JP4619193B2

JP4619193B2 - 焼却灰等の水素発生能測定方法及び水素発生能測定による焼却灰改質装置の運転制御方法。

Info

Publication number: JP4619193B2
Application number: JP2005138068A
Authority: JP
Inventors: 浩之引田; 健一宍田; 良二鮫島
Original assignee: Takuma KK
Current assignee: Takuma KK
Priority date: 2005-05-11
Filing date: 2005-05-11
Publication date: 2011-01-26
Anticipated expiration: 2025-05-11
Also published as: JP2006317209A

Description

本発明は、都市ごみ焼却灰や焼却飛灰（以下焼却灰と総称する）の改質システムや焼却灰からの水素回収システムにおいて利用されるものであり、焼却灰や改質後の灰の水素発生能を簡単且つ正確に測定可能とすることにより、改質システムや水素回収システム等の運転管理の合理化を図れるようにした焼却灰等の水素発生能測定方法とこれを用いた焼却灰改質装置の運転制御方法に関するものである。

都市ごみ焼却炉等から排出される焼却灰中には、土壌汚染対策法等に示されている特定有害物質が含有されており、特に鉛は、その溶出量（環境庁告示46号）及び含有量（環境省告示19号）の基準値を上回ることが多い。そのため、焼却灰をそのまま建築用資材等としてリサイクルすることは困難で、焼却灰の大部分は埋立により処分されて来た。
しかし、埋立処分場の確保が困難になって来たこと及び資源循環型社会の構築が要請されていること等の理由から、近年各方面で焼却灰を改質処理してこれを資源化し、その有効利用を図ることが行われており、例えば、イ．焼却灰を溶融又は焼成処理する方式、ロ．焼却灰をエージング処理する方式、ハ．焼却灰を水熱処理する方式等の改質処理方法が多く利用されている。

ところが、上記イ．の焼却灰の溶融によるスラグ化や焼成によるエコセメント化処理には、多くのエネルギー消費を伴うこと及び高度な運転技術を必要とすること等の問題がある。
また、上記ロ．の方式は、焼却灰にＣＯ₂を含有するガスを接触させ、焼却灰中のアルカリ成分を中和すると共に灰中の鉛を難溶性の炭酸鉛等にするものであり、土壌汚染対策法に規定されている所謂鉛溶出量基準を充足できると云う特徴を有している（特開２００２−０１８３９２号等）。
更に、上記ハ．の方式は、１００℃〜３００℃の飽和水蒸気の下で焼却灰を養生することにより、アルミノケイ酸カルシウム水和物（例えばトバモライト）を合成し、その構造内に鉛を封じ込めることにより鉛の溶出量を低減させるものであり、前記ロ．の方式の場合と同様の特徴を有している（特許第３２６３０４５号等）。

しかし、上記ロ．及びハ．の方式は、前述の通り鉛の溶出量についての基準は充足することができるものの、炭酸塩やアルミノケイ酸カルシウム水和物は１規定濃度の塩酸に対して可溶であるため、塩酸抽出により計量される鉛含有量は減少せず、土壌汚染対策法に規定される塩酸抽出量基準を充足することができない。その結果、上記ロ．及びハ．の方式により改質処理された焼却灰は、土木建築用資材としてリサイクル利用することが出来ないと云う問題がある。

一方、上記ロ及びハの方式における問題を解決するため、本願出願人は、ニ．焼却灰にＣＯ₂と水分とを混合してこれを５０〜６００℃の温度下で一定時間保持することにより、焼却灰を酸に難溶な鉱物性物質に改質して構造破壊による鉛の溶出を起さない物質とすると共に、改質時に発生した水素の有効利用を併せて行うようにした技術を開発し、これを特願２００５−４０６９３号として公開している。

図４は、上記ニ．の鉱物化による改質処理方法の実施の一例を示すものである。改質装置３５内へ焼却灰Ｃを投入し、これに水Ｗｏ（又は水蒸気Ｓ）とＣＯ_２（又はＣＯ_２含有ガス）Ｇｏを加え、これ等を撹拌混合し乍ら一定時間（約０．１〜１０時間）、５０℃〜６００℃好ましくは１００℃〜４００℃の温度下に保持すると、改質装置３５内では例えば下記の如き反応が起生する。
４ＣａＯ・３Ａｌ_２Ｏ_３・６ＳｉＯ_２・Ｈ_２Ｏ（エピドート）＋４ＣＯ_２＋５Ｈ_２Ｏ・Ａｌ_２Ｏ_３・６ＳｉＯ・２Ｈ_２Ｏ（カオリナイト）＋４ＣａＣＯ_３
即ち、焼却灰Ｃ内にはＡｌやＳｉ、ＣａＯやＣａＣＯ_３等が多量残留している。これらが加熱下で水分と反応することにより、従前の水熱反応処理の場合と同様にアルミノケイ酸カルシウム水和物（例えばエピドート等）が形成される。
また、改質装置３５内へはＣＯ_２が供給されているため、ＣＯ_２とＨ_２Ｏとが前記ケイ酸カルシウム水和物と反応することにより、ケイ酸カルシウム水和物（エピドート）からカルシウム成分が除去されて、アルミノケイ酸水和物（雲母、スメクタイト、カオリナイト等）が形成される。

この形成されたアルミノケイ酸水和物（カオリナイト等）は、所謂鉱物性の物性を有する塩酸に難溶性の物質である。その結果、その網目構造内に取り込まれた鉛は、１規定濃度の塩酸溶液でも抽出されなくなり、環境省告示第１９号の規定に基づく方法により測定された鉛含有量は大幅に低減する。即ち、本発明により改質した改質灰Ｃｓは、土木・建築用資材として安全にリサイクルすることができる。
また、改質処理を行うことにより、改質装置３５内では焼却灰Ｃ内のＡｌやＺｎ等とアルカリ性水溶液との接触により水素Ｈ_２が発生する。この発生した水素は、別途に設けた水素回収装置（図示省略）へ連続的に回収されたり、或いはごみ焼却炉内へ供給されたりする。尚、図４において、Ｋは加熱用の熱である。

特開２００２−０１８３９２号特許第３２６３０４５号特開２０００−２２０８１６号特開平１１−１４１８４９号特開平０４−２６５１８８号

前記特願２００５−４０６９３号に係る発明は、焼却灰を鉱物性物質に改質して有害な鉛等の重金属類をその構造内に封じ込むことができ、１規定濃度の塩酸溶液でも抽出されなくなると共に、発生した水素を回収してエネルギー資源として活用できると云う優れた効用を有するものである。
しかし、当該特願２００５−４０６９３号に係る発明にも、解決すべき多くの問題が残されている。その中でも、特に解決が急がれる問題は、焼却灰の改質処理を短時間内に少ないエネルギー消費でもってより完全に、効率よく改質できるようにすることである。

即ち、被処理物である焼却灰は、ごみの発生地域や発生の季節等により、含有成分等を含めてその物性が大きく変動する。その結果、焼却灰へ混合するＣＯ₂や水分の混合率や処理温度、処理時間等を予め定めた一定値に保持した状態で改質処理を進めた場合には、改質（鉱物化）処理が不十分であったり、或いは処理時間が不必要に長くなってエネルギー損失が増大する等の不都合が発生する。
尚、現実には、運転操作員がこれ迄の運転実績から得られた経験に基づいて、前記混合率や処理温度、処理時間等を適宜に設定し、この設定値に従って改質処理を行うようにしており、改質不足や過改質の状態がしばしば発生することになる。
また、上述の如き不都合は、単に前記特願２００５−４０６９３号の発明のみならず、従前のエージング処理方式や水熱処理方式においても共通して生ずる問題である。

本発明は、従前のこの種焼却灰の改質処理における上述の如き問題、即ち焼却灰へ混合する水分やＣＯ₂等の混合比率、処理温度、処理時間等を経験的に定めるようにしているため、焼却灰を高能率で完全に改質処理することが出来ないと云う問題を解決せんとするものであり、焼却灰の有する水素発生能を検知することにより、改質処理装置の運転効率の向上や処理後の焼却灰の改質レベルの安定化を図れるようにした焼却灰の水素発生能測定方法と、これを用いた焼却灰改質装置の運転制御方法を提供することを発明の主たる目的とするものである。

請求項１の発明は、水分含有量を調整した一定量の焼却灰や改質後の灰内へアルカリ性溶液と水又は蒸気と熱を加えて１００〜３００℃の温度の下で加熱混合すると共に、前記加熱混合により発生した水素量を測定して当該発生水素量の測定値から焼却灰や改質後の灰の水素発生能を求めることを発明の基本構成とするものである。

請求項２の発明は、水分含有量を調整した一定量のごみ焼却炉からの焼却灰を改質処理した後の改質灰内へアルカリ性溶液と水又は蒸気と熱を加えて加熱混合すると共に、前記加熱混合により発生した水素量を測定して当該発生水素量の測定値から改質灰の水素発生能を求め、当該水素発生能の値に基づいてごみ焼却炉に付設した焼却灰改質装置の作動を制御する構成としたことを発明の基本構成とするものである。

請求項３の発明は、水分含有量を調整した一定量のごみ焼却炉からの焼却灰内へアルカリ性溶液と水又は蒸気と熱とを加えて１００〜３００℃の温度の下で加熱混合すると共に、前記加熱混合により発生した水素量を測定して当該水素量の測定値からごみ焼却炉からの焼却灰の水素発生能を求め、当該水素発生能の値に基づいてごみ焼却炉に付設した焼却灰改質装置の作動を制御する構成としたことを発明の基本構成とするものである。

本願発明においては、水分含有量を調整した一定量の焼却灰や改質後の灰内へアルカリ性溶液と水又は蒸気と熱を加えて加熱混合すると共に、前記加熱混合により発生した水素量を測定して当該発生水素量の測定値から焼却灰の水素発生能を求めることを発明の基本構成としているため、焼却灰や改質後の灰の水素発生能を簡単且つ迅速に、しかもより正確に求めることができる。

また、本願発明の焼却灰改質装置の運転制御方法においては、改質灰の水素発生能若しくは焼却灰の水素発生能の実測値に基づいてごみ焼却炉に付設した焼却灰改質装置の運転制御を行う構成としているため、改質不足や無駄なエネルギー消費を生ずることを完全に防止することが出来るだけでなく、焼却灰の性質が変っても常に安定した灰改質を能率よく達成することができる。

以下、図面に基づいて本発明の実施形態を説明する。
図１は本発明に係る焼却灰等の水素発生能測定に使用する測定装置のブロック構成図であり、図１に於いて、１は灰乾燥部、２は灰計量部、３は加熱混合部、４はアルカリ剤流量調整部、５は水流量調整部、６は温度調整部、７は水素分離部、８は水素流量計測部、９は演算部、１０は水素発生能表示部である。

先ず被測定材である焼却灰等Ｃは、水分含有量が高い場合灰乾燥部１内でヒータにより加熱乾燥され、その水分含有率が約５〜１０％程度に調整される。
次に、乾燥灰Ｃ₁の重量計測が灰計量部２で行われ、所定量（例えば１ｋｇの乾燥灰Ｃ₁）が加熱混合部３へ供給される。

加熱混合部３に於いては、所定量の乾燥灰Ｃ₁内へ予め設定された一定流量のアルカリ性溶液（例えば所定濃度のＮａＯＨ又はＫＯＨ溶液）が連続的に供給されると共に、水供給量調整部５から設定時間内に設定量の温度８０〜９０℃の水Ｗｏが供給される。
また、加熱混合部３内は、温度調整部６を介して予め所定温度（例えば１００℃）に加熱されており、加熱混合部３内で乾燥灰Ｃ₁とアルカリ性溶液Ａと水Ｗｏとが混合されている間は、引き続き所定の設定温度に保持される。

加熱混合部３内では、乾燥灰Ｃ₁内、に含有されているＺｎやＡｌ、Ｓｎ等と、アルカリ性溶液内のアルカリ剤（例えばＮａＯＨ溶液）と水とが、下記の（１）式及び（２）式の如き公知の反応をし、その結果、加熱混合部３内に水素Ｈ₂が発生する。
Ｚｎ＋２ＮａＯＨ＝Ｎａ₂ＺｎＯ₂＋Ｈ₂ （１）
Ａ１＋ＮａＯＨ＋Ｈ₂Ｏ＝ＮａＡｌＯ₂＋３／２Ｈ₂ （２）

発生した水素ガスＨ₂やその他の雑ガスＧ′は水素分離部７で分離され、水素ガスＨ₂は水素流量計測部８で発生流量が計測されたあと、外部へ取り出しされて行く。
また、計測部８で計測された水素流量は演算部９へ連続的に入力され、ここで被処理材である焼却灰Ｃの水素発生能が前記計測された水素流量に基づいて演算され、水素発生能表示部１０にその結果が表示される。

尚、上記図１の水素発生能測定装置では、発生水素の分離部７、流量計測部８及び演算部９等を使用しているが、加熱混合部３からの発生ガスを水素濃度測定部（図示省略）へ導入し、水素濃度の測定値から水素発生能を演算するようにしても良い。又、図１において、加熱混合部３からの発生ガスの大部分が水素ガスである場合には分離部７を削除して、発生ガスを流量計測部８へ直接導入するようにしても良い。

供試焼却灰Ｃｂの調整水分含有量が５０％、供試焼却灰Ｃｂの重量が１ｋｇ（大都市の生活ごみの焼却灰）、加熱混合部の温度が３００℃、ｐＨが１０〜１３になるようにアルカリ溶液（ＮａＯＨ溶液等）添加したとき、水素発生量は約3分後にほぼ一定量に達すると共に、約10分後に減少に転じた。

図２は、本発明に係る焼却灰等の水素発生能測定方法を焼却灰改質型ストーカ式ごみ焼却炉へ適用した場合の系統説明図である。図２において、１１は焼却灰等の水素発生能測定装置、１２はストーカ制御装置、１３は焼却炉、１４はごみ投入ホッパ、１５はごみ供給装置、１６は乾燥ストーカ、１７は燃焼ストーカ、１８は後燃焼ストーカ、１９は灰改質ストーカ、１９ａは灰改質ストーカの駆動装置、２０は１次燃焼室、２１は２次燃焼室、２２は灰出口、２３は水蒸気供給装置、２４は水蒸気供給ライン、２５ａは１次空気供給ライン、２５ｂは２次空気供給ライン、２６は廃熱ボイラ、２７は排ガス浄化装置、２８は排ガス供給ライン、２９は誘引通風機、３０は煙突、Ａ₁は１次空気、Ａ₂は２次空気、Ｇは燃焼排ガス、Ｗはごみ、Ｓは水蒸気、Ｇ_Oは排ガス、Ｃｓは改質灰である。

ストーカ式ごみ焼却炉１３には、後燃焼ストーカ１８の下流側に灰改質ストーカ１９が設けられており、ストーカ駆動装置１９ａにより灰送り速度を任意の速度に調整できるように構成されている。また、当該灰改質ストーカ１９の上方には、蒸気又は噴霧水を供給するための水蒸気供給装置２３が設けられている。更に、前記灰質ストーカ１９の下方ホッパ１９ｂ内へは、排ガス浄化装置２７の出口より分岐した排ガスＧｏが排ガス供給ライン２８を通して供給されている。

而して、燃焼ストーカ１７上で燃焼され、後燃焼ストーカ１８上で所謂おき燃焼をされた焼却残渣は、灰改質ストーカ１９上へ順次送られ、ここで水蒸気供給装置２３から水蒸気が供給されることにより、焼却灰中に前記アルミノケイ酸カルシウム水和物（エピドート）が形成される。
また、灰改質ストーカ１９の下方ホッパ１９ｂへは、排ガス供給ライン２８を通して排ガス浄化装置２７の出口から分岐したＣＯ₂濃度が約５〜１５％の排ガスＧｏが供給されており、当該排ガスＧｏ内に含有されるＣＯ₂と水分とが前記形成されたアルミノケイ酸カルシウム水和物（エピドート）と反応することにより、これが塩酸に対して難溶性のアルミノケイ酸水和物（カオリナイト）に変換される。

その結果、灰改質ストーカ１９上から灰出口２２より焼却炉２１外へ排出されて来る改質灰Ｃｓは、前記アルミノケイ酸水和物の含有量の極めて高い改質灰となり、アルミノケイ酸水和物内へとじ込められた鉛は、１規定濃度の塩酸溶液でも外部へ抽出されなくなる。

図２を参照して、前記改質灰Ｃｓの一部は、焼却灰等の水素発生能測定装置１１へ供給されており、ここで改質灰Ｃｓの水素発生能が連続的に測定されている。また、水素発生能測定装置１１で測定された水素発生能表示信号Ｒｓはストーカ制御装置１２へ入力されており、改質灰Ｃｓの水素発生能が高い場合（即ち、改質処理が不足状態であって改質灰内にＺｎやＡｌ等の金属類の残留が多い場合）には、灰改質ストーカ１９の作動速度を低下させて改質処理時間を長くしたり、或いは加熱温度、排ガスＧｏ及び水蒸気Ｓの供給量等を調整したりすることにより、改質灰Ｃｓの水素発生能が規定値以下、具体的には水素発生能がほぼ零となるようにされる。

図３は、本発明に係る焼却灰の水素発生能測定方法を焼却灰改質型ストーカ式ごみ焼却炉へ適用した別の実施例を示す系統説明図であり、図３において１１は焼却灰等の水素発生能測定装置、３５は灰改質装置、３６は改質制御装置である。

図３の焼却灰改質型ストーカ式ごみ焼却炉では、ストーカ式ごみ焼却炉からの焼却灰Ｃを炉外に設置した灰改質装置３５において改質処理する構成となっている。
即ち、灰改質装置３５は、ロータリキルンや流動層式の反応器、あるいはオートクレーブ等の焼却灰Ｃを一定時間撹拌・混合し乍ら加熱するものである。
また、当該灰改質装置３５へは、廃熱ボイラ２６から水分供給ライン２４を通して所定量の水蒸気Ｓが供給されると共に、排ガス浄化装置２７の出口側より引き抜いた排ガスＧｏが供給される。
更に、図示されていないが、灰改質装置３５の本体へは、内部の焼却灰Ｃを５０℃〜６００℃（好ましくは１００℃〜４００℃）に保持するのに必要な熱が加えられており、通常はごみ焼却炉からの排ガスの熱や加熱ガス発生炉（図示省略）の燃焼ガスの熱等が多く利用される。

加えて、灰改質装置３５へは、焼却灰選別装置３７により予め鉄片や大型固形物４０を除いた焼却灰Ｃが被処理物として供給される。
尚、水素分離装置３８は、灰改質装置３５の内部より引き抜いた発生ガスから水素を分離し、分離した水素Ｈ₂を水素タンク３９へ貯留すると共に、水素以外の分離ガスを排ガスラインへ排出する。

灰改質装置３５内へ焼却灰Ｃを投入し、これに廃熱ボイラ２６からの水蒸気Ｓと排ガス（ＣＯ₂又はＣＯ₂含有ガス）Ｇｏを加え、これ等を撹拌混合し乍ら一定時間（約０．１〜１０時間）５０〜６００℃、好ましくは１００℃〜４００℃の温度下に保持することにより、焼却灰改質装置３５内では焼却灰の改質即ち鉱物化処理が行われる。
尚、図３のごみ焼却炉１３においては、後燃焼ストーカ１８上方の炉本体１９に燃焼ガス吸引口３１を設け、当該吸引口３１を介して吸引した後燃焼ストーカ１８の上方空間部の燃焼ガスＧ₁を、送風機３２により燃焼ガス供給ライン３３を通して１次燃焼室２２と２次燃焼室２１との中間部Ｄへ供給するように構成されている。燃焼ガスＧ₁が中間部分Ｄへ供給されることにより、中間１９部分Ｄが所謂還元領域となり、その結果還元領域を通過する燃焼排ガス内の窒素酸化物やダイオキシン類及びその前駆体物質の生成が抑制されると共に、燃焼排ガスの撹拌混合が促進されて未燃物の完全な燃焼が可能となる。

前記図３のごみ焼却炉１３では、焼却灰選別装置３７により選別された焼却灰Ｃの一部が水素発生能測定装置１１へ供給されており、ここで連続的に焼却灰Ｃの水素発生能が測定されると共に、測定された水素発生能表示信号Ｒｓが改質制御装置３６へ入力されている。
そして、当該表示信号Ｒｓに応じて灰改質装置３５の運転条件が調整されることにより、焼却灰Ｃのより完全な改質が行われる。

具体的には、焼却灰Ｃの水素発生能が高い場合には、灰改質装置３５内における焼却灰Ｃの滞留時間を長くし、また逆に、焼却灰Ｃの水素発生能が低い場合には前記滞留時間を短く設定する等の制御が行われる。

本発明は、都市ごみ焼却灰や焼却飛灰等を安全な土木・建築用資材として再利用するために改質処理をしたり、或いは、改質処理中に発生する水素を回収、利用したりする場合に広く利用されるものであり、特に都市ごみ等一般廃棄物の焼却処理産業や焼却灰の改質処理産業において主に利用されるものである。

焼却灰等の水素発生能測定方法の実施に使用する水素発生能測定装置の一例を示すブロック構成図である。本発明に係る水素発生能測定方法を用いた焼却灰改質型ストーカ式ごみ焼却炉の一例を示す系統説明図である。本発明に係る水素発生能測定方法を用いた焼却灰改質型ストーカ式ごみ焼却炉の他の例を示す系統説明図である。本願発明者の発明に係る焼却灰の鉱物化改質処理方法の説明図である。

符号の説明

Ａはアルカリ性溶液、Ａ₁は１次空気、Ａ₂は２次空気、Ｃは焼却灰、Ｃｓは改質灰、Ｇは燃焼排ガス、Ｇｏは排ガス、Ｇ₁は燃焼ガス、Ｇ′は雑ガス、ＧＨは発生ガス、Ｋは熱、Ｈ₂は水素ガス、Ｒｓは水素発生能信号、Ｓは水蒸気、Ｗｏは水、Ｗは都市ごみ、１は灰乾燥部、２は灰計量部、３は加熱混合部、４はアルカリ剤流量調整部、５は水供給量調整部、６は温度調整部、７は水素分離部、８は水素分離部、９は演算部、１０は水素発生能表示部、１１は焼却灰等の水素発生能測定装置、１２はストーカ制御装置、１３は焼却炉、１４はごみ投入ホッパ、１５はごみ供給装置、１６は乾燥ストーカ、１７は燃焼ストーカ、１８は後燃焼ストーカ、１９は灰改質ストーカ、１９ａは下方ホッパ、２０は１次燃焼室、２１は２次燃焼室、２２は灰出口、２３は水蒸気供給装置、２４は水蒸気供給ライン、２４ａはバルブ、２５ａは１次空気供給ライン、２５ｂは２次空気供給ライン、２６は廃熱ボイラ、２７は排ガス浄化装置、２８は排ガス供給ライン、２８ａは排ガス送風機、２８ｂはダンパ、２９は誘引通風機、３０は煙突、３１は燃焼ガス吸引口、３２は送風機、３３は燃焼ガス供給ライン、３３ａはダンパ、３４は排出ガス搬送ライン、３５は改質装置、３６は改質制御装置、３７は焼却灰選別装置、３８は水素分離装置、３９は水素回収タンク、４０は鉄片等である。

Claims

水分含有量を調整した一定量の焼却灰や改質後の灰内へアルカリ性溶液と水又は蒸気と熱を加えて１００〜３００℃の温度の下で加熱混合すると共に、前記加熱混合により発生した水素量を測定して当該発生水素量の測定値から焼却灰や改質後の灰の水素発生能を求めることを特徴とする焼却灰等の水素発生能測定方法。
水分含有量を調整した一定量のごみ焼却炉からの焼却灰を改質処理した後の改質灰内へアルカリ性溶液と水又は蒸気と熱を加えて加熱混合すると共に、前記加熱混合により発生した水素量を測定して当該発生水素量の測定値から改質灰の水素発生能を求め、当該水素発生能の値に基づいてごみ焼却炉に付設した焼却灰改質装置の作動を制御する構成とした焼却灰改質装置の運転制御方法。
水分含有量を調整した一定量のごみ焼却炉からの焼却灰内へアルカリ性溶液と水又は蒸気と熱とを加えて１００〜３００℃の温度の下で加熱混合すると共に、前記加熱混合により発生した水素量を測定して当該水素量の測定値からごみ焼却炉からの焼却灰の水素発生能を求め、当該水素発生能の値に基づいてごみ焼却炉に付設した焼却灰改質装置の作動を制御する構成とした焼却灰改質装置の運転制御方法。