(57)【要約】【課題】石炭ガス化複合発電等における石炭ガス化炉から排出される石炭ガス化スラグを原料とした軽量骨材であって、ＪＩＳ  Ａ  ５００２に規定されるＭまたはＬの区分に確実に収まるような小さな絶乾密度を有する高品質の軽量骨材を提供する。【解決手段】本発明の軽量骨材は、３０質量％以下のＡｌ２Ｏ３を含む石炭ガス化スラグを、所定の温度下（例えば、９００〜１２００℃）で焼成し発泡させてなるものであり、絶乾密度が１．７ｇ／ｃｍ３以下のものである。本発明の軽量骨材の原料となる石炭ガス化スラグは、石炭ガス化処理後のスラグ中のＡｌ２Ｏ３の含有率が３０質量％以下となるように、石炭を選択した後、該石炭を石炭ガス化処理して得てもよいし、あるいは、石炭を石炭ガス化処理して得られたスラグの中から、３０質量％以下のＡｌ２Ｏ３を含むスラグを選択して得てもよい。【選択図】      図１
2004269302.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
石炭ガス化処理において発生する３０質量％以下のＡｌ２Ｏ３を含むスラグを、焼成し発泡させてなり、かつ、絶乾密度が１．７ｇ／ｃｍ３以下であることを特徴とする軽量骨材。
【請求項２】
石炭ガス化処理において発生するスラグを原料とした軽量骨材の製造方法であって、
（Ａ）石炭ガス化処理後のスラグ中のＡｌ２Ｏ３の含有率が３０質量％以下となるように、石炭を選択する石炭選択工程と、
（Ｂ）前記石炭を石炭ガス化処理して、スラグを得る石炭ガス化工程と、
（Ｃ）前記スラグを焼成し発泡させて、軽量骨材を得るスラグ焼成工程と
を含むことを特徴とする軽量骨材の製造方法。
【請求項３】
石炭ガス化処理において発生するスラグを原料とした軽量骨材の製造方法であって、
（Ｄ）石炭を石炭ガス化処理して、スラグを得る石炭ガス化工程と、
（Ｅ）前記スラグの中から、３０質量％以下のＡｌ２Ｏ３を含むスラグを選択するスラグ選択工程と、
（Ｆ）前記選択されたスラグを焼成し発泡させて、軽量骨材を得るスラグ焼成工程と
を含むことを特徴とする軽量骨材の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、石炭ガス化複合発電等における石炭ガス化炉から排出されるスラグを原料とした軽量骨材及びその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
石炭は、化石燃料の中では埋蔵量が多く、可採年数が長く、産出国の政情が安定していることから、化石燃料資源に乏しい日本における安定したエネルギー供給源として、将来に向けて継続的に使用していくことが不可欠である。
しかし、微粉炭を燃焼させて電気を得る従来の火力発電方法は、得られる単位エネルギー当たりの炭酸ガスの排出量が比較的多いため、地球温暖化防止の観点から改善の余地がある。
このような状況下において、近年、発電の効率が高いゆえに炭酸ガスの排出量が少なくてすむ石炭ガス化複合発電が開発されている。
【０００３】
石炭ガス化複合発電において、石炭の燃焼後の残滓は、従来のような微粉末状ではなく、砂状のスラグとして排出される。近年、この砂状のスラグを、廃棄物として処分するのではなく、焼成し発泡させて、軽量骨材、吸着剤、土壌改良材等として利用することが提案されている。
その一例として、石炭ガス化の残滓粒子を使用して、Ａｌ２Ｏ３の含有率が２０重量％以上である等の特定の成分組成を有する粒子径０．５〜５０ｍｍの無機質発泡体粒子を得ることが提案されている（特許文献１参照）。該無機質発泡体粒子は、０．０１〜０．６ｋｇ／リットルの単位容積重量（絶乾密度に換算すると、０．１〜１．２ｇ／ｃｍ３程度）を有するものである。
他の例として、石炭ガス化の残滓粒子を使用して、Ａｌ２Ｏ３の含有率が２０重量％以上である等の特定の成分組成を有する粒子径０．５〜３．５ｍｍの無機質発泡体粒子を得ることが提案されている（特許文献２参照）。該無機質発泡体粒子は、０．６ｋｇ／リットルより大きな単位容積重量（絶乾密度に換算すると、１．２ｇ／ｃｍ３程度以上）を有するものである。
【０００４】
【特許文献１】
特公平５−８１５４５号公報（第１頁第１欄の特許請求の範囲第１項、第３頁第５欄第１２〜１７行、第４頁第８欄第１７〜３２行）
【特許文献２】
特公平２−５１８５８号公報（第１頁第１欄の特許請求の範囲第１項、第２頁第４欄第１９〜３０行）
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
上述の特許文献１や特許文献２に記載された技術では、石炭ガス化の残滓粒子（石炭ガス化スラグ）を原料として製造された無機質発泡体粒子に関し、Ａｌ２Ｏ３等の含有率や粒子径を特定の数値範囲内に限定している。そして、従来の天然材料と比べて、低温で膨張し、軽量で高い強度を有する骨材が得られるとされている。
しかしながら、本発明者は、多くの種類の石炭ガス化スラグを焼成し発泡させたところ、特許文献１及び特許文献２に記載された成分組成の範囲内であっても、石炭ガス化スラグの種類によって、絶乾密度等が大きく異なり、軽量骨材としての品質に優劣があることを見出した。
このように、軽量骨材の原料として不適当なスラグが混入したままで軽量骨材の製造を行なうと、廃棄すべき低品質の軽量骨材（絶乾密度の大きな軽量骨材）が混じることとなり、これら低品質の軽量骨材の選別や処分の負担がかかり、軽量骨材の製造事業を圧迫することになりかねない。
【０００６】
そのため、軽量骨材の製造事業を行なうには、高品質の軽量骨材のみを製造し得るように、石炭ガス化スラグを選別し使用することが不可欠である。ここで、高品質の軽量骨材とは、例えば、ＪＩＳ  Ａ  ５００２「構造用軽量コンクリート骨材」に規定されている区分ＭまたはＬを満足するような絶乾密度を有するものをいう。
そこで、本発明は、石炭ガス化処理において発生するスラグを原料とした軽量骨材であって、軽量骨材として用いるのに好適な絶乾密度を有する軽量骨材及びその製造方法を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明者は、前記課題を解決するために鋭意検討した結果、石炭ガス化複合発電等における石炭ガス化炉から排出されるスラグを原料として、軽量骨材を製造するに際し、特定の成分組成を有するスラグを使用することによって、軽量骨材として用いるのに好適な絶乾密度を有する軽量骨材を安定的に得ることができること等を見出し、本発明を完成した。
【０００８】
すなわち、本発明（請求項１）の軽量骨材は、石炭ガス化処理において発生する３０質量％以下のＡｌ２Ｏ３を含むスラグを、焼成し発泡させてなり、かつ、絶乾密度が１．７ｇ／ｃｍ３以下であることを特徴とする。
本発明の軽量骨材は、原料として、石炭ガス化処理後に石炭ガス化炉から排出される３０質量％以下のＡｌ２Ｏ３を含むスラグを用いているため、通常の骨材（絶乾密度２．５ｇ／ｃｍ３以上）と比べて軽量であり、軽量性を要求される建造物の材料として好適に用いることができる。また、軽量であることから、運搬や施工作業が容易であり、作業者の労力の軽減等を図ることができる。
【０００９】
本発明（請求項２）の軽量骨材の製造方法は、石炭ガス化処理において発生するスラグを原料とした軽量骨材の製造方法であって、（Ａ）石炭ガス化処理後のスラグ中のＡｌ２Ｏ３の含有率が３０質量％以下となるように、石炭を選択する石炭選択工程と、（Ｂ）前記石炭を石炭ガス化処理して、スラグを得る石炭ガス化工程と、（Ｃ）前記スラグを焼成し発泡させて、軽量骨材を得るスラグ焼成工程とを含むことを特徴とする。
該製造方法によれば、絶乾密度の大きな発泡粒体（骨材）を混入させることがなく、小さな絶乾密度（１．７ｇ／ｃｍ３程度以下）を有する発泡粒体のみからなる高品質の軽量骨材を安定的に得ることができる。
【００１０】
本発明（請求項３）の軽量骨材の製造方法は、石炭ガス化処理において発生するスラグを原料とした軽量骨材の製造方法であって、（Ｄ）石炭を石炭ガス化処理して、スラグを得る石炭ガス化工程と、（Ｅ）前記スラグの中から、３０質量％以下のＡｌ２Ｏ３を含むスラグを選択するスラグ選択工程と、（Ｆ）前記選択されたスラグを焼成し発泡させて、軽量骨材を得るスラグ焼成工程とを含むことを特徴とする。
該製造方法によれば、絶乾密度の大きな発泡粒体（骨材）を混入させることがなく、小さな絶乾密度（１．７ｇ／ｃｍ３程度以下）を有する発泡粒体のみからなる高品質の軽量骨材を安定的に得ることができる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を詳細に説明する。
本発明の軽量骨材は、石炭ガス化複合発電等において石炭ガス化炉から排出される３０質量％以下のＡｌ２Ｏ３を含むスラグを、焼成し発泡させてなるものである。
ここで、石炭ガス化複合発電とは、粉砕された石炭（例えば、瀝青炭）を、石炭ガス化炉内に投入し、ガス化剤（例えば、酸素）の存在下で所定の温度（例えば、１，２００〜１，６００℃）及び圧力（例えば、２〜３ＭＰａ）にて石炭ガス化処理を行ない、これにより発生した可燃性ガスを燃焼させることによって、ガスタービンを回すとともに、ガスタービンの排熱を利用して蒸気タービンを回す発電方法をいう。
石炭ガス化複合発電等での石炭ガス化炉内において、石炭中に含まれていた灰分は、高温下で溶融した状態で炉底に落下し、水中で急冷されて、粒状で非晶質のスラグ（本明細書中において、「石炭ガス化スラグ」とう。）となる。
【００１２】
なお、石炭ガス化炉の種類としては、例えば、噴流床ガス化炉、流動床ガス化炉、固定床ガス化炉等が挙げられる。中でも、噴流床ガス化炉は、大規模の発電用に適しており、シェルプロセス（シェル法）、テキサコプロセス（テキサコ法）等として既に商用規模での運転が行なわれている。
ここで、噴流床ガス化炉とは、１ｍｍ以下の粒度に微粉化した石炭を、気流搬送して炉内に供給し、１，２００〜１，６００℃程度の高温下でガス化反応させるものをいう。
【００１３】
本発明においては、軽量骨材を製造するための原料として、３０質量％以下のＡｌ２Ｏ３を含む石炭ガス化スラグが選択され使用される。Ａｌ２Ｏ３の含有率は、好ましくは２５質量％未満、より好ましくは２０質量％未満である。
Ａｌ２Ｏ３の含有率が３０質量％を超えると、石炭ガス化スラグを焼成し発泡させて得られる粒体（軽量骨材）の絶乾比重が大きくなる傾向があり、ＪＩＳ  Ａ  ５００２「構造用軽量コンクリート骨材」の区分Ｍの規格値（絶乾密度１．８ｇ／ｃｍ３以下）を満足させることができないために、粒体（軽量骨材）の一部を選別して廃棄処分しなければならないことがある。
【００１４】
Ａｌ２Ｏ３の含有率が２５質量％未満であると、粗骨材と細骨材のいずれにおいても、ＪＩＳ  Ａ  ５００２「構造用軽量コンクリート骨材」の区分Ｍ（粗骨材の絶乾密度：１．０〜１．５ｇ／ｃｍ３、細骨材の絶乾密度：１．３〜１．８ｇ／ｃｍ３）で規定される値（粗骨材と細骨材とで重複する絶乾密度として、１．５ｇ／ｃｍ３以下）を概ね満足させることができる。
Ａｌ２Ｏ３の含有率が２０質量％未満であると、実際の製造上の絶乾密度のばらつきを考慮しても、絶乾粗骨材と細骨材のいずれにおいても、ＪＩＳ  Ａ  ５００２「構造用軽量コンクリート骨材」の区分Ｍで規定される値（絶乾密度１．５ｇ／ｃｍ３以下）をほぼ完全に満足させることができる。
なお、Ａｌ２Ｏ３の含有率の下限値は、特に限定されないが、通常、１０質量％以上である。
【００１５】
本発明においては、石炭ガス化スラグとして、ＣａＯの含有率が３５質量％以下であるものを選択して用いることが好ましい。該含有率が３５質量％を超えると、吸水率を低減する効果を有するＳｉＯ２の含有率が少なくなり、発泡後の吸水率が大きくなることが多い。
本発明で用いられる石炭ガス化スラグの粒径は、通常、０．２〜１２ｍｍである。
【００１６】
本発明の軽量骨材は、前述のような成分組成を有する石炭ガス化スラグを、焼成し発泡させてなるものである。
焼成温度は、例えば、９００〜１，２００℃である。焼成時間は、例えば、３０秒〜１０分間である。
石炭ガス化スラグを焼成し発泡させる過程において、適当な融着防止材を添加して焼成することが望ましい。
焼成窯としては、例えば、内熱式ロータリーキルン、外熱式ロータリーキルン等を用いることができる。
【００１７】
石炭ガス化スラグの発泡による膨張率（発泡後の体積／発泡前の体積）は、例えば、１．２〜２．５である。
なお、発泡が起きる理由は、石炭ガス化スラグに含まれている炭素分が、空気等の酸化性雰囲気下において高温で酸化されて、二酸化炭素ガスや一酸化炭素ガスになること、及び、石炭ガス化スラグがガラス転移点以上の高温下において軟化する際に、石炭ガス化スラグに含まれている窒素分や水素分がガス化することによるものである。
【００１８】
本発明の軽量骨材の絶乾密度の上限値は、１．７ｇ／ｃｍ３以下、好ましくは１．６ｇ／ｃｍ３以下、特に好ましくは１．５ｇ／ｃｍ３以下である。絶乾密度が１．７ｇ／ｃｍ３を超えると、最低限満足すべき比較的高い絶乾密度が規定されているＪＩＳ  Ａ  ５００２「構造用軽量コンクリート骨材」の区分Ｍの規格値（１．８ｇ／ｃｍ３以下）を、実際の製造において安定的に十分満足させることが困難になる。
本発明の軽量骨材の絶乾密度の下限値は、特に限定されないが、圧壊荷重値等の機械的強度の確保を重視する場合には、１．０ｇ／ｃｍ３以上が好ましい。
なお、本明細書中における「絶乾密度」とは、骨材間の空隙の容積を除いた絶対乾燥状態にある骨材の単位容積（ただし、骨材内部の空隙を含む。）当たりの密度（単位：ｇ／ｃｍ３）をいう。
【００１９】
本発明の軽量骨材の２４時間吸水率は、好ましくは、従来の汎用の軽量骨材よりも小さい１０％未満であり、より好ましくは８％以下、特に好ましくは５％以下である。
２４時間吸水率の値が小さいほど、軽量骨材の使用時におけるフレッシュコンクリートの品質管理を容易にすることができる。また、軽量骨材の粒体内に侵入する水分の量が少なくなるため、優れた耐凍結融解性（凍結と融解とが繰り返し交互に起きることによる機械的強度の低下の生じ難さ）を発揮することができる。さらに、本発明の軽量骨材を含むモルタル等の水硬性組成物を、ポンプ及びホースを用いて施工場所に圧送する場合において、軽量骨材の吸水による流動性の低下が生じないので、ポンプ等における閉塞が生じ難くなり、円滑に作業することができる。
２４時間吸水率の下限値は、特に限定されないが、通常、１％以上である。
【００２０】
本発明の軽量骨材は、従来の軽量粗骨材（吸水率：１０〜１６％）や軽量細骨材（吸水率：１０％）と比べて、小さな吸水率を有し得るため、例えば、ポンプ圧送用のモルタル等の水硬性組成物の材料として、好適に使用することができる。
なお、絶乾密度及び２４時間吸水率は、「ＪＩＳ  Ａ  １１３４」（構造用軽量細骨材の密度及び吸水率試験方法）及び「ＪＩＳ  Ａ  １１３５」（構造用軽量粗骨材の密度及び吸水率試験方法）に規定する方法に準じて測定される。
【００２１】
本発明の軽量骨材を製造するには、例えば、次の２つの方法（１）、（２）のいずれかを採用することができる。
［（１）石炭を選別する方法］
この方法は、石炭ガス化処理前の段階で、本発明の軽量骨材の原料を選別するものであり、具体的には、（Ａ）石炭ガス化処理後のスラグ中のＡｌ２Ｏ３の含有率が３０質量％以下となるように、石炭を選択する石炭選択工程と、（Ｂ）選択された石炭を石炭ガス化処理して、石炭ガス化スラグを得る石炭ガス化工程と、（Ｃ）得られた石炭ガス化スラグを焼成し発泡させて、軽量骨材（絶乾密度が１．７ｇ／ｃｍ３以下のものを主体とするもの）を得るスラグ焼成工程とからなるものである。
【００２２】
一般に、石炭ガス化複合発電の発電所等で使用される石炭は、採掘地等によって成分組成が異なる。また、複数種の石炭を混合してなる混炭は、該混炭を構成する石炭の成分組成及び混合割合によって、成分組成が種々に変化する。このような石炭の種類による成分組成の相違に基づいて、石炭ガス化スラグ中のＡｌ２Ｏ３の含有率は、３０質量％を超えることもあれば、１０質量％程度に留まることもある。本発明では、石炭ガス化スラグ中のＡｌ２Ｏ３の含有率が３０質量％以下となるように、予め石炭を選択したうえで、この選択された石炭を石炭ガス化処理し、それにより得られた石炭ガス化スラグ（すなわち、Ａｌ２Ｏ３の含有率が３０質量％以下のもの）を焼成し発泡させて、所定の物性を有する軽量骨材を得るものである。
なお、工程（Ｃ）において、石炭ガス化スラグを焼成し発泡させて、絶乾密度が１．７ｇ／ｃｍ３以下の発泡粒体を主体とする軽量骨材を得るには、石炭ガス化スラグの粒度分布等の条件に応じて焼成温度及び焼成時間を適宜定めて、良好な発泡状態を生じさせればよい。
【００２３】
［（２）スラグを選別する方法］
この方法は、石炭ガス化処理後の段階で、本発明の軽量骨材の原料を選別するものであり、具体的には、（Ｄ）石炭を石炭ガス化処理して、石炭ガス化スラグを得る石炭ガス化工程と、（Ｅ）得られた石炭ガス化スラグの中から、３０質量％以下のＡｌ２Ｏ３を含むスラグを選択するスラグ選択工程と、（Ｆ）選択されたスラグを焼成し発泡させて、軽量骨材（絶乾密度が１．７ｇ／ｃｍ３以下のものを主体とするもの）を得るスラグ焼成工程とからなるものである。
なお、工程（Ｆ）において、石炭ガス化スラグを焼成し発泡させて、絶乾比重が１．７ｇ／ｃｍ３以下の発泡粒体を主体とする軽量骨材を得るには、石炭ガス化スラグの粒度分布等の条件に応じて焼成温度及び焼成時間を適宜定めて、良好な発泡状態を生じさせればよい。
【００２４】
【実施例】
以下、実施例に基づいて本発明を説明する。
［実施例１〜１３、比較例１〜３］
噴流床ガス化炉内に石炭（瀝青炭）を投入し、短時間（秒オーダー）で石炭ガス化処理を行なった後、炉底から、水冷された粒状の石炭ガス化スラグ（非晶質の溶融スラグ）を得た。石炭ガス化スラグの粒度は、０．５〜１０ｍｍ程度であった。この操作を、種々の石炭（瀝青炭）毎に行ない、種々の石炭ガス化スラグ（実施例１〜１３、比較例１〜３）を得た。これらの石炭ガス化スラグの成分の分析値を表１に示す。
【００２５】
石炭ガス化スラグ（実施例１〜１３、比較例１〜３）をロータリーキルンに投入し、１，０００〜１，１００℃の温度で３〜４分程度、焼成し発泡させて、粒径０．６〜３ｍｍ程度の発泡粒体を得た。この発泡粒体の絶乾密度及び２４時間吸水率を測定したところ、表１に示す値を得た。
なお、表１中、「焼成最適温度」は、１，０００℃、１，０５０℃、１，１００℃の各温度で石炭ガス化スラグを焼成した中で、最も良好な物性が得られた温度であることを示す。焼成最適温度以外の温度で焼成された粒体の物性値の記載は、省略した。
表１中のＡｌ２Ｏ３の含有率（質量％）と絶乾密度（ｇ／ｃｍ３）の関係を、図１にグラフとして示す。
表１及び図１から、Ａｌ２Ｏ３の含有率が３０質量％以下であると、絶乾密度が１．７ｇ／ｃｍ３以下であり、得られた発泡粒体を高品質の軽量骨材として用い得ることがわかる。
【００２６】
【表１】
2004269302.tif 000003
【００２７】
【発明の効果】
本発明においては、３０質量％以下のＡｌ２Ｏ３を含む石炭ガス化スラグを原料としているため、絶乾密度が１．７ｇ／ｃｍ３程度以下に調整された軽量骨材を安定的に得ることができる。
そして、得られる軽量骨材は、絶乾密度が１．８ｇ／ｃｍ３を超えるものを含まないため、ＪＩＳ  Ａ  ５００２「構造用軽量コンクリート骨材」に規定されている区分Ｍの範囲内に確実に収まり、それゆえ、絶乾密度の高い粒体を一部選別して廃棄処分にする作業を行なわずに、高品質の軽量骨材として市販することができる。
また、得られる軽量骨材は、石炭ガス化複合発電等における石炭ガス化炉から排出される石炭ガス化スラグを原料としているため、従来は廃棄物として処理されることの多かった石炭ガス化スラグの再資源化を図ることができ、廃棄物処理問題の軽減に寄与することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】Ａｌ２Ｏ３の含有率（質量％）と絶乾密度（ｇ／ｃｍ３）の関係を示すグラフである。
【図１】
2004269302.tif 000004