JP2002348153A - 焼却灰からの高純セメント製造法 - Google Patents
焼却灰からの高純セメント製造法Info
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Abstract
生成の多工程化を回避した安価で良質なスラグセメント
の提供を可能にすること。 【解決手段】 焼却灰乾燥設備3,成分調整設備4,焼
却灰加熱設備5,還元溶融設備6,水砕設備7や排ガス
処理設備8によって高純スラグ15を生成するとき、溶
融スラグのCaO/SiO2 が1.0ない1.4、(C
aO+Al2 O3+MgO)/SiO2 が1.6ないし
2.6であり、アケルマナイトとゲーレナイトからなる
固溶体としてのメリライトを構成するように、焼却灰に
CaOとMgOとを添加して還元溶融し、生成された高
純スラグを急冷して水砕スラグとする。この水砕スラグ
を粉砕してポルトランドセメントと混合すれば、クリー
ンで水硬性の優れた高純セメントを得ることができる。
Description
メント製造法に係り、詳しくは有害物質を含まず水硬性
の優れたスラグセメントが焼却灰を還元溶融して得るこ
とができるようにした方法に関するものである。
下水汚泥といったものは、通常焼却して廃棄される。し
かし、最近では資源の再利用が強く望まれるようになっ
てきており、リサイクル可能なものはごみ収集の段階や
焼却の前段階で回収される。分別や分離の容易でないも
のや利用価値の低いものは焼却処理されるが、焼却後に
取り出し可能となった金属資源などは可能なかぎり回収
される。
ごみに比べれば大きく減容されているが、それを廃棄で
きる場所は年々狭まりつつある。近年では、さらに嵩を
減らすべく焼却灰を溶融する研究が数多くなされ、得ら
れた溶融スラグを建築や土木資材として利用しようとす
る動きが活発化している。
属類を積極的に除去する努力が払われておらず、ガラス
状に固化させたスラグの中に重金属を封じ込めるといっ
た程度にとどまる。このようなスラグは例えば路盤材な
どに使用できなくはないが、当初は安定していても、重
金属が含まれているかぎりいずれは溶出するとの不安を
拭い去ることができない。
木資材として再利用するにしても、それが路盤材ばかり
であれば、その需要はいずれ停滞し低落することにな
る。そこで、焼却灰を積極的に資源化すべくそれに付加
価値を持たせたものを得ようとする努力が多々展開され
ている。一つはコンクリート用の骨材(砂利)化であ
り、他はセメント化である。
特開平9−156991号公報に記載されているよう
に、焼却灰を還元溶融して生成した無害なスラグの再結
晶化によって実現される。後者は、特開平11−189
443号公報や特開平11−246247号公報に開示
されているように、ポルトランドセメント製造工程を利
用してセメントを製造しようとする技術である。
トが製造できれば、廃棄物から利用価値の高い商品が得
られ、焼却設備の採算もとりやすくなるだけでなく、セ
メント原料である石灰石の消費も抑えることができて都
合がよい。
石に粘土を混ぜて焼成し、その焼成物を或る温度まで空
冷した後に急冷してクリンカを作り、これを石膏と共に
粉砕機にかけて微粉としたものである。上記の特開平1
1−246247号公報は石灰石の一部を焼却灰に置き
替えようとするものであり、焼却灰と石灰石との混合割
合を約3:4としている。
却灰に含まれていた重金属を除去するようにはしている
が、ロータリキルン等の焼成装置から出る排ガスに伴わ
れるものがその主であり、溶出試験結果は各種の基準を
クリアしているとは言え、セメントには依然として重金
属が含まれていることを示唆している。
うとすることに先鞭をつけたことは評価できるが、少な
くとも既製のセメントと同品質のものが得られるとは言
いがたい。ところで、焼却灰中の重金属類を除去するに
は、前掲した特開平9−156991号公報に記載され
ているように還元溶融するのが最も確実である。しか
し、予熱・焼成・粉砕からなる既存のセメント製造設備
に還元溶融工程を導入する余地はないといって過言でな
い。
ら粘土と共に石灰石に混ぜて焼成すればよいということ
になる。焼却灰を還元溶融してセメント原料としての還
元スラグを得ようとすると、乾燥・假焼・還元溶融とい
ったごとく、セメント製造プラントに運び込む以前に焼
却灰に所要の処理を施しておかなければならず、結局は
セメント原料としては極めて高価となり、品質はセメン
ト並みとなっても商品価格の高騰は避けられない。
で、その目的は、焼却灰をセメントに転化するにあた
り、重金属類その他の有害物質が含まれないこと、焼却
灰を岩石化する場合と同様な乾燥炉や焼成炉さらには電
気炉といった主たる設備は既存のものが使用可能となる
こと、焼却灰処理とセメント生成からなる製造の多工程
化を回避して安価で良質なセメントとすることができる
こと、を実現した焼却灰からの高純セメント製造法を提
供することである。
あたって、ポルトランドセメント化を指向するよりはス
ラグセメント化を指向する方が焼却灰に含まれる成分構
成や組成比率を利用しやすいこと、スラグセメント化さ
せた場合には高炉セメントと何ら遜色のないセメントが
得られるとの知見に基いてなされたものである。
泥等の焼却灰に石灰等を混合してセメントを製造する方
法に適用される。その特徴とするところは、溶融スラグ
のCaO/SiO2 が1.0ない1.4、(CaO+A
l2 O3 +MgO)/SiO2 が1.6ないし2.6で
あり、アケルマナイトとゲーレナイトからなる固溶体と
してのメリライトを構成するように、焼却灰にCaO
を、また必要に応じてMgOも添加して還元溶融し、生
成された高純スラグを急冷して水砕スラグとし、該水砕
スラグを粉砕してポルトランドセメントと混合するよう
にしたことである。
に、焼却灰乾燥工程,成分調整工程,焼却灰假焼工程,
還元溶融工程や水砕処理工程を含む。ロータリキルン5
などによる焼却灰假焼工程においては、800℃以上に
保持された酸化性雰囲気において、焼却灰中の揮発成分
や低溶融アルカリ塩化物を焼却しかつ発生ダイオキシン
を分解させる。電気炉6による還元溶融工程では、焼却
灰假焼工程の最終段階で混入された還元剤12を含む假
焼物13を電気抵抗加熱で還元溶融することにより、重
金属類を除去した高純スラグ15を生成する。そして、
水砕処理工程においては、高純スラグに冷却水を噴射し
て水砕スラグ16を得る。
処理においては、燃焼筒5bなどにおいて假焼炉排ガス
を850℃以上の雰囲気に曝し、その後に急冷するよう
にしておく。
高純スラグは重金属類や有害物質のない極めてクリーン
なスラグであり、かつポルトランドセメントと混合する
と高炉セメントに充分匹敵する高純セメントを得ること
ができる。高純スラグの生成にあたっては焼却灰に含ま
れるAl2 O3 が適度に存在することにより、CaOと
必要に応じてMgOを添加すれば、メリライトを生成さ
せることが容易となる。焼却灰をセメント化するにおい
てポルトランドセメントのような製造工程を踏む必要が
なく、既存の還元溶融設備でもって水硬性の優れた品質
の高いスラグセメントを安価に製造することができる。
成できるだけでなく、焼却灰中の揮発成分等を焼却しか
つ発生ダイオキシンも分解させ、環境汚染を招くことが
なくなる。還元溶融工程では重金属を含まないクリーン
なスラグが生成され、重金属の溶出の懸念のないコンク
リートを作るセメントを製造することができる。まして
や、假焼炉排ガスを850℃以上の雰囲気に曝しその後
に急冷するようにすれば、ダイオキシンの分解は完全な
ものとなる。
の高純セメント製造法について、製造設備を表した図面
を基にして詳細に説明する。図1は、灰受入設備1,混
入物除去設備2,焼却灰乾燥設備3,成分調整設備4,
焼却灰加熱設備5,還元溶融設備6,水砕設備7や排ガ
ス処理設備8からなる重金属等を含まない高純スラグの
製造フローを示す。
業廃棄物や下水汚泥粉を焼却した主灰や飛灰が持ち込ま
れる。これらの焼却灰は飛散しにくくするために水が掛
けられるなどして湿潤状態にある。この焼却灰は混入物
除去設備2で磁選機にかけられるなどして屑鉄類が除去
されると、焼却灰乾燥設備3であるロータリドライヤに
投入される。
3bで生成された熱風もしくは後述する電気炉6の排ガ
スが導入され、ドライヤ内を250ないし300℃にす
る。焼却灰は水分10%前後に乾燥され、熱交換したガ
スは多量の水蒸気を含むがダイオキシン含有量は少ない
ので、このまま排ガス処理設備8へ送られ清浄化され
る。
いて石灰石9やドロマイト10が適宜の量添加され、さ
らには假焼を補助するための燃料である石炭粉やコーク
ス11も混ぜられる。成分調整された原料は焼却灰加熱
設備としてのロータリキルン5に装入され、炉尻に設置
のバーナ5aから出て炉頭に向かう火炎の熱と焼却灰と
共に持ち込まれた石炭粉等の燃焼熱とによって、炉内全
体に醸成された800ないし900℃の均一な温度分布
の酸化性雰囲気において假焼される。
焼される間に、焼却灰に含まれていた揮発成分や塩素系
化合物は焼却され、その際に発生したダイオキシンも分
解される。焼却灰と共に飛灰も投入されている場合に
は、それに含まれる低溶融アルカリ塩化物も焼却され
る。同時に、石灰石は假焼されて生石灰CaOとなり、
ドロマイトCaMg(CO3 )2 からもMgOが生成さ
れ、その際に発生したCO 2 はキルン排ガスと共に炉頭
側に設けた燃焼筒5bを経て排ガス処理設備8に送られ
る。
の流れが促進されるように立ち上がっており、その下端
部には排ガス中のダイオキシンを完全に除却するための
バーナ5cが設けられ、假焼排ガスを850℃以上の雰
囲気に曝すことができるようになっている。なお、燃焼
筒5bの後には急冷ゾーン5dも設置され、その後にバ
グフィルタなどによってダストが捕捉される。
の假焼物に次工程の還元溶融に必要な還元剤12が添加
される。還元剤として石炭粉やコークスが使用される
が、これらが燃焼することなくしかしそれに含まれる揮
発分を除去しておくためにバーナ5aの火炎よりは炉尻
側で投入される。假焼物が排出されるまでの僅かな残り
時間のうちに、炉体の回転による假焼物の転動を利用し
て還元剤を混入しておくことができる。
る。処理量が少ない場合には小容量の直流電気炉でもよ
いが、量の多いときは交流電気炉が好適である。いずれ
にしても、假焼物13がホットチャージされ、炉内の堆
積層の下に生成される溶融スラグに到達するまで降ろさ
れた電極14を通じて炉内に広く発生される電気抵抗熱
により、1,500℃前後にまで加熱される。
混入されている還元剤によって残留する鉄系酸化物が還
元されて堆積層を滴下し、炉底に溶融銑鉄溜まり6aを
形成する。その他の金属酸化物も還元され、それらの元
素は溶融銑鉄に溶解する。溶融した装入物はスラグと化
し、溶融銑鉄溜まり6aの上に重金属等を含まない高純
スラグの溶融層6bが形成される。高純スラグ15は溶
融銑鉄とは別に取り出され、スラグ樋7aを移動する間
に大量の水が噴射され、この水砕設備7において水砕ス
ラグ16ができる。
類その他の有害物質が除去されており、爾後的に溶出す
るような物質は皆無に等しいクリーンなスラグである。
上記の乾燥から還元溶融までの詳細は例えば特開平10
−167783号公報に記載され、水砕設備における詳
細は例えば特開平8−245243号公報に記載されて
公知となっているので、これ以上の説明は省く。
メント化するにおいてポルトランドセメントのような製
造工程を踏む必要がなく、既存の還元溶融設備でもって
品質の高いスラグセメントを安価に製造することができ
る。
て、成分調整段階で添加される石灰石やドロマイトの量
が以下のような成分構成となるように調整される。それ
は、水砕スラグを生成すべく溶製した溶融スラグの塩基
度BC =CaO/SiO2 が1.0ない1.4となるよ
うにすることである。それのみならず、BCAM =(Ca
O+Al2 O3 +MgO)/SiO2 が1.6ないし
2.6となるようにもしておく。なお、焼却灰によって
は、BC =1.0〜1.4の操作をすれば、ドロマイト
を添加するまでもなくBCAM =1.6〜2.6となって
いることもある。
ということはスラグをアルカリ性にしておくことを意味
し、スラグの滓化を早めるうえで必要なからである。一
方、塩基度BC を1.4より小さくしているのは、これ
より塩基度を上げると、アケルマナイトとゲーレナイト
からなる固溶体としてのメリライトが構成されなくなる
からである。もちろん、BCAM を1.6ないし2.6の
範囲としているのも、その範囲外であればもはやメリラ
イトの生成が達成されなくなる率が極めて高くなってし
まうからである。
(a) の組成を持つ焼却灰の場合に、(d) におけるSiO
2 の重量の例えば1.2倍となるようにするためのCa
Oの量が(e) のように分かる。次に、(f) におけるSi
O2 の例えば1.9倍から(f) のCaOの重量とAl2
O3 の重量を差し引けば、存在させるべきMgOの量が
(g) のように分かる。表1はその一連の処理による結果
を簡略化して纏めたものである。
灰を溶融させたときに得られる溶融スラグの構成であ
る。(c) は(b) のスラグを還元して鉄分を除去したとき
に得られるスラグの構成であり、(d) は(c) の還元溶融
スラグを100%換算したときのスラグの構成である。
(e) は(d) のスラグにおけるSiO2 の1.2倍となる
CaOを与えた場合のスラグの構成であり、1.2×4
5.8=55.0となるので、55.0−24.5=3
0.5のCaOを添加すべきことを教えている。(f) は
(e) のスラグを100%換算したときのスラグの構成で
ある。(g) は(f)のスラグにおけるSiO2 の1.9倍
となるMgOを与えた場合のスラグの構成であり、1.
9×35.1−18.9−42.1=5.7であるの
で、5.7−3.9=1.8のMgOを添加すべきこと
が示唆されている。(h) は(g) のスラグを100%換算
したときの高純スラグの構成である。
げた高炉スラグと極めて類似したものとなっていること
が分かる。この高純スラグは多量の水を使用した水砕処
理によって急冷すれば、急激な粘性の上昇により結晶す
るための原子配列が行われないまま凝固し、ガラス質と
なる。これは構造的に極めて不安定な状態にあり、言い
換えれば化学的に活性が高く、すなわち反応性に富む。
るところは、そのまま水と接触させても水硬性は示さな
いが、強いアルカリ性雰囲気に置かれると、例えば少量
であってもセメント中のCa(OH)2 と共存させると
水和反応が急速に進行して水硬性を発揮する。この水砕
スラグは、図2に示すアケルマナイトとゲーレナイトか
らなる固溶体としてのメリライトで構成される。
灰には元来Al2 O3 が20%前後含まれ、メリライト
の高純スラグを得るにあたって、アルミ灰やボーキサイ
トなどでAl2 O3 を追加するに及ばないこと、CaO
と必要に応じて若干のMgOを添加すればメリライトと
することができる程度までSiO2 が含まれていること
に注目すべきである。
縁で見たもので、影の施されたところが固溶体となって
いる。高純スラグはその域に存在するものであるが、こ
れを三元系状態図で見ると、図4に表されたゲーレナイ
トと図5のアケルマナイトとを繋ぐ領域に存在すること
になる。その領域は、図4と図5をSiO2 −CaOの
縁線で一致するように重ねて置き、図4のAl2 O3 を
示した角を平面に置いた図5のMgOを示す角から上方
へ離れるように起こして得られる正四面体をもとにすれ
ば容易に想像することができる。
gOの四元系におけるAl2 O3 を5%のところで切断
した状態図であり、図7は10%、図8は15%、図9
は20%、図10は25%、図11は30%、図12は
35%である。上記したごとく焼却灰はAl2 O3 の含
有率が高く、それゆえ、焼却灰から得られるメリライト
は、一般的に言って図7ないし図11あたりまでであ
る。
発生物質やガス分を含みはするが、Al2 O3 を10%
以上含むことを常とする焼却灰を還元溶融して有害物質
を除去し、その生成された溶融スラグを取り出して水砕
すれば、クリーンな高純スラグが得られる。これを粉砕
してポルトランドセメントと適宜な量で混ぜれば、高炉
セメントと何ら見劣りすることのない高純セメントを得
ることができる。
ドセメントに混入する高純スラグによって、三種類の高
純セメントを得た。そのセメントの物理試験結果は、表
2に示すようであった。なお、A種とはポルトランドセ
メントに高純スラグを5ないし30%混ぜたもの、B種
とは30ないし60%、C種とは60ないし70%のも
のを指している。これらは、いずれも高炉セメントの品
質規定(JIS R5211)を満たしたものとなっている。
まれているポルトランドセメントの成分が水和反応を起
こしPH12.8以上の強アルカリ性を示す。この強い
アルカリ刺激によって高純スラグのガラス質を構成して
いる網目構造体のSiO2 の鎖状結合が切断され、Ca
O,MgO,Al2 O3 などが溶出して水和反応が進
み、珪酸カルシウム水和物、アルミン酸カルシウム水和
物、カルシウムサルホンアルミネート水和物が生成され
る。このように、高純スラグはアケルマナイトとゲーレ
ナイトの固溶体であるので高炉スラグの場合と同様の挙
動を呈し、高純セメントは高炉セメントと何らひけをと
らないクリーンで水硬性に優れたセメントとなる。
法を実施するにふさわしい製造設備の構成とその製造フ
ローを示したシステム図。
ラストナイトの三元系状態図。
(a)はゲーレナイトとアケルマナイト、(b)はアケ
ルマナイトとスードウォラストナイト、(c)はスード
ウォラストナイトとゲーレナイトとについて示す。
図。
2 −MgOの四元系状態図。
図。
図。
図。
図。
図。
図。
ルン)、6…還元溶融設備(電気炉)、6a…溶融銑鉄
溜まり、6b…溶融スラグ層、7…水砕設備、7a…ス
ラグ樋、15…高純スラグ、16…水砕スラグ。
Claims (4)
- 【請求項1】 ごみや下水汚泥等の焼却灰に石灰等を混
合してセメントを製造する方法において、 溶融スラグのCaO/SiO2 が1.0ない1.4、
(CaO+Al2 O3 +MgO)/SiO2 が1.6な
いし2.6であり、アケルマナイトとゲーレナイトから
なる固溶体としてのメリライトを構成するように、前記
焼却灰にCaOを添加して還元溶融し、生成された高純
スラグを急冷して水砕スラグとし、該水砕スラグを粉砕
してポルトランドセメントと混合することを特徴とする
焼却灰からの高純セメント製造法。 - 【請求項2】 焼却灰に前記CaOを添加するとき、M
gOも添加しておくことを特徴とする請求項1に記載さ
れた焼却灰からの高純セメント製造法。 - 【請求項3】 前記高純セメント製造法は、焼却灰乾燥
工程,成分調整工程,焼却灰假焼工程,還元溶融工程,
水砕処理工程を含み、 前記焼却灰假焼工程においては、800℃以上に保持さ
れた酸化性雰囲気において焼却灰中の揮発成分や低溶融
アルカリ塩化物を焼却しかつ発生ダイオキシンを分解さ
せ、 前記還元溶融工程では、前記焼却灰假焼工程の最終段階
で混入された還元剤を含む假焼物を電気抵抗加熱で還元
溶融することにより、重金属類を除去した高純スラグを
生成し、 前記水砕処理工程においては、高純スラグに冷却水を噴
射して水砕スラグを得るようにしたことを特徴とする請
求項1または請求項2に記載された焼却灰からの高純セ
メント製造法。 - 【請求項4】 前記焼却灰假焼工程におけるダイオキシ
ン分解処理においては、假焼炉排ガスを850℃以上の
雰囲気に曝し、その後に急冷するようにしたことを特徴
とする請求項3に記載された焼却灰からの高純セメント
製造法。
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