(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
一般産業用微粉炭ボイラー灰であって、未燃炭を含む石炭灰を分級して、粒径１０μｍ以下の微粒子の占める重量割合が１５％以下である粗粉とし、この粗粉を造粒物とし、この造粒物を自燃焼成して絶乾比重が１．２５以下の軽量骨材とする人工軽量骨材の製造方法。
【請求項２】
微粉炭ボイラー灰であって、未燃炭を含む石炭灰を分級して、粒径１０μｍ以下の微粒子の占める重量割合が１５％以下である粗粉とし、この粗粉１００重量部に対して４０重量部以下の廃棄物系低比重剤を添加して混合し、この混合物を造粒物とし、この造粒物を自燃焼成して絶乾比重が１．２５以下の軽量骨材とする人工軽量骨材の製造方法。
【請求項３】
前記廃棄物系低比重剤として、流動床ボイラー灰、下水汚泥焼却灰、建設泥土、重油灰の少なくとも何れか１つの廃棄物であって残留炭素を含むものを用いる請求項２に記載の人工軽量骨材の製造方法。
【請求項４】
微粉炭ボイラー灰であって、未燃炭を含む石炭灰を分級して、粒径１０μｍ以下の微粒子の占める重量割合が１５％以下である粗粉とし、この粗粉１００重量部に対して２０重量部以下の発泡化剤を添加して混合し、この混合物を造粒物とし、この造粒物を自燃焼成して絶乾比重が１．２５以下の軽量骨材とする人工軽量骨材の製造方法。
【請求項５】
前記発泡化剤としてパーライト、シラス、ゼオライト等の発泡性を有する鉱物および石膏の少なくとも何れか１つを用いる請求項４に記載の人工軽量骨材の製造方法。
【請求項６】
微粉炭ボイラー灰であって、未燃炭を含む石炭灰を分級して、粒径１０μｍ以下の微粒子の占める重量割合が１５％以下である粗粉とし、この粗粉１００重量部に対して４０重量部以下の廃棄物系低比重剤を添加するとともに、前記粗粉１００重量部に対して２０重量部以下の発泡化剤を添加して混合し、この混合物を造粒物とし、この造粒物を自燃焼成して絶乾比重が１．２５以下の軽量骨材とすることを特徴とする人工軽量骨材の製造方法。
【請求項７】
前記廃棄物系低比重剤として、流動床ボイラー灰、下水汚泥焼却灰、建設泥土の少なくとも何れか１つであって残留炭素を含むものを用い、前記発泡化剤としてパーライト、シラス、ゼオライト等の発泡性を有する鉱物および石膏の少なくとも何れか１つを用いる請求項６に記載の人工軽量骨材の製造方法。
【請求項８】
前記分級は、風選によるものである請求項１〜７のいずれかに記載の人工軽量骨材の製造方法
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明が属する技術分野】
本発明は石炭灰から、軽量コンクリートの骨材に適用される人工軽量骨材を製造する製造方法に関し、特には頁岩を原料とする人工軽量骨材よりも軽量な絶乾比重が１．２５以下の軽量骨材の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
石炭焚ボイラから排出される石炭灰の有効利用技術の一つとして軽量コンクリートの骨材に適用される人工軽量骨材を製造する方法が実用化されている。この石炭灰を利用した人工軽量骨材の製造方法は、石炭灰に水を混合し、パン型ペレタイザを用いて粒径５〜１５mmの生ペレットを造粒し、これを焼成して絶乾比重が１．３０〜１．３８の製品骨材を製造している。
【０００３】
ところで、人工軽量骨材（粗骨材）はＪＩＳ−Ａ５００２に規定されており、軽量化の指標となる絶乾比重はＭ種で１．０〜１．５に設定されている。しかし、現在、市販されている人工軽量骨材の主体は頁岩を原料とするもので、その絶乾比重は１．２７〜１．３５であるため、石炭灰から製造する人工軽量骨材は頁岩を原料とするもの以上の品質が要求され、とりわけ、絶乾比重が重視されている。
【０００４】
頁岩を原料とする人工軽量骨材は外部から加熱することにより頁岩内部の有機物が燃焼して発泡する現象を利用して製造される。これに対して、石炭灰を原料とする場合は、灰中に含有される未燃カーボン分の消失とブレーン比表面積の規定による空隙により軽量化を図っている。
【０００５】
例えば、特開昭６２−２５６７４６号公報によると、ブレーン比表面積が２０００〜３８００ｃｍ2 ／ｇである粗粉が８０％以上である原料を用い、焼成条件を適切にすると、絶乾比重が１．２３〜１．３６である人工軽量骨材が得られると報告している。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、特開昭６２−２５６７４６号公報のブレーン比表面積の制御で得られる人工軽量骨材の絶乾比重は１．３０前後であって、絶乾比重が全ての製品で１．２５以下のものを得ることは極めて困難であった。
【０００７】
そこで、特開平７−２３２９４２号公報によると、空洞形成材又は空洞形成材と石炭灰の混合物を造粒核とし、その表層に好ましくはブレーン比表面積４０００ｃｍ2 ／ｇ以上の石炭灰を被覆した２層造粒物を焼結し、ブレーン比表面積が大きな細粒であっても、比重が低い範囲にシフトした絶乾比重１．１０〜１．３５の人工軽量骨材が得られることを報告している。しかしながら、２層造粒物とするための工程が複雑になる。また、特開平７−２３２９４２号公報によると、ブレーン比表面積４０００ｃｍ2 ／ｇ以上の石炭灰８０重量％を含有する細粉原料を用い、ロータリーキルンを用いる特殊焼成によると、比重が低い範囲にシフトした絶乾比重１．１０〜１．３５の人工軽量骨材が得られることを報告している。しかしながら、ロータリーキルンによる焼成は、水平方向に移動する火格子を用いる通常の自燃焼成に比較して消費燃料が多くなる。
【０００８】
本発明は、確実に絶乾比重を１．２５以下にするために、何が必要かを実験研究するなかでなされたものであり、石炭灰の分級において、ブレーン比表面積制御ではなく、特定粒径の細粒の占める割合を制御する粒径制御が重要であるという知見を得て本発明を完成したものである。
【０００９】
そして、本発明は、石炭灰を原料とした場合に頁岩を原料とする人工軽量骨材よりも軽量な、絶乾比重が１．２５以下の人工軽量骨材を簡単且つ確実に製造する方法を提供することを目的としている。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成する請求項１の発明は、一般産業用微粉炭ボイラー灰であって、未燃炭を含む石炭灰を分級して、粒径１０μｍ以下の微粒子の占める重量割合が１５％以下である粗粉とし、この粗粉を造粒物とし、この造粒物を自燃焼成して絶乾比重が１．２５以下の軽量骨材とする人工軽量骨材の製造方法である。また、微粉炭ボイラー灰であって、未燃炭を含む石炭灰を分級して、粒径１０μｍ以下の微粒子の占める重量割合が１５％以下である粗粉とし、この粗粉１００重量部に対して４０重量部以下の廃棄物系低比重剤を添加して混合し、この混合物を造粒物とし、この造粒物を自燃焼成して絶乾比重が１．２５以下の軽量骨材とする人工軽量骨材の製造方法である（請求項２）。請求項２において、前記廃棄物系低比重剤として、流動床ボイラー灰、下水汚泥焼却灰、建設泥土、重油灰の少なくとも何れか１つの廃棄物であって残留炭素を含むものを用いる（請求項３）。また、微粉炭ボイラー灰であって、未燃炭を含む石炭灰を分級して、粒径１０μｍ以下の微粒子の占める重量割合が１５％以下である粗粉とし、この粗粉１００重量部に対して２０重量部以下の発泡化剤を添加して混合し、この混合物を造粒物とし、この造粒物を自燃焼成して絶乾比重が１．２５以下の軽量骨材とする人工軽量骨材の製造方法である（請求項４）。請求項４において、前記発泡化剤としてパーライト、シラス、ゼオライト等の発泡性を有する鉱物および石膏の少なくとも何れか１つを用いる（請求項５）。また、微粉炭ボイラー灰であって、未燃炭を含む石炭灰を分級して、粒径１０μｍ以下の微粒子の占める重量割合が１５％以下である粗粉とし、この粗粉１００重量部に対して４０重量部以下の廃棄物系低比重剤を添加するとともに、前記粗粉に対して２０重量部以下の発泡化剤を添加して混合し、この混合物を造粒物とし、この造粒物を自燃焼成して絶乾比重が１．２５以下の軽量骨材とすることを特徴とする人工軽量骨材の製造方法である（請求項６）。請求項６において、前記廃棄物系低比重剤として、流動床ボイラー灰、下水汚泥焼却灰、建設泥土の少なくとも何れか１つであって残留炭素を含むものを用い、前記発泡化剤としてパーライト、シラス、ゼオライト等の発泡性を有する鉱物および石膏の少なくとも何れか１つを用いる（請求項７）。なお、請求項１〜７のいずれかにおいて、前記分級は、風選によるものである（請求項８）。
【００１１】
石炭灰の分級に際して、粒径10μｍ以下の微粒子に着目したのは、粗粉中の細粉が多いと、細粉が粗粉の間に入り込んで、空隙を埋めるからである。このように空隙を埋める細粉は、粒径10μｍ以下のものであるということを実験で確かめた。粒径10μｍ以内の細粉の量が絶乾比重に大きな影響を及ぼし、粒径10μｍを越える細粉の量を規定しても絶乾比重はそれほど変化しない。また、石炭灰を分級する際の分級効率は粒径10μｍを越えると粗粉回収効率が低下し、細粉と粗粉と分けられなくなるからである。特に石炭灰の場合、細粉はＪＩＳ灰として販売できるので、粗粉と細粉との選別比率は、５割±２割以内とするためには、粒径10μｍ以下の微粒子で分ける必要がある。
【００１２】
粒径10μｍ以下の微粒子を１５％以下としたのは、粗粉の間の空間を細粉が埋めるのを阻止して、絶乾比重の低下に寄与するためには、１５％以下にする必要があることを実験で確かめたからである。１５％以下、好ましくは１０％以下に制限すると、絶乾比重の低下が認められる。
【００１３】
粒径10μｍ以下の微粒子の占める重量割合が１５％以下である粗粉を得るための分級の仕方としては、空気分級機による風選を用いることができる。
【００１４】
ここで石炭灰とは、火力発電所微粉炭ボイラー灰や一般産業微粉炭ボイラー灰の如き微粉炭ボイラー灰である。この微粉炭ボイラー灰も種々の性状を有しており、ある微粉炭ボイラー灰は粒径制御だけで絶乾比重が１．２５以下になるが、他の微粉炭ボイラー灰は粒径制御だけでは絶乾比重が１．２５を越える場合がある。そのような場合には、焼成後の比重が石炭灰の比重より軽くなる低比重剤を石炭灰に混ぜて用いる。
【００１５】
低比重剤には、真比重または見掛比重が主原料である石炭灰よりも軽い物質あるいは燃焼して焼失する成分が含有されている物質であればなんでも用いられる。普通の低比重剤には、もみがら、おがくず、シュートくず、バカス、石炭粒、コークス粒、木炭粒、木屑、破砕紙が知られている。このような低比重剤が入手の安定性に欠けること、及び入手にコストが掛かることから、本発明では、廃棄物として埋め立て処分される流動床ボイラー灰、下水汚泥焼却灰、建設泥土、重油灰のいずれか一つ以上であって残留炭素を含むものを有効利用するものが好ましい。下水汚泥焼却灰は、下水処理場で発生する汚泥物を燃焼した際に発生する残留物であり、建設泥土は、建設および土木工事で発生する土砂を主体とする廃棄物である。流動床ボイラー灰は、流動床ボイラー灰で燃焼された石炭の残留物であり、重油灰は重油を燃焼した際に発生する残留物である。特に流動床ボイラー灰はそれ単独では軽量骨材にならず、石炭灰より残留炭素が多いことから、石炭灰を混ぜて絶乾比重を下げるのに適している。ただし、石炭灰１００重量部に混ぜる流動床ボイラー灰等の廃棄物系低比重剤は、４０重量部を限度として混合する。４０重量部を越えると、圧潰強度の低下によって焼成時の歩止まり率が悪化するとともに、絶乾比重の低下が少なくなるからである。
【００１６】
低比重剤に代わり、又は低比重剤に加えて、発泡化剤を混合して絶乾比重が１．２５以下を確保することもできる。発泡化剤としては、パーライト、シラス、ゼオライト等の発泡性を有する鉱物および石膏の少なくとも何れか１つ以上である。シラス、パーライト、ゼオライトは天然に産する鉱物であり、石膏は工業製品または脱硫工程で発生するもの、いずれを用いてもよい。発泡化剤は上記材料に限定されるものではなく、８００℃以上の高温域において発泡性を発現するものであればよい。ただし、石炭灰に混ぜる発泡化剤は、石炭灰又は石炭灰と低比重剤の１００重量部に対して２０重量部を限度とする。２０重量部を越えても、絶乾比重の低下が認められなくなるからである。
【００１７】
焼成には、水平方向に移動する火格子を用いる自燃焼成式の炉が使用される。熱効率に優れ、大量の人工軽量骨材が得られるからである。なお、前述した石炭灰、低比重剤、発泡化剤に加えて焼成時の自熱を補助するための燃料として微粉炭を加えることもできる。
【００１８】
【本発明の実施形態】
以下本発明方法に用いられるシステム例を図１に基づいて説明する。１１は分級機である。この分級機は回転体を有する構造であり、粉体の各粒子を回転させて各粒子に回転流による遠心力と空気流による抗力を与えることができるので、粗粒子は遠心力によって回転体の外へ飛ばし、微粒子は空気とともに回転体内部へ送り込み、両者を選別することができるものである。このような空気分級機を使用すると、石炭灰を粒径10μｍ以下の微粒子の占める重量割合が１５％以下である粗粉と、その他の細粉に分級することができる。
【００１９】
１，２，３，４はそれぞれ石炭灰、低比重剤、発泡化剤、微粉炭を収容するホッパーで、ホッパー１から石炭灰、必要に応じて、ホッパー２から低比重剤を、ホッパー３から発泡化剤を、ホッパー４から微粉炭を混練機５に供給する。混練機５で水５’を注水して石炭灰もしくは石炭灰と微粉炭、または、石炭灰と微粉炭および低比重剤と発泡化剤の少なくとも何れか一方との混合物を混練する。この混合物を解砕機６にて解砕した後、ベルトフィーダー７で一定量を供給しながら、パン型造粒機８で粒径 5〜15mmの生ペレットに造粒する。
【００２０】
ここで得られた生ペレットは、乾燥−着火−焼成−冷却工程を経て焼結が行われる。実際の運転では連続運転が行えるように、図１にあるように火格子を用いる自燃焼成式の直線型移動焼成機１２が用いられる。
【００２１】
この焼成機１２は、水平方向（図中矢印Ａ）に移動する無端状の火格子２１と、この火格子２１の上方に設けられる乾燥・予熱炉２２、着火炉２３、及び、焼結・保熱炉２４を有している。また、上端が火格子２１に向かって開口するウインドボックス２５が設けられ、このウインドボックス２５の下端は排気ダクト２６を通してブロアー２７の吸い込み側に連結されている。上記各炉２２，２３，２４には高熱空気を送り込む熱風管２８が接続されている。
【００２２】
上記構成の焼成機１２において、まず火格子２１の上に生ペレットを定量供給し、この生ペレットが火格子２１に伴って移動し、各炉２２，２３，２４を通過するときに、熱風管２８から高熱空気が供給され、これがブロアー２７により生ペレットの下方に向かって吸引される（図中矢印Ｂ）。なお、生ペレットの床用として焼結ペレットが敷かれる。そして、この高熱空気により焼成が行われる。詳しくは、乾燥・予熱炉２２により生ペレットの乾燥が行われ、次いで、着火炉２３で乾燥ペレット中の未燃炭が着火する。更に、焼結・保熱炉２４により乾燥ペレット中の未燃炭の燃焼が下方へ移行し、全体の焼結が完了し、焼結ペレットが形成される。焼結・保熱炉２４の下流は冷却ゾーン２９となっている。この冷却ゾーン２９では、ブロアー２７の吸い込み空気の一部を焼結ペレットの層中を下方（図中矢印Ｃ）に向かって通過させ、焼結ペレットを冷却する。冷却されたペレット塊は、シュート３０を経てクラッシャ３１に送り込まれて分離され、分離されたペレットは篩機３２で所定形状の製品ペレットにふるい分けられ、軽量骨材になる。
【００２３】
【実施例】
図８のフローにより、生ペレットを製造した。空気分級機を用いて分級した石炭灰をホッパ１に入れた。必要に応じて、ホッパ１から石炭灰、ホッパ２から低比重剤、ホッパ３から発泡化剤、ホッパ４から微粉炭を、混練機５に供給する。混練機５で水を注水して石炭灰もしくは石炭灰と微粉炭、または、石炭灰と微粉炭及び低比重剤及び発泡剤のいずれか一方と混合物を混練する。この混練物を解砕機６で解砕した後、ベルトフィーヒダー７で一定量を供給しながら、パン型造粒機８で粒径５〜１５ｍｍの生ペレットを造粒する。ここで得られた生ペレットを焼成鍋９に充填し、乾燥−着火−焼成−冷却工程を経て焼結を行う。この焼結に当たっては、焼成鍋９に前もって焼結ペレットを投入して５０ｍｍの厚みで敷きつめて床敷とし、ついでその上へ前記生ペレットを装填し、１５０〜３００ｍｍ厚さに充填する。そして、焼成鍋９の下方より吸引ブロワ１０から空気を吸引しつつ３００〜５００℃の熱風で乾燥後、造粒物表層を着火（着火温度９００〜１２００℃）させた後、２００〜３００℃の熱風を供給し焼結させると製品（人工軽量骨材）が得られる。なお、骨材物性の絶乾比重および吸水率はJIS-A-1135に、強熱減量はJIS-R-5202に、圧潰強度はJIS-M-8718に準じて評価した。
【００２４】
試験に使用した石炭灰等の原料の性状を表１に示す。一般産業微粉炭ボイラー灰であるＣｌ灰原粉および火力発電所微粉炭ボイラー灰であるＳｌ灰原粉を分級し、それぞれＣｌ灰粗粉、Ｃｌ灰細粉、Ｓｌ灰粗粉、Ｓｌ灰細粉を得た。また低比重剤として用いた流動床灰と下水汚泥焼却灰、又発泡化剤として用いたパーライトの性状も合わせて表１に示す。
【００２５】
【表１】
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【００２６】
まず、分級機における分級効率をＣ１灰原粉を使って調べた結果を図２に示す。図によると、１０μｍ以下の粒子の含有割合を例えば１０％と規定した場合、粗粉回収率は５７．５％となって、原粉の半分強が粗粉となり、原粉の半分弱が細粉となって、粗粉と細粉の割合が適切である事が判る。其れに対して２０μｍ以下の粒子の含有割合を例えば１０％と規定した場合や３０μｍ以下の粒子の含有割合を例えば１０％と規定した場合は、粗粉の回収率が低くなって、細粉の回収率が高くなり過ぎ、不適切であることが判る。
【００２７】
１０μｍ以下の粒子の含有割合と絶乾比重との関係を同じくＣ１灰原粉及びＳ１灰原粉を使って調べた結果を図３に示す。図によると、Ｃ１灰原粉及びＳ１灰原粉の両方において、絶乾比重の低下が認められるのは、１０μｍ以下の粒子の含有割合を１５％以下であり、特に１０％以下に於いて低下の割合が顕著である事が判る。
【００２８】
ただし、Ｓ１灰原粉では、粒度調整だけでは、絶乾比重が１．２５以下になっていない。そこで、低比重剤としての流動床ボイラー灰の添加による性状変化を調べた結果を図４に示す。１００重量部の石炭灰に対して、５重量部の流動床ボイラー灰を添加した。絶乾比重が０．０１低くなっており、圧潰強度の低下も見られない。絶乾比重１．２５以下とするためには、１５重量部程度の流動床ボイラー灰を混ぜると良いことが判る。
【００２９】
流動床ボイラー灰の有効利用の観点から、Ｃ１灰にどこまで流動床ボイラー灰を混合できるかを調べた結果を図５〜６に示す。図５によると、流動床ボイラー灰の添加率が約３０重量％（４０重量部）を越えると、歩止まり率が低下する事が判る。歩止まり率を低下させないためには、３０重量％を限度とすることが好ましい。図６によると、流動床ボイラー灰の添加率が４０重量％（６７重量部）を越えると、絶乾比重の低下が認められなくなる。以上の結果から、石炭灰１００重量部に対する流動床ボイラー灰の添加率は４０重量部以内が限度となる。
【００３０】
また、Ｓ１灰原粉に発泡化剤を添加した場合の絶乾比重の変化を調べた結果を図７に示す。発泡化剤としてパーライトを用いた。１００重量部の石炭灰に対してパーライトの添加量が１０重量部までは絶乾比重が低下している。ただし、パーライトの添加量が２０重量部を越えると、強度が低下する。なお、順調に絶乾比重が低下するのは８重量部までであり、好ましくは８重量部まで添加する。
【００３１】
以上の実験結果に基づき、好ましい配合の具体例を実施例１を比較例１と対比して以下に説明する。
【００３２】
（実施例１）
原料条件は、〔Ｃ１灰（微粉炭ボイラー灰）６０重量％＋流動床ボイラー灰１０重量％＋下水汚泥焼却灰３０重量％〕の１００重量部に対して＋パーライト３重量部の添加したものである。圧潰強度７６．３ｋｇ／Ｐ、絶乾比重１．２１、強熱減量０．２５％であった。
【００３３】
（比較例）
原料条件は、〔Ｃ１灰（微粉炭ボイラー灰）４０重量％＋流動床ボイラー灰３０重量％＋下水汚泥焼却灰３０重量％〕の１００重量部に対して＋パーライト２０重量部の添加したものである。圧潰強度１０．０ｋｇ／Ｐとペレット強度が弱すぎた。
【００３４】
【発明の効果】
本発明に係る石炭灰からの人工軽量骨材の製造法によれば、微粉炭ボイラー灰である石炭灰から絶乾比重１．２５以下の人工軽量骨材を製造し得るようになり、この製品は頁岩を原料とする製品（絶乾比重１．２５〜１．３５）よりも軽量であり品質として優れている。
また、微粉炭ボイラー灰である石炭灰の分級条件も適切であり、微粉炭ボイラー灰である石炭灰のうち細粉をＪＩＳ灰として販売でき、粗粉を人工軽量骨材に利用することの割合が適切になる。
粒度による分級だけでは、絶乾比重１．２５以下にできない微粉炭ボイラー灰である石炭灰においては、低比重剤及び／又は発泡化剤を添加して、比重調整するが、低比重剤には廃棄物系を用いて有効利用を図り、発泡化剤の使用比率はできるだけ抑えることができる。
焼成も、火格子を用いた直線移動焼成炉を用いるので、大量生産に向いている。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明方法に用いられる造粒・焼成の製造フローを示す図である。
【図２】微粒子の除去条件と分級効率及び製品形状の関係を示す図である。
【図３】粒径１０μｍ以下の重量割合と絶乾比重の関係を示すグラフ図である。
【図４】石炭灰に流動床灰を添加した場合の性状変化を示す図である。
【図５】石炭灰に流動床灰を添加した場合の歩止まりの変化を示すグラフ図である。
【図６】石炭灰に流動床灰を添加した場合の絶乾比重の変化を示すグラフ図である。
【図７】石炭灰にパーライトを添加した場合の性状変化を示す図である。
【図８】実施例における造粒・焼成のフローを示す図である。
【符号の説明】
１，２，３，４  ホッパー
５  混練機
６  解砕機
７  ベルトフィーダー
８  パン型造粒機
９  焼成鍋
１０  ブロワ
１１  分級機
１２  焼成機
２１  火格子
２２  乾燥・予熱炉
２３  着火炉
２４  焼成・保熱炉
２５  ウインドボックス
２６  排気ダクト
２７  ブロアー
２８  熱風管
２９  冷却ゾーン
３０  シュート
３１  クラッシャ
３２  篩機
【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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