JP2016044823A - 灰溶融装置及び灰溶融方法 - Google Patents

Abstract

【課題】焼却灰を溶融して得られた溶融有価金属を他の溶融金属から分離して高濃度で得られる灰溶融装置及び灰溶融方法を提供することを課題とする。
【解決手段】廃棄物の焼却灰、飛灰を含む灰類を熱供給源により炉内で溶融する灰溶融装置１において、炉側壁２Ｂに溶融スラグ排出口８と溶融金属排出口７が設けられており、該溶融金属排出口は、炉底近傍位置に設けられた溶融銅合金排出口７Ａと、溶融銅合金排出口が設けられた高さより上方位置に設けられた溶融鉄合金排出口７Ｂとを有している。
【選択図】図１

Description

本発明は、廃棄物焼却灰、飛灰を含む灰類を溶融する灰溶融装置及び灰溶融方法に関する。

都市ごみや産業廃棄物等の各種廃棄物を焼却処理する際に生じる焼却灰、飛灰等の灰類を溶融しスラグとして減容化するために種々の灰溶融処理方式が提案されている。灯油、コークスといった燃料の燃焼熱による燃焼式と、電力を用いて電気抵抗熱、アーク、プラズマを生じさせ、その発熱による電気式がある。電気式は燃焼式に比べて処理温度が高いため、重金属類含有率の少ない高品質で安全なスラグを得ることができる。

電気式の一つとして、電気抵抗式灰溶融炉が特許文献１に開示されている。

特許文献１（図４）に開示されている電気抵抗式灰溶融炉は、上部炉蓋に３本の黒鉛電極を炉内へ進入するように垂下して設けて、電極の先端を炉内の溶融スラグに埋没させ、電極に交流電圧を印加することにより溶融スラグに交流通電し、溶解状態になった灰すなわち溶融スラグを抵抗体にして電気抵抗熱（ジュール熱）を発生させ、その熱でスラグの溶解状態の維持と溶融スラグからの伝熱により供給された灰を加熱して溶融する。

炉内に供給された廃棄物の焼却灰、飛灰は電気抵抗加熱によって溶融され、炉底上に位置する下層に溶融金属層、そしてその上に溶融スラグ層が形成される。炉側壁には、溶融スラグ層の高さ位置に溶融スラグ排出口ゲートにより開閉される溶融スラグ排出口が設けられ、炉底に近い溶融金属層の高さ位置に溶融金属排出口ゲートにより開閉される溶融金属排出口が設けられている。溶融スラグは溶融スラグ排出口ゲートを開くことで溶融スラグ排出口から排出され、溶融金属は溶融金属排出口ゲートを開くことで溶融金属排出口からそれぞれ炉外へ排出される。

このように構成された特許文献１の電気抵抗式灰溶融炉は、次のようにして操業される。

先ず、焼却灰、飛灰が炉本体内に投入される。次に、電極へ溶融に必要な電力を供給し、灰及び溶融スラグに通電する。

灰はこの通電で生ずる電気抵抗加熱によって溶融され、下層の溶融金属層、その上に溶融スラグ層の各層が形成されるようになる。

炉内での溶融が進み、炉内の溶融スラグの湯面が溶融スラグ排出口の高さ以上の所定位置まで上昇したら、溶融スラグ排出口ゲートを開き、溶融スラグを該溶融スラグ排出口から排出して冷却固化装置で固化させ、固化スラグとする。

一方、炉底部に溶融金属が所定量以上溜まったら、溶融金属排出口ゲートを開けて溶融金属を溶融金属排出口から排出する。溶融金属は冷却固化装置で固化され金属固化体とされる。

このようにして、溶融スラグの排出と溶融金属の排出を繰り返して焼却灰を溶融する。

特開２００７−２８５６７１

都市ごみ等の各種廃棄物を焼却処理する際に生じる焼却灰、飛灰を溶融処理して生成する溶融金属を固化した金属固化体には、鉄と銅等の非鉄金属が含まれている。鉄の含有率は数十％であり、銅の含有率は約２０％である。

金属固化体には有価金属の銅が含まれており、金属固化体を銅製錬原料として再利用することが検討されている。

しかし、この金属固化体は銅よりも鉄の含有率が大幅に高いため、これを銅製錬原料として用いた場合には、銅製錬の際に鉄が酸素と反応し多量の酸化鉄を生じることになり、この酸化鉄を二次廃棄物として別途廃棄する必要があり、採算性に問題がある。金属固化体から銅を分離することや、灰を溶融処理する前に磁力選別により鉄を選別し鉄の含有率を低減することが考えられるが、効率的かつ実用的な方法で銅をその他の鉄を主成分とする金属と分離する方法がなかった。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、廃棄物を焼却処理して生じる焼却灰、飛灰を溶融処理する際に、焼却灰、飛灰に含まれる銅等の有価金属を、金属固化前の溶融時に、高い濃度で分離して回収することの可能な灰溶融装置及び灰溶融方法を提供することを課題とする。

上述した課題は、本発明によれば、次のような構成の灰溶融装置そして灰溶融方法により解決される。

＜灰溶融装置＞
廃棄物の焼却灰、飛灰を含む灰類を熱供給源により溶融する灰溶融装置において、
炉側壁に溶融スラグ排出口と溶融金属排出口が設けられており、
該溶融金属排出口は、炉底近傍位置に設けられた溶融銅合金排出口と、溶融銅合金排出口が設けられた高さより上方位置に設けられた溶融鉄合金排出口とを有していることを特徴とする灰溶融装置。

かかる本発明の灰溶融装置において、熱供給源は電気抵抗式、サブマージドアーク式、プラズマ式、燃料式のいずれか一つの加熱手段とすることができる。

＜灰溶融方法＞
廃棄物の焼却灰、飛灰を含む灰類を熱供給源により溶融する灰溶融方法において、
炉側壁に溶融スラグ排出口と溶融金属排出口が設けられており、該溶融金属排出口は、炉底近傍位置に設けられた溶融銅合金排出口と、溶融銅合金排出口が設けられた高さより上方位置に設けられた溶融鉄合金排出口とを有していて、
溶融銅合金を溶融銅合金排出口から、そして溶融鉄合金を溶融鉄合金排出口からそれぞれ炉外へ排出することを特徴とする灰溶融方法。

このような本発明の灰溶融装置そして灰溶融方法によると、炉内での溶融金属層中では、鉄と銅等の有価金属とは、鉄と銅との合金になっておらず，比重差により分離して、下層に比重の大きい銅等の有価金属が富化した溶融銅合金が溜まり、その上層に鉄が富化した溶融鉄合金が堆積するようになる。

そこで、本発明は下層の溶融銅合金を溶融銅合金排出口から排出し、上層の溶融鉄合金を溶融鉄合金排出口からそれぞれ別箇に排出する。かくして、鉄合金と銅合金が固化前の溶融状態で別々に排出されるので、溶融銅合金が冷却され固化した固化体中の銅濃度が高まる。

本発明は、以上のように、廃棄物の焼却灰、飛灰を含む灰類を熱供給源により溶融する灰溶融装置において、炉側壁に設けられる溶融金属排出口を、炉底近傍位置に設けられた溶融銅合金排出口と、溶融銅合金排出口が設けられた高さより上方位置に設けられた溶融鉄合金排出口とに別けて設け、溶融銅合金と溶融鉄合金をそれらの比重差から上下に位置する別層として形成せしめ、上記溶融銅合金排出口と溶融鉄合金排出口から別々に排出することとしたので、溶融銅合金が冷却され固化した固化体中の銅濃度の高いものが得られ、固化体を銅製錬原料として利用することが容易となり、灰類から銅を高い濃度で分離して回収することが可能となる。

本発明の一実施形態装置の概要を示す縦断面図である。

以下、添付図面にもとづき、本発明の一実施形態を説明する。

図１に示される本実施形態の灰溶融炉１は電気抵抗式灰溶融炉であり、炉体２と、該炉体２内へ進入して配置された黒鉛電極３と、該電極に電圧を印加する電源装置４とを有している。本実施形態では、該電源装置４は三相電源である。上記電源装置４と黒鉛電極３が灰溶融のための熱供給源となる。

炉体２は、耐熱材料で作られていて、炉底２Ａ、該炉底２Ａの周縁から立ち上がる炉側壁２Ｂ、さらには炉蓋２Ｃを有している。

上記炉体２の炉蓋２Ｃには、廃棄物の焼却灰、飛灰等の灰類が槽内へ落下投入される灰投入管５Ａ、さらには、槽内での灰類の溶融に伴い発生する排ガスを排出する排気管５Ｂが接続されている。

上記黒鉛電極３は、本実施形態では、３本設けられていて電源装置４の三相の各相にそれぞれ接続されていて、各黒鉛電極３間で位相差をもって電圧が印加されている。各黒鉛電極３は、電極昇降装置６により支持されていると共に、昇降駆動を受けることで上下方向の設定位置を変更可能としている。

本実施形態において、炉側壁２Ｂには溶融金属排出口７と溶融スラグ排出口８とが形成されている。溶融金属排出口７は、溶融銅合金排出口７Ａと溶融鉄合金排出口７Ｂとの二つで形成され、溶融銅合金排出口７Ａは、右側の炉側壁２Ｂで炉底２Ａに至近して位置し、溶融鉄合金排出口７Ｂは左側の炉側壁２Ｂで上記溶融銅合金排出口７Ａが設けられた高さより若干上方に位置している。また、溶融スラグ排出口８は、右側の炉側壁２Ｂで上記溶融鉄合金排出口７Ｂよりも上方に位置している。

溶融銅合金排出口７Ａ、溶融鉄合金排出口７Ｂ、溶融スラグ排出口８にはそれぞれに排出口を開閉する溶融銅合金排出口ゲート９Ａ、溶融鉄合金排出口ゲート９Ｂ、溶融スラグ排出口ゲート１０が設けられている。図１では、それぞれの排出口を左右の炉側壁２Ｂにふり分けているが、これに限定されるものではない。

このような本実施形態における電気抵抗式灰溶融炉１は、炉蓋２Ｃに３本の黒鉛電極３を設け、各黒鉛電極３の先端（下端）を炉体２内の溶融スラグＳに埋没するよう位置させ、各黒鉛電極３に三相交流電圧を印加することにより溶融スラグＳに交流通電し、溶解状態になった灰すなわち溶融スラグＳを抵抗体にして電気抵抗熱（ジュール熱）を発生させ、その熱でスラグの溶解状態の維持と溶融スラグＳからの伝熱により供給された灰類Ａを加熱、溶融する。

炉内に供給された廃棄物の焼却灰、飛灰等の灰類Ａは電気抵抗加熱によって溶融され、比重差により下層より溶融銅合金Ｃ、溶融鉄合金Ｆ、溶融スラグＳの各層が形成される。

このように構成された本実施形態の電気抵抗式の灰溶融炉１は、次の要領で操業される。

焼却灰、飛灰等の灰類Ａが灰投入管５Ａを経て炉体２内に投入される。

１）先ず、黒鉛電極３へ溶融に必要な電力を電源装置４から供給し、炉体２内の灰及び溶融スラグに通電する。

２）通電を受けると、灰は電気抵抗加熱によって溶融され、比重差により下層より溶融銅合金Ｃ、溶融鉄合金Ｆ、溶融スラグＳの各層が形成される。

３）溶融が進み、炉体２内の溶融スラグＳの湯面が所定位置まで上昇したら、溶融スラグ排出口ゲート１０を開き、溶融スラグ排出口８から溶融スラグＳを排出して冷却固化装置（図示せず）で固化させ、固化スラグとする。

４）炉体２内で炉底２Ａ上に溶融銅合金Ｃ、そしてその上層に溶融鉄合金Ｆが所定量以上溜まったら、先ず、溶融鉄合金排出口ゲート９Ｂを開けて溶融鉄合金Ｆを溶融鉄合金排出口７Ｂから排出する。溶融鉄合金Ｆは冷却固化装置（図示せず）で固化され鉄合金固化体とされる。

５）次いで、溶融銅合金排出口ゲート９Ａを開けて溶融銅合金Ｃを溶融銅合金排出口７Ａから排出する。溶融銅合金Ｃは冷却固化装置（図示せず）で固化され銅合金固化体とされる。かくして、銅合金を鉄合金と分離して回収することができる。

６）上記項目３）〜５）を、灰類Ａを炉体２へ補充供給しつつ、繰り返して灰類Ａを溶融して、溶融スラグＳ、溶融鉄合金Ｆそして溶融銅合金Ｃを排出する。

上記項目１）〜６）の操業中、排出される溶融スラグの温度又は炉内温度を監視して、所定温度に維持されるように、電力供給量が設定、調整される。また、炉体２内で発生したガスは排ガスとして排気管５Ｂから排出される。

溶融銅合金Ｃと溶融鉄合金Ｆとが所定量以上溜まって、溶融鉄合金Ｆと溶融スラグＳとの界面が溶融スラグ排出口８の下部高さ位置近くになった時に、溶融銅合金Ｃと溶融鉄合金Ｆを排出する操作を行う。排出する時期を以下のようにして検知する。電気抵抗式灰溶融炉では、黒鉛電極３を下方に下げ黒鉛電極３が溶融鉄合金Ｆと溶融スラグＳとの界面近傍に近づくと電気抵抗が減少することから界面位置を検知する。他の方式の灰溶融炉では、溶融銅合金Ｃと溶融銅合金Ｆの比重は溶融スラグＳの比重より大きいため、炉内溶融物の体積が同じ場合に、溶融銅合金Ｃと溶融銅合金Ｆの比率が高くなると炉内溶融物の重量が重くなることから、炉体に重量計測器（ロードセル）を取り付け炉内溶融物の重量の変化を計測することにより、溶融銅合金Ｃと溶融銅合金Ｆとが溜まっている状況を監視する。

本発明において、灰溶融のための熱供給源を電気抵抗式の加熱手段に代えてサブマージドアーク式、プラズマ式あるいは燃料式とすることも可能である。

サブマージドアーク式では、炉蓋に黒鉛電極を設けこの電極の先端を炉体内の溶融スラグの上面近くに位置させ、黒鉛電極と炉底に設けた電極との間に直流通電しアークを発生させアーク熱により灰を加熱溶融する形式である。

また、プラズマ式では、炉蓋に設けたプラズマトーチと炉底に設けた電極との間に高電圧をかけてアークを発生させ、これと作動ガスによってプラズマ流を形成し、プラズマ流の輻射熱により灰を加熱溶融する形式である。燃料式では、灯油、重油、コークス等の燃料を燃焼し熱源とする。

また、本発明において、灰溶融装置は灰溶融炉に限らず、廃棄物のシャフト式ガス化溶融炉でもよい。シャフト式ガス化溶融炉の炉底部では廃棄物が熱分解された灰分が溶融され、溶融スラグと溶融銅合金、溶融鉄合金が生成し排出される。

１ （電気抵抗式）灰溶融炉
２ 炉体
３ （黒鉛）電極
４ 電源装置
７Ａ 溶融銅合金排出口
７Ｂ 溶融鉄合金排出口
８ 溶融スラグ排出口

Claims (3)

1. 廃棄物の焼却灰、飛灰を含む灰類を熱供給源により溶融する灰溶融装置において、
   炉側壁に溶融スラグ排出口と溶融金属排出口が設けられており、
   該溶融金属排出口は、炉底近傍位置に設けられた溶融銅合金排出口と、溶融銅合金排出口が設けられた高さより上方位置に設けられた溶融鉄合金排出口とを有していることを特徴とする灰溶融装置。
2. 熱供給源が電気抵抗式、サブマージドアーク式、プラズマ式、燃料式のいずれか一つの加熱手段であることとする請求項１に記載の灰溶融装置。
3. 廃棄物の焼却灰、飛灰を含む灰類を熱供給源により溶融する灰溶融方法において、
   炉側壁に溶融スラグ排出口と溶融金属排出口が設けられており、該溶融金属排出口は、炉底近傍位置に設けられた溶融銅合金排出口と、溶融銅合金排出口が設けられた高さより上方位置に設けられた溶融鉄合金排出口とを有していて、
   溶融銅合金を溶融銅合金排出口から、そして溶融鉄合金を溶融鉄合金排出口からそれぞれ炉外へ排出することを特徴とする灰溶融方法。

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