(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
焼却灰及び／又は集塵灰からなる灰体、アルミニウム粉体、金属酸化物粉体、及び可燃性媒体を混和して調製した固形状の灰体利用の自燃性燃料棒。
【請求項２】
アルミニウム粉体と金属酸化物粉体が、テルミット反応による自燃性と灰体の溶融固化能を有するものである請求項１に記載の自然性燃料棒。
【請求項３】
可燃性媒体が、灰体、アルミニウム粉体及び金属酸化物粉体を相互に固着し、固形状の棒状体に構成するものである請求項１に記載の自燃性燃料棒。
【請求項４】
可燃性媒体が、天然鉱油系物質、合成油系物質、及びプラスチック廃棄物から選ばれた少なくとも１種のものである請求項３に記載の自燃性燃料棒。
【請求項５】
アルミニウム粉体と金属酸化物粉体の混合重量比が、１：２〜１：４である請求項１に記載の自燃性燃料棒。
【請求項６】
アルミウム粉体と金属酸化物粉体を溶融固化剤というとき、前記溶融固化剤と灰体の混合重量比が１：１〜１：４である請求項１に記載の自燃性燃料棒。
【請求項７】
アルミニウム粉体と金属酸化物粉体を溶融固化剤というとき、前記溶融固化剤、灰体、及び可燃性媒体の混合重量比が、可燃性媒体を基準にして２：２：１〜２：８：１である請求項１に記載の自燃性燃料棒。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、各種の産業廃棄物、都市ゴミ、下水汚泥（排水汚泥、脱水ケーキ）などを焼却することによって排出される焼却灰、及び新たに一般廃棄物として規定された集塵装置から排出される集塵灰などからなる各種の灰体（以下、各種の灰体、または単に灰体ということがある。）を含有する自己燃料性（自然性）の燃料棒に関する。
なお、本発明において、前記灰体は、焼却設備から排出される灰体のみでなく、灰体中に含まれる不燃性残渣物、あるいは灰体類似物などを含むものである、と最広義に解釈されるべきである。
【０００２】
更に詳しくは、本発明は、前記灰体を利用して自燃性の燃料棒を構成するとともに、その燃焼時に灰体を超高温下で溶融固化し、無公害化、減容化、再利用を図ることを可能とする新規な灰体を含有した自燃性の燃料棒に関するものである。
【０００３】
【従来の技術】
従来、各種の産業廃棄物、都市ゴミ、下水汚泥（脱水汚泥、脱水ケーキ）などを焼却することにより、排出される焼却灰、あるいは昨今、新たに一般産業物に規定された各種集塵装置から排出される集塵灰（これは、飛灰ともいわれている。）などの各種の灰体は、膨大な量に及ぶものである。
【０００４】
従って、これら灰体を廃棄物埋立地において埋立てるにしても、埋立地の確保がますます困難になってきている。このため、埋立処分地の確保が困難なため、例えば下水汚泥はこれを脱水し、焼却、減容化を図っている。
また、前記した各種灰体において、重金属等の有害物質が混入している場合、これら有害物質の外界への飛散や焼却灰中への残存が問題になっている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
前記した各種の灰体の量的な問題、あるいは重金属などの有害物質を含有しているという問題などから、これら灰体を所望の焼却設備を使用して焼却し、減容化、前記有害物質の溶融固化（無公害化）、資源の再利用化、などを図る提案が多くなされている。
【０００６】
前記した灰体の焼却設備としては、電気溶融炉、バーナー溶融炉、プラズマ溶融炉あるいはアーク溶融炉などが知られてる。
【０００７】
しかしながら、前記した灰体の焼却炉の構造などから明らかのように、従来の灰体を溶融かつ固化する焼却技術においては、次のような問題点がある。
(1).焼却灰を溶融するために、大量のエネルギーを消費する。
この点、前記したプラズマ溶融やアーク溶融においては、電力の使用量が６５０kw/t程度必要である。また、バーナー溶融においては、燃料となる灯油や重油などを大量に確保しなければならない。
【０００８】
(2).焼却設備が高価かつ大型化する。
例えば、灰体を高温下で溶融するため、焼却炉内の耐火レンガの腐食や耐熱性の低下が激しく、連結的かつ安定操作のためには二基以上の並列運転が必要となる。
【０００９】
ここで、本発明の自燃性の燃料棒の優位性を先取りして説明しておく。
本発明の自燃性の燃料棒は、詳しくは後述するが、燃料棒を空間燃焼、空間溶融、別言すれば、焼却炉内において炉の構成部材と無接触の状態で燃焼かつ溶融することができるものであり（これは無接触型の燃焼、溶融法ということができる。）、前記した欠点は完全に排除される。なお、前記燃料棒の溶融時に、燃料棒中の各種の灰体も溶融され、事後的に固化（スラグ化）されることになる。
即ち、本発明の自燃性の燃料棒を採用する各種灰体の溶融固化方式は、
(i).各種の灰体が自燃性の燃料棒の構成成分であること、
(ii).前記自然性の燃料棒を無接触型に燃焼、溶融法させることができること、
からみて、前記した従来技術の欠点を完全に解消するものである。
なお、いうまでもないことであるが、本発明の前記した優位性を実現するためには、自燃特性の燃料棒として、詳しくは後述するが、各成分が均一に混合、混練され、固形化した燃料棒の形態をとることが重要である。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、前記した各種の灰体の減容化、無公害化、再利用化における従来技術、特に灰体の溶融固化法にみられる限界、問題点を解消しようとするものである。
本発明者らは、灰体の効果的かつ経済的な溶融固化法について、鋭意検討を加えた。その結果、本発明者らは、灰体を完全に無害化するためには、従来技術と比較してより高い温度のもとで溶融し、かつ固化することが好ましいこと、そして、前記高温下での溶融条件を実現するためには、テルミット法（thermit process）を適用することが好ましいこと、という知見を見い出した。
【００１１】
前記テルミット法は、アルミニウムと酸化鉄などの金属酸化物との間に生じる激しい発熱反応を利用して酸化物を還元して金属を製造したり、鋼材の溶接などに利用されている周知の技術である。
本発明者らは、前記各種の灰体の溶融固化に対するテルミット法の利用は、
(i).その原料となるアルミニウムは、アルミニウム缶などの形態で豊富に存在し、かつ容易に利用することができること、
(ii).その原料となる金属酸化物、例えば酸化鉄などは、天然のイルメナイト鉱石から酸化チタン（ＴiＯ2）を製造する際の産業廃棄物として、しかも純度の高い産業廃棄物としての酸化鉄を有効利用することができること、また、
(iii).金属酸化物は、各種の灰体それ自体の中に豊富に含まれること、
などの観点から、極めて経済的、省資源的なものであると考えている。
【００１２】
即ち、前記したように、本発明者は、前記したテルミット反応剤（アルミニウム及び金属酸化物）による灰体の溶融固化は、テルミット反応剤それ自体の原料が産業廃棄物で構成され、かつその再資源化を図るものであるため、産業廃棄物の処理や公害対策の観点から、極めて有効な方式であると考えている。
【００１３】
本発明は、前記した本発明者らの知見をベースにして完成されたものである。
本発明により、産業廃棄物として処理の困難度が増大してきている焼却灰や集塵灰（飛灰）などの各種の灰体を効率的かつ経済的に減容化、無公害化、再資源化することができる前記灰体を利用した自燃性燃料棒が提供される。
【００１４】
そして、本発明の各種の灰体を含有した固形状の自燃性燃料棒は、所望の燃焼炉内において自燃式に燃焼させるという簡便な方式により、前記灰体の減容化、無公害化、再資源化を図ることができる。
その際、灰体を溶融かつ固化する溶融固化剤は、産業廃棄物であるアルミニウムや酸化鉄などのテルミット反応剤で構成されるため、本発明の自燃性燃料棒は、各種の灰体の処理だけでなく、アルミニウムや金属酸化物の産業廃棄物の処理や再資源化の面においても有効なものである。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
本発明を概説すれば、本発明は、焼却灰及び／又は集塵灰からなる灰体、アルミニウム粉体、金属酸化物粉体、及び可燃性媒体を混和して調製した固形状の灰体利用の自燃性燃料棒に関するものである。
【００１６】
以下、本発明の技術的構成及び実施態様について詳しく説明する。
【００１７】
本発明は、前記したように各種の灰体を燃焼と同時に溶融固化するために使用する自燃性の燃料棒に関するものである。
本発明の自燃性燃料棒は、
(i).各種の灰体を燃料棒の必須の構成成分とし、
(ii).前記灰体を高温下で溶融するためにテルミット反応剤を必須の構成成分とし、かつ、
(iii).前記(i)〜(ii)成分を相互に固着し、固形化、棒状化するための可燃性媒体を必須の構成成分として、
構成されるものである。
【００１８】
周知のように、テルミット法（thermit process）は、一般に下式で示されるように、アルミニウム粉末と金属酸化物を混合し、これに着火すると、激しい発熱反応が起こり、金属酸化物が還元され、生じた金属は高温のために溶融して反応器の底に回収されるという反応現象をいう。
２Ａｌ＋３／２・Ｏ2＝Ａｌ2Ｏ3＋３８６．２Ｋｃａｌ
【００１９】
より具体的にはＡｌ粉末と酸化鉄（Ｆｅ3Ｏ4）の粉末の場合、これら粉末を混合し、着火（約１１００℃〜１１５０℃）すると、下式（１）によりテルミット反応が進行し、その時、２７５０℃以上という高温が得られる。
８Ａｌ＋３Ｆｅ3Ｏ4＝９Ｆｅ＋４Ａｌ2Ｏ3…………（１）
【００２０】
前記式（１）で示されるＡｌ粉末と酸化鉄（Ｆｅ3Ｏ4）粉末の間のテルミット反応により発生する高温は、２７５０℃以上であり、従来のバーナー溶融、プラズマ溶融、あるいはアーク溶融などと比較して極めて高い温度である。
このため、前記した各種の灰体を含有するとともに、テルミット反応剤を含有する自燃性燃料の燃焼方式としては、燃焼に際して、燃焼炉の構成部材、例えば耐火レンガ等に無接触状態で燃焼させる方式が好ましい。
これは、テルミット反応においては、前記したように極めて高い反応熱が発生するため、燃焼炉の耐久性、耐火性を短期間に低下させてしまうためである。
【００２１】
本発明は、前記した点を勘案して燃焼炉内での燃料棒の無接触型燃焼により灰体を溶融することを保証するために、別言すれば、燃料棒の燃焼による灰体の空間溶融を保証するために、燃料棒の形態を固形状の棒状体としている。前記した固形状かつ棒状の形態の燃料棒を使用することによって、片持ち状態の燃焼棒の先端部において、テルミット反応剤の燃焼時の高い反応熱により灰体を溶融させることができる。即ち、各種灰体を空間溶融させることができる。
【００２２】
本発明は、前記した燃焼炉内において、燃料棒を無接触型に燃焼させるために、可燃性媒体を使用して灰体とテルミット反応剤を相互に固着し、固形状の棒状体とするという技術的構成を採用している。
本発明において、前記可燃性媒体を使用することの利点は、燃料棒を固形状かつ棒状に保形する以外に他の重要な意義を有するものである。
前記したように、本発明の自然性燃料棒による各種の灰体の溶融固化は、主としてテルミット反応剤の反応熱により行なわれるものである。
テルミット反応剤は、一回の着火によりその後はその自燃性により接続的（連続的）に反応することが好ましいことはいうまでもないことである。
【００２３】
重金属物質などの有害物質を含む各種の灰体を無害化するためには、完全に溶融し、かつ固化（スラグ化）することが重要である。このために、テルミット反応剤の燃焼反応が均一に行なわれることが不可欠である。
しかしながら、テルミット反応剤のアルミニウム粉末と酸化鉄などの金属酸化物粉末の混合物において、ミクロ的にみて不均一混合の領域が存在することがさけられない。前記した領域において、灰体は、必ずしも完全に溶融されるとは限らない。
このため、本発明は、燃料棒の均一燃焼を保証するために、前記可燃性媒体を使用するものであり、この点は極めて重要な点である。
【００２４】
前記した目的、即ち無接触媒体の燃焼を保証するための燃料棒を調製する上で、かつ完全燃焼を支援するために、本発明において、可燃性媒体の使用は不可欠の構成要件である。
前記した可燃性媒体として、例えば天然鉱油系物質、合成油系物質、あるいはプラスチック廃棄物などの可燃性媒体を使用することができる。
より具体的には、重油、灯油、潤滑油、廃油などの天然鉱油系物質、あるいはエステル系や低分子量ポリマー（ポリエチレンワックスなど）の合成油系物質などを使用することができる。更には、プラスチック廃棄物（分別回収されたプラスチックのペレットなど）を可燃性媒体として使用することができる。
本発明の可燃性媒体は、灰体とテルミット反応剤を相互に固着し、固形状の棒状体とすることができるものであれば、前記したものに限定されない。
【００２５】
本発明の前記自燃性燃料棒は、他の配合成分、例えばテルミット反応の促進剤（硫化物や塩化物など）、発火剤（過酸化バリウムとアルミニウム粉末など）を含んでもよいことはいうまでもないことである。
【００２６】
本発明において、前記自燃性燃料棒の各成分の使用割合は、所望に設定すればよい。
テルミット反応剤、即ちアルミニウム粉体と金属酸化物粉体の混合重量比は、一般に１：２〜１：４に設定すればよい。
また、アルミニウム粉体と金属酸化物粉体を溶融固化剤というとき、前記溶融固化剤と灰体の混合重量比は、一般に１：１〜１：４に設定すればよい。
更に、アルミニウム粉体と金属酸化物粉体を溶融固化剤というとき、前記溶融固化剤、灰体、及び可燃性媒体の混合重量比は、一般に可燃性媒体を基準にして２：２：１〜２：８：１に設定すればよい。
【００２７】
本発明の前記自燃性燃料棒の製造の態様及び燃焼の態様は、所望に選択すればよい。
例えば、予め所望本数の自燃性燃料棒を製造しておき、これを所望の燃焼炉に所望本数、無接触型燃焼ができるように装着し、燃焼速度に同期させて各燃料棒を送り出すようにして燃焼させればよい。
また、自燃性燃料棒を製造すると同時に、燃料棒の製造装置に隣接配置した燃焼炉に前記燃料棒を供給し、燃焼させる方式を採用してもよい。
【００２８】
本発明において、前記自燃性燃料棒は、所望の燃焼炉において、テルミット反応剤の着火、及び燃焼反応が誘発されて自燃するとともに、灰体は高温下で溶融し、燃焼炉の下部に自然落下する。
前記した溶融物は、冷却水で急冷水砕してガラス状の水砕スラグ（固化物）にされたり、あるいは、空冷して空冷スラグ（結晶化スラグ）にされる。
【００２９】
前記した溶融固化物は、コンクリートの骨材や細骨材、下水道工事用のクッション材、路盤材、道路舗装用ブロック材、透水性ブロック材などとして再利用することができるものである。
【００３０】
以下、図面を参照して、本発明の前記自燃性燃料棒を製造する方法、及び、製造される自燃性燃料棒を同時に燃焼処理する方法について説明する。
図１は、前記自燃性燃料棒の製造とともに、同時に燃焼処理を行なうための焼却灰及び／又は集塵灰の処理装置（Ａ）を説明する図である。
なお、本発明の自燃性燃料棒の製造及び処理の態様は、図示のものに限定されず、種々の変形例が可能であることはいうまでもないことである。
【００３１】
図示されるように、焼却灰及び／又は集塵灰の処理装置（Ａ）は、大別して以下の四つの構成要素からなるものである。
(i).原料の脱水・混合機（Ｂ）
なお、本発明において原料とは、自燃性燃料棒を製造するための原料であり、より詳しくは前記した各種の灰体、テルミット反応剤（アルミニウム粉体及び金属酸化物粉体）、及び可燃性媒体を必須成分とするものである。
本発明において、所望により他の成分、例えばテルミット反応の促進剤などが使用されてもよいことはいうまでもないことである。
(ii).燃料棒製造機（混練押出機）（Ｃ）
(iii).燃焼炉（Ｄ）
(iv).溶融物受容器（Ｅ）
【００３２】
図１において、自燃性燃料棒は（１）、前記燃料棒（１）の燃焼により生成する溶融物は（２）、前記溶融物（２）の冷却固化体は（３）、で示されている。
【００３３】
前記原料の脱水・混合機（Ｂ）は、脱水・混合機本体（Ｂ1）、ヒータ部（Ｂ2）、及び各種原料の供給路（パイプ）（Ｂ3）から構成される。
前記ヒータ部（Ｂ2）は、最終的に製造される燃料棒（１）の中の水分を除去するためのものである。
燃料棒（１）の中に水分が多量に含まれていると、高温下でのテルミネット反応において極めて危険である。このため、水分除去（乾燥）は、次に説明する燃料棒製造機（Ｃ）においても、行なわれることが好ましい。
【００３４】
前記燃料棒製造機（混練押出機）（Ｃ）は、大径部から小径部へと徐々に縮径される本体部（１）、及び前記本体部（Ｃ1）の端部に配設された固形状かつ棒状の燃料棒押出し部（Ｃ2）、を主要な構成要素として構成されるものである。
【００３５】
図１は、前記構成要素のほかに、前記本体部（Ｃ1）の内部にスクリュー（Ｃ11）、外部に高さ調整器（Ｃ12）を示している。
前記スクリュー（Ｃ11）は、原料を十分に混練し、かつ縮径部（Ｃ2）において可燃性媒体により各原料成分を相互に固着もしくは融着するものである。
前記高さ調整器（Ｃ12）は、燃料棒（１）の先端部の後述する燃焼炉（Ｄ）の着火装置（Ｄ2）に対する角度を調整するためのものである。これにより着火装置（Ｄ2）に対する燃料棒の角度が所望に設定される。
【００３６】
更に、図１は、前記燃料棒製造機（Ｃ）を収容する収容室（Ｃ3）を示している。
前記収容室（Ｃ3）が配設される場合、前記収容室（Ｃ3）内に燃料棒製造機（Ｃ）を外部から過熱する過熱手段を配設してもよい。
前記収容室（４）内での過熱手段は、燃料棒（１）の中から水分を除去するために重要である。
前記過熱手段は、後述する燃焼炉（Ｄ）内で発生する高温に過熱された空気を利用できることはいうまでもないことである。
なお、図１には図示されていないが、燃料棒製造機（Ｄ）の本体部（Ｃ1）内に内部過熱部（ヒータ部）を配設してもよいことはいうまでもないことである。
【００３７】
前記燃焼炉（Ｄ）は、燃焼炉本体部（Ｄ1）及び着火装置（Ｄ2）で構成される。
図示の燃焼炉本体部（Ｄ1）は、燃料棒（１）から着火装置（Ｄ2）の方向にみて、その壁部は傾斜をなしており、かつ燃料棒（１）の燃焼により生成する灰体溶融物（２）を外部に取り出すための取出口（Ｄ11）を有するものである。
図示されるように（図１の回転方向を示す矢線を参照）、燃料棒（１）の均一燃焼を図るために、
(i).燃焼炉本体部（Ｄ1）を燃料棒（１）とともに回転自在となるように構成したり、あるいは、
(ii).着火装置（Ｄ2）を回転自在となるように構成してもよいことはいうまでもないことである。
【００３８】
本発明において、前記着火装置（Ｄ2）は、テルミット反応剤の燃焼を生起させるに十分な点火温度（例えば１１００℃〜１２００℃）が得られるもので構成される。
前記着火装置（Ｄ2）として、例えばバーナー方式、高周波方式、アーク方式などを採用すればよい。
【００３９】
本発明において、前記溶融物受容器（Ｅ）は、燃料棒（１）により生成する灰体溶融物（２）を受容するものである。
灰体溶融物（２）は、燃焼炉（Ｄ）と受容器（Ｅ）の間でも冷却固化（スラグ化）するが、主体的には受容器（Ｅ）において固化するものである。
受容器（Ｅ）の構造としては、灰体溶融物（２）を冷却水で急冷し、水砕してガラス状の水砕固化物が得られるようにしてもよいし、除冷しながら（ゆっくりと冷やしながら）結晶化させた固化物（空冷スラグ、結晶化スラグ）が得られるようにしてもよい。
また、受容器（Ｅ）を溶融物から金属成分を回収するように構成してもよい。例えば、受容器（Ｅ）の構成を、溶融物を受容するとともに、低比重物（スラグ成分）と高比重物（金属成分）に分離させ、次いで水冷することにより粒状のスラグ成分と粒状の金属成分を調製し、金属成分を磁選機などにより分離回収するようにしてもよい。
前記した灰体の溶融固化物（２）は、コンクリートの骨材、路盤材、道路舗装用ブロック材など各種の用途に利用できるため、これら用途に適合した形態で冷却固化すればよい。
【００４０】
【発明の効果】
本発明は、各種の産業廃棄物、都市ゴミ、下水汚泥（脱水汚泥、脱水ケーキ）などを焼却するときに排出される焼却灰、及び新たに一般廃棄物として規定された集塵灰（飛灰）を、減容化、無公害化、資源の再利用化の観点から効率的かつ経済的に処理することができるこれら各種の灰体を含有する自燃性の燃料棒を提供するものである。
【００４１】
本発明の前記自燃性燃料棒は、前記した処理対策が急務である各種の灰体を含有することはいうまでもないことであるが、前記した各種の灰体を溶融固化するための燃料源として、これも産業廃棄物または廃材から容易に入手されるテルミット反応剤（アルミニウム粉体及び酸化鉄などの金属酸化物粉体）を利用して構成されるものである。
【００４２】
また、本発明の前記自燃性燃料棒は、処理対象物が、重金属等の有害物質を含有している灰体であることに鑑み、灰体が完全に溶融固化されることを確実にするために（別言すればテルミット反応剤の燃焼反応を確実にするために）可燃性媒体を利用し、前記灰体及びテルミット反応剤を相互に固着し、固形状かつ棒状に構成されるものである。
【００４３】
前記した構成の自燃性燃料棒は、所望の焼却炉において完全に燃焼することができ、別言すれば、前記した各種の灰体を完全に溶融固化させることができる。
【００４４】
本発明の自燃性燃料棒から得られる溶融固化物は、灰体中の有害物質はテルミツ反応のもとで発生する高温下での溶融により完全に無害化される。
また、本発明の自燃性燃料棒から得られる溶融固化物は、前記したように完全に無害化されているためコンクリートの骨材（細骨材）、下水道工事用のクッション材、路盤材、道路舗装用ブロック材、透水性ブロック材などとして再利用（資源の再利用）されるものである。
前記したように、本発明は公害対策技術として位置づけられるものであり、その社会的貢献度及び社会的意義は大である。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の焼却灰及び／又は集塵灰を含有する自燃性燃料棒の製造及び燃焼処理のための装置を説明する図である。
【符号の説明】
Ａ  ……………  灰体の処理装置
Ｂ  ……………  原料の脱水・混合機
Ｃ  ……………  燃料棒製造機
Ｄ  ……………  焼却炉
Ｅ  ……………  溶融物受容器
１  ……………  燃料棒
２  ……………  溶融物
３  ……………  溶融固化物
【図１】
0003783146.tif 000002