JP3349705B2

JP3349705B2 - 製紙工場スラッジなどの変換方法

Info

Publication number: JP3349705B2
Application number: JP50879296A
Authority: JP
Inventors: ティモシーエム．ネチバタル，; トーマスジェー．ジャンセン，
Original assignee: ミネルギーコーポレーション
Priority date: 1994-08-26
Filing date: 1995-08-17
Publication date: 2002-11-25
Anticipated expiration: 2015-08-17
Also published as: EP0777838A1; WO1996007054A1; MX9701429A; HUT76736A; CN1157652A; PL318811A1; EE9700038A; JPH10505662A; AU3328195A; ATE198789T1; CA2197229A1; CN1125265C; BR9508632A; FI970790A0; KR100313624B1; CZ58797A3; AU688957B2; CA2197229C; DE69519931D1; ES2155525T3

Description

【発明の詳細な説明】発明の背景本発明は、廃棄物の変換、より詳しく云うと、製紙工
場スラッジ（paper mill sludge）のような、有機含
量が高くかつ有意な率の灰分を含むスラッジの変換に関
する。

パルプ及び製紙会社からは、スラッジとして知られる
処理された廃棄物が多量に生ずる。多くの場合、これら
のスラッジは埋め立てにより処理されてきた。埋め立て
場所が次第に少なくなり、かつ、環境規制が次第に厳し
くなってきていることから、かかる処理方法は、より多
くのコストを要するようになっているとともに、所望さ
れないものとなっている。

リサイクル紙処理によるスラッジは、普通紙処理から
のスラッジよりもはるかに大きい処理問題を生ずる。リ
サイクル処理からのスラッジは、有意量の繊維と紙コー
ティング剤を含んでいる。紙リサイクル処理から生ずる
スラッジは、未使用パルプから生ずるスラッジに比べて
量が多い。広範な紙リサイクルの実施により、スラッジ
の全量が増大するに至っている。

埋め立てに代わるものとして、流動床ボイラ技術を使
用して製紙工場のスラッジを焼却することが行われてい
る。スラッジを焼却して、熱分を回収し、含有水分を蒸
発させ、廃棄物の容積を小さくするものである。しかし
ながら、製紙工場のスラッジは灰分含量が大きいので、
埋め立てのような処理を必要とするかなりの廃棄成分が
依然として残る。

石炭を燃焼してボイラに電力を供給するのにサイクロ
ン炉（cyclone furnace）が長年に亘って使用されてき
た。サイクロン炉の特徴は、ガラス状のコンシステンシ
を有するスラグを形成することにある。石炭燃焼サイク
ロン炉ボイラからのスラグは、道路の構造材料および屋
根製品の研磨剤あるいはグリットとして使用される。

サイクロン炉は、粉砕された石炭の燃焼には十分には
適さない石炭等級物を燃焼させるために開発されたが、
補助燃料としての固形廃物燃料を燃焼させ、あるいは主
燃料、予備燃料あるいは始動燃料としての燃料油または
ガスを燃焼させるのにも使用されている。燃料を石炭と
ともに使用する場合には、かかる補助燃料は、多くの場
合、灰分含量が比較的低く、20％よりも低い熱入力を提
供するとともに、サイクロン炉に供給される燃料の時間
当たりの量の比率を比較的低くする。

発明の概要本発明によれば、灰分含量が高い製紙工場のスラッジ
その他の同様の有機スラッジを、サイクロン炉において
他の燃料源とともに燃焼させてスラッジの熱分を回収す
るとともに、スラッジの灰分を所望のスラグ生成物に変
換することにより、スラッジの変換が行われる。好まし
くは、第２の燃料源は天然ガスであり、スラッジは熱入
力の最大40パーセント以上をサイクロン炉に提供すると
ともに、１時間当たりの燃料の量の大部分を提供するこ
とができる。燃焼前のスラッジの乾燥が、取り扱い上必
要となる場合がある。サイクロン炉への導入にあたって
は、20％以下の水分含量まで乾燥させると許容すること
ができることがわかった。操作温度において所望のガラ
ス状のスラグの形成を確保するには、石灰石のようなフ
ラックスをスラッジに加えることができる。

製紙工場のスラッジは、一般的には、乾量基準で20乃
至50パーセントの高灰分含量を有する。スラッジはま
た、スラッジの熱量が、多くの場合、乾量基準で4,000b
tu/ポンド乃至7,500btu/ポンドとなるように有意の有機
組成物を含む。製紙工場スラッジが好ましい燃料源であ
るが、下水スラッジその他の産業廃水スラッジのよう
な、同様の灰分含量および熱量含量を有するその他のス
ラッジも使用することができる。

スラッジの熱量は、炉に接続されるボイラその他の熱
交換器により回収される。スラッジの高含量灰分は、冷
却されると、強く、硬く、耐久性のあるガラス状コンシ
ステンシを有することにより、構造材料として、屋根製
品の研磨剤として、その他の有用な用途に使用する場合
に取り扱いが容易となるスラグに取り込まれる。灰分中
の重金属その他の危険なあるいは望ましくない成分は、
ガラス状スラグに取り込まれる。

本発明の主たる目的は、製紙工場スラッジなどを経済
的にかつ環境上安全な態様で変換する方法を提供するこ
とにある。

本発明の別の目的は、製紙工場スラッジなどの熱量を
回収するとともに、スラッジの灰分から有用な生成物を
形成する方法を提供することにある。

本発明の上記したおよび他の目的及び利点は、以下の
詳細な説明から明らかになるものである。以下、本発明
を好ましい実施例を示す図面に関して説明する。

図面の簡単な説明図１は、本発明の方法において使用するサイクロン炉
の概略横断面図である。

図２は、図１の２−２線横断面図である。

好ましい実施例の詳細な説明製紙工場スラッジは、組成が大きく変わる。しかしな
がら、スラッジは一般に、揮発分が高く、有意量の炭素
と高含量の灰分を含むことに特徴がある。スラッジはま
た、熱量が比較的高い。紙リサイクル処理により生じた
３つの代表的な製紙工場スラッジの近似分析、元素分析
および無機質分析を下記の表に示す。

無機質分析着火基準、重量％シリカ、SiO₂ 39.86 アルミナ、Al₂O₃ 34.21 チタニア、TiO₂ 7.20 酸化鉄、Fe₂O₃ 0.85 酸化カルシウム、CaO 13.30 酸化マグネシウム、MgO 1.20 酸化カリウム、K₂O 0.23 酸化ナトリウム、Na₂O 0.12 三酸化硫黄、SO₃ 0.69 五酸化リン、P₂O₅ 0.49 酸化ストロンチウム、SrO 0.02 酸化バリウム、BaO 0.05 酸化マンガン、Mn₃O₄ 0.07 未定量 1.71 100.00 方法:ASTM表示D3682−87 無機質分析着火基準、重量％シリカ、SiO₂ 38.85 アルミナ、Al₂O₃ 16.92 チタニア、TiO₂ 1.40 酸化鉄、Fe₂O₃ 5.07 酸化カルシウム、CaO 14.94 酸化マグネシウム、MgO 4.88 酸化カリウム、K₂O 2.01 酸化ナトリウム、Na₂O 1.27 三酸化硫黄、SO₃ 8.23 五酸化リン、P₂O₅ 3.24 酸化ストロンチウム、SrO 0.04 酸化バリウム、BaO 0.33 酸化マンガン、Mn₃O₄ 0.39 未定量 2.43 100.00 方法:ASTM表示D3682−87 無機質分析着火基準、重量％シリカ、SiO₂ 40.29 アルミナ、Al₂O₃ 31.96 チタニア、TiO₂ 11.60 酸化鉄、Fe₂O₃ 0.87 酸化カルシウム、CaO 12.64 酸化マグネシウム、MgO 0.70 酸化カリウム、K₂O 0.11 酸化ナトリウム、Na₂O 0.15 三酸化硫黄、SO₃ 0.36 五酸化リン、P₂O₅ 0.20 酸化ストロンチウム、SrO 0.05 酸化バリウム、BaO 0.05 酸化マンガン、Mn₃O₄ 0.06 未定量 0.96 100.00 方法:ASTM表示D3682−87 上記分析は、灰分含量が18乃至43％で、揮発分が44乃
至50％であることを示している。熱量は、乾量基準でポ
ンド当たり4,031乃至7,734Btuの範囲にある。これらの
製紙工場スラッジはまた、乾燥サンプルにおいて良好な
着火（ignition）特性を表す燃焼プロファイルを示して
いる。これらの着火点は、種々のタイプの石炭と都合よ
く比較するものであった。繊維が特に高い他の製紙工場
スラッジは、灰分含量を10％程度の低さとすることがで
きる。

サイクロン炉における製紙工場スラッジの燃焼に関す
るパイロット研究試験を、バブコック・アンド・ウィル
コックス（Babcock ＆ Wilcox）の小形のボイラシミ
ュレータにおいて行ったが、スラッジを単独の、小形化
したバブコック・アンド・ウィルコックスのサイクロン
炉により燃焼させた。代表的なサイクロン炉が、ラック
リー（Rackley）等に1991年６月11日付で付与され、バ
ブコック・アンド・ウィルコックス・カンパニーに譲渡
された米国特許第5,022,329号の図１に記載されてい
る。パイロット研究試験は、スラッジと、フラックス剤
として添加した石灰石との混合物およびフラックスを含
まない単一源からのスラッジについて行った。下記の表
は、受け入れたままの状態、燃焼させた状態および乾量
基準にあるスラッジと石灰石との混合物の近似分析およ
び元素分析の結果を示す。

灰分分析％ SiO₂としてのシリコン 31.93 Al₂O₃としてのアルミニウム 23.32 Fe₂O₃としての鉄 1.25 TiO₂としてのチタン 5.63 CaOとしてのカルシウム 28.23 MgOとしてのマグネシウム 5.53 Na₂Oとしてのナトリウム＊ 0.32 K₂Oとしてのカリウム＊ 0.45 SO₃としての硫黄 1.84 P₂O₅としてのリン＜0.10 ％CO₂としての全炭酸塩 1.34 ZnOとしての亜鉛 0.08 ＊フレーム光度計湿潤スラッジは取り扱い上問題がある。好ましくは、
スラッジは、サイクロン炉へ投入する前に20％以下の水
分含量まで乾燥すべきである。乾燥したスラッジを、石
灰石とともに、サイクロン炉に通じるフィーダに装填す
る前に約9.5mm（3/8"）のスクリーンに通した。

試験は、スラッジ熱入力を、炉への全熱入力の約10％
乃至約40％にして運転に供した。最初の試験において
は、天然ガスがもう一方の燃料源であった。サイクロン
炉は高温であり、スラグはスラグタップから流出した。
スラッジ同時焼成（co−firing）によるスラグは、固体
で、硬く、強く、しかも耐久性があり、サイクロン炉に
おける石炭の燃焼によるスラグと同様であった。

小形のボイラシミュレータにおけるスラッジと天然ガ
スの同時焼成が上首尾であることが明らかになってか
ら、細断したタイヤを加えて天然ガスの入力を少なくし
て試験を行った。試験は、熱入力を、タイヤから約10％
および約20％、スラッジから40％、残りを天然ガスから
得て行った。双方の試験運転とも満足するものであっ
た。

パイロット研究試験は、質量流量基準（例えば、１時
間当たりの燃料のポンド）によると、熱量の大部分とは
ならない部分を提供するスラッジを使用しているが、ス
ラッジは天然ガスを越えるものであった。

製紙工場スラッジは極く少量の重金属を含んでいた
が、かかる重金属はスラグに取り込まれ、スラグは浸出
液試験をパスした。結果は、単独源製紙工場スラッジお
よびフラックスとして添加された石灰石を含む複合スラ
ッジの双方とも同等であった。

図１および図２は、製紙工場スラッジの焼成に適した
サイクロン炉を示す。サイクロン炉は、水平な水冷シリ
ンダであるサイクロンバレル10からなる。サイクロンバ
レル10は、図２に示すようにサイクロンバレル10に接線
方向に入る二次空気入口11を有している。ガスバーナ12
が、空気入口11においてサイクロンバレル10に取着され
ている。ガス点火器13がバーナ12に隣接して配設されて
いる。インジェクタ14が、サイクロンバレル10に沿って
離隔して配置されている。スラッジが一次空気ととも
に、インジェクタ14を介してサイクロンバレル10に入
る。一次空気と二次空気とにより、天然ガス、スラッジ
および空気の渦流がサイクロンバレル10内に生じ、バレ
ル10から炉15の内部に入る。炉15は、数多くの公知の態
様のいずれかによりボイラに連結することができる。

スラグは、サイクロンバレル10の内面に形成する。溶
融スラグは、スラグ注ぎ口16を介して出て、スラグタッ
プ17へ移動し、ここで、溶融スラグは取り出され、多く
の場合は、クエンチングにより冷却される。

製紙工場スラッジの単独源はボイラに燃料を供給する
サイクロン炉の補助燃料源としては不十分な場合がある
が、製紙工場スラッジの混合物を必要とすることができ
る。スラッジは、スラッジのタンブル乾燥処理の一部と
して混合することができる。大規模なサイクロン炉操作
の場合には、スラッジの最適サイズは、約9.5cm乃至約1
5.9cm（3/8"乃至5/8"）とすることができる。更にま
た、取り扱いを容易にするために、スラッジを凝集させ
てペレットにするのが望ましい場合がある。

石灰石その他のフラックス剤を必要としない場合があ
る。フラックスを必要とするかどうかは、スラッジから
形成されるスラグの粘度による。測定の基準は、スラグ
が250ポアズの粘度を有する温度であるＴ−250温度であ
る。Ｔ−250温度がサイクロン炉の操作温度よりも低い
場合には、フラックスは必要ではない。

スラグは典型的にはクエンチングにより急速に冷却さ
れるが、溶融スラグは煉瓦またはタイルのような有用な
物品を成形を行うために、あるいは鉱物ウールのような
繊維状材料を形成する成形または形成操作に直接供給す
ることができる。スラグは、如何に冷却しても、ガラス
状のコンシステンシを有する。埋め立てが必要となる場
合には、スラグは、スラッジまたは灰と比較して容易に
取り扱うことができる状態にある。

産業廃水処理により生ずる下水スラッジその他のスラ
ッジは、本発明の方法を使用して変換することができ
る。かかるスラッジは、製紙工場スラッジと同様の揮発
成分、有機成分および灰分を有している。代表的な下水
スラッジの元素分析および無機質分析が、1991年10月15
日付で本発明者に付与された米国特許第5,057,009号に
記載されている。

スラッジを燃焼し、スラッジの灰分を有用なスラグに
変換するサイクロン炉の能力は、製紙工場スラッジの処
理に現在利用されている他の方法よりも優れた技術であ
る。最適の結果は、従来のサイクロン炉において部分乾
燥したスラッジ（例えば、約20％以下の水分）を使用す
ることにより得られる。しかしながら、炉への供給に適
した装置を使用し、かつ、水分を蒸発させるのに十分な
熱を発生するとともにスラグを形成するのに十分高い温
度を保持することができる場合には、より湿潤なスラッ
ジを処理することができる。

スラッジは、サイクロン炉に対する燃料の熱量の50％
以上を構成することができる。これは、炉に供給される
スラッジの水分含量が低い場合、あるいは灰分が低い場
合に行われる。フラックスの比率をより大きくしてフラ
ックスを添加すると、スラグを形成するのに必要な温度
を下げるとともに、スラッジにより提供される熱量の比
率を大きくすることができる。

細断されたタイヤを製紙工場スラッジと同時に焼成し
て、天然ガス要求量を少なくすることができる。石炭ま
たは燃料油を補助燃料として使用することができる。い
ずれの場合においても、スラッジの質量流量は、サイク
ロン炉に供給される他の燃料よりも多くすることができ
る。

スラッジから生ずる灰分のほとんどは、スラグに溶け
込み、極く少量の灰分（５％未満）が燃料ガスに連行さ
れるものと考えられる。スラッジの同時焼成によるスラ
グは、固体で、硬質で、強く、耐久性があり、しかもサ
イクロン炉における石炭の燃焼によりスラグと同様であ
る。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号ＦＩＣ０４Ｂ 5/00 Ｆ２３Ｇ 5/12 Ｆ２３Ｇ 5/00 １１５ 5/32 5/12 Ｂ０９Ｂ 3/00 ３０３Ｚ 5/32 ＺＡＢ (56)参考文献特開平２−75814（ＪＰ，Ａ) 特開平２−33511（ＪＰ，Ａ) 特開昭52−146064（ＪＰ，Ａ) 特開平５−1805（ＪＰ，Ａ) 実開平３−104620（ＪＰ，Ｕ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) F23G 7/04 601 B09B 3/00 C03B 37/00 C04B 5/00 F23G 5/12 F23G 5/32

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】灰分含量の高い製紙工場スラッジおよび同
様の有機スラッジを変換する方法であって、スラッジを単一のサイクロン炉に空気及び空気以外の第
２の燃料源とともに導入してサイクロン炉内でスラッジ
を燃焼させるとともにスラッジの熱量を回収しかつサイ
クロン炉内でスラッジの灰分をスラグに変換する工程を
備えることを特徴とする製紙工場スラッジなどの変換方
法。
【請求項２】スラッジはサイクロン炉に入力される熱の
10％乃至40％を提供することを特徴とする請求の範囲第
１項に記載の方法。
【請求項３】スラッジはサイクロン炉に入力される熱の
50％以上を提供することを特徴とする請求の範囲第１項
に記載の方法。
【請求項４】スラッジはサイクロン炉に導入される前に
20％以下の水分含量まで乾燥されることを特徴とする請
求の範囲第１項に記載の方法。
【請求項５】スラッジは有意の有機顔料と乾量基準で20
％乃至50％の灰分含量を有することを特徴とする請求の
範囲第１項に記載の方法。
【請求項６】スラグは溶融中にサイクロン炉から取り出
されることを特徴とする請求の範囲第１項に記載の方
法。
【請求項７】スラッジはサイクロン炉に導入される前に
凝集されてペレットに形成されることを特徴とする請求
の範囲第１項に記載の方法。