(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
灰分または灰分を含む物質を加熱溶融後に冷却固化して得られる溶融スラグ中の成分元素の内、アルカリ土類金属とアルカリ金属の含有モル量の合計が、前記溶融スラグ中に含まれる重金属の溶出を設定量以下に抑えるべく溶出環境のｐH値とスラグ骨格の安定性との関係に基づいて定めたスラグ単位重量当たり所定の量以下となるように、Ｓｉを含有する物質を前記灰分または灰分を含む物質に添加して前記溶融スラグの組成を調整することを特徴とする溶融スラグの品質管理方法。
【請求項２】
前記溶融スラグ中のアルカリ土類金属とアルカリ金属の含有モル量の合計がスラグ１ｋｇ当たり６モル以下となるように、前記溶融スラグの組成を調整することを特徴とする請求項１に記載の溶融スラグの品質管理方法。
【請求項３】
前記Ｓｉを含有する物質として砂、岩石、陶磁器、ガラス、煉瓦の少なくとも１種を、前記灰分または灰分を含む物質に加えて加熱し共溶融スラグ化することによって、前記溶融スラグ中のアルカリ土類金属とアルカリ金属の含有量を希釈し、組成を調整することを特徴とする請求項１または２に記載の溶融スラグの品質管理方法。
【請求項４】
前記溶融スラグ中のアルカリ土類金属とアルカリ金属の含有モル量を定量し、定量された前記含有モル量の合計から前記灰分または灰分を含む物質に加えるべき前記Ｓｉを含有する物質の量を定め、その量に基づいて前記Ｓｉを含有する物質を加え、加熱して共溶融スラグ化し、さらにこれらの一連の操作を繰返して前記溶融スラグの組成を逐次調整することを特徴とする請求項３に記載の溶融スラグの品質管理方法。
【請求項５】
前記溶融スラグ中のアルカリ土類金属とアルカリ金属の含有モル量を、蛍光Ｘ線分析法によって定量することを特徴とする請求項４に記載の溶融スラグの品質管理方法。
【請求項６】
灰分または灰分を含む物質を加熱して溶融スラグ化する溶融炉と、該溶融炉から排出される溶融スラグ中の含有元素の含有量を定量する分析計と、前記溶融スラグの組成調整用のＳｉを含有する物質を前記溶融炉に供給する供給装置と、前記分析計が示す定量結果に基づいて、前記溶融スラグ中のアルカリ土類金属と前記アルカリ金属の含有モル量の合計が、前記溶融スラグ中に含まれる重金属の溶出を設定量以下に抑えるべく溶出環境のｐH値とスラグ骨格の安定性との関係に基づいて定めたスラグ単位重量当たり所定の量以下となるように、前記供給装置における前記組成調整用のＳｉを含有する物質の供給量を逐次制御する制御装置とを備えたことを特徴とする溶融スラグの品質管理装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、灰分または灰分を含む物質から生成される溶融スラグ、特に都市ごみ・汚泥・カーシュレッダーダストなど廃棄物由来の灰分の溶融スラグや、溶鉱炉スラグなどの品質管理方法および装置に関する。特に、溶融スラグの埋立てあるいは有効利用時における化学的安定性の管理に関する。
【０００２】
【従来の技術】
我が国では、廃棄物の焼却灰を溶融スラグ化処理することにより、埋立て地の延命化を図ったり、他製品への有効再利用を進める動きが、現在活発になっている。溶融スラグは元の灰に比べ、はるかに減容化されて埋立て上有利になると共に、ダイオキシンなどの有害有機物をほとんど含有せず、また有害重金属が非常に安定に固定化され溶出し難くなるという長所を持つ。また、同様の理由により、溶鉱炉から排出される溶融スラグの建材・道路の路盤材などへの有効利用も進められている。
【０００３】
溶融スラグ化の際の品質管理として、灰分を溶融する加熱温度と高温粘性については従来多くの研究がなされており、さらに溶流する温度をできるだけ低下させるためスラグの成分調整が試みられてきた。これは、所要エネルギーを削減し、また運転しやすくすると共に、溶融炉の内壁の熱的損傷をできるだけ抑えることが主たる目的である。たとえば、溶鉱炉においては一般に石灰石（ＣａＣＯ3）が添加され、高温時のスラグ粘性を低下させて排出させやすくしていることは、周知の通りである。また、たとえば特開平７−１５５７２８号公報には、廃棄物の焼却灰の溶融スラグ化に際し、ＣａＯ、Ａｌ2Ｏ3、ＳｉＯ2の３成分組成を調整し、なるべく低い温度（1400℃）において４０ポアズ以下まで粘性を下げ、溶流性を高める手法が提案されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、生成されるスラグの化学的安定性と組成との関係については、必ずしも十分な検討がなされていない。これまでは専ら、先の溶融炉の例や特開平７−１５５７２８号公報に示されるように、高温時のスラグ粘性を下げてより低温で溶流し易くさせるために、組成の調整がなされてきたと言える。この目的に対しては、ＣａＯなどアルカリ土類金属化合物やアルカリ金属化合物などの添加により、スラグの珪酸ネットワークの３次元架橋結合を切断する手法が一般的によく用いられる。
【０００５】
しかし一方で、この手法は、埋立てや有効利用の条件下におけるスラグ骨格の化学的安定性を低下させ易い。化学的安定性の低いスラグからは、有害重金属類も溶出し易くなる。したがって、むやみに溶流温度を低下させるために石灰石を多量に加えるなどのことは品質管理上からは好ましくない。しかしながら現在まで、溶融スラグの化学的安定性を管理する明確な基準は示されておらず、またその管理法も提案されていない。本願発明者は、溶融スラグの化学的安定性と組成との関係、および化学的安定性の制御方法について研究を進めた。
【０００６】
本発明の目的は、溶融スラグの化学的安定性を高めて有害重金属類が該スラグから溶出しにくくできる溶融スラグの品質管理方法および装置を提供することにある。また、溶融スラグの組成を迅速に測定し、それからスラグの化学的安定性を評価、さらには制御する手法を提供することを目的としている。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
先ず本願発明の根拠として、溶融スラグの骨格となっているアルミノ珪酸ネットワークの化学的安定性、および含有される有害重金属の溶出性と、溶出環境の水素イオン濃度、並びにスラグの組成との関係について説明する。
スラグが最終処分される場合、埋立て地中の環境において有害重金属類の溶出性を最も左右する因子の一つに水素イオン濃度（酸性度）またはｐＨ（ｐＨは水素イオンのモル濃度の逆数の常用対数）がある。また、スラグの有効利用上も、使用される環境の水素イオン濃度における溶出性を把握する必要がある。本願発明者の研究の成果から、酸性度が変化する水中における溶融スラグからの含有元素の溶出性とスラグ組成との間には、以下のような関係がある事が判った。
【０００８】
図３は、図２の廃棄物処理装置によって都市ごみを低温乾留および燃焼・溶融させて得られた水砕溶融スラグ試料を溶出水中で撹拌し、重金属溶出量を溶出水のｐＨに対してプロットした結果の一例である（図２の装置の運転については実施の形態の実施例２で説明する）。ここでは、特に鉛（Ｐｂ）の結果を示した。下向き矢印のついたデータのプロット点は検出下限界以下であることを示す。一般に、都市ごみ灰分から得られるスラグにおいては、有害重金属類の中でも鉛の溶出量が環境上、最も問題となるケースが多い。なお、溶出試験に際しては、試料全量を粒径３００μｍ未満にあらかじめ粉砕し、純水を１リットル／100ｇ−スラグとなるように加え、そのｐＨが所定の値に保たれるように所定濃度の硝酸または水酸化ナトリウム水溶液を添加しながら、６時間撹拌した。
【０００９】
なお、日本では近年、スラグや焼却灰のような対象についての有害物溶出性の比較評価基準として、埋立て物の溶出性評価の試験法である昭和４８年環境庁告示第１３号（環告１３号）の基準を参考にする場合が多い。これに規定された試験においては、溶出液として純水を用い、ｐＨを制御することなく浸漬撹拌して溶出試験を行う。この試験において、試料／溶出水の量比（１リットル／100ｇ−スラグ）、および溶出時間（６時間）は今回我々が採用した条件と同じであるが、試料の粒径を０．５〜５ｍｍとするように定めている。一方、我々が採用した全量３００μｍ未満という試料粒径は、環告１３号の試験法に比べてより小さく、その結果比表面積が大きくなるため、より厳しい加速的溶出条件となっている。参考までに、図３には、環告１３号に規定された鉛の溶出の上限基準（０．３ｍｇ−Ｐｂ／１リットル−溶出水をスラグ重量当たりに換算したもの）と、実際の環告１３号による溶出試験結果とを、それぞれスラグ１ｇ当たりのＰｂ溶出量に換算し直して付記した。また、試験したスラグ中の鉛の含有量（この試料では２５００ｍｇ−Ｐｂ／ｋｇ−スラグ）も付記してある。
【００１０】
図３より、このスラグの例では、溶出液の水素イオン濃度がｐＨ５〜ｐＨ１２ないし１３である範囲、即ち弱酸性〜アルカリ性の広い領域において、鉛の溶出量が環告１３号の鉛溶出基準である０．３ｍｇ−Ｐｂ／１リットル−溶出水（スラグ重量当たりの溶出量に換算すると３ｍｇ−Ｐｂ／ｋｇ−スラグ）を全て下回り、極めて低い溶出レベルにとどまっていることが判る。一方、強酸性側のｐＨ約４以下では、ｐＨの低下と共に鉛の溶出量が急激に増加している。多数のスラグ試料について、含有される主要成分元素や重金属類（スラグ骨格ネットワークの構成元素：Ｓｉ、Ａｌ、およびスラグ中の陽イオン性修飾元素：Ｃａ、Ｍｇ、Ｎａ、Ｋ、Ｆｅ、Ｚｎ、Ｃｕ、Ｐｂ、Ｃｄなど）の溶出量のｐＨ依存性を調べたところ、ｐＨ２〜５の間のあるｐＨにおいて、このような溶出挙動の急変が、全元素とも非常に似た形で現れる場合が多いことが判った。即ち、このｐＨ以下では全元素が一緒に溶出するようになり、言い換えれば、スラグの骨格自体が不安定化して崩れ始めることを意味する。一方、スラグ骨格が安定なｐＨ５〜１２ないし１３の範囲では、図３に示した鉛の他に、Ｃｄ、Ｈｇ、Ａｓその他、環告１３号に規定されている全ての有害重金属類の溶出量がそれぞれの基準値を下回った。
【００１１】
本願発明者の研究の結果、酸性域におけるスラグ骨格の不安定化は次のような機構で起こることが判明した。即ち、環境のｐＨが低下するに従い、最も溶出し易いＮａやＫなどのアルカリ金属、およびスラグ骨格のアルミノ珪酸ネットワークをイオン架橋していたＣａやＭｇなどのアルカリ土類金属、さらにはネットワークの成分であったＡｌなどまでが、陽イオンとして急激に溶出することによって前記不安定化が起こる。
【００１２】
ここで、今回我々が採用した全量３００μｍ未満という溶融スラグ試料粒径、６時間の溶出時間、およびｐＨ一定制御という条件下における溶出実験結果より、「不安定化上限ｐＨ」という指標を導入することにする。この「不安定化上限ｐＨ」は、以上の溶出試験条件の下で、環告１３号に定められた全ての有害重金属元素の溶出基準量を下回る溶出結果を与える制御ｐＨとする。図３に、参考までに鉛（Ｐｂ）に対する不安定化ｐＨの位置を示した。前述のように、鉛（Ｐｂ）の溶出性が環境上、有害重金属類の内でも最も問題になる場合が多い。図３に例示したスラグにおいても、図３に示されたＰｂの不安定化上限ｐＨ（このスラグについては４．０）以上のｐＨに制御して溶出試験を行なった場合、鉛（Ｐｂ）を含む全ての有害重金属元素の溶出量が環告１３号の溶出基準を下回り、環境上問題を生じなくなる。一方、この不安定化上限ｐＨ以下のｐＨにおいては、スラグの骨格が不安定化し始め、その結果、有害重金属類の溶出量が環告１３号の基準を越えるようになる。
【００１３】
こうした骨格の不安定化上限ｐＨの値、および不安定化する程度は、これらアルカリ金属およびアルカリ土類金属の含有モル量の合計値によってほぼ決定されることも判った。この含有モル量の合計値が大きい程高いｐＨで骨格不安定化が始まる。ここで含有モル量とは、スラグ単位重量当たりの含有陽イオン（ここではアルカリ金属およびアルカリ類金属）の合計モル数である。
【００１４】
一方、不安定化上限ｐＨよりも高いｐＨ範囲（弱酸性〜アルカリ性）においては、スラグ中のアルカリ金属およびアルカリ土類金属の含有量そのものが、有害重金属類の溶出性に大きな影響を及ぼすことはほとんどない。このｐＨ域では、適切な溶融方法によって十分に均質なガラス状のスラグを形成させる限り、環境上問題なく有害重金属類の溶出を抑えることが可能である。たとえばＰｂであれば、我々の行っている一般廃棄物の灰分の溶融スラグ化条件では、Ｐｂ含有量が約１％以下ならば、後述するスラグ組成によらずｐＨ５以上ｐＨ１２ないし１３に至るまで、環告１３号の溶出基準を常に満たし得ることが判っている。
【００１５】
一方、一般廃棄物を埋立てる地中環境のｐＨは、普通６程度であると言われる。従って、溶融スラグを埋立てる場合、ｐＨとして６程度で骨格が安定に保たれれば、有害重金属類の耐溶出性を含め、スラグの化学的安定性には特に問題が生じない。このため、通常の一般廃棄物から製造されるスラグについては、組成がいかなるものであるにせよ、全く問題なく埋立て処分することが可能である。以下に述べる本発明の適用は、以上の通常の埋立て環境以上に過酷な、より低いｐＨ域（強酸性域）での保存および再生利用上の環境下での化学的安定性を確保したい場合を特に想定している。
【００１６】
次に、上記根拠を前提として、前述の課題を解決するために、本願発明は以下のような手段を用いるものであることを説明する。
【００１７】
（第１発明）
まず、灰分または灰分を含む物質を加熱溶融後に冷却固化して得られる溶融スラグ中の成分元素の内、アルカリ土類金属とアルカリ金属の含有モル量の合計が、前記溶融スラグ中に含まれる重金属の溶出を設定量以下に抑えるべく溶出環境のｐH値とスラグ骨格の安定性との関係に基づいて定めたスラグ単位重量当たり所定の量以下となるように、Ｓｉを含有する物質を前記灰分または灰分を含む物質に添加して前記溶融スラグの組成を調整することを特徴とする溶融スラグの品質管理方法を第１発明とする。
【００１８】
上述の通り、スラグ骨格の不安定化上限ｐＨの値、および不安定化する程度は、アルカリ金属およびアルカリ土類金属の含有モル量の合計値によって、ほぼ決定される。骨格が安定なｐＨ領域では、有害重金属の溶出性を含め、スラグの化学的安定性には特に問題が生じない。従って、第１発明によれば、溶融スラグ中のアルカリ金属およびアルカリ土類金属の含有モル量が所定の量以下になるようにその組成を調整することによって、その所定の量に該当するｐＨ付近以上でのスラグ骨格の不安定化を防ぎ、また不安定化の程度をより小さくし、かつ有害金属類の溶出量を所定の基準以下に抑えることができる。その結果、このｐＨ以上での溶融スラグの化学的安定性および有害重金属類の耐溶出性を確保し、品質を管理できる。これより、このｐＨ以上の環境において、かかるスラグを安全に埋立てまたは保管でき、あるいは有効利用できるようになる。なお、溶融スラグのアルカリ金属およびアルカリ土類金属の含有モル量が元々、想定していた所定の量以下であるならば、化学的安定性の面からは特に組成を調整する必要がないのは言うまでもない。
【００１９】
なお、本発明の内容には、以下のような別の表現による同一内容も含まれることに注意されたい。
【００２０】
まず、アルカリ金属およびアルカリ土類金属の含有モル量がスラグ単位重量当たり所定の量以下であるということは、そのモル量と等価なアルカリおよびアルカリ土類金属に属する各元素の重量（たとえばｋｇ単位）それぞれをある量以下にすることと実質同じである、という点である。
【００２１】
さらに、アルカリ金属およびアルカリ土類金属の含有モル量もしくはそれぞれの重量を所定の量以下にするということは、スラグ中の残りの成分（たとえばＳｉやＡｌ、Ｏ（酸素）など）の合計量をある量以上にする、ということとも実質同一である。これらの表現による内容も、本発明の別表現として本発明に含まれる。
【００２２】
（第２発明）
また、前記溶融スラグ中のアルカリ土類金属とアルカリ金属の含有モル量の合計がスラグ１ｋｇ当たり６モル以下となるように、前記溶融スラグの組成を調整することを特徴とする溶融スラグの品質管理方法を第２発明とする。
【００２３】
近年、含有成分の溶出に対する想定し得る最も過酷な仮想的埋立て環境のｐＨとして、ｐＨ４が想定されるようになりつつある（これは、酸性雨などによって土壌がそれ以上は酸性化され得ない仮想的限度と見なされている）。このような想定ｐＨ４の近傍においては、アルカリ金属およびアルカリ土類金属の含有モル量の合計が６ｍｏｌ／ｋｇ−スラグ以上である時、スラグの不安定化上限ｐＨが４以上となることが判った。これより合計含有モル量が下回れば、こうした仮想的な劣悪環境においてもスラグは化学的に安定であり、有害重金属類の溶出量も環告１３号の溶出基準の相当量以下に抑えることができると見なせる。従って、第２発明では溶融スラグ中のアルカリ金属およびアルカリ土類金属の含有モル量合計が６ｍｏｌ／ｋｇ−スラグとなるようにその組成を調整することによって、ｐＨ４付近以上でのスラグ骨格の不安定化を防ぎ、その結果、極めて過酷な仮想的埋立て条件においても溶融スラグの化学的安定性と重金属類の耐溶出性を確保し、品質を管理できる。
【００２４】
（第３発明）
さらに、Ｓｉを含有する物質を、前記灰分または灰分を含む物質に加えて加熱し共溶融スラグ化することによって、前記溶融スラグ中のアルカリ土類金属とアルカリ金属の含有量を希釈し、組成を調整することを特徴とする溶融スラグの品質管理方法を第３発明とする。
【００２５】
ここでＳｉを含有する物質とは、ＳｉやＳｉＯ2、珪酸塩、その他のＳｉ化合物を含有するものであって、たとえば珪砂などＳｉを含有する砂や岩石、焼却炉の焼却灰・飛灰、陶磁器・ガラス（カレット）・煉瓦などが挙げられる。また、これらの内の複数を用いる場合も有る。ただし、Ｓｉを含有する物質全体として該物質から生じるスラグ分の単位重量当たりのアルカリ土類金属とアルカリ金属の含有モル量の合計が、元々の溶融スラグ中のアルカリ土類金属とアルカリ金属の含有モル量の合計より少なくなければ、生じる溶融スラグの化学的安定性を向上させる効果がない。さらに、該物質から生じるスラグ分の単位重量当たりのＳｉ含有量が元々の溶融スラグ中のＳｉ含有量よりも多いことが、スラグの化学的安定性向上のためには好ましい。
【００２６】
第３発明では、溶融スラグ化の際に、珪砂などの砂や岩石、焼却炉の焼却灰・飛灰、陶磁器・ガラス（カレット）・煉瓦などのようにＳｉを含有する物質を加え、共溶融することによって、溶融スラグ中のアルカリ土類金属とアルカリ金属の含有量を希釈し、前述の強酸性域でのスラグ骨格の不安定化上限ｐＨを下げ、また重金属類の耐溶出性を確保している。共溶融の際、スラグ骨格の不安定化上限ｐＨをどの程度低下させるべきかを判断した上で、たとえば前述の第２発明において示された指標に従い、元の溶融スラグの組成および生成量と、加えるＳｉを含有する物質中のアルカリ土類金属とアルカリ金属の含有量から、該物質の加えるべき量を算出する。この量は、次式（１）で算出される。
【００２７】
【数１】
0004115591.tif 000002
【００２８】
ここで、
ＷA：加えるべきＳｉを含有する物質の量（単位時間当たり。以下、同じ）
ＷB：元の溶融スラグの生成量
ｆA：Ｓｉを含有する物質の溶融過程での揮発率（（１−ｆA）はスラグになる比率）
ΣＭＯＬA：Ｓｉを含有する物質中のアルカリ土類金属とアルカリ金属の含有モル量の合計（単位重量当たり。以下、同じ）
ΣＭＯＬB：元の溶融スラグ中のアルカリ土類金属とアルカリ金属の含有モル量の合計
ΣＭＯＬpH：設定したい不安定化ｐＨに対応する、組成を制御した後の共溶融スラグ中のアルカリ土類金属とアルカリ金属の含有モル量の合計である。
【００２９】
尚、元の溶融スラグの原料である、灰分または灰分を含む物質の供給量ＷB'は、次式（２）で表される。ここで、
ｆB：灰分または灰分を含む物質（元の溶融スラグの原料）の溶融過程での揮発率
である。
【００３０】
【数２】
0004115591.tif 000003
【００３１】
従って、灰分または灰分を含む物質の供給量に対する、Ｓｉを含有する物質の供給量の比率ＷA／ＷB’を次式（３）に設定して供給すれば、加熱・共溶融によって生成されるスラグの化学的安定性および重金属類の耐溶出性を、想定していた不安定化上限ｐＨ以上のｐＨ範囲において確保することができる。なお、その際、前記Ｓｉを含有する物質、および前記灰分または灰分を含む物質の、含有するアルカリ土類金属とアルカリ金属の含有モル量の合計値、および溶融過程での揮発率は、既知でなければならない。
【００３２】
【数３】
0004115591.tif 000004
【００３３】
また、スラグの構造の内、ＡｌとＯが形成するアルミン酸架橋結合や、Ｃａ、Ｍｇなどのアルカリ土類金属の陽イオンが珪酸やアルミン酸（またはアルミノ珪酸）との間で形成するイオン性架橋結合は、強酸性域では弱く切れ易い（このため、前述の骨格不安定化を導く）。一方、溶融スラグの骨格の基本はＳｉとＯ（酸素）とが形成する３次元架橋珪酸ネットワークであり、そのＳｉとＯの間の共有結合は強酸性域でも切れない。従って、第３発明では、溶融スラグ化の際に、Ｓｉを含有する物質、好ましくは元々の溶融スラグよりもスラグ化する成分中にＳｉを多く含む物質を加えて、Ｓｉ含有量を増加させることにより、酸性域においてより強固なスラグ骨格を形成させ、また化学的安定性および重金属類の耐溶出性を向上させている。
【００３４】
ただし、前述の物質を加え過ぎて、生じる共溶融スラグ中のアルカリ土類金属とアルカリ金属の含有モル量が極端に少なくなったり、Ｓｉの含有量が多くなり過ぎると、高温時のスラグの粘性が上がって溶流温度が高くなり、溶融操作や溶融炉の維持管理が困難になる場合があるので注意を要する。
【００３５】
（第４発明）
さらにまた、前記溶融スラグ中のアルカリ土類金属とアルカリ金属の含有モル量を定量し、定量された前記含有モル量の合計から前記灰分または灰分を含む物質に加えるべき前記Ｓｉを含有する物質の量を算出し、その量に基づいて前記Ｓｉを含有する物質を加え、加熱して共溶融スラグ化し、さらにこれらの一連の操作を繰返して前記溶融スラグの組成を逐次調整することを特徴とする溶融スラグの品質管理方法を第４発明とする。
【００３６】
第４発明では、まず前記溶融スラグ中のアルカリ土類金属とアルカリ金属の含有モル量を所定の分析方法によって定量する。この定量は、なるべく短時間に行うことが好ましい。次に、定量された前記含有モル量の合計から、前記溶融スラグの原料である前記灰分または灰分を含む物質に加えるべき前記Ｓｉを含有する物質の量を、前記（１）または（３）式により算出して定める。
【００３７】
算出された量に基づき、前記灰分または灰分を含む物質と共に前記Ｓｉを含有する物質を供給し、加熱・共溶融スラグ化する。さらに、その結果生成する共溶融スラグに対し、以上の一連の操作を逐次繰返す。第４発明によって、溶融スラグの製造期間中、溶融スラグ中のアルカリ土類金属とアルカリ金属の含有モル量の合計を所定の値以下に保持し、その結果、想定した骨格不安定化上限ｐＨ以上のｐＨ域における溶融スラグの化学的安定性、および重金属類の耐溶出性を確保し続ける。
【００３８】
（第５発明）
そして、前記溶融スラグ中のアルカリ土類金属とアルカリ金属の含有モル量を、蛍光Ｘ線分析法によって定量することを特徴とする溶融スラグの品質管理方法を第５発明とする。
【００３９】
ここで蛍光Ｘ線分析法とは、試料に所定エネルギーの励起Ｘ線を照射してその試料を構成する各元素の原子の内殻電子を励起放出させ、それが基底常態に戻る際に２次的に発生する各元素の固有Ｘ線を分光して、その固有Ｘ線のエネルギーまたは波長と強度から元素組成の定性および定量分析を行う手法である。蛍光Ｘ線分析法は、固体・液体を問わず、非破壊・非接触で、多くの主要成分元素の組成を一度に迅速かつ容易に求められる手法としてよく知られており、その装置も市販されている。なお、蛍光Ｘ線分析装置には波長分散型とエネルギー分散型とがあるが、原子量の小さいＮａおよびＭｇをより高精度に定量できる前者を採用するのが好ましいが、要はＮａおよびＭｇを十分な精度で定量できるなら、どちらを用いても良い。
【００４０】
第５発明では、第４発明におけるアルカリ土類金属とアルカリ金属の含有モル量を、蛍光Ｘ線分析法によって、以下のように定量する。
定量に当たり、まず生成した溶融スラグを採取する。採取量はスラグ自体の均質性により増減し、平均的組成のスラグ試料を確実に採取する。採取の際は、スラグを十分に混合するか、いわゆる四分法などを採用するのが、平均化のために好ましい。このスラグ試料を１ｍｍ以下、好ましくは100μｍ以下の粒径に粉砕する。通例、この内１０ｇ程度をプレスして錠剤に整形するか、またはＸ線照射面をマイラー薄膜で形成した小容器中に入れて試料とするが、要は、適切な充填状態のスラグ粉末に対して再現性良く励起Ｘ線を照射し、固有Ｘ線を検出できればよい。普通、分析時には試料環境を真空にする。
【００４１】
定量対象元素は、基本的にＯ（酸素）を除く全ての主要成分元素とする。溶融スラグ自体の成分にもよるが、一般廃棄物の灰分の溶融スラグや高炉スラグについては一般に、Ｓｉ、Ａｌ、Ｃａ、Ｍｇ、Ｎａ、Ｋ、Ｆｅ、Ｐ、Ｓ、Ｔｉ、Ｚｎ、Ｃｕなどが対象に入っていれば良い。もし、それ以外に主成分元素が有れば、それも対象に加える。さらに必要なら、蛍光Ｘ線分析装置の定量下限界以上含有される限り、スラグ中のＰｂ、Ｃｄ、Ａｓなどの重金属の含有量も定量して、その変化を監視することができる。
【００４２】
蛍光Ｘ線分析では、一般に定量対象元素だけの相対重量の合計を100％として定量結果を表示するため、残りの成分元素の含有量によって定量結果を換算する必要が有る。前述のスラグの主成分元素は、式量的にはすべて酸化物であると考えてほぼ良く、残りの成分元素はほとんど全てＯ（酸素）である。従って、蛍光Ｘ線分析法によって得られた各元素の定量結果に対し、いわゆる元素の標準酸化物換算を行って各元素に対するＯの相対量を求めた後、スラグ全体に対する各成分元素の含有量を算出する。さらに、成分元素の内のアルカリ土類金属（Ｃａ、Ｍｇなど）とアルカリ金属（Ｎａ、Ｋなど）の含有量をモル濃度に換算する。
【００４３】
なお、蛍光Ｘ線分析の定量データは、原子吸光分析法やＩＣＰ（高周波誘導プラズマ）発光分光法などのより高精度な定量分析法による定量データに基づき、適切な方法によりあらかじめ校正しておくことが好ましい。また、一連の定量分析および含有当量の算出は、あらかじめコンピュータなどでプログラミングし、自動化されていると非常に便利である。
【００４４】
蛍光Ｘ線分析法の採用により、アルカリ土類金属とアルカリ金属元素、および有害重金属元素を含む多数の元素が短時間（約２０分程度）で一度に定量分析でき、また複雑な前処理も必要としないため、本発明のスラグの品質管理において大きな効果を奏する。
【００４５】
（第６発明）
最後に、灰分または灰分を含む物質を加熱して溶融スラグ化する溶融炉と、該溶融炉から排出される溶融スラグ中の含有元素の含有量を定量する分析計と、前記溶融スラグの組成調整用のＳｉを含有する物質を前記溶融炉に供給する供給装置と、前記分析計が示す定量結果に基づいて、前記溶融スラグ中のアルカリ土類金属と前記アルカリ金属の含有モル量の合計が、前記溶融スラグ中に含まれる重金属の溶出を設定量以下に抑えるべく溶出環境のｐH値とスラグ骨格の安定性との関係に基づいて定めたスラグ単位重量当たり所定の量以下となるように、前記供給装置における前記組成調整用のＳｉを含有する物質の供給量を逐次制御する制御装置とを備えたことを特徴とする溶融スラグの品質管理装置を第６発明とする。
【００４６】
この第６発明は、これまでに述べた発明に記載された溶融スラグの品質管理方法を具現化する装置である。
まず溶融炉に供給された灰分または灰分を含む物質より、溶融炉で生じた溶融スラグ中の成分元素が分析計において定量され、これよりアルカリ金属とアルカリ土類金属の含有モル量が算出される。分析計の出力したこの含有モル量の出力信号を受けた制御装置は、それに基づき、該含有モル量の合計が所定の値以下となるように、供給装置における組成調整用の物質を溶融炉に供給する量を逐次変化させる。その結果、前記含有モル量の合計が前記所定の値以下に常に保持されるため、その値に該当するｐＨ付近以上のｐＨ域における前記溶融スラグの骨格の不安定化が防止され、また不安定化の程度がより小さくなる。それにより、このｐＨ以上での前記溶融スラグの化学的安定性、および重金属類の耐溶出性が確保され、品質が管理される。
【００４７】
ここで、溶融スラグの前記組成調整用の物質としては、第３発明において例示したＳｉを含有する物質が用いられる。前記分析計としては、第４発明において例示した蛍光Ｘ線分析法を実施する蛍光Ｘ線分析計を用いるのが有利である。
【００４８】
さらに、前記含有モル量の合計が６ｍｏｌ／ｋｇ−スラグ以下になるように前記制御装置を設定すれば、最も過酷な仮想的埋立て地中の環境であるｐＨ４程度以上のｐＨ域において、前記溶融スラグの骨格の不安定化が防止され、同時に環告１３号の溶出量基準をも満たすように重金属類の耐溶出性を確保できる。
【００４９】
【発明の実施の形態】
【００５０】
【実施例１】
図１に本発明の実施の形態に係る装置の一例を示す。
まず供給路１を通って溶融炉２に供給された灰分または灰分を含む物質ａが、溶融炉２で加熱・溶融され、生じた溶融スラグｂが排出路３を通り排出・冷却される。排出・冷却された溶融スラグｂの一部は移送路４を通って粉砕機５に入り、そこで粉砕された後、分析計６に至る。粉砕された溶融スラグｂの所定量は分析計６に設置されて、その成分元素が分析計６において定量され、これよりアルカリ金属とアルカリ土類金属の含有モル量が算出される。分析計６の出力したこの含有モル量の出力信号ｃを受けた制御装置７は、該含有モル量の合計が所定の値以下となるように、制御する制御信号ｅを供給装置８に送る。供給装置８はこの制御信号に従って、溶融スラグｂの組成調整用の物質ｄを溶融炉２に供給する量を逐次変化させる。
【００５１】
その結果、前記含有モル量の合計は前記所定の値以下に保持されるため、その値に該当する不安定化上限ｐＨ付近以上のｐＨ域における溶融スラグｂの骨格の不安定化が防止され、また不安定化の程度がより小さくなる。それにより、このｐＨ以上での溶融スラグｂの化学的安定性、および重金属の耐溶出性が確保され、品質が管理される。なお、分析計６は、ここでは波長分散型の蛍光Ｘ線分析計を用いている。
【００５２】
【実施例２】
図２は本発明の実施の形態に係る装置の別の一例を示し、廃棄物処理装置に上記溶融スラグの品質管理装置を設けたものである。
この廃棄物処理装置において、都市ごみなどの廃棄物５０ａは、たとえば二軸剪断式などの破砕機で、１５０ｍｍ角以下の大きさにに破砕され、コンベアなどにより投入部５０内に投入される。投入部５０に投入された廃棄物５０ａはスクリューフィーダ５１を経て熱分解反応器５２内に供給される。熱分解反応器５２としてはこの例では横型回転式ドラムが用いられ、ドラム内の加熱分解室は図示しないシール機構により、その内部は低酸素雰囲気に保持されている。
【００５３】
廃棄物５０ａは熱分解反応器５２内で熱分解されるが、その熱源は、後述する燃焼溶融炉５３の後流側に配置された熱交換器である高温空気加熱器１０により加熱され加熱空気ラインである熱媒体循環ラインＬ1を介して供給される加熱空気８ｇ（熱媒体）である。この加熱空気８ｇにより熱分解反応器５２内は３００〜６００℃に、通常は４５０℃程度に維持される。
【００５４】
更に、加熱空気８ｇにより加熱された廃棄物５０ａは、熱分解して熱分解ガスＧ1と、主として不揮発性成分からなる熱分解残留物５４とになり、排出装置５５に送られて分離される。排出装置５５で分離された熱分解ガスＧ1は、排出装置５５の上部から熱分解ガスラインＬ2を経て燃焼溶融炉５３のバーナ５６に供給される。排出装置５５から排出された熱分解残留物５４は、４５０℃程度の比較的高温であるため、後述する構造の冷却装置５７により不活性雰囲気下で８０℃程度に冷却される。
【００５５】
その後、冷却された熱分解残留物５４は、たとえば磁選式、うず電流式、遠心式または風力選別式などの公知の単独または組み合わされた分離装置５８に供給され、ここで細粒の燃焼性成分（可燃性固形成分）５８ｄ（灰分を含む）と粗粒の鉄、非鉄、瓦礫などの不燃焼性成分５８ｃとに分離され、不燃焼性成分５８ｃはコンテナ５９に回収され再利用される。燃焼性成分５８ｄが本発明における灰分または灰分を含む物質に相当する。
【００５６】
更に、燃焼性成分５８ｄは、主として熱分解カーボンから成るが、粉砕機６０により、たとえば１ｍｍ以下に微粉砕されて粉体カーボンとなり、燃焼性成分ラインＬ3を経て燃焼溶融炉５３のバーナ５６に供給され、熱分解ガスラインＬ2から供給された熱分解ガスＧ1と送風機６１により空気ラインＬ4から供給された燃焼用空気６１ｅと共に１,３００℃程度の高温域で燃焼される。この燃焼溶融炉５３が本発明における溶融炉に相当する。
【００５７】
上記燃焼で発生した灰分はその燃焼熱により溶融スラグ５３ｆとなって、この燃焼溶融炉５３の内壁に付着し、更に、内壁を流下し底部排出口６２から水槽６３に落下し冷却固化される。燃焼溶融炉５３は、カーボンなどの燃焼性成分５８ｄを１３００℃程度の高温で燃焼させ、灰分を含む不燃焼分を溶融させて溶融スラグ５３ｆと高温の燃焼排ガスＧ2とを生成する。燃焼排ガスＧ2は、秒速２〜３ｍ、温度１０００〜１１００℃のガス流となって、炉内下流側に設けた高温空気加熱器１の伝熱管体により熱回収される。
【００５８】
前記高温空気加熱器１０の部分を通過した燃焼排ガスＧ2は、煙道ガスラインＬ5を介して廃熱ボイラ６４で熱回収され、集塵器６５で除塵され、更に排ガス浄化装置６６で塩素などの有害成分が除去された後、低温のクリーンな排ガスＧ3となって誘引送風機６７を介して煙突６８から大気へ放出される。廃熱ボイラ６４で生成した蒸気は、蒸気タービンを有する発電機６９で発電に利用される。
【００５９】
冷却固化された溶融スラグ５３ｆの一部は移送路４を通って粉砕機５に入り、そこで粉砕された後、分析計６に至る。粉砕された溶融スラグ５３ｆの所定量は分析計６に設置されて、その成分元素が分析計６において定量され、これよりアルカリ金属とアルカリ土類金属の含有モル量が算出される。分析計６の出力したこの含有モル量の出力信号を受けた制御装置７は、該含有モル量の合計が所定の値以下となるように、制御する制御信号を供給装置８に送る。供給装置８はこの制御信号に従って、溶融スラグ５３ｆの組成調整用の物質ｄの供給量を逐次変化させる。
【００６０】
ここで、本発明における溶融スラグ５３の組成調整用の物質ｄの供給の仕方として以下の３通りが挙げられる。
▲１▼熱分解反応器５２の投入部５０より廃棄物５０ａと共に熱分解反応器５２に供給され、熱分解残渣を経由して灰分を含む細粒の燃焼性成分５８ｄ（熱分解カーボン）に混合されて燃焼溶融炉５３に供給する。図の８ａがこの場合の組成調整用の物質ｄの供給装置である。
▲２▼燃焼溶融炉５３に独立した供給装置８ｂを設け、そこから供給する。
▲３▼前述の廃熱ボイラ６４および集塵器６５で排ガス中から除去されたダスト（循環飛灰）の返送供給ラインＬ7に供給装置８ｃを設けて、循環飛灰と共に燃焼溶融炉５３に供給する。
ただし図２においては、説明の便宜上３つの供給装置８ａ、８ｂ、８ｃが全て記載されているが、この実施例では実際には供給装置８ａだけが設けられている。  そして排出・水砕された溶融スラグ５３ｆの一部が粉砕機５で３００μｍ以下に粉砕され、蛍光Ｘ線分析装置６にセットされた後、真空乾燥を受ける。そのまま真空状態で励起Ｘ線を照射され、蛍光Ｘ線分析がなされる。定量結果が制御装置７に出力されると共に、分析後のスラグ試料が蛍光Ｘ線分析装置６から排出される。制御装置７はその定量結果を受けて、組成調整用の物質ｄの供給量を変動させる制御信号を供給装置８ａに送る。以上の一連の移送・粉砕・分析・制御は、前記制御装置７によって自動運転され、６時間に１回程度実施されるようになっている。
【００６１】
この装置において、都市ごみだけを熱分解反応器５２に約１ｔ／ｈｒの供給量で投入し、生成された溶融スラグ５３ｆの組成を蛍光Ｘ線分析装置６により分析したところ、アルカリ土類金属とアルカリ金属の含有モル量の合計は７．２ｍｏｌ／ｋｇ−スラグ、またスラグの生成量は４１kg／ｈであった（この時の処理ごみのごみ質は、図３のＰｂ溶出量を求めたスラグを製造した時のごみ質とは異なる）。
【００６２】
ここでは、この溶融スラグの骨格安定性をｐＨ４以上において確保するために、アルカリ土類金属とアルカリ金属の含有当量の合計が６ｍｏｌ／ｋｇ‐スラグとなるように、制御装置７を設定した。制御装置７によって制御された供給装置８ａにより、前記した（１）式に従い、都市ごみ約１ｔ／ｈｒと共に熱分解反応器５２に珪砂（ＳｉＯ2、ΣＭＯＬA＝Ｏ、ｆA＝Ｏ）が約８．２ｋｇ／ｈの供給量で投入された。約１時間後、新たに生じた溶融スラグ５３ｆの蛍光Ｘ線分析装置６による組成指示値では、アルカリ土類金属とアルカリ金属の含有当量の合計が５．９ｍｏｌ／ｋｇ‐スラグとなっており、ほぼ設定した通りの値に自動制御されていた。
【００６３】
なお、この制御前の元のスラグについて、前記した方法で含有各元素の溶出量のｐＨ依存性を調べたところ、不安定化上限ｐＨは約４．４であった。一方、制御により珪砂を加えて生じた共溶融スラグでは、不安定化上限ｐＨが約４．０となり、ｐＨ４〜１２における重金属Ｐｂ、Ｃｄ、Ａｓの溶出量は、環告１３号の基準数値を全て下回った。
【００６４】
尚、以上においては、本発明を図示の実施形態について詳述したが、本発明はそれらの実施形態のみに限定されるものではなく、本発明の精神を逸脱せずして種々改変を加え、多種多様の変形をなし得ることは云うまでもない。
【００６５】
【発明の効果】
本発明に係る溶融スラグの品質管理方法または装置によれば、溶融スラグの化学的安定性を高めて有害重金属が該スラグから溶出しにくくすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態としての装置の一例の概略構成図である。
【図２】本発明の実施の形態としての別の装置の一例の概略構成図である。
【図３】図２の装置で製造された水砕溶融スラグに対するＰｂ溶出量のｐＨ依存性結果の一例を示す図である。
【符号の説明】
１  供給路
２  溶融炉
５  粉砕機
６  分析計
７  制御装置
８  供給装置
【図１】
0004115591.tif 000005
【図２】
0004115591.tif 000006
【図３】
0004115591.tif 000007