JPH0875136A

JPH0875136A - 焼却灰溶融方法及びその装置

Info

Publication number: JPH0875136A
Application number: JP6239669A
Authority: JP
Inventors: Akira Miyamura; 彰宮村; Takaharu Uchida; 隆治内田
Original assignee: Ebara Corp; Ebara Research Co Ltd
Current assignee: Ebara Corp; Ebara Research Co Ltd
Priority date: 1994-09-08
Filing date: 1994-09-08
Publication date: 1996-03-19

Abstract

(57)【要約】【目的】本発明は、焼却灰の長期の連続的溶融処理を
不可能にしている溶融金属が溶融炉の湯口を閉塞するこ
となく、水蒸気爆発の発生を防止することができる焼却
灰溶融方法及びその装置を提供する。【構成】この焼却灰溶融装置は、ごみ焼却炉で発生し
た焼却灰を溶融処理するプラズマ又はアーク式溶融炉の
下側側部１５を構成する耐火物に酸素又は酸素富化気体
を溶融炉内の溶融金属層１２中に吹き込むためのノズル
７が複数個設置されている。溶融炉は、プラズマトーチ
１、炉体４の底部１６に配設した炉底電極２、溶融炉に
設けた灰供給装置３、水噴射装置５及び溶融炉へ焼却灰
を投入するための灰ホッパー８及び出口に設けたスラグ
貯留槽９を有する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、ごみ焼却炉で発生し
た焼却灰をプラズマ又はアーク式溶融炉で溶融処理する
焼却灰溶融方法及びその装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、都市ごみの発生量が増大の一途を
たどり、国土の狭い日本ではごみの埋め立て地の確保が
困難になってきている。そこで、埋め立てるごみを減量
するために、ごみ焼却炉でごみを燃焼させて焼却灰にす
ることが図られている。ごみを燃焼させて焼却灰にする
と、焼却灰の容積は生ごみの１／２０程度に減少するの
で、多くの市町村ではごみを焼却するようになった。し
かしながら、焼却灰の容積が生ごみの１／２０程度にな
っても、該焼却灰の埋め立て地がまだ不足しているのが
現状である。そこで、最近では、都市ごみ焼却炉の焼却
灰の容積を低減すると共に無害化するため、焼却灰を溶
融処理してスラグ（鉱滓）とすることが行われている。
焼却灰を溶融処理してスラグにすると、その容積を減容
化できると共に、無害化することができ、しかも、該ス
ラグを路盤材やインターロッキングブロック等の材料と
して有効利用することができる。

【０００３】焼却灰を溶融する従来の技術は、バーナー
燃焼方式と電気加熱方式が主であった。バーナー燃焼方
式は液体燃料又はガス燃料をバーナーによって焼却灰を
１３００℃の高温状態にして焼却灰を溶融する方式であ
る。該バーナー燃焼方式の場合は、焼却灰を１３００℃
以上に加熱することができない。従って、焼却灰中に含
まれる鉄等の金属類はその融点が１５００℃以上である
ので、鉄等の金属類を焼却灰から磁気分離装置等により
焼却灰から除去した後に、焼却灰を溶融していることが
現状である。焼却灰から分離した金属類は、灰まみれで
あることなどの理由から再利用されずに埋め立てられる
のみであり、焼却灰の減容化の目的からは好ましくな
い。

【０００４】また、電気加熱方式は、焼却灰の溶融技術
としてはバーナー燃焼方式に比較して優れており、プラ
ズマ溶融炉とアーク炉が主であり、どちらも電気エネル
ギーを２０００℃以上の高温のプラズマにして焼却灰を
溶融する方式である。該電気加熱方式では、鉄の融点以
上の温度に維持することができるので、焼却灰の金属分
を分離する必要がない。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】ところで、金属を前分
離していない焼却灰を溶融すると、比重の相違により、
溶融炉内で溶融金属層とスラグ層の２層に分離する。溶
融金属層は、比重が大きいのでスラグ層の下側になる。
焼却灰の溶融処理を長時間続けていくと、スラグは溶融
炉からオーバーフローして排出され、金属は溶融炉の底
に沈降するので、溶融金属層が溶融炉内に増大していく
ことになる。

【０００６】また、焼却灰が溶融したものをオーバーフ
ロー方式の溶融炉の湯口から排出する場合、スラグは融
点が１２００〜１３００℃であるので、スラグは固化す
ることなく連続的に排出できるが、鉄が主成分の溶融金
属は融点が１５００℃以上であるので溶融炉の湯口で冷
却されて固化し、固化物が湯口に堰を形成してスラグ等
の連続的な排出が停止してしまうという問題が発生す
る。

【０００７】従来方式の溶融炉において溶融金属が固化
して湯口を塞いだ場合は、溶融炉の運転を停止し、溶融
炉を傾動させて固化物を排出するか、溶融炉内の溶融物
が自然冷却した後に、固化物をドリル等で破砕して粉砕
物を溶融炉から除去することが行われてきた。溶融炉を
傾動させる方法は処理量の少ない小さな溶融炉の場合に
は可能であるが、焼却灰を溶融処理する能力が１０ｔ／
日以上の処理量の溶融炉では、炉体の重量が大き過ぎて
溶融炉を持ち上げて傾動させることが困難である。溶融
炉での溶融処理において溶融金属層の界面が湯口のレベ
ルにまで上がってきた時に、溶融炉を停止せざるを得な
いことから、溶融炉の連続運転ができなくなるという問
題がある。

【０００８】また、溶融炉の湯口に固化物で堰を作るこ
とを防止するために、従来は補助バーナーを湯口部分に
設置して固化物を加熱する方法がとられてきた。しかし
ながら、オーバーフロー方式でスラグ等が溶融炉から排
出された後に、大量の水でスラグを冷却する際に、スラ
グは問題なく水砕され細かな固形状になるが、補助バー
ナーで高温にされた溶融金属の場合は温度が高いことと
比熱が大きいために水蒸気爆発を起こすことが時々あ
り、極めて危険な処理である。

【０００９】また、溶融炉からの溶融金属の排出をタッ
プ方式で行って、溶融金属を乾いた容器で受けて空冷す
ることも試みられているが、耐火物近傍の溶融金属は放
熱により温度が下がっており、排出が困難な場合が多
い。タップ方式とは、耐火物に溶融物排出用の孔を開け
ておき、通常は該孔に黒鉛や粘土の充填物を詰めてお
き、溶融物が溶融炉から排出されないようにしておき、
溶融炉から溶融金属を排出させる時に孔から充填物を取
り除いて溶融物を孔から流出させる方式である。溶融炉
の孔から充填物を取り除く作業は熟練した作業者が行う
ものの、非常に危険な作業であり、安全性の面から遠隔
操作の可能なオーバーフロー方式の方が優れている。ま
た、タップ方式で出滓した溶融金属は、鉄に銅、亜鉛等
の種々の金属が混合しているため、一般に利用価値がな
いものである。

【００１０】溶融炉の前処理として焼却灰から金属を分
離する方法をとった場合でも、金属を焼却灰から１００
％分離することができないので、焼却灰を溶融炉で溶融
処理した場合に、溶融金属が溶融炉内に徐々に溜まって
きて溶融金属を溶融炉から除去するという問題は解決で
きない。

【００１１】そこで、この発明の目的は、上記の問題を
解決することであり、ごみ焼却炉で発生した焼却灰をプ
ラズマ又はアーク式溶融炉で前記焼却灰を溶融処理する
焼却灰溶融方法において、焼却灰の長期の連続的溶融処
理を不可能にしている溶融金属が溶融炉の湯口を閉塞す
る問題、溶融金属を水砕する時の水蒸気爆発の発生を防
止することができる焼却灰溶融方法及びその装置を提供
することである。

【００１２】

【課題を解決するための手段】この発明は、上記の目的
を解決するため、次のように構成されている。即ち、こ
の発明は、ごみ焼却炉で発生した焼却灰をプラズマ又は
アーク式溶融炉で溶融処理する焼却灰溶融方法におい
て、前記焼却灰の溶融処理過程で形成される溶融金属層
とスラグ層とのうち前記溶融金属層中に純酸素又は酸素
富化気体を吹き込んで溶融金属を酸化してスラグ化する
ことを特徴とする焼却灰の溶融方法に関する。

【００１３】又は、この発明は、ごみ焼却炉で発生した
焼却灰を溶融処理するプラズマ又はアーク式溶融炉にお
いて、酸素又は酸素富化気体を前記溶融炉内の溶融金属
層中に吹き込むためのノズルを前記溶融炉の底部又は下
側側部を構成する耐火物に設置したことを特徴とする焼
却灰溶融装置に関する。この焼却灰溶融装置では、前記
ノズルは前記耐火物に複数個設けることが好ましい。

【００１４】或いは、この発明は、ごみ焼却炉で発生し
た焼却灰を溶融処理するプラズマ又はアーク式溶融炉に
おいて、酸素又は酸素富化気体を前記溶融炉内の溶融金
属層中に送り込むセラミック製供給管を前記溶融炉の天
井を構成する耐火物に設置し、前記供給管を前記溶融金
属層中に開口したことを特徴とする焼却灰溶融装置に関
する。

【００１５】

【作用】この発明による焼却灰溶融方法及びその装置
は、上記のように構成されているので、次のように作用
する。即ち、この焼却灰溶融方法は、プラズマ又はアー
ク式溶融炉内の溶融金属層に純酸素又は酸素富化気体を
吹き込んで、溶融金属を酸化させて金属酸化物に変えて
スラグ化することにより、溶融金属による溶融炉の湯口
での固化閉塞を防止し、溶融炉から排出したスラグを水
砕する時に水蒸気爆発を起こすことは防止される。即
ち、溶融炉内における１５００℃以上の高温状態の溶融
金属に酸素又は酸素富化気体を吹き込むと、金属の酸化
反応が起こり、金属酸化物が生成される。金属酸化物と
なったスラグは溶融炉の湯口で固化することはなく、ま
た、溶融金属が溶融炉の湯口からオーバーフローするこ
とが無くなるから、溶融金属が湯口で固化し、湯口を閉
塞することがなく、スラグの水砕時にも水蒸気爆発を起
こすこともなくなる。また、酸素は純酸素である必要は
なく、空気中の酸素濃度を高くした酸素富化気体でも同
様の機能を確保することができる。

【００１６】また、この焼却灰溶融装置は、焼却灰の溶
融処理過程で形成される溶融金属層とスラグ層とのうち
溶融金属層中に純酸素又は酸素富化気体を吹き込む手段
として、溶融炉の底部又は下側側部を構成する耐火物に
酸素又は酸素富化気体を吹き込むためのノズルを複数個
設置したり、或いは、溶融炉の天井を構成する耐火物に
酸素又は酸素富化気体を吹き込むセラミック製供給管を
設け、該供給管を溶融炉内の溶融金属中に開口するよう
に設置することによって構成することができる。

【００１７】

【実施例】以下、図面を参照して、この発明による焼却
灰溶融方法及び焼却灰溶融装置を説明する。この発明に
よる焼却灰溶融方法の一実施例について説明する。この
焼却灰溶融方法は、ごみ焼却炉で発生した焼却灰をプラ
ズマ又はアーク式溶融炉で前記焼却灰を溶融処理するも
のであり、前記焼却灰の溶融処理過程で形成される溶融
金属層とスラグ層とのうち前記溶融金属層中に純酸素又
は酸素富化気体を吹き込んで溶融金属を酸化してスラグ
化するものである。溶融炉内における１５００℃以上の
高温状態の溶融金属層中に、酸素又は酸素富化気体を吹
き込むと、金属の酸化反応が起こり、金属酸化物に転化
する。

【００１８】例えば、溶融金属の主成分のＦｅは酸素の
存在で酸化して酸化鉄Ｆｅ₂Ｏ₃になる。金属そのもの
よりも金属酸化物に転化することで、比重が軽くなり、
金属酸化物は溶融金属層の上部に浮上する。即ち、Ｆｅ
の比重は７．８６であるのに対し、Ｆｅ₂Ｏ₃の比重は
５．２と低い値である。溶融金属層の上部に浮上した金
属酸化物は、酸素に同伴されてスラグ層に入り、溶融ス
ラグと混合される。溶融スラグはＳｉＯ₂、Ａｌ
₂Ｏ₃、ＣａＯ、Ｆｅ₂Ｏ₃を主成分とする酸化物の共
融体であるので、溶融金属層からスラグ層に入った金属
酸化物は元のスラグとすぐに混合して均質のスラグにな
る。スラグの融点は、共融体の融点であるので、Ｆｅ₂
Ｏ₃の割合が増えても若干高くなるだけであり、スラグ
が溶融炉の湯口で固化することはなく、また、溶融金属
が溶融炉の湯口からオーバーフローすることが無くなる
から、溶融金属が湯口で固化し、湯口を閉塞することが
なく、スラグの水砕時にも水蒸気爆発を起こすこともな
くなる。

【００１９】また、溶融金属が酸化される時に酸化熱が
発生するので、溶融金属層の温度が高くなる。プラズマ
により加熱している場合、スラグ層を加熱した熱が熱伝
導により溶融金属層に伝わって加熱されるために溶融金
属層の温度よりもスラグ層の温度が高くなっている。融
点はスラグの方が金属よりも低いので、少なくとも１３
００℃の温度にすれば、焼却灰を溶融できるところを鉄
の融点の１５００℃以上に保って運転することが通常で
ある。本来は、溶融金属層の温度を高くして、スラグ層
の温度を１３００℃程度に低くすることが望ましい。溶
融金属層に酸素を吹き込むことにより、溶融金属層の温
度が高くなるので、プラズマのエネルギー出力を絞って
スラグ層の温度をスラグの融点より若干高くして運転す
ることが可能になる。

【００２０】次に、図１を参照して、この発明による焼
却灰溶融装置の一実施例を説明する。図１に示すよう
に、この焼却灰溶融装置は、主として、ごみ焼却炉で発
生した焼却灰を溶融処理するプラズマ又はアーク式溶融
炉において、溶融炉の炉体４を形成する下側側部１５を
構成する耐火物に酸素又は酸素富化気体を溶融炉内の溶
融金属層１２中に吹き込むためのノズル７を複数個設置
したものである。溶融炉は、その天井１７を構成する耐
火物に配設したプラズマトーチ１、炉体４の底部１６に
配設した炉底電極２、溶融炉に設けた灰供給装置３、溶
融炉の出口に設けた水噴射装置５及び排ガス排出口６、
溶融炉内の溶融金属層１２中に酸素又は酸素富化気体を
吹き込むため側部１５に形成した酸素供給口即ちノズル
７、溶融炉へ焼却灰を投入するための灰ホッパー８、及
び溶融炉の出口に設けたスラグ貯留槽９から構成され
る。

【００２１】また、炉体４の側部１５に形成したノズル
７は、炉体４の側部１５の耐火物を穿孔してセラミック
製供給管を埋め込んだものであり、１ヵ所に限定する必
要はなく、炉体４の側部１５の周囲数カ所に設けること
ができ、炉体４の側部１５の数カ所から溶融炉内へ酸素
を供給することも可能である。更に、炉体４の側部１５
から酸素を供給する場合は、溶融金属が酸素供給口内に
逆流することを防止するために常時酸素ガスを流してお
く必要がある。

【００２２】プラズマトーチ１と炉底電極２は、直流電
源装置１０と接続している。直流電源装置１０からの電
力を受けてプラズマトーチ１からプラズマが発生する。
プラズマトーチ１は、図示していないが、冷却水で冷却
されるように構成されている。灰ホッパー８に投入され
た焼却灰は、灰供給装置３により溶融炉内に供給され、
溶融炉に投入された焼却灰はプラズマトーチ１で発生す
るプラズマ熱で溶融され、スラグ層１１と溶融金属層１
２の２層に分かれる。下側の溶融金属層１２中に酸素ガ
ス供給口のノズル７から酸素又は酸素富化気体が供給さ
れる。酸素又は酸素富化気体の供給装置は、図示してい
ないが、酸素ボンベ又は酸素富化空気製造装置から構成
されている。溶融金属が酸素により酸化されて金属酸化
物のスラグになることにより、溶融金属層１２の界面１
８が溶融炉の湯口１３のレベル以上になることはない。

【００２３】溶融炉におけるスラグ層１１は、焼却灰の
供給と溶融金属の酸化により常に増大するので、該スラ
グは湯口１３からオーバーフローして水砕シュート１４
へと流出する。水砕シュート１４では、水噴射装置５か
ら噴射される水によってスラグは急速に冷却された後
に、スラグ貯留槽９へと排出される。炉体４の内面は、
耐火物により保護されている。また、溶融炉で発生する
排ガスは、誘引送風機（図示せず）により排ガス排出口
６から排気され、排ガス処理装置（図示せず）を経て大
気に排出される。

【００２４】この発明による焼却灰溶融装置を用いて溶
融炉における溶融金属中に酸素又は酸素富化気体を吹き
込んで焼却灰を溶融処理した場合と、従来の焼却灰溶融
装置を用いて溶融炉における溶融金属中に酸素又は酸素
富化気体を吹き込まずに焼却灰を溶融処理した場合との
特性を表１に示す。表１には、焼却灰の溶融処理によっ
て変化したスラグ組成、スラグ融点、スラグ比重を示し
ている。

【表１】

【００２５】表１から分かるように、溶融金属中に酸素
又は酸素富化気体を吹き込むことにより、Ｆｅ₂Ｏ₃の
含有量が増し、比重が高くなった。スラグの融点も若干
高くなるが、スラグの融点は金属鉄の融点に比較して非
常に低い値である。すりへり減量はスラグの硬さの指標
であるが、溶融金属に酸素を吹き込んだ溶融処理の方が
吹き込まなかった溶融処理の方よりもすりへり減量が小
さくなり、従来のスラグよりも硬くなることが確認され
た。

【００２６】次に、図２を参照して、この発明による焼
却灰溶融装置の別の実施例を説明する。図２に示す実施
例は、上記実施例と比較して、ノズルの設置場所が相違
する以外は、同一の構成及び同一の機能を有するので、
同一部品には同一符号を付して重複する説明は省略す
る。この焼却灰溶融装置では、溶融炉内の溶融金属層１
２中に酸素又は酸素富化気体を吹き込むため、炉体４の
底部１６に酸素供給口即ちノズル１９が形成されてい
る。炉体４の底部１６に形成したノズル１９は、炉体４
の底部１６の耐火物を穿孔してセラミック製供給管を埋
め込んだものであり、１ヵ所に限定する必要はなく、炉
体４の底部１６の周囲数カ所に設けることができ、炉体
４の底部１６の数カ所から溶融炉内へ酸素を供給するこ
とも可能である。更に、炉体４の底部１６から酸素を供
給する場合は、溶融金属が酸素供給口内に逆流すること
を防止するために常時酸素ガスを流しておく必要があ
る。

【００２７】また、図３を参照して、この発明による焼
却灰溶融装置の別の実施例を説明する。図３に示す実施
例は、上記実施例と比較して、ノズルの設置場所が相違
する以外は、同一の構成及び同一の機能を有するので、
同一部品には同一符号を付して重複する説明は省略す
る。この実施例の焼却灰溶融装置は、溶融炉の天井１７
を構成する耐火物を貫通して耐火性セラミック製供給管
２０を設置し、供給管２０を溶融金属層中に開口したも
のである。供給管２０を通じて酸素又は酸素富化気体を
溶融炉内の溶融金属層中に送り込むように構成されてい
る。

【００２８】図１及び図２に示す実施例のように、ノズ
ル７，１９を炉体４の側部１５又は底部１６から酸素を
供給する場合は、溶融金属が酸素供給口内に逆流するこ
とを防止するために常時酸素ガスを流しておく必要があ
るが、溶融金属層１２の界面１８が下がっている時は酸
素を供給する必要がないので、常時流さなければならな
いことはコスト高になる。これに対して、図３に示す実
施例では、炉天井１７から酸素供給するので、溶融金属
層１２の界面１８が下がって酸素の供給が不必要な時に
は、供給管２０をスラグ面より上部に引き上げておくこ
とにより酸素供給を停止しても溶融金属とスラグが供給
管２０の酸素供給口に逆流することがなくなる。

【００２９】この発明による焼却灰溶融装置は、上記の
各実施例に限るものではなく、例えば、図示していない
が、炉体４に設置するノズルは、その側部、底部或いは
天井の炉体に適宜の数だけ設けるように構成することも
できるものである。

【００３０】

【発明の効果】この発明による焼却灰溶融方法及びその
装置は、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、従来焼却灰を溶融炉で溶融する時に溶
融金属が溶融炉の湯口に固化して堰を作ってスラグの連
続出滓を妨害して連続運転ができない問題があったが、
この発明によれば、溶融炉内の溶融金属を酸化させるこ
とによって金属酸化物のスラグにすることにより、スラ
グの融点を下げることができ、溶融炉の湯口に溶融金属
が固化して堰を作ることがなくなり、連続運転が可能に
なる効果がある。

【００３１】また、補助バーナーにより湯口部の温度を
高くして溶融金属を出滓させた場合には、スラグの場合
に比較して温度が高く、比熱が高いことから水蒸気爆発
が起こり易い問題があったが、この発明のように、溶融
金属をスラグ化することにより、スラグを低い温度で出
滓できることから、水蒸気爆発が発生する危険性が少な
くなる効果が得られる。しかも、この発明によれば、従
来の焼却灰溶融装置では湯口部に補助バーナーが必要で
あったものが、補助バーナー無しでも連続出滓が可能に
なる効果が得られる。

【００３２】従来の焼却灰溶融装置では、溶融金属の温
度を高めに維持するためにスラグ層の温度も高く設定せ
ざるを得なかったが、この発明では溶融金属層で溶融金
属を酸素と反応させた反応熱で加熱できることからスラ
グ層の温度を低く抑えることができ、省エネルギーにな
ると共に、炉体耐火物の寿命が延びる効果が得られる。
また、溶融金属を酸化物としてスラグ化すると、スラグ
中のＦｅ₂Ｏ₃の含有量が高くなることにより、スラグ
の比重が高くなると共に硬度が増すこと等により、スラ
グを、骨材や路盤材等に利用でき、その価値を高めるこ
とができる効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明による焼却灰溶融装置の一実施例を示
す概略断面図である。

【図２】この発明による焼却灰溶融装置の別の実施例を
示す概略断面図である。

【図３】この発明による焼却灰溶融装置の更に別の実施
例を示す概略断面図である。

【符号の説明】

１プラズマトーチ４炉体７，１９ノズル１１スラグ層１２溶融金属層１３湯口１５側部１６底部１７天井１８界面２０供給管

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】ごみ焼却炉で発生した焼却灰をプラズマ
又はアーク式溶融炉で溶融処理する焼却灰溶融方法にお
いて、前記焼却灰の溶融処理過程で形成される溶融金属
層とスラグ層とのうち前記溶融金属層中に純酸素又は酸
素富化気体を吹き込んで溶融金属を酸化してスラグ化す
ることを特徴とする焼却灰の溶融方法。
【請求項２】ごみ焼却炉で発生した焼却灰を溶融処理
するプラズマ又はアーク式溶融炉において、酸素又は酸
素富化気体を前記溶融炉内の溶融金属層中に吹き込むた
めのノズルを前記溶融炉の底部又は下側側部を構成する
耐火物に設置したことを特徴とする焼却灰溶融装置。
【請求項３】ごみ焼却炉で発生した焼却灰を溶融処理
するプラズマ又はアーク式溶融炉において、酸素又は酸
素富化気体を前記溶融炉内の溶融金属層中に送り込むセ
ラミック製供給管を前記溶融炉の天井を構成する耐火物
に設置し、前記供給管を前記溶融金属層中に開口したこ
とを特徴とする焼却灰溶融装置。