(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
汚泥の焼却灰を溶融処理する方法であって、前記溶融処理に先立って、処理系にカルシウム成分及びケイ素成分を添加し、焼却灰中のカルシウム成分及びケイ素成分の量を、ＣａＯ及びＳｉＯ2換算で、図１の領域Ａの範囲に調節して、焼却灰の溶融／出滓特性を向上する溶融処理方法。
【請求項２】
請求項１に記載の溶融処理方法により焼却灰を溶融処理して、スラグを製造する方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、汚泥の焼却灰を処理するのに有用な溶融処理方法、及びこの処理方法を利用したスラグの製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、汚泥（下水汚泥など）は、衛生化や減容化などのために焼却炉で焼却し、得られた焼却灰を溶融処理している。例えば図７は、従来の溶融処理方法を示すフロー図である。すなわち、下水汚泥を脱水処理することによって水分を除き、脱水ケーキを焼却炉１で焼却することにより、第１段の減容化が行われる。生成した焼却灰は、前記焼却炉１の上部から延出する排ガスライン６を通じて排ガスと共にサイクロン３に供給され、排ガスと分離された後、前記サイクロン３の底部から払い出して、一旦フィーダー４に捕集される。捕集された焼却灰は、フィーダー４から溶融炉２に供給され溶融処理することにより、第２の減容化が行われ、スラグ化される。得られたスラグは前記溶融炉２の底部から出滓される。しかし、このような処理方法では、溶融処理時の焼却灰の溶融点（融点）及び粘度が極めて高いため、溶融点及び粘度を低減するための種々の方法が提案されている。
【０００３】
すなわち、焼却灰には種々の無機成分が含まれており、このうち、ＣａＯとＳｉＯ2との質量比（ＣａＯ／ＳｉＯ2：塩基度）が約１の場合、溶融点や粘性が低下することが知られている。そして焼却灰は、その原料となる下水汚泥の調質方法により、無機成分の割合が異なることも知られており、例えば、無機系調質剤（石灰など）で処理された汚泥は、ＳｉＯ2よりもＣａＯを多く含んでいるため、珪砂のみを添加（例えば前記図７において、焼却炉１に接続する添加ライン５ｄを通じて、珪砂のみを添加）して、塩基度を約１に調節する方法が提案されている。また有機系調質剤（高分子化合物など）で処理された汚泥は、ＣａＯよりもＳｉＯ2を多く含んでいるため、消石灰のみを添加（例えば前記図７において、溶融炉２に接続する添加ライン５ｅを通じて、消石灰のみを添加）して塩基度を約１に調節する方法が提案されている。しかしこれらの方法では、溶融温度や粘度の低下が不十分な場合が多く、溶融点や粘度を安定的に低下させることができない。このため、溶融スラグを安定して出滓するのが困難である。
【０００４】
また特開平６−７７９８号公報には、塩基度の高い汚泥に珪砂を加えて塩基度を調節するだけでなく、前記珪砂として非晶質珪砂を用いることにより溶融点や粘度を低下させる方法が開示されている。しかしこの方法では、高分子系下水汚泥など、元々塩基度が低い汚泥を処理することはできない。また、この方法によっても、溶融温度や粘度が十分に低下しない場合がある。
【０００５】
このように従来の方法では、溶融点や粘度を確実に低下させるのが困難である。そして溶融点や粘度が高くなった場合には、溶融点や粘度を低下させるため、一旦溶融処理したスラグを再加熱したり、粘性を低下させるための第３成分（Ｆe2Ｏ3など）をさらに添加するなどの方法も採られている。しかし再加熱する場合、燃料費が増大し、経済性が低下する。また溶融温度や粘度に応じて第３成分を添加する場合は、成分調整が煩雑であるだけでなく、そのための添加設備を増設する必要があり、コストパフォーマンスが悪い。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は上記の様な事情に着目してなされたものであって、その目的は、溶融点（又は、溶融処理温度）や粘度（粘性）を確実に低下することにより、溶融／出滓特性（取扱い性など）を向上できる溶融処理方法及びこの方法を利用したスラグの製造方法を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、前記課題を解決するために鋭意研究を重ねた結果、従来の塩基度を調節する方法では、塩基度調節剤（石灰、珪砂など）の原単位を低減するため、石灰及び珪砂の片方のみを添加していること、そして下水汚泥の焼却灰に含まれるＣａＯ及びＳｉＯ2の含有量が比較的少ないため、焼却灰中のＣａＯ及びＳｉＯ2の総量も比較的少なくなっていたこと（通常、５５質量％未満）を見出し、また一方ではＣａＯとＳｉＯ2の比率（塩基度）のみならず、ＣａＯとＳｉＯ2との総量も、溶融点や粘度に大きな影響を与えていることを見出し、さらにはＣａＯとＳｉＯ2との総量が５５質量％以上であって、かつ特定の組成領域になる様にＣａＯ及びＳｉＯ2の割合を調整すると、溶融点や粘度を確実に低下でき、溶融／出滓特性を向上できることを見出し、本発明を完成した。
【０００８】
すなわち、本発明に係る溶融処理方法は、汚泥の焼却灰を溶融処理する場合に、前記溶融処理に先立って処理系にカルシウム成分及びケイ素成分を添加することにより、焼却灰の溶融／出滓特性を向上する。前記添加において焼却灰中のカルシウム成分及びケイ素成分の量を、ＣａＯ及びＳｉＯ2換算で、図１の領域Ａの範囲に調節する。
【０００９】
なお本発明には、前記溶融処理方法により焼却灰を溶融処理して、スラグを製造する方法も含まれる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
[汚泥］
本発明では、種々の汚泥を処理できる。汚泥としては、有機成分及び無機成分を含みヘドロ状のものである限り特に限定されず、上水汚泥、下水汚泥（石灰系下水汚泥、高分子系下水汚泥など）などが挙げられる。
【００１１】
なお前記汚泥（特に、下水汚泥）を単に焼却処理すると、焼却灰中にはＣａＯ、ＳｉＯ2の他、他の成分（例えば、Ｆｅ2Ｏ3、Ａｌ2Ｏ3、Ｐ2Ｏ5、ＭｇＯ、Ｋ2Ｏ、Ｎａ2Ｏなど）が含まれることが多い。また、焼却灰の塩基度［ＣａＯ／ＳｉＯ2（質量比）］も一定ではなく、石灰系下水汚泥の焼却灰の場合、通常、１〜８程度の範囲で変動し、高分子系下水汚泥の焼却灰の場合、通常、０．１〜０．５程度の範囲で変動する。また、焼却灰中のＣａＯとＳｉＯ2との総量も一定ではなく、石灰系汚泥の場合、通常、３０〜５０質量％の範囲で変動し、高分子系下水汚泥の焼却灰の場合、通常、２５〜４５質量％の範囲で変化する。そこで、本願発明では、以下に述べるように、カルシウム成分及びケイ素成分を添加して、焼却灰中のカルシウム成分及びケイ素成分の量を特定の範囲に調節している。
【００１２】
［カルシウム成分］
カルシウム成分としては、カルシウム化合物、例えば、無機系化合物［酸化カルシウム（生石灰）、水酸化カルシウム（消石灰）、無機酸塩（塩化カルシウム、フッ化カルシウム、硫酸カルシウム、炭酸カルシウム、リン酸カルシウムなど）］、有機系化合物［コハク酸カルシウム、乳酸カルシウムなどの有機酸塩など］などが使用できる。また、カルシウム成分には、前記カルシウム化合物を含有する組成物、例えば、ホタル石、石灰系焼却灰、カルシウム化合物を多量に含有する製品（又は廃棄物）なども含まれる。なお、カルシウム組成物中のカルシウム化合物の割合は、例えば、５０質量％以上（例えば、５０〜１００質量％）、好ましくは７０質量％以上、さらに好ましくは９０質量％以上である。
【００１３】
前記カルシウム成分は、単独で又は二種以上組み合わせて使用できる。好ましいカルシウム成分は、無機カルシウム化合物、特に酸化カルシウム又は水酸化カルシウムである。
【００１４】
［ケイ素成分］
ケイ素成分としては、酸化ケイ素（ＳｉＯ2）、ケイ酸塩（ケイ酸ナトリウム、ケイ酸カリウムなど）などが例示できる。また、ケイ素成分も、前記カルシウム成分と同様に、ケイ素化合物を含有する組成物であってもよい。この組成物としては、珪砂、高分子系焼却灰、ケイ素化合物を多量に含有する製品（又は廃棄物）などが挙げられる。該組成物中のケイ素化合物の割合は、例えば、５０質量％以上（例えば、５０〜１００質量％）、好ましくは７０質量％以上、さらに好ましくは９０質量％以上である。
【００１５】
前記ケイ素成分は、単独で又は二種以上組み合わせて使用できる。好ましい珪素成分は、酸化ケイ素、珪砂などである。
【００１６】
なお本発明では、前記カルシウム成分又はケイ素成分として、カルシウムとケイ素との両方の成分を含む化合物（又は、その組成物）を用いてもよい。カルシウムとケイ素とを含む化合物としては、ケイ酸カルシウムが挙げられる。
【００１７】
［処理方法］
図２は、本発明における汚泥の処理方法を説明するための概略フロー図である。なお、前述の図８と同じ構成部分については同一の符号を付して重複説明を避ける。
【００１８】
すなわち汚泥は、脱水処理により水分を除いた後、焼却炉１で焼却する。生成した焼却灰は、直接溶融炉２に供給してもよいが、図２の例ではサイクロン３により排ガスと分離した後、フィーダー４を通じて溶融炉２に供給している。この溶融炉２で焼却灰を溶融処理することにより、スラグを製造する。得られたスラグは前記溶融炉２の底部から出滓する。
【００１９】
そして本発明では、溶融処理に先立ってカルシウム成分及びケイ素成分を処理系に添加することにより、焼却灰中のケイ素成分及びカルシウム成分の量を、ＣａＯ及びＳｉＯ2換算で、図１の領域Ａ（好ましくは領域Ｂ）の範囲に調節している。
【００２０】
前記領域Ａ〜領域Ｂでは、塩基度（ＣａＯ／ＳｉＯ2）は、０．４５〜１．６（好ましくは０．６〜１．５５、特に０．７〜１．５）程度であり、焼却灰中のＣａＯとＳｉＯ2との総量は、５５質量％以上（好ましくは６０質量％以上、さらに好ましくは６５質量％以上、特に７０質量％以上）（ただし、１００質量％を含まず）である。
【００２１】
すなわち本発明では、焼却灰の塩基度（ＣａＯ／ＳｉＯ2）のみならず、焼却灰中のＣａＯ及びＳｉＯ2の総量をも調節している。これにより焼却灰の溶融点（又は溶融温度、出滓温度）や粘度を確実に低下でき、被溶融処理物（焼却灰、その溶融処理に得られるスラグなど）の溶融／出滓特性を向上できる。
【００２２】
なお前記ＣａＯの含有量は原子吸光法により測定でき、ＳｉＯ2の含有量は重量法により測定できる。
【００２３】
カルシウム成分及びケイ素成分の添加は、焼却灰を溶融処理する前であれば、いずれのタイミングで行ってもよい。添加のタイミングとしては、１）脱水汚泥の焼却前（以下、方法１と称する）、２）脱水汚泥の焼却中（以下、方法２と称する）、３）焼却後、焼却灰と排ガスとを分離する前（以下、方法３と称する）、４）焼却灰と排ガスとを分離した後、焼却灰を溶融処理する前（以下、方法４と称する）などが例示できる。例えば、前記方法２（脱水汚泥の焼却中の添加）の場合、図２に示すように、焼却炉１に接続する添加ライン５ａを通じて添加できる。前記方法３（焼却後、焼却灰と排ガスとを分離する前の添加）の場合、例えば、図２に示すように、焼却炉１の上部から延出してサイクロン３に向かう排ガスライン６に合流する添加ライン５ｂを通じて添加できる。さらに、前記方法４（焼却灰と排ガスとを分離した後、焼却灰を溶融処理する前の添加）の場合、例えば、図２に示すように、溶融炉２の上部に接続する添加ライン５ｃを通じて添加できる。
【００２４】
またカルシウム成分とケイ素成分とは、必ずしも同じタイミングで添加する必要はなく、異なるタイミングで添加してもよい。さらにカルシウム成分とケイ素成分とは、それぞれ、複数のタイミングに分けて添加してもよい。例えば、前記２）のタイミング（脱水汚泥の焼却中）においてカルシウム成分とケイ素成分とを添加した後、前記４）のタイミング（焼却灰と排ガスとを分離した後、焼却灰を溶融処理する前）においてカルシウム成分を添加してもよい。
【００２５】
なお被溶融処理物（焼却灰、その溶融処理により得られるスラグなど）の溶融／出滓特性を向上するため、第３の成分（Ｆｅ2Ｏ3など）を添加してもよいが、本発明では実質的な添加成分が前記カルシウム成分及びケイ素成分のみであってもよい。カルシウム成分及びケイ素成分のみの添加であっても、特定の組成領域となる様にＣａＯ及びＳｉＯ2の割合を調整しているため、溶融／出滓特性を確実に向上でき、第３の成分を添加するための特別な設備が不要となり、生産コストを低減できる。
【００２６】
成分調整した焼却灰（又は、さらに加熱処理した焼却灰）は、前記溶融炉２で溶融処理することにより、スラグ化する。本発明では、成分調整により被処理物の溶融点及び粘度を低減しているため、溶融温度を高くする必要がない。また得られたスラグの粘度も低いため、溶融炉２から容易に出滓できる。
【００２７】
溶融温度は、例えば、１４００℃以下、好ましくは１３５０℃以下、さらに好ましくは１３００℃以下程度である。なお溶融温度は、通常１０００℃以上であり、１１００℃以上であってもよい。
【００２８】
このようにして得られたスラグは、埋め立てに利用してもよいが、建築資材（路盤材、コンクリート骨材、コンクリート防食材など）などとしても利用できる。特に本発明により得られるスラグは、低粘度で製造されるため排ガスを効率よく除去でき、気泡分が少なく、良質の資材として利用できる。
【００２９】
【実施例】
以下、実施例を挙げて本発明をより具体的に説明するが、本発明はもとより下記実施例によって制限を受けるものではなく、前・後記の趣旨に適合し得る範囲で適当に変更を加えて実施することも勿論可能であり、それらはいずれも本発明の技術的範囲に包含される。
【００３０】
比較例１
種々の下水汚泥焼却灰の溶融特性（温度と粘度との関係）を、焼却灰の成分を調整することなく、測定した。
【００３１】
なお、溶融特性の測定は、図３に示す振動片式粘度測定装置を用いて行った。すなわち、図３の装置では、試料を加熱するための電気炉１１に試料を充填するための白金ルツボ１２が収容されている。この白金ルツボ１２には、振動発生器１３で発生した振動を白金ルツボ１２内の試料に伝達するための白金振動片１４が、前記電気炉１１の上部の挿入口を通じて、白金ルツボ１２内に挿入されている。
【００３２】
このような装置において、白金ルツボ１２に焼却灰を充填し、電気炉１１により焼却灰を加熱すると共に、白金振動片１４により焼却灰を振動させる。そして、試料の温度を、白金ルツボ１２に挿入された温度計１５を通じて測定すると共に、振動に対する抵抗（粘性）を、白金振動片１４の軸部に取り付けられたミラー１６を通じてレーザー変位計１７により計測することにより、溶融特性を測定した。
【００３３】
用いた下水汚泥焼却灰の組成を表１に示し、その溶融特性を図４に示す。
【００３４】
【表１】
0004510330.tif 000002
【００３５】
表１及び図４から明らかなように、成分調整することなく下水汚泥焼却灰を溶融処理すると、１４００〜１５００℃付近まで粘性が高く、溶融処理は困難である。
【００３６】
比較例２
図７に示す方法に従って、消石灰単独を添加することにより、表２に示す組成を有する下水汚泥焼却灰を調製した。得られた下水汚泥焼却灰の溶融特性を比較例１と同様にして測定した。
【００３７】
結果を表２及び図５に示す。
【００３８】
【表２】
0004510330.tif 000003
【００３９】
表２及び図５から明らかなように、消石灰単独の添加による成分調整では、１３５０℃より高い温度でも粘度が急増し、さらには１４００℃より高い温度でも粘度が急増する場合もあり、粘度を確実に低下することが困難である。
【００４０】
実施例１
図２に示す方法（方法２）に従って、消石灰及び珪砂を添加することにより、表３に示す組成を有する下水汚泥焼却灰を調製した。得られた下水汚泥焼却灰の溶融特性を比較例１と同様にして測定した。
【００４１】
結果を表３及び図６に示す（なお図６には前記測定結果に加えて、実施例１及び比較例２と同様にして調製した種々の下水汚泥焼却灰の測定結果も併せて示した）。
【００４２】
【表３】
0004510330.tif 000004
【００４３】
表３及び図６から明らかなように、消石灰及び珪砂を添加し、焼却灰中のＣａＯ及びＳｉＯ2の組成を特定の領域に調整すると、比較的低い溶融温度（例えば、１３５０℃以下、特に１３００℃以下）でも、粘度を確実に低下できる。
【００４４】
【発明の効果】
本発明によれば、カルシウム成分とケイ素成分との両方を添加することにより、焼却灰中のカルシウム成分とケイ素成分とを特定の範囲に調節しているため、焼却灰の溶融温度やスラグの粘度を確実に低下でき、幅広い温度域で低粘性をスラグに持たせることができる。そのため、溶融温度及び出滓温度を比較的低温にすることができ、燃料消費量を低減でき、装置（耐火装置）を延命でき、維持管理性を向上できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は溶融／出滓特性を確実に向上するために必要な焼却灰中のカルシウム成分及びケイ素成分の組成を示す三角相図である。
【図２】図２は本発明の溶融処理方法の一例を示すフロー図である。
【図３】図３は溶融特性の測定方法を説明するための装置該略図である。
【図４】図４は比較例１の焼却灰の溶融特性を示すグラフである。
【図５】図５は比較例２の焼却灰の溶融特性を示すグラフである。
【図６】図６は実施例１の焼却灰の溶融特性を示す三角相図である。
【図７】図７は従来の溶融処理方法を示すフロー図である。
【符号の説明】
１  焼却炉
２  溶融炉
【図１】
0004510330.tif 000005
【図２】
0004510330.tif 000006
【図３】
0004510330.tif 000007
【図４】
0004510330.tif 000008
【図５】
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【図６】
0004510330.tif 000010
【図７】
0004510330.tif 000011