JP2007314352A

JP2007314352A - 結晶質溶融スラグの製造方法

Info

Publication number: JP2007314352A
Application number: JP2006142534A
Authority: JP
Inventors: Shogo Matsuoka; 庄五松岡; Tadao Ishida; 忠雄石田; Masato Kato; 正登加藤
Original assignee: CHUBU RECYCLE KK
Current assignee: CHUBU RECYCLE KK
Priority date: 2006-05-23
Filing date: 2006-05-23
Publication date: 2007-12-06
Anticipated expiration: 2026-05-23
Also published as: JP4712611B2

Abstract

【課題】緻密で細かな結晶を成長させることができ、骨材等に利用するための充分な機械的強度を有する結晶質溶融スラグの製造方法を提供する。
【解決手段】ゴミ焼却灰を溶融炉に入れて加熱溶解して焼却灰溶融物とする溶融工程において、結晶質溶融スラグの塩基度が０．８〜１．３となり、ＴｉＯ_２が２〜１０質量％となるように成分調製を行う。そして、焼却灰溶融物を空冷して結晶質溶融スラグとする。
【選択図】なし

Description

本発明は、機械的強度に優れ、骨材や路盤材や構造材等に好適に用いることができる結晶質溶融スラグの製造方法に関する。

ゴミ焼却灰の埋立処分は、有害物質の溶出等により環境を汚染するおそれがある。このため、ゴミ焼却灰を加熱溶融し、水中に投入して溶融スラグ化することが行われている。溶融スラグは溶融前のゴミ焼却灰に比べて重金属の溶出が極めて少なくなり、そのまま埋立処分を行っても安全性は高いものとなる。また、減容効果も大きいため、埋立処分場の延命化も図ることができる。
しかし、ゴミ焼却灰を溶融するためには多大なエネルギーを消費するため、コストがかかりすぎるという問題があり、このことがゴミ焼却灰の溶融スラグ化処理の普及を阻む一因となっている。

このため、溶融スラグを廃棄物としてではなく、骨材や路盤材等として再利用することが考えられている。しかし、焼却灰溶融物を水中に投入して冷却した水砕スラグは、ガラス化した粒子が団粒化して極めて脆く、容易に細粒化してしまうため、再利用することが困難である。溶融スラグの再利用におけるこうした問題を解決するために、塩基度等の成分調製を行い、制御しながらゆっくりと冷却を行い、結晶質溶融スラグとするものが提案されている（特許文献１〜５）。また、一度製造された溶融スラグを再加熱して結晶化を促進させる方法（特許文献６〜８）や、成分に応じて冷却速度を制御し結晶化を促進させる方法（特許文献９〜１１）等も提案されている。

特開平4-132642号公報特開平3-275539号公報特開昭58-60118号公報特開昭57-200259号公報特開昭56-54248号公報特開平9-263430号公報特開平8-133800号公報特開平4-317436号公報特開平11-335144号公報特開平5-58690号公報特開平5-213642号公報

しかし上記従来の溶融スラグの製造方法では、骨材等に利用するには未だ充分な機械的強度を有しておらず、例えばアスファルト骨材やコンクリート骨材として使用するためには、すり減り減量においての更なる向上が望まれている。

本発明は、上記従来の実情に鑑みてなされたものであって、緻密で細かな結晶を成長させることができ、骨材等に利用するための充分な機械的強度を有する結晶質溶融スラグの製造方法を提供することを解決すべき課題としている。

発明者らは、製造された結晶質溶融スラグの機械的強度が原料の配合変更により大きく変動するという事実に着目し、その原因を調べるため、ロットごとの化学組成と機械的強度との相関関係について検討した。その結果、塗料廃棄物成分の多い結晶質溶融スラグが極めて高い機械的強度を示すことを発見し、さらには、塗料成分に含まれるチタン白（ＴｉＯ_２）が機械的強度を上げる役割をしていることを突き止め、本発明をなすに至った。

すなわち、本発明の結晶質溶融スラグの製造方法は、ゴミ焼却灰を溶融炉に入れて加熱溶解して焼却灰溶融物とする溶融工程と、該焼却灰溶融物を空冷して結晶質溶融スラグとする徐冷工程とを備える結晶質溶融スラグの製造方法において、前記結晶質溶融スラグの塩基度が０．８〜１．３となり、ＴｉＯ_２が２〜１０質量％となるように、前記溶融工程において成分調製を行うことを特徴とする。

ここで塩基度とは、（Ｃａ０換算質量／ＳｉＯ_２換算質量）の値をいう。ゴミ焼却灰の結晶質溶融スラグにおいて、すり減り減量はＳｉ、Ａｌ、Ｃａ及びＯが複合結晶（ＣａＡｌ_２Ｓｉ_２Ｏ_８（Anorthite）、Ｃａ_２Ａｌ_２ＳｉＯ_７（Gehlethite）、Ｃａ_２ＳｉＯ_４（Larnite））として析出した場合に小さくなることが分かっている（廃棄物学会論文誌Vol.13,No.6,pp.361-369,2002）。また、発明者らの試験結果によれば、一般的なゴミ焼却灰において溶融スラグの塩基度が０．８〜１．３の範囲においてこのような複合結晶が成長する。このめ、溶融スラグの塩基度が０．８〜１．３となるように成分調整を行えば、すり減り減量の小さい結晶質溶融スラグとすることができる。
さらに、発明者らの試験結果によれば、ＴｉＯ_２が２質量％未満では結晶粒が大きくなりすぎ、機械的強度が低下する。一方ＴｉＯ_２が１０質量％を超えると、ゴミ焼却灰溶融物の粘度が上昇し、溶融不能となるおそれがあるとともに、調整用にＴｉ成分を添加する量が多くなり、製造コストの高騰化を招来する。ＴｉＯ_２の添加により緻密な結晶化が促進される理由は明確にはされていないが、ＴｉＯ_２が多数の結晶核をつくり、多くの結晶が一斉に成長するため、緻密で細かな結晶粒の成長を促し、その結果すり減り減量などの機械的強度が高くなるものと考えられる。

塩基度の調整のためには、Ｃａ源として石灰石や消石灰やそれらの廃棄物などを添加すればよい。また、ＴｉＯ_２の調整には、チタン鉄鉱、チタン白の他、チタン汚泥や塗料の焼却灰等のＴｉＯ_２系廃棄物等を用いることができる。チタン汚泥とは、チタン鉄鉱からチタン白を製造した場合に生ずるものであり、通常は廃棄物とされるものの、まだ多くのチタン成分を含んでいる。ＴｉＯ_２の調整にこうしたＴｉＯ_２系廃棄物を用いれば、チタン資源の有効活用となるとともに、安価であることから結晶質溶融スラグの製造コストを下げることができる。

本発明において、溶融工程は還元雰囲気で行うことが好ましい。こうであれば、ゴミ焼却灰中のＦｅ、Ｐｂ、Ｃｒ、Ｃｄ、Ｚｎ、Ｃｕ、Ａｕ、Ａｇ等の金属成分が単体のメタルまで還元され、低沸点成分であるＺｎ、Ｐｂ、Ｃｄ等が飛灰として集塵機で回収可能となり、また、高沸点成分であるＦｅ、Ａｕ、Ａｇ、Ｃｕ等は結晶質溶融スラグの下に分離して、有価物として回収することができる。また、結晶質溶融スラグ中の金属成分が少なくなるため、重金属等の有害金属の溶出も少なくなり、構造材等に再利用する場合において環境汚染の問題が生ずるおそれが少なくなる。

本発明において、徐冷工程は前記焼却灰溶融物を容器に入れて空冷することが好ましい。こうであれば、焼却灰溶融物が有する蓄熱量によって空冷速度がより遅くなるため結晶化が促進され、機械的強度の大きな結晶質溶融スラグを製造することができる。冷却工程における好ましい冷却速度としては、０．５〜３°Ｃ／分である。

また、徐冷工程は焼却灰溶融物を冷却用の容器に間欠的に注ぐことも好ましい。こうであれば、冷却用の容器の中に注がれて冷却された結晶質溶融スラグが再び間欠的に新たに注がれた高温の焼却灰溶融物によって再加熱され再結晶化するため、結晶化がさらに促進されて、より機械的強度の高い結晶質溶融スラグとすることができる。

溶融方式について
本発明において用いられる溶融炉の種類については、ゴミ焼却灰を溶融可能な溶融炉であれば、特に限定されない。このような溶融炉としては、電気エネルギーによって溶融する電気式溶融炉（交流アーク式溶融炉、交流電気抵抗式溶融炉、直流電気抵抗式溶融炉、プラズマ式溶融炉、誘導式溶融炉等）、重油やガス等の燃料を燃焼させて溶融する燃料燃焼式溶融炉（回転式表面溶融炉、反射式表面溶融炉、輻射式表面溶融炉、旋回流式溶融炉、ロータリーキルン式溶融炉、コークスベット式灰溶融炉等）、ゴミを直接溶融する直接式溶融炉（コークスベット式溶融炉、熱分解・旋回流式溶融炉、内部式溶融炉等）等が挙げられる。
また、溶融工程を還元雰囲気で行う場合は、これらの溶融炉にゴミ焼却灰を投入する際、コークスをいっしょに投入しておき、コークスの還元作用によって還元雰囲気を作り出すことができる。溶融炉の温度はゴミ焼却灰の成分によっても異なり、適宜選択すればよいが、一般的には1300〜1600℃で溶融する。溶融終了後、得られた焼却灰溶融物を鉄製スラグパン等の容器に入れて空冷する。

成分調整について
ゴミ焼却灰の主成分としては通常ＣａＯ、ＳｉＯ_２、Ａｌ_２Ｏ_３が主成分となる。ＣａＯが不足する場合には
、石灰原料（例えば石灰石鉱物、消石灰、およびそれらを含む廃棄物など）を補助材として添加することによって、塩基度が０．８〜１．３となるように調整する。また、ＴｉＯ_２を調整するためには、チタン鉄鉱、チタン汚泥、チタン白、塗料廃棄物等を補助材として添加する。これらゴミ焼却灰と補助材とを含水率10〜30％となるように水を添加し、ミキサーにて混合しφ５〜１0mmの造粒成形物とし、さらに70℃〜150℃にて乾燥する。こうして得られた造粒成型物の乾燥物を溶融炉に入れて加熱溶融する。こうして造粒することにより、発生ガスの通気性が改善されて、炉内での原料降下が良好となる。

徐冷工程について
徐冷工程は焼却灰溶融物を鉄製スラグパン等の耐熱容器に入れて、０．５〜３°Ｃ／分で行うことが好ましい。この時、焼却灰溶融物を間欠的に入れれば、新たに注がれた高温の焼却灰溶融物によって再加熱され再結晶化するため、結晶化がさらに促進されて、より機械的強度の高い結晶質溶融スラグとすることができる。こうして間欠的に焼却灰溶融物を容器に注ぐ場合、結晶質溶融スラグの温度が８００°Ｃ以上となるように次の焼却灰溶融物を注ぐことが好ましい。このようにすることにより、再結晶化がより迅速に進行し、得られた結晶質溶融スラグがより機械的強度の高いものとなる。そして、焼却灰溶融物を再度注ぐときには、結晶質溶融スラグの温度が１２００°Ｃ以上とならないように焼却灰溶融物の注入量を制御しながら入れるのが好ましい。それ以上の温度では、再結晶化した結晶質溶融スラグが再度溶融してしまうからである。
こうして、焼却灰溶融物の注入と空冷を繰り返し、層厚化した後１２〜４８時間放置することにより緻密で細かい結晶を有し、機械的強度に優れた結晶質溶融スラグを得ることができる。

(実施例）
以下、上記実施形態をさらに具体的に示した実施例を比較例と比較しつつ説明する。
溶融工程
実施例１の結晶質溶融スラグの製造方法では、図１に示すように、ゴミ焼却場から搬入されたゴミ焼却灰を計量機１で計量した後、焼却灰貯留ヤード２に貯留する。そして、ホッパー３から焼却灰を投入し、スクリーン４で篩い分けし、さらにロータリーキルン５で乾燥させた後、電気炉６内に投入する。
一方、成分調整用の補助材（乾灰、石灰、酸化チタン、チタン汚泥等）及びコークスはホッパー７に貯留されており、これらの補助材は、あらかじめ分析されたゴミ焼却灰の組成をもとに、塩基度が０．８〜１．３となり、ＴｉＯ_２が２〜１０質量％となるように、ホッパー７から電気炉６内に投入する。

なお、ゴミ焼却灰と補助材とを混合し、造粒機によってφ５〜１０ｍｍの造粒成形物としてから電気炉６内に投入することもできる。このようにすれば、発生ガスの通気性が改善されて、炉内での原料降下が良好となる。

電気炉６は交流サブマージ式電気炉（直径3.3ｍ、深さ1.8ｍ：容積15.4m³）であり、電流13,000A、電圧80〜150Vにて3〜5時間溶融した。このとき溶融温度は１４００〜１６００°Ｃとなり、ゴミ焼却灰は完全に溶融した。また、排気ガスはサイクロン８及び集塵機９を通って煙突から排気した。集塵機９に集められるダストは亜鉛金属を主成分としており、亜鉛原料として有価物となる。

徐冷工程
こうして得られた焼却灰溶融物を鉄製スラグパン１０（深さ100cm、幅120cm長さ200cm、容積約2000Ｌ）に、容量の１／３まで注ぎ、6〜12時間大気中で放置徐冷する。これを３回繰り返した後、鉄製スラグパン１０を上下反対向きにさせて、冷却物を取り出す。この冷却物のうち、最下層は金属成分の溶融メタルであり、その上に結晶質溶融スラグが存在している。こうして、実施例１〜４の結晶質溶融スラグを得た。

（比較例）
比較例１の結晶質溶融スラグの製造方法では、塩基度が０．８〜１．３となるようにホッパー３から石灰石の投入を行ったが、ＴｉＯ_２の調整は行わなかった。他の製造条件は実施例と同様であり、説明を省略する。

＜評価＞
原料となったゴミ焼却灰の化学組成は、表１に示すように塩基度が０．５４である。

このため、実施例１〜４及び比較例１ではカルシウム成分がホッパー３から補充されて、表２に示すように塩基度が０．９５〜０．９９に調整されていることが分かる。さらには、実施例１〜４では、チタン成分についても補充が行われ、２．７８〜８．３６％とされている。

ロサンゼルスすり減り試験
こうして得られた実施例１〜４及び比較例１に係る結晶質溶融スラグについて、ロサンゼルスすり減り試験機によるすり減り試験（ＪＩＳＡ１１２１）を行った。

その結果、表３に示すように、チタン成分を添加した実施例１〜４の結晶質溶融スラグは、チタン成分を添加しなかった比較例１の結晶質溶融スラグと比較して、すり減り減量が極めて小さくなっていることが分かる。これにより、本発明での結晶質スラグは普通骨材と同等もしくはそれ以上であり、従来技術による結晶質スラグより高強度であることが分かる。

目視観察
また、目視による結晶質溶融スラグの観察から、実施例１〜４の結晶質溶融スラグは、灰色で緻密で細かい結晶組織を有しているのに対し、比較例１の結晶質溶融スラグは、黒灰色で粗い結晶組織を有していることが分かった。

Ｘ線回折
また、実施例１及び比較例１のＸ線回折による解析を行った。その結果、図２に示すように、実施例１及び比較例１にはどちらもＣａ_２Ａｌ_２ＳｉＯ_７の化学式で示されるＧｅｈｌｅｎｉｔｅが存在しており、さらに、実施例１ではルチル型の酸化チタンに基づくピークも観測された。

土壌溶出試験
さらに、実施例１〜４及び比較例１の結晶質溶融スラグについて、環境庁告示第４６号による土壌溶出試験を行った。その結果、表４に示すように、いずれも環境基準以下であり、重金属の溶出による環境汚染のおそれのないことが分かった。

この発明は、上記発明の実施例の説明に何ら限定されるものではない。特許請求の範囲の記載を逸脱せず、当業者が容易に想到できる範囲で種々の変形態様もこの発明に含まれる。

実施例及び比較例で用いた溶融炉及びその周辺装置の模式図である。実施例１及び比較例１のＸ線回折の測定結果を示すチャートである。

符号の説明

１…計量機
２…焼却灰貯留ヤード
３…ホッパー
４…スクリーン
５…ロータリーキルン
６…電気炉
７…ホッパー
８…サイクロン
９…集塵機
１０…鉄製スラグパン

Claims

ゴミ焼却灰を溶融炉に入れて加熱溶解して焼却灰溶融物とする溶融工程と、
該焼却灰溶融物を空冷して結晶質溶融スラグとする徐冷工程とを備える結晶質溶融スラグの製造方法において、
前記結晶質溶融スラグの塩基度が０．８〜１．３となり、ＴｉＯ_２が２〜１０質量％となるように、前記溶融工程において成分調製を行うことを特徴とする結晶質溶融スラグの製造方法。
前記溶融工程は還元雰囲気で行うことを特徴とする請求項１記載の結晶質溶融スラグの製造方法。
前記徐冷工程は前記焼却灰溶融物を容器に入れて空冷することにより行うことを特徴とする請求項１又は２記載の結晶質溶融スラグの製造方法。
冷却工程における冷却速度は０．５〜３°Ｃ／分であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項記載の結晶質溶融スラグの製造方法。
前記成分調製におけるＴｉＯ_２の調製はＴｉＯ_２系廃棄物の添加により行うことを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項記載の結晶質溶融スラグの製造方法。
徐冷工程は焼却灰溶融物を冷却用の容器に間欠的に注ぐことにより行うことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項の結晶質溶融スラグの製造方法。