JPS61262514A - 有害無機物質を含む可燃性廃棄物の焼却処理法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （イ）産業上の利用分野 可燃性廃棄物の処理処分法として焼却処理は大巾な減容
が得られる汎用的な手段として広く実用されている。し
かし産業の発展と共に可燃性廃棄物も極めて多様化した
ため燃焼によって有害物質が飛散したり、焼却設備を損
傷するような物質を含むものも発生しており、簡単に通
常の焼却処理を適用できない場合が生じている。

廃棄物中に不燃性の有害物質を含む場合は燃焼残渣であ
る灰の中にこれが混入するので燃焼炉内に堆積する灰や
燃焼ガス中に分散する灰の粉塵を安全かつ効率的に処理
することが必要になる。又有害物質には燐のように燃焼
時の温度条件ではガス化するが燃焼ガスの温度がさがる
と煙霧状の固体や液体になり捕集が困難になるものもあ
る。このような廃棄物の場合は燃焼は可能であっても有
害物質による燃焼条件の制約や必要な安全対策の経済的
な実施が困難になり焼却処理が実用されない場合が多い
。本発明は燐、重金属等の有害無機物質や放射性核種を
含む可燃性廃棄物で従来の焼却技術では実施が困難であ
った種類の廃棄物の焼却処理に関する。

←）従来の技術 廃棄物の焼却処理には通常コストのか＼らない空気によ
る空気燃焼が使用されている。空気は酸素２０％と燃焼
に利用されない窒素８０％の組成であるため可燃性廃棄
物の廃熱量によっては燃焼温度が高くなシすぎたり又温
度が上昇せず未燃物を生じたりする。このため安定な燃
焼を行うために廃棄物の混合処理や補助燃料の燃焼によ
って燃焼条件を調節することが必要になり、大量の燃焼
ガスを発生することが多い。有害無機物質を含む廃棄物
の焼却の場合には燃焼ガス中に有害無機物質を含む灰の
混入がさけられないので燃焼ガスの除害のためには大量
のガスを処理することになる。

すなわち空気燃焼では酸素の費用は不要になるが廃棄物
の性格によっては適正燃焼条件の維持、燃焼ガスの除害
処理の面で大きな負担を生じることになる。原子力産業
から発生する紙、布を主体とする放射能汚染度の低い可
燃性廃棄物を空気によって燃焼処理する技術は既に実用
されているが、燃焼ガス中の微量の放射能の除去に多段
の高性能フィルターを使用する等、オフガス処理に多大
の経費が必要になっている。

燐酸トリブチルを含有する廃溶媒やプラスチックを通常
の燃焼炉で空気燃焼すると燐酸分は酸化燐となって高温
の燃焼ガス中に気化混入し、燃焼ガス温度が低下すると
微粒子状に凝縮し燃焼装置内に耐着して装置材料を損傷
したりガスにともなわれて環境汚染の原因になる。これ
らを防止するためには高価な設備が必要なので現状では
燐分を多く含む可燃性廃棄物の焼却処理は殆んど実施さ
れていない０又、ニッケル、鉛、カドミウム、クロム等
の有毒重金属を含む可燃性廃棄物は各種の産業工程、廃
棄物処理工程から発生しているが、通常の空気による焼
却処理では灰や燃焼ガス中の粉塵処理の効率的実施が困
難とされている。

（ハ）発明が解決しようとする問題点 産業から発生する有害無機物質を含む可燃性廃棄物はそ
の種類や化学型態が多様であり燃焼時の有害物質の挙動
は物性や燃焼条件によってまちまちであるが、綜合する
と廃棄物中の他の無機成分と共に酸化物系の灰として一
部は燃焼室内に堆積し残りは粉塵として燃焼ガスと共に
燃焼室から流出することになる。

有害物質による燃焼室の汚染を抑制するためにはできる
だけ灰の堆積を防止できる燃焼室の構造と燃焼条件を採
用することが望ましい。

又有害無機物質による環境汚染を防止するには燃焼ガス
中の粉塵を連続的に効率よく除去する手段を設けること
が必要でこのためには取扱うガス量を少くすることが処
理設備を小型化し除去効率を高めるために望ましい。

本発明者は可燃性廃棄物の減容処理法として原理的には
優れた特徴を持っているが有害無機物質を含む可燃性廃
棄物への適用が困難であった焼却処理の問題点を上記の
考え方で解決すべく研究した結果本発明にいたった。

に）問題点を解決するための手段とその作用および効果 本発明者は可燃物の燃焼に空気を使用せず酸素と水蒸気
の混合ガスを使用することによって廃棄物の発熱量が変
化しても補助燃料等を使用せずに高温下で高速完全燃焼
が行えること、さらに燃焼ガスを冷却すれば水蒸気が水
になり分離できるので燃焼ガス量が大巾に減少できるこ
とに着目した。又酸素と水蒸気による廃棄物の燃焼では
廃棄物中の無機物質が灰となり燃焼ガス中に微粒子状に
分散することは従来の燃焼と同じであるが、燃焼ガス中
の主成分の水蒸気が凝縮する過程でその一部が分散して
いる微粒子を核にして凝縮し粒子径が大きくなる効果と
水蒸気の冷却面への凝縮による気液境界面の物質移動抵
抗が減少する効果の相乗作用によって極めて効率よく粉
塵除去ができることを見出した。高温燃焼ガスの処理に
必要なガスの冷却工程が有害無機物質を含む灰の粉塵除
去にも有効に利用できることは酸素と水蒸気を使用する
焼却処理の大きな利点となることが判明した。

以下本発明で採用した問題点解決の手段とその作用を効
果を含めて詳細に説明する。

一般的に廃棄物は同種のものであっても発生条件によっ
て物性が変動する。可燃性廃棄物を完全燃焼するために
はこの点に注意することが重要である。特に発熱量の低
い燃えにくい廃棄物、含水廃棄物等の空気燃焼では不完
全燃焼を生じやすいことが知られている。有害無機物質
含有廃棄物の焼却でも完全燃焼を安定して実施できる燃
焼条件を選定することが第１の要件になる。本発明では
廃棄物の一定量とそれを完全燃焼するために必要な理論
量の１．１倍以上の酸素と水蒸気の混合ガスを耐火材料
で構成された燃焼室に連続的に送入し１０００℃以上望
ましくは１３００〜１５００℃の温度を維持して廃棄物
を完全燃焼する。

この際燃焼ガスの温度は廃棄物の燃焼発熱量、燃焼室か
らの放熱量、出入ガスのエンタルピー等のバランスで定
まるので、酸素と混合する水蒸気量は望ましい燃焼温度
を維持す右ように設定する必要がある。無水の廃棄物の
発熱量が７０００　Ｋｍ、／Ｋｙ　程度の場合は酸素量
の３〜５倍量の水蒸気を送入すれば１３００〜１５００
℃の燃焼ガス温度が維持できる。

廃棄物が含水している場合はこれも水蒸気になるので送
入水蒸気量を減らすことが必要になるが実際の燃焼制御
は必要な燃焼温度を維持するように水蒸気送入量を自動
制御することによって容易に目的を達成することができ
る。又高濃度の酸素は可燃物を急激に燃焼させる危険性
をもつので送入する水蒸気と混合し稀釈してから燃焼室
に送入することが安全上必要である。

可燃性廃棄物が液体の場合は通常の粉霧ノズル型式のバ
ーナーで燃焼できるが廃樹脂のような固体粒子状のもの
はできるだけ微粒子化して燃焼室に分散送入し、酸素水
蒸気混合ガスとの混合を良くすることが安定高速燃焼の
ために重要である。

以上のような条件で廃棄物を燃焼すると燃焼速度は極め
て速くなり所謂高負荷燃焼と称される１００万Ｋ　ｄ／
ｌｒｆ／　ｈ以上の燃焼が可能で燃焼室の滞溜時間が１
秒以下で完全燃焼させることができる。完全燃焼を行う
ための燃焼室の容積は廃棄物の発熱量と処理量および燃
焼条件によって規定されるが高負荷燃焼領域では燃焼室
を小型化することができると共に燃焼時に生ずる灰の粉
塵が高速のガス流動で燃焼室外にはこび出さ、れ燃焼室
内への堆積を抑制することも可能になる。なお高温はど
燃焼は早くなるが、現在実用されている燃焼室用の耐火
材料の耐久性を考慮する１６００℃以上の高温は望まし
くない。又、可燃物の物性にもよるが１０００℃以下の
燃焼では望ましい高速燃焼を行うのは困難で大きな燃焼
空間が必要になる。

この燃焼方法で使用する酸素は工業用の純酸素が窒素を
含まないので望ましいが、吸着処理等で空気から分離さ
れる８０％以上の濃度の酸素もコストが安いので有利に
利用することが可能である。但し窒素の含有量が増加す
ると廃棄物単位童画りの不凝縮性燃焼ガス量が増加する
ため粉塵除去の効率が低下することに注意する必要があ
る。

以上本発明に於ける廃棄物の燃焼条件に就いて説明した
が、空気使用の従来技術に比して本発明の燃焼方法の第
１の特徴は廃棄物の物性が変動しても酸素と水蒸気の混
合比を調節することにより高速完全燃焼を行うことがで
きるため燃焼炉の小型化、燃焼残渣の灰の炉内堆積の抑
制が可能になることである。酸素と水蒸気の混合ガスに
よる廃棄物の燃焼の第２の特徴は燃焼ガスを常温附近ま
で冷却すると燃焼ガスの主成分である水蒸気が凝縮液化
して水になるので非凝縮性燃焼ガス量が大巾に減少する
ことにある。純酸素を使用した場合では廃棄物から生じ
た炭酸ガスと過剰分の酸素が主成分となり通常の空気燃
焼に比してガス量が１１５〜１／１０　　に減少する。

これはオフガス処理設備の小型化運転経費の節減に役立
つ。

有害無機物質を含む可燃性廃棄物の焼却処理で解決を要
する問題点で最も重要なことは燃焼ガス中に分散した有
害無機物質を含む微粒子を燃焼ガスから分離除去し環境
に放出する排ガスを無害化することである。本発明のこ
の問題に関する解決の手段は前記の燃焼条件から生じた
燃焼ガスの特性を有効に利用することにある。

燃焼室から流出する高温のガス流を冷却する方法は色々
あるが液体の水と高温ガスを直接接触させ水の蒸発の潜
熱を利用して冷却するのが最も効率的である。水と熱ガ
スの接触方法としては水のガス中への粉霧、高温ガスの
水中吹き込みのいずれも利用＋きる。これらは単純な装
置で高温ガスを効率よく急冷することが可能で、冷却過
程での有害物質の局部的蓄積や装置材質の腐蝕の防止も
容易である。これらの方法による高温ガスの冷却は冷却
水の温度、使用量によってガス温度が変化するが燃焼ガ
ス中の不凝縮性ガスの湿球温度附近までとすることが望
ましい。なお冷却過程で発生する水蒸気は燃焼ガスに混
入しガス量を一時的に増加させることになる。この冷却
工程で有害無機物質を含む粉塵はその水との親和性や化
学型態によっては冷却水中に捕集されることもあるが、
一般的には水蒸気の急激な発生があるので粉塵捕集の効
果は期待できない。燃焼ガス中に分散した有害無機物質
を含む微粒子を捕集除去するために本発明では燃焼ガス
中の水蒸気の凝縮工程を有効に利用する。水との直接接
触で湿球温度附近まで冷却された燃焼ガスは燃焼時に使
用した水蒸気と有機物の燃焼で生成した水蒸気に冷却水
の蒸発で生成した水蒸気が附加されるので純酸素による
燃焼の場合はガス中の水蒸気組成は８０％以上になる。

これを熱交器に導き間接冷却して水蒸気の大部分を凝縮
液化するとガス量は大巾に減少する。発明者はこの水蒸
気凝縮の過程でガス中の微粒子が極めて効率よく凝縮中
に捕集されることを見出した。

ガス中の粉塵を水洗除去することは産業公害防止技術と
して各種の技術が開発されている。その一つの技術とし
て金属精錬工業等では発生する酸化鉄等の金属酸化物の
粉塵を含む廃ガスに水蒸気を加えて水洗過程で水蒸気の
冷却凝縮を行い、粉塵の微細粒子の除去効率を高める技
術が実用されている。この原理は水蒸気が冷却して液化
する際にその一部が懸濁微粒子を核にして凝縮し、微粒
子の粒径を増大させる効果と水蒸気がガス中から冷却面
の水膜上に移動凝縮する流れによって懸濁粒子が水膜面
に衝突しやすくなることの相乗効果を利用するもので、
これに関する工学的研究も多数発表されている。これら
の研究によると処理ガス中の不凝縮性ガスの質量に対し
て凝縮する水蒸気の質量の比が０．５以上になれば明確
な効果があり、この比が大きくなる程捕集率が上昇する
とされている。本発明の燃焼冷却の方式ではこの水蒸気
凝縮工程に入る燃焼ガスは水蒸気と不凝縮ガスの質量比
として３〜６となるので燃焼時に生成した微粒子がサブ
ミクロンオーダーの微細なものであっても凝縮過程で水
中に捕捉することかできるわけである。

有害無機物質が燐の場合は酸素過剰の完全Ｓ焼によって
すべて酸化燐になりガス化するがガス温度が３００　’
０以下に低下すると凝縮して煙霧状の微粒子になり、さ
らに水蒸気と反応して燐酸に変化するが水蒸気凝縮過程
で効率よく水に吸収溶解し、ガスから除去することがで
きる。鉛、カドミウム、ニッケル等の重金属も燃焼時酸
化物となり廃棄物中の他の無機物と一緒に灰の粉ａ！に
なるが水との親和性があれば水蒸気凝縮過程で水中に捕
集され効率よく除去できることは前記の産業廃ガス処理
の例から予測された通りである。

本発明者は関連発明として特許第５９−２２１５６７号
「放射性廃イオン交換樹脂の処理法」を申請しているが
、可燃性廃棄物の一種である金属イオンを吸着したイオ
ン交換樹脂の焼却処理に於いても水蒸気凝縮工程が金属
酸化物粉塵の脱塵に有効であることを確認している。水
蒸気凝縮工程には熱交換器で間接冷却する方法以外に充
填塔や棚段塔型式の気液接触装置で冷水と燃焼ガスを向
流接触させ冷却とガス洗滌を併行的に行う方法も利用で
きる。

本発明が対象とする可燃性廃棄物中の有害無機物質は燐
、重金属放射性核種等であるが環境に放出する燃焼ガス
中の有害無機物質の濃度の安全上の許容値は物質によっ
て差がある。このため水蒸気凝縮過程の除去率が高くて
もまだ許容値に達しない場合は処理ガスをさらに別の方
法で除害することが必要になる。

例えば放射性核種の場合には極めてきびしい規制値があ
り、除去性能の確認された高性能フィルターで燃焼ガス
をＰ遇することが義務づけられている。燐や重金属類の
場合は対象になる廃棄物中の有害物濃度処理量　その地
域の規制等によって凝縮工程以降のガス処理が必要性に
なることも予想される。例えば本発明の対象になる有害
無機物質の他に亜硫酸、塩素等の揮発性有害物質になる
ものを含む可燃性廃棄物の場合には亜硫酸、塩素を燃焼
ガスから除去する必要が生ずるであろう。特許第［５ｑ
−２２１３１５７号］の廃イオン交換樹脂の処理の場合
がその１例になる。

本発明はこれらの補足的な燃焼ガスの後処理法に就いて
は発明の要件としていないが、廃棄物の単位重量当りの
燃焼ガス発生菫が通常の焼却処理に比して大巾に少いこ
とによって補足処理の効率、経済性の改善に大きな効果
をもたらすものである。

（ホ）実施例 本発明の方法を実証するために図−１に示す７０−シー
トの試験装置を使用した。第１図の１は燃焼を行う炉で
２廃棄物の送入Ｑ５酸素と水蒸気の混合ガスの送入口、
４廃棄物の燃焼バーナー、５燃焼ガスの出口ダクト燃焼
炉室を予熱するための６補助バーナー等が設けられてい
る。。燃焼炉は第１図に示す構造をもち内径４５０長さ
１２ｏｃｒｎの横型円筒で内面にアルミナ系耐火物がと
りつけである。

燃焼ガスは流出ダクトで　７水接触冷却器に導かれ水と
混合接触し冷却されたのち、８ミスト分離器を経由して
スパイルラル型の　９凝縮冷却器で冷却水によシ間接冷
却され大気に放出される。凝縮水は１０ノズルから連続
的に流出する。水クエンチャ−の構造の概要は第１図に
示すように１１スプレーと　１２循環ポンプと蒸発水を
補給する１３給水ノズルが附設されている。凝縮冷却器
の伝熱面積は３５−のものを使用した。

ニッケルの抽出分離に使用した燐酸トリブチルとケロセ
ンの混合溶媒が劣化したので減圧蒸溜によってケロセン
を溜出させ蒸溜残渣として赤黒色のやや粘稠な液体廃棄
物が得られた。この廃溶媒はキエルダール法で酸化分解
し燐分を定量したところ、燐酸換算で２９．２チであり
ニッケルは０．８チであった。又発熱°量は７８５０　
Ｋｃｏｇ／Ｋｐであった。

この廃溶媒を上記の試験装置で焼却処理した。燃焼室を
補助燃料燃焼で１３０ＣＩＣまで予熱したのち廃溶媒を
スチーム粉箱型バーナーで送入し酸素により着火させ安
定燃焼に調整した。この時点の燃焼条件は以下の通シで
あつた０ 廃溶媒　　　　　　３０Ｋｐ／ｈ 純酸素　　　　　　５６．、９　ｍｎｆ／ｈ水蒸気　　
　　　１６０　Ｋ９／ｈ 燃焼ガス温度　１４８０℃±１０℃ （出口ダクト附近） クエンチャ−から流出するガス温度は９７℃±２°でク
エンチャ−の水位を一定に保つために２２３　ＫＰ／Ｈ
の給水が必要でめった。

凝縮冷却器は１７℃の冷却水で冷却したが凝縮出口ガス
温度は３２℃で凝縮水量は３７８Ｋｙ／　ｈ　　であっ
た。

定常燃焼時に冷却凝縮器から流出する凝縮水中の燐酸濃
度は１．９０〜２．０％の範囲でありこれから計算する
と廃溶媒中の燐酸量の約８５％が捕集されたことになる
。燐酸は水に容易にとける性質があるので水接触冷却器
の水に１０％以上が吸収除去されたものと考えられ実際
に粉箱された循環水の燐酸濃度は運転時間と共に上昇し
てきた０又、凝縮器出口ガスの一部を水洗気ピンを通じ
て流し水中に捕集された燐酸量を測定したが極めて微量
であり、凝縮工程での燐酸捕集効率は９９％以上と推定
される。廃溶媒中のニッケルは燃焼時に酸化され酸化ニ
ッケルになり、すべて粉塵として燃焼ガスに連行され冷
却凝縮処理属の不凝縮ガス中に残るとすると約６ｐｐｍ
の濃度になるが、前記の洗気ビン中の水中にはニッケル
が検出されず凝縮水はサンプル分析で０．８３〜０．６
６％のニッケルが含まれていた。

この結果から凝縮工程までにニッケルの粉塵がはソ完全
に除去されたものと判断される。

又焼却試験のあと燃焼室の内部には灰の堆積は認められ
なかった。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施の態様の１例を示すため実施例の
焼却試験に使用した装置のフローシートと概要を示すも
のである。 牙１０

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １　有害無機物質を含む可燃性廃棄物を連続的に燃焼室
   に送入し水蒸気を主成分とする雰囲気中で酸素により燃
   焼せしめ廃棄物中の有機物構成元素の炭素水素をそれぞ
   れ炭酸ガスと水蒸気に転換したのち高温の燃焼ガス流を
   液体水との接触部に導き水により急速に冷却し、さらに
   ガス冷却装置によりガス中の水蒸気の大部分を凝縮液化
   すると共に有害無機物質を凝縮水中に捕集し、燃焼ガス
   から分離することを特徴とする有害無機物質を含む可燃
   性廃棄物の焼却処理法 ２、燃焼室に於いて廃棄物の完全燃焼を達成するために
   酸素の供給量を理論必要量の１．１倍以上とし、燃焼温
   度を１０００℃以上望ましくは１３００〜１５００℃の
   範囲に保持するよう水蒸気の供給量を調節することを特
   徴とする特許請求範囲第１項記載の焼却処理法 ３、燃焼室に供給する酸素が空気から分離された酸素濃
   度８０％以上の濃縮酸素で燃焼室に送入する前に水蒸気
   と混合して送入することを特徴する特許請求範囲第１項
   記載の焼却処理法４、燃焼室から流出する高温の燃焼ガ
   スを液体水中に吹き込むか、液体水のスプレーと混合接
   触させ水の蒸発潜熱で急速に１００℃附近まで冷却する
   ことを特徴とする特許請求範囲第１項の焼却処理法 ５、特許請求範囲第４項の処理を行つた燃焼ガスを熱交
   換器で冷水により間接冷却するか気液接触装置で直接冷
   水と接触冷却し燃焼ガス中の水蒸気の大部分を凝縮せし
   め、この過程で燃焼ガス中に分散連行された有害無機物
   質を含む微粒子を凝縮水中に捕集することを特徴とする
   特許請求範囲第１項の焼却処理法 ６、有害無機物質が燐酸エステル等の有機燐化合物から
   なる可燃性廃棄物である特許請求範囲第１項の焼却処理
   法 ７、有害無機物質がニッケル等の重金属化合物からなる
   可燃性廃棄物である特許請求範囲第１項の焼却処理法 ８、有害無機物質が常温で不揮性の酸化物となる放射性
   核種からなる可燃性廃棄物である特許請求範囲第１項の
   焼却処理法