(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
石炭ガス化炉において生じたケイ酸分の含有率が４０％以上で、鉄分(酸化鉄換算)の含有率が５％以下の溶融スラグを粉砕してなる平均粒径が８〜２０μｍのスラグ粉砕物に、発泡剤を加えることなく、ベントナイトを加えて造粒した後に、８２５〜１２００℃で焼成し、発泡させてなる人工軽量骨材であって、絶乾比重が１．１〜２．０で、圧壊荷重が１２００Ｎ以上であることを特徴とする人工軽量骨材。
【請求項２】
絶乾比重が１．５〜２．０、２４時間吸水率が９．０％以下、および圧壊荷重が１５００Ｎ以上である請求項１に記載の人工軽量骨材。
【請求項３】
石炭ガス化炉において生じたケイ酸分の含有率が４０％以上で、鉄分(酸化鉄換算)の含有率が５％以下の溶融スラグを粉砕してなる平均粒径が８〜２０μｍのスラグ粉砕物に、発泡剤を加えることなく、ベントナイトを加えて造粒した後に、８２５〜１２００℃で焼成し、発泡させて、絶乾比重が１．１〜２．０で、圧壊荷重が１２００Ｎ以上である人工軽量骨材を得ることを特徴とする人工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、石炭ガス化炉において発生する溶融スラグを原料とした人工軽量骨材に関する。本発明によれば、石炭ガス化炉から発生する石炭灰分溶融スラグ（以下、単に溶融スラグと云う）の新規な用途が提供され、石炭ガス化システムの経済性を高めると共に好適な物性の人工軽量骨材を低コストで得ることができる。
【０００２】
【従来の技術】
石炭火力発電の発電効率を高める方法の一つとして石炭ガス化発電が知られている。この石炭ガス化炉は石炭を粉砕して空気または酸素と共に炉内に導入し、これを高圧下(20〜30気圧程度)でガス化し、発生したガスをガスタービンに導いて発電を行い、さらにその排ガスから熱を回収し、この熱で蒸気タービンを稼働して複合発電を行う方法である。
【０００３】
このガス化炉の一例では、内部が上側のリダクタ部と下側のコンバスタ部とに区分されており、下側のコンバスタ部に微粉炭と燃焼用空気、およびチャー(乾留残留物)を導入して燃焼させ、ガス化に必要な高温の反応熱(1500℃前後)を発生させると共に、石炭中の灰分を溶融スラグとして排出させ、発生した高温の反応熱を利用して上側のリダクタ部に導入した石炭粉を高圧下(約20〜30気圧)で乾留すると共にチャーをガス化し、生成したガスを発電系に供給する構造を有している。コンバスタ部で燃焼した微粉炭の灰分は高温下で溶融し、スラグとなって炉底のスラグホッパに落下し、水中で急冷された後に破砕されて系外に排出される。従来、溶融スラグは廃棄物として処理されているが、石炭の使用量と共に溶融スラグの量も増加するので、その有効な再利用が求められている。
【０００４】
一方、従来から軽量コンクリート材料として人工軽量骨材が用いられている。これまで知られている人工軽量発泡体の原料は真珠岩、黒曜石やシラスなどを粉砕したものであり、これを加熱焼成して発泡体にしている。また、この他に頁岩を破砕したものや、酸性火山岩、酸性火山岩噴出物を粉砕したものに、粘結材や発泡助材などを添加して造粒したものを焼成して発泡体を製造している。ところが、これらは何れも天然の岩石を粉砕するのでこのコストが嵩み、また、環境保全や資源の涸渇などの問題がある。
【０００５】
【発明の解決課題】
本発明はこれまで大部分を廃棄物として埋め立て処理していた石炭ガス化炉において生じた溶融スラグを人工軽量骨材として利用することを見出したものであり、溶融スラグの新規な用途を提供すると共に新規な原料によって製造した人工軽量骨材を提供するものである。石炭ガス化炉において生じた溶融スラグは、発泡性に優れるので良好な人工軽量骨材を容易に得ることができる。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
すなわち、本発明は、（１）石炭ガス化炉において生じたケイ酸分の含有率が４０％以上で、鉄分(酸化鉄換算)の含有率が５％以下の溶融スラグを粉砕してなる平均粒径が８〜２０μｍのスラグ粉砕物に、発泡剤を加えることなく、ベントナイトを加えて造粒した後に、８２５〜１２００℃で焼成し、発泡させてなる人工軽量骨材であって、絶乾比重が１．１〜２．０で、圧壊荷重が１２００Ｎ以上であることを特徴とする人工軽量骨材に関する。
【０００７】
本発明は、また、（２）絶乾比重が１．５〜２．０、２４時間吸水率が９．０％以下、および圧壊荷重が１５００Ｎ以上である前記（１）の人工軽量骨材、（３）石炭ガス化炉において生じたケイ酸分の含有率が４０％以上で、鉄分(酸化鉄換算)の含有率が５％以下の溶融スラグを粉砕してなる平均粒径が８〜２０μｍのスラグ粉砕物に、発泡剤を加えることなく、ベントナイトを加えて造粒した後に、８２５〜１２００℃で焼成し、発泡させて、絶乾比重が１．１〜２．０で、圧壊荷重が１２００Ｎ以上である人工軽量骨材を得ることを特徴とする人工軽量骨材の製造方法、に関する。
【０００８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を実施形態に基づいて詳細に説明する。なお、本発明において特に示さない限り％は質量％である。本発明の人工軽量骨材は、石炭ガス化炉において生じたケイ酸分の含有率が４０％以上で、鉄分(酸化鉄換算)の含有率が５％以下の溶融スラグを粉砕してなる平均粒径が８〜２０μｍのスラグ粉砕物に、発泡剤を加えることなく、ベントナイトを加えて造粒した後に、８２５〜１２００℃で焼成し、発泡させてなる人工軽量骨材であって、絶乾比重が１．１〜２．０で、圧壊荷重が１２００Ｎ以上であることを特徴とするものである。
【０００９】
先に述べたように、石炭火力発電の一種として石炭ガス化発電が試みられている。この石炭ガス化炉は１０気圧以上(20〜30気圧程度)の高圧および１２００〜１６００℃の高温下で微粉炭をガス化して溶融する。このガス化の際に、溶融した微粉炭の灰分(溶融灰分)が炉底に落下し、急冷されて溶融スラグとなる。このとき炉内は高圧下であるため溶融灰分中にはガス成分が溶解する。この溶融灰分は炉底の冷却ホッパに落下して急速に水冷されるので、内部のガス成分はそのまま溶融スラグ中に保持されている。また溶融スラグには未燃炭素粒子も捕獲されている。そのため、この溶融スラグを大気中で加熱すると、スラグ内部のガスが膨張し、また未燃炭素粒子が燃焼するのでスラグが発泡して軽量化する。そこで、本発明はこの溶融スラグを人工軽量骨材の原料として用いる。
【００１０】
一般に石炭は産地によってケイ酸分や鉄分の含有量が異なり、石炭ガス化炉には種々の産地の石炭粉が用いられるが、そのケイ酸分や鉄分等の含有量によって発泡性や焼成の程度が異なるので、目的の人工軽量骨材の物性に応じて石炭種による溶融スラグを選択し、あるいは複数の石炭種の溶融スラグを混合して調整すると良い。また、石炭ガス化炉では石炭種に応じて酸化カルシウムなどのフラックスを添加してガス化が行われるが、本発明において用いる溶融スラグはこのフラックスを含むものでも良い。一般に、この溶融スラグには５〜３０％程度の酸化カルシウムが含まれている。
【００１１】
（Ｉ）原料の調製
石炭ガス化炉の溶融スラグは水冷後、破砕して排出されるが、人工軽量骨材の原料として用いるものは目的の粒度に応じたものを分別し、あるいは目的の粒度に粉砕して用いる。具体的には、平均粒径８〜２０μｍ程度に粉砕して用いる。これに結合材を加え、さらに必要に応じて、造粒助剤を加える。結合材としてはベントナイトを用いることができる。また、造粒助剤としてはリグニンを用いることもできる。溶融スラグの種類にもよるがベントナイトおよびリグニンのような界面活性剤の添加量は概ね１０％以下、通常は５％以下程度である。発泡剤は、添加しなくても良い。なお、実施例に示すように、絶乾比重１.５以下および吸水率５％以下の焼成物(人工軽量骨材)を得るには、鉄分(酸化鉄換算量)が５％以下であってケイ酸分４０％以上の溶融スラグが好ましい。
【００１２】
（II）ペレットの造粒
溶融スラグの粉砕物（スラグ粉砕物）に、結合材であるベントナイトを加えて混合し、これに水および造粒助剤(リグニン等)を添加して均一に混練して造粒し、ペレットにする。造粒手段は限定されない。パン型造粒機を用いても良く、プレス成形、ローラプレス成形、あるいは押し出し造粒でも良い。粒径は目的の人工軽量骨材の粒径に従う。粒径５〜２０mm程度の粗骨材、あるいは粒径５mm以下の細骨材の大きさなど適宜の粒径に造粒すれば良い。
【００１３】
(III)焼成処理
造粒したペレットを乾燥し、脱水した後に焼成炉に入れて焼成する。焼成パターンとしては、例えば、４００℃に加熱した後に、９５０〜１１５０℃の焼成温度まで６分間で加熱し、この焼成温度を３分間保持した後に、１０分間で６００℃まで温度を下げ、その後、室温まで強制冷却あるいは自然冷却させる。焼成手段は限定されない。ロータリーキルンや流動焼成炉など各種の焼成手段を用いることができる。また、焼成処理はバッチ処理でも良く、連続処理でも良い。
【００１４】
(IV)焼成ペレット[人工軽量骨材]
上記焼成処理により、低吸水率の人工軽量骨材を得ることができる。これらの焼成ペレットの絶乾比重は概ね２.０以下であり、好ましくは１.５以下である。また、２４時間吸水率(便宜上、単に吸水率と云う場合がある)は９.０％以下、好ましくは５％以下である。圧壊荷重は絶乾比重によって異なるが、絶乾比重１.５〜２.０のレベルにおいて約１５００Ｎ以上、絶乾比重１.５以下のレベルにおいて約１２００Ｎ以上の圧壊荷重を有する高強度人工軽量骨材を得ることができる。
【００１５】
【実施例】
以下、実施例によって本発明を具体的に示す。
【００１６】
表１に示す石炭ガス化スラグＡ〜Ｆを用い、これを平均粒径１２μmに粉砕した後に、このスラグ粉砕物９５.０％に、結合材(ベントナイト)５.０％および発泡剤(ＳiＣ)０〜０.２％を加えて混合し、さらに造粒助剤(リグニン)５.０％と水を加え、均一に混練して柔らかい可塑体にした。これを小さい塊に切り取り、丸めて粒径約１１mmの球体のペレットにした。この球状ペレットを乾燥機に入れて１１０℃で１２時間乾燥した後に、焼成炉に移し、４００℃に加熱した後に、おのおの６分間で表２に示す焼成温度まで加熱して発泡させ、この焼成温度を３分間保持した後に１０分間で６００℃まで温度を下げ、その後、室温まで自然冷却させた。得られた焼成物の絶乾比重、２４時間吸水率、および圧壊荷重を測定した。この結果を既存の人工軽量骨材(絶乾比重11.1〜1.5、絶乾比重1.5〜2.0)と対比して表２に示した。また、各々のスラグについて、焼成温度および時間と吸水率、絶乾比重の関係を図１〜図１１に示した。さらに、スラグＢ〜Ｆについて、乾燥ペレットを焼成したものの内部を図１２(写真)に示した。なお、絶乾比重および２４時間吸水率は規格(JIS A 1135)に従って測定し、圧壊荷重は載荷速度０.５mm/minの条件下で測定した。
【００１７】
この結果に示すように、何れのスラグについても絶乾比重２.０以下の人工軽量骨材が得られた。このうち絶乾比重１.５〜２.０のレベルでは、スラグＥを除き、ＳｉＣを含有しないスラグＡ、Ｂ、Ｃ、Ｄ、Ｆについて吸水率９.０％以下の人工軽量骨材が得られ、一部を除き大部分の圧壊荷重は１５００Ｎ以上であり、２０００Ｎ〜３０００Ｎのものも含まれている。またＳｉＣを混合したスラグＣ'、Ｄ'、Ｆ'を用いたものにも吸水率９.０％以下、圧壊荷重は１５００Ｎ以上のものが多く含まれている。なお、スラグＤは鉄分の含有量がやや多いので、他のスラグＡ、Ｂ、Ｃ、Ｆに比べて圧壊荷重の下限がやや低い傾向が見られる。
【００１８】
絶乾比重１.１〜１.５のレベルでは、スラグＡについて、吸水率５％以下および圧壊荷重２６００Ｎ以上の高強度低吸水率の人工軽量骨材が得られた。また、スラグＦの一部について、吸水率５％以下、かつ圧壊荷重１２００Ｎ以上の人工軽量骨材が得られた。このように、一部のスラグを除き、石炭ガス化炉のスラグを用いることにより、吸水率および強度(圧壊荷重)について既存の人工軽量骨材と遜色ないものを得ることができる。なお、図１２に示すように、焼成したペレットの内部には多数の気泡が観察され、絶乾比重の小さいものほど気泡の数が多い。
【００１９】
【表１】
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【００２０】
【表２】
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【００２１】
【発明の効果】
本発明によれば、石炭ガス化炉から排出される溶融スラグを原料として人工軽量骨材を得ることができる。この溶融スラグはその大部分が従来は廃棄物として埋め立て処理されていたものであり、本発明によれば、これを有効利用する新規な用途が提供される。また、この結果、石炭ガス化炉の経済性を高めることができる。さらに、従来は真珠岩などの発泡性岩石粉などを原料として人工軽量骨材を製造しているが、廃棄処理されていた溶融スラグを原料として用いることにより、人工軽量骨材の製造コストを低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  スラグＡの焼成による絶乾比重、吸水率および圧壊荷重の変化を示すグラフ。
【図２】  スラグＢの焼成による絶乾比重と吸水率の変化を示すグラフ。
【図３】  スラグＣの焼成による絶乾比重と吸水率の変化を示すグラフ。
【図４】  スラグＤの焼成による絶乾比重と吸水率の変化を示すグラフ。
【図５】  スラグＥの焼成による絶乾比重と吸水率の変化を示すグラフ。
【図６】  スラグＦの焼成による絶乾比重と吸水率の変化を示すグラフ。
【図７】  スラグＢの焼成による絶乾比重と圧壊荷重の変化を示すグラフ。
【図８】  スラグＣの焼成による絶乾比重と圧壊荷重の変化を示すグラフ。
【図９】  スラグＤの焼成による絶乾比重と圧壊荷重の変化を示すグラフ。
【図１０】スラグＥの焼成による絶乾比重と圧壊荷重の変化を示すグラフ。
【図１１】スラグＦの焼成による絶乾比重と圧壊荷重の変化を示すグラフ。
【図１２】スラグＢ〜Ｆを原料とするペレットを焼成した後の外観および内部状態を示す写真。
【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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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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