融スラグとして炉外に取
出すことを特徴としている。

或いは、特開昭55−114383号公報には、焼却灰の溶融処
理方法が開示されている。

該焼却灰の溶融処理方法は、サブマージドアーク炉内の
溶融スラグ上に焼却灰を順次投入して焼却灰層を形成
し、該層の焼却灰を溶融スラグの電気抵抗熱により順次
溶融するものである。この場合に、焼却灰として、焼却
炉で焼却排出される灰と、集塵器で捕集される集塵灰と
の混合灰を用いたものである。

〔発明が解決しようとする課題〕

しかしながら、前掲特開昭52−86976号公報に開示され
たスラッジの燃焼溶解方法は、黒鉛電極を用いたオープ
ンアーク炉を用いたものであるため、十分な高温が得ら
れず、そのため、焼却灰、特に都市ごみ焼却灰にあって
は含有される融点の高い（例えば、1500℃以上）土砂、
陶器、金属等の高融点物質を完全に溶融させることがで
きない。そこで、該オープンアーク炉で溶融できる物質
のみを該オープンアーク炉に投入するため、焼却炉から
高融点物質を事前に選別した後、炉内に投入するか、或
いは、石灰、ホタル石等の融点降下剤を焼却灰に添加し
て溶融処理する必要があった。

また、オープンアーク炉では、電極と溶融金属との間に
アークを発生させるため、焼却灰のように、スラグ成分
として含まれている酸化物を主成分とする廃棄物を処理
するためには、事前に鉄等の金属を炉内で溶解し、いわ
ゆるベースメタルを作製しておく必要が生じる。

更に、ベースメタル上に酸化物等の組成が不均一な焼却
灰が投入されると、アーク電力の変動が大きく、また、
アークが消滅する現象が発生した。しかも、アークが消
滅した場合は、ベースメタル上に電導性のな焼却灰が覆
った状態となるため、再度焼却灰を処理するため、焼却
灰に再着火を行うことができなくなるという問題がしば
しば生じた。

また、バーナ炉の場合は、オープンアーク炉よりも更に
高温が得られず、しかも、燃料の燃焼用の空気を多量に
使用するため、排ガス量が膨大となり、その結果、大が
かりな排ガス処理装置が必要となる等、種々の問題が生
じた。

一般に、プラズマとは、原子から電子が飛び出してイオ
ン化した状態であり、原子から電子が飛び出す時に発生
する高エネルギーであり、プラズマの付近は高温度雰囲
気となる。このプラズマを発生させるため、プラズマア
ーク炉が提供されている。このプラズマアーク炉にはプ
ラズマトーチが設けられている。また、焼却炉から発生
する焼却灰、及び燃焼排ガスを電気集じん器等の集じん
器で清浄化し、清浄された排ガスは誘引ファンを通って
煙突から排出される。

この発明の目的は、上記種々の問題点を解決することで
あり、焼却灰の種類及び組成を問わず、例えば、焼却灰
中に金属、陶器、土砂等の高融点物質が含まれていて
も、それらの高融点物質を焼却灰から予め選別除去する
ことなく、該焼却灰をそのまま溶融炉に直接投入して、
該溶融炉に設けたプラズマ発生装置であるプラズマトー
チを用いてプラズマを発生させ、該プラズマの高エネル
ギーによって焼却灰を溶融して常に安定して処理するこ
とができる焼却灰の溶融処理方法を提供することであ
る。

〔課題を解決するための手段〕

この発明は、上記目的を達成するため、次のように構成
されている。即ち、この発明は、焼却炉から排出される
高融点物質を含む焼却灰を溶融炉に投入して該焼却灰を
プラズマアークによって溶融する焼却灰の溶融処理方法
において、プラズマトーチを用いて焼却灰を溶融するに
際し、プラズマ形成ガスとして空気を用い、電力供給装
置によって交流を直流に切り換えてその直流をプラズマ
トーチに供給し、制御装置によってガス圧を制御して変
動サイクルとなるように運転し、前記プラズマアークを
安定供給するように制御したことを特徴とする焼却灰の
溶融処理方法に関する。

〔作用〕

この発明による焼却灰の溶融処理方法は、上記のように
構成されており、次のように作用する。即ち、この焼却
灰の溶融処理方法は、焼却炉から排出される高融点物質
を含む焼却灰を溶融炉に順次直接投入し、該溶融炉に設
けたプラズマトーチにプラズマ形成ガスとして空気を用
いてプラズマアークを発生させ、該プラズマアークの熱
エネルギーによって前記焼却灰を溶融するので、該プラ
ズマトーチによってプラズマアークを持続的に安定して
得ることができ、高温のプラズマの熱エネルギーを焼却
灰に輻射或いは伝導で与えることによって、該焼却灰を
溶融することができる。

更に、焼却灰の溶融処理時に、焼却灰中で含まれている
重金属は、プラズマ形成ガスである空気と強力に酸化反
応を起こし、該酸化作用により揮発性の低い酸化物に変
化して重金属の大部分は溶融スラグ中に溶融固定され
る。また、空気を用いることにより、焼却灰中に残留し
ている通常５％〜10％の有機物等の未燃物も完全に分解
できる。

〔実施例〕

以下、図面を参照して、この発明による焼却灰の溶融処
理方法の一実施例について説明する。

この発明による焼却灰の溶融処理方法は、焼却炉で廃棄
物等を焼却することで発生する焼却灰、或いは、排ガス
処理における集じん器で捕集されたダストと前記焼却灰
を混合してプラズマアーク炉内に投入し、該プラズマア
ーク炉において、該焼却灰を溶融処理する方法である。

第１図において、この焼却灰の溶融処理方法を達成する
ためのプラズマ焼却灰溶融装置が示されている。このプ
ラズマ焼却灰溶融装置は、都市ごみ、下水汚泥、或いは
その他の廃棄物を焼却炉で焼却することによって発生す
る焼却灰を焼却炉即ちプラズマアーク炉５において溶融
処理するものであり、主として、プラズマアーク炉５、
該プラズマアーク炉５に設けたプラズマトーチ８、及び
該プラズマトーチ８にプラズマを発生させるプラズマシ
ステム１から構成されている。

第１図に示すように、プラズマアーク炉５は、炉体の上
部に水冷式の固定型の炉蓋を設けている。この炉体は、
カーボン、マグネシア、アルミナ等の耐火材で構築され
且つ出湯口25を備えている。また、炉蓋には、トーチ昇
降装置、焼却灰の投入シュート９及び排ガスの排ガスダ
クトを取付けている。プラズマトーチ８は、トーチ昇降
装置によって炉蓋に設置可能に設けられる。

また、このプラズマ焼却灰溶融装置に使用されるプラズ
マトーチ８には、アーク放電の形式として、第２図に示
すような移送式、又は第３図に示すような非移送式のも
のを使用することができる。即ち、移送式のプラズマト
ーチ８は＋極である後部電極8Aとコリメータ8Bで構成さ
れ、また、非移送式のプラズマトーチ８は＋極の後部電
極8Aと−極の前部電極8Cで構成されている。移送式のア
ーク放電の形式のプラズマトーチ８を用いる場合には、
炉体と炉底部に黒鉛電極から成る対極10を埋め込む構造
に構成することにより、プラズマアーク炉５において、
プラズマトーチ８に内蔵された後部電極8A（＋極）と炉
体の炉底部に設けた対極10（−極）との間にプラズマア
ークを発生させる。非移送式のアーク放電の形式のプラ
ズマトーチ８を用いる場合には、対極10を埋め込む必要
はなく、プラズマトーチ８内に内蔵された後部電極8Aと
前部電極8Cの間でプラズマアークを発生させた。

プラズマトーチ８にプラズマを発生させるためには、移
送式の場合は、プラズマシステム１の作動によって、電
源供給装置４から＋極はケーブル17を通じてプラズマト
ーチ８に内蔵された後部電極8Aへ接続し、−極はケーブ
ル22を通じて対極10へ接続し、後部電極8Aと対極10との
間に電圧を印加して達成される。非移送式の場合は、＋
極の接続は移送式と同様であるが、−極はケーブル18を
通じて前部電極8Cへ接続し、後部電極8Aと前部電極8Cと
の間に電圧を印加して達成される。

プラズマシステム１は、主として、移送式又は非移送式
のプラズマアークトーチ８、電流が零にならずに安定し
て電流を供給できるように交流を直流に切り替えてその
直流をプラズマトーチ８に供給する電力供給装置４、プ
ラズマトーチ８によってプラズマアークを発生させ且つ
該プラズマアークを安定供給のための制御を行う制御装
置26、及び電極及びトーチ本体を冷却するための冷却水
供給装置27、及びプラズマ形成ガスとなる空気を供給す
るための空気供給装置28を有している。

更に、冷却水供給装置27における冷却水ポンプ29を稼動
し、冷却水を水タンク30から熱交換器38へ送り込み、該
熱交換器33において熱交換した後に、該熱交換器33から
マニホールド34、次いで冷却水パイプ19,20を通じてプ
ラズマトーチ８へ供給し、プラズマトーチ８及び炉蓋を
冷却する。

また、空気供給装置28のエアコンプレッサを稼動し、矢
印Ａに示すように、圧縮空気をマニホールド34からプラ
ズマ形成空気パイプ21を通じてプラズマトーチ８に供給
する。

この発明による焼却灰の溶融処理方法は、上記の焼却灰
溶融装置を用いることによって達成される。この焼却灰
溶融装置において、焼却炉から発生した焼却灰或いは集
じん器から捕集された焼却灰は、灰ホッパ12に投入され
る。灰ホッパ12に投入された焼却灰は、シュート９を通
じて連続的或いは間欠的にプラズマアーク炉５に投入さ
れる。プラズマアークを放電させる所定の設定条件の下
で、プラズマトーチ８をプラズマアーク炉５内へ降下さ
せる。

移送式にあっては、プラズマトーチ８を対極10に対して
所定の距離に設定すると共に、プラズマ形成ガスである
空気をプラズマトーチ８に供給した後、後部電極8Aとコ
リメータ8Bとの間に高エネルギーのパルスを与え、パイ
ロットアークを発生させる。次いで、プラズマトーチ８
を所定の高さまで上昇させ、メインアークが発生した
後、所定の電流（例えば、200〜300A）、所定の電圧
（例えば、400〜500V）を設定することにより、プラズ
マアークの熱エネルギーを被加熱物である焼却灰に輻射
或いは伝導によって与える。

一方、非移送式の場合は、後部電極8Aと前部電極8Cとの
間にパルスを与えてパイロットアークを発生させる操作
以外は、移送式と同様な操作で焼却灰に熱エネルギーを
与える。即ち、プラズマアーク放電とプラズマ形成ガス
によってプラズマアークが発生し、該プラズマアークの
熱エネルギーにより酸化物、高溶融物質等を含んだ焼却
灰は溶融状態の溶融スラグ13となり、金属は溶融金属と
して、炉体の出湯口25より連続的或いは間欠的に流出
し、スラグとしてスラグ受け15へと外部へ取り出され
る。

また、焼却灰が溶融することによって発生する燃焼ガス
は、排ガス出口16から排ガスダクト23を通って、例え
ば、排ガス処理装置に送り込まれ、燃焼ガスは処理され
て煙突等から大気へ排気される。

この時、電流はPID制御とし、電圧は移送式のプラズマ
トーチ８の場合は、対電極間の距離とアークガス圧の変
動サイクルによって決定される。また、非移送式のプラ
ズマトーチの場合は、アークガス圧の変動サイクルによ
って決定されるものである。更に、非移送型のプラズマ
トーチを用いる場合には、該プラズマトーチに内蔵され
た＋極と−極の電極間でプラズマアークを発生させ、そ
のアーク熱即ちプラズマエネルギーにより焼却灰を溶融
させる。

〔発明の効果〕

この発明による焼却灰の溶融処理方法は、上記のように
構成されており、次のような効果を有する。即ち、この
発明は、焼却炉から排出される高融点物質を含む焼却灰
を溶融炉に投入し、該溶融炉に設けたプラズマトーチに
プラズマ形成ガスとして空気を用いてプラズマアークを
発生させ、該プラズマアークの熱エネルギーによって前
記焼却灰を溶融するので、従来の通常のアークの代わり
にプラズマアークを用いるため、持続的に安定した高温
が得られ、加熱部分が狭い範囲に集中でき、炉全体の温
度上昇は少なく、炉体表面からの熱損失が少なくて済
み、電力の変動がほとんどないので電源に及ぼす影響も
少ない。また、プラズマトーチの点火及び消火を瞬時に
操作でき、運転及び保守管理が容易である。

更に、プラズマ形成ガスとして空気を用いることによ
り、必要空気量は少なく、排ガス量が少ないため、溶融
炉を小型化でき、しかも、焼却灰中に残留している未燃
物（通常５％〜10％の有機物が残留している）も完全に
分解でき、オープンアーク炉のように、排ガス中にCO、
炭化水素、ダイオキシン等の有害な未燃ガスが含まれて
排気されることはなく、安全性に富んだ焼却灰の処理方
法を提供できる。

特に、この発明による焼却灰の溶融処理方法は、プラズ
マアークを使用しているので、高熱エネルギーを得るこ
とができ、土砂、陶器、金属等の高融点物質を含む焼却
灰を直接溶融炉に投入してそのままの状態で迅速に溶融
することができ、従来のバーナ方式、電気炉方式等のよ
うに、磁選機、振動コンベヤ等を用いて焼却灰から該高
融点物質を選別除去する必要がなく、作業工程が少なく
なるだけでなく設備そのものが簡素化し且つコンパクト
に構成することができる。

また、焼却灰中に含まれている重金属は通常揮発性の高
い塩化物の形態であるが、この発明では、プラズマ形成
ガスに空気を用いているため、該空気の強い酸化作用に
より揮発性の低い重金属酸化物に変化させることがで
き、そのため重金属の大部分は溶融スラグ中に溶融固定
され、排ガス中に揮散することはなく、更に、生成した
スラグからそれら重金属が溶出するような現象は発生し
ない。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明による焼却灰の溶融処理方法を達成す
るための焼却灰溶融装置の一例を示す説明図、第２図は
第１図の焼却灰溶融装置に利用される移送式のプラズマ
トーチを説明する説明図、及び第３図は第１図の焼却灰
溶融装置に利用される非移送式のプラズマトーチを説明
する説明図である。 １……プラズマシステム、５……プラズマアーク炉、８
……プラズマトーチ、10……対極、13……溶融スラグ。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 雨宮 俊郎 東京都港区港南１丁目６番27号 荏原イン フィルコ株式会社内 (72)発明者 宮村 彰 神奈川県藤沢市本藤沢４丁目２番１号 株 式会社荏原総合研究所内 (56)参考文献 特開 昭63−315820（ＪＰ，Ａ)

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】焼却炉から排出される高融点物質を含む焼
   却灰を溶融炉に投入して該焼却灰をプラズマアークによ
   って溶融する焼却灰の溶融処理方法において、プラズマ
   トーチを用いて焼却灰を溶融するに際し、プラズマ形成
   ガスとして空気を用い、電力供給装置によって交流を直
   流に切り換えてその直流をプラズマトーチに供給し、制
   御装置によってガス圧を制御して変動サイクルとなるよ
   うに運転し、前記プラズマアークを安定供給するように
   制御したことを特徴とする焼却灰の溶融処理方法。