JP4090086B2 - 溶解炉及び処理対象物の溶解方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、金属溶解（溶融）、金属還元溶解、廃棄物溶解処理技術に関すものであり、炉内に、充填層を形成するとともに、この充填層を高温に維持し、処理対象物を投入して溶解し、溶解物を取り出す技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
説明を容易にするために、溶解炉の一例として還元溶融炉を例に取って、以後説明する。
このような還元溶融炉として、キュポラ型の溶融炉が知られている。この溶融炉は、図５に示すように、炉内に炭素系可燃物質からなる充填層を形成し、この充填層を還元高温状態として、処理対象物の溶解が行われる。炉の運転にあたっては、炉頂部近傍から還元処理対象物、還元促進材等を投入し、充填層で処理物が還元溶融され、炉底部から溶融物が取り出される。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記のようなキュポラ型の炉にあっては、以下のような問題があった。
即ち、従来型の炉においては、コークス等の固体燃料のみを熱源とするとともに、還元雰囲気形成源とするため、溶融に必要な温度及び還元雰囲気の制御を安定しておこなうことが比較的難しい。従って、炉の運転に熟練した運転員が必要とされる。逆に、熟練度の低い運転員では、炉の運転が難しく、炉から得られる溶解物の品質が安定しない。さらに、熟練運転員を育生するための時間、費用が過大になるという問題があった。
また、このような固体燃料を用いた場合においては、安定した溶解を得るために多くの燃料を使用して充填層を形成する必要があり、コストアップ要因となる。
このような問題を解消するために、バーナ等の加熱手段を別途備え、アルミナ等の耐火物を充填材として投入してこれにより充填層を形成して、処理することも考えられる。この場合、耐火物に蓄熱体としての役割も持たせてる必要があり、従来得られていた耐火物では、高温下で耐火物が溶損しやすい。従って、充填層を初期に形成された状態のまま維持することが困難であり、溶融物の降下経路を閉塞する問題を発生しやすいとともに、溶解製品品質に悪影響を及ぼすという問題がある。
さらに、焼結構成のアルミナを使用する場合は、これが熱衝撃に弱く、ポーラスであるため、溶解対象物がアルミナ内に残留し、炉の運転停止、再開を繰り返した場合に、これが崩壊しやすいという問題がある。また、このような耐火物自体が消耗品となるため、ランニングコストが上昇するという問題があった。
従って、本発明の目的は、上記のような問題を解決することにある。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
この目的を達成するための本発明による請求項１に係わる、炉内に充填層を形成可能な充填層形成部を備え、炭素系可燃物質の燃焼により高温に維持される前記充填層に処理対象物を投入して、前記充填層で溶解された溶解物を下部より取り出し可能な溶解炉の特徴構成は、前記充填層が、一方向凝固法で得られた融液成長セラミック複合材料の塊状物よりなる複合材料充填層としての下部充填層と、前記下部充填層の上に、前記炭素系可燃物質からなり前記処理対象物が投入される上部充填層とを備え、前記上部充填層に燃焼用酸素含有ガスを供給する羽口を設けたことにある。
このような複合材料を使用する場合は、その溶解温度を炉の運転温度以上の温度とできるため、不純物の混入が極端に抑えられ、製品品質を良好に保て、充填層の状態を初期の形成状態に維持することが可能となる。さらに、このような材料は、熱衝撃に対して強く、耐酸化性も高いため、容易に崩壊することもなく、良好な充填層の状態を維持することができる。さらに、この材料は、緻密でありポーラスな構造を有することがないため、他の金属が侵入して崩壊が進むということもない。又、比較的高い熱伝導特性、蓄熱性を有するため、加熱効率を向上することができ加熱手段により与えられる熱を良好に利用して、溶解を良好に進めることができる。
結果、本願の炉にあっては、この様に経時的に安定した充填層を上記のような複合材料で得て、加熱手段により、加熱と還元雰囲気の形成を制御するに、処理対象物の還元・溶融処理に要する温度やガス雰囲気並びに時間を、高い精度で制御することが可能となる。結果、よい品質の製品を、熟練度の低い作業者でも、効率よく、容易に得ることができる。即ち、必ずしも熟練者を養成する必要はない。
また、耐火物の補給、再充填が、事実上不必要となるため、運転コストを格段に低下させることが可能となる。
このような融液成長セラミックにあって、これが真空（１０^-5ｍｍＨｇ以下の圧力）で製造されるものであることが好ましい。このようにしておくと、より緻密なものを得ることができる。
さらに、このような融液成長セラミックにあって、これがアルミナを主成分（過半含まれているもの）とするものとしておくと、耐酸化性能が非常に高く、長期の使用にあたっても酸化による劣化を発生しにくい。
さて、上記のようにして利用される充填層が、複合材料充填層としての下部充填層と、この下部充填層の上に、炭素系可燃物質からなり処理対象物が投入される上部充填層とを備える構成とされている。
この構造の炉にあっては、充填層下部側に複合材料充填層を、その上部側に炭素系可燃物質からなる上部充填層を備えて、処理をおこなう。ここで、下部充填層は、炉全体を所定の高温状態に維持するとともに、溶融物の良好な降下を促す役目を果たす、一方、上部充填層にあっては、炭素系可燃物質と処理対象物とを所望の割合で混合し、炭素系可燃物質の燃焼により処理対象物を溶融処理する。従って、この部位では、処理対象物に供給される熱を良好に制御して、溶解を行うことができる。
このように、充填層の下部側にセラミックを主体とする耐火物の充填層を形成することを目的とする場合、従来型のアルミナでは、この部位に上部充填層の荷重が掛かることとなるため、その強度、耐熱性、耐酸化性から、安定した充填層を得ることは不可能であったが、本願の複合材料にあっては、これらの問題を解消することができる。
【０００５】
さて、前記融液成長セラミック複合材料としては、複数の酸化物セラミックスの共晶凝固複合材料であることが好ましい。
この場合、酸化物セラミックスであることにより、高温耐酸化性が極めて良好とできるからである。さらに、共晶凝固とすることにより、それぞれの結晶（単結晶・多結晶共）界面に沿って走る亀裂進展による破壊防止に極めて有効であり、高温強度、高温クリープ特性、耐熱衝撃性の向上が達成され、本願の用途に合致したものとできる。
さらに、このような材料として、Ａｌ₂Ｏ₃とＹＡＧの共晶複合材料を使用することが好ましい。この材料は、融点が１８００℃以上であり、耐熱強度、伝熱性能、耐酸化性において、非常に優れているためである。
【０００６】
さて、これまで説明してきた溶解炉においては、以下のような手法で、処理対象物の溶解をおこなうこととなる。
即ち、炉内に充填層を形成するとともに、この充填層に処理対象物を投入して充填層で溶解された溶解物を下部より取り出すに、充填層を、一方向凝固法で得られた融液成長セラミック複合材料の塊状物からなる下部充填層を形成するとともに、下部充填層の上部に炭素系可燃物質からなる上部充填層を形成し、上部充填層に設けられた羽口より燃焼用酸素含有ガスを供給し、炭素系可燃物質の燃焼により、充填層を高温に維持し、充填層に処理対象物を投入し、充填層で溶解された溶解物を下部より取り出すのである。
この場合も、安定した充填層を得て、炭素系可燃物質からの熱の供給と雰囲気状態の制御を容易に行って、高品質の溶解物を得ることができる。この場合も、真空下の製造で、アルミナを主成分とすることが好ましい。
この場合も、前記融液成長セラミック複合材料が、Ａｌ₂Ｏ₃とＹＡＧの共晶複合材料であることが好ましい。
【０００７】
【発明の実施の形態】
本願の実施形態ではないが、溶解炉の一例としての還元溶融炉１の基本的な構成を図面に基づいて説明する。
図１には、還元溶融炉１の縦断面図が示されている。
図示するように、還元溶融炉１は、充填層形成用の縦型筒状の充填層形成部２と、この充填層形成部２の下部に設けられる燃焼室３とを主な機能部位として構成されている。図示するように、炉頂部には、処理対象物、還元促進材さらには溶融物の流動性を調整するための流動性調整材を投入可能な材料投入口４が設けられている。さらに、この材料投入口４の近傍で、これとは別に、排ガス放出用の煙道５が、水平方向に延出されている。
さて、前述の充填層形成部２と燃焼室３の間は、複数の水管６が所定の間隔で炉を水平方向に横断して配設されており、この水管６の上部に、融液成長セラミック複合材料の塊状物を投入することにより、所定高さの複合材料充填層７を形成できるように構成されている。従って、これら水管６は支持部として構成されており、充填層７で溶融され溶融物は、この水管間を滴下して、燃焼室３に落下可能となっている。この水管６は、内部を冷却流体としての水が流れ、管状に成形された融液成長セラミック複合材料から構成され、冷却管として働く。ここで、支持部を構成する部材としては、冷却管としての前述の水管等、所謂、冷却機構を備えた部材を採用できる。
【０００８】
前述の燃焼室３は、充填層７に対して、下面全面に亘ってその断面積が大きな縦型筒状の空間として構成されており、この燃焼室３に、空燃比を調節可能なバーナ８（都市ガスバーナであり加熱手段の一種）が備えられている。また、この燃焼室３の底部は、溶融物の貯留部として構成されており、炉外９と接続される溶融物導出部１０を備えることにより、還元溶融炉１において、燃焼室下部から処理対象物の還元物並びに溶融物を取り出し可能に構成されている。
さらに、前述の充填層形成部２にあって、その水管側位置にあたる支持部側部位に、燃焼用酸素含有ガスを供給可能な羽口１１が設けられている。
また、燃焼室内の燃焼空間に、溶融物に対する処理材を、投入可能な溶融物処理材投入口１２が複数個設けられている。
以上が、還元溶融炉１の概略構成である。
【０００９】
さて、先の融液成長セラミック複合材料についてさらに詳細に説明すると、これは、原料粉末の調整と一方向凝固工程を経て得られるものである。
原料粉末の調整にあたっては、α−Ａｌ₂Ｏ₃粉末及びＹ₂Ｏ₃粉末を、α−Ａｌ₂Ｏ₃／Ｙ₂Ｏ₃＝８２／１８ｍｏｌ比に割合でエタノールを用いて湿式ボールミルによって混合し、得られたスラリーからロータリーエバポレータを用いてエタノールを除去し、α−Ａｌ₂Ｏ₃／Ｙ₂Ｏ₃の混合粉末を得る。さらに、この混合粉末を打錠成形し、これをアーク溶解する。このようにして原料が調整される。
【００１０】
一方向凝固装置４０の概略図は、図４のとおりであり、真空室４２内に備えられる誘導コイル４３の内側にモリブデン坩堝４１を配設できる構成となっている。さらに、この坩堝４１全体を誘導コイル４３に対して相対的にその軸方向Ｚに移動可能に構成されている。
一方向凝固をおこなう場合にあっては、上記のようにして得られた原料を粉砕し、前記モリブデン坩堝４１に仕込み、一方向凝固装置４０に掛ける。高周波加熱によりモリブデン坩堝４１を加熱して約１０^-5ｍｍＨｇの真空中で溶解する。溶解温度は、２１２３Ｋ（アルミナとイットリアの共晶温度）とし、この温度で３０ｍｉｎ保持後モリブデン坩堝４１を約１０^-5ｍｍＨｇの真空中で５ｍｍ／ｈｒの速度で下降させる。この下降に伴って、坩堝内に低温部位（図４に上下方向挿入線で示す凝固部４４）が形成され、一方向凝固セラミックを得ることができる。
このようにして得られた材料（Ａｌ₂Ｏ₃／ＹＡＧ（Ｙ₃Ａｌ₅Ｏ₁₂）の複合材料）を所定の形状（直径が、炉径Ｄに対して１／５〜１／１０程度の塊状物、及び管状）に成形し、先に示した用途に使用した。
【００１１】
以下、この還元溶融炉１の運転状態について説明する。
運転にあたっては、前記充填層形成部２に複合材料の充填層７が、運転前段階で形成される。燃焼室内のバーナ８を運転した状態で、複合材料充填層７は、赤熱高温状態に維持される。ここで、処理対象物の投入直前で、炉への燃焼用酸素含有ガスの供給量（羽口１１及びバーナ８を介するもの）を調節して、炉内を還元雰囲気状態に維持する。
そして、還元溶融処理する処理対象物である非鉄金属酸化物（例えば酸化銅）を材料投入口４から投入する。この状態において、充填層７の温度、雰囲気を制御する。
投入した処理対象物は、充填層内で燃焼室３から送られてきた高温の還元ガスにより、溶融され水管６を通過して、液体として燃焼室内に滴下する。
この還元物並びに溶融物は、バーナ８によって高温に保持された燃焼室内の炉底に溜まる。
さらに、この炉底に溜られた還元物から硫黄等の不純物を取り除くため、還元促進材である鉄の塊を、溶融物処理材投入口１２から投入する。この処理材の投入間隔は、炉底部の滞留時間から算出し、投入量は炉に投入する処理対象物量当たり約０．５％〜３％の範囲でおこなう。ここで、上記の溶融物処理材投入口１２から投入される処理材としては、これを、還元促進材（鉄）としたが、こういった材料としては処理対象物との関係でコークス等も利用できる。この他、溶解物（溶融物）表面に浮遊して燃焼室内に存する酸素と結合する材料（コークス粉、プラスチック廃棄物等）、溶解物の流動性を調整する流動性調整材（酸化カルシウム、二酸化珪素等）としてもよい。還元促進材を投入すると、さらに還元を完全なものとできる。コークス粉、プラスチック廃棄物等を投入すると、溶解物の酸化を防止できる。さらに、流動性調整材を投入すると、流動性を調節できる。
そして、溶融物導出部１０から溶融物を連続取り出す。
このようにして、本願の還元溶融炉１を使用して、良好な還元溶融処理をおこなうことができる。
【００１２】
以上に説明した還元溶融炉１にあっては、複合材料充填層７を水管６で下方より支持し、充填層下に備えられる燃焼室３にバーナ８の燃焼火炎を形成して処理をおこなったが、本願の実施形態ではないが、充填層７の構成部材として融液成長セラミック複合材料を使用する効果は、燃焼室を備えない構造においても得られるものである。このような溶融炉を図２に示した。
この炉２０にあっては、複合材料の充填層７が炉底部まで到達しており、炉底部側にバーナ８が、シャフト炉の両側に備えられている。
この構成にあっても、材料投入口４より処理対象物を投入して処理をおこなうことができる。
即ち、バーナ８の燃焼で発生した排ガス並びに高温に維持された複合材料充填層７で処理対象物を溶解処理し、溶解物として炉２０から取り出すことができる。還元を要する処理対象物の処理を目的とする場合は、バーナ８の空気比を適切に調整することにより還元ガスを発生させて、還元溶解物を得ることができる。
【００１３】
さて、これまで説明してきた溶解処理にあたっては、複合材料よりなる充填層７を形成するとともに、この充填層７に対して別個に設けられたバーナ等の加熱手段の働きにより充填層の高温維持を達成している。
しかしながら、本願の実施形態では、加熱に関しては、バーナ等の気体・液体燃料を特に使用する必要はない。
即ち、本願の実施形態では、図３に示すような構成を採用する。基本的には、この例に示す炉３０は、図２に示した炉２０と同様な単純なシャフト炉として構成されるものである。ただし、充填層の形成状態が異なっている。
即ち、本願の実施形態に係る炉３０にあっては、充填層の形成段階で、融液成長セラミック複合材料の塊状物からなる下部充填層３１を形成するとともに、この下部充填層３１の上部に炭素系可燃物質（例えばコークス）からなる上部充填層３２を形成し、羽口３３より充填層（具体的には上部充填層３２）に燃焼用酸素含有ガスを供給し、上部充填層３２を構成する（あるいは材料投入口４から追い込み投入される）炭素系可燃物質の燃焼により、充填層を高温に維持し、充填層に処理対象物を投入し、溶解された溶解物を下部より取り出すのである。
このようにする場合にあっても良好な溶解をおこなうことができる。
【００１４】
〔別実施の形態〕
上記の実施の形態にあっては、融液成長セラミックス複合材料として、Ａｌ₂Ｏ₃／Ｙ₂Ｏ₃系で、そのモル比が８２／１８であり、共晶系のものを例示したが、複合材料系列、組成比、完全な共晶状態かどうかは、本願において問うものではない。
即ち、Ａｌ₂Ｏ₃／Ｙ₂Ｏ₃系の組成比としては、Ａｌ₂Ｏ₃、７０〜９４ｍｏｌ％の範囲、（Ｙ₂Ｏ₃で３０〜６ｍｏｌ％の範囲）で可能である。
さらに、材料系列としては、ＭｇＯ／ＺｒＯの共晶複合材料、Ａｌ₂Ｏ₃／ＺｒＯ₃／Ｙ₂Ｏ₃の共晶複合材料も採用可能である。
なお、本願の溶解炉の用途としては、下水汚泥、都市ゴミ焼却灰などの廃棄物を処理する炉や、銅、鉛などの金属を再生する炉等としても使用することができる。
上記の実施の形態にあっては、還元処理される材料としては、これが酸化銅である例を示したが、還元処理する材料以外、例えば多くの材料から構成されるものの不純物除去などにも使用できる。具体的には、鉛、アルミニウム、錫等をも対象とすることができる。
さらに、上記の実施の形態にあっては、燃焼用酸素含有ガスの供給用羽口を炉上下方向で一段のみ備える構成としたが、これは複数段備えることが好ましい。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本願とは別の溶解炉の縦断面図
【図２】 本願とは別の溶解炉の縦断面図
【図３】 本願に係る溶解炉の縦断面図
【図４】 一方向凝固装置の模式図
【図５】 従来のキュポラ型の溶解炉の縦断面図
【符号の説明】
３ 燃焼室
６ 支持部（水管）
７ 充填層
８ バーナ
１１ 羽口
１２ 溶解物処理材投入口

Claims (6)

1. 炉内に充填層を形成可能な充填層形成部を備え、炭素系可燃物質の燃焼により高温に維持される前記充填層に処理対象物を投入して、前記充填層で溶解された溶解物を下部より取り出し可能な溶解炉であって、
   前記充填層が、一方向凝固法で得られた融液成長セラミック複合材料の塊状物よりなる複合材料充填層としての下部充填層と、前記下部充填層の上に、前記炭素系可燃物質からなり前記処理対象物が投入される上部充填層とを備え、
   前記上部充填層に燃焼用酸素含有ガスを供給する羽口を設けた溶解炉。
2. 前記融液成長セラミック複合材料が、複数の異なる酸化物セラミックスの共晶凝固複合材料である請求項１記載の溶解炉。
3. 前記共晶凝固複合材料が、Ａｌ ₂ Ｏ ₃ とＹ ₃ Ａｌ ₅ Ｏ ₁₂ との複合材料である請求項２記載の溶解炉。
4. 炉内に充填層を形成するとともに、前記充填層に処理対象物を投入して前記充填層で溶解された溶解物を下部より取り出す処理対象物の溶解方法であって、
   前記充填層を形成するに、一方向凝固法で得られた融液成長セラミック複合材料の塊状物からなる下部充填層を形成するとともに、前記下部充填層の上部に炭素系可燃物質からなる上部充填層を形成し、
   前記上部充填層に設けられた羽口より燃焼用酸素含有ガスを供給し、前記炭素系可燃物質の燃焼により、前記充填層を高温に維持し、
   前記充填層に処理対象物を投入し、前記充填層で溶解された溶解物を下部より取り出す処理対象物の溶解方法。
5. 前記融液成長セラミック複合材料が、複数の異なる酸化物セラミックスの共晶凝固複合材料である請求項４記載の処理対象物の溶解方法。
6. 前記共晶凝固複合材料が、Ａｌ ₂ Ｏ ₃ とＹ ₃ Ａｌ ₅ Ｏ ₁₂ との複合材料である請求項５記載の処理対象物の溶解方法。

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