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【発明の名称】 製紙汚泥廃棄物からの炭酸カルシウムの回収方法及び装置
【発明者】 【氏名】上田 友樹

【氏名】熊谷 忍

【氏名】大槻 秀太

【氏名】潮田 高明

【要約】 【課題】製紙汚泥廃棄物を炭化する工程、及び炭化物中の炭素を燃焼させる脱炭素工程を備える炭酸カルシウムの回収方法において、得られる焼成品の白色度を高く、且つ炭酸カルシウムの分解度を低くすることができる炭酸カルシウムの回収方法を提供する。

【解決手段】本発明は、製紙工程で発生する製紙汚泥廃棄物を貧酸素雰囲気で炭化する工程3と、炭化物中の炭素成分を雰囲気ガス温度が650℃以上で燃焼させる脱炭素工程4とを備える。脱炭素工程4において、炭化物の雰囲気ガス中の二酸化炭素の分圧が5〜30%の範囲になるように制御することで、白色度を上げようとして雰囲気ガスの温度を上げても、得られる炭酸カルシウムの分解度を抑制することができる。
【特許請求の範囲】
【請求項1】
製紙工程で発生する製紙汚泥廃棄物を貧酸素雰囲気で炭化する工程と、
炭化物中の炭素成分を雰囲気ガス温度が650℃以上で燃焼させる脱炭素工程と、を備え、
前記脱炭素工程において、炭化物の雰囲気ガス中の二酸化炭素の分圧が5〜30%の範囲になるように制御する製紙汚泥廃棄物からの炭酸カルシウムの回収方法。
【請求項2】
前記炭化する工程において、製紙汚泥廃棄物の雰囲気ガス中の二酸化炭素の分圧が5〜30%の範囲になるように制御することを特徴とする請求項1に記載の製紙汚泥廃棄物からの炭酸カルシウムの回収方法。
【請求項3】
前記脱炭素工程で使用した排気ガスの一部を取り込み、再度脱炭素工程に循環させることを特徴とする請求項1又は2に記載の製紙汚泥廃棄物からの炭酸カルシウムの回収方法。
【請求項4】
前記脱炭素工程では、前記炭素成分を燃焼させる焼成装置に、燃焼用プロセス空気を吹き込むと共に二酸化炭素供給装置により二酸化炭素を吹き込むことを特徴とする請求項1ないし3のいずれかに記載の製紙汚泥廃棄物からの炭酸カルシウムの回収方法。
【請求項5】
前記炭素成分を燃焼させる焼成装置から排気される排気ガスの一部を、前記製紙汚泥廃棄物を貧酸素雰囲気で炭化する炭化装置に取り込むことを特徴とする請求項に記載の製紙汚泥廃棄物からの炭酸カルシウムの回収方法。
【請求項6】
前記脱炭素工程は、前記炭化する工程後の炭化物中の炭素成分を燃焼させる一次焼成工程と、前記一次焼成工程後の炭化物中の炭素成分を燃焼させる二次焼成工程とを有し、
前記一次焼成工程における炭化物の雰囲気ガス温度が、前記二次焼成工程における炭化物の雰囲気ガス温度よりも低いことを特徴とする請求項1ないしいずれかに記載の製紙汚泥廃棄物からの炭酸カルシウムの回収方法。
【請求項7】
前記炭化する工程では、雰囲気ガスの酸素濃度が8%以下の貧酸素雰囲気下で処理温度400℃から700℃の範囲内で炭化することを特徴とする請求項1ないし6いずれかに記載の製紙汚泥廃棄物からの炭酸カルシウムの回収方法。
【請求項8】
製紙工程で発生する製紙汚泥廃棄物を貧酸素雰囲気で炭化する炭化装置と、
燃焼用プロセス空気が吹き込まれ、炭化物中の炭素成分を雰囲気ガス温度が650℃以上燃焼させる焼成装置と、
前記焼成装置から排気される排気ガスの一部を前記焼成装置に循環する循環装置と、を備え
前記焼成装置における炭化物の雰囲気ガス中の二酸化炭素の分圧が5〜30%の範囲になるように制御する製紙汚泥廃棄物からの炭酸カルシウムの回収装置。
【請求項9】
製紙工程で発生する製紙汚泥廃棄物を貧酸素雰囲気で炭化する炭化装置と、
燃焼用プロセス空気が吹き込まれ、炭化物中の炭素成分を雰囲気ガス温度が650℃以上燃焼させる焼成装置と、
前記焼成装置に二酸化炭素を吹き込む二酸化炭素供給装置と、を備え
前記焼成装置における炭化物の雰囲気ガス中の二酸化炭素の分圧が5〜30%の範囲になるように制御する製紙汚泥廃棄物からの炭酸カルシウムの回収装置。
【発明の詳細な説明】【技術分野】
【0001】
本発明は、製紙工程にて排出される製紙汚泥廃棄物から炭酸カルシウムを回収する方法及び装置に関する。
【背景技術】
【0002】
製紙産業においては、主として古紙を原料とする製紙工程で製紙汚泥廃棄物が発生する。この製紙汚泥廃棄物には、繊維材料、接着剤、印刷インキ等の有機物と、炭酸カルシウム、カオリン、メタカオリン等の白色の無機材料が含まれる。製紙汚泥廃棄物から白色の無機材料を回収できれば、内添用填料、塗工用顔料として再利用することができる。
【0003】
従来の無機材料の回収方法として、製紙汚泥廃棄物中の含有有機物を燃焼させた上で含有無機材料を回収する技術が知られている(特許文献1参照)。この技術では、回収した無機材料の80%以上の白色度を得るために、含有有機物の燃焼雰囲気温度を600〜800℃の範囲に維持する。これにより、存在する炭酸カルシウムが50質量%を超える分解をすることなく、白色度に影響を与える黒色の微粒炭素物を燃焼させる。
【0004】
【特許文献1】特開平10−29818号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
しかしながら、本発明者らの実験によれば、特許文献1に記載の方法では炭酸カルシウムがハイレベルで分解し、分解した酸化カルシウムが他のアルミナ、シリカ等の灰分と結合することで、製紙用原料として不適合な研磨性、磨耗性の高い無機材料が生成されてしまう。このため、製紙用塗工材、充填材として利用できる品質の無機材料を得ることができなかった。
【0006】
従来技術においては、高白色度の焼成品を得ようとして有機物中の黒色の炭化物を燃焼させると、炭酸カルシウムの分解度が高くなってしまう。逆に炭酸カルシウムの分解度を抑えると、焼成品の白色度の低下を余儀なくされてしまう。
【0007】
本発明は、製紙汚泥廃棄物を炭化する工程、及び炭化物中の炭素を燃焼させる脱炭素工程を備える炭酸カルシウムの回収方法において、得られる焼成品の白色度を高く、且つ炭酸カルシウムの分解度を低くすることができる炭酸カルシウムの回収方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0008】
本発明者は、脱炭素工程において、炭素成分を燃焼させる際に積極的に二酸化炭素を吹き込むことにとって、炭酸カルシウム(CaCO)が酸化カルシウム(CaO)に分解するのを抑制した。
【0009】
請求項1に記載の発明は、製紙工程で発生する製紙汚泥廃棄物を貧酸素雰囲気で炭化する工程と、炭化物中の炭素成分を雰囲気ガス温度が650℃以上で燃焼させる脱炭素工程と、を備え、前記脱炭素工程において、炭化物の雰囲気ガス中の二酸化炭素の分圧が5〜30%の範囲になるように制御する製紙汚泥廃棄物からの炭酸カルシウムの回収方法により、上述した課題を解決する。
【0010】
本発明によれば、雰囲気ガス中の二酸化炭素の分圧を制御することで、白色度を上げようとして雰囲気ガスの温度を上げても、得られる炭酸カルシウムの分解度を抑制することができる。
【0011】
請求項2に記載の発明は、請求項1に記載の製紙汚泥廃棄物からの炭酸カルシウムの回収方法において、前記炭化する工程において、製紙汚泥廃棄物の雰囲気ガス中の二酸化炭素の分圧が5〜30%の範囲になるように制御することを特徴とする。
【0012】
このようにすることにより、炭化する工程においても炭酸カルシウムの分解を抑制することができる。
【0013】
請求項3に記載の発明は、請求項1又は2に記載の製紙汚泥廃棄物からの炭酸カルシウムの回収方法において、前記脱炭素工程で使用した排気ガスの一部を取り込み、再度脱炭素工程に循環させることを特徴とする。
【0014】
炭化物の炭素成分を燃焼させると、二酸化炭素が生じる。この二酸化炭素を循環することで、雰囲気ガス中の二酸化炭素の分圧を高めることができる。
【0015】
請求項4に記載の発明は、請求項1ないし3のいずれかに記載の製紙汚泥廃棄物からの炭酸カルシウムの回収方法において、前記脱炭素工程では、前記炭素成分を燃焼させる焼成装置に、燃焼用プロセス空気を吹き込むと共に二酸化炭素供給装置により二酸化炭素を吹き込むことを特徴とする。
【0016】
この発明によれば、脱炭素工程において、雰囲気ガス中の二酸化炭素の分圧を高めることができる。
【0017】
請求項5に記載の発明は、請求項2に記載の製紙汚泥廃棄物からの炭酸カルシウムの回収方法において、前記炭素成分を燃焼させる焼成装置から排気される排気ガスの一部を、前記製紙汚泥廃棄物を貧酸素雰囲気で炭化する炭化装置に取り込むことを特徴とする。
【0018】
炭化装置では、貧酸素雰囲気で炭化するので、自身で二酸化炭素の分圧を高めることは難しい。この発明によれば、炭化装置の二酸化炭素の分圧を容易に高めることができる。
【0019】
請求項6に記載の発明は、請求項1ないし5のいずれかに記載の製紙汚泥廃棄物からの炭酸カルシウムの回収方法において、前記脱炭素工程は、前記炭化する工程後の炭化物中の炭素成分を燃焼させる一次焼成工程と、前記一次焼成工程後の炭化物中の炭素成分を燃焼させる二次焼成工程とを有し、前記一次焼成工程における炭化物の雰囲気ガス温度が、前記二次焼成工程における炭化物の雰囲気ガス温度よりも低いことを特徴とする。
【0020】
脱炭素工程において、急激な加熱は無機材料周囲の溶融・焼結を進行させるおそれがある。脱炭素工程を一次焼成工程と二次焼成工程との2段階で構成し、2段階以上の温度帯で炭素成分を燃焼させることで、無機材料の急激な加熱を抑制することができる。
【0021】
請求項7に記載の発明は、請求項1ないし6のいずれかに記載の製紙汚泥廃棄物からの炭酸カルシウムの回収方法において、前記炭化する工程では、雰囲気ガスの酸素濃度が8%以下の貧酸素雰囲気下で処理温度400℃から700℃の範囲内で炭化することを特徴とする。
【0022】
請求項8に記載の発明は、製紙工程で発生する製紙汚泥廃棄物を貧酸素雰囲気で炭化する炭化装置と、燃焼用プロセス空気が吹き込まれ、炭化物中の炭素成分を雰囲気ガス温度が650℃以上で燃焼させる焼成装置と、前記焼成装置から排気される排気ガスの一部を前記焼成装置に循環する循環装置と、を備え、前記焼成装置における炭化物の雰囲気ガス中の二酸化炭素の分圧が5〜30%の範囲になるように制御する製紙汚泥廃棄物からの炭酸カルシウムの回収装置である。
【0023】
請求項9に記載の発明は、製紙工程で発生する製紙汚泥廃棄物を貧酸素雰囲気で炭化する炭化装置と、燃焼用プロセス空気が吹き込まれ、炭化物中の炭素成分を雰囲気ガス温度が650℃以上で燃焼させる焼成装置と、前記焼成装置に二酸化炭素を吹き込む二酸化炭素供給装置と、を備え、前記焼成装置における炭化物の雰囲気ガス中の二酸化炭素の分圧が5〜30%の範囲になるように制御する製紙汚泥廃棄物からの炭酸カルシウムの回収装置である。
【発明の効果】
【0024】
脱炭素工程時間の短縮による生産性の改善と設備費の低廉化を図るべく、焼成温度を比較的高めに設定しても、二酸化炭素の分圧を制御することで、従来技術では得られなかった分解度50%近傍の焼成品(炭酸カルシウム)を容易に且つ安定して得られる。
【発明を実施するための最良の形態】
【0025】
本発明の炭酸カルシウムの回収方法の一実施形態を説明する。図1は本発明の炭酸カルシウムの回収方法の工程図である。1は本発明の原料となる製紙汚泥廃棄物である。2は製紙汚泥廃棄物を乾燥させる乾燥工程であり、3は乾燥後の製紙汚泥廃棄物を熱分解する炭化工程である。4は炭化物中の炭素成分を燃焼させる脱炭素工程である。これら熱処理工程を経た焼成品5は、製紙工程で使用する塗工材あるいは充填材として利用される。焼成品の白色度が80%以上で且つ炭酸カルシウムの分解度が50%以下あるいはその近傍のものを得ることが本実施形態の目標である。なお熱処理工程の終了後に、必要に応じて焼成品を粉砕する粉砕工程を設けてもよい。以下各工程を説明する。
【0026】
(製紙汚泥廃棄物)
製紙産業においては、パルプ製造工程、抄紙工程、古紙を原料とする製紙工程等で製紙汚泥廃棄物が発生する。本実施形態では、主として古紙を原料とする製紙工程で発生する製紙汚泥廃棄物(以下製紙スラッジという)を処理対象とする。製紙スラッジには、繊維材料、接着剤、印刷インキ等の有機物と、炭酸カルシウム、カオリン、メタカオリン等の白色の無機材料が含まれる。
【0027】
(乾燥工程)
製紙スラッジ中には、例えば50〜60質量%程度の多量の水分が含まれる。このため、炭化工程3の前に製紙スラッジを乾燥することが好ましい。乾燥工程2では、雰囲気温度が400℃以下で製紙スラッジ中の水分を蒸発させる。なお、製紙スラッジの乾燥と熱分解とを区分せずに炭化処理することも可能である。
【0028】
(炭化工程)
炭化工程3では製紙スラッジの熱分解による炭化を行う。具体的には、雰囲気ガスの酸素濃度が8%以下の貧酸素雰囲気下で処理温度400℃〜700℃の範囲内で、乾燥した製紙スラッジを炭化する。
【0029】
乾燥製紙スラッジを加熱することで、製紙スラッジ中の有機物が熱分解する。この際、一酸化炭素、メタン、エタン等の可燃性ガスが発生するが、炉内に酸素が少ないため、有機物の燃焼を抑制することができる。
【0030】
因みに、熱分解の際に炉内温度が400℃未満では、炭化時間が長くなり、700℃を超えるような高温では白色無機粒子の溶融・焼結が進み、粒子硬度が高くなったり、着色傾向が強くなったりする。炭化処理は、最終的に熱分解による可燃性ガスが発生しなくなるまで、行われることが好ましい。
【0031】
炭化工程3において、酸素が存在すると、製紙スラッジ中に含まれる揮発分の燃焼とともに有機物が燃焼する。この結果、有機物の燃焼によって燃焼被物の燃焼温度が炉内の雰囲気温度以上に上昇し、製紙スラッジ中に含まれる無機材料の望まざる熱変性が生じてしまう。このため炭化工程3では、酸素含有ガス(空気)の流入を制限することにより、製紙スラッジの発火による炉内雰囲気温度以上の温度上昇を防止する。
【0032】
また必要に応じて、雰囲気ガス中の二酸化炭素の分圧が5〜30%、好ましくは10〜30%の範囲になるように制御する。炭化工程3において、炭酸カルシウムが分解し、分解した酸化カルシウムが他のアルミナ、シリカ等の灰分と結合すると、製紙用原料として不適合な研磨性、磨耗性の高い無機材料が生成されてしまう。このため、雰囲気ガス中の二酸化炭素の分圧を5〜30%、好ましくは10〜30%の範囲に制御し、炭酸カルシウムが酸化カルシウムに分解するのを抑制する。
【0033】
炭化装置は、密閉式の炭化室と炭化室を加熱する加熱室からなる2重構造の間接加熱炉であることが好ましい。
【0034】
(脱炭素工程)
次に、炭化工程後の脱炭素工程4にて、炭化物を酸化するのに必要な燃焼用プロセス空気を吹き込み、炭化物中の炭素成分を雰囲気ガス温度650℃以上で燃焼させる。
【0035】
脱炭素工程4においても、炭酸カルシウムが分解し、分解した酸化カルシウムが他のアルミナ、シリカ等の灰分と結合すると、製紙用原料として不適合な研磨性、磨耗性の高い無機材料が生成されてしまう。このため、雰囲気ガス中の二酸化炭素の分圧が5〜30%、好ましくは10〜30%の範囲になるように制御し、炭酸カルシウムが酸化カルシウムに分解するのを抑制している。
【0036】
脱炭素工程4で使用した排気ガスの一部は、顕熱を利用すべく再度脱炭素工程に循環される。これにより、循環ガス中の二酸化炭素を濃化させ、必要とする二酸化炭素の分圧を得ることができる。また、炭素成分を燃焼させる焼成装置には、燃焼用プロセス空気の吹き込みと併用して、炉内雰囲気ガスの二酸化炭素分圧を積極的に制御すべく二酸化炭素供給装置により二酸化炭素が吹き込まれてもよい。焼成温度の変動に応じて導入する燃焼用プロセス空気量の制御と共に、雰囲気ガス中の二酸化炭素の分圧が所定の範囲になるように、二酸化炭素の供給量が制御される。
【0037】
脱炭素工程4において、急激な加熱が無機材料周囲の溶融・焼結を進行させるおそれがある。炭化物の急激な加熱を防止するために、脱炭素工程を一次焼成工程と二次焼成工程との2段階で構成し、2段階以上の温度帯で炭素成分を燃焼させるのが好ましい。
【0038】
炭化物の加熱方法として、燃焼ガスにより直接炭化物を加熱することも可能であるが、熱風に含まれる未燃炭素が白化した白色無機粒子に接触し、白色度が低下してしまうことから、製紙スラッジと熱風が直接接触することがないように隔壁を設けることがより好ましい。すなわち、脱炭素工程4においても炭化工程3と同様に、焼成装置が密閉式の炭化物の脱炭素による白化室と加熱室からなる2重構造の間接加熱炉であることが好ましい。
【0039】
本発明の方法に使用される回収装置の系統図を図2に示す。
【0040】
製紙スラッジはまず、外熱式の乾燥装置6に投入され、その水分が蒸発される。その後、乾燥した製紙スラッジは、炭化装置7に入れられ、熱分解によって炭化される。貧酸素状態にするために、炭化装置7には通常の燃焼用プロセス空気が積極的に吹き込まれることはない。炭化装置7の炉内雰囲気ガス中の二酸化炭素の分圧を所定の範囲に制御する必要があれば、一次焼成装置8から排気される排気ガスが炭化装置7に吹き込まれる。
【0041】
乾燥装置6及び炭化装置7から発生する有機物及び熱分解ガスは、消煙室9で燃焼される。燃焼後の排気ガスは、顕熱を利用すべく乾燥装置6に供給される。炭化装置7の加熱ガスは、希釈空気によって温度を下げられた後、サイクロン10によって灰分が除去され、排出される。
【0042】
次に炭化物は、一次焼成装置8及び二次焼成装置11に順番に入れられ、温度を上げながら燃焼される。一次焼成装置8及び二次焼成装置11には、熱風取り入れ口が設けられる。蓄熱式バーナ等の熱風発生装置12a又は12bから熱風取り入れ口に熱風が送風され、これにより間接的に炭化物が加熱される。一次焼成装置8における雰囲気ガス温度は、炭化温度に近い温度で燃焼できるように、二次焼成装置11における雰囲気ガス温度よりも低く設定される。
【0043】
二次焼成装置11には、燃焼用プロセス空気が吹き込まれる。そして、二次焼成装置11を通過した燃焼用プロセス空気が一次焼成装置8に吹き込まれる。一次焼成装置8から排出される排気ガスは、顕熱を利用すべく、循環装置としての循環ファン13によって二次焼成装置11に吹き込まれる。炭化物の炭素成分を燃焼させると、二酸化炭素が生じる。この二酸化炭素を循環することで、一次焼成装置8及び二次焼成装置11における炉内雰囲気ガス中の二酸化炭素分圧を高めることができる。
【0044】
二次焼成装置11には、燃焼用プロセス空気の吹き込みに併用して、二酸化炭素供給装置14により二酸化炭素が吹き込まれる。二酸化炭素供給装置14には、燃焼させて二酸化炭素ガスを発生する排ガス調整バーナを使用してもよいし、炭酸ガスボンベ等の炭酸ガスを直接吹き込めるものを使用してもよい。一次焼成装置8の排気ガス中の二酸化炭素の濃度は、二酸化炭素測定装置15によって常時あるいは定期的に検出される。二酸化炭素測定装置15が測定した二酸化炭素ガスの濃度に基づいて、一次焼成装置8の排気ガス中の二酸化炭素分圧が所定の範囲になるように二酸化炭素供給装置14が制御される。これにより、一次焼成装置8及び二次焼成装置11における炉内雰囲気ガス中の二酸化炭素分圧を所定の範囲に制御できる。
【0045】
なお、一次焼成装置8と二次焼成装置11とを分離することなく、一つの焼成装置で炭化物を燃焼させることも可能である。また、排ガスの循環、及び二酸化炭素供給装置14からの吹き込みのいずれか一方のみにより、焼成装置8,11の炉内雰囲気ガス中の二酸化炭素分圧を高めてもよい。
【0046】
二次焼成装置11からは白色の焼成品が取り出され、白色の焼成品は冷却コンベヤ16で冷却される。
【実施例】
【0047】
図3は、白色度80%におけるCO濃度(二酸化炭素の分圧)と炭酸カルシウム分解度との関係を示すグラフである。図4は、温度と時間による白色度の変化を示すグラフである。
【0048】
高い白色度(80%以上)の焼成品を得るためには温度と時間の関係が重要となる。図4に示される実験で得たデータによると、800℃で0.5hrの焼成時間、750℃で1.0hrの焼成時間,700℃で2.0hrの焼成時間、そして650℃では更に長時間を要する。
【0049】
図3に示されるように、焼成品の炭酸カルシウムの分解度を50%以下に抑えるためには、焼成温度を700℃のように比較的低めに制御することで可能である。しかし、焼成温度を低くすることは、焼成に多くの時間を費やすことでの生産性の悪化や、設備費の高騰等を考慮すると必ずしも得策ではない。本実施形態では、COの濃度を高め、具体的にはCOの濃度を5〜30%に設定している。これにより、焼成温度を750℃や800℃に高めた場合であっても、炭酸カルシウムの分解度を下げることができ、分解度を50%近傍にすることができる。
【図面の簡単な説明】
【0050】
【図1】本発明の炭酸カルシウムを回収する方法の工程図。
【図2】本発明の炭酸カルシウムを回収する装置の概略系統図。
【図3】白色度80%におけるCO濃度と炭酸カルシウム分解度との関係を示すグラフ。
【図4】温度と時間による白色度の変化を示すグラフ。
【符号の説明】
【0051】
3…炭化工程
4…脱炭素工程
7…炭化装置
8…一次焼成装置
11…二次焼成装置
13…循環ファン(循環装置)
14…二酸化炭素供給装置
15…二酸化炭素測定装置(測定装置)

【出願人】 【識別番号】593141481
【氏名又は名称】JFE環境ソリューションズ株式会社
【出願日】 平成20年2月25日(2008.2.25)
【代理人】 【識別番号】100112140
【弁理士】
【氏名又は名称】塩島 利之


【公開番号】 特開2008−162890(P2008−162890A)
【公開日】 平成20年7月17日(2008.7.17)
【出願番号】 特願2008−42762(P2008−42762)