JP6940289B2 - 可燃性廃棄物の処理方法および処理装置 - Google Patents
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Description
本発明は、可燃性廃棄物をセメント製造装置を利用して焼却処理する方法および処理装置に関する。より詳細には、複数の燃焼性の異なる可燃性廃棄物が混在する場合であっても、事前に混在する可燃性廃棄物の分離作業や過剰な粉砕加工を要することなく、可燃性廃棄物をセメント製造装置を利用して焼却処理する方法および処理装置に関する。
セメントの製造工程において、リサイクル燃料として廃プラスチック、木屑、廃タイヤ、廃油等の各種可燃性廃棄物が有効利用されている。
可燃性廃棄物は、その種類等によって燃焼特性やハンドリング性状が異なるため、種類毎にその燃焼特性等に合う燃焼設備を選定したり、かかる燃焼特性やハンドリング性状を改善するための前処理を施している。たとえば、粘性が低く燃焼性が良い廃油類、または確実に燃え切るサイズに粉砕処理した廃プラスチック類は、主燃料である微粉炭と一緒にセメントキルンバーナーで燃焼させて処理され（窯前処理）、粉砕等の前処理を施さない廃タイヤは、そのままの姿で原料入口側からセメントキルンに投入して処理され（窯尻処理）、一方、粘性の高い廃油は、木屑と混合して固体燃料化したもの（以下、「ＢＯＦ」と称す。Ｂｉｏｍａｓｓ ａｎｄ Ｏｉｌｙ ｓｌｕｄｇｅ Ｆｕｅｌ）として仮焼炉で処理されている。
上記のように、多種多量の可燃性廃棄物の有効利用が行われている中、従来技術では処理が困難な可燃性廃棄物も増加している。たとえば、廃家電や廃自動車を破砕して金属等の有価物が回収された残渣であるシュレッダーダスト（以下、「ＳＲ」と称す。Ｓｈｒｅｄｄｅｒ Ｒｅｓｉｄｕｅ）は、その内容物は破砕対象の廃棄物によって変わるために必ずしも一定しないが、主に樹脂、発泡ウレタン、繊維、ゴム等に若干の金属やガラスが含まれており、柔らかい樹脂分（プラスチック、ウレタン、ゴム、合成繊維屑、ハーネス被覆等）が金属等と複雑に絡み合っており、そのままでは燃料代替物としての活用が困難となっている。
また、熱硬化性樹脂または熱可塑性樹脂からなるマトリックス材料と炭素繊維とを複合化した炭素繊維強化プラスチック（以下、「ＣＦＲＰ」と称す。Ｃａｒｂｏｎ Ｆｉｂｅｒ ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ ｐｌａｓｔｉｃｓ）は、通常、上記炭素繊維が難燃性であるために、廃プラスチックにおける既往の処理技術を用いてセメント製造設備（セメントキルン、仮焼炉）のリサイクル燃料とした場合には、燃え残った炭素繊維がキルン排ガス中に混入してしまい、排ガスの集塵設備（電気集塵機等）において短絡等のトラブルを生じさせてしまうことがある。
さらに、ＳＲや廃ＣＦＲＰ等の複数種の可燃物質が混在したタイプの可燃性廃棄物は、燃料として見た場合、混在している可燃物質毎に燃焼特性が異なるために燃え方が一様でなく、単物質のものに比べて燃焼時間が長時間化してしまう。そのために、後燃えと呼ばれる、原料上流側（ガスの流れでは下流側）まで当該可燃性廃棄物の燃焼が継続し、かかる可燃性廃棄物の後燃え箇所に相当するセメント製造設備が、散水等の冷却処置を施さなければならないほどに温度上昇が生じる等、可燃性廃棄物の熱量を有効に利用できない状態が生じやすい。
このような課題に対応するため、ＳＲや廃ＣＦＲＰの燃料リサイクル化では、混在している複数種の可燃物質を種類別に分離または分別した後に利用することが行われている。たとえば、特許文献１では、ＣＦＲＰの処理方法として、酸素濃度が３％〜１８％、温度が３００℃〜６００℃のガス雰囲気下で燃焼させないで処理してプラスチックを熱分解し、炭素繊維を回収する技術が開示されている。
また、特許文献２では、事前の物質分離工程の省略が可能な処理方法として、難燃性である炭素繊維の完全燃焼を目的として、ＣＦＲＰの平均粒子径が３ｍｍ以下になるように粉砕した後に、温度が１２００℃以上の箇所に供給する方法が開示されている。
一方、特許文献３では、セメント製造装置のクリンカクーラーから仮焼炉に熱空気を導入するためのダクトを利用して、一定以下の大きさの廃プラスチック破砕片を燃焼処理する方法が開示されている。
しかしながら、特許文献１のような可燃性廃棄物の種類別に分離処理する提案においては非常に多くの労力が必要とされる。また、特許文献２のように可燃性廃棄物を微小片に粉砕する提案においても非常に多くの労力が必要とされ、さらには、かかる可燃性廃棄物に混在する易燃性物質は過粉砕の状態となってしまう。さらに、特許文献３のように、ダクト内で被処理物を完全に燃焼させる提案では、完全燃焼する可燃性廃棄物のみを予め分別処理する必要がある。
本発明は、このような事情に照らし、上記課題を解決すべく、複数の燃焼性の異なる可燃物質が混在する可燃性廃棄物であっても、混在する可燃物質の分離または分別作業や、可燃性廃棄物の微小片への粉砕のように、多くの労力を要する事前加工を必要とすることなく、かつ、可燃性廃棄物が有する熱量をセメント製造に有効利用してリサイクルしうる可燃性廃棄物の処理方法を提供することを目的とする。
また、本発明は、複数の燃焼性の異なる可燃物質が混在する可燃性廃棄物であっても、混在する可燃物質の分離または分別作業や、可燃性廃棄物の微小片への粉砕のように、多くの労力を要する事前加工を必要とすることなく、かつ、可燃性廃棄物が有する熱量をセメント製造に有効利用してリサイクルしうる可燃性廃棄物の処理装置を提供することを目的とする。
本発明者らは、上記課題を解決するため鋭意検討した結果、以下に示す処理方法および処理装置により上記目的を達成できることを見出して、本発明を完成するに至った。
すなわち、本発明の可燃性廃棄物の処理方法は、
揮発性の炭素および固定炭素を含有する可燃性廃棄物の処理を、クリンカクーラー、仮焼炉および上記クリンカクーラーから上記仮焼炉に向かって高温高酸素ガスを流すダクトを備えるセメント製造装置を用いて行なう処理方法であって、
上記クリンカクーラーから上記仮焼炉に向かって高温高酸素ガスが流れるダクト内で、上記可燃性廃棄物に含有される揮発性の炭素を揮発または燃焼させ、第１次処理廃棄物に変換する第１工程、および、
上記高温高酸素ガスにより上記第１次処理廃棄物を仮焼炉に導入して燃焼させる第２工程、を含むことを特徴とする。
揮発性の炭素および固定炭素を含有する可燃性廃棄物の処理を、クリンカクーラー、仮焼炉および上記クリンカクーラーから上記仮焼炉に向かって高温高酸素ガスを流すダクトを備えるセメント製造装置を用いて行なう処理方法であって、
上記クリンカクーラーから上記仮焼炉に向かって高温高酸素ガスが流れるダクト内で、上記可燃性廃棄物に含有される揮発性の炭素を揮発または燃焼させ、第１次処理廃棄物に変換する第１工程、および、
上記高温高酸素ガスにより上記第１次処理廃棄物を仮焼炉に導入して燃焼させる第２工程、を含むことを特徴とする。
本発明の可燃性廃棄物の処理方法は、上述の構成を有することにより、複数の燃焼性の異なる可燃物質が混在する可燃性廃棄物であっても、混在する可燃物質の分離または分別作業や、可燃性廃棄物の微小片への粉砕のように、多くの労力を要する事前加工を必要とすることなく、かつ、可燃性廃棄物が有する熱量をセメント製造に有効利用することが可能となる。以下、より詳細に説明する。
可燃物質の燃焼性は、燃焼源である炭素として、揮発性の炭素または固定炭素がどの程度含有されているかに強く影響され、一般に揮発性の炭素が多いほど燃焼性に優れた物質となりうる。また、固定炭素であっても条件が揃うことで充分な燃焼が可能である。たとえば、石炭の燃焼を例にあげると、石炭は加熱されると、まず揮発性の炭素（一酸化炭素、メタン等）が石炭から揮発し、その揮発した炭素が着火して火炎を生じる。そして揮発性の炭素の揮発が終わり、石炭が実質的に難燃性の固定炭素（チャー）のみとなった後の燃焼は、表面や内部に存在していた揮発性の炭素がなくなったことによって雰囲気（酸素）に曝された固定炭素が高温環境下で酸素と反応することで生じうる。このように、難燃性である固定炭素であっても、可燃温度および酸素との接触の条件が揃うことで燃焼が可能となりうる。
しかしながら、従来のセメント製造設備における可燃性廃棄物の利用箇所は、窯前処理（セメントキルンバーナー）では、温度が８００℃〜２２００℃（火炎温度）、雰囲気酸素濃度が２％〜２１％と環境条件が不安定であることに加え、セメントキルンバーナーの吹込みポートから圧送空気と共に噴出するために可燃性廃棄物は微粉砕されることが前提となってしまう。また、可燃性廃棄物のサイズへの制限がない窯尻処理（セメントキルン原料入口部）では、温度は１０００℃程あるものの、雰囲気酸素濃度が４％程度と低い。
一方、プレヒーター下部に設置されうる仮焼炉は、クリンカクーラーから抽気された温度６００℃〜８００℃、酸素濃度２１％の高温高酸素ガス（３次空気）が常時送気される、温度が８００℃〜２２００℃（火炎温度）、雰囲気酸素濃度が１５％〜２１％の環境を有している。
この仮焼炉における高温、高酸素濃度環境は、上記固定炭素の燃焼場所として非常に好ましい。さらに、上記固定炭素を酸素に曝すために必要となる、固定炭素を覆っている揮発性炭素の除去には、上記クリンカクーラーからの高温高酸素ガスを、可燃性廃棄物からの揮発性炭素の揮発または燃焼に使用することができうる。このように、本発明者らは、酸素濃度が大気と同じであって、６００℃〜８００℃の温度を有するクリンカクーラーからの高温高酸素ガスが送気される抽気ダクト等のダクト（風管）を可燃性廃棄物の搬送経路とすることで、上記ダクト内を移送される間に可燃性廃棄物からは揮発性炭素が揮発し、その結果、固定炭素が露出した状態の可燃性廃棄物が、加熱されて仮焼炉に到達する処理方法を見出した。
さらに、上記ダクト内で揮発した炭素は、上記ダクト内で一部が燃焼して上記ダクト内の高温高酸素ガスおよび移送中の可燃性廃棄物を加熱し、また、上記高温高酸素ガスと共に仮焼炉に到達した揮発性の炭素は、仮焼炉の燃焼を補助することができうる。
そして、揮発性の炭素と固定炭素の全ての炭素が燃焼した後の残渣（灰分または金属等の夾雑物）は、仮焼炉で発生する微粉炭等の他の燃料由来の灰分と共にセメントキルンに送られ、セメントクリンカの原料とすることができうる。
このように、本発明者らは、複数の燃焼性の異なる可燃物質が混在する可燃性廃棄物であっても、かかる可燃性廃棄物全体を揮発性の炭素、固定炭素および不燃物の混合物と見なし、さらに、従来、廃棄物処理に積極的に利用されることのなかった高温高酸素ガスの流路であるクリンカクーラーから仮焼炉に至るダクトを、かかる可燃性廃棄物の輸送装置、揮発性の炭素の揮発促進用装置または燃焼装置、および、固定炭素の加熱装置として活用することで、輸送中に揮発性の炭素が有効に除去された固定炭素を仮焼炉で効率的に燃焼させることができることを見出したものである。
また、本発明の可燃性廃棄物の処理方法において、上記第１工程において、比表面積が２０ｍ２／ｇ以上である上記第１次処理廃棄物に変換することが好ましい。上記比表面積を有する第１次処理廃棄物とすることにより、第１次処理廃棄物を第２工程においてより確実に燃焼させることができる。
また、本発明の可燃性廃棄物の処理方法において、上記可燃性廃棄物は、廃ＣＦＲＰ、ＢＯＦ、ＡＳＲ、ＲＰＦ、ＲＤＦ、木屑、廃タイヤ、ゴム屑、吸水性ポリマーの廃棄物、都市ゴミ、熱硬化性・熱可塑性樹脂の廃棄物、廃ＦＲＰ、カーボンファイバーの廃棄物、光ファイバーの廃棄物、および、太陽電池の廃棄物からなる群から選択される１種以上の廃棄物を含むことが好ましい。本発明においては上記構成を有することにより、上記可燃性廃棄物が、難燃性である固体炭素を多く含有する廃棄物や、複数の燃焼性の異なる可燃物質が混在する可燃性廃棄物であっても、混在する可燃物質の分離または分別作業や、可燃性廃棄物の微小片への粉砕のように、多くの労力を要する事前加工を必要とすることなく、かつ、可燃性廃棄物が有する熱量をセメント製造に有効利用することが可能となる。
また、本発明の可燃性廃棄物の処理方法において、上記可燃性廃棄物の大きさが、当該可燃性廃棄物のかさ密度を指標に決定されることが好ましい。これにより、ダクト内での可燃性廃棄物の輸送時間を、より安定させることができる。
さらに、上記可燃性廃棄物が廃ＣＦＲＰである場合、上記可燃性廃棄物は、公称目開き５．６ｍｍのふるいを通過する大きさであることが好ましい。上記大きさとすることにより、難燃性の廃ＣＦＲＰであっても、より効率的かつ確実に処理することができる。
また、本発明の可燃性廃棄物の処理方法において、上記第１工程において、上記ダクト内で上記可燃性廃棄物を５００℃〜８００℃で１０秒以上加熱させることが好ましい。上記第１工程を上記条件となるように設定することにより、揮発性の炭素の揮発または燃焼が促進した、比表面積のより増加した望ましい形態の上記第１次処理廃棄物への変換がより確実となり、より効率的に処理することができる。
また、本発明の可燃性廃棄物の処理方法において、上記第１工程において、揮発性の炭素の含有量が２０質量％以下である上記第１次処理廃棄物に変換することが好ましい。上記第１次処理廃棄物に変換することにより、難燃性の廃ＣＦＲＰ等の上記可燃性廃棄物であっても固定炭素が有効に酸素に曝されるため、第２工程においてより効率的かつ確実に処理することができる。
一方、本発明は、上記可燃性廃棄物の処理方法を達成するために、
クリンカクーラー、仮焼炉および上記クリンカクーラーから上記仮焼炉に向かって高温高酸素ガスを流すダクトを備える可燃性廃棄物の処理装置であって、
上記ダクト内に、揮発性の炭素および固定炭素を含有する可燃性廃棄物を供給する供給部が設けられ、
上記ダクト内で、上記可燃性廃棄物に含有される揮発性の炭素を揮発または燃焼させ、第１次処理廃棄物に変換し、上記高温高酸素ガスにより上記第１次処理廃棄物を仮焼炉に導入して燃焼させることを特徴とする可燃性廃棄物の処理装置、を提供するものである。
クリンカクーラー、仮焼炉および上記クリンカクーラーから上記仮焼炉に向かって高温高酸素ガスを流すダクトを備える可燃性廃棄物の処理装置であって、
上記ダクト内に、揮発性の炭素および固定炭素を含有する可燃性廃棄物を供給する供給部が設けられ、
上記ダクト内で、上記可燃性廃棄物に含有される揮発性の炭素を揮発または燃焼させ、第１次処理廃棄物に変換し、上記高温高酸素ガスにより上記第１次処理廃棄物を仮焼炉に導入して燃焼させることを特徴とする可燃性廃棄物の処理装置、を提供するものである。
前述した作用により、本発明の可燃性廃棄物の処理装置は、上述の構成を有することにより、複数の燃焼性の異なる可燃物質が混在する可燃性廃棄物であっても、混在する可燃物質の分離または分別作業や、可燃性廃棄物の微小片への粉砕のように、多くの労力を要する事前加工を必要とすることなく、かつ、可燃性廃棄物が有する熱量を有効にセメント製造に利用することが可能となる。
以下、本発明の実施の形態について説明する。
本発明の可燃性廃棄物の処理方法は、揮発性の炭素および固定炭素を含有する可燃性廃棄物の処理を、クリンカクーラー、仮焼炉および上記クリンカクーラーから上記仮焼炉に向かって高温高酸素ガスを流すダクトを備えるセメント製造装置を用いて、第１工程と第２工程を含む工程を実施するものである。
本発明において、「揮発性の炭素」とは、加熱温度が約５５０℃以下で揮発する炭素成分をいい、ＴＧ測定（試料量２０ｍｇ、昇温１℃／分）において、３００℃〜５５０℃の温度領域で重量減少として確認される炭素成分をいうものとする。また、上記揮発性の炭素には、熱分解や酸化等の化学変化によって炭素成分が変性、変質した上で揮発するものも含まれる。また、本発明において、「固定炭素」とは、上記温度域で揮発せずに残存する炭素成分をいうものとする。
本発明における上記第１工程では、上記クリンカクーラーから上記仮焼炉に向かって高温高酸素ガスが流れるダクト内で、上記可燃性廃棄物に含有される揮発性の炭素を揮発または燃焼させ、第１次処理廃棄物に変換する。
また、本発明において、「第１次処理廃棄物」とは、揮発性の炭素および固定炭素を含有する可燃性廃棄物が上記第１工程で変換された固体の処理物をいい、より詳細には、上記第１工程において、上記可燃性廃棄物に含有される揮発性の炭素を揮発または燃焼させて得られる固体の処理物をいうものとする。本発明では未燃焼の揮発ガス、燃焼後の生成ガス等のガスは、この処理物、すなわち第１次処理廃棄物とは区別される。
また、「揮発性の炭素を揮発または燃焼させ」とは、揮発性の炭素の少なくとも一部を揮発させ、さらにその一部を燃焼させる意味であり、当該炭素が分解してガス等が生成する場合も含まれる。また、当該揮発性の炭素の一部が揮発していれば、他の部分が揮発せずに固体状態のままであってもよい。さらに、当該揮発した炭素の一部が燃焼していてもよい。ただし、このような場合であっても、第１次処理廃棄物において、揮発性の炭素の残存量が小さいほど好ましく、残存量がゼロの場合が特に好ましい。
本発明における上記第２工程では、上記高温高酸素ガスにより上記第１次処理廃棄物を仮焼炉に空気輸送して燃焼させる。ここで「仮焼炉に空気輸送して燃焼させる」とは、仮焼炉において、第１次処理廃棄物に含まれる炭素成分の全部を燃焼させることが望ましく、より具体的には揮発性の炭素の残渣成分（残存する場合）、および、固定炭素の全部を燃焼させることが望ましい。ただし、「固定炭素の全部」とは、第１次処理廃棄物に含まれる固定炭素の全部を意味するものであり、上記可燃性廃棄物に含有される固定炭素の一部が上記第１工程で燃焼する場合もありうることを否定しない意味である。また、仮焼炉で炭素成分のほぼ全部を燃焼させるにとどめる場合や、炭素成分の一部を燃焼させずに残す場合を本発明から排除するものではない。
本発明の可燃性廃棄物の処理方法は、本発明の可燃性廃棄物の処理装置を用いて好適に実施することができる。すなわち、本発明の可燃性廃棄物の処理装置は、クリンカクーラー、仮焼炉および上記クリンカクーラーから上記仮焼炉に向かって高温高酸素ガスを流すダクトを備える可燃性廃棄物の処理装置であって、上記ダクト内に、揮発性の炭素および固定炭素を含有する可燃性廃棄物を供給する供給部が設けられている。
上記ダクトは、上記クリンカクーラーから上記仮焼炉に向かって高温高酸素ガスを流しうるように接続されていればよく、たとえば、一方の端部は上記クリンカクーラーの上部に、他方の端部は上記仮焼炉の上部に接続していてもよい。クリンカクーラーには、焼成直後のセメントクリンカを冷却するための空気が供給され、これが高温のセメントクリンカと熱交換（加熱）されて、その一部が上記ダクトを介して、仮焼炉に導入される。仮焼炉に導入される高温高酸素ガスは、仮焼炉（微粉炭バーナー）の燃焼用空気として使用される。
上記供給部としては、所定サイズの可燃性廃棄物を上記ダクト内に供給できるものであれば、特に制限なく使用できるが、ダクトの内圧の影響を受けにくい構造の供給部が好ましい。また、供給部が設けられるダクト上の位置としては、可燃性廃棄物に含有される揮発性の炭素を十分に揮発または燃焼させる観点から、ダクトの上流側が好ましい。また、空気輸送を確実に行なう観点から、ダクトの水平部であって、ダクト内においては乱流の生じない位置が好ましい。
以下、図１に基づき、本発明の一実施形態が適用される可燃性廃棄物の処理装置の構成について説明する。この可燃性廃棄物の処理装置１は、セメント製造装置でもあって、セメント原料Ｒを予熱するプレヒーター２と、このプレヒーター２から抜き出されたセメント原料Ｒの少なくとも一部を仮焼成する仮焼炉３と、プレヒーター２および仮焼炉３を経たセメント原料Ｒを焼成してセメントクリンカＣＬとするロータリーキルン４と、ロータリーキルン４から排出されたセメントクリンカＣＬを冷却するクリンカクーラー５と、クリンカクーラー５から供給された高温高酸素空気ＨＡ（以下、「３次空気Ａ３」と称する場合もある）を仮焼炉３へ送気するためのダクト６（たとえば、抽気ダクト等）から概略構成される。
ここで、仮焼炉３は、ロータリーキルン４における熱負荷を低減するために、プレヒーター２で加熱されたセメント原料Ｒの少なくとも一部を分取して主として脱炭酸を行うものである。上記仮焼炉３は、炉内に投入した微粉炭が、クリンカクーラー５からダクト６を介して送気された高温高酸素空気ＨＡ中の酸素によって燃焼し、セメント原料Ｒを加熱するものである。そして、仮焼炉３から排出されたセメント原料Ｒおよび燃料の灰分等は、プレヒーター２の最下段のサイクロンを経由してロータリーキルン４に供給されるようになっている。
次いで、クリンカクーラー５は、ロータリーキルン４から排出された高温のセメントクリンカＣＬを冷却するためのもので、セメントクリンカＣＬを急冷するための冷却用空気ＣＡが底部から供給されるようになっている。
クリンカクーラー５において冷却に用いられた空気ＣＡは、セメントクリンカＣＬとの熱交換により高温となり、一部がロータリーキルン４における燃焼補助用の２次空気Ａ２としてロータリーキルン４に供給され、他の一部が上記仮焼炉３への３次空気Ａ３としてダクト６に供給され、残部が図示されない排気ラインによって外部に排気されるか、廃熱発電の熱源とされる。
ダクト６には、クリンカクーラー５から供給された高温高酸素空気ＨＡが流れている。その温度は、一般に５００℃〜８００℃であり、流量は、一般に２０Ｎｍ３／ｓ〜６０Ｎｍ３／ｓである。この流量は、流速に換算すると約１０ｍ／ｓに相当し、後述するダクト６の長さから、高温高酸素空気ＨＡは十数秒でダクト６を通過して仮焼炉３に到達する。ダクト６内のガス流は、原料上流側に設置される主排気風車（ＩＤＦ）によって仮焼炉３側を負圧にすることによって形成される。また、上記高温高酸素空気ＨＡは、たとえば、６００℃〜８００℃であってもよい。また、上記高温高酸素空気ＨＡは、酸素濃度が１５％〜２１％であることが好ましく、酸素濃度が１８％〜２１％であってもよい。
ダクト６の大きさと形状は、仮焼炉３、ロータリーキルン４またはクリンカクーラー５等の関連するセメント製造装置の大きさや性能によって異なるが、たとえば、直径が約４ｍ〜５ｍの円形管で、クリンカクーラー５の上部から垂直方向に約２０ｍ立上った後、水平方向に約１００ｍの長さを持った後、仮焼炉３と連結される。
また、本発明の可燃性廃棄物の処理方法において、上記第１工程において、ダクト６内で上記可燃性廃棄物Ｗ１を５００℃〜８００℃で１０秒以上加熱させることが好ましく、上記第１工程での加熱は上記３次空気Ａ３のもつ熱量のみでなされることが望ましいが、必要に応じてダクト６に加熱補助装置を設けてもよい。また、ダクト６内の温度は、５５０℃〜８００℃であってもよく、６００℃〜８００℃であってもよい。また、ダクト６内の上記可燃性廃棄物Ｗ１の加熱時間は、１１秒以上であってもよく、１２秒以上であってもよい。また、上記第１工程におけるダクト６内での上記可燃性廃棄物Ｗ１の加熱は、５５０℃〜８００℃で１１秒以上であってもよく、６００℃〜８００℃で１２秒以上であってもよい。上記第１工程を上記条件となるように設定することにより、揮発性の炭素の揮発または燃焼が促進した、比表面積のより増加した望ましい形態の上記第１次処理廃棄物Ｗ２への変換がより確実となり、より効率的に処理することができる。
また、本発明の処理対象物である可燃性廃棄物Ｗ１としては、炭素化合物を含有する廃棄物であればよいが、複数の燃焼性の異なる可燃物質が混在する可燃性廃棄物であっても、混在する可燃物質の分離または分別作業や、可燃性廃棄物の微小片への粉砕のように、多くの労力を要する事前加工を必要とすることなく、かつ、可燃性廃棄物が有する熱量を有効利用することが可能となる。上記可燃性廃棄物Ｗ１としては、特に制限はないが、具体的には、たとえば、ＳＲ、廃ＣＦＲＰ、ＢＯＦ、ＲＰＦ（Ｒｅｆｕｓｅ ｄｅｒｉｖｅｄ ｐａｐｅｒ ａｎｄ ｐｌａｓｔｉｃｓ ｄｅｎｓｉｆｉｅｄ ｆｕｅｌ）、ＲＤＦ（Ｒｅｆｕｓｅ ｄｅｒｉｖｅｄ ｆｕｅｌ）、木屑、廃タイヤ、ゴム屑、吸水性ポリマーの廃棄物、都市ゴミ、熱硬化性・熱可塑性樹脂の廃棄物、廃ＦＲＰ（Ｆｉｂｅｒ ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ ｐｌａｓｔｉｃｓ）、カーボンファイバーの廃棄物、光ファイバーの廃棄物、太陽電池の廃棄物などをあげることができる。また、上記廃棄物は１種類を処理対象物としてもよく、あるいは２種以上を処理対象物としてもよい。
本発明の処理方法は、廃ＦＲＰ、特に、廃ＣＦＲＰの処理に効果的に利用できる。繊維強化プラスチック（ＦＲＰ：Ｆｉｂｅｒ ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ ｐｌａｓｔｉｃｓ）、特に、炭素繊維強化プラスチック（ＣＦＲＰ：Ｃａｒｂｏｎ Ｆｉｂｅｒ ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ ｐｌａｓｔｉｃｓ）は、軽量でありながら機械的特性や耐蝕性に非常に優れた構造材料である。炭素繊維の含有率は、一般的に、３０質量％〜８０質量％程度とされている。なお、ＣＦＲＰの炭素繊維の含有率は、ＪＩＳ Ｋ ７０７５「炭素繊維強化プラスチックの繊維含有率および空洞率試験方法」に準拠した試験方法で求めることができる。
ＣＦＲＰで用いられる炭素繊維としては、グラファイト状の炭素から形成され、剛性等の機械的特性に優れた繊維が用いられている。具体的には、炭素繊維としては、たとえば、ポリアクリロニトリル系、ピッチ系、または、セルロース系繊維等を酸化性雰囲気中で１５０℃〜４００℃に加熱して耐炎化処理を行なった後、不活性雰囲気中で３００℃〜２５００℃で炭化または黒鉛化処理をして得られたものの他、水蒸気等の半活性雰囲気で賦活化した活性炭素繊維等をあげることができる。
ＣＦＲＰで用いられるマトリックス材料としては、熱可塑性樹脂または熱硬化性樹脂が用いられている。具体的には、熱可塑性樹脂としては、たとえば、ポリアミド樹脂、または、ポリプロピレン樹脂、ナイロン樹脂等をあげることができる。また、熱硬化性樹脂としては、たとえば、エポキシ樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、ポリイミド樹脂、ビスマレイミド樹脂、または、フェノール樹脂等をあげることができる。これらの樹脂は、全てが発火点７００℃以下であり、ほとんどが発火点６００℃以下であり、多くが発火点５００℃以下である。ここで、発火点は、たとえば、ＪＩＳ Ｋ ７１９３「プラスチック−高温空気炉を用いる着火温度の求め方」で測定することができる。
また、燃焼によってダクト６内の高温高酸素ガスの温度が上昇するため、ダクト６に導入される高温高酸素ガス（通常は温度５００℃〜８００℃、酸素濃度２１％）によって、廃ＣＦＲＰのうち揮発性の炭素に相当する樹脂を十分に揮発または燃焼させることができる。
また、廃ＣＦＲＰのうち固定炭素である炭素繊維については、廃ＣＦＲＰの状態で仮焼炉３に導入しても、十分燃焼させることが困難である。しかし、本発明のように、揮発性の炭素に相当する樹脂を十分に揮発または燃焼させて、第１次処理廃棄物Ｗ２に変換した後に、仮焼炉３に導入することで、炭素繊維の全量を確実に燃焼させることができる。
本発明の処理方法においては、上記可燃性廃棄物Ｗ１を、たとえば、ダクト６中の高温高酸素空気ＨＡの気流によって仮焼炉３まで空気輸送する。かかる空気輸送を確実に行うため、処理する可燃性廃棄物Ｗ１には、その密度および大きさについて制限が生じうる。たとえば、自動車のシートに用いられる発泡ウレタンを主体とするＳＲ等では、一般にかさ密度が約３０×１０−３ｇ／ｃｍ３と小さいことから、直径が１５０ｍｍ以下（ほぼ球形で、公称目開き１５０ｍｍの網ふるいを全通したもの）であれば、ダクト６内への供給部７をダクト６の垂直部に設置した場合であっても、高温高酸素空気ＨＡの気流によって仮焼炉３まで搬送することができる。一方、かさ密度が約２ｇ／ｃｍ３である板状の廃ＣＦＲＰ等では、公称目開き８ｍｍの網ふるいを全通しなければ、ダクト６の垂直部に設置した供給部７を使用した高温高酸素空気ＨＡの気流による空気輸送は困難である。
ダクト６中で空気輸送可能な可燃性廃棄の大きさは、かかる可燃性廃棄物Ｗ１の形状等の不確実な要因が存在するために特定することは困難であるが、経験値および熱流体シミュレーション（アンシス・ジャパン株式会社製 ＦＬＵＥＮＴ(Ｖｅｒ．１７．１)（商品名））による計算に基づくと、それぞれ球形を呈するものであれば、かさ密度が０．１ｇ／ｃｍ３以下のものは直径１００ｍｍ以下（公称目開き１００ｍｍの網ふるいを全通）、かさ密度が０．１ｇ／ｃｍ３よりも大きく０．５ｇ／ｃｍ３以下のものは直径１０ｍｍ以下（公称目開き１０ｍｍの網ふるいを全通）、かさ密度が０．５ｇ／ｃｍ３よりも大きく１ｇ／ｃｍ３以下のものは直径５ｍｍ以下（公称目開き５ｍｍの網ふるいを全通）、かさ密度が１ｇ／ｃｍ３よりも大きく３ｇ／ｃｍ３以下ものは直径１．７ｍｍ以下（公称目開き１．７ｍｍの網ふるいを全通）であれば、ダクト６での空気輸送が可能である。これにより、揮発性の炭素が十分に揮発または燃焼した第１次処理廃棄物Ｗ２に変換することができ、この第１次処理廃棄物Ｗ２の全量を確実に仮焼炉３において燃焼させることができる。
上記可燃性廃棄物Ｗ１のサイズ調整に用いる方法は、公知の破砕方法を適宜用いることができる。たとえば、回転型カッター式剪断粗砕機等の粉砕装置で５０ｍｍ以下に粗砕した後、ジョークラッシャ、ロールミル、ローラーミル、破砕機等の粉砕装置によって所定の大きさに小片化する方法をあげることができる。この際、廃ＣＦＲＰ等の比較的硬い可燃性廃棄物Ｗ１の粉砕作業を効率的に行うためには、後段の粉砕装置にはセパレーター等の分級装置を付設すると好ましい。
また、ダクト６内での可燃性廃棄物Ｗ１の空気輸送を確実に行うため、さらには、セメントクリンカＣＬをかかる可燃性廃棄物の落下によって汚染しないために、ダクト６への可燃性廃棄物Ｗ１の投入はダクト６の水平部で行うのが好ましく、さらに、上記可燃性廃棄物Ｗ１が仮焼炉３へ到達する前に、可燃性廃棄物Ｗ１中の揮発性の炭素の少なくとも一部を可燃性廃棄物から確実に揮発または燃焼させるために、可燃性廃棄物Ｗ１の投入は、ダクト６の水平部における高温高酸素空気ＨＡの上流側であって、ダクト６内の滞留時間を長時間化できる位置が好ましい。
本実施形態では、可燃性廃棄物Ｗ１を投入するホッパー７ａと、ホッパー７ａの下方に設けられたスクリューフィーダ７ｂとを備える供給部７を、ダクト６の水平部における高温高酸素空気ＨＡの上流側に設けた例を示す。
本発明では、高温高酸素空気ＨＡの漏洩を防止する観点から、スクリューフィーダ７ｂのように、閉空間内で粉体を機械的に移動させる供給装置を用いることが好ましい。このような供給装置としては、スクリューフィーダの他、ロータリーフィーダ、プランジャーフィーダ等をあげることができる。
可燃性廃棄物Ｗ１のダクト６への投入方法は、たとえば、投入口からの高温高酸素空気ＨＡの漏洩を防止するために二段ダンパーを付設した供給部７を用いることも可能である。これらの供給部７は、可燃性廃棄物Ｗ１をダクト６の内壁から落下させるだけのものであっても、ダクト６の内部気流の分布等から判断される好適な位置から可燃性廃棄物Ｗ１を投入するための導管を用いるものであってもよい。ただし、上記導管を用いる場合には、高温高酸素空気ＨＡによる導管の加熱によって可燃性廃棄物Ｗ１が導管内面に付着し閉塞を生じることのないように、耐熱性および放熱性を備えた導管を使用する必要がある。
ここで、ダクト６は、一般に、ステンレス鋼等による鋼管であり、ダクト６内での燃焼を想定された材質設計等はなされていない。したがって、ダクト６内において可燃性廃棄物Ｗ１から揮発した揮発性の炭素の少なくとも一部が燃焼する本発明の実施においては、上記揮発性の炭素の燃焼ゾーンに相当するダクト６の内面は、耐火煉瓦等を張って耐熱構造とすることが好ましい。また、可燃性廃棄物Ｗ１等の流動を均一化するために、整流板を設けてもよい。
また、上記第１工程において、比表面積が２０ｍ２／ｇ以上である上記第１次処理廃棄物Ｗ２に変換することが好ましいが、３５ｍ２／ｇ以上であることがより好ましく、５０ｍ２／ｇ以上であることがさらに好ましい。上記第１工程において上記比表面積をもつ第１次処理廃棄物Ｗ２に変換することにより、難燃性の廃ＣＦＲＰ等からなる上記可燃性廃棄物Ｗ１であっても、第２工程においてより確実に仮焼炉において燃焼させることができる。
また、上記第１工程において、揮発性の炭素の含有量が２０質量％以下である上記第１次処理廃棄物Ｗ２に変換することが好ましいが、１０質量％以下に変換することがより好ましく、５質量％以下に変換することがさらに好ましい。上記第１工程において揮発性の炭素の含有量が上記範囲である第１次処理廃棄物Ｗ２に変換することにより、難燃性の廃ＣＦＲＰ等からなる上記可燃性廃棄物Ｗ１であっても、第２工程においてより効率的かつ確実に仮焼炉において処理することができる。
以下、本発明の構成と効果を具体的に示す実施例等について説明する。
〔実施例、比較例〕
本実施例・比較例において、かさ密度が１．６ｇ／ｃｍ３で、厚さが０．８ｍｍの板状の廃ＣＦＲＰ（炭素繊維（固定炭素）量：６１質量％、マトリックス量：３０質量％、灰分量：９質量％）を、回転型カッター式粉砕機で５０ｍｍ以下に粗砕した。その後、さらに、ロールミルおよび破砕機によって破砕した後、網ふるいで表１に示す５種類の試料を作製した。
本実施例・比較例において、かさ密度が１．６ｇ／ｃｍ３で、厚さが０．８ｍｍの板状の廃ＣＦＲＰ（炭素繊維（固定炭素）量：６１質量％、マトリックス量：３０質量％、灰分量：９質量％）を、回転型カッター式粉砕機で５０ｍｍ以下に粗砕した。その後、さらに、ロールミルおよび破砕機によって破砕した後、網ふるいで表１に示す５種類の試料を作製した。
得られた試料を、試料量に対して充分に大きい試料室を有し、一定流量の大気が連続して供給されている、７００℃の等温電気炉内に１１．５秒間静置した後における、固定炭素量（炭素繊維の燃焼残分量に相当）と揮発性の炭素量（マトリックスの燃焼残分量に相当）を、加熱後試料のＴＧ測定における熱重量減少率から求めた。
上記加熱条件は、７００℃に加熱された大気が、２７．９Ｎｍ３／ｓ（＝９９．５ｍ３／ｓ）で流れている、長さ８０ｍのダクトに、廃ＣＦＲＰを２０ｇ／ｓで投入した状態に相当するものである。なお、静置時間の１１．５秒間は、一辺１５ｍｍの正方形を呈する当該廃ＣＦＲＰを上記条件のダクトの水平部に投入した場合の、熱流体シミュレーション（ＦＬＵＥＮＴ(Ｖｅｒ．１７．１)）から求めたダクト通過時間である。
また、固定炭素量および揮発性の炭素量を求める熱重量減少率の測定は、熱重量・示差熱測定装置（ネッチ・ジャパン株式会社製：ＴＧ−ＤＴＡ ２０２０ＳＲ（商品名）、試料量２０ｍｇ、昇温１℃／分）を用いて行った。具体的には、図２に示すように、揮発性の炭素の重量に相当する、廃ＣＦＲＰを過熱した場合の熱重量曲線における３００℃前後から５００度前後までの重量減少量、および、固定炭素の重量に相当する、かかる熱重量曲線における５５０℃前後から８００℃付近までの重量減少量を求めた。求めた固定炭素量と揮発性の炭素量から、未加熱の廃ＣＦＲＰの固定炭素量と揮発性の炭素量のそれぞれ１００％に対する残存率（重量％）を算出した。試験結果を表２に示す。なお、図２には参考例１として、加熱処理を施していない廃ＣＦＲＰの熱重量曲線も示す。
表２に示すように、全ての試料で揮発性の炭素が除去され、固定炭素が雰囲気に十分曝されている状態になっていた。この固定炭素のみとなったＣＦＲＰの、仮焼炉での燃焼性を評価するため、かかる固定炭素のみになったＣＦＲＰの比表面積を窒素吸着法（使用装置：Ｍｉｃｒｏｍｅｒｉｔｉｃｓ製：ＡＳＡＰ−２４００（商品名））で評価した。参考値として、微粉炭とＤＯＣ（Ｄｅｌａｙｅｄ ｏｉｌ ｃｏｋｅ）の各々に対して、還元雰囲気で９００℃で７分間加熱して揮発性の炭素を除去したものについても、同様に比表面積を測定した。試験結果を表３に示す。
表３に示すように、揮発性の炭素が除去された廃ＣＦＲＰは、仮焼炉の燃料である微粉炭の比表面積の４倍もの非常に大きな比表面積を有していた。微粉炭の比表面積からは、少なくとも２０ｍ２／ｇの比表面積を有していれば仮焼炉で十分に燃焼されると判断される。以上から、廃ＣＦＲＰの固定炭素は、酸素濃度が高く、かつ８００℃以上の温度環境である仮焼炉における燃焼性に優れていると判断され、表１、２に示す試料１（実施例１）とともに、試験結果で４．１％の固定炭素の残存率が認められた試料２（実施例２）であれば、確実に全量を仮焼炉で燃焼させることができうることがわかった。
このように、これまで焼却による処理が困難であった廃ＣＦＲＰであっても、本発明の処理方法を用いることにより、公称目開き５．６ｍｍのふるいを通過する大きさであればより確実に処理しうることが認められた。
１ 可燃性廃棄物の処理装置
２ プレヒーター
３ 仮焼炉
４ ロータリーキルン
５ クリンカクーラー
６ ダクト
７ 供給部
７ａ ホッパー
７ｂ スクリューフィーダー
Ａ２ ２次空気
Ａ３ ３次空気（＝ＨＡ）
ＣＡ 冷却用空気
ＣＬ セメントクリンカ
ＨＡ 高温高酸素空気（＝Ａ３）
Ｒ セメント原料
Ｗ１ 可燃性廃棄物
Ｗ２ 第１次処理廃棄物
２ プレヒーター
３ 仮焼炉
４ ロータリーキルン
５ クリンカクーラー
６ ダクト
７ 供給部
７ａ ホッパー
７ｂ スクリューフィーダー
Ａ２ ２次空気
Ａ３ ３次空気（＝ＨＡ）
ＣＡ 冷却用空気
ＣＬ セメントクリンカ
ＨＡ 高温高酸素空気（＝Ａ３）
Ｒ セメント原料
Ｗ１ 可燃性廃棄物
Ｗ２ 第１次処理廃棄物
Claims (8)
- 揮発性の炭素および固定炭素を含有する可燃性廃棄物の処理を、クリンカクーラー、仮焼炉および前記クリンカクーラーから前記仮焼炉に向かって高温高酸素ガスを流すダクトを備えるセメント製造装置を用いて行なう処理方法であって、
前記クリンカクーラーから前記仮焼炉に向かって高温高酸素ガスが流れるダクト内で、前記可燃性廃棄物に含有される揮発性の炭素を揮発または燃焼させ、第１次処理廃棄物に変換する第１工程、および、
前記高温高酸素ガスにより前記第１次処理廃棄物を仮焼炉に導入して燃焼させる第２工程、を含み、
前記可燃性廃棄物は、公称目開き５．６ｍｍのふるいを通過する大きさの廃ＣＦＲＰであり、
前記第１工程において、比表面積が２０ｍ２／ｇ以上である前記第１次処理廃棄物に変換することを特徴とする可燃性廃棄物の処理方法。 - 前記第１工程において、前記ダクト内で前記可燃性廃棄物を５００〜８００℃で１０秒以上加熱させることを特徴とする、請求項１に記載の可燃性廃棄物の処理方法。
- 前記第１工程において、揮発性の炭素の含有量が２０質量％以下である前記第１次処理廃棄物に変換することを特徴とする、請求項１または２に記載の可燃性廃棄物の処理方法。
- 前記可燃性廃棄物の大きさが、当該可燃性廃棄物のかさ密度を指標に決定されることを特徴とする、請求項１〜３のいずれかに記載の可燃性廃棄物の処理方法。
- クリンカクーラー、仮焼炉および前記クリンカクーラーから前記仮焼炉に向かって高温高酸素ガスを流すダクトを備える可燃性廃棄物の処理装置であって、
前記可燃性廃棄物は、公称目開き５．６ｍｍのふるいを通過する大きさの廃ＣＦＲＰであり、
前記ダクト内に、揮発性の炭素および固定炭素を含有する可燃性廃棄物を供給する供給部が設けられ、
前記ダクト内で、前記可燃性廃棄物に含有される揮発性の炭素を揮発または燃焼させ、比表面積が２０ｍ２／ｇ以上である第１次処理廃棄物に変換し、前記高温高酸素ガスにより前記第１次処理廃棄物を仮焼炉に導入して燃焼させることを特徴とする可燃性廃棄物の処理装置。 - 前記ダクト内は５００〜８００℃であることを特徴とする、請求項５に記載の可燃性廃棄物の処理装置。
- 前記第１次処理廃棄物は、揮発性の炭素の含有量が２０質量％以下であることを特徴とする、請求項５または６に記載の可燃性廃棄物の処理装置。
- 前記可燃性廃棄物の大きさが、当該可燃性廃棄物のかさ密度を指標に決定されることを特徴とする、請求項５〜７のいずれかに記載の可燃性廃棄物の処理装置。
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