JP4313519B2 - スラグ冷却方法及びその装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、鉱滓または廃棄物に由来する焼却灰や飛灰等の灰分から、路盤材やコンクリート用粗骨材等の建設土木用の用途に再利用することができるスラグを製造するためのスラグ冷却方法及びその装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
本発明は、鉱滓や廃棄物に由来する焼却灰や飛灰等の灰分から、建設土木用の用途に再利用可能なスラグを製造する際に使用されるスラグ冷却方法及びその装置であり、一般の溶融炉に適用できるが、その溶融炉の一例として、廃棄物の熱分解反応炉と組み合わせた燃焼溶融炉を例にして、以下説明する。
【０００３】
都市ごみなどの一般廃棄物や廃プラスチックなどの可燃物を含む産業廃棄物の処理装置の一つとして、廃棄物を熱分解反応炉に入れて、低酸素雰囲気中で加熱して熱分解し、熱分解ガス（乾留ガス）と主として不揮発性成分からなる熱分解残留物とを生成し、この熱分解残留物を冷却した後、分離装置に供給して主として可燃性成分を含むやや細かい可燃性粗粒分と、主に不燃性成分からなり、主に有価物として回収される熱分解残渣であるやや粗い粗粒分とに分離し、このやや細かい可燃性粗粒成分と熱分解ガスとを燃焼溶融炉に導入して燃焼処理し、発生する燃焼灰を溶融スラグとなし、この溶融スラグを排出して冷却固化させるようにした廃棄物処理装置が、例えば特公平６−５６２５３号公報で知られている。
【０００４】
この廃棄物処理装置１は、例えば、図４の系統図に示すように、都市ごみ等の可燃物を含む廃棄物ａは、ごみクレーン２によりごみホッパー３に投入され、ごみ破砕機４で適当な大きさに破砕され、横型回転ドラム式（ロータリキルン式）の熱分解反応炉５に供給される。
【０００５】
供給された廃棄物ａは空気を遮断された低酸素濃度雰囲気の熱分解反応炉５内で、高温空気加熱器７からラインＬ1 を経て供給される加熱空気Ａｈにより、４５０℃程度に加熱されて、熱分解ガス（乾留ガス）Ｇｄと主として不揮発性成分からなる熱分解残留物ｃとに熱分解される。
【０００６】
そして、この熱分解によって発生する熱分解ガスＧｄはラインＬ3 を経て燃焼溶融炉６のバーナ６ａに供給される。
【０００７】
熱分解反応炉５から排出される低温の加熱空気Ａｌは、循環送風機９によりラインＬ2 から高温空気加熱器７へ循環されるようになっている。
【０００８】
一方、熱分解反応炉５で熱分解ガスＧｄと分離されて排出される熱分解残留物ｃは、冷却装置（冷却ドラム）10に供給され、例えば８０℃程度まで冷却された後、分離装置11に送られ、主として可燃性成分を含むやや細かい可燃性粗粒分の第１分離成分ｅと主に不燃性成分からなるやや粗い粗粒分の第２分離成分ｄとに分別される。
【０００９】
この第１分離成分ｅは、可燃性分を含み、燃焼溶融炉６に供給される熱分解生成物であり、可燃性成分や灰分や比較的細粒のガレキ等で構成されており、この第１分離成分ｅは粉砕機13で微粉に粉砕されて微粉第１分離成分ｅ1 としてラインＬ9 経由で燃焼溶融炉６のバーナ６ａに供給される。
【００１０】
また、第２分離成分ｄは、主に不燃性成分からなり、系外に排出され、主に有価物として回収される熱分解残渣であり、鉄・アルミ等の金属類で構成されており、この第２分離成分ｄはコンテナ12に収集される。
【００１１】
そして、燃焼溶融炉６では、ラインＬ3 から供給される熱分解ガスＧｄとラインＬ9 から供給される微粉第１分離成分ｅ1 が、押込送風機14によりラインＬ10から供給される燃焼用空気Ａｃにより約１，３００℃程度で高温燃焼する。
【００１２】
そして、この高温燃焼により生成した燃焼灰と微粉第１分離成分ｅ1 中の灰分、ガレキ等の不燃分とは、この高温燃焼により溶融し、溶融スラグＳｇとなり、水槽15等を使用したスラグ冷却装置で冷却固化され、この溶融スラグＳｇは、道路の骨材等として再利用される。
【００１３】
一方、この燃焼溶融炉６の燃焼ガスＧｃは、ラインＬ4 〜Ｌ5 の高温空気加熱器７，廃熱ボイラ８で熱回収された後、ラインＬ6 〜Ｌ8 のバグフィルタや電気集塵機等の集塵装置16による除塵、乾式脱塩装置または湿式ガス脱塩装置やＮＯｘ除去装置等のガス洗浄装置17による洗浄を経由して比較的低温のクリーンな排ガスＧｌとなって煙突18から大気に放出される。この廃熱ボイラ８で発生する蒸気Ｓで発電装置19を駆動して、この電気により自己消費分を賄うと共に余剰電力を外部へ送電する。
【００１４】
集塵装置16で集塵されたダストはラインＬ12を経て燃焼溶融炉６に供給され溶融スラグＳｇとして回収される。
【００１５】
なお、この廃棄物処理装置１の主なラインは誘引送風機20により大気圧よりやや低い圧力に維持され、ガス漏れを防止している。
【００１６】
上記のような廃棄物処理装置１においては、燃焼溶融炉６で、燃焼灰と微粉第１分離成分ｅ1 中の灰分、ガレキ等の不燃分や集塵装置16で集塵されたダスト等を高温で溶融し、溶融スラグＳｇを製造している。
【００１７】
また、上記の廃棄物処理装置の燃焼溶融炉以外にも、主電極（黒鉛電極）と炉底電極の間に直流電圧を印加してプラズマアークを発生させて溶融スラグを加熱し、順次供給される灰分を溶融するプラズマ溶融炉等の電気式溶融炉でも、溶融スラグが製造されている。
【００１８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、この溶融スラグの冷却で多用されている水砕スラグ方式では、溶融スラグを溶融状態から直接水槽に入れることによって急冷している。しかしながら、溶融状態のスラグを水冷等の急速な冷却を施してから回収すると、亀裂が入ったり、残留する熱歪みが大きくなったり等して、強度の低いものしか得られず、また、多くの場合、粉々に砕け粒径の大きなものが得られ難いという問題があり、粗骨材としての利用が難しい。
【００１９】
これらの問題点を解決するために、溶融スラグを一度溶融状態から約７００℃まで急冷し、その後ロータリーキルン式の結晶化装置内で約１０５０℃に加熱し、ガラス状の溶融スラグを結晶化スラグにして回収する焼却灰溶融石材化装置や、特開平１０−２７４４０６号公報に記載されているような、溶融スラグをコンベア上で冷却し、コンベア上の温度をスラグが結晶化する温度（約９００℃）に制御し、スラグを結晶化させて回収する結晶化スラグの冷却装置が提案されており、スラグを結晶化させることによって強度を高めている。
【００２０】
しかしながら、このスラグを結晶化する場合には、結晶化させる前の非晶質のスラグの組成が均一であるのに対して、結晶化させると数種類の結晶相を生じるため、組成が不均一になり易く、内部の成分が溶出し易いという問題がある。
【００２１】
例えば、都市ごみ由来のスラグを結晶化させた場合に、オージャイト、ゲーレナイト等の結晶を生じるが、このゲーレナイトは弱酸性域では非常に溶解し易い性質を持っており、そのため、結晶化させた都市ごみ由来のスラグは、本発明者らによって得られた図５の実験結果に示すように、非晶質のスラグに比べ弱酸性域において耐溶出安定性の点で劣り、再利用に際して注意が必要となるという問題がある。
【００２２】
そこで、上記の問題を解決するために、本発明者らは、様々な実験を行い、結晶化するか否かは、結晶化温度より少し低い温度までの冷却速度が、また、熱歪みが残留するか否かは、スラグのガラス転移点の前後の冷却速度が重要な要因であることを突き止め、これらの温度範囲内の冷却速度を適切なものとすることにより、非晶質で強度の高いスラグを得ることが可能であることが分かった。
【００２３】
本発明は上記に知見を得て、従来技術の問題点を解決するためになされたものであって、その目的は、残留する熱歪みが小さく、高強度で粒径も大きく、粗骨材としての利用し易く、その上、非晶質で、その組成が均一で、弱酸性域においても耐溶出性の点で優れているスラグが得られるスラグ冷却方法及びその装置を提供することにある。
【００２４】
【課題を解決するための手段】
〔スラグ冷却方法〕
そして、本発明のスラグ冷却方法は、次のような方法である。
【００２５】
１）鉱滓と廃棄物の少なくとも一方の灰分を溶融させる溶融炉から排出される溶融状態のスラグを冷却するスラグ冷却方法において、前記溶融炉下部に接続して設けた周壁部内で、溶融状態のスラグをスラグ受けに受けて、該スラグ受けで前記溶融状態のスラグを冷却した後、固化したスラグを前記スラグ受けから落下させて、前記周壁部内から排出させると共に、前記スラグ受け上で前記溶融状態のスラグを、２０℃／ｍｉｎ〜８０℃／ｍｉｎの冷却速度で、スラグ結晶化温度よりも２０℃〜８０℃低い温度まで冷却し、更に、スラグのガラス転移温度より１０℃〜３０℃高い温度まで冷却した前記溶融スラグを、２０℃／ｍｉｎ〜７０℃／ｍｉｎの冷却速度で、前記ガラス転移温度より７０℃〜１３０℃低い温度まで冷却する制御を行うことを特徴とする方法である。
【００２６】
この方法により、溶融スラグは溶融炉下部に接続して設けられた周壁部内のスラグ受けで、周壁部による保温効果や溶融炉の内部の熱や流下してくるスラグの熱を受けながら適度な冷却速度で所定の温度範囲まで冷却されるので、品質の良いスラグが得られる。
【００２７】
２）上記のスラグ冷却方法において、前記スラグ受けで溶融状態のスラグを受けてから、固化したスラグを前記スラグ受けから排出するまでの間の冷却速度の少なくとも一部を制御することにより、より高品質のスラグが得られる。
【００２８】
３）また、鉱滓や廃棄物等の灰分を溶融させる溶融炉から排出される溶融状態のスラグを冷却するスラグ冷却方法において、溶融状態のスラグをスラグ受けに受け、該スラグ受けで前記溶融状態のスラグを、スラグ結晶化温度以下まで急冷し、更に、スラグのガラス転移温度の近傍では緩冷する。
【００２９】
この結晶化温度とは、ガラスは、相平衡図における温度以下では、同じ組成の結晶体に比べて熱力学的に不安定であるため、徐々に再加熱してゆくと結晶を生じるが、その温度のことを言い、その組成によって異なるが都市ごみ由来スラグの場合、およそ８５０℃〜９００℃前後である。
【００３０】
また、ガラス転移温度とは、非晶質のガラス状態のものが、過冷却液体の状態に変わる温度のことであり、固体状のものが流動性を持ちはじめる温度で、その組成によって異なるが、都市ごみ由来スラグの場合、およそ７００℃前後である。
【００３１】
なお、ガラス転移温度や結晶化温度等に関しては、本明細書では、示差走査熱量計で測定した数値を用いている。
【００３２】
このスラグ結晶化温度以下までの急冷により結晶化を防止し、スラグのガラス転移温度の近傍における緩冷により熱歪みの残留を防止できるので、この急冷と緩冷の組み合わせにより、非晶質で組成が均一で、弱酸性域においても耐溶出性の点で優れており、更に、熱歪みが残留しない強いスラグが得られる。
【００３４】
このスラグ結晶化温度よりも２０℃〜８０℃低い温度までの下限である２０℃／ｍｉｎは、結晶化しない冷却速度であり、上限の８０℃／ｍｉｎは、溶融炉の下側で実現可能な実用的な範囲から定まる数値である。
【００３５】
また、スラグのガラス転移温度近傍の冷却速度の上限の７０℃／ｍｉｎは、熱歪みが残らない冷却速度であり、下限の２０℃／ｍｉｎは、冷却時間が実用的な範囲内の収まるようにするために設定される値である。
【００３６】
このスラグ冷却方法では、スラグ受けで溶融状態のスラグを、２０℃／ｍｉｎ〜８０℃／ｍｉｎの冷却速度でスラグ結晶化温度よりも２０℃〜８０℃程度低い第１温度まで冷却させる。このことによって、確実にスラグが結晶化することを防ぎ、非晶質の状態で回収する。
【００３７】
また、特に冷却速度を制御しないで、第１温度からスラグのガラス転移温度より略２０℃高い第２温度まで冷却する。
【００３８】
その後、この第２温度から前記ガラス転移温度より７０℃〜１３０℃程度低い第３温度まで２０℃／ｍｉｎ〜７０℃／ｍｉｎの冷却速度で冷却する。この冷却方法によって効率よく水砕スラグよりもスラグの強度を高めることができる。
【００３９】
なお、この後の第３温度以下の冷却ではどのような冷却速度をとってもかまわないが、冷却時間を節約するため、水冷とするのが好ましい。
【００４０】
〔スラグ冷却装置〕
上記のようなスラグ冷却方法を実施するためのスラグ冷却装置は、次のように構成される。
【００４１】
４）鉱滓と廃棄物の少なくとも一方の灰分を溶融させる溶融炉から排出される溶融状態のスラグを冷却するスラグ冷却装置において、前記溶融炉下部に接続して設けた周壁部と、該周壁内で溶融状態のスラグを受けるスラグ受けと、該スラグ受けで前記溶融状態のスラグを冷却する際にスラグの冷却速度を調整する冷却温度調整機構と、前記スラグ受けで固化したスラグを落下させて前記周壁部内から排出させるスラグ落下機構を有して構成されると共に、前記冷却温度調整機構が、前記スラグ受け上で前記溶融状態のスラグを、２０℃／ｍｉｎ〜８０℃／ｍｉｎの冷却速度で、スラグ結晶化温度よりも２０℃〜８０℃低い温度まで冷却し、更に、スラグのガラス転移温度より１０℃〜３０℃高い温度まで冷却した前記溶融スラグを、２０℃／ｍｉｎ〜７０℃／ｍｉｎの冷却速度で、前記ガラス転移温度より７０℃〜１３０℃低い温度まで冷却する制御を行うように構成される。
【００４２】
この装置では、溶融炉から排出される溶融スラグを、スラグ受けで受けて、このスラグ受けで冷却時の温度管理が必要な期間の間、冷却温度調整機構を使用して温度管理しながら冷却し、この冷却後、このスラグ落下機構により、周期的にスラグ受けのスラグを落下させ、このスラグ冷却装置の外で更に水冷や空冷等により冷却する。
【００４３】
また、このスラグ受けは、溶融状態のスラグを受け止めて、かつ、所定の時間溜めることができるように、皿形状や容器形状等で形成され、スラグ落下機構により、スラグ受けを水平軸回りに回転若しくは水平面から傾斜させる方法等によってスラグ受けに受けたスラグを落下させることができるように構成される。
【００４４】
そして、スラグを受けて冷却して、固化したスラグを落下させることを繰り返すが、この繰り返しは、予め冷却における温度パターンを測定しておき、好ましい性状のスラグが得られるような温度パターンになる時間を設定しておき、この設定された時間で周期的に繰り返すこともできる。
【００４５】
また、周期的な繰り返しでなく、次のような温度センサを使用してより厳密な温度管理を行うこともできる。
【００４６】
５）そして、上記のスラグ冷却装置において、前記スラグ落下機構に対して、前記スラグ受けの温度を測定する温度センサの検出値に基づいて、前記スラグ受けに受けたスラグを落下させるように制御する制御装置を有して構成される。
【００４７】
この構成により、実際のスラグの温度に従ったより厳密な温度管理ができる。
【００４８】
ここで言うスラグの温度とは、前記スラグ受けで受けたスラグの中心付近の温度であり、このスラグ内部温度は、例えば、前記スラグ受けのスラグを受ける面に熱電対を取付け、その先端を垂直に立てることによって測定できる。
【００４９】
しかし、スラグの流れ落ちる位置が不安定な場合は、目的とするスラグの中心温度を測定できなくなることが起こりうるので、スラグの内部温度と表面温度等の測定可能な温度との相関性を把握し、この相関性に基づいて、温度測定をしながらスラグ落下機構を制御する。これにより、熱電対先端をスラグ受けのスラグを受ける面上に取り付ける方法より、放射温度計を使用する等の簡便な温度測定方法を採用することができる。
【００５０】
６）また、上記のスラグ冷却装置において、前記冷却温度調整機構を、前記スラグ受けの温度、または、前記スラグ受けの周辺の温度を測定する温度センサの検出値に基づいて、前記スラグ受けの位置を変化させるスラグ受け移動機構で形成する。
【００５１】
この装置では、スラグの温度をスラグ受け自体に取り付けた熱電対や、スラグからの熱放射を受ける放射温度計等でスラグの温度や表面温度を測定し、スラグの温度や冷却速度を監視しながら、スラグ受けの位置をスラグ受け移動機構により移動する。
【００５２】
この場合、予め把握しておいたスラグ受け周辺の雰囲気温度と溶融スラグの冷却特性との相関性に基づいて、スラグ受け移動機構を制御し、スラグが溶融状態で溶融炉から排出された温度からスラグに熱歪みが残留しなくなる温度まで、所定の冷却速度を維持できる位置にスラグ受けを移動しながら、所定の温度パターンでスラグ受けのスラグを冷却する。
【００５３】
このスラグの冷却速度は、スラグ受けを溶融炉の炉心側に移動、例えば、上方向に移動や中心方向（スラグが流下する流下点側）に移動することにより、遅くすることができ、また、それぞれ逆方向に移動することにより、早くすることができる。
【００５４】
７）また、更に、上記のスラグ冷却装置において、前記スラグ受けを、複数個配置して構成し、スラグの生成量が多くなった場合に対応する。この複数個のスラグ受けは、放射状または段状等に配置される。
【００５５】
【発明の実施の形態】
以下図面を参照して本発明に係るスラグ冷却方法及びその装置について説明する。なお、ここでは廃棄物の熱分解反応炉と組み合わせた燃焼溶融炉を例にしているが、本発明は、これ以外の一般の溶融炉にも適用可能である。
【００５６】
〔スラグ冷却方法〕
本発明の実施の形態の一つであるスラグ冷却方法は、図４に示すような廃棄物処理装置１の燃焼溶融炉６等の溶融炉から排出される溶融状態のスラグＳｇを冷却する方法であり、図１に示すような温度パターンで行われる。
【００５７】
先ず、１，３００℃程度で溶融し、燃焼溶融炉６から排出された状態からスラグ結晶化温度Ｔｅｃ（約９００℃前後）程度よりも約５０℃低い第１温度Ｔ1 までの冷却速度を２０℃／ｍｉｎ〜８０℃／ｍｉｎ（図１のＲａの範囲内）、例えば３０℃／ｍｉｎ（図１の線Ｌａ）とする。この冷却速度を維持することにより、スラグ受け51ｉ上のスラグＳｇＢが結晶化することを防ぎ、非晶質の状態で回収できることになる。
【００５８】
そして、更に、第１温度Ｔ1 からスラグＳｇＢのガラス転移温度Ｔｇ（約７００℃前後）より約２０℃高い第２温度Ｔ2 まで冷却する。この時の冷却速度は特に指定しないが、図１の例では５０℃／ｍｉｎ程度である。
【００５９】
次に、第２温度Ｔ2 からガラス転移温度Ｔｇより約１００℃低い第３温度Ｔ3 までの冷却速度を、２０℃／ｍｉｎ〜７０℃／ｍｉｎ（図１のＲｂの範囲内）、例えば、６０℃／ｍｉｎ（図１の線Ｌｂ）や４０℃／ｍｉｎ（図１の線Ｌｃ）とする。これにより、スラグＳｇＢの強度を水砕スラグよりも高めることができる。
【００６０】
この後の第３温度Ｔ3 以下においては水槽15内で水冷するが、この冷却においては、特に冷却速度の範囲を定めず、適当に冷却する。
【００６１】
〔スラグ冷却装置〕
次に、上記のスラグ冷却方法を実施するためのスラグ冷却装置について説明する。この本発明の実施の形態の一つであるスラグ冷却装置は、図４に示すような廃棄物処理装置１の燃焼溶融炉６等の下部に接続して設けられるものであり、以下のように構成される。
【００６２】
図２及び図３に示すように、このスラグ冷却装置40は、周壁部41と、この周壁部41に配置されたスラグ受け部50とから形成される。
【００６３】
この周壁部41は、その上部は、燃焼溶融炉６の下部に接続され、流下してくる溶融スラグＳｇＡを囲むと共に、下部は、下に配設された水槽15の水中部分に開口している。
【００６４】
また、スラグ受け部50は、図２及び図３に示すように、複数個（図３では６個）の皿形状や容器形状等で形成されるスラグ受け51ａ．．．51ｆ（以下51ｉで代表する。ｉ＝ａ，ｂ，．．．ｆ）を有して構成される。
【００６５】
このスラグ受け51ｉは、燃焼溶融炉６の下部から流下してくる溶融スラグＳｇＡの流下点Ｃ2 を中心に放射状に配置されると共に、それぞれがスラグ落下機構52ｉとスラグ受け移動機構60ｉと温度センサ55ｉ，56ｉを有して形成される。
【００６６】
そして、このスラグ受け51ｉの内の一つを流下点Ｃ2 に移動して、燃焼溶融炉６から流下してくる溶融スラグＳｇＡを受け止め、所定量溜めたら周壁41側に引き寄せられて、所定温度まで冷却し、冷却後のスラグＳｇＢを落下させるように制御される。
【００６７】
このスラグ受け51ｉの下側には固化したスラグＳｇＢを水冷できるように水槽15を配設し、更に、この水槽15の内部から外部の破砕機72の間に水冷後のスラグＳｇＣを破砕機72へ搬送するコンベア71を設ける。また、この破砕機72から出てくる破砕されたスラグＳｇＤを貯留するためのコンテナ73を、破砕機72の出口に配設する。
【００６８】
〔スラグ落下機構〕
このスラグ落下機構52ｉは、スラグ受け51ｉ上の冷却固化したスラグＳｇＢを落下させるための機構であり、図示しない制御装置（コントローラ）で制御され、スラグ受け51ｉをモーター53ｉにより水平軸54ｉ回りに回転させることにより、スラグ受け面を水平状態から傾斜状態や垂直状態またはそれ以上に回転した状態にして、スラグＳｇＢを落下する。なお、このスラグ落下機構52ｉはこれに限定されるものではなく、他の周知の機構、例えば、スラグ受け51ｉの底部が開閉するような機構等を採用してもよい。
【００６９】
〔スラグ受け移動機構〕
また、スラグ受け移動機構60ｉは、スラグ受け51ｉを上下方向（Ｚ方向）に移動する昇降機構61ｉと、スラグ受け51ｉを流下点Ｃ2 とその外側との間で移動する延出機構62ｉとからなる。
【００７０】
この昇降機構61ｉは、スラグ受け51ｉを図２に示すＺ方向に上下移動して、燃焼溶融炉６の炉心Ｃ1 側に近づけたり、遠ざけたりする。この上下位置の変化により、炉心Ｃ1 からの距離を変化させて、スラグ受51ｉ上のスラグＳｇＢの放熱量を調整し、冷却速度を制御する。
【００７１】
また、延出機構62ｉは、図３に示す水平面内で、溶融スラグＳｇＡの流下点Ｃ2 に対して遠近方向となるＨｉ（Ｈａ〜Ｈｆ）方向に、スラグ受け51ｉを移動する。この延出機構62ｉにより、各スラグ受け51ｉを順番に流下点Ｃ2 に延ばして、燃焼溶融炉６から出てくる溶融スラグＳｇＡを一定時間受けて溜めた後、このスラグ受け51ｉ（例えば51ａ）を外側方向に移動して冷却行程に入る。
【００７２】
この時、別のスラグ受け51ｉ（例えば51ｂ）を流下点Ｃ2 側に延ばして、燃焼溶融炉６から流下してくる溶融スラグＳｇＡを受ける役割を引き継ぐ。このスラグ受け51ｂを予め先のスラグ受け51ａの下側に延ばしておけば、スラグ受け51ａを外側に引いたときでも、流下してくる溶融スラグＳｇＡを連続して受けることができる。そして、スラグ受け51ａが周壁部41側に引き寄せられた後、このスラグ受け51ｂを上昇し、スラグ受け51ａがあった位置に配置する。
【００７３】
この昇降機構61ｉや延出機構62ｉは、周知の技術のピストン機構やスライディング機構を使用して容易に形成することができる。
【００７４】
〔温度センサ〕
また、スラグ受け51ｉの溶融スラグＳｇＡを溜める側に、スラグの温度を測定するための熱電対等の温度センサ55ｉを、また、反対側にスラグ受け51ｉの周辺の雰囲気温度を測定するための熱電対等の温度センサ56ｉを取り付けて、これらの温度センサ55ｉ，56ｉの検出値を図示しない制御装置（コントローラ）に入力する。
【００７５】
〔冷却操作〕
以上の構成のスラグ冷却方法とその装置によれば、次のようにして、溶融スラグＳｇＡが冷却される。
【００７６】
先ず、一つのスラグ受け51ａを延出機構62ａにより、溶融スラグＳｇＡの流下点Ｃ2 に延ばして、燃焼溶融炉６から出てくる溶融スラグＳｇＡを所定時間、例えば２０分間程度受けて溜めた後、このスラグ受け51ａを縮めて、冷却行程に入る。この時、別のスラグ受け51ｂを溶融スラグＳｇＡの流下点Ｃ2 に延ばしておき、燃焼溶融炉６から出てくる溶融スラグＳｇＡを受ける役割をスラグ受け51ａから引き継ぐ。
【００７７】
一方、冷却行程に入ったスラグ受け51ａは、温度センサ55ａ及び温度センサ56ａの検出温度を参照しながら、前記した図１に示すような温度パターンで、スラグ受け51ａ上の溶融スラグＳｇＢが冷却されるように、スラグ受け51ａの昇降機構61ａで上下位置を制御し、また、必要に応じて、延出機構62ａで流下点Ｃ2 との距離を制御し、所定の温度の間における所定の冷却速度を維持しながら、ガラス転移温度Ｔｇより１００℃程度低い第３温度Ｔ3 以下まで冷却する。
【００７８】
この第３温度Ｔ3 以下になってから、スラグ受け51ａをスラグ落下機構52ａにより、水平軸54ａ回りに回動し、スラグ受け51ａ上で固化したスラグＳｇＢを、水槽15の水中のコンベア71上に落下させる。
【００７９】
このスラグＳｇＢを水中で適当な時間、例えば１０分間程度冷却した後、コンベア71で破砕機72に搬送し、この破砕機72で、水冷されたスラグＳｇＣを１０ｍｍ以下の大きさに粉砕しスラグ製品ＳｇＤとする。
【００８０】
そして、先に交代して溶融スラグＳｇＡを受けているスラグ受け51ｂが同様な行程を経ることにより、スラグ受け51ｂ上のスラグＳｇＢを所定の温度パターンで冷却固化し、更に水冷及び破砕して、スラグ製品ＳｇＤとする。これを順次交代しながら継続することにより、スラグ製品ＳｇＤを製造する。
【００８１】
〔実施例〕
次に、実際に上記のスラグ冷却方法で製造した実施例について説明する。
【００８２】
この実施例のスラグは、都市ごみ由来のスラグであり、図４に示すような熱分解反応器５を備えた廃棄物処理装置１の燃焼溶融炉６で製造されたスラグであり、スラグ受け51ｉを２０分間に１回の割合で回動し、２０分間溶融スラグＳｇＡを溜め続けた後、下の水槽15に落下させた。
【００８３】
この冷却時の温度パターンは、図１に示す線Ｌｄの温度パターンであり、８５０℃の第１温度までは、２０℃／ｍｉｎ以上の３０℃／ｍｉｎの冷却速度を維持し、７２０℃の第２温度から６００℃の第３温度までは、７０℃／ｍｉｎ以下の略５０℃／ｍｉｎの冷却速度を維持した。
【００８４】
そして、この固化したスラグＳｇＢを、水槽15内のコンベア71上に落とし、１０分間経過後にコンベア71によって取り出し、この水冷後のスラグＳｇＣを粉砕機72で１０ｍｍ以下の大きさに粉砕し、スラグＳｇＤを得た。
【００８５】
この落下前のスラグ内部温度は、温度センサ55ａによって計測されるスラグ表面温度から推算される温度で、約７１０℃となっており、スラグ受け51ｉ上のスラグＳｇＢを結晶化させずに非晶質の状態で冷却固化できることが確認できた。また、この落下前のスラグ受け51ｉ上のスラグＳｇＢは１００ｍｍ〜１２０ｍｍ大の塊状であった。
【００８６】
そして、粉砕したスラグＳｇＤをＸ線回折で調べたところ、非晶質のピークしか得られず、全く結晶化していないことが分かった。
【００８７】
また、「ＪＩＳ Ａ １１２１」の「ロサンゼルス試験器による粗骨材のすりへり試験」を行ったところ、３０．９％となり、ＪＩＳのＡ５３０８の附属書１規定のレディーミクストコンクリート用粗骨材の規格値を満たす値が得られ、これにより、このスラグ製品ＳｇＤは建築土木用材料として、十分に使用可能であることが分かった。
【００８８】
なお、このすりへり試験は、回転筒に試料と共に鋼球を入れて回転させて、粗骨材のすりへり損失量を計測する試験であり、また、レディーミクストコンクリートは、整備した工場で作られ、現場に配置されるまではまだ固まらないコンクリートのことであり、所謂、生コンである。
【００８９】
本実施例で製作した徐冷非晶質スラグと結晶化スラグについて溶出特性を調べるために、環境庁告示４６号試験（土壌基準）とｐＨ依存性試験評価を行った。ここで言うｐＨ依存性試験評価とは、スラグを３００μｍ以下に粉砕し、６時間の間ｐＨを一定に制御した後の溶出量を調べる方法である。このｐＨ依存性試験評価を、スラグの主成分元素であるＳｉについてｐＨ２〜７の範囲で行った結果が図５である。
【００９０】
環境庁告示４６号試験はＰｂ、Ｃｄ、Ａｓ、六価Ｃｒ、総Ｈｇ、Ｓｅの各項目について行った。その結果、本実施例で製作した徐冷非晶質スラグ、結晶化スラグ共にいずれの項目についても溶出基準値を下回り、土壌汚染のおそれがないことが確認できた。
【００９１】
一方、スラグの主成分元素であるＳｉ溶出量のｐＨ依存性を図５で見ると、弱酸性域〜中性域での溶出量については、本実施例で製作した徐冷非晶質スラグの方が結晶化スラグよりも一桁少ない。このことから徐冷非晶質スラグの方が弱酸性域〜中性域での耐溶出安定性に優れていることがわかる。
【００９２】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明に係るスラグ冷却方法及びその装置によれば、次のような効果を奏することができる。
【００９３】
１）本発明のスラグ冷却方法によれば、溶融炉下部に接続して設けた周壁部内で、溶融スラグをスラグ受けで受けて、溶融炉の内部の熱を利用しながら適度な冷却速度で冷却できるので、品質の良いスラグを得ることができる。
【００９４】
２）上記のスラグ冷却方法において、前記スラグ受けで溶融状態のスラグを受けてから、固化したスラグを前記スラグ受けから排出するまでの間の冷却速度の少なくとも一部を制御するので、より高品質のスラグが得られる。
【００９５】
３）また、スラグ結晶化温度以下まで急冷し、更に、スラグのガラス転移温度の近傍では緩冷する方法によれば、スラグ受けで溶融状態のスラグをスラグ結晶化温度以下まで急速に冷却させることによってスラグが結晶化することを防ぎ、非晶質の状態で回収することができる。そのため、組成が均一で、弱酸性域においても耐溶出性の点で優れているスラグを得ることができる。
【００９６】
また、スラグのガラス転移温度より高い温度から低い温度まで所定の冷却速度の範囲で穏やかに冷却することにより、水砕スラグよりも強度が高い、熱歪みが残留しない強いスラグを得ることができる。
【００９７】
４）また、スラグ受けで溶融状態のスラグを、２０℃／ｍｉｎ〜８０℃／ｍｉｎの冷却速度で、スラグ結晶化温度よりも２０℃〜８０℃低い温度まで冷却し、更に、スラグのガラス転移温度より１０℃〜３０℃高い温度まで冷却した前記溶融スラグを、２０℃／ｍｉｎ〜７０℃／ｍｉｎの冷却速度で、前記ガラス転移温度より７０℃〜１３０℃低い温度まで冷却することにより、確実にスラグが結晶化することを防ぎ、また、効率よく、高強度のスラグを得ることができる。
【００９８】
５）本発明のスラグ冷却装置によれば、溶融炉から排出される溶融スラグを、スラグ受けで受けて、このスラグ受けで冷却時の温度管理が必要な期間の間、冷却温度調整機構を使用して温度管理しながら冷却し、この冷却後、周期的にスラグ落下機構により、スラグ受けのスラグを落下させ、このスラグ冷却装置の外で更に水冷や空冷等により冷却することができるので、好ましい性状のスラグを得ることができる。
【００９９】
６）また、温度センサの検出値を使用してスラグ落下機構を制御するスラグ冷却装置によれば、スラグの冷却温度を監視しながら冷却することにより、より細かい温度管理を行うことができ、より品質の良いスラグを得ることができる。
【０１００】
７）そして、冷却温度調整機構を、温度センサの検出値によって前記スラグ受けの位置を変化させるスラグ受け移動機構で形成したスラグ冷却装置によれば、冷却速度を測定しながら、スラグを受けたスラグ受けの位置を移動して、冷却速度を制御できるので、所定の温度パターンでスラグ受けのスラグを冷却することができる。
【０１０１】
８）また、スラグ受けを複数個配置したスラグ冷却装置によって、スラグの生成量が多くなった場合に容易に対応することができる。
【０１０２】
従って、本発明に係るスラグ冷却方法及びその装置によれば、スラグを結晶化させず組成が均一で、弱酸性域においても耐溶出安定性の点で優れている非晶質の状態で冷却して回収できる。そのため、残留する熱歪みが小さく、高強度で粒径が大きいスラグが得られる。
【０１０３】
その上、冷却時間も比較的短く、また、厳密な温度管理が不要であるので、温度制御装置等多数の付属機器が不要となり、低コストで、粗骨材としての利用し易いスラグを得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る冷却方法の例を示す温度パターン図である。
【図２】本発明に係る実施の形態のスラグ冷却装置の構成を示す模式的な側断面図である。
【図３】図１のスラグ冷却装置の構成を示す模式的な平面図である。
【図４】燃焼溶融炉を有する廃棄物処理装置の系統図である。
【図５】非晶質スラグと結晶化スラグの溶出特性を示す図である。
【符号の説明】
６ 都市ごみ溶融炉
40 スラグ冷却装置
41 周壁
50 スラグ受け部
51ｉ スラグ受け（ｉ＝ａ，ｂ，ｃ，ｄ，ｅ，ｆ）
52ｉ スラグ落下機構
53ｉ モーター
54ｉ 水平軸
55ｉ 温度センサ（熱電対）
56ｉ 温度センサ（熱電対）
60ｉ スラグ受け移動機構
61ｉ 昇降機構
62ｉ 延出機構
Ｓｇ 溶融スラグ
ＳｇＡ 溶融状態のスラグ
ＳｇＢ 冷却固化したスラグ
ＳｇＣ 水冷後のスラグ
ＳｇＤ 粉砕後のスラグ

Claims (5)

1. 鉱滓と廃棄物の少なくとも一方の灰分を溶融させる溶融炉から排出される溶融状態のスラグを冷却するスラグ冷却方法において、
   前記溶融炉下部に接続して設けた周壁部内で、溶融状態のスラグをスラグ受けに受けて、該スラグ受けで前記溶融状態のスラグを冷却した後、固化したスラグを前記スラグ受けから落下させて、前記周壁部内から排出させると共に、
   前記スラグ受け上で前記溶融状態のスラグを、２０℃／ｍｉｎ〜８０℃／ｍｉｎの冷却速度で、スラグ結晶化温度よりも２０℃〜８０℃低い温度まで冷却し、更に、スラグのガラス転移温度より１０℃〜３０℃高い温度まで冷却した前記溶融スラグを、２０℃／ｍｉｎ〜７０℃／ｍｉｎの冷却速度で、前記ガラス転移温度より７０℃〜１３０℃低い温度まで冷却する制御を行うことを特徴とするスラグ冷却方法。
2. 鉱滓と廃棄物の少なくとも一方の灰分を溶融させる溶融炉から排出される溶融状態のスラグを冷却するスラグ冷却装置において、
   前記溶融炉下部に接続して設けた周壁部と、該周壁内で溶融状態のスラグを受けるスラグ受けと、該スラグ受けで前記溶融状態のスラグを冷却する際にスラグの冷却速度を調整する冷却温度調整機構と、前記スラグ受けで固化したスラグを落下させて前記周壁部内から排出させるスラグ落下機構を有して構成されると共に、
   前記冷却温度調整機構が、前記スラグ受け上で前記溶融状態のスラグを、２０℃／ｍｉｎ〜８０℃／ｍｉｎの冷却速度で、スラグ結晶化温度よりも２０℃〜８０℃低い温度まで冷却し、更に、スラグのガラス転移温度より１０℃〜３０℃高い温度まで冷却した前記溶融スラグを、２０℃／ｍｉｎ〜７０℃／ｍｉｎの冷却速度で、前記ガラス転移温度より７０℃〜１３０℃低い温度まで冷却する制御を行うことを特徴とするスラグ冷却装置。
3. 前記スラグ落下機構に対して、前記スラグ受けの温度を測定する温度センサの検出値に基づいて、前記スラグ受けに受けたスラグを落下させるように制御する制御装置を有して構成されることを特徴とする請求項２記載のスラグ冷却装置。
4. 前記冷却温度調整機構が、前記スラグ受けの温度、または、前記スラグ受けの周辺の温度を測定する温度センサの検出値に基づいて、前記スラグ受けの位置を変化させるスラグ受け移動機構であることを特徴とする請求項２又は３に記載のスラグ冷却装置。
5. 前記スラグ受けを、複数個配置することを特徴とする請求項２〜４のいずれか１項に記載のスラグ冷却装置。

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