NIKKO TECHNICAL REPORT

無水石膏製造設備の安定した急速冷却キルンの開発
柳井瑛・田中 翔太

Yanai Akira, Tanaka Shota

概要
石膏ボードは防火性、遮音性、寸法安定性に優れており、一般的に建築資材において多用されている。近年では老朽化した建築物の解体にともない石膏ボードによる廃棄物（以下、廃石膏ボードと記述）が大量発生し、廃石膏ボードの廃棄量は今後増加していく傾向にあるため、再利用など有効利用方法が研究されている。
当社は、無水石膏がセメントの凝結遅延材として一般的に用いられていることから、廃石膏ボードから無水石膏を製造する無水石膏製造設備を2014年に開発し市場投入している。
ところが、当該装置の無水石膏を冷却するプロセスにおいて、熱による機器への損傷が著しく頻繁に修理を必要とすることが課題となっていた。本稿では、冷却能力と耐久性とを向上させた間接方式の冷却キルンを新たに開発し運用を開始したので、その概要と特徴について報告する。

熱脱離して無水石膏を生成する原理に基づいている。そし１. 緒言
石膏ボードは、約 20%の結晶水が安定した形で含まれるて、この高温の無水石膏をスクリュ方式の冷却装置で200 ℃ため防火性に優れ、遮音性、寸法安定性、工事の容易性なまで冷却している。
ところが、高温の無水石膏による冷却装どの特徴を有し、古くは、大正 12 年に旧帝国ホテルの内装と置への熱損傷が著しく頻繁に修理とメンテナンスを必要とし天井に採用されてから現代に至るまで一般家屋やオフィスていた。

ビルなど建築物で幅広く利用されている。
とりわけ、我が国の本稿では、これらの課題を解決すべく耐久性とメンテナン

木造建築の耐用年数が欧米に比べて20 年程度と短く、老ス性を向上させた間接キルン方式の冷却装置を新たに開発朽化した建築物の解体にともない廃石膏ボードが大量発生し運用を開始したので、その概要と特徴について報告する。

１）
２）し、年々増加傾向にある。
そして、石膏ボードの年間出荷量は400 万トンにも及んでいることを反映して、やがて、廃石２. 石膏

膏ボードの発生量もこの値に近づいていくものと予測されて石膏は硫酸カルシウムを主成分としている鉱物であり、いる。
このことから、地方自治体における最終処分場が逼迫

「二水石膏 (CaSO４･ 2H２O：硫酸カルシウム2 水和物 ) 」、し、処分費用の高騰に伴う不法投棄などの社会問題へと発「半水石膏 (CaSO４･ 1/2H２O：硫酸カルシウム1/2 水和展して行くことが懸念されている。

物 ) 」、「 無水石膏（ CaSO４：硫酸カルシウム）」の3 種類に分

我が国は、大量生産、大量消費、大量廃棄の社会システけられる。半水石膏はα型とβ型が存在し、無水石膏はⅢ型、ムの下で経済成長を遂げてきた。近年では、資源枯渇や環Ⅱ型、Ⅰ型に分けられ、さらにⅢ型はα型とβ型が存在する。そ境破壊などの社会問題が指摘されるようになっている。以上

３）の中でも半水石膏と無水石膏について説明する。のことから、廃石膏ボードのリサイクル化に関しても、大量の2.1 半水石膏需要を見込むことができる農業用肥料や土木建築用資材な半水石膏は、焼石膏とも呼ばれ前述したようにα型とβ型どへの有効利用が待ち望まれている所である。
このような時代を背景にして、当社は、廃石膏ボードをセメが存在しており、α型は緻密な構造で粒子密度が高く、水硬ントの原材料として大量にリサイクルすることができる無水石時の強度がβ型よりも大きいことから骨折時の治療用具で膏製造設備を開発した。
この無水石膏製造設備は、二水石あるギプスといった医療用途に用いられる。
また、加圧焼成膏である廃石膏を1,000 ℃まで加熱することにより、結晶水をすることで生 成されることから一 般 的にはオートクレーブ

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図2-1 Ⅱ型無水石膏設備のシステムフロー図（圧力釜）での蒸し焼きで製造されるため、キルン方式でのその性質上、長期間の貯蔵が可能であること、さらには、必製造は難しい。
β型は、ポーラス状の空隙があるため粒子要量に応じて製造し貯蔵することができるなどの運用上の密度がα型よりも小さく、石膏ボード等の建築資材として利調整ができる材料である。
Ⅰ型無水石膏は、1180 ℃以上の用される。
α型と違い加圧を必要としないため、キルン方式加熱により生成される。
Ⅱ型、Ⅰ型ともに吸湿性がないことからで製造可能である。
また、半水石膏を180 ℃以上で加熱処

４）建設系フィラー材として建築材に幅広く利用される。

理することにより、結晶水が熱脱離した無水石膏を生成す

３.Ⅱ 型無水石膏製造設備

４）
ることができる。

近年は、半水石膏の水硬生を利用し、添加剤としてセメン

本無水石膏製造設備は、乾燥加熱領域と焼成領域を設トと混ぜ合わせることで土壌の改良剤とする用途が増えてき

け、投入から排出まで材料が 1 方向に流れる過程で半水石ている。但し、半水石膏は吸湿性が高く大気中の水分を吸膏が生成され、最終的には無水石膏を製造できるようにした。

水し、二水石膏に戻ってしまう為、品質管理が難しいことかシステムフロー図を図2-1に、設備全体像を写真2-1に示す。

５）
ら、製造後すぐに利用することが推奨されている。

図2-1より、
Ⅱ型無水石膏製造設備フローを説明する。
まず、材料は投入スクリュから焼成キルンに投入され、焼成キ

2.2 無水石膏
無水石膏は、前述したようにⅢ型、Ⅱ型、Ⅰ型が存在しておルン内で乾燥・加熱・焼成される。1000 ℃となった材料は排り、さらにⅢ型に関してはα型とβ型に分類される。
Ⅲ型無水石出シュートを通過して冷却装置に投入。冷却装置後段には

膏は、180〜215 ℃の温度帯で加熱することにより生成され、付帯設備が配置されており、それらの付 帯 設 備に対して空気中の水分を吸って半水石膏に戻る。
その吸湿性より、塗熱損傷を防ぐため、各装置の耐熱温度 200 ℃以下になるよ料・樹脂などの乾燥材として利用される。
Ⅱ型無水石膏は、うに材料を冷却する。冷却された材料はスクリュを通過しエ330 ℃以上で加熱することによって得られ、加水しても半水レベーターに送られるというフローとなっている。

石膏に戻らないことから、不活性無水石膏とも呼ばれている。

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写真2-1 Ⅱ型無水石膏製造設備

図 2-2

焼成キルン内部図3-1

間接冷却キルン方式フロー図（2）間接冷却方式

また、装置の設置スペースと機器点数が増えるため、トラブル当社が採用してきた間接冷却のスクリュ方式では、二重発生の可能性が高く、著しく頻繁に修理が必要なことである。

構造のスクリュ軸とジャケット方式としたスクリュトラフに水を

図2-3

従来冷却方式一覧

3.2.2 新方式

循環させることにより間接的に冷却する方式である。
メリットは材料と水蒸気が接触しないため、水蒸気による3.1 焼成キルン却方式一覧を図2-3に示す。

図2-2は焼成キルン内部を示し、図の右側より材料が供給される。
リフターが取り付けられている部分は半水石膏を（1）直接冷却方式

材料の品質劣化が発生しないことである。

新たに開発した間接冷却キルン方式のフロー図を図3-1に示す。

デメリットは、鋼材を介しての間接冷却を行っているため、本冷却方式ではこれまでと同等の冷却能力を有しつつ、水の潜熱を100% 冷却に使用することができないことで、耐久性を高めるために間接冷却キルン方式を採用している。

生成する乾燥加熱領域になり、この領域では、石膏を掻き揚当社が採用してきた直接冷却には、図2-3に示す通り直接冷却よりも大量の水を使用することになる。
また、
これらこれまでの直接＋間接冷却スクリュ方式では、熱負荷によるげ自由落下させ、石膏をベール状に分散することで、材料のスクリュ方式とキルン方式とがある。両者は、キルン・スクリュの水は、クーラで冷却して再利用するため、循環経路が複機器の損傷度合いや複雑な構造による高頻度のトラブルに表面積を大きくする。
これにより短時間で表面水を乾燥後、内部の材料に対してノズルより直接水を噴霧する方式である。

雑かつ設置面積が広くなることがある。
この方式では、材料より、安定した運用が困難であった。
これらの問題を回避す材料を180 ℃まで昇温し、半水石膏を効率良く製造することメリットは、水の顕熱と潜熱を100% 有効利用することが可と鋼材との熱のやりとりに依存するため、冷却効率は接触面るためできるだけシンプルな構造の間接冷却キルン方式を採積と熱伝達率に影響される。

用している。本方式を採用することにより、キルン回転数を任ができる。

能であり、冷却水の水温を制御するためのクーリングタワー

無水石膏を生成する焼成領域においては、バーナ燃焼による熱風及び火炎からの輻射熱により耐火キャスタブルが蓄などが不要になることである。
また、機械構造よりメンテナンスが容易であることが考えられる。

意に変更することで、材料温度がコントロール可能になった。
（3）直接+間接冷却方式

よって、冷却対象の材料が変わったとしても回転数を変更熱される。そして、乾 燥 加 熱 領 域を通 過した半 水 石 膏がデメリットは、水を直接噴霧するので凝縮すると石膏の付バーナ火炎と蓄熱された耐火キャスタブルとの空間を通過着要因となること、更には石膏が熱分解して生成する硫黄酸重構造にしてジャケットと軸の中空部に水を流す間接冷却とする時に、1000 ℃まで昇温され無水石膏になる。

化物と水とが反応して、硫酸を生成し、煙道内や機器の腐食製品に直接水を噴霧する直接冷却の両方を採用した方式が激しくなることである。
とりわけ、
キルン方式では、内部で材である。

することで材料に適した温度にコントロールすることができる。

当社が採用してきた直接＋間接冷却方式は、スクリュを二（1）投入シュート
投入シュートでは、焼成した1000 ℃近い高温の無水石膏

3.2 冷却装置

料を分散させ、表面積を広くし、材料全体に噴霧水が接触で3.2.1 従来方式

メリットは、直接冷却と間接冷却の両方を採用していることが通過しクーリングキルンへと入って行く。
シュートの冷却は、きるようにするため、材料の粒径や分散状況で熱交換状況で間接冷却スクリュよりは短時間で冷却できることに加えて、空冷二重方式を採用し、材質は鋼材の耐久性を考慮し、当社では、これまでに4 種類の冷却方式を採用してきた。

が変化してしまうことがある。材料の粒度分布が変わると更水の潜熱を利用することから装置サイズも小さくすることがこれらの方式にはそれぞれメリット、デメリットがあり、対象となに顕著に影響を及ぼし、材料の物理形状変化が激しい材料

SUS310Sを選定した。

可能である。

る材料加熱温度帯やシステム構成により区別してきた。以下を採用すると付着によるトラブルが発生する場合がある。

では従来の冷却方式についてその特徴を説明する。従来冷2024│NO.005

この空冷二重方式は、二重構造の空隙に冷却ファンで空デメリットは、装置に対する熱損傷等の影響を直接冷却と間気を供給することによって鉄皮温度の上昇を抑制できるよう接冷却の両方から受けることから、耐久性が低いことである。にしている。
これによりトラフ温度は鋼材が赤熱する600 ℃以

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図3-3
図 3-2

投入シュート3Dモデル

写真3-1

写真 3-2

クーリングキルン内部

クーリングキルン

上に上昇せず、安全に使用することができるようにした。
また、なったキルン鋼材は外側から水による顕熱と潜熱で冷却さ複雑な構造によるトラブルを防ぐと共に、設置スペースをコンれた後に、再度高温材料からキルン鋼材へ熱が移動する。

パクトにできる空冷式を採用した。

この熱のやり取りを繰り返すことで材料温度が冷却されるメ

本シュートの懸念点として、落下した材料がシュートの1 点

冷却メカニズム

カニズムである。運用中はこのような一連の流れで連続的に冷却している。に集中的に当たることが分かっている。そのために局所的な摩耗による損傷が想定される。摩耗対策として定期的な点検

更には、冷却時、キルン上部に水噴霧し、キルン表面にと図3-2のような構造にしてトラフを容易に交換できる構造に沿って水が下方向に流れるため、水の顕熱を最大限に利用した。
この構造によりシュートの摩耗及び熱損傷が進行したできる構造にしている。
また、構造上、水の排水がほぼないた場合でも一部トラフを交換することで定期的なメンテナンスとめ、ランニングコストを最小限で運用可能にしている。

図 3-4

ロータリーキルン内の材料挙動

写真3-3

水噴霧の様子よりもさらに噴霧角が大きく、広範囲をカバーすることができる

図4-1のように直接＋間接冷却スクリュ方式の運用では部品交換により恒久的に使用できるよう設計した。対象材料

図3-4に乾燥加熱と冷却の場合でそれぞれロータリーノズルを選定している。
このノズルは、異物通過径が大きく、冷却装置出口温度が 200 ℃後半〜 300 ℃を推移しており、の性状によっては、シュート内での材料詰まり等が発生するキルンの材料挙動を示す。乾燥加熱の場合は、リフターで持不純物が通過した場合に目詰まり発生の可能性が低い。

付帯設備の耐熱温度である200 ℃以下まで十分冷却するケースもあるため、今回は堆積する箇所にエア噴射ノズルをち上げた材料をベール状に分散させて落下させることによ

また、ノズル設置位置は面によって千鳥に配置することで少ことができていないことがわかる。図4-2のように間接冷却キ設置し、一定間隔でパルス動作させて堆積を防止できるようり、表面積を広くとり、熱風との熱交換を効率良くしている。

量のノズルで広範囲をカバーすることができる。

ルン方式の運用では、材料の冷却装置出口温度は100 ℃〜

冷却の場合は、冷却効率が材料とキルン鋼材の接触面水の噴霧方式は、ランニングコストを優先し、水圧だけで積に大きく左右されるため、リフターを取付け低頻度で材料噴霧できる1 流体ノズルを採用した。蒸発しないでキルン表攪拌することで、キルン鋼材との熱交換を行っている。写真

面を伝って水槽へ溜まった水はキルン鋼材保護の目的とし新方式での夏期と冬期の運用を比較するデータとしてクーリングキルンは、焼成した材料を急速冷却させる装置

3-2のように、リフターの数が乾燥加熱の場合よりも少ないのて再利用できるように汲み上げリフターをキルン外側に取りRUN3を図4-3に示す。RUN3の夏期の運転では水温がであり、間接冷却キルン方式を採用している。写真3-1に実は材料を掻き揚げる回数が多いことによって材料落下時に付けた構造にした。
また、噴霧後にドラム下の水槽に溜めら20 ℃高くなり、RUN2の冬期の運転よりも冷却に水の顕熱を機の写真を示す。

発生する粉塵の飛散及び冷却に必要な接触面積の割合をれた水は、一定の水位に達すると排出されるようになってお有効に利用できていない。図4-3より、冬期運転と比較する必要以上に小さくしないためである。
このような構造により、り、これらの水はクーリングタワーにより冷 却 後の水 が 約と冷却装置出口温度が平均して10 ℃上昇している。
しかし材料を均等に効率良く冷却している。

10~20 ℃冷却されるように、循環水を常時利用することで節ながら、冷却能力は十分に発揮しており、耐熱温度である水を可能にしている。写真3-3は水噴霧の様子と汲み上げ200 ℃以下に温度を抑えることができているため、2022 年リフターの様子である。

12月から運用し、年間を通した運用データを見ると安定運用にしている。
（2）
クーリングキルン

クーリングキルンでは、キルン鋼材に水を噴霧して間接冷却することから投入側に配置する2つの支えローラーが水に接触する雰囲気下にある。当社で従来から採用しているフリ
クション駆動は水に接触する雰囲気下では使用することが（3）水噴霧装置困難なため、排出側の水と接触しない部分で本体を直接駆水噴霧装置は、水の潜熱を最大限活用し省スペースで動させるチェーン駆動を採用した。
また、水と接触する雰囲急速に冷却するために、狭いスペース内で広範囲かつ均一気下にある部分であるドラムローラー、支えローラーは、各々に噴霧可能なノズル選定及び設置位置を最適化した。

150 ℃を推移しており、付帯設備はトラブルがなく安定して運用している。

している。
4. 間接冷却キルンの運用
ここでは、従来方式である直接＋間接冷却スクリュ方式と5. 今後の予定

一般的に水噴霧ノズルとして用いられる噴霧形として扇新方式である間接冷却キルン方式のRUN1とRUN2を比

本冷却方式の対象となる材料は石膏であるが、コークス、図3-3より、クーリングキルン内に投入される高温材料はキ型、円錐型が広く採用されており扇型は比較的広い範囲を較 する。その際の運 転データとして RU N 1を図 4 - 1に、鉄鉱石、アルミナなどの粉粒体など、直接水との接触ができなルン鋼材へ熱が移動するため、材料温度が下がる。高温にカバーすることができる。本装置では広角扇型を採用し扇型

RUN2を図4-2に示す。

い材料へ利用する装置として幅広く展開できると考えている。

ステンレス製を採用した。

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NIKKO TECHNICAL REPORT6. 総括

MEMO

当社で開発した急速間接冷却方式により、1000 ℃の石膏を安定して急速冷却することを可能にした。
これまでの冷却システムではスクリュのスパイラル、二重構造の熱損傷により定期メンテナンスが必要なために安定して運用することができていなかった。
これらの問題がシンプルな構造かつ材料温度コントロールが容易になったことで解決し、年間を通して安定した運用が可能になった。
メンテナンス頻度が減ることで連続稼働が長くなり、生産性が向上したこともユーザーから報告を受けている。
図4-1

RUN1運転データ（従来方式）

References
1 「廃石膏ボードのリサイクルにおける現状・課題」、環境省
https://www.env.go.jp/council/former2013/03hai
ki/y0317-07p/mat04-3.pdf
2） 石膏ボードの歴史、一般社団法人石膏ボード協会
https://www.gypsumboard-a.or.jp/about/history.html
3） 無機マテリアル学会、セメント・セッコウ・石灰ハンド
ブック,pp138-143,1996.

4） 国立研究開発法人国立環境研究所「再生石膏粉の図 4-2

有効利用ガイドライン」

RUN2運転データ（新方式 冬期）

https://www-cycle.nies.go.jp/jp/report/recycled_g
ypsum_powder_guidelines.pdf
5） 蓬莱秀人、神尾昌宏、藤戸幹大「半水石膏およびⅡ型無水石膏の製造システムの開発」

technical-report-2020_06.pdf (nikko-net.co.jp)

筆者紹介

YANAI Akira
柳井瑛

2021 年入社
開発部 開発 1課
図4-3

RUN3運転データ（新方式 夏期）

TANAKA Syota
田中

これまでの従来シリーズに新たに本装置を加えることで、対翔太

2015 年入社

開発部

象材料に適した冷却方式を提案できる分野も多くなると考え開発 1課ている。
今回報告した装置は、1 機種であるが、プラント能力に対して最適な出力（ 0.5 〜 10t/h ）にスケールアップしたラインナップを今後は展開していく予定である。

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