JP3814449B2

JP3814449B2 - 溶融炉用排出口部材とその製造方法

Info

Publication number: JP3814449B2
Application number: JP31031099A
Authority: JP
Inventors: 裕ニ小川
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 1999-10-29
Filing date: 1999-10-29
Publication date: 2006-08-30
Anticipated expiration: 2019-10-29
Also published as: JP2001132933A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はたとえばゴミ焼却炉やゴミ焼却灰再処理溶融炉等に使用する溶融炉に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、地方自治体で使用している焼成炉において、燃やされた後の未燃分の焼却灰は最終処分場にて埋められていたが、立地条件がきびしくなり、場所の確保がむずかしくなってきた。しかも、ダイオキシンやフロン等の有毒汚染物質の無害化は法律や条例できびしく規制されるようになってきた。そのために、焼却灰や飛灰を回収し、これを再溶融して、有害物質を無害化する溶融炉が、近年、ますます求められている。焼却炉で燃やされた後の未燃分の焼却灰は、高温加熱処理でスラグ化すれば、焼却灰の１／２〜１／４程度にまで体積を小さくすることができ、さらにダイオキシン等の有害汚染物質を熱分解にて無害化できる等により、このような溶融炉での高温加熱処理法が有望視されている。
【０００３】
従来の溶融炉図４において説明すると、１０６はスラグ排出口、１０７は飛灰投入口である。１０５はプラズマ用主電極、１１３は排ガス口である。上記構成のプラズマ式溶融炉１０１を用いて下記のように溶融させる。炉本体１０２内に前記被溶融物としての焼却灰１０８を飛灰投入口１０７から入れる。この焼却灰１０８はゴミを焼却炉で焼いたときに飛散する細かい灰であり（飛灰と呼ばれる）、さらには灰塵等を電気集塵機、バグフィルタ等で集めたものである。この焼却灰１０８にはダイオキシン、有害重金属等が含まれる。そして、この被溶融スラグ１１０（下部電極）と上部プラズマ用主電極１０５との間でアークを発生させ、ここへ窒素ガスを流すことによりプラズマを発生させる。この輻射熱と被溶融物中に電流が流れる際に発生するジュール熱により、１３００〜１６００℃に加熱すると、被溶融物がジュール熱により溶融され、主成分の比重差により主としてＮａ、Ｋ、Ｃｌ、ＳＯ₃からなる溶融塩１０９と、主としてＳｉＯ₂、Ａｌ₂Ｏ₃、ＣａＯからなる溶融スラグ１１０に別れる。そして、このような溶融を繰り返しおこなって、順次被溶融物を作りだしたり、あるいはバッチ式に投入と取り出しを繰り返す。
【０００４】
この溶融における炉内は酸化雰囲気でよく、排ガスロ１１３から出る排ガス１１４の温度は５００〜７００℃、溶融塩１０９の温度は１０００〜１４００℃、溶融スラグ１１０の温度は１４００〜１５００℃程度である。上記溶融によれば、焼却灰１０８に含有された金属元素が蒸発し、排ガスロ１１３から出るが、この金属元素を取り出し、別途設けた冷却装置で急冷し凝縮させて微粒子とし、これをフィルタ等で回収して金属濃縮物として回収する。また、ダイオキシンやフロン等の有毒物質は熱破壊され、無害化された排ガス１１４は排ガスロ１１３から出て、バグフィルタと集塵機と加熱装置からなるガス処理装置を経て大気中へ放出する。さらにまた、炉本体１０２内の残存物は溶融スラグ１１０として取り出し、温度を下げることで固化させ、これを粉砕し、スラグ状穎粒とし、そして、有効利用または処分する（特開平９−１４５０３１公報参照）。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
この時、排出口部材１０４はマグネシア質やクロミア質等の耐火レンガから構成されているが、高温で腐食性が強い溶融スラグ１１０と接触する為、スラグと接する界面付近から劣化し長時間の使用には問題があった。その為、上記マグネシア質やクロミア質等の耐火レンガ１０３の背面部に水冷ジャケット１１２を取り付け、レンガの温度が上がらない様にし、長寿命化をはかっている。
【０００６】
炉本体１０２の外周に配した水冷ジャケット１１２では、水を給水口（不図示）から入れ、排水ロ（不図示）より出すように循環させ温度制御をおこなっている。これにより、同時に排出口部の温度制御もおこなっている。しかしこれにより、排出される溶融スラグ１１０も冷却されるため、スラグの粘性が上がり、スラグ塊が大きくなってしまい、水冷槽で冷却後取り出されるスラグは著しく大きな塊状となる。スラグを、コンクリート２次製品、建築材料、骨材等に有効にリサイクルする為には、微粒化しなければならず、粉砕機を用いた粉砕工程を経なければならない。
【０００７】
このように、従来は溶融炉用の排出口部材１０４として、マグネシア質やクロミア質等の耐火レンガが用いられているが、これらは耐食性、耐熱性に乏しく、水冷が必要であった。その為排出スラグの温度が下がり粘度が上昇して、細かいスラグ塊が出来ないという問題があった。又、耐食性に最も優れたクロミア質耐火レンガにおいては、絶縁性が低く、漏電の原因となってしまう為、使用条件が制限されていた。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
これらに鑑みて本発明では、溶融炉における残存物を排出するための傾斜状の溝部を有する排出口部材であって、平均粒径５〜５０μｍのＳｉＣ結晶粒子を１０〜３０重量％、平均粒径０．５〜５μｍのＳｉＣ結晶粒子を６５〜８５重量％、Ａｌ_２Ｏ_３を１〜５％、Ｙ_２Ｏ_３を０．１〜５％含有してなり、且つ、１０００℃における高温強度が２００ＭＰａ以上、純度８０％以上、気孔率が１０〜３５％で、溝部の表面粗さがＲａ１０μｍ以下のセラミックス焼結体から成り、接合補強部を形成したことを特徴とする。
【０００９】
又、熱衝撃温度５００゜Ｃでの初期室温強度からの劣化率が４０％未満とし、室温での抗折強度が５０ＭＰａを越えるものとした。
【００１１】
これにより、溶融スラグによる脱粒等の劣化、排出口部材のズレ脱落を防止でき、又、高温強度、耐食性が向上し、冷却が不要となり、従ってスラグ温度が高く粘度ηを低く出来、スラグ塊の粉砕が容易となる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を以下に詳述する。
【００１３】
図１（Ａ）、（Ｂ）は本発明の溶融炉用の排出口部材４の斜視図、図２は前記、溶融炉の斜視図である。図２の溶融炉において、４は排出口部材、６はスラグ排出口、７は飛灰投入口である。５はプラズマ用主電極、１３は排ガス口である。
【００１４】
上記構成のプラズマ式溶融炉１を用いて下記のように溶融させる。炉本体２内に前記被溶融物としての焼却灰８を飛灰投入口７から入れる。この焼却灰８はゴミを焼却炉で焼いたときに飛散する細かい灰であり（飛灰と呼ばれる）、さらには灰塵等を電気集塵機、バグフイルタ等で集めたものである。この焼却灰８にはダイオキシン、有害重金属等が含まれる。
【００１５】
そして、この被溶融スラグ１０（下部電極）と上部プラズマ用主電極５との間でアークを発生させ、ここへ窒素ガスを流すことによりプラズマを発生させる。この輻射熱と被溶融物中に電流が流れる際に発生するジュール熱により、１３００〜１６００℃に加熱すると、被溶融物が溶融され、主成分の比重差により主としてＮａ、Ｋ、Ｃｌ、ＳＯ₃からなる溶融塩９と、主としてＳｉＯ₂、Ａｌ₂Ｏ₃、ＣａＯからなる溶融スラグ１０に別れる。
【００１６】
そして、このような溶融を繰り返しおこなって、順次被溶融物を作りだしたり、あるいはバッチ式に投入と取り出しを繰り返す。
【００１７】
上記炉本体２は耐火レンガ３をマトリックス状に積み重ねた壁体で構成され、この壁体でもって円筒状を成している。上記排出口部材４はスラグ排出口６の耐火レンガ３に組み込み固定するものであって、さらに排出口部材４の中央部にはスラグ排出用の溝部４ａを設けてある。
【００１８】
この溶融における炉内は酸化雰囲気でよく、排ガスロ１３から出る排ガス１４の温度は５００〜７００℃、溶融塩９の温度は１０００〜１４００℃、溶融スラグ１０の温度は１４００〜１５００℃程度である。
【００１９】
上記溶融によれば、焼却灰８に含有された金属元素が蒸発し、排ガスロ１３から出るが、この金属元素を取り出し、別途設けた冷却装置で急冷し凝縮させて微粒子とし、これをフィルタ等で回収して金属濃縮物として回収する。また、ダイオキシンやフロン等の有毒物質は熱破壊され、無害化されたガスは排ガスロ１３から出て、バグフィルタと集塵機と加熱装置からなるガス処理装置を経て大気中へ放出する。さらにまた、炉本体２内の残存物は溶融スラグ１０として取り出し、温度を下げることで固化させ、これを粉砕し、スラグ状穎粒とし、そして、有効利用または処分する。
【００２０】
そして本発明は、プラズマ式溶融炉１における残存物を排出するための傾斜状の溝部４ａを有する排出口部材４を、１０００℃における高温強度が２００ＭＰａを越え、主成分（ＳｉＣ）の純度８０％を越えるセラミックスで形成し、テーパー部４ｂ、ストッパー部４ｃなどの接合補強部を形成した。
【００２１】
溶融炉用排出口部４温度は実質的に約１０００℃程度となるが、ここで、排出口部材４の１０００℃における強度が２００ＭＰａを越えると粒子間の結合力が大きくなることから強度的に安定し、脱粒も発生しない。一方、１０００℃における強度が２００ＭＰａ以下になると、逆に脱粒を発生させることとなる。
【００２２】
又、純度８０％以下ではセラミックスの焼結が十分に進まず、所望の高温強度が得られない。
【００２３】
一方、耐火レンガ３はポーラス質であることから、微少クラックの存在により応力集中の緩衝作用があり、耐火レンガ３と本発明の排出口部材４間の熱膨張率の差によって発生する歪みによる応力集中から排出口部材４を保護することとなり、耐熱衝撃性も保つことが出来る。これにより、冷却が不要となり、耐火レンガ３の温度が上がらない様にする為の背面部水冷ジャケットの取り付けも不要となり、構造的にも簡略化出来ることとなる。従ってスラグ温度が高く粘度ηを低く出来、スラグ塊の粉砕が容易となる
又、この排出口部材４をなすセラミックスは気孔率１０〜３５％とし、溝部４ａの表面粗さをＲａ１０μｍ未満とすることにより、耐熱衝撃性を高めるとともに、高温での腐食性溶融スラグとの接触による界面付近からの劣化を防止することができる。これは気孔率が１０％以下では、耐熱衝撃の緩和効果が得られにくく、逆に３５％以上の場合は、強度が低下してしまう為である。
【００２４】
又、表面粗さがＲａ１０μｍ以上ではクサビ効果でスラグが表面に付着し反応し易くなる為、界面付近からの劣化が進行しやすくなる。
【００２５】
又、排出口部材４をなすセラミックスは、熱衝撃温度５００℃での初期室温強度からの劣化率が４０％未満のものが好ましい。熱衝撃温度５００℃での初期室温強度からの劣化率が４０％以上になると、１２００〜１３００℃近傍で運転される焼却炉内近傍で多量の焼却灰や外気が入った場合、炉内温度が７００〜８００℃レベル迄急速に低下する可能性がある。その際炉内にセットされた排出口部材４にも熱衝撃が加わり、最悪の場合破損に至る。
【００２６】
又、上記セラミックスは室温での抗折強度が５０ＭＰａを越えるものを用いることが好ましい。これが室温での抗折強度が５０ＭＰａ以下であると、炉内への排出口部材４のセット、メンテナンス時の取り外し等の必要性があり、また、作業時に人為的なミスも加わり、カケ、割れ、クラックなどが生じる為である。
【００２７】
又、本発明の溶融炉用の排出口部材４の耐火レンガ３への取り付けは、無機接着剤等を用いて行うが、接合補強部として、排出口部材４は図１（Ａ）に示すように外辺にテーパー角度θのテーパー部４ｂを形成したり、図１（Ｂ）に示すように外辺にストッパー部４ｃを取り付けることにより、接着面がズレることのない形状として、溶融スラグによる脱粒等の劣化、排出口部材４のズレ脱落を防止している。上記テーパー部４ｂのテーパー角度θは１５゜〜４５゜が良い。又、排出口部材４の厚みｔに対して、ストッパー部４ｃの長さＬは２ｔ〜４ｔ、厚みＴは１／２ｔ〜２ｔの範囲内としておけば強度的にも好適である。
【００２８】
上述した排出口部材４としての特性を満足できるセラミックス焼結体として、平均粒径が５〜５０μｍの粗大なＳｉＣ結晶粒子を１０〜３０重量％、平均粒径が０．５〜５μｍのＳｉＣ結晶粒子を６０〜８５重量％、Ａｌ₂Ｏ₃を１〜５％、Ｙ₂Ｏ₃を０．１〜５％含有する多孔質セラミックスを用いることが、より効果的である。
【００２９】
ここで、粗大なＳｉＣ結晶粒子の重量比が１０〜３０重量％、平均粒径が０．５〜５μｍのＳｉＣ結晶粒子が６０〜８５重量％、Ａｌ₂Ｏ₃の重量比が１〜５％、Ｙ₂Ｏ₃の重量比が０．１〜５％の範囲をはずれると、高温強度が低下してしまう。
【００３０】
これらの製法としては、アルミナ、イットリアと混合された平均粒径５〜５０μｍの粗大なＳｉＣ結晶粉体と０．５〜５μｍのＳｉＣ結晶粉体を乾式混合機を用いて混合し、その後湿式ミキサーを用いてバインダーと混合し、これを用いて、金型プレス、冷間静水圧加圧成形（ＳＩＰ）等を用いて、成形後、１７００〜２０００℃、還元雰囲気中で焼成する。このとき粗大なＳｉＣ結晶粉体を含有させることで、焼結性が低下し、上述したような適度な気孔を形成することができる。
【００３１】
なお、本発明は上記実施の形態に限定されるものではなく、窒化珪素質セラミックス等の他の材質においても、本発明の要旨を逸脱しない範囲内で種々の変更や改良等は何ら差し支えない。
【００３２】
【実施例】
本発明の実施例について以下に説明する。
【００３３】
本発明の各種多孔質セラミックス焼結体、即ち平均粒径の大きなＳｉＣ結晶粒子と、平均粒径の小さなＳｉＣ結晶粒子及び、アルミナ、イットリア等の焼結助剤を調合した原料を作製し、これに成形バインダー５重量％を加えて造粒し、成形圧１ｔ／ｃｍ²で金型プレス成形し、その後１８００℃、２時間、還元雰囲気で焼成して、平均粒径が５〜５０μｍの粗大なＳｉＣ結晶粒子を１０〜３０重量％、平均粒径が０．５〜５μｍのＳｉＣ結晶粒子を６０〜８５重量％、Ａｌ₂Ｏ₃を１〜５％、Ｙ₂Ｏ₃を０．１〜５％含有する多孔質焼結体を得た。
【００３４】
実験例１
本試験では、上記各種配合の試験片を成形、焼成して試験片を作製した。サイズは３×４×５０ｍｍとした。これらを用いて、表１、２の各種特性を測定し、排出口部材として使用できるかどうかの適否を判定した。
【００３５】
表１、表２より、多孔質複合材料の、１０００℃における高温強度が２００ＭＰａ未満、純度８０％を未満のセラミックス焼結体は、強度的に安定せず、高温での腐食性溶融スラグとの接触による界面付近からの劣化を防止できない。
【００３６】
これに対し、１０００℃における高温強度が２００ＭＰａを越え、純度８０％を越えるセラミックス焼結体は強度、耐食性ともに十分で排出口部材として適することがわかる。
【００３７】
【表１】

【００３８】
【表２】

【００３９】
実験例２
次に、炭化珪素、窒化珪素質焼結体の各種組成で、気孔率、面粗さの異なる、５０×５０×３００Ｌの各種テストピースを作製し、溶融炉排出口のスラグ部分へ１００時間挿入してスラグに接触させ、浸食された部分の量を測定した。結果は表３の通りである。
【００４０】
表３から明らかな通り、気孔率が１０％以下、又は３５％以上、又は面粗さが１０μｍ以下になると、炭化珪素、窒化珪素ともに浸食量が増加し、１ｍｍ以上となっていることがわかる。一方、気孔率１０〜３５％、及び面粗さが１０μｍ未満になると、浸食量１ｍｍ以下となり、溶融スラグによる脱粒等の劣化を防止できることとなる。
【００４１】
【表３】

【００４２】
実験例３
次に熱衝撃試験については、図３に示すように、所定温度に加熱したテストピース１８を、水中に投下することによって行う。このとき、水１９に接した面は水に冷やされて温度が下がり縮もうとし、水１９に接していない部分は暖かいままで膨張した状態である。すると内部に引っ張り応力がはたらき、テストピース１８に熱衝撃によるクラック等がはいることとなる。なお、このときの条件は、以下の通りである。
（イ）テストピースサイズ：３ｘ４ｘ３５ｍｍ、テストピース温度：５００℃
（ロ）水中温度：室温（３０℃）
そして上記耐熱衝撃試験後の強度を測定し、初期の室温強度に対する劣化率を求める。結果は表４の通りである。
【００４３】
これらの結果、上記排出口部材が、熱衝撃温度５００℃での初期室温強度からの劣化率が４０％以上、又は室温での強度が５０ＭＰａ以下では、高温下での熱衝撃によりクラック等の破損が生じている。
【００４４】
一方、熱衝撃温度５００℃での初期室温強度からの劣化率が４０％未満で、室温での強度が５０ＭＰａを越えるものでは、破損等も無く長時間の稼働が可能となる。
【００４５】
【表４】

【００４６】
【発明の効果】
本発明では、溶融炉における残存物を排出するための傾斜状の溝部を有する排出口部材であって、１０００℃における高温強度が２００ＭＰａ以上、純度８０％以上、気孔率が１０〜３５％で、溝部の表面粗さがＲａ１０μｍ以下のセラミックス焼結体から成り、テーパー部、ストッパー部などの接合補強部を形成したことにより、強度的に安定し、高温での腐食性溶融スラグとの接触による界面付近からの劣化を防止できる為、スラグ排出部の寿命が向上し連続運転が可能となる。
【００４７】
更に、高温での腐食性溶融スラグとの接触による界面付近からの劣化を防止できるとともに、接着面がズレることが無く、溶融スラグによる脱粒等の劣化による排出口部材のズレ脱落を防止することが出来ることから、冷却が不要となり、従ってスラグ温度を高く粘度ηを低く出来ることとなり、炉外へ排出する溶融スラグの温度の低下が抑制され、その為低粘度の細流状態でスラグ冷却槽へ投入出来、その結果スラグ塊の粉砕が容易となるとともに、粒径の細かいスラグ塊が得られる。微細なスラグ塊が回収出来ることにより、その後の粉砕工程を簡略化することが出来る。
【図面の簡単な説明】
【図１】（Ａ）（Ｂ）は本発明の溶融炉用排出口部材の実施形態を示す斜視図である。
【図２】本発明の溶融炉用排出口部材を用いたプラズマ溶融炉の一例を示す断面図である。
【図３】熱衝撃試験を行う装置の断面図である。
【図４】従来のプラズマ溶融炉の断面図である。
【符号の説明】
１、１０１：プラズマ式溶融炉
２、１０２：炉本体
３、１０３：耐火レンガ
４、１０４：排出口部材
４ａ：溝部
４ｂ：テーパー部
４ｃ：ストッパー部
５、１０５：プラズマ用主電極
６、１０６：スラグ排出口
７、１０７：飛灰投入口
８、１０８：焼却灰
９、１０９：溶融塩
１０、１１０：溶融スラグ
１１２：水冷ジャケット
１３、１１３：排ガス口
１４、１１４：排ガス
１８：テストピース
１９：水

Claims

溶融炉における残存物を排出するための傾斜状の溝部を有する排出口部材であって、平均粒径５〜５０μｍのＳｉＣ結晶粒子を１０〜３０重量％、平均粒径０．５〜５μｍのＳｉＣ結晶粒子を６５〜８５重量％、Ａｌ _２Ｏ _３を１〜５％、Ｙ _２Ｏ _３を０．１〜５％含有してなり、且つ、１０００℃における高温強度が２００ＭＰａ以上、純度８０％以上、気孔率が１０〜３５％で、溝部の表面粗さがＲａ１０μｍ以下のセラミックス焼結体から成り、接合補強部を形成したことを特徴とする溶融炉用排出口部材。
上記セラミックスが、熱衝撃温度５００℃での初期室温強度からの劣化率が４０％未満で、室温での抗折強度が５０ＭＰａを越えることを特徴とする請求項１に記載の溶融炉用排出口部材。
請求項１または２に記載の溶融炉用排出口部材の製造方法であって、Ａｌ _２Ｏ _３、Ｙ _２Ｏ _３と混合された平均粒径５〜５０μｍの粗大なＳｉＣ結晶粉体と０．５〜５μｍのＳｉＣ結晶粉体を乾式混合機を用いて混合した後、バインダーと混合し、所定形状に成形後、１７００〜２０００℃、還元雰囲気中で焼成することを特徴とする溶融炉用排出口部材の製造方法。