JP4723893B2 - 廃棄物溶融炉の炭化珪素質キャスタブル耐火物の炉内稼働面の酸化防止方法 - Google Patents

Description

本発明は、一般廃棄物、産業廃棄物等の廃棄物をシャフト炉で溶融処理する廃棄物溶融炉の炭化珪素質キャスタブル耐火物の炉内稼働面の酸化防止方法に関するものである。

廃棄物の処理方法の一つとして、シャフト炉型の廃棄物溶融炉で廃棄物を乾燥、熱分解、燃焼、溶融して、スラグとメタルにする廃棄物溶融処理方法がある。

図２は一般的な廃棄物溶融炉の断面図である。廃棄物を溶融処理するために、炉の下部の送風羽口３０より酸素富化された空気を炉内に吹き込み、炉の上部からは廃棄物５０をコークス及び石灰石とともに炉内に装入する。そうすると、廃棄物５０が炉内を降下する過程で乾燥及び乾留ガス化（熱分解）が進行し、残った灰分は送風羽口３０近くでコークスベッドを形成する炉底コークス６０の燃焼熱により溶融し、炉床面に溶融スラグ及び溶融金属として降下する。炉床部の溶融物は炉床面より炉外に通じる出湯口４０より排出される。こうした廃棄物溶融炉の炉内プロセスについては特許文献１に示されている。

しかしながら、このような炉内プロセスが起こる廃棄物溶融炉において、特に炉下部では、耐火物（図２に示す炉壁耐火物１０及び炉床耐火物２０）は非常に過酷な環境に置かれ、例えば１年毎に耐火物の補修や張替を必要としていた。

すなわち、従来、炉下部には高温に耐えるよう高アルミナ質耐火物を使用してきたが、送風羽口の直上部ではコークスの活発な燃焼により灰分が溶解され生成したスラグにより、送風羽口上の炉壁耐火物が侵食される。また、炉床部も同じく高温のスラグにより侵食される。

スラグによる侵食を防止するため、スラグとの反応性の低い炭化珪素質耐火物を用いることが考えられるが、送風羽口直上の炉壁では送風羽口からの酸素及びコークスの燃焼により発生したＣＯ_２ガスにより、炭化珪素質耐火物は容易に酸化され損耗する。

また、炉床部では、炉床面は常時スラグで覆われているため炉内ガスによる酸化はないが、炭化珪素質耐火物は伝熱性が高いため背面まで高温化し、耐火物の目地やクラック等から、溶融状態のまま鉄や銅等の金属が背面の断熱層まで浸透し、多孔質の断熱材の孔内に入り、断熱性を著しく悪くする。この場合、炉底部の鉄皮が高温化し、かつ炉底の放熱も大きくなり、炉床部が冷却されて溶融物が炉床面で凝固し、溶融物の排出が困難になるおそれがある。

一方、耐スラグ性を向上させるため、クロム質耐火物を使用する例もあるが、耐用性は十分でなく、かつ使用中において、この耐火物から有害な６価クロムが生成するおそれがあり、取り扱いに十分注意を要するという難点がある。

また、これらの耐火物の長寿命化を目的として、ジャケットや冷却管で冷却する方法が提案されているが（特許文献２参照）、高アルミナ質耐火物やクロム質耐火物では熱伝導率が低く、炉内稼働面まで十分に冷却されずに実用化レベルの耐火物寿命を得ることは困難である。
特公昭５５−２１９２３号公報 特開２００４−１５６８７５号公報

本発明が解決しようとする課題は、廃棄物溶融炉において特に損耗の激しい炉下部の耐火物の耐久性を向上させることができる耐火物構造を提供することにあり、より具体的には、スラグとの反応性が低く熱伝導率が高い炭化珪素質耐火物を用い、かつ炭化珪素質耐火物の弱点である高温酸化等の上述の問題を解決できる廃棄物溶融炉の炭化珪素質キャスタブル耐火物の炉内稼働面の酸化防止方法を提供することにある。

廃棄物溶融炉下部の耐火物の耐用性を延ばすため、本発明の炉壁耐火物構造は、溶融スラグと接する部位の炉壁において、炉壁耐火物として少なくとも３０質量％以上の炭化珪素を含む炭化珪素質キャスタブル耐火物を用い、内部に冷却水管を埋設したものである。このように、耐スラグ性が高く、かつ熱伝導率が高い炭化珪素質キャスタブル耐火物の内部に冷却水管を埋設して冷却することにより、炭化珪素質耐火物の大きな弱点である炉内ガス（Ｏ_２、ＣＯ_２）による高温酸化による損耗の問題をなくすことができる。また、溶融スラグは冷却された炭化珪素質キャスタブル耐火物の表面で固化するため、表面被覆された状態となり、炉内ガスから保護される。ここで、炭化珪素質耐火物のＯ_２、ＣＯ_２ガスによる酸化は１０００℃以上から始まるので、炉壁の炭化珪素質キャスタブル耐火物はその炉内稼働面が１０００℃未満となるように冷却することが好ましい。

本発明の炉壁耐火物構造によれば、炉壁耐火物として用いる炭化珪素質キャスタブル耐火物を冷却することにより、炭化珪素質キャスタブル耐火物の炉内ガスによる高温酸化が防止されるので、炭化珪素質キャスタブル耐火物による耐スラグ性の効果を十分に発揮させることができる。

したがって、本発明によれば、廃棄物溶融炉において特に損耗の激しい炉下部の耐火物の耐久性を著しく向上させることができ、その耐用期間を従来の約１年から少なくとも５年以上とすることができる。

以下、添付図を参照して本発明の実施の形態を説明する。

図１は、本発明の耐火物構造を適用した廃棄物用溶融炉下部の断面図である。同図に示す廃棄物用溶融炉の構成は図２に示した従来のものと同様であり、廃棄物を溶融処理するために、炉の下部の送風羽口６より酸素富化された空気を炉内に吹き込み、炉の上部からは廃棄物をコークス及び石灰石とともに炉内に装入する。そうすると、廃棄物が炉内を降下する過程で乾燥及び乾留ガス化（熱分解）が進行し、残った灰分は送風羽口６近くで図示しないコークスベッドを形成する炉底コークスの燃焼熱により溶融し、炉床面に溶融スラグ及び溶融金属として降下する。炉床部の溶融物は炉床面より炉外に通じる出湯口７より排出される。

本発明の炉壁耐火物構造では、溶融スラグと接する部位の炉壁において、炉壁耐火物として炭化珪素質キャスタブル耐火物１を用い、この炭化珪素質キャスタブル耐火物１の内部に冷却水管２を埋設する。ここで、溶融スラグと接する部位の炉壁とは、一般的には廃棄物の乾留ガス化（熱分解）後に残った灰分を溶融する燃焼溶融帯の炉壁であり、炉構造上においては朝顔部８の下方の炉壁である。

炭化珪素質キャスタブル耐火物１は、冷却水管２による冷却効果を十分に発揮させるため熱伝導率を高くする必要があり、このために少なくとも炭化珪素を３０質量％以上含有する材料とする。本実施例では、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％を含有する炭化珪素質キャスタブル耐火物を用いた。

この炭化珪素質キャスタブル耐火物１を用いる部位（燃焼溶融帯）は、送風羽口６付近及びその直上部でコークス燃焼が活発に行われ、１７００℃〜１８００℃に達する。この高温雰囲気にさらされると炭化珪素質耐火物は通常は容易に酸化され、ＳｉＣはＳｉＯ_２となり組織変化を起こして損耗が進行する。これに対して、本発明では、冷却水管２により炭化珪素質キャスタブル耐火物１を冷却しており、しかも炭化珪素質キャスタブル耐火物１は熱伝導率が高いため、炉内稼働面まで酸化が始まる温度（１０００℃）以下の４００℃〜５００℃程度に保たれ、炉内ガスによる高温酸化が防止される。

この炉壁耐火物構造により、溶融スラグと接する部位の炉壁には使用が不可能であった炭化珪素質キャスタブル耐火物の使用が可能となり、炭化珪素質キャスタブル耐火物が持つ耐スラグ性が活用され、耐火物寿命が大幅に改善される。この部位では、溶融スラグとの接触による溶損と、急激な温度変化によるスポーリングが主体となって侵食が進行するが、炭化珪素質キャスタブル耐火物は、いずれの点においても良好な耐久性を有しており、従来の高アルミナ質キャスタブル耐火物では通常１年程度であった耐用期間を５年以上とすることができる。

一方、本実施例における炉床耐火物構造では、耐スラグ性の高い炭化珪素質耐火物３を溶融物と接する第１層として配設し、その背面の第２層として、高アルミナ質耐火物４からなる耐火層を配設する。さらに、その背面には断熱質耐火物５を配設して炉床部の温度低下を防止する。

炉床面は常にスラグにより被覆されているため炉内ガスによる酸化のおそれはないため、第１層の炭化珪素質耐火物３としては耐スラグ性を十分に発揮させるため、３０質量％以上の炭化珪素を含む材料を使用する。本実施例では、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％を含有する炭化珪素質キャスタブル耐火物を用いた。

ただし、この第１層の炭化珪素質耐火物３は、上述の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、溶融金属（Ｆｅ，Ｃｕ）は第１層の目地やクラックを通じて容易に浸透する。この溶融金属が断熱質耐火物５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（スラグ、金属）が凝固し出湯口７からの溶融物の排出が不可能となる。

そこで、溶融金属が断熱質耐火物５に到達するのを防止するため、本実施例では上述のとおり、第１層の炭化珪素質耐火物３の背面に第２層として高アルミナ質耐火物４を配設し、第２層の背面温度が溶融金属の凝固温度以下の１０００℃以下となるようにすることにより、溶融金属が断熱質耐火物５に浸透することを防止する。この場合、高アルミナ質耐火物４のアルミナ含有量は、耐火性能上、５０質量％以上とする。本実施例では、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％を含有する高アルミナ質キャスタブル耐火物を用いた。また、断熱質耐火物５としては、断熱キャスタブル耐火物を用いた。また、本実施例では炉床部にキャスタブル耐火物を用いたが、予め所定の形状に成形加工したプレキャスタブル耐火物や定形耐火物を使用することも可能である。

本発明の耐火物構造を適用した廃棄物用溶融炉下部の断面図である。 一般的な廃棄物溶融炉の断面図である。

符号の説明

１ 炭化珪素質キャスタブル耐火物
２ 冷却水管
３ 炭化珪素質耐火物
４ 高アルミナ質耐火物
５ 断熱質耐火物
６ 送風羽口
７ 出湯口
８ 朝顔部
１０ 炉壁耐火物
２０ 炉床耐火物
３０ 送風羽口
４０ 出湯口
５０ 廃棄物
６０ 炉底コークス

Claims (1)

1. 廃棄物溶融炉の溶融スラグと接する部位の炉壁において、炉壁耐火物として用いられる、少なくとも３０質量％以上の炭化珪素を含む廃棄物溶融炉用の炭化珪素質キャスタブル耐火物の炉内稼働面の炉内ガスによる高温酸化防止方法において、
   前記炭化珪素質キャスタブル耐火物の内部に冷却水管を埋設し、１７００℃〜１８００℃の高温雰囲気にさらされる前記炭化珪素質キャスタブル耐火物の炉内稼働面が４００℃〜５００℃に保たれるように冷却することを特徴とする炭化珪素質キャスタブル耐火物の炉内稼働面の炉内ガスによる酸化防止方法。

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