JP7065058B2 - 流動床炉における流動媒体の回収方法 - Google Patents

Description

本発明は、流動床炉における流動媒体の回収方法に関する。

従来、特許文献１，２に記載されているように、砂等の流動媒体が流動した状態で各種廃棄物を焼却処理する流動床式焼却炉或いは当該廃棄物をガス化する流動床式ガス化炉が知られている。これらの流動床炉には、流動媒体を炉から取り出すと共に当該流動媒体を不燃物と分離した後、流動媒体を炉に戻す循環機構が設けられている。

特許文献１には、流動床式ガス化炉の炉底残渣の処理方法が記載されており、この方法では、流動床式ガス化炉より排出された炉底残渣から金属分及び非金属分が回収されて残った流動媒体が炉に戻されると共に、回収された非金属分が溶融炉でスラグ化される。特許文献２には、流動床式ガス化炉の底部より排出された流動砂と不燃物の混合物から不燃物を分離して流動砂のみを炉に戻す循環機構として、砂分級装置と、砂循環エレベータと、を備えたものが記載されている。

特許第３９０９５１４号公報 特許第４３２１８２３号公報

流動床式焼却炉により焼却処理される或いは流動床式ガス化炉によりガス化される廃棄物には、金や銀等の貴金属或いは鉛や亜鉛等の重金属等、有価金属が微量に含まれている。特許文献１，２では、このような廃棄物に含まれる有価金属を効率的に回収することが困難であり、本発明者等はこの課題に着目した。

本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、流動床炉において廃棄物に含まれる有価金属を効率的に回収することが可能な方法を提供することである。

本発明の一局面に係る流動床炉における流動媒体の回収方法は、炉本体と、前記炉本体内に充填された流動媒体と、前記流動媒体を前記炉本体の外へ抜き出すための抜出口が形成されると共に前記抜出口に向かって前記流動媒体の安息角よりも小さい角度で下向きに傾斜する炉底板と、を備え、前記流動媒体が流動した状態で有価金属を含む廃棄物を焼却処理或いはガス化する流動床炉において、前記流動床炉を停止した時に前記炉本体内から前記流動媒体を回収する方法である。この回収方法は、前記炉本体内に充填された前記流動媒体を、前記抜出口を通じて重力により前記炉本体の外へ抜き出す抜出工程と、前記抜出工程の後に前記炉底板上に残存した前記流動媒体を、前記抜出工程で前記炉本体内から抜き出した前記流動媒体と分離した状態で回収する回収工程と、を備えている。

上記回収方法では、流動床炉を停止した後、まず、炉本体内に充填された流動媒体を、抜出口を通じて炉本体の外へ抜き出す（抜出工程）。この時、炉底板の傾斜角が流動媒体の安息角よりも小さいため、上記抜出工程では炉本体内に充填された流動媒体が全て炉外へ抜き出されることはなく、一部の流動媒体が炉底板上に残存する。

本発明者等は、鋭意研究の結果、上述のように抜出工程の後に炉底板上に残存した流動媒体に、廃棄物由来の有価金属が高濃度に含まれていることを新たに発見した。このため、本発明の流動床炉における流動媒体の回収方法では、上記知見に基づき、抜出工程の後に炉底板上に残存した流動媒体を、上記抜出工程で炉外へ抜き出された流動媒体と混合することなく、これと分離した状態で別途回収する（回収工程）。これにより、高濃度の有価金属を含む流動媒体のみを回収することが可能になり、その後、回収された流動媒体から有価金属を分離することにより、廃棄物由来の有価金属を効率的に回収することができる。

上記流動床炉における流動媒体の回収方法は、前記回収工程で回収した前記流動媒体から有価金属を分離する分離工程をさらに備えていてもよい。

この方法によれば、流動媒体から分離した有価金属を種々の用途に利用することができる。

上記流動床炉における流動媒体の回収方法において、前記流動床炉は、前記炉本体の外へ抜き出された前記流動媒体を前記炉本体へ戻す循環機構であって、前記流動媒体を搬送する搬送部と、前記搬送部により搬送された前記流動媒体を貯留する貯留槽と、を有する前記循環機構をさらに備えていてもよい。前記抜出工程では、前記炉本体の外へ抜き出された前記流動媒体を、前記搬送部により搬送すると共に前記貯留槽に供給してもよい。前記回収工程では、前記炉底板上に残存した前記流動媒体を前記炉本体の外へ排出した後、前記貯留槽と異なる場所で回収してもよい。

この方法によれば、抜出工程の後に炉底板上に残存した流動媒体を、抜出工程において炉外へ抜き出された流動媒体と確実に分離した状態で回収することが可能になる。

以上の説明から明らかなように、本発明によれば、流動床炉において廃棄物に含まれる有価金属を効率的に回収することが可能な方法を提供することができる。

本発明の実施形態１における流動床炉の構成を模式的に示す図である。 上記流動床炉における散気管の構成を示す断面図である。 上記流動床炉における散気管の構成を示す平面図である。 本発明の実施形態１に係る流動床炉における流動媒体の回収方法の手順を示すフローチャートである。 上記流動床炉における流動媒体の回収方法の抜出工程後に炉底板上に残存した流動媒体を示す模式図である。 本発明の実施形態２における流動床炉の構成を模式的に示す図である。

以下、図面に基づいて、本発明の実施形態に係る流動床炉における流動媒体の回収方法を詳細に説明する。

（実施形態１）
＜流動床式ガス化溶融炉の構成＞
まず、本発明の実施形態１に係る流動床炉における流動媒体の回収方法を、図１～図５を参照して説明する。はじめに、本回収方法が実施される流動床式ガス化溶融炉１の構成を、図１～図３を参照して説明する。

図１に示すように、本実施形態における流動床式ガス化溶融炉１は、流動床式ガス化炉１０と、旋回流溶融炉２０と、ダクト３０と、を主に備えている。以下、これらの構成要素についてそれぞれ説明する。

流動床式ガス化炉１０は、例えば都市ごみ、下水汚泥又は自動車破砕残渣（ＡＳＲ：Ａｕｔｏｍｏｂｉｌｅ Ｓｈｒｅｄｄｅｒ Ｒｅｓｉｄｕｅ）等の各種廃棄物を、可燃性ガス（一酸化炭素、水素、炭化水素等）、未燃物（チャー）及び灰に熱分解するための設備である。図１に示すように、流動床式ガス化炉１０は、炉本体１２と、炉本体１２内に充填された流動媒体１３と、流動媒体１３を炉本体１２の外へ抜き出すための抜出口１６ｂが形成された炉底板１６と、抜出口１６ｂに接続された抜出管１５と、を主に有している。

炉本体１２は、上下方向に延びる円筒形状を有している。炉本体１２には、廃棄物を炉本体１２内に供給するための供給口１４と、炉本体１２内で発生した可燃性ガスを炉外へ流出させるための流出口１１と、流動媒体１３を流動させるための流動化ガス（例えば、空気）を風箱１８（炉本体１２内における炉底板１６よりも下側の空間）に導入するための導入口１７と、がそれぞれ設けられている。図１に示すように、供給口１４は、炉本体１２の側部のうち炉底板１６よりも上側の部位に設けられている。流出口１１は、炉本体１２の頂部に設けられている。導入口１７は、炉本体１２の側部のうち炉底板１６よりも下側の部位に設けられている。

炉底板１６は、炉本体１２内の底部側に配置されており、その中央部に流動媒体１３の抜出口１６ｂが形成されている。炉底板１６における抜出口１６ｂの周囲部分には、多数の散気管１６ａが貫通している。また図１に示すように、炉底板１６は、中央の抜出口１６ｂに向かって下向きに傾斜しており、その傾斜角は、流動媒体１３の安息角よりも小さい角度となっている。具体的には、流動媒体１３の安息角が３５～４０°であるのに対し、炉底板１６の傾斜角は１０～３０°となっている。なお、図１では、炉底板１６の傾斜角が、水平方向（図１中の破線）と炉底板１６の下面との間の角として示されているが、水平方向と炉底板１６の上面との間の角もこれと同じである。

図２及び図３は、散気管１６ａの構成を詳細に示している。図２に示すように、各散気管１６ａは、炉底板１６を厚さ方向に貫通する直管部１６ａ１と、直管部１６ａ１の上端に接続されたＵ字管部１６ａ２と、を有している。導入口１７（図１）から風箱１８に導入された流動化ガスは、直管部１６ａ１内を上昇した後、Ｕ字管部１６ａ２の開口から流動媒体１３に向けて送り出される（図３中矢印）。

流動媒体１３は、例えば珪砂やオリビン砂等の流動砂であり、炉底板１６上に充填されている。これにより、図１に示すように、所定の厚さを有する流動層（砂層）が、炉底板１６上に形成されている。流動床式ガス化炉１０は、流動媒体１３が流動した状態で有価金属（例えば、金、銀、銅、鉛又は亜鉛）を含む廃棄物を処理する。

抜出管１５は、流動媒体１３を不燃物と共に炉本体１２の外へ抜き出すためのものである。図１に示すように、抜出管１５は、炉底板１６の抜出口１６ｂに接続された上端部と、炉本体１２の外側に位置する下端部と、を有し、炉本体１２の底壁部を貫通して上端部から下端部まで上下に延びている。

旋回流溶融炉２０は、流動床式ガス化炉１０で発生した可燃性ガスの旋回流１００を形成しつつ当該可燃性ガス及び未燃物を完全燃焼させると共に、可燃性ガスに同伴された灰を溶融させる炉である。図１に示すように、旋回流溶融炉２０は、可燃性ガスの流入口２１及び灰が溶融することにより形成される溶融スラグを炉外へ排出するための出滓口２２がそれぞれ設けられた炉本体２３を有している。

流入口２１は、炉本体２３の側部のうち頂部近傍の部位に設けられており、ダクト３０により流動床式ガス化炉１０の流出口１１に接続されている。また出滓口２２は、炉本体２３の底部に設けられている。旋回流溶融炉２０において可燃性ガスが燃焼することにより発生した排ガスは、旋回流溶融炉２０の後段に配置された各種設備（ボイラ、減温塔、バグフィルタ、触媒反応塔等）を通過した後、煙突（図示しない）から大気中に放出される。

流動床式ガス化炉１０は、循環機構４０を有している。循環機構４０は、炉本体１２の外へ抜き出された流動媒体１３を、不燃物から分離した後に炉本体１２へ戻すものである。図１に示すように、循環機構４０は、抜出スクリュ４１と、分級装置４２と、循環エレベータ４３（搬送部）と、貯留槽４４と、第１～第３搬送経路４５，４６，４７と、を主に有している。

抜出スクリュ４１は、回転駆動によって炉本体１２の底部から流動媒体１３を不燃物と共に抜き出すためのものであり、抜出管１５の下端部に設けられている。分級装置４２は、抜出スクリュ４１の下流端に設けられており、篩によって流動媒体１３と不燃物とを分離する。なお、流動媒体１３から分離された不燃物は、粉砕された後に旋回流溶融炉２０においてスラグ化され、又は系外へ搬出される。

循環エレベータ４３は、分級装置４２により不燃物が除去された流動媒体１３を、所定の高さまで搬送するものである。図１に示すように、循環エレベータ４３の下部には流動媒体１３の入口４３Ａが設けられており、当該入口４３Ａは第１搬送経路４５により分級装置４２の出口４２Ａ（流動媒体１３の出口）と接続されている。また循環エレベータ４３の上部には、流動媒体１３の出口４３Ｂが設けられている。

貯留槽４４は、循環エレベータ４３により上方に搬送された流動媒体１３を貯留するための槽である。図１に示すように、循環エレベータ４３の出口４３Ｂには第２搬送経路４６の上端が接続されており、当該第２搬送経路４６の途中に貯留槽４４が配置されている。これにより、循環エレベータ４３によって上方に搬送された流動媒体１３を、第２搬送経路４６を通じて貯留槽４４へ落下させ、当該貯留槽４４において貯留することができる。

また図１に示すように、第３搬送経路４７は、一端が第２搬送経路４６における貯留槽４４よりも上側の部位に接続されると共に、他端が炉本体１２の側部に接続されている。これにより、循環エレベータ４３の出口４３Ｂから出た流動媒体１３を、第３搬送経路４７を通じて炉本体１２に戻すことができる。なお、図示は省略するが、循環機構４０は、循環エレベータ４３の出口４３Ｂから出た流動媒体１３を、貯留槽４４へ導くか又は炉本体１２へ導くかを切り替える切替部（バルブ等）をさらに有していてもよい。

＜流動床炉における流動媒体の回収方法＞
次に、本実施形態に係る流動床炉における流動媒体の回収方法を、図４に示すフローチャートに従って説明する。本回収方法は、以下に説明する通り、例えば流動床式ガス化炉１０のメンテナンス時等、流動床式ガス化炉１０を停止した時に炉本体１２内から流動媒体１３を回収する方法である。

まず、流動床式ガス化炉１０のメンテナンス前、すなわち流動床式ガス化炉１０の定常運転（工程Ｓ１０）においては、散気管１６ａにより送り込まれる流動化ガス（例えば、空気）により流動媒体１３が流動した状態で、廃棄物が供給口１４から炉本体１２内に供給される。そして、当該廃棄物は、炉本体１２内で加熱されることにより可燃性ガス、未燃物及び灰に熱分解される。ここで、廃棄物中には、貴金属（金、銀、銅等）や重金属（鉛、亜鉛等）等の有価金属が相当量含まれている。

流動床式ガス化炉１０で発生した可燃性ガスは、未燃物及び灰と共にダクト３０を通じて旋回流溶融炉２０内に流入する。そして、当該旋回流溶融炉２０において、可燃性ガス及び未燃物が完全燃焼すると共に灰が溶融する。この定常運転の間、循環機構４０を作動させることにより、炉本体１２内に充填された流動媒体１３を不燃物と共に炉外へ抜き出すと共に、不燃物が除去された流動媒体１３を炉本体１２に戻す。

次に、流動床式ガス化炉１０のメンテナンス時期が到来すると（工程Ｓ２０のＹＥＳ）、まず、炉本体１２への廃棄物の供給を停止し（工程Ｓ３０）、続いて風箱１８への流動化ガスの供給も停止する（工程Ｓ４０）。その後、炉本体１２内に充填された流動媒体１３を、当該炉本体１２の外へ抜き出す工程（抜出工程Ｓ５０）が行われる。

抜出工程Ｓ５０では、炉本体１２内に充填された流動媒体１３を、抜出口１６ｂを通じて重力により炉本体１２の外へ抜き出す。具体的には、抜出スクリュ４１を回転駆動させることにより、炉本体１２内に充填された流動媒体１３を抜出管１５を通じて炉本体１２の外へ抜き出す。

そして、炉外へ抜き出された流動媒体１３は、分級装置４２で不燃物と分離され、循環エレベータ４３により上方に搬送された後、貯留槽４４に貯留される。つまり、抜出工程Ｓ５０では、炉本体１２から抜き出された流動媒体１３が、炉本体１２に戻されず、全て貯留槽４４に貯留される。

図５は、上記抜出工程Ｓ５０の後における炉本体１２内の様子（炉底板１６の近傍の様子）を模式的に示している。上述の通り、炉底板１６は、流動媒体１３の安息角よりも小さい角度θで抜出口１６ｂに向かって下向きに傾斜している。このため、図５に示すように、上記抜出工程Ｓ５０で炉本体１２内の流動媒体１３が全て炉外へ抜き出されることはなく、上記抜出工程Ｓ５０の後に炉底板１６上において一部の流動媒体１３が残存する。より詳細には、炉底板１６の上面と散気管１６ａのＵ字管部１６ａ２との間には、流動化ガスの影響を受けにくい領域（不動層）が存在し、当該不動層において一定量の流動媒体１３が残存する。以下、上述のように抜出工程Ｓ５０の後に炉底板１６上に残存した流動媒体１３を、「炉底媒体（炉底砂）」とも称する。

本発明者等は、この炉底媒体中に廃棄物由来の有価金属（金、銀、銅、鉛、亜鉛等）が高濃度に含まれていることを新たに発見した。すなわち、炉底媒体は、流動媒体１３と有価金属の混合物である。本発明者等の知見によると、炉底媒体は、上記抜出工程Ｓ５０で貯留槽４４に貯留された流動媒体１３と比較して有価金属の濃度が大幅に高く、その結果かさ密度（ｇ／ｃｍ^３）も大きくなっている。なお、上記抜出工程Ｓ５０の前に炉本体１２内に充填された流動媒体１３のうち、大半（例えば９９％）が上記抜出工程Ｓ５０で貯留槽４４に送られ、残りが炉底板１６上に炉底媒体として残存する。

このため、本実施形態に係る回収方法では、上記抜出工程Ｓ５０に続く回収工程Ｓ６０において、上記抜出工程Ｓ５０で炉本体１２内から抜き出した流動媒体１３（貯留槽４４に貯留された流動媒体１３）と分離した状態で、炉底媒体を別途回収する。具体的には、上記抜出工程Ｓ５０が完了した後に作業者が炉本体１２内に立ち入り、炉底媒体を採取することによって当該炉底媒体を炉本体１２内から直接回収する。

その後、作業者は、炉本体１２内の清掃や点検等のメンテナンス作業を行う（工程Ｓ７０）。なお、炉底媒体の回収前に炉内の清掃、点検等が行われてもよいし、炉底媒体の回収と炉内のメンテナンス作業とが併行して行われてもよい。

このように、本実施形態に係る回収方法では、流動床式ガス化炉１０のメンテナンスのタイミングを利用して、廃棄物由来の有価金属を高濃度に含んだ流動媒体１３を回収する。下記の表１は、本実施形態における流動床式ガス化炉１０（図１）と同様の構成を備えた複数の廃棄物処理施設（施設Ａ～Ｅ）において、抜出工程Ｓ５０で貯留槽４４に回収した流動媒体１３の有価金属濃度（ｍｇ／ｋｇ）と、抜出工程Ｓ５０の後に炉底板１６上に残存した炉底媒体の有価金属濃度（ｍｇ／ｋｇ）と、を調査した結果を示している。表１から明らかなように、炉底媒体は、貯留槽４４に回収した流動媒体１３に比較して、有価金属（Ａｕ、Ａｇ、Ｃｕ）の濃度が顕著に高くなっている。なお、施設Ａについては時期を分けて２回調査を行い、各調査結果を表１においてそれぞれ（１），（２）で示している。

また下記の表２は、施設Ａ，Ｂについて、抜出工程Ｓ５０で貯留槽４４に回収した流動媒体１３のかさ密度（ｇ／ｃｍ^３）と、炉底媒体のかさ密度（ｇ／ｃｍ^３）と、を調査した結果を示している。表２から明らかなように、貯留槽４４に回収した流動媒体１３に比べて炉底媒体の方がかさ密度が大きくなり、これは有価金属濃度の差に起因するものと考えられる。

最後に、上記回収工程Ｓ６０で回収した流動媒体１３（炉底媒体）から有価金属を分離する（分離工程Ｓ８０）。具体的には、熱処理、化学処理又は物理選別等の方法により、炉底媒体に含まれる有価金属を流動媒体１３から分離する。熱処理としては、例えば、溶融処理（製錬）、焼成処理又は塩化揮発等が挙げられる。化学処理としては、例えば、酸等の溶媒抽出がある。また物理選別としては、例えば、磁力選別、渦電流選別、静電選別又は比重選別等が挙げられる。

（実施形態２）
次に、本発明の実施形態２に係る流動床炉における流動媒体の回収方法を、図６を主に参照して説明する。実施形態２に係る流動床炉における流動媒体の回収方法は、基本的に上記実施形態１に係る流動床炉における流動媒体の回収方法と同様であるが、回収工程Ｓ６０の具体的方法において上記実施形態１と異なっている。以下、上記実施形態１と異なる点についてのみ説明する。

図６は、実施形態２における流動床式ガス化溶融炉１Ａの構成を模式的に示している。実施形態２における流動床式ガス化炉１０Ａは、上記実施形態１における流動床式ガス化炉１０（図１）の構成に加えて、流動媒体１３を循環機構４０の外へ抜き出して回収する回収機構５０をさらに備えている。

図６に示すように、回収機構５０は、第１搬送経路４５に接続された回収経路５１と、回収経路５１上に設けられた第１バルブ５２と、第１搬送経路４５上において回収経路５１の接続部Ｐ１よりも下流側に設けられた第２バルブ５３と、を有している。第１バルブ５２及び第２バルブ５３は、制御部（図示しない）により自動制御されるものであってもよいし、手動制御されるものであってもよい。

実施形態２における抜出工程Ｓ５０では、第１バルブ５２を閉じ且つ第２バルブ５３を開いた状態で、抜出スクリュ４１を回転駆動させる。これにより、炉本体１２から炉外へ抜き出された流動媒体１３は、回収経路５１内に入らず、循環エレベータ４３により上方に搬送された後、上記実施形態１と同様に貯留槽４４に供給される。

続いて、実施形態２における回収工程Ｓ６０では、第１バルブ５２を開状態に切り替えると共に、第２バルブ５３を閉状態に切り替える。そして、作業者が炉本体１２内に立ち入り、炉底板１６上に残存した流動媒体１３を抜出口１６ｂから抜出管１５内に落下させる。その後、抜出スクリュ４１を回転駆動させる。

これにより、上記抜出工程Ｓ５０の後に炉底板１６上に残存した流動媒体１３は、炉本体１２の外へ排出された後、貯留槽４４側へ搬送されず、貯留槽４４と異なる場所（回収経路５１）で回収される。その結果、上記実施形態１と同様に、上記抜出工程Ｓ５０で貯留槽４４に貯留した流動媒体１３と分離した状態で、炉底媒体を別途回収することができる。

上記の通り開示された実施形態は、全ての点で例示であって、制限的なものではないと解されるべきである。本発明の範囲は、上記した説明ではなくて特許請求の範囲により示され、特許請求の範囲と均等の意味及び範囲内での全ての変更が含まれることが意図される。

すなわち、以下のような変形例も、本発明の範囲に含まれる。

上記実施形態２では、第１搬送経路４５の途中で炉底媒体を回収する場合を説明したが、循環機構４０における別の場所（例えば、循環エレベータ４３等）において炉底媒体の回収口が設けられてもよい。

上記実施形態２では、作業者が炉底媒体を抜出管１５内に落下させる場合を説明したが、散気管１６ａから流動化ガスを供給することにより炉底媒体を抜出管１５内に落下させてもよい。

上記実施形態１，２では、廃棄物をガス化する流動床式ガス化炉１０，１０Ａを流動床炉の一例として説明したが、廃棄物を焼却処理する流動床式焼却炉においても本発明の流動媒体の回収方法を適用することができる。

１，１Ａ 流動床式ガス化溶融炉
１０，１０Ａ 流動床式ガス化炉（流動床炉）
１２ 炉本体
１３ 流動媒体
１６ 炉底板
１６ｂ 抜出口
４０ 循環機構
４３ 循環エレベータ（搬送部）
４４ 貯留槽
θ 角度

Claims (3)

1. 炉本体と、前記炉本体内に充填された流動媒体と、前記流動媒体を前記炉本体の外へ抜き出すための抜出口が形成されると共に前記抜出口に向かって前記流動媒体の安息角よりも小さい角度で下向きに傾斜する炉底板と、を備え、前記流動媒体が流動した状態で有価金属を含む廃棄物を焼却処理或いはガス化する流動床炉において、前記流動床炉を停止した時に前記炉本体内から前記流動媒体を回収する方法であって、
   前記炉本体内に充填された前記流動媒体を、前記抜出口を通じて重力により前記炉本体の外へ抜き出す抜出工程と、
   前記抜出工程の後に前記炉底板上に残存した前記流動媒体を、前記抜出工程で前記炉本体内から抜き出した前記流動媒体と分離した状態で回収する回収工程と、を備えた、流動床炉における流動媒体の回収方法。
2. 前記回収工程で回収した前記流動媒体から有価金属を分離する分離工程をさらに備えた、請求項１に記載の流動床炉における流動媒体の回収方法。
3. 前記流動床炉は、前記炉本体の外へ抜き出された前記流動媒体を前記炉本体へ戻す循環機構であって、前記流動媒体を搬送する搬送部と、前記搬送部により搬送された前記流動媒体を貯留する貯留槽と、を有する前記循環機構をさらに備え、
   前記抜出工程では、前記炉本体の外へ抜き出された前記流動媒体を、前記搬送部により搬送すると共に前記貯留槽に供給し、
   前記回収工程では、前記炉底板上に残存した前記流動媒体を前記炉本体の外へ排出した後、前記貯留槽と異なる場所で回収する、請求項１又は２に記載の流動床炉における流動媒体の回収方法。

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