JP5904923B2

JP5904923B2 - 連続晶析システムおよび連続晶析方法

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Publication number: JP5904923B2
Application number: JP2012231276A
Authority: JP
Inventors: 諭奥村; 浜野　修史; 修史浜野
Original assignee: Hitachi Zosen Corp
Current assignee: Hitachi Zosen Corp
Priority date: 2012-10-19
Filing date: 2012-10-19
Publication date: 2016-04-20
Anticipated expiration: 2032-10-19
Also published as: JP2014083467A

Description

本発明は、連続晶析システムおよび連続晶析方法に関する。

家庭から排出されたごみや、産業廃棄物等は、一般的に、焼却炉において焼却処理される。焼却処理により発生する焼却灰は、埋め立て等の処理に供されている。しかし、家庭から排出されるごみには、ナトリウムやカリウムが含まれていることが多く、特にナトリウムは、塩化物、すなわち食塩として含まれていることが多い。このため、ナトリウムやカリウムや塩素は、焼却灰中にも一定量以上が含まれている。従って、焼却灰を埋設処理してしまったのでは、これらの資源が回収されず、その再利用ができなくなる。

そこで、焼却灰からナトリウムやカリウムを回収するとともに、二酸化炭素の排出量の増加による地球温暖化を防ぐことを目的として、都市ごみ焼却施設から発生する排ガス中に含まれるＣＯ_２を固定化するシステムに関する研究開発が行われている（例えば、特許文献１）。

以下、特許文献１で提案されている、従来の連続晶析システムを備えた、焼却灰の処理装置を、図４を参照しながら説明する。
焼却灰の処理装置２０は、図４に示すように、焼却灰から水溶液（Ｉ）を作り出すための灰反応装置２と、水溶液（Ｉ）からカリウムを塩化カリウムとして分離、回収するための冷却晶析装置１５を含む連続晶析システム１３と、焼却炉で発生した排ガスからＣＯ_２を吸収するための吸収塔４とを備える。水溶液（Ｉ）は、カリウム、ナトリウム、および塩素を含む。

従来の連続晶析システム１３は、冷却晶析装置１５と、灰反応装置２で得られた水溶液（Ｉ）を冷却晶析装置１５へ供給する搬入流路１６と、冷却晶析装置１５において水溶液（Ｉ）からカリウムを分離、回収した後の水溶液（ＩＩ）を、冷却晶析装置１５外へ送り出す搬出流路１７と、を備える。
搬入流路１６（例えば、図４中の位置Ｐ_１）における水溶液（Ｉ）は、当該水溶液（Ｉ）中においてカリウムおよび塩素がイオンとして存在可能な第１の温度に調整されている。搬入流路１６から冷却晶析装置１５内（図４中の位置Ｐ_２）に供給された水溶液（Ｉ）は、第１の温度よりも低い、塩化カリウムを析出可能な第２の温度に調整されている。

水溶液（ＩＩ）は、搬出流路１７を経由して吸収塔４へ供給される。
吸収塔４は、焼却炉の煙道からの炭酸ガス（ＣＯ_２）を含む排ガスを吸収塔４の内部へ供給するための供給口１０ａと、吸収塔４内で排ガスからＣＯ_２が吸収された後の排ガスを吸収塔４の外部（煙道）に戻すための排出口１０ｂとを有する。搬出流路１７の一部は、吸収塔４の内部へ延びており、その一部には、吸収塔４の内部における排ガス雰囲気中に水溶液（ＩＩ）を散布するためのノズル１２が設けられている。
吸収塔４では、吸収塔４内へ供給された水溶液（ＩＩ）と、焼却炉で発生した排ガス中のＣＯ_２とを反応させる。これにより、水溶液（ＩＩ）からナトリウムを炭酸水素ナトリウムとして分離、回収することができるとともに、排ガスからＣＯ_２を除去することができる。

吸収塔４において水溶液（ＩＩ）からナトリウムを分離、回収した後の水溶液（ＩＩＩ）は、戻り流路９を経由して灰反応装置２へ供給される。灰反応装置２は、焼却灰の水溶液から沈殿物を分離、回収するための沈殿槽１１ａ、および沈殿槽１１ａ内の水溶液を攪拌するための攪拌装置１１ｂを有する。水溶液（ＩＩＩ）は、灰反応装置２において、焼却灰の水溶液から、カルシウムおよびマグネシウムを炭酸カルシウムおよび炭酸マグネシウムとして分離、回収して、水溶液（Ｉ）を生成する目的で用いられる。

国際公開第２０１１／０１０６８１号パンフレット

しかしながら、図４に示す連続晶析システム１３では、灰反応装置２から搬入流路１６へ供給される水溶液（Ｉ）のすべてを冷却晶析装置１５にて冷却する必要があり、冷却するのに多くのエネルギーを必要とするため、コストがかかる。
また、多くのエネルギーを必要とするため、冷却晶析装置１５を大型化する必要がある。

さらに、冷却晶析装置１５から搬出流路１７へ送り出された水溶液（ＩＩ）（例えば、図４中の位置Ｐ_３の水溶液）は、第２の温度に冷却されており、カリウム、ナトリウム、および塩素のイオン等を飽和濃度に近い状態で含有している。このため、わずかな温度低下で搬出流路１７内において水溶液（ＩＩ）から塩化カリウム等が析出し易く、搬出流路１７内が析出物で閉塞され易い。搬出流路１７内が析出物で閉塞されると、図４に示すように、搬出流路１７が吸収塔４に接続される場合、水溶液（ＩＩ）を吸収塔４へ十分に供給できなくなり、吸収塔４における水溶液（ＩＩ）によるＣＯ_２ガスの吸収能および水溶液（ＩＩ）からのナトリウムの回収量が大幅に低下する。搬入流路１６、搬出流路１７、および戻り流路９による水溶液の循環が十分に行われなくなり、装置２０の処理能力が大幅に低下する。

そこで、本発明は、冷却晶析装置を小型化可能であり、かつ安定した連続晶析が可能であり、信頼性に優れた、低コストの連続晶析システムおよび連続晶析方法を提供することを目的とする。

本発明の連続晶析システムは、
カリウムと塩素とを含有する第１の水溶液からカリウムを塩化カリウムとして分離、回収する冷却晶析装置と、
前記第１の水溶液を前記冷却晶析装置へ供給する搬入流路と、
前記冷却晶析装置において前記第１の水溶液からカリウムを分離、回収した後の第２の水溶液を、前記冷却晶析装置外へ送り出す搬出流路と、
前記搬入流路における前記第１の水溶液の一部を、前記冷却晶析装置をバイパスして前記搬出流路へ供給するバイパス流路と、
を備え、
前記第１の水溶液は、前記搬入流路において、当該水溶液中においてカリウムおよび塩素がイオンとして存在可能な第１の温度に調整され、
前記第１の水溶液は、前記冷却晶析装置において、前記第１の温度よりも低い、塩化カリウムを析出可能な第２の温度に調整され、
前記搬出流路において、前記冷却晶析装置より搬出された、第２の温度に調整された第２の水溶液が、前記搬入流路から前記バイパス流路を経由した、第１の温度に調整された第１の水溶液と合流することで、第１の水溶液と第２の水溶液とが合流した後の第３の水溶液が、前記第２の温度よりも高い第３の温度に調整されている、
ことを特徴とする。

また、本発明は、
カリウムと塩素とを含有する第１の水溶液からカリウムを塩化カリウムとして分離、回収する冷却晶析装置と、
前記第１の水溶液を前記冷却晶析装置内へ供給する搬入流路と、
前記冷却晶析装置において前記第１の水溶液からカリウムを分離、回収した後の第２の水溶液を、前記冷却晶析装置外へ送り出す搬出流路と、
を備えた連続晶析システムを用いた連続晶析方法であって、
前記搬入流路における前記第１の水溶液の一部を、前記冷却晶析装置をバイパスして前記搬出流路へ供給し、
前記搬入流路における第１の水溶液を、当該水溶液中においてカリウムおよび塩素がイオンとして存在可能な第１の温度に調整し、
前記冷却晶析装置における第１の水溶液を、前記第１の温度よりも低い、塩化カリウムを析出可能な第２の温度に調整し、
前記搬出流路において、前記冷却晶析装置より搬出された、第２の温度に調製された第２の水溶液を、前記搬入流路から冷却晶析装置をバイパスして搬出流路へ供給される、第１の温度に調整された第１の水溶液と合流させて、第１の水溶液と第２の水溶液とが合流した後の第３の水溶液を、前記第２の温度よりも高い第３の温度に調整する、ことを特徴とする。

本発明によれば、冷却晶析装置を小型化可能であり、かつ安定した連続晶析が可能であり、信頼性に優れた、低コストの連続晶析システムおよび連続晶析方法を提供することができる。

本発明の連続晶析システムを備えた焼却灰の処理装置の一実施形態を示す概略構成図である。図１の装置における冷却晶析装置の入口付近のｐＨおよび温度Ｔ_２と晶析物の組成との関係を示す図である。冷却晶析装置の入口付近のｐＨと処理流量比との関係を示す図である。従来の連続晶析システムを備えた焼却灰の処理装置の概略構成図である。

本発明は、カリウムと塩素とを含有する第１の水溶液からカリウムを塩化カリウムとして分離、回収する冷却晶析装置と、第１の水溶液を冷却晶析装置へ供給する搬入流路と、冷却晶析装置において第１の水溶液からカリウムを分離、回収した後の第２の水溶液を、冷却晶析装置外へ送り出す搬出流路と、を備えた連続晶析システムに関する。

本発明の連続晶析システムは、搬入流路における第１の水溶液の一部を、冷却晶析装置をバイパスして搬出流路へ供給するバイパス流路を備える。第１の水溶液は、搬入流路において、第１の水溶液中においてカリウムおよび塩素がイオンとして存在可能な第１の温度に調整され、冷却晶析装置において、第１の温度よりも低い、塩化カリウムを析出可能な第２の温度に調整されている。
これにより、冷却晶析装置へ供給される第１の水溶液の流量を減らすことができるため、冷却に多くのエネルギーを必要としない。よって、冷却に対するコストを低減することができる。また、冷却に多くのエネルギーを必要としないため、冷却晶析装置を小型化することができる。

また、本発明の連続晶析システムは、搬出流路において、冷却晶析装置より搬出された、第２の温度に調整された第２の水溶液が、搬入流路からバイパス流路を経由した、第１の温度に調整された第１の水溶液と合流することで、第１の水溶液と第２の水溶液とが合流した後の第３の水溶液が、第２の温度よりも高い第３の温度に調整されている。
これにより、搬出流路内で生じた第２の水溶液からの析出物による搬出流路の閉塞を抑制することができ、安定した連続晶析を行うことができる。また、冷却晶析装置内の温度をより下げることができ、これにより、塩化カリウムの回収量を低下させずに、冷却晶析装置を小型化できる。

第１の水溶液は、焼却炉で発生した焼却灰の水溶液を用いて生成されるのが好ましい。
焼却灰は、通常、カリウムおよび塩素を含む。よって、焼却灰よりカリウムの資源を塩化カリウムとして回収し、再利用することができる。

第１の水溶液が、さらにナトリウムを含み、
第３の水溶液を、二酸化炭素を含有するガスと接触させて、第３の水溶液からナトリウムが炭酸水素ナトリウムとして分離、回収されるのが好ましい。
焼却灰は、通常、ナトリウムを含む。よって、焼却灰よりナトリウムの資源を回収し、再利用することができる。
二酸化炭素を含有するガスとしては、例えば、焼却炉から発生した排ガスが用いられ、排ガス中の二酸化炭素濃度を低減することができるとともに、この二酸化炭素を利用して焼却灰からナトリウムを回収することができる。

第３の水溶液からナトリウムを分離、回収した後の第４の水溶液は、所定のｐＨ値に調整され、第１の水溶液の生成に用いられるのが好ましい。
焼却炉で発生した焼却灰は、通常、カルシウムおよびマグネシウムを含む。この焼却灰の水溶液に第４の水溶液を供給することで、焼却灰の水溶液からカルシウムおよびマグネシウムを炭酸カルシウムおよび炭酸マグネシウムの沈殿物として分離、回収した後の水溶液を第１の水溶液として用いることができる。
上記のｐＨ値は、第３の水溶液に溶解する二酸化炭素の量およびナトリウムの回収量を変えることで、上記の焼却灰の水溶液からのカルシウムおよびマグネシウムの分離、回収（炭酸カルシウムおよび炭酸マグネシウムの沈殿物の形成）、ならびに第１の水溶液から第４の水溶液までの循環が可能な、所定の値に調整される。

また、本発明は、カリウムと塩素とを含有する第１の水溶液からカリウムを塩化カリウムとして分離、回収する冷却晶析装置と、第１の水溶液を冷却晶析装置内へ供給する搬入流路と、冷却晶析装置において第１の水溶液からカリウムを分離、回収した後の第２の水溶液を、冷却晶析装置外へ送り出す搬出流路と、を備えた連続晶析システムを用いた連続晶析方法に関する。

搬入流路における前記第１の水溶液の一部を、冷却晶析装置をバイパスして搬出流路へ供給する。搬入流路における第１の水溶液を、当該水溶液中においてカリウムおよび塩素がイオンとして存在可能な第１の温度に調整し、冷却晶析装置における第１の水溶液を、第１の温度よりも低い、塩化カリウムを析出可能な第２の温度に調整する。
これにより、冷却晶析装置へ供給される第１の水溶液の流量を減らすことができるため、冷却に多くのエネルギーを必要としない。よって、冷却に対するコストを低減することができる。また、冷却に多くのエネルギーを必要としないため、冷却晶析装置を小型化することができる。

搬出流路において、冷却晶析装置より搬出された、第２の温度に調製された第２の水溶液を、搬入流路から冷却晶析装置をバイパスして搬出流路へ供給される、第１の温度に調整された第１の水溶液と合流させて、第１の水溶液と第２の水溶液とが合流した後の第３の水溶液を、第２の温度よりも高い第３の温度に調整する。
これにより、搬出流路内で生じた第２の水溶液からの析出物による搬出流路の閉塞を抑制することができる。冷却晶析装置内の温度をより下げることができ、これにより、塩化カリウムの回収量を低下させずに、冷却晶析装置を小型化できる。

本発明の連続晶析システムを備えた、焼却灰の処理装置の一実施形態を、図１を参照しながら説明する。
図１に示すように、焼却灰の処理装置１は、焼却炉で発生した焼却灰を用いて、ナトリウム、カリウム、および塩素を含む第１の水溶液を作り出すための灰反応装置２と、第１の水溶液からカリウムを塩化カリウムとして分離、回収するための冷却晶析装置５を含む連続晶析システム３と、焼却炉で発生した排ガスからＣＯ_２を吸収するための吸収塔４とを、備える。

図１に示すように、連続晶析システム３は、第１の水溶液からカリウムを塩化カリウムとして分離、回収する冷却晶析装置５と、第１の水溶液を灰反応装置２から冷却晶析装置５へ供給する搬入流路６と、冷却晶析装置５において第１の水溶液からカリウムを分離、回収した後の第２の水溶液を、冷却晶析装置５外へ送り出す搬出流路７と、搬入流路６における第１の水溶液の一部を、冷却晶析装置５をバイパスして搬出流路７へ供給するバイパス流路８と、を備える。

第１の水溶液は、灰反応装置２において、第１の水溶液中でカリウムおよび塩素がイオンとして存在可能な第１の温度Ｔ_１に調整されている。よって、搬入流路６（例えば、位置Ｐ_１）において、第１の温度Ｔ_１に調整された第１の水溶液が流れる。
冷却晶析装置５内部の温度は、第１の温度Ｔ_１よりも低い、塩化カリウムを析出可能な第２の温度Ｔ_２に調整されている。このため、冷却晶析装置５に供給された第１の水溶液は、第１の温度Ｔ_１から第２の温度Ｔ_２に冷却される。この冷却により、第１の水溶液から塩化カリウムが析出することで、第１の水溶液からカリウムが分離、回収される。

第１の水溶液からカリウムおよび塩素が分離、回収された後の第２の水溶液は、冷却晶析装置５から搬出流路７へ送り出される。第２の水溶液は、冷却晶析装置５により第２の温度Ｔ_２に調整されている。
冷却晶析装置５より搬出された、第２の温度Ｔ_２に調整された第２の水溶液は、搬出流路７の位置Ｐ_４において、搬入流路６からバイパス流路８を経由した、第１の温度Ｔ_１に調整された第１の水溶液と合流する。これにより、搬出流路７における位置Ｐ_４の合流点よりも下流側（例えば、位置Ｐ_３）では、第１の水溶液と第２の水溶液とが合流した後の第３の水溶液が流れ、第２の温度Ｔ_２よりも高い第３の温度Ｔ_３に調整されている。第１の温度Ｔ_１、第２の温度Ｔ_２、第３の温度Ｔ_３は、Ｔ_２＜Ｔ_３＜Ｔ_１の関係を有する。

第３の温度Ｔ_３は、例えば、第１の温度Ｔ_１、第２の温度Ｔ_２、または冷却晶析装置５から搬出流路７へ送り出される第２の水溶液の流量Ｍ_２に対する、バイパス流路８を流れる第１の水溶液の流量Ｍ_１の比：Ｍ_１／Ｍ_２を変えることで調整される。
搬出流路７内での第２の水溶液による析出を確実に防ぐためには、搬出流路７におけるバイパス流路８との合流点（位置Ｐ_４）は、冷却晶析装置５の出口付近（例えば、搬出流路７における冷却晶析装置５の出口から５０〜１００ｃｍ程度の箇所）であるのが好ましい。

バイパス流路８を設けることで冷却晶析装置５を小型化可能であり、かつ安定した連続晶析が可能であり、信頼性に優れた、低コストの連続晶析システム３を提供することができる。
搬入流路６における第１の水溶液の一部を、冷却晶析装置５をバイパスして搬出流路７へ供給するバイパス流路８を設けることで、搬入流路６へ供給される第１の水溶液の一部を冷却晶析装置５において冷却すればよいため、冷却に多くのエネルギーを必要とせず、冷却に対するコストを低減することができる。
また、冷却に多くのエネルギーを必要としないため、冷却晶析装置５を小型化することができる。

さらに、搬出流路７において、第２の温度Ｔ_２に冷却された第２の水溶液は、搬入流路６からバイパス流路８を経由した、第２の温度Ｔ_２よりも高い第１の温度Ｔ_１に調整された第１の水溶液と合流する。これにより、搬出流路７内を流れる水溶液の温度を第２の温度Ｔ_２よりも高くすることができ、搬出流路７内における第２の温度Ｔ_２に冷却された第２の水溶液の析出による搬出流路７内の閉塞を抑制することができる。その結果、安定した連続晶析を実現することができる。冷却晶析装置５において第２の温度Ｔ_２をより下げることができるため、塩化カリウムの回収量を低下させずに、冷却晶析装置５を小型化できる。

冷却晶析装置５では、第１の水溶液は、第１の温度Ｔ_１よりも低い第２の温度Ｔ_２（例えば、２０〜３０℃程度）に冷却される。例えば、図４に示すバイパス流路を設けない従来の連続晶析システム１３では搬出流路での析出物による閉塞が起こり得る約２０〜２５℃の低温領域まで第１の水溶液を冷却することができる。塩化カリウムは、６０℃における飽和濃度に比べて３０℃における飽和濃度が大幅に低いという特性を有するため、第１の水溶液中に溶解していたカリウムおよび塩素のイオンが塩化カリウムとして析出し、沈殿する。これにより、第１の水溶液からカリウムを分離、回収することができる。

第１の水溶液の生成に用いられる焼却灰は、粉砕機で粉砕された後、灰反応装置２へ供給される。灰反応装置２は、焼却灰の水溶液から沈殿物を分離、回収するための沈殿槽１１ａ、および沈殿槽１１ａ内の水溶液を攪拌するための攪拌装置１１ｂを有する。
焼却炉で発生する焼却灰は、通常、ナトリウムとカリウムと塩素とを含むとともに、カルシウムやマグネシウムを含む。焼却灰中では、一般的に、ナトリウムは塩化ナトリウムとして存在し、カリウムは塩化カリウムとして存在する。

灰反応装置２では、焼却灰の水溶液中のカルシウムおよびマグネシウムが、後述する第４の水溶液由来の炭酸イオンと反応して、炭酸カルシウムおよび炭酸マグネシウムが形成される。焼却灰の水溶液から、炭酸カルシウムおよび炭酸マグネシウムとともに、水に溶解しない他の成分（残灰物）が、沈殿物として分離、回収される。

灰反応装置２の設定温度は、６０〜８０℃が好ましい。灰反応装置２は、一般的に、その運転温度が高いほど、炭酸カルシウムや炭酸マグネシウムの抽出率が高い。すなわち抽出速度が高い。そして、炭酸カルシウム、炭酸マグネシウムともに生成反応は発熱反応であるため、その発熱の量の分だけ、外部から灰反応装置２に加える熱量を低減することができる。
灰反応装置２から冷却晶析装置５へ供給される第１の水溶液の第１の温度Ｔ_１（例えば、６０℃）は、灰反応装置２の設定温度により調整される。
灰反応装置２で得られる第１の水溶液は、灰反応装置２により、例えば、温度６０〜７０℃程度およびｐＨ１０〜１１程度に調整されている。

粉砕機にて焼却灰が細かく粉砕される程、カリウム等の回収率が上がる。粉砕の程度は、粉砕のために必要なエネルギーとの兼ね合いによって決定することができる。
灰反応装置２において、焼却灰に含まれるカルシウム等が水に溶け出すと、すぐにカルシウム等の炭酸塩が形成される。攪拌装置１１ｂで水溶液を攪拌することで、この炭酸塩が他の粒子の表面を覆うことによる他の粒子の反応性の低下を防ぐことができる。

第３の水溶液は、搬出流路７を経由して吸収塔４へ供給される。
吸収塔４は、焼却炉の煙道からの炭酸ガス（ＣＯ_２）を含む排ガスを吸収塔４の内部へ供給するための供給口１０ａと、吸収塔４内で排ガスからＣＯ_２が吸収された後の排ガスを吸収塔４の外部（煙道）に戻すための排出口１０ｂとを有する。搬出流路７の一部は、吸収塔４の内部へ延びており、その一部には、吸収塔４の内部における排ガス雰囲気中に第３の水溶液を散布するためのノズル１２が設けられている。

吸収塔４では、ノズル１２より吸収塔４内に散布された第３の水溶液を、吸収塔４内に供給された排ガス中のＣＯ_２と接触させる。このとき、ＣＯ_２は炭酸イオンとして第３の水溶液中に溶解し、それに伴い第３の水溶液のｐＨが低下する。この炭酸イオンと第３の水溶液中のナトリウムとが反応して、第３の水溶液から炭酸水素ナトリウム（ＮａＨＣＯ_３）が形成される。この炭酸水素ナトリウムは、吸収塔４内の下部に溜まる第３の水溶液より析出し、沈殿することで回収される。このようにして、排ガス由来のＣＯ_２を固定化するとともに、第３の水溶液からナトリウムを選択的に分離、回収することができる。

第３の水溶液からナトリウムを分離、回収した後の、余剰の炭酸イオンを含む第４の水溶液は、戻り流路９を経由して灰反応装置２へ供給される。この炭酸イオンは、第３の水溶液に溶解した排ガス中のＣＯ_２に由来する。この炭酸イオンにより、第４の水溶液は、所定のｐＨ値に調整されている。第４の水溶液は、灰反応装置２における第１の水溶液の生成、すなわち、後述する焼却灰の水溶液からのカルシウムおよびマグネシウムの分離、回収のために用いられる。

灰反応装置２では、焼却灰の水溶液に含まれるカルシウムおよびマグネシウムが、第４の水溶液に含まれる炭酸イオンと即座に反応して、炭酸カルシウム（ＣａＣＯ_３）および炭酸マグネシウム（ＭｇＣＯ_３）を形成し、残灰とともに沈殿し、回収される。回収された炭酸カルシウム、炭酸マグネシウム、および残灰の沈殿物は、埋め立てに供されたり、またセメント原料などとして再利用されたりする。このようにして、排ガス由来のＣＯ_２を固定化するとともに、焼却灰の水溶液からカルシウムおよびマグネシウムを選択的に分離、回収することができる。

焼却灰の水溶液からのカルシウムおよびマグネシウムの選択的分離および回収、ならびに排ガス中のＣＯ_２の固定化を確実に行うためには、第４の水溶液のｐＨ値は９〜１０．５に調整されているのが好ましい。第４の水溶液のｐＨ値が上記の範囲内にある場合、第１の水溶液から第４の水溶液までの循環を確実に行うことができる。第４の水溶液のｐＨ値が９未満である場合、多くの炭酸イオンがナトリウムの炭酸水素ナトリウムとしての回収に用いられ、カルシウムおよびマグネシウムの炭酸カルシウムおよび炭酸マグネシウムとしての回収量が減少する場合がある。第４の水溶液のｐＨ値が１０．５超である場合、ＣＯ_２の吸収量が減少し、炭酸水素ナトリウムが選択的に形成され難くなる（炭酸水素ナトリウムの析出とともに、炭酸ナトリウム等の炭酸水素ナトリウム以外の炭酸塩の析出も起こり易くなる）場合がある。

ＣＯ_２をナトリウムと反応させるためには、吸収塔４の設定温度は、低い方が有利である。しかし、吸収塔４で炭酸水素ナトリウムが析出し過ぎると、灰反応装置２に供給される炭酸イオンの量が減少してしまう。
また、灰反応装置２における反応時間を短くするためには、灰反応装置２の設定温度は、高い方が有利である。吸収塔４から灰反応装置２へ第４の水溶液が供給される観点から、吸収塔４では、あまり設定温度を下げ過ぎないようにすることが好ましい。
吸収塔４に供給されるＣＯ_２を含む排ガスは、例えば、１６０℃以上の高温である。また、吸収塔４内で起こるＣＯ_２の吸収反応は発熱反応である。よって、吸収塔４は、その内部の温度を下げるための工夫をすることが望ましい。吸収塔４の設定温度が８０℃を超えると、炭酸水素ナトリウムが分解し易くなり、炭酸水素ナトリウムの回収率が低下する可能性がある。これらの点から、吸収塔４の設定温度は５０〜８０℃であるのが好ましい。
吸収塔４に供給された第３の水溶液が排ガスで加熱されることにより、スケールの発生が効果的に防止される。

以下、カリウムとナトリウムとを個別に回収するためのメカニズムを説明する。
塩化ナトリウムの溶解度の温度依存性はあまり高くないが、塩化カリウムの溶解度の温度依存性は、塩化ナトリウムに比べて高い。よって、水溶液の温度が低下すると塩化カリウムの溶解度が大きく低下し、溶解度を超えた分の塩化カリウムが塩として析出する。例えば、塩化ナトリウムの濃度を２６質量％未満に制御しておけば、冷却晶析装置５において塩化ナトリウムが析出することはない。

０℃〜６０℃の範囲では、炭酸水素ナトリウムは、炭酸水素カリウムと比べて溶解度が低い。よって、炭酸水素カリウムをその溶解度未満の状態とし、かつ炭酸水素ナトリウムをその溶解度を超えた状態になるように、吸収塔４へのＣＯ_２の供給量を調整することで、吸収塔４にて炭酸水素ナトリウムを選択的に析出させることができる。

系内を流れる水溶液は、カリウムリッチの塩溶液である。灰反応装置、冷却晶析装置、吸収塔で起こる各反応より、各種イオンは、下記の関係式（１）を満たす。
［Ｋ^＋＋Ｎａ^＋］＝［Ｃｌ⁻＋ＨＣＯ_３ ⁻＋２ＣＯ_３ ^２−］（１）
ところで、ＣＯ_３ ^２−は、その量が多い方が、灰反応装置２における炭酸カルシウムや炭酸マグネシウムの沈殿物を得るのに有利である。よって、Ｃｌ⁻濃度をあまり高くすることができない。このため、塩化カリウムが析出する条件下では、必然的にＫ^＋濃度が上昇する。ただし、吸収塔４で炭酸水素ナトリウムを選択的に析出させるためには、Ｋ^＋濃度の上限を適切に設定しておくことが望ましい。

上記の関係式（１）より、図１に示す装置１が有効に機能するためには、第１の水溶液に含まれるカリウムイオン、ナトリウムイオン、および塩化物イオンのモル濃度は、下記の関係式（２）を満たす必要がある。
［Ｋ^＋］＋［Ｎａ^＋］＞［Ｃｌ⁻］（２）
［Ｋ^＋］≧［Ｃｌ⁻］を満たす場合、塩化ナトリウムの析出が抑制され、塩化カリウムおよび炭酸水素ナトリウムを効率良く回収することができる。

これらの関係は、基本的には、灰反応装置２に供給される原料である焼却灰の成分によって決まる。これに対し、塩廃液、飛灰、薬剤等を添加することによって、良好な結果をもたらす可能性もある。

図１に示す焼却灰の処理装置では、搬入流路６、搬出流路７、バイパス流路８、および戻り流路９により、水溶液の循環流路が形成されている。この循環流路により、水溶液中のナトリウムイオンとカリウムイオンと塩化物イオンとが次第に濃縮し、飽和状態に達すると、塩化カリウムおよび炭酸水素ナトリウムのような塩として析出し、沈殿する。
バイパス流路８の設置により搬出流路７の閉塞が抑制されるため、循環流路内を流れる水溶液の安定した循環を実現可能であり、装置１の焼却灰の処理能力が大幅に向上する。

循環流路を流れる水溶液のｐＨについて説明する。このｐＨは、ＣＯ_２の吸収量や焼却灰量に応じて、他の薬品を使用せずに、調整することができる。具体的には、吸収塔４に導入する排ガス量を調節したり、吸収塔４をバイパスする流路を別途設けたりすることで、水溶液のｐＨを調整することができる。
吸収塔４では、第３の水溶液にＣＯ_２を吸収させるとともに炭酸水素ナトリウムを析出させることにより、下記反応式に示すように、ＣＯ_３ ^２−の活量低下よりもＨＣＯ_３ ⁻の活量上昇の方が顕著となり、これに伴ってｐＨも変化する。
ＣＯ_３ ^２−＋ＣＯ_２（ｇ）＋Ｈ_２Ｏ＝２ＨＣＯ^３−
ただし、ｐＨの調整に際しては、吸収塔４内の設定温度を考慮する必要がある。

循環流路を流れる水溶液の水量について説明する。ＣＯ_２含有ガスが焼却炉からの排ガスである場合、排ガスは水分を含むため、水量が増加する。一方、灰反応装置２に供給される焼却灰は水分を吸収して排出されるため、水量が減少する。水溶液、特に濃縮によって飽和状態となった水溶液は、排出された残灰のリンスに使用することができる。また、吸収塔における排ガスの導入時に発生する凝縮水も、排出された残灰のリンスに使用することができる。

以下、図１に示す装置を用いた焼却灰の処理条件の一例を以下に説明する。
表１は、装置における連続晶析システム内の位置Ｐ_１〜Ｐ_３における条件を示す。

なお、第１の水溶液（位置Ｐ_１）のｐＨは、第４の水溶液のｐＨ値（吸収塔でのＣＯ_２吸収量）を９〜１０．５の範囲内で変えることで調整するものとする。第１の水溶液（位置Ｐ_１）の温度Ｔ_１は、灰反応装置の設定温度を変えることで調整するものとする。第３の水溶液（位置Ｐ_３）の温度Ｔ_３は、第１の水溶液のバイパス流量を変えることで調整するものとする。
ここで、図２は、冷却晶析装置５入口の水溶液のｐＨ（位置Ｐ_１における第１の水溶液のｐＨ）および温度Ｔ_２と晶析物組成との関係を示す。
図２中のプロットラインは、冷却晶析装置５入口の水溶液のｐＨ（位置Ｐ_１における第１の水溶液のｐＨ）に対する冷却晶析物組成の境界となる温度を示している。プロットラインよりも上部の領域では、冷却晶析装置において塩化カリウムのみが析出する。一方、プロットラインよりも下部の領域では、塩化カリウムだけでなく炭酸ナトリウムおよび炭酸水素カリウムも析出するため、回収される塩化カリウムの純度が低下する。

図３は、図２に示すプロットラインで操作する場合における、冷却晶析装置の処理流量比を示す。ここでいう冷却晶析装置の処理流量比とは、図４に示す冷却晶析装置１５に供給される第１の水溶液の流量Ｆ_１（小型化前）に対する図１に示す冷却晶析装置５に供給される第１の水溶液の流量Ｆ_２（小型化後）の比：Ｆ_２／Ｆ_１を指す。なお、図４の装置では、冷却晶析装置入口の水溶液の各ｐＨ値に対して、図１の装置の場合とカリウムの回収量が同じになるように、冷却晶析装置内の温度を３０℃にして流量を調整するものとする。
なお、図４は、バイパス流路を設けない従来の連続晶析システムを備えた焼却灰の処理装置を示す。図１では、搬入流路内を流れる第１の水溶液の一部が冷却晶析装置に供給されるのに対して、図４では、搬入流路内を流れる第１の水溶液のすべてが冷却晶析装置１５に供給される。

例えば、冷却晶析装置入口の第１の水溶液のｐＨが１０．６である場合、図２に示す冷却晶析装置内部の温度Ｔ_２を２４℃まで下げることができる。このとき、図３に示す処理流量比は０．０６３であり、バイパス流路を設けた図１に示す連続晶析システムでは、バイパス流路を設けない図４に示す連続晶析システムの場合の０．０６３倍に冷却晶析装置へ供給される第１の水溶液の処理流量を低減することができる。

図２および３より、冷却晶析装置において塩化カリウムのみが析出し、処理流量比が最も小さくなる条件は、冷却晶析装置入口の第１の水溶液のｐＨが１０．２〜１０．４の範囲であり、冷却晶析装置内部の温度Ｔ_２が約２１℃である。このとき、処理流量比は０．０４６であり、バイパス流路を設けない場合に比べて処理流量を約１／２０に低減することができる。

１焼却灰の処理装置
２灰反応装置
３連続晶析システム
４吸収塔
５冷却晶析装置
６搬入流路
７搬出流路
８バイパス流路
９戻り流路
１０ａ供給口
１０ｂ排出口
１１ａ沈殿槽
１１ｂ攪拌装置
１２ノズル

Claims

カリウムと塩素とを含有する第１の水溶液からカリウムを塩化カリウムとして分離、回収する冷却晶析装置と、
前記第１の水溶液を前記冷却晶析装置へ供給する搬入流路と、
前記冷却晶析装置において前記第１の水溶液からカリウムを分離、回収した後の第２の水溶液を、前記冷却晶析装置外へ送り出す搬出流路と、
前記搬入流路における前記第１の水溶液の一部を、前記冷却晶析装置をバイパスして前記搬出流路へ供給するバイパス流路と、
を備え、
前記第１の水溶液は、前記搬入流路において、当該水溶液中においてカリウムおよび塩素がイオンとして存在可能な第１の温度に調整され、
前記第１の水溶液は、前記冷却晶析装置において、前記第１の温度よりも低い、塩化カリウムを析出可能な第２の温度に調整され、
前記搬出流路において、前記冷却晶析装置より搬出された、第２の温度に調整された第２の水溶液が、前記搬入流路から前記バイパス流路を経由した、第１の温度に調整された第１の水溶液と合流することで、第１の水溶液と第２の水溶液とが合流した後の第３の水溶液が、前記第２の温度よりも高い第３の温度に調整されている、
ことを特徴とする連続晶析システム。
前記第１の水溶液は、焼却炉で発生した焼却灰の水溶液を用いて生成された請求項１記載の連続晶析システム。
前記第１の水溶液は、さらにナトリウムを含み、
前記第３の水溶液を、二酸化炭素を含有するガスと接触させることで、前記第３の水溶液からナトリウムを炭酸水素ナトリウムとして分離、回収した後の第４の水溶液は、所定のｐＨ値に調整されている請求項１または２記載の連続晶析システム。
前記所定のｐＨ値に調整された第４の水溶液は、前記第１の水溶液の生成に用いられる請求項３記載の連続晶析システム。
カリウムと塩素とを含有する第１の水溶液からカリウムを塩化カリウムとして分離、回収する冷却晶析装置と、
前記第１の水溶液を前記冷却晶析装置内へ供給する搬入流路と、
前記冷却晶析装置において前記第１の水溶液からカリウムを分離、回収した後の第２の水溶液を、前記冷却晶析装置外へ送り出す搬出流路と、
を備えた連続晶析システムを用いた連続晶析方法であって、
前記搬入流路における前記第１の水溶液の一部を、前記冷却晶析装置をバイパスして前記搬出流路へ供給し、
前記搬入流路における第１の水溶液を、当該水溶液中においてカリウムおよび塩素がイオンとして存在可能な第１の温度に調整し、
前記冷却晶析装置における第１の水溶液を、前記第１の温度よりも低い、塩化カリウムを析出可能な第２の温度に調整し、
前記搬出流路において、前記冷却晶析装置より搬出された、第２の温度に調製された第２の水溶液を、前記搬入流路から冷却晶析装置をバイパスして搬出流路へ供給される、第１の温度に調整された第１の水溶液と合流させて、第１の水溶液と第２の水溶液とが合流した後の第３の水溶液を、前記第２の温度よりも高い第３の温度に調整する、ことを特徴とする連続晶析方法。