JP2008105897A - 溶融スラグ処理設備とこの設備を用いた溶融スラグ処理方法 - Google Patents

Abstract

【課題】大掛かりな設備構成を要することなく、水砕スラグをセメントと混合してコンクリート用骨材として使用したとしても、コンクリート内部に気泡を生じさせることを防止可能にすると共に、自然環境下においても重金属類の溶出を抑制可能な溶融スラグ処理設備とこの設備を用いた溶融スラグ処理方法を提供する。
【解決手段】溶融炉１から発生する溶融スラグＳを受け入れ水冷して水砕スラグを形成する水砕スラグ槽２と、この水砕スラグ槽２に配置され水砕スラグを搬出するスラグコンベア装置３と、このスラグコンベア装置３により搬出された水砕スラグを受け入れるスラグピット６とを有する。水砕スラグ槽２とスラグピット６との間に、スラグコンベア装置３により搬送された水砕スラグを安定化処理する安定化処理機構が設けられていて、この安定化処理機構はアルカリ水供給手段４と酸性水供給手段５とがこの順で設けられて構成されている。
【選択図】図１

Description

本発明は溶融スラグ処理設備とこの設備を用いた溶融スラグ処理方法に関し、詳しくは、溶融処理設備から発生する溶融スラグを受け入れ水冷して水砕スラグを形成する水砕スラグ槽と、この水砕スラグ槽に配置され水砕スラグを搬出する搬送装置と、この搬送装置により搬出された水砕スラグを受け入れる貯槽とを有する溶融スラグ処理設備とこの設備を用いた溶融スラグ処理方法に関する。

各種ゴミなどの廃棄物を焼却する焼却設備から排出される残渣物である焼却灰や飛灰には、ダイオキシン類や有害重金属類などの有害物質が含まれている。このような有害物質を無害化すると共に、焼却残渣物を減容化し、更に溶融固化物（スラグ）としてリサイクル可能にする有効な方法として、残渣物を溶融固化する処理方法が用いられている。

スラグをリサイクルする際には、道路用骨材やコンクリート用骨材のような土木建築資材として利用することが多いが、スラグ中に含まれているアルミニウム等が、下記反応によりセメント中のアルカリと反応して水素を発生するため、コンクリート内部に気泡を生じて、初期硬化時に膨張が起こることがある。コンクリートに膨張が生じると、強度が低下するという問題がある。

２Ａｌ＋Ｃａ（ＯＨ）₂ ＋２Ｈ₂ Ｏ→ＣａＯ・Ａｌ₂ Ｏ₃ ＋３Ｈ₂ ↑
そこで、スラグ中に含まれているアルミニウムを除去あるいは無害化する処理方法が提案されている（特許文献１）。更には、スラグ水砕水中のｐＨを９〜１２に保持することにより水砕水中の重金属類を水酸化物として懸濁させてＳＳ化する処理方法が提案されている（特許文献２）。

特開２００６−１０２６６３号公報 特開平１１−５１５７５号公報

しかしながら、上記従来技術の内、前者の方法では、スラグ中のアルミニウムの形状や大きさによって分離することが困難な場合が多いだけでなく、アルミニウム等の分離のために、磁選機、破砕機、振動篩を設置するなど、設備構成が大かがりとなり、処理コストが多くならざるを得ないという問題がある。しかも、アルカリ性の水溶液で注水操作をした後、中和工程を採用していないため、スラグに付着したアルカリ成分に起因する重金属類が溶出する可能性がある。例えば、重金属類のＰｂは両性金属であり、アルカリ性が強いほど溶解度が上昇するため、溶出量が増大するという問題がある。

また、後者の場合、重金属類の水酸化物（懸濁物）がスラグコンベアによって排出されるスラグと共に系外に持ち出されるため、スラグに重金属類の水酸化物が混入した状態となり、例えば、これが自然環境中に晒された場合、酸性雨などの影響を受けて再度、重金属類が溶出する可能性があるという問題がある。のみならず、特許文献１と同様に、この技術も後段に中和工程あるいは水洗浄工程がないため、スラグに付着したアルカリ成分に起因する重金属類が溶出するという問題がある。更に、スラグコンベア内のスラグ水砕水をアルカリ性に保持することにより、スラグ水砕水の塩濃度が増加し、スラグ水砕水と接触する機器が腐食したり、機器へスケールが固着したりするという問題もある。

そこで、本発明の目的は、上記従来技術の問題点に鑑みて、大掛かりな設備構成を要することなく、水砕スラグをセメントと混合してコンクリート用骨材として使用したとしても、セメントのアルカリ成分と反応して水素を発生させることを抑制して、コンクリート内部に気泡を生じさせることを防止可能にすると共に、自然環境下においても重金属類の溶出を抑制可能な溶融スラグ処理設備とこの設備を用いた溶融スラグ処理方法を提供することにある。

上記課題は、各請求項記載の発明により達成される。すなわち、本発明に係る溶融スラグ処理設備の特徴構成は、溶融処理設備から発生する溶融スラグを受け入れ水冷して水砕スラグを形成する水砕スラグ槽と、この水砕スラグ槽に配置され水砕スラグを搬出する搬送装置と、この搬送装置により搬出された水砕スラグを受け入れる貯槽とを有する溶融スラグ処理設備において、前記水砕スラグ槽と貯槽との間に、前記搬送装置により搬送された水砕スラグを安定化処理する安定化処理機構が設けられていて、この安定化処理機構はアルカリ水供給手段と酸性水供給手段とがこの順で設けられて構成されていることにある。

この構成によれば、水砕スラグ槽に受け入れられた水砕スラグを、まずアルカリ水により十分に反応させて水砕スラグ中に含まれるＡｌ、Ｚｎ、Ｓｎ粒子などの両性金属を不活性化して安定化させると共に、酸性水供給手段により、水砕スラグに付着しているアルカリ性水溶液を除去あるいは中和して、Ｐｂなどの重金属類の溶出を防止することができるので、水砕スラグをコンクリート用骨材などに使用しても、セメントのアルカリ成分と反応して水素が発生するのを効果的に抑制できる。また、酸性水あるいは水で除去をできるのは、アルカリ性水溶液のみでなく、水砕スラグに付着している溶出リスクの高い重金属も含まれるため、自然環境下に晒されたとしても重金属類の溶出を確実に防止できるものとなる。

その結果、大掛かりな設備構成を要することなく、水砕スラグをセメントと混合してコンクリート用骨材として使用したとしても、セメントのアルカリ成分と反応して水素を発生させることを抑制して、コンクリート内部に気泡を生じさせることを防止可能にすると共に、自然環境下においても重金属類の溶出を抑制可能な溶融スラグ処理設備を提供することができた。

前記安定化処理機構が前記水砕スラグ槽に配置されていて、前記アルカリ水供給手段が、前記搬送装置により搬送された水砕スラグにｐＨ１０〜１４のアルカリ性水溶液を供給する装置であり、前記酸性水供給手段がアルカリ性水溶液を供給された水砕スラグに対してｐＨ５〜７の弱酸性水溶液あるいは水を供給する装置であることが好ましい。

この構成によれば、水砕スラグ中に含まれる両性金属を一層効果的に不活性化して安定化できると共に、重金属類の溶出を一層確実に防止できるものとなる。ｐＨが７以上１０未満のアルカリ性水溶液を水砕スラグに供給するだけでは、両性金属粒子の表面に形成される被膜が、例えば、強アルカリ性であるセメントと混合した際には破れるため、内部に残存する両性金属から水素が発生する可能性がある。従って、両性金属を充分安定化するために、ｐＨが１０〜１４の強アルカリ性水溶液を供給する必要がある。一方、その後供給する弱酸性水溶液のｐＨが５未満では、設備機器の腐食の進行が促進されるおそれがあって好ましくない。

前記スラグ水砕水が、前記水砕スラグ槽から排出されるようになっていると共に、排出されたスラグ水砕水に含まれる懸濁物を除く懸濁物除去装置が設けられていて、この懸濁物除去装置より懸濁物を除去された排水を前記水砕スラグ槽に送給・循環するようになっていることが好ましい。

この構成によれば、水砕スラグに対するアルカリ水溶液や酸性水溶液の供給によって生じる、重金属類を含む懸濁物（ＳＳ）が発生したスラグ水砕水から懸濁物を除去した排水をスラグ水砕水として再利用でき、それだけ処理コストを低減できる。

また、本発明に係る溶融スラグ処理方法の特徴構成は、溶融処理設備から発生する溶融スラグを水砕スラグ槽に受け入れ水冷して水砕スラグを形成し、この水砕スラグを前記水砕スラグ槽から搬送装置により搬出し、この搬送装置により搬出された水砕スラグを貯槽に受け入れる溶融スラグ処理方法において、前記水砕スラグ槽と貯槽との間に設けられた安定化処理機構により、前記搬送装置により搬送された水砕スラグを安定化処理するにあたり、前記安定化処理機構を構成するアルカリ水供給手段により前記水砕スラグにアルカリ水溶液を供給し、次いで前記安定化処理機構を構成する酸性水供給手段により弱酸性水溶液あるいは水を供給することにある。

この構成によれば、大掛かりな設備構成を要することなく、水砕スラグをセメントと混合してコンクリート用骨材として使用したとしても、セメントのアルカリ成分と反応して水素を発生させることを抑制して、コンクリート内部に気泡を生じさせることを防止可能にすると共に、自然環境下においても重金属類の溶出を抑制可能な溶融スラグ処理設備を用いた溶融スラグ処理方法を提供することができる。

前記アルカリ性水溶液がｐＨ１０〜１４のアルカリ性水溶液であり、弱酸性水溶液あるいは水がｐＨ５〜７の弱酸性水溶液あるいは水であることが好ましい。

この構成によれば、水砕スラグ中に含まれる両性金属を一層効果的に不活性化して安定化できると共に、重金属類の溶出を一層確実に防止できる。

前記スラグ水砕水を、前記水砕スラグ槽から排出すると共に、排出されたスラグ水砕水に含まれる懸濁物を懸濁物除去装置により除去し、この懸濁物除去装置より懸濁物を除去された排水を前記水砕スラグ槽に送給・循環することが好ましい。

この構成によれば、排水を再利用できて、処理コストを低減できる。

本発明の実施形態を、図面を参照して詳細に説明する。図１は、本実施形態に係る溶融スラグ処理設備の概略全体構成を示す。

この溶融スラグの処理設備は、各種ごみなどの廃棄物である被溶融物が投入されて処理される溶融処理設備である溶融炉１から排出されたスラグＳを、急冷するスラグ水砕水２ａで満たされた水砕スラグ槽２を有していると共に、この水砕スラグ槽２に水砕スラグを受け入れて搬送するスラグコンベア装置３が配置されて構成されている。スラグＳは、水砕スラグ槽２に落下して固化すると共に、固化され水砕されたスラグはスラグコンベア装置３によって搬送され、大気中に引き上げられる。

引き上げられた水砕スラグに対して、水砕スラグをコンクリートに混在させた場合に、強アルカリ成分であるセメントと反応してコンクリート中に気泡を発生させないように安定化処理するための安定化処理機構が、水砕スラグ槽２に配置され設けられている。この安定化処理機構は、アルカリ水溶液をノズルから散水するアルカリ水供給手段４と、酸性水溶液あるいは水をノズルから散水する酸性水供給手段５とを備えて構成されている。

安定化処理された水砕スラグは、更に、貯槽であるスラグピット６に投入されて一旦貯蔵され、適宜運び出されて骨材などとしての利用に供される。

アルカリ水溶液としては、例えば、水酸化カルシウム溶液や水酸化ナトリウム溶液などを使用できる。酸性水溶液としては、塩酸、硝酸、硫酸などを使用することができる。

一方、スラグ水砕水２ａは、アルカリ水溶液や酸性水溶液の供給によって、重金属類を含有する懸濁物（ＳＳ）が発生するので、適宜排出すると共に、懸濁物除去装置７によって懸濁物を除去し、この排水をスラグ冷却水槽８に貯槽して、ポンプＰによりスラグコンベア装置３を備えるスラグ水砕水２ａに加えて、再利用するようになっている。

安定化処理機構を構成するアルカリ水供給手段４と酸性水供給手段５について、以下に説明する。アルカリ水供給手段４は、スラグコンベア装置３により引き上げられてきた水砕スラグに対して、ｐＨ１０〜１４の強アルカリ性水溶液を散水するようになっている。この散水により、水砕スラグ中に含まれるＡｌ、Ｚｎ、Ｓｎ粒子などの両性金属が不活性となり、安定化する。

次いで、酸性水供給手段５からｐＨ５〜７の弱酸性水溶液あるいは水を水砕スラグに散水・洗浄することにより、水砕スラグに付着しているアルカリ性水溶液を除去あるいは中和して、Ｐｂなどの重金属類の溶出を防止する。

この場合、アルカリ性水溶液の散水による反応を、水砕スラグ中に含まれているＡｌを例に挙げて、以下に説明する。

アルカリ性水溶液が弱アルカリ性（ｐＨ７以上１０未満）の場合、下記（１）式の反応が生じる。

Ａｌ＋３ＯＨ⁻＋３Ｈ₂Ｏ→Ａｌ（ＯＨ）₃＋３ＯＨ⁻＋３／２Ｈ₂ （１）
ここで生成するＡｌ（ＯＨ）₃は、水への溶解度積が１０^-32 と極めて小さいため、Ａｌ粒子の表面にＡｌ（ＯＨ）₃の被膜が形成され、反応が進まなくなる。しかし、Ａｌ粒子内部では活性な金属Ａｌが残存することになるため、水砕スラグをこのような弱アルカリ性水溶液で処理しても、強アルカリ性のセメントと混合すると、下記反応式（２）により、Ａｌ（ＯＨ）₃の被膜が溶解する。

Ａｌ（ＯＨ）₃＋ＯＨ⁻＋２Ｈ₂Ｏ→［Ａｌ（ＯＨ）₄（Ｈ₂Ｏ）₂］⁻ （２）
強アルカリ性（ｐＨ１０以上）の下で、Ａｌ（ＯＨ）₃の被膜が溶解すると、内部に残存するＡｌに反応式（３）の反応が生じることによってＨ₂ が発生し、コンクリートを膨張させることになる。

Ａｌ＋ＯＨ⁻＋５Ｈ₂Ｏ→［Ａｌ（ＯＨ）₄（Ｈ₂Ｏ）₂］⁻＋３／２Ｈ₂ （３）
従って、スラグ中のＡｌを安定化するためには、ｐＨが１０以上である強アルカリ性水溶液を用いて、予め反応式（３）の反応を完了させ、Ｈ₂を十分に発生させてしまうことが必要である。反応式（３）の反応を完了させるためには、より高いｐＨの水溶液を用いたり、固液の接触を長時間保ったりすることが好ましい。この場合、アルカリ塩の発生により機器に腐食が発生することなどが考えられるため、そのｐＨは設備機器の材質、スラグの排出量、水温などを考慮して選択される。

アルカリ性水溶液がスラグに付着したままでは、スラグ中のＰｂ等の重金属類が後に溶出する可能性がある。そこで、スラグに付着しているアルカリ性水溶液を除去したり、中和したりするため、水や弱酸性水で散水洗浄を行う。弱酸性水のｐＨは、５未満であると、設備機器が腐食するおそれがあるため、５〜７程度であることが好ましい。スラグ水砕水のｐＨを中性に保つために、水を散水するより、弱酸性水で散水することが好ましい。

上記したアルカリ水供給手段４と酸性水供給手段５は、いずれもコンベア搬送過程において搬送される水砕スラグに散水するように構成したが、これは、コンクリート膨張の原因である水素の発生が、水砕スラグに含まれる微粒のＡｌ、Ｚｎ、Ｓｎ粒子によるためである。粗粒のものは比表面積が小さいため水素発生が少なく、コンクリート膨張に与える影響は少ない。また、Ａｌには延性があるため、スラグコンベア装置３の後段に設置される粒度調整のためのスラグ破砕機で破砕できず、ふるい等で除去可能なため問題とならない。従って、微粒のＡｌ、Ｚｎ、Ｓｎ粒子などを安定化させるためだけでなく、コンベア搬送過程で搬送される短い時間で十分安定化できる。

〔別実施の形態〕
（１）上記実施形態において、水砕スラグを安定化処理するアルカリ水供給手段と酸性水供給手段とにより水砕スラグに安定化処理を施す際、アルカリ水供給手段と酸性水供給手段とを水砕スラグ槽の後段側に配置し、引き上げられた水砕スラグに対してアルカリ水と酸性水を散水するようにしたが、アルカリ水供給手段と酸性水供給手段とを水砕スラグ槽とは別の槽として設けて配置し、順次水砕スラグに散水して安定化処理を施すようにしてもよい。

本発明の一実施形態に係る溶融スラグ処理設備の概略全体構成図

符号の説明

１ 溶融処理設備
２ 水砕スラグ槽
３ 搬送装置（スラグコンベア装置）
４ アルカリ水供給手段
５ 酸性水供給手段
６ 貯槽

Claims (6)

1. 溶融処理設備から発生する溶融スラグを受け入れ水冷して水砕スラグを形成する水砕スラグ槽と、この水砕スラグ槽に配置され水砕スラグを搬出する搬送装置と、この搬送装置により搬出された水砕スラグを受け入れる貯槽とを有する溶融スラグ処理設備において、
   前記水砕スラグ槽と貯槽との間に、前記搬送装置により搬送された水砕スラグを安定化処理する安定化処理機構が設けられていて、この安定化処理機構はアルカリ水供給手段と酸性水供給手段とがこの順で設けられて構成されていることを特徴とする溶融スラグ処理設備。
2. 前記安定化処理機構が前記水砕スラグ槽に配置されていて、前記アルカリ水供給手段が、前記搬送装置により搬送された水砕スラグにｐＨ１０〜１４のアルカリ性水溶液を供給する装置であり、前記酸性水供給手段がアルカリ性水溶液を供給された水砕スラグに対してｐＨ５〜７の弱酸性水溶液あるいは水を供給する装置である請求項１記載の溶融スラグ処理設備。
3. 前記スラグ水砕水が、前記水砕スラグ槽から排出されるようになっていると共に、排出されたスラグ水砕水に含まれる懸濁物を除く懸濁物除去装置が設けられていて、この懸濁物除去装置より懸濁物を除去された排水を前記水砕スラグ槽に送給・循環するようになっている請求項１又は２記載の溶融スラグ処理設備。
4. 溶融処理設備から発生する溶融スラグを水砕スラグ槽に受け入れ水冷して水砕スラグを形成し、この水砕スラグを前記水砕スラグ槽から搬送装置により搬出し、この搬送装置により搬出された水砕スラグを貯槽に受け入れる溶融スラグ処理方法において、
   前記水砕スラグ槽と貯槽との間に設けられた安定化処理機構により、前記搬送装置により搬送された水砕スラグを安定化処理するにあたり、前記安定化処理機構を構成するアルカリ水供給手段により前記水砕スラグにアルカリ水溶液を供給し、次いで前記安定化処理機構を構成する酸性水供給手段により弱酸性水溶液あるいは水を供給することを特徴とする溶融スラグ処理方法。
5. 前記アルカリ性水溶液がｐＨ１０〜１４のアルカリ性水溶液であり、弱酸性水溶液あるいは水がｐＨ５〜７の弱酸性水溶液あるいは水である請求項４記載の溶融スラグ処理方法。
6. 前記スラグ水砕水を、前記水砕スラグ槽から排出すると共に、排出されたスラグ水砕水に含まれる懸濁物を懸濁物除去装置により除去し、この懸濁物除去装置より懸濁物を除去された排水を前記水砕スラグ槽に送給・循環する請求項４又は５記載の溶融スラグ処理方法。

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