JP2005126282A

JP2005126282A - 焼却灰の焼成焼結方法と該方法で得られる焼結物

Info

Publication number: JP2005126282A
Application number: JP2003363679A
Authority: JP
Inventors: Hiromitsu Habaguchi; 裕光幅口
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2003-10-23
Filing date: 2003-10-23
Publication date: 2005-05-19

Abstract

【課題】下水脱水汚泥などから得られる焼却灰を焼結して軽量骨材を得ること。
【解決手段】
（ａ）下水脱水汚泥から得られる焼却灰又は該焼却灰と径が２００μｍ以下の微粉砕膨張性頁岩の混合物、（ｂ）硼酸又は硼砂及び（ｃ）発泡剤を含む混合物を６００〜１１００℃の範囲で焼成市販の軽量骨材より比重が軽く、圧縮強度が同等以上である軽量骨材を得ることができる。
【選択図】図２

Description

本発明は、下水脱水汚泥から得られる焼却灰又は該焼却灰と微粉砕状膨張性頁岩の焼成焼結方法と該方法で得られる焼結物に関する。

下水処理場で得られた汚泥は炭水化物、タンパク質、油脂類、粗繊維類などの有機物および砂などの無機物からなり、無機凝集剤又は高分子凝集剤を脱水助剤として脱水した後、一部は埋立処分され、残りは焼却される。

また、前記下水汚泥を脱水（含水率７５〜８０％程度）した汚泥を焼却設備で燃焼させると焼却灰が得られる。前記焼却設備は硅砂を流動媒体とし、ＬＮＧを燃料とする流動層焼成炉を備えた設備であり、温度７００〜８００℃に保持された流動層内に汚泥を吹き込むことで汚泥を完全燃焼させて、生じた灰分を排ガス中に同伴させてサイクロンで焼却灰を回収する。

焼却灰の成分及び組成割合は下水の質により変化していつも一定ではないが、表１に示すように酸化ケイ素、酸化アルミニウム、酸化カルシウム及び酸化第二鉄を主成分とし、その粒度分布は表２に示す通りであり、３０〜１５０μｍの径を中心とする粉体である。

前記汚泥を焼却設備で燃焼させて焼却灰を再資源化する試みはなされている。例えば、１３００〜１５００℃で溶融してガラス質にした後、再加熱して結晶化ガラスを得る発明がある（特開平４−３１７４３６号公報、特開平８−２６７７３号公報）。これらの方法は高品質の結晶化物を得るものであり、価格も高くなる。

また、前記焼却灰を造粒物として、この内部を細かい独立気泡を多数含有する軽量細粒材化することが行われている（藤木英一：軽量骨材、コンクリート工学、Vol.34、No.7、1996.7、pp.26-28、藤木英一、梶原啓一、山下時夫：超軽量人工骨材とその性能、セメント・コンクリート、No.596、1996.10）。

なお、下水脱水汚泥又は都市ゴミから得られる焼却灰はそれのみを器に入れて無加圧で振動により圧密させて焼成すると焼結物は得られるが、その焼結物は軽石程度の強度しかないため、用途が限られてしまう。
特開平４−３１７４３６号公報特開平８−２６７７３号公報藤木英一：軽量骨材、コンクリート工学、Vol.34、No.7、1996.7、pp.26-28 藤木英一、梶原啓一、山下時夫：超軽量人工骨材とその性能、セメント・コンクリート、No.596、1996.10

上記したように従来技術では、下水脱水汚泥から得られる焼却灰を原料とする前記軽量細粒材は軽量コンクリート材料または濾過材料として用いられることができるが、その物性の割には高価であるので、その生産量に比べて各種用途への使用量が少ないという問題点がある。
また、膨張性頁岩は破砕後の細粒分（篩目で２．５ｍｍ以下）が過剰に生産されるという問題点があった。

そこで低コストで、軽量細粒材の用途を拡大するための試みがなされているが、その一つに焼却灰又は焼却灰から得られる前記軽量細粒材を焼結成形することが考えられる。しかし、軽量細粒材のみを焼成炉で焼成しても焼結は困難である。

このように下水脱水汚泥から得られる焼却灰および該焼却灰を原料とする前記軽量細粒材の用途開発が十分になされていないので、大量の焼却灰が資源化されずに廃棄物として埋立処分され、また軽量細粒材は、汚泥処理施設の空き地に野積しているのが現状である。

また、膨張性頁岩の破砕物のうち、粗骨材の需要は満たされているが、細骨材は生産が需要に過剰となっている。

そこで本発明の課題は、下水脱水汚泥から得られる焼却灰又は該焼却灰と径が２００μｍ以下の微粉砕膨張性頁岩の混合物を焼結して軽量骨材を得て前記焼却灰の新たな用途への適用の可能性などを高めることである。

本発明の上記課題は次の構成（１）、（２）により解決される。
（１）（ａ）下水脱水汚泥から得られる焼却灰又は該焼却灰と径が２００μｍ以下の微粉砕膨張性頁岩の混合物、（ｂ）硼酸又は硼砂及び（ｃ）発泡剤を含む混合物を６００〜１１００℃の範囲で焼成する焼結物の製造方法。
（２）（ａ）下水脱水汚泥から得られる焼却灰又は該焼却灰と径が２００μｍ以下の微粉砕膨張性頁岩の混合物、（ｂ）硼酸又は硼砂及び（ｃ）発泡剤を含む混合物を６００〜１１００℃の範囲で焼成して得られる焼結物。

下水脱水汚泥から得られる焼却灰の焼結のためには、該焼却灰１００重量部に対して硼酸又は硼砂は３〜５重量部、発泡剤は４〜８重量部を含む混合物を焼成し得る。発泡剤の含有量を４ｇとした場合、硼酸又は硼砂の含有量が８重量部を超えると焼却灰が溶融するので好ましくなく、硼酸又は硼砂の含有量が３重量部未満では発泡物が得られない。同様に硼酸又は硼砂の含有量を８ｇとした場合、発泡剤の含有量が４重量部を超えると焼却灰が溶融するので好ましくない。
前記発泡剤は炭化珪素の他に窒化珪素などを使用することができる。

（作用）
本発明者は下水脱水汚泥又は都市ゴミから得られる焼却灰の焼結用のフラックス剤として硼酸又は硼砂が適していることを見出し、先に特許出願をした（特願２００２−３１０８５７号）。また、その際に前記焼却灰を焼結させるためには硼酸（硼砂を用いても良いが、以下全て硼酸を用いる例で説明する。）の適度な配合割合は、焼却灰に対して５〜２５重量％程度であることも見出した。

しかし、前記焼却灰と硼酸の混合物から得られる焼結体は発泡性がないので、発泡剤として、例えば炭化珪素を加えて焼成することで、発泡性のある軽量粗粒体を得ることに成功した。

本発明によれば、下水脱水汚泥から得られる焼却灰の焼成により、従来の軽量骨材より軽量で、圧縮強度の高い軽量細粒材を焼成することができた。これにより、各種用途に利用可能な骨材製品を得ることができる。
例えば、構造用人工軽量骨材として盛土材、庭園などの景観材、屋上緑化材、重油などの地下タンク・配管設備の保護充填材、土木・建築コンクリート用骨材などの用途に利用できる。

本発明の実施の形態について説明する。
下水脱水汚泥から得られる焼却灰にフラックス剤として硼酸を加え、発泡剤として炭化珪素を加えた混合物を中外炉工業株式会社製の焼成炉（タイプ：ローラーハースキルン）で焼成した。

前記焼成炉内は図１に示すように、焼成過程が予熱帯、昇温帯、高温処理帯及び冷却帯からなり、予熱帯では約６５０℃〜７７０℃、昇温帯では約７７０℃〜９３０℃、高温処理帯では約９３０℃〜１０４０（又は１０２０）℃、及び冷却帯では約９８０℃〜２７５℃の温度域で以下に述べる混合物を焼成した。

（１）まず、予備実験として下水脱水汚泥から得られる焼却灰に硼酸と発泡剤を混合して発泡性の焼結体が得られるかどうかを確認するために、次のような焼成テストを行った。
表３の配合表に示すように下水脱水汚泥の焼却灰２５０ｇに対して炭化珪素を２６ｇ、バインダー５０ｇ及び水１８０ｇを加え、硼酸をそれぞれ０ｇ、１２ｇ、２２ｇ及び３０ｇと添加量を変えて得られる混合物を直径１０ｃｍ、高さ２ｃｍの鋳型に充填し、脱型・乾燥後に前記焼成炉で前記した条件下で焼成した。それぞれ２個の同一混合物を用いて実験した。

なお、バインダーは、成形品の乾燥時と移動時の崩れを防ぐためであり、また水は糊の成形品作製時の均一混合を行うために添加するが、ヤマト糊（ヤマト（株）製の澱粉と防腐剤からなる糊）又はヤマト糊と同一成分からなり、他の成分との均一混合がし易いニシキ糊（ニシキ（株）製）のいずれかを使用した。

焼成結果は表３に示す通りであり、硼酸が含まれて無いものは焼結が弱く、硼酸が含まれていると全て焼結した。しかもサンプル番号Ａ−４の焼結体は発泡しており、比重が水より小さかった。表３の結果に基づき発泡性の焼結体が得られる事が分かった。

以下、各表において、「×」は焼結が弱い、「○」は焼結した、「◎」は発泡焼結した、「△」は発泡溶融したことをそれぞれ表すことにする。

（２）表３の結果に基づき硼酸と発泡剤の適正な混合割合を決めるために、次のような焼成テストを行った。
表４の配合表に示すように下水脱水汚泥の焼却灰２００ｇに対して硼酸を８〜２４ｇ、炭化珪素を８〜２４ｇ、バインダーを８０ｇ、水１２０ｇからなる混合物を造粒した。このとき硼酸と炭化珪素の混合割合を１：１、１：２、１：３、２：１、種々変化させた。

得られた造粒物を図１に示す焼成炉の条件で焼成テストを行った（ただし焼成炉の最高温度は１０２０℃であった）。

表４のサンプル番号Ｂ−１〜Ｂ−３の造粒物は発泡し焼結体が得られ、サンプル番号Ｂ−２、Ｂ−３は発泡していた。またサンプル番号Ｂ−４〜Ｂ−１０の造粒物は全て発泡溶融してしまった。

また、サンプル番号Ｂ−１の発泡焼結体とそれを水に浮かべた状態を示す写真を図２（ａ）に示す。
また、表４のサンプルでは発泡溶融物が多かったので表５の配合表に示すように下水脱水汚泥の焼却灰２００ｇに対する硼酸と炭化珪素の含有割合を下げて同様に焼成テストを行った。このテストにおける焼成炉の温度条件は最高温度が１０００℃であったことを除き、図１に示す通りである。

この焼成テストでは全て焼結体が得られたが、最高温度が低かったため全て発泡していなかった。

ここで、表４のサンプル番号Ｂ−１の発泡焼結体を例に、当該発泡焼結体の粒度分布について説明する。図２（ｂ）に表４のサンプル番号Ｂ−１の発泡焼結体の各種の粒度の造粒物を示すが、左上から右方向に順に粒度が大きいものを各粒度毎にまとめて、並べている。

篩い目が１２ｍｍ〜２４ｍｍの間で各１ｍｍ毎に大きくなる複数の篩い目を通過する粒度を有するものが得られ篩い目１６ｍｍ〜２０ｍｍを通過する発泡焼結体が大部分を占める。

以上のように本実施例でも既存の構造用人工軽量骨材「メサライト」（日本メサライト工業（株）の商品名）と同じ程度の粒径分布を有する発泡焼結体を得ることができた。

なお、上記構造用人工軽量骨材「メサライト」（日本メサライト工業（株）製の商品名）は、建物、構造物の強度を保ったまま、軽量化ができる骨材として、それぞれ粗骨材（粒径５〜２０ｍｍ）、細骨材（粒径２．５ｍｍ以下）、中骨材（粒径２．５〜５ｍｍ）などの各種粒径範囲毎に市販されている天然資源である良質の膨張性頁岩を原料とする骨材である。盛土材、庭園などの景観材、屋上緑化材、重油などの地下タンク・配管設備の保護充填材、土木・建築コンクリート用骨材などの用途に応じて前記各種粒径範囲の中から適切な粒度を有するメサライトを選択して、使用されている商品である。
そこで、上記本実施例で得られた焼結体（表４のサンプル番号Ｂ−１）の強度と比重がメサライトと比べて、どの程度違いがあるかを確認する圧縮強度試験と比重試験を行った。

圧縮強度試験の結果を表６（本実施例品）と表７（メサライト）に示す。
これらの表から圧縮強度は本実施例品がメサライトと同等以上であることが分かる。

また、比重試験の結果は本実施例品（篩い目１６ｍｍ以上を通過するもの）が５回のテストの平均値が０．６６５であった。メサライト（篩い目５〜１５ｍｍ）の比重が０．９３であるので、本実施例品は非常に軽量であることが分かる。

圧縮強度試験はＪＩＳＢ７７２１−２００２に従って型式ＣＣＨ−１００Ａ（（株）島津製作所製）で行った。その概要は以下の通りである。試験方法は、上記機械にて破壊が生じるまで載荷（最大応力を示す）し、その際の応力を測定する。

比重試験は型式ＳＧＭ−６（メトラー・トレド（株）製）を用いて、秤量部で気中重量を測定し、測定完了後、下部ビーカーが上がり、試料の水中重量を測定する。前記両重量の差異から比重を計測する。

このように本実施例で軽量で、圧縮強度の高い軽量骨材が得られたので、焼却灰を骨材化して構造材料として使用できることが分かった。また、本発明品でも市販のメサライトと同じく０．１５〜２０ｍｍの焼結体が得られる事が分かった。

本発明の下水脱水汚泥から得られる焼却灰又は、該焼却灰と微粉砕膨張性頁岩の焼成により得られる軽量骨材は圧縮強度が高く、比重が小さいので構造用人工軽量骨材として盛土材、庭園などの景観材、屋上緑化材、重油などの地下タンク・配管設備の保護充填材、土木・建築コンクリート用骨材などの用途に利用できる。

本発明の焼結物を得るための焼成炉内温度と焼成時間の関係を示す図である。本発明の発泡焼結体とそれを水に浮かべた状態を示す写真（図２（ａ））と、造粒焼成品の粒度分布写真（図２（ｂ））である。

Claims

（ａ）下水脱水汚泥から得られる焼却灰又は該焼却灰と径が２００μｍ以下の微粉砕膨張性頁岩の混合物、（ｂ）硼酸又は硼砂及び（ｃ）発泡剤を含む混合物を６００〜１１００℃の範囲で焼成する焼結物の製造方法。
（ａ）下水脱水汚泥から得られる焼却灰又は該焼却灰と径が２００μｍ以下の微粉砕膨張性頁岩の混合物、（ｂ）硼酸又は硼砂及び（ｃ）発泡剤を含む混合物を６００〜１１００℃の範囲で焼成して得られる焼結物。