JP5774869B2

JP5774869B2 - 焼却灰の処理方法と処理設備

Info

Publication number: JP5774869B2
Application number: JP2011036283A
Authority: JP
Inventors: 健志石倉; 省二郎大隅; 洋前田; 岳藤井
Original assignee: Osaka Gas Co Ltd
Current assignee: Osaka Gas Co Ltd
Priority date: 2011-02-22
Filing date: 2011-02-22
Publication date: 2015-09-09
Anticipated expiration: 2031-02-22
Also published as: JP2012170907A

Description

本発明は、廃棄物焼却炉からの焼却灰と炭酸ガスを含有する排ガスとを効率よく反応させる装置（以下「反応装置」という）で反応させて焼却灰を処理する焼却灰の処理方法と、その処理方法を実施するための焼却灰の処理設備に関する。

都市ゴミなどを焼却する廃棄物焼却炉から排出される焼却灰を有効に利用するため、焼却灰に含まれる鉛などの重金属を不溶化して無害な状態にする方法として、焼却灰と炭酸ガスを含有する排ガスとを反応装置で反応させて無害化するエージング処理が知られている。
従来、このようなエージング処理を実施するに際し、廃棄物焼却炉から排出される排ガスを反応装置に供給し、その廃棄物焼却炉からの排ガスに含まれる炭酸ガスと焼却灰とを反応装置で反応させて、焼却灰に含まれる鉛などの重金属を無害化する焼却灰の処理方法と、その処理方法を実施するための処理設備が提案されている（例えば、特許文献１および２参照）。

特開２００３−１２６８０７号公報特開２００６−２８１１５０号公報

ところが、上記特許文献に記載の方法および設備では、炭酸ガスを含有する排ガスとして、廃棄物焼却炉から排出される排ガスを使用するため、常に安定したエージング処理を実行するのがむずかしいという問題があった。
すなわち、廃棄物焼却炉は、例えば、都市ゴミなどを焼却するためのものであり、その都市ゴミ中に生ゴミが多量に含まれていると、水分量が多くなって、単位重量当りの熱エネルギーが低下し、また、廃プラスチックなどが多量に含まれていると、逆に、単位重量当りの熱エネルギーが上昇し、その結果、排ガスの温度が大きく変動して安定したエージング処理を行うことが困難となる。
さらに、このようなゴミ質による排ガス温度の変動に加えて、排ガス中に含まれる酸素濃度や炭酸ガス濃度もゴミ質により大きく変動し、そのためにエージング処理が安定せず、焼却灰に含まれる重金属を安定して無害化することができないという問題があった。

本発明は、このような従来の問題点に着目するとともに、廃棄物焼却炉から排出される焼却灰には、鉛の他にクロムが含まれている場合もある点に着目したもので、その目的は、焼却灰に含まれる重金属のうち、例えば、鉛と六価クロムを同時に簡易な設備で安定して無害化することのできる焼却灰の処理方法と処理設備を提供することにある。

上記の目的を達成するため、本願発明による廃棄物焼却炉からの焼却灰と炭酸ガスを含有する排ガスとを反応装置で反応させて焼却灰を処理する焼却灰の処理方法の特徴構成は、
炭化水素を燃料として運転されるガスエンジンからの３４０℃〜５００℃の範囲のエンジン排ガスを前記反応装置に供給し、そのエンジン排ガス中の炭酸ガスと前記焼却灰とを所定の処理時間反応させて、前記焼却灰に含まれる鉛と六価クロムを無害化するところにある。

すなわち、炭酸ガスを含有する排ガスとして、従来の廃棄物焼却炉からの排ガスに代えて、炭化水素を燃料とするガスエンジンからのエンジン排ガスを使用するので、例えば、工場に熱と電力を供給するコジェネレーション設備に備えられるガスエンジンからのエンジン排ガスを使用することができる。
そして、そのガスエンジンからのエンジン排ガスの温度は、後述するデータから明らかなように、ほぼ３４０℃〜５００℃の範囲内におさまり、エンジン排ガス中には、ほぼ８．８〜１１．８体積％の酸素と５．２〜６．７体積％の炭酸ガスが含まれるリーンバーン状態と、酸素が含まれておらず、９．０〜１１．０体積％の炭酸ガスが含まれるストイキ状態の場合があり、廃棄物焼却炉からの排ガスに比べて、排ガスの温度、酸素濃度、炭酸ガス濃度の全てにおいて、その変動範囲が遥かに小さくなる。

そのエンジン排ガスの性状を踏まえた上で、本発明者らが種々の実験を行った結果、後述する実験結果から明らかなように、炭化水素を燃料として運転されるガスエンジンからの３４０℃〜５００℃の範囲のエンジン排ガスを使用し、そのエンジン排ガス中の炭酸ガスと焼却灰とを所定の処理時間反応させてエージング処理することにより、焼却灰に含まれる鉛や六価クロムを無害化することが可能であることを知見するに至った。
したがって、例えば、コジェネレーション設備に備えられるガスエンジンからのエンジン排ガスを有効に利用して、焼却灰に含まれる鉛や六価クロムを簡易な設備で安定して無害化することが可能となる。

上記の特徴構成を備えた焼却灰の処理方法において、前記ガスエンジンからの排ガスが、リーンバーン状態で運転される３４０℃〜４９０℃の範囲のエンジン排ガスであることが好ましい。
このようにリーンバーン状態で運転される３４０℃〜４９０℃の範囲のエンジン排ガスを使用することにより、後の実験結果から明らかなように、少なくとも六価クロムについては、その溶出濃度を土壌環境基準値以下に抑えることができ、その結果、燃費抑制を図りながら、高い効率での定格運転が可能なリーンバーン状態での運転によるガスエンジンからのエンジン排ガスを利用して、焼却灰に含まれる六価クロムを無害化することができる。

さらに、上記の特徴構成を備えた焼却灰の処理方法において、前記ガスエンジンからの排ガスが、ストイキ状態で運転される３５０℃〜５００℃の範囲のエンジン排ガスであることが好ましい。
このようにストイキ状態で運転される３５０℃〜５００℃の範囲のエンジン排ガスを使用することにより、後の実験結果から明らかなように、鉛と六価クロムの両方につき、その溶出濃度を土壌環境基準値以下に抑えることが可能となる。

以上の説明では、本願発明に係る焼却灰の処理方法について説明したが、本願発明に係る焼却灰の処理設備は、以下の構成とすることで、本願発明の目的を達成できる。
すなわち、廃棄物焼却炉からの焼却灰と炭酸ガスを含有する排ガスとを反応装置で反応させて焼却灰を処理する焼却灰の処理設備を構成するに、
これまで説明してきたガスエンジンを備え、そのガスエンジンからのエンジン排ガスを鉛と六価クロムを含む焼却灰が導入される反応装置に供給するガス供給路を備えさせることで、簡易な処理設備によって、焼却灰に含まれる鉛や六価クロムを安定して無害化することができる。

焼却灰の処理設備の概略図実験に使用した装置の概略図廃棄物焼却炉とガスエンジンからの排ガスの組成変動値を示す図実験によるリーンバーン運転時の鉛の溶出量を示すグラフ図実験によるリーンバーン運転時のクロム（六価クロム）の溶出量を示すグラフ図実験によるストイキ運転時の鉛の溶出量を示すグラフ図実験によるストイキ運転時のクロム（六価クロム）の溶出量を示すグラフ図

本発明による焼却灰の処理方法と処理設備の実施形態を図面に基づいて説明する。
本発明による焼却灰の処理設備は、図１に示すように、都市ゴミなどの廃棄物を焼却する廃棄物焼却炉１と、廃棄物焼却炉１から排出される焼却灰、つまり、鉛や六価クロムを含む焼却灰と炭酸ガスを含有する排ガスとを反応させて焼却灰を処理する反応装置２と、廃棄物焼却炉１の立上げ運転時の発電や非常時の発電のために炭化水素を燃料としてリーンバーン状態で運転され、また、炭化水素を燃料としてストイキ状態でも運転されるガスエンジン３を備え、そのガスエンジン３から排出される３４０℃〜５００℃の範囲のエンジン排ガスを反応装置２に供給するガス供給路４などを備えて構成されている。

ガスエンジン３は、例えば、別途需要のある熱と電力を並行して供給することのできるコジェネレーション設備の一角を担うもので、理論空気比よりも薄い混合気（空気比１．６〜２．１程度）で運転することにより、リーンバーン状態となって燃費効率の高い状態で運転され、また、実質的に理論空気比（空気比０．９５〜１．０５程度）による混合気で運転することにより、ストイキ状態となって運転され、コジェネレーション設備で発生される熱や電力は、その設備が設置されている工場などで使用される。
そして、廃棄物焼却炉１から排出される焼却灰は、矢印で示すように、反応装置２に導入され、リーンバーン状態またはストイキ状態で運転されるガスエンジン３からのエンジン排ガスが、ガス供給路４を介して反応装置２に供給され、焼却灰に含まれる鉛や六価クロムが、エンジン排ガスに含有される炭酸ガスと所定の処理時間反応してエージング処理され、無害化された後に無害化灰として取り出される。

反応装置２におけるエージング処理後の排ガスは、排ガス放出路５を介して大気へ放出され、反応装置２がエンジン排ガスを必要としないときには、ガスエンジン３からのエンジン排ガスは、エンジン排ガス放出路６を介して大気へ放出される。
そのため、ガス供給路４とエンジン排ガス放出路６との接続箇所には切換えダンパ７が設けられるとともに、その切換えダンパ７を切換え制御する制御装置８が設けられ、ガスエンジン３からのエンジン排ガスが、ガス供給路４を介して反応装置２に供給される状態と、エンジン排ガス放出路６を介して大気へ放出される状態とに切換え操作可能に構成されている。

つぎに、本発明者らは、炭化水素を燃料としてリーンバーン状態またはストイキ状態で運転されるガスエンジンから排出されるエンジン排ガスの性状（組成変動値）を長期にわたって調べ、廃棄物焼却炉の出口から排出される排ガスの性状と比較したので、その結果を図３に示す。
図３に示すガスエンジンＡ、Ｂ、Ｃはリーンバーン状態で、また、ガスエンジンＤはストイキ状態で、それぞれ現実に稼動している４基のガスエンジンであり、それら４基のガスエンジンについて、ほぼ１年〜２年にわたって調べた結果である。
この図３を参照して、廃棄物焼却炉からの排ガスが、その酸素濃度（体積％）、炭酸ガス濃度（体積％）、および、排ガス温度（℃）の全てについて変動が比較的大きいのに対し、リーンバーン状態またはストイキ状態で運転されるガスエンジンからのエンジン排ガスは、Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄの４基とも、その変動が比較的小さく、非常に安定しており、ここで、ストイキ状態で運転されるガスエンジンＤにおいても、廃棄物焼却炉の場合と比較して、酸素濃度、炭酸ガス濃度、および、排ガス温度の変動幅が小さい。

また、本発明者らは、鉛と六価クロムを含む焼却灰とガスエンジンからのエンジン排ガスとの反応状況を確認するための実験を行ったので、その実験結果について説明する。
実験に使用した装置は、図２に示すように、炭化水素を燃料としてリーンバーン状態またはストイキ状態で運転されるガスエンジンからのエンジン排ガスを供給するガスボンベ１０、流量計１１、温水中でバブリングさせて実際のエンジン排ガスと同程度の含水蒸気量にするための温水槽１２、温水槽１２からのエンジン排ガスを予熱するためのガス加熱部１３を図示のように接続し、ガス加熱部１３からのエンジン排ガスを反応装置（エージング炉）２に供給するように構成したもので、反応装置２内において、撹拌機により３０ｒｐｍで撹拌しながら焼却灰とエンジン排ガスを反応させた。

鉛の溶出に関しては、反応装置２内に０．１ｍｇ／Ｌ（初期値）の鉛を含む焼却灰２００ｇを投入し、リーンバーン状態では、酸素１０％、炭酸ガス５％を含むエンジン排ガスを、また、ストイキ状態では、酸素０％、炭酸ガス１０％を含むエンジン排ガスを、それぞれガスボンベ１０から１１Ｌ／分の流量で３０分、６０分間流した。
そして、そのエンジン排ガスの温度をガス加熱部１３により、リーンバーン状態では３００℃〜５００℃の範囲内で、ストイキ状態では３５０℃〜５００℃の範囲内で、それぞれ５０℃ずつ変化させながらエージング処理を行い、処理後の焼却灰について、環境庁告示４６号溶出試験に基づいて鉛の溶出量を測定した。

そのリーンバーン状態での結果が、図４であり、この実験結果から、リーンバーン状態での鉛の溶出量については、３０分間エージング処理を行う場合（図中点線で示す）、排ガス温度が４１０℃以上であれば、土壌環境基準値の０．０１ｍｇ／Ｌ以下に抑えることが可能であり、６０分間エージング処理を行う場合（図中実線で示す）には、３４０℃以上で土壌環境基準値以下に抑えることが可能であることが解る。
また、ストイキ状態での結果が、図６（エージング処理時間が３０分の場合と６０分の場合でほとんど重なっているため、１本の実線で示してある）であり、この実験結果から、ストイキ状態では、エージング処理時間の如何にかかわらず、つまり、３０分間であっても６０分間であっても、排ガス温度が３５０℃〜５００℃の範囲内であれば、土壌環境基準値以下に抑えることが可能であることが解る。

クロムの溶出に関しては、エージング装置２内に０．０４ｍｇ／Ｌ（初期値）の鉛を含む焼却灰２００ｇを投入し、リーンバーン状態では、酸素１０％、炭酸ガス５％を含むエンジン排ガスを、また、ストイキ状態では、酸素０％、炭酸ガス１０％を含むエンジン排ガスを、それぞれガスボンベ１０から１１Ｌ／分の流量で３０分、６０分間流し、鉛の場合と同様に、エンジン排ガスの温度をリーンバーン状態では３００℃〜５００℃の範囲内で、ストイキ状態では３５０℃〜５００℃の範囲内で、それぞれ５０℃ずつ変化させてエージング処理を行い、処理後の焼却灰について、環境庁告示４６号溶出試験に基づいて六価クロムの溶出量を測定した。

そのリーンバーン状態での結果が、図５であり、リーンバーン状態での六価クロムの溶出量については、３０分間エージング処理を行う場合（図中点線で示す）、排ガス温度が３００℃〜５００℃の全範囲において、土壌環境基準値の０．０５ｍｇ／Ｌ以下に抑えることが可能であり、６０分間エージング処理を行う場合（図中実線で示す）には、４９０℃以下で土壌環境基準値以下に抑えることが可能であることが解る。
また、ストイキ状態での結果が、図７（エージング処理時間が３０分の場合と６０分の場合でほとんど重なっているため、１本の実線で示してある）であり、この実験結果から、ストイキ状態では、鉛の場合と同様に、エージング処理時間が３０分間であっても６０分間であっても、排ガス温度が３５０℃〜５００℃の範囲内であれば、土壌環境基準値以下に抑えることが可能であることが解る。

以上の結果から、リーンバーン状態でのエンジン排ガスを使用する場合、鉛については、６０分間エージング処理を行うことにより、３４０℃以上の排ガス温度で、その溶出量を土壌環境基準値以下に抑えることが可能であり、六価クロムについては、６０分間エージング処理を行う場合にも、排ガス温度が４９０℃以下で、その溶出量を土壌環境基準値以下に抑えることが可能であることが判明した。
したがって、炭化水素を燃料としてリーンバーン状態で運転されるガスエンジンからの３４０℃〜４９０℃の範囲のエンジン排ガスを反応装置に供給し、そのエンジン排ガス中の炭酸ガスと焼却灰とを所定時間反応させることにより、焼却灰に含まれる鉛と六価クロムのいずれか一方または両方を無害化することが可能となる。

また、ストイキ状態でのエンジン排ガスを使用する場合、鉛と六価クロムの両方について、６０分間または３０分間エージング処理を行うことにより、つまり、エージングの処理時間の如何にかかわらず、３５０℃〜５００℃の範囲の排ガス温度で、その溶出量を土壌環境基準値以下に抑えることが可能であることが判明した。
したがって、炭化水素を燃料としてリーンバーン状態またはストイキ状態で運転されるガスエンジンからの３５０℃〜４９０℃の範囲のエンジン排ガスを反応装置に供給し、そのエンジン排ガス中の炭酸ガスと焼却灰とを６０分間反応させれば、焼却灰に含まれる鉛と六価クロムの両方を無害化することが可能となる。

〔別実施形態〕
（１）エンジン排ガス中の炭酸ガスと焼却灰との反応時間は、先に示した３０分または６０分に限るものではなく、例えば、焼却灰に鉛のみ含まれる場合や六価クロムのみ含まれる場合など、処理対象となる焼却灰に応じて適宜設定することができる。
（２）ガスエンジンに関しては、先に示した廃棄物焼却炉の立ち上げ時の発電や、非常時の発電に使用するものに限らず、常用する各種の設備におけるガスエンジンを使用することもできる。

１廃棄物焼却炉
２反応装置
３ガスエンジン
４ガス供給路

Claims

廃棄物焼却炉からの焼却灰と炭酸ガスを含有する排ガスとを反応装置で反応させて焼却灰を処理する焼却灰の処理方法であって、
炭化水素を燃料として運転されるガスエンジンからの３４０℃〜５００℃の範囲のエンジン排ガスを前記反応装置に供給し、そのエンジン排ガス中の炭酸ガスと前記焼却灰とを所定の処理時間反応させて、前記焼却灰に含まれる鉛と六価クロムを無害化する焼却灰の処理方法。
前記ガスエンジンからの排ガスが、リーンバーン状態で運転される３４０℃〜４９０℃の範囲のエンジン排ガスである請求項１に記載の焼却灰の処理方法。
前記ガスエンジンからの排ガスが、ストイキ状態で運転される３５０℃〜５００℃の範囲のエンジン排ガスである請求項１に記載の焼却灰の処理方法。
請求項１〜３のいずれか１項に記載の処理方法を実施するための焼却灰の処理設備であって、
炭化水素を燃料として運転されるガスエンジンを備え、そのガスエンジンからのエンジン排ガスを鉛と六価クロムを含む焼却灰が導入される反応装置に供給するガス供給路を備えている焼却灰の処理設備。