JP2002147738A

JP2002147738A - 焼却灰の溶融処理方法

Info

Publication number: JP2002147738A
Application number: JP2000338494A
Authority: JP
Inventors: Sumio Yamada; 純夫山田; Hajime Suzuki; 一鈴木; Yoshihide Kato; 嘉英加藤
Original assignee: Kawasaki Steel Corp
Current assignee: JFE Steel Corp
Priority date: 2000-11-07
Filing date: 2000-11-07
Publication date: 2002-05-22

Abstract

(57)【要約】【課題】本発明は、焼却灰の溶融処理炉に内張りした耐
火物の寿命を延長し、従来より安価な操業コストで、従
来並みの「減容化」及び「無害化」が達成可能な焼却灰
の溶融処理方法を提供することを目的としている。【解決手段】溶融鉄を保持した反応容器へ焼却灰を投入
し、該溶融鉄からの熱で加熱して焼却灰を溶融処理する
にあたり、前記溶融鉄中の炭素濃度を１．０質量％以上
に調整しつつ焼却灰を投入する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、焼却灰の溶融処理
方法に係わり、詳しくは、高温の溶融鉄を保持した反応
容器へ焼却灰を投入して加熱し、該焼却灰を溶融処理す
るに際して、炭素溶解することにより溶融鉄の融点を下
げて、焼却灰の溶融処理をより低い温度で行い、反応容
器に内張りした耐火物の寿命を延長し、従来より安価に
焼却灰を溶融処理する技術に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、都市ゴミを含む一般廃棄物、産業
廃棄物、下水スラッジ、シュレッダ・ダスト等の各種廃
棄物は、焼却処理され、その灰（焼却灰と称されてい
る）の多くは、埋め立て処分されている。しかしなが
ら、埋立地の確保が年々難しくなってきており、該埋立
地の延命化が強く叫ばれている。また、焼却灰には、重
金属等の人体へ有害な物質が含有されているので、埋め
立て処分したのでは、雨水で有害物質が周囲の土壌に流
出したり、地下水へ溶出して環境問題を起こす恐れがあ
る。そのため、従来より、焼却灰の容積を小さくする
「減容化処理」や、重金属等の有害物質の流出、溶出を
防止するための「無害化処理」が盛んに研究されてい
る。さらに、焼却灰を資源として再利用したり、リサイ
クルする技術の開発も行なわれるようになっている。

【０００３】ところで、今迄に一般化している焼却灰の
「減容化処理」及び「無害化処理」技術の一つに、電気
炉を用いた溶融処理がある。例えば、特公昭５７−５５
４７６号公報は、「サブマージド・アーク炉内の溶融ス
ラグ上に焼却灰を順次投入して、溶融物からの熱影響を
受けない層高を有する焼却灰層を形成し、該層の焼却灰
を溶融スラグの電気抵抗熱により順次溶融すると共に、
この溶融処理時に焼却灰中から揮散する重金属類の揮発
性物質を上記焼却灰層において冷却捕捉するようにす
る」技術を提案している。また、特開平９−８７７２８
号公報は、「電気炉において金属精錬を行なうと同時に
焼却灰を処理する方法であって、金属精錬に使用する原
料の一部として前記焼却灰を使用する」技術を開示して
いる。これらの技術を利用すれば、確かに焼却灰の「減
容化」及び「無害化」は達成されると思われる。

【０００４】しかしながら、焼却灰の溶融処理は、いく
ら技術的に優れたものであっても、操業コストが高い
と、その技術は、経済的な見地より実用し難いという問
題がある。例えば、上記した電気炉を利用し、金属精錬
に使用する原料の一部として前記焼却灰を使用して、該
焼却灰を溶融処理する技術では、莫大な電力費がかかる
ばかりでなく、電気炉に内張りした耐火物（例えば、ア
ルミナ系）の寿命が問題となる。つまり、一般的な焼却
灰（所謂主灰）の組成を表１に示すが、焼却灰には比較
的多量のアルカリ金属、ハロゲン元素が含有されてい
る。これらの成分が多い溶融物は、炉体に内張りした耐
火物を溶損し易く、炉体の寿命は短くなる。そのため、
炉体には、通常、高価な耐火物を内張りするに加え、頻
繁に補修する必要もあり、操業コストを著しく上昇させ
てしまう。

【０００５】

【表１】

【０００６】したがって、今後の焼却灰の溶融処理に関
しては、耐火物の寿命延長を図った従来より経済的に有
利な処理技術の出現が望まれる。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、かかる事情
に鑑み、焼却灰の溶融処理炉（反応容器）に内張りした
耐火物の寿命を延長し、従来より安価な操業コストで、
従来並みの「減容化」及び「無害化」が達成可能な焼却
灰の溶融処理方法を提供することを目的としている。

【０００８】

【課題を解決するための手段】発明者は、上記目的を達
成するため、経済的な観点から予め形成させた溶融鉄上
で焼却灰を溶融処理する従来技術に着目し、その技術で
の耐火物寿命の改善策を鋭意研究した。その結果、予め
形成させた溶融鉄の融点を下げ、溶融鉄の温度を従来よ
り低く維持するのが有効であることを知り、本発明を完
成させた。

【０００９】すなわち、本発明は、溶融鉄を保持した反
応容器へ焼却灰を投入し、該溶融鉄の熱で加熱して焼却
灰を溶融処理するにあたり、前記溶融鉄中の炭素濃度を
１．０質量％以上に調整しつつ焼却灰を投入することを
特徴とする焼却灰の溶融処理方法である。

【００１０】その際、前記炭素濃度を、炭材の溶融鉄へ
の添加で調整するのが良い。また、使用する反応容器
は、電気炉、転炉及び取鍋から選ばれるいずれか一つで
あっても良い。

【００１１】本発明では、焼却灰を溶融処理する際に、
焼却灰を加熱する熱源となる溶融鉄の温度を、従来の１
５００〜１６００℃より低くし、焼却灰の融点（１２０
０〜１４００℃）近くまで低下するようにしたので、溶
融鉄から焼却灰への効率的な熱移動と焼却灰の溶融を確
保しつつ、反応容器の内張り耐火物の溶損速度が減少
し、その寿命は延長するようになる。その結果、反応容
器がいかなる形式であっても、耐火物原単位が低減し、
焼却灰の溶融処理が安価になる。

【００１２】

【発明の実施の形態】以下、図１を参照して、本発明の
実施の形態について説明する。

【００１３】まず、従来の焼却灰の溶融処理方法を、反
応容器に交流アーク電気炉を用いた例で説明する。それ
は、図１に示すように、電気炉３内に予め鉄スクラップ
を装入して溶解した後、その高温の溶融鉄浴（融点１５
００℃程度）の上に所定量の焼却灰を装入して、充填層
を形成させる。そして、直ちに通電してアーク２及び溶
融鉄浴の熱で焼却灰を溶融し、溶融スラグ６及び高温の
溶融鉄浴５を形成する。なお、図１には電極１が１本し
か描かれていないが、紙面と垂直方向に３本あり、それ
らの間にアーク２が発生する。その後、一定時間の経過
後に溶融スラグ６のみを電気炉３から排出し、再度溶融
鉄浴５上に焼却灰を投入し、以下同様の操作を繰り返す
ことで、焼却灰を溶融処理する。その際、焼却灰中の揮
発性物質は蒸発し、排ガスに伴われて炉外へ排出される
が、そのうち重金属を多く含む凝縮物はダストとして回
収される。

【００１４】発明者は、かかる従来の焼却灰の溶融処理
方法において、最も耐火物の溶損に影響を与える要因に
ついて検討を行った。その結果、焼却灰に熱を伝え溶融
させる高温の溶融鉄が耐火物の溶損に大きな影響を与え
ることがわかった。焼却灰自体の融点は、通常１２００
〜１４００℃程度であるが、溶融鉄は鋼スクラップを溶
解したものであるため融点が１５００℃程度あり、溶融
状態を維持するにはそれ以上の高温に維持する必要があ
る。つまり、形成された溶融スラグのアルカリ等の含有
量が高いのに加え、溶融鉄の温度が高すぎるため、耐火
物の溶損が早いと考えた。そこで、発明者は、溶融鉄の
融点を下げ、もっと低い温度にして焼却灰を溶融させる
ことに着眼し、図２に示す鉄−炭素状態図を検討した。
その結果、図２から明らかなように、溶融鉄の炭素濃度
を１．０質量％以上にするのが良いとわかり、本発明を
完成させたのである。なお、炭素濃度を上記範囲に限定
したのは、１．０質量％未満では溶融鉄の融点がまだ１
４５０℃もあり、耐火物が溶損し易いからである。ま
た、実際の溶融鉄には、Ｍｎ，Ｃｒ等が溶解しているの
で、溶融鉄への炭素の溶解度は４．５質量％程度が限界
である。

【００１５】実際に溶融鉄の炭素濃度を増加させる手段
は、本発明では、特に限定するものでない。溶融鉄に炭
素が溶解しさえすれば良いからである。しかし、経済的
な見地と金属精錬での実績に基づき、コークス等の炭材
を溶融鉄へ添加すれば良く、粉粒状コークス９を溶融鉄
上に投入（上添加という）又は溶融鉄に浸漬したランス
を介し、キャリア・ガスを用いての吹き込みで行うのが
良い。キャリア・ガス８での吹き込みは、溶融スラグ６
や溶融鉄浴５を攪拌し、スラグ−メタル反応や重金属酸
化物の還元反応の迅速化にも寄与する。勿論、上添加と
同時に吹き込むようにしても良い。ランス７としては、
金属精錬で実用されているものを借用すれば良い。

【００１６】添加する炭素は、炭素を含有していれば如
何なる物質でも良いが、経済的な見地からは、比較的安
価に入手可能な粉粒状コークスの使用が好ましい。ま
た、該コークスは、あまり細粒であると、上添加時に飛
散して直ちにダストになり、投入歩留まりが低く、操業
上の障害となるので、上添加では、粒度分布を配慮する
のが好ましい。さらに、溶融鉄中の炭素濃度及び温度の
監視は、操業中に適宜、サブランスを用いて測定すれば
良い。投入又は吹きこむ炭素量については、試験操業や
過去のデータ解析で定めるのが好ましい。

【００１７】なお、吹き込みに用いるキャリア・ガス８
は、アルゴン、窒素等の不活性ガスが好ましい。酸素を
含む酸化性ガス（具体的には、空気、酸素ガス、ＣＯ₂
ガス等）では、吹き込み前に炭材が酸化され、重金属酸
化物の還元能を失うと共に、溶融鉄の融点低下に寄与し
なくなるからである。

【００１８】次に、本発明に係る溶融処理方法の実施に
用いる反応容器３は、耐火物が内張りされ、高温の溶融
物質を保持可能なものであれば、工業界に存在する各種
の炉が使用できる。例えば、電気炉であれば、製鋼、非
鉄金属精錬、ガラス製造、カーバイトの製造等、交流、
直流を問わず、アーク炉、電気抵抗炉等がある。また、
転炉、取鍋、平炉、反射炉、縦型炉、流動層炉等も利用
できる。要するに、焼却灰を高温で溶解し、溶融物を一
定時間保持できれば良いからである。ここで、電気炉以
外の反応容器では、焼却灰の加熱源の確保が必要になる
が、それは、形成される高温の溶融金属と添加する炭材
の燃焼により付加することができる。熱源が不足なら、
炭材量を追加すれば良い。

【００１９】また、これら反応容器３には、排ガス処理
装置（図示せず）を備えていることが必須である。焼却
灰の溶融時には、ダストや揮発性物質（重金属を含む）
の蒸気が発生するので、それらを分離回収する各種集塵
機やコンデンサ等の凝縮装置が必要だからである。勿
論、いずれの装置も精錬業等で現在実用されている公知
のもので十分である。

【００２０】

【実施例】（実施例１）図１に示すような上部に３本
の電極１を備えた交流アーク電気炉（生産能力６０ト
ン）３を用いて、本発明に係る焼却灰の溶融処理を行っ
た。予め、２５トンの鋼スクラップを溶解して、一旦温
度が１５５０℃の溶融鉄浴５を形成した。該溶融鉄浴の
上に２０トンの焼却灰を装入してその充填層を形成し、
直ちに通電して溶融を開始すると同時に、１．２トンの
粉粒状コークス９を焼却灰充填層の上に投入した。溶湯
温度は１４００±１０℃とした。なお、焼却灰は、表１
に示した組成で、予め乾燥してあるものである。

【００２１】処理時間１００分で焼却灰が溶融したの
で、３分間待って直ちに溶融スラグのみを電気炉３から
排出した。このような操業を連続的に３０チャージ行っ
た結果、処理に要した電力原単位は、８５０ｋＷｈ／ｔ
−灰であり、耐火物原単位は、０．７ｋｇ／ｔ−灰であ
った。なお、溶融鉄中の炭素含有量は４．５質量％であ
った。（実施例２）収容能力６０トンの取鍋（図示せず）に、
予め２０トンの溶鋼を装入し、溶鋼の浴を形成させた。
その後、排ガス処理装置の下に該取鍋を配置し、直ち
に、３０トンの焼却灰を上添加し、さらにその上に０．
２トンの粉粒状のコークスを投入し、焼却灰９の溶融処
理を開始した。溶鋼温度は１４９５±１０℃であった。

【００２２】処理時間１００分で焼却灰が迅速に溶融し
たので、溶融スラグのみを該取鍋から排出した。なお、
溶融鉄の炭素含有量は１．０質量％であった。（実施例３）実施例１と同様にして高温の溶融鉄浴（溶
融鉄量３０トン）を形成した電気炉３に、２０トンの焼
却灰を装入して充填させ、その後通電して該焼却灰の溶
融を開始した。それと同時に、該溶融鉄浴５中にランス
７の先端を浸漬すると共に、該ランス７を介して窒素ガ
ス８を用いて粉粒状コークス９を吹き込んだ。窒素ガス
の流量及び粉粒状コークス９の吹きこみ量は０．３トン
である。溶湯温度は１４８０±１０℃とした。

【００２３】処理時間５０分で焼却灰が迅速に溶融した
ので、溶融スラグ６のみを該電気炉３から排出した。こ
のような操業を連続して２５チャージ行った結果、処理
に要した電力原単位は７８０ｋＷｈ／ｔ−灰で、耐火物
原単位は０．７５ｋｇ／ｔ−灰であった。なお、溶融鉄
中の炭素含有量は１．０質量％であった。（従来例１）実施例１と同様に高温の溶融鉄浴５を形成
した電気炉３に２０トンの焼却灰を装入して充填させ、
その後通電して該焼却灰を溶融した。処理時間１２０分
で焼却灰が溶融したので、直ちに溶融スラグのみを該電
気炉３から排出した。このような操業を連続して３０チ
ャージ行った結果、平均の電力原単位は１０５０ｋＷｈ
／ｔ−灰、耐火物原単位は、２．１ｋｇ／ｔ−灰であっ
た。溶湯温度は１５５０±１０℃であり、なお溶融鉄中
の炭素含有量は０．０７質量％であった。

【００２４】以上述べた実施結果より、本発明によれ
ば、従来より短い時間で大量の焼却灰が溶融できること
が確認できた。また、電力原単位、耐火物原単位も低減
することが明らかである。さらに、表２に示すように、
得られたスラグから有害物質の溶出試験を平成３年環境
庁告示第４６号に定める方法によって行ったところ、有
害物資の溶出は認められなかった。

【００２５】

【表２】

【００２６】

【発明の効果】以上述べたように、本発明により、焼却
灰の溶融処理炉に内張りした耐火物の寿命が延長され、
従来より安価な操業コストで、従来並みの「減容化」及
び「無害化」が達成される。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施に利用した交流アーク電気炉を示
す図である。

【図２】本発明の基礎となった鉄−炭素系平衡状態図を
示す図である。

【符号の説明】

１電極２アーク３電気炉（反応容器）４耐火物５溶融金属浴（溶銑等）６溶融スラグ７ランス８キャリア・ガス（アルゴン、窒素ガス等）９粉粒状コークス（炭素源）

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号ＦＩテーマコート゛(参考）Ｃ２１Ｃ 7/00 １０１Ｂ０９Ｂ 3/00 ＺＡＢ 7/076 ３０３Ｌ (72)発明者加藤嘉英千葉県千葉市中央区川崎町１番地川崎製鉄株式会社技術研究所内Ｆターム(参考） 3K061 NB01 NB02 NB27 4D004 AA36 CA29 CB50 DA02 DA03 DA10 4K002 AB01 AB04 AE10 4K013 BA17 CB09 CF01 CF13 EA00 4K014 CB01 CB05 CE01

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】溶融鉄を保持した反応容器へ焼却灰を投
入し、該溶融鉄からの熱で加熱して焼却灰を溶融処理す
るにあたり、前記溶融鉄中の炭素濃度を１．０質量％以上に調整しつ
つ焼却灰を投入することを特徴とする焼却灰の溶融処理
方法。
【請求項２】前記炭素濃度を、炭材の溶融鉄への添加
で調整することを特徴とする請求項１記載の焼却灰の溶
融処理方法。
【請求項３】前記反応容器が、電気炉、転炉、及び取
鍋から選ばれるいずれか一つであることを特徴とする請
求項１又は２記載の焼却灰の溶融処理方法。