(57)【要約】【課題】焼却灰や燃え殻と重金属不溶化剤とを、得られる混合物中の水分含有率をきわめて低くしつつ、短時間で均一に混合し、安定して連続運転することができる省エネルギー・省スペースの小型の混合装置の提供。【解決手段】高圧水を略鉛直方向に噴出するための単一又は複数のノズル；ノズルからの高圧水の吐出による高速噴流流体の断面積よりも大きい断面積を有するノズル保護管；ノズル保護管の側面に配置され、高速噴流流体の吸引圧力により空気を吸引するための空気管；ノズルの下方に同略鉛直方向に配置された筒状混合管；大気圧下で筒状混合管の上端から２種以上の被混合物を投入するための被混合物投入管；並びに筒状混合管の下端から下方に配置された衝突板；を具備する２種以上の被混合物同士及びこれらと水とを均一に混合するための混合装置であって、得られる混合物中の水の含有率が５０重量％未満であることを特徴とする混合装置。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
０．５ＭＰａ〜５Ｍｐａの高圧水を略鉛直方向に噴出するための単一又は複数のノズル；該ノズルからの高圧水の吐出による高速噴流体の断面積よりも大きい断面積を有するノズル保護管；該ノズル保護管の側面に配置され、該高速噴流体の吸引圧力により空気を吸引するための空気管；該ノズルの下方に同略鉛直方向に配置され、上端と下端を有し、一定長を有し、該一定長に亘り断面積が一定である筒状混合管；大気圧下で該筒状混合管の上端から２種以上の被混合物を投入するための被混合物投入管；並びに、該筒状混合管の下端から下方に配置され、該筒状混合管を流下した混合物を受け止めるための衝突板；を具備する、２種以上の被混合物同士及びこれらと水とを均一に混合するための混合装置であって、得られる混合物中の水分含有率が５０重量％未満であることを特徴とする混合装置。
【請求項２】
前記単一ノズルの高圧水吐出口の内径（Ｄｎ）は０．５ｍｍ〜５ｍｍであり、かつ、高速流体噴出速度は３０〜１００ｍ／ｓであり、前記ノズル保護管の内径（Ｄ１）は５〜１５ｍｍであり、前記ノズル保護管長さ（Ｌ１）は８０〜１８０ｍｍであり、該筒状混合管の内径（Ｄ２）は３０〜７０ｍｍであり、該筒状混合管の長さ（Ｌ２）は３００〜７００ｍｍであり、該筒状混合管の下端から衝突板までの距離（Ｌ３）は９０〜１８０ｍｍであり、そして衝突板径（Ｄ３）は３０ｍｍ〜２１０ｍｍである、請求項１に記載の混合装置。
【請求項３】
前記被混合物投入管に供給される前記２種以上の被混合物が、非均一に予備混合されているものである、請求項１又は２に記載の混合装置。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか１項に記載の混合装置を用いて、前記２種以上の被混合物としての焼却灰又は燃え殻及び重金属不溶化剤同士、並びにそれらと水とを均一に混合する工程を含む、水分含有率５０重量％未満の混合物を製造する方法。
【請求項５】
前記焼却灰又は燃え殻の投入速度が３００〜７００ｋｇ／ｈｒであり、重金属不溶化剤の投入速度が１５〜３５ｋｇ／ｈｒであり、かつ、ノズルからの高圧水の吐出速度が１２０ｋｇ／ｈｒである、請求項４に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、２種以上の被混合物、例えば、焼却灰や燃え殻同士及びこれらと水とを均一に混合するための混合装置であって、得られる混合物中の水の含有率が５０重量％未満であることを特徴とする混合装置、及びこれを用いた混合方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
被混合物と液体媒体の混合操作は、化学工業分野では固液反応、液液反応又は気液反応の反応促進や製品製造の手段として一般に行なわれており、また、混合手段は多岐に亘り、機械的方法としてパドル式攪拌機やプロペラ式攪拌機などが使用されている。また、微粉末を液体に混合する装置としてホモジェナイザーなどがあるが、その微粉末の粒径の上限が小さく、塊状でないことが使用上の拘束条件である。
【０００３】
土木分野においては、横型回転機械のトロンメルなどを使用して土壌と水を混合している。土壌は粒度分布のある岩石片の粒子の集合体であり、通常、粘土の存在により塊状になっている。したがって、トロンメルなどを使用した機械的な攪拌では土壌を構成している粒子に至るまで水に分散させることはできない。換言すれば、分散能力の観点からは、トロンメルは大型機械であるにも拘らず、均一な混合の観点からは攪拌能力不足である。
【０００４】
廃棄物焼却灰処理の分野においては、例えば、以下の特許文献がある。
特許文献１には、焼却灰に消石灰を添加・混合し、その後加熱処理装置で加熱し、焼却灰に含まれる有機塩素化合物を分解し、冷却後処理灰を系外に排出する焼却灰処理装置及び方法が開示されているが、焼却灰と消石灰との混合手段については具体的な開示はなく、これらの混合は加熱処理装置内に移送するためのスクリューコンベアで行われているようである。
【０００５】
特許文献２には、湿潤状態の都市ごみ焼却灰、産業廃棄物焼却灰などの焼却灰中に含まれる重金属などの有害物質を安定化するための焼却灰処理方法において、該焼却灰を湿式灰冷却装置の水槽に投入し、該水槽からコンベアにより払い出した焼却灰をスロープ上に通過させ、該スロープ上を通過する焼却灰の上部に設置した薬剤噴射ノズルから有害物質処理剤を噴射することが開示されている。しかしながら、水分を含むものの、固形状の焼却灰の上部から有害物質処理剤を噴射しているにすぎないため、両者を積極的に混合するために手段がないため、均一混合の観点からは、両者の接接触は不十分なものである。
【０００６】
特許文献３には、焼却灰に散水する第一工程と、第一工程において散水された焼却灰と土石を混合し、混合した後にセメントを混合する第二工程と、第二工程で混合された混合物並びに、セメント固化を補助する固化薬剤、原水槽からの水、及び固化薬剤と原水槽からの水の混合物の流動を容易にする流動可剤とを混合したセメント固化補助剤とを混合し、混合した後の混合物を養生ヤードにて固化する第三工程とを含む焼却灰の処理方法及び装置が開示されている。しかしながら、焼却灰への散水は、単に移送用ベルトコンベア上からのスプレーによるものであり、混合は、スクリューコンベア又はニーダー混合機によるものであり、均一混合の観点からは、水、セメント、固化薬剤、固化助剤等の混合は不十分なものである。
【０００７】
他方、特許文献４には、大気圧下で、高圧水による高速噴流体を、水平に配置された管内で、土壌に衝突させて水と土壌を短時間で均一に混合するための省エネルギー・省力スペースな装置及び方法は開示されている。かかる装置及び方法では、管内で、高速噴流体と土壌とが衝突し、加速されるため、せん断力による塊状の土壌が微粒子に分解される結果、均一混合の観点から十分な混合が可能となる。
しかしながら、特許文献４に開示された水平に配置された装置を用いて、例えば、被混合物として、焼却灰や燃え殻、有害物質処理剤としての重金属不溶化剤を、混合しようとする場合、被混合物に対して比較的多量の水及び／又は高圧水を投入しないと、水平管内で被混合物又は混合物の流動性が低下して管内での閉塞が発生し、安定した連続運転ができないという問題がある。例えば、被混合物が真比重約２．６の土壌である場合、被混合物に対して比較的多量の水及び／又は高圧水、例えば、被混合物の重量に対して約５倍の水及び／又は高圧水を用いており（具体的には被混合物：水の重量比＝１：４〜６）、得られる混合物中の水分含有率は５０重量％をはるかに超えるものものとなる。他方、焼却灰や燃え殻の見掛け密度は約０．７、真比重は約１．０であり、被混合物が土壌ではなく焼却灰や燃え殻である場合、土壌と同様の被混合物：水の重量比であれば、被混合物：水の体積比はさらに小さくなる。すなわち、特許文献４に開示された水平に配置された装置を用いて焼却灰や燃え殻、有害物質処理剤としての重金属不溶化剤を、混合しようとする場合、より少ない量の水及び／又は高圧水を用いて安定的に連続運転することは極めて困難である。また、特許文献４に開示された水平に配置された装置では、被混合物と水を水平に移動させるためのエネルギーは高圧水によりもたらされる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開平０６−１５９６４６号公報
【特許文献２】特開平１０−０２８９４９号公報
【特許文献３】特開２０１５−１３１２９１号公報
【特許文献４】特許第４９９０３２６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
産業廃棄物焼却灰や燃え殻からの有害物の発生を防止するために、焼却灰や燃え殻に有害物質処理剤、例えば、重金属不溶化剤を所定量添加し、これを均一に混合して、不溶化剤処理された焼却灰や燃え殻を、埋め戻し土等として、再利用することが行われているが、この場合、不溶化剤は、水との接触により重金属とのキレート形成により有害物質を無害化するため、予め少量の水との接触が必要であるが、得られる混合物中の水分含有率が過度に高くなると、得られた混合物から余分な水を除去するための設備や工程、該設備や工程から発生する水を処理する設備や工程がさらに必要になり、また、埋め戻し土としての重量当たりの単価が上昇するとともに、運搬費等も上昇するため、設備コストや運転コストが増大し、さらに単価上昇により商品価値（コストパフォーマンス）が低下することになる。したがって、水分含量が低いにも拘らず、有害物質処理剤が焼却灰や燃え殻に均一に混合されている、埋め戻し土としての商品価値の高い無害化処理された焼却灰や燃え殻を提供する必要性が在る。
かかる状況下、本発明が解決しようとする課題は、２種以上の被混合物、例えば、焼却灰や燃え殻と、重金属不溶化剤とを、得られる混合物中の水分含有率をきわめて低くしつつ、短時間で、かつ、均一に混合し、安定して連続運転することができる、省エネルギー・省スペースの小型の混合装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明者は、上記課題を解決すべく鋭意研究し実験を重ねた結果、高圧水を用いた筒状混合管を具備する以下の混合装置を用いれば、焼却灰や燃え殻と、重金属不溶化剤とを、得られる混合物中の水分含有率をきわめて低くしつつ、短時間で、かつ、均一に混合し、安定して連続運転することができることを見出し、本発明を完成するに至ったものである。
【００１１】
すなわち、本発明は以下の通りのものである。
［１］０．５ＭＰａ〜５Ｍｐａの高圧水を略鉛直方向に噴出するための単一又は複数のノズル；該ノズルからの高圧水の吐出による高速噴流流体の断面積よりも大きい断面積を有するノズル保護管；該ノズル保護管の側面に配置され、該高速噴流体の吸引圧力により空気を吸引するための空気管；該ノズルの下方に同略鉛直方向に配置され、上端と下端を有し、一定長を有し、該一定長に亘り断面積が一定である筒状混合管；大気圧下で該筒状混合管の上端から２種以上の被混合物を投入するための被混合物投入管；並びに、該筒状混合管の下端から下方に配置され、該筒状混合管を流下した混合物を受け止めるための衝突板；を具備する、２種以上の被混合物同士及びこれらと水とを均一に混合するための混合装置であって、得られる混合物中の水分含有率が５０重量％未満であることを特徴とする混合装置。
［２］前記単一ノズルの高圧水吐出口の内径（Ｄｎ）は０．５ｍｍ〜５ｍｍであり、かつ、高速流体噴出速度は３０〜１００ｍ／ｓであり、前記ノズル保護管の内径（Ｄ１）は５〜１５ｍｍであり、前記ノズル保護管長さ（Ｌ１）は８０〜１８０ｍｍであり、該筒状混合管の内径（Ｄ２）は３０〜７０ｍｍであり、該筒状混合管の長さ（Ｌ２）は３００〜７００ｍｍであり、該筒状混合管の下端から衝突板までの距離（Ｌ３）は９０〜１８０ｍｍであり、そして衝突板径（Ｄ３）は３０ｍｍ〜２１０ｍｍである、前記［１］に記載の混合装置。
［３］前記被混合物投入管に供給される前記２種以上の被混合物が、非均一に予備混合されているものである、前記［１］又は［２］に記載の混合装置。
［４］前記［１］〜［３］のいずれかに記載の混合装置を用いて、前記２種以上の被混合物としての焼却灰又は燃え殻及び重金属不溶化剤同士、並びにそれらと水とを均一に混合する工程を含む、水分含有率５０重量％未満の混合物を製造する方法。
［５］前記焼却灰又は燃え殻の投入速度が３００〜７００ｋｇ／ｈｒであり、重金属不溶化剤の投入速度が１５〜３５ｋｇ／ｈｒであり、かつ、ノズルからの高圧水の吐出速度が１２０ｋｇ／ｈｒである、前記［４］に記載の方法。
【発明の効果】
【００１２】
本発明に係る混合装置を用いれば、２種以上の被混合物、例えば、焼却灰や燃え殻と、重金属不溶化剤とを、得られる混合物中の水分含有率をきわめて低くしつつ、短時間で、かつ、均一に混合し、安定して連続運転することができる。また、本発明に係る混合装置は、省エネルギー・省スペースであり、さらに、撹拌機等に機械的駆動部分がなく、潜在的な機械的故障のおそれがない。前記したように、特許文献４に開示された水平に配置された装置では、被混合物と水を水平に移動させるためのエネルギーは高圧水によりもたらされるが、本発明に係る混合装置では、被混合物は重力により鉛直方向に自然落下するため、被混合物を移動されるためにエネルギーは極めて小さなものであると同時に閉塞のおそれもない。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明に係る混合装置の概略図である。
【図２】本発明に係る混合装置を用いて、焼却灰と不溶化剤とを、混合し、焼却灰：不溶化剤：水（重量比）＝１００：５：３０（水分含有率２２％）の混合物を得た実験結果を示す図面に代わる写真である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、本発明の実施形態を、図面を参照しながら詳細に説明する。
図１に、本実施形態の混合装置の概要を示す。
本実施形態の混合装置は、０．５ＭＰａ〜５Ｍｐａの高圧水を略鉛直方向に噴出するための単一又は複数のノズル（１）；該ノズルからの高圧水の噴出による高速流体の断面積よりも大きい断面積を有するノズル保護管（２）；該ノズル保護管の側面に配置され、該高速流体の吸引圧力により空気を吸引するための空気管（３）；該ノズルの下方に同略鉛直方向に配置され、上端と下端を有し、一定長を有し、該一定長に亘り断面積が一定である筒状混合管（４）；大気圧下で該筒状混合管の上端から２種以上の被混合物を投入するための被混合物投入管（５）；並びに、該筒状混合管の下端から下方に配置され、該筒状混合管を流下した混合物を受け止めるための衝突板（６）；を具備する、２種以上の被混合物同士及びこれらと水とを均一に混合するための混合装置であって、得られる混合物中の水分含有率が５０重量％未満であることを特徴とする混合装置である。
【００１５】
０．５ＭＰａ〜５Ｍｐａの高圧水を略鉛直方向に噴出するための単一ノズル（１）は、例えば、高圧水の圧力３Ｍｐａ、吐出口の内径０．８ｍｍであり、通水量１２０ｋｇ／ｈｒ、吐出速度６６ｍ／ｓ程度のものであることができるが、特に制限はない。また、ノズル（１）は、スケールアップに伴い、複数本であってもよい。その場合、通水量は、複数本のノズル（１）から吐出される高圧水の合計量となるが、吐出速度は、ノズル（１）が単一であるか複数であるかを問わず、以下に詳細に説明する所望の混合が行われるために最適なものである必要がある。
高圧水の製造方法は特に制限はない。例えば、焼却灰を５００ｋｇ／ｈｒ、不溶化剤を、焼却灰に対して５重量％で添加し、混合しようとする場合、高圧水の通水量が１２０ｋｇ／ｈｒであれば、高圧水に由来する水による添加混合物中の水分含有率の増分は１２０÷（５００＋２５＋１２０）×１００＝１９％となる、焼却灰中の水分含有率が、８％以下であれば、最終的に得られる混合物中の水分含有率は、（１２０＋５００×０．０８）÷（５００＋２５＋１２０）×１００＝２５％重量以下とすることができる。尚、焼却灰は、発生時にはその水分含量はゼロに近いが、長期保管により吸湿し、経時的に上昇するものも、焼却灰中の水分含有率は、通常、８％よりもかなり低い値である。
【００１６】
ノズルは、高圧水の噴出による高速流体の断面積よりも大きい断面積を有するノズル保護管（２）内に装着されることができる。例えば、ノズルの高圧水吐出口の内径（Ｄｎ）は０．５ｍｍ〜５ｍｍであり、かつ、高速流体噴出速度は３０〜１００ｍ／ｓであることができ、その場合、ノズル保護管の内径（Ｄ１）は５〜１５ｍｍであり、その長さ（Ｌ１）は８０〜１８０ｍｍであることができる。ノズル保護管は、以下に説明する被混合物投入管から大気圧下で落下する被混合物がノズルの吐出口周辺に付着し、高圧流体の噴出を妨害したり、噴出が偏向することを防止するとともに、高圧水吐出口の後方に配置された空気管からのエジェクター（吸引）効果による空気の導入ために設けられる。尚、ノズル（１）が複数である場合には、ノズル保護管は、各ノズル毎に設けてもよいし、複数のノズル（１）の束の外側に単一で設けてもよい。
図１には、単一ノズル（１）からの高速噴流体の広がりが筒状混合管の下端の断面積と略等しく記載されているが、被混合物の物性や動態に応じて、適宜、高速噴流体の広がりを大きくしたり、あるいは小さくすることができる。また、ノズル（１）からの高速噴流としては、その広がりがかなり大きい噴霧流であることもできる。
【００１７】
ノズルの下方には、上端と下端を有し、一定長を有し、該一定長に亘り断面積が一定である筒状混合管（４）が、同略鉛直方向に配置され、該筒状混合管の上端には、大気圧下で２種以上の被混合物を投入するための被混合物投入管（５）が配置される。被混合物投入管の傾斜、断面積は、被混合物の投入量に依存するが、閉塞することがないよう設計する。例えば、図１、図２に示すように、被混合物投入管の角度は、４０〜６０°であることができる。図２に示すように、被混合物投入管に上部には、例えば、ベルトコンベアを設置し、ホッパーを介して、２種以上の被混合物を投入することができる。
【００１８】
２種以上の被混合物同士、並びにこれらと高圧水に由来する水との混合は、鉛直方向に配置した筒状混合管の内部で、実施される。筒状混合管の内径と長さは特に制限されないが、例えば、内径（Ｄ２）３０〜７０ｍｍであり、該筒状混合管の長さ（Ｌ２）３００〜７００ｍｍであることができる。筒状混合管を流下した混合物を受け止めるための衝突板（６）が、該筒状混合管の下端から下方に配置される。筒状混合管の下端から衝突板までの距離（Ｌ３）は、例えば、１２０〜１８０ｍｍであることができる。
被混合物投入管から投入された２種以上の被混合物、例えば、焼却灰と不溶化剤は、上部から噴出された高圧水と衝突し、分散される。このとき、空気管から導入された空気によりさらに拡散され、分散が促進される。分散された被混合物と水が、分散状態を保ったまま、重量、及び高速噴流体の作用で、鉛直方向に落下している間に、混合が進行するが、これが、筒状混合管の下端から下方に配置される衝突板に衝突するとき、さらに混合が進行する。これらの過程を経ることで、得られる混合物は、２種以上の被混合物同士、並びにこれらと水とが高程度に均一に混合されたものとなる。被混合物投入管の上部、及び筒状混合管の下部は、大気開放されているため、これらの混合は、大気圧下で行われる。また、均一な混合、偏流による筒状混合管内での閉塞の防止の観点から、筒状混合管の中心線と高圧水ノズルの吐出口と衝突板は、鉛直方向同心円状に配置することが望ましい。
【００１９】
衝突板の形状は、特に制限はないが、筒状混合管からの混合物の排出を妨げないものである必要がある。例えば、衝突板は筒状混合管の内径よりもいくぶん大きい径の平たい円盤を、例えば、筒状混合管付近から細い丸棒で吊るし水平に配した形態であることができる。この場合、衝突板径（Ｄ３）は、筒状混合管の内径（Ｄ２）の１〜３倍であることができる。あるいは、混合の程度や得られる混合物の物性に応じて、衝突回数をさらに増やしたい場合には、水平に対し約４５°の傾きをもつ平板を逆方向上下に配した形態であってもよい。尚、筒状混合管内への、被混合物の供給を開始する際、例えば、運転開始前に、高圧水ノズルから噴出された高速噴流体が衝突板の中心から放射状に衝突板に衝突すれば、たとえ衝突板が平たいものであったとしても、衝突板上に混合物が滞留することはないため、筒状混合管からの混合物の排出が妨害される（すなわち、筒状混合管が閉塞する）おそれはない。この点で、本実施形態の混合装置では、閉塞のおそれが低く、連続運転が可能となる。
また、図１に示すように、衝突板からの混合物の周辺環境への飛散・汚染を防止するために、衝突板を囲むように飛散防止缶を設けることが好ましい。
【００２０】
図１に本実施形態の混合装置の一例、図２に、該混合装置の試作機を示すが、本発明は、かかる実施形態からの修正変更が可能であることはいうまでもない。
尚、前記したように、本実施形態の混合装置の試作機ベースの設計では、単一ノズルの高圧水吐出口の内径（Ｄｎ）は０．５ｍｍ〜５ｍｍであり、かつ、高速流体噴出速度は３０〜１００ｍ／ｓであり、ノズル保護管の内径（Ｄ１）は５〜１５ｍｍであり、ノズル保護管長さ（Ｌ１）は８０〜１８０ｍｍであり、筒状混合管の内径（Ｄ２）は３０〜７０ｍｍであり、筒状混合管の長さ（Ｌ２）は３００〜７００ｍｍであり、該筒状混合管の下端から衝突板までの距離（Ｌ３）は９０〜１８０ｍｍであり、そして衝突板径（Ｄ３）は３０ｍｍ〜２１０ｍｍであるものであったが、本発明に係る混合装置は、スケールアップを予定しており、これらの数値範囲に限定されるべきでないことはいうまでもない。
【実施例】
【００２１】
［実施例１］
図２に示す試作機を作製し、焼却灰１００：不溶化剤５：水３０の混合物を製造した。不溶化剤を、焼却灰搬送コンベア上に添加した（黒色の焼却灰に対し白色の不溶化剤）。焼却灰の見掛け密度は０．７、供給量は５００ｋｇ／ｈｒ、不溶化剤の供給量は、焼却灰の５重量％、すなわち、２５ｋｇ／ｈｒであった。被混合物移送管は５０Ａ、通過速度は７ｃｍ／ｓであり、高圧水ノズルの内径は０．８ｍｍ、高圧水の圧力は３ＭＰａ、供給量は１２０ｋｇ／ｈｒ、通過速度は６６ｍ／ｓであった。ノズル保護管は８Ａ長さ１３０ｍｍ、筒状混合管は５０Ａ長さ５００ｍｍ、下端から衝突板までの長さは１５０ｍｍであり、衝突板径は６０ｍｍであり、筒状混合管に下端に１５０Ａの飛散防止管を設けた。得られた混合物は極めて均一な混合物であり、水分含有率は２２％重量％であった。
【産業上の利用可能性】
【００２２】
本発明に係る混合装置を用いれば、２種以上の被混合物、例えば、焼却灰や燃え殻と、重金属不溶化剤とを、得られる混合物中の水分含有率をきわめて低くしつつ、短時間で、かつ、均一に混合し、安定して連続運転することができる。また、本発明に係る混合装置は、省エネルギー・省スペースであり、さらに、撹拌機等に機械的駆動部分がなく、潜在的な機械的故障のおそれがない。したがって、本発明に係る混合装置は、焼却灰や燃え殻の無害化処理に好適に利用可能である。
【符号の説明】
【００２３】
１    高圧水ノズル（単一の場合）
２    ノズル保護管
３    空気管
４    筒状混合管
５    被混合物投入管
６    衝突板
１０    混合装置
Ｄｎ    ノズルの高圧水吐出口の内径
Ｄ１    ノズル保護管２の内径
Ｌ１    ノズル保護管２の長さ
Ｄ２    筒状混合管４の内径
Ｌ２    筒状混合管４の長さ
Ｌ３    筒状混合管４から下端から衝突板６までの距離（水平平板の場合）
【図１】
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【図２】
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