JP7461167B2 - 焼却主灰の処理装置 - Google Patents

Description

本発明は、都市ごみ焼却炉等で発生した焼却主灰をセメント原料として有効利用するための装置に関する。

都市ごみなどの廃棄物は焼却処理され、焼却によって生ずる焼却灰は、従来埋立処分場で埋立処分されている。しかし、近年では、埋立処分場の枯渇のおそれに鑑み、焼却灰を有効利用する試みがなされている。特に、天然原料の代替としてセメント原料へ有効利用する試みが積極的になされている。

また、焼却灰には、金や銀等の有価金属が含まれている。そこで、特許文献１には、焼却灰をセメント原料として用い、セメントキルンの窯尻から最下段サイクロンに至るまでのキルン排ガス流路より燃焼ガスの一部を冷却しながら抽気し、該抽気ガスを固気分離することで、セメントキルンの排ガス処理の過程で回収コストを掛けずに、都市ごみ焼却灰等の廃棄物から有価金属精錬用原料を得る方法が記載されている。

一方、都市ごみ焼却灰にはクロム（Ｃｒ）などの忌避成分や銅（Ｃｕ）などのセメント製造に不要な重金属も含まれる。特に焼却主灰のクロム濃度が高い場合には、セメント原料としての使用量を低下させざるを得ない場合があるなど、焼却主灰のセメント原料としての利用が事実上制限されていた。そこで、安定して焼却主灰をセメント資源化するためには、クロムなどの忌避成分及びその他不要成分を前処理により低減することが好ましい。

都市ごみ焼却主灰から重金属を分離する技術として、例えば特許文献２には、焼却主灰を磁力選別により磁着物と非磁着物とに分離し、該分離により得られた非磁着物をセメント焼成装置においてクロム分を低減したセメント原料として用いることが記載されている。

特開２０１８－１１９２１６号公報 特開２０１７－１３７２２４号公報

しかし、上記特許文献１に記載の発明では、セメントキルンの排ガス処理の過程で有価金属を回収するため、焼却灰からの有価金属の回収はセメント焼成装置の運転中に限定される。また、回収される有価金属の濃度をさらに高めることが望ましい。

一方、上記特許文献２に記載の発明では、非磁性のオーステナイト系ステンレス等のクロムを含む金属を回収できないなどの理由で、焼却主灰に含まれるクロムの半分程度までしか除去できていないという問題があった。

本発明は、上記従来の技術における問題点に鑑みてなされたものであって、焼却主灰から安定して高濃度の有価金属を回収すると共に、焼却主灰から効率よくクロムを除去することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明は、焼却主灰の処理装置であって、焼却主灰を破砕する破砕機と、表面磁束密度が３０００ガウス以下で、前記破砕機で破砕された焼却主灰を磁着物と非磁着物とに分離する吊下げ式磁力選別機と、該吊下げ式磁力選別機で分離された非磁着物を篩上物と篩下物とに分離する篩選別機と、該篩選別機で分離された篩下物を磁着物と非磁着物とに分離する第１磁力選別機と、該第１磁力選別機よりも表面磁束密度が高く、該第１磁力選別機によって分離された非磁着物を磁着物と非磁着物とに分離する第２磁力選別機と、該第２磁力選別機で分離された磁着物を比重選別する比重選別機とをを備えることを特徴とする。

本発明によれば、低磁束密度の磁石に磁着する比較的大きな磁着物を予め除去し、比較的大きな磁着物が存在することでその他の磁着物が第１及び第２磁力選別機で回収されなくなるおそれを回避し、焼却灰に含まれる有価金属の回収効率及びクロムの除去効率を向上させることができると共に、第２磁力選別機によって分離された非磁着物をセメント原料として有効利用することができる。
また、前記吊下げ式磁力選別機と前記第１磁力選別機の間に、前記吊下げ式磁力選別機で分離された非磁着物を篩上物と篩下物とに分離する篩選別機を設け、前記第１磁力選別機で、該篩選別機で分離された篩下物を磁着物と非磁着物とに分離することで、第１及び第２磁力選別の前段で比較的大きな物を予め回収し、焼却灰に含まれる有価金属の回収効率及びクロムの除去効率をより一層向上させることができる。
さらに、前記吊下げ式磁力選別機の前段に破砕機を設け、該破砕機で破砕された焼却主灰を前記吊下げ式磁力選別機に供給することで、焼却主灰中の金属粒子に付着、もしくは内包された灰粒子を剥離、除去することができ、焼却灰に含まれる有価金属の回収効率及びクロムの除去効率をよりさらに向上させることができる。
また、前記第２磁力選別機で分離された磁着物を比重選別する比重選別機を備えることで、比重選別によって得られた重量物を金属スクラップとして製鉄原料に利用し、軽量物をセメント原料として利用することができる。

上記焼却主灰の処理装置において、前記第１磁力選別機の表面磁束密度を１０００ガウス以上５０００ガウス以下とすることができ、前記第２磁力選別機を表面磁束密度が５０００ガウスを超え１２０００ガウス以下のドラム式磁力選別機又はロール式磁力選別機とすることができる。

前記第２磁力選別機の後段に、該第２磁力選別機で分離された非磁着物を導電産物と、非導電産物と、渦電流磁着物とに分離する渦電流選別機を設けることで、オーステナイト系ステンレス等のクロムを含む金属を導電産物として除去することができ、焼却灰に含まれるクロムをさらに効率よく除去することができる。

以上のように、本発明によれば、焼却主灰から安定して高濃度の有価金属を回収すると共に、焼却主灰から効率よくクロムを除去することができる。

本発明に係る焼却主灰の処理装置の第１の実施形態を示すブロック図である。 本発明に係る焼却主灰の処理装置の第２の実施形態を示すブロック図である。

次に、本発明の一実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。

図１は、本発明に係る焼却主灰の処理装置の一実施の形態を示し、この処理装置１は、焼却主灰を磁力選別する磁力選別機（以下「磁選機」という）２と、磁選機２によって分離された非磁着物Ａを篩選別する篩選別機３と、篩選別機３によって分離された篩下物を磁力選別する磁選機４と、磁選機４によって分離された非磁着物Ｂを磁力選別する磁選機５と、磁選機５によって分離された非磁着物Ｃを渦電流選別する渦電流選別機６とを備える。

磁選機２は、焼却主灰に含まれる比較的粒子径が大きく、付着物の少ない鉄のみを回収し、後段での磁力選別等を効果的に行うために設けられる。この磁選機２には、回収する磁着物への灰粒子の混入を防ぐため、被磁選粒子と磁極との接触のない方式である、吊り下げ式の磁選機が好ましい。さらに、磁選機２の表面磁束密度は３０００ガウス以下が好ましい。

篩選別機３も、磁選機２と同様に、焼却主灰に含まれる比較的大きな物を予め除去し、後段での磁力選別等を効果的に行うために設けられる。篩選別機３の方式は特に限定されない。尚、篩選別機３以外の分級機を用いることもできる。

磁選機４は、篩選別機３の篩下物から磁着物Ｂを除去するために設けられる。大部分の磁性体粒子が磁選機４で回収される。磁選機４の磁選方式は特に限定されず、磁選機４の表面磁束密度は１０００～５０００ガウスが好ましい。

磁選機５は、非磁着物Ｂから磁着物Ｃを除去するため、特に磁選機４で回収されなかった灰粒子に内包された磁性粒子を回収するために設けられる。磁選機５は、ドラム式又はロール式等、被磁選粒子と磁極とが接触する方式が好ましい。磁選機５の表面磁束密度は５０００～１２０００ガウスが好ましい。

篩選別機３からの篩下物を直接表面磁束密度の高い磁石を有する磁選機で選別すると、多くの非磁着物が付着した磁着物等も磁着物側に回収されて効率が悪いため、まず低磁束密度の磁選機４で選別し、次に高磁束密度の磁選機５で段階的に磁力選別を行うことで、効果的に磁着物を除去することができる。

渦電流選別機６は、磁選機５によって選別された非磁着物Ｃを導電産物、非導電産物、渦電流磁着物に分離するために設けられる。導電産物には貴金属元素が多く含有されるため、精錬原料として利用する。非導電産物は、前段の磁選機５と渦電流選別機６によって重金属元素が除去されるため、セメント原料として好適に用いることができる。有価金属の回収効率を高めるため、内蔵される磁極の磁束密度は２０００ガウス以上が好ましく、さらに、磁極ドラムの回転数は４０００ｒｐｍ以上が好ましい。

渦電流選別機６の前段に磁選機５等を設けるのは一般的であるが、渦電流選別機６が内蔵する磁極の磁束密度の二倍以上の磁束密度を有する磁選機５を用いることにより、後段の渦電流選別機６の磁性体粒子に起因するトラブル（例えば、磁性体粒子が磁極に引き付けられ滞留することによるベルトコンベアや選別ドラムの摩耗や、滞留する磁性体粒子が電磁誘導により発熱することによる機器の変形、破損等）を抑制することができて好ましい。

次に、上記構成を有する処理装置１の動作について、図１を参照しながら説明する。

受け入れた焼却主灰に含まれる比較的大きな磁着物Ａを磁選機２で除去し、磁選機２によって選別された非磁着物Ａを篩選別機３で篩い、比較的大きな物を篩上物として除去する。篩選別機３の篩下物を磁選機４に供給して磁着物Ｂと非磁着物Ｂとに分離し、さらに非磁着物Ｂを磁選機５に供給して磁着物Ｃと非磁着物Ｃとに分離する。磁着物Ｃを有価金属精錬用原料（金属スクラップ等）として利用する。

最後に、磁選機５で分離された非磁着物Ｃを渦電流選別機６に供給し、導電産物、非導電産物、渦電流磁着物に分離し、導電産物を金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）等の有価金属精錬用原料として、非導電産物をセメント原料として利用する。

上述のように、非磁着物Ａ～Ｃを除去することで、焼却主灰に含まれるクロムをある程度除去することができる。また、非磁性のオーステナイト系ステンレス等のクロムを含む金属を導電産物として除去する。これによってクロム除去率をさらに高めることができる。

次に、本発明の第１の実施形態の実施例について説明する。

都市ごみ焼却主灰（原灰）２０４ｋｇを上記処理装置１で処理した。本実施例では、磁選機２に１０００ガウスの表面磁石密度を有する磁石を備える吊下げ式磁選機を用いた。篩選別機３は、篩目を３５ｍｍに設定した。磁選機４は１５００ガウスの表面磁石密度を有する磁石を備えるドラム式磁選機を、磁選機５は６０００ガウスの表面磁石密度を有する磁石を備えるドラム式磁選機を用いた。渦電流選別機６は磁石ドラムの回転数を２５００ｒｐｍとした。焼却主灰及び各工程での分離物の重量割合、水分、クロム濃度（化学組成）、クロム含有量及び分配率を表１に示す。水分は１０５℃にて重量が恒量となるまで加熱した際の減少量から算出した。クロム濃度はマット融解処理を行った後１００μｍ以下まで微粉砕した試料に対し、吸光光度法又はＩＣＰ発光分光法によって定量した。クロム分配率は各分離物の重量割合とクロム濃度分析結果から推定した。

表１より、セメント原料として利用する非導電産物のクロム分配率は、２５．４％であり、焼却主灰に含まれるクロムの３／４程度を除去でき、焼却主灰から効率的にクロムを除去できることが判る。また、非磁着物Ｃのクロム分配率は、３３．６％であり、渦電流選別機６を設けなくとも、焼却主灰に含まれるクロムの２／３程度を除去できることが判る。

以上のように、上記実施の形態によれば、クロム含有率の低い非導電産物をセメント原料として用いることで、クリンカのクロム含有率を低く維持することができる。また、非導電産物よりもクロム含有率の高い磁着物Ｃ等の他の分離物をクリンカ中のクロム含有率に応じてセメント原料として用いることで、クリンカのクロム含有率が所定の値以下となるように調整することができる。これらにより、セメントクリンカのクロム含有率を効率的に調整しながら、焼却主灰をセメント原料として有効利用することができる。

尚、上記実施の形態では、焼却主灰に含まれる比較的大きな磁着物等を除去するため、磁選機２及び篩選別機３を設けたが、受け入れた焼却主灰の性状等によっては、これらを省略したり、いずれか一方のみを用いることができる。 また、磁選機２及び篩選別機３の種類、磁石の表面磁束密度、篩目の大きさについても、上記のものに限定されない。

さらに、磁選機４及び磁選機５の種類、磁石の表面磁束密度についても上記のものに限定されず、先に低磁束密度の磁選機、その後高磁束密度の磁選機を用いて段階的に磁力選別を行うことで、効果的にクロムを含有する磁着物を除去することができる。

また、渦電流選別機６を設けることでオーステナイト系ステンレス等のクロムを含む金属を導電産物として除去したり、クロムを含む磁着物を除去することができて好ましいが、磁選機４及び磁選機５を設けることで焼却主灰に含まれるクロムの２／３程度を除去することができるため、渦電流選別機６を省略することもできる。

次に、本発明に係る焼却主灰の処理装置の第２の実施形態について説明する。

上記第１の実施形態では、渦電流選別機６を用い、被選別粒子に変化磁界を作用させて導体粒子に電磁誘導による渦電流を発生させ、作用させた変化磁界との反発力を生じさせることによって、導体粒子と不導体粒子とを選別する。この変化磁界に磁性体粒子が導入されると、変化磁界を発生させるために設けた磁極に磁性体粒子が引き付けられ、選別部に磁性体粒子が滞留することがある。渦電流選別機６では被選別粒子をベルトコンベアや回転円筒、回転ドラムによって変化磁界に供給することが一般的であるが、前記のような磁性体粒子が磁極に引き付けられ滞留することで、ベルトコンベアや回転円筒、回転ドラムの摩耗や、滞留する磁性体粒子が電磁誘導に起因して発熱することによる機器の変形、破損が起こる。

上記破損トラブルを抑制するため、渦電流選別機６の磁極が有する有効磁束密度よりも大きな有効磁束密度を有する磁選機を前段に設置し、磁性体粒子を事前に除去することが行われている。渦電流選別機６において、有価金属の回収効率を向上させるためには、より強い誘導電流を被選別粒子に発生させることが必要であり、このためにはより強い磁極を用いること、磁界の変化速度をより速くすることが重要となる。

渦電流選別機における磁極をより強いものに変更した場合、渦電流選別機６の保護のために前段に設置される磁選機の磁束密度もより強いものに変更する必要がある。しかし、磁選機の磁束密度を強くすると、磁性体粒子が磁極に引き付けられる力が増大することにより、非磁性体粒子が磁性体粒子と磁極部分との間に挟み込まれる形で磁着物として回収され、回収される磁着物の金属品位が著しく低下する。このように、磁着物の金属品位が低下することによって、磁着物が製鉄原料又は精錬原料として利用できなくなるという課題があった。

そこで、第２の実施形態では、図２に示すように、磁選機２の前段に破砕機１２を設け、破砕機１２で破砕された焼却主灰を磁選機２に供給し、焼却主灰の金属粒子表面に付着した灰粒子を剥離、又は食器類及び調理器具のような凹部を有する金属塊に内包された灰粒子を脱離させた後、磁選機２により磁着物Ａと非磁着物Ａとに分離する。破砕機１２は、衝撃式が好適であり、例えばインパクトクラッシャー、ハンマークラッシャーを使用することができる。

破砕機１２の後段の装置構成は、渦電流選別機６まで図１の第１の実施形態と同様であるが、磁選機５の磁着物Ｃを比重選別する比重選別機１３を設けたのが第２の実施形態のもう一つの特徴である。

比重選別機１３は、磁着物Ｃの表面に付着した灰粒子や、磁選工程にて磁性金属に巻き込まれて回収されたガラス・陶磁器類と、磁性粒子とを分離する。磁着物Ｃに付着した灰粒子は、水中での脈動による粒子同士の接触及び水流により洗浄され、剥離される。さらに、磁着物Ｃから剥離した灰粒子及び磁選機５で磁着物Ｃに巻き込まれて回収されたガラス・陶磁器類等の金属酸化物粒子は、磁性金属と比較して比重が軽いため、比重選別機１３で軽量物として回収される。その結果、比重選別で重量物として回収された磁性粒子の金属品位を向上することができる。比重選別工程で得られた重量物は有価金属精錬用原料（金属スクラップ）として製鉄原料に利用可能であり、軽量物はセメント原料として利用可能である。

比重選別機１３は湿式が好ましく、ジグ選別機、薄流選別機、遠心式選別機を用いることができる。また、選別精度向上のため、比重選別機１３の前段に分級機を設けることができる。

次に、本発明の第２の実施形態の実施例について説明する。

破砕機１２に自走式破砕機（コマツ社製、型式：ＳＲ２０００Ｇ）、磁選機２に吊り下げ磁選機（表面磁束密度：約１０００ガウス）、篩選別機３にステンレス篩（日本スクリーン社製、篩目：２０ｍｍ）、磁選機４にドラム式磁選機（日本エリーズマグネチックス社製、表面磁束密度：３０００ガウス）、磁選機５にロール型磁選機（日本エリーズマグネチックス社製、表面磁束密度：１００００ガウス）、比重選別機１３に湿式ジグ選別機（Ｒ＆Ｅ社製、型式：ＲＥＴＡＣ ＪＩＧ）、及び渦電流選別機６（ＳＧＭ社製、型式：ＢＶＩＳ５５－ＥＦＦ）を用いて焼却主灰を処理した。得られた産物の重量割合及び元素分析結果を表２に示す。

表２より、都市ごみ焼却灰（焼却主灰）から、導電産物として金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）等の有価金属精錬用原料を効率的に回収可能であることが確認された。また、焼却灰に含有されるクロム（Ｃｒ）の内、９０質量％程度をセメント原料から除去可能であることが確認された。

１、１１ 焼却主灰の処理装置
２ 磁選機
３ 篩選別機
４、５ 磁選機
６ 渦電流選別機
１２ 破砕機
１３ 比重選別機

Claims (4)

1. 焼却主灰を破砕する破砕機と、
   表面磁束密度が３０００ガウス以下で、前記破砕機で破砕された焼却主灰を磁着物と非磁着物とに分離する吊下げ式磁力選別機と、
   該吊下げ式磁力選別機で分離された非磁着物を篩上物と篩下物とに分離する篩選別機と、
   該篩選別機で分離された篩下物を磁着物と非磁着物とに分離する第１磁力選別機と、
   該第１磁力選別機よりも表面磁束密度が高く、該第１磁力選別機によって分離された非磁着物を磁着物と非磁着物とに分離する第２磁力選別機と、
   該第２磁力選別機で分離された磁着物を比重選別する比重選別機とを備えることを特徴とする焼却主灰の処理装置。
2. 前記第１磁力選別機の表面磁束密度が１０００ガウス以上５０００ガウス以下であることを特徴とする請求項１に記載の焼却主灰の処理装置。
3. 前記第２磁力選別機はドラム式磁力選別機又はロール式磁力選別機であって、表面磁束密度が５０００ガウスを超え１２０００ガウス以下であることを特徴とする請求項１又は２に記載の焼却主灰の処理装置。
4. 前記第２磁力選別機の後段に、該第２磁力選別機で分離された非磁着物を導電産物と、非導電産物と、渦電流磁着物とに分離する渦電流選別機を備えることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の焼却主灰の処理装置。

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