JP2012149866A - 省エネ且つ再生産可能型テルミット式溶融炉 - Google Patents

Abstract

【課題】 ［０００３］
従来の溶融技術において、石綿系廃棄物やＰＣＢその他の有害物質を熱処理若しくは溶融処理する場合の加熱用燃料としては、ほとんどの場合石油系化石燃料が使用されている。しかしこれ等化石燃料は、いずれは枯渇する有限資源の燃料である。
【解決手段】本発明はこれ等の加熱兼溶融用燃料を、身近で調達でき、且つ再生産可能な燃料を使って手軽にテルミット反応を、連続的に生成可能な技術を、石油系液体燃料に比べればまだまだ無尽蔵といわれる石炭系燃料や、再生産可能な植物系材料を熱源とする溶融技術並びに溶融環境生成技術を提供するものである。
【選択図】図１

Description

本発明は、焼却灰や石綿系廃棄物などの無機物や有害物質を溶融するに際し、従来のように有限資源である化石燃料に頼らず、安価で且つ再生産可能型燃料を熱源として超高温域を生成する溶融技術並びに溶融炉に関するものである。

従来技術では、焼却灰や石綿系廃棄物など無機物の溶融に際し、被溶融物の溶融温度を下げる技術開発、或いは溶融炉の溶融温度を如何に超高温に保つか等の技術開発に主眼を置くものの、依然として．溶融のためのエネルギーコストが高い等の欠点がある。
特に石綿系廃棄物などは、発癌性があって人体に対して有害であるために、従来より石綿系廃棄物を溶融、ガラス化して無害化する方法が多く試みられている。

たとえば、特開２００８−２７２５３５には、石綿にガラスフリット、溶融助剤（ソーダ灰、硼砂）を加えて、溶融温度を下げて溶融することが記載されている。
一方、高温加熱を必要としない方法、たとえば、石綿を塩酸または硫酸で溶解させる方法、あるいは石綿に水硬性セメント類を加えて固化させる処理方法、あるいは珪酸ソーダ水溶液あるいは合成樹脂エマルジョンなどで石綿の繊維表面を被膜する方法等がある。その上、石綿系廃棄物やＰＣＢその他の有害物質を熱処理する場合にはほとんどの場合、石油系化石燃料が使用される。
しかしこれ等化石燃料はいずれ枯渇する有限燃料である。本発明はこれ等の加熱兼溶融用燃料を、身近で調達可能で、且つ再生産可能な燃料を使って、手軽に溶融温度の超高温域を連続的に生成可能な技術を提供するものである。

又本技術により特別重厚な装置が無くとも、簡単な溶融炉若しくは溶融装備とテルミット剤を持参すれば、山林の麓でも、畑でも竹林の傍でも、或いは移動型車輌でもそこらの竹の残骸を燃料として手軽に超高温の世界を実施する事ができる。

特開２００８−２７２５３５

石油などの化石燃料は、いずれは枯渇する。本発明は、かかる問題点に鑑みてなされたもので、これ等の化石燃料に替わる再生産可能な燃料を熱源として、超高温域の生成並びに継続維持することを目的として開発された安価で手軽に入手可能な固形燃料であり、これ等の固形燃料を熱源として、焼却灰や石綿系廃棄物或いはＰＣＢその他の有害物質を溶融無害化する事を可能とした事により、価格的にも高額な溶融世界を安価に且つ手軽に溶融ガラス化或いは溶融スラグ化することが出来る画期的な溶融処理技術を提供することである。

上記課題に関して実験並びに鋭意研究を行った結果、次の知見を得た。
無機物溶融のテスト剤として石綿系廃棄物をテスト剤とした。即ち、剥離回収した石綿系廃棄物を飛散防止の為、同じように有害物質のＰＣＢ溶液に含侵、又は石綿系廃棄物にＰＣＢ溶液を機械的に散布塗布若しくは含侵させる方法として、石綿系廃棄物を熔融炉内へ搬送する途中において、熔融排熱を利用してＰＣＢ廃材を加熱した結果得た流動性の高くなったＰＣＢ溶液に、石綿系廃棄物を含侵させて熔融炉に送り込めば粉塵が発生しないことが判明しまた、熔融炉中で加熱されても、熔融炉内に一旦入れば熔融炉内の気流は当然熔融環境下にあるため、再び粉塵になって炉外に排出されることも無いことが判明した。特に本技術では固形燃料から超高温を得る為に、エアー又は酸素若しくは酸素リッチなエアーを吹き込む為、溶融処理対象物の溶融前状態が飛散し難い状態が好ましい。その点、ＰＣＢ溶液等を含侵した廃棄物は危険物の飛散の恐れが無く取り扱いが容易である。

一般的に被溶融物を溶融する場合、前処理として被溶融物を小さく裁断、攪拌操作等が必要であると思ったが、石綿系廃材の場合、ＰＣＢ溶液に石綿系廃材を含侵させて熔融炉に送り込めば粉塵が発生しないことが判明し、且つ熔融炉の排出湯口下方には、冷却水を常に補充できる水道直結、若しくは水槽タンク付きの水槽を設け、熔融炉から流れ出す熔融物質の湯を直接水中に落としこむ結果、１０００℃以上の熔融物質が一機に１００℃以下に急冷却される為、湯は水中で大きく弾き、直径２〜４ｍｍ前後の水砕スラグとなり、骨材としても十分利用できる可能性の固化物スラグが生成される事も判明した。

又他の焼却灰などの無機物系廃棄物を熔融炉に投入する寸前に、テルミット丸薬を混合して、熔融炉内で加熱溶融した時、溶融炉内の炉床上に、あらかじめ着火加温した、竹炭や木炭系の固形燃料の火溜まり環境下に直径約１５ｍｍ前後の顆粒状のテルミット剤を投入した処、約１５秒以内でテルミット反応が連続的に生起され、テルミット反応熱が発生、更に、爆発的な衝撃波も発生して混合物は撹乱され、超高温域の温度は熔融対象物の細部にまでいきわたる。
即ち常識的には熔融炉内の加熱は一般的に、溶融対象物の表層加熱となり、表層部だけが溶融するに表面熔融に過ぎないが、テルミット反応の爆発的な撹乱作用で混合物の下層部分が表層に巻き上がり上下均等に加熱され、溶融は深層部までいきわたる事が判明した。
通常、バーナー加熱を熱源とする表面熔融炉の場合、或いはコークスを熱源とするコークスベット法など場合は、熔融炉の炉内温度は通常高くても１４５０℃〜１５５０℃が限界であるが、テルミット丸薬剤の添加により溶融が極めて困難とされる石綿の融点である１７００℃以上の熔融環境が十分形成されることが判明した。特にテルミット反応を生起する為の環境づくりに竹炭を使用した場合、竹炭層に多くの空気を含む為、他の固形燃料よりも立ち上がりが早い事も判明した。

当然熔融温度が高い分、時間当たり溶融対象物の溶融処理能力が大きく増加し、処理時間も早くテルミット剤の添加は、通常の熔融方式の炉に比較し、１２０〜１５０％溶融量が多くなる。

テルミット剤顆粒の混合割合（重量比）は、石綿系廃棄物の場合、ＰＣＢ含浸石綿系廃棄物１００に対してテルミット剤５〜４０の範囲が好ましい。上限値を超えると、塩基度の関係もあり溶融ガラスの粘度が高くなり流動性が悪くなるので好ましくない。
またテルミット剤の添加が下限値以下の場合は、被熔融物質単独の場合とほとんど大差が無い為、余りテルミット効果が期待できない。

又、テルミット剤は、アルミ成分を含む原料と酸化鉄成分を含む原料を混合したもので、混合比はアルミ１に対し酸化鉄３の割合でアルミ成分を含む原料とは、飲料用の廃アルミ缶やアルミ地金の再溶解時に発生するアルミ残灰（通称アルミドロス）などのアルミ成分を含む廃棄物が有効であるが、これのみに限定されるものではない。

酸化鉄成分を含む原料とは、鉄屑、鉄錆、などの一般的な金属廃材や製鉄工業界で発生する転炉ダストや、高炉ダストなどの集塵灰、更には磁性酸化鉄製造時に副産物として発生する酸化鉄汚泥や、ボーキサイトから水酸化アルミニウムを製造する際の赤泥或いは南方から輸入する赤泥からチタンを抽出した残土の赤泥などが有効であるが、何らこれのみに限定されるものではない。これらの原料は単一種類のまま使用してもよいし、あるいは出発原料の異なる二種以上を適宜混ぜ合わせて使用してもよい。

上記したように、アルミニウム含有原料がアルミ缶の粉砕片の場合、酸化鉄含有原料と混合したものを板状にプレス圧着したものを適度の大きさに分割して石綿系廃棄物や焼却灰等の溶融対象物の中に混合、分散させても良い。

酸化鉄含有原料として磁性酸化鉄製造時に副生する酸化鉄汚泥を使用する場合には、天日乾燥等で含有水分量を５〜１％程度に乾燥すれば良い。また更にアルミニウム原料との混合を良くするために、塊状物を細かく粉砕しておくことが好ましい。

アルミニウム含有原料と酸化鉄含有原料を主原料とするテルミット反応組成物の中のアルミ含有量は５％以上が好ましい。５％未満ではテルミット発熱反応が起きないので好ましくない。アルミニウムと酸化鉄の混合比率は、アルミニウム含有量１に対して酸化鉄含有量２．５〜３．０の比率が好ましく、また混合物の中に酸化チタン３〜１２重量％、酸化マンガン１〜３重量％含有させることが好ましい。

アルミ原料と酸化鉄原料に酸化チタンと酸化マンガンがすでに含まれて入るとき、アルミ原料と酸化鉄原料を混合後、酸化チタンと酸化マンガンの不足分を新たに追加して加えれば良い。又アルミニウム含有原料と酸化鉄含有原料の比率が上限を超えると酸化鉄が過多になってテルミット発熱反応が起きなくなるので好ましくない。また、下限値未満では、アルミが過多になって反応生成物にアルミニウムが残存するので好ましくない。

テルミット剤は、顆粒状あるいはペレット（造粒物）又は丸薬に成形したほうが好ましい。水で固化する方法もあるがアルミの水和反応によりアルミの表面に薄い酸化皮膜ができる為、アルミの劣化は当然であるが、重要な事として前記アルミ皮膜の形成は、テルミット反応の場合、酸化鉄粒子とアルミ粉体粒子の表面接触状態において起こる酸化還元反応であり、いわゆる加熱による両接触面の界面反応である為、その効果を大きく削ぐ事になる。

又両者を袋詰めにする手法もあるが、熔融炉内においてはテルミット反応が起こる以前に、袋素材としての紙や樹脂系袋材の方の酸化反応（燃焼）が先行し、その破袋の結果、目的とするアルミ微粉体並びに酸化鉄微粉体の拡散が急速に起こり、真の目的とするテルミット剤効果即ち酸化還元反応が反応を起す前に阻害され目的とするテルミット反応そのものが発生しない。

テルミット剤を丸薬即ち顆粒或いは造粒成形すると、袋入りの粉粒体に比べて破袋の恐れも無く、両者混合密着度が高いために、燃焼熱の伝播速度が速く、より高い発熱効果が得られる。顆粒あるいは造粒成形の方法は、組成物を構成しているアルミニウム成分が水分と反応しやすいので、乾式成形の方が好ましい。乾式成形方法に付いては、ブリケットマシンによる高圧成形などが好ましい。

以下は本発明の実施の形態であり、溶融炉の熱源として従来技術のように石油系バーナーを使わずに、豆炭や木炭などの固形燃料を熱源とするもので、被溶融物とほぼ一緒に溶融炉に投入し、溶融炉の炉床に温風をリッチに吹き込む事により１３００℃以上の安定環境を維持する事により、同時的に投入されるテルミット剤の反応を連続的に起し且つ維持する環境を、よりよく理解するために具体的に説明するものであり、本発明がこれのみに限定されるものでないことはもちろんである。

実施例１

テルミット反応剤の丸薬化或いはペレット化については次に記載する。
アルミ原料は：アルミ地金の再溶解時に発生したアルミ残灰（アルミドロス）の粉体を使用した。
酸化鉄成分は：ボーキサイトから水酸化アルミニウムを製造する際の赤泥を乾燥して、そのまま使用した。
補助原料として： 酸化チタン、酸化マンガンの廃棄物を粉砕したものを使用した。
上記記載のアルミ原料、酸化鉄成分、補助原料を下記の成分組成（ｗｔ％）に調合混合して、ペレタイザーで直径８ｍｍ、長さ１０〜２０ｍｍの大きさのペレットを作った。
テルミット反応剤の成分組成としては次の通りである。
アルミ成分 ：１８％
酸化鉄成分 ：４０％
酸化チタン ： ５％
酸化マンガン： ２％

上記記載の微量ＰＣＢ含侵石綿粉砕物のペレットとテルミット反応剤のペレットを１００：３０の割合に混合して、バーナー熔融炉（表面溶融炉）で溶融テストした。図１は、本実施例で使用したバーナー熔融炉の説明図である。
図中、３は被溶融原料（石綿系廃材）である。

溶融原料３は、プッシャー８で熔融炉５の傾斜炉床１２の上に押し込む。
炉内に押し込まれた溶融原料３は溶融されながら湯となり傾斜炉床１２から湯口１３を経由し下方の水槽１０に流れ落ち、冷却水で一気に冷却され水砕スラグとなる。
溶融燃料の主燃料は市販の木炭を使用した。

石綿のみをバーナー熔融炉で溶融する時は、理論値では石綿の融点１７００℃の温度が必要であるが、テルミット剤の添加によりバーナー温度１３５０℃前後でテルミット反応が連続的に起こり、裸眼では凝視する事が困難な程の白色に輝く反応が始まった。赤外線カメラで測定の結果２０００℃前後の温度は確認できた。

本技術の実証結果は、再生産可能な木炭でテルミット反応を起す環境域を継続的に維持する事により市販の木炭でもテルミット反応を生成維持することが判明し且つ木炭の粉塵の発生も無く、経済的に極めて低いコストで溶融環境を連続生成することが判明した。また、熔融後の水砕スラグの中には石綿の針状結晶は全く認められず、完全にガラス化して、無害化されていた。

発明の効果

以上によりバーナーなどによる石油系燃料に比較し、同じ化石燃料でもまだまだ無尽蔵といわれる石炭系燃料を利用したコークスや豆炭、或いは再生産可能な木炭等の固形燃料を溶融熱源に使用する事により、大気汚染源の一つといわれるＣＯ２問題でも、木炭の場合は１対１であり地球環境汚染問題でも優れた溶融熱源であり、手軽に入手可能で溶融対象物を、低コストで溶融する事が可能となりテルミット丸薬の添加により、特に熔融の立ち上げが容易で、バーナー着火後１．５〜２時間で熔融が可能となったことは間歇運転が自在となった。特に連続運転が常識の熔融世界においては間歇運転が自在に可能なことは画期的な技術である。又熔融によってガラス化することでアスベストの場合、針状結晶は完全に消失して無害化でき、ＰＣＢの場合は熱処理により完全無害化焼失し、またガラス化した溶融物などは溶出テスト結果重金属の溶出も無く、建築や土木用の二次製品として有効活用できる見込みが出来た。

以上詳述した様に、本発明は、一般的溶融炉において溶融対象物を溶融する場合、従来のように有限資源といわれる石油系化石燃料を使用せずに、木炭などの再生産可能な燃料を使って、溶融環境を連続的に生成することが可能となり、溶融熱源を選ぶ事無く身近に、手軽に溶融することが可能となり、石綿系廃棄物やＰＣＢなどの有害物質の無害化処理或いは焼却灰などの溶融技術が身近なものとなり、静脈産業社会に多大の貢献をなすものである。

図１は、本発明実施例１で使用する表面熔融炉の説明図である。 図２は、本発明実施例１で使用する表面熔融炉の炉床正面図である。 図３は、本発明熔融炉の炉床における温風渦流発生図と、テルミット反応の表現図である。 図４はテルミット剤と固形燃料を積層的に混合して固形燃料が燃焼するとテルミット剤が順次反応を起すように丸薬化したものである。

１、 破砕機
２、 有害廃棄物
３、 粉砕した有害廃棄物
４、 テルミット丸薬
５、 溶融炉
６、 湯溜まり
７、 加熱用バーナー
８、 廃棄物プッシャー
９、 エアーコンプレッサー
１０、スラグ冷却装置
１１、水砕スラグ
１２、傾斜炉床
１３、湯口
１４、熔融炉排熱
１５、搬送コンベア
１６、エアーパイプ
１７、エアー噴出し口と渦流用温風
１８、固形燃料（木炭・竹炭・豆炭など）
１９、テルミット剤
２０、テルミット反応を起した状態
２１、湯
２２、エアー加温部分

Claims (11)

1. 石炭やコークスや豆炭や練炭等の固形燃料、或いは再生産を可能とする木炭や竹炭などの固形燃料若しくはこれ等固形燃料を液状化した燃料を着火した後、加温したエアー或いは酸素若しくは圧縮空気を吹き込む１３００℃〜１４００℃以上の環境下に、テルミット剤を投入してテルミット反応を継続維持することを特徴とする省エネ型の超高温環境域生成方法並びに同生成装置。
2. ガスや石油などを補助燃料とした請求項１に記載の１３００℃〜１４００℃以上の環境下にテルミット剤を投入してテルミット反応を継続維持することを特徴とする省エネ型の超高温域生成方法並びに同生成装置。
3. 顆粒状やペレット状や棒状或いは袋詰めにしたテルミット剤を使用した請求項１若しくは請求項２に記載の処理方法によって溶融する溶融技術並びに溶融装置。
4. 粉砕した被溶融物質とテルミット剤とを、顆粒形状やペレット形状、或いは棒形状などに混合固化、若しくは被溶融物質とテルミット剤のいずれかの一方を芯として他方を周囲にまぶした状態、或いは複数重ねにまぶすことにより、テルミット反応と同時に被溶融物質の溶融が起る機能を装備した溶融方式並びに同機能を装備した溶融炉。
5. 被溶融物質とテルミット剤の混合比率が、重量比で、１００：（３〜３０）であることを特徴とする請求項１から請求項４に記載の省エネ型の超高温域生成方法並びに同生成装置。
6. 溶融炉内における超高温域に渦流を発生させる為、燃焼用のエアー或いは酸素若しくは圧縮空気の吹き込み方法として、左右、前後或いは上下など各方向からの分散型吹き込み形状とした請求項１に記載の超高温環境域生成方法並びに同生成装置。
7. 請求項３若しくは請求項４に記載の被溶融廃棄物に火山灰や硼砂やガラス粉砕物の群の中の一種或いは二種以上を混合することを特徴とする溶融技術並びに溶融装置。
8. 請求項１に記載の加温エアー吹き込み装置において、被溶融物質の飛散防止目的として、渦流発生型に配置したエアー吹き込み装置。
9. 溶融炉本体内部に炉中炉として坩堝を炉内溶融部分に別途装備した溶融炉。
10. 移動用として車輌上に載せた請求項１若しくは請求項２に記載の処理方法によって溶融する溶融技術並びに溶融装置。
11. 請求項１、若しくは請求項２に記載の処理方法或いは請求項３に記載の溶融炉において、該熔融炉排熱を利用して生成した７００℃以上の過熱蒸気を用いて、流動性溶融物質の流動性を高め被溶融物質の回収を容易にすると同時に、該過熱蒸気で有害物質を無害化処理若しくは炭化処理する機能を装備した請求項１〜５に記載の有毒物質の無害化処理方法。

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