(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
都市ごみ焼却灰の粉体に水分と結合剤を加えて造粒加工し乾燥させた原料と、調整原料とを合わせた混合原料をキュポラに投入し、溶融して得られた溶湯を高速で回転するスピンナーで繊維化するロックウールの製造方法であって、前記都市ごみ焼却灰を造粒加工した原料の大きさが平均直径２０〜５０ｍｍであって、かつ前記都市ごみ焼却灰を造粒加工した原料の使用割合が５０〜９０重量％であり、調整原料が鉄鋼スラグ、石灰石、ケイ石及びショット屑から選ばれる少なくとも1種であることを特徴とするロックウールの製造方法。
【請求項２】
都市ごみ焼却灰を造粒加工して原料とするために、ブリケッティングマシンを用いることを特徴とする請求項1記載のロックウールの製造方法。
【発明の詳細な説明】
技術分野
本発明は、環境保全及び資源再利用の面から、有効活用を切望されている都市ごみ焼却灰の再資源利用に関し、造粒加工した都市ごみ焼却灰を原料として用いることにより、断熱材、吸音材及び各種補強繊維等の用途として、低コストで生産することに適したロックウールおよびその製造方法を提供するものである。
背景技術
従来より、ロックウールは塊状の高炉スラグや天然石に成分調整材を加えた原料混合物をキュポラに投入し、コークスを主熱源として溶融し、その溶湯を繊維化する方法と、高炉で発生した溶融スラグを電気炉にホットチャージし溶融調整後、溶融物を繊維化するダイレクト法で主に製造されている。近年、社会的要求として、年間発生量（６００万トン／年）を越える一般廃棄物の焼却灰は、一部がセメントや耐火材、軽量骨材等のセラミックス用途、あるいは溶融することによりスラグ化して、路盤材、コンクリート骨材、ブロック類などに使用または試作されているものの、その大部分は埋め立て等に廃棄処分されている。
焼却灰をロックウール製造のための原料として活用する試みは例えば、特開昭５３−９４４６０には一般産業廃水汚泥及び産業廃棄物焼却灰を溶融して、ロックウール同等品を製造する方法が記載され、特開平５−３２９４６３には焼却灰を溶融する電気炉に於ける焼却灰の層厚を適正制御する方法が記載されている。又特開平６−９２７５０には乾燥汚泥または汚泥の焼却灰を含む原料混合物をキュポラに投入し、溶融した液状の汚泥スラグを繊維化してスラグウールを製造する方法が記載されている。一方、都市ごみ焼却灰を直接原料として再資源化してロックウールを生産する場合は、焼却灰自体の嵩比重が小さく軽いため、溶融炉に投入が困難で、特にキュポラの場合には燃焼ガスの吹き上げによって猛烈且つ大量の粉塵が発生する上、キュポラ内部での粉体の素通り等の問題が生じるため、実質不可能である。又、特開平１０−２７３３３２に記載のように、都市ごみ焼却灰の溶融スラグを、電気炉で溶融して繊維化し生産する方法があり、この方法は既に実用化されているが、生産コストが高いという問題がある。即ち、都市ごみ焼却灰を溶融しスラグ化する段階で先ず専用の設備に実用規模で数十億円の設備投資費が必要であり、更に又溶融しスラグ化のための溶融温度が１３００℃〜１５５０℃という高温のためエネルギーコストが係り、生産コストとして３〜７万円／トン必要であることが既に知られている。
都市ごみ焼却灰を原料としたロックウールを製造するにあたり、紛状体のままでは溶融炉に投入が困難で、炉内で吹き上がり大量の焼却灰が粉塵として排気ダクトや処理装置に飛散し、ダクトや集塵ボックスを詰まらせ機能を停止させる。本発明は前記状況を鑑み、嵩比重が小さく軽い粉体である都市ごみ焼却灰を低コストで加工して原料とし、低コストで効率よく溶融させ、所望のロックウールおよびその製造方法を得ることを課題とする。
発明の開示
前記課題解決のために本発明は、都市ごみ焼却灰の粉状体を低コストで塊状の固形原料とした造粒加工物を用い、該造粒加工物を溶融し繊維化してロックウールを得ることを見出した。嵩比重が小さく軽いため粉体のままでの使用が不可能であった都市ごみ焼却灰は、従来のように高コストで溶融スラグ化したものを溶融炉で再溶融して使用する必要が無く、都市ごみ焼却灰の粉体に水分と結合剤を加えて直接造粒加工し乾燥させ、ロックウールの原料として使用することが可能となる。又、造粒加工物化した都市ごみ焼却灰の使用割合は、コスト低減及び原料として効果的に使用量を増大させるためにも５０〜９０重量％の使用率範囲が好ましく、その場合調整原料として鉄鋼スラグ、石灰石、ケイ石、ロックウール製造時に発生するショット屑等をブレンドすることが好ましい。前記造粒加工物を原料として効率よく溶融させるために用いる炉としては、コストの面でキュポラの使用が好ましいこと、更には、前記造粒加工物の大きさが平均直径２０〜５０ｍｍであることが効率のよい溶融状態を得ることを見出した。加えて、前記造粒加工物の製造装置として生産性のよいブリケッティングマシンを採用して、都市ごみ焼却灰の造粒加工物と調整原料とを混合した原料をキュポラに投入し、コークスを燃焼させて加熱溶融して得られた溶湯を高速で回転するスピンナーで繊維化することにより、所望のロックウールを製造することを可能にした。
発明を実施するための最良の形態
以下、本発明の好適な実施態様を図により説明する。
図１は本発明の一実施例による、成形後乾燥した都市ごみ焼却灰の造粒加工物（ブリケット）を、調整原料と混合してキュポラ内に投入し、溶融して得た都市ごみ焼却灰等の溶湯を高速で回転するスピンナーで繊維化してロックウールを製造することを示す概略断面説明図である。
図中、都市ごみ焼却灰の造粒加工物であるブリケット１と、調整原料２との原料混合物３は、原料供給装置であるバッチカン（図示せず）により運ばれて、キュポラ４の投入口５より投入される。キュポラ４内に堆積している塊状のベットコークス６は、羽口７より吹き込まれる空気または酸素富化空気の供給を受けて燃焼し、発生した高温の燃焼ガスは、キュポラ４内の塊状のベットコークス６同士の隙間を上昇し、更にその上部の原料混合物３同士の隙間を経て上昇して排気ダクト８を通過した後、排気ガス処理装置（図示せず）に至る。キュポラ４の投入口５より投入された原料混合物３は、まずキュポラ４内の上部加熱ゾーンに堆積される。ここで原料混合物３は、上昇してくる燃焼ガスを受けることにより加熱されて、溶融が始まるまで少しずつ加熱ゾーンを降下してゆく。その後加熱ゾーンの下の溶解ゾーンに於いて、原料混合物３は溶解する。溶解した原料混合物３は、更にその下部のベットコークス６が堆積する滴下ゾーンに於いて、燃焼するベットコークス６同士の隙間をくぐり、液滴状に滴下してゆきつつ、下方から上昇してくる熱風で高温の溶湯状態となる。前記一連の加熱ゾーン、溶解ゾーン、滴下ゾーンを経て溶湯化した原料混合物３は、最高温度１５００℃前後の高温溶湯となって、湯溜まり９に至る。その後出湯口１０から耐火性の樋１１を通って高速で回転するスピンナー１２により繊維化され原綿１３が製造される。原綿１３は直結する各種成型装置（図示せず）により、板状のボード製品、柔軟性のあるロール状製品及び粒状綿等に成型される。湯溜まり９の最底部には、主に都市ごみ焼却灰に混入していた各種金属の溶融体物１４が堆積するので、適時炉外へ排出する。
原料混合物３としてブリケット１と共に投入する調整原料２は、好ましい溶融状態及び繊維状態にするとともに好ましいロックウールの諸特性を持つように化学組成を調整するもので、主な原料である都市ごみ焼却灰の補足的原料のことで、例えば鉄鋼スラグ、石灰石、ケイ石、ショット屑等が挙げられる。
都市ごみ焼却灰の有効利用の面から見れば、できるだけ焼却灰の使用割合を多くすることが望ましいが、本発明者等はブリケット１と調整原料２との使用割合を変えて、キュポラ４内での溶融性、繊維化効率、製造された原綿１３の各種物性等を鋭意検討した結果、ブリケット１の使用割合を５０〜９０重量％とし、これに調整原料２を配合して製造したロックウールは、従来の製造方法による鉄鋼スラグを主原料として製造したロックウールと比較して、幾分着色が濃い場合があるものの性能的に大差がなく、断熱材、吸音材や各種補強材として充分に使用可能であることを実証した。
都市ごみ焼却灰は、通常約０．５〜１．０の範囲内の嵩比重を有しており、一般的には、ＳｉＯ２約３０〜５０重量％、Ａｌ２Ｏ３約１０〜２５重量％、ＣａＯ及びＭｇＯの合計量約２５〜５０重量％を主成分として含有している。本発明では、このような都市ごみ焼却灰を使用できるが、これらに限られるものではない。
前記ブリケット１の使用割合が５０〜９０重量％で得られる繊維化したロックウールの化学組成は、使用する都市ごみ焼却灰の化学組成、調整原料の種類と使用量等によって変わるものの、ＣａＯが２４．０〜３５．０重量％、ＳｉＯ２が３８．０〜４６．０重量％、Ａｌ２Ｏ３が１４．０〜２２．０重量％、ＭｇＯが０〜５．０重量％、Ｆｅ２Ｏ３が１．０〜７．０重量％、Ｒ２Ｏ（Ｒはアルカリ金属を表す）が０〜５．０重量％である。後述の表１に示すように、本発明のロックウールは、従来の鉄鋼スラグを主原料として製造したロックウールと比較して、ＣａＯ、ＭｇＯの含有量は大幅に少なく、一方ＳｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３、Ｒ２Ｏの含有量は多く、Ｆｅ２Ｏ３はケタ違いに多い。ＳｉＯ２やＡｌ２Ｏ３の含有率が高く、且つＣａＯやＭｇＯの含有率が低いことは、けい酸塩ガラスの骨格を強固にして繊維の強度や耐久性を良くする一方で、溶融しにくくなることであるが、Ｆｅ２Ｏ３が溶融性を増す等のＣａＯと同様な作用を有するので、都市ごみ焼却灰の造粒加工物を５０〜９０重量％使用したロックウールの化学組成が上記範囲内にある限り、実用性のあるロックウールが得られる。尚、都市ごみ焼却灰を主原料として溶融した溶湯の冷却後の色は、Ｆｅ２Ｏ３の高い含有量の影響で黒又は黒褐色を呈するが、繊維化後の原綿の色は、従来の溶融スラグ主原料のものの白色に対し、やや着色がある程度となっている。
都市ごみ焼却灰の組成をロックウール組成とするための調整原料による調整は、例えば、ＳｉＯ２が極端に少ない場合はケイ石で調整し、ＣａＯが極端に少ない場合は石灰石で調整するのが好ましい。組成調整のため調整原料を使用する場合は、都市ごみ焼却灰から造られたブリケットをキュポラに投入する際に、調整原料を投入することが現実的で好ましい。
ロックウール製造に於ける都市ごみ焼却灰の造粒加工物の溶融炉としては、キュポラを用いることが好ましい。キュポラを用いると、溶融しつつキュポラ内を落下してゆくブリケット１が、ベットコークス６の燃焼によりブリケット１同士の隙間を急上昇してくる高温燃焼ガスの動的接触を受けて表面より効率的に溶融し、更にキュポラ４下部では液体燃焼式に効率的な熱の授受が行われ、都市ごみ焼却灰原料のような濃く着色する原料を強力にかつ効率的に溶融できる。電気炉を用いて都市ごみ焼却灰の造粒加工物を溶融させる場合でもロックウール生産には特に問題はないが、エネルギーコストが高いうえ、溶融能力が小さいこと等を考慮するとキュポラを用いる方が好ましい。因みに、都市ごみ焼却灰の加工原料を溶融するためのエネルギーコストは、電気炉で１．５万円／トン程度、キュポラで２千円／トン程度である。
ブリケット１の大きさは、平均直径２０〜５０ｍｍであることが効率のよい溶融状態を得るのに好ましい。前記平均直径の範囲より小さい場合には、燃焼ガスの吹き上げにより、溶融化前後の早い段階でブリケット１からの粉状体の吹き上がり飛散や、溶融用燃焼ガスの上昇通路の障害を引き起こす。一方、大きすぎる場合には、ブリケットが崩れやすかったり、キュポラ内での溶融開始から溶け終わりまでに時間がかかることや、ブリケット１製造時の乾燥に時間がかかりすぎること、又、ブリケット１と調整原料２との混合不足に伴う、溶湯の均質化への遅れ等の問題を生じる。
溶融炉に投入する都市ごみ焼却灰の造粒加工物の形状は塊状であればよいが、造粒機の製造機能により、球状、不定形球状、楕円球状、扁平楕円立体形状、ブリケット形状等がある。球状以外のブリケットの平均直径は、同一体積を有する球に換算し直径を求め、その平均をとることにより得られる。
ブリケッティングは、高圧縮で行うことが好ましく、また、高温高圧縮で行うことも好ましい。更に、ブリケッティングに際し、バインダーを用いることもできる。バインダーの例として、糖蜜、セメント、水ガラス、ベントナイトなどを挙げることができるが、これらに限られるものではない。ブリケットが十分な硬度を伴わない場合、キュポラ内でブリケットが崩れ、吹き上げが生じたり、キュポラの下部にて目づまりを起こしたりするなどの問題を生じる。
都市ごみ焼却灰の造粒加工物を製造する方法としては、転動造粒法、押し出し造粒法、圧縮造粒法、流動層造粒法等が上げられる。これら各種製造法の中で圧縮造粒法がよく、特にロールプレス方式のブリケッティングマシンが、大形の造粒体まで量産できること、比重の大きい造粒体が製造できること、水分の含有率が比較的低い粉状体でも造粒可能であることから好ましく、連続的に大量生産が可能であり、経済性も高いため最適な都市ごみ焼却灰用造粒装置と言える。
周知の都市ごみ焼却灰を溶融しスラグ化して原料を得る方法では、実用規模で数十億円の設備投資費と、生産コストが３〜７万円／トン必要であるのに対し、前記都市ごみ焼却灰用造粒装置を使用してロックウール生産用の原料とした場合には、造粒装置設備費で約１億円及び生産コストが０．３〜１万円／トンであり、設備投資及び生産コストのいずれに於いても１０分の１以下の費用しか要せず、ロックウール生産用原料として低コストで実用性の高い原料と言える。
前記ブリケッティングマシン等を用いて都市ごみ焼却灰を造粒する場合の成形条件としては、水分の含有率及び添加するバインダーの種類や添加量がある。好適なバインダーとして糖蜜、セメントが挙げられるが、その他に水ガラス、パルプ廃液、ベントナイト、ソフナー、苛性ソーダー等も利用できる。又、ブリケッティングマシン使用の場合は、回転数や造粒成形圧縮力を考慮する必要がある。実施例１〜５及び比較例
本発明に係わる都市ごみ焼却灰の造粒加工物（ブリケット）を主原料として得られたロックウールの性能を確認するため、ブリケッティングマシンを使用して造粒成形後乾燥させ、稼働中のキュポラに造粒加工物２種と溶融スラグとの使用割合を変えて投入し、得られたロックウール原綿の化学組成、単繊維の引張強度及び原綿から成型したボードの強度を従来の鉄鋼スラグを主原料としたロックウール原綿と比較した。結果は表１に示す。
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表１に関するテスト条件及びチェック項目を次の通りである。
１．  原料とする都市ごみ焼却灰のブリケット（Ａ、Ｂ）２品種及び鉄鋼スラグの化学組成とその比率（重量％）を表２に示す。
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２．都市ごみ焼却灰のブリケット成形
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３．テスト原料の使用割合及びテスト量
使用割合  ：  ３０〜１００重量％の範囲で変更使用
テスト量  ：  各テスト毎１０〜１５トン
４．チェック項目
・キュポラ内での溶融状態、粉塵飛散状況
・溶湯の品質（着色状態、含有する気泡不純物、異物の種類）
・繊維化状態（流出溶湯温度及び流量状態、未繊維化物ショット量）
・ロックウール原綿（化学組成、繊維径、単繊維引張強度）
・ロックウールボード（曲げ強度、圧縮強度、熱収縮温度）
表１に関するテスト状況及びテスト結果は次の通りである。
テスト状況：
実施例１〜５については、調整原料として鉄鋼スラグを選択し、ブリケットＡ、Ｂと混合比率を変え、燃料のコークスを加えて時間当たり５トンの溶融性能を持つキュポラに投入した。キュポラ内での生地の入れ替わりは、ブリケット投入後、約３０分で濃い黒褐色の溶湯が流出したことから、キュポラ内を約３０分で通過したと推定できた。
テスト結果：
比較例とした従来の鉄鋼スラグを主原料としたロックウールに対して、実施例１〜４については、キュポラ内での溶融状態、溶湯の品質、繊維化状態、ロックウール原綿、ロックウールボードの製品品質等いずれも製造状況、製品状況ともに問題無く、製品化が可能との結論を得た。又、実施例５の原料としてブリケットＢを１００重量％投入した場合については、繊維化状態に於いてやや溶湯粘着の状態が発生し、原綿の着色状態も他の実施例と比較してやや黄茶色が強く、単繊維の引張強度、製品ボードの曲げ強度、圧縮強度、熱収縮温度に於いて劣り、難点有りとの結果を得た。従って、都市ごみ焼却灰ブリケットの原料使用割合は、５０重量％〜９０重量％が好ましいとの結論を得た。
尚、表１において、原綿単繊維の引張強度測定はＪＩＳ  Ｒ７６０１（１９８６）に基づき行った。断熱材ボードは、繊維化時にフェノール樹脂を約２重量％塗布した原綿を成型し乾燥固化して、密度８０ｋｇ／ｃｍ３、厚さ５０ｍｍにしたものを強度測定用サンプルとした。また、製品ボードの曲げ強度、圧縮強度、及び熱間収縮温度は、ＪＩＳ  Ａ９５０４（１９９５）に基づき測定した。
産業上の利用可能性
以上のように、本発明によれば都市ごみ焼却灰の再資源利用方法として、焼却灰紛状体を造粒法により固形原料化することにより、従来の粉状体での原料利用の困難性を解決するとともに、周知の焼却灰粉状体を溶融スラグ化する原料製法と異なり、造粒機を用いて安価で且つ容易に都市ごみ焼却灰の塊状の造粒加工物が得られ、これを原料として従来品同等のロックウールを量産することができる。
都市ごみ焼却灰を造粒装置で固形原料化した造粒加工物と、調整原料とを混合してキュポラに投入し、コークスを燃焼させて加熱溶融して得られた溶湯を高速で回転するスピンナーで繊維化することにより、所望のロックウールを製造することができる。
【図面の簡単な説明】
図１は、本発明によるロックウール製造の概略断面説明図である。
【図１】
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