JP4397783B2 - 成形塊状物を利用した廃棄物の処理方法 - Google Patents

Description

本発明は、成形塊状物を利用した廃棄物の処理方法に関するものである。

一般に冶金コークスは、製鉄をはじめ、化学、廃棄物処理など、幅広く用いられているが、原料として高価な粘結炭を多量に使用し、コストが高くなるという問題があった。そこで、非微粘結炭などを多く配合した石炭をブリケット化した成形炭を乾留し、成形コークスを製造するプロセスが注目され、木材などバイオマス原料の使用も視野に入れた様々な開発が続けられてきた。しかし、従来の成形コークス製造方法では、特に木材等のバイオマスを原料とする場合、揮発分が６０〜８０％と非常に大きく、乾留時に揮発分が飛散した跡が空洞となり、成形コークスの強度が確保できないことから、原料中の揮発分に対する制限が大きく、従来のコークス製造法と比較して原料の幅は大して広がらず、コスト低減にはつながらなかった。

その対応策として、例えば、特開平７−３３０９号公報（特許文献１）では、従来成形コークス用の原料として使用比率が制限されてきた高揮発分の石炭を原料として多量に使用するために、原料をチャーメーカーで一旦乾留し、揮発分をガスやタールとして飛散させた後に、タール、バインダを添加して加圧成形し、乾留炉にてコークス化する技術が開示されている。

特開平７−３３０９号公報

しかし、この方法では、乾留炉が２つ必要となり、装置が大型化することから、設備費が高くなり、工場立地の制約が大きいという欠点がある。また、原料に応じてチャーメーカーの運転条件を調整するかもしくは原料を制限する必要があった。さらに、建築廃材などを原料とする場合、廃材発生箇所と工場立地可能箇所は必ずしも一致しないため、場合により輸送費がかさむなどの問題があった。そこで、本発明では、従来のコークス製造方法と比較して幅広い原料を使用し、かつ簡便な設備にて成形塊状物を製造する方法およびその成形塊状物を利用した廃棄物処理方法を提供する。

その発明の要旨とするところは、
（１）乾留炉にて間伐材などのバオマス、一般廃棄物、建築廃棄物、産業廃棄物、下水汚泥、製紙スラッジ、家畜糞、敷き藁、オガクズの少なくとも１種類以上からなる原料を乾留して成形塊状物を製造する成形塊状物製造方法において、乾留後の成形塊状物を１５０℃以下に冷却して篩分けにより分級し、篩下の成形塊状物にバインダを添加し加圧成形した後、前記乾留炉の５００〜１４００℃の乾留炉で乾留し、圧潰強度を５０〜７００ｋｇｆとした成形塊状物を溶融炉の上部から投入してコークスの代替として使用することを特徴とする廃棄物の処理方法。

（２）乾留炉から発生した乾留ガスを除じん器に通過させ、除じんした可燃性ガスを触媒改質もしくは部分酸化改質し、ガス精製後ガスタービン、ガスエンジンなどに導入して発電することを特徴とする前記（１）に記載の廃棄物の処理方法。

（３）バインダーとしてタール・ピッチ系バインダーもしくはオガクズもしくはその混合物を使用することを特徴とする前記（１）または（２）に記載の廃棄物の処理方法。
（４）バインダーの混合率を乾留残渣に対して重量比２〜４０％添加することを特徴とする前記（３）に記載の廃棄物の処理方法。
（５）バインダーを混合する際被混合物を５０〜２００℃に加熱することを特徴とする前記（１）〜（４）のいずれか１に記載の廃棄物の処理方法。

（６）乾留炉として、竪型シャフト炉、ロータリキルン炉、コークス炉、流動層乾留炉、バッチ式乾留炉を用いることを特徴とする前記（１）〜（５）のいずれか１に記載の廃棄物の処理方法。
（７）成形にダブルロール型成型機を用い、圧力１ｔ／ｃｍ以上とすることを特徴とする前記（１）〜（６）のいずれか１に記載の廃棄物の処理方法。
（８）前記（１）〜（７）のいずれか１に記載の方法で製造した成形塊状物を廃棄物溶融炉で使用することを特徴とする廃棄物の処理方法。

（９）前記（１）〜（８）のいずれか１に記載の方法で製造した成形塊状物と高炉用コークスと混合して廃棄物溶融炉で使用することを特徴とする廃棄物の処理方法。
（１０）成形塊状物の溶融炉への投入量が廃棄物に対して重量比２〜１０％であることを特徴とする前記（８）または（９）に記載の廃棄物の処理方法にある。

以上述べたように、本発明による成形塊状物を乾留、成形を繰り返すことで、高強度の成形塊状物を製造することが可能となる。また、乾留時間が異なる種々の原料を乾留した場合でも、循環回数が自然に増加することで乾留時間が長くなり、原料に応じた乾留時間の調整が不要となる。さらに、廃木材のような通常粉砕が必要な原料においても、乾留炉内で揮発分が揮発し、空洞化して強度が低下し、乾留炉内で粉砕されるため、粉砕手段が不要となる等の優れた効果を奏する。

以下、本発明について詳細に説明する。
本発明による成形塊状物の製造方法は、従来成形塊状物への使用が制限されていた高揮発分炭や木材等のバイオマス、廃棄物など、さらに幅広い原料を使用できることを特徴としている。乾留炉に装入された原料は、乾留炉中で乾留され、揮発分は可燃性ガス・可燃性ダスト・タールとして飛散する。残った乾留残渣中には固定炭素が多く含まれ、これはコークスの成分に非常に近くなる。

乾留炉より排出された乾留残渣を篩分けし、篩上に残る大きな塊は製品として、また、篩下の小さな塊および粉は、バインダを添加した後成形し、再び乾留炉に戻す。乾留炉に戻された成形物は、乾留炉中でさらに乾留が進み、さらに、バインダが軟化溶融及びコークス化することにより、各粒子の結合が密となり、大きな塊となって乾留炉から排出される。

従来の成形コークスの製造方法では、高揮発分炭や廃木材などを成形し乾留すると、揮発分が飛散した跡が空洞となり、強度が低下するという問題があることから、原料に制限があったが、本発明の製造方法では、高揮発分の原料も一度乾留炉で乾留され、残渣中には固定炭素が残り、乾留炉中もしくは篩選別の課程で適度に破砕される。それをバインダと共に成形後乾留し、それを繰り返すことで、篩上の成形塊状物の圧潰強度を５０〜７００ｋｇｆの範囲で得ることが可能となり、均質でかつ強度のある成形塊状物を製造することが出来る。

本発明における乾留炉は、乾留以外の特別な機能を持つ必要はなく、コークス炉をはじめ、竪型シャフト炉式、ロータリーキルン式、流動層式など従来より知られている乾留炉で十分対応可能であるが、プロセスの特徴から、連続式の乾留炉である、竪型シャフト炉式乾留炉やロータリーキルン式の乾留炉などがより好ましい。

また、バインダについては、従来より知られている、水ガラスなどの無機系バインダや、デンプン、タール・ピッチなどの有機系バインダなど使用可能であるが、バインダが乾留されることで各粒子間の結合力を増加させ、成形塊状物の強度を上昇させる機能を持つ、タール・ピッチ系バインダやオガクズが好ましい。ここで、オガクズについては、混練し加熱加圧成形することで、オガクズ中のリグニンが溶け出し、各粒子間に行き渡り、さらにそれを乾留することでリグニンがコークス化し、強度が上昇する効果があることが知られ、その効果を利用したものとして、オガクズを加熱加圧成形して乾留したオガ炭が知られている。

しかしながら、オガクズは高価であり、他の用途も多い。そこで、木材を多量に含む建築廃材を用いて成形塊状物を製造することが考えられるが、建築廃材には、釘等の金属や瓦礫が含まれるため、そのまま成形すれば、成形機を損傷する恐れがある。そこで、原料を破砕し、金属及び不燃物を分離することが必要であり、そのための動力が必要となる。 一方、本発明における成形塊状物の製造方法では、原料をまず乾留炉に入れ、原料は乾留の過程で適度に破砕され、金属及び不燃物を分離しやすい状態となる。そのため、乾留炉から排出された後、磁選をはじめとする選別を行えばよく、事前の破砕処理が不要となる。

また、バインダを混練し、成形する際には、バインダの流動性を確保し、均一に混合するために、バインダの混合率を乾燥残渣に対して重量比２〜４０％添加するとよく、また、バインダ及び成形原料を加熱する事が好ましい。加熱温度については、タール・ピッチ系バインダの場合、その軟化点に応じて適宜変更すればよい。また、オガ炭の原料であるオガライトの成形時には１５０℃程度に加熱してオガクズ中のリグニンを溶出させる事が知られており、概ね５０〜２００℃程度に加熱すれば十分である。

また、本発明における成形機には、各種成形機が使用可能であるが、ダブルロール式成形機を用いれば、効率的な連続成形が可能である。ダブルロール式成形機では、型がついた２つのロールを回転させ、その間を材料が通過する際に成形される。２つのロールに力を加え、加圧成形が可能である。発明者らの実験結果では、成形時に加える圧力は１ｔ／ｃｍあれば十分な強度があることが確認できたが、より強度を要求される場合は、２ｔ／ｃｍ以上が好ましい。

また、本発明に開示した方法で作成した成形塊状物は、廃棄物溶融炉における、コークス代替としての使用が可能であり、廃棄物溶融炉の炉上部から、コークスの替わりに装入することにより、炉下部で高温の火格子を形成し、コークスと完全に置き換えることができる。この発明により、廃棄物溶融炉のランニングコスト低減、さらには、従来処分している廃棄物を溶融熱源として有効に活用することが可能であるだけでなく、ＣＯ₂ 排出量削減も達成できる。

当然、従来使用していた高炉用コークスと混合して装入することも可能であり、装入した成形塊状物は、コークスと同じ機能を達成するため、その使用量は、通常のコークスと同程度すなわち、ごみ質により、２〜１０％の使用量となる。ここで、本発明に開示した方法で製造した成形塊状物は、廃棄物溶融炉だけでなく、キュポラなどの溶解炉でも使用可能である。

以下、本発明について実施例によって具体的に説明する。
（実施例１）
図１は、本発明に係る成形塊状物の製造方法の一例を示す工程概略図である。この図に示すように、原料はシャフト炉式乾留炉１の炉上部から装入され、炉内の高温還元雰囲気により乾留される。乾留により、木材中の揮発分は、可燃性ガス・可燃性ダスト及びタールとなり、シャフト炉上部より排出される。原料中より揮発分が飛散した乾留残渣は、シャフト炉式乾留炉１下部に設置したスクリューコンベヤ２により排出され、原料により混入する鉄分やその他金属類及び瓦礫類を磁選機３や各種選別機４により除去した後、篩選別機５により篩選別される。ここで、篩目の大きさを変更することにより、製品の粒度分布は容易に調整可能とする。

さらに、ミキサー６において、篩下にバインダとして軟ピッチ（ＳＯＰ）を篩下の重量に対して１５％混練し、乾留残渣と共に１５０℃に加熱し、成形機７にて、２．５ｔ／ｃｍの線圧にて加圧成形される。成形物は、再び原料と共にシャフト炉式乾留炉１へ戻され、乾留することにより、バインダがコークス化し、強度のある成形塊状物が製造できる。一方、シャフト炉上部より飛散した可燃性ガスは、除じん器９によりガス中の可燃性ダストを捕集し、捕集した可燃性ダストは、篩選別機５へ導入され、篩下と共に成形し、再び乾留する。

ここで、除じん器９によって捕集した可燃性ダストは、粒径１００μｍ以下を中心とした均質な微粉となり、成形塊状物の原料として可能である。可燃性ダストを除去した可燃性ガスは、触媒１０によりタール改質することにより、清浄なガスとなり、このガスをガスエンジン発電機１１に導入することで発電可能である。当然であるが、この可燃性ガスを化学原料として使用することも可能であるし、除じん後熱風炉へ導入し、その燃焼排ガスを乾留炉に吹込み乾留ガスとして使用することも、廃熱ボイラに導入して蒸気タービン発電機にて発電することも可能である。

スクリューコンベヤ２より排出される乾留残渣は、後のバインダ混練工程にて加熱する必要があるため、排出時の温度がなるべく温度が高いほうがエネルギー節減につながるが、発火の恐れがあるため、排出される乾留残渣は１５０℃以下に冷却するか、もしくは、スクリューコンベヤ２出口から成形機７出口まで連続して配置し、乾留残渣の通路に気密性を持たせ、内部に例えば窒素のような不活性ガスを封入することで、バインダ混練時の加熱が不要となる。

また、本発明において、各設備のレイアウトは、本実施例のようなレイアウトに制限されるものではなく、立地条件に応じて適宜変更可能であり、例えば、篩選別機５の篩下を気流搬送し、シャフト炉式乾留炉１の上に配置したミキサー６及び成形機７で混練及び加圧成形した成形炭をそのままシャフト炉式乾留炉１に投入することも可能である。ここで、発明者らは、この実施例に先立ち、予備実験を行った。原料には廃木材チップを使用し、バッチ式の乾留炉で乾留した後、バインダとして軟ピッチを乾留残渣に対して3％混練した後加圧成形し、その成形物を乾留後圧潰強度を測定した。

図２は、乾留温度と乾留回数を変化させたときの圧潰強度との関係を示す図である。この図２に示すように、乾留温度を高くすると、少ない乾留回数で圧潰強度を高くすることができる。また、乾留温度を低くすると、高温乾留条件と比較して、初期の圧潰強度は低下するものの、回数を重ねることで、圧潰強度は高温乾留条件と同程度となる。すなわち、実際の操業では、求める強度に応じて、乾留温度を調整すればよく、その乾留温度としては５００〜１４００℃の範囲内で調整すればよい。しかし、本発明の場合、乾留温度の設定を誤って乾留が不十分な場合でも、強度を持たない成形塊状物は自然に再乾留されるため、操作は容易である。

本実施例では、乾留温度８００℃とした。運転開始当初は、篩下しか排出されず、すべてバインダと共に成形した後再乾留した。原料装入開始約４時間後より、篩上に製品コークスが残るようになった。シャフト炉式乾留炉の滞留時間はおよそ２時間であることから、本実施例の原料は２回乾留することで成形塊状物として製造可能であることがわかる。ここで、別の原料を使用する場合や、求める粒径が異なる場合は、篩上に残るまでの乾留回数が自然と増減することになるだけで、特別な操作は不要である。

（実施例２）
本実施例では、本発明の方法で製造した成形塊状物を廃棄物溶融炉で使用する例である。一般廃棄物、産業廃棄物等の廃棄物の処理方法の一つとして、例えばシャフト炉型の廃棄物溶融炉で廃棄物を乾燥、熱分解、燃焼、溶融して、スラグとメタルにする廃棄物溶融処理がある。図３は、本発明に係る廃棄物処理のための工程概略図である。この図に示すように、廃棄物溶融炉１２には、廃棄物が副資材であるコークス、石灰石とともに、炉上部から２重シール弁機構の装入装置１３を介して装入され、炉内で乾燥、熱分解、燃焼、溶融の過程を経て出滓口１４からはスラグが排出される。廃棄物中の可燃物は、一部が乾留されてガスとなって排出され、また、一部は炉下部で羽口から吹き込まれた空気及び酸素によって燃焼するが、残りの可燃物は可燃性ダストとなって溶融炉１２の炉頂から排出される。

溶融炉１２から排出された可燃性ガスと可燃性ダストは、燃焼室１５で燃焼され、ボイラー１６で熱回収が行われ、発生した蒸気は蒸気タービン・発電装置１７へ送られる。ボイラ―１６の排ガスは、集じん装置１８で固気分離され、ブロワ１９により煙突２０から排出される。廃棄物溶融炉１２の炉上部から装入されたコークスは、炉下部に取り付けた下段羽口２１から吹き込まれる酸素富化空気により燃焼し、炉下部で高温の火格子を形成することにより、廃棄物中の灰分を溶融し、スラグ化させる。

廃棄物溶融炉では、従来コークスを使用していたが、本実施例ではそのコークスと成形塊状物を１００％置き換えて、廃棄物に対して重量比で２〜１０％の範囲で成形塊状物を使用することが出来る。本発明例においては、装入量を廃棄物の重量に対して４％使用した。その場合でも、炉下部でコークス同様の高温火格子が形成され、コークスの場合と同様の操業が可能であった。この成形塊状物は、原料として、様々なものを使用可能であることから、木などのバイオマスなどを用いれば、ＣＯ₂ フリーによる廃棄物処理が可能となる。

本発明に係る成形塊状物の製造方法を示す工程概略図である。 乾留温度と乾留回数とを変えたときの圧潰強度との関係を示す図である。 本発明に係る廃棄物処理のための工程概略図である。

符号の説明

１ シャフト炉式乾留炉
２ スクリューコンベヤ
３ 磁選機
４ 選別機
５ 篩選別機
６ ミキサー
７ 成形機
８ ブリケット
９ 除じん器
１０ タール改質触媒
１１ ガスエンジン発電機
１２ 廃棄物溶融炉
１３ 装入装置
１４ 出滓口
１５ 燃焼室
１６ ボイラー
１７ 蒸気タービン・発電設備
１８ 集じん装置
１９ ブロワ
２０ 煙突
２１ 下段羽口


特許出願人 新日本製鐵株式会社
代理人 弁理士 椎 名 彊 他１

Claims (10)

1. 乾留炉にて間伐材などのバオマス、一般廃棄物、建築廃棄物、産業廃棄物、下水汚泥、製紙スラッジ、家畜糞、敷き藁、オガクズの少なくとも１種類以上からなる原料を乾留して成形塊状物を製造する成形塊状物製造方法において、乾留後の成形塊状物を１５０℃以下に冷却して篩分けにより分級し、篩下の成形塊状物にバインダを添加し加圧成形した後、前記乾留炉の５００〜１４００℃の乾留炉で乾留し、圧潰強度を５０〜７００ｋｇｆとした成形塊状物を溶融炉の上部から投入してコークスの代替として使用することを特徴とする廃棄物の処理方法。
2. 乾留炉から発生した乾留ガスを除じん器に通過させ、除じんした可燃性ガスを触媒改質もしくは部分酸化改質し、ガス精製後ガスタービン、ガスエンジンなどに導入して発電することを特徴とする請求項１に記載の廃棄物の処理方法。
3. バインダーとしてタール・ピッチ系バインダーもしくはオガクズもしくはその混合物を使用することを特徴とする請求項１または２に記載の廃棄物の処理方法。
4. バインダーの混合率を乾留残渣に対して重量比２〜４０％添加することを特徴とする請求項３に記載の廃棄物の処理方法。
5. バインダーを混合する際被混合物を５０〜２００℃に加熱することを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の廃棄物の処理方法。
6. 乾留炉として、竪型シャフト炉、ロータリキルン炉、コークス炉、流動層乾留炉、バッチ式乾留炉を用いることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の廃棄物の処理方法。
7. 成形にダブルロール型成型機を用い、圧力１ｔ／ｃｍ以上とすることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の廃棄物の処理方法。
8. 請求項１〜７のいずれか１項に記載の方法で製造した成形塊状物を廃棄物溶融炉で使用することを特徴とする廃棄物の処理方法。
9. 請求項１〜８のいずれか１項に記載の方法で製造した成形塊状物と高炉用コークスと混合して廃棄物溶融炉で使用することを特徴とする廃棄物の処理方法。
10. 成形塊状物の溶融炉への投入量が廃棄物に対して重量比２〜１０％であることを特徴とする請求項８または９に記載の廃棄物の処理方法。

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