JP2011117706A - 金属含有排ガスの多段間接冷却方式による金属の分離冷却回収方法 - Google Patents

Abstract

【課題】鉄スクラップやシュレッダーダスト、携帯電話等の電子製品の複数の金属種を含有する金属含有物を、溶融炉で高温処理した際に発生する排ガスを３００℃以上にコントロールして、金属のガスとして排出させ、多段冷却塔で金属種の沸点に応じて、冷却温度をコントロールしながら間接冷却することにより凝固させて分別して回収する。
【解決方法】溶融炉において、排ガス温度を３００℃以上にコントロールし、かつ排ガス中の残存酸素を１０％以下にした還元性の排ガス組成の排ガス中に含まれる複数の金属及び酸化金属及び塩化金属を回収するために、排ガスに含まれる金属及び酸化金属及び塩化金属を蒸着あるいは凝固あるいは沈殿させることを目的として、２段以上の複数段設けた冷却塔において、金属および酸化金属及び塩化金属の各々の凝固点、蒸着点、沈殿の差に応じて冷却温度をコントロールして排ガスとその金属及び酸化金属及び塩化金属を高温から冷却させ、複数の金属を分別回収する。
【選択図】図１

Description

鉄スクラップやシュレッダーダスト、携帯電話等の電子製品の複数の金属を含有する金属含有物を、溶融炉で高温処理した際に発生する排ガスを３００℃以上にコントロールして、金属のガスとして排出させ、多段冷却塔で金属の沸点に応じて、冷却温度をコントロールしながら間接冷却することにより凝固させて分別して回収する。

従来技術

ロータリーキルン炉、流動床、電気炉、シャフト炉、高炉、ストーカー炉等の焼却炉あるいは加熱炉あるいは溶融炉の熱を伴う排ガスは、排ガス成分あるいはばいじんの環境上の問題により、バグフィルターを使用している。バグフィルターの耐熱温度は約２９０℃であり、排ガス温度を２９０℃以上に上げることは難しく、したがって、排ガス温度を２９０℃以下に抑えるのが常だった。

排ガス温度が３００℃以上になる可能性がある場合、排ガスを水等の液体もしくは液体とガスの混合で直接急冷することが従来の技術であった。排ガスを直接水に接触させて排ガスを急冷させることは可能であるものの、廃液に酸化金属あるいは塩化金属が混入する。このため、前記酸化金属もしくは塩化金属を化学的処理により除去しなければならない。この化学的処理も環境上の重大な問題があった。

従来、ロータリーキルン炉、流動床、電気炉、シャフト炉、高炉、ストーカー炉等の焼却炉あるいは加熱炉あるいは溶融炉の処理炉を用いて高温で焼却あるいは溶融処理した後、金属を含有する高温の熱分解ガスを冷却するために、ガスに冷却水を直接噴霧して冷却し、気体と固体を分離してガスを拡散させ、固体を廃棄物として回収していた。

この場合、金属と水が直接接触するために、金属と水とが反応し、ほとんど酸化金属あるいは塩化金属が生成される。そのため、金属として回収する比率が極端に低かった。このため、「金属」を含有する熱分解ガスに直接冷却水を噴霧せずに、「単体の金属」を回収する方法が求められている。

特開平０８−１３１７７０号公報に示される特許には、重金属を回収する内容であるが、同時に重金属の化合物をも回収しており、全てが単体の金属として回収できているわけではない。また、特開２００３−３４５６４２号公報に示される特許では、重金属含有物質から重金属を除去するために、塩素成分を含有する物質を加熱炉に投入し、塩化金属のダストとして回収している。

別の金属回収方法として、湿式による回収方法がある。これは金属含有物を溶解したのち、電気分解あるいは溶液と混合することにより金属を析出させ、所望の金属を回収する方法である。しかしながら、上述の方法の場合、プロセスが複雑になることと、廃液を排出することによる廃液処理の問題がある。複数の金属種を含有する物質から各々の金属種を分離回収する場合には、湿式による回収が行われることがあるが、上述のように、廃液処理の問題や環境上の問題が出てくる。

さらに、手作業あるいは機械による破砕により分解して、当該金属あるいはレアメタルを選別・回収する方法も取られていた。しかしながら、この方法では、選別に要する時間がかかることと、作業員の労力を必要とすることが問題であった。

本発明の目的は、鉄スクラップやシュレッダーダスト、携帯電話等の電子機器類に含まれる複数の金属を有する金属含有物を溶融炉で高温処理した際に発生する排ガスを３００℃以上にコントロールして、金属のガスとして排出させ、複数段設けた冷却塔で冷却温度をコントロールしながら間接冷却することにより凝固させて複数の金属種を分別回収することにある。

上記目的を達成するため、本発明の要旨構成は以下の通りである。
（１）溶融炉において、排ガス温度を３００℃以上にコントロールし、かつ排ガス中の残存酸素を１０％以下にした還元性の排ガス組成の排ガス中に含まれる複数の金属及び酸化金属及び塩化金属を回収するために、排ガスに含まれる金属及び酸化金属及び塩化金属を蒸着あるいは凝固あるいは沈殿させることを目的として、２段以上の複数段設けた冷却塔において、金属および酸化金属及び塩化金属の各々の凝固点、蒸着点、沈殿の差に応じて冷却温度をコントロールして排ガスとその金属及び酸化金属及び塩化金属を高温から冷却させ、複数の金属を分別回収する。

（２）溶融炉において、排ガス温度を３００℃以上にコントロールし、かつ排ガス中の残存酸素が１０％以下の還元性ガスにコントロールした排ガス中の金属および酸化金属及び塩化金属排ガス温度が排ガス中の回収しようとする金属の沸点以上となるようにコントロールして、ガス化した金属を含有する排ガスを複数段設けた冷却塔において金属の沸点に応じて冷却温度をコントロールしながら冷却させ、各段冷却塔においてガス化した金属を蒸着あるいは凝固あるいは沈殿させることによって、ガス及び回収しようとする金属を分離し、各々の冷却塔で複数の金属を分別回収する

（３）溶融炉内のガス雰囲気を残存酸素濃度が８％以下の低酸化ガス性還元ガスとする。

以下、本発明の実施形態を図面を参照しながら説明する。図１は本発明に係る複数の金属を分別回収する金属含有排ガスの多段間接冷却による金属の分離冷却回収方法である。

本発明では、複数の金属を含有する金属含有物２を高温で処理するための高温処理炉として、溶融炉１を使用する。溶融炉の構造としては排ガスを次工程に送るガス上昇管が炉の胴体部分に設けていることが、高温の排ガスを得る点において好適である。

前記金属含有物２としては、鉄の含有量が６０％未満の低品位の鉄スクラップあるいは、有害物質である鉛やカドミウムを含有しているシュレッダーダストあるいは携帯電話等の電子機器に含まれるレアメタル等が好適である。

溶融炉内の雰囲気は、残存酸素濃度が１０％以下、好適には８％以下となるようにコントロールする。雰囲気を維持するためには溶融炉内をコークスあるいはバイオカーボンといった炭素系燃料を充填し、酸素がほとんどない状態とすることが好適である。残存酸素濃度を８％以下としたのは、図２に示す実験結果において、残存酸素濃度が８％以下であるときに金属の再酸化率が低くなり、単体の金属を回収することができるためである。

前記金属含有物２を溶融炉１内に投入すると、炉内のコークスあるいはバイオカーボンにより前記コークスあるいはバイオカーボンと金属含有物が還元反応をする。炉内温度よりも融点が低いかつ沸点が高い金属は炉内で液化したまま、炉下部に設けた出銑口より単体金属Ａ５ａとして流れ出る。単体金属以外の灰分はスラグ４として流れ出る。また、炉内温度よりも沸点が低い金属はガス化し、熱分解ガス３として次工程である第１段冷却塔６ａへ移動する。

溶融炉１から排出されるガスは３００℃以上に制御する。これは、鉛の酸化物である二酸化鉛の分解温度が２９０℃であるためである。３００℃以上に制御する方法としては、高温処理炉１内に酸素を吹き込むことが好適である。

冷却塔は、ガスの流路と水の流路が分離している構造となっており、熱分解ガスが上部から下部に向かってタンデンシャルに流れ、冷却水は冷却塔の下部から上部に向かって流れることにより、間接的に冷却することで単体金属を回収することができる。

冷却塔は多段あることが好ましいが、ここでは３段の場合について説明する。まず、熱分解ガス３は第１段冷却塔６ａの上部に入り、下部に向かって流れる。冷却水７ａが、冷却塔６ａとは異なる位置に配置されているクーリングタワー８より、クーリングタワー８に設置したポンプの動力により第１段冷却塔６ａの下部から上部に向かって配管の中を流れている。このとき、燃焼ガスと冷却水６ａが間接的に接触し、燃焼ガスが冷却される。第１段冷却塔６ａの上部に到達した冷却水７ａは配管を通ってそのまま第１段冷却塔６ａの下部に流れ落ちてクーリングタワー８に戻るようにし、冷却水７ａを循環させる。

第１段冷却塔６ａで冷却された燃焼ガスであるが、第１段冷却塔６ａの出口ガス温度以下の沸点を有する金属は単体金属Ｂ５ｂとして凝縮して第１段冷却塔５ａの下部に蓄積するようにする。出口ガス温度以上の沸点を有する金属はガス化したまま、第１段冷却塔６ａ通過ガスとして、第１段冷却塔６ａの下部と配管で接続された第２段冷却塔６ｂの上部に入る。

第２段冷却塔６ｂの上部から入った第１段冷却塔通過ガスは、第２段冷却塔６ｂの上部から下部に向かって流れる。クーリングタワー８からポンプの動力により冷却水７ｂが第２段冷却塔６ｂの下部から上部へと流れ、再びクーリングタワー８に戻るようにする。第１段冷却塔通過ガスと冷却水７ｂが間接的に接触することで、第１段冷却塔通過ガスが冷却される。第２段冷却塔出口ガス温度以下の沸点を有する金属は単体金属Ｃ５ｃとして凝縮して第２段冷却塔６ｂ下部に蓄積する。第２段冷却塔出口ガス温度以上の沸点を有する金属はガス化したまま、第２段冷却塔通過ガスとして、第２段冷却塔６ｂの下部と配管で接続された第３段冷却塔６ｃの上部に入る。

第３段冷却塔６ｃの上部から入った第２段冷却塔通過ガスは、第３段冷却塔６ｃの上部から下部に向かって流れる。クーリングタワー８からポンプの動力により冷却水７ｃが第３段冷却塔６ｃの下部から上部へと流れ、再びクーリングタワー８に戻るようにする。第２段冷却塔通過ガスと冷却水７ｃが間接的に接触することで、第２段冷却塔通過ガスが冷却される。第３段冷却塔６ｃ出口ガス温度を、全ての金属が液化する温度である３５０℃以下とし、第２段冷却塔５ｂ通過ガスに含まれていた金属成分はすべて単体金属Ｄ５ｄとして凝縮して第３段冷却塔下部に蓄積する。金属成分をすべて回収された残りのガスは、第３段冷却塔通過ガスとして、燃焼室９に入る。

第１段冷却塔６ａ並びに第２段冷却塔６ｂの出口ガス温度は、それぞれ冷却水の水量に応じて決まる。このため、出口ガス温度を回収したい金属の沸点以下になるように冷却水量をコントロールすることで、所望の金属を得ることができる。

各段冷却塔の下部に蓄積する金属であるが、密閉空間において窒素ガスのような非酸化性ガスで冷却することも可能である。

第３段冷却塔通過ガスは配管で接続された燃焼室９に入り、バーナーにより１８００℃近くにまで燃焼され、燃焼ガスは燃焼室９と配管で接続された冷却塔６ｄに入り、２００℃近くまで急冷されたのち、バグフィルターを通って大気中に放散される。なお、第１段ないし第３段冷却塔６ａ〜６ｃは熱分解ガスを冷却して金属を回収するための冷却塔であり、冷却塔６ｄは燃焼室９で燃焼させたガスを冷却し、無害化処理を行うための冷却塔である。

溶融炉に携帯電話本体を１００ｋｇ投入し、携帯電話本体に含まれる金属を回収した。携帯電話本体に含まれる金属として、金、銀、銅、パラジウムがあるため、冷却塔は３段設けて分離回収を行った。冷却塔のガス出口温度は各金属の沸点を考慮した結果、第１段を２９００℃、第２段を２５００℃とした。沸点が最も高いパラジウムは出銑口から回収でき、２番目に高い金は第１段冷却塔、３番目に高い銅は第２段冷却塔、最も沸点が低い銀は第３段冷却塔からそれぞれ回収することができた。

本発明において、炉内の残存酸素が８％以下の場合と８％以上の場合におけるメタル回収率を調べたところ、表１の結果が得られた。残存酸素が８％以上の場合と比較して、８％以下とするとメタル回収率が飛躍的に向上する。この結果から、炉内の残存酸素濃度は８％以下とすることが裏付けられた。

発明の効果

上述のように、従来の冷却塔では、熱分解ガスと冷却水が直接接触していたため、酸化金属あるいは塩化金属を生成し再利用することが困難であったが、本発明により、間接冷却をすることによって複数の金属種を含有する金属含有物を各段冷却塔から単体金属として分離することができる。これにより、新たなリサイクルシステムの構築が可能となる。

本発明にかかる金属含有排ガスの多段間接冷却による金属の回収方法 残存酸素濃度と金属の再酸化率の関係

１ 溶融炉
２ 金属含有物
３ 熱分解ガス
４ スラグ
５ａ 単体金属Ａ
５ｂ 単体金属Ｂ
５ｃ 単体金属Ｃ
５ｄ 単体金属Ｄ
６ａ 第１段冷却塔
６ｂ 第２段冷却塔
６ｃ 第３段冷却塔
６ｄ 冷却塔
７ａ 冷却水Ａ
７ｂ 冷却水Ｂ
７ｃ 冷却水Ｃ
７ｄ 冷却水Ｄ
８ クーリングタワー
９ 燃焼室

Claims (3)

1. 溶融炉において、排ガス温度を３００℃以上にコントロールし、かつ排ガス中の残存酸素を１０％以下にした還元性の排ガス組成の排ガス中に含まれる複数の金属及び酸化金属及び塩化金属を回収するために、排ガスに含まれる金属及び酸化金属及び塩化金属を蒸着あるいは凝固あるいは沈殿させることを目的として、２段以上の複数段設けた冷却塔において、金属および酸化金属及び塩化金属の各々の凝固、蒸着、沈殿の差に応じて冷却温度をコントロールして排ガスとその金属及び酸化金属及び塩化金属を高温から冷却させ、複数の金属を分別回収する、金属含有排ガスの多段間接冷却による金属の分離冷却回収方法。
2. 溶融炉において、排ガス温度を３００℃以上にコントロールし、かつ排ガス中の残存酸素が１０％以下の還元性ガスにコントロールした排ガス中の金属および酸化金属及び塩化金属排ガス温度が排ガス中の回収しようとする金属の沸点以上となるようにコントロールして、ガス化した金属を含有する排ガスを複数段設けた冷却塔において金属の沸点に応じて冷却温度をコントロールしながら冷却させ、各段冷却塔においてガス化した金属を蒸着あるいは凝固あるいは沈殿させることによって、ガス及び回収しようとする金属を分離し、各々の冷却塔で複数の金属を分別回収する請求項１記載の金属含有排ガスの多段間接冷却方式による金属の分離冷却回収方法。
3. 溶融炉内のガス雰囲気を残存酸素濃度が８％以下の低酸化ガス性還元ガスとする請求項１記載の金属含有排ガスの多段間接冷却方式による金属の分離冷却回収方法。

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