(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
一般ゴミや産業廃棄物等の廃棄物を装入し、この装入した廃棄物を昇温することによって炭化して、粉体状あるいは容易に粉砕されるような性状をもつ炭素・カーボンを生成する炭化装置と、
溶銑床、鉱滓床を形成するように炉床の上部を囲繞する炉腹と、その上部にシャフトとを有し、炉容積が１００リューベ以下である小型溶融炉とを具え、
小型溶融炉に、炭化装置で生成した炭素・カーボンを、コークスの代替燃料として２０重量％以上装入することにより、その燃焼発熱によって投入原料を焼却・溶融、もしくは、製錬原料を溶融・還元し銑鉄または金属合金を取り出すことを特徴とする炭化装置付き小型溶融炉。
【請求項２】
炭素・カーボンは、それに含まれる炭素分が少なくとも２５重量％以上あり、かつ、その他の可燃成分と併せた全可燃成分が７０重量％以上であることを特徴とする請求項１記載の炭化装置付き小型溶融炉。
【請求項３】
炉容積は１０リューベ以下である請求項１又は２記載の炭化装置付き小型溶融炉。
【請求項４】
炉内圧力が低く常圧に近い請求項１、２又は３記載の炭化装置付き小型溶融炉。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか１項記載の炭化装置付き小型溶融炉を用いた溶融還元方法において、
一般ゴミや産業廃棄物等の廃棄物を炭化装置に装入し昇温することによって、粉体状あるいは容易に粉砕されるような性状をもつ炭素・カーボンとガスとを生成し、
生成された炭素・カーボンは、そのまま小型溶融炉の炉頂口から装入され、及び／又は、羽口もしくはシャフトから小型溶融炉内にコークス燃料の代替として吹き込まれ、
生成されたガスの少なくとも一部は、小型溶融炉の羽口又はシャフトから小型溶融炉内に、燃焼ガスの代替としてあるいは金属酸化物の還元用ガスとして吹き込むことを特徴とする溶融還元方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば、鉄鉱石を溶融して銑鉄を取り出す堅型シャフトキュポラや高炉のような溶融炉、特に、炭化装置付き小型溶融炉及び溶融還元方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来の高炉のような溶融炉としては、に示すように、耐火性レンガを敷きつめた炉床１を形成し、その上部は溶解した銑鉄が集まるように溶銑床２を設け、その上部には鉱滓を分離する鉱滓床３を設けてあり、それらを囲繞して耐火性レンガで形成した炉腹４を設け、その上部には一体として耐火性レンガを積み上げてシャフト５を形成し、これらの周囲は鉄板６で包囲され保護されている。
【０００３】
炉壁には熱風を送り込む羽口７が数十カ所開いており、炉内ではレースウェイ８を通して完全に熱が行き渡るように形成されている。ここから吹き込まれた高温の熱風は、多段層９Ａになった鉄鉱石原料とコークス（例えば２５層ずつ）の間を通り燃焼ガスとなり鉄鉱石を還元させ、溶解して銑鉄を下に落として取り出すとともに、ガスは炉頂１０から高炉ガス上昇管１１に集められる。また、鉱滓も系外に取り出す構造になっている。
【０００４】
鉄鉱石、コークス、石灰石などの原料９は、ベルトコンベアー１２で上部の炉頂１０に運ばれ、ホッパー１３に投入され、外部の信号により大ベル１４により、一定周期で常に原料装入表面１５まで補給されていく。炉内温度は、下部ほど高く、最高域では約２，０００℃の高温になっている。
【０００５】
１６は高炉支柱、１７は熱風管、１８はガス灰ダスト沈降装置、１９は出銑口、２０はそこから出た銑鉄を運ぶトーピードカー、２１は鉱滓の出口、２２は鉱滓車、２３は熱風環状管である。
【０００６】
堅型シャフトキュポラや高炉のような溶融炉は、コークスを主原料とし、補助的に恒温ガス、電気などを用いて加熱し、操業されている。
【０００７】
燃料としてのコークスは、投入される燃料および製錬原料や副資材の重量に耐える強さを持たねばならず、また、炉内のガス流が確保されるだけの空隙を必要とする。したがって、必要な強度を燃焼温度である高温でも確保でき、破砕されてガス流を阻害しない形状を保つ必要がある。このため、コークスは高価な粘結炭を素材に製造されることが多く、高価につく欠点を持つ。
【０００８】
発明者らは、金属屑やそのダスト類あるいは金属成分含有廃棄物の有効な再資源化技術の検討過程において、炭素・カーボンが小型高炉溶融炉においてはコークス代替の有効な燃料として活用できることを見いだし、燃料費の節減が可能であることを認めた。
【０００９】
高炉のような溶融炉内に炭素化した材料または炭素化が可能な材料を投入し、その燃焼エネルギーを活用することは従来から一部において行われてきたが、燃焼エネルギーの確保および炉内のガス流路の確保の観点から大量に投入することは行われておらず、投入量は１０重量％未満で、多くは数重量％である。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
従来の高炉では、原料は鉄鉱石あるいは金属酸化物とコークスである。コークスは昇温のための燃料となり、また還元用のＣＯガスとなる。高炉のシャフト内部では、この鉄鉱石あるいは金属酸化物の層とコークスの層とが、レア・バイ・レアの層状になって、上から下部まで多段に詰まっている。
【００１１】
羽口より供給された空気あるいは酸素は、レースウェイのところでこのコークスを燃焼させて、約２０００℃の高温の一酸化炭素と炭酸ガスとの混合となり、炉の下部の鉄鉱石を高温で溶かしつつ、その上の層の鉄鉱石を昇温し、かつ、還元して炉の上部の炉頂より排出される。
【００１２】
このコークスは、コークス炉において粘結性の高価な石炭を主体に製造されたものでコークスそのものが高価であると同時に、鉄鋼業を中心に製造されており、一般には入手しにくいという問題がある。
【００１３】
本発明は上記の知見にもとづいてなされたものである。
一般の高炉のような溶融炉では、シャフト内部に鉄鉱石とコークスの多段層が詰まっており、羽口より供給された空気はレースウェイの所でコークスを燃焼させて約２０００℃の高温の一酸化炭素と炭酸ガスとの混合ガスとなり、これにより鉄鉱石や金属屑などを溶融還元させ、炉の下部から溶融物として銑鉄や金属溶融物を取り出す。また、同様の機構により廃棄物などの焼却・溶融処理も行われる。
【００１４】
本発明では、燃料であるコークスの代替として炭化装置により製造され炭素化された材料、すなわち炭素・カーボンを用いることを目的とする。
【００１５】
炭素・カーボンは、コークスと同成分である炭素を多く含むためコークスと同等の燃焼熱および還元ガスの発生が可能で、コークスに代えてこれと同等の燃料として使用することが可能である。炭素・カーボンは炭化装置を用いることによって安価かつ容易に製造することができ、その原料としては廃木材、廃プラスチック材、一般の生ゴミといった廃棄物も利用でき、これらを用いることでより一層安価な材料が得られ、燃料費の節減を図ることが可能になる。
【００１６】
廃棄物などを炭素化の原料として利用することは、廃棄物の減量、再資源化、有効活用に貢献し、環境保全に役立つとともに、高炉のような溶融炉の燃料費を低減して安価な操業を可能にする効果を持つ。
【００１７】
炭素・カーボンは、一般に粉体状であるかあるいは容易に粉砕されるような性状を持っている。これを高炉のような溶融炉の燃焼として活用するには、炉内圧力が常圧に近いような小型溶融炉では粉体状のままでも可能であるが、炉内圧力を高くする必要が生じる大型高炉溶融炉になるほど強度と形状の保持が必要となるので、顆粒状への成形、団鉱処理などを必要とすることが多くなる。
【００１８】
この成形に必要な経費を低減し、コークスを用いた場合よりも安価な運用をなすには、適用される高炉溶融炉の炉容積は概ね１００リューベ以下の規模である必要がある。
炉容積が１００リューベ以下の小型溶融炉に限定することにより、従来可能であった量よりも多量の炭素・カーボンを燃料として投入することが可能となり、安価な操業が可能となる。また、廃棄物を炭素化の原料とすることは有用資源の消費を抑制し、廃棄物などの再資源化法を提供するとともに、一層安価な小型溶融炉の操業法を提供する。
【００１９】
従って、コークスを使用するプロセスでは、このコークスの使用が経済的に高価であるという問題と、入手の流通性では、一般的に難しいという問題をもっていた。
【００２０】
本発明は、上記の問題点に鑑み、石炭から製造するコークスの代わりに、一般ゴミや産業廃棄物等の廃棄物から炭素・カーボンとガスを製造する炭化装置を設け、この炭化装置と溶融炉を直列に組み合わせた炭化装置付き溶融炉及びその溶融炉を用いた溶融還元方法を提供するものである。この溶融還元方法は、従来の如く、石炭によるコークスのみに頼った従来の高炉プロセスと較べてそのコークス量の使用を炭素・カーボンへの代替によって大幅に少なく出来る、もしくは、全量を炭素・カーボン・ガス化から得られる炭素・カーボンとガスによって、まかなうという全量代替する事が出来る。
【００２１】
よって、本発明の目的は高価な資源である石炭に頼ることなく、廃棄される一般ゴミや産業廃棄物を有効に再資源することによって、安価な製造コストを提供することである。
【００２２】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を解決するために、本発明の炭化装置付き小型溶融炉は、一般ゴミや産業廃棄物等の廃棄物を装入し、この装入した廃棄物を昇温することによって炭化して、粉体状あるいは容易に粉砕されるような性状をもつ炭素・カーボンを生成する炭化装置と、溶銑床、鉱滓床を形成するように炉床の上部を囲繞する炉腹と、その上部にシャフトとを有し、炉容積が１００リューベ以下である小型溶融炉とを具え、小型溶融炉に、炭化装置で生成した炭素・カーボンを、コークスの代替燃料として２０重量％以上装入することにより、その燃焼発熱によって投入原料を焼却・溶融、もしくは、製錬原料を溶融・還元し銑鉄または金属合金を取り出すことにある。
【００２３】
また、炭素・カーボンは、それに含まれる炭素分が少なくとも２５重量％以上あり、かつ、その他の可燃成分と併せた全可燃成分が７０重量％以上であること、炉容積は１０リューベ以下であること、及び／又は、炉内圧力が低く常圧に近いことが好ましい。
【００２４】
本発明の溶融還元方法は、上記の炭化装置付き小型溶融炉を用いた溶融還元方法であって、一般ゴミや産業廃棄物等の廃棄物を炭化装置に装入し昇温することによって、粉体状あるいは容易に粉砕されるような性状をもつ炭素・カーボンとガスとを生成し、生成された炭素・カーボンは、そのまま小型溶融炉の炉頂口から装入され、及び／又は、羽口もしくはシャフトから小型溶融炉内にコークス燃料の代替として吹き込まれ、生成されたガスの少なくとも一部は、小型溶融炉の羽口又はシャフトから小型溶融炉内に、燃焼ガスの代替としてあるいは金属酸化物の還元用ガスとして吹き込むことにある。
【００２５】
即ち、本発明の小型溶融炉は、溶融炉の燃料として、炭化装置によって廃棄物から生成した炭素・カーボンを用いることによって、高価な使用燃料であるコークスの使用の軽減を図る。
【００２６】
炭化装置は、連続式とバッチ式とが有り、本発明においては、どちらの装置でもかまわない。
【００２７】
炭化装置で廃棄物を炭化する場合、少しの石炭を使用する事が有るが、使用する原料の大部分は石炭以外の資源を用いる。
【００２８】
炭化装置で使用する石炭以外の原料資源には主として有機系の資源であるが、無機系資源と混合したものでも可能である。特に、価格を下げるという経済性から、未活用な資源、即ち一般ゴミや産業廃棄物等の廃棄物を原料として使用することがより効果的である。
【００２９】
本発明において、炭素化に用いられる炭化装置は通常使用されている装置であればよい。本発明において、溶融炉に装入される炭素・カーボンは、コークスの代替燃料として２０２０重量％以上であることが必要である。２０重量％未満では燃料経費の節減効果がないからである。
【００３０】
また、本発明では、使用される炭素・カーボンは、それに含まれる炭素分（炭素含有量）が少なくとも２５重量％以上であり、かつ、その他の可燃成分と併せた全可燃成分が７０重量％以上であることが好ましい。炭素含有量が２５％未満である場合には燃焼効率が不足しがちであり、また、全可燃成分が７０重量％未満である場合には燃焼燃料が不足する傾向があるので望ましくないからである。
【００３１】
尚、使用される炭素・カーボンは炭素含有量が２５重量％以上であれば、未炭化成分や金属化合物などの無機物質を含んでいてもよいが、その場合にも、炭素以外の可燃成分を併せると７０重量％以上であることが好ましい。
【００３２】
本発明において、使用される炭素・カーボンは、溶融炉が正常に運用できる特性と形態範囲を持っていればよく、必要に応じて団鉱、顆粒状、粉体状のいずれでも利用できる。これらは通常用いられる装置と方法により必要な強度特性を持つように成形されればよい。ただし、粉体状あるいは容易に粉砕されるような性状で得られる炭素・カーボンを素材として用いるため、溶融炉の運用に必要な強度特性とガス流路確保の観点ならびに経済性の観点から、本発明では、適用される溶融炉の炉容積は１００リューベ以下に限られる。１００リューベを超える炉容積を持つ溶融炉にあっては、炉内圧力に耐えうる強度と形状を与える経費が高くなり、経済的ではないからである。
【００３３】
本発明における溶融炉の適用に当たっては、焼却溶融を目的とするかあるいは還元精錬を目的とするかなどの目的に応じて、コークス、重油、可燃ガス、電力などの通常用いられる熱源や石灰石などの副資材を併用することができる。溶融炉の使用目的に応じて熱効率、焼却・溶融効率、還元効率などを高めるため、炭素・カーボンとコークス、可燃物、処理対象物質、製錬原料、副資材などを混合・混錬したものを利用することもできる。
【００３４】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態を実施例にもとずき、図面を参照して説明する。に、本発明に従うバッチ式の炭化装置付き小型溶融炉を示す。
【００３５】
図中、原料投入口１より装入された炭化装置に装入される原料は、炭化装置の底に入り、昇温される。昇温された原料は１００℃、１５０℃、２００℃、２５０℃、３００℃、３５０℃へと上昇し、それぞれのこの温度帯で化学反応の必要な時間を保留され、更に４００℃、４５０℃へ昇温され、この温度帯でも炭素・カーボン化に必要な時間だけ保持されて、炭素・カーボンとガスを生成する。
【００３６】
生成したガス２は排気孔３を通過して、一部はガスタンク４に、他方は小型溶融炉である高炉５に送られる。高炉５に送られたガスは、高炉シャフト６もしくは羽口７より吹き込まれて、燃焼ガスの代替としてあるいは金属酸化物の還元用のガスとして利用される。
【００３７】
炭化装置で生成した残留物８は、ほとんどが炭素・カーボンと金属もしくは金属酸化物である。これらは炭素・カーボン系９と金属系１０に分別されて、金属もしくは金属酸化物は、高炉の原料として高炉の炉頂口より装入され、炉内で還元溶融精錬されて、再資源化される。
【００３８】
一方、炭素・カーボンは、そのままでもしくはブリケットマシンで団鉱されて、コークスの代替として、これもまた高炉の炉頂口より装入される。装入された炭素・カーボンは、コークス１１の代替として、羽口からの空気１２もしくは酸素１３と燃焼して約２０００℃の高温の還元ガスとなる。
【００３９】
また、炭化装置で生成した炭素・カーボンは、粉として、粉体輸送により、高炉の羽口もしくはシャフトに吹き込まれ、コークスの燃料の代替として、また還元ガスの代替として使用することもできる。
【００４０】
次に、炉容積が１０リューベである小型高炉において、炭化装置で生成した炭素・カーボンを、コークスの炭化燃料を代替燃料として０〜１００％の装入割合で変化させた場合の燃料費を表１に示す。尚、表１中の燃料費は、大型高炉における使用燃料が全コークスである場合を１とした指数比で示してある。
【００４１】
【表１】
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【００４２】
コークスを燃料とした場合、大型高炉と小型高炉とでは熱効率や放熱特性の差異によって燃料費は小型の方が若干高くつく。炭素・カーボンの炭化燃料を用いた場合には、およそ２０重量％以上の使用で大型高炉と同等かそれ以上の燃費節減が可能である。また、炭素化率（炭化燃料に含まれる炭素分）がおよそ２５重量％以上で全可燃成分がおよそ７０重量％以上であれば、コークスを用いた大型高炉と同等かそれ以上の燃費節減が可能である。炭素化に必要な経費の多くは加熱エネルギー費であり、その費用と炭化後の形成に必要な経費を加算しても、本発明による炭素・カーボンの燃料としての経済価値はコークスのみを使用する場合に較べて勝る。特に、本発明では、炭素化の原料として廃棄物を利用するので、原料費が低減できでより一層の経済効果を発揮する。
【００４３】
【発明の効果】
以上の通り、本発明によれば、コークス等の高価な燃料を多く使用しないでも、炭素・カーボンをコークス同等の燃料として使用することにより、安価な溶融炉の操業が可能となる。炭素・カーボンの原料として廃棄物を利用するため、より安価な燃料として利用できるとともに、廃棄物の処理や再利用にも貢献できる。溶融炉は２０００℃程度の高温で操業されるので、炭素・カーボンに未炭化物や無機物質が含まれていても高温で分解燃焼されるとともに、無害化が図れるので、炭素・カーボンの成分的な制約はなく、応用範囲が広い。
【００４４】
【表２】
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【００４５】
表２は、本発明による炭素・カーボンの炭化燃料を用いて高炉を操業したデータと、従来のコークスを用いて高炉を操業したデータを比較したものである。操業性、生産性またできた銑鉄やスラグにも差異が無く、コークスの代替として、炭化装置から生成した炭素・カーボンが有効に活用できるという本発明が実証された。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明一実施例のバッチ式炭化装置付き小型溶融炉の模型的部分断面図である。
【図２】従来の一般的な竪型シャフト高炉の模型的部分断面図である。
【符号の説明】
１  炉床
２  溶銑床
３  鉱滓床
４  炉腹
５  シャフト
７  羽口
８  レースウェイ
９  原料
１５  原料装入表面
Ｈ  羽口から炉頂の装入原料表面までの高さ
【図１】
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【図２】
0003597714.tif 000005