(57)【要約】【課題】  廃棄物を主原料とした組成調整原料を、ロータリーキルンによって安定的に焼成し得る技術を提供し、廃棄物の骨材としての有効利用を促進すること。【解決手段】  産業廃棄物、一般廃棄物、或いは建設発生土から選ばれた一種以上を主原料とし、該主原料に組成調整材を混合して所定の化学組成に調整した原料をロータリーキルンによって１０００〜１５００℃で焼成することにより人工骨材を製造する方法であって、前記原料に予め可燃性物質を添加する、或いはロータリーキルン内に可燃性物質を投入することにより、原料中に還元雰囲気部分と酸化雰囲気部分とを混在させた状態で該原料を焼成することとした。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
産業廃棄物、一般廃棄物、或いは建設発生土から選ばれた一種以上を主原料とし、該主原料に組成調整材を混合して所定の化学組成に調整した原料を、ロータリーキルンによって１０００〜１５００℃で焼成することにより人工骨材を製造する方法であって、前記原料に予め可燃性物質を添加する、或いはロータリーキルン内に可燃性物質を投入することにより、原料中に還元雰囲気部分と酸化雰囲気部分とを混在させた状態で該原料を焼成することを特徴とする、人工骨材の製造方法。
【請求項２】
上記原料を、水硬率０. ２〜１. ０、ＣａＯ−Ａ１2Ｏ3−ＳｉＯ2成分系において、ＣａＯ量１０〜４８質量％に調整することを特徴とする、請求項１に記載の人工骨材の製造方法。
【請求項３】
上記可燃性物質を、ロータリーキルンの窯前よりロータリーキルン内において最も高温となる付近に落下するように、キルンバーナー燃料の熱量に対して１〜２０％となる量投入することを特徴とする、請求項１又は２に記載の人工骨材の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、人工骨材の製造方法に関するもので、特に、廃棄物を主原料とした組成調整原料を、ロータリーキルンによって安定的に焼成する人工骨材の製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、人工骨材は、膨張頁岩や膨張粘土などの原料を粉砕して粒度調整し、ベントナイトなどの粘結性材料や種々の副原料を加えて組成調整した後に、造粒ないし押抜き成形したものを高温で焼成した球状骨材が多く製造されている。これらは軽量、高強度であって、またコンクリート骨材として使用するときの流動性が良く、さらには吸水性が低いなどの付加価値を高めたものであるが、そのため上記のように製造工程が複雑であり、コスト高になっている。
【０００３】
しかし、骨材は多くの場合、高付加価値を必要とせず、埋め戻し材、サンドコンパクションなどの用途では、高い強度すらも必要とせず、またコンクリート骨材としても多くの場合には軽量骨材と同程度の性能があれば十分である。
【０００４】
そこで、近年においては、産業廃棄物、一般廃棄物、或いは建設発生土などの所謂廃棄物を主原料とし、これらに組成調整材を混合して組成を調整した原料をロータリーキルンにそのまま投入し、人工骨材を製造する試みもなされている（例えば、特許文献１）。
【０００５】
【特許文献１】特開２００４−２４４３０４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、廃棄物を主原料とした組成調整原料は、一般的に焼成可能な温度幅（軟化点と溶流点との温度差）が狭く、ある温度より急激に液相を生成し、キルン内壁に融着が生じたり、巨大クリンカが生成されてしまうなど、ロータリーキルンによる連続的な安定焼成が困難であることから、廃棄物を主原料とした焼成型の人工骨材は、まだ大きく普及していないのが現状である。
【０００７】
本発明は、上述した背景技術に鑑み成されたものであって、その目的は、廃棄物を主原料とした組成調整原料を、ロータリーキルンによって安定的に焼成し得る技術を提供し、廃棄物の骨材としての有効利用を促進することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記した目的を達成するため、本発明は、産業廃棄物、一般廃棄物、或いは建設発生土から選ばれた一種以上を主原料とし、該主原料に組成調整材を混合して所定の化学組成に調整した原料を、ロータリーキルンによって１０００〜１５００℃で焼成することにより人工骨材を製造する方法であって、前記原料に予め可燃性物質を添加する、或いはロータリーキルン内に可燃性物質を投入することにより、原料中に還元雰囲気部分と酸化雰囲気部分とを混在させた状態で該原料を焼成することとした。
【０００９】
ここで、上記本発明の好ましい実施の形態としては、上記原料を、水硬率０. ２〜１.
０、ＣａＯ−Ａ１2Ｏ3−ＳｉＯ2成分系において、ＣａＯ量１０〜４８質量％に調整する。また、上記可燃性物質を、ロータリーキルンの窯前よりロータリーキルン内において最も高温となる付近に落下するように、キルンバーナー燃料の熱量に対して１〜２０％となる量投入する。
【発明の効果】
【００１０】
上記した本発明に係る人工骨材の製造方法によれば、原料に予め可燃性物質を添加する、或いはロータリーキルン内に可燃性物質を投入することにより、原料中に還元雰囲気部分と酸化雰囲気部分とを混在させた状態で該原料を焼成することとしたため、実質的に焼成可能な温度幅（原料の軟化点と溶流点との温度差）が広くなり、また、還元雰囲気部分の原料が溶融することで核としてのクリンカリングし、酸化雰囲気部分の原料は粉体のままであるために融着防止剤の役割を担い、キルン内壁への融着も防止される。これによって、ロータリーキルンによる廃棄物を主原料とした組成調整原料の安定焼成運転が容易に達成でき、廃棄物の骨材としての有効利用を促進することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下、上記した本発明に係る人工骨材の製造方法の実施の形態を、詳細に説明する。
【００１２】
本発明の人工骨材は、産業廃棄物、一般廃棄物、或いは建設発生土から選ばれる一種以上を主原料として用いる。
ここで、産業廃棄物としては、例えば、生コンスラッジ、各種汚泥（例えば、下水汚泥、浄水汚泥、建設汚泥、製鉄汚泥等）、建設廃材、コンクリート廃材、ボーリング廃土、各種焼却灰（例えば、石炭灰、焼却飛灰等）、鋳物砂、ロックウール、廃ガラス、高炉２次灰等が挙げられる。また、一般廃棄物としては、例えば、下水汚泥乾粉、都市ごみ焼却灰、貝殻等が挙げられる。さらに、建設発生土としては、建設現場や工事現場等から発生する土壌や残土、さらには廃土壌等が挙げられる。
なお、以下、これらの産業廃棄物、一般廃棄物、或いは建設発生土から選ばれる一種以上を、単に「廃棄物」ということがある。
【００１３】
本発明においては、上記廃棄物に組成調整材を混合し、原料の組成を調整する。組成調整材としては、石灰石、またはセメント調合原料などを用いることができる。セメント調合原料は、これを焼成すればセメントクリンカとなるものであり、ＳｉＯ2、Ａ１2Ｏ3、Ｆｅ2Ｏ3、ＣａＯ、ＭｇＯなどの成分がクリンカ組成となる量比に調合されているため、石灰石と同様に、原料の組成調整を厳密に、しかも容易に行うことができる。
【００１４】
上記廃棄物に組成調整材を混合した場合の組成範囲は、概ね水硬率０. ２〜１. ０が適当であり、ＣａＯ−Ａ１2Ｏ3−ＳｉＯ2成分系において、ＣａＯ量が１０〜４８質量％の範囲が適当である。
これは、水硬率が０. ２未満では、ＳｉＯ2量が多くアルカリに対する活性が強くなるので好ましくない。また、Ａ１2Ｏ3量も多いため融点が高くなり、高い焼成温度を必要とするので好ましくない。一方、水硬率が１. ０を上回ると、廃棄物の混合量が少ないため、低コスト化を図ることが困難となり、また廃棄物の有効利用の推進という観点からも好ましくない。
なお、水硬率は、ＣａＯ／[ ＳｉＯ2＋Ａ１2Ｏ3＋Ｆｅ2Ｏ3] によって算出される値である。
【００１５】
また、ＣａＯ−Ａ１2Ｏ3−ＳｉＯ2成分系において、ＣａＯ量が１０質量％未満では、ＳｉＯ2量が多くアルカリに対する活性が強くなるので好ましくない。また、Ａ１2Ｏ3量も多いため融点が高くなり、高い焼成温度を必要とするので好ましくない。逆にＣａＯ量が４８質量％を越えると、廃棄物の混合量が少ないため、低コスト化を図ることが困難となり、また廃棄物の有効利用の推進という観点からも好ましくない。
【００１６】
上記廃棄物を主原料とした組成調整原料を焼成する手段としては、例えば、セメント製造ラインのロータリーキルンを用いることができる。
本発明は、このロータリーキルンによる原料の焼成に際して、原料に予め可燃性物質を添加する、或いはロータリーキルン内に可燃性物質を投入することにより、ロータリーキルンによる原料の安定焼成を実現することに最大の特徴を有する。
【００１７】
即ち、本発明は、原料に予め可燃性物質を添加する、或いはロータリーキルン内に可燃性物質を投入することにより、焼成中の原料中において可燃性物質を燃焼させ、周囲の酸素を消費させることにより部分的に還元雰囲気を生成し、原料中に還元雰囲気部分と酸化雰囲気部分とを混在させ、実質的に焼成可能な温度幅を広くすると共に、還元雰囲気部分の原料が溶融することで核としてのクリンカリングし、酸化雰囲気部分の原料は粉体のままであるために融着防止剤の役割を担い、キルン内壁への融着も防止される。還元雰囲気部分の原料が先ず溶融する原因は、可燃性物質の燃焼による発熱、及び還元雰囲気による融点降下である。
【００１８】
表１に示した組成の原料の、酸化雰囲気、及び還元雰囲気における軟化点、融点及び溶流点を、各々表２に示す。
なお、この溶融性試験は、ＪＩＳ  Ｍ  ８８０１に準拠して行った。
【００１９】
【表１】
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【００２０】
【表２】
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【００２１】
表２から明らかなように、もし、上記した組成の原料の焼成が、キルン内において酸化雰囲気、若しくは還元雰囲気のみで行われた場合には、軟化点と溶流点の差は２０〜３０℃程度であるため、この狭い温度範囲での焼成が必要となるが、両雰囲気が混在すると、その差は８０℃（１２５０℃−１１７０℃）となり、実質的に焼成可能な温度幅が広がることで、焼成運転が容易となる。
【００２２】
但し、可燃性物質の量は、少な過ぎると還元雰囲気となる部分が少なく、軟化点が低下する部分が減少することからクリンカの生成量が少なくなり、逆に多過ぎると還元雰囲気部分のみとなり、全ての原料が溶融して巨大クリンカが生成されてしまうため、キルン内を確認しながら適量に調整し、安定運転を維持する必要がある。
【００２３】
また、可燃性物質の投入場所は、焼成中の原料中で、酸化、還元状態が混在する状態を生成させることができればどこでも良いが、投入場所により適正量は変化するため、やはり運転状況を確認しながら、適性量にする必要がある。
【００２４】
また、可燃性物質は、すぐに燃焼してしまうような物質であると、キルン内原料に落下せず、還元雰囲気部分を形成することができないため、キルンバーナー燃料より粒径が大きいか、或いは揮発分が小さく燃焼速度が遅いものを使用する。
このような可燃性物質としては、カーボン、石炭、コークス、廃プラスチック、木屑、汚泥（下水汚泥、し尿・糞尿、食品汚泥、廃白土、塗料かす）、ＲＤＦ、ＲＰＦ、動植物性残渣、ゴム屑・廃タイヤ、炭化物・木炭、都市ゴミなどが用いられる。キルンバーナー燃料と同じ、或いは類似の物質で同様の燃焼速度を有するものであれば、キルンバーナー燃料よりも粗い粒（平均粒径が５倍から１００倍）のものが使用される。また、重油等の液体燃料であっても、微粉化又は霧化せずに供給ノズルから原料上に添加すれば、本発明の目的は達成できる。
【００２５】
例えば、上記したような可燃性物質を、ロータリーキルンの窯前よりロータリーキルン内において最も高温となる付近に落下するように投入する場合には、、キルンバーナー燃料の熱量に対して１〜２０％となる量投入すると良い。ロータリーキルンの窯尻から供給する場合、或いは原料に予め添加しておく場合には、最も高温となる点を通過した後も可燃性物質が残存している必要があることから、前記したロータリーキルンの窯前より投入する場合よりも多くの可燃性物質が必要となる。
【００２６】
原料中に還元雰囲気部分と酸化雰囲気部分とを混在させた状態で行う原料の焼成温度は、１０００〜１５００℃の温度範囲が好ましい。一般に焼成温度が高いほど焼結体の強度が増すが、温度が高すぎると液相が増加するので注意する必要がある。具体的には、混合原料のＣａＯ−Ａｌ2Ｏ3−ＳｉＯ2成分に応じ、この三元系状態図に基づいて液相ないし固溶相が生じない温度で焼成するのが良く、概ね、融点よりも５０〜１００℃程度低い温度が好ましい。ただし、Ｎａ2Ｏ、Ｋ2Ｏ、ＭｇＯなどのアルカリ成分の含有量が多いときは、融点が低くなるので注意を要する。この場合には焼成温度を少しづつ上げて原料が溶融し始めたところの温度を維持して焼成すれば良い。焼成時間は概ね１５〜６０分程度が適当である。
【００２７】
以上の方法によって得られた粗粒の人工骨材は、図１（ｂ）に示したように、内部に色の黒い還元雰囲気で焼成された還元状態の部分を有し、表面が酸化雰囲気で焼成された酸化状態の茶色を呈した二重構造となっていることから、還元雰囲気部分の原料が溶融して核となってクリンカリングし、その表面に酸化雰囲気部分の原料が巻き込まれて粗粒物が生成されると考えられる。また、図２（ａ）に示したように、細粒の人工骨材は、そのほとんどが酸化雰囲気で焼成された酸化状態の茶色を呈し、これが融着防止剤の役割を果し、キルンの安定運転が達成されると考えられる。
また、以上の方法によって得られた人工骨材は、５〜１０ｍｍの粒径の骨材のほとんどが、２４時間吸水率が１０％以下で、ＢＳ破砕値が４０％以下であり、一般的な軽量骨材と同等の強度を持つものとなるため、コンクリート用、路盤材用、埋め戻し材など各種の用途に用いることができる。
なお、図１（ａ）は、可燃性物質を投入することなく焼成したクリンカを示したもので、図１（ａ）のクリンカとは異なり、全体が酸化状態を示す茶色のものであった。また、上記したＢＳ破砕値は、所定の鋼製容器内に粒度調整した粗骨材を入れ、プランジャーで圧縮する骨材粒の直接強度試験によって得られる値で、４０ｔ載荷時における１３〜９．５ｍｍの粒が破砕されて２．５ｍｍ以下となる量の百分率を示したものである。
【００２８】
また、本発明の製造方法は、組成調整のために廃棄物とセメント調合原料とを混合する際、セメント製造ラインを利用して製造する場合には、廃棄物をプレヒータに投入し、プレヒータでセメント調合原料と混合する、或いは廃棄物をキルンの窯尻に投入してロータリーキルン内でセメント調合原料と混合してもよい。また、廃棄物とセメント調合原料の混合原料をロータリーキルンによって焼成すれば、数ｍｍ〜数十ｍｍの粒状体を得ることができるので、この範囲の大きさの骨材を製造する場合には、上記混合原料を造粒する必要がない。さらに、製造された骨材は、そのまま使用しても良いが、必要に応じて粉砕し、粒度調整して用いても良い。
【実施例】
【００２９】
以下、本発明の実施例を、比較例と共に記載する。
【００３０】
石灰石、フライアッシュ、粘土を、おおよそ５：２：３の混合比で混合し、原料を調整した。その原料の化学組成及び水硬率を、表３に示す。
【００３１】
【表３】
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【００３２】
上記組成を調整した原料を、直径３．８ｍ、長さ７５ｍのロータリーキルンに投入し、焼成を行った。焼成に際し、実施例１及び実施例２においては、表４及び表５に示した物性の可燃性物質（コークス）を、おおよそ窯前より５ｍ付近を中心として落下するように窯前より吹き込んだ。可燃性物質の吹き込み量は、表６に示した量とした。また、比較例として、従来と同様に、可燃性物質を投入することなく、上記組成を調整した原料をロータリーキルンによって焼成した。
なお、焼成温度は約１２００℃、原料投入量は９０ｔ／ｈで行った。また、キルンバーナ燃料は微粉炭と重油の混焼とした。
【００３３】
【表４】
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【００３４】
【表５】
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【００３５】
【表６】
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【００３６】
実施例１の製造方法により得られた各経過時間毎のクリンカの物性を表７に示す。また、経過時間７hourのクリンカの断面、及び表面の写真を図１（ｂ）に示す。また、同様に経過時間７hourのクリンカの細粒物（粒径５ｍｍ以下）と粗粒物（粒径１０〜１５ｍｍ）の写真を図２に示す。
なお、表７中の２４時間吸水率は、ＪＩＳ  Ａ  １１１０に準拠して測定した。また、圧壊荷重は、ＪＩＳ  Ｚ  ８８４１に準拠して測定した。
【００３７】
【表７】
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【００３８】
実施例１の製造方法は、ロータリーキルンによる原料の安定した焼成運転が可能であった。また、クリンカの２４時間吸水率は、表７に示されているようにほとんどが１０％以下で、良質なものであった。ただ、粒径５ｍｍ以下のクリンカ量が多く、可燃性物質の投入量をこれよりも大きく減少させると、粉化が予想された。
【００３９】
実施例２の製造方法により得られた各経過時間毎のクリンカの物性を表８に示す。
【００４０】
【表８】
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【００４１】
実施例２の製造方法は、ロータリーキルンによる原料の安定した焼成運転が行えた。また、クリンカの物性も、ほとんどが２４時間吸水率が１０％以下で、良質なものであった。ただ、実施例１より粒径５ｍｍ以下のクリンカが少なく、可燃性物質の投入量をこれよりも大きく増加させると、融着が予想された。
【００４２】
比較例の製造方法により得られた各経過時間毎のクリンカの物性を表９に示す。また、経過時間８hourのクリンカの断面、及び表面の写真を図１（ａ）に示す。
【００４３】
【表９】
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【００４４】
比較例の製造方法は、初期において好ましい焼成運転が行えたが、その後粉化や融着を繰り返し、立て直しに時間を要し、長時間の安定運転が出来なかった。また、融着の激しい時間帯は２４時間吸水率が低く、良質なクリンカが得られたが、全体としてこのような良質なクリンカが得られる確率は低いものであった。
【００４５】
クリンカの２４時間吸水率と強度（ＢＳ破砕値）との関係を表１０に示す。
なお、ＢＳ破砕値は、所定の鋼製容器内に粒度調整した粗骨材を入れ、プランジャーで圧縮する骨材粒の直接強度試験によって得られる値で、４０ｔ載荷時における１３〜９．５ｍｍの粒が破砕されて２．５ｍｍ以下となる量の百分率を示す。
【００４６】
【表１０】
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【００４７】
表１０より、吸水率が低ければ、破砕も少なく強度が高い。上記した実施例１及び２の製造方法により得られたクリンカは、そのほとんどが２４時間吸水率が１０％以下であったため、ＢＳ破砕値も４０％以下である。そのため、一般的な軽量骨材と同等の強度を持つものとなるため、コンクリート用、路盤材用、埋め戻し材など各種の用途に用いることができる。
【００４８】
以上、本発明の実施例を比較例と共に記載したが、本発明は、何ら既述の実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載した本発明の技術的思想の範囲内で、種々の変更が可能であることは当然である。
【図面の簡単な説明】
【００４９】
【図１】クリンカの断面及び表面の写真であって、（ａ）は可燃性物質を投入することなく焼成した場合（通常運転時）のクリンカの断面及び表面の写真を示し、（ｂ）は可燃性物質を投入することにより原料中に還元雰囲気部分と酸化雰囲気部分とを混在させた状態で焼成した場合（吹込み時）のクリンカの断面及び表面の写真を示す。
【図２】可燃性物質を投入することにより原料中に還元雰囲気部分と酸化雰囲気部分とを混在させた状態で焼成した場合（吹込み時）のクリンカの写真であって、（ａ）は細粒物（粒径５ｍｍ以下）の写真を示し、（ｂ）は粗粒物（粒径１０〜１５ｍｍ）の写真を示す。
【図１】
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【図２】
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