(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
廃棄物を流動床ガス化炉によりガス化してガス状物とチャーを生成する工程と、該生成したガス状物とチャーを旋回式溶融炉により高温燃焼する工程とを含む廃棄物の処理方法において、該高温燃焼する工程より生じた溶融物を、還元雰囲気下にて養生することにより、金属とスラグとに比重差にて分離して別々に取出すことを特徴とする廃棄物の処理方法。
【請求項２】
前記溶融物の養生は、塩基度調整化合物を添加して行うことを特徴とする請求項１に記載の廃棄物の処理方法。
【請求項３】
前記溶融物の養生は、還元剤とマグネシウム化合物を含む物質を添加して行うことを特徴とする請求項１又は２記載の廃棄物の処理方法。
【請求項４】
前記流動床ガス化炉において、炉底から流動媒体と共に取出された前記廃棄物中に含まれる不燃物は、該流動体と分離して金属を分離回収することを特徴とする請求項１、２又は３記載の廃棄物の処理方法。
【請求項５】
廃棄物をガス化する流動床ガス化炉と、該流動床ガス化炉にて生成したガス状物とチャーを高温燃焼する旋回式溶融炉と、該旋回式溶融炉で生じた溶融物を還元雰囲気下にて養生して金属とスラグとに比重差分離するための養生装置とを備えたことを特徴とする廃棄物の処理装置。
【請求項６】
前記養生装置は、電気アーク式溶融炉、電気抵抗炉、電気加熱溶融炉、プラズマ式溶融炉又は低周波誘導炉であることを特徴とする請求項５記載の廃棄物の処理装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、廃棄物の処理に係り、特に、廃棄物をガス化又はガス化燃焼して不燃物を熔融し、スラグ化して回収する廃棄物の処理方法と装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、廃棄物処理においては、中間処理としての焼却、最終処分としての埋立が行われている。しかしながら、増加の一途をたどる廃棄物量のため、最終処分場は払底が懸念されており、焼却の段階ではダイオキシンやＳＯｘ、ＮＯｘ等の物質が生成し、環境に深刻な影響を与えつつある。
このような状況において安全な中間処理を行い最終的な廃棄物の減容化のため、ガス化又はガス化燃焼−溶融システムが提唱されている。該システムは、生成するガスのエネルギーを利用したり、完全燃焼過程を設けず生成ガスを化学合成原料に利用できる。また、発生するスラグは灰の１／３程度と減容化できる上、重金属等をスラグ内に封入し、土壌中への溶出を防止できるという優れた特性を有し、スラグ化の過程で１２００〜１５００℃の高温を経るため、ダイオキシン等の完全分解が可能である。また、導入空気に由来するサーマルＮＯｘが極小化できる。更に、廃ガス処理工程等を経て環境保全上は二重三重の対策が取られている。
【０００３】
一方、スラグについてもその安全性が確認されてきたので、コンクリート用骨材、路盤材、その他として建設資材を中心にその利用が検討されている。
しかしながら、通常スラグは排出後の搬送上の要求から、水砕されて数ｍｍ程度の粒状物として回収されるのが一般である。このため、粒度がまちまちであったり、針状の突起を生じたり、材料としての取扱いが良好とは言い難く、また、溶融方法によっては、スラグと重金属が混合されて排出されるため、スラグの再利用が有効に行えないという不具合があり、利用のためには別途スラグ再生工程を設ける必要があった。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上記従来技術に鑑み、取扱いが容易で廃棄物プラントで直接有用資源化されたスラグを得ることができる廃棄物の処理方法と装置を提供することを課題とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明では、廃棄物を流動床ガス化炉によりガス化してガス状物とチャーを生成する工程と、該生成したガス状物とチャーを旋回式溶融炉により高温燃焼する工程とを含む廃棄物の処理方法において、該高温燃焼する工程より生じた溶融物を、還元雰囲気下にて養生することにより、金属とスラグとに比重差にて分離して別々に取出すこととしたものである。
また、本発明では、廃棄物をガス化する流動床ガス化炉と、該流動床ガス化炉にて生成したガス状物とチャーを高温燃焼する旋回式溶融炉と、該旋回式溶融炉で生じた溶融物を還元雰囲気下にて養生して金属とスラグとに比重差分離するための養生装置とを備えたことを特徴とする廃棄物の処理装置としたものである。
前記処理装置において、流動床ガス化炉としては内部循環式流動床ガス化炉を用い、溶融炉としては自燃式旋回溶融炉を用いるのが好適であり、また養生装置としては、電気アーク式溶融炉、電気抵抗炉、電気加熱溶融炉、プラズマ式溶融炉又は低周波誘導炉を用いることができる。
【０００６】
前記方法において、溶融物の養生は、還元剤とマグネシウム化合物と必要に応じ塩基度調整化合物を含む物質を添加して行うのがよい。
前記マグネシウム化合物と必要に応じ塩基度調整化合物を含む物質は、ガス化溶融工程のガス化部又は溶融部に添加することにより、十分な混合が得られるため、より均質なスラグの生成が可能になる。
前記流動床ガス化炉において、炉底から流動媒体と共に取出された前記廃棄物中に含まれる不燃物は、該流動媒体と分離して金属を分離回収することができ、また、前記還元剤としては、該流動床ガス化炉の底部に運転中に蓄積される流動媒体を含んだ炭素で代用すると好都合になる。
そして、養生装置から発生するスラグの資源化の際に発生する微細スラグは、ガス化に用いる流動床ガス化炉の流動媒体として利用することができる。
【０００７】
【発明の実施の形態】
次に、本発明を詳細に説明する。
本発明で用いる流動床ガス化炉としては、特に内部循環式流動床ガス化炉（旋回流動床ガス化炉ともいう）を用いるのが好適であるが、この内部循環式流動床ガス化炉とは、同一反応槽内の流動層中に流動媒体の旋回流を形成させるもので、該旋回流は、流動層中に吹込まれる流動化ガスの部分的な強弱部位を設定することにより生じさせるものである。従って、単なるバブリング式流動床と異なり廃棄物の分散、破砕機能に優れ、原料及びチャーが層内に均一に分散し、しかも部分燃焼による発生熱は速やかに拡散されるため高い炉床負荷が得られる。また、流動層温度を４５０〜６００℃の低温条件とすることにより、ガス化反応を緩慢とすることで、優れた運転操作性、安定性が得られる。更に、砂の旋回流動により、大きなサイズの不燃物も容易に排出でき、流動層温度が低く、しかも還元雰囲気であるため、鉄、銅、アルミニウム等の有用な金属を未酸化の状態で回収できる。
【０００８】
次いで、ガス化反応生成物は、溶融炉に導入されるが、流動床ガス化炉では低温運転のためガス化が不完全でチャー、タール等が同伴されるため、ガス化炉で生成したチャー、タールを含むガス化反応生成物のみで、溶融炉は１３５０℃以上の高温燃焼が実現できる。
この時、溶融炉を旋回式溶融炉とすると、高負荷燃焼が可能となると共に、旋回流に伴う遠心力のため、ガス中に含まれるチャーは、炉壁に吹寄せられ、壁面に形成されたスラグ相中で時間をかけて燃焼される。こうして、チャーの完全燃焼が可能となるため、チャーを再燃焼するための装置等は不要となる。
また、高温燃焼によりダイオキシンは完全分解でき、高温、高圧蒸気回収により高効率発電が可能となる。
ガス化燃焼の場合、溶融炉ではガス燃焼が主体となるため、１．３程度の低空気比燃焼が達成できる。
【０００９】
さらに、旋回溶融炉では、高速の旋回流のため、燃焼負荷を極限まで高められると共に、遠心力効果によりスラグを効率よく分離でき、また、重金属等の有害物はガラス状の固体に封じ込められ、灰の無害化が可能となる。
このように、旋回溶融炉は優れた機能を発揮するが、一方、滞留時間を十分長く取ることは不可能なため、生成した金属をスラグから比重差で沈降分離を行う等の運転には不利な点がある。
本発明においては、一度生成したスラグは還元雰囲気の養生装置でさらに加熱され、適切な滞留時間で保持され、養生装置より取り出される。このとき、十分な滞留時間が生じるので、重金属は単体として比重差から底部に蓄積され、該底部より取出すことができる。
【００１０】
このような養生装置として適しているものに他燃式溶融炉があり、特に、電気アーク式溶融炉、電気抵抗炉、電気加熱溶融炉等を用いることができる。これらの溶融炉は灰溶融炉としては公知の炉であり、それらの炉の概略説明図を図２、図３、及び図４に示す。
図２は電気アーク式溶融炉であり、複数の電極と炉底のベースメタルとの間でアークを発生させ、その熱で灰や鉄を溶融する。ベースメタルの温度は１４５０〜１５００℃となり、その上に供給される焼却灰やばいじんを溶かし、連続的、または間欠的にスラグとして取り出され、水砕スラグ、または空冷して徐冷スラグとされる。この間、カーボン電極は消耗するので、順次、継ぎ足される。
【００１１】
図３は、電気抵抗炉で縦電極型のものであり、炉天井から３本の電極が焼却灰層を貫通して挿入され、先端は溶融スラグ層内に浸漬している。溶融スラグ層は電気の導体となり、電気抵抗熱（ジュール熱）により灰を溶融する。スラグは炉底から出さいされる。
図４は、電気加熱式溶融炉であり、天井から電熱ヒータ（カンタルスーパ）を懸垂し、輻射熱により、ばいじんを溶融する。溶融スラグは炉底から連続的に取り出され、徐冷される。
排ガスは炉出口で希釈空気により急冷され、揮散物の逆昇華による煙道への付着を防いでいる。揮散物はバグフィルタで捕集され、濃縮された重金属類の回収が考えられている。
上記図２〜４に示されるように、これらの溶融炉では、スラグ層と金属（メタル）層が比重により重層しており、分離回収できる。
また、プラズマ式溶融炉や低周波誘導炉も適用できる。
【００１２】
スラグ化方法において、スラグを再利用する場合には、有害物質の溶出が問題となる。
環境庁告示第１３号試験は、塩酸でｐＨ５．８〜６．３に調整した蒸留水を溶媒として、粒径を０．５〜５ｍｍに調整した廃棄物試料と液固比（液体ｍＬ／試量重量ｇ；以下Ｌ／Ｓと表す）１０で混合し、６時間振とうする。Ｌ／Ｓを１０に設定したのは、廃棄物がその１０倍量の水と接触したときに溶出する場合の有害性に対して基準を設けたものである。
一方、環境庁告示第４６号試験は、土壌環境基準を測定するための試験方法であるが、近年、廃棄物由来の物質を建設資材などの２次製品に利用する場合、その適合性の判定方法として使用される。試験方法は、ふるいを用いて２ｍｍ以下に調整した試料を環境庁告示第１３号試験と同じ溶媒、Ｌ／Ｓで６時間平行振とうする。振とう後、１０分から３０分静止した後、毎分約３０００回転で２０分間遠心分離した後の上澄み液を孔径０．４５μｍのメンブランフィルターでろ過してそのろ液を検液とする。
【００１３】
スラグの再利用に際しては、条件のきびしい土壌基準で評価することが多い。しかし鉛に関しては高ｐＨでは土壌基準をオーバーすることがあり、また酸性雨等、低ｐＨの環境下でも土壌基準を完全にクリアできるという保障はない。従ってより鉛の溶出が少ないスラグ製造方法を確立する必要があった。
本発明では、スラグの養生装置を設けることにより、溶融炉で生成したスラグ中の重金属を含む金属部（Ｐｂ、Ｚｎ、Ｃｒ、Ｆｅ等）とセラミック部（ＳｉＯ2 、Ａｌ2 Ｏ3 等）は、十分な滞留時間の下で分離し、金属部は別途回収し、セラミック部は熟成、均質結晶化してスラグ中の有害重金属はスラグ中に封じ込める。
この重金属の分離や封じ込めの目的のために、コークス等の還元剤とマグネシウム化合物と必要に応じ塩基度調整化合物を添加剤としてスラグ中に添加するのがよい。
【００１４】
マグネシウム化合物はフラックスとして用いられる。
酸化物は、酸と塩基という面から二つに分かれる。
アルカリ金属酸化物、石灰、マンガンなどは塩基性の酸化物と言われる。そしてシリカ、アルミナ、Ｐ2 Ｏ5 は酸性の酸化物と言われる。
酸性と塩基性の強さを表す尺度を定義するとき、塩基の代表は石灰で、酸の代表はシリカということでＣａＯとシリカの比を取って塩基度という。
重金属成分はいずれも弱い塩基で、アルカリは強い塩基である。
このため、この様な便宜的な塩基度を取ると、塩基度の高い所、つまりＣａＯの多い所では塩基性酸化物同士はお互いに反発し合うことで飛び出しやすくなる。
【００１５】
逆にシリカが多く塩基度が低い場合はスラグの中で安定する。
すなわち、一般に被溶融物の塩基度（ＣａＯ／ＳｉＯ2 ）が高くなれば塩基性酸化物（一価及び二価の酸化物、Ｋ2 Ｏ、Ｎａ2 Ｏ、ＣａＯ、ＭｇＯ、ＺｎＯ、ＦｅＯなど）の活量は高くなるので、揮発成分の場合は相対的に飛灰への移行割合が増える。従ってカルシウム化合物を含む物質を添加し、塩基度が高くなれば、ＺｎやＰｂなどの揮発性化合物は飛灰に移る割合が多くなる。
この様に、必要に応じ、塩基度調整化合物を含む物質を添加することは有用である。
セラミック部は、養生装置を出た後、徐冷、風冷、又は水冷により、重金属の溶出のない建設資材等として再利用が可能となった。
【００１６】
次に、本発明を図面を用いて具体的に説明する。
図１に、本発明のスラグ回収装置を備えたガス化溶融システムの全体構成図を示す。
図１において、１は流動床ガス化炉、２はスクリーン、３、４は分離機、５は旋回溶融炉、６は養生装置、７は廃熱ボイラ、８はバグフィルタ、９は資源化装置である。
廃棄物１０は、流動床ガス化炉１に投入されて４５０〜６００℃の流動層中で還元雰囲気下でガス化される。廃棄物中に含有される不燃物は、流動媒体と共に炉底から取り出されて、流動媒体等とスクリーン２で分離され、分離機３でＣｕ、Ａｌ、Ｆｅ等の金属が分離される。
また、分離機４では、流動媒体と炭素とを分けるが、完全に分離の必要はなく、炭素側には流動媒体も多く含まれることになる。
一方、チャー・タールを含むガス状生成物は、飛灰と共に旋回溶融炉に導入され、新たに加えられた他焼却場から持ちこまれた飛灰１１と共に空気比１：１前後で高温（約１４００℃）下にガス化燃焼されて、飛灰は溶融する。
【００１７】
生成した溶融スラグ１２は、養生装置（電気加熱溶融炉）６で添加剤（ＭｇＯ等）１３を加え、十分な滞留時間（約２４時間前後）の下で熟成、均質化を図り、スラグ中の有害重金属はスラグとの比重差によって沈降分離される。
流動床ガス化炉１の底部には炭素が蓄積し易くなるが、炭素と流動媒体の完全な分離は難しい。従って分離機４で分離した炭素側にも多くの流動媒体を含むことになるが、流動媒体を含んだ炭素を養生装置６に供給すれば、炭素は還元剤として働き、養生装置６に新規に還元剤を供給する必要がなくなる。
養生装置６で発生する溶融飛灰は、旋回溶融炉５で約１４００℃にて加熱され、養生装置６に供給された炭素等にダイオキシン等が付着している場合でも無害化される。
【００１８】
養生装置６から取り出された溶融スラグは資源化装置９で徐冷、風砕及び加工されて、建設資材等の用途に利用される。
この様な運用により、流動床ガス化炉１の流動媒体は減少していくが、これは資源化装置９で発生する微細スラグを再利用することで補うことができる。
旋回溶融炉５からの排ガス（約１４００℃）は、廃熱ボイラ７とエコンマイザー（図示せず）で十分冷却し、添加剤（ＭｇＯ等）を吹き込みバグフィルタ８でダストを捕集する。
表１に、同一廃棄物に対し、養生装置を設けた場合（本発明）と、設けなかった場合（比較例）とで得られた徐冷スラグの溶出試験結果を示す。
【００１９】
【表１】
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表１より、比較例でも土壌基準値はクリアできているが、本発明のシステムを採用することにより、Ｐｂの溶出量のより低減化が可能となった。これは、環境条件の変化にも十分耐え得る数値といえる。
【００２０】
【発明の効果】
上記のように、本発明によれば、溶融スラグの養生装置を設けたことにより、有害物質の溶出量をすべてにわたり基準値以下とすることができ、特に、Ｐｂの溶出量の低減化が可能となり、環境条件の変化にも十分に耐えることができるため、建設資材等への適用性が従来以上に高まった。
同時に、排ガスの無害化、流動床ガス化炉で発生する炭素と、資源化装置で発生する微細スラグの有効利用を可能とした。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のスラグ回収装置を備えたガス化溶融システムの全体構成図。
【図２】電気アーク式溶融炉の説明図。
【図３】縦電極型電気抵抗炉の説明図。
【図４】電気加熱式溶融炉の説明図。
【符号の説明】
１：流動床ガス化炉、２：スクリーン、３、４：分離機、５：溶融炉、６：養生装置、７：廃熱ボイラ、８：バグフィルタ、９：資源化装置、１０：廃棄物、１１：飛灰、１２：溶融スラグ、１３：添加剤、１４：金属、１５：蒸気、１６：ダスト、１７：塩＋低沸点重金属、１８：再利用
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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