(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｆｅ，ＳおよびＣを含み、ＳｉＯ2，ＣａＯ，Ａｌ2Ｏ3を主たる成分とする廃棄物の灰分または廃棄物焼却灰を被溶融物としてプラズマ式溶融炉の炉内に収容し、該炉内のガス相酸素濃度を１％〜２０％に制御しつつ、プラズマアークによって上記被溶融物を加熱溶融し、結晶核であるＦｅＳを生成させて、それを核として該被溶融物を結晶化させることを特徴とするプラズマ式溶融炉を用いた結晶化物の製造方法。
【請求項２】
上記炉内のガス相酸素濃度を３％〜１０％に制御することを特徴とする請求項１に記載のプラズマ式溶融炉を用いた結晶化物の製造方法。
【請求項３】
上記プラズマアークを形成するプラズマガスとして、ＡｒおよびＮ２の少なくとも一方を使用することを特徴とする請求項１または請求項２に記載のプラズマ式溶融炉を用いた結晶化物の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、廃棄物の焼却灰等を溶融して結晶化するためのプラズマ式溶融炉を用いた結晶化物の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
昨今、廃棄物の投棄場所の不足が逼迫しており、このため廃棄物の灰分や焼却した焼却灰の減容化、無公害化、再資源化がさけばれている。そして、このような要求を満たすために、かかる焼却灰等を溶融処理した上で結晶化して、結晶化ガラス等の結晶化物を製造する方法が提案されている。
ここで、この焼却灰等を溶融処理する炉としては、旋回溶融炉、コークスベッド、表面溶融炉など加熱源として燃料を燃焼させる方式の炉と、アーク炉、プラズマ炉、誘導加熱炉など加熱源として電気を使用する方式の炉とがある。そして、このうち電気を使用する方式の炉は、高温度が得られ、また排ガス量が少ないので熱効率が良く、経済的であるという特長を有している。
【０００３】
このような電気を使用する方式の炉のうち、焼却灰を溶融するためのプラズマ式の溶融炉としては、例えば特開平５−２５３５５７号公報に記載されたものが知られている。これは、焼却灰等の被溶融物を収容する炉本体と、この炉本体に収容される焼却灰に向かってプラズマガスを噴出する電極と、炉底部に配される電極とを備えたものであって、プラズマガスを噴出する電極を陰極とするとともに炉底部側の電極を陽極とし、被溶融物を介してプラズマアークを形成してこれを加熱溶融するものである。そして、ここでは陰極とされる電極にグラファイトのような安価なカーボン電極が用いられている。
また、その一方で、電極は金属製であるがプラズマガスとして安価な空気を使用する方式のプラズマ式溶融炉も知られている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上記公報に記載されたプラズマ式溶融炉のように電極としてカーボン電極を使用する場合には、カーボンの燃焼を考慮して炉内を還元雰囲気として加熱溶融を行わざるを得ない。また、プラズマガスとして空気を使用する場合においては、プラズマの高温によってサーマルＮＯｘの発生が激しくなるため、これを抑制するのにコークスや他の燃料を供給して部分燃焼させ、ＣＯを発生させるようにして、やはり還元雰囲気で加熱溶融を行うようにしている。
【０００５】
ところが、その一方で、溶融された焼却灰等の被溶融物を結晶化させるには、焼却灰等に含まれるＦｅやＳからＦｅＳの結晶の核を形成する物質、すなわち結晶核形成剤を生成する必要があり、結晶化物はこの結晶核形成剤を核として析出して形成されることが知られている。
しかしながら、上述したように炉内が強還元雰囲気の状態において焼却灰等を加熱溶融すると、焼却灰等に含まれている酸化鉄は還元されてＦｅとなり、結晶化に必要な結晶核形成剤が生成されずに結晶化が行われなくなってしまうという結果となる。このため、上述したようにしてプラズマ式溶融炉により焼却灰等を加熱溶融した場合には、溶融された被溶融物から結晶化物を得ることは不可能とされていた。
【０００６】
本発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、プラズマ式溶融炉を使用して焼却灰等の被溶融物を加熱溶融しながらも、結晶化に必要とされる結晶核形成剤であるＦｅＳを生成して、溶融された被溶融物から結晶化物を得ることが可能なプラズマ式溶融炉を用いた結晶化物の製造方法を提供することを目的としている。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
ここで、本発明の発明者らは、Ｆｅ，ＳおよびＣを含み、ＳｉＯ2，ＣａＯ，Ａｌ2Ｏ3を主たる成分とする廃棄物の灰分または廃棄物焼却灰を被溶融物として、プラズマ式溶融炉によって種々の条件の下で該被溶融物を加熱溶融して結晶化物を製造する実験を行ったところ、炉内を適度の酸化雰囲気に制御して被溶融物を加熱溶融することにより、結晶核形成剤の生成を促して結晶化物を製造することが可能になるという知見を得るに至った。そして、この場合の適当な炉内のガス相酸素濃度は１％〜２０％であるとの結論を得た。
本発明は、かかる知見に基づいて上記目的を達するものであり、Ｆｅ，ＳおよびＣを含み、ＳｉＯ2，ＣａＯ，Ａｌ2Ｏ3を主たる成分とする廃棄物の灰分または廃棄物焼却灰を被溶融物としてプラズマ式溶融炉の炉内に収容し、該炉内のガス相酸素濃度を１％〜２０％に制御しつつ、プラズマアークによって上記被溶融物を加熱溶融し、結晶核であるＦｅＳを生成させて、それを核として該被溶融物を結晶化させることを特徴とする。
【０００８】
【作用】
廃棄物の焼却灰等に主としてＦｅ２Ｏ３として含まれるＦｅは、加熱溶融時の雰囲気によって変化しなかったり、あるいは異なった化学変化をする。すなわち、強酸化雰囲気においては化学変化することなくＦｅ２Ｏ３のままであるが、強還元雰囲気では還元されてＦｅとなる。ところが、適当な濃度の酸化雰囲気においては、Ｆｅ２Ｏ３は焼却灰等に含まれるＣによって一部が還元された後、同じく焼却灰等に含まれるＳと反応して、結晶化に必要な結晶核形成剤であるＦｅＳとなる。そして、これらの結晶核形成剤を核として結晶化が促され、結晶化物を得ることが可能となる。
【０００９】
ここで、加熱溶融時の炉内のガス相酸素濃度が１％を下回ると、上記結晶核形成剤が生成されずに結晶化が行われず、このため結晶化物が得られなくなるおそれが生じる。また、逆に上記ガス相酸素濃度が２０％を上回ると、得られた結晶化物において圧縮強度等の性質が損なわれてしまい、再利用に耐えなくなってしまうおそれが生じる。
なお、一層の結晶核形成剤の生成を促すとともに、圧縮強度等の性質により優れた結晶化物を得るには、上記ガス相酸素濃度は３％〜１０％に制御されることが望ましい。また、プラズマアークによる加熱溶融においてサーマルＮＯｘの発生を抑えるには、プラズマガスとしてＡｒまたはＮ２、あるいはＡｒとＮ２との混合ガスを用いるのが望ましい。
【００１０】
【実施例】
以下、本発明の実施例について説明する。
図１は、本実施例に用いられるプラズマ式溶融炉の概略を示すものであって、ここで符号１で示すのは溶融炉本体であり、その内壁は耐火材２によって被覆されている。この溶融炉本体１の上蓋には焼却灰等供給孔３が設けられており、被溶融物としての焼却灰等は、ホッパー４から焼却灰等供給装置５を介してこの供給孔３から当該溶融炉本体１の炉内に供給されるようになされている。
【００１１】
さらに、この溶融炉本体１の上蓋部には、炉内下方に向けて突出するように一対のプラズマトーチが設けられており、一方が陽電極プラズマトーチ６とされるとともに、他方は陰電極プラズマトーチ７とされている。これらのプラズマトーチ６，７には、プラズマガス供給装置８によってプラズマガスが、また電源装置９によって電力が、さらに冷却水循環装置１０によって当該プラズマトーチ６，７および電極の冷却用の冷却水が、それぞれ供給されるようになされている。
さらにまた、溶融炉本体１の上部には排ガス出口孔１１が設けられており、炉内の排ガスはこの出口孔１１から排出されて排ガス処理設備１２で処理されるようになされている。
【００１２】
このような構成のプラズマ式溶融炉では、両プラズマトーチ６，７に供給されたプラズマガスはトーチ先端からプラズマ化されて排出され、両電極間に電流を流してプラズマアークを形成し、そのジュール熱および輻射熱によって、炉内に供給、収納された焼却灰等の被溶融物を加熱溶融する。
そこで、このプラズマ式溶融炉を用いて、本実施例により焼却灰等の被溶融物を加熱溶融した後、結晶化して、結晶化物の製造を行った。ここで、表１は本実施例およびこれに対する比較例において使用した焼却灰等の組成分析結果を示すものである。
【００１３】
【表１】
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【００１４】
表２は本発明の実施例１〜３および比較例１における加熱溶融条件を示すものである。
ここで、この種のプラズマ式溶融炉においては、一般にＡｒ，Ｎ２または空気等がプラズマガスとして使用されるが、サーマルＮＯｘの発生を抑えるためにはＡｒ，Ｎ２あるいはこれらの混合ガスを用いるのが望ましく、実施例１および比較例１では、単原子でプラズマ化し易いために電極に対する負荷が少なくなるという利点もあるＡｒをプラズマガスとして使用し、また実施例２では電圧上昇させることによって効率を上昇させるためにＮ２をＡｒに付加し、さらに実施例３ではＮ２をプラズマガスとして使用した。
そして、このような条件の下で、実施例１〜３では炉内をガス相酸素濃度８％の酸化雰囲気に維持し、比較例１では炉内をＣＯ濃度８％の還元雰囲気に維持して被溶融物を加熱溶融し、さらにこうして得られた溶融スラグを図２に示す再加熱結晶化法のヒートパターンで結晶化させた。
【００１５】
【表２】
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【００１６】
図３は、このようにして結晶化処理した製品のＸ線回折分析結果である。
この図３に示されるように、還元雰囲気において溶融した比較例１ではＸ線回折の結果にピークがなく、製品はガラス状態のままで結晶化していないことが解る。これに対して、本発明の実施例１〜３では、Ｘ線回折の結果に顕著なピークが認められ、特にアノーサイト（ＣａＯ・２ＳｉＯ２・Ａｌ２Ｏ３）が析出して結晶化されていることが解る。
【００１７】
次に、表３に示す実施例４〜１０および比較例２は、表１に示した組成の焼却灰等の被溶融物を、炉内のガス相酸素濃度を種々に変えて加熱溶融し、さらに図２に示した再加熱結晶化法のヒートパターンと同様にして溶融スラグを結晶化させたものである。そして、こうして得られた結晶化物の圧縮強度を測定した。
ただし、ここではプラズマガスとしてＡｒを使用し、空気とＮ２とでガス相の酸素濃度の調整を行うようにした。
【００１８】
【表３】
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【００１９】
この表３に示されるように、ガス相酸素濃度が１％を下回る比較例２においては、上述した比較例１の場合と同様に結晶化が認められなかったが、これに対して酸素濃度を１％〜２０％に制御した本発明の実施例４〜１０では溶融スラグを結晶化させて結晶化物を得ることができた。そして、さらに酸素濃度を３％〜１０％に制御した実施例５〜８においては、得られた結晶化物の圧縮強度がいずれも１５００ｋｇ／ｃｍ２以上であり、天然石の御影石の圧縮強度１５２０ｋｇ／ｃｍ２に匹敵する、あるいはこれを上回る圧縮強度を得ることができた。
このように、本発明の実施例によれば、結晶核形成剤の生成を促して確実に溶融スラグの結晶化を図ることができ、特に炉内のガス相酸素濃度を３％〜１０％に制御した実施例５〜８においては、天然石にも匹敵する優れた圧縮強度等の性質を備えた結晶化物を得ることが可能であった。
【００２０】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、炉内のガス相酸素濃度を１％〜２０％という適度な酸化雰囲気に制御して、プラズマ式溶融炉により焼却灰等の被溶融物を加熱溶融することにより、結晶核形成剤となるＦｅＳの生成を促して確実に結晶化させ、結晶化物を製造することが可能となる。特に炉内のガス相酸素濃度を３％〜１０％の範囲に制御した場合には、天然石にも匹敵する優れた性質を有する結晶化物を得ることができる。
そしてこれにより、プラズマ式溶融炉による利点を生かしつつも廃棄物の焼却灰等の減容化および無公害化を図ることができるとともに、こうして得られた結晶化物を工業材料として利用することにより、かかる焼却灰等の有効な再資源化をなすことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例に係わるプラズマ式溶融炉の概略図である。
【図２】本発明の実施例１〜１０および比較例１，２に用いた再加熱結晶化法のヒートパターンを示す図である。
【図３】本発明の実施例１〜３および比較例１により結晶化処理された製品のＸ線回折分析結果を示す図である。
【符号の説明】
１  溶融炉本体
６  陽電極プラズマトーチ
７  陰電極プラズマトーチ
８  プラズマガス供給装置
９  電源装置
１０  冷却水循環装置
【図１】
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【図２】
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【図３】
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