JP6247656B2

JP6247656B2 - 電気炉の操業方法

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Publication number: JP6247656B2
Application number: JP2015065294A
Authority: JP
Inventors: 辰也柳田; 永戸　敏博; 敏博永戸; 伸一柿崎
Original assignee: JX Nippon Mining and Metals Corp
Current assignee: JX Nippon Mining and Metals Corp
Priority date: 2015-03-26
Filing date: 2015-03-26
Publication date: 2017-12-13
Anticipated expiration: 2035-03-26
Also published as: JP2016182580A

Description

本発明は、電気炉の操業方法に関する。

一般廃棄物、産業廃棄物等の各種廃棄物は、焼却処理されることが多い。その際に生じる無機化合物を主成分とする焼却残渣（焼却灰）は、埋め立て処分されることがある。しかしながら、近年では、埋め立て処分場の確保が困難であるという問題や、環境汚染の問題が懸念されている。これらの問題に対応して、廃棄物を電気炉で溶融固化する技術が開示されている（例えば、特許文献１）。この技術で生ずる溶融固化物（スラグ）は、従来の焼却処理で生ずる焼却灰と比較して無害化かつ減容化されており、資材としてリサイクルもされている。

電気炉を用いた溶融固化とは、被溶融物（焼却灰）中に挿入した電極から当該被溶融物へ電力を供給し、その際に被溶融物の電気抵抗により発生するジュール熱で被溶融物を溶融させ、溶融スラグと溶融金属とを分離して炉外へ取り出し、固化する方法である。

特開昭５５−６７３９６号公報

しかしながら、特許文献１の技術では、被溶融物、特に、焼却飛灰のような軽いものは、溶融スラグの上に浮いた状態となり、被溶融物の溶融が進まないことがある。そこで、供給電力量を多くし、溶融スラグの対流を強化することで、被溶融物がスラグに巻き込まれ、溶融が進むことが考えられる。しかしながら、この場合、溶融スラグが高温になるため、電気炉の内壁が損傷するおそれがある。

本発明は上記の課題に鑑み、電気炉の損傷を抑制しつつ被溶融物の溶融を促進することができる電気炉の操業方法を提供することを目的とする。

本発明に係る電気炉の操業方法は、溶融スラグに対して電気抵抗加熱することによって前記溶融スラグ上の被溶融物を溶融し、前記被溶融物を溶融スラグと溶融金属とに分離する、有底円筒状の電気炉の操業方法であって、前記電気炉内に前記被溶融物を投入する際に、前記被溶融物を前記溶融スラグ上で小山状に維持し、前記被溶融物が前記電気炉の内壁から１ｍの範囲内に入らないよう維持しつつ、前記溶融スラグに対して接触している前記被溶融物が前記溶融スラグ中に巻き込まれるようにバブリングを行うことを特徴とする。

前記被溶融物は、焼却灰を３０ｍａｓｓ％〜５０ｍａｓｓ％含有していてもよい。前記電気炉内に新たな被溶融物を投入する際に、前記溶融スラグ上に前記被溶融物を供給してもよい。前記被溶融物はカーボンを含み、空気または酸素を前記バブリングに用いてもよい。前記被溶融物のＡｌ重量は、１５％〜１８％としてもよい。

本発明に係る電気炉の操業方法によれば、電気炉の損傷を抑制しつつ被溶融物の溶融を促進することができる。

（ａ）は溶融処理前の電気炉の断面図であり、（ｂ）は溶融処理後の電気炉の断面図であり、（ｃ）は電気炉の上面図である。（ａ）および（ｂ）はバブリングについて説明するための図である。（ａ）および（ｂ）は被溶融物の投入形態について説明するための図である。

まず、被溶融物の溶融固化の概略について説明する。対象とする被溶融物は、少なくとも金属の化合物を成分に含む。一例として、被溶融物は、銅滓（銅製錬で生じた銅化合物など）、金銀滓、産業廃棄物等である。産業廃棄物は、自動車廃棄物残渣（ＡＳＲ）、廃家電スクラップ、廃プラスチック、スラッジ系、ガラス屑等、またはそれらを焼却した焼却灰である。一般廃棄物にも適用は可能であるが、焼却残渣からの有価金属の回収を念頭に置いている。そのため、焼却灰や燃え殻といった焼却残渣は電気炉で溶融処理され、有価金属成分を回収するのに適した成分として排出される。

図１（ａ）は、溶融処理前の電気炉１００の断面図である。図１（ｂ）は、溶融処理後の電気炉１００の断面図である。図１（ｃ）は、電気炉１００の上面図である。電気炉１００は、発熱方式として電気抵抗加熱を利用する抵抗炉である。

電気炉１００は、炉体１０を備える。炉体１０は、密閉型で、例えば有底の円筒状の容器の形態を有している。図１（ｃ）に示すように、炉体１０には、図示しない上蓋を通して３本の電極２０ａ〜２０ｃが設けられている。また、図示しないが、被溶融物を供給する装置が設けられている。電極２０ａ〜２０ｃは、炉体１０内の溶融スラグ３１に挿入される。溶融スラグ３１上には、被溶融物３０が供給される。

溶融処理の際には、電極２０ａ〜２０ｃから溶融スラグ３１に電力を供給することによって、溶融スラグ３１が自身の抵抗に起因して発熱し、当該発熱によって被溶融物３０が溶融する。電力供給量は、最適な溶融処理を許容する電極−被溶融物間の電気抵抗値を維持するように制御する。溶融処理は、被溶融物３０の融点を下げるための添加剤（石灰石、生石灰など）の存在下で行うこともできる。また、溶融処理は、還元剤（例えば石炭、コークス、カーボン、グラファイトなど）の存在下（還元雰囲気）で行うこともできる。還元雰囲気においては、電極２０ａ〜２０ｃとして、例えばカーボンなどを用いることができる。

図１（ｂ）に示すように、被溶融物３０は、溶融によって、溶融スラグ３１と溶融金属３２とに分離する。比重差に起因して、溶融スラグ３１は、溶融金属３２上に浮く。溶融処理において、電極２０ａ〜２０ｃの下端は、溶融スラグ３１の層で保持される。炉体１０の下部の側壁には、炉体１０から溶融金属３２を取り出すための取り出し口１１が設けられている。溶融金属３２は、取り出し口１１から取り出され、固化される。炉体１０において取り出し口１１よりも上側の側壁には、炉体１０から溶融スラグ３１を取り出すための取り出し口１２が設けられている。溶融スラグ３１は、取り出し口１２から取り出され、固化される。

このような溶融処理においては、被溶融物３０の溶融が進まないことがある。特に、被溶融物３０が軽い場合には、溶融スラグ３１の対流のみでは巻き込まれず、溶融スラグ３１の上に浮いた状態となるためである。この場合、例えば、スラグの対流を強化することで、被溶融物３０を溶融スラグ３１に巻き込ませることが考えられる。そのためには、電極２０ａ〜２０ｃからの供給電力量を多くすることになる。しかしながら、この場合、溶湯温度が上昇し、炉体１０の内壁温度が上昇することで、炉体１０の内壁のレンガなどが損傷するおそれがある。そこで、以下の実施形態では、電気炉の損傷を抑制しつつ被溶融物の溶融を促進することができる、電気炉の操業方法について説明する。

（実施形態）
図２（ａ）に示すように、ランス４０を用いて溶融スラグ３１に対してバブリングを行う。これにより、溶融スラグ３１が攪拌され、溶融スラグ３１と接触している被溶融物３０が溶融スラグ３１中に巻き込まれ、溶融を促進させることができる。すなわち、電極２０ａ〜２０ｃからの供給電力量を多くしなくても、被溶融物３０の溶融を促進することができる。また、バブリングによって溶融スラグ３１の温度上昇を抑制することができる。それにより、炉体１０の内壁の温度上昇を抑制することができる。その結果、炉体１０の内壁の損傷を抑制することができる。

バブリングの際に溶融スラグ３１に吹き込む気体として、空気、窒素、酸素などを用いることができる。この中で、空気、酸素などを用いることが好ましい。被溶融物３０にカーボン分が含まれている場合に当該カーボン分を酸化させることができるからである。特に、空気を用いることが好ましい。過度の酸化による溶湯の過度の温度上昇が抑制されるからである。

バブリングの際に吹き込む気体の吹き込み量は、例えば１ｍ^３／ｍｉｎ程度である。バブリングの間隔・時間は、被溶融物３０の投入量と頻度に応じて決定すればよい。即ち、被溶融物３０の投入量が多く、投入頻度が少ない場合には、投入量が多い分、バブリング時間は長くなり、投入頻度が少ない分、間隔も長くなる。一方、被溶融物３０の投入量が少なく、投入頻度が多い場合には、バブリング時間は短くてもよいが、投入頻度が多い分、バブリングの間隔は短い。例えば、被溶融物３０を１．２〜１．８トン投入する場合には、４０〜６０分間毎に１〜２分間、被溶融物３０を１００ｋｇ〜１５０ｋｇ投入する場合には、投入のたびに５秒〜１５秒程度のバブリングを行うことが好ましい。

被溶融物３０は、銅滓（銅製錬で生じた銅化合物など）、金銀滓、産業廃棄物、又はそれらを焼却した焼却灰がメインであるが、例えば、焼却灰、銅滓、スラグの混合物であることが望ましい。特に、有価金属の回収の観点から、焼却灰が被溶融物３０において３０ｍａｓｓ％〜５０ｍａｓｓ％含有されていることが望ましい。また、スラグを被溶融物３０に含有させてもよく、必要に応じて、スラグのみでもよい。例えば、含有させない場合には焼却灰：銅滓＝５：５の割合で、或いは、スラグを含有させる場合には焼却灰：銅滓：スラグ＝５：３：２の割合で被溶融物３０を投入し、溶融させることが可能である。スラグは本発明での電気炉から発生するスラグでもよく、他の焼却灰から発生するスラグでもよい。

被溶融物３０の組成を変更することによって、被溶融物３０の融点を低下させてもよい。被溶融物３０の溶融を促進することができるからである。例えば、被溶融物３０のＡｌの重量％を１５％〜１８％とすることで、溶湯温度の制御が容易となり、溶湯の流動性も確保できる。そのため、攪拌効果が高くなる。

なお、バブリングによって溶融スラグ３１の温度上昇が抑制されると、炉体１０の内壁の損傷を抑制できる一方で、炉体１０の内壁近傍の被溶融物３０が溶融しないおそれがある。そこで、図２（ｂ）に示すように、新たに炉体１０内に投入する被溶融物３０については、炉体１０の内壁に接触しないようにする。このようにすることで、バブリングによって溶融スラグ３１の温度が低くなっても、被溶融物３０の溶融を促進することができる。

図３（ａ）に示すように、電極２０ａ〜２０ｃを含み、かつ炉体１０の内壁近傍を避けるように、新たな被溶融物３０を炉体１０内に投入してもよい。または、図３（ｂ）に示すように、電極２０ａ〜２０ｃのそれぞれの周りを囲んで、かつ炉体１０の内壁近傍を避けるように、新たな被溶融物３０を炉体１０内に投入してもよい。溶融スラグ３１上に常に小山程度の被溶融物３０を維持することが好ましい。溶湯に被溶融物３０が直接入ると、反応ガスが多量に発生するからである。また、炉体１０の内壁から１ｍの範囲内に被溶融物３０が入らないようすることが好ましい。炉体１０の内壁に近い位置では被溶融物３０が溶けにくくなり、被溶融物３０が膜を形成するおそれがあるからである。

（実施例）
上記実施形態に従って、溶融処理を行った。被溶融物３０として、焼却灰および滓類を用いた。焼却灰の組成は、「Ｃｕ：１０ｍａｓｓ％、Ａｌ_２Ｏ_３：１５ｍａｓｓ％」である。滓類（銅滓・金銀滓）の組成は、「Ｃｕ：３０〜４０ｍａｓｓ％、Ａｌ_２Ｏ_３：２ｍａｓｓ％」であり、焼却灰の比率は５０ｍａｓｓ％である。電極２０ａ〜２０ｃからの供給電力は、１８００ｋＷとした。バブリングは、２分間隔（被溶融物１００ｋｇごと）で行い、吹き込んだガスは、空気であり、吹き込み量は、被溶融物１ｔあたり１．６７ｍ^３とした。その結果、溶融スラグ３１の平均温度は、１４００℃であった。また、炉体１０の内壁の平均温度は、１９０℃であった。

（比較例）
比較例では、バブリングを行わなかった以外は、実施例と同じ条件で被溶融物３０の溶融処理を行った。被溶融物３０の溶融を進めるため、供給電力量を多くし、溶融スラグの対流を強化した結果、被溶融物３０は溶融したが、溶融スラグ３１の平均温度は１５２０℃と高温になり、炉体１０の内壁の平均温度も２６０℃と高温になった。

（分析）
実施例では、比較例と比較して、溶融スラグ３１の平均温度および炉体１０の内壁の平均温度が低下した。これは、バブリングによって溶融スラグ３１の温度上昇が抑制されたからであると考えられる。溶融処理後に得られたスラグの組成は表１のようになった。また、被溶融物３０の溶融処理量、溶融処理後の炉体１０の内壁のレンガの損傷については、表２のようになった。表２に示すように、比較例と比較して実施例では被溶融物３０の溶融処理量が大幅に多くなった。また、比較例と比較して実施例ではレンガの損傷量が大幅に低下した。

以上、本発明の実施例について詳述したが、本発明は係る特定の実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。

１０炉体
１１，１２取り出し口
２０ａ〜２０ｃ電極
３０被溶融物
３１溶融スラグ
３２溶融金属
１００電気炉

Claims

溶融スラグに対して電気抵抗加熱することによって前記溶融スラグ上の被溶融物を溶融し、前記被溶融物を溶融スラグと溶融金属とに分離する、有底円筒状の電気炉の操業方法であって、
前記電気炉内に前記被溶融物を投入する際に、前記被溶融物を前記溶融スラグ上で小山状に維持し、前記被溶融物が前記電気炉の内壁から１ｍの範囲内に入らないよう維持しつつ、前記溶融スラグに対して接触している前記被溶融物が前記溶融スラグ中に巻き込まれるようにバブリングを行うことを特徴とする電気炉の操業方法。
前記被溶融物は、焼却灰を３０ｍａｓｓ％〜５０ｍａｓｓ％含有することを特徴とする請求項１記載の電気炉の操業方法。
前記電気炉内に新たな被溶融物を投入する際に、前記溶融スラグ上に前記被溶融物を供給することを特徴とする請求項１または２に記載の電気炉の操業方法。
前記被溶融物は、カーボンを含み、
空気または酸素を前記バブリングに用いることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の電気炉の操業方法。
前記被溶融物のＡｌ重量は、１５％〜１８％であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の電気炉の操業方法。