(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
高炉灰と水とカルシウム塩を混合して撹拌する洗浄工程と、
前記洗浄工程で前記高炉灰から遊離した少なくともナトリウムイオン及びカリウムイオンを含む水を分離する分離工程と、
を含むことを特徴とする高炉灰の再利用方法。
【請求項２】
前記洗浄工程での水の使用量を前記高炉灰の質量の２０倍以上とすることを特徴とする請求項１に記載の高炉灰の再利用方法。
【請求項３】
前記洗浄工程と前記分離工程の間に、前記高炉灰と前記水の混合物に凝集剤を添加して、洗浄された前記高炉灰を凝集させる凝集工程を含むことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の高炉灰の再利用方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高炉灰の再利用方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
焼結鉱は製鉄原料の一つとして知られている。焼結鉱は粉状鉄鉱石を主原料に、副原料の石灰石、雑原料の製鉄所内発生ダスト、スケール等を加え、さらに、粉コークス等の凝結材が配合され、焼結機で焼結して製造される。
製鉄所内発生ダストである高炉灰は、鉄を含んでいるため焼結原料に配合される場合がある（例えば、特許文献１を参照）。高炉灰は価格が安いため、焼結原料における配合率を上げることができれば、鉄鉱石等の他の焼結原料の使用量を抑えることができ、その結果、配合コストを下げることができる。また、高炉灰には炭素が含まれているため、焼結原料に配合した場合、焼結機に熱源として加える粉コークスの比率を低減することができる。さらに、高炉灰の消費量を増やすことができれば、製鉄所内発生ダストの保管量を減らすことにつながるため、製鉄所内発生ダストを保管するためのヤードを別の用途に使用できるなど有効活用することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】国際公開第２００７／０６３６０３号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、高炉灰は主な成分として酸化鉄や炭素を含有しているほか、ナトリウムおよびカリウムの含有量が高いことが知られている。
焼結鉱に含まれるナトリウムおよびカリウムは、高炉においてシアンを発生させ、これが水中に取り込まれシアン含有水となり、水質汚染を引き起こす恐れがある。また、焼結鉱に含まれるナトリウムおよびカリウムは、焼結機でのダイオキシンの発生量に影響を及ぼすこと、焼結機の集塵機の集塵能力を下げることによって発塵を引き起こすこと、および、コークスの質を低下させることが知られている。これらのことから、焼結鉱に含まれるナトリウムおよびカリウムの含有量には上限値が設けられており、例えば特許文献１に記載されているように、焼結原料に高炉灰を数％程度しか配合することができないのが実情である。
【０００５】
また、高炉灰は塩素も含有しており、塩素も焼結機でのダイオキシンの発生原因となっている。
そこで、本発明は、上記のような従来技術が有する問題点を解決するため、高炉灰に含まれるナトリウム、カリウムおよび塩素の濃度を低下させる高炉灰の再利用方法を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
以上の課題を解決するため、本発明の一態様に係る高炉灰の再利用方法は、高炉灰と水とカルシウム塩を混合して撹拌する洗浄工程と、前記洗浄工程で前記高炉灰から遊離した少なくともナトリウムイオン及びカリウムイオンを含む水を分離する分離工程と、を含むことを特徴とする。
また、上記高炉灰の再利用方法は、前記洗浄工程での水の使用量を前記高炉灰の質量の２０倍以上としてもよい。
さらに、上記高炉灰の再利用方法は、前記洗浄工程と前記分離工程の間に、前記高炉灰と前記水の混合物に凝集剤を添加して、洗浄された前記高炉灰を凝集させる凝集工程を設けてもよい。
【発明の効果】
【０００７】
本発明の高炉灰の再利用方法は、高炉灰と水を混合して撹拌したのち、高炉灰と水の混合物から、高炉灰から遊離した少なくともナトリウムイオン及びカリウムイオンを含む水を分離するので、高炉灰に含まれていた少なくともナトリウム及びカリウムの濃度を低下させることができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】本発明の実施形態の高炉灰の再利用方法により高炉灰を洗浄した場合の、高炉灰からのナトリウムイオンおよびカリウムイオンの遊離の状況を視覚的に表した図である。
【図２】本発明の第１実施形態の高炉灰の再利用方法を示す図である。
【図３】本発明の第２実施形態の高炉灰の再利用方法を示す図である。
【図４】実施例の再利用方法で洗浄した高炉灰のナトリウムおよびカリウムの除去率を示した図である。
【図５】実施例の再利用方法で洗浄した高炉灰のナトリウムおよびカリウムの除去率を示した図である。
【図６】実施例の再利用方法で洗浄した高炉灰の塩素の除去率を示した図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
[第１実施形態]
本発明の高炉灰の再利用方法の第１実施形態について、図面を参照しながら以下に詳細に説明する。図１は、本実施形態に係る高炉灰の再利用方法により高炉灰を洗浄した場合の、ナトリウムイオンおよびカリウムイオンの遊離の状況を視覚的に表した図である。また、図２は、本実施形態に係る高炉灰の再利用方法を示した図である。
【００１０】
本実施形態の高炉灰の再利用方法は、高炉灰と水を混合して撹拌し、高炉灰に含まれるナトリウム、カリウムおよび塩素のうち少なくともナトリウム及びカリウムの濃度を低下させる洗浄工程と、高炉灰と水の混合物から、高炉灰から遊離したイオン成分を含む水（水溶液）を分離する分離工程とを含む。
【００１１】
「洗浄工程」
最初に、洗浄工程について説明する。
洗浄工程は、高炉灰に含まれるナトリウム、カリウムおよび塩素の濃度を低下させるために行う工程である。例えば、高炉灰と水を水洗ピットに入れて混合して撹拌し、高炉灰に含まれるナトリウム、カリウムおよび塩素を水中に遊離させて、高炉灰からナトリウム、カリウムおよび塩素を除去する。
撹拌手段としては、高炉灰と水を混合して十分に撹拌できればどのような方法でもよく、棒状部材を用いて撹拌する方法のほか、水流撹拌、回転式撹拌翼などを用いて撹拌する方法などがあげられる。
【００１２】
洗浄工程で使用する水の量は、好ましくは使用する高炉灰の質量の４倍以上、より好ましくは１０倍以上、さらに好ましくは２０倍以上である。使用する水の量が４倍以上であれば、十分な量のナトリウムイオン、カリウムイオンおよび塩化物イオンを高炉灰から遊離させることができるため、多くのナトリウム、カリウムおよび塩素を高炉灰から除去することができるからである。また、使用する水の量に比例して、遊離することができるナトリウムイオン、カリウムイオンおよび塩化物イオンの量が増えるため、使用する水の量は、使用する高炉灰の質量の１０倍以上が好ましく、２０倍以上がより好ましい。
【００１３】
なお、洗浄工程において、高炉灰と水を混合した混合物に、カルシウム塩を添加して撹拌してもよい。これにより、高炉灰からのナトリウムイオンおよびカリウムイオンの遊離が促進されるため、高炉灰から、より多くのナトリウムイオンおよびカリウムイオンを遊離させることができる。添加するカルシウム塩は、ナトリウムイオンおよびカリウムイオンの遊離を促すものであれば特に限定されるものではないが、例えば石灰があげられる。
【００１４】
さらに、洗浄工程において、高炉灰と水を混合した混合物に、キレート剤を添加して撹拌してもよい。キレート作用により、ナトリウムイオンおよびカリウムイオンがキレート錯体になり、水中に遊離するナトリウムイオンおよびカリウムイオンの濃度が低下するため、高炉灰から水中に遊離するナトリウムイオンおよびカリウムイオンの量が増えるためである。そのため、使用する水の量を減らしても十分に洗浄することが可能となり、水の使用量が限られている場合や、処理を行う場所が限られている場合などに有効である。
【００１５】
「分離工程」
次に、分離工程について説明する。
分離工程は、高炉灰と水の混合物から、高炉灰から遊離した少なくともナトリウムイオン及びカリウムイオンを含む水（水溶液）を分離する工程である。例えば、洗浄工程の後、高炉灰と水の混合物を、水洗ピットにおいて静置して高炉灰を沈殿させて液体部分と固体部分に分離し、ナトリウムイオン、カリウムイオンおよび塩化物イオンが溶解している上澄みの水を分離して除去する。
【００１６】
静置することにより、混合物中の高炉灰は水洗ピットの底に沈殿する。高炉灰が水洗ピットの底に沈殿した後、上澄みの水はポンプ等で汲み上げて除去される。除去された上澄みの水は、沈殿していない高炉灰を少量含有している場合もあるため、再度洗浄工程において使用してもよい。なお、本実施形態においては、ポンプで汲み上げることにより上澄みの水を除去したが、上澄みの水を除去することができれば、ポンプで汲み上げる方法に限定されるものではない。
【００１７】
また、除去した上澄みの水に遊離するナトリウムイオンおよびカリウムイオンを除去することにより、除去した上澄みの水を、高炉灰と混合して洗浄する水として再度使用することができる。これにより使用する水の量を減らすことができる。
水に遊離するナトリウムイオンおよびカリウムイオンを除去する手段としては、水をイオン交換膜等で処理してナトリウムイオンおよびカリウムイオンを除去する方法や、遊離するナトリウムイオンおよびカリウムイオンを塩にして沈殿させることにより除去する方法があげられる。
【００１８】
なお、洗浄工程と分離工程の間に、高炉灰を凝集させる凝集工程を設けてもよい。高炉灰は、粒径が細かく、自然に沈殿するのには時間を要する。そのため、高炉灰と水の混合物に凝集剤を添加することにより高炉灰を凝集させれば、高炉灰の沈殿を促進させ、短時間で高炉灰の沈殿を完了させることが可能となる。
凝集剤は、洗浄工程における撹拌の後、添加することが好ましい。高炉灰から、十分にナトリウムイオン、カリウムイオンおよび塩化物イオンを遊離させるためである。
【００１９】
また、凝集剤の添加後、さらに高炉灰と水の混合物を撹拌することが好ましい。効率よく高炉灰を凝集することができるからである。
上澄みの水を分離した高炉灰は、乾燥することにより、完全に水から分離することができる。本実施形態においては、天日乾燥により高炉灰を乾燥している。なお、高炉灰を乾燥する方法は、乾燥することができれば天日乾燥に限られるものではなく、風通しの良い場所に高炉灰を置いて乾燥する方法等でもよい。高炉灰は、洗浄工程によりナトリウム、カリウムおよび塩素が除去されているため、乾燥した高炉灰に含まれるナトリウム、カリウムおよび塩素の濃度は、洗浄前の高炉灰に含まれるナトリウム、カリウムおよび塩素の濃度に比べていずれも低くなっている。
【００２０】
このように、本実施形態の高炉灰の再利用方法によれば、高炉灰に含まれるナトリウム、カリウムおよび塩素のうち少なくともナトリウム及びカリウムの濃度を低下させることができる。よって、この高炉灰と焼結原料に配合しても高炉において発生するシアンが少なく、水質汚染を引き起こしにくい。また、高炉灰に含まれる塩素の濃度が低下することで焼結機でのダイオキシンの発生を抑制することができる。
【００２１】
また、本実施形態の高炉灰の再利用方法により得られた高炉灰を用いれば、少なくとも処理後の高炉灰に含有しているナトリウム、及びカリウムが少なくなるため、焼結原料における配合率を上げることができる。そのため、鉄鉱石等の他の焼結原料の使用量を抑えることができ、配合コストを下げることができる。また、焼結機に熱源として加える粉コークスの比率を低減することができる。さらに、高炉灰の消費量を増やすことができるため、製鉄所内発生ダストの保管量を減らすことにつながり、製鉄所内発生ダストを保管するためのヤードを別の用途に使用できるなど有効活用することができる。
【００２２】
[第２実施形態]
本発明の高炉灰の再利用方法の第２実施形態について、図面を参照しながら以下に詳細に説明する。図３は、本実施形態に係る高炉灰の再利用方法を示した図である。なお、本実施形態に係る高炉灰の再利用方法は、第１実施形態とは分離工程のみ異なる。それ以外は第１実施形態と同様であるので、異なる部分のみ説明する。
【００２３】
本実施形態における分離工程は、洗浄工程の後、高炉灰と水の混合物を連続脱水機に投入し、高炉灰から遊離した少なくともナトリウムイオン及びカリウムイオンを含む水を分離して除去している。これにより、水洗ピットにおいて静置して高炉灰を沈殿させる時間が省けるので、分離に要する時間を短縮することができる。また、高炉灰と水の混合物を連続脱水機に投入したら直ちに新たな高炉灰の洗浄に水洗ピットを用いることができる。さらに、静置して高炉灰を沈殿させる方法に比べて、高炉灰の乾燥に要する時間も短縮することができる。なお、高炉灰から水を分離して除去することができれば、連続脱水機に限られることはなく、高速遠心分離機等を用いてもよい。また、連続脱水機を用いて水を分離した高炉灰を乾燥させてもよい。乾燥方法は、高炉灰を乾燥させることができれば特に限定されるものではないが、天日乾燥のほか、風通しの良い場所に高炉灰を置いて乾燥する方法があげられる。
【００２４】
また、連続脱水機により分離した水からナトリウムイオンおよびカリウムイオンを除去することにより、分離した水を、高炉灰と混合して洗浄する水として再度使用することができる。
さらに、連続脱水機により分離した水からナトリウムイオンおよびカリウムイオンを除去すれば、この水を用いて下記のような連続運転方式による高炉灰の洗浄を行うことができる。高炉灰と水を混合したら、撹拌しながらこの混合物を水洗ピットから少しずつ抜き出し、連続脱水機に連続的に投入して、高炉灰と水とを分離する。分離した水からナトリウムイオンおよびカリウムイオンを除去したら、この水を水洗ピットに順次戻して高炉灰の洗浄に用いる。さらに、水洗ピットからの高炉灰の減少に応じて、水洗ピットに未洗浄の高炉灰を順次投入し、混合物を撹拌して洗浄を行う。このような連続運転方式の再利用方法を用いれば、水を循環させて高炉灰を洗浄することができるから、少量の水で多量の高炉灰を洗浄することができる。また、高炉灰の洗浄作業を連続的に行うことができるから、多量の高炉灰を効率よく短時間で洗浄することができる。
【００２５】
水に遊離するナトリウムイオンおよびカリウムイオンを除去する手段としては、水をイオン交換膜等で処理してナトリウムイオンおよびカリウムイオンを除去する方法や、遊離するナトリウムイオンおよびカリウムイオンを塩にして沈殿させることにより除去する方法があげられる。
なお、本発明は、高炉灰の洗浄のみならず、鉄鉱石のペレットの洗浄に対しても適用することが可能である。鉄鉱石のペレットは、発塵防止のために海水がかけられる場合もあるため、鉄鉱石のペレットの表面に多くのナトリウムおよびカリウムが付着している場合があり、これらを洗浄する必要があるからである。本発明を鉄鉱石のペレットに適用すれば、ペレットの表面のナトリウム、カリウムおよび塩素を除去することができる。ペレットに適用する場合には、分離工程においてふるい等を使用して、ペレットと水を分離することができる。
【実施例】
【００２６】
以下に、本実施形態の実施条件と、得られた効果について具体的に示す。高炉灰と水を混合して撹拌し高炉灰を洗浄したのち、その高炉灰と水の混合物を静置して高炉灰を沈殿させ、高炉灰と上澄みの水とを分離することにより、水のみで洗浄した高炉灰を得た。
また、高炉灰と水およびキレート剤を混合して撹拌し高炉灰を洗浄したのち、その高炉灰とキレート剤を含む水の混合物を静置して高炉灰を沈殿させ、高炉灰とキレート剤を含む上澄みの水とを分離することにより、キレート剤を含む水で洗浄した高炉灰を得た。そして、洗浄前の高炉灰に含まれるナトリウム、カリウムおよび塩素の量と、水またはキレート剤を含む水で洗浄した後の高炉灰に含まれるナトリウム、カリウムおよび塩素の量を測定して、以下の式に基づき、ナトリウムの除去率、カリウムの除去率、および、塩素の除去率を算出した。
【００２７】
除去率＝（洗浄前の高炉灰に含まれるナトリウム等の濃度（mass％）−洗浄後の高炉灰に含まれるナトリウム等の濃度（mass％））／洗浄前の高炉灰に含まれるナトリウム等の濃度（mass％）
なお、洗浄には、使用する高炉灰の質量の４倍、１０倍および２０倍の水を使用し（以下、これらの数値を希釈倍率と記す）、撹拌時間はそれぞれ１分、５分、１０分とした。
【００２８】
図４に結果を示す。図４の「水のみ」のグラフから、使用する水の量、すなわち希釈倍率が高くなるにしたがって、ナトリウムおよびカリウムの除去率が高くなっていることがわかる。さらに、ナトリウムはカリウムに比べて、水の量の影響が大きく、希釈倍率が２０倍では９０％近く除去されていることがわかる。また、ナトリウムとカリウムを合算した除去率（図における、「ナトリウム＋カリウム除去率」）を示すグラフをみると、水のみを用いて洗浄した場合でも、ナトリウムおよびカリウムが約５０％除去されている。なお、各希釈倍率において、撹拌時間は除去率に対して大きな影響を及ぼさなかった。
【００２９】
さらに、図５の「水＋キレート剤」のグラフから、洗浄工程において、水にキレート剤を添加して撹拌した場合には、水のみで洗浄した場合に比べてナトリウムおよびカリウムともに、２割ほど除去率が高くなっていることがわかる。また、ナトリウムとカリウムを合算した除去率（図における、「ナトリウム＋カリウム除去率」）を示すグラフをみると、水のみを用いて洗浄した場合と比べて、除去率が約１０％高くなっていることがわかる。
【００３０】
さらに、図６から、希釈倍率が高くなるに従って塩素の除去率が高くなっていることがわかり、希釈倍率が４倍以上であると、塩素の除去率が高くなることがわかる。
これらのことから、本実施例の高炉灰の再利用方法によれば、高炉灰に含まれるナトリウム、カリウムおよび塩素のうち１以上の濃度を低下させることができる。
【００３１】
＜実施例１＞
更に、ポット炉試験装置を用い、以下のような条件で焼結原料の焼成試験を実施した。
まず、原料として配合した各原料（鉄鉱石及び副原料）の組成と、ＬＯＩ（Ｌｏｓｓ  Ｏｆ  Ｉｇｎｉｔｉｏｎ；加熱後重量減少割合）とを表１に示す。
鉄鉱石としては、高リン鉱石及びヘマタイト鉱石（ハマスレー鉱石）のうちの１種以上を使用し、これに副原料として石灰石、生灰石、硅石及び粉コークスを配合し、さらにＦｅＯ源としてミルスケールを配合して焼結原料とした。
焼結原料における各原料の配合率は、焼結鉱の酸化ケイ素含有量が４．８ｍａｓｓ％となるように調整した。
【００３２】
【表１】
0005994826.tif 000002
【００３３】
更に上記配合した焼結原料に対し、表２に示す高炉灰をそれぞれ配合して、３種類の最終的な焼結原料を用意した。いずれの最終的な焼結原料においても、配合比率は、上述の焼結原料  ９８ｍａｓｓ％に対し、高炉灰  ２ｍａｓｓ％とした。
表２における、発明例１の高炉灰は、本実施形態に基づく水洗処理を施したものであり、発明例２の高炉灰は、本実施形態に基づく水洗処理とキレート処理を施したものである。比較例の高炉灰は、水洗処理などを施していない無処理のもの（処理前の高炉灰）である。尚、処理前の高炉灰中のアルカリ（Ｎａ＋Ｋ）の量は、０．７ｍａｓｓ％であった。
また、キレート処理は、キレート剤を２０ｇ／Ｌの濃度で添加することで実施した。
【００３４】
【表２】
0005994826.tif 000003
【００３５】
表２に示す３種類の高炉灰を配合後の焼結原料中について、アルカリ濃度及びＲＤＩ（焼結鉱の低温還元粉化指標）を確信した。その結果を表３に示す。
【表３】
0005994826.tif 000004
この表３から分かるように、発明例１，２の高炉灰を配合すると、比較例１の無処理の高炉灰を配合する場合に比べて、ＲＤＩを小さくできることが分かる。
【００３６】
ここで、表２における発明例１，２に対する水洗処理（洗浄工程及び分離工程）では、高炉灰に対して２０倍の水で処理を行ったが、５０倍以上とすれば、更にアルカリ濃度が低くなり、ＲＤＩの小さくなる。  
そして、これら高炉灰を配合した３種類の焼結原料を、同一の混合・造粒条件で造粒した後、焼結鍋に装入して焼成した。焼結鍋内の原料充填層は直径２７０ｍｍ×高さ４５０ｍｍとし、吸引負圧１０ｋＰａにて焼成を実施した。
【００３７】
焼結において、比較例１の高炉灰を配合した場合には、排ガス中にナトリウム及びカリウム由来の微細ダストが増えて黒煙が発生していたが、発明例１，２の高炉灰を配合した場合には、比較例１に比べて大幅に黒煙発生が抑制されていた。また、比較例１の高炉灰を配合した場合には、排ガス中のダイオキシンが増加することが確認できたが、発明例１，２の高炉灰を配合した場合には、比較例１に比べてダイオキシンの発生量が抑制されていることが確認できた。この結果、比較例１の高炉灰よりも発明例１，２の高炉灰の方が多く配合できることが分かる。
【００３８】
ここで、焼結原料へのナトリウム及びカリウムの持ちこみ量が増加した場合には、次のような悪影響が考えられる。すなわち、高炉において、焼結鉱に微細空隙が増えるために、被還元性は良くなるが、粉化しやくすくなり、炉内通気が悪化して減産に繋がる。また、アルカリ金属によって、炉内コークス強度が劣化し、それによっても炉内の通気性が悪化する。
【図１】
0005994826.tif 000005
【図２】
0005994826.tif 000006
【図３】
0005994826.tif 000007
【図４】
0005994826.tif 000008
【図５】
0005994826.tif 000009
【図６】
0005994826.tif 000010