JP4514363B2 - 焼却灰の溶融固化物と溶融固化処理方法及び装置並びに溶融固化物の利用方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、都市ごみ等の廃棄物を焼却することにより発生する焼却灰の溶融固化物と溶融固化処理方法及び装置並びに溶融固化物の利用方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
日本全国で、一般廃棄物（都市ごみ）は、平成9年度のデータによれば、年間5,120万ｔ発生しており、そのうち７８％が焼却処理され、焼却残渣（焼却灰）が約600万t/年発生している。焼却によりごみの体積が約１／１０に減容されるとはいえ、埋立地の不足や確保の困難さ、埋め立てた灰からの有害物の溶出あるいは未燃焼物による環境汚染の防止の観点から焼却灰の溶融固化処理が望まれている。
【０００３】
溶融方法として、バーナにより灰の表面を加熱し溶融する方式や電気エネルギーを使う方法としてアークやプラズマの熱源を用いる方式や、３相交流、直流電流を使う抵抗加熱方式等が商品化されている。また、溶解炉内に導電性発熱体を配置し、この導電性発熱体を誘導加熱することによって、該炉内に投入された焼却灰を溶融する装置も提案されている。ゴミ焼却灰の溶融方法に関する特許提案としては、プラズマ加熱方式（特開平１−２７３９０８号公報）、アーク放電加熱方式（特開平２−９９１８４号公報）、電磁誘導加熱方式（特開昭６１−２１０９９８号公報、特開平３−２６７１８６号公報、特開平３−２６７１８７号公報）、バーナ燃焼加熱（表面溶融）方式（特開平３−２６３５１３号公報）等が知られている。
【０００４】
上記各種の溶融固化処理方法により、溶融物はガラス質の固形物として減容回収することができるが、投棄地の容量にも限界があり、より一層の減容化や再資源化の努力が払われるようになってきている。最近では、資源のリサイクル化の観点に立った研究が進み、堆肥化や有価物の回収といったことも行われる。このような再資源化には無害化処理が重要であるが、ごみ焼却灰の溶融スラグから建築資材等を再生する方法が、特に注目を浴びるようになってきている（特開平７−１５５７２８号公報、特開平９−３０１７５０号公報、特開平１１−２１１５５号公報等参照）。
【０００５】
前記特開平９−３０１７５０号公報の従来の技術の項には、上記に関連して下記旨の記載がある。即ち、「焼却灰を１５００℃以上の温度で溶融すると、焼却灰中の可燃物が燃焼しダイオキシンは完全に分解されること、重金属類はガラス質のスラグ中に閉じ込められること、焼却灰を１／３以下に減容できることなどの利点が挙げられる。これは、焼却灰中の無機分も溶けて融液となり、特開平３−２７５１３３号公報に記載されているように、それを冷却すると固化したスラグとすることができるからである。
【０００６】
ところで、前記スラグは、路盤材や建築土木用骨材として使用されたり、成形することによってタイルや装飾品に加工することができる。いずれにおいても、無害化や化学的安定性が要求されることは言うまでもないが、そのような溶融スラグを生成させて人工骨材を製造する方法や装置が種々提案されている。溶融スラグを生成する代表的なものとして、旋回溶融法，電気溶融法，コークス燃焼還元溶融法といった方法が採用されている。
【０００７】
旋回溶融法は、焼却灰をアノルサイトＣａＯ・２ＳｉＯ2・Ａｌ2Ｏ3の結晶が析出しやすい組成に成分調整し、旋回炉を用いて焼却灰を１４００℃ないし１４５０℃の雰囲気で溶融させ、それを急冷してガラスとし、その非晶質なスラグを再加熱してアノルサイトを均一に析出させ、石材化する方法である。これは、焼却灰に含まれている鉄分と硫黄分から硫化鉄を生成させ、それを結晶核形成物質として利用している。」
また、前記特開平７−１５５７２８号公報には、「廃棄物を焼却して得た灰を電磁誘導加熱方式により連続的に溶融し、排出した後ガラス化する焼却灰溶融処理方法において、溶融処理装置への投入前に焼却灰成分組成に対してあらかじめ溶融時の融点がＣａＯ−ＳｉＯ2−Ａｌ2Ｏ3三元系液相線図において１４００℃以下の範囲となりかつ溶融物の粘度がＣａＯ−ＳｉＯ2−Ａｌ2Ｏ3３元系１４００℃等粘度曲線図において４０ポアズ以下の範囲となるようにＣａＯ、ＳｉＯ2、Ａｌ2Ｏ3の成分組成を調整すること」により、焼却灰溶融固化物の体積を低減し、無害化する技術が開示されている。
【０００８】
さらに、前記特開平９−３０１７５０号公報には、「生活ごみ，下水汚泥，産業廃棄物等のごみを焼却して生じた焼却灰の溶融スラグから人工骨材を合成するために、還元容易なＦｅ・Ｃｒ・Ｐ等の酸化物を溶融還元して溶融銑鉄を生成すると共にガス含有率が低くＳｉＯ2等を主成分した溶融スラグを生成し、該溶融スラグを徐冷した状態で凝固させ、凝固した鋳造スラグを破砕し、破砕された鋳造スラグ中に残留する非晶質部分を熱処理すると共に残留内部歪を除去して、ガス含有率の極めて低い組織の緻密な結晶化が図られたスラグを生成させるコンクリート用人工骨材の製造方法において、ＭｇＯ含有量が５％ないし２０％までの範囲における目標％もしくはそれに極めて近似した含有％となるような低融点であって共晶凝固する組成を有した溶融スラグを生成させ、床敷き用砂上へ前記溶融スラグを供給し、その後に被覆用砂で該溶融スラグを覆い、該被覆用砂および前記溶融スラグの上面に多数の凹み溝を与えると共に、型押しすることにより前記溶融スラグの厚みが２５ｍｍ以下となるように調整し、その後に保温用砂を被せ、前記溶融スラグを共晶凝固現象に基づき一次再結晶させるようにしたことを特徴とする焼却灰溶融スラグからの人工砂利製造法」が開示され、「上記により、焼却灰の還元溶融によりＦｅ系酸化物ならびにその他の重金属類や還元可能な酸化物類を含まず、また、ＣａＯ−ＳｉＯ2−Ａｌ2Ｏ3三元系の限られた共晶点の範囲を、５％ないし２０％までの範囲における目標％もしくはそれに極めて近似した含有％となるＭｇＯを添加した四元系に改質することにより拡大することができ、床敷き用砂上に供給された溶融スラグは被覆用砂および保温用砂によって覆われるので、急冷を抑制することによって四元系相平衡状態での共晶凝固現象に基づく一次再結晶が実現できる」旨、記載されている。
【０００９】
さらにまた、前記特開平１１−２１１５５号公報には、「焼却灰の飛散を防止するよう加湿した焼却灰を乾燥させる乾燥工程と、該乾燥工程終了後、乾燥させた焼却灰を溶融に適した形態に固める固化工程と、該固化工程終了後、固めた焼却灰に、廃棄プラスチック、コークスおよび石灰石のうち少なくともコークスおよび石灰石などの副資材を添加して混合し、焼却灰を成分調整する混合調整工程と、該混合調整工程終了後、成分調整した焼却灰を溶融炉で溶融して溶融スラグを得る溶融工程と、該溶融工程終了後、溶融スラグを徐冷して石化させた後、所望の粒度の人工骨材に粉砕する骨材化工程とを備えることを特徴とする人工骨材の製造方法」が開示されている。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、前述の特開平７−１５５７２８号公報に記載された焼却灰溶融固化処理方法は、あらかじめ乾燥焼却灰の組成分析を行って、ＣａＯ、ＳｉＯ2、Ａｌ2Ｏ3を必要量供給することにより、焼却灰の組成調整を行なう方法であり、手順が複雑となる問題がある。
【００１１】
また、特開平９−３０１７５０号公報または特開平１１−２１１５５号公報等に記載された焼却灰溶融固化処理方法は、成分調整材としてＭｇＯまたは石灰石等の副資材を添加する方法であって、成分調整材としての副資材コストが問題点となる。前記特開平７−１５５７２８号公報に記載された方法においてもこの問題は同様である。
【００１２】
この発明は、上記のような問題点を解消するためになされたもので、本発明の課題は、焼却灰の減容化および無害化に当り、成分調整材としての副資材コストを低減し、さらに溶融固化物の特に海中設置資材としての有効利用を図ることが可能な、焼却灰溶融固化処理方法及び装置並びに溶融固化物とその利用方法を提供することにある。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
前述の課題を解決するため、この発明の焼却灰の溶融固化物は、乾燥焼却灰にホタテ，カキ等の貝殻からなる成分調整材および還元剤を混合して電気炉で溶融処理し、ＳｉＯ2，Ａｌ2Ｏ3，ＣａＯ，ＭｇＯ等を主成分とする溶融スラグを出滓させ、この出滓した溶融スラグに鉄イオン供与体を添加して鋳型に鋳込んで徐冷し結晶化することにより、所定の形状・寸法に岩石化してなるものとする（請求項１の発明）。
【００１４】
上記発明によれば、焼却灰の成分調整材として、現状では廃棄処理に困っているホタテ，カキ等の貝殻を使用するものとしたので、安価な溶融固化物を得ることができる。ホタテ，カキなどの貝殻は、年間約３０〜５０万ｔ発生していると推定され、特にホタテ，カキの産地である青森県、北海道、宮城県、広島県などでの発生が多い。これらの貝殻は主成分がＣａＣＯ3であり、カルシウムの供給源として様々な用途開発の研究がすすめられているが、技術的、経済的理由により有効利用される方策がなく困っているのが現状である。特に青森県では長期間野積み状態にさらされており、一部では異臭の発生や景観を損ねる問題もでてきている。このような状況下において、焼却灰の成分調整材としてホタテ、カキなどの貝殻を活用できることは、環境問題も含めて経済的効果が大きい。
【００１５】
前記溶融固化物は、その溶融試験を行なった結果、後述するように無害であり、さらに結晶形態がゲーレナイト（２ＣａＯ−ＳｉＯ2−Ａｌ2Ｏ3）であって岩石としての強度がコンクリートブロックの約２〜４倍となるので、特に海中設置資材として好適に利用できる。
【００１６】
さらに、前記請求項１に記載の溶融固化物は、鉄イオン供与体を含んでなるものとするが、この作用効果については、関連する下記請求項６の発明の説明において述べる。
【００１７】
請求項６の発明は、焼却灰溶融固化物の利用方法であって、前記請求項１に記載の焼却灰溶融固化物を、海中でコンブ，ワカメ等の海藻類の生育のための藻床部材、もしくは魚介類繁殖のための魚床部材として利用することを特徴とする。後述するように、前記焼却灰溶融固化物を海中に設置したところ、これを藻床として、ワカメ、コンブ類をはじめとしてかなりの種類と数の海藻類がよく生育することが確認された。コンクリートブロックに比較すると、その生育は、顕著に速く、また、前記請求項１の発明のように、鉄イオン供与体を含んでなる焼却灰溶融固化物の方が、ミネラルの生育効果によって効果が高い。コンクリートブロックの場合には、アルカリ成分としてＣａ（ＯＨ）2を含んでおり、これが海中に溶出して、海藻類の生育を妨げるといわれている。
【００１８】
さらに、前記焼却灰溶融固化物は、前述のように結晶形態がゲーレナイトであって岩石としての強度が大きいので、海中の砂や水の動きによって摩耗され難く、海中設置資材として、この観点からもコンクリートブロックよりも好適である。また、藻床として好適な焼却灰溶融固化物は、海洋生物学的に魚床としても好適であり、焼却灰溶融固化物の形状寸法は、藻や魚の種類に応じて適宜、好ましいものとすることができる。
【００１９】
また、上記請求項１記載の焼却灰溶融固化物を得るための焼却灰溶融固化処理方法としては、下記請求項２ないし５の発明が好ましい。即ち、請求項２の発明によれば、乾燥焼却灰に成分調整材および還元剤を混合して電気炉で溶融処理する工程と、ＳｉＯ2，Ａｌ2Ｏ3，ＣａＯ，ＭｇＯ等を主成分とする溶融スラグを出滓させる工程と、この出滓した溶融スラグに鉄イオン供与体を添加した後、鋳型に鋳込んで徐冷し結晶化する工程とを含む焼却灰溶融固化処理方法であって、前記成分調整材として、ホタテ，カキ等の貝殻を用いることとする。前記請求項２の発明の方法によれば、前記焼却灰溶融固化物が得られる効果の他に、焼却灰溶融温度が低下し、また溶融スラグの流動性が向上するので、溶融スラグの取出しならびに鋳型操作が容易となる公知の効果もある。
【００２０】
さらに前記請求項２の発明の実施態様として、下記請求項３の発明が好適である。即ち、請求項２に記載の処理方法において、前記貝殻はフレーク状に砕いたものとし、前記乾燥焼却灰に対する混合割合を、５〜２０重量％とする。５％より少ない場合には、前記溶融温度が低下と流動性向上効果が低い。また、２０％より多い場合には結晶化しにくい。
【００２１】
また、前記請求項２の発明によれば、前記溶融スラグに鉄イオン供与体を添加した後、鋳込を行なうこととするが、その具体的な実施態様は下記のとおりである。
【００２２】
即ち、請求項２に記載の処理方法において、前記鉄イオン供与体は、鉄材の圧延時に発生する鉄酸化物（ミルスケール）とする（請求項４の発明）。ミルスケールは、鉄酸化物として、ＦｅＯ，Ｆｅ2Ｏ3，Ｆｅ3Ｏ4などを含むが、ＦｅＯが約７〜９割であり、これが海藻類の生育に効果があると考えられる。その好適な添加量として、請求項５の発明が好ましい。即ち、前記請求項４に記載の処理方法において、前記ミルスケールの添加量は、前記乾燥焼却灰と貝殻との合計重量部を１００とした場合に、２〜７重量部とする。
【００２３】
次に、前記請求項２または３に記載の焼却灰溶融固化処理方法を実施するための装置としては、請求項７または８の発明が好ましい。即ち、請求項２または３に記載の焼却灰溶融固化処理方法を実施するための装置であって、乾燥焼却灰，貝殻からなる成分調整材および還元剤を配合した混合物の供給手段と、直流電気抵抗式還元溶融炉と、この溶融炉に設けてなり炉内で溶融処理した溶融スラグ，溶融金属および溶融飛灰を個別に取り出すための手段と、取り出した前記溶融スラグを導入し所定の形状・寸法に鋳込む鋳型手段とを備え、さらに、前記溶融炉は、前記溶融スラグに鉄イオン供与体を添加する手段を備えるものとする（請求項７の発明）。また、前記請求項７に記載の処理装置において、前記直流電気抵抗式還元溶融炉は、炉の上部に前記混合物の導入口と主電極を設け、かつ炉底に炉底電極を設けてなるものとする（請求項８の発明）。
【００２４】
上記処理装置によれば、炉内で溶融物が動きにくく、重金属が炉の底部に静かな重力沈降によって分離できるので、溶融スラグへの重金属の混入が抑制され、海中設置資材として好適な溶融固形物を得ることができる。
【００２５】
また、前記請求項７または８に記載の処理装置においては、前記溶融スラグに鉄イオン供与体を添加する手段を備えるものとしたので、前述のように、海藻類の生育の観点から、海中設置資材として好適な焼却灰溶融固化物が得られる。
【００２６】
【発明の実施の形態】
図面に基づき、本発明の実施例について以下に述べる。
【００２７】
（処理フローおよび処理装置について）
図１および図２は、本発明に関わる焼却灰溶融固化処理フローおよび処理装置の概略構成の一例を示す。図１および図２に基づき、この発明の実施例の処理方法について以下に述べる。
【００２８】
図１に示すように、まず、焼却灰から粗大物・鉄クズなどを篩い分け、磁選後乾燥する。この乾燥灰に、野積み状態のホタテなどの貝殻を成分調整材として、また粉コークスを還元剤として混ぜて電気炉へ投入する。電気炉内では、鉄、銅などの金属類は還元されてメタルとなり、スラグとの比重差（鉄７．９、スラグ２．８程度）により炉底部に溜まる。
【００２９】
焼却灰中の主成分ＳｉＯ2，Ａｌ2Ｏ3，ＣａＯ，ＭｇＯ等とホタテ等の貝殻の主成分炭酸カルシウムＣａＣＯ3（炭酸カルシウムは、炉内温度によりＣａＣＯ3→ＣａＯ＋ＣＯ2となる。）は、炉の中段よりスラグとして炉から出滓され、図２には図示しない型に鋳込まれ結晶化・岩石化される。この時、ホタテ等の貝殻の混入割合によりスラグ中の塩基度[（ＣａＯ＋ＭｇＯ）／ＳｉＯ2]が決定される。この塩基度と鋳型中のスラグの冷却速度により、結晶化・岩石化の難易が決まってくる。また、ホタテ等の貝殻の混入割合はスラグの流動性にも影響を与え、ＣａＯ分が、多すぎても少なすぎても流動性が落ちる傾向にある。前述のように、貝殻はフレーク状に砕いたものとし、乾燥焼却灰に対する混合割合を、５〜２０重量％とするのが好ましい。また、前述のように、スラグ中には、ミルスケールを添加し、その添加量は、前記乾燥焼却灰と貝殻との合計重量部を１００とした場合に、２〜７重量部とするのが好ましい。
【００３０】
一方、低沸点化合物は気化し、排ガスと共に炉外に排出される。図１に示すように、炉排ガスは、ダイオキシン類の分解と一酸化炭素低減化のための二次燃焼塔から減温塔経由で、バグフィルター、活性炭吸着塔を経由して大気放出される。また、乾燥系排ガスもバグフィルター、活性炭吸着塔を経て大気放出される。
【００３１】
次に、この発明に係る焼却灰溶融固化処理装置について、図２に基づき以下に述べる。
【００３２】
乾燥灰、ホタテ貝殻、コークスはそれぞれの貯留槽から定量切り出されて、炉上リフトコンベアにて混合され、炉投入原料として２つある炉上ビン１に蓄えられる。原料は、炉側面よりプッシャー２により炉内に装入される。炉内に投入された焼却灰は電気抵抗が大きく電流は流れにくい。しかし、一旦灰が溶け始めると、次第に電気抵抗が小さくなり、大電流を通電することが可能となる。主電極３と炉底電極４との間に電流を流すと、炉底全体が広い範囲にわたり円盤状の電極（陽極）となり、ここから電流は放射線上に上部主電極としての一本電極（陰極）に集中し、溶融スラグ内でジュール熱を発生し、スラグ全体が発熱体となり、この上に投入された灰（成分調整材と還元剤が配合されたもの）は、順次スラグ中で発生した熱により溶融する。
【００３３】
溶融スラグ５の炉内表層部において、還元剤と金属化合物の反応により泡立ちスラグ（Foaming Slag）が形成される。焼却灰中の金属類は、酸化物、塩化物、硫化物等の形で混入しているが、溶融スラグ表層に存在するフォーミングスラグ中で、強い還元作用を受けて還元され、溶融スラグ層中を沈下し、炉底部に溶融メタル６を形成する。一方、溶融飛灰中のNa、K、Pb、Zn、Cd等の低沸点化合物は温度上昇とともに気化し、排ガス７とともに炉外に排出され集塵機により回収される。
【００３４】
このようにして生成された溶融スラグ５は重金属元素類等の含有量が極めて少ない純粋なスラグとなる。この溶融スラグ５は前炉８から出滓され、所定量のミルスケールを添加した上で、図示しない鋳型に導入し、冷却固化して所定の形状・寸法の溶融固化物を形成する。海中設置資材としては、取り扱い易さと流れ防止を考慮し、例えば一辺が４５〜７０ｃｍの立方体で、重さは約２５０ｋｇ〜１ｔが望ましい。なお、前炉８は、必要に応じて加熱電極を備え、スラグをスムーズに出滓できるようにする。
【００３５】
前記電気炉の特長をまとめると以下のとおりである。即ち、(1)重金属・有害不純物を除去して、クリーンスラグの生成ができる、(2)他の電気方式に比較して高い電気加熱効率が得られる、(3)一本電極の採用により構造がシンプルで電極原単位も低い、(4)還元溶融により耐火物の長寿命化が図れる等である。
【００３６】
次に、使用した溶融原料としての焼却灰、ホタテ貝殻、コークス、ミルスケール等の成分分析結果および溶融固化処理に関わる各種実験結果ならびに溶融固化物の利用実験結果などの一例について、以下に述べる。
【００３７】
（溶融原料の成分分析結果の一例について）
図３は、焼却灰、ホタテ貝殻、コークス、ミルスケール等の成分分析結果を示す。分析項目としては、環境庁告示第１４号による溶出試験に関する元素１３種、含有率が高いと考えられる元素１１種と含水率を測定した。各分析項目に対する分析方法については、図３の右欄に示す。
【００３８】
焼却灰は、含水率が約２１％で、ＳｉＯ2，Ｔ−Ｆｅ，Ａｌ2Ｏ3，ＣａＯ，ＭｇＯ，Ｎａ2Ｏ等を主成分とする。上記Ｔ−Ｆｅとはトータル鉄を示し、ミルスケールのＴ−Ｆｅに関しては、Ｔ−Ｆｅ中のＦｅＯのみの値をその下段に示した。ミルスケールにおいては、Ｔ−Ｆｅ中、約９０％がＦｅＯであることが分かる。
【００３９】
ホタテ貝殻におけるＣａＯは、ＣａＣＯ3として測定した場合には、９２．９８％と換算される。また、ホタテ貝殻におけるＣの値は、ＣａＣＯ3におけるＣの値を示している。還元剤としてのコークスはＣが主成分であり、還元剤としては、周知のように、コークスの代わりに黒鉛など他の炭素系還元剤を用いることができる。
【００４０】
（溶融固化処理実験結果について）
ホタテ貝殻を約１０重量％混入した都市ごみ乾燥焼却灰を電気炉で溶融し、鋳型して、幅４５ｃｍ，長さ４５ｃｍ，高さ４０ｃｍの海中設置資材用ブロックを製作した。ブロックの重さは約２３０ｋｇであった。このサイズは、比較的海流の影響が小さい静かな海域の水中に設置する最小ブロックサイズである。海流の影響が大きい外洋に設置する場合には、１t級の大型サイズが必要であり、さらに海流に流されないように堰を設けることが望ましい。
【００４１】
また、Ｆｅイオン供給体として、圧延工程で発生する鉄酸化物の粉であるミルスケールを使用し、その添加率は、（都市ごみ焼却灰＋ホタテ貝殻）１００部とした場合の重量部数において、０部，２部，５部，７部のものをそれぞれ３０，７，７，７個製作して、海中利用実験を含む各種の実験を行なった。
【００４２】
さらに、上記実験前の予備的実験として、ホタテ貝殻の混合割合を８〜１５重量％に変化させて、溶融実験を行なった。その結果によれば、以下のことが判明した。(1)ホタテ貝殻の混合割合は、８〜１５重量％の間では、溶融する上で特に大きな問題はなく、５〜２０％程度が好適範囲であると考えられる。(2)ホタテ貝殻の混合割合が大きくても小さくても、スラグの流動性が悪くなることが考えられるが、８〜１５重量％の間では問題はない。ただし１５％混入時の方が流動性は低く、２０％程度が限度と考えられる。(3)耐火材を施行した直径２０ｃｍ程度の鋳型にスラグを鋳込み、冷却速度を変えて結晶化の進み具合を観察したところ、９００℃以上の温度に保持されている時間が２時間以上あれば、結晶化は充分に進むことが判明した。
【００４３】
（溶融固化処理後のスラグとメタルの成分分析結果について） 図４に、スラグ（鉄イオン供与体としてのミルスケール含有量０部，２部，５部，７部含有）と、メタルの成分分析結果を示す。スラグは、ＳｉＯ2，Ａｌ2Ｏ3，ＣａＯ，ＭｇＯとＦｅの５つの成分で、全体の約９０〜９５％を占めている。鉄はミルスケールとして添加したもので、添加量が多いほど含有量も多くなっている。また、メタルの主成分は鉄Ｆｅであり、ほかに銅Ｃｕ、リンＰを微量含んでいる。
【００４４】
（溶融固化物の溶出試験結果について）
図５は、ミルスケール添加量（０，５，７部）の異なる人工石について実施した溶出試験の結果を示す。溶出試験の内容は環境庁告示第１４号による（海洋汚染および海上災害の防止に関する法律施行令第５条第１項に規定する埋め立て場所などに排出しようとする廃棄物に含まれる金属等の検出方法）。
【００４５】
図５において、「規制値」は、前記環境庁告示第１４号による。また、「不検出」は、定量下限以下であることを示す。３つの試料の溶出試験について、いずれも告示を十分満足する結果を示した。
【００４６】
（溶融固化物の強度試験・結晶組織調査結果について） 製作した海洋資材用ブロックからサンプルを切出して、圧縮強度試験を実施した。一般にコンクリートや石材の場合、曲げ強度は圧縮強度の１／５〜１／７、引っ張り強度は１／１０〜１／１３であり、圧縮強度の値から推算が可能であるため、圧縮強度試験のみ行った。
【００４７】
結果を図６に示す。通常、魚床（または漁礁）として利用されているコンクリートブロック、例えばテトラポッド（株式会社テトラの商品名）等の圧縮強度は２０Ｎ/ｍｍ2程度である。また、我が国で最も利用されている安山岩の圧縮強度は５０〜２３０Ｎ/ｍｍ2である。今回製作した人工岩石の強度は８０Ｎ/ｍｍ2以上であり、コンクリートブロックに比較して約２〜４倍、天然石に比較して１／３〜１．５倍の強度であった。このことから、天然の石材に比べるとやや低い強度であるが、コンクリートに比べると高く、建設資材としての利用は可能であると判断される。
【００４８】
また、結晶の組織検査の結果、ミルスケールの多少にかかわらず、結晶の主要な形態はゲーレナイトとなっていることが判明した。
【００４９】
（溶融固化物の海洋設置試験結果について）
海中への設置場所は、青森県東津軽郡今別町と八戸市蕪島付近の２ヶ所とし、その前に、予備試験を階上町追腰漁港で行なった。今別町は黒潮（暖流）系の対馬海流が流れる海域であり、また蕪島付近は親潮（寒流）系の千島海流が流れている地域にあたる。親潮は、その名が示すとおり栄養分に富み、魚類をはじめとする生物資源を養い育てる潮であると言われている。
【００５０】
海洋試験の評価方法は、比較対象のために同じ大きさのコンクリートブロックを製作し、人工岩石と同じ海域に設置して海藻類の繁茂状況を比較・検討することで行った。海藻類の繁茂状況調査は、１〜２ヵ月に一度程度ダイバーが海中に潜り、目視判断および写真、ビデオ等による単位面積あたりの海藻類の量（数）の測定と種類の調査により行った。結果は以下のとおりである。
【００５１】
(1)階上町追腰漁港地区（予備試験）：予備溶融試験時に製作したホタテ８％（ミルスケール０％）の小型ブロックを設置した。設置後約２ヶ月経過した結果、目視にてアオサ系の海藻が繁茂していることが確認された。今回製作した人工岩石には、比較的短い期間であっても海藻類が着床する可能性が高いことが判った。さらに、設置後約５ヶ月経過した後、再度状況確認を行った。その結果、コンブ、ワカメ類をはじめとして、いろいろな海藻類が生育している状況が認められた。
【００５２】
(2)八戸漁港鮫地区（蕪島付近）：鮫地区には、ミルスケール配合量０，２，５，７部のブロック各２ヶずつと、比較検討用のコンクリートブロック１ヶ、計９ヶを設置した。設置場所の水深は３ｍ程度であり、岸壁から約５ｍ離れた地点とした。約１ヶ月経過後状況確認を行ったところ、アオサ系の海藻類が、ブロック上面では３〜５ｃｍ程度、側面では２〜３ｃｍ生育していた。また、側面には茶色のコケ状の付着物も認められた。さらに１ヶ所ではあるが、アカバギンナンソウと思われる海藻（５〜６ｃｍ）も生育していた。ミルスケールの含有量による海藻類の生育状況には明らかな差は認められなかったが、コンクリートブロックヘの海藻類の着床はほとんど認められなかった。これにより、初期的には人工岩石はコンクリートブロックよりも海藻類が生育しやすいことが判明した。
【００５３】
(3)今別漁港今別地区（東防波堤付近）：今別地区には、ミルスケール配合量０，２，５，７部のブロック各１ヶずつと、比較検討用のコンクリートブロック１ヶ、計５ヶを設置した。設置場所の水深は３ｍ程度であり、岸壁から約２ｍ離れた地点とした。約２週間経過後に状況確認を行ったが、設置後時間が短いため、まだ海藻類が生育している状況は認められなかった。約１ヶ月経過後状況確認を行ったところ、前記(2)と同様に海藻類の生育が確認された。
【００５４】
上記のように、前記焼却灰溶融固化物は、前述のように結晶形態がゲーレナイトであって岩石としての強度が大きいので、海中の砂や水の動きによって摩耗され難く、かつ前記藻類の生育状況からみて、藻床または魚床のような海中設置資材としてコンクリートブロックよりも優れていることが判明した。
【００５５】
【発明の効果】
上記のとおり、この発明の焼却灰の溶融固化物は、乾燥焼却灰にホタテ，カキ等の貝殻からなる成分調整材および還元剤を混合して電気炉で溶融処理し、ＳｉＯ2，Ａｌ2Ｏ3，ＣａＯ，ＭｇＯ等を主成分とする溶融スラグを出滓させ、この出滓した溶融スラグを鋳型に鋳込んで徐冷し結晶化することにより、所定の形状・寸法に岩石化してなるものとし、さらに、鉄イオン供与体を含んでなるものとしたので、焼却灰の減容化および無害化に当り、成分調整材としての副資材コストを低減し、さらに溶融固化物の特に海中設置資材としての有効利用を図ることができる。
【００５６】
また、前記焼却灰溶融固化物を製造する装置としては、乾燥焼却灰，貝殻からなる成分調整材および還元剤を配合した混合物の供給手段と、直流電気抵抗式還元溶融炉と、この溶融炉に設けてなり炉内で溶融処理した溶融スラグ，溶融金属および溶融飛灰を個別に取り出すための手段と、取り出した前記溶融スラグを導入し所定の形状・寸法に鋳込む鋳型手段とを備え、さらに、前記溶融炉は、前記溶融スラグに鉄イオン供与体を添加する手段を備えるものとしたので、溶融スラグへの重金属の混入が抑制され、海中設置資材として好適な溶融固形物を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 この発明の実施例に関わる焼却灰溶融固化処理のフローを示す図
【図２】 この発明の実施例に関わる焼却灰溶融固化処理装置の概略構成図
【図３】 この発明に関わる溶融原料の成分分析結果の一例を示す図
【図４】 この発明の溶融固化処理後のスラグとメタルの成分分析結果を示す図
【図５】 この発明の溶融固化物の溶出試験結果を示す図
【図６】 この発明の溶融固化物の強度試験結果を示す図
【符号の説明】
１：炉上ビン、２：プッシャー、３：主電極、４：炉底電極、５：溶融スラグ、６：メタル、７：排ガス、８：前炉。
【発明の属する技術分野】
この発明は、都市ごみ等の廃棄物を焼却することにより発生する焼却灰の溶融固化物と溶融固化処理方法及び装置並びに溶融固化物の利用方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
日本全国で、一般廃棄物（都市ごみ）は、平成9年度のデータによれば、年間5,120万ｔ発生しており、そのうち７８％が焼却処理され、焼却残渣（焼却灰）が約600万t/年発生している。焼却によりごみの体積が約１／１０に減容されるとはいえ、埋立地の不足や確保の困難さ、埋め立てた灰からの有害物の溶出あるいは未燃焼物による環境汚染の防止の観点から焼却灰の溶融固化処理が望まれている。
【０００３】
溶融方法として、バーナにより灰の表面を加熱し溶融する方式や電気エネルギーを使う方法としてアークやプラズマの熱源を用いる方式や、３相交流、直流電流を使う抵抗加熱方式等が商品化されている。また、溶解炉内に導電性発熱体を配置し、この導電性発熱体を誘導加熱することによって、該炉内に投入された焼却灰を溶融する装置も提案されている。ゴミ焼却灰の溶融方法に関する特許提案としては、プラズマ加熱方式（特開平１−２７３９０８号公報）、アーク放電加熱方式（特開平２−９９１８４号公報）、電磁誘導加熱方式（特開昭６１−２１０９９８号公報、特開平３−２６７１８６号公報、特開平３−２６７１８７号公報）、バーナ燃焼加熱（表面溶融）方式（特開平３−２６３５１３号公報）等が知られている。
【０００４】
上記各種の溶融固化処理方法により、溶融物はガラス質の固形物として減容回収することができるが、投棄地の容量にも限界があり、より一層の減容化や再資源化の努力が払われるようになってきている。最近では、資源のリサイクル化の観点に立った研究が進み、堆肥化や有価物の回収といったことも行われる。このような再資源化には無害化処理が重要であるが、ごみ焼却灰の溶融スラグから建築資材等を再生する方法が、特に注目を浴びるようになってきている（特開平７−１５５７２８号公報、特開平９−３０１７５０号公報、特開平１１−２１１５５号公報等参照）。
【０００５】
前記特開平９−３０１７５０号公報の従来の技術の項には、上記に関連して下記旨の記載がある。即ち、「焼却灰を１５００℃以上の温度で溶融すると、焼却灰中の可燃物が燃焼しダイオキシンは完全に分解されること、重金属類はガラス質のスラグ中に閉じ込められること、焼却灰を１／３以下に減容できることなどの利点が挙げられる。これは、焼却灰中の無機分も溶けて融液となり、特開平３−２７５１３３号公報に記載されているように、それを冷却すると固化したスラグとすることができるからである。
【０００６】
ところで、前記スラグは、路盤材や建築土木用骨材として使用されたり、成形することによってタイルや装飾品に加工することができる。いずれにおいても、無害化や化学的安定性が要求されることは言うまでもないが、そのような溶融スラグを生成させて人工骨材を製造する方法や装置が種々提案されている。溶融スラグを生成する代表的なものとして、旋回溶融法，電気溶融法，コークス燃焼還元溶融法といった方法が採用されている。
【０００７】
旋回溶融法は、焼却灰をアノルサイトＣａＯ・２ＳｉＯ2・Ａｌ2Ｏ3の結晶が析出しやすい組成に成分調整し、旋回炉を用いて焼却灰を１４００℃ないし１４５０℃の雰囲気で溶融させ、それを急冷してガラスとし、その非晶質なスラグを再加熱してアノルサイトを均一に析出させ、石材化する方法である。これは、焼却灰に含まれている鉄分と硫黄分から硫化鉄を生成させ、それを結晶核形成物質として利用している。」
また、前記特開平７−１５５７２８号公報には、「廃棄物を焼却して得た灰を電磁誘導加熱方式により連続的に溶融し、排出した後ガラス化する焼却灰溶融処理方法において、溶融処理装置への投入前に焼却灰成分組成に対してあらかじめ溶融時の融点がＣａＯ−ＳｉＯ2−Ａｌ2Ｏ3三元系液相線図において１４００℃以下の範囲となりかつ溶融物の粘度がＣａＯ−ＳｉＯ2−Ａｌ2Ｏ3３元系１４００℃等粘度曲線図において４０ポアズ以下の範囲となるようにＣａＯ、ＳｉＯ2、Ａｌ2Ｏ3の成分組成を調整すること」により、焼却灰溶融固化物の体積を低減し、無害化する技術が開示されている。
【０００８】
さらに、前記特開平９−３０１７５０号公報には、「生活ごみ，下水汚泥，産業廃棄物等のごみを焼却して生じた焼却灰の溶融スラグから人工骨材を合成するために、還元容易なＦｅ・Ｃｒ・Ｐ等の酸化物を溶融還元して溶融銑鉄を生成すると共にガス含有率が低くＳｉＯ2等を主成分した溶融スラグを生成し、該溶融スラグを徐冷した状態で凝固させ、凝固した鋳造スラグを破砕し、破砕された鋳造スラグ中に残留する非晶質部分を熱処理すると共に残留内部歪を除去して、ガス含有率の極めて低い組織の緻密な結晶化が図られたスラグを生成させるコンクリート用人工骨材の製造方法において、ＭｇＯ含有量が５％ないし２０％までの範囲における目標％もしくはそれに極めて近似した含有％となるような低融点であって共晶凝固する組成を有した溶融スラグを生成させ、床敷き用砂上へ前記溶融スラグを供給し、その後に被覆用砂で該溶融スラグを覆い、該被覆用砂および前記溶融スラグの上面に多数の凹み溝を与えると共に、型押しすることにより前記溶融スラグの厚みが２５ｍｍ以下となるように調整し、その後に保温用砂を被せ、前記溶融スラグを共晶凝固現象に基づき一次再結晶させるようにしたことを特徴とする焼却灰溶融スラグからの人工砂利製造法」が開示され、「上記により、焼却灰の還元溶融によりＦｅ系酸化物ならびにその他の重金属類や還元可能な酸化物類を含まず、また、ＣａＯ−ＳｉＯ2−Ａｌ2Ｏ3三元系の限られた共晶点の範囲を、５％ないし２０％までの範囲における目標％もしくはそれに極めて近似した含有％となるＭｇＯを添加した四元系に改質することにより拡大することができ、床敷き用砂上に供給された溶融スラグは被覆用砂および保温用砂によって覆われるので、急冷を抑制することによって四元系相平衡状態での共晶凝固現象に基づく一次再結晶が実現できる」旨、記載されている。
【０００９】
さらにまた、前記特開平１１−２１１５５号公報には、「焼却灰の飛散を防止するよう加湿した焼却灰を乾燥させる乾燥工程と、該乾燥工程終了後、乾燥させた焼却灰を溶融に適した形態に固める固化工程と、該固化工程終了後、固めた焼却灰に、廃棄プラスチック、コークスおよび石灰石のうち少なくともコークスおよび石灰石などの副資材を添加して混合し、焼却灰を成分調整する混合調整工程と、該混合調整工程終了後、成分調整した焼却灰を溶融炉で溶融して溶融スラグを得る溶融工程と、該溶融工程終了後、溶融スラグを徐冷して石化させた後、所望の粒度の人工骨材に粉砕する骨材化工程とを備えることを特徴とする人工骨材の製造方法」が開示されている。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、前述の特開平７−１５５７２８号公報に記載された焼却灰溶融固化処理方法は、あらかじめ乾燥焼却灰の組成分析を行って、ＣａＯ、ＳｉＯ2、Ａｌ2Ｏ3を必要量供給することにより、焼却灰の組成調整を行なう方法であり、手順が複雑となる問題がある。
【００１１】
また、特開平９−３０１７５０号公報または特開平１１−２１１５５号公報等に記載された焼却灰溶融固化処理方法は、成分調整材としてＭｇＯまたは石灰石等の副資材を添加する方法であって、成分調整材としての副資材コストが問題点となる。前記特開平７−１５５７２８号公報に記載された方法においてもこの問題は同様である。
【００１２】
この発明は、上記のような問題点を解消するためになされたもので、本発明の課題は、焼却灰の減容化および無害化に当り、成分調整材としての副資材コストを低減し、さらに溶融固化物の特に海中設置資材としての有効利用を図ることが可能な、焼却灰溶融固化処理方法及び装置並びに溶融固化物とその利用方法を提供することにある。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
前述の課題を解決するため、この発明の焼却灰の溶融固化物は、乾燥焼却灰にホタテ，カキ等の貝殻からなる成分調整材および還元剤を混合して電気炉で溶融処理し、ＳｉＯ2，Ａｌ2Ｏ3，ＣａＯ，ＭｇＯ等を主成分とする溶融スラグを出滓させ、この出滓した溶融スラグに鉄イオン供与体を添加して鋳型に鋳込んで徐冷し結晶化することにより、所定の形状・寸法に岩石化してなるものとする（請求項１の発明）。
【００１４】
上記発明によれば、焼却灰の成分調整材として、現状では廃棄処理に困っているホタテ，カキ等の貝殻を使用するものとしたので、安価な溶融固化物を得ることができる。ホタテ，カキなどの貝殻は、年間約３０〜５０万ｔ発生していると推定され、特にホタテ，カキの産地である青森県、北海道、宮城県、広島県などでの発生が多い。これらの貝殻は主成分がＣａＣＯ3であり、カルシウムの供給源として様々な用途開発の研究がすすめられているが、技術的、経済的理由により有効利用される方策がなく困っているのが現状である。特に青森県では長期間野積み状態にさらされており、一部では異臭の発生や景観を損ねる問題もでてきている。このような状況下において、焼却灰の成分調整材としてホタテ、カキなどの貝殻を活用できることは、環境問題も含めて経済的効果が大きい。
【００１５】
前記溶融固化物は、その溶融試験を行なった結果、後述するように無害であり、さらに結晶形態がゲーレナイト（２ＣａＯ−ＳｉＯ2−Ａｌ2Ｏ3）であって岩石としての強度がコンクリートブロックの約２〜４倍となるので、特に海中設置資材として好適に利用できる。
【００１６】
さらに、前記請求項１に記載の溶融固化物は、鉄イオン供与体を含んでなるものとするが、この作用効果については、関連する下記請求項６の発明の説明において述べる。
【００１７】
請求項６の発明は、焼却灰溶融固化物の利用方法であって、前記請求項１に記載の焼却灰溶融固化物を、海中でコンブ，ワカメ等の海藻類の生育のための藻床部材、もしくは魚介類繁殖のための魚床部材として利用することを特徴とする。後述するように、前記焼却灰溶融固化物を海中に設置したところ、これを藻床として、ワカメ、コンブ類をはじめとしてかなりの種類と数の海藻類がよく生育することが確認された。コンクリートブロックに比較すると、その生育は、顕著に速く、また、前記請求項１の発明のように、鉄イオン供与体を含んでなる焼却灰溶融固化物の方が、ミネラルの生育効果によって効果が高い。コンクリートブロックの場合には、アルカリ成分としてＣａ（ＯＨ）2を含んでおり、これが海中に溶出して、海藻類の生育を妨げるといわれている。
【００１８】
さらに、前記焼却灰溶融固化物は、前述のように結晶形態がゲーレナイトであって岩石としての強度が大きいので、海中の砂や水の動きによって摩耗され難く、海中設置資材として、この観点からもコンクリートブロックよりも好適である。また、藻床として好適な焼却灰溶融固化物は、海洋生物学的に魚床としても好適であり、焼却灰溶融固化物の形状寸法は、藻や魚の種類に応じて適宜、好ましいものとすることができる。
【００１９】
また、上記請求項１記載の焼却灰溶融固化物を得るための焼却灰溶融固化処理方法としては、下記請求項２ないし５の発明が好ましい。即ち、請求項２の発明によれば、乾燥焼却灰に成分調整材および還元剤を混合して電気炉で溶融処理する工程と、ＳｉＯ2，Ａｌ2Ｏ3，ＣａＯ，ＭｇＯ等を主成分とする溶融スラグを出滓させる工程と、この出滓した溶融スラグに鉄イオン供与体を添加した後、鋳型に鋳込んで徐冷し結晶化する工程とを含む焼却灰溶融固化処理方法であって、前記成分調整材として、ホタテ，カキ等の貝殻を用いることとする。前記請求項２の発明の方法によれば、前記焼却灰溶融固化物が得られる効果の他に、焼却灰溶融温度が低下し、また溶融スラグの流動性が向上するので、溶融スラグの取出しならびに鋳型操作が容易となる公知の効果もある。
【００２０】
さらに前記請求項２の発明の実施態様として、下記請求項３の発明が好適である。即ち、請求項２に記載の処理方法において、前記貝殻はフレーク状に砕いたものとし、前記乾燥焼却灰に対する混合割合を、５〜２０重量％とする。５％より少ない場合には、前記溶融温度が低下と流動性向上効果が低い。また、２０％より多い場合には結晶化しにくい。
【００２１】
また、前記請求項２の発明によれば、前記溶融スラグに鉄イオン供与体を添加した後、鋳込を行なうこととするが、その具体的な実施態様は下記のとおりである。
【００２２】
即ち、請求項２に記載の処理方法において、前記鉄イオン供与体は、鉄材の圧延時に発生する鉄酸化物（ミルスケール）とする（請求項４の発明）。ミルスケールは、鉄酸化物として、ＦｅＯ，Ｆｅ2Ｏ3，Ｆｅ3Ｏ4などを含むが、ＦｅＯが約７〜９割であり、これが海藻類の生育に効果があると考えられる。その好適な添加量として、請求項５の発明が好ましい。即ち、前記請求項４に記載の処理方法において、前記ミルスケールの添加量は、前記乾燥焼却灰と貝殻との合計重量部を１００とした場合に、２〜７重量部とする。
【００２３】
次に、前記請求項２または３に記載の焼却灰溶融固化処理方法を実施するための装置としては、請求項７または８の発明が好ましい。即ち、請求項２または３に記載の焼却灰溶融固化処理方法を実施するための装置であって、乾燥焼却灰，貝殻からなる成分調整材および還元剤を配合した混合物の供給手段と、直流電気抵抗式還元溶融炉と、この溶融炉に設けてなり炉内で溶融処理した溶融スラグ，溶融金属および溶融飛灰を個別に取り出すための手段と、取り出した前記溶融スラグを導入し所定の形状・寸法に鋳込む鋳型手段とを備え、さらに、前記溶融炉は、前記溶融スラグに鉄イオン供与体を添加する手段を備えるものとする（請求項７の発明）。また、前記請求項７に記載の処理装置において、前記直流電気抵抗式還元溶融炉は、炉の上部に前記混合物の導入口と主電極を設け、かつ炉底に炉底電極を設けてなるものとする（請求項８の発明）。
【００２４】
上記処理装置によれば、炉内で溶融物が動きにくく、重金属が炉の底部に静かな重力沈降によって分離できるので、溶融スラグへの重金属の混入が抑制され、海中設置資材として好適な溶融固形物を得ることができる。
【００２５】
また、前記請求項７または８に記載の処理装置においては、前記溶融スラグに鉄イオン供与体を添加する手段を備えるものとしたので、前述のように、海藻類の生育の観点から、海中設置資材として好適な焼却灰溶融固化物が得られる。
【００２６】
【発明の実施の形態】
図面に基づき、本発明の実施例について以下に述べる。
【００２７】
（処理フローおよび処理装置について）
図１および図２は、本発明に関わる焼却灰溶融固化処理フローおよび処理装置の概略構成の一例を示す。図１および図２に基づき、この発明の実施例の処理方法について以下に述べる。
【００２８】
図１に示すように、まず、焼却灰から粗大物・鉄クズなどを篩い分け、磁選後乾燥する。この乾燥灰に、野積み状態のホタテなどの貝殻を成分調整材として、また粉コークスを還元剤として混ぜて電気炉へ投入する。電気炉内では、鉄、銅などの金属類は還元されてメタルとなり、スラグとの比重差（鉄７．９、スラグ２．８程度）により炉底部に溜まる。
【００２９】
焼却灰中の主成分ＳｉＯ2，Ａｌ2Ｏ3，ＣａＯ，ＭｇＯ等とホタテ等の貝殻の主成分炭酸カルシウムＣａＣＯ3（炭酸カルシウムは、炉内温度によりＣａＣＯ3→ＣａＯ＋ＣＯ2となる。）は、炉の中段よりスラグとして炉から出滓され、図２には図示しない型に鋳込まれ結晶化・岩石化される。この時、ホタテ等の貝殻の混入割合によりスラグ中の塩基度[（ＣａＯ＋ＭｇＯ）／ＳｉＯ2]が決定される。この塩基度と鋳型中のスラグの冷却速度により、結晶化・岩石化の難易が決まってくる。また、ホタテ等の貝殻の混入割合はスラグの流動性にも影響を与え、ＣａＯ分が、多すぎても少なすぎても流動性が落ちる傾向にある。前述のように、貝殻はフレーク状に砕いたものとし、乾燥焼却灰に対する混合割合を、５〜２０重量％とするのが好ましい。また、前述のように、スラグ中には、ミルスケールを添加し、その添加量は、前記乾燥焼却灰と貝殻との合計重量部を１００とした場合に、２〜７重量部とするのが好ましい。
【００３０】
一方、低沸点化合物は気化し、排ガスと共に炉外に排出される。図１に示すように、炉排ガスは、ダイオキシン類の分解と一酸化炭素低減化のための二次燃焼塔から減温塔経由で、バグフィルター、活性炭吸着塔を経由して大気放出される。また、乾燥系排ガスもバグフィルター、活性炭吸着塔を経て大気放出される。
【００３１】
次に、この発明に係る焼却灰溶融固化処理装置について、図２に基づき以下に述べる。
【００３２】
乾燥灰、ホタテ貝殻、コークスはそれぞれの貯留槽から定量切り出されて、炉上リフトコンベアにて混合され、炉投入原料として２つある炉上ビン１に蓄えられる。原料は、炉側面よりプッシャー２により炉内に装入される。炉内に投入された焼却灰は電気抵抗が大きく電流は流れにくい。しかし、一旦灰が溶け始めると、次第に電気抵抗が小さくなり、大電流を通電することが可能となる。主電極３と炉底電極４との間に電流を流すと、炉底全体が広い範囲にわたり円盤状の電極（陽極）となり、ここから電流は放射線上に上部主電極としての一本電極（陰極）に集中し、溶融スラグ内でジュール熱を発生し、スラグ全体が発熱体となり、この上に投入された灰（成分調整材と還元剤が配合されたもの）は、順次スラグ中で発生した熱により溶融する。
【００３３】
溶融スラグ５の炉内表層部において、還元剤と金属化合物の反応により泡立ちスラグ（Foaming Slag）が形成される。焼却灰中の金属類は、酸化物、塩化物、硫化物等の形で混入しているが、溶融スラグ表層に存在するフォーミングスラグ中で、強い還元作用を受けて還元され、溶融スラグ層中を沈下し、炉底部に溶融メタル６を形成する。一方、溶融飛灰中のNa、K、Pb、Zn、Cd等の低沸点化合物は温度上昇とともに気化し、排ガス７とともに炉外に排出され集塵機により回収される。
【００３４】
このようにして生成された溶融スラグ５は重金属元素類等の含有量が極めて少ない純粋なスラグとなる。この溶融スラグ５は前炉８から出滓され、所定量のミルスケールを添加した上で、図示しない鋳型に導入し、冷却固化して所定の形状・寸法の溶融固化物を形成する。海中設置資材としては、取り扱い易さと流れ防止を考慮し、例えば一辺が４５〜７０ｃｍの立方体で、重さは約２５０ｋｇ〜１ｔが望ましい。なお、前炉８は、必要に応じて加熱電極を備え、スラグをスムーズに出滓できるようにする。
【００３５】
前記電気炉の特長をまとめると以下のとおりである。即ち、(1)重金属・有害不純物を除去して、クリーンスラグの生成ができる、(2)他の電気方式に比較して高い電気加熱効率が得られる、(3)一本電極の採用により構造がシンプルで電極原単位も低い、(4)還元溶融により耐火物の長寿命化が図れる等である。
【００３６】
次に、使用した溶融原料としての焼却灰、ホタテ貝殻、コークス、ミルスケール等の成分分析結果および溶融固化処理に関わる各種実験結果ならびに溶融固化物の利用実験結果などの一例について、以下に述べる。
【００３７】
（溶融原料の成分分析結果の一例について）
図３は、焼却灰、ホタテ貝殻、コークス、ミルスケール等の成分分析結果を示す。分析項目としては、環境庁告示第１４号による溶出試験に関する元素１３種、含有率が高いと考えられる元素１１種と含水率を測定した。各分析項目に対する分析方法については、図３の右欄に示す。
【００３８】
焼却灰は、含水率が約２１％で、ＳｉＯ2，Ｔ−Ｆｅ，Ａｌ2Ｏ3，ＣａＯ，ＭｇＯ，Ｎａ2Ｏ等を主成分とする。上記Ｔ−Ｆｅとはトータル鉄を示し、ミルスケールのＴ−Ｆｅに関しては、Ｔ−Ｆｅ中のＦｅＯのみの値をその下段に示した。ミルスケールにおいては、Ｔ−Ｆｅ中、約９０％がＦｅＯであることが分かる。
【００３９】
ホタテ貝殻におけるＣａＯは、ＣａＣＯ3として測定した場合には、９２．９８％と換算される。また、ホタテ貝殻におけるＣの値は、ＣａＣＯ3におけるＣの値を示している。還元剤としてのコークスはＣが主成分であり、還元剤としては、周知のように、コークスの代わりに黒鉛など他の炭素系還元剤を用いることができる。
【００４０】
（溶融固化処理実験結果について）
ホタテ貝殻を約１０重量％混入した都市ごみ乾燥焼却灰を電気炉で溶融し、鋳型して、幅４５ｃｍ，長さ４５ｃｍ，高さ４０ｃｍの海中設置資材用ブロックを製作した。ブロックの重さは約２３０ｋｇであった。このサイズは、比較的海流の影響が小さい静かな海域の水中に設置する最小ブロックサイズである。海流の影響が大きい外洋に設置する場合には、１t級の大型サイズが必要であり、さらに海流に流されないように堰を設けることが望ましい。
【００４１】
また、Ｆｅイオン供給体として、圧延工程で発生する鉄酸化物の粉であるミルスケールを使用し、その添加率は、（都市ごみ焼却灰＋ホタテ貝殻）１００部とした場合の重量部数において、０部，２部，５部，７部のものをそれぞれ３０，７，７，７個製作して、海中利用実験を含む各種の実験を行なった。
【００４２】
さらに、上記実験前の予備的実験として、ホタテ貝殻の混合割合を８〜１５重量％に変化させて、溶融実験を行なった。その結果によれば、以下のことが判明した。(1)ホタテ貝殻の混合割合は、８〜１５重量％の間では、溶融する上で特に大きな問題はなく、５〜２０％程度が好適範囲であると考えられる。(2)ホタテ貝殻の混合割合が大きくても小さくても、スラグの流動性が悪くなることが考えられるが、８〜１５重量％の間では問題はない。ただし１５％混入時の方が流動性は低く、２０％程度が限度と考えられる。(3)耐火材を施行した直径２０ｃｍ程度の鋳型にスラグを鋳込み、冷却速度を変えて結晶化の進み具合を観察したところ、９００℃以上の温度に保持されている時間が２時間以上あれば、結晶化は充分に進むことが判明した。
【００４３】
（溶融固化処理後のスラグとメタルの成分分析結果について） 図４に、スラグ（鉄イオン供与体としてのミルスケール含有量０部，２部，５部，７部含有）と、メタルの成分分析結果を示す。スラグは、ＳｉＯ2，Ａｌ2Ｏ3，ＣａＯ，ＭｇＯとＦｅの５つの成分で、全体の約９０〜９５％を占めている。鉄はミルスケールとして添加したもので、添加量が多いほど含有量も多くなっている。また、メタルの主成分は鉄Ｆｅであり、ほかに銅Ｃｕ、リンＰを微量含んでいる。
【００４４】
（溶融固化物の溶出試験結果について）
図５は、ミルスケール添加量（０，５，７部）の異なる人工石について実施した溶出試験の結果を示す。溶出試験の内容は環境庁告示第１４号による（海洋汚染および海上災害の防止に関する法律施行令第５条第１項に規定する埋め立て場所などに排出しようとする廃棄物に含まれる金属等の検出方法）。
【００４５】
図５において、「規制値」は、前記環境庁告示第１４号による。また、「不検出」は、定量下限以下であることを示す。３つの試料の溶出試験について、いずれも告示を十分満足する結果を示した。
【００４６】
（溶融固化物の強度試験・結晶組織調査結果について） 製作した海洋資材用ブロックからサンプルを切出して、圧縮強度試験を実施した。一般にコンクリートや石材の場合、曲げ強度は圧縮強度の１／５〜１／７、引っ張り強度は１／１０〜１／１３であり、圧縮強度の値から推算が可能であるため、圧縮強度試験のみ行った。
【００４７】
結果を図６に示す。通常、魚床（または漁礁）として利用されているコンクリートブロック、例えばテトラポッド（株式会社テトラの商品名）等の圧縮強度は２０Ｎ/ｍｍ2程度である。また、我が国で最も利用されている安山岩の圧縮強度は５０〜２３０Ｎ/ｍｍ2である。今回製作した人工岩石の強度は８０Ｎ/ｍｍ2以上であり、コンクリートブロックに比較して約２〜４倍、天然石に比較して１／３〜１．５倍の強度であった。このことから、天然の石材に比べるとやや低い強度であるが、コンクリートに比べると高く、建設資材としての利用は可能であると判断される。
【００４８】
また、結晶の組織検査の結果、ミルスケールの多少にかかわらず、結晶の主要な形態はゲーレナイトとなっていることが判明した。
【００４９】
（溶融固化物の海洋設置試験結果について）
海中への設置場所は、青森県東津軽郡今別町と八戸市蕪島付近の２ヶ所とし、その前に、予備試験を階上町追腰漁港で行なった。今別町は黒潮（暖流）系の対馬海流が流れる海域であり、また蕪島付近は親潮（寒流）系の千島海流が流れている地域にあたる。親潮は、その名が示すとおり栄養分に富み、魚類をはじめとする生物資源を養い育てる潮であると言われている。
【００５０】
海洋試験の評価方法は、比較対象のために同じ大きさのコンクリートブロックを製作し、人工岩石と同じ海域に設置して海藻類の繁茂状況を比較・検討することで行った。海藻類の繁茂状況調査は、１〜２ヵ月に一度程度ダイバーが海中に潜り、目視判断および写真、ビデオ等による単位面積あたりの海藻類の量（数）の測定と種類の調査により行った。結果は以下のとおりである。
【００５１】
(1)階上町追腰漁港地区（予備試験）：予備溶融試験時に製作したホタテ８％（ミルスケール０％）の小型ブロックを設置した。設置後約２ヶ月経過した結果、目視にてアオサ系の海藻が繁茂していることが確認された。今回製作した人工岩石には、比較的短い期間であっても海藻類が着床する可能性が高いことが判った。さらに、設置後約５ヶ月経過した後、再度状況確認を行った。その結果、コンブ、ワカメ類をはじめとして、いろいろな海藻類が生育している状況が認められた。
【００５２】
(2)八戸漁港鮫地区（蕪島付近）：鮫地区には、ミルスケール配合量０，２，５，７部のブロック各２ヶずつと、比較検討用のコンクリートブロック１ヶ、計９ヶを設置した。設置場所の水深は３ｍ程度であり、岸壁から約５ｍ離れた地点とした。約１ヶ月経過後状況確認を行ったところ、アオサ系の海藻類が、ブロック上面では３〜５ｃｍ程度、側面では２〜３ｃｍ生育していた。また、側面には茶色のコケ状の付着物も認められた。さらに１ヶ所ではあるが、アカバギンナンソウと思われる海藻（５〜６ｃｍ）も生育していた。ミルスケールの含有量による海藻類の生育状況には明らかな差は認められなかったが、コンクリートブロックヘの海藻類の着床はほとんど認められなかった。これにより、初期的には人工岩石はコンクリートブロックよりも海藻類が生育しやすいことが判明した。
【００５３】
(3)今別漁港今別地区（東防波堤付近）：今別地区には、ミルスケール配合量０，２，５，７部のブロック各１ヶずつと、比較検討用のコンクリートブロック１ヶ、計５ヶを設置した。設置場所の水深は３ｍ程度であり、岸壁から約２ｍ離れた地点とした。約２週間経過後に状況確認を行ったが、設置後時間が短いため、まだ海藻類が生育している状況は認められなかった。約１ヶ月経過後状況確認を行ったところ、前記(2)と同様に海藻類の生育が確認された。
【００５４】
上記のように、前記焼却灰溶融固化物は、前述のように結晶形態がゲーレナイトであって岩石としての強度が大きいので、海中の砂や水の動きによって摩耗され難く、かつ前記藻類の生育状況からみて、藻床または魚床のような海中設置資材としてコンクリートブロックよりも優れていることが判明した。
【００５５】
【発明の効果】
上記のとおり、この発明の焼却灰の溶融固化物は、乾燥焼却灰にホタテ，カキ等の貝殻からなる成分調整材および還元剤を混合して電気炉で溶融処理し、ＳｉＯ2，Ａｌ2Ｏ3，ＣａＯ，ＭｇＯ等を主成分とする溶融スラグを出滓させ、この出滓した溶融スラグを鋳型に鋳込んで徐冷し結晶化することにより、所定の形状・寸法に岩石化してなるものとし、さらに、鉄イオン供与体を含んでなるものとしたので、焼却灰の減容化および無害化に当り、成分調整材としての副資材コストを低減し、さらに溶融固化物の特に海中設置資材としての有効利用を図ることができる。
【００５６】
また、前記焼却灰溶融固化物を製造する装置としては、乾燥焼却灰，貝殻からなる成分調整材および還元剤を配合した混合物の供給手段と、直流電気抵抗式還元溶融炉と、この溶融炉に設けてなり炉内で溶融処理した溶融スラグ，溶融金属および溶融飛灰を個別に取り出すための手段と、取り出した前記溶融スラグを導入し所定の形状・寸法に鋳込む鋳型手段とを備え、さらに、前記溶融炉は、前記溶融スラグに鉄イオン供与体を添加する手段を備えるものとしたので、溶融スラグへの重金属の混入が抑制され、海中設置資材として好適な溶融固形物を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 この発明の実施例に関わる焼却灰溶融固化処理のフローを示す図
【図２】 この発明の実施例に関わる焼却灰溶融固化処理装置の概略構成図
【図３】 この発明に関わる溶融原料の成分分析結果の一例を示す図
【図４】 この発明の溶融固化処理後のスラグとメタルの成分分析結果を示す図
【図５】 この発明の溶融固化物の溶出試験結果を示す図
【図６】 この発明の溶融固化物の強度試験結果を示す図
【符号の説明】
１：炉上ビン、２：プッシャー、３：主電極、４：炉底電極、５：溶融スラグ、６：メタル、７：排ガス、８：前炉。
Claims (8)
- 乾燥焼却灰にホタテ，カキ等の貝殻からなる成分調整材および還元剤を混合して電気炉で溶融処理し、ＳｉＯ2，Ａｌ2Ｏ3，ＣａＯ，ＭｇＯ等を主成分とする溶融スラグを出滓させ、この出滓した溶融スラグに鉄イオン供与体を添加して鋳型に鋳込んで徐冷し結晶化することにより、所定の形状・寸法に岩石化してなることを特徴とする焼却灰溶融固化物。
- 乾燥焼却灰に成分調整材および還元剤を混合して電気炉で溶融処理する工程と、ＳｉＯ2，Ａｌ2Ｏ3，ＣａＯ，ＭｇＯ等を主成分とする溶融スラグを出滓させる工程と、この出滓した溶融スラグに鉄イオン供与体を添加した後、鋳型に鋳込んで徐冷し結晶化する工程とを含む焼却灰溶融固化処理方法であって、
前記成分調整材として、ホタテ，カキ等の貝殻を用いることを特徴とする焼却灰溶融固化処理方法。 - 請求項２に記載の処理方法において、前記貝殻はフレーク状に砕いたものとし、前記乾燥焼却灰に対する混合割合を、５〜２０重量％とすることを特徴とする焼却灰溶融固化処理方法。
- 請求項２に記載の処理方法において、前記鉄イオン供与体は、鉄材の圧延時に発生する鉄酸化物（ミルスケール）とすることを特徴とする焼却灰溶融固化処理方法。
- 請求項４に記載の処理方法において、前記ミルスケールの添加量は、前記乾燥焼却灰と貝殻との合計重量部を１００とした場合に、２〜７重量部とすることを特徴とする焼却灰溶融固化処理方法。
- 請求項１に記載の焼却灰溶融固化物を、海中でコンブ，ワカメ等の海藻類の生育のための藻床部材、もしくは魚介類繁殖のための魚床部材として利用することを特徴とする焼却灰溶融固化物の利用方法。
- 請求項２または３に記載の焼却灰溶融固化処理方法を実施するための装置であって、乾燥焼却灰，貝殻からなる成分調整材および還元剤を配合した混合物の供給手段と、直流電気抵抗式還元溶融炉と、この溶融炉に設けてなり炉内で溶融処理した溶融スラグ，溶融金属および溶融飛灰を個別に取り出すための手段と、取り出した前記溶融スラグを導入し所定の形状・寸法に鋳込む鋳型手段とを備え、さらに、前記溶融炉は、前記溶融スラグに鉄イオン供与体を添加する手段を備えることを特徴とする焼却灰溶融固化処理装置。
- 請求項７に記載の処理装置において、前記直流電気抵抗式還元溶融炉は、炉の上部に前記混合物の導入口と主電極を設け、かつ炉底に炉底電極を設けてなることを特徴とする焼却灰溶融固化処理装置。
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