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
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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。
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、Ｒ２Ｏ換算（Ｒ２Ｏ＝Ｎａ２Ｏ＋０．６５８×Ｋ２Ｏ）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Ｒ２Ｏ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）２）及び重曹（ＮａＨＣＯ３）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）２）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Ｒ２Ｏは、本組成物中の全アルカリ金属成分量として「Ｒ２Ｏ＝Ｎａ２Ｏ＋０．６５８×Ｋ２Ｏ」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。
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Ｒ２Ｏ（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、Ｒ２Ｏ（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。
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。
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
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)
- 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。 - 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。 - 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。
- 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。
- 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。
- 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。 - 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。
- 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。
- 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。
- 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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