(57)【要約】【課題】より効果的に廃棄物処理を行うために、廃棄物の処理と同時に製鉄所内で発生する廃棄物を同時に処理可能であり、しかも廃棄物処理と同時に有用・有価な物質を生産できる有機系廃棄物の処理方法を提供すること。また、廃棄物処理と同時に鉄鉱石から安価に金属鉄を生産する方法を提供すること。【解決手段】有機物を主体とする廃棄物と酸化鉄含有物質との混合物を低酸素分圧下で急速加熱することにより、金属鉄と水素とを製造することを特徴とする有機系廃棄物の処理方法を用いる。有機物を主体とする廃棄物と酸化鉄含有物質との混合物を粒状物に成形した後に、低酸素分圧下で急速加熱すること、有機物を主体とする廃棄物がプラスチックを含有し、該プラスチックを所定の大きさに破砕後に、粉状または小粒状の酸化鉄含有物質と混合し、前記プラスチックおよび／または油脂系材料を結合材として粒状物を成形することが好ましい。【選択図】  図１
2005111394.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
有機物を主体とする廃棄物と酸化鉄含有物質との混合物を低酸素分圧下で急速加熱することにより、金属鉄と水素とを製造することを特徴とする有機系廃棄物の処理方法。
【請求項２】
有機物を主体とする廃棄物と酸化鉄含有物質との混合物を粒状物に成形した後に、低酸素分圧下で急速加熱することを特徴とする請求項１に記載の有機系廃棄物の処理方法。
【請求項３】
有機物を主体とする廃棄物がプラスチックを含有し、該プラスチックを所定の大きさに破砕後に、粉状または小粒状の酸化鉄含有物質と混合し、前記プラスチックおよび／または油脂系材料を結合材として粒状物を成形することを特徴とする請求項２に記載の有機系廃棄物の処理方法。
【請求項４】
有機物を主体とする廃棄物が、プラスチック、バイオマスの中から選ばれる１種または２種であることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれかに記載の有機系廃棄物の処理方法。
【請求項５】
酸化鉄含有物質が鉄鉱石、製鋼スラグ、転炉ダスト、圧延スラッジの中から選ばれる１種または２種以上であることを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれかに記載の有機系廃棄物の処理方法。
【請求項６】
低酸素分圧下での急速加熱を、高炉、転炉、電気炉、竪型還元炉、平面移動床式還元・焼結炉等の製鉄用の反応炉を用いて行うことを特徴とする請求項１ないし請求項５のいずれかに記載の有機系廃棄物の処理方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、廃プラスチック等の有機系廃棄物および酸化鉄を含有する廃棄物のリサイクル処理方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
製鉄業では、各種の産業廃棄物ならびに民生廃棄物を製鉄所内に受け入れて処理している。例えば、廃プラスチックを製鉄所でリサイクル処理することが知られている。プラスチックの主成分は炭素および水素であり、このような廃プラスチックの製鉄所内における処理方法は２つに大別される。ひとつは高炉へ廃プラスチックを吹き込む方法であり（例えば、特許文献１参照。）、もうひとつはコークス炉へ廃プラスチックを装入する方法である（例えば、特許文献２参照。）。
【０００３】
高炉へ吹き込むにせよ、製鉄用のコークスを製造するコークス炉へ装入するにせよ、いずれの場合も最終的には廃プラスチックは高炉内へ装入されることになる。高炉は鉄鉱石とコークスを主原料として稼動しているものであり、これに廃プラスチックを装入すると、高炉の操業条件がある程度は変動するので、高炉の安定操業の点ではあまり好ましいことではない。
【０００４】
製鉄所で受け入れ可能な廃棄物の他の例として廃木材がある。現在のところ、廃木材は高炉への吹き込みによる処理が検討されているが、これも高炉操業に全く支障がないというわけではない。木材の主成分は炭素、水素、酸素である。
【０００５】
製鉄所が受け入れる可能性のある廃棄物として廃紙がある。現段階では受け入れていなので処理コストは不明であるが、当然のことながら低コストで処理する必要がある。紙の主成分は、炭素、水素、酸素である。
【０００６】
したがって、表１に示すように、プラスチック、木材、紙はいずれも主成分に、炭素と水素、一部についてはさらに酸素を含むことが共通している。
【０００７】
【表１】
2005111394.tif 000003
【０００８】
次に、製鉄所内で発生する廃棄物には、製鋼スラグ、転炉ダスト、圧延スラッジなどがあることが知られている。
【０００９】
製鋼スラグは、転炉製鋼、溶銑処理などで発生し、年間発生量は１０００万トンにも達するものである。従来は埋め立てなどに使用されていたが、現在は埋め立て用としての需要が激減し、処理方法に窮して廃棄物となっている。
【００１０】
圧延スラッジは、圧延工程で圧延用ロールと鉄板との間の摩擦により鉄の表面がごくわずかに削り取られて微細な鉄粉あるいは酸化鉄粉となり、これに圧延機に使用される潤滑油、潤滑グリース、冷却水が混じりあったものである。水分は９５％以上である。ゆえに、圧延スラッジの処理にはまず脱水工程が必要である。脱水後には比較的鉄分の高い粉体となるが悪臭を放つという問題がある。現状では、これを焼却処理している。焼却処理には多大の熱エネルギーを必要とし、効率のよい処理方法ではない。
【００１１】
転炉ダストは、転炉内で発生した微細な金属鉄ヒュームに起因し、転炉の集塵用ダストで捕集されるものである。捕集直後の転炉ダストは散水冷却されるので、多量の水を含んでいる。年間発生量は製鋼スラグほど多くはないが、転炉ダストを脱水すると自然発火が頻発するので、処理が困難であるという問題がある。
【００１２】
上記の製鉄所内で発生する廃棄物には、多かれ少なかれ鉄が金属鉄あるいは酸化鉄として含有されているという共通点がある。製鋼スラグ、圧延スラッジ、転炉ダストの鉄含有率を表２に示す。
【００１３】
【表２】
2005111394.tif 000004
【００１４】
一方で、日本では鉄鉱石を産出しないため、製鉄原料である鉄鉱石は全面的に輸入に頼っている状況である。鉄鉱石価格は年々上昇しており、このままでは製鉄業の採算を悪化させる恐れもある。従って、鉄鉱石から安価に金属鉄が生産できれば非常に有効な技術となる。
【００１５】
【特許文献１】特開平９−１３７９２６号公報
【特許文献２】特開２００１−４９２６３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１６】
上記で説明したように、製鉄所で廃プラスチック、廃木材、廃紙等を受け入れて廃棄物処理を行う場合、現状では、製鉄業の本来業務に全く支障がないというわけではない。したがって本発明の目的は、このような従来技術の課題を解決し、より効果的に廃棄物処理を行うために、これら廃棄物の処理と同時に製鉄所内で発生する廃棄物を同時に処理可能であり、しかも廃棄物処理と同時に有用・有価な物質を生産できる有機系廃棄物の処理方法を提供することにある。
【００１７】
また本発明の他の目的は、廃棄物処理と同時に鉄鉱石から安価に金属鉄を生産する方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１８】
このような課題を解決するための本発明の特徴は以下の通りである。
【００１９】
（１）有機物を主体とする廃棄物と酸化鉄含有物質との混合物を低酸素分圧下で急速加熱することにより、金属鉄と水素とを製造することを特徴とする有機系廃棄物の処理方法。
【００２０】
（２）有機物を主体とする廃棄物と酸化鉄含有物質との混合物を粒状物に成形した後に、低酸素分圧下で急速加熱することを特徴とする（１）に記載の有機系廃棄物の処理方法。
【００２１】
（３）有機物を主体とする廃棄物がプラスチックを含有し、該プラスチックを所定の大きさに破砕後に、粉状または小粒状の酸化鉄含有物質と混合し、前記プラスチックおよび／または油脂系材料を結合材として粒状物を成形することを特徴とする（２）に記載の有機系廃棄物の処理方法。
【００２２】
（４）有機物を主体とする廃棄物が、プラスチック、バイオマスの中から選ばれる１種または２種であることを特徴とする（１）ないし（３）のいずれかに記載の有機系廃棄物の処理方法。
【００２３】
（５）酸化鉄含有物質が鉄鉱石、製鋼スラグ、転炉ダスト、圧延スラッジの中から選ばれる１種または２種以上であることを特徴とする（１）ないし（４）のいずれかに記載の有機系廃棄物の処理方法。
【００２４】
（６）低酸素分圧下での急速加熱を、高炉、転炉、電気炉、竪型還元炉、平面移動床式還元・焼結炉等の製鉄用の反応炉を用いて行うことを特徴とする（１）ないし（５）のいずれかに記載の有機系廃棄物の処理方法。
【発明の効果】
【００２５】
本発明によれば、高炉等の製鉄設備を用いて従来より効率よくかつ環境に低負荷の状態で有機系廃棄物を処理できる。また、製鉄所で発生する酸化鉄を含む廃棄物などを同時に処理可能であり、さらに副産物として有用・有価な金属鉄、および水素ガス等を生産できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２６】
本発明では、主に製鉄所外で発生する廃棄物から成る「特定還元材」と、主に製鉄所内で発生する廃棄物から成る「特定酸化鉄」とを混合させて、低酸素分圧下で加熱するだけで、廃棄物を有用な金属鉄に変えることができるものであり、廃棄物処理方法として、きわめて容易である。加えて、ＣＯガス、Ｈ2ガス等、燃料として利用可能なガスを回収できる。すなわち、製鉄所外で発生する有機系廃棄物と、製鉄所内で発生する廃棄物とを同時に処理し、しかも有用・有価物質が回収できることを見出し、本発明を完成したものである。以下の説明において、プラスチック、木材、紙等の総称として「特定還元材」と記載し、酸化鉄（鉄鉱石）、製鋼スラグ、圧延スラッジ、転炉ダスト等の総称として「特定酸化鉄」と記載する。なお、この「特定還元材」、「特定酸化鉄」には、上に述べた以外の物質も含まれるが、これについては後述する。
【００２７】
本発明ではまず、「特定還元材」と「特定酸化鉄」とを混合する。以下この混合物を「ハイブリッド混合物」と記載する。次に「ハイブリッド混合物」を低酸素分圧下で急速加熱することにより、金属鉄と水素とを製造する。
【００２８】
「ハイブリッド混合物」からは加熱と同時にガスが発生する。このガスの成分は主にＨ2とＣＯであり、Ｈ2Ｏはほとんど含まれないものである。また、加熱後の「ハイブリッド混合物」は主に金属鉄と固体炭素であり、「特定還元材」中の炭素は「特定酸化鉄」中の酸化鉄と反応し、酸化鉄を還元して、金属鉄を生成する。つまり酸化鉄を一般にＦｅＯn（ｎ＝１〜１．５）と表すと、ＦｅＯn＋ｎＣ＝Ｆｅ＋ｎＣＯの反応が起き、金属鉄とＣＯガスを生成する。これに対し、「特定還元材」中の水素は酸化鉄の還元反応には寄与していない。もし、水素が酸化鉄の還元に消費されるのであれば、ＦｅＯn＋ｎＨ2＝Ｆｅ＋ｎＨ2Ｏの反応によりＨ2Ｏが発生する。しかし、Ｈ2Ｏは全く発生せず、「特定還元材」中に含まれていた水素はすべてＨ2ガスとして回収される。これは非常に驚くべき新規な知見である。すなわち、「特定還元材」中に含まれる炭素は酸化鉄の還元に消費されるが、「特定還元材」中に含まれる水素は酸化鉄の還元には消費されないのである。金属鉄は「特定酸化鉄」中の酸化鉄の還元反応によって生成するので、反応生成物としてＣＯガスも生成する。したがって、Ｈ2ガスはＣＯガスとの混合気体として生成される。
【００２９】
「ハイブリッド混合物」を低酸素分圧下で急速加熱する際には、酸素分圧を１０ｋＰａ以下とすることが好ましい。特に好ましくは１００Ｐａ以下とする。このためにはＡｒ等の不活性ガス雰囲気中で加熱することが望ましい。また、急速加熱は１０℃／ｓｅｃ以上で１０００℃以上に加熱することが好ましく、１０００℃以上の高温の炉内に「ハイブリッド混合物」を吹込み等の手段により投入して１０〜２０００℃／ｓｅｃで加熱することが好ましい。特に好ましくは、加熱温度を１４００〜２２００℃とする。
【００３０】
「ハイブリッド混合物」は、粒状物に成形した後に、低酸素分圧下で急速加熱することが望ましい。粒状物とすることで、取扱いが容易となり、炉の吹込み原料として用いる際にも好適である。
【００３１】
有機物を主体とする廃棄物である「特定還元材」がプラスチックを含有し、該プラスチックを所定の大きさに破砕後に、粉状または小粒状の「特定酸化鉄」と混合し、前記プラスチックおよび／または油脂系材料を結合材として粒状物を成形することが好ましい。プラスチックがフィルム状のものが主体の場合は破砕後造粒するとハンドリングが容易になり好ましい。また、廃プラスチックはプラスチック以外の異物を多く含む場合があるので、これを除去した後に「特定酸化鉄」と混合することが望ましい。粒状物を成形する際には加熱することでプラスチックが軟化して結合材の働きをするが、必要に応じて油脂系材料を添加することができる。油脂系材料としては、例えばタール、ピッチ、アスファルト等を用いることができる。炉の吹込み原料として用いるためには、粒度が２０ｍｍ以下程度、圧潰強度が９．８Ｎ／１粒状物程度であることが望ましい。
【００３２】
「特定還元材」が、プラスチック、バイオマスの中から選ばれる１種または２種であることが望ましい。バイオマスは木材、紙、等の生物由来資源である。
【００３３】
「特定酸化鉄」である酸化鉄含有物質が鉄鉱石、製鋼スラグ、転炉ダスト、圧延スラッジの中から選ばれる１種または２種以上であることが好ましい。酸化鉄以外に金属鉄が含まれている場合もある。鉄鉱石や製鋼スラグは粉または小粒状として用いることが好ましい。
【００３４】
低酸素分圧下での急速加熱を、高炉、転炉、電気炉、竪型還元炉、平面移動床式還元・焼結炉等の製鉄用の反応炉を用いて行うことが望ましい。本発明では実施形態として製鉄所の高炉、転炉、電気炉、竪型還元炉、移動床炉などにおいてハイブリッド混合物を効率よく、安価に処理することにより、低環境負荷の廃棄物リサイクルを行うと同時に、金属鉄、一酸化炭素、水素等の有用、有価物を得ることができる。製鉄所内の炉以外でも、ハイブリッド混合物を低酸素分圧下で急速加熱可能であれば利用できる。図１に本発明の一実施形態のフロー図を示す。ハイブリッド混合物は、特定還元材と特定酸化鉄から構成されたもので、所定の大きさと強度を有するものである。図２には高炉において本発明を実施する場合の一実施形態の概略図を示す。
【００３５】
図２において、ハイブリッド混合物１を吹込みステーション２に投入し、空気または窒素をキャリヤーガス３として羽口４より高炉５に吹き込む。高炉５の羽口先は２０００℃以上の高温でかつ酸素分圧は非常に低い状態である。ハイブリッド混合物１は、その中に存在する特定還元材であるプラスチック類等の廃棄物中の炭素によって、特定酸化鉄が還元され（酸化鉄中の酸素が除去され）金属鉄とスラグが生成される。これらは高温であるため即座に溶融し、他の溶融鉄（溶銑）６、溶融スラグ７と同化する。一方、特定還元材中の炭素は一酸化炭素ガスとして、水素は水素ガスとして発生する。水素ガスは全体のガス（高炉ガス）８から既存の水素吸着分離法により容易に分離、回収できる。なお、転炉９、電気炉、竪型還元炉、移動床炉などにおいても高温の反応炉内にハイブリッド混合物を装入せしめることにより、高炉と同様な効果を発現することが可能である。
【実施例１】
【００３６】
「特定還元材」としてポリエチレン（Ｃ2Ｈ4）０．６３ｇと、「特定酸化鉄」として酸化鉄（Ｆｅ2Ｏ3：ヘマタイト）２．３７ｇとを混合してペレットに成形して「ハイブリッド混合物」とした。「ハイブリッド混合物」中の炭素と酸素の比率がモル比で１：１であり、これを酸素分圧１０１Ｐａ以下の低酸素分圧下とした高温のＡｒガス中に投入して、１４００℃〜２２００℃に急速に加熱した。加熱時間は２〜６０分とした。加熱と同時に「ハイブリッド混合物」からガスが発生した。発生ガスはガスバックに補修してガス成分をガスクロマトグラフにより測定した。このガスの成分を表３に示す。
【００３７】
【表３】
2005111394.tif 000005
【００３８】
次に加熱後の「ハイブリッド混合物」を分析した。加熱後の「ハイブリッド混合物」の組成を表４に示す。
【００３９】
【表４】
2005111394.tif 000006
【００４０】
表３、表４より、「特定還元材」中の炭素は「特定酸化鉄」中の酸化鉄と反応し、酸化鉄を還元して、金属鉄を生成していることが分かった。これに対し、Ｈ2Ｏが発生しなかったことから、「特定還元材」中の水素は酸化鉄の還元反応には寄与していなかった。「特定還元材」中に含まれていた水素はすべてＨ2ガスとして回収できた。
【００４１】
さらに「特定還元材」中に含まれる炭素と「特定酸化鉄」中に含まれる酸素の割合を０．５：１から１：１０まで変化させて実験を繰返した。いずれの場合も、「ハイブリッド混合物」を酸素分圧０．００１気圧以下の低酸素分圧下で１４００〜２２００℃に急速加熱することによって固体または液体状態の金属鉄とＨ2ガスを回収できることがわかった。反応生成物としてＣＯガスも生成し、Ｈ2ガスはＣＯガスとの混合気体になっていた。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】本発明の一実施形態のフロー図。
【図２】高炉において本発明を実施する場合の一実施形態の概略図。
【符号の説明】
【００４３】
１    ハイブリッド混合物
２    吹込みステーション
３    キャリヤーガス
４    羽口
５    高炉
６    溶銑
７    溶融スラグ
８    高炉ガス
９    転炉
【図１】
2005111394.tif 000007
【図２】
2005111394.tif 000008