JP5416752B2 - 焼却灰の溶融方法、および廃棄物溶融設備 - Google Patents

Description

本発明は、スラグからの鉛の溶出を抑制することができる焼却灰の溶融方法に関する。

廃棄物を焼却・溶融処理して得られるスラグからの鉛の溶出を抑制するための技術としては、例えば、特許文献１、２に記載されたものがある。特許文献１には、都市ごみなどの廃棄物の焼却灰を加熱溶融し、その後、冷却してスラグを形成する際に、不活性ガスである窒素ガスを炉内に供給しながら加熱溶融する、という焼却灰の溶融処理方法が記載されている。この方法により、炉内の酸素濃度が低下した状態で焼却灰が加熱溶融され、ＰｂＯなどの重金属酸化物が還元され易くなり、焼却灰中の塩素と反応して塩化物を形成し揮散する。その結果、Ｐｂなどの重金属の溶出量がより低減したスラグを製造することができる、と称されている。

また、特許文献２には、重金属を含有する焼却灰を溶融炉により溶融処理してスラグを生成する際に、焼却灰とともに硫黄を溶融炉に供給する、という重金属溶出防止方法が記載されている。この方法により、スラグ生成過程でＰｂなどの重金属の硫黄化合物が生成し安定化する。その結果、スラグを埋立て等の処分に利用した際に、スラグ内に含有されている重金属が外部に溶出することを完全に防止できるという効果を奏し得る、と称されている。

特開平１１−１０４５９２号公報 特開２０００−００１３４６号公報

しかしながら、特許文献１に記載された焼却灰の溶融処理方法では、窒素発生装置（窒素供給装置）の設置が必要となりランニングコストが増大してしまう。また、特許文献２に記載された重金属溶出防止方法は、その効果が十分に明らかでなく、すなわち、スラグ内に含有されている重金属が外部に溶出することを従来よりも十分に防止できるのか定かではない。

本発明は、上記実情に鑑みてなされたものであって、その目的は、従来と同等のランニングコストでもって、より確実にスラグからの鉛の溶出を抑制することができる焼却灰の溶融方法を提供することである。

本発明者らは、前記課題を解決すべく鋭意検討した結果、実験ならびに実機を用いた試験により、焼却灰の塩基度Ｘと、この焼却灰を溶融後に水冷して得られるスラグ中の鉛濃度Ｙとが、下記の式（１）を満たすように、焼却灰の塩基度および鉛濃度を調整し、調整後の焼却灰を溶融・急冷することで、含有量試験（平成１５年３月６日環境省告示第１９号（以下、「環告１９号」という））の鉛の基準値：１５０ｍｇ／ｋｇを満足させることができることを見出した。この知見に基づき本発明が完成するに至ったのである。

すなわち、本発明は、鉛を含有する廃棄物を焼却することで発生する焼却灰の溶融方法であって、前記焼却灰の塩基度Ｘと、前記焼却灰を溶融後に水冷して得られるスラグ中の鉛濃度Ｙとが、下記の式（１）を満たすように、前記焼却灰の塩基度および鉛濃度を調整し、調整後の前記焼却灰を溶融した後、水冷することを特徴とする焼却灰の溶融方法である。
Ｙ≦６６．５Ｘ^−５ ・・・・・・・・・式（１）
Ｘ：焼却灰の塩基度（−）
Ｙ：スラグ中の鉛濃度（ｍｇ／ｋｇ）

また本発明は、その第２の態様によれば、鉛を含有する廃棄物の焼却溶融設備であって、前記廃棄物を焼却することで発生する焼却灰の塩基度Ｘと、当該焼却灰を溶融後に水冷して得られるスラグ中の鉛濃度Ｙとが、上記の式（１）を満たすように、当該焼却灰の塩基度および鉛濃度を調整する調整装置と、前記調整後の焼却灰を溶融する溶融炉と、溶融した前記焼却灰を水冷する水冷装置と、を備えることを特徴とする廃棄物溶融設備である。

本発明によると、従来と同等のランニングコストでもって、より確実にスラグからの鉛の溶出を抑制することができる。

本発明の第１実施形態に係る廃棄物溶融設備を示すブロック図である。 焼却灰の塩基度と鉛溶出抑制率との関係を示すグラフである。 焼却灰の塩基度とスラグ中の鉛濃度との関係を示すグラフである。 本発明の第２実施形態に係る廃棄物溶融設備を示すブロック図である。 本発明の第３実施形態に係る廃棄物溶融設備を示すブロック図である。

以下、本発明を実施するための形態について図面を参照しつつ説明する。

（廃棄物溶融設備の構成（第１実施形態））
図１に示すように、本発明に係る焼却灰の溶融方法を適用する一実施形態の廃棄物溶融設備１００は、焼却炉３（例えば循環流動層式の焼却炉）、溶融炉５（例えば旋回溶融炉）などを備える設備である。鉛を含有する廃棄物が廃棄物供給装置１により焼却炉３へ投入され、投入された廃棄物は焼却炉３内で燃焼する。燃焼により発生した焼却灰を含む排ガスは、焼却炉３からダクト３ａを介して排出される。この排ガスはサイクロン４に導入され、サイクロン４によって排ガスから分離・捕集された焼却灰は、焼却灰供給装置４ａを介して溶融炉５に供給されるようになっている。溶融炉５に供給された焼却灰は、溶融炉５内で1,400℃〜1,500℃の温度で溶融されて溶融スラグとなる。そして、溶融スラグは水冷装置６内へ流下し、この水冷装置６内の冷却水により水冷（急冷）されて固体のスラグとなる。

サイクロン４によって焼却灰が除去された排ガスは二次燃焼室７に導入され、二次燃焼室７内で排ガス中の一酸化炭素などの未燃ガスが燃焼する。その後、排ガスは減温塔８に導入され、減温塔８で減温された排ガスは集塵機であるバグフィルタ９に導入される。このバグフィルタ９によって排ガスに残存する焼却灰が捕集され、残存する焼却灰が除去された排ガスは、煙突１０から大気中へ放出される。なお、バグフィルタ９で捕集された焼却灰を溶融炉５に送る構成としてもよい。

ここで、焼却炉３には、調整剤供給装置２１から塩基度調整剤が供給されるようになっている。なお、塩基度調整剤の供給により焼却灰の鉛濃度も調整されるので、塩基度調整剤は鉛濃度調整剤でもある。調整剤供給装置２１は制御部２２からの信号で制御され、制御部２２にはオンライン型蛍光Ｘ線分析装置１１からの出力信号が入力されている。オンライン型蛍光Ｘ線分析装置１１は、焼却灰の塩基度（ＣａＯ／ＳｉＯ_２または（ＣａＯ＋ＭｇＯ）／ＳｉＯ_２）および焼却灰の鉛濃度を測定するための装置であって、サイクロン４と溶融炉５との間の焼却灰が流れる経路にオンラインで設けられている。なお、より具体的には、サイクロン４と溶融炉５との間には灰コンベヤ・灰ホッパ（不図示）などがあり、サイクロン４で捕集された焼却灰は灰コンベヤを介して一旦、灰ホッパに貯留される。その灰ホッパにオンライン型蛍光Ｘ線分析装置１１が具備されており、成分（塩基度および鉛濃度）分析用として一部の焼却灰が灰ホッパからオンライン型蛍光Ｘ線分析装置１１に供給されるようになっている。灰コンベヤおよび灰ホッパは、それぞれ、焼却灰供給装置４ａを構成する機器・配管のうちの１つである。

なお、焼却灰の塩基度および焼却灰の鉛濃度を測定するための装置は、オンライン型蛍光Ｘ線分析装置１１に限られるものではない。また、塩基度調整剤は、消石灰、生石灰、珪砂、ドロマイト、酸化マグネシウムなどである。なお、バグフィルタ９で捕集された焼却灰を溶融炉５に送る（溶融炉５で溶融されなかった飛灰（溶融炉５からの焼却灰）を再度、溶融炉５に送る）構成（飛灰循環）の場合に、バグフィルタ９で捕集された焼却灰中の鉛濃度が上昇すると、この焼却灰を系外に抜き出す。この場合は、溶融炉５へ投入される焼却灰中の鉛濃度を常時監視して、焼却灰を系外に抜き出すタイミング（焼却灰中の鉛濃度が所定の閾値まで上昇しているか否か）を確認する必要があるので、オンライン型蛍光Ｘ線分析装置を用いることが必須となる。

また、本実施形態では、塩基度調整剤が焼却炉３に供給されるようになっているが、塩基度調整剤を、廃棄物供給装置１、焼却灰供給装置４ａなどに供給するようにしてもよい。なお、塩基度調整剤を焼却炉３に供給することで、焼却炉３内での排ガスの乱流混合により、塩基度調整剤と焼却灰とが均一に混合される。

調整剤供給装置２１と制御部２２とで、溶融炉５に供給される焼却灰の塩基度および鉛濃度を調整するための調整装置２を構成する。ここで、調整装置２は、焼却灰の塩基度Ｘと、当該焼却灰を溶融後に水冷して得られるスラグ中の鉛濃度Ｙとが、下記の式（１）を満たすように、溶融炉５に供給される焼却灰の塩基度および鉛濃度を調整する装置である。
Ｙ≦６６．５Ｘ^−５ ・・・・・・・・・式（１）
Ｘ：焼却灰の塩基度（−）
Ｙ：スラグ中の鉛濃度（ｍｇ／ｋｇ）

操作員は、操業中に定期的に、焼却灰の鉛濃度、および焼却灰を溶融後に水冷（急冷）して得られるスラグ中の鉛濃度を測定し、その測定結果に基づいて、焼却灰からスラグへの鉛成分の移行率を把握する。この結果を制御部２２に入力することで、制御部２２は、オンライン型蛍光Ｘ線分析装置１１で測定された焼却灰の鉛濃度から、当該焼却灰を溶融後に水冷して得られるスラグ中の鉛濃度Ｙを逆算し、焼却灰の塩基度Ｘと、当該スラグ中の鉛濃度Ｙとが、上記の式（１）を満たすように調整剤供給装置２１を制御する。

なお、操作員による焼却灰の鉛濃度の測定は、オンライン型蛍光Ｘ線分析装置１１を用いることができる。スラグ中の鉛濃度の測定は、例えば、卓上型の蛍光Ｘ線分析装置を用いる。

ここで、制御部２２による上記制御において、焼却灰の塩基度Ｘの上限値、およびスラグ中の鉛濃度Ｙの上限値を、それぞれ、０．９、および３５００ｍｇ／ｋｇに設定してもよい。さらには、焼却灰の塩基度Ｘの上限値、およびスラグ中の鉛濃度Ｙの上限値を、それぞれ、０．６、および５００ｍｇ／ｋｇに設定するのも好適である。

すなわち、焼却灰の塩基度Ｘ≦０．９、スラグ中の鉛濃度Ｙ≦３５００ｍｇ／ｋｇの条件をさらに加えて調整剤供給装置２１を制御部２２により制御してもよい。焼却灰の塩基度Ｘ≦０．６、スラグ中の鉛濃度Ｙ≦５００ｍｇ／ｋｇの条件をさらに加えて調整剤供給装置２１を制御部２２により制御することはより好適である。

なお、本実施形態のように、制御部２２を用いて、焼却灰の塩基度および鉛濃度を自動調整する必要は必ずしもない。すなわち、制御部２２による上記した調整を、操作員が操業中に定期的に調整剤供給装置２１を手動調整することで実施してもよい。

（式（１）を採用する根拠）
スラグからの重金属の溶出を抑制するために焼却灰の塩基度を低くすることが良いのは、従来から知られている。塩基度を低くした焼却灰を溶融・水冷することで、固化したスラグ中のシリカ成分が増え、スラグ表面の耐水性が高まるからである。

ここで、本発明者らは、鉛を含有する焼却灰を溶融した後水冷（急冷）して得られるスラグからの鉛の溶出と、焼却灰の塩基度との関係を、実験および実設備（実機）を用いた試験により調査した。その結果を図２に示す。図２の横軸は焼却灰の塩基度（ＣａＯ／ＳｉＯ_２）であり、縦軸はスラグの鉛溶出抑制率である。

図２からわかるように、焼却灰の塩基度が低ければ低いほど、スラグからの鉛の溶出が抑制されることがわかる。しかしながら、塩基度が同じであっても、スラグからの鉛の溶出に大きなバラツキがある。すなわち、焼却灰の塩基度を単に低くするだけでは、スラグからの鉛の溶出を十分に抑制することができないことがわかる。

これを受けて本発明者らが鋭意検討した結果、焼却灰の塩基度Ｘと、この焼却灰を溶融後に水冷（急冷）して得られるスラグ中の鉛濃度Ｙとが、前記した式（１）を満たすように、焼却灰の塩基度および鉛濃度を調整し、調整後の焼却灰を溶融・水冷（急冷）してスラグとすることで、スラグからの鉛の溶出を十分に抑制することができることを見出した。本発明者らは、焼却灰の塩基度（ＣａＯ／ＳｉＯ_２）を横軸にとり、スラグ中の鉛濃度を縦軸にとり、環告１９号の基準値である１５０ｍｇ／ｋｇ（以下）を満足するか否かについて評価した結果をグラフにプロットした。その結果を図３に示す。

図３からわかるように、Ｙ＝６６．５Ｘ^−５という境界線で、環告１９号の基準値である１５０ｍｇ／ｋｇ（以下）を満足するか否かがほぼ分離される。したがい、焼却灰の塩基度Ｘと、この焼却灰を溶融後に水冷（急冷）して得られるスラグ中の鉛濃度Ｙとが、前記した式（１）を満たすように、焼却灰の塩基度および鉛濃度を調整し、調整後の焼却灰を溶融・水冷（急冷）してスラグとすることで、スラグからの鉛の溶出を十分に抑制することができる。このように、スラグからの鉛の溶出抑制に関して、焼却灰の塩基度だけでなく、スラグ中の鉛濃度も考慮することで、従来と同等のランニングコストでもって、従来よりも確実にスラグからの鉛の溶出を抑制することができる。

なお、より確実にスラグからの鉛の溶出を抑制するには、焼却灰の塩基度Ｘ≦０．６、スラグ中の鉛濃度Ｙ≦５００ｍｇ／ｋｇの条件とすることである。実設備において、焼却灰からスラグへの鉛成分の移行率を０．５とし、すなわち、焼却灰の塩基度Ｘ≦０．６、焼却灰の鉛濃度≦１０００ｍｇ／ｋｇの条件で試験することで、平成２２年度に生成された全てのスラグについて、環告１９号の基準値である１５０ｍｇ／ｋｇ（以下）を満足させることができている。なお、この実設備の溶融炉（旋回溶融炉）内の温度（焼却灰の溶融温度）は、1,400℃〜1,500℃である。この温度（焼却灰の溶融温度）は、溶融炉内上部温度、溶融炉内中部温度、および溶融炉内下部温度の平均温度を意味する。なお、具体的には、溶融炉内のスラグ分離部での温度が1,400℃以上となるように温度調整がなされている。

（廃棄物溶融設備の第２実施形態）
本発明に係る焼却灰の溶融方法は、第１実施形態の設備として示した廃棄物溶融設備１００だけでなく、以下に示す第２〜第４実施形態の構成の廃棄物溶融設備（１０１、１０２、１０３）にも当然、適用することができし、これら以外の構成の廃棄物溶融設備にも適用することができる。

図４に示す第２実施形態の廃棄物溶融設備１０１と第１実施形態の廃棄物溶融設備１００との相違点は、廃棄物溶融設備１０１において、焼却炉３と減温塔８との間にボイラ２７が配置されている点である。本実施形態のように、ボイラ２７、減温塔８、およびバグフィルタ９からの焼却灰を溶融炉５に送る構成としてもよい。

（廃棄物溶融設備の第３実施形態）
図５に示す第３実施形態の廃棄物溶融設備１０２と第１実施形態の廃棄物溶融設備１００との相違点は、廃棄物溶融設備１０２が焼却炉を備えていない点である。図示しない他設備の焼却炉で焼却されて発生した鉛を含有する焼却灰をホッパ３１に受け入れる設備構成とされている。

なお、発明に係る焼却灰の溶融方法は、循環流動層式の焼却炉を備える廃棄物溶融設備だけでなく、ガス化炉、気泡流動層式焼却炉、ストーカ炉、キルン炉など多くの形式の炉を備える廃棄物溶融設備に適用することができる。また、溶融炉に関しては、旋回式溶融炉だけでなく、プラズマ式溶融炉、バーナ式溶融炉、電気式溶融炉、アーク式溶融炉、シャフト式溶融炉など多くの形式の溶融炉に適用することができる。また、ガス化炉を備える廃棄物溶融設備に関しては、ガス化炉と溶融炉が分離した形式のものに限らず、ガス化炉と溶融炉が一体化した直接溶融炉にも本発明を適用することができる。

１：廃棄物供給装置
２：調整装置
３：焼却炉
４：サイクロン
５：溶融炉
６：水冷装置
７：二次燃焼室
８：減温塔
９：バグフィルタ
１０：煙突
２１：調整剤供給装置
２２：制御部
１００：廃棄物溶融設備

Claims (4)

1. 鉛を含有する廃棄物を焼却することで発生する焼却灰の溶融方法であって、
   前記焼却灰から、当該焼却灰を溶融後に水冷して得られるスラグへの鉛成分の移行率を把握することで、当該焼却灰の鉛濃度から当該スラグ中の鉛濃度を逆算できるようにしておいた上で、
   前記焼却灰の塩基度Ｘと、前記焼却灰を溶融後に水冷して得られるスラグ中の鉛濃度Ｙとが、下記の式（１）を満たすように、前記焼却灰の塩基度および鉛濃度を測定し、塩基度調整剤により前記焼却灰の塩基度および鉛濃度を調整し、調整後の前記焼却灰を溶融した後、水冷することを特徴とする、焼却灰の溶融方法。
   Ｙ≦６６．５Ｘ^−５ ・・・・・・・・・式（１）
   Ｘ：焼却灰の塩基度
   Ｙ：スラグ中の鉛濃度（ｍｇ／ｋｇ）
2. 請求項１に記載の焼却灰の溶融方法において、
   前記塩基度Ｘを０．９以下、前記スラグ中の鉛濃度Ｙを３５００ｍｇ／ｋｇ以下、となるように、前記焼却灰の塩基度および鉛濃度を測定し、塩基度調整剤により前記焼却灰の塩基度および鉛濃度を調整し、調整後の前記焼却灰を溶融した後、水冷することを特徴とする、焼却灰の溶融方法。
3. 鉛を含有する廃棄物の焼却溶融設備であって、
   前記廃棄物を焼却することで発生する焼却灰の塩基度および鉛濃度を測定する分析装置と、
   前記焼却灰から当該焼却灰を溶融後に水冷して得られるスラグへの鉛成分の移行率が入力されていることで、当該焼却灰の鉛濃度から当該スラグ中の鉛濃度を逆算できるようにされており、当該焼却灰の塩基度Ｘと当該スラグ中の鉛濃度Ｙとが、下記の式（１）を満たすように、前記分析装置からの出力信号に基づいて、塩基度調整剤により当該焼却灰の塩基度および鉛濃度を調整する調整装置と、
   前記調整後の焼却灰を溶融する溶融炉と、
   溶融した前記焼却灰を水冷する水冷装置と、
   を備えることを特徴とする、廃棄物溶融設備。
   Ｙ≦６６．５Ｘ^−５ ・・・・・・・・・式（１）
   Ｘ：焼却灰の塩基度
   Ｙ：スラグ中の鉛濃度（ｍｇ／ｋｇ）
4. 請求項３に記載の廃棄物溶融設備において、
   前記調整装置は、前記塩基度Ｘを０．９以下、前記スラグ中の鉛濃度Ｙを３５００ｍｇ／ｋｇ以下、となるように、前記分析装置からの出力信号に基づいて、塩基度調整剤により前記焼却灰の塩基度および鉛濃度を調整することを特徴とする、廃棄物溶融設備。

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