(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
廃棄物及び／又は廃棄物を焼却した灰を溶融した後、該溶融状態のスラグ及びメタルを改質炉に受け、改質炉内の挿入した酸素ランスから酸素を吹き込み、前記メタル中の鉄を酸化させメタル中の鉄をスラグ中に取り込むとともに、前記改質炉に設置したマイクロ波照射装置により前記スラグを加熱して溶融状態を維持し、該溶融状態のスラグ及びメタルを水砕設備に投入して砂状の粒子とし、前記水砕設備の後段に設置した磁選機によりスラグとメタルを分離することを特徴とする廃棄物溶融スラグの処理方法。
【請求項２】
廃棄物及び／又は廃棄物を焼却した灰の溶融炉に付設して、該溶融炉から排出した溶融状態のスラグ及びメタルを投入して改質する改質炉を設置し、該改質炉にメタル中の鉄を酸化させる酸素ランスを装入し、改質炉で発生するガスは後段に設置した燃焼炉に導入する排ガス管を設け、改質炉から排出するスラグ及びメタルを砂状の粒子とする水砕設備を配設したことを特徴とする廃棄物溶融スラグの処理装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、都市ごみ、産業廃棄物、汚泥などの廃棄物を直接溶融してスラグを製造する方法、及び廃棄物を一旦焼却して灰とした後に溶融してスラグを製造する方法および装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
現状、大半の廃棄物は焼却方式で処理されているが、焼却方式では焼却灰の処分場を必要とする等の欠点がある。特に大都市圏では焼却灰の処分場の確保が困難であり、廃棄物を直接溶融する方法、または廃棄物の焼却灰を溶融して減容化、さらには再資源化が可能な方式で処理する必要性が高まっている。
廃棄物を溶融したスラグを再資源化するためには天然の砂や砕石並の物理性状を有していること、また産出するスラグ及びメタルの量が非常に多いために経済的価値の高いものを造り込む必要がある。この対策の一つとして、廃棄物の溶融処理について、特開平９−１９６３５２号公報に、溶融物を水砕固化した後、磁選・篩い分け・粉砕し、無機質成分であるスラグは土木資材、建築資材に再利用し、磁着物であるメタルは重機のバランスウエートに再利用する技術が開示されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
上記の特開平９−１９６３５２号公報に開示された技術は、水砕固化されたスラグに含まれる針状や鋭角状のものを破砕して再利用しやすいものに変え、かつメタルの回収効率を向上することを目的としている。水砕固化した後に、磁選・篩い分け・粉砕工程で、スラグの物理性状を改善する装置を提供しているが、しかしながら、溶融物が溶融状態の時に遡ってスラグの性状を改善する方法について記載されておらず、またメタルの成分等を改善する方法についても記載されていない。
本発明は、溶融物の溶融方法を改善することによって、スラグ、メタルの成分等の性状を改善し、経済価値の高いスラグ、メタルの製造方法および装置を提供することにある。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
課題を解決するための本発明の特徴手段は、次の通りである。
（１）廃棄物及び／又は廃棄物を焼却した灰を溶融した後、該溶融状態のスラグ及びメタルを改質炉に受け、改質炉内の挿入した酸素ランスから酸素を吹き込み、前記メタル中の鉄を酸化させメタル中の鉄をスラグ中に取り込むとともに、前記改質炉に設置したマイクロ波照射装置により前記スラグを加熱して溶融状態を維持し、該溶融状態のスラグ及びメタルを水砕設備に投入して砂状の粒子とし、前記水砕設備の後段に設置した磁選機によりスラグとメタルを分離することを特徴とする廃棄物溶融スラグの処理方法。
【０００６】
（２）廃棄物及び／又は廃棄物を焼却した灰の溶融炉に付設して、該溶融炉から排出した溶融状態のスラグ及びメタルを投入して改質する改質炉を設置し、該改質炉にメタル中の鉄を酸化させる酸素ランスを装入し、改質炉で発生するガスは後段に設置した燃焼炉に導入する排ガス管を設け、改質炉から排出するスラグ及びメタルを砂状の粒子とする水砕設備を配設したことを特徴とする廃棄物溶融スラグの処理装置にある。
【０００７】
【発明の実施の形態】
まず、廃棄物の溶融処理方法の概要について説明する。
廃棄物及び／又は廃棄物を焼却した灰を溶融処理する場合、溶融炉に助燃剤等の副資材とともに装入し、溶融炉の下部から吹き込まれた空気によって廃棄物及び助燃剤を還元燃焼させ、溶融したスラグ及びメタルは炉下部から排出し、炉上部からは廃棄物の熱分解ガス等からなる発生ガスをガス排出管から排出する。該排出ガスは燃焼炉で未燃分を燃焼させ、ボイラで熱を回収し、集塵機でダストを捕集除去した後、煙突から排気する。
【０００８】
以下、本発明について詳細に説明する。
廃棄物及び／又は廃棄物を焼却した灰を溶融したスラグ及びメタルの性状について説明する。スラグはＳｉＯ2 、ＣａＯ、Ａｌ2 Ｏ3 、ＦｅＯ、Ｎａ2 Ｏ等の成分からなり、珪酸ＳｉＯ2 の三次元的網目構造に他の元素が組み込まれた化学的にも物理的にも安定した無機物質である。酸化鉄ＦｅＯについて付言すれば、鉄製品の表面に発生する錆と、スラグ中の酸化鉄とは形態が基本的に異なり、前者は酸化鉄が単独で存在しているため水に溶解したり、剥離・微細化してダスト状になるのに対して、後者はスラグの珪酸の網目構造に組み込まれているため安定で、天然の砂石と同様に風雨に晒されても変化することはない。
【０００９】
一方、メタルは金属のＦｅ、Ｃｕ、Ｍｎ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｓｎ、Ｐｂ、Ａｕ、Ａｇ等の合金及び混合物である。金属成分の中でＦｅが最も多く、メタルは磁石に付くために磁選機でスラグとメタルを分離することが可能である。また、スラグとメタルの全体に占めるメタルの混合割合は１０から３０％である。
従来の技術では、廃棄物を溶融した後、水砕固化してスラグとメタルを回収していたが、溶融状態でスラグ、メタルの成分を大幅に調整する方法は採られておらず、品質改善も限られていた。
【００１０】
その解決手段として、本発明は廃棄物及び／又は廃棄物を焼却した灰を溶融した後、該溶融状態のスラグ及びメタル中に酸素を含むガスを吹き込むことによって該メタル中の鉄を酸化することによりスラグ化することを特徴とする。鉄の酸化反応を行わせるためには、スラグおよびメタルを溶融状態に維持する必要があり、温度を１４００℃程度以上に保持する必要がある。鉄の酸化反応によって発熱するが、一方では炉壁からの放散熱等で温度が低下するため、マイクロ波を照射してスラグを加熱する。
【００１１】
スラグの誘電損失は大きく、また高温状態では誘電損失が大きくなり、さらに鉄を酸化して酸化鉄が多くなると、酸化鉄は誘電損失が大きいため効率よく加熱することができる。マイクロ波加熱は、被加熱物を内部から加熱することができるため、電気ヒーター等のように表面から加熱する方式と比較して加熱効率が高い。また、電気アーク式加熱装置の場合は電極が必要であり、電極の交換作業や電極の費用がかかるため運転コストが高い。灯油バーナ等で加熱する場合は燃料を購入する必要があるが、マイクロ波加熱装置で使用する電気は廃棄物が有する発熱量から回収した電気を使用するため、外部からエネルギーを購入する必要がない。
【００１２】
本発明の方法によって、溶融状態のメタル中のＦｅは酸化されてＦｅＯとなり、スラグ中に溶け込み、冷却すると珪酸ＳｉＯ2 の三次元的網目構造に組み込まれ化学的にも物理的にも安定したスラグとなる。
溶融状態のメタルを酸化した時に、Ｆｅより酸化されにくいＣｕ、Ｎｉ、Ａｕ、Ａｇ等は金属の状態を維持する。従って、メタル中のＦｅが酸化されて減少することにより、相対的に他のＣｕ、Ａｕ、Ａｇ等の非鉄金属の濃度が増加する。
Ｆｅと比較して、Ｃｕ、Ａｕ、Ａｇ等の非鉄金属は価格が高いため、回収したメタルは高価で売却することができる。
【００１３】
回収したメタル中のＣｕの濃度が１０〜２０％以上であれば、銅の精錬工場で原料として利用可能であり、同時に金銀を回収することが可能である。
一方、スラグに関しては、スラグ中のＦｅＯの濃度は従来１〜５％であるが、メタルを酸化すれば数１０％に増加する。スラグ中のＦｅＯ濃度が増加すると、スラグの融点が低下し粘性が低下する。スラグの粘性が低下すると、針状スラグが発生しにくい。
また、ＦｅＯが多ければ水砕した場合、緻密で強度の大きいスラグができることが知られている。
【００１４】
以上述べたように本発明の方法によって、メタルは高価で取引可能な成分となり、またスラグの性状を改善することが可能となる。
溶融メタル中の鉄を酸化した後の排ガスには、一酸化炭素等の可燃性のガスと酸化鉄を主成分とするダストが含まれており、そのまま大気中に放出することができない。そのため、該排ガス中の可燃性ガスは溶融炉の発生ガスの燃焼炉へ吹き込んで燃焼させ、ダストは集塵機で捕集除去する。そうすることによって、新たな燃焼炉や集塵機は不要となる。
【００１５】
【実施例】
廃棄物を溶融処理する実施例として、コークスを用いて廃棄物を直接溶融処理する場合を図１に示す。
図１に示すように、溶融炉１の炉上部から、廃棄物及び、副原料としてコークスおよび石灰石が溶融炉１に装入される。廃棄物としては都市ごみを処理した。その都市ごみの性状を表１に示す。
【００１６】
【表１】
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【００１７】
溶融炉１の下部周辺に設けられた羽口２から空気および酸素が供給される。廃棄物の処理量は５６０ｋｇ／ｈ、コークスおよび石灰石は廃棄物の約６％、空気は５２０Ｎｍ3 ／ｈ、酸素は３０Ｎｍ3 ／ｈである。溶融炉に装入された廃棄物およびコークス等は炉内で充填層を形成し、炉下部の羽口２から吹き込まれた空気および酸素により、コークスおよび廃棄物が還元燃焼する。該燃焼ガスは溶融炉内を炉底部から上昇し、燃焼ガスの顕熱により廃棄物を予熱、乾燥、熱分解する。廃棄物の乾燥、熱分解の過程で発生した水蒸気、熱分解ガスおよび微細なダストはガス排出管４から排出される。ガス排出管４から排出されたガスは燃焼炉８へ吹き込まれ、空気導入管９から導入された燃焼用の空気によって燃焼し、ボイラ１０で熱を回収した後、集塵機１１でダストを除塵して煙突１２から排気される。
【００１８】
一方、廃棄物の熱分解残渣とコークス、石灰は高温に加熱され炉底部へと下りていき、羽口から吹き込まれた空気および酸素でコークスが燃焼し、熱分解残渣は１３００℃から１４５０℃に加熱され溶融状態となる。炉内の発生ガスのＣＯ濃度は、約１４〜２０％の還元性雰囲気であり、スラグ中の大部分の鉛はガスとなって揮散する。スラグ排出口から排出された溶融状態のスラグは改質炉３に受け、スラグ内部に装入した酸素ランス１５から酸素を１０Ｎｍ3 ／ｈを吹き込みながら３０分間滞留させ、メタル中のＦｅを酸化させた。改質炉３の上部に設置されたマイクロ波照射装置１８によってスラグを加熱することによって溶融状態を維持することができた。
【００１９】
メタル中のＦｅを酸化した後、溶融状態のスラグおよびメタルは水砕設備５に投入され、砂状の細かい粒子となる。
粒子状のスラグとメタルは掻き上げ装置６によって排出され、湿式磁選機７へ供給されてスラグ１３とメタル１４に分離される。
改質炉３でメタル中の鉄を酸化した後のガスは排ガス管から排出され燃焼炉８へ吹き込まれ、一酸化炭素等の可燃分は燃焼する。
【００２０】
本実施例の方法で製造されたスラグはインターロッキングブロック等のコンクリート２次製品の骨材や土木資材などとして利用可能である。
本実施例によって得たスラグの性状を表２に示す。表２には従来方法、即ち溶融炉１から直接、水砕設備５に投入した場合のスラグも記載している。
スラグの成分のＦｅＯの濃度が従来方法の１％に対して、本実施例の場合は２３．５％と高い。これはメタル中のＦｅが酸化されてスラグ中に取り込まれたためである。物理性状の吸水率（ＪＩＳ  Ａ１１０９細骨材の密度及び吸水率試験方法による）は従来方法が２．５％に対して、実施例１では０．５％と小さくなっており、緻密で強度の高いスラグができている。
【００２１】
また、本実施例のスラグはＦｅＯの濃度が高くなったため溶融状態でのスラグの粘性が低く水飴のように糸を引かないため、スラグの外観も針状スラグが少ないものとなり、建築土木資材として有効利用する場合好ましい性状であった。
本実施例によって得たメタルの性状を表３に示す。表３には、溶融炉１から直接、水砕設備５に投入した従来方法の場合のメタルも記載している。
【００２２】
【表２】
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【００２３】
メタルの成分のＣｕの濃度が従来方法の５％に対して、実施例の場合は２５％と高い。また金Ａｕ、銀Ａｇの濃度も各々５１ｇ／ｔ、１５０ｇ／ｔと従来方法と比較して５倍の濃度となっている。これはメタル中のＦｅが酸化されて除かれたためである。Ｃｕが１０〜２０％程度以上であれば銅の精錬工場の原料として利用可能であり、金銀も銅精錬工場で回収することができる。また金の含有量が５０ｇ／ｔというのは、工業的に採掘されている金鉱石よりも高濃度の金を含有しており、経済的価値は大きい。
なお、本実施例ではメタルを磁選分離するためメタル中に鉄が残留する程度に酸素を吹き込んだ。
【００２４】
【表３】
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【００２５】
【発明の効果】
本発明によって、以下の効果を実現することができる。
（１）廃棄物及び、又は廃棄物の焼却灰を溶融した後、該溶融状態のスラグ及びメタルに酸素を含むガスを吹き付けることによって、メタル中の鉄が酸化され、ＦｅＯとなってスラグ中に取り込まれる。その結果、鉄と比較して酸化されにくいＣｕ、Ａｕ、Ａｇ等の非鉄金属の濃度が増加する。Ｆｅと比較して、Ｃｕ、Ａｕ、Ａｇ等の非鉄金属は価格が高いため、回収したメタルは高価で売却することができる。回収したメタル中のＣｕの濃度が１０〜２０％以上であれば、銅の精錬工場で原料として利用可能であり、同時に金銀を回収することが可能である。
【００２６】
（２）スラグ中のＦｅＯの濃度は従来１〜５％であるが、メタルを酸化すれば数１０％に増加する。スラグ中のＦｅＯ濃度が増加すると、スラグの融点が低下し粘性が低下する。スラグの粘性が低下すると、水砕処理したスラグが表面張力で球形化して針状スラグが発生しにくいため、土木建築資材として有効利用する場合破砕等の処理が軽減される。
（３）スラグ中の成分でＦｅＯが多ければ水砕した場合、緻密で強度の大きいスラグができるため、土木建築資材として有効利用する場合有利である。
【００２７】
（４）改質炉の上部に設置されたマイクロ波照射装置によってスラグを加熱することによって溶融状態を維持することができた。スラグの誘電損失は大きく、鉄を酸化して酸化鉄が多くなると、酸化鉄は誘電損失が大きいため効率よく加熱することができる。マイクロ波加熱は、被加熱物を内部から加熱することができるため、電気ヒーター等のように表面から加熱する方式と比較して加熱効率が高い。また、電気アーク式加熱装置の場合は電極が消耗するが、マイクロ波加熱方式では電極が不要であるため経済的である。
（５）廃棄物のスラグ、メタルを再資源化することにより、最終処分場が不要となるだけでなく、天然砂の採掘による自然破壊を防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例を示す図である。
【符号の説明】
１    溶融炉
２    羽口
３    改質炉
４    ガス排出管
５    水砕設備
６    掻き上げ装置
７    磁選機
８    燃焼炉
９    空気導入管
１０  ボイラ
１１  集塵機
１２  煙突
１３  スラグ
１４  メタル
１５  酸素ランス
１６  排ガス管
１７  スラグ排出口
１８  マイクロ波照射装置
【図１】
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