灰溶融炉内金属の除去方法
【課題】灰溶融炉内に残って固化した金属層を短時間で除去する。
【解決手段】灰溶融炉１０の炉室１２内で溶融している廃棄物焼却灰に、廃棄物焼却灰中の金属が固化した際に、固化した金属層Ｍの分断を容易にする脆化剤Ｆを投入する。その後、灰溶融炉１０を冷却して金属層Ｍを固化させ、固化した金属層Ｍを分断し、灰溶融炉１０から除去する。
【解決手段】灰溶融炉１０の炉室１２内で溶融している廃棄物焼却灰に、廃棄物焼却灰中の金属が固化した際に、固化した金属層Ｍの分断を容易にする脆化剤Ｆを投入する。その後、灰溶融炉１０を冷却して金属層Ｍを固化させ、固化した金属層Ｍを分断し、灰溶融炉１０から除去する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、廃棄物焼却灰を溶融する灰溶融炉内に堆積した金属を除去する灰溶融炉内金属の除去方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
灰溶融炉は、ごみ等の廃棄物の焼却灰を溶融することで、廃棄物焼却灰を、低沸点の揮散物、金属類、その他のスラグに分けて、これらをリサイクル等するために利用されている。
【０００３】
このような灰溶融炉には、重油やコークス等の燃料の燃焼熱で廃棄物を溶融する燃料式灰溶融炉や、電力を用いて廃棄物を溶融する電気式灰溶融炉等がある。さらに、電気式灰溶融炉には、炉内の電気抵抗に電流を供給し、これにより発熱する電気抵抗のジュール熱で廃棄物を溶融する電気抵抗式灰溶融炉や、炉内にプラズマアークを発生させて、この輻射熱等で廃棄物を溶融するプラズマ式灰溶融炉等がある。
【０００４】
プラズマ式灰溶融炉としては、例えば、以下の特許文献１に開示されているものがある。このプラズマ式灰溶融炉は、内部に炉室が形成されている炉本体と、この炉本体の天井壁に設けられた主電極と、この炉本体の底壁に設けられた底電極と、を有している。この灰溶融炉の投入口から投入された廃棄物焼却灰は、２つの電極間に生じたプラズマアークの輻射熱等で溶融し、一部が気化し、他の一部が溶融金属となり、残りがほぼ溶融スラグとなる。これらのうち、溶融金属は、溶融スラグに比べて比重が大きいため、炉底に沈む。一方、溶融スラグは、溶融金属上に存在し、溶融スラグの上面が炉の排出口より高くなると、この排出口からオーバーフローして外部に流出する。
【０００５】
このプラズマ式溶融炉では、炉内の溶融金属の量が多くなると、炉内に投入された廃棄物焼却灰が溶融する前に、排出口から外部に流出してしまうため、炉内の溶融金属の量が一定量を超えると、炉が傾けられて、溶融金属が排出口から強制的に排出される。また、炉内壁を形成する耐火物の検査時や耐火物の更新時においても、炉が傾けられて、溶融金属が排出口から強制的に排出される。但し、いずれの場合においても全量は排出されずに一部が残る。
【０００６】
耐火物の検査時や耐火物の更新時では、炉を傾けて、溶融金属を排出口からある程度排出した後、元の直立状態に戻して、炉を冷却する。そして、炉内の温度が所定温度以下になると、炉内に作業員が入り、炉底に残って固化した金属層を除去してから、耐火物の検査や更新を行う。固化した金属層を除去する際には、各種ハツリ作業で用いられるエアーブレーカーでは金属層を細かく分断できないため、例えば、酸素ランスを用いて、金属層を少しずつ細かく溶融切断し、これを炉外に出している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００２−０８１６３４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
従来技術では、前述したように、炉底に残って固化した金属層を除去する際に、酸素ランスを用いて、金属層を時間をかけて少しずつ細かく溶融切断し、これを炉外に出すため、この金属層の除去作業に時間がかさむという問題がある。さらに、酸素ガスを大量に消費するため、この除去作業のコストがかさむ上に、閉塞空間で高温の炎を用いるために安全性の面で不安がある、等の問題もある。
【０００９】
そこで、本発明は、灰溶融炉内で固化した金属層の除去作業時間を短くすることができる、灰溶融炉内金属の除去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】
【００１０】
前記問題点を解決するための発明に係る灰溶融炉内金属の除去方法は、
廃棄物焼却灰を溶融する灰溶融炉内に堆積した金属を除去する灰溶融炉内金属の除去方法において、前記灰溶融炉内で溶融している前記廃棄物焼却灰に、該廃棄物焼却灰中の金属が固化した際に、固化した金属層の分断を容易にする分断補助剤を投入する補助剤投入工程と、前記補助剤投入工程後に、前記金属層を固化させる固化工程と、前記固化工程で固化した前記金属層を分断し、前記灰溶融炉から除去する除去工程と、を実行することを特徴とする。
【００１１】
当該除去方法では、固化した金属層が分断容易になっているため、この金属層を簡単に分断し、除去することができる。よって、当該除去方法によれば、固化した金属層の除去作業時間を短くすることができる。
【００１２】
ここで、前記灰溶融炉内金属の除去方法において、前記分断補助剤は、前記金属層を脆化させる脆化剤であってもよい。
【００１３】
当該除去方法では、固化した金属層が脆化しているため、この金属層を各種ハツリ作業で用いられるエアーブレーカー等で簡単に破砕することができる。よって、当該除去方法によれば、固化した金属層の除去作業時間を短くすることができると共に、酸素ランスを用いて金属層を溶融切断しなくてもよいため、作業の安全性を高めることができる。さらに、酸素ガスを消費しないため、作業コストを抑えることができる。
【００１４】
また、前記灰溶融炉内金属の除去方法において、前記補助剤投入工程後であって、前記固化工程前に、前記灰溶融炉内の金属の温度を低下させない保温工程を実行してもよい。
【００１５】
当該除去方法では、溶融金属層中への分断補助剤の拡散を図ることができる。
【００１６】
また、前記灰溶融炉内金属の除去方法において、前記灰溶融炉は、前記廃棄物焼却灰が投入される炉室が内部に形成されている炉本体と、該炉室内への投入物を加熱する加熱手段と、を有しており、前記炉本体は、側周壁と、該側周壁の上方開口を塞ぐ天井壁と、該側周壁の下方開口を塞ぐ底壁と、を有し、該底壁の内面は、中心側に向かうに連れて次第に炉室内側から炉外側に凹んだ形状を成し、該側周壁には、投入口及び排出口が形成されている場合、前記固化工程より前に、前記灰溶融炉内で溶融している前記廃棄物焼却灰の一部を、該灰溶融炉を傾けて、該灰溶融炉の前記排出口から強制的に流出させ、その後、該灰溶融炉の傾けを元に戻す強制流出工程を実行してもよい。
【００１７】
この場合、強制流出工程で前記灰溶融炉を傾けている最中、前記分断補助剤を前記投入口から投入してもよい。
【００１８】
このように、灰溶融炉を傾けている最中に分断補助剤を投入すると、分断補助際を炉底に導くことができ、しかも、灰溶融炉を元の直立状態に戻す過程での溶融金属の流動により、溶融金属層への分断補助剤の拡散を促すことができる。
【００１９】
また、前記灰溶融炉内金属の除去方法において、前記分断補助剤は、Ｓｉ、ＳｉＯ２及び当該ＳｉＯ２の還元剤、リン、リン酸塩化合物及び当該リン酸塩化合物の還元剤、Ｓｂ、Ｓｂ酸化物及びＳｂ酸化物の還元剤、Ｓｂ合金、Ｓｎ、Ｓｎ酸化物及びＳｎ酸化物の還元剤、Ｓｎ合金、Ｚｎ、Ｌａ、Ｌａ２Ｏ３、ｈ−ＢＮ（六方晶窒化ホウ素）のうち、少なくとも一つを含んでいてもよい。
【００２０】
また、前記灰溶融炉内金属の除去方法において、前記補助剤投入工程は、前記強制流出工程の前に、第一分断補助剤を前記投入口から投入する第一補助剤投入工程と、前記強制流出工程で前記灰溶融炉を傾けている最中に、第二分断補助剤を前記投入口から投入する第二補助剤投入工程と、を有し、
前記第一分断補助剤は、Ｓｉ、ＳｉＯ２及び当該ＳｉＯ２の還元剤、ＳｉＯ２の還元剤、リン、リン酸塩化合物及び当該リン酸塩化合物の還元剤のうち、少なくとも一つを含み、
前記第二分断補助剤は、Ｓｂ、Ｓｂ酸化物及びＳｂ酸化物の還元剤、Ｓｂ合金、Ｓｎ、Ｓｎ酸化物及びＳｎ酸化物の還元剤、Ｓｎ合金、Ｚｎ、Ｌａ、Ｌａ２Ｏ３、ｈ−ＢＮ（六方晶窒化ホウ素）のうち、少なくとも一つを含んでいてもよい。
【発明の効果】
【００２１】
本発明では、固化した金属層が分断容易になっているため、この金属層を簡単に分断し、除去することができる。よって、本発明によれば、固化した金属層の除去作業時間を短くすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本発明に係る一実施形態における灰溶融炉（廃棄物焼却灰の処理中）の断面図である。
【図２】本発明に係る一実施形態における灰溶融炉（溶融金属の強制流出及び脆化剤投入中）の断面図である。
【図３】本発明に係る一実施形態における灰溶融炉（溶融金属の冷却固化中）の断面図である。
【図４】本発明に係る一実施形態における灰溶融炉（固化した金属層の分断・除去中）の断面図である。
【図５】本発明に係る一実施形態における金属除去方法を示すフローチャートである。
【図６】本発明に係る実施例の脆化剤を示す説明図である。
【図７】本発明に係る実施例の脆化剤であるＳｉの添加量とシャルピー衝撃値との関係を示すグラフである。
【図８】本発明に係る実施例の脆化剤であるＰの添加量とシャルピー衝撃値との関係を示すグラフである。
【図９】本発明に係る実施例の脆化剤であるＳｂの添加量とシャルピー衝撃値との関係を示すグラフである。
【図１０】本発明に係る実施例の脆化剤であるＳｎの添加量とシャルピー衝撃値との関係を示すグラフである。
【図１１】本発明に係る実施例の脆化剤である（Ｓｂ＋Ｓｎ）中のＳｎの添加量とシャルピー衝撃値との関係を示すグラフである。
【図１２】本発明に係る実施例の脆化剤である（Ｓｂ＋Ｓｎ）の添加量とシャルピー衝撃値との関係を示すグラフ図である。
【図１３】本発明に係る実施例の脆化剤であるミッシュメタルを溶融金属に投入して、固化した金属層に対してビッカース硬さ試験を行った際の金属層表面の顕微鏡写真である。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
以下、本発明に係る灰溶融炉内金属の除去方法の実施形態について、図面を用いて説明する。
【００２４】
まず、本実施形態の灰溶融システムについて、説明する。
【００２５】
本実施形態の灰溶融システムは、図１に示すように、プラズマ式灰溶融炉（以下、単に灰溶融炉とする）１０と、灰溶融炉１０内に廃棄物焼却灰等を投入するためのフィーダ２６と、灰溶融炉を傾ける傾動機構２８，２９とを備えている。灰溶融炉１０は、内部に炉室１２が形成されている炉本体１１と、炉室１２内にプラズマアークを発生させる主電極２１及び炉底電極２２と、両電極２１，２２間に電圧を印加する直流電源２３と、主電極２１を炉室１２内で上下動させる昇降装置２５と、を備えている。
【００２６】
炉本体１１は、側周壁１３と、この側周壁１３の上方開口を塞ぐ天井壁１４と、この側周壁１３の下方開口を塞ぐ底壁１５と、を有している。各壁１３，１４，１５は、いずれも、鋼板等で形成されている外板１６と、外板１６の内側に配置されている耐火物１７ａ，１７ｂと、を有して構成されている。天井壁１４の耐火物には、不定形耐火材１７ａが用いられている。また、側周壁１３の上部耐火物には、不定形耐火材１７ａが用いられ、下部耐火物には、耐火レンガ１７ｂが用いられている。また、底壁１５の耐火物には、主として炉室１２内に面する側に耐火レンガ１７ｂが用いられ、耐火レンガ１７ｂと外板１６との間に不定形耐火材１７ａが用いられている。
【００２７】
底壁１５の内面は、中心側に向かうに連れて次第に炉室内側から炉外側（下側）へ凹んだ形状を成している。また、側周壁１３には、廃棄物焼却灰等の投入口１８と、その溶融物の排出口１９が形成されている。
【００２８】
主電極２１は、棒状を成し、その端部が天井壁１４から炉室１２内に挿入されている。
また、炉底電極２２も棒状を成し、その端部が底壁１５から炉室１２内を臨める位置まで挿入されている。この主電極２１と炉底電極２２とは、直流電源２３と電気的に接続されている。また、主電極２１には、前述したように、この主電極２１を上下動させる昇降装置２５が設けられている。
【００２９】
傾動機構２８，２９は、底壁１５の外周側の一部を持ち上げる傾動シリンダ２８と、灰溶融炉１０を傾けるときの支点となる傾動軸２９と、を有している。フィーダ２６は、例えば、スクリューフィーダで、そのケーシングが灰溶融炉１０の投入口１８に固定されている。
【００３０】
次に、以上で説明した灰溶融システムによる廃棄物焼却灰の処理方法について説明する。
【００３１】
まず、灰溶融炉１０の炉室１２内を還元雰囲気にしてから、各電極２１，２２に直流電源２３から電圧を印加し、両電極２１，２２間にプラズマアークを発生させる。続いて、フィーダ２６に廃棄物焼却灰Ａを投入する。この廃棄物焼却灰Ａは、このフィーダ２６により灰溶融炉１０の投入口１８から炉室１２内に投入される。炉室１２内の廃棄物焼却灰は、プラズマアークによる輻射熱等で加熱され、溶融される。なお、この際の炉室１２内の温度、及び溶融した廃棄物焼却灰の温度は、例えば、１４００℃程度である。
【００３２】
溶融した廃棄物焼却灰は、一部が溶融金属となり、残りがほぼ溶融スラグとなる。これらのうち、溶融金属は、溶融スラグに比べて比重が大きいため、金属層Ｍとして炉底に沈む。一方、溶融スラグは、スラグ層Ｓとして金属層Ｍ上に浮く。金属層Ｍには、Ｃｕを主成分とするＣｕ層と、Ｆｅを主成分とするＦｅ層とがある。Ｃｕの比重（9.0）はＦｅの比重（7.9）よりも大きいため、Ｃｕ層が下に位置し、その上にＦｅ層が形成される。
【００３３】
ところで、廃棄物中には、ＣｕやＦｅの他に、Ａｌや他の金属も含まれている。しかしながら、これらの金属は、いずれも廃棄物焼却灰になるまでの過程で、ほとんどが除かれ、廃棄物焼却灰中の金属は、ほとんどがＣｕやＦｅである。例えば、Ａｌや希土類金属は、廃棄物の焼却前に多くが取り除かれ、さらに、その焼却過程で、一部が蒸発する。よって、廃棄物焼却灰中の金属には、Ａｌや希土類金属等がほとんど含まれず、その多くがＣｕやＦｅとなる。
【００３４】
フィーダ２６から炉室１２内に廃棄物焼却灰が順次投入され、スラグ層Ｓの上面が排出口１９よりも高くなると、この排出口１９から溶融スラグがオーバーフローして外部に流出する。
【００３５】
主電極２１は、プラズマアークを形成している過程で消耗するため、主電極２１の先端がスラグ層Ｓの上面から所定の高さに位置するよう、昇降装置２５を駆動して、主電極２１の先端高さを調整する。
【００３６】
廃棄物焼却灰Ａを順次投入し、この廃棄物焼却灰を溶融して、溶融スラグを外部に流出させると、次第に、炉室１２内に溜まる溶融金属の量が多くなり、金属層Ｍの上面が灰溶融炉１０の排出口１９の高さに近づいてくる。金属層Ｍの上面が排出口１９の高さに近づくと、炉室１２内に投入された廃棄物焼却灰の一部が溶融する前に、炉室１２から流出してしまう。このため、金属層Ｍの上面が排出口１９の高さに近づくと、廃棄物焼却灰Ａの投入を一時的に中止してから、傾動シリンダ２８を駆動し、灰溶融炉１０を傾けて、炉室１２内から溶融スラグと共に溶融金属を強制的に排出する。その後、灰溶融炉１０を元の直立状態に戻してから、再び、廃棄物焼却灰Ａの投入を開始する。
【００３７】
ところで、灰溶融炉１０の耐火物１７ａ，１７ｂの検査時やその更新時にも、「背景技術」で述べたように、灰溶融炉１０を傾けて溶融金属を排出口１９から強制的に排出する。そして、溶融金属を排出口１９からある程度排出した後、元の直立状態に戻して、灰溶融炉１０を冷却する。そして、炉室１２内の温度が所定温度（作業温度）以下になると、炉室１２内に作業員が入り、炉底に残って固化した金属層を除去してから、耐火物の検査や更新を行う。
【００３８】
そこで、以下では、灰溶融炉１０内の金属除去方法について、図５に示すフローチャートに従って説明する。
【００３９】
まず、灰溶融システムの管理者等は、廃棄物焼却灰の処理過程で、灰溶融炉１０の耐火物の検査時やその更新時に至ったか否かを判断する（Ｓ１）。耐火物の検査時又は更新時であると判断すると、廃棄物焼却灰の投入を中止する（Ｓ２）。
【００４０】
次に、図２に示すように、傾動シリンダ２８を駆動し、灰溶融炉１０を傾けて、炉室１２内から溶融スラグと共に溶融金属を強制的に排出する（Ｓ３）。そして、溶融金属が固化した際に、固化した金属層Ｍの分断を容易にする分断補助剤である脆化剤Ｆを、フィーダ２６から傾いている灰溶融炉１０内に投入する（Ｓ４）。なお、分断補助剤である脆化剤Ｆの具体例については、脆化剤の実施例として後述する。
【００４１】
脆化剤Ｆの投入が終了すると（Ｓ４）、図３に示すように、灰溶融炉１０を元の直立状態に戻す（Ｓ５）。このように、傾いている状態の灰溶融炉１０内に脆化剤Ｆを投入し、その後、灰溶融炉１０を直立状態に戻すことで、脆化剤Ｆを溶融金属層Ｍへの拡散を促すことができる。すなわち、傾いている状態の灰溶融炉１０内に、脆化剤Ｆを投入することで、脆化剤の一部を底壁１５の内面に至らせることができる。その上で、灰溶融炉１０を元の直立状態に戻すと、脆化剤Ｆの一部が溶融金属層Ｍ中に入り込むと共に、その際の溶融金属の流動により、溶融金属層Ｍ中に脆化剤Ｆが拡散される。
【００４２】
以上のステップ２〜５において、各電極２１，２２間には、溶融金属の温度が低下しない程度の電圧を印加し、溶融金属層Ｍを保温する。そして、灰溶融炉１０を元の直立状態に戻した後も、溶融金属層Ｍの保温を所定時間行う（Ｓ６）。このように、灰溶融炉１０を元の直立状態に戻した後も溶融金属層Ｍの保温を所定時間行うことで、溶融金属層Ｍ内への脆化剤の更なる拡散を図る。なお、ここでは、灰溶融炉１０を傾けている最中も、各電極２１，２２に電圧を印加しているが、システムの構成上、灰溶融炉１０を傾けている状態では各電極２１，２２に電圧を印加できない場合には、灰溶融炉１０を傾けている最中の各電極２１，２２への電圧印加を一時的に中止してもよい。
【００４３】
溶融金属層Ｍの保温時間が終了すると、各電極２１，２２間への電圧印加を中止し、金属層Ｍを冷却固化させる（Ｓ７）。次に、炉室内温度Ｔが予め定めた作業温度Ｔ0以下になったか否かを判断する（Ｓ８）。炉室内温度Ｔが予め定めた作業温度Ｔ0以下になっていれば、作業員は、炉室１２内に入り、図４に示すように、固化した金属層Ｍを分断し、分断した金属の破片を炉外へ出す（Ｓ９）。作業者は、固化した金属層Ｍを分断する際、例えば、各種ハツリ作業に用いられるエアーブレーカー３０等で、固化した金属層Ｍに打撃を与えて、この金属層Ｍを細かく破砕する。また、場合によっては、カッター等で固化した金属層Ｍを部分的に順次切断し、この金属層Ｍを分断する。
【００４４】
固化した金属層Ｍは、ステップ４で投入した脆化剤Ｆにより脆化しており、エアーブレーカー３０等により簡単に破砕、カッター等で簡単に切断することができる。このため、本実施形態では、固化した金属層Ｍの分断・除去する時間を短くすることができる。さらに、本実施形態では、酸素ランスを用いなくても、固化した金属層Ｍを分断できるため、作業の安全性を高めることができる。
【００４５】
「脆化剤の実施例」
次に、図６を用いて、脆化剤の実施例について説明する。
【００４６】
脆化剤には、（１）Ｆｅを主成分とする金属層を脆化させる脆化剤、（２）Ｃｕを主成分とする金属層を脆化させる脆化剤、（３）Ｆｅ及びＣｕを主成分とする金属層を脆化させる脆化剤がある。そこで、以下ではこれらの脆化剤について説明する。
【００４７】
（１）Ｆｅを主成分とする金属層を脆化させる脆化剤
Ｆｅを主成分とする金属層を脆化させる脆化剤としては、以下のａ）〜ｃ）がある。
【００４８】
ａ）Ｓｉ、Ｓｉ酸化物（例えば、ＳｉＯ２）＋還元剤（例えば、カーボン）
Ｆｅを主成分とする溶融金属に、これらの脆化剤を投入すると、ＦｅＳｉ、ＦｅＳｉ２等の非常に脆いケイ化鉄が形成される。このため、固化した金属層中には、非常に脆いケイ化鉄が含まれ、この金属層は脆くなる。
【００４９】
ここで、Ｆｅを主成分とする金属層に対して、Ｓｉを脆化剤として加えた際のこの金属層の脆化度について試験を行ったので、この試験結果について説明する。
【００５０】
この試験は、対象となる金属の試験片に衝撃を加えて試験片を破壊し、この破壊に要したエネルギー（シャルピー衝撃値）を測定することで、その金属の粘り強さ（靭性又は脆性）を調べるシャルピー衝撃試験である。このシャルピー衝撃試験では、JIS B 7722に適合したシャルピー衝撃試験機を用いて、JIS Z 2202に適合した試験片、具体的には、１０ｍｍ×１０ｍｍ×５５ｍｍの角棒に深さ２ｍｍのＶ形ノッチが形成された試験片に対して行った。また、このシャルピー衝撃試験では、現実の灰溶融炉から採取したＦｅを主成分とする金属層に、脆化剤としてＳｉを添加したものを坩堝内に投入し、これを箱型マッフル炉に入れて、坩堝内容物を溶融し、冷却後の金属魂から前述の試験片を作成した。この試験片中で、金属層に固溶したＳｉの質量パーセント濃度（mass％）は、ＥＰＭＡ（Electron Probe MicroAnalyser：電子線マイクロアナライザ）で分析した。
【００５１】
シャルピー衝撃試験の結果、図７に示すように、Ｓｉの体積比（添加量）が多くなるに連れて次第にシャルピー衝撃値（Ｊ／ｍ２）が小さくなり５０mass％以上になると、シャルピー衝撃値がほとんど低下しなくなることが分かった。
【００５２】
ここで、シャルピー衝撃値が概ね４Ｊ／ｍ２以下であると、ブレーカーなどで固化した金属層を割れるようになり、シャルピー衝撃値が概ね３Ｊ／ｍ２以下になると、ブレーカーなどで固化した金属層を容易に割れるようになることが確認されている。よって、Ｓｉの添加量は、シャルピー衝撃値が４Ｊ／ｍ２以下になる２８mass％以上であることが好ましく、さらに、シャルピー衝撃値が３Ｊ／ｍ２以下になる４０mass％以上であることがより好ましことが分かった。一方で、Ｓｉの添加量が５０mass％以上では、前述したように、シャルピー衝撃値がほとんど低下しなくなるため、コスト面からあまり好ましくない。
【００５３】
したがって、Ｓｉの添加量としては、２８〜５０mass％が好ましく、４０〜５０mass％がより好ましい。
【００５４】
ｂ）Ｓｉ酸化物の還元剤（例えば、カーボン）
スラグ層には、ＳｉＯ２が非常に多く含まれている。このため、スラグ層が残っている状態で、Ｓｉ酸化物の還元剤を投入すると、スラグ層中のＳｉＯ２が還元されて、Ｓｉとなり、このＳｉが溶融金属Ｆｅと反応して、ＦｅＳｉ、ＦｅＳｉ２等の非常に脆いケイ化鉄が形成される。このため、固化した金属層中には、非常に脆いケイ化鉄が含まれ、この金属層は脆くなる。
【００５５】
ｃ）リン（Ｐ）、リン酸化合物（例えば、以下のもの）＋還元剤（例えば、カーボン）
ＮａＨ２ＰＯ４（２Ｈ２Ｏ）、Ｎａ２ＨＰＯ４（１２Ｈ２Ｏ）、Ｎａ３ＰＯ４（１２Ｈ２Ｏ）、Ｎａ４Ｐ２Ｏ７（１０Ｈ２Ｏ）、Ｎａ２Ｈ２Ｐ２Ｏ７、Ｎａ５Ｐ３Ｏ１０、Ｎａ6Ｐ４Ｏ１３、（ＮａＰＯ３）ｎ、（ＮａｘＨｙ（ＰＯ３）ｘ＋ｙ）ｎ
Ｆｅを主成分とする溶融金属に、これらの脆化剤を投入すると、ＦｅＰ、Ｆｅ２Ｐ、Ｆｅ３Ｐ等の非常に脆いリン化鉄が形成される。このため、固化した金属層中には、非常に脆いリン化鉄が含まれ、この金属層は脆くなる。但し、Ｎａを含むリン酸化合物を用いて金属層を脆くする場合、同時に、Ｎａ塩が形成され、炉壁を形成する耐火物に悪影響を及ぼすおそれがあるため、耐火物の検査のみで耐火物の更新を伴わない場合には、以上のリン酸系の脆化剤を用いず、ａ）ｂ）の脆化剤を用いることが好ましい。なお、Ｐ単体は、発火性を持つが、難燃剤としての樹脂がコーティングされたＰが市販されているため、これを用いることで、安全に取り扱うことができる。
【００５６】
ここで、Ｆｅを主成分とする金属層に対して、Ｐを脆化剤として加えた際のこの金属層の脆化度について前述のシャルピー衝撃試験を行ったので、この試験結果について説明する。なお、このシャルピー衝撃試験、さらに、以下で説明するシャルピー試験の条件は、Ｓｉを脆化剤とした際のシャルピー衝撃試験の条件と同じである。
【００５７】
このシャルピー衝撃試験の結果、図８に示すように、Ｐの添加量（体積比）が多くなるに連れて次第にシャルピー衝撃値が小さくなり、Ｐの添加量が１４mass％になると、シャルピー衝撃値が前述の４Ｊ／ｍ２になり、２７mass％になると、シャルピー衝撃値が前述の３Ｊ／ｍ２になり、３５mass％以上では、シャルピー衝撃値がほとんど低下しなくなることが分かった。
【００５８】
したがって、Ｐの添加量としては、１４〜３５mass％が好ましく、２７〜３５mass％がより好ましい。
【００５９】
ここで、繰り返すことになるが、以上のａ）〜ｃ）の脆化剤は、Ｆｅを主成分とする金属層を脆化させるものである。このため、Ｆｅ及びＣｕを主成分とする溶融金属に、これらの脆化剤を投入しても、固化した金属層中には、非常に脆いケイ化鉄やリン化鉄が含まれることになり、この金属層を脆くすることができる。この場合、以上の脆化剤を投入後、Ｆｅを主成分とする金属層とＣｕを主成分とする金属層とが完全に分離した状態にならないようにするために、脆化剤投入後（Ｓ４）の保温（Ｓ６）で金属層の対流状態を確保し、この対流状態をある程度保ったまま冷却固化（Ｓ７）させることが好ましい。
【００６０】
また、以上のａ）ｃ）の脆化剤は、図５のフローチャートを用いて、前述したように、灰溶融炉１０を傾けている状態で投入してもよいが（Ｓ４）、廃棄物焼却灰の投入中止後（Ｓ２）、灰溶融炉１０を傾ける前に（Ｓ３）、投入してもよい（Ｓ４ａ）。これは、前述したように、溶融金属層中に、Ｆｅを主成分とするＦｅ層とＣｕを主成分とするＣｕ層とがある場合でも、Ｆｅ層はＣｕ層の上に位置し、灰溶融炉１０を傾けていなくても、ａ）ｃ）の脆化剤をＦｅ層に拡散させることができるからである。但し、灰溶融炉１０を傾ける前に（Ｓ３）、ａ）ｃ）の脆化剤を投入した場合（Ｓ４ａ）、この脆化剤がＦｅ層中に十分に拡散するよう、脆化剤の投入後、所定時間経過してから、灰溶融炉１０を傾ける（Ｓ３）ことが好ましい。
【００６１】
また、ｂ）の脆化剤は、スラグ層の存在を前提としているため、廃棄物焼却灰の投入中止後（Ｓ２）、灰溶融炉１０を傾ける前に（Ｓ３）、投入する（Ｓ４ａ）。なお、この場合も、脆化剤の投入後、所定時間経過してから、灰溶融炉１０を傾ける（Ｓ３）ことが好ましい。
【００６２】
なお、以上のａ）ｃ）の脆化剤は、それぞれ単独でも脆化効果を得ることができるが、両方を混合したものも脆化剤として利用できる。例えば、ａ）の脆化剤中のＳｉとｃ）の脆化剤中のＰとを混合して、これを脆化剤として利用する場合、それぞれ、先に述べた好ましい添加量の半分程度で、脆化効果を得ることができる。具体的に、シャルピー衝撃値を４Ｊ／ｍ２にするためには、Ｓｉ単独の場合、このＳｉは添加量として２８mass％必要であり、Ｐ単独の場合、このＰは添加量として１４mass％必要であるが、両方を混合したものを添加剤とする場合、Ｓｉの添加量は１５mass％、Ｐの添加量は７mass％で足りる。
【００６３】
（２）Ｃｕを主成分とする金属層を脆化させる脆化剤
Ｃｕを主成分とする金属層を脆化させる脆化剤としては、以下のａ）ｂ）がある。
【００６４】
ａ）Ｓｂ、Ｓｂ酸化物（例えば、Ｓｂ２Ｏ３、Ｓｂ２Ｏ５）＋還元剤（例えば、カーボン）、Ｓｂ合金（例えば、ホワイトメタル３種、４種、６〜１０種）
Ｃｕを主成分とする溶融金属に、これらの脆化剤を投入すると、Ｃｕ２Ｓｂ、Ｃｕ３Ｓｂ等の非常に脆い合金が形成される。このため、固化した金属層中には、非常に脆い合金が含まれ、この金属層は脆くなる。なお、ホワイトメタル３種、４種、６〜１０種は、比較的多くのＳｂを含む合金であり、同量のＳｂを得ようとする場合、純度の高いＳｂ単体や、純度の高いＳｂ酸化物を得る場合よりも、これらのホワイトメタルの方が比較的低価格で得ることができる。このため、コスト的には、これらのホワイトメタルを用いることが好ましい。但し、Ｓｂは、レアメタルで比較的高価であるものの、プラスチックの難燃剤として工業的に比較的多く流通しており、ホワイトメタルと比べて極端に高価というほどでもないので、Ｓｂ単体を脆化剤として利用してもよい。
【００６５】
ここで、Ｃｕを主成分とする金属層に対して、Ｓｂを脆化剤として加えた際のこの金属層の脆化度について前述のシャルピー衝撃試験を行ったので、この試験結果について説明する。
【００６６】
シャルピー衝撃試験の結果、図９に示すように、Ｓｂの添加量が多くなるに連れて次第にシャルピー衝撃値が小さくなり、Ｓｂの添加量が６mass％になると、シャルピー衝撃値が前述の４Ｊ／ｍ２になり、８mass％になると、シャルピー衝撃値が前述の３Ｊ／ｍ２になり、１７mass％以上では、シャルピー衝撃値がほとんど低下しなくなることが分かった。
【００６７】
したがって、Ｓｂの添加量としては、６〜１７mass％が好ましく、８〜１７mass％がより好ましい。
【００６８】
ｂ）Ｓｎ、Ｓｎ酸化物（例えば、ＳｎＯ、ＳｎＯ２、ＳｎＯ３）＋還元剤（例えば、カーボン）、Ｓｎ合金（例えば、ホワイトメタル１〜４種、６種、７種））
Ｃｕを主成分とする溶融金属に、これらの脆化剤を投入すると、非常に脆いＣｕ‐Ｓｎ合金が形成される。このため、固化した金属層中には、非常に脆い合金が含まれ、この金属層は脆くなる。なお、ホワイトメタル１〜４種、６種、７種は、比較的多くのＳｎを含む合金であり、同量のＳｎを得ようとする場合、純度の高いＳｎ単体や、純度の高いＳｎ酸化物を得る場合よりも、これらのホワイトメタルの方が比較的低価格で得ることができる。このため、コスト的には、これらのホワイトメタルを用いることが好ましい。
【００６９】
ここで、Ｃｕを主成分とする金属層に対して、Ｓｎを脆化剤として加えた際のこの金属層の脆化度について前述のシャルピー衝撃試験を行ったので、この試験結果について説明する。
【００７０】
シャルピー衝撃試験の結果、図１０に示すように、７mass％程度まではＳｎの添加量（体積比）が多くなるに連れて次第にシャルピー衝撃値（Ｊ／ｍ２）も大きくなるものの、それ以降、Ｓｎの添加量が多くなるに連れて逆にシャルピー衝撃値が小さくなり、Ｓｎの添加量が１２mass％になると、シャルピー衝撃値が前述の４Ｊ／ｍ２になり、２０mass％になると、シャルピー衝撃値が前述の３Ｊ／ｍ２になり、３０mass％以上では、シャルピー衝撃値がほとんど低下しなくなることが分かった。
【００７１】
したがって、Ｓｎの添加量としては、１２〜３０mass％が好ましく、２０〜３０mass％がより好ましい。
【００７２】
以上のａ）ｂ）の脆化剤は、Ｃｕを主成分とする金属層を脆化させるものである。このため、Ｆｅ及びＣｕを主成分とする溶融金属に、これらの脆化剤を投入しても、固化した金属層中には、非常に脆いＣｕ−Ｓｂ合金やＣｕ−Ｓｎ合金が含まれることになり、この金属層を脆くすることができる。この場合、以上の脆化剤を投入後、Ｆｅを主成分とする金属層とＣｕを主成分とする金属層とが完全に分離した状態にならないようにするために、脆化剤投入後（Ｓ４）の保温（Ｓ６）で金属層の対流状態を確保し、この対流状態をある程度保ったまま冷却固化（Ｓ７）させることが好ましい。
【００７３】
なお、以上のａ）ｂ）の脆化剤は、それぞれ単独でも脆化効果を得ることができるが、両方を混合したものも脆化剤として利用できる。ここで、ａ）の脆化剤中のＳｂとｂ）の脆化剤中のＳｎとを混合したものを脆化剤とした場合について試験を行ったので、この試験について説明する。
【００７４】
まず、添加量３０mass％に固定した上で、ＳｂとＳｎとの比を変えた脆化剤を、Ｃｕを主成分とする金属層に加えた際のこの金属層の脆化度について前述のシャルピー衝撃試験を行ったので、この試験結果について説明する。
【００７５】
このシャルピー衝撃試験の結果、図１１に示すように、（Ｓｂ＋Ｓｎ）の添加量が３０mass％で、Ｓｎの添加量１５mass％のとき、つまり、ＳｂとＳｎとの比が１：１のとき、シャルピー衝撃値が最小になることが分かった。
【００７６】
続いて、脆化剤（Ｓｂ＋Ｓｎ）中のＳｂとＳｎとの比を１：１にし、Ｃｕを主成分とする金属層に対して、この脆化剤を各量加えた際のこの金属層の脆化度について前述のシャルピー衝撃試験を行ったので、この試験結果について説明する。
【００７７】
このシャルピー衝撃試験の結果、図１２に示すように、脆化剤（Ｓｂ＋Ｓｎ）の添加量が多くなるに連れて次第にシャルピー衝撃値が小さくなり、脆化剤（Ｓｂ＋Ｓｎ）の添加量が１０mass％になると、シャルピー衝撃値が前述の４Ｊ／ｍ２になり、１６mass％になると、シャルピー衝撃値が前述の３Ｊ／ｍ２になり、３５mass％以上では、シャルピー衝撃値がほとんど低下しなくなることが分かった。
【００７８】
したがって、ＳｂとＳｎとの比が１：１の脆化剤（Ｓｂ＋Ｓｎ）の添加量としては、１０〜３５mass％が好ましく、１６〜３５mass％がより好ましい。
【００７９】
前述したように、ＳｂやＳｎを含むホワイトメタルは存在するものの、ＳｂとＳｎとの比が１：１に近いホワイトメタルは存在しない。このため、ＳｂとＳｎとの比が１：１の脆化剤（Ｓｂ＋Ｓｎ）を用いる場合には、Ｓｂ単体及びＳｎ単体を個別に購入し、これらを灰溶融炉へ投入する前に混ぜ合わせる、または灰溶融炉へ投入した後に混ぜ合わせることが好ましい。但し、ＳｂとＳｎとの比が１：１に近いホワイトメタルは存在しないものの、両方を含んでいれば、Ｓｂ単体やＳｎ単体を脆化剤として用いる場合よりも脆化効果が高いため、ＳｂとＳｎとの両方を含んでいるホワイトメタル３種、４種、６種、７種を脆化剤として用いてもよい。
【００８０】
（３）Ｆｅ及びＣｕを主成分とする金属層を脆化させる脆化剤
Ｆｅ及びＣｕを主成分とする金属層を脆化させる脆化剤としては、以下のａ）〜ｃ）がある。
【００８１】
ａ）Ｚｎ、ＺｎＯ、Ｚｎ合金（例えば、ホワイトメタル５種）
Ｆｅ及びＣｕを主成分とする溶融金属に、これらの脆化剤と投入した場合、同一気圧下でのＺｎの融点（大気圧下で４１９℃）が、ＣｕやＦｅの融点に比べて極めて低いため、冷却固化工程（Ｓ７）において、ＣｕやＦｅが固化した後もＺｎの蒸発は継続する。このため、炉室１２内温度が作業温度Ｔ0以下になった時点で（Ｓ８）、Ｆｅ及びＣｕを主成分とする金属層には、微細な多数の空隙が形成される、言い換えると、この金属層が多孔質化する。よって、Ｆｅ及びＣｕを主成分とする金属層は脆くなる。
【００８２】
ｂ）Ｌａ、Ｌａ酸化物（例えば、Ｌａ２Ｏ３）
Ｌａは、空気中等の水分と結合して水酸化物を形成し粉状に変化する性質がある。このため、Ｆｅ及びＣｕを主成分とする溶融金属に、これらの脆化剤と投入すると、Ｌａが水酸化物を形成して、粒状化するに伴って、固化した金属層が脆くなる。
【００８３】
ミッシュメタルは、ＬａやＣｅを主体とする混合希土類であり、同量のＬａを得ようとする場合、純度の高いＬａ単体や、純度の高いＬａ酸化物を得る場合よりも、ミッシュメタルの方が比較的低価格で得ることができる。このため、コスト的には、このミッシュメタルを用いることが好ましい。
【００８４】
ここで、Ｆｅ及びＣｕを主成分とする溶融金属にミッシュメタルを投入する実験を行ったので、以下で簡単に説明する。
【００８５】
ミッシュメタルを投入していない溶融金属は、固化すると、その金属層の硬度が２４０（Ｈｖ）程度であった。また、ビッカース圧子を打ち込んだ後には、クラックを何ら観察することができなかった。一方、ミッシュメタルを投入した溶融金属は、固化すると、その金属層の硬度が４２０（Ｈｖ）程度にまで上がった。また、ビッカース圧子を打ち込んだ後には、図１３に示すように、多数のクラックを観察することができた。よって、この実験からも、ミッシュメタルを投入することで、金属層を脆くすることができることは明確である。
【００８６】
ｃ）ｈ−ＢＮ（六方晶窒化ホウ素）
ｈ−ＢＮは、低温状態でも高温状態でも極めて化学的に安定した物質で、他の材料とほとんど反応しないため、潤滑剤として知られている物質である。このため、溶融金属中にｈ−ＢＮを投入しても、溶融金属とｈ−ＢＮとは反応しないが、固化した金属層中の金属粒界中にｈ−ＢＮが存在することで、金属結晶粒相互間での結合力が弱まる。このため、溶融金属中にｈ−ＢＮを投入すると、固化した金属層を脆くすることができる。
【００８７】
なお、このｈ−ＢＮは、比重が２．３と小さく、溶融金属の上に単に載せただけでは、溶融金属中に入りこまないため、このｈ−ＢＮを脆化剤として溶融金属に投入する際には、灰溶融炉１０を傾けている状態で投入する必要がある。
【００８８】
以上、（１）〜（３）の脆化剤を紹介したが、これらを単独で用いてもよいが、これらを組み合わせて用いてもよい。特に、（１）Ｆｅを主成分とする金属層を脆化させる脆化剤と、（２）Ｃｕを主成分とする金属層を脆化させる脆化剤とは、両脆化剤を組み合わせて用いることが好ましい。これは、廃棄物焼却灰を溶融して得られる溶融金属は、廃棄物焼却灰の取得経路や取得時期によって、ＦｅとＣｕとの比率が変化するものの、両金属を含んでいることがほとんどであるため、各金属層を脆化させる方が、炉室１２内で固化した金属層の分割・除去が容易になるからである。
【００８９】
（１）の脆化剤と（２）の脆化剤を組み合わせて用いる場合、灰溶融炉１０を傾けている状態で、両脆化剤を同時に投入してもよいが（Ｓ４）、灰溶融炉１０を傾ける前に（Ｓ３）、（１）の脆化剤を投入し（Ｓ４ａ）、灰溶融炉１０を傾けている状態で、（２）の脆化剤を投入してもよい（Ｓ４ｂ）。なお、（１）の脆化剤を投入した後（Ｓ４ａ）、灰溶融炉１０を傾けている状態で、投入する脆化剤は、（３）の脆化剤であってもよい。また、灰溶融炉１０を傾けている状態で、両脆化剤を同時に投入する場合、（１）の脆化剤中のｂ）の脆化剤は、前述したように、溶融スラグの存在を前提とし、灰溶融炉１０を傾ける前に投入する必要があるため、灰溶融炉１０を傾けている状態で同時に投入する脆化剤にはならない。
【００９０】
これらの脆化剤は、投入口１８から投入する以外に、灰溶融炉１０の最初の立ち上げ時（炉内耐火物は浸食のため、定期的に交換する必要があり、交換後の最初の運転開始時）に、最初から炉底に敷いておいても良い。これらの脆化剤は、傾動時に多少流れてしまうものの、大部分は炉内にそのまま留まるので、メタルはつり時に脆化の効果を発揮する。この方法であれば、フィーダ２６より上方に灰を貯めておくホッパにも何ら改造を加えることなく実施できる。
【００９１】
以上、プラズマ式灰溶融炉１０内に堆積した金属を除去する方法について説明したが、本発明はプラズマ式灰溶融炉１０に限定されるものではなく、固化した金属層を除去する必要が生じる灰溶融炉１０であれば、如何なるタイプの灰溶融炉１０であってもよい。
【符号の説明】
【００９２】
１０：灰溶融炉、１１：炉本体、１２：炉室、１３：側周壁、１４：天井壁、１５：底壁、１７ａ，１７ｂ：耐火物、１８：投入口、１９：排出口、２１：主電極、２２：炉底電極、２６：フィーダ、２８：傾動シリンダ、２９：傾動軸、３０：エアーブレーカー
【技術分野】
【０００１】
本発明は、廃棄物焼却灰を溶融する灰溶融炉内に堆積した金属を除去する灰溶融炉内金属の除去方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
灰溶融炉は、ごみ等の廃棄物の焼却灰を溶融することで、廃棄物焼却灰を、低沸点の揮散物、金属類、その他のスラグに分けて、これらをリサイクル等するために利用されている。
【０００３】
このような灰溶融炉には、重油やコークス等の燃料の燃焼熱で廃棄物を溶融する燃料式灰溶融炉や、電力を用いて廃棄物を溶融する電気式灰溶融炉等がある。さらに、電気式灰溶融炉には、炉内の電気抵抗に電流を供給し、これにより発熱する電気抵抗のジュール熱で廃棄物を溶融する電気抵抗式灰溶融炉や、炉内にプラズマアークを発生させて、この輻射熱等で廃棄物を溶融するプラズマ式灰溶融炉等がある。
【０００４】
プラズマ式灰溶融炉としては、例えば、以下の特許文献１に開示されているものがある。このプラズマ式灰溶融炉は、内部に炉室が形成されている炉本体と、この炉本体の天井壁に設けられた主電極と、この炉本体の底壁に設けられた底電極と、を有している。この灰溶融炉の投入口から投入された廃棄物焼却灰は、２つの電極間に生じたプラズマアークの輻射熱等で溶融し、一部が気化し、他の一部が溶融金属となり、残りがほぼ溶融スラグとなる。これらのうち、溶融金属は、溶融スラグに比べて比重が大きいため、炉底に沈む。一方、溶融スラグは、溶融金属上に存在し、溶融スラグの上面が炉の排出口より高くなると、この排出口からオーバーフローして外部に流出する。
【０００５】
このプラズマ式溶融炉では、炉内の溶融金属の量が多くなると、炉内に投入された廃棄物焼却灰が溶融する前に、排出口から外部に流出してしまうため、炉内の溶融金属の量が一定量を超えると、炉が傾けられて、溶融金属が排出口から強制的に排出される。また、炉内壁を形成する耐火物の検査時や耐火物の更新時においても、炉が傾けられて、溶融金属が排出口から強制的に排出される。但し、いずれの場合においても全量は排出されずに一部が残る。
【０００６】
耐火物の検査時や耐火物の更新時では、炉を傾けて、溶融金属を排出口からある程度排出した後、元の直立状態に戻して、炉を冷却する。そして、炉内の温度が所定温度以下になると、炉内に作業員が入り、炉底に残って固化した金属層を除去してから、耐火物の検査や更新を行う。固化した金属層を除去する際には、各種ハツリ作業で用いられるエアーブレーカーでは金属層を細かく分断できないため、例えば、酸素ランスを用いて、金属層を少しずつ細かく溶融切断し、これを炉外に出している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００２−０８１６３４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
従来技術では、前述したように、炉底に残って固化した金属層を除去する際に、酸素ランスを用いて、金属層を時間をかけて少しずつ細かく溶融切断し、これを炉外に出すため、この金属層の除去作業に時間がかさむという問題がある。さらに、酸素ガスを大量に消費するため、この除去作業のコストがかさむ上に、閉塞空間で高温の炎を用いるために安全性の面で不安がある、等の問題もある。
【０００９】
そこで、本発明は、灰溶融炉内で固化した金属層の除去作業時間を短くすることができる、灰溶融炉内金属の除去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】
【００１０】
前記問題点を解決するための発明に係る灰溶融炉内金属の除去方法は、
廃棄物焼却灰を溶融する灰溶融炉内に堆積した金属を除去する灰溶融炉内金属の除去方法において、前記灰溶融炉内で溶融している前記廃棄物焼却灰に、該廃棄物焼却灰中の金属が固化した際に、固化した金属層の分断を容易にする分断補助剤を投入する補助剤投入工程と、前記補助剤投入工程後に、前記金属層を固化させる固化工程と、前記固化工程で固化した前記金属層を分断し、前記灰溶融炉から除去する除去工程と、を実行することを特徴とする。
【００１１】
当該除去方法では、固化した金属層が分断容易になっているため、この金属層を簡単に分断し、除去することができる。よって、当該除去方法によれば、固化した金属層の除去作業時間を短くすることができる。
【００１２】
ここで、前記灰溶融炉内金属の除去方法において、前記分断補助剤は、前記金属層を脆化させる脆化剤であってもよい。
【００１３】
当該除去方法では、固化した金属層が脆化しているため、この金属層を各種ハツリ作業で用いられるエアーブレーカー等で簡単に破砕することができる。よって、当該除去方法によれば、固化した金属層の除去作業時間を短くすることができると共に、酸素ランスを用いて金属層を溶融切断しなくてもよいため、作業の安全性を高めることができる。さらに、酸素ガスを消費しないため、作業コストを抑えることができる。
【００１４】
また、前記灰溶融炉内金属の除去方法において、前記補助剤投入工程後であって、前記固化工程前に、前記灰溶融炉内の金属の温度を低下させない保温工程を実行してもよい。
【００１５】
当該除去方法では、溶融金属層中への分断補助剤の拡散を図ることができる。
【００１６】
また、前記灰溶融炉内金属の除去方法において、前記灰溶融炉は、前記廃棄物焼却灰が投入される炉室が内部に形成されている炉本体と、該炉室内への投入物を加熱する加熱手段と、を有しており、前記炉本体は、側周壁と、該側周壁の上方開口を塞ぐ天井壁と、該側周壁の下方開口を塞ぐ底壁と、を有し、該底壁の内面は、中心側に向かうに連れて次第に炉室内側から炉外側に凹んだ形状を成し、該側周壁には、投入口及び排出口が形成されている場合、前記固化工程より前に、前記灰溶融炉内で溶融している前記廃棄物焼却灰の一部を、該灰溶融炉を傾けて、該灰溶融炉の前記排出口から強制的に流出させ、その後、該灰溶融炉の傾けを元に戻す強制流出工程を実行してもよい。
【００１７】
この場合、強制流出工程で前記灰溶融炉を傾けている最中、前記分断補助剤を前記投入口から投入してもよい。
【００１８】
このように、灰溶融炉を傾けている最中に分断補助剤を投入すると、分断補助際を炉底に導くことができ、しかも、灰溶融炉を元の直立状態に戻す過程での溶融金属の流動により、溶融金属層への分断補助剤の拡散を促すことができる。
【００１９】
また、前記灰溶融炉内金属の除去方法において、前記分断補助剤は、Ｓｉ、ＳｉＯ２及び当該ＳｉＯ２の還元剤、リン、リン酸塩化合物及び当該リン酸塩化合物の還元剤、Ｓｂ、Ｓｂ酸化物及びＳｂ酸化物の還元剤、Ｓｂ合金、Ｓｎ、Ｓｎ酸化物及びＳｎ酸化物の還元剤、Ｓｎ合金、Ｚｎ、Ｌａ、Ｌａ２Ｏ３、ｈ−ＢＮ（六方晶窒化ホウ素）のうち、少なくとも一つを含んでいてもよい。
【００２０】
また、前記灰溶融炉内金属の除去方法において、前記補助剤投入工程は、前記強制流出工程の前に、第一分断補助剤を前記投入口から投入する第一補助剤投入工程と、前記強制流出工程で前記灰溶融炉を傾けている最中に、第二分断補助剤を前記投入口から投入する第二補助剤投入工程と、を有し、
前記第一分断補助剤は、Ｓｉ、ＳｉＯ２及び当該ＳｉＯ２の還元剤、ＳｉＯ２の還元剤、リン、リン酸塩化合物及び当該リン酸塩化合物の還元剤のうち、少なくとも一つを含み、
前記第二分断補助剤は、Ｓｂ、Ｓｂ酸化物及びＳｂ酸化物の還元剤、Ｓｂ合金、Ｓｎ、Ｓｎ酸化物及びＳｎ酸化物の還元剤、Ｓｎ合金、Ｚｎ、Ｌａ、Ｌａ２Ｏ３、ｈ−ＢＮ（六方晶窒化ホウ素）のうち、少なくとも一つを含んでいてもよい。
【発明の効果】
【００２１】
本発明では、固化した金属層が分断容易になっているため、この金属層を簡単に分断し、除去することができる。よって、本発明によれば、固化した金属層の除去作業時間を短くすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本発明に係る一実施形態における灰溶融炉（廃棄物焼却灰の処理中）の断面図である。
【図２】本発明に係る一実施形態における灰溶融炉（溶融金属の強制流出及び脆化剤投入中）の断面図である。
【図３】本発明に係る一実施形態における灰溶融炉（溶融金属の冷却固化中）の断面図である。
【図４】本発明に係る一実施形態における灰溶融炉（固化した金属層の分断・除去中）の断面図である。
【図５】本発明に係る一実施形態における金属除去方法を示すフローチャートである。
【図６】本発明に係る実施例の脆化剤を示す説明図である。
【図７】本発明に係る実施例の脆化剤であるＳｉの添加量とシャルピー衝撃値との関係を示すグラフである。
【図８】本発明に係る実施例の脆化剤であるＰの添加量とシャルピー衝撃値との関係を示すグラフである。
【図９】本発明に係る実施例の脆化剤であるＳｂの添加量とシャルピー衝撃値との関係を示すグラフである。
【図１０】本発明に係る実施例の脆化剤であるＳｎの添加量とシャルピー衝撃値との関係を示すグラフである。
【図１１】本発明に係る実施例の脆化剤である（Ｓｂ＋Ｓｎ）中のＳｎの添加量とシャルピー衝撃値との関係を示すグラフである。
【図１２】本発明に係る実施例の脆化剤である（Ｓｂ＋Ｓｎ）の添加量とシャルピー衝撃値との関係を示すグラフ図である。
【図１３】本発明に係る実施例の脆化剤であるミッシュメタルを溶融金属に投入して、固化した金属層に対してビッカース硬さ試験を行った際の金属層表面の顕微鏡写真である。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
以下、本発明に係る灰溶融炉内金属の除去方法の実施形態について、図面を用いて説明する。
【００２４】
まず、本実施形態の灰溶融システムについて、説明する。
【００２５】
本実施形態の灰溶融システムは、図１に示すように、プラズマ式灰溶融炉（以下、単に灰溶融炉とする）１０と、灰溶融炉１０内に廃棄物焼却灰等を投入するためのフィーダ２６と、灰溶融炉を傾ける傾動機構２８，２９とを備えている。灰溶融炉１０は、内部に炉室１２が形成されている炉本体１１と、炉室１２内にプラズマアークを発生させる主電極２１及び炉底電極２２と、両電極２１，２２間に電圧を印加する直流電源２３と、主電極２１を炉室１２内で上下動させる昇降装置２５と、を備えている。
【００２６】
炉本体１１は、側周壁１３と、この側周壁１３の上方開口を塞ぐ天井壁１４と、この側周壁１３の下方開口を塞ぐ底壁１５と、を有している。各壁１３，１４，１５は、いずれも、鋼板等で形成されている外板１６と、外板１６の内側に配置されている耐火物１７ａ，１７ｂと、を有して構成されている。天井壁１４の耐火物には、不定形耐火材１７ａが用いられている。また、側周壁１３の上部耐火物には、不定形耐火材１７ａが用いられ、下部耐火物には、耐火レンガ１７ｂが用いられている。また、底壁１５の耐火物には、主として炉室１２内に面する側に耐火レンガ１７ｂが用いられ、耐火レンガ１７ｂと外板１６との間に不定形耐火材１７ａが用いられている。
【００２７】
底壁１５の内面は、中心側に向かうに連れて次第に炉室内側から炉外側（下側）へ凹んだ形状を成している。また、側周壁１３には、廃棄物焼却灰等の投入口１８と、その溶融物の排出口１９が形成されている。
【００２８】
主電極２１は、棒状を成し、その端部が天井壁１４から炉室１２内に挿入されている。
また、炉底電極２２も棒状を成し、その端部が底壁１５から炉室１２内を臨める位置まで挿入されている。この主電極２１と炉底電極２２とは、直流電源２３と電気的に接続されている。また、主電極２１には、前述したように、この主電極２１を上下動させる昇降装置２５が設けられている。
【００２９】
傾動機構２８，２９は、底壁１５の外周側の一部を持ち上げる傾動シリンダ２８と、灰溶融炉１０を傾けるときの支点となる傾動軸２９と、を有している。フィーダ２６は、例えば、スクリューフィーダで、そのケーシングが灰溶融炉１０の投入口１８に固定されている。
【００３０】
次に、以上で説明した灰溶融システムによる廃棄物焼却灰の処理方法について説明する。
【００３１】
まず、灰溶融炉１０の炉室１２内を還元雰囲気にしてから、各電極２１，２２に直流電源２３から電圧を印加し、両電極２１，２２間にプラズマアークを発生させる。続いて、フィーダ２６に廃棄物焼却灰Ａを投入する。この廃棄物焼却灰Ａは、このフィーダ２６により灰溶融炉１０の投入口１８から炉室１２内に投入される。炉室１２内の廃棄物焼却灰は、プラズマアークによる輻射熱等で加熱され、溶融される。なお、この際の炉室１２内の温度、及び溶融した廃棄物焼却灰の温度は、例えば、１４００℃程度である。
【００３２】
溶融した廃棄物焼却灰は、一部が溶融金属となり、残りがほぼ溶融スラグとなる。これらのうち、溶融金属は、溶融スラグに比べて比重が大きいため、金属層Ｍとして炉底に沈む。一方、溶融スラグは、スラグ層Ｓとして金属層Ｍ上に浮く。金属層Ｍには、Ｃｕを主成分とするＣｕ層と、Ｆｅを主成分とするＦｅ層とがある。Ｃｕの比重（9.0）はＦｅの比重（7.9）よりも大きいため、Ｃｕ層が下に位置し、その上にＦｅ層が形成される。
【００３３】
ところで、廃棄物中には、ＣｕやＦｅの他に、Ａｌや他の金属も含まれている。しかしながら、これらの金属は、いずれも廃棄物焼却灰になるまでの過程で、ほとんどが除かれ、廃棄物焼却灰中の金属は、ほとんどがＣｕやＦｅである。例えば、Ａｌや希土類金属は、廃棄物の焼却前に多くが取り除かれ、さらに、その焼却過程で、一部が蒸発する。よって、廃棄物焼却灰中の金属には、Ａｌや希土類金属等がほとんど含まれず、その多くがＣｕやＦｅとなる。
【００３４】
フィーダ２６から炉室１２内に廃棄物焼却灰が順次投入され、スラグ層Ｓの上面が排出口１９よりも高くなると、この排出口１９から溶融スラグがオーバーフローして外部に流出する。
【００３５】
主電極２１は、プラズマアークを形成している過程で消耗するため、主電極２１の先端がスラグ層Ｓの上面から所定の高さに位置するよう、昇降装置２５を駆動して、主電極２１の先端高さを調整する。
【００３６】
廃棄物焼却灰Ａを順次投入し、この廃棄物焼却灰を溶融して、溶融スラグを外部に流出させると、次第に、炉室１２内に溜まる溶融金属の量が多くなり、金属層Ｍの上面が灰溶融炉１０の排出口１９の高さに近づいてくる。金属層Ｍの上面が排出口１９の高さに近づくと、炉室１２内に投入された廃棄物焼却灰の一部が溶融する前に、炉室１２から流出してしまう。このため、金属層Ｍの上面が排出口１９の高さに近づくと、廃棄物焼却灰Ａの投入を一時的に中止してから、傾動シリンダ２８を駆動し、灰溶融炉１０を傾けて、炉室１２内から溶融スラグと共に溶融金属を強制的に排出する。その後、灰溶融炉１０を元の直立状態に戻してから、再び、廃棄物焼却灰Ａの投入を開始する。
【００３７】
ところで、灰溶融炉１０の耐火物１７ａ，１７ｂの検査時やその更新時にも、「背景技術」で述べたように、灰溶融炉１０を傾けて溶融金属を排出口１９から強制的に排出する。そして、溶融金属を排出口１９からある程度排出した後、元の直立状態に戻して、灰溶融炉１０を冷却する。そして、炉室１２内の温度が所定温度（作業温度）以下になると、炉室１２内に作業員が入り、炉底に残って固化した金属層を除去してから、耐火物の検査や更新を行う。
【００３８】
そこで、以下では、灰溶融炉１０内の金属除去方法について、図５に示すフローチャートに従って説明する。
【００３９】
まず、灰溶融システムの管理者等は、廃棄物焼却灰の処理過程で、灰溶融炉１０の耐火物の検査時やその更新時に至ったか否かを判断する（Ｓ１）。耐火物の検査時又は更新時であると判断すると、廃棄物焼却灰の投入を中止する（Ｓ２）。
【００４０】
次に、図２に示すように、傾動シリンダ２８を駆動し、灰溶融炉１０を傾けて、炉室１２内から溶融スラグと共に溶融金属を強制的に排出する（Ｓ３）。そして、溶融金属が固化した際に、固化した金属層Ｍの分断を容易にする分断補助剤である脆化剤Ｆを、フィーダ２６から傾いている灰溶融炉１０内に投入する（Ｓ４）。なお、分断補助剤である脆化剤Ｆの具体例については、脆化剤の実施例として後述する。
【００４１】
脆化剤Ｆの投入が終了すると（Ｓ４）、図３に示すように、灰溶融炉１０を元の直立状態に戻す（Ｓ５）。このように、傾いている状態の灰溶融炉１０内に脆化剤Ｆを投入し、その後、灰溶融炉１０を直立状態に戻すことで、脆化剤Ｆを溶融金属層Ｍへの拡散を促すことができる。すなわち、傾いている状態の灰溶融炉１０内に、脆化剤Ｆを投入することで、脆化剤の一部を底壁１５の内面に至らせることができる。その上で、灰溶融炉１０を元の直立状態に戻すと、脆化剤Ｆの一部が溶融金属層Ｍ中に入り込むと共に、その際の溶融金属の流動により、溶融金属層Ｍ中に脆化剤Ｆが拡散される。
【００４２】
以上のステップ２〜５において、各電極２１，２２間には、溶融金属の温度が低下しない程度の電圧を印加し、溶融金属層Ｍを保温する。そして、灰溶融炉１０を元の直立状態に戻した後も、溶融金属層Ｍの保温を所定時間行う（Ｓ６）。このように、灰溶融炉１０を元の直立状態に戻した後も溶融金属層Ｍの保温を所定時間行うことで、溶融金属層Ｍ内への脆化剤の更なる拡散を図る。なお、ここでは、灰溶融炉１０を傾けている最中も、各電極２１，２２に電圧を印加しているが、システムの構成上、灰溶融炉１０を傾けている状態では各電極２１，２２に電圧を印加できない場合には、灰溶融炉１０を傾けている最中の各電極２１，２２への電圧印加を一時的に中止してもよい。
【００４３】
溶融金属層Ｍの保温時間が終了すると、各電極２１，２２間への電圧印加を中止し、金属層Ｍを冷却固化させる（Ｓ７）。次に、炉室内温度Ｔが予め定めた作業温度Ｔ0以下になったか否かを判断する（Ｓ８）。炉室内温度Ｔが予め定めた作業温度Ｔ0以下になっていれば、作業員は、炉室１２内に入り、図４に示すように、固化した金属層Ｍを分断し、分断した金属の破片を炉外へ出す（Ｓ９）。作業者は、固化した金属層Ｍを分断する際、例えば、各種ハツリ作業に用いられるエアーブレーカー３０等で、固化した金属層Ｍに打撃を与えて、この金属層Ｍを細かく破砕する。また、場合によっては、カッター等で固化した金属層Ｍを部分的に順次切断し、この金属層Ｍを分断する。
【００４４】
固化した金属層Ｍは、ステップ４で投入した脆化剤Ｆにより脆化しており、エアーブレーカー３０等により簡単に破砕、カッター等で簡単に切断することができる。このため、本実施形態では、固化した金属層Ｍの分断・除去する時間を短くすることができる。さらに、本実施形態では、酸素ランスを用いなくても、固化した金属層Ｍを分断できるため、作業の安全性を高めることができる。
【００４５】
「脆化剤の実施例」
次に、図６を用いて、脆化剤の実施例について説明する。
【００４６】
脆化剤には、（１）Ｆｅを主成分とする金属層を脆化させる脆化剤、（２）Ｃｕを主成分とする金属層を脆化させる脆化剤、（３）Ｆｅ及びＣｕを主成分とする金属層を脆化させる脆化剤がある。そこで、以下ではこれらの脆化剤について説明する。
【００４７】
（１）Ｆｅを主成分とする金属層を脆化させる脆化剤
Ｆｅを主成分とする金属層を脆化させる脆化剤としては、以下のａ）〜ｃ）がある。
【００４８】
ａ）Ｓｉ、Ｓｉ酸化物（例えば、ＳｉＯ２）＋還元剤（例えば、カーボン）
Ｆｅを主成分とする溶融金属に、これらの脆化剤を投入すると、ＦｅＳｉ、ＦｅＳｉ２等の非常に脆いケイ化鉄が形成される。このため、固化した金属層中には、非常に脆いケイ化鉄が含まれ、この金属層は脆くなる。
【００４９】
ここで、Ｆｅを主成分とする金属層に対して、Ｓｉを脆化剤として加えた際のこの金属層の脆化度について試験を行ったので、この試験結果について説明する。
【００５０】
この試験は、対象となる金属の試験片に衝撃を加えて試験片を破壊し、この破壊に要したエネルギー（シャルピー衝撃値）を測定することで、その金属の粘り強さ（靭性又は脆性）を調べるシャルピー衝撃試験である。このシャルピー衝撃試験では、JIS B 7722に適合したシャルピー衝撃試験機を用いて、JIS Z 2202に適合した試験片、具体的には、１０ｍｍ×１０ｍｍ×５５ｍｍの角棒に深さ２ｍｍのＶ形ノッチが形成された試験片に対して行った。また、このシャルピー衝撃試験では、現実の灰溶融炉から採取したＦｅを主成分とする金属層に、脆化剤としてＳｉを添加したものを坩堝内に投入し、これを箱型マッフル炉に入れて、坩堝内容物を溶融し、冷却後の金属魂から前述の試験片を作成した。この試験片中で、金属層に固溶したＳｉの質量パーセント濃度（mass％）は、ＥＰＭＡ（Electron Probe MicroAnalyser：電子線マイクロアナライザ）で分析した。
【００５１】
シャルピー衝撃試験の結果、図７に示すように、Ｓｉの体積比（添加量）が多くなるに連れて次第にシャルピー衝撃値（Ｊ／ｍ２）が小さくなり５０mass％以上になると、シャルピー衝撃値がほとんど低下しなくなることが分かった。
【００５２】
ここで、シャルピー衝撃値が概ね４Ｊ／ｍ２以下であると、ブレーカーなどで固化した金属層を割れるようになり、シャルピー衝撃値が概ね３Ｊ／ｍ２以下になると、ブレーカーなどで固化した金属層を容易に割れるようになることが確認されている。よって、Ｓｉの添加量は、シャルピー衝撃値が４Ｊ／ｍ２以下になる２８mass％以上であることが好ましく、さらに、シャルピー衝撃値が３Ｊ／ｍ２以下になる４０mass％以上であることがより好ましことが分かった。一方で、Ｓｉの添加量が５０mass％以上では、前述したように、シャルピー衝撃値がほとんど低下しなくなるため、コスト面からあまり好ましくない。
【００５３】
したがって、Ｓｉの添加量としては、２８〜５０mass％が好ましく、４０〜５０mass％がより好ましい。
【００５４】
ｂ）Ｓｉ酸化物の還元剤（例えば、カーボン）
スラグ層には、ＳｉＯ２が非常に多く含まれている。このため、スラグ層が残っている状態で、Ｓｉ酸化物の還元剤を投入すると、スラグ層中のＳｉＯ２が還元されて、Ｓｉとなり、このＳｉが溶融金属Ｆｅと反応して、ＦｅＳｉ、ＦｅＳｉ２等の非常に脆いケイ化鉄が形成される。このため、固化した金属層中には、非常に脆いケイ化鉄が含まれ、この金属層は脆くなる。
【００５５】
ｃ）リン（Ｐ）、リン酸化合物（例えば、以下のもの）＋還元剤（例えば、カーボン）
ＮａＨ２ＰＯ４（２Ｈ２Ｏ）、Ｎａ２ＨＰＯ４（１２Ｈ２Ｏ）、Ｎａ３ＰＯ４（１２Ｈ２Ｏ）、Ｎａ４Ｐ２Ｏ７（１０Ｈ２Ｏ）、Ｎａ２Ｈ２Ｐ２Ｏ７、Ｎａ５Ｐ３Ｏ１０、Ｎａ6Ｐ４Ｏ１３、（ＮａＰＯ３）ｎ、（ＮａｘＨｙ（ＰＯ３）ｘ＋ｙ）ｎ
Ｆｅを主成分とする溶融金属に、これらの脆化剤を投入すると、ＦｅＰ、Ｆｅ２Ｐ、Ｆｅ３Ｐ等の非常に脆いリン化鉄が形成される。このため、固化した金属層中には、非常に脆いリン化鉄が含まれ、この金属層は脆くなる。但し、Ｎａを含むリン酸化合物を用いて金属層を脆くする場合、同時に、Ｎａ塩が形成され、炉壁を形成する耐火物に悪影響を及ぼすおそれがあるため、耐火物の検査のみで耐火物の更新を伴わない場合には、以上のリン酸系の脆化剤を用いず、ａ）ｂ）の脆化剤を用いることが好ましい。なお、Ｐ単体は、発火性を持つが、難燃剤としての樹脂がコーティングされたＰが市販されているため、これを用いることで、安全に取り扱うことができる。
【００５６】
ここで、Ｆｅを主成分とする金属層に対して、Ｐを脆化剤として加えた際のこの金属層の脆化度について前述のシャルピー衝撃試験を行ったので、この試験結果について説明する。なお、このシャルピー衝撃試験、さらに、以下で説明するシャルピー試験の条件は、Ｓｉを脆化剤とした際のシャルピー衝撃試験の条件と同じである。
【００５７】
このシャルピー衝撃試験の結果、図８に示すように、Ｐの添加量（体積比）が多くなるに連れて次第にシャルピー衝撃値が小さくなり、Ｐの添加量が１４mass％になると、シャルピー衝撃値が前述の４Ｊ／ｍ２になり、２７mass％になると、シャルピー衝撃値が前述の３Ｊ／ｍ２になり、３５mass％以上では、シャルピー衝撃値がほとんど低下しなくなることが分かった。
【００５８】
したがって、Ｐの添加量としては、１４〜３５mass％が好ましく、２７〜３５mass％がより好ましい。
【００５９】
ここで、繰り返すことになるが、以上のａ）〜ｃ）の脆化剤は、Ｆｅを主成分とする金属層を脆化させるものである。このため、Ｆｅ及びＣｕを主成分とする溶融金属に、これらの脆化剤を投入しても、固化した金属層中には、非常に脆いケイ化鉄やリン化鉄が含まれることになり、この金属層を脆くすることができる。この場合、以上の脆化剤を投入後、Ｆｅを主成分とする金属層とＣｕを主成分とする金属層とが完全に分離した状態にならないようにするために、脆化剤投入後（Ｓ４）の保温（Ｓ６）で金属層の対流状態を確保し、この対流状態をある程度保ったまま冷却固化（Ｓ７）させることが好ましい。
【００６０】
また、以上のａ）ｃ）の脆化剤は、図５のフローチャートを用いて、前述したように、灰溶融炉１０を傾けている状態で投入してもよいが（Ｓ４）、廃棄物焼却灰の投入中止後（Ｓ２）、灰溶融炉１０を傾ける前に（Ｓ３）、投入してもよい（Ｓ４ａ）。これは、前述したように、溶融金属層中に、Ｆｅを主成分とするＦｅ層とＣｕを主成分とするＣｕ層とがある場合でも、Ｆｅ層はＣｕ層の上に位置し、灰溶融炉１０を傾けていなくても、ａ）ｃ）の脆化剤をＦｅ層に拡散させることができるからである。但し、灰溶融炉１０を傾ける前に（Ｓ３）、ａ）ｃ）の脆化剤を投入した場合（Ｓ４ａ）、この脆化剤がＦｅ層中に十分に拡散するよう、脆化剤の投入後、所定時間経過してから、灰溶融炉１０を傾ける（Ｓ３）ことが好ましい。
【００６１】
また、ｂ）の脆化剤は、スラグ層の存在を前提としているため、廃棄物焼却灰の投入中止後（Ｓ２）、灰溶融炉１０を傾ける前に（Ｓ３）、投入する（Ｓ４ａ）。なお、この場合も、脆化剤の投入後、所定時間経過してから、灰溶融炉１０を傾ける（Ｓ３）ことが好ましい。
【００６２】
なお、以上のａ）ｃ）の脆化剤は、それぞれ単独でも脆化効果を得ることができるが、両方を混合したものも脆化剤として利用できる。例えば、ａ）の脆化剤中のＳｉとｃ）の脆化剤中のＰとを混合して、これを脆化剤として利用する場合、それぞれ、先に述べた好ましい添加量の半分程度で、脆化効果を得ることができる。具体的に、シャルピー衝撃値を４Ｊ／ｍ２にするためには、Ｓｉ単独の場合、このＳｉは添加量として２８mass％必要であり、Ｐ単独の場合、このＰは添加量として１４mass％必要であるが、両方を混合したものを添加剤とする場合、Ｓｉの添加量は１５mass％、Ｐの添加量は７mass％で足りる。
【００６３】
（２）Ｃｕを主成分とする金属層を脆化させる脆化剤
Ｃｕを主成分とする金属層を脆化させる脆化剤としては、以下のａ）ｂ）がある。
【００６４】
ａ）Ｓｂ、Ｓｂ酸化物（例えば、Ｓｂ２Ｏ３、Ｓｂ２Ｏ５）＋還元剤（例えば、カーボン）、Ｓｂ合金（例えば、ホワイトメタル３種、４種、６〜１０種）
Ｃｕを主成分とする溶融金属に、これらの脆化剤を投入すると、Ｃｕ２Ｓｂ、Ｃｕ３Ｓｂ等の非常に脆い合金が形成される。このため、固化した金属層中には、非常に脆い合金が含まれ、この金属層は脆くなる。なお、ホワイトメタル３種、４種、６〜１０種は、比較的多くのＳｂを含む合金であり、同量のＳｂを得ようとする場合、純度の高いＳｂ単体や、純度の高いＳｂ酸化物を得る場合よりも、これらのホワイトメタルの方が比較的低価格で得ることができる。このため、コスト的には、これらのホワイトメタルを用いることが好ましい。但し、Ｓｂは、レアメタルで比較的高価であるものの、プラスチックの難燃剤として工業的に比較的多く流通しており、ホワイトメタルと比べて極端に高価というほどでもないので、Ｓｂ単体を脆化剤として利用してもよい。
【００６５】
ここで、Ｃｕを主成分とする金属層に対して、Ｓｂを脆化剤として加えた際のこの金属層の脆化度について前述のシャルピー衝撃試験を行ったので、この試験結果について説明する。
【００６６】
シャルピー衝撃試験の結果、図９に示すように、Ｓｂの添加量が多くなるに連れて次第にシャルピー衝撃値が小さくなり、Ｓｂの添加量が６mass％になると、シャルピー衝撃値が前述の４Ｊ／ｍ２になり、８mass％になると、シャルピー衝撃値が前述の３Ｊ／ｍ２になり、１７mass％以上では、シャルピー衝撃値がほとんど低下しなくなることが分かった。
【００６７】
したがって、Ｓｂの添加量としては、６〜１７mass％が好ましく、８〜１７mass％がより好ましい。
【００６８】
ｂ）Ｓｎ、Ｓｎ酸化物（例えば、ＳｎＯ、ＳｎＯ２、ＳｎＯ３）＋還元剤（例えば、カーボン）、Ｓｎ合金（例えば、ホワイトメタル１〜４種、６種、７種））
Ｃｕを主成分とする溶融金属に、これらの脆化剤を投入すると、非常に脆いＣｕ‐Ｓｎ合金が形成される。このため、固化した金属層中には、非常に脆い合金が含まれ、この金属層は脆くなる。なお、ホワイトメタル１〜４種、６種、７種は、比較的多くのＳｎを含む合金であり、同量のＳｎを得ようとする場合、純度の高いＳｎ単体や、純度の高いＳｎ酸化物を得る場合よりも、これらのホワイトメタルの方が比較的低価格で得ることができる。このため、コスト的には、これらのホワイトメタルを用いることが好ましい。
【００６９】
ここで、Ｃｕを主成分とする金属層に対して、Ｓｎを脆化剤として加えた際のこの金属層の脆化度について前述のシャルピー衝撃試験を行ったので、この試験結果について説明する。
【００７０】
シャルピー衝撃試験の結果、図１０に示すように、７mass％程度まではＳｎの添加量（体積比）が多くなるに連れて次第にシャルピー衝撃値（Ｊ／ｍ２）も大きくなるものの、それ以降、Ｓｎの添加量が多くなるに連れて逆にシャルピー衝撃値が小さくなり、Ｓｎの添加量が１２mass％になると、シャルピー衝撃値が前述の４Ｊ／ｍ２になり、２０mass％になると、シャルピー衝撃値が前述の３Ｊ／ｍ２になり、３０mass％以上では、シャルピー衝撃値がほとんど低下しなくなることが分かった。
【００７１】
したがって、Ｓｎの添加量としては、１２〜３０mass％が好ましく、２０〜３０mass％がより好ましい。
【００７２】
以上のａ）ｂ）の脆化剤は、Ｃｕを主成分とする金属層を脆化させるものである。このため、Ｆｅ及びＣｕを主成分とする溶融金属に、これらの脆化剤を投入しても、固化した金属層中には、非常に脆いＣｕ−Ｓｂ合金やＣｕ−Ｓｎ合金が含まれることになり、この金属層を脆くすることができる。この場合、以上の脆化剤を投入後、Ｆｅを主成分とする金属層とＣｕを主成分とする金属層とが完全に分離した状態にならないようにするために、脆化剤投入後（Ｓ４）の保温（Ｓ６）で金属層の対流状態を確保し、この対流状態をある程度保ったまま冷却固化（Ｓ７）させることが好ましい。
【００７３】
なお、以上のａ）ｂ）の脆化剤は、それぞれ単独でも脆化効果を得ることができるが、両方を混合したものも脆化剤として利用できる。ここで、ａ）の脆化剤中のＳｂとｂ）の脆化剤中のＳｎとを混合したものを脆化剤とした場合について試験を行ったので、この試験について説明する。
【００７４】
まず、添加量３０mass％に固定した上で、ＳｂとＳｎとの比を変えた脆化剤を、Ｃｕを主成分とする金属層に加えた際のこの金属層の脆化度について前述のシャルピー衝撃試験を行ったので、この試験結果について説明する。
【００７５】
このシャルピー衝撃試験の結果、図１１に示すように、（Ｓｂ＋Ｓｎ）の添加量が３０mass％で、Ｓｎの添加量１５mass％のとき、つまり、ＳｂとＳｎとの比が１：１のとき、シャルピー衝撃値が最小になることが分かった。
【００７６】
続いて、脆化剤（Ｓｂ＋Ｓｎ）中のＳｂとＳｎとの比を１：１にし、Ｃｕを主成分とする金属層に対して、この脆化剤を各量加えた際のこの金属層の脆化度について前述のシャルピー衝撃試験を行ったので、この試験結果について説明する。
【００７７】
このシャルピー衝撃試験の結果、図１２に示すように、脆化剤（Ｓｂ＋Ｓｎ）の添加量が多くなるに連れて次第にシャルピー衝撃値が小さくなり、脆化剤（Ｓｂ＋Ｓｎ）の添加量が１０mass％になると、シャルピー衝撃値が前述の４Ｊ／ｍ２になり、１６mass％になると、シャルピー衝撃値が前述の３Ｊ／ｍ２になり、３５mass％以上では、シャルピー衝撃値がほとんど低下しなくなることが分かった。
【００７８】
したがって、ＳｂとＳｎとの比が１：１の脆化剤（Ｓｂ＋Ｓｎ）の添加量としては、１０〜３５mass％が好ましく、１６〜３５mass％がより好ましい。
【００７９】
前述したように、ＳｂやＳｎを含むホワイトメタルは存在するものの、ＳｂとＳｎとの比が１：１に近いホワイトメタルは存在しない。このため、ＳｂとＳｎとの比が１：１の脆化剤（Ｓｂ＋Ｓｎ）を用いる場合には、Ｓｂ単体及びＳｎ単体を個別に購入し、これらを灰溶融炉へ投入する前に混ぜ合わせる、または灰溶融炉へ投入した後に混ぜ合わせることが好ましい。但し、ＳｂとＳｎとの比が１：１に近いホワイトメタルは存在しないものの、両方を含んでいれば、Ｓｂ単体やＳｎ単体を脆化剤として用いる場合よりも脆化効果が高いため、ＳｂとＳｎとの両方を含んでいるホワイトメタル３種、４種、６種、７種を脆化剤として用いてもよい。
【００８０】
（３）Ｆｅ及びＣｕを主成分とする金属層を脆化させる脆化剤
Ｆｅ及びＣｕを主成分とする金属層を脆化させる脆化剤としては、以下のａ）〜ｃ）がある。
【００８１】
ａ）Ｚｎ、ＺｎＯ、Ｚｎ合金（例えば、ホワイトメタル５種）
Ｆｅ及びＣｕを主成分とする溶融金属に、これらの脆化剤と投入した場合、同一気圧下でのＺｎの融点（大気圧下で４１９℃）が、ＣｕやＦｅの融点に比べて極めて低いため、冷却固化工程（Ｓ７）において、ＣｕやＦｅが固化した後もＺｎの蒸発は継続する。このため、炉室１２内温度が作業温度Ｔ0以下になった時点で（Ｓ８）、Ｆｅ及びＣｕを主成分とする金属層には、微細な多数の空隙が形成される、言い換えると、この金属層が多孔質化する。よって、Ｆｅ及びＣｕを主成分とする金属層は脆くなる。
【００８２】
ｂ）Ｌａ、Ｌａ酸化物（例えば、Ｌａ２Ｏ３）
Ｌａは、空気中等の水分と結合して水酸化物を形成し粉状に変化する性質がある。このため、Ｆｅ及びＣｕを主成分とする溶融金属に、これらの脆化剤と投入すると、Ｌａが水酸化物を形成して、粒状化するに伴って、固化した金属層が脆くなる。
【００８３】
ミッシュメタルは、ＬａやＣｅを主体とする混合希土類であり、同量のＬａを得ようとする場合、純度の高いＬａ単体や、純度の高いＬａ酸化物を得る場合よりも、ミッシュメタルの方が比較的低価格で得ることができる。このため、コスト的には、このミッシュメタルを用いることが好ましい。
【００８４】
ここで、Ｆｅ及びＣｕを主成分とする溶融金属にミッシュメタルを投入する実験を行ったので、以下で簡単に説明する。
【００８５】
ミッシュメタルを投入していない溶融金属は、固化すると、その金属層の硬度が２４０（Ｈｖ）程度であった。また、ビッカース圧子を打ち込んだ後には、クラックを何ら観察することができなかった。一方、ミッシュメタルを投入した溶融金属は、固化すると、その金属層の硬度が４２０（Ｈｖ）程度にまで上がった。また、ビッカース圧子を打ち込んだ後には、図１３に示すように、多数のクラックを観察することができた。よって、この実験からも、ミッシュメタルを投入することで、金属層を脆くすることができることは明確である。
【００８６】
ｃ）ｈ−ＢＮ（六方晶窒化ホウ素）
ｈ−ＢＮは、低温状態でも高温状態でも極めて化学的に安定した物質で、他の材料とほとんど反応しないため、潤滑剤として知られている物質である。このため、溶融金属中にｈ−ＢＮを投入しても、溶融金属とｈ−ＢＮとは反応しないが、固化した金属層中の金属粒界中にｈ−ＢＮが存在することで、金属結晶粒相互間での結合力が弱まる。このため、溶融金属中にｈ−ＢＮを投入すると、固化した金属層を脆くすることができる。
【００８７】
なお、このｈ−ＢＮは、比重が２．３と小さく、溶融金属の上に単に載せただけでは、溶融金属中に入りこまないため、このｈ−ＢＮを脆化剤として溶融金属に投入する際には、灰溶融炉１０を傾けている状態で投入する必要がある。
【００８８】
以上、（１）〜（３）の脆化剤を紹介したが、これらを単独で用いてもよいが、これらを組み合わせて用いてもよい。特に、（１）Ｆｅを主成分とする金属層を脆化させる脆化剤と、（２）Ｃｕを主成分とする金属層を脆化させる脆化剤とは、両脆化剤を組み合わせて用いることが好ましい。これは、廃棄物焼却灰を溶融して得られる溶融金属は、廃棄物焼却灰の取得経路や取得時期によって、ＦｅとＣｕとの比率が変化するものの、両金属を含んでいることがほとんどであるため、各金属層を脆化させる方が、炉室１２内で固化した金属層の分割・除去が容易になるからである。
【００８９】
（１）の脆化剤と（２）の脆化剤を組み合わせて用いる場合、灰溶融炉１０を傾けている状態で、両脆化剤を同時に投入してもよいが（Ｓ４）、灰溶融炉１０を傾ける前に（Ｓ３）、（１）の脆化剤を投入し（Ｓ４ａ）、灰溶融炉１０を傾けている状態で、（２）の脆化剤を投入してもよい（Ｓ４ｂ）。なお、（１）の脆化剤を投入した後（Ｓ４ａ）、灰溶融炉１０を傾けている状態で、投入する脆化剤は、（３）の脆化剤であってもよい。また、灰溶融炉１０を傾けている状態で、両脆化剤を同時に投入する場合、（１）の脆化剤中のｂ）の脆化剤は、前述したように、溶融スラグの存在を前提とし、灰溶融炉１０を傾ける前に投入する必要があるため、灰溶融炉１０を傾けている状態で同時に投入する脆化剤にはならない。
【００９０】
これらの脆化剤は、投入口１８から投入する以外に、灰溶融炉１０の最初の立ち上げ時（炉内耐火物は浸食のため、定期的に交換する必要があり、交換後の最初の運転開始時）に、最初から炉底に敷いておいても良い。これらの脆化剤は、傾動時に多少流れてしまうものの、大部分は炉内にそのまま留まるので、メタルはつり時に脆化の効果を発揮する。この方法であれば、フィーダ２６より上方に灰を貯めておくホッパにも何ら改造を加えることなく実施できる。
【００９１】
以上、プラズマ式灰溶融炉１０内に堆積した金属を除去する方法について説明したが、本発明はプラズマ式灰溶融炉１０に限定されるものではなく、固化した金属層を除去する必要が生じる灰溶融炉１０であれば、如何なるタイプの灰溶融炉１０であってもよい。
【符号の説明】
【００９２】
１０：灰溶融炉、１１：炉本体、１２：炉室、１３：側周壁、１４：天井壁、１５：底壁、１７ａ，１７ｂ：耐火物、１８：投入口、１９：排出口、２１：主電極、２２：炉底電極、２６：フィーダ、２８：傾動シリンダ、２９：傾動軸、３０：エアーブレーカー
【特許請求の範囲】
【請求項１】
廃棄物焼却灰を溶融する灰溶融炉内に堆積した金属を除去する灰溶融炉内金属の除去方法において、
前記灰溶融炉内で溶融している前記廃棄物焼却灰に、該廃棄物焼却灰中の金属が固化した際に、固化した金属層の分断を容易にする分断補助剤を投入する補助剤投入工程と、
前記補助剤投入工程後に、前記金属層を固化させる固化工程と、
前記固化工程で固化した前記金属層を分断し、前記灰溶融炉から除去する除去工程と、
を実行することを特徴とする灰溶融炉内金属の除去方法。
【請求項２】
請求項１に記載の灰溶融炉内金属の除去方法において、
前記分断補助剤は、前記金属層を脆化させる脆化剤である、
ことを特徴とする灰溶融炉内金属の除去方法。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の灰溶融炉内金属の除去方法において、
前記補助剤投入工程後であって、前記固化工程前に、前記灰溶融炉内の金属の温度を低下させない保温工程、
を実行することを特徴とする灰溶融炉内金属の除去方法。
【請求項４】
請求項１から３のいずれか一項に記載の灰溶融炉内金属の除去方法において、
前記灰溶融炉は、前記廃棄物焼却灰が投入される炉室が内部に形成されている炉本体と、該炉室内への投入物を加熱する加熱手段と、を有しており、
前記炉本体は、側周壁と、該側周壁の上方開口を塞ぐ天井壁と、該側周壁の下方開口を塞ぐ底壁と、を有し、該底壁の内面は、中心側に向かうに連れて次第に炉室内側から炉外側に凹んだ形状を成し、該側周壁には、投入口及び排出口が形成されており、
前記固化工程より前に、前記灰溶融炉内で溶融している前記廃棄物焼却灰の一部を、該灰溶融炉を傾けて、該灰溶融炉の前記排出口から強制的に流出させ、その後、該灰溶融炉の傾けを元に戻す強制流出工程、
を実行することを特徴とする灰溶融炉内金属の除去方法。
【請求項５】
請求項４に記載の灰溶融炉内金属の除去方法において、
前記強制流出工程で前記灰溶融炉を傾けている最中に、前記分断補助剤を前記投入口から投入する、
ことを特徴とする灰溶融炉内金属の除去方法。
【請求項６】
請求項１から５のいずれか一項に記載の灰溶融炉内金属の除去方法において、
前記分断補助剤は、Ｓｉ、ＳｉＯ２及び当該ＳｉＯ２の還元剤、リン、リン酸塩化合物及び当該リン酸塩化合物の還元剤、Ｓｂ、Ｓｂ酸化物及びＳｂ酸化物の還元剤、Ｓｂ合金、Ｓｎ、Ｓｎ酸化物及びＳｎ酸化物の還元剤、Ｓｎ合金、Ｚｎ、Ｌａ、Ｌａ２Ｏ３、ｈ−ＢＮ（六方晶窒化ホウ素）のうち、少なくとも一つを含む、
ことを特徴とする灰溶融炉内金属の除去方法。
【請求項７】
請求項４に記載の灰溶融炉内金属の除去方法において、
前記補助剤投入工程は、前記強制流出工程の前に、第一分断補助剤を前記投入口から投入する第一補助剤投入工程と、前記強制流出工程で前記灰溶融炉を傾けている最中に、第二分断補助剤を前記投入口から投入する第二補助剤投入工程と、を有し、
前記第一分断補助剤は、
Ｓｉ、ＳｉＯ２及び当該ＳｉＯ２の還元剤、ＳｉＯ２の還元剤、リン、リン酸塩化合物及び当該リン酸塩化合物の還元剤のうち、少なくとも一つを含み、
前記第二分断補助剤は、Ｓｂ、Ｓｂ酸化物及びＳｂ酸化物の還元剤、Ｓｂ合金、Ｓｎ、Ｓｎ酸化物及びＳｎ酸化物の還元剤、Ｓｎ合金、Ｚｎ、Ｌａ、Ｌａ２Ｏ３、ｈ−ＢＮ（六方晶窒化ホウ素）のうち、少なくとも一つを含む、
ことを特徴とする灰溶融炉内金属の除去方法。
【請求項１】
廃棄物焼却灰を溶融する灰溶融炉内に堆積した金属を除去する灰溶融炉内金属の除去方法において、
前記灰溶融炉内で溶融している前記廃棄物焼却灰に、該廃棄物焼却灰中の金属が固化した際に、固化した金属層の分断を容易にする分断補助剤を投入する補助剤投入工程と、
前記補助剤投入工程後に、前記金属層を固化させる固化工程と、
前記固化工程で固化した前記金属層を分断し、前記灰溶融炉から除去する除去工程と、
を実行することを特徴とする灰溶融炉内金属の除去方法。
【請求項２】
請求項１に記載の灰溶融炉内金属の除去方法において、
前記分断補助剤は、前記金属層を脆化させる脆化剤である、
ことを特徴とする灰溶融炉内金属の除去方法。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の灰溶融炉内金属の除去方法において、
前記補助剤投入工程後であって、前記固化工程前に、前記灰溶融炉内の金属の温度を低下させない保温工程、
を実行することを特徴とする灰溶融炉内金属の除去方法。
【請求項４】
請求項１から３のいずれか一項に記載の灰溶融炉内金属の除去方法において、
前記灰溶融炉は、前記廃棄物焼却灰が投入される炉室が内部に形成されている炉本体と、該炉室内への投入物を加熱する加熱手段と、を有しており、
前記炉本体は、側周壁と、該側周壁の上方開口を塞ぐ天井壁と、該側周壁の下方開口を塞ぐ底壁と、を有し、該底壁の内面は、中心側に向かうに連れて次第に炉室内側から炉外側に凹んだ形状を成し、該側周壁には、投入口及び排出口が形成されており、
前記固化工程より前に、前記灰溶融炉内で溶融している前記廃棄物焼却灰の一部を、該灰溶融炉を傾けて、該灰溶融炉の前記排出口から強制的に流出させ、その後、該灰溶融炉の傾けを元に戻す強制流出工程、
を実行することを特徴とする灰溶融炉内金属の除去方法。
【請求項５】
請求項４に記載の灰溶融炉内金属の除去方法において、
前記強制流出工程で前記灰溶融炉を傾けている最中に、前記分断補助剤を前記投入口から投入する、
ことを特徴とする灰溶融炉内金属の除去方法。
【請求項６】
請求項１から５のいずれか一項に記載の灰溶融炉内金属の除去方法において、
前記分断補助剤は、Ｓｉ、ＳｉＯ２及び当該ＳｉＯ２の還元剤、リン、リン酸塩化合物及び当該リン酸塩化合物の還元剤、Ｓｂ、Ｓｂ酸化物及びＳｂ酸化物の還元剤、Ｓｂ合金、Ｓｎ、Ｓｎ酸化物及びＳｎ酸化物の還元剤、Ｓｎ合金、Ｚｎ、Ｌａ、Ｌａ２Ｏ３、ｈ−ＢＮ（六方晶窒化ホウ素）のうち、少なくとも一つを含む、
ことを特徴とする灰溶融炉内金属の除去方法。
【請求項７】
請求項４に記載の灰溶融炉内金属の除去方法において、
前記補助剤投入工程は、前記強制流出工程の前に、第一分断補助剤を前記投入口から投入する第一補助剤投入工程と、前記強制流出工程で前記灰溶融炉を傾けている最中に、第二分断補助剤を前記投入口から投入する第二補助剤投入工程と、を有し、
前記第一分断補助剤は、
Ｓｉ、ＳｉＯ２及び当該ＳｉＯ２の還元剤、ＳｉＯ２の還元剤、リン、リン酸塩化合物及び当該リン酸塩化合物の還元剤のうち、少なくとも一つを含み、
前記第二分断補助剤は、Ｓｂ、Ｓｂ酸化物及びＳｂ酸化物の還元剤、Ｓｂ合金、Ｓｎ、Ｓｎ酸化物及びＳｎ酸化物の還元剤、Ｓｎ合金、Ｚｎ、Ｌａ、Ｌａ２Ｏ３、ｈ−ＢＮ（六方晶窒化ホウ素）のうち、少なくとも一つを含む、
ことを特徴とする灰溶融炉内金属の除去方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【公開番号】特開２０１２−１０７８５３（Ｐ２０１２−１０７８５３Ａ）
【公開日】平成２４年６月７日（２０１２．６．７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−２０８９７０（Ｐ２０１１−２０８９７０）
【出願日】平成２３年９月２６日（２０１１．９．２６）
【出願人】（５０１３７０３７０）三菱重工環境・化学エンジニアリング株式会社 (175)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年６月７日（２０１２．６．７）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年９月２６日（２０１１．９．２６）
【出願人】（５０１３７０３７０）三菱重工環境・化学エンジニアリング株式会社 (175)
【Ｆターム（参考）】
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