JP7381378B2 - アルカリ金属除去装置及びアルカリ金属除去方法 - Google Patents

アルカリ金属除去装置及びアルカリ金属除去方法 Download PDF

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Description

本発明は、木質バイオマスの燃焼灰をセメント原料等として有効利用するために、廃プラスチック等の塩素含有廃棄物を使用して木質バイオマスの燃焼灰からアルカリ金属を除去するためのアルカリ金属除去装置及びその装置を用いた木質バイオマスの燃焼灰のアルカリ金属除去方法に関する。
樹木の幹や枝、切削チップ、おが粉、樹皮、木質ペレット、PKS(palm kernel shell)、建築廃材等の木質バイオマスについては、発電用ボイラ等の燃料とする技術開発に並行して、木質バイオマスの燃焼で発生する燃焼灰の飛灰(以後、「バイオマス灰」と称する場合がある。)の有効利用技術についても開発が進められている。
バイオマス灰は、例えば石炭灰やごみ燃焼灰等と比較するとアルカリ金属、特にカリウムの含有量が多いことが特徴である。そのため、例えば、多量に発生する石炭灰やごみ燃焼灰の有効利用を可能にしているセメント原料化技術をバイオマス灰に適用する場合、セメントがアルカリ金属成分を忌避成分とするためにバイオマス灰からアルカリ金属を除去することが必要となる。さらに、木質バイオマス灰の飛灰からアルカリ金属が除去できれば、石炭灰(フライアッシュ)がそうであるように、木質バイオマス灰の飛灰をコンクリート混和材やセメント混合材とする用途開発等も可能になる。
バイオマス灰からアルカリ金属成分を除去する技術として、例えば、下記特許文献1には、バグフィルタで集塵されたバイオマス灰を、所定の分級点で分級してカリウム濃度の高い微粉燃焼灰を分別、回収する、燃焼装置及び燃焼灰処理方法が開示されている。
特開2017-122550号公報
しかしながら、前記特許文献1にも記載されているとおり、木質バイオマスの種類や用いられるボイラの様式や運転方法等によってバイオマス灰に含まれるカリウムの含有量や、カリウム濃度の高いバイオマス灰の粒度は変化するために、特許文献1の方法は、木質バイオマス燃料の性状等に基づいて分級点を都度調整する必要があり、未だ改善の余地がある。
よって、本発明の目的は、バイオマス灰からアルカリ金属を効率的に除去してセメント原料等として有効利用するための、アルカリ金属除去装置及びその装置を用いたアルカリ金属除去方法を提供することにある。
本発明のアルカリ金属除去装置は、バイオマス灰からアルカリ金属を除去するための装置であって、前記バイオマス灰を供給するための燃焼灰供給装置と、前記燃焼灰供給装置から供給された前記バイオマス灰を予熱するための予熱装置と、固形状の塩素含有廃棄物を供給するための廃棄物供給装置と、前記予熱装置から供給される予熱されたバイオマス灰と前記廃棄物供給装置から供給される固形状の塩素含有廃棄物を一緒に加熱して、アルカリ金属の塩化物を形成させるための加熱装置と、前記加熱装置で生じたバイオマス灰と塩素含有廃棄物の加熱処理物を水洗して、前記塩化物を形成するアルカリ金属を水洗液に溶出させるための水洗装置と、前記水洗装置から排出されたスラリーを固液分離して前記加熱処理物のケーキを回収するための固液分離装置と、前記加熱装置からの燃焼ガスを燃焼すると共に燃焼後の排ガスを前記予熱装置に供給するための燃焼炉とを備えることを特徴とする。
すなわち、本発明のアルカリ金属除去装置は、バイオマス灰と塩素含有廃棄物を加熱装置において一緒に加熱した後に水洗することで、塩素含有廃棄物中の塩素を用いた塩化焙焼によってアルカリ金属塩化物となったバイオマス灰のアルカリ金属を、水洗液中に効果的に溶解させて除去することができ、その加熱処理において生じる塩素含有廃棄物由来のタール、一酸化炭素、ダイオキシン類等は燃焼炉で燃焼して無害化することが可能である。そして、かかる排ガスの顕熱を予熱装置におけるバイオマス灰の予熱に利用することで、加熱装置に送られるバイオマス灰の温度を上昇させることができるため、アルカリ金属が塩化物となる反応に好適な高温状態を加熱装置内のほとんど全てに形成できることによって、バイオマス灰からのアルカリ金属の除去を効果的に行うことができる。
さらに、本発明のアルカリ金属除去装置は、前記予熱装置からの排ガスにガス処理剤を散布するためのガス処理剤散布装置と、前記ガス処理剤が散布された前記排ガスを固気分離するための固気分離装置とを備えることを特徴とする。
したがって、本発明のアルカリ金属除去装置は、排ガス中の塩化水素ガスを無害化し、回収された塩化水素ガス中の塩素成分をアルカリ金属除去のための塩素源として利用することができる。
さらに、本発明のアルカリ金属除去装置は、前記加熱装置がロータリーキルンであることを特徴とする。
したがって、加熱装置内のバイオマス灰と塩素含有廃棄物は良好に混合され、そして、均質に加熱されるため、本発明のアルカリ金属除去装置は、バイオマス灰からのアルカリ金属の除去を効率的且つ連続的に行うことが可能である。ここで、前記ロータリーキルンの燃焼方式は限定されず、内燃式でも外熱式であってもよい。
さらに、本発明のアルカリ金属除去装置は、前記予熱装置がサイクロンであることを特徴とする。
したがって、本発明のアルカリ金属除去装置は、前記ロータリーキルン及び前記燃焼炉からの廃熱をバイオマス灰の予熱用熱源として有効に活用することができる。なお、予熱装置を構成するサイクロンの基数は限定されず、一段式でも多段式であってもよい。
さらに、本発明のアルカリ金属除去装置では、前記燃焼炉は微粉炭、天然ガス又は灯油のいずれかを燃料とするものであることを特徴とする。
燃焼炉の燃料を微粉炭、天然ガス又は灯油とすることによって、ダイオキシン類を再生成させることなく前記予熱装置からの排ガスに含まれるタール、一酸化炭素、ダイオキシン類を燃焼して無害化することができる。
さらに、本発明のアルカリ金属除去装置では、前記ガス処理剤は消石灰であることを特徴とする。
ガス処理剤に消石灰を用いることによって、前記予熱装置からの排ガスに含まれる塩化水素ガス中の塩素を、塩化カルシウムとして無害化すると共に分離回収することができる。
また、本発明のアルカリ金属除去方法は、バイオマス灰からアルカリ金属を除去する方法であって、前記バイオマス灰を予熱する予熱処理工程と、予熱された前記バイオマス灰と塩素含有廃棄物とを一緒に加熱する加熱処理工程と、前記加熱処理工程で得られた加熱処理物に含まれるアルカリ金属の塩化物を水に溶解させる水洗処理工程とを備えることを特徴とする。
これによれば、予熱処理工程を設けてバイオマス灰を予め加熱することで、加熱処理工程で生じるアルカリ金属の塩化物化が速やかに生じるために、バイオマス灰中のアルカリ金属由来のアルカリ金属塩化物を効率的に得ることが可能になることから、水洗処理工程で最終的に除去されるバイオマス灰中のアルカリ金属の量を多くすることができる。
また、本発明のアルカリ金属除去方法では、前記予熱処理工程は、前記バイオマス灰を400℃以上の温度に予熱する工程であることを特徴とする。
これによれば、加熱処理工程におけるバイオマス灰の温度をアルカリ金属塩化物の生成反応が生じる650℃~1000℃の温度域に安定化させることが迅速に容易となり、バイオマス灰中のアルカリ金属における塩化焙焼が安定して生じる状態を簡便に得ることができる。この予熱温度が400℃未満の場合、加熱処理工程におけるバイオマス灰の温度が塩化焙焼の反応を生じる温度域である時間が短くなると共に、加熱処理工程における昇温の程度が大きくなるためにバイオマス灰の温度管理に不安定さが生じてしまい、塩化焙焼の反応が不安定になる。
さらに、本発明のアルカリ金属除去方法では、前記塩素含有廃棄物が、ポリ塩化ビニルであることを特徴とする。
これにより、塩素含有率が高いためにリサイクル用途に乏しい廃棄物等を有効に活用することができる。
さらに、本発明のアルカリ金属除去方法では、前記バイオマス灰の大きさが、5mm以下であることを特徴とする。
このバイオマス灰の大きさが5mmよりも大きい場合、加熱処理工程における脱アルカリ反応の効率が低下する場合がある。なお、このバイオマス灰の大きさとは、篩いの目開きの大きさであって、大きさが5mm以下とは目開き5mmの篩いを通過するものを言う。
さらに、本発明のアルカリ金属除去方法では、前記塩素含有廃棄物の大きさが、80mm以下であることを特徴とする。
この塩素含有廃棄物の大きさが80mmよりも大きい場合、加熱処理工程において塩素含有廃棄物の全体を所定の温度まで昇温することができずに塩素含有廃棄物の燃焼残渣中に多量の塩素が残留する場合がある。なお、この塩素含有廃棄物の大きさとは、篩いの目開きの大きさであって、大きさが80mm以下とは目開き80mmの篩いを通過するものを言う。
以上のように、本発明によれば、バイオマス灰からアルカリ金属を効率的に除去するためのアルカリ金属除去装置及びアルカリ金属除去方法を提供することができ、バイオマス灰をセメント原料等として有効利用することが可能になる。
本発明に係るアルカリ金属除去装置の一実施形態を表わす全体構成図である。 図1に示す実施形態における、アルカリ金属除去方法の手順を示すフロー図である。
本発明が適用されるバイオマス灰は、アルカリ金属(Na,K)を塩化物、炭酸塩、硫酸塩、ケイ酸塩ガラスとして含有し、RO換算(RO=NaO+0.658×KO)で3質量%~50質量%程度含んでいる。
本発明のアルカリ金属除去方法によれば、バイオマス灰に含まれるアルカリ金属成分の濃度を、上記RO換算で2.0質量%以下、より典型的には1.5質量%以下にまで低減することができるので、バイオマス灰をセメント原料等として有効利用することが可能となる。なお、バイオマス灰中のアルカリ金属の濃度は、周知の方法で測定することができ、例えば、JIS R 5204「セメントの蛍光X線分析方法」に準拠した方法などが好ましく例示される。
以下、本発明についてより具体的に図面を参照しつつ説明する。ただし、本発明は、これら図面とともに説明する態様に限定されるものではない。
図1には、本発明に係るアルカリ金属除去装置の一実施形態を表わす全体構成図を示す。なお、図1において、バイオマス灰等の固体の流れを矢印付きの実線で示し、空気又は排ガスの流れを矢印付き破線で示している。
この実施形態に係るアルカリ金属除去装置1は、バイオマス灰BA1を供給するための燃焼灰供給装置2、燃焼灰供給装置2から供給されたバイオマス灰BA1を予熱するための予熱装置3、塩素含有廃棄物PLを加熱装置5に供給するための廃棄物供給装置4、予熱されたバイオマス灰BA2と塩素含有廃棄物PLを同時に加熱する加熱装置5、加熱装置5から排出されたバイオマス灰BA2と塩素含有廃棄物PLの燃焼残差の混合物である加熱処理物BA3を水洗するための水洗装置6、水洗装置6から排出されたスラリーS1を固液分離して水洗後の加熱処理物BA3を含むケーキBA4を回収するための固液分離装置7、加熱装置5からの燃焼ガスG1を燃焼して燃焼後の排ガスG2を予熱装置3に供給する燃焼炉8、予熱装置3からの排ガスG3にガス処理剤を散布するためのガス処理剤散布装置9、及びガス処理剤散布装置9からの排ガスG4中の塩素成分P1を分離回収した後に廃棄物供給装置4へ搬送するための固気分離装置10を備える。
燃焼灰供給装置2は、受入れたバイオマス灰BA1を予熱装置3へ供給するために備えられる。なお、燃焼灰供給装置2には、受入れたバイオマス灰BA1の貯槽が付設されていてもよい。また、燃焼灰供給装置2には、バイオマス灰BA1を乾燥するための置場や乾燥装置が付設されていてもよく、さらには、大径のバイオマス灰BA1を粉砕するための粉砕装置が付設されていてもよい。これらの乾燥装置等は、受入れたバイオマス灰BA1の状態に応じて適宜に使用するようにしてもよい。
燃焼灰供給装置2は、バイオマス灰BA1を定量的に排出できるものであれば特に限定されず、ロスインウエイト方式のホッパや、定量フィーダ又はロータリフィーダが付設されたホッパ等が好適に使用できる。
予熱装置3は、バイオマス灰BA1を予熱するために備えられる。図1に示す予熱装置3は、サイクロン3aとサイクロン3bの2つのサイクロンから構成される多段式サイクロン型の予熱装置である。この予熱装置3では、燃焼灰供給装置2から上段側のサイクロン3aに供給されたバイオマス灰BA1は、重力によって下段側のサイクロン3bさらには加熱装置5に向かって降下する際に、下方から上昇する高温の排ガスG2との間にそれぞれのサイクロン内で熱交換を行って予熱され、550℃~750℃の温度を有するバイオマス灰BA2となって加熱装置5に送られる。
廃棄物供給装置4は、受入れた塩素含有廃棄物PLを加熱装置5へ供給するために備えられる。なお、廃棄物供給装置4には、受入れた塩素含有廃棄物PLの貯槽が付設されていてもよい。さらに、かかる貯槽の上流側に、受入れた塩素含有廃棄物PLから粗大物を除去するための分級装置や、粗大物を所定の粒度にするための粉砕分級装置が付設されていてもよい。これらの分級装置や粉砕分級装置は、受入れた塩素含有廃棄物PLの状態に応じて適宜に使用するようにしてもよい。
廃棄物供給装置4には、排出量調整バルブ等の排出量調整装置が付設されて加熱装置5への塩素含有廃棄物PLの供給量を調整することが可能になっている。したがって、この排出量調整装置を制御することで、加熱装置5に供給される塩素量を適切に管理することが可能になる。
加熱装置5において、バイオマス灰BA2と塩素含有廃棄物PLは一緒に加熱されることによって、バイオマス灰BA2内のアルカリ金属と塩素含有廃棄物PL内の塩素が反応してアルカリ金属塩化物が生成する。
加熱装置5におけるアルカリ金属塩化物の生成反応を効率的に生じさせるために、バイオマス灰BA2と塩素含有廃棄物PLは十分に混合された状態で加熱されることが望ましく、そのため、図1に示す実施形態では、加熱装置5として内燃式ロータリーキルンを用いている。焼成部が回転運動するロータリーキルンであれば、被加熱処理物であるバイオマス灰BA2と塩素含有廃棄物PLとの混合と撹拌を物理的に且つ連続的に行いながら、加熱処理を行うことが可能である。
なお、加熱装置5は、バイオマス灰BA2と塩素含有廃棄物PLを650℃~1000℃で加熱できるものであれば特に限定されず、固定炉、ストーカ炉、ロータリーキルン、流動床炉、竪型炉、多段炉等の加熱炉が使用できる。なかでも、上記の物理的撹拌が行えるという観点からは、ロータリーキルンが好ましい。
加熱装置5内では、バイオマス灰BA2と塩素含有廃棄物PLの混合物の流れに対して、内燃バーナ51から噴射される燃焼ガスG1が向流する方向に流れる。これによって、バイオマス灰BA2や塩素含有廃棄物PLの加熱や燃焼によって発生したガス成分は、燃焼ガスG1の流れによって燃焼炉8に移動する。なお、大気Aが噴射されることによって生じる燃焼ガスG1の流れは、送気ファンF1及び吸気ファンF3によって形成される。
上記のバイオマス灰BA2や塩素含有廃棄物PLの加熱や燃焼によって発生するガス成分としては、揮発したアルカリ金属や塩素の一部に加えて、塩素含有廃棄物PLの燃焼由来のタール、一酸化炭素及びダイオキシン類が挙げられる。
加熱装置5からは、アルカリ金属が除去されたバイオマス灰BA2の他に、塩素含有廃棄物PLの燃焼残渣と、バイオマス灰BA2のアルカリ金属と塩素含有廃棄物PLの塩素を由来とするアルカリ金属塩化物が排出される。これらの混合物である加熱処理物BA3は、水洗装置6に送られる。
水洗装置6では、加熱処理物BA3と水W1を混合してスラリーS1を生成した後、スラリーS1の撹拌を継続して、加熱処理物BA3中のアルカリ金属塩化物を液相に溶解させる。
水洗装置6には、加熱処理物BA3の供給ホッパ61と水W1の供給装置62が付設され、また、加熱処理物BA3と水W1の混合、及び、その混合によって生成されたスラリーS1を攪拌するためのスラリー攪拌装置63が付設されている。なお、供給ホッパ61の上流側に、受入れた加熱処理物BA3中の大径物を適当な大きさに粉砕するための粉砕装置が付設されていてもよい。この粉砕装置は、加熱装置5から供給された加熱処理物BA3の状態に応じて適宜に使用するようにしてもよい。
スラリー攪拌装置63としては、例えば、一般的なパドル型やスクリュー型のものを用いればよく、図1に示す実施形態では撹拌翼を備えている。
アルカリ金属塩化物が液相に溶解した後のスラリーS1は、固液分離装置7に送られる。ここで、固液分離装置7へのスラリーS1の搬送には、スラリー用渦巻きポンプ、ピストンポンプ、及び、モーノポンプ等の通常のスラリー液用輸送装置(不図示)を用いればよい。
固液分離装置7としては、フィルタープレス、加圧葉状ろ過装置、スクリュープレス、ベルトプレス、ベルトフィルター等の通常のろ過装置等を用いればよく、図1に示す実施形態では、フィルタープレスを用いている。
固液分離装置7は、搬送されたスラリーS1を、脱アルカリ金属した加熱処理物BA3からなるケーキであるBA4(固相)(以後、これを「ケーキBA4」と称する場合がある。)と、アルカリ金属を含む排水W2(液相)とに分離する。
燃焼炉8は、加熱装置5の排気口に直結して配置され、燃焼ガスG1を燃焼するための排ガス燃焼用バーナ81を備える。
この燃焼炉8は、燃焼ガスG1中のタール、一酸化炭素及びダイオキシン類を燃焼して無害化するために備えられるが、単に燃焼ガスG1を燃焼しただけでは、新たにダイオキシン類が生じてしまう可能性がある。そのため、排ガス燃焼用バーナ81の燃料には、ダイオキシン類の再生成を抑制するために炭化水素含有量が少なく、さらに、タール等を確実に分解できる900℃~1250℃の燃焼温度を生じ得るものが好ましいという観点から、微粉炭、天然ガス(LNG)又は灯油が好適に用いられる。
この燃焼炉8では、大気Aが送気ファンF2によって排ガス燃焼用バーナ81の燃焼用ガスとして導入されるため、燃焼炉8から排気される排ガスG2は、燃焼ガスG1よりも風量が増加すると共にその温度が上昇している。そこで、この排ガスG2の顕熱を予熱装置3での熱源として用いるため、燃焼炉8の排気口はサイクロン3bに連接されている。この排ガスG2の流れは、送気ファンF1、送気ファンF2及び吸気ファンF3によって形成される。
ガス処理剤散布装置9は、予熱装置3から排気された排ガスG3へガス処理剤を散布するために備えられる。排ガスG3には、塩素含有廃棄物由来の塩化水素ガスが含まれる場合があり、これを無害化するためにガス処理剤を排ガスG3に散布する。
ガス処理剤としては、塩化水素ガスを中和して無害化する観点から、生石灰(CaO)、消石灰(Ca(OH))及び重曹(NaHCO)のいずれかが好ましく、中和して得られた塩化物を加熱装置5における塩素源として活用する観点からは生石灰や消石灰がより好ましく、反応効率やハンドリングの観点からは消石灰がさらに好ましい。
ガス処理剤はハンドリングの観点から粉体が好ましく、かかるガス処理剤の大きさは、反応効率と、排ガスG3との良好な混合状態を形成する観点から、平均粒径は200μm以下が好ましい。ここで、ガス処理剤の平均粒径とは、エタノールを分散媒としたレーザー回折粒度分布測定装置による測定値である。
ガス処理剤を含む排ガスG4は固気分離装置10に到達し、固気分離装置10、例えばバグフィルタのろ布表面において、塩化水素ガスとガス処理剤を由来とする中和反応生成物P1(固体)が生成する。
固気分離装置10では、塩化水素ガスが除去された後の排ガスG5が系外に排気され、上記中和反応生成物P1は分離回収される。
ガス処理剤として生石灰(CaO)又は消石灰(Ca(OH))を用いた場合、中和反応生成物P1として塩化カルシウムが得られる。ここで、塩化カルシウム中のカルシウム成分はセメントの原料として有効に使用可能であることから、塩素含有廃棄物PLに代えて塩化カルシウムを塩素源として用いても構わない。したがって、図1の実施形態では、回収された中和反応生成物P1は、廃棄物供給装置4に搬送可能になっている。
次に、アルカリ金属除去方法について説明する。図2は、図1の実施形態での本発明のアルカリ金属除去方法のフロー図である。
図2に示されるアルカリ金属除去方法は、粉末のバイオマス灰BA1を予熱する予熱処理工程ST1と、予熱されたバイオマス灰BA2と塩素含有廃棄物PLとを一緒に加熱する加熱処理工程ST2と、加熱処理工程ST2で得られた加熱処理物BA3に含まれるアルカリ金属の塩化物を水に溶解させる水洗処理工程ST3とを備えるものである。
予熱処理工程ST1においては、受け入れたバイオマス灰BA1の温度が550℃~750℃となるように予熱するのが好ましい。この予熱処理を効率的に行うために、予熱処理するバイオマス灰BA1の粒径は、必要に応じて5mm以下、好ましくは4mm以下、より好ましくは3mm以下に事前に粉砕するのがよい。なお、バイオマス灰の粒径とは、バイオマス灰が通過する篩い目の大きさの最小値を指す。
この予熱処理工程ST1での熱源には、次工程の加熱処理工程ST2から排出された燃焼ガスG1を燃焼による無害化処理して得られた排ガスG2の顕熱を用いる。この排ガスG2の温度は、図1のサイクロン3bの入り口部において好ましくは900℃以上、より好ましくは950℃以上である。排ガスG2の温度がこの温度であると、サイクロン3bでの熱交換後にサイクロン3aに移動した排ガスG2の温度は400℃~500℃に、さらにサイクロン3aでの熱交換した後の排ガスG3の温度は250℃以下となり、他方、サイクロン3aとサイクロン3bでの熱交換で予熱されたバイオマス灰BA2の温度は、サイクロン3bの出口部において400℃以上となる。
400℃以上に予熱されたバイオマス灰BA2は、加熱処理工程ST2に送られる。
加熱処理工程ST2においては、バイオマス灰BA2を塩素含有廃棄物PLと一緒に加熱することで、バイオマス灰BA2中のアルカリ金属と塩素含有廃棄物PL中の塩素とを反応させて、アルカリ金属塩化物を生成させる。この際、生成したアルカリ金属塩化物は、加熱処理後の残渣である加熱処理物BA3に固定される。
バイオマス灰BA2と一緒に加熱される塩素含有廃棄物PLとしては、塩素を1.2質量%以上含有するものであって、多量のアルカリ金属を含有しないものであれば特に限定されず、廃ポリ塩化ビニル等のモノマー中に有機塩素を少なくとも一つ含む廃プラスチックや、塩化カルシウム等の無機化合物塩素が混入する廃棄物を有効に利用することができる。ここで、塩素含有廃棄物PL中の塩素の濃度は、周知の方法で測定することができ、例えば、JIS K 7229「塩素含有樹脂中の塩素の定量方法」、又は、簡易的にはJIS R 5204「セメントの蛍光X線分析方法」に準拠した方法などが好ましく例示される。
加熱処理工程ST2で処理されるバイオマス灰BA2と塩素含有廃棄物PLの割合は、単位時間中に加熱処理工程ST2に供せられるバイオマス灰BA2中の全アルカリ金属成分のモル量(A)と、単位時間中に加熱処理工程ST2に供せられる塩素含有廃棄物PL中の全塩素のモル量(B)との比A:Bが、好ましくは1:1.5~1:5、より好ましくは1:2~1:5となるように、設定される。この比A:Bが1:1.5よりも小さい場合、塩素量が少ないために加熱処理工程ST2で処理されたアルカリ金属成分の全てが塩素と反応できない場合がある。また、前記比A:Bが1:5よりも大きい場合、揮発、散逸する塩素量が多くなって設備の腐食の進行が早まる場合がある。
塩素含有廃棄物PLの大きさは、バイオマス灰BA2との反応を効率的に行う観点から、好ましくは80mm以下、より好ましくは40mm以下、特に好ましくは10mm以下である。なお、塩素含有廃棄物の大きさとは、塩素含有廃棄物が通過する篩い目の大きさの最小値を指す。
さらに、バイオマス灰BA2と塩素含有廃棄物PLとの反応を効率的に行う観点から、バイオマス灰BA2と塩素含有廃棄物PLが十分に混合されている状態で加熱することが好ましく、それらを混合する効果を有する加熱処理方法、例えば、ロータリーキルンを用いた加熱処理が好ましい。
この加熱処理工程ST2における加熱温度は、バイオマス灰BA2中のアルカリ金属と塩素含有廃棄物PL中の塩素によるアルカリ金属塩化物の生成反応を効率的に行いつつ、バイオマス灰BA2を溶融させない観点から、650℃~1000℃が好ましく、700℃~950℃がより好ましく、750℃~950℃が特に好ましい。ここで、加熱温度が650℃未満であるとアルカリ金属の塩化焙焼の反応が不十分となって、アルカリ金属塩化物が生成しないか、生成効率が低くなる場合がある。また、加熱温度が1000℃を超えると、バイオマス灰BA2の部分的な溶融や大径化が生じてしまうために、塩化焙焼の反応効率が低下する。
加熱処理工程ST2における加熱時間は、加熱温度に応じて10分間~2時間の範囲内で設定すればよい。この加熱時間は、バイオマス灰BA2中のアルカリ金属と塩素含有廃棄物PL中の塩素とを十分に反応させる観点からは、加熱温度が高い場合には短く、加熱温度が低い場合には長くする必要がある。具体的には、加熱温度が650℃の場合は1時間以上2時間以下、加熱温度が1000℃の場合は10分間以上30分間以下である。
加熱処理工程ST2の加熱装置内の雰囲気は、特に制限されず、酸化雰囲気でも還元雰囲気でもよいが、簡便性の観点からは大気がよい。
続く水洗処理工程ST3は、加熱処理工程ST2で水溶性の塩化物となったアルカリ金属成分を水に溶解して、アルカリ金属が低減されたバイオマス灰からなるケーキBA4を生成する工程である。
水洗処理工程ST3で用いられる溶媒及びケーキ洗浄水としては、工水(真水)が好ましい。塩化カリウム(KCl)、塩化ナトリウム(NaCl)共に水への溶解度は非常に高く、また水温を変えても溶解度は大きく変わらないことから、溶媒として用いる水W1は、常温の水を、加熱処理物BA3の質量の3倍量以上、好ましくは4倍量以上、より好ましくは5倍量以上の量を用いればよい。
また、固液分離装置7でケーキ洗浄水として用いる水も、常温の水を、加熱処理物BA3の質量の3倍量以上、好ましくは4倍量以上、より好ましくは5倍量以上の量を用いればよい。
水洗処理工程ST3におけるスラリーS1の撹拌時間は、10分以上が好ましく、15分以上がより好ましく、20分以上が特に好ましい。通常、アルカリ金属塩化物は水に非常に溶けやすいので、スラリーS1の撹拌に特段の条件は必要とならない。
水洗処理工程ST3で得られるケーキBA4は、アルカリ金属成分の濃度が2.0質量%以下、より典型的には1.5質量%以下にまで低減されるので、セメント原料等に有効に利用することができる。
以下、本発明についてさらに詳細に説明するために具体的な試験例を示すが、本発明はこれら試験例の態様に限定されるものではない。
バイオマス灰BA1として、バイオマス発電プラント(循環流動層ボイラ)の排ガス集塵機(バグフィルタ)で捕集された飛灰を用いた。表1には、アルカリ金属については酸分解試料のICP発光分光分析法による分析で、その他の化学成分にはペレット試料の蛍光X線分析法による分析で得られた、バイオマス灰BA1の化学組成を示す。なお、表1のROは、本組成物中の全アルカリ金属成分量として「RO=NaO+0.658×KO」の値を示す。
また、表1に示すバイオマス灰BA1のレーザー回折・散乱法に基づく粒度分布を測定したところ、D10値が4.4μm、D50値が20μm、D90値が64μmであった。なお、例えば、D10値とは、体積基準の粒度分布において累積10%での粒径を意味する。
Figure 0007381378000001
上記のバイオマス灰BA1に、そのバイオマス灰BA1中のアルカリ金属成分の含有量RO(BA1)(mol)に対して塩素含有廃棄物PL中の塩素含有量Cl(PL)(mol)が、RO(BA1):Cl(PL)=1:2となる量の、ふるい目1mmの篩いを全通した廃ポリ塩化ビニル破砕物を混合した後、図1に示すアルカリ金属除去装置1を用い、予熱処理工程有無におけるケーキBA4のアルカリ金属成分の含有量を比較した。結果を表2に示す。
なお、予熱処理工程有無のそれぞれの試験において、加熱処理工程と水洗処理工程は以下の同一の条件とした。
加熱処理に用いるロータリーキルンの加熱部の温度:950℃±25℃
加熱処理時間:10分間(ロータリーキルンの回転数は両試験で同じ。)
水洗処理での加熱処理物BA3:水W1=1:4
水洗処理での撹拌時間:10分間
また、予熱処理工程有無による相違点であるところのバイオマス灰BA2の温度は、予熱処理工程無しが25℃に対して、予熱処理工程有りが600℃であった。
Figure 0007381378000002
表2から分かるとおり、予熱処理工程が有る場合が、バイオマス灰のアルカリ金属含有量が少ない。これは、加熱処理工程に送られるバイオマス灰が予熱されていたことによって、加熱処理工程でアルカリ金属が塩化物に変化する反応が生じる温度域に素早く達すると共に、その温度域が長時間継続することによるものと考えられる。
1 アルカリ金属除去装置
2 燃焼灰供給装置
3 予熱装置
3a、3b サイクロン
4 廃棄物供給装置
5 加熱装置
51 内燃バーナ
6 水洗装置
61 加熱処理物BA3の供給ホッパ
62 水W1の供給装置
63 スラリー攪拌装置
7 固液分離装置
8 燃焼炉
81 排ガス燃焼用バーナ
9 ガス処理剤散布装置
10 固気分離装置
A 大気
BA1、BA2 バイオマス灰
BA3 バイオマス灰と塩素含有廃棄物の加熱処理物
BA4 バイオマス灰と塩素含有廃棄物の加熱処理物のケーキ
F1、F2、F3 ファン
G1 燃焼ガス
G2、G3、G4、G5 排ガス
P1 中和反応生成物
PL 塩素含有廃棄物
S1 スラリー
W1 水
W2 排水

Claims (10)

  1. バイオマス灰からアルカリ金属を除去するための装置であって、
    前記バイオマス灰を供給するための燃焼灰供給装置と、
    前記燃焼灰供給装置から供給された前記バイオマス灰を予熱するための予熱装置と、
    固形状の塩素含有廃棄物を供給するための廃棄物供給装置と、
    前記予熱装置から供給される予熱されたバイオマス灰と前記廃棄物供給装置から供給される固形状の塩素含有廃棄物を一緒に加熱して、アルカリ金属の塩化物を形成させるための加熱装置と、
    前記加熱装置で生じたバイオマス灰と塩素含有廃棄物の加熱処理物を水洗して、前記塩化物を形成するアルカリ金属を水洗液に溶出させるための水洗装置と、
    前記水洗装置から排出されたスラリーを固液分離して前記加熱処理物のケーキを回収するための固液分離装置と、
    前記加熱装置からの燃焼ガスを燃焼すると共に燃焼後の排ガスを前記予熱装置に供給するための燃焼炉とを備え、
    前記予熱装置がサイクロンであることを特徴とするアルカリ金属除去装置。
  2. 前記予熱装置からの排ガスにガス処理剤を散布するためのガス処理剤散布装置と、
    前記ガス処理剤が散布された前記排ガスを固気分離するための固気分離装置とを備えることを特徴とする請求項1に記載のアルカリ金属除去装置。
  3. 前記加熱装置がロータリーキルンであることを特徴とする請求項1又は請求項2に記載のアルカリ金属除去装置。
  4. 前記燃焼炉は微粉炭、天然ガス又は灯油のいずれかを燃料とするものであることを特徴とする請求項1~請求項3のいずれか1項に記載のアルカリ金属除去装置。
  5. 前記ガス処理剤は消石灰であることを特徴とする請求項2に記載のアルカリ金属除去装置。
  6. バイオマス灰からアルカリ金属を除去する方法であって、
    前記バイオマス灰をサイクロンを用いて予熱する予熱処理工程と、
    予熱された前記バイオマス灰と塩素含有廃棄物とを一緒に加熱する加熱処理工程と、
    前記加熱処理工程で得られた加熱処理物に含まれるアルカリ金属の塩化物を水に溶解させる水洗処理工程とを備えることを特徴とするアルカリ金属除去方法。
  7. 前記予熱処理工程は、前記バイオマス灰を400℃以上の温度に予熱する工程であることを特徴とする請求項6に記載のアルカリ金属除去方法。
  8. 前記塩素含有廃棄物が、ポリ塩化ビニルであることを特徴とする請求項6又は請求項7に記載のアルカリ金属除去方法。
  9. 前記バイオマス灰の大きさが、5mm以下であることを特徴とする請求項6~請求項8のいずれか1項に記載のアルカリ金属除去方法。
  10. 前記塩素含有廃棄物の大きさが、80mm以下であることを特徴とする請求項6~請求項9のいずれか1項に記載のアルカリ金属除去方法。
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