プラズマ溶融炉の炉壁損傷検知方法

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【発明の名称】	プラズマ溶融炉の炉壁損傷検知方法
【発明者】	【氏名】鮫島良二【氏名】吉井隆裕【氏名】加藤考太郎
【要約】	【課題】プラズマ溶融炉の運転を停止させることなく、炉壁における耐火壁構造部分の侵食による損傷を早期の段階で的確に検知することができる炉壁損傷検知方法を提供する。【解決手段】炉壁１ａの耐火壁構造部分１１０を、溶融スラグ３１に接触する耐火材製の内周層１１１とこれを電気的に絶縁された状態で囲繞する導電性耐火材製の外周層１１２とで構成して、主電極と外周層１１２との間における溶融スラグ３１を介しての通電状態を感知することにより、耐火壁構造部分１１１の侵食による損傷を検知する。外周層１１２に電極１４０を埋設すると共にそのアース部１４１に電流指示計１４２を設けてあり、侵食部分１１４の深さが外周層１１２に達したときは、電流指示計１４２により主電極と外周層１１２との間における通電状態が感知される。

【特許請求の範囲】
【請求項１】炉壁の耐火壁構造部分を、溶融スラグに接触する耐火材製の内周層とこれを電気的に絶縁された状態で囲繞する導電性耐火材製の外周層とで構成して、主電極と外周層との間における溶融スラグを介しての通電状態を感知することにより、耐火壁構造部分の侵食による損傷を検知するようにしたことを特徴とするプラズマ溶融炉の炉壁損傷検知方法。
【請求項２】外周層にアースされた電極を埋設して、そのアース部に設けた電流指示計により、主電極と外周層との間における通電状態を感知するようにしたことを特徴とする、請求項１に記載するプラズマ溶融炉の炉壁損傷検知方法。

【発明の詳細な説明】【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、ごみ（都市ごみ，産業廃棄物等）の焼却残渣である焼却灰や飛灰を溶融処理するプラズマ溶融炉において、その炉壁の耐火壁構造部分の侵食による損傷を検知するための方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】近年、ごみ焼却炉から排出される焼却残渣たる焼却灰や飛灰（以下「灰」と略称する）の減容化及び無害化を図るため、灰の溶融固化処理法が注目され、現実に実用に供されている。灰は溶融固化することにより、その容積を１／２～１／３に減らすことができると共に、重金属等の有害物質の溶出防止や溶融スラグの再利用、最終埋立処分場の延命等が可能になるからである。
【０００３】ところで、灰の溶融固化処理方法としては、例えば、アーク溶融炉，プラズマアーク炉，電気抵抗炉等を使用し、電気エネルギーによって灰を溶融固化する方法と、表面溶融炉，旋回溶融炉，コークスベッド炉等を使用し、燃料の燃焼エネルギーによって灰を溶融固化する方法とが実用されている。一般に、ごみ焼却設備に発電設備が併置されている場合には前者の電気エネルギーを用いる方法が採用されており、発電設備が併置されていない場合には後者の燃焼エネルギーを用いる方法が採用されている。
【０００４】図８はごみ焼却処理設備に併置した直流アーク放電黒鉛電極式のプラズマ溶融炉の一例を示したものであるが、このプラズマ溶融炉１には、灰３０が灰供給装置２により灰ホッパ３から連続的に供給される。炉１には、－電極として機能する黒鉛製の主電極４を炉頂部から垂下させると共に、＋極として機能する炉底電極６を炉底部に配して設けてある。両電極４，６間に直流電源装置８により供給された６００～１０００ＫＷ（灰１ｔ当たり）の直流電気によってプラズマが発生し、それによって炉１内に供給された灰３０は１４００～１６００℃に加熱されて、溶融状態のスラグ（以下「溶融スラグ」という）３１となる。炉１の始動時には、溶融前の灰３０が導電性を有しないため、スタート電極５を炉１内へ挿入してこれを＋極となし、主電極４との間でスクラップ鋼材を介して通電し、灰３０が溶融するのを待ち、灰３０が溶融すると、その溶融スラグ３１は導電性を有するため、＋極をスタート電極５から炉底電極６へと切り換える。なお、炉１内には、これを還元性雰囲気とするために、窒素ガス供給装置９から窒素ガスが供給される。窒素ガスの炉１内への供給は、中空筒状をなす主電極４及びスタート電極５を通して行なわれる。また、炉底においては、炉底冷却ファン７により、炉底電極６及びその周辺部分が空冷されるようになっている。
【０００５】そして、灰３０の溶融が開始されると、灰３０に含まれている揮発成分や炭素成分はその一部が酸化した一酸化炭素を含むガス体３４となる。このガス体３４は、炉１の周壁たる炉壁１ａに設けた溶融スラグ流出口１０から燃焼室１２に排出されて、燃焼室１２において燃焼空気ファン１３による燃焼用空気の供給により完全燃焼された上、排ガス冷却ファン１４からの冷却空気によって冷却され、バグフィルタ１５を経て誘引通風機１６により煙突１７から排出される。なお、バグフィルタ１５で捕捉された溶融飛灰３２は、溶融飛灰コンベア１８により飛灰溜め１９に送られる。一方、灰３０に含まれている不燃性成分（鉄等の金属やガラス，砂等）は溶融状態となり、その溶融スラグ３１は、溶融スラグ流出口１０から連続的に溢出し、水を満したスラグ水冷槽２０内に落下して水砕スラグ３３となり、スラグ搬出コンベア２１によってスラグ溜め２２に送られる。なお、溶融炉１の停止時には、炉１内の溶融スラグ３１が冷却して固化しまうのを防止するために、溶融スラグ３１の底部レベルに対応して炉壁１ａに設けたタップホール１１により湯抜きを行い、炉１内を空にする。
【０００６】このようなプラズマ溶融炉１の周壁たる炉壁１ａは、一般に、溶融スラグ３１に接触する耐火壁構造部分１１０の外周面を水冷ジャケット１２０により（又は水スプレー手段や空冷手段等により）冷却するように構成してなるが、従来の代表的な炉壁構造としては、図９（Ａ）に示す如く、耐火壁構造部分１１０を１６００℃程度の高温に耐え得る耐火材（例えば、カーボン系，Ｃ－ＳｉＣ系，ＳｉＣ系，クロム系の耐火材）で構成すると共に、これを囲繞する水冷ジャケット１２０を鋼板製のジャケット１２１内に冷却水１２２を供給する構造のものとなし、更に耐火壁構造部分１１０とジャケット１２１との間に電気絶縁性の断熱材層１３０を介在させたもの（以下「従来炉壁」という）が周知である。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】しかし、このような従来炉壁１ａにあっては、耐火壁構造部分１１０の侵食による損傷が問題となっている。
【０００８】すなわち、耐火壁構造部分１１０は、上記した如く炉１内の高温に充分耐え得る耐火材で構成されているが、高温に晒されると共に腐食性を有する溶融スラグ３１が接触することから、図９（Ｂ）に示す如く、局部的に侵食され易い。かかる侵食による損傷は、特に、溶融スラグ３１の液面（以下「湯面」という）に対応する高さ部分であって溶融スラグ流出口１０の周辺部分において著しい。
【０００９】そして、このような耐火壁構造部分１１０の侵食による損傷部分（以下「侵食部分」という）１１４を放置したまま運転を継続すると、侵食が進行して、その侵食深さが耐火壁構造部分１１０の厚みを超えて、溶融炉１全体の熱破壊を起こしたり、ジャケット１２１が破損して、その内部水１２２が洩れて爆発する等の極めて危険な事態を誘発する原因となる（図９（Ｂ）鎖線参照）。したがって、耐火壁構造部分１１０の侵食はこれを可及的に早期に発見して、その侵食部分１１４を、その侵食深さが耐火壁構造部分１１０の厚みにまで達しない段階で、補修することが必要である。
【００１０】しかし、従来では、耐火壁構造部分１１０の侵食による損傷を運転中に検知する術がないため、炉壁損傷の確認は炉１の運転を停止して行なう他ないのが実情である。したがって、炉壁損傷を早期に発見するためには頻繁に運転を停止せざるを得ず、長期に亘る連続運転を行うことができなくなり、どうしても灰３０の溶融処理効率が低下するといった問題が生じる。しかも、耐火壁構造部分１１０の表面（内周面）を視認する等によっては、耐火壁構造部分１１０の侵食程度を的確に判断することが困難であり、ややもすれば、侵食程度の判断を誤って適正な補修時期を逸してしまい易い。
【００１１】本発明は、このような点に鑑みてなされたもので、プラズマ溶融炉の運転を停止させることなく、炉壁における耐火壁構造部分の侵食による損傷を早期の段階で的確に検知することができる炉壁損傷検知方法を提供することを目的とするものである。
【００１２】
【課題を解決するための手段】この課題を解決した本発明のプラズマ溶融炉の炉壁損傷検知方法は、炉壁の耐火壁構造部分を、溶融スラグに接触する耐火材製の内周層とこれを電気的に絶縁された状態で囲繞する導電性耐火材製の外周層とで構成して、主電極と外周層との間における溶融スラグを介しての通電状態を感知することにより、耐火壁構造部分の侵食による損傷を検知するようにしたものである。かかる通電状態の感知は、例えば、外周層にアースされた電極を埋設して、そのアース部に設けた電流指示計により行なうことができる。また、外周層に埋設した導線に電圧をかけておき、この導線に設けた電流指示計により行なうこともできる。さらには、内外周層を共に導電性耐火材で構成すると共に、内外周層間を電気絶縁体で電気的に絶縁して、内周層と電気絶縁体との間に電圧をかけ、その電流変化を検知することにより、通電状態を感知するようにすることもできる。
【００１３】すなわち、耐火壁構造部分が侵食による損傷され、その侵食深さが内周層の厚みを超えて、溶融スラグが侵食部分から侵入して外周層に接触する事態が発生すると、溶融スラグが導電性を有することから、主電極と導電性を有する外周層との間が溶融スラグを介して通電状態となる。一方、かかる通電状態となっているか否かは、上記した如き適宜の手法により、炉運転を停止させずとも容易に確認，検知することができる。したがって、侵食が内周層の厚みを超えて外周層に達した段階で、耐火壁構造部分の損傷を的確に検知することができ、補修時期を逸するようなことがなく、連続運転を安全に行なうことができる。
【００１４】
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図１～図３又は図４～図６に基づいて詳細に説明する。
【００１５】図１～図３は第１の実施の形態を、図４～図６は第２の実施の形態を、夫々示したものであり、各実施の形態は、本発明を図８に示すプラズマ溶融炉１の炉壁１ａに適用した例に係るものである。
【００１６】すなわち、第１の実施の形態にあっては、図１及び図２に示す如く、プラズマ溶融炉１の周壁である炉壁１ａが耐火壁構造部分１１０の外周面を水冷ジャケット１２０で被覆してなる円筒形状に構成されているが、図９に示す従来炉壁と異なって、耐火壁構造部分１１０を、溶融スラグ３１に接触する内周層１１１とこれを囲繞する外周層１１２と両層１１１，１１２間に介在された電気絶縁体１１３とからなる３層構造物に構成してある。
【００１７】内周層１１１は、従来炉壁に使用されるものと同様の耐火材で円筒状に構成されている。耐火材としては、炉１内の高温雰囲気に対して充分な耐熱性を有するもの、例えば、１６００℃程度の高温に耐え得るカーボン系，Ｃ－ＳｉＣ系，ＳｉＣ系，マグネシアクロム系のものが使用される。なお、内周層１１１と外周層１１２との間には後述する如く電気絶縁体１１３が介在されることから、内周層１１１の構成材としては導電性の耐火材（例えば、カーボン系の耐火材）が使用されている。
【００１８】外周層１１２は、導電性に優れた耐火材、例えばＣ－ＳｉＣ系，カーボン系の耐火材で円筒状に構成されており、電気絶縁体３３の介在により電気的に絶縁された状態で内周層１１１を囲繞している。電気絶縁体３３は、スピネル，Ｓｉ₃Ｎ₄等の耐熱性に優れた電気絶縁材料からなる。
【００１９】ところで、内周層１１１と外周層１１２とで構成される耐火壁構造部分１１０の厚みは、該部分１１０を単一耐火材層で構成する場合と同様に、炉条件（炉の形状，大きさ等）に応じて設定されるが、内周層１１１の厚みＴａと外周層１１２の厚みＴｂとは、通常、Ｔａ：Ｔｂ＝１～３：１の割合となるように設定しておくことが好ましい。例えば、耐火壁構造部分１１０の厚みが２７０ｍｍである場合には、Ｔａ＝１３５～２００ｍｍ，Ｔｂ＝７０～１３５ｍｍとしておくことが好ましい。
【００２０】また、外周層１１２の外周面は、従来炉壁と同様に、電気絶縁性を有する断熱層１３０を介在した状態で水冷ジャケット１２０により被覆されている。すなわち、外周層１１２は、その厚み方向における両側に配置された内周層１１１及び水冷ジャケット１２０の何れに対しても電気的に絶縁された状態にある。なお、水冷ジャケット１２０は、従来炉壁と同様に、鋼板製のジャケット１２１内に冷却水１２２を供給させる構造とされている。
【００２１】そして、外周層１１２には、図１及び図２に示す如く、電気絶縁体１１３との境界部分に配して、これに水平に沿って湾曲する棒状の電極１４０が埋設されている。この電極１４０はアースされており、そのアース部には電流指示計１４２が設けられている。すなわち、電極１４０には電流指示計１４２を取り付けたアース線１４１が接続されていて、後述する如く、直流電源装置８の陰極に接続された主電極４と導電性の外周層１１２との間が溶融スラグ３１を介して通電状態となったときにおいて、電極１４０を流れる電流により電流指示計１４２が作動されるようになっている。なお、この例では、電流指示計１４２が作動されると、電極１４０を電流が流れたこと（つまり主電極４と外周層１１２との間が通電状態となったこと）を電流計指針により確認できる他、適当な安全措置が採られるようになっている。具体的には、例えば、警報が発せられると共にプラズマ溶融炉１の運転が緊急停止されるようになっている。
【００２２】而して、第１の実施の形態にあっては、本発明の方法により炉壁１ａの耐火壁構造部分１１０の侵食による損傷が次のように検知される。
【００２３】すなわち、耐火壁構造部分１１０の内周部つまり内周層１１１は、炉１内の高温雰囲気に晒されると共に腐食性の溶融スラグ３１に接触することから、主として、湯面に対応する高さ部分であって溶融スラグ流出口１０の周辺部分において、局部的に侵食されるが、その侵食部分１１４の深さが内周層１１１の厚みＴａを超えない状態では、主電極４と外周層１４０及びこれに埋設された電極１４０との間は通電状態とならず、電流指示計１４２は作動しない（図３（Ａ）参照）。
【００２４】しかし、炉運転を継続することにより、侵食が進行して、侵食部分１１４の深さが内周層１１１の厚みＴａを超えて、内外周層１１１，１１２間の電気絶縁体１４０をも侵食，破壊する状態となると、導電性を有する溶融スラグ３１が侵食部分１１４に侵入して、外周層１１２に接触することなり、主電極４と外周層１４０及びこれに埋設された電極１４０との間が溶融スラグ３１を介して通電状態となる（図３（Ｂ）参照）。その結果、かかる通電状態を適当な検知手段により検知することにより、侵食程度つまり侵食部分１１４の深さが内周層１１１の厚みＴａ（より正確には、内周層１１１と電気絶縁体１１３との合計厚み）に相当する寸法に達したことを的確に把握することができ、適当な安全措置をとることができる。この例では、検知手段として設けられた電流指示計１４２が作動し、安全措置として、警報が発せられると共にプラズマ溶融炉１が緊急停止される。そして、運転停止後は、炉１内を点検し、浸食部分１１４を補修する。このとき、外周層１１２は浸食されておらず、耐火壁構造部分１１０の一部である内周層１１１（及び電気絶縁体１１３）を補修するだけであるから、補修を経済的に且つ容易に行うことができる。
【００２５】このように、本発明の方法によれば、プラズマ溶融炉の運転中において、耐火壁構造部分１１０の侵食程度を的確に把握することができ、つまり侵食部分１１４が一定深さに達しているか否かを的確に把握することができ、侵食がさほど進行していない段階で侵食確認のために不必要に炉運転を停止したり或いは侵食が危険な事態を誘発する段階まで進行しているにも拘わらず炉運転を継続したりするといった問題を生じることなく、プラズマ溶融炉１の長期に亘る安全な連続運転並びに的確な補修時期の決定による適正な保守を確保することができる。
【００２６】また、第２の実施の形態にあっては、図４及び図５に示す如く、内周層１１１を非導電性の耐火材（例えば、クロム系耐火材）で構成することによって、両層１１１，１１２間に上記した電気絶縁体１１３を介在させることなく、導電性の耐火材からなる外周層１１２を内周層１１１から電気的に絶縁させてある。また、電極１４０を外周層１１２の厚み方向における略中央部に埋設してある。これらの点、つまり内周層１１１を非導電性の耐火材で構成した点、両層１１１，１１２を電気絶縁体１１３を介在させることなく接触させた点及び電極１４０を外周層１１２の厚み方向における略中央部に埋設した点を除いて、炉壁１ａを第１の実施の形態におけると同一構造となしている。なお、内周層１１１の厚みＴａと外周層１１２の厚みＴｂとの割合も、第１の実施の形態におけると同一である。
【００２７】而して、第２の実施の形態にあっても、本発明の方法により炉壁１ａの耐火壁構造部分１１０の侵食による損傷が、第１の実施の形態における場合と同様に検知される。
【００２８】すなわち、侵食部分１１４の深さが内周層１１１の厚みＴａを超えない状態では、主電極４と外周層１４０及びこれに埋設された電極１４０との間は通電状態とならず、電流指示計１４２は作動しない（図６（Ａ）参照）。しかし、侵食が進行して侵食部分１１４の深さが内周層１１１の厚みＴａを超えると、導電性を有する溶融スラグ３１が侵食部分１１４に侵入して、外周層１１２に接触することなり、主電極４と外周層１４０及びこれに埋設された電極１４０との間が溶融スラグ３１を介して通電状態となり、電流指示計１４２が作動して、警報が発せられると共にプラズマ溶融炉１が緊急停止される（図６（Ｂ）参照）。
【００２９】なお、本発明は上記した各実施の形態に限定されるものではなく、本発明の基本原理を逸脱しない範囲において、適宜に改良，変更することができる。特に、主電極４と外周層１１２との間が通電状態にあることを感知する手段は任意であり、電極１４０の形状及び外周層１１２における埋設位置も任意である。要は、浸食部分１１４が外周層１１２の内周面に達して主電極４と外周層１１２との間が溶融スラグ３１を介して通電状態となったことを感知できるものであればよい。例えば、耐火壁構造部分１１０を第１の実施の形態における如く構成した場合において、図７に示す如く、外周層１１２に埋設した導線１４４に電圧をかけておき、その変化を電流指示計１４３により検知することによって、通電状態を感知するようにしてもよい。或いは、導電性の内周層１１１と電気絶縁体１１３との間に電圧をかけておき、その電流変化を検知することにより通電状態を感知するようにしてもよい。
【００３０】
【発明の効果】以上の説明から容易に理解されるように、本発明によれば、炉運転を停止することなく、耐火壁構造部分がどの程度浸食されたかを的確に検知することができ、浸食が一定以上（内周層の厚み（又は内周層及び電気絶縁体の合計厚み）以上）に進行するのを確実に防止することができる。したがって、浸食が耐火壁構造部分を超えるような危険を未然に防止しつつ、炉運転を長期に亘って安全に行うことができ、灰の溶融処理を効率よく行うことができる。しかも、耐火壁構造部分の一部（内周層又は内周層及び電気絶縁体）を補修するだけでよく、外周層を含む耐火壁構造部分全体を補修する場合に比して、補修を極めて経済的に且つ容易に行うことができる。

【出願人】	【識別番号】０００１３３０３２【氏名又は名称】株式会社タクマ
【出願日】	平成９年（１９９７）７月４日
【代理人】	【弁理士】【氏名又は名称】杉本丈夫（外１名）
【公開番号】	特開平１１－２３１６４
【公開日】	平成１１年（１９９９）１月２６日
【出願番号】	特願平９－１７９７４３