JP2005219974A

JP2005219974A - 人工骨材の焼成方法

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Publication number: JP2005219974A
Application number: JP2004030417A
Authority: JP
Inventors: Tomonobu Ueyasu; 知伸上保; Katsushi Ono; 勝史小野; Hiroyuki Ninomiya; 浩行二宮; Norifumi Nagata; 憲史永田
Original assignee: Taiheiyo Cement Corp
Current assignee: Taiheiyo Cement Corp
Priority date: 2004-02-06
Filing date: 2004-02-06
Publication date: 2005-08-18

Abstract

【課題】未燃カーボンを多く含有する難焼成の石炭灰から、高強度かつ低吸水率の人工骨材を効率的に焼成する。
【解決手段】石炭灰を主成分とする粉粒体に水硬性材料を加えて成形物とした後、９００℃以上、１１００℃以下で仮焼し、成形物中のカーボンの量を１．０質量％以下とし、仮焼物を融着温度近傍にて本焼成する。各種セメント、石膏等の水硬性材料によって造粒物を緻密化し、仮焼時におけるペレットの粉化を防止して安定した焼成を行うことができる。粉石炭灰に含まれる未燃カーボンが、１．５質量％以上であってもよく、本焼成により、絶乾密度が１．５０ｇ／ｃｍ³以上、２．１０ｇ／ｃｍ³以下で、２４時間吸水率が０．１質量％以上、６質量％以下で、圧かい荷重が、粒径５ｍｍ以上、１０ｍｍ未満の焼成物で０．５ｋＮ以上、または、粒径１０ｍｍ以上、１５ｍｍ未満の焼成物で１．０ｋＮ以上の人工骨材を得ることができる。

Description

本発明は、人工骨材の焼成方法に関し、特に、未燃カーボンを多く含有する難焼成の石炭灰を原料として、高強度かつ低吸水率の人工骨材を効率的に焼成する方法に関する。

近年の電力需要の増大に伴い、石炭焚き火力発電所等から排出される石炭灰の量は、年々増加する傾向にある。そこで、石炭灰の有効利用に関わる技術開発が様々な分野で取り組まれている。例えば、石炭灰に種々の副原料を加え、これを焼成して緻密化し、コンクリート用等の骨材として利用する試みも数多くなされている。

骨材の需要は莫大であるため、大量に発生する石炭灰の有効利用先として大きな期待が寄せられているが、石炭焚き火力発電所で燃料に用いられる石炭の種類や、ボイラの形式、構造等によって発生する石炭灰の化学成分が異なるため、骨材の製造工程での取り扱いが困難であったり、石炭灰に含まれる未燃カーボンが骨材組織の緻密化を阻害する等の問題があり、石炭灰を主原料とした焼成型の人工骨材は、まだ普及しているとは言えないのが現状である。

石炭灰に含まれる未燃カーボンが骨材組織の緻密化を阻害することの最大の原因は、未燃カーボンが焼成の際に高温帯で爆発的に燃焼することによる。骨材組織が焼結する過程で未燃カーボンが燃焼すると、骨材中に気泡が発生するとともに、周辺組織に歪みを与え、骨材の破壊を招くこととなる。

上記未燃カーボンによる弊害は、該成分が多ければ多い程大きくなるため、焼成量を抑えること等によって骨材の破壊を抑制することが考えられるが、焼成量を抑えると生産性の低下を招く。また、人工骨材の製造にあたって未燃カーボンの少ない石炭灰を選択することも考えられるが、近年の環境問題を取り巻く事情等を考慮すると、原材料の選り好みは歓迎されない。

上述の問題点に鑑み、特許文献１には、人工軽量骨材を製造するにあたって、フライアッシュを粉砕してブレーン比表面積を増加させ、ペレットの緻密化を図る技術が提案されている。

また、特許文献２には、石炭灰から人工軽量骨材を製造するにあたって、重油灰を添加することにより、あえて未燃分を増加させ、自燃効果によりペレットの緻密化を図る技術が提案されている。

さらに、特許文献３には、トンネルキルンで骨材原料に含まれる可燃物の燃焼を効率的に行った後、ロータリーキルンで骨材原料を焼成することにより、骨材原料を均一に加熱するとともに、骨材同士の融着を防止しながら緻密化と発泡を行って、高品質の人工軽量骨材を連続して製造する技術が提案されている。

特開昭６１−１６３１５２号公報特開平６−９２５１号公報特開２００３−１２３５４号公報

しかし、上記特許文献１に記載の人工軽量骨材の製造方法では、ペレットの緻密化を図ることができたとしても、粉砕コストが高騰するという問題があった。

また、特許文献２では、重油灰を添加してあえて未燃分を増加させ、自燃効果によりペレットの緻密化を図ろうとしているが、一旦自燃が始まると、自燃を制御することは極めて困難であり、骨材の製造設備の安定運転を阻害しかねないため、大量生産に適しているとは言えない。

さらに、特許文献３で用いられるトンネルキルンのような特殊なキルンでは、ペレットへの均一な熱交換を望むには限界があり、生産性も低下するおそれがある。

そこで、本発明は、上記従来の人工骨材の焼成方法における問題点に鑑みてなされたものであって、未燃カーボンを多く含有する難焼成の石炭灰から、高強度かつ低吸水率の人工骨材を効率的に焼成する方法を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明者らは、鋭意検討を行った結果、石炭灰を主成分とする粉粒体に水硬性材料を加えて成形物とした後、９００℃以上、１１００℃以下で仮焼し、前記成形物中のカーボンの量を１．０質量％以下とし、前記仮焼物を融着温度近傍にて本焼成することによって、未燃カーボンを多く含有する難燃焼の石炭灰から、高強度かつ低吸水率の人工骨材を効率的に大量生産することが可能であることを見出した。

本発明において、前記造粒時に用いる原料の石炭灰に含まれる未燃カーボン量は、１．５質量％以上であってもよい。従来、未燃カーボン量の多い石炭灰を原料として用いた場合に、焼成量を抑えて生産性の低い運転をしていたが、本発明では、焼成量を抑制する必要はなく、高い生産性を維持することができる。

そして、上記方法によって、絶乾密度が１．５０ｇ／ｃｍ³以上、２．１０ｇ／ｃｍ³以下で、２４時間吸水率が０．１質量％以上、６質量％以下で、圧かい荷重が、粒径５ｍｍ以上、１０ｍｍ未満の焼成物で０．５ｋＮ以上、または、粒径１０ｍｍ以上、１５ｍｍ未満の焼成物で１．０ｋＮ以上の人工骨材を得ることができる。

本発明によれば、未燃カーボンを多く含有する難焼成の石炭灰から、高強度かつ低吸水率の人工骨材を効率的に焼成することができる。

本発明にかかる人工骨材の製造方法は、上述のように、石炭灰を主成分とする粉粒体に水硬性材料を加えて成形物とした後、９００℃以上、１１００℃以下で仮焼し、前記成形物中のカーボンの量を１．０質量％以下とし、前記仮焼物を融着温度近傍にて本焼成することを特徴とする。

本発明で使用する石炭灰の種類は特に限定されない。例えば、微粉炭燃焼方式により燃焼し、電気集塵機によって捕集されたフライアッシュはもとより、流動床燃焼方式により燃焼し、集塵機によって捕集されたＰＦＢＣ灰を使用することもでき、粒度調整のなされていない状態の、いわゆる原粉のままで使用することができる。

水硬性材料とは、各種セメントや各種石膏、さらにはメチルセルロース等の水溶性高分子等である。特に、各種セメントを使用することで、珪酸カルシウム水和物が生成し、造粒物の内部組織を緻密化することができるので、さらに好ましい。水硬性材料の添加量は、３〜２０質量％が尚好ましい。３質量％未満では、造粒物の緻密化が不十分となり、２０質量％を超えると、石炭灰の使用量が低減してしまい、廃棄物の有効利用の観点から好ましくない。

さらに、造粒物を緻密化することは、仮焼時の仮焼ペレットの強度発現性にも寄与することが確認されている。本発明においては、まず、９００℃から１１００℃で仮焼して原料中の未燃カーボンを１質量以下まで低下させることを特徴とするが、その際に、水硬性材料を添加して造粒物を緻密化しておいた場合には、ペレットの粉化を抑制することができる。すなわち、造粒ペレットは、仮焼工程において、乾燥から焼結工程へと移行していく過程で非常に粉化しやすい状態となるが、水硬性材料による造粒物の緻密化がなされている場合には、粉化することなく、安定した焼成を行うことができる。粉状物の存在は、その後の本焼成工程での安定焼成を妨げる要因となり、窯壁面への融着、ペレット同士の融着等を誘発し、生産性の低下を引き起こす。そのため、仮焼時におけるペレットの粉化を抑えることが重要となる。

また、石炭灰に、必要に応じて成分調整材及び／または粘結材を加えて混合原料とし、造粒する。

成分調整材とは、石炭灰の成分によって非常に高温の焼成を必要としたり、急激に軟化しやすい等の特異な場合に添加するものであって、例えば、Ｓ_iＯ₂源として、珪石粉、粘土、カオリン等、Ａｌ₂Ｏ₃源として、アルミナ粉、アルミ灰、ＣａＯ源として、石灰粉、セメント、石膏等が挙げられる。尚、成分調整材としては、これらに限定されることなく、成分の調整の目的以外の役割を果たすものを含めることもできる。

粘結材とは、粘土質無機物質であって、前述した粘土、カオリン等や、ベントナイト、パルプ製造時に廃液に含まれるリグニン等が挙げられる。これらは、成形時に成形補助材となる。

上記原材料を混合、成形して焼成に供する。混合、成形方法は、既存の方法を使用することができる。混合は、圧縮空気を送り込むことで粉体を拡散させるブレンディング方式が効率的であり、大量生産に適する。成形は、所定の粒径となるように成形することができれば方法は問わない。例えば、パンペレタイザを使用した転動造粒、ヘンシェルミキサ（三井造船株式会社製、登録商標）等を使用した攪拌造粒等が挙げられる。

焼成にあたっては、１段目及び２段目ともにロータリーキルンを用いると、大量生産が可能となるので好ましい。その際、第１ステップとして、９００〜１１００℃で仮焼する。この温度領域で原料中の未燃分が燃焼し、かつ、成形物の燃焼過程が進行し始める。これにより、原料中の未燃分が減少し、この後の高温焼成の際に、爆発的な燃焼による骨材組織の破壊を防止することができる。また、焼結過程が進行し始める段階であることで、成形物の強度が増加し、各工程間におけるハンドリング性の向上に寄与する。９００℃未満では、未燃分の低減は十分ではなく、１１００℃を超えると、成形物の焼結過程が進行しすぎるため、歪み等による骨材組織の破壊を招くおそれがあるため好ましくない。

次いで、第２ステップとして、これらの仮焼物を１２００℃以上で焼成する。１２００℃以上で焼結の進行度合いが増し、骨材の緻密化が図られる。さらに、成形物の融着温度近傍で焼成すると、骨材組織が一層強固なものとなり、低吸水高強度性が増大するので好ましい。

このようにして製造された人工骨材は、絶乾密度が１．５０ｇ／ｃｍ³以上、２．１０ｇ／ｃｍ³以下で、２４時間吸水率が０．１質量％以上、６質量％以下で、圧かい荷重が、粒径５ｍｍ以上、１０ｍｍ未満の焼成物で０．５ｋＮ以上、または、粒径１０ｍｍ以上、１５ｍｍ未満の焼成物で１．０ｋＮ以上であり、絶乾強度は、ＪＩＳに規定される構造用人工軽量骨材Ｈ品に相当するものであるが、吸水率は極めて低く、天然骨材と同程度である。

原料として、未燃カーボンの含有率が、３．０、４．２、６．０質量％の石炭灰Ａ、Ｂ、Ｃの３種、水硬性材料として普通ポルトランドセメント（ＯＰＣ）、燃結材としてベントナイトを用い、これらを混合した後、パンペレタイザで粒径１０〜２０ｍｍに成形し、φ１．５ｍ×２０ｍＬのロータリーキルンで焼成した。

始めに、仮焼時におけるペレットの粉化状況について確認した。石炭灰Ａを用いて水硬性材料である普通ポルトランドセメントの添加量による収率の変化を見たところ表１に示すような結果となった。

次いで、原料配合割合を各々、石炭灰８７質量％、普通ポルトランドセメント１０質量％、ベントナイト３質量％としたときの焼成状況と焼成物の品質を表２に示す。尚、得られた骨材について、絶乾密度と２４時間吸水率は、ＪＩＳＡ１１３５構造用軽量粗骨材の比重及び吸水率試験に準拠して測定した。また、圧かい荷重は、土木学会ＪＳＣＥ−Ｃ５０５高強度フライアッシュ人工骨材の圧かい荷重試験方法（案）に準拠して測定した。

表１及び表２から明らかなように、水硬性材料を添加することによって仮焼時におけるペレットの粉化等を抑制し、生産性の高い安定焼成が可能となる。また、１度で焼成した場合には、原料投入量を大幅に抑えても尚高品質とは言えない骨材が得られるに過ぎないが、本発明にかかる人工骨材の焼成方法のように、２度焼成した場合には、低吸水率で高強度の人工骨材が得られることが確認された。

Claims

石炭灰を主成分とする粉粒体に水硬性材料を加えて成形物とした後、
９００℃以上、１１００℃以下で仮焼し、前記成形物中のカーボンの量を１．０質量％以下とし、
前記仮焼物を融着温度近傍にて本焼成することを特徴とする人工骨材の焼成方法。
前記石炭灰に含まれる未燃カーボンが、１．５質量％以上であることを特徴とする請求項１に記載の人工骨材の焼成方法。
前記本焼成によって得られた人工骨材は、絶乾密度が１．５０ｇ／ｃｍ³以上、２．１０ｇ／ｃｍ³以下で、２４時間吸水率が０．１質量％以上、６質量％以下で、圧かい荷重が、粒径５ｍｍ以上、１０ｍｍ未満の焼成物で０．５ｋＮ以上、または、粒径１０ｍｍ以上、１５ｍｍ未満の焼成物で１．０ｋＮ以上であることを特徴とする請求項１または２に記載の人工骨材の焼成方法。