焼却灰の改質処理方法及びこれを用いた焼却灰改質型ストーカ式ごみ焼却炉
【課題】 ごみ焼却炉からの焼却灰を低コストで効率よく改質し、鉛等の有害物質が外部へ溶出することのない安全且つ高品質な土木建築用資材としてリサイクルできるようにする。
【解決手段】 焼却灰に二酸化炭素と水分とを混合して５０℃〜６００℃の温度域で一定時間保持し、焼却灰を酸に難溶な鉱物性物質に改質することにより、焼却灰内の鉛の外部への溶出を抑制する。
【解決手段】 焼却灰に二酸化炭素と水分とを混合して５０℃〜６００℃の温度域で一定時間保持し、焼却灰を酸に難溶な鉱物性物質に改質することにより、焼却灰内の鉛の外部への溶出を抑制する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、都市ごみ焼却灰や焼却飛灰等（以下焼却灰と総称する）を経済的に効率よく、しかもより安全性の高い有価物に変換できるようにした焼却灰の改質処理方法と、これを用いた焼却灰改質型ストーカ式ごみ焼却炉に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
都市ごみ焼却炉等から排出される焼却灰中には、土壌汚染対策法等に示されている特定有害物質が含有されており、特に鉛の溶出量及び含有量が基準値を上回ることが多いため、焼却灰をそのまま建築用資材等としてリサイクル利用することは困難である。
そのため、焼却灰の大部分は埋立により処分されて来たが、埋立処分場の確保が困難になって来たこと及び資源循環型社会の構築が要請されていること等の理由から、近年各方面で焼却灰を改質処理してこれを資源化し、その有効利用を図ることが行われている。
【０００３】
例えば、上記焼却灰の改質処理方法としては、イ．焼却灰の溶融又は焼成処理方式、ロ．焼却灰のエージング処理方式及びハ．焼却灰の水熱処理方式等が多く利用されている。
しかし、上記イ．の焼却灰の溶融によるスラグ化や焼成によるエコセメント化の処理は、多くのエネルギー消費を伴ううえに高い運転技術を必要とすると云う問題がある。
【０００４】
一方、上記ロ．の方式は、焼却灰にＣＯ2を含有するガスを接触させ、灰中のアルカリ成分を中和すると共に灰中の鉛を難溶性の炭酸鉛等にするものであり、土壌汚染対策法に規定の所謂鉛溶出量基準を充足することができる（特開２００２−０１８３９２号等）。
【０００５】
また、上記ハ．の方式は、１００℃〜３００℃の飽和水蒸気により焼却灰を養生することにより、アルミノケイ酸カルシウム水和物（例えばトバモライト）を合成し、その構造内に鉛を封じ込めることにより鉛の溶出量を低減させるものである（特許第３２６３０４５号等）。
【０００６】
しかし、上記ロ．及びハ．の方式は、前述の通り鉛の溶出量についての基準は充足することができるものの、一規定濃度の塩酸に対し炭酸塩やアルミノケイ酸カルシウム水和物は可溶であるため、塩酸抽出により計量される鉛含有量は減少せず、土壌汚染対策法に規定される塩酸抽出量基準を充足することができないと云う問題がある。その結果、上記ロ．及びハ．の方式により改質処理された焼却灰は、土木建築用資材としてリサイクルすることが出来ないと云う難点がある。
【０００７】
加えて、都市ごみ焼却炉等で発生する焼却灰や灰溶融処理により生成されたスラグは、アルカリ性水溶液と接触することにより水素を発生することが知られている（特開２０００−２２０８１６号、特開平１１−１４１８４９号、特開平４−２６５１８８号等）。具体的には、通常の焼却灰の改質処理においては、焼却灰１トンから７５Ｖｏｌ％の水素を含むガスが約２３Ｎｍ3 程度発生することが確認されている。
【０００８】
これ等の発生水素は、最終的には灰ピットや灰シュート内に充満することになり、金属類同士の接触により生ずる火花や静電気等により引火、爆発を起こす危険が高いと云う問題がある。
【０００９】
【特許文献１】特開２００２−０１８３９２号
【特許文献２】特許第３２６３０４５号
【特許文献３】特開２０００−２２０８１６号
【特許文献４】特開平１１−１４１８４９号
【特許文献５】特開平０４−２６５１８８号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
本発明は、従前の焼却灰を資源として有効利用するための各種処理方式（以下、焼却灰の改質処理方法と呼ぶ）における上述の如き問題、即ちａ．エネルギー消費量が増大したり、高い運転技術を必要とすること、ｂ．構造内に封じ込めした鉛が塩酸等により溶出することになり、土木建築用資材としてのリサイクルが困難なこと及びｃ．アルカリ性水溶液との接触により水素が発生し、ガス爆発等の危険があること等の問題を解決せんとするものであり、焼却灰をより少ない消費エネルギーでもって簡単且つ確実に、しかも一規定濃度塩酸に難溶な物質に改質することにより、焼却灰の土建用資材としての再利用を可能とした焼却灰の改質処理方法と、これを用いた焼却灰改質型ストーカ式ごみ焼却炉を提供することを発明の主たる目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
請求項１の発明は、焼却灰に二酸化炭素と水分とを混合して５０℃〜６００℃の温度域で一定時間保持し、焼却灰を酸に難溶な物質に改質することにより焼却灰内の鉛の外部への溶出を抑制したことを特徴とするものである。
【００１２】
請求項２の発明は、請求項１の発明において、焼却灰にけい素とアルミニウムの何れか一方又は両方を加え、けい素とアルミニウムの含有比を所定値に調整した焼却灰を処理するようにしたものである。
【００１３】
請求項３の発明は、請求項１の発明において、二酸化炭素としてごみ焼却炉からの排ガス内の二酸化炭素を、また水分としてボイラの蒸気を利用するようにしたものである。
【００１４】
請求項４の発明は、請求項１の発明において、焼却灰と水分と二酸化炭素との混合物を一定時間保持するための５０℃〜６００℃の温度域をストーカ式ごみ焼却炉の１次燃焼室内としたものである。
【００１５】
請求項５の発明は、請求項４の発明において、混合物を５０℃〜６００℃の温度域に一定時間保持することにより発生した水素をストーカ式ごみ焼却炉の１次燃焼ガス内へ混入させるようにしたものである。
【００１６】
請求項６の発明は、請求項４の発明において、混合物を５０℃〜６００℃の温度域に一定時間保持することにより発生した水素を含む燃焼ガスを１次燃焼室の下流側の上方空間より外部へ吸引し、当該水素を含む燃焼ガスをストーカ式ごみ焼却炉の２次燃焼空気の供給位置より下流側の燃焼室内へ供給して、当該燃焼ガスの供給域を還元性雰囲気の領域にするようにしたものである。
【００１７】
請求項７の発明は、焼却灰と水分とを混合し、５０℃〜６００℃の温度域で一定時間保持する第１処理工程と、前記第１処理工程からの中間処理物に水分と二酸化炭素を混合し、５０℃〜６００℃の温度域で一定時間保持する第２処理工程とから成り、焼却灰を酸に難溶な物質に改質することにより焼却灰内の鉛の外部への溶出を抑制したことを特徴とするものである。
【００１８】
請求項８の発明は、請求項７の発明において、焼却灰にけい素とアルミニウムの何れか一方又は両方を加え、けい素とアルミニウムの含有比を所定値に調整した焼却灰を処理するようにしたものである。
【００１９】
請求項９の発明は、請求項７の発明において、第１処理工程をストーカ式ごみ焼却炉の１次燃焼室内で行い且つ混合する水分としてボイラの蒸気を利用すると共に、第２処理工程における二酸化炭素としてごみ焼却炉からの排ガス内の二酸化炭素を利用するようにしたものである。
【００２０】
請求項１０の発明は、請求項９の発明において、ストーカ式ごみ焼却炉の１次燃焼室における第１処理工程で発生した水素をストーカ式ごみ焼却炉の１次燃焼ガス内へ混入させるようにしたものである。
【００２１】
請求項１１の発明は、請求項９の発明において、ストーカ式ごみ焼却炉の１次燃焼室における第１処理工程で発生した水素を含む燃焼ガスを１次燃焼室の下流側の上方空間より外部へ吸引し、当該水素を含む燃焼ガスをストーカ式ごみ焼却炉の２次燃焼空気の供給位置より下流側の燃焼室内へ供給して、当該燃焼ガスの供給領域を還元性雰囲気の領域にするようにしたものである。
【００２２】
請求項１２の発明は、ストーカ式ごみ焼却炉のストーカの最下流側位置に灰改質ストーカを設けると共に、当該灰改質ストーカ上の焼却灰に水分を供給する位置を設けてボイラからの蒸気を供給するか、若しくは水を噴霧供給し、更に、ストーカ式ごみ焼却炉の排ガス浄化装置の出口側から分岐した排ガス供給ラインを通して排ガスの一部を前記灰改質ストーカの下方へ供給し、焼却灰に水と排ガス内の二酸化炭素を混合して高温下に一定時間保持することにより焼却灰を酸に難溶な物質に改質する構成としたことを特徴とするものである。
【００２３】
請求項１３の発明は、請求項１２の発明において、灰改質ストーカの上方に燃焼ガス吸引口を設け、当該吸引口から吸引した水素含有燃焼ガスを燃焼ガス供給ラインを通して二次燃焼空気供給位置より下流側の燃焼室内へ供給する構成としたものである。
【００２４】
請求項１４の発明は、請求項１２の発明において、ストーカを構成する後燃焼ストーカの下流側を灰改質ストーカとすると共に、当該灰改質ストーカとした部分の下方から排ガスを供給するようにしたものである。
【００２５】
請求項１５の発明は、請求項１２の発明において、ボイラからの蒸気と排ガスの両方を灰改質ストーカの下方より焼却灰内へ供給するようにしたものである。
【００２６】
請求項１６の発明は、ストーカ式ごみ焼却炉のストーカの最下流側位置に灰改質ストーカを設けると共に、当該灰改質ストーカ上方に焼却灰に水分を供給する水分蒸気供給装置を設けてボイラからの蒸気を前記水分蒸気供給装置へ供給することにより、焼却灰と水分を混合して一定時間保持すると共に、前記灰改質ストーカの下流側より灰出口を通して焼却灰を加熱装置を備えた灰改質装置内へ供給し、更に当該灰改質装置内へ水分とストーカ式ごみ焼却炉の排ガス浄化装置の出口側からの排ガスを供給して５０℃〜６００℃の温度下で一定時間前記焼却灰を保持することにより、焼却灰を酸に難溶な鉱物性物質に改質する構成としたことを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００２７】
本願発明においては、焼却灰に水分とＣＯ2 と熱を加え、アルミノケイ酸カルシウム水和物等をアルミノケイ酸水和物等の酸に難溶性の鉱物質の物質、例えば鉱物性のもので、アルミナとシリカから成る物質に変換し、その内部に鉛等の有害物質を封じ込む構成としている。その結果、従前の焼却灰の改質処理方式により改質した改質灰のように、酸に溶融されて内部の鉛等の重金属が外部へ溶出するようなことが殆どなくなり、焼却灰を土木建築用資材としてリサイクルすることができる。
【００２８】
また、灰の処理にストーカ式焼却炉の排熱や排ガスを利用するため、エネルギー消費が少なくなり、その結果処理費用の大幅な引下げが可能となる。
【００２９】
更に、ストーカ式ごみ焼却炉の内部で焼却灰を安定化することができるため、下流側の灰貯蔵ピット内等での水素の発生が無くなり、水素に対する安全対策等が全く不要となる。
【００３０】
加えて、ストーカ式ごみ焼却炉内で改質の全部又は一部を行うため、ごみの燃焼による輻射熱や焼却灰の保有熱を有効に利用することができ、改質反応のみならず、焼却灰からの水素の発生も一層促進されることになる。
【００３１】
また、発生した水素を２次燃焼用空気供給位置から下流側の燃焼室内へ供給することにより、供給領域を有効に還元性雰囲気とすることができる。その結果、ＮＯｘやダイオキシン及びダイオキシンの前駆体の発生を抑制することが可能となる。
【００３２】
更に、ストーカ式ごみ焼却炉と灰改質装置とを組み合せ使用する場合には、強制的な撹拌混合等を行うことにより短時間で焼却灰の改質処理を効率よく行うことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３３】
以下、図面に基づいて本発明の実施形態を説明する。
図１は、本発明に係る焼却灰の改質処理方法の実施形態を示す説明図である。
図１を参照して、１は焼却灰、２は水又は水蒸気、３はＣＯ2 又はＣＯ2 含有ガス、４は熱、５は改質装置、６は改質灰、12は発生水素である。
【００３４】
前記被処理物である焼却灰１は、都市ごみ等の焼却炉から発生する所謂主灰又は飛灰若しくは両者の混合物等であり、また、２は水又は水蒸気であって、通常は廃熱ボイラからの蒸気を使用する。
更に、３はＣＯ2 又はＣＯ2 含有ガスであって、ごみ焼却炉からの排ガスが一般的に多く利用される。
【００３５】
前記熱４は、系外より被処理物である焼却灰１に与えられる熱であり、焼却灰１を５０〜６００℃の高温度に保持するだけの熱量が外部より与えられる。当該熱４としては、ごみ焼却炉からの排ガスの熱や加熱ガス発生炉（図示省略）により別途に発生した燃焼ガスの熱等が多く利用される。
【００３６】
前記改質装置５は、ロータリキルンやオートクレーブ等の焼却灰１を一定時間撹拌・混合し乍ら加熱できる構造のものであれば如何なる構造の装置であってもよく、後述するようにストーカ式ごみ焼却炉そのものを改質装置として（或いは、ストーカ式ごみ焼却炉を改質装置の一部として）利用することも可能である。
【００３７】
前記改質装置５内へ焼却灰１を投入し、これに水（又は水蒸気）２とＣＯ2 （又はＣＯ2 含有ガス）３を加え、これ等を撹拌混合し乍ら一定時間（約０．１〜１０時間）５０℃〜６００℃、好ましくは１００℃〜４００℃の温度下に保持することにより、改質装置５内では例えば下記の如き反応が起生する。
４ＣａＯ・３Ａｌ2Ｏ3・６ＳｉＯ2・Ｈ2Ｏ（エピドート）＋４ＣＯ2＋５Ｈ2Ｏ→３（Ａｌ2Ｏ3・２ＳｉＯ2・２Ｈ2Ｏ）（カオリナイト）＋４ＣａＣＯ3
即ち、焼却灰１内にはＡｌやＳｉ、ＣａＯやＣａＣＯ3等が多量残留している。これらが加熱下で水分と反応することにより、従前の水熱反応処理の場合と同様にアルミノケイ酸カルシウム水和物（例えばエピドート）が形成される。
また、改質装置５内へはＣＯ2 が供給されているため、ＣＯ2 とＨ2 Ｏとが前記ケイ酸カルシウム水和物と反応することにより、ケイ酸カルシウム水和物（エピドート）からカルシウム成分が除去されて、アルミノケイ酸水和物（カオリナイト）が形成される。
【００３８】
この形成されたアルミノケイ酸水和物（カオリナイト）は、所謂鉱物性の物性を有する塩酸に難溶性の物質である。その結果、その網目構造内に取り込まれた鉛は、１規定濃度の塩酸溶液でも抽出されなくなり、環境省告示第１９号の規定に基づく方法により測定された鉛含有量は大幅に低減する。即ち、本発明により改質した改質灰６は、土木・建築用資材として安全にリサイクルすることができる。
【００３９】
また、改質処理を行うことにより、改質装置５内では焼却灰１内のＡｌやＺｎ等とアルカリ性水溶液との接触により水素１２が発生する。この発生した水素は、別途に設けた水素回収装置（図示省略）へ連続的に回収されるうえ、改質装置５内にはＣＯ2 が充満しているため、改質装置５内のＨ2濃度は約５％以下の爆発限界以下の濃度に保持されており、その結果、改質装置５内で水素爆発が起生する虞れは皆無である。
【００４０】
尚、焼却灰１の加熱温度は５０℃以上を必要とする。５０℃以下になると、上記水和反応及び水和物の鉱物化反応が効率的に進行しないからである。
また、加熱温度が高温になるほど反応効率は向上するが、反応効率の上昇の飽和や熱消費量を考慮すると、３００℃〜４００℃位までの温度上昇で十分である。
【００４１】
前記図１の実施形態では、焼却灰１を改質装置５内でバッチ方式により改質処理するようにしているが、焼却灰１の供給及び改質物質６の取出しを連続的に行うようにしてもよいことは勿論である。
【００４２】
また、前記図１の実施形態では、焼却灰１をそのまま改質装置５内へ供給するようにしているが、改質装置５の上流側に前処理装置（図示省略）を設け、ここで破砕や鉄分の除去等を行うのが望ましい。
【００４３】
更に、前記図１の実施形態では、改質装置５内で焼却灰１と水２とＣＯ2 ３との混合を同時に行う構成としているが、別装置により予め焼却灰１と水２とを加熱混合したあと、当該混合物とＣＯ2 ３との加熱混合を別装置により行う分離混合方式とすることも可能である。
【００４４】
図２は、本発明に係る焼却灰改質方法の第２実施形態を示す説明図である。
図２において、７は灰質調整装置、８はけい素化合物、９はアルミ化合物、１０は調質焼却灰、１１はアルカリ剤である。
【００４５】
この第２実施形態は、イ．灰質調整装置７を用いて、被処理物である焼却灰１内のけい素とアルミニウムの含有比Ｓｉ／Ａｌが目的とする改質物質（改質灰）６のＳｉ／Ａｌ比と同一になるように、焼却灰１内へけい素化合物８（例えばＳｉＯ2 等）とアルミ化合物９（例えばＡｌ2 Ｏ3 等）の何れか一方又は両方を加え、調質焼却灰１０を形成するようにした点及びロ．改質装置５へ前記調質焼却灰１０を供給すると共に、アルカリ剤（例えばＮａＯＨやＣａ（ＯＨ）2 等）を供給して被処理物のＰＨを調整するようにした点で、前記図１の第１実施形態と異なっており、その他の点は図１の場合と全く同一である。
【００４６】
尚、第２実施形態において、焼却灰１内のＳｉ／Ａｌ比を所定値に調整するのは、改質物質６の品質を高める（即ち、鉱物化されたアルミノケイ酸水和物の含有量を高める）ためであり、改質反応をさせる原料灰をＳｉ／Ａｌ比を調整した調質焼却灰１０とすることにより、目的物質であるアルミノケイ酸水和物が効率的に生成され、改質物質６の品質がより一層向上するからである。
【００４７】
また、ｐＨの調整は、ＳｉとＡｌの反応を促して鉱物化の促進・高効率化を図るためであり、焼却灰と水分との反応により発生した水素１２は、水素回収装置（図示省略）により回収される。
【００４８】
図３は、本発明の焼却灰の改質方法を用いた焼却灰改質型ストーカ式ごみ焼却炉の断面概要図である。
図３において、１３は焼却炉、１４はごみ投入ホッパ、１５はごみ供給装置、１６は乾燥ストーカ、１７は燃焼ストーカ、１８は後燃焼ストーカ、１９は灰改質ストーカ、２０は１次燃焼室、２１は２次燃焼室、２２は灰出口、２３は水分蒸気供給装置、２４は水分供給ライン、２５ａは１次空気供給ライン、２５ｂは２次空気供給ライン、２６は廃熱ボイラ、２７は排ガス浄化装置、２８は排ガス供給ライン、２９は誘引通風機、３０は煙突、Ａ1 は１次空気、Ａ2 は２次空気、Ｇは燃焼排ガス、Ｗはごみ、Ｓは水分蒸気、ＧOは排ガス、Ｃｓは改質灰である。
【００４９】
本発明に係るストーカ式ごみ焼却炉においては、後燃焼ストーカ１８の下流側に灰改質ストーカ１９が設けられている。また、当該灰改質ストーカ１９の上方には、蒸気又は噴霧水を供給するための水分蒸気供給装置２３が設けられている。更に、前記灰質ストーカ１９の下方ホッパ１９ａ内へは、排ガス浄化装置２７の出口より分岐した排ガスＧｏが排ガス供給ライン２８を通して供給されている。
【００５０】
尚、当該ストーカ式ごみ焼却炉は、前記、部材１９、２３、１９ａ、排ガスＧｏの供給及び水分蒸気Ｓの供給の点を除くその他の構成は、従前のストーカ式ごみ焼却炉と略同一であるため、ここではその説明を省略する。
【００５１】
図３を参照して、燃焼ストーカ１７、後燃焼ストーカ１８上で燃焼をされた焼却残渣は、灰改質ストーカ１９上へ順次送られ、ここで水分蒸気供給装置２３から水分蒸気が供給されることにより、焼却灰中に前記アルミノケイ酸カルシウム水和物（エピドート）が形成される。
【００５２】
また、灰改質ストーカ１９の下方ホッパ１９ａへは、排ガス供給ライン２８を通して排ガス浄化装置２７出口から分岐したＣＯ2濃度が約５〜１５％の排ガスＧｏが供給されており、当該排ガスＧｏ内に含有されるＣＯ2 と水分とが前記形成されたアルミノケイ酸カルシウム水和物（エピドート）と反応することにより、これが塩酸に対して難溶性のアルミノケイ酸水和物（カオリナイト）に変換される。
【００５３】
その結果、灰改質ストーカ１９上から灰出口２２より焼却炉２１外へ排出されて来る改質灰Ｃｓは、前記アルミノケイ酸水和物の濃度の極めて高い改質灰となり、アルミノケイ酸水和物内へとじ込められた鉛は、１規定濃度の塩酸溶液でも外部へ抽出されなくなる。
【００５４】
尚、前記灰改質ストーカ１９上の灰の温度は５０℃〜６００℃位とするのが最適であり、そのためには図３に示すように水分蒸気供給装置２３から噴出する水分は、廃熱ボイラ２６からの１００℃以上の発生蒸気とするのが望ましいが、別途に形成した温度約５０℃以上の加熱水を供給するようにしてもよい。
【００５５】
また、前記排ガスＧｏとしては、排ガス浄化装置２７の出口側の１５０〜２００℃程度の排ガスＧｏが供給されている。後燃焼ストーカ１８から供給されてくる灰の温度が４００〜７００℃の高温であること及び１次燃焼室２０内の高温輻射熱による加熱が加わること等により、灰改質ストーカ１９上の灰は、前記灰ガスＧｏを再加熱しなくても水和反応等に必要な高温度（約５０℃〜６００℃）下に十分保持されることになり、熱経済性の点からも極めて有利である。
【００５６】
尚、焼却灰１の炉内での滞留時間は０．１〜１０時間に設定されるが、滞留のためのスペースを考慮すると、３０分〜６０分程度の滞留時間とするのが望ましい。
【００５７】
また、反応温度の上昇を図るために、廃熱ボイラ２６の出口側に高温集じん器（図示省略）を設け、当該高温集じん器の出口側から高温排ガス（約３００℃〜７００℃）を灰改質ストーカ１９の下方へ供給する構成としてもよい。
更に、必要とする水分蒸気Ｓや排ガスＧｏの供給量は、バルブ２４ａ、ダンパ２８ｂの開度や送風機２８ａの送風量等を調整することにより、所定量に制御される。
【００５８】
一方、灰改質ストーカ１９上で焼却灰１と供給された水分蒸気Ｓとが反応することにより、前述の通り水素が発生する。この発生した水素は、灰改質ストーカ１９の下方より供給された排ガスＧｏと共に１次燃焼室２０から２次燃焼室２１内へ流入する間に燃焼されることになり、熱エネルギーとして回収される。
【００５９】
尚、図３の実施形態では、灰改質ストーカ１９の上方から水分蒸気Ｓを焼却灰１内へ供給するようにしているが、水分蒸気Ｓを排ガスＧｏと同様に灰改質ストーカ１９の下方から供給することも可能である。
又、図３の実施形態では、後燃焼ストーカ１８の下流側に灰改質ストーカ１９を別途に設ける構成としているが、後燃焼ストーカ１８上の所謂灰の燃え切り点が後燃焼ストーカ１８の中間点より上流側に位置する場合には、後燃焼ストーカ１８の下流側部分の上方へ水分蒸気Ｓを供給すると共に下方ホッパ１８ａを区画して、下流側部分の下方ホッパ区画内へ排ガスを供給することにより、後燃焼ストーカ１８の下流側部分を灰改質ストーカとして利用する構成とすることも可能である。
【００６０】
試験の結果によれば、５０℃以上の温度下で、焼却灰１にアルミノケイ酸カルシウム水和物やアルミノケイ酸水和物等の生成に必要且つ十分な量の水分とＣＯ2 とを加えて少なくとも６分以上反応させることにより、改質灰の１規定濃度の塩酸に対する鉛溶出量が０．００１ｍｇ／Ｌ未満となり、改質前の焼却灰の鉛溶出量１７ｍｇ／Ｌに比較して、鉛溶出量が大幅に低減することが実証されている。
【００６１】
尚、土壌環境基準においては、１規定濃度の塩酸に対する鉛溶出量が０．０１ｍｇ／Ｌ以下と規定されており、本願方法発明及びこれを用いた改質型ストーカ式ごみ焼却炉においては、焼却灰１を、その鉛溶出量が上記土壌環境基準値を十分に下回る値となる安定化した焼却灰に改質できることが確認された。
【００６２】
図４は、本発明の第２実施形態に係る焼却灰改質型ストーカ式ごみ焼却炉の断面概要図である。
本実施形態においては、灰改質ストーカ１９上方の炉本体に燃焼ガス吸引口３１を設け、当該吸引口３１を介して吸引した灰改質ストーカ１９の上方空間部の燃焼ガスＧ1 、即ち灰改質により発生した水素ガスを含有する燃焼ガスＧ1 を、送風機３２により燃焼ガス供給ライン３３を通して１次燃焼室２２と２次燃焼室２１との中間部（厳密には、２次燃焼空気Ａ2の供給位置より上流側の燃焼室内）Ｄへ供給するように構成されている。
【００６３】
尚、上記燃焼ガスＧ1 の供給ライン３３等の構成を除くその他の部分の構成は、前記図３に示した焼却灰改質型ストーカ式ごみ焼却炉の場合と略同一であるため、ここではその説明を省略する。
【００６４】
前記燃焼ガス吸引３１内へ吸引された燃焼ガスＧ1 内には、改質ストーカ１９上における焼却灰１の改質処理時に発生した水素ガスの大部分が含まれており、この水素ガスを含有した燃焼ガスＧ1 が前記中間部分Ｄへ供給されることにより、水素の還元作用によって当該中１９部分Ｄが所謂還元領域となる。
その結果、当該還元領域を通過する燃焼排ガス内の窒素酸化物やダイオキシン類及びその前駆体物質の生成が抑制されると共に、燃焼排ガスの撹拌混合が促進され、未燃物の完全な燃焼が可能となる。
【００６５】
図５は、本発明の焼却灰改質型ストーカ式ごみ焼却炉の第３実施形態の断面概要図を示すものである。当該第３実施形態では、焼却灰１の改質処理の第１工程、即ち例えば水分との反応によるアルミノケイ酸カルシウム水和物（例えばエピドート）の形成をストーカ式ごみ焼却炉内で行い、当該アルミノケイ酸カルシウム水和物からカルシウムを除去してアルミノケイ酸水和物（例えばカオリナイト）を形成する第２工程（即ち、物化工程）を焼却炉本体外で行う構成としたものである。
【００６６】
図５において、５は改質装置、２は水又は水蒸気、１ａは被処理物、２８は排ガス供給ライン、３４は排出ガス搬送ラインである。前記図４の実施形態の場合と同様に、改質ストーカ１９の上方から水分蒸気Ｓを供給し、５０℃〜６００℃の温度下で焼却灰１を水分蒸気Ｓと撹拌混合することにより、水和反応を起生せしめて例えばアルミノケイ酸カルシウム水和物等を生成させ、次に当該アルミノケイ酸カルシウム水和物等を含んだ中間処理物１ａを改質装置５内へ供給する。
【００６７】
また、前記改質装置５内へ水分２と、排ガス供給ライン２８からの排ガス（１５０〜２５０℃）Ｇｏとを供給し、改質装置５内で三者を撹拌混合することにより前記第２工程のアルミノケイ酸水和物を生成する鉱物化処理を行う。また、反応の促進のためには、加圧（０．１ＭＰａ〜８．０ＭＰａ）するのが望ましい。
【００６８】
尚、改質装置５としては、ロータリーキルン等の加熱装置を備えたものの利用が好ましく、発生ガスは排出ガス搬送ライン３４を通してごみ焼却炉の排ガス浄化装置２７へ供給される。
また、ごみ焼却炉内の改質ストーカ１９上で発生した水素ガス等は、図４の実施形態の場合と同様に燃焼ガス供給ライン３３を通して１次・２次燃焼室の中間部Ｄへ供給され、所謂還元領域の形成に寄与することになる。
【産業上の利用可能性】
【００６９】
本発明は、都市ごみ焼却灰や焼却飛灰等を安全で且つ安定した土木・建築用資材として再利用する場合に広く利用されるものであり、特に都市ごみ等産業廃棄物の処理産業において主に利用されるものである。
【図面の簡単な説明】
【００７０】
【図１】本発明の第１実施形態に係る焼却灰の改質処理方法の説明図である。
【図２】第２実施形態に係る焼却灰の改質処理方法の説明図である。
【図３】本発明の焼却灰改質型ストーカ式ごみ焼却炉の第１実施形態の断面概要図である。
【図４】本発明の焼却灰改質型ストーカ式ごみ焼却炉の第２実施形態の断面概要図である。
【図５】本発明の焼却灰改質型ストーカ式ごみ焼却炉の第３実施形態の断面概要図である。
【符号の説明】
【００７１】
Ａ1は１次空気、Ａ2は２次空気、Ｇは燃焼排ガス、Ｗはごみ、Ｓは水分蒸気、Ｇｏは排ガス、Ｃｓは改質灰、Ｇ1は燃焼ガス、Ｄは１次燃焼室と２次燃焼室との中間部分、１は焼却灰、１ａは中間処理物、２は水又は水蒸気、３はＣＯ2又はＣＯ2含有ガス（燃焼排ガス）、４は熱、５は改質装置、６は改質物質（改質灰）、７は灰質調整装置、８はけい素化合物（ＳｉＯ2）、９はアルミ化合物（Ａｌ2Ｏ3）、１０は調質焼却灰、１１はアルカリ剤、１２は水素、１３は焼却炉、１４はごみ投入ホッパ、１５はごみ供給装置、１６は乾燥ストーカ、１７は燃焼ストーカ、１８は後燃焼ストーカ、１９は灰改質ストーカ、１９ａは下方ホッパ、２０は１次燃焼室、２１は２次燃焼室、２２は灰出口、２３は水分蒸気供給装置、２４は水分供給ライン、２４ａはバルブ、２５ａは１次空気供給ライン、２５ｂは２次空気供給ライン、２６は廃熱ボイラ、２７は排ガス浄化装置、２８は排ガス供給ライン、２８ａは排ガス送風機、２８ｂはダンパ、２９は誘引通風機、３０は煙突、３１は燃焼ガス吸引口、３２は送風機、３３は燃焼ガス供給ライン、３３ａはダンパ、３４は排出ガス搬送ライン。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、都市ごみ焼却灰や焼却飛灰等（以下焼却灰と総称する）を経済的に効率よく、しかもより安全性の高い有価物に変換できるようにした焼却灰の改質処理方法と、これを用いた焼却灰改質型ストーカ式ごみ焼却炉に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
都市ごみ焼却炉等から排出される焼却灰中には、土壌汚染対策法等に示されている特定有害物質が含有されており、特に鉛の溶出量及び含有量が基準値を上回ることが多いため、焼却灰をそのまま建築用資材等としてリサイクル利用することは困難である。
そのため、焼却灰の大部分は埋立により処分されて来たが、埋立処分場の確保が困難になって来たこと及び資源循環型社会の構築が要請されていること等の理由から、近年各方面で焼却灰を改質処理してこれを資源化し、その有効利用を図ることが行われている。
【０００３】
例えば、上記焼却灰の改質処理方法としては、イ．焼却灰の溶融又は焼成処理方式、ロ．焼却灰のエージング処理方式及びハ．焼却灰の水熱処理方式等が多く利用されている。
しかし、上記イ．の焼却灰の溶融によるスラグ化や焼成によるエコセメント化の処理は、多くのエネルギー消費を伴ううえに高い運転技術を必要とすると云う問題がある。
【０００４】
一方、上記ロ．の方式は、焼却灰にＣＯ2を含有するガスを接触させ、灰中のアルカリ成分を中和すると共に灰中の鉛を難溶性の炭酸鉛等にするものであり、土壌汚染対策法に規定の所謂鉛溶出量基準を充足することができる（特開２００２−０１８３９２号等）。
【０００５】
また、上記ハ．の方式は、１００℃〜３００℃の飽和水蒸気により焼却灰を養生することにより、アルミノケイ酸カルシウム水和物（例えばトバモライト）を合成し、その構造内に鉛を封じ込めることにより鉛の溶出量を低減させるものである（特許第３２６３０４５号等）。
【０００６】
しかし、上記ロ．及びハ．の方式は、前述の通り鉛の溶出量についての基準は充足することができるものの、一規定濃度の塩酸に対し炭酸塩やアルミノケイ酸カルシウム水和物は可溶であるため、塩酸抽出により計量される鉛含有量は減少せず、土壌汚染対策法に規定される塩酸抽出量基準を充足することができないと云う問題がある。その結果、上記ロ．及びハ．の方式により改質処理された焼却灰は、土木建築用資材としてリサイクルすることが出来ないと云う難点がある。
【０００７】
加えて、都市ごみ焼却炉等で発生する焼却灰や灰溶融処理により生成されたスラグは、アルカリ性水溶液と接触することにより水素を発生することが知られている（特開２０００−２２０８１６号、特開平１１−１４１８４９号、特開平４−２６５１８８号等）。具体的には、通常の焼却灰の改質処理においては、焼却灰１トンから７５Ｖｏｌ％の水素を含むガスが約２３Ｎｍ3 程度発生することが確認されている。
【０００８】
これ等の発生水素は、最終的には灰ピットや灰シュート内に充満することになり、金属類同士の接触により生ずる火花や静電気等により引火、爆発を起こす危険が高いと云う問題がある。
【０００９】
【特許文献１】特開２００２−０１８３９２号
【特許文献２】特許第３２６３０４５号
【特許文献３】特開２０００−２２０８１６号
【特許文献４】特開平１１−１４１８４９号
【特許文献５】特開平０４−２６５１８８号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
本発明は、従前の焼却灰を資源として有効利用するための各種処理方式（以下、焼却灰の改質処理方法と呼ぶ）における上述の如き問題、即ちａ．エネルギー消費量が増大したり、高い運転技術を必要とすること、ｂ．構造内に封じ込めした鉛が塩酸等により溶出することになり、土木建築用資材としてのリサイクルが困難なこと及びｃ．アルカリ性水溶液との接触により水素が発生し、ガス爆発等の危険があること等の問題を解決せんとするものであり、焼却灰をより少ない消費エネルギーでもって簡単且つ確実に、しかも一規定濃度塩酸に難溶な物質に改質することにより、焼却灰の土建用資材としての再利用を可能とした焼却灰の改質処理方法と、これを用いた焼却灰改質型ストーカ式ごみ焼却炉を提供することを発明の主たる目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
請求項１の発明は、焼却灰に二酸化炭素と水分とを混合して５０℃〜６００℃の温度域で一定時間保持し、焼却灰を酸に難溶な物質に改質することにより焼却灰内の鉛の外部への溶出を抑制したことを特徴とするものである。
【００１２】
請求項２の発明は、請求項１の発明において、焼却灰にけい素とアルミニウムの何れか一方又は両方を加え、けい素とアルミニウムの含有比を所定値に調整した焼却灰を処理するようにしたものである。
【００１３】
請求項３の発明は、請求項１の発明において、二酸化炭素としてごみ焼却炉からの排ガス内の二酸化炭素を、また水分としてボイラの蒸気を利用するようにしたものである。
【００１４】
請求項４の発明は、請求項１の発明において、焼却灰と水分と二酸化炭素との混合物を一定時間保持するための５０℃〜６００℃の温度域をストーカ式ごみ焼却炉の１次燃焼室内としたものである。
【００１５】
請求項５の発明は、請求項４の発明において、混合物を５０℃〜６００℃の温度域に一定時間保持することにより発生した水素をストーカ式ごみ焼却炉の１次燃焼ガス内へ混入させるようにしたものである。
【００１６】
請求項６の発明は、請求項４の発明において、混合物を５０℃〜６００℃の温度域に一定時間保持することにより発生した水素を含む燃焼ガスを１次燃焼室の下流側の上方空間より外部へ吸引し、当該水素を含む燃焼ガスをストーカ式ごみ焼却炉の２次燃焼空気の供給位置より下流側の燃焼室内へ供給して、当該燃焼ガスの供給域を還元性雰囲気の領域にするようにしたものである。
【００１７】
請求項７の発明は、焼却灰と水分とを混合し、５０℃〜６００℃の温度域で一定時間保持する第１処理工程と、前記第１処理工程からの中間処理物に水分と二酸化炭素を混合し、５０℃〜６００℃の温度域で一定時間保持する第２処理工程とから成り、焼却灰を酸に難溶な物質に改質することにより焼却灰内の鉛の外部への溶出を抑制したことを特徴とするものである。
【００１８】
請求項８の発明は、請求項７の発明において、焼却灰にけい素とアルミニウムの何れか一方又は両方を加え、けい素とアルミニウムの含有比を所定値に調整した焼却灰を処理するようにしたものである。
【００１９】
請求項９の発明は、請求項７の発明において、第１処理工程をストーカ式ごみ焼却炉の１次燃焼室内で行い且つ混合する水分としてボイラの蒸気を利用すると共に、第２処理工程における二酸化炭素としてごみ焼却炉からの排ガス内の二酸化炭素を利用するようにしたものである。
【００２０】
請求項１０の発明は、請求項９の発明において、ストーカ式ごみ焼却炉の１次燃焼室における第１処理工程で発生した水素をストーカ式ごみ焼却炉の１次燃焼ガス内へ混入させるようにしたものである。
【００２１】
請求項１１の発明は、請求項９の発明において、ストーカ式ごみ焼却炉の１次燃焼室における第１処理工程で発生した水素を含む燃焼ガスを１次燃焼室の下流側の上方空間より外部へ吸引し、当該水素を含む燃焼ガスをストーカ式ごみ焼却炉の２次燃焼空気の供給位置より下流側の燃焼室内へ供給して、当該燃焼ガスの供給領域を還元性雰囲気の領域にするようにしたものである。
【００２２】
請求項１２の発明は、ストーカ式ごみ焼却炉のストーカの最下流側位置に灰改質ストーカを設けると共に、当該灰改質ストーカ上の焼却灰に水分を供給する位置を設けてボイラからの蒸気を供給するか、若しくは水を噴霧供給し、更に、ストーカ式ごみ焼却炉の排ガス浄化装置の出口側から分岐した排ガス供給ラインを通して排ガスの一部を前記灰改質ストーカの下方へ供給し、焼却灰に水と排ガス内の二酸化炭素を混合して高温下に一定時間保持することにより焼却灰を酸に難溶な物質に改質する構成としたことを特徴とするものである。
【００２３】
請求項１３の発明は、請求項１２の発明において、灰改質ストーカの上方に燃焼ガス吸引口を設け、当該吸引口から吸引した水素含有燃焼ガスを燃焼ガス供給ラインを通して二次燃焼空気供給位置より下流側の燃焼室内へ供給する構成としたものである。
【００２４】
請求項１４の発明は、請求項１２の発明において、ストーカを構成する後燃焼ストーカの下流側を灰改質ストーカとすると共に、当該灰改質ストーカとした部分の下方から排ガスを供給するようにしたものである。
【００２５】
請求項１５の発明は、請求項１２の発明において、ボイラからの蒸気と排ガスの両方を灰改質ストーカの下方より焼却灰内へ供給するようにしたものである。
【００２６】
請求項１６の発明は、ストーカ式ごみ焼却炉のストーカの最下流側位置に灰改質ストーカを設けると共に、当該灰改質ストーカ上方に焼却灰に水分を供給する水分蒸気供給装置を設けてボイラからの蒸気を前記水分蒸気供給装置へ供給することにより、焼却灰と水分を混合して一定時間保持すると共に、前記灰改質ストーカの下流側より灰出口を通して焼却灰を加熱装置を備えた灰改質装置内へ供給し、更に当該灰改質装置内へ水分とストーカ式ごみ焼却炉の排ガス浄化装置の出口側からの排ガスを供給して５０℃〜６００℃の温度下で一定時間前記焼却灰を保持することにより、焼却灰を酸に難溶な鉱物性物質に改質する構成としたことを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００２７】
本願発明においては、焼却灰に水分とＣＯ2 と熱を加え、アルミノケイ酸カルシウム水和物等をアルミノケイ酸水和物等の酸に難溶性の鉱物質の物質、例えば鉱物性のもので、アルミナとシリカから成る物質に変換し、その内部に鉛等の有害物質を封じ込む構成としている。その結果、従前の焼却灰の改質処理方式により改質した改質灰のように、酸に溶融されて内部の鉛等の重金属が外部へ溶出するようなことが殆どなくなり、焼却灰を土木建築用資材としてリサイクルすることができる。
【００２８】
また、灰の処理にストーカ式焼却炉の排熱や排ガスを利用するため、エネルギー消費が少なくなり、その結果処理費用の大幅な引下げが可能となる。
【００２９】
更に、ストーカ式ごみ焼却炉の内部で焼却灰を安定化することができるため、下流側の灰貯蔵ピット内等での水素の発生が無くなり、水素に対する安全対策等が全く不要となる。
【００３０】
加えて、ストーカ式ごみ焼却炉内で改質の全部又は一部を行うため、ごみの燃焼による輻射熱や焼却灰の保有熱を有効に利用することができ、改質反応のみならず、焼却灰からの水素の発生も一層促進されることになる。
【００３１】
また、発生した水素を２次燃焼用空気供給位置から下流側の燃焼室内へ供給することにより、供給領域を有効に還元性雰囲気とすることができる。その結果、ＮＯｘやダイオキシン及びダイオキシンの前駆体の発生を抑制することが可能となる。
【００３２】
更に、ストーカ式ごみ焼却炉と灰改質装置とを組み合せ使用する場合には、強制的な撹拌混合等を行うことにより短時間で焼却灰の改質処理を効率よく行うことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３３】
以下、図面に基づいて本発明の実施形態を説明する。
図１は、本発明に係る焼却灰の改質処理方法の実施形態を示す説明図である。
図１を参照して、１は焼却灰、２は水又は水蒸気、３はＣＯ2 又はＣＯ2 含有ガス、４は熱、５は改質装置、６は改質灰、12は発生水素である。
【００３４】
前記被処理物である焼却灰１は、都市ごみ等の焼却炉から発生する所謂主灰又は飛灰若しくは両者の混合物等であり、また、２は水又は水蒸気であって、通常は廃熱ボイラからの蒸気を使用する。
更に、３はＣＯ2 又はＣＯ2 含有ガスであって、ごみ焼却炉からの排ガスが一般的に多く利用される。
【００３５】
前記熱４は、系外より被処理物である焼却灰１に与えられる熱であり、焼却灰１を５０〜６００℃の高温度に保持するだけの熱量が外部より与えられる。当該熱４としては、ごみ焼却炉からの排ガスの熱や加熱ガス発生炉（図示省略）により別途に発生した燃焼ガスの熱等が多く利用される。
【００３６】
前記改質装置５は、ロータリキルンやオートクレーブ等の焼却灰１を一定時間撹拌・混合し乍ら加熱できる構造のものであれば如何なる構造の装置であってもよく、後述するようにストーカ式ごみ焼却炉そのものを改質装置として（或いは、ストーカ式ごみ焼却炉を改質装置の一部として）利用することも可能である。
【００３７】
前記改質装置５内へ焼却灰１を投入し、これに水（又は水蒸気）２とＣＯ2 （又はＣＯ2 含有ガス）３を加え、これ等を撹拌混合し乍ら一定時間（約０．１〜１０時間）５０℃〜６００℃、好ましくは１００℃〜４００℃の温度下に保持することにより、改質装置５内では例えば下記の如き反応が起生する。
４ＣａＯ・３Ａｌ2Ｏ3・６ＳｉＯ2・Ｈ2Ｏ（エピドート）＋４ＣＯ2＋５Ｈ2Ｏ→３（Ａｌ2Ｏ3・２ＳｉＯ2・２Ｈ2Ｏ）（カオリナイト）＋４ＣａＣＯ3
即ち、焼却灰１内にはＡｌやＳｉ、ＣａＯやＣａＣＯ3等が多量残留している。これらが加熱下で水分と反応することにより、従前の水熱反応処理の場合と同様にアルミノケイ酸カルシウム水和物（例えばエピドート）が形成される。
また、改質装置５内へはＣＯ2 が供給されているため、ＣＯ2 とＨ2 Ｏとが前記ケイ酸カルシウム水和物と反応することにより、ケイ酸カルシウム水和物（エピドート）からカルシウム成分が除去されて、アルミノケイ酸水和物（カオリナイト）が形成される。
【００３８】
この形成されたアルミノケイ酸水和物（カオリナイト）は、所謂鉱物性の物性を有する塩酸に難溶性の物質である。その結果、その網目構造内に取り込まれた鉛は、１規定濃度の塩酸溶液でも抽出されなくなり、環境省告示第１９号の規定に基づく方法により測定された鉛含有量は大幅に低減する。即ち、本発明により改質した改質灰６は、土木・建築用資材として安全にリサイクルすることができる。
【００３９】
また、改質処理を行うことにより、改質装置５内では焼却灰１内のＡｌやＺｎ等とアルカリ性水溶液との接触により水素１２が発生する。この発生した水素は、別途に設けた水素回収装置（図示省略）へ連続的に回収されるうえ、改質装置５内にはＣＯ2 が充満しているため、改質装置５内のＨ2濃度は約５％以下の爆発限界以下の濃度に保持されており、その結果、改質装置５内で水素爆発が起生する虞れは皆無である。
【００４０】
尚、焼却灰１の加熱温度は５０℃以上を必要とする。５０℃以下になると、上記水和反応及び水和物の鉱物化反応が効率的に進行しないからである。
また、加熱温度が高温になるほど反応効率は向上するが、反応効率の上昇の飽和や熱消費量を考慮すると、３００℃〜４００℃位までの温度上昇で十分である。
【００４１】
前記図１の実施形態では、焼却灰１を改質装置５内でバッチ方式により改質処理するようにしているが、焼却灰１の供給及び改質物質６の取出しを連続的に行うようにしてもよいことは勿論である。
【００４２】
また、前記図１の実施形態では、焼却灰１をそのまま改質装置５内へ供給するようにしているが、改質装置５の上流側に前処理装置（図示省略）を設け、ここで破砕や鉄分の除去等を行うのが望ましい。
【００４３】
更に、前記図１の実施形態では、改質装置５内で焼却灰１と水２とＣＯ2 ３との混合を同時に行う構成としているが、別装置により予め焼却灰１と水２とを加熱混合したあと、当該混合物とＣＯ2 ３との加熱混合を別装置により行う分離混合方式とすることも可能である。
【００４４】
図２は、本発明に係る焼却灰改質方法の第２実施形態を示す説明図である。
図２において、７は灰質調整装置、８はけい素化合物、９はアルミ化合物、１０は調質焼却灰、１１はアルカリ剤である。
【００４５】
この第２実施形態は、イ．灰質調整装置７を用いて、被処理物である焼却灰１内のけい素とアルミニウムの含有比Ｓｉ／Ａｌが目的とする改質物質（改質灰）６のＳｉ／Ａｌ比と同一になるように、焼却灰１内へけい素化合物８（例えばＳｉＯ2 等）とアルミ化合物９（例えばＡｌ2 Ｏ3 等）の何れか一方又は両方を加え、調質焼却灰１０を形成するようにした点及びロ．改質装置５へ前記調質焼却灰１０を供給すると共に、アルカリ剤（例えばＮａＯＨやＣａ（ＯＨ）2 等）を供給して被処理物のＰＨを調整するようにした点で、前記図１の第１実施形態と異なっており、その他の点は図１の場合と全く同一である。
【００４６】
尚、第２実施形態において、焼却灰１内のＳｉ／Ａｌ比を所定値に調整するのは、改質物質６の品質を高める（即ち、鉱物化されたアルミノケイ酸水和物の含有量を高める）ためであり、改質反応をさせる原料灰をＳｉ／Ａｌ比を調整した調質焼却灰１０とすることにより、目的物質であるアルミノケイ酸水和物が効率的に生成され、改質物質６の品質がより一層向上するからである。
【００４７】
また、ｐＨの調整は、ＳｉとＡｌの反応を促して鉱物化の促進・高効率化を図るためであり、焼却灰と水分との反応により発生した水素１２は、水素回収装置（図示省略）により回収される。
【００４８】
図３は、本発明の焼却灰の改質方法を用いた焼却灰改質型ストーカ式ごみ焼却炉の断面概要図である。
図３において、１３は焼却炉、１４はごみ投入ホッパ、１５はごみ供給装置、１６は乾燥ストーカ、１７は燃焼ストーカ、１８は後燃焼ストーカ、１９は灰改質ストーカ、２０は１次燃焼室、２１は２次燃焼室、２２は灰出口、２３は水分蒸気供給装置、２４は水分供給ライン、２５ａは１次空気供給ライン、２５ｂは２次空気供給ライン、２６は廃熱ボイラ、２７は排ガス浄化装置、２８は排ガス供給ライン、２９は誘引通風機、３０は煙突、Ａ1 は１次空気、Ａ2 は２次空気、Ｇは燃焼排ガス、Ｗはごみ、Ｓは水分蒸気、ＧOは排ガス、Ｃｓは改質灰である。
【００４９】
本発明に係るストーカ式ごみ焼却炉においては、後燃焼ストーカ１８の下流側に灰改質ストーカ１９が設けられている。また、当該灰改質ストーカ１９の上方には、蒸気又は噴霧水を供給するための水分蒸気供給装置２３が設けられている。更に、前記灰質ストーカ１９の下方ホッパ１９ａ内へは、排ガス浄化装置２７の出口より分岐した排ガスＧｏが排ガス供給ライン２８を通して供給されている。
【００５０】
尚、当該ストーカ式ごみ焼却炉は、前記、部材１９、２３、１９ａ、排ガスＧｏの供給及び水分蒸気Ｓの供給の点を除くその他の構成は、従前のストーカ式ごみ焼却炉と略同一であるため、ここではその説明を省略する。
【００５１】
図３を参照して、燃焼ストーカ１７、後燃焼ストーカ１８上で燃焼をされた焼却残渣は、灰改質ストーカ１９上へ順次送られ、ここで水分蒸気供給装置２３から水分蒸気が供給されることにより、焼却灰中に前記アルミノケイ酸カルシウム水和物（エピドート）が形成される。
【００５２】
また、灰改質ストーカ１９の下方ホッパ１９ａへは、排ガス供給ライン２８を通して排ガス浄化装置２７出口から分岐したＣＯ2濃度が約５〜１５％の排ガスＧｏが供給されており、当該排ガスＧｏ内に含有されるＣＯ2 と水分とが前記形成されたアルミノケイ酸カルシウム水和物（エピドート）と反応することにより、これが塩酸に対して難溶性のアルミノケイ酸水和物（カオリナイト）に変換される。
【００５３】
その結果、灰改質ストーカ１９上から灰出口２２より焼却炉２１外へ排出されて来る改質灰Ｃｓは、前記アルミノケイ酸水和物の濃度の極めて高い改質灰となり、アルミノケイ酸水和物内へとじ込められた鉛は、１規定濃度の塩酸溶液でも外部へ抽出されなくなる。
【００５４】
尚、前記灰改質ストーカ１９上の灰の温度は５０℃〜６００℃位とするのが最適であり、そのためには図３に示すように水分蒸気供給装置２３から噴出する水分は、廃熱ボイラ２６からの１００℃以上の発生蒸気とするのが望ましいが、別途に形成した温度約５０℃以上の加熱水を供給するようにしてもよい。
【００５５】
また、前記排ガスＧｏとしては、排ガス浄化装置２７の出口側の１５０〜２００℃程度の排ガスＧｏが供給されている。後燃焼ストーカ１８から供給されてくる灰の温度が４００〜７００℃の高温であること及び１次燃焼室２０内の高温輻射熱による加熱が加わること等により、灰改質ストーカ１９上の灰は、前記灰ガスＧｏを再加熱しなくても水和反応等に必要な高温度（約５０℃〜６００℃）下に十分保持されることになり、熱経済性の点からも極めて有利である。
【００５６】
尚、焼却灰１の炉内での滞留時間は０．１〜１０時間に設定されるが、滞留のためのスペースを考慮すると、３０分〜６０分程度の滞留時間とするのが望ましい。
【００５７】
また、反応温度の上昇を図るために、廃熱ボイラ２６の出口側に高温集じん器（図示省略）を設け、当該高温集じん器の出口側から高温排ガス（約３００℃〜７００℃）を灰改質ストーカ１９の下方へ供給する構成としてもよい。
更に、必要とする水分蒸気Ｓや排ガスＧｏの供給量は、バルブ２４ａ、ダンパ２８ｂの開度や送風機２８ａの送風量等を調整することにより、所定量に制御される。
【００５８】
一方、灰改質ストーカ１９上で焼却灰１と供給された水分蒸気Ｓとが反応することにより、前述の通り水素が発生する。この発生した水素は、灰改質ストーカ１９の下方より供給された排ガスＧｏと共に１次燃焼室２０から２次燃焼室２１内へ流入する間に燃焼されることになり、熱エネルギーとして回収される。
【００５９】
尚、図３の実施形態では、灰改質ストーカ１９の上方から水分蒸気Ｓを焼却灰１内へ供給するようにしているが、水分蒸気Ｓを排ガスＧｏと同様に灰改質ストーカ１９の下方から供給することも可能である。
又、図３の実施形態では、後燃焼ストーカ１８の下流側に灰改質ストーカ１９を別途に設ける構成としているが、後燃焼ストーカ１８上の所謂灰の燃え切り点が後燃焼ストーカ１８の中間点より上流側に位置する場合には、後燃焼ストーカ１８の下流側部分の上方へ水分蒸気Ｓを供給すると共に下方ホッパ１８ａを区画して、下流側部分の下方ホッパ区画内へ排ガスを供給することにより、後燃焼ストーカ１８の下流側部分を灰改質ストーカとして利用する構成とすることも可能である。
【００６０】
試験の結果によれば、５０℃以上の温度下で、焼却灰１にアルミノケイ酸カルシウム水和物やアルミノケイ酸水和物等の生成に必要且つ十分な量の水分とＣＯ2 とを加えて少なくとも６分以上反応させることにより、改質灰の１規定濃度の塩酸に対する鉛溶出量が０．００１ｍｇ／Ｌ未満となり、改質前の焼却灰の鉛溶出量１７ｍｇ／Ｌに比較して、鉛溶出量が大幅に低減することが実証されている。
【００６１】
尚、土壌環境基準においては、１規定濃度の塩酸に対する鉛溶出量が０．０１ｍｇ／Ｌ以下と規定されており、本願方法発明及びこれを用いた改質型ストーカ式ごみ焼却炉においては、焼却灰１を、その鉛溶出量が上記土壌環境基準値を十分に下回る値となる安定化した焼却灰に改質できることが確認された。
【００６２】
図４は、本発明の第２実施形態に係る焼却灰改質型ストーカ式ごみ焼却炉の断面概要図である。
本実施形態においては、灰改質ストーカ１９上方の炉本体に燃焼ガス吸引口３１を設け、当該吸引口３１を介して吸引した灰改質ストーカ１９の上方空間部の燃焼ガスＧ1 、即ち灰改質により発生した水素ガスを含有する燃焼ガスＧ1 を、送風機３２により燃焼ガス供給ライン３３を通して１次燃焼室２２と２次燃焼室２１との中間部（厳密には、２次燃焼空気Ａ2の供給位置より上流側の燃焼室内）Ｄへ供給するように構成されている。
【００６３】
尚、上記燃焼ガスＧ1 の供給ライン３３等の構成を除くその他の部分の構成は、前記図３に示した焼却灰改質型ストーカ式ごみ焼却炉の場合と略同一であるため、ここではその説明を省略する。
【００６４】
前記燃焼ガス吸引３１内へ吸引された燃焼ガスＧ1 内には、改質ストーカ１９上における焼却灰１の改質処理時に発生した水素ガスの大部分が含まれており、この水素ガスを含有した燃焼ガスＧ1 が前記中間部分Ｄへ供給されることにより、水素の還元作用によって当該中１９部分Ｄが所謂還元領域となる。
その結果、当該還元領域を通過する燃焼排ガス内の窒素酸化物やダイオキシン類及びその前駆体物質の生成が抑制されると共に、燃焼排ガスの撹拌混合が促進され、未燃物の完全な燃焼が可能となる。
【００６５】
図５は、本発明の焼却灰改質型ストーカ式ごみ焼却炉の第３実施形態の断面概要図を示すものである。当該第３実施形態では、焼却灰１の改質処理の第１工程、即ち例えば水分との反応によるアルミノケイ酸カルシウム水和物（例えばエピドート）の形成をストーカ式ごみ焼却炉内で行い、当該アルミノケイ酸カルシウム水和物からカルシウムを除去してアルミノケイ酸水和物（例えばカオリナイト）を形成する第２工程（即ち、物化工程）を焼却炉本体外で行う構成としたものである。
【００６６】
図５において、５は改質装置、２は水又は水蒸気、１ａは被処理物、２８は排ガス供給ライン、３４は排出ガス搬送ラインである。前記図４の実施形態の場合と同様に、改質ストーカ１９の上方から水分蒸気Ｓを供給し、５０℃〜６００℃の温度下で焼却灰１を水分蒸気Ｓと撹拌混合することにより、水和反応を起生せしめて例えばアルミノケイ酸カルシウム水和物等を生成させ、次に当該アルミノケイ酸カルシウム水和物等を含んだ中間処理物１ａを改質装置５内へ供給する。
【００６７】
また、前記改質装置５内へ水分２と、排ガス供給ライン２８からの排ガス（１５０〜２５０℃）Ｇｏとを供給し、改質装置５内で三者を撹拌混合することにより前記第２工程のアルミノケイ酸水和物を生成する鉱物化処理を行う。また、反応の促進のためには、加圧（０．１ＭＰａ〜８．０ＭＰａ）するのが望ましい。
【００６８】
尚、改質装置５としては、ロータリーキルン等の加熱装置を備えたものの利用が好ましく、発生ガスは排出ガス搬送ライン３４を通してごみ焼却炉の排ガス浄化装置２７へ供給される。
また、ごみ焼却炉内の改質ストーカ１９上で発生した水素ガス等は、図４の実施形態の場合と同様に燃焼ガス供給ライン３３を通して１次・２次燃焼室の中間部Ｄへ供給され、所謂還元領域の形成に寄与することになる。
【産業上の利用可能性】
【００６９】
本発明は、都市ごみ焼却灰や焼却飛灰等を安全で且つ安定した土木・建築用資材として再利用する場合に広く利用されるものであり、特に都市ごみ等産業廃棄物の処理産業において主に利用されるものである。
【図面の簡単な説明】
【００７０】
【図１】本発明の第１実施形態に係る焼却灰の改質処理方法の説明図である。
【図２】第２実施形態に係る焼却灰の改質処理方法の説明図である。
【図３】本発明の焼却灰改質型ストーカ式ごみ焼却炉の第１実施形態の断面概要図である。
【図４】本発明の焼却灰改質型ストーカ式ごみ焼却炉の第２実施形態の断面概要図である。
【図５】本発明の焼却灰改質型ストーカ式ごみ焼却炉の第３実施形態の断面概要図である。
【符号の説明】
【００７１】
Ａ1は１次空気、Ａ2は２次空気、Ｇは燃焼排ガス、Ｗはごみ、Ｓは水分蒸気、Ｇｏは排ガス、Ｃｓは改質灰、Ｇ1は燃焼ガス、Ｄは１次燃焼室と２次燃焼室との中間部分、１は焼却灰、１ａは中間処理物、２は水又は水蒸気、３はＣＯ2又はＣＯ2含有ガス（燃焼排ガス）、４は熱、５は改質装置、６は改質物質（改質灰）、７は灰質調整装置、８はけい素化合物（ＳｉＯ2）、９はアルミ化合物（Ａｌ2Ｏ3）、１０は調質焼却灰、１１はアルカリ剤、１２は水素、１３は焼却炉、１４はごみ投入ホッパ、１５はごみ供給装置、１６は乾燥ストーカ、１７は燃焼ストーカ、１８は後燃焼ストーカ、１９は灰改質ストーカ、１９ａは下方ホッパ、２０は１次燃焼室、２１は２次燃焼室、２２は灰出口、２３は水分蒸気供給装置、２４は水分供給ライン、２４ａはバルブ、２５ａは１次空気供給ライン、２５ｂは２次空気供給ライン、２６は廃熱ボイラ、２７は排ガス浄化装置、２８は排ガス供給ライン、２８ａは排ガス送風機、２８ｂはダンパ、２９は誘引通風機、３０は煙突、３１は燃焼ガス吸引口、３２は送風機、３３は燃焼ガス供給ライン、３３ａはダンパ、３４は排出ガス搬送ライン。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
焼却灰に二酸化炭素と水分とを混合して５０℃〜６００℃の温度域で一定時間保持し、焼却灰を酸に難溶な物質に改質することにより焼却灰内の鉛の外部への溶出を抑制したことを特徴とする焼却灰の改質処理方法。
【請求項２】
焼却灰にけい素とアルミニウムの何れか一方又は両方を加え、けい素とアルミニウムの含有比を所定値に調整した焼却灰を処理するようにした請求項１に記載の焼却灰の改質処理方法。
【請求項３】
二酸化炭素としてごみ焼却炉からの排ガス内の二酸化炭素を、また水分としてボイラの蒸気を利用するようにした請求項１に記載の焼却灰の改質処理方法。
【請求項４】
焼却灰と水分と二酸化炭素との混合物を一定時間保持するための５０℃〜６００℃の温度域をストーカ式ごみ焼却炉の１次燃焼室内とした請求項１に記載の焼却灰の改質処理方法。
【請求項５】
混合物を５０℃〜６００℃の温度域に一定時間保持することにより発生した水素をストーカ式ごみ焼却炉の１次燃焼ガス内へ混入させるようにした請求項４に記載の焼却灰の改質処理方法。
【請求項６】
混合物を５０℃〜６００℃の温度域に一定時間保持することにより発生した水素を含む燃焼ガスを１次燃焼室の下流側の上方空間より外部へ吸引し、当該水素を含む燃焼ガスをストーカ式ごみ焼却炉の２次燃焼空気の供給位置より下流側の燃焼室内へ供給して、当該燃焼ガスの供給域を還元性雰囲気の領域にするようにした請求項４に記載の焼却灰の改質処理方法。
【請求項７】
焼却灰と水分とを混合し、５０℃〜６００℃の温度域で一定時間保持する第１処理工程と、前記第１処理工程からの中間処理物に水分と二酸化炭素を混合し、５０℃〜６００℃の温度域で一定時間保持する第２処理工程とから成り、焼却灰を酸に難溶な鉱物性物質に改質することにより焼却灰内の鉛の外部への溶出を抑制したことを特徴とする焼却灰の改質処理方法。
【請求項８】
焼却灰にけい素とアルミニウムの何れか一方又は両方を加え、けい素とアルミニウムの含有比を所定値に調整した焼却灰を処理するようにした請求項７に記載の焼却灰の改質処理方法。
【請求項９】
第１処理工程をストーカ式ごみ焼却炉の１次燃焼室内で行い且つ混合する水分としてボイラの蒸気を利用すると共に、第２処理工程における二酸化炭素としてごみ焼却炉からの排ガス内の二酸化炭素を利用するようにした請求項７に記載の焼却灰の改質処理方法。
【請求項１０】
ストーカ式ごみ焼却炉の１次燃焼室における第１処理工程で発生した水素をストーカ式ごみ焼却炉の１次燃焼ガス内へ混入させるようにした請求項９に記載の焼却灰の改質処理方法。
【請求項１１】
ストーカ式ごみ焼却炉の１次燃焼室における第１処理工程で発生した水素を含む燃焼ガスを１次燃焼室の下流側の上方空間より外部へ吸引し、当該水素を含む燃焼ガスをストーカ式ごみ焼却炉の２次燃焼空気の供給位置より下流側の燃焼室内へ供給して、当該燃焼ガスの供給領域を還元性雰囲気の領域にするようにした請求項９に記載の焼却灰の改質処理方法。
【請求項１２】
ストーカ式ごみ焼却炉のストーカの最下流側位置に灰改質ストーカを設けると共に、当該灰改質ストーカ上の焼却灰に水分を供給する位置を設けてボイラからの蒸気を供給するか、若しくは水を噴霧供給し、更に、ストーカ式ごみ焼却炉の排ガス浄化装置の出口側から分岐した排ガス供給ラインを通して排ガスの一部を前記灰改質ストーカの下方へ供給し、焼却灰に水と排ガス内の二酸化炭素を混合して高温下に一定時間保持することにより焼却灰を酸に難溶な物質に改質する構成としたことを特徴とする焼却灰改質型ストーカ式ごみ焼却炉。
【請求項１３】
灰改質ストーカの上方に燃焼ガス吸引口を設け、当該吸引口から吸引した水素含有燃焼ガスを燃焼ガス供給ラインを通して二次燃焼空気供給位置より下流側の燃焼室内へ供給する構成とした請求項１２に記載の焼却灰改質型ストーカ式ごみ焼却炉。
【請求項１４】
ストーカを構成する後燃焼ストーカの下流側を灰改質ストーカとすると共に、当該灰改質ストーカとした部分の下方から排ガスを供給するようにした請求項１２に記載の灰改質型ストーカ式ごみ焼却炉。
【請求項１５】
ボイラからの蒸気と排ガスの両方を灰改質ストーカの下方より焼却灰内へ供給するようにした請求項１２に記載の灰改質型ストーカ式ごみ焼却炉。
【請求項１６】
ストーカ式ごみ焼却炉のストーカの最下流側位置に灰改質ストーカを設けると共に、当該灰改質ストーカ上方に焼却灰に水分を供給する水分蒸気供給装置を設け、ボイラからの蒸気を前記水分蒸気供給装置へ供給することにより焼却灰と水分を混合して一定時間保持すると共に、前記灰改質ストーカの下流側より灰出口を通して焼却灰を加熱装置を備えた灰改質装置内へ供給し、更に当該灰改質装置内へ水分とストーカ式ごみ焼却炉の排ガス浄化装置の出口側からの排ガスを供給して５０℃〜６００℃の温度下で一定時間前記焼却灰を保持することにより、焼却灰を酸に難溶な鉱物性物質に改質する構成としたことを特徴とする焼却灰改質型ストーカ式ごみ焼却炉。
【請求項１】
焼却灰に二酸化炭素と水分とを混合して５０℃〜６００℃の温度域で一定時間保持し、焼却灰を酸に難溶な物質に改質することにより焼却灰内の鉛の外部への溶出を抑制したことを特徴とする焼却灰の改質処理方法。
【請求項２】
焼却灰にけい素とアルミニウムの何れか一方又は両方を加え、けい素とアルミニウムの含有比を所定値に調整した焼却灰を処理するようにした請求項１に記載の焼却灰の改質処理方法。
【請求項３】
二酸化炭素としてごみ焼却炉からの排ガス内の二酸化炭素を、また水分としてボイラの蒸気を利用するようにした請求項１に記載の焼却灰の改質処理方法。
【請求項４】
焼却灰と水分と二酸化炭素との混合物を一定時間保持するための５０℃〜６００℃の温度域をストーカ式ごみ焼却炉の１次燃焼室内とした請求項１に記載の焼却灰の改質処理方法。
【請求項５】
混合物を５０℃〜６００℃の温度域に一定時間保持することにより発生した水素をストーカ式ごみ焼却炉の１次燃焼ガス内へ混入させるようにした請求項４に記載の焼却灰の改質処理方法。
【請求項６】
混合物を５０℃〜６００℃の温度域に一定時間保持することにより発生した水素を含む燃焼ガスを１次燃焼室の下流側の上方空間より外部へ吸引し、当該水素を含む燃焼ガスをストーカ式ごみ焼却炉の２次燃焼空気の供給位置より下流側の燃焼室内へ供給して、当該燃焼ガスの供給域を還元性雰囲気の領域にするようにした請求項４に記載の焼却灰の改質処理方法。
【請求項７】
焼却灰と水分とを混合し、５０℃〜６００℃の温度域で一定時間保持する第１処理工程と、前記第１処理工程からの中間処理物に水分と二酸化炭素を混合し、５０℃〜６００℃の温度域で一定時間保持する第２処理工程とから成り、焼却灰を酸に難溶な鉱物性物質に改質することにより焼却灰内の鉛の外部への溶出を抑制したことを特徴とする焼却灰の改質処理方法。
【請求項８】
焼却灰にけい素とアルミニウムの何れか一方又は両方を加え、けい素とアルミニウムの含有比を所定値に調整した焼却灰を処理するようにした請求項７に記載の焼却灰の改質処理方法。
【請求項９】
第１処理工程をストーカ式ごみ焼却炉の１次燃焼室内で行い且つ混合する水分としてボイラの蒸気を利用すると共に、第２処理工程における二酸化炭素としてごみ焼却炉からの排ガス内の二酸化炭素を利用するようにした請求項７に記載の焼却灰の改質処理方法。
【請求項１０】
ストーカ式ごみ焼却炉の１次燃焼室における第１処理工程で発生した水素をストーカ式ごみ焼却炉の１次燃焼ガス内へ混入させるようにした請求項９に記載の焼却灰の改質処理方法。
【請求項１１】
ストーカ式ごみ焼却炉の１次燃焼室における第１処理工程で発生した水素を含む燃焼ガスを１次燃焼室の下流側の上方空間より外部へ吸引し、当該水素を含む燃焼ガスをストーカ式ごみ焼却炉の２次燃焼空気の供給位置より下流側の燃焼室内へ供給して、当該燃焼ガスの供給領域を還元性雰囲気の領域にするようにした請求項９に記載の焼却灰の改質処理方法。
【請求項１２】
ストーカ式ごみ焼却炉のストーカの最下流側位置に灰改質ストーカを設けると共に、当該灰改質ストーカ上の焼却灰に水分を供給する位置を設けてボイラからの蒸気を供給するか、若しくは水を噴霧供給し、更に、ストーカ式ごみ焼却炉の排ガス浄化装置の出口側から分岐した排ガス供給ラインを通して排ガスの一部を前記灰改質ストーカの下方へ供給し、焼却灰に水と排ガス内の二酸化炭素を混合して高温下に一定時間保持することにより焼却灰を酸に難溶な物質に改質する構成としたことを特徴とする焼却灰改質型ストーカ式ごみ焼却炉。
【請求項１３】
灰改質ストーカの上方に燃焼ガス吸引口を設け、当該吸引口から吸引した水素含有燃焼ガスを燃焼ガス供給ラインを通して二次燃焼空気供給位置より下流側の燃焼室内へ供給する構成とした請求項１２に記載の焼却灰改質型ストーカ式ごみ焼却炉。
【請求項１４】
ストーカを構成する後燃焼ストーカの下流側を灰改質ストーカとすると共に、当該灰改質ストーカとした部分の下方から排ガスを供給するようにした請求項１２に記載の灰改質型ストーカ式ごみ焼却炉。
【請求項１５】
ボイラからの蒸気と排ガスの両方を灰改質ストーカの下方より焼却灰内へ供給するようにした請求項１２に記載の灰改質型ストーカ式ごみ焼却炉。
【請求項１６】
ストーカ式ごみ焼却炉のストーカの最下流側位置に灰改質ストーカを設けると共に、当該灰改質ストーカ上方に焼却灰に水分を供給する水分蒸気供給装置を設け、ボイラからの蒸気を前記水分蒸気供給装置へ供給することにより焼却灰と水分を混合して一定時間保持すると共に、前記灰改質ストーカの下流側より灰出口を通して焼却灰を加熱装置を備えた灰改質装置内へ供給し、更に当該灰改質装置内へ水分とストーカ式ごみ焼却炉の排ガス浄化装置の出口側からの排ガスを供給して５０℃〜６００℃の温度下で一定時間前記焼却灰を保持することにより、焼却灰を酸に難溶な鉱物性物質に改質する構成としたことを特徴とする焼却灰改質型ストーカ式ごみ焼却炉。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【公開番号】特開２００６−２２３９８７（Ｐ２００６−２２３９８７Ａ）
【公開日】平成１８年８月３１日（２００６．８．３１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００５−４０６９３（Ｐ２００５−４０６９３）
【出願日】平成１７年２月１７日（２００５．２．１７）
【出願人】（０００１３３０３２）株式会社タクマ (308)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１８年８月３１日（２００６．８．３１）
【国際特許分類】
【出願日】平成１７年２月１７日（２００５．２．１７）
【出願人】（０００１３３０３２）株式会社タクマ (308)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]