| 【発明の名称】 |
高温水素灰還元溶融方法および高温水素発生方法ならびに還元溶融装置 |
| 【発明者】 |
【氏名】中村 諭
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| 【要約】 |
【課題】焼却灰を低コストで有害ガスの発生なく処理する。
【解決手段】高温水素ガスを酸欠状態で焼却灰に接触させて、焼却灰中の酸化物を還元しつつ、焼却灰を溶融させ、有用金属を蒸留回収する。高温水素は、金属可燃物と酸素および水素を構成成分に含む燃焼材を酸欠状態で燃焼させることによって発生させることができる。 |
【特許請求の範囲】
【請求項１】 高温水素ガスを酸欠状態で焼却灰に接触させて、焼却灰中の酸化物を還元しつつ、焼却灰を溶融させることを特徴とする高温水素灰還元溶融方法【請求項２】 金属可燃物と酸素および水素を構成成分に含む燃焼材を酸欠状態で燃焼させて、高温の水素を発生させることを特徴とする高温水素発生方法【請求項３】 燃焼材が、Ａｌと、Ｈ２ＯまたはＮＨ４ＮＯ３の一方又は両方との混合物からなることを特徴とする請求項２記載の高温水素の発生方法【請求項４】 請求項２または３に記載の燃焼材を収容して燃焼させる略密閉構造の燃焼室に、該燃焼室に燃焼材を投入する燃焼材投入部と該燃焼材に着火する着火装置と、燃焼室で発生した高温水素を燃焼室外部に取り出す取出し部とが設けられており、該取出し部は、被溶融材を収容して溶融させる、略密閉構造の溶融室に連結されており、該溶融室には、被溶融材を投入する被溶融材投入部と、溶融物を排出する溶融物排出部と、還元溶融によって発生するガスを排出するガス排出部とが設けられていることを特徴とする還元溶融装置【請求項５】 ガス排出部に蒸留部が接続されていることを特徴とする請求項４記載の還元溶融装置 |
【発明の詳細な説明】【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、ゴミの焼却等によって発生する焼却灰を処理するための高温水素灰還元溶融方法およびこの方法等に提供する高温水素を得る高温水素発生方法ならびに焼却灰等を還元溶融させる還元溶融装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】従来、ゴミ焼却炉で発生する、金属の酸化物などを含む焼却灰の処理方法として溶融固化法が知られている。この溶融固化法には、主に重油による方式、電気抵抗加熱による方式、コークス方式などがあり、電気抵抗加熱による方法では、図３に示す装置が代表的に使用されている。この装置では、略密閉構造の溶融炉２０と通電に用いる電極２１とを有しており、前記電極２１や溶融炉壁にはカーボン質材を使用しており、炉内は還元雰囲気に保たれる。上記装置を用いた処理では、焼却灰２２を溶融炉２０内に収容し、初期には、これを予熱して溶融スラグ２３を生成する。電極２１とこの溶融スラグ２３との間に電気を流すと抵抗熱が発生し、次々と供給される焼却灰２２は溶融スラグ上に浮遊して緩やかに溶融スラグ２３中に溶け込むように下降する。溶融スラグ２３中では、灰中に含まれる空き缶等の金属が溶融し、比重差によって最下部へと沈降する。この溶融メタル２５は溶融炉２０の最下部から取り出される。一方、溶融スラグ２３も、溶融炉２０から徐々に取り出され、外部で溶融固化される。また、灰に含まれる揮発分や溶融によって発生する排ガスは、溶融炉２０外に取り出され、必要に応じて排ガス処理がなされる。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】しかし、上記した電気抵抗加熱による溶融固化方法では、処理に多大の電力を要し、処理コストが嵩むという問題がある。一方、重油やコークスを用いる方法では、処理コストは比較的低くできるものの、処理に際し、燃焼排ガスやダイオキシン等の有害ガスが発生しやすいという問題がある。さらに、これらの溶融固化方法では、各種金属が溶融メタル中に混在してしまうので分別が難しいという問題もある。本発明は、上記事情を背景としてなされたものであり、比較的低いコストで焼却灰の処理ができ、しかも有害ガスの発生が少ない方法を提供することを基本的な目的とし、さらには、回収金属の分別を容易にすることを目的とする。また、上記処理に使用可能な高温水素を容易かつ高濃度で得ることができる方法を提供することを目的とする。
【０００４】
【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため本発明の高温水素灰還元溶融方法は、高温水素ガスを酸欠状態で焼却灰に接触させて、焼却灰中の酸化物を還元しつつ、焼却灰を溶融させることを特徴とする。
【０００５】また本発明の高温水素発生方法のうち第１の発明は、金属可燃物と酸素および水素を構成成分に含む燃焼材を酸欠状態で燃焼させて、高温の水素を発生させることを特徴とする。第２の発明の高温水素発生方法は、第１の発明の高温水素発生方法において、燃焼材がＡｌとＨ２ＯまたはＮＨ４ＮＯ３の一方又は両方との混合物からなることを特徴とする。
【０００６】さらに本発明の還元溶融装置のうち第１の発明は、上記燃焼材を収容して燃焼させる略密閉構造の燃焼室に、該燃焼室に燃焼材を投入する燃焼材投入部と該燃焼材に着火する着火装置と、燃焼室で発生した高温水素を燃焼室外部に取り出す取出し部とが設けられており、該取出し部は、被溶融材を収容して溶融させる、略密閉構造の溶融室に連結されており、該溶融室には、被溶融材を投入する被溶融材投入部と、溶融物を排出する溶融物排出部と、還元溶融によって発生するガスを排出するガス排出部とが設けられていることを特徴とする。第２の発明の還元溶融装置は、上記発明の還元溶融装置において、ガス排出部に蒸留部が接続されていることを特徴とする。
【０００７】本発明の高温水素灰還元溶融方法では、高温の水素を用いる。焼却灰に接触させるこの水素は、焼却灰を溶融させるのに十分な高温とする必要があり、その好適な温度として５０００℃以上を提示することができる。高温水素は、本発明の高温水素発生方法で得るのが好適であるが、本発明の灰還元溶融方法では、水素の取得方法は特に限定されない。なお、溶融対象とする焼却灰は通常は家庭ゴミや産業ゴミの焼却によって発生するものであるが、本発明としては、焼却灰の成分や発生理由は特に限定されるものではない。ただし、金属や金属酸化物を含むものが好適である。
【０００８】なお、処理の際には、酸欠状態で高温水素を焼却灰に接触させる。酸欠状態とは、外部から積極的かつ継続的に酸素が供給される状態ではないことを意味しており、雰囲気中に酸素が存在しないことや、酸素量が極端に少ないことまで要求されるものではない。このような条件は、高温の水素が雰囲気中の酸素との反応によって消費され尽くし還元作用が失われるのを避けるためであり、水素が焼却灰中の物質と確実に反応するために酸欠状態が必要とされる。このときには、周囲から積極的かつ大量に酸素が供給されない環境とするために、例えば密閉された空間で上記接触を行うことが考えられる。なお、上記接触を、密閉空間から酸素を排除したり、極力少なくした雰囲気で行うことも可能である。
【０００９】本発明の灰還元溶融方法によれば、焼却灰を確実かつ低コストで溶融させることができる。処理雰囲気は還元雰囲気になり、余分な酸素がないので、排ガス温度が低くてもダイオキシンの発生が抑制される。また、ダイオキシン等の有害ガスが発生した場合にも、これを還元して無害化することができる。また処理では高温での還元作用があるため、焼却灰中に含まれる有用金属が酸化物等の化合物の形から還元され、一部は金属蒸気となる。この金属蒸気は、その蒸発温度に従って金属種毎に分別して回収することが可能になる。
【００１０】上記方法に用いられる高温の水素は、本発明の高温水素発生方法により確実かつ高濃度で得ることができる。この方法では、金属可燃材と酸素および水素を成分として含有する燃焼材が用いられる。この燃焼材には実質的に金属可燃材と酸化剤とからなり成分中に水素を含む、いわゆる含水爆薬と称される物質を使用でき、好適にはＡｌ−ＮＨ４ＮＯ３、Ａｌ−Ｈ２Ｏで示される燃焼材が例示される。これらは単独または両者を混合したものを用いることができる。本発明で使用される燃焼材には、上記するように金属可燃材が含まれており、該可燃材は通常、粉末として燃焼材中に混合されている。金属可燃材は、燃焼材の燃焼時にそれ自身が燃焼して高温の熱を発生するものであり、燃焼性の観点からＡｌが好適である。
【００１１】燃焼材には、上記可燃材を燃焼させるために酸素が必要であり、該酸素は酸化剤等の形で燃焼材に含有させる。また、燃焼材には、発生の目的とする水素を含有させる。水素は、可燃材や酸化剤の一成分として含有させても良く、また、こられらとは別の化合物として燃焼材に混合したものであってもよい。上記した燃焼材の組成の好適例として、ＮＨ４ＮＯ３３７〜４７重量％、Ａｌ２６〜４１重量％、水０〜２６重量％を示すことができ、さらに、混合性を高めるためにこれに界面活性剤１〜２重量％を加えたものであってもよい。
【００１２】上記燃焼材は、適宜の着火手段によって発火させて燃焼させるが、本発明としては着火手段の構成が限定されるものではない。なお、燃焼材の燃焼は、燃焼材中の酸素が主として消費され、周囲雰囲気からは継続的に酸素が供給されない酸欠状態により行われる。酸欠状態での燃焼とは、上記のように燃焼材中の酸素を主として消費する自燃燃焼を意味している。このときには、周囲雰囲気から積極的かつ継続的に酸素が供給されない環境とする。この環境を得るために、例えば密閉された空間で上記燃焼を行う。したがって、燃焼材中の酸素を主として消費するものであれば、周囲雰囲気にある限られた酸素を消費するものであってもよい。なお、上記燃焼を、上記密閉空間から酸素を排除した減圧雰囲気で行うことも可能である。
【００１３】上記燃焼材の燃焼では、金属可燃材が燃焼して高温エネルギを発生させる。例えばＡｌ−ＮＨ４ＮＯ３−Ｈ２Ｏスラリーを用いた場合には、２０００℃を越える燃焼温度が得られる。この燃焼によって金属可燃材は燃焼するものの、燃焼材に含まれている水素成分は、燃焼することなく高温（例えば５０００℃以上）の水素ガスが発生する。この高温水素ガスは純度が高く（例えば９０％程度）、例えば、上記した焼却灰の還元溶融に使用することができる。これにより、多くの種類の金属を蒸発させて分別を容易にする。
【００１４】ここで燃焼材としてＡｌ−ＮＨ４ＮＯ３を燃焼させると熱力学的に発生するＨ２ガス温度は５０００℃以上になる。この高温水素が酸欠状態で焼却灰と接触させると灰中の金属酸化物を還元し純金属にする。金属酸化物としてＡｌ２Ｏ３を考えると熱力学計算で４０００゜Ｋの水素ガスを吹き付けたとき、２モルのＡｌの約６８％が純Ａｌに還元される。これが５２７３゜Ｋだと９８％が純Ａｌに還元される。このように還元されたＡｌはさらに高温水素によって気化する。気化した金属は沸点以下になったところで液体に変わる。各燃焼材の反応熱、焼却灰に含まれる可能性のある成分の融点及び５０００℃での還元率、純金属の沸点を表１に示した。これから、本発明の方法によれば焼却灰に含まれる可能性のある各種の金属成分を効率的に回収可能であることが分かる。上記金属蒸気を得れば、金属毎に沸点が異なることを利用して、石油精製の様に蒸留により金属を分別回収することも可能になる。
【００１５】
【表１】
【００１６】なお、本発明の高温水素の発生方法は、上記焼却灰の処理に使用する場合だけでなく、高温の水素を利用可能な種々の用途に適用することができる。例えば、酸化金属を還元して再生するような用途に使用することができる。本発明の方法は、一例として高温水素発生装置で実現化することができる。この装置は、略密閉された反応容器と着火装置とを具備し、該反応容器に高温水素取出し口を設ける。また、反応容器には反応残渣取出し口を設けるのが望ましい。この装置で得られた高温水素を焼却灰の溶融に用いる場合には、略密閉された溶融容器に上記水素取出し口を連結し、該溶融容器には焼却灰投入口とガス排出口とを設け、さらに溶融容器に溶融物排出口を設ける。さらにガス排出口に蒸留部を連結すれば金属蒸気の分別がより容易になる。これら一群の構成により焼却灰還元溶融装置が構成される。
【００１７】なお、上記焼却灰還元溶融装置は、焼却灰以外の材料を還元溶融する目的でも使用することができる。すなわち本発明で規定される還元溶融装置は、代表的には焼却灰の処理を目的とするものであるが、その他の材料、例えば金属類の再生等の目的でも使用することができ、その対象とする被溶融材は、還元溶融を目的とするものであれば特に種別が限定されるものではない。
【００１８】
【発明の実施の形態】（実施形態１）以下に、本発明の一実施形態を説明する。燃焼室に相当する水素ガス発生筒１は横置きの円筒形状からなり、その上部に燃焼材投入部である燃料投入ホッパ２が設けられ、下部には反応残渣排出口３が設けられている。また、発生筒１内には、発生筒１外から操作する、着火装置である点火ヒューズ４が配置されている。さらに水素ガス発生筒１には、水素ガス取出し部５が設けられており、これら構成により高温水素発生装置が構成されている。また水素ガス取出し部５は、溶融室である焼却灰反応筒６に接続されている。この焼却灰反応筒６は、発生筒１と同様に横置きの円筒形状からなり、その上部に溶融材投入部である焼却灰投入ホッパ７が設けられ、下部に溶融物排出口８が設けられている。さらに焼却灰反応筒６には、ガス排出口９が設けられている。
【００１９】次に上記装置の動作について説明する。水素ガス発生筒１内には、燃料投入ホッパ２を通してＡｌ−ＮＨ４ＮＯ３−Ｈ２Ｏ等の燃焼材を投入する。一方、ゴミ焼却炉等で発生した所定量の焼却灰を焼却灰投入ホッパ７を通して焼却灰反応筒６に投入しておく。次いで、上記水素ガス発生筒１において点火ヒューズ４を操作して、発生筒１内の燃焼材を燃焼させる。発生筒１内は、略密閉された状態にあり、上記燃焼は酸欠状態でなされる。これにより燃焼材中の金属可燃材と酸素とが反応し、高温の反応熱が発生する。また、この反応によって燃焼材中の水素成分がガスになり、上記反応熱により高温の水素ガスとなる。反応により発生した酸化物や反応残渣は反応残渣排出口３を通して発生筒１外に排出され、高温の水素ガスは、水素ガス取出し部５を通して焼却灰反応筒６に導入される。
【００２０】焼却灰反応筒６内では、上記により導入された高温水素が焼却灰に接触し、これを溶融、還元する。この溶融によって溶融スラグが発生し、溶融物排出口８から焼却灰反応筒６外に排出される。なお、焼却灰に含まれる金属の蒸発温度が相当に高い場合は、溶融メタルとなって溶融スラグとともに溶融物排出口８から焼却灰反応筒６外に排出される。また、上記溶融、還元によって、比較的蒸発温度の低い金属は還元されて金属蒸気となり、ガス排出口９から排出される。また、水素ガスと焼却灰との接触によって発生する排ガスも同様にガス排出口９から排出される。なお、焼却反応筒６内では、高温の還元反応が生じており、僅かな酸素も殆どが水素で捕捉されて水になるので、ダイオキシン等の発生はなく、また排ガス中の成分も還元されて無害化され、排ガス中への有害物の混入が防止される。排ガス中の金属蒸気や、溶融物中の溶融メタルは、回収して有効利用することもできる。図２は、ガス排出口に蒸留筒１０に接続したものである。このガス蒸留筒１０内では、金属蒸気を回収して、各金属の蒸発温度に従って、種別の異なる金属を分別して液化させることができる。
【００２１】
【発明の効果】以上のように、本発明の高温水素灰還元溶融方法によれば、高温水素ガスを酸欠状態で焼却灰に接触させて、焼却灰中の酸化物を還元しつつ、焼却灰を溶融させるので、有毒ガスの発生もなく低コストで灰を溶融化できる。また、焼却灰中の金属成分を還元して蒸気化することにより、容易に金属種毎に分別して回収することができる。
【００２２】また、金属可燃物と酸素および水素を構成成分に含む燃焼材を酸欠状態で燃焼させて、高温の水素を発生させれば、高温の水素ガスを高濃度で容易に製造することができる。
【００２３】また、本発明の還元溶融装置によれば、上記燃焼材を収容して燃焼させる略密閉構造の燃焼室に、該燃焼室に燃焼材を投入する燃焼材投入部と該燃焼材に着火する着火装置と、燃焼室で発生した高温水素を燃焼室外部に取り出す取出し部とを設け、該取出し部に、被溶融材を収容して溶融させる、略密閉構造の溶融室を連結し、該溶融室には、被溶融材を投入する被溶融材投入部と、溶融物を排出する溶融物排出部と、還元溶融によって発生するガスを排出するガス排出部とが設けるので、被溶融材を低コストで還元溶融させることができ、その処理に際し有毒ガス等が発生するのを極力避けることができる。また、被溶融材中に有用金属を含む場合には、これを気化させて容易に分別回収することが可能になる。
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| 【出願人】 |
【識別番号】０００００４２１５
【氏名又は名称】株式会社日本製鋼所
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| 【出願日】 |
平成１１年６月２９日（１９９９．６．２９） |
| 【代理人】 |
【識別番号】１０００９１９２６
【弁理士】
【氏名又は名称】横井 幸喜
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| 【公開番号】 |
特開２００１−１２７１９（Ｐ２００１−１２７１９Ａ） |
| 【公開日】 |
平成１３年１月１９日（２００１．１．１９） |
| 【出願番号】 |
特願平１１−１８３１７３ |
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