(57)【要約】【課題】従来の焼成上限温度を更に数十°Ｃ上昇できるようにして同じ原料組成であっても強度を大幅に向上することができる、あるいは、同一強度の骨材を得る場合でも組成調整用の副原料の使用量を減少して都市ゴミ焼却灰の使用率を増加させるとともに焼成に際し添加されるバインダーの使用量及びコストを削減することができる無機質固化体の製造方法を提供する。【解決手段】都市ゴミを焼却して得られる灰を主原料とする無機質固化体の製造方法において、原料を混合、粉砕後５〜２０ｍｍ程度に造粒し、乾燥してロータリーキルンで焼成し、該焼成の際に、原料の造粒ペレットと、原料ペレットよりも耐火性の高い鉱物粉末とを一緒に前記ロータリーキルンに供給する。前記原料と同時に供給する鉱物粉末として、石炭灰、珪砂、アルミナ、石灰石等で粒度が比表面積で１５００ｂｌａｉｎｅ（ｃｍ２／ｇ）以上の粉末を使用する。【特許請求の範囲】
【請求項１】
都市ゴミを焼却して得られる灰を主原料とする無機質固化体の製造方法において、
原料を混合、粉砕後５〜２０ｍｍ程度に造粒し、乾燥させてロータリーキルンで焼成し、該焼成の際に、原料の造粒ペレットと、原料ペレットよりも耐火性の高い鉱物粉末とを一緒に前記ロータリーキルンに供給することを特徴とする無機質固化体の製造方法。
【請求項２】
前記原料と一緒に供給する前記鉱物粉末として、石炭灰、珪砂、アルミナ、石灰石等の粒度が比表面積で１５００ｂｌａｉｎｅ（ｃｍ２／ｇ）以上の粉末を使用することを特徴とする請求項１に記載の無機質固化体の製造方法。
【請求項３】
前記原料と一緒に供給する前記鉱物粉末の量を、原料ペレット供給量の５〜３０重量％とすることを特徴とする請求項１又は２に記載の無機質固化体の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、都市ゴミの焼却時に発生する灰を主原料として、建築用または土木用等に使用する骨材（無機質固化体）を製造する方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
焼却炉において都市ゴミを焼却すると焼却炉内には主灰が残り、焼却炉の排ガス中に飛散した灰（以下、飛灰という）は電気集塵器で集められる。従来、このようにして集められた飛灰及び前記主灰は、廃棄物として地中に埋めることにより処分されていた。
しかしながら、都市ゴミを焼却して得られた灰、特に、飛灰には鉛、亜鉛、カドミウム等の有害な重金属類が多量に含まれているため、埋立て後この灰から地中に溶出した重金属類が、環境汚染を引き起こす原因となっていた。
このように、都市ゴミを焼却して得られた灰は、殆どが直接地中に埋められるか、または有害な重金属類を固定化または不溶化して地中に埋めるかして処分されるのが実情で、従来、殆ど再利用されることはなかった。
そこで、従来、これら有害な重金属類の溶出を防ぐ手段として、集められた灰をセメントで固化する方法や、有害な重金属類を薬剤で化学的に固定して不溶化する方法や、集められた灰を１３００°Ｃ以上の温度で溶融してガラス質のスラグとする方法等が採られている。
【０００３】
本発明者等は、都市ゴミを焼却して得られた灰を焼成することにより、灰の中に含まれる鉛、亜鉛、カドミウム等の重金属類を揮発させて除去すると共に、建築用または土木用等に使用する骨材として再利用する方法を検討してきた。しかし、一般的な耐火性粉末をキルンバーナ側から焼成部に投入する方法では、原料の過剰酸化を抑えるために温度を低くせざるを得ないため、ロータリーキルンで焼成可能な上限温度を液相の生成が進んでスラグダウンする温度よりも４０〜８０°Ｃ低いという問題があった。
【０００４】
また、そのような技術として、例えば、次の特許文献１に記載のような耐火性粉末を空気圧送により塊状態にして融着防止材としてキルンバーナ側から焼成部に投入する方法や、特許文献２に記載のような耐火性粉末をスクリューコンベアより融着防止材としてキルンバーナ側から焼成部に投入する方法や、特許文献３に記載のような融着防止材を流動化し供給管を介してキルンバーナ側から焼成部に投入する方法が提案されている。
【０００５】
【特許文献１】
特開平０４−２３８８４６号公報
【特許文献２】
特開平０４−２８０８４３号公報
【特許文献３】
特開平０６−２７９０７９号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、これらの製造方法は、何れも耐火性粉末をキルンバーナ側から焼成部に投入して焼成骨材を製造する方法であって、耐火性粉末を原料と一緒にキルンの焼成部に供給することによって焼成骨材を製造する方法ではない。
原料粒子とは別に耐火性粉末をキルンバーナ側から焼成部に投入して焼成骨材を製造する方法では、原料がキルン内で転動する際、粉化が大きくなってしまい、粉化した原料がキルンから排出されたり、キルン内壁に付着する等の弊害が生じる。そして、原料のすり減り粉化を防止するためには、ベントナイト等のバインダーの使用量が多くなってしまう。
また、原料はキルン予熱帯での充填率が小さいため過剰に酸化されやすいが、耐火性粉末をキルンバーナ側から焼成部に投入する方法では、このような原料の過剰酸化を防止できない。
【０００７】
本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、その目的は従来の焼成上限温度を更に数十°Ｃ上昇できるようにして同じ原料組成であっても強度を大幅に向上することができる、あるいは、同一強度の骨材を得る場合でも組成調整用の副原料の使用量を減少して都市ゴミ焼却灰の使用率を増加させるとともに焼成に際し添加されるバインダーの使用量及びコストを削減することができ、都市ゴミ焼却灰の有効な再利用、再資源化、環境問題の解消に寄与しうる無機質固化体の製造方法を提供することにある。
【０００８】
【発明を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明による無機質固化体の製造方法は、都市ゴミを焼却して得られる灰を主原料とする無機質固化体の製造方法において、原料を混合、粉砕後５〜２０ｍｍ程度に造粒し、乾燥してロータリーキルンで焼成し、該焼成の際に、原料の造粒ペレットと、原料ペレットよりも耐火性の高い鉱物粉末とを一緒に前記ロータリーキルンに供給することを特徴としている。
【０００９】
また、本発明の製造方法においては、前記原料と一緒に供給する鉱物粉末として、石炭灰、珪砂、アルミナ、石灰石等を使用する。また、これらの粒度は、比表面積で１５００ｂｌａｉｎｅ（ｃｍ２／ｇ）以上の粉末を使用する。
【００１０】
また、本発明の製造方法においては、前記原料と一緒に供給する鉱物粉末の量を、原料ペレット供給量の５〜３０重量％とする。
【００１１】
【発明の実施の形態】
実施例の説明に先立ち、本発明の作用効果について説明する。
本発明の無機質固化体の製造方法によれば、原料ペレットよりも耐火度の高い鉱物粉末を原料ペレットと一緒にキルンに供給しないで焼成した場合と比べて、焼成温度を数十°Ｃ高くすることができ、更にマトリックスの焼結度を高めたより高強度、またはより発泡膨張の進んだ軽質な骨材の焼成が可能となる。
また、原料ペレットよりも耐火度の高い耐火性粉末の原料をロータリーキルンへ原料ペレットと一緒に供給すると、原料粒子がキルン内を転動してすり減り粉化することによる実収率の低下を軽減でき、また、粉化した微粉が原料相互や原料と炉壁との融着を促進させることによる焼成温度の低下を軽減できる。あるいは原料が焼結して強度を発現するまでの強度を保持するために添加されるベントナイト等のバインダーの使用量を減らすことができる。
【００１２】
具体的には、本発明では、都市ゴミを焼却して得られる灰を主原料とする無機質固化体の製造方法において、原料を混合、粉砕後５〜２０ｍｍ程度に造粒して、要すれば乾燥してロータリーキルンで焼成する方法において、原料の造粒ペレットと共に原料ペレットより耐火度の高い鉱物粉末を一緒にキルンに供給して焼成する。すると、ロータリーキルンの焼成帯で原料粒子の表面が加熱温度の上昇に伴って軟化して融着する状態になると同時にロータリーキルンに供給した耐火性の粉体が原料粒子表面またはキルン内壁に付着する。これにより原料表面やロータリーキルン内壁に付着した耐火性粉末が原料ペレット相互や原料ペレットとロータリーキルン内壁との融着を防止した状態で焼成温度を上昇させることができる。
【００１３】
本発明のような融着防止対策を講じないで温度を上昇させると、原料粒子相互が融著して原料粒子が塊状となり所定の形状の製品が得られなくなり、更にはロータリーキルン内で大きな塊となって製品の排出口を塞ぐためロータリーキルンの運転が不可能となる。あるいは、原料粒子がロータリーキルン内壁に付着しリングを生成して、連続した定常状態でのロータリーキルンの運転を不可能にしたり、リングが成長して製品の排出が不可能となって連続運転を阻害することとなる。
【００１４】
耐火性粉末の耐火度は原料の耐火度より高ければ良いが、耐火度の差が少ないと十分な融着防止効果が発現できない。特に、原料自体のすり減った微粉が耐火性粉末と混合されて原料ペレットまたはキルン内壁に付着して融着防止効果を減少させるため、耐火性粉末の耐火度は原料の耐火度より１００°Ｃ以上高いことが好ましい。耐火性粉末としては石炭灰、珪砂、アルミナ、石灰石等が使用できる。なお、本願においては、耐火度とは、骨材相互が液相の生成により融着して塊を発生することになる温度を意味している。
【００１５】
焼成帯で耐火性粉末を原料粒子に供給する方法としては、ロータリーキルン出口側から水冷したスクリューフィーダーやエアーノズルで吹き付ける方法あるいはロータリーキルンの壁に設けた開閉可能な開口部から間歇的に供給する方法が提案されているが、本発明のように原料と一緒に耐火性粉末を供給するとロータリーキルン内での転動による原料粒子のすり減り粉化を大きく低減させることができる。これは、原料粒子と一緒にロータリーキルンに供給した耐火性粉末が原料粒子充填層内の空間を埋めることにより原料粒子相互と原料粒子とキルン内壁との摩擦によるすり減り粉化を防止するためと考えられる。
【００１６】
ロータリーキルン内でのすり減り粉化は都市ゴミ焼却灰を主原料とする場合には特に問題が大きい。一般的に、都市ゴミ焼却灰を主原料とする原料の加熱減量は２５〜３０％に達し、焼結により強度が発現するまでの間に原料ペレットの強度が大きく低下するため、燒結に際しては多量のバインダーが必要となる。
【００１７】
原料粒子のすり減りにより発生した粉はロータリーキルン加熱燃料の燃焼ガス中に飛散してキルンから排出されるかまたは焼成帯で原料粒子表面またはキルン内壁に付着して原料の融着による弊害を助長する。ロータリーキルン内での原料の転動による粉化を防止するためにベントナイトや糖蜜等のバインダーが使用される。
本発明のように、ロータリーキルンへの供給原料ペレットと一緒に耐火性粉末を供給すると、これらのバインダーの使用量を大きく減少できるかまたはキルン内での原料のすり減り粉化を大きく減少することができる。供給原料ペレットと一緒に耐火性粉末を供給することによりこれらのバインダーの使用量を大きく減少できる原因は、原料ペレット相互や原料ペレットとキルン内壁間に耐火性粉末が介在して原料ペレットの摩擦を軽減するためと考えられる。
【００１８】
また、原料の加熱減量が大きいためロータリーキルン内で原料を昇温中に燃料の燃焼ガス中の酸素により原料ペレットが酸化されやすく、焼成物の強度低下や粒子間の強度のバラツキ増加をもたらしやすい。
本発明のように、ロータリーキルンへの供給原料ペレットと一緒に耐火性粉末を供給すると、原料充填層内の空隙を耐火性粉末が充填するため原料の過剰酸化も防止できる。
【００１９】
本発明では、耐火性粉末として、粒度が比表面積で１５００ｂｌａｉｎｅ（ｃｍ２／ｇ）以上の粉末を使用する。
比表面積が１５００ｂｌａｉｎｅ（ｃｍ２／ｇ）未満の粉末では、原料ペレットの付着性が不十分で融着防止効果が充分発現できない。
【００２０】
また、本発明では、耐火性粉末の供給量は、ロータリーキルンへの原料供給量の５〜３０ｗｔ％とする。
５％以下では原料のすり減り粉化防止効果が発揮できない。また、３０ｗｔ％より多くの耐火性粉末を供給してもすり減り防止効果、融着防止効果は共に向上しない。
【００２１】
【実施例】
以下、本発明の実施例を説明する。
都市ゴミを焼却して得られた飛灰を主原料とし、その組成を組成調整材などにより調整して耐火性粉末と一緒にロータリーキルンに供給して焼成することにより、下記のような無機質固化体を製造した。実験に使用した飛灰，組成調整材と耐火性粉末としての石炭灰とへマタイト、還元剤としてのコークス，粘結剤としてのベントナイトについて、それらの化学組成を次の表１に示す。
2004269289.tif 000002
【００２２】
これらの原料を次の表２に示す配合割合となるように計量し、振動ミルで粉砕し混合したものを本発明の実施例１〜６及びその比較例１〜６において用いた。表２の石炭灰並流量（＊印）は原料重量の外割の百分率を示している。なお、平流とは、原料と一緒に供給することを意味する。
2004269289.tif 000003
【００２３】
得られた各原料混合物に水を加えて混練し、押出成形機で直径１０ｍｍの円柱状に成形し、乾燥させた後にロータリーキルン（煉瓦壁の内径９２０〜７００ｍｍ  ×  長さ１２０００ｍｍ）に表２に示した供給速度１００ｋｇ／ｈの原料と、併せて所定量の並流用の石炭灰と供に供給し、焼成して骨材を製造した。原料との並流用の石炭灰の粒度は比較例６のみ比表面積１３００ｂｌａｉｎｅの石炭灰を用いたが、その他は全て２５００ｂｌａｉｎｅの石炭灰を用いた。
【００２４】
ロータリーキルンから排出された骨材の全重量を測定して定常状態でのキルン挿入原料に対する製品重量の割合を百分率で次の表３に示した。また、得られた各骨材について、強度及び比重を測定し、焼成温度と共に表３に示した。なお、骨材強度は、円柱状骨材の門柱軸に直角方向から加圧し、被壊時の荷重を試料毎に２０個ずつ測定し、その平均値を圧潰強度として示した。骨材の比重はＪＩＳＡ１１１０に基づいて測定した。
そして、表３に示す焼成温度、骨材物性及び製品実収率につき実施例と比較例とを比較した。
2004269289.tif 000004
【００２５】
表３に示すように、本発明の製造方法による実施例１〜６では、石炭灰を試料ペレットと並流しない比較例１〜３と比較した場合、実施例３を除いて焼成温度が数十°Ｃ高く、骨材強度も比較例１〜３の約４３０〜５５０Ｎに対して約７７０〜１１５０Ｎの高強度な骨材が得られた。また、バインダーとしてのベントナイトを約５重量％を添加している比較例１〜３の製品実収率５７〜６８％と比較した場合、実施例１〜６ではベントナイトを添加していないにもかかわらず製品実収率は７１〜７７％の高い値となり、原料と共に供給している耐火性粉末である石炭灰がすり減り粉化防止に大きく寄与していることがわかる。
【００２６】
比較例４は、表２に示すように原料と並流する石炭灰を３重量％添加した例であるが、表３に示すように、比較例２と比べて骨材強度向上効果と実収率向上効果が発現されていないことが分かる。
比較例５は、表２に示すように原料と並流する石炭灰を４０重量％添加した例であるが、表３に示すように、実施例２，３，５，６と比較した場合、石炭灰を４０重量％添加している割には、骨材強度向上効果と実収率向上効果についての有意義な改善は見られない。
比較例６は、原料と並流する耐火性粉末の粒度が１３００ｂｌａｉｎｅの石炭灰を用いた例であるが、表３に示すように、圧潰強度の向上効果は見られず、製品実収率の向上も少なかった。
【００２７】
【発明の効果】
本発明によれば、都市ゴミの焼却灰を主原料として、焼結固化させて、建築又は土木材料の骨材として使用し得る高強度な無機質固化体を製造する際に、簡易な方法により無機質固化体の強度を大幅に向上させるか所定強度を発現するために焼却飛灰の混合割合を大きく増加できるとともに製品実収率を向上またはバインダーの使用量を削減できることにより大幅にコストを削減できる。
これにより、従来は廃棄されていた都市ゴミ焼却灰を有効に再利用でき、再資源化や環境問題の解消に大いに寄与することができる。