JP3717018B2

JP3717018B2 - コンクリート用人工骨材の製造法および製造装置

Info

Publication number: JP3717018B2
Application number: JP35216296A
Authority: JP
Inventors: 清高井
Original assignee: ラサ商事株式会社
Priority date: 1996-12-11
Filing date: 1996-12-11
Publication date: 2005-11-16
Anticipated expiration: 2016-12-11
Also published as: DE19755118A1; JPH10167783A; KR100227003B1; DE19755118B4; KR19980063560A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、コンクリート用人工骨材の製造法および製造装置に係り、詳しくは、生活ごみ，下水汚泥，産業廃棄物等を焼却して生じた焼却灰や下水汚泥乾燥粉を溶融し、これらの焼却灰等に含まれる重金属類や還元可能な酸化物を溶融還元して除去すると共に、ＳｉＯ₂等の鉱物質を主成分とする溶融スラグを生成し、この溶融スラグから有害物質や重金属類を可及的に含まない天然砂利や天然砂に極めて近い組成のコンクリート用人工骨材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】
家庭から出るごみや産業廃棄物は焼却することによって減容化され、下水汚泥等は乾燥粉とされる。ごみ焼却灰や乾燥粉は、通常埋立地等に廃棄される。しかし、投棄地の容量にも限界があり、より一層の減容化や再資源化の努力が払われるようになってきている。最近では、資源のリサイクル化の観点に立った研究が進み、例えば堆肥化や有価物の回収といったことが行われている。さらには、ごみや産業廃棄物の焼却灰ならびに下水汚泥乾燥粉の溶融スラグから、建築土木資材を再生することも注目を浴びている。このような再資源化には、無害化処理が重要である。
【０００３】
焼却灰や乾燥粉（以下まとめて焼却灰という）を１，５００℃以上で溶融すると、焼却灰中の可燃物が燃焼しダイオキシンは完全に分解すること、重金属類はガラス質のスラグ中に閉じ込められること、焼却灰を１／３以下に減容できることなどの利点が挙げられる。このような溶融処理によれば、焼却灰中の無機分も融液となり、この融液を冷却すると凝固したスラグとすることができる。
【０００４】
スラグは路盤材や建築土木用骨材として使用されたり、タイルや装飾品に加工される。これらの再生品には、無害化や化学的物理的安定性が要求される。近年では、溶融スラグを生成させて無害化した人工骨材を製造する方法や装置が種々提案されている。焼却灰の代表的な溶融法としては、電気溶融方式，燃料燃焼溶融方式および直接溶融方式がある。後者の二つは酸化性雰囲気で溶融させるので説明を省く。前者では、電気抵抗炉、低周波誘導炉、アーク炉、プラズマ炉等が使用される。
【０００５】
電気抵抗式溶融炉では、焼却灰に電流を流して発生したジュール熱によって焼却灰が溶融される。低周波誘導式溶融炉では、誘導コイルの電磁誘導作用により加熱された溶融銑鉄に接触させて、焼却灰が溶融される。アーク式溶融炉では、電極間の荷電により発生したアークの熱で、焼却灰が溶融される。プラズマ式溶融炉では、放電により発生した高温プラズマと高圧ガスからなるプラズマジェットで、焼却灰が溶融される。
【０００６】
ところで、焼却灰を溶融したときのスラグの主成分は、ＣａＯ，ＳｉＯ₂，Ａｌ₂Ｏ₃，ＦｅＯ，ＭｇＯである。ＦｅＯおよびＭｇＯは比較的少ないので、スラグをＣａＯ−ＳｉＯ₂−Ａｌ₂Ｏ₃の三元系とみなすことができる。Ａｌ₂Ｏ₃の多いスラグは、融点が非常に高く、粘性も大きい。このようなスラグは流動性が低くて炉からの出滓は困難であり、さらに、再結晶化も容易でない。スラグ融点が高くならない範囲の量の石灰石をスラグに添加すれば、スラグの流動性は改善される。しかし、ＣａＯの含有量が多いスラグは消化しやすく、長期にわたる化学的物理的安定性を有しない。それゆえに、ＣａＯを多く含むスラグは、高い機械的強度が要求されるコンクリート用人工骨材としては不適切である。
【０００７】
一方、スラグの塩基度（ＣａＯとＳｉＯ₂の重量比）が低いと、溶融スラグの粘性は高くなって再結晶化が進みにくい。塩基度が高いと、スラグ融点は高くなり、溶融のためのエネルギ消費量が増大する。したがって、溶融炉中のスラグの塩基度が低いときにはＣａＯを添加し、塩基度が高いときにはＳｉＯ₂を添加して、塩基度が０．６ないし１．５となるように調整される。
【０００８】
電気溶融炉内のスラグの融点を低下させかつ流動性を改善した技術が、特開平４−３５４５７５号公報や特開平４−３５８５８４号公報に記述されている。前者は、金属溶湯上に投入された焼却灰をアーク熱により溶融するとき、溶融スラグの粘性が高くならないように、溶融スラグにＦｅＯを添加することを開示している。後者は、金属溶湯の表面および溶融スラグの表面を酸化性雰囲気にすることによって、溶融スラグ中にＦｅＯを生成させることを開示している。
【０００９】
上記の二つの操作によれば、スラグに残存する５％ないし２０％のＦｅＯによって、ＣａＯ−ＳｉＯ₂−Ａｌ₂Ｏ₃−ＦｅＯ系を形成させることができる。このようなスラグの融点は低下し、スラグの流動性も改善される。しかし、ＦｅＯを含む四元系に改質した溶融スラグを水砕すると、非常に脆弱な非晶質の粒状スラグとなる。一方、その溶融スラグを徐冷した場合は、スラグ中のＦｅＯがスラグの再結晶化を阻止して、スラグが天然石とは大きく異なる性質や組織の凝固物となる。もちろん、ＦｅＯの多いスラグは、コンクリート用骨材の靱性を確保するために要求されるＦｅＯが３％以下という規定を満たすことができない。
【００１０】
Ｆｅ等の重金属を多く含むスラグは、その重金属がいずれは溶出するので不安定である。このようなスラグは有害であるだけでなく、スラグ中の金属類の再資源化を図ることができない。加えて、溶融スラグ中にＦｅＯが多いと、電気溶融炉の炉床部や出滓口近傍のライニングがスラグによって侵蝕され、炉の寿命が短くなる。
【００１１】
焼却灰の溶融スラグについて、さらに説明を加える。ストーカ式ごみ焼却炉や流動床式ごみ焼却炉では、焼却灰が過剰な酸素の存在する雰囲気で燃焼されるので、酸化反応が支配的となる。したがって、生成された焼却灰は、酸化物（ＳｉＯ₂，ＣａＯ，Ａｌ₂Ｏ₃，ＭｇＯ，ＦｅＯ，重金属類の酸化物、有害不純物Ａｓ，Ｂｉ等の酸化物）の残留する灰の集合体である。この焼却灰には通常Ｃｌの化合物類も含まれる。このような焼却灰をバーナ炉，電気アーク炉，プラズマ溶融炉等において酸化性雰囲気で溶融すると、溶融スラグも酸化物の形態を維持する。
【００１２】
もちろん、焼却灰中の重金属類や有害不純物類は、生成されたスラグに溶け込んで残留する。このことを、「重金属類や有害不純物類をスラグに封じ込めた」と一般に称している。溶融スラグ中に存在する酸化力の強いＦｅＯ，Ｆｅ₂Ｏ₃はスラグ中で最も強力な酸化剤として作用するので、スラグは重金属類や有害不純物類の酸化物を含んだ汚れたものとなる。このような汚いスラグの大部分は埋立処分場に運ばれ、再利用されることがない。しかし、重金属類や有害不純物類はスラグからいずれは溶出し、環境破壊を招く。重金属類としてはＣｕ，Ｃｒ，Ｎｉ，Ｚｎ，Ｐｂがあり、有害不純物類としてはＰ，Ａｓ，Ｂｉ，Ｃｄ，Ｈｇ等が挙げられる。
【００１３】
直流抵抗式溶融炉を用いて、ＦｅＯを焼却灰から分離する試みがある。この溶融炉は、電極棒がプラス極であり、炉底がマイナス極となっている構造である。焼却灰中のＦｅＯが電解されて生じたＦｅ⁺はマイナス極へ移動するので、還元剤を使用しなくても溶融スラグからＦｅＯを除去できるという原理に基づいている。
【００１４】
しかし、炉内が完全な還元性雰囲気でないので、電解されなかったＦｅＯが焼却灰中に残存し、溶融スラグに３％ないし４％のＦｅＯが含まれる。一方、溶融鉄は０．０３％ないし０．０５％Ｃの純鉄となるので、出湯のために１，６５０℃以上の加熱が要求される。このような溶融炉では大電流が必要であり、太い電極が備えられなければならない。加えて、ライニングの損傷が早く、連続運転や容量の大きい大型炉の実現は不可能である。
【００１５】
ところで、溶融スラグを凝固させる従来技術においては、スラグ組成を可及的完全に再結晶化させる処理が施されていない。その凝固スラグは、天然石とは異なる非晶質部分を多く含む。これは、溶融スラグの流動性を改善するためにＦｅＯやＣａＯを添加したり、スラグ融点の低下を促進するためにＳｉＯ₂を配合しているからである。したがって、多元系相平衡状態における共晶凝固現象を考慮した熱処理が不可能である。非晶質（ガラス質）なスラグは、建築資材としての良質なコンクリート用人工骨材に適用することができず、路盤材や緑農地化の資材として利用できるにすぎない。
【００１６】
ちなみに、特開平４−１３９０４０号公報には、金型に鋳込まれた溶融スラグをコンベアで搬送しながら空冷することにより、スラグブロックを鋳造する装置が開示されている。しかし、溶融スラグが金型のメタル面に接触するときの初期冷却速度の制御が困難であるので、急激に冷却されたスラグは非晶質化し、方向性のある脆い組織となる。
【００１７】
【発明が解決しようとする課題】
溶融スラグを生成するために溶融炉へ装入される焼却灰は、細かい灰の凝集した多孔物質であり、かつガス，水分，揮発物質を含んでいる。そのために、焼却灰が溶融しはじめる前に、ガス，水分が焼却灰から一斉に放出され、加えて、揮発物質も燃焼する。その結果、溶融していない焼却灰を攪乱する突沸現象が発生する。焼却灰の静かな溶融のみならず焼却灰の連続装入も妨げられ、溶融炉の連続的な自動操業や自動制御が阻害される。
【００１８】
ところで、ごみ焼却や金属精錬等においては、排ガスの処理工程で飛灰が捕集される。ごみを焼却した場合、焼却灰の発生量／飛灰の発生量＝３／１であり、飛灰の量は無視することができない。飛灰は、Ｐｂ，Ｚｎの低沸点重金属と、ＮａＣｌ，ＫＣｌ等の塩類と、排ガス処理に用いられた乾式石灰および石灰生成物と、ダストとの混合物である。通常、飛灰は廃棄処理のために溶融される。キレート剤で処理された溶融飛灰は、セメントで固化された後に埋立処分される。飛灰からの有用金属や塩類の回収が可能性であるにもかかわらず、廃棄されているのが現状である。
【００１９】
ごみや産業廃棄物の処理において、多量のプラスチック廃材も発生する。プラスチック廃材には揮発成分が含まれるので、廃棄処理は容易でない。
【００２０】
飛灰の単体処理は難しいが、焼却灰に混ぜて溶融処理できることは知られている。焼却灰を溶融する際に飛灰を加えた場合、飛灰はアルカリ塩類を含み焼却灰より融点が低いので、焼却灰より早く飛灰が溶融して凝集する。焼却灰から分離した溶融飛灰層は炉内発生ガスの浮上を妨げるので、層下に溜まったガスが突沸現象を助長する。飛灰を溶融炉に装入することは、スラグ生成プラントの自動化運転をますます阻害する。
【００２１】
突沸現象の規模は、炉容量が大きくなるほど大きくなる。電気炉に装入された原料が放出ガスにより攪乱されると、原料中の酸化物と反応して電極の消耗が激しくなる。電極の先端近傍が焼損して局部的に細くなり、電極の下端部が原料内に落ちると、アークが脱落電極と短絡する。局部加熱が発生すると、炉の操業は不可能となる。
【００２２】
装入原料が激しく攪乱されると、溶融スラグの生成に消費される電力量が増大すると共に操業時間も長くなる。原料から放出されたガスが溶融スラグに混入するので、凝固スラグにも気泡が残留し、緻密な人工骨材が得られない。
【００２３】
ちなみに、一般的な生コン用骨材の粒度配分は、２５ｍｍが７０％，１０ｍｍが３０％である。土木用生コンでは、４０ｍｍが４０％，２０ｍｍが３０％，１０ｍｍが３０％である。それゆえ、建築土木用生コンに供する人工骨材とするためには、４ｍｍないし４０ｍｍ径のスラグを製造することが望ましい。
【００２４】
建築土木には、天然砂に近い人工骨材が要求されることもある。特開昭６４−５２６３７号公報には、回転羽根によってロータリフードの中へ跳ね飛ばされた溶融スラグに、水ミストを散布する粒化法が開示されている。特開昭６３−５０３５１号公報には、圧縮空気で飛散させた溶融スラグを噴射空気で冷却する粒化法が開示されている。特開平８−１３３８００号公報には、水冷された回転ドラム内に溶融スラグを噴射する粒化法が開示されている。
【００２５】
いずれの粒化法にも、再結晶化の容易な無害化の図られた溶融スラグを生成する方法が開示されていない。したがって、粒化されたスラグは冷却時に非晶質化し、かつ重金属類や有害物質を含んだままとなる。この人工骨材は天然砂とは著しく異なる化学的物理的性質を有し、機械的強度の要求されるコンクリート用人工骨材としては不適切である。
【００２６】
本発明の第一の目的は、可及的に低融点であって共晶凝固する組成を有したＳｉＯ₂等を主成分とする溶融スラグを生成することにより、コンクリート用人工骨材の条件であるＦｅＯの含有率３％以下が達成できると共に、ガス含有率の極めて低い組織の緻密な再結晶化したコンクリート用人工骨材を製造できるようにすることである。
【００２７】
第二の目的は、人工骨材における有害物質の含有率を可及的に少なくし、化学的安全性を高めたクリーンなスラグを得ることである。加えて、溶融スラグ中の還元容易な金属成分を分離することにより、金属資源の再利用を可能にすることである。
【００２８】
第三の目的は、焼却灰の溶融に投入したエネルギの放散を少なくすることにより、溶融スラグの再結晶化に要するエネルギの節減を図ることである。
【００２９】
第四の目的は、産業廃棄物としての飛灰やプラスチック廃材の再利用を可能にすることである。加えて、溶融炉における爆発的な突沸現象の発生を抑制することにより、装入原料の静かな還元反応の進行を実現し、炉体へ原料を連続装入できる人工骨材製造プラントの自動化を可能にすることである。
【００３０】
【課題を解決するための手段】
本発明は、生活ごみ，下水汚泥，産業廃棄物等を焼却して生じた焼却灰や下水汚泥乾燥粉の溶融スラグから人工骨材を製造する方法に適用される。その特徴とするところは、図１を参照して、
（１）焼却灰や下水汚泥乾燥粉を、１２０℃ないし２５０℃に加熱する乾燥工程、
（２）乾燥された焼却灰や下水汚泥乾燥粉ならびにＭｇＯを含む造滓材を秤量することにより、これらの原料から生成される溶融スラグ中のＭｇＯが５％ないし２０％の範囲における目標含有率もしくはそれに極めて近似した含有率となるように、原料を所定配合比率にする調合工程、
（３）調合された原料に微粉炭２３およびプラスチック廃材２４を添加することにより炉体の略全領域を７００℃ないし１，０００℃に保持した状態で、微粉炭から粉コークスを生成させる同時に、原料の予熱や脱ガス，原料の一部の還元をする加熱工程、
（４）予熱された原料７中のＦｅ系酸化物を溶融還元して溶融銑鉄５を生成し、この溶融銑鉄５に他の重金属類および還元可能な酸化物を還元して生じた元素を溶解させると共に、ガス含有率が極めて低く重金属類等を可及的に含まない溶融スラグ６を生成して溶融銑鉄５の上部に滞留させる還元溶融工程、
（５）溶融銑鉄５とは独立して出滓された溶融スラグ６を金型に流して板状にすると共に搬送し、その搬送の間に鋳造スラグ６ｓを成形する鋳造工程、
（６）鋳造スラグ６ｓを金型から離型した後に、４ｍｍないし４０ｍｍに砕く破砕工程、
（７）破砕により生じた鋳造スラグ粒６ｕを８５０℃ないし１，２００℃の雰囲気下で転動させ、その鋳造スラグ粒中に残留する非晶質部分を再結晶化させると共に鋳造スラグ粒の残留内部歪を除去する熱処理工程、
とを有して、組織の緻密な再結晶化した人工砂利６４を生成させるようにしたことである。
【００３１】
請求項２の発明は、図２を参照して、請求項１に記載の乾燥工程，調合工程，加熱工程，還元溶融工程に続き、
（１）溶融銑鉄５とは独立して出滓された溶融スラグ６を気流に乗せて水冷壁に衝突させ、その水冷壁との接触により溶融スラグを凝固させて砂状スラグ６ｗを生成する凝固工程、
（２）砂状スラグ６ｗを８５０℃ないし１，２００℃の雰囲気下で転動させ、その砂状スラグ中に残留する非晶質部分を再結晶化させると共に砂状スラグの残留内部歪を除去する熱処理工程、
とを有して、組織の緻密な再結晶化した人工砂７６を生成させるようにしたことである。
【００３２】
請求項３の発明は、生活ごみ，下水汚泥，産業廃棄物等を焼却して生じた焼却灰や下水汚泥乾燥粉の溶融スラグから人工骨材を製造するために、焼却灰に含まれる還元容易なＦｅ，Ｃｒ，Ｐ等の酸化物を溶融還元して溶融銑鉄を生成し、可及的に低融点でありかつ共晶凝固する組成を有したＳｉＯ₂等を主成分とする溶融スラグを生成し、その溶融スラグからガス含有率の極めて低い組織の緻密な再結晶化したコンクリート用人工骨材を製造する方法に適用される。その特徴とするところは、図１を参照して、
（１）焼却灰や下水汚泥乾燥粉を、１２０℃ないし２５０℃に加熱する乾燥工程、
（２）乾燥された焼却灰や下水汚泥乾燥粉ならびにＭｇＯを含む造滓材を秤量することにより、これらの原料から生成される溶融スラグ中のＭｇＯが５％ないし２０％の範囲における目標含有率もしくはそれに極めて近似した含有率となるように、原料を所定配合比率にする調合工程、
（３）調合された原料に微粉炭２３およびプラスチック廃材２４を添加することにより炉体の略全領域を７００℃ないし１，０００℃に保持した状態で、微粉炭から粉コークスを生成させる同時に、原料の予熱や脱ガス，原料の一部の還元をする加熱工程、
とを有して、還元溶融すべき原料を事前処理するようにしたことである。
【００３３】
請求項４の発明は、上記したいずれの方法の発明においても、原料に飛灰を含めたことである。
【００３４】
請求項５の装置の発明は、生活ごみ，下水汚泥，産業廃棄物等を焼却して生じた焼却灰や下水汚泥乾燥粉の溶融スラグから人工骨材を製造する装置に適用される。その特徴とするところは、図３および図４を参照して、
（１）焼却灰や下水汚泥乾燥粉を、１２０℃ないし２５０℃で乾燥させる乾燥装置１Ａ、
（２）乾燥された焼却灰や下水汚泥乾燥粉ならびにＭｇＯを含む造滓材を混合することにより、これらの原料から生成される溶融スラグ中のＭｇＯが５％ないし２０％の範囲における目標含有率もしくはそれに極めて近似した含有率となるように、原料を所要配合比率にする秤量装置１Ｃ、
（３）調合された原料が装入され、炉体中間位置で微粉炭およびプラスチック廃材を添加することにより炉体の略全領域を７００℃ないし１，０００℃に保持した状態で、微粉炭から粉コークスを生成させると同時に、原料の予熱や脱ガス，原料の一部の還元をするＥＫ式ロータリキルン１Ｄ₁、
（４）予熱された原料７を還元溶融することにより、その原料７中のＦｅ系酸化物を還元して溶融銑鉄５を生成し、この溶融銑鉄５に他の重金属類および還元可能な酸化物を還元して生じた元素を溶解させると共に、ガス含有率が極めて低く重金属類等を可及的に含まない溶融スラグ６を生成して溶融銑鉄５の上部に滞留させる還元溶融炉２Ａ、
（５）溶融銑鉄５とは独立して出滓された溶融スラグ６を金型に流して板状にすると共に搬送し、その搬送の間にスラグを凝固させるスラグ鋳造装置３Ａ、
（６）凝固した鋳造スラグ６ｓを金型から離型した直後に、４ｍｍないし４０ｍｍに破砕する破砕装置３Ｂ、
（７）破砕により生じた鋳造スラグ粒６ｕを８５０℃ないし１，２００℃の雰囲気下で転動させ、その鋳造スラグ粒中に残留する非晶質部分を再結晶化させると共に鋳造スラグ粒の残留内部歪を除去する回転式熱処理炉４Ａ、
とを備えることである。
【００３５】
請求項６の発明は、図３および図５を参照して、請求項５に記載の乾燥装置１Ａ，秤量装置１Ｃ，ＥＫ式ロータリキルン１Ｄ₁および還元溶融炉２Ａを備えると共に、
（１）溶融銑鉄５とは独立して出滓された溶融スラグ６を気流に乗せて水冷壁に衝突させ、その水冷壁との接触により溶融スラグから砂状スラグ６ｗを生成する風砕式凝固装置３Ｓ、
（２）砂状スラグ６ｗを８５０℃ないし１，２００℃の雰囲気下で転動させ、その砂状スラグ中に残留する非晶質部分を再結晶化させると共に砂状スラグの残留内部歪を除去する回転式熱処理炉４Ａ、
とを備えることである。
【００３６】
請求項７の発明は、上記したいずれの装置の発明においても、原料に飛灰を含めたことである。
【００３７】
【発明の効果】
請求項１の発明によれば、焼却灰や下水汚泥乾燥粉の還元溶融により、Ｆｅ系酸化物ならびに他の重金属類や還元可能な酸化物を含まず、ガス含有率の極めて低い溶融スラグを得ることができる。ＭｇＯの添加により溶融スラグの流動性は改善され、出滓や鋳造操作が容易となる。加えて、ＣａＯを過剰に添加することなくスラグ融点の低下を実現する。ＣａＯ−ＳｉＯ₂−Ａｌ₂Ｏ₃の三元系スラグがＭｇＯの添加された四元系に改質されることにより、三元系スラグの限られた共晶点の発生領域が拡大される。したがって、可及的に低い温度で共晶凝固可能な溶融スラグを生成することができる。
【００３８】
４ｍｍないし４０ｍｍに破砕した凝固スラグを熱処理するので、非晶質部分が完全に再結晶化する。再結晶化したスラグは天然砂利に極めて近似したコンクリート用人工砂利となる。この人工砂利は、消化性を伴うことなく化学的にも物理的にも安定しており、重金属類の溶出しない無害化が図られ、人工骨材に必要な高い機械的強度を有する。
【００３９】
予熱，乾燥，一部還元された原料を還元溶融すること、溶融スラグが直ちに凝固処理されること、高温の凝固スラグが熱処理されることから、再結晶化スラグを製造するために費やされるエネルギの低減が図られる。溶融炉への原料の連続装入が可能となるので、人工骨材製造プラントの自動化を図ることができる。
【００４０】
産業廃棄物であるプラスチック廃材が、溶融スラグの原料や熱源として使用することができる。
【００４１】
原料は還元性雰囲気下で溶融されるので、溶融スラグ中のＦｅＯは極めて少なく、溶融スラグが炉床部や出滓口近傍のライニングを侵蝕することもなく、炉の長期の可動を実現する。還元によって生成された溶融銑鉄は、金属資源として再利用することができる。
【００４２】
請求項２の発明によれば、ＣａＯ−ＳｉＯ₂−Ａｌ₂Ｏ₃−ＭｇＯの四元系相平衡状態における共晶凝固可能な溶融スラグを気流に乗せて水冷壁に衝突させるので、水冷壁との接触により凝固した砂状スラグを生成することができる。この砂状スラグは熱処理されると、請求項１の場合と同様の効果を発揮する人工砂となる。
【００４３】
請求項３の発明においては、焼却灰や下水汚泥乾燥粉からコンクリート用人工骨材を製造する場合に、原料の乾燥や予熱，原料の一部還元をしておくことができる。このような事前処理が原料に施されていると、炉内での静かな還元溶融が可能となる。さらに、産業廃棄物であるプラスチック廃材が、溶融スラグの原料や熱源として使用可能となる。
【００４４】
請求項４の発明によれば、飛灰を混入させることになるので、産業廃棄物である飛灰も溶融スラグの原料として使用することができる。飛灰を焼却灰に添加する場合に生じる突沸現象は、乾燥後の加熱によって防止しておくことができ、炉内での静かな還元溶融が可能となる。
【００４５】
請求項５の装置の発明によれば、請求項１の発明と同様の効果が発揮される。請求項６の装置の発明の場合には、請求項２と同様の効果が得られる。請求項７の発明の場合も、請求項４と同様の効果が得られる。
【００４６】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明に係るコンクリート用人工骨材の製造法および装置を、その実施の形態を表した図面をもとにして詳細に説明する。図３および図４は、生活ごみ，下水汚泥，産業廃棄物等を焼却して生じた焼却灰や下水汚泥乾燥粉の溶融スラグから人工骨材を製造する装置の系統の一例を示す。
【００４７】
この装置の主たる構成は、所望する溶融スラグを得ることができるように人工骨材用の原料を調整しておく事前処理設備１，原料を還元溶融して溶融スラグを生成する溶融設備２，溶融スラグを固化させるスラグ凝固設備３および凝固スラグを熱処理して再結晶化させる熱処理設備４を有する。
【００４８】
事前処理設備１は、人工骨材用の原料を乾燥させる乾燥装置１Ａ，乾燥した原料から一定粒度の原料を選別する篩装置１Ｂ，選別された各原料を秤量して成分調節する秤量装置１Ｃ，成分調節された原料を再乾燥すると共に一部還元する加熱装置１Ｄを含んでいる。この処理設備には、乾燥排ガスの脱臭装置１Ｅ，この脱臭装置の排ガスおよび溶融設備からの排ガスを浄化する排ガス処理装置１Ｆが付帯されている。
【００４９】
図４の溶融設備２には、原料を還元溶融することにより銑鉄を生成させると共にスラグを生成する電気溶融方式が採用される。この溶融設備は、還元溶融炉２Ａと、加熱装置１Ｄから排出された原料を貯蔵しかつ連続的に溶融炉に装入する原料供給装置２Ｂとを備える。原料の還元は静かに進行させる必要があるので、電気炉が好適である。しかし、プラズマジェットによって原料が大きくかき混ぜられるプラズマ炉では、原料にカーボンを添加しておいても原料の還元が十分に進行しない。さらに、プラズマ炉は大容量化が難しい。還元溶融炉として電気抵抗炉、低周波誘導炉またはアーク炉のいずれかを採用することが好ましい。
【００５０】
還元溶融炉２Ａにおいては、原料が溶融される際に原料に含まれる還元容易なＦｅ，Ｃｒ，Ｐ等の酸化物が還元され、溶融銑鉄と溶融スラグが生成される。溶融スラグは、可及的に低融点であり、ガス含有率が極めて低く、有害物質や重金属類を含まず、共晶凝固することができるＳｉＯ₂等を主成分とした組成を有している。
【００５１】
スラグ凝固設備３は、溶融スラグを板状に凝固させるスラグ鋳造装置３Ａと、鋳造スラグを人工骨材にふさわしいサイズに砕く破砕装置３Ｂと、破砕により生じた微粒スラグを除去する篩分装置３Ｃとを含んでいる。
【００５２】
熱処理設備４は、破砕された鋳造スラグを加熱すると共に転動させ、鋳造スラグ中に残留する非晶質部分を再結晶化させる回転式熱処理炉４Ａと、熱処理されたスラグからスラグ粉を除去する篩器４Ｂと、生成された人工砂利の保有エネルギを回収する熱回収装置４Ｃとを含んでいる。回転式熱処理炉４Ａでは鋳造スラグが再結晶化され、有害物質や重金属類を含まない天然砂利に近い組織の緻密なコンクリート用人工骨材が製造される。
【００５３】
一般に、還元溶融炉に装入される原料としての焼却灰は、散水により消火されている。そのため、焼却灰は細かい灰の凝集した多孔質であり、多量の水分，ガスおよび揮発物質を含む。一方、煤塵すなわち焼却炉排ガスから捕捉された飛灰は極めて細かい。飛灰は運搬等を容易にするために水が掛けられ、発塵が抑えられる。
【００５４】
飛灰には排ガス中のＣｌがＨＣｌ，ＫＣｌ，ＮａＣｌとして、および低沸点塩化物であるＰｂＣｌ₂（沸点 950℃) ，ＣｄＣｌ₂（沸点 960℃) ，ＺｎＣｌ₂（沸点 732℃) として存在する。さらには、硫化物も飛灰に含まれる。それゆえに、飛灰のアルカリ物質含有量は約１．５％ないし２．５％であり、焼却灰のそれの３倍ないし５倍となっている。一般的には、飛灰のアルカリ度は焼却灰のそれより高く、飛灰の溶融温度は焼却灰のそれより低い。
【００５５】
上記のように水分を含んだ原料を還元溶融炉２Ａに装入すると、従来技術の項のところで述べたように、原料が溶融しはじめる前に、加熱された原料からガスや水分が放出され、また原料中の揮発物質が燃焼する。そのガスや水蒸気の上昇と揮発物質の燃焼により原料が激しく流動するので、原料の一様な還元溶融が阻害される。したがって、装入原料を予め脱ガスおよび脱水し、かつ揮発物質を除去しておく必要がある。
【００５６】
加えて、共晶凝固現象に基づき溶融スラグの再結晶化を容易にしておくため、溶融スラグ中のＭｇＯが５重量％（以下単に％と表示する）ないし２０％の範囲における目標含有率もしくはそれに極めて近似した含有率となるように、原料の配合調整をしておくことが肝要である。
【００５７】
本発明者は、原料を溶融するに先立ち原料の脱ガス，脱水，揮発分除去および焼却灰，飛灰，造滓材を予め適切に配合しておく必要性を見いだした。さらに、配合原料を高温に予熱しておく同時に一層の脱ガスを図ること、および原料の一部を予め還元しておくことが、還元溶融炉での溶融スラグの生成が確実かつ迅速となることを見いだした。前記した事前処理設備１は、これらの知見に基づいて原料に対する上記の処理を施すために設けられたものである。
【００５８】
その事前処理設備１を、以下に詳しく述べる。消火された焼却灰は第一ホッパ１１に、飛灰は第二ホッパ１２に蓄えられている。なお、飛灰はごみの焼却により発生したものだけでなく、金属精錬等の他のプラントから発生した廃棄処分の容易でない飛灰であってもよい。本発明においては、後述するごとくＭｇＯを含む造滓材として、ドロマイト，石灰，橄欖石またはフェロニッケル製錬滓等が使用される。これらの造滓材を乾燥する必要のある場合には、第三ホッパ１３に投入される。
【００５９】
上記の各ホッパに対応して、各原料を乾燥するロータリドライヤ１Ａ₁，１Ａ₂，１Ａ₃が設けられる。この乾燥装置１Ａは、後述するＥＫ式ロータリキルン１Ｄ₁および回転式熱処理炉４Ａからの５００℃以上の排ガスを導入することにより、原料を１２０℃ないし２５０℃に加熱する。
【００６０】
各ドライヤにより乾燥された原料は、篩装置１Ｂ₁，１Ｂ₂，１Ｂ₃に送られる。この篩装置を通過した細かい原料は、各サイロ１４，１５，１６に貯蔵される。造滓材として軽焼ドロマイトが使用されるときはドライヤ１Ａ₃が必要でなく、その場合には、軽焼ドロマイトが直接サイロ１６に蓄えられる。各ドライヤの排ガスは悪臭を伴うので、その排ガスは脱臭装置１Ｅにおいて６００℃ないし９００℃で加熱される。悪臭成分が焼却された脱臭装置１Ｅの排ガスは、排ガス処理装置１Ｆで浄化される。
【００６１】
各篩装置１Ｂ₁，１Ｂ₂，１Ｂ₃を通過しない原料は篩１Ｂ₄に送られ、この篩を通過したものは破砕機１７で砕いてサイロ１８に蓄えられる。篩１Ｂ₄を通過できない灰塊は、再度図示しないごみ焼却炉で焼却される。
【００６２】
各サイロの下には、乾燥された各原料を秤量する秤量器１Ｃ₁，１Ｃ₂，１Ｃ₃，１Ｃ₄が設けられる。各秤量器は、原料から溶融スラグを生成する際に、溶融スラグ中のＭｇＯが５％ないし２０％の範囲における目標含有率もしくはそれに極めて近似した含有率となるように、各原料をコンベア１９に払い出す。この混合原料は、還元溶融炉へ装入するに必要な所要配合比率となる。すなわち、この調合工程によって、ＣａＯ−ＳｉＯ₂−Ａｌ₂Ｏ₃−ＭｇＯの四元系相平衡状態での共晶凝固現象に基づく再結晶化を可能にした溶融スラグを得るための準備がなされる。
【００６３】
コンベア１９の下流側には、調合された原料を加熱するＥＫ式ロータリキルン１Ｄ₁が設置される。このキルンは、原料を乾燥，予熱，脱ガスし、原料の一部を還元する炉である。ＥＫ式ロータリキルン１Ｄ₁は、図６に示すように、原料の装入口１Ｄ_1iの近くおよび炉体の略中央にスクープフィーダ２０と空気供給パイプ２１を備える。
【００６４】
このＥＫ式ロータリキルン１Ｄ₁の近傍には、微粉炭フィーダ１Ｄ₂やプラスチック廃材フィーダ１Ｄ₃が設けられる（図３を参照）。微粉炭は原料を加熱するための燃料であり、さらに原料の一部を還元する。その還元反応の際に、ＥＫ式ロータリキルン内では次の還元溶融工程において必要となる粉コークスも自ずと生成される。
【００６５】
揮発物質を含むプラスチック廃材は、原料を加熱するための燃料となる。プラスチック廃材を予め細かくしておけば、ＥＫ式ロータリキルンで簡単に焼却することができ、産業廃棄物の処理も併せて実現される。なお、サイロ１６中にドロマイトが混入されている場合には、軽焼ドロマイトもＥＫ式ロータリキルン１Ｄ₁で生成される。
【００６６】
ＥＫ式ロータリキルン１Ｄ₁は、通常のロータリキルンと同様にバーナ２２（図６を参照）を用いて原料を加熱する。しかし、このキルンは、一点鎖線で示したごとくの低温度域の広い通常のロータリキルンとは異なる。炉体と共に回転するスクープフィーダ２０から供給された微粉炭２３やプラスチック廃材２４が燃焼するので、炉内温度分布は二点鎖線のように略一定となる。
【００６７】
スクープフィーダ２０は図７に示すようにパイプ構造であって、炉体の半径方向に延びている。炉体の下半部を覆うように設置されたトラフ２５内の微粉炭２３およびプラスチック廃材２４を、炉外側の開口部２０ａからすくい取ることができる。その開口部２０ａの近傍に設けたバルブ２０ｖの開閉時期を制御することによって、微粉炭等は短時間に炉体へ装入される。このバルブ２０ｖを閉止すると、炉内側の開口部２０ｂから進入する熱気によりスクープフィーダ２０内に付着する燃料の燃焼が防止される。
【００６８】
空気供給パイプ２１は大気開放されているので、炉内圧力が低ければ自然送気が可能となる。図６のように、押込送風機２１ａによって積極的に外気を供給することもできる。この空気供給パイプ２１に設けた図示しないバルブとスクープフィーダ２０のバルブ２０ｖの開度を調整すれば、装入口１Ｄ_1iから排出口１Ｄ_1oの間の空間を、７００℃ないし１，０００℃の雰囲気に容易に調整することができる。
【００６９】
次に、溶融設備２の還元溶融炉２Ａについて詳しく述べる。これは、粉コークスが混在する高温の乾燥した原料を還元溶融する。焼却灰中のＦｅ系酸化物が還元され、溶融銑鉄が生成される。他の重金属類および還元可能な酸化物類を還元して生じた元素は溶融銑鉄中に溶解される。この溶融銑鉄の生成と同時に、ガス含有率が極めて低く重金属類等を可及的に含まない溶融スラグが生成される。溶融スラグは軽いので、溶融銑鉄の上部に滞留する。
【００７０】
還元溶融炉２Ａの一例としてのサブマージドアーク直流抵抗炉２Ａ₁を、図８に基づいて説明する。サブマージドアーク抵抗炉は、三相または単相交流形または直流形の電気炉で実現することができる。しかし、三相交流電気炉では、電極間で発生するアークの方向が偏るので、原料の堆積表層のみが加熱される傾向にある。比重の小さい電気伝導度の低い粉粒状原料を還元溶融する場合に要求される静かで均一な溶融ゾーンの発生が妨げられる。一方、単相交流電気炉では、常に交流電力が往復するので、原料の加熱が局部的となる傾向にある。その結果、炉の構造が最も簡単あって電気的制御の容易な直流電気炉を、還元溶融炉に適用することが最適である。直流電気炉は、後述する炉底電極の採用により、電気的エネルギを原料に最も安定して供給することができる。
【００７１】
サブマージドアーク直流抵抗炉２Ａ₁は、炉壁および炉底の内部に複数の後述するプラス電極２７を埋め込んだ炉体２ａと、原料供給装置２Ｂに接続された炉蓋２ｂとからなる。炉体２ａは、比重の大きい溶融銑鉄５を貯溜する溶湯溜め部５Ａと、生成された溶融スラグ６を溶融銑鉄５上に滞留させる溶融スラグ溜め部６Ａと、溶融スラグ６の上方に原料７を堆積させる原料収容部７Ａとを確保した器である。そして、原料７は、サブマージドアーク電気溶融法により、時間をかけて静かにかつ均質に還元溶融される。
【００７２】
炉蓋２ｂには、その中央で昇降する一本のマイナス極の可動電極８が配置される。炉体２ａには、溶湯溜め部５Ａの溶融銑鉄５を意図的に少し残して排出する出銑口５ａと、出滓栓６ａを抜くことにより溶融銑鉄５の上部に滞留した溶融スラグ６を排出する出滓口６ｂとが設けられる。
【００７３】
間歇的に出滓する場合には、出滓栓６ａにガス供給孔６ｃが設けられる。ガス供給孔から溶融スラグ６を攪拌するための不活性ガスを送ることによって、出滓口６ｂの近傍で還元溶融中にスラグ閉塞が発生するのを防止することができる。炉内では溶融スラグ６と溶融銑鉄５とが完全に分離しているので、出滓口６ｂには図示しない金属製の水冷ゲートや水冷ジャケットを採用することができる。
【００７４】
炉に投入される原料７は、Ｆｅ系酸化物等の還元すべき酸化物の含有量が少ないのが一般的である。可動電極８の消耗量は少なくなるので、人造黒鉛電極よりも操作が容易で安価なゼーダベルグ電極を採用することができる。ゼーダベルグ電極はフェロアロイ等の生成に使用される公知の電極であり、薄い鉄製の筒体にカーボンペーストが内装されている。この電極は、通電すると抵抗熱により自焼し固化する性質がある。しかし、サブマージドアーク溶融のための直流抵抗炉では、この種の電極が使用された例はない。
【００７５】
炉体２ａの円筒状の鉄皮２ｓの内面はライニング２ｍで覆われ、炉底にはライニング２ｍの上にカーボンスタンピング層２８が形成される。炉壁の内面とカーボンスタンピング層の上面には多数の黒鉛ブロック２９が配置される。炉蓋２ｂは中央に可動電極８が昇降する孔を備え、その可動電極８から半径方向の異なる位置で開口する複数の原料装入孔３０，３０が設けられる。この原料装入孔からスクリューフィーダ３１によって、原料７を炉運転中に気密的かつ連続的に装入することができる。
【００７６】
炉体２ａに設けられるプラス電極２７は、図９の（ａ）に示すように炉側方から見るとＬ形である。このプラス電極は、炉壁に埋設される垂直な給電体２７Ａと炉底に配置される水平な炉底電極２７Ｂとからなる。給電体２７Ａは０．０２％Ｃの純鉄バーである。図８に示すように、給電体２７Ａの中には、冷却水を流通させる往路２７ｍとその内方に形成された復路２７ｎとが形成される。
【００７７】
炉底部に直流電力を供給する炉底電極２７Ｂは、図９の（ｂ）のように、炉体の鉄皮に沿う純鉄製の半リング部２７ａと、その半リング部の内方へ広がる鉄板製のウエブ部２７ｂとを備える。ウエブ部は平面矢視で略半円形であるので、図１０の（ａ）のように、二つのプラス電極２７，２７によって、カーボンスタンピング層と黒鉛ブロックで覆われた炉床の全体に導電性部分を形成することができる。
【００７８】
上記したウエブ部２７ｂの中心には、仮想線で示す可動電極８の直径と同等もしくはそれより大きい実線もしくは破線で表した半円状切欠き２７ｒが形成されている。ウエブ部２７ｂの上面に多数の短い鉄棒２７ｐが溶接されていれば、ウエブ部２７ｂとカーボンスタンピング層２８（図８を参照）との一体性が高められ、炉床の導電性が向上する。半円状切欠き２７ｒはプラス電極２７から可動電極８への電流の短絡を抑制するので、広い領域で原料が均一に加熱される。
【００７９】
給電体２７Ａは、図９の（ｂ）に示すように、炉底電極２７Ｂの一端に設けられる。図１０の（ａ）のように炉底電極２７Ｂ，２７Ｂを配置したとき、二つの給電体２７Ａ，２７Ａが近接していれば、出銑操作や出滓操作，炉体の保守作業を妨げないように、給電用のフレキシブル導線３２，３２を炉壁の一箇所に集めることができる（図８を参照）。炉体が大きい場合には、一様な導電域を得やすくするため、図示しない三分の一円形状や四分の一円形状の炉底電極が採用される。
【００８０】
図８を参照して、炉底電極２７Ｂを採用すると、炉床に滞留する溶融銑鉄５と黒鉛ブロック２９とカーボンスタンピング層２８によって、炉床に広い導電域が形成される。原料層を貫通する可動電極８の先端が溶融スラグ層に浸漬している状態で、炉床面に略一様な電位レベルが形成されると、電流の流れが円錐状となる。その円錐領域の近傍にある原料がジュール熱によって溶解される。円錐領域内の溶融スラグ６は加熱され、スラグの脱ガスも図られる。可動電極８を上昇させて電圧を上げれば電力供給が増大するので、円錐状の電流分布は一層拡大される。
【００８１】
原料７中の粉コークスによる導電作用および電気伝導度の低い原料の加熱溶融作用によって、比重の小さい原料が熱効率よくかつ均一に還元溶融される。還元反応により発生したガスにより、溶融体の表層部にフォーミングスラグ層３３が形成される。電極間に発生するアークは、原料７やフォーミングスラグ３３に常時覆われた状態（サブマージド状態）となる。フォーミングスラグの生成によりアークが極めて少なくなるので、アークによる溶融体の攪乱は抑えられる。
【００８２】
フォーミングスラグ層３３の表面に集積された灼熱コークスに電流が流れるので、原料７で覆われるフォーミングスラグ層の表面で還元作用が静かにかつ大きく進行する。ＦｅＯから還元された鉄は、液滴となって炉床へ落ちる。このような溶融方式は、可動電極がプラスであり炉底電極がマイナスの「金属電解」方式とは異なるので、可動電極は細くてよい。しかも、電力伝達効率が向上し、電力消費も著しく軽減される。本発明による溶融方式は、金属溶解や酸化性雰囲気での燃焼加熱ではなく、電気抵抗加熱であることに注目すべきである。
【００８３】
ちなみに、フレキシブル導線３２と接続される垂直な給電体２７Ａは、炉底の還元性雰囲気を保つことに寄与する。垂直な給電体２７Ａに代えて設けた水平な給電体が炉底電極２７Ｂから張り出して炉壁を貫通しているとすれば、水平な給電体は垂直な給電体２７Ａよりも短くなる。水平な給電体とライニング２ｍとの間を通って外気が侵入すると、炉底の還元性雰囲気が損なわれる。垂直な給電体２７Ａとライニング２ｍの間に空気が侵入したとしても、炉体の熱で侵入空気は上昇し、炉底への外気の侵入が可及的に防止される。
【００８４】
炉壁のライニング２ｍに埋め込まれた長い給電体２７Ａは炉底電極２５Ｂの酸化を防止し、プラス電極２７の寿命を長く維持させる。カーボンスタンピング層２８の焼損も回避され、炉の長期にわたる連続運転が実現される。プラス電極２７は完全なＬ字状である必要がないが、炉底電極２７Ｂから垂直または傾斜してライニング２ｍ内をできるだけ長く伸びていることが好ましい。
【００８５】
炉床はカーボン物質で覆われているので還元性雰囲気に保たれ、その結果、溶融スラグが炉床や出滓口近傍のライニングを侵蝕することがない。炉底電極２７Ｂは高温になっても酸化することがない。一方、給電体２７Ａは炉内温度が高くなると酸化するおそれがあるので、上記したように水冷される。プラス電極２７はフレキシブル導線３２を介して炉周に配置されたコーベル銅板３４と接続されるので、炉体の熱膨張の影響を受けることなく給電回路を形成しておくことができる。
【００８６】
通常の直流電気炉の運転制御は、交流電気炉のそれよりも容易であることはすでに述べた。しかし、直流電気炉では単相交流電気炉の場合と同様に、アークは局部的に発生する。炉底電極２７Ｂを採用した直流電気炉は、運転の制御性の良さと、炉底の広範囲な領域をカバーする給電効果により、炉内での均一な還元溶融処理を実現することができる。
【００８７】
上記した給電体２７Ａとフレキシブル導線３２との接続は、図１０の（ｂ）のようにしておくとよい。給電体２７Ａの上端部に溶接された鉄箱３５に溶融はんだ３５ａを貯えた状態で、フレキシブル導線３２に接続された銅板３５ｂの一辺を埋没させる。はんだが凝固すると、はんだ３５ａと給電体２７Ａとが完全に密着し、プラス電極２７への通電性が高められる。
【００８８】
図８に戻って、サブマージドアーク直流抵抗炉２Ａ₁では原料７が溶融されることにより、溶融スラグ６が生成される。同時に、原料７中のＦｅ系酸化物がフォーミングスラグ層において還元され、Ｃが３．０％以上Ｓｉが４％ないし８％の溶融銑鉄５も生成される。原料に含まれる他の重金属類Ｃｒ，Ｎｉ，Ｃｏ，Ｃｕ，Ｍｎ，Ｍｏ等および還元可能なＰ₂Ｏ₅やＡｓ酸化物等を還元して生じた元素Ｐ，Ａｓ等は溶銑滴に溶け込む。溶銑滴がフォーミングスラグ層や溶融スラグ層中を落下し、溶融銑鉄５が溶湯溜め部５Ａに貯溜される。この溶融銑鉄は例えば鋳物用原料銑等として利用することができ、焼却灰からの金属資源の回収が実現される。なお、銑鉄中のＳｉが増えるとＣを析出させる性質があるので、高Ｓｉの溶融銑鉄５は炉底の黒鉛ブロック２９を侵蝕することもない。
【００８９】
溶融スラグ６は重金属類等を可及的に含まず、１，５００℃前後に維持されて溶湯溜め部５Ａの上部に滞留する。その滞留時間を十分に確保すれば、溶融スラグ６が脱泡され、ガス含有率が極めて低くなる。この溶融スラグは純粋なスラグであるので、このスラグを凝固させれば、重金属類や有害物質が溶出することのない人工砂利を得ることができる。
【００９０】
上記の還元溶融作用において、ＳｉＯ₂，ＣａＯ，Ａｌ₂Ｏ₃を主成分とし、かつＭｇＯが５％ないし２０％の範囲における目標含有率もしくはそれに極めて近似した含有率の溶融スラグが生成される。この溶融スラグは、ＣａＯ−ＳｉＯ₂−Ａｌ₂Ｏ₃−ＭｇＯの四元系相平衡状態における共晶点に可及的に近似した成分組成を備える。スラグ融点は最も低くなるので、溶融スラグの共晶凝固現象が発現されやすくなる。これは、共晶点発生領域の狭いＣａＯ−ＳｉＯ₂−Ａｌ₂Ｏ₃の三元系スラグを、共晶点発生領域の広い四元系のスラグに改質したことを意味する。すなわち、ＭｇＯを所定量入れることにより、徐冷凝固によっても溶融スラグの再結晶化が容易となる。
【００９１】
ところで、ごみ焼却炉の規模に応じて還元溶融炉の容量も異なる。例えば１００トン／日の溶融スラグを生成する大型プラントが要求されることもあれば、１０トン／日の小型プラントでよい場合もある。溶融スラグはその層高ヘッドを利用して出滓されるので、石灰等の副資材を投入する必要もない。小型炉から連続的に出滓する場合は、出滓量が少ない。しかし、大型炉から連続的もしくは間歇的に出滓する場合や、小型炉から間歇的に出滓する場合には、一分あたりの出滓量が多くなる。このような場合には、溶融スラグをスラグ凝固設備に移す際の降温を防止しておく必要がある。一方、効率のよい還元溶融作用を維持するためには、還元溶融炉内のスラグレベルを保っておくことが望ましい。さらに、より一層純粋なスラグを出滓するためには、溶融スラグ層の最下部からスラグを抜き出すことが好ましい。
【００９２】
上記の要求を満たす必要のある場合には、図１１に示すように出滓口６ｂに連なる前炉３６を設ける。この前炉の器３６ａの高さは、還元溶融炉２Ａ内で保っておくべき溶融スラグ層の所望高さと等しく設定される。還元溶融炉２Ａ内の溶融スラグ６が増大すると、前炉３６内の溶融スラグ６Ｂを溢れ出させることができる。出滓口６ｂは通常溶融スラグ層の最下部に設けられるので、前炉３６にはガスを可及的に含まない純粋なスラグが導出される。そして、器３６ａには加熱用電極として二本のモリブデン棒３７，３７が挿入され、溶融スラグ６Ｂの保温が図られる。
【００９３】
前炉３６から間歇出滓する場合は、仮想線で示した出滓栓６ａを出滓口６ｂから、例えば３時間毎に抜けばよい。前炉３６から溢れるスラグ量が多すぎる場合には、器３６ａの流出口に設けたゲート３８が閉じられる。前炉３６は水冷壁を備えていればよいので、還元溶融炉２Ａの鉄皮２ｓに簡単に取り付けることができる。その水冷壁には溶融スラグ６Ｂの一部が凝固して、ライニングが自然に形成される。なお、図中の８ａは電極エコノマイザである。
【００９４】
ところで、還元溶融炉２Ａに装入される原料７は事前に乾燥および加熱されているが、原料中に僅かな揮発物質やガスが残存する。原料を還元溶融すると、原料中の残留ガス、揮発物質の燃焼ガス、さらには還元反応により生成されたＣＯ₂が炉排ガスとして排出される。この排ガス量はＥＫ式ロータリキルンのそれより極めて少ない。そして、排ガスは悪臭を有しないので、排ガス処理装置１Ｆに直接送られる。排ガス処理装置で捕捉された溶融飛灰は濃度が高く、有価鉱産物を経済的に回収することができる最低品位を有したカットオフグレードの水準に達していることが多い。この溶融飛灰は事前処理設備の第二ホッパ１２（図３を参照）へ戻されることなく、それに含まれる有価鉱産物が別途回収される。
【００９５】
還元溶融炉２Ａの近くには、出滓口６ｂから連続的もしくは２時間ないし３時間毎に間歇的に排出された溶融スラグ６を、図１２に示すスラグ凝固設備３のスラグ鋳造装置３Ａへ直ちに案内するスラグ受け樋４１が設けられる。スラグ鋳造装置は、溶融スラグ６を搬送する間に再結晶化しやすい組成となっている溶融スラグを凝固させるものであり、第一コンベア３Ａ₁と図１４に示す第二コンベア３Ａ₂とからなる。
【００９６】
第一コンベア３Ａ₁は図１２のように連続して並べられた金型３ａ，３ａを備え、板状の連続した凝固スラグ６ｐを成形するパンコンベアである。図１４の第二コンベア３Ａ₂は、凝固スラグ６ｐを徐冷して共晶凝固現象に基づく部分的な一次再結晶化を促すローラコンベアまたはパンコンベアである。なお、第二コンベア３Ａ₂上で凝固スラグが急冷されるおそれのある場合には、保温用のバーナ４２を設置することにより、凝固スラグの内部保有熱の消散が防止される。
【００９７】
図示しないが、第一コンベア３Ａ₁と第二コンベア３Ａ₂との組み合わせに代えて、前半部分で溶融スラグを凝固させ後半部分で徐冷する長い一基のパンコンベアを採用してもよい。いずれのスラグ鋳造装置も、凝固スラグの成形と徐冷下での部分的な共晶凝固が完了した直後に、鋳造スラグを次の破砕工程へ送り出すことができる長さと速度に選定される。
【００９８】
第一コンベア３Ａ₁の金型３ａは、図１３に示すような鋳型用トラフ４３であり、この鋳型用トラフは、ライニング４３ａの施された耐熱鋼または耐熱鋳鋼製のアウタトラフ４３Ａと、不錆鋼製のインナートラフ４３Ｂとからなる。スラグがライニング４３ａに付着すると円滑に脱型できなくなるので、損傷時の交換が簡単であり表面の滑らかなインナートラフ４３Ｂが、アウタトラフ４３Ａに載せらている。
【００９９】
インナートラフ４３Ｂは、図１５の（ａ）のように、幅が５００ｍｍないし７００ｍｍの連続した板状の凝固スラグ６ｐを成形する。鋳型用トラフ４３は移動しかつ連続しているので、ＭｇＯの添加により流動性の改善されている溶融スラグがインナートラフ４３Ｂ上で水のように広がり、凝固スラグ６ｐは自然に２５ｍｍないし３０ｍｍの厚みとなる。
【０１００】
図１２の第一コンベア３Ａ₁の鋳型用トラフ４３は、スプロケット４４の爪４４ａによってアウタレール４５ａに案内されている車輪４３ｍを押し出すことにより前進する。鋳型用トラフ４３は後続の鋳型用トラフと密着し、溶融スラグ６が供給されるインナトラフ４３Ｂ，４３Ｂの間に隙間は生じない。各鋳型用トラフ４３は側面に取り付けた車輪４３ｍによってインナレール４５ｂ上を移動し、コンベアの端に到達したとき、鋳型用トラフ４３はアウタレール４５ａに案内されて転倒する。凝固スラグ６ｐが第二コンベア３Ａ₂（図１４を参照）に載せ替えられるか、または図１８に示すフォーク状スクリーン５３上に落とされる。
【０１０１】
図１５の（ｂ）は、第二コンベア３Ａ₂に載せ替えられた凝固スラグ６ｐを示す。図１５の（ｃ）は、第二コンベアとして採用されたパンコンベア上の凝固スラグ６ｐを示す。凝固スラグ６ｐを共晶凝固した鋳造スラグ６ｓにする第二コンベアはスラグの付着がないので、裸のローラ４６やアウタトラフ４３Ａのみが使用される。
【０１０２】
スラグ出滓量が５０トン／日以下の場合には、図１６に示すようなサークル状のコンベア３Ａ₃を採用するとよい。旋回するサークル状テーブル４７によって移動される金型３ａは、所望するサイズの板状の鋳造スラグを成形することができるトレーである。不錆鋼製のトレーが反時計回りに半周移動すると、図１７に示すように、エアシリンダ４８によりヒンジ３ｂを中心にして転倒され、鋳造スラグ６ｓがシュート４９または図１８のフォーク状スクリーン５３に払い出される。
【０１０３】
溶融スラグが多くトレーに供給するために時間を要する場合、コンベア３Ａ₃は鋳造スラグを長く保持することになる。その結果、払い出される鋳造スラグの温度が下がり過ぎるのを防止する必要があるときは、移動の後半部分に図１４と同じバーナを設けておけばよい。空のトレーは同じ方向に移動されて、還元溶融炉２Ａの出滓口または前炉３６に戻される。なお、図１６中の３ｃはサークル状テーブル４７を旋回させる電動機および減速機である。
【０１０４】
このようなコンベア３Ａ₃では、一日に一度排出される溶融銑鉄を凝固させることもできる。出銑口５ａから溶融銑鉄を受け取った取鍋５Ｃは、仮想線の位置に運ばれる。パンが半周を移動する間に成形された鋳銑は、ピット５０へ排出される。溶融スラグから共晶凝固させる必要のない路盤材を製造する場合は、凝固スラグを前炉３６から１／４周した時点でピット５０へ排出すればよい。このことから分かるように、サークル状コンベアは、還元溶融炉からの排出物の処理や運搬の操作が柔軟となる。
【０１０５】
図１８に示すように、スラグ鋳造装置３Ａの払い出し側に設置される破砕装置３Ｂは、高温の鋳造スラグ６ｓを４ｍｍないし４０ｍｍ好ましくは５ｍｍないし２５ｍｍに破砕する。本例では粗砕用のスパイダクラッシャ３Ｂ₁と細砕用のロータリクラッシャ３Ｂ₂とを備える。
【０１０６】
スパイダークラッシャ３Ｂ₁は同軸に取り付けた多数枚のロータリホイール３ｍを備えている。フォーク状スクリーン５３上の鋳造スラグ６ｓはロータリホイール３ｍのクラッシングビットで鋳造スラグ片６ｔに砕かれる。鋳造スラグ６ｓは完全に再結晶化していなく比較的脆いので、鋳造スラグは迅速かつ少動力で破砕される。
【０１０７】
ロータリクラッシャ３Ｂ₂は、小さな凹凸面を有する一対のロール３ｎ，３ｎを備える。ロールの軸間距離を調整することによって、鋳造スラグ片６ｔは所望する５ｍｍないし２５ｍｍの鋳造スラグ粒６ｕに効率よく整粒される。したがって、後述する熱処理の後に、スラグを天然砂利のサイズとなるように破砕する必要がない。
【０１０８】
ロータリクラッシャ３Ｂ₂の下方には、５ｍｍ直径以下のスラグを除去する篩分装置３Ｃが設置される。振動式ホットスクリーンを通過できない５ｍｍ以上の鋳造スラグ粒６ｕは、熱処理設備のいずれかの回転式熱処理炉４Ａに装入されるまでサイロ５４に蓄えられ、必要ならば熱処理排ガス等を用いて保温される。５ｍｍ以下のスラグは、ホッパ５５から原料供給装置２Ｂへ戻され、還元溶融炉で再度溶融される。
【０１０９】
ロータリクラッシャ３Ｂ₂の下方には、下り傾斜した首振り式のシュート６１が設置される。このシュートから、高温の鋳造スラグ粒６ｕが回転式熱処理炉４Ａに送り込まれる。この回転式熱処理炉は例えば二基設けられ、サイロ５４内の鋳造スラグ粒６ｕの待機時間の短縮が図られる。鋳造スラグ粒６ｕは、回転式熱処理炉４Ａ中で２時間ないし３時間８５０℃ないし１，２００℃の雰囲気に曝される。
【０１１０】
この回転式熱処理炉４Ａはライニング４ａの施された直径が２ｍないし３ｍのドラムであり、堆積する鋳造スラグ粒６ｕの表層に火炎を当てるバーナ４ｂを備えている。タイヤ４ｔ，４ｔによって支持されたドラムは、ギヤー４ｇ，リングギヤー４ｒを介して３ｒｐｍないし４ｒｐｍで回転する。鋳造スラグ粒６ｕの転動が促されると共に、加熱されたライニング４ａとの接触によって保温が図られる。鋳造スラグ粒６ｕが均一に加熱されると同時に、破砕時に形成された鋳造スラグ粒の鋭利な角は軟化して丸味を帯びる。
【０１１１】
鋳造スラグ粒６ｕが回転式熱処理炉４Ａ内に滞留する間に、鋳造スラグ粒に残留する非晶質部分が再結晶化される。鋳造スラグ粒６ｕは、ＣａＯ−ＳｉＯ₂−Ａｌ₂Ｏ₃−ＭｇＯの四元系相平衡状態における共晶点に可及的に近似した組成を備えている。さらに、鋳造スラグ粒のサイズは、すでに熱処理の容易な５ｍｍないし２５ｍｍとなっている。したがって、比較的低い温度で共晶凝固現象が発現し、天然砂利に近い組織の緻密な人工砂利が生成される。この熱処理においては、鋳造スラグ粒６ｕの残留内部歪も除去されるので、ＦｅＯを殆ど含まないスラグは極めて高い靱性を有する。
【０１１２】
なお、この回転式熱処理炉４Ａの排ガスは、ＥＫ式ロータリキルン１Ｄ₁の排ガスと共に、原料を乾燥するロータリドライヤ１Ａ₁，１Ａ₂，１Ａ₃（図３および図４を参照）へ供給される。回転式熱処理炉４Ａの側蓋４ｃが下になるようにドラムを停止させると、スラグがピット６２へ排出される。炉内での転動時にスラグ粉が僅かに発生しているので、排出されたスラグから篩器４Ｂにより５ｍｍ以下のスラグ粉が分離される。このスラグ粉は、ホッパ６３から原料供給装置２Ｂへ戻される。
【０１１３】
篩器４Ｂで選別された人工砂利６４は８００℃以上の熱を保有するので、シャフト型の熱回収装置４Ｃに投入される。熱回収装置４Ｃに導入された新気６５は熱交換されて５００℃以上となり、回転式熱処理炉４ＡおよびＥＫ式ロータリキルン１Ｄ₁のバーナ用空気として使用される（図３および図４を参照）。
【０１１４】
このような装置によれば、以下の手順によって、焼却灰および飛灰の還元溶融と共晶凝固現象の発現によって、非晶質部分，重金属類，有害物質，ガスを可及的に含まない組織の緻密な人工砂利を生成することができる。
【０１１５】
図１，図３および図４を参照して、生活ごみ，下水汚泥，産業廃棄物等を焼却して生じた焼却灰や飛灰を第一ホッパ１１，第二ホッパ１２に蓄積しておく。
【０１１６】
〔第一工程〕焼却灰はドライヤ１Ａ₁は投入され、飛灰はドライヤ１Ａ₂に投入される。これらの原料は、ＥＫ式ロータリキルン１Ｄ₁と回転式熱処理炉４Ａの排ガスで乾燥される。焼却灰に含まれる消火用の水や飛灰の発塵防止用の水は蒸発し、焼却灰中の低温揮発分は焼却される。焼却灰および飛灰の加熱により発生する悪臭を伴う排ガスは脱臭装置１Ｅに導入され、悪臭成分が６５０℃ないし８００℃の雰囲気下で分解される。灰塊が篩装置１Ｂ₁，１Ｂ₂によって取り除かれ、乾燥した焼却灰と飛灰がサイロ１４，１５に貯蔵される。
【０１１７】
〔第二工程〕乾燥された焼却灰や飛灰，サイロ１６に蓄えられた軽焼ドロマイト，サイロ１８に蓄えられた灰は、秤量器１Ｃにより秤量され、コンベア１９で送り出される。また、図３には示されていないが、下水汚泥乾燥粉等も溶融する場合には、それが秤量されて送り込まれる。このとき、これらの原料から生成される溶融スラグ中のＭｇＯが５％ないし２０％の範囲における目標含有率もしくはそれに極めて近似した含有率となるように、原料が所要配合比率に調合される。
【０１１８】
〔第三工程〕調合された原料は、炉体中間位置で微粉炭およびプラスチック廃材が添加されるＥＫ式ロータリキルン１Ｄ₁に装入される。原料は微粉炭の燃焼により加熱され、最後にバーナの火炎で加熱される。プラスチック廃材および原料中の揮発分は焼却される。原料は二次的に乾燥されると共に脱ガスされ、原料の一部が微粉炭によって還元される。同時に微粉炭から粉コークスが生成される。ＭｇＯ含有物としてドロマイトや石灰等が原料に添加されている場合には、キルン内で軽焼ドロマイトも生成される。このようにして事前処理された原料は粗い砂状となり、コンテナ２６に収容される。
【０１１９】
このＥＫ式ロータリキルン１Ｄ₁では、微粉炭の燃焼ゾーンとバーナの燃焼ゾーンの温度制御が極めて容易である。炉内全体が７００℃ないし１，０００℃に保持され、焼却灰を均一に加熱することができる。焼却灰に飛灰が混合されていても、飛灰中の低融点物質は焼却され、ダイオキシンも分解される。
【０１２０】
〔第四工程〕二次乾燥された原料が、還元溶融炉２Ａに装入される。原料中の水分や揮発分はすでに除去されかつ原料は予熱されているので、還元溶融炉２Ａにおける加熱エネルギの供給量は低減される。原料中にはＥＫ式ロータリキルン１Ｄ₁で生成された粉コークスが混在しているので、特別な場合を除いて還元剤を追加する必要がない。
【０１２１】
混在する粉コークスによって導電性の向上された原料の溶融は促進され、原料中のＦｅ系酸化物が還元され、溶融銑鉄５が生成される。原料中の他の重金属類および還元可能な酸化物類を還元して生じた元素は、溶融銑鉄５に溶解する。同時に、ガス含有率が極めて低く重金属類等を可及的に含まない溶融スラグ６が生成され、溶融銑鉄５上に滞留する。なお、溶融スラグ中のＦｅＯは極めて少なくなるが、造滓材中のＭｇＯがスラグの流動性低下を防止する。
【０１２２】
原料が還元溶融されてもサブマージドアーク状態を維持させるべく、原料が炉蓋２ｂ（図８を参照）を通して可動電極８の周囲に次々と追加装入される。炉床に溜まった溶融銑鉄５は意図的に少量を残して、出銑口５ａから一日または二日ごとに取鍋５Ｃ（図１６を参照）へ出湯される。
【０１２３】
還元溶融炉２Ａに装入される原料は殆ど揮発分や水分を含まず、還元溶融時に多量の水蒸気が発生することはなく、揮発物質の燃焼による多量の燃焼ガスが発生することもない。飛灰中の低沸点塩化物が低温度領域で凝集することもないので、原料層中に殻状層が形成されることもない。したがって、静かな還元溶融が実現されること、粉粒状の原料は６５０℃ないし８５０℃に予熱されているので流動性がよいことから、今まで不可能であると言われてきた炉操業の無人化，自動運転化が実現される。さらには、炉体の大容量化も可能となる。
【０１２４】
〔第五工程〕溶融銑鉄５とは独立して出滓された溶融スラグ６をスラグ鋳造装置３Ａの金型に流し、２５ｍｍ程度の略均一厚みの板状にする。金型を搬送する間に溶融スラグの表層を凝固させる。凝固スラグ内の溶融部からの復熱を利用して、ＣａＯ−ＳｉＯ₂−Ａｌ₂Ｏ₃−ＭｇＯの四元系相平衡状態における共晶点もしくはそれに可及的に近似した状態で共晶凝固したスラグが鋳造される。
【０１２５】
例えば、溶融スラグ６中のＣａＯが５％ないし３６％、ＳｉＯ₂が３８％ないし５５％、Ａｌ₂Ｏ₃が１０％ないし２５％、ＭｇＯが５％ないし２０％であれば、その溶融スラグの共晶点は１，３２０℃以下であることが多い。１，５００℃以上の溶融スラグは金型内において１，３２０℃以下まで液状で降温するが、共晶点の温度になると一斉に析出が開始する。そして、「相律」に基づいて全組成が再結晶化するまで温度が自ずと保持される。しかし、スラグ鋳造装置３Ａにおいては必ずしも完全な再結晶化が達成されるわけではない。
【０１２６】
〔第六工程〕一次再結晶化した鋳造スラグ６ｓは脱型され、破砕装置３Ｂによって破砕し、整粒される。スラグには非晶質部分が多く残っているので、比較的小さな力で５ｍｍないし２５ｍｍに砕くことができる。その鋳造スラグ粒６ｕはシャープな角を持ったものが多いが、熱処理後に破砕する必要はない。なお、破砕時に生じる微粉は少ない。
【０１２７】
〔第七工程〕回転式熱処理炉４Ａに装入された鋳造スラグ粒６ｕは、バーナによって炉内が８５０℃ないし１，２００℃の雰囲気下に曝される。鋳造スラグ粒は、バーナ火炎との接触および炉体の回転による加熱ライニングとの接触により、均一に加熱される。２時間ないし３時間滞留した鋳造スラグ粒は、炉体の回転に基づく内壁上昇と瀑流落下の繰り返しにより転動されて、丸みを帯びる。四元系相平衡状態における共晶点での再結晶化が促進され、鋳造スラグ粒は非晶質部分を残さず、残留内部歪も除去される。
【０１２８】
生成された人工砂利６４は重金属類や有害物質を含まない純粋なものであり、ガス含有量が極めて少ない。天然砂利に似た組織の緻密な人工骨材が得られる。「相律」による温度保持作用もあるので、再結晶化に至るまでに供給される熱エネルギの消費量も大幅に低減される。
【０１２９】
以上の説明から分かるように、ＣａＯ−ＳｉＯ₂−Ａｌ₂Ｏ₃の三元系の限られた共晶点の範囲が、ＭｇＯを添加した四元系に改質することにより拡大され、四元系相平衡状態で共晶凝固可能な溶融スラグを生成することができる。ＭｇＯを添加することによって溶融スラグの流動性も改善され、ＣａＯを過剰に添加する必要もなくスラグ融点の低下にも寄与させることができる。したがって、溶融スラグから人工砂利を生成するための後続工程における取り扱いが容易となる。生成された人工砂利は消化性を伴うことなく、長期間の化学的物理的安定性や機械的強度が確保される。
【０１３０】
次に、無害化が図られかつ共晶凝固することができる溶融スラグから、河砂に極めて近い人工砂を製造する装置を、図１９に基づいて説明する。この装置においても、図３に示した事前処理設備１が採用されるが、図１９には表されていない。還元溶融炉２Ａは図８や図１１により説明した炉と同じであり、回転式熱処理炉４Ａも図１８により説明した炉と同じである。還元溶融炉２Ａと回転式熱処理炉４Ａとの間に設けられるスラグ凝固設備が、図４や図１８と異なる。
【０１３１】
図５および図１９を参照して、スラグ凝固設備として風砕式凝固装置３Ｓが採用される。この凝固装置は、溶融スラグ飛散装置３Ｓ₁と砂状スラグ生成装置３Ｓ₂からなる。溶融スラグ飛散装置は、還元溶融炉２Ａから出滓された溶融スラグ６を受けるスラグ受け樋７１と、そのスラグ受け樋から流出する溶融スラグを圧縮空気によって吹き飛ばす空気噴出機７２とを有する。
【０１３２】
ライニングの施されたスラグ受け樋７１は、溶融スラグ６の放熱を抑制すべく短時間のうちに、溶融スラグを砂状スラグ生成装置３Ｓ₂の入側開口内へ供給する。空気噴出機７２は、スラグ受け樋７１の下部から上方に向けて圧縮空気を噴出するパイプ７２ａと、図示しないエアコンプレッサからなる。そのパイプの空気噴出圧力は、溶融スラグ６を次に述べる回転ドラム内面に激しく衝突させるに十分なほど高く設定される。
【０１３３】
砂状スラグ生成装置３Ｓ₂は、横置き式の回転ドラム７３とドラム冷却機７４とからなる。回転ドラム７３は、ライニングの施されてない両端開放型の鉄製ドラムであり、ローラ７３ｒ，７３ｒによって回転可能に支持されている。図示しない駆動機によって回転されるドラムは、スラグの移動方向に対して下向きに傾斜している。ドラム冷却機７４は、回転ドラム７３を冷却するために、常時冷却水をドラムの鉄皮外面に散布する。冷却水はドラム外面に立てた水切りフィン７３ａに阻止され、回転ドラム７３に進入することがない。
【０１３４】
例えば３０ｒｐｍ程度で回転する回転ドラム７３の一端開口から吹き込まれた溶融スラグ６は、噴射空気に伴われて水冷ドラムの内壁に当たる。溶融スラグは噴射空気による飛散力とドラム内壁との衝突による衝撃力とにより細化すると同時に、水冷された鉄皮の冷却作用によって表面が凝固する。生成された砂状スラグ６ｗは相互に付着することなく、ドラム内を他の開口に向けて移動する。ドラム７３の回転に基づく砂状スラグの内壁上昇と瀑流落下の繰り返しにより、砂状スラグは転動し、丸みを帯びた外殻を形成する。
【０１３５】
砂状スラグ６ｗは、回転ドラム７３から排出されるまで徐冷される。回転ドラム７３にはスラグの内部保有熱の消散を抑制するに十分な長さが確保されているので、徐冷の間に、スラグは、ＣａＯ−ＳｉＯ₂−Ａｌ₂Ｏ₃−ＭｇＯの四元系相平衡状態における共晶凝固現象に基づく部分的な一次再結晶化が促される。なお、ドラム７３に散布された冷却水は、ドラムの周囲を流れる間に一部蒸発し、残部は水溜め３ｗに落とされる。
【０１３６】
砂状スラグ６ｗはシュート７５上に排出され、直ちに回転式熱処理炉４Ａに装入される。回転式熱処理炉で完全に再結晶化された人工砂７６は、金属分や有害物質を含まず、河砂に極めて近い緻密な組織の化学的物理的に安定したコンクリート用人工骨材となる。
【０１３７】
以上の説明においては、焼却灰に飛灰を加えた原料を還元溶融し、人工骨材を製造している。もちろん、焼却灰のみ，下水汚泥乾燥粉のみ，焼却灰と下水汚泥乾燥粉との混合物，または、焼却灰と飛灰と下水汚泥乾燥粉との混合物を原料とすることもできる。いずれにしても、還元溶融炉に装入される原料の組成を予め把握しておき、それを共晶凝固させるにふさわしくＭｇＯを添加すればよい。
【０１３８】
【実施例】
本発明は、ＳｉＯ₂，ＣａＯ，Ａｌ₂Ｏ₃を主成分とする溶融スラグを生成するときに、溶融スラグ中のＭｇＯが５％ないし２０％の範囲における目標含有率もしくはそれに極めて近似した含有率となるように、ＭｇＯを含有する造滓材を原料に添加することである。これによって、ＣａＯ−ＳｉＯ₂−Ａｌ₂Ｏ₃−ＭｇＯの四元系相平衡状態における共晶点もしくはそれに可及的に近似した状態で共晶凝固する組成を有した溶融スラグが得られるようにしている。そこで、以下に幾つかの実例を挙げる。
【０１３９】
図２０は、ＣａＯ−ＳｉＯ₂−Ａｌ₂Ｏ₃−ＭｇＯ系の１５％Ａｌ₂Ｏ₃面の液相温度における相関係である。辺８１の数字はＣａＯの含有％、辺８２の数字はＳｉＯ₂の含有％、辺８３はＭｇＯの含有％を示す。図中の実線や太い破線は岩石質の境界を表し、細い破線上の数字は凝固温度を示す。
【０１４０】
点Ａは共晶点であり、点Ａから点ａ₁，ａ₂，ａ₃（図２０の要部を拡大した図２１を参照）までの部分は、凝固時に再結晶化を誘発させやすい領域にある共晶線である。なお、図２０をはじめとして後述する図２２，図２４，図２６，図２７は、Ｅ．Ｆ．オズボーン，Ｒ．Ｃ．デブリーズ，Ｋ．Ｈ．ギー，Ｈ．Ｍ．クラナー共著「ＣａＯ−ＭｇＯ−Ａｌ₂Ｏ₃−ＳｉＯ₂四元系液相データから推論した高炉スラグの最適組成」ＡＩＭＥ紀要第２００巻３３頁ないし４５頁に記載された四元系相平衡状態図である。
【０１４１】
凝固したスラグを再結晶化するためには、その共晶凝固温度が１，３００℃以下であることや、溶融スラグの高い流動性に基づく結晶分子の移動が容易であることが不可欠である。そのためには、ＳｉＯ₂が約５５％以下であること、および、人工骨材として使用した場合にアルカリ骨材反応が出やすくなるフォルステライト結晶が出ないようにすることが重要である。したがって、アノルサイト，パイロキシン，メリライト三元共晶点の近傍である図２１中に表示の線Ａａ₁，Ａａ₂，Ａａ₃上の組成となるように、ＭｇＯを含んだ造滓材を配合調節することが必要である。
【０１４２】
上記した点Ａ，ａ₁，ａ₂，ａ₃を含む幾つかの黒い点および他の点Ｂ等は、凝固温度が最低の１，３００℃以下を示した共晶点もしくはそれに極めて近似した点であり、それぞれの組成は表１のとおりである。なお、表中の点Ａ，ＢにおけるＭｇＯの欄は前述した目標含有率であり、点ａ₁，ａ₂，ａ₃，ｂ₁，ｂ₂等は、目標含有率に極めて近似した含有率に相当する。
【表１】

【０１４３】
図２２は、１０％Ａｌ₂Ｏ₃の場合であり、同様にして纏めると、表２のようになる。いずれの点も四元系相平衡状態における共晶点もしくはそれに極めて近似した点であり、凝固温度すなわち融点の最低温度は１，３００℃以下である。なお、図２３は図２２中の点の近傍を拡大したものである。
【表２】

【０１４４】
同様に、２０％Ａｌ₂Ｏ₃の場合が図２４および図２５に表されている。これを纏めると、表３のようになる。いずれの点も四元系相平衡状態における共晶点もしくはそれに極めて近似した点であり、凝固温度は１，３００℃以下である。なお、点ｇ₂も四元系相平衡状態における共晶点に極めて近似した点であるが、この場合の凝固温度は１，３３０℃ないし１，３５０℃となっている。
【表３】

【０１４５】
同様に、２５％Ａｌ₂Ｏ₃の場合が図２６に表されている。これを纏めると、表４のようになる。いずれの点も四元系相平衡状態における共晶点もしくはそれに極めて近似した点であり、凝固温度は１，４００℃以下である。
【表４】

【０１４６】
以上をまとめると、ＣａＯが１６％ないし３５％、ＳｉＯ₂が３６％ないし５４％、Ａｌ₂Ｏ₃が１０％ないし２５％、ＭｇＯが５％ないし２０％であると、四元系相平衡状態における共晶点に可及的に近似した状態で共晶凝固する組成を有した溶融スラグが得られることが分かる。なお、Ａｌ₂Ｏ₃の含有率は少なすぎても多すぎても溶融スラグの融点が上がることはよく知られており、５％以下であったり３０％を越えると凝固点の最低温度は約１，４００℃以上となる。そのような場合には焼却灰の溶解温度を上げる必要があり、熱エネルギの消費が増大することになるので避けるべきである。
【０１４７】
ところで、上記した図２０ないし図２６において、他にも四元系相平衡状態における共晶点もしくはそれに極めて近似した点が存在する。図２０および図２１の１５％Ａｌ₂Ｏ₃の場合、共晶点Ｃならびに点ｃ₁，ｃ₁₁を表５のように拾い挙げることができ、その凝固温度は１，３００℃以下である。
【表５】

同様に、図２４および図２５の２０％Ａｌ₂Ｏ₃の場合、共晶点Ｈを表６のように拾い挙げることができ、その凝固温度も１，３００℃以下である。
【表６】

同様に、図２６の２５％Ａｌ₂Ｏ₃の場合、共晶点Ｋを表７のように拾い挙げることができ、その凝固温度は１，４００℃より低い。
【表７】

しかし、いずれもＳｉＯ₂の含有率の高いことに基因して、溶融スラグの粘性も高くなり、還元溶融炉から溶融スラグを流出させる操作が不便である。したがって、四元系相平衡状態における共晶点もしくはそれに極めて近似した点といえども、好ましくない共晶点の存在することに注意しておくべきである。
【０１４８】
ちなみに、焼却灰の組成は一定しないが、例えば表８のような組成である。例１および例２は、従来技術の電気溶融法等によって得られた公表されているスラグの組成のデータである。例３は本発明者らのテストに供された焼却灰の組成である。
【表８】

上記した焼却灰を溶融してスラグ化すると、表９のような組成になる。なお、例１および例２は若干成分調整されているようであり、公表値をそのまま掲げている。
【表９】

これらのスラグを再度溶融すると共に還元してスラグの主たる組成をＣａＯ，ＳｉＯ₂，Ａｌ₂Ｏ₃，ＭｇＯにすると、そのスラグの組成は表１０のように書き換えられる。
【表１０】

例１のＡｌ₂Ｏ₃の含有率を２０％とみなすと図２４中の点Ｓとなり、例２のＡｌ₂Ｏ₃の含有率を２５％とみなせば図２６中の点Ｔとなる。例３のＡｌ₂Ｏ₃の含有率を２５％とみなせば、図２６中の点Ｕとなる。点Ｓは共晶点ＦおよびＧから大きく外れ、点ＴおよびＵは共晶点Ｊから大きく外れている。いずれも凝固するとアノルサイトとなり、スラグ凝固温度は高い。
【０１４９】
上記の例３の焼却灰に飛灰を混ぜ、ＭｇＯの含有量が状態図中の共晶点となるように軽焼ドロマイトを添加する場合について述べる。まず、焼却灰，飛灰，軽焼ドロマイトの成分は、表１１のとおりである。
【表１１】

ちなみに、焼却灰（Ａ），飛灰（Ｂ），軽焼ドロマイト（Ｃ）の粒度は、表１２のとおりである。
【表１２】

【０１５０】
ごみ焼却にいては焼却灰と飛灰とが約３：１で発生するので、焼却灰／飛灰＝７０／３０の混合物に軽焼ドロマイトを７．９％添加する。この原料を還元溶融すると、スラグは表１３のような組成になる。
【表１３】

この溶融スラグのＡｌ₂Ｏ₃含有率を２０％とみなすと、図２４中の点ｕとなり、共晶点Ｆに近似した点ｆ₃に一致する。
【０１５１】
次に、異なる成分組成の焼却灰や飛灰を原料とする場合について述べる。その焼却灰（Ｋ）と飛灰（Ｌ）の成分を、ドロマイト（Ｍ）の理論値および焼成ドロマイト（Ｎ）のそれと共に表１４に示す。
【表１４】

【０１５２】
焼却灰／飛灰＝７０／３０の混合物に焼成ドロマイトを４．０％添加した場合の溶融スラグの成分を表１５の例１１の欄に、焼却灰／飛灰＝８０／２０の混合物に焼成ドロマイトを５．５％添加した場合を例１２の欄に、焼却灰／飛灰＝７０／３０の混合物にドロマイトを５．４％添加した場合を例１３の欄に、焼却灰／飛灰＝８０／２０の混合物にドロマイトを７．５％添加した場合を例１４の欄にそれぞれ掲げる。いずれの場合も、図２４中の共晶近似点ｆ₃にほぼ等しくなる。
【表１５】

【０１５３】
表１６は、焼却灰／飛灰＝７０／３０の混合物に焼成ドロマイトを添加することによって、溶融スラグ中のＭｇＯ含有量が９％，１０％，１５％となるようにした場合の原料の配合割合と溶融スラグの成分組成を示す。
【表１６】

【０１５４】
ケース１の場合、Ａｌ₂Ｏ₃を２０％とみなすと、その組成は図２４中の共晶点Ｆからかなり離れる。ケース２の場合、Ａｌ₂Ｏ₃を２０％とみなすと、その組成は図２４中の点ｆ₃に近い。これは、表１５の例１１のところで述べたとおりである。ケース３の場合、Ａｌ₂Ｏ₃を１５％とみなすと、その組成は図２０中の共晶点Ａ，Ｂからかなり離れる。したがって、表１４に示した組成の焼却灰と飛灰を、焼却灰／飛灰＝７０／３０で使用する場合には、焼成ドロマイトを４．０％添加しなければならないことが分かる。逆に言えば、焼成ドロマイトの添加量が０％や２２．３５％の場合、多元系相平衡状態における共晶点に可及的に近似した状態での共晶凝固は不可能となる。
【０１５５】
表１７は、焼却灰／飛灰＝８０／２０の混合物に焼成ドロマイトを添加することによって、溶融スラグ中のＭｇＯ含有量が８％，１０％，１５％となるようにした場合の原料の配合割合と溶融スラグの成分組成を示す。
【表１７】

【０１５６】
ケース４の場合、Ａｌ₂Ｏ₃を２５％とみなすと、その組成は図２６中の共晶点Ｊから離れる。ケース５の場合、Ａｌ₂Ｏ₃を２０％とみなすと、その組成は図２４中の点ｆ₃に近い。これは、表１５の例１２のところで述べたとおりである。ケース６の場合、Ａｌ₂Ｏ₃を１５％とみなすと、その組成は図２０中の共晶点Ａ，Ｂから大きく離れる。したがって、表１４に示した組成の焼却灰と飛灰を、焼却灰／飛灰＝８０／２０で使用する場合には、焼成ドロマイトを５．５３％添加しなければならないことが分かる。焼成ドロマイトの添加量が０％や２４．９２％の場合、スラグの凝固温度が高くなって加熱エネルギが大量に要求される。加えて、出滓後に冷却が急速に進み、非晶質を多く残した再結晶化の不十分なスラグとなる。
【０１５７】
ちなみに、図２０においてはＭｇＯが約６％ないし約１４％であり、図２２では約７％ないし約２０％である。図２４においては約６％ないし約１７％であって、さらには、図２６において約３％ないし約８％であることが分かる。参考までに、図２７にＡｌ₂Ｏ₃が３０％の場合の相関係を示す。Ａｌ₂Ｏ₃が多い場合のスラグの融点は非常に高くかつ粘性も大きいので、人工骨材の製造には不適切である。
【０１５８】
Ａｌ₂Ｏ₃を約１０％ないし約２５％の範囲にとどめておくならば、溶融スラグを共晶凝固させることができるＭｇＯは３％ないし２０％である。上掲した図２０ないし図２６は例示にすぎない。ＭｇＯが５％以下であればＭｇＯを添加する余地が少ないので、成分調整の範囲が狭くなる。成分調整が容易である範囲を考慮すると、溶融スラグのＭｇＯの目標含有率を、５％ないし２０％までの範囲におけるいずれかの％とすればよいことが分かる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第一の発明に係るコンクリート用人工骨材の製造法の全体的な手順図。
【図２】第二の発明に係るコンクリート用人工骨材の製造法の後半部分の手順図。
【図３】第四の発明に係るコンクリート用人工骨材の製造装置の前半部分の系統図。
【図４】第四の発明に係る製造装置の後半部分の系統図。
【図５】第五の発明に係るコンクリート用人工骨材の製造装置の後半部分の系統図。
【図６】ＥＫ式ロータリキルンの縦断面図。
【図７】図６のVII −VII 線矢視断面図。
【図８】サブマージドアーク直流抵抗炉の断面図。
【図９】（ａ）はプラス電極の正面図、（ｂ）はプラス電極の斜視図。
【図１０】（ａ）は炉底に配置されたプラス電極の平面図、（ｂ）は給電体とフレキシブル導線の接続図。
【図１１】前炉を備えたサブマージドアーク直流抵抗炉の断面図。
【図１２】スラグ鋳造装置の第一コンベアの正面図。
【図１３】第一コンベアに配列された金型の斜視図。
【図１４】スラグ鋳造装置の第二コンベアの正面図。
【図１５】（ａ）は第一コンベアの断面図、（ｂ）は第二コンベアの断面図、（ｃ）は凝固スラグが載せられているアウタトラフのみからなる金型の断面図。
【図１６】サークル状のコンベアを採用したスラグ鋳造装置の平面図。
【図１７】図１６のXVII−XVII線矢視断面図。
【図１８】人工砂利製造装置におけるスラグ凝固設備以降の各装置の配置図。
【図１９】人工砂製造装置における主要装置の配置図。
【図２０】ＣａＯ−ＳｉＯ₂−Ａｌ₂Ｏ₃−ＭｇＯ系の１５％Ａｌ₂Ｏ₃面の液相温度における相関係図。
【図２１】図２０の要部拡大図。
【図２２】ＣａＯ−ＳｉＯ₂−Ａｌ₂Ｏ₃−ＭｇＯ系の１０％Ａｌ₂Ｏ₃面の液相温度における相関係図。
【図２３】図２２の要部拡大図。
【図２４】ＣａＯ−ＳｉＯ₂−Ａｌ₂Ｏ₃−ＭｇＯ系の２０％Ａｌ₂Ｏ₃面の液相温度における相関係図。
【図２５】図２４の要部拡大図。
【図２６】ＣａＯ−ＳｉＯ₂−Ａｌ₂Ｏ₃−ＭｇＯ系の２５％Ａｌ₂Ｏ₃面の液相温度における相関係図。
【図２７】ＣａＯ−ＳｉＯ₂−Ａｌ₂Ｏ₃−ＭｇＯ系の３０％Ａｌ₂Ｏ₃面の液相温度における相関係図。
【符号の説明】
１Ａ…乾燥装置、１Ｃ…秤量装置、１Ｄ₁…ＥＫ式ロータリキルン、２Ａ…還元溶融炉、３Ａ…スラグ鋳造装置、３Ｂ…破砕装置、３Ｓ…風砕式凝固装置、３ａ…金型、４Ａ…回転式熱処理炉、５…溶融銑鉄、６…溶融スラグ、６ｓ…鋳造スラグ、６ｕ…鋳造スラグ粒、６ｗ…砂状スラグ、７…原料、２３…微粉炭、２４…プラスチック廃材、６４…人工砂利、７６…人工砂。

Claims

生活ごみ，下水汚泥，産業廃棄物等を焼却して生じた焼却灰や下水汚泥乾燥粉の溶融スラグから人工骨材を製造する方法において、
前記焼却灰や下水汚泥乾燥粉を、１２０℃ないし２５０℃に加熱する乾燥工程と、
乾燥された焼却灰や下水汚泥乾燥粉ならびにＭｇＯを含む造滓材を秤量することにより、これらの原料から生成される溶融スラグ中のＭｇＯが５％ないし２０％の範囲における目標含有率もしくはそれに極めて近似した含有率となるように、原料を所定配合比率にする調合工程と、
調合された原料に微粉炭およびプラスチック廃材を添加することにより炉体の略全領域を７００℃ないし１，０００℃に保持した状態で、前記微粉炭から粉コークスを生成させる同時に、前記原料の予熱や脱ガス，原料の一部の還元をする加熱工程と、
前記予熱された原料中のＦｅ系酸化物を溶融還元して溶融銑鉄を生成し、この溶融銑鉄に他の重金属類および還元可能な酸化物を還元して生じた元素を溶解させると共に、ガス含有率が極めて低く上記重金属類等を可及的に含まない溶融スラグを生成して前記溶融銑鉄の上部に滞留させる還元溶融工程と、
前記溶融銑鉄とは独立して出滓された溶融スラグを金型に流して板状にすると共に搬送し、その搬送の間に鋳造スラグを成形する鋳造工程と、
上記鋳造スラグを金型から離型した後に、４ｍｍないし４０ｍｍに砕く破砕工程と、
破砕により生じた鋳造スラグ粒を８５０℃ないし１，２００℃の雰囲気下で転動させ、該鋳造スラグ粒中に残留する非晶質部分を再結晶化させると共に鋳造スラグ粒の残留内部歪を除去する熱処理工程と、
を有して、組織の緻密な再結晶化した人工砂利を生成させることを特徴とするコンクリート用人工骨材の製造法。
請求項１に記載の乾燥工程，調合工程，加熱工程，還元溶融工程に続き、
前記溶融銑鉄とは独立して出滓された溶融スラグを、気流に乗せて水冷壁に衝突させ、該水冷壁との接触により溶融スラグから砂状スラグを生成する凝固工程と、
砂状スラグを８５０℃ないし１，２００℃の雰囲気下で転動させ、該砂状スラグ中に残留する非晶質部分を再結晶化させると共に砂状スラグの残留内部歪を除去する熱処理工程と、
を有して、組織の緻密な再結晶化した人工砂を生成させることを特徴とするコンクリート用人工骨材の製造法。
生活ごみ，下水汚泥，産業廃棄物等を焼却して生じた焼却灰や下水汚泥乾燥粉の溶融スラグから人工骨材を製造するために、焼却灰に含まれる還元容易なＦｅ，Ｃｒ，Ｐ等の酸化物を溶融還元して溶融銑鉄を生成し、可及的に低融点でありかつ共晶凝固する組成を有したＳｉＯ₂等を主成分とする溶融スラグを生成し、該溶融スラグからガス含有率の極めて低い組織の緻密な再結晶化したコンクリート用人工骨材を製造する方法において、
前記焼却灰や下水汚泥乾燥粉を、１２０℃ないし２５０℃に加熱する乾燥工程と、
乾燥された焼却灰や下水汚泥乾燥粉ならびにＭｇＯを含む造滓材を秤量することにより、これらの原料から生成される溶融スラグ中のＭｇＯが５％ないし２０％の範囲における目標含有率もしくはそれに極めて近似した含有率となるように、原料を所定配合比率にする調合工程と、
調合された原料に微粉炭およびプラスチック廃材を添加することにより炉体の略全領域を７００℃ないし１，０００℃に保持した状態で、前記微粉炭から粉コークスを生成させる同時に、前記原料の予熱や脱ガス，原料の一部の還元をする加熱工程と、
を有して、還元溶融すべき原料を事前処理することを特徴とするコンクリート用人工骨材の製造法。
請求項１ないし請求項３のいずれか一項において、前記原料に飛灰を含めたことを特徴とするコンクリート用人工骨材の製造法。
生活ごみ，下水汚泥，産業廃棄物等を焼却して生じた焼却灰や下水汚泥乾燥粉の溶融スラグから人工骨材を製造する装置において、
前記焼却灰や下水汚泥乾燥粉を、１２０℃ないし２５０℃で乾燥させる乾燥装置と、
乾燥された焼却灰や下水汚泥乾燥粉ならびにＭｇＯを含む造滓材を混合することにより、これらの原料から生成される溶融スラグ中のＭｇＯが５％ないし２０％の範囲における目標含有率もしくはそれに極めて近似した含有率となるように、原料を所要配合比率にする秤量装置と、
調合された原料が装入され、炉体中間位置で微粉炭およびプラスチック廃材を添加することにより炉体の略全領域を７００℃ないし１，０００℃に保持した状態で、前記微粉炭から粉コークスを生成させると同時に、前記原料の予熱や脱ガス，原料の一部の還元をするＥＫ式ロータリキルンと、
前記予熱された原料を還元溶融することにより、該原料中のＦｅ系酸化物を還元して溶融銑鉄を生成し、この溶融銑鉄に他の重金属類および還元可能な酸化物を還元して生じた元素を溶解させると共に、ガス含有率が極めて低く上記重金属類等を可及的に含まない溶融スラグを生成して前記溶融銑鉄の上部に滞留させる還元溶融炉と、
前記溶融銑鉄とは独立して出滓された溶融スラグを金型に流して板状にすると共に搬送し、その搬送の間にスラグを凝固させるスラグ鋳造装置と、
凝固した鋳造スラグを金型から離型した直後に、４ｍｍないし４０ｍｍに破砕する破砕装置と、
破砕により生じた鋳造スラグ粒を８５０℃ないし１，２００℃の雰囲気下で転動させ、その鋳造スラグ粒中に残留する非晶質部分を再結晶化させると共に鋳造スラグ粒の残留内部歪を除去する回転式熱処理炉と、
を備え、組織の緻密な再結晶化した人工砂利を生成させることを特徴とするコンクリート用人工骨材の製造装置。
請求項５に記載の乾燥装置，秤量装置，ＥＫ式ロータリキルンおよび還元溶融炉を備えると共に、
前記溶融銑鉄とは独立して出滓された溶融スラグを気流に乗せて水冷壁に衝突させ、該水冷壁との接触により溶融スラグから砂状スラグを生成する風砕式凝固装置と、
砂状スラグを８５０℃ないし１，２００℃の雰囲気下で転動させ、該砂状スラグ中に残留する非晶質部分を再結晶化させると共に砂状スラグの残留内部歪を除去する回転式熱処理炉と、
を備え、組織の緻密な再結晶化した人工砂を生成させることを特徴とするコンクリート用人工骨材の製造装置。
請求項５または請求項６において、前記原料に飛灰を含めたことを特徴とするコンクリート用人工骨材の製造装置。