(57)【要約】【課題】排ガス中の有害物質を活性炭を吹き込んで吸着除去する方法において、この活性炭の発火を防止し、安全操業させる手段を提供する。【解決手段】上記課題は、平均粒子径５〜１５０μｍ、粒子密度０．５〜１．７ｇ／ｍｌである活性炭と、該活性炭より高い熱伝導率を有し、かつ平均粒子径５〜５０００μｍ、粒子密度０．１〜９ｇ／ｍｌである高熱伝導体の混合物よりなる、排ガス中の有害物質吸着剤と、この吸着剤を用いた排ガスからの有害物質の除去方法によって解決される。【選択図】　　　　なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
平均粒子径５〜１５０μｍ、粒子密度０．５〜１．７ｇ／ｍｌである活性炭と、該活性炭より高い熱伝導率を有し、かつ平均粒子径５〜５０００μｍ、粒子密度０．１〜９ｇ／ｍｌである高熱伝導体の混合物よりなる、排ガス中の有害物質吸着剤
【請求項２】
高熱伝導体の熱伝導率が０．２Ｗ／ｍＫ以上であることを特徴とする請求項１に記載の有害物質吸着剤
【請求項３】
高熱伝導体が黒鉛であることを特徴とする請求項１あるいは請求項２に記載の有害物質吸着剤
【請求項４】
黒鉛の平均粒子径が、活性炭の平均粒子径の０．４倍〜１倍であることを特徴とする請求項３に記載の有害物質吸着剤
【請求項５】
消石灰に１〜４０重量％の請求項１、２、３または４のいずれかに記載の吸着剤を混合して得られることを特徴とする有害物質吸着剤
【請求項６】
ごみ焼却炉あるいは溶融炉から排出される排ガス中に含まれる有害物質を除去する方法であって、ガス冷却設備等により２００℃前後まで排ガスを冷却し、その後集塵装置において排ガス中の有害物質を除去する場合において、集塵装置上流部に請求項１、２、３、４または５のいずれかに記載の粉末吸着剤を吹き込むことを特徴とする有害物質除去方法
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ごみ焼却炉やガス化溶融炉などから排出される排ガス中に含まれるダイオキシン類、重金属類等の有害物質を吸着する吸着剤、およびそれを用いた有害物質の除去方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
ごみ焼却炉やガス化溶融炉から排出される排ガスに含まれるダイオキシン類、重金属類等の有害物質の除去方法として、活性炭を用いた吸着除去法等が用いられている。この活性炭を用いる方法は、粉末活性炭を排ガス中に吹き込む方法と粒状活性炭を充填した塔を排ガスを通過させる方法がある。活性炭はもとより炭素であるから発火の危険性をはらんでいるが燃焼排ガスは燃焼の際に酸素が消費されて低酸素濃度になっていることもあって特に対策はとられていない。
【０００３】
一方、粒状活性炭を用いる方法は、充填された活性炭層の一部が局所的に高温になることが問題となり、その対策として活性炭に熱伝導性向上材を添加して造粒し、全体として熱伝導率を高めてこの局所的発熱を放散させる技術が開発されている（特開２０００−２７２９１４号公報）、熱伝導性向上材は金属材、セラミック材、炭素材等であり、実施例で採用されているものはグラファイトである。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
本発明者らは粉末活性炭を吹き込む方法においても発火に対する対策が必要であることを見出した。すなわち、粉末活性炭の吹き込みによる有害ガス除去を行う場合、吹き込み前の粉末活性炭を貯留する貯留槽、集塵装置で集塵されその後払い落とされ集塵装置底部に堆積した使用後活性炭を含む飛灰堆積層、および集塵装置底部より搬出された使用後活性炭の混入した飛灰を貯留する貯留槽等において、大量の活性炭あるいは活性炭混入飛灰が堆積するケースが存在する。また、活性炭は外部から熱を与えられない場合にも、活性炭への被吸着物質の吸着がおこる際の吸着熱、活性炭中に本質的に存在する揮発性あるいは低沸点有機化合物の自然酸化による反応熱、活性炭に吸着した有機化合物の自然酸化による反応熱等を発生する。このような発熱が、前述した活性炭あるいは活性炭混入飛灰の堆積層において発生すると、活性炭および飛灰の熱伝導性の低さのために、熱が外部に放散されずに層内に蓄熱され層温度の上昇を招き、層温度が活性炭の炭材自体の発火温度まで上昇すると層全体が炎上してしまう危険性をはらんでいる。
【０００５】
このような現象は活性炭の原料、製造法等によってはより加速される場合がある。例えば、リサイクル法の施行に伴い、建設廃材等の再利用が社会的に急務となっているが、廃材を分別し木材として新築建材として利用することは実際には困難であり、廃材の炭化、活性化による吸着剤としての利用が検討されている。とりわけごみ焼却炉におけるダイオキシン吸着への利用が実施されつつある。こうした利用は廃棄物の適正管理をすすめるため好ましいといえるが、廃木材を原料に用い活性炭を製造した場合、活性炭中にセメント等の付着物が混入するため、製品の発火点が低下し、利用条件によっては発火の危険が増す。また、従来の石炭等を原料とする活性炭に比べ、低密度のため、いったん発熱、発火した場合の類焼が早く、事故につながる危険性がより高まると考えられる。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、このような課題を解決する手段として、特定の粒径と粒子密度を有する活性炭と高熱伝導体を組み合わせて混合し、この混合物を排ガス中に吹き込むことによって有害物質の除去性を損なうことなく発火の問題を解決できることを見出した。すなわち、粉末活性炭に高熱伝導体を混合することにより、熱伝導率を向上させることが可能となり、吹き込み前の粉末活性炭を貯留する貯留槽、集塵装置で集塵され、その後払い落とされ集塵装置底部に堆積した使用後活性炭を含む飛灰堆積層、および集塵装置底部より搬出された使用後活性炭の混入した飛灰を貯留する貯留槽等の、堆積層内における発熱を速やかに外部へと放熱させ層の温度上昇を防ぎ発火を防止できる。また、市販の活性炭と高熱伝導体を物理混合するだけで得られるため、その製造に特別な工程を必要とせず、安価に製造することができる。
【０００７】
本発明は、かかる知見に基づいてなされたものであり、平均粒子径５〜１５０μｍ、粒子密度０．５〜１．７ｇ／ｍｌである活性炭と、該活性炭より高い熱伝導率を有し、かつ平均粒子径５〜５０００μｍ、粒子密度０．１〜９ｇ／ｍｌである高熱伝導体の混合物よりなる、排ガス中の有害物質吸着剤、およびそれを用いた排ガスからの有害物質の除去方法に関するものである。
【０００８】
【発明の実施の形態】
活性炭は、平均粒子径が５〜１５０μｍ程度、好ましくは１０〜１００μｍ程度、特に好ましくは１０〜５０μｍ程度、粒子密度が０．５〜１．７ｇ／ｍｌ程度、好ましくは０．６〜１．５ｇ／ｍｌ程度、特に好ましくは０．８〜１．３ｇ／ｍｌ程度のものを用いる。ここでいうところの平均粒子径とは、ふるい分け法あるいはレーザー回析法等で測定した粒度分布の累積５０％粒子径を指す。また、ここでいうところの粒子密度ρｐとは、プロパノール、ブタノール、ケロシン等に浸漬し液中での重量を測定するいわゆるアルキメデス法により測定した真密度ρＴ（ｇ／ｃｃ）と、水銀圧入法あるいは窒素吸着法等によって求めた細孔容積Ｖｐｏｒｅ（ｃｃ／ｇ）より求めたものであり、
ρｐ＝ρＴ／（１＋ρＴ×Ｖｐｏｒｅ）　…………　式（１）
で表される。
【０００９】
上記平均粒子径と粒子密度は、吸着剤を例えばろ過式集塵機前に吹き込んで用いる場合、吹き込まれた粉末が排ガス気流に乗ってろ布に付着する必要があるためであり、これより大きいとろ布に付着する前に煙道に落下してしまい、またこれより小さいと粉体としてのハンドリング性の困難さ、あるいはろ布で集塵されずにろ布を通過してしまう等の不具合を生ずる。
【００１０】
活性炭のその他の物性値としては、有害物質吸着能の点で比表面積が１００ｍ２／ｇ以上、望ましくは３００ｍ２／ｇ以上のものがよい。比表面積の上限は特に限定されないが実用上１２００ｍ２／ｇ程度までのものが用いられる。また、発火現象を防止するため、用いる活性炭の発火温度は４００℃以上であることが好ましい。また望ましくは４５０℃以上、さらに望ましくは５００℃以上であることが好ましい。一方、発火温度は高い程よいが、実用的観点から最高でも６００℃程度である。活性炭は一般的に熱伝導率が低く、０．１〜０．４Ｗ／ｍＫ程度、通常０．１〜０．３Ｗ／ｍＫ程度である。ここでいうところの発火温度とは、示差熱分析計で測定した発熱ピークの立ち上がり変曲点の値である。これより発火温度が低いと、いくら熱伝導率を向上させても、発火に至る可能性が高くなる。
【００１１】
活性炭の原料は、やしがら等の植物系原料でも良いが、より望ましくは石炭系原料が好ましい。なお、ここでいうところの活性炭には、当然のことながら活性コークスも含まれる。
【００１２】
活性炭に物理混合する高熱伝導体は、用いる活性炭より熱伝導率が高いものを用いる。具体的値では０．２Ｗ／ｍＫ以上、好ましくは２〜１０００Ｗ／ｍＫ程度、特に好ましくは２０〜１０００Ｗ／ｍＫ程度のものがよい。活性炭の熱伝導率に対する比率では１０倍以上、好ましくは１００倍以上のものが望ましい。
【００１３】
高熱伝導体の具体例としては、セラミック、金属、黒鉛等が用いられるが、特に黒鉛はその熱伝導率が活性炭の数倍〜１００倍程度高く、通常入手される材料において要求される平均粒子径や粒子密度を満たすものが存在し、また主構成元素が炭素であり活性炭と同じであることから、活性炭との混合性、使用後の処理条件の面において特に好ましい。また、同様にコークスの一種であるピッチコークスやニードルコークスを用いても良い。
【００１４】
また、高熱伝導体の平均粒子径と粒子密度は、活性炭と同じ理由で、平均粒子径が５〜５０００μｍ程度、好ましくは５〜５００μｍ程度、特に好ましくは５〜２００μｍ程度、粒子密度が０．１〜９ｇ／ｍｌ程度、好ましくは０．５〜５ｇ／ｍｌ程度、特に好ましくは１〜３ｇ／ｍｌ程度のものを用いる。平均粒子径と粒子密度の意義は活性炭のところで説明した通りである。また、高熱伝導体が黒鉛である場合、黒鉛の平均粒子径は活性炭の平均粒子径の０．４〜１倍、好ましくは０．５〜１倍であることが望ましい。
【００１５】
活性炭と高熱伝導体の混合割合は、用いる高熱伝導体の熱伝導率によって異なるが、混合比率が高い程、発火防止の効果があり、また有害物質除去率の観点から高熱伝導体の重量％で１０〜８０％、特に２０〜５０％が好ましい。
【００１６】
本発明の吸着剤には第３成分を含有させることができる。例えば消石灰を混合して吹き込むことにより、酸性ガスの除去と有害物質の吸着除去との同時達成が可能となるとともに、消石灰の混合により活性炭が希釈されるため、発火防止の観点において好ましい。消石灰を添加する場合、好ましい添加量は、混合物１〜４０重量％、消石灰が９９〜６０重量％程度、好ましくは混合物２〜２０重量％、消石灰が９８〜８０重量％程度である。
【００１７】
本発明の吸着剤はそのまま排ガス中に吹き込めばよい。その際、排ガスの温度は活性炭が充分に吸着能力を発揮する温度、具体的には２５０℃以下、好ましくは２００℃以下、特に好ましくは１８０℃以下とする。ごみ焼却炉等から排出される燃焼排ガスは通常７５０〜９５０℃、ガス化溶融炉から排出される排ガスは８００〜９５０℃と高いのでこれらはまず上記温度以下まで冷却してから排ガスに吹き込む。温度の下限は酸露点による腐食の問題から概ね１６０℃程度までである。吸着剤の吹込量は除去しようとする有害物質の種類と含有量および必要とする除去の程度等に応じて定められ、これは予め試験をして定めるのがよい。吹き込む位置はガス冷却設備等で冷却後集塵装置で、集塵されるまでの間がよい。集塵装置は本発明の吸着剤を捕集できるものであればよいが、バグフィルタが特に好ましい。この集塵装置は排ガス中の飛灰等も合わせて捕集させてもよい。
【００１８】
【実施例】
［実施例１］
やしがらまたは石炭を原料とする市販の活性炭と数種類の市販の高熱伝導体との各混合物の熱伝導率、発火温度および発火に至るまでの投入電力量を測定した。
【００１９】
用いたやしがら原料活性炭は比表面積１０００ｍ２／ｇ、平均粒子径２０μｍ、粒子密度０．９６ｇ／ｍｌ、石炭原料活性炭は比表面積９００ｍ２／ｇ、平均粒子径２５μｍ、粒子密度１．２ｇ／ｍｌのものである。また高熱伝導体には粉末黒鉛、フレーク状黒鉛、アルミニウム粉末およびニッケル粉末の４種類を用いた。粉末黒鉛は平均粒子径１８μｍ、粒子密度１．５ｇ／ｍｌ、フレーク状黒鉛は平均粒子径１２０μｍ、粒子密度１．４ｇ／ｍｌ、アルミニウム粉末は平均粒子径１９μｍ、粒子密度１．５ｇ／ｍｌ、そして、ニッケル粉末は平均粒子径２０μｍ、粒子密度２．５ｇ／ｍｌであった。
【００２０】
発火温度は図１に示す装置を用いて発火試験を行って求めた。この装置にマッフル炉１の内部に金属製メッシュでできた円筒形容器２が設けられ、その中心に加熱用ヒータ３が設置されている。また、内部には温度計４が設置されている。各混合物５を金属製メッシュ２に充填してマッフル炉１に入れ、単位時間当り一定量の電力をヒーターに投入し、中心温度を測定した。この温度が急激に上昇する温度を発火温度とし、この時点までに投入した電力量を比較した。
得られた結果を表１に示す。
【００２１】
【表１】
2004081969.tif 000002
【００２２】
［実施例２］
原料および製造工程の異なる活性炭（１６種類）および黒鉛（１６種類）について、イソプロパノールを浸漬液として用いアルキメデス法により真密度を求め、また窒素吸着法により細孔容積を求めた。
得られた結果を表２に示す。
【００２３】
【表２】
2004081969.tif 000003
【００２４】
ここで、気孔率ＲＰは真密度ρＴおよび細孔容積Ｖｐｏｒｅより計算され、
ＲＰ＝（ρＴ×Ｖｐｏｒｅ）／（１＋ρＴ×Ｖｐｏｒｅ）　…………　式（２）
で表される。
【００２５】
この材料について、表２数値を基に、これらの活性炭および黒鉛を吹込材料として用いた時に重要となる終末速度ＵＴについて検討した。
終末速度ＵＴは下式
ＵＴ＝｛ｇ×ｄｐ２×（ρｐ−ρｆ）｝／１８／μ　…………　式（３）
で表される。
ここで、ｇ：重力加速度、ｄｐ：平均粒子径、ρｐ：粒子密度、ρｆ：空気密度、μ：空気粘度である。
【００２６】
式（３）を変形すると、ρｐ＞＞ρｆなので、
ｄｐ＝｛（１８×μ×ＵＴ）／（ｇ×ρｐ）｝０．５　…………　式（４）
となる。この式より異なる粒子密度の粉末について等しい終末速度を得るためには、粒子密度の比に応じた異なる平均粒子径の粉末である必要がある。ここで、Ａ粒子の粒子密度をρｐＡ、Ｂ粒子の粒子密度をρｐＢとすると、等しい終末速度ＵＴが得られる平均粒子径ｄｐＡおよびｄｐＢは
ｄｐＡ／ｄｐＢ＝（ρｐＡ／ρｐＢ）−０．５　…………　式（５）
の関係を満たすものである。
【００２７】
表２結果より、式（１）および式（２）を用いて計算すると、活性炭の粒子密度は０．５６ｇ／ｃｃ〜１．６ｇ／ｃｃ、黒鉛の粒子密度は１．５２〜２．２６である。よってこの値を式（５）にあてはめることにより、活性炭の平均粒子径が、黒鉛の平均粒子径の約０．４倍〜１倍、好ましくは０．４９倍〜０．９８倍にして混合し、吹込材料とすることにより、等しい終末速度が得られることがわかった。このような等しい終末速度が得られるように両材料の混合時の平均粒子径を決めることで、ごみ焼却炉の煙道に吹き込んだ際のガス流れへの同伴性、ろ過式集塵機におけるろ布への到達性、ろ布への付着性、ろ布からの払い落とし性、ろ過式集塵機において払い落とされた飛灰中における活性炭と黒鉛の混合性の均一性等が向上する。
【００２８】
また、表２記載した活性炭１６種、黒鉛１６種について、それぞれ平均粒子径と終末速度の関係を計算した。その結果を図２〜図９に示す。その際に簡単のために、活性炭においては気孔率を２０％、３５％、５０％、６０％に大きく分類して表記した。また、黒鉛の場合は、気孔率を１％、５％、１０％、２０％に大きく分類して表記した。
【００２９】
ここで、ごみ焼却炉におけるろ過式集塵機において、ろ過速度は通常０．６ｍ／ｍｉｎ〜１．２ｍ／ｍｉｎ（０．０１ｍ／ｓｅｃ〜０．０２ｍ／ｓｅｃ）で設計されている。したがって、ごみ焼却炉の煙道に吹き込んだ際のガス流れへの同伴性ばかりでなく、ろ過式集塵機におけるろ布への到達性、ろ布への付着性、ろ布からの払い落とし性、ろ過式集塵機において払い落とされた飛灰中における活性炭と黒鉛の混合性の均一性を達成するには、０．０１ｍ／ｓｅｃ〜０．０２ｍ／ｓｅｃ以下の流速を終末速度とする粒子を吹き込む必要がある。よって図２〜図９よりこの条件を満たす粒子径をもとめ、表３にまとめた。このような平均粒子径の活性炭および黒鉛を混合し吹込剤とすることで、優れた性能が発揮される。
【００３０】
【表３】
2004081969.tif 000004
【００３１】
［実施例３］
ごみ焼却炉実機においてろ過式集塵機上流煙道中に活性炭と黒鉛の混合剤を吹き込み、ろ過式集塵機のろ布表面に形成される、飛灰、活性炭および黒鉛の付着層を採取し、付着層内における活性炭と黒鉛の存在比率を測定した。その結果を表４に示す。吹込剤には、表２および表３に記載した活性炭１６種および黒鉛１６種の中から、それぞれ５種を選び、表４に示すような条件で活性炭と黒鉛を混合し吹き込んだ。また、この試験実施時のろ過式集塵機におけるろ過速度は０．０１４ｍ／ｓｅｃであった。
【００３２】
【表４】
2004081969.tif 000005
【００３３】
［実施例４］
ごみ焼却炉実機において、ろ過式集塵機上流煙道中に活性炭と黒鉛の混合剤を吹き込み、排ガス中ダイオキシン類の除去性能を測定した結果を表５に示す。
【００３４】
＜試験条件＞
集塵機運転温度：１７０℃
活　　性　　炭：粉末状石炭原料活性炭
高　熱　伝　導　体：黒鉛
吹　　込　　量：０．１ｇ／ｍ３Ｎ
【００３５】
【表５】
2004081969.tif 000006
【００３６】
【発明の効果】
本発明により、活性炭の発火を防止して排ガス中のダイオキシン等の有害物質を安定して除去することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明で発火温度の測定に用いた発火試験機の概略構造を示す縦断面図である。
【図２】本発明で得られた黒鉛の粒子径と終末速度との関係を示すグラフである。
【図３】本発明で得られた黒鉛の粒子径と終末速度との関係を示すグラフである。
【図４】本発明で得られた黒鉛の粒子径と終末速度との関係を示すグラフである。
【図５】本発明で得られた黒鉛の粒子径と終末速度との関係を示すグラフである。
【図６】本発明で得られた黒鉛の粒子径と終末速度との関係を示すグラフである。
【図７】本発明で得られた活性炭の粒子径と終末速度との関係を示すグラフである。
【図８】本発明で得られた活性炭の粒子径と終末速度との関係を示すグラフである。
【図９】本発明で得られた活性炭の粒子径と終末速度との関係を示すグラフである。
【符号の説明】
１…マッフル炉
２…金属製メッシュ
３…ヒータ
４…熱電対（温度計）
５…吸着剤
【図１】
2004081969.tif 000007
【図２】
2004081969.tif 000008
【図３】
2004081969.tif 000009
【図４】
2004081969.tif 000010
【図５】
2004081969.tif 000011
【図６】
2004081969.tif 000012
【図７】
2004081969.tif 000013
【図８】
2004081969.tif 000014
【図９】
2004081969.tif 000015