JP2002510550A - 閉サイクル廃棄物燃焼 - Google Patents

閉サイクル廃棄物燃焼

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JP2002510550A JP2000542124A JP2000542124A JP2002510550A JP 2002510550 A JP2002510550 A JP 2002510550A JP 2000542124 A JP2000542124 A JP 2000542124A JP 2000542124 A JP2000542124 A JP 2000542124A JP 2002510550 A JP2002510550 A JP 2002510550A
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トーマス ジェー． ボードウィン，
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 濃縮酸素を使用する廃棄物の閉サイクル燃焼に関する方法及び装置を提供する。 【解決手段】 危険性のない有機廃棄物が、ライン（７）を介してスラグ化燃焼室（１１）に導入され、燃焼に供される。この燃焼により、排出ガスと溶融した無機灰分のスラグとが得られる。スラグは、燃焼室（１１）から燃焼室（１１）の底部に接続されたライン（１２）により取り出される。ライン（１３）を介して流出する排出ガスは、ガスに含まれる粒状物質のほとんどを除去するように処理される。処理されたガスの一部は、空気分離装置（３８）からの濃縮酸素と混合されるが、この混合は、混合されたガスが少なくとも３０容量％の酸素濃度を有することができる割合で行われる。混合ガスは、次に、燃焼室に導入され、廃棄物の燃焼を支持する。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、有機廃棄物の燃焼、特に、濃縮酸素を使用する廃棄物の閉サイクル
燃焼に関する。
【０００２】
【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】
都市固形廃棄物、廃水処理スラッジ及び製紙工場のスラッジのような廃棄物は
、しばしば、焼却により処理される。このような廃棄物は、有機燃焼物質及び無
機金属酸化物を含んでいる。有機燃焼物質は、多くの場合、燃焼の際に十分な熱
エネルギを提供することができるので、補助燃料を必要とせずに、燃焼室の温度
を高く保持することができる。廃棄物の無機部分は、ある程度のシリカ（ＳｉＯ ２ ）その他のガラス形成金属酸化物が存在することに特徴がある。回転キルンま
たはサイクロン炉のようなスラグ化燃焼機が燃焼に使用される場合には、廃棄物
の無機部分は、溶融するのに十分な高温に到達する。得られる溶融物質は、スラ
グとして燃焼室から排出される。
【０００３】 有機廃棄物を燃焼させるように構成された従来の焼却炉は、空気を酸化剤源と
して使用している。空気のほぼ５分の４は不活性ガス（主として窒素）であるの
で、空気の大部分は燃焼処理に有効ではない。実際に、不活性ガスは、幾つかの
顕著な問題を引き起こしている。第１の問題として、燃焼炎の温度が低下して、
廃棄物中の無機金属酸化物を溶融するのに必要な温度に保持するのが困難になる
ということがある。また、焼却炉からの廃ガスが多量の窒素により汚染されるの
で、大気中に放出される前に、更なる処理を必要とする多量の排出ガスを生ずる
という問題もある。
【０００４】 燃焼室に濃縮酸素を再循環排出ガスとともに導入することにより、危険な廃棄
物の焼却における窒素の望ましくない影響を少なくすることが提案されている。
ダウンズ(Downs)等に１９９４年５月１０日付けで付与された米国特許第５，３ ０９，８５０号を参照されたい。
【０００５】 本発明はまた、閉サイクルにおいて濃縮酸素を使用して、危険性のない廃棄物
を処理しかつ廃棄物を有用な最終生成物に変えるものである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、危険性のない有機廃棄物をスラグ化燃焼機に導入して、有機
廃棄物を燃焼させる。この燃焼により、排出ガスと、溶融した無機灰分のスラグ
が生じ、スラグは燃焼機から取り出される。排出ガスは、このガスに含まれる粒
状物質の大部分を除去するために処理される。処理された排出ガスの一部は、濃
縮酸素源と混合されるが、この混合は、混合ガスが少なくとも３０容量％の酸素
濃度を有することを許容する割合で行われる。混合ガスは、燃焼機に導入され、
廃棄物の燃焼を支持する。
【０００７】 好ましくは、混合ガスの酸素の割合は、約４０乃至５０容量％である。排出ガ
スは、濃縮酸素と混合する前に冷却と乾燥に供してもよい。
【０００８】 本発明によれば更に、処理された排気ガスの第２の部分は、二酸化炭素を除去
するために処理することができる。除去された二酸化炭素は、液体の形態に変え
るのが好ましい。
【０００９】 また、本発明の一の実施の形態によれば、排出ガスからの熱の一部が、混合ガ
スが燃焼機に導入される前に、混合ガスに伝達される。
【００１０】 本発明によれば、上記した方法を実施するための装置が提供されている。
【００１１】 本発明の方法において得られる生成物は、有用である。液化した二酸化炭素は
、市場に出して製品として利用することができる。かくして得られた二酸化炭素
は、天然ガスその他の天然資源を使用して現在生産されている二酸化炭素の代わ
りとなるので、天然資源を保護することができる。廃棄物の無機生成物は、ガラ
ス化して、建築材料として使用することができる著しく不活性な粒状物質にする
ことができる。従来の廃棄物焼却炉は一般に、埋め立てなければならない灰分を
生み出している。二酸化炭素回収系の出口における少量の非濃縮性ガスを除き、
空気中への放出物はなく、環境への影響は、有意の放出を行う従来の焼却処理と
比較して無視し得るものとなる。
【００１２】 本発明の上記及び他の目的と利点は、以下の説明から明らかなものでなる。以
下、本発明の好ましい実施の形態を示す添付図面に関して説明する。
【００１３】
【発明の実施の形態】
図１について説明すると、（良好な燃焼を支持するように十分に低い水分含量
を有する）乾燥した廃棄物が、ライン７を介して混合機９に導入される。ある廃
棄物の場合には、フラックス (fluxing agent)、（ＳｉＯ２のような）ガラス形
成材またはこれらの双方を添加して、融点を最適にするとともに、形成されるガ
ラススラグを良質にすることが必要となる場合がある。フラックスは、ライン８
を介して混合機９に導入される。混合物は、ライン１０を介して燃焼室１１に導
入される。
【００１４】 廃棄物は、製紙工場のスラッジ、都市排水処理スラッジ、都市固形廃棄物など
から構成することができる。この廃棄物は、従来の燃料よりも低い熱量と、石炭
のような従来の固形燃料よりも高い灰分含量を特徴とする。熱量は、一般には、
約２８０乃至約５０００ｋｃａｌ／ｋｇ（５００Ｂｔｕ／ｌｂ乃至９，０００Ｂ
ｔｕ／ｌｂ）の範囲にあるが、これに限定されるものではない。灰分含量は、典
型的には、５％乃至６５％の範囲にある。燃焼室１１は、耐火物をライニングし
た室である。燃焼室は、廃棄物とガス源とが良好な接触を行うことができるよう
に構成されている。燃焼室は、水冷燃焼室、サイクロン炉または回転キルンとす
ることができる。燃焼室の平均的な作動温度は、通常、約１３７１℃乃至１９２
７℃（２，５００°Ｆ乃至３，５００°Ｆ）の範囲にある。燃焼室１１内部の作
動温度は、廃棄物の無機灰分を流体状態に溶融させるのに十分に高いものである
。溶融した無機灰分は、ライン１２により燃焼室の底部を介して排出され、ここ
でスラグは冷却される。燃焼排出ガスは、約１３７１℃乃至１９２７℃（２，５
００°Ｆ乃至３，５００°Ｆ）の温度でライン１３を介して燃焼室を出て、混合
室１４に入る。高温の排出ガスは、ライン３３から入る冷たい再循環ガスと混合
される。冷却再循環ガスの流れは、ライン１５を介して混合機１４を出るガスの
温度を約３９９℃乃至７６０℃（７５０°Ｆ乃至１，４００°Ｆ）の温度に制御
するように調整される、別の構成においては、混合室１４の代わりに、上記ボイ
ラを使用することができる。
【００１５】 ライン１５からの排出ガスは、気体／気体熱交換機１６に入り、ここで、熱が
排出ガスから再生及び再循環燃焼ガスに伝達される。熱交換機１６の配設は、所
望のものであるが、系の作動因子により任意とすることができる。次に、排出ガ
スは、ライン１７を介して上記ボイラまたは水加熱機１８に進み、ここで、排出
ガスは更に冷却される。供給水は、ライン１９を介してボイラ１８に入り、蒸気
がライン２０を介して出る。冷却した燃焼ガスは、ライン２１を介して蒸気ボイ
ラ１８を出て、粒子フィルタ２２に入り、ここで細かい粒状物質が捕捉され、ラ
イン２３を介して系から除去される。粒状物質のない排出ガスは、ライン２５を
介してフィルタを出て、水蒸気コンデンサ即ち凝縮機２５に入る。冷たい循環水
がライン２６を介して入り、ライン２７を介して出る。水蒸気の大部分は、排出
ガス流から凝縮され、ライン２８を介して排出される。蒸気凝縮機２５は、好ま
しくは、耐食性の材料から構成するのが好ましい。蒸気凝縮機はまた、粒子フィ
ルタ２２において捕捉されなかった粒状物質を更に除去する。
【００１６】 水蒸気のほとんどが除去されてから、排出ガスは、ライン２９を介して出る。
処理のこの時点で、処理ガス流のほとんど（７５乃至９５容量％）は、少量の窒
素（Ｎ２）、酸素（Ｏ２）及び水蒸気（Ｈ２Ｏ）を伴う二酸化炭素（ＣＯ２）で
ある。処理ガス流はまた、微量の二酸化窒素（ＮＯ２）、二酸化硫黄（ＳＯ２）
、揮発性の有機化合物（ＨｘＣｙ）、塩化水素（ＨＣｌ）、一酸化炭素（ＣＯ）
及び粒状物質を含む。
【００１７】 ガス流の第１の部分は、ライン３１を介して燃焼ループに戻されて再循環され
、ガス流の残りの部分はライン３０を介して進み、更なる処理に供される。ライ
ン３０を介して流れる二酸化炭素の質量流量は、定常状態の下での処理の燃焼位
相の際に形成される二酸化炭素の量と等しいものとなっている。再循環されるべ
きガス流の第１の部分は、ガスが閉ループを流れるときの圧力損失に打ち勝つの
に必要な水頭を提供するファン３２に入る。ガス流はファン３２を出て、ライン
３３と３４とに分かれる。ライン３４のガス流は、酸素源３８から導出するライ
ン４０の濃縮酸素と混合される。ライン４０の酸素の濃度は、通常、酸素が９０
乃至９５容量％の範囲にある。ライン３５が、ライン３４と４０から混合ガス流
を受ける。かくして、混合ガスが再生され、この混合ガスは燃焼に十分な濃度の
酸素を含んでいる。再生ガス流 (regenerated gas stream)の典型的な酸素濃度 は、３０乃至８０酸素容量％の範囲とすることができ、最適な濃度は４０乃至５
５％である。再生ガス流の所望の酸素濃度は、燃焼室１１において最適な燃焼温
度と燃焼効率を保持するように選定される。所望の酸素濃度は、廃燃料、燃焼技
術その他の作動因子により変えることができる。混合ガス流における酸素の量は
、酸素センサ５７により検出され、ライン４０のバルブ５８により制御される。
【００１８】 ライン３５の再生ガスは、気体／気体熱交換機１６に入り、ここで、排出ガス
から熱を受ける。再生ガスの温度がより高いと、燃焼性能が高まる。再生ガスの
温度は、通常は、約２００℃乃至６５０℃（４００°Ｆ乃至１２００°Ｆ）の範
囲にある。加熱された再生ガスは、ライン３６に入り、ここで、燃焼室１１に進
む。
【００１９】 濃縮された酸素は、空気分離装置３８において発生され、空気分離装置は酸素
をライン３７を介して受けて、酸素（Ｏ２）を窒素（Ｎ２）から分離する。酸素
はライン４０を出る一方、窒素はライン３９を介して大気に戻される。空気分離
の技術は、十分に確立されている。空気の分離は、真空圧スイング吸収 (vacuum
pressure swing absorption)あるいは極低温空気分離のような数多くの方法に より行うことができる。これらの方法はいずれも、濃縮酸素を適宜供給すること
ができる。
【００２０】 二酸化炭素の回収が所望されない特殊な状況においては、ライン３０からの排
出ガスの第２の部分が、大気に直接発散させ、あるいは最終フィルタ（図示せず
）を介して大気に発散させることができる。
【００２１】 二酸化炭素を回収しようとする場合には、ライン３０の過剰のガスは、ガス浄
化系４１に進む。数多くの微量ガスが存在すると、製品の品質及び市場性に影響
を及ぼす可能性がある。微量ガスには、二酸化窒素（ＮＯ２）、二酸化硫黄（Ｓ
Ｏ２）、塩化水素（ＨＣｌ）、炭化水素を主体とするガス（ＨｘＣｙ）及び一酸
化炭素（ＣＯ）が含まれる。種々の化合物の存在と濃度は、使用される廃燃料と
燃焼系の作動パラメータとの関数である。実際には、系４１は、幾つかの工程か
ら構成することができ、ガス温度を変える熱交換機、ガスヒータ、（ＮＯ２、Ｃ
Ｏ、ＨｘＣｙのような微量ガスをＮ２、Ｈ２Ｏ及びＣＯ２に還元する）触媒ベッ
ド、（ＨＣｌ及びＳＯ２を試薬を使用して直接除去する）スクラバ、（水蒸気を
除去する）除湿機または乾燥剤乾燥機及び（微細な粒状物質を除去する）最終フ
ィルタを含むことができる。種々の除去装置の配列と選定は、本技術分野におい
て公知であり、微量ガスの初期濃度及び所望される最終生成物によって変わる。
【００２２】 清浄にされたガスは、系４１を出てライン４２に入り、圧縮機４３に進む。圧
縮機の入口におけるガスの圧力は、１．０気圧（１４．７ｐｓｉａ）以下である
。二酸化炭素を液化することができるのに適した条件を得るために、圧縮機４３
は、ガスを２０乃至６５気圧に圧縮する。圧縮されたガスは、ライン４６を介し
て出る。圧縮機は、ライン４４からの水で冷却され、加熱された水はライン４５
を介して出る。
【００２３】 圧縮されたガスは熱交換機４８に入り、ここで、ガスはライン４７を介して供
給される冷媒で間接的に冷却される。冷媒の温度は、典型的には、初期のガス圧
縮機操作圧力と所望の二酸化炭素除去効率とにより約−１℃乃至−３４℃（３０
°Ｆ乃至マイナス３０°Ｆ）の範囲にされる。二酸化炭素の一部は、気体から液
体に代わり、ライン４９を介して排出される。窒素と酸素は、第１の段階で液化
されなかった幾分かの二酸化炭素とともにライン５０を介して排出され、熱交換
機５２に入る。典型的には、約−１８℃乃至−４８℃（０°Ｆ乃至マイナス５５
°Ｆ）の範囲にあるライン５１からの冷媒が、排出ガスを更に冷却し、更なる二
酸化炭素を液化する。この更なる二酸化炭素は、ライン５３を出て、ライン４９
の二酸化炭素と組み合わされてライン５５に出る。ライン５５の二酸化炭素は、
通常の液体二酸化炭素製品として取り扱うことができる。ライン５４を介して出
たガスは発散されるが、窒素と酸素から主としてなり、これに液化されなかった
二酸化炭素が小さい割合で含まれる。
【００２４】 分離（熱交換機５２）の第２の段階は、任意であり、これが必要であるかどう
かは、所望のＣＯ２収集効率による。第２段階の分離が利用されない場合には、
ライン５０は大気と連通させることができる。
【００２５】 酸素源３８からの濃縮酸素をライン３４の再循環ガスと混合する代わりに、こ
の酸素は燃焼室１１にライン５９を介して直接導入することができる。室１１に
入るガスの酸素濃度は、再生ガス流に関して上記したのと同じレベルに保持する
ことができる。
【００２６】 天然ガス、プロパン、石油、木材及び石炭のような補助燃料をライン６０を介
して燃焼室１１に加えて、無機物質を溶融するのに必要な温度を確保することが
できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明を実施するための装置を示す概略線図である。
【符号の説明】 ９ 混合機 １１ 燃焼室 １４ 混合室 １６ 気体／気体熱交換機 １８ ボイラ ２２ 粒子フィルタ ２５ コンデンサ ３２ ファン ３８ 酸素源 ４１ ガス浄化系 ４３ 圧縮機 ４８、５２ 熱交換機 ５７ 酸素センサ ５８ バルブ
【手続補正書】特許協力条約第３４条補正の翻訳文提出書
【提出日】平成１２年７月１８日（２０００．７．１８）
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】特許請求の範囲
【補正方法】変更
【補正内容】
【特許請求の範囲】
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） Ｆ２３Ｊ 15/00 Ｆ２３Ｊ 15/00 Ｚ (71)出願人 Ｎ16 Ｗ23217 Ｓｔｏｎｅ Ｒｉｄｇｅ Ｄｒｉｖｅ， Ｗａｕｋｅｓｈａ， Ｗ Ｉ 53188−1155， ＵＳＡ Ｆターム(参考） 3K061 AA07 AA23 AB03 AC01 AC02 AC07 BA05 BA09 CA07 DA03 DA12 DA18 DA19 DB15 3K065 AA07 AA23 AB03 AC01 AC02 AC07 BA05 BA09 HA02 HA03 HA07 3K070 DA01 DA04 DA25 DA48 DA52 3K078 AA05 AA09 BA03 CA02 CA21 CA24 4D004 AA02 AA46 AC04 BA02 CA12 CA15 CA28 CA29 CB05 CB34 CB43 DA02 DA03 DA06 DA10

Claims (27)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 高い灰分含量と約２８０乃至約５０００ｋｃａｌ／ｋｇ（約
    ５００乃至約９，０００Ｂｔｕ／ｌｂ）の熱量とを有する有機廃棄物の処理方法
    であって、 廃棄物をスラグ化燃焼機に導入する工程と、 燃焼機の廃棄物を燃焼させて溶融した無機灰分のスラグと排出ガスとを生成す
    る工程と、 スラグを燃焼機から取り出す工程と、 排出ガスを燃焼機から取り出す工程と、 粒状物質の大部分を排出ガスから除去するように排出ガスを処理する工程と、 処理された排出ガスの第１の部分と濃縮酸素をガス全体が少なくとも３０容量
    ％の酸素濃度を有することを許容する割合で燃焼機に導入する工程とを備えるこ
    とを特徴とする方法。
  2. 【請求項２】 処理された排出ガスの第１の部分と濃縮酸素は燃焼機に導入
    される前に互いに混合されることを特徴とする請求項１に記載の方法。
  3. 【請求項３】 混合されたガスの酸素の割合は約４０乃至約５５容量％であ
    ることを特徴とする請求項１に記載の方法。
  4. 【請求項４】 処理された排出ガスの第２の部分を処理して二酸化炭素を排
    出ガスから回収する工程を更に備えることを特徴とする請求項１に記載の方法。
  5. 【請求項５】 排出ガスを冷却する工程を更に備えることを特徴とする請求
    項１に記載の方法。
  6. 【請求項６】 混合されたガスが燃焼機に導入される前に熱の一部を排出ガ
    スから混合ガスに伝達する工程を更に備えることを特徴とする請求項２に記載の
    方法。
  7. 【請求項７】 冷却された排出ガスの第３の部分を冷却されていない排出ガ
    スと混合する工程を更に備えることを特徴とする請求項６に記載の方法。
  8. 【請求項８】 冷却された排出ガスの第３の部分は排出ガスの熱を混合ガス
    に伝達する前に高温の排出ガスと混合されることを特徴とする請求項７に記載の
    方法。
  9. 【請求項９】 排出ガスは冷却された排出ガスの第３の部分を燃焼機を出る
    冷却されていない排出ガスと混合することにより冷却されることを特徴とする請
    求項５に記載の方法。
  10. 【請求項１０】 廃棄物は都市固形廃棄物、製紙工場のスラッジ及び排水処
    理スラッジよりなる群から選ばれることを特徴とする請求項１に記載の方法。
  11. 【請求項１１】 燃焼機に導入する前にフラックスが廃棄物と混合されるこ
    とを特徴とする請求項１に記載の方法。
  12. 【請求項１２】 燃焼機に導入される前にガラス形成鉱物質が廃棄物と混合
    されることを特徴とする請求項１に記載の方法。
  13. 【請求項１３】 補助燃料が廃棄物のほかに燃焼機に導入されることを特徴
    とする請求項１に記載の方法。
  14. 【請求項１４】 高い灰分含量と約２８０乃至約５０００ｋｃａｌ／ｋｇ（
    約５００乃至約９，０００Ｂｔｕ／ｌｂ）の熱量とを有する有機廃棄物の処理装
    置であって、 廃棄物を燃焼させて溶融無機灰分のスラグと排出ガスとを生成するスラグ化燃
    焼機と、 高温の排出ガスを燃焼機から受ける熱交換機と、 排出ガスを冷却しかつ乾燥する手段と、 冷却された排出ガスの第１の部分を熱交換機及び燃焼機を介して再循環させる
    ブロアと、 酸素を排出ガスの再循環された第１の部分に、得られるガス混合物が少なくと
    も３０容量％の酸素濃度を有することができる量をもって加えるようにブロアの
    出力側に接続された濃縮酸素源とを備えることを特徴とする装置。
  15. 【請求項１５】 高温のガスを燃焼機から受けるとともに、高温ガスを冷却
    された排出ガスの第１の部分の一部と混合するように接続された混合機を更に備
    えることを特徴とする請求項１４に記載の装置。
  16. 【請求項１６】 冷却された排出ガスの第２の部分を受けて二酸化炭素を該
    部分から回収するように接続された二酸化炭素除去系を更に備えることを特徴と
    する請求項１４に記載の装置。
  17. 【請求項１７】 高い灰分含量と約２８０乃至約５０００ｋｃａｌ／ｋｇ（
    約５００乃至約９，０００Ｂｔｕ／ｌｂ）の熱量とを有する有機廃棄物の処理方
    法であって、 廃棄物をスラグ化燃焼機に導入する工程と、 燃焼機の廃棄物を燃焼させて溶融した無機灰分のスラグと排出ガスを生成する
    工程と、 スラグを燃焼機から取り出す工程と、 排出ガスを燃焼機から取り出す工程と、 排出ガスを冷却する工程と、 処理された排出ガスの第１の部分と濃縮酸素をガス全体が少なくとも３０容量
    ％の酸素濃度を有することを許容する割合で燃焼機に導入する工程と、 冷却された排出ガスの第２の部分を処理して二酸化炭素を回収する工程とを備
    えることを特徴とする方法。
  18. 【請求項１８】 処理された排出ガスの第１の部分と濃縮酸素は燃焼機に導
    入される前に互いに混合されることを特徴とする請求項１７に記載の方法。
  19. 【請求項１９】 混合されたガスの酸素の割合は約４０乃至約５５容量％で
    あることを特徴とする請求項１７に記載の方法。
  20. 【請求項２０】 混合されたガスが燃焼機に導入される前に熱の一部を排出
    ガスから混合ガスに伝達する工程を更に備えることを特徴とする請求項１８に記
    載の方法。
  21. 【請求項２１】 冷却された排出ガスの第３の部分を冷却されていない排出
    ガスと混合する工程を更に備えることを特徴とする請求項２０に記載の方法。
  22. 【請求項２２】 冷却された排出ガスの第３の部分は排出ガスの熱を混合ガ
    スに伝達する前に高温の排出ガスと混合されることを特徴とする請求項２１に記
    載の方法。
  23. 【請求項２３】 排出ガスは冷却された排出ガスの第３の部分を燃焼機を出
    る冷却されていない排出ガスと混合することにより冷却されることを特徴とする
    請求項１７に記載の方法。
  24. 【請求項２４】 酸素源と混合する前に粒状物質の大部分を排出ガスから除
    去するように排出ガスを処理する工程を更に備えることを特徴とする請求項１７
    に記載の方法。
  25. 【請求項２５】 燃焼機に導入する前にフラックスが廃棄物と混合されるこ
    とを特徴とする請求項１７に記載の方法。
  26. 【請求項２６】 燃焼機に導入される前にガラス形成鉱物質が廃棄物と混合
    されることを特徴とする請求項１７に記載の方法。
  27. 【請求項２７】 補助燃料が廃棄物のほかに燃焼機に導入されることを特徴
    とする請求項１７に記載の方法。
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