(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
粉砕した廃コンクリート（１７）から骨材を除去して粉粒体を得る工程と、
炭素資源（１２）又は炭化水素資源と前記粉粒体と水（１６）を含むスラリー又はエマルジョンを調製する工程と、
前記スラリー又はエマルジョンを水の亜臨界又は超臨界状態の温度及び圧力である３８０〜８５０℃で１０〜３５ＭＰに維持して、ＣａＣＯ３を主成分とする固形分（２８）と水素、メタン、一酸化炭素を含む可燃性ガス（３２）を生成する工程と、
前記固形分（２８）及び前記可燃性ガス（３２）を分離する分離工程と
を含む廃コンクリートの再利用方法。
【請求項２】
スラリー又はエマルジョンに石炭灰（１８）を金属化合物として更に添加する請求項１記載の廃コンクリートの再利用方法。
【請求項３】
分離工程で得られた固形分（２８）をセメント製造用の原料の一部に用いる請求項１又は２記載の廃コンクリートの再利用方法。
【請求項４】
分離工程で得られた可燃性ガス（３２）をガスタービン複合発電装置（３６）又は高効率発電装置の燃料とする請求項１ないし３いずれか記載の廃コンクリートの再利用方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は廃コンクリートを粉砕して骨材を除去した粉粒体と、石炭、コークス、重油等の炭素資源又は炭化水素資源と、水とを反応させて、廃コンクリートを化学的に安定なＣａＣＯ３に転換してセメント原料等に再利用する方法に関する。更に詳しくは、上記反応で副産物として生成した水素等の可燃性ガスをガスタービン複合発電装置等の燃料として利用し得る方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
老朽化した建築物、構築物等から発生する廃コンクリートは現在年間数千トン以上発生する。しかしながら、これまで廃コンクリートは破砕して路盤材料に利用するか、或いは新規なセメントと混合するための骨材の一部として利用されているに過ぎず、その大部分が産業廃棄物として廃棄処分されているのが現状である。
一方、図２に示すように、セメント工場１では国内外の鉱山から採掘された主原料の石灰石（ＣａＣＯ３）２ａを副原料の粘土質原料２ｂを調合工程２ｃで調合した後、焼成してＣａＯを含むセメント３を製造している。この際、二酸化炭素（ＣＯ２）４が副生するが、セメント工場に認可された二酸化炭素排出権により、ＣＯ２の削減対象から除外され、大気中への放出が許容されている。
【０００３】
また、石炭を燃料として用いた火力発電では、天然ガス、石油を用いた火力発電に比較して単位発電量当りの二酸化炭素の排出量が多いため、この二酸化炭素の削減が課題となっている。このため、図３に示すように石炭５をガス化工程６で石炭ガス７にし、このガス７で複合発電装置８を駆動して電気エネルギを取り出している。この複合発電装置８ではガスタービン８ａを駆動することにより第１発電機８ｂで発電し、更にこのガスタービンの排ガスをボイラ８ｃに供給して、そこで発生する蒸気圧で蒸気タービン８ｄを駆動することにより第２発電機８ｅで発電し、従来の微粉炭による火力発電より高効率化を図ろうとしている。この複合発電装置では石炭による火力発電よりも少ないが、なおボイラ８ｃから二酸化炭素９を排出する。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
廃コンクリートに関しては、その増加に伴って、この廃棄処分量は今後更に増大することが予想され、廃コンクリートの有効利用は緊急の課題となっている。また石炭を用いた発電に関しては、天然ガス、石油を用いた発電に比較し、単位発電量当りの二酸化炭素の排出量が多いため、発電効率の向上が課題となっている。そのため、高効率発電方法として石炭をガス化して複合発電する方式が開発されている。これまでのガス化方法では石炭中の灰分の除去が大きな開発課題となっている。また石炭以外のコークス、重質油等の炭素資源又は炭化水素資源も将来の資源と位置づけられるが、燃焼時に二酸化炭素が多量に発生するため、地球温暖化防止の観点からその利用が困難になってきている。
【０００５】
本発明の目的は、廃コンクリートをリサイクル可能な資源として処理する廃コンクリートの再利用方法を提供することにある。
本発明の別の目的は、廃コンクリートと炭素資源又は炭化水素資源とを反応させて、二酸化炭素を大気中に放出させずに、副生する水素等の可燃性ガスを燃料に有効利用する廃コンクリートの再利用方法を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
請求項１に係る発明は、図１に示すように粉砕した廃コンクリート１７から骨材を除去して粉粒体を得る工程と、炭素資源１２又は炭化水素資源と前記粉粒体と水１６を含むスラリー又はエマルジョンを調製する工程と、このスラリー又はエマルジョンを水の亜臨界又は超臨界状態の温度及び圧力である３８０〜８５０℃で１０〜３５ＭＰに維持して、ＣａＣＯ３を主成分とする固形分２８と水素、メタン、一酸化炭素を含む可燃性ガス３２を生成する工程と、固形分２８及び可燃性ガス３２を分離する分離工程とを含む廃コンクリートの再利用方法である。亜臨界又は超臨界状態の水は流体密度が高く反応媒体として作用し、炭素資源１２又は炭化水素資源と反応して水素ガス、メタンガス、一酸化炭素ガス等の可燃性ガス３２及び二酸化炭素（ＣＯ２）を生成する。廃コンクリートの主成分は（ＣａＯ）３（ＳｉＯ２）２（Ｈ２Ｏ）３、Ｃａ（ＯＨ）２等であり、これらの化合物には多量のＣａが含まれている。このＣａは上記ガス化反応の際に、触媒として作用して上記可燃性ガスの生成を著しく促進する。また炭素資源又は炭化水素資源の分解時に生成した二酸化炭素（ＣＯ２）はこのＣａ成分と反応してＣａＣＯ３を生成する。この方法では、資源として有用なＣａＣＯ３が得られ、かつ地球温暖化現象の原因となる二酸化炭素の大気中への放出が抑制される。
【０００７】
請求項２に係る発明は、請求項１に係る発明であって、スラリー又はエマルジョンに石炭灰１８を金属化合物として更に添加する廃コンクリートの再利用方法である。
石炭灰１３はＮａ２Ｏ、Ｎａ２ＣＯ３、Ｋ２ＣＯ３等のＣａ以外の金属化合物を豊富に含み、触媒として炭素資源又は炭化水素資源の分解を更に促進するとともに資源中の硫黄、重金属等の不純物を除去する効果を高める。
【０００８】
請求項３に係る発明は、請求項１又は２に係る発明であって、分離工程で得られた固形分２８をセメント製造用の原料の一部に用いる廃コンクリートの再利用方法である。
分離工程で得られた固形分は、ＣａＣＯ３を主成分とするため、従来の石灰石鉱山から採掘される石灰石の代替となり得る。
【０００９】
請求項４に係る発明は、請求項１ないし３いずれかに係る発明であて、分離工程で得られた可燃性ガス３２をガスタービン複合発電装置３６又は高効率発電装置の燃料とする廃コンクリートの再利用方法である。
炭素資源又は炭化水素資源の分解中に生じた二酸化炭素はＣａＣＯ３の形態で殆ど除去されるため、この分解により得られた可燃性ガスは地球温暖化の要因となる二酸化炭素を殆ど含まないガスであり、可燃性ガスをガスタービン複合発電装置の燃料に用いた場合、この装置から放出される二酸化炭素の量を大幅に低減する。
【００１０】
【発明の実施の形態】
本発明における原料としては、石炭、石炭コークス、石油コークス、チャー等の固体の炭素資源、及び石油蒸留残渣、天然タール等の重質油からなる炭化水素資源が挙げられる。石炭としては、草炭、褐炭、亜歴青炭、歴青炭、無煙炭等が例示される。また廃コンクリートの粉粒体は建築物、構築物等の廃コンクリートを粉砕した後、石、砂利、砂等の骨材を取り除いたものである。この粉砕は廃コンクリートが５００μｍ以下の粒径、好ましくは１００μｍ以下の粒径になるまで行われる。細粒の粉粒体を得る場合には、骨材を除去した後においても粉砕が行われる。取り除かれた骨材は新規なセメント製造用の骨材の一部に、また路盤材料などに再利用される。
【００１１】
本発明では、炭素資源又は炭化水素資源（以下、炭素資源等という。）と廃コンクリートの粉粒体と水を含むスラリー又はエマルジョンは、水の亜臨界又は超臨界状態の温度及び圧力である３８０〜８５０℃で１０〜３５ＭＰに維持されて、ＣａＣＯ３を主成分とする固形分と水素、メタン、一酸化炭素を含む可燃性ガスを生成する。温度が３８０℃未満、圧力が２５ＭＰａ未満では、分解反応速度が遅く、温度が８５０℃を超え、圧力が３５ＭＰａを超えると、反応器に負荷がかかり過ぎ、効率的でない。特に８５０℃を超える温度はＣａＣＯ３の分解温度であるため、所望のＣａＣＯ３が生成されない。好ましい温度は５００〜７００℃であり、好ましい圧力は１０〜２５ＭＰａである。反応器に外部から熱エネルギを供給して上記温度にする以外に、反応時に酸素源を供給することにより反応熱を反応器の昇温に利用する。反応熱を利用した場合、その反応は促進する。
炭素資源等が石炭のような固体の場合、スラリーに調製され、炭素資源等が重質油のような液体の場合、エマルジョンに調製される。スラリー中の水に対する炭素資源等の濃度が５〜６０重量％、好ましくは２０〜４０重量％になるように調製される。５重量％未満では炭素資源等の分解効率に劣り、６０重量％を超えるとスラリーが流動性に欠け取扱いにくくなる。
【００１２】
炭素資源等は水の亜臨界又は超臨界状態において、それ自体が熱分解するとともに加水分解などの反応により、水素ガス、メタンガス、一酸化炭素ガス等の可燃性ガス及び二酸化炭素（ＣＯ２）を生成する。その反応式（１）〜（６）を以下に示す。
ＣｘＨｙＯｚ  →  Ｃ  ＋  Ｈ２Ｏ  ＋  Ｈ２  ＋  ＣＯ２  ＋  ＣＨ４  ……  （１）
ＣｘＨｙＯｚ  ＋  Ｈ２Ｏ  →  ＣＯ２  ＋  Ｈ２  ＋  ＣＯ          ……  （２）
Ｃ  ＋  Ｈ２Ｏ  →  ＣＯ  ＋  Ｈ２                                ……  （３）
ＣＯ  ＋  Ｈ２Ｏ  →  ＣＯ２  ＋  Ｈ２                            ……  （４）
Ｃ  ＋  ２Ｈ２  →  ＣＨ４                                      ……  （５）
ＣＯ  ＋  ３Ｈ２Ｏ  →  ＣＨ４  ＋  Ｈ２Ｏ                          ……  （６）
上記式（１）及び（２）の反応は炭素資源等の分解初期に同時に起こり、式（３）〜（６）は分解反応の中・後期に各式の反応が単独でなく複合して起こる。
【００１３】
廃コンクリートの主成分は（ＣａＯ）３（ＳｉＯ２）２（Ｈ２Ｏ）３、Ｃａ（ＯＨ）２等であり、これらの化合物には多量のＣａが含まれている。廃コンクリートの粉粒体は水の亜臨界又は超臨界状態において分解し、反応器内で粉末状のＣａＯやＣａ（ＯＨ）２になる。これらの化合物中のＣａは上記ガス化反応の際に、触媒として作用して上記可燃性ガスの生成を著しく促進する。またＣａＯ、Ｃａ（ＯＨ）２などの粉末が式（１）、（２）及び（４）で生成した二酸化炭素（ＣＯ２）と反応して石灰石と同等のＣａＣＯ３粉末になる。これらの反応を式（７）〜（１０）に示す。
【００１４】
【化１】
0003543934.tif 000002
【００１５】
Ｃａ（ＯＨ）２  ＋  ＣＯ２  →  ＣａＣＯ３  ＋  Ｈ２Ｏ      ……  （９）
ＣａＯ  ＋  ＣＯ２  →  ＣａＣＯ３                                  ……  （１０）
式（９）及び（１０）の反応は速やかに進行し、反応器を出た時点では、廃コンクリートの粉粒体のほぼ全量がＣａＣＯ３の状態で安定化する。また式（１０）で示す反応は発熱反応であるため、他の反応に必要な熱量のかなりの部分をこの化学反応熱でまかなうことができる。
【００１６】
更に廃コンクリートの成分であるＣａＯは炭素資源等中の硫黄や重金属等の不純物とも反応し、これらの不純物は化学的かつ熱的に安定した化合物になる。このため、生成した可燃性ガスは高度に清浄化される。特にスラリー又はエマルジョンに石炭灰を添加し混合すると、石炭灰はＮａ２Ｏ、Ｎａ２ＣＯ３、Ｋ２ＣＯ３等のＣａ以外の金属化合物を豊富に含むため、触媒として炭素資源等の分解を更に促進するとともに炭素資源等中の硫黄、重金属等の不純物をより一層除去する。得られたＣａＣＯ３は二酸化炭素を吸収して生成されているため、ＣａＣＯ３粒子自体の強度が増大する特長がある。このためセメント原料として用いる以外にＣａＣＯ３は、路盤材以外にも廃液処理材等への用途も考えられ、新たな分野での利用も可能である。
【００１７】
本発明の実施の形態の廃コンクリートの再利用方法について図面に基づいて説明する。図１に示すように、炭素資源等の原料である石炭１０は乾留工程１１で乾留されて石炭コークス１２と石炭ガス１３を生成する。コークス１２は粉砕工程１４で５００μｍ以下の粒径に微粉砕された後、混合工程１５に送られ、そこで水１６と廃コンクリート１７の粉粒体と混合されてスラリーを生成する。混合工程１５において石炭灰１８を更に添加し混合することが望ましい。廃コンクリート１７は混合工程１５に供給される前にクラッシャー等を用いた粉砕工程１９で５００μｍ以下の粒径に粉砕された後、脱骨材工程２１に送られて石、砂利、砂等の骨材２２が取り除かれ、粉粒体になる。水１６は予熱器２３で加熱されて混合工程１５に送られる。
廃コンクリートの粉粒体と炭素資源等と水を含むスラリーは混合工程１５の混合機から取出された後、ポンプ２４により圧送され、予熱器２６で加熱されて分解反応工程２７に供給される。そこで更に昇圧・昇温されて、水の亜臨界状態又は超臨界状態に維持される。その結果、分解反応工程２７では、上述した式（１）〜（１０）に基づいてＣａＣＯ３を主成分とする固形分と水素、メタン、一酸化炭素を含む可燃性ガスが生成する。
【００１８】
分解反応工程２７で得られたＣａＣＯ３を主成分とする固形分２８は熱回収器２９を経て反応器から粉末状で取出される。また分解反応工程２７で得られた可燃性ガス及び水分は熱回収器２９で熱を回収されるとともにそれ自体が冷却された後、分離工程３１に送られる。分離工程３１では水素、メタン、一酸化炭素を含む可燃性ガス３２が水３３と分離される。水３３は上述した熱回収器２９で昇温した後、上述した分離工程１５に送られ、再利用される。
一方、可燃性ガス３２は石炭１０の乾留工程１１で生成した石炭ガス１３とともにガスタービン複合発電装置３６のガスタービン３７に送られ、そこで燃焼され、その燃焼エネルギによりガスタービン３７を駆動する。ガスタービン３７の回転エネルギによりガスタービンと回転軸が直結している第１発電機３８が発電するようになる。ガスタービン３７の排ガスはボイラ３９に供給され、この排ガスの熱エネルギでボイラ３９から蒸気エネルギが発生する。この熱エネルギは蒸気タービン４１を駆動し、蒸気タービンと回転軸が直結している第２発電機４２が発電するようになる。符号４３は熱交換器である。これにより高い効率で発電が行われる。ボイラ３９から水蒸気及び二酸化炭素を主成分とする排ガス４４が排出される。
【００１９】
分解反応工程２７の反応器から取出されたＣａＣＯ３を主成分とする固形分２８は、セメントの主原料である石灰石（ＣａＣＯ３）４７の代りに又はその一部として使用される。即ち、固形分２８は副原料の粘土質原料４８と調合工程４９で調合された後、セメント工場５０に供給されて、セメント５１を生成し、副生物の二酸化炭素５２を排出する。その結果、石灰石の鉱山から採掘する新規な石灰石の使用量を削減できる。
【００２０】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明によれば、廃コンクリートの粉粒体と炭素資源等と水を含むスラリー又はエマルジョンを調製し、このスラリー又はエマルジョンを水の亜臨界又は超臨界状態の温度及び圧力である３８０〜８５０℃で１０〜３５ＭＰに維持して、ＣａＣＯ３を主成分とする固形分と水素、メタン、一酸化炭素を含む可燃性ガスを生成し、上記固形分及び可燃性ガスを分離することにより、次の優れた効果を有する。
（１）  廃コンクリートを構成する化合物は多量のＣａを含有するため、このＣａが触媒として作用して上記可燃性ガスの生成を著しく促進する。またこの可燃性ガスの生成の際に生成した二酸化炭素（ＣＯ２）は廃コンクリートと反応してセメント原料となる石灰石（ＣａＣＯ３）を生成するため、地球温暖化現象の原因となる二酸化炭素の大気中への放出を抑制するとともに、この石灰石をセメント工場にセメント原料としてリサイクルでき、石灰石の鉱山から採掘する新規な石灰石の使用量を削減できる。これにより新規に鉱山から導入する石灰石中のＣＯ２分だけ二酸化炭素の排出が抑制される。従来のセメント工場は原料である石灰石の鉱山の山元近辺に立地することがあり、長期間の操業により原料資源の確保が困難な場合も多かったが、本発明の方法によればセメント工場の立地条件を緩和することにも寄与し、それに応じてセメント原料の運搬コストを低減することもできる。
（２）  炭素資源等に含まれる硫黄、重金属等の不純物は上記二酸化炭素と廃コンクリートとの反応により生成した石灰石（ＣａＣＯ３）又は石炭灰に含まれる金属化合物に吸収されるため、上記可燃性ガスは硫黄、重金属等の不純物を含まない清浄な可燃性ガスとなり、この可燃性ガスはガスタービン複合発電装置又は高効率発電装置に適した燃料ガスとなる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の廃コンクリートの再利用方法を示すブロック図。
【図２】従来のセメント製造方法を示すブロック図。
【図３】従来のガスタービン複合発電方法を示すブロック図。
【符号の説明】
１０  石炭
１１  乾留工程
１２  石炭コークス（炭素資源）
１３  石炭ガス
１４，１９  粉砕工程
１５  混合工程
１６，３３  水
１７  廃コンクリート
１８  石炭灰
２１  脱骨材工程
２２  骨材
２７  分解反応工程
２８  ＣａＣＯ３を主成分とする固形分
３１  分離工程
３２  可燃性ガス
３６  ガスタービン複合発電装置
４４，５２  二酸化炭素
４７  石灰石（ＣａＣＯ３）
５０  セメント工場
５１  セメント
【図１】
0003543934.tif 000003
【図２】
0003543934.tif 000004
【図３】
0003543934.tif 000005