(57)【要約】【課題】主として石炭灰フライアッシュを主原料とし、ロータリーキルンによる造粒・焼成型の人工骨材の製造方法であって、石炭灰フライアッシュに含まれる未燃焼の炭質物の効率的な燃焼と、高温における溶融付着による製品歩留まりの低下を軽減させる。【解決手段】２基のロータリーキルンを直列に配置し、１番目のロータリーキルンで加熱処理後の被加熱物を、直ちに２番目のロータリーキルンに投入して更に加熱処理することを特徴とする石炭灰を主原料とする人工骨材の製造方法である。【特許請求の範囲】
【請求項１】
石炭灰を主原料とする高密度人工骨材の製造方法であって、２基のロータリーキルンを直列に配置し、１番目のロータリーキルンで加熱処理後の被加熱物を、２番目のロータリーキルンで更に加熱処理することを特徴とする人工骨材の製造方法。
【請求項２】
２番目のロータリーキルンの回転数が、１番目のロータリーキルンの回転数より大であり、且つ２番目のロータリーキルンの内径が、１番目ロータリーキルンの内径とほぼ同じか、これより大であることを特徴とする請求項１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】
本発明はロータリーキルンによる高密度人工骨材の製造方法に関し、より詳しくは石炭灰を原料とし、製品歩留まりを改善した高密度人工骨材の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
石炭灰は微粉炭を燃料とする火力発電所において年間５００万トン程度発生している。安全性に課題をかかえる原子力発電の普及が遅延していることから、石炭灰の発生量は今後も増えつづけることが予想されている。
【０００３】
石炭灰の有望な処理用途としてコンクリート用の高密度人工骨材がある。しかし、この製造は、品質の安定した製品の歩留まりが低いので、大量生産が確立していないのが実状である。特許文献１には、未燃焼の炭質物を燃焼除去した石炭灰を、酸素濃度が５体積％以下の雰囲気で焼成することにより発泡を抑制した高密度人工骨材を製造することを特徴とする人工骨材の製造方法が記載されている。しかし、燃焼除去という工程とキルン雰囲気調整が必要という難点があった。また、このような燃焼除去と雰囲気調整をおこなわない場合は、単一のロータリーキルンを用いた方法では、製品歩留まりの点で不十分であった。
【０００４】
【特許文献１】
特開平８−２５９２９２号公報
【０００５】
一般に、高密度人工骨材の造粒・焼成型製造方法は、石炭灰に成形補助材、成分調整材を添加して混合し、パン型ペレタイザーなどを用いて水を添加しながら球形状に造粒し、この造粒物（以下ペレットという。）を乾燥して単１のロータリーキルン内で１０００℃以上の温度で焼成し、冷却して人工骨材とするものである。
【０００６】
ところが、石炭灰を主原料とする従来の高密度人工骨材の製造には、原料となる石炭灰に含まれている未燃焼の炭質物（以下未燃炭という。）の含有率のばらつきが大きく、品質の安定化を妨げている。
【０００７】
造粒した石炭灰のペレットをロータリーキルンへ供給すると、キルン内を通過する高温の燃焼排ガスとの熱交換によりペレット自身の温度が上昇する。この温度上昇にともない、ペレット中の未燃炭はペレットの表面から中心に向って燃焼し消失していく。この未燃炭の燃焼反応はペレットを介して起こる気固反応であり、未燃炭の燃焼の終了は、ペレット径、ペレット中の未燃炭の濃度、キルン内の燃焼排ガス中の酸素濃度およびペレット中の酸素の拡散定数によって決定される。未燃炭の燃焼消失がペレットの中心まで十分に到達しないうちに、ペレットのマトリックス部分が液相を形成する温度に到達してしまうと、未燃炭の燃焼によって発生したガスがペレットの外部へ拡散することができずペレットの内部に閉じ込められてしまう。すると、ペレットが加熱途中で割れたり局部的な発泡を起こすなどによって良品質の高密度人工骨材とはなり得ず、製品の回収率が大幅に低下してしまう。
【０００８】
更に、高強度かつ低吸水率の高密度人工骨材とするためには十分な緻密化が必要であり、その緻密化のためには十分な液相の形成が必要である。豊富な液相の形成はすなわち個々のペレットが粘性を帯びることを意味しており、その結果ペレット同士が付着してしまういわゆる融着のトラブルを招くことである。付着したペレットはコンクリート用人工骨材として好ましくないので不良品となり製品歩留まりの低下につながる。
【０００９】
前者の未燃炭の燃焼にともなう問題に対しては、ペレットのマトリックス部が液相を形成する温度よりも低温部でのキルン内滞留時間を長くする、すなわちロータリーキルンの回転数を遅くする方法を採用している。ところが回転数を遅くしても、未燃炭の燃焼が継続しているペレットと液相を形成する焼成温度領域に到達しているペレットが混在する結果、時間を長くすることは、既に液相形成を開始していてペレットの受熱量が増加するため過度の液相の形成を促進することになる。この液相形成の促進によりペレット同士が融着するトラブルを助長させることになる。その結果製品の回収率の低下につながる。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は石炭灰フライアッシュを主原料とする高密度人工骨材化の製造技術において、ロータリーキルンを用いた焼成工程で効率的な未燃炭の燃焼および融着トラブルの防止により高回収率で高密度人工骨材を製造でき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】
この発明に係る課題を解決するための手段は、２基のロータリーキルンを直列に配置し、１番目のロータリーキルンで加熱処理後の被加熱物を、直ちに２番目のロータリーキルンに投入して更に加熱処理することを特徴とする石炭灰を主原料とする高密度人工骨材の製造方法である。更に、２番目のロータリーキルンの回転数が、１番目のロータリーキルンの回転数より大であり、且つ２番目のロータリーキルンの内径が、１番目のロータリーキルンの内径とほぼ同じか、これより大であることを特徴とする２基のロータリーキルンを直列に配置し、１番目のロータリーキルンで加熱処理後の被加熱物を、更に２番目のロータリーキルンに投入して更に加熱処理することを特徴とする石炭灰を主原料とする高密度人工骨材の製造方法である。
【００１２】
また、直列且つ連続して配置された二つのローター部をもち、各ローター部が異なる回転数で可動され、バーナー部分を共通とすることを特徴とする人工骨材製造用ロータリーキルンによって良好な人工骨材が得られる。また、直列且つ連続して配置された二つのローター部をもち、各ローター部が異なる回転数で可動され、各ローター部分を外熱ヒーター又はバーナーでそれぞれ加熱することを特徴とする人工骨材製造用ロータリーキルンによっても良好な人工骨材が得られる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
火力発電所の集塵設備で回収された石炭灰フライアッシュは、人工骨材の製造施設まで輸送されサイロに一時保管される。続いてエアーブレンディングタンク内で化学組成を調整するためのシリカ（ＳｉＯ２）、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）、カルシア（ＣａＯ）などを含む他の材料、粘結性を付与するための粘土などの成形補助剤を添加し、更に必要に応じて成形性を付与するための乾式添加剤を空気混合する。
【００１４】
この混合原料に、必要に応じて成形性を付与するための添加剤を添加し、その一定量を切り出しながらパン型ペレタイザー等へ供給し、水を添加して任意の粒径のペレットとするが、直径１０ｍｍないしは３０ｍｍの粒状ペレットとすることが望ましい。成形手段はパン型ペレタイザーに限定されず、混合原料に水を添加して混練した後、出口部に切断手段を設備した押し出し成形なども採用することができる。
【００１５】
造粒されたペレットは、そのままあるいは乾燥した後、一定速度で第１番目のロータリーキルンへ供給される。該ロータリーキルンへ供給されたペレットは、該ロータリーキルン内を低温部から高温部へ向かって移動していくが、まずペレット内部の自由水分の脱水が起こり、ペレットの内部で液相の形成が開始する８００℃ないしは９００℃程度までの温度の間は、ペレット内部の未燃炭の燃焼反応が起こる。
【００１６】
第１番目のロータリーキルンへ供給されたペレットはロータリーキルン内を低温部から高温部へ向かってキルンの回転にともなって転動しながら移動していくが、この間ペレットの内部で液相の形成が開始する８００℃ないしは９００℃程度までは、ペレット同士が摩擦し、或いはペレットとキルンの内壁面とが摩擦する等によりペレットの表面が磨耗して擦り減っていく。
【００１７】
すり減り量が減少する温度は、石炭灰を原料とする骨材化の場合では、７００〜１０００℃程度である。ペレットの温度が８００℃ないしは９００℃程度となると、ペレット内部での液相生成量が増加するとともに収縮が起こりペレットの強度が発現するようになる。
【００１８】
ペレット中の未燃炭の燃焼は、ペレット内部での液相生成量が増加する上記温度にペレットが到達するまでに完結させることが望ましく、ペレットが高温のキルン内に十分な時間滞留することが必要である。
【００１９】
一方、ペレットの焼結の工程ではペレットの内部に豊富な液相が形成されているので、ペレット同士が付着するいわゆる融着のトラブルが生じやすい環境となっている。これを低減させるためには焼結過程のペレットの滞留時間を短くすることが効果的である。よって、ペレット中の未燃炭の燃焼反応を完結させる過程およびペレット自身が強度を発現するまでの加熱過程を第１のロータリーキルンで行い、ペレットの高密度化を達成する焼結工程を第二のロータリーキルンで行うことが必要となる。
【００２０】
第１のロータリーキルンの回転数は、ペレットが第１のロータリーキルン内で４００℃から１０００℃の温度領域で２５分以上滞留するように設定される。
【００２１】
その後ペレットの温度を低下させることなく第２のロータリーキルンへ連続的に供給され、１１００℃ないしは１４００℃の温度範囲内で焼成されて、十分な緻密化が達せられる。第２のロータリーキルンの回転数は、第１のロータリーキルンの回転数より大きくすることが望ましい。この回転数は、ペレットが第２キルン内の最高温度部分に到達した後最高温度を５０℃下回る温度となるまでの温度範囲を１０分未満で通過するように設定することがより好ましい。また、第２のキルン内径は、第１のキルン内径とほぼ同じであるか、これより大き目に設定設定するとペレットの移動が円滑に進み好適に発明が実施できる。
【００２２】
【実施例】
本発明に係る石炭灰フライアッシュを原料とする人工骨材の製造方法について、実施例および比較例にもとづいて更に詳述する。
【００２３】
第１番目のロータリーキルンとして、レンガ内径１．３ｍ、全長１５ｍのものを、第２番目のロータリーキルンとして、同じくレンガ内径１．３ｍ、全長５ｍのものを設置し、両者を直列に配置した。第１のロータリーキルンによって、原料のペレットの乾燥工程、未燃炭の燃焼および仮焼工程の一部を行い、第２のロータリーキルンによって原料のペレットの焼結工程を行う。第２のロータリーキルンの出口側に重油を燃料とするバーナーを設置した。焼成する人工骨材の種類、主原料の種類によって、第１のロータリーキルン内は、１００〜１１００℃に、第２のロータリーキルン内は、８００〜１４００℃に制御した。
【００２４】
実施例１：実施例１では中国炭を燃料としている火力発電所から排出された石炭灰を使用した。この石炭灰に成形補助剤として中国産ベントナイトを内割りで５重量％添加し空気噴流型混合機で混合した。この混合原料をパグミル内で調湿しパン型ペレタイザーで約２０ｍｍの粒状のペレットとした。乾燥後のペレット中の未燃炭含有率は約４．９重量％であった。またこのペレットを最も緻密化させる加熱温度は約１２２０℃であった。
【００２５】
造粒後乾燥処理を行ったペレットを保管・供給施設に一時貯蔵し、この保管供給施設よりペレットを時間１トンの割合で定量切り出して第一のロータリーキルンへ供給した。第１のロータリーキルンの入口側を通過するキルン燃焼排ガスの温度はおよそ６４０℃であった。第１のロータリーキルンの回転数は３０ｒｐｈとした。第１のロータリーキルンと第２のロータリーキルンとの間に設備した試料採取孔から、加熱途上のペレットを採取し冷却後に未燃炭の含有率を測定したところ０．７％程度まで未燃炭の燃焼が進行していた。
【００２６】
第１のロータリーキルンを通過したペレットをそのまま第２のロータリーキルンへ連続的に供給し、最高温度１２２０℃で焼成して高密度化よび低吸水率化を達成した。焼結工程のペレットの付着状況より、第２のロータリーキルンの回転数は１２０ｒｐｈとした。
【００２７】
得られた人工骨材は、コンクリート用の人工骨材として十分に使用可能な良品質であった。製品として回収した人工骨材の回収率、不良品の回収率、溶融固化物の生成率および集塵機で回収されたダスト発生率を、比較例とともに表１に整理するが、夫々７８％、４％、３％および１１％であった。
【００２８】
比較例１：比較例１は、第１のロータリーキルンと第２のロータリーキルンの回転数を６０ｒｐｈで一致させた点を除き実施例と同一の手順に従った。
【００２９】
造粒後乾燥処理を行ったペレットを保管・供給施設に一時貯蔵し、この保管供給施設よりペレットを時間１トンの割合で定量切り出して第１のロータリーキルンへ供給した。第１のロータリーキルンと第２のロータリーキルンとの間に設備した試料採取孔から、加熱途上のペレットを採取し冷却後に未燃炭の含有率を測定したところ１．５８％程度であり、ペレットの内部には黒色で未燃炭の燃焼が完了していない中心核が残留している様子が確認できた。
【００３０】
第１のロータリーキルンを通過したペレットをそのまま第２のロータリーキルンへ連続的に供給し、実施例と同じく最高温度１２２０℃で焼成したが、第２のロータリーキルンより排出された人工骨材には、局部的に大きく発泡したものや、表面にひび割れを生じているもの、割れたものなどが多数含まれていた。
【００３１】
製品として回収した人工骨材の回収率、不良品の回収率、溶融固化物の生成率および集塵機で回収されたダスト発生率は、夫々６７％、１２％、１２％および６％であり、実施例と比較して良品回収率が約１１％低下した。又、溶融粒状物の回収率が９％増加した。
【００３２】
比較例２：比較例２は、第１のロータリーキルンと第２のロータリーキルンの回転数を３０ｒｐｈで一致させた点を除き実施例と同一の手順に従った。
【００３３】
この保管供給施設よりペレットを時間１トンの割合で定量切り出して第１のロータリーキルンへ供給した。第１のロータリーキルンと第２のロータリーキルンとの間に設備した試料採取孔から、加熱途上のペレットを採取し冷却後に未燃炭の含有率を測定したところ０．６％程度まで未燃炭の燃焼が進行していた。
【００３４】
第１のロータリーキルンを通過したペレットをそのまま第２のロータリーキルンへ連続的に供給し、最高温度１２２０℃で焼成して高密度化よび低吸水率化を達成した。
【００３５】第２のロータリーキルンより排出された人工骨材には、人工骨材同士が付着しているものが多数見受けられた。製品として回収した人工骨材の回収率、不良品の回収率、溶融固化物の生成率および集塵機で回収されたダスト発生率は、夫々５９％、６％、１８％および１３％であり、実施例と比較して溶融状物の回収率は３％から１８％へ増加し、良品の回収率が７８％から５９％へ大幅に減少した。表１に良品回収率等を示す。
【００３６】
【表１】
2004250302.tif 000002
【００３７】
【発明の効果】
従来例との比較において本発明が有する新たな効果を更に補足する。レンガ内径１．３ｍ、全長２０ｍ、傾斜０．０３の従来型のロータリーキルンを用い、直径およそ１４ｍｍに造粒したペレットを１ｔ／ｈでロータリーキルンへ供給し、最高温度１２２０℃で焼成して人工骨材を製造した。
【００３８】
造粒したペレット中の未燃炭の含有率は約５％である。ロータリーキルンを通過するペレットの温度は、キルン入口端部で６００℃、キルン入口端部より１５ｍの位置で１０００℃、１７ｍの位置で最高温度の１２２０℃、排出端部で１１００℃を仮定する。  ロータリーキルン内を移動するペレットの平均移動速度は次式で表される。
2004250302.tif 000003
【００３９】
よって、キルンの回転数が１ｒｐｍおよび０．５ｒｐｍのときのキルン通過時間はそれぞれ９７分および１９５分、ペレットの平均移動速度はそれぞれ１２．３ｍ／ｈおよび６．２ｍ／ｈとなる。
未燃炭の酸化反応に重要な６００℃から１０００℃までの所要時間および１０００℃における未燃炭の残留濃度、緻密化過程におけるペレット同士の融着に重要な最高温度１２２０℃から１１７０℃までの所要時間を表２に整理する。
【００４０】
【表２】
2004250302.tif 000004
【００４１】
キルンの回転数が１ｒｐｍのとき、６００℃から１０００℃までの所要時間は７３分であり、未燃炭を酸化燃焼させるための反応時間として不十分であり、１０００℃のペレット中約１．５％の未燃炭が残留した。１２２０℃から１１７０℃の間の通過時間は約６分で融着は軽減されるが、製品ペレット中０．５２％もの未燃炭が残り、低吸水率かつ高強度の人工骨材を得ることができない。
【００４２】
一方、キルンの回転数が０．５ｒｐｍのとき、６００℃から１０００℃までの所要時間は１４６分となり十分な酸化反応時間を与えることができるので、１０００℃のペレット中未燃炭の残留率は０．７８％まで低下した。ところが１２２０℃から１１７０℃の間の通過時間が約１２分となり、この間での受熱量が増加するためペレット同士の融着が助長され、製品回収率の低下した。
【００４３】
このように従来の単一のロータリーキルンによる人工骨材の製造では、未燃炭の酸化燃焼過程とペレット同士の融着が起こる緻密化過程におけるペレットの移動速度を変化させることができない。速い回転数による焼成では、融着は軽減されるが未燃炭の燃焼が不十分となる。遅い回転数による焼成では、未燃炭の燃焼が達せられる反面融着が起こり易い。
【００４４】
従来の単一のロータリーキルンを用いる造粒・焼成型の人工骨材の製造では、ペレット中の未燃炭の燃焼を十分に行うことを目的としてキルンの回転数を遅くする（滞留時間を長くする）と焼結工程での融着トラブルが増加し、融着トラブルを抑制しようとしてキルンの回転数を速くする（滞留時間を短く）と未燃炭の燃焼が不十分となり不良品の発生率が増加するという相反する課題があった。
【００４５】
本発明によれば、未燃炭の燃焼過程とペレットの焼結過程の滞留時間を違えることができるので、未燃炭の十分な燃焼消失と融着の抑制とが同時に達成でき石炭灰フライアッシュを主原料とする人工骨材を高回収率で製造することができる。