JPH10128272A

JPH10128272A - 焼却灰の固化方法

Info

Publication number: JPH10128272A
Application number: JP8291503A
Authority: JP
Inventors: Yohei Hisada; 陽平久田; Shigeru Yamazaki; 茂山崎; Kunitoshi Suzuki; 邦利鈴木; Yasuhiko Hatake; 康彦畠
Original assignee: Komatsu Ltd
Current assignee: Komatsu Ltd
Priority date: 1996-11-01
Filing date: 1996-11-01
Publication date: 1998-05-19

Abstract

(57)【要約】【課題】特別な薬品を用いることなしに、土木材料等
のリサイクル材として十分な強度の固化体を得るように
する。【解決手段】焼却灰を固化剤と混練して固化する焼却
灰の固化方法において、前処理として焼却灰に水分を添
加し、この焼却灰の含水率が５〜３５重量％で、かつ４
０℃以上の状態で１５分以上加熱する。その後、セメン
ト等の固化剤と混練して成形固化する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、廃棄物焼却プラン
ト等の焼却炉にて発生する燃えがらである焼却灰や集じ
ん飛灰（ばいじん）等の焼却灰を固化するための焼却灰
の固化方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】産業廃棄物や都市ゴミを焼却する際に発
生する焼却灰や電気集じん機等にて集じんされた煤じん
等の焼却残渣にはカドニウム（Ｃｄ）や鉛（Ｐｂ）等の
有害な重金属が含まれていることが多く、これらのう
ち、特に有害物質の溶出量が基準値以上のものに関して
は、埋め立て処分する場合にはセメントで固化する等、
含有する重金属が溶出しないように処理してから処分し
なければならないことが法律で定められている。

【０００３】そしてこの焼却灰を固化する手段として、
キレート等の薬剤や様々なセメント系の固化剤が提案さ
れ、かつこの固化剤を用いて焼却灰を固化する方法が種
々提案されている。

【０００４】一方、現在、産業廃棄物や都市ゴミを焼却
した際に発生する上記焼却灰は管理型最終処分場に埋め
立て処分されているが、一般都市ゴミの焼却灰だけで
も、その量は膨大で、全国で年間５００〜６００万トン
ともいわれており、処分場不足が問題となっており、そ
の解決案の１つとして焼却灰を固化剤にて固化して土木
材料へリサイクル利用する要望が高まっている。

【０００５】ところで、上記焼却灰をセメント等の水を
含む硬化剤にて硬化した場合、焼却灰に含まれる未反応
アルミニウムやアルミニウム化合物等の物質が、水酸化
カルシウムや水等と反応して、水素ガス等のガスを発生
し、上記固化の阻害や強度低下をもたらすので高強度の
ものはできない。

【０００６】また焼却灰にはタンニン酸やフミン酸等の
有機不純物を含有するものがある。有機不純物を含有す
る焼却灰をセメントにて固化した場合、未水和粒子の周
辺に無定形物質が生成し、これらの物質が極性によりセ
メント粒子の表面に吸着されるか、またはＣａ^＋＋と結
合して被膜を形成し、セメントの水和反応を阻害して固
化後の強度低下をもたらすので高強度のものはできなか
った。

【０００７】これに対して、焼却灰の高強度のセメント
固化体を得るために、固化剤との混練する前の焼却灰を
あらかじめ前処理するようにした従来技術が特開平５−
３１７８３０号公報及び特公昭５８−４９３１９号公報
にて知られている。

【０００８】上記従来技術の前者（特開平５−３１７８
３０号公報）のものは、焼却灰を４００℃以上で１分以
上加熱し、または焼却灰に対して５〜１５重量％の水を
加えて混練した後、冷却するようにしている。これは、
所定温度以上の加熱により、焼却灰中の発熱物質が発熱
しない物質に転換されるという作用が、また、所定量の
水を添加して発熱、放冷することで、発熱反応を予め終
了させて固化時の発熱を抑えるという作用をさせてい
る。そしてこれによってセメント固化時の発熱及び発熱
による割れの発生が防止され、高強度の固化体が得られ
るという効果が得られるようになっている。

【０００９】また後者（特公昭５８−４９３１９号公
報）のものは、焼却灰に水と苛性アルカリを加えて加圧
接触反応させることで１００℃以上の温度を発生する水
熱反応を起こし、それによってスラリー化し膨脹するこ
とで焼却灰中に含まれるセメント固形化に障害となる成
分（主に水素、一酸化炭素）を排出して不活性化するよ
うにしている。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】上記従来の技術のう
ち、前者にあっては、この従来の発明方法により焼却灰
を処理することにより高強度の固化体を得ることができ
るとしているが、その強度はたかだか８０ｋｇ／ｃｍ^２
であり、この固化体を土木材料等に利用する場合に、い
まだ、その強度が不十分であり、用途が少ないという問
題があった。

【００１１】また、従来の技術の後者にあっては、加熱
のために水と苛性アルカリを用いているため、この苛性
アルカリの取り扱いがやっかいであり、危険性もあっ
た。

【００１２】

【課題を解決するための手段及び作用効果】本発明は上
記のことにかんがみなされたもので、固化した際に十分
な一軸圧縮強度を得ることができ、しかも苛性アルカリ
等の薬品を用いることなく安全に作業できるようにした
焼却灰の固化方法を提供しようとするもので、請求項１
記載の発明方法は、焼却灰を固化剤と混練して固化する
焼却灰の固化方法において、前処理として焼却灰に水分
を添加し、この焼却灰の含水率が５〜３５重量％で、か
つ４０℃以上の状態で１５分以上加熱するようにしてい
る。

【００１３】また、請求項２記載の発明方法は、焼却灰
を固化剤と混練して固化する焼却灰の固化方法におい
て、前処理として焼却灰に水分を添加し、この焼却灰の
初期含水率を５〜３５重量％とし、湿度５０％以上で、
かつ４０℃以上の状態で１５分以上加熱するようにして
いる。

【００１４】また請求項３記載の発明方法は、請求項２
記載の発明方法における焼却灰の初期含水率を１０〜２
０％にし、また請求項４記載の発明方法は、上記請求項
２または３記載の発明方法における湿度を８５〜１００
％にし、さらに請求項５記載の発明方法は、請求項１〜
３または４記載の発明方法における加熱温度を６０〜１
００℃にし、請求項６記載の発明方法は、請求項１〜４
または５記載の発明方法における加熱時間を２〜４時間
にする。

【００１５】そして請求項１〜５または６記載の発明方
法にて焼却灰を処理することにより、焼却灰中の活性シ
リカの水和反応（ポゾラン反応）が促進され、焼却灰自
体の粒度増加、及び骨材としての強度が増加される。そ
してこのときの反応物質の表面に酸化被膜を作って反応
させなくしたり、焼却灰とアルカリのガス発生反応を促
進して完了させたりする。

【００１６】そして上記のように前処理した焼却灰の固
化方法によれば、焼却灰をセメント等の固化材と混練し
て成形して所定時間養生して得られる固化体は、一軸圧
縮強度が１００ｋｇ／ｃｍ^２以上となり、特別な薬品を
用いることなしに、土木材料等のリサイクル材として充
分な強度の固化体が得られる。

【００１７】また請求項７記載の発明方法は、請求項１
〜５または６記載の発明方法における処理の前に焼却灰
を２５０℃以上で１５分以上加熱する。

【００１８】また請求項８記載の発明方法は、上記請求
項７記載の発明方法における処理の前に焼却灰を加熱す
る温度を２５０〜９００℃にし、請求項９記載の発明方
法は、上記請求項８記載の発明方法における処理の前に
焼却灰を加熱する加熱時間を２〜４時間にした。

【００１９】上記請求項７，８または９記載の発明方法
において、請求項１〜５または６記載の処理の前に焼却
灰を加熱することにより、焼却灰中の有機不純物が分解
等により除去される。

【００２０】これらの各請求項に記載された発明方法に
て焼却灰を前処理してから、この焼却灰にセメントと水
を混合して固化することにより、有機不純物を含有する
焼却灰であっても、特に薬品を用いることなしに、土木
材料等のリサイクル材として、充分強度を有する固化体
を得ることができる。

【００２１】

【発明の実施の形態】本発明の実施の形態を以下に説明
する。図１は本発明の第１の実施の形態を示すもので、
これは未処理のまま焼却灰１０ｋｇに対して、１．４ｋ
ｇのセメントと２．３ｋｇの水を混練して固化した場
合、５ｋｇ／ｃｍ^２の一軸圧縮強度（２８日養生）しか
ないストーカ炉焼却灰（主灰）を用い、これをホッパ１
に投入してグリズリフィーダ２にかけてから１次磁選機
３にて空き缶などの大きな金属を除去する。

【００２２】ついで２次磁選機４にて小さな金属を除去
してからアルミセパレータ５にて非鉄金属を除去し、４
ｍｍふるい６を通して粒度を調整する。ついでこれが冷
えてから、水分調整機７にて水を添加し、これの水分が
含水率１０％になるように調整をする。

【００２３】その後、回転式の蒸気処理機８にて、温度
１００℃、湿度９８％の蒸気雰囲気にて２時間攪拌す
る。ついで、この蒸気処理された焼却灰を混練機９に
て、焼却灰１０ｋｇ、セメント１．４ｋｇ、水２．３ｋ
ｇの割合にして混練し、これを成形機１０にかけて、面
圧１００ｋｇ／ｃｍ^２で圧縮成形して、固化体１１を得
る。この固化体１１は２８日養生後、一軸圧縮強度を測
定したところ、１３０ｋｇ／ｃｍ^２であった。この固化
体１１は図に示すように円柱状のもの、あるいは図示し
ない矩形状のものがある。

【００２４】図２は本発明の第２の実施の形態を示すも
ので、これは、有機不純物を含んでいるために、上記第
１の実施の形態による処理、すなわち、蒸気処理してか
らセメント固化しても、５ｋｇ／ｃｍ^２以下の一軸圧縮
強度（２８日養生）しかでないストーカ炉焼却灰を、以
下のように前処理してからセメント固化した。なおこの
第２の実施の形態の説明において、図１に示す第１の実
施の形態と同一部分は同一の符号を付して説明を省略す
る。

【００２５】上記焼却灰（原灰）をホッパ１に投入して
グリズリフィーダ２にかけてから１次磁選機３にて大き
な金属を除去してから回転式の加熱処理機１２にて焼却
灰を４００℃で２時間加熱する。

【００２６】その後、２次磁選機４にて小さな金属を除
去してからアルミセパレータ５にて非鉄金属を除去し、
４ｍｍふるい６を通して粒度を調整する。ついでこれが
冷えてから、水分調整機７にて水を添加し、焼却灰の水
分が含水率１０％になるように調整する。

【００２７】その後、回転式の蒸気処理機８にて、温度
１００℃、湿度９８％の蒸気雰囲気にて２時間攪拌す
る。ついで、この蒸気処理された焼却灰を混練機９に
て、焼却灰１０ｋｇ、セメント１．４ｋｇ、水２．３ｋ
ｇの割合にして混練し、これを成形機１０にかけて、面
圧１００ｋｇ／ｃｍ^２で圧縮成形して固化体１１を得
る。この固化体１１は２８日養生後、一軸圧縮強度を測
定したところ、１３６ｋｇ／ｃｍ^２であった。この固化
体１１は円柱状以外に矩形状でもよい。

【００２８】上記両実施の形態においての、回転式の蒸
気処理機８内での焼却灰の反応メカニズムは必ずしも明
らかでないが、以下の反応が主体であろうと考えられ
る。（１）ＣａＯ＋ＳｉＯ_２＋Ｈ_２Ｏ→ｘＣａＯ・ｙＳ
ｉＯ_２・Ｈ_２Ｏ等の水和反応（ポゾラン反応）により、
焼却灰の骨材としての強度を向上させる。（２）２Ａｌ
＋６Ｈ_２Ｏ→２Ａｌ（ＯＨ）_３＋３Ｈ_２↑等の反応によ
り活性成分の表面に酸化被膜を作って不活性化し、ガス
の発生を防止する。（３）２Ａｌ＋２ＮａＯＨ＋２Ｈ_２
Ｏ→２ＮａＡｌＯ_２＋３Ｈ_２↑等のガス反応を促進して
固化剤との混練前に完了させる。

【００２９】また第２の実施の形態における回転式の加
熱処理装置１２での加熱処理における反応はＣｘＨｙＯ
ｚ→ｘＣＯ_２＋ｙ／２Ｈ_２Ｏが行われ、有機不純物（Ｃ
ｘＨｙＯｚ）が酸化分解されていると考えられる。

【００３０】以下に、ストーカ炉焼却灰を加熱処理し、
水分調整した後に蒸気処理した第２の実施の形態におけ
る処理の各種条件下における成形後の固化体の強度を調
べた結果を示す。なお、以下において条件範囲とは固化
体の一軸圧縮強度が１００ｋｇ／ｃｍ^２以上得られる範
囲を、また実験的に好ましい範囲とは最も高強度が得ら
れる範囲をいう。

【００３１】図３は、蒸気処理時の初期含水率に対する
強度を示すもので、ストーカ炉焼却灰を４００℃で２時
間加熱処理した後、水分調整機７にて水分調整して、蒸
気処理時の初期含水率が５，１０，２０，３５％の各焼
却灰を１００℃、２時間、湿度９８％の蒸気処理した
後、それぞれの焼却灰１０ｋｇに、セメント１．４ｋ
ｇ、水２．３ｋｇを混練して成形して得られる固化体の
一軸圧縮強度（２８日養生）ｋｇ／ｃｍ^２を示す。この
図からわかるように、蒸気処理時の初期含水率は５〜３
５％が条件範囲であり、実験的に好ましい範囲としては
１０〜２０％である。

【００３２】図４は、蒸気処理温度に対する強度を示す
もので、焼却灰を４００℃で２時間加熱処理した後、１
０％の含水率に調整し、蒸気温度を２０，４０，６０，
８５，１００℃にしてそれぞれ２時間、湿度９８％で蒸
気処理した場合の固化体の強度を示す。この図からわか
るように、蒸気処理時における蒸気の温度の条件範囲は
４０℃以上、実験的に好ましい範囲は６０〜１００℃で
ある。

【００３３】図５は、蒸気処理湿度に対する強度を示す
もので、焼却灰を４００℃で２時間加熱処理した後、含
水率１０％に調整し、その後、温度が８５℃で、湿度が
３０，５０，８５，９８％の蒸気でそれぞれ２時間処理
した場合の固化体の強度を示す。この図からわかるよう
に、蒸気雰囲気の湿度の条件範囲は５０％以上であり、
実験的に好ましい範囲は８５〜１００％である。

【００３４】図６は、蒸気処理時間に対する強度を示す
もので、焼却灰を４００℃で２時間加熱処理し、これの
含水率を１０％に調整し、その後、温度１００℃、湿度
９８％の蒸気で、１０分、１５分、２時間、４時間でそ
れぞれ処理した場合の各固化体の強度を示す。この図か
らわかるように、蒸気の処理間の条件範囲は１５分以上
であり、実験的に好ましい範囲は２〜４時間である。

【００３５】図７は、上記加熱処理温度に対する強度を
示すもので、これは未処理及び加熱温度が２００，２５
０，４００，６００，８００，９００℃でそれぞれ２時
間処理した場合のそれぞれの焼却灰を初期含水率１０
％，１００℃、２時間、湿度９８％で蒸気処理した場合
の固化体の一軸圧縮強度を示すもので、この図から条件
範囲は２５０℃以上、実験的に好ましい範囲は２５０〜
９００℃であることがわかった。

【００３６】図８は、加熱処理時間に対する強度を示す
もので、焼却灰を４００℃で、１５分、２時間、４時間
でそれぞれ加熱処理し、それぞれの焼却灰を初期含水率
１０％、１００℃、２時間、湿度９８％で蒸気処理した
場合の固化体の強度を示す。この図からわかるように、
加熱処理時間の条件範囲は１５分以上、実験的に好まし
い範囲は２〜４時間である。

【００３７】また次に、請求項１記載の発明の実施の形
態について示す。表１は蒸気処理時の加熱温度と、灰の
含水率が５〜３５％の範囲内にある時間を変化させて処
理した場合の強度を示すものである。焼却灰を３０℃、
３８℃、４０℃、４５℃、５０℃、８０℃、１００℃
で、この焼却灰の含水率が５〜３５％の範囲にある時間
が１０分、１５分、３０分、２時間、４時間でそれぞれ
処理した後、焼却灰１０ｋｇ，セメント１．４ｋｇ、水
２．３ｋｇの割合で混練し、１００ｋｇ／ｃｍ^２の面圧
で圧縮成型した際の固化体の強度を示している。

【００３８】また図９は、表１に示したデータをグラフ
上にプロットしたものである。そして表１及びこの図９
において、強度が１００ｋｇ／ｃｍ^２以上のデータを
○、１００ｋｇ／ｃｍ^２未満を×で示す。

【００３９】飽和水蒸気量以下の雰囲気において、一般
に加熱に従い焼却灰の含水率は低下していく。ここでは
焼却灰の含水率が３５％以下になった時間から５％未満
になるまでの時間を「焼却灰の含水率が５〜３５％の範
囲にある時間」としている。

【００４０】図１０は「焼却灰の含水率が５〜３５％の
範囲にある時間」を説明するために、例として表１のＮ
ｏ．１１，１２，２４，２８，３４のデータについて、
加熱時間に対する焼却灰の含水率変化を示したものであ
る。

【００４１】このうち一例として、Ｎｏ．１１，１２の
データについて詳しく説明する。Ｎｏ．１２（例２）
は、焼却灰に水分を添加して焼却灰の初期含水率を７％
に調整し、４０℃の状態で加熱したときのデータであ
る。５分ごとに焼却灰の含水率変化を測定した結果を図
１０中▲印で示す。このとき、水分は徐々に蒸発してい
き、その過程で１５分のあいだ、含水率が５〜３５％の
範囲にあった。処理後の焼却灰を、灰１０ｋｇ、セメン
ト１．４ｋｇ、水２．３ｋｇで混練して成形して得られ
た固化体の一軸圧縮強度（２８日養生）は、１０１ｋｇ
／ｃｍ^２であった。

【００４２】Ｎｏ．１１は、焼却灰に水分を添加して焼
却灰の初期含水率を６％に調整し、４０℃の状態で加熱
したときのデータである。５分ごとに焼却灰の含水率変
化を測定した結果を図１０中○印で示す。このとき、水
分は徐々に蒸発していき、その過程で含水率が５〜３５
％の範囲に１０分間しかなかった。処理後の焼却灰を成
形して得られた固化体の一軸圧縮強度（２８日養生）
は、３９ｋｇ／ｃｍ^２であった。表１および図１０から
わかるように蒸気処理の条件範囲は、焼却灰の含水率が
５〜３５％の範囲にある時間が１５分以上、かつ処理温
度が４０℃以上の場合である。本条件を満足していれ
ば、その前後の処理条件は関係しない。

【００４３】

【表１】

【００４４】上記各実施の形態において蒸気処理、及び
加熱処理と蒸気処理した焼却灰等の焼却残渣を成形する
際に，焼却灰１０ｋｇに固化剤としてセメントを１．４
ｋｇ、水２．３ｋｇ添加して混練機９にて混練してから
成形機１０にて成形する例を示したが、上記固化剤はセ
メントに限るものではない。

【００４５】すなわち、焼却灰や煤塵等の焼却残渣に含
まれるＣｄやＰｂ等の重金属の溶出量は固化物のｐＨに
大きく依存することが知られており、溶液中における固
化物のｐＨと上記重金属の溶解度との関係の一例を示す
と図１１のようになる。図中ａはＣｄ、ｂはＰｂのｐＨ
に対する溶解度の関係を示すもので、この図より、ｐＨ
が９．５〜１１．５の範囲でのＰｂの溶解度は小さい
が、これの前後で大きく、特にｐＨが約１２を越えたア
ルカリ側での溶解度は著しく大きくなる。

【００４６】セメント系の固化剤で焼却残渣を固化する
場合、固化物の溶液は一般的に強アルカリを示すため、
Ｐｂ等の両性重金属の溶出が主に問題となるが、ｐＨを
低く抑えながら機械的強度を発現する固化剤が存在する
ならば上記機械的強度と溶出防止性の双方を両立させる
ことができる。

【００４７】高炉スラグ、フライアッシュ、ポゾラン等
の潜在水硬性、あるいはポゾラン活性を示す混和材は水
添加による硬化に際して水酸化イオン（ＯＨ⁻）を減少
させる作用があることから、水硬性のセメントとこれら
の混和材を焼却残渣に対してある比率で配合して適当量
の水を加えて混練後、押出し成形や圧縮成形等の成形法
にて常温で成形することにより、ＣｄやＰｂ等の溶出防
止性と機械的強度が両立した土木材料等にリサイクル使
用できる固化品を得ることができる。

【００４８】この場合の固化剤としては、セメント：
０．１〜２９ｗｔ％、潜在水硬性、あるいはポゾラン活
性を示す混和剤：７１〜９９．９ｗｔ％に配合したも
の、あるいは、潜在水硬性、あるいはポゾラン活性を示
す混和材を含む混合セメント：０．１〜９７ｗｔ％、潜
在水硬性、あるいはポゾラン活性を示す混和材：３〜９
９．９ｗｔ％に配合したものがあり、これらの固化剤
は、焼却残渣：３０〜９０ｗｔ％に対して１０〜７０ｗ
ｔ％配合すると共に必要量の水を加えて混練し、成形す
る。

【００４９】このような実施例によっては、成形後の２
８日養生後の強度は土木材料として使用に耐えられる強
度（一軸圧縮強度１００ｋｇ／ｃｍ^２）となり、また特
に、ＣａやＰｂ等の重金属が溶出することがないように
固化することができ、環境庁告示第４６号法で定められ
ている土壌環境基準（鉛の溶出量０．０１ｍｇ／ｌ）以
下におさえることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施の形態を示す説明図であ
る。

【図２】本発明の第２の実施の形態を示す説明図であ
る。

【図３】蒸気処理時の初期含水率に対する強度を示す線
図である。

【図４】蒸気処理温度に対する強度を示す線図である。

【図５】蒸気処理湿度に対する強度を示す線図である。

【図６】蒸気処理時間に対する強度を示す線図である。

【図７】加熱処理温度に対する強度を示す線図である。

【図８】加熱処理時間に対する強度を示す線図である。

【図９】表１に示したデータをプロットした線図であ
る。

【図１０】加熱時間に対する焼却灰の含水率の変化を示
す線図である。

【図１１】ｐＨと重金属の溶解度の関係を示す線図であ
る。

【符号の説明】

１…ホッパ２…グリズリフィーダ３，４…磁選機５…アルミセパレータ６…ふるい７…水分調整機８…蒸気処理機９…混練機１０…成形機１１…固化体１２…加熱処理機

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者畠康彦神奈川県平塚市万田1200 株式会社小松製作所研究所内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】焼却灰を固化剤と混練して固化する焼却
灰の固化方法において、前処理として焼却灰に水分を添加し、この焼却灰の含水
率が５〜３５重量％で、かつ４０℃以上の状態で１５分
以上加熱することを特徴とする焼却灰の固化方法。
【請求項２】焼却灰を固化剤と混練して固化する焼却
灰の固化方法において、前処理として焼却灰に水分を添加し、この焼却灰の初期
含水率を５〜３５重量％とし、湿度５０％以上で、かつ
４０℃以上の状態で１５分以上加熱することを特徴とす
る焼却灰の固化方法。
【請求項３】焼却灰の初期含水率が１０〜２０重量％
であることを特徴とする請求項２記載の焼却灰の固化方
法。
【請求項４】湿度が８５〜１００％であることを特徴
とする請求項２または３記載の焼却灰の固化方法。
【請求項５】加熱温度が６０〜１００℃であることを
特徴とする請求項１，２，３または４記載の焼却灰の固
化方法。
【請求項６】加熱時間が２〜４時間であることを特徴
とする請求項１，２，３，４または５記載の焼却灰の固
化方法。
【請求項７】前処理の前に焼却灰を２５０℃以上で１
５分以上加熱することを特徴とする請求項１，２，３，
４，５または６記載の焼却灰の固化方法。
【請求項８】前処理の前に焼却灰を加熱する温度が２
５０〜９００℃であることを特徴とする請求項７記載の
焼却灰の固化方法。
【請求項９】前処理の前に焼却灰を加熱する加熱時間
が２〜４時間であることを特徴とする請求項８記載の焼
却灰の固化方法。