石炭灰活用に必要な未燃炭素除去技術確立
地域戦略研究所 藤本栄之助 櫛谷知之
フジイケミカルズ 神門 誠
背景
火力発電所で燃料として燃やされた石炭はおよそ 5％前後の焼却灰を生じ、この石炭灰には未燃焼カーボンが残っていて、顕微鏡写真等で観察すると、この燃焼カーボンは油状になって SiO2 や Al2O3 などの表面にこびりついている。そのために生コンに石炭灰を混和して、コンクリート性能を改善しようとすると、油性の表面が水となじまず、多量の界面活性剤(AE 剤)の投入が必要になり、コスト上昇をきたし、生コン業者は石炭灰の混和を忌避する傾向が強い。本来は、石炭灰はコンクリートの性能を高める貴重な資源のはずなのに、わずかな未燃焼カーボンを含むために未利用資源として放置するのは、多大な国家的損失である。
この問題を解決するために、石炭灰を水スラリー状にし、これに適量の灯油(ケロシン油)とヤシ油(パーム油)（または食用油でも可）を添加し強力に攪拌すると、いままで SiO2 やAl2O3 の表面にこびりついてた油状の未燃焼カーボンが、同じ油性同士で親和力のある灯油およびヤシ油側に引き剥がされて移行する。これを次のシックナーなどの装置に移すと容易に二層に分離し、軽層には灯油とヤシ油の混合物に吸着された未燃焼カーボンが浮上し、重層にはきれいに洗浄された未燃焼カーボンが 2％以下に制御された石炭灰が回収される。
この場合に微細に調合された気泡を吹き込むと、さらに軽層の浮上速度が上がり、二層分離の時間が短縮され生産性が大幅に改善される。また未燃焼カーボンを強力に攪拌して引き剥がす装置としては一般的なインラインミキサーで十分であるが、シェアーをかけた強力な混合機であればいいし、最も生産性の高いものは２軸強制（同方向または異方向）の混合機である。
これまで石炭灰から未燃焼カーボンを洗浄して引き剥がす方法としては、一つだけの槽状の分離機の側面に接線方向(tangential)に穴を開け、あらかじめ用意しておいた石炭灰の水スラリーと灯油およびヤシ油、さらに微細な気泡などをいっしょに分離槽へポンプで注入し、あとは接線方向への渦状の流れの中で水平方向の混合を続け、一方で重力を利用した上下に働く沈降力で、引き剥がされた未燃焼カーボンと灯油やヤシ油それに浮上剤としての役目の微細な気泡が上層に浮上し、洗浄が完成した石炭灰は下層に沈んで分離が完成する方式である。この方式は理論的には優れていて、小さな実験室規模の装置では効果を発揮するが、工業的な規模までスケールアップすると、水平方向の攪拌力と重力による上下方向の分離沈降力がきれいに分別できにくくなり、一部乱流化する現象も発生し、きれいな未燃焼カーボンの除去ができなくなる欠陥を生じる。
本技術の真髄は、事前に攪拌機と事後の分離槽を分け、それぞれに十分な機能を発揮させることで、未燃焼カーボンの除去率を大幅に改善し、よりきれいな石炭灰を生産するこ19とを可能にしたことである。特に前段階の攪拌はインラインミキサーを使用するために、滞留時間が短縮されると同時に単位体積あたりに強力な攪拌力を与えることが可能であり、また後段階の分離槽には、廃水処理などで定常的に使用されるシックナー装置で、大量にかつ精度よく未燃焼カーボンと洗浄された石炭灰を分離することが可能になった。
従来法では分離槽 1 基だったのが、本発明法ではインラインミキサーとシックナーの２基に増えることで建設費が向上することは決してなく、インラインミキサーは配管に直接繋ぐ小さな装置であり、シックナーはすでに汎用機として規格化され安価で購入することが可能であり、かえって建設費のコストダウンにも貢献できる。
また、未燃炭素をシェアかけながら石炭灰の表面から引きはがす際に用いる灯油や食料油などの油類は事前に適量の水と混合し、乳化させた状態で使用すると、さらに未燃炭素の除去率が向上する。
以下に実施例を示し、本発明が従来法に比べて優位であることを実証する。
（実施例１）
一般の火力発電所から発生した石炭灰（未燃焼カーボン含有量 5.2％）1,000ｇを水 150gとともにバケツに入れ、次に 50ｇの灯油と 2.5ｇの食用油を添加して、米を研ぐように手で揉み解し強力に攪拌する。10 分後に手もみ攪拌を停止し、別の容器に移し、水を 4,000ｇ追加してスラリー状にして、緩やかに 5 分間攪拌した後、攪拌を停止し 10 分間放置した。
下層に沈降した石炭灰だけを取り出し、乾燥した後で未燃焼カーボン量を過熱法で測定したところ、1.4%の数値を得た。
従来法による 50 の分離槽で接線方向から注入する方法で同様の実験を試みた結果は未燃焼カーボンが 2.9％残っていた。このことからも本発明の優位性が示された。
（実施例２）
石炭灰（未燃焼カーボン含有量 6.0，3.0％）5kg を採取し、水 1,120g と灯油 125g および食用油 6.25g を添加した混合物をアイリッヒ・ミキサーにかけ、4.0 分間強力に攪拌した。
使用したアイリッヒ・ミキサーの性能は以下のとおりである。
電源 3P×200V×60Hz
パン駆動モーター 出力 0.55〜0.88kW
回転数 33〜66rpm
2 段変速 2 極モーター
攪拌駆動モーター 出力 1.4〜1.8kW
回転数 1,720〜3,470rpm
2 段変速２極モーター
混合し終わった粉体を別のバケツに移し、20％濃度の水スラリー液にして緩やかに 30 分間攪拌した後、攪拌を停止し 10 分間放置した。下層に沈殿した洗浄された石炭灰を乾燥し20て、未燃焼カーボンを測定した結果は 6％の場合 0.65％、3.0％の場合 0.66％であった。
従来法の洗浄方法では、未燃焼カーボン含有量を 1％以下にすることは不可能である。
なお、スラリー液の攪拌停止後、微粒の気泡を吹かして灯油などに吸着した未燃焼カーボンを迅速に浮上除去することも可能である。
（実施例３）
前記のように、未燃焼カーボン含有率 3.0％の石炭灰に、水 22.5％、灯油 2.5％および食用油 0.25％、0.50％を加え事前に簡単に混合したものを、下表に示す 2 軸強制混練機にかけ、シェアを 5 分間混合した後、それぞれ 20％の水スラリー液にして 2 層分離し、沈殿した下層を取り出し、乾燥して分析した結果は、未燃焼カーボン含有率がそれぞれ食用油0.25％の場合 0.87％、食用油 0.50％の場合 0.66％と完璧にきれいに洗浄された石炭灰が得られた。
表(電源は３P×200V×60Hz )型式

2 軸強制混練機容量

回転数

モーター容量rpm 60Hz

kW92.43.720 ㎏

参考１．

北九州市立大学出願特許
１．特許第4028966号 セメント系組成物の製造方法
２．特許第3877562号 石炭灰コンクリートおよびその調合方法
３．特許第4210358号 コンクリート用石炭灰の安定化処理方法および装置
４．特許第4802305号 浮遊分離装置および方法ならびにその製品の製造方法
５．特開2010-23018 スラリー化した石炭灰前処理方法およびスラリー化した石炭灰処理装置ならびに石炭灰処理方法および石炭灰処理設備
参考２．

CCA 製造フローシート

21

ＣＣＡフローシート
①⑯②-1

灯油タンク

食用油タンク⑮

石炭灰水タンク

ミキサ ④

生コンミキサ⑤Ｍ⑩フィルター
プレス⑥スラリー混合
バブル発生器

Ｍ

シックナー

⑦

Ｍ

⑧ 排出機

油タンク

⑬
未燃
炭素
貯槽
未燃炭素貯槽⑨

廃棄物（燃料）ＣＣＡ

水

水切り振動コンベア

製品タンク

ＣＣＡ乾燥コンベア

⑫

ＣＣＡ

貯水タンク

⑪

出荷22