JP2008249317A

JP2008249317A - 廃棄物溶融炉の炉底構造

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Publication number: JP2008249317A
Application number: JP2007115104A
Authority: JP
Inventors: Mitsumasa Todaka; 光正戸高; Koichi Motoyama; 浩一本山; Satoru Fujisaki; 覚藤崎; Hideyuki Tsuda; 秀行津田
Original assignee: Nittetsu Plant Designing Corp; Krosaki Harima Corp; Nippon Steel Engineering Co Ltd
Current assignee: Krosaki Harima Corp; Nippon Steel Engineering Co Ltd; Nippon Steel Plant Designing Corp
Priority date: 2007-03-08
Filing date: 2007-04-25
Publication date: 2008-10-16

Abstract

【課題】連続運転を実施している廃棄物溶融炉の炉底部において、スラグの温度低下の抑制により出湯間隔を大幅に増加させ、これにより出湯作業にかかる消耗品や用役の使用量さらには開孔・閉塞作業に要する人員を削減させるとともに、溶融物、特にＦｅ，Ｃｕ等のメタルの浸透に起因する鉄皮溶損などによる設備の停止を防止すること。
【解決手段】鉄皮上面に耐火物を積層した多層構造からなる廃棄物溶融炉の炉底構造において、最上層である第１層を炭化珪素質耐火物４からなるキャスタブル層、第１層背面の第２層をアルミナ質耐火物５からなるキャスタブル層、第２層背面の第３層を断熱性耐火物６からなる層、第３層背面の第４層をシリカ微粒子を主材とした微孔性成形体である高機能断熱材７からなる断熱層としたことを特徴とする廃棄物溶融炉の炉底構造。
【選択図】図１

Description

本発明は、一般廃棄物、産業廃棄物等の廃棄物を溶融処理する廃棄物溶融炉の炉底構造に関し、特に溶融物の保温性向上に最適な積層構造を有する廃棄物溶融炉の炉底構造に関する。

一般廃棄物、産業廃棄物等の廃棄物を溶融処理する廃棄物溶融炉においては、炉底部の侵食防止、溶融物の温度低下の抑制等が非常に重要な課題であるところ、従来から廃棄物溶融炉の炉底構造としては、耐スラグ浸透性、耐スポーリング性、および耐火性等に優れる耐火物を鉄皮上面に層状に積層した構造のものが多用されている（例えば、特許文献１参照）。

特許文献１に開示されている廃棄物溶融炉の炉底構造を図４に示す。コークスと石灰石とともに溶融炉内に装入された廃棄物は、炉の下部側面に設けられた送風羽口から酸素富化された空気が吹き込まれることによって、溶融炉内を降下する過程で乾燥および熱分解反応が進行し、残った灰分は送風羽口近くでコークスベッドを形成する炉底コークスの燃焼熱等により溶融される。

溶融金属および溶融スラグとして炉底に降下した溶融物は、炉外に通じる出湯口から出湯（排出）される。ここで、当該炉底に貯留されるスラグの出湯作業は、概ね６０分間隔で実施されているのが現状である。これは、この種の炉底構造を有する廃棄物溶融炉においては、図４に示すように溶融物と接する第１層には熱伝導率が高く耐スラグ浸透性に優れた炭化珪素質耐火物４が、その背面の第２層には高アルミナ質耐火物５が、その背面の第３層には断熱性耐火物１３が用いられるのが一般的であるが、これらの耐火物の熱伝導率λは０．２〜１１Ｗ／ｍ・Ｋ程度のものであるためスラグの温度低下の抑制に限界があり、概ね６０分間隔で出湯作業を実施しないとスラグが凝固して、溶融物の排出が困難となるからである。

また、この種の炉底構造を有する廃棄物溶融炉においては、出湯するたびにマッドの開孔作業と閉塞作業が必要となる。したがって、前記したように出湯作業が概ね６０分間隔で実施されることから、マッドの開孔・閉塞作業についても当該間隔で行う必要があり多大な人的コストを要している。同様に、開孔機を構成しているロッド、ビット等についても出湯するたびに高温なスラグに接触するため、消耗品としての費用が大なるものであり、当該開孔機を運転するためのエアー、酸素、水等の用役コストについても無視できない費用となる。

さらに、上記従来技術の構成では、長期間の連続操業において、例えば耐火物のクラックや耐火物の目地から第１層の炭化珪素質耐火物４および第２層の高アルミナ質耐火物５に溶融物１、特にＦｅ，Ｃｕ等のメタルが侵入すると、第２層の背面に設けている断熱性耐火物１３は耐火性が低いため当該溶融物１により溶損し、場合によっては炉底の鉄皮が溶損し、溶融炉設備の停止になるおそれもある。
特開２００６−３００３５７号公報

本発明の目的は、前記従来技術の課題を解決するものであって、連続運転を実施している廃棄物溶融炉の炉底部において、スラグの温度低下の抑制により出湯間隔を大幅に増加させ、これにより出湯作業にかかる消耗品や用役の使用量さらには開孔・閉塞作業に要する人員を削減させるとともに、溶融物による鉄皮溶損などによる設備の停止を防止することをその目的とする。

本発明者は、前記課題を解決すべく、廃棄物溶融炉の炉底構造解析および伝熱計算を重ねた結果、以下の技術的知見を得た。

（Ａ）前記したように本発明の第一義的な目的はスラグの温度低下の抑制であり、これを実現するために溶融物の保温性向上に最適な積層構造を有する廃棄物溶融炉の炉底構造を新たに創出することにあるところ、炉底構造を構成する耐火物層の最下層に、すなわち、鉄皮上面に、熱伝導率λが０．０５Ｗ／ｍ・Ｋ以下の高機能断熱材、より具体的には、シリカ微粒子を主材とした微孔性成形体である高機能断熱材からなる断熱層を形成することにより、鉄皮への熱伝導量を抑制でき、これにより溶融物の保温性を大幅に向上できること。

（Ｂ）なお、現在市販されているあるいは現在入手可能な熱伝導率λが０．０５Ｗ／ｍ・Ｋ以下の高機能断熱材の耐熱温度は約１１００℃程度である。このため、可能性としては極めて低いものであるが、仮に当該高機能断熱材からなる断熱層にまで溶融物、特にＦｅ，Ｃｕ等のメタルが浸透した場合には、当該断熱層下面の鉄皮が赤熱、溶損されるおそれがないわけではない。したがって、当該断熱層への溶融物の浸透が危惧される場合には、あるいは、溶融物浸透による鉄皮溶損の確率を限りなくゼロにしたい場合には、当該断熱層と鉄皮との間にバックアップ用として耐火性耐火物層を形成すべきこと。換言すると、鉄皮の上面に耐火性耐火物層を、その上面に高機能断熱材からなる断熱層を形成することにより、鉄皮への熱伝導量の抑制による溶融物の保温性向上を達成できるとともに、鉄皮溶損による設備停止をも完全に防止できること。

（Ｃ）一方、最上層である第１層については高温のスラグと常時接するため、耐スラグ浸透性、耐スポーリング性に優れる炭化珪素質耐火物からなるキャスタブル層を形成すべきこと。

（Ｄ）ただし、第１層の炭化珪素質耐火物は熱伝導率λが高いため第１層全体が高温に維持され、溶融物、特にＦｅ，Ｃｕ等のメタルが第１層の目地やクラックを通じて容易に下層へ浸透するおそれがある。したがって、バックアップ用に第１層背面の第２層として、耐スラグ浸透性、耐スポーリング性に優れるアルミナ質耐火物からなるキャスタブル層を形成すべきこと。

上記の知見に基づき、本発明者は、溶融物の保温性向上に最適な積層構造を有する廃棄物溶融炉の炉底構造に想到した。すなわち、本発明は、鉄皮上面に耐火物を積層した多層構造からなる廃棄物溶融炉の炉底構造において、最上層である第１層を炭化珪素質耐火物からなるキャスタブル層、第１層背面の第２層をアルミナ質耐火物からなるキャスタブル層、第２層背面の第３層を断熱性耐火物層、第３層背面の第４層をシリカ微粒子を主材とした微孔性成形体である高機能断熱材からなる断熱層としたことを特徴とする廃棄物溶融炉の炉底構造である。

（１）本発明に係る廃棄物溶融炉の炉底構造においては、炉底構造を構成する耐火物層の第４層として熱伝導率λが０．０５Ｗ／ｍ・Ｋ以下の高機能断熱材からなる断熱層を採用するので、鉄皮への熱伝導量の抑制ひいては炉床からの放熱量を抑制でき、これにより溶融物の保温性を大幅に向上することができる。したがって、出湯間隔を大幅に延長することができ、例えば、従来６０分間隔で出湯作業していたものを９０分間隔で実施することができる。よって、作業要員等の人的コストを大幅に削減することができる。また、出湯間隔を大幅に延長できるので、ロッド、ビット等の消耗品の必要数を低減できるとともに用役コストも削減することができる。

（２）すなわち、第１〜第４層からなる本発明に係る廃棄物溶融炉の炉底構造は、それぞれの耐火物が具備する長所を最大限に発揮できるように、また、それぞれの耐火物が具備する短所を補うように耐火物の層順位を考慮した積層構造であるため、従来技術では達成できなかった鉄皮への熱伝導量の抑制による溶融物の保温性を大幅に向上することができる。

（３）また、第４層背面に第５層として耐火性耐火物層を形成した本発明に係る廃棄物溶融炉の炉底構造においては、仮に高機能断熱材からなる第４層にまで溶融物、特にＦｅ，Ｃｕ等のメタルが浸透したとしても、第５層の耐火性耐火物層によって鉄皮への溶融物の侵入を完全に阻止することができるので、溶融物の保温性向上のみならず、鉄皮溶損による設備停止をも完全に防止することができる。

以下、図１〜図３を参照して、本発明を実施するための最良の形態を説明する。
図１は本発明に係る廃棄物溶融炉の炉底構造の一例を示す断面図であり、当該例においては鉄皮９の上面に４層からなる耐火物を積層している。以下、各層の作用ならびに選定根拠について詳細に説明する。

まず、最上層である第１層については高温の溶融物１と常時接するため、耐スラグ浸透性、耐スポーリング性に優れる炭化珪素質耐火物４からなるキャスタブル層を形成する。この場合、少なくとも３０質量％以上の炭化珪素を含む炭化珪素質耐火物４からなるキャスタブル層とするのが望ましい。３０質量％以上の炭化珪素を含む材料を使用することにより、耐スラグ浸透性を十分に発揮することができる。また、炭化珪素を３０質量％以上含有することにより熱伝導率λが高くなる。例えば、炭化珪素７０質量％、その他の成分としてアルミナ＋シリカ＝２９質量％、残り酸化カルシウム１質量％の炭化珪素質耐火物４を用いた場合、その熱伝導率λは１１．３Ｗ／ｍ・Ｋ程度である。

ただし、第１層に使用される炭化珪素質耐火物４は前記したように熱伝導率が高いため、第１層全体が高温に維持され、その結果として溶融物１、特にＦｅ，Ｃｕ等のメタルが第１層の目地やクラックを通じて浸透するおそれがある。この溶融物１が断熱性耐火物６からなる層に到達すると断熱性が失われて炉床部が冷却され、炉床面で溶融物が凝固し、出湯口２からの溶融物の排出が不可能となる。

このため、第１層背面の第２層としては、耐スラグ浸透性、耐スポーリング性に優れるアルミナ質耐火物５からなるキャスタブル層を形成し、これにより溶融物１が断熱性耐火物６からなる層に浸透するのを防止する。なお、第２層の本来的目的は耐火性にあることからアルミナ質耐火物５としては、耐火性能を発揮する上で少なくとも５０質量％以上のアルミナを含むアルミナ質耐火物とするのが望ましく、また、第１層より小さい熱伝導率λの材料を選定するのが望ましい。例えば、アルミナ９３質量％、その他の成分としてシリカ６質量％、酸化カルシウム１質量％を含有するアルミナ質耐火物５を用いることができ、その熱伝導率λは第１層よりも小さい２．１Ｗ／ｍ・Ｋ程度である。

次に、第２層背面の第３層についてであるが、前記したように第１層、第２層の熱伝導率λは大きく、スラグ等の溶融物１の保有熱量が次層へ伝達されやすいため、この伝熱量を小さくするために、第１層、第２層より熱伝導率λの小さな断熱性耐火物６を用いた耐火物層を形成する。例えば、λ＝０．２６Ｗ／ｍ・Ｋ程度の断熱性耐火物６を用いることが望ましい。

次に、第３層背面の第４層としては、第３層の断熱性耐火物層からの鉄皮への伝熱量を最小にするため、熱伝導率λが０．０５Ｗ／ｍ・Ｋ以下の高機能断熱材７からなる断熱層を形成するが、望ましくは、第３層の断熱性耐火物層の１／１０程度であるλ＝０．０２Ｗ／ｍ・Ｋ程度となる材料を選択するのが好ましく、例えば、黒崎播磨株式会社が販売するＰＯＲＥＸＴＨＥＲＭＷＤＳ（登録商標）を用いることができる。当該高機能断熱材７は、ヒュームドシリカと赤外線を透過させない物質で構成され、空気分子の運動を規制する微細なマイクロポアー構造を有しており、単に空気を取り込む従来の断熱材とは異なり、固体の伝熱、空気分子の移動、赤外線の透過といった熱の移動をコントロールして、静止空気を凌ぐ熱伝導率を達成したシリカ微粒子を主材とした微孔性成形体である。

前記したように本発明の第一義的な目的はスラグの温度低下の抑制、すなわち、溶融物１の保温性向上に最適な積層構造を有する廃棄物溶融炉の炉底構造を新たに創出することにあるところ、第４層として熱伝導率λが０．０５Ｗ／ｍ・Ｋ以下の高機能断熱材７からなる断熱層を形成することにより、鉄皮９への熱伝導量を抑制でき、これにより溶融物１の保温性を大幅に向上することができる。従来の断熱性耐火物の最高使用温度約１０００℃以上での熱伝導率λは０．２〜０．５Ｗ／ｍ・Ｋ程度であり、これらを用いて極めて大なる断熱効果を確保するためには、層厚を大きく増すことが必要である。しかし、層厚を大きく増すことは、耐火物の構造安定性の観点から限界があり、実用上困難である。したがって、本発明においては、層厚を大きくすることなく、即ち、耐火物の構造安定性を確保しつつも高い断熱効果を得るために、従来の断熱性耐火物の最高使用温度約１０００℃以上での熱伝導率λの約１／１０程度を目標とし、λ＝０．０５Ｗ／ｍ・Ｋを上限値に設定している。

第４層の層厚としては３〜２０ｍｍとするのが望ましい。第４層で用いる高機能断熱材７は圧縮性が高いため、第４層の上部に積層される耐火物およびスラグ等の溶融物の重量により圧縮収縮するので、第４層の層厚が２０ｍｍを超えると収縮代が過大となり周辺の耐火物が崩壊する可能性がある一方、層厚が２０ｍｍ以下では、この収縮代は３ｍｍ程度であり各層間の目地材（モルタル）の厚み相当なので、収縮しても耐火物構造全体への影響が少なく、陥没による沈下や構造が不安定になるようなことはない。ただし、層厚が３ｍｍ未満では充分な断熱効果を得ることができない。

また、第４層の高機能断熱材７からなる断熱層の表裏には、層厚が３ｍｍ程度のモルタルを施工するのが望ましい。断熱層の表裏にモルタルを施工することにより、高機能断熱材７が圧縮収縮したときの収縮代を確保することができ、これにより構造物全体としての安定性も増大する。また、熱によって高機能断熱材７が膨張したときの膨張代・収縮代としての機能も期待できる。第４層の層厚自体が３〜２０ｍｍであり、また、高機能断熱材が圧縮収縮したときの収縮代についても３ｍｍ程度であるから、モルタルの厚さについては、３ｍｍ程度にするのが望ましい。

ただし、前記した現在市販されているあるいは現在入手可能な熱伝導率λが０．０５Ｗ／ｍ・Ｋ以下の高機能断熱材７の耐熱温度は約１１００℃程度である。このため、可能性としては極めて低いものであるが、仮に第４層にまで溶融物１、特にＦｅ，Ｃｕ等のメタルが浸透した場合には、第４層自体に当該溶融物１の浸透を阻止する能力がなく、鉄皮９が赤熱、溶損されて鉄皮溶損による設備停止に到るおそれがないわけではない。

このため、第４層への溶融物１、特にＦｅ，Ｃｕ等のメタルの浸透が危惧される場合には、あるいは、溶融物浸透による鉄皮溶損の確率を限りなくゼロにしたい場合には、図２に示すように、バックアップ用として第４層背面に第５層として耐火性耐火物８からなる耐火性耐火物層を形成し、これによりスラグ及びメタル等の溶融物１が鉄皮９に侵入するのを防止することができる。

図３は廃棄物溶融炉の炉底構造の伝熱計算に使用したモデル図であり、従来技術に係る炉底構造と第１〜第４層からなる本発明に係る炉底構造の熱伝熱量が比較できるように図示したものである。伝熱計算に使用した条件を以下に示す。
（１）炉内熱伝達係数：８５０Ｗ／ｍ^２・Ｋ
（２）炉外熱伝達係数：８Ｗ／ｍ^２・Ｋ
（３）スラグ温度：１５００℃
（４）外気温度：３０℃

上記モデルを使用した伝熱計算の結果、図３の左側に示す従来技術に係る炉底構造では、炉底の鉄皮９と断熱材との境界部温度（図３のＡ点における温度）は、２８０℃となった。これに対し、図３の右側に示す本発明に係る炉底構造では、炉底の鉄皮９と断熱材との境界部温度（図３のＢ点における温度）は、１５５℃となった。すなわち、第１〜第４層からなる本発明に係る炉底構造の境界部温度は、従来技術に係る炉底構造の境界部温度より１２５℃低く、断熱降下率としては約５５％という結果となった。これは、本発明に係る炉底構造の効果を顕著に現すものである。

本発明に係る廃棄物溶融炉の炉底構造の一例を示す断面図である。本発明に係る廃棄物溶融炉の炉底構造の別の一例を示す断面図である。廃棄物溶融炉の炉底構造の伝熱計算に使用したモデル図である。従来技術に係る廃棄物溶融炉の炉底構造を示す断面図である。

符号の説明

１スラグ及びメタル等の溶融物２出湯口
３開孔用ロッド・ビット４炭化珪素質耐火物
５アルミナ質耐火物６断熱性耐火物
７高機能断熱材８耐火性耐火物
９鉄皮１０炉底部
１１送風羽口１２温度計
１３断熱性耐火物

Claims

鉄皮上面に耐火物を積層した多層構造からなる廃棄物溶融炉の炉底構造において、
最上層である第１層を炭化珪素質耐火物からなるキャスタブル層、
第１層背面の第２層をアルミナ質耐火物からなるキャスタブル層、
第２層背面の第３層を断熱性耐火物層、
第３層背面の第４層をシリカ微粒子を主材とした微孔性成形体である高機能断熱材からなる断熱層としたことを特徴とする廃棄物溶融炉の炉底構造。
さらに、前記第４層背面に第５層として耐火性耐火物層を形成したことを特徴とする請求項１に記載の廃棄物溶融炉の炉底構造。
前記第４層の層厚を３〜２０ｍｍとしたことを特徴とする請求項１または２に記載の廃棄物溶融炉の炉底構造。
前記第１層を、少なくとも３０質量％以上の炭化珪素を含む炭化珪素質耐火物からなるキャスタブル層、
前記第２層を、少なくとも５０質量％以上のアルミナを含むアルミナ質耐火物からなるキャスタブル層としたことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の廃棄物溶融炉の炉底構造。
前記第４層の表裏にモルタルを施工したことを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の廃棄物溶融炉の炉底構造。