(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
生活ごみ，下水汚泥，産業廃棄物等のごみを焼却して生じた焼却灰の溶融スラグから人工岩石を合成する処理法において、
溶融スラグを生成させる次工程で可及的に低融点でありかつ共晶凝固する組成を有した溶融スラグを生成させるべく、該溶融スラグのＭｇＯ含有量が５％ないし２０％までの範囲における目標％もしくはそれに極めて近似した含有％となるように、ごみを焼却して発生した排ガス中の硫黄酸化物や塩素系物質等を除去するために添加されるＭｇ化合物の粉末またはスラリーを、焼却炉内の排ガス中に吹き込みながらごみを焼却する工程と、
上記焼却炉で発生した焼却炉灰を還元剤を用いて還元溶融することにより該焼却炉灰中のＦｅ系酸化物を還元して生成された溶融銑鉄を滞留させ、他の重金属類および還元可能な酸化物類を還元して生じた元素を前記溶融銑鉄中に溶解させると共に、ガス含有率が極めて低く上記重金属類等を可及的に含まない溶融スラグを生成して前記溶融銑鉄の上部に滞留させる還元溶融工程と、
上記溶融スラグを前記溶融銑鉄とは独立して出滓した後に、溶融スラグを徐冷した状態で共晶凝固現象に基づいて一次再結晶させる鋳造工程と、
一次再結晶した鋳造スラグを９００℃ないし１，２００℃の温度雰囲気に保持することにより、該鋳造スラグ中に残留する非晶質部分を二次再結晶させると共に残留内部歪を除去する熱処理工程と、
を有し、前記溶融スラグからガス含有率の極めて低い、組織の緻密な再結晶した人工岩石を生成させることを特徴とする焼却灰溶融スラグからの人工岩石合成処理方法。
【請求項２】
生活ごみ，下水汚泥，産業廃棄物等のごみを焼却して生じた焼却灰の溶融スラグから人工岩石を合成する処理法において、
溶融スラグを生成させる後工程で可及的に低融点でありかつ共晶凝固する組成を有した溶融スラグを生成させるべく、該溶融スラグのＭｇＯ含有量が５％ないし２０％までの範囲における目標％に近づくように、ごみを焼却して発生した排ガス中の硫黄酸化物や塩素系物質等を除去するために添加されるＭｇ化合物の粉末またはスラリーを、焼却炉内の排ガス中に吹き込みながらごみを焼却する工程と、
還元剤を用いることにより前記焼却炉で発生した焼却炉灰を還元溶融して溶融スラグを生成する際もしくはそれに先だち、該溶融スラグのＭｇＯ含有量が前記目標％もしくはそれに極めて近似した含有％となるようにＭｇＯを含有する冶金滓または天然鉱物類を前記焼却炉灰に添加し、可及的に低融点となりかつ共晶凝固する組成を有した溶融スラグが得られるように成分調整する工程と、
成分調整された焼却炉灰を還元溶融することにより該焼却炉灰中のＦｅ系酸化物を還元して生成された溶融銑鉄を滞留させ、他の重金属類および還元可能な酸化物類を還元して生じた元素を前記溶融銑鉄中に溶解させると共に、ガス含有率が極めて低く上記重金属類等を可及的に含まない溶融スラグを生成して前記溶融銑鉄の上部に滞留させる還元溶融工程と、
上記溶融スラグを前記溶融銑鉄とは独立して出滓した後に、溶融スラグを徐冷した状態で共晶凝固現象に基づいて一次再結晶させる鋳造工程と、
一次再結晶した鋳造スラグを９００℃ないし１，２００℃の温度雰囲気に保持することにより、該鋳造スラグ中に残留する非晶質部分を二次再結晶させると共に残留内部歪を除去する熱処理工程と、
を有し、前記溶融スラグからガス含有率の極めて低い、組織の緻密な再結晶した人工岩石を生成させることを特徴とする焼却灰溶融スラグからの人工岩石合成処理方法。
【請求項３】
前記焼却炉灰を還元剤を用いて還元溶融する際に、前記焼却炉の排ガス処理設備で捕捉された捕集灰を前記焼却炉灰に添加することを特徴とする請求項１または請求項２に記載された焼却灰溶融スラグからの人工岩石合成処理法。
【請求項４】
生活ごみ，下水汚泥，産業廃棄物等のごみを焼却して生じた焼却灰の溶融スラグから人工岩石を合成する処理法において、
溶融スラグを生成させる次工程で可及的に低融点でありかつ共晶凝固する組成を有した溶融スラグを生成させるべく、該溶融スラグのＭｇＯ含有量が５％ないし２０％までの範囲における目標％もしくはそれに極めて近似した含有％となるように、ごみを焼却して発生した排ガス中の硫黄酸化物や塩素系物質等を除去するために添加されるＭｇ化合物の粉末またはスラリーを焼却炉内の排ガス中に吹き込み、かつ、Ｍｇ化合物の粉末を前記焼却炉の排ガス処理設備へ導入された排ガス中に吹き込みながらごみを焼却する工程と、
上記焼却炉で発生した焼却炉灰と排ガス処理設備で捕捉された捕集灰とを合わせた焼却灰を還元剤を用いて還元溶融することにより該焼却灰中のＦｅ系酸化物を還元して生成された溶融銑鉄を滞留させ、他の重金属類および還元可能な酸化物類を還元して生じた元素を前記溶融銑鉄中に溶解させると共に、ガス含有率が極めて低く上記重金属類等を可及的に含まない溶融スラグを生成して前記溶融銑鉄の上部に滞留させる還元溶融工程と、
上記溶融スラグを前記溶融銑鉄とは独立して出滓した後に、溶融スラグを徐冷した状態で共晶凝固現象に基づいて一次再結晶させる鋳造工程と、
一次再結晶した鋳造スラグを９００℃ないし１，２００℃の温度雰囲気に保持することにより、該鋳造スラグ中に残留する非晶質部分を二次再結晶させると共に残留内部歪を除去する熱処理工程と、
を有し、前記溶融スラグからガス含有率の極めて低い、組織の緻密な再結晶した人工岩石を生成させることを特徴とする焼却灰溶融スラグからの人工岩石合成処理方法。
【請求項５】
生活ごみ，下水汚泥，産業廃棄物等のごみを焼却して生じた焼却灰の溶融スラグから人工岩石を合成する処理法において、
溶融スラグを生成させる後工程で可及的に低融点でありかつ共晶凝固する組成を有した溶融スラグを生成させるべく、該溶融スラグのＭｇＯ含有量が５％ないし２０％までの範囲における目標％に近づくように、ごみを焼却して発生した排ガス中の硫黄酸化物や塩素系物質等を除去するために添加されるＭｇ化合物の粉末またはスラリーを焼却炉内の排ガス中に吹き込み、かつ、Ｍｇ化合物の粉末を前記焼却炉の排ガス処理設備へ導入された排ガス中に吹き込みながらごみを焼却する工程と、
還元剤を用いることにより前記焼却炉で発生した焼却炉灰と排ガス処理設備で捕捉された捕集灰とを合わせた焼却灰を還元溶融して溶融スラグを生成する際もしくはそれに先だって、該溶融スラグのＭｇＯ含有量が前記目標％もしくはそれに極めて近似した含有％となるようにＭｇＯを含有する冶金滓または天然鉱物類を前記焼却灰に添加し、可及的に低融点となりかつ共晶凝固する組成を有した溶融スラグが得られるように成分調整する工程と、
成分調整された焼却灰を還元溶融することにより該焼却灰中のＦｅ系酸化物を還元して生成された溶融銑鉄を滞留させ、他の重金属類および還元可能な酸化物類を還元して生じた元素を前記溶融銑鉄中に溶解させると共に、ガス含有率が極めて低く上記重金属類等を可及的に含まない溶融スラグを生成して前記溶融銑鉄の上部に滞留させる還元溶融工程と、
上記溶融スラグを前記溶融銑鉄とは独立して出滓した後に、溶融スラグを徐冷した状態で共晶凝固現象に基づいて一次再結晶させる鋳造工程と、
一次再結晶した鋳造スラグを９００℃ないし１，２００℃の温度雰囲気に保持することにより、該鋳造スラグ中に残留する非晶質部分を二次再結晶させると共に残留内部歪を除去する熱処理工程と、
を有し、前記溶融スラグからガス含有率の極めて低い、組織の緻密な再結晶した人工岩石を生成させることを特徴とする焼却灰溶融スラグからの人工岩石合成処理方法。
【請求項６】
請求項１ないし請求項５のいずれかに記載の鋳造工程と該鋳造工程に続く熱処理工程とに代えて、前記溶融スラグを前記溶融銑鉄とは独立して出滓した後に９００℃ないし１，２００℃の温度雰囲気に保持し、共晶凝固現象に基づいて溶融スラグを一次再結晶させ、かつ、残留する非晶質部分を二次再結晶させると共に残留内部歪を除去する鋳造熱処理工程としたことを特徴とする焼却灰溶融スラグからの人工岩石合成処理方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、焼却灰溶融スラグからの人工岩石合成処理法に係り、詳しくは、生活ごみや下水汚泥または産業廃棄物等の焼却灰を溶融し、焼却灰に含まれる重金属類や還元可能な酸化物を溶融還元して除去すると共にＳｉＯ2 等の鉱物質を主成分とする溶融スラグを生成する技術であって、特に溶融スラグから有害金属を可及的に含まない天然岩石に極めて近い組成のコンクリート用人工骨材として供することができる人工岩石を製造する方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
家庭から出るごみや産業廃棄物は焼却され下水汚泥等は乾燥粉とされることによって減容化され、埋立地等に廃棄される。しかし、投棄地の容量にも限界があり、より一層の減容化や再資源化の努力が払われるようになってきている。最近では、資源のリサイクル化の観点に立った研究が進み、堆肥化や有価物の回収といったことも行われる。このような再資源化には無害化処理が重要であるが、特に注目を浴びるようになってきている生活ごみや下水汚泥または産業廃棄物等の焼却灰の溶融スラグから建築資材等を再生する場合も同様である。
【０００３】
焼却灰を１，５００℃以上の温度で溶融すると、焼却灰中の可燃物が燃焼しダイオキシンは完全に分解されること、重金属類はガラス質のスラグ中に閉じ込められること、焼却灰を１／３以下に減容できることなどの利点が挙げられる。これは、焼却灰中の無機分も溶けて融液となり、それを冷却すると固化したスラグとすることができるからである。
【０００４】
ところで、そのスラグは、路盤材や建築土木用骨材として使用されたり、成形することによってタイルや装飾品に加工することができる。いずれにおいても、無害化や化学的安定性が要求されることは言うまでもないが、そのような溶融スラグを生成させて人工骨材を製造する方法や装置が種々提案されている。溶融スラグを生成する代表的なものとして、旋回溶融法，電気溶融法，コークス燃焼還元溶融法，表面溶融法といったものが採用されている。
【０００５】
旋回溶融法は、焼却灰をアノルサイトＣａＯ・２ＳｉＯ2 ・Ａｌ2 Ｏ3 の結晶が析出しやすい組成に成分調整し、旋回炉を用いて焼却灰を１，４００℃ないし１，４５０℃の雰囲気で溶融させ、それを急冷してガラスとし、その非晶質なスラグを再加熱してアノルサイトを均一に析出させ、石材化する方法である。これは、焼却灰に含まれている鉄分と硫黄分から硫化鉄を生成させ、それを結晶核形成物質として利用している。
【０００６】
ところで、焼却灰を溶融したときのスラグの主成分はＣａＯ，ＳｉＯ2 ，Ａｌ2 Ｏ3 ，ＦｅＯ，ＭｇＯである。ＦｅＯおよびＭｇＯは比較的少ないのでスラグをＣａＯ−ＳｉＯ2 −Ａｌ2 Ｏ3 の三元系とみなすと、Ａｌ2 Ｏ3 の多い焼却灰ではスラグ融点が非常に高くなりまた粘性も増大する。したがって、流動性の良いスラグの生成は妨げられ、炉からの出滓が困難となりまた組成分の結晶化も得られにくい。
【０００７】
上記した電気溶融炉においてスラグ融点を低下させかつ流動性を改善するようにしたものが、特開平４−３５４５７５号公報や特開平４−３５８５８４号公報に記載されている。これは、金属溶湯上に焼却灰を投入してアーク加熱により溶融するが、溶融スラグの粘度が高くなるから、前者では溶融スラグにＦｅＯを添加している。また、後者では金属溶湯の表面および溶融スラグの表面を酸化性雰囲気にすることによって、溶融スラグ中にＦｅＯが生成されるようにしている。このような操作によれば、スラグに残存する５％ないし２０％のＦｅＯによってＣａＯ−ＳｉＯ2 −Ａｌ2 Ｏ3 −ＦｅＯ系を形成させることができ、スラグ融点は低下し、スラグの流動性も改善される。
【０００８】
コークス燃焼還元溶融法の例としては、特開平４−１３２６４２号公報に記載された結晶化スラグの製造法がある。溶融炉で溶融させたスラグに石灰または珪酸分の多い砕石を添加し、ガラス化を経ることなく、Ａｌ2 Ｏ3 が１０％ないし２２％、ＣａＯが２４％ないし４４％、Ｆｅ2 Ｏ3 が２％ないし２０％、ＳｉＯ2 が２８％ないし４５％の組成をなすようにした結晶化スラグを直接生成させることができるようにしている。
【０００９】
ところで、塩基度（ＣａＯ／ＳｉＯ2 の重量比）が低くすぎると溶融スラグの粘性は高くなって結晶化が進みにくくなり、高すぎるとスラグ融点が高くなって溶融処理のためのエネルギ消費は増大する。したがって、上記の溶融炉中のスラグの塩基度が低いときにはＣａＯを添加し、高いときにはＳｉＯ2 を添加して塩基度が０．６ないし１．５となるように調整される。
【００１０】
上記した表面溶融法では、焼却灰を高温で処理する際に有機物が熱分解して燃焼するときのエネルギを使用することにより無機物を溶融させている。炉頂に燃焼装置を備えた垂直軸回りに回転する炉体と、焼却灰が装入された炉体の上方を覆うアーチ形反射天蓋とを備える竪型回転炉が使用され、その天蓋を上下させて炉負荷が調整されるようになっている。炉体の下方には二次燃焼炉があり、排出された溶融スラグはさらに加熱される。このような表面溶融炉においては、可燃物の燃焼によって発生する熱を利用するので、低燃費の操業が実現される。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
上記した旋回溶融法では焼却灰に予熱空気を吹き込んで旋回させ、ガスやオイルの燃焼によって加熱するようにしている。酸化性雰囲気で焼却灰を溶融するのでスラグにはＦｅＯが混入し、それを急冷させるとガラス状になる。また、生成されたスラグには気泡が混じり、そのまま固化させると多孔質なスラグとなりやすい。そのため、溶融スラグを脱泡処理した後に熱処理しなければならず、スラグ生成設備は複雑化する。しかも、ガラス状スラグを再結晶させるためには１，２００℃以上の雰囲気に保持する必要があり、結晶化炉において多大のエネルギ消費を伴う。なお、ガラス化したスラグは熱伝導性が極めて低く、それゆえ結晶化のエネルギ節減を図るため固化スラグを小粒化しておく必要があり、コンクリート用骨材として要求される粒の大きい石材を得ることができない。
【００１２】
電気溶融法では、酸化性雰囲気で生成される溶融スラグ中のＦｅＯが６％ないし１５％と高いので炉床部や出滓部近傍の耐火物は侵蝕されやすく、炉の寿命が短くなる。また、ＦｅＯを添加してＣａＯ−ＳｉＯ2 −Ａｌ2 Ｏ3 の三元系のスラグを四元系に改質しスラグ融点を低下させているが、溶融スラグを水砕した場合には粒状水砕スラグとなって非常に脆弱な非晶質となる一方、徐冷した場合はスラグ中のＦｅＯが再結晶化を阻み、天然岩石からかけ離れたスラグ塊となる。それのみならず、スラグにＦｅ等の重金属が残留することになり、それらをスラグに固定させることができるといえども、いずれは溶出する不安定さが残る。
【００１３】
コークス燃焼還元溶融法は竪型シャフト炉に投入したコークスによって形成されるコークスベッド中で焼却灰を溶融還元するので、溶融スラグ中のＦｅＯは減少する。しかし、コークス灰中のＡｌ2 Ｏ3 が溶融スラグに溶解し、Ａｌ2 Ｏ3の含有率は高くなってＣａＯ−ＳｉＯ2 −Ａｌ2 Ｏ3 系のスラグ融点が高くなりまたスラグの流動性も悪化し、炉体からのスラグ排出は円滑とならず操業が阻害される。そこで、この還元溶融法においては、スラグ融点が高くならない範囲で石灰石を添加し、流動性を改善している。しかし、この成分調整によって生成されたスラグはＣａＯの含有量が多くなることから消化しやすくなり、長期にわたる性状の安定や機械的強度の維持が要求されるコンクリート用人工骨材として使用するためには不適当である。
【００１４】
表面溶融法では、無機物を溶融させるため電気溶融法と同様にＦｅＯを焼却灰に添加して、溶融スラグの流動性の向上が促されるが、溶融スラグ中に金属酸化物を残留させることになる。その結果、溶融スラグを徐冷しても組成分の結晶化が十分に進まず、重金属類の溶出は不可避であって、コンクリート用人工骨材にふさわしい天然岩石とはかけ離れた石材となる。
【００１５】
以上の説明から把握されるように、焼却灰の各種溶融法は、焼却灰の組成を是認して溶融処理し石材としての利用を実現するものである。すなわち、スラグ中に有害物質や金属成分の封じ込めを図って安全性を確保しようとしている。しかし、固化スラグ中に重金属類が含有されるのでそれらがいずれは溶出する可能性があって、スラグの無害化は十分でない。それのみならず、焼却灰中の金属資源の回収がなされず、焼却灰の完全な再資源化が阻まれる。
【００１６】
また、溶融スラグを固化させる際にスラグ組成分を可及的完全に再結晶させる処理が施されておらず、天然岩石からはほど遠い非晶質な部分を残した石材となる。これは、溶融スラグの流動性を向上させるためにＦｅＯやＣａＯを添加したり、スラグ融点の低下を促進するためにＳｉＯ2 を配合する結果、多元系相平衡状態における共晶凝固現象を考慮した熱処理をすることができなくなることに基因している。したがって、このような固化スラグは建築資材としての良質なコンクリート用人工骨材とはなり難く、非晶質（ガラス質）のままで使用することが可能な路盤材や緑農地化の資材として利用できるにすぎない。
【００１７】
ちなみに、特開平４−１３９０４０号公報には、連続した金型に溶融スラグを鋳込み、移送しながら外気温により徐冷してスラグブロックを成形させるようにした装置が記載されている。しかし、コンベアによる搬送中には溶融スラグがメタル面に接触するときの初期冷却速度を制御することが困難であり、結局は急激に冷却されるために非晶質化し、方向性のある脆い組織となることは避けられない。
【００１８】
本発明は上記した背景に鑑みなされたもので、その目的は、焼却灰の溶融に投入したエネルギの放散を少なくして溶融スラグの結晶化に要するエネルギの節減を図ることができること、溶融スラグ中の還元容易な金属分を分離してその再利用を可能にすると共に、有害物質の含有を可及的に少なくして安全性が高く、天然岩石に極めて近い硬質な塊状の建設資材を製造できること、を実現した焼却灰溶融スラグからの人工岩石合成処理法を提供することである。
【００１９】
【課題を解決するための手段】
本発明は、生活ごみ，下水汚泥，産業廃棄物等のごみを焼却して生じた焼却灰の溶融スラグから人工岩石を合成する処理法に適用される。その特徴とするところは、図１および図９を参照して、まず、溶融スラグ４を生成させる次工程で可及的に低融点でありかつ共晶凝固する組成を有した溶融スラグ４を生成させるべく、その溶融スラグ４のＭｇＯ含有量が５％ないし２０％までの範囲における目標％もしくはそれに極めて近似した含有％となるように、ごみ９２を焼却して発生した排ガス中の硫黄酸化物や塩素系物質等を除去するために添加されるＭｇ化合物９０の粉末またはスラリーを、焼却炉８０内の排ガス中に吹き込みながらごみ９２を焼却する。次に、焼却炉８０で発生した焼却炉灰９３を還元剤を用いて還元溶融することにより焼却炉灰９３中のＦｅ系酸化物を還元して生成された溶融銑鉄２を滞留させ、他の重金属類および還元可能な酸化物類を還元して生じた元素を溶融銑鉄２中に溶解させると共に、ガス含有率が極めて低く重金属類等を可及的に含まない溶融スラグ４を生成して溶融銑鉄２の上部に滞留させる。その溶融スラグ４を溶融銑鉄２とは独立して出滓した後に、溶融スラグ４を徐冷した状態で共晶凝固現象に基づいて一次再結晶させる。そして、一次再結晶した鋳造スラグ４Ａを９００℃ないし１，２００℃の温度雰囲気に保持することにより、鋳造スラグ４Ａ中に残留する非晶質部分を二次再結晶させると共に残留内部歪を除去し、溶融スラグ４からガス含有率の極めて低い、組織の緻密な再結晶した人工岩石２４を生成させることである。
【００２０】
請求項２においては、まず、溶融スラグ４を生成させる次工程で可及的に低融点でありかつ共晶凝固する組成を有した溶融スラグ４を生成させるべく、溶融スラグ４のＭｇＯ含有量が５％ないし２０％までの範囲における目標％もしくはそれに極めて近似した含有％となるように、ごみ９２を焼却して発生した排ガス中の硫黄酸化物や塩素系物質等を除去するために添加されるＭｇ化合物９０の粉末またはスラリーを、焼却炉８０内の排ガス中に吹き込みながらごみ９２を焼却する。次に、還元剤を用いることにより焼却炉８０で発生した焼却炉灰９３を還元溶融して溶融スラグ４を生成する際もしくはそれに先だち、溶融スラグ４のＭｇＯ含有量が目標％もしくはそれに極めて近似した含有％となるようにＭｇＯを含有する冶金滓または天然鉱物類を焼却炉灰９３に添加し、可及的に低融点となりかつ共晶凝固する組成を有した溶融スラグ４が得られるように成分調整する。成分調整された焼却炉灰９３を還元溶融することにより焼却炉灰９３中のＦｅ系酸化物を還元して生成された溶融銑鉄２を滞留させ、他の重金属類および還元可能な酸化物類を還元して生じた元素を溶融銑鉄２中に溶解させると共に、ガス含有率が極めて低く重金属類等を可及的に含まない溶融スラグ４を生成して溶融銑鉄２の上部に滞留させる。その溶融スラグ４を溶融銑鉄２とは独立して出滓した後に、溶融スラグ４を徐冷した状態で共晶凝固現象に基づいて一次再結晶させる。そして、一次再結晶した鋳造スラグ４Ａを９００℃ないし１，２００℃の温度雰囲気に保持することによって、鋳造スラグ４Ａ中に残留する非晶質部分を二次再結晶させると共に残留内部歪を除去し、溶融スラグ４からガス含有率の極めて低い、組織の緻密な再結晶した人工岩石２４を生成させる。
【００２１】
請求項３においては、焼却炉灰９３を還元剤を用いて還元溶融する際に、焼却炉８０の排ガス処理設備８１で捕捉された捕集灰９４を焼却炉灰９３に添加することである。
【００２２】
請求項４においては、まず、溶融スラグ４を生成させる次工程で可及的に低融点でありかつ共晶凝固する組成を有した溶融スラグ４を生成させるべく、溶融スラグ４のＭｇＯ含有量が５％ないし２０％までの範囲における目標％もしくはそれに極めて近似した含有％となるように、ごみ９２を焼却して発生した排ガス中の硫黄酸化物や塩素系物質等を除去するために添加されるＭｇ化合物９０の粉末またはスラリーを焼却炉８０内の排ガス中に吹き込み、かつ、Ｍｇ化合物９１の粉末を焼却炉８０の排ガス処理設備８１へ導入された排ガス中に吹き込みながらごみ９２を焼却する。次に、焼却炉８０で発生した焼却炉灰９３と排ガス処理設備８１で捕捉された捕集灰９４とを合わせた焼却灰９５を還元剤を用いて還元溶融することにより焼却灰９５中のＦｅ系酸化物を還元して生成された溶融銑鉄２を滞留させ、他の重金属類および還元可能な酸化物類を還元して生じた元素を溶融銑鉄２中に溶解させると共に、ガス含有率が極めて低く重金属類等を可及的に含まない溶融スラグ４を生成して溶融銑鉄２の上部に滞留させる。その溶融スラグ４を溶融銑鉄２とは独立して出滓した後に、溶融スラグ４を徐冷した状態で共晶凝固現象に基づいて一次再結晶させる。そして、一次再結晶した鋳造スラグ４Ａを９００℃ないし１，２００℃の温度雰囲気に保持することにより、鋳造スラグ４Ａ中に残留する非晶質部分を二次再結晶させると共に残留内部歪を除去し、溶融スラグ４からガス含有率の極めて低い、組織の緻密な再結晶した人工岩石２４を生成させることである。
【００２３】
請求項５においては、まず、溶融スラグ４を生成させる後工程で可及的に低融点でありかつ共晶凝固する組成を有した溶融スラグ４を生成させるべく、溶融スラグ４のＭｇＯ含有量が５％ないし２０％までの範囲における目標％に近づくように、ごみ９２を焼却して発生した排ガス中の硫黄酸化物や塩素系物質等を除去するために添加されるＭｇ化合物９０の粉末またはスラリーを焼却炉８０内の排ガス中に吹き込み、かつ、Ｍｇ化合物９１の粉末を焼却炉８０の排ガス処理設備８１へ導入された排ガス中に吹き込みながらごみ９２を焼却する。次に、還元剤を用いることにより焼却炉８０で発生した焼却炉灰９３と排ガス処理設備８１で捕捉された捕集灰９４とを合わせた焼却灰９５を還元溶融して溶融スラグ４を生成する際もしくはそれに先だち、溶融スラグ４のＭｇＯ含有量が目標％もしくはそれに極めて近似した含有％となるようにＭｇＯを含有する冶金滓または天然鉱物類を焼却灰９５に添加し、可及的に低融点となりかつ共晶凝固する組成を有した溶融スラグ４が得られるように成分調整する。成分調整された焼却灰９５を還元溶融することにより焼却灰９５中のＦｅ系酸化物を還元して生成された溶融銑鉄２を滞留させ、他の重金属類および還元可能な酸化物類を還元して生じた元素を溶融銑鉄２中に溶解させると共に、ガス含有率が極めて低く重金属類等を可及的に含まない溶融スラグ４を生成して溶融銑鉄２の上部に滞留させる。その溶融スラグ４を溶融銑鉄２とは独立して出滓した後に、溶融スラグ４を徐冷した状態で共晶凝固現象に基づいて一次再結晶させる。そして、一次再結晶した鋳造スラグ４Ａを９００℃ないし１，２００℃の温度雰囲気に保持することにより、鋳造スラグ４Ａ中に残留する非晶質部分を二次再結晶させると共に残留内部歪を除去し、溶融スラグ４からガス含有率の極めて低い、組織の緻密な再結晶した人工岩石２４を生成させるようにしたことである。
【００２４】
図１０を参照して、上記の一次再結晶させる鋳造の工程と二次再結晶させる熱処理の工程とに代えて、溶融スラグ４を溶融銑鉄２とは独立して出滓した後に９００℃ないし１，２００℃の温度雰囲気に保持し、共晶凝固現象に基づいて溶融スラグ４を一次再結晶させ、かつ、残留する非晶質部分を二次再結晶させると共に残留内部歪を除去する鋳造熱処理工程としてもよい。
【００２５】
【発明の効果】
本発明によれば、焼却灰の還元溶融によりＦｅ系酸化物ならびにその他の重金属類や還元可能な酸化物類を含まず、また、ＣａＯ−ＳｉＯ2 −Ａｌ2 Ｏ3 の三元系の限られた共晶点の範囲をＭｇＯを添加した四元系に改質することにより拡大し、四元系相平衡状態で共晶凝固可能な溶融スラグを生成しやすくすることができる。共晶凝固した一次再結晶スラグを熱処理によって僅かな残余非晶質部分をさらに二次再結晶させるから、天然岩石に極めて近似した人造石材を得ることができる。その際、一次再結晶に消費したエネルギの大部分は二次再結晶に利用され、固化スラグを小粒化しておかなくても、エネルギ消費を可及的に低減することができる。
【００２６】
焼却炉において生活ごみ，下水汚泥，産業廃棄物等のごみを焼却する際に、ごみ焼却排ガス中の硫黄酸化物や塩素系物質等を除去するために吹き込まれるＭｇ化合物の粉末またはスラリーによって、焼却灰を溶融させたときに生じる溶融スラグのＭｇＯ含有量が５％ないし２０％までの範囲における目標％となるようにしておけば、焼却灰を還元溶融して溶融スラグを生成するとき可及的に低融点となりかつ共晶凝固する組成を有した溶融スラグが得られるようになる。また、焼却灰を溶融させたときに生じる溶融スラグのＭｇＯ含有量が目標％に近づけられていれば、可及的に低融点となりかつ共晶凝固する組成を有した溶融スラグが得られるように成分調整するとき、ＭｇＯを含有する冶金滓または天然鉱物類の焼却灰への添加量を少なくすることができる。
【００２７】
焼却灰は還元性雰囲気で溶融されるので、溶融スラグが炉床部や出滓部近傍の耐火物を侵蝕させることもなく、炉寿命は長く保たれる。そして、焼却灰中のＦｅ系酸化物を還元し、他の重金属類および還元可能な酸化物類も除去され、ガス含有率の極めて低い溶融スラグが得られる。還元によって生成された溶融銑鉄は回収して再資源化も可能である一方、重金属類の溶出しないまでに無害化されたコンクリート用人工骨材を得ることができる。焼却灰にＭｇＯを添加することによって溶融スラグの流動性も改善され、ＣａＯを過剰に添加する必要もなくスラグ融点の低下にも寄与する。したがって、溶融スラグから人工岩石を合成するための工程における取り扱いが容易となる。生成された合成岩石は消化性を伴うことなく長期間の性状安定や機械的強度が確保される。鋳造工程と該鋳造工程に続く熱処理工程とに代えて鋳造熱処理工程とすれば、岩石合成処理工程が少なくなり、そのための装置も簡素化することができる。
【００２８】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明に係る焼却灰溶融スラグからの人工岩石合成処理法および装置を、その実施の形態を表した図面をもとに詳細に説明する。図１は、生活ごみ，下水汚泥，産業廃棄物等を焼却して生じた焼却灰の溶融スラグをコンクリート用人工骨材とするための人工岩石合成処理装置の例であり、その主たる構成は還元溶融炉１，スラグブロック成形鋳型１０，熱処理炉１４とからなる。
【００２９】
還元溶融炉１は少なくとも溶湯を貯溜する部分および溶融スラグを滞留させる部分を確保した炉体を備えるもので、図の例では、比重の大きい溶融銑鉄２を貯溜する溶湯溜め部３、生成された溶融スラグ４を溶融銑鉄２上に滞留させる溶融スラグ溜め部５、溶融スラグ４の上方空間であって焼却灰が堆積する原料収容部６を備えた電気溶融炉１Ａが採用されている。
【００３０】
電気溶融炉１Ａは、三相，単相の交流電気炉もしくは直流の電気炉のいずれのタイプでもよいが、図では簡略化して描かれたサブマージドアーク直流抵抗炉の例となっている。その原料収容部６には、焼却灰に予めコークスブリーズや造滓材としての副資材を配合した粉粒状の原料７が投入され、後述するサブマージドアーク電気溶融法により時間をかけて還元溶融されるようになっている。
【００３１】
炉蓋１ａにはその中央で昇降する可動電極８が配置され、可動電極８の下部周囲へ原料７を装入する図示しないスクリューフィーダやシュートが炉蓋１ａに取り付けられる。炉体１ｂには溶湯溜め部３の溶融銑鉄２を意図的に少し残して排出する出銑口３ａが設けられる一方、溶融銑鉄２の上部に滞留した溶融スラグ４を排出する出滓口５ａも設けられ、出滓栓５ｂを抜いて後述する工程で必要な量を短時間のうちに流出させることができる。なお、出滓栓５ｂにガス供給孔５ｃを設けて、溶融処理中に出滓口５ａの近傍の溶融スラグ４を攪拌するためのガスを送り、出滓時のスラグ閉塞を防止するようにしておくこともできる。
【００３２】
このような電気溶融炉１Ａでは、焼却灰中のＦｅ系酸化物が還元され溶融銑鉄２を生成して溶湯溜め部３に貯溜すると共に、他の重金属類Ｃｒ，Ｎｉ，Ｃｏ，Ｃｕ，Ｍｎ，Ｍｏ等および還元可能なＰ2 Ｏ5 やＡｓ酸化物等を還元して生じた元素Ｐ，Ａｓ等を溶融銑鉄２に溶解させることができるようになっている。同時に、上記の重金属類等を可及的に含まない溶融スラグ４を生成して溶融銑鉄２の上部に滞留させ、その滞留時間を十分に確保して脱泡し、ガス含有率が極めて低い溶融スラグ４とする。
【００３３】
ところで、電気溶融炉１Ａに装入される原料７が生活ごみ，下水汚泥，産業廃棄物等をごみ焼却炉によって焼却した焼却炉灰である場合、その焼却炉灰を還元溶融して溶融スラグを生成させる工程で可及的に低融点でありかつ共晶凝固する組成を有した溶融スラグを生成させるべく、後で詳しく述べるように、溶融スラグのＭｇＯ含有量が５重量％ないし２０重量％（以下％と表示する）までの範囲における目標％に近づくように、Ｍｇ化合物の粉末またはスラリーを焼却炉内の排ガス中に予め吹き込んでおく。
【００３４】
上記の還元溶融精錬においては一般的にＳｉＯ2 ，ＣａＯ，Ａｌ2 Ｏ3 を主成分とする溶融スラグが生成されるが、その溶融スラグ４のＭｇＯ含有量が５％ないし２０％までの範囲における目標％もしくはそれに極めて近似した含有％となるように、ＭｇＯを含有する冶金滓や天然鉱物類が焼却炉灰に副資材として添加される。これによって、ＣａＯ−ＳｉＯ2 −Ａｌ2 Ｏ3 −ＭｇＯの四元系とみなすことができるスラグが得られる。そして、四元系相平衡状態における共晶点に可及的に近似した成分組成に調整すれば、溶融スラグ４の融点は最も低下しかつ共晶凝固現象を呈しやすくなる。すなわち、ＣａＯ−ＳｉＯ2 −Ａｌ2 Ｏ3 の三元系にＭｇＯを添加すると、該三元系の限られた共晶点の発生領域を拡大することが可能となる。
【００３５】
上記したＭｇＯを含有する冶金滓としては、高炉滓，製鋼滓，フェロニッケル製錬滓やＣｕ製錬滓等の非鉄冶金滓などであり、天然鉱物類としてはＭｇＯの含有率が３４％と高い橄欖石（Ｍｇ・Ｆｅ）2 ＳｉＯ4 ，蛇紋岩およびこれらの焼成物が使用される。なお、ＭｇＯを添加するという意味からは、５４％前後のＳｉＯ2 を含有するが３６％前後のＭｇＯを含有しそれらが一旦溶融したフェロニッケル製錬滓が最も好ましく、その製錬滓の再利用の途も図られて都合がよい。ちなみに、必要に応じて石灰石ＣａＣＯ3 やドロマイトＣａＣＯ3 ・ＭｇＣＯ3またはそれらの焼成物などが添加される。
【００３６】
電気溶融炉１Ａの近くには、出滓口５ａから２時間ないし３時間ごとに間歇的に排出された溶融スラグ４を受けるスラグ受け樋９が配置され、それを介して熱放散を抑制すべく短時間のうちに溶融スラグ４が鋳込まれるスラグブロック成形鋳型１０が多数配列される。この鋳型１０はスラグ内に共晶凝固現象に基づいた一次再結晶を図るためのものであり、断熱性耐火物により形成され、溶融スラグ４が内部まで急速に凝固しないように保温してブロック状の鋳造スラグ４Ａを成形させるような大きさとなっている。すなわち、急冷による非晶質の発生を抑制したりスラグの内部保有熱の消散を可及的に少なくすることができればよいので鋳型は金属製でもよいが、鋳込み面は断熱材耐火物などで覆われ、徐冷作用の有するものが採用される。
【００３７】
スラグブロック成形鋳型１０は溶融スラグ４の排出量に見あった数が必要であり、しかも、スラグ受け樋９から流下する溶融スラグ４を連続して鋳込まなければならない。そのため、各鋳型１０はコンベア１１に一列に配置して固定されている。コンベア１１は成形鋳型１０を搬送する間に所定量の溶融スラグ４を鋳込むことができると共に、共晶凝固させかつその一次再結晶が完了した直後の鋳造スラグ４Ａを脱型させることができる長さに選定される。
【００３８】
上記の成形鋳型１０は、例えば図２（ａ）に示すように、所望するサイズの鋳造スラグを成形するに必要な大きさの器であり、（ｂ）示すように、隣りあう鋳型１０の端部とは重なりあって連続している。各鋳型１０は、その底面に固定されるブラケット１０ａに取り付けた無端状チェーン１２によって移動される。コンベア１１の一端まで搬送された鋳型１０はチェーン１２が反転する際に図１のごとく転倒姿勢となり、鋳造スラグ４Ａは成形鋳型１０からシュート１３上に落とされるようになっている。
【００３９】
シュート１３の出口側には、熱処理炉１４が設置されている。これは、成形鋳型１０から脱型された鋳造スラグ４Ａが投入される炉体１５とその炉体１５内の保温を図る加熱手段１６とを有している。そして、加熱手段１６による保温作用と鋳造スラグ４Ａの内部からの復熱作用とによって残留非晶質部分を二次再結晶させると共に、鋳造による残留内部歪を除去して固化したスラグの脆弱性を回避し、ガス含有率が極めて低く組織の緻密な再結晶した人工岩石を生成させるようになっている。
【００４０】
図１の例では熱処理炉１４は回転炉１４Ａであり、成形鋳型１０から脱型された８００℃ないし１，２００℃の鋳造スラグ４Ａを収容する回転炉体１５Ａと、鋳造スラグ４Ａを保温するための加熱バーナ１６Ａとを有している。そして、一次再結晶している鋳造スラグ４Ａは、二次再結晶のために９００℃ないし１，２００℃の温度雰囲気に１時間ないし２時間保持される。
【００４１】
もう少し詳しく述べると、回転炉体１５Ａは外周を前後のタイヤ１５ｔによって支持され、ギヤー１５ｍ，リングギヤー１５ｎを介して炉体の軸線回りに矢印１７のように例えば１ｒｐｍ程度で回転される。加熱バーナ１６Ａは大きい火炎１６ａを発生させ、炉体の裏張り耐火壁１５ａおよび鋳造スラグ４Ａの堆積する表層を加温するものであり、空気供給管を伴って炉体１５Ａの軸線上の炉底部に設置される。炉体は通常水平な姿勢であるが、鋳造スラグ４Ａの装入や二次再結晶の完了した固化スラグを排出するために、仮想線で示したトラニオン軸１５ｂを中心に破線のごとく傾動できるようになっている。
【００４２】
このような装置によれば、以下のようにして、焼却炉灰を還元溶融しまた共晶凝固による一次再結晶ならびに非晶質部分の熱処理による二次再結晶により、ガス含有率の極めて低い組織の緻密な良質のコンクリート用人工骨材としての人工岩石を合成することができる。
【００４３】
まず、焼却炉灰に予めコークスブリーズを配合した粉粒状の原料７を図３に示したスクリューフィーダ２１，２１などを用いて電気溶融炉１Ａの炉蓋１ａの装入孔２２から、炉体１ｂに降ろされた可動電極８を覆うように供給する。焼却炉灰を還元溶融精錬すればＳｉＯ2 ，ＣａＯ，Ａｌ2 Ｏ3 を主成分とする溶融スラグが生成されるが、ＭｇＯが５％ないし２０％までの範囲における目標％もしくはそれに極めて近似した含有％の溶融スラグ４となるようにして共晶凝固現象を発現させやすくすべく、フェロニッケル製錬滓もしくは橄欖石等が、その他の造滓材と共に焼却炉灰７に添加される。
【００４４】
ちなみに、ＭｇＯの目標％が５％ないし２０％の範囲内としているのは、５％以下であるとＭｇＯを添加する余地が少なく成分調整の範囲に限りが生じるからであり、２０％を越えるとスラグの溶融温度が高くなり、溶解エネルギが増大するからである。また、必要に応じて若干量の石灰石等も加えられ、ＣａＯ−ＳｉＯ2 −Ａｌ2 Ｏ3 −ＭｇＯの四元系相平衡状態における共晶点もしくはそれに可及的に近似した状態で共晶凝固させることができる組成を有した溶融スラグが得られように成分調整する。
【００４５】
可動電極８に通電し、原料７を後述するサブマージドアーク電気溶融により２時間ないし３時間をかけて溶融還元する。このときの約１，５００℃の熱により可燃物が燃焼しダイオキシンは分解されまた有害なＺｎ等の低沸点物質はガス化して排出される。焼却炉灰７の粉粒体は比重が小さくかつ電気伝導度も低いが、原料中にコークスブリーズが配合されているので、そのカーボンが原料７の導電性を向上させて焼却炉灰が溶融される。
【００４６】
その際に、焼却炉灰７中のＦｅ系酸化物を還元して溶融銑鉄２が生成され、溶湯溜め部３に滞留する。他の重金属類および還元可能な酸化物類を還元して生じた元素は溶融銑鉄２中に溶解すると共に、溶融スラグ４が溶融銑鉄２上に生成される。還元反応により発生するＣＯガスは、スラグのフォーミングを促進する。溶融スラグ４上にフォーミングスラグ１８が形成され、それと原料層との境界にカーボン浮遊層１９が発生する。
【００４７】
炉体１ｂに降ろされた可動電極８の下部位はカーボン浮遊層１９で覆われたフォーミングスラグ１８に臨むように制御され、かつ、アークは常時原料７やフォーミングスラグ１８に覆われたサブマージドの状態となる。カーボン浮遊層１９で発生するアークにより原料７の加熱のみならず、フォーミングスラグ１８から溶融銑鉄２に至る間での電気抵抗ジュール熱による効率よい溶融も実現される。このフォーミングスラグ１８の生成によりアークの発生は極めて少なく、電気抵抗ジュール熱による電力伝達効率の飛躍的に高い値を示す溶融製錬が可能となるので、電力原単位の低減も図られる。
【００４８】
焼却炉灰が還元溶融されると、サブマージドアーク状態を維持させるべく、原料７がスクリューフィーダ２１から炉蓋１ａを経て可動電極８の周囲に分布するよう逐次追加供給される。図１に示すように炉床に溜まった溶融銑鉄２は意図的に少量を残し、出銑口３ａから１日ないし２日ごとに溶湯受鍋２３に出湯され、鉄源材として別途利用される。
【００４９】
一方、溶融スラグ４は溶融銑鉄化した金属成分等を含まず、その主成分がＳｉＯ2 ，Ａｌ2 Ｏ3 ，ＣａＯ，ＭｇＯとなり、サブマージドアーク溶融法の採用により溶融銑鉄２上に時間を掛けて滞留させることによって、ガスをほとんど含まない状態となる。したがって、爾後的に脱泡処理を施す必要もなくなる。溶融スラグ４は出滓口５ａから排出されるが、出滓栓５ｂを抜いて例えば２時間ごとに２０分という短時間のうちに排出される。それゆえ、生成された溶融スラグを少しずつ連続的に排出する場合に比較して、出滓時の溶融スラグ４からの熱エネルギの放散量も可及的に抑制される。
【００５０】
コンベア１１により矢印２０方向へ移動するスラグブロック成形鋳型１０に、高い熱エネルギを保有した溶融スラグ４がスラグ受け樋９から熱放散を抑制すべく短時間のうちに注入される。成形鋳型１０は断熱性耐火物で構成されており、移動している間の溶融スラグの急激な冷却は防止され、ＣａＯ−ＳｉＯ2 −Ａｌ2 Ｏ3 −ＭｇＯの四元系相平衡状態における共晶点もしくはそれに可及的に近似した状態で共晶凝固した鋳造スラグ４Ａが鋳造される。
【００５１】
例えば、ＣａＯが５％ないし３６％、ＳｉＯ2 が３８％ないし５５％、Ａｌ2Ｏ3 が１０％ないし２５％、ＭｇＯが５％ないし２０％であれば、その共晶点は１，３００℃以下である。１，５００℃以上の溶融スラグはスラグブロック成形鋳型１０内において１，３００℃以下まで液状で降温するが、共晶点の温度になると一斉に析出を開始し、「相律」に基づいて全組成が再結晶するまで温度がおのずと保持される。スラグの温度が低下することのない再結晶中は鋳型１０が移動しているコンベア１１上にある。再結晶が完了して降温しはじめた時点で鋳型１０が反転部位に到達するようにコンベア１１の移動速度および搬送距離が定められているので、一次再結晶した鋳造スラグ４Ａは脱型された時点でも高温を保っている。
【００５２】
上記のようにして鋳造スラグ４Ａは共晶凝固しているとはいえ、現実には９５％ないし９７％の再結晶となっている。残余は非晶質であって細かいガラスが点在するので、比較的小さな力を掛けるだけで砕け、その破片は尖ったものとなりやすい。そこで、成形鋳型１０から脱型された鋳造スラグ４Ａはシュート１３を経て直ちに二点鎖線のように持ち上げられた炉体１５Ａに装入される。
【００５３】
回転炉体１５Ａは加熱バーナ１６Ａによって予め加熱された状態にあり、鋳造スラグ４Ａが所定量投入されるとシュート１３が退避し、回転炉体１５Ａが実線の位置に降ろされて１ｒｐｍ程度の速度でゆっくりと回転する。加熱バーナ１６Ａから火炎１６ａを発生させ、耐火壁１５ａおよび鋳造スラグ４Ａの堆積表層が加温される。炉体１５Ａの回転により堆積した鋳造スラグ４Ａの下方へ回り込んだ加熱されている耐火壁１５ａに触れたり火炎に直接触れた鋳造スラグ４Ａは、例えば９００℃の均一な温度雰囲気に２時間または１，２００℃の温度雰囲気に１時間保持される。
【００５４】
鋳造スラグ４Ａが回転炉１４Ａに装入されるとき、その表層が８００℃ないし９００℃程度まで降温していても内部は１，１００℃ないし１，２００℃の高温であり、加熱バーナ１６Ａによる１，０００℃の保温中に内部熱が外表に向けて復熱し、表層部に至るまで残余の非晶質部分の再結晶が図られる。このようにして二次再結晶の際に鋳造時に生じた内部歪も除去され、ガス含有率の極めて低い組織の緻密な再結晶した人工岩石が生成される。
【００５５】
所定の時間が経過すると加熱バーナ１６Ａを止めて、回転炉体１５Ａを破線のように持ち上げてトラニオン軸１５ｂを中心に傾動し、装入口１５ｃを下方に向ければ、天然岩石に極めて近い固化スラグ２４が排出される。非晶質を含まない固化スラグは極めて硬く、破砕しても角が余り立たず表面に凹凸を呈する均質なものとなる。なお、コンクリート用人工骨材として使用する場合には、適当なサイズに破砕される。
【００５６】
このようにして得られた人工岩石２４は、電気溶融炉１Ａにおいて還元容易な金属分が除去されており、しかも、ガス含有量が極めて少なくなっている。電気溶融炉で溶融スラグに付与された熱エネルギは、「相律」による温度保持作用もあいまって途中での消失が少ない状態で熱処理工程まで迅速に持ち込まれ、再結晶のための熱エネルギ消費量も大幅に低減される。
【００５７】
以上の説明から分かるように、焼却炉灰を還元溶融することによって溶融銑鉄と溶融スラグを生成し、その溶融スラグにはＦｅ系酸化物ならびにその他の重金属類や還元可能な酸化物類が可及的に少なくなり、重金属類の溶出しないまでに無害化された良質のコンクリート用人工骨材を製造することができる。その際に生成した溶融銑鉄は別途利用できるので、金属資源の回収が図られる。
【００５８】
また、ＣａＯ−ＳｉＯ2 −Ａｌ2 Ｏ3 の三元系の限られた共晶点の範囲がＭｇＯを添加した四元系に改質することにより拡大され、四元系相平衡状態で共晶凝固可能な溶融スラグを生成することができる。ＭｇＯを添加することによって溶融スラグの流動性も改善され、ＣａＯを過剰に添加する必要もなくスラグ融点の低下にも寄与させることができる。したがって、溶融スラグから人工岩石を合成する工程における取り扱いが容易となり、生成された合成岩石は消化性を伴うことなく長期間の性状安定や機械的強度が確保される。共晶凝固した一次再結晶スラグを熱処理によって僅かな残余非晶質部分をさらに二次再結晶させるので、天然岩石に極めて近似した人工岩石を合成することができる。
【００５９】
焼却炉灰にはコークスブリーズが配合され、原料の導電性が高くなって溶融化が促進され、また、カーボンによる還元が実現される。焼却炉灰は還元性雰囲気で溶融されるので、溶融スラグが炉床部や出滓部近傍の耐火物を侵蝕させることもなく、炉寿命は長く保たれる。それのみならず、フォーミングスラグの発生を促して電力伝達効率の向上による電力原単位の低減に大きく寄与する。溶融スラグは溶融銑鉄上に時間を掛けて滞留されるので、その間の脱泡作用によりガス含有率が極めて低くなり、溶融スラグの爾後的な脱泡操作も不要となる。
【００６０】
さらに、溶融スラグは所定時間ごとの短時間出滓と迅速な移行形態により、その間での保有熱エネルギの消散が可及的に抑制される。一次再結晶に消費したエネルギの大部分は二次再結晶に利用される。それゆえ、固化スラグを小粒化しておかなくても、エネルギ消費を可及的に低減することができ、再結晶のための加熱エネルギの低減も図られる。
【００６１】
ちなみに、上記の説明においては、焼却炉灰に予めコークスブリーズを配合した粉粒状の原料を電気溶融炉に装入しているが、焼却炉灰は極めて細かい粉体であることが多い。そこで、ＭｇＯが５％ないし２０％までの範囲における目標％もしくはそれに極めて近似した含有％の溶融スラグとなるように粉状のフェロニッケル製錬滓もしくは橄欖石等や他の副原料を混入させた後にペレタイザーを用いてペレット状原料としておけば、装入時の取扱が容易となり都合がよい。このように、その造粒操作の段階でＣａＯ−ＳｉＯ2 −Ａｌ2 Ｏ3 −ＭｇＯの四元系相平衡状態における共晶点もしくはそれに可及的に近似した状態で共晶凝固させることができる組成を有した溶融スラグが得られように成分調整しておいてもよいことは述べるまでもない。
【００６２】
さらに、電気溶融炉に装入する原料が焼却炉灰をすでに溶融してスラグ化したものであれば、それを電気溶融炉で還元溶融するに先だち、焼却炉灰の固化スラグと共にコークスブリーズやＭｇＯ増補材ならびに副原料を電気溶融炉に装入したり、予め焼却炉灰の固化スラグにコークスブリーズ，ＭｇＯ増補材，副原料を配合しておいたうえで装入するか、それらをペレット化した後に装入するというような装入形態を採ることもできる。
【００６３】
ところで、電気溶融炉１Ａはサブマージドアーク抵抗炉であれば三相または単相交流形や直流形のいずれの形式を採用してもよい。しかし、三相交流形は電極間でアークの発生する方向に偏りが生じたり、原料の堆積表層のみを加熱する傾向がある。すなわち、各電極下で形成される溶融ゾーンのバランスが悪くなり、とりわけ比重の小さい電気伝導度の低い粉粒状原料の場合に要求される穏やかな還元溶融は実現されがたく、その結果、均一な加熱状態を得ることができなくなる。また、単相交流形では常に交流電力が往復するので、原料の加熱が局部的となる。そこで、炉の構造が簡単で制御しやすく、また、後述する理由によって電気エネルギの供給が最も安定する直流電気炉を採用するのが最適である。
【００６４】
図３は焼却炉灰の還元溶融に適したサブマージドアーク直流抵抗炉であり、炉体１ｂには可動電極８が挿入されるが、装入される焼却炉灰７にはＦｅ系酸化物等の還元すべき酸化物の含有量が少ないのが一般的であり、電極の消耗量は少ない。そこで、人造黒鉛電極よりも操作が容易で安価な自焼成のあるゼーダベルグ電極が採用される。これによって、電極消費に伴うコストを著しく低下させることができる。
【００６５】
炉体１ｂに設けられる電極として、０．０２％Ｃの純鉄鍛造バーであって炉側方から見るとＬ字状をなすＬ形電極２５が例えば図４の（ｂ）に示すように４本使用される。この電極２５は図３に示すごとく、鉄皮内面に耐火物１ｍを積層して形成した炉壁に埋設される垂直部分２５ａと炉底に配置される水平部分２５ｂからなる。垂直部分２５ａは図４の（ａ）に仮想線で示すように断面が略正方形であり、その中に冷却水を流通させる往路２６ａとその内方に設けられた復路２６ｂとが形成される。
【００６６】
Ｌ形電極２５の水平部分２５ｂは仮想線で示すように断面の幅が狭い長方形であり、図４の（ｂ）に示すように、炉底に沿い炉体中心に向かって真直状に延びて配置される。この水平部分２５ｂは、図３にあるようにカーボン粉２７で覆われ、炉床を形成するブロックを配置するための平坦面を出しやすくと共に導電性を高めるためにスタンピングされる。そして、垂直部分２５ａを覆う絶縁耐火物１ｎの表面やカーボンスタンプ２８の上に多数の黒鉛ブロック２９が炉壁や炉床を形成するように配置される。
【００６７】
ちなみに、垂直部分２５ａの下端に一体化された水平部分２５ｂは直流電力を供給するためのものであるが、図５に示すように、水平部分２５ｂが、炉体の鉄皮に沿うように延びる円弧形部２５ｍと、その円弧形部２５ｍの主として内方に広がる鉄板で形成されたウエブ２５ｎとを備えたものとしておいてもよい。そして、ウエブ２５ｎの上面には断面が丸または角状の短い鉄棒２５ｐが多数立設され、そのウエブ２５ｎの炉体中心部位は可動電極の直径と略同等もしくはそれより大きい円弧状切欠き２５ｒが形成されている。この例ではウエブ２５ｎの平面矢視が半円形となっているので二本のＬ形電極２５が炉体に装着され、二つのウエブ２５ｎ，２５ｎによって一つの円をなして炉底に配置されることになる。なお、溶接等によってウエブ２５ｎに取り付けられた鉄棒２５ｐはカーボンスタンプ２８（図３を参照）との通電性を高め、円弧状切欠き２５ｒはＬ形電極２５の水平部分２５ｂから可動電極８への電流のショートパスを抑制する。
【００６８】
このようにしておくと、炉床に滞留する溶融銑鉄２と黒鉛ブロック２９とカーボンスタンプ２８によって、炉床に広く導電性のある部分が形成される。複数本のＬ形電極２５から給電されて可動電極８との間に印加される電圧が炉床部全体で均一にかかりやすくなる。このようにして炉床面に略同一の電位レベルが形成されると、焼却炉灰７に配合されたコークスブリーズによる導電効果と、比重が小さい電気伝導度の低い粉粒状焼却炉灰の還元溶融に必要な静かな加熱溶融作用とにより、原料の迅速で一様な溶融が実現される。もちろん、前述したフォーミングスラグの形成による電力伝達効率の向上に基因して電力消費も著しく低減される。
【００６９】
なお、本電気溶融炉においては、炉床近くにカーボン物質が存在するので還元性雰囲気が保たれ、Ｌ形電極２５の水平部分２５ｂが高温状態におかれても酸化するおそれはない。一方、垂直部分２５ａでは炉内温度が高くなると空気と接触して酸化するおそれがあるので、上記のごとく水冷されている。ちなみに、Ｌ形電極２５はフレキシブル導線３０を介して炉周に配置したコーベル銅板３１と接続され、炉体が熱膨張しても影響を受けることなく電気回路を形成しておくことができる。
【００７０】
図６のように炉蓋１ａには装入用の長孔２２が形成され、貯蔵ビン３２の下方のホッパ３３に連なるスクリューフィーダ２１の先端で揺動できるようになっているシュート２１ａが臨まされる。そのシュート２１ａおよび長孔２２の近傍を覆う仮想線で示したフード２１ｂによって、コークスブリーズを配合した粉粒体の原料が外部へ飛散しないように装入される。各装入孔２２を可動電極８から異なった半径方向距離にしておけばシュート２１ａの首振り動作とあいまって原料を炉体内で分散させることができ、可動電極８の周囲が原料によって覆われやすくなる。なお、図に仮想線で表した二つのスクリューフィーダ２１Ａ，２１Ａを含めて、１２０度間隔の三つのスクリューフィーダを配置する場合、前記した半径方向距離をそれぞれ違えておけば、原料を一層広くかつ均一に投入することができる。
【００７１】
ちなみに、スクリューフィーダに限らず図示しない密閉型シュートを貯蔵ビン３２に接続しておいてもよい。この場合には、焼却炉灰を赤熱した状態でホットチャージすることもでき、電気溶融炉での電力消費の飛躍的な節減を図ることができる。このホットチャージによれば原料の流動性は極めて高くなるので、炉内装入時の分散性がよく、シュート２１ａの首振り量を小さくしたり、装入孔２２を短くしておくことができる。
【００７２】
通常の直流電気炉では運転制御が交流のそれよりもシンプルであるが、単相交流電気炉の場合と同じくアークの及ぶ範囲が局部的となる。Ｌ形電極を採用した本電気炉においては、通常の直流電気炉における運転の制御性の良さと、Ｌ形電極の採用による炉床からの広範囲な領域をカバーする給電性の向上とにより、炉内での均一な溶融処理が実現されるという機能面においても極めて優れた点を備える。
【００７３】
ちなみに、原料が下水汚泥乾燥粉を含むような場合には、その乾燥粉中の蛋白質系物質の存在により炉内で加熱される際に悪臭の発生することがある。また、焼却炉灰の場合であっても、堆積する原料の上方空間には、原料の溶融過程で発生したＣＯガスが存在する。その悪臭物質や未燃ガスを燃焼させるため、図３に示した炉体上部には空気導入管３５が適数本放射状に設置される。炉内の温度上昇に伴う圧力ドラフトが生じると外気が吸入され、自然発火による臭気除去やＣＯの燃焼が可能となる。もちろん仮想線で示した補助バーナ３６を配置しておけば、その燃焼はより一層促進される。
【００７４】
その補助バーナ３６は、火炎が空気導入管３５の導出口に臨み、かつ、円形の炉体に対して接線方向となるようにしておけば、旋回流の発生を促して燃焼効率が上がると共に装入されている原料の予熱にも寄与させることができる。補助バーナによりエネルギの供給量は増加するが、未燃ガスを燃焼させる程度であるので全体的には無視できる量である。かえって、上記のごとく、原料を予熱できることにより電力消費を節減し、電力原単位の低減も図られる。なお、排ガスは可動電極８の周囲から排煙フード３７を経て集塵機などに送られる。
【００７５】
還元溶融炉としては電気溶融炉に限らず、図７に示す竪型シャフト炉１Ｂを採用してもよい。本発明は、コークス燃焼還元溶融法と同様に、還元剤を用いて焼却炉灰を還元溶融して溶融スラグを生成することができればよいからであり、電気溶融炉に比べれば大型化させることが容易であり、溶融スラグ４を連続出滓することもできるようになる。しかし、従来技術のところで述べたコークス燃焼還元法において使用される竪型シャフト炉の場合とは異なり、少なくとも、溶湯を貯溜する溶湯溜め部３と、生成した溶融スラグ４を溶湯上部に滞留させる溶融スラグ溜め部５とを備えた構造にしておく必要がある。
【００７６】
この竪型シャフト炉１Ｂにおいても溶融スラグ４を溶融銑鉄２とは独立して排出しなければならず、出銑口３ａの上方となるように出滓口５ａが設けられている。副資材を添加したペレット状の原料７やコークス塊４０はベル４１が仮想線のように下げられた状態で炉体上方から投入され、コークス塊と原料が堆積するコークスベッド４２が形成される。上方部は乾燥・予熱ゾーン４３であり、耐火壁４４に開口する空気供給口４５の近傍は原料の分解・燃焼ゾーン４６および溶融ゾーン４７が上下に形成される。なお、運転中はベル４１によって炉上部が閉止され、排ガスはダクト４８を経て排出されるようになっている。
【００７７】
焼却炉灰はコークスによって還元されるので溶融スラグ中のＦｅ系酸化物は減少し、溶融銑鉄２は溶湯溜め部３に溜まる。一方、溶融スラグ４は溶融銑鉄２上で脱泡されるに十分な時間滞留する。電気溶融炉の場合と同様に副原料としてフェロニッケル製錬滓等が原料７に混入されるので溶融スラグ４中のＭｇＯが増加し、たとえコークス中のＡｌ2 Ｏ3 が溶融スラグ４に溶解しても、スラグの流動性の低下は抑制される。すなわち、石灰石を過剰に添加する必要がなく、それゆえ、出滓した溶融スラグを上記したように鋳造し熱処理して人工岩石としても、消化性のない長期にわたって性状の安定した機械的強度の高い石材とすることができる。
【００７８】
ところで、図１においては熱処理炉として回転炉１４Ａを採用しているが、それに代えて図８に示す公知の竪型シャフト炉５１を採用することもできる。スラグブロック成形鋳型から脱型された鋳造スラグ４Ａは、内面の全てが裏張り耐火壁で覆われた炉体５１Ａに装入シュート５２を用いて天井から装入され、熱処理後の固化スラグ２４は炉底部の排出口に設けたクラムシェル式の開閉蓋５３を仮想線のように開いて適宜の量が取り出される。鋳造スラグ４Ａの収容量は回転炉の場合よりも多くすることが容易であり、それに伴って炉内へ持ち込まれる熱エネルギも多くなるので、加熱量を節減することができる。
【００７９】
このような炉によっても、前述した場合と同様に、鋳造スラグ４Ａ内部からの復熱作用によって非晶質部分の二次再結晶が可能となる。竪型シャフト炉５１は可動部材がないので大型化が容易であり、処理量を多くしたり処理時間を長くとることができる。炉内を火炎で加熱してもよいが鋳造スラグ４Ａは堆積状態にあるので、炉体５１Ａを取り巻く下部環状通路５４から熱ガス発生装置５５で発生させた高温ガス５６を供給するようにしてもよい。排ガスは上部環状通路５７を経て熱ガス発生装置５５等へ戻される。
【００８０】
ところで、焼却炉灰を電気溶融炉に投入するに先だちＭｇ化合物を焼却炉の排ガス中に吹き込んでいるのは、焼却排ガス中の硫黄酸化物ＳＯ2 ，ＳＯx や塩素系物質としてのＨＣｌガス等を除去するためである。従来はＭｇ化合物を主体にして焼却炉に投入することはなく、消石灰の粉末や石灰石の粉末さらには石灰乳を焼却炉に投入している。本発明においては焼却排ガスの清浄化処理のためのアルカリ剤を供給するためのみならず、焼却炉灰を還元溶融する際に可及的に低融点でありかつ共晶凝固する組成を有した溶融スラグを生成させるべく、焼却炉灰を溶融させたときに生じる溶融スラグのＭｇＯ含有量が５％ないし２０％までの範囲における目標％に近づくようにしておくためにＭｇ化合物が使用される。ちなみに、Ｍｇ化合物としては、ドロマイトＣａＣＯ3 ・ＭｇＣＯ3 やマグネサイトＭｇＣＯ3 の粉末又はそのスラリーもしくはドロマイトやマグネサイトを焼成したＣａＯ，ＭｇＯが用いられる。なお、ＭｇＯを含有する冶金滓（例えば高炉滓，製鋼滓，フェロニッケル製錬滓やＣｕ製錬滓等の非鉄冶金滓等）さらには天然鉱物類（例えば橄欖石や蛇紋岩）もしくはその焼成物を使用しても差し支えのないこともある。
【００８１】
ここで、還元溶融炉に投入される原料としての焼却炉灰の生成について、以下に述べる。図９を参照して、一般に焼却炉設備は何段かのストーカを備えた焼却炉８０と排ガス処理設備８１とを有し、煙道の適宜の箇所に排熱ボイラ８２や図示しない空気予熱器が設けられる。そして、排ガス中の硫黄酸化物や塩素系物質を除去するためのアルカリ剤吹込装置８３や排ガスを冷却するための冷却水噴射ノズル８４等が適宜付帯される。なお、排ガス処理設備８１は乾式の場合にはバグフィルタ８５または電気集塵機を備え、湿式の場合には苛性ソーダ等が投入される二点鎖線で示す吸収塔８６も配置される。ちなみに、符号の８７は誘引送風機、８８は煙突であり、アルカリ剤吹込装置８３中の８９は押し込み送風機である。
【００８２】
上記したＭｇ化合物のうちドロマイトやマグネサイトは熱分解させてＣａＯやＭｇＯとする必要があるために、これらのＭｇ化合物９０は焼却炉８０の炉頂もしくはその近くに設けた吹込口８３ａから高温排ガス中に吹き込まれる。すなわち、熱分解は次式のごとくになる。ちなみに、冷却水噴射ノズル８４が設けられている場合には、それよりも下方の位置でＭｇ化合物が吹き込まれ、それらの熱分解が阻害されないように配慮される。
【化１】
0003693073.tif 000002
そして、硫黄酸化物はＣａＯに吸着させて硫酸カルシウムとされ、また、塩化水素は次式の反応過程によって除去される。
【化２】
0003693073.tif 000003
なお、ドロマイトやマグネサイトの焼成物はかなりの量のＭｇＯを含んでいる。したがって、これらのＭｇ化合物９１は炉内の適宜の箇所の排ガス中へ吹き込めばよい。反応生成物であるＣａＣｌ2 やＭｇＣｌ2 は、所望量のＭｇＯと共にごみ９２を焼却した焼却炉灰９３に含まれ、還元溶融炉に搬出される。
【００８３】
このように、焼却炉灰９３の溶融スラグのＭｇＯ含有量が目標％に近づけられているといえども、その含有量は目標％から掛け離れていることが多い。それゆえに、ＣａＯ−ＳｉＯ2 −Ａｌ2 Ｏ3 −ＭｇＯの四元系相平衡状態における共晶点もしくはそれに極めて近似した点となって、低融点でありかつ共晶凝固する組成を有した溶融スラグを生成させることができるように、焼却炉灰を還元溶融する際もしくはそれに先だちＭｇＯを含有する冶金滓または天然鉱物類を添加して焼却炉灰が成分調整される。
【００８４】
ちなみに、Ｍｇ化合物を焼却炉に吹き込むときに、焼却炉灰を溶融させたときに生じる溶融スラグのＭｇＯ含有量が目標％もしくはそれに極めて近似した含有％となるように焼却炉灰にＭｇ化合物を添加することができるならば、還元溶融の前に焼却炉灰９３にＭｇＯを含まない造滓材を添加することがあっても、ＭｇＯの成分を調整する工程の必要のないことは言うまでもない。
【００８５】
なお、焼却炉８０の排ガスを処理した後にバグフィルタ８５から取り出された捕集灰９４を、焼却炉灰９３に添加してもよい。この捕集灰９４は焼却炉灰９３に比べれば少ないが、人工岩石化すればその処分も併せてできるからである。
【００８６】
上記したドロマイトやマグネサイトの焼成物の粉末を、焼却炉８０から導出された排ガス中に煙道吹込口８３ｂから吹き込むこともできる。すなわち、焼却炉８０から排出された焼却炉灰９３と排ガス処理設備８１で捕捉された捕集灰９４とを合わせた焼却灰９５を溶融させたときに生じる溶融スラグのＭｇＯ含有量が目標％に近づくようにＭｇ化合物を吹き込みながらごみを焼却する。この場合、焼却炉灰９３の溶融スラグのＭｇＯ含有量と捕集灰９４の溶融スラグのＭｇＯ含有量とが同じ目標％に近づくようにＭｇ化合物を吹き込んでもよいし、焼却炉灰９３と捕集灰９４とを合わせた焼却灰９５の溶融スラグのＭｇＯ含有量が目標％となるように成分調整してもよいことは言うまでもない。
【００８７】
このように、焼却灰９５の溶融スラグのＭｇＯ含有量が所望する目標％に近づけられているといえども、その含有量は目標％から掛け離れていることが多い。したがって、溶融スラグを生成させる工程で可及的に低融点でありかつ共晶凝固する組成を有した溶融スラグを生成させるべく目標％もしくはそれに極めて近似した含有％となるように、焼却灰を還元溶融する際もしくはそれに先だちＭｇＯを含有する冶金滓または天然鉱物類を添加して焼却灰が成分調整される。
【００８８】
ちなみに、Ｍｇ化合物を焼却炉と煙道に吹き込むときに、焼却灰９５の溶融スラグのＭｇＯ含有量が目標％もしくはそれに極めて近似した含有％とすることができるならば、還元溶融の前に焼却灰９５にＭｇＯを含まない造滓材を添加することがあっても、ＭｇＯの成分を調整する工程の必要のないことは述べるでもない。
【００８９】
ところで、上記した焼却炉灰は焼却炉から排出された焼却主灰を意味しているが、それには焼却炉の燃焼火格子より排出される火格子灰や燃焼火格子から落下した落じんを含んでいるのが一般的である。一方、捕集灰は排ガス処理設備で捕捉された焼却飛灰を意味しているが、通常は、熱回収系で捕集された熱回収灰と排ガス浄化系で捕捉されたフライアッシュとを含むものであってよい。
【００９０】
上記したいずれの例においても、熱処理炉１４，５１はスラグブロック成形鋳型から脱型した鋳造スラグが投入されるが、図１０に示すような鋳造熱処理炉６１を採用し、鋳造工程と熱処理工程とを一つの保温炉において行わせることもできる。これは、溶融スラグが鋳込まれたスラグブロック成形鋳型１０をコンベア６２によって通過させるトンネル状の炉体６１Ａと、炉体内の保温を図る多数の加熱バーナ６３とを有する。そして、加熱バーナ６３によって生じた９００℃ないし１，２００℃の雰囲気での保温作用とスラグブロック成形鋳型１０に鋳込まれて一次再結晶した鋳造スラグ４Ａの内部からの復熱作用とによって残留非晶質部分を二次再結晶させると共に残留内部歪を除去し、組織の緻密な再結晶した人工岩石２４を生成させることができる。もちろん、炉体６１Ａやコンベア６２の長さやコンベア６２の矢印６４方向への移動速度は、溶融スラグ４を一次再結晶させて鋳造スラグ４Ａとし、鋳型１０に入れたまま二次再結晶を完了させることができるように決定される。
【００９１】
【実施例】
本発明は、ＳｉＯ2 ，ＣａＯ，Ａｌ2 Ｏ3 を主成分とする溶融スラグを生成するに際し、溶融スラグのＭｇＯ含有量が５％ないし２０％までの範囲における目標％もしくはそれに極めて近似した含有％となるように、ＭｇＯを含有する冶金滓等を添加してＣａＯ−ＳｉＯ2 −Ａｌ2 Ｏ3 −ＭｇＯの四元系相平衡状態における共晶点もしくはそれに可及的に近似した状態で共晶凝固する組成を有した溶融スラグが得られるようにしている。そこで、以下に幾つかの例を挙げる。
【００９２】
図１１は、ＣａＯ−ＳｉＯ2 −Ａｌ2 Ｏ3 −ＭｇＯ系の１５％Ａｌ2 Ｏ3 面の液相温度における相関係である。辺７１の数字はＣａＯの含有％、辺７２の数字はＳｉＯ2 の含有％、辺７３はＭｇＯの含有％を示し、実線や破線は岩石質の境界を表している。数字を含んだ細い破線上の数字は凝固温度である。そして、点Ａは共晶点であり、点Ａから点ａ1 ，ａ2 ，ａ3 （図１１の要部を拡大した図１２を参照）までの部分は凝固時に再結晶を誘発させやすい領域にある共晶線である。なお、図１１をはじめとして後述する図１３，図１５，図１７，図１８は、E. F. Osborn, R. C. DeVries, K. H. Gee, and H. M. Kraner.  ■ Optimum Composition of Blast Furnace Slag as Deduced from Liquidus Data for the Quaternary System CaO-MgO-Al2O3-SiO2 ' Trans. AIME, 1954, v. 200, pp. 33-45. （Ｅ．Ｆ．オズボーン・Ｒ．Ｃ．デブリーズ・Ｋ．Ｈ．ギー・Ｈ．Ｍ．クラナー共著「ＣａＯ−ＭｇＯ−Ａｌ2 Ｏ3 −ＳｉＯ2 四元系液相データから推論した高炉スラグの最適組成」ＡＩＭＥ紀要第２００巻３３頁ないし４５頁）に記載された四元系相平衡状態図である。
【００９３】
前記した断熱性のある鋳型内で容易に再結晶させるためには、その共晶凝固温度が１，３００℃以下であることや、溶融スラグの高い流動性に基づいた結晶分子の移動が容易であることが不可欠となる。そのような観点からはＳｉＯ2 が約５５％以下であることや、人工骨材として使用した場合にアルカリ骨材反応が出やすくなるフォルステライト結晶が出ないようにすることが重要である。したがって、アノルサイト・パイロキシン・メリライト三元共晶点の近傍である図中に表示の線Ａａ1 ，Ａａ2 ，Ａａ3 上の組成となるように造滓材を調節配合することが必要となることが分かる。
【００９４】
上記した点Ａ，ａ1 ，ａ2 ，ａ3 を含む幾つかの黒い点および他の点Ｂ等は凝固温度が最低の１，３００℃以下を示した共晶点もしくはそれに極めて近似した点の選択例であり、それぞれは表１のような組成となっている。なお、表中の選択点Ａ，ＢにおけるＭｇＯ含有％は前述した目標％であり、選択点ａ1 ，ａ2 ，ａ3 ，ｂ1 ，ｂ2 は目標％に極めて近似した含有％に相当する。
【表１】
0003693073.tif 000004
図１３は、１０％Ａｌ2 Ｏ3 の場合であり、同様にして纏めると、表２のようになる。いずれの点も四元系相平衡状態における共晶点もしくはそれに極めて近似した点であり、凝固温度すなわち融点の最低温度は１，３００℃以下である。なお、図１４は図１３中の選択点の近傍を拡大したものである。
【表２】
0003693073.tif 000005
同様に、２０％Ａｌ2 Ｏ3 の場合が図１５および図１６に表されている。これを纏めると、表３のようになる。いずれの点も四元系相平衡状態における共晶点もしくはそれに極めて近似した点であり、凝固温度は１，３００℃以下である。なお、点ｇ2 も四元系相平衡状態における共晶点に極めて近似した点であるが、この場合の凝固温度は１，３３０℃ないし１，３５０℃となっている。
【表３】
0003693073.tif 000006
同様に、２５％Ａｌ2 Ｏ3 の場合が図１７に表されている。これを纏めると、表４のようになる。いずれの点も四元系相平衡状態における共晶点もしくはそれに極めて近似した点であり、凝固温度は１，４００℃以下である。
【表４】
0003693073.tif 000007
【００９５】
以上をまとめると、ＣａＯが１６％ないし３５％、ＳｉＯ2 が３６％ないし５４％、Ａｌ2 Ｏ3 が１０％ないし２５％、ＭｇＯが５％ないし１９％であると、四元系相平衡状態における共晶点に可及的に近似した状態で共晶凝固する組成を有した溶融スラグの得られることが分かる。なお、Ａｌ2 Ｏ3 の含有率は少なすぎても多すぎても溶融スラグの融点が上がることはよく知られており、５％以下であったり３０％を越えると凝固点の最低温度は約１，４００℃以上となる。そのような場合には焼却灰の溶解温度を上げる必要があり、熱エネルギの消費が増大することになるので避けるべきである。
【００９６】
ところで、上記した図１１ないし図１７において、他にも四元系相平衡状態における共晶点もしくはそれに極めて近似した点が存在する。図１１および図１２の１５％Ａｌ2 Ｏ3 の場合、共晶点Ｃならびに選択点ｃ1 ，ｃ11を表５のように拾い挙げることができ、その凝固温度は１，３００℃以下である。
【表５】
0003693073.tif 000008
同様に、図１５および図１６の２０％Ａｌ2 Ｏ3 の場合、共晶点Ｈを表６のように拾い挙げることができ、その凝固温度も１，３００℃以下である。
【表６】
0003693073.tif 000009
同様に、図１７の２５％Ａｌ2 Ｏ3 の場合、共晶点Ｋを表７のように拾い挙げることができ、その凝固温度は１，４００℃より低い。
【表７】
0003693073.tif 000010
しかし、いずれもＳｉＯ2 の含有率の高いことに基因して、溶融スラグの粘性も高くなり、次工程である鋳造のための溶融スラグの還元溶融炉からの流出操作が不便なものとなる。したがって、四元系相平衡状態における共晶点もしくはそれに極めて近似した点といえども、好ましくない共晶点の存在することにも注意しておくべきである。
【００９７】
ちなみに、焼却灰の組成は一定しないが、例えば表８のような組成である。例１および例２は、従来技術の項で述べた電気溶融法等によって得られたスラグの組成として公表されているデータである。そして、例３は本発明者らのテストに供された焼却灰の組成である。
【表８】
0003693073.tif 000011
上記した焼却灰を溶融してスラグ化すると、表９のような組成になる。なお、例１および例２は若干成分調整されているようであり、公表値をそのまま掲げている。
【表９】
0003693073.tif 000012
これらのスラグを再度溶融すると共に還元したスラグの主たる組成がＣａＯ，ＳｉＯ2 ，Ａｌ2 Ｏ3 ，ＭｇＯとなると、そのスラグの組成は表１０のように書き換えられる。
【表１０】
0003693073.tif 000013
例１のＡｌ2 Ｏ3 を２０％とみなすと図１５の点Ｓとなり、例２のＡｌ2 Ｏ3 を２５％とみなせば図１７の点Ｔとなる。点Ｓは共晶点Ｆから大きく外れ、点Ｔは共晶点Ｊとはかけ離れている。いずれも凝固するとアノルサイトとなり、凝固温度は高い。例３はＡｌ2 Ｏ3 が高く好ましいスラグとは言えない。Ａｌ2 Ｏ3 を３０％とみなすと図１８の点Ｕとなる。
【００９８】
上記の例１においてＭｇＯの含有量が状態図中の共晶点となるようにフェロニッケル製錬滓や適量の造滓材を添加して調整すると、表１１の例１Ａのようになる。例２においても同様に調整すると、例２Ａを得ることができる。また、例３においても同様に調整すると、例３Ａを得ることができる。
【表１１】
0003693073.tif 000014
例１Ａは図１３の点ｓとなり、例２Ａは図１１の点ｔとなる。例３Ａは図１５中の点ｕとなり、いずれも共晶点Ｄ，Ａ，Ｆに一致している。
【００９９】
上記の表１１の例１Ａ，例２Ａおよび例３Ａは、それらを成分調整する前の表１０の例１，例２および例３のスラグに比べてＭｇＯの多いことが分かる。逆に言うと、例１，例２および例３は、多元系相平衡状態における共晶点に可及的に近似した状態で共晶凝固させることができる組成を有していない。それゆえ、それらのスラグは凝固温度が高くて加熱エネルギを大量に要求し、また、出滓後の空冷で急速に冷却が進み、非晶質を多く残した再結晶の不十分な石材となる。
【０１００】
ちなみに、図１１においてはＭｇＯが約６％ないし約１４％であり、図１３では約７％ないし約１９％である。図１５においては約６％ないし約１７％であって、さらには、図１７において約３％ないし約８％であることが分かる。したがって、Ａｌ2 Ｏ3 を約１０％ないし約２５％の範囲に止めておくならば、その条件を満たして溶融スラグを共晶凝固させることができるＭｇＯは３％ないし１９％となる。しかし、上掲した図１１ないし図１７は例示であって、詳細な研究データと、前述したようにＭｇＯが５％以下であればＭｇＯを添加する余地が少なく成分調整の範囲に限りが生じることを考慮すると、溶融スラグのＭｇＯの含有目標％を５％ないし２０％までの範囲における値としておけばよいことを確認することができた。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明に係る焼却灰溶融スラグからの人工岩石合成処理装置の全体概略構成図。
【図２】  （ａ）は連続して配置されたスラグブロック成形鋳型の部分平面図、（ｂ）はコンベアのチェーンに取り付けられた成形鋳型の断面図。
【図３】  サブマージドアーク直流抵抗炉の概略構成図。
【図４】  （ａ）はＬ形電極の拡大断面図、（ｂ）は図３中のIV−IV線矢視図。
【図５】  Ｌ形電極の他例の斜視図。
【図６】  電気溶融炉の炉蓋の平面矢視図。
【図７】  還元溶融炉の他例としての竪型シャフト炉の断面図。
【図８】  熱処理炉の他例としての竪型シャフト炉の断面図。
【図９】  ごみ焼却設備の概略全体構成図。
【図１０】  鋳造熱処理炉の概略構成図。
【図１１】  ＣａＯ−ＳｉＯ2 −Ａｌ2 Ｏ3 −ＭｇＯ系の１５％Ａｌ2 Ｏ3面の液相温度における相関係図。
【図１２】  図１１の要部拡大図。
【図１３】  ＣａＯ−ＳｉＯ2 −Ａｌ2 Ｏ3 −ＭｇＯ系の１０％Ａｌ2 Ｏ3面の液相温度における相関係図。
【図１４】  図１３の要部拡大図。
【図１５】  ＣａＯ−ＳｉＯ2 −Ａｌ2 Ｏ3 −ＭｇＯ系の２０％Ａｌ2 Ｏ3面の液相温度における相関係図。
【図１６】  図１５の要部拡大図。
【図１７】  ＣａＯ−ＳｉＯ2 −Ａｌ2 Ｏ3 −ＭｇＯ系の２５％Ａｌ2 Ｏ3面の液相温度における相関係図。
【図１８】  ＣａＯ−ＳｉＯ2 −Ａｌ2 Ｏ3 −ＭｇＯ系の３０％Ａｌ2 Ｏ3面の液相温度における相関係図。
【符号の説明】
１…還元溶融炉、１Ａ…電気溶融炉、２…溶融銑鉄、４…溶融スラグ、４Ａ…鋳造スラグ、７…原料（焼却炉灰，焼却灰）、１０…スラグブロック成形鋳型、１４…熱処理炉、１６…加熱手段、２４…人工岩石、６１…鋳造熱処理炉、８０…焼却炉、８１…排ガス処理設備、８３ａ…吹込口、８３ｂ…煙道吹込口、９０，９１…Ｍｇ化合物、９２…ごみ、９３…焼却炉灰、９４…捕集灰、９５…焼却灰。
【図１】
0003693073.tif 000015
【図２】
0003693073.tif 000016
【図３】
0003693073.tif 000017
【図４】
0003693073.tif 000018
【図５】
0003693073.tif 000019
【図６】
0003693073.tif 000020
【図７】
0003693073.tif 000021
【図８】
0003693073.tif 000022
【図９】
0003693073.tif 000023
【図１０】
0003693073.tif 000024
【図１１】
0003693073.tif 000025
【図１２】
0003693073.tif 000026
【図１３】
0003693073.tif 000027
【図１４】
0003693073.tif 000028
【図１５】
0003693073.tif 000029
【図１６】
0003693073.tif 000030
【図１７】
0003693073.tif 000031
【図１８】
0003693073.tif 000032