JP2003065528A - 灰溶融炉 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】効率的に灰の溶融スラグ化処理をすることであ
る。 【解決手段】灰溶融炉において、灰の搬送気体中の酸素
濃度を可変とできる装置を備え、灰の搬送気体中に富化
された酸素と燃料の燃焼熱で、ガス温度が上昇する。搬
送気体に同伴される灰は、周囲ガスの持つ熱で速やかに
溶融し、スラグとして回収される。さらに灰の処理量を
増やした場合でも、灰の存在域のガス温度を局所的に高
めることができ、富化する酸素量を低減できる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は火力発電設備などに
おいて灰の溶融スラグ化処理を行う灰溶融炉にに関する

【０００２】

【従来の技術】石炭は、世界中に豊富な埋蔵量を有する
ため、他の化石燃料に比べて経済性に優れる。このため
拡大する電力需要を賄うため、石炭火力発電設備の増設
が予想される。一方、石炭中の１０〜２０％は灰分であ
り、日本国内の石炭火力発電設備だけでも約５００万ト
ン／年の灰が排出されている。

【０００３】現在、このうちの半分がセメントの混和材
等に再利用され、残りの半分は廃棄物として埋め立て処
分されている。石炭灰は粉塵であり、重金属を溶出する
危険性があるため、管理型産業廃棄物に指定されてい
る。このため、灰の処分費用がかさむとともに、埋め立
て処分場が不足している。

【０００４】そこで灰中の重金属を封印し、かつ灰を減
容する方式として、灰の溶融スラグ化が考案されてい
る。例えば特公平８−２４９０２において、スラグタッ
プ式燃焼炉を利用する方式が示されている。また特開平
９−３１４７６と特開平９−１３２７８６には、噴流床
式石炭ガス化炉を用いて灰を溶融する方式が示されてい
る。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】火力発電設備で用いら
れる石炭灰の融点は１５００度を超えるものが多いた
め、炉内を酸素富化することにより、炉内のガス温度を
石炭の融点以上としなければならない。特公平８−２４
９０２に示されるスラグタップ式燃焼炉と特開平９−１
３２７８６に示されるガス化炉において、酸素は灰投入
ポートと別個に炉内に供給される。この場合、炉内全体
のガス温度を灰の融点以上に保つ必要があり、大量の酸
素を必要とする。

【０００６】特開平９−３１４７６に示されるガス化炉
では、石炭や回収チャーにフラックス（一般にカルシウ
ム化合物）を混ぜて灰分の融点下げるシステムが示され
ている。

【０００７】これら固体の融点は、結晶中のＳｉＯ２、
Ａｌ２Ｏ３，ＣａＯといった金属酸化物の組成比で決ま
る。特に石炭灰の場合、ＣａＯの割合が融点に影響す
る。フラックスは他の固体の結晶と接触することで融点
降下剤として作用するものであり、十分な接触時間が必
要である。

【０００８】ここでは、石炭や回収チャー、フラックス
を直進流で燃焼炉に投入しているため、石炭や回収チャ
ーとフラックスの接触時間が十分でない。これは温度上
昇による浮力によって、石炭中の灰分や回収チャー、フ
ラックスが炉上方に飛散するためである。また飛散粒子
は、ガス温度の低下した炉上部に付着してスラッギング
の原因となる。従って本本式は、効率的な灰の溶融に適
さない。

【０００９】本発明の目的は、灰を酸素富化した気体と
ともにで炉内に投入し、少量の酸素で灰の存在領域を局
所的に加熱できる灰溶融炉を提供し、火力発電設備など
で発生する灰を安定にスラグ化処理することである。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明は灰を気流搬送に
よって炉に供給する搬送系統と、この灰の搬送系統中に
搬送気体の酸素濃度を富化する装置を備えたものであ
る。搬送気体中の酸素濃度は、変えることもできるし、
搬送気体を純酸素とすることも可能である。

【００１１】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施例を図面に基
づいて説明する。ここでは石炭を燃料とした旋回式の灰
溶融炉を用いた例を示している。

【００１２】図１は灰の搬送系統中の酸素濃度を変更で
きる装置を備えた灰溶融炉を示している。溶融炉１１は
縦置きの円筒炉であり、スラグ１７を炉下部、排ガス１
４を炉出口１２からそれぞれ回収する。燃焼空気は高さ
方向に沿って３段に配置されているノズルから炉内に旋
回方向に供給される。

【００１３】ノズルは下段から、１次空気ノズル５、２
次空気ノズル３、３次空気ノズル１の順で配置されてい
る。石炭７は一次空気６によって搬送され、一次空気ノ
ズル５から炉内に投入される。また灰９は別個のノズル
８から炉内に供給される。

【００１４】次に炉内の燃焼状態について説明する。３
次空気ノズル１から噴出される３次空気２の一部によ
り、炉内には下降旋回流２４が形成される。

【００１５】この流れに２次空気４、１次空気６と石炭
７が同伴される。石炭７は旋回しながら炉底部で燃焼す
るため、滞留時間を長くすることができ、炉底部で可燃
物の９０%以上を燃焼する。

【００１６】これにより炉底部のガス温度が上昇する。
また灰ノズル８は燃焼空気ノズル（２次空気ノズル３）
よりも炉底部側に設けられ、灰９は搬送気体１０ととも
に炉内に供給され、先の下降旋回流２４に同伴されて炉
底部に達する。

【００１７】炉底部において、先の灰９と石炭中の灰分
は遠心力で炉壁１９に付着して溶融スラグ１６となる。
溶融スラグ１６は炉内壁１９を流下し、スラグ排出口１
５から水槽１８に落下して、ガラス状の固形スラグ１７
として回収される。ここで灰９の供給量を増加させる
と、次の２点が問題となる。

【００１８】（１）灰９のスラグ化による持ち出し熱量
が増加する。これにより炉底部のガス温度が低下する。

【００１９】（２）灰９の搬送気体１０の量が増加し、
これにより炉底部のガス量が増加するため、炉底部のガ
ス温度が低下する。

【００２０】そこで本実施例においては、灰の搬送系統
２５を工夫して、灰９の投入量を増加させても、灰９を
安定して溶融スラグ化処理できるようにしている。以下
に灰の搬送系統２５について説明する。

【００２１】搬送気体１０は酸素ライン２１と空気ライ
ン２２から供給される。酸素ライン２１と空気ライン２
２の合流部には、酸素濃度調整器２０が設置されてい
る。ここでは酸素ライン２１からの酸素量を調整するこ
とにより、搬送気体１０中の酸素濃度を調整できる。前
述の搬送気体１０は、灰ホッパ２３からの灰９とともに
灰ノズル８より炉内に供給される。

【００２２】灰９に石炭火力発電設備で排出されるフラ
イアッシュを用いる場合、一般に灰中の可燃物は５％以
下である。したがって搬送気体１０を酸素富化しても灰
の搬送系統２５内では発火しない。この場合次のような
効果がある。

【００２３】（１）少量の酸素富化による灰９の安定溶
融が可能 灰ノズル８を炉底部に設けることにより、搬送気体１０
中の酸素によって、炉底部の局所的な酸素富化が可能と
なる。石炭７の燃焼火炎の温度も酸素濃度に応じて上昇
する。灰９は搬送気体１０に同伴されて、火炎温度の高
い領域に供給される。このため上昇したガス温度の熱量
を、灰の溶融に効率的に利用できる。ここで必要な酸素
量は、溶融炉１１全体を酸素富化する場合の１/２以下
で良い。

【００２４】（２）搬送気体量の増大時の窒素の顕熱の
減少 灰９の投入量を増加させた場合、搬送気体１０の量も増
大するため、炉底部に投入される合計ガス量が増大す
る。搬送気体１０を酸素富化することにより、窒素の顕
熱を減少させ、炉底部のガス温度の低下を防ぐことがで
きる。

【００２５】図示した灰溶融炉は、さらに灰の搬送系統
中の酸素濃度を可変とする装置を備えている。点線２１
２，２１３、２０１、２０２で示すように酸素製造装置
３０からの酸素ライン２１は、灰搬送系統２５だけでな
く、他の空気供給系統、すなわち３次空気２６、２次空
気２７、４次空気３３に接続することも可能である。

【００２６】酸素ライン２１を接続した系統には、全て
酸素濃度調整器２０を設置することにより、各空気中の
酸素濃度が調整できる。本実施例により次のような効果
がある。

【００２７】（１）炉内に富化する酸素量と炉内の酸素
濃度を自由に調整可能 灰の処理量を増加させる場合、灰やスラグが炉内に付着
して堆積すると、灰溶融炉を運用できなくなる。これを
酸素富化によって炉内ガス温度を高めて回避する場合、
酸素富化できるノズルは、灰ノズル８を含めた複数本必
要である。

【００２８】また、炉底部の溶融スラグの飛散を防止す
るため、炉内の空塔速度を低くする必要がある。炉内の
ガス温度を高くした状態で空塔速度を低くするために
は、炉内のガス量を減らさなければならない。そこで炉
内を自在に酸素富化することによって、炉内のガス量が
低減される。さらに、窒素量を減らせるため、窒素の顕
熱が減少し、エネルギー効率が高くなる。

【００２９】（２）灰搬送気体１０に富化する酸素量で
炉内に富化する全酸素量を賄えない場合、他のノズルか
らの酸素投入が可能となる。

【００３０】（３）灰９中に含まれる可燃物が多い場合
でも、灰溶融炉１１を酸素富化して運用できる。この場
合、灰ノズル８近傍の炉底部に設置した４次空気ノズル
３１を利用する。４次空気の酸素濃度を高めることで、
炉底の灰溶融域でのガス温度を高める。

【００３１】以上述べたように、本実施例の構成によれ
ば、灰９中の可燃物量が変動しても、灰の安定なスラグ
化処理が可能となる。

【００３２】以上の説明では、搬送気体として空気を使
用しているが、点線２１１で示すように灰の搬送気体１
０を純酸素とした灰溶融炉とすることも可能である。こ
の場合、灰ホッパ２３からの灰は、酸素製造装置３０か
ら供給される酸素で搬送され、灰ノズル８から炉内に供
給される。投入された搬送気体１０は純酸素であり、炉
底部の石炭燃焼域に投入される。

【００３３】このため酸素は即座に反応し、ガス温度は
局所的に２０００度を超える。灰９は、酸素に同伴され
て炉内に供給される。灰９の周囲のガス温度が高くなっ
ており、灰９は軟化する。

【００３４】また本実施例に示す旋回式の炉であれば、
高温域の滞留時間を長くできるだけでなく、炉内気体の
遠心力によって炉壁１９に達する。軟化した灰９は、炉
内壁１９に付着し、燃焼ガスの伝熱、輻射熱で溶融スラ
グ１６となって炉下部のスラグ排出口１５に向って流れ
る。

【００３５】さらに、炉内のガス温度を高めて溶融スラ
グの温度も高くすると、スラグ自身の粘度が低下する。
これによりスラグも流れ易くなり、スラグ排出口１５に
おけるスラグによる閉塞が起こりにくくなる。

【００３６】このように、灰の搬送気体１０を純酸素に
できれば、富化する酸素量を最小にできるため、最もエ
ネルギー効率の高い灰の溶融方法となる。但し、本溶融
炉に供給できる灰は、可燃物を殆ど含まない灰に限定さ
れる。これは灰搬送系統２５内での灰９中の可燃物と酸
素の反応による発火を防止するためである。

【００３７】また、気体の酸素濃度を変える装置を複数
の搬送系統中に設けているので、酸素富化した空気を複
数のノズルから炉内に供給できる。これにより、次のよ
うな効果がある。 （１）炉内に富化する酸素量を自由に制御できる。 （２）炉内に供給する酸素量が、灰の搬送気体だけで賄
えない場合、別ノズルからの酸素投入が可能である。 （３）灰中に可燃物を多く含むために灰の搬送気体を酸
素富化できない場合、別ノズルから酸素富化が可能であ
る。 さらに、搬送気体を酸素だけにすると、富化する酸素量
を必要最小限にできるため、エネルギー効率の高い灰溶
融炉の運用が可能である。また、灰の搬送条件を固/気
比で３以上、流速10m/ｓ以上とすると、灰の搬送気体量
を減少できる。これにより、炉内の流動に影響を及ぼさ
ずに灰を投入できる。さらに、灰を融点調整剤とともに
供給するので、灰の性状変化によらず灰の融点を一定に
できる。これにより、灰溶融炉を一定条件で運転でき
る。さらに、灰中の可燃物量を監視し、灰の搬送気体中
の酸素濃度を調整することにより、灰の搬送系統内にお
ける、灰中の可燃物の発火を防止できる。さらに、溶融
スラグの流下速度あるいは回収スラグ重量を監視し、灰
の搬送気体中の酸素濃度と灰に混合する融点調整剤の量
を調整すると、溶融スラグの安定排出により、灰溶融炉
の安定運用が可能となる。図３は、上記本実施例の灰溶
融炉を火力発電設備に用いたとき構成図で、図１と同じ
符号は同じ装置を示している。石炭は石炭ホッパ２９に
一旦貯蔵され、粉砕機によって微粉炭に加工された後、
微粉炭ボイラ４１のバーナ４０および本発明の灰溶解炉
１１供給される。

【００３８】灰溶解炉１１への供給は、先に説明したよ
うに１次空気系統２８から供給される。微粉炭ボイラ４
１からの排ガス４２は、脱硝装置４３を経て空気予熱器
４４へ送られる。

【００３９】空気予熱器４４は、微粉炭ボイラ用吸気ブ
ロワ４５からの空気と排ガス４２との熱交換を行い、加
熱された空気はボイラ４１のバーナ４０へ供給される。
空気予熱器４４を通過した排ガス４２は、微粉炭ボイラ
用集塵機４６によって含まれる粉塵が取り除かれた後、
脱硫装置４７を経て、煙突４８から空気中へ排出され
る。

【００４０】微粉炭ボイラ用集塵機４６で回収された灰
３７は、灰ホッパ２３に貯蔵される。一方、灰溶融炉１
１の排ガス１４は、熱回収部３４で灰溶融炉用吸気ブロ
ワ３５からの空気と熱交換し、加熱された空気は酸素濃
度調整器２０を経て、灰溶解炉１１へ供給される。

【００４１】酸素製造装置３０からの酸素は、すでに説
明したように酸素濃度調整器２０を介して、灰溶解炉１
１へ供給される。このような灰溶解炉１１を用いる発電
設備によれば、そこから排出される灰分をスラグ化処理
による灰の減容、無害化が可能となる。

【００４２】

【発明の効果】本発明によれば、灰の搬送気体中に富化
された酸素と燃料の燃焼熱で、ガス温度が上昇する。搬
送気体に同伴される灰は、周囲ガスの持つ熱で速やかに
溶融し、スラグとして回収される。さらに灰の処理量を
増やした場合でも、灰の存在域のガス温度を局所的に高
めることができ、富化する酸素量を低減できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例の灰溶融炉を示すの概略構成
図である。

【図２】本発明の効果を説明する図である。

【図３】本発明の灰溶融炉を設置した火力発電設備を示
す図である。

【符号の説明】

１…３次空気ノズル、２…３次空気、３…２次空気ノズ
ル、４…２次空気、５…１次空気ノズル、６…１次空
気、７…石炭、８…灰ノズル、９…灰、１０…搬送気
体、１１…灰溶融炉、１２…炉出口、１３…炉の中心軸
線、１４…灰溶融炉の排ガス、１５…スラグ排出口、１
６…溶融スラグ、１７…固形スラグ、１８…水槽…、１
９…炉内壁、２０…酸素濃度調整器、２１…酸素系、２
２…灰搬送空気、２３…、灰ホッパ、２４…下降旋回
流、２５…灰の搬送系統、２６…３次空気系統、２７…
２次空気系統、２８…１次空気系統、２９…石炭ホッ
パ、３０…酸素製造装置、３１…４次空気ノズル、３２
…４次空気、３３…４次空気系統、３４…熱回収部、３
５…灰溶融炉用吸気ブロワ、３６…灰溶融炉用集塵機、
３７…微粉炭ボイラ用集塵機で回収された灰、３８…灰
溶融炉用集塵機で回収された灰、３９…粉砕機、４０…
バーナ、４１…微粉炭ボイラ、４２…火炉の排ガス、４
３…脱硝装置、４４…空気予熱器、４５…微粉炭ボイラ
用吸気ブロワ、４６…微粉炭ボイラ用集塵機、４７…脱
硫装置、４８…煙突。

フロントページの続き (72)発明者 森原 淳 茨城県日立市大みか町七丁目２番１号 株 式会社日立製作所電力・電機開発研究所内 (72)発明者 荒戸 利昭 茨城県日立市大みか町七丁目２番１号 株 式会社日立製作所電力・電機開発研究所内 (72)発明者 柴田 強 茨城県日立市大みか町七丁目２番１号 株 式会社日立製作所電力・電機開発研究所内 (72)発明者 岡崎 輝幸 茨城県日立市大みか町七丁目２番１号 株 式会社日立製作所電力・電機開発研究所内 (72)発明者 小林 啓信 東京都千代田区神田駿河台四丁目６番地 株式会社日立製作所内 (72)発明者 川野 敬 広島県呉市宝町６番９号 バブコック日立 株式会社呉事業所内 (72)発明者 石井 敬二 東京都港区浜松町二丁目４番１号 バブコ ック日立株式会社内 Ｆターム(参考） 3F047 AA11 AB03 CA02 CC11 3K061 AA16 AB03 AC03 CA08 DA13 DB01 DB16 EB11 EB14 NB03 NB13 PB01

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 灰を気流搬送により炉に供給する搬送系
   統と、前記灰の搬送系統中に搬送気体の酸素濃度を富化
   する装置を備えたことを特徴とする灰溶融炉。
2. 【請求項２】 灰を気流搬送によって炉に供給する系統
   を備えた灰溶融炉において、前記灰の搬送系統中に搬送
   気体中の酸素濃度を高めるとともにその濃度を変更する
   装置を備えたことを特徴とする灰溶融炉。
3. 【請求項３】 灰を気流搬送によって炉に供給する系統
   を備えた灰溶融炉において、搬送気体の酸素濃度を変更
   することができる装置を、前記灰の搬送系統を含む複数
   系統中に備えたことを特徴とする灰溶融炉。
4. 【請求項４】灰を気流搬送によって炉に供給する系統を
   備えた灰溶融炉において、前記灰の搬送気体を純酸素と
   したことを特徴とする灰溶融炉。
5. 【請求項５】請求項１に記載の灰溶融炉において、灰を
   融点調整剤とともに供給する灰溶融炉。
6. 【請求項６】請求項１に記載の灰溶融炉において、灰中
   の可燃物量を監視し、灰の搬送気体中の酸素濃度を調整
   する制御装置を備えた灰溶融炉。
7. 【請求項７】請求項１に記載の灰溶融炉において、溶融
   スラグの流下速度又は回収スラグ重量を監視し、灰の搬
   送気体中の酸素濃度と灰に混合する融点調整剤の量を調
   整する制御装置を備えた灰溶融炉。