(57)【要約】【課題】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の焼成方法を提供する。【解決手段】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、成形物をロータリーキルン１によって転動焼成し、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％以下の人工骨材を得るにあたって、ロータリーキルン１の少なくとも焼結域に、被焼成物の進行方向への移動を妨げる邪魔板２を設けたロータリーキルン１を用いて焼成する。邪魔板は、ロータリーキルンの内壁から内側に向かって突出するようにリング状または螺旋状に形成してもよく、セグメント状に形成し、ロータリーキルンの軸線方向に複数段に分けて設けてもよい。【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、該成形物をロータリーキルンによって転動焼成し、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％以下の人工骨材を得るにあたって、
該ロータリーキルンの少なくとも焼結域に、被焼成物の進行方向への移動を妨げる邪魔板を設けたロータリーキルンを用いて焼成することを特徴とする人工骨材の焼成方法。
【請求項２】
前記邪魔板は、前記ロータリーキルンの内壁から内側に向かって突出するようにリング状または螺旋状に形成されることを特徴とする請求項１に記載の人工骨材の焼成方法。
【請求項３】
前記邪魔板は、前記ロータリーキルンの内壁から内側に向かって突出するようにセグメント状に形成され、該セグメント状邪魔板は、該ロータリーキルンの軸線方向に複数段に分けて設けられることを特徴とする請求項１に記載の人工骨材の焼成方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、人工骨材の焼成方法に関し、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を焼成する方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
電力需要の増大に伴い、石炭焚き火力発電所などから排出される石炭灰の量は、年々増加する傾向にある。そこで、石炭灰の有効利用に関わる技術開発が様々な分野で取り組まれている。例えば、石炭灰に種々の副原料を加え、これを焼成して緻密化し、コンクリート用などの骨材として利用する試みも数多くなされている。
【０００３】
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焼成方法では、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、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。この方法によれば、緻密で高強度の人工骨材を得ることができるものの、使用する石炭灰の種類が限定される他、未燃炭素の多い石炭灰の場合には、ロータリーキルン内での滞留時間を長くすることなどが必要になるという問題があった。
【０００４】
また、特許文献２には、ロータリーキルン内の８００〜１０００℃の燃焼ゾーンにリフターを設置し、未燃炭素を効率良く燃焼させる技術が提案されている。この方法によれば、リフターの掻き揚げ効果により未燃炭素を効率良く燃焼させることができる。しかし、リフターで効率良く燃焼させるためには、キルンを高速で回転させる必要があるため、焼結に必要な滞留時間が十分に確保することができないという問題があった。
【０００５】
以上に述べたように、石炭灰を主原料とし、これを焼成して緻密化し、骨材とする技術は種々提案されているが、従来の人工骨材は、天然骨材に比較して強度や吸水率に劣る。ここで、人工骨材の品質を向上させようとすると、製造コストが上昇し、天然骨材に比較して圧倒的にコスト高になってしまうため、天然骨材に代替するまでには到っていない。
【０００６】
ところで、石炭灰を主原料にして天然骨材並みの強度、吸水率を有する骨材を製造する際、最も重要な因子は、石炭灰に含まれる未燃炭素量である。石炭灰の未燃炭素含有率は、炭種やボイラの形式によって様々であるが、少ないもので１％未満、多いもので１０数％である。
【０００７】
この未燃炭素は、骨材の焼成中に燃焼するが、ロータリーキルン内での滞留時間を十分に確保せず、未燃炭素の燃焼反応が十分に行われないまま焼結域に到達すると、焼結域において発泡現象が生じ、結果として高強度、低吸水率の骨材を得ることができない。従って、焼結域に到達するまでに十分に未燃炭素を燃焼除去しておくことが重要である。
【０００８】
被焼成物が焼結域に到達する前に未燃炭素を十分に燃焼させるには、被焼成物をキルン内に十分滞留させて焼成するか、あるいは、窯尻側において積極的に炭素の燃焼反応を促進させるかの何れかを行うことが必要となる。
【０００９】
しかし、前者の方法では、原料の投入量を増加させるとロータリーキルン内での充填率が高まり、未燃炭素の燃焼反応を阻害することになる。従って、滞留時間を長くすればするほど原料投入量を抑制する必要があり、これによって、焼成コストの大幅な上昇を引き起こす。
【００１０】
一方、後者の方法、すなわち、窯尻側において積極的に炭素の燃焼反応を促進させるには、窯尻側での酸素濃度をできるだけ高め、かつ、燃焼空気と被焼成物の接触頻度を高めるため、ロータリーキルンをできるだけ高速度で回転させ、被焼成物の掻き揚げ効果を意図的に高めて焼成する方法が推奨される。
【００１１】
この方法によれば、高酸素濃度の燃焼空気に披焼成物が晒されるため、効率良く未燃炭素が燃焼する。しかしながら、ロータリーキルンの回転数を高めると、結果的に被焼成物のキルン内での滞留時間が短縮され、焼結域での焼結反応が十分になされないまま人工骨材がロータリーキルンから排出される。これによって、骨材の特性、特に、強度及び吸水率が不十分となる。そして、この問題を解決するための有効な方策は見出されていないのが現状である。
【００１２】
【特許文献１】
特開平９−４０４４５号公報
【特許文献２】
特開平６−２６５２７１号公報
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
そこで、本発明は、上記従来の技術における問題点に鑑みてなされたものであって、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の焼成方法を提供することを目的とする。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、本発明者らは、鋭意検討を行った結果、焼結域での滞留時間を確保することができれば、ロータリーキルンの回転数を高めても、品質に優れた骨材を製造可能であることを見出し、本発明を完成するに到った。すなわち、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、該成形物をロータリーキルンによって転動焼成し、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％以下の人工骨材を得る方法であって、該ロータリーキルンの少なくとも焼結域に、被焼成物の進行方向への移動を妨げる邪魔板を設けたロータリーキルンを用いて焼成することを特徴とする。ここで、焼結域とは、加熱により圧粉体の個々の粉体粒子が結合する現象が生じる領域をいう。
【００１５】
前記邪魔板は、前記ロータリーキルンの内壁から内側に向かって突出するようにリング状または螺旋状に形成してもよく、ロータリーキルンの内壁から内側に向かって突出するようにセグメント状に形成し、該セグメント状邪魔板を、該ロータリーキルンの軸線方向に複数段に分けて設けるようにしてもよい。
【００１６】
【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詳細に説明する。
【００１７】
上述のように、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、該成形物を、少なくとも焼結域に、被焼成物の進行方向への移動を妨げる邪魔板を設けたロータリーキルンによって転動焼成し、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％以下の人工骨材を得るものである。
【００１８】
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。本発明の特徴は、未燃炭素分の高い石炭灰を用いても生産性を低下させることなく良質の骨材を得ることができる点にあるため、石炭灰に含まれる未燃炭素の量についても何ら制約を課すものではない。
【００１９】
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。
【００２０】
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。
【００２１】
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。
【００２２】
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。
【００２３】
次に、成形物をロータリーキルンによって焼成する。焼成条件は、特に限定されないが、焼結域に到達する以前に十分な脱カーボンを図るため、窯尻側の酸素濃度はできるだけ高くすることが好ましい。また、燃焼空気と成形物の接触頻度を高めるため、ロータリーキルンの回転数を高めて成形物の掻き揚げを促進する。この目的のために、リフターを設置することがより好ましい。
【００２４】
脱カーボン反応が終了した成形物は、続いて焼結域に移行する。本発明では、ペレットの進行方向への移動を妨げる邪魔板を設け、焼結域における成形物の滞留時間を十分に確保している。この目的を果たすことができるものであれば、邪魔板の形状などについては特に限定されない。
【００２５】
次に、この邪魔板の構成例について図面を参照しながら説明する。
【００２６】
図１は、ロータリーキルン１の窯内温度が９００〜１０００℃となる焼結域及びその近傍に、ロータリーキルン１の内壁から内側に向かって突出するリング状に邪魔板２を設置したものである。
【００２７】
図２は、ロータリーキルン１１の窯内温度が９００〜１０００℃となる焼結域及びその近傍、並びに１２００〜１３００℃の最高温度付近に、各々リング状に邪魔板１２、１３を設置したものである。
【００２８】
図３は、ロータリーキルン２１の窯内温度が９００〜１３００℃の温度領域に、セグメント状の邪魔板２２、２３、２４を設けたものであって、各々邪魔板２２、２３、２４は、リングを半割した形状を有する。
【００２９】
図４は、ロータリーキルン３１の窯内温度が９００〜１３００℃の温度領域に、ロータリーキルン３１の内壁から内側に向かって突出する螺旋状に邪魔板３２を設置したものである。
【００３０】
尚、上記リング状の邪魔板に代えて、図５に示すように、ロータリーキルン４１の内壁から内側に向かって突出するリング状邪魔板に隙間４３を設けた２つの邪魔板４２Ａ、４２Ｂからなる構成、または、図６に示すように、ロータリーキルン５１の内壁から内側に向かって突出するリング状邪魔板に隙間５３を設けた４つの邪魔板５２Ａ〜５２Ｄからなる構成とすることもできる。これらの邪魔板によって、ペレットの進行方向への移動が妨げられるとともに、隙間４３、５３からペレットが進行方向に排出される。
【００３１】
また、セグメント状の邪魔板についても、図３に示した構成に限定されず、図７に示すように、ロータリーキルン６１の内壁から内側に向かって突出し、相対向するリングの一部からなる邪魔板６２Ａ、６２Ｂとすることもできる。
【００３２】
次に、本発明にかかる人工骨材の焼成方法の実施例について説明する。
【００３３】
表１には、火力発電所より排出された未燃炭素量３．０重量％を含有する石炭灰αと、未燃炭素量８．２重量％を含有する石炭灰βと、結合材としての普通セメント及び珪酸ソーダの配合割合（重量％）を示す。尚、この配合割合Ｘ、Ｙは、人工骨材の所定の品質を満足させるためのものである。
【００３４】
【表１】
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【００３５】
この混合原料をパンペレタイザーによって粒径２０〜５ｍｍの球状に造粒し、これをロータリーキルン（内径３．２ｍ×長さ５８ｍ）で焼成して骨材を得た。焼成条件として、原料配合、原料投入量及びキルン回転数を各々二水準とった。尚、実施例２と比較例２には、石炭灰中の未燃炭素の燃焼を促進させるため、窯内にリフターを設置している。
【００３６】
各邪魔板の構造として、Ａは、ロータリーキルンの窯内温度９００〜１０００℃の焼結域及びその付近に、図１に示したリング状の邪魔板２を設置した場合、Ｂは、ロータリーキルンの窯内温度９００〜１０００℃の焼結域及びその付近と、１２００〜１３００℃の最高温度付近に、図２に示した各々リング状の邪魔板１２、１３を設置した場合を示す。また、Ｃは、ロータリーキルンの窯内温度９００〜１０００℃の焼結域及びその付近と、１２００〜１３００℃の最高温度付近にかけて、図４に示した邪魔板３２を螺旋状に設置したものである。
【００３７】
そして、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。骨材中の残留炭素成分は、株式会社堀場製作所製赤外線式炭素定量装置を用いて測定した。
【００３８】
表２に、試験結果を示す。
【００３９】
【表２】
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【００４０】
同表より明らかなように、比較例１〜４では、未燃炭素の残留による異常発泡が観察され、目標品質を満足させることができなかったが、本発明にかかる実施例１〜４においては、未燃炭素の残留による異常発泡は見られず、目標品質を十分に満足させることのできる人工骨材が得られた。
【００４１】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明にかかる人工骨材の焼成方法によれば、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を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焼成方法において使用するロータリーキルンの邪魔板の一例を示す図であって、（ａ）は縦断面図、（ｂ）は、（ａ）のＡ−Ａ線矢視図である。
【図２】本発明にかかる人工骨材の焼成方法において使用するロータリーキルンの邪魔板の一例を示す図であって、（ａ）は縦断面図、（ｂ）は、（ａ）のＢ−Ｂ線矢視図である。
【図３】本発明にかかる人工骨材の焼成方法において使用するロータリーキルンの邪魔板の一例を示す図であって、（ａ）は縦断面図、（ｂ）は、（ａ）のＣ−Ｃ線矢視図、（ｃ）は、（ａ）のＤ−Ｄ線矢視図、（ｄ）は、（ａ）のＥ−Ｅ線矢視図である。
【図４】本発明にかかる人工骨材の焼成方法において使用するロータリーキルンの邪魔板の一例を示す図であって、（ａ）は縦断面図、（ｂ）は、（ａ）のＦ−Ｆ線矢視図である。
【図５】本発明にかかる人工骨材の焼成方法において使用するロータリーキルンの邪魔板の一例を示す図であって、（ａ）は縦断面図、（ｂ）は、（ａ）のＧ−Ｇ線矢視図である。
【図６】本発明にかかる人工骨材の焼成方法において使用するロータリーキルンの邪魔板の一例を示す図であって、（ａ）は縦断面図、（ｂ）は、（ａ）のＨ−Ｈ線矢視図である。
【図７】本発明にかかる人工骨材の焼成方法において使用するロータリーキルンの邪魔板の一例を示す図であって、（ａ）は縦断面図、（ｂ）は、（ａ）のＩ−Ｉ線矢視図である。
【符号の説明】
１            ロータリーキルン
２            邪魔板（リング状）
１１        ロータリーキルン
１２        邪魔板（リング状）
１３        邪魔板（リング状）
２１    ロータリーキルン
２２    邪魔板（セグメント状）
２３    邪魔板（セグメント状）
２４    邪魔板（セグメント状）
３１    ロータリーキルン
３２    邪魔板（螺旋状）
【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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【図６】
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【図７】
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