JP2008508174A - リサイクル用繊維廃棄物を処理するための方法及び装置 - Google Patents

Abstract

本発明は廃棄物、特に有機バインダーと結合しそして随意的に水又は他の金属材料及び／若しくは有機材料と結合した、ガラス繊維ウール又はロックウール繊維のような無機繊維製造に由来する廃棄物を処理する方法に関係する。本発明はガラス溶融のためのガラス質原材料の形態の使用可能な無機材料を得るために純粋な酸素又は酸素富化空気を供給することによって廃棄物塊（９）を溶解することに存し、及び廃棄物塊（９）の下に埋設した(submerged) 少なくとも一つのバーナーによってエネルギーを投入することに存する。前記方法を実施する装置も開示される。
【選択図】図２ａ

Description

本発明はガラス溶融プロセスにおけるガラス質原材料として使用可能な無機材料を得るために、廃棄物、特に無機繊維製造に由来する廃棄物、を処理するための方法及び装置に関係する。

本発明は、特に有機バインダーと結合しそして随意的に水又は他の金属材料及び／若しくは有機材料と結合した、ガラス繊維又はロックウールタイプの無機繊維製造に由来する廃棄物を処理する方法に特に関係する。

無機ウールの製造における様々な段階で或る量の廃棄物が生じる。この廃棄物は、例えば製品の切断に由来し、そしてそれゆえに大量の有機物質、例えば繊維質のマットを機械的に結束（cohesion)するために使用される「バインダー」と呼ばれる樹脂、及び随意的に大量の水を含む。他のタイプの材料は無機繊維、例えばアルミニウム又はビチューメンをベースとする紙フィルム、木製パレットの成分等、と結合されていることもある。

この廃棄物を無機ウール製造炉で直接的に再溶解することは、多くの欠点が存在するため、実際には実現不可能であると分かっている。第一に、無機ウールパッドの繊維構造はこれらの製品に極度の熱的断熱をもたらし、それがこれらの製品を使用する理由でもあるがこれらの製品を溶解することも時間及びエネルギーの点で難しくかつ費用のかかるものにしている。それらの低い密度のせいで、繊維製品はまたガラスバスの表面に浮かぶ傾向にあり、これらを組み込むことを困難にしている。さらに、大量の水及びこの水を蒸発する高いエンタルピーが、直接的に炉においてか又は随意的な前工程のオーブンでの乾燥段階において、高いエネルギーコストを招く。最終的に、高含有率の有機物質及びこのような還元剤は、ガラスの溶融及び精製プロセスを阻害し、大量の酸化剤、例えば硝酸ナトリウム、の添加を必要とし、それによって環境に有害な窒素酸化物の放出又は許容できないガラスの発色の危険がある酸化マンガンを生じる。

溶解によって無機ウール廃棄物をリサイクルするための好適な方法及び装置が特許公開ＥＰ−Ａ−０ ３８９ ３１４で提案されている。それらは多量の繊維質廃棄物に純粋な酸素又は酸素富化空気（少なくとも４０％の酸素を含む）を搬送すること、そしてそれによって有機バインダーの燃焼を引き起こすことに存し、これは断熱温度が十分であるときに無機材料を溶解するための極めて高い熱を十分に生じる。この方法は、この熱が有機物質の燃焼によって提供されるだけであるので、概してエネルギーの外部供給を伴わないで、このようにして有機物質を無機材料（これはその後溶解炉において原材料として使用されうる）から分離するために役立つ。このような装置において、酸素供給手段が廃棄物の堆積物の下方で、炉床に設置される。

「オキシメルト」法と呼ばれる、このようなプロセスを工業的に使用する間に、そしてこのような炉の特定生産高（specific output）（特定生産高とは炉の生産高と定義され、1日あたりに処理される廃棄物のトン数で表現され、ｍ^２単位の溶解表面積に関連している）を上げるために、廃棄物の堆積物の上方に置かれたオーバーヘッドバーナーを通じてエネルギーの一部を供給することが必要と分かっている。これらのバーナーはいずれにせよ局部的に炉壁及び天井の温度を上昇させるという欠点及び、それゆえにこれらの壁及び天井を形成する耐火物の損耗をもたらす。さらに、形成されたガラスは還元され（ほぼ１に近い高「酸化還元」によって特徴づけられる）、これをカレット（概してバッチの５〜２０％までの含有率になる）として続いて使用する間に酸化剤の使用を必要とする。「酸化還元」という用語はここではガラス中の総鉄モル含有率に関連するガラス中の第一鉄のモル含有率を意味する。この用語はガラスの酸化還元状態を反映し、これはその物理化学的性質に強く影響をおよぼす。

本発明はそれゆえこの方法を改善すること、従って壁及び天井の温度を上げることなく特定生産高を上げること、そして形成されるガラスの酸化還元を減らすことを提案する。

本発明の主対象は廃棄物、特に無機繊維製造に由来する廃棄物、を処理するための方法であって、ガラス溶融プロセスにおいてバッチ材料として使用できる無機材料を得るために、廃棄物の塊に対して供給手段を通じて純粋な酸素又は酸素富化空気を投入することによって前記廃棄物の塊を溶解する段階を含み、この廃棄物塊の下に埋設した(submerged) 少なくとも一つのバーナーを通じてエネルギーも加えられること、及び純粋な酸素又は酸素富化空気を投入するための前記手段が前記廃棄物塊の支持体（サポート）に配置されていることを特徴とする。

廃棄物は都合良く有機バインダーと結合しそして随意的に水又は他の金属材料及び／又は有機材料と結合したガラスウール又はロックウールタイプのものである。しかしながら、少なくとも部分的にガラス化し得る無機材料及び有機物質を結合している他のタイプの廃棄物もまた本発明の方法によって処理することができる。

本発明の状況（context)において、「埋設バーナー」という表現はここではこのバーナーが発生する炎及び生じた燃焼ガスがまさに処理されている材料の内部で発達(develop)するように設定したバーナーを意味する。概して、それらのバーナーは使用される反応器の炉床又は側壁と同一平面上に又はそれらから僅かに突き出て配置され、そして処理される材料の塊を狙って向けられる。本発明の状況において、燃焼ガスは従ってこの廃棄物塊に埋設した少なくとも一つのバーナーから、直接的に（燃焼ガスは従って実際に廃棄物塊の内側に放出される）及び／又は間接的に（燃焼ガスは直接的に廃棄物塊に放出されないがその後前記塊の内部で発達する）排出される。「バーナー」という用語はここでは、発熱燃焼反応を生じるために、少なくとも一つの酸化剤及び少なくとも一つのガス燃料を供給し、そこで又はその直後でこれらの反応物が混合される装置も意味する。これは従ってときにバーナーと称されるが一方又は他方の反応物のみ（燃料又は酸化剤）を供給する装置は除外する。

「酸素又は酸素富化空気を供給する手段」という表現はここでは、前記廃棄物塊を仕切りそして純粋な空気又は酸素富化空気を前記廃棄物塊に専ら直接的に供給するのに役立つ装置、例えばインジェクター、ノズル又はより単純なオリフィス、を意味する。この酸素は直接的に廃棄物塊に流れるので、この酸素又は酸素富化空気はこのようにして直接的にまさにこの廃棄物塊に供給され、酸化ガスの均一な分配を可能にする。これらの供給手段はそれゆえに埋設バーナーとは異なるものであり、本発明はこの二つの手段の組合せを使用しており、これは一方で酸素又は酸素富化空気を供給する手段であり、そして他方ではこの又はそれぞれの埋設バーナーである。これらの供給手段は処理される廃棄物塊の支持体に配置されている、前記支持体は好ましくは実質的に水平である。

ガラス溶解のための埋設バーナー炉の操作原理は既に知られており、そして文献ＷＯ ９９／３５０９９及びＷＯ ９９／３７５９１に詳しく記載されている：それは、燃料（概して天然ガスタイプのガス）及び酸化剤（概して空気又は酸素）を溶解物の高さより下に配置したバーナーを通じて、従って液体ガラスバスに射出することによって、溶解されるバッチ材料の塊で直接的に燃焼を起こすことに存する。このタイプの埋設燃焼は、対流によって、溶解されている材料の激しい混合を引き起こし、それによって急速な溶解プロセスが可能となる。

廃棄物の不活性化のために埋設バーナー炉を使用することが特許出願ＷＯ ０２／４８６１２から知られているが、その中ではこのような方法によって繊維質材料をリサイクルすることは考慮されていない。実際には埋設燃焼は炎が発達することが出来るガラスバスの存在を前提としている。当該技術分野における当業者はそれゆえにバーナーを実際に繊維質材料の堆積物に追加することは主に繊維の激しい飛散及び噴出、そしてかなりのエネルギー損失を生じると信じるように促されていた。

それにもかかわらず、発明者は「オキシメルト」タイプの装置の酸素供給手段と少なくとも一の埋設バーナーの組合せが深刻な飛散を生じないこと、そしてまたこの組合せは大きな熱損失を伴わずにこの装置の特定生産高をかなり上昇させること、そして一方で溶解のために必要な酸素の量を減少させることを実証することに成功した。

本発明の方法の第二の特におどろくべき利点が発明者によって観察された。炉の温度を上昇させる代わりに、少なくとも一の埋設バーナーを通じてエネルギーを投入すると、予想されていたのと反対に温度が下がり、それによって炉の寿命がかなり長期化することが分かった。この低めの炉の温度は実際に、炉の耐火物の隙間へのガラスの浸透が減り、低めの温度のせいで浸透した溶解塊がより早く固化し、そして炉内部とほぼ同じ高さにある隙間を埋めるという利点を有する。この効果は特定生産高を上げる効果の必然的帰結であると考えることができる：これは繊維質材料の堆積物がより早く溶解材料に変わり、溶解材料はエネルギーをより早く除去するためである。本発明の方法の状況において、溶解温度（炉の天井で測定した）は都合良く１２００℃未満、さらには１１５０℃以下である。

このような低い温度を得ることでより効率の低い、そしてそれゆえ実質的に低価格の耐火物材料で炉を建設する可能性を提供することができる。

さらに、この温度を低くすることはまた形成したガラスの酸化還元を減らすという直接的な有益な効果も有する。高い温度はガラス中の還元種の安定性を増すことが実際に知られている。より低い温度で実施することによって、本発明の方法はガラスの酸化についての望ましい結果を得るのに役立つ。

少なくとも一つの埋設バーナーのおかげで、繊維質廃棄物の堆積物の上方に置かれたオーバーヘッドバーナーを使用する必要ももはや無い。従って、本発明の方法は概してこのようなオーバーヘッドバーナーを使用しない。

これらのバーナーは好ましくは繊維質廃棄物の堆積物の頂点の実質的に垂直下方の区域に並べられる。それらは例えば繊維質材料の堆積物の頂点を通過する垂直な軸について対称的に割り当てられても良い。それらは都合良く、その数が少なくとも二、またはさらには三であり、そして燃焼ガスの出力を堆積物のいくつかの点に分配するために、好ましくは１より大きい奇数になるように選ばれる。廃棄物の塊をバーナーの上方で安定的な堆積物の形態で保つために、したがって都合良く単数又は複数の埋設バーナーは制御される。この繊維質材料の堆積物の頂点の垂直下方にある単一のバーナーの存在は、例えば前記の堆積物を不安定化するという結果を有すること、それによってバーナーが露出される可能性があること、繊維質廃棄物に対して乏しい熱移動を引き起こすこと、そして炉の天井及び／又は壁の過熱(overheat)することの危険にさらす。

このバーナーの形状(geometry)は特許文献ＥＰ−Ａ−０ ９６６ ４０６に記載されている形状又は均等な形状であってもよい。このバーナーは従って水ボックスタイプの冷却システムと、天然ガスタイプのガス燃料（又は他のガス燃料又は燃料オイル）を供給する中央配管(line) とから構成されてもよく、中央配管の周りに酸化剤（例えば酸素）が供給される一又はそれより多い配管が同心円状に並べられ、全てのこれらの筒状部分の配管がバーナーノズルで終結する。

導入される廃棄物は概して場合により文献ＥＰ ４１２ ８７８で記載されたタイプの組成物を有するガラス繊維からなる。結合有機材料（樹脂）の内容物は概して、この繊維の総質量の乾燥質量として表現すると、約５〜１０％である。それらは他の材料（仕上げフィルム、梱包材料、等）の可変の内容物を含むこともある。

本発明のさらなる対象は上述した方法を実施するために好適な装置である。

この装置は炉床、壁及び天井を形成する耐火物材料からなる容器(vessel)を含み、さらに繊維質廃棄物の堆積物の支持体（この支持体には純粋な酸素又は酸素富化空気を供給する手段が配置されている）を含む炉であって、少なくとも一つの埋設バーナーが炉床及び／又は壁に配置されている。この支持体は好ましくは実質的に水平である。

本発明の装置の第一の実施態様において、廃棄物の支持体は炉の炉床であってもよい。

しかしながら、本発明の装置の第二の実施態様は炉床の上方に置かれた格子（グリル）によって繊維質廃棄物を支持することに存する。この格子は都合良く水循環によって冷却される金属材料の格子である。それは、例えば、二つの筒状又は同心円状の配管を含む管（チューブ）からなり、一の内側配管は酸素が供給され、そして一の外側配管は水循環による冷却のために働き、分岐接続が内側配管に一定間隔で配置され炉に酸素を供給する。その結果純粋な酸素又は酸素富化空気を直接的に廃棄物塊に投入することが保証される。この発明の装置の実施態様を使用する方法の実施において、埋設燃焼から発する熱いガスが繊維質廃棄物の堆積物の溶解に寄与し、溶解材料はそれに応じてグリルの網目（メッシュ）の間を流れてガラスバスを形成し、そこでは埋設バーナーの炎が発達する。この特定の装置の使用に関連する追加的な利点はバスで形成され集められたガラスの酸化還元が少なくとも一つの埋設バーナーにおける化学量論的な炎によって制御可能であるという事実に存する。程度の差はあるが、炎の酸化性は実際には燃料（例えばメタン、またいわゆる「天然ガス」）の比率に関連して酸化剤（概して酸素）の比率を調整することによって直接的に制御される。酸化剤が酸素（Ｏ_２）でありそして燃料がメタン（ＣＨ_４）であるとき、酸化還元を減らすことを保証するために、このＯ_２／ＣＨ_４モル比率は好ましくは２以上であり、特には２．１又はさらには２．２以上である。

この形成したガラスは特に炉床が繊維質廃棄物の堆積物の支持体である実施態様の場合よりかなり多く酸化され得る。何であれ、いかなる科学的理論と結びつけられなくとも、このガラスの滞留時間が長いガラスバスの存在はガラスが埋設バーナーの燃焼ガスによって与えられた熱力学的平衡に達することを可能にすると考えられる。炉の炉床が繊維質廃棄物の堆積物の支持体である場合に、ガラスバスが実質的に存在しないので、溶解材料の滞留時間はおそらく非常に短く、そして程度の差はあるが埋設炎の酸化性と炉床の高さで炉に導入した酸素の酸化性の両方は最終的なガラスの酸化還元状態に対して役を果たすことが少ない。

図１ａ及び１ｂはＥＰ−Ａ−０ ３８９ ３１４で知られた装置を示す。装置１は壁２、炉床３及び天井４からなる耐火物材料で建設した筒状の容器を含む。装置１はまた装填区域５、燃焼ガスを図示されない汚染制御装置へ引き抜く排気筒６、溶解材料を注ぐためのオリフィスを下側部に設置した溝（チャンネル）を含む炉出口７、炉の炉床３（この炉床は繊維質廃棄物の堆積物の水平な支持体として働く）に配置した純粋な酸素（又は酸素富化空気）インジェクター８、及び二つのオーバーヘッドバーナー１０も含む。

この装置は以下の段階によって定義される連続的な方法を実施するために役立つ：
−ガラスウール繊維を含みそして有機又は無機製品、例えばバインダーとして働くフェノール及びホルムアルデヒドをベースにした合成樹脂、紙又はアルミニウムフィルム等、と混合した材料を粗く砕いた形態で直径５０ｃｍの供給スクリューを使用する装填区域５を通じて廃棄物が導入され、そして炉の炉床３に堆積物９を形成する。
−酸素インジェクター８は廃棄物の有機性部分により生じた燃料と発熱反応をする酸化剤を供給する。断熱温度が１２００℃より高い場合、反応によって解放された熱は繊維質材料を溶解するには不十分である。オーバーヘッドバーナー１０も稼働しており、追加的なエネルギー投入のおかげで装置の生産高を上げている。
−繊維質の塊はこのようにして溶解した塊への変化をもたらし、それは１００〜１０００ポアズの粘性を有する薄いフィルムの形態で炉の出口７へ垂れ、出口７の底(base)に施されたオリフィスへ流れる。
−同時に、燃焼ガスと燃料ガスが排気筒６を通じて引き抜かれる。

１時間あたりに２５０Ｎｍ^３の酸素の投入及び二つのオーバーヘッドバーナー１０を通じた２００ｋＷのエネルギー投入のおかげで、このような工業的装置は日々ガラスウール製造に由来する１８トンの廃棄物を過熱出来る３ｍ^２の表面積を有する。通常運転中のこの炉の温度（天井で測定した）は１２３０℃である。

図２ａ及び２ｂは本発明の装置の一実施態様を示す。オーバーヘッドバーナー１０はもはやここには存在しない。しかしながら、三つの埋設バーナー１１が炉の炉床３に設置されている。これらの三つのバーナー１１は実質的に繊維質材料９の堆積物の頂点を通過する垂直軸について対称的に並べられる。それらはメタンと酸素が化学量論比で供給され、そしてこの燃焼ガス（これは燃焼反応生成物である）は廃棄物の塊の内部に放出されそして発達する。

本発明の装置は、文献ＥＰ−Ａ−０ ３８９ ３１４で知られた方法とは異なっていて、そして上記に記載されたように、オーバーヘッドバーナー１０を通じたエネルギー投入はなくそしてそこでは埋設バーナーが一方で運転温度を低下させつつ特定生産高を上昇させるのに役立つ方法を実施するために役立つ。

本発明の状況において、エネルギー投入が２４０ｋＷの場合、この炉の炉床３に配置した三つの埋設バーナー１１の追加は処理される廃棄物の量を１日あたり２４トンへ増やすために役立ち、これは約３３％の増加に相当する。オーバーヘッドバーナーがもはや使用されないので、改良した装置を比べると、エネルギー消費は僅かしか増えない。しかしながら、炉の温度は急激に減少し、１２３０℃から１１５０℃に落ちた。酸素の消費は約３０％減少した。

導入された廃棄物中の燃焼性材料の内容物を知ること、及びこの与えられた運転モードでの炉の効率を知ることにより、炉に残っている燃料ガスの酸素含有率を調整することによってこの炉を制御することが可能であり、酸素含有率は燃料ガス装填区域で測定可能である。ここで示された実施態様において、燃料ガスの酸素含有率は１５体積％に管理されている。

図３は本発明の装置の第二の実施態様を明らかにする。繊維質廃棄物９の堆積物はここで金属格子１２によって支持され、これは溶解した材料が流れることを可能にしている。この格子１２はまた、廃棄物中に存在する有機製品の燃焼用空気を供給するための手段を構成するという点で、インジェクター８に取って代わる。本発明の方法のこの実施態様において、ガラスバスが埋設バーナー１１の上方に置かれるように、埋設バーナー１１は堆積物の底の高さより下方に或る距離を隔てたところで発火する。燃焼ガスはそれゆえに廃棄物塊中に直接的に放出されないが、その後この塊の内部で発達する。この装置でのガラスの滞留時間は、実施している装置が図２で明らかにされる第一の実施態様と比較すると、実質的に増加することが可能であり、そしてガラスの酸化還元はＯ_２／ＣＨ_４モル比率を変化させることによって調整可能である。

本発明は添付した図面によって明らかにされる非限定的な例示的な実施態様の詳細な説明からよりよく理解される。
特許文献ＥＰ−Ａ−０ ３８９ ３１４に記載された「オキシメルト」法を実施するための装置の垂直な面に沿った断面を明らかにした図。 特許文献ＥＰ−Ａ−０ ３８９ ３１４に記載された「オキシメルト」法を実施するための装置の水平な面に沿った断面を明らかにした図。 本発明の方法を実施するための装置の実施態様の垂直な面に沿った断面を明らかにした図。 本発明の方法を実施するための装置の実施態様の水平な面に沿った断面を明らかにした図。 本発明の方法を実施するための装置の第二の実施態様の垂直な面に沿った断面を明らかにした図。

Claims (14)

1. ガラス溶融プロセスにおけるガラス質原材料として使用可能な無機材料を得るために廃棄物を処理する方法であって、廃棄物の塊に対して供給手段を通じて純粋な酸素又は酸素富化空気を投入することによって前記廃棄物の塊を溶解する段階を含み、該廃棄物塊の下に埋設した(submerged) 少なくとも一つのバーナーを通じてエネルギーも加えられること、及び純粋な酸素又は酸素富化空気を投入するための前記手段が前記廃棄物塊の支持体（サポート）に配置されることを特徴とする、廃棄物を処理する方法。
2. 廃棄物は有機バインダーと結合しそして随意的に水又は他の金属材料及び／又は有機材料と結合したガラスウール又はロックウール繊維タイプのものであることを特徴とする、請求項１に記載された方法。
3. 溶解段階が少なくとも４０％の酸素を含む酸素富化空気を投入することを利用することを特徴とする、請求項１又は２のいずれか記載された方法。
4. 燃焼ガスは直接的に廃棄物塊に埋設した少なくとも一つのバーナーから排出されることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか１項に記載された方法。
5. 廃棄物の塊を単数又は複数の埋設バーナーの上方で安定的な堆積物の形態で保つために、埋設バーナーは制御されることを特徴とする、請求項１〜４のいずれか１項に記載された方法。
6. 請求項１〜５のいずれか1項に記載された方法を実施するための装置であって、該装置が炉床（３）、壁（２）及び天井（４）を形成する耐火物材料から築かれた容器(vessel)、繊維質廃棄物（９）の堆積物の支持体（３、１２）（該支持体には純粋な酸素又は酸素富化空気（８）を供給する手段が配置されている）、並びに炉床（３）及び／又は壁（２）に配置した少なくとも一つの埋設バーナー（１１）を含むことを特徴とする、装置。
7. 繊維質廃棄物（９）の堆積物の支持体が該装置の炉床（３）からなることを特徴とする、請求項６に記載された装置。
8. バーナー（１１）は繊維質廃棄物の堆積物の頂点の実質的に垂直下方の区域に並べられることを特徴とする、請求項７に記載された装置。
9. バーナー（１１）は繊維質材料の堆積物の頂点を通過する垂直な軸について対称的に割り当てられることを特徴とする、請求項８に記載された装置。
10. バーナーはその数が少なくとも三でありそしてそれらの総数を奇数にすることを特徴とする、請求項９に記載された装置。
11. 繊維質廃棄物（９）の堆積物の支持体が炉床（３）の上方に置かれた格子（１２）からなることを特徴とする、請求項６に記載された装置。
12. 格子（１２）は水循環によって冷却される金属材料から作製されることを特徴とする、請求項１１に記載された装置。
13. 格子（１２）は二つの筒状かつ同心円状の配管を含む管（チューブ）からなり、一の内側配管は酸素が供給されそして一の外側配管は水循環による冷却のために使用され、分岐接続が内側配管に一定間隔で配置され炉に酸素を供給することを特徴とする、請求項１２に記載された装置。
14. 単数又は複数のバーナー（１１）は水ボックスタイプの冷却システムと、ガス燃料を供給される中央配管(line) とから構成されていて、中央配管の周りに酸化剤（例えば酸素）が供給される一又はそれより多い配管が同心円状に配置され、全てのこれらの筒状部分の配管がバーナーノズルで終結することを特徴とする、装置についての請求項６〜１３のいずれか１項に記載された装置。

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