(57)【要約】【課題】未燃炭素を多く含有する石炭灰を原料として、高強度の人工骨材の人工骨材を効率よく、低コストで製造する。【解決手段】少なくとも窯尻側に複数に仕切られた焼成室及び／またはリフターを有するロータリーキルンを用い、該ロータリーキルンの回転速度を、キルン胴部の外周面の周速で、０．１０ｍ／ｓ以上、０．３６ｍ／ｓ以下の範囲内で調整して成形物を転動焼成し、成形物の溶融温度よりも１００℃以上低い温度領域で、成形物に含まれる炭素成分を１重量％以下にまで燃焼除去することにより、絶乾密度が１．６０ｇ／ｃｍ３以上、２．００ｇ／ｃｍ３以下、直径が１０ｍｍ以上、１５ｍｍ以下、圧かい荷重が１．０ｋＮ以上、４．０ｋＮ以下、２４時間吸水率が０．１％以上、５％以下、炭素含有率０．７重量％以下の人工骨材を製造する。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
石炭灰に結合材及び／または粘結材を加えて成形物とした後、焼成して得られる人工骨材であって、
絶乾密度が１．６０ｇ／ｃｍ３以上、２．００ｇ／ｃｍ３以下、直径が１０ｍｍ以上、１５ｍｍ以下、圧かい荷重が１．０ｋＮ以上、４．０ｋＮ以下、２４時間吸水率が０．１％以上、５％以下、炭素含有率が０．０１重量％を超え、０．７重量％以下であることを特徴とする人工骨材。
【請求項２】
石炭灰に結合材及び／または粘結材を加えて成形物とした後、焼成する人工骨材の製造方法であって、
少なくとも窯尻側に複数に仕切られた焼成室及び／またはリフターを有するロータリーキルンを用い、該ロータリーキルンの回転速度を、キルン胴部の外周面の周速で、０．１０ｍ／ｓ以上、０．３６ｍ／ｓ以下の範囲内で調整して成形物を転動焼成することを特徴とする人工骨材の製造方法。
【請求項３】
成形物の溶融温度よりも１００℃以上低い温度領域で、成形物に含まれる炭素成分を１重量％以下にまで燃焼除去することを特徴とする請求項２に記載の人工骨材の製造方法。
【請求項４】
成形物に含まれる炭素成分の燃焼除去を、少なくとも窯尻側に設けられた、複数に仕切られた焼成室及び／またはリフター部で行うことを特徴とする請求項２または３に記載の人工骨材の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、人工骨材及びその製造方法に関し、特に、石炭灰を主原料とし、天然骨材に代替し得る、高強度かつ低吸水率の人工骨材及びその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
石炭焚き火力発電所等から排出される石炭灰の量は、年々増加する傾向にある。この石炭灰中には、未燃炭素が、少ないもので１重量％以下、多いものでは１０重量％以上含有されている。近年、石炭焚き火力発電所等では、地球環境保護の面から、燃焼温度を抑えた低ＮＯｘ運転をしているため、石炭灰中の未燃炭素の量がますます増加する傾向にある。
【０００３】
従来、上記石炭灰を用い、ロータリーキルン等の焼成装置で人工骨材を製造する技術が種々存在する。しかし、これらの大半は、石炭灰中の未燃炭素を利用し、絶乾密度１．５ｇ／ｃｍ３以下の発泡型軽量骨材を製造する技術に関するものであり、焼成によって骨材を緻密化させ、絶乾密度が１．６０〜２．００ｇ／ｃｍ３程度で、かつ、圧かい荷重が１ｋＮ以上の高強度の人工骨材を得る技術に関するものは少ない。
【０００４】
この高強度の人工骨材を製造する技術の一例として、特許文献１に記載の人工骨材及びその製造方法では、絶乾密度２．００ｇ／ｃｍ３以下の骨材を製造するため、ロータリーキルンを用いて焼成し、発泡の原因となる酸化第二鉄の還元を抑えるため、１０００℃に達するまでに、成形物中の未燃炭素を０．２％以下にすることが提案されている。
【０００５】
一方、特許文献２には、軽量骨材を製造する際に、未燃炭素が５％以上の石炭灰を焼成炉に吹き込み、未燃分を除去した後、造粒焼成する技術が提案されている。
【０００６】
【特許文献１】
特開平９−４０４４５号公報
【特許文献２】
特開平８−２４３５２６号公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
特許文献１に記載の方法によれば、緻密で高強度の人工骨材を得ることができる。しかし、この方法では、石炭灰に含まれる未燃炭素の量が３〜４重量％に制限されるとともに、制限内であっても、上限域にある石炭灰では、ロータリーキルン内での滞留時間を長くする必要があり、十分な生産性を確保できないおそれがある。
【０００８】
ここで、ロータリーキルンの高温域に必要以上に骨材を滞留させると、未燃炭素の燃焼によって酸化第二鉄が還元され、融点温度の低下により骨材が発泡して軽量化し、上記品質を確保することができないという問題があった。これとは逆に、ロータリーキルン内での滞留時間が短かすぎると、未燃炭素が人工骨材内に多く残留し、ＪＩＳ  Ａ  ５００４  構造用軽量コンクリート骨材中の強熱減量１重量％以下という規格を満足させることができない上、アノーサイト（ＣａＯ・Ａｌ２Ｏ３・２ＳｉＯ２）などの鉱物が十分に生成されず、絶乾密度、吸水率及び圧かい荷重が目標に達しないという問題があった。
【０００９】
一方、特許文献２に記載の方法によれば、骨材の焼成において悪影響を及ぼす未燃炭素量を軽減することができ、製造しやすい条件を得ることができるものの、加熱工程が増えるため、製造コストが上昇するという問題があった。
【００１０】
そこで、本発明は、上記従来の人工骨材及びその製造方法における問題点に鑑みてなされたものであって、未燃炭素を多く含有する石炭灰についても高強度の人工骨材としての品質を損なうことなく、高強度の人工骨材を効率よく、低コストで製造する方法を提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明は、石炭灰に結合材及び／または粘結材を加えて成形物とした後、焼成して得られる人工骨材であって、絶乾密度が１．６０ｇ／ｃｍ３以上、２．００ｇ／ｃｍ３以下、直径が１０ｍｍ以上、１５ｍｍ以下、圧かい荷重が１．０ｋＮ以上、４．０ｋＮ以下、２４時間吸水率が０．１％以上、５％以下、炭素含有率が０．０１重量％を超え、０．７重量％以下であることを特徴とする。
【００１２】
従来、絶乾密度、圧かい荷重及び２４時間吸水率が所定の範囲内にある高強度の人工骨材については、炭素含有率が０．０１重量％以下のものに限定されていたが、本発明によれば、炭素含有率が０．０１重量％を越えても、上記絶乾密度等が所定の範囲にある高強度の人工骨材を得ることができる。
【００１３】
また、本発明は、石炭灰に結合材及び／または粘結材を加えて成形物とした後、焼成する人工骨材の製造方法であって、少なくとも窯尻側に複数に仕切られた焼成室及び／またはリフターを有するロータリーキルンを用い、該ロータリーキルンの回転速度を、キルン胴部の外周面の周速で、０．１０ｍ／ｓ以上、０．３６ｍ／ｓ以下の範囲内で調整して成形物を転動焼成することを特徴とする。
【００１４】
本発明にかかる方法によれば、焼成室及び／またはリフターによって成形物を掻き上げて攪拌するとともに、ロータリーキルンの回転速度を高速度で回転させ、上記攪拌効果を向上させながら、成形物に高温域を速やかに通過させることにより、骨材中の残留未燃炭素の発泡軽量化を防止しながら、高強度の人工骨材を得ることができる。但し、成形物の高温域での通過が早すぎると焼結が不十分となり、所望の品質を得ることができなくなるため、ロータリーキルン内での滞留時間は、３０分以上必要である。
【００１５】
上記方法において、成形物の溶融温度よりも１００℃以上低い温度領域で、成形物に含まれる炭素成分を１重量％以下にまで燃焼除去することが好ましい。これによって、残留未燃炭素の発泡軽量化を確実に防止しながら、高強度の人工骨材を製造することができる。
【００１６】
また、上記方法において、成形物に含まれる炭素成分の燃焼除去を、少なくとも窯尻側に設けられた、複数に仕切られた焼成室及び／またはリフター部で行うことができる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。
【００１８】
上述のように、本発明は、少なくとも窯尻側に複数に仕切られた焼成室及び／またはリフターを有するロータリーキルンを用い、ロータリーキルンを高速度で回転させ、石炭灰を主原料とする混合原料の成形物を転動焼成して高強度の人工骨材を焼成することを特徴とする。
【００１９】
本発明で使用する石炭灰の種類は特に限定されない。例えば、微粉炭燃焼方式により燃焼し、電気集塵機によって捕集されたフライアッシュはもとより、流動床燃焼方式により燃焼し、集塵機によって捕集されたＰＦＢＣ灰を使用することもできる。また、ボイラーの下部より排出されるクリンカアッシュなども使用することができる。
【００２０】
この石炭灰に結合材及び／または粘結材を加えて混合原料とし、成形する。
【００２１】
結合材とは、各種セメントや、各種石膏、珪酸ソーダなどの無機質バインダー、さらには、メチルセルロースなどの水溶性高分子材料などである。石炭灰にこれらを加えると、成形物の強度が増進し、ひいては、焼成物の品質向上に繋がる。結合材の添加により、成形物中に水和生成物による網目状の緻密化構造が形成され、成形物の強度が高められ、焼成工程での破砕または磨り減りなどを抑制し、連続安定運転を実現することができる。さらには、緻密化構造と、焼成工程での焼結反応との相互作用により、焼成物の低吸水率を実現する。尚、結合材の配合割合は、５〜１５重量％が適当である。
【００２２】
一方、粘結材とは、カオリンやベントナイトなどの粘土質無機物質や、パルプ製造時に廃液中に含まれるリグニンなどである。これらは、成形時に成形補助材となり、必要に応じて石炭灰に添加する。粘結材の配合割合は、３重量％以下が適当である。
【００２３】
上記結合材や粘結材を石炭灰に加えて混合原料とし、所望の形状、大きさに成形する。尚、成形方法については、何ら限定されるものではなく、例えば、パンペレタイザーによる転動造粒をはじめ、攪拌造粒、押出し成形、プレス成形など種々の成形方法を用いることができる。
【００２４】
次に、成形物をロータリーキルンによって焼成する。焼成にあたって、後述する窯尻側に設けた焼成室及び／またはリフターで未燃炭素を燃焼させて除去するため、窯尻側の酸素濃度と、ガス温度とを可能な限り高く維持することが好適である。また、焼成室及び／またはリフターでの掻き上げ効果を十分に発揮させるため、ロータリーキルンの回転速度を高く維持し、キルン胴部の外周面の周速で、０．１０ｍ／ｓ以上、０．３６ｍ／ｓ以下の範囲内で調整して成形物を転動焼成する。
【００２５】
次に、本発明にかかる人工骨材の製造方法を実施するための焼成設備について説明する。
【００２６】
図１は、分割型焼成室を備えたロータリーキルンの構造の一例を示し、このロータリーキルン１は、窯尻側に、仕切部材３で十字に仕切られた４つの部屋２Ａ〜２Ｄからなる分割型焼成室２を備える。ロータリーキルン１の窯前側には、燃料を吹き込むバーナ４と、融着防止材吹き付けノズル５が設けられ、さらに、下流側に、焼成された人工骨材を冷却するためのエアークエンチングクーラー６が配置される。一方、ロータリーキルン１の排ガスを処理するため、２つのファン７、１０と、電気集塵機８と、脱硫装置９が設けられる。尚、同図では、分割型焼成室２を４つの部屋２Ａ〜２Ｄに仕切っているが、成形物が部屋内で十分に転動することができれば、分割数は４つに制限されない。また、分割型焼成室２の取付位置は、ロータリーキルン１の窯尻側に、ガス温度が６００〜１０００℃付近となる領域とするのが好ましい。この取付位置が好ましいのは、後述するリフターを取り付けた場合、及び分割型焼成室とリフターを併用した場合も同様である。
【００２７】
次に上記構成を有する燃焼設備を用いた人工骨材の焼成方法について説明する。
【００２８】
バーナ４から燃料をロータリーキルン１内に吹き込んで燃焼させ、融着防止材吹き付けノズル５からけい砂、アルミナ粉などの融着防止材を吹き付け、上述の混合原料の成形物Ｍを窯尻側に投入する。すると、分割型焼成室２の４つの部屋２Ａ〜２Ｄにおいて成形物Ｍが転動攪拌され、成形物Ｍ中の未燃分が燃焼する。その後、ロータリーキルン１で焼成された成形物Ｍは、下流のエアークエンチングクーラー６で冷却され、人工骨材が得られる。尚、ロータリーキルン１の排ガスは、ファン７を介して電気集塵機８で集塵され、脱硫装置９において脱硫処理が行われた後、ファン１０を介して大気に放出される。
【００２９】
次に、図２乃至図４を参照しながら、本発明にかかる人工骨材の製造方法を実施するための焼成設備の他の例について説明する。尚、以下の説明では、ロータリーキルン内の構造のみについて概説し、他の付帯設備については、図１と同様のものを使用することができるため、説明を省略する。
【００３０】
図２は、水平型リフターを設けたロータリーキルンの構造の一例を示す。長方形のリフター１１Ａ〜１１Ｄが耐火物の内壁周方向に９０度間隔で４枚取り付けられている。このリフター１１Ａ〜１１Ｄによって、混合原料の成形物が転動攪拌され、成形物中の未燃分が燃焼する。特に、リフター１１Ａ〜１１Ｄの取付間隔は限定されないが、未燃炭素の多い成形物ほど、酸素との接触を多くする必要があるため、掻き上げ回数を増やす必要があり、そのような場合には、リフターの枚数を増加する方が好ましい。
【００３１】
図３は、傾斜型リフターを設けたロータリーキルンの構造の一例を示す。長方形のリフター１２Ａ〜１２Ｄを耐火物の内壁周方向に９０度間隔に角度を付けて取り付けたものである。傾斜型のリフター１２Ａ〜１２Ｄを設ける目的は、図２の水平型リフター１１Ａ〜１１Ｄの場合と同様である。
【００３２】
図４は、分割型焼成室と水平型リフターとを併設したロータリーキルンの構造の一例を示す。窯尻側に分割型焼成室１３が配置され、その窯前側に水平型リフター１４が配置される。分割型焼成室１３及び水平型リフター１４の詳細構造は、図１及び図２に示したものと同様である。分割型焼成室１３及び水平型リフター１４の両方を設ける目的は、上記と同様であるが、未燃炭素を多く含む石炭灰に対しては、分割燃焼室を設けることにより、酸素との接触が活発となり、燃焼が促進されるという効果がある。
【００３３】
尚、本発明において、上記ロータリーキルン１に設けた分割型焼成室２の仕切部材３の形状、リフター１１Ａ〜１１Ｄ、１２Ａ〜１２Ｄの形状については、特に限定されず、成形物を効率的に掻き上げることができるものであれば足りる。
【００３４】
次に、本発明にかかる人工骨材の製造方法の試験例について説明する。
表１は、石炭焚き火力発電所より排出された２種類の石炭灰と、結合材としての普通セメントと、珪酸ソーダとを配合して混合原料を生成した際の配合比を示す。ここで、石炭灰αは、未燃炭素を４．０重量％含有し、石炭灰βは、未燃炭素を７．２重量％含有する。
【００３５】
【表１】
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【００３６】
この混合原料をパンぺレタイザーによって粒径２０〜５ｍｍの球状に造粒した後、ロータリーキルン（内径１．２ｍ×長さ２０ｍ）で焼成して人工骨材を得た。用いた焼成室及びリフターの構造等を表２に示す。
【００３７】
【表２】
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【００３８】
本実施例の焼成条件としては、ロータリーキルンの回転速度を、キルン胴部の外周面の周速で、０．１０ｍ／ｓ以上、０．３６ｍ／ｓ以下の範囲内で調整して骨材のキルン内の滞留時間を７０分または９０分とし、キルン窯尻酸素濃度を５％に程度になるように調整した。一方、比較例として、リフターなしの場合について、キルン内の滞留時間を７０分または９０分とし、キルン窯尻酸素濃度を５％に程度になるように調整した場合と、従来の焼成方法（キルン内滞留時間２０８分）について試験を行った。
【００３９】
得られた骨材について、絶乾密度と２４時間吸水率は、ＪＩＳ  Ａ  １１３５構造用軽量粗骨材の比重及び吸水率試験に準拠して測定した。また、圧かい荷重は、骨材を１５ｍｍと１０ｍｍの標準篩を用いて１５〜１０ｍｍの骨材を採取し、土木学会  ＪＳＣＥ−Ｃ  ５０５  高強度フライアッシュ人工骨材の圧かい荷重試験方法（案）に準拠して測定した。成形物の炭素成分の燃焼具合は、ロータリーキルンのセル表面に、キルン長さ方向に２ｍおきに穴を開け、穴からキルン内の成形物を採取し、炭素成分の分析を行って確認した。尚、採取した成形物は、冷えるまでに自燃するため、水に浸けて急冷した。
【００４０】
上記試験の結果を表３に示す。
【００４１】
【表３】
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【００４２】
同表より明らかなように、実施例１〜１０においては、図１の分割型焼成室を用いた場合、図２の水平型リフター１１Ａ〜１１Ｄを用いた場合、及び図４の分割型焼成室１３と水平型リフター１４を用いた場合とも、絶乾密度が１．６０ｇ／ｃｍ３以上、２．００ｇ／ｃｍ３以下、圧かい荷重が１．０ｋＮ以上、４．０ｋＮ以下、２４時間吸水率が０．１％以上、５％以下、炭素含有率が０．７重量％以下の高強度の人工骨材を得ることができた。
【００４３】
一方、比較例においては、ロータリーキルン内の滞留時間が実施例と同様に短い場合（比較例１〜４）には、絶乾密度等について所望の特性を得ることができないとともに、骨材の割れや発泡が生じ、実施例のような高強度の人工骨材を得ることができなかった。また、従来の焼成方法のようにキルン内滞留時間を２０８分と長くした場合（比較例５）には、骨材中の未燃炭素量が少ない状態で高強度の人工骨材を得ることができた。
【００４４】
図５は、上記実施例と比較例とで、ロータリーキルン内での成形物中の未燃炭素量の推移を比較したグラフである。図中、▲がキルン内の温度分布を示し、○が実施例４の場合の未燃炭素量の推移を、●が比較例５の場合の未燃炭素量の推移を示す。
【００４５】
同グラフによれば、実施例では、窯尻側でリフターで掻き上げて焼成するため、成形物の溶融温度（石炭灰の溶融温度は、１２００〜１３００℃）よりも１００℃以上低い温度領域、すなわち、１０００℃程度以下の温度で、成形物に含まれる炭素成分を１重量％以下にまで燃焼除去することができている。一方、比較例では、リフターが存在しないため、焼成に長時間を要するとともに、炭素成分を１重量％以下にすることができるのは、１０００℃以上の領域であることが判る。
【００４６】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、未燃炭素を多く含有する石炭灰についても高強度の人工骨材としての品質を損なうことなく、高強度の人工骨材を効率よく、低コストで製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明にかかる人工骨材の製造方法を実施するための焼成設備の一実施例として、分割型の燃焼室を備えたロータリーキルンを示す概略図である。
【図２】本発明にかかる人工骨材の製造方法を実施するための焼成設備の一実施例として、水平型リフターを備えたロータリーキルンを示す概略図である。
【図３】本発明にかかる人工骨材の製造方法を実施するための焼成設備の一実施例として、傾斜型リフターを備えたロータリーキルンを示す概略図である。
【図４】本発明にかかる人工骨材の製造方法を実施するための焼成設備の一実施例として、分割型の燃焼室と水平型リフターとを備えたロータリーキルンを示す概略図である。
【図５】本発明の実施例と比較例とで、ロータリーキルン内での成形物中の未燃炭素量の推移を比較したグラフである。
【符号の説明】
１        ロータリーキルン
２        分割型焼成室
２Ａ〜２Ｄ        部屋
３        仕切部材
４        バーナ
５        融着防止材吹き付けノズル
６        エアークエンチングクーラー
７        ファン
８        電気集塵機
９        脱硫装置
１０    ファン
１１Ａ〜１１Ｄ      リフター
１２Ａ〜１２Ｄ      リフター
１３    分割型焼成室
１４    水平型リフター
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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